JP2000306595A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2000306595A
JP2000306595A JP11113280A JP11328099A JP2000306595A JP 2000306595 A JP2000306595 A JP 2000306595A JP 11113280 A JP11113280 A JP 11113280A JP 11328099 A JP11328099 A JP 11328099A JP 2000306595 A JP2000306595 A JP 2000306595A
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Japan
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air
fuel cell
humidification
bypass line
supply device
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JP11113280A
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Yasufumi Takahashi
康文 高橋
Yoshiaki Yamamoto
義明 山本
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Panasonic Ecology Systems Co Ltd
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Seiko Co Ltd
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムにおいて燃料電池本体に生
成水が溜り込むと、空気の流れが妨げられ発電効率が低
下することを回避することを目的とする。 【解決手段】 ブロワー１０５からの空気は空気供給流
路１０７と並行に設けられた加湿バイパスライン１を通
る事が出来るようになっており、運転中に空気極１０４
に生成水が溜まり込み電池反応を低下したときに、加湿
弁２を開き空気を加湿バイパスライン１に通し直接に空
気極１０４に供給することにより、圧力損失を低減させ
風量を増やし生成水を押し流す燃料電池システムを得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発電システムにお
ける燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】以下に従来の燃料電池発電システムの構
成および動作について説明する。燃料電池本体１０１は
燃料極１０２、電解質１０３、空気極１０４から構成さ
れ、燃料極１０２に供給された水素が水素イオンとなり
電解質１０３を通り燃料極１０２に移動し空気極１０４
に供給された空気中の酸素と反応を起こし水となる。燃
料電池本体１０１の空気極１０４にはブロワー１０５か
ら空気加湿装置１０６を通った空気が供給される。前記
空気加湿装置１０６は供給空気流路１０７、排気空気流
路１０８、加湿膜１０９から構成され、燃料電池本体１
０１から排気される空気の水分が排気空気流路１０８を
通る際に水分子が加湿膜１０９を通過し供給空気流路１
０７に移動するため燃料電池本体１０１に加湿された空
気が供給される。また、排気空気流路１０８を通過した
空気は凝縮器１１０で残った蒸気が凝縮し水になり気水
分離器１１１に入る。そこで、水と空気は分離され夫々
に水出口１１２と空気出口１１３より排出される。一
方、水素ボンベ１１４より供給される水素は水素加湿器
１１５により加湿され燃料極１０２に入り反応を起こす
が、その他のガスは水素出口１１６より排出される。ま
た、燃料電池本体１０１の電池反応によって発電された
直流電力はインバーター１１７によって交流電力に変換
され、負荷１１８に供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の燃料
電池システムでは、水が空気極内部に滞留し空気が流れ
にくくなり電池反応が低下するという課題があり、空気
極に水の滞留時に排水することが要求されている。
【０００４】本発明は、このような従来の課題を解決す
るものであり、空気極に水が滞留した場合に排水する事
ができる燃料電池システムを提供することを目的として
いる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池システ
ムは上記目的を達成するために、空気加湿装置の供給空
気流路のバイパスとなる加湿給気バイパスを設け、空気
極に水が滞留した時には空気を加湿給気バイパスに通し
圧力損失を低減させブロワーの出口圧力を低くする事に
より送風量を増加させ空気極の水を押流す構成としたも
のである。
【０００６】また他の手段は、空気加湿装置の排気空気
流路のバイパスとなる加湿排気バイパスを設け、空気極
に水が滞留した時には空気を加湿排気バイパスに通し圧
力損失を低減させブロワーの出口圧力を低くする事によ
り送風量を増加させ空気極の水を押流す構成としたもの
である。
【０００７】また他の手段は、凝縮器のバイパスとなる
凝縮器バイパスを設け、空気極に水が滞留した時には空
気を凝縮器バイパスに通し圧力損失を低減させ送風機の
出口圧力を低くする事により送風量を増加させ空気極の
水を押流す構成としたものである。
【０００８】本発明によれば、空気極に水が滞留した時
に排水させる事のできる燃料電池システムが得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は、燃料電池本体と、前記
燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給装置
と、前記燃料電池本体に空気を供給する空気供給装置
と、前記空気供給装置が供給する空気に加湿する空気加
湿装置と、前記空気供給装置が供給する空気が通る前記
空気加湿装置内の空気通路と、前記空気通路をバイパス
する加湿バイパスラインと、前記空気供給装置が供給す
る空気を前記加湿流路と前記加湿バイパスラインの調節
を行う加湿弁を備え、前記燃料電池本体に供給する空気
を任意に前記加湿流路と前記加湿バイパスラインに流す
事が出来る事を特徴としたものであり、空気極に水が滞
留した時には空気を加湿バイパスラインに通す事により
圧力損失が低減し送風量が増加し空気極の水を押流すと
いう作用を有する。
【００１０】また、燃料電池本体と、前記燃料電池本体
に水素含有ガスを供給する水素供給装置と、前記燃料電
池本体に空気を供給する空気供給装置と、前記空気供給
装置が供給する空気に加湿する空気加湿装置と、前記燃
料電池本体の排気する空気が前記空気加湿装置を通り前
記燃料電池本体に入る加湿利用ラインと前記燃料電池本
体の排気する空気が前記空気加湿装置池を通らずにバイ
パスする加湿利用バイパスラインと、前記燃料電池本体
が排気する空気を前記加湿利用ラインと前記加湿利用バ
イパスラインの流量配分する加湿利用調節装置とからな
り、前記空気加湿装置は前記燃料電池本体の排気する空
気の水分を利用して前記燃料電池本体に供給される空気
を加湿する燃料電池システムにおいて、前記加湿利用ラ
インに流れる空気量と前記加湿利用バイパスラインに流
れる空気量を任意に調節出来る事を特徴としたものであ
り、空気極に水が滞留した時には空気を前記加湿利用バ
イパスラインに通す事により圧力損失が低減し送風量が
増加し空気極の水を押流すという作用を有する。
【００１１】また、燃料電池本体と、前記燃料電池本体
に水素含有ガスを供給する水素供給装置と、前記燃料電
池本体に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池
本体の排気する空気中の水分を凝縮させる凝縮器と、前
記燃料電池本体の排気する空気が前記凝縮器をバイパス
する凝縮器バイパスラインと、前記凝縮器と前記凝縮器
バイパスラインの流量配分する凝縮調節装置からなり、
前記凝縮器は前記燃料電池本体の排気する空気の水分を
凝縮させ回収する燃料電池システムにおいて、前記凝縮
器に流れる空気量と前記凝縮器バイパスラインに流れる
空気量を任意に調節出来る事を特徴としたものであり、
空気極に水が滞留した時には空気を前記凝縮器バイパス
ラインに通す事により圧力損失が低減し送風量が増加し
空気極の水を押流すという作用を有する。
【００１２】以下、本発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。
【００１３】
【実施例】（実施例１）図１に示すように、ブロワー１
０５から供給される空気は、空気加湿器１０６内部の供
給空気流路１０７を通り燃料電池本体１０１内部の空気
極１０４に入る。空気極１０４から出てきた空気は空気
加湿装置１０６内部の排気空気流路１０８を通り、凝縮
器１１０、気水分離器１１１の順に通過し、空気出口１
１３より排気される。また、ブロワー１０５から供給さ
れる空気は空気加湿装置１０６の供給空気流路１０７と
並行に設けられた加湿バイパスライン１を通る事が出来
るようになっており、加湿バイパスライン１上に設けら
れた加湿弁２によって開閉が可能である。一方、水素ボ
ンベ１１４より供給される水素は水素加湿器１１５を通
り燃料電池本体１０１内部の燃料極１０２に入る。そこ
から出てきた水素は水素出口１１６より排気される。ま
た、燃料電池本体１０１の内部は空気極１０４と電解質
１０３と燃料極１０２からなり、空気極１０４と燃料極
１０２は電解質１０３によって隔ており、燃料電池本体
１０１で発生した電気はインバーター１１７を介して負
荷１１８に送られるよう接続されている。また、空気加
湿装置１０６は供給空気流路１０７と排気空気流路１０
８と加湿膜１０９からなり、供給空気流路１０７と排気
空気流路１０８は加湿膜１０９によって隔てられてい
る。そして、水素加湿器１１５内は約９０℃の湯で満た
されている。
【００１４】上記構成によってブロワー１０５から空気
加湿装置１０６に送られ供給空気流路１０７を通過する
空気は燃料電池本体１０１から空気加湿装置１０６の排
気空気流路１０８を通過する空気により加湿される。こ
の排気空気流路１０８を通る空気は燃料電池本体１０１
における電池反応を終えた空気であるため湿度が露点温
度７０℃以上と高い。そのため、供給空気流路１０７を
通過する空気を加湿膜１０９を通して加湿され、燃料電
池本体１０１の空気極１０４に入る。一方、水素ボンベ
１１４より水素加湿器１１５内に入った空気は９０℃の
温水の中を通過する際に加湿され燃料極１０２に入る。
燃料電池本体１０１では電池反応により燃料極１０２の
水素イオンが電解質１０３中を移動し空気極１０４に入
り空気中の酸素と結合し水が生成され、電池反応により
発生した電流はインバーター１１７に送られる。反応を
終えた空気は空気加湿装置１０６内の排気空気流路１０
８を通り凝縮器１１０に入る。この排気空気流路１０８
を通る際には既に説明したように供給空気流路１０７を
通る空気を加湿する。凝縮器１１０を通る空気は冷却さ
れ空気内に存在する水蒸気が凝縮し液体の水となり空気
と共に気水分離器１１１に入り気体である空気と液体で
ある水とに分離され空気は空気出口１１３より排出さ
れ、水は水出口１１２より排出される。また、燃料極１
０２で反応を終えた水素は水素出口１１６より排気され
る。
【００１５】運転中に空気極１０４において電池反応に
より発生した水が溜まり込み、空気の流れを妨げ電池反
応を低下させる。ここで、供給空気流路１０７を通過す
る空気を加湿弁２を開くことにより加湿バイパスライン
１を通し直接に空気極１０４に供給することにより圧力
損失を低減させる事が出来る。図２はブロワー１０５の
ＰＱ特性図であるが、圧力が低下すれば風量が増加する
事が分かる。例えば、出口圧力が８００ｍｍＡｑの時に
風量は０．５ｍ３／ｍｉｎであるが、４００ｍｍＡｑの
時には1．０ｍ３／ｍｉｎになる。この特性からブロワ
ー１０５の出口圧力は加湿弁２が開かれる事により低下
し風量が増加する。これにより、燃料電池本体１０１の
空気極１０４に溜まり込んだ水は押流される。その後、
加湿弁２を閉める事により運転を継続できる。
【００１６】（実施例２）図３に示すように、ブロワー
１０５から供給される空気は、空気加湿装置１０６内部
の供給空気流路１０７を通り燃料電池本体１０１内部の
空気極１０４に入る。空気極１０４から出てきた空気は
空気加湿装置１０６内部の排気空気流路１０８を通り、
凝縮器１１０、気水分離器１１１の順に通過し、空気出
口１１３より排気される。また、空気極１０４からの空
気は空気加湿装置１０６内部の排気空気流路１０８を通
るが排気空気流路１０８と並行に設けられた加湿利用バ
イパスライン３を通る事が出来るようになっており、加
湿利用バイパスライン３上に設けられた加湿利用弁４に
よって開閉が可能である。
【００１７】一方、水素ボンベ１１４より供給される水
素は水素加湿器１１５を通り燃料電池本体１０１内部の
燃料極１０２に入る。そこから出てきた水素は水素出口
１１６より排気される。また、燃料電池本体１０１の内
部は空気極１０４と電解質１０３と燃料極１０２からな
り、空気極１０４と燃料極１０２は電解質１０３によっ
て隔ており、燃料電池本体１０１で発生した電気はイン
バーター１１７を介して負荷１１８に送られるよう接続
されている。また、空気加湿装置１０６は供給空気流路
１０７と排気空気流路１０８と加湿膜１０９からなり、
供給空気流路１０７と排気空気流路１０８は加湿膜１０
９によって隔てられている。そして、水素加湿器１１５
内は約９０℃の湯で満たされている。
【００１８】上記構成によってブロワー１０５から空気
加湿装置１０６に送られ供給空気流路１０７を通過する
空気は燃料電池本体１０１から空気加湿装置１０６の排
気空気流路１０８を通過する空気により加湿される。こ
の排気空気流路１０８を通る空気は燃料電池本体１０１
における電池反応を終えた空気であるため湿度が露点温
度７０℃以上と高い。そのため、供給空気流路１０７を
通過する空気を加湿膜１０９を通して加湿され、燃料電
池本体１０１の空気極１０４に入る。一方、水素ボンベ
１１４より水素加湿器１１５内に入った空気は９０℃の
温水の中を通過する際に加湿され燃料極１０２に入る。
燃料電池本体１０１では電池反応により燃料極１０２の
水素イオンが電解質１０３中を移動し空気極１０４に入
り空気中の酸素と結合し水が生成され、電池反応により
発生した電流はインバーター１１７に送られる。反応を
終えた空気は空気加湿装置１０６内の排気空気流路１０
８を通り凝縮器１１０に入る。この排気空気流路１０８
を通る際には既に説明したように供給空気流路１０７を
通る空気を加湿する。凝縮器１１０を通る空気は冷却さ
れ空気内に存在する水蒸気が凝縮し液体の水となり空気
と共に気水分離器１１１に入り気体である空気と液体で
ある水とに分離され空気は空気出口１１３より排出さ
れ、水は水出口１１２より排出される。また、燃料極１
０２で反応を終えた水素は水素出口１１６より排気され
る。
【００１９】運転中に空気極１０４において電池反応に
より発生した水が溜まり込み、空気の流れを妨げ電池反
応を低下させる。ここで、排気空気流路１０８を通過す
る空気を加湿利用弁４を開くことにより加湿利用バイパ
スライン３を通し直接に凝縮器１１０に流れることによ
り圧力損失を低減させる事が出来る。図２はブロワーの
ＰＱ特性図であるが、圧力が低下すれば風量が増加する
事が分かる。例えば、出口圧力が８００ｍｍＡｑの時に
風量は０．５ｍ３／ｍｉｎであるが、４００ｍｍＡｑの
時には1．０ｍ３／ｍｉｎになる。この特性からブロワ
ー１０５の出口圧力は加湿利用弁４が開かれる事により
低下し風量が増加する。これにより、燃料電池本体１０
１の空気極１０４に溜まり込んだ水は押流される。その
後、加湿利用弁４を閉める事により運転を継続できる。
【００２０】（実施例３）図４に示すように、ブロワー
１０５から供給される空気は、空気加湿装置１０６内部
の供給空気流路１０７を通り燃料電池本体１０１内部の
空気極１０４に入る。空気極１０４から出てきた空気は
空気加湿装置１０６内部の排気空気流路１０８を通り、
凝縮器１１０、気水分離器１１１の順に通過し、空気出
口１１３より排気される。また、空気加湿装置１０６内
部から出てきた空気は凝縮器１１０を通るが凝縮器１１
０と並行に設けられた凝縮器バイパスライン５を通る事
が出来るようになっており、凝縮器バイパスライン５上
に設けられた凝縮調節弁６によって開閉が可能である。
【００２１】一方、水素ボンベ１１４より供給される水
素は水素加湿器１１５を通り燃料電池本体１０１内部の
燃料極１０２に入る。そこから出てきた水素は水素出口
１１６より排気される。また、燃料電池本体１０１の内
部は空気極１０４と電解質１０３と燃料極１０２からな
り、空気極１０４と燃料極１０２は電解質１０３によっ
て隔ており、燃料電池本体１０１で発生した電気はイン
バーター１１７を介して負荷１１８に送られるよう接続
されている。また、空気加湿装置１０６は供給空気流路
１０７と排気空気流路１０８と加湿膜１０９からなり、
供給空気流路１０７と排気空気流路１０８は加湿膜１０
９によって隔てられている。そして、水素加湿器１１５
内は約９０℃の湯で満たされている。
【００２２】上記構成によってブロワー１０５から空気
加湿装置１０６に送られ供給空気流路１０７を通過する
空気は燃料電池本体１０１から空気加湿装置１０６の排
気空気流路１０８を通過する空気により加湿される。こ
の排気空気流路１０８を通る空気は燃料電池本体１０１
における電池反応を終えた空気であるため湿度が露点温
度７０℃以上と高い。そのため、供給空気流路１０７を
通過する空気を加湿膜１０９を通して加湿され、燃料電
池本体１０１の空気極１０４に入る。一方、水素ボンベ
１１４より水素加湿器１１５内に入った空気は９０℃の
温水の中を通過する際に加湿され燃料極１０２に入る。
燃料電池本体１０１では電池反応により燃料極１０２の
水素イオンが電解質１０３中を移動し空気極１０４に入
り空気中の酸素と結合し水が生成され、電池反応により
発生した電流はインバーター１１７に送られる。反応を
終えた空気は空気加湿装置１０６内の排気空気流路１０
８を通り凝縮器１１０に入る。この排気空気流路１０８
を通る際には既に説明したように供給空気流路１０７を
通る空気を加湿する。凝縮器１１０を通る空気は冷却さ
れ空気内に存在する水蒸気が凝縮し液体の水となり空気
と共に気水分離器１１１に入り気体である空気と液体で
ある水とに分離され空気は空気出口１１３より排出さ
れ、水は水出口１１２より排出される。また、燃料極１
０２で反応を終えた水素は水素出口１１６より排気され
る。
【００２３】運転中に空気極１０４において電池反応に
より発生した水が溜まり込み、空気の流れを妨げ電池反
応を低下させる。ここで、凝縮器１１０を通過する空気
を凝縮調節弁６を開くことにより凝縮器バイパスライン
５を通し直接に気水分離器１１１に流れることにより圧
力損失を低減させる事が出来る。図２はブロワーのＰＱ
特性図であるが、圧力が低下すれば風量が増加する事が
分かる。例えば、出口圧力が８００ｍｍＡｑの時に風量
は０．５ｍ３／ｍｉｎであるが、４００ｍｍＡｑの時に
は1．０ｍ３／ｍｉｎになる。この特性からブロワー１
０５の出口圧力は凝縮調節弁６が開かれる事により低下
し風量が増加する。これにより、燃料電池本体１０１の
空気極１０４に溜まり込んだ水は押流される。その後、
凝縮調節弁６を閉める事により運転を継続できる。
【００２４】
【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明によれば運転中に燃料電池本体の空気極に溜まり込ん
だ水を送風量を増加させ水を押出す事により良好な運転
の継続という効果のある燃料電池システムを提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の構成図
【図２】ブロワーのＰＱ特性の図
【図３】本発明の実施例２の構成図
【図４】本発明の実施例３の構成図
【図５】従来の燃料電池システムの構成を示す図
【符号の説明】
１ 加湿バイパスライン ２ 加湿弁 ３ 加湿利用バイパスライン ４ 加湿利用弁 ５ 凝縮器バイパスライン ６ 凝縮調節弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 義明 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA13 BC11 MM04

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池本体と、前記燃料電池本体に水
    素含有ガスを供給する水素供給装置と、前記燃料電池本
    体に空気を供給する空気供給装置と、前記空気供給装置
    が供給する空気に加湿する空気加湿装置と、前記空気供
    給装置が供給する空気が通る前記空気加湿装置内の空気
    通路と、前記空気通路をバイパスする加湿バイパスライ
    ンと、前記空気供給装置が供給する空気量を前記加湿流
    路と前記加湿バイパスラインの調節を行う加湿弁を備
    え、前記燃料電池本体に供給する空気を任意に前記加湿
    流路と前記加湿バイパスラインに流す事を特徴とする燃
    料電池発電システム。
  2. 【請求項２】 燃料電池本体と、前記燃料電池本体に水
    素含有ガスを供給する水素供給装置と、前記燃料電池本
    体に空気を供給する空気供給装置と、前記空気供給装置
    が供給する空気に加湿する空気加湿装置と、前記燃料電
    池本体の排気する空気が前記空気加湿装置を通り前記燃
    料電池本体に入る加湿利用ラインと前記燃料電池本体の
    排気する空気が前記空気加湿装置を通らずにバイパスす
    る加湿利用バイパスラインと、前記燃料電池本体が排気
    する空気を前記加湿利用ラインと加湿利用バイパスライ
    ンの流量配分する加湿利用調節装置とからなり、前記空
    気加湿装置は前記燃料電池本体の排気する空気の水分を
    利用して前記燃料電池本体に供給される空気を加湿し、
    前記加湿利用ラインに流れる空気量と前記加湿利用バイ
    パスラインに流れる空気量を任意に調節出来る事を特徴
    とする燃料電池発電システム。
  3. 【請求項３】 燃料電池本体と、前記燃料電池本体に水
    素含有ガスを供給する水素供給装置と、前記燃料電池本
    体に空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池本体
    の排気する空気中の水分を凝縮させる凝縮器と、前記燃
    料電池本体の排気する空気が前記凝縮器をバイパスする
    凝縮器バイパスラインと、前記凝縮器と前記凝縮器バイ
    パスラインの流量配分する凝縮調節装置からなり、前記
    凝縮器は前記燃料電池本体の排気する空気の水分を凝縮
    させ回収する燃料電池システムにおいて、前記凝縮器に
    流れる空気量と前記凝縮器バイパスラインに流れる空気
    量を任意に調節出来る事を特徴とする燃料電池発電シス
    テム。
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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