JP4552236B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

【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、特に高分子固体電解質膜を有するいわゆるＰＥＭ型の燃料電池装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＥＭ型の燃料電池装置の電池本体は、燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。
燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極器材からなる。
燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータ（コネクタ板）が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。
【０００３】
上記燃料電池本体とセパレータとで単電池が構成される。実際の燃料電池装置では、かかる単電池の多数個が直列に積層されてスタックが構成される。
燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止するために、スタックに冷却板を内蔵させる。この冷却板には空気や水などの冷却媒体が流通されてスタックが冷却され、もって燃料電池本体が所望の温度に維持される。
【０００４】
このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。
即ち、燃料極（アノード）にて得られる水素イオンがプロトン（Ｈ+)の形態で、水分を含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、また燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を含む）中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化学反応による電気エネルギーを取り出すことができるからである。
【０００５】
上記において、プロトンが燃料極より空気極に向かって電解質膜中を移動する際に水和の状態をとるため、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。
よって、良好なイオン伝導を保つために固体電解質膜に水分を供給する必要があり、そのために燃料ガス及び酸化ガスを加湿して、水を供給している。
また、アノード電極側では、電極反応を適正に継続させるために、より水素ガスの湿潤状態を維持する必要があり、燃料ガスの加湿方法については従来から様々な提案がある。
【０００６】
他方、プロセス空気を加湿する方法は従来から提案されているが、反応熱により昇温されている（通常８０℃程度である）空気極を確実に加湿するには、常温のプロセス空気を加湿器において予め加温しておく必要がある。飽和水蒸気量を空気極の周囲の環境と一致させるためである。そのため、加湿器は水の供給機能とプロセス空気の昇温機能とが求められる複雑な構成であった。
特開平７−１４５９９号公報に開示の燃料電池装置では、空気導入管に噴射ノズルを設けて加湿に必要な水がプロセス空気中に噴霧される。この噴射ノズルが圧縮機の上流側にある場合、噴霧された水はプロセス空気の圧縮にともなう熱で蒸発され、水蒸気の状態で空気極を加湿する。また、この装置でも、必要に応じて空気の加湿装置が更に付加される。
いずれにせよ従来の技術では空気へ水蒸気を混入させることにより電解質膜へ水分を補給していた。
【０００７】
更には、特開平９−２６６００４号公報に示される燃料電池装置では、排出される水素ガスの濃度を下げるため、燃料極から排出されるガス（この排気ガスには未反応の水素ガスが含まれている）を空気極側へ導入してその中の水素ガスを空気極において燃焼させている。当該燃焼において反応水（回収水）が生成されるため、このような燃料電池装置では加湿器を特に付加しなくても、電解質膜へ充分な水分を補給できることとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの更なる研究結果において、以下の事項が解った。
所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、プロトンが空気極において空気中の酸素と反応して生成された水が、電解質膜中を空気極から水素極へ逆浸透する。
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維持することができるため、水素極（アノード電極）側で水素（燃料ガス）を加湿する必要がない。
しかし、空気極（カソード電極）側において、導入される空気（酸化ガス）流により、電解質膜の空気極側の水分が蒸発するため、電解質膜の空気極側の水分が不足することが解った。
かかる課題は本願発明者らにより今回新たに見いだされたものである。従って、この発明はかかる課題を解決することを一の目的とする
【０００９】
また、既述のように補水と加温が要求される複雑な構成の加湿器を何ら備えることなく、電解質膜の湿潤状態を維持できる簡単な構成の燃料電池装置を提供することをこの発明の他の目的とする。
【００１０】
この発明の他の目的は電解質膜の湿潤状態を維持する新規な構成の燃料電池装置を提供することにある。
【００１１】
この発明の更に別の局面によれば、燃料極、電解質膜及び空気極を備えてなる燃料電池本体を冷却するにあたり、冷却媒体を空気極の表面に供給する。この媒体として例えば水が挙げられる。水を液体の状態で空気極に供給すると、既述の通り空気極の周囲の空気から潜熱を奪い電解質膜の乾燥が防止されるが、これとともに空気極からも熱が奪われる。なお、燃料電池では電解質膜の空気極側で反応が進行するので、空気極に最も熱が蓄積される。
【００１２】
本発明者らの検討によれば、このように空気極に水を供給しこれから熱を奪うことにより、燃料電池本体の温度を制御できることがわかった。換言すれば、空気極に水を液体の状態で供給することにより燃料電池本体を十分に冷却できることがわかった。
【００１３】
図９に示すように、従来の燃料電池のスタック１００では、所定のピッチで単電池１０１の間に冷却板１０３が挿入されていた。この冷却板１０３には冷却媒体が通過するための通過路が設けられる。この冷却板１０３によりスタック１００が所望の温度に調節されていた。
一方、上記本願発明の更に別の局面によれば、空気極へ水を液体の状態で供給することによりスタックが充分に冷却されてその温度が制御可能となる。
従って、図１０に示すように、燃料電池のスタック１１０から冷却板を省略できる。これによりスタックの構成が簡素化され、それに伴い燃料電池装置の構成も簡素化される。よって、燃料電池装置の高効率化並びに軽量化を図ることができる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記目的の少なくとも一つを達成するためになされたものであり、その構成は次の通りである。
燃料極と空気極とを有する燃料電池装置において、前記空気極の表面に水が液体の状態で供給される、ことを特徴とする燃料電池装置。
【００１５】
このように構成された燃料電池装置によれば、空気極の表面に供給された水が優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜から水分の蒸発することが防止される。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。よって、燃料電池装置の性能及び／又は耐久性が向上する。
また、空気極の表面に供給された水が発熱している空気極に付着した時に蒸発する場合の潜熱により、空気極から熱を奪うので、空気極ならびに燃料電池スタックを冷却することになる。よって、従来設けられていた冷却板１０３を省略することができる。
【００１６】
プロセス空気より潜熱を効率的に奪う見地から、水は噴霧して空気極へ供給されることが好ましい。
水を噴霧する点のみに着目すれば、一見特開平７−１４５９９号公報における水の噴霧と同等に見える。しかし、この発明によれば、空気極へ供給される水はあくまでも液体であり、一方、特開平７−１４５９９号公報に開示の技術では水蒸気の状態で電解質膜へ直接供給される。
従って、本発明によれば従来の加湿器のようにプロセス空気を加熱する必要がない。
【００１７】
本発明によれば、空気極への水の供給は間欠的でも連続的でも良い。
水の供給を間欠的とすれば、水を供給するための装置（ポンプ等）を稼働するために消費する電力が小さくなり、燃料電池装置の効率が向上する。水蒸気によりプロセス空気を加湿するタイプの装置では、水蒸気を常に発生させると共にプロセス空気を所定の温度まで昇温させる必要があった。そのため、加湿のために大きな電力を消費していた。
【００１８】
この発明は電池反応により生成した水分（生成水）が電解質膜へ供給される構成の燃料電池装置、即ち加湿のための補機を特に備えていない燃料電池装置、更に換言すれば燃料ガスと空気との燃焼により生成した反応水により電解質膜の湿潤が専ら維持される燃料電池装置に適用すると特に好適である。
かかる装置では生成された水分が電解質膜に供給されるので、空気極への水の供給は常時行う必要がない。一方、加湿器を用いる場合は加湿器を常時作動させる必要がある。即ち、本発明によれば電解質膜における空気極側の表面が乾燥して電池としての性能が低下したときのみ、ノズルから水を噴霧させて空気極の水蒸発量を少なくすればよいので、加湿器を用いるものに比して、燃料電池装置にかかる負荷がより小さくなる。
加湿器を備えないかかるタイプの燃料電池装置の一つの利点は加湿器を作動させるための電力が不要となり、もって装置にかかる負荷を小さくできることにある。よって、上記のように水を供給する装置が付加されてもこの装置を常に作動させる必要がなければ既述の利点をできる限り損なわずに済むこととなる。
【００１９】
この発明の別の局面によれば、燃料電池装置の起動時、燃料極へ燃料ガスを供給する前に空気極へ水を噴霧する。そして、燃料ガスを供給した後、燃料電池本体の出力が所定の値に達したら燃料電池装置を外部の負荷（車両用のモータなど）に接続する。
燃料電池装置の前回の使用から今回の使用までに長い時間があくと、空気極から燃料極へ酸素、窒素が透過してくる場合がある。この状態で燃料極へ燃料ガスを供給すると、供給された燃料ガスと酸素とが異常反応を起こし、電解質膜が破損してしまうなど、燃料電池本体にダメージを与えるおそれがある。そこで、このように空気極へ水を噴霧して、燃料電池本体を冷却することにより当該異常反応によるダメージを未然に防止する。また、電解質膜が乾燥してしまう場合もあり、空気極を介して電解質膜へ素早く水分を補給する。空気極へ水を直接噴射すると乾燥状態にある電解質膜は高い浸透圧で水分を吸収するので、空気極が介在していても、噴霧された水を急速に吸い込む。このときの水の噴射量は電解質膜の湿潤状態を維持するときの水の噴射量よりも多くすることが好ましい。
【００２０】
【実施例】
次ぎに、この発明の実施例について説明をする。
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。
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。
【００２１】
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を挟持した構成である。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それぞれ空気を吸入、排気するための空気マニホールド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。ノズル４１から噴出される水の噴出角度には制限があり、かつ水を霧状にしてこれを空気極１１の全面に行き渡らせるには、ノズルと空気極１１との間に所定の間隔が必要になる。従って、このマニホールド１４は比較的背の高いものとなる。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。
なお、ノズルはマニホールド１４の側面に設けることもできる。かかるノズルより噴出される水はマニホールド１４内の全域に行き渡り、よって空気極１１の全面に行き渡ることとなる。ノズルをマニホールド１４の側面に設けることにより、低いマニホールドが採用できる。よって燃料電池本体の小型化を図ることができる。
【００２２】
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の単位ユニットは薄い膜状であり、一対のカーボン製コネクタ板１６、１７により挟持されている。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１７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。
【００２３】
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１１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）をぬりこんだガス拡散層を使用した。
固体高分子電解質膜１２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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料極１３からの排気ガスは排気ガス路２４を通じて空気マニホールド１４へ供給され、ここで空気と混合される。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。
【００２７】
空気極１１には図示しないブロアによって大気中より空気が供給される。図の符号３１は空気の供給路であり空気極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を通過した空気を循環若しくは排気するための空気路３２が連結され、水を分離する凝縮器３３を介して排気ガスは排気路３６へ送られる。空気排気調圧弁３４の開度により排気路３６から排気される量が調節される。
また、排気調圧弁３４を省略し、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、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。
【００３１】
図中の符号５０は電圧計であり、空気極１１と燃料極１３との間の電圧を計測する。
【００３２】
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。
【００３３】
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が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。
【００３４】
そこで、予め定めれた規則に基づいて弁２５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。
【００３５】
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１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。
【００３６】
次ぎに、空気供給系３０の動作について説明する。
外気が空気供給路３１より一定の圧力で空気マニホールド１４へ供給される。
一方、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る。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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４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１）。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３）。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。この最適噴射量は、電解質膜の湿潤状態の維持、及び水の潜熱による冷却を考慮して決定されるのが望ましい。後述するように、特に水の蒸発潜熱を有効に使うことにより、少ない水の噴射量で効果的な冷却が行える。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。
【００４０】
次ぎに、ステップ５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５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７３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４８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。
【００４１】
従って、ステップ７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９）。
【００４２】
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。
【００４３】
次ぎに、実施例の燃料電池装置１の起動時の動作について説明する。
図６に示すとおり、スイッチ（図示せず）がオンとなると（ステップ１１）、ポンプ４６をオンとする（ステップ１３）。そして、所定の水噴射量となるように調圧弁４８が調節されてノズル４１より水が噴射される（ステップ１５）。異常反応から燃料電池本体１０を守るために空気極１１へ噴射される水量は図４で説明した最適水噴射量に比べて大きくなる。所定の水噴射量を得るための制御は図４のステップ５〜９と同様である。
【００４４】
その後、空気供給系３０をオンにし（ステップ１７）、引き続いて水素供給系２０をオンにする（ステップ１９）。
空気極１１と燃料極１５との間に所望の出力電圧が確認されたら、電力を外部に出力する。
【００４５】
上記において、空気供給系３０の稼動は水供給系４０の稼動前であっても良い。また、水素供給系２０の稼動の後に空気供給系３０を稼動させても良い。
ただし、水素供給系２０を稼動させる前に水供給系４０を稼動させる必要がある。空気供給系３０の稼動の有無にかかわらず燃料電池本体１には空気が存在しているので、電解質膜１２が乾燥した状態で水素を供給すると、異常燃焼の発生する可能性がある。かかる異常燃焼により大量の熱が発生すると燃料電池本体１に付設される冷却手段（図示せず）ではその熱を充分に冷却できない場合がある。そうすると、触媒や電解質膜１２が熱劣化するおそれがある。つまり、この異常熱が発生したとき、燃料電池本体１がダメージを被らないように、水素を供給する前に水を噴射して予め空気極１１を濡らしておく。こうすることで、異常熱を水の蒸発熱に換え、更には電解質膜１２の湿潤を促進して、燃料電池本体１のダメージを未然に防止する。
【００４６】
図７は水分の供給方法と出力電圧との関係を示している。出力電圧は燃料電池を起動した１５分後の値である。横軸は負荷の大きさを表している。
図において、無加湿とは水分を何も供給しない状態であり、燃料極に供給された水素ガスは、空気極へ送られることなく、排気される。バブラー加湿とは従来例のように空気中に水蒸気を供給すると共に当該空気を加熱（６５℃）する場合である。直噴２ｇ、５ｇ、１０ｇ、２０ｇは本発明の実施例であり、それぞれ２ｇ／ｍｉｎ・セル、５ｇ／ｍｉｎ・セル、１０ｇ／ｍｉｎ・セル、２０ｇ／ｍｉｎ・セルの量の水を供給した。
なお、バブラー加湿以外の吸水は常温で行われている。
燃料電池装置には２００Ｗ級スタックを使用した。
【００４７】
図７からわかるとおり、本願発明によれば、供給する水の量が充分（今回使用したスタック及びセルの仕様においては、５ｇ／ｍｉｎ・セル以上である。また、燃料電池装置の仕様の変更に伴い供給する水の量は変えることができ、特に数値は限定されない。）であれば、従来例（加湿器を備えるもの）より若干電圧が下がるものの、この程度の電圧低下は燃料電池の性能上無視できる。このことにより、従来のバブラー加湿する場合とほぼ同等の発電能力を有することがわかる。また、特に図示しないが計算上では、図７の結果から、供給する水の量は、空気極を流れる空気が蒸発させることができる水の３０％程度の量でよいことがわかった。
【００４８】
図８は噴射する水の温度を変化させたときの評価を示す。図８からわかるとおり、噴射する水の温度を上げると燃料電池の出力電圧が向上し、従来例のバブラー加湿とほぼ同程度の性能となる。
これより、噴射する水は加熱しておくことが望ましい。
水の温度は４０〜６０℃とすることが好ましいと考えられる。
更に好ましくは、４５〜５５℃であると考えられる。
更に更に好ましくは、ほぼ５０℃である。
【００４９】
空気極に水を噴射することによる燃料電池本体に対する冷却効果の確認を行ったので、以下に説明する。この確認は図９の装置（単電池のスタック数：９個）を用いた。この確認の実験では冷却板１０３へ４０℃、６０℃又は８０℃に温度調節した水（以下、「温調水」という。）を流し、燃料電池本体１００を昇温してこれの発熱状態（発電状態）を擬似的に作成した。そして、空気極の表面へ水を噴射したときの燃料電池本体の温度特性を調べた。
【００５０】
表１（図１１参照）に試験の条件及び結果を示す。
試験１〜４では温調水を４０℃に設定し、即ち作動温度が４０℃の燃料電池本体を擬似的に作成し、水直噴量を変えてそれぞれの試験を行った。
試験５〜８では温調水を６０℃に設定し、即ち作動温度が６０℃の燃料電池本体を擬似的に作成し、水直噴量を変えてそれぞれの試験を行った。
試験９〜１２では温調水を８０℃に設定し、即ち作動温度が８０℃の燃料電池本体を擬似的に作成し、水直噴量を変えてそれぞれの試験を行った。
【００５１】
図１２は表１の結果を処理して得られたデータであり、燃料電池本体の温度と外気の温度との差と自然放熱量との関係を示す。具体的には、試験１、試験５及び試験９のＦ／Ｃ入口温調水温度とＦ／Ｃ出口温調水温度との差から図１２のデータを求めた。図１２の結果は冷却手段がないときに燃料電池本体が自然に冷却される量を表している。
図１２からわかるように、この試験で用いた燃料電池本体では、自然に放熱する熱量は１セル（単電池）当たり５ｗ程度が上限となることがわかる。また、外気温度と燃料電池本体の動作温度との差が小さくなるにつれ自然放熱量も小さくなると考えられる。
【００５２】
図１３は表１の結果を処理して得られたデータであり、直噴水量の変化と冷却能力の変化の関係を示す。
図１３より、直噴水量が増えても大きな冷却能力の変化は見られないが、空気排気温度が高い方が直噴水による冷却能力が高くなっているのが確認できる。
【００５３】
図１４は表１の結果を処理して得られたデータであり、直噴水量の変化と顕熱による冷却能力の変化を示す。ここで顕熱とは直噴された水（２６℃）が液体のままで各空気排気温度（図中３３℃、４６℃）まで上昇したときの熱量の温度上昇分をいう。換言すれば、直噴された水が、何ら蒸発することなく、燃料電池本体から奪う熱量が顕熱である。
図１４より、直噴水量が増えても、顕熱による大きな冷却能力の変化は見られないが、空気排気温度が高くなるにつれ直噴水の顕熱による冷却能力が大きくなることが確認できる。
【００５４】
図１５は表１の結果を処理して得られたデータであり、直噴水量の変化と潜熱による冷却能力の変化を示す。ここで潜熱とは直噴された水が蒸発するときに燃料電池本体から奪う熱量である。
図１５より、直噴水量が増えても、潜熱による大きな冷却能力の変化は見られないが、空気排気温度が高くなるにつれ直噴水の潜熱による冷却能力が大きくなることが確認できる。
図１４、１５により、図１３に示す直噴される水の冷却能力には、水の顕熱による冷却能力と潜熱冷却能力とがあることがわかった。
また、さらなる実験により、今回の直噴水量よりも、もっと少ない量を噴霧して水を蒸発させやすい状態とすることで潜熱による冷却能力を向上させることができる。この場合、顕熱による冷却能力が低下するが、潜熱、顕熱両方の冷却能力は今回実験に用いた燃料電池を冷却するのに十分な冷却能力が確認された。
このように、直噴水の量は、水の潜熱による冷却能力が効果的に行える量にすることが望ましい。また、この水の量は、燃料電池の出力、大きさ、作動温度等の仕様の変化に応じて潜熱による冷却が十分に行えるよう決定されるものであり、特には数値的に限定されない。
【００５５】
図１６は表１の結果を処理して得られたデータであり、空気排気温度の変化と直噴水の潜熱による冷却能力の変化を示す。図中の鎖線は燃料電池本体の単位面積（ｃｍ2）当たりの最大発熱量を示す。
空気排気温度が３３〜４６℃における冷却能力の範囲（図中、実線で示す）は、最大発熱量より低いレベルにある。図１６より、空気排気温度が高くなれば、潜熱による冷却能力も高くなることがわかる。従って、空気排気温度（＝燃料電池本体の作動温度）が５０℃以上となるように燃料電池本体を作動させれば、直噴水の潜熱により充分な冷却が行えることとなる。即ち、直噴水の潜熱による冷却能力が燃料電池本体の最大発熱量を上回る。
従って、従来必要とされていた冷却板（図９参照）を省略できる。よって、燃料電池本体ひいては燃料電池装置の高効率化及び軽量化を図ることができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の燃料電池装置よれば、空気極の表面に供給された水が優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜から水分の蒸発することが防止される。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。
また、空気極の表面に供給された水は空気極自体からも熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池本体の温度を制御できる。即ち、燃料電池本体へ冷却板を付加しなくても当該燃料電池本体を充分に冷却することができる。
つまり、この発明の燃料電池装置によれば、部品点数を少なくできるのでその構成がシンプルとなる。もって、燃料電池装置を低い製造コストで提供できるばかりでなく、その性能及び／又は耐久性が向上する。
【００５７】
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。
（請求項１）燃料極と空気極とを有する燃料電池装置において、前記空気極の表面に水が液体の状態で供給される、ことを特徴とする燃料電池装置。
（請求項２）燃料極、電解質膜及び空気極とを有し、燃料ガスと空気との燃焼により生成した反応水により前記電解質膜の湿潤が専ら維持される燃料電池装置において、前記空気極の表面に水が液体の状態で供給される、ことを特徴とする燃料電池装置。
（請求項３）前記空気極に供給される水は霧状である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
（請求項４）前記水は間欠的に供給される、ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の燃料電池装置。
（請求項５）アノード、電解質膜及びカソードを備えてなる燃料電池本体と、前記アノードへ燃料ガスを含んだガスを供給する第１のガス路と、前記カソードへ酸素を含んだガスを供給する第２のガス路と、前記カソードへ霧状の水を供給するノズルと、を備えてなる燃料電池装置。
（請求項６）前記ノズルから間欠的に水を噴出させる手段が更に備えられている、ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
（請求項７）前記アノードと前記カソードとの間の出力を検出する手段と、該検出手段の検出結果に基づき、前記ノズルから噴出させる水の量を制御する水量制御手段と、が更に備えられることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。
（請求項８）燃料極、電解質膜及び空気極を有する燃料電池装置であって、前記燃料電池装置が起動されるとき、前記燃料極へ燃料ガスが供給される前に前記空気極へ水が液体の状態で供給される、ことを特徴とする燃料電池装置。
（請求項９）電池反応により生成した生成水と、排ガス中の燃料ガス成分を空気極に導入して当該燃料ガス成分と空気との燃焼により生成した回収水とが電解質膜へ供給される構成の燃料電池装置において、前記電解質膜の湿潤状態を維持する方法であって、前記空気極の表面に水を液体の状態で供給する、ことを特徴とする燃料電池装置の電解質膜の湿潤状態維持方法。
（請求項１０）燃料極、電解質膜及び空気極を有する燃料電池装置において、前記電解質膜において前記空気極側の表面の水よりも優先的に当該空気極周辺の空気から潜熱を奪うことができる熱キャリヤが前記空気極の上流側で空気路に供給される、ことを特徴とする燃料電池装置。
（請求項１１）前記熱キャリアは霧状の水である、ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池装置。
（請求項１２）燃料極、電解質膜及び空気極を有する燃料電池装置であって、前記燃料電池装置が起動されたとき、前記燃料極へ燃料ガスが供給される前に、前記電解質膜を湿潤状態にしておく手段が備えられている、ことを特徴とする燃料電池装置。
（請求項１３）燃料極、電解質膜及び空気極を備えてなる燃料電池本体と、該本体を実質的に冷却する冷却媒体を前記空気極の表面に供給する冷却手段と、を備えてなる燃料電池装置。
（請求項１４）前記冷却媒体が水である、ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池装置。
（請求項１５）燃料極、電解質膜及び空気極を備えてなる燃料電池本体を冷却する方法であって、冷却媒体を前記空気極の表面に供給する、ことを特徴とする燃料電池装置本体の冷却方法。
（請求項１６）空気極の表面へ該空気極を冷却するための水が供給される、ことを特徴とする燃料電池装置
【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】同じく水供給系の動作を示すフローチャートである。
【図５】同じく水噴射量と水圧力の関係を示すグラフ図である。
【図６】同じく起動時の制御を示すフローチャートである。
【図７】水の供給の態様と出力電圧との関係を示すグラフ図である。
【図８】温度を変化させたときの水の供給の態様と出力電圧との関係を示すグラフ図である。
【図９】従来の燃料電池スタックを示す模式図である。
【図１０】本発明の燃料電池スタックを示す模式図である。
【図１１】本発明の試験例の条件と結果を示す表図である。
【図１２】本発明の試験例の燃料電池本体の温度と外気の温度との差と自然放熱量との関係を示すグラフ図である。
【図１３】同じく直噴水量の変化と冷却能力の変化の関係を示すグラフ図である。
【図１４】同じく直噴水量の変化と顕熱による冷却能力の変化を示すグラフ図である。
【図１５】同じく直噴水量の変化と潜熱による冷却能力の変化を示すグラフ図である。
【図１６】同じく空気排気温度の変化と直噴水の潜熱による冷却能力の変化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
３０ 空気供給系
４０ 水供給系
４１ ノズル
５０ 電圧計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to an improvement of a so-called PEM type fuel cell device having a polymer solid electrolyte membrane.
[0002]
[Prior art]
The battery body of the PEM type fuel cell device has a structure in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode.
Both the fuel electrode and the air electrode are composed of a catalyst layer containing a catalyst material, and an electrode device that supports the catalyst layer and supplies a reaction gas and further functions as a current collector.
On the further outside of the fuel electrode and the air electrode, a separator (connector plate) provided with a gas flow groove for uniformly supplying the reaction gas from the outside into the electrode and discharging excess gas to the outside is laminated. This separator collects current to prevent gas permeation and to take out the generated current to the outside.
[0003]
A unit cell is constituted by the fuel cell main body and the separator. In an actual fuel cell device, a stack is formed by stacking a large number of such unit cells in series.
In the fuel cell main body, heat having a heat amount substantially corresponding to the generated power is generally generated. Therefore, in order to prevent the fuel cell body from excessively heating up, a cooling plate is built in the stack. A cooling medium such as air or water is circulated through the cooling plate to cool the stack, thereby maintaining the fuel cell body at a desired temperature.
[0004]
The electromotive force of the fuel cell having such a structure is that, as a result of the fuel gas being supplied to the fuel electrode side (anode) and the oxidizing gas being supplied to the air electrode side, electrons are generated as the electrochemical reaction proceeds. Generated by extracting electrons to an external circuit.
That is, hydrogen ions obtained at the fuel electrode (anode) are converted into protons (H+) In the electrolyte membrane containing water to the air electrode (cathode) side, and electrons obtained at the fuel electrode (anode) move to the air electrode (cathode) side through an external load. This is because it is possible to extract electric energy by a series of electrochemical reactions that react with oxygen in oxidizing gas (including air) to generate water.
[0005]
In the above, protons take a state of hydration when moving from the fuel electrode toward the air electrode, so that when the electrolyte membrane dries, the ionic conductivity decreases and the energy conversion efficiency decreases. Resulting in.
Therefore, it is necessary to supply moisture to the solid electrolyte membrane in order to maintain good ion conduction. For this purpose, the fuel gas and the oxidizing gas are humidified and the water is supplied.
On the anode electrode side, in order to properly continue the electrode reaction, it is necessary to maintain the wet state of hydrogen gas more, and various proposals have conventionally been made on humidifying the fuel gas.
[0006]
On the other hand, a method for humidifying process air has been proposed, but in order to reliably humidify an air electrode heated by reaction heat (usually about 80 ° C.), normal temperature process air is humidified. It is necessary to heat in advance. This is because the saturated water vapor amount is matched with the environment around the air electrode. Therefore, the humidifier has a complicated configuration that requires a water supply function and a process air temperature raising function.
In the fuel cell device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-14599, an injection nozzle is provided in the air introduction pipe, and water necessary for humidification is sprayed into the process air. When this injection nozzle is on the upstream side of the compressor, the sprayed water is evaporated by the heat accompanying the compression of the process air, and humidifies the air electrode in the state of water vapor. In this apparatus, an air humidifier is further added as necessary.
In any case, in the conventional technique, water is supplied to the electrolyte membrane by mixing water vapor into the air.
[0007]
Further, in the fuel cell device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-266004, gas discharged from the fuel electrode (this exhaust gas contains unreacted hydrogen gas) in order to reduce the concentration of discharged hydrogen gas. Is introduced into the air electrode side, and hydrogen gas therein is burned in the air electrode. Since reaction water (recovered water) is generated in the combustion, such a fuel cell device can supply sufficient moisture to the electrolyte membrane without adding a humidifier.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the further research results of the present inventors, the following matters were found.
When a fuel cell is composed of an electrolyte membrane with a thickness less than a predetermined value, the water produced by the reaction of protons with oxygen in the air at the air electrode reversely osmosis through the electrolyte membrane from the air electrode to the hydrogen electrode. To do.
Since the electrolyte membrane can be maintained in a suitable wet state by the reversely osmotic water, it is not necessary to humidify hydrogen (fuel gas) on the hydrogen electrode (anode electrode) side.
However, on the air electrode (cathode electrode) side, the introduced air (oxidizing gas) flow evaporates the water on the air electrode side of the electrolyte membrane, so that the moisture on the air electrode side of the electrolyte membrane is insufficient. .
This problem has been newly found by the present inventors. Accordingly, it is an object of the present invention to solve such a problem.
[0009]
It is also an object of the present invention to provide a fuel cell device having a simple configuration capable of maintaining the wet state of the electrolyte membrane without any humidifier having a complicated configuration requiring rehydration and heating as described above. For other purposes.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell device having a novel structure that maintains the wet state of the electrolyte membrane.
[0011]
According to still another aspect of the present invention, when cooling the fuel cell body including the fuel electrode, the electrolyte membrane, and the air electrode, a cooling medium is supplied to the surface of the air electrode. An example of this medium is water. When water is supplied to the air electrode in a liquid state, as described above, latent heat is taken from the air around the air electrode and drying of the electrolyte membrane is prevented, but at the same time, heat is also taken from the air electrode. In the fuel cell, since the reaction proceeds on the air electrode side of the electrolyte membrane, the heat is accumulated most in the air electrode.
[0012]
According to the study by the present inventors, it has been found that the temperature of the fuel cell body can be controlled by supplying water to the air electrode and taking heat away from the air electrode. In other words, it has been found that the fuel cell body can be sufficiently cooled by supplying water in a liquid state to the air electrode.
[0013]
As shown in FIG. 9, in the conventional fuel cell stack 100, the cooling plates 103 are inserted between the single cells 101 at a predetermined pitch. The cooling plate 103 is provided with a passage for the cooling medium to pass through. The stack 100 was adjusted to a desired temperature by the cooling plate 103.
On the other hand, according to still another aspect of the present invention, the stack is sufficiently cooled by supplying water in a liquid state to the air electrode, and the temperature can be controlled.
Therefore, as shown in FIG. 10, the cooling plate can be omitted from the stack 110 of fuel cells. Thereby, the configuration of the stack is simplified, and accordingly, the configuration of the fuel cell device is also simplified. Therefore, high efficiency and weight reduction of the fuel cell device can be achieved.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to achieve at least one of the above objects, and the configuration thereof is as follows.
A fuel cell device having a fuel electrode and an air electrode, wherein water is supplied to the surface of the air electrode in a liquid state.
[0015]
According to the fuel cell device configured as described above, water supplied to the surface of the air electrode preferentially takes away latent heat from the air, so that evaporation of moisture from the electrolyte membrane on the air electrode side is prevented. Therefore, the electrolyte membrane always maintains a uniform wet state without being dried on the air electrode side. Therefore, the performance and / or durability of the fuel cell device is improved.
Further, since the heat supplied from the surface of the air electrode is deprived of heat by the latent heat when it evaporates when adhering to the exothermic air electrode, the air electrode and the fuel cell stack are cooled. Therefore, the conventionally provided cooling plate 103 can be omitted.
[0016]
From the standpoint of efficiently removing latent heat from the process air, water is preferably sprayed and supplied to the air electrode.
If attention is paid only to the point of spraying water, it looks like the water spray in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-14599. However, according to the present invention, the water supplied to the air electrode is only a liquid. On the other hand, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-14599, the water is supplied directly to the electrolyte membrane.
Therefore, according to the present invention, it is not necessary to heat the process air as in a conventional humidifier.
[0017]
According to the present invention, the supply of water to the air electrode may be intermittent or continuous.
If the supply of water is intermittent, the power consumed to operate a device (pump or the like) for supplying water is reduced, and the efficiency of the fuel cell device is improved. In a type of apparatus that humidifies process air with water vapor, it is necessary to constantly generate water vapor and to raise the temperature of the process air to a predetermined temperature. Therefore, a large amount of power is consumed for humidification.
[0018]
The present invention relates to a fuel cell device configured to supply moisture (product water) generated by a cell reaction to an electrolyte membrane, that is, a fuel cell device not particularly provided with an auxiliary device for humidification, and in other words, fuel gas and air. It is particularly suitable when applied to a fuel cell device in which the wetness of the electrolyte membrane is exclusively maintained by the reaction water generated by combustion with
In such an apparatus, since the generated moisture is supplied to the electrolyte membrane, it is not necessary to always supply water to the air electrode. On the other hand, when using a humidifier, it is necessary to always operate the humidifier. That is, according to the present invention, only when the surface on the air electrode side of the electrolyte membrane is dried and the performance as a battery is deteriorated, it is only necessary to spray water from the nozzle to reduce the water evaporation amount of the air electrode. The load on the fuel cell device is smaller than that using a vessel.
One advantage of this type of fuel cell device that does not include a humidifier is that no electric power is required to operate the humidifier, thereby reducing the load on the device. Therefore, even if a device for supplying water is added as described above, the above-described advantages can be prevented as much as possible if it is not always necessary to operate this device.
[0019]
According to another aspect of the present invention, when the fuel cell device is activated, water is sprayed onto the air electrode before supplying the fuel gas to the fuel electrode. Then, after supplying the fuel gas, when the output of the fuel cell main body reaches a predetermined value, the fuel cell device is connected to an external load (such as a motor for a vehicle).
If there is a long time from the last use of the fuel cell device to the current use, oxygen and nitrogen may permeate from the air electrode to the fuel electrode. If the fuel gas is supplied to the fuel electrode in this state, the supplied fuel gas and oxygen may cause an abnormal reaction, and the electrolyte membrane may be damaged. Thus, water is sprayed onto the air electrode in this way to cool the fuel cell body, thereby preventing damage due to the abnormal reaction. In addition, the electrolyte membrane may be dried, and moisture is quickly supplied to the electrolyte membrane via the air electrode. When water is directly sprayed onto the air electrode, the electrolyte membrane in a dry state absorbs moisture at a high osmotic pressure, so that even if the air electrode is interposed, the sprayed water is rapidly sucked. It is preferable that the amount of water injection at this time be larger than the amount of water injection when maintaining the wet state of the electrolyte membrane.
[0020]
【Example】
Next, an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell device 1 of an embodiment. FIG. 2 shows a basic unit of the fuel cell main body 10.
As shown in FIG. 1, the apparatus 1 includes a fuel cell body 10, a hydrogen gas supply system 20 as a fuel gas, an air supply system 30, and a water supply system 40.
[0021]
The unit unit of the fuel cell main body 10 has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane 12 is sandwiched between an air electrode 11 and a fuel electrode 13. In an actual apparatus, a plurality of these unit units are stacked (fuel cell stack). Air manifolds 14 and 15 for sucking and exhausting air are formed above and below the air electrode 11, respectively. An attachment hole for attaching the nozzle 41 is formed in the upper manifold 14. The ejection angle of water ejected from the nozzle 41 is limited, and in order to make the water mist and spread it over the entire surface of the air electrode 11, a predetermined interval is required between the nozzle and the air electrode 11. become. Accordingly, the manifold 14 is relatively tall. On the other hand, the lower air manifold 15 is capable of efficiently discharging the dropped water.
The nozzle can also be provided on the side surface of the manifold 14. The water ejected from the nozzle spreads over the entire area of the manifold 14, and thus spreads over the entire surface of the air electrode 11. By providing the nozzle on the side surface of the manifold 14, a low manifold can be employed. Therefore, the fuel cell main body can be reduced in size.
[0022]
As shown in FIG. 2, the unit unit of the air electrode 11 -the solid polymer electrolyte membrane 12 -the fuel electrode 13 has a thin membrane shape and is sandwiched between a pair of carbon connector plates 16 and 17. A plurality of grooves 18 are formed on the surface of the connector plate 16 facing the air electrode 11 for circulating air. Each groove 18 is formed in the vertical direction and communicates with the manifolds 14 and 15. As a result, the mist-like water supplied from the nozzle 41 reaches the lower part of the air electrode 11 along the groove 18.
Similarly, a groove 19 for flowing hydrogen gas is formed on the surface of the connector plate 17 facing the fuel electrode 13. In the embodiment, a plurality of the grooves 19 are formed in the horizontal direction.
[0023]
Since water is supplied to the air electrode 11, it is made of a water-resistant material. Moreover, since the effective area of the air electrode 11 will decrease if a water film is formed there, the material of the air electrode 11 is also required to have high water repellency. As such a material, a gas diffusion layer in which (C + PTFE) was incorporated with carbon cloth as a base material was used.
A thin film of general-purpose Nafion (trade name: DuPont) was used for the solid polymer electrolyte membrane 12.
The thickness of the membrane is not particularly limited as long as reverse osmosis of generated water from the air electrode side is possible.
The fuel electrode 13 is made of the same material as the air electrode 11. This is for sharing parts.
[0024]
On the surface of the air electrode 11 and the fuel electrode 13 that are in contact with the electrolyte membrane 12, a well-known platinum-based catalyst used to promote the reaction between oxygen and hydrogen with a certain thickness is uniformly dispersed. Thus, it is formed as a catalyst layer in the air electrode 11 and the fuel electrode 13.
[0025]
In this embodiment, a hydrogen cylinder made of a hydrogen storage alloy was used as the hydrogen source 21 of the hydrogen gas supply system 20. In addition, a reforming raw material such as a water / methanol mixture is reformed in a reformer to generate a hydrogen-rich reformed gas, which is stored in a tank and used as a hydrogen source. You can also Of course, when the fuel cell device 1 is used in a room, the hydrogen pipe can be used as a hydrogen source.
The hydrogen source 21 and the fuel electrode 13 are connected by a hydrogen gas supply path 22 via a hydrogen supply pressure regulating valve 23. The pressure regulating valve 23 adjusts the pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel electrode 13, and a general-purpose configuration can be used.
[0026]
Exhaust gas from the fuel electrode 13 is supplied to the air manifold 14 through the exhaust gas passage 24 where it is mixed with air. The exhaust gas passage 24 is provided with a hydrogen exhaust valve 25 for opening and closing it.
[0027]
Air is supplied to the air electrode 11 from the atmosphere by a blower (not shown). Reference numeral 31 in the figure is an air supply path, which is connected to the manifold 14 of the air electrode 11. An air passage 32 for circulating or exhausting air that has passed through the air electrode 11 is connected to the lower manifold 15, and exhaust gas is sent to the exhaust passage 36 through a condenser 33 that separates water. The amount exhausted from the exhaust passage 36 is adjusted by the opening degree of the air exhaust pressure regulating valve 34.
Further, the exhaust pressure regulating valve 34 may be omitted, and the exhaust gas may be discharged to the atmosphere as it is.
[0028]
The water separated by the condenser 33 is sent to the tank 42. A water level sensor 43 is attached to the tank 42. When the water level of the tank 42 becomes a predetermined value or less by the water level sensor 43, an alarm 44 blinks to notify the operator of water shortage.
[0029]
In the water supply system 40 of the embodiment, a water supply path 45 is connected from the tank 42 to the nozzle 41 via a pump 46, a water pressure sensor 47 and a pressure regulating valve 48. The water adjusted to a desired water pressure by the pressure regulating valve 48 blows out from the nozzle 41 and becomes mist in the air manifold 14. Then, mist-like water is supplied to the substantially entire surface of the air electrode 11 by the momentum (initial speed) at the time of blowing, the weight of the mist, the air flow, and the like.
[0030]
In this way, the water supplied to the surface of the air electrode 11 evaporates by removing latent heat from the surrounding air and the electrode surface. Thereby, evaporation of the water | moisture content of the electrolyte membrane 12 is prevented.
Further, since the water supplied to the air electrode 11 also takes away latent heat from the air electrode 11, it also has an action of cooling it. In particular, when water is supplied at the time of starting, it is possible to prevent the membrane and the catalyst from being damaged by the combustion of hydrogen and air.
[0031]
Reference numeral 50 in the figure denotes a voltmeter that measures the voltage between the air electrode 11 and the fuel electrode 13.
[0032]
Next, the operation of the fuel cell device 1 of the embodiment will be described with reference to FIG. 3 and the subsequent drawings.
The control device 70 and the memory 73 are housed in a control box (not shown in FIG. 1) of the fuel cell device 1. The memory 73 stores a control program that defines the operation of the control device 70 that is a computer, parameters for executing various controls, and a lookup table.
[0033]
First, the operation of the hydrogen gas supply system 20 will be described.
At startup, the hydrogen exhaust valve 25 is kept closed, and the hydrogen supply pressure regulating valve 23 is adjusted so that hydrogen gas is supplied to the fuel electrode 13 at a predetermined concentration below the explosion limit.
When the fuel cell device 1 is operated with the exhaust valve 25 closed, N that permeates from the air electrode.2, O2Alternatively, since the partial pressure of hydrogen consumed at the fuel electrode 13 gradually decreases due to the generated water, the output voltage also decreases accordingly, and a stable voltage cannot be obtained.
[0034]
Therefore, based on a predetermined rule, the valve 25 is released to exhaust the gas whose hydrogen partial pressure has decreased, and the atmosphere gas in the fuel electrode 13 is refreshed.
The predetermined rule is stored in the memory 73, and the control device 70 reads the rule from the memory 73 and executes the opening / closing of the valve 25 and the adjustment of the pressure regulating valve 23.
[0035]
In this embodiment, the voltmeter 50 monitors the output voltage, and when the output voltage drops below a predetermined threshold, the valve 25 is released for a predetermined time (for example, 1 second).
Alternatively, a time interval at which the output voltage starts to decrease when the fuel cell device 1 is operated with the valve 25 closed is measured in advance, and the valve 25 is turned on at a period substantially the same as or slightly shorter than the time interval. The valve 25 is intermittently controlled to be released.
[0036]
Next, the operation of the air supply system 30 will be described.
Outside air is supplied from the air supply path 31 to the air manifold 14 at a constant pressure.
On the other hand, a part of the exhaust gas is discharged out of the system according to the opening degree of the air exhaust pressure regulating valve 34.
[0037]
The adjustment of the opening degree of the air exhaust pressure regulating valve 34 is also controlled by the control device 70 based on a predetermined rule. The predetermined rule is stored in the memory 73.
In this embodiment, the moisture balance of the fuel cell main body 10 is mainly adjusted by a water supply system 40 described later, so the opening of the pressure regulating valve 34 may be fixed.
[0038]
Next, the operation of the water supply system 40 will be described.
Water in the tank 42 is pumped by a pump 46. Then, the pressure is adjusted by the injection pressure adjusting valve 48 and sprayed from the nozzle 41. Thereby, water will be supplied to the air electrode 11 in a liquid state (fog state).
[0039]
The supply amount of water is controlled by the control device 70 based on a predetermined rule. The predetermined rule is stored in the memory 73.
In this embodiment, as shown in FIG. 4, the output voltage between the air electrode 11 and the fuel electrode 13 is first monitored (step 1). Then, the optimum water injection amount is calculated based on the output voltage (step 3). This calculation can be obtained by using a predetermined equation or preparing a predetermined look-up table (stored in the memory 73). The optimum injection amount is desirably determined in consideration of maintaining the wet state of the electrolyte membrane and cooling due to the latent heat of water. As will be described later, effective cooling can be performed with a small amount of water injection, particularly by effectively using the latent heat of vaporization of water. Normally, when the output voltage becomes smaller than a predetermined threshold voltage or when the fluctuation range of the output voltage exceeds a predetermined threshold, the water supply system 40 starts its operation.
[0040]
Next, in step 5, the optimum water pressure corresponding to the optimum water injection amount is calculated.
For example, since the water injection amount and the water pressure have the relationship shown in FIG. 5, this relationship is stored in advance in the memory 73 in the form of an equation or a lookup table.
In this embodiment, the water pressure of the nozzle 41 is adjusted by the opening of the pressure regulating valve 48 in the circulation path 49 while the pump 46 is operated at a constant power. That is, if the opening degree of the pressure regulating valve 48 is large (small), the water pressure of the nozzle 41 is small (large).
[0041]
Therefore, in step 7, the water pressure applied to the nozzle 41 is detected by the water pressure sensor 47, and the pressure regulating valve 48 is adjusted by feedback control so that the water pressure becomes a desired value (optimum water pressure) (step 9).
[0042]
In addition, the water supply system 40 may be operated at a constant water pressure every predetermined time (for example, 5 to 10 seconds).
[0043]
Next, the operation at the start-up of the fuel cell device 1 of the embodiment will be described.
As shown in FIG. 6, when a switch (not shown) is turned on (step 11), the pump 46 is turned on (step 13). And the pressure regulation valve 48 is adjusted so that it may become predetermined | prescribed water injection amount, and water is injected from the nozzle 41 (step 15). In order to protect the fuel cell main body 10 from an abnormal reaction, the amount of water injected to the air electrode 11 is larger than the optimum water injection amount described with reference to FIG. Control for obtaining a predetermined water injection amount is the same as steps 5 to 9 in FIG.
[0044]
Thereafter, the air supply system 30 is turned on (step 17), and then the hydrogen supply system 20 is turned on (step 19).
When a desired output voltage is confirmed between the air electrode 11 and the fuel electrode 15, electric power is output to the outside.
[0045]
In the above description, the air supply system 30 may be operated before the water supply system 40 is operated. Further, the air supply system 30 may be operated after the hydrogen supply system 20 is operated.
However, it is necessary to operate the water supply system 40 before operating the hydrogen supply system 20. Since air exists in the fuel cell main body 1 regardless of whether the air supply system 30 is in operation or not, if hydrogen is supplied in a state where the electrolyte membrane 12 is dry, abnormal combustion may occur. If a large amount of heat is generated due to such abnormal combustion, the cooling means (not shown) attached to the fuel cell main body 1 may not be able to sufficiently cool the heat. As a result, the catalyst and the electrolyte membrane 12 may be thermally deteriorated. That is, when this abnormal heat occurs, water is injected before the hydrogen is supplied so that the fuel cell main body 1 is not damaged, so that the air electrode 11 is wetted in advance. In this way, the abnormal heat is changed to the evaporation heat of water, and further, the wetting of the electrolyte membrane 12 is promoted to prevent the fuel cell body 1 from being damaged.
[0046]
FIG. 7 shows the relationship between the moisture supply method and the output voltage. The output voltage is a value 15 minutes after starting the fuel cell. The horizontal axis represents the magnitude of the load.
In the figure, non-humidified is a state in which no moisture is supplied, and the hydrogen gas supplied to the fuel electrode is exhausted without being sent to the air electrode. The bubbler humidification is a case where water vapor is supplied into the air as in the conventional example and the air is heated (65 ° C.). Direct injection 2 g, 5 g, 10 g, and 20 g are examples of the present invention, and water was supplied in amounts of 2 g / min · cell, 5 g / min · cell, 10 g / min · cell, and 20 g / min · cell, respectively.
In addition, water absorption other than bubbler humidification is performed at normal temperature.
A 200 W class stack was used for the fuel cell device.
[0047]
As can be seen from FIG. 7, according to the present invention, the amount of water to be supplied is sufficient (the stack and cell specifications used this time are 5 g / min · cell or more. Further, the specification of the fuel cell device can be changed. The amount of water to be supplied can be changed, and the value is not particularly limited.) If this is the case, the voltage drops slightly compared to the conventional example (with a humidifier). Can be ignored. Thus, it can be seen that the power generation capacity is almost the same as that in the conventional bubbler humidification. Although not shown in the figure, the calculation shows that the amount of water supplied may be about 30% of the water that can be evaporated by the air flowing through the air electrode.
[0048]
FIG. 8 shows the evaluation when the temperature of the water to be sprayed is changed. As can be seen from FIG. 8, when the temperature of the water to be injected is increased, the output voltage of the fuel cell is improved and the performance is almost the same as that of the conventional bubbler humidification.
Thus, it is desirable to heat the water to be jetted.
It is considered that the temperature of water is preferably 40 to 60 ° C.
More preferably, it is considered to be 45 to 55 ° C.
Even more preferably, it is approximately 50 ° C.
[0049]
The cooling effect on the fuel cell body by injecting water into the air electrode has been confirmed, and will be described below. For this confirmation, the apparatus shown in FIG. 9 (number of unit cell stacks: 9) was used. In this confirmation experiment, water adjusted to 40 ° C., 60 ° C., or 80 ° C. (hereinafter referred to as “temperature-controlled water”) is flowed to the cooling plate 103 to raise the temperature of the fuel cell main body 100 and generate heat ( A power generation state) was created in a pseudo manner. And the temperature characteristic of the fuel cell main body when water was injected to the surface of the air electrode was investigated.
[0050]
Table 1 (see FIG. 11) shows the test conditions and results.
In Tests 1 to 4, the temperature-controlled water was set to 40 ° C., that is, a fuel cell main body having an operating temperature of 40 ° C. was simulated, and each test was performed by changing the amount of direct water injection.
In Tests 5 to 8, the temperature-controlled water was set to 60 ° C., that is, a fuel cell main body having an operating temperature of 60 ° C. was simulated, and each test was performed by changing the amount of direct water injection.
In Tests 9 to 12, the temperature-controlled water was set to 80 ° C., that is, a fuel cell main body having an operating temperature of 80 ° C. was simulated, and each test was performed by changing the amount of direct water injection.
[0051]
FIG. 12 is data obtained by processing the results in Table 1, and shows the relationship between the difference between the temperature of the fuel cell body and the temperature of the outside air and the amount of natural heat radiation. Specifically, the data in FIG. 12 was obtained from the difference between the F / C inlet temperature adjustment water temperature and the F / C outlet temperature adjustment water temperature in Test 1, Test 5, and Test 9. The result of FIG. 12 represents the amount by which the fuel cell body is naturally cooled when there is no cooling means.
As can be seen from FIG. 12, in the fuel cell body used in this test, the upper limit of the amount of heat radiated naturally is about 5 w per cell (unit cell). Further, it is considered that the amount of natural heat radiation becomes smaller as the difference between the outside air temperature and the operating temperature of the fuel cell body becomes smaller.
[0052]
FIG. 13 is data obtained by processing the results shown in Table 1, and shows the relationship between changes in the amount of direct fountain water and changes in cooling capacity.
From FIG. 13, even if the amount of the direct jet water increases, no significant change in the cooling capacity is observed, but it can be confirmed that the higher the air exhaust temperature, the higher the cooling capacity by the direct jet water.
[0053]
FIG. 14 is data obtained by processing the results shown in Table 1, and shows changes in the amount of direct jet water and changes in cooling capacity due to sensible heat. Here, the sensible heat means the temperature rise of the amount of heat when the directly injected water (26 ° C.) remains liquid and rises to each air exhaust temperature (33 ° C. and 46 ° C. in the figure). In other words, the amount of heat taken away from the fuel cell main body by the directly injected water without evaporating is sensible heat.
From FIG. 14, even if the amount of direct jet water increases, a large change in cooling capacity due to sensible heat is not observed, but it can be confirmed that the cooling capacity due to sensible heat of direct jet water increases as the air exhaust temperature increases.
[0054]
FIG. 15 is data obtained by processing the results shown in Table 1, and shows changes in the amount of direct jet water and changes in cooling capacity due to latent heat. Here, the latent heat is the amount of heat taken from the fuel cell body when the directly injected water evaporates.
From FIG. 15, even if the amount of direct jet water increases, a large change in cooling capacity due to latent heat is not observed, but it can be confirmed that the cooling capacity due to latent heat of direct jet water increases as the air exhaust temperature increases.
14 and 15, it was found that the cooling capacity of the directly injected water shown in FIG. 13 includes a cooling capacity by sensible heat of water and a latent heat cooling capacity.
Further, through further experiments, it is possible to improve the cooling capacity by latent heat by spraying a smaller amount than the current direct water amount to make the water easy to evaporate. In this case, the cooling capacity by sensible heat decreases, but the cooling capacity of both latent heat and sensible heat has been confirmed to be sufficient to cool the fuel cell used in this experiment.
Thus, it is desirable that the amount of the direct fountain be an amount that can effectively perform the cooling ability due to the latent heat of water. The amount of water is determined so as to be sufficiently cooled by latent heat according to changes in specifications such as the output, size, and operating temperature of the fuel cell, and is not particularly limited numerically.
[0055]
FIG. 16 is data obtained by processing the results of Table 1, and shows changes in cooling capacity due to changes in air exhaust temperature and latent heat of direct jet water. The chain line in the figure is the unit area (cm2) Shows the maximum heat generation per unit.
The range of the cooling capacity when the air exhaust temperature is 33 to 46 ° C. (shown by a solid line in the figure) is at a level lower than the maximum heat generation amount. From FIG. 16, it can be seen that as the air exhaust temperature increases, the cooling capacity by latent heat also increases. Therefore, if the fuel cell body is operated so that the air exhaust temperature (= the operating temperature of the fuel cell body) is 50 ° C. or higher, sufficient cooling can be performed by the latent heat of the direct jet water. That is, the cooling capability by the latent heat of the direct jet water exceeds the maximum heat generation amount of the fuel cell main body.
Therefore, the cooling plate (see FIG. 9) that has been conventionally required can be omitted. Therefore, the fuel cell main body, and thus the fuel cell device, can be made highly efficient and lightweight.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell device of the present invention, water supplied to the surface of the air electrode preferentially takes away latent heat from the air, so that evaporation of moisture from the electrolyte membrane on the air electrode side is prevented. The Therefore, the electrolyte membrane always maintains a uniform wet state without being dried on the air electrode side.
Further, the water supplied to the surface of the air electrode takes heat from the air electrode itself and cools it, so that the temperature of the fuel cell body can be controlled. That is, the fuel cell body can be sufficiently cooled without adding a cooling plate to the fuel cell body.
That is, according to the fuel cell device of the present invention, the number of parts can be reduced, so that the configuration becomes simple. Therefore, not only can the fuel cell device be provided at a low manufacturing cost, but also its performance and / or durability is improved.
[0057]
  The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
(Claim 1) A fuel cell device having a fuel electrode and an air electrode, wherein water is supplied to the surface of the air electrode in a liquid state.
(Claim 2) In a fuel cell device having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, wherein the wetness of the electrolyte membrane is exclusively maintained by reaction water generated by combustion of fuel gas and air. A fuel cell device, characterized in that water is supplied to the surface in a liquid state.
(Claim 3) The fuel cell device according to claim 1 or 2, wherein the water supplied to the air electrode is in the form of mist.
(Claim 4) The fuel cell device according to claim 1, wherein the water is intermittently supplied.
(Claim 5) A fuel cell main body comprising an anode, an electrolyte membrane and a cathode, a first gas passage for supplying a gas containing fuel gas to the anode, and a gas containing oxygen to the cathode A fuel cell device comprising: a second gas path; and a nozzle for supplying mist-like water to the cathode.
(Claim 6) The fuel cell device according to claim 5, further comprising means for intermittently ejecting water from the nozzle.
(7) A means for detecting an output between the anode and the cathode, and a water amount control means for controlling the amount of water ejected from the nozzle based on a detection result of the detection means are further provided. The fuel cell device according to claim 5.
(8) A fuel cell device having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, wherein when the fuel cell device is activated, water is supplied to the air electrode before fuel gas is supplied to the fuel electrode. A fuel cell device which is supplied in a liquid state.
(Claim 9) A configuration in which the produced water generated by the cell reaction and the recovered water produced by the combustion of the fuel gas component and the air by introducing the fuel gas component in the exhaust gas into the air electrode are supplied to the electrolyte membrane. In this fuel cell device, the method of maintaining the wet state of the electrolyte membrane, wherein water is supplied in a liquid state to the surface of the air electrode, and maintaining the wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell device Method.
(Claim 10) In a fuel cell device having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, latent heat can be taken from the air around the air electrode preferentially over the water on the surface of the air electrode in the electrolyte membrane. A fuel cell device, wherein a heat carrier is supplied to an air path upstream of the air electrode.
(11) The fuel cell apparatus according to (10), wherein the heat carrier is mist-like water.
(Claim 12) A fuel cell device having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, wherein when the fuel cell device is activated, the electrolyte membrane is wetted before fuel gas is supplied to the fuel electrode. A fuel cell device comprising means for keeping the state.
(13) A fuel comprising a fuel cell main body comprising a fuel electrode, an electrolyte membrane and an air electrode, and a cooling means for supplying a cooling medium for substantially cooling the main body to the surface of the air electrode. Battery device.
(Claim 14) The fuel cell device according to claim 13, wherein the cooling medium is water.
(15) A method of cooling a fuel cell main body comprising a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode, wherein a cooling medium is supplied to the surface of the air electrode. Cooling method.
(16) A fuel cell device characterized in that water for cooling the air electrode is supplied to the surface of the air electrode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the basic configuration of the fuel cell main body.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a control system of the fuel cell device.
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the water supply system.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the water injection amount and the water pressure.
FIG. 6 is a flow chart showing the control at the same startup.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the mode of water supply and the output voltage.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the water supply mode and the output voltage when the temperature is changed.
FIG. 9 is a schematic view showing a conventional fuel cell stack.
FIG. 10 is a schematic view showing a fuel cell stack of the present invention.
FIG. 11 is a table showing conditions and results of test examples of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the difference between the temperature of the fuel cell main body and the temperature of the outside air and the amount of natural heat radiation in the test example of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the change in the amount of direct jet water and the change in cooling capacity.
FIG. 14 is a graph showing changes in the amount of direct fountain water and changes in cooling capacity due to sensible heat.
FIG. 15 is a graph showing the change in the direct jet water amount and the change in cooling capacity due to latent heat.
FIG. 16 is a graph showing the change in cooling capacity due to the change in air exhaust temperature and the latent heat of the direct jet water.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell device
10 Fuel cell body
11 Air electrode
12 Electrolyte membrane
13 Fuel electrode
20 Hydrogen supply system
30 Air supply system
40 Water supply system
41 nozzles
50 Voltmeter

Claims (2)

空気極と燃料極とで固体高分子電解質膜を挟持してなる単位ユニットを一対のコネクタ板で挟持してなる燃料電池本体であって、前記空気極に対向する前記コネクタ板には上下方向に空気を流通させるための溝が複数条形成される燃料電池本体に対し、前記溝へ空気を吸入させるための空気マニホールドが前記空気極の上方に形成され、該空気マニホールドには空気供給路より空気が供給されるとともに、該空気供給路とは別個に前記空気マニホールドに設けられたノズルより噴出された霧状の水が前記空気極の表面に液体の状態で供給される燃料電池装置において、
前記燃料電池装置の出力電圧を検出する手段と、
該検出手段の検出結果に基づき、前記ノズルから噴出させる水の量を制御する水量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell body in which a unit unit having a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an air electrode and a fuel electrode is sandwiched between a pair of connector plates, wherein the connector plate facing the air electrode is vertically An air manifold for allowing air to be sucked into the groove is formed above the air electrode with respect to the fuel cell main body in which a plurality of grooves for circulating air are formed, and air is supplied to the air manifold from an air supply path. In a fuel cell device in which mist-like water ejected from a nozzle provided in the air manifold separately from the air supply path is supplied in a liquid state to the surface of the air electrode .
Means for detecting an output voltage of the fuel cell device ;
Water amount control means for controlling the amount of water ejected from the nozzle based on the detection result of the detection means;
A fuel cell device comprising: 前記水は間欠的に供給される、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。  The fuel cell device according to claim 1, wherein the water is supplied intermittently.
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