JP2008251338A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタック内の空気流量分布が小さく，温度分布、電池反応の分布が小さな電池を提供する。
【解決手段】 上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、一方の開口部が前記燃料電池スタックの上面に対して略垂直に形成されると共に、他方の開口部が前記空気流入口とその周囲を囲む枠状の周縁部に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気供給ダクトは、一方の開口部が前記燃料電池ススタックの上面よりも上方に配置され、その開口部と前記空気流入口との間に、傾斜面を有する部材が設けられている燃料電池システム。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に常圧作動型の燃料電池における気体の供給機構に特徴を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料極と酸素極を電解質膜等を介して配置した単位燃料電池を複極板を介在させて電気的に直列に積層したものの複数個を直列、あるいは直並列に接続して、燃料電池スタックを形成している。
燃料電池スタックの燃料極には燃料供給手段によって水素等の燃料が供給されている。また、燃料電池スタックの酸素極に対して空気を供給する空気供給ファンからの空気を供給する空気供給ダクトとともに、燃料電池反応で生じた水を含んだ空気を排出する空気排気ダクトが結合されている。

燃料電池スタックに対して加圧した空気を供給する加圧作動型では、燃料電池の出力を高めたることが可能であると言う特徴を有しているものの、空気の加圧手段が必要となる。
しかしながら、改質器等の排出ガスで作動するターボチャージャ等が利用可能な場合でも、燃料電池で発生した電力を自己消費することとなるので、これらのエネルギーを使用できない小型の燃料電池においては加圧式は取り出すことができるエネルギー効率が小さいので有効なものとは言えない。
そこで、本出願人は、常圧作動型であって、空気供給ファンにより導入された空気が空気導入ダクトを介して燃料電池スタックへ均一に供給されるようにした燃料電池システムを提案している（例えば、特許文献１参照）。

図７は、常圧作動型の燃料電池システムへの空気の供給路を説明する側面図である。
燃料電池スタック１００は、枠体１０１の内部に単位燃料電池の複数個を積層しており、その中央部には空気供給口１０２が形成されており、その周囲には単位燃料電池を積層した際に相互の気密を保持し、気体の流路等を形成する周縁部１０３を有している。
また、周縁部１０３は枠体１０１と接して保持されている。空気供給口１０２に空気を供給する空気供給ダクト５４が結合されており、空気供給ダクトによって、空気供給口の開口面と平行な空気流１０５が形成されている。

空気ダクト５４の流路壁５４Ａは、ガスケット１０６によって燃料電池スタック１００の周縁部１０３と間、および枠体１０１との間の気密を保持している。
流路壁５４Ａの端部と周縁部１０３との間には、段差部１０７が形成されるためにその近傍において空気流に剥離が生じることがあった。

空気流に剥離が生じると空気流が乱れ、燃料電池スタックの空気供給口１０２から供給された空気流に流速の分布が生じる。その結果、燃料電池スタックを構成する各単位燃料電池において温度分布や発電反応の分布が発生するので燃料電池の特性にも大きな影響を及ぼすと言う問題があった。
特に常圧作動型の燃料電池においては、大気圧に対してわずかに加圧されているのみであるので、空気流に生じる気流の乱れによる影響を受けやすい。

一方、燃料電池スタックの周縁部の幅を大きくし、燃料電池へ空気を供給する流路壁に形成される段差部と空気供給口との間の距離を大きくすることで、段差部での気流の乱れを空気供給口に及ぼさない方法も考えられるが、周縁部の幅を大きくすると、燃料電池スタックにおける発電反応に寄与する面積の割合が減少する。自動車に搭載する燃料電池システムのように設置場所に制限を受ける場合には電池反応に寄与しない部分を大きくすることは非効率であり、とりわけ小型の燃料電池システムにおいては、電池反応に直接寄与しない周縁部の幅を極力小さくすることが求められていた。
特開２００４−４２４７４６号公報

本発明は、燃料電池スタックへの空気供給ダクトの燃料電池スタックの空気供給口近傍の流路壁に形成された段差によって生じた気流の剥離による気流の乱れによる影響を防止し、気流の乱れによって燃料電池の酸素極側への空気の供給が不均一となって、反応熱による熱分布が不均一となったり、また燃料電池が損傷を受けることを防止することを課題とするものであり、特に、常圧作動型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの電池反応に寄与しない部分の面積を増加させることなく気流の乱れによる流量の分布が生じることを課題とするものである。

本発明は、上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、一方の開口部が前記燃料電池スタックの上面に対して略垂直に形成されると共に、他方の開口部が前記空気流入口とその周囲を囲む枠状の周縁部に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気供給ダクトは、一方の開口部が前記燃料電池ススタックの上面よりも上方に配置され、その開口部と前記空気流入口との間に、傾斜面を有する部材が設けられている燃料電池システムである。
また、前記傾斜面は、前記空気供給ダクトの流路壁で形成されている前記の燃料電池システムである。
前記傾斜面は、前記一方の開口部から延出する傾斜整流板に形成されている前記の燃料電池システムである。
前記傾斜面は、前記一方の開口部と前記周縁部との間に設けられた絶縁部材またはガスケットの少なくとも一方に形成されている前記の燃料電池システムである。
前記燃料電池スタックに前記空気供給ダクトを通して常圧空気を供給する空気供給手段を備えた前記の燃料電池システムである。

請求項１の構成によれば、流路面において段差による空気流れの剥離に起因して空気流に乱れが生じることがないので、燃料電池スタックの空気供給口から流速の分布等を生じることなく燃料電池スタック内へ空気が供給されるので、燃料電池反応の分布が生じることがない燃料電池システムを提供することができる。
また、請求項２の構成によれば、前記傾斜面は、平面あるいは曲面のいずれかとしたので、空気流路はその表面において空気流れの剥離が生じることなく空気を供給する燃料電池システムを提供することができる。

また、請求項３の構成によれば、従来のものに代えて流路壁面または流路壁面と燃料電池の周縁部との間に装着する部材として、傾斜面を形成したものを用いることによって空気流れの乱れを防止した燃料電池システムを提供することができる。
また、請求項４の構成によれば、従来の流路壁面と燃料電池の周縁部との間に装着する部材に代えて所定の傾斜面を有する絶縁性部材またはガスケット等を用いることによって従来の構成を大きく変更することなく空気流れの乱れを防止した燃料電池システムを提供することができる。

請求項５記載の構成によれば、流路壁に所定の板状体を装着することに空気流れの乱れを防止した燃料電池システムを提供することができる。
また、請求項６記載の構成によれば、常圧作動する燃料電池における気流の乱れの影響を防止し、発電効率、電池特性に優れた燃料電池システムを提供することができる。

本発明は、自動車用の燃料電池のように設置場所に制限を受ける場所に設置可能な小型の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック内部の空気の流速の分布が、空気供給ダクトから燃料電池スタックの空気供給口へ続く流路壁に生じる段差が原因であって、段差部に所定の傾斜面を形成することによって、段差部における空気流れの剥離を防止し、それによって気流の乱れを防止することが可能であることを見いだしたものである。

まず、本発明の燃料電池システムを図１を参照して説明する。
燃料供給系１０の構成について説明する。圧縮水素ボンベ、水素吸蔵合金等の水素貯蔵手段１１は、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して、燃料極と酸素極を固体高分子電解質の両面に形成して集電体等配置した単位燃料電池の複数個を積層した燃料電池スタック１００の燃料取入口１０１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２１、第２ガス供給弁２２、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の燃料取入口１０１に接続されている。

燃料電池スタック１００の燃料排出口１０２には、燃料排出流路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。

次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気供給ダクト５４と、空気排出路である空気排出ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気供給ダクト５４の順で空気の流れる方向に沿って設けられている。

空気導入路１２３内には、拡散手段である板状のメッシュ、ハニカム部材等で形成された拡散部材１２３ｍが設けられ、更に、その下流側には、空気供給ダクト５４内の直前の位置に、加湿冷却水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気導入ダクト５４内に設けられていてもよい。
空気導入路１２３の空気導入側端部の取入口には、送風手段としての空気ファン１２２が接続されている。空気ファン１２２の吸引口には、フィルタ１２１が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン１２２は、回転翼を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータＭが、回転翼の回転軸に接続されている。

拡散部材１２３ｍは、空気導入路１２３の横断面全面を覆い、空気供給ダクト５４へ送られる空気は、拡散部材１２３ｍを通過する際に拡散されて、空気導入路内を均一に流れるように構成されている。
空気供給ダクトの流路壁の端部と燃料電池スタックとの間には段差部が形成されないように各部材が配置されているので、燃料電池の空気供給口からは気流の乱れのない空気流が供給される。

次に、燃料電池の空気の排気側について説明する。燃料電池スタック１００の空気の出口側には、燃料電池スリット１００の空気排出口の開口面に平行な方向へ空気排出ダクト１２４が設けられている。
空気排出ダクト１２４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ排出する。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、空気から水分を取り出す。また、ノズル５５から供給された水のうち燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。そして、凝縮器５１で回収された水は、電解質膜を加湿するための水として利用できるよう後述する水タンク５３１に貯水されるようになっている。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。

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、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水管５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水管５６とを有する。導水管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で排気から取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。また、給水管５６には、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、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。

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の電極端には、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、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子等のスイッチング手段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、二次電池、電池二重層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。

燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ４、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９、２０、２２、２６、２７、各ポンプ２５、６１、６２、空気ファン１２２、凝縮器５１のファン、インバータ７３、スイッチング手段７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）を備えている。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。

図２は、本発明の燃料電池システムの実施態様を説明する図である。
図２（Ａ）は、本発明の燃料電池システムの一実施態様を説明する図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の一部を拡大して説明する図であり、いずれも側面から見た図である。
図２（Ａ）に示す燃料電池システム１では、複数の単位燃料電池が積層された燃料電池スタックの上部の空気供給口１０２に、空気供給口１０２の開口面と平行な方向であって該燃料電池スタックの空気供給口１０２を端部とする流路を形成する空気供給ダクト５４が結合されている。ここで、開口面と平行な方向とは、厳密な意味での平行ではなく、水平な空気供給口の開口面に対して概ね横方向であることを意味している。

また、空気供給ダクト５４には、空気を吸引して送風する空気ファン１２２が接続されている。空気は空気ファンによって大気圧よりも０．１ｋＰａないし３ｋＰａ高い圧力であって、一般に常圧と称される大気圧よりもわずかに高い圧力で送風される。また、空気供給ダクト５４内には、空気を拡散する拡散部材１２３ｍが設けられている。

燃料電池スタック１００の下部の空気排出口１０４の開口面と平行方向に、空気供給ダクト５４内の空気流１０５の流れ方向と同方向の流路を形成する空気排気ダクト１２４が結合されている。

図２（Ｂ）に示すように、空気ダクト５４の流路壁５４Ａ、枠体１０１、および燃料電池スタック１００の周縁部１０３はガスケット１０６によって気密を保持している。また、流路壁に接して傾斜面形成シール材１０８が配置されており、傾斜面形成シール材１０８は、流路壁側端部１０８Ａにおいて流路壁５４Ａの端部に接して段差がない傾斜面を形成し、傾斜面は周縁部側端部１０８Ｂにおいて周縁部１０３の表面と鋭角を形成している。
傾斜面形成シール材１０８の表面は、凹凸あるいは段差がない傾斜を有する平面、曲面によって形成される。
傾斜面の傾きは、燃料電池スタックに供給される空気の流速、流量によって適宜設定することができる。

傾斜面形成シール材１０８としては、燃料電池の作動温度である８０℃までの温度で安定な特性を有する合成ゴム、ポリウレタン、シリコーン樹脂等の組成物に形成されるものを用いることができる。
また、傾斜面形成シール材１０８は、配置すべき部分の形状に合わせて予め成形したものを接合剤を用いて接合することによって形成する方法、あるいは未硬化の傾斜面形成シール材形成用組成物を塗布した後に硬化させる方法によって形成することができる。
以上のようにして、流路壁の端部と周縁部との間に段差が形成されないので、空気流１０５には剥離の発生が防止される結果、空気供給口１０２から気流の乱れのない空気を供給することが可能となる。

図３は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。
空気ダクト５４の流路壁５４Ａ、枠体１０１、および燃料電池スタック１００の周縁部１０３は傾斜面形成ガスケット１０９によって気密を保持している。
傾斜面形成ガスケット１０９は、各部材の気密を保持するとともに、流路壁側端部１０９Ａにおいて流路壁５４Ａの端部に接して段差がない傾斜面を形成し、周縁部側端部１０９Ｂにおいて周縁部１０３の表面と鋭角を形成している。
傾斜面形成ガスケット１０９の表面は、凹凸あるいは段差がない傾斜を有する平面、曲面によって形成される。

傾斜面形成ガスケット材１０９は、装着すべき部分の形状に合致した成形型を用いて板状のガスケットと同様に製造することができる。
以上のようにして、流路壁の端部と周縁部との間に段差が形成されないので、空気流１０５の剥離の発生を防止される結果、空気供給口１０２から気流の乱れのない空気を供給することが可能となる。

図４は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。
図４に示した実施態様は、空気ダクト５４の流路壁５４Ａ、枠体１０１、および燃料電池スタック１００をガスケット１０６によって気密を保持している。
流路壁５４Ａ面には、流路壁の端部に燃料電池スタックの空気供給口１０２側に向かった傾斜面１１０が形成され、傾斜面１１０の一端はガスケットの空気供給口側の上端部１０５Ａに接続されており、傾斜面の延長部１１０は周縁部１０３の表面と鋭角を形成して交わっている。

傾斜面１１０がガスケット１０６に接する部分には周縁部の表面との間で段差部が形成されているが、空気流１０５は傾斜面１１０を流れるために、剥離の発生を防止される結果、空気供給口１０２から気流の乱れのない空気を供給することが可能となる。
傾斜面１１０の形成は、空気供給ダクトの製造時に所定の形状に加工することによって製造することができる。

図５は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。
図５に示した実施態様は、空気ダクト５４の流路壁５４Ａ、枠体１０１、および燃料電池スタック１００がガスケット１０６によって気密を保持している。
流路壁５４Ａの端部に傾斜整流板１１１が取り付けられており、周縁部方向へ空気流１０４を傾斜させるものであって、傾斜整流板１１１の傾斜面の延長部１１１Ｂは周縁部１０３の表面と鋭角を形成して交わっている。
傾斜整流板１１１は、その先端部が周縁部１０３に近いほど空気流の剥離を防止する効果が得られる。
傾斜整流板１１０の形成は、空気供給ダクトの製造時に所定の装着したり、その後の組み立て時に取り付けることができる。

図６は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。
図６に示した燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１００の周縁部１０３が枠体１０１との間に空間１１２を設けて設置されている。流路壁５４Ａは絶縁部材１１３に接しており、絶縁部材１１３と周縁部１０３の間に傾斜面形成ガスケット１０９を配置して気密を保持している。
また、傾斜面形成ガスケットは、流路壁側端部１０９Ａにおいて流路壁５４Ａの端部に接して段差がない傾斜面を形成し、周縁部側端部１０９Ｂにおいて周縁部１０３の表面とと鋭角を形成している。
図６に示した傾斜面形成ガスケット１０９に代えて平板状のガスケットと、図２で示した傾斜面形成シール材とを用いることによって同様の燃料電池システムを作製することが可能である。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの空気供給口に、空気を供給する空気供給ダクトの流路壁から燃料電池スタックの周縁部に向かう壁面に、空気流の剥離が生じる部分が発生しないようにしたので、空気供給口には気流の乱れを生じることなく空気流を供給することができるので、空気流の分布の発生によって生じる特性の劣化を防止することができる。また、常圧作動型の燃料電池システムに極めて有用である

図１は、本発明の燃料電池システムを説明する図である。 図２は、本発明の燃料電池システムの実施態様を説明する図である。 図３は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。 図４は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。 図５は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。 図６は、本発明の燃料電池システムの他の実施態様を説明する図である。 図７は、従来の燃料電池システム説明する図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、
１００…燃料電池スタック、１０２…空気供給口、１０３…周縁部、１０４…空気排出口、１０５…空気流、１０６…ガスケット、１０７…段差傾、
１０８…傾斜面形成シール材、１０８Ａ…流路壁側端部、１０８Ｂ…周縁部側端部、
１０９…傾斜面形成ガスケット、１０９Ａ…流路壁側端部、１０９Ｂ…周縁部側端部、
１１０…傾斜面、１１１…傾斜整流板
１２３…空気導入路、１２３ｍ…拡散部材、１２４…空気排気ダクト
５４…空気供給ダクト

Claims (5)

1. 上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、一方の開口部が前記燃料電池スタックの上面に対して略垂直に形成されると共に、他方の開口部が前記空気流入口とその周囲を囲む枠状の周縁部に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気供給ダクトは、一方の開口部が前記燃料電池ススタックの上面よりも上方に配置され、その開口部と前記空気流入口との間に、傾斜面を有する部材が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記傾斜面は、前記空気供給ダクトの流路壁で形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記傾斜面は、前記一方の開口部から延出する傾斜整流板に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記傾斜面は、前記一方の開口部と前記周縁部との間に設けられた絶縁部材またはガスケットの少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックに前記空気供給ダクトを通して常圧空気を供給する空気供給手段を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の燃料電池システム。

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