JP2005158598A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】加湿用の水を燃料電池に供給する水タンクにおいて、タンク内に滞留した水素を十分に希釈して排出することを課題とする。
【解決手段】水タンク１０に、水素の希釈用ガスを導入する希釈用空気導入配管１２と、タンク内に滞留した水素と希釈用ガスとを混合した希釈ガスを外部に排出する希釈空気排出配管１３とを設けた構成とし、タンク内に滞留した水素を希釈用ガスで混合して希釈するとともに、この希釈ガスを希釈空気排出配管１３を介してタンク外に排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池車両等に搭載可能な燃料電池システムは、燃料電池の水素極に燃料ガスとなる水素を、また空気極には酸化剤ガスとして空気を供給してこれらを反応させることにより発電電力を得ている。このような燃料電池システムでは、燃料電池の運転中に、電解質膜や燃料極、空気極を加湿するための水循環系を備えている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２６０７０８号公報

燃料電池の燃料極に供給された水素の一部は、微量ながら水循環系の流路（以下、適宜に水流路）に混入することが知られている。とくに、燃料電池のセパレータとしてポーラスプレートを使用した場合には、水素がポーラスプレートを通過して水流路に混入する可能性が高いと考えられている。水循環系は、純水を貯蔵する水タンクとつながっているため、水流路に混入した水素は水とともに回収されて水タンクに滞留することになる。この水タンクに滞留した水素が再び水流路に入り込むと、加湿に必要な水量を供給できなくなる可能性がある。また、水タンクに破損などが生じた場合は、高濃度の水素が外部に排出されてしまうおそれがある。

請求項１の発明は、少なくとも、電解質膜、燃料ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、および水を通過させる水流路を備え、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の水流路に供給する水を貯蔵する水タンクと、前記水タンクに貯蔵した水を前記燃料電池の水流路に循環させる水循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記水タンクに、水素の希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入路と、タンク内に滞留した水素と前記希釈用ガスとを混合した希釈ガスを外部に排出する希釈ガス排出路とを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、タンク内に滞留した水素は希釈用ガス導入路から導入した希釈用ガスで混合して希釈されるとともに、この希釈ガスは希釈ガス排出路を介してタンク外に排出されるため、水タンク内に滞留した水素が再び水流路に入り込むことがなく、燃料電池の加湿に必要な水量を確実に供給することができる。また、水タンクに破損などが生じた場合でも、タンク内の水素は十分に希釈されているため、高濃度の水素が外部に排出されることがない。

以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態を示す実施例について説明する。以下の実施例においては、本発明の特徴を説明するのに必要な部分についてのみ説明する。

図１は、本実施例に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、大別すると、燃料電池１、水素希釈装置９、水タンク１０を備えている。

燃料電池１は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより直流電力を発電する燃料電池スタックであり、例えば、固体高分子電解質膜１０３の両側に空気極１０１と燃料極１０２とを配置した燃料電池セル構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。燃料電池１内には、空気極１０１、燃料極１０２および電解質膜１０３を加湿するための図示しない水流路が設けられている。本実施例では、セパレータとしてポーラスプレートを使用し、且つ燃料電池１で発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給するとともに、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。

水素希釈装置９は、燃料電池１の燃料極１０２から排出された排水素を燃料供給流路Ｌ４から、またパージすべき水素を燃料パージ流路Ｌ５からそれぞれ導入し、これら排水素を、希釈空気排出路Ｌ３から導入した希釈空気と、外気導入による空気とを用いて希釈して排気する水素希釈手段である。

水タンク１０は、燃料電池１に供給する加湿用の水を貯蔵するタンクである。この水タンク１０から送り出された水は水循環流路Ｌ６により燃料電池１に供給され、余り水は再び水タンク１０に回収される。

燃料電池システム１００は、燃料電池１に空気を供給する酸化剤ガス供給手段としての空気系と、燃料電池１に水素ガスを供給する燃料ガス供給手段としての燃料系と、燃料電池１に加湿用の純水を供給する水循環手段としての水循環系を備えている。

空気系は、空気供給流路Ｌ１に、空気を圧送するコンプレッサ２、圧力調整用の制御弁３が設けられて構成されている。また、空気系には、空気供給流路Ｌ１から分岐した希釈用ガス導入路Ｌ２が設けられている。希釈用ガス導入路Ｌ２は、希釈用ガスとしての空気を水タンク１０に導入するための流路である。この希釈用ガス導入路Ｌ２は、コンプレッサ２の下流から分岐した希釈用空気導入配管１２で構成され、水タンク１０に接続されている。さらに、空気系として、希釈ガス排出路としての希釈空気排出路Ｌ３が設けられている。希釈空気排出路Ｌ３は、水タンク１０内に滞留した水素と、希釈用ガスとして導入された空気とを混合した希釈空気を排出するための流路である。この希釈空気排出路Ｌ３は、水タンク１０の上部から取り出された希釈空気排出配管１３で構成され、水素希釈装置９に接続されている。本実施例において、希釈空気排出路Ｌ３は、燃料パージ流路Ｌ５とは独立した排出路として水素希釈装置９に接続されている。

燃料系は、燃料供給流路Ｌ４に、燃料貯蔵用タンク４、圧力調整用の制御弁５、燃料循環用のエゼクタポンプ６が設けられて構成されている。また、燃料系には、燃料供給流路Ｌ４から分岐した燃料パージ流路Ｌ５が設けられている。燃料パージ流路Ｌ５はエゼクタポンプ６の下流から分岐した水素排出配管７で構成され、水素放出弁８が設けられて水素希釈装置９に接続されている。なお、燃料循環用の補機として、エゼクタポンプの替わりにコンプレッサを設けてもよい。

水循環系は、水タンク１０につながる水循環流路Ｌ６に、駆動速度を無段階調節可能なポンプ１１が設けられて構成され、燃料電池１に加湿用の水を供給している。

上記構成において、燃料電池１には図示しないセパレータとしてポーラスプレートを使用しているため、燃料電池１の燃料極１０２に供給された水素がポーラスプレートを通過して水流路に混入し、水循環流路Ｌ６を通って水タンク１０に滞留することが予想される。本実施例では、空気供給流路Ｌ１から分岐した希釈用ガス導入路Ｌ２により、希釈用ガスとしての空気が水タンク１０に導入されるため、水タンク１０内に滞留した水素は導入された空気と混合して希釈されることになる。水素と空気とを混合した希釈空気は、水タンク１０につながる希釈空気排出路Ｌ３により水素希釈装置９に排出される。水素希釈装置９では、希釈空気排出路Ｌ３から排出された希釈空気が外気導入による空気で希釈されて外部に排気される。同様に、燃料供給流路Ｌ４から導入された排水素、燃料パージ流路Ｌ５からそれぞれ導入された水素も、外気導入による空気や希釈空気排出路Ｌ３から排出された希釈空気により希釈されて外部に排気される。したがって、水タンク１０内に滞留した水素が再び水流路に入り込むことがなく、燃料電池１の加湿に必要な水量を確実に供給することができる。また、水タンクに破損などが生じた場合でも、高濃度の水素が外部に排出されることがない。

なお、燃料電池１の通常時（故障や破損などがない状態）に水タンク１０に混入してくる水素は微量であるため、希釈用ガス導入路Ｌ２から排出された空気だけでも十分に水素を希釈することができる。したがって、本実施例のように、希釈空気を希釈空気排出配管１３を介して水素希釈装置９に排出することなしに、水タンク１０の上部から排気するような構成としてもよい。

一方、燃料電池１が故障や破損などにより、通常時に想定している水素量よりも多くの水素が水流路に混入した場合、上記のような構成では水タンク１０内の水素を十分に希釈させることができない可能性がある。しかしながら、本実施例では、通常時よりも多くの水素が水流路に混入して水タンク１０内に滞留しても、この水素は希釈用ガス導入路Ｌ２から希釈用ガスとして導入された空気により希釈され、その後、希釈空気排出路Ｌ３から水素希釈装置９へ排出され、さらに空気で希釈されて外部に排気されるため、外部に高濃度の水素が排出されることがなく、常に十分に希釈された水素を排気することができる。

ここで、燃料電池１の故障や破損などを想定したうえで水タンク１０内を希釈してしまうと、通常時から多くの空気を導入しなければならないため、希釈のための消費エネルギー（例えば、送風機などで消費するエネルギー）が多くなり、システムとしてのエネルギー効率が悪くなってしまう。しかしながら、本実施例の構成では、希釈用ガス導入路Ｌ２から希釈用ガスとして導入される空気は、通常時に水タンク１０に混入してくる微量な水素に対応した換気空気量とすることができるため、希釈のための消費エネルギーを必要最小限とすることができる。また、通常時に水タンク１０から排出される希釈空気は低濃度に希釈されているため、この希釈空気を水素希釈装置９の希釈空気として二次利用することができる。したがって、本実施例の構成においては、システムとしてのエネルギー効率を向上させることができる。

また、本実施例では、水タンク１０内の水素を希釈するための空気を、空気供給流路Ｌ１に接続されたコンプレッサ２の下流から導入するようにしたので、水タンク１０内を希釈するための専用のコンプレッサなどが不要になる。ただし、配管レイアウトなどを考慮した場合に、別のブロアやコンプレッサ、またはファンなどによって希釈空気を水タンク１０に導入するように構成してもよい。

また、本実施例では、水タンク１０からの希釈空気排出路Ｌ３を、燃料パージ流路Ｌ５とは独立した排出路として水素希釈装置９に接続している。このため、水素希釈装置９内では、希釈空気排出配管１３から排気される希釈空気によって、水素排出配管７から排気される排水素が攪拌されることになり、排水素をより均一に希釈することができる。

図２は、燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。図２では、水タンク１０の希釈空気排出配管１３を水素排出配管７と結合して、一つの排出路として水素希釈装置９に接続した構成を示している。他の構成は図１と同じであり、同一部分を同一符号で示している。図２の構成によれば、希釈空気排出配管１３の配管長を短くすることができるため、コストを削減することができる。また、水素希釈装置９に接続する排水路を一つにまとめることにより、水素希釈装置９の接続部分におけるレイアウト設計に余裕を持たせることができる。

図３は水素希釈装置９の構成図であり、図３（ａ）は要部を示す概略側面図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線から見たときの概略断面図である。

水素希釈装置９は、希釈ボックス９ａと、外気導入した空気を希釈ボックス９ａ側に送風する送風装置１４とで構成されている。希釈ボックス９ａには排出口１５が設けられ、外気導入された空気や希釈空気により希釈された水素は排出口１５から外部に排気される。

希釈ボックス９ａ内には、希釈空気が排出される希釈空気排出配管１３の出口配管（以下、希釈空気排出配管１３）と、排水素を排出するための水素排出配管７の出口配管（以下、水素排出配管７）が導かれ、希釈空気排出配管１３は水素排出配管７の近傍であって、水素排出配管７と並行に配置されている。また、希釈空気排出配管１３は水素排出配管７の上方、且つ外気を導入する送風装置１４側にオフセットして配置されている。希釈空気排出配管１３には希釈空気を排出する排出孔１６が複数設けられ、水素排出配管７には排水素を排出する排出孔１７が複数設けられている。排出孔１６および１７は、ともに重力方向の斜め下方に向けて開口している。

上記の構成によれば、送風装置１４から送られてくる空気の一部と、希釈空気排出配管１３から排出された希釈空気とが希釈拡散スペース“Ａ”に流れ込み、この部分で水素排出配管７から排出された排水素と混じり合うため、排水素を希釈拡散させることができる。

本実施例によれば、希釈空気排出配管１３が水素排出配管７の近傍で、且つ水素排出配管７と並行に配置されているため、希釈拡散スペース“Ａ”において、希釈空気と排水素とを均一に混合することができる。

また本実施例では、希釈空気排出配管１３が水素排出配管７の上方、且つ送風装置１４側にオフセットしているため、質量の重い希釈空気が希釈空気排出配管１３から下方に流れて、水素排出配管７から上方に流れる排水素と混合するとともに、希釈空気排出配管１３と水素排出配管７は、送風装置１４から送風される空気に対し斜めに対向する整流板として機能して、送風される空気の一部を希釈ボックス９ａの底部に導くことになる。したがって、希釈拡散スペース“Ａ”では、希釈空気排出配管１３から排出された希釈空気、水素排出配管７から排出された排水素、および送風装置１４から送風された空気がより均一に混合されることになり、排水素を効率良く希釈拡散することができる。

実施例１に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図。 燃料電池システムの他の構成を示すブロック図。 水素希釈装置の構成図。（ａ）は要部を示す概略側面図。（ｂ）はＡ−Ａ線から見たときの概略断面図。

符号の説明

１…燃料電池
２…コンプレッサ
３…制御弁
４…燃料貯蔵用タンク
５…制御弁
６…エゼクタポンプ
７…水素排出配管
８…水素放出弁
９…水素希釈装置
１０…水タンク
１１…ポンプ
１２…希釈用空気導入配管
１３…希釈空気排出配管
１４…送風装置
１００…燃料電池システム
１０１…空気極
１０２…燃料極
１０３…固体高分子電解質膜
１０３…電解質膜

Claims (7)

1. 電解質膜、燃料ガスが供給される燃料極、酸化剤ガスが供給される酸化剤極、および水を通過させる水流路を備え、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池の水流路に供給する水を貯蔵する水タンクと、
   前記水タンクに貯蔵した水を前記燃料電池の水流路に循環させる水循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記水タンクは、水素の希釈用ガスを導入する希釈用ガス導入路と、タンク内に滞留した水素と前記希釈用ガスとを混合した希釈ガスを外部に排出する希釈ガス排出路とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の燃料極から排出された排水素を排水素排出路から導入し、前記排水素を外気導入による空気で希釈して排気する水素希釈手段を備え、
   前記水タンクの希釈ガス排出路を、前記水素希釈手段に接続した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. 前記水タンクの希釈ガス排出路を、前記排水素排出路とは独立した排出路として前記水素希釈手段に接続した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. 前記水素希釈手段内において、前記希釈ガス排出路の出口配管を、前記排水素排出路の出口配管の近傍であって、前記前記排水素排出路の出口配管と並行に配置した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. 前記希釈ガス排出路の出口配管を、前記排水素排出路の出口配管の上方で、且つ外気導入される空気の送風側にオフセットして配置した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. 前記水タンクの希釈ガス排出路を前記排水素排出路と結合して、一つの排出路として前記水素希釈手段に接続したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記水タンクに導入される希釈用ガスとして、前記燃料電池の酸化剤極に供給される酸化剤ガスを導入することを請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
   

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