JP2006351340A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池装置の新規構成の反応物質供給系を提案する。
【解決手段】 新規構成の反応物質供給系としてキャリアが循環するキャリア循環系を採用し、このキャリアに反応物質を導入する。この発明ではかかる新規構成の反応物質供給系において当該反応物質供給系を循環する液体状のキャリアへ反応物質を導入する技術について着目したものである。本発明者らは、反応物質がキャリアに溶解可能であるときは、両者の接触面積を大きくすることによって、より多くの反応物質をキャリア中に溶解できる。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池装置に関する。更に詳しくは、一対の反応極の間に電解質層が介在される燃料電池を含む燃料電池装置の改良に関する。

固体高分子型燃料電池のユニット１は、図１に示すとおり、電解質層として高分子電解質膜２が一対の反応極３及び４で挟まれる構成である。ここに一対の反応極は酸素極３と水素極４からなり、各反応極３，４は拡散層を含む場合がある。
燃料電池のユニット１から充分な出力を得るには当該ユニット１の温度制御が必要になる。そのため、ユニット１間にセパレータ８を設けてセパレータの中に冷媒（水）の循環路９を設ける必要があった。また、高分子電解質膜２を好適な湿潤状態に維持するため、酸素供給系及び／又は水素供給系に加湿器が取り付けられている。

かかる構成の燃料電池装置では水の循環路９や加湿器が付加されるため、装置の大型化を免れなかった。
そこで、特許文献１にはいわゆる水直噴型の燃料電池装置１１が提案されている（図２参照）。
この水直噴型燃料電池装置１１では、水を霧状にして空気供給系１３に混流させている。霧状の水を燃料電池の電極表面へ供給することにより電極の冷却と高分子電解質膜の湿潤状態の維持が図られている。
また、本件に関連する技術を開示する特許文献２も参照されたい。

特開２００２−１５７６０号公報 特開２０００−４４７号公報

図２に示す燃料電池装置によれば、装置の小型化・高出力化が図れるものの、狭い空気供給系１３に霧状の水を均一に補給する必要がある。即ち、水量が少ないと充分な冷却効果が得られず、他方、水量が多いと流路に水がつまり冷却効果が得られないばかりか酸素供給まで支障が生じるおそれがあるので、霧状の水の供給量の制御に困難性が伴う。

本発明者らは、かかる課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、全く新規な構成の反応物質供給系に想到し、当該反応物質供給系を用いることにより反応物質供給系の制御及び電池の冷却の制御が容易になることを見いだした。
即ち、燃料電池装置の反応物質供給系をキャリアが循環するキャリア循環系として、このキャリアに反応物質を導入する。
この発明は、かかる新規構成の反応物質供給系において当該反応物質供給系を循環する液体状のキャリアへ反応物質を導入する技術について着目したものである。本発明者らは、反応物質がキャリアに溶解可能であるときは、両者の接触面積を大きくすることによって、より多くの反応物質をキャリア中に溶解できることに着目し、本発明を完成するに至った。
即ち、一対の反応極の間に電解質層が介在される燃料電池を含む燃料電池装置において、
前記反応極へ反応物質を供給する反応物質供給系が液体状のキャリア循環系であり、該キャリアへ前記反応物質を導入する反応物質導入部が備えられ,
該反応物質導入部において前記液体状のキャリア及び気体状の前記反応物質のいずれか一方が他方に対して分散状態となる、ことを特徴とする燃料電池装置。
ここに分散状態とは、例えば液体状の前記キャリアへ前記反応物質が泡状にして導入される状態を指す。

このように構成された燃料電池装置によれば、反応物質供給系がキャリア循環系として外界から閉じられているので、その内部環境が一定となり安定する。よって、反応極に対する反応物質の供給の制御が容易になる。更には、反応物質導入部においてキャリアと反応物質との接触面積が可及的に大きくなる。これにより、充分な量の反応物質をキャリアへ導入可能となって、燃料電池の反応極へ充分な量の反応物質を提供可能となる。

この発明の第２の局面は反応物質導入部の構成を次のように規定する。即ち、反応物質導入部は前記キャリアを貯留するタンクと、該タンク内に挿入されるとともに気体状の前記反応物質を液体状の前記キャリアに分散させ溶解するバブラーとを有する。
かかる構成の反応物質導入部はその構成が簡易であるので、安価に製造することができる。

この発明の第３の局面は反応極が酸素極であることを規定しており、この場合も上記と同様の効果が得られる。
この発明の第４の局面はキャリアが熱媒体である旨を規定する。キャリアを熱媒体とすることにより、このキャリアを用いて燃料電池の温度制御を行うことができる。キャリアは燃料電池の酸素極に直接接触するので、何らセパレータ等に流路を形成することもなく、コンパクトな構成で効率よく温度制御が実行できる。

この発明の第５の局面は酸素を溶解するキャリアとしてフッ素系不活性液体を規定する。かかるフッ素系不活性液体としてフロリナート（住友３Ｍ社商品名）、ノベック（住友３Ｍ社商品名）を挙げることができる。
フッ素系不活性液体は冷媒として充分な熱容量を持つとともに、酸素を充分に溶解し、これを酸素極へ供給可能である。
また、フッ素系不活性液体は水を溶解しないので、酸素極の水分を持ち去ることがない。よって、酸素極の湿潤状態が維持される。
更には、フッ素系不活性液体の凝固点は極めて低い（マイナス５０℃程度）ので、燃料電池の低温始動特性が向上する。
フッ素系不活性液体へ酸素を溶解させるには、両者の接触面積を広くする。例えば、フッ素系不活性液体へ空気（又は酸素ガス）を吹き込んだり、空気中（酸素ガス中）においてフッ素系不活性液体を霧状する。

以上、酸素供給系について説明してきたが、水素供給系においても同様の構成を採用することができる。以下に詳細に説明する。
この発明の第６の局面は、反応物質供給系は反応極として水素極へ水素を供給する水素供給系である旨を規定する。水素供給系がキャリア循環系として外界から閉じられているので、その内部環境が一定となりかつ安定する。よって、水素極に対する水素の供給の制御が容易になる。更には、反応物質導入部においてキャリアと水素との接触面積が可及的に大きくなる。これにより、充分な量の水素をキャリアへ導入可能となって、燃料電池の水素極へ充分な量の水素を提供可能となる。

この発明の第７の局面は水素供給系を循環するキャリアが熱媒体である旨を規定している。
キャリアを熱媒体とすることにより、このキャリアを用いて燃料電池の温度制御を行うことができる。キャリアは燃料電池の水素極に直接接触するので、何らセパレータに冷却板を設けることなく、コンパクトな構成で効率よく温度制御が実行できる。

この発明の第８の局面では水素を溶解するキャリアとしてフッ素系不活性液体を規定する。かかるフッ素系不活性液体としてフロリナート（住友３Ｍ社商品名）、ノベック（住友３Ｍ社商品名）を挙げることができる。
フッ素系不活性液体は冷媒として充分な熱容量を持つとともに、水素を充分に溶解し、これを水素極へ供給可能である。
また、フッ素系不活性液体は水を溶解しないので、水素極の水分を持ち去ることがない。よって、水素極の湿潤状態が維持される。
更には、フッ素系不活性液体の凝固点は極めて低い（マイナス５０℃程度）ので、燃料電池の低温始動特性が向上する。
フッ素系不活性液体へ水素を溶解させるには両者の接触面積を大きくする。そのためには一方を他方に対して分散状態とする。例えば、フッ素系不活性液体に水素ガスの泡を吹き込んだり、水素ガス中へフッ素系不活性液体を霧状にして送り込むことができる。

以下、この発明の実施例について説明する。
図3は実施例の燃料電池装置２０を示す。
この燃料電池装置２０は燃料電池本体２１、酸素供給系３１、水素供給系４１から大略構成される。燃料電池本体２１は電解質層としてのナフィオン（デュポン社商品名）膜からなる固体高分子電解質膜２２を酸素極２３と水素極２４とで挟持した構成である。これら反応極２３及び２４は白金触媒を担持したカーボン粉末を拡散層へ積層した構成である。拡散層としては撥水性カーボンブラックを担持したカーボンクロスなどを採用することができる。図３に示す構成と同様に酸素極２３は酸素供給系３１の流路に接触しており、水素極２４は水素供給系４１の流路に開いている。

酸素供給系３１は閉ざされた流路３２からなり、当該流路３２に空気導入部としての空気混合装置３３，ポンプ３４及び冷却装置３５が付設されている。符号３６は外界の空気を酸素供給系３１内のキャリアへ導入するためのポンプである。符号３７は水抜きドレンである。
酸素供給系３１を循環するキャリアにはフッ素系不活性液体（フロリナート；住友３Ｍ社商品名）が用いられる。このキャリアは酸素の溶解量が大きく、図４に詳細を示す空気混合装置３１のように、キャリアを貯留するタンク（容器）と液体状のキャリアに気泡を吹き出すバブラーとしての多孔質板をポンプとを備える。容器中にキャリアを溜めてこのキャリア溜まりにバブラーで発生した空気の気泡を接触させることによりキャリア内に酸素を溶解することができる。

空気の溶解方法は図４の構成に限定されるものではなく、空気とキャリアとの接触面積を大きくすればよい。例えばノズルによりキャリア内へ気泡を吹き込んでもよい。
また、図５に示すように、空気混合装置内においてキャリアを滴状に落下させ、もってキャリアと空気との間の広い接触面積を確保することもできる。
更には、キャリア溜まりを攪拌することによりキャリアに対して空気を分散状態とし、もって両者の間に広い接触面積をとることもできる。

図６に示す空気混合装置１３３では、図４に示す装置において、凝縮器１３５をその排気系に付設した。これにより、排気により持ち去れたキャリアを確実に回収することができるので、メンテナンス性が向上する。
上記の図４〜図６の例では、空気をキャリアに吹き込んでいるが、空気の代わりに酸素ガスを用いることもできる。

実施例のキャリアは熱媒体としても作用し、図３に示すように、流路３２に冷却装置３５を付設することにより燃料電池本体２１の温度制御を行うことができる。冷却装置３５には汎用的な熱交換器を用いることができる。

フッ素系不活性液体からなるキャリアは空気混合装置３１で溶解した酸素を酸素極２３まで運搬し、そこでカソードとしての酸素極２３上の反応に提供する。キャリアには充分な量の酸素が溶解されているので、酸素極２３の反応を何ら制限することがない。
またフッ素系不活性液体の凝固温度は極めて低いので、燃料電池装置の使用環境が低温になっても凝固することがない。よって、低温始動特性が向上する。
燃料電池装置の使用条件によっては酸素極２３の湿潤状態の維持が困難な場合がある。その場合には、水をエマルジョン化してフッ素系不活性液体からなるキャリアへ分散させることが好ましい。このときには、流路３４にエマルジョン化装置が付設されることとなる。

水素供給系４１は水素ガスタンク４２、循環流路４３、調圧逆止弁４４，４５を備えてなる汎用的な構成である。水素ガスタンク４２から送出された水素ガスは循環流路４３を循環しながら水素極で消費される。

かかる構成の燃料電池装置２０によれば、水素極２４にて得られる水素イオンがプロトンの形態で水分を含んだ電解質膜２２中を酸素極側へ移動する。他方、水素極２４にて得られた電子は外部負荷を通って酸素極側に移動してキャリア中の酸素と反応して水を生成する。かかる一連の化学反応により電気エネルギーが発生される。

図７に他の実施例の燃料電池装置５０を示す。図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例の燃料電池装置５０では、その水素供給系６１をキャリア循環系とした。符号６２は閉ざされた流路であり、当該流路に水素導入部としての水素混合装置６３と循環ポンプ６４が付設される。キャリアには、酸素供給系３１と同じフッ素系不活性液体を採用した。水素混合装置６３も図４〜６に示した構成の混合装置を採用することができる。水素混合装置６２においてバブリングした水素ガスは水素タンク６７へ回収する。
キャリアとしてのフッ素系不活性液体には充分量の水素が溶解される。そして当該キャリアに溶解された水素は水素極において利用可能となる。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

以下、次の事項を開示する。
（６） 前記反応物質供給系は前記反応極として水素極へ水素を供給する水素供給系であり、前記反応物質は水素である、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
（７） 前記キャリアは熱媒体である、ことを特徴とする（６）記載の燃料電池装置。
（８） 前記キャリアとしてフッ素系不活性液体を用いる、ことを特徴とする（６）又は（７）に記載の燃料電池装置。

図１は従来例の燃料電池装置に概略構成図である。 図２は他の従来例の燃料電池装置の概略構成図である。 図３はこの発明の燃料電池装置の概略構成図である。 図４は空気混合装置の構成を示す。 図５は他の空気混合装置の構成を示す。 図６は他の空気混合装置の構成を示す。 図７は他の実施例の燃料電池装置を示す。

符号の説明

２０，５０ 燃料電池装置
２ 高分子電解質膜
３ 空気極
４ 酸素極
２１ 燃料電池本体
３１ 空気混合系
３３、１３３ 空気混合装置
４１，６１ 水素供給系

Claims (5)

1. 一対の反応極の間に電解質層が介在される燃料電池を含む燃料電池装置において、
   前記反応極へ反応物質を供給する反応物質供給系が液体状のキャリアの循環系であり、該キャリアへ前記反応物質を導入する反応物質導入部が備えられ,
   該反応物質導入部において前記液体状のキャリアに対して気体状の前記反応物質が分散状態となる、ことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記反応物質導入部は前記キャリアを貯留するタンクと、該タンク内に挿入されるとともに気体状の前記反応物質を液体状の前記キャリアに分散させ溶解するバブラーとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記反応物質供給系は前記反応極として酸素極へ酸素を供給する酸素供給系であり、前記反応物質は酸素である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記キャリアは熱媒体である、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記キャリアとしてフッ素系不活性液体を用いる、ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の燃料電池装置。