JP2007042339A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エジェクタ内で生成した氷によって配管が閉塞されるのを防ぐことのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 エジェクタ１１から排出された氷１４が、燃料電池スタック１５の発熱部Ａに落下するように、燃料電池スタック１５およびエジェクタ１１を配置する。これにより、エジェクタ１１と燃料電池スタック１５との間の配管に氷が堆積することによって配管が閉塞されるのを防ぐことができる。尚、エジェクタ１１は、燃料電池スタック１５に直接接続していることが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出されたオフガスを循環する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化ガス）が接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。

一般に、燃料電池システムでは、高圧水素タンクから供給される燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給している。このとき、燃料ガスの供給量を低減するために、アノードから排出されたアノードオフガスをエジェクタで循環し、外部から新たに供給する燃料ガスと混合した後に、この混合ガスをアノードに供給することが行われている。

ところで、アノードオフガスには、燃料電池での電気化学反応によって生じた水が含まれる。このため、アノードオフガスと燃料ガスの混合によって、アノードオフガスの温度が下がると、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮して液体の水になる。そして、この水が配管の内部に溜まると、アノードに供給するガスの流量および圧力が変動するために、安定した発電を行えなくなるという問題があった。

こうした問題に対しては、アノードオフガスの循環経路に除湿手段を設けることによって、アノードオフガス中に含まれる水蒸気を除去する技術が開示されている（特許文献１参照。）。

特開平８−３２１３１６号公報 特開平９−２４５８２２号公報

しかし、水が凝縮する際に発生する熱量は比較的大きいこと、また、大気との温度差が限られていることを考慮すると、除湿手段によって完全に水分を除去することは困難である。このため、残存した水蒸気が、燃料電池の低温での作動時にエジェクタ内で凝結し、生成した氷によって配管が閉塞されて、アノードにガスが供給されなくなるという問題があった。

例えば、アノードオフガスの温度が１０℃〜５０℃であり、且つ、外部から新たに供給された水素ガスの温度が低い場合には、これらのガスが合流するエジェクタの内部で水の凍結が起こる。ここで、外部から供給される水素ガスの温度が低い場合とは、具体的には、外気温が低くて燃料電池の出力が高い場合である。凍結により生じた氷の大部分は、ガスの流れとともにエジェクタから排出される。しかし、エジェクタと燃料電池とを接続する配管（特に、屈曲した配管部分）には氷が堆積しやすく、この部分での堆積が進むとやがて氷によって配管が閉塞されるようになる。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、エジェクタ内で生成した氷によって配管が閉塞されるのを防ぐことのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、燃料電池スタックから排出されたオフガスの少なくとも一部を燃料電池スタックに再度供給するための循環流路と、反応ガス供給流路に設けられ、反応ガスの流れを駆動源として、循環流路からオフガスを吸い込んで反応ガスとオフガスの混合ガスを燃料電池スタックに供給するエジェクタとを備えた燃料電池システムであって、エジェクタ内で生成した氷がエジェクタ内を通過するガスの流れによって排出されて燃料電池スタックの発熱部に落下するように、燃料電池スタックおよびエジェクタが配置されていることを特徴とするものである。この場合、エジェクタを燃料電池スタックに直接接続することができる。

また、本発明の第２の燃料電池システムは、並列した２つの燃料電池スタックと、２つの燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、２つの燃料電池スタックから排出されたオフガスの少なくとも一部を２つの燃料電池スタックに再度供給するための循環流路と、反応ガス供給流路に設けられ、反応ガスの流れを駆動源として、循環流路からオフガスを吸い込んで反応ガスとオフガスの混合ガスを、２つの燃料電池スタックに供給するエジェクタとを備えた燃料電池システムであって、反応ガス供給流路は、２つの燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックに接続し、一方の燃料電池スタックの反応ガス供給流路が接続する側とは反対側に、一方の燃料電池スタックから排出されたガスを他方の燃料電池スタックに供給する流路が設けられていて、エジェクタ内で生成した氷がエジェクタ内を通過するガスの流れによって排出されて一方の燃料電池スタックの発熱部に落下するように、一方の燃料電池スタックおよびエジェクタが配置されていることを特徴とするものである。この場合、エジェクタを前記一方の燃料電池スタックに直接接続することができる。

本発明の第１の燃料電池スタックによれば、エジェクタから排出される氷を燃料電池スタック内の発熱部に落下させるので、エジェクタと燃料電池スタックとの間の配管に氷が堆積することによって配管が閉塞されるのを防ぐことができる。

また、本発明の第２の燃料電池スタックによれば、一方の燃料電池スタックの反応ガス供給系が接続する側とは反対側に、一方の燃料電池スタックから排出されたガスを他方の燃料電池スタックに供給する流路が設けられており、エジェクタから排出された氷が一方の燃料電池スタックの発熱部に落下するように、一方の燃料電池スタックおよびエジェクタが配置されている。これにより、エジェクタと燃料電池スタックとの距離を短くすることができるので、これらの間の配管に氷が堆積することによって配管が閉塞されるのを防ぐことができる。

図１は、本実施の形態における燃料電池システムの部分構成図である。尚、燃料電池のカソードにガスを供給する部分、例えば、カソードに圧縮空気を供給するコンプレッサ、燃料電池から排出されたカソードオフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池に供給する空気を加湿する加湿器、および、コンプレッサから送られる空気の圧力を調整する調圧弁などは省略している。また、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、並列した２つの燃料電池スタック２，３と、反応ガスとしての燃料ガスを、燃料ガス供給流路６を介して燃料電池２，３に供給する燃料ガス供給系４と、燃料ガス供給流路６に設けられたエジェクタ５とを有する。

燃料電池スタック２，３は、それぞれ、図示しないセルが複数個（例えば、２０個）積層された構造を有している。ここで、セルは、アノードとカソードからなる一対の電極の間に電解質膜が挟持された構造を有する。尚、複数のセルが積層されてサブスタックを形成し、このサブスタックがさらに複数個積層されて燃料電池スタックを形成していてもよい。また、図１では、２つの燃料電池スタックのみが示されているが、本実施の形態における燃料電池システムは、３つ以上の燃料電池スタックを有していてもよい。

アノードに供給する燃料ガスは、水素ガスであってもよいし、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された、水素リッチな改質ガスであってもよい。水素ガスを供給する場合には、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンクを用いて、燃料ガス供給系４を構成することができる。また、改質ガスを供給する場合には、炭化水素系化合物を貯蔵するタンクと、炭化水素系化合物を水素に改質する改質器とを用いることができる。

また、燃料電池スタック２には、各セルに燃料ガスを分配する供給マニホールド２ａと、各セルからのオフガスをまとめて排出する排出マニホールド２ｂとが設けられている。
燃料電池スタック３にも、同様に、供給マニホールド３ａおよび排出マニホールド３ｂが設けられている。供給マニホールド２ａの両端部は開口していて、一方の開口部には、燃料ガスを供給する供給流路６が接続している。また、供給マニホールド２ｂの他方の開口部には、燃料スタック３の供給マニホールド３ａに燃料ガスを供給する供給流路７が接続している。

供給マニホールド２ａ，３ａから各セルのアノードに供給された燃料ガスは、カソードに供給された空気などの酸化ガスと電解質膜を介して電気化学反応を起こす。そして、未反応の燃料ガスは、アノードオフガスとして、排出マニホールド２ｂ，３ｂに排出される。そして、燃料電池スタック２の排出マニホールド２ｂには排出流路８が接続し、燃料電池スタック３の排出マニホールド３ｂには排出流路９が接続している。さらに、排出流路８，９は、循環流路２６を介してエジェクタ５に接続している。エジェクタ５は、燃料ガス供給流路６からの燃料ガスの流れを駆動源として、循環流路２６からアノードオフガスを吸い込んで、燃料ガスとアノードオフガスの混合ガスを燃料電池スタック２，３に供給する。

このように、燃料電池システム１では、エジェクタ５によってアノードオフガスが循環していて、外部から新たに供給された燃料ガスと混合された後に、この混合ガスがアノードに供給されている。このようにすることによって、新たに供給する燃料ガスの量を低減することができる。尚、図１において、循環によりアノードオフガス中の不純物濃度が高くなった場合には、排出バルブ１０を開くことによって、排出流路２７から外部にアノードオフガスを排出することができる。

アノードオフガスには、燃料電池スタック２，３内での電気化学反応によって生成した水が含まれる。このため、アノードオフガスと燃料ガスの混合によって、アノードオフガスの温度が下がると、これらのガスが合流するエジェクタ５の内部で水の凍結が起こる。ここで、エジェクタ５内を通過するガスの流速は音速に近いので、凍結により生じた氷の大部分は、ガスの流れとともにエジェクタ５から排出される。しかし、従来は、エジェクタと燃料電池とを接続する配管に氷が堆積しやすいために、配管が氷によって閉塞されてしまうという問題があった。

そこで、本実施の形態は、エジェクタ５内で生成した氷が、エジェクタ５内を通過するガス（主として燃料ガス）の流れによってエジェクタ５内から排出された後に、燃料電池スタック２内の発熱部に落下するように、燃料電池スタック２およびエジェクタ５を配置することを特徴としている。ここで、発熱部とは、供給マニホールド２ａの内部をいう。

燃料電池スタック内の各セルに供給された燃料エネルギーは、電気エネルギーと熱エネルギーに変換される。熱エネルギーの一部は、アノードオフガスやカソードオフガスとともに燃料電池スタックの外部へ排出されるが、他の一部はセルの昇温に消費される。そして、セルの内部から外部へと熱エネルギーが伝達されることにより、セルが積層して構成された供給マニホールド２ａは発熱部を構成する。したがって、この部分に氷が落下することによって、氷は水または水蒸気となる。

また、本実施の形態においては、並列する複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、各燃料電池スタックに供給するガスの分配路を、燃料電池スタックのエジェクタが配置される側とは反対側に設けることが好ましい。

換言すると、本実施の形態の燃料電池スタックは、並列した２つの燃料電池スタックと、２つの燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、２つの燃料電池スタックから排出されたオフガスの少なくとも一部を２つの燃料電池スタックに再度供給するための循環流路と、反応ガス供給流路に設けられ、反応ガスの流れを駆動源として、循環流路からオフガスを吸い込んで反応ガスとオフガスの混合ガスを、２つの燃料電池スタックに供給するエジェクタとを備えることができる。そして、反応ガス供給流路は、２つの燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックに接続し、一方の燃料電池スタックの反応ガス供給流路が接続する側とは反対側に、一方の燃料電池スタックから排出されたガスを他方の燃料電池スタックに供給する流路が設けられていて、エジェクタ内で生成した氷がエジェクタ内を通過するガスの流れによって排出されて一方の燃料電池スタックの発熱部に落下するように、一方の燃料電池スタックおよびエジェクタを配置することができる。

具体的には、図１に示すように、燃料電池スタック２から排出されたガスを燃料電池スタック３に供給する供給流路７が、燃料電池スタック２，３のエジェクタ５が配置される側とは反対側に設けられるようにすることができる。

例えば、燃料電池スタック２，３に供給するガスの分配路を、エジェクタ５と燃料電池スタック２，３の間に設ける場合、エジェクタ５と燃料電池スタック２との間にはある程度の距離を設けることが必要となる。このため、エジェクタ５から排出された氷の一部が分配路に堆積して、分配路を閉塞してしまうおそれがある。しかし、図１のような構造とすれば、エジェクタ５と燃料電池スタック２との距離を短くすることができるので、分配路に氷が堆積して分配路が閉塞される問題を解消することができる。

また、本実施の形態においては、エジェクタを燃料電池スタックに直結させることが好ましい。この構造によれば、エジェクタから排出された氷の全てを燃料電池スタック内に落下させることができる。

エジェクタを燃料電池スタックに直結する場合には、燃料電池の発熱部ではなく断熱部にエジェクタを接続するようにする。例えば、複数のサブスタックを積層した後、積層方向の両端にターミナル、インシュレータおよびエンドプレートを配置し、締結部材とボルトおよびナットとでこれらを固定することにより燃料電池スタックが構成されている場合、エンドプレートにエジェクタを接続することが好ましい。

図２は、燃料電池スタックとエジェクタを直結した燃料電池システムの部分拡大断面図である。尚、この燃料電池システムの構成図は、図１と同様に考えることができる。

図２で、エジェクタ１１の流入口１２から流入したアノードオフガスが、流入口１３から流入した燃料ガスと混合すると、温度低下によりアノードオフガス中の水分が凝縮して氷１４が生成する。氷１４は、矢印で示す混合ガスの流れによってエジェクタ１１から排出され、燃料電池スタック１５に設けられたマニホールド１６の発熱部Ａに落下する。発熱部Ａは、セル１７が積層された部分であり、氷を水または水蒸気とするのに十分な熱量が発せられている部分である。したがって、発熱部Ａに氷１４が落下することにより、氷は水または水蒸気となる。尚、図２では、エジェクタ１１は、燃料電池スタック１５のエンドプレート１８に接続しており、発熱部Ａには直結していない。

また、本実施の形態においては、図１に示すように、燃料電池スタック２から排出されたアノードオフガスの排出流路８を、燃料電池スタック３から排出されたアノードオフガスの排出流路９に接続させることが好ましい。このようにすることによって、排出流路８に排出流路９を接続させた場合（図３）に比較して、燃料電池スタック３からエジェクタ５までの流路における圧損を減らして、燃料電池スタック２，３への分配を略均等にすることが可能となる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

例えば、図４に示すように、燃料電池スタックより高い位置にエジェクタを設けることができる。尚、図４で図２と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。

図４の構造とすることによって、エジェクタ１１から排出される氷１４を遠くまで飛ばすことができる。したがって、燃料電池スタック１５とエジェクタ１１との間に配管１９が設けられることによって、これらの距離が遠くなった場合であっても、エジェクタ１１から排出された氷１４を燃料電池スタック１５内の発熱部Ａに落下させることができる。

また、図５に示すように、エジェクタ内でのガスの流れる方向が、重力が作用する方向と逆向きとなるようにエジェクタを設けることもできる。尚、図５で図２と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。

図５において、エジェクタ２１は、エジェクタ２１内を通過するガスの流れる方向が上向きとなるように設けられている。このような構造とすることによって、図４の例と同様の効果が得られる。

すなわち、エジェクタ２１の流入口２２から流入したアノードオフガスが、流入口２３から流入した燃料ガスと混合すると、温度低下によりアノードオフガス中の水分が凝縮して氷２４が生成する。氷２４は、矢印で示す混合ガスの流れによってエジェクタ２１から排出され、燃料電池スタック１５に設けられたマニホールド１６の発熱部Ａに落下する。このとき、エジェクタ２１内での混合ガスの流れる方向は図の上方向となるので、水平方向に混合ガスが流れる場合と比較すると、エジェクタ２１から排出される氷１４を遠くまで飛ばすことができる。したがって、燃料電池スタック１５とエジェクタ２１との間に配管２５が設けられることによって、これらの距離が遠くなった場合であっても、エジェクタ２１から排出された氷２４を燃料電池スタック１５内の発熱部Ａに落下させることが可能となる。

以上述べたように、本発明によれば、エジェクタから排出される氷を燃料電池スタック内の発熱部に落下させるので、エジェクタと燃料電池スタックとの間の配管に氷が堆積することによって配管が閉塞されるのを防ぐことができる。換言すると、本発明によれば、アノードオフガスに含まれる水分によって氷が生じても、配管が氷で閉塞されることはないので、除湿機などを設けてアノードオフガス中の水分を強制的に除去する必要がなくなる。したがって、除湿機を設けることによって従来生じていた問題、すなわち、除湿機へ所定の熱容量を供給することによる燃料電池の効率の低下や、圧損となることによる循環ポンプの負荷の増大などの問題を解消することができる。

さらに、上記の実施の形態では、アノードオフガスに含まれる水蒸気が凍結する例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、カソードオフガスに含まれる水蒸気が凍結して氷となる場合にも本発明を適用することができる。

本実施の形態における燃料電池システムの部分構成図の一例である。 本実施の形態における燃料電池スタックおよびエジェクタ付近の拡大断面図の一例である。 本実施の形態における燃料電池システムの部分構成図の他の例である。 本実施の形態における燃料電池スタックおよびエジェクタ付近の拡大断面図の他の例である。 本実施の形態における燃料電池スタックおよびエジェクタ付近の拡大断面図の他の例である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２，３，１５ 燃料電池スタック
４ 燃料ガス供給系
５，１１，２１ エジェクタ
６，７ 供給流路
８，９，２７ 排出流路
１０ 排出バルブ
１４，２４ 氷
１６ マニホールド
１７ セル
１８ エンドプレート
１９，２５ 配管
１２，１３，２２，２３ 流入口
２６ 循環流路

Claims (4)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、
   前記燃料電池スタックから排出されたオフガスの少なくとも一部を前記燃料電池スタックに再度供給するための循環流路と、
   前記反応ガス供給流路に設けられ、前記反応ガスの流れを駆動源として、前記循環流路からオフガスを吸い込んで反応ガスとオフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給するエジェクタとを備えた燃料電池システムであって、
   前記エジェクタ内で生成した氷が前記エジェクタ内を通過するガスの流れによって排出されて前記燃料電池スタックの発熱部に落下するように、前記燃料電池スタックおよび前記エジェクタが配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記エジェクタが前記燃料電池スタックに直接接続している請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 並列した２つの燃料電池スタックと、
   前記２つの燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、
   前記２つの燃料電池スタックから排出されたオフガスの少なくとも一部を前記２つの燃料電池スタックに再度供給するための循環流路と、
   前記反応ガス供給流路に設けられ、前記反応ガスの流れを駆動源として、前記循環流路からオフガスを吸い込んで反応ガスとオフガスの混合ガスを、前記２つの燃料電池スタックに供給するエジェクタとを備えた燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給流路は、前記２つの燃料電池スタックのいずれか一方の燃料電池スタックに接続し、
   前記一方の燃料電池スタックの前記反応ガス供給流路が接続する側とは反対側に、前記一方の燃料電池スタックから排出されたガスを他方の燃料電池スタックに供給する流路が設けられていて、
   前記エジェクタ内で生成した氷が前記エジェクタ内を通過するガスの流れによって排出されて前記一方の燃料電池スタックの発熱部に落下するように、前記一方の燃料電池スタックおよび前記エジェクタが配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記エジェクタが前記一方の燃料電池スタックに直接接続している請求項３に記載の燃料電池システム。

Images