内部エネルギーと燃料電池システム　

内部エネルギーのキーワードで特許検索

「内部エネルギー」「気体」のキーワードで、特許を検索して、今回はこちらの特許で理解を深めたいと思います。

【公開番号】特開2019-164948(P2019-164948A)
【公開日】令和1年9月26日(2019.9.26)
【発明の名称】燃料電池システム
【出願人】
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

最近公開された特許です。
再生可能エネルギーなど、環境に配慮した技術は今後ますます重要になる分野です。
その中のひとつ、燃料電池に関する特許です。

物理の熱力学、気体の内部エネルギーを学んだ後に、こちらの特許を読んでみました。
最初に読んだ時は、あまり内容理解ができませんでした。

原因は、燃料電池の背景知識が少なかったことにあります。

この特許を読み解くため、まずは企業のサイトなどを使って、燃料電池に関する用語と仕組みについて理解することが必要です。

今回は、燃料電池の用途が、車両に使われていたので、車両に搭載された燃料電池を中心にまとめてみます。

燃料電池車とは

燃料電池車 （FCV：Fuel Cell Vehicle ）

図　http://www.jari.or.jp/portals/0/jhfc/beginner/about_fcv/index.html

FCVは、水素を燃料とし、走行時の二酸化炭素排出量をゼロにする車両として注目されています。
水素ステーションなどから供給した水素を、車両内の水素タンクに蓄え、空気(酸素）と発電させ、モーターを回して車両を走らせています。

燃料電池スタックとは

こちらは、FCVの心臓部となる燃料電池スタックです。

この燃料電池スタックは、水素と酸素が反応させ、発電を起こしているとても重要な部分です。

【図】https://www.cataler.co.jp/aee2018/electro/fcv.php

燃料電池スタックは、セルと呼ばれる構造が積層した状態になっています。
セルは、ガスや空気を遮断するセパレータと呼ばれる部品の間に、MEA（電解膜の両面にプラスの電極板とマイナスの電極板がある）が挟まれた集合体です。
セルのプラス極とマイナス極には多くの細い溝があり、この溝を外部から供給された空気（酸素）と水素が通ることによって、反応が起こり発電します。

1枚のセルでは出力できる電気の量は限られているので、セルがいくつも積層されたスタックという構造になっています。

酸素と水素から発電する仕組み

まずは水の電気分解の復習です。
水は電気分解すると水素と酸素に分かれるというものです。

水分子H₂Oに電圧をかけると、酸化・還元反応が起こります。
２H₂O→２H₂+O₂

Ｈ₂Ｏは、電圧をかけることで、Ｈ⁺（水素イオン）とＯＨ⁻（水酸化物イオン）に電離します。
陽極側で、ＯＨ⁻は電子を放出（酸化反応）して酸素が発生します。
陰極側では、Ｈ⁺は電子を受け取り（還元反応）して、水素が発生します。

図　https://panasonic.biz/appliance/FC/about_fuelcells/index.html

燃料電池の反応は、この水の電気分解の逆の反応になります。

水素タンクから送られた水素が、いったん燃料電池スタックで電子（ｅ‐）が取り出され、水素イオンになります。
取り出された電子は、電解質膜を通ることができないので外部回路を通り発電をした後、反対側の電極に移動します。
電解質膜中を移動した水素イオンは、反対側の電極に送られた空気（酸素）と、外部回路を通ってきた電子と反応して水になります。

図　https://www.jeea.or.jp/course/contents/09402/

このようにして、燃料電池スタックでは、発電をします。

この仕組みを理解したうえで、特許を見ていくと、書かれていることが理解できるようになりました。

【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックを構成するセルのアノードには水素を含んだ燃料ガスが供給され、セルのカソードには酸化剤としての酸素を含んだ空気が供給される。セルでは、水素と酸素との電気化学反応によって発電されると共に、カソード側からは、水素と酸素との電気化学反応によって生成された水と、水素との反応に供された酸素以外の成分のガスが排出される。このカソード側から排出されたガスが供給ガスとしてボルテックスチューブへ供給され、ボルテックスチューブから排出された冷気及び暖気の一方によって燃料電池スタックを冷却又は加熱することも考えられている（一例として、下記特許文献１を参照）。

【００１４】
＜本実施の形態の構成＞
図１に示されるように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池を構成する燃料電池スタック１４を備えている。燃料電池スタック１４は、複数のセルを備えている。燃料ガスとしての水素がセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間を流れ、酸化剤としての酸素を含む空気がセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間を流れることによって電気化学反応が生じ、これによって、発電され
る。
【００１５】
燃料電池スタック１４は、車両１２に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としての車両駆動モータへ電気的に接続されており、燃料電池スタック１４から車両駆動モータへ電力が供給されることによって車両駆動モータが駆動される。車両駆動モータの出力軸は、車両１２の駆動輪１６（図２参照）へ機械的に接続されており、車両駆動モータの駆動力が駆動輪１６へ伝わることによって車両１２は、走行できる。

【００１５】
燃料電池スタック１４は、車両１２に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としての車両駆動モータへ電気的に接続されており、燃料電池スタック１４から車両駆動モータへ電力が供給されることによって車両駆動モータが駆動される。車両駆動モータの出力軸は、車両１２の駆動輪１６（図２参照）へ機械的に接続されており、車両駆動モータの駆動力が駆動輪１６へ伝わることによって車両１２は、走行できる。
【００１６】
また、燃料電池スタック１４のセルの近傍には、冷却液流路１８が配置されており、冷却液流路１８には冷媒としての冷却液が流れる。冷却液は、例えば、水に凍結防止剤、防腐剤等の添加剤が添加されることによって形成されている。燃料電池スタック１４のセルにおける水素と酸素との電気化学反応は、発熱を伴うが、冷却液が燃料電池スタック１４のセルの近傍を通過した際にセルと冷却液との間で熱が交換されることによってセルが冷却される。
【００１７】
この冷却液流路１８の両端は、熱交換器又は第１熱交換器としてのラジエータ２０へ接続されており、冷却液は、ラジエータ２０を通過する。図２に示されるように、ラジエータ２０は、例えば、車両１２のエンジンルーム内におけるラジエータグリルの車両後側に配置される。車両が走行すると、走行風Ｗ１（図２参照）がラジエータグリルを通ってエンジンルーム内に入る。このようにエンジンルーム内に入った走行風Ｗ１がラジエータ２０を通過する。走行風Ｗ１がラジエータ２０を通過した際に、走行風Ｗ１とラジエータ２０を通過する冷却液との間で熱が交換されることによって、冷却液が冷却される。

水素と酸素の反応が起こり、燃料電池スタックは発電するため、セルが高温にならないように、熱を冷却する冷却液流路がスタック内を流れます。
燃料電池スタックを流れて熱を受け取った冷却液は、ラジエータ20で外部から取り込んだ走行風によって、また冷却されることになります。

水素の流れに注目していきます。

まず、水素は22のタンクに高圧の状態で貯蔵されています。
圧力計により一定の圧力を保持した状態で、26（28）の流路を通って、36の膨張機へ送られます。
この膨張機は、燃料電池スタックにつながっています。

高圧の水素は、36の膨張機で、断熱膨張されて減圧されます。
気体である水素が、断熱膨張状態になるとどうなるか？を確認。

断熱膨張状態とは、断熱した状態の容器で、気体を膨張させます。
気体が膨張するということは、気体が外部に正の仕事をしたことになります。
よって、外力は気体に負の仕事をすることになります。
ΔU＝Q+W　の公式にあてはめると
Q＝0、W＜0です。※気体の内部エネルギーΔU、外部がした仕事W

よって、内部エネルギーは減少するので、気体（水素）の温度は下がります。

【００１８】
一方、本燃料電池システム１０は、タンク２２を備えている。タンク２２には、上述した燃料ガスとしての水素が高圧の状態で貯蔵されている。タンク２２の、例えば、口金部分には仕切弁２４が設けられている。仕切弁２４の排出ポートには、供給路としての燃料ガス流路２６を構成するメイン流路２８の一端が接続されている。メイン流路２８の他端は、燃料電池スタック１４の正極側の供給ポートへ接続されており、タンク２２は、仕切弁２４及びメイン流路２８を介して燃料電池スタック１４へ接続されている。
【００１９】
メイン流路２８の中間部には、第１調圧弁３０が設けられている。第１調圧弁３０の供給ポートは、メイン流路２８によって仕切弁２４の排出ポートへ接続されている。第１調圧弁３０は、例えば、減圧弁によって構成されている。第１調圧弁３０よりもメイン流路２８の下流側での水素（すなわち、第１調圧弁３０の排出ポートから流れ出る水素）の圧力は、第１調圧弁３０によって一定に保たれている。また、メイン流路２８における第１調圧弁３０の供給ポートと仕切弁２４の排出ポートとの間には、第１圧力センサ３２が接続されており、例えば、タンク２２内の水素の圧力等が第１圧力センサ３２によって検出されている。
【００２０】
一方、第１調圧弁３０の排出ポートは、メイン流路２８によって第１制御弁３４の供給ポートへ接続されており、第１制御弁３４よりも下流側での水素（すなわち、第１制御弁３４の排出ポートから流れ出る水素）の流量が第１制御弁３４によって制御されている。第１制御弁３４の排出ポートは、メイン流路２８によって膨張機３６の供給ポートへ接続されており、第１制御弁３４を流れた水素は、メイン流路２８を流れて膨張機３６へ供給される。膨張機３６へ供給された水素は、膨張機３６において断熱膨張されて減圧される。膨張機３６は、出力軸３８を備えており、膨張機３６における水素の断熱膨張の過程で水素の内部エネルギーは、出力軸３８の回転に供される。これにより、水素の温度は、断熱膨張の過程で下がる。

まとめ

今回は、特許の「内部エネルギー」の部分だけをとりあげたので、実際の発明が解決しようとしている部分は別にあります。（ボルテックチューブに関する箇所が焦点になっています）。

この特許を完全に読み解くには、ボルテックスチューブ、コンプレッサとラジエータについての背景知識も必要ということです。

今回の学びは

図面が読める＝特許の言いたいことが見えてくる

です。

最初は時間はかかりますが、特許につなげて、物理を進めていく方向性は間違ってないかなと思っています。

参照サイト

JHFC（水素・燃焼電池実証プロジェクト）http://www.jari.or.jp/portals/0/jhfc/beginner/about_fcv/index.html
ENEOS水素サプライ＆サービス　https://www.eh.jx-group.co.jp/hydrogen-energy/running-with-hydrogen/
日産　https://www.nissan-global.com/JP/TECHNOLOGY/OVERVIEW/fcv_stack.html
キャタラー　https://www.cataler.co.jp/aee2018/electro/fcv.php
豊田自動織機　https://www.toyota-shokki.co.jp/news/release/2014/11/19/000035/
パナソニック　https://panasonic.biz/appliance/FC/about_fuelcells/index.html