JP2006099991A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 フラッディングを防止し、かつ加湿水供給側への燃料ガスの漏洩を抑制することを課題とする。
【解決手段】 水分が浸透して保水透過するアノード側の多孔質プレート３を介して燃料ガスの水素に加湿水を供給して水素を加湿し、カソード側の多孔質プレート２を介して酸化剤ガスの空気に加湿水を供給して空気を加湿し、アノード側の多孔質プレート３に加湿水を浸透させて含ませる含水作業時以外は、加湿水が流通する加湿水供給流路の入口と出口を開閉弁１２，１３で閉止して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池内での水分の管理を適切に行う燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、水素オフガス循環流路内の燃料ガスと空気あるいは空気オフガスとの間で水分を移動させることにより水素オフガス循環流路内の流体の湿度を所望に調整可能にする水透過膜式湿度調整装置を、水素オフガス循環流路に備えた技術が記載されている。

このような技術において、燃料電池のアノード入口における水素ガスの湿度が過度である場合には、湿度の低い乾燥した空気を湿度調整装置に供給し、燃料電池から排出されて湿度調整装置に供給された湿度の高い水素オフガスに含まれる水分が湿度調整装置の透過膜を介して乾燥した空気へと移動し、水素オフガスを除湿している。これにより、燃料電池に供給される水素ガスの湿度が適切に調整され、フラッディングを防止すると共に、燃料電池内に溜まった水分を排出する処理、ならびに排出処理に必要となる水素の消費量を削減している。
特開２００４−７１３４９

しかし、上記従来の技術においては、燃料電池の全体に対して供給、排出される水素ガスの湿度を管理しているだけなので、燃料電池を構成する個々のセル内部の局所的には水分の凝縮が発生してしまうおそれがあった。また、水素ガスの湿度が高すぎる場合に、湿度を下げようとしても、ある程度の時間がかかり、その間にフラッディングが発生してしまうおそれもあった。これらにより、フラッディングを完全に防止することは極めて困難であった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フラッディングを防止し、かつ加湿水供給側への燃料ガスの漏洩を抑制した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料ガスを加湿する加湿水を加湿水供給流路に流通させ、水分が浸透して保水透過する多孔質材を介して燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスに加湿水を供給するアノード側の多孔質プレートと、酸化剤ガスを加湿する加湿水を加湿水供給流路に流通させ、水分が浸透して保水透過する多孔質材を介して酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスに加湿水を供給するカソード側の多孔質プレートと、前記アノード側の多孔質プレートの加湿水供給流路の入口と出口に設けられ、前記加湿水供給流路の入口と出口を開放／遮断制御する遮断手段とを有し、前記アノード側の多孔質プレートの加湿水供給流路に加湿水を流通させ前記アノード側の多孔質プレートに水分を浸透させて含ませる含水作業時以外は、前記遮断手段により前記アノード側の多孔質プレートの加湿水供給流路の入口と出口を遮断することを特徴とする。

本発明によれば、多孔質プレートを用いて電解質膜に燃料ガスならびに酸化剤ガスを供給することで、運転中のフラッディングを防止することができる。

また、加湿水供給流路の入口と出口を遮断することで、アノード側の多孔質プレートを介して加湿水供給流路に燃料ガスが漏洩することを防止することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、複数のセルが積層されてなる燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックを構成する各セルは、固体高分子の電解質膜１、カソード側の多孔質プレート２、アノード側の多孔質プレート３、クーラープレート４、ならびに一対のセパレータ５を備えて構成されている。

電解質膜１は、アノード側の多孔質プレート２とカソード側の多孔質プレート３とに挟持され、加湿された燃料ガスの例えば水素ガスと酸化剤ガスの例えば空気とを化学反応させて発電を行う。

カソード側の多孔質プレート２は、孔のサイズや材質等の仕様に応じて水分を浸透させて透過し保水性を有する透過膜からなり、電解質膜１に接する側に、電解質膜１に空気を供給する空気供給流路が形成されている。カソード側の多孔質プレート２は、空気供給流路に対向して、空気供給流路を流通する空気を加湿する加湿水として機能する純水が供給される純水供給流路が形成され、純水供給流路に供給されて流通する純水は、多孔質プレート２を介して空気供給流路に透過して空気を加湿する。

アノード側の多孔質プレート３は、カソード側の多孔質プレート２と同様に孔のサイズや材質等の仕様に応じて水分を浸透させて透過し保水性を有する透過膜からなり、電解質膜１に接する側に、電解質膜１に水素を供給する水素供給流路が形成されている。アノード側の多孔質プレート３は、水素供給流路に対向して、水素供給流路を流通する水素を加湿する加湿水として機能する純水が供給される純水供給流路が形成され、純水供給流路に供給されて流通する純水は、多孔質プレート３を介して水素供給流路に透過して水素を加湿する。

クーラープレート４は、カソード側の多孔質プレート２に接して配置され、多孔質プレート２に接する反対側に冷却水流路が形成され、この冷却水流路に不凍液（ＬＬＣ）の冷却水を供給して流通させ燃料電池セルを冷却し、水素と空気との化学反応により発生した熱を除去する。

セパレータ５は、その一方がクーラープレート４に接して配置され、他方がアノード側の多孔質プレート３に接して配置され、隣接するセルとの仕切りの役目を果たしている。

また、燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電で使用されずに排出された未使用の水素を排気する排気路１６を介して、燃料電池スタックのアノード側の水素出口と水素希釈装置７とが連結されている。排気路１６には、燃料電池スタックから排出された水素の温度を計測する温度センサ１０、ならびに排出された水素の湿度を計測する湿度センサ１１が設けられている。また、温度センサ１０ならびに湿度センサ１１が配置された下流側の排気路１６には、燃料電池スタックから排出された未使用の水素を排気／循環制御するパージ弁１４が配置されている。

温度センサ１０、湿度センサ１１とパージ弁１４との間の排気路１６と、燃料電池スタックのアノード側の水素入口との間には、燃料電池スタックから排出された未使用の水素を燃料電池スタックの水素入口側に戻す循環路１７が連結されている。循環路１７には、水素を流通させる水素循環ポンプ６と、循環路１７を開放／遮断制御する開閉弁１８が設けられている。

水素希釈装置７は、燃料電池スタックから排出されて排気路１６を介して導かれた未使用の水素を導入し、水素を大気で希釈して排気する。水素希釈装置７は、吸込型水素希釈ファン８と、押込型水素希釈ファン９とを備え、これらが選択的に駆動される。吸込型水素希釈ファン８が駆動されると、水素希釈装置７に連結された排気路１６は負圧となり、含水作業時に多孔質プレート３への純水の浸透が促進させる。

アノード側の多孔質プレート３の純水供給流路に純水を供給する入口側と、純水供給流路から純水を排出する出口側には、それぞれ開閉弁１２，１３が配置され、この開閉弁１２，１３の開閉により純水の多孔質プレート３への供給を制御している。

燃料電池スタックは、図示していないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける温度センサ１０、湿度センサ１１、ならびにセル電圧を計測する電圧計（図示せず）を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

このようなシステムにおいて、図２のフローチャートに示す手順にしたがってシステムを起動して発電を開始する。

図２において、システムの起動が開始されると、先ずアノード側の多孔質プレート２に加湿用の純水を供給する旨の指令がコントロールユニットから出される（ステップＳ２０１）。この指令に基づいて開閉弁１２，１３が開放され、多孔質プレート３の含水作業が開始される（ステップＳ２０２）。含水作業が開始されると、純水貯蔵タンク（図示せず）から配管を介して多孔質プレート２の純水供給流路に純水が供給されて流通し、純水供給流路を流通する純水が保水性を有する多孔質プレート３に浸透し、多孔質プレート３に純水が含水される（ステップＳ２０３）。多孔質プレート３への純水の供給と並行して、パージ弁１４を開放し、吸込型水素希釈ファン８を駆動し、排気路１６を負圧状態にする（ステップＳ２０３）。これにより、純水供給流路に供給された純水の多孔質プレート３への浸透が促進され、多孔質プレート３の含水作業を効率的に行うことができる。

含水作業が終了すると、開閉弁１２、１３ならびにパージ弁１４を閉じ、吸込型水素希釈ファン８を止めた後（ステップＳ２０４）、水素をアノード側に供給し、空気をカソード側に供給する。また純水をカソード側の多孔質プレート２に供給して空気を加湿し、クーラープレート４に冷却水を供給する。さらに、循環路１７の開閉弁１８を開放し水素循環ポンプ６を駆動し、通常運転を開始して発電を行う（ステップＳ２０５）。

なお、通常運転時には、循環路１７を介して燃料電池スタックのアノード側から排出された未使用の水素を燃料電池スタックの水素入口側に循環させることで、カソード側からクロスリークする空気に含まれる水分により循環される水素が加湿されることで、アノード側に供給される水素の加湿が賄われる。

システムが通常運転して発電が行われると、セルに設置された電圧計（図示せず）でセル電圧が計測され、計測されたセル電圧がコントロールユニットに与えられ、セル電圧が予め設定された正常運転時の規定電圧よりも低下したか否かを判別する（ステップＳ２０６）。判別の結果、セル電圧が規定電圧よりも低下している場合には、温度センサ１０ならびに湿度センサ１１の計測値をコントロールユニットに読み込んで確認し、読み込んだ計測値に基づいてセル電圧が低下した理由が水素の加湿不足か、あるいは燃料電池スタックでフラッディングが発生している可能性があるのかを推定する（ステップＳ２０７）。

推定の結果、加湿不足であると推定された場合には（ステップＳ２０８）、起動後に行ったように開閉弁１２，１３を開放して純水をアノード側の多孔質プレート３に供給して含水作業を再開する（ステップＳ２０９）。含水作業の結果、水素が適切に加湿されて、セル電圧が回復して規定電圧に達したか否かを判別する（ステップＳ２１０）。判別の結果、セル電圧が回復した場合には、開閉弁１２，１３を閉じて（ステップＳ２１１）、先のステップＳ２０６に戻る。

一方、ステップＳ２０７における推定の結果、フラッディングの可能性がある場合には、循環路１７の開閉弁１８を閉じて水素循環ポンプ６を停止し、パージ弁１４を開放した後、押込型水素希釈ファン９を駆動し、排気路１６を介して排出されたアノード側の水素を水素希釈装置７で希釈した後排気する。これにより、セル内部に溜まっている水分を水素と共にセル外に排出（水分パージ）する（ステップＳ２１３）。またこの時、カソード側から電解質膜１を介してクロスリークしてアノード側から排出された水素に含まれる窒素も排気（窒素パージ）される。

その後、セル電圧が回復して規定電圧に達したか否かを判別し（ステップＳ２１４）、判別の結果、セル電圧が回復すると、パージ弁１４を閉じて（ステップＳ２１５）、先のステップＳ２０６に戻る。

図３はアノード側の水素の出口温度と出口湿度の関係を示し、この関係は図２のステップＳ２０９で示したアノ−ド側における再含水作業開始の判断基準を示すものである。多孔質プレート３の含水量が十分である場合は、基本的に水素の出口湿度は１００％程度に近い値になるはずである。しかし、前述したように、窒素パ−ジ又は水分パ−ジにより水素の出口湿度が低下した場合には、図３の特性に示すように、開閉弁１２，１３を開放して、アノード側の多孔質プレート３における再含水作業を開始する。アノ−ド側の水素の出口温度が高い場合は、水の持ち出し量も増え、多孔質プレート３の含水量が減少する可能性が高くなるため、温度が低い場合に比べて、図３に示すように含水作業開始の基準湿度を高く設定する。

以上説明したように、上記実施例１においては、多孔質プレート２，３を用いて電解質膜１に水素ならびに空気を供給することで、運転中のフラッディングを防止することができる。また、氷点下におけるシステムの起動時、燃料電池スタック内部の解凍後、多孔質プレ−トに残留していた水分が反応ガスの加湿の役目を果たすため、貯蔵された加湿用純水の解凍を待たずに発電を開始することができる。

さらに、アノ−ド側では、システムの起動時に多孔質プレート３の含水作業を行った後は、開閉弁１２，１３を閉止するので、システムの運転条件の変動等により、多孔質プレート３を介して水素供給流路を流通する水素が純水供給流路に漏洩することを防止することができる。

ここで、開閉弁１２，１３を設けずに常に純水が供給されているような場合には、システムの運転条件により多孔質プレート３を介して水素が水素供給流路から純水供給流路側に透過するおそれがある。これを回避するためには、多孔質プレートの孔の大きさや構造等の仕様を工夫したり、多孔質プレート３を挟んだ水素供給流路側と純水供給流路側との差圧を適切に制御管理する必要がある。しかし、多孔質プレートを工夫する場合には、設計に多大な工数がかかることに加えて、水分の透過性能も損なわれるおそれもある。一方、差圧を制御する場合には、その制御ロジックが複雑となり、コントロールユニットの負担が増大するといった不具合も招くことになる。これに対して、この実施例１では、開閉弁１２，１３を設け、開閉弁１２，１３を開閉するという極めて容易な手法で、上記不具合を解決することができる。

また、上記実施例１では、カソ−ド側からクロスリ−クしてくる窒素をパ−ジすることで、アノ−ド側の水素の湿度が低下した場合に、アノ−ド側で含水作業を再開することによりアノ−ド側の水素の加湿量の低下を防止することができる。

カソ−ド側からクロスリ−クしてくる窒素、ならびにアノード側の水素供給流路に溜まった水分をパ−ジする際に、排出される水素の処理装置として、水素希釈装置７ならびに吸込型水素希釈ファン８、押込型水素希釈ファン９を設置することにより、水素を可燃限界以下に希釈した後、安全に外気に放出することができる。

システム起動時の多孔質プレート３の含水作業時に、吸込型水素希釈ファン８を駆動して排気路１６を負圧にすることにより、含水作業をより効果的に行うことができる。また、システムの運転条件の変動等により、アノード側の多孔質プレート３内に水素ガスの漏れこみ通路が形成された場合に、システムの停止時もしくは起動時に、同個所の修復にも利用することができる。

図４は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示す実施例２の特徴とするところは、図１に示す実施例１に比べて、システムの起動時にアノード側の含水作業と並行してカソード側の多孔質プレート２の含水作業を効率的に行うようにしたことになり、他は先の実施例１と同様である。

すなわち、図４において、この実施例２では、図１に示す実施例１に比べて、燃料電池スタックのカソード側の空気出口と水素希釈装置７との間を連結する配管１９を設け、この配管１９に配管１９を開放／遮断制御する開閉弁１５を設け、システムの起動時にアノード側の含水作業時に吸込型水素希釈ファン８を駆動する際に、開閉弁１５を開放して配管１９を負圧にすることで、多孔質プレート２の純水供給流路に供給された純水の多孔質プレート２への浸透を促進させて含水作業を効率的に行うことが可能となる。

図５は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図５に示す実施例３の特徴とするところは、図１に示す実施例１に比べて、アノード側のセパレータ５ならびに吸込型水素希釈ファン８を削除し、図１に示すアノード側の多孔質プレート３に代えて、電解質膜１に接する側に水素供給流路が形成され、図１に示すセパレータ５の機能も備えたソリッドプレート２０を設けたことにあり、他は図１と同様である。

この実施例３は、アノード側の水素を加湿するのに十分な水分がカソード側から逆拡散により期待できる場合に適用される実施例であり、この場合には、アノ−ド側は多孔質プレ−トによる内部加湿が不要となるので、ソリッドプレート２０を使用することが可能となる。したがって、この実施例３では、１セル当りの厚みを低減できる共に、燃料電池スタックに純水を供給するために必要となる純水ポンプや純水タンクの容量を低減することができ、構成の小型化、簡略化を図ることができる。

なお、上記実施例１，２では、アノード側の多孔質プレート３における含水作業時以外は、開閉弁１２，１３を閉止しているが、開閉弁１２，１３を、開度を制御して流量を調整できる調整弁に代え、この調整弁の開度を調整して、多孔質プレート３に極めて少量の純水を流通させるようにしてもよい。これにより、多孔質プレート３を介して水素供給流路から純水供給流路に漏れる水素を抑制することが可能となる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの動作手順を示すフローチャートである。 アノード側の水素の出口温度と出口湿度の関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１…電解質膜
２，３…多孔質プレート
４…クーラープレート
５…セパレータ
６…水素循環ポンプ
７…水素希釈装置
８…吸込型水素希釈ファン
９…押込型水素希釈ファン
１０…温度センサ
１１…湿度センサ
１２，１３…開閉弁
１４…パージ弁
１５…開閉弁
１６…排気路
１７…循環路
１８…開閉弁
１９…配管
２０…ソリッドプレート

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池システムにおいて、
   燃料ガスを加湿する加湿水を加湿水供給流路に流通させ、水分が浸透して保水透過する多孔質材を介して燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスに加湿水を供給するアノード側の多孔質プレートと、
   酸化剤ガスを加湿する加湿水を加湿水供給流路に流通させ、水分が浸透して保水透過する多孔質材を介して酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスに加湿水を供給するカソード側の多孔質プレートと、
   前記アノード側の多孔質プレートの加湿水供給流路の入口と出口に設けられ、前記加湿水供給流路の入口と出口を開放／遮断制御する遮断手段とを有し、
   前記アノード側の多孔質プレートの加湿水供給流路に加湿水を流通させ前記アノード側の多孔質プレートに加湿水を浸透させて含ませる含水作業時以外は、前記遮断手段により前記アノード側の多孔質プレートの加湿水供給流路の入口と出口を遮断する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池セルの発電電圧が低下し、燃料電池セルから排出された燃料ガスの温度ならびに湿度に基づいて、燃料ガスの加湿が不十分であると判断された場合には、前記遮断手段により加湿水供給流路の入口と出口を開放し、含水作業を実行する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガスと酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池システムにおいて、
   電解質膜を介してカソード側から逆拡散する水分によって、燃料ガス供給流路を流通する燃料ガスが加湿されるアノード側のソリッドプレートと、
   酸化剤ガスを加湿する加湿水を加湿水供給流路に流通させ、水分が浸透して保水透過する多孔質材を介して酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスに加湿水を供給するカソード側の多孔質プレートと
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料ガスの水素を可燃限界濃度以下に希釈して排気する希釈手段と、
   燃料電池セルから排出された燃料ガスの水素を選択的に前記水素希釈装置に導入制御する導入制御手段とを有し、
   前記燃料電池セルの発電電圧が低下し、かつ燃料ガスの水素が十分に加湿されている場合には、燃料電池セルから水素を排出して前記導入制御手段により前記希釈手段に導入する
   ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. システムの起動時に、前記アノード側の多孔質プレート及び／又は前記カソード側の多孔質プレートに加湿水を浸透させて含ませる含水作業時に、前記燃料ガス供給流路及び／又は前記酸化剤ガス供給流路を負圧にする
   ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images