JP2005108698A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料として利用価値のあるガスの排出量をできる限り抑えて、燃費の向上を実現する。
【解決手段】燃料電池１から排出される燃料排ガスを循環させる循環路を複数（第１の循環路６及び第２の循環路７）設け、第２の循環路７に水素透過膜１５を備えた水素分離装置１２を設置する。そして、水素分離装置１２と連結してパージ弁１６を備えたパージライン１７を設ける。このように、循環路を２系統とし、その一方に水素分離装置１２を設けて、不要ガスを効率的に排出するようにし、燃料である水素ガスをできるだけ放出しないようにすることで、燃費を向上することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池から排出された燃料ガスを循環する循環路を備えた燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、水素ガス（燃料ガス）及び空気（酸化剤ガス）を燃料電池の燃料極及び空気極に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。燃料電池システムでは、前記電気化学反応によって生成するのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。

このような燃料電池システムにおいては、燃料ガスの利用効率を上げるための工夫として、燃料電池で消費されなかった未使用の燃料ガスを、再度燃料電池へと循環させて再利用する燃料ガス循環形式の燃料電池システムが知られている。燃料ガス循環形式の燃料電池システムでは、燃料ガスを循環させる燃料循環装置が必要であるが、この燃料循環装置としては、エゼクタにより燃料電池からの燃料排ガスを燃料電池上流に再び流れるようにするものが一般的である（例えば、特許文献１等を参照。）。

前記燃料循環装置では、エゼクタ循環路内に燃料ガス以外の流体の割合が増加した場合、あるいは燃料電池内の膜に水分等が付着し、燃料電池の発電が低下していることが検知された場合、循環路に設置されたパージラインから燃料排ガスを大気中へ放出することで、燃料電池の発電状態を良好な状態に復帰させている。
特開２００２−２１６８１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような従来の燃料循環装置においては、燃料として利用価値のあるガスも、不要なガスとともに大気中に放出することになるため、燃費が悪化するという大きな問題がある。

本発明は、以上のような従来技術の有する問題点を解決すべく提案されたものであり、燃料として利用価値のあるガスの排出量をできる限り抑えて、燃費の向上を実現することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

前述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムでは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される燃料ガスを複数の循環路で循環させるようにした。そして、これら複数の循環路のうちの何れかに水素透過膜を備えた水素分離装置を設け、また、この水素分離装置と連結するようにしてパージ弁を備えたパージラインを設けるようにした。

以上のような本発明の燃料電池システムでは、水素分離装置を備えた循環路において、燃料ガスである水素のみ、あるいは混合ガス中の水素が高い割合となるように分離、通過され、水素分離装置の水素透過膜の上流側位置において不要ガスが蓄積される。したがって、水素分離装置と連結されるパージラインによりパージを行えば、不要ガスが効率的に放出され、水素の排出量が極力抑えられることになる。

本発明によれば、不要ガスを放出することで燃料電池の発電状態を良好な状態に復帰させながら、燃料として利用価値のあるガスの排出量を抑えることができ、燃費の点でも優れた燃料電池システムを提供することが可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要部分の構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する水素供給経路と、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給経路とを備える。

燃料電池１は、水素が供給される水素極（アノード極）と空気が供給される空気極（カソード極）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が構成されると共に、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を電気エネルギに変換するものである。各発電セルの水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、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て、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、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され、外部に排出される。

燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、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。

水素供給経路は、例えば、燃料ガスである水素を蓄える水素ボンベ２と、水素ボンベ２からの水素を任意の圧力に調整する圧力調整弁３と、水素供給配管４とを有している。そして、水素供給源である水素ボンベ２から供給される水素ガスが、圧力調整弁３で減圧され、前記水素供給配管４を通って燃料電池１の水素極に送り込まれるようになっている。また、水素供給配管４の燃料電池１の手前位置には、加湿手段５が設けられており、供給される水素ガスを加湿するようになっている。

燃料電池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１の水素極から排出される燃料排ガス）は循環され、新たに水素ボンベ２から供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池１の水素極に供給される。したがって、燃料電池１から排出された燃料排ガスを再び燃料電池１に供給するための循環路が設けられている。

本実施形態の燃料電池システムにおいては、複数の循環路、ここでは２系統の循環路（第１の循環路６及び第２の循環路７）が並列に接続される形で設けられている。各循環路６、７は、それぞれ第１エゼクタ８、第２エゼクタ９を介して、分岐された水素供給管４ａ，４ｂに接続され、燃料電池１からの燃料排ガスを循環し、水素ボンベ２から供給される水素と混合して再び燃料電池１へと循環供給するように構成されている。

したがって、第１エゼクタ８と第２エゼクタ９は並列に配置されることになり、第２エゼクタ９の下流は、第１エゼクタ８の下流と合流し、加湿器５を経て燃料電池１の燃料ガス入口へと連結される。また、各循環路６，７の燃料電池１の燃料排ガス出口における分岐点には、第１パージ弁１０を備えた第１パージライン１１が設けられている。

さらに、第２の循環路７の中途位置（第２エゼクタ９の手前位置）には、水素分離装置１２が設けられ、その上流位置及び下流位置に、それぞれ第２の循環路７を開閉するシャットオフ弁１３，１４が設けられている。水素分離装置１２は、図２に示すように、水素透過膜１５を有し、第２の循環路７へ導かれた燃料排ガスは、この水素分離装置１２の水素透過膜１５を通過することで、水素のみが分離される。あるいは、燃料排ガス（混合ガス）中の水素の割合が高くなる。なお、前記水素透過膜１５としては、例えば貴金属系の水素透過膜を使用することが可能である。

前記水素分離装置１２には、第２パージ弁１６を備えた第２パージライン１７が設けられている。したがって、前記シャットオフ弁１３，１４を閉じて、この第２パージライン１７の第２パージ弁１６を開いてパージを行うことで、水素分離装置１２により水素分離後に蓄積された不要ガスを大気中に放出することが可能である。

各エゼクタ８，９と燃料電池１の間には、圧力を検出するためのセンサ（図示は省略する。）が設置されている。燃料電池システムの運転に際しては、このセンサからの圧力値が燃料電池１の出力から決定される目標圧力になるように、圧力調整弁３の開度を制御する。

一方、空気供給手段は、図示は省略するが、外気を吸入し燃料電池スタック１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサから排出されるオイル等をトラップするフィルタ及び空気供給配管と、空気極排ガスを排出するための空気排気配管及び供給される空気の圧力を所望の圧力に制御する圧力制御弁等から構成されており、前記コンプレッサにより空気が空気供給配管に送り込まれ、燃料電池スタック１の空気極に供給される。燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気配管から排出される。

以上が本実施形態の燃料電池システムの概略構成であるが、次に、本実施形態の燃料電池システムにおいて、循環路６，７内に水素以外の不要ガスが溜まった場合に実行されるパージ動作について、図３に示す制御フローに基づいて説明する。

先ず、車両が起動、あるいは燃料電池１が起動されると、車両の負荷に応じて燃料電池１の出力が決定される。そして、決定された燃料電池１の出力相当分を発電するのに必要な水素ガス流量が燃料電池１に供給されるように、圧力調整弁３が調整される。これにより、燃料電池１において車両の出力要求に応じた発電が開始されることになる（ステップＳ１）。

第１エゼクタ８と第２エゼクタ９には、それらのノズル径で決定される流量の水素ガスが流れ、この流れにより、燃料電池１からの燃料排ガスが再び燃料電池１へと循環される。このとき、第２エゼクタ９を有する第２の循環路７には、水素ガスのみを通過させる（あるいは、水素ガスを高い割合で通過させる）水素分離装置１２が設置されており、水素ガスのみを再度、燃料電池１へと導くことができる。

燃料電池１からの燃料排ガスを循環使用する構成の燃料電池システムでは、燃料排ガスの循環を繰り返すことで、循環路６，７内に水素以外の不要ガスが徐々に蓄積される。そして、循環路６，７内に不要ガスが溜まると、水素分圧が低下して燃料電池１の発電状態が劣化することになる。燃料電池１には、当該燃料電池１の発電状況を監視するための電圧計が接続されており、燃料電池１での発電状態の劣化は、この電圧計の検出値に反映されることになる。そこで、この電圧計の検出値をモニタリングして、燃料電池１での発電状態が劣化したか否かを判定する（ステップＳ２）。

ここで、燃料電池１での発電状態が劣化したと判定した場合には、第２の循環路７の水素分離装置１２の上流位置に設けられたシャットオフ弁１３、及び水素分離装置１２の下流位置に設けられたシャットオフ弁１４を閉じ、第２パージライン１７の第２パージ弁１６を開ける（ステップＳ３）。そして、このバルブ動作を所定時間保持するが、この時間は燃料電池システムの構成や燃料電池１の特性に依存するので、予め実験や計算で求めて決定しておく。この第２パージ弁１６の開放により、水素分離装置１２に溜まっていた水素以外のガスが第２パージライン１７より排出され、水素分離装置１２内部の水素透過抵抗（圧損）が小さくなり、第２エゼクタ９の循環も改善されることになる。

以上のバルブ動作を所定時間行ったら、第２パージライン１７の第２パージ弁１６を閉じて、シャットオフ弁１３，１４を開ける（ステップＳ４）。そして、しばらく時間が経過した段階で、燃料電池１の発電状態を再度判定する（ステップＳ５）。

ここで、燃料電池１の発電状態が改善されていないと判定された場合には、次に、第２の循環路７の水素分離装置１２の上流位置に設けられたシャットオフ弁１３を閉じ、第１パージライン１１の第１パージ弁１０を所定時間開けて、第１パージライン１１からのパージを行う（ステップＳ６）。そして、所定時間経過した段階で、第１パージ弁１０を閉じると共に、シャットオフ弁１３を開けて（ステップＳ７）、燃料電池１の発電状態を再度判定する（ステップＳ８）。

ここで、燃料電池１の発電状態が改善されていないと判定された場合には、ステップＳ６に戻って、燃料電池１の発電状態が改善されるまで、ステップＳ６からステップＳ８までの動作（第１パージライン１１でのパージ及び燃料電池１の発電状態の判定）を繰り返す。なお、このとき、以上の動作を繰り返す回数が増す毎に、第１パージ弁１０の開放時間を長くするといった対応を図るようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムでは、循環路６，７に水素以外の不要ガスが溜まった場合に以上のパージ動作を行うことにより、燃料電池１の発電状態を良好な状態に復帰させて、安定的に出力が得られるようにしている。なお、循環路６，７に水素以外の不要ガスが溜まった場合のパージを、先ずシャットオフ弁１３，１４を閉じると共に第２パージ弁１６を開けて、第２パージライン１７でのパージから行うのは、水素以外の不要ガスが水素分離装置１２内に多く蓄積されていると考えられること、及び可能な限り燃料である水素ガスを大気に放出しないようにすることを考慮してのことである。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１からの燃料排ガスを循環させる循環路を２系統とし、その一方に水素分離装置１２を設けて、不要ガスを効率的に排出するようにし、可能な限り燃料である水素ガスを大気中に放出しないようにしているので、燃費の向上を実現することが可能である。また、燃料電池１の発電状態に応じて適宜第２パージ弁１６、あるいは第１パージ弁１０を開放することによるパージを行っているので、燃料電池１の発電状態を常に良好に保つことが可能である。

（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に、不要ガス蓄積用のタンク１８を追加したものである。その他の構成については、第１の実施形態の燃料電池システムと同様である。また、本実施形態の燃料電池システムにおけるパージ動作の制御も、上述した第１の実施形態と同様であり、図３に示す制御フローに基づいてパージが行われる。

本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、可能な限り燃料である水素ガスを大気中に放出しないようにパージが行われるので、燃費の向上を実現することが可能であることに加え、第２エゼクタ９を有する第２の循環路７の水素分離装置１２の入口に不要ガスを蓄積するためのタンク１８を設置しているので、不要ガスを溜めても圧力が上昇せず、不要ガスをより効率的に排除することが可能である。

（第３の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、図５に示すように、基本的には第２の実施形態の燃料電池システムと同様である。また、本実施形態の燃料電池システムにおけるパージ動作の制御も、上述した第１の実施形態や第２の実施形態と同様であり、図３に示す制御フローに基づいてパージが行われる。

本実施形態の燃料電池システムにおける変更点は、タンク１８の天地の上方位置に水素分離装置１２を配置したこと、及び、タンク１８の下方位置に第２パージライン１７を設けた点である。

本実施形態の燃料電池システムでは、上述した各実施形態の燃料電池システムと同様に、可能な限り燃料である水素ガスを大気中に放出しないようにパージが行われるので、燃費の向上を実現することが可能であることに加え、第２エゼクタ９の循環路７に設置したタンク１８の天地の上の方向に水素分離装置１２を設置することにより、水素濃度の高いガスを水素分離装置１２に導入させることが可能となり、水素分離効率を向上させることができる。また、上述した各実施形態では水素分離装置１２に設置していた第２パージライン１７を、タンク１８の下方に設置することによって、水素ガス以外の不要なガスをさらに効率良く第２パージライン１７から排出することが可能となる。

第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である 水素分離装置の構成を示す模式図である。 本発明の燃料電池システムにおけるパージ動作の制御フローを示すフローチャートである。 第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 水素タンク
３ 圧力調整弁
６ 第１の循環路
７ 第２の循環路
８ 第１エゼクタ
９ 第２エゼクタ
１０ 第１パージ弁
１１ 第１パージライン
１２ 水素分離装置
１３，１４ シャットオフ弁
１５ 水素透過膜
１６ 第２パージ弁
１７ 第２パージライン
１８ タンク

Claims (10)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出される燃料ガスを循環させる複数の循環路を有し、これら複数の循環路のうちの何れかに水素透過膜を備えた水素分離装置が設けられると共に、前記水素分離装置と連結してパージ弁を備えたパージラインが設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記複数の循環路に対応して、複数のエゼクタ、または複数のノズルを内包するエゼクタを有す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. 前記水素分離装置の上流位置に開閉バルブが設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記開閉バルブと前記水素分離装置の間に不要ガスを蓄積するタンクが設置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記タンクに前記パージラインが接続され、当該タンクを介して前記水素分離装置と前記パージラインとが連結されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記タンクの上方位置に前記水素分離装置が配置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. 前記水素分離装置の下流位置に開閉バルブが設置されてい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. 前記水素分離装置の上流側及び下流側の開閉バルブを閉じた後に、前記パージラインのパージ弁を開放してパージを行うことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記複数の循環路は、前記燃料電池の燃料排ガス路から分岐されており、前記燃料排ガス路と連結されてパージ弁を有する他のパージラインが設けられていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
10. 前記水素分離装置と連結されたパージラインを開放してパージを行った後、所定時間経過した後に前記他のパージラインを開放してパージを行うことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

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