JP2012094438A - 燃料電池発電システム及び固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】PEFC1と、水素ガスをアノード側セパレータに供給する水素ガス供給パイプ72及び水素ガス用ポンプ122と、空気をカソード側セパレータに供給する空気供給パイプ73及び空気用ポンプ123と、供給対象流体(水素ガス,空気)を加湿する加湿水を供給する加湿水供給パイプ71及び加湿水用ポンプ121と、供給対象流体(水素ガス,空気)と加湿水とを混合するクロス流路セパレータの混合流路及び拡散層の細孔化連通孔と、PEFC1に対する発電要求情報を検出する検出センサ140と、発電要求情報に基づいて、供給対象流体(水素ガス,空気)及び加湿水の供給量を制御するコントロールユニット130とを備えた。
【選択図】図9
Description
そもそも、燃料電池は、燃料の発電化学反応を電気エネルギーに変化させて取り出すことができるものであり、発電メカニズムの異なる複数の燃料電池が存在している。
上記セパレータは、バイポーラ板、隔壁板あるいは集電板ともいう。
上記加湿流体は、水蒸気、水、アルカリ性水溶液、あるいは酸性水溶液とすることができる。
上記供給制御手段は、メモリやプログラム等と協働して供給手段を制御するCPUとすることができる。
詳しくは、固体高分子形燃料電池に対して、燃料を供給する燃料供給手段、及び酸化剤ガスを酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成しているため、燃料及び酸化剤ガスとのうち少なくとも一方を、電極触媒層に対してそれぞれ独立した供給量で供給することができるとともに、供給対象流体(燃料及び酸化剤ガス)と加湿流体とを独立した供給量で供給することができる。
したがって、固体高分子電解質膜を適切な湿潤状態で保つことができ、発電効率の低下を防止することができる。
上記導通流体は、流路を導通する供給対象流体及び加湿流体を含む概念である。
詳しくは、前記セパレータにおける前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成することによって、供給対象流体(燃料及び酸化剤ガス)及び加湿流体をそれぞれ対応する流路に導通することができる。
詳しくは、前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部によって、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体(燃料及び酸化剤ガス)及び加湿流体を混合することができる。したがって、別途の混合手段を設けて供給対象流体(燃料及び酸化剤ガス)及び加湿流体を混合する場合と比較して、簡単な構造であるため、製造コストやスペースのメリットを得ることができるとともに、耐久性を向上することができる。
詳しくは、それぞれ対応する流路を導通する供給対象流体(燃料及び酸化剤ガス)及び加湿流体が、連通孔を通って拡散しながら浸透する際に、供給対象流体(燃料及び酸化剤ガス)及び加湿流体を連通孔内で混合することができる。
上述の混合手段を前記固体高分子形燃料電池の外部に配置するとは、固体高分子形燃料電池の外部において、混合手段を固体高分子形燃料電池と一体構成として、あるいは別体構成で配置することを含む。
この発明の構成により、固体高分子電解質膜を、状況に応じて適切に加湿して適切な湿潤状態を確実に保つことができ、高い発電効率で発電することができる。
図1はPEFC1の正面を透過した斜視図を示し、図2はPEFC1における発電メカニズムを説明するための縦断面図を示し、図3はクロス2流路セパレータ50における混合流路51についての説明図を示している。
供給機構70は、燃料である水素ガスを供給する水素ガス供給パイプ72と、酸化剤である酸素を含む空気を供給する空気供給パイプ73と、水素ガスや空気を加湿するための加湿水を供給する加湿水供給パイプ71とで構成している。なお、空気供給パイプ73で供給される空気は、空気中に含まれる酸素が酸化剤として作用するため、空気の代わりに酸素ガスを供給してもよい。
同様に、図2において左側の拡散層40をアノード側拡散層40a、右側をカソード側拡散層40bとし、左側のクロス2流路セパレータ50をアノード側セパレータ50a、右側をカソード側セパレータ50bとしている。
電極触媒層30は、図示省略する電極触媒と電極とで構成している。また、アノード側電極触媒層30aとカソード側電極触媒層30bとには、外部抵抗91を有する外部回路90を接続している。
混合流路51は、導通対象流体である水素ガスや空気、あるいは加湿水の導通を許容する導通路であり、電極触媒層30へ供給する供給対象流体である水素ガスあるいは空気を導通する供給対象流路52と、加湿水を導通する加湿水流路53とを有している。
同様に、加湿水流路53は、縦方向に適宜の間隔を隔てて配置した幅方向流路53aと、幅方向流路53a同士を縦方向に接続する縦方向流路53bとで、略格子状に形成している。
そして、縦方向流路52bと幅方向流路53aとの交差部分、及び幅方向流路52aと縦方向流路53bの交差部分において、それぞれが導通可能な導通接続部54を構成している。
そして、細孔化連通孔41は、幅方向Wにおいてクロス2流路セパレータ50側から電極触媒層30に向かって、細孔化しながら連通している。
PEFC発電システム100は、上述のPEFC1と、貯蔵タンク110と、貯蔵タンク110とPEFC1とを接続する上述の供給機構70に配置する供給ポンプ120と、供給ポンプ120を制御するコントロールユニット130と、PEFC1に対する発電要求情報を検出する検出センサ140とで構成している。
そして、水タンク111には上述の供給機構70の加湿水供給パイプ71が接続され、水素ガスタンク112には水素ガス供給パイプ72が接続され、空気タンク113には空気供給パイプ73が接続されている。
検出センサ140は、PEFC1に対して発電要求する発電要求情報を検出するセンサである。なお、例えば、電気自動車における駆動用電気を供給するためのPEFC発電システム100である場合、この発電要求情報は、アクセルの踏み込み操作による情報であり、家庭用のPEFC発電システム100の場合、必要電力量に応じた情報となる。
したがって、発電状況に応じて供給対象流体(水素ガス,空気)と加湿水とを適切な供給量及び/又は供給比で供給し、発電することができる。
このように、状況に応じて適切な供給量で加湿水を供給しない場合、例えば、加湿水の供給量が少ないと、固体高分子電解質膜20が発電効率が低下する。
なお、図11では、混合装置150とPEFC1とを別体構成で構成したが、一体的に構成してもよい。
本実施形態の燃料極は、アノード側電極触媒層30aに対応し、
以下同様に、
酸化剤極は、カソード側電極触媒層30bに対応し、
セパレータは、クロス2流路セパレータ50及びパラレル2流路セパレータ50’,50’’に対応し、
流路は、混合流路51及びパラレル流路51’,51’’に対応し、
燃料極側セパレータは、アノード側セパレータ50aに対応し、
酸化剤極側セパレータは、カソード側セパレータ50bに対応し、
固体高分子形燃料電池は、PEFC1に対応し、
燃料供給手段は、水素ガス供給パイプ72及び水素ガス用ポンプ122に対応し、
酸化剤ガス供給手段は、空気供給パイプ73及び空気用ポンプ123に対応し、
発電情報検出手段は、検出センサ140及び状態検出センサ141に対応し、
対象流体供給機構は、水素ガス供給パイプ72及び水素ガス用ポンプ122、あるいは空気供給パイプ73及び空気用ポンプ123に対応し、
加湿流体供給機構は、加湿水供給パイプ71及び加湿水用ポンプ121に対応し、
混合手段は、細孔化連通孔41、導通接続部54を有する混合流路51、混合装置150、空気−加湿水混合装置151あるいは水素ガス−加湿水混合装置152に対応し、
供給制御手段は、コントロールユニット130に対応し、
燃料電池発電システムは、PEFC発電システム100,100a及び外部混合PEFC発電システム100bに対応し、
供給対象流体用流路は、供給対象流路52に対応し、
加湿流体用流路は、加湿水流路53に対応し、
セパレータから電極触媒層に向かう方向は、幅方向Wに対応し、
連通孔は、細孔化連通孔41に対応し、
流路接続部は、導通接続部54に対応し、
細孔化拡散層は、細孔化連通孔41を有する拡散層40に対応し、
燃料は、水素ガスに対応し、
酸化剤ガスは、空気に対応し、
発電情報は、発電要求情報及び状態情報に対応し、
加湿流体は、加湿水に対応するも、上記実施形態に限定するものではない。
10…セル
20…固体高分子電解質膜
30…電極触媒層
30a…アノード側電極触媒層
30b…カソード側電極触媒層
40…拡散層
40a…アノード側拡散層
40b…カソード側拡散層
41…細孔化連通孔
50…クロス2流路セパレータ
50’…パラレル2流路セパレータ
50a…アノード側セパレータ
50b…カソード側セパレータ
51…混合流路
51’…パラレル流路
52…供給対象流路
53…加湿水流路
54…導通接続部
71…加湿水供給パイプ
72…水素ガス供給パイプ
73…空気供給パイプ
100,100a…PEFC発電システム
100b…外部混合PEFC発電システム
121…加湿水用ポンプ
122…水素ガス用ポンプ
123…空気用ポンプ
130…コントロールユニット
140…検出センサ
141…状態検出センサ
150…混合装置
151…空気−加湿水混合装置
152…水素ガス−加湿水混合装置
W…幅方向
Claims (9)
- 固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池と、
前記燃料を前記燃料極側セパレータに供給する燃料供給手段と、
前記酸化剤ガスを前記酸化剤極側セパレータに供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記固体高分子形燃料電池の発電に関する発電情報を検出する発電情報検出手段とを備え、
前記燃料供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段のうち少なくとも一方の供給手段を、前記セパレータに供給する対象である供給対象流体を供給する対象流体供給機構及び前記供給対象流体を加湿する加湿流体を供給する加湿流体供給機構で構成するとともに、
前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段と、
前記発電情報に基づいて、前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給量を制御する供給制御手段とを備えた
燃料電池発電システム。 - 前記流路を、前記供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成し、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層を備え、
前記混合手段を、前記固体高分子形燃料電池の内部に配置した
請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、
前記混合手段を、
前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成した
請求項2に記載の燃料電池発電システム。 - 前記拡散層を、前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、
前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成した
請求項2又は3に記載の燃料電池発電システム。 - 前記混合手段を、
前記固体高分子形燃料電池の外部に配置した
請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 固体高分子電解質膜、該固体高分子電解質膜を挟む態様の電極触媒層、及び該電極触媒層の外側に配置するセパレータで構成するセルを有するとともに、前記固体高分子電解質膜の一方側に配置する燃料極及び他方側に配置する酸化剤極で前記電極触媒層を構成し、供給された燃料を前記燃料極に導通させる流路を備えた燃料極側セパレータ及び供給された酸化剤ガスを前記酸化剤極に導通させる流路を備えた酸化剤極側セパレータで前記セパレータを構成する固体高分子形燃料電池であって、
前記流路を、前記燃料極側セパレータに供給される前記燃料及び前記酸化剤極側セパレータに供給される前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方の供給対象流体の導通を許容する供給対象流体用流路と、前記供給対象流体を加湿する加湿流体の導通を許容する加湿流体用流路とで構成するとともに、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置するとともに、前記セパレータから前記電極触媒層に向かう方向、及び前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向において互いに連通する連通孔を有し、該連通孔を通り、前記電極触媒層と前記セパレータとの対向面方向に拡散しながら前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記流路を導通する導通流体が浸透する拡散層と、
前記供給対象流体と前記加湿流体とを混合する混合手段とを備えた
固体高分子形燃料電池。 - 前記供給対象流体用流路と前記加湿流体用流路とを導通可能に接続する流路接続部を設け、
前記混合手段を、
前記供給対象流体用流路、前記加湿流体用流路及び前記流路接続部で構成した
請求項6に記載の固体高分子形燃料電池。 - 前記拡散層を、
前記セパレータから前記電極触媒層に向かって前記連通孔が細孔化する細孔化拡散層で構成するとともに、
前記混合手段を、前記細孔化拡散層で構成した
請求項6又は7に記載の固体高分子形燃料電池。 - 発電情報検出手段によって検出された発電に関する発電情報に基づいて、供給量を制御する供給制御手段によって供給制御された前記供給対象流体及び前記加湿流体のうち少なくとも一方の供給を受け付ける
請求項6乃至8のうちいずれかにひとつに記載の固体高分子形燃料電池。
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