JPH11185782A

JPH11185782A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JPH11185782A
Application number: JP9367376A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ueno; 正隆上野; Koichi Shiraishi; 剛一白石; Munehisa Horiguchi; 宗久堀口; Seiichi Katahira; 清市片平; Chikayuki Takada; 慎之高田
Original assignee: AQUEOUS Research KK; AQUEOUS RESERCH KK
Current assignee: AQUEOUS Research KK; AQUEOUS RESERCH KK
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料排気ガス中の水素ガス成分をより完全に
利用する。【解決手段】燃料排気ガスを空気極に導入する構成の
燃料電池装置において、空気極へ導入される空気へ燃料
排気ガスを予め混合し、この空気と燃料排気ガスとの混
合気を空気極へ供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池装置に関
する、特に燃料排気ガスを空気極に導入する構成の燃料
電池装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】かかるタイプの燃料電池装置が本出願人
によって特開平９−２６６００４号公報に示されてい
る。その開示によれば、燃料極に供給された水素ガス
は、発電反応に利用されてその多くが消費されるが、な
お残存する余剰水素ガスは閉ループライン（燃料排気ガ
ス路）を流れて空気極へ直接導入される。

【０００３】このように構成された燃料電池装置によれ
ば、次の作用効果が得られる。即ち、空気極へ導入され
た水素ガスは、空気極の触媒層（Ｐｔ）上で燃焼して水
に転化する。これにより、電解質に高分子固体イオン交
換膜が用いられる高分子固体電解質型燃料電池の場合
に、空気極での通常の電池反応による生成水および余剰
水素ガスの燃焼による回収水が、水の濃度差により、水
濃度が希釈である電解質膜に向けて流れるため、電解質
膜が加湿される。この逆浸透された水により、電解質膜
を好適な湿潤状態に保つ事ができる。即ち、高分子固体
電解質膜の加湿を、従来の燃料極側からの加湿に加えて
空気極側から行うことができ、あるいは空気極側からの
み行うことも可能となる。燃料極側から加湿を行わない
場合には、燃料極に供給する水素ガス中に水蒸気を導入
して加湿する必要がなくなり、このため加湿器を省くこ
とができる。よって、水素ガスの利用効率が更に向上さ
れ且つ安定される。更には、水素排気ガスをそこに残存
する余剰水素ガスがそのまま含まれた状態で系外に排出
することは好ましくない。水素ガスは活性が高いため、
排出後に燃料電池装置系外で好ましくない反応を起こす
おそれがあるからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本願発明者らは上記構
成の燃料電池装置の改良をすべく鋭意検討を重ねた。特
に、空気極側へ導入された余剰水素ガス、即ち燃料排気
ガス中の水素ガス成分をより完全に利用できるように検
討をしてきた。これにより、電解質膜へ充分に水分を供
給できるとともに、燃料電池装置の系外に排出される水
素ガスの濃度をできる限り小さくできるからである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を達
成するものであり、その構成は次の通りである。即ち、
燃料排気ガスを空気極に導入する構成の燃料電池装置に
おいて、前記空気極へ導入される空気へ前記燃料排気ガ
スを予め混合し、この空気と燃料排気ガスとの混合気を
空気極へ供給する、ことを特徴とする燃料電池装置。

【０００６】

【発明の作用・効果】このように構成された燃料電池装
置によれば、燃料排気ガスが空気へ混合されてその混合
気が空気極へ供給される。従って、空気極の付近におい
て水素ガスはより高い分散の状態にある。換言すれば、
水素ガスを確実に空気極全体へ均一に行き渡らせること
ができる。よって、水素ガスの空気極での燃焼効率が向
上し、電解質の湿潤状態が常に維持されることとなる。
また、空気排気ガス中の水素ガス成分の濃度がより一層
低下する。

【０００７】

【発明の実施の形態】上記において、燃料排気ガスを空
気と効率よく混合する一の方策として空気流の速いとこ
ろへ燃料排気ガスを合流させる。実施例では、空気の導
入管へ燃料排気ガスを合流させた。空気の導入管では、
燃料極の空気マニホールドに比べて、空気の流れが速い
からである。空気流を速くするために、空気導入管に縮
径部分を設けてそこに燃料排気ガスを合流させてもよ
い。

【０００８】勿論、予混合を行うために、ファン等の機
械的撹拌手段を空気導入管や空気マニホールドに設ける
こともできる。

【０００９】空気極から排気される空気排気ガスの一部
が空気極へ循環されるタイプの燃料電池装置も提案され
ている（特開平９−２６６００４号公報参照）。空気排
気ガスを循環させることにより空気に合流された水素ガ
スをより完全に燃焼させるためである。かかるタイプの
燃料電池装置では、当該空気排気ガスの循環路が空気導
入管に合流する部分よりも上流側で燃料排気ガスを空気
導入管へ合流することが好ましい。燃料排気ガスは先ず
空気導入管へ合流する部分で混合・撹拌され、空気排気
ガスが合流する部分でその混合・撹拌が更に促進される
からである。

【００１０】以上の様に、空気極へ導入される空気に燃
料排気ガスを予混合し、この混合気を空気極へ供給する
ことにより、燃料排気ガスに残留する水素ガス成分の消
費が促進され、よって燃料電池装置の系外へ最終的に排
出される空気排気ガスに含まれる水素ガス成分の濃度は
非常に小さくなる。しかし、水素ガスの濃度がゼロにな
ることは理論的にあり得ないので、この水素ガスが好ま
しくない反応を引き起こす可能性がないわけではない。
そこで、この発明の他の局面によれば、当該空気排気ガ
スの排気口を外気が撹拌されている部分に向ける。これ
により、たとえ空気排気ガスに水素ガスが含まれていた
としても、これは排気と同時に外の空気と撹拌される。
従って、燃料電池装置の系外において水素ガスが滞留し
てその濃度が好ましくない程度に上昇することがなくな
る。

【００１１】即ち、この局面によれば、水素ガス濃度を
低下させる対策が二重（燃料排気ガスを空気に予混合す
る＋空気排気ガスを大気中に排出する際これを積極的に
拡散する）に施されている。

【００１２】空気排気ガスを積極的に拡散する方策とし
て、実施例ではその排出口を燃料電池装置の冷却系のラ
ジエータのファンに向けた。その他、空気排気ガスから
水分を凝縮分離するための凝縮器のファンに向けても良
い。更には、車輪に向けて空気排気ガスを排出してもこ
れが積極的に拡散されることとなる。このような機械的
な撹拌手段を空気排気ガス口の近傍に専用に設けること
もできる。

【００１３】その他、大気との温度差が大きな部品若し
くはその近傍に空気排気ガス口を向けることもできる。
当該部品の周辺では空気の対流が発生し、もって空気排
気ガスが積極的に拡散されるからである。

【００１４】

【実施例】次ぎに、この発明の実施例を図面を参照にし
て説明する。図１は実施例の燃料電池装置１の概略構成
を示す。図２は燃料電池本体１０の基本ユニットを示
す。

【００１５】図１に示すように、この装置１は燃料電池
本体１０、燃料ガスとしての水素ガス供給系２０、空気
供給系３０、水供給系４０から概略構成される。

【００１６】燃料電池本体１０の単位ユニットは空気極
１１と燃料極１３とで固体高分子電解質膜１２を挟持す
る構成である。実際の装置ではこの単位ユニットが複数
枚積層されている（燃料電池スタック）。空気極１１の
上方及び下方には空気マニホールド１４、１５が形成さ
れている。上方のマニホールド１４にはノズル４１を取
り付けるための取付孔が形成されている。一方、下側の
空気マニホールド１５は滴下した水を効率よく排出でき
るものとする。

【００１７】図２に示すように、上記空気極１１−固体
高分子電解質膜１２−燃料極１３の単位ユニットは、一
対のカーボン製コネクタ板１６、１７で挟持されてい
る。空気極１１に対向するコネクタ板１６の面には空気
を流通させるための溝１８が複数条形成されている。各
溝１８は上下方向に形成されてマニホールド１４、１５
を連通している。その結果、ノズル４１より供給される
霧状の水は当該溝１８に沿って空気極１１の下側部分ま
で達する。同様に、燃料極１３に対向するコネクタ板１
７の面には水素ガスを流通させるための溝１９が形成さ
れている。実施例ではこの溝１９を水平方向に複数条形
成した。

【００１８】空気極１１には水が供給されるのでこれは
耐水性のある材料で形成される。また、そこに水の膜が
できると空気極１１の実効面積が減少するので空気極１
１の材料には高い撥水性も要求される。かかる材料とし
て、カーボンクロスを基材として（Ｃ＋ＰＴＦＥ）を塗
り込んだガス拡散層を使用した。固体高分子電解質膜１
２には汎用的なナフィオン（商品名：デュポン社）の薄
膜を使用した。尚、膜の厚さは空気極側からの生成水の
逆浸透が可能であれば、その数値は特に問わない。燃料
極１３は空気極１１と同じ材料で形成されている。部品
の共通化の為である。空気極１１及び燃料極１３におい
て電解質膜１２と接触する方の面には、ある程度の厚さ
でもって酸素と水素の反応を促進するために用いられる
周知の白金系触媒がそれぞれ均一に分散されていて、空
気極１１及び燃料極１３における触媒層として形成され
る。

【００１９】水素ガス供給系２０の水素源２１として、
この実施例では水素吸蔵合金からなる水素ボンベを利用
した。その他、水／メタノール混合液等の改質原料を改
質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成さ
せ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素
源とすることもできる。勿論、燃料電池装置１を室内で
固定して使用する場合には、水素配管を水素源とするこ
とができる。水素源２１と燃料極１３とは水素供給調圧
弁２３を介して水素ガス供給路２２により接続されてい
る。調圧弁２３は燃料極１３に供給する水素ガスの圧力
を調整するものであり、汎用的な構成のものを利用でき
る。

【００２０】燃料極１３からの排気ガスは燃料排気ガス
路２４を通じて空気導入路３１に供給されここで空気と
混合される。空気導入路３１に導入された燃料排気ガス
は空気排気ガス循環路３５が空気導入路３１と合流する
部分で更に混合される。燃料排気ガス路２４にはこれを
開閉するための水素排気弁２５が配設されている。図中
の符号２７は燃料排気ガス中の水素ガス成分の濃度を検
出するセンサであり、符号２９は燃料排気ガスの流量を
検出する流量計である。なお、燃料排気ガス路２４の吹
き出し口を、ノズル４１の噴出口若しくは空気導入路３
１の吹き出し口に向ければ、そこで撹拌・混合が行われ
るので、この場合、燃料排気ガスを空気マニホールド１
４に直接導入することが可能となる。

【００２１】燃料極１３に供給された水素ガスは発電反
応に利用されてその大部分が消費されるが、なお残存す
る余剰水素ガスは排気ガス路２４を流れ、水素排気弁２
５を介して空気導入路３１へ導入される。そしてここで
予混合され分散の高い状態で空気極１１に到達する。こ
のようにして空気極１１に供給された余剰水素ガスは触
媒上で燃焼して水に転化する。この水は電解質膜１２に
供給される。このようにして、通常の電池反応による生
成水と余剰水素ガスの燃焼による回収水が利用できる燃
料電池装置１では、水素ガス系２０及び空気系３０の各
ガス路に従来型の加湿器が何ら必要とされない。

【００２２】空気極１１にはブロア３７によって大気中
より空気が供給される。このブロア３７はモータ３８に
よって駆動制御される。図の符号３１は空気の導入路で
あり空気極１１のマニホールド１４に連結されている。
下側のマニホールド１５には空気極１１を通過した空気
を排気するための空気排気ガス路３２が連結され、水を
分離する凝縮器３３を介して空気排気ガスは循環路３５
及び排気口３６へ送られる。空気排気調圧弁３４の開度
により循環路３５と排気口３６とへ分配される空気排気
ガスの割合が調節される。空気排気ガスを循環させるの
は、空気極１１へ導入された余剰水素ガスを完全に燃焼
させるためである。循環路３５及び排気調圧弁３４を省
略し、空気排気ガスをそのまま大気へ排出する構成とす
ることもできる。なお、この空気排気ガスはラジエータ
ファン３９へ向けて排気し、これを大気中へ拡散させる
ことが好ましい。

【００２３】凝縮器３３で分離された水はタンク４２へ
送られる。タンク４２には水位センサ４３が付設され
る。この水位センサ４３により、タンク４２の水位が所
定の値以下となると、アラーム４４が点滅してオペレー
タに水不足を知らせる。

【００２４】実施例の水供給系４０では、タンク４２か
ら水供給路４５がポンプ４６、水圧センサ４７及び調圧
弁４８を介して、ノズル４１まで連結されている。調圧
弁４８により所望の水圧に調節された水はノズル４１か
ら吹き出して空気マニホールド１４内では霧状になる。
そして、吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および
空気流等によって空気極１１の実質的な全面に霧状の水
が供給される。

【００２５】このようにして空気極１１の表面に供給さ
れた水はそこで周囲の空気及び電極表面から潜熱を奪っ
て蒸発する。これにより、電解質膜１２の水分の蒸発が
防止される。また、空気極１１へ供給された水は空気極
１１からも潜熱を奪うので、これを冷却する作用もあ
る。特に、始動時に水を供給したときには、水素と空気
の燃焼により膜、触媒がダメージを受けることを予防で
きる。

【００２６】図中の符号５０は電圧計であり、空気極１
１と燃料極１３との間の電圧を計測する。

【００２７】次ぎに、図３及び以降の図面を参照にし
て、実施例の燃料電池装置１の動作を説明する。制御装
置７０及びメモリ７３は燃料電池装置１のコントロール
ボックス（図１に示されていない）に収納されている。
メモリ７３にはコンピュータからなる制御装置７０の動
作を規定するコントロールプログラム及び各種制御を実
行するときのパラメータやルックアップテーブルが収納
されている。

【００２８】まず、水素ガス供給系２０の動作について
説明する。起動時には、水素排気弁２５を閉に保持して
おいて、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極
１３に供給されるように水素供給調圧弁２３を調整す
る。排気弁２５を閉じた状態で燃料電池装置１を運転す
ると、空気極より透過するＮ₂、Ｏ₂あるいは生成水の影
響で燃料極１３で消費される水素の分圧は徐々に低下す
るためこれに伴って出力電圧も低下し、安定した電圧が
得られなくなる。

【００２９】そこで、予め定めれた規則に基づいて弁２
５を解放して水素分圧の低下したガスを排気し、燃料極
１３の雰囲気ガスをリフレッシュする。予め定めれた規
則はメモリ７３に保存されており、弁２５の開閉及び調
圧弁２３の調整は制御装置７０が当該規則をメモり７３
から読み出して実行する。

【００３０】この実施例では、電圧計５０で出力電圧を
モニタし、出力電圧が所定の閾値を超えて低下したら所
定の時間（例えば０．３秒間）弁２５を解放する。ある
いは、弁２５を閉とした状態で燃料電池装置１を運転し
たときに出力電圧が低下し始める時間間隔を予め計測し
ておき、その時間間隔と実質的に同一又は若干短い周期
で弁２５を解放するように、弁２５を間欠的に開閉制御
する。

【００３１】次ぎに、空気供給系３０の動作について説
明する。モータ３８は通常一定の出力で回転し、ブロア
３７により外気が一定の圧力で空気マニホールド１４へ
供給される。一方、空気排気ガスの一部は空気排気調圧
弁３４の開度に応じて系外へ排出され、残部は循環路３
５を通って循環される。即ち、空気排気ガスには水素が
含まれるのでこの水素を燃焼させることにより生成され
る水分が電解質膜１２を湿潤状態を維持するのに適当な
量となるよう、換言すれば燃料電池本体の水分バランス
が最適となるように調圧弁３４の開度が調節される。

【００３２】空気排気調圧弁３４の開度の調節も予め定
められた規則に基づき制御装置７０により制御される。
予め定められた規則はメモリ７３に保存されている。こ
の実施例では、燃料電池本体１０の水分バランスは主と
して後述する水供給系４０により調整されるので、調圧
弁３４の開度は固定しておいても良い。

【００３３】水素排気弁２５が開かれたとき、空気供給
系３０は図４に示すように動作する。先ず、ステップ１
で燃料排気ガス中の水素ガス成分の濃度を水素濃度セン
サ２７により検出する。次ぎにステップ３で燃料排気ガ
スの流量を流量計２９により検出する。これらのステッ
プ１及び３で得られた検出結果に基づいて最適な空気導
入量を演算する（ステップ５）。即ち、水素ガス濃度が
高かったり若しくは燃料排気ガスの流量が多く、結果と
して多量の水素ガスが空気に混合され得るときにはモー
タ３８の出力を上げて空気の導入量を増やし、もって空
気導入路３１における空気の流量を速める。これにより
空気と水素ガスとの予混合が促進される（ステップ
７）。

【００３４】なお、ステップ５における演算はメモリ７
３に予め保存されている規則に基づき演算装置７０が実
行する。この規則の一例として水素ガス濃度及び燃料排
気ガスの流量をパラメータとして空気導入量が規定され
る方程式がある。又はこれらパラメータのルックアップ
テーブルより空気導入量を求めることもできる。

【００３５】この実施例では燃料排気ガス中の水素ガス
成分の濃度及び燃料排気ガスの流量に基づいて空気導入
量を演算したが、どちらか一方の値のみを検出しその検
出結果から空気導入量を演算しても良い。

【００３６】次ぎに、水供給系４０の動作について説明
する。タンク４２の水がポンプ４６で圧送される。そし
て、噴射圧力調整弁４８でその圧力が調整されてノズル
４１から噴霧される。これにより、水が液体の状態（霧
の状態）で空気極１１に供給されることとなる。

【００３７】水の供給量は予め定められた規則に基づき
制御装置７０により制御される。予め定められた規則は
メモリ７３に保存されている。この実施例では、図５に
示すとおり、まず空気極１１−燃料極１３間の出力電圧
がモニタされる（ステップ１１）。そして、出力電圧に
基づき最適水噴射量が演算される（ステップ１３）。こ
の演算は所定の方程式を用いるか、若しくは所定のルッ
クアップテーブルを準備しておいて（メモリ７３に保存
しておく）、これより求めることができる。通常は、出
力電圧が所定の閾値電圧を超えて小さくなったとき、若
しくは出力電圧の変動幅が所定の閾値を超えたときに、
水供給系４０はその作動を開始する。

【００３８】次ぎに、ステップ１５において最適水噴射
量に対応する最適水圧力を演算する。例えば、水噴射量
と水圧力とは図６に示す関係があるので、この関係が方
程式若しくはルックアップテーブルのかたちでメモり７
３に予め保存されている。この実施例では、ポンプ４６
を一定のパワーで運転しておいて循環路４９の調圧弁４
８の開度によりノズル４１の水圧力を調節している。即
ち、調圧弁４８の開度が大きく（小さく）なればノズル
４１の水圧力は小さく（大きく）なる。

【００３９】従って、ステップ１７では水圧センサ４７
によりノズル４１にかかる水圧力を検出し、フィードバ
ック制御によりその水圧力が所望の値（最適水圧力）と
なるように調圧弁４８を調節する（ステップ１９）。

【００４０】その他、所定の時間経過（例えば５〜１０
秒）ごとに、一定の水圧で水供給系４０を稼働させても
良い。

【００４１】この発明は、上記発明の実施の形態及び実
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の燃料電池装置の構成を示す
模式図である。

【図２】同じく燃料電池本体の基本構成を示す断面図で
ある。

【図３】同じく燃料電池装置の制御系を示す模式図であ
る。

【図４】同じく空気供給系の動作を示すフローチャート
である。

【図５】同じく水供給系の動作を示すフローチャートで
ある。

【図６】同じく水噴射量と水圧力の関係を示すグラフ図
である。

【符号の説明】

１燃料電池装置１０燃料電池本体１１空気極１２電解質膜１３燃料極２０水素供給系２５水素排気ガス路３０空気供給系３５空気排気ガス循環路４０水供給系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片平清市東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者高田慎之東京都千代田区外神田２丁目19番12号株式会社エクォス・リサーチ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料排気ガスを空気極に導入する構成の燃
料電池装置において、前記空気極へ導入される空気へ前記燃料排気ガスを予め
混合し、この空気と燃料排気ガスとの混合気を空気極へ
供給する、ことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】空気の導入路と燃料極側との間に前記燃料
排気ガスを流通させる燃料排気ガス路が設けられてい
る、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】空気を空気極に導入する空気導入路と、前記空気極から空気排気ガスを排気する空気排気ガス路
と、前記空気排気ガス路と前記空気導入路との間に設けられ
る空気循環路と、前記空気導入路へ接続され、燃料排気ガスを該空気導入
路へ合流させる燃料排気ガス路と、を備えてなる燃料電池装置。
【請求項４】前記燃料排気ガス路は前記空気循環路より
も上流側で前記空気導入路に接続される、ことを特徴と
する請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】前記燃料排気ガスの流量及び／又は前記燃
料排気ガス中の燃料ガス成分の濃度を検出する検出手段
と、該検出手段の検出結果に基づき前記空気導入路へ導入さ
れる空気の流量を調整する手段と、が更に備えられる、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池装
置。