JP2004071348A - 燃料循環式燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料循環式燃料電池システムにおいて、システム全体の燃費向上を図る。
【解決手段】水素ガスおよび空気を供給されて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水素ガスを供給する水素ガス供給流路１０と、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素ガス供給流路１０に合流させる水素オフガス循環流路２０と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、水素オフガス循環流路２０に、水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる水透過膜式除湿器２１を設け、この水透過膜式除湿器２１により水素オフガス循環流路２０を流れる流体の水分を水透過膜式除湿器２１に供給される除湿用流体としての空気に移動させて、水素オフガスから水分を除去する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料循環式燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、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を取り出すことができるようになっている。このように、燃料電池での発電には水の生成を伴うので、電池から排出される酸化剤ガス（すなわち、酸化剤オフガス）には水分が含まれている。また、燃料電池から排出される燃料ガス（すなわち、燃料オフガス）にも生成水が固体高分子電解質膜を透過してくることにより水分が含まれている。
また、この種の燃料電池では、一般に、発電に供された後に燃料電池から排出される燃料ガス、すなわち燃料オフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃費向上のため、燃料オフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００４】
ところで、この燃料電池にあっては、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、発電出力が低下するため、良好な発電性能を保つために固体高分子電解質膜に水分を供給する必要がある。
このため、この種の燃料電池では、一般に、燃料電池に供給する前に予め燃料ガスあるいは酸化剤ガス若しくはこれら両方のガスを加湿器で加湿し、加湿されたこれらガスを固体高分子電解質膜に供給することにより、固体高分子電解質膜に水分を供給している（特開平８−２７３６８７号等）。
【０００５】
一方、固体高分子電解質膜への水分供給が過多になると、燃料電池内部のガス通路内で水蒸気が凝縮して該ガス通路を閉塞（フラッディング）し、ガス供給を阻害して発電が不安定になり、発電出力（セル電圧）が低下する場合がある。特に、アノード側においては、燃料オフガスを循環利用しているため、水分が徐々に増えていく傾向にあり、水分過多になり易い。
そのため、従来は、セル電圧が低下した場合には、燃料オフガスの循環流路に設けられたパージ弁を開放して燃料オフガスを外部にパージし、燃料電池内部のガス流速を一時的に速めることにより燃料電池内の余分な水分を系外に放出し、発電を安定させてセル電圧を回復させていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにパージ弁を開放して水分を放出するようにした場合には、水分の放出と同時に燃料ガスも系外に放出されることとなるため、燃料消費率（燃費という場合もある）が悪くなるという問題がある。
そこで、この発明は、燃料オフガスを除湿してから循環使用することにより、アノードの水分過多を防止し、燃料電池の発電性能の低下を抑制して、システム全体の燃費向上を図ることができる燃料循環式燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料（例えば、後述する実施の形態における水素ガス）および酸化剤（例えば、後述する実施の形態における空気）を供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）と、前記燃料電池から排出される燃料オフガス（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス）を前記燃料供給流路に合流させる循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２０）と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、前記循環流路に配置され水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる水透過膜式除湿器（例えば、後述する実施の形態における除湿器２１）により、前記循環流路を流れる流体の水分を前記水透過膜式除湿器に供給される除湿用流体（例えば、後述する実施の形態における空気）に移動させることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料を放出することなく燃料オフガス中の水分だけを除去することができる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記除湿用流体は圧送された空気であることを特徴とする。
このように構成することにより、除湿用流体を簡単に用意することが可能になる。
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、燃料循環式燃料電池システムは自動車に搭載されており、前記除湿用流体が前記水透過膜式除湿器に供給されたのち車外に放出されることを特徴とする。
水透過膜式除湿器は水分の透過のみを許可しガスの透過を阻止するので、燃料オフガスが膜を透過して除湿用流体に混入することはない。したがって、除湿用流体を水透過膜式除湿器に供給したのち車外に放出しても、燃料オフガスが車外に放出されることはない。また、燃料オフガスから除去された水分を除湿用流体とともに車外に放出することができる。
【０００９】
請求項４に記載した発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明において、前記除湿用流体は前記燃料電池に供給される前記酸化剤が分岐したものであることを特徴とする。
このように構成することにより、酸化剤とは別に除湿用流体を用意する必要がなくなる。
請求項５に記載した発明は、請求項４に記載の発明において、前記除湿用流体は、前記水透過膜式除湿器に供給されたのち前記燃料電池に供給される前記酸化剤に合流されることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤とともに燃料電池のカソードに供給することができる。
【００１０】
請求項６に記載した発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の発明において、前記燃料電池に供給される前記酸化剤は、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガス（例えば、後述する実施の形態における空気オフガス）の水分を該酸化剤に移動可能な膜加湿器（例えば、後述する実施の形態におけるカソード加湿器３）によって加湿されたのち前記燃料電池に供給され、前記除湿用流体は、前記水透過膜式除湿器に供給されたのち前記膜加湿器に供給される前記酸化剤オフガスに合流されることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤オフガスとともに膜加湿器に供給することができる。
【００１１】
請求項７に記載した発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の発明において、前記循環流路にはパージ用バルブ（例えば、後述する実施の形態におけるパージ弁２３）が設けられていることを特徴とする。
このように構成することにより、必要に応じてパージ用バルブを開放して燃料オフガスを放出することができる。
請求項８に記載した発明は、請求項１から請求項７のいずれかに記載の発明において、前記除湿用流体の流量が流量制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁３４）により制御可能であることを特徴とする。
このように構成することで、除湿用流体の流量を制御することにより、燃料オフガスから除去される水分量を制御することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの実施の形態を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料循環式燃料電池システムの態様である。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料循環式燃料電池システム（以下、燃料電池システムと略す）の第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１４】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に加圧され、空気流路３１を通って燃料電池１のカソードに供給される。空気流路３１にはカソード加湿器（膜加湿器）３が設けられており、空気はカソード加湿器３の加湿側に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気オフガスとして空気オフガス流路３２に排出され、カソード加湿器３の加湿媒体側に供給された後、圧力制御弁４を介して排出される。カソード加湿器３において、空気オフガスの水分が燃料電池１に供給される空気に受け渡されて、該空気が加湿される。したがって、燃料電池１のカソードにはカソード加湿器３で加湿された空気が供給される。
【００１５】
一方、図示しない水素タンクから供給される水素ガスは、水素ガス供給流路（燃料供給流路）１０を通って燃料電池１のアノードに供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共に水素オフガスとしてアノードから水素オフガス循環流路（循環流路）２０に排出される。水素オフガス循環流路２０は、水素オフガスをエゼクタ１１を介して水素ガス供給流路１０に合流させる流路であり、水素オフガス循環流路２０には除湿器２１と水素ポンプ２２が設けられている。
【００１６】
除湿器２１は、ガスの透過を阻止し水蒸気の透過だけを許可する非多孔質な透過膜（イオン水和型透過膜あるいは溶解拡散型透過膜など）を介して該透過膜の両面に接する流体間で水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる水透過膜式除湿器で構成されている。前記透過膜の素材としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーを例示することができる。
前記水素オフガスは除湿器２１の除湿側を流通した後、水素ポンプ２２で加圧されてエゼクタ１１に導入され、前記水素タンクから供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノードに供給される。
【００１７】
除湿器２１の除湿媒体側には、コンプレッサ２とカソード加湿器３の間の空気流路３１から分岐された除湿媒体流路３３を介して、加湿される前の加圧された空気の一部が除湿用流体として供給される。除湿媒体流路３３には、除湿器２１の除湿媒体側に供給される空気の流量を制御するための流量制御弁（流量制御手段）３４が設けられている。
除湿器２１において、除湿側に供給された水素オフガスの水分が、除湿媒体側に供給された空気に移動するので、水分を除去された水素オフガスをエゼクタ１１に導入することができる。水素オフガスから除去された水分は除湿用流体である空気とともに除湿器２１から車外に放出される。なお、除湿器２１は水透過膜式除湿器であるので水素ガスが透過膜を除湿媒体側に透過することはない。したがって、除湿器２１から水素ガスが車外に放出されることもない。
【００１８】
また、除湿器２１の除湿媒体側に供給される空気の流量を流量制御弁３４により所定に制御することによって、水素オフガスから除去する水分量を適切に制御することができ、エゼクタ１１に導入される水素オフガスの水分量を適正に制御することができ、ひいては、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの湿度を適正に制御することができる。
このようにして水素オフガスの水分を除去することにより、燃料電池１のアノードで水分が過多となるのを防止することができ、燃料電池１の発電性能の低下を防止することができ、各セル電圧の低下を防止することができる。
なお、水素オフガス中の水分の割合が低下すると、エゼクタ１１による水素オフガスを循環させる効率が向上し、その結果、燃料電池１で発生した水分を除湿器２１で捕集する効率が向上する。
【００１９】
以上のように、第１の実施の形態の燃料循環式燃料電池システムによれば、水素ガスを放出することなく水素オフガス中の水分だけを車外に排出することができるので、発電性能の低下を防止することができるとともに、水素タンクから供給された水素ガスの総てを燃料電池１の発電に利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上する。
また、燃料電池１のカソードに供給される加湿前の空気を除湿用流体として用いているので、除湿専用の流体を別個に用意する必要がなく、システム構成が簡単になる。
【００２０】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第２の実施の形態を図２の図面を参照して説明する。前述した第１の実施の形態では除湿器２１の除湿媒体側から排出される空気を車外にパージしているが、第２の実施の形態では、除湿器２１の除湿媒体側から排出される空気を、加湿空気流路３５を介してカソード加湿器３と燃料電池１の間の空気流路３１に合流させている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２１】
このように構成することにより、水素オフガスから除去された水分を含む空気を、カソード加湿器３で加湿された空気と合流させて、燃料電池１のカソードに供給することができる。
その結果、この第２の実施の形態では、前述した第１の実施の形態における燃料循環式燃料電池システムの作用・効果に加えて、燃料電池１のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができるので、カソードの加湿性能が向上する。また、カソード加湿器３の負荷を減少させることができるので、カソード加湿器３を小型化することも可能になる。
【００２２】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第３の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。前述した第１の実施の形態では除湿器２１の除湿媒体側から排出される空気を車外にパージしているが、第３の実施の形態では、除湿器２１の除湿媒体側から排出される空気を、加湿空気流路３６を介して燃料電池１とカソード加湿器３の間の空気オフガス流路３２に合流させている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】
このように構成することにより、水素オフガスから除去された水分を含む空気を、燃料電池１のカソードから排出される水分を含む空気オフガスと合流させて、カソード加湿器３の加湿媒体側に供給することができる。そして、カソード加湿器３において、除湿器２１の除湿媒体側から排出された空気中の水分と空気オフガス中の水分が、コンプレッサ２から圧送された新鮮な空気に移動してこれを加湿する。その結果、この第３の実施の形態では、前述した第１の実施の形態における燃料循環式燃料電池システムの作用・効果に加えて、燃料電池１のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができるので、カソードの加湿性能が向上する。
なお、カソード加湿器３の加湿媒体側に供給された空気は、加湿に供されず余った水分とともに圧力制御弁４を介して車外に排出される。
【００２４】
なお、燃料電池１の発電性能はアノードの水分過多以外の要因で低下することも考えられる。例えば、水素オフガスの循環利用は水素以外の不純物（例えば、窒素）の濃度上昇を生じさせることがあり、この不純物濃度の上昇が燃料電池１の発電性能を低下させることが考えられる。
そこで、図１、図２、図３において破線で示すように、除湿器２１と水素ポンプ２２を接続する水素オフガス循環流路２０にパージ弁（パージ用バルブ）２３を設けておき、燃料電池１の発電性能が低下したときに、流量制御弁３４によって除湿器２１に供給される空気流量を増大させても発電性能が回復しない場合に、パージ弁２３を開放することにより発電性能を回復することができるようにすることも可能である。このようにパージ弁２３を設けた場合であっても、従来よりは水素の放出を極めて少なくすることができる。
【００２５】
〔他の実施の形態〕
尚、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、燃料電池の燃料は純粋な水素ガスに限られるものではなく、例えば、炭化水素を含む液体燃料（ガソリンやメタノールなど）を改質して生成された水素を多く含む燃料ガスであってもよい。
また、エゼクタ１１や水素ポンプ２２を設けなくても、本発明は成立する。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に記載した発明によれば、燃料を放出することなく燃料オフガス中の水分だけを除去することができるので、発電性能の低下を防止することができるとともに、燃料電池に供給される燃料の総てを発電のために利用することができ、燃料電池システム全体としての燃費が向上するという優れた効果が奏される。
【００２７】
請求項２に記載した発明によれば、除湿用流体を簡単に用意することが可能になり、システムの構成が簡単になるという効果がある。
請求項３に記載した発明によれば、燃料を車外に放出することなく燃料オフガス中の水分だけを車外に放出することができるという効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、酸化剤とは別に除湿用流体を用意する必要がなくなり、システムの構成が簡単になるという効果がある。
【００２８】
請求項５に記載した発明によれば、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤とともに燃料電池のカソードに供給することができるので、燃料電池のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができ、カソードの加湿性能を向上させることができるという効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、燃料オフガスから除去した水分を酸化剤オフガスとともに膜加湿器に供給することができるので、燃料電池のアノードの水分をカソードの加湿に利用することができ、カソードの加湿性能を向上させることができるという効果がある。
【００２９】
請求項７に記載した発明によれば、必要に応じてパージ用バルブを開放して燃料オフガスを放出することができるので、アノードの水分過多以外の要因によって燃料電池の発電性能が低下したときに、燃料オフガスを放出して発電性能の回復を図ることができるという効果がある。
請求項８に記載した発明によれば、除湿用流体の流量を制御することにより、燃料オフガスから除去される水分量を制御することができるので、燃料供給流路に合流せしめられる燃料オフガスの水分量を制御することができ、ひいては、燃料電池に供給される燃料の水分量を制御することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第２の実施の形態における概略構成図である。
【図３】この発明に係る燃料循環式燃料電池システムの第３の実施の形態における概略構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
３　カソード加湿器（膜加湿器）
１０　水素ガス供給流路（燃料供給流路）
２０　水素オフガス循環流路（循環流路）
２１　除湿器
２３　パージ弁（パージ用バルブ）

Claims (8)

1. 燃料および酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路に合流させる循環流路と、を備えた燃料循環式燃料電池システムにおいて、
   前記循環流路に配置され水分量の多い流体から水分量の少ない流体に水分を移動させる水透過膜式除湿器により、前記循環流路を流れる流体の水分を前記水透過膜式除湿器に供給される除湿用流体に移動させることを特徴とする燃料循環式燃料電池システム。
2. 前記除湿用流体は圧送された空気であることを特徴とする請求項１に記載の燃料循環式燃料電池システム。
3. 自動車に搭載されており、前記除湿用流体が前記水透過膜式除湿器に供給されたのち車外に放出されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料循環式燃料電池システム。
4. 前記除湿用流体は前記燃料電池に供給される前記酸化剤が分岐したものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。
5. 前記除湿用流体は、前記水透過膜式除湿器に供給されたのち前記燃料電池に供給される前記酸化剤に合流されることを特徴とする請求項４に記載の燃料循環式燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に供給される前記酸化剤は、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスの水分を該酸化剤に移動可能な膜加湿器によって加湿されたのち前記燃料電池に供給され、
   前記除湿用流体は、前記水透過膜式除湿器に供給されたのち前記膜加湿器に供給される前記酸化剤オフガスに合流されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。
7. 前記循環流路にはパージ用バルブが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。
8. 前記除湿用流体の流量が流量制御手段により制御可能であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料循環式燃料電池システム。

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