JP2007066529A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、再度アノードに循環させて、アノードオフガスに残留する水素ガスを再利用可能な燃料電池システムにおいて、アノードオフガスに含まれる水分を、除湿器を用いて吸着除去するとともに、燃料電池のアノードへの水素ガスの供給と独立して、除湿器の水分吸着能力を再生する。
【解決手段】 燃料電池システム１００は、還流配管（配管３１，３２，３３）からバイパスして、除湿器６０が設置されている。除湿器６０には、高温の空気を供給するための配管や、除湿器６０を通過したガスを外部に排出するための配管も接続されている。さらに、除湿器６０へのアノードオフガスの供給、除湿器６０を通過したアノードオフガスの循環配管への還流、除湿器６０への高温空気の供給、除湿器６０を通過した高温空気の排出を切り換える複数の切換バルブを備え、適宜、切り換える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池のカソードでは、発電時のカソード反応によって、水（生成水）が生成される。

この生成水が、燃料電池システムの運転停止後の低温環境下で、燃料電池システム内部、すなわち、燃料電池内や、反応ガスの給排気系に設置されたバルブや、ポンプ等の内部で凍結すると、アノードやカソードへの反応ガスの供給が妨げられたり、バルブや、ポンプを駆動することができなくなったりして、燃料電池システムを起動できなくなる場合がある。

そこで、このような生成水の凍結による不具合を防止するために、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池の運転停止時に、除湿器によって乾燥させた空気を燃料電池のカソードに供給して、生成水を排出する技術が記載されている。また、下記特許文献１には、燃料電池の運転中に、除湿器に充填された除湿剤を加熱空気によって加熱して、除湿剤の除湿機能を回復させることも記載されている。

特開２００２−３１３３９４号公報

燃料電池システムには、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、再度アノードに循環させて、アノードオフガスに残留する水素ガスを再利用可能な燃料電池システムがある。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード側の給排気系に、上記特許文献１に記載された技術を適用することも可能である。すなわち、燃料電池の運転停止時に、燃料電池のアノード側の給排気系において、除湿器によって乾燥させた水素ガスを循環させる態様である。燃料電池のカソードで生成された生成水は、電解質膜を介してアノード側にもしみ出すので、この態様によって、燃料電池のアノード側の給排気系における生成水の凍結による不具合を防止することができる。

しかし、この態様では、燃料電池のアノードへの水素ガスの供給と、除湿剤の除湿機能の回復とに共通のガス流路を用いるので、燃料電池の運転中に、除湿剤の除湿機能を回復させるために除湿器に加熱空気を供給すると、その空気がアノードに供給されてしまい、燃料ガス中の水素分圧が低下してしまう。つまり、除湿剤の除湿機能の回復（除湿器の水分吸着能力の再生）を、燃料ガス中の水素分圧を低下させることなく、燃料電池のアノードへの水素ガスの供給と独立して行うことができなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、再度アノードに循環させて、アノードオフガスに残留する水素ガスを再利用可能な燃料電池システムにおいて、アノードオフガスに含まれる水分を、除湿器を用いて吸着除去するとともに、燃料電池のアノードへの水素ガスの供給と独立して、除湿器の水分吸着能力を再生することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに水素ガスを供給する水素供給配管と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記水素供給配管に循環させる循環配管と、
供給されたガスに含まれる水分を吸着する水分吸着能力を有するとともに、高温の乾燥ガスが供給されることによって、前記吸着した水分を放出し、前記水分吸着能力を再生可能な除湿器と、
前記循環配管から分岐し、前記除湿器に前記アノードオフガスを供給するアノードオフガス供給配管と、
前記除湿器を通過したアノードオフガスを前記循環配管に還流させる還流配管と、
空気を圧縮するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサによって圧縮されて比較的高温になった高温空気を、前記乾燥ガスとして前記除湿器に供給する高温空気供給配管と、
前記除湿器を通過した前記高温空気を外部に排出する排出配管と、
前記アノードオフガスが、前記除湿器を通過せずに前記水素供給配管に循環する第１のラインと、前記アノードオフガス供給配管、前記除湿器、および、前記還流配管を通過して前記水素供給配管に循環する第２のラインと、のうちのいずれを流れるかを切り換えるとともに、前記高温空気が、前記高温空気供給配管、前記除湿器、および、前記排出配管を通過して外部に排出される第３のラインを流れるか否かを切り換える複数の切換バルブと、
前記複数の切換バルブの駆動を制御する切換制御部と、を備え、
前記切換制御部は、
前記燃料電池による発電時に、前記アノードオフガスが前記第１のラインを流れるように、前記複数の切換バルブの駆動を制御し、
前記アノードオフガスが前記第２のラインを流れていない所定の期間に、前記高温空気が前記第３のラインを流れるように、前記複数の切換バルブの駆動を制御することを要旨とする。

本発明では、除湿器によって、アノードオフガスに含まれる水分を除去することができる。また、切換バルブを切り換えることによって、アノードオフガスが上記第２のラインを流れていない所定の期間に、高温空気を上記第３のラインに流して、除湿器の水分吸着能力を再生し、その排ガスを外部に排出することができる。つまり、本発明によって、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、再度アノードに循環させて、アノードオフガスに残留する水素ガスを再利用可能な燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転停止時に、アノードオフガスに含まれる水分を、除湿器を用いて吸着除去するとともに、燃料電池のアノードへの水素ガスの供給と独立して、除湿器の水分吸着能力を再生することができる。

なお、アノードオフガスは、循環配管上に設置された水素循環用ポンプによって、水素供給配管に循環させる。

上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記循環配管上に配置され、前記アノードオフガスに含まれる凝縮した水分を除去する気液分離器を備えるようにしてもよい。この場合、前記気液分離器は、前記燃料電池と、前記循環配管および前記アノードオフガス供給配管の合流部との間に配置することが好ましい。

こうすることによって、燃料電池システムの運転停止時に、気液分離器によって、凝縮した水分が除去されたアノードオフガスから、さらに除湿器によって水分を除去することができるので、水分の排出を速やかに行うことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、除湿器の水分吸着能力の再生は、除湿器にアノードオフガスを流していない期間であれば、いつ行ってもよいが、
前記所定の期間は、前記燃料電池の起動時、または、前記燃料電池による発電時のうちの少なくとも一方であることが好ましい。

こうすることによって、燃料電池システムの運転制御において、除湿器の水分吸着能力を再生のためだけの期間を設ける必要がなくなる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ｂ．除湿器：
Ｃ．運転制御：
Ｃ１．起動時制御：
Ｃ２．停止時制御：
Ｄ．変形例：

Ａ．燃料電池システム：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と、酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。

燃料電池１０のカソードには、配管７０を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。この配管７０には、エアコンプレッサ７６、および、加湿器７４が設置されており、これらを駆動することによって、空気は、圧縮され、加湿されてカソードに供給される。なお、加湿器７４は、電解質膜（固体高分子膜）の湿潤状態を適正に保つことによってプロトン伝導性を適正に保ち、所望の発電性能を得るために用いられる。

カソードから排出された排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管８０を介して、外部に排出される。カソードオフガスの背圧は、配管８０上に配設された背圧制御弁８２によって制御される。

燃料電池１０のアノードには、配管２０を介して、図示しない高圧水素ボンベから、燃料ガスとしての水素が、減圧弁２２によって減圧され、供給される。配管２０は、本発明における水素供給配管に相当する。

アノードから排出される排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３０を介して、気液分離器４０に供給され、気液分離器４０において、凝縮した水分が除去される。気液分離器４０には、配管４２が接続されており、配管４２上に配設されたバルブ４４を開閉することによって、気液分離器４０内のタンクに貯留した水を外部に排出したり、アノードオフガスを外部に排出したりすることができる。気液分離器４０によって回収した水は、燃料電池システム１００内で再利用するようにしてもよい。

気液分離器４０から排出されたアノードオフガスは、燃料電池１０による発電時には、図中に破線矢印で示したように、配管３１、三方弁６１、配管３２、三方弁６２、配管３３、水素ポンプ５０を通って、配管２０に循環する（通常ライン）。こうすることによって、アノードオフガスを循環させ、アノードオフガスに含まれる燃料電池１０で未消費の水素を再利用することができる。配管３１，３２，３３は、本発明における循環配管に相当する。また、図示した「通常ライン」は、本発明における第１のラインに相当する。

また、燃料電池システム１００の運転停止時には、気液分離器４０から排出されたアノードオフガスは、図中に一点鎖線の矢印で示したように、配管３１、三方弁６１、配管３４、三方弁６３、配管３５、除湿器６０、配管３６、三方弁６４、配管３７、三方弁６２、配管３３、水素ポンプ５０を通って、配管２０に循環する（除湿ライン）。こうすることによって、気液分離器４０、および、除湿器６０によって、アノードオフガスに含まれる水分を除去し、氷点下での凍結を抑制することができる。配管３４，３５は、本発明におけるアノードオフガス供給配管に相当する。配管３６，３７は、本発明における還流配管に相当する。また、図示した「除湿ライン」は、本発明における第２のラインに相当する。

なお、アノードオフガスが通常ラインに流れている間は、アノードオフガスは除湿ラインには流れない。また、アノードオフガスが除湿ラインに流れている間は、アノードオフガスは、通常ラインには流れない。

配管７０には、外部から導入され、エアコンプレッサ７６によって圧縮されて、断熱圧縮によって高温になった空気を、除湿器６０に供給するための配管７２が接続されている。除湿器６０は、高温の空気を流して、除湿器６０に備えられた吸湿剤を加熱することによって、吸湿剤に吸着されていた水分を放出させ、水分吸着能力を再生することができる。本実施例では、後述するように、燃料電池システム１００の起動時に、燃料電池１０の暖機と並行して、除湿器６０の水分吸着能力の再生を行う。このとき、エアコンプレッサ７６によって圧縮されて高温になった空気は、図中に二点鎖線の矢印で示したように、配管７２、三方弁６３、配管３５、除湿器６０、配管３６、三方弁６４、配管３８を通って、外部に排出される（再生ライン）。配管７２，３５は、本発明における高温空気供給配管に相当する。配管３６，３８は、本発明における排出配管に相当する。また、三方弁６１，６２，６３，６４は、本発明における切換バルブに相当する。図示した「再生ライン」は、本発明における第３のラインに相当する。

燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット９０によって制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。制御ユニット９０は、本発明における切換制御部に相当する。

Ｂ．除湿器：
図２は、除湿器６０の構成を示す説明図である。除湿器６０のガスの流れる方向に沿った断面図を示した。図示するように、除湿器６０の両端部には、ガスの供給口６０１と、排出口６０２とが設けられている。そして、除湿器６０の内部の供給口６０１近傍、および、排出口６０２近傍には、それぞれメッシュ６０３，６０４が配設されており、その内部に粒状の吸湿剤６０５が充填されている。本実施例では、吸湿剤６０５として、シリカゲルを用いるものとした。

Ｃ．運転制御：
以下、燃料電池システム１００の運転制御について説明する。なお、ここでは、燃料電池システム１００の起動時、および、運転停止時の運転制御について説明し、通常の発電時における運転制御については、本願発明と直接関係がないので説明を省略する。また、燃料電池１０のアノード側の給排気系の運転制御について説明し、カソード側の給排気系の運転制御については、説明を省略する。

Ｃ１．起動時制御：
図３は、起動時制御の流れを示すフローチャートである。燃料電池システム１００の起動時に、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。

燃料電池システム１００の起動指示が入力されると、まず、ＣＰＵは、アノードオフガスが図１に示した通常ラインを流れるように、三方弁６１、および、三方弁６２を切り換える（ステップＳ１００）。このとき、アノードオフガスは、図１に示した除湿ラインには流れない。そして、ＣＰＵは、エアコンプレッサ７６を起動し（ステップＳ１１０）、背圧制御弁８２の開度を調整して、断熱圧縮によって高温になった空気が図１に示した再生ラインを流れるように、三方弁６３、および、三方弁６４を切り換え（ステップＳ１２０）、除湿器６０の水分吸着能力の再生を行う。つまり、燃料電池１０の暖機と並行して、除湿器６０の水分吸着能力の再生を行う。

次に、ＣＰＵは、タイマを参照し、除湿器６０の水分吸着能力の再生を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。この所定時間は、任意に設定可能であり、例えば、除湿器６０の水分吸着能力の再生に十分な時間が設定される。そして、所定時間が経過したら（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、エアコンプレッサ７６から供給される高温の空気が、除湿器６０を流れないように、三方弁６３、および、三方弁６４を切り換え、起動時制御を終了する。この起動時制御終了後は、ＣＰＵは、通常の発電時に行う運転制御を行う。

この起動時制御によって、燃料電池システム１００の起動時に、燃料電池１０の暖機と並行して、除湿器６０の水分吸着能力の再生を行うことができる。したがって、燃料電池システム１００の運転制御において、除湿器６０の水分吸着能力を再生のためだけの期間を設ける必要はない。

Ｃ２．停止時制御：
図４は、停止時制御の流れを示すフローチャートである。燃料電池システム１００の運転停止時に、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。

燃料電池システム１００の運転停止指示が入力されると、まず、ＣＰＵは、燃料電池１０による発電を停止し（ステップＳ２００）、アノードオフガスが図１に示した除湿ラインを流れるように、三方弁６１，６２，６３，６４を切り換え（ステップＳ２１０）、アノードオフガスに含まれる水分を吸着除去する。このとき、アノードオフガスは、図１に示した通常ラインには流れない。

次に、ＣＰＵは、タイマを参照し、除湿器６０によるアノードオフガスに含まれる水分の吸着除去を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２２０）。この所定時間は、任意に設定可能であり、例えば、アノードオフガスに含まれる水分を十分に吸着除去できる時間が設定される。そして、所定時間が経過したら（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、水素ポンプ５０を停止し、停止時制御を終了する。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１００によれば、運転停止時に、除湿器６０を用いてアノードオフガスに含まれる水分を吸着除去することができる。この結果、燃料電池１０のアノード側の給排気系における低温時の生成水の凍結を抑制することができる。さらに、エアコンプレッサ７６によって圧縮され高温になった空気を除湿器６０に供給して、吸着された水分を放出させ、その排ガスを外部に排出することができるので、燃料電池１０への水素ガスの供給と独立して、除湿器６０の水分吸着能力を再生することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、気液分離器４０を備えているが、これを備えていなくてもよい。また、気液分離器４０を、配管３２上に設けるようにしてもよい。ただし、図１に示した構成によれば、気液分離器４０によって水分を分離した後のアノードオフガスに残留する水分を除湿器６０によって吸着するので、アノードオフガス中に含まれる水分を早く除去することができる。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、起動時制御において、燃料電池１０の暖機と並行して、除湿器６０の再生を行うものとしたが、これに限られない。燃料電池システム１００における通常の発電と並行して、除湿器６０の再生を行うようにしてもよい。

また、上記実施例では、起動時制御終了後に、通常の発電時に行う運転制御を行うものとしたが、これに限られず、起動時制御の途中に、通常の発電時に行う運転制御を開始するようにしてもよい。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、吸湿剤６０５として、シリカゲルを用いるものとしたが、これに限られない。本発明において、除湿器は、一般に、供給されたガスに含まれる水分の吸着能力を有するとともに、高温に加熱することによって、吸着されている水分を放出し、水分の吸着能力を再生可能なものであればよく、例えば、ゼオライトや、アルミナ等、他の材料を用いるようにしてもよい。

また、上記実施例では、吸湿剤６０５は、粒状のものを用いるものとしたが、これに限られず、例えば、ハニカム構造に形成された吸湿剤を用いるようにしてもよい。

燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。 除湿器６０の構成を示す説明図である。 起動時制御の流れを示すフローチャートである。 停止時制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１００...燃料電池システム
１０...燃料電池
２０，３０〜３８，４２，７０，７２，８０...配管
２２...減圧弁
４０...気液分離器
４４...バルブ
５０...水素ポンプ
６０...除湿器
６０１...供給口
６０２...排出口
６０３...メッシュ
６０５...吸湿剤
６１〜６４...三方弁
７４...加湿器
７６...エアコンプレッサ
８２...背圧制御弁
９０...制御ユニット

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードに水素ガスを供給する水素供給配管と、
   前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記水素供給配管に循環させる循環配管と、
   供給されたガスに含まれる水分を吸着する水分吸着能力を有するとともに、高温の乾燥ガスが供給されることによって、前記吸着した水分を放出し、前記水分吸着能力を再生可能な除湿器と、
   前記循環配管から分岐し、前記除湿器に前記アノードオフガスを供給するアノードオフガス供給配管と、
   前記除湿器を通過したアノードオフガスを前記循環配管に還流させる還流配管と、
   空気を圧縮するエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサによって圧縮されて比較的高温になった高温空気を、前記乾燥ガスとして前記除湿器に供給する高温空気供給配管と、
   前記除湿器を通過した前記高温空気を外部に排出する排出配管と、
   前記アノードオフガスが、前記除湿器を通過せずに前記水素供給配管に循環する第１のラインと、前記アノードオフガス供給配管、前記除湿器、および、前記還流配管を通過して前記水素供給配管に循環する第２のラインと、のうちのいずれを流れるかを切り換えるとともに、前記高温空気が、前記高温空気供給配管、前記除湿器、および、前記排出配管を通過して外部に排出される第３のラインを流れるか否かを切り換える複数の切換バルブと、
   前記複数の切換バルブの駆動を制御する切換制御部と、を備え、
   前記切換制御部は、
   前記燃料電池による発電時に、前記アノードオフガスが前記第１のラインを流れるように、前記複数の切換バルブの駆動を制御し、
   前記アノードオフガスが前記第２のラインを流れていない所定の期間に、前記高温空気が前記第３のラインを流れるように、前記複数の切換バルブの駆動を制御する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記循環配管上に配置され、前記アノードオフガスに含まれる凝縮した水分を除去する気液分離器を備える、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記気液分離器は、前記燃料電池と、前記循環配管および前記アノードオフガス供給配管の合流部との間に配置されている、
   燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記所定の期間は、前記燃料電池の起動時、または、前記燃料電池による発電時のうちの少なくとも一方である、
   燃料電池システム。

Images