JP2005158610A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。 The present invention relates to a fuel cell that generates electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a generator for a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator, or a generator for home use. is there.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、電気化学反応による生成水が燃料電池内部の空気極側で発生する。このような生成水は、空気通路出口側で水分が過剰となりやすい。このように水分が過剰になった場合、電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、燃料電池の出力が低下する。一方、空気通路入口側では水分が不足しやすく、水分が不足した場合には電解質膜が乾燥して電池の出力が低下する。したがって、燃料電池内の水分量を適正に保つ必要がある。 In a fuel cell system that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, water produced by the electrochemical reaction is generated on the air electrode side inside the fuel cell. Such generated water tends to have excessive moisture on the air passage outlet side. When the moisture becomes excessive in this way, the electrode is covered with water, the gas permeation is inhibited, and the output of the fuel cell is lowered. On the other hand, moisture tends to be insufficient on the air passage inlet side, and when the moisture is insufficient, the electrolyte membrane dries and the output of the battery decreases. Therefore, it is necessary to keep the water content in the fuel cell appropriate.
このような問題を解決するために、空気通路入口側から空気通路出口側に向かってセル面内温度分布を高くして空気通路出口側の飽和蒸気圧を高くし、空気通路出口側の水分を排出しやすくする燃料電池の運転方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、空気通路入口側と水素通路出口側とを対応させ、空気通路出口側と水素通路入口側とを対応させ、空気通路と水素通路それぞれにおける水分分布を均一化する燃料電池が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、上記特許文献1に記載の方法では、セル面内温度分布を形成するために冷却媒体の温度と流量を制御する必要があり、構成が複雑となる。また、冷却媒体の温度・流量制御によりセル面内の温度分布を形成する場合、温度分布を狙い通りに形成することが難しく、さらに冷却水通路の設計の自由度が小さくなる。上記特許文献2に記載の燃料電池においても、空気通路と水素通路の設計の自由度が制限される。 However, in the method described in Patent Document 1, it is necessary to control the temperature and flow rate of the cooling medium in order to form the cell surface temperature distribution, and the configuration becomes complicated. Further, when the temperature distribution in the cell surface is formed by controlling the temperature and flow rate of the cooling medium, it is difficult to form the temperature distribution as intended, and the degree of freedom in designing the cooling water passage is reduced. Also in the fuel cell described in Patent Document 2, the degree of freedom in designing the air passage and the hydrogen passage is limited.
本発明は、上記点に鑑み、冷却水通路や空気通路等の設計の自由度を確保しつつ、簡易な構成で空気通路における水分分布の均一化が可能な燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of making the water distribution uniform in the air passage with a simple configuration while ensuring the degree of freedom in designing the cooling water passage and the air passage. To do.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセル(10)が複数積層された燃料電池であって、セル(10)は、MEA(11)と、MEA(11)と接するように配置されたセパレータ(12)とを備えており、セパレータ(12)には、MEA(11)と接する側に酸化ガスが通過する酸化ガス通路(20)が設けられているとともに、酸化ガス通路(20)よりMEA(11)から遠い側に冷却媒体が通過する冷却媒体通路(22)が設けられており、セパレータ(12)には、酸化ガス通路(20)の下流部(20c)に対応する部位において、酸化ガス通路(20)と冷却媒体通路(22)との間に熱抵抗手段(12a、13)が設けられていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a cell (10) for generating an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas mainly composed of oxygen and a fuel gas mainly composed of hydrogen. A plurality of stacked fuel cells, the cell (10) includes an MEA (11) and a separator (12) disposed so as to be in contact with the MEA (11). An oxidizing gas passage (20) through which oxidizing gas passes is provided on the side in contact with the MEA (11), and a cooling medium passage (through which the cooling medium passes through the side farther from the MEA (11) than the oxidizing gas passage (20) ( 22) is provided, and the separator (12) is provided between the oxidizing gas passage (20) and the cooling medium passage (22) at a portion corresponding to the downstream portion (20c) of the oxidizing gas passage (20). Heat resistance Is characterized in that (12a, 13) are provided.
MEA(11)では、電気化学反応に伴い発熱するが、酸化ガス通路(20)の下流部(20c)に対応する部位において、酸化ガス通路(20)と冷却媒体通路(22)との間に熱抵抗手段(12a)を設けることにより、この部位では空気通路(20)の上流部より温度が高くなり、セル面内に確実に温度分布を形成することができる。このため、空気通路下流部(20c)では空気の飽和蒸気圧が上昇するため、空気に含まれて排出される水分の量が多くなる。一方、空気通路(20)の上流部では相対的に温度が低くなっているため、空気の飽和蒸気圧が低くなる。このため、空気に含まれて排出される水分の量が少なくなる。これにより、熱抵抗手段を設けるだけの簡易な構成で、冷却水通路や空気通路等の設計の自由度を確保しつつ、空気通路(20)における水分分布を均一化することができる。 In the MEA (11), heat is generated due to the electrochemical reaction, but at a portion corresponding to the downstream portion (20c) of the oxidizing gas passage (20), between the oxidizing gas passage (20) and the cooling medium passage (22). By providing the thermal resistance means (12a), the temperature at this portion is higher than the upstream portion of the air passage (20), and a temperature distribution can be reliably formed in the cell plane. For this reason, since the saturated vapor pressure of air rises in the air passage downstream portion (20c), the amount of moisture contained in the air and discharged becomes large. On the other hand, since the temperature is relatively low in the upstream portion of the air passage (20), the saturated vapor pressure of air is low. For this reason, the amount of moisture contained and discharged in the air is reduced. Thereby, it is possible to make the moisture distribution in the air passage (20) uniform while ensuring a degree of freedom in designing the cooling water passage, the air passage and the like with a simple configuration in which only the heat resistance means is provided.
具体的には、熱抵抗手段は、請求項2に記載の発明のように、空気層(1)を含むものとすることができ、請求項3に記載の発明のように、冷却媒体通路(22)における酸化ガス通路(20)側の表面に施された撥水処理を含むものとすることができ、あるいは請求項4に記載の発明のように、冷却媒体通路(22)における酸化ガス通路(20)側の表面に設けられたセパレータ(12)より熱伝導率の低い材料(13)を含むものとすることができる。 Specifically, the thermal resistance means may include an air layer (1) as in the invention described in claim 2, and the cooling medium passage (22) as in the invention described in claim 3. Or the oxidant gas passage (20) side of the cooling medium passage (22) as in the invention described in claim 4. The material (13) having a lower thermal conductivity than the separator (12) provided on the surface of the substrate may be included.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明を適用した一実施形態の燃料電池について図1〜図4に基づいて説明する。図1は本実施形態の燃料電池100の構成を示す概念図であり、図1(a)は燃料電池100の斜視図、図1(b)は単セル10の分解斜視図を示している。
Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a
本第1実施形態では、燃料電池100として固体高分子電解質膜型の燃料電池を用いている。図1(a)に示すように、燃料電池100は基本単位となる単セル10が複数積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池100では、水素と酸素が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
(水素極)H2→2H++2e-
(酸素極)2H++1/2O2 +2e-→H2O
燃料電池100の内部には、各セル10に空気を供給するための空気通路、各セル10に水素を供給するための水素通路、各セル10に冷却水を供給するための冷却水通路がそれぞれ形成されている(図示せず)。図1(a)に示すように、燃料電池100の一方の側面には、空気通路入口部101aと空気通路出口部101b、水素通路入口部102aと水素通路出口部102b、冷却水通路入口部103aと冷却水通路出口部103bがそれぞれ形成されている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
In the first embodiment, a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell is used as the
(Hydrogen electrode) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
Inside the
図示しない空気供給装置から燃料電池100内に空気が供給され、図示しない水素供給装置から燃料電池100内に水素が供給される。さらに図示しない冷却システムから燃料電池100に冷却媒体としての冷却水が供給される。なお、本例では冷却水として一般的な不凍液冷却水(LLC)を用いている。
Air is supplied into the
空気は空気通路入口部101aから燃料電池100内に流入し、各セル10を積層方向に貫通するとともに各セル10の内部を通過した後、空気通路入口部101aから流出する。同様に、水素は水素通路入口部102aから燃料電池100内に流入し、各セル10を積層方向に貫通するとともに各セル10の内部を通過した後、水素通路入口部102aから流出する。さらに同様に、冷却水は冷却水通路入口部103aから燃料電池100内に流入し、各セル10を積層方向に貫通するとともに各セル10の内部を通過した後、冷却水通路入口部103aから流出する。
Air flows into the
図1(b)に示すように、単セル10はMEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極複合体)11とこれを両側から挟み込むセパレータ12とから構成されている。MEA11は、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は酸素が供給される酸素極(正極)として構成され、他方の電極は水素が供給される水素極(負極)として構成されている。これらの電極には図示しない負荷が接続されており、燃料電池100にて発生した電力は負荷に供給される。
As shown in FIG. 1B, the
セパレータ12は、ガスが透過しない導電性部材(例えばカーボン材)にて形成されている。セパレータ12には、空気通路入口部20aと空気通路出口部20b、水素通路入口部21aと水素通路出口部21b、冷却水通路入口部22aと冷却水通路出口部22bがそれぞれ形成されている。
The
図2はセル10内部の構成を示す概念図であり、図2(a)は空気通路20の構成を示し、図2(b)は冷却水通路22の構成を示している。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the internal configuration of the
セル10内部において、セパレータ12のMEA11と接する面には溝(図示せず)が形成され、ガス通路を構成している。セパレータ12の酸素極と接する側には空気が通過する空気通路20が形成され(図2(a))、水素極と接する側には水素が通過する水素通路が形成されている(図示せず)。また、セパレータ12内部には、冷却水が通過する冷却水通路22が形成されている(図2(b))。なお、空気通路20は本発明の酸化ガス通路に相当し、冷却水通路22は本発明の冷却媒体通路に相当する。
Inside the
燃料電池100では、水素および酸素が供給されることで上記電気化学反応が起こり、酸素極側で生成水が発生し、余剰な水が空気通路20に残留する。この残留水は、空気通路上流から下流に向かい、空気の蒸気圧が飽和となり下流で凝縮水が生成されるため発生する。ここで、空気通路下流部20とは、空気通路20の中央付近から空気通路出口部20bに至る領域を示すものとする。
In the
図3は図2のA−A断面図であり、空気通路20の下流部20cにおけるセル10の断面構成を示している。図3ではMEA11の空気極側のみを示している。図3に示すように、セパレータ12における空気通路20の下流部20aには、冷却水通路22に近い側に熱抵抗手段としての空気層12aが形成されている。空気層12aは、セパレータ12内部に溝あるいは空洞を設けることで形成されている。熱抵抗手段は、空気通路20と冷却水通路22との間に設けられていればよく、空気通路20からできるだけ近づけて設けられることが望ましい。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2 and shows a cross-sectional configuration of the
ここで、セパレータ12(=ガス)の温度は、MEA11からセパレータ12に伝わる熱量とセパレータ12から空気層12aを通って冷却水に伝わる熱量との差によって決まる。なお、熱量は両方の温度差に比例する(例えば、セパレータ12と空気層12aとの温度差で決まる)。
Here, the temperature of the separator 12 (= gas) is determined by the difference between the amount of heat transferred from the
図4は、空気通路下流部20cにおけるセル10内部の温度分布を示す特性図である。図4に示すように、電解質11とセパレータ12との間はほぼ同じ温度である。一方、セパレータ12と冷却水との間は、空気層12aが熱抵抗になり大きな温度差が形成されている。すなわち、空気層12aの存在によりセパレータ12と空気層12a、空気層12aと冷却水のそれぞれ隣接する箇所の温度差が小さくなり、熱移動量が減少する。これにより熱抵抗がない場合と比較して、MEA11での発熱量の多くがセパレータ12(=ガス)の昇温に使用され、セパレータ12(=ガス)の温度を高く維持できる。これにより、セパレータ12における空気通路下流部20cの温度を空気通路20の上流側より高くすることができる。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the temperature distribution inside the
次に、本実施形態の燃料電池100の作動を説明する。
Next, the operation of the
まず、燃料電池100では、水素および酸素が供給されることで上記電気化学反応が起こり発電する。このとき、MEA11の酸素極側で生成水が発生し、余剰な水が空気通路20の下流部20cに残留水として溜まる。また、発電に伴いMEA11が発熱し、この熱はMEA11→セパレータ12→冷却水へと伝えられ、MEA11およびセパレータ12が冷却される。
First, in the
上述のように、セパレータ12における空気通路下流部20cでは、空気層12aの存在によって空気通路上流部より温度が高くなっており、セル面内で確実に温度分布を形成することができる。このため、空気通路下流部20cでは空気の飽和蒸気圧が上昇するため、空気に含まれて排出される水分の量が多くなる。一方、空気通路20の上流部では相対的に温度が低くなっているため、空気の飽和蒸気圧が低くなる。このため、空気に含まれて排出される水分の量が少なくなる。これにより、空気通路20のうち水分が溜まりやすい下流部20cでは水分の排出を促進でき、乾燥しやすい上流部では水分の排出を抑制でき、空気通路20内の水分分布を均一化することができる。この結果、空気通路下流部20cでは水分過剰により燃料電池100の出力が低下することを抑制でき、空気通路上流部では水分不足により燃料電池100の出力が低下することを抑制することができる。
As described above, in the air passage
(他の実施形態)
なお、上記実施形態では、セパレータ12の冷却水通路22側に形成した空気層12aで熱抵抗手段を構成したが、これに限らず、図5または図6に示す他の手段により熱抵抗手段を構成することもできる。なお、図5および図6は空気通路下流部20cにおけるセル10の断面構成を示しており、上記実施形態の図3に対応している。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the heat resistance means is configured by the
例えば図5に示すように、セパレータ12内の冷却水通路22表面に撥水処理を施すことで熱抵抗手段を構成することができる。これにより、セパレータ12と冷却水との接触面積を減らし、伝熱量を減らすことができる。また、図6に示すように、セパレータ12内の冷却水通路22表面に熱伝導率の低い材料13を塗布することで熱抵抗手段を構成することができる。低熱伝導材料13は、セパレータ12より熱伝導率の低い材料であればよく、例えばエポキシ等の樹脂材料を用いることができる。これらの熱抵抗手段は、単独で用いてもよく、任意に組み合わせて用いてもよい。
For example, as shown in FIG. 5, the heat resistance means can be configured by subjecting the surface of the cooling
また、熱抵抗手段を設ける空気通路下流部20は、空気通路20の中央付近から空気通路出口部20bに至る全領域である必要はなく、その一部でもよい。
The air passage
100…燃料電池、10…セル、11…MEA(膜電極複合体)、12…セパレータ、13…低熱伝導材料、20…空気通路、20c…空気通路下流部、22…冷却水通路。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記セル(10)は、電解質膜の両側に一対の電極が配置されたMEA(11)と、前記MEA(11)に接するように配置されたセパレータ(12)とを備えており、
前記セパレータ(12)には、前記MEA(11)と接する側に前記酸化ガスが通過する酸化ガス通路(20)が設けられているとともに、前記酸化ガス通路(20)より前記MEA(11)から遠い側に冷却媒体が通過する冷却媒体通路(22)が設けられており、
前記セパレータ(12)には、前記酸化ガス通路(20)の下流部(20c)に対応する部位において、前記酸化ガス通路(20)と前記冷却媒体通路(22)との間に熱抵抗手段(12a、13)が設けられていることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which a plurality of cells (10) for generating an electric energy by electrochemically reacting an oxidizing gas containing oxygen as a main component and a fuel gas containing hydrogen as a main component,
The cell (10) includes an MEA (11) having a pair of electrodes disposed on both sides of an electrolyte membrane, and a separator (12) disposed to contact the MEA (11).
The separator (12) is provided with an oxidizing gas passage (20) through which the oxidizing gas passes on the side in contact with the MEA (11) and from the MEA (11) through the oxidizing gas passage (20). A cooling medium passage (22) through which the cooling medium passes is provided on the far side;
The separator (12) has a thermal resistance means (between the oxidizing gas passage (20) and the cooling medium passage (22) at a portion corresponding to the downstream portion (20c) of the oxidizing gas passage (20). 12a, 13) is provided.
The thermal resistance means includes a material (13) having a lower thermal conductivity than the separator (12) provided on the surface of the cooling medium passage (22) on the oxidizing gas passage (20) side. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein:
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Cited By (2)
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JP2009231083A (en) * | 2008-03-24 | 2009-10-08 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
EP2432059A1 (en) * | 2009-11-12 | 2012-03-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
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- 2003-11-27 JP JP2003397769A patent/JP2005158610A/en not_active Withdrawn
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