JP2006134620A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 凝縮水がその排出部分などで凍結したときでも、円滑に動作できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を含んだ燃料電池システムであって、前記燃料ガスの未反応分を前記燃料電池に循環供給させるための流通路と、前記流通路内の気体を排出する第一排出弁と、前記流通路内の気体または液体を排出する第二排出弁と、を備え、前記第一排出弁が前記第二排出弁よりも高い位置に配置されたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、寒冷地などでも安定して動作する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガス（水素）と酸素（空気）との電気化学反応で発電するが、その際、水を生成する。この水は主としてカソード極（酸素供給極）側で生成するが、アノード極（水素供給極）とカソード極の間に位置する薄い電解膜を通して、アノード極側にも移動してくる。ここで、燃費を向上させるため、アノード極を含むアノード系を循環系とした場合、この電解膜を通して移動してくる水が徐々にアノード系内に蓄積する。このため、この水を適宜タイミングで排出する必要がある。また、水以外にも、アノード極側には、薄い電解膜を通してカソード極に供給された空気中の窒素などの不純ガスも移動し、燃料ガス中に蓄積してくる。このため、適宜タイミングでアノード系内の燃料ガスを放出して系内をリフレッシュする必要がある。

特許文献１では、冷却水で燃料ガスを冷却して気水分離を行う気水分離器を設けており、この気水分離器の下部のドレイン排出ラインを介して燃料ガスから分離した水（即ちアノード系内に蓄積した水）をドレインとして排出している。そして、不純ガスが蓄積した水素を排出する場合も、このドレイン排出ラインから行われることになる。
特開平８−３２１３１６号公報（段落０００９〜００１２、図１、図２等）

しかし、特許文献１の構成では、ドレイン排出ラインが凍結した場合、水はもちろん、燃料ガスを放出すること（即ちパージを行うこと）もできなくなってしまう。また、パージラインをドレイン排出ラインとは別に設けたとしても、該パージラインが水で凍結すると、パージすることができなくなってしまう。
そこで、本発明は、このような問題を解決して、氷点下の温度などの悪環境下でもパージを適切に行える燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１の発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を含んだ燃料電池システムであって、前記燃料ガスの未反応分をくり返し前記燃料電池に循環供給させるための流通路と、前記流通路内の気体を排出する第一排出弁と、前記流通路内の気体または液体を排出する第二排出弁と、を備え、前記第一排出弁が前記第二排出弁よりも高い位置に配置されたことを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る燃料電池システムは、前記第二排出弁が、前記流通路の最下位置に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
さらに、請求項３の発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池での発電により生成された液体を貯留し、前記第一排出弁よりも低い位置に配置された液体貯留部を有するとともに、前記第二排出弁は前記液体貯留部の液体を排出するドレイン弁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムである。

請求項１の発明によれば、第二排出弁内の液体が凍結している場合でも、第二排出弁よりも高い位置（即ち濡れたり、水が溜まったりしにくい位置）に配置されている第一排出弁により、燃料ガスの流通路内の気体を外に排出することができ、発電を良好に行うことができる。
また、請求項２の発明によれば、第二排出弁を流通路の最下位置に配置することで、生成される液体を排出しやすくなる。
さらに、請求項３の発明によれば、第一排出弁よりも低い位置に液体貯留部を設けることで、生成される液体が第一排出弁に溜まる可能性を一層減らすことができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面を参照しながら、構成・動作の順で詳細に説明する。

＜＜構成＞＞
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。なお、各構成間は、パイプで接続され、気体が流通できるようになっている。

＜水素ガス供給側＞
まず、水素ガス供給側（図の左側）の各構成について説明する。水素タンク１は、高圧の水素ガスが充填されており、エゼクタ２を介して燃料電池３に水素を供給するものである。なお、水素タンク１とエゼクタ２の間に、圧力調整用のレギュレータや、状況に応じて水素ガスの供給量を調節する流量調整弁などを設けてもよい。
エゼクタ２は、後記する逆止弁８から送られてくる燃料オフガスと水素タンク１から供給される水素ガスを混合し、その混合ガスを燃料ガスとして燃料電池３の燃料極（燃料電池３の左側：図示せず）へ送出するものである。

燃料電池３へ供給された燃料ガスは、その一部が発電に利用され、残りが燃料オフガスとしてキャッチタンク（液体貯留部）４に送られる。そして、燃料オフガスは、燃料電池３での発電により高温となっており、また、発電時の水素と酸素との反応により生成した水蒸気を多く含んで多湿となっている。

キャッチタンク４は、流入した高温多湿の燃料オフガスの水蒸気を除去するものである。キャッチタンク４は、たとえば、内部が迷路状の構造となっていることで、流入した燃料オフガス中の水蒸気が内壁に衝突したり、流速低下により重力沈降したりすることで凝縮し、除湿を実現することができる。キャッチタンク４により凝縮した水分は、ドレイン弁５により外部へ排出される。なお、ドレイン弁５は、たとえば制御信号により開閉する電磁弁である。

キャッチタンク４により除湿された燃料オフガスは、逆止弁８を経由して再びエゼクタ２に送られる。逆止弁８は、キャッチタンク４からエゼクタ２への方向には気体を通すが、その逆向きには気体を通さないバルブである。
水素パージ弁（第一排出弁）７は、濃度の低下してきた燃料オフガス（窒素などの不純ガスが蓄積した水素）を流通路の外部に排出するときに使用する弁であり、たとえば、制御信号により開閉する電磁弁である。そして、水素パージ弁７がキャッチタンク４よりも下流かつ高位に位置し、凝縮水がキャッチタンク４に取り込まれることにより、凝縮水やその飛沫が水素パージ弁７に到達しにくくなっている。

掃気排出弁６は、燃料ガスおよび燃料オフガスの流通路（以下、燃料ガスの流通路という）内や燃料電池３内の水分等の除去のための掃気を行うときに、掃気エアを外部に排出するためのものであり、たとえば、制御信号により開閉する電磁弁である。
なお、掃気時には多くの掃気エアが水素ガス供給側に導入され、その導入された多くの掃気エアを迅速に排出できるように、掃気排出弁６は水素パージ弁７よりも容量、排出口の内径および耐久性が大きいものを使用するのが好適であるが、水素パージ弁７で掃気排出を行うことができる場合は、掃気排出弁６を省略してもよい。

＜空気供給側＞
続いて、空気供給側（図の右側）の各構成について説明する。コンプレッサ９は、酸素を含んだ外部の空気を適量取り込み、切替部１０を介して燃料電池３に供給するものである。切替部１０は、コンプレッサ９から供給された空気を、通常運転時は燃料電池３の空気極（燃料電池３の右側：図示せず）のみへ送出し、また、掃気時は燃料ガスの流通路へも送出するように切り替えるものであり、たとえば、制御信号により開閉する電磁弁である。
なお、切替部１０から燃料ガスの流通路側へ伸びたパイプは、燃料ガスの流通路を形成するパイプのうちの、逆止弁８とエゼクタ２の間の掃気ガス導入部１２に接続されている。

エア排出部１１は、コンプレッサ９によって外部から取り入れられ、燃料電池３で使用された空気を排出するものであり、たとえば、制御信号により開閉する機能のほか、燃料電池３における発電を良好に維持するための圧力調整機能も有する制御弁を含んで構成される。なお、該制御弁はステッピングモータ等により駆動される。
エア排出部１１により、通常運転時には背圧制御が行われ、また、掃気時に水素供給側と空気供給側の両方に掃気エアを送る場合にはその分配割合の制御が行われる。

＜＜動作＞＞
続いて、本実施形態の燃料電池システムにおいて、水素ガス供給側の構成における通常運転時・掃気時・起動時の３つの動作について説明する。なお、空気供給側の構成における動作については、本発明とは直接関連がないので説明を省略する。

＜通常運転時＞
図１の燃料電池システムにおける通常運転時の動作について、図２を参照しながら詳細に説明する。
図２は、図１の燃料電池システムにおける水素ガス供給側の実際の構成について、特に上下の位置関係を表わすために、各構成全体を左下方向から見たときの模式図である。最下部にキャッチタンク４とドレイン弁５が位置し、その上に掃気排出弁６、さらにその上に水素パージ弁７が配置されている。また、図２は、通常運転時のガスの流れを矢印で表している。

通常運転時の動作として、燃料電池３で使用された水素ガス（高温多湿の燃料オフガス）は、キャッチタンク４に流入し、そこで除湿が行われる。キャッチタンク４に溜まった水は、一定量以上になったときや所定のタイミングなどで、ドレイン弁５から排出される。
除湿された燃料オフガスは、キャッチタンク４から逆止弁８を経由し、エゼクタ２によって吸引され、さらに水素タンク１からエゼクタ２内に新たに吸引された高濃度の水素ガスと混合され、燃料ガスとして再び燃料電池３へ供給される。そして、燃料オフガスは、キャッチタンク４で除湿されているので、エゼクタ２で新たな水素ガスを混合されたときでも凝縮水を生じることはなく、燃料電池３での発電に支障をきたすことはない。

このように流通路を循環する燃料ガスは、燃料電池３において窒素などの不純物が混入することで、次第に水素濃度が下がる。したがって、水素濃度の下がった燃料ガスは所定のタイミングで水素パージ弁７を開けることにより排出し、水素タンク１から新たに高濃度の水素ガスを供給することで、燃料ガスの水素濃度低下による発電効率の低下を防止する。

そして、もし、燃料オフガス中のキャッチタンク４によって取り除くことができなかった水蒸気が、水素パージ弁７あるいはその付近で凝縮水となった場合でも、水素パージ弁７はキャッチタンク４およびドレイン弁５よりも高い位置にあるため、凝縮水は、水素パージ弁７には溜まらず、下方に流れてキャッチタンク４に溜まり、その後、ドレイン弁５から排出されることになる。

＜掃気時＞
次に、図１の燃料電池システムにおける掃気時の動作について、図３を参照しながら説明する。図３は、図２と同様の水素ガス供給側の構成において、掃気時のガスの流れを示した模式図である。
掃気は、発電停止時に、燃料電池３などの各構成やパイプの内部の不純物や水を、空気（掃気エア）により吹き飛ばすものである。動作のタイミングとしては、たとえば、イグニッションキーをオフにしたときに、内部のコンピュータが気温などの諸条件から掃気の必要性の有無を判定し、必要ありと判定されたときに掃気動作を行うようにすればよい。

掃気を行うときは、切替部１０（図１）を通常運転（発電）時とは逆側の燃料ガスの流通路側に切り替えておき、また、ドレイン弁５と水素パージ弁７は閉じ、掃気排出弁６を開けておく。
そして、その状態で、コンプレッサ９から空気（掃気エア）を取り入れると、掃気エアは、切替部１０（図１）、掃気ガス導入部１２、エゼクタ２、燃料電池３（燃料ガス流通路側）、キャッチタンク４、掃気排出弁６という経路を流れ、外部に排出されることで、掃気が行われる（矢印の流れ）。

＜起動時＞
本燃料電池システムにおいて、動作を停止させている間に、特に寒冷地などにおいては気温の低下により、図２の各構成内部で燃料オフガスなどの気体から凝縮水が生じることがありえる。しかし、その凝縮水は、重力により最下部に位置しているキャッチタンク４に溜まることになる。
したがって、寒冷地などでその凝縮水がキャッチタンク４あるいはドレイン弁５で凍結することがあっても、ドレイン弁５以外の水素パージ弁７などは通常どおり動作することができ、本燃料電池システムは起動時（発電開始時）に良好な動作を行うことができる。
また、水素パージ弁７は、最も高い位置にあることにより、キャッチタンク４から飛び上がった水の飛沫がかかったり、気流とともに液滴がかけ上がって濡れたりしにくい位置にあることから、起動時に内部の水分が凍結しているという可能性が低く、確実に作動することができる。

このように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、ドレイン弁５やキャッチタンク４内の凝縮水が凍結している場合でも、水素パージ弁７によって不要なガスの排出を適切に行うことができるので、起動およびその後の通常運転を良好に行うことができる。また、ドレイン弁５とキャッチタンク４を最下部に配置することで、水素パージ弁７に凝縮水が溜まる可能性を減らし、凝縮水を収集、排出しやすくしている。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。たとえば、水素パージ弁（第一排出弁）は、水素ガスの流通路の最上部に配置されていなくても、キャッチタンク（液体貯留部）およびドレイン弁よりも高い位置で、凝縮水が溜まらない位置であれば、最上部よりも低い位置に配置されていてもよい。また、ドレイン弁は、開閉機能だけを備えたものでなくても、センサにより内部の液体量を一定に保つ機能を兼備したものなどであってもよい。
さらに、燃料ガスは水素でなくても、反応によって液体を生成するものであれば、別のガスであってもよい。その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 水素ガス供給側の通常運転時におけるガスの流れを示した模式図である。 水素ガス供給側の掃気時におけるガスの流れを示した模式図である。

符号の説明

１ 水素タンク
２ エゼクタ
３ 燃料電池
４ キャッチタンク
５ ドレイン弁
６ 掃気排出弁
７ 水素パージ弁
８ 逆止弁
９ コンプレッサ
１０ 切替部
１１ エア排出部
１２ 掃気ガス導入部

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸素との電気化学反応により発電する燃料電池を含んだ燃料電池システムであって、
   前記燃料ガスの未反応分を前記燃料電池に循環供給させるための流通路と、前記流通路内の気体を排出する第一排出弁と、前記流通路内の気体または液体を排出する第二排出弁と、を備え、
   前記第一排出弁が前記第二排出弁よりも高い位置に配置されたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第二排出弁は、前記流通路の最下位置に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池での発電により生成された液体を貯留し、前記第一排出弁よりも低い位置に配置された液体貯留部を有するとともに、前記第二排出弁は前記液体貯留部の液体を排出するドレイン弁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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