JP2010225536A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直接型燃料電池に好適な燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell suitable for a direct fuel cell.
アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給して発電を行う直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。このような直接型燃料電池としては、アルコール水溶液を発電部に直接供給してプロトンを取り出すと共に、発電部から排出された水等の排出物を発電部の上流側に配置された混合タンク等に循環させて再利用する循環型燃料電池システムが知られている。 Direct fuel cells that generate power by supplying liquid fuel such as alcohol directly to the power generation unit do not require auxiliary equipment such as vaporizers and reformers, and are expected to be used for small power sources for portable devices. Yes. As such a direct type fuel cell, an alcohol aqueous solution is directly supplied to the power generation unit to extract protons, and discharges such as water discharged from the power generation unit are placed in a mixing tank or the like disposed on the upstream side of the power generation unit. Circulating fuel cell systems that are circulated and reused are known.
直接メタノール供給型燃料電池(以下、DMFCという)においては、一般的に燃料極(アノード)、空気極(カソード)及び電解質膜からなる膜電極複合体(以下、MEAという)と燃料極流路、空気極流路を備える発電セルを積層したセルスタックが発電部として機能し、発電が行われる。燃料極流路には、送液ポンプ等を介して水及びメタノールの混合溶液が送られ、燃料極において下記(1)式に示す反応が生じ、二酸化炭素が発生する。一方、空気極流路には送気ポンプ等をにより空気が送られ、空気極において下記(2)式に示す反応が生じ、水が発生する。
CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e− ・・・(1)
3/2O2 + 6H+ + 6e− → 3H2O ・・・(2)
In a direct methanol supply type fuel cell (hereinafter referred to as DMFC), a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) generally comprising a fuel electrode (anode), an air electrode (cathode) and an electrolyte membrane, and a fuel electrode flow path, A cell stack in which power generation cells including an air electrode channel are stacked functions as a power generation unit, and power generation is performed. A mixed solution of water and methanol is sent to the fuel electrode channel via a liquid feed pump or the like, and the reaction shown in the following formula (1) occurs in the fuel electrode to generate carbon dioxide. On the other hand, air is sent to the air electrode channel by an air supply pump or the like, and the reaction shown in the following formula (2) occurs in the air electrode to generate water.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
3 / 2O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O (2)
燃料極で発生した二酸化炭素と水及び未反応のメタノールとを含む混合溶液は、一般に気液二相流となって燃料極流路から排出される。燃料極流路から排出された気液二相流は、燃料極流路の出口側に設けられた気液分離器により気体と液体に分離される。分離後の液体は、回収流路を介して混合タンク等へ循環させ、分離後の気体は、大気に放出させている。 A mixed solution containing carbon dioxide generated at the fuel electrode, water, and unreacted methanol is generally discharged from the fuel electrode channel as a gas-liquid two-phase flow. The gas-liquid two-phase flow discharged from the fuel electrode channel is separated into a gas and a liquid by a gas-liquid separator provided on the outlet side of the fuel electrode channel. The separated liquid is circulated to a mixing tank or the like through a recovery channel, and the separated gas is released to the atmosphere.
一方、空気極における反応では発電反応(2)による水、膜を透過した水、膜を透過したメタノールと空気との反応による水が発生するが、この水は、空気極における反応に使われなかった空気とともに排出される。ここで空気極に供給される空気供給量が多いと、必要以上に水が空気に同伴されて排出される。このため、空気極から流出する水の量が多くなり、その水を回収するための機構が必要となり、DMFCの小型化を困難にする。反対に空気極に供給される空気供給量が少ないと、空気極から流出する水の量が少なくなるので、前記したような問題が発生しにくい。しかし、供給される空気が少ないために、発生した水による水蒸気が飽和して、空気極流路に結露が生じることがある。その結果、結露によって空気供給路が狭くなり、その部分で圧力損失が生じて、空気供給が十分に行われず、セルの一部で発電が十分できず、セル全体、さらにはスタックでの発電特性を悪化させるという問題が生じることがある。このような問題を解決するためには、突出圧の大きい空気ポンプを用いて空気極流路入り口に絞り等の圧力損失を設け、空気極流路が結露により閉塞しても、結露した液体の水を空気圧により排出するような構成が必要となる。実際、セミパッシブ型燃料電池においては、同様の問題を解決するために、空気供給路の結露を吹き飛ばす技術も検討されている(特許文献1)。しかしながら、突出圧の大きい空気ポンプは、消費電力が大きく、騒音も大きいために、DMFCの小型化には障害となる。 On the other hand, in the reaction at the air electrode, water generated by the power generation reaction (2), water that permeates the membrane, and water that reacts with methanol and air that permeate the membrane are generated, but this water is not used for the reaction at the air electrode Exhausted together with air. Here, if the air supply amount supplied to the air electrode is large, water is accompanied by air more than necessary and discharged. For this reason, the amount of water flowing out from the air electrode increases, and a mechanism for collecting the water is required, which makes it difficult to reduce the size of the DMFC. On the other hand, if the amount of air supplied to the air electrode is small, the amount of water flowing out from the air electrode is small, so that the above-described problems are unlikely to occur. However, since the amount of air supplied is small, water vapor generated by the water is saturated, and condensation may occur in the air electrode channel. As a result, the air supply path becomes narrow due to condensation, pressure loss occurs in that part, air supply is not performed sufficiently, power generation is not possible in part of the cell, power generation characteristics of the whole cell and also the stack May cause problems. In order to solve such a problem, a pressure loss such as a throttle is provided at the inlet of the air electrode channel using an air pump with a large protruding pressure, and even if the air electrode channel is blocked by condensation, the condensed liquid A configuration is required to discharge water by air pressure. In fact, in a semi-passive type fuel cell, in order to solve the same problem, a technique for blowing away condensation in an air supply path has been studied (Patent Document 1). However, an air pump with a large protruding pressure consumes a large amount of power and has a high noise level, which is an obstacle to downsizing the DMFC.
本発明は、空気極から流出する水の量の低減と、空気供給路における結露の防止を両立した、直接型燃料電池を提供するものである。 The present invention provides a direct fuel cell that achieves both a reduction in the amount of water flowing out from an air electrode and prevention of condensation in an air supply path.
本発明の第一の実施態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路に外部からの空気を導入する第一の空気導入口と、
前記空気極における発電反応後の排気ガスを前記空気極流路から排出するガス排出口と、
前記ガス排出口に連通し、前記空気極を経由することなく前記排気ガスと合流し、燃料電池外に排出される空気を導入する第二の空気導入口と
を具備し、
前記空気極で発電時に空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに、前記第一の空気導入口から導入される第一の空気供給量に対する前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超え、かつ前記第一の空気供給量と前記第二の空気導入口から供給される第二の空気供給量との総和に対する、前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように制御されることを特徴とするものである。
The fuel cell according to the first embodiment of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an air electrode that sandwich the electrolyte membrane;
A fuel electrode flow path for supplying fuel to the fuel electrode;
An air electrode passage for supplying air to the air electrode;
A first air inlet for introducing air from the outside into the air electrode channel;
A gas discharge port for discharging exhaust gas after power generation reaction at the air electrode from the air electrode channel;
A second air introduction port that communicates with the gas discharge port, joins the exhaust gas without passing through the air electrode, and introduces air discharged outside the fuel cell;
When all the water generated at the air electrode during the power generation at the air electrode is water vapor, the vapor pressure of the water vapor with respect to the first air supply amount introduced from the first air inlet exceeds the saturated vapor pressure. And the vapor pressure of the water vapor is controlled to be equal to or lower than the saturated vapor pressure with respect to the sum of the first air supply amount and the second air supply amount supplied from the second air introduction port. It is characterized by.
本発明の第二の実施態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜を挟持する燃料極と空気極とを具備する膜電極複合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に第1の空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路の一端にある第1の空気導入口を介して前記空気極流路に連通している第1のマニフォールドと、
前記空気極流路の他端にあるガス排出口を介して前記空気極流路に連通している第2のマニフォールドと、
前記第2のマニフォールドに前記空気極に供給される空気とは異なる第2の空気を供給する第2のマニフォールドの空気導入口と、
発電時に前記空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに前記第1の空気導入口から導入される第1の空気の供給量を前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超えるように制御すると共に、前記第1の空気と前記第2の空気の供給量との総和に対し前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように第2の空気の供給量を制御する制御ユニットと、
を具備することを特徴とするものである。
The fuel cell according to the second embodiment of the present invention comprises:
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an air electrode that sandwich the electrolyte membrane;
A fuel electrode flow path for supplying fuel to the fuel electrode;
An air electrode flow path for supplying first air to the air electrode;
A first manifold in communication with the air electrode channel via a first air inlet at one end of the air electrode channel;
A second manifold communicating with the air electrode channel through a gas outlet at the other end of the air electrode channel;
An air inlet of a second manifold for supplying the second manifold with a second air different from the air supplied to the air electrode;
When the water generated at the air electrode during power generation is all steam, the supply amount of the first air introduced from the first air inlet is controlled so that the steam pressure of the steam exceeds the saturated steam pressure. And a control unit for controlling the supply amount of the second air so that the vapor pressure of the water vapor is equal to or lower than the saturated vapor pressure with respect to the sum of the supply amounts of the first air and the second air,
It is characterized by comprising.
本発明によれば、直接型燃料電池において、空気極から流出する水の量を低減させることと、空気供給路における水の結露の防止とを両立することができる。この結果、良好な発電効率を維持したまま、空気供給路での圧力損失を小さくすることが可能となり、燃料電池の小型化が可能となる。 According to the present invention, in the direct fuel cell, it is possible to reduce both the amount of water flowing out from the air electrode and the prevention of water condensation in the air supply path. As a result, the pressure loss in the air supply path can be reduced while maintaining good power generation efficiency, and the fuel cell can be reduced in size.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本発明の一実施態様である燃料電池の概念断面図は図1に示す通りである。図1には単一のセルが示されている。 A conceptual cross-sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention is as shown in FIG. A single cell is shown in FIG.
発電反応の中心となる膜電極複合体MEAは、電解質膜101の両側に形成された燃料極102と空気極103からなる。一般に、燃料極102は、燃料極触媒層および燃料極ガス拡散層からなり、空気極103は空気極触媒層および空気拡散層からなる。図1においては、単一のセルの構造が示されているが、電池に含まれるセルの数は特に限定されず、少なくとも1個のセルがあればよい。ただし、一般には要求される起電力の大きさや発電の安定性の観点から複数のセルが積層された構造とされる。
The membrane electrode assembly MEA that is the center of the power generation reaction includes a
本発明の一実施態様において用いられるセルは、一般に知られている任意の構造のものを用いることができる。また、用いられる材質も特に限定されない。 The cell used in one embodiment of the present invention may be of any generally known structure. Further, the material used is not particularly limited.
燃料極102には、それに接した燃料極流路104から燃料、例えばメタノールと水との混合溶液が供給される。図1において、燃料極流路104は、ハウジング104Aに覆われており、セルが積層された場合には、後述する空気極流路110から、燃料極流路104および燃料極102がハウジング104Aにより隔離されている。この図1に示された実施態様では、燃料極流路104に断面に対して垂直方向に燃料が流れている。
Fuel, for example, a mixed solution of methanol and water, is supplied to the
一方、空気極103には、それに接した空気極流路110から空気(酸素)が供給される。空気極流路110は、第一の空気導入口106から、ガス排出口108に至る経路である。図1に示された実施態様においては、第一の空気導入口106から空気極流路110に導入された空気は、前記したような反応に付されて発電がおこなわれる。反応等により発生した水は、未反応の空気とともに空気極から排出され、ガス排出口108からセル外に排出される。ここで、空気の流れは、第一の空気導入口の上流またはガス排出口の下流に設置されたファンやポンプなど(図示せず)により制御される。この空気および排出ガスの流れは、図1中に実線矢印で示される通りである。
On the other hand, air (oxygen) is supplied to the
ここで、本発明の一実施態様による燃料電池は、さらに、第二の空気導入口107を具備している。この第二の空気導入口107は、ガス排出口108に連通している。すなわち、空気導入口107から燃料電池に供給された空気は、発電反応そのものに寄与する空気を供給するものではない。この第二の空気導入口107から導入された空気は、空気極流路110から排出される発電反応後の、水を含んだ排出ガスと合流し、図1中に破線矢印で示される通りに流れ、途中で実線で示される、反応後の排出ガスと合流して電池外に排出される。
Here, the fuel cell according to an embodiment of the present invention further includes a
本発明においては、この第二の空気導入口から空気を導入することにより、第一の空気導入口から導入する空気の量を低減させることを可能にした。そして、第一の空気導入口から導入する空気の量を低減させることにより、第一の空気導入口から導入する空気の相対湿度を増加させて膜を透過する水の量を低下させ、そのことにより、第一の空気導入口から導入される空気に同伴される水の量を低減させ、かつ空気極流路および空気極流路下流での結露を抑制することができる。これは以下のような理由によるものと考えられる。 In the present invention, the amount of air introduced from the first air inlet can be reduced by introducing air from the second air inlet. And by reducing the amount of air introduced from the first air inlet, the relative humidity of the air introduced from the first air inlet is increased, and the amount of water that permeates the membrane is reduced. Thus, it is possible to reduce the amount of water entrained in the air introduced from the first air introduction port, and to suppress dew condensation on the air electrode channel and downstream of the air electrode channel. This is thought to be due to the following reasons.
図2は、空気極103と空気極流路110、及び空気極流路110の空気極103と反対側の壁面201とによって形成される領域における空気の流れと、発電反応により発生する水蒸気または水との関係を示す模式図である。
FIG. 2 shows the flow of air in the region formed by the
まず、第一の空気導入口からの空気供給量f1が、発電により生じる水、クロスオーバーしてメタノールが酸化して生じる水、および透過による水のすべて、すなわち発電時に空気極で発生する水のすべてが蒸発しても、飽和水蒸気圧を越えない程度に過剰である場合(図2(a))を考える。この場合、空気の供給量が豊富であるので、空気極103で発生した水は水蒸気となり、空気とともにその領域から排出される。しかし、このとき空気の供給量が豊富であるために、その領域の水蒸気圧が下がり、発生した水が必要以上に蒸発するために、空気に同伴されて流出する水の量が多くなる。
First, the air supply amount f 1 from the first air introduction port is all water generated by power generation, water generated by crossover and oxidation of methanol, and water by permeation, that is, water generated at the air electrode during power generation. Even when all of the above evaporate, it is considered that it is excessive so as not to exceed the saturated water vapor pressure (FIG. 2A). In this case, since the supply amount of air is abundant, the water generated at the
反対に、第一の空気導入口からの空気供給量f1が発電により生じる水、クロスオーバーしてメタノールが酸化して生じる水、および透過による水がすべて蒸発すると、飽和水蒸気圧を越えてしまう程度に少ない場合には、この領域における蒸気圧が高くなるため、空気極から蒸発する水の量が少なくなり、空気極流路の空気に同伴される水は小さくなる。しかし、水蒸気圧が飽和水蒸気圧以上になる場合、この領域に結露が生じる(図2(b))。空気極流路に結露が生じると、空気の供給が阻害される。そして、後述するようにセルが積層され、パラレル流路構成となるスタック構造を有する場合には、結露の生じた流路の圧力損失が増加し、その流路には空気が流れ難くなり、他の流路にのみ空気が流れてしまう。空気流量が低下すると、さらに結露が生じやすくなり、流路を閉塞させる。この結果、有効に動作しないセルがあるために発電特性が悪化する。 On the other hand, if the water supply amount f 1 from the first air introduction port evaporates all the water generated by power generation, the water generated by crossover and oxidation of methanol, and the water by permeation, the saturated water vapor pressure is exceeded. When the amount is small, the vapor pressure in this region increases, so the amount of water evaporated from the air electrode decreases, and the amount of water accompanying the air in the air electrode channel decreases. However, when the water vapor pressure is equal to or higher than the saturated water vapor pressure, condensation occurs in this region (FIG. 2B). If dew condensation occurs in the air electrode channel, the supply of air is hindered. And, as will be described later, when the cells are stacked and have a stack structure having a parallel flow path configuration, the pressure loss of the flow path where condensation occurs increases, and it becomes difficult for air to flow through the flow path. Air flows only through the flow path. When the air flow rate is lowered, condensation is more likely to occur and the flow path is blocked. As a result, the power generation characteristics deteriorate because there are cells that do not operate effectively.
これらに対して、本発明の実施態様では、空気極流路110から出る空気流には、第2の空気導入口から導入された空気流が合流する(図2(c))。このとき、第一の空気導入口からの空気供給量f1が、空気極流路110において水蒸気圧が飽和水蒸気圧を超える程度に少ない場合であっても、第二の空気導入口から供給される空気供給量f2を、f1とf2の和が、空気極で発電時に生成する水の量に対して飽和水蒸気以下となるようにすることにより、この領域で結露を生じさせずに、電池外に排出させることが可能である。
このとき、第二の空気導入口から供給される空気供給量f2により、ガス排出口108における水蒸気濃度が低下する。これにより、空気供給量f1のみではガス排出口108の近傍で結露が生じてしまうが、第二の空気導入口から供給される空気により空気極流路110内の水蒸気のガス排出口108方向への拡散が促進され、飽和蒸気圧に達することを免れ、空気供給路内に結露を生じさせることなく、積層した各燃料電池をも安定して発電させることが可能となる。
On the other hand, in the embodiment of the present invention, the air flow introduced from the second air inlet joins the air flow exiting from the air electrode channel 110 (FIG. 2 (c)). At this time, even if the air supply amount f 1 from the first air introduction port is small enough that the water vapor pressure exceeds the saturated water vapor pressure in the
At this time, the air supply amount f 2 supplied from the second air introduction port, decreases the water vapor concentration in the
ここで第一の空気導入口から導入される空気供給量をf1、第二の空気導入口から導入される空気供給量をf2とする。また、空気極で消費される酸素の流量をfO2、空気極に生成する水蒸気の流量をfH2Oとする。空気極で消費される酸素の流量は、発電により消費される酸素量と、クロスオーバーした燃料の酸化に使われる酸素量とにより決まる流量である。また、空気極に生成する水蒸気の流量は、発電により生成する水の量と、クロスオーバーした燃料が酸化する際に生成する水の量と、膜を移動する水の量とによって決まる流量である。空気極流路の圧力をP、空気極流路における飽和水蒸気圧をPH2Oとする。空気極出口において水蒸気分圧Psが飽和水蒸気圧を越えなければ、空気極流路では結露が生じない。また、第一の空気導入口から導入される空気供給量f1が小さく、空気極流路において結露が生じる条件下でも、第二の空気導入口から空気極の下流に導入された空気により結露した水が再度気化し、空気極流路が液滴で塞がれ難くなる。また、第二の空気導入口からガス排出口108の間にも結露が生じにくくなり、空気の流通を円滑に行わせることが可能になる。
Here, an air supply amount introduced from the first air introduction port is f 1 , and an air supply amount introduced from the second air introduction port is f 2 . Further, the flow rate of oxygen consumed by the cathode f O2, the flow rate of the water vapor generating the air electrode and f H2 O. The flow rate of oxygen consumed at the air electrode is a flow rate determined by the amount of oxygen consumed by power generation and the amount of oxygen used for oxidation of the crossover fuel. The flow rate of water vapor generated at the air electrode is determined by the amount of water generated by power generation, the amount of water generated when the crossed fuel is oxidized, and the amount of water moving through the membrane. . The pressure in the air electrode channel is P, and the saturated water vapor pressure in the air electrode channel is P H2O . If the water vapor partial pressure Ps does not exceed the saturated water vapor pressure at the air electrode outlet, condensation does not occur in the air electrode channel. Further, even when the air supply amount f 1 introduced from the first air introduction port is small and condensation occurs in the air electrode passage, condensation is caused by the air introduced from the second air introduction port downstream of the air electrode. The vaporized water is vaporized again, and the air electrode channel is less likely to be blocked by droplets. Further, dew condensation is less likely to occur between the second air inlet and the
空気極流路において結露が生じる第一の空気導入口からの空気供給量f1は、
本発明において、第一および第二の空気導入口からの空気供給量f1およびf2は、電池の大きさや用いられている部材などにより適当に調整されるので、特に限定されない。しかしながら、f1およびf2の比が4:1〜1:3であるときに本願発明の効果が顕著に表れるので好ましい。このような第一および第二の空気導入口からの空気供給量の比率の調整は、それぞれの導入口へ空気を導入するファンまたはポンプにより制御したり、第一および第二の空気導入口の開口部面積比を調整することなどにより行うことができる。 In the present invention, the air supply amounts f 1 and f 2 from the first and second air inlets are not particularly limited because they are appropriately adjusted depending on the size of the battery, the members used, and the like. However, it is preferable that the ratio of f 1 and f 2 is 4: 1 to 1: 3 because the effect of the present invention is remarkably exhibited. Such adjustment of the ratio of the air supply amount from the first and second air inlets is controlled by a fan or a pump that introduces air into the respective inlets, or the first and second air inlets are adjusted. This can be done by adjusting the opening area ratio.
このような制御装置を含む、本発明による一実施態様は図3に示すものである。この図に示された例では、第一の空気導入口106から導入される空気量を調整するファン302と第二の空気導入口から導入される空気量を調整するファン303を備えている。また、制御装置301は、これらのファン302および303と、回路304および305を介して連結されていると同時に、セルとも回路306を介して連結されている。そして、制御装置301は、セルの発電量に合わせてファン302および303による空気導入量を制御し、空気極流路における水の結露が起きないように制御をすることができる。
One embodiment according to the present invention including such a control device is shown in FIG. In the example shown in this figure, a
制御装置の概念図は、図4に示す通りである。この制御装置は、セルの発電量を信号入力部402で受信し、それに応じて、過去の運転データなどを格納したデータベース部403やデータ格納部405に記録された情報をもとに、演算処理部404でファン302および303の運転条件を算出し、信号出力部401から各ファンに条件を発信する。ここで、信号入力部402は、環境温度や湿度、燃料電池の温度などを受信し、演算処理部はそれを反映したファンの運転条件を算出するようにすることもできる。このような場合には、温度センサーや湿度センサーなどが設けられていてもよい。
A conceptual diagram of the control device is as shown in FIG. The control device receives the power generation amount of the cell by the
なお、ここでは第一の空気導入口および第二の空気導入口にファンを設置する例を示したが、ガス排出口の下流側に排気ファンを設けて、それを制御装置で制御することもできる。また、排気ファンおよび二つの空気導入口に設けられたファンのうち、ひとつを除外しても、ほかの二つにより空気流量の制御が可能であるので、ファンはいずれか2つだけであってもよい。さらには、ファンのほかポンプなどの別の空気量制御装置を用いることもできる。 In addition, although the example which installs a fan in the 1st air introduction port and the 2nd air introduction port was shown here, an exhaust fan is provided in the downstream of a gas exhaust port, and it can also control it with a control apparatus. it can. Also, even if one of the exhaust fans and the fans provided at the two air inlets is excluded, the air flow rate can be controlled by the other two, so there are only two fans. Also good. Furthermore, in addition to a fan, another air amount control device such as a pump can be used.
以上のように、本発明の一実施態様である燃料電池は、空気極の下流側に、発電反応に直接寄与しない空気を導入して、空気極から排出されるガスとともに燃料電池外に排出させることにより、空気極流路での蒸気圧を下げて結露を防ぐものである。したがって、第二の空気導入口から導入される気体は、第一の空気導入口から導入される空気と同じである必要はない。すなわち、酸素を含む必要がなく、例えば窒素などであってもよい。さらには、空気極における蒸気圧をより効果的に下げ、結露防止の効果を高めるためには、乾燥した気体を用いることが好ましい。 As described above, the fuel cell according to one embodiment of the present invention introduces air that does not directly contribute to the power generation reaction to the downstream side of the air electrode, and discharges it outside the fuel cell together with the gas discharged from the air electrode. This lowers the vapor pressure in the air electrode channel to prevent condensation. Therefore, the gas introduced from the second air inlet does not have to be the same as the air introduced from the first air inlet. That is, it is not necessary to contain oxygen, and may be nitrogen, for example. Furthermore, in order to lower the vapor pressure at the air electrode more effectively and increase the effect of preventing condensation, it is preferable to use a dry gas.
本発明の実施態様による燃料電池は、上記のような構造を有することを特徴とするが、さらに、一般的によく知られている各種の構造または部材を組み合わせることができる。 The fuel cell according to the embodiment of the present invention is characterized by having the above-described structure, but can be combined with various generally well-known structures or members.
例えば、本発明による燃料電池は、燃料電池の発電部が複数のセルが積層されたスタック構造とすることができる。このような本発明による燃料電池の概念図は、図5に示す通りである。燃料電池がこのような構造を有する場合、空気極流路は空気極に空気を供給する複数の流路、いわゆるパラレル流路となる。このように複数の空気極流路が存在する場合、それに応じて第一の空気導入口も複数存在する。ここで、この複数の空気極流路に空気を供給する場合、一般には第一のマニフォールド501が設けられる。すなわち、第一のマニフォールドの導入口502から導入された空気が、マニフォールド501により各空気極流路に分配される。このとき、各空気極流路ごとに空気の導入量を制御するのは煩雑であり、燃料電池全体としても小型化が困難となるので、各空気極流路に導入する空気の総量f1 total、すなわちマニフォールドの導入口502から導入される空気量を制御することが好ましい。
For example, the fuel cell according to the present invention may have a stack structure in which the power generation unit of the fuel cell is stacked with a plurality of cells. A conceptual diagram of such a fuel cell according to the present invention is as shown in FIG. When the fuel cell has such a structure, the air electrode channel is a plurality of channels that supply air to the air electrode, so-called parallel channels. Thus, when there are a plurality of air electrode channels, there are a plurality of first air inlets accordingly. Here, when supplying air to the plurality of air electrode channels, a
一方、複数の空気極流路が存在する場合、それに応じてガス排出口および第二の空気導入口も複数存在することになる。このときにも、ガス排出口側に第二のマニフォールド503を設けることができる。この第二のマニフォールド503は、第二のマニフォールドの導入口504から空気を取り込み、複数の空気極流路から排出される、水などの反応生成物を含むガスと合流させ、第二のマニフォールドの排出口505から電池外に排出するものである。ここでも、各空気極流路ごとに空気の導入量を制御するのは煩雑であり、燃料電池全体としても小型化が困難となるので、各空気極流路に導入する空気の総量f2 total、すなわちマニフォールドの導入口504から導入される空気量を制御することが好ましい。
このようにパラレル流路へ空気を供給する第一のマニフォールドがある場合、図6に示される様にマニフォールド501の流路断面積が下流側ほど小さくなるようにすることが好ましい。このような構造を採用することにより、パラレル流路に均一に空気を供給することが可能となり、燃料電池の発電特性も安定となる。
On the other hand, when there are a plurality of air electrode channels, there are a plurality of gas discharge ports and a plurality of second air introduction ports accordingly. Also at this time, the
When there is a first manifold for supplying air to the parallel flow path as described above, it is preferable that the flow path cross-sectional area of the manifold 501 becomes smaller toward the downstream side as shown in FIG. By adopting such a structure, air can be uniformly supplied to the parallel flow path, and the power generation characteristics of the fuel cell are also stabilized.
また、それとは別に、パラレル流路に流体抵抗701を設けて、パラレル流路に均一に空気を供給できるようにすることもできる(図7)。図7に示された例は、第一のマニフォールドの導入口502からの距離に応じて、流体抵抗701の大きさを変化させて、各空気極流路に導入される空気量を均一にしようとするものである。流体抵抗としては、絞り、多孔体等を用いることができる。本発明においては、パラレル流路における結露を防止することを目的としているが、仮に結露が生じると、流体抵抗部が閉塞してしまう可能性がある。このためパラレル流路の上流、もしくは、パラレル流路が飽和蒸気となる部分より上流側に、流体抵抗を設けることにより、流体抵抗部に結露が生じ難くなり、パラレル流路に均一に空気を供給することができる。
Alternatively, a
また、図8は、本発明による別の実施態様の燃料電池の斜視図である。この例では、セルスタック内におけるセルの向きが、図5に示したものと異なっている。図8(a)はセルのスタックを表すものである。図にはセルが一つだけ示されており、ほかのセルは省略されている。燃料極流路104はセルスタックの水平方向に貫通しており、例えば図面の右側から燃料が導入され、左側から残余の燃料と反応により生成した二酸化炭素ガスが排出される。
FIG. 8 is a perspective view of a fuel cell according to another embodiment of the present invention. In this example, the orientation of the cells in the cell stack is different from that shown in FIG. FIG. 8A shows a stack of cells. Only one cell is shown in the figure, and the other cells are omitted. The
一方、空気極流路105は、空気極103に積層されたハウジング105Aによって形成されており、セルスタック平面に対して垂直方向に貫通している。そして、このセルスタックの上面および下面には、さらにハウジング801および802が積層され、ハウジングに設けられた溝が複数の空気極流路を連結するマニフォールドを構成する(図8(b))。ここで、空気が流通する経路のみを図示すると図8(c)の通りである。図8(c)の垂直方向の流路が空気極流路であり、上側および下側の水平方向の流路が、第一および第二のマニフォールドとなる。
On the other hand, the
また、このほか、結露による空気供給が損なわれることを防ぐために、種々の改良を組み合わせることができる。例えば、空気供給路の少なくとも一部、特に空気極流路の空気極に対向する面の表面を親水化することができる。このように処理することにより、空気極流路の蒸気圧が飽和蒸気圧以上となり、万が一結露が生じた場合であっても、空気極流路表面で水が広がり、ガス排出口まで液体の水が移動して気化され、空気極流路が液滴で塞がれることを防ぐことができる。 In addition, various improvements can be combined to prevent damage to the air supply due to condensation. For example, at least a part of the air supply channel, particularly the surface of the surface of the air electrode channel facing the air electrode can be hydrophilized. By treating in this way, even if the vapor pressure of the air electrode channel becomes equal to or higher than the saturated vapor pressure and condensation occurs, water spreads on the surface of the air electrode channel and liquid water reaches the gas discharge port. Can be prevented from moving and vaporizing, and the air electrode channel can be prevented from being blocked by droplets.
また、反対に、空気極流路の少なくとも一部を撥水化することもできる。このような処理が有効となるのは、空気極流路の幅が空気極流路壁面に結露により生じた水滴が落下可能な程度に広い場合である。空気極流路の蒸気圧が飽和蒸気圧以上となり、結露が生じた場合に、液滴は空気極流路の壁面に付着するが、ある程度の大きさになると、自重により落下しやすくなり、または空気流によって移動しやすくなる。そして、落下または移動により液滴がガス排出口まで移動すると、その部分では第二の空気供給により蒸気圧が低くなっているため、液滴は再度気化される。このことにより空気極流路が液滴で塞がれることを防ぐことができる。 Conversely, at least a part of the air electrode channel can be water repellent. Such a process is effective when the width of the air electrode channel is wide enough to allow water droplets generated by condensation on the wall surface of the air electrode channel to fall. When the vapor pressure in the air electrode channel exceeds the saturated vapor pressure and condensation occurs, the droplets adhere to the wall surface of the air electrode channel, but when it reaches a certain size, it tends to drop due to its own weight, or It becomes easy to move by the air flow. Then, when the droplet moves to the gas discharge port by dropping or moving, the droplet is vaporized again because the vapor pressure is lowered by the second air supply in that portion. This can prevent the air electrode channel from being blocked by liquid droplets.
また、空気極流路の表面の少なくとも一部にウイックを形成することもできる。このウイックは、空気極流路におけるガスの流れ方向に平行な向きに形成された溝構造である。このウィックは好ましくは空気極流路から、ガス排出口まで続く溝構造として形成される。このウイックにより、空気極流路の蒸気圧が飽和蒸気以上となり、結露が生じても、壁面に付着した液体は蒸気圧が低いガス排出口まで移動し、そこで気化される。したがって、このウイックにより、空気極流路が液滴で塞がれることが防がれる。このような場合、ウイックは親水性であることが好ましい。 In addition, a wick can be formed on at least a part of the surface of the air electrode channel. This wick is a groove structure formed in a direction parallel to the gas flow direction in the air electrode channel. The wick is preferably formed as a groove structure that extends from the air electrode channel to the gas outlet. With this wick, the vapor pressure in the air electrode channel becomes equal to or higher than saturated vapor, and even if dew condensation occurs, the liquid adhering to the wall moves to the gas discharge port with a low vapor pressure and is vaporized there. Therefore, this air wick prevents the air electrode channel from being blocked by droplets. In such a case, the wick is preferably hydrophilic.
これらの構造、あるいは燃料電池の分野で知られたその他の構造は、目的が相反するものでない限り、任意に組み合わせて用いることができる。
本発明を例を用いて説明すると以下の通りである。
These structures, or other structures known in the field of fuel cells, can be used in any combination as long as the objects do not conflict.
The present invention will be described below with reference to examples.
本発明の一実施態様による燃料電池の斜視断面図は図9に示す通りである。 A perspective sectional view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention is as shown in FIG.
図に示された例では、セル901が積層されスタックが構成され、単セルの間に空気極流路が形成されている。ファン303により空気が吸引され、流体抵抗701により、f1およびf2の流量が調整される。スタック温度は一般に60〜65℃に制御され、電流密度は150〜200mA/cm2で動作させることができる。f1およびf2の流量は、一般にストイキオ(発電反応に必要な供給量に対する比率)1.5〜2程度に保たれる。図9の例ではセル上部のマニフォールドは入り口部の高さは3mmであり、端部の高さは1mmになっており、各空気極流路に均一に空気を供給する。
In the example shown in the figure,
スタック温度60℃、空気流量がストイキオ2の場合、空気極流路内で飽和蒸気圧になる量の水が空気極で発生する。ストイキオ2.5では空気極流路内は飽和水蒸気以下となる。そのため、f1としてストイキオ2、f2としてストイキオ2の条件で空気を流すことにより、下部マニフォールド出口でも結露を生じない。f2として結露の生じないストイキオ0.5から、下部マニフォールドの水蒸気濃度をより低下させ、圧力損失もそれほど増大しないストイキオ3程度の範囲で流量を設定することが可能である。 When the stack temperature is 60 ° C. and the air flow rate is stoichio 2, an amount of water that reaches the saturated vapor pressure is generated in the air electrode in the air electrode channel. In Stoichio 2.5, the inside of the air electrode channel is below saturated water vapor. Therefore, by flowing air under the conditions of stoichio 2 as f 1 and stoichio 2 as f 2 , dew condensation does not occur at the lower manifold outlet. From stoichiometric 0.5 no condensation as f 2, reduces further the concentration of water vapor in the lower manifold, it is possible to set the flow rate in a range of stoichiometric about 3 that does not significantly increase the pressure loss.
f2がゼロの場合、空気極流路の一部に結露が観測され、燃料電池の出力が低下した。セル下部のマニフォールドの高さは3mmであり、f2をストイキオ2程度になるように空気を流すことにより、安定して発電可能になった。 If f 2 is zero, condensation part of the air electrode channel is observed, the output of the fuel cell is lowered. The height of the manifold at the bottom of the cell was 3 mm, and power could be stably generated by flowing air so that f 2 was about stoichiometric 2.
第一のマニフォールドから各空気極流路に配分される空気流量にアンバランスが生じることがあり、第二の空気導入口から空気を供給しても、第一のマニフォールドからの空気流量が少なくなった空気極流路に結露が生じる場合がある。その場合でも、空気極流路板の表面は、SiO2系の親水化剤を塗布しておくことにより、結露が生じ難くなった。また、空気極流路の表面にテフロン(登録商標)系の撥水材を塗布しておいた場合、空気極流路幅が狭い場合には、球状の液滴が生じても液滴が移動しにくく、発電特性が悪化したが、流路幅を1mm以上と大きくすることにより、結露により生じた液滴は落下し、良好な発電特性が得られた。また、空気極流路表面に、空気の流通方向と同じ向きに幅0.2mm、深さ0.2mmのウイックを形成することにより、結露する場合の液体の水が空気極流路下流まで移動し、良好な発電性能が得られた。 The air flow distributed from the first manifold to each air electrode channel may be unbalanced, and even if air is supplied from the second air inlet, the air flow from the first manifold is reduced. Condensation may occur in the air electrode channel. Even in such a case, the surface of the air electrode flow path plate is less likely to cause dew condensation by applying a SiO 2 hydrophilic agent. In addition, when a Teflon (registered trademark) water-repellent material is applied to the surface of the air electrode channel, if the air electrode channel width is narrow, the droplet moves even if a spherical droplet is generated. However, when the channel width was increased to 1 mm or more, the droplets generated by condensation dropped and good power generation characteristics were obtained. In addition, by forming a wick with a width of 0.2 mm and a depth of 0.2 mm in the same direction as the air flow direction on the surface of the air electrode channel, liquid water in the case of condensation moves to the downstream of the air electrode channel As a result, good power generation performance was obtained.
スタック温度が60〜65℃程度の場合、導入される空気の室温での相対湿度が100%の場合であっても、燃料電池内でスタック温度である60〜65℃に加熱されると相対湿度は飽和水蒸気よりも低くなる。したがって燃料電池の周囲温度が35℃、相対湿度100%の場合でも、f1としてストイキオ2、f2としてストイキオ1であれば、空気極流路内の結露防止が可能である。 When the stack temperature is about 60 to 65 ° C., even if the relative humidity at room temperature of the introduced air is 100%, the relative humidity is heated when heated to 60 to 65 ° C. which is the stack temperature in the fuel cell. Becomes lower than saturated water vapor. Therefore, even when the ambient temperature of the fuel cell is 35 ° C. and the relative humidity is 100%, if f 1 is stoichio 2 and f 2 is stoichio 1, condensation in the air electrode channel can be prevented.
101 電解質膜
102 燃料極
103 空気極
104 燃料供給路
106 第一の空気導入口
107 第二の空気導入口
108 ガス排出口
110 空気極流路
301 制御装置
501 第一のマニフォールド
503 第二のマニフォールド
701 流体抵抗
901 セル
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路に外部からの空気を導入する第一の空気導入口と、
前記空気極における発電反応後の排気ガスを前記空気極流路から排出するガス排出口と、
前記ガス排出口に連通し、前記空気極を経由することなく前記排気ガスと合流し、燃料電池外に排出される空気を導入する第二の空気導入口と
を具備し、
前記空気極で発電時に空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに、前記第一の空気導入口から導入される第一の空気供給量に対する前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超え、かつ前記第一の空気供給量と前記第二の空気導入口から供給される第二の空気供給量との総和に対する、前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように制御されることを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an air electrode that sandwich the electrolyte membrane;
A fuel electrode flow path for supplying fuel to the fuel electrode;
An air electrode passage for supplying air to the air electrode;
A first air inlet for introducing air from the outside into the air electrode channel;
A gas discharge port for discharging exhaust gas after power generation reaction at the air electrode from the air electrode channel;
A second air introduction port that communicates with the gas discharge port, joins the exhaust gas without passing through the air electrode, and introduces air discharged outside the fuel cell;
When all the water generated at the air electrode during the power generation at the air electrode is water vapor, the vapor pressure of the water vapor with respect to the first air supply amount introduced from the first air inlet exceeds the saturated vapor pressure. And the vapor pressure of the water vapor is controlled to be equal to or lower than the saturated vapor pressure with respect to the sum of the first air supply amount and the second air supply amount supplied from the second air introduction port. A fuel cell.
前記燃料極に燃料を供給する燃料極流路と、
前記空気極に第1の空気を供給する空気極流路と、
前記空気極流路の一端にある第1の空気導入口を介して前記空気極流路に連通している第1のマニフォールドと、
前記空気極流路の他端にあるガス排出口を介して前記空気極流路に連通している第2のマニフォールドと、
前記第2のマニフォールドに前記空気極に供給される空気とは異なる第2の空気を供給する第2のマニフォールドの空気導入口と、
発電時に前記空気極で発生する水のすべてを水蒸気としたときに前記第1の空気導入口から導入される第1の空気の供給量を前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧を超えるように制御すると共に、前記第1の空気と前記第2の空気の供給量との総和に対し前記水蒸気の蒸気圧が飽和蒸気圧以下となるように第2の空気の供給量を制御する制御ユニットと、
を具備することを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane, and a fuel electrode and an air electrode that sandwich the electrolyte membrane;
A fuel electrode flow path for supplying fuel to the fuel electrode;
An air electrode flow path for supplying first air to the air electrode;
A first manifold in communication with the air electrode channel via a first air inlet at one end of the air electrode channel;
A second manifold communicating with the air electrode channel through a gas outlet at the other end of the air electrode channel;
An air inlet of a second manifold for supplying the second manifold with a second air different from the air supplied to the air electrode;
When the water generated at the air electrode during power generation is all steam, the supply amount of the first air introduced from the first air inlet is controlled so that the steam pressure of the steam exceeds the saturated steam pressure. And a control unit for controlling the supply amount of the second air so that the vapor pressure of the water vapor is equal to or lower than the saturated vapor pressure with respect to the sum of the supply amounts of the first air and the second air,
A fuel cell comprising:
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