JP2007299565A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
従来、燃料電池を搭載した車両(以下「燃料電池搭載車両」という。)においては、積層型の燃料電池によって発生させられた電流を駆動モータに供給し、該駆動モータを駆動することによってトルクを発生させるようにしている。 Conventionally, in a vehicle equipped with a fuel cell (hereinafter referred to as “vehicle equipped with a fuel cell”), a current generated by the stacked fuel cell is supplied to a drive motor, and torque is generated by driving the drive motor. It is trying to generate.
そのために、前記燃料電池搭載車両に車載燃料電池システムが配設され、該車載燃料電池システムは、液体水素が貯蔵された燃料タンク、該燃料タンクから水素ガスが供給されるとともに、空気が供給され、前記積層型の燃料電池を構成する燃料電池スタック、該燃料電池スタックから排出されたガス中の蒸気を凝縮させ、ガスと水とに分離させる凝縮器等を備える。 For this purpose, an on-vehicle fuel cell system is disposed in the vehicle equipped with the fuel cell, and the on-vehicle fuel cell system is supplied with a fuel tank in which liquid hydrogen is stored, hydrogen gas is supplied from the fuel tank, and air is supplied. A fuel cell stack constituting the stacked fuel cell, a condenser for condensing the vapor in the gas discharged from the fuel cell stack, and separating the vapor into water and gas.
そして、前記燃料電池スタックにおいては、スタックケース内にモジュールが収容され、該モジュールは、燃料電池の要素を構成する複数のセルを互いに電気的に直列に接続することによって構成された集合体から成る。前記各セルは、電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層を備えた燃料極並びに空気極を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ(MEA)、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。 In the fuel cell stack, a module is accommodated in a stack case, and the module is composed of an assembly configured by electrically connecting a plurality of cells constituting the elements of the fuel cell to each other in series. . Each cell has a membrane electrode assembly (MEA), which is a membrane-electrode assembly formed by disposing an anode and a fuel electrode including a reaction layer and a diffusion layer with an electrolyte membrane interposed therebetween, And a separator for separating the membrane electrode assemblies and forming an air supply path facing the air electrode and a fuel supply path facing the fuel electrode.
そして、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが、プロトン(H+ )の形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子が負荷装置を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介して負荷装置に供給することができる。 The air electrode functions as a cathode, the fuel electrode functions as an anode, air is supplied to the air electrode, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, and a load device is connected to the air electrode and the fuel electrode via the separator. Catalytic reaction takes place at the electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions move to the air electrode side in the electrolyte membrane containing moisture in the form of protons (H + ). Combines with oxygen to produce water. Further, electrons generated at the fuel electrode move to the air electrode side via the load device, and a current is generated accordingly. That is, a current is generated by reacting hydrogen and oxygen, and the current can be supplied to the load device via the separator.
ところが、例えば、運転者がアクセルペダルを踏み込んで燃料電池搭載車両を加速させたり、登坂路で走行させたりする高負荷の走行状態から、アクセルペダルを緩めて燃料電池搭載車両を減速させたり、降坂路で走行させたりする低負荷の走行状態に変化すると、燃料電池が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化するが、それに伴って、セパレータの燃料供給路側の面に水蒸気が凝縮して水滴が付着することがある。特に、出力が大きくされ、積層密度が高くされた燃料電池スタックにおいては、セルが薄くされ、セパレータとしてメタルセパレータが使用されるが、その場合、セルの熱容量が小さくなるので、一旦(たん)付着した水滴が、排除されなくなってしまう。 However, for example, when the driver depresses the accelerator pedal and accelerates the fuel cell vehicle, or travels on an uphill road, the driver decelerates the fuel cell vehicle by decelerating or decelerating the fuel cell vehicle. When the vehicle changes to a low-load driving state such as traveling on a slope, the fuel cell changes from a high-load operation state to a low-load operation state, but with this, water vapor condenses on the surface of the separator on the fuel supply path side. Water droplets may adhere. In particular, in a fuel cell stack in which the output is increased and the stacking density is increased, the cell is thinned and a metal separator is used as a separator. In this case, since the heat capacity of the cell is reduced, it is temporarily attached. The water drops that have been removed will not be eliminated.
その結果、燃料極において、水素ガスが円滑に流れなくなり、十分に触媒反応が行われなくなり、結果的に、出力が小さくなってしまう。 As a result, hydrogen gas does not flow smoothly at the fuel electrode, and the catalytic reaction is not sufficiently performed. As a result, the output is reduced.
そこで、前記セパレータにヒータを配設し、ヒータによってセパレータを加熱し、水滴を排除するようにした燃料電池が提供されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、前記従来の燃料電池においては、ヒータを通電する必要があるので、電力が消費されてしまう。したがって、燃料電池の出力を十分に大きくすることができない。 However, in the conventional fuel cell, since it is necessary to energize the heater, power is consumed. Therefore, the output of the fuel cell cannot be increased sufficiently.
本発明は、前記従来の燃料電池の問題点を解決して、燃料極において十分に触媒反応が行われ、出力を大きくすることができる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 solve the problems of the conventional fuel cell and to provide a fuel cell in which a catalytic reaction is sufficiently performed at the fuel electrode and the output can be increased.
そのために、本発明の燃料電池においては、電解質膜、該電解質膜の一方側に配設された空気極、及び前記電解質膜の他方側に配設された燃料極を備えた複数のセルと、該各セル間に配設され、隣接するセルにそれぞれ供給される燃料ガス及び空気を遮断し、前記空気極との間に空気供給路を、前記燃料極との間に燃料供給路を形成するセパレータとを有する。 Therefore, in the fuel cell of the present invention, a plurality of cells including an electrolyte membrane, an air electrode disposed on one side of the electrolyte membrane, and a fuel electrode disposed on the other side of the electrolyte membrane; The fuel gas and air that are disposed between the cells and are respectively supplied to adjacent cells are shut off, and an air supply path is formed between the air electrodes and a fuel supply path is formed between the fuel electrodes. And a separator.
そして、該セパレータは、前記燃料電池に加わる負荷が変化したときのセルの温度変化を緩和する温度変化緩和部を備える。 And this separator is provided with the temperature change mitigation part which relieve | moderates the temperature change of a cell when the load added to the said fuel cell changes.
本発明の他の燃料電池においては、さらに、前記温度変化緩和部は、セパレータに埋設された相変化要素である。 In another fuel cell of the present invention, the temperature change relaxation portion is a phase change element embedded in a separator.
本発明の更に他の燃料電池においては、さらに、前記温度変化緩和部は、セパレータに塗布された相変化要素である。 In still another fuel cell of the present invention, the temperature change relaxation portion is a phase change element applied to a separator.
本発明によれば、燃料電池においては、電解質膜、該電解質膜の一方側に配設された空気極、及び前記電解質膜の他方側に配設された燃料極を備えた複数のセルと、該各セル間に配設され、隣接するセルにそれぞれ供給される燃料ガス及び空気を遮断し、前記空気極との間に空気供給路を、前記燃料極との間に燃料供給路を形成するセパレータとを有する。 According to the present invention, in a fuel cell, a plurality of cells including an electrolyte membrane, an air electrode disposed on one side of the electrolyte membrane, and a fuel electrode disposed on the other side of the electrolyte membrane; The fuel gas and air that are disposed between the cells and are respectively supplied to adjacent cells are shut off, and an air supply path is formed between the air electrodes and a fuel supply path is formed between the fuel electrodes. And a separator.
そして、該セパレータは、前記燃料電池に加わる負荷が変化したときのセルの温度変化を緩和する温度変化緩和部を備える。 And this separator is provided with the temperature change mitigation part which relieve | moderates the temperature change of a cell when the load added to the said fuel cell changes.
この場合、セパレータは、前記燃料電池に加わる負荷が変化したときのセルの温度変化を緩和する温度変化緩和部を備えるので、燃料電池が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化したときに、温度を一定に保つことができる。 In this case, since the separator includes a temperature change mitigation unit that moderates the temperature change of the cell when the load applied to the fuel cell changes, when the fuel cell changes from a high load operation state to a low load operation state In addition, the temperature can be kept constant.
したがって、燃料極側において、水蒸気が凝縮して水滴が形成されることがなくなるので、燃料極において、燃料が円滑に流れ、十分に反応が行われ、出力を十分に大きくすることができる。 Accordingly, since water vapor is not condensed and water droplets are not formed on the fuel electrode side, the fuel flows smoothly at the fuel electrode, sufficiently reacts, and the output can be sufficiently increased.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は本発明の第1の実施の形態における車載燃料電池システムを示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing an in-vehicle fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
図において、11は積層型の燃料電池、第1の実施の形態においては、固体高分子型燃料電池(PEFC)を構成する燃料電池スタックであり、該燃料電池スタック11は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両に、エネルギー供給源として搭載される。この場合、車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等のように、車両を停車させている間においても電気エネルギーを消費する補機類を多数備え、しかも、多様な走行パターンで走行させられることが多い。 In the figure, reference numeral 11 denotes a stacked fuel cell, and in the first embodiment, a fuel cell stack constituting a polymer electrolyte fuel cell (PEFC). The fuel cell stack 11 includes passenger cars, buses, trucks. It is installed as an energy supply source in vehicles such as passenger carts and luggage carts. In this case, the vehicle is equipped with many auxiliary devices that consume electric energy even when the vehicle is stopped, such as a lighting device, a radio, a power window, etc., and can be driven in various driving patterns. There are many.
そこで、エネルギー供給源として、燃料電池スタック11のほかに、補助蓄電装置としての2次電池、キャパシタ(コンデンサ)等を併せて車両に搭載するのが好ましい。 Therefore, it is preferable to install a secondary battery as an auxiliary power storage device, a capacitor (capacitor) or the like as an energy supply source in addition to the fuel cell stack 11 in the vehicle.
また、12は前記燃料電池スタック11に媒体としての空気を供給する媒体供給系としての空気供給系、13は前記燃料電池スタック11から空気を排出するための媒体排出系としての空気排出系、14は前記燃料電池スタック11に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料供給系としての水素ガス供給系、16は前記燃料電池スタック11に水を供給するための冷却媒体機器部としての水供給系である。前記燃料電池スタック11、空気供給系12、空気排出系13、水素ガス供給系14及び水供給系16によって車載燃料電池システムが構成される。
Further, 12 is an air supply system as a medium supply system for supplying air as a medium to the
第1の実施の形態においては、燃料電池として固体高分子型燃料電池(PEFC)を使用しているが、該固体高分子型燃料電池に代えて、アルカリ水溶液型燃料電池(AFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、ヒドラジン型燃料電池、直接メタノール型燃料電池(DMFC)等を使用することもできる。 In the first embodiment, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used as a fuel cell, but instead of the polymer electrolyte fuel cell, an alkaline aqueous fuel cell (AFC), phosphoric acid A type fuel cell (PAFC), a molten carbonate type fuel cell (MCFC), a solid oxide type fuel cell (SOFC), a hydrazine type fuel cell, a direct methanol type fuel cell (DMFC) or the like can also be used.
前記燃料電池スタック11は、筐(きょう)体としてのスタックケース、及び該スタックケース内に収容されたスタックユニット11aを備える。そして、該スタックユニット11aは、複数のモジュール、該各モジュールを挟んで配設され、燃料電池の端子を構成する一対のターミナル、並びに前記モジュール及びターミナルを挟んで配設され、絶縁材料によって形成されたインシュレータを備える。 The fuel cell stack 11 includes a stack case as a casing and a stack unit 11a accommodated in the stack case. The stack unit 11a is provided with a plurality of modules, a pair of terminals constituting the terminals of the fuel cell, and a pair of terminals constituting the terminals of the fuel cell, and the modules and the terminals, and is formed of an insulating material. Equipped with an insulator.
ところで、前記各モジュールにおいて、前記水素ガス供給系14によって供給された水素ガスと、前記空気供給系12によって酸化剤として供給された空気に含まれる酸素とが反応させられて水が生成されるとともに、反応に伴って電流が発生させられる。この場合、酸化剤として、空気に代えて酸素を供給することができる。そのために、前記モジュールは、燃料電池スタック11の要素を構成する複数の薄い膜状のセルを積層し、互いに電気的に直列に接続することによって形成され、セルの集合体から成る。
By the way, in each module, the hydrogen gas supplied by the hydrogen
前記各セルは、水素イオンを透過する固体電解質(固体高分子電解質膜)としての図示されない電解質膜を挟んで、反応層及び拡散層から成る空気極、並びに反応層及び拡散層から成る燃料極(水素極)を配設することによって形成された膜・電極接合体であるメンブレン・エレクトロード・アッセンブリ、及び該各メンブレン・エレクトロード・アッセンブリを分離させ、かつ、前記空気極に臨ませて空気供給路を、前記燃料極に臨ませて燃料供給路を形成するセパレータを備える。 Each cell sandwiches an electrolyte membrane (not shown) as a solid electrolyte (solid polymer electrolyte membrane) that transmits hydrogen ions, an air electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer, and a fuel electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer ( A membrane electrode assembly formed by disposing a hydrogen electrode), and separating each membrane electrode assembly and supplying the air to the air electrode A separator is provided that forms a fuel supply path with the path facing the fuel electrode.
前記各反応層は、前記空気極及び燃料極における電解質膜と接触する面に配設され、燃料としての水素と酸素との反応を促進するために、カーボンに、白金系触媒及び固体高分子を混合してペースト状とした物質が、ある程度の厚さで均一に分散させられることによって形成された、触媒層から成る。なお、前記空気極に代えて酸素極を使用し、媒体としての純酸素を燃料電池スタック11に供給することもできる。 Each of the reaction layers is disposed on a surface of the air electrode and the fuel electrode in contact with the electrolyte membrane, and in order to promote a reaction between hydrogen and oxygen as a fuel, a platinum-based catalyst and a solid polymer are added to carbon. The substance formed into a paste form by mixing is composed of a catalyst layer formed by being uniformly dispersed with a certain thickness. Note that an oxygen electrode may be used instead of the air electrode to supply pure oxygen as a medium to the fuel cell stack 11.
前記スタックケース内には、前記スタックユニット11aより上方に、空気供給系12から供給された空気を各空気極に供給し、分配するための、第1のマニホルドとしての供給マニホルド22が、スタックユニット11aより下方に、空気極内のガスを集め、空気排出系13に排出するための、第2のマニホルドとしての排出マニホルド23が形成される。前記供給マニホルド22及び排出マニホルド23は、前記空気供給路と連通させられ、燃料供給路と遮蔽(へい)される。そのために、前記セパレータにおける空気極と面する側には、垂直方向に延びる複数の溝が形成され、各溝によって前記空気供給路が構成される。空気は、供給マニホルド22に供給された後、各空気供給路に分配され、該空気供給路を下方に向けて流れ、排出マニホルド23に排出される。
In the stack case, a
また、前記セパレータにおける燃料極と面する側は、全周が、隣接するメンブレン・エレクトロード・アッセンブリに対して接着剤によって接着され、シールされる。したがって、シールされた部分の内側には、燃料極に水素ガスを供給するための複数の水平な燃料供給路が形成される。なお、71は燃料電池の起電圧を検出する電圧検出部としての電圧センサ(V)である。 The entire surface of the separator facing the fuel electrode is adhered and sealed to the adjacent membrane electrode assembly with an adhesive. Therefore, a plurality of horizontal fuel supply paths for supplying hydrogen gas to the fuel electrode are formed inside the sealed portion. In addition, 71 is a voltage sensor (V) as a voltage detection part which detects the electromotive voltage of a fuel cell.
前記空気供給系12は、供給マニホルド22に空気を供給するための供給管20、該供給管20に配設された酸化剤供給装置としてのシロッコファン等から成るファン21、該ファン21によって吸引される空気を濾(ろ)過するフィルタ24等を備える。前記酸化剤供給装置として、ファン21に代えて空気ボンベ、空気タンク、酸素ボンベ、酸素タンク等を使用することができる。
The air supply system 12 is sucked by a
また、前記空気排出系13は、排出マニホルド23から空気を排出するための排出管30、該排出管30に配設された水回収部材としての凝縮器31、空気の温度を検出する温度検出部としての温度センサ32(T)等を備える。
The
したがって、前記ファン21を作動させることによって、車外から取り込まれた空気を前記供給マニホルド22に供給することができる。また、排出マニホルド23から排出された空気は、排出管30を介して凝縮器31に供給され、該凝縮器31によって、ガス中の蒸気が凝縮されて水になる。そして、水が回収された後の空気は外部に排出される。なお、前記凝縮器31に凝縮促進部材としての図示されない冷却ファンを配設することができる。該冷却ファンの回転速度を高くし、送風量を多くすることによって、蒸気の凝縮量を多くすることができる。
Therefore, by operating the
また、前記水素ガス供給系14は、液体水素が貯蔵された燃料供給装置及び水素供給装置としての燃料タンク41、該燃料タンク41に接続され、燃料タンク41内の液体水素を水素ガスとして排出するための第1の燃料供給路51、該第1の燃料供給路51と前記燃料電池スタック11との間を接続する第2の燃料供給路52、該第2の燃料供給路52と並列に形成され、第1の燃料供給路51と前記燃料電池スタック11との間を接続する燃料帰還路53、該燃料帰還路53に接続され、水素ガスを排出する燃料排出路54等を備える。
The hydrogen
そして、前記第1の燃料供給路51に、燃料タンク41側から燃料電池スタック11側にかけて、第1の燃料供給路51に排出された水素ガスの圧力(一次圧力)を検出する第1の圧力検出器としての水素圧センサ(P)42、前記第1の燃料供給路51に排出された水素ガスの圧力を調整する第1の燃料供給圧調整部としての調圧弁43A、水素ガスの燃料電池スタック11への供給量を調整する第1の燃料供給量調整部としての開閉弁44A、前記調圧弁43Aによって調整された水素ガスの圧力を更に調整する第2の燃料供給圧調整部としての調圧弁43B、前記開閉弁44Aによって調整された水素ガスの供給量を更に調整する第2の燃料供給量調整部としての開閉弁44B、及び調圧弁43Bによって調整され、燃料電池スタック11に供給される直前の水素ガスの圧力(二次圧力)を検出する第2の圧力検出器としての水素圧センサ(P)45が配設される。
Then, the first pressure for detecting the pressure (primary pressure) of the hydrogen gas discharged to the first fuel supply path 51 from the fuel tank 41 side to the fuel cell stack 11 side in the first fuel supply path 51. A hydrogen pressure sensor (P) 42 as a detector, a
したがって、燃料タンク41から水素ガスが排出されると、第1の燃料供給路51において、水素ガスの圧力は、調圧弁43A、43Bによって調圧され、燃料電池スタック11に供給するのに適した圧力になって第2の燃料供給路52に送られ、燃料電池スタック11に供給される。なお、前記調圧弁43A、43Bは、水素ガスの圧力を段階的に低くするために二つ配設され、必要に応じて三つ以上配設することができる。また、前記開閉弁44A、44Bは、水素ガスの燃料電池スタック11への供給量を調整するだけでなく、燃料電池スタック11への供給を行ったり、遮断したりする。
Accordingly, when the hydrogen gas is discharged from the fuel tank 41, the pressure of the hydrogen gas is regulated by the
また、燃料帰還路53に、燃料電池スタック11側から燃料タンク41側にかけて、燃料濃度検出部としての水素濃度センサ(C)46、吸引ポンプ47及び逆止弁48が配設され、該逆止弁48が前記第1の燃料供給路51に接続される。そして、前記燃料帰還路53における吸引ポンプ47と逆止弁48との間に前記燃料排出路54が接続され、該燃料排出路54に、燃料帰還路53側から順に、逆止弁55、排出電磁弁56及び図示されない燃焼器が配設される。前記排出電磁弁56を介して燃焼器に送られた水素ガスは、燃焼器において燃焼させられて水になり、大気中に排出される。なお、前記逆止弁48においては、吸引ポンプ47側から水素圧センサ45側に水素ガスが流れるのを許容し、水素圧センサ45側から吸引ポンプ47側に水素ガスが流れるのを阻止する。また、前記逆止弁55においては、吸引ポンプ47側から排出電磁弁56側に水素ガスが流れるのを許容し、排出電磁弁56側から吸引ポンプ47側に水素ガスが流れるのを阻止する。
Further, a hydrogen concentration sensor (C) 46, a suction pump 47, and a check valve 48 as a fuel concentration detector are disposed in the
なお、前記燃料タンク41に代えて、水素ガスが充填(てん)された水素吸蔵合金を収容する水素吸蔵合金タンクを使用することもできる。その場合、前記水素吸蔵合金は、常温下で水素ガスを放出し、低温下で水素ガスを吸蔵する性質を有するので、調圧弁43A、43Bの開度を変えるだけで水素ガスの圧力を調整することができる。なお、寒冷地においては、燃料電池搭載車両が極めて低温の環境下に置かれることになるので、水素吸蔵合金は水素ガスを放出しなくなる。そこで、外気の温度が設定値より低くなると、図示されない加熱部としてのヒータが通電され、水素吸蔵合金が加熱される。
Instead of the fuel tank 41, a hydrogen storage alloy tank that stores a hydrogen storage alloy filled with hydrogen gas can also be used. In that case, since the hydrogen storage alloy has the property of releasing hydrogen gas at room temperature and storing hydrogen gas at low temperature, the pressure of the hydrogen gas is adjusted only by changing the opening of the
なお、改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して水素ガスを生成し、該水素ガスを燃料電池スタック11に直接供給することもできるが、燃料電池搭載車両の高負荷走行時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、前記燃料タンク41を使用するのが好ましい。 In addition, although reforming apparatus can reform methanol, gasoline, etc. to generate hydrogen gas and supply the hydrogen gas directly to the fuel cell stack 11, it is stable even when the fuel cell vehicle is running at high load. In order to supply a sufficient amount of hydrogen, the fuel tank 41 is preferably used.
また、前記水供給系16は、媒体供給源としての水タンク61、水供給装置としてのポンプ62、空気極冷却装置としての噴射装置(インジェクタ)63、前記水タンク61から排出された水を噴射装置63に供給するための供給管60、排出マニホルド23の下部に溜(た)まり、排出マニホルド23から排出された水、及び凝縮器31において分離させられた水を回収し、水タンク61に供給するための水帰還路59、回収された水を水タンク61に供給する水回収ポンプ65、該水回収ポンプ65と水タンク61との間に配設された逆止弁66等を備える。該逆止弁66においては、水回収ポンプ65側から水タンク61側に水が流れるのを許容し、水タンク61側から水回収ポンプ65側に水が流れるのを阻止する。
The
図示されない制御装置によって燃料電池搭載車両に加わる負荷を検出し、該負荷に対応させてポンプ62に印加される電圧を調整することによって、噴射装置63に供給される水の圧力を調整することができる。
It is possible to adjust the pressure of water supplied to the
また、前記凝縮器31において空気から分離させられた水は、水帰還路59を流れ、最終的に水タンク61に排出され、水タンク61に蓄えられる。該水タンク61は、水位検出部としての水位センサ(L)64を備え、該水位センサ64は、水タンク61内の水のレベル、すなわち、水位を検出する。そして、水位があらかじめ設定された下限値以下になると、通知部材としての図示されないアラームが点滅し、水が不足していることをオペレータに通知する。この場合、オペレータは、例えば、前記凝縮器31に配設された冷却ファンの回転速度を高くすることによって凝縮器31の能力を高くし、水の回収量を多くする。
Further, the water separated from the air in the
なお、水位があらかじめ設定された上限値以上になったときに、水が過剰であることをオペレータに通知することもできる。その場合、オペレータは、例えば、前記冷却ファンの回転速度を低くすることによって凝縮器31の能力を低くし、水の回収量を少なくする。また、前記水位センサ64及び冷却ファンを図示されない制御装置に接続し、水位センサ64によって検出された水位に対応させて自動的に冷却ファンの回転速度を変更することもできる。
In addition, when the water level becomes equal to or higher than a preset upper limit value, it is possible to notify the operator that the water is excessive. In that case, for example, the operator lowers the capacity of the
ところで、前記空気極はカソードとして、燃料極はアノードとして機能し、空気極に空気を、燃料極に水素ガスを供給し、空気極及び燃料極に前記セパレータを介して負荷装置を接続すると、燃料極において触媒反応が起こり、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが、プロトンの形態で水分を含んだ電解質膜内を空気極側に移動し、空気中の酸素と結合して水を生成する。また、前記燃料極で発生した電子が負荷装置を介して空気極側に移動し、これに伴って電流が発生する。すなわち、水素と酸素とを反応させることによって電流が発生させられ、該電流を前記セパレータを介して負荷装置に供給することができる。 By the way, the air electrode functions as a cathode, the fuel electrode functions as an anode, air is supplied to the air electrode, hydrogen gas is supplied to the fuel electrode, and a load device is connected to the air electrode and the fuel electrode via the separator. Catalytic reaction takes place at the electrode, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions move to the air electrode side in the electrolyte membrane containing moisture in the form of protons, combined with oxygen in the air to form water. Is generated. Further, electrons generated at the fuel electrode move to the air electrode side via the load device, and a current is generated accordingly. That is, a current is generated by reacting hydrogen and oxygen, and the current can be supplied to the load device via the separator.
なお、燃料極から燃料帰還路53に排出された水素ガスの一部を、燃料排出路54を介して間欠的に排気ガスとして大気中に排出するために、前記燃料排出路54に排出電磁弁56が配設される。この場合、燃料電池搭載車両の負荷が大きくなると、燃料極に供給される水素ガスの量が多くされるので、燃料極から排出される水素ガスの量も多くなる。そこで、前記制御装置は、燃料電池搭載車両の負荷に応じて間欠的に排出電磁弁56を開閉し、負荷が大きくなると、排出電磁弁56を開放する時間を長くする。また、前記燃料極から排出される水素ガスの残りは、燃料帰還路53を流れた後、前記第1の燃料供給路51に戻される。なお、燃料極から排出された水素ガスのすべてを大気中に排出することもできる。
A part of the hydrogen gas discharged from the fuel electrode to the
第1の実施の形態において、前記負荷装置は、直流の電流を相電流に変換する図示されないインバータ、及び前記相電流が供給されて駆動される図示されない駆動モータから成る。なお、燃料電池スタック11によって発生させられた電圧は、第1の検出部としての電圧センサによって、燃料電池スタック11によって発生させられた電流は、第2の検出部としての図示されない電流センサによって検出される。 In the first embodiment, the load device includes an inverter (not shown) that converts a direct current into a phase current, and a drive motor (not shown) that is driven by being supplied with the phase current. The voltage generated by the fuel cell stack 11 is detected by a voltage sensor as a first detection unit, and the current generated by the fuel cell stack 11 is detected by a current sensor (not shown) as a second detection unit. Is done.
第1の実施の形態において、前記制御装置は、CPU、MPU等の演算装置、半導体メモリ等の記憶装置、入出力インタフェース等を備える。そして、前記制御装置に、温度センサ32、水位センサ64、水素圧センサ42、45、水素濃度センサ46、電圧センサ71等の検出部としての各センサが接続され、各センサのセンサ出力が送られる。また、前記制御装置に、ファン21、ポンプ62、水回収ポンプ65、調圧弁43A、43B、開閉弁44A、44B、吸引ポンプ47、排出電磁弁56等の各アクチュエータが接続され、制御装置は、前記センサ出力に基づいて各アクチュエータの動作を制御する。
In the first embodiment, the control device includes an arithmetic device such as a CPU and an MPU, a storage device such as a semiconductor memory, an input / output interface, and the like. And each sensor as detection parts, such as the
次に、燃料電池スタック11を構成する単位ユニットとしてのモジュールについて説明する。 Next, a module as a unit unit constituting the fuel cell stack 11 will be described.
図3は本発明の第1の実施の形態におけるモジュールの要部を示す平面図、図4は本発明の第1の実施の形態におけるモジュールの正面図、図5は本発明の第1の実施の形態におけるモジュールの背面図、図6は本発明の第1の実施の形態におけるセパレータの要部を示す斜視図である。 3 is a plan view showing the main part of the module according to the first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a front view of the module according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 is the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a perspective view showing a main part of the separator according to the first embodiment of the present invention.
モジュール10は、セル101、二つのセル101同士を電気的に接続するセパレータ102、並びにセル101及びセパレータ102を支持する2種類のフレーム117、118から成るセットを、板厚方向に複数重ねて構成される。そして、前記各フレーム117、118は、セル101同士が所定の間隙(げき)を置いて配置されるように、交互にスペーサとして重ねられる。
The
前記セル101は、電解質膜111、該電解質膜111の一方側に配設された空気極112、前記電解質膜111の他方側に配設された燃料極113を備える。
The
また、前記セパレータ102は、セル101間で空気と水素とを遮断するガス遮断部材としてのセパレータ基板116、該セパレータ基板116の一方側に配設され、前記空気極112と接触させて配設された第1のコレクタとしての空気極側コレクタ114、及びセパレータ基板116の他方側に配設され、前記燃料極113と接触させて配設された第2のコレクタとしての燃料極側コレクタ115を備える。前記空気極側コレクタ114は、網目状の導電体から成り、空気及び水の混合流を透過させるために多数の開口143(図6においては、説明の都合上、一部だけに開口143が表されている。)が形成される。また、燃料極側コレクタ115は、網目状の導電体から成り、燃料を透過させるために多数の開口153が形成される。そして、空気極側コレクタ114は、セル101の空気極112の拡散層と接触し、燃料極側コレクタ115は燃料極113の反応層と接触して、電流を外部に導出する。
The
本実施の形態において、前記空気極側コレクタ114及び燃料極側コレクタ115は、板厚が0.2〔mm〕程度の金属製の薄板(エキスパンドメタル板材)から成り、セパレータ基板116は、空気極側コレクタ114及び燃料極側コレクタ115より薄い金属製の薄板から成り、導電性及び耐蝕(しょく)性を備えた、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等に、金メッキ等の耐蝕導電処理を施したものが使用される。また、フレーム117、118は、適宜の絶縁材料で構成される。
In the present embodiment, the air
前記空気極側コレクタ114は、プレス加工によって形成された細かい凸条124を備える。該凸条124は、板材の縦辺(短辺)に対して平行に、かつ、等間隔で形成される。前記凸条124の高さは、フレーム117の厚さと実質上等しくされ、空気供給路faを確保する。各凸条124の底部141の平面は、空気極112の拡散層と接触する当接部となり、各凸条124の頂部142は、セパレータ基板116との当接部となる。
The air
前記空気極側コレクタ114には、親水性処理が施され、処理方法としては、親水処理剤を表面に塗布する方法が採られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(TiO2 )等が使用される。その他の親水性処理としては、金属の表面を粗化する処理、例えば、プラズマ処理がある。親水性処理は、最も温度が高くなる部位に施すことが好ましく、例えば、セル101に接触する底部141、特に、空気供給路fa側に施される。このように、親水性処理を施すことによって、空気極側コレクタ114と空気極112の拡散層との当接面の濡れが促進され、水の潜熱による冷却効果を向上させることができる。また、これにより、開口143に水が詰まり難くなるため、水が空気の供給を阻害する可能性も一層低くなる。
The air
一方、燃料極側コレクタ115は、プレス加工によって形成された細かい凸条125を備える。該凸条125は、板材の横辺(長辺)に対して平行に、かつ、等間隔で形成される。前記凸条125の高さは、フレーム118の厚さと実質上等しくされ、燃料供給路fbを確保する。各凸条125の底部151の平面は、燃料極113の拡散層と接触する当接部となり、各凸条125の頂部152は、セパレータ基板116との当接部となる。
On the other hand, the fuel
前記空気極側コレクタ114及び燃料極側コレクタ115は、各底部141、151が外側になるようにセパレータ基板116を間に挟んで配置される。このとき、頂部142、152がセパレータ基板116と当接し、相互に通電可能な状態になる。
The air
そして、前記空気供給路fa内を空気が矢印A方向に、前記燃料供給路fb内を水素が矢B方向に流れる。 Then, air flows in the direction of arrow A in the air supply path fa, and hydrogen flows in the direction of arrow B in the fuel supply path fb.
前記セパレータ102の外側には、フレーム117、118がそれぞれ配設される。前記燃料電池スタック11(図2)は、最も外側のフレーム117以外の各フレーム117は、空気極側コレクタ114の左右の両端に配設された縦枠部171、172によって形成され、最も外側のフレーム117は、縦枠部171、172、及び該縦枠部171、172の上端及び下端を連結するバックアッププレート176、177によって形成され、枠状の形状を有する。また、フレーム118は、燃料極側コレクタ115及びセル101の周縁部に配設され、枠状の形状を有する。
そして、前記各縦枠部171、172は、それぞれ板厚方向に貫通する長孔173、174を備え、各縦枠部181、182は、それぞれ板厚方向に貫通する長孔183、184を備え、フレーム117、118を積層すると、長孔173、174、183、184によって、燃料の流路が形成される。
Each of the
前記構成の燃料電池スタック11において、供給マニホルド22で混合された空気及び水の混合物は、上方から空気極112側の空気供給路faに供給され、空気供給路fa内を矢印A方向(縦方向)に流れる。前記混合物は、空気中に水滴が霧状に混入した状態で空気極112に沿って供給されるが、燃料電池スタック11の定常の運転状態では、セル101が反応によって発熱するので、空気供給路fa内で混合物は加熱され、混合物中の水滴の一部は、空気極側コレクタ114の網目状部分、及びセル101の空気極112に付着し、残りは、空気極側コレクタ114と空気極112との間の気相中で加熱されることによって、蒸気になり、空気極側コレクタ114から蒸発潜熱で熱を奪う。また、前記蒸気は、電解質膜111中の水分が空気極112側から蒸発するのを防止し、保湿させる。そして、空気供給路fa中の余剰の空気及び蒸気は、排出マニホルド23から排出される。
In the fuel cell stack 11 configured as described above, the mixture of air and water mixed in the
一方、燃料は、順次積層されたフレーム117、118の各長孔173、183によって形成される流路を介して、横方から燃料極113側の燃料供給路fbに供給され、燃料供給路fbを矢印B方向(横方向)に流れる。そして、燃料極113に沿って流れる水素のうち、反応に関与しなかった余剰分は、反対側の各長孔174、184によって形成される流路に排出される。
On the other hand, the fuel is supplied from the side to the fuel supply path fb on the fuel electrode 113 side through the flow path formed by the
ところで、例えば、運転者がアクセルペダルを踏み込んで燃料電池搭載車両を加速させたり、登坂路で走行させたりする高負荷の走行状態から、アクセルペダルを緩めて燃料電池搭載車両を減速させたり、降坂路で走行させたりする低負荷の走行状態に変化すると、燃料電池が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化するが、それに伴って、燃料電池スタック11の温度が低くなり、セパレータ基板116の燃料供給路fb側の面に水蒸気が凝縮して水滴が付着することがある。特に、出力が大きくされ、積層密度が高くされた燃料電池スタック11においては、セル101が薄くされ、セパレータ102としてメタルセパレータが使用されるが、その場合、セル101の熱容量が小さくなり、水蒸気は凝縮しやすくなるので、一旦付着した水滴が、排除されなくなってしまう。その結果、燃料極113側において、水素ガスが円滑に流れなくなり、十分に触媒反応が行われなくなり、結果的に、出力が小さくなってしまう。
By the way, for example, when the driver depresses the accelerator pedal to accelerate the fuel cell vehicle, or travels on an uphill road, the accelerator pedal is released to decelerate the fuel cell vehicle, When the fuel cell changes from a high-load operation state to a low-load operation state when the vehicle changes to a low-load operation state such as traveling on a slope, the temperature of the fuel cell stack 11 decreases accordingly, and the separator substrate The water vapor may condense on the surface of the fuel supply path fb side of 116 and water droplets may adhere. In particular, in the fuel cell stack 11 in which the output is increased and the stacking density is increased, the
そこで、燃料電池スタック11が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化したときに、水滴が付着しないように、前記燃料極側コレクタ115に後述される温度変化緩和部が配設される。
Therefore, when the fuel cell stack 11 changes from a high-load operation state to a low-load operation state, a temperature change mitigation unit, which will be described later, is disposed in the fuel
図1は本発明の第1の実施の形態における燃料極側コレクタの状態を示す概念図、図1(a)は燃料極側コレクタの正面図、図1(b)は燃料極側コレクタの側面図である。 FIG. 1 is a conceptual diagram showing a state of a fuel electrode side collector in the first embodiment of the present invention, FIG. 1 (a) is a front view of the fuel electrode side collector, and FIG. 1 (b) is a side view of the fuel electrode side collector. FIG.
図において、115は燃料極側コレクタであり、該燃料極側コレクタ115は、セパレータ基板116(図3)と対向する第1の面としての空気極側対向面S1、及び燃料極113と対向する第2の面としての燃料極側対向面S2を有する。また、前記燃料極側コレクタ115は、矩形の形状を有し、前記凸条125の底部151及び頂部152が交互に形成される。なお、図において、開口153は説明の便宜上円形の形状を有するように描かれている。
In the figure,
また、高負荷の運転状態と低負荷の運転状態とでセル101の温度が変化するのを抑制するために、前記燃料極側コレクタ115に、所定の間隔を置いて温度変化緩和部としての複数の相変化要素181が埋設される。該相変化要素181は、例えば、球状の形状を有する樹脂製のカプセル内にパラフィン等の相変化剤が収容される。
Further, in order to prevent the temperature of the
本実施の形態においては、スタックユニット11a(図2)の端部は、温度が低下しやすいので、少なくとも端部に配設されたモジュールの燃料極側コレクタ115に相変化要素181を埋設するのが好ましい。
In the present embodiment, the temperature of the end portion of the stack unit 11a (FIG. 2) is likely to decrease. Therefore, the
前記相変化剤は、所定の温度τ1以上で第1の相、本実施の形態においては、液相になり、前記温度τ1より低くなると、第2の相、本実施の形態においては、固相になる。そして、温度が上昇する場合、相変化剤のすべてが固相から液相になるまで前記温度τ1が維持され、温度が下降する場合、相変化剤のすべてが液相から固相になるまで前記温度τ1が維持される。本実施の形態においては、燃料極113側において水滴が形成される温度、すなわち、露点より前記温度τ1が高くなるように、相変化剤が選択される。 The phase change agent becomes a first phase at a predetermined temperature τ1 or more, and in the present embodiment, becomes a liquid phase. When the temperature changes below the temperature τ1, the second phase, in this embodiment, a solid phase. become. When the temperature rises, the temperature τ1 is maintained until all of the phase change agent changes from the solid phase to the liquid phase, and when the temperature decreases, the temperature change decreases until all of the phase change agent changes from the liquid phase to the solid phase. The temperature τ1 is maintained. In the present embodiment, the phase change agent is selected so that the temperature τ1 is higher than the temperature at which water droplets are formed on the fuel electrode 113 side, that is, the dew point.
ところで、燃料電池スタック11が高負荷の運転状態に置かれている場合、セル101の温度が高くなり、燃料極113、セパレータ102等の温度が温度τ1より高くなる。その結果、相変化剤は液相になる。続いて、燃料電池スタック11が高負荷の運転状態から低負荷の運転状態に変化すると、セル101の温度が低くなり、それに伴って、燃料極113、セパレータ102等の温度が低くなるが、温度τ1になると、相変化剤が液相から固相への相変化を開始する。そして、相変化が行われている間、燃料極113、セパレータ102等は温度τ1に維持される。
By the way, when the fuel cell stack 11 is placed in a high-load operation state, the temperature of the
そして、相変化剤のすべてが液相から固相になると、相変化が終了するが、それまでの間、相変化剤は温度τ1に維持され、燃料極113、セパレータ102等は一定の温度τ1に維持される。
When all of the phase change agent changes from the liquid phase to the solid phase, the phase change is completed. Until then, the phase change agent is maintained at the temperature τ1, and the fuel electrode 113, the
したがって、燃料極113側において、水蒸気が凝縮して水滴が形成されることがなくなる。特に、目標の出力が大きくされ、積層密度が高くされた燃料電池スタック11においては、セル101が薄くされ、セパレータ102としてメタルセパレータが使用され、セル101の熱容量が小さくなるが、水滴が形成されることはない。
Therefore, water vapor is not condensed and water droplets are not formed on the fuel electrode 113 side. In particular, in the fuel cell stack 11 in which the target output is increased and the stacking density is increased, the
その結果、燃料極113において、水素ガスが円滑に流れ、十分に触媒反応が行われ、出力を十分に大きくすることができる。 As a result, hydrogen gas flows smoothly in the fuel electrode 113, a sufficient catalytic reaction is performed, and the output can be sufficiently increased.
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略し、同じ構造を有することによる発明の効果については同実施の形態の効果を援用する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In addition, about the thing which has the same structure as 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted by providing the same code | symbol, and the effect of the same embodiment is used about the effect of the invention by having the same structure. .
図7は本発明の第2の実施の形態におけるセルの要部を示す断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view showing the main part of the cell according to the second embodiment of the present invention.
図において、161はセパレータであり、該セパレータ161は、本体部162、及び該本体部162の縦方向における複数箇所に等ピッチで形成された凸部163を備え、櫛(くし)歯状の形状を有する。そして、前記セパレータ161はセル101と対向させて配設され、各凸部163間に燃料供給路fbが形成される。また、前記本体部162の燃料極113と対向する面に、温度変化緩和部としての複数の相変化要素165が塗布される。
In the figure, reference numeral 161 denotes a separator. The separator 161 includes a main body portion 162 and convex portions 163 formed at a plurality of positions in the longitudinal direction of the main body portion 162 at an equal pitch, and has a comb-teeth shape. Have The separator 161 is disposed to face the
101 セル
102、161 セパレータ
111 電解質膜
112 空気極
113 燃料極
165、181 相変化要素
fa 空気供給路
fb 燃料供給路
101
Claims (3)
The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature change relaxation part is a phase change element applied to a separator.
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