JP5040017B2 - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システムに係り、出力に拘わらず生成した水の回収を安定して行えるように企図したものである。

近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであるといえる。

燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードを有している。電気化学反応は、水素と酸素による水生成反応、もしくは、メタノールと酸素による水と二酸化炭素の生成反応であり、電極反応や逆拡散により、アノードとカソードのいずれからも水が発生する。

この水は、適量であれば固体高分子電解質膜を湿潤させることで電子の解離を促進するため燃料電池の出力を向上させるが、過多である場合は燃料の流路や空気の流通路を閉塞させて出力の低減や発電停止を引き起こす虞がある。特に、アノードが閉鎖系（寸量の水素が循環されて燃料タンクなどに回収される系）の燃料電池システムにおいては、アノードに滞留する水を排出する必要があった。水の排出には別途動力（電力）を利用することは、限られた電力源を使用することになるため、好ましくはなく、無動力（パッシブ）で水を排出することが求められている。

以上の問題に対して、従来から、複数の流路を備えたガスセパレータを有し、流路が合流するヘッダ部を備え、ヘッダ部につながる流路端部の開口面積を流路中の断面積よりも小さくすることと、ガス流による押し出しによって、ヘッダ部へ導水する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。従来の技術では、ヘッダ部に滞留した水は、ガス流によって押し出され外部へ排出されるか、もしくはヘッダ部内に備えられた吸水材に吸収される。

しかしながら、従来の技術では、アノードガスセパレータがデッドエンドで、かつ、パッシブで水を処理する場合、水素流量が大きいと、アノード内部の空間内圧が高くなってしまうので、出力が低いときは水素流量を少なくする必要がある。水素流量を少なくすると、水のヘッダ部への導水やヘッダ部から外部への排水が、十分に機能しないことになり、水素ガスの面内分布が生じて安定的な発電が持続できなくなってしまう。

特開２０００−１８５９４４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、出力に拘わらず、即ち、水素流量に拘わらず発生した水の回収を安定して行うことができる燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の燃料電池は、水素が供給される水素供給室及び水素が拡散される水素拡散室を備えたアノード室と、水素拡散室に配置され水を毛細管現象により吸収すると共に水の回収部につながる吸収部材と、アノード室の水素拡散室に対向し、回収部と連通して閉鎖状態で配置されるアノード押さえ部材と、膜電極接合体を挟んでアノード押さえ部材に対向して配置されるカソード押さえ部材と、水の回収部の入口側に水の回収部側にのみ吸収部材からの水の流通を許容する弁部材とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、吸収部材の毛細管現象により水素拡散室の水が吸収されるので、水素流量に拘わらず発生した水の回収を安定して行うことができる。
また、弁部材により回収部側から水素拡散室側への水の逆流を防止することができる。

そして、請求項２に係る本発明の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、回収部の入口部位に吸収部材の端部が配置され、弁部材は、吸収部材の端部を押しつぶすばね部材で構成され、水素拡散室側からの圧力によりばね部材が反付勢方向に働くことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、水素拡散室側の圧力が低い時に、ばね部材の付勢力により吸収部材の端部が押しつぶされて水の逆流が防止される。

また、請求項３に係る本発明の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、回収部の入口部位に吸収部材の端部が配置され、弁部材は吸収部材の端部と回収部の入口との間に配され、吸収部材の端部側から回収部側にのみ水の流通を許容する逆止弁であることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、逆止弁により回収部側からの水の流通が阻止されて水の逆流が防止される。

また、請求項４に係る本発明の燃料電池は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、吸収部材は繊維束体であることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、繊維束体に水を吸収させて水の回収を行うことができる。

また、請求項５に係る本発明の燃料電池は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、吸収部材は水素拡散室の周囲に備えられていることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、燃料電池の姿勢に拘わらず水素拡散室の周囲の吸収部材により常に水を吸収することができる。

また、請求項６に係る本発明の燃料電池は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池において、水素拡散室の底面には吸収部材側に水を案内する案内部材が形成されていることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、案内部材により水が吸収部材側に案内されて水の吸収が促進される。

上記目的を達成するための請求項７に係る本発明の燃料電池システムは、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池と、燃料電池の水素供給室に導入する水素を発生させる水素発生部とを備えたことを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、水素流量に拘わらず発生した水の回収を安定して行うことができる燃料電池を備えた燃料電池システムとすることができる。

本発明の燃料電池及び燃料電池システムは、出力に拘わらず水の回収を安定して行うことができる燃料電池及び燃料電池システムとすることができる。

図１には本発明の一実施形態例に係る燃料電池システムの全体構成、図２には燃料電池の概略構成を表す分解斜視、図３には水素拡散室の概略構成を表す斜視、図４には図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視、図５には他の実施形態例に係る水素拡散室の断面、図６、図７には弁部材の断面、図８には他の実施形態例に係る弁部材の断面、図９には水素拡散室の底面を表す説明、図１０〜図１２には水素拡散室の他の実施形態例に係る底面を表す説明を示してある。

図１に基づいて燃料電池システムを説明する。

燃料電池システムとしての固体高分子型燃料電池システム１は、発電部（燃料電池）２と水素発生部３とから構成されている。固体高分子型燃料電池システム１はカソード電極あるいはカソード電極触媒を有するカソード押さえ部材４、ＭＥＡ５、アノード電極あるいはアノード電極触媒を有するアノード押さえ部材６を備え、アノード押さえ部材６にはアノード室７が接続されている。ＭＥＡ５のサイズは、例えば、外形寸法が８０×６３×０．０３ｍｍであり、触媒層一つのサイズは、２０×５３×０．０３ｍｍである。また、カソード押さえ部材４とアノード押さえ部材６のサイズは、例えば、いずれも８０×６３×３ｍｍである。

アノード押さえ部材６はアノードエンドプレートとガス拡散層から構成され、アノード押さえ部材６には集電体層が含まれていてもよい。アノード押さえ部材６に集電体層を含まない構成とする場合は、アノードエンドプレートが導電性を有し、更に、アノードエンドプレートに導線を接続して集電する構成としてもよい。アノード室７は、水素発生部３からの水素が導入される水素供給室８と、水素供給室８に導入された水素を拡散してアノード押さえ部材６に送る水素拡散室９が備えられている。ＭＥＡ５は電解質の両面に、例えば、３層の触媒層が配置される平面複数電極構造となっている。

アノード室７に滞留した水は、吸収部材１０に吸収された後回収部１１に送られる。回収部１１の入口側には弁部材１２が備えられ、弁部材１２は、吸収部材１０から回収部１１側にのみ水の流通を許容する、即ち、回収部１１側からアノード室７側への水の逆流を阻止する構成となっている。

水素発生部３は、水素発生物質１３が格納される第１容器１４と、水素発生促進物質１５が格納される第２容器１６を備え、第２容器１６と第１容器１４は連結管１７により連結されている。第２容器１６の水素発生促進物質１５が連結管１７を介して第１容器１４に送られ、水素発生物質１３を介して第１容器１４で発生した水素は導入路１８から水素供給室８に導入される。

水素発生部３としては、水素リッチガスを発生させる機能を有する全ての構成が適用可能であるが、例えば、水素発生物質１３と水素発生促進物質１５を混合して水素リッチガスを放出する構成であってよく、水素発生物質１３として水素化ホウ素ナトリウムを用い、水素発生促進物質１５としてリンゴ酸水溶液を用いる構成が好ましい。

水素発生物質１３と水素発生促進物質１５の組み合わせとしては、上述した例の他、水素発生物質１３は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能で、水素発生促進物質１５は有機酸及び無機酸あるいはルテニウムなど、水素発生触媒であれば全て適用可能である。更に、水素発生物質１３が水素化ホウ素ナトリウム水溶液で、水素発生促進物質１５がリンゴ酸粉末という組み合わせも適用可能で、水素発生物質１３と水素発生促進物質１５の組み合わせは、混合することによって水素を発生する物質であれば全て適用可能である。

また、水素発生部３に用いられる反応としては、金属と塩基性あるいは酸性水溶液の組み合わせであってもよい。また、水素発生部３においては、アルコール、エーテル、ケトン類を水蒸気改質して水素を得るメタノール改質型や、ガソリン、灯油、天然ガスといった炭化水素を水蒸気改質して水素を得る炭化水素改質型等、加水により水素を発生する構成であれば全て適用可能である。更に、水素発生部３の構成の変形例としては、水素吸蔵合金を用いた構成や水素を封入したボンベであってもよい。

発電部２に導入される水素リッチガスは、水素供給室８に供給され、そこからアノード室７の底面に備えられた水素供給穴（後述する）を介して、ＭＥＡ５に設けられた触媒層に均一に当てられる。

図２乃至図４、図６、図７、図９に基づいて発電部（燃料電池）２の構成を具体的に説明する。

図２に示すように、カソード押さえ部材４、ＭＥＡ５、アノード押さえ部材６が積層されると共に、中空の箱形状の水素拡散室９及び水素供給室８が積層される。水素供給室８の内部には導入された水素リッチガスを均等に拡散する拡散部材２１が設けられ、水素供給室８に導入された水素リッチガスは拡散部材２１で均等にされた後、３個の水素供給穴２２から水素拡散室９内に送られる。水素拡散室９に送られた水素リッチガスはアノード押さえ部材６から均一な状態でＭＥＡ５に設けられた触媒層に当てられる。

図２乃至図４に示すように、アノード室７を構成する水素拡散室９の側壁の全周（周囲）には溝部２３が形成され、溝部２３には吸収部材としての繊維束体２４が嵌合している。繊維束体２４は、例えば、繊維材の表面を固めて気孔率５７％とした棒状のものが適用されている。

吸収部材としては、多孔質材、スポンジ、中空子材、不織布等、水に対して毛細管現象を発生して水を移動させる材質、形状、サイズであれば全て適用可能である。また、図５に示すように、水素拡散室９とアノード押さえ部材６との空間を十分に確保できる場合には、水素拡散室９の周囲及び中央部の適宜箇所に溝部２３及び繊維束体２４を設けることが可能である。

繊維束体２４の端部２５は連通孔２６を介して回収部１１に接続されている。図３に示すように、連通孔２６の部位はカバー１９により表面が覆われている。繊維束体２４の密度を端部２５に向かって密にして積極的に水を端部２５側に導く構成にしたり、繊維束体２４の径を端部２５に向かって小径にして積極的に水を端部２５側に導く構成にすることも可能である。

図６、図７に示すように、繊維束体２４の端部２５は連通孔２６の回収部１１側の部位（回収部１１の入口側）で弁部材を介して回収部１１に接続されている。弁部材は、回収部１１側にのみ繊維束体２４の端部２５からの水の流通を許容する構成となっている。

即ち、連通孔２６の回収部１１側の部位における繊維束体２４の端部２５は小径部２５ａとされ、小径部２５ａは板ばね２７の付勢力によりつぶされた状態になっている（図７参照）。アノード室７（水素拡散室９）に水素リッチが導入されて内圧が高くなると、水素拡散室９側からの圧力により板ばね２７が付勢力に抗して開く（反付勢方向に働く）。繊維束体２４の端部２５の小径部２５ａに含まれる水は毛細管現象により拡散し、板ばね２７が付勢力に抗して開いた時に水素リッチガスの圧力によって回収部１１に排出される。

水が排出されるのに必要な圧力差は、適宜設定されるが、好ましくは、本実施例形態例のサイズにおいては、例えば、１０ｋＰａ以下で弁体が開いて水が排出されるようになっている。尚、弁部材の構成としては、端部２５と回収部１１の間に、端部２５側から回収部１１側にのみ水の流通を許容する逆止弁とすることも可能である。また、端部２５側から回収部１１側にのみ開く開閉弁を設けることも可能である。また、図８に示すように、繊維束体２４の端部２５の小径部２５ａとの間に径が漸次小径となるバッファ部２５ｂを設け、繊維束体２４によって端部２５まで導水された水がバッファ部２５ｂに滞留する機能により弁体の役割を果たすようにしてもよい。

一方、図９に示すように、水素拡散室９の底面には水を周囲の繊維束体２４（図３参照）側に導く案内部材としての多数の突起２９（ミクロンオーダの突起）が形成されている。突起２９は周囲に向かい幅が漸次狭くなるように配置されている。このため、毛細管作用により突起２９の隙間により水を周囲に案内することができる。

案内部材としては、図１０に示すように、周囲に向かって漸次径が小さくなる円筒状の凹部３０を水素拡散室９の底面に多数設け、隣接する凹部３０の壁面を接触させて隙間が形成されるようにした構成を適用することも可能である。凹部３０に溜まった水は毛細管作用により隣接する凹部３０に送られて水を周囲に案内することができる。

また、案内部材としては、図１１に示すように、四角錐状の微細な突起３１を水素拡散室９の底面にアレイ状に配置し、水の表面張力を破壊する構成を適用することも可能である。微細な突起３１により水の表面張力が破壊されて水の周囲への移動が容易になる。突起３１の形状は四角錐に限定されない。

更に、案内部材としては、図１２に示すように、微細なキャビティ３２をアレイ状に配置し、水の表面張力を破壊する構成を適用することも可能である。微細なキャビティ３２により水の表面張力が破壊されて水の周囲への移動が容易になる。

上述した固体高分子型燃料電池システム１では、発電により生成された水は繊維束体２４に吸収されて拡散する。繊維束体２４に吸収された水は端部２５に拡散し、水素発生部３が定期的あるいは不定期に水素を発生させ、水素リッチガスの内圧により板ばね２７が付勢力に抗して開いた時に、水素リッチガスの圧力によって回収部１１に排出される。アノード押さえ部材６の内部側壁全周、即ち、水素拡散室９の周囲に繊維束体２４が配置されているので、固体高分子型燃料電池システム１がいかなる姿勢で保持された場合でも、水は繊維束体２４に吸収され、姿勢変化に拘わらず水が確実に回収され、水の回収機能の低下を回避することができる。

また、繊維束体２４の端部２５は小径部２５ａとされ、小径部２５ａは板ばね２７の付勢力によりつぶされた状態になり、内圧が高くなった時に水素拡散室９側からの圧力により板ばね２７が付勢力に抗して開くので、回収部１１側からの水の逆流をなくすことができる。また、水素拡散室９の底面に多数の突起２９を形成し、毛細管作用により突起２９の隙間により水を周囲に案内するようにしたので、繊維束体２４側に水が案内され、水を効率よく排出することができる。

従って、特にアノードが閉鎖系である固体高分子型燃料電池システム１において、水素の流量、即ち、出力に拘わらず安定してアノード押さえ部材６側の滞留水の回収と、外部への排出を実現することができ、水素の均一な拡散が可能となる。また、固体高分子型燃料電池システム１をいかなる姿勢に保持した場合でも、水回収能力の低下を回避することができるため、特に、携帯機器向けの燃料電池システムに適用して最適となる。また、回収した水の逆流を回避することができる。

このため、固体高分子型燃料電池システム１の安定的な出力持続を可能とし、出力に拘わらず、即ち、水素流量に拘わらず水の回収を安定して行うことができる発電部２（燃料電池）及び固体高分子型燃料電池システム１とすることが可能になる。

本発明は、例えば、固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システムの産業分野で利用することができる。

本発明の一実施形態例に係る燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池の概略構成を表す分解斜視図である。 水素拡散室の概略構成を表す斜視図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 他の実施形態例に係る水素拡散室の断面図である。 弁部材の断面図である。 弁部材の断面図である。 他の実施形態例に係る弁部材の断面図である。 水素拡散室の底面を表す説明図である。 水素拡散室の他の実施形態例に係る底面を表す説明図である。 水素拡散室の他の実施形態例に係る底面を表す説明図である。 水素拡散室の他の実施形態例に係る底面を表す説明図である。

符号の説明

１ 固体高分子型燃料電池システム
２ 発電部
３ 水素発生部
４ カソード押さえ部材
５ ＭＥＡ
６ アノード押さえ部材
７ アノード室
８ 水素供給室
９ 水素拡散室
１０ 吸収部材
１１ 回収部
１２ 弁部材
１３ 水素発生物質
１４、１６ 容器
１５ 水素発生促進物質
１７ 連結管
１８ 導入路
１９ カバー
２１ 拡散部材
２２ 水供給穴
２３ 溝部
２４ 繊維束体
２５ 端部
２６ 連通孔
２９ 突起
３０ 凹部
３１ 突起
３２ キャビティ

Claims (7)

1. 水素が供給される水素供給室及び水素が拡散される水素拡散室を備えたアノード室と、
   水素拡散室に配置され水を毛細管現象により吸収すると共に水の回収部につながる吸収部材と、
   アノード室の水素拡散室に対向し、回収部と連通して閉鎖状態で配置されるアノード押さえ部材と、
   膜電極接合体を挟んでアノード押さえ部材に対向して配置されるカソード押さえ部材と、
   水の回収部の入口側に水の回収部側にのみ吸収部材からの水の流通を許容する弁部材とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   回収部の入口部位に吸収部材の端部が配置され、
   弁部材は、吸収部材の端部を押しつぶすばね部材で構成され、水素拡散室側からの圧力によりばね部材が反付勢方向に働く
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、
   回収部の入口部位に吸収部材の端部が配置され、
   弁部材は吸収部材の端部と回収部の入口との間に配され、吸収部材の端部側から回収部側にのみ水の流通を許容する逆止弁である
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   吸収部材は繊維束体である
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   吸収部材は水素拡散室の周囲に備えられている
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   水素拡散室の底面には吸収部材側に水を案内する案内部材が形成されている
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池と、燃料電池の水素供給室に導入する水素を発生させる水素発生部とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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