JP2005235571A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 反応領域内でガスを最大限有効利用して発電効率を向上させた燃料電池を提供する。
【解決手段】 電解質１１の両側に配設された電極１２、１３と、これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータ３０とを備えた燃料電池１０において、ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、ガス流路の下流部のガスを上流部に吸引するエゼクタを反応領域面内に配設する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤とを電極に供給することにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。燃料電池は、生成物が水であるため環境を汚染しない他、理論上の発電効率が高い等の特徴を有するため、近年、自動車の動力源や家庭用コジェネレーション・システム等として実用化するための開発が進められている。したがって、燃料電池実用化のために、発電効率を高める技術はきわめて重要なものと位置づけられている。

かかる発電効率を高める技術の一つとして、使用済みガスの再使用がある。特許文献１には、セパレータのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜／電極接合体）に相当する部分の外側にガス供給通路とガス排出通路と、ガス供給通路とガス排出通路から分岐し、両通路をつなぐ連絡通路を設け、連絡通路のガス供給通路側に、使用済みガスをガス供給通路に吸引する吸引通路を有するエゼクタを備える構造が開示されている。また、同様な技術分野において関連技術を開示するものとして、特許文献２がある。
特開２００２−２８００２８号公報 特開２００３−７７５０６号公報

しかし、特許文献１に開示されている構造にあっては、流路の最下流部で、エゼクタによって流速が速くなるが、エゼクタ部分はＭＥＡの外側の反応領域外に配設されているため、流速の速いガスが有効に利用されていないという問題があった。

そこで本発明は、反応領域内でガスを最大限有効利用して発電効率を向上させた燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質の両側に配設された電極と、これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータとを備えた燃料電池であって、ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、ガス流路の下流部のガスを上流部に吸引するエゼクタが反応領域面内に配設されていることを特徴とする燃料電池を提供するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、ガス流路へのガス供給口は反応領域面の垂直方向中央より上方に設けられていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、ガス流路にガスを供給するマニホールドとガス流路とを連結する連結通路が、ガス流れ方向に通路断面積が小となるようにされていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、ガス流路内にガスの排出口、及び該排出口に開閉手段を備え、この開閉手段を閉鎖して運転する閉鎖運転モードを含むことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エゼクタにより最下流部のガスを最上流部に吸引してガス流速を速めることが反応領域面内において行われるので、最下流部のガスの流動を促し、反応領域であるＭＥＡ上全面にガスが常に流れて攪拌されるので、よどみが出にくくなり、燃料電池の発電効率を高めることができる。また、一般にガスの流速が速いと高出力が得られるため、ガスの流速が速くなるエゼクタ部を反応領域面内に配置することで、反応効率を高めることができる。

請求項２の発明によれば、反応にあずかったガスは水分を含んでおり、この水分は、重力により次第に反応領域下方に集まるのに対し、ガス流路へのガス供給口は、反応領域面の垂直方向中央より上方に設けられているので、エゼクタは水分を吸い込むことなく反応に有効に利用される水素を上部に吸引して、再び反応に供することが可能となる。

請求項３の発明によれば、連結通路が、ガスの流れ方向に次第に断面積が小となるように形成されているので、ガスの流速を高めてエゼクタによる吸引効果を高めることができる。

請求項４の発明によれば、ガス排出口の開閉手段を「閉」として閉鎖モード運転とした場合、ガスは反応領域面内を循環されることになり、反応領域面内のガスの流れが少なくなるが、エゼクタによりガスに流れを付けることで攪拌できることから、さらに反応促進することができる。

図１に、燃料電池自動車に適用した燃料電池システムの一部を示す。この燃料電池システムは、本発明にかかる燃料電池１０と、該燃料電池１０に燃料水素ガスを供給するための高圧水素タンク１、及び燃料電池１０の排出系を制御するコントローラ１４等を備えている。燃料電池１０は、電解質の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルが層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じて出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜１１の両面に電極１２、１３が形成された電池セル１０ａの構造のみを示している。一方の電極が燃料極１２であり、他方の電極が空気極１３である。燃料電池１０は車両駆動用のモータの給電源であり、３００Ｖ程度の直流の高電圧を発生する。燃料電池１０が発生する電圧は、その出力回路中に設けられた電圧センサ２３により常時検知されている。燃料電池１０の発電電圧は、前記モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータ１５に出力される。また、燃料電池１０の発電電圧は、不図示のＤＣ−ＤＣコンバータで１２Ｖ程度に降圧されて、車両に搭載される種々の補機や、これらへの給電用の二次電池であるバッテリに出力される。

燃料電池１０の燃料入口ポート１６には、高圧水素タンク１から水素ガス通路１７が導かれており、水素ガス通路１７中に設けられたレギュレータ１８により、所定の圧力に調整された燃料水素ガスが供給される。この燃料水素ガスが、燃料電池１０の燃料極１２とセパレータとの間に形成された流路より燃料極１２に拡散していく。そして、所定のタイミング、あるいは条件が整うと、セル内のガスが流路の最下流端のガス出口ポート１９から排出されるようになっている。ガス出口ポート１９は後述する排出路２０と接続されている。また、燃料電池１０の空気極１３には、空気入口ポート２１から空気が供給されて、空気が、前記電池セルの空気極１３とセパレータとの間に形成された流路より空気極１３に拡散していく。

燃料電池１０は、上記のようにして、燃料極１２に供給される燃料水素ガスと、空気極１３に供給される空気等の酸化ガスとが電池反応をして電力を生成するが、電池反応が進むにつれて、空気極１３から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が、電解質膜１１を通り燃料極１２側へと滲み出してくる。この結果、窒素や水蒸気の分圧が上昇してセル内ガス中に存在する未使用燃料水素ガスの濃度が徐々に低下して、発電能力が低下する。これに対処するため、燃料極１２から窒素や水蒸気濃度が高められたガスを排出すべく排出路２０が設けられている。排出路２０の途中には、電磁式の二方弁である排出バルブ２２が設けられている。この燃料電池システムでは、所定条件になったときに排出バルブ２２を開弁して、燃料極１２の窒素や水分を排出し、新たに高圧水素タンク１から十分な燃料水素ガスの導入をはかっている。このために、燃料電池システムには、排出バルブ２２を制御対象の一つとするコントローラ１４が設けられている。

燃料電池システム全体を制御する制御手段でもあるコントローラ１４はマイクロプロセッサを主体に構成され、必要に応じてＲＯＭ及び／又はＲＡＭを備えている。コントローラ１４の入力ポート１４ａには、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ２３の検出信号が入力される。コントローラの出力ポート１４ｂからは、排出バルブ２２の開閉動作命令信号が出力される。

図２にコントローラ１４のマイクロプロセッサが実行する、排出バルブ２２の開閉制御のフローチャートを示す。まず処理が開始されると、排出バルブ２２が閉鎖される（ステップＳ１）。続くステップＳ２では、燃料電池１０の電圧が所定のしきい値以下に低下したがどうかが判断される。この判断は、電圧センサ２３の検出信号に基づき行われる。ステップＳ２において肯定判断された場合には、排出バルブ２２の「開」動作命令が発せられ、排出バルブ２２が「開」状態となる（ステップＳ３）。ステップＳ２において否定判断された場合には、処理はステップＳ１に戻され上記ステップＳ１、Ｓ２の処理が繰り返される。排出バルブ２２が開状態になると、セル内の窒素や水分が排出されるので、セル内の有効燃料水素ガス濃度が高められ、燃料電池の発電能力が次第に回復してくる。そこで、ステップＳ４では、燃料電池１０の電圧が所定のしきい値まで回復したかどうかが判断される。ステップＳ４において肯定判断された場合には、処理はステップＳ１に戻され、再び排出バルブ２２が閉じられて、ステップＳ２以下の処理が繰り返される。ステップＳ４において否定判断された場合には、処理はステップＳ３に戻され、それ以降の処理が繰り返される。

かかる燃料電池システムを構成する燃料電池１０は、以下に説明する点において大きな特徴を有している。

図３は、燃料電池１０の、燃料極（アノード）１２を概略的に示す正面図である。図面中央に大きく矩形で示されているのがセパレータ３０であり、その内側にＭＥＡ４０が配置されている。セパレータ３０には、燃料入口ポート１６と、ガス出口ポート１９とが設けられている。燃料入口ポート１６には上記したように、高圧水素タンク１から水素ガス通路１７が導かれており、水素ガス通路１７中に設けられたレギュレータ１８により、所定の圧力に調整された燃料水素ガスが供給されている。また、ガス出口ポート１９には上記したように排出路２０が導かれており、排出路２０には、排出バルブ２２が設けられている。セル内窒素、水分濃度が高まって燃料電池の発電能力が低下し、発生電圧が所定値を下回ると排出バルブ２２が開かれて、排出路２０から燃料電池セル内のガスが排出される。

燃料入口ポート１６の反応領域面側にはノズル３１が取り付けられている。図面上はセパレータ３０、ＭＥＡ４０、及びノズル３１が同一平面上に表されているが、実際には紙面手前側から奥側に向かって、セパレータ３０、ノズル３１、ＭＥＡ４０の順に配置されている。ノズル３１は、略円錐形状を呈し、円錐の底部及び頂部にあたる部分が開口されている。円錐の底部にあたる部分は燃料入口ポート１６側に開口している（以下において「開口部３２」という。）。円錐の頂部にあたる部分、すなわちノズル３１の噴射孔は反応領域面内に開口している（以下において「噴射孔３３」という。）。開口部３２と噴射孔３３とは、略円錐形状のガス通路（連結通路）３４により連通されている。

セパレータ３０のＭＥＡ４０と対向する面には、反応領域面内において、ＭＥＡ４０と協働して燃料ガスの流れ方向を規制する山部３５が形成されている。山部３５は、反応領域面を上下に仕切る水平部３５ａと、水平部３５ａの一端側からノズル３１方向に延設される傾斜部３５ｂと、傾斜部３５ｂの端部に一端を有し、ノズル３１の外周に沿って湾曲する湾曲部３５ｃとを備えている。傾斜部３５ｂと、湾曲部３５ｃとで、ベンチュリ形状が形成されている。

ノズル３１から燃料極１２の反応領域面内へと噴射された燃料水素ガスは、触媒の力により、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極（アノード）側：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （式１）
電解質膜１１はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜１１を通過することができず、外部の回路を通って空気極１３へと移動する。燃料電池１０においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜１１を通過して空気極１３へと移動する。一方で、空気極１３へ供給された酸素が、空気極１３へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極（カソード）側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ

燃料極１２における上記式１の反応は、燃料極１２の反応領域全面にわたり一様に生じることが発電効率の観点から好ましい。このため、本発明の燃料電池１０においては、ノズル３１の噴射孔３３をガス流路の上流部（図面左上部）に右向きに配置している。かかる構成により、ノズル３１の噴射孔３３から反応領域内に噴射された新規の燃料水素ガスが反応領域上部（図３において符号Ａで示されている部分。）において、セル内のガスと攪拌混合される。さらにセパレータ３０に、水平部３５ａ、傾斜部３５ｂ、及び、湾曲部３５ｃを備えた山部３５を形成したので、これらによりセル内ガスの流れが規制され、反応領域面内において燃料水素ガスは時計回りの方向に循環される。一方、上述したように反応が進むにつれて空気極１３から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が電解質膜１１を通り燃料極１２側へと滲み出してくる。これらは密度が水素より大であるため、もっぱら反応領域面内の下部（図でＢで表されている領域）に滞留しがちである。

本発明の燃料電池１０では、山部３５にベンチュリ形状が形成されているので、ノズル３１から新規水素ガスが噴射されると、エゼクタ効果により、反応領域下部に滞留している水蒸気や窒素分が未反応の水素ガスとともにガス流路上流側に吸い上げられて、図面にＡで表されている領域において新規水素ガスと混合され、再び反応領域内を循環される。この結果、反応領域下部にあるガス流路下流部に窒素分や水分が滞留することが抑制されて、反応領域面ない全体にわたって燃料極１２における上記式１の反応を促進することができる。しかも、これらのガス流路は全て反応領域面内に収められているので、燃料極内の反応が十分に行われる。したがって、燃料電池１０の発電効率を高めることができる。また、水分を含む反応ガスを再循環するので、燃料水素を加湿する必要がない。よって加湿器を省略することができる。このような本発明による作用効果は、排出バルブ２２が閉鎖されて反応領域面内で燃料ガスが繰り返し循環されている状態、すなわち「閉鎖モード運転」において特に有効である。

図４は、ノズル３１の構造を説明する図である。（ａ）は、燃料電池１０の側面図であり、（ｂ）は燃料電池１０を燃料極１２側から表した正面図である。なお、図４において、図３に表されている部材と同一部材がある場合には、図３における該部材に付されている参照符号と同一符号を付してその説明を省略する。図４（ａ）において、燃料電池１０は、中央部に電解質膜とその両側に拡散層が配置されたＭＥＡ４０を備え、さらにその両側にセパレータ３０ａ、３０が配置されている。セパレータ３０ａは空気極１３側、セパレータ３０は燃料極１２側に配置されている。図示の通り本実施形態においては、ノズル３１は燃料極側セパレータ３０とは別体に作製されており、ノズル３１がセパレータ３０の壁に挟まれるように固定される構造となっている。

本発明において、ノズル３１の噴射孔３３が配置される位置は特に限定されるものではない。反応領域面内下部に滞留する水分（水蒸気を除く。）を吸引しないという観点からは、反応領域最下部以外の位置のいずれでもよい。しかし、燃料水素ガスを反応領域内に循環させるためには、噴射孔３３は山部３５の水平部３５ａより上方にあることが必要であり、反応領域内に燃料水素ガスを偏りなく循環させるためには、水平部３５ａを反応領域上下方向の中央部近傍に配置することが好ましい。かかる配置に対応するため、ノズル３１は、反応領域面の垂直方向中央より上方に配置されていることが好ましい。

ノズル３１は、そのガス通路３４を、燃料入口ポート１６側から噴射孔３３に向かうにしたがって断面積が小さくなるように形成することが好ましい。このように構成することにより、燃料水素ガスの流速を高めることができ、上記エゼクタ効果による十分な量の吸引を確保することができる。

本発明の燃料電池１０において、ノズル３１はセパレータ３０に直接形成してもよいが、噴射孔３３を小さなものに形成するという観点から、セパレータ３０とは別体の、金属製ノズル、あるいは射出成形によるプラスチックノズルを使用することが好ましい。金属製のノズルの場合、非導電性の膜を表面にコーティングしたものが、燃料電池内の短絡を抑制するという観点から好ましい。

本発明の燃料電池１０を構成するセパレータ３０の材料、並びに、ＭＥＡ４０を構成する電解質、電極、及び触媒等の材料は特に限定されるものではなく、通常、燃料電池用に使用されるものを利用することができる。例えば、セパレータ３０として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンやステンレス鋼等の耐食性金属材料、電解質として、パーフルオロスルフォン酸ポリマー等のフッ素系樹脂、触媒として炭素質に担持された白金、あるいは白金と他の金属とからなる合金等、アノード及びカソードは、炭素繊維を織成したカーボンクロスなどを使用することができる。

なお、上記では、燃料極１２に本発明を適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空気極１３にも適用することができる。この場合には、空気を加湿することが不要となるという利点がある。

燃料電池自動車に適用した燃料電池システムの一部を示す図である。 コントローラのマイクロプロセッサが実行する、排出バルブの開閉制御のフローチャートを示す図である。 燃料電池の、燃料極を概略的に示す正面図である。 ノズルの構造を説明する図である。

符号の説明

１ 高圧水素タンク
１０ 燃料電池
１１ 電解質膜（電解質）
１２ 燃料極
１３ 空気極
１４ コントローラ
１５ インバータ
１６ 燃料入口ポート
１７ 水素ガス
１８ レギュレータ
１９ ガス出口ポート
２０ 排出路
２１ 空気入口ポート
２２ 排出バルブ
２３ 電圧センサ
３０、３０ａ セパレータ
３１ ノズル
３２ 開口部
３３ 噴射孔
３４ ガス通路（連結通路）
３５ 山部
４０ ＭＥＡ

Claims (4)

1. 電解質の両側に配設された電極と、
   これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータと、を備えた燃料電池であって、
   前記ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、前記ガス流路の下流部のガスを前記上流部に吸引するエゼクタが反応領域面内に配設されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記ガス流路へのガス供給口は、前記反応領域面の垂直方向中央より上方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ガス流路にガスを供給するマニホールドとガス流路とを連結する連結通路が、ガス流れ方向に通路断面積が小となるようにされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記ガス流路内にガスの排出口、及び該排出口に開閉手段を備え、この開閉手段を閉鎖して運転する閉鎖運転モードを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
   
   

Images