JP2005100760A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に供給する原料ガスの加湿効率を向上させると共に、燃料電池の水詰まりを確実に防止する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させるときに、加湿器３により燃料電池スタック１に供給する乾燥空気を加湿し、加湿器３のガス出口側の配管に設けられたコンプレッサ４により、加湿された湿潤空気を圧縮して燃料電池スタック１側に送り、コンプレッサ４のガス出口と燃料電池スタック１のガス入口との間の配管に設けられたセパレータ５によりコンプレッサ４から送られた湿潤空気に含まれる凝縮水を除去して、湿潤空気を燃料電池スタック１に供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原料ガスを加湿して燃料電池に供給して、当該燃料電池を発電させる燃料電池システムに関する。

従来より、例えば固体高分子電解質を有する燃料電池スタックを発電させる燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の固体高分子電解質をイオン伝導体として機能させるために、当該固体高分子電解質を加湿する必要がある。これに対し、従来では、原料ガスを加湿した状態で燃料電池スタックに供給する技術が、下記の特許文献１などにて知られている。

この特許文献１に記載された燃料電池用加湿システムでは、燃料電池スタックのガス流入口と加湿装置のガス流出口との間に過給装置を備えている。これにより、燃料電池用加湿システムでは、加湿装置のガス流入口と被加湿ガス供給元との間に過給装置を備えた場合と比較して、加湿装置を通過する被加湿ガスの流速を速めて、加湿効率を向上させている。
特開２００１−２１６９８６号公報

しかしながら、上述した燃料電池用加湿システムでは、加湿効率を向上させるため、加湿させた被加湿ガスを過給装置により圧縮して燃料電池スタックに供給するので、当該過給装置を通過した被加湿ガスの圧力が上昇して、凝縮水が発生しやすくなる。このように燃料電池スタックに供給する被加湿ガスに凝縮水が混入していると、当該凝縮水が燃料電池スタック内のガス流路に流入して、水詰まりが発生する原因になる可能性がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池に供給する原料ガスの加湿効率を向上させると共に、燃料電池の水詰まりを確実に防止す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。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を発電させるときに、加湿手段により燃料電池に供給する原料ガスを加湿し、加湿手段のガス出口側の配管に設けられた過給手段により、加湿手段により加湿された原料ガスを圧縮して燃料電池側に送り、過給手段のガス出口と燃料電池のガス入口との間の配管に設けられた液水分離手段により過給手段から送られた原料ガスに含まれる水分を除去して、原料ガスを燃料電池に供給することにより、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、過給手段に対する上流側に加湿手段を設けることにより加湿手段の加湿効率を向上させることができると共に、過給手段の下流側であって燃料電池の上流側に液水分離手段を設けることにより、過給手段により加湿した空気を圧縮したことにより発生する凝縮水を確実に除去して燃料電池に原料ガスを供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、加湿手段の下流側に過給手段を配置した場合であっても、過給手段の動作により発生した凝縮水に起因する燃料電池の水詰まりを確実に防止することができる。

以下、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。

この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１に発電反応を行わせ、当該燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷に供給することにより、車両の走行トルクを発生させるものである。

燃料電池スタック１は、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが原料ガスとして供給されることによって発電する。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスとして空気が供給される空気極と燃料ガスとして水素が供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ^＋）が固体高分子電解質膜を通過してカソード極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成することによって行われる。

このように、燃料電池スタック１では、固体高分子電解質をイオン伝導体として機能させるためには、当該固体高分子電解質に水分を含ませて飽和含水状態に保持しておく必要がある。したがって、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１内の固体高分子電解質を加湿するための燃料電池用加湿システムを備える。

また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に原料ガスとしての酸素を含む空気を供給する空気供給系として、吸気口と燃料電池スタック１とを接続する空気供給流路に設けられたエアクリーナ２、加湿器３、コンプレッサ４、セパレータ５を備える。すなわち、この空気供給系は、加湿器３と燃料電池スタック１との間の配管にコンプレッサ４を設け、当該コンプレッサ４と燃料電池スタック１との間の配管にセパレータ５を設けた燃料電池用加湿システムを有する。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１での発電反応にて使用されずに排出された空気を外気に排出するために、燃料電池スタック１の空気出口と接続された空気排出流路に燃料電池スタック１から圧力調整弁６、加湿器３が順に設けられて構成されている。この圧力調整弁６は、図示しないコントローラにより開度が制御されて、燃料電池スタック１内の空気圧力を調整する。

このような空気供給系では、コンプレッサ４が回転することによりエアクリーナ２と接続された吸気口から外気を取り込み、当該エアクリーナ２により、取り込んだ外気の塵等を除去して、下流側の加湿器３に送る。ここで、エアクリーナ２により取り込んだ外気は、乾燥した状態の乾燥空気となっている。

加湿器３では、コンプレッサ４に取り込まれる乾燥空気がエアクリーナ２を介して送られ、当該乾燥空気を加湿して湿潤空気とする。ここで、加湿器３は、燃料電池スタック１から排出された空気に含まれる水分を回収し、当該回収した水分を用いて乾燥空気を湿潤空気とし、当該湿潤空気が下流側のコンプレッサ４に取り込まれる。すなわち、加湿器３では、燃料電池スタック１から排出された湿潤空気から、エアクリーナ２から送られた乾燥空気への水分の授受を行う。

また、加湿器３の空気通過流量、空気通過流速は、コンプレッサ４の回転数によって調整されている。したがって、コントローラでは、コンプレッサ４の回転数を高くすることにより、加湿器３の空気通過流速を高くして、加湿器３の加湿効率を向上させる。

コンプレッサ４は、加湿器３からの湿潤空気を取り込み、圧縮してセパレータ５及び燃料電池スタック１側に吐出する過給装置として機能する。このコンプレッサ４の回転数は、コントローラによって制御される。

セパレータ５は、コンプレッサ４から送られた湿潤空気に含まれる凝縮水を除去する液水分離装置である。ここで、セパレータ５に供給される湿潤空気は、コンプレッサ４によって圧縮されることにより圧力が上昇され、一部の水分が凝縮水となって含まれている。したがって、セパレータ５では、湿潤空気に含まれる余分の凝縮水を除去して、下流側の燃料電池スタック１に供給する。

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に原料ガスとしての水素を供給する水素供給系として、燃料電池スタック１の水素入口と接続された水素供給流路に水素ガスボンベ７、レギュレータ８及び水素循環ポンプ９が設けられ、燃料電池スタック１の水素出口と接続された水素循環流路に三方弁１０が設けられて構成されている。

このような水素供給系では、水素ガスボンベ７に貯蔵しておいた水素ガスをレギュレータ８によって流量調整及び圧力調整をして、水素循環ポンプ９を介して燃料電池スタック１に供給する。また、燃料電池スタック１にて発電反応に使用されずに排出された水素ガスは、通常、三方弁１０を介して水素循環ポンプ９に循環され、再度燃料電池スタック１に循環される。この三方弁１０は、コントローラによって開閉制御され、通常は水素循環ポンプ９側の開口が開状態とされ、必要に応じて外部側の開口が開状態とされることにより水素ガス中に含まれる不純物等を排出する。

以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、コンプレッサ４に対する空気上流側に加湿器３を設けることにより加湿器３の加湿効率を向上させることができると共に、コンプレッサ４の空気下流側であって燃料電池スタック１の空気上流側にセパレータ５を設けることにより、コンプレッサ４により湿潤空気を圧縮したことにより発生する凝縮水を確実に除去して燃料電池スタック１に湿潤空気を供給することができる。

したがって、この燃料電池システムによれば、加湿器３の下流側にコンプレッサ４を配置した場合であっても、コンプレッサ４の動作により発生した凝縮水に起因する燃料電池スタック１の水詰まりを確実に防止することができる。

［第２実施形態］
つぎに、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池システムは、図２に示すように、コンプレッサ４と燃料電池スタック１とを接続する空気流路として、コンプレッサ４と燃料電池スタック１との間にセパレータ５を設けた空気供給流路Ｌ１に加えて、セパレータ５をバイパスしてコンプレッサ４から燃料電池スタック１に直接湿潤空気を供給するバイパス流路Ｌ２を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。

また、この燃料電池システムは、空気供給流路Ｌ１とバイパス流路Ｌ２との分岐点となる配管部分に設けられたバイパス流量調整弁１１と、セパレータ５の空気下流側の空気供給流路Ｌ１に設けられた第１流量センサ１２と、バイパス流路Ｌ２に設けられた第２流量センサ１３とを備える。

この燃料電池システムでは、バイパス流量調整弁１１の空気供給流路Ｌ１側の開度と、バイパス流量調整弁１１のバイパス流路Ｌ２側の開度とがコントローラによって調整されることにより、コンプレッサ４から空気供給流路Ｌ１及びバイパス流路Ｌ２に送られる湿潤空気の流量を決定する。すなわち、この燃料電池システムは、凝縮水を除去した湿潤空気の流量と、凝縮水を含む湿潤空気の流量との流量比を決定する。

このように構成された燃料電池システムでは、コントローラによって図３に示すような処理を行うことにより、セパレータ５を通過させる湿潤空気流量と、セパレータ５を通過させない湿潤空気流量との流量比を制御する。ここで、コントローラでは、通常、燃料電池スタック１の水詰まりを防止するために、バイパス流路Ｌ２側の開度よりも空気供給流路Ｌ１側の開度を大きくするようにバイパス流量調整弁１１を制御し、所定期間ごとにステップＳ１の判定を行う。

コントローラでは、先ずステップＳ１において、燃料電池スタック１の固体高分子電解質の加湿量を判定して、固体高分子電解質が乾いた状態であるか否かを判定する。このとき、コントローラでは、例えば、加湿器３を通過する空気流速に基づく加湿効率や、第１流量センサ１２及び第２流量センサ１３からのセンサ信号を取り込んで燃料電池スタック１に供給する湿潤空気流量を取得し、燃料電池スタック１の固体高分子電解質の湿潤状態を計測する。そして、コントローラでは、燃料電池スタック１の固体高分子電解質が乾いた状態であると判定した場合にはステップＳ２に処理を進め、燃料電池スタック１の固体高分子電解質が乾いた状態でなく、飽和含水状態又は水分供給が過剰な状態であると判定した場合にはステップＳ３に処理を進める。

ステップＳ２においては、コントローラにより、セパレータ５と燃料電池スタック１とを直接接続するバイパス流路Ｌ２の湿潤空気流量を所定量だけ増加させる。すなわち、コントローラでは、バイパス流量調整弁１１のバイパス流路Ｌ２側の開度をインクリメントする。

次のステップＳ４においては、コントローラにより、ステップＳ２にて決定した開度となるようにバイパス流量調整弁１１のバイパス流路Ｌ２側の開度を増加させ、コンプレッサ４から燃料電池スタック１に直接供給する湿潤空気流量を増加させる。このとき、コントローラでは、第１流量センサ１２や第２流量センサ１３からのセンサ信号を参照して、湿潤空気流量を調整しても良い。これにより、コントローラでは、凝縮水を含む湿潤空気を燃料電池スタック１に増加させて供給して、固体高分子電解質の含水量（加湿量）を上昇させる。また、コントローラでは、空気供給流路Ｌ１側の開度を減少させるようにバイパス流量調整弁１１を制御しても良い。

一方、ステップＳ１にて燃料電池スタック１の固体高分子電解質が乾いていないと判定した後のステップＳ３においては、コントローラにより、セパレータ５と燃料電池スタック１とを直接接続するバイパス流路Ｌ２の湿潤空気流量を所定量だけ減少させる。すなわち、コントローラでは、バイパス流量調整弁１１のバイパス流路Ｌ２側の開度をデクリメントする。

次のステップＳ４においては、コントローラにより、ステップＳ３にて決定した開度となるようにバイパス流量調整弁１１のバイパス流路Ｌ２側の開度を減少させ、コンプレッサ４から燃料電池スタック１に直接供給する湿潤空気流量を減少させる。このとき、コントローラでは、第１流量センサ１２や第２流量センサ１３からのセンサ信号を参照して、湿潤空気流量を調整しても良い。これにより、コントローラでは、固体高分子電解質の含水量（加湿量）を減少させる。このとき、コントローラでは、空気供給流路Ｌ１側の開度を増加させるようにバイパス流量調整弁１１を制御しても良い。

以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の加湿が不足している場合に、空気供給流路Ｌ１とバイパス流路Ｌ２との湿潤空気流量を調整することにより、セパレータ５を通過させる湿潤空気流量を減少させてコンプレッサ４から燃料電池スタック１に直接湿潤空気を供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、第１実施形態の効果に加えて、燃料電池スタック１により多くの水分を供給して固体高分子電解質の湿潤状態を最適なものとすることができ、燃料電池スタック１の発電効率を向上させることができる。

また、この燃料電池システムによれば、長期に渡って燃料電池スタック１の発電を停止していた後の起動時に多くの水分を燃料電池スタック１に供給することができ、短時間で固体高分子電解質を飽和水分状態とすることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態において、コンプレッサから燃料電池スタックに直接供給する湿潤空気流量を制御する処理の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ エアクリーナ
３ 加湿器
４ コンプレッサ
５ セパレータ
６ 圧力調整弁
７ 水素ガスボンベ
８ レギュレータ
９ 水素循環ポンプ
１０ 三方弁
１１ バイパス流量調整弁
１２ 第１流量センサ
１３ 第２流量センサ

Claims (3)

1. 原料ガスを燃料電池に供給して、当該燃料電池を発電させる燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に供給する原料ガスを加湿する加湿手段と、
   前記加湿手段のガス出口側の配管に設けられ、前記加湿手段により加湿された原料ガスを圧縮して前記燃料電池側に送る過給手段と、
   前記過給手段のガス出口と前記燃料電池のガス入口との間の配管に設けられ、前記過給手段から送られた原料ガスに含まれる水分を除去する液水分離手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記加湿手段により加湿され、前記過給手段により圧縮された原料ガスを前記液水分離手段を介して前記燃料電池に供給する第１流路と、
   前記加湿手段により加湿された原料ガスを、前記液水分離手段をバイパスして前記過給手段から前記燃料電池に供給する第２流路と
   を備え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. 前記第１流路を介して前記燃料電池に原料ガスを供給する流量と、前記第２流路を介して前記燃料電池に原料ガスを供給する流量とを調整する流量調整弁と、
   前記燃料電池の加湿量が不足している場合に、前記第１流路を介して前記燃料電池に供給する原料ガス量を低減させ、前記第２流路を介して前記燃料電池に供給する原料ガス量を増加させるように前記流量調整弁を制御する流量制御手段と
   を更に備え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。
   

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