JP5142176B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム特に固体高分子型燃料電池システムに係り、さらに詳しくは、燃料電池セルのアノード極に滞留した水の排出機構および循環機構に関する。

燃料電池システムであって、特に燃料電池セルのアノード極へ水素リッチガスを導入して膜電極接合体（以下ＭＥＡと記載）で発電する燃料電池システムにおいて、水素リッチガスに含まれる水蒸気の凝縮やカソード極で生成された水の逆拡散により、アノード極のガス流路に滞留した水あるいは水溶液（以下アノード極滞留水と記載）がガス流路を閉塞することで、出力の低下あるいは発電停止が起こる、という問題があった。これに対して、従来は燃料電池セル全体を傾けてアノード極滞留水を排出していた（特許文献１参照。）。また、ガス流路中に圧縮した空気を導入してアノード極滞留水を除去する水透過膜式除湿器を備えた機構が考案されている（特許文献２参照。）。
特開２００４−２０７１０６号公報 特開２００４−７１３４８号公報

ところが前記特許文献１の機構では、燃料電池システムの運転中に燃料電池システム全体を一定の姿勢に保つ必要があり、特に運転中常に姿勢の変わる小型携帯用の燃料電池システムには不適である。また前記特許文献２の機構では、姿勢の変化によるアノード極滞留水の排出機能の減退は無いが、補器として水透過膜式除湿器を必要とするため、燃料電池システム全体の体積及び重量が大型となり、特に小型携帯用の燃料電池システムには不適である。また電力を供給して駆動する前記補機を搭載することにより燃料電池システム全体の体積エネルギ密度の点からも不利である。

また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、アノード極あるいはカソード極で発生した水を安定して排出することができる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

そこで本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、発電部と接続され、発電部に導入する水素ガスを発生する水素発生部とを備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、水素発生部がアノード極の内部状態と水素発生部の内部状態の差によって水素を発生する受動型水素発生機構を具備し、受動型水素発生機構により発生した水素ガスのガス圧によってアノード極に備えられた排出口から発電によって生じた水をアノード極の外部に排出する水排出機構を具備することを特徴とする。

この受動型水素発生機構は、水素発生物質を格納する第１の容器と水素発生促進物質を格納する第２の容器とから構成され、アノード極と水素発生部の内圧差によって受動的に水素発生物質と水素発生促進物質が混合されることにより水素を発生する構成であっても良い。

上記第２の容器にはノズルが備えられ、このノズルによって第１の容器と接続される構成であり、アノード極と水素発生部の内圧差によってこのノズルを介して前記水素発生促進物質が一定量、第１の容器に格納されている水素発生物質に供給されて水素を発生するよう調整されても良い。

水素発生物質としては、水素化ナトリウムなど加水分解型の金属水素化物であれば全て適用であり、また水素発生促進物質としては、有機酸およ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が、好ましくは水素発生物質として水素化ホウ素ナトリウム、水素発生促進物質としてリンゴ酸水溶液であることを特徴とする。また、水素発生部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良い。さらに水素発生部においては、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など、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。

さらにアノード極の排出口から排出されたアノード極滞留水を水素発生部、好ましくは水素発生促進物質が格納される第２の容器へ導水するための導水路を備えても良い。

また導水路には、アノード極滞留水とともに排出されるガス（オフガス）により第２の容器の内圧が高圧となることを防ぐための圧調整機構と、第２の容器からの水素発生促進物質の逆流を防ぐための逆止弁構造を備えた構成としても良い。

水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
アノード極に水素を供給する水素供給手段と、
電気化学反応により発生した水を水素ガス圧によりアノード極の外部に排出する水回収手段と
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。

本発明に係る固体高分子型燃料電池システムによれば、アノード極における水の滞留を解消し、連続運転時間の向上および出力の向上が実現される。

また水排出機構として、外部の電力投入を必要としない受動型水素発生機構から発生した水素のガス圧を用いることから、ポンプやブロアといった補器を必要とする従来の水排出機構に対して燃料電池全体の体積エネルギ密度の向上が実現される。

さらに上記アノード極滞留水を水素発生部へ循環させる構成とすることにより、水素発生部の体積を減少させ、燃料電池の体積エネルギ密度の向上が実現される。

またガス圧により水を押し出して排出する機構であるから、燃料電池システムの姿勢に関係なく、上記効果を得ることができる。

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。

図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池の構成図を示したものであり、本発明の基本形例である。図１において固体高分子型燃料電池システム１０１は、発電部１０２と水素発生部１０３から構成される。

発電部１０２は、カソード極１０４、ＭＥＡ１０５、アノード極１０６から構成され、カソード極１０４はカソードエンドプレート１０７と図示しないガス拡散層、集電体層を備え、ＭＥＡ１０５は図示しない電解質の両面に触媒層がそれぞれ配置される構成である。またアノード極１０６はアノードエンドプレート１０８とアノード室１０９と図示しないガス拡散層から構成される。アノード極１０６には図示しない集電体層が含まれていても良い。アノード極１０６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１０８に導線を接続して集電する構成としても良い。アノード室１０９には、水素発生部１０３から水素リッチガスを供給する供給口１１１と、発電時にアノード室１０９の内部に滞留する水を外部へ排出する排出口１１０が設けられている。

水素発生部１０３は、水素発生物質１１２が格納される第１の容器１１３と水素発生促進物質１１４が格納される第２の容器１１５と第１の容器１１３と第２の容器１１５を接続し、第１の容器側先端にノズル１１６を備えた管から構成される。水素発生物質１１２としては、好ましくは水素化ホウ素ナトリウムであり、水素発生促進物質１１４としては、好ましくはリンゴ酸水溶液であり、以下で水素化ホウ素ナトリウムとリンゴ酸水溶液を用いる例を記載するが、水素発生物質は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能で、水素発生促進物質は有機酸およ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。さらに、水素発生物質１１２が水素化ホウ素ナトリウム水溶液で水素発生促進物質１１４がリンゴ酸粉末というように、水素発生物質１１２と水素発生促進物質１１４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良い。さらに水素発生部においては、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など、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。

水素発生部１０３で発生した水素は発電部１０２のアノード室１０９に備えられた供給口１１１を介してアノード室１０９に導入され、発電のために消費される。水素が消費されるとアノード室１０９と、アノード室と接続される第１の容器１１３の内圧が減圧され
、第２の容器の内圧との差圧によって第２の容器１１５に格納されるリンゴ酸水溶液が第１の容器１１３に導入され、次の水素発生が生じる。

ノズル１１６のノズル径は、前回発生した水素により発電が持続中に次の水素発生が生じる周期でリンゴ酸水溶液が第１の容器１１３に導入されるように調整され、好ましくは差圧が５ｋＰａ以下でリンゴ酸水溶液が導入されるように調整される。

発電時にアノード室１０９にはカソード側の触媒層で発生した水が逆拡散して凝縮される水、ＭＥＡ１０５を透過した酸素とアノード室１０９に存在する水素がアノード側の触媒層で反応して生成した水、水素発生部１０３から発生した水素に含まれる水蒸気が凝縮した水等をあわせたアノード極滞留水が蓄積される。アノード室１０９の底面は、図１に示すように平面であってもよいし、アノード極滞留水を一箇所に収集するために勾配を持っていても良い。

水素が発生することにより、第１の容器１１３あるいはアノード室１０９の内圧は、大気圧以上、好ましくは大気圧よりも５ｋＰａ以上陽圧になり、アノード極滞留水に対して、前記水素圧を印加することにより、排出口１１０を介して外部へ排出する構成とする。

図２に、本発明の固体高分子型燃料電池の実施例の基本構成を示す。図２において、図１に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図２に示すように固体高分子型燃料電池システム１０１は、排出口２０４から排出されるアノード極滞留水を水素発生部１０３に導水するための導水路２０１を備える。さらにアノード極滞留水とともに排出されるガスにより第２の容器１１５の内圧が高圧になることを防止する目的で、圧調整機構としてガス抜き貫通孔２０３を備える。

導水路２０１の第２の容器側の末端には逆止弁構造２０２を形成して、アノード室１０９の内圧が、第２の容器の内圧よりも低くなったときに水素発生促進物質１１４がアノード室内へ逆流することを防ぐ構成とする。第２の容器１１５はガス抜き貫通孔２０３を備えるため、常に大気圧相当に保たれるのに対し、アノード室は発電で水素が消費され減圧状態となるが、このとき逆止弁構造２０２は閉じられるので水素を発生するために必要な、第２の容器１１５とアノード室１０９の差圧が得られ、水素発生部１０３は正常に駆動する。

逆止弁構造２０２は、アノード室１０９の内圧が第２の容器１１５の内圧よりも減圧状態となったときに閉じられる構造であれば、全て適用可能であるが、好ましくは２枚の板バネ先端を重ね合わせた構成である。前記板バネのバネ係数は、水素発生時のアノード室の内圧と大気圧の差圧で逆止弁構造が開かれるよう調整されており、好ましくは５ｋＰａ以上の差圧で開かれるよう調整されたバネ係数である。またバネの材質は、耐食性、耐酸性に優れた材質であれば全て適用可能であるが、好ましくはステンレス鋼を用いる。

前記圧調整機構は、図３に示すように伸張性に富む膜体３０１を設置した構成となっている。膜体３０１を設置することで、第２の容器１１５の内圧が高圧になる場合は、導水路２０１の間に逆止弁構造４０１が設置されて膜体３０１が膨らむことで第２の容器１１５の内圧を大気圧相当に維持する構成とされる。膜体３０１は伸張性に優れた材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは低弾性ゴム、シリコンゴム、ブチルゴム等のゴム材料を用いる。

また前記圧調整機構の参考例として、前記アノード室の内圧が規定の圧力以上となったときに開いて水素を逃がすベント構造として、通常のシール性は、前記ベントと前記第２の容器１１５にそれぞれ備えられた磁石の引力によって確保される構造とすることが考えられる。また通常のシール性を、前記ベントと前記第２の容器に接続されたバネによって確保される構造とすることも考えられる。

また図４、５に示すように導水路２０１の間に逆止弁構造４０１が設置されても良い。この場合、導水路２０１の第２の容器１１５側の末端は、図４、５に示すように管口４０２であってよい。

以下、図１０を参照して逆止弁構造４０１を詳細に説明する。

逆止弁構造４０１は、管径の細い第１の管体１００１と、管径の太い第２の管体１００５と、前記第１の管体１００１と第２の管体１００５を接続するための接続器１００２と、網状体１００４と、球体１００３から構成される。前記接続器１００２は中空の円錐台形状であり、接続器１００２の第１の管体１００１側の内径は、第１の管体１００１の内径と等しく、接続器１００２の第２の管体１００５側の内径は、第２の管体１００５の内径と等しい。第１の管体１００１の末端は、前記アノード室と接続され、第２の管体１００５の末端は、前記第２の容器と接続される。球体１００３は接続器１００２の中空部分に内包され、表面はシリコンゴム、ブチルゴムなどの材料を用いてシール性に富む加工がなされていることが好ましい。また球体１００３の内径は、第１の管体１００１の内径よりも大きく、第２の管体１００５の内径よりも小さいことを特徴とする。また球体１００３の芯材と網状体１００４には磁性体が用いられ互いに引力あるいは斥力を及ぼしあう。

次に逆止弁構造４０１の動作について詳細に説明する。

球体１００３の芯材である磁性体と網状体１００４の磁性体が斥力を及ぼしあう構成であって、第２の管体側の圧が第１の管体側の圧以上である場合、球体１００３は接続器１００２内部で第１の管体側に押付けられるため、逆止弁構造は閉じた状態である。一方、第２の管体側の圧が第１の管体側の圧よりも小さく、かつその差圧が磁性体の斥力を上回る場合、球体１００３は接続器１００２内部で第２の管体側に移動するため、逆止弁構造は開いた状態となる。

球体１００３の芯材である磁性体と網状体１００４の磁性体が引力を及ぼしあう構成であって、第１の管体側の圧が第２の管体側の圧以上である場合、球体１００３は接続器１００２内部で第２の管体側に押付けられるため、逆止弁構造４０１は開いた状態である。一方、第１の管体側の圧が第２の管体側の圧よりも小さく減圧状態であり、かつその差圧が磁性体の引力を上回る場合、球体１００３は接続器１００２内部で第１の管体側に移動するため、逆止弁構造４０１は閉じた状態となる。

前記水素発生部から水素が発生して前記アノード室１０９の内圧が高くなると、前記作用より、逆止弁構造は開いて、前記第２の容器１１５側へアノード極滞留水が流れる。一方、前記アノード室１０９内部の水素が発電に消費され前記アノード室１０９の内圧が減圧された場合は前記作用より、逆止弁構造４０１は閉じて、前記第２の容器１１５に格納されるリンゴ酸水溶液がアノード室１０９内へ逆流することを防ぐ。

このとき、前記アノード室内圧と前記第２の容器内圧の差圧が５ｋＰａ以上で前記逆止弁構造が開くように磁性体の引力あるいは斥力が調整されることが好ましい。

前記逆止弁構造４０１の開閉を行うために予め球体１００３に印加される引力、斥力は、前記球体１００３と網状体１００４に接続されたバネの弾性力により与えられても良い。さらに図１０に示す構造以外でも、前記アノード室１０９と前記第２の容器１１５の差圧により開閉する構造であれば、全て適用可能である。

前記逆止弁構造４０１を用いて固体高分子型燃料電池システムを構成する場合、圧調整機構は図４に示すようにガス抜き貫通孔２０３を用いることが考えられる。本発明では、図５に示すように膜体３０１を用いることになる。ガス抜き貫通孔２０３、膜体３０１についての詳細は説明の重複を避けるために割愛する。

図６に、本発明の固体高分子型燃料電池の他の実施例の基本構成を示す。図６において、図１に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図６において導水路２０１を発電部１０２から導出するために、図１乃至５では図示しないカソードエンドプレート１０７とアノードエンドプレート１０８を締結して固定するためのボルト６０１を中空にして導水路２０１を通す構成とする。ボルト６０１はナット６０２との組み合わせで締結される。

圧調整機構は図７に示すように膜体３０１が用いられている。また、図８に示すように逆止弁構造４０１を用いても良い。

ボルト６０１の構成について、図１１を参照して詳細に説明する。前記ボルトは、基材１１０１と、基材１１０１の中空部の内壁に設置されるシール材１１０２から構成される。シール材１１０２は、前記導水路２０１と基材１１０１の接触部分に位置し、アノード室１０９からの水素透過防止と、導水路２０１と基材１１０１の接触による劣化防止の目的で用いる。シール材の厚みは好ましくは０．２ｍｍ以上であるものが用いられる。また材質はシリコンゴム、ニトリルゴムなど水素透過性が低く、緩衝材として優れた性能を示す材料であれば全て適用可能であるが、好ましくはブチルゴムを用いる。

図１２は、本発明による固体高分子型燃料電池システムの概略構成図である。

尚、基本的な構成は図１乃至図９に示した構成であるため、図１乃至図９に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図１２に示した固体高分子型燃料電池システム１７１は、導水路２０１中に貯水部１６５を設置する。発電部１０２の温度が好ましくは、２５℃〜８０℃の範囲で運転されるのに対し、貯水部１６５は室温２５℃程度なので、その温度差により貯水部１６５に水が凝縮する。また、発電部１０２全体を覆う断熱層１７２が設けられている。断熱層１７２を設置することで、貯水部１６５と発電部１０２との温度差が大きく保たれ、貯水部１６５における水の凝縮・収集能力を向上することができる。また、発電部１０２の全体を覆う断熱層１７２を設けたことにより、発熱するＭＥＡ１０５を含めて発電部１０２の全体が断熱層１７２で覆われるので水の蒸発が促進される。

また、貯水部１６５に冷却部１６９を備えると共に、カソード極１０４側に一部開口している押さえ部材１７０を設置し、押さえ部材１７０と貯水部１６５を連通してある。貯水部１６５に冷却部１６９を備えたので、水の凝縮・収集能力を向上させることができる。また、カソード極１０４側に一部開口している押さえ部材１７０を設置して押さえ部材１７０から貯水部１６５に水を導入させるようにしたので、従来は、カソード極１０４で発生した水は全て大気に開放されていたところが、一部水に凝縮して燃料に循環することができる。

従って、上述した実施形態例では、内部エネルギ（発電により発生する水素の圧力差及び温度差）により、燃料を循環させる系で水を回収することができる。

本発明の固体高分子型燃料電池システムの基本形例の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例の基本構成としてアノード極滞留水を水素発生部へ循環させる機構を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例として、アノード極滞留水を水素発生部へ循環させる機構を示す図であり、圧調整機構と逆止弁構造の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例の基本構成として、アノード極滞留水を水素発生部へ循環させる機構を示す図であり、圧調整機構と逆止弁構造の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例として、アノード極滞留水を水素発生部へ循環させる機構を示す図であり、圧調整機構と逆止弁構造の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例の基本構成として、導水路を発電部から導出する構造を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例として、導水路を発電部から導出する構造を示す図であり、圧調整機構と逆止弁構造の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例の基本構成として、導水路を発電部から導出する構造を示す図であり、圧調整機構と逆止弁構造の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの実施例として、導水路を発電部から導出する構造を示す図であり、圧調整機構と逆止弁構造の構成を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの逆止弁構造の一例を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの導水路導出構造の一例を示す図である。 本発明による固体高分子型燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１０１ 固体高分子型燃料電池システム
１０２ 発電部
１０３ 水素発生部
１０４ カソード極
１０５ ＭＥＡ
１０６ アノード極
１０７ カソードエンドプレート
１０８ アノードエンドプレート
１０９ アノード室
１１１ 供給口
１１２ 水素化ホウ素ナトリウム
１１３ 第１の容器
１１４ リンゴ酸水溶液
１１５ 第２の容器
１１６ ノズル
２０１ 導水路
２０３ ガス抜き口
２０４ 排出口
４０１ 逆止弁構造
４０２ 管口

Claims (6)

1. プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、
   前記発電部と接続され、該発電部に導入する水素ガスを発生する水素発生部と、
   を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記水素発生部が、前記アノード極の内部状態と該水素発生部の内部状態の差によって水素を発生する受動型水素発生機構を具備し、
   前記受動型水素発生機構により発生した水素ガスのガス圧によって前記アノード極に備えられた排出口から発電によって生じた水をアノード極の外部に排出する水排出機構と、
   前記排出口から排出された水あるいは水溶液を水素発生部へ導水するための導水路とを備え、
   前記受動型水素発生機構が、
   水素発生物質を格納する第１の容器と水素発生促進物質を格納する第２の容器とから構成され、
   前記アノード極の内圧と前記水素発生部の内圧の差によって受動的に前記水素発生物質と前記水素発生促進物質が混合されることにより水素を発生させ、
   前記導水路が、前記第２の容器へ接続される構造であり、
   前記導水路が、ガス抜きのための貫通孔、及び、前記貫通孔を塞ぐ膜体により構成される圧調整機構を備え、水とともに排出されるオフガスにより前記第２の容器の内圧が高圧となることを防ぐ
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記導水路が、前記第２の容器からの前記水素発生促進物質の逆流を防ぐ逆止弁構造を備えた
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記逆止弁構造が、少なくとも１枚の板バネから構成される
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記逆止弁構造が、径の異なる２本の管体と、前記管体を接続する中空円錐台形の接続器と、前記接続器の中に具備され、直径が前記２本の管体内径の間である球体とから構成され、前記導水路の任意の場所に設置される
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記球体が磁性体であり、前記管に設置された磁石との引力あるいは斥力によって通常固定状態に保たれる
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
6. 請求項４に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
   前記球体と前記管がバネで接続され、前記バネの力によって通常固定状態に保たれる
   ことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。

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