CN1523698A - 固体高分子型燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于车载目的的燃料电池系统。本发明由接受利用纯水电解的氢制造装置(11)中产生的氢气的供应的固体高分子型燃料电池构成。在电池组(30)内具有：流量计(14)、热风喷嘴(15)、雾化喷嘴(16)、水量传感器(17)、温度传感器(18)、气体浓度传感器(19)、排水阀(20)、水箱(21)、泵(20)、氢供应管(23)、氧供应管(24)、输出电极(25)、放大器(26)，根据从各个传感器发出的信号由能量控制单元(10)使负载(27)的运转最佳化。

Description

固体高分子型燃料电池系统

[技术领域]

本发明涉及一种在用于车载目的的固体高分子型燃料电池中，将利用纯水的电解形成氢的制造装置、和接受由该装置产生的氢气的供应的电池组形成一体的燃料电池系统。

[背景技术]

固体高分子型燃料电池，采用由高分子离子交换膜(阳离子交换膜)构成的电解质膜，以规定的数目将配有由电解质膜构成的膜电极结合体和隔板的发电电池层叠起来，作为燃料电池组使用。

在这种燃料电池中，供应给氧侧电极的燃料气体，例如主要含有氢的气体(含氢气体)，在触媒电极上将氢离子化，通过电解质向氢侧电极移动，其间产生的电子输出到外部回路中作为直流电能加以利用。由于向氢侧电极供应氧化剂气体、例如主要含有氧的气体或者空气(称为含氧气体)，所以在氢侧电极上氢离子、电子和氧产生反应并生成水。

在上述燃料电池中，设定用于发挥有效的发电性能的最佳工作温度，为了将发电电池保持在工作温度上，采用各种冷却结构。通常，通过在构成燃料电池组的隔板上形成冷却媒体用通路以供应水等冷却媒体，对发电电池进行冷却。

[发明内容]

在这种情况下，作为冷却媒体使用的水和在汽车引擎冷却中使用的冷媒混入了离子等杂质或金属类添加剂，使冷媒本身具有导电性。在采用去离子水或纯水的情况下，在运转中由于在冷却系配管和散热器中进行循环混入到金属等中，使冷媒具有导电性。在燃料电池组中，由于由各发电电池产生的电子从电池组两端侧的集电用电极输出，当如上所述冷却媒体具有导电性时，经由冷却媒体在冷却系配管和散热器等中流过电流，产生接地或形成盐桥，使燃料电池组的整体输出下降。

燃料电池的外形通常成横向设置。当横向设置时，在燃料电池的隔板中确定出必要的气体供应口和排出口，特别地，氧的未反应气体的排出口由于以下原因被确定在燃料电池的下部位置上。

使向燃料电池供应的氢反应气体、和夹有另一个离子交换膜的氧反应气体产生反应，在亲水性触媒上分离出氢离子和电子。氢离子在离子交换膜中与水成一体地移动，电子通过外部回路(这是流过电流)，在氧极触媒上使氢离子、氧和电子反应并生成水。通过该起电反应产生的水基本上按照下述方式处理。被水湿润的氧极触媒层和氧极扩散层，以及氧极的隔板上也存留有水，这些水送至隔板的气体流路槽中向较低的方向汇集。不久，由于重力法则从较低的氧的未反应气体排出口流出到外部。而且，流到容纳所述水的冷却水用歧管中，再次作为冷却水使用。

在车载型燃料电池汽车中，马达和机室内的使用设备仪器由于是通用设备，所以存在配置空间大而受到限制的情况。电机产品的绝对电压在600伏以下，引擎汽车的使用标准也是一样的。由于主驱动马达是交流的，所以必须要组装用于将燃料电池的动力从直流转变成交流、平稳地获得稳定的电流的电子设备。由于该电子设备或多或少会发热，因而必须进行冷却。

能量控制单元由防水结构密封，由于在马达、机室内使用的电子仪器上升温度大多较弱，因而，为了冷却有必要将冷气导入到能量控制单元中。开关回路内的开关元件的使用温度保持在150℃以下，电流稳定器的电抗线圈必须冷却到100℃以下。

在安装在车上的电子仪器的例子中，压缩机的最大流量为3000升/min(标准)。中间冷却器的冷却能力为3000升/min(标准，在150℃～80℃能力下降。用于冷却的水为70℃，流量为100升/min。消音器采用115Hz、210Hz、485Hz、660Hz、935Hz。在吸热装置内流动的冷却剂的流量最大为16升/min，发热电子仪器的开关元件的最大发热量采用1650W，电抗线圈的最大损耗为55.9W。由于燃料电池本身也是发热设备，所以有必要供应冷却水和进行温度管理。燃料电池的氢气流量和氧气流量与主驱动马达整体由能量控制单元进行调节和管理。

本发明的目的是提供一种可以可靠地防止通过冷却媒体漏电、保持有效的发电性能的固体高分子型燃料电池。

为了实现上述目的，本发明的固体高分子型燃料电池系统，是接受因纯水电解而在氢制造装置11中产生的氢气的供应的固体高分子型燃料电池；其特征为，在氢侧电极和氧侧电极之间配置离子交换膜的膜电极结合体，用隔板夹持膜电极结合体的两个面构成电池组，各个隔板分别在对向边的一边具有氢气、氧化剂气体以及冷却水用的上游侧流通孔，在另一边具有下游侧流通孔，与氧侧电极连接的隔板具有通过前述氢气用上游和下游流通孔的多条流通槽，与氢侧电极连接的隔板具有通过前述氧化剂用上游和下游流通孔的多条流通槽，进而，冷却用隔板具有通过前述冷却水用上游和下游流通孔的多条流通槽；在电池组内，配有氢气和氧气流量、温度传感器和冷却水流量传感器，同时，具有根据从上述各部而来的检测信号进行运转控制的能量控制单元，进而，将来自电池组输出电极的电力通过放大器供应给负载。

并且，前述电池组内的隔板的特征在于，其由与氧侧电极相连的隔板、和与氢侧电极相连的隔板构成，在氧极侧隔板中配有排水阀。

并且，前述放大器的特征在于，将直流发电机直接联接到以电池组的电力作为电源的输入用马达上，以相对于配置在该直流发电机的转子外周上的磁铁M1的N、S极成为相同的极性、在相邻的两者之间极性相互不同的方式在磁铁M1的外周上设置永磁铁M2，以增加前述直流发电机的转子转数，将输出用发电机连接到前述直流发电机的输出轴上，从该输出用发电机输出比输入侧增强了的高旋转输出的直流电源。

如上所述，采用本发明的燃料电池，用于冷却发电电池的冷却媒体，由于与发电电池和集电用电极电绝缘，所以可以可靠地保持所需的发电性能。进而，夹住冷却水用隔板配置的发电电池彼此、或者前述发电电池和集电用电极相互电连接，燃料电池组整体可以保持所需的发电性能。

并且，如方案3所述，通过在电池组的输出侧插入放大器并连接负载，可以输出比输入侧的转矩增大的高旋转输出。

[附图的简单说明]

图1是本发明燃料电池系统的框图。

图2是冷却水用隔板的正视图。

图3是氧极侧隔板的正视图。

图4是氢极侧隔板的正视图。

图5是表示本发明中放大器的一个例子的结构图。

[符号说明]

10能量控制单元10                  11氢制造装置

12密闭容器                        13热风风扇

14流量计                          15热风喷嘴

16雾化喷嘴                        17水量传感器

18温度传感器                      19气体浓度传感器

20排水阀                          21水箱

22泵                              23氢供应管

24氧供应管                        25输出电极

26放大器                          27负荷

30电池组                          31膜·电极结合体

32氢极侧隔板

33氧极侧隔板                      34冷却水用隔板

35离子交换膜(电解质层)            36、37触媒层

41冷却水入口                      42冷却水出口

43燃料(未反应)入口                44燃料出口

45空气入口                        46空气出口

52、53、54流通槽

[发明的实施形式]

图1是表示本发明燃料电池系统的整体结构的框图。

来自对纯水进行电解以产生氢的氢制造装置11的氢供应管23、氧供应管24分别连接到电池组30的氢极隔板32和氧极隔板33上。设置在密闭容器12内的电池组30通过夹住离子交换膜(电解质层)35将触媒层36、37及氢极、氧极与各个隔板32、33层叠起来，在端板上设置各气体供应管，在氢气供应管中插入雾化喷嘴16、在氧气供应管中插入热风喷嘴15。在图3中，如后面所述，在氧极侧隔板33上设置排水阀20，可以省略冷却水用隔板。

另外，在图中，符号13是热风扇、14是流量计、15是热风喷嘴、16是雾化喷嘴、17是水量传感器、18是温度传感器、19是气体浓度传感器。这些传感器连接到能量控制单元10上，预先设置氢气的流量调节功能、氧气的流量调节功能和冷却水流量调节功能。

图2是冷却水用隔板34的正视图。在长方向板面的一侧上开设有冷却水入口41、在另一侧上开设有冷却水出口42，在其间形成多个流通槽52。

图3是氧极侧隔板的正视图，同样，在长方形板面的一侧上开设冷却水入口41、在另一侧上开设冷却水出口42，在其间形成多个流通槽52。在冷却水入口41的上下设置氢气出口44和氧气出口46，在冷却水出口42的上下设置氧气入口45和氢气入口43。并且，在流通槽53的一部分上安装可自由开关的排水阀20。进而，在氧气出口46侧插入温度传感器18、气体浓度传感器19，在氧气入口45中配置雾化喷嘴16、在氢气入口43中配置水量传感器17。

图4是氢极侧隔板的正视图，在长方形板面的一侧开设冷却水入口41、在另一侧开设冷却水出口42，其间形成多个流通槽54。在冷却水入口41的上下设有氧气出口46和氢气出口44，在冷却水出口42的上下设有氢气入口43和氧气入口45。并且，在流通槽54的氢气出口44侧插入温度传感器18、气体浓度传感器19，在氢气入口43中插入热风机喷嘴15。

在本发明中，在装配在汽车上的能量控制单元10中，预先设置氢气流量调节功能、氧气流量调节功能和冷却水流量调节功能，以执行各种功能的调节。

利用专门的送风机一边对由氢制造装置产生的氢气进行控制，一边在氧极侧隔板33的槽中增加其湿度并进行供应。供应的氢气进入氢气流路，通过多孔的扩散电极层(氢极集电层)23，在氢极侧的触媒电极层(氢极触媒层)36中形成氢反应气体。对该氢气的流量进行控制。通过夹住另一个离子交换膜35，在相对的氢极侧隔板32的氧气供应槽中，以便利用送风机对由同一氢制造装置产生的氧气增加湿度，一边用压缩机加压以便供应。氧气的流量也可以调节。

供应的氧气进入隔板的氧气流路，通过多孔的扩散电极层，在氧极侧触媒电极层中形成氧反应气体。在此，氢气和氧气反应(在氢极触媒上)分离出氢离子的负电子。这便是电的来源。同时，从氧极侧的隔板33的冷却水供应槽一边调节水量一边供应冷却水。冷却水的供应量也可以调节。在冷却氧极侧的同时，使氧极侧电极层和触媒电极层37具有湿度。用眼睛确认电池组10的发电量，获得良好的氢气反应结果。

以夹住另一个离子交换膜35的方式相对的氢极侧通过反应气体的氢气和氧气的反应而生成水。所生成的水几乎随后都被蒸发潜热所吸收，但是仍有必要设有用于临时调整的歧管部位。所述水作为冷却水供应使用。由氢制造装置生成的氢气和氧气可以一边没有浪费地进行调节，一边控制氧极侧的氢气供应、用眼睛观察电池组的发电量，可以确认氢气反应良好的状态。

并且，在以夹住离子交换膜的方式相对的氢极侧的氧气供应中，也可以一边控制流量以确认氧气反应的良好状态，一边确认电池整体的发电状态以进行操作，是可以简单地工作运转的将氢制造装置和固体高分子电解质型燃料电池形成一体的车载型燃料电池系统。

进而，根据从能量控制单元发出的指令，可以自由地控制在工作运转中所必需的各种调节部位，可以简单地进行启动。

在燃料电池中，在氧反应气体供应口处安装热风发生机，喷嘴口径为3mm(常温～300℃、风量为1.48m³/min)的热风机。以夹住另一个离子交换膜的方式，使供应的氢反应气体和供应的氧反应气体反应，在氢极触媒上分解成氢离子的电子。在发生起电反应时，在氧极触媒上产生出生成水，并以以下方法对生成的水予以去除。从安装在氧反应气体供应口处的热风发生机的喷嘴向氧反应气体供应口送给200℃左右的已加热的热风。不久，氧极隔板被整体干燥。而且，电池内的内部电阻也可以受到抑制，获得电池整体的良好发电环境。

在另一个氢反应气体供应口处安装喷嘴口径为3mm(室温～300℃、风量为1.48m³/min)的热风机。并且，在氢反应气体供应口处安装口径为3mm的喷雾装置。在从供应口供应氢反应气体的同时，利用所安装的喷雾装置根据顺序的需要从供应口供应所准备的纯水。同时，从所安装到热风发生机的喷嘴向氢反应气体供应口送给200℃左右的已加热的热风。通过送给热风可以使所供应的氢气的反应进一步活跃。通过适当的湿气和适当的加热，触媒电极层和扩散电极层均保持良好的发电环境。作为燃料电池的问题，氢极侧供应口附近(入口)的内部电阻高的问题，另一方面，氧极侧的排出口附近(出口)的内部电阻高的问题，均得到了解决。氧极侧的干燥和氢极侧的湿气是可以调节的，电池组整体的管理简单，可以保持良好的发电状态。

燃料电池工作时形成80℃左右的发热体，工作运转之前(特别是在寒冷的地方)，燃料电池由于温度很低，所以必须做最佳的启动运转，需要进行操作。在将从形成一体的氢制造装置供应的氢反应气体供应给燃料供应口的同时，从所装配的雾化喷嘴送出加入湿气的热风(热风的温度与气温成反比，而气温在0℃时热风为80℃)。

以夹住离子交换膜的方式向氧气供应口供应氧反应气体，同时，从所装配的热风喷嘴送出热风(热风的温度与气温成反比，气温为0℃时热风为80℃)。从而，从开始的时刻起，供应给燃料电池的氢反应气体和氧反应气体便形成了热气运转状态，两种反应气体产生作用，不久，在氢极触媒上分离出氢离子和电子。氢离子与水成一体在离子交换膜中移动，在氧极触媒上，氢离子、氧和电子产生反应并生成水。这时，电子通过外部回路产生电流。这样，燃料电池的工作开始，由对成一体的氢制造装置和燃料电池进行整体调整的能量控制单元10进行自动调节。

另外，所安装的氧极侧热风喷嘴和氢极侧雾化喷嘴可以对送风量进行调节，同时，可以在5℃～300℃的温度范围内进行温度调节，因而，在热带地区可以作为冷却剂的送风机使用。

在燃料电池中，为了安全地保持可靠的发电状态，进行以下措施。在氢的未反应气体排出口处安装用于感知排出气体浓度的气体浓度传感器。并且，安装用于感知排出气体温度的气体温度传感器。通过检测排出的氢未反应气体的浓度，和排出的氢未反应气体的温度，可以获知当前燃料电池的发电状态，同时，获知所供应的氢未反应气体的供应量，同时，用于调节送出的热风量和湿度、温度。同样，以夹住另一个离子交换膜的方式在氧未反应气体的排出口处安装用于感知排出气体浓度的气体浓度传感器，同时，安装用于感知排出气体温度的气体温度传感器。

这样，检测出排出的氧未反应气体的浓度和排出的氧未反应气体的温度，获知燃料电池的发电状态，同时，调节所供应的氧反应气体的供应量。同时，调节送出的热风量和温度。

作为调节送出的热风量和温度的目的，利用在形成一体的氢制造装置和燃料电池的能量控制单元，自动调节或手动调节下述1～5项中的两个设备的操作。

能量控制单元中所配备的内容如下。

1、氢制造装置的开始、燃料电池的开始。

2、氢气和氧气的发生量、温度、湿度显示。

3、氢气和氧气的供应压力显示。

4、与燃料电池的启动同时，显示在氢极侧的供应口处的适当时间、湿气的供应和温湿度。显示氢气排出口的气体浓度和气体温度。

5、与燃料电池的启动同时，在氧极侧的供应口处送出热风并对氧极触媒层和集电层进行干燥。显示氧气排出口的气体浓度和气体温度。

在本发明的燃料电池中，在集电用电极之间夹装有冷却水用隔板，供应给该冷却水用隔板的冷却媒体通过绝缘装置与发电电池和前述集电用电极电绝缘，同时，以夹住前述冷却水用隔板的方式配置的前述发电电池彼此、或者前述发电电池和前述集电用电极通过导电装置相互电连接。因此，可以可靠地防止经由冷却媒体产生接地或盐桥，有效地防止燃料电池组整体输出降低，可以保持所需的发电功能。

可以省略冷却水用面板的原因是，为了对电池组发电时发出的热量进行散热，通常用冷却水对隔板进行冷却，但是，如图3所示，在氧极侧隔板的下部设有排水阀20，通过将水排出到外部，可以冷却隔板。

在这种情况下，向氢极侧触媒和集电层的湿度供应和氢反应气体的供应，通过传感器的检测对温度、湿度、流量进行控制，对于移向夹住另一个离子交换膜的氧极侧触媒层和集电层的氧反应气体的温度、流量的调节也通过温度传感器、气体浓度传感器的检测进行控制。并且，利用水量传感器的显示，通过送出湿度在0～5％的干燥的热风，对生成的水进行处理。当所产生的生成水超过规定的量时，通过打开设置在氧侧隔板下部的排水阀排出到外部。

图5是表示本发明中的放大器的一个例子的结构图。该放大器可以输出比输入侧的转矩增强的高旋转输出，是采用永磁铁的小型、高输出电源输出装置。

即，如图5所示，将直流发电机70直接联接到作为从电池组39发出直流电的电源的输入用马达60上，以相对于配置在上述直流发电机70的转子71外周上的磁铁M1的N、S极成相同极性、在相邻磁铁之间极性相互不同的方式在上述磁铁M1的外周上设置永磁铁M2，增大上述直流发电机70的转子71的转数，将输出用发电机76连接到上述直流发电机的输出轴69上，从该输出用发电机输出比上述输入侧的转矩增大的高旋转输出的交流或直流电源。

在图5中，施加交流或直流电以起动输入用马达60，当使与其直接连接的直流发电机70的转子71旋转时，通过相对于配置在转子的外周上的磁铁M1的N、S极成相同极性、在相邻外周上设置极性相互不同的永磁铁M2，增加定子侧的磁力，使转子的旋转成为高速旋转。该高旋转输出传递给输出用发电机76进行高速旋转，从而输出比输入侧增强了的高输出电源。

当起动直流马达60时，与其直接相连的直流发电机70的转子高速旋转，连接到直流发电机上的输出用发电机76的转子也高速旋转，从该输出用发电机76可以输出比输入侧电源高的输出电源。并且，可以使结构小型化、简单化，适于使用。另外，在机室内必须要有交流电源的情况下，可进行D/A转换使用。

如图5所示，高输出电源输出装置，将直流发电机70直接联接到由作为交流或直流电源的交流马达或直流马达构成的输入用马达60上，以相对于配置在上述直流发电机70的转子的外周上的磁铁M1的N极、S极成相同极性、在相邻磁铁之间极性相互不同的方式在上述磁铁M1的外周上设置永磁铁M2的N极、S极，增大上述直流发电机70的转子转数。

在直流发电机70中产生的电力，与转子旋转的速度成比例的增加，电压成比例地增加，从而，若发电机的电压为V、k为由发电机的结构确定的常数、N为发电机的转子转数、φ为磁通量，则关系式V＝k·N·φ成立。从上式可知，磁通量φ＝V/k·N，磁通量φ增加则电压V增加，同时转数N也增加。

Claims (3)

1、一种固体高分子型燃料电池系统，是接受因纯水电解而在氢制造装置(11)中产生的氢气的供应的固体高分子型燃料电池；其特征为，在氢侧电极和氧侧电极之间配置离子交换膜的膜电极结合体，用隔板夹持膜电极结合体的两个面构成电池组，各个隔板分别在对向边的一边具有氢气、氧化剂气体以及冷却水用的上游侧流通孔，在另一边具有下游侧流通孔，与氧侧电极连接的隔板具有通过前述氢气用上游和下游流通孔的多条流通槽，与氢侧电极连接的隔板具有通过前述氧化剂用上游和下游流通孔的多条流通槽，进而，冷却用隔板具有通过前述冷却水用上游和下游流通孔的多条流通槽；在电池组内，配有氢气和氧气流量、温度传感器和冷却水流量传感器，同时，具有根据从上述各传感器而来的检测信号进行运转控制的能量控制单元，进而，来自电池组输出电极的电力通过放大器供应给负载。

2、如权利要求1所述的固体高分子型燃料电池，其特征在于，前述电池组内的隔板，其由与氧侧电极相连的隔板、和与氢侧电极相连的隔板构成，在氧极侧隔板上设有排水阀。

3、如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，前述放大器，将直流发电机直接联接到以电池组的电力作为电源的输入用马达上，以相对于配置在该直流发电机的转子外周上的磁铁M1的N、S极成为相同的极性、在相邻的两者之间极性相互不同的方式在磁铁M1的外周上设置永磁铁M2，增加前述直流发电机的转子转数，将输出用发电机连接到前述直流发电机的输出轴上，从该输出用发电机输出比输入侧增强了的高旋转输出的直流电源。

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