JP2005235462A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料オフガスを循環させる際に、燃料オフガスの充填効率を改善することを目的とする。
【解決手段】 本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排気される燃料オフガスを循環させる構成を備えた燃料電池システムであって、循環経路に配され、前記燃料オフガスを加圧する加圧手段と、前記燃料電池と前記加圧手段との間に配され、前記燃料オフガスの温度を低下させる温度低下手段と、を備える。前記温度低下手段は、前記燃料電池の冷却系統の冷媒との熱交換により燃料オフガスの温度を低下させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料オフガスの排気処理技術に関する。

従来より、燃料電池のアノード側から排気される燃料オフガスをポンプ等の加圧手段で加圧して、新規の燃料ガスと合流させて再び燃料電池に供給する構成、すなわち燃料オフガスを循環させる構成を備えた燃料電池システムが開発・提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。このような燃料電池システムによれば、燃料電池で消費されなかった燃料ガスを有効に再利用して、燃費を向上させることができる。
特開２００３−６８３３４号公報 特開２００３−１５７８７４号公報 特開２００１−２６６９２２号公報

従来のように燃料電池から排気された燃料オフガスをそのまま加圧手段に供給する構成のもとでは、燃料オフガスが高温のまま（例えば８０℃以上）加圧手段に供給されることになるため、燃料オフガスの充填効率（燃料オフガス中の燃料密度）を充分に高くすることが難しいという問題があった。

そこで本発明は、燃料オフガスを循環させる際に、燃料オフガスの充填効率を改善することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排気される燃料オフガスを循環させる構成を備えた燃料電池システムであって、循環経路に配され、前記燃料オフガスを加圧する加圧手段と、前記燃料電池と前記加圧手段との間に配され、前記燃料オフガスの温度を低下させる温度低下手段と、を備える。前記温度低下手段は、例えば、前記燃料電池の冷却系統の冷媒との熱交換により燃料オフガスの温度を低下させる構成とすることができる。又は、例えば、前記燃料電池へ供給される燃料ガスとの熱交換により燃料オフガスの温度を低下させる構成とすることができる。

かかる構成によれば、加圧手段に対して、温度の低下により充填効率の上がった燃料オフガスが供給されるため、加圧手段は高温のまま加圧する場合に比べて少ない動力で必要な燃料を循環させることが可能となる。

好適には、前記温度低下手段は、温度低下により燃料オフガス中の水分を凝縮させて分離する機能を備えていることが望ましい。

かかる構成によれば、温度低下により水分を凝縮させて分離することで、燃料オフガスに含まれる水分を容易に回収することができる。その結果、燃料オフガス中の水分回収率を向上させて加圧手段の劣化等を防止することができ、従来は別途に必要であった劣化防止の処置等を施す必要が無くなる点でコストを削減することが可能となる。

好適には、前記温度低下手段は、温度を低下させる前の燃料オフガスの温度に応じて温度低下能力を制御することが望ましい。

かかる構成によれば、温度低下手段を通過した後の燃料オフガスの温度を安定させることができ、温度変動に伴う燃料循環量の変動を抑制することができる。

本発明の複合システムは、燃料電池に酸化ガスを供給するための加圧手段を備えた燃料電池システムと、前記燃料電池システムとは独立に動作し、冷房の用に供することが可能なエアコンディショナーシステムと、を備えた複合システムであって、前記燃料電池システムは、前記加圧手段の上流に配され、前記エアコンディショナーシステムの冷媒との熱交換により酸化ガスの温度を低下させる温度低下手段を備えていることを特徴とする。

かかる構成によれば、加圧手段に対して、温度の低下により充填効率の上がった酸化ガスが供給されるため、加圧手段は大気温度のまま加圧する場合に比べて少ない動力で必要な酸化ガスを供給させることが可能となる。

本発明によれば、燃料オフガスを循環させる際に、燃料オフガスの充填効率を改善することができる。

以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。

図２は燃料電池電気自動車に搭載される燃料電池システムの概略構成を示している。

燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス供給装置４２、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、及び制御部８０を備えて構成されている。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。制御部８０はアクセルセンサ８４によって検出されたアクセル開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように燃料ガス供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整する。ＰＣＵ８２はインバータとＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力制御装置であり、燃料電池２０が発電した直流電力を交流電力に変換して車両走行用のモータ８３に供給する他、余剰電力を二次電池８１に蓄電する。二次電池８１はブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担う。

（第１実施例）
図１は第１実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成を示している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための系統と、酸化ガスを供給するための系統と、燃料電池２０を冷却するための系統とを備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５、及びカソードガスチャンネル２６から成る単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したセパレータを介して複数の単位セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させるポンプ３５、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ３６等が設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に還流させるための循環流路５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス流路４１には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池の燃料ガス供給口（入口）を開閉する遮断弁４６等が設置されている。燃料ガス供給装置４１は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。

循環流路５１には、燃料オフガスを排出する遮断弁５２、燃料オフガスから水分を回収する気液分離器５３、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁５４、モータによって駆動される循環ポンプ（加圧手段）５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流することを防止する逆流阻止弁５６等が設置されている。循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づき、アノードガスチャンネル２５を通過する際に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。

循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐配管されている。排気流路６１には排気弁（排気手段）６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。排気弁６３を開閉することで、燃料電池内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止する。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

更に、第１実施例の循環流路５１には、アノードガスチャンネル２５と気液分離器５３との間に（従ってアノードガスチャンネル２５と循環ポンプ５５との間に）、熱交換器（温度低下手段）５７が配されており、熱交換器５７を通過した燃料オフガスが気液分離器５３を経由して循環ポンプ５５に流入するように構成されている。

熱交換器５７は、冷却路３１から分岐した第２冷却路３７を介して、燃料電池２０を循環する冷却水が流入する構成となっており、かかる冷却水と燃料オフガスとの熱交換により、熱交換器５７を通過する燃料オフガスの温度を（例えば６５℃程度まで）低下させる。

温度の低下により燃料オフガスの充填効率（水素ガスの場合、水素密度）が上がることから、循環ポンプ５５は高温のまま加圧する場合に比べて少ない動力で必要な燃料（水素量）を循環させることが可能となる。なお、循環ポンプ５５の動力をさらに低くしたい場合には、例えば第２冷却路３７を流れる冷却水の流速（流量）を速くしたり、バルブ３４の開度を変えることでラジエータ３３を流れる冷却水量を増やして冷却水の温度を低くするなど、熱交換器５７による温度低下の度合いを大きくすればよい。

ここで、燃料オフガス中の水分は、加圧手段の劣化を早めるなど、種々の影響を及ぼすと考えられる。このような影響を低減する方法として、例えば質量差を利用して水分を除去する気液分離器を加圧手段の上流に設けることが考えられる。しかし、このように気液分離器を設けたとしても、高温・湿潤な燃料オフガスから水分を充分に除去することは難しく、結局は加圧手段の劣化を防止するために別途の処置等が必要となって、コストアップを招くことになる。

これに対し、本実施例の構成では、温度低下によって燃料オフガスに含まれる水分が凝縮すると考えられることから、気液分離器５３によって容易かつ充分に水分を回収することができる。その結果、燃料オフガス中の水分回収率を向上させることで循環ポンプ５５の劣化等を防止することができるため、従来は別途に必要であった劣化防止の処置等を施す必要が無くなり、コストを削減することが可能となる。なお、本実施形態の構成を採用しつつ、更に循環ポンプ５５等に対して劣化防止のための別途の処置等を施してもよく、この場合は循環ポンプ５５等の耐久性を大幅に向上させることができる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだエアに含まれている粉塵等を除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５等から構成され、圧縮エアを酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置されている。また、酸化ガス供給装置７３の下流に配された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードガスチャンネル２６の背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、設計に応じて気液分離器やマフラー等を経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。

制御部８０は、各流路に設置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態（例えば、電力負荷）に応じて、各モータを駆動して循環ポンプ５５とエアコンプレッサ７４の回転数を調整し、更に、各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整等を行う。制御部８０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。

ここで、制御部８０が、燃料オフガスの温度に応じて、すなわち燃料オフガスの温度が高い場合に温度をより低下させるように、熱交換器５７における燃料オフガスに対する温度低下能力を調整する構成としてもよい。

温度低下能力の調整方法としては、例えば第２冷却路３７を流れる冷却水の流速（流量）を変えたり、バルブ３４の開度を変えてラジエータ３３に流れる冷却水量を増減させて冷却水の温度を変える方法などが考えられる。燃料オフガスの温度と冷却水の流速等との関係は予めマップデータとして用意しておけばよい。このように構成することで、熱交換器５７を通過した後の燃料オフガスの温度を安定させることができ、温度変動に伴う燃料循環量（水素循環量）の変動を抑制することができる。

（第２実施例）
図３は、燃料電池システム１０と、燃料電池システム１０とは独立に動作し、冷房の用に供することが可能なエアコンディショナーシステム９０（例えば、燃料電池電気自動車等が備えているＡ／Ｃシステム）とを含む、複合システムのシステム構成を示している。

第２実施例の燃料電池システム１０は、原則として第１実施例と同様の構成を備えている。ただし、図３からわかるように熱交換器５７等は設けられておらず、代わりに酸化ガス流路７１に熱交換器７８が設けられている点で、第１実施例の燃料電池システムとは異なっている。

すなわち、第２実施例の酸化ガス流路７１には、エアフィルタ７４とエアコンプレッサ７５との間に熱交換器（温度低下手段）７８が配されており、熱交換器７８を通過した酸化ガスがエアコンプレッサ７５に流入するように構成されている。

熱交換器７８は、Ａ／Ｃシステム９０の冷媒循環経路から分岐した冷媒経路９１を介して、Ａ／Ｃシステム９０にて冷却された冷媒が流入する構成となっており、かかる冷媒と酸化ガスとの熱交換により、熱交換器７８を通過する酸化ガスの温度を低下させる。温度の低下により酸化ガスの充填効率（酸素密度）が上がることから、エアコンプレッサ７５は大気温度のまま加圧する場合に比べて少ない動力で必要な酸化ガス（酸素量）を供給することが可能となる。

なお、第１実施例と同様に、熱交換器７８に流入する酸化ガスの温度に応じて、例えば冷媒経路９１を流れる冷媒の流速（流量）を変えるなど、熱交換器７８における酸化ガスに対する温度低下能力を調整する構成としてもよい。

（変形例）
本発明は上記実施例に限定されることなく、例えば第１実施例及び第２実施例の構成を組み合わせるなど、種々に変形して適用することが可能である。

また例えば、第１実施例では、熱交換器５７について、燃料電池２０の冷却水との間で熱交換を行って燃料オフガスの温度を低下させる構成としているが、本発明はこのような構成に限られるものではない。例えば図４に部分的に示すように、熱交換器５７内を燃料ガス流路４１が通るように構成し、燃料ガス（例えば２５℃程度）と燃料オフガスとの間で熱交換を行って燃料オフガスの温度を低下させる構成としてもよい。また例えば、第２実施例のようにＡ／Ｃシステム９０の冷媒と燃料オフガスとの間で熱交換を行って、又はインバータとＤＣ／ＤＣコンバータを含む電力制御装置の冷却システムの冷媒と燃料オフガスとの間で熱交換を行って、燃料オフガスの温度を低下させる構成としてもよい。

また例えば、第１実施例の熱交換器５７において、温度低下によって凝縮した水分を例えば質量差を利用して燃料オフガスから分離し、タンク等に回収する構成としてもよい。このように構成する場合、熱交換器５７が気液分離器の機能を兼ねることとなるため、気液分離器５３の設置を省略することも可能である。

また例えば、第１実施例において、始動時など燃料電池２０の温度が低い時に、燃料オフガスとの熱交換によって温められた冷却水を利用して燃料電池２０を早期に暖機する構成としてもよい。

また例えば、第１実施例では、加圧手段として循環ポンプ５５を用いる構成について説明したが、本発明はこのような構成に限られず、例えば、循環経路５１に（より具体的には循環経路５１と燃料ガス流路４１の合流点に）エゼクタを設けて加圧手段として用いる構成を採用してもよい（図５参照）。この場合、例えば、循環流路５１に配された圧力計の検出結果に基づいてエゼクタの燃料ガス供給弁の開度を制御し、燃料ガス及び燃料オフガスの供給量を調節することが考えられる。

本実施形態の第１実施例における燃料電池システムの配管系統を中心とする構成図である。 本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 本実施形態の第２実施例における複合システムの構成図である。 第１実施例の変形例を説明するための図である。 第１実施例の他の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、３１ 冷却路、３７ 第２冷却路、４１ 燃料ガス流路、５１ 燃料オフガス流路、５３ 気液分離器、５５ 循環ポンプ、５７ 熱交換器、６１ 排気流路、６２ 希釈器、７１ 酸化ガス流路、７２ カソードオフガス流路、７４ エアフィルタ、７５ エアコンプレッサ、７６ 加湿器、７８ 熱交換器、８０ 制御部、９０ エアコンディショナーシステム

Claims (6)

1. 燃料電池から排気される燃料オフガスを循環させる構成を備えた燃料電池システムであって、
   循環経路に配され、前記燃料オフガスを加圧する加圧手段と、
   前記燃料電池と前記加圧手段との間に配され、前記燃料オフガスの温度を低下させる温度低下手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記温度低下手段は、温度低下により燃料オフガス中の水分を凝縮させて分離する機能を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、
   前記温度低下手段は、前記燃料電池の冷却系統の冷媒との熱交換により燃料オフガスの温度を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、
   前記温度低下手段は、前記燃料電池へ供給される燃料ガスとの熱交換により燃料オフガスの温度を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度低下手段は、温度を低下させる前の燃料オフガスの温度に応じて温度低下能力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料電池に酸化ガスを供給するための加圧手段を備えた燃料電池システムと、
   前記燃料電池システムとは独立に動作し、冷房の用に供することが可能なエアコンディショナーシステムと、を備えた複合システムであって、
   前記燃料電池システムは、前記加圧手段の上流に配され、前記エアコンディショナーシステムの冷媒との熱交換により酸化ガスの温度を低下させる温度低下手段を備えていることを特徴とする複合システム。

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