JP2018116861A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率高める為に、燃料電池において、適切なセル温度の検出の提供。【解決手段】MEA10のカソード側に接する面に発電用空気流路22、反対面に冷却用空気流路24を有するカソード側セパレータ18cと、MEA10のアノード側に接する面に燃料ガス用流路32を有するアノード側セパレータ18aと、セパレータ18cに設けられた温度センサ34と、を備え、セパレータ18cの流路は第1方向直線状に延在し、空気を同方向に流通させ、燃料ガス用流路32は、第1方向に交差する第2方向に延在し、セパレータ18cの流路が設けられた領域30よりも第2方向で外側に位置する燃料ガス供給マニホールド54から燃料ガスが供給され、温度センサは、領域のうちの第1方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、領域を第2方向で6等分したうちの燃料ガス供給マニホールド側とは反対側から5つ目までの領域に設ける温度の検出方法。【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池に関する。
燃料電池の冷却方法として、冷却水を循環させる水冷式の他に、発電用に供給される酸化剤ガスを冷却に用いる空冷式が知られている。燃料電池においては、発電効率を高めるために、セル温度を適切な温度に制御することが望まれる。例えば、セル温度を検出する温度センサを備え、温度センサで検出されたセル温度に基づいて、冷却用に用いられる酸化剤ガスの流量を制御する技術が提案されている(例えば、特許文献1)。
しかしながら、空冷式の燃料電池では、単セルの面内における温度差が大きいことから、温度センサの取り付け位置によっては適切なセル温度を検出できない場合がある。この場合、温度センサで検出されたセル温度に基づいて酸化剤ガスの流量を制御しても発電効率を高めることが難しい。
本発明は、適切なセル温度を検出することを目的とする。
本発明は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に酸化剤ガスが流通する発電用流路を有し、前記膜電極接合体とは反対側の面に前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路を有するカソード側セパレータと、前記膜電極接合体の他方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に燃料ガスが流通する燃料ガス用流路を有するアノード側セパレータと、前記カソード側セパレータに取り付けられた温度センサと、を備え、前記発電用流路及び前記冷却用流路は、前記カソード側セパレータの一端から他端に向かって第1方向に直線状に延在し、前記酸化剤ガスを同じ向きに流通させ、前記燃料ガス用流路は、前記第1方向に交差する第2方向に少なくとも延在し、前記カソード側セパレータの前記発電用流路及び前記冷却用流路が設けられた流路領域よりも前記第2方向で外側に位置する燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガスが供給され、前記温度センサは、前記流路領域のうちの前記第1方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、前記流路領域を前記第2方向で6等分したうちの前記燃料ガス供給マニホールド側とは反対側から5つ目までの領域に設けられている、燃料電池である。
本発明によれば、適切なセル温度を検出することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1は、実施例1に係る燃料電池を構成する単セル100の分解斜視図である。実施例1の燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。実施例1の燃料電池は、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。
図1のように、単セル100は、アノード側セパレータ18a、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)20、カソード側セパレータ18c、及び温度センサ34を備える。MEGA20は、例えば樹脂(エポキシ樹脂やフェノール樹脂など)からなる絶縁部材50の内側に配置されている。MEGA20は、アノード側セパレータ18aとカソード側セパレータ18cとによって挟持されている。すなわち、アノード側セパレータ18a及びカソード側セパレータ18cは、MEGA20に組み付けられている。
カソード側セパレータ18cは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されている。例えば、カソード側セパレータ18cは、プレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属板からなる。カソード側セパレータ18cには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる発電用流路22と冷却用流路24とが形成されている。発電用流路22及び冷却用流路24は、カソード側セパレータ18cの一端から他端に向かって第1方向に直線状に延在し、且つ、第1方向に交差する第2方向で交互に並んでいる。発電用流路22及び冷却用流路24を流通する空気は、カソード側セパレータ18cの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。
発電用流路22は、カソード側セパレータ18cの一端から他端にかけて第1方向に延在して設けられた凹部26によって、カソード側セパレータ18cのMEGA20側の面に形成されている。発電用流路22を流通する空気は、MEGA20に供給されて発電用として用いられる。冷却用流路24は、カソード側セパレータ18cの一端から他端にかけて第1方向に延在し且つ凹部26と第2方向で交互に並んで設けられた凹部28によって、カソード側セパレータ18cのMEGA20とは反対側の面に形成されている。冷却用流路24を流通する空気は、単セル100を冷却する冷却用として用いられる。このように、実施例1の燃料電池は、空冷式の燃料電池である。発電用流路22と冷却用流路24とが第2方向に交互に並んで設けられることで、冷却用流路24をMEGA20の近くに配置することができるようになり、冷却効率を向上させることができる。
発電用流路22と冷却用流路24は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定の深さ及びほぼ一定の幅を有する。また、発電用流路22のピッチ間隔(中心間の距離)と冷却用流路24のピッチ間隔(中心間の距離)は、空気供給口から空気排出口にかけてほぼ一定である。
アノード側セパレータ18aは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成され、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ18aには孔a1、a2が設けられ、絶縁部材50には孔s1、s2が設けられ、カソード側セパレータ18cの両側に設けられた絶縁部材52には孔c1、c2が設けられている。孔a1、s1、c1は連通し、水素を供給する燃料ガス供給マニホールド54を画定する。孔a2、s2、c2は連通し、水素を排出する燃料ガス排出マニホールド56を画定する。燃料ガス供給マニホールド54と燃料ガス排出マニホールド56は、カソード側セパレータ18cの発電用流路22及び冷却用流路24が設けられた流路領域30を第2方向で挟む位置に設けられている。
アノード側セパレータ18aのMEGA20側の面には、燃料ガス供給マニホールド54から燃料ガス排出マニホールド56に向かって第2方向に直線状に延在し、MEGA20に供給される水素が流れる燃料ガス用流路32が設けられている。したがって、燃料ガス用流路32は、発電用流路22及び冷却用流路24に交差(例えば直交)して設けられている。
MEGA20は、電解質膜12、アノード触媒層14a、カソード触媒層14c、アノードガス拡散層16a、及びカソードガス拡散層16cを備える。電解質膜12の一方の面にアノード触媒層14aが設けられ、他方の面にカソード触媒層14cが設けられている。これにより、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10が形成されている。電解質膜12は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cは、電気化学反応を進行する触媒(例えば白金や、白金−コバルト合金)を担持したカーボン粒子(例えばカーボンブラック)と、スルホン酸基を有する固体高分子であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
MEA10の両側にアノードガス拡散層16a及びカソードガス拡散層16cが設けられている。アノードガス拡散層16a及びカソードガス拡散層16cは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されていて、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。なお、MEA10とアノードガス拡散層16aとの間及びMEA10とカソードガス拡散層16cとの間に、MEA10内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。
温度センサ34は、カソード側セパレータ18cに取り付けられている。ここで、温度センサ34の好ましい取り付け位置について説明する。図2は、カソード側セパレータの流路領域における単セルの温度分布を示す図である。なお、図2では、多数の単セル100を積層させ、そのうちの中央付近に位置する2つの単セル100の間に温度センサを配置して単セル100の温度分布を測定した結果を示している。
図2のように、流路領域30を第1方向に5等分、第2方向に6等分し、それぞれの領域の平均温度を求めた。その結果、第1方向においては、上流側の温度が低く、下流側の温度は高く、半分よりも下流側では温度差がそれ程大きくない結果となった。これは、下流側では、冷却用流路24を流通する空気による冷却効果が低下するためと考えられる。第2方向においては、燃料ガス供給マニホールド54側の温度が低く、燃料ガス供給マニホールド54とは反対側の温度は高く、流路領域30を第2方向で6等分したうちの燃料ガス供給マニホールド54とは反対側から5つ目までの領域では温度差がそれ程大きくない結果となった。これは、燃料ガス供給マニホールド54から供給される水素は乾燥しているため、燃料ガス供給マニホールド54側では発電量が小さく、その結果、発熱量が小さいためと考えられる。なお、図2では、所定条件で燃料電池を駆動させた場合の温度分布を示しているが、条件を変えて燃料電池を駆動させた場合でも温度分布の傾向は変わらない。
このように、空冷式の燃料電池では、単セル100の面内における温度差が大きい。つまり、温度センサ34の取り付け位置によっては、単セル100の適切な温度を測定できない場合がある。例えば、単セル100の低温部分で温度を測定し、その結果に基づいて冷却用流路24を流れる空気の流量を制御する場合、単セル100の温度が適切な温度よりも高くなる部分が発生する。単セル100の温度が高くなるとMEA10が乾燥して発電効率が低下することから、単セル100の低温部分で温度を測定して冷却用流路24を流れる空気の流量を制御しても発電効率を高めることが難しい。なお、単セル100の温度が低い場合よりも高い場合の方が発電効率の低下が大きい。
そこで、実施例1では、温度センサ34は、流路領域30のうちの第1方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、流路領域30を第2方向で6等分したうちの燃料ガス供給マニホールド54とは反対側から5つ目までの領域36に設けることにする。これにより、単セル100の適切な温度を測定することができる。その結果、温度センサ34で測定された温度に基づいて冷却用流路24を流れる空気の流量を制御することで、単セル100の温度を適切な温度に制御することができ、発電効率を高めることができる。
なお、単セル100の適切な温度を測定する点から、温度センサ34は、流路領域30を第1方向で5等分したうちの空気排出口側から2つ目までの領域に取り付けられることが好ましく、空気排出口側から1つ目の領域に取り付けられることがより好ましい。また、温度センサ34は、流路領域30を第2方向で6等分したうちの燃料ガス供給マニホールド54とは反対側から4つ目までの領域に取り付けられることが好ましく、3つ目までの領域に取り付けられることがより好ましい。
図3(a)及び図3(b)は、温度センサに接続される配線の取り回しを説明する斜視図である。図3(a)のように、温度センサ34に接続される配線38は、カソード側セパレータ18cの凹部26と凹部28とを貫通する孔40を介して単セル100の外部に引き出されてもよい。孔40はMEA10の外側(非発電部)に設けられ、配線38はMEA10の外側(非発電部)を引き回されることが好ましい。図3(b)のように、温度センサ34に接続される配線38は、アノード側セパレータ18aの側面を介して単セル100の外部に引き出されてもよい。配線38の引き回しを考慮すると、温度センサ34は、流路領域30を第2方向で6等分したうちの燃料ガス供給マニホールド54とは反対側から2つ目までの領域に設けられていることが好ましく、1つ目の領域に設けられていることがより好ましい。
また、実施例1によれば、図1のように、温度センサ34は、冷却用流路24の底面(すなわち、凹部28の底面)に取り付けられている。これにより、温度センサ34をMEA10の近くに配置することができるため、MEA10の温度をより正確に測定することができる。なお、MEA10の正確な温度測定と配線38の引き回しとを考慮すると、温度センサ34は燃料ガス供給マニホールド54とは最も反対側に位置する冷却用流路24の底面に取り付けられることが好ましい。なお、温度センサ34は冷却用流路24の底面以外でカソード側セパレータ18cに取り付けられていてもよい。
図4(a)から図4(d)は、アノード側セパレータの他の例を示す平面図である。なお、図4(a)から図4(d)では、発電用流路22及び冷却用流路24を流れる空気を点線矢印で図示している。図4(a)のように、燃料ガス供給マニホールド54は空気の流通方向の上流側に位置し、燃料ガス排出マニホールド56は空気の流通方向の下流側に位置し、燃料ガス用流路32はアノード側セパレータ18aの第2方向における一端側から他端側を複数回往復して設けられていてもよい。図4(b)のように、燃料ガス供給マニホールド54が空気の流通方向の下流側に位置し、燃料ガス排出マニホールド56が空気の流通方向の上流側に位置していてもよい。
図4(c)のように、燃料ガス供給マニホールド54と燃料ガス排出マニホールド56とは流路領域30に対して第2方向で同じ側に位置し、燃料ガス用流路32はアノード側セパレータ18aの第2方向における一端側と他端側との間を往復して設けられていてもよい。図4(d)のように、燃料ガス供給マニホールド54と燃料ガス排出マニホールド56の位置が図4(c)と比べて反対になっていてもよい。
実施例1において、温度センサ34は、スタック構造をした多数の単セル100の全てに設けられていてもよいが、多数の単セル100のうちの少なくとも1つの単セル100に設けられていればよい。スタック構造をした多数の単セル100のうちの1つの単セル100にのみ温度センサ34が設けられる場合、多数の単セル100間の温度分布を考慮すると、温度センサ34は多数の単セル100のうちの中央付近に位置する単セル100に設けられることが好ましい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 膜電極接合体
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノードガス拡散層
16c カソードガス拡散層
18a アノード側セパレータ
18c カソード側セパレータ
20 膜電極ガス拡散層接合体
22 発電用流路
24 冷却用流路
26、28 凹部
30 流路領域
32 燃料ガス用流路
34 温度センサ
36 領域
38 配線
40 孔
50、52 絶縁部材
54 燃料ガス供給マニホールド
56 燃料ガス排出マニホールド
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノードガス拡散層
16c カソードガス拡散層
18a アノード側セパレータ
18c カソード側セパレータ
20 膜電極ガス拡散層接合体
22 発電用流路
24 冷却用流路
26、28 凹部
30 流路領域
32 燃料ガス用流路
34 温度センサ
36 領域
38 配線
40 孔
50、52 絶縁部材
54 燃料ガス供給マニホールド
56 燃料ガス排出マニホールド
Claims (1)
- 膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の一方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に酸化剤ガスが流通する発電用流路を有し、前記膜電極接合体とは反対側の面に前記酸化剤ガスが流通する冷却用流路を有するカソード側セパレータと、
前記膜電極接合体の他方側に組み付けられ、前記膜電極接合体側の面に燃料ガスが流通する燃料ガス用流路を有するアノード側セパレータと、
前記カソード側セパレータに取り付けられた温度センサと、を備え、
前記発電用流路及び前記冷却用流路は、前記カソード側セパレータの一端から他端に向かって第1方向に直線状に延在し、前記酸化剤ガスを同じ向きに流通させ、
前記燃料ガス用流路は、前記第1方向に交差する第2方向に少なくとも延在し、前記カソード側セパレータの前記発電用流路及び前記冷却用流路が設けられた流路領域よりも前記第2方向で外側に位置する燃料ガス供給マニホールドから前記燃料ガスが供給され、
前記温度センサは、前記流路領域のうちの前記第1方向で半分よりも下流側に位置する領域であり、且つ、前記流路領域を前記第2方向で6等分したうちの前記燃料ガス供給マニホールド側とは反対側から5つ目までの領域に設けられている、燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017007389A JP2018116861A (ja) | 2017-01-19 | 2017-01-19 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017007389A JP2018116861A (ja) | 2017-01-19 | 2017-01-19 | 燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018116861A true JP2018116861A (ja) | 2018-07-26 |
Family
ID=62984283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017007389A Pending JP2018116861A (ja) | 2017-01-19 | 2017-01-19 | 燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018116861A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102022113408A1 (de) | 2021-06-02 | 2022-12-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Luftgekühltes Brennstoffzellensystem |
JP7533364B2 (ja) | 2021-06-02 | 2024-08-14 | トヨタ自動車株式会社 | 空冷式燃料電池システム |
-
2017
- 2017-01-19 JP JP2017007389A patent/JP2018116861A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102022113408A1 (de) | 2021-06-02 | 2022-12-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Luftgekühltes Brennstoffzellensystem |
US11784328B2 (en) | 2021-06-02 | 2023-10-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Air-cooled fuel cell system |
JP7533364B2 (ja) | 2021-06-02 | 2024-08-14 | トヨタ自動車株式会社 | 空冷式燃料電池システム |
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