JP2006049138A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの出力密度及び燃費性能を低下させることなく、反応ガスを加湿する。
【解決手段】内部加湿型燃料電池２の酸化剤極側入口には、無加湿の空気が供給され、外部加湿型燃料電池３の酸化剤極側入口には、内部加湿型燃料電池２で加湿及び生成水による水蒸気を付加された空気が供給される。また、外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口には、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３から排出される湿潤な水素が循環される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、出力密度及び燃費性能を低下させることなく反応ガスを加湿するための技術に係わる。

一般に、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態を維持しないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。このような背景から、固体高分子膜を湿潤状態に維持するために、燃料電池の外部に設けた加湿装置により燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する外部加湿型燃料電池や、燃料電池内部に加湿用の純水通路を設け、この純水通路と多孔質性の水透過板を介して燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する内部加湿型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１，２，３，４を参照）。
特開２００１−３６１６６０号公報 特開平９−９２３１０号公報 特開平１１−１４４７４０号公報 特表２００１−５０４６３０号公報

しかしながら、上記外部加湿型燃料電池を利用して燃料電池システムを構築する場合、燃料電池本体とは別に加湿装置をシステム内に設ける必要があるために、燃料電池システムの容積が増加し、出力密度及び車両搭載性が低下する。また、反応ガスを加湿するために加湿装置がエネルギーを消費するので、燃料電池システム全体としての燃費性能が低下する。

一方、上記内部加湿型燃料電池を利用して燃料電池システムを構築した場合には、燃料電池が内部に純水を保持するために、純水が凍結する氷点下からの起動時には、燃料電池の暖機をするための熱量が大量に必要となる。また、燃料電池本体を構成する発電単位であるセルの大きさが外部加湿型燃料電池のセルに比べて増加するため、燃料電池システムの容積が増加し、出力密度及び車両搭載性が低下する。

なお、上記特許文献４には、燃料電池を複数備え、酸化剤極側及び燃料極側をそれぞれ直列及び並列に接続する技術が開示されているが、この技術では、燃料電池は改質型燃料電池により構成され、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する必要がない。従って、燃料ガスや酸化剤ガスの加湿が必要である非改質型の燃料電池に対して、特許文献４に記載の技術をそのまま適用することはできない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、出力密度及び燃費性能を低下させることなく反応ガスを加湿することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムでは、内部加湿型燃料電池の酸化剤極側入口には、無加湿の空気が供給され、外部加湿型燃料電池の酸化剤極側入口には、内部加湿型燃料電池で加湿及び生成水による水蒸気を付加された空気が供給される。

本発明に係る燃料電池システムによれば、システム内に加湿装置を設ける必要が無いので、出力密度及び燃費性能を低下させることなく反応ガスを加湿することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１乃至第５の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
始めに、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、水素及び空気を利用して発電する内部加湿型燃料電池２と、水素及び内部加湿型燃料電池２の酸化剤極側出口から排出される空気を利用して発電する外部加湿型燃料電池３とを備える。なお、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３は、固体高分子型燃料電池により構成され、そのアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔内部型燃料電池及び外部加湿型燃料電池の構成〕
上記内部加湿型燃料電池２の単位であるセルは、図２（ａ）に示すように、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜５２の両面にアノード電極触媒層５３及びカソード電極触媒層５４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５１と、ＭＥＡ５１の両面に配置されたアノードガス拡散層５５，カソードガス拡散層５６と、水透過板５７，５８と、セパレータ５９，６０を備える。

水透過板５７，５８は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材６１に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材６２を埋め込んで形成されている。セパレータ５９と水透過板５７，セパレータ６０と水透過板５８との間には、それぞれ純水流路７３，７４が設けられ、純水が供給される。純水は、水透過板５７，５８の純水流路７３，７４に接する一方の面から多孔質材６２を介して他方の面に浸透する。水透過板５７，５８の他方の面にはそれぞれ水素流路７１，空気流路７２が設けられ、純水流路から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。

一方、外部加湿型燃料電池３の単位であるセルは、図２（ｂ）に示すように、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜５２の両面にアノード電極触媒層５３及びカソード電極触媒層５４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５１と、ＭＥＡ５１の両面に配置されたアノードガス拡散層５５，カソードガス拡散層５６と、セパレータ５９，６０を備える。

セパレータ５９とアノードガス拡散層５５との間には、水素流路７１が設けられ、燃料電池の外部で加湿された水素が供給される。同様に、セパレータ６０とカソードガス拡散層５６との間には、空気流路７２が設けられ、燃料電池の外部で加湿された空気が供給される。

図２（ａ）、（ｂ）を比較すれば明らかなように、内部加湿型燃料電池２は、水透過板５７，５８と、純水流路７３，７４の分だけ、外部加湿型燃料電池よりスタック積層方向の寸法が大きくなっている。内部加湿型燃料電池２と外部加湿型燃料電池３の発電性能が同等とすれば、それだけ単位体積当たりの出力電力である出力密度は、内部加湿型燃料電池２が外部加湿型燃料電池３より低下することになる。

そこで、この燃料電池システム１では、出力密度の高い外部加湿型燃料電池３を主電池として、内部加湿型燃料電池２を副電池とし、加湿器を無くして、内部加湿型燃料電池２で加湿及び生成水による水蒸気を付加された未反応の空気を外部加湿型燃料電池３に供給することにより、出力密度を高め、車両搭載性を向上させると共に、加湿器によるエネルギー消費を無くして、燃費性能を向上させる。

〔燃料ガス系の構成〕
次に、上記燃料電池システム１の燃料ガス系の構成について説明する。

上記燃料電池システム１は、燃料ガス供給手段として、運転条件に適した圧力に調整された水素を内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３それぞれの燃料極側入口に供給する水素供給路４を備える。そして、この実施形態では、各燃料電池の燃料極側出口から排出される湿潤な水素は、循環ポンプ５ａ，５ｂによって内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に循環される。

なお、燃料電池の運転条件と適合すれば、循環ポンプ５ａ，５ｂに代えて、流体ポンプであるエゼクタを使用してもよい。また、この実施形態では、燃料極側出口から排出される水素は内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に循環されることとしたが、図３に示すように、各燃料極側出口から排出される水素を循環ポンプ５によって外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口のみに循環させてもよい。このような構成によれば、循環ポンプの数が減る分、燃料電池システム１の小型化が可能になり、出力密度をより向上させることができる。

また、図３に示す燃料電池システムでは、各燃料極側出口から排出される水素を合流させた後に循環ポンプ５によって外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に水素を循環させているが、図４に示すように、各水素循環路毎に循環ポンプ５ａ，５ｂを設け、循環ポンプ５ａ，５ｂによって各燃料極側出口から排出される水素を個別に外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に循環させてもよい。このような構成によれば、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３それぞれの水素過剰率（ストイキ比）を個別に設定することができる。

〔酸化剤ガス系の構成〕
次に、上記燃料電池システム１の酸化剤ガス系の構成について説明する。

上記燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給手段として、空気を圧縮して供給するコンプレッサ６を備える。コンプレッサ６は、圧縮した空気を空気供給路７を介して内部加湿型燃料電池２の酸化剤極側入口へ供給する。そして、内部加湿型燃料電池２で加湿及び生成水による水蒸気を付加された空気は、燃料電池間空気供給路８を介して外部加湿型燃料電池３の酸化剤極側入口に供給され、外部加湿型燃料電池３の酸化剤極側出口から排出された空気は、圧力調整弁９によって圧力を調整された後にシステム外部に排出される。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、内部加湿型燃料電池２の酸化剤極側入口には、無加湿の空気が供給され、外部加湿型燃料電池３の酸化剤極側入口には、内部加湿型燃料電池２で加湿及び生成水による水蒸気を付加された空気が供給されるので、システム内に空気を加湿するための加湿装置を設ける必要が無くなり、出力密度及び燃費性能を低下させることなく、空気を加湿することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口には、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３から排出される湿潤な水素が循環されるので、システム内に水素を加湿するための加湿装置を設ける必要が無くなり、出力密度及び燃費性能を低下させることなく、水素を加湿することができる。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、燃料ガス系の構成が上記第１の実施形態となる燃料電池システム１の構成と異なる。そこで以下では、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムにおける燃料ガス系の構成についてのみ説明し、その他の構成については説明を省略する。

〔燃料ガス系の構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システム２１は、図５に示すように、運転条件に適した圧力に調整された水素を供給する水素供給路４ａ，４ｂを内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３毎に備え、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３の燃料極側出口から排出された水素は循環ポンプ５によって外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に循環される。

また、内部加湿型燃料電池２の燃料極側入口に供給される水素の流量は、流量制御弁２２ａによって、内部加湿型燃料電池２内の電気化学反応により消費される流量（例えば１００）よりも大きな値（例えば１４０）に制御される。一方、水素供給路４ｂを介して外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に供給される水素の流量は、流量制御弁２２ｂによって、外部加湿型燃料電池３内の電気化学反応により消費される流量（例えば１００）よりも小さな値（例えば６０）に制御され、外部加湿型燃料電池３内の電気化学反応に必要な水素の不足分（図５に示す例では４０）は、内部加湿型燃料電池２や外部加湿型燃料電池３の燃料極側出口から排出される水素により補われる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システム２１によれば、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に供給される水素の流量を制御する流量制御弁２２ａ，２２ｂを備えるので、燃料電池の発電状況や外部加湿型燃料電池３の加湿状況に応じて、燃料電池への水素供給量を最適な状態に制御し、燃料電池の性能を最大限に引き出すことができる。

また、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システム２１によれば、内部加湿型燃料電池２の燃料極側入口に供給される水素は、流量制御弁２２ａによって内部加湿型燃料電池２での電気化学反応により消費される流量に制御されると共に、水素供給路４ｂを介して外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に供給される水素の流量は、流量制御弁２２ｂによって外部加湿型燃料電池３での電気化学反応により消費される流量よりも小さな値に制御し、外部加湿型燃料電池３での電気化学反応に必要な流量の不足分は、内部加湿型燃料電池２や外部加湿型燃料電池３の燃料極側出口から排出される水素により補う。そして、このような構成によれば、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３の水素過剰率（ストイキ比）を確保することができる。

なお、このような構成を有する燃料電池システム２１において、外部加湿型燃料電池３に供給される水素が加湿不足と判断された場合、図６に示すように、流量制御弁２２ａによって内部加湿型燃料電池２の燃料極側入口に供給される水素の流量を図５に示す状態から増加すると共に、流量制御弁２２ｂによって水素供給路４ｂを介して外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に供給される水素の流量を図５に示す状態から減少し、且つ、外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に循環される排水素の量を図５に示す状態から増加させることが望ましい。そして、このような構成によれば、外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口に供給される水素には湿潤な水素が多く含まれるようになるので、外部加湿型燃料電池３に供給される水素の加湿不足を解消することができる。なお、外部加湿型燃料電池３に供給される水素の加湿不足は露点計によって判断することができる。

本発明の第３の実施形態となる燃料電池システム３１は、図７に示すように、上記第２の実施形態となる燃料電池システム２１の構成に加えて、排燃料ガス排出手段として、外部加湿型燃料電池３から排出された水素を外部に排出するパージ弁３２を有する。一般に、水素の循環経路には、カソードからリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ、燃料ガスの循環を困難にする。また液水は、燃料ガスの循環を妨げる。従って、このような構成によれば、不純物ガスや液水が蓄積した時にパージ弁３２を短時間開き、不純物ガスや液水を系外へ排出させることにより、水素の循環経路内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。

本発明の第４の実施形態となる燃料電池システム４１では、上記第１乃至第３の実施形態となる燃料電池システムにおいて、図８に示すように、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３が燃料電池から負荷を取り出す負荷取り出し装置４２に対して並列に接続され、内部加湿型燃料電池２と外部加湿型燃料電池３から別々に負荷を取り出し可能なように構成されている。そして、このような構成によれば、水素が不足し、一方の燃料電池を停止する必要が生じた場合であっても、負荷を取り出す燃料電池を切り替えたり、各燃料電池から取り出す負荷を変化させることにより、燃料電池システム全体としては正常に動作することが可能となる。

本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムは、上記第４の実施形態となる燃料電池システムにおいて、氷点下からの起動の際に以下に示す起動処理を実行することにより、氷点下からのシステム始動性を向上させる。以下、図９に示すフローチャートを参照して、この起動処理を実行する際の燃料電池システムの動作について詳しく説明する。

図９に示すフローチャートは、燃料電池システムに対して起動命令が入力されるのに応じて開始となり、この起動処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、制御装置が、燃料電池システム内部を循環する冷却水の温度が氷点下の温度であるか否かを判別することにより燃料電池が凍結しているか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池が凍結していない場合、制御装置は、ステップＳ２の処理として通常の起動処理を実行した後、通常運転動作に移行する。一方、燃料電池が凍結している場合には、制御装置は起動処理をステップＳ３の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、制御装置が、内部加湿型燃料電池２及び外部加湿型燃料電池３の酸化剤極入口への空気供給を開始すると同時に、外部加湿型燃料電池３の燃料極側入口への水素供給を開始することにより、外部加湿型燃料電池３のみを起動する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この起動処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、制御装置が、負荷取り出し装置４２を制御することにより、外部加湿型燃料電池３から負荷を取り出す。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、この起動処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、制御装置が、燃料電池システム内部を循環する冷却水の温度が氷点下の温度であるか否かを判別することにより、内部加湿型燃料電池２が外部加湿型燃料電池３が発する熱により暖機され、内部加湿型燃料電池２が解凍されたか否かを判別する。そして、判別の結果、内部加湿型燃料電池２が解凍されていない場合、制御装置はこの起動処理をステップＳ４の処理に戻す。一方、内部加湿型燃料電池２が解凍された場合には、制御装置は、ステップＳ６の処理として、内部加湿型燃料電池２の燃料極側入口への水素供給を開始することにより、内部加湿型燃料電池２を起動した後、通常運転動作に移行する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムによれば、氷点下からの起動時には、内部の純水量が少ない外部加湿型燃料電池３のみを起動し、外部加湿型燃料電池３が発する熱により内部加湿型燃料電池２を暖機する。そして、このような構成によれば、内部加湿型燃料電池２を暖機するために外部から投入する熱量を低減することができる。なお、氷点下では飽和蒸気圧は極めて小さいので、水素や酸素を加湿することなく、外部加湿型燃料電池３単体で発電することができる。また、この燃料電池システムでは、内部加湿型燃料電池２と外部加湿型燃料電池３から別々に負荷を取り出すことができるので、このような起動処理が可能になる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す内部加湿型燃料電池及び外部加湿型燃料電池の構成を示す断面図である。 図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムによる起動処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１：燃料電池システム
２：内部加湿型燃料電池
３：外部加湿型燃料電池
４：水素供給路
５，５ａ，５ｂ：循環ポンプ
６：コンプレッサ
７：空気供給路
８：燃料電池間空気供給路
９：圧力調整弁
３２：パージ弁
４２：負荷取り出し装置

Claims (8)

1. 燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電する内部加湿型燃料電池と、
   前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガス及び前記内部加湿型燃料電池の酸化剤極側出口から排出される排酸化剤ガスを利用して発電する外部加湿型燃料電池と
   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に記載の燃料電池システムであって、
   前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池の燃料極側出口から排出される排燃料ガスを外部加湿型燃料電池の燃料極側入口へ循環させる循環手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス供給手段から前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス流量調整手段は、前記内部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスの流量を内部加湿型燃料電池が消費する燃料ガスの流量より大きくし、前記外部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスの流量を外部加湿型燃料電池が消費する燃料ガスの流量より小さくし、外部加湿型燃料電池が消費する燃料ガスの流量の不足分は前記循環手段により外部加湿型燃料電池の燃料極側入口へ循環される燃料ガスにより補うことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記外部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスの加湿不足を判断する判断手段を備え、判断手段により外部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスが加湿不足と判断された場合、前記燃料ガス流量調整手段は、前記内部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスの流量を増加させ、外部加湿型燃料電池の燃料極側入口に供給される燃料ガスの流量を減少させ、前記循環手段により外部加湿型燃料電池の燃料極側入口へ循環される燃料ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記外部加湿型燃料電池の燃料極側出口から排出される燃料ガスを外部に排出する排燃料ガス排出手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池は電気的に並列に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   氷点下からの起動の際、前記内部加湿型燃料電池は前記外部加湿型燃料電池が起動された後に起動されることを特徴とする燃料電池システム。

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