JP2004206922A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池本体の加圧構造を強化することなく、燃料電池の運転圧力を高められるようにする。
【解決手段】燃料電池本体１を圧力容器１０内に収納し、これら燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間に、燃料電池本体１の酸化剤極に供給する酸化剤ガス（空気）の一部が供給されるようにする。これにより、圧力容器１０の内部圧力が燃料電池本体１の内部を通流する酸化剤ガス（空気）や燃料ガスと略等しい圧力に保持され、燃料電池の加圧運転、ひいては外気圧以上の圧力での運転が可能となる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池本体に燃料ガスや酸化剤ガスを供給して発電電力を得る燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池本体の耐圧構造を強化することなく加圧運転を可能とする燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率の電力供給源として開発が進められている様々な燃料電池システムのうち、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜を用い、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池本体に供給する燃料電池システムは、簡略な構造で高い出力密度が得られることから、特に自動車等の移動体用電源として注目されている。
【０００３】
この種の燃料電池システムに用いられる燃料電池本体の概略構成を説明すると、発電を行う燃料電池本体は、単セルを複数積層して構成されている。各単セルは、高分子電解質膜の両表面上に、アノード側電極となる燃料極と、カソード側電極となる酸化剤極とが一体に形成されている。燃料極の他方の面には、多孔質導電性物質で形成され燃料ガス（例えば水素）に富む改質ガスの通路が設けられた集電板が配置されている。また、酸化剤極の他方の面には、多孔質導電性物質で形成され酸化剤ガス（例えば空気）の通路が設けられた集電板が配置されている。これら集電板のガス通路が設けられた面とは反対側の面には、冷却水を通流させる通路が設けられている。これら高分子電解質膜、燃料極、酸化剤極及び集電板の積層体により単セルが構成され、このような単セルを電気絶縁板を介して複数直列に積層することにより燃料電池本体が構成されている。
【０００４】
ここで、燃料極側の多孔質集電板の燃料ガス通路には、燃料ガス供給手段から水素に富む燃料ガスが大気圧で供給され、酸化剤極側の多孔質集電板の酸化剤ガス通路には、ブロアから酸化剤ガスとして空気が大気圧で供給される。また両極の多孔質集電板の冷却水通路には冷却水循環ポンプにより冷却水が供給され、燃料電池本体の運転温度を例えば８０℃程度に維持すると共に、両極の多孔質集電板を介して、通流するガスと冷却水の間で水分が移動することにより、両極を通流するガスの湿度が燃料電池本体の運転に最適な状態に維持される。
【０００５】
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池本体のガス通路と冷却水通路が多孔質集電板を介して隣接しているため、燃料電池本体に供給される冷却水の圧力は、圧力レギュレータにより供給されるガスの圧力（大気圧）より低い圧力、例えば３０ｋＰａ程度低い圧力に保持され、冷却水が必要以上にガス通路に移動しないように運転される。このように、供給ガスと冷却水の圧力を相互に制御することにより、高分子電解質膜を均一に適度な湿潤状態に保持することができるので、このような燃料電池システムは、特に、様々な負荷条件で運転されることが想定される自動車等の移動体用のシステムとして適している。
【０００６】
一方で、前記燃料電池システムにおける燃料電池本体は、集電板に多孔質素材を用いているため、燃料電池本体の雰囲気に対する気密性を保つことが難しく、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃料電池本体外部への洩れを抑止するために、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力をほぼ大気圧のレベルに保って運転することが一般的である。
【０００７】
ところで、多孔質集電板を用いた燃料電池本体を大気圧運転する燃料電池システムにおいては、その運転圧力（燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給圧力）が比較的低圧であるために、燃料電池本体から排出される未反応の酸化剤ガス圧力に占める飽和水蒸気の分圧比率が高く、結果的に排出される未反応酸化剤ガスに含まれる水蒸気量が多い。そのため、燃料電池システム全体の保有する水の総量が運転時間と共に減少してしまい、外部から水を補給しない限り運転を安定的に継続させることができなくなるという、移動体にとっては致命的な不具合がある。
【０００８】
このような不具合を解決するための一つの方策として、燃料電池本体から排出される未反応の酸化剤ガス中に含まれる水分を回収し、この回収水を用いて燃料電池本体に供給する酸化剤ガスを加湿する方法があるが、ここで用いる水回収装置及び加湿装置は、燃料電池本体の運転圧力を低下させるに伴って増大する必要水回収量及び必要加湿量に比例して大型化してしまうという問題がある。例えば大気圧近傍の運転では、これら水回収装置、加湿装置を車載可能な大きさで製作することは現有技術では極めて困難である。
【０００９】
そこで、他の方策として、燃料電池本体の運転圧力を上昇させる方法が検討されている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照）。
【００１０】
特許文献１には、燃料電池本体構造自体を圧力容器とみなし、この圧力容器内を圧力制御しながら運転することが開示されている。詳しくは、この特許文献１には、圧力容器内の空間の圧力や、その空間を流通する気体の流量等の制御精度を改善して、燃料電池本体の運転効率を改善するといった思想の技術が開示されている。なお、この特許文献１に開示される技術は、燃料電池本体への各種供給ガス圧と、圧力容器の空間の圧力やその空間部分の気体流量等の相関を課題とするものではない。
【００１１】
一方、特許文献２には、圧力容器内に燃料電池本体を収納するとともに、この圧力容器内に窒素ガスを充填し、負荷の大きさに応じて充填圧力を変更することが開示されている。詳しくは、この特許文献２にて開示される技術は、主に部分負荷運転時の燃料電池本体への供給ガスの流量分布の均一化を図るため、負荷の大きさによらず、燃料ガス及び酸化剤ガスの実流量が常に全負荷時と同じになるように制御する。その際に、圧力容器の空間の充填圧力と供給ガス圧との差圧を所定範囲内に制御するというものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００１−３１９６７２号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平７−３０２６０３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、多孔質素材の集電板を積層した構造の燃料電池本体は、大気圧運転を前提に設計されているため、そのままの構造では気密性を維持することが困難であり、前記特許文献１記載の技術のように、それ自体を圧力容器とみなして運転圧力を高圧化することは難しい。燃料電池本体の耐圧構造を強化してこれに対応することは可能であるが、耐圧構造の強化は、燃料電池本体構造の複雑化につながり、重量やサイズ、コストの増加は避けられない。
【００１５】
また、前記特許文献２に記載の技術によれば、燃料電池本体の耐圧構造の強化は不要であるが、圧力容器内に窒素ガスを充填するためには、燃料ガスや酸化剤ガスの供給系とは別に窒素ガス供給系を設ける必要があり、装置構成が煩雑化する。また、窒素ガスの充填により圧力容器内の圧力を燃料電池本体内の圧力と一致させることは難しく、差圧が問題になる虞れもある。
【００１６】
負荷条件が様々に変動する移動体用燃料電池システムにおいては、多孔質集電板の働きで高分子電解質膜を最適な湿潤状態に維持しながら加圧運転を行なうことにより、システム全体の水収支を制御することが最適であると考えられるが、前記従来技術では解決すべき課題も多い。
【００１７】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池本体に多孔質集電板を用いることにより得られる利点、すなわち様々な負荷条件の下で高分子電解質膜の湿潤状態を均一かつ適度に維持できるといった利点を維持しながら、システム構成を大型化、複雑化させることなく、燃料電池本体の運転圧力を上昇させることを可能とし、外部からの水の補給を行うことなく継続的に運転させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１８】
【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、燃料電池本体と、この燃料電池本体との間に空間を形成しながら燃料電池本体を収納する圧力容器とを備える。燃料電池本体は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより挟持された高分子電解質膜と、一方の面に燃料ガス通路が設けられた多孔質電導物質で形成される燃料極集電板と、一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた多孔質電導物質で形成される酸化剤極集電板とを有する単セルが、複数積層されてなるものであり、圧力容器に収納される。このとき、燃料電池本体と圧力容器との間に空間が形成されるようにしている。そして、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池本体と圧力容器とで形成される空間内に、燃料ガス或いは酸化剤ガスの一部を充填して、この空間内の圧力を、燃料電池本体に供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスと略等しい圧力に保持するようにしている。これにより、燃料電池本体の内部圧力と燃料電池本体を取り巻く雰囲気の圧力とを略等しくすることができ、燃料電池本体の耐圧構造を強化することなく、特に多孔質集電板の外周部に特別なシールを施すことなく、大気圧よりも高い圧力で運転することができる。
【００１９】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記燃料電池本体と圧力容器とで形成される空間が、電気絶縁性を有する流体で満たされるようにしてもよい。この場合にも、電気絶縁性を有する流体がシールとしての役割を果たし、燃料電池本体の耐圧構造を強化することなく、大気圧よりも高い圧力で運転することができる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池本体の耐圧構造を強化することなく、したがって装置を大型化又は複雑化させることなく、燃料電池本体の運転圧力を上昇させることが可能であり、外部からの水の補給を行うことなく継続的な運転が可能である。したがって、特に自動車等の移動体用のシステムとして、有用性が極めて高い。また、圧力容器内の圧力制御を燃料電池本体に供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスを利用して行うことで、圧力制御のための特別な構成は不要となり、システム構成を更に簡略化することが可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの構成を示すものである。この燃料電池システムは、燃料電池自動車の駆動電力を発電する燃料電池本体１と、この燃料電池本体１に燃料である水素ガス（或いは水素リッチな改質ガス）を供給する燃料ガス供給系２と、燃料電池本体１に酸化剤である空気を供給する空気供給系３と、燃料電池本体１を冷却するための冷却系４とを備えて構成される。
【００２３】
燃料電池本体１は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤（空気）が供給される酸化剤極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セル（単セル）が構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料極では、水素ガス等の燃料ガスが供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００２４】
図２は、燃料電池本体１の各発電セルの構造を示すものであり、高分子電解質膜１３の両表面上には、アノード側電極となる燃料極１４と、カソード側電極となる酸化剤極１５とが一体に形成されている。燃料極１４の他方の面には、多孔質導電性物質で形成され燃料ガスの通路１６ａが設けられた集電板１６が配置されている。また、酸化剤極１５の他方の面には、多孔質導電性物質で形成され酸化剤ガスである空気の通路１７ａが設けられた集電板１７が配置されている。これら集電板１６、１７のガス通路が設けられた面とは反対側の面には、冷却水を通流させる通路１６ｂ、１７ｂが設けられている。これら高分子電解質膜１３、燃料極１４、酸化剤極１５、および集電板１６、１７の積層体により発電セル１２が構成されており、このような発電セル１２を電気絶縁板１８を介して複数直列に積層することにより燃料電池本体１が構成されている。
【００２５】
燃料電池本体１の電解質膜としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００２６】
本発明を適用した燃料電池システムにおいては、以上の構成を有する燃料電池本体１が圧力容器１０内に収納されるが、その具体的構造については、詳細を後述する。
【００２７】
燃料ガス供給系２は、燃料ガス供給部２１、エゼクタポンプ２２、燃料ガス供給配管２３、水素循環配管２４を備えている。そして、燃料ガス供給部２１から供給される水素ガス（或いは水素リッチな改質ガス）が、エゼクタポンプ２２を通って燃料ガス供給配管２３へと送り込まれ、燃料電池本体１の燃料極へと供給されるようになっている。
【００２８】
燃料電池本体１では供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、残った水素ガス（燃料電池本体１から排出される水素ガス）は、水素循環配管２４を通ってエゼクタポンプ２２により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池本体１の燃料極に供給される。
【００２９】
空気供給系３は、空気を送り込むブロア３１及び空気供給配管３２を備えている。そして、ブロア３１の駆動によって吸気管３３から吸い込まれた大気中の空気が、酸化剤として、空気供給配管３２を通って燃料電池本体１の酸化剤極に供給されるようになっている。なお、燃料電池本体１の酸化剤極から排出される未利用の酸素は、排気管３４からそのまま大気中へ排出される。
【００３０】
ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気供給系３のブロア３１から燃料電池本体１の酸化剤極へと酸化剤ガスを供給する空気供給配管３２が、その途中で分岐配管３５によって分岐されており、この分岐配管３５が燃料電池本体１の全体を収納する圧力容器１０に接続されている。そして、空気供給系３からの酸化剤としての空気の一部が、分岐配管３５を通って圧力容器１０内へと供給されるようになっている。これにより、圧力容器１０の内圧が燃料電池本体１の酸化剤極に供給される空気の圧力と常に等しく保たれることになり、燃料電池本体１の耐圧構造を強化することなく、この燃料電池本体１に供給する水素ガスや空気の圧力を上昇させることが可能となる。
【００３１】
また、固体高分子電解質型の燃料電池本体１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時には冷却することが必要である。そこで、この燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１を冷却する冷却系４が設けられている。この冷却系４は、冷却水を循環させながら燃料電池本体１へと供給する冷却水循環経路４１を有し、冷却水により燃料電池本体１を冷却し、これを最適な温度に維持するようになっている。冷却水循環経路４１には、燃料電池本体１に供給する冷却水量を制御する冷却水圧力レギュレータ４２、燃料電池本体１内で熱交換を行う熱交換部４３、冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段４４、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ４５、冷却水に含まれる気体成分を分離除去すると共に冷却水を貯蔵する気液分離器４６、冷却水を外気により冷却するラジエータ４７及びラジエータ冷却ファン４８、冷却水をラジエータ４７から迂回させるバイパス管路４９、バイパス管路４９を通流する冷却水の流量を制御するバイパス弁５０がそれぞれ設けられている。
【００３２】
以上のような冷却系４において、冷却水圧力レギュレータ４２の基準圧検知部と気液分離器４６の気層部とは、燃料電池本体１の酸化剤極に空気を供給するブロア３１と燃料電池本体１との間に位置する空気供給配管３２に接続されており、冷却水の圧力は、燃料電池本体１に供給される空気の圧力に対してある一定の値、例えば３０ｋＰａだけ低くなるように保持される。
【００３３】
また、大気に開放されたブロア３１の吸気管３３には大気圧検出手段５１が設けられており、この大気圧検出手段５１によって大気圧が検出されるようになっている。そして、大気圧検出手段５１の出力信号は、冷却水温度検出手段４４からの出力信号と共に制御装置５２に入力されるようになっている。制御装置５２は、検出された大気圧に対応して設定される冷却水温度を保持するように、ラジエタ冷却ファン４８及びバイパス弁５０を制御する。
【００３４】
図３は、本発明を適用した燃料電池システムにおける燃料電池本体１に直接関わる部分を概念的に示したものである。この図３に示すように、本発明を適用した燃料電池システムでは、燃料電池本体１が圧力容器１０内に収納されて、この圧力容器１０により全体を覆われるようになっている。
【００３５】
圧力容器１０は耐圧ケース６１と、この耐圧ケース６１の内周面に貼り付けられた例えば発泡樹脂等の保温断熱層６２とで構成される。断熱保温層６２と燃料電池本体１との間は、ある一定の空間が設けられており、酸化剤ガス供給分岐管である分岐配管３５は、この圧力容器１０の断熱保温層６２と燃料電池本体１との間の空間に接続されている。そして、酸化剤ガスである空気の一部が分岐配管３５を介してこの空間内に供給されることで、この空間内の圧力が、燃料電池本体１の内部を通流する空気と略等しい圧力に保持されるようになっている。
【００３６】
燃料電池システムの運転が停止中であり、燃料電池本体１内の冷却水が凍結する恐れがある場合、例えば冷却水温度検出手段４４の出力信号が１℃以下となった場合には、制御装置５２は冷却水圧力レギュレータ４２にバルブ開信号を送り、冷却水圧力レギュレータ４２を開く。これにより、空気が燃料電池本体１の冷却水入口配管（冷却水循環経路４１）に送り込まれ、この空気によって燃料電池本体１内に通流していた冷却水が排出されて、気液分離器４６のタンク内に回収されることになる。その結果、燃料電池本体１内で冷却水が凍結して燃料電池本体１の破損に至る不都合が未然に防止される。
【００３７】
ここで、保温断熱層６２を持たない燃料電池システムでは、外気温度が氷点下である場合、燃料電池システムの運転を停止する毎に燃料電池本体１内の冷却水を排出しなくてはならないため、再始動時には燃料電池本体１内の冷却水通路に注水した後でなければ燃料電池本体１を起動できない。これに対して、本実施形態の燃料電池システムにおいては、保温断熱層６２を有する圧力容器１０内に燃料電池本体１を収納しているので、運転停止後もある程度の時間は冷却水を燃料電池本体１内に保持しておくことが可能となり、停止後の再始動時の注水工程を省略できるため再始動時間を大幅に短縮できる。
【００３８】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１を圧力容器１０内に収納し、燃料電池本体１と圧力容器１０とで形成される空間に酸化剤ガスである空気の一部を供給して、この空間の圧力を燃料電池本体１に供給される酸化剤ガスと略等しい圧力に保持し、燃料電池本体１の内部圧力と燃料電池本体１を取り巻く雰囲気の圧力とが略等しくなるようにしたので、燃料電池本体１の耐圧構造を強化することなく、特に多孔質集電板の外周部に特別なシールを施すことなく、大気圧よりも高い圧力で運転することができる。したがって、システム全体をシンプル且つコンパクトに構成できると共に、外部から水を補給することなく長時間の継続的な運転が可能であり、特に燃料電池自動車に搭載して使用する場合にその有用性は極めて高い。
【００３９】
また、この燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１を収納する圧力容器１０を、燃料電池本体１に供給する酸化剤ガス（空気）の供給通路と接続し連通させる構成としたため、圧力容器１０に圧力を供給するための特別なガス供給装置を追加設定することなく、圧力容器１０内の圧力を燃料電池本体１内部のガス圧力と略等しく維持することが可能となる。また、圧力容器１０内の圧力は大気圧よりも高い圧力に保持されているため、圧力容器内に、塵埃、水などが浸入することを防止することもできる。特に、圧力容器１０内の圧力は常に外気圧より高い状態に保たれるので、外部から水などが浸入することを積極的に防止できる上に、圧力容器１０そのものが燃料電池本体１の保護ケースとしても機能するので、燃料電池自動車の床下に搭載した場合のチッピングや、路面干渉から燃料電池本体１がダメージを受けることがなくなり、信頼性及び車両レイアウトの自由度が増す。
【００４０】
さらに、この燃料電池システムにおいては、例えば発泡樹脂等の保温断熱層６２を備える圧力容器１０内に燃料電池本体１を収納する構成としたので、氷点下において停止している状態で燃料電池本体１内の冷却水が凍結し、燃料電池本体１が破損に至ることを未然に防止できると共に、燃料電池本体１内からの冷却水の排出を最小限にすることができ、再始動時における迅速な運転再開が実現される。
【００４１】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、図４に示すように、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの構成に、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段７１と、この空間内のガスを大気中に放出するためのガス排出装置７２とを付加したものである。以下、第１の実施形態の燃料電池システムと同一の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分についてのみ説明する。
【００４２】
上述したように、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間には、分岐配管５１を通して酸化剤である空気が供給されるようになっており、圧力容器１０の内部圧力が燃料電池本体１内部に通流するガスの圧力とが略等しくされているので、基本的には、燃料電池本体１の内部を通流する燃料ガスが燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間に漏出することはない。しかしながら、過渡運転時、特に急減速運転時等では、一時的に燃料電池本体１内のガス圧力、特に出口側ガス通路の内部ガス圧力が圧力容器１０の内部圧力より高くなり、燃料電池本体１内を流通する燃料ガスが圧力容器１０内の空間へと僅かではあるが漏出する場合もある。そして、このような運転を繰り返すことによって、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間内の燃料ガス濃度が高まり、可燃域にまで達してしまうことも想定される。
【００４３】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス濃度検出手段７１によって燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間内の燃料ガス濃度を検出し、この空間内の燃料ガス濃度が予め設定された値よりも大きくなった場合には、ガス排出装置７２によってこの空間内のガスを外部に排出するようにしている。
【００４４】
すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間内の燃料ガス濃度を燃料ガス濃度検出手段７１によって検出して、その検出値を制御装置５２へと送るようにしている。制御装置５２は、燃料ガス濃度検出手段７１によって検出された燃料ガス濃度を予め設定された閾値（例えば水素濃度３％）と比較し、燃料ガス濃度がこの閾値を越えた場合には、ガス排出装置７２に駆動信号を送る。これにより、ガス排出装置７２に組み込まれたガス排出バルブが開放され、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間内のガスが外部に排出されることになる。そして、ガス濃度が閾値を下回った時点で、制御装置５２は、ガス排出装置７２に駆動解除信号を送る。これにより、ガス排出装置７２のガス排出バルブが閉じられて、通常の運転状態に復帰することになる。
【００４５】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス濃度検出手段７１によって燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間内の燃料ガス濃度を検出し、この空間内の燃料ガス濃度が予め設定された値よりも大きくなった場合には、ガス排出装置７２によってこの空間内のガスを外部に排出するようにしたので、微量に漏れ出してきた燃料ガスが燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間に蓄積し可燃域に至ることを未然に防止することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間に、燃料電池本体１に供給する酸化剤ガスの一部ではなく、燃料電池本体１に供給する燃料ガスの一部を供給するようにしたものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、図５に示すように、燃料ガス供給系２のエゼクタポンプ２２から燃料電池本体１の燃料極へと導かれる燃料ガス供給配管２３が、その途中で燃料ガス供給分岐管８１によって分岐されており、この燃料ガス供給分岐管８１が圧力容器１０に接続されている。なお、その他の構成については、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様であるので、同一の構成要素については同一の符号を付して、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４７】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素ガス（或いは水素リッチな改質ガス）の一部が、燃料ガス供給分岐管８１を通って燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間へと供給されるようになっている。これにより、圧力容器１０の内圧が燃料電池本体１の燃料極に供給される水素ガス（或いは水素リッチな改質ガス）の圧力と常に等しく保たれることになり、燃料電池本体１の耐圧構造を強化することなく、この燃料電池本体１に供給する水素ガスや空気の圧力を上昇させることが可能となる。
【００４８】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいては、燃燃料電池本体１を圧力容器１０内に収納し、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間に燃料ガスである水素ガス（或いは水素リッチな改質ガス）の一部を供給して、この空間の圧力を燃料電池本体１に供給される燃料ガスと略等しい圧力に保持し、燃料電池本体１の内部圧力と燃料電池本体１を取り巻く雰囲気の圧力とが略等しくなるようにしたので、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、燃料電池本体１の耐圧構造を強化することなく、特に多孔質集電板の外周部に特別なシールを施すことなく、大気圧よりも高い圧力で運転することができる。したがって、システム全体をシンプル且つコンパクトに構成できると共に、外部から水を補給することなく長時間の継続的な運転が可能であり、特に燃料電池自動車に搭載して使用する場合にその有用性は極めて高い。
【００４９】
（第４の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間に、燃料電池本体１に供給する酸化剤ガスや燃料ガスの一部ではなく、例えばシリコンオイル等の電気絶縁性を有する流体を封入し、この空間内が電気絶縁性を有する流体で満たされるようにしたものである。その他の基本構成については、上述した各実施形態の燃料電池システムと同様である。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間を、電気絶縁性を有する流体で満たすようにしたので、電気絶縁性を有する流体がシールとしての役割を果たし、燃料電池本体１の耐圧構造を強化することなく、大気圧よりも高い圧力で運転することができる。更に、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１の外部に対する高い電気絶縁性を確保することができると共に、封入する流体の粘性に応じて、耐衝撃性の向上、制振効果等の二次的な効果も期待でき、特に燃料電池自動車に搭載して使用する場合にその有用性は極めて高い。無論、本実施形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池本体１と圧力容器１０との間の空間内の圧力を、燃料電池本体１に供給する酸化剤ガス或いは燃料ガスと略等しい圧力に保つことによって、燃料電池本体１の耐圧構造を強化することなく、この燃料電池本体１に供給する水素ガスや空気の圧力を上昇させることが可能となる。
【００５１】
なお、以上の各実施形態では、多孔質プレートを用いた燃料電池本体１を有する燃料電池システムに本発明を適用した例を具体的に説明したが、本発明は、以上の例に限らず、例えば、ソリッド型プレートを用いた燃料電池本体等、様々なタイプの燃料電池本体を有する燃料電池システムに対して有効に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】燃料電池本体の発電セル（単セル）の構造を示す断面図である。
【図３】燃料電池本体に直接関わる部分を概念的に示す図である。
【図４】第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図５】第３の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
２ 燃料ガス供給手段
３ 空気供給手段
４ 冷却装置
１０ 圧力容器
１３ 高分子電解質膜
１４ 燃料極
１５ 酸化剤極
１６，１７ 集電板
３５ 分岐配管
６１ 耐圧ケース
６２ 断熱保温層
７１ 燃料ガス濃度検出手段
７２ ガス排出装置
８１ 燃料ガス供給分岐管

Claims (8)

1. 燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより挟持された高分子電解質膜と、一方の面に燃料ガス通路が設けられた多孔質電導物質で形成される燃料極集電板と、一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた多孔質電導物質で形成される酸化剤極集電板とを有する単セルが、複数積層されて構成される燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体との間に空間を形成しながら前記燃料電池本体を収納する圧力容器とを備え、
   前記燃料電池本体と圧力容器とで形成される空間内に、前記燃料ガス或いは酸化剤ガスの一部を充填して、この空間内の圧力を、前記燃料電池本体に供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスと略等しい圧力に保持することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池本体を収納する圧力容器が、前記燃料電池本体に供給される酸化剤ガスの通路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池本体を収納する圧力容器は、燃料ガスの濃度を検出する濃度手段とガス排出装置とを備え、
   前記燃料電池本体と前記圧力容器とで形成される空間の燃料ガス濃度が、予め設定された値より大きくなった場合には、前記ガス排出装置により前記空間内のガスを排出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池本体を収納する圧力容器が、前記燃料電池本体に供給される燃料ガスの通路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガスが供給される燃料極と酸化剤ガスが供給される酸化剤極とにより挟持された高分子電解質膜と、一方の面に燃料ガス通路が設けられた多孔質電導物質で形成される燃料極集電板と、一方の面に酸化剤ガス通路が設けられた多孔質電導物質で形成される酸化剤極集電板とを有する単セルが、複数積層されて構成される燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体との間に空間を形成しながら前記燃料電池本体を収納する圧力容器とを備え、
   前記燃料電池本体と圧力容器とで形成される空間が、電気絶縁性を有する流体で満たされていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記燃料電池本体と圧力容器とで形成される空間内の圧力が、前記燃料電池本体に供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスと略等しい圧力に保持されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池本体と圧力容器とで形成される空間が、大気圧以上の圧力に保持されることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池本体を収納する圧力容器は、保温断熱層を備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。

Images