JP2004022399A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池スタックを劣化させることなく、燃料電池スタック内の水詰まりを解消できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック1の一端部は、圧電素子デバイス5を介してスタック支持板3aに取り付けられ、他端部は、スライドガイド6を介してスタック支持板3bに取り付けられる。スタック支持板3a、3bはスタック固定具2により、図示しないフレーム等に固定されている。燃料電池スタック1には、伸縮自在管4により、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が供給される。コントロールユニット13は、燃料電池スタック1の水詰まりを検出すると、圧電素子駆動回路14へ制御信号を出力して、圧電素子駆動回路14に駆動信号を出力させる。この駆動信号により圧電素子デバイス5が変位し、燃料電池スタック1全体を加振させる。
【選択図】 図1
【解決手段】燃料電池スタック1の一端部は、圧電素子デバイス5を介してスタック支持板3aに取り付けられ、他端部は、スライドガイド6を介してスタック支持板3bに取り付けられる。スタック支持板3a、3bはスタック固定具2により、図示しないフレーム等に固定されている。燃料電池スタック1には、伸縮自在管4により、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水が供給される。コントロールユニット13は、燃料電池スタック1の水詰まりを検出すると、圧電素子駆動回路14へ制御信号を出力して、圧電素子駆動回路14に駆動信号を出力させる。この駆動信号により圧電素子デバイス5が変位し、燃料電池スタック1全体を加振させる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池スタック内部の水詰まりを効果的に解消できる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムの従来技術として、特開2001−319673号公報に記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池スタックに加える圧縮応力を変化させることができる応力作用手段を有し、燃料電池スタック内部の水含有状態を排ガスの流量、圧力、温度などから求め、水含有率が過大と判定した場合に、燃料電池スタックの圧縮応力を小さくすることで、燃料電池スタック内部における水の移動スペースを拡大し、これにより内部の余分な水分の電池外への排出を促進させ、燃料電池内の含水率を良好に保ち、結果的に燃料電池システムの運転性を向上させることを目的としたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、応力作用手段を働かせることで電池内部の燃料ガス通路幅、酸化剤ガス通路幅を変化させているが、運転を続けることにより燃料電池スタックは繰り返し応力を受けることから強度的な劣化を招くという問題点があった。
【0004】
さらにスタック内部の電極の有効面積を拡大させることなく、単にガス通路幅だけを拡大させる場合には、ガス通路内を流れるガスのうち、電極に到達することなくそのまま排出側に素通りしてしまうガスの割合が増加することになり、つまり燃料の利用率が低くなり、結果的に燃費が悪化してしまうという問題点があった。
【0005】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、燃料電池スタックを劣化させることなく、燃料電池スタック内の水詰まりを効果的に解消できる燃料電池システムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックをシステム内に支持するための支持機構とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックと前記支持機構との間に前記燃料電池スタックを加振する加振手段を備えたことを要旨とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックを加振する加振手段を設けたので、燃料電池スタック内部に繰り返し圧縮応力を作用させず、燃料電池スタック全体に一様な振動を与えて、電池内の余分な水を電池外に排出することができ、結果として燃料電池システムの耐久性、信頼性を高めることが可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図9は、本発明に係る燃料電池システムに用いる固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)における単位セル電池の構成を説明する模式断面図である。
【0009】
図9において、イオン導電性を有する固体高分子膜128を挟んで、アノード電極129、カソード電極130が配置され、アノード電極129に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝131、カソード電極130に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝132、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ133、カソードセパレータ134、アノードセパレータ133のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ135、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝136が配設されており、128〜136によって単位セル(単電池)137が構成されている。
【0010】
燃料電池スタック1は、この単位セルを図示しない圧縮手段でスタック内部の圧縮応力が一定になるように複数積層したものである。
【0011】
このような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極129に燃料ガスを、カソード電極130に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セルの一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【0012】
【化1】
アノード反応: H2 → 2H++2e− …(1)
カソード反応: 2H++1/2O2+2e− → H2O …(2)
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極129に水素、カソード電極130に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極129では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜128を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極130に移動する。
【0013】
一方、カソード電極130においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極129とカソード電極130においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は、未反応ガスと共に電池外に排出される。
【0014】
ところで、単位セル137の起電力は、1V以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百の単位セル137を積層した燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックによる発電を行なっている。
【0015】
固体高分子膜128としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸(NafionR:米国デュポン社商標)が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することにより水素イオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【0016】
発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するために、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気の含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給すること、もしくは燃料電池内で反応生成された水を使っての固体高分子膜の湿潤が一般的に行われている。
【0017】
〔第1実施形態〕
図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明する概略構成図であり、図9に示した燃料電池スタックを用いている。
【0018】
図1において、燃料電池スタック1と一方のスタック支持板であるスタック支持板3aとの間に、燃料電池スタック1を加振する加振手段としての圧電素子デバイス5(例えばピエゾ素子)を挟むように配置し、かつ圧電素子デバイス5の一面は燃料電池スタック1と固定され、対向する他面は、スタック支持板3aに固定されている。
【0019】
また燃料電池スタック1の圧電素子デバイス5が無い反対側の面には、スライドガイド6がスタック支持板3bに設けられた案内穴にそって平行移動可能の状態で燃料電池スタック1と固定されている。2つのスタック支持板3a,3bはスタック固定具2によって、燃料電池システム内の所定の位置に固定されている。また燃料電池スタック1の側面には、燃料ガス供給口7、燃料ガス排出口8、酸化剤ガス供給口9、酸化剤ガス排出口10、冷却水供給口11、冷却水排出口12、がそれぞれ設けられ、それぞれの供給口及び排出口と、スタック支持板3a及び3bとの間は、距離変化を吸収できる伸縮自在管4で連結されている。
【0020】
燃料電池スタック1へは、燃料ガス供給口7、伸縮自在管4を通って燃料ガスが送り込まれ、酸化剤ガス供給口9、伸縮自在管4を通って酸化剤ガスが送り込まれ、電池内部での電気化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが電気エネルギに変換される。電気化学的反応に携わらなかった余剰の燃料ガスは燃料電池スタック1から伸縮自在管4、燃料ガス排出口8を通って排出され、また余剰の酸化剤ガスも伸縮自在管4、酸化剤ガス排出口10を通って排出される。
【0021】
さらに上記の電池内部の電気化学的反応の際に発生する熱を電池外に除去する目的で、冷却水供給口11、伸縮自在管4を通して冷却水が燃料電池スタック1に供給され、電池内の熱を奪った後、伸縮自在管4、冷却水排出口12を通って排出される。
【0022】
圧電素子デバイス5は、圧電素子駆動回路14からの駆動信号に従って駆動される。駆動回路14へは高電圧電源15から駆動電力が、コントロールユニット13からは圧電素子デバイス5の制御信号が入力される構成になっている。
【0023】
図2は、第1実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池スタックの動きを説明する図であり、図3は、本発明の第1実施形態の燃料電池システムにおける圧電素子デバイスの変位と圧電素子への印加電圧との関係を説明する図である。
【0024】
圧電素子に電圧を印加することで素子の変位を変える場合、一般的には図3のように電圧上昇時と下降時とで印加電圧に対する変位量が異なるという特性をもっている。このため、変位を正確に制御する必要があるときには、単なる印加電圧値だけなく電圧変化の履歴も把握しておかねばならない。しかし、図2のように単に圧電素子の変位Δy=y1−y0の振幅で燃料電池スタック1に振動を与えるだけで十分な場合は、電圧変化履歴を気にする必要はない。
【0025】
圧電素子の変位がy1の状態で印加電圧を急に遮断した場合には、圧電素子が元の変位y0に戻る際に圧電素子から逆に電荷を発生するので、これをなんらかの方法で回収して次に電圧を印加する時の補助として使えば、外部から供給する電力の節約も可能である。
【0026】
上記の反応生成水や加湿ガスの凝縮水などが、アノード電極129やカソード電極130の極板上に付着し、極板を覆う面積が大きくなる水詰まり状態では、上述の電気化学反応を阻害することになり、発電効率の低下を招く。
【0027】
本実施形態の構成であれば、コントロールユニット13からの制御信号を変化させることで圧電素子デバイス5の変位を制御することができ、つまり燃料電池スタック1にスタック内部の圧縮応力を一定に保ったまま振動を与えることが可能となる。この振動によりスタック内部の余分な水を電池外に効率よく排出することができ、結果として燃料電池システムの耐久性、信頼性を高めることが可能となる。
【0028】
さらにスタック内部の圧縮応力を一定に保ったままであるから、ガス通路内を流れるガスのうちが電極に到達することなくそのまま排出側に素通りしてしまうことも無く、燃料の利用率低下も無く、燃費を悪化させずに水つまりを解消できる。
【0029】
〔第2実施形態〕
図4は、本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態の要部断面図であり、上述の第1実施形態の燃料電池システムに対して異なる部分のみの説明図である。
【0030】
本実施形態における圧電素子デバイスは、電圧印加によって生じる圧電体の変位を液圧あるいは機械的機構を利用して増幅する変位増幅機構を内蔵したものである点が第1実施形態と異なる。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
【0031】
本実施形態における圧電素子デバイスは、スタック支持板3aに固定された圧電素子本体5a、燃料電池スタック1に固定されたピストン5b、一端をスタック支持板3aに固定されもう一端をピストン5bに固定された戻りばね5c、液体容器5eの密閉された空間内に圧力伝達液体5dが満たされ、圧力伝達液体5dは圧電素子本体5aとピストン5bの両方に接するような構造になっている。
【0032】
また、スタック支持板3aには固定ガイド5f、ピストン5bには可動ガイド5gがそれぞれ固定され、固定ガイド5fに対して可動ガイド5gが図中左右に滑動可能となっている。
【0033】
さらに圧力伝達液体5dが圧電素子本体5aと接する部分の面積より、ピストン5bと接する部分の面積のほうが小さくなっており、かつピストン5bは圧力伝達液体5dが外部に漏れない状態のまま左右移動できる構成になっており、上記以外は前述の第1実施形態と同じである。
【0034】
図5は、第2実施形態の燃料電池システムにおける変位拡大機構の動作を説明する図である。
【0035】
駆動回路からの駆動信号を受けて圧電素子本体5aが図の右方向へu0の変位を生じたとき、圧電素子本体5a、ピストン5bと圧力伝達液体5dが接する面積をそれぞれA0、A1(<A0)とすると、ピストン5bの変位はu1(>u0)となる。特に、圧力伝達液体5dが非圧縮性液体、または圧力による圧縮が無視できる液体とし、圧電素子本体5aの変位による液体容器5eの変形が無視できるとすれば、u1は、次の式(1)で示され、変位の拡大率は、(A0/A1)となる。
【0036】
【数1】
u1=(A0/A1)u0 …(1)
このように、圧電素子本体5aの変位u0がピストン5bの変位u1として拡大されるとともに、戻りばね5cに変位u1分のエネルギが蓄積される。圧電素子本体5aの変位が再びゼロに戻ると、上述の戻りばね5cに蓄えられたエネルギを使ってピストン5bは元の位置に戻される。以上の動作を繰り返すことによって、拡大された振幅で燃料電池スタック1を振動させることができる。
【0037】
本実施形態の構成であれば、圧電素子本体5aのみの発生変位が小さい場合でも、燃料電池スタック1に与える振動の振幅を大きくとることができ、水の電池外への排出性能がさらに高まることになり、燃料電池システムの運転性、安定性の向上が期待できる。
【0038】
〔第3実施形態〕
図6は、本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態の概略構成図である。
【0039】
本実施形態では、燃料電池スタック1内の電気化学的反応で発生した高電圧の電力を、それを利用すべく設置されたモーターやヒーター等の負荷装置16に送りつつ、その一部を圧電素子駆動回路14に供給可能な構成となっており、上記以外は前述の第1実施形態、あるいは第2実施形態と同じである。
【0040】
本実施形態の構成であれば、圧電素子の駆動に必要な高電圧の電源、あるいは昇圧装置を独立して新たに設ける必要がなくなり、燃料電池システムの構成を簡素化することができ、重量面、コスト面、メンテナンスのしやすさの面で有利となる。
【0041】
図7は、第1〜3実施形態における圧電素子デバイスの動きを制御するためのフローチャートである。
【0042】
ステップS11で燃料電池システムの各部からの燃料電池スタック内部の水詰まり状態に関係する信号を読み込み、水詰まり状態を表す信号値を算出し、ステップS12で前のステップで得られた水詰まり状態信号値が、その許容される上限のしきい値に達しているか、つまり水詰まりを解消する必要性があるかを判定する。
【0043】
水詰まり状態の検出は、具体的にはスタックの発電電圧を測定し、所望の電圧に達していない場合を水つまりと判定できる。より精度良く検出するには各セル、あるいは数枚のセル群毎に電圧検出を出来るようにしておき、電圧のばらつきから判定することも出来る。その他様々な水詰まり検出手段が公知であるがいずれの方法を用いても良い。
【0044】
水詰まり状態信号値がしきい値に達していない場合は、水詰まりについては問題なしと判断してステップS11に戻されるが、しきい値に達していた場合は、ステップS13に移って、コントロールユニットから圧電素子駆動回路に駆動開始の制御信号が送られ、次に駆動回路から圧電素子デバイスに駆動信号が送られ始めることで圧電デバイスが燃料電池スタックを振動し始める。
【0045】
続いてステップS14にて、水詰まり状態信号値が正常値に戻ったか、つまり水詰まりが解消されたかを判定し、まだ正常値になっていない場合は正常値になるまでステップS14をループする。正常値に戻ったと判定された場合にはステップS15に移ってコントロールユニットから圧電素子駆動回路への駆動停止の制御信号が送られ、次に駆動回路から圧電素子デバイスに駆動信号の送信を停止することで燃料電池スタックの振動を停止して制御を終了する。
【0046】
上述の制御方法と前述までの構成であれば、電池内部の余分な水を排出する必要があると判定された時のみ圧電素子デバイスへ駆動電力を供給することができるので、電力の無駄を省くことで燃料電池システム全体の電力収支を良好とすることができる。
【0047】
〔第4実施形態〕
図8は、本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態を説明する概略構成図である。本実施形態では、燃料ガス供給溝22、酸化剤ガス供給溝21、固体電解質膜23を一組とする燃料電池単位セルを複数枚積層することで燃料電池スタック1を構成するにあたって、燃料ガス供給溝22内を燃料ガスが流れる方向と、酸化剤ガス供給溝21内を酸化剤ガスが流れる方向とを重力の作用する方向に対してほぼ平行になるように設置し、上述の各単位セルへは燃料ガス供給マニホールド18から燃料ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド17から酸化剤ガスが供給されるとともに、各単位セルで消費できなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス排出マニホールド20に集められ、余剰の酸化剤ガスは酸化剤ガス排出マニホールド19に集められる構造になっており、上記以外は前述までの第1〜第3実施形態のいずれかと同じである。
【0048】
本実施形態では、圧電素子デバイスを駆動することにより発生する燃料電池スタック全体の振動によって、単位セルを構成する燃料ガス供給溝22内、または酸化剤ガス供給溝21内のそれぞれの電極部から引き離された液水が、重力の作用によってスムースに各排出マニホールドに集められた後、電池外に押し出すことが可能となる。これにより電池内の水を除去する性能がさらに高まるため、燃料電池システムの運転性のさらなる改善がされる。
【0049】
〔第5実施形態〕
尚、以上説明した第1〜第4実施形態においては、燃料電池スタックを一つとしたが、燃料電池スタックを複数備える燃料電池システムの場合、加振手段は、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとを互いに逆位相に加振するように構成する。
【0050】
この場合、加振手段は、第1の燃料電池スタックを加振する第1の加振手段と、第2の燃料電池スタックを加振する第2の加振手段とを設け、第1、第2の加振手段を互いに逆位相に駆動してもよいし、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとを一つの加振手段を挟むように配置し、一つの加振手段により第1、第2の燃料電池スタックを互いに逆方向に変位させることにより、逆位相の駆動を生じてもよい。
【0051】
これにより、燃料電池スタックの加振によりスタック支持板側が受ける反作用が互いに打ち消されて、燃料電池スタックを固定するフレーム等に与える振動/騒音が小さくなり、特に車載用の燃料電池システムに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明する概略構成図である。
【図2】第1実施形態における燃料電池スタックの加振手段による動きを説明する図である。
【図3】第1実施形態における圧電素子デバイスの印加電圧と変位との関係を示す図である。
【図4】本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態を説明する概略構成図である。
【図5】第2実施形態における変位拡大機構の動作説明図である。
【図6】本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態を説明する概略構成図である。
【図7】第1乃至第3実施形態におけるコントロールユニットによる圧電素子デバイスの制御フローチャートである。
【図8】本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態の要部を説明する断面図である。
【図9】本発明に係る燃料電池システムに用いる固体高分子電解質型燃料電池の単位セルの模式断面図である。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 スタック固定具
3a スタック支持板
3b スタック支持板
4 伸縮自在管
5 圧電素子デバイス
6 スライドガイド
7 燃料ガス供給口
8 燃料ガス排出口
9 酸化剤ガス供給口
10 酸化剤ガス排出口
11 冷却水供給口
12 冷却水排出口
13 コントロールユニット
14 圧電素子駆動回路
15 高電圧電源
【発明が属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池スタック内部の水詰まりを効果的に解消できる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムの従来技術として、特開2001−319673号公報に記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池スタックに加える圧縮応力を変化させることができる応力作用手段を有し、燃料電池スタック内部の水含有状態を排ガスの流量、圧力、温度などから求め、水含有率が過大と判定した場合に、燃料電池スタックの圧縮応力を小さくすることで、燃料電池スタック内部における水の移動スペースを拡大し、これにより内部の余分な水分の電池外への排出を促進させ、燃料電池内の含水率を良好に保ち、結果的に燃料電池システムの運転性を向上させることを目的としたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、応力作用手段を働かせることで電池内部の燃料ガス通路幅、酸化剤ガス通路幅を変化させているが、運転を続けることにより燃料電池スタックは繰り返し応力を受けることから強度的な劣化を招くという問題点があった。
【0004】
さらにスタック内部の電極の有効面積を拡大させることなく、単にガス通路幅だけを拡大させる場合には、ガス通路内を流れるガスのうち、電極に到達することなくそのまま排出側に素通りしてしまうガスの割合が増加することになり、つまり燃料の利用率が低くなり、結果的に燃費が悪化してしまうという問題点があった。
【0005】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、燃料電池スタックを劣化させることなく、燃料電池スタック内の水詰まりを効果的に解消できる燃料電池システムを提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックをシステム内に支持するための支持機構とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックと前記支持機構との間に前記燃料電池スタックを加振する加振手段を備えたことを要旨とする。
【0007】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックを加振する加振手段を設けたので、燃料電池スタック内部に繰り返し圧縮応力を作用させず、燃料電池スタック全体に一様な振動を与えて、電池内の余分な水を電池外に排出することができ、結果として燃料電池システムの耐久性、信頼性を高めることが可能となる。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図9は、本発明に係る燃料電池システムに用いる固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)における単位セル電池の構成を説明する模式断面図である。
【0009】
図9において、イオン導電性を有する固体高分子膜128を挟んで、アノード電極129、カソード電極130が配置され、アノード電極129に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝131、カソード電極130に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝132、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ133、カソードセパレータ134、アノードセパレータ133のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ135、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝136が配設されており、128〜136によって単位セル(単電池)137が構成されている。
【0010】
燃料電池スタック1は、この単位セルを図示しない圧縮手段でスタック内部の圧縮応力が一定になるように複数積層したものである。
【0011】
このような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極129に燃料ガスを、カソード電極130に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セルの一対の電極間で電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【0012】
【化1】
アノード反応: H2 → 2H++2e− …(1)
カソード反応: 2H++1/2O2+2e− → H2O …(2)
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極129に水素、カソード電極130に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極129では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜128を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極130に移動する。
【0013】
一方、カソード電極130においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極129とカソード電極130においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は、未反応ガスと共に電池外に排出される。
【0014】
ところで、単位セル137の起電力は、1V以下と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百の単位セル137を積層した燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックによる発電を行なっている。
【0015】
固体高分子膜128としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸(NafionR:米国デュポン社商標)が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することにより水素イオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【0016】
発電によりアノード電極で分離した水素イオンが固体高分子膜を通りカソード電極に移動する時に、水も一緒に移動するために、アノード電極側では固体高分子膜は乾燥する傾向にある。また、供給する燃料又は空気の含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入り口付近で固体高分子膜は乾燥する傾向にある。上記の理由から、固体高分子電解質型燃料電池には、予め加湿した燃料と酸化剤を供給すること、もしくは燃料電池内で反応生成された水を使っての固体高分子膜の湿潤が一般的に行われている。
【0017】
〔第1実施形態〕
図1は、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明する概略構成図であり、図9に示した燃料電池スタックを用いている。
【0018】
図1において、燃料電池スタック1と一方のスタック支持板であるスタック支持板3aとの間に、燃料電池スタック1を加振する加振手段としての圧電素子デバイス5(例えばピエゾ素子)を挟むように配置し、かつ圧電素子デバイス5の一面は燃料電池スタック1と固定され、対向する他面は、スタック支持板3aに固定されている。
【0019】
また燃料電池スタック1の圧電素子デバイス5が無い反対側の面には、スライドガイド6がスタック支持板3bに設けられた案内穴にそって平行移動可能の状態で燃料電池スタック1と固定されている。2つのスタック支持板3a,3bはスタック固定具2によって、燃料電池システム内の所定の位置に固定されている。また燃料電池スタック1の側面には、燃料ガス供給口7、燃料ガス排出口8、酸化剤ガス供給口9、酸化剤ガス排出口10、冷却水供給口11、冷却水排出口12、がそれぞれ設けられ、それぞれの供給口及び排出口と、スタック支持板3a及び3bとの間は、距離変化を吸収できる伸縮自在管4で連結されている。
【0020】
燃料電池スタック1へは、燃料ガス供給口7、伸縮自在管4を通って燃料ガスが送り込まれ、酸化剤ガス供給口9、伸縮自在管4を通って酸化剤ガスが送り込まれ、電池内部での電気化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが電気エネルギに変換される。電気化学的反応に携わらなかった余剰の燃料ガスは燃料電池スタック1から伸縮自在管4、燃料ガス排出口8を通って排出され、また余剰の酸化剤ガスも伸縮自在管4、酸化剤ガス排出口10を通って排出される。
【0021】
さらに上記の電池内部の電気化学的反応の際に発生する熱を電池外に除去する目的で、冷却水供給口11、伸縮自在管4を通して冷却水が燃料電池スタック1に供給され、電池内の熱を奪った後、伸縮自在管4、冷却水排出口12を通って排出される。
【0022】
圧電素子デバイス5は、圧電素子駆動回路14からの駆動信号に従って駆動される。駆動回路14へは高電圧電源15から駆動電力が、コントロールユニット13からは圧電素子デバイス5の制御信号が入力される構成になっている。
【0023】
図2は、第1実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池スタックの動きを説明する図であり、図3は、本発明の第1実施形態の燃料電池システムにおける圧電素子デバイスの変位と圧電素子への印加電圧との関係を説明する図である。
【0024】
圧電素子に電圧を印加することで素子の変位を変える場合、一般的には図3のように電圧上昇時と下降時とで印加電圧に対する変位量が異なるという特性をもっている。このため、変位を正確に制御する必要があるときには、単なる印加電圧値だけなく電圧変化の履歴も把握しておかねばならない。しかし、図2のように単に圧電素子の変位Δy=y1−y0の振幅で燃料電池スタック1に振動を与えるだけで十分な場合は、電圧変化履歴を気にする必要はない。
【0025】
圧電素子の変位がy1の状態で印加電圧を急に遮断した場合には、圧電素子が元の変位y0に戻る際に圧電素子から逆に電荷を発生するので、これをなんらかの方法で回収して次に電圧を印加する時の補助として使えば、外部から供給する電力の節約も可能である。
【0026】
上記の反応生成水や加湿ガスの凝縮水などが、アノード電極129やカソード電極130の極板上に付着し、極板を覆う面積が大きくなる水詰まり状態では、上述の電気化学反応を阻害することになり、発電効率の低下を招く。
【0027】
本実施形態の構成であれば、コントロールユニット13からの制御信号を変化させることで圧電素子デバイス5の変位を制御することができ、つまり燃料電池スタック1にスタック内部の圧縮応力を一定に保ったまま振動を与えることが可能となる。この振動によりスタック内部の余分な水を電池外に効率よく排出することができ、結果として燃料電池システムの耐久性、信頼性を高めることが可能となる。
【0028】
さらにスタック内部の圧縮応力を一定に保ったままであるから、ガス通路内を流れるガスのうちが電極に到達することなくそのまま排出側に素通りしてしまうことも無く、燃料の利用率低下も無く、燃費を悪化させずに水つまりを解消できる。
【0029】
〔第2実施形態〕
図4は、本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態の要部断面図であり、上述の第1実施形態の燃料電池システムに対して異なる部分のみの説明図である。
【0030】
本実施形態における圧電素子デバイスは、電圧印加によって生じる圧電体の変位を液圧あるいは機械的機構を利用して増幅する変位増幅機構を内蔵したものである点が第1実施形態と異なる。その他の構成は、第1実施形態と同様である。
【0031】
本実施形態における圧電素子デバイスは、スタック支持板3aに固定された圧電素子本体5a、燃料電池スタック1に固定されたピストン5b、一端をスタック支持板3aに固定されもう一端をピストン5bに固定された戻りばね5c、液体容器5eの密閉された空間内に圧力伝達液体5dが満たされ、圧力伝達液体5dは圧電素子本体5aとピストン5bの両方に接するような構造になっている。
【0032】
また、スタック支持板3aには固定ガイド5f、ピストン5bには可動ガイド5gがそれぞれ固定され、固定ガイド5fに対して可動ガイド5gが図中左右に滑動可能となっている。
【0033】
さらに圧力伝達液体5dが圧電素子本体5aと接する部分の面積より、ピストン5bと接する部分の面積のほうが小さくなっており、かつピストン5bは圧力伝達液体5dが外部に漏れない状態のまま左右移動できる構成になっており、上記以外は前述の第1実施形態と同じである。
【0034】
図5は、第2実施形態の燃料電池システムにおける変位拡大機構の動作を説明する図である。
【0035】
駆動回路からの駆動信号を受けて圧電素子本体5aが図の右方向へu0の変位を生じたとき、圧電素子本体5a、ピストン5bと圧力伝達液体5dが接する面積をそれぞれA0、A1(<A0)とすると、ピストン5bの変位はu1(>u0)となる。特に、圧力伝達液体5dが非圧縮性液体、または圧力による圧縮が無視できる液体とし、圧電素子本体5aの変位による液体容器5eの変形が無視できるとすれば、u1は、次の式(1)で示され、変位の拡大率は、(A0/A1)となる。
【0036】
【数1】
u1=(A0/A1)u0 …(1)
このように、圧電素子本体5aの変位u0がピストン5bの変位u1として拡大されるとともに、戻りばね5cに変位u1分のエネルギが蓄積される。圧電素子本体5aの変位が再びゼロに戻ると、上述の戻りばね5cに蓄えられたエネルギを使ってピストン5bは元の位置に戻される。以上の動作を繰り返すことによって、拡大された振幅で燃料電池スタック1を振動させることができる。
【0037】
本実施形態の構成であれば、圧電素子本体5aのみの発生変位が小さい場合でも、燃料電池スタック1に与える振動の振幅を大きくとることができ、水の電池外への排出性能がさらに高まることになり、燃料電池システムの運転性、安定性の向上が期待できる。
【0038】
〔第3実施形態〕
図6は、本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態の概略構成図である。
【0039】
本実施形態では、燃料電池スタック1内の電気化学的反応で発生した高電圧の電力を、それを利用すべく設置されたモーターやヒーター等の負荷装置16に送りつつ、その一部を圧電素子駆動回路14に供給可能な構成となっており、上記以外は前述の第1実施形態、あるいは第2実施形態と同じである。
【0040】
本実施形態の構成であれば、圧電素子の駆動に必要な高電圧の電源、あるいは昇圧装置を独立して新たに設ける必要がなくなり、燃料電池システムの構成を簡素化することができ、重量面、コスト面、メンテナンスのしやすさの面で有利となる。
【0041】
図7は、第1〜3実施形態における圧電素子デバイスの動きを制御するためのフローチャートである。
【0042】
ステップS11で燃料電池システムの各部からの燃料電池スタック内部の水詰まり状態に関係する信号を読み込み、水詰まり状態を表す信号値を算出し、ステップS12で前のステップで得られた水詰まり状態信号値が、その許容される上限のしきい値に達しているか、つまり水詰まりを解消する必要性があるかを判定する。
【0043】
水詰まり状態の検出は、具体的にはスタックの発電電圧を測定し、所望の電圧に達していない場合を水つまりと判定できる。より精度良く検出するには各セル、あるいは数枚のセル群毎に電圧検出を出来るようにしておき、電圧のばらつきから判定することも出来る。その他様々な水詰まり検出手段が公知であるがいずれの方法を用いても良い。
【0044】
水詰まり状態信号値がしきい値に達していない場合は、水詰まりについては問題なしと判断してステップS11に戻されるが、しきい値に達していた場合は、ステップS13に移って、コントロールユニットから圧電素子駆動回路に駆動開始の制御信号が送られ、次に駆動回路から圧電素子デバイスに駆動信号が送られ始めることで圧電デバイスが燃料電池スタックを振動し始める。
【0045】
続いてステップS14にて、水詰まり状態信号値が正常値に戻ったか、つまり水詰まりが解消されたかを判定し、まだ正常値になっていない場合は正常値になるまでステップS14をループする。正常値に戻ったと判定された場合にはステップS15に移ってコントロールユニットから圧電素子駆動回路への駆動停止の制御信号が送られ、次に駆動回路から圧電素子デバイスに駆動信号の送信を停止することで燃料電池スタックの振動を停止して制御を終了する。
【0046】
上述の制御方法と前述までの構成であれば、電池内部の余分な水を排出する必要があると判定された時のみ圧電素子デバイスへ駆動電力を供給することができるので、電力の無駄を省くことで燃料電池システム全体の電力収支を良好とすることができる。
【0047】
〔第4実施形態〕
図8は、本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態を説明する概略構成図である。本実施形態では、燃料ガス供給溝22、酸化剤ガス供給溝21、固体電解質膜23を一組とする燃料電池単位セルを複数枚積層することで燃料電池スタック1を構成するにあたって、燃料ガス供給溝22内を燃料ガスが流れる方向と、酸化剤ガス供給溝21内を酸化剤ガスが流れる方向とを重力の作用する方向に対してほぼ平行になるように設置し、上述の各単位セルへは燃料ガス供給マニホールド18から燃料ガスが、酸化剤ガス供給マニホールド17から酸化剤ガスが供給されるとともに、各単位セルで消費できなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス排出マニホールド20に集められ、余剰の酸化剤ガスは酸化剤ガス排出マニホールド19に集められる構造になっており、上記以外は前述までの第1〜第3実施形態のいずれかと同じである。
【0048】
本実施形態では、圧電素子デバイスを駆動することにより発生する燃料電池スタック全体の振動によって、単位セルを構成する燃料ガス供給溝22内、または酸化剤ガス供給溝21内のそれぞれの電極部から引き離された液水が、重力の作用によってスムースに各排出マニホールドに集められた後、電池外に押し出すことが可能となる。これにより電池内の水を除去する性能がさらに高まるため、燃料電池システムの運転性のさらなる改善がされる。
【0049】
〔第5実施形態〕
尚、以上説明した第1〜第4実施形態においては、燃料電池スタックを一つとしたが、燃料電池スタックを複数備える燃料電池システムの場合、加振手段は、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとを互いに逆位相に加振するように構成する。
【0050】
この場合、加振手段は、第1の燃料電池スタックを加振する第1の加振手段と、第2の燃料電池スタックを加振する第2の加振手段とを設け、第1、第2の加振手段を互いに逆位相に駆動してもよいし、第1の燃料電池スタックと第2の燃料電池スタックとを一つの加振手段を挟むように配置し、一つの加振手段により第1、第2の燃料電池スタックを互いに逆方向に変位させることにより、逆位相の駆動を生じてもよい。
【0051】
これにより、燃料電池スタックの加振によりスタック支持板側が受ける反作用が互いに打ち消されて、燃料電池スタックを固定するフレーム等に与える振動/騒音が小さくなり、特に車載用の燃料電池システムに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態を説明する概略構成図である。
【図2】第1実施形態における燃料電池スタックの加振手段による動きを説明する図である。
【図3】第1実施形態における圧電素子デバイスの印加電圧と変位との関係を示す図である。
【図4】本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態を説明する概略構成図である。
【図5】第2実施形態における変位拡大機構の動作説明図である。
【図6】本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態を説明する概略構成図である。
【図7】第1乃至第3実施形態におけるコントロールユニットによる圧電素子デバイスの制御フローチャートである。
【図8】本発明に係る燃料電池システムの第4実施形態の要部を説明する断面図である。
【図9】本発明に係る燃料電池システムに用いる固体高分子電解質型燃料電池の単位セルの模式断面図である。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 スタック固定具
3a スタック支持板
3b スタック支持板
4 伸縮自在管
5 圧電素子デバイス
6 スライドガイド
7 燃料ガス供給口
8 燃料ガス排出口
9 酸化剤ガス供給口
10 酸化剤ガス排出口
11 冷却水供給口
12 冷却水排出口
13 コントロールユニット
14 圧電素子駆動回路
15 高電圧電源
Claims (7)
- 電解質膜が燃料極と酸化剤極との間に配置された単電池を少なくとも一つ有する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックをシステム内に支持するための支持機構とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックと前記支持機構との間に前記燃料電池スタックを加振する加振手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記加振手段は、電圧印加によって変形する圧電素子デバイスを用いたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記圧電素子デバイスは、電圧印加によって生じる圧電体の変位を液圧あるいは機械的機構を利用して増幅する変位増幅機構を内蔵したものであることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記圧電素子デバイスを駆動する電力の供給源として、前記燃料電池スタックで発生した電力の一部を利用可能な構成を有することを特徴とする請求項2または請求項3記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池スタック内の燃料ガス通路、および酸化剤ガス通路の水詰まり状態を、直接的、あるいは間接的に検出する検出手段と、
該検出手段からの信号に応じて前記加振手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池スタック内の燃料ガス通路および酸化剤ガス通路の少なくとも一方の方向が、重力の方向とほぼ平行になるように前記燃料電池スタックを当該燃料電池システム内に設置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃料電池システム。
- 第1及び第2の燃料電池スタックと、
これら燃料電池スタックを加振する少なくとも一つの加振手段と、を備え、
該加振手段は、第1及び第2の燃料電池スタックを互いに逆位相に加振することを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の燃料電池システム。
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