JP2007257991A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スタック電圧を安定して向上させることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、セルが複数積層されたスタック１と、空気ブロワ３と、水素タンク５とを備えている。スタック１のセルは、各々に空気が供給される空気室と燃料が供給される燃料室とを有し、空気と燃料とを反応させて電力を出力する。スタック１は各空気室が上下方向に延びており、空気ブロワ３は各空気室に下方から空気を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

特許文献１開示の一般的な燃料電池のスタックは、図１０に示すように、複数のセル１０が積層されてなる。各セル１０は、導電性材料製のセパレータ１２、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１及びセパレータ１２によって構成されている。スタックにおいては、隣り合うセル１０はセパレータ１２を共通にしている。

各膜電極接合体１１は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に接合されて空気が供給されるカソード極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極１１ｃとを有している。

図１１に示すように、カソード極１１ｂは、電解質膜１１ａ側に位置し、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層１３ａと、触媒層１３ａに隣接して空気を拡散する拡散層１３ｂとからなる。アノード極１１ｃは、電解質膜１１ａ側に位置し、触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層１４ａと、触媒層１４ａに隣接して燃料を拡散する拡散層１４ｂとからなる。

図１０に示すように、各セパレータ１２は各膜電極接合体１１を間に挟んで積層される。個々のセパレータ１２における各カソード極１１ｂ側の一面には空気室１２ｂが複数本の溝状に形成されており、各アノード極１１ｃ側の他面には燃料室１２ｃが複数本の溝状に形成されている。各空気室１２ｂと各燃料室１２ｃとは逆方向又は互いに直交する方向に延びている。また、スタックに供給される空気は各セル１０の全ての空気室１２ｂを流通するようになっており、スタックに供給される燃料は各セル１０の全ての燃料室１２ｃを流通するようになっている。

このスタックは、各空気室１２ｂに空気を供給する空気ブロワ等の空気供給装置と、各燃料室１２ｃに燃料としての水素を供給する水素タンク等の燃料供給装置とともに、燃料電池システムとされる。そして、この燃料電池システムは、スタックにおいて、空気室１２ｂに供給される空気と、燃料室１２ｃに供給される燃料との電気化学反応を生じる。具体的には、アノード極１１ｃで得られた水素イオンがプロトン（Ｈ³Ｏ⁺）の形態で水分を含んだ電解質膜１１ａ中をカソード極１１ｂ側に移動し、カソード極１１ｂで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、アノード極１１ｃで得られた電子は負荷を通ってカソード極１１ｂ側に移動する。こうして、このスタックにおいては、起電力を生じる。

この際、多くの燃料電池システムでは、良好な発電状態を維持するため、空気室１２ｂ内を加湿し、各セル１０の電解質膜１１ａを適度に湿潤させることがなされている。なぜなら、電解質膜１１ａが乾燥してしまうと、燃料室１２ｃから電解質膜１１ａを介して空気室１２ｂへプロトンが移動することが阻害されることとなり、その結果、セル１０の発電能力が低下するからである。そして、その状態が継続すれば、スタックに回復困難な性能低下や故障が生じ得るからである。

特開平３−２９５１７６号公報

しかしながら、一般的な燃料電池システムは、各セルのカソード極１１ｂで生成水を生じつつ、各空気室１２ｂを加湿することとしているため、水分量のバランスが困難である。このため、多くの燃料電池システムでは、各セルにおいて、空気室１２ｂ内でドライアップを生じたり、逆にフラッディングを生じたりし易く、セル電圧が低下し易く、十分なスタック電圧を安定して生じ難くなっている。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、スタック電圧を安定して向上させることのできる燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池システムは、各々空気が供給される空気室と燃料が供給される燃料室とを有し、該空気と該燃料とを反応させて電力を出力するセルが複数積層されたスタックと、各該空気室に該空気を供給する空気供給装置と、各該燃料室に該燃料を供給する燃料供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、

前記スタックは各前記空気室が上下方向に延びており、前記空気供給装置は各該空気室に下方から前記空気を供給することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、スタックの各空気室が上下方向に延び、空気供給装置は、各空気室に対し、下方から空気を供給する。この場合、各空気室の下方では、順次空気が供給されて流速が大きいことから、この部分で生じた生成水が効果的に上方に移動され、そこでのフラッディングが有効に防止される。また、各空気室の下方で生じた生成水は、周囲の未反応の空気より軽い水蒸気となって上方に移動し、その空気室の上部を加湿し、空気室の上方のドライアップを防止する。そして、各空気室の上方まで移動した水蒸気は、周囲の未反応の空気より軽いことから効果的に空気室から排出される。こうして、この燃料電池システムは、各セルにおいて、自ら生じる生成水によって自ら加湿が行われ、水分量のバランスを自動的に保ち易い。

したがって、この燃料電池システムでは、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなっている。

スタックは、空気供給装置から供給される空気を全ての空気室に導くためのインテークマニホールドを下方に有し得る。この場合、インテークマニホールドには、各空気室と連通し、貯水可能な貯水室が形成されていることが好ましい。こうであれば、空気供給装置から供給される空気が貯水室を経て全ての空気室に供給されるため、貯水室に貯水した水が水蒸気として空気に補給されやすく、各空気室の加湿が有効に行われる。このため、この場合には、空気室のドライアップをより有効に防止することができる。

貯水室は全ての空気室の下方に位置していることが望ましい。こうであれば、貯水室が貯水した水が各空気室の加湿に有効に供せられる。

また、貯水室は空気がセルに流入する下流側の空気室の下方に位置していることも望ましい。空気がセルに流入する下流側の空気室は乾燥し易いため、その空気室に貯水室内の水を効果的に供給できるからである。

貯水室は過剰な水を排出可能に構成されていることが好ましい。過剰に水が存在すると、空気室内でフラッディングを生じ易くなるからである。

また、スタックがインテークマニホールドを下方に有する場合、インテークマニホールドには、各空気室に露出し、吸水可能な吸水層が形成されていることも好ましい。こうであれば、空気供給装置から供給される空気が吸水層を経て全ての空気室に供給されるため、吸水層が吸水した水が水蒸気として空気に補給されやすく、各空気室の加湿が有効に行われる。このため、この場合には、空気室のドライアップをより有効に防止することができる。

吸水層は全ての空気室の下方に位置していることが望ましい。こうであれば、吸水層が吸水した水が各空気室の加湿に有効に供せられる。

セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備え得る。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する。各セパレータは、カソード極側に空気室を形成するとともに、アノード極側に燃料室を形成する。

各セパレータは、板状をなす導電性材料製のプレートと、プレートの一面に設けられ、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各空孔に空気室を構成する網材とを有し得る。

この場合、網材の表面張力によって生成水等の水が厚さ方向に拡散し、水が詰まり難い。このため、このセルにおいては、空気の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この燃料室では、網材の表面張力によって水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このセルにおいては、優れた集電性も発揮できる。

網材は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、線材間に空気室が形成されることもできる。導電性の線材としては、通常のニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。また、親水性の線材としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。導電性及び親水性の線材としては、親水処理したニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。

網材には、プレート側に吸水性の排水層が形成されていることが好ましい。この場合、網材の厚さ方向に拡散した水が排水層に集められ、自重や空気の圧力によって好適に排出される。排水層における水の接触角は、４０°未満であることが好ましく、３０°未満であることがより好ましい。また、排水層の吸水率は５０％超であることが好ましく、１００％超であることがより好ましい。

また、網材には、膜電極接合体側に撥水性の撥水層が形成されていることも好ましい。この場合、膜電極接合体へのガス供給パスが確保されやすくなる。撥水層における水の接触角は１００°超であることが好ましく、１２０°超であることがより好ましい。

膜電極接合体は、電解質膜側に位置する触媒層からなり、触媒層と網材とが接合されているものであり得る。セパレータの網材が従来の拡散層の役割を担うことができるからである。この場合、膜電極接合体の構造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現することができる。

以下、本発明を具体化した実施例１〜６を図面を参照しつつ説明する。

実施例１の燃料電池のシステムは、図１に示すように、スタック１と、空気供給装置としての空気ブロワ３と、燃料供給装置としての水素タンク５とを備えている。

スタック１は、複数積層されたセル２（図４参照）と、全てのセル２の下方に接合されたインテークマニホールド７と、全てのセル２の上方に接合されたエキゾーストマニホールド９とからなる。

各セル２は、図２〜４に示すように、導電性材料製のセパレータ２１、膜電極接合体２３及びセパレータ２１によって構成されている。

各セパレータ２１は、図２に示すように、板状をなす導電性材料製のプレート２０と、第１網材２１と、第２網材２２とを有している。第１、２網材２１、２２は、チタン繊維からなる導電性及び親水性の線材によって三次元の網目状に形成されている。第１、２網材２１、２２における水の接触角は、それぞれ４０°、３０°である。

各プレート２０の一面には、第１網材２１を収納する第１凹部２０ａが凹設されている。また、プレート２０の他面には、第２網材２２を収納する第２凹部２０ｂと、膜電極接合体２３を収納する第３凹部２０ｃとが凹設されている。

各プレート２０には、第１凹部２０ａの上端及び下端に連通する一対の空気通路２０ｄ、２０ｅが貫設されている。また、各プレート２０には、第２凹部２０ｂの右端及び左端に連通する図示しない一対の燃料通路も貫設されている。空気通路２０ｄ、２０ｅと燃料通路とは貫設される位置が９０度ずれている。

第１、２網材２１、２２の一面側には導電性ポリマーからなる吸水性の排水層２１ａ、２２ａが形成されている。排水層２１ａ、２２ａにおける水の接触角は３０°、吸水率は２００％である。

また、第１、２網材２１、２２の他面側にはカーボン／ＰＴＦＥからなる撥水性の撥水層２１ｂ、２２ｂが形成されている。撥水層２１ｂ、２２ｂにおける水の接触角は１２０°超である。

各プレート２０の第１凹部２０ａに第１網材２１が収納される。この際、第１網材２１の排水層２１ａが第１凹部２０ａの底面と接触するようにする。こうして、第１網材２１は線材間に空気室を構成する。

また、各プレート２０の第２凹部２０ｂに第２網材２２が収納される。この際、第２網材２２の排水層２２ａが第２凹部２０ｂの底面と接触するようにする。こうして、第２網材２２は線材間に燃料室を構成する。これにより１枚のセパレータ２１が得られる。

一方、スタック１に用いる膜電極接合体２３は、図３に示すように、電解質膜２３ａと、電解質膜２３ａの一面に接合されたカソード極２３ｂと、電解質膜２３ａの他面に接合されたアノード極２３ｃとからなる。カソード極２３ｂ及びアノード極２３ｃは、電解質膜２３ａ側に位置する触媒層からなり、触媒層に隣接する従来のような拡散層を有さない。

図４に示すように、セパレータ２１におけるプレート２０の第３凹部２０ｃに膜電極接合体２３が収納され、セパレータ２１、膜電極接合体２３及びセパレータ２１によってセル２が構成される。隣り合うセル２はセパレータ２１を共通にしている。

そして、複数のセル２が積層され、スタック１が構成される。スタック１では、全てのセル２の空気通路２０ｄ、２０ｅが連通しているとともに、全てのセル２の燃料通路が連通している。また、スタック１は、図１に示すように、各空気室が上下方向に延びている。

空気ブロワ３はインテークマニホールド７の吸引口に空気を吹き込むように設けられており、インテークマニホールド７は空気ブロワ３から供給される空気を全ての空気室に下方から導くようになっている。このインテークマニホールド７の底壁は上流側が下方になるように傾斜しており、それによって貯水可能な貯水室７ａが形成されている。貯水室７ａは、全ての空気室の下方に位置しながら、各空気室と連通している。貯水室７ａには配管７ｂが設けられており、この配管７ｂは排水バルブ７ｃによって開閉されるようになっている。

また、エキゾーストマニホールド９は各空気室から排出された排気を上方で受けるようになっている。このエキゾーストマニホールド９の天壁は下流側が上方になるように傾斜しており、それによって排気口からの排気抵抗が小さくされている。

スタック１の空気通路２０ｄ、２０ｅには、空気ブロワ３４によって空気が下方から供給されるようになっている。また、スタック１の燃料通路には、バルブ３２を介して水素タンク５が接続されている。そして、スタック１の両端のプレート２０は自動車のモータ等の負荷３５に電気的に接続され、スタック１の側端はポンプ３６によって冷却水が循環するようにラジエータ３７に接続されている。こうして燃料電池システムが構成されている。

以上のように構成された燃料電池システムにおいては、空気通路２０ｄ、２０ｅに供給される空気と、燃料通路に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。

この際、この燃料電池システムでは、スタック１の各空気室が上下方向に延び、空気ブロワ３はインテークマニホールド７によって各空気室に対して下方から空気を供給する。このため、各空気室の下方では、順次空気が供給されて流速が大きいことから、この部分で生じた生成水が効果的に上方に移動され、そこでのフラッディングが有効に防止される。また、各空気室の下方で生じた生成水は、周囲の未反応の空気より軽い水蒸気となって上方に移動し、その空気室の上部を加湿し、空気室の上方のドライアップを防止する。そして、各空気室の上方まで移動した水蒸気は、周囲の未反応の空気より軽いことからエキゾーストマニホールド９によって効果的に空気室から排出される。こうして、この燃料電池システムは、各セル２において、自ら生じる生成水によって自ら加湿が行われ、水分量のバランスを自動的に保ち易い。

また、この燃料電池システムでは、インテークマニホールド７に全ての空気室の下方に位置する貯水室７ａが形成されているため、空気ブロワ３から供給される空気が貯水室７ａを経て全ての空気室に供給される。このため、貯水室７ａに貯水した水が水蒸気として空気に補給されやすく、各空気室の加湿が有効に行われる。

さらに、この燃料電池システムでは、排水バルブ７ｃを開くことによって貯水室７ａから水を排出できるため、それによって過剰な水を排出し、空気室内でフラッディングが生じることも有効に防止する。

したがって、この燃料電池システムでは、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなっている。

また、この燃料電池システムでは、第１、２網材２１、２２の線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、この燃料電池システムにおいては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この空気室及び燃料室では、線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、この燃料電池システムにおいては、優れた集電性も発揮できる。

特に、このスタック１では、第１、２網材２１、２２のプレート２０側に排水層２１ａ、２２ａが形成されているため、第１、２網材２１、２２の厚さ方向に拡散した水が排水層２１ａ、２２ａに集められ、自重や空気圧によって好適に排出される。

また、第１、２網材２１、２２の膜電極接合体２３側に撥水層２１ｂ、２２ｂが形成されているため、膜電極接合体２３へのガス供給パスが確保されやすい。

また、このスタック１においては、膜電極接合体２３のカソード極２３ｂ及びアノード極２３ｃが触媒層だけからなることから、膜電極接合体２３の構造が簡易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。なお、このスタック１において、図１１に示す膜電極接合体１１を採用することも可能である。

実施例２の燃料電池システムは、図５に示すように、空気ブロワ３がエキゾーストマニホールド９の排気口から排気を吸い込むように設けられている。他の構成は実施例１と同様である。

この燃料電池システムにおいても実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

実施例３の燃料電池システムでは、図６に示すように、空気がセルに流入する下流側の空気室の下方にインテークマニホールド７の貯水室７ａが位置している。他の構成は実施例１と同様である。

燃料電池システムは一般に空気がセルに流入する下流側の空気室が乾燥し易いのであるが、この燃料電池システムでは、下流側の空気室の下方に貯水室７ａが位置しているため、その空気室に貯水室７ａ内の水を効果的に供給できる。他の作用効果は実施例１と同様である。

実施例４の燃料電池システムでは、図７に示すように、インテークマニホールド７の底壁の内面全体に吸水可能な吸水層７ｄが形成されている。吸水層７ｄは全ての空気室の下方に位置し、各空気室に露出している。また、インテークマニホールド７の最下流側に形成された凹部によって貯水室７ｅが位置している。他の構成は実施例１と同様である。

この燃料電池システムでは、空気ブロワ３から供給される空気が吸水層７ｄを経て全ての空気室に供給されるため、吸水層７ｄが吸水した水が水蒸気として空気に補給されやすく、各空気室の加湿が有効に行われる。他の作用効果は実施例２と同様である。

実施例５のスタックは、図８に示すように、インテークマニホールド７の最下流側に形成された凹部によって貯水室７ｅが位置している。他の構成は実施例３と同様である。

この燃料電池システムにおいても実施例３と同様の作用効果を奏することができる。

実施例６の燃料電池システムは、図９に示すように、インテークマニホールド７の底壁の中央部が下方になるように傾斜しており、それによって貯水可能な貯水室７ｃが形成されている。他の構成は実施例１と同様である。

この燃料電池システムにおいても実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

以上において、本発明を実施例１〜６に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜６に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。

実施例１の燃料電池システムに係り、スタックを模式の断面で示す構成図である。 実施例１のセパレータの断面図である。 実施例１の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。 実施例１のセルの断面図である。 実施例２の燃料電池システムに係り、スタックを模式の断面で示す構成図である。 実施例３の燃料電池システムに係り、スタックの模式断面図である。 実施例４の燃料電池システムに係り、スタックの模式断面図である。 実施例５の燃料電池システムに係り、スタックの模式断面図である。 実施例６の燃料電池システムに係り、スタックの模式断面図である。 従来のセルの分解斜視図である。 従来の膜電極接合体の模式拡大一部断面図である。

符号の説明

２…セル
１…スタック
３…空気ブロワ（空気供給装置）
５…水素タンク（燃料供給装置）
７…インテークマニホールド
７ａ、７ｅ、７ｆ…貯水室
７ｄ…吸水層
２３ａ…電解質膜
２３ｂ…カソード極
２３ｃ…アノード極
２３…膜電極接合体
２０…セパレータ
２０…プレート
２１…第１網材
２１ａ…排水層
２１ｂ…撥水層

Claims (12)

1. 各々空気が供給される空気室と燃料が供給される燃料室とを有し、該空気と該燃料とを反応させて電力を出力するセルが複数積層されたスタックと、各該空気室に該空気を供給する空気供給装置と、各該燃料室に該燃料を供給する燃料供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記スタックは各前記空気室が上下方向に延びており、前記空気供給装置は各該空気室に下方から前記空気を供給することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記スタックは、前記空気供給装置から供給される前記空気を全ての該空気室に導くためのインテークマニホールドを下方に有し、該インテークマニホールドには、各該空気室と連通し、貯水可能な貯水室が形成されている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記貯水室は全ての前記空気室の下方に位置している請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記貯水室は前記空気が前記セルに流入する下流側の前記空気室の下方に位置している請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記貯水室は過剰な水を排出可能に構成されている請求項２乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記スタックは、前記空気供給装置から供給される前記空気を全ての該空気室に導くためのインテークマニホールドを下方に有し、該インテークマニホールドには、各該空気室に露出し、吸水可能な吸水層が形成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記吸水層は全ての前記空気室の下方に位置している請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記セルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、
   該カソード極側に前記空気室を形成するとともに、該アノード極側に前記燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備え、
   各前記セパレータは、板状をなす導電性材料製のプレートと、該プレートの一面に設けられ、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各該空孔に前記空気室を構成する網材とを有している請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池システム。
9. 前記網材は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、該線材間に前記空気室が形成されている請求項８記載の燃料電池システム。
10. 前記網材には、前記プレート側に吸水性の排水層が形成されている請求項８又は９記載の燃料電池システム。
11. 前記網材には、前記膜電極接合体側に撥水性の撥水層が形成されている請求項８乃至１０のいずれか１項記載の燃料電池システム。
12. 各前記膜電極接合体は、前記電解質膜側に位置する触媒層からなり、該触媒層と前記網材とが接合されている請求項８乃至１１のいずれか１項記載の燃料電池システム。

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