JP2004022386A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車載を目的とした燃料電池システムを提供する。
【解決手段】純粋の電気分解による水素製造装置１１に発生した水素ガスの供給を受ける固体高分子型燃料電池とからなる。セルスタック３０内に流量計１４、熱風ノズル１５、霧吹ノズル１６、水量センサ１７、温度センサ１８、ガス濃度センサ１９、水抜き弁２０、水タンク２１、ポンプ２０、水素供給管２３、酸素供給管２４、取出電極２５、増幅器２６を有し、各センサからの信号に基づきパワーコントロールユニット１０によって負荷２７の運転を最適なものとする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載を目的とした固体高分子型燃料電池において、純水の電気分解による水素製造装置と、その装置より発生した水素ガスの供給を受けるセルスタックを一体型とした燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用し、電解質膜により構成される膜電極接合体とセパレータとを備える発電セルを所定数だけ積層して燃料電池スタックとして用いられている。
この種の燃料電池において、酸素側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（水素含有ガス）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介して水素側電極側へと移動し、その間に生じた電子が外部回路に取り出され直流の電気エネルギーとして利用される。水素側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（酸素含有ガスともいう）が供給されているため、水素側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００３】
上記燃料電池では、有効な発電性能を発揮するための最適な作動温度が設定されており、発電セルを作動温度に維持するため、種々の冷却構造が採用されている。一般的には、燃料電池スタックを構成するセパレータに冷却媒体用通路を形成して水等の冷却媒体を供給することにより発電セルの冷却が行なわれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、冷却媒体として使用される水や自動車エンジン冷却に使用される冷媒では、イオン等の不純物や金属系添加剤が混入しており、この冷媒自体に導電性が付与されている。脱イオン水や純水を用いる場合にも、運転中に冷却系配管やラジエータを循環することによって金属等が混入し、この冷媒に導電性が付与されてしまう。燃料電池スタックでは、各発電セルで発生した電子がスタック両端側の集電用電極から取り出されるため、上記のように冷却媒体に導電性が付与されると、冷却媒体を介して冷却系配管やラジエータ等に電気が流れ、地絡や液絡が発生して燃料電池スタック全体の出力が低下する。
燃料電池の外形は、通常、横位置の設置にする。横位置としたときに燃料電池のセパレータに必要ガスの供給口と排出口を決めるが、特に酸素未反応ガスの排出口は、次の理由により、燃料電池の下部の位置になるように決める。
燃料電池に供給された水素反応ガスと、他方イオン交換膜を挟んで酸素反応方スとが反応して水薬傾触媒上で水素イオンと電子に分かれる。水素イオンはイオン交換膜中を水と一体となり移動し、電子は外部回路を通り（この時電流が流れ）酸素極触媒上で水素イオンと酸素と電子とが反応して水が発生する。この起電反応で発生し水のほとんどは次のように処理される。水に濡れた酸素極触媒層や酸素極拡散層そして酸素極のセパレータにも水が溜り、その水はセパレータのガス流路溝を伝って低い方へと集まる。やがて重力の法則により低い酸素未反応ガス排出口より外部へ流出する。そしてこの水は取付けられた冷却水用マニホールドにプールされ再度冷却水として利用される。
【０００５】
車載型燃料電池自動車では、モータ及びルーム内での使用設備機器は汎用機器のため、配置スペースに大きく制限を受ける場合がある。電機製品の絶対電圧が６００ボルト以下であるなど、エンジン自動車の使用基準がそのまま利用される。駆動用メインモニターは交流のため、燃料電池の動力を直流から交流に変換し平滑で安定的な電流を得るための電子機器を組込む必要がある。その電子機器の幾つかは発熱するので冷却する必要がある。
パワーコントロール、ユニットは防水構造で密封されており、モータ、ルーム内で使用される電子機器は上昇温度に弱い物が多いので、冷やすためにパワーコントロ−ルユニット内に冷気の導入が必要である。スイッチング回路内の、スイッチング素子は使用温度を１５０℃以下に保ち、電流安定器のリアクトルは、１００℃以下に冷やす必要がある。
【０００６】
実装車の電子機器の例では、圧縮機は最大流量３０００リットル／ｍｉｎ（標準）を使用した。インタークーラーは冷却能力３０００リットル／ｍｉｎ（標準）で、１５０℃〜８０℃まで低下の能力がある。冷却のため使用された水は７０℃で、流量１００リットル／ｍｉｎでした。消音機は１１５Ｈｚ，２１０Ｈｚ，４８５Ｈｚ，６６０Ｈｚ，９３５Ｈｚを使用している。ヒートシンク内を流れるクーラントの流量は、最大１６リットル／ｍｉｎで、発熱電子機器のスイッチング素子の最大発熱量は１６５０Ｗを使用し、リアクトルは最大損矢５５、９Ｗのものを使用した。燃料電池その物も発熱機器のため、冷却水の供給や温度管理が必要である。燃料電池の水素ガス流量と酸素ガス流量と駆動用メインモータの全体を、パワーコントロールユニットが調整及び管理をする。
本発明の目的は、冷却媒体を介して漏電することを確実に阻止して、有効な発電性能を維持することができる固体高分子型燃料電池を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明固体高分子型燃料電池システムは、　純粋の電気分解による水素製造装置１１に発生した水素ガスの供給を受ける固体高分子型燃料電池であって；水素側電極と酸素側電極との間にイオン交換膜を配置した膜電極接合体と膜電極接合体との両面をセパレータで挟持してセルスタックを構成し、セルスタック内には、水素及び酸素ガスの流量・温度センサと冷却水流量センサを備えると共に、上記各部からの検出信号に基づいて運転制御するパワーコントロールユニットを有し、さらにセルスタックの取出電極からの電力を増幅器を経て負荷に供給するようにしたことを特徴とする。
前記増幅器は、セルスタックの電力を電源とする入力用モータに直流発電機を直結し、該直流発電機の回転子外周に配置される磁石Ｍ１のＮ、Ｓ極に対しては同極となり隣接間では互いに異極となるよう磁石Ｍ１の外周に永久磁石Ｍ２を付設して前記直流発電機の回転子回転数を増幅し、前記直流発電機の出力軸に出力用発電機を接続して該出力用発電機から、入力側よりも増幅された高回転出力の直流の電源を取出すようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明燃料電池システムの全体の構成を示すブロック図である。
純水を電気分解して水素を発生させる水素製造装置１１からの水素供給管２３、酸素供給管２４をセルスタック３０の水素極セパレータ３２と酸素極セパレータ２４にそれぞれ連結する。密閉容器１２内に設置されたセルスタック３０は、イオン交換膜（電解質層）を挟んで触媒層及び水素極、酸素極と各セパレートを積層したものであり、エンドプレートに各ガスの供給管を設け、水素ガス供給管に霧吹ノズル１６、酸素ガス供給管に熱風ノズル１５を挿入する。
なお、図中、符号１３は熱風ファン、１４は流量計、１５は熱風ノズル、１６は霧吹ノズル、１７は水量センサ、１８は温度センサ、１９はガス濃度センサである。これらのセンサはパワーコントロールユニット１０に接続され、あらかじめ水素ガスの流量調節機能と酸素ガス流量調節機能と冷却水流量調節機能をセットして置くおくものである。
【０００９】
本発明は、自動車に装備するパワーコントロールユニット１０に、あらかじめ水素ガスの流量調節機能と酸素ガス流量調節機能と冷却水流量調節機能をセットして各機能の調節を行う。
水素製造装置より発生した水素ガスを、特別製の送風機によりコントロールしながら酸素極側セパレータの溝に湿度を加えながら供給する。供給された水素ガスは水素流路を進み多孔質の拡散電極層（水素極集電層）２３を通じて水素極側の触媒電極層（水素極触媒層）で水素反応ガスとなる。この水素ガス流量をコントロールする。他方イオン交換膜を挟んで相対する水素極側セパレータの酸素ガス供給溝に、同じく水素製造装置より発生した酸素ガスを、送風機で湿度を加えながら、かつ圧縮機で加圧して供給する。酸素ガス流量も調節できる。
【００１０】
供給された酸素ガスはセパレータの酸素流路を進み多孔質の拡散電極層を通じて酸素極側の触媒電極層で酸素反応ガスとなる。ここで水素ガスと酸素ガスが反応して（水素極の触媒上で）水素イオンとマイナス電子に分かれる。これが電気の元である。同時に酸素極側のセパレータの冷却水供給溝より水量を調節しながら冷却水を供給する。冷却水の供給量も調節ができる。酸素極側を冷却すると共に酸素極側電極層と触媒電極層に湿度を与える。セルスタック１０の発電量を目で確認することで水素ガス反応の良好な結果が得られる。
【００１１】
他方イオン交換膜を挟んで相対する水素極側は反応ガスの水素ガスと酸素ガスとの反応により水が生成される。発生した水のほとんどは後に蒸発潜熱で吸収されるが、一時的に調整するためマニホールド箇所が必要である。この水は冷却水供給用として使用される。水素製造装置より発生した水素ガスと酸素ガスを無駄なく調整しながら、酸素極側の水素ガス供給をコントロールしセルスタックの発電量を目で見ることができ、水素ガス反応の良好な状態も確認できる。
また、イオン交換膜を挟んで相対する水素極側の酸素ガス供給についても、流量をコントロールして酸素ガス反応の良好な状態を確認しながら、セルスタック全体の発電の状態を確認しながら操作することができ、簡単に稼動運転が可能な水素製造装置と固体高分子電解質型燃料電池を一体型とした車載型燃料電池システムである。
さらに、パワーコントロールユニットからの指令により、稼動操作に必要な各調整箇所を自由にコントロールすることができ、起動スタートも簡単にできる。
【００１２】
燃料電池において、酸素反応ガス供給口に熱風発生機、ノズルロ径３ｍｍ（常温〜３００℃風量１．４８ｍ^３／ｍｉｎ）熱風機を取付ける。これは供給された水素反応ガ子と他方イオン交換膜を挟んで、供給された酸素反応ガスが反応して水素極蝕媒上で水素イオンと電子に分かれる。この起電反応が起きているとき、酸素極触媒上で生成水が発生し出来た水の除去は次の解決手段で処理する。酸素反応ガス供給口に取付けた熱風発生機のノズルより２００℃前後の加熱された熱風を酸素反応ガス供給ロに送風する。やがて酸素極セパレータ全体が乾燥して来る。そしてセル内の内部抵抗も抑えることができてセル全体の良好な発電環境が得られる。
【００１３】
一方の水素反応ガス供給口に熱風発生機、ノズル口径３ｍｍ（室温〜３００℃風量１．４８ｍ^３／ｍｉｎ）の熱風機を取付けます。加えて水素反応ガス供給ロに口径３ｍｍの霧吹装置を取付ける。これは水素反応ガスを供給口より供給すると共に、装着した霧吹装置で用意された純水を順次必要に応じて供給口より供給する。同時に取付けました熱風発生機のノズルより２００℃前後の加熱された熱風を水素反応ガス供給口に送風する。熱風を送ることで供給された水素ガスの反応を一層活性化させることができる。適当な湿気と適当な加熱で触媒電極層も拡散電極層も良好な発電環境が維持される。燃料電池の課題であった、水素極側は供給口近く（入口）の内部抵抗が高いこと、一方の駿索極側は排出口の近く（出口）の内部抵抗が高いとの問題解決にもなる。酸素極側の乾燥と，水素極側の湿気を調整することができて、セルスタック全体の管理が簡単になり良い発電状態を持続することができる。
【００１４】
燃料電池は稼動すれば８０℃前後の発熱体になるが、稼動運転する前は（特に寒冷地では）燃料電池は冷えているため最適なスタート運転をする準備をして作業に掛からなければならない。一体となっている水素製造蓑置より供給される水素反応ガスを、燃料供給口に供給すると同時に、装備された霧吹ノズルより熱風に湿気を加え（熱風の温度は気温に反比例するが、気温０℃で熱風８０℃）を送風する。
イオン交換膜を挟んで酸素ガス供給口に酸素反応ガスを供給すると同時に、装備された熱風ノズルより熱風（熱風の温度は気温に反比例し、気温０℃で熱風８０℃）を送風する。これによりスタート時点より燃料電池に供給された水素反応ガスと酸素反応ガスが既に暖気運転状態となり、両方の反応ガスが作用しあってやがて水素極の触媒上で水素イオンと電子に分かれる。水素イオンはイオン交換膜中を水と一体となり移動し、酸素極触媒上で水素イオンと酸素と電子が反応して生成水が発生する。そのとき、電子は外部回路を通り電流が発生する。この様にして燃料電池の稼動が始まれば、一体となっている水素製造装置と燃料電池は全体を調整しているパワーコントロールユニット１０にて自動調整することになる。
なお、取付けられた酸素極側の熱風ノズルと水素極側の霧吹ノズルは送風量の調節ができ、同時に５℃〜３００℃までの温度調節ができるので、熱帯地方ではクーラントの送風機として使用可能である。
【００１５】
燃料電池において安全確実な発電状態を維持するため、次のことを実行する。水素未反応ガスの排出ロに排出ガス濃度を知るためのガス濃度センサを取付ける。また、排出ガス温度を知るためのガス温度センサを取付ける。これは排出された水素未反応ガスの濃度を知ることと、排出された水素未反応ガスの温度を知る事で現在燃料電池の発電状態を知ることができると共に、供給されている水素反応ガスの供絵量を和することが目的であり、同時に送風されている熱風量と湿度と温度の調節をすることが目的である。同様に他方イオン交換膜を挟んで酸素未反応ガスの排出口に排出ガス濃度を知るためのガス濃度センサを取付けると同時に排出ガス温度を知るためのガス温度センサを取付ける。
これは排出された酸素未反応ガスの濃度と、排出された酸素未反応ガスの温度とを検出して燃料電池の発電状態を知ると共に、既に供給されている酸素反応ガス供給量を調節する。同時に送風されている熱風景と温度の調節をする。
【００１６】
送風されている熱風量と温度の調節をすることが目的で、これは一体となっている水素製造装置と燃料電池のパワーコントロールユニットで下記の事項１〜５を両方の設備機器の操作を自動調節、または手動調節する。
パワーコントロールユニットに装備される内容は次の通りである。
１．水素製造装置のスタート、燃料電池のスタート。
２．水薬ガスと酸素ガスの発生量、温度、湿度の表示。
３．水素ガスと酸素ガスの供給圧力の表示。
４．燃料電池のスタートと同時に水素極側の供給ロに適時、湿り気の供給と混度
の表示。水素ガス排出口のガス濃度とガス温度の表示。
５．燃料電池のスタートと同時に酸素極側の供給口に熱風を送風して酸素極触媒
層と集電層を乾燥する。酸素ガス排出口のガス濃度とガス温度の表示。
【００１７】
本発明燃料電池では、集電用電極間に冷却水用セパレータが介装されており、この冷却水用セパレータに供給される冷却媒体が絶縁手段を介して発電セルおよび前記集電用電極から電気的に絶縁されるとともに、前記冷却水用セパレータを挟んで配置される前記発電セル同士または前記発電セルと前記集電用電極が導電手段を介して互いに電気的に接続されている。これにより、冷却媒体を介して地絡や液絡が発生することを確実に防止することができ、燃料電池スタック全体の出力低下を有効に阻止して所望の発電機能を維持することが可能になる。
【００１８】
図２は本発明における増幅器の１例を示す構成図である。この増幅器は入力側の回転力よりも増幅された高回転出力として取出すことができ、永久磁石を利用した小型で高出力電源取出し装置でもある。
すなわち、図２に示すように、セルスタック３０からの直流電力を電源とする入力用モータ６０に直流発電機７０を直結し、上記直流発電機７０の回転子７１外周に配置される磁石Ｍ１のＮ、Ｓ極に対しては同極となり隣接間では互いに異極となるよう上記磁石Ｍ１の外周に永久磁石Ｍ２を付設して上記直流発電機７０の回転子７１の回転数を増幅し、上記直流発電機の出力軸６９に出力用発電機７６を接続して該出力用発電機から、上記入力側の回転力よりも増幅された高回転出力の交流または直流の電源として取出すようにする。
電力を投入して入力用モータ６０を起動し、
これに直結されている直流発電機７０の回転子７１を回転させると、回転子の外周に配置される磁石Ｍ１のＮ、Ｓ極に対しては同極となり隣接する外周上では互いに異極となるよう付設された永久磁石により、固定子側の磁力が増幅されて回転子の回転が高回転となる。この高い回転力を出力用発電機７６に伝達して高回転で回転させることにより、入力側よりも増幅された高出力の電源が取り出される。
【００１９】
直流モータ６０が起動されると、これに直結される直流発電機７０の回転子が高回転で回転され、直流発電機に接続されている出力用発電機７６の回転子も高回転で回転され、該出力用発電機７６からは入力側電源より高出力の電源として取り出すことができる。また、構造が小型で簡素化されているので好適に使用することができる。なお、車室内で交流電源を必要とする場合には、Ｄ／Ａ変換して使用する。
【００２０】
この高出力電源取出し装置は、交流または直流を電源とする交流モータまたは直流モータからなる入力用モータ６０に直流発電機７０が直結接続され、上記直流発電機の回転子の外周に配置される磁石Ｍ１のＮ極、Ｓ極に対しては同極となり、隣接間では互いに異極となるよう上記磁石Ｍ１の外周に永久磁石Ｍ２のＮ極、Ｓ極が付設されて上記直流発電機７０の回転子回転数を増幅している。
【００２１】
直流発電機７０に発生する電気は、回転子を回転させると速さに比例して増加し、電圧も比例的に増加することから、発電機が作る電圧をＶ、ｋを発電機の構造によってきまる定数、Ｎを発電機の回転子の回転数、φを磁束とすると、Ｖ＝ｋ・Ｎ・φの関係が成立する。上記の式から、磁束φ＝Ｖ／ｋ・Ｎとなり、磁束φを増加すれば電圧Ｖの増加と共に回転数Ｎも増加する。
【００２２】
【発明の効果】
上記のように、本発明燃料電池システムでは、発電セルを冷却するための冷却媒体が、この発電セルおよび集電用電極から電気的に絶縁されるため、所望の発電性能を確実に維持することができる。さらに、冷却水用セパレータを挟んで配置される発電セル同士または前記発電セルと集電用電極が互いに電気的に接続されて、燃料電池スタック全体として所望の発電性能を維持することができる。
また、セルスタックの出力側に増幅器を介して負荷に接続することにより、入力側の回転力よりも増幅された高回転出力として取出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明燃料電池システムのブロック図。
【図２】本発明における増幅器の１例を示す構成図。
【符号の説明】
１０　パワーコントロールユニット１０　　１１　水素製造装置
１２　密閉容器　　　　　　　　　　　１３　熱風ファン
１４　流量計　　　　　　　　　　　　１５　熱風ノズル
１６　霧吹ノズル　　　　　　　　　　１７　水量センサ
１８　温度センサ　　　　　　　　　　１９　ガス濃度センサ
２０　水抜き弁　　　　　　　　　　　２１　水タンク
２２　ポンプ　　　　　　　　　　　　２３　水素供給管
２４　酸素供給管　　　　　　　　　　２５　取出電極
２６　増幅器　　　　　　　　　　　　２７　負荷
３０　セルスタック

Claims (2)

1. 純粋の電気分解による水素製造装置１１に発生した水素ガスの供給を受ける固体高分子型燃料電池であって、
   水素側電極と酸素側電極との間にイオン交換膜を配置した膜電極接合体と膜電極接合体との両面をセパレータで挟持してセルスタックを構成し、
   セルスタック内には、水素及び酸素ガスの流量・温度センサと冷却水流量センサを備えると共に、上記各センサからの検出信号に基づいて運転制御するパワーコントロールユニットを有し、さらにセルスタックの取出電極からの電力を増幅器を経て負荷に供給するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 前記増幅器は、セルスタックの電力を電源とする入力用モータに直流発電機を直結し、該直流発電機の回転子外周に配置される磁石Ｍ１のＮ、Ｓ極に対しては同極となり隣接間では互いに異極となるよう磁石Ｍ１の外周に永久磁石Ｍ２を付設して前記直流発電機の回転子回転数を増幅し、前記直流発電機の出力軸に出力用発電機を接続して該出力用発電機から、入力側よりも増幅された高回転出力の直流の電源を取出すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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