JP2007042474A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 より簡略化した構成で燃料電池スタックへ均一に酸化ガスを供給できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック100の各酸素室へ空気を分配する空気マニホールド54に対して、空気ファン122から、空気導入路123を介して空気を供給する。空気導入路123内には、空気流に水滴を供給するノズル55を設け、ノズル55の上流側に、空気流を拡散する拡散部材124mを配置する。空気流は、拡散部材124mで拡散された後、水滴がノズル55により混合され、燃料電池スタック100の各酸素室へ均一に分配される。
【選択図】 図7

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料電池スタックに供給する酸化ガスを均一に供給し得る燃料電池システムに関する。
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス(主として空気中の酸素)が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
上記酸素室からは、電力取得後、酸化ガスが排気室に排出される。また、上記酸素室への酸化ガスの流入の際、酸素室に、水タンクからの冷却水を噴射流入する。このように、酸素室に冷却水が噴射されるので、噴射された水は、酸素室を介して排気室に到達する。冷却水は、電解質膜を湿潤状態に維持する作用も有する。燃料電池スタックを構成する電解質膜を全て湿潤状態に維持するには、積層された各電解質膜に酸素及び水を均一に供給する必要がある。
ところで、空気を供給する供給装置から、各酸素室へ空気を分配する空気マニホールドへ空気を供給する際、各酸素室へ均一に供給するために、下流へ向けて離間距離が広がる整流板と、さらに整流器が設けられている(特許文献1)。このような装置がない場合、供給される空気流は、導風路断面における中央の風圧が特に高くなり、各導入口に均一に空気や水を配分することが不可能となる。
特開2005−42639号公報
しかし、冷却水を供給される空気中に混合して、燃料電池スタックに供給する構成においては、冷却水を混入する位置の下流に整流器を配置することはできない。また、整流板により送風を均一化するためには、十分な長さの整流板が必要であり、導風路が長尺化するなどの装置の大型化を招いている。
本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、より簡略化した構成で燃料電池スタックへ均一に酸化ガスを供給できる燃料電池システムを提供することにある。
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
(1) 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
酸化ガスを燃料電池スタックへ送り込む送風手段と、
前記送風手段からのガス流を各導入口へ分配する酸化ガスマニホールドと、
前記送風手段から前記酸化マニホールドへ酸化ガスを導くとともに、横断面積が酸化マニホールドへ向けて増加する導風路と、
酸化ガスの流れの中に水を噴射流入させる噴射手段と、
前記噴射手段の上流側に、酸化ガスの送風方向を拡散させる拡散手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
(2) 前記拡散手段は、前記導風路中に、導風路を横断して設けられ、複数の通風孔を有する板状の拡散部材である上記(1)に記載の燃料電池システム。
(3) 前記拡散部材は、線材の集合体である上記(2)に記載の燃料電池システム。
(4) 前記拡散部材は、多孔体である上記(2)に記載の燃料電池システム。
請求項1記載の発明によれば、拡散手段を通過した酸化ガスは、送風方向が拡散され、導風路の面積が増加する横断面内で、風圧が均一に拡散される。その後、噴射手段により水を噴射流入することによって、拡散手段に水を接触させることなく、水をガス流に混合させ、酸化ガスマニホールドに供給できる。これにより、各導入口に、酸化ガスと水を均一に供給することができる。
請求項2記載の発明によれば、複数の通風孔を有する板状の拡散部材の上流側では、拡散部材の表面に沿って風圧が高まり、その風圧によって各通風孔を酸化ガスが通過するので、各通風孔を通過する酸化ガスの風向が拡散され、結果として、下流へ向けて横断面が拡大する導風路に沿った酸化ガス流を得ることができる。
請求項3記載の発明によれば、拡散部材を線材の集合体とすることによって、送風方向を拡散することができ、下流へ向けて横断面が拡大する導風路に沿った酸化ガス流を得ることができる。
請求項4記載の発明によれば、拡散部材を多孔体とすることによって、送風方向を拡散することができ、下流へ向けて横断面が拡大する導風路に沿った酸化ガス流を得ることができる。
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図1は、この発明の燃料電池システム1の構成を示すブロック図である。図1に示されているように、この燃料電池システム1は燃料電池スタック100、水素貯蔵タンク11を含む燃料供給系10、空気供給系12、水供給系50、負荷系7とに大略構成される。
この燃料電池スタック100の構成について説明する。燃料電池スタック100は、燃料電池単位セル15と燃料電池セパレータ13とを交互に積層して構成されている。図2は、燃料電池用セパレータ13を示す全体正面図、図3は、燃料電池セパレータ13で構成された燃料電池スタック100の部分断面平面図(図2におけるA‐A断面図)、図4は、燃料電池用セパレータ13の全体背面図である。
セパレータ13は、単位セル15の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材3、4と、各集電部材3、4の周端部に外装される枠体8、9とを備えている。集電板である集電部材3、4は金属で構成されている。構成金属は、導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。集電部材3は、単位セル15の燃料極に接触し、集電部材4は酸素極に接触する。集電部材3には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部32が形成されている。
凸状部32は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って(図2における横方向)配置された凸状部32の間に形成された溝によって、凸状部32の間には水素流路301が形成され、凸状部32の裏側に形成された溝33によって、水素流路302が形成されている。この凸状部32の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部321となっている。集電部材3が網体であるため、当接部321が接触する部分においても、孔320を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、水素流路301と水素流路302の間も、孔320を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材3の両端部には、流通孔35が形成され、セパレータ13を積層した場合に、この流通孔35によって水素供給路が構成される。
集電部材4は、矩形の板材から成り、プレス加工によって、複数の凸状部42が形成されている。凸状部42は、板材の短辺に平行に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部42の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路40が形成されている。この凸状部42の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部421となっている。また、凸状部42の裏側は溝状の中空部41となっており、中空部41の両端は、閉鎖されている。
以上のような集電部材3、4は、各凸状部32と凸状部42が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材3の裏側面34と空気流路40の裏側面403が当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路40は、図3に示されているように、単位セル15に重ね合わされ、溝の開口部400を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路40の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路40から、単位セル15の酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路40を通過する空気中に含有される酸素である。
空気流路40の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口43となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口44となっている。この導入口43から導出口44までの空気流路40及びその集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室(酸化ガス室)として機能する。また、中空部41の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口45となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口46となっている。以上のような構成において、空気流路40と中空部41は、交互に平行に配置され、相互に側壁47を挟んで隣接した構成となっている。
集電部材3、4には、枠体8、9がそれぞれ重ねられる。図2に示されているように、集電部材3に重ねられる枠体8は、集電部材3と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部32を収納する窓81が形成されている。また、両端部近傍には、集電部材3の流通孔35に合致する位置に孔83が形成されており、この孔83と窓81との間には、集電部材3に接触する側の平面に凹部が形成され、水素流通経路84が設けられている。また、集電部材3に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓81に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部82が設けられている。この収納部82に収納された単位セル15の燃料極表面と、水素流路301、302と、窓81とによって、燃料室30が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
集電部材4に重ねられる枠体9は、枠体8と同じ大きさに構成され、中央には、凸状部42を収納する窓91が形成されている。また、両端部近傍には、枠体8の孔83に合致する位置に孔93が形成されている。枠体8の集電部材4が重ねられる側の面には、枠体8の対向する一対の長辺に沿って溝が形成され、集電部材3、4に重ねることによって、空気流通路94、95が構成される構造となっている。空気流通路94の一端は、枠体8の長辺側の端面に形成された単位開口941に接続され、他端は空気流路40の導入口43に接続されている。
上流側の空気流通路94は、単位開口941側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面942となっており、後述する空気マニホールド54から噴射される霧状水の取り入れを容易としている。一方、下流側の空気流通路95の一端は、空気流路40の導出口44に接続され、他端は、枠体8の長辺側端面に形成された開口951に接続されている。空気流通路95は、開口951側から空気流路40側へ向けて横断面積が漸減するように、端部内壁がテーパー面952となっている。燃料電池スタック100が傾いた際にも、このテーパー面952によって、水の排出が維持される。また、枠体9の、集電部材4に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓91に沿って形成された凹部が形成され、単位セル15が収納される収納部92が設けられている。上記単位開口941の集合体によって、燃料電池スタック100の上面には、矩形状の開口940が形成され、この開口940に、空気マニホールド54から空気が流入する。
図5は単位セル15の拡大断面図である。単位セル15は、固体高分子電解質膜15aと、該固体高分子電解質膜15aの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極15bと燃料極15cとを備えていて、固体高分子電解質膜15aは、酸素極15bと燃料極15cとで挟持されている。固体高分子電解質膜15aは、収納部82、92に合致した大きさに形成され、酸素極15bと燃料極15cは、窓91、81に合致した大きさに形成されている。単位セル15の厚さは、枠体8、9や集電部材3、4の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路40の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が40°以下、好ましくは30°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン(Ti O2)等が挙げられる。
以上のように構成された枠体8、9によって集電部材3、4を保持してセパレータ13が構成され、セパレータ13と単位セル15を交互に積層して、燃料電池スタック100が構成される。図6は燃料電池スタック100の部分平面図である。燃料電池スタック100の上面には、多数の導入口43が開口し、この導入口43に、後述するように、空気マニホールド54から空気が流入するとともに、空気マニホールド54内で、噴射流入手段であるノズル55から噴射された水が同時に流入する。このノズルは、水を液滴の状態で、燃料電池スタック100に供給する。導入口43から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材3、4を冷却する。また、燃料電池スタック100の底面には、図6に示されている導入口43に対向する位置に、多数の導出口44が開口し、この導出口44から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口43は、燃料電池スタック100の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口44は、燃料電池スタック100の底面に、縦横に多数開口することとなる。
次に、図1に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系10の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク11には、燃料ガス供給流路201A、201Bを介して燃料電池スタック100のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路201Aには、水素元バルブ18、一次圧センサS0、レギュレータ19、二次圧センサS1、第1ガス供給弁20及び水素調圧弁21、第2ガス供給弁22、三次圧センサS2が順に設けられ、この燃料ガス供給流路201Aは、燃料ガス供給流路201Bの一端に接続している。燃料ガス供給流路201Bの他端は、燃料電池スタック100の上記ガス取入口201BのINに接続されている。燃料電池スタック100のガス排出口には、ガス排出流路202の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路201Bに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路202には、燃料電池スタック100のガス排出口側から順に、トラップ24、循環ポンプ25、循環電磁弁26が配置されている。トラップ24には、水レベルセンサS10が取り付けられ、さらに、ガス導出路203の一端が接続されている。ガス導出路203の他端は、空気ダクト124に接続されている。ガス導出路203には、排気電磁弁27が設けられている。
次に空気供給系12について説明する。空気供給系12は、空気導入路123と、空気マニホールド54と、空気排出路である空気ダクト124とを備えている。空気導入路123には、フィルタ121、空気ファン122、空気マニホールド54の順で流入方向に沿って設けられている。
空気導入路123内には、拡散手段である抵抗板123mが設けられ、更に、その下流側には、空気マニホールド54内の直前位置に、冷却水を空気導入路123内へ向けて噴射するノズル55が設けられている。このノズル55は、空気マニホールド54内に設けられていてもよい。空気マニホールド54は、燃料電池スタック100の導入口43に空気を分割して流入させる。フィルタ121から空気マニホールド54への具体的構成は後述する。
燃料電池スタック100の導出口44には、排気マニホールド53A1が接続され、導出口44から排出された空気は、排気マニホールド53A1によって合流され、空気ダクト124へ送られる。空気ダクト124は、導出口44から流出した空気を、凝縮器51を介して外部へ導流する。空気ダクト124の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器51が設けられ、続いてフィルタ125が接続されている。凝縮器51は、空気から水分取り出す。また、ノズル55から供給された水の内、燃料電池スタック100内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト124には、排気温度センサS9が設けられ、燃料電池スタック100内の温度が間接的に検出される。
次に、水供給系について説明する。水供給系50は、貯水手段としての水タンク531と、凝縮器51で回収した水を水タンク531へ導く導水路57と、水タンク531の水をノズル55へ導く給水路56とを有する。導水路57には、回収ポンプ62が設けられている。回収ポンプ62は、凝縮器51で排気ガスから取り出された水を、水タンク531へ送り込む。給水路56には、フィルタ64、水供給手段である供給ポンプ61が順に設けられている。水タンク531には、水位センサS5と、貯水量検出手段であるタンク水位センサS7が設けられている。
燃料電池スタック100には、負荷系7が接続されており、燃料電池スタック100で出力される電力は、この負荷系7に供給される。燃料電池スタック100の電極は、配線71を介してインバータ73に接続され、インバータ73からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ73には、スイッチ手段であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor/絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)75を介して補助電源76が接続されている。補助電源76は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系7には、燃料電池スタック100の出力電圧を検出する電圧センサS4と、同じく出力電流を検出する電流センサS3が設けられている。
燃料電池システム1の制御系は、各センサS0〜S4、S7、S9、S10の検出値が入力され、レギュレータ19、各電磁弁18〜19、20、22、26、27、各ポンプ25、61、62、空気ファン122、凝縮器51のファン、インバータ73、IGBT75を制御する制御装置(ECU)を備えている。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
次に、空気供給系12の具体的構成について説明する。図7は空気供給系12の構成を示す全体斜視図、図8は、同じく全体平面図、図9は同じく全体側面図である。既述の通り、空気供給系12は、導風路としての空気導入路123を内側に画成する導風管126を有し、導風管126の空気導入側端部の取入口126sには、送風手段としての空気ファン122(エアブロア)の送風口122eが接続されている。空気ファン122の吸引口には、エアフィルタ121が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン122は、回転翼(インペラー)を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータM1が、回転翼の回転軸に接続されている。導風管126の取入口126sは、送風口122eと同じ形状に構成され、縦横の辺の長さが略等しい矩形に構成されている。
導風管126の他端開口部126eは、空気マニホールド54の空気流入口541と同形状の扁平な矩形状に形成され、該空気流入口541に接続されている。また、導風管126で構成された空気導入路123の下流側端部には、噴射ノズル55と、該ノズル55に水を配水するための水配管55wが設けられている。ノズル55の噴出口は、下流側(燃料電池スタック側)へ向けられ、少なくとも、空気マニホールド55の横断面における長辺方向(単位セルの積層方向)に沿って、水滴を拡散させて噴射する構成となっている。空気マニホールド55は、開口940の全面を覆って設けられている。
上記導風管126内の空気導入路123内には、開口部126eの下流側近傍に、板状の拡散部材123mが配置されている。この拡散部材123mは、空気導入路123の横断面全面を覆い、空気マニホールド55へ送られる空気は、この拡散部材123mを通過するように構成されている。
図10は、拡散部材123mの構成を示す、部分斜視図である。拡散部材123mは、例えば、線材LAを縦横に組み合わせた網状の板材とすることができる。この場合には、線材LAの間に構成される、線材LA間の隙間が通風孔123hとなる。空気ファン122から送られる空気は、線材LAに接触することによって、乱流となり、送風方向が拡散される。つまり、空気導入路123の横断面での送風速度分布において、中央部と端部との間で、速度の差が少なくなる。また、拡散部材123mの上流側での空気の流れは、空気導入路123の軸線に平行な流線を有するものであるが、拡散部材123mの下流側での空気の流れは、中央の軸線から離れる方向へ向かう流線が増加する。
このように、流線の向きが拡散されるとともに、速度が均一化されるので、各単位開口941に均一に空気が供給され、また空気に混入された水滴も同様に均一に供給される。このような、板状の拡散部材123mは、波状に形成されていてもよい。この場合には、拡散効果がさらに向上する。線材LAで構成される拡散部材123mの他の構成例としては、線材LAを不規則に重ね合わせた、不織体としてもよい。この場合には、線材LAが不規則に配置されているので、拡散効果が向上する。
図11は、拡散部材123mの他の構成例を示す部分斜視図である。この構成例では、金属製の板材に複数の孔を穿孔した構成となっており、この孔が通風孔123hを構成する。この場合には、線材で通風孔を構成する場合に比較して、通風孔123hの間隔が広くなり、流線を拡散する効果が増大する。また、単位面積当たりの孔面積を、拡散部材の中央部で小さく、端部で大きくする。これにより、空気導入路123内を流れる気体の速度の中央部と端部との差を小さくし、流線を拡散させることが、さらに容易となる。この孔面積は、拡散部材123mの取付位置や空気供給流量に応じて変更することができ、空気抵抗を小さくしたい場合には大きく、拡散効果を大きくしたい場合には、細かく(単位面積当たりの孔の数を増加させる)することができる。
さらに、拡散部材123mの他の構成例を説明する。図12は拡散部材123mの部分斜視図、図13は、部分断面図である。拡散部材123mは、多孔体で構成されている。多孔体は、図13に示されているように、大きさ、形状、形成方向が3次元的に変化している孔を多数有している。この孔により通風孔123hが構成される。このように、多孔体の有する孔は、方向、形状等がランダムに形成されているので、通風孔123hを通過する気体の流線もランダムに拡散され、流速の均一化と、流線の拡散を図ることができる。
以上ように構成された拡散手段により空気導入路123の幅方向へ拡散された空気流は、ノズル55から噴射される水滴とともに、空気マニホールド54へ送られる。空気マニホールド54では、空気導入路123の幅方向、即ち単位セルの積層方向へ拡散された空気流を、各単位開口941へ分配する。各単位セルは、均一に分配された空中の酸素を得て、それぞれ同程度の発電反応を得ることができるため、燃料電池スタック100全体としての発電効率を良好なものとすることができる。また、拡散手段によって、空気流の拡散が可能となるので、整流板等の整流装置が不要となり、空気導入路123の長さを短くすることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。
この発明の燃料電池システム1を示すブロック図である。 燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。 燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図(A‐A断面図)である。 燃料電池セパレータの全体背面図である。 単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。 燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。 空気供給系の構成を示す全体斜視図である。 空気供給系の構成を示す全体平面図である。 空気供給系の構成を示す全体側面図である。 拡散部材の構成を示す、部分斜視図である。 拡散部材の他の構成を示す、部分斜視図である。 拡散部材の他の構成を示す、部分斜視図である。 拡散部材の他の構成を示す、部分横断面図である。
符号の説明
1 燃料電池システム
100 燃料電池スタック
123 空気導入路
123m 拡散部材
531 水タンク
53A1 排気マニホールド
54 空気マニホールド
55 ノズル
61 供給ポンプ

Claims (4)

  1. 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
    酸化ガスを燃料電池スタックへ送り込む送風手段と、
    前記送風手段からのガス流を各導入口へ分配する酸化ガスマニホールドと、
    前記送風手段から前記酸化マニホールドへ酸化ガスを導くとともに、横断面積が酸化マニホールドへ向けて増加する導風路と、
    酸化ガスの流れの中に水を噴射流入させる噴射手段と、
    前記噴射手段の上流側に、酸化ガスの送風方向を拡散させる拡散手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記拡散手段は、前記導風路中に、導風路を横断して設けられ、複数の通風孔を有する板状の拡散部材である請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記拡散部材は、線材の集合体である請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記拡散部材は、多孔体である請求項2に記載の燃料電池システム。
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