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  • 特開-燃料電池システム 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024117868
(43)【公開日】2024-08-30
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/04 20160101AFI20240823BHJP
   H01M 8/10 20160101ALN20240823BHJP
【FI】
H01M8/04 N
H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】1
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023023929
(22)【出願日】2023-02-20
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】100104499
【弁理士】
【氏名又は名称】岸本 達人
(74)【代理人】
【識別番号】100101203
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100129838
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 典輝
(72)【発明者】
【氏名】藤岡 久也
(72)【発明者】
【氏名】江川 稔弘
(72)【発明者】
【氏名】片山 祐輔
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 進
(72)【発明者】
【氏名】池ケ谷 英男
【テーマコード(参考)】
5H126
5H127
【Fターム(参考)】
5H126BB06
5H126DD02
5H126DD05
5H126EE11
5H127AA06
5H127AB04
5H127AB29
5H127AC03
5H127BA02
5H127BA33
5H127BB02
5H127BB18
5H127CC07
5H127EE23
(57)【要約】
【課題】燃料電池の発電により生成される生成水の燃料電池システム外への液状での排水を抑制することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、燃料電池と、排出システムと、を備え、前記排出システムは、前記燃料電池から排出される生成水を貯留する貯留部を備え、前記貯留部には、細孔構造を有する吸水放湿部材が配置されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、排出システムと、を備え、
前記排出システムは、前記燃料電池から排出される生成水を貯留する貯留部を備え、
前記貯留部には、細孔構造を有する吸水放湿部材が配置されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1で開示されるような燃料電池(FC)に関して様々な技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2014-107247号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃料電池の発電により生成される生成水を、液状のまま燃料電池システム外へ排水すると、排水による液水の飛散、液水の路面凍結等が発生するという問題がある。
【0005】
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電により生成される生成水の燃料電池システム外への液状での排水を抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示においては、以下の特徴を有する燃料電池システムを提供する。
燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、排出システムと、を備え、
前記排出システムは、前記燃料電池から排出される生成水を貯留する貯留部を備え、
前記貯留部には、細孔構造を有する吸水放湿部材が配置されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の効果】
【0007】
本開示の燃料電池システムは、燃料電池の発電により生成される生成水の燃料電池システム外への液状での排水を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1図1は、(1)が本開示の燃料電池システムの一例を示す側面模式図であり、(2)が本開示の燃料電池システムの一例を示す正面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄(例えば、本開示を特徴付けない燃料電池システムの一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「~」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
【0010】
本開示においては、以下の特徴を有する燃料電池システムを提供する。
燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、排出システムと、を備え、
前記排出システムは、前記燃料電池から排出される生成水を貯留する貯留部を備え、
前記貯留部には、細孔構造を有する吸水放湿部材が配置されている、ことを特徴とする燃料電池システム。
【0011】
本開示によれば、燃料電池の発電により生成される生成水を、燃料電池システムの動作状態、停止状態に関わらず効率的に排出システム内で気化させることにより液状としての燃料電池システム外への排出を無くすことで、排水による液水の飛散、液水の路面凍結等の発生を抑制することができる。
【0012】
本開示の燃料電池システムは、燃料電池と、排出システムと、を備え、さらに、通常、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス系と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス系と、燃料電池に冷却媒体を流通させて燃料電池の温度を調節する冷却系と、燃料電池システムを制御する制御部と、を備える。
本開示の燃料電池システムは、車両等の移動体に搭載されて用いられてもよい。また、本開示の燃料電池システムは、外部に電力を供給する発電機に搭載されて用いられてもよい。
車両は、燃料電池車両等であってもよい。車両以外の移動体としては、例えば、鉄道、船舶、航空機等が挙げられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両等の移動体に搭載されて用いられてもよい。
移動体は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。移動体は、モーター、インバーター、ハイブリッド制御用システム等の駆動ユニットを有していてもよい。
ハイブリッド制御用システムは、燃料電池の出力と、二次電池の電力を併用して移動体を走行させることができるものであってもよい。
【0013】
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガス又はガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガス(アノードガスと称する場合がある)であり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガス(カソードガスと称する場合がある)である。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気(エア)、及び、乾燥空気等であってもよい。
【0014】
排出システムは、発電により燃料電池から排出されるガスおよび水を燃料電池システムの外部に放出する。
排出システムは、貯留部を有する。
貯留部には、細孔構造を有する吸水放湿部材が配置されている。
吸水放湿部材は、液水を吸収し、気化された蒸気を放湿する細孔構造を有するものであればよい。吸水放湿部材としては、例えば、珪藻土、ALC(軽量気泡コンクリート)等を用いることができる。
貯留部は、発電により燃料電池から排出される生成水等の水を貯留する貯水部であってもよい。
貯留部の大きさは、発電により燃料電池から排出される生成水等の水を貯留することができる大きさであれば、特に限定されず、燃料電池の規模に応じて適宜設定することができる。
貯留部は、燃料電池に隣接して配置されていてもよく、燃料電池のガス出口マニホールドに連結して配置されていてもよい。
排出システムは、さらに、貯留部に隣接して配置される生成水の蒸発促進用の温水配管通路を有していてもよい。温水配管通路は、冷却系が備える燃料電池の冷却用配管であってもよい。
排出システムは、さらに、貯留部と燃料電池システムの外部とを連結し、気化された蒸気を燃料電池システムの外部に排出する排気管を有していてもよい。
【0015】
図1は、(1)が本開示の燃料電池システムの一例を示す側面模式図であり、(2)が本開示の燃料電池システムの一例を示す正面模式図である。
図1に示す本開示の燃料電池システムは、燃料電池スタック10と、排出システムを備え、排出システムは、吸水放湿部材21が配置された貯留部20と、温水配管通路30と、排気管40と、を備える。
燃料電池から排出システム(例えば排気装置等)内に排出される水を貯留部(例えば貯水部等)に一旦貯留し、貯留部に併設された細孔構造の吸水放湿部材により、燃料電池が停止状態(通電不可状態)であっても放湿が可能となり、燃料電池システムの動作状態、停止状態に関わらず、吸水放湿部材の細孔部と接する排気管内に存在する気体へ常時放湿することで、効率的に排出システム内で気化させることにより、燃料電池の発電により生成される生成水の燃料電池システム外への液状での排水を抑制することができる。
【0016】
本開示の燃料電池は、単セルを1つのみ有するものであってもよく、単セルを複数個積層した燃料電池スタックであってもよい。
燃料電池スタックにおける単セルの積層数は特に限定されず、2~数百個であってもよい。
本開示においては、単セル、及び、燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
【0017】
単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
【0018】
カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有する担体等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属は担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体(触媒担持担体)と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
【0019】
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層(GDL)と称する。
GDLは、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
GDLとしては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
【0020】
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。
【0021】
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体を挟持する一対のセパレータを備える。一対のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷却媒体等の流体を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔等のマニホールドを構成する孔を有していてもよい。
冷却媒体としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液等の冷却水を用いることができる。また、冷却媒体としては、冷却用の空気を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷却媒体供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷却媒体排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷却媒体流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス流路、冷却媒体流路等の流路を構成するリブを有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長6角形、横長8角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
【0022】
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有する。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷却媒体入口マニホールド等が挙げられる。アノード入口マニホールド、及び、カソード入口マニホールドをまとめてガス入口マニホールドという。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷却媒体出口マニホールド等が挙げられる。アノード出口マニホールド、及び、カソード出口マニホールドをまとめてガス出口マニホールドという。
ガス入口マニホールド、及び、ガス出口マニホールドをまとめて反応ガスマニホールドという。
【0023】
制御部は、物理的には、例えば、CPU(中央演算処理装置)等の演算処理装置と、CPUで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するROM(リードオンリーメモリー)、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAM(ランダムアクセスメモリー)等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、パワーコントロールユニット(PCU)、及び、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
【符号の説明】
【0024】
10 燃料電池スタック
20 貯留部
21 吸水放湿部材
30 温水配管通路
40 排気管
図1