JP2014127458A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、詳しくは、固体高分子形の燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell.
従来、固体高分子形の燃料電池として、メタノール、ジメチルエーテルまたはヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。 Conventionally, a fuel cell using a liquid fuel such as methanol, dimethyl ether or hydrazine is known as a polymer electrolyte fuel cell.
このような燃料電池としては、例えば、複数の単位セルが積層されるスタック構造を有する燃料電池が提案されている(例えば、下記特許文献1参照。)。単位セルは、固体高分子膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極と、燃料側電極に対向配置される燃料側セパレータと、酸素側電極に対向配置される酸素側セパレータとを備えている。
As such a fuel cell, for example, a fuel cell having a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked has been proposed (see, for example,
そして、そのような燃料電池では、液体燃料が燃料側電極に供給され、また、酸素(空気)が酸素側電極に供給されることにより、各単位セルにおいて、電気化学反応が生じ、発電される。 In such a fuel cell, liquid fuel is supplied to the fuel-side electrode, and oxygen (air) is supplied to the oxygen-side electrode, whereby an electrochemical reaction occurs in each unit cell to generate electric power. .
しかるに、特許文献1に記載の燃料電池では、電気化学反応が生じると、燃料側電極において液体燃料が分解されて気体が発生し、発生した気体が液体燃料中に気泡として滞留する場合がある。そうすると、燃料電池内における気泡の滞留により、燃料側電極と液体燃料との接触が阻害され、燃料電池の出力が低下するという不具合がある。
However, in the fuel cell described in
そこで、本発明の目的は、燃料電池内における気泡の滞留を抑制でき、出力の低下を抑制できる燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress the retention of bubbles in the fuel cell and suppress the decrease in output.
上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池は、水平方向に複数の単位セルが積層されて形成される積層構造体を備え、前記積層構造体が、前記複数の単位セルの積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれに液体燃料を供給するための燃料供給路と、前記積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれから液体燃料を排出するための燃料排出路とを有し、前記燃料排出路の鉛直方向の上端部には、液体燃料の排出方向の上流側よりも、前記排出方向の下流側が鉛直方向の上側に位置するように形成される気泡案内部が設けられていることを特徴としている。 In order to achieve the above-described object, the fuel cell of the present invention includes a stacked structure formed by stacking a plurality of unit cells in the horizontal direction, and the stacked structure includes a stacking direction of the plurality of unit cells. A plurality of unit cells, a fuel supply path for supplying liquid fuel to each of the plurality of unit cells, and a plurality of unit cells that pass through the plurality of unit cells in the stacking direction. And a fuel discharge path for discharging liquid fuel from the upper side of the vertical direction of the fuel discharge path, the downstream side of the discharge direction is higher than the upstream side of the discharge direction of the liquid fuel. It is characterized in that a bubble guide portion formed so as to be located at is provided.
このような構成によれば、積層構造体が燃料供給路と燃料排出路とを有しているので、液体燃料を、燃料供給路および燃料排出路を介して、積層構造体の各単位セルに確実に供給および排出でき、各単位セルにおいて、発電することができる。 According to such a configuration, since the stacked structure has the fuel supply path and the fuel discharge path, the liquid fuel is supplied to each unit cell of the stacked structure via the fuel supply path and the fuel discharge path. Supply and discharge can be ensured, and power can be generated in each unit cell.
しかるに、発電により発生する液体燃料中の気泡(以下、単に気泡とする。)は、液体燃料の流れに伴って、燃料排出路内に移動され、さらに、燃料排出路内において、浮力により、燃料排出路の鉛直方向の上端部、すなわち、気泡案内部に到達する。 However, bubbles (hereinafter simply referred to as bubbles) in the liquid fuel generated by power generation are moved into the fuel discharge path along with the flow of the liquid fuel, and further, fuel is generated in the fuel discharge path by buoyancy. It reaches the upper end in the vertical direction of the discharge path, that is, the bubble guide.
そして、気泡案内部が、排出方向の上流側よりも下流側が鉛直方向の上側に位置するように形成されているので、気泡案内部に到達した気泡は、気泡案内部により、排出方向の上流側から下流側に向かって案内され、さらには、液体燃料とともに燃料電池内から排出される。 And since the bubble guide part is formed so that the downstream side is positioned on the upper side in the vertical direction from the upstream side in the discharge direction, the bubbles that have reached the bubble guide part are upstream in the discharge direction by the bubble guide part. From the fuel cell to the downstream side, and further discharged from the fuel cell together with the liquid fuel.
従って、本発明の燃料電池によれば、気泡が燃料電池内の液体燃料中に滞留することを抑制でき、出力の低下を抑制できる。 Therefore, according to the fuel cell of the present invention, bubbles can be prevented from staying in the liquid fuel in the fuel cell, and a decrease in output can be suppressed.
また、本発明の燃料電池では、前記気泡案内部が、前記排出方向の下流側に向かうに従って、鉛直方向の上方に向かって傾斜するように形成されていることが好適である。 In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the bubble guide portion is formed so as to be inclined upward in the vertical direction toward the downstream side in the discharge direction.
このような構成によれば、気泡案内部が、排出方向の下流側に向かうに従って、鉛直方向の上方に向かって傾斜するように形成されているので、気泡案内部に到達した気泡が、気泡案内部の傾斜に沿って、排出方向の上流側から下流側に向かって移動される。つまり、気泡案内部が、気泡案内部に到達した気泡を、排出方向の下流側に向かって確実に案内することができる。 According to such a configuration, since the bubble guide portion is formed so as to be inclined upward in the vertical direction as it goes downstream in the discharge direction, the bubble that has reached the bubble guide portion is It is moved from the upstream side in the discharge direction toward the downstream side along the inclination of the part. That is, the bubble guide unit can reliably guide the bubbles that have reached the bubble guide unit toward the downstream side in the discharge direction.
そのため、気泡が燃料電池内の液体燃料中に滞留することを確実に抑制でき、燃料電池の出力の低下を確実に抑制できる。 Therefore, it is possible to reliably suppress bubbles from staying in the liquid fuel in the fuel cell, and it is possible to reliably suppress a decrease in the output of the fuel cell.
また、本発明の燃料電池では、前記複数の単位セルのそれぞれが、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟むように、前記積層方向に対向配置される1対のセパレータとを備え、前記1対のセパレータには、前記単位セルに供給するための液体燃料が通過する燃料供給口と、前記単位セルから排出された液体燃料が通過する燃料排出口とが形成され、前記燃料供給路は、前記複数の単位セルが積層されて、複数の前記燃料供給口が前記積層方向に互いに連通することにより形成され、前記燃料排出路は、前記複数の単位セルが積層されて、複数の前記燃料排出口が前記積層方向に互いに連通することにより形成され、前記気泡案内部は、前記セパレータとは別部材として構成され、前記燃料排出路内に設けられる第1案内部材により形成されていることが好適である。 Further, in the fuel cell of the present invention, each of the plurality of unit cells includes a membrane electrode assembly and a pair of separators arranged to face each other in the stacking direction so as to sandwich the membrane electrode assembly. The pair of separators are formed with a fuel supply port through which liquid fuel to be supplied to the unit cell passes and a fuel discharge port through which the liquid fuel discharged from the unit cell passes, and the fuel supply path Is formed by laminating the plurality of unit cells, and the plurality of fuel supply ports communicating with each other in the laminating direction, and the fuel discharge path is formed by laminating the plurality of unit cells, The fuel discharge port is formed by communicating with each other in the stacking direction, and the bubble guide portion is formed as a separate member from the separator, and is formed by a first guide member provided in the fuel discharge path. It is preferable that you are.
このような構成によれば、各単位セルが、膜電極接合体と1対のセパレータとを備えているので、各膜電極接合体において発電することができながら、各セパレータにより、互いに隣り合う単位セルの膜電極接合体が互いに短絡してしまうことを確実に抑制できる。そのため、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。 According to such a configuration, each unit cell includes a membrane electrode assembly and a pair of separators. Therefore, each unit cell can generate power in each membrane electrode assembly, but each unit is adjacent to each other by each separator. It can suppress reliably that the membrane electrode assembly of a cell will mutually short-circuit. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.
また、上記の構成では、各セパレータに形成される燃料供給口が積層方向に互いに連通することにより、燃料供給路が形成され、各セパレータに形成される燃料排出口が積層方向に互いに連通することにより、燃料排出路が形成されている。 In the above configuration, the fuel supply ports formed in each separator communicate with each other in the stacking direction, thereby forming a fuel supply path, and the fuel discharge ports formed in each separator communicate with each other in the stacking direction. Thus, a fuel discharge path is formed.
しかるに、燃料排出路が複数のセパレータの燃料排出口から形成される場合、各セパレータおよび燃料排出口の寸法公差により、燃料排出路の鉛直方向の上端部を平滑に形成するには限度がある。そのため、燃料排出路の鉛直方向の上端部には、互いに隣り合う燃料排出口の上端縁により、所望しない段差が形成される場合がある。そうすると、気泡が、燃料排出路に形成された段差に溜まり、燃料電池内からの気泡の排出が抑制される場合がある。 However, when the fuel discharge path is formed from the fuel discharge ports of a plurality of separators, there is a limit in smoothly forming the vertical upper end portion of the fuel discharge path due to the dimensional tolerance of each separator and the fuel discharge port. For this reason, an undesired step may be formed at the upper end portion in the vertical direction of the fuel discharge path due to the upper end edges of the fuel discharge ports adjacent to each other. As a result, bubbles may accumulate at the step formed in the fuel discharge path, and the discharge of bubbles from within the fuel cell may be suppressed.
これに対して、上記の構成によれば、燃料排出路の鉛直方向の上端部に設けられる気泡案内部が、セパレータとは別部材として構成される第1案内部材により形成されているので、気泡案内部が、複数の燃料排出口の上端縁が連続することにより形成される場合と比較して、気泡案内部を平滑に形成することができる。 On the other hand, according to the above configuration, the bubble guide portion provided at the upper end in the vertical direction of the fuel discharge path is formed by the first guide member configured as a separate member from the separator. Compared with the case where the guide portion is formed by the upper end edges of the plurality of fuel discharge ports being continuous, the bubble guide portion can be formed smoothly.
そのため、簡易な構成でありながら、燃料電池の発電効率の向上を図ることができるとともに、燃料電池内からの気泡の排出の円滑化を図ることができる。 Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved while the structure is simple, and the discharge of bubbles from the fuel cell can be facilitated.
しかるに、近年、出力電力の向上の観点から、積層される単位セルの数(単位セルの積層数)の増加が検討されている。しかし、単位セルの積層数が増加すると、積層構造体は、その自重により、鉛直方向の下方に向かって湾曲するように変形する場合がある。この場合、燃料供給路および燃料排出路のそれぞれは、積層構造体の変形に伴って、下方に向かって湾曲するように変形される。 However, in recent years, from the viewpoint of improving output power, an increase in the number of unit cells to be stacked (the number of unit cells stacked) has been studied. However, when the number of unit cells is increased, the stacked structure may be deformed so as to be bent downward in the vertical direction due to its own weight. In this case, each of the fuel supply path and the fuel discharge path is deformed so as to curve downward as the stacked structure is deformed.
そうすると、気泡が燃料排出路における相対的に上側に位置する部分に滞留し、燃料電池内からの気泡の排出が抑制される場合がある。 As a result, bubbles may stay in a portion located relatively above the fuel discharge path, and the discharge of bubbles from within the fuel cell may be suppressed.
また、燃料電池のメンテナンス時などにおいては、感電防止の観点から燃料電池内の液体燃料が燃料電池外に排出されるが、燃料供給路および燃料排出路が上記のように変形していると、燃料供給路および燃料排出路のそれぞれにおける相対的に下側に位置する部分に液体燃料が残留する場合がある。 Also, during maintenance of the fuel cell, etc., the liquid fuel in the fuel cell is discharged out of the fuel cell from the viewpoint of electric shock prevention.If the fuel supply path and the fuel discharge path are deformed as described above, In some cases, the liquid fuel remains in a relatively lower portion of each of the fuel supply path and the fuel discharge path.
一方、上記の構成によれば、燃料排出路内に第1案内部材が設けられているので、単位セルの積層数を増加させても、積層構造体が変形することを抑制できる。 On the other hand, according to said structure, since the 1st guide member is provided in the fuel discharge path, even if it increases the number of lamination | stacking of a unit cell, it can suppress that a laminated structure deform | transforms.
そのため、気泡の燃料排出路内における滞留を確実に抑制できるとともに、燃料電池のメンテナンス時において、液体燃料が燃料供給路および燃料排出路のそれぞれに残留することを抑制でき、燃料電池のメンテナンス性の向上を図ることができる。 Therefore, the retention of bubbles in the fuel discharge path can be reliably suppressed, and liquid fuel can be prevented from remaining in each of the fuel supply path and the fuel discharge path during maintenance of the fuel cell. Improvements can be made.
つまり、出力電力の向上を図ることができながら、燃料電池のメンテナンス性の向上を図ることができる。 That is, it is possible to improve the maintainability of the fuel cell while improving the output power.
また、本発明の燃料電池では、前記燃料供給路の鉛直方向の下端部に、液体燃料の供給方向の上流側よりも、前記供給方向の下流側が鉛直方向の上側に位置するように形成される第1排液ガイド部が設けられていることが好適である。 In the fuel cell of the present invention, the fuel supply passage is formed at the lower end portion in the vertical direction so that the downstream side in the supply direction is located above the upstream side in the supply direction of the liquid fuel. It is preferable that a first drainage guide portion is provided.
このような構成によれば、燃料供給路の鉛直方向の下端部に、供給方向の上流側よりも下流側が鉛直方向の上側に位置するように形成される第1排液ガイド部が設けられているので、燃料電池のメンテナンス時において、液体燃料が、第1排液ガイド部により、供給方向の上流側に向かって案内される。そのため、燃料電池内の液体燃料を、燃料電池内から燃料電池外に確実に排出できる。その結果、燃料電池のメンテナンス性のさらなる向上を図ることができる。 According to such a configuration, the first drainage guide portion formed so that the downstream side is located on the upper side in the vertical direction from the upstream side in the supply direction is provided at the lower end portion in the vertical direction of the fuel supply path. Therefore, during the maintenance of the fuel cell, the liquid fuel is guided toward the upstream side in the supply direction by the first drain guide part. Therefore, the liquid fuel in the fuel cell can be reliably discharged from the fuel cell to the outside of the fuel cell. As a result, it is possible to further improve the maintainability of the fuel cell.
また、本発明の燃料電池では、前記積層構造体が、前記複数の単位セルの積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれに酸素を供給するための酸素供給路と、前記積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれから排気するための排気路とを有し、前記排気路の鉛直方向の下端部には、前記排出方向の上流側よりも、前記排出方向の下流側が鉛直方向の下側に位置するように形成される第2排液ガイド部が設けられていることが好適である。 In the fuel cell of the present invention, the stacked structure passes through the plurality of unit cells in the stacking direction of the plurality of unit cells, and supplies oxygen to each of the plurality of unit cells. And an exhaust passage for passing through the plurality of unit cells in the stacking direction and exhausting from each of the plurality of unit cells, and at a lower end portion in the vertical direction of the exhaust passage, It is preferable that a second drainage guide portion is provided so that the downstream side in the discharge direction is positioned below the vertical direction rather than the upstream side.
このような構成によれば、積層構造体が酸素供給路と排気路とを有しているので、各単位セルに確実に酸素を供給および排出することができる。そのため、各単位セルに液体燃料および酸素を確実に供給および排出できるので、各単位セルの発電効率の向上を図ることができ、ひいては、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。 According to such a configuration, since the laminated structure has the oxygen supply path and the exhaust path, oxygen can be reliably supplied to and discharged from each unit cell. Therefore, since liquid fuel and oxygen can be reliably supplied to and discharged from each unit cell, the power generation efficiency of each unit cell can be improved, and consequently the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.
しかるに、液体燃料を使用する燃料電池では、液体燃料が、膜電極接合体を透過するクロスオーバーが生じる場合がある。そして、クロスオーバーした液体燃料が、膜電極接合体の酸素側電極に対する酸素の供給を阻害するので、燃料電池の起電力が低下する。 However, in a fuel cell using liquid fuel, a crossover may occur in which the liquid fuel passes through the membrane electrode assembly. And since the liquid fuel which crossed over inhibits supply of oxygen with respect to the oxygen side electrode of a membrane electrode assembly, the electromotive force of a fuel cell falls.
一方、上記の構成によれば、クロスオーバーした液体燃料は、酸素の流れに伴って、排気路内に移動され、自重により、排気路の鉛直方向の下端部、すなわち、第2排液ガイド部に到達する。 On the other hand, according to the above configuration, the crossover liquid fuel is moved into the exhaust passage along with the flow of oxygen, and by its own weight, the lower end in the vertical direction of the exhaust passage, that is, the second drainage guide portion. To reach.
そして、第2排液ガイド部が、排出方向の上流側よりも下流側が鉛直方向の下側に位置するように形成されているので、第2排液ガイド部に到達した液体燃料は、第2排液ガイド部により、排出方向の下流側に向かって案内され、燃料電池内から排出される。 And since the 2nd drainage guide part is formed so that the downstream side may be located in the lower side of the perpendicular direction rather than the upstream side of the discharge direction, the liquid fuel that has reached the second drainage guide part is the second It is guided by the drain guide part toward the downstream side in the discharge direction and discharged from the fuel cell.
そのため、クロスオーバーした液体燃料を、燃料電池内から円滑に排出することができ、クロスオーバーした液体燃料が、酸素側電極に対する酸素の供給を阻害することを抑制できる。その結果、燃料電池の起電力の低下を抑制できる。 Therefore, the crossover liquid fuel can be smoothly discharged from the fuel cell, and it is possible to suppress the crossover liquid fuel from inhibiting the supply of oxygen to the oxygen side electrode. As a result, a decrease in the electromotive force of the fuel cell can be suppressed.
本発明の燃料電池によれば、燃料電池内における気泡の滞留を抑制でき、出力の低下を抑制できる。 According to the fuel cell of the present invention, retention of bubbles in the fuel cell can be suppressed, and a decrease in output can be suppressed.
1.電動車両の全体構成
図1は、本発明の燃料電池の第1実施形態が搭載された電動車両の概略構成図を示す。図1において、電動車両1は、燃料電池3およびバッテリ37を選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、車両用燃料電池システムとしての燃料電池システム2を搭載している。
1. 1 is a schematic configuration diagram of an electric vehicle on which the first embodiment of the fuel cell of the present invention is mounted. In FIG. 1, an
燃料電池システム2は、燃料電池3と、燃料給排部4と、空気給排部5と、制御部6と、動力部7とを備えている。
The fuel cell system 2 includes a
なお、以下の説明において、電動車両1および燃料電池3に関し、方向について言及する場合には、電動車両1が水平面に配置されたときの方向を基準とし、具体的には、各図に示した矢印方向を基準とする。つまり、前後方向および左右方向が水平方向であり、上下方向が鉛直方向である。また、前後方向が積層方向の一例である。
(1)燃料電池
燃料電池3は、詳しくは後述するが、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、アニオン交換型燃料電池として構成されている。燃料電池3は、電動車両1の中央下側に配置されている。
In the following description, regarding the
(1) Fuel Cell Although the
また、燃料電池3の出力電圧は、例えば、0.2〜1.5Vであり、出力電流は、例えば、10〜400Aである。なお、これら出力は、単位セル45(後述)1つあたりの出力である。
(2)燃料給排部
燃料給排部4は、燃料電池3に液体燃料を供給するように構成され、電動車両1において燃料電池3の後側に配置されている。
The output voltage of the
(2) Fuel Supply / Discharge Unit The fuel supply / discharge unit 4 is configured to supply liquid fuel to the
燃料給排部4は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク15と、燃料タンク15から供給される液体燃料を燃料電池3に供給するための燃料供給管17と、燃料電池3から排出される液体燃料を燃料供給管17に戻すための還流管16とを備えている。
The fuel supply / discharge unit 4 is discharged from the
燃料タンク15は、電動車両1における後端部に配置され、略ボックス形状に形成されている。
The
燃料タンク15に貯蔵される液体燃料としては、含水素液体燃料が挙げられる。含水素液体燃料は、分子中に水素原子を含有する液体燃料であって、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
Examples of the liquid fuel stored in the
ヒドラジン類として、具体的には、例えば、ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、塩酸ヒドラジン(NH2NH2・HCl)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、カルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)などが挙げられる。上記例示の液体燃料は、単独または2種類以上組み合わせて用いることができる。
Specific examples of hydrazines include hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrated hydrazine (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), hydrazine hydrochloride ( NH 2 NH 2 · HCl), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 · H 2 SO 4), monomethyl
上記した燃料化合物のうち、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、COおよびCO2の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。 Among the above fuel compounds, compounds that do not contain carbon, that is, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, etc., do not generate CO and CO 2 , and do not cause catalyst poisoning. Can be achieved, and substantially zero emission can be realized.
また、上記例示の液体燃料としては、上記の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、上記例示の燃料化合物を、例えば、水および/またはアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコールなど)などの溶液として用いることができる。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、1〜90質量%、好ましくは、1〜30質量%である。 Further, as the above exemplified liquid fuel, the above fuel compound may be used as it is. However, the above exemplified fuel compound may be water and / or alcohol (for example, lower alcohol such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol). Etc.). In this case, the concentration of the fuel compound in the solution varies depending on the type of the fuel compound, but is, for example, 1 to 90% by mass, preferably 1 to 30% by mass.
燃料供給管17は、燃料タンク15と燃料電池3とを連結するように設けられ、詳しくは、その一端部(後端部)が燃料タンク15の底壁に接続され、その他端部(前端部)が後述する燃料供給部92に接続されている。
The fuel supply pipe 17 is provided so as to connect the
還流管16は、燃料電池3と燃料供給管17とを連結するように設けられ、詳しくは、その一端部(前端部)が後述する燃料排出部97に接続され、その他端部(下端部)が燃料供給管17の途中、すなわち前後方向略中央部分に接続されている。
The
そのため、燃料電池3、還流管16および燃料供給管17の前側部分は、後述する燃料排出部97から排出される液体燃料が、還流管16および燃料供給管17を介して、再度、後述する燃料供給部92に流れるように形成されるクローズドライン(閉流路)を構成する。これにより、燃料電池3には、液体燃料が循環される。
Therefore, the
また、燃料給排部4には、液体燃料とガス(気体)とを分離するための気液分離器18と、気液分離器18で分離されたガスを排出するためのガス排出管22と、燃料電池3に液体燃料を輸送するための第1燃料輸送ポンプ19および第2燃料輸送ポンプ20とが設けられている。
The fuel supply / discharge unit 4 includes a gas-
気液分離器18は、燃料電池3の後上側において、還流管16の途中に介在されている。気液分離器18は、略ボックス形状に形成されており、その底壁に底部流通口24が2つ形成され、その後壁の上端部に上部流通口25が1つ形成されている。
The gas-
そして、気液分離器18は、2つの底部流通口24が還流管16に接続されることにより、還流管16に介装されている。これにより、気液分離器18は、その内部空間が、クローズドラインの一部を形成している。
The gas-
ガス排出管22は、上部流通口25と電動車両1の外部空間とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部(前端部)が上部流通口25に接続され、その他端部(後端部)が大気に開放されている。
The
第1燃料輸送ポンプ19は、燃料供給管17の後側部分に介在されており、還流管16および燃料供給管17の接続部分と、燃料タンク15との間に配置されている。
The first
第1燃料輸送ポンプ19としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。
Examples of the first
また、第2燃料輸送ポンプ20は、燃料供給管17の前側部分に介在されており、還流管16および燃料供給管17の接続部分と、燃料電池3との間に配置されている。
The second
第2燃料輸送ポンプ20としては、例えば、第1燃料輸送ポンプ19と同様の公知の送液ポンプが挙げられる。
Examples of the second
第1燃料輸送ポンプ19および第2燃料輸送ポンプ20のそれぞれは、コントロールユニット34(後述)に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット34(後述)からの制御信号が、第1燃料輸送ポンプ19および第2燃料輸送ポンプ20のそれぞれに入力され、コントロールユニット34(後述)が、第1燃料輸送ポンプ19および第2燃料輸送ポンプ20のそれぞれの駆動および停止を制御する。
Each of the first
さらに、燃料給排部4には、燃料供給管17を開閉するための燃料供給弁21と、ガス排出管22を開放するためのガス排出弁23とが設けられている。
Further, the fuel supply / discharge section 4 is provided with a
燃料供給弁21は、燃料供給管17の前側部分に介在されており、還流管16および燃料供給管17の接続部分と、第1燃料輸送ポンプ19との間に配置されている。燃料供給弁21としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
The
そして、燃料供給弁21が開放されることにより、燃料タンク15から燃料電池3への液体燃料の供給が可能となり、燃料供給弁21が閉鎖されることにより、燃料タンク15から燃料電池3への液体燃料の供給が規制される。
When the
また、ガス排出弁23は、ガス排出管22の途中に介在されており、ガス排出弁23としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
Moreover, the
そして、ガス排出弁23が開放されることにより、気液分離器18からのガスの排出が可能となり、気液分離器18内の圧力が解放され、ガス排出弁23が閉鎖されることにより、気液分離器18からのガスの排出が規制される。
Then, by opening the
燃料供給弁21およびガス排出弁23のそれぞれは、コントロールユニット34(後述)に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット34(後述)からの制御信号が、燃料供給弁21およびガス排出弁23のそれぞれに入力され、コントロールユニット34(後述)が、燃料供給弁21およびガス排出弁23のそれぞれの開閉を制御する。
(3)空気給排部
空気給排部5は、空気を燃料電池3に供給するための空気供給管26と、燃料電池3から排出される空気を外部に排出するための空気排出管27とを備えている。
Each of the
(3) Air Supply / Exhaust Unit The air supply / exhaust unit 5 includes an
空気供給管26は、電動車両1の外部空間と燃料電池3とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部(前端部)が大気に開放され、他端部(後端部)が酸素供給部95(後述)に接続されている。
The
また、空気排出管27は、電動車両1の外部空間と燃料電池3とを連通するように設けられ、詳しくは、その一端部(前端部)が大気に開放され(ドレン)、他端部(後端部)が排気部94(後述)に接続されている。
The
また、空気給排部5には、燃料電池3に空気を送るための空気供給ポンプ28と、クロスオーバー(後述)した液体燃料を回収するための燃料回収部31とが設けられている。
The air supply / discharge unit 5 is provided with an
空気供給ポンプ28は、空気供給管26の前側部分に介在されている。空気供給ポンプ28としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。空気供給ポンプ28は、コントロールユニット34(後述)に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット34(後述)からの制御信号が、空気供給ポンプ28に入力され、コントロールユニット34(後述)が、空気供給ポンプ28の駆動および停止を制御する。
The
燃料回収部31は、空気排出管27の後側部分に介在されており、燃料電池3に対して、空気排出管27内の空気の流れ方向下流側に配置されている。燃料回収部31は、略ボックス形状に形成されており、その後壁における上端部に流入口32が形成され、その前壁における上端部に排気口33が形成されている。
The
そして、燃料回収部31は、流入口32および排気口33のそれぞれが空気排出管27に接続されることにより、空気排出管27に介装されている。
The
さらに、空気給排部5には、空気供給管26を開閉するための空気供給弁29と、空気排出管27を開閉するための空気排出弁30とが設けられている。
Further, the air supply / discharge section 5 is provided with an
空気供給弁29は、空気供給管26の後側部分に介在されており、空気供給ポンプ28と燃料電池3との間に配置されている。空気供給弁29としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
The
そして、空気供給弁29が開放されることにより、燃料電池3への空気の供給が可能となり、空気供給弁29が閉鎖されることにより、燃料電池3への空気の供給が規制される。
When the
空気排出弁30は、空気排出管27の後側部分に介在されており、燃料回収部31に対して空気の流れ方向下流側に配置されている。空気排出弁30としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。
The
そして、空気排出弁30が開放されることにより、燃料電池3からの空気の排出が可能となり、空気排出弁30が閉鎖されることにより、燃料電池3からの空気の排出が規制される。
When the
空気供給弁29および空気排出弁30のそれぞれは、コントロールユニット34(後述)に電気的に接続されている(図1の破線参照)。これにより、コントロールユニット34(後述)からの制御信号が、空気供給弁29および空気排出弁30のそれぞれに入力され、コントロールユニット34(後述)が、空気供給弁29および空気排出弁30のそれぞれの開閉を制御する。
(4)制御部
制御部6は、燃料電池システム2を制御するためのコントロールユニット34を備えている。
Each of the
(4) Control Unit The control unit 6 includes a
コントロールユニット34は、電動車両1における電気的な制御を実行するユニット(例えば、ECU:Electronic Control Unit)であり、CPU、ROMおよびRAMなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
(5)動力部
動力部7は、燃料電池3から出力される電気エネルギーを電動車両1の駆動力として機械エネルギーに変換するためのモータ35と、モータ35に電気的に接続されるインバータ36と、モータ35による回生エネルギーを蓄電するための動力用バッテリ37と、DC/DCコンバータ38とを備えている。
The
(5) Power unit The
モータ35は、電動車両1の前端部に配置されており、燃料電池3よりも前側に配置されている。モータ35としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
The
インバータ36は、モータ35と燃料電池3との間に配置されている。インバータ36は、燃料電池3で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、インバータ36としては、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置などが挙げられる。また、インバータ36は、配線により、燃料電池3およびモータ35にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット34と電気的に接続されており、これにより、燃料電池3の発電を制御している。
The
動力用バッテリ37としては、例えば、定格電圧が100V程度のニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。また、動力用バッテリ37は、インバータ36と燃料電池3との間の配線に接続されている。これにより、動力用バッテリ37は、燃料電池3からの電力を蓄電可能、かつ、モータ35に電力を供給可能に構成されている。
As the power battery 37, for example, a nickel hydride battery having a rated voltage of about 100V, a known secondary battery such as a lithium ion battery, and the like can be cited. The power battery 37 is connected to the wiring between the
DC/DCコンバータ38は、動力用バッテリ37と燃料電池3との間に配置されている。DC/DCコンバータ38は、燃料電池3の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池3の電力および動力用バッテリ37の入出力電力を調整する機能を有している。
The DC /
そして、DC/DCコンバータ38は、コントロールユニット34と電気的に接続されており(図1の破線参照)、これにより、コントロールユニット34から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池3の出力(出力電圧)を制御する。
The DC /
また、DC/DCコンバータ38は、配線により、燃料電池3および動力用バッテリ37にそれぞれ電気的に接続されるとともに、配線の分岐により、インバータ36に電気的に接続されている。
Further, the DC /
これにより、DC/DCコンバータ38からモータ35への電力は、インバータ36において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ35に供給される。
2.燃料電池の詳細
燃料電池3は、図2に示すように、積層構造体の一例としてのセルスタック10と、セルスタック10を挟むように設けられる1対のカバー11とを備えている。
As a result, power from the DC /
2. 2. Details of Fuel Cell As shown in FIG. 2, the
セルスタック10は、複数の単位セル45が前後方向に積層されて形成されている。
The
各単位セル45は、膜電極接合体46と、1対のセパレータの一例としてのアノード側セパレータ47およびカソード側セパレータ48とを備えている。
Each
膜電極接合体46は、左右方向に延びる正面視略矩形状の略平板形状に形成されており、電解質層50と、電解質層50を挟んで前後方向に対向配置される燃料側電極としてのアノード電極51、および、酸素側電極としてのカソード電極52とを備えている。
The
電解質層50は、アニオン交換型の高分子電解質膜から形成されている。電解質層50の膜厚は、例えば、10〜100μmである。
The
アノード電極51は、電解質層50の後面すべてにおいて、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、アノード電極51として形成することもできる。アノード電極51は、例えば、10〜200μm、好ましくは、20〜100μmの厚みで形成されている。
The
カソード電極52は、電解質層50の前面すべてにおいて、例えば、アノード電極51と同様に、触媒を担持した触媒担体により形成されている。カソード電極52は、例えば、10〜300μm、好ましくは、20〜150μmの厚みで形成されている。
The
アノード側セパレータ47は、膜電極接合体46の後側に隣接配置されており、アノード側セパレータ本体53と、アノード側シール54とを備えている。
The anode-
アノード側セパレータ本体53は、膜電極接合体46よりも大きな正面視略矩形状の略平板形状に形成されている。
The anode-
アノード側セパレータ本体53の下端部には、図2〜図4に示すように、燃料供給口の一例としてのアノード側燃料供給口55と、アノード側冷却媒体供給口56と、アノード側排気口57とが左右方向に並ぶように形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, an anode side
アノード側燃料供給口55は、図2に示すように、後述する燃料流路62に液体燃料を供給するための開口部であって、アノード側セパレータ本体53の右下側端部に配置されている。アノード側燃料供給口55は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
As shown in FIG. 2, the anode side
アノード側冷却媒体供給口56は、後述する第1冷却媒体流路63に冷却媒体を供給するための開口部であって、アノード側セパレータ本体53の下端部の左右方向中央に配置されている。アノード側冷却媒体供給口56は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
アノード側排気口57は、図4(a)および図4(b)に示すように、後述する酸素流路79から排気させるための開口部であって、アノード側セパレータ本体53の左下側端部に配置されている。アノード側排気口57は、正面視略略矩形状に貫通形成されている。
The anode side cooling
As shown in FIGS. 4A and 4B, the anode
また、アノード側セパレータ本体53の上端部には、図2に示すように、燃料排出口の一例としてのアノード側燃料排出口58と、アノード側冷却媒体排出口59と、アノード側酸素供給口60とが左右方向に並ぶように形成されている。
Further, as shown in FIG. 2, an anode side
アノード側燃料排出口58は、後述する燃料流路62から液体燃料を排出させるための開口部であって、アノード側セパレータ本体53の左上側端部に配置されている。アノード側燃料排出口58は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The anode-side
アノード側冷却媒体排出口59は、後述する第1冷却媒体流路63から冷却媒体を排出させるための開口部であって、アノード側セパレータ本体53の上端部の左右方向中央に配置されている。アノード側冷却媒体排出口59は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The anode-side cooling
アノード側酸素供給口60は、後述する酸素流路79に酸素を供給するための開口部であって、アノード側セパレータ本体53の右上側端部に配置されている。アノード側酸素供給口60は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The anode-side
また、アノード側セパレータ本体53には、その前面に燃料流路形成領域A1が区画され、その背面に第1冷却媒体流路形成領域(図示せず)が区画されている。
Further, the
燃料流路形成領域A1は、アノード側セパレータ本体53の前面における中央部分に配置されている。燃料流路形成領域A1は、膜電極接合体46と略同一の形状およびサイズに形成され、具体的には、左右方向に延びる正面視略矩形状に形成されている。
The fuel flow path forming region A <b> 1 is disposed at the central portion on the front surface of the anode separator
燃料流路形成領域A1には、複数の燃料流路62が形成されている。複数の燃料流路62のそれぞれは、燃料流路形成領域A1の前面から後方に向かって凹み、上下に延びる溝部として形成されており、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。
A plurality of
第1冷却媒体流路形成領域(図示せず)は、アノード側セパレータ本体53の後面における中央部分に配置されている。また、図示しないが、第1冷却媒体流路形成領域(図示せず)は、その下端部がアノード側冷却媒体供給口56と連通しており、その上端部がアノード側冷却媒体排出口59と連通している。
The first cooling medium flow path forming region (not shown) is disposed at the central portion on the rear surface of the anode-
また、第1冷却媒体流路形成領域(図示せず)には、図3(b)に示すように、複数の第1冷却媒体流路63が形成されている。第1冷却媒体流路63は、第1冷却媒体流路形成領域(図示せず)の後面から前方に向かって凹み、上下に延びる溝部として形成されており、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。
Further, as shown in FIG. 3B, a plurality of first cooling
また、アノード側セパレータ本体53の後面には、薄肉部64が形成されている。
A
薄肉部64は、前後方向(アノード側セパレータ47の厚み方向)に投影したときに、燃料流路形成領域A1の投影面の端縁と、アノード側燃料供給口55およびアノード側燃料排出口58のそれぞれの投影面の端縁との間の領域の2箇所に形成されている。なお、図2では、薄肉部64を便宜上省略している。
When the
薄肉部64は、アノード側セパレータ本体53の後面から前方に向かって凹むように形成され、アノード側セパレータ本体53の厚みが薄肉化されている。薄肉部64は、アノード側燃料供給口55およびアノード側燃料排出口58のそれぞれに臨むように形成されている。
The
また、薄肉部64には、アノード側燃料供給口55およびアノード側燃料排出口58により給排される液体燃料を通過させるための燃料用貫通孔65が形成されている。
The
より具体的には、アノード側燃料供給口55に臨む薄肉部64に形成される燃料用貫通孔65は、アノード側燃料供給口55と燃料流路62の下端部とを連通させるように、アノード側セパレータ本体53を貫通して形成されている。また、アノード側燃料排出口58に臨む薄肉部64に形成される燃料用貫通孔65は、アノード側燃料排出口58と燃料流路62の上端部とを連通させるように、アノード側セパレータ本体53を貫通して形成されている。
More specifically, the fuel through
アノード側シール54は、図2および図3に示すように、アノード側セパレータ本体53の前面に密着固定されており、アノード側拡散層66と、アノード側シール部分67とを一体的に備えている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the anode-
アノード側拡散層66は、例えば、カーボンペーパーあるいはカーボンクロスなどが、必要によりフッ素処理されている硬質のガス透過性材料から形成され、正面視略矩形状の略矩形平板形状に形成されている。また、アノード側拡散層66は、膜電極接合体46と略同一の形状およびサイズに形成され、具体的には、左右方向に延びる正面視略矩形状に形成されている。また、アノード側拡散層66は、燃料流路形成領域A1と前後方向に対向配置されている。
The anode-
アノード側シール部分67は、例えば、ゴムなどの弾性を有する材料から形成されており、アノード側拡散層66の周囲を囲むように設けられ、アノード側拡散層66の周端部に接合されている。また、アノード側シール部分67は、その前後方向長さ(厚み)が、アノード側拡散層66の前後方向長さ(厚み)よりも長くなるように形成されており、アノード側拡散層66よりも前側に膨出している。
The anode
また、アノード側シール部分67には、アノード側拡散層66よりも下側において、3つの第1開口部68が、左右方向に並ぶように形成されている。第1開口部68は、アノード側燃料供給口55、アノード側冷却媒体供給口56およびアノード側排気口57のそれぞれに対応して配置され、アノード側シール部分67を前後方向に貫通して形成されている。3つの第1開口部68のそれぞれは、前後方向に投影したときに、対応するアノード側燃料供給口55、アノード側冷却媒体供給口56およびアノード側排気口57のそれぞれと一致する形状およびサイズに形成されている。なお、アノード側燃料供給口55に対応する第1開口部68が、燃料供給口の一例として対応し、アノード側排気口57に対応する第1開口部68が、酸素排出口の一例として対応する。
In the anode-
そして、3つの第1開口部68のそれぞれは、図3および図4に示すように、対応するアノード側燃料供給口55、アノード側冷却媒体供給口56およびアノード側排気口57のそれぞれと、前後方向に互いに連通するように隣接配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, each of the three
また、アノード側シール部分67には、図2に示すように、アノード側拡散層66よりも上側において、3つの第2開口部69が、左右方向に並ぶように形成されている。第2開口部69は、アノード側燃料排出口58、アノード側冷却媒体排出口59およびアノード側酸素供給口60のそれぞれに対応して配置され、アノード側シール部分67を前後方向に貫通して形成されている。3つの第2開口部69のそれぞれは、前後方向に投影したときに、対応するアノード側燃料排出口58、アノード側冷却媒体排出口59およびアノード側酸素供給口60のそれぞれと一致する形状およびサイズに形成されている。なお、アノード側燃料排出口58に対応する第2開口部69が、燃料排出口の一例として対応し、アノード側酸素供給口60に対応する第2開口部69が、酸素供給口の一例として対応する。
Further, as shown in FIG. 2, three
そして、3つの第2開口部69のそれぞれは、図3および図4に示すように、対応するアノード側燃料排出口58、アノード側冷却媒体排出口59およびアノード側酸素供給口60のそれぞれと、前後方向に互いに連通するように隣接配置されている。
Each of the three
カソード側セパレータ48は、図2に示すように、膜電極接合体46の前側に隣接配置されている。つまり、アノード側セパレータ47およびカソード側セパレータ48は、膜電極接合体46を挟むように、前後方向に対向配置されている。
As shown in FIG. 2, the
カソード側セパレータ48は、カソード側セパレータ本体70と、カソード側シール71とを備えている。
The
カソード側セパレータ本体70は、アノード側セパレータ47と同様に、膜電極接合体46よりも大きな正面視略矩形状の略平板形状に形成されている。
Similarly to the anode-
また、カソード側セパレータ本体70の下端部には、燃料供給口の一例としてのカソード側燃料供給口72と、カソード側冷却媒体供給口73と、カソード側排気口74とが左右方向に並ぶように形成されている。
Further, a cathode side
カソード側燃料供給口72は、燃料流路62に燃料を供給するための開口部であって、カソード側セパレータ本体70の右下側端部に配置されている。カソード側燃料供給口72は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The cathode side
カソード側冷却媒体供給口73は、後述する第2冷却媒体流路78に冷却媒体を供給するための開口部であって、カソード側セパレータ本体70の下端部の左右方向中央に配置されている。カソード側冷却媒体供給口73は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The cathode side cooling
カソード側排気口74は、後述する酸素流路79から排気させるための開口部であって、カソード側セパレータ本体70の左下側端部に配置されている。カソード側排気口74は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The cathode
また、カソード側セパレータ本体70の上端部には、アノード側セパレータ47と同様に、燃料排出口の一例としてのカソード側燃料排出口75と、カソード側冷却媒体排出口76と、カソード側酸素供給口77とが左右方向に並ぶように形成されている。
Similarly to the
カソード側燃料排出口75は、燃料流路62から液体燃料を排出させるための開口部であって、カソード側セパレータ本体70の左上側端部に配置されている。カソード側燃料排出口75は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The cathode side
カソード側冷却媒体排出口76は、後述する第2冷却媒体流路78から冷却媒体を排出させるための開口部であって、カソード側セパレータ本体70の上端部の左右方向中央に配置されている。カソード側冷却媒体排出口76は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The cathode side cooling
カソード側酸素供給口77は、後述する酸素流路79に酸素を供給するための開口部であって、カソード側セパレータ本体70の右上側端部に配置されている。カソード側酸素供給口77は、正面視略矩形状に貫通形成されている。
The cathode side
また、カソード側セパレータ本体70には、その前面に第2冷却媒体形成領域A2が区画され、その後面に酸素流路形成領域(図示せず)が区画されている。
Further, the cathode
第2冷却媒体形成領域A2は、カソード側セパレータ本体70の前面における中央部分に配置されている。また、図示しないが、第2冷却媒体形成領域A2は、その下端部がカソード側冷却媒体供給口73と連通しており、その上端部がカソード側冷却媒体排出口76と連通している。
The second cooling medium formation region A2 is disposed at the central portion of the front surface of the
また、第2冷却媒体形成領域A2には、複数の第2冷却媒体流路78が形成されている。複数の第2冷却媒体流路78のそれぞれは、第2冷却媒体形成領域A2の前面から後方に向かって凹み、上下に延びる溝部として形成されており、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。
In addition, a plurality of second cooling
また、酸素流路形成領域(図示せず)は、カソード側セパレータ本体70の後面おける中央部分に配置されている。また、図示しないが、酸素流路形成領域(図示せず)は、膜電極接合体46と略同一の形状およびサイズに形成され、具体的には、左右方向に延びる正面視略矩形状に形成されている。
Further, the oxygen flow path forming region (not shown) is disposed in the central portion on the rear surface of the
また、酸素流路形成領域(図示せず)には、複数の酸素流路79が形成されている。複数の酸素流路79のそれぞれは、酸素流路形成領域(図示せず)の後面から前方に向かって凹み、上下に延びる溝部として形成されており、左右方向に互いに間隔を隔てて並列配置されている。
In addition, a plurality of
また、カソード側セパレータ本体70の前面には、図4(b)に示すように、アノード側セパレータ47の後面と同様に、薄肉部80が形成されている。
Further, as shown in FIG. 4B, a
薄肉部80は、前後方向(カソード側セパレータ48の厚み方向)に投影したときに、第2冷却媒体形成領域A2の投影面の端縁と、カソード側酸素供給口77およびカソード側排気口74のそれぞれの投影面の端縁との間の領域の2箇所に形成されている。なお、図2では、薄肉部80を便宜上省略している。
When the
薄肉部80は、図4(b)に示すように、カソード側セパレータ本体70の前面から後方に向かって凹むように形成され、カソード側セパレータ本体70の厚みが薄肉化されている。薄肉部80は、カソード側酸素供給口77およびカソード側排気口74のそれぞれに臨むように形成されている。
As shown in FIG. 4B, the
また、薄肉部80には、カソード側酸素供給口77およびカソード側排気口74により給排される液体燃料を通過させるための酸素用貫通孔81が形成されている。
In addition, the
より具体的には、カソード側酸素供給口77に臨む薄肉部80に形成される酸素用貫通孔81は、カソード側酸素供給口77と酸素流路79の上端部とを連通させるように、カソード側セパレータ本体70を貫通して形成されている。また、カソード側排気口74に臨む薄肉部80に形成される酸素用貫通孔81は、カソード側排気口74と酸素流路79の下端部とを連通させるように、カソード側セパレータ本体70を貫通して形成されている。
More specifically, the oxygen through-
カソード側シール71は、図2および図4に示すように、カソード側セパレータ本体70の後面に密着固定されており、カソード側拡散層82と、カソード側シール部分83とを一体的に備えている。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
カソード側拡散層82は、図2に示すように、例えば、アノード側拡散層66と同様の硬質のガス透過性材料から形成され、正面視略矩形状の略矩形平板形状に形成されている。また、カソード側拡散層82は、膜電極接合体46と略同一の形状およびサイズに形成され、具体的には、左右方向に延びる正面視略矩形状に形成されている。また、カソード側拡散層82は、酸素流路形成領域(図示せず)と前後方向に対向配置されている。
As shown in FIG. 2, the cathode
カソード側シール部分83は、例えば、ゴムなどの弾性を有する材料から形成されており、カソード側拡散層82の周囲を囲むように設けられ、カソード側拡散層82の周端部に接合されている。また、カソード側シール部分83は、その前後方向(厚み方向)長さが、カソード側拡散層82の前後方向長さよりも長くなるように形成されており、カソード側拡散層82よりも後側に膨出している。
The cathode-
また、カソード側シール部分83には、カソード側拡散層82よりも下側において、3つの第3開口部84が、左右方向に並ぶように形成されている。第3開口部84は、カソード側燃料供給口72、カソード側冷却媒体供給口73およびカソード側排気口74のそれぞれに対応して配置され、カソード側シール部分83を前後方向に貫通して形成されている。3つの第3開口部84のそれぞれは、前後方向に投影したときに、対応するカソード側燃料供給口72、カソード側冷却媒体供給口73およびカソード側排気口74のそれぞれと一致する形状およびサイズに形成されている。なお、カソード側燃料供給口72に対応する第3開口部84が、燃料供給口の一例として対応し、カソード側排気口74に対応する第3開口部84が、酸素排出口の一例として対応する。
Further, in the cathode-
そして、3つの第3開口部84のそれぞれは、図3および図4に示すように、対応するカソード側燃料供給口72、カソード側冷却媒体供給口73およびカソード側排気口74のそれぞれと前後方向に互いに連通するように、対応するカソード側燃料供給口72、カソード側冷却媒体供給口73およびカソード側排気口74の後側に隣接配置されるとともに、3つの第1開口部68のぞれぞれと前後方向に互いに連通するように、3つの第1開口部68の前側に隣接配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, each of the three
また、カソード側シール部分83には、図2に示すように、カソード側拡散層82よりも上側において、3つの第4開口部85が、左右方向に並ぶように形成されている。第4開口部85は、カソード側燃料排出口75、カソード側冷却媒体排出口76およびカソード側酸素供給口77のそれぞれに対応して配置され、カソード側シール部分83を前後方向に貫通して形成されている。3つの第4開口部85のそれぞれは、前後方向に投影したときに、対応するカソード側燃料排出口75、カソード側冷却媒体排出口76およびカソード側酸素供給口77のそれぞれと一致する形状およびサイズに形成されている。なお、カソード側燃料排出口75に対応する第4開口部85が、燃料排出口の一例として対応し、カソード側酸素供給口77に対応する第4開口部85が、酸素供給口の一例として対応する。
Further, as shown in FIG. 2, the cathode
そして、3つの第4開口部85のそれぞれは、図3および図4に示すように、対応するカソード側燃料排出口75、カソード側冷却媒体排出口76およびカソード側酸素供給口77のそれぞれと前後方向に互いに連通するように、対応するカソード側燃料排出口75、カソード側冷却媒体排出口76およびカソード側酸素供給口77の後側に隣接配置されるとともに、3つの第2開口部69のぞれぞれと前後方向に互いに連通するように、3つの第2開口部69の前側に隣接配置されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, each of the three
このような単位セル45は、上記し、図3および図4に示すように、前後方向に積層され、セルスタック10を構成する。
セルスタック10には、図3(b)に示すように、各単位セル45のアノード電極51に液体燃料を供給するための燃料供給路88と、各単位セル45のアノード電極51から液体燃料を排出するための燃料排出路90とが形成されている。
As shown in FIG. 3 (b), the
燃料供給路88は、セルスタック10の右下端部において、前後方向に複数の単位セル45を貫通(通過)するように形成されている。詳しくは、燃料供給路88は、各単位セル45のカソード側燃料供給口72、第3開口部84、第1開口部68およびアノード側燃料供給口55が前後方向に互いに連通することにより形成されている。
The
燃料排出路90は、セルスタック10の左上端部において、前後方向に複数の単位セル45を貫通(通過)するように形成されている。詳しくは、燃料排出路90は、各単位セル45のアノード側燃料排出口58、第2開口部69、第4開口部85およびカソード側燃料排出口75が前後方向に互いに連通することにより形成されている。
The
また、燃料供給路88および燃料排出路90は、各単位セル45の上下2つの燃料用貫通孔65および燃料流路62を介して互いに連通している。
Further, the
また、セルスタック10には、図4(b)に示すように、各単位セル45のカソード電極52に酸素を供給するための酸素供給路91と、各単位セル45のカソード電極52から排気するための排気路89とが形成されている。
Further, as shown in FIG. 4B, the
酸素供給路91は、セルスタック10の右上端部において、前後方向に複数の単位セル45を貫通(通過)するように形成されている。詳しくは、酸素供給路91は、各単位セル45のカソード側酸素供給口77、第4開口部85、第2開口部69およびアノード側酸素供給口60が前後方向に互いに連通することにより形成されている。
The
排気路89は、セルスタック10の左下端部において、前後方向に複数の単位セル45を貫通(通過)するように形成されている。詳しくは、排気路89は、各単位セル45のアノード側排気口57、第1開口部68、第3開口部84およびカソード側排気口74が前後方向に互いに連通することにより形成されている。
The
また、酸素供給路91および排気路89は、各単位セル45の上下2つの酸素用貫通孔81および酸素流路79を介して互いに連通している。
Further, the
また、セルスタック10には、図示しないが、各単位セル45の第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給路と、各単位セル45の第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78から冷却媒体を排出するための冷却媒体排出路とが形成されている。
Although not shown, the
冷却媒体供給路(図示せず)は、セルスタック10の下端部における左右方向中央において、前後方向に複数の単位セル45を貫通(通過)するように形成されている。詳しくは、冷却媒体供給路(図示せず)は、図2に示すように、各単位セル45のカソード側冷却媒体供給口73、第3開口部84、第1開口部68およびアノード側冷却媒体供給口56が前後方向に互いに連通することにより形成されている。冷却媒体排出路(図示せず)は、セルスタック10の上端部における左右方向中央において、前後方向に複数の単位セル45を貫通(通過)するように形成されている。詳しくは、冷却媒体排出路(図示せず)は、各単位セル45のアノード側冷却媒体排出口59、第2開口部69、第4開口部85およびカソード側冷却媒体排出口76が前後方向に互いに連通することにより形成されている。
The cooling medium supply path (not shown) is formed so as to penetrate (pass) the plurality of
また、冷却媒体供給路(図示せず)および冷却媒体排出路(図示せず)は、各単位セル45の第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78を介して互いに連通している。
Further, the cooling medium supply path (not shown) and the cooling medium discharge path (not shown) communicate with each other via the first cooling
なお、互いに前後方向に隣接されるアノード側セパレータ本体53とカソード側セパレータ本体70との間には、図示しないシール部材が介在されている。シール部材(図示せず)は、少なくとも、アノード側燃料供給口55およびカソード側燃料供給口72と、アノード側燃料排出口58およびカソード側燃料排出口75と、アノード側酸素供給口60およびカソード側酸素供給口77と、アノード側排気口57およびカソード側排気口74とを囲むように設けられ、アノード側冷却媒体供給口56およびアノード側冷却媒体排出口59による第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78への冷却媒体の通過を許容する。
A seal member (not shown) is interposed between the anode-
1対のカバー11は、正面視略矩形状の略平板形状に形成され、アノード側セパレータ47およびカソード側セパレータ本体70のぞれぞれと同一のサイズに形成されている。
The pair of
また、前側のカバー11には、図2に示すように、6つの貫通穴98が形成されており、燃料供給部92と、冷却媒体供給部93と、排気部94と、燃料排出部97と、冷却媒体排出部96と、酸素供給部95とが設けられている。
In addition, as shown in FIG. 2, six through
6つの貫通穴98は、前側のカバー11の上側部分と下側部分とのそれぞれに3つずつ形成されている。具体的には、前側のカバー11の上側部分に形成される貫通穴98は、右側から左側に向かって順に、酸素供給路91、冷却媒体排出路(図示せず)および燃料排出路90のそれぞれに対応して形成され、左右方向に互いに間隔を隔てて形成されている(図3および図4参照)。
Three through
また、前側のカバー11の下側部分に形成される貫通穴98は、右側から左側に向かって順に、燃料供給路88、冷却媒体供給路(図示せず)および排気路89のそれぞれに対応して形成され、左右方向に互いに間隔を隔てて形成されている(図3および図4参照)。また、各貫通穴98は、正面視略円形状に形成され、カバー11を前後方向に貫通して形成されている。
Further, the through
燃料供給部92は、単位セル45に液体燃料を供給するために設けられ、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。また、燃料供給部92は、図3(b)に示すように、その後端部が右下側の貫通穴98に嵌入されることにより、その内部空間が燃料供給路88の下端部と連通するように、前側のカバー11の右下側端部に配置されている。
The
冷却媒体供給部93は、図2に示すように、単位セル45に冷却媒体を供給するために設けられ、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。また、冷却媒体供給部93は、その後端部が下側中央の貫通穴98に嵌入されることにより、その内部空間が冷却媒体供給路(図示せず)と連通するように、前側のカバー11の下端部の左右方向中央に配置されている。
As shown in FIG. 2, the cooling
排気部94は、単位セル45から酸素を排出させるために設けられ、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。また、排気部94は、図4(b)に示すように、その後端部が左下側の貫通穴98に嵌入されることにより、その内部空間が排気路89の下端部と連通するように、前側のカバー11の左下側端部に配置されている。
The
燃料排出部97は、図2に示すように、単位セル45から燃料を排出させるために設けられ、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。また、燃料排出部97は、図3(b)に示すように、その後端部が左上側の貫通穴98に嵌入されることにより、その内部空間が燃料排出路90の上端部と連通するように、前側のカバー11の左上側端部に配置されている。
As shown in FIG. 2, the
冷却媒体排出部96は、図2に示すように、単位セル45から冷却媒体を排出させるために設けられ、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。また、冷却媒体排出部96は、その後端部が上側中央の貫通穴98に嵌入されることにより、その内部空間が冷却媒体排出路(図示せず)と連通するように、前側のカバー11の上端部の左右方向中央に配置されている。
As shown in FIG. 2, the cooling
酸素供給部95は、単位セル45に酸素を供給するために設けられ、前後方向に延びる略円筒形状に形成されている。また、酸素供給部95は、図4(b)に示すように、その後端部が右上側の貫通穴98に嵌入されることにより、その内部空間が酸素供給路91の上端部と連通されている。
The
なお、前側のカバー11と、それに隣接するカソード側セパレータ本体70との間には、図示しないシール部材が介在されている。シール部材(図示せず)は、少なくとも、カソード側燃料供給口72、カソード側排気口74、カソード側燃料排出口75およびカソード側酸素供給口77を囲むように設けられ、カソード側冷却媒体供給口73による第2冷却媒体流路78への冷却媒体の通過を許容する。
A seal member (not shown) is interposed between the
また、後側のカバー11と、それに隣接するアノード側セパレータ本体53との間には、図示しないシール部材が介在されている。シール部材(図示せず)は、少なくとも、アノード側燃料供給口55、アノード側排気口57、アノード側酸素供給口60およびアノード側燃料排出口58を囲むように設けられ、アノード側冷却媒体供給口56による第1冷却媒体流路63への冷却媒体の通過を許容する。
A seal member (not shown) is interposed between the
また、燃料電池3には、図3(b)および図4(b)に示すように、燃料排出路90、燃料供給路88および排気路89のそれぞれに対応して、3つのインサート部材100が設けられている。なお、燃料排出路90に設けられるインサート部材100が、第1案内部材の一例として対応し、燃料供給路88に設けられるインサート部材100が、第2案内部材の一例として対応し、排気路89に設けられるインサート部材100が、第3案内部材の一例として対応する。
Further, as shown in FIGS. 3B and 4B, the
また、3つのインサート部材100のそれぞれは、すべて同一の構造を有している。そのため、以下のインサート部材100の説明では、燃料排出路90に設けられるインサート部材100を取り上げて、その構成について説明し、燃料排出路90および排気路89のそれぞれに設けられるインサート部材100の説明を省略する。
Each of the three
インサート部材100は、図5に示すように、アノード側セパレータ47およびカソード側セパレータ48とは別部材として構成され、絶縁性の樹脂材料、例えば、エンジニアリングプラスチックなどから形成されている。インサート部材100は、前方に向かうに従って先細りとなる側面視略楔状に形成され、左右方向に扁平するように形成されている。
As shown in FIG. 5, the
詳しくは、インサート部材100は、その上面である水平面102と、その後面である鉛直面103と、その下面であり、気泡案内部の一例としての傾斜面101とを有している。
Specifically, the
水平面102は、前後方向に延びる平面視略矩形状に形成されている。また、水平面102は、その前後左右方向長さが、燃料排出路90の前後左右方向長さと略同じ長さに形成されている。
The
鉛直面103は、水平面102の後端部から連続して、下方に向かって延びる背面視略矩形状に形成されている。また、鉛直面103は、図3(b)に示すように、その上下方向長さが、燃料排出路90の上下方向長さよりも短く形成されている。
The
傾斜面101は、鉛直面103の下端部から連続して、水平面102の前端部に向かって、前上方に延びる平滑面として形成されている。
The
そして、燃料排出路90に設けられるインサート部材100は、水平面102が燃料排出路90の上端面(アノード側燃料排出口58、第2開口部69、第4開口部85およびカソード側燃料排出口75の上端縁)に固定されるとともに、鉛直面103が後側のカバー11の前面に固定されることにより、燃料排出路90内の上端部に固定されている。
In the
これにより、燃料排出路90に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、鉛直面103の下端部から前方に向かうに従って、鉛直方向の上方に向かって傾斜するように形成されており、傾斜面101の前側は、傾斜面101の後側よりも鉛直方向の上側に位置している。また、燃料排出路90に設けられるインサート部材100の前端部は、燃料排出部97の後端部の後側に隣接配置されている。
Thereby, the
また、燃料供給路88に設けられるインサート部材100は、水平面102が燃料供給路88の下端面(カソード側燃料供給口72、第3開口部84、第1開口部68およびアノード側燃料供給口55の下端縁)に固定されるとともに、鉛直面103が後側のカバー11の前面に固定されることにより、燃料供給路88内の下端部に固定されている。
Further, in the
これにより、燃料供給路88に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、鉛直面103の上端部から前方に向かうに従って、鉛直方向の下方に向かって傾斜するように形成されており、傾斜面101の前側は、傾斜面101の後側よりも鉛直方向の下側に位置している。また、燃料供給路88に設けられるインサート部材100の前端部は、燃料供給部92の後端部の後側に隣接配置されている。なお、燃料供給路88に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、第1排液ガイド部の一例として対応する。
Accordingly, the
また、排気路89に設けられるインサート部材100は、図4(b)に示すように、水平面102が排気路89の下端面(アノード側排気口57、第1開口部68、第3開口部84およびカソード側排気口74の下端縁)に固定されるとともに、鉛直面103が後側のカバー11の前面に固定されることにより、排気路89内の下端部に固定されている。
Further, as shown in FIG. 4B, the
これにより、排気路89に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、鉛直面103の上端部から前方に向かうに従って、鉛直方向の下方に向かって傾斜するように形成されており、傾斜面101の前側は、傾斜面101の後側よりも鉛直方向の下側に位置している。また、排気路89に設けられるインサート部材100の前端部は、排気部94の後端部の後側に隣接配置されている。なお、排気路89に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、第2排液ガイド部の一例として対応する。
Thereby, the
また、燃料供給路88、燃料排出路90および排気路89のそれぞれの内部に確保される空間は、上下方向に切断したときの断面積が、後方に向かうに従って小さくなるように形成されている。
In addition, the space secured in each of the
また、この燃料電池3には、さらに、導電性材料によって形成される図示しない集電板が備えられており、集電板(図示せず)に備えられた端子から燃料電池3で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。
3.発電動作
次いで、電動車両1における発電について説明する。
Further, the
3. Power Generation Operation Next, power generation in the
電動車両1では、図1に示すように、発電動作時において、まず、コントロールユニット34からの制御信号により、燃料供給弁21、ガス排出弁23、空気供給弁29および空気排出弁30が開放されるとともに、第1燃料輸送ポンプ19、第2燃料輸送ポンプ20および空気供給ポンプ28が駆動される。
In the
そうすると、燃料タンク15に貯蔵される液体燃料が、第1燃料輸送ポンプ19および第2燃料輸送ポンプ20の駆動により、燃料供給管17を介して、図6(a)に示す燃料供給部92に供給される。また、空気供給ポンプ28の駆動により、空気供給管26に電動車両1の外部から酸素、具体的には、空気が取り込まれ、その空気が、空気供給管26を介して、図6(b)に示す酸素供給部95に供給される。
Then, the liquid fuel stored in the
さらに、図示しないが、冷却媒体(例えば、水)が、冷却媒体供給管(図示せず)を介して、冷却媒体供給部93に供給される。
Further, although not shown, a cooling medium (for example, water) is supplied to the cooling
燃料供給部92に供給された液体燃料は、図6(a)に示すように、燃料供給部92を介して、燃料供給路88に、供給方向X(前側から後側に向かう方向)に沿って供給される。そして、燃料供給路88内に供給された液体燃料は、インサート部材100の傾斜面101の傾斜に沿って移動され、各単位セル45のカソード側燃料供給口72を通過し、アノード側燃料供給口55に到達する。
As shown in FIG. 6A, the liquid fuel supplied to the
そうすると、液体燃料は、矢印で示すように、液体燃料の流圧により、各燃料用貫通孔65に供給された後、各燃料用貫通孔65を通過して、各燃料流路62(燃料流路形成領域A1)の下端部に供給される。
Then, as indicated by arrows, the liquid fuel is supplied to each fuel through-
このとき、燃料供給路88内に確保される空間が、インサート部材100により、後方に向かうに従って小さくなるように形成されているので、燃料供給部92から相対的に遠い燃料供給路88の後側部分においても、液体燃料の流速を確保することができる。そのため、燃料供給路88内において、液体燃料の流圧を一定に保つことができる。
At this time, since the space secured in the
また、燃料流路62に供給された液体燃料は、アノード側拡散層66の後面と接触しながら、燃料流路62に沿って上方に向かって移動され、上側の燃料用貫通孔65に到達する。
Further, the liquid fuel supplied to the
そうすると、液体燃料は、矢印で示すように、各燃料用貫通孔65を通過し、各アノード側燃料排出口58に排出され、燃料排出路90に到達する。そして、燃料排出路90に到達した液体燃料は、排出方向Y(後側から前側に向かう方向)に沿って移動され、各カソード側燃料排出口75を通過して燃料排出部97から排出される。
Then, as shown by the arrows, the liquid fuel passes through each fuel through
また、酸素供給部95に供給された空気は、図6(b)に示すように、酸素供給部95を介して、酸素供給路91に、供給方向X(前側から後側に向かう方向)に沿って供給される。そして、酸素供給路91内に供給された空気は、各単位セル45のアノード側酸素供給口60を通過し、カソード側酸素供給口77に到達する。
Further, as shown in FIG. 6B, the air supplied to the
そうすると、空気は、矢印で示すように、各酸素用貫通孔81に供給された後、各酸素用貫通孔81を通過して、各酸素流路79(酸素流路形成領域(図示せず))の上端部に供給される。
Then, as indicated by the arrows, the air is supplied to each oxygen through
そして、酸素流路79に供給された空気は、カソード側拡散層82の前面と接触しながら、酸素流路79に沿って下方に向かって移動され、下側の酸素用貫通孔81に到達する。
Then, the air supplied to the
そうすると、空気は、矢印で示すように、各酸素用貫通孔81を通過し、各カソード側排気口74に排出され、排気路89に到達する。そして、排気路89に到達した空気は、排出方向Y(後側から前側に向かう方向)に沿って移動され、各アノード側排気口57を通過して排気部94から排出される。
Then, as shown by arrows, the air passes through each oxygen through
そして、上記したように燃料流路62内を流れる液体燃料は、図2および図6(a)に示すように、アノード側拡散層66を介して、アノード電極51に供給される。また、上記したように酸素流路79内を流れる空気中の酸素は、図2および図6(b)に示すように、カソード側拡散層82を介して、カソード電極52に供給される。
Then, as described above, the liquid fuel flowing in the
このとき、液体燃料がメタノールである場合、各単位セル45では、図2および図6(a)に示すように、下記のように発電が行なわれる。すなわち、メタノールが供給されたアノード電極51では、メタノール(CH3OH)と、カソード電極52における反応(後述)で生成した水酸化物イオン(OH−)とが反応して、二酸化炭素(CO2)および水(H2O)が生成するとともに、電子(e−)が発生する(下記反応式(1)参照。)。
At this time, when the liquid fuel is methanol, in each
また、アノード電極51で発生した電子(e−)は、図示しない外部回路を経由してカソード電極52へ供給される。また、生成した水(H2O)は、電解質層50を通過して、アノード電極51からカソード電極52へ移動する。
The electrons (e − ) generated at the
そして、カソード電極52では、電子(e−)と、水(H2O)と、供給された空気中の酸素(O2)とが反応して、水酸化物イオン(OH−)が生成する(下記反応式(2)参照。)。生成した水酸化物イオン(OH−)は、アニオン交換膜からなる電解質層50を、カソード電極52からアノード電極51へ移動する。
In the
このようなアノード電極51およびカソード電極52において、連続的に電気化学的反応が生じ、各単位セル45全体として下記反応式(3)で表わされる反応が生じる。これにより、燃料電池3では、起電力が生じ発電される。
(1) CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e− (アノード電極51での反応)
(2) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極52での反応)
(3) CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (単位セル45全体での反応)
また、液体燃料がヒドラジンである場合、各単位セル45では、下記反応式(4)〜(6)で表される反応が生じ、燃料電池3の発電が行なわれる。
(4) N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e− (アノード電極51での反応)
(5) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極52での反応)
(6) N2H4+O2→N2+2H2O (単位セル45全体での反応)
上記した発電では、アノード電極51において、CO2ガスまたはN2ガスが発生して、燃料流路62内の液体燃料中に気泡Bとして滞留する場合がある。
In such an
(1) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at the anode electrode 51)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 52)
(3) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire unit cell 45)
Further, when the liquid fuel is hydrazine, the reactions represented by the following reaction formulas (4) to (6) occur in each
(4) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at the anode electrode 51)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 52)
(6) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire unit cell 45)
In the power generation described above, CO 2 gas or N 2 gas may be generated at the
このような気泡Bは、図6(a)に示すように、上方に向かう浮力の作用、および、液体燃料の上方に向かう流れによって、上方に向かって移動され、上側の燃料用貫通孔65を通過して、燃料排出路90内に移動される。さらに、燃料排出路90に到達した気泡Bは、浮力により、インサート部材100の傾斜面101に到達する。
As shown in FIG. 6A, such a bubble B is moved upward by the upward buoyant action and the upward flow of the liquid fuel, and passes through the upper fuel through
そして、傾斜面101に到達した気泡Bは、傾斜面101の傾斜に沿って、燃料排出部97に向かって案内され、燃料排出部97から液体燃料とともに燃料電池3外に排出される。
Then, the bubbles B that have reached the
また、冷却媒体供給部93に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給部93を介して、冷却媒体供給路(図示せず)に供給され、さらには、図3(b)に示すように、第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78に供給される。そして、第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78に供給された冷却媒体は、第1冷却媒体流路63および第2冷却媒体流路78を下側から上側に通過した後、冷却媒体排出路(図示せず)に到達し、冷却媒体排出部96から、燃料電池3外に排出される。これにより、各単位セル45が、所定の温度(例えば、−30〜120℃)に冷却される。
4.クロスオーバーした液体燃料の除去動作
燃料電池3では、液体燃料が、膜電極接合体46を、アノード電極51側からカソード電極52側に透過する場合、いわゆる、クロスオーバーする場合がある。
Further, the cooling medium supplied to the cooling
4). Removal Operation of Crossover Liquid Fuel In the
クロスオーバーした液体燃料は、図6(b)に示すように、重力および空気の流れによって、酸素流路79の下端部から、酸素用貫通孔81を通過して、排気路89内に落下する。
As shown in FIG. 6B, the crossed over liquid fuel passes through the oxygen through
排気路89内に落下した液体燃料は、重力により、インサート部材100の傾斜面101に到達する。そして、傾斜面101に到達した液体燃料は、傾斜面101の傾斜に沿って、前下方に向かって移動され、排気部94から、空気とともに燃料電池3外に排出される。
The liquid fuel that has fallen into the
さらに、燃料電池3外に排出された液体燃料は、図1に示すように、空気排出管27を介して、燃料回収部31に到達し、燃料回収部31内に回収される。以上により、クロスオーバーした液体燃料の除去動作が完了する。
5.燃料電池のメンテナンス動作
燃料電池3では、メンテナンス時において、感電防止の観点から燃料電池3内の液体燃料が燃料電池3外に排出される。このような場合、燃料電池3内の液体燃料は、燃料供給部92から排出される。
Further, as shown in FIG. 1, the liquid fuel discharged out of the
5. Maintenance operation of the fuel cell In the
燃料電池3内の液体燃料には、図6(a)に示すように、重力が作用しており、燃料供給路88内の液体燃料は、インサート部材100の傾斜面101に沿って移動され、燃料供給部92から燃料電池3外に排出される。
As shown in FIG. 6A, gravity acts on the liquid fuel in the
なお、燃料排出路90および燃料流路62内の液体燃料は、燃料供給路88内の液体燃料の排出に伴って、重力により、順次、燃料供給路88に移動される。
The liquid fuel in the
そして、燃料電池3内の液体燃料がすべて排出された状態において、燃料電池3がメンテナンスされる。
6.作用効果
燃料電池3において、図6(a)に示すように、セルスタック10には、燃料供給路88と燃料排出路90とが形成されている。そのため、液体燃料を、燃料供給路88および燃料排出路90を介して、セルスタック10の各単位セル45に確実に供給および排出でき、各単位セル45において、発電することができる。
The
6). Action and Effect In the
また、発電により発生する液体燃料中の気泡Bは、液体燃料の流れに伴って、燃料排出路90内に移動され、さらに、燃料排出路90内において、浮力により、燃料排出路90の上端部、すなわち、燃料排出路90内に設けられるインサート部材100の傾斜面101に到達する。
Further, the bubbles B in the liquid fuel generated by the power generation are moved into the
そして、燃料排出路90内に設けられるインサート部材100の傾斜面101が、後側(排出方向Yの上流側)よりも前側(排出方向Yの下流側)が上側に位置するように形成されているので、傾斜面101に到達した気泡Bは、傾斜面101により、排出方向Yの上流側から下流側に向かって案内され、さらには、燃料排出部97を介して、液体燃料とともに燃料電池3内から排出される。
The
その結果、燃料電池3によれば、気泡Bが燃料電池3内の液体燃料中に滞留することを抑制でき、出力の低下を抑制できる。
As a result, according to the
また、燃料排出路90内に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、前側(排出方向Yの下流側)に向かうに従って、上方に向かって傾斜するように形成されている。
Further, the
そのため、傾斜面101に到達した気泡Bは、傾斜面101の傾斜に沿って、後側(排出方向Yの上流側)から前側(下流側)に向かって移動される。つまり、傾斜面101が、傾斜面101に到達した気泡Bを、排出方向Yの下流側に向かって確実に案内することができる。
Therefore, the bubbles B that have reached the
その結果、気泡Bが燃料電池3内の液体燃料中に滞留することを確実に抑制でき、燃料電池3の出力の低下を確実に抑制できる。
As a result, it is possible to reliably suppress the bubbles B from staying in the liquid fuel in the
また、各単位セル45は、図2に示すように、膜電極接合体46と、アノード側セパレータ47およびカソード側セパレータ48とを備えている。そのため、各膜電極接合体46において発電することができながら、アノード側セパレータ47およびカソード側セパレータ48により、互いに隣り合う単位セル45の膜電極接合体46が互いに短絡してしまうことを確実に抑制できる。その結果、燃料電池3の発電効率の向上を図ることができる。
Each
また、セルスタック10において、燃料排出路90は、図3(b)に示すように、アノード側燃料排出口58およびカソード側燃料排出口75が前後方向に互いに連通することにより形成されており、燃料排出路90内には、インサート部材100が設けられている。
Further, in the
そのため、簡易な構成でありながら、インサート部材100の傾斜面101を平滑に形成することができる。その結果、燃料電池3の発電効率の向上を図ることができるとともに、燃料電池3内からの気泡Bの排出の円滑化を図ることができる。
Therefore, the
また、燃料電池3では、燃料排出路90内にインサート部材100が設けられているので、単位セル45の積層数を増加させても、セルスタック10が変形することを抑制できる。
In the
そのため、気泡Bの燃料排出路90内における滞留を確実に抑制できるとともに、燃料電池3のメンテナンス時において、液体燃料が燃料供給路88および燃料排出路90のそれぞれに残留することを抑制でき、燃料電池3のメンテナンス性の向上を図ることができる。つまり、出力電力の向上を図ることができながら、燃料電池3のメンテナンス性の向上を図ることができる。
Therefore, the retention of the bubbles B in the
また、燃料電池3では、燃料供給路88内の下端部に、インサート部材100が設けられており、そのインサート部材100の傾斜面101が、前側(供給方向Xの上流側)よりも、後側(排出方向Yの下流側)が上側に位置するように形成されている。より具体的には、燃料供給路88内に設けられるインサート部材100の傾斜面101は、後側(供給方向Xの下流側)に向かうに従って、上方に向かって傾斜するように形成されている。
Further, in the
そのため、燃料電池3のメンテナンス時において、液体燃料が、燃料供給路88内の傾斜面101の傾斜に沿って、供給方向Xの下流側に向かって案内される。そのため、燃料電池3内の液体燃料を、燃料電池3内から燃料電池3外に確実に排出できる。その結果、燃料電池3のメンテナンス性のさらなる向上を図ることができる。
Therefore, during maintenance of the
また、燃料電池3では、燃料供給路88内の傾斜面101が、インサート部材100により形成されているので、傾斜面101を平滑に形成することができる。
In the
そのため、簡易な構成でありながら、燃料電池3のメンテナンス時において、液体燃料が燃料供給路88内に残存することを抑制でき、燃料電池3内からの液体燃料の排出の円滑化を図ることができる。
Therefore, it is possible to suppress the liquid fuel from remaining in the
また、燃料供給路88内にインサート部材100が設けられているので、単位セル45の積層数が増加しても、セルスタック10が変形することを確実に抑制できる。つまり、出力電力の向上を図ることができながら、燃料電池3のメンテナンス性のさらなる向上を図ることができる。
Further, since the
また、セルスタック10には、図6(b)に示すように、酸素供給路91と排気路89とが形成されている。そのため、各単位セル45に確実に空気(酸素)を供給および排出することができる。その結果、各単位セル45の発電効率の向上を図ることができ、ひいては、燃料電池3の発電効率の向上を図ることができる。
Further, as shown in FIG. 6B, an
また、燃料電池3では、液体燃料が、膜電極接合体46を透過するクロスオーバーが生じる場合がある。このような場合、クロスオーバーした液体燃料は、空気(酸素)の流れに伴って、排気路89内に移動され、重力により、排気路89の下端部、すなわち、インサート部材100の傾斜面101に到達する。
In the
そして、排気路89内のインサート部材100の傾斜面101に到達した液体燃料は、傾斜面101により、前側(排出方向Yの下流側)に向かって案内され、燃料電池3内から排出される。
Then, the liquid fuel that has reached the
そのため、クロスオーバーした液体燃料を、燃料電池3内から円滑に排出することができ、クロスオーバーした液体燃料が、カソード電極52に対する酸素の供給を阻害することを抑制できる。その結果、燃料電池3の起電力の低下を抑制できる。
Therefore, the crossover liquid fuel can be smoothly discharged from the
また、排気路89内のインサート部材100の傾斜面101は、前側(排出方向Y)の下流側に向かうに従って、下方に向かって傾斜するように形成されている。そのため、クロスオーバーした液体燃料が、傾斜面101の傾斜に沿って、後側から前側に向かって移動される。つまり、排気路89内のインサート部材100の傾斜面101が、クロスオーバーした液体燃料を、排出方向Yの下流側に向かって確実に案内することができる。
Further, the
そのため、クロスオーバーした液体燃料を、燃料電池3内からより円滑に排出することができ、燃料電池3の起電力の低下を確実に抑制できる。
Therefore, the liquid fuel that has crossed over can be discharged more smoothly from within the
また、燃料電池3では、排気路89内に、インサート部材100が設けられている。そのため、簡易な構成でありながら、排気路89内のインサート部材100の傾斜面101を平滑に形成することができ、クロスオーバーした液体燃料を、燃料電池3内からより一層円滑に排出することができる。
In the
また、排気路89内のインサート部材100が設けられているので、単位セル45の積層数が増加しても、セルスタック10が変形することをより一層確実に抑制できる。
Moreover, since the
つまり、出力電力の向上を図ることができながら、燃料電池3の起電力の低下をより一層確実に抑制できる。
7.第2実施形態
図7を参照して、本発明の第2実施形態を説明する。なお、第2実施形態において、上記した第1実施形態と同様の部材には同様の符号を付し、その説明を省略する。
That is, it is possible to further reliably suppress a decrease in the electromotive force of the
7). Second Embodiment A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, members similar to those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
上記した第1実施形態では、図3(b)に示すように、燃料排出路90および燃料供給路88のそれぞれにインサート部材100を設け、燃料排出路90に設けられるインサート部材100の傾斜面101が、気泡案内部の一例として機能し、燃料供給路88に設けられるインサート部材100の傾斜面101が、第1排液案内部の一例として機能している。
In the first embodiment described above, as shown in FIG. 3B, the
これに対して、第2実施形態では、燃料排出路90および燃料供給路88のそれぞれにインサート部材100が設けられておらず、燃料排出路90においては、各単位セル45のアノード側燃料排出口58、第2開口部69、第4開口部85およびカソード側燃料排出口75の上端縁(以下、第1端縁110とする。)が、気泡案内部105を形成し、燃料供給路88においては、各単位セル45のカソード側燃料供給口72、第3開口部84、第1開口部68およびアノード側燃料供給口55の下端縁(以下、第2端縁111とする。)が、第1排液案内部106を形成している。
On the other hand, in the second embodiment, the
つまり、気泡案内部105は、複数の単位セル45に対応する複数の第1端縁110から形成され、第1排液案内部106は、複数の単位セル45に対応する複数の第2端縁111から形成されている。
That is, the
詳しくは、気泡案内部105は、前側から後側に向かうに従って、徐々に低くなる複数の段差を形成するように設けられており、互いに隣り合う単位セル45において、後側の単位セル45の第1端縁110が、前側の単位セル45の第1端縁110よりも下側に位置するように設けられている。よって、気泡案内部105は、排出方向Yの上流側よりも下流側の方が上側に位置するように形成されている。
Specifically, the
また、互いに隣り合う単位セル45において、後側の単位セル45のアノード側燃料排出口58、第2開口部69、第4開口部85およびカソード側燃料排出口75の上下方向長さが、前側の単位セル45のアノード側燃料排出口58、第2開口部69、第4開口部85およびカソード側燃料排出口75の上下方向長さよりも短くなるように形成されている。
Further, in the
また、第1排液案内部106は、前側から後側に向かうに従って、徐々に高くなる複数の段差を形成するように、略階段状に形成されている。第1排液案内部106は、互いに隣り合う単位セル45において、前側の単位セル45の第2端縁111が、後側の単位セル45の第2端縁111よりも下側に位置するように設けられている。よって、第1排液案内部106は、供給方向Xの上流側よりも下流側の方が上側に位置するように形成されている。
Moreover, the 1st
また、互いに隣り合う単位セル45において、前側の単位セル45のカソード側燃料供給口72、第3開口部84、第1開口部68およびアノード側燃料供給口55の上下方向長さが、後側の単位セル45のカソード側燃料供給口72、第3開口部84、第1開口部68およびアノード側燃料供給口55の上下方向長さよりも長くなるように形成されている。
Further, in the
また、図示しないが、排気路89においては、各単位セル45のアノード側排気口57、第1開口部68、第3開口部84およびカソード側排気口74の下端縁が、第2排液案内部(図示せず)を形成している。なお、第2排液案内部(図示せず)についても、第1排液案内部106と同様の略階段状に形成されている。
Although not shown, in the
このような第2実施形態においても、上記の第1実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
8.変形例
上記の第2実施形態では、燃料排出路90内にインサート部材100を設けず、気泡案内部105が、複数の第1端縁110から形成されている。より具体的には、第2実施形態では、各単位セル45の第1端縁110が、前後方向に延びるように形成され、気泡案内部105が、前側から後側に向かうに従って、徐々に低くなる複数の段差を形成するように設けられている。
In the second embodiment as described above, the same effects as those in the first embodiment can be obtained.
8). In the second embodiment, the
これに対して、各単位セル45の第1端縁110を、後下方と前上方とを結ぶ方向に延びるように形成し、複数の第1端縁110からなる気泡案内部105を、前方に向かうに従って上方に傾斜する傾斜面として形成することもできる。
On the other hand, the
これによっても、上記の第1実施形態および第2実施形態と同様の作用効果を奏することができる。さらに、第2端縁111についても、第1端縁110と同様に、後下方と前上方とを結ぶ方向に延びるように形成し、複数の第2端縁111からなる第1排液案内部106を、前方に向かうに従ってした方に傾斜する傾斜面として形成することもできる。
Also by this, the same operational effects as those of the first embodiment and the second embodiment can be obtained. Further, similarly to the
一方、上記の第2実施形態および変形例のように、インサート部材100が設けられず、複数の第1端縁110から気泡案内部105が形成される場合には、各部材(アノード側セパレータ本体53、アノード側シール54、カソード側シール71およびカソード側セパレータ本体70)の寸法公差により、気泡案内部105を平滑に形成するには限度がある。
On the other hand, in the case where the
この点、インサート部材100が設けられる上記の第1実施形態では、気泡案内部105が複数の第1端縁110から形成される場合と比較して、気泡案内部の一例として機能する傾斜面101を平滑に形成することができる。
In this respect, in the first embodiment in which the
そのため、第1実施形態は、第2実施形態および変形例と比較して、燃料電池3内からの気泡Bの排出のさらなる円滑化を図ることができる。
Therefore, the first embodiment can further facilitate the discharge of the bubbles B from the
3 燃料電池
10 セルスタック
45 単位セル
46 膜電極接合体
47 アノード側セパレータ
48 カソード側セパレータ
55 アノード側燃料供給口
58 アノード側燃料排出口
68 第1開口部
69 第2開口部
72 カソード側燃料供給口
75 カソード側燃料排出口
84 第3開口部
85 第4開口部
88 燃料供給路
89 排気路
90 燃料排出路
91 酸素供給路
100 インサート部材
101 傾斜面
105 気泡案内部
106 第1排液案内部
X 供給方向
Y 排出方向
B 気泡
3
Claims (4)
前記積層構造体が、
前記複数の単位セルの積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれに液体燃料を供給するための燃料供給路と、
前記積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれから液体燃料を排出するための燃料排出路とを有し、
前記燃料排出路の鉛直方向の上端部には、
液体燃料の排出方向の上流側よりも、前記排出方向の下流側が鉛直方向の上側に位置するように形成される気泡案内部が設けられていることを特徴としている、燃料電池。 A laminated structure formed by laminating a plurality of unit cells in the horizontal direction,
The laminated structure is
A fuel supply path that passes through the plurality of unit cells in the stacking direction of the plurality of unit cells and supplies liquid fuel to each of the plurality of unit cells;
A fuel discharge path for discharging liquid fuel from each of the plurality of unit cells, passing through the plurality of unit cells in the stacking direction,
At the upper end of the fuel discharge path in the vertical direction,
A fuel cell comprising a bubble guide portion formed such that a downstream side in the discharge direction is positioned on an upper side in a vertical direction with respect to an upstream side in a discharge direction of the liquid fuel.
前記排出方向の下流側に向かうに従って、鉛直方向の上方に向かって傾斜するように形成されていることを特徴としている、請求項1に記載の燃料電池。 The bubble guide is
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is formed so as to be inclined upward in the vertical direction toward the downstream side in the discharge direction.
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟むように、前記積層方向に対向配置される1対のセパレータとを備え、
前記1対のセパレータには、
前記単位セルに供給するための液体燃料が通過する燃料供給口と、
前記単位セルから排出された液体燃料が通過する燃料排出口とが形成され、
前記燃料供給路は、
前記複数の単位セルが積層されて、複数の前記燃料供給口が前記積層方向に互いに連通することにより形成され、
前記燃料排出路は、
前記複数の単位セルが積層されて、複数の前記燃料排出口が前記積層方向に互いに連通することにより形成され、
前記気泡案内部は、
前記セパレータとは別部材として構成され、前記燃料排出路内に設けられる第1案内部材により形成されていることを特徴としている、請求項1または2に記載の燃料電池。 Each of the plurality of unit cells is
A membrane electrode assembly;
A pair of separators arranged opposite to each other in the stacking direction so as to sandwich the membrane electrode assembly,
The pair of separators includes
A fuel supply port through which liquid fuel to be supplied to the unit cell passes;
A fuel discharge port through which liquid fuel discharged from the unit cell passes,
The fuel supply path is
The plurality of unit cells are stacked, and the plurality of fuel supply ports are formed by communicating with each other in the stacking direction,
The fuel discharge path is
The plurality of unit cells are stacked, and the plurality of fuel discharge ports are formed by communicating with each other in the stacking direction,
The bubble guide is
3. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is configured as a separate member from the separator and is formed by a first guide member provided in the fuel discharge path. 4.
前記複数の単位セルの積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれに酸素を供給するための酸素供給路と、
前記積層方向に前記複数の単位セルを通過し、前記複数の単位セルのそれぞれから排気するための排気路とを有し、
前記燃料供給路の鉛直方向の下端部には、
液体燃料の供給方向の上流側よりも、前記供給方向の下流側が鉛直方向の上側に位置するように形成される第1排液ガイド部が設けられ、
前記排気路の鉛直方向の下端部には、
前記排出方向の上流側よりも、前記排出方向の下流側が鉛直方向の下側に位置するように形成される第2排液ガイド部が設けられていることを特徴としている、請求項3に記載の燃料電池。 The laminated structure is
An oxygen supply path for passing oxygen through the plurality of unit cells in the stacking direction of the plurality of unit cells and supplying oxygen to each of the plurality of unit cells;
An exhaust path for passing through the plurality of unit cells in the stacking direction and exhausting from each of the plurality of unit cells;
At the lower end of the fuel supply path in the vertical direction,
A first drainage guide portion formed so that the downstream side in the supply direction is positioned on the upper side in the vertical direction from the upstream side in the supply direction of the liquid fuel;
At the lower end in the vertical direction of the exhaust path,
The second drainage guide portion formed so that the downstream side in the discharge direction is located below the vertical direction with respect to the upstream side in the discharge direction is provided. Fuel cell.
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