JP2006004714A

JP2006004714A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006004714A
Application number: JP2004178620A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】簡素な構成で燃料電池内の気液を分離するとともに、分離した水分が凍結してしまうことを抑止する。
【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であって、燃料電池内部におけるアノードオフガスが通過するマニホールド４８に、アノードオフガス中の水分を分離する気液分離手段を備える。燃料電池１２の内部で気液を分離することができるため、燃料電池１２の外部に気液分離器を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１０を簡素に構成することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池システムにおいて、例えば特開２００４−２２１９８号公報に記載されているように、凍結予測手段、及び凍結防止手段を有するシステムが知られている。

特開２００４−２２１９８号公報特開平１１−１１１３１５号公報特開平８−１９０９２６号公報

しかしながら、特開２００４−２２１９８号公報に記載された技術では、システム内にオフガス中に含まれる水分を除去する気液分離器が設けられているが、気液分離器における凍結については何ら考慮されていない。従って、低温時に気液分離器に集められた水分が凍結してしまう虞がある。

そして、同公報に記載されたシステムでは、気液分離器中の水分の凍結を防止しようとした場合、ヒータ等の外部加熱電源が必要となる。これにより、燃料電池システムの構成が複雑になり、システムの大型化、製造コストの上昇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内の気液を分離するとともに、分離した水分が凍結してしまうことを抑止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であって、燃料電池内部に設けられたガスが通過する経路に、ガス中の水分を分離する気液分離手段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、前記ガスは、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記カソードから排出されたカソードオフガスであることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記アノードガス又は前記カソードガスが流れるマニホールドを備え、前記気液分離手段を前記マニホールド内に設けたことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、前記気液分離手段は、前記マニホールド内で分離された水分と前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスとの再混合を防止する再混合防止手段を含むことを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前記再混合防止手段は、前記マニホールド内に設けられ、内部に前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスが流れる管状部を含むことを特徴とする。

第６の発明は、第４又は第５の発明において、前記再混合防止手段は、前記マニホールドから前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスを排出するガス排出口と、前記ガス排出口とは別に設けられ、前記マニホールド内で分離された水分を排出する水分排出口と、を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池の内部で気液を分離することができるため、燃料電池の外部に気液分離器を設ける必要がなくなる。従って、燃料電池システムを簡素に構成することが可能となり、システムの小型化を達成することができる。また、燃料電池で発生した熱を分離した水分に与えることができるため、低温動作時等においても分離した水分が凍結してしまうことを抑止できる。

第２の発明によれば、アノードから排出されたアノードオフガス、又はカソードから排出されたカソードオフガス中から水分を分離することができる。

第３の発明によれば、気液分離手段をマニホールド内に設けたため、セル構造を変化させることなく燃料電池内部に気液分離手段を設けることが可能となる。

第４の発明によれば、マニホールド内で分離された水分とガスとの再混合を防止できるため、マニホールド内での水分の回収率を高めることができ、確実に気液を分離することが可能となる。

第５の発明によれば、マニホールド内に管状部を設け、管状部内にガスを流すようにしたため、ガスによる吹き上げによって分離された水分とガスが再混合してしまうことを抑止できる。

第６の発明によれば、水分排出口をガス排出口とは別に設けたため、マニホールドからガス、水分を排出する際に、ガスと水分が再混合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。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、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。

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には空気ポンプ２０が設けられており、空気ポンプ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⁻）、カソードでは、カソードガスが送り込まれると、水素イオンと酸素とから水が生成され（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）、燃料電池１２は電力を発生する。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２２から流路２８に送られる。流路２８にはポンプ３０、逆止弁３４が設けられている。流路２８に送られたアノードオフガスは、ポンプ３０の作動によって流路１４に送られ、再び燃料電池１２のアノードに送られる。このように、本実施形態のシステムでは、アノードオフガスを循環させて燃料電池１２のアノードへ送るアノード循環系を備えている。

アノードオフガス流路２２には水素排出弁２４が接続されている。アノードオフガス流路２２、流路２８を流れるガス中に不純物が多く含まれるようになった場合は、水素排出弁２４を開くことで不純物を含むガスが排出される。水素排出弁２４の下流には、排出ガス中の水素を処理するための処理装置２６が設けられている。

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３６に送られる。カソードオフガス流路３６には空気調圧弁３８が設けられている。空気調圧弁３８の下流には、カソードオフガス流路３６から分岐し、カソードガス流路１６と接続された流路４０が設けられている。カソードオフガスの一部は流路４０に送られ、カソードガス流路１６に戻される。流路４０には、カソードガス流路１６に戻すカソードオフガス量を調整するための空気循環弁４２が設けられている。このように、本実施形態のシステムは、カソードオフガスを循環させて燃料電池１２のカソードへ送るカソード循環系を備えている。

図２は、燃料電池１２の単位セルの電解質膜の延在する方向に沿った断面を示す模式図である。図２に示すように、電解質膜の延在する方向には例えば４本のアノードガスの流路４４が設けられており、流路４４から電解質膜へアノードガスが供給されるように構成されている。

流路４４の両端には入口側のマニホールド（連通口）４６と出口側のマニホールド４８が接続されている。アノードガス流路１４から送られたアノードガスは、入口側のマニホールド４６から流路４４に送られ、流路４４から単位セルの電解質膜に供給される。電解質膜に供給された後のガスは、アノードオフガスとして出口側のマニホールド４８に送られ、マニホールド４８からアノードオフガス流路２２に排出される。

図２に示すように、出口側のマニホールド４８内には、管状部５２が単位セルの積層方向に延在するように設けられている。マニホールド４８に送られたアノードオフガスは、管状部５２の内部を通ってアノードオフガス流路２２へ排出される。

図３は、マニホールド４８内の構造を示す模式図であって、図２におけるＩ−Ｉ’線における断面を示している。本実施形態では、説明の便宜上、燃料電池１２に１３個の単位セルが積層されているものとし、各単位セルを＃１〜＃１３のセル番号で示すものとする。各単位セル＃１〜＃１３には図３の上下方向に並んだ４本の流路４４からアノードガスが送られ、流路４４の出口からマニホールド４８へアノードオフガスが排出される。

図３に示すように、管状部５２はマニホールド４８内の上部に配置されている。管状部５２の端部５２ａはマニホールド４８内に開放されており、アノードオフガスの吸い込み口とされている。また、管状部５２の反対側の端部はアノードオフガス流路２２と接続されている。

各流路４４からマニホールド４８内に排出されたアノードオフガスは、管状部５２の端部５２ａに向かって図３中の矢印Ａ方向に流れ、端部５２ａから管状部５２内に入り、管状部５２内をアノードオフガス流路２２に向かって流れる。

上述したように各単位セルのカソードでは発電の際の反応によって水分が生成される。そして、カソードで生成された水分の一部は電解質膜を透過してアノード側に移動するため、アノードオフガスには水分が含まれている。アノードオフガス中の水分の含有量が多くなると、流路２８から燃料電池１２のアノードへ送られる水分量が多くなるため、燃料電池１２の効率が低下する場合がある。このため、本実施形態では、マニホールド４８内でアノードオフガス中の水分を分離することで、アノードオフガス中の水分量を低減させるようにしている。

マニホールド４８内へアノードオフガスが送り込まれると、アノードオフガスの流路が急激に拡大されるため、流路４４の出口において流速が遅くなる。これにより、アノードオフガスが管状部５２の端部５２ａに到達するまでの間に、気体と水分の重量の違いに応じてアノードオフガス中の水分が下側へ落下する。また、マニホールド４８の内壁に付着したアノードオフガス中の水分は壁面に沿って落下する。従って、アノードオフガスに含まれる水分をマニホールド４８内の下方向へ移動させることができ、水分をマニホールド４８の底の凹部４８ａに溜めることができる。

このように、本実施形態では、マニホールド４８内でアノードオフガス中の水分を分離することができる。従って、燃料電池システム１０内に燃料電池１２とは別に気液分離器を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１０を簡素に構成することが可能となる。また、アノードオフガスから分離した水分はマニホールド４８内に溜まるため、燃料電池１２で発生した熱を水分に常時与えることが可能となり、燃料電池１２が低温動作している場合であっても水分が凍結してしまうことを抑止できる。

また、管状部５２内にガスを流すようにしたため、マニホールド４８内を流れるガス流と凹部４８ａに溜まった水分を分離することが可能となる。これにより、アノードオフガスから水分を分離した後、マニホールド４８内のガス流によって分離した水分と気体が再び混合してしまうことを抑止できる。従って、アノードオフガス中から確実に水分を分離することができる。

マニホールド４８内における管状部５２の長さは任意に設定できるが、分離した水分と気体の再混合を防ぐためには、管状部５２の長さをできるだけ長くし、図３に示すように端部５２ａの位置をマニホールド４８の内壁に近づけておくことが好適である。これにより、管状部５２内を流れるガスと凹部４８ａに溜まった水分とを確実に分離することができ、マニホールド４８内のガス流による吹き上げによって分離した水分と気体が再び混合してしまうことを確実に抑止できる。

なお、図３では管状部５２の端部５２ａから管状部５２内にガスを導入するようにしているが、管状部５２の側面に孔を設けて、この孔から管状部５２内にガスを導入するようにしても良い。また、管状部５２へのガスの導入部にメッシュ又は焼結金属を設けることで、水分が管状部５２内に入ることを抑えても良い。

図３に示すように、マニホールド４８の底の凹部４８ａには排出弁５４が接続されている。そして、排出弁５４とマニホールド４８を接続する管に凹部４８ａに溜まった水分が流入するように構成されている。排出弁５４は、通常の運転時には閉状態に設定されており、マニホールド４８内で分離された水分を排出する際に開状態に設定される。

マニホールド４８内では、排出弁５４を開くと図３中の矢印Ｂ方向の流れが生じるように構成されている。従って、排出弁５４を所定のタイミングで開くことで、凹部４８ａに溜まった水分を適宜排出することが可能である。

より具体的には、排出弁５４が閉じられている状態では、ポンプ３０の昇圧力によって燃料電池１２からアノードオフガスが排出され、図３中の矢印Ａ方向の流れが生じている。そして、排出弁５４を開いた場合には、ポンプ３０の昇圧力よりも排出弁５４の前後差圧が大きくなるように設計しておくことで、排出弁５４を開いた時にマニホールド４８内で矢印Ｂ方向の流れを生じさせることができる。

このように、本実施形態では、マニホールド４８に対して、気体成分を排出するアノードオフガス流路２２と、水分を排出する排出弁５４をそれぞれ接続しているため、マニホールド４８内で分離した気体成分と水分を個別に排出することが可能である。従って、マニホールドからガスと水分を排出する際に、ガスと水分が再び混合してしまうことを抑止できる。これにより、アノードオフガス中から確実に水分を分離することができる。

なお、図３に示すように、排出弁５４は燃料電池１２に対してアノードオフガス流路１４と同じ側に設け、管状部５２の端部５２ａの反対側に設けることが好適である。これにより、排出弁５４を開いた際の流れの向き（矢印Ｂ方向）が管状部５２の端部５２ａへ向かう方向と反対になるため、管状部５２内へ水分が流入してしまうことを確実に抑止できる。

また、図３の例ではマニホールド４８に溜まった水分を排出するために排出弁５４を設けているが、排出弁５４の代わりにオリフィス等を設けても良い。この場合、マニホールド４８からの排水量と、オリフィスの前後差圧に応じて適宜オリフィス径を設定することが好適である。また、マニホールド４８に溜まった水分を貯水するためのタンクを燃料電池１２の外部に設けても良い。

次に、図４及び図５に基づいて、マニホールド４６，４８内におけるガス圧力について説明する。図４は、マニホールド４６内、およびマニホールド４８内におけるガス圧力を説明するための模式図であって、マニホールド４６，４８の延在する方向（単位セルの積層方向）に沿った断面を示している。すなわち、図４は、図２のＩＩ−ＩＩ’線における断面を示している。

図４に示す複数の流路４４は、単位セル＃１〜＃１３のそれぞれにアノードガスを供給するものである。図４に示すように、マニホールド４６内における各流路４４の入口でのガス圧力をＰ_入口側とし、マニホールド４８内における各流路４４の出口でのガス圧力をＰ_出口側とする。そして、Ｐ_入口側において、＃１の単位セルにアノードガスを供給する流路４４の入口での圧力をＰ１とし、＃１３の単位セルにアノードガスを供給する流路４４の入口での圧力をＰ２とする。また、Ｐ_出口側において、＃１の単位セルにアノードガスを供給する流路４４の出口での圧力をＰ３とし、＃１３の単位セルにアノードガスを供給する流路４４の出口での圧力をＰ４とする。

マニホールド４６，４８内では、ガスの流れ方向に圧力損失が発生する。マニホールド４６内では、アノードガスが図４中の矢印Ｃ方向に流れるため、この方向に圧力損失が生じ、Ｐ１＞Ｐ２となる。

一方、マニホールド４８内では、各流路４４から排出されたアノードオフガスが管状部５２の端部５２ａに向かって流れるため、アノードオフガスの流れ方向（矢印Ｄ方向）に圧力損失が生じる。従って、Ｐ３＞Ｐ４となる。

図５は、ガス圧力Ｐ_入口側、ガス圧力Ｐ_出口側、がガスの流れ方向で変化する様子を示す模式図である。ここで、図５（Ａ）は、マニホールド４８内に管状部５２を設けた本実施形態の燃料電池において、ガス圧力Ｐ_入口側、ガス圧力Ｐ_出口側が変化する様子を示している。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）との比較のため、マニホールド４８内に管状部５２を設けていない場合にＰ_入口側、Ｐ_出口側、が変化する様子を示している。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）において、縦軸は圧力を示しており、横軸はＰ_入口側、Ｐ_出口側が計測される各流路４４の入口又は出口に対応したセル番号＃１〜＃１３を示している。

図５（Ａ）に示すように、流路４４を通過する際に圧力損失が生じるため、マニホールド４８内のガス圧力Ｐ_出口側は、マニホールド４６内のガス圧力Ｐ_入口側よりも低くなる。

マニホールド４６内におけるガス圧力Ｐ_入口側は、マニホールド４６内を流れるアノードガスの上流側ほど高くなる。従って、図５（Ａ）に示すように、Ｐ_入口側は、＃１の単位セルの流路４４の入口での圧力Ｐ１から、＃１３の単位セルの流路４４の入口での圧力Ｐ２へ減少する。

一方、マニホールド４８内におけるガス圧力Ｐ_出口側は、マニホールド４８内を流れるアノードオフガスの上流側ほど高くなる。従って、図５（Ａ）に示すように、Ｐ_出口側は、＃１の単位セルに対応した流路４４の出口での圧力Ｐ３から、＃１３の単位セルに対応した流路４４の出口での圧力Ｐ４へ減少する。

マニホールド４６内とマニホールド４８内での圧力損失が同等であれば、図５（Ａ）においてセル番号の増加に伴うＰ_入口側の減少量（Ｐ１−Ｐ２）とＰ_出口側の減少量（Ｐ３−Ｐ４）が同等になり、各単位セル＃１〜＃１３に対応した各流路４４において、入口と出口における差圧（Ｐ_差圧）をほぼ等しくすることができる。従って、各単位セルに均等にアノードガスを供給することが可能となり、単位セル毎に発電量にバラツキが生じてしまうことを抑止できる。これにより、燃料電池１２の発電効率を高めることが可能となる。

図５（Ｂ）の場合、マニホールド４８内に管状部５２を設けていないため、マニホールド４８に排出されたアノードオフガスは直接アノードオフガス流路２２に向かって流れ、マニホールド４８内におけるアノードオフガスの流れ方向は図４の矢印Ｄの方向と反対方向になる。この場合、アノードオフガスの流れ方向に圧力損失が生じるため、図５（Ｂ）に示すようにセル番号が大きくなるほどＰ_出口側は大きくなる。従って、マニホールド４８内に管状部５２を設けていない場合は、セル番号が大きな単位セルほど流路４４の入口と出口における差圧（Ｐ_差圧）が小さくなり、各単位セルに均等にアノードガスを供給することができなくなる。これにより、燃料電池の効率が低下してしまうことが想定される。

従って、本実施形態のようにマニホールド４８内に管状部５２を設けて、マニホールド４６内とマニホールド４８内におけるガスの流れ方向を同一にすることで、各単位セル＃１〜＃１３に対応した各流路４４において、入口と出口における差圧（Ｐ_差圧）をほぼ等しくすることが可能である。

以上説明したように本実施形態によれば、マニホールド４８内でアノードオフガス中の水分を分離することが可能となるため、燃料電池システム１０内に燃料電池１２とは別に気液分離器を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１０を簡素に構成することが可能となる。また、アノードオフガスから分離した水分に燃料電池１２で発生した熱を水分に常時与えることができるため、分離した水分が凍結してしまうことを抑止できる。

また、マニホールド４８に管状部を設けたため、マニホールド４６，４８内における各流路４４の入口と出口でのガスの流れ方向を同じ向きにすることができ、各単位セル＃１〜＃１３に対応した各流路４４の入口−出口間の差圧を一定にすることができる。従って、各単位セル＃１〜＃１３へのアノードガスの分配を均一化することができ、燃料電池１２の発電効率を高めることができる。

なお、本実施形態では、燃料電池１２のアノード側のガスに含まれる水分を分離する構成を例示したが、カソード側のガスに含まれる水分を分離する場合もアノード側と同様に構成することが可能である。また、本実施形態のシステムは、上述したようにアノードオフガスを循環させてアノードガス利用効率を高めるアノード循環系燃料電池システムや、燃料電池に供給した燃料ガスを燃料電池内部に留めることにより燃料ガスの利用効率を高めるアノードデッドエンド式の燃料電池システム等に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。燃料電池の単位セルの電解質膜の延在する方向に沿った断面を示す模式図である。出口側のマニホールド内の構造を示す模式図である。入口側のマニホールド内、および出口側のマニホールド内におけるガス圧力を説明するための模式図である。マニホールド内におけるガス圧力が流れ方向で変化する様子を示す模式図である。

符号の説明

１２燃料電池
４６，４８マニホールド
５２管状部
５４排出弁

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であって、
燃料電池内部に設けられたガスが通過する経路に、ガス中の水分を分離する気液分離手段を備えたことを特徴とする燃料電池。
前記ガスは、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記カソードから排出されたカソードオフガスであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスが流れるマニホールドを備え、前記気液分離手段を前記マニホールド内に設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記気液分離手段は、前記マニホールド内で分離された水分と前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスとの再混合を防止する再混合防止手段を含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記再混合防止手段は、前記マニホールド内に設けられ、内部に前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスが流れる管状部を含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
前記再混合防止手段は、
前記マニホールドから前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスを排出するガス排出口と、
前記ガス排出口とは別に設けられ、前記マニホールド内で分離された水分を排出する水分排出口と、を含むことを特徴とする請求項４又は５記載の燃料電池。