JP4506193B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、燃料と酸化剤とを電極に供給することにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。燃料電池は、生成物が水であるため環境を汚染しない他、理論上の発電効率が高い等の特徴を有するため、近年、自動車の動力源や家庭用コジェネレーション・システム等として実用化するための開発が進められている。したがって、燃料電池実用化のために、発電効率を高める技術はきわめて重要なものと位置づけられている。 A fuel cell is a system that converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to an electrode. The fuel cell has features such as the product is water and does not pollute the environment, and the theoretical power generation efficiency is high. Therefore, in recent years, the fuel cell has been put into practical use as a power source for automobiles, household cogeneration systems, etc. Development is underway. Therefore, a technique for increasing the power generation efficiency is regarded as extremely important for the practical application of fuel cells.
かかる発電効率を高める技術の一つとして、使用済みガスの再使用がある。特許文献1には、セパレータのMEA(Membrane Electrode Assembly;膜/電極接合体)に相当する部分の外側にガス供給通路とガス排出通路と、ガス供給通路とガス排出通路から分岐し、両通路をつなぐ連絡通路を設け、連絡通路のガス供給通路側に、使用済みガスをガス供給通路に吸引する吸引通路を有するエゼクタを備える構造が開示されている。また、同様な技術分野において関連技術を開示するものとして、特許文献2がある。
しかし、特許文献1に開示されている構造にあっては、流路の最下流部で、エゼクタによって流速が速くなるが、エゼクタ部分はMEAの外側の反応領域外に配設されているため、流速の速いガスが有効に利用されていないという問題があった。
However, in the structure disclosed in
そこで本発明は、反応領域内でガスを最大限有効利用して発電効率を向上させた燃料電池を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which the gas is effectively used to the maximum extent in the reaction region to improve the power generation efficiency.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、電解質の両側に配設された電極と、これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータとを備えた燃料電池であって、ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、ガス流路の下流部のガスを上流部に吸引する、セパレータのMEAと対向する面に設けられMEAと協働してガスの流れ方向を規制しベンチュリ形状となっている山部と、ノズルと、を有するエゼクタが、MEAとセパレータとを積層する積層方向視で電極と重なり、且つ、セパレータと電極とに狭持される面内、に配設されていることを特徴とする燃料電池を提供するものである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、ガス流路へのガス供給口は、上記面内の重力方向中央よりも上方に設けられていることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池において、ガス流路にガスを供給するマニホールドとガス流路とを連結する連結通路が、ガス流れの上流側から下流側に向かって通路断面積が減少することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, the connecting passage that connects the gas flow path to the manifold that supplies gas to the gas flow path is directed from the upstream side to the downstream side of the gas flow. Thus, the cross-sectional area of the passage is reduced .
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池において、ガス流路内にガスの排出口、該排出口に開閉手段、及び、該開閉手段の動作を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
請求項5の発明は、ガス流路内にガスの排出口、及び該排出口に開閉手段を備え、この開閉手段を閉鎖して運転する閉鎖運転ステップを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池の使用方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the gas discharge port in the gas flow path, the opening / closing means at the discharge port , and the operation of the opening / closing means are controlled. wherein the Ru comprising control means for.
The invention according to claim 5 includes a closed operation step in which a gas discharge port is provided in the gas flow path, and an opening / closing means is provided at the discharge port, and the opening / closing means is closed for operation. 4. A method for using the fuel cell according to any one of 3 above.
請求項1に記載の発明によれば、エゼクタにより最下流部のガスを最上流部に吸引してガス流速を速めることが反応領域面内において行われるので、最下流部のガスの流動を促し、反応領域であるMEA上全面にガスが常に流れて攪拌されるので、よどみが出にくくなり、燃料電池の発電効率を高めることができる。また、一般にガスの流速が速いと高出力が得られるため、ガスの流速が速くなるエゼクタ部を反応領域面内に配置することで、反応効率を高めることができる。 According to the first aspect of the present invention, the gas at the most downstream portion is sucked into the most upstream portion by the ejector so as to increase the gas flow velocity in the reaction region plane. Since gas always flows and stirs over the entire surface of the MEA, which is the reaction region, stagnation is less likely to occur and the power generation efficiency of the fuel cell can be increased. In general, when the gas flow rate is high, a high output can be obtained. Therefore, the reaction efficiency can be improved by disposing an ejector portion in which the gas flow rate is high in the reaction region plane.
請求項2の発明によれば、反応にあずかったガスは水分を含んでおり、この水分は、重力により次第に反応領域下方に集まるのに対し、ガス流路へのガス供給口は、反応領域面の垂直方向中央より上方に設けられているので、エゼクタは水分を吸い込むことなく反応に有効に利用される水素を上部に吸引して、再び反応に供することが可能となる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、連結通路が、ガスの流れ方向に次第に断面積が小となるように形成されているので、ガスの流速を高めてエゼクタによる吸引効果を高めることができる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、ガス排出口の開閉手段を「閉」として閉鎖モード運転とした場合、ガスは反応領域面内を循環されることになり、反応領域面内のガスの流れが少なくなるが、エゼクタによりガスに流れを付けることで攪拌できることから、さらに反応促進することができる。
According to the invention of
図1に、燃料電池自動車に適用した燃料電池システムの一部を示す。この燃料電池システムは、本発明にかかる燃料電池10と、該燃料電池10に燃料水素ガスを供給するための高圧水素タンク1、及び燃料電池10の排出系を制御するコントローラ14等を備えている。燃料電池10は、電解質の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルが層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じて出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜11の両面に電極12、13が形成された電池セル10aの構造のみを示している。一方の電極が燃料極12であり、他方の電極が空気極13である。燃料電池10は車両駆動用のモータの給電源であり、300V程度の直流の高電圧を発生する。燃料電池10が発生する電圧は、その出力回路中に設けられた電圧センサ23により常時検知されている。燃料電池10の発電電圧は、前記モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータ15に出力される。また、燃料電池10の発電電圧は、不図示のDC−DCコンバータで12V程度に降圧されて、車両に搭載される種々の補機や、これらへの給電用の二次電池であるバッテリに出力される。
FIG. 1 shows a part of a fuel cell system applied to a fuel cell vehicle. The fuel cell system includes a
燃料電池10の燃料入口ポート16には、高圧水素タンク1から水素ガス通路17が導かれており、水素ガス通路17中に設けられたレギュレータ18により、所定の圧力に調整された燃料水素ガスが供給される。この燃料水素ガスが、燃料電池10の燃料極12とセパレータとの間に形成された流路より燃料極12に拡散していく。そして、所定のタイミング、あるいは条件が整うと、セル内のガスが流路の最下流端のガス出口ポート19から排出されるようになっている。ガス出口ポート19は後述する排出路20と接続されている。また、燃料電池10の空気極13には、空気入口ポート21から空気が供給されて、空気が、前記電池セルの空気極13とセパレータとの間に形成された流路より空気極13に拡散していく。
A
燃料電池10は、上記のようにして、燃料極12に供給される燃料水素ガスと、空気極13に供給される空気等の酸化ガスとが電池反応をして電力を生成するが、電池反応が進むにつれて、空気極13から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が、電解質膜11を通り燃料極12側へと滲み出してくる。この結果、窒素や水蒸気の分圧が上昇してセル内ガス中に存在する未使用燃料水素ガスの濃度が徐々に低下して、発電能力が低下する。これに対処するため、燃料極12から窒素や水蒸気濃度が高められたガスを排出すべく排出路20が設けられている。排出路20の途中には、電磁式の二方弁である排出バルブ22が設けられている。この燃料電池システムでは、所定条件になったときに排出バルブ22を開弁して、燃料極12の窒素や水分を排出し、新たに高圧水素タンク1から十分な燃料水素ガスの導入をはかっている。このために、燃料電池システムには、排出バルブ22を制御対象の一つとするコントローラ14が設けられている。
In the
燃料電池システム全体を制御する制御手段でもあるコントローラ14はマイクロプロセッサを主体に構成され、必要に応じてROM及び/又はRAMを備えている。コントローラ14の入力ポート14aには、燃料電池10の出力電圧を検出する電圧センサ23の検出信号が入力される。コントローラの出力ポート14bからは、排出バルブ22の開閉動作命令信号が出力される。
The
図2にコントローラ14のマイクロプロセッサが実行する、排出バルブ22の開閉制御のフローチャートを示す。まず処理が開始されると、排出バルブ22が閉鎖される(ステップS1)。続くステップS2では、燃料電池10の電圧が所定のしきい値以下に低下したがどうかが判断される。この判断は、電圧センサ23の検出信号に基づき行われる。ステップS2において肯定判断された場合には、排出バルブ22の「開」動作命令が発せられ、排出バルブ22が「開」状態となる(ステップS3)。ステップS2において否定判断された場合には、処理はステップS1に戻され上記ステップS1、S2の処理が繰り返される。排出バルブ22が開状態になると、セル内の窒素や水分が排出されるので、セル内の有効燃料水素ガス濃度が高められ、燃料電池の発電能力が次第に回復してくる。そこで、ステップS4では、燃料電池10の電圧が所定のしきい値まで回復したかどうかが判断される。ステップS4において肯定判断された場合には、処理はステップS1に戻され、再び排出バルブ22が閉じられて、ステップS2以下の処理が繰り返される。ステップS4において否定判断された場合には、処理はステップS3に戻され、それ以降の処理が繰り返される。
FIG. 2 shows a flowchart of the opening / closing control of the
かかる燃料電池システムを構成する燃料電池10は、以下に説明する点において大きな特徴を有している。
The
図3は、燃料電池10の、燃料極(アノード)12を概略的に示す正面図である。図面中央に大きく矩形で示されているのがセパレータ30であり、その内側にMEA40が配置されている。セパレータ30には、燃料入口ポート16と、ガス出口ポート19とが設けられている。燃料入口ポート16には上記したように、高圧水素タンク1から水素ガス通路17が導かれており、水素ガス通路17中に設けられたレギュレータ18により、所定の圧力に調整された燃料水素ガスが供給されている。また、ガス出口ポート19には上記したように排出路20が導かれており、排出路20には、排出バルブ22が設けられている。セル内窒素、水分濃度が高まって燃料電池の発電能力が低下し、発生電圧が所定値を下回ると排出バルブ22が開かれて、排出路20から燃料電池セル内のガスが排出される。
FIG. 3 is a front view schematically showing the fuel electrode (anode) 12 of the
燃料入口ポート16の反応領域面側にはノズル31が取り付けられている。図面上はセパレータ30、MEA40、及びノズル31が同一平面上に表されているが、実際には紙面手前側から奥側に向かって、セパレータ30、ノズル31、MEA40の順に配置されている。ノズル31は、略円錐形状を呈し、円錐の底部及び頂部にあたる部分が開口されている。円錐の底部にあたる部分は燃料入口ポート16側に開口している(以下において「開口部32」という。)。円錐の頂部にあたる部分、すなわちノズル31の噴射孔は反応領域面内に開口している(以下において「噴射孔33」という。)。開口部32と噴射孔33とは、略円錐形状のガス通路(連結通路)34により連通されている。
A
セパレータ30のMEA40と対向する面には、反応領域面内において、MEA40と協働して燃料ガスの流れ方向を規制する山部35が形成されている。山部35は、反応領域面を上下に仕切る水平部35aと、水平部35aの一端側からノズル31方向に延設される傾斜部35bと、傾斜部35bの端部に一端を有し、ノズル31の外周に沿って湾曲する湾曲部35cとを備えている。傾斜部35bと、湾曲部35cとで、ベンチュリ形状が形成されている。
On the surface of the
ノズル31から燃料極12の反応領域面内へと噴射された燃料水素ガスは、触媒の力により、水素イオンと電子とに分解される。
燃料極(アノード)側:H2→2H++2e− (式1)
電解質膜11はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜11を通過することができず、外部の回路を通って空気極13へと移動する。燃料電池10においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜11を通過して空気極13へと移動する。一方で、空気極13へ供給された酸素が、空気極13へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。
空気極(カソード)側:2H++2e−+(1/2)O2→H2O
The fuel hydrogen gas injected into the reaction region surface of the
A fuel electrode (anode) side: H 2 → 2H + + 2e - ( Equation 1)
Since the
Air electrode (cathode) side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
燃料極12における上記式1の反応は、燃料極12の反応領域全面にわたり一様に生じることが発電効率の観点から好ましい。このため、本発明の燃料電池10においては、ノズル31の噴射孔33をガス流路の上流部(図面左上部)に右向きに配置している。かかる構成により、ノズル31の噴射孔33から反応領域内に噴射された新規の燃料水素ガスが反応領域上部(図3において符号Aで示されている部分。)において、セル内のガスと攪拌混合される。さらにセパレータ30に、水平部35a、傾斜部35b、及び、湾曲部35cを備えた山部35を形成したので、これらによりセル内ガスの流れが規制され、反応領域面内において燃料水素ガスは時計回りの方向に循環される。一方、上述したように反応が進むにつれて空気極13から酸化ガス中の窒素や加湿用の水分が電解質膜11を通り燃料極12側へと滲み出してくる。これらは密度が水素より大であるため、もっぱら反応領域面内の下部(図でBで表されている領域)に滞留しがちである。
It is preferable from the viewpoint of power generation efficiency that the reaction of
本発明の燃料電池10では、山部35にベンチュリ形状が形成されているので、ノズル31から新規水素ガスが噴射されると、エゼクタ効果により、反応領域下部に滞留している水蒸気や窒素分が未反応の水素ガスとともにガス流路上流側に吸い上げられて、図面にAで表されている領域において新規水素ガスと混合され、再び反応領域内を循環される。この結果、反応領域下部にあるガス流路下流部に窒素分や水分が滞留することが抑制されて、反応領域面ない全体にわたって燃料極12における上記式1の反応を促進することができる。しかも、これらのガス流路は全て反応領域面内に収められているので、燃料極内の反応が十分に行われる。したがって、燃料電池10の発電効率を高めることができる。また、水分を含む反応ガスを再循環するので、燃料水素を加湿する必要がない。よって加湿器を省略することができる。このような本発明による作用効果は、排出バルブ22が閉鎖されて反応領域面内で燃料ガスが繰り返し循環されている状態、すなわち「閉鎖モード運転」において特に有効である。
In the
図4は、ノズル31の構造を説明する図である。(a)は、燃料電池10の側面図であり、(b)は燃料電池10を燃料極12側から表した正面図である。なお、図4において、図3に表されている部材と同一部材がある場合には、図3における該部材に付されている参照符号と同一符号を付してその説明を省略する。図4(a)において、燃料電池10は、中央部に電解質膜とその両側に拡散層が配置されたMEA40を備え、さらにその両側にセパレータ30a、30が配置されている。セパレータ30aは空気極13側、セパレータ30は燃料極12側に配置されている。図示の通り本実施形態においては、ノズル31は燃料極側セパレータ30とは別体に作製されており、ノズル31がセパレータ30の壁に挟まれるように固定される構造となっている。
FIG. 4 is a view for explaining the structure of the
本発明において、ノズル31の噴射孔33が配置される位置は特に限定されるものではない。反応領域面内下部に滞留する水分(水蒸気を除く。)を吸引しないという観点からは、反応領域最下部以外の位置のいずれでもよい。しかし、燃料水素ガスを反応領域内に循環させるためには、噴射孔33は山部35の水平部35aより上方にあることが必要であり、反応領域内に燃料水素ガスを偏りなく循環させるためには、水平部35aを反応領域上下方向の中央部近傍に配置することが好ましい。かかる配置に対応するため、ノズル31は、反応領域面の垂直方向中央より上方に配置されていることが好ましい。
In the present invention, the position where the
ノズル31は、そのガス通路34を、燃料入口ポート16側から噴射孔33に向かうにしたがって断面積が小さくなるように形成することが好ましい。このように構成することにより、燃料水素ガスの流速を高めることができ、上記エゼクタ効果による十分な量の吸引を確保することができる。
The
本発明の燃料電池10において、ノズル31はセパレータ30に直接形成してもよいが、噴射孔33を小さなものに形成するという観点から、セパレータ30とは別体の、金属製ノズル、あるいは射出成形によるプラスチックノズルを使用することが好ましい。金属製のノズルの場合、非導電性の膜を表面にコーティングしたものが、燃料電池内の短絡を抑制するという観点から好ましい。
In the
本発明の燃料電池10を構成するセパレータ30の材料、並びに、MEA40を構成する電解質、電極、及び触媒等の材料は特に限定されるものではなく、通常、燃料電池用に使用されるものを利用することができる。例えば、セパレータ30として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンやステンレス鋼等の耐食性金属材料、電解質として、パーフルオロスルフォン酸ポリマー等のフッ素系樹脂、触媒として炭素質に担持された白金、あるいは白金と他の金属とからなる合金等、アノード及びカソードは、炭素繊維を織成したカーボンクロスなどを使用することができる。
The material of the
なお、上記では、燃料極12に本発明を適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空気極13にも適用することができる。この場合には、空気を加湿することが不要となるという利点がある。
In addition, although the example which applied this invention to the
1 高圧水素タンク
10 燃料電池
11 電解質膜(電解質)
12 燃料極
13 空気極
14 コントローラ
15 インバータ
16 燃料入口ポート
17 水素ガス
18 レギュレータ
19 ガス出口ポート
20 排出路
21 空気入口ポート
22 排出バルブ
23 電圧センサ
30、30a セパレータ
31 ノズル
32 開口部
33 噴射孔
34 ガス通路(連結通路)
35 山部
40 MEA
1 High-
DESCRIPTION OF
35
Claims (5)
これら電極の外側にそれぞれ配設され、ガス流路を有するセパレータと、を備えた燃料電池であって、
前記ガス流路の上流部に供給されるガスの流速を利用して、前記ガス流路の下流部のガスを前記上流部に吸引する、前記セパレータのMEAと対向する面に設けられ前記MEAと協働して前記ガスの流れ方向を規制しベンチュリ形状となっている山部と、ノズルと、を有するエゼクタが、前記MEAと前記セパレータとを積層する積層方向視で前記電極と重なり、且つ、前記セパレータと前記電極とに狭持される面内、に配設されていることを特徴とする燃料電池。 Electrodes disposed on both sides of the electrolyte;
A fuel cell comprising a separator disposed on the outside of each electrode and having a gas flow path,
Using the flow velocity of the gas supplied to the upstream part of the gas flow path, the gas in the downstream part of the gas flow path is sucked into the upstream part, and provided on the surface facing the MEA of the separator, An ejector having a crest that cooperates to regulate the flow direction of the gas and has a venturi shape, and a nozzle overlaps the electrode in a stacking direction in which the MEA and the separator are stacked , and A fuel cell, wherein the fuel cell is disposed in a plane sandwiched between the separator and the electrode.
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