JP2007134240A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの排出を効果的に低減できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、スタックケース１内に少なくとも一つの燃料電池スタック２を備え、スタックケース１の外部から燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタック２にて発電を行うものであり、スタックケース１の内部空間に酸化剤ガスが充填され、各燃料電池スタック２が、内部空間から酸化剤ガスを取り込むことを特徴としている。燃料電池スタックから漏出した燃料ガスは、酸化剤ガスと共に燃料電池スタックのカソード極に導入され、カソード極で触媒によって反応して水を生成し、スタックケースの外部に排出されなくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスとによって燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムに関する。

燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスとによって燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムが知られている（下記［特許文献１］など）。
特開２００４−２０７０２３号公報 上述した公報に記載の燃料電池システムは、セル板の面上におけるガスの流れを均一性を向上させ、セル板の面内及びセルスタック内における温度の不均一を緩和することを目的としたものである。また、スタックを収納するスタックケースの外部からケース内部のスタックに接続するガス配管を、燃料ガス又は酸化剤ガスの何れか一方のみの供給／排気用のみに限定することで、配管接続部を減らしてガスシールの信頼性を向上させると共に、セルスタックを強固に拘束する部分を減らしてスタックに作用する応力を減らすことも目的としている。

しかし、シール部分からの燃料ガスの漏れを完全に防ぐことは困難であり、漏れ出た燃料ガスは、酸化剤ガスの増量などでスタックケース内部で希釈して廃棄されている。希釈という方法で廃棄している以上、漏れ出た燃料ガスが排出されていることに代わりはない。従って、本発明の目的は、燃料ガスの排出を効果的に低減できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、スタックケース内に少なくとも一つの燃料電池スタックを備え、スタックケースの外部から燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池スタックにて発電を行うものであり、スタックケースの内部空間に酸化剤ガスが充填され、各燃料電池スタックが、内部空間から酸化剤ガスを取り込むことを特徴としている。

本発明の燃料電池システムによれば、各燃料電池スタックは、一旦スタックケース内に充填された酸化剤ガスを取り込む。一方、燃料電池スタックから漏出した燃料ガスは、スタックケース内の酸化剤ガスと混ざり合う。このため、燃料電池スタックから漏出した燃料ガスは、酸化剤ガスと共に燃料電池スタックのカソード極に導入されることになる。漏れ出た燃料ガスは、カソード極で触媒によって反応し、水を生成することになり、スタックケースの外部に排出されなくなる。

以下、本発明の燃料電池システムの具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の各実施形態の説明においては、酸化剤ガスの供給／排出に重点をおいて説明し、燃料ガスの供給／排出についての説明や、発電した電力を取り出す回路などについての説明を省略する。燃料ガスは、種々の方法によって燃料電池スタックの各アノード極に供給され、発電に供された後にスタックケース外に排出される。図１及び図２に本発明の第一実施形態の燃料電池システムの燃料電池ユニットを示す。図１がユニットの縦断面図であり、図２が平断面図である。

図１及び図２に示されるように、スタックケース１の内部には、二つの燃料電池スタック（以下、単にスタックと言う）２が収納されている。各スタック２は、構成単位となる単位セルユニット２ａを複数枚積層させて形成されている。各単位セルユニット２ａは、厚さ方向の中央に配された電解質や、電解質の両面に配されたアノード極及びカソード極、これらの各極の外側に配されたガス拡散層、各ガス拡散層の外側に配されたセパレータなどからなる。また、各単位セルユニット２ａの内部には、燃料ガス（水素）をアノード極に導入するガス流路や酸化剤ガス（空気）をカソード極に導入するガス流路なども形成されている。なお、本実施形態の燃料電池システムに用いられている電解質は、固体高分子型電解質である。

各単位セルユニット２ａの厚さ方向の側面（スタック２として積層したときに外部に露出する面）の一つには、カソード極に酸化剤ガスを取り込む酸化剤ガス取込口２ｂが形成されている（図１及び図２にそれぞれ一つだけ図示するが、各単位セルユニット２ａごとに存在する）。この酸化剤ガス取込口２ｂは、スタック２としてスタックケース１内に配設されたときに上方を向き、スタックケース１の上部に位置する。また、各単位セルユニット２ａの酸化剤ガス取込口２ｂの反対側には、スタック２として積層したときに酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出路２ｃを形成する孔が形成されている。酸化剤ガス排出路２ｃの一端（図１及び図２の左端）は塞がれており、他端は酸化剤ガス排出管２ｄを介してスタックケース１の外部に連通されている。スタックケース１の酸化剤ガス排出管２ｄが配されている側面とは反対側の側面の下部には、スタックケース１の内部空間に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給口１ｂが形成されている。酸化剤ガス供給口１ｂは、酸化剤ガス供給装置に接続される。

本実施形態のスタック２は、スタックケース１の内部底面から離して配置されている。スタック２の固定は種々の方法で行えばよく、足となる部材を介してスタックケース１の内部底面に固定されてもよいし、ステーなどを介してスタックケース１の内部側面や内部上面に固定されればよい。スタックケース１の内部底面には、微少凹凸面１ａ（ディンプルなど）が一面に形成されている。微少凹凸面１ａは、その表面に微少な凹凸を有している。微少凹凸面１ａは、シート状の別の部材として形成し、この部材をスタックケース１の内部底面に貼り付けることで形成されてもよいし、スタックケース１の内部底面に微少な凹凸を直接形成させることで形成されてもよい。ディンプルを形成する時点でショットピーニングやサンドブラストなどのような表面加工処理を施すことで、スタックケース１の強度を向上させることもできる。なお、微少凹凸面１ａに代えて、スタックケース１の内部底面に多孔質体を配設しても同様の効果が得られる。

上述した構成の燃料電池ユニットにおける酸化剤ガスの供給／排出ついて説明する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口１ｂを介してスタックケース１の内部に供給される。酸化剤ガス供給口１ｂは、スタックケース１の下部に位置しており、スタックケース１の内部に供給された酸化剤ガスは、スタックケース１の内部底面近くを通ってスタックケース１の内部空間全体に充填される。このとき、スタックケース１の内部底面には、スタック２より漏出した水や、コールドスタート時などに湿った空気がスタックケース１の冷たい内壁にあたって結露した時の凝集水などが溜まっている。酸化剤ガスは、スタックケース底面近くでこのような水と接触して加湿される。

上述した電解質のこのイオン導電性が高いと単位時間当たりに固体高分子電解質膜内を移動するプロトン（水素イオン）の数が増え、その分だけ電気化学反応に伴う発電量を多くすることができる。イオン導電性を高く維持するためには、固体高分子電解質膜を乾燥しないように常に湿らせておく必要があり、ここでは、酸化剤ガスをこのように加湿することで、電解質を湿らせることができる。なお、燃料ガスも加湿される。また、特に、本実施形態では、スタックケース１の内部底面に微少凹凸面１ａを形成させてあるため、酸化剤ガスとの接触面積が増え、水分の蒸発を促進して酸化剤ガスが加湿されやすいようになっている。

スタックケース１の下部よりスタックケース１内に充填された酸化剤ガスは、スタックケースの中を循環し、スタックケース１の上部側の酸化剤ガス取込口２ｂよりスタック２の内部に取り込まれる（図１中の実線矢印参照）。このとき、酸化剤ガスは、スタック２から漏出した燃料ガスと混ざって酸化剤ガス取込口２ｂよりスタック２の内部カソード極に取り込まれる。取り込まれた酸化剤ガスはカソード極において発電に供される。一方、漏出してカソード極に取り込まれた燃料ガスは、触媒によって反応して水を生成する。このように、スタック２から漏れ出た燃料ガスは酸化剤ガスと共にカソード極において反応することで、電力の生成には寄与しないがスタックケース１の外部に排出されてしまうこともなくなる。

特に、漏出した燃料ガスは酸化剤ガスよりも軽いのでスタックケース１内部の上方に滞留しやすいため、このように、酸化剤ガス取込口２ｂをスタックケース１の上部に配置することで、漏出した燃料ガスを回収してスタックのカソード極に投入させやすくなる。なお、発電に供された酸化剤ガスは、上述した酸化剤ガス排出路２ｃ及び酸化剤ガス排出管２ｄを介してスタックケース１の外部に排出される（図１中の点線矢印参照）。また、酸化剤ガスはスタックケース１の内部空間を介してスタック２に供給されるため、スタックケース１の内部に酸化剤ガスの供給のためのマニホールドなどを設ける必要がなくなり、ユニットの低容積化にも寄与する。さらに、スタックケース１の内部空間における酸化剤ガスの圧力は、燃料ガスの圧よりも高くされている。このようにすることで、スタック２のガスシールから燃料ガスがスタックケース１の内部空間に漏出しにくくなり、燃料ガスのリーク量を低減することができる。

図３及び図４に第二実施形態を示す。本実施形態は、スタック２への酸化剤ガスの取り込み方が異なるだけである。このため、上述した第一実施形態と同一又は同等の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図３が図１相当図であり、図４が図２相当図である。

本実施形態では、第一実施形態における酸化剤ガス排出路２ｃと同様の形態の酸化剤ガス取込路２ｅによって酸化剤ガスをスタック２の内部に取り込む。各単位セルユニット２ａにはスタック２として積層したときに酸化剤ガスを取り込むための酸化剤ガス取込路２ｅを形成する孔が形成されており、単位セルユニット２ａを積層させることでスタック２の内部に酸化剤ガス取込路２ｅが形成される。酸化剤ガス取込路２ｅの一端（図１及び図２の左端）は塞がれており、他端は酸化剤ガス取込口２ｂとしてスタックケース１の内部空間に対して開放されている。

酸化剤ガス取込路２ｅは、スタックケース１の酸化剤ガス供給口１ｂが形成されている内側面とは反対側の内側面近傍に位置し、かつ、スタックケース１の上部に形成されている。また、酸化剤ガス供給口１ｂにおける酸化剤ガスの流れ方向と、酸化剤ガス取込口２ｂにおける酸化剤ガスの流れ方向とは互いに反対方向を向いている。このようにすることで、酸化剤ガスはスタックケース１の内部を十分に循環させることになり、その間にスタック２から漏出した燃料ガスの回収とスタックケース１内部の水による酸化剤ガスの加湿とが効率的かつ十分に行われるようになる。

なお、本実施形態によっても、酸化剤ガス供給口１ｂをスタックケース１の下部に設けることによって得られる効果、スタックケース１の内部底面を微少凹凸面１ａを形成（又は多孔質体を配設）することによる効果、酸化剤ガス取込口２ｂをスタックケース１の上部に設けたことによる効果、スタックケース１の内圧を燃料ガス圧以上とする効果などは、第一実施形態と同様に本実施形態においても実現される。

図５に第三実施形態を示す。本実施形態は、上述した第二実施形態に対して、スタック２に供給する酸化剤ガス（スイープガス）を加湿する加湿器３をスタックケース内に有している。加湿器３は、各スタック２ごとに一つずつ配設されている。その他の点は、上述した第二実施形態のものと同様である。このため、上述した第一又は第二実施形態と同一又は同等の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図５は図１又は図３相当図である。

本実施形態のスタック２においては、酸化剤ガス取込路２ｅがスタック２の下部に位置し、酸化剤ガス排出路２ｃがスタック２の上部に位置しており、この点は上述した実施形態と逆である。各加湿器３は、円筒形の本体を備えており、その下端にはこの本体内部と酸化剤ガス取込路２ｅとを連通させる連結管３ａを有し、その上端にはこの本体内部と酸化剤ガス排出路２ｃとを連通させる連結管３ｂを有している。これらの連結管３ａ，３ｂは、伸縮性を持って構成されている。伸縮性の持たせ方は、伸縮性を有する素材で形成したり、蛇腹状に形成するなどすればよい。連結管３ａ，３ｂが伸縮性を備えているため、加湿器３が熱変形などによって膨潤しても、スタック２に無理な応力を与えることを防止することができる。

加湿器３の上方部（スタックケース１の上部に位置する）には、スタックケース１の内部空間から酸化剤ガスを取り込む一対の酸化剤ガス取込口２ｂが対向して形成されている。これらの酸化剤ガス取込口２ｂも、スタックケース１の酸化剤ガス供給口１ｂが形成されている内側面とは反対側の内側面近傍に配置されている。各スタック２は、加湿器３を介して、この酸化剤ガス取込口２ｂから酸化剤ガスを取り込むこととなる。さらに、加湿器３は、その本体の下部に、スタック２から排出された酸化剤ガスをスタックケース１の外部に排出する酸化剤ガス排出管２ｄを有している。加湿器３の内部には、水分を保持し得る中空糸が充填されている。本実施形態では、加湿器３をスタックケース１の内部に配設させたため、加湿器ケースとこれに伴うマニホールドを省略してユニットの低容積化にも寄与している。

上述した構成の燃料電池ユニットにおける酸化剤ガスの供給／排出ついて説明する。酸化剤ガスは、スタックケース１の下部に配置された酸化剤ガス供給口１ｂからスタックケース１の内部に供給され、スタックケース１の内部底面近くを通って加湿されながらスタックケース１の内部空間全体に充填される。スタックケース１内に充填された酸化剤ガス（スイープガス）は、スタックケースの中を循環し、スタックケース１の上部側の酸化剤ガス取込口２ｂより加湿器３の内部に取り込まれ、加湿器３の内部を下方に移動した後に、酸化剤ガス取込路２ｅを介してスタック２の内部に取り込まれる（図５中の実線矢印参照）。

一方、スタック２から排出された酸化剤ガス（オフガス）は、酸化剤ガス排出路２ｃを介して加湿器３の上方部に排出される。スタック２のカソード極では、酸化剤ガス中の酸素と電解質中を移動したプロトン（水素イオン）とが反応し、水を生成するため、オフガスには多くの水分が含まれている。このオフガスは、加湿器３内を上方から下方に移動し、水分を中空糸に預けながら、最終的には酸化剤ガス排出管２ｄからスタックケース１外に排出される。加湿器３の内部では、スイープガスと多湿のオフガスとが接触するため、中空糸などを介してスイープガスがさらに加湿される。このようにして、スイープガスのさらなる加湿を行うことができ、電解質のイオン導電性をさらに向上させることができる。

また、スタック２と加湿器３の数を同数にして、各スタック２ごとに加湿器３を設けてあるため、スタック２と加湿器３とを一対一で接続すればよく、スタック２と加湿器３の間に複雑な配管を行う必要がない。このため、複雑な分配配管や集約配管を備えたマニホールドを避けることができ、この点からもユニットの低容積化を実現することができる。

なお、本実施形態によっても、酸化剤ガス供給口１ｂをスタックケース１の下部に設けることによって得られる効果、スタックケース１の内部底面を微少凹凸面１ａを形成（又は多孔質体を配設）することによる効果、酸化剤ガス取込口２ｂをスタックケース１の上部に設けたことによる効果、スタックケース１の内圧を燃料ガス圧以上とする効果などは、第一実施形態と同様に本実施形態においても実現される。

図６に第四実施形態を示す。本実施形態は、上述した第三実施形態に対して、加湿器３の内部への酸化剤ガス（スイープガス）の取込形態が異なるだけであり、その他の部分は上述した第三実施形態と同様である。このため、上述した第一〜第三実施形態と同一又は同等の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図６は図１、図３又は図５相当図である。本実施形態では、加湿器３の上面が開放されて酸化剤ガス取込口２ｂとされている。この酸化剤ガス取込口２ｂ燃すスタックケース１の上部に位置しており、かつ、スタックケース１の酸化剤ガス供給口１ｂが形成されている内側面とは反対側の内側面近傍に配置されている。本実施形態によっても、上述した第三実施形態のユニットと全く同様の効果を実現することができる。

図７に第五実施形態を示す。本実施形態では、加湿器３の内部でスイープガスの流れとオフガスの流れとを対向させることで、スイープガスの加湿をより一層効果的に行わせようとすることを意図している。図７には、図を見やすくするため、スタックケース１内のスタック及び加湿器３のみを図示する。ただし、スタックケース１などのその他の部分は上述した実施形態と同様の構成を有している。本実施形態では、二組のスタック２及び加湿器３を備えている。今、図７手前側のスタック２又は加湿器３を一方のスタック２又は加湿器３と呼び、奥側のスタック２又は加湿器３を他方のスタック２又は加湿器３と呼ぶこととする。

一方のスタック２は、下方に酸化剤ガス取込路を有し、上方に酸化剤ガス排出路を有している。酸化剤ガス取込路は、連結管３ａを介して他方の加湿器３の下部と連結されている。酸化剤ガス排出路は、連結管３ｂを介して一方の加湿器３の上部と連結されている。他方のスタック２は、上方に酸化剤ガス取込路を有し、下方に酸化剤ガス排出路を有している。酸化剤ガス取込路は、連結管３ａを介して一方の加湿器３の上部と連結されている。酸化剤ガス排出路は、連結管３ｂを介して他方の加湿器３の下部と連結されている。一方の加湿器３は、その下部に酸化剤ガス取込口２ｂと酸化剤ガス排出管２ｄとを有している。他方の加湿器３は、その上部に酸化剤ガス取込口２ｂと酸化剤ガス排出管２ｄとを有している。

一方のスタック２に関する酸化剤ガスの供給／排出について説明する。他方の加湿器３の上部酸化剤ガス取込口２ｂから取り込まれた酸化剤ガス（スイープガス）は、他方の加湿器３内を上方から下方に向けて移動し、下方の連結管３ａを介して一方のスタック２の下部に供給される。このとき、他方の加湿器３の内部では、後述する他方のスタック２からのオフガスが下方から上方に移動し、上部の酸化剤ガス排出管２ｄからスタックケース１の外部に排出される。このため、他方の加湿器３の内部では、スイープガスとオフガスとが対向して流れることになり、スイープガスは高湿度のオフガスから水分を受け取りやすくなり、スイープガスの加湿がより一層促進される。なお、一方のスタック２の上方から排出されるオフガスは、連結管３ｂを介して一方の加湿器３の上部に取り込まれ、加湿器３の内部を上方から下方に移動した後、下部の酸化剤ガス排出管２ｄからスタックケース１の外部に排出される。

他方のスタック２に関する酸化剤ガスの供給／排出について説明する。一方の加湿器３の下部酸化剤ガス取込口２ｂから取り込まれた酸化剤ガス（スイープガス）は、一方の加湿器３内を下方から上方に向けて移動し、上方の連結管３ａを介して他方のスタック２の上部に供給される。このとき、一方の加湿器３の内部では、上述した一方のスタック２からのオフガスが上方から下方に移動し、下部の酸化剤ガス排出管２ｄからスタックケース１の外部に排出される。このため、一方の加湿器３の内部では、スイープガスとオフガスとが対向して流れることになり、スイープガスは高湿度のオフガスから水分を受け取りやすくなり、スイープガスの加湿がより一層促進される。他方のスタック２の下方から排出されるオフガスは、連結管３ｂを介して他方の加湿器３の下部に取り込まれ、加湿器３の内部を下方から上方に移動した後、上部の酸化剤ガス排出管２ｄからスタックケース１の外部に排出される。

本発明の燃料電池システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態では、スタックケース１内にスタック２は二つ配設されたが、一つでもよいし、３つ以上でもよい。

本発明の燃料電池システムの第一実施形態における燃料電池ユニットの側断面図である。 本発明の燃料電池システムの第一実施形態における燃料電池ユニットの平側断面図である。 本発明の燃料電池システムの第二実施形態における燃料電池ユニットの側断面図である。 本発明の燃料電池システムの第二実施形態における燃料電池ユニットの平側断面図である。 本発明の燃料電池システムの第三実施形態における燃料電池ユニットの側断面図である。 本発明の燃料電池システムの第四実施形態における燃料電池ユニットの側断面図である。 本発明の燃料電池システムの第五実施形態におけるスタック及び加湿器を示す斜視図である。

符号の説明

１ スタックケース
１ａ 微少凹凸面
１ｂ 酸化剤ガス供給口
２ スタック
２ａ 単位セルユニット
２ｂ 酸化剤ガス取込口
２ｃ 酸化剤ガス排出路
２ｄ 酸化剤ガス排出管
２ｅ 酸化剤ガス取込路
３ 加湿器
３ａ，３ｂ 連結管

Claims (12)

1. スタックケース内に少なくとも一つの燃料電池スタックを備え、前記スタックケースの外部から燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して前記燃料電池スタックにて発電を行う燃料電池システムにおいて、
   前記スタックケースの内部空間に酸化剤ガスが充填され、各燃料電池スタックが、前記内部空間から酸化剤ガスを取り込むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記スタックケース内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口が、前記スタックケースの下部に配されてい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. 各燃料電池スタックは、酸化剤ガス取込口を介して前記スタックケースの内部空間からカソード極に酸化剤ガスを取り込むもので、該酸化剤ガス取込口が、前記スタックケースの内部空間の上部に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記スタックケースの内部において、前記酸化剤ガス取込口が、前記酸化剤ガス供給口が形成されている内側面とは反対側の内側面近傍に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記スタックケースの内部底面に、微少な凹凸を形成させた領域を設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記スタックケースの内部底面に、多孔質体を配設したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックが、酸化剤ガス加湿器を介して、前記スタックケースの内部空間から酸化剤ガスを取り込むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記酸化剤ガス加湿器が、前記スタックケースの内部に配設されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記酸化剤ガス加湿器の内部において、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの流れと前記燃料電池スタックから排出された酸化剤ガスの流れとが反対方向となるようにされていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記酸化剤ガス加湿器が、各燃料電池スタックごとに配設されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記酸化剤ガス加湿器と前記燃料電池スタックを連結する配管が伸縮性を持っていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 前記スタックケースの内部圧力が燃料ガス圧以上であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。

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