JP2008140577A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池の電極内部への不純物の進入が抑止される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system in which entry of impurities into an electrode of a fuel cell is suppressed.
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス(主として空気中の酸素)が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
このような燃料電池システムにおいて、特許文献1に示されているように、酸化ガスとして外気を導入するタイプでは、外気中に含まれる塵埃などが燃料電池内や導風路などに滞留することを抑制するため、空気導入ファンの吸入口にフィルターが設けられている。
In such a fuel cell system, as shown in
しかしながら、従来の燃料電池システムは、空気導入ファンの吸入口に設けたフィルタの細孔径よりも大きな不純物の進入を防止できるが、空気中に存在する塵埃、海塩に含まれる金属イオンの進入を防止することができない。
このような金属イオンは、燃料電池内に進入し滞留すると、高分子電解質膜や電極を構成するイオン交換樹脂と結合してイオン伝導性を低下させ、燃料電池自体の発電性能を低下させてしまうといった問題があった。
この問題を解決するために、定期的にイオン交換樹脂を洗浄し不純物を除去することも考えられるが、装置が大掛かりになってしまい、現実的でない。
However, the conventional fuel cell system can prevent the entry of impurities larger than the pore diameter of the filter provided at the intake port of the air introduction fan, but prevents the entry of metal ions contained in dust and sea salt in the air. It cannot be prevented.
When such metal ions enter and stay in the fuel cell, they are combined with the polymer electrolyte membrane and the ion exchange resin constituting the electrode to lower the ionic conductivity and reduce the power generation performance of the fuel cell itself. There was a problem.
In order to solve this problem, it is conceivable to periodically clean the ion exchange resin to remove impurities, but the apparatus becomes large and is not practical.
そこで、本発明の目的は、上記事実に鑑みて成されたものであり、燃料電池内に外気を通して不純物金属イオンが進入することを抑制した燃料電池システムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention has been made in view of the above-described facts, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which impurity metal ions are prevented from entering the fuel cell through outside air.
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1) 電解質層の一側に燃料極、他側に酸素極を有する燃料電池と、
前記酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに液体を接触させる液体接触手段と、
前記酸化極の表面に形成された撥水層とを備え、
前記撥水層は、前記酸化ガスを通すが前記液体を通さない多数の細孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。
The present invention for solving the above problems has the following configuration.
(1) a fuel cell having a fuel electrode on one side of the electrolyte layer and an oxygen electrode on the other side;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxygen electrode;
Liquid contact means for bringing a liquid into contact with the oxidizing gas supplied to the fuel cell;
A water repellent layer formed on the surface of the oxidation electrode,
The water repellent layer is formed with a plurality of pores through which the oxidizing gas passes but not through the liquid.
(2) 前記液体接触手段は、酸化ガス中に前記液体を霧状に噴射する噴霧装置であることを特徴とする上記(1)に記載の燃料電池システム。 (2) The fuel cell system according to (1), wherein the liquid contact means is a spray device that injects the liquid into an oxidizing gas in the form of a mist.
(3) 上記(1)又は(2)に記載の構成に加え、前記燃料電池の排気ガス中の液体から不純物を回収する不純物回収装置を有する燃料電池システム。 (3) A fuel cell system having an impurity recovery device that recovers impurities from the liquid in the exhaust gas of the fuel cell in addition to the configuration described in (1) or (2) above.
請求項1記載の発明によれば、供給手段によって燃料電池に送られる酸化ガスは、液体接触手段により液体に接触することによって、ガス中に含まれている不純物が液体にトラップされる。酸化極の撥水層によって、不純物をトラップした液体は弾かれ、かつ、細孔は、液体を通さないので、不純物をトラップした液体は、酸化極内に進入することなく、燃料電池の外へ排出される。これにより、燃料電池内に不純物が進入し、あるいは残留することが抑制され、燃料電池の性能を従来よりも長期間維持できる。 According to the first aspect of the present invention, the oxidizing gas sent to the fuel cell by the supply means comes into contact with the liquid by the liquid contact means, so that impurities contained in the gas are trapped in the liquid. The liquid that trapped the impurities is repelled by the water-repellent layer of the oxidation electrode, and the pores do not pass the liquid. Therefore, the liquid that traps the impurities does not enter the oxidation electrode and goes out of the fuel cell. Discharged. This suppresses impurities from entering or remaining in the fuel cell, so that the performance of the fuel cell can be maintained for a longer period than before.
請求項2記載の発明によれば、酸化ガス中に液体を霧状にして噴射することで、酸化ガスと液体との接触する機会が増え、より多くの不純物を液体にトラップさせることができる。
請求項3記載の発明によれば、回収した液体から不純物を分離することで、回収した液体を噴霧用の液体として再利用が可能となる。
According to the second aspect of the present invention, by spraying the liquid in the oxidizing gas in the form of a mist, the chance of contact between the oxidizing gas and the liquid increases, and more impurities can be trapped in the liquid.
According to the invention described in
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7に大略構成される。
図2および図3に基づいて燃料電池スタック100の構成について説明する。図2は、燃料電池スタック10の部分断面側面図、図3は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 燃料電池スタック100は、燃料電池としての単位セル2と、セパレータ3とを備えている。単位セル2は、空気極である酸素極21と燃料極22とで固体高分子電解質膜23を挟持した構成となっている。
セパレータ3は、酸素極21と燃料極22にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材31と、集電部材31と単位セル2との間に介挿され、単位セル2の周端部に重ねられる介挿部材33とを有している。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a fuel cell system mounted on an electric vehicle. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a
The configuration of the
The
集電部材31は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材31としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
集電部材31の、燃料極22に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部311が等間隔で複数形成され、該凸部311の間には、溝312がそれぞれ形成される。つまり、凸部311と溝312は、交互に配置された形状となっている。凸部311は、最も突出した峰の平面部が燃料極22に接触する接触部313となっており、この接触部313を介して燃料極22と通電可能となる。溝312と、燃料極22の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路315が形成される。
The
On the surface of the current collecting
凸部311の両端には、凸部311に直交する方向に溝314、314が形成され、この溝314と燃料極22の表面とによって、燃料ガス流路316が形成される。複数の燃料ガス流通路315は、両端部で燃料ガス流路316にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路315と一対の燃料ガス流路316とによって、燃料極22へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部30が構成される。
燃料ガス保持部30には、燃料ガス供給孔318と燃料ガス排出孔317とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔318から燃料ガス保持部30内に流入し、燃料極22に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔317から流出する。この実施形態では、集電部材31は、矩形であり、燃料ガス供給孔318と燃料ガス排出孔317は、集電部材31の平面視における図心を中心として点対称の位置に(対角線方向)に、それぞれ配置されている。図2には、燃料ガス供給孔318が示されている。以上のように、燃料ガス保持部30は、各セパレータ3と単位セル2の間にそれぞれ形成されている。
A fuel
各燃料ガス保持部30の燃料ガス供給孔318は、燃料電池スタック100内の一方の端部において、集電部材31の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路319aにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔317は、燃料電池スタック100内の他方の端部において、集電部材31の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路319bにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路319aと各燃料ガス供給孔318によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部30に分配する燃料ガスマニホールド34が構成される。一対の燃料ガス排出通路319a、319bの一方は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、他方は、ガス循環流路202に接続される。
The fuel
集電部材31の、酸素極21に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部321が等間隔で複数形成され、該凸部321の間には、溝322がそれぞれ形成される。つまり、凸部321と溝322は、交互に配置された形状となっている。凸部321は、最も突出した峰の平面部が酸素極21に接触する接触部323となっており、この接触部323を介して酸素極21と通電可能となる。溝322と、酸素極21の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路325が形成される。溝322は、集電部材31の両端部に達しており、空気流通路325の上下端は、燃料電池スタック100の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部326を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部327を形成している。空気流入部326から流入した空気は、空気流通路325において、酸素極21と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部327へ導かれる。このように構成された燃料電池スタック100の鉛直上側には、空気マニホールド54が設けられている。空気流入部326の集合体によって導入口43が構成され、空気流出部327によって導出口44が構成される。
On the surface of the current collecting
図4は、酸化極である酸素極21の構成を模式的に示す燃料電池の断面図である。酸素極21は、固体高分子電解質膜23側から、触媒層21a、拡散層21b、撥水層21cの順で、層を有しており、酸素ガスに接触する面が、撥水層21cとなっている。撥水層21cには、図示されていないが、細孔が多数形成されている。この細孔の径は、水が空気中で形成する水滴の最小径よりも小さい径に形成されている。金属イオンなどの不純物を含んだ水滴は、撥水層21cによって跳ね返され、撥水層21cの内側へ進入することが容易でなくなり、拡散層21b、触媒層21aひいては電解質膜23への不純物の進入が抑制される。また、細孔を介して酸素は供給される。このように、水にトラップされた不純物は、単位セル2内への進入が抑制される。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell schematically showing the configuration of the
次に、図1に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系10の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路201Aには、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、二次圧センサS1、第1ガス供給弁20及び水素調圧弁28、第2ガス供給弁29、三次圧センサS2が順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aは、燃料ガス供給流路201Bの一端に接続している。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の上記ガス取入口201BのINに接続されている。燃料電池スタック100のガス排出口には、ガス排出流路202の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環ポンプ25、循環電磁弁26が配置されている。トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。
Next, the configuration of the fuel cell system shown in FIG. 1 will be described. The configuration of the
次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、酸化ガス供給手段である空気ファン122、空気導入路123、空気マニホールド54、空気排出路である空気ダクト124等を備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。
空気導入路123内には、空気マニホールド54内の直前位置に、水を空気導入路123内へ向けて噴射するノズル55が設けられている。液体接触手段としての噴霧装置であるノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。ノズル55は、霧状にした水を噴射する。噴射された霧状水は、空気導入路123の横断面全域に渡って充満するように、噴射される。また、水は可能な限り細かい粒子となるように噴射される。このように構成することによって、酸化ガスである空気と水とが接触する頻度が増え、水の接触により不純物が水にトラップ(水中に取り入れられる)される量が増加する。このような不純物の水へのトラップは、ガスが攪拌されている状態で、容易に起きる傾向があるので、例えば、空気ファン122の吸入口の直前に、ノズル55を設け、空気とともに霧状の水を空気ファン122内で攪拌し、燃料電池スタック100へ導風する構成としてもよい。
Next, the
In the
空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の導入口43に空気を分割して流入させる。
燃料電池スタック100の空気導出口には、排気マニホールド53A1が接続され、導出口44から排出された空気は、排気マニホールド53A1によって合流され、空気ダクト124へ送られる。また、排気マニホールド53A1は、導出口44から滴り落ちる水を回収する。
The
An exhaust manifold 53A1 is connected to the air outlet of the
空気ダクト124は、導出口44から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ導流する。空気ダクト124の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分取り出す。また、ノズル55から供給された水の内、燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。排気マニホールド53A1で回収された水と、凝縮器51で回収された水は、後述するように、水タンク531へ回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。
The
次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、排気マニホールド53A1と凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水路57と、水タンク531の水をノズル55へ導く給水路56と、回収した水から不純物を取り除く不純物回収装置を有する。導水路57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気ガスから取り出された水を、水タンク531へ送り込む。給水路56には、不純物回収装置であるフィルタ64、水供給手段である供給ポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、水位センサS5と、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。
Next, the water supply system will be described. The
フイルター64は、活性炭等の吸着作用により不純物を分離する材料や、中空糸膜のように不純物をろ過する材料、或いは、イオン交換樹脂が用いられる。これらの構成要素を有する不純物回収装置は、例えば、水タンク531内に収容されていてもよい。不純物回収装置によって不純物が除かれた水は、再びノズル55から霧状に噴射され、不純物を空気からトラップする。
The
燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、切換回路である双方向コンバータ75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。
A load system 7 is connected to the
図4に示されているように、上記構成において、酸化ガスである空気は、空気ファン122によって吸入される際、フィルタ121によって、比較的大きな不純物d(大きな塵埃等)は分離され、さらに燃料電池スタック100へ送られる。導風された空気には、ノズル55から、霧状の水が吹き付けられ、金属イオン等の不純物は、水滴w内にトラップされる。
フィルタ121を通過した不純物dをトラップした水滴dwは、酸素極21の撥水層21cによって、不純物dとともに跳ね返され、不純物dの電極内への進入が抑制される。撥水層21cによって弾かれた水dwは、空気とともに燃料電池スタック100の外際へ排出される。一方、空気中の酸素は、撥水層21cの細孔を介して撥水層21cを通過し、電解質膜23で反応する。
As shown in FIG. 4, in the above configuration, when the air that is the oxidizing gas is sucked by the
The water droplet dw trapping the impurity d that has passed through the
以上説明した構成の他、撥水層21cに形成されている細孔の径を、所定の大きさに設定し、ノズ55から噴射される水滴の径を、細孔の径よりも大きくなるようにノズルの構造を調整してもよい。
この他、液体接触手段として、噴霧装置(ノズル55)の他、水の張られた水槽中に空気をバブリングする構成としてもよい。この場合には、水と空気との接触頻度を高めるために、空気を微泡化することが好ましい。
また、上記構成は、酸素極における構成を挙げたが、水素極においても、撥水層を表面に設け、燃料ガス導入路中に水に接触させる接触手段としての噴霧装置を設けた構成としてもよい。このような構成とすることによって、燃料ガスに含まれる不純物が燃料電池内に進入し、滞留することを抑制することができる。
In addition to the configuration described above, the diameter of the pores formed in the water-
In addition, as a liquid contact means, it is good also as a structure which bubbles air in the water tank filled with water other than the spraying apparatus (nozzle 55). In this case, in order to increase the contact frequency between water and air, it is preferable to make air fine.
Moreover, although the said structure mentioned the structure in an oxygen electrode, also in a hydrogen electrode, it is good also as a structure which provided the spraying device as a contact means to provide a water-repellent layer on the surface and to contact water in a fuel gas introduction path. Good. By adopting such a configuration, it is possible to suppress impurities contained in the fuel gas from entering and staying in the fuel cell.
さらに、本実施形態では、金属イオンを補集するための液体として水を用いた場合について説明したが、液体は、純水や水道水以外にも界面活性剤などの添加剤を加えたものや、アルコールなどでもよい。
尚、本実施形態にあっては、多数の燃料電池を積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに適用したが、燃料電池を面方向に接続した燃料電池集合体に適用しても良いことは言うまでもない。
Furthermore, in the present embodiment, the case where water is used as a liquid for collecting metal ions has been described. However, the liquid may be one obtained by adding an additive such as a surfactant in addition to pure water or tap water. Or alcohol.
Although the present embodiment is applied to a fuel cell system including a fuel cell stack in which a large number of fuel cells are stacked, it may be applied to a fuel cell assembly in which fuel cells are connected in a plane direction. Needless to say.
1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
122 空気ファン
123 空気導入路
21 酸素極
21a 触媒層
21b 拡散層
21c 撥水層
531 水タンク
53A1 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記酸素極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに液体を接触させる液体接触手段と、
前記酸化極の表面に形成された撥水層とを備え、
前記撥水層は、前記酸化ガスを通すが前記液体を通さない多数の細孔が形成されていることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel electrode on one side of the electrolyte layer and an oxygen electrode on the other side;
An oxidizing gas supply means for supplying an oxidizing gas to the oxygen electrode;
Liquid contact means for bringing a liquid into contact with the oxidizing gas supplied to the fuel cell;
A water repellent layer formed on the surface of the oxidation electrode,
The water repellent layer is formed with a plurality of pores through which the oxidizing gas passes but not through the liquid.
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