JP2010267495A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率及び発電性能を向上することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体31の周囲にシールガスケット32を配設してなるシールガスケット一体型MEA30のカソード側金属多孔体層33にカソード側セパレータ39を接触する。MEA30のアノード側にアノード側セパレータ50を接触する。カソード側セパレータ39に空気供給用貫通孔35iに連通し、かつカソードオフガス排出用貫通孔35oに連通するガス供給路39aを形成する。ガス供給路39aに多数のノズル46を備えた空気供給パイプ45を収容する。コンプレッサ25から配管24に送られた空気を、分流弁47から分岐配管48を通して前記空気供給パイプ45に圧送し、ノズル46から空気をカソード側金属多孔体層33のガス流路に吹き付ける。発電によって前記ガス流路に生成された生成水の水滴を、吹付け空気によって排出用貫通孔35o側に移動させて排出する。
【選択図】図1
【解決手段】膜電極接合体31の周囲にシールガスケット32を配設してなるシールガスケット一体型MEA30のカソード側金属多孔体層33にカソード側セパレータ39を接触する。MEA30のアノード側にアノード側セパレータ50を接触する。カソード側セパレータ39に空気供給用貫通孔35iに連通し、かつカソードオフガス排出用貫通孔35oに連通するガス供給路39aを形成する。ガス供給路39aに多数のノズル46を備えた空気供給パイプ45を収容する。コンプレッサ25から配管24に送られた空気を、分流弁47から分岐配管48を通して前記空気供給パイプ45に圧送し、ノズル46から空気をカソード側金属多孔体層33のガス流路に吹き付ける。発電によって前記ガス流路に生成された生成水の水滴を、吹付け空気によって排出用貫通孔35o側に移動させて排出する。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば、電気自動車等に使用される燃料電池に関するものである。
燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するようになっており、例えば、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
この種の燃料電池として、特許文献1に開示されたものが提案されている。この燃料電池を図9に基づいて説明する。シールガスケット一体型MEA(Membrane・Electrode・Assemble)30は、膜電極接合体31の周囲にシールガスケット32を配設して構成されている。膜電極接合体31は、電解質膜31aと、該電解質膜31aの両面に接合されたカソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34とにより構成されている。前記膜電極接合体31の両面にはカソード側セパレータ39及びアノード側セパレータ50が接合されている。前記カソード側セパレータ39は、第1のセパレータ板61と、ガスケット62と、第2のセパレータ板63とを、この順に重ね合わせて接合することによって構成されている。前記第2のセパレータ板63には多数箇所に空気供給口64が設けられ、各空気供給口64と連通するパイプ状の突出部65が設けられ、各突出部65の先端が前記カソード側金属多孔体層33の表面に接触されている。前記カソード側セパレータ39の一端部には、空気を供給するためのマニホールド66が設けられ、他端部にはカソードオフガスを排出するためのマニホールド67が設けられている。そして、前記マニホールド66から空気を、第1のセパレータ板61と第2のセパレータ板63の間のガス供給路68に供給した後、前記空気供給口64及び突出部65から前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に多数箇所で分散して均一に供給するようになっている。電池反応に供された後のカソードオフガスは、前記マニホールド67から外部に排出されるようになっている。
一方、前記アノード側セパレータ50には、前記アノード側金属多孔体層34に水素ガスを供給するための分岐供給路55が形成され、水素ガス供給用のマニホールド(図示略)から前記分岐供給路55に水素ガスが供給され、アノード側金属多孔体層34のガス流路に水素が供給されるようになっている。電池反応に供された後のアノードオフガスは、発電セルの外周部に設けられたアノードオフガス排出用のマニホールド(図示略)から外部に排出されるようになっている。
上記従来の燃料電池においては、前記第1のセパレータ板61とガスケット62の間のガス供給路68から前記空気供給口64及び突出部65を通して空気が前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に供給される。しかし、前記突出部65から前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に供給される空気の流速は、それほど速いものではないため、燃料電池の発電によってカソード側金属多孔体層33のガス流路に生成された生成水が該ガス流路の内面に表面張力によって付着して、外部に排出されないので、次のような問題があった。即ち、前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に生成水が水滴となって残留していると、水滴によって空気の供給が妨げられるので、水素と空気中の酸素との電気化学反応が不十分となって発電効率が低下する。又、水滴がガス流路の一部を閉塞してガスの流れを不均一にし、発電性能を低下させるフラッティングと呼ばれる現象が発生する。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電効率及び発電性能を向上することができる燃料電池を提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、電解質膜の両面にそれぞれアノード側及びカソード側のガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、アノード側及びカソード側のセパレータによって挟持した燃料電池において、アノード側及びカソード側の前記セパレータのうち少なくともカソード側のセパレータの内部に、前記ガス拡散電極のガス流路に供給する反応ガスを流すための反応ガス供給路を設け、該反応ガス供給路にガス供給パイプを収容し、該ガス供給パイプにガスの吹付孔を設け、前記ガス供給パイプの上流側の開口に前記反応ガス供給路内のガスの圧力よりも高圧力の排水用ガスを供給する排水用ガス供給手段を設け、前記吹付孔から高圧力の排水用ガスを前記ガス拡散電極に向かって吹付けるように構成したことを要旨とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1において、前記排水用ガス供給手段は、反応ガスとしての空気を前記反応ガス供給路に供給するためのコンプレッサと、該コンプレッサに接続された配管に接続され、かつ前記ガス供給パイプに高圧の空気を分岐して供給するようにした圧力調整可能な分流弁とにより構成されていることを要旨とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1において、前記ガス供給パイプの上流側の開口には、排水用ガスを供給する専用のコンプレッサ又はガス供給用タンクが接続されていることを要旨とする。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項において、前記セパレータには、前記反応ガス供給路を複数の分岐供給路に区画するための複数の突条が設けられ、前記ガス供給パイプは、前記各分岐供給路に収容されていることを要旨とする。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一項において、前記吹付孔は前記ガス供給パイプに接続した複数の吹付ノズルによって形成されていることを要旨とする。
(作用)
この発明は、排水用ガス供給手段によって排水用ガスがガス供給パイプに供給され、該パイプに設けられた吹付孔から排水用ガスがカソード側のガス拡散電極に吹付けられる。このためガス拡散電極のガス流路の内面に付着した水滴を吹付けられたガスによってガス流路の下流側に流動させることができる。このため水滴の残留によってカソード側のガス拡散電極のガス流路への反応ガスの供給が妨げられることはなく、発電効率が向上する。又、水滴がガス流路の一部を閉塞してガスの流れを不均一にすることはなく、発電性能を低下させるフラッティングを抑制することができる。
(作用)
この発明は、排水用ガス供給手段によって排水用ガスがガス供給パイプに供給され、該パイプに設けられた吹付孔から排水用ガスがカソード側のガス拡散電極に吹付けられる。このためガス拡散電極のガス流路の内面に付着した水滴を吹付けられたガスによってガス流路の下流側に流動させることができる。このため水滴の残留によってカソード側のガス拡散電極のガス流路への反応ガスの供給が妨げられることはなく、発電効率が向上する。又、水滴がガス流路の一部を閉塞してガスの流れを不均一にすることはなく、発電性能を低下させるフラッティングを抑制することができる。
この発明によれば、発電効率及び発電性能を向上することができる。
以下、本発明を具体化した燃料電池の一実施形態を図1〜図6にしたがって説明する。
図6に示す燃料電池システムの燃料電池スタック11は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセル12を複数積層させたスタック構造を有している。積層されたセル12の両端部には、集電板13a,13b、絶縁板14a,14b及びエンドプレート15a,15bが積層されている。
図6に示す燃料電池システムの燃料電池スタック11は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセル12を複数積層させたスタック構造を有している。積層されたセル12の両端部には、集電板13a,13b、絶縁板14a,14b及びエンドプレート15a,15bが積層されている。
前記燃料電池スタック11のアノード側の吸気マニホールドには配管16を介して、高圧の水素を貯蔵した水素タンク17が接続され、該水素タンク17から燃料ガスとしての水素が燃料電池スタック11に供給される。前記配管16の上流端には水素ガスの圧力を調整するバルブ18が設けられ、中間部には水素ガスの供給量を調整するレギュレータ19が設けられている。前記燃料電池スタック11のアノード側の排気マニホールドには、排出配管20及び排気バルブ21が接続され、発電に供された後のアノードオフガスを排気するようになっている。前記配管16及び排出配管20には、循環配管22及びポンプ23が接続され、前記排気バルブ21を所定時間だけ閉鎖した状態で前記ポンプ23によって、アノードオフガスを前記配管16に循環させることによって、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を効率よく利用できるようにもなっている。
前記燃料電池スタック11のカソード側の吸気マニホールドには、配管24を介してコンプレッサ25が接続されている。該コンプレッサ25によって圧縮空気が酸素を含有した酸化剤ガスとしてカソード側に供給される。前記燃料電池スタック11のカソード側の排気マニホールドには、排出配管26が接続され、発電に供された後のカソードオフガスを外部に排出するようになっている。前記排出配管26によって、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック11において水素と酸素との電気化学反応によってカソード側に生成された生成水も排出される。
前記燃料電池スタック11の冷却水の吸入マニホールド及び排出マニホールドには、配管27、ラジエータ28及びポンプ29が接続されている。そして、前記ポンプ29を作動することによって、後述するように冷却水を燃料電池スタック11の内部の冷却水の流路に供給し、発電によって生じた熱を吸収して、燃料電池スタック11を冷却するようになっている。
前記燃料電池スタック11の運転は、マイクロコンピュータを備えた制御ユニットUから制御信号を、前記レギュレータ19、ポンプ23、コンプレッサ25及びポンプ29等に送信することによって制御される。
図1に示すように、前記発電セル12は、膜電極接合体31(MEA:Membrane・Electrode・Assemble)の周囲にシールガスケット32を配置したシールガスケット一体型MEA30と、該シールガスケット一体型MEA30の両面を挟持するカソード側セパレータ39及びアノード側セパレータ50とによって構成されている。以下、シールガスケット一体型MEA30、カソード側セパレータ39及びアノード側セパレータ50について順次説明する。
(シールガスケット一体型MEA30)
図2に示すように、シールガスケット一体型MEA30は、矩形形状をなす膜電極接合体31の周囲にシリコーンゴム製のシールガスケット32を配置したものである。図1に示すように、膜電極接合体31を構成するフッ素系の高分子膜よりなる固体電解質膜31aの両面には、導電性を有し、かつガス拡散電極として機能するカソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34がそれぞれ配設されている。カソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34には、カソード側セパレータ39及びアノード側セパレータ50からそれぞれ供給された空気及び水素を拡散させつつ、カソード及びアノードに供給するガス流路(図示略)が形成されている。前記ガス流路を形成する部材として、例えばラスカットメタル等よりなる金属多孔体がある。これに代えて、カーボンクロス等の導電性及びガス拡散性を有する他の部材を用いてもよい。
(シールガスケット一体型MEA30)
図2に示すように、シールガスケット一体型MEA30は、矩形形状をなす膜電極接合体31の周囲にシリコーンゴム製のシールガスケット32を配置したものである。図1に示すように、膜電極接合体31を構成するフッ素系の高分子膜よりなる固体電解質膜31aの両面には、導電性を有し、かつガス拡散電極として機能するカソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34がそれぞれ配設されている。カソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34には、カソード側セパレータ39及びアノード側セパレータ50からそれぞれ供給された空気及び水素を拡散させつつ、カソード及びアノードに供給するガス流路(図示略)が形成されている。前記ガス流路を形成する部材として、例えばラスカットメタル等よりなる金属多孔体がある。これに代えて、カーボンクロス等の導電性及びガス拡散性を有する他の部材を用いてもよい。
図2に示すように、シールガスケット32の図示上側の長辺部には、空気供給用マニホールドを構成する複数(実施形態では三つ)の空気供給用貫通孔35iが形成され、図示下側の長辺部には、カソードオフガス排出用マニホールドを構成する複数(実施形態では三つ)のカソードオフガス排出用貫通孔35oが形成されている。シールガスケット32の図示左側の短辺部には、冷却水供給用マニホールドを構成する冷却水供給用貫通孔37iと、水素供給用マニホールドを構成する水素供給用貫通孔38iとが上下に位置するように形成されている。又、シールガスケット32の図示右側の短辺部には、アノードオフガス排出用マニホールドを構成するアノードオフガス排出用貫通孔38oと、冷却水排出用マニホールドを構成する冷却水排出用貫通孔37oとが上下に位置するように形成されている。
(カソード側セパレータ39)
図3に示すように、カソード側セパレータ39は、導電性を有する金属材料により形成されている。前記シールガスケット一体型MEA30のシールガスケット32及びカソード側金属多孔体層33と接触される表面には、該多孔体層33のガス流路に空気(酸素)を酸化剤ガスとして供給するためのガス供給路39aが矩形形状に形成されている。前記カソード側セパレータ39の図示上側の長辺部には、空気供給用マニホールドを構成する複数(前記空気供給用貫通孔35iと対応して三つ)の空気供給用貫通孔40iが前記ガス供給路39aの上部と連通するように形成されている。カソード側セパレータ39の図示下側の長辺部には、図4に示すようにカソードオフガス排出用マニホールドを構成する複数(前記カソードオフガス排出用貫通孔35oと対応して三つ)のカソードオフガス排出用貫通孔40oが前記ガス供給路39aの下部と連通するように形成されている。図3に示すように、カソード側セパレータ39の図示右側の短辺部には、冷却水供給用マニホールドを構成する一つ(前記冷却水供給用貫通孔37iと対応して一つ)の冷却水供給用貫通孔41iと、水素供給用マニホールドを構成する一つ(前記冷却水排出用貫通孔37oと対応して一つ)の水素供給用貫通孔42iとが上下に位置するように形成されている。又、カソード側セパレータ39の図示左側の短辺部には、アノードオフガス排出用マニホールドを構成する一つ(前記アノードオフガス排出用貫通孔38oと対応して一つ)のアノードオフガス排出用貫通孔42oと、冷却水排出マニホールドを構成する一つ(前記冷却水排出用貫通孔37oと対応して一つ)の冷却水排出用貫通孔41oとが上下に位置するように形成されている。
(カソード側セパレータ39)
図3に示すように、カソード側セパレータ39は、導電性を有する金属材料により形成されている。前記シールガスケット一体型MEA30のシールガスケット32及びカソード側金属多孔体層33と接触される表面には、該多孔体層33のガス流路に空気(酸素)を酸化剤ガスとして供給するためのガス供給路39aが矩形形状に形成されている。前記カソード側セパレータ39の図示上側の長辺部には、空気供給用マニホールドを構成する複数(前記空気供給用貫通孔35iと対応して三つ)の空気供給用貫通孔40iが前記ガス供給路39aの上部と連通するように形成されている。カソード側セパレータ39の図示下側の長辺部には、図4に示すようにカソードオフガス排出用マニホールドを構成する複数(前記カソードオフガス排出用貫通孔35oと対応して三つ)のカソードオフガス排出用貫通孔40oが前記ガス供給路39aの下部と連通するように形成されている。図3に示すように、カソード側セパレータ39の図示右側の短辺部には、冷却水供給用マニホールドを構成する一つ(前記冷却水供給用貫通孔37iと対応して一つ)の冷却水供給用貫通孔41iと、水素供給用マニホールドを構成する一つ(前記冷却水排出用貫通孔37oと対応して一つ)の水素供給用貫通孔42iとが上下に位置するように形成されている。又、カソード側セパレータ39の図示左側の短辺部には、アノードオフガス排出用マニホールドを構成する一つ(前記アノードオフガス排出用貫通孔38oと対応して一つ)のアノードオフガス排出用貫通孔42oと、冷却水排出マニホールドを構成する一つ(前記冷却水排出用貫通孔37oと対応して一つ)の冷却水排出用貫通孔41oとが上下に位置するように形成されている。
図3に示すように、前記ガス供給路39aの内部には、該ガス供給路39aの底面39bから前記カソード側金属多孔体層33の表面に接触するように、かつ上下方向に指向するように複数(実施形態では6)条の突条43が互いに平行に一体に形成されている。各突条43の上端縁は、前記空気供給用貫通孔40iの下側面と対応する位置まで延在され、下端縁はカソードオフガス排出用貫通孔40oの上側面と対応する位置に延在されている。各突条43の間及び突条43とガス供給路39aの左右端の内側面との間には、複数(実施形態では7つ)の分岐供給路44が互いに平行に形成されている。このように、前記ガス供給路39aは、前記各分岐供給路44によって複数に分流され、酸化剤ガスが前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に均一に供給されるようにしている。
図3に示すように、前記各分岐供給路44の内部には、円筒状の空気供給パイプ45がそれぞれ突条43と平行に延びた状態で収容されている。前記各空気供給パイプ45は、カソード側セパレータ39に図示しないブラケットを介して所定位置に装着されている。各空気供給パイプ45にはノズル46が所定のピッチで複数箇所に接続されている。各ノズル46は分岐供給路44の内部のガスの流路方向Pに関して、先端ほど下流側になるように、かつカソード側金属多孔体層33を指向するように傾斜されている。空気供給パイプ45の下端は閉塞されている。前記空気供給パイプ45は図3の部分拡大断面図に示すように、分岐供給路44の内壁面の間に隙間gが形成されるように配設されている。
図1、図3及び図6に示すように、前記配管24には、コンプレッサ25から圧送された空気を前記空気供給用貫通孔40iに供給するとともに、前記各空気供給パイプ45に分岐して供給するための圧力調整可能な分流弁47が接続されている。図3に示す前記分流弁47よりも下流側の配管24は、三つの前記空気供給用貫通孔40iに空気を供給するために三本に分岐(図示略)されている。前記分流弁47には前記各空気供給パイプ45の開口45aに接続された複数本の分岐配管48の上流端が接続されている。そして、前記分流弁47によって該分流弁47の下流側の配管24内の空気の圧力よりも高い圧力に調整された排水用ガスとしての空気が分岐配管48を通して各空気供給パイプ45に供給される。従って、ガス供給路39a内の空気の圧力よりも高圧力の空気が空気供給パイプ45に供給され、前記ノズル46から高圧力の空気が前記カソード側金属多孔体層33に向かって吹付けられるようにしている。
この実施形態では、前記空気供給パイプ45、ノズル46、配管24、コンプレッサ25、分流弁47及び分岐配管48等によって、カソード側金属多孔体層33のガス流路の水滴を排出するための排水用ガス供給手段が構成されている。
図4に示すように、前記カソード側セパレータ39のシールガスケット一体型MEA30と反対側の表面には、冷却水が流れる冷却水流路39cが形成されている。前記冷却水流路39cと前記冷却水供給用貫通孔41i及び冷却水排出用貫通孔41oは、連通用の凹部39dによって連通されている。前記冷却水流路39cの底面には、突条39eが水平に、かつ上下方向に複数(実施形態では6)箇所に形成され、各突条39eの間に冷却水を分散して均一に流す冷却水の流路39fが形成されている。そして、流路39fを流れる冷却水により発電セル12を冷却するようにしている。
(アノード側セパレータ50)
図5に示すように、前記アノード側セパレータ50の図示上側の長辺部には、空気供給マニホールドを構成する複数(実施形態では図2に示す空気供給用貫通孔35iと対応して三つ)の空気供給用貫通孔51iが形成されている。アノード側セパレータ50の図示下側の長辺部には、カソードオフガス排出用マニホールドを構成する複数(実施形態では図2に示すカソードオフガス排出用貫通孔35oと対応して三つ)のカソードオフガス排出用貫通孔51oが形成されている。前記アノード側セパレータ50の前記MEA30と接触される表面には、前記アノード側金属多孔体層34のガス流路に空気(酸素)を燃料ガスとして供給するためのガス供給路50aが矩形形状に形成されている。アノード側セパレータ50の図示左側の短辺部には、冷却水供給用マニホールドを構成する一つ(前記冷却水供給用貫通孔37iと対応して一つ)の冷却水供給用貫通孔53iと、水素供給用マニホールドを構成する一つ(前記水素供給用貫通孔38iと対応して一つ)の水素供給用貫通孔52iとが上下に位置するように形成されている。又、アノード側セパレータ50の図示右側の短辺部には、アノードオフガス排出用マニホールドを構成する一つのアノードオフガス排出用貫通孔52oと、冷却水排出マニホールドを構成する一つの冷却水排出用貫通孔53oとが上下に位置するように形成されている。
(アノード側セパレータ50)
図5に示すように、前記アノード側セパレータ50の図示上側の長辺部には、空気供給マニホールドを構成する複数(実施形態では図2に示す空気供給用貫通孔35iと対応して三つ)の空気供給用貫通孔51iが形成されている。アノード側セパレータ50の図示下側の長辺部には、カソードオフガス排出用マニホールドを構成する複数(実施形態では図2に示すカソードオフガス排出用貫通孔35oと対応して三つ)のカソードオフガス排出用貫通孔51oが形成されている。前記アノード側セパレータ50の前記MEA30と接触される表面には、前記アノード側金属多孔体層34のガス流路に空気(酸素)を燃料ガスとして供給するためのガス供給路50aが矩形形状に形成されている。アノード側セパレータ50の図示左側の短辺部には、冷却水供給用マニホールドを構成する一つ(前記冷却水供給用貫通孔37iと対応して一つ)の冷却水供給用貫通孔53iと、水素供給用マニホールドを構成する一つ(前記水素供給用貫通孔38iと対応して一つ)の水素供給用貫通孔52iとが上下に位置するように形成されている。又、アノード側セパレータ50の図示右側の短辺部には、アノードオフガス排出用マニホールドを構成する一つのアノードオフガス排出用貫通孔52oと、冷却水排出マニホールドを構成する一つの冷却水排出用貫通孔53oとが上下に位置するように形成されている。
前記ガス供給路50aの図示左端の下部と前記水素供給用貫通孔52iは、連通用の凹部50bによって連通され、ガス供給路50aの図示右端の上部と、前記アノードオフガス排出用貫通孔52oは連通用の凹部50cによって連通されている。
図5に示すように、前記ガス供給路50aの内部には、該ガス供給路50aの底面50dから前記アノード側金属多孔体層34の表面に指向するように、かつ左右方向に指向するように複数条の突条54が互いに平行に一体に形成されている。各突条54の左端面は、前記水素供給用貫通孔52iから離隔した位置まで延在され、右端面はアノードオフガス排出用貫通孔52oから離隔した位置に延在されている。各突条54の間及び突条54とガス供給路50aの上下の内側面との間には、互いに平行な複数(実施形態では7つ)の分岐供給路55が形成されている。このように、ガス供給路50aは、前記各分岐供給路55によって複数に分流され、燃料ガスが前記アノード側金属多孔体層34のガス流路に均一に供給されるようにしている。
アノード側セパレータ50のMEA30と反対側の表面は、図4に示す冷却水流路39c、凹部39d、突条39e及び流路39fと同様に構成されている。図1には、前記突条39e及び冷却水の流路39fと同様な機能を有する突条50e及び流路50fのみを図示して、説明を省略する。
図1に示すように、前記セル12の空気供給用貫通孔40i、35i、51iによって形成された吸気マニホールドには、前記配管24及びコンプレッサ25から空気が供給されるようになっている。前記セル12のカソードオフガス排出用貫通孔40o、35o、51oによって形成された排気マニホールドには、前記排出配管26が接続されている。
(作用)
次に、前記のように構成された燃料電池システムの作用について説明する。
(作用)
次に、前記のように構成された燃料電池システムの作用について説明する。
図6に示す燃料電池システムにおいて、制御ユニットUからの制御信号によって、燃料電池スタック11が作動される。そして、前記レギュレータ19が作動されて、前記水素タンク17から水素ガスが配管16を通して燃料電池スタック11の水素ガス供給用のマニホールドに供給されると、この水素ガスは、図1に示すセル12の分岐供給路55に供給される。一方、図6に示すコンプレッサ25が作動されて、配管24を通して空気が図1に示すセル12の吸気マニホールドに供給されると、この空気は、カソード側セパレータ39のガス供給路39aに供給される。前記分岐供給路55に供給された水素は、前記アノード側金属多孔体層34のガス流路に供給される。前記カソード側セパレータ39のガス供給路39aに供給された空気は、各分岐供給路44を通して前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に供給される。そして、前記MEA30の電解質膜31aを介して、前記水素と空気に含まれる酸化剤ガスとしての酸素とが電気化学反応により反応されて発電が行われる。
上記の電気化学反応に供された水素は、アノードオフガスとして、燃料電池スタック11に形成された排気マニホールドから排出配管20を通して外部に排出される。一方、電気化学反応に供された後の酸素は、カソードオフガスとして排出配管26から外部に排出される。
前述した燃料電池スタック11による発電によってセル12のカソード側金属多孔体層33のガス流路に生成水が生成される。コンプレッサ25によって配管24内に圧送された空気は、分流弁47から分岐配管48を通して前記各空気供給パイプ45の上流側の開口45aから該パイプ45の内部に供給される。そして、複数のノズル46から前記カソード側金属多孔体層33に向かって吹付けられる。この吹付けられた空気により、カソード側金属多孔体層33のガス流路の内面に表面張力によって付着された生成水の水滴がカソードオフガス排出用貫通孔40o側に移動され、排気マニホールドから排出配管26(図6参照)を通して外部に排出される。生成水の一部は前記電解質膜31aを透過してアノード側金属多孔体層34のガス流路に浸透水として進入する。この浸透水の水滴は、燃料電池スタック11に形成された排気マニホールドから排出配管20(図6参照)を通してアノードオフガスとともに外部に排出される。
図6に示すポンプ29が作動されると、ラジエータ28によって冷却された冷却水が配管27及び燃料電池スタック11の冷却水供給用のマニホールドから各セル12のカソード側セパレータ39の冷却水の流路39f及びアノード側セパレータ50の冷却水の流路に供給され、発電により生じた熱が冷却水によって吸収され、セル12が冷却される。冷却水は燃料電池スタック11の冷却水排出用のマニホールドから配管27を通してラジエータ28に流れ、ここで冷却されて、燃料電池スタック11の冷却に再利用される。
上記実施形態の燃料電池スタック11によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)上記実施形態では、前記カソード側セパレータ39の内部に形成されたガス供給路39aを突条43によって複数の分岐供給路44とし、各分岐供給路44の内部に空気供給パイプ45を収容した。又、空気供給パイプ45に複数のノズル46を接続し、空気供給パイプ45の開口45aに分流弁47から分岐配管48を通して圧縮空気を供給するようにした。そして、前記ノズル46から前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に向かって空気を吹付けるようにした。このため、セル12の発電によって前記カソード側金属多孔体層33のガス流路の内部に生成された生成水の水滴がガス流路の内面に表面張力により付着されていても、前記吹付け空気によってカソードオフガスとともに排気マニオールドに排出することができる。従って、水滴によって、カソード側金属多孔体層33のガス流路に酸化剤ガスとしての空気を適正に供給することができ、ガス不足による発電効率の低下を未然に防止することができる。
(1)上記実施形態では、前記カソード側セパレータ39の内部に形成されたガス供給路39aを突条43によって複数の分岐供給路44とし、各分岐供給路44の内部に空気供給パイプ45を収容した。又、空気供給パイプ45に複数のノズル46を接続し、空気供給パイプ45の開口45aに分流弁47から分岐配管48を通して圧縮空気を供給するようにした。そして、前記ノズル46から前記カソード側金属多孔体層33のガス流路に向かって空気を吹付けるようにした。このため、セル12の発電によって前記カソード側金属多孔体層33のガス流路の内部に生成された生成水の水滴がガス流路の内面に表面張力により付着されていても、前記吹付け空気によってカソードオフガスとともに排気マニオールドに排出することができる。従って、水滴によって、カソード側金属多孔体層33のガス流路に酸化剤ガスとしての空気を適正に供給することができ、ガス不足による発電効率の低下を未然に防止することができる。
(2)上記実施形態では、カソード側金属多孔体層33のガス流路に水滴が残留するのを防止できるので、水滴がガス流路の一部を閉塞してガスの流れを不均一にすることはなく、発電性能を低下させるフラッティングを抑制することができる。
(3)上記実施形態では、図3に示すように、分岐供給路44に空気供給パイプ45を、隙間gをもって収容したので、該分岐供給路44と空気供給パイプ45との隙間gを通る空気(酸素)が発電の際の電気化学反応に有効に利用される。
(変更例)
なお、前記各実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
(変更例)
なお、前記各実施形態を次のように変更して具体化することも可能である。
・図7に示すように、前記空気供給パイプ45の上流側の開口45aに空気供給用配管56を接続し、該空気供給用配管56に排水用ガスの専用のコンプレッサ57を接続するようにしても良い。この実施形態においては、コンプレッサ57が作動されると、空気供給用配管56を介して空気供給パイプ45の内部に高い圧力の圧縮空気が強制的に供給されるので、複数のノズル46から圧縮空気が前記カソード側金属多孔体層33に向かって高流速で供給される。このため、前記カソード側金属多孔体層33のガス流の内部に付着した水滴を効率よく排出することができ、発電効率及び発電性能を向上することができる。
・図8に示すように、前記空気供給パイプ45の上流側の開口45aに配管58を接続し、該配管58に例えばドライ窒素を貯蔵した窒素ガスタンク59を接続する。そして、前記空気供給用配管56に接続した開閉弁60を開放することによりドライ窒素を空気供給パイプ45に供給するようにしてもよい。
・図示しないが、アノード側セパレータ50の前記分岐供給路55の内部に前記空気供給パイプ45及びノズル46を収容するとともに、空気供給パイプ45に例えば空気供給用配管56及びコンプレッサ57を接続するようにしてもよい。
上記の実施形態においては、前記アノード側金属多孔体層34のガス流路の内面に付着した水滴(浸透水)を効率よくアノードオフガス排出用のマニホールドに排出することができる。このため、水滴によって、アノード側金属多孔体層34のガス流路への水素ガスの供給が適正に行われ、発電効率及び発電性能をさらに向上することができる。
・図1に示す空気供給パイプ45の複数のノズル46のうちカソード側金属多孔体層33のガス流路の下流側(図示下側)と対応する例えば2つのノズル46のみを残し、他のノズル46を省略してもよい。この場合には、カソード側金属多孔体層33の下流側が下方に位置する状態において、ガス流路内の水滴がその自重によって下流(下方)側のガス流路に移動し、ガス流路の下部に水滴が多く残留する傾向となるので、この多量の水滴をノズル46によって排水することにより、発電効率及び発電性能を向上することができる。
・前記空気供給パイプ45のノズル46を省略し、空気供給パイプ45の外周面に吹付孔を形成するようにしてもよい。
・図示しないが、前記膜電極接合体31を構成する前記電解質膜31aと、カソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34との間に、電気化学反応を促進する白金等の触媒を担持した電極触媒層をそれぞれ介在するようにしてもよい。
・図示しないが、前記膜電極接合体31を構成する前記電解質膜31aと、カソード側金属多孔体層33及びアノード側金属多孔体層34との間に、電気化学反応を促進する白金等の触媒を担持した電極触媒層をそれぞれ介在するようにしてもよい。
・前述した各実施形態を可能な範囲で、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
16,24,27,58…配管、25,57…コンプレッサ、31…膜電極接合体、39e,43,50e,54…突条、44,55…分岐供給路、45a…開口、47…分流弁。
Claims (5)
- 電解質膜の両面にそれぞれアノード側及びカソード側のガス拡散電極を接合してなる膜電極接合体を、アノード側及びカソード側のセパレータによって挟持した燃料電池において、
アノード側及びカソード側の前記セパレータのうち少なくともカソード側のセパレータの内部に、前記ガス拡散電極のガス流路に供給する反応ガスを流すための反応ガス供給路を設け、該反応ガス供給路にガス供給パイプを収容し、該ガス供給パイプにガスの吹付孔を設け、前記ガス供給パイプの上流側の開口に前記反応ガス供給路内のガスの圧力よりも高圧力の排水用ガスを供給する排水用ガス供給手段を設け、前記吹付孔から高圧力の排水用ガスを前記ガス拡散電極に向かって吹付けるように構成したことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1において、前記排水用ガス供給手段は、反応ガスとしての空気を前記反応ガス供給路に供給するためのコンプレッサと、該コンプレッサに接続された配管に接続され、かつ前記ガス供給パイプに高圧の空気を分岐して供給するようにした圧力調整可能な分流弁とにより構成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1において、前記ガス供給パイプの上流側の開口には、排水用ガスを供給する専用のコンプレッサ又はガス供給用タンクが接続されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、前記セパレータには、前記反応ガス供給路を複数の分岐供給路に区画するための複数の突条が設けられ、前記ガス供給パイプは、前記各分岐供給路に収容されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1〜4のいずれか一項において、前記吹付孔は前記ガス供給パイプに接続した複数の吹付ノズルによって形成されていることを特徴とする燃料電池。
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KR101474868B1 (ko) * | 2013-07-03 | 2014-12-22 | 이엠코리아주식회사 | 전해액 확산 및 가스 배출 효율이 향상된 수전해조 |
JP2017073202A (ja) * | 2015-10-05 | 2017-04-13 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池及びこれに用いられるガス拡散層 |
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- 2009-05-14 JP JP2009117947A patent/JP2010267495A/ja active Pending
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