JP2005243505A

JP2005243505A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005243505A
Application number: JP2004053705A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Ishikawa; 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】簡素な構成で燃料電池にガスを供給する循環系の不純物を排出する。
【解決手段】アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２に供給するガスの循環系に設けられた気液分離器２６と、気液分離器２６に設けられ、循環系の水分の排水及び循環系のガスの排気の機能を共に備えたバルブ３８と、を備える。気液分離器２６に設けたバルブ３８によって循環系の排水及び排気の双方を行うことができ、システムを構成する部品点数を削減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池へアノードガス（水素ガス）を供給するシステムにおいて、アノードから排出されたアノードオフガスを再度アノードへ供給するアノード循環系が用いられている。このようなシステムにおいて、特開２００２−２８９２３７号公報には、アノード循環系に気液分離器と排気バルブをそれぞれ設け、気液分離器から不要な水分を排出するとともに、排気バルブから窒素等の不純物ガスを排出する技術が開示されている。

特開２００２−２８９２３７号公報

しかしながら、特開２００２−２８９２３７号公報に開示された技術では、窒素等の不純物ガスを排出するために、気液分離器の水分排出バルブとは別に専用の排気バルブを設ける必要がある。このため、システムを構成する部品点数が増大し、構造が複雑となり、製造コストが上昇するといった問題が生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成で燃料電池にガスを供給する循環系の不純物を排出することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給するガスの循環系に設けられた気液分離器と、前記気液分離器に設けられ、前記循環系の水分の排水及び前記循環系のガスの排気の機能を共に備えたバルブと、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記バルブは、前記循環系の不純物ガスの濃度又は前記気液分離器に捕集された水量が所定値を超えた場合に開かれることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記バルブは、前記燃料電池の出力が所定値以下となった場合に開かれることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記循環系はアノードガスの循環系であり、前記バルブの下流の配管にカソードオフガスを供給するカソードオフガス供給手段を更に備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、気液分離器に設けたバルブによって循環系の排水及び排気の双方を行うことができる。従って、システムを構成する部品点数を削減することができ、製造コストを低減することができる。

第２の発明によれば、循環系の不純物ガスの濃度又は気液分離器に捕集された水量が所定値を超えた場合にバルブを開くため、循環系のガスが不必要に排出されることがない。従って、循環系を流れるガスの利用効率を高めることが可能となる。

第３の発明によれば、燃料電池の出力が所定値以下となった場合にバルブを開くため、循環系のガスが不必要に排出されることがない。従って、循環系を流れるガスの利用効率を高めることが可能となる。

第４の発明によれば、循環系をアノードガスの循環系とし、バルブの下流の配管にカソードオフガスを供給するようにしたため、バルブの下流に溜まった水分をカソードガスの流れによって排出することができる。従って、水分がバルブの下流の配管に滞留してしまうことを抑止できる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、分離膜（電解質膜）、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６にはポンプ２０、エアフィルタ２２が設けられており、ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２４を通って再びアノードガス流路１４へ戻され、水素タンク１８から水素が補充されて再度アノードへ送られる。これにより、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素をアノードへ送って反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。アノードオフガス流路２４とアノードガス流路１４の合流部には、水素タンク１８からのアノードガスの流れを利用してアノードオフガスをアノードへ循環させるイジェクタ２８が設けられている。

アノードオフガス流路２４には、アノードオフガス中の水分を捕集する気液分離器２６が設けられている。気液分離器２６には流路３６が接続されており、アノードオフガス流路２４→アノードガス流路１４→燃料電池１２の経路からなるアノード循環系に窒素（Ｎ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の不純物成分が多く含まれる場合は、バルブ３８を間欠的に開くことでこれらの成分を排出する。

一方、カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路３０を通り、最終的にはマフラ３２から排出される。マフラ３２と並行するように希釈器３４が設けられており、マフラ３２の手前で分岐したカソードオフガスが希釈器３４へ送られるように構成されている。希釈器３４には流路３６が接続されており、窒素、水分等の不純物とともに流路３６から排出されたアノードオフガス中の水素は、希釈器３４で希釈されて外部に排出される。

本実施形態では、流路３６に設けたバルブ３８に水分と不純物ガスの双方を排出する機能を持たせているため、１つのバルブ３８のみで、アノードオフガスに含まれる水分と、不純物ガスの双方を排出することができる。従って、システムを構成する部品点数を最小限に抑えることができ、製造コストを低減することが可能となる。

バルブ３８を開くと、アノードオフガスに含まれる未反応の水素も流路３６から排出されてしまうため、アノード循環系の不純物濃度が所定値以上となった場合、または気液分離器２６に捕集された凝縮水量が所定値以上となった場合にバルブを間欠的に開くようにする。これにより、アノードオフガス中の未反応の水素が排出されてしまうことを最小限に抑えることができる。

また、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）は、アノード循環系に含まれる窒素、水分等の不純物が多くなると低下するため、燃料電池１２の出力をモニタしておき、出力が所定の基準値よりも低下した場合に、バルブ３８を開いて不純物を排出するようにしても良い。

ところで、上述したように、バルブ３８はアノード循環系を流れる不純物ガス、水分が多くなったと判断される場合にのみ開かれるため、流路３６には定常的な流れが生じていない。このため、流路３６から水分と不純物ガスの双方を排出した場合、水分が流路３６に滞留してしまう場合がある。特に燃料電池１２を燃料電池自動車などの車両に搭載した場合、流路３６は車両の床下に水平に配置されることが多い。この場合、流路３６の経路に高低差を設けることが難しくなり、流路３６内に水分が溜まり易くなる。これにより、流路３６内の流れが阻害される場合がある。また、氷点下以下の環境下において流路３６に溜まった水分が凍結すると、流路３６が閉塞し、水分、窒素等の不純物成分の排出に支障が生じる場合がある。

このため、本実施形態では、カソードオフガスの一部を流路３６に供給し、カソードオフガスの流れを利用して流路３６内に溜まった水分を強制的に排出するようにしている。
カソードオフガスは連続的に流れているため、カソードオフガスを流路３６に合流させることで流路３６内に水が滞留することを確実に抑止できる。

図１に示すように、カソードオフガス流路３０から流路４０が分岐しており、流路４０は希釈器３４の手前で流路３６と接続されている。図２は、流路４０と流路３６の接続部の近傍を詳細に示す模式図である。図２に示すように、希釈器３４の手前において、流路４０に対して平行に流路３６が接続されている。このように、流路４０と流路３６の接続部を平行にして、流路４０にカソードオフガスを勢い良く流すことで、流路３６内のガス、水分を流路４０内のカソードオフガスの流れ方向に引き抜くことができる。従って、流路３６内に溜まった水分を確実に排出することができる。

図３は、本実施形態の他の構成を示す模式図である。図３の例では、流路３６の上流側、バルブ３８の直後に流路４０を接続している。この構成によれば、流路３６に溜まった水分を上流側から希釈器３４に向けて押し出して排出することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、アノードオフガス流路２４に流れる水分、窒素等の不純物成分を気液分離器２６に捕集し、不純物ガスと水分の双方を気液分離器２６から排出するようにしたため、共通のバルブ３８から水分、ガスを排出することができる。従って、不純物ガスと水分のそれぞれを排出するために別個にバルブを設ける必要がなくなり、アノードオフガス流路２４から不純物を排出する構造を簡素に構成することができる。これにより、システムを構成する部品点数を最小限に抑えることができ、製造コストを抑えることが可能となる。

また、カソードオフガス流路から分岐させた流路４０を流路３６に接続したため、流路３６に溜まった水分をカソードオフガスの流れを利用して排出することが可能となる。従って、低温時に流路３６内で水分が凍結して流路３６内の流れを阻害することを抑止でき、システムの信頼性を高めることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、カソードオフガスの流れを利用して流路３６内に滞留した水分を排出するようにしたが、システム内の他のガス流を利用して流路３６内の水分を排出するようにしても良い。例えば、燃料電池１２に供給するカソードガスの一部を分岐させて流路３６に合流させても良い。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。希釈器の手前で流路が接続される様子を示す模式図である。本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの他の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
２６気液分離器
３８バルブ
４０流路

Claims

アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給するガスの循環系に設けられた気液分離器と、
前記気液分離器に設けられ、前記循環系の水分の排水及び前記循環系のガスの排気の機能を共に備えたバルブと、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記バルブは、前記循環系の不純物ガスの濃度又は前記気液分離器に捕集された水量が所定値を超えた場合に開かれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記バルブは、前記燃料電池の出力が所定値以下となった場合に開かれることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記循環系はアノードガスの循環系であり、
前記バルブの下流の配管にカソードオフガスを供給するカソードオフガス供給手段を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。