JP2005100760A - 燃料電池システム - Google Patents
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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
【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。
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(H2O)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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003331804A JP2005100760A (ja) | 2003-09-24 | 2003-09-24 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003331804A JP2005100760A (ja) | 2003-09-24 | 2003-09-24 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005100760A true JP2005100760A (ja) | 2005-04-14 |
Family
ID=34460357
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003331804A Pending JP2005100760A (ja) | 2003-09-24 | 2003-09-24 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005100760A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007096025A1 (de) * | 2006-01-31 | 2007-08-30 | Elcomax Membranes Gmbh | Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und computerprogrammprodukt zum ausführen des verfahrens |
WO2009100843A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | Daimler Ag | Method of operating a fuel cell device in a special operating state, fuel cell supply system and fuel cell device |
-
2003
- 2003-09-24 JP JP2003331804A patent/JP2005100760A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007096025A1 (de) * | 2006-01-31 | 2007-08-30 | Elcomax Membranes Gmbh | Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und computerprogrammprodukt zum ausführen des verfahrens |
WO2009100843A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | Daimler Ag | Method of operating a fuel cell device in a special operating state, fuel cell supply system and fuel cell device |
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