JP2006221967A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 パッシブ型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、安定した発電性能を得る。
【解決手段】 水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池１００と、大気圧以上の圧力を有する水素が充填され、前記燃料電池１００の燃料極側に水素を供給する水素供給装置２００と、前記水素供給装置２００から前記燃料電池１００に供給される水素が通過する水素供給経路２０１と、前記燃料電池１００の燃料極側から排出される排ガスを排出するための水素排出経路２０２と、前記水素供給経路２０１内における水素の流体エネルギーを機械的エネルギーに変換し、この機械的エネルギーによって前記燃料電池１００の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる空気乱れ発生手段３０３、３０８、４００とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大気中の酸素を自然拡散により空気極に取り入れるパッシブ型燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

パッシブ型燃料電池は、一般的に発電量が１０Ｗ程度の比較的小出力の電源として用いられている。そこで、発電に必要なシステムをできるだけ簡素にし、発電するために外部から投入するエネルギーを極力少なくすることが要求される。このため、燃料電池の酸素極への空気（酸素）供給は、エネルギーを必要とする補機を持たず、大気の自然対流に依存した燃料電池システムが報告されている（特許文献１）。
特開２００２−２７０２１２号公報

しかしながら、パッシブ型燃料電池は、大気中の拡散による空気（酸素）供給を行なうため、使用環境に左右されやすく、気温変化等により発電能力が変動することがあり得る。

本発明は上記点に鑑み、パッシブ型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、安定した発電性能を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池（１００）と、大気圧以上の圧力を有する水素が充填され、燃料電池（１００）の燃料極側に水素を供給する水素供給装置（２００）と、水素供給装置（２００）から燃料電池（１００）に供給される水素が通過する水素供給経路（２０１）と、燃料電池（１００）の燃料極側から排出される排ガスを排出するための水素排出経路（２０２）と、水素供給経路（２０１）内における水素の流体エネルギーを機械的エネルギーに変換し、この機械的エネルギーによって燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる空気乱れ発生手段（３０３、３０８、４００）とを備えることを特徴としている。

このように、燃料電池（１００）に供給される水素の流体エネルギーを利用して燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させることで、効果的な撹拌効果を得ることができ、燃料電池（１００）の空気極に新たな空気を確実に供給できる。これにより、燃料電池（１００）の空気極に空気を送るための外部エネルギーを用いなくても、燃料電池システムの作動環境に依存せず、燃料電池（１００）の高い発電能力を安定的に保つことができる。

また、請求項２に記載の発明では、水素供給経路（２０１）に設けられた第１開閉弁（２０４）と、水素排出経路（２０２）に設けられた第２開閉弁（２０５）とを備え、第１開閉弁（２０４）と第２開閉弁（２０５）とを閉じた状態で燃料電池（１００）を運転するように構成されており、空気乱れ発生手段は、水素供給経路（２０１）内における水素の圧力を受ける受圧部（４０１）を有し、水素の圧力変動を往復運動に変換するアクチュエータ（４００）と、アクチュエータ（４００）の往復運動により作動し、燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる空気乱れ発生部材（３０３）とを含んでいることを特徴としている。

このような閉塞型の燃料電池では、燃料電池（１００）の運転に伴い水素供給経路（２０１）内の水素圧力が変動するので、この水素圧力の変動を利用して燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、空気乱れ発生部材（３０３）の面積をアクチュエータ（４００）の受圧部（４０１）の面積より大きくすることで、空気撹拌効果を大きくすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、空気乱れ発生手段（３０７）は、水素供給経路（２０１）内における水素の流れを受けて回転する第１回転翼（３０７ｂ）と、第１回転翼（３０７ｃ）に連動して回転し、燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる第２回転翼（３０７ｃ）とを有することを特徴としている。

このように、燃料電池（１００）に水素を供給する際に発生する水素の流れを利用することによっても、燃料電池（１００）の空気極近傍に空気の乱れを発生させることができる。

また、請求項５に記載の発明のように、第２回転翼（３０７ｃ）を第１回転翼（３０７ｂ）より大きい回転半径を有するように構成することで、空気撹拌効果を大きくすることができる。

また、請求項６に記載の発明のように、第２回転翼（３０７ｃ）を、回転時に燃料電池（１００）側に空気を送ることができるように、回転軸（３０７ａ）の軸方向に対して角度を設けるように構成することで、効果的に燃料電池（１００）の空気極に新たな空気を供給することができる。

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。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの概念図である。図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１００、水素タンク２００、燃料電池容器３００、アクチュエータ４００を備えている。

本実施形態では、燃料電池１００として、自然拡散により大気中の酸素を空気極に取り入れるパッシブ型の燃料電池を用いている。また、本実施形態の燃料電池１００は、プロトン伝導型の燃料電池である。

ここで、図２に基づいて燃料電池１００の構成を説明する。図２は燃料電池１００の構成を示しており、図２（ａ）は燃料電池１００の外観を示し、図２（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面を示している。

図２（ｂ）に示すように、燃料電池１００は、プロトンを透過させる電解質膜１０１を備えており、電解質膜１０１の両面側には触媒層１０２、１０３が設けられている。触媒層１０２、１０３は、白金カーボンとプロトン透過分子で構成することができる。触媒層１０２、１０３の両外側には、拡散層１０４、１０５が設けられている。拡散層１０４、１０５は、カーボンクロスのような導電性の炭素材料で構成することができる。

拡散層１０４、１０５の両外側には、燃料電池１００の出力端子を構成する電極板１０６、１０７が設けられている。電極板１０６、１０７には、複数の貫通孔１０６ａ、１０７ａが設けられており、水素と空気（酸素）が拡散層１０４、１０５に接触できるようになっている。電極板１０６、１０７は、例えばＳＵＳ等の金属から構成することができる。電極板１０６、１０７は、図示しない昇圧装置に接続されており、燃料電池１００は所定の電圧・電流を出力する電源装置として機能する。

一対の電極板１０６、１０７で挟まれた触媒層１０２、１０３および拡散層１０４、１０５の端部には、水素と空気（酸素）が外部に漏洩することを防ぐためにシール部材１０８、１０９が設置されている。また、シール部材１０８、１０９は、非導電性の樹脂等で構成されており、電極板１０６、１０７同士が短絡しないようになっている。この燃料電池１００は、Ａ−Ａ断面方向に適度な圧縮力が加えられており、良好な発電性能と燃料漏洩防止を両立している。

図１に戻り、燃料電池１００には水素供給経路２０１を介して水素タンク２００から水素が供給される。水素タンク２００は、高圧の水素が充填された耐圧容器として構成されている。水素タンク２００から燃料電池１００に供給された水素のうち未反応水素を含むオフガスは、水素排出経路２０２から外部に排出される。なお、水素タンク２００が本発明の水素供給装置に相当している。

水素供給経路２０１には、後述のアクチュエータ４００が接続される開口部２０３が設けられている。さらに、水素供給経路２０１には、開口部２０３の上流側に第１開閉弁２０４が設けられている。水素排出経路２０２には、第２開閉弁２０５が設けられている。本実施形態の燃料電池１００は、第１開閉弁２０４を開いた状態で水素タンク２００から高圧の水素が供給された後、第１開閉弁２０４と第２開閉弁２０５とを閉じた状態で運転が行われる閉塞型の燃料電池として構成されている。

燃料電池１００は、燃料電池容器３００に内蔵されている。本実施形態の燃料電池容器３００は、中空円柱状に構成されており、図中の左右方向が軸方向となっている。燃料電池容器３００の内部は、燃料電池１００によって２つに仕切られており、水素供給経路２０１および水素排出経路２０２と連通している側が水素供給室３０１として構成され、その反対側が空気供給室３０２として構成されている。

燃料電池容器３００には、空気供給室３０２と外部とを連通させる貫通孔３０６が形成されている。空気供給室３０２には、空気撹拌部材３０３が設けられている。空気撹拌部材３０３は、燃料電池容器３００より若干小さい直径を有する中空円柱形状となっており、燃料電池１００に対向する側が開口している。

空気撹拌部材３０３は、図中の左右方向に移動可能となっている。空気撹拌部材３０３の開口していない端面は、空気供給室３０２内の空気を撹拌する空気撹拌面となっている。燃料電池容器３００の内壁面には柔軟性を有するベローズ３０４が設けられており、空気撹拌部材３０３が移動したときに、空気供給室３０２の大きさが変化するようになっている。また、空気撹拌部材３０３と燃料電池１００との間には、弾性部材としてのバネ３０５が設けられている。

アクチュエータ４００は、中空円柱状になっており、内部に受圧部４０１が配置されている。受圧部４０１は、アクチュエータ４００より若干小さい直径を有する中空円柱形状となっており、一端側が開口している。受圧部４０１は、アクチュエータ４００内部で図中左右方向に移動可能となっている。なお、アクチュエータ４００と空気撹拌部材３０３とが本発明の空気乱れ発生手段に相当している。

受圧部４０１の開口していない端面は水素の圧力を受ける受圧面となっている。アクチュエータ４００は、受圧部４０１の受圧面が水素供給経路２０１の開口部２０３に対応する位置となるように配置される。これにより、水素供給経路２０１内の水素圧力に応じてアクチュエータ４００内で受圧部４０１が移動する。アクチュエータ４００の内壁面には、柔軟性を有するベローズ４０２が設けられており、水素がアクチュエータ４００の外部に漏れないようになっている。なお、空気撹拌部材３０３の撹拌面の面積は、アクチュエータ４００の受圧部４０１の受圧面の面積より大きくなるように構成されている。

受圧部４０１は、燃料電池容器３００内の空気撹拌部材３０３と連結部材４０３を介して連結されており、空気撹拌部材３０３は受圧部４０１に連動して移動する。受圧部４０１と空気撹拌部材３０３の移動量は、水素供給経路２０１内の水素圧力とバネ３０５の弾性力とによって決定される。すなわち、水素圧力がバネ弾性力に勝っているときには、受圧部４０１と空気撹拌部材３０３は燃料電池１００に近づく側に移動し、バネ弾性力が水素圧力に勝っているときには、受圧部４０１と空気撹拌部材３０３は燃料電池１００から遠ざかる側に移動する。

次に、上記構成の燃料電池システムの作動を図１と図３に基づいて説明する。燃料電池１００に水素供給を開始する前の初期状態では、空気撹拌部材３０３は燃料電池１００から遠い側に移動しており、図１に示す状態となっている。

第２開閉弁２０５を閉じ第１開閉弁２０４を開くことで、水素タンク２００から燃料電池１００に水素が供給される。その後、第１開閉弁２０４を閉じる。この状態では、水素供給経路２０１内の水素圧力は、水素タンク２００から高圧の水素が放出された直後であり、大気圧より高くなっている。このとき水素圧力がバネ弾性力に勝っているので、アクチュエータ４００の受圧部４０１は図中右側に移動し、空気撹拌部材３０３は燃料電池１００に近づく側に移動し、図３に示す状態となる。

第１開閉弁２０４と第２開閉弁２０４を閉じた状態で燃料電池１００は運転される。燃料電池１００の運転に伴い、水素供給経路２０１内の水素が消費され、水素供給経路２０１内の水素濃度が低くなり水素圧力が低くなる。この結果、バネ弾性力が水素圧力に勝るようになるので、空気撹拌部材３０３が燃料電池１００から遠ざかる側に移動し、図１に示す状態となる。

燃料電池容器３００の空気供給室３０２内では、燃料電池１００の運転に伴い、燃料電池１００の空気極近傍の酸素濃度が低くなっている。ここで、空気撹拌部材３０３が燃料電池１００から遠ざかる側に移動することで、燃料電池１００の空気極近傍の空気が撹拌され、貫通孔３０６を介して空気供給室３０２内に外部から新たな空気が導入されるとともに、空気供給室３０２内から酸素濃度が低くなった空気が排出される。

そして、水素供給経路２０１内の水素濃度低下によって、燃料電池１００の出力が低下した場合には、第２開閉弁２０５を開放し、第１開放弁２０４を開放することで、水素供給経路２０１内の水素を外部に排出できる。そして、第２開閉弁２０５を閉じることで、高圧の水素が水素供給経路２０１内に満たされ、空気撹拌部材３０３は燃料電池１００に近い側に移動する。このように、燃料電池１００の水素消費に伴う水素供給経路２０１内の水素圧力低下と、開閉弁２０４、２０５の開閉制御による水素タンク２００からの水素供給により、アクチュエータ４００の作動を制御することができる。

以上のように、燃料電池１００の運転に伴う水素圧力の変動を利用して燃料電池１００の空気極近傍に空気の乱れを発生させることで、効果的な撹拌効果を得ることができ、燃料電池１００の空気（酸素）極に新たな空気を確実に供給できる。これにより、燃料電池システムの作動環境に依存せず、燃料電池１００の高い発電能力を安定的に保つことができる。

また、空気撹拌部材３０３の撹拌面の面積をアクチュエータ４００の受圧部４０１の受圧面の面積より大きく構成することで、空気供給室３０２における空気撹拌効果が大きくなり、良好な空気（酸素）供給効果が得られる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４、図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して空気撹拌部材の構成が異なるものである。上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４は、本第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。図４に示すように、本実施形態の空気撹拌部材３０７は、水素供給経路２０１と燃料電池容器３００にまたがるように設けられている。空気撹拌部材３０７は回転軸３０７ａを備えている。

回転軸３０７ａの一端側に水素側回転翼３０７ｂが設けられ、回転軸３０７ａの他端側に空気側回転翼３０７ｃが設けられている。水素側回転翼３０７ｂは水素供給経路２０１内に配置されており、空気側回転翼３０７ｃは空気供給室３０２内に配置されている。水素側回転翼３０７ｂおよび空気側回転翼３０７ｃは、回転軸３０７ａの周囲に９０°間隔で４枚ずつ設けられている。なお、水素側回転翼３０７ｂと空気側回転翼３０７ｃが、それぞれ本発明の第１回転翼と第２回転翼に相当している。

燃料電池容器３００において空気側回転翼３０７ｃが配置された位置を基準として燃料電池１００から遠い側に、燃料電池容器３００内に外気を導入するための第２の貫通孔３０８が設けられている。また、空気側回転翼３０７ｃは、回転軸３０７ａの軸方向に対して角度がつけられており、回転することで空気を燃料電池１００側に送り出すことができる。このとき、燃料電池容器３００には、第２の貫通孔３０８から外気が導入され、第１の貫通孔３０６から内部の空気が排出される。

図５は、水素供給経路２０１における水素側回転翼３０７ｂが配置された部位を示している。図５は、図４における左側から水素供給経路２０１を見た状態を示している。図５に示すように、水素供給経路２０１には、水素側回転翼３０７ｂが回転可能な大きさを有する圧力伝達部２０６が設けられている。水素供給経路２０１を水素が流れることで、水素側回転翼３０７ｂが回転する。

次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。第２開閉弁２０５を閉じ第１開閉弁２０４を開くことで、水素タンク２００から燃料電池１００に水素が供給される。
このとき、水素供給経路２０１内を流れる水素の流体エネルギにより水素側回転翼３０７ｂが回転し、これに連動して空気側回転翼３０７ｃも回転する。これにより、空気供給室３０２における燃料電池１００の空気極近傍には新たな空気が供給される。

その後、第１開閉弁２０４を閉じることで、第１開閉弁２０４と第２開閉弁２０４とを閉じた状態で燃料電池１００が運転される。燃料電池１００の運転に伴い、水素供給経路２０１内の水素が消費され、水素供給経路２０１内の水素濃度が低くなり水素圧力が低くなる。

そして、水素供給経路２０１内の水素濃度低下によって、燃料電池１００の出力が低下した場合には、第２開閉弁２０５を開放し、第１開放弁２０４を開放することで、水素供給経路２０１内の水素を外部に排出できる。このとき、このとき、水素供給経路２０１内を流れる水素の流体エネルギにより水素側回転翼３０７ｂが回転し、これに連動して空気側回転翼３０７ｃも回転する。これにより、空気供給室３０２における燃料電池１００の空気極近傍には新たな空気が供給される。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素タンク２００から燃料電池１００に水素を供給する際に水素供給経路２０１内で発生する水素の流れを利用して燃料電池１００の空気極近傍に空気の乱れを発生させることで、効果的な撹拌効果を得ることができ、燃料電池１００の空気（酸素）極に新たな空気を確実に供給できる。これにより、燃料電池システムの作動環境に依存せず、燃料電池１００の高い発電能力を安定的に保つことができる。

また、空気撹拌部材３０７の回転軸３０７ａに、一方向にのみ回転を許可するワンウェイクラッチを設けてもよく、さらに、回転軸３０７ａに例えば歯車を用いて水素側回転翼３７０ｂの回転を増幅させる回転増幅装置を設けてもよい。このような構成によれば、より大きな空気の撹拌効果が得られる。

また、燃料電池容器３００の第２の貫通孔３０８に、外部から燃料電池容器３００内への空気流入を許可し、燃料電池容器３００内から外部への空気流入を規制するリード弁（図示せず）を設ければ、より良好な換気性能を得ることができる。

また、本第２実施形態では、閉塞型の燃料電池について説明したが、燃料電池１００に水素を供給する際の水素の流れを利用して燃料電池１００の空気極近傍に空気の乱れを発生させる構成は、閉塞型の燃料電池に限定されることはなく、燃料電池１００に水素を供給する際の水素の流れが発生する燃料電池システムであれば適用可能である。

第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。 （ａ）は燃料電池の外観図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態の燃料電池システムの概念図であり、水素圧力が高い状態を示している。 第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。 第２実施形態の水素供給経路における水素側回転翼が配置された部位を示す図である。

符号の説明

１００…燃料電池、２００…水素タンク、２０１…水素供給経路、２０４、２０５…開閉弁、３００…燃料電池容器、３０３、３０７…空気撹拌部材、３０５…バネ、４００…アクチュエータ、４０１…受圧部。

Claims (6)

1. 水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池（１００）と、
   大気圧以上の圧力を有する水素が充填され、前記燃料電池（１００）の燃料極側に水素を供給する水素供給装置（２００）と、
   前記水素供給装置（２００）から前記燃料電池（１００）に供給される水素が通過する水素供給経路（２０１）と、
   前記燃料電池（１００）の燃料極側から排出される排ガスを排出するための水素排出経路（２０２）と、
   前記水素供給経路（２０１）内における水素の流体エネルギーを機械的エネルギーに変換し、この機械的エネルギーによって前記燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる空気乱れ発生手段（３０３、３０８、４００）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素供給経路（２０１）に設けられた第１開閉弁（２０４）と、前記水素排出経路（２０２）に設けられた第２開閉弁（２０５）とを備え、前記第１開閉弁（２０４）と前記第２開閉弁（２０５）とを閉じた状態で前記燃料電池（１００）を運転するように構成されており、
   前記空気乱れ発生手段は、前記水素供給経路（２０１）内における水素の圧力を受ける受圧部（４０１）を有し、水素の圧力変動を往復運動に変換するアクチュエータ（４００）と、前記アクチュエータ（４００）の往復運動により作動し、前記燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる空気乱れ発生部材（３０３）とを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記空気乱れ発生部材（３０３）の面積は、前記アクチュエータ（４００）の前記受圧部（４０１）の面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記空気乱れ発生手段（３０７）は、前記水素供給経路（２０１）内における水素の流れを受けて回転する第１回転翼（３０７ｂ）と、前記第１回転翼（３０７ｃ）に連動して回転し、前記燃料電池（１００）の空気極側近傍で空気の乱れを発生させる第２回転翼（３０７ｃ）とを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２回転翼（３０７ｃ）は、前記第１回転翼（３０７ｂ）より大きい回転半径を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２回転翼（３０７ｃ）は、回転時に前記燃料電池（１００）側に空気を送ることができるように、回転軸（３０７ａ）の軸方向に対して角度が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
   

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