JP2009245818A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常圧の大気を導入して燃料電池スタック内の電解質膜の湿潤をほぼ一様する燃料電池装置を得ること。
【解決手段】水素流路と空気流路とを有すると共に、水素流路と空気流路との境に電解質膜を有する燃料電池スタック１０と、空気流路の一方に連通して設けられた第１マニホールド７５と、空気流路の他方に連通して設けられた第２マニホールド７７と、大気を空気流路に取り込み気流を生じさせると共に、気流の方向を変えるファン７１とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

ＰＥＭ型の燃料電池本体は、燃料極と空気極との間に固体高分子電解質膜が挟持された構成である。燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極基材からなる。燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータ（コネクタ板）が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。

上記燃料電池本体とセパレータとで単電池が構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成される。このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。即ち、燃料極（アノード）にて得られる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中を空気極（カソード）側に移動し、また燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を含む）中の酸素と反応して水を生成すると共に、空気極（カソード電極）側に導入された空気と、水素極（アノード電極）に導入された水素とを反応して発電している。

この空気を導入するには、燃料電池スタックの構造などから常圧式と、下記特許文献１に記載のように加圧式とがあるが、簡易な燃料電池装置を得るには、空気を加圧する必要がない常圧式を採用している。
一方、固体高分子型燃料電池を効率よく発電させるためには、加湿器等を用いて電解質膜を十分に湿潤させる必要がある。

特表２００１−５２５５９６号公報

しかしながら、加湿器システムは、体格の増大、効率の低下を生じる。このため、導入空気を無加湿(空気中の水分は使用)で使用するシステムが考えられるが、電解質膜を適度に湿潤させておくことが理想に対して、無加湿運転の場合、空気導入側の電解質膜が乾燥し、空気出側が過度に湿潤する。このため、乾燥した領域、過度な湿潤領域において、性能の低下を促進するおそれがある。
無加湿で発電する場合、導入空気は気化した生成水を取り込み水蒸気圧が増大する。空気入り口側の方が出口側より生成水を取り込むことが可能となる。よって、空気入り口側の電解質膜がより乾燥し、発電分布が生じ性能が低下する。乾燥空気で運転した場合、生成水は気化し、空気中に取り込まれる。気化できる量は入り口側が多く、出口側が少ない。導入空気により、入り口の生成水が気化し易く、電解質膜が乾燥する。気化不可能な水は、空気極流路側に排出又は、水素極側へ移動する。このため、電解質膜の湿潤が一様でないため、燃料電池の性能低下をもたらすという課題があった。

一方、純水素型燃料電池においては、水素燃料中に水分はなく、発電に伴う水素消費量分の水素が水素極室を流れる。これにより、ガスが水素極室内の水分を持ち去り電解質膜を乾燥する。この乾燥は入口側で気化し易くして性能を低下させる。乾燥は水素導入口側でより顕著であるという課題があった。下流部燃料電池に必要な水素ガスが入口側で余分に流れることにより、入口側の電解質膜は乾燥傾向にある。このため、電解質膜の湿潤が一様でないため、燃料電池の性能低下をもたらすという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、常圧の大気を導入して燃料電池スタック内の電解質膜の湿潤をほぼ一様にする燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面の燃料電池装置は次のように規定される。即ち、
水素流路と空気流路とを有すると共に、前記水素流路と前記空気流路との境に電解質膜を有する燃料電池を複数連接してなるスタックと、
前記スタックを構成する燃料電池の各空気流路の一方に連通して設けられた第１マニホールドと、
前記各空気流路の他方に連通して設けられた第２マニホールドと、
大気を常圧で前記第１マニホールドへ取込み、前記空気流路を流通させて前記第２マニホールドから排出する気流発生手段と、
前記気流発生手段で発生される気流の流れを切り替えて、大気を常圧で前記第２マニホールドへ取込み、前記空気流路を流通させて前記第１マニホールドから排出する気流切り替え手段と、
前記第１マニホールドの内部に設けられると共に、湿度を検出して第１検出信号を発生する第１湿度検出手段と、
前記第２マニホールドの内部に設けられると共に、湿度を検出して第２検出信号を発生する第２湿度検出手段と、
前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて前記気流切り替え手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池装置。

第１の局面の燃料電池装置によれば、気流発生手段が大気を取り込み空気流路に気流を生じさせる。第１及び第２マニホールドを有することから、燃料電池スタックの多数の空気流路にほぼ同時に気流を流すことができる。これにより、気流が常圧でも空気流路に円滑に空気を流すことができる。
一方、空気流路が導入される側から排出される側に向かって電解質膜に生じる液体が乾燥し易くなる。これに対し、気流切り替え手段によりこの導入側と排出側とを切り替えることにより燃料電池スタック内の空気流路側の電解質膜の湿潤をほぼ一様することができる。したがって、燃料電池の性能低下が大幅に軽減される。
また、気流切り替え手段により気流の方向を変えるタイミングは燃料電池スタックの特性に応じて任意に設定可能なものである。例えば、一定時間毎に切り替えることができる。
更には、第１及び第２マニホールド内の湿度を検出して制御手段が気流発生手段を制御して気流の方向を変えるので、より円滑な燃料電池スタック内の水分制御ができる。

この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、
第１の局面で規定の燃料電池装置において、前記気流発生手段は、羽根を有するファンから成り、
前記気流切り替え手段は前記羽根の回転方向を変えることにより前記気流の方向を切り替える。
また、この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面で規定の燃料電池装置において、前記気流発生手段は、羽根を有するファンから成り、
前記気流切り替え手段は前記羽根の向きを変えることにより前記気流の方向を変更する。
このように規定される第２又は第３の局面の燃料電池装置によれば、簡易に空気流路の気流の流れを変更できるので、安価な燃料電池装置の提供が可能となる。

この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第３のいずれかの局面で規定の燃料電池装置において、水素ガスを前記水素流路に流すと共に、前記水素ガスの流れる方向を切り替える水素流切り替え手段を備え、前記気流切り替え手段及前記水素流切り替え手段を用いて前記空気流路に流れる前記気流と、前記水素流路に流れる前記水素ガスとの向きを反対にする。
このように規定される第４の局面の燃料電池装置によれば、空気流路に流れる空気流と水素流路に流れる水素ガス流とが互い違いになる。従って、比較的乾燥環境にある空気流路入口側と比較的湿潤環境になる水素流路出口側とが対向し、かつ比較的湿潤環境にある空気流路出口側と比較的乾燥環境にある水素流路入口側とが対向するので、燃料電池の電解質膜の湿潤状態が均一に保たれる。よって、燃料電池の出力が安定する。

燃料電池本体（カソード−電解質膜−アノード）の空気流れ上流側に第１マニホールドが設けられている場合、ファン等からなる気流発生手段は第１マニホールドに対向して配置される。気流発生手段は大気を第１マニホールドへ送り込むので、大気中に含まれる塵芥が第１マニホールド、燃料電池内へ入り込まないように、第１マニホールドの開口部にはフィルタ（大気中の塵芥を除去するエアフィルタ）が配設される。他方、空気流通系においてその排出側には敢えて空気抵抗となるエアフィルタを設けることはない。仮にフィルタを設けたとしても、それは運転停止中に虫などが侵入しないようにするためのものであり、空気中の塵芥を除去するためのものではない。
しかしながらこの発明では、気流の方向を切り替えて第２マニホールドから大気を取り込むことがあるので、当該気流の流れ方向が生じているときにも、燃料電池内に塵芥が入り込むことを防止しなければならない。
そこで、第１マニホールドと第２マニホールドの各開口部へフィルタを配設することが好ましい。

本発明によれば、常圧の大気を導入して燃料電池スタック内の電解質膜の湿潤をほぼ一様する燃料電池装置を得ることができる。

実施の形態１．
本発明の一実施の形態を図１によって説明する。図１は本発明の実施例の燃料電池装置の全体構成を説明し、続いて各要素を詳細に説明する。図１に示すように、燃料電池装置は、燃料電池スタック１０、燃料供給系３０、空気供給系７０、第１制御部１００から大略構成される。

燃料電池スタック１０は燃料電池の単位ユニットＵを複数接続したものである。この単位ユニットＵは、図２に示すように、高分子電解質膜１１の両面にカソード側触媒層１２ａ及びアノード側触媒層１２ｂが積層されており、その外側がカソード側拡散層１３及びアノード側拡散層１４で挟まれ、ＭＥＡ１５を構成している。さらに、ＭＥＡ１５の両側からセパレータ１６、１７のリブ１６ａ、１７ａで圧接されており、これによりセパレータ１６、１７とカソード側拡散層１３及びアノード側拡散層１４との間に空気を流す空気流路１６ｂ、水素ガスを流す水素流路１７ｂが形成されている。

図２(ａ)に示すように、空気を空気流路１６ｂに上から下へ流すと、ＭＥＡ１５の空気流路１６ｂ側が一点鎖線のように上から下に行くにしたがい水分が増加する。水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に下から上に流すと、ＭＥＡ１５の水素流路１７ｂ側が一点鎖線のように下から上に行くにしたがい水分が増加する。上記のように空気又は水素ガスの導入側が乾燥しやすいのは、気化のためである。
一方、図２(ｂ)に示すように、空気を空気流路１６ｂに下から上へ流すと、ＭＥＡ１５の空気流路１６ｂ側が一点鎖線のように下から上に行くにしたがい水分が増加する。水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に上から下に流すと、ＭＥＡ１５の水素流路１７ｂ側が一点鎖線のように上から下に行くにしたがい水分が増加する。
このように、空気と水素ガスとが流れる方向を反対にするのは、空気流路１６ｂの最も湿度が高くなる空気の出口付近と対向する側から、乾燥している水素ガスを流して空気極から逆拡散水を水素極に引き込み、水素側入口の乾燥を防ぐためである。

そして、燃料電池スタック１０の内部では、図３（ａ）に示すように上下に設けられた二つの主水素流路１７ｍの間を結ぶ多数の水素流路１７ｂを有しており、図３（ｂ）に示すように水素流路１７ｂと水素流路１７ｂとの間に空気流路１６ｂが形成されており、空気流路１６ｂ内を水素ガスとは逆方向に空気が流れている。

図１において燃料供給系３０では、水素供給路３３を介して水素ボンベ３２から放出された水素ガスを燃料電池スタック１０へ送る。水素供給路３３には、水素調圧弁３４と水素供給電磁弁３６とが配設され、水素調圧弁３４は水素ボンベ３２から放出された水素ガスを調圧している。水素供給電磁弁３６は水素供給路３３の開閉を制御している。燃料電池スタック１０へ供給される直前の水素ガス圧は水素元圧センサ３７でモニタされている。
第１切り替え弁３９は、切り替え弁制御部６０からの第１通路信号により第１通路４１を選択して水素供給路３３と連通し、第２通路４２を遮断すると共に、切り替え弁制御部６０からの第２通路信号により第２通路４２を選択し水素供給路３３と連通し、第１通路４１を遮断する。第２切り替え弁５１は、第１切り替え弁３９と同期して動作する。

燃料供給系３０では、燃料電池スタック１０から排出される水素ガスは水素排気路５０を介して大気へ放出される。水素排気路５０には逆止弁５３と電磁弁５５が設けられている。逆止弁５３は水素排気路５０を介して空気が燃料電池スタック１０の燃料極に進入することを防止している。電磁弁５５は間欠的に駆動される。

切り替え弁制御部６０からの第１通路信号により第１通路４１を選択して水素供給路３３と水素供給路３３及び水素排気路５０と連通して第２通路４２を遮断すると共に、切り替え弁制御部６０からの第２通路信号により第２通路４２を選択し、水素供給路３３及び水素排気路５０と連通して第１通路４１を遮断する。
これにより、第１通路４１が選択されると、図３(ａ)に示す矢印のように主水素流路１７ｍ、水素流路１７ｂに水素ガスを流し、第２通路４２が選択されると、図３(ａ)に示す矢印と逆の方向に水素ガスを流すように形成されている。

なお、図４に示すように、第１単位ユニットＵ１から第４単位ユニットＵ４を有する燃料電池スタック１０を、第１通路４１を選択すると、図４（ａ）に示すように第４単位ユニットＵ４から水素ガスが流入して第１単位ユニットＵ１から排出しても良い。また、第２通路４２を選択すると、図４（ｂ）に示すように第１単位ユニットＵ１から水素ガスが流入して第４単位ユニットＵ４から排出される。

空気供給系７０は、大気から空気を導入又は排出するためにモータを有すると共に、モータに連結された羽根を有するファン７１と、正転方向信号によりファン７１のモータを正転し、逆転方向信号により該モータを逆転する回転方向制御部８０とを有している。
ファン７１が正回転の場合、実線の矢印Ａ1のように吸い込んだ空気を、第１フィルター７３を介して第１空気マニホールド７５から燃料電池スタック１０の空気流路１６ｂに供給して、燃料電池スタック１０から排出された空気を第２マニホールド７７と第２フィルター７９とを介して実線の矢印Ａ1のように排出する。さらに、ファン７１が逆回転の場合、点線の矢印Ａ2のように吸い込んだ気流を、第２フィルター７９を介して第２空気マニホールド７７から燃料電池スタック１０の空気流路１６ｂに供給して、燃料電池スタック１０から排出された空気を第１マニホールド７５と第１フィルター７３とを介して点線の矢印Ａ2のように排出する。
なお、気流発生手段は、ファン７１と回転方向制御部８０とから成っている。

また、第１制御部１００は、第１指令信号と第２指令信号とを一定時間毎に回転方向制御部８０と切り替え弁制御部６０に入力している。

上記のように構成された燃料電池装置の動作を図５のタイムチャートを参照しながら説明する。まず、時間ｔ0で、第１制御部１００からの回転方向制御部８０に第１指令信号を与えると、回転方向制御部８０は、正転方向信号を発生してファン７１を正回転して実線の矢印Ａ1のように吸い込んだ空気を、第１フィルター７３を介して第１空気マニホールド７５から燃料電池スタック１０の空気流路１６ｂに供給して、燃料電池スタック１０から排出された空気を第２マニホールド７７と第２フィルター７９とを介して実線の矢印Ａ1のように時間ｔ1まで排出する。これにより、図２(a)に示すように、空気を空気流路１６ｂに上から下へ流す。
同時に時間ｔ0で、第１制御部１００からの切り替え弁制御部６０に第１指令信号を与えると、切り替え弁制御部６０からの第１通路信号により第１及び第２切り替え弁３９，５１は、第１通路４１を選択し、水素供給路３３及び水素排気路５０と連通して第２通路４２を遮断する。これにより、図２(a)に示すように、水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に下から上へ時間ｔ1まで流す。

次に、時間ｔ1になると、第１制御部１００は、回転方向制御部８０に第２指令信号を与えると、回転方向制御部８０は、逆転方向信号を発生してファン７１を逆回転して点線の矢印Ａ2のように吸い込んだ空気を、第２フィルター７３を介して第２空気マニホールド７７から燃料電池スタック１０の空気流路１６ｂに供給して、燃料電池スタック１０から排出された空気を第１マニホールド７５と第１フィルター７３とを介して点線の矢印Ａ2のように時間ｔ2まで排出する。これにより、図２(a)に示すように、空気を空気流路１６ｂに下から上へ流す。
同時に時間ｔ1で、切り替え弁制御部６０に第２指令信号を与えると、切り替え弁制御部６０からの第２通路信号により第１及び第２切り替え弁３９，５１は、第２通路４２を選択し、水素供給路３３及び水素排気路５０と連通して第１通路４１を遮断する。これにより、図２(ｂ)に示すように水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に上から上へ時間ｔ2まで流す。

そして、上記のように、時間ｔ１まで空気を空気流路１６ｂに上から下へ流して水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に下から上へ流した後、時間ｔ1からは、時間ｔ1までと逆に、空気を空気流路１６ｂに下から上へ流すと共に、水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に上から下へ時間ｔ2まで流す。これにより、燃料スタック１０内のＭＥＡ１５がほぼ均一で適度に湿潤するので、燃料電池装置の性能低下を抑制できる。
なお、ファン７１のモータを回転してファン７１から気流を吸い込んだり、排出したりしたが、ファン７１の羽根の向きを変えてファン７１から気流を吸い込んだり、排出したりしても良い。

実施形態２．
本発明の他の実施の形態を図６によって説明する。図６中、図１と同一符号は同一部分を示し、説明を省略する。図６において、燃料電池装置は、第１マニホールド７５の内部に設けられると共に、湿度を検出して第１検出信号を発生する第１湿度検出器２０１と、第２マニホールド７７の内部に設けられると共に、湿度を検出して第２検出信号を発生する第２湿度検出器２０３とを備えている。

第２制御部２００は第１検出信号と第２検出信号及び空気流量から、導入水分量と排出水分量の差Δｅを算出する。定められた範囲のΔeに入るように、ファン７１の回転方向を決定して燃料電池スタック１０内の気流の流れを決めると共に、水素ガスの流れる第１通路４１又は第２通路４２を選択して空気流路１６ｂに流れると空気と、水素流路１７ｂを流れる水素ガスとが互いに逆方向になるように流す。
すなわち、Δｅが上限範囲以下では、図６に示す実線の矢印Ａ1から大気を吸い込んで気流を生じ、第１フィルター７３を介して第１空気マニホールド７５から燃料電池スタック１０の空気流路１６ｂに供給して、燃料電池スタック１０から排出された空気を第２マニホールド７７と第２フィルター７９とを介して実線の矢印Ａ1のように排出する。
同時に、切り替え弁制御部６０からの第１通路信号により第１及び第２切り替え弁３９，５１は、第１通路４１を選択し、水素供給路３３及び水素排気路５０と連通して第２通路４２を遮断する。これにより、図２(a)に示すように、空気を空気流路１６ｂに上から下へ流して水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に下から上へ流す。これにより、燃料電池スタック１０のＭＥＡ１５の水分をほぼ、均一にする。

また、第２検出信号が第１検出信号よりも高く上記範囲Δeを超えると、回転方向制御部８０は、逆回転信号を発生してファン７１を逆回転して一点鎖線の矢印Ａ２のように吸い込んだ空気を、第２フィルター７３を介して第２空気マニホールド７７から燃料電池スタック１０の空気流路１６ｂに供給して、燃料電池スタック１０から排出された空気を第１マニホールド７５と第１フィルター７３とを介して実線の矢印Ａ２のように排出する。
同時に、切り替え弁制御部６０に制御指令を与えると、切り替え弁制御部６０からの第２通路信号により第１及び第２切り替え弁３９，５１は、第２通路４２を選択し、水素供給路３３及び水素排気路５０と連通して第１通路４１を遮断する。これにより、図２(ｂ)に示すように、空気を下から上へ流して水素ガスを空気とは逆に上から下へ流す。
これにより、図２(ｂ)に示すように、空気を空気流路１６ｂに上から下へ流して水素ガスを水素流路１７ｂに空気とは逆に下から上へ流す。したがって、燃料電池スタック１０のＭＥＡ１５の水分をほぼ、均一にする。
このような燃料電池装置によれば、図７に示すように点線で示す従来例に比較して経時変化に伴う出力低下を抑制できる。

本発明は、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本発明に含まれる。

本発明の一実施の形態を示す燃料電池装置の全体図である。 図１に示す燃料電池スタックの断面図で、ファンが正回転の場合の気流の流れを示す断面図（ａ）、ファンが逆回転の場合の気流の流れを示す断面図（ｂ）である。 図１に示す燃料電池スタックの水素極側の断面図（ａ）、空気極側の断面図（ｂ）である。 図１の燃料電池スタックの水素ガスの第１通路の流れを示す正面図 （ａ）、同様に、燃料電池スタックの水素ガスの第２通路の流れを示す正面図（ｂ）である。 図１に示すファン、第１及び第２切り替え弁の動作を示すタイムチャートである。 本発明の他の実施の形態を示す燃料電池装置の全体図である。 図６及び従来の燃料電池装置の出力対時間の特性曲線図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック、３９ 第１切り替え弁、５１ 第２切り替え弁、７１ ファン、７５ 第１マニホールド、７７ 第２マニホールド、１００ 第１制御部、２００ 第２制御部、２０１ 第１湿度検出器、２０３ 第２湿度検出器。

Claims (4)

1. 水素流路と空気流路とを有すると共に、前記水素流路と前記空気流路との境に電解質膜を有する燃料電池を複数連接してなるスタックと、
   前記スタックを構成する燃料電池の各空気流路の一方に連通して設けられた第１マニホールドと、
   前記各空気流路の他方に連通して設けられた第２マニホールドと、
   大気を常圧で前記第１マニホールドへ取込み、前記空気流路を流通させて前記第２マニホールドから排出する気流発生手段と、
   前記気流発生手段で発生される気流の流れを切り替えて、大気を常圧で前記第２マニホールドへ取込み、前記空気流路を流通させて前記第１マニホールドから排出する気流切り替え手段と、
   前記第１マニホールドの内部に設けられると共に、湿度を検出して第１検出信号を発生する第１湿度検出手段と、
   前記第２マニホールドの内部に設けられると共に、湿度を検出して第２検出信号を発生する第２湿度検出手段と、
   前記第１検出信号及び前記第２検出信号に基づいて前記気流切り替え手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記気流発生手段は、羽根を有するファンから成り、
   前記気流切り替え手段は前記羽根の回転方向を変えることにより前記気流の方向を切り替える、
   ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
3. 前記気流発生手段は、羽根を有するファンから成り、
   前記気流切り替え手段は前記羽根の向きを変えることにより前記気流の方向を変更する、
   ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。
4. 水素ガスを前記水素流路に流すと共に、前記水素ガスの流れる方向を切り替える水素流切り替え手段を備え、前記気流切り替え手段及前記水素流切り替え手段を用いて前記空気流路に流れる前記気流と、前記水素流路に流れる前記水素ガスとの向きを反対にする、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池装置。

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