JP2007026892A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 低温環境下においても凍結による排水手段の固着を防止することを課題とする。
【解決手段】 システムの運転時には、貯留装置７内に設けられて体積の伸縮により貯留装置７の水位を調整する水位調整装置９により、燃料電池１で生成された液水を貯留する貯留装置７の水位を、貯留装置７から液水を排水する排水路１０の排水口よりも高く保つ一方、システムの運転停止時には、水位調整装置９の体積を縮小して貯留装置７の水位を排水口よりも低い位置に落として構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電により生成された水分を回収して排出する燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両側をアノードとカソードで挟み、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給し、酸化還元反応により生じる電気エネルギーを得るものである。このような燃料電池では、上述の酸化還元反応によりカソード側で水が生成され、その一部は固体高分子膜を透過してアノード側に移動し、アノードのオフガスと一緒にアノード出口に排出される。

一方、アノードから排出されるオフガスには、未反応の燃料ガスが含まれているので、未反応ガスを燃料供給ラインに戻し、アノードに再供給して循環させ、未反応ガスを再利用する燃料電池システムがある。このようなシステムでは、上記したようにアノードオフガスには燃料電池内で生成された液水（生成水）が多く混ざっているため、アノード流路の閉塞防止と、燃料ガス供給ラインの圧力損失低減によるエネルギーの効率化の観点から、液水を効果的に分離し、燃料電池システムから排出する必要がある。

液水をシステム外に排出する技術としては、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）。この文献に記載された技術では、燃料ガス流路の下方に設けた貯留部に発電で生成された生成水を導いて貯留し、貯留部の水位が上限に達した場合には貯留部から生成水を排出する一方、所定の水位以下になった場合は排水を停止するようにしている。
特開２００２−３１３４０３

上記文献に記載された従来の燃料電池システムにおいては、貯留部の下方に設けられたドレン装置を介して貯留された液水を排出しており、貯留部に最低限の生成水を残した状態で排水を停止している。このため、排水口は常に液水で満たされ、循環路内の燃料ガスが外部に放出されないようになっている。

しかし、このような手法にあって、例えば寒冷地等の低温環境下では、排水口の開閉装置が凍結して固着し、開閉装置の作動性能を確保できなくなるおそれや、開閉装置の間に氷が挟まり開閉装置が完全に閉じることができなくなるといったおそれがある。これにより、排水処理が困難となり、システムの運転ができなくなるといった不具合を招くおそれがある。

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、低温環境下においても凍結による排水手段の固着を防止し、確実に排水処理を行うことができる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、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスに混合させて前記燃料電池の入口側に戻す循環路と
を備えた燃料電池システムにおいて、前記循環路に設けられ、前記燃料電池の発電で生成されて前記燃料電池から前記循環路に排出された液水を貯留する貯留手段と、排水口が前記貯留手段の底面よりも高い位置に設けられ、前記貯留手段に貯留された液水を排水制御する排水手段と、前記貯留手段に貯留された液水の水位を検知する水位検知手段と、前記貯留手段の内部に設けられ、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスが導入／導出制御されて体積が伸縮し、前記水位検知手段で検知された水位に基づいて、前記貯留手段に貯留された液水の水位を前記排水口の設置位置よりも低い水位を含む予め設定された範囲の水位に調整する水位調整手段と、前記水位調整手段における燃料ガスの導入／導出を制御して、前記水位調整手段の内圧を調整する圧力調整手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、水位調整手段により貯留手段の水位を排水口よりも下げることが可能となり、排水手段に液水がない状態でシステムの運転を停止することが可能となる。これにより、低温環境下でも排水手段の凍結による固着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のシステムにおいて、燃料電池１は、アノード側に燃料貯蔵装置２と燃料ガス供給ライン３から供給される燃料ガス（例えば水素）を供給し、カソード側に酸化剤ガス圧縮装置４と酸化剤ガス供給ライン５から供給される酸化剤ガス（例えば空気や酸素）を供給することで、電気化学反応により電気エネルギーを得る。

アノード出口からの排出ガス（アノードオフガス）に含まれている燃料ガスを有効利用する目的から、燃料ガス供給ライン３へ合流させるため、アノード出口と燃料ガス供給ライン３との間に循環路６を設け、燃料ガス供給ライン３と循環路６とを合流点１６で合流させる。

循環路６には、発電により生成されて燃料電池１から排出された液水（生成水）を貯留する貯留装置７が設けられている。貯留装置７には、水位検知手段８と、内圧により伸縮可能な水位調整装置９（例えばバルーン）と、排水路１０が設置されており、排水路１０の下流には排水調整用の排水調整装置１１（例えば開閉弁）が設置されている。

水位調整装置９は、燃料ガス供給ライン３から分岐したバイパス路１２から供給される燃料ガスの圧力で伸縮される。水位調整装置９の前後（燃料ガス流路の上流側、下流側）には、水位調整装置９の内圧を制御するための圧力調整装置１３，１４（例えば開閉弁）が設置されている。圧力調整装置１３，１４は、水位検知手段８で検知された水位に基づいて、検知された水位信号を入力する制御ユニット（ＥＣＵ）１５の制御の下に開閉制御され、水位調整装置９の内圧を調整し、貯留装置７の水位を調整する。

制御ユニット１５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。制御ユニット１５は、上記水位検知手段８ならびに他の圧力、温度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（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、排水調整装置１１、圧力調整装置１３，１４を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する生成水の排出処理を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

このような構成において、発電により生成されて循環路６に排出された生成水は、循環路６を介して貯留装置７に導入されて貯留され、貯留装置７に貯められた生成水の水位は、排水路１０と排水調整装置１１により調整される。すなわち、燃料電池システムの運転時には、水位検知手段８からの信号が制御ユニット１５に入力されて処理され、制御ユニット１５は、検知された水位に基づいて、貯留装置７の水位が所定水位、例えば貯留装置７から循環路６内に生成水が流出する可能性がある水位を超えたと判断した場合には、排水調整装置１１を開状態にし、所定の水位を維持する。

一方、上記所定水位より低い、例えば貯留装置７と排水路１０とが連結された排水口の最上面以下の水位であると判断した場合には、水位調整装置９に燃料ガスを導入して水位調整装置９の体積を大きくして水位を上昇させ、排水口の最上面より高い水位に維持する。これにより、排水時や、誤作動や排水調整装置１１の動作不良などにより排水調整装置１１が開状態になっても、循環路６内のガス（アノードオフガス）がシステム外に排出されることはない。また、排水調整装置１１のシール不良等による運転中の循環路６内のガス（アノードオフガス）の排出を防ぐことができ、信頼性を高めることができる。停止時においても排水路１０に水素検知手段をつけ、この水素検知手段で可燃域の燃料ガスの流出を検知した場合は、燃料ガスを供給した状態で圧力調整装置１３，１４を閉じ、燃料ガス供給を停止させ、水位調整装置９を膨張させた状態で保持することにより水位を上げ、循環路６内のガス（アノードオフガス）の排出を防ぐ手段としても利用できる。

水位調整装置９は、システム運転中には予め膨張させておき貯留装置７の水位を上昇させておく。貯留装置７が傾いて急激に水位状態が変化する場合には、水位調整装置９を収縮させて速やかに水位を調整することで循環路６へ貯留された生成水が流出しないように予め実験等で水位調整範囲を設定する。この水位調整範囲に基づいて、システム運転時に予め膨張させておく水位調整装置９の膨張量を決定する。

一方、水位調整装置９が元の大きさに戻るシステム停止時に、貯留装置７の水位が排水路１０の最下面以下まで低下するだけの膨張量となるように、システム運転時における水位調整装置９の膨張量を予め設定する。これにより、システム停止時に貯留装置７に液水が貯留されていても、排水路１０ならびに排水調整装置１１に液水が存在しない状態で燃料電池システムを停止することができる。したがって、システム停止後氷点下の環境下で放置されても、排水調整装置１１に残留する液水が凍結することは回避され、液水の凍結による排水調整装置１１の固着を防止することができる。

さらに、貯留装置７と水位調整装置９と循環路６からなるアノードオフガス再利用システムは、アノードオフガスに含まれる水分を除去する除湿装置としても機能する。すなわち、燃料電池１から排出されたアノードオフガスは、燃料電池１内で起こる酸化還元反応により発熱するため、高温で多量の水分を含んだガスとなる。したがって、循環路６に排出されたアノードオフガスを除湿せずに燃料ガス供給ライン３に合流させると、燃料貯蔵装置２から供給される燃料ガスは膨張によりガス温度が低くなるため、膨張により温度が低くなった燃料ガスが合流点１６でアノードオフガスと合流すると、アノードオフガスが急激に冷却されて、多量の凝縮水が発生する。また、合流点１６以外でも外気温度が低い場合には流路内でアノードオフガスが冷やされ、流路内に凝縮水が発生する。

この実施例１の構成では、水位調整装置９に燃料貯蔵装置２から供給される燃料ガスを供給しているので、貯留装置７でアノードオフガスと水位調整装置９内の燃料ガスとの間で熱交換され、この熱交換によりアノードオフガスは冷却されることで、アノードオフガスに含まれる水分を貯留装置７内で意図的に除湿することができる。一方、上記熱交換により水位調整装置９内の燃料ガスは温められるため、温められた燃料ガスの流通する流路、例えば燃料電池１内の流路での凝縮を抑制することができる。これにより、凝縮水が流路に滞留することによる流路の閉塞を防止することができ、かつ圧力損失の増大を抑制することができる。

また、この燃料電池システムを燃料電池車両のような移動体に搭載する場合には、登坂などにより貯留装置７が傾くことがあり、その場合に貯留装置７の水位状態が急激に変化する。これにより、貯留装置７に貯留された液水が循環路６内へ流出することが懸念されるが、傾きによる水位の変化を考慮して貯留装置７の容積を余裕をもって設計すれば問題はない。しかし、貯留装置７の容積に余裕分を確保することで貯留装置７の容積が大きくなり、レイアウトの制約が大きくなる。

これに対して、この実施例１では、燃料電池システムが傾きを検知した場合は、水位調整装置９を伸縮させることで、速やかに貯留装置７の水位を調整することが可能であるので、余裕分を確保して貯留装置７を大きくすることなく傾きによる液水の流出を回避することができる。

貯留装置７の傾きを検知する方法としては、様々な手法が考えられるが、例えば傾きの方向に合わせて２つの水位検知手段を対向するように設置し、貯留装置７が例えば箱形の形状であれば各四面に水位検知手段８を設け、対面の水位検知手段８の出力の差異を検出することで傾き具合を認識することができる。また、傾きを検知する方法として、重力センサを設けてもよい。

このように、上記実施例１においては、貯留装置７に設置した燃料ガスの供給により伸縮可能な水位調整装置９の体積を変化させて貯留装置７の水位を制御することで、水位調整装置９の内圧の変動で速やかに貯留装置７の水位を調整することができる。従って、低温環境下でシステムの運転を停止する際に、貯留装置７の水位を排水路１０よりも下げることが可能となる。これにより、燃料ガスの放出を防止しながら、排水路１０に設けられた排水調整装置１１の凍結、固着を防止することができる。

水位調整装置９の内圧を上昇させる手段として、高圧で燃料貯蔵装置２に貯蔵された燃料ガス、例えば水素ガスを用いることにより、圧力調整装置１３，１４により水位調整装置９の内圧を容易かつ簡単に変動させることができる。

貯留装置７に水位検知手段８を設け、システム運転時には貯留装置７の水位が予め設定された所定の範囲内にあるか否かを監視する。監視の結果、水位が所定の範囲よりも高い場合は排水路１０を介して排水する一方、所定の範囲よりも低い場合には水位調整装置９で水位を上昇させる。これにより、排水路１０内を液水で満たして、排水中にアノードオフガスが排出されることを防止することができる。

排水路１０の排水口を貯留装置７の底面より上に設置し、底面からの排水路１０の取り付け高さに応じて、水位調整装置９が元の大きさに戻った場合に貯留装置７内の水位が排水口の最下面よりも低い位置となるように予め水位調整装置９を膨張させておく。これにより、システム停止時に水位調整装置９が元の大きさに戻ることで貯留装置７の水位を排水口の最下面以下にすることが可能となる。したがって、排水調整装置１１に水分がない状態でシステムを停止することが可能となり、排水調整装置１１の凍結による固着を防止することができる。

貯留装置７が傾いた場合の水位変化に対して、貯留装置７が傾いたことを検知する手段を貯留装置７に設け、貯留装置７が傾いて貯留装置７から循環路６へ水が流出するおそれがある場合には、排水調整装置１１を閉状態とし、水位調整装置９で貯留装置７の水位を下げる。これにより、排水路１０からアノードオフガスを排出することなく循環路６への水流出を抑制することが可能となり、循環路６の流路閉塞や、圧力損失増加による燃料ガスの供給不足を防止することができる。

燃料貯蔵装置２に高圧で貯蔵される燃料ガス、例えば水素ガスを燃料ガス供給ライン３から分岐させ、ガスの膨張により比較的温度が低い燃料ガスを水位調整装置９に供給することで、この温度が低い燃料ガスと高湿度で比較的温度が高いアノードオフガスとの間の温度差で熱交換することが可能となる。これにより、アノードオフガスは冷却されて除湿される一方、燃料ガスは加熱される。したがって、燃料ガスの加熱に廃熱を利用することができ、燃料ガスを加熱する装置の加熱性能値を低くすることができる。あるいは、燃料ガスを加熱する装置を設置しないことも可能である。

また、アノードオフガスを燃料ガスで冷却して除湿することで、燃料ガス供給ライン３へアノードオフガスを合流させた時に、アノードオフガスが燃料ガスで冷却されて発生する凝縮水量を少なくすることができる。

図２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２に示す実施例２のシステムの特徴とするところは、先の実施例１に比べて、燃料電池１のアノード出口と貯留装置７の間の循環路６に、気液分離装置１７と循環補助装置１８の例えば遠心ポンプとを設け、気液分離装置１７で燃料電池１から排出された生成水を回収し、燃料電池１から排出されたアノードオフガスを循環補助装置１８で昇圧して合流点１６へ供給するようにしたことにあり、他は先の実施例と同様である。

気液分離装置１７で分離された生成水は、気液分離装置１７と貯留装置７とを連結するドレインライン１９を介して貯留装置７へ集められる。

このような構成を採用することで、気液分離装置１７で生成水を回収し、循環補助装置１８によりガス密度が高い状態でアノードオフガスを供給することが可能となる。これにより、アノードオフガスの吐出圧性能を高くすることができる。しかし、ガス密度が高い状態でのガス輸送は、圧力損失が大きくなるため、先に説明したように貯留装置７で熱交換によりアノードオフガスを除湿することにより、ガス密度を下げて圧力損失を少なくしたガス輸送が可能となる。

図３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３に示す実施例３のシステムの特徴とするところは、先の実施例１に比べて、排水調整装置１１の上流の排水路１０に、排水路１０内の圧力を検出する圧力測定手段２０を設けたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

圧力測定手段２０は、循環路６から排水路１０内に流入したアノードオフガスが混入すると、出力値に乱れが生じる。この乱れを制御ユニット１５で検知することで排水路１０内にアノードオフガスが混入したことを検知し、排水調整装置１１を遮断状態にすることが可能となる。これにより、水位検知手段８の誤作動や故障が起こった場合でも、排水路１０からのアノードオフガスの流出を確実に防止することができる。

この圧力測定手段２０の設置位置は、排水調整装置１１の下流であっても検知可能であるが、圧力測定手段２０と排水調整装置１１との間に十分な距離を持たせておくことで、圧力測定手段２０の検知出力により排水路１０にガスが混入したと判断した場合に、瞬時に排水を停止すればガスの排出は回避されるので、圧力測定手段２０を排水調整装置１１の上流側に設置することが望ましい。この圧力測定手段２０は、貯留装置７の水位が先に触れた下限値を越えたか否かを検出する検出装置として利用することも可能である。

なお、この実施例３は先の実施例２と組み合わせて実施してもよい。

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…燃料電池
２…燃料貯蔵装置
３…燃料ガス供給ライン
４…酸化剤ガス圧縮装置
５…酸化剤ガス供給ライン
６…循環路
７…貯留装置
８…水位検知手段
９…水位調整装置
１０…排水路
１１…排水調整装置
１２…バイパス路
１３，１４…圧力調整装置
１５…制御ユニット
１６…合流点
１７…気液分離装置
１８…循環補助装置
１９…ドレインライン
２０…圧力測定手段

Claims (7)

1. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスに混合させて前記燃料電池の入口側に戻す循環路と
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記循環路に設けられ、前記燃料電池の発電で生成されて前記燃料電池から前記循環路に排出された液水を貯留する貯留手段と、
   排水口が前記貯留手段の底面よりも高い位置に設けられ、前記貯留手段に貯留された液水を排水制御する排水手段と、
   前記貯留手段に貯留された液水の水位を検知する水位検知手段と、
   前記貯留手段の内部に設けられ、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスが導入／導出制御されて体積が伸縮し、前記水位検知手段で検知された水位に基づいて、前記貯留手段に貯留された液水の水位を、前記排水口の設置位置よりも低い水位を含む予め設定された範囲の水位に調整する水位調整手段と、
   前記水位調整手段における燃料ガスの導入／導出を制御して、前記水位調整手段の内圧を調整する圧力調整手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水位検知手段で検知された水位に基づいて、検知された水位が予め設定された所定の水位以上になった場合は、前記排水手段を介して前記貯留手段に貯留された液水を排水し、検知された水位が前記所定の水位以下になった場合には、前記圧力調整手段で前記水位調整手段の内圧を高めて前記水位調整手段の体積を膨張させ、前記貯留手段に貯留された液水の水位を上昇させる
   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. 前記燃料電池システムの運転が停止されて前記水位調整手段の体積が縮小したときに、前記貯留手段の水位が前記排出口よりも低くなるように、前記水位調整手段により前記燃料電池システムの運転時における前記貯留手段の水位が調整される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記貯留手段が傾いたか否かを検知する傾き検知手段を有し、
   前記傾き検知手段で前記貯留手段が傾いたことが検知された場合には、前記排水手段を遮断状態とし、前記水位調整手段の体積を縮小させて前記貯留手段の水位を低下させる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池から前記循環路に排出されて前記貯留手段に導入された燃料オフガスと、前記水位調整手段に導入された燃料ガスとの間で熱交換を行い、熱交換により燃料オフガスを除湿し、かつ燃料ガスを昇温し、昇温した燃料ガスを前記燃料電池に供給する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池から排出された燃料オフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段と、
   前記気液分離手段で水分が分離された燃料オフガスを昇圧する昇圧手段と、
   を前記貯留手段よりも上流側の前記循環路に設けた
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記排水手段に、圧力を検出する圧力検出手段を設け、
   前記圧力検出手段で検出された圧力に基づいて、前記貯留手段に導入された燃料オフガスが前記排水手段に流入したか否かを判別し、燃料オフガスが前記排水手段に流入した場合には前記排水手段を遮断する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images