JP2007052948A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水が配管に滞留するのを防ぐとともに、小型化を図ることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料ガス供給系からの燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置３と、燃料電２池から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離装置４と、気液分離装置４から排出されたアノードオフガスと、燃料ガス供給系によって新たに供給された燃料ガスとを混合し、この混合ガスを燃料電池２に供給する循環装置５とを備える。気液分離装置４および循環装置５は、燃料電池２のエンドプレート６に取り付けられており、循環装置５は気液分離装置３よりも高い位置にある。
【選択図】 図１

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アノード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（酸化剤ガス）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、新たに供給する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循環装置で循環し、外部から新たに供給した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。

しかし、この場合、アノードオフガスに含まれる水蒸気が凝縮して生じた水がアノードオフガスが循環する配管に溜まり、アノードオフガスの流量が少なくなることによって、燃料電池に所定量の水素を供給できなくなるという問題があった。

この問題に対しては、燃料電池のアノードオフガス排出口と、循環装置のアノードオフガス流入口との間のアノードオフガス流入口より高い位置に配管遮断弁を有する燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。この装置によれば、アノードオフガスが循環する配管内で、水素の流れが水によって阻害されるのを防ぐことができるとされる。

特開２００２−２３１２９４号公報 特開２００４−１６８１０１号公報

しかし、上記の燃料電池装置では装置全体が大型となるため、近年の小型化の要求にそぐわないという問題があった。

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、水が配管に滞留するのを防ぐとともに、小型化を図る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。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離装置と、この気液分離装置から排出されたアノードオフガスを循環して燃料電池に供給する循環装置とを備えた燃料電池システムであって、気液分離装置および循環装置が燃料電池のエンドプレートに取り付けられており、循環装置は気液分離装置よりも高い位置にあることを特徴とするものである。

気液分離装置は、循環装置の直下に配置されることが好ましい。

循環装置が循環ポンプである場合、循環ポンプのガス排出口の付近でアノードオフガスと燃料ガスが合流することが好ましい。

本発明の燃料電池システムが、燃料ガス供給系からの燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置を有する場合、この燃料ガス流量制御装置は、循環装置の直下に配置されることが好ましい。

燃料ガス流量制御装置からアノードオフガスと燃料ガスが合流する合流部までの配管に、この合流部より高い段差部を有していることが好ましい。この場合、段差部はバネ性を持つ形状の一部とすることができる。また、合流部と段差部との間の配管に、下方に向かって凸状に湾曲した湾曲部を設け、この湾曲部の近傍に発熱部材を配置することが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムが、燃料ガス供給系からの燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置を有する場合、この燃料ガス流量制御装置からアノードオフガスと燃料ガスが合流する合流部までの配管に、下方に向かって凸状に湾曲した湾曲部が設けられていることが好ましい。さらに、この湾曲部はバネ性を持つ形状の一部であることが好ましい。

本発明によれば、気液分離装置および循環装置を燃料電池のエンドプレートに取り付けることによって、スペースを有効利用して小型化を図ることが可能となる。また、循環装置を気液分離装置よりも高い位置に設けることによって、循環装置の内部で水蒸気が凝縮して水を生じた場合であっても、気液分離装置に水が落下するので、循環装置の内部に水が滞留す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模式的な側面図である。尚、この燃料電池システムは車載用として好適であるが、据え置き型などの他の用途にも適用可能である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料ガス流量制御装置３と、燃料電池２から排出されたアノードオフガス中の水分を分離する気液分離装置４と、気液分離装置４から排出されたアノードオフガスを循環して燃料電池２に供給する循環装置５とを有する。燃料ガス流量制御装置３は、燃料ガス供給系（図示せず）に接続していて、燃料ガス供給系からアノードに供給する燃料ガスの供給量が最適となるように制御する。

燃料ガス流量制御装置３としては、例えば、レギュレータ、シャットバルブまたはインジェクタを使用することができる。また、本実施の形態においては、循環装置５として循環ポンプを使用する。但し、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、循環ポンプに代えてエジェクタを使用してもよい。

図１の例では、燃料電池２は、中心線Ａ−Ａ′線の左右に燃料電池スタック（図示せず）が並列した構造を有している。ここで、燃料電池スタックは、それぞれ、セルが複数個（例えば、２０個）積層した構造を備える。また、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備える。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。セルの積層方向の両端には、ターミナル、インシュレータおよびエンドプレートが配置され、これらを固定することによって燃料電池２が構成される。

本実施の形態においては、燃料ガス流量制御装置３、気液分離装置４および循環装置５は、燃料電池２のエンドプレート６に取り付けられている。このようにすることにより、燃料電池システム１のスペースを有効利用して小型化を図ることが可能となる。

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。

燃料ガス供給系から供給された燃料ガスは、配管７を通って分岐点Ｘで分岐した後、供給口８，９から各燃料電池スタックの供給マニホールド（図示せず）へ供給される。次いで、供給マニホールド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。その後、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（図示せず）を通って排出口１０，１１より排出される。

燃料電池２から排出されたアノードオフガスは、配管１２を経て気液分離装置４で水分を除去された後、配管１３から循環装置５に向かう。循環装置５から排出されたアノードオフガスは、配管１４を通った後、燃料ガス供給系３から新たに供給された燃料ガスと配管７で合流する。そして、アノードオフガスと燃料ガスとは混合ガスとなって、燃料電池２のアノードに供給される。このように、アノードオフガスを循環して使用することによって、新たに供給する燃料ガスの量を低減することができる。

本実施の形態においては、循環装置５が気液分離装置４よりも高い位置にあることを特徴としている。換言すると、循環装置５は、重力が作用する方向（図１のＹ方向）に並行な軸に対して気液分離装置４よりも上方にある。このように配置することによって、循環装置５の内部で水蒸気が凝縮して水を生じた場合であっても、気液分離装置４に水が落下するので、循環装置５の内部に水が滞留するのを防ぐことができる。

図１に示すように、気液分離装置４は、循環装置５の直下に配置されることが好ましい。これにより、循環装置５を高い位置に置くことによって生じるスペースに気液分離手段４が配置されるので、スペースの有効利用を図ることができる。また、この場合、循環装置５は、ガス排出口１５が上方を向くようにして配置することが好ましい。これにより、循環装置５のガス排出口１５の付近で水蒸気が凝縮して水を生じた場合であっても、水は循環装置５の内部を通って気液分離装置４へ落下するので、循環装置５の上流側の配管（１４，７）に水が滞留するのを防ぐことができる。

また、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、これらのガスの合流部付近で水蒸気が凝縮して水を生じる。そこで、本実施の形態においては、図１に示すように、循環装置５のガス排出口１５の付近に合流部１６を設けることが好ましい。このようにすることによって、合流部１６の付近で生じた水は、循環装置５の内部を通って気液分離装置４へ落下するので、循環装置５の配管７に水が滞留するのを防ぐことができる。

本実施の形態においては、燃料ガス流量制御装置３も、循環装置５の直下に配置されることが好ましい。この場合も、循環装置５を高い位置に置くことによって生じるスペースの有効利用を図ることができる。また、燃料ガス流量制御装置３を循環装置５の直下に配置することによって、燃料ガス流量制御装置３から合流部１６までにおける配管７の長さを短くすることができる。

但し、本実施の形態は図１の配置に限られるものではなく、図２に示すように、循環装置５′の横に燃料ガス流量制御装置３′を配置してもよい。尚、図２で図１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。さらに、図２で、循環装置５′および気液分離装置４と、燃料ガス流量制御装置３′とが、中心線Ａ−Ａ′に対して対象になるように配置してもよい。

また、配管７の燃料ガス流量制御装置３から合流部１６までの間に、合流部１６より高い段差部１７（図１では、燃料ガス流量制御装置３に向かって上り勾配となる段差部１７）を設けることが好ましい。これにより、燃料電池システムの運転を停止した後で、合流部１６から燃料電池２までの配管内で結露した場合であっても、燃料ガス流量制御装置３に水が流れ込むのを防ぐことができる。

また、燃料電池システム１を車両に搭載した場合、段差部１７の傾斜角度θは、車両の許容傾斜角度（具体的には、２０度〜３０度）以上であることが好ましい。これにより、車両が傾斜した状態であっても、水が段差部１７を越えて燃料ガス流量制御装置３に流れ込むのを防ぐことができる。

また、カソードオフガスの循環にポンプのような振動を発生する装置を用いた場合には、段差部をバネ性を持つ形状の一部とすることが好ましい。具体的には、配管７の燃料ガス流量制御装置３から合流部１６までの部分に、Ｕ字形状に加工した湾曲部を設けることが好ましい。

図３は、配管７に湾曲部１８を設けた場合の部分拡大図である。湾曲部１８は、燃料ガス流量制御装置３に向かって上り勾配となる段差部１８ａを有している。したがって、合流部１６から燃料電池２までの配管内で結露した場合であっても、燃料ガス流量制御装置３に水が流れ込むのを防ぐことができる。さらに、バネ性を持たせることによって、ポンプの振動を湾曲部１８が吸収するので、燃料ガス流量制御装置３に振動が伝達するのを抑制することができる。また、燃料ガス流量制御装置３から合流部１６までの距離が長くなるので、ポンプで発生した熱が燃料ガス流量制御装置３に伝達するのを抑制することもできる。

また、本実施の形態においては、図１で段差部１７と合流部１６との間に、合流部１６より低い部位が設けられていることが好ましい。ここで、合流部１６より低い部位とは、例えば、図１に示すように、下方に向かって凸状に湾曲した湾曲部１９をいう。このような部位を設けることによって、合流部１６の側から燃料ガス流量制御装置３の側へ水が流れるのをより効果的に防止することができる。

また、湾曲部１９は、燃料電池システム内の発熱部近傍に設けられることが好ましい。これにより、湾曲部１９または湾曲部１９の近傍で水が凍結することによって、配管７が氷で塞がれるのを防止することができる。また、水が凍結した場合であっても、発熱部からの熱の伝達によって、氷を解凍し易くすることができる。尚、発熱部としては、例えば、循環装置５として用いたポンプのモータ部などを挙げることができる。

さらに、本実施の形態においては、図１に示すように、循環装置５のガス排出口１５を中心線Ａ−Ａ′にできるだけ近い位置に設けることが好ましい。これにより、左右に並列した燃料電池スタックへのガスの分配を均等に近づけることができる。また、ガス排出口１５の付近に合流部１６を設けることによって、合流部１６から燃料ガス供給量制御装置３までの距離に余裕が生まれるので、これらの間に段差部１７や湾曲部１９を設け易くなる。

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、燃料ガス流量制御装置２０からアノードオフガスと燃料ガスが合流する合流部２１までの配管２２に、下方に向かって凸状に湾曲した湾曲部２３を設けることもできる。この場合、湾曲部２３はバネ性を持つ形状の一部であることが好ましい。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。また、図４で、循環装置５′および気液分離装置４と、燃料ガス流量制御装置２０とが、中心線Ａ−Ａ′に対して対象になるように配置してもよい。

本実施の形態における燃料電池システムの模式的な側面図の一例である。 本実施の形態における燃料電池システムの模式的な側面図の他の例である。 燃料ガス流量制御装置と合流部の間に設けた湾曲部の模式図である。 本実施の形態における燃料電池システムの模式的な側面図の他の例である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３，２０ 燃料ガス流量制御装置
４ 気液分離装置
５ 循環装置
６ エンドプレート
７，１２，１３，１４，２２ 配管
８，９ 供給口
１０，１１ 排出口
１５ ガス排出口
１６，２１ 合流部
１７ 段差部
１８，１９，２３ 湾曲部

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離装置と、
   前記気液分離装置から排出されたアノードオフガスを循環して前記燃料電池に供給する循環装置とを備えた燃料電池システムであって、
   前記気液分離装置および前記循環装置は、前記燃料電池のエンドプレートに取り付けられており、
   前記循環装置は、前記気液分離装置よりも高い位置にあることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記気液分離装置は、前記循環装置の直下に配置される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環装置は循環ポンプであって、
   前記循環ポンプのガス排出口の付近でアノードオフガスと燃料ガスが合流する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス供給系からの燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置を有しており、
   前記燃料ガス流量制御装置は、前記循環装置の直下に配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料ガス流量制御装置からアノードオフガスと燃料ガスが合流する合流部までの配管に、該合流部より高い段差部を有する請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記段差部はバネ性を持つ形状の一部である請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記合流部と前記段差部との間の配管に、下方に向かって凸状に湾曲した湾曲部が設けられていて、
   前記湾曲部の近傍には発熱部材が配置される請求項５または６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料ガス供給系からの燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御装置を有しており、
   前記燃料ガス流量制御装置からアノードオフガスと燃料ガスが合流する合流部までの配管に下方に向かって凸状に湾曲した湾曲部が設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記湾曲部はバネ性を持つ形状の一部である請求項８に記載の燃料電池システム。

Images