JP2014006960A

JP2014006960A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2014006960A
Application number: JP2010233719A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Suzuki; 博晶鈴木; Koji Yasuo; 耕司安尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2012053164A1

Abstract

【課題】燃料の供給に補機を用いないパッシブ型の燃料電池に適した空冷技術により燃料電池の性能を向上させる。
【解決手段】燃料電池システム１０は、水素吸蔵合金を収容する燃料収容部３０と、燃料収容部３０の両主面にそれぞれ配設された燃料電池２０を有する。燃料電池２０の下方に、送風部４０が設けられている。送風部４０は、燃料電池２０のカソード側の主表面に対して直交する方向から送風を行う。整流部５０は送風部４０の上方に設けられている。整流部５０は、送風部４０から送出された風の方向を燃料電池２０のカソード側の主表面に向くように角度を付ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、パッシブ型の燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池システムの主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ることがない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池システムは燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

燃料電池は発電に伴い発熱し、温度が上昇する。燃料電池の温度が過度に上昇すると、ドライアウトによる性能低下が生じる。その防止のために、ファンなどの送風手段を用いた空冷技術が知られている（特許文献１〜３参照）。

特開２００８−２５１３３８号公報特開２００９−２３８５９２号公報特開２００７−１８４１５７号公報

従来の空冷技術では、送風のための流路を必要としている。このため、流路入口で圧損が生じることにより、ファンの補機電力が増大するという課題がある。また、流路の設置により、燃料電池表面からの放熱が阻害される。そのため、空冷を常に行う必要がある。さらに、流路上流の燃料電池で発生した熱や水蒸気が流路下部の燃料電池に影響を与えることがある。

このように従来の空冷技術には克服すべき課題が残されており、特に、燃料および酸化剤の供給に補機を用いないパッシブ型の燃料電池に適した空冷技術が求められている。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料および酸化剤の供給に補機を用いないパッシブ型の燃料電池に適した空冷技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられているカソードと、電解質膜の他方の面に設けられているアノードとを含む燃料電池と、送風方向が前記燃料電池のカソード側の主表面と平行な方向を含む送風部と、送風部から送出された風の方向を燃料電池のカソード側の主表面に向くように角度を付ける整流部と、を備えることを特徴とする。

上記態様の燃料電池システムによれば、送風用の流路を要しないため、送風量が圧損により低減することがほとんどない。このため、補機に必要な電力を抑制することができる。燃料電池のカソード側の主表面全体に均一な風量で送風することができるため、場所による温度のばらつきを低減することができ、ひいては、燃料電池による発電を安定化させることができる。また、燃料電池のカソード側の主表面のある箇所で発生した熱や水蒸気が別の箇所に与える影響を低減することができるため、燃料電池の発電を安定化させることができる。

上記態様の燃料電池システムにおいて、送風部によって供給される風に関し、整流部の上流側で、送風方向と直交する断面において前記燃料電池のカソード側の主表面からの距離が長くなるほど、前記整流部から前記カソード側の主表面において到達する部分までの距離が長くなってもよい。送風部は旋回流を発生させる送風機を有し、整流部は送風機によって生じた旋回流を燃料電池のカソード側の主表面に向けて反射する形状を持つ整流板を有してもよい。整流板はインボリュート曲線形状をなしてもよい。送風部は、燃料電池のカソード側の主表面に沿った方向に送風を行う送風機を有し、整流部は送風部による送風方向に対して燃料電池のカソード側の主表面の方に傾いた平板状の整流板を有してもよい。燃料電池のカソード側の主表面が外部に露出していてもよい。また、燃料電池の温度を測定する温度検出部と、温度検出部によって測定された温度が、燃料電池でドライアウトが生じ始める温度近傍に達したとき、送風部による送風を開始させる送風制御部と、をさらに備えてもよい。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、燃料および酸化剤の供給に補機を用いないパッシブ型の燃料電池に適した空冷技術により燃料電池の性能を向上させることができる。

図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図である。図１（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め下方から見た斜視図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施の形態１の筐体の上面図、底面図、正面図および側面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、実施の形態１に関し、筐体に収容された燃料電池システムの構成の概略を示す正面図および斜視図である。図４（Ａ）は、整流板の形状を示す概略図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面における整流の様子を示す図である。実施の形態１の燃料電池システムにおける送風の様子を示す概略図である。図６（Ａ）は、実施の形態２に係る燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図である。図６（Ｂ）は、実施の形態２に係る燃料電池システムを斜め下方から見た斜視図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施の形態２の筐体の上面図、底面図、正面図および側面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、実施の形態２に関し、筐体に収容された燃料電池システムの構成の概略を示す正面図および斜視図である。実施の形態２で用いられる送風機の概略構成を示す平面図である。実施の形態２の燃料電池システムにおける送風の様子を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図である。図１（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムを斜め下方から見た斜視図である。図２（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施の形態１の筐体の上面図、底面図、正面図および側面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、実施の形態１に関し、筐体１００に収容された燃料電池システム１０の構成の概略を示す正面図および斜視図である。

燃料電池システム１０は、筐体１００、燃料電池２０、燃料収容部３０、燃料供給部３２、送風部４０、整流部５０、温度検出部６０および制御部７０を備える。本実施の形態の燃料電池システム１０は、燃料の供給にポンプなどの補機を使用しないパッシブ型の燃料電池システムである。

筐体１００は、燃料電池２０、燃料収容部３０、送風部４０、整流部５０、温度検出部６０および制御部７０を持ち運びに容易な形態でコンパクトに収容している。図２（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、筐体１００の大部分は一体的に形成されているが、便宜的に主に基部１１０と突出部１２０とに分けられる。

基部１１０は直方体形状であり、底面の長手方向両端部に机などの設置面に載置するための脚部１１２が設けられている。基部１１０の底面には吸気口１１４が設けられており、吸気口１１４を介して外気が基部１１０の中に取り込まれる。基部１１０の底面は、吸気口１１４が設けられている領域が脚部１１２に対して凹部になっており、脚部１１２が設置面に接した状態で、設置面と吸気口１１４との間に隙間が生じるようになっている。これにより、筐体１００を設置面に載置した状態で、基部１１０の底面から外気を取り込むことができる。吸気口１１４の数および位置は、後述する送風部４０の形態に応じて適宜設定される。

また、基部１１０の上面は、長手方向に沿った一方の辺に沿った領域Ｍと、長手方向に沿った他方の辺に沿った領域Ｎに分けられている（図２（Ａ）参照）。領域Ｍには、２組の排気口１１６ａ、１１６ｂが設けられている。また、領域Ｎには、２組の排気口１１６ｃ、１１６ｄが設けられている。排気口１１６ａ〜ｄの開口形状は、ともに円弧と当該円弧の両端を弦で結んだ形状である。

突出部１２０は、領域Ｍと領域Ｎに挟まれた領域において、基部１１０の上方に突出している。側面方向から見ると逆Ｔ字形状になっている（図２（Ｄ）参照）。突出部１２０の一方の側（領域Ｍの側）には、領域Ｍ側に設けられた燃料電池２０の設置領域に応じた開口１１８ｍが設けられている。同様に、突出部１２０の他方の側（領域Ｎの側）には、領域Ｎ側に設けられた燃料電池２０の設置領域に応じた開口１１８ｎが設けられている。

図３（Ｂ）に示すように、突出部１２０（図示せず）の中には、燃料電池２０、燃料収容部３０、燃料供給部３２が収容されている。

燃料収容部３０には水素吸蔵合金が収容されている。水素吸蔵合金は、水素の吸蔵と、吸蔵した水素の放出とが可能であり、たとえば、希土類系のＭｍＮｉ4.32Ｍｎ0.18Ａｌ0.1Ｆｅ0.1Ｃｏ0.3（Ｍｍはミッシュメタル）である。なお、水素吸蔵合金は、希土類系の合金に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系合金、Ｔｉ−Ｆｅ系合金、Ｔｉ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−Ｎｉ系合金、Ｚｒ−Ｍｎ系合金等であってもよい。具体的には、水素吸蔵合金としてＬａＮｉ_５合金、Ｍｇ_２Ｎｉ合金、Ｔｉ_１＋ｘＣｒ_２−ｙＭｎ_ｙ（ｘ＝０．１〜０．３、ｙ＝０〜１．０）合金などを挙げることができる。水素吸蔵合金は、上述した水素吸蔵合金の粉末にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）デイスパージョンなどの結着剤を混合し、プレス機で圧縮成形した圧縮成形体（ペレット）とすることができる。必要に応じて、圧縮成形後に焼結処理がなされていてもよい。

燃料収容部３０の両主面にそれぞれ燃料電池２０が配設されている。燃料電池２０は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられているカソードと、前記電解質膜の他方の面に設けられているアノードとを含む平面配列型の燃料電池であり、その構成の典型的な例は特開２００４−１４６０９２号公報に開示されている。燃料収容部３０の両主面において、燃料電池２０のカソード側の主表面が外側を向くように配置されており、燃料電池２０のカソード側の主表面が開口内で外部に露出している。燃料電池２０のカソード側の主表面には、空気をカソードに取り込むための開口（図示せず）が設けられている。

燃料電池２０のカソード側の主表面には、温度検出部２２が設けられている。温度検出部２２により燃料電池２０の温度が測定され、温度検出部２２で得られた燃料電池２０の温度情報が後述する制御部７０に送信される。

燃料供給部３２は、水素供給路およびレギュレータ（ともに図示せず）を主な構成として備える。水素供給路は、一端が燃料収容部３０の出口と連通し、他端が一対の燃料電池２０のアノードと連通している。水素供給路の途中にレギュレータが設けられている。レギュレータにより、水素吸蔵合金から水素が放出される際に、一対の燃料電池２０に供給される水素の圧力が低減される。これにより、燃料電池２０のアノード触媒層が保護される。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、基部１１０に、主に送風部４０、整流部５０および制御部７０が収容されている。

制御部７０は、基部１１０の底面をなす部材に搭載されている。制御部７０は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、ＲＯＭ、メモリ等を有し、送風部４０の動作を制御する。具体的には、制御部７０は、温度検出部２２によって測定された温度が、燃料電池２０でドライアウトが生じ始める温度近傍に達したとき、送風部４０による送風を開始させる。ドライアウトが生じ始める温度近傍とは、ドライアウトが生じ始める温度Ｔから５℃の範囲をいう。

制御部７０の上方に送風部４０が設置されている。送風部４０は、燃料電池２０のカソード側の主表面に対して直交する方向から送風を行う。本実施の形態では、送風部４０として旋回流を発生させる送風機４２が基部１１０の長手方向に２組並設されている。具体的には、送風機４２は軸流ファン（プロペラファン）である。一方の送風機４２で発生した風は、領域Ｍ側の排気口１１６ａ、領域Ｎ側の排気口１１６ｃの両方に送風される。また、他方の送風機４２で発生した風は、領域Ｍ側の排気口１１６ｂ、領域Ｎ側の排気口１１６ｄの両方に送風される。このように、一つの送風機で、燃料収容部３０の両主面にそれぞれ設けられた燃料電池２０への送風を担うことにより構成を簡単化し、燃料電池システム１０をコンパクト化および省電力化を図ることができる。

整流部５０は送風部４０の上方に設けられている。整流部５０は、送風部４０から送出された風の方向を燃料電池２０のカソード側の主表面に向くように角度を付ける。具体的には、送風部４０によって生じた旋回流を燃料電池２０のカソード側の主表面に向けて反射する形状を持つ整流板５２を有する。

図４（Ａ）は、整流板５２の形状を示す概略図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面における整流の様子を示す図である。図５は、実施の形態１の燃料電池システム１０における送風の様子を示す概略図である。

図４（Ａ）に示すように、整流板５２は、インボリュート曲線形状Ｑを有する。インボリュート曲線とは定円に糸を巻きつけて、糸の端を引っぱりながらほどくとき、その糸の先端が描く曲線である。図４（Ａ）において、実線矢印は旋回流の方向を示す。図４（Ｂ）に示すように、旋回流は整流板５２で反射し、整流板５２の上方に向かい、燃料電池２０のカソード側の主表面に向く流れとなる。図５に示すように、点Ｐ１で整流された風は、燃料電池２０のカソード側の主表面の下部に向けられる。点Ｐ２で整流された風は、燃料電池２０のカソード側の主表面の中央部に向けられる。また、点Ｐ３で整流された風は、燃料電池２０のカソード側の主表面の上部に向けられる。本実施の形態の燃料電池システム１０における送風の態様をまとめると、送風部４０によって供給される風に関し、整流部５０の上流側で、送風方向と直交する断面において燃料電池２０のカソード側の主表面からの距離が長くなるほど、整流部５０から燃料電池２０のカソード側の主表面において到達する部分までの距離が長くなる。なお、上流側とは送風部４０に近い側を指し、下流側とは送風部４０から離れた側を指す。また、整流部５０の上流側で送風方向と直交する断面とは、送風方向のうちカソード側の主表面と平行な風と直交する面を指し、図５において点線Ｄで示した面を指す。

以上説明した燃料電池システムによれば、送風の流路を要しないため、送風量が圧損により低減することがほとんどない。このため、補機に必要な電力を抑制することができる。

燃料電池のカソード側の主表面全体に均一な風量で送風することができるため、場所による温度のばらつきを低減することができ、ひいては、燃料電池による発電を安定化させることができる。

燃料電池のカソード側の主表面のある箇所で発生した熱や水蒸気が別の箇所に与える影響を低減することができるため、燃料電池の発電を安定化させることができる。

燃料電池のカソード側の主表面が流路に遮られることなく外部に露出しているため、送風機を使用しないときでも、燃料電池のカソード側の主表面からの放熱を確保することができ、燃料電池システム全体の放熱性を向上させることができる。

また、燃料電池のドライアウト温度に応じてファンを動作させることにより、燃料電池でドライアウトが生じることを抑制することができ、ひいては燃料電池による発電を安定化させることができる。

以上説明したように、実施の形態１の燃料電池システムによれば、パッシブ型の燃料電池に適した送風機構が実現される。

（実施の形態２）
図６（Ａ）は、実施の形態２に係る燃料電池システムを斜め上方から見た斜視図である。図６（Ｂ）は、実施の形態２に係る燃料電池システムを斜め下方から見た斜視図である。図７（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施の形態２の筐体の上面図、底面図、正面図および側面図である。図８（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、実施の形態２に関し、筐体に収容された燃料電池システムの構成の概略を示す正面図および斜視図である。

実施の形態２の燃料電池システムは、主に基部１１０に収容された構成を除き、実施の形態１の燃料電池システム１０の構成と共通する。以下、実施の形態２の燃料電池システム１０について実施の形態１と異なる構成を中心に説明する。

基部１１０の領域Ｍに設けられた１１６ａ、１１６ｂ、および基部１１０の領域Ｎに設けられた１１６ｃ、１１６ｄの形状は長方形である。

送風部４０は、基部１１０の底面をなす部材に搭載されている。本実施の形態の送風部４０は、燃料電池２０のカソード側の主表面に沿った方向に送風を行う送風機４２を有する。送風機４２の具体的な態様については後述する。整流部５０は送風部４０による送風方向に対して燃料電池２０のカソード側の主表面の方に傾いた平板状の整流板５２を有する（図８（Ｂ）参照）。なお、平板状の整流板５２は複数あり、カソード側の主表面からより離れた位置にある整流板で整流された風ほど、整流板からカソード側の主表面における到達する部分までの距離が長くなる。吸気口１１４は基部１１０の底面中央部に設けられている。制御部７０は送風部４０の上に設けられている。

図９は、実施の形態２で用いられる送風機４２の概略構成を示す平面図である。
本実施の形態２の送風機４２はシロッコファンである。シロッコファンは多数の羽根４３を備えた筒４４と整風器４５を組み合わせた構造になっており、排気口４６から直線状の風が吹き出す。本実施の形態では、シロッコファンの回転軸４７に対して対称となる位置に、２組の整風器４５が設けられており、回転軸４７を挟んだ２箇所の排気口４６から送風が可能になっている。

図１０は、実施の形態２の燃料電池システムにおける送風の様子を示す概略図である。送風部４０は、燃料収容部３０の両主面にそれぞれ配置されている燃料電池２０のカソード側の主表面に向けて送風を行う。送風機４２に設けられた羽根４３が回転することにより、整風器４５に空気が供給され、排気口４６から直線的な風が排気される。排気口４６から排気された風の向きは、整流部５０によって燃料電池２０のカソード側の主表面の方に傾けられ、燃料電池２０のカソード側の主表面全体に均一に風が供給される。

本実施の形態の燃料電池システムによれば、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

１０燃料電池システム、２０燃料電池、３０燃料収容部、３２燃料供給部、４０送風部、５０整流部、６０温度検出部、７０制御部、１００筐体、１１０基部、１２０突出部

Claims

電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられているカソードと、前記電解質膜の他方の面に設けられているアノードとを含む燃料電池と、
送風方向が前記燃料電池のカソード側の主表面と平行な方向を含む送風部と、
前記送風部から送出された風の方向を前記燃料電池のカソード側の主表面に向くように角度を付ける整流部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記送風部によって供給される風に関し、前記整流部の上流側で、前記送風方向と直交する断面において前記燃料電池のカソード側の主表面からの距離が長くなるほど、前記整流部から前記カソード側の主表面において到達する部分までの距離が長くなる請求項１に記載の燃料電池システム。
前記送風部は旋回流を発生させる送風機を有し、前記整流部は前記送風機によって生じた旋回流を前記燃料電池のカソード側の主表面に向けて反射する形状を持つ整流板を有する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記整流板はインボリュート曲線形状をなす請求項３に記載の燃料電池システム。
前記送風部は、前記燃料電池のカソード側の主表面に沿った方向に送風を行う送風機を有し、前記整流部は前記送風部による送風方向に対して前記燃料電池のカソード側の主表面の方に傾いた平板状の整流板を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のカソード側の主表面が外部に露出している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の温度を測定する温度検出部と、
前記温度検出部によって測定された温度が、前記燃料電池でドライアウトが生じ始める温度近傍に達したとき、前記送風部による送風を開始させる送風制御部と、
をさらに備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。