JP2007242328A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池への水供給圧力を適した状態に設定し易くすると共に、燃料電池システム停止時でも加湿部へ確実に水供給することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水タンク６内に貯水した水を燃料電池１に供給して該燃料電池１の発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、水タンク６を、少なくとも燃料電池１または該燃料電池１に供給する空気を加湿させる加湿器１２に対して略同一高さ若しくは上部に配置し、該水タンク６内の水を重力にて燃料電池１または加湿器１２に供給するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳細には、水タンク内の水を燃料電池にポンプを使用することなく重力の補助を受けて供給可能とする水供給技術に関する。

燃料電池に空気（酸化剤ガス）と水素（燃料ガス）を供給することで発電した際に生じた熱を一定温度に保つための手段として、ラジエータにより冷却水（純水）を強制的に燃料電池に供給する方法がある。この方法では、大型のラジエータを使用して多量の冷却水を送り込まないと所定温度に冷却することは難しい。

またこの他、燃料極と空気極とセパレータを多孔質体で形成し、水を水タンクに保持させ、その水タンクからセパレータに水を供給して空気極側に水を浸み出させることで、その気化潜熱で発電時の熱を奪って燃料電池を冷却させる方法がある。この方法では、気化潜熱にて熱を奪うことからラジエータを使用した場合に比べて保持する水の量が少なくて済み、しかも大型ラジエータ冷却水用の大径の配管が不要であることから省スペース化にもなる。さらに、ラジエータ内に存在する流体は気体が主となるため、大幅な軽量化になる。

ところで、前記した２つの冷却方法は、何れも水を燃料電池に確実に供給するために、常に圧力による押し込や負圧ポンプを利用する必要がある。特許文献１に記載の技術では、燃料電池の下方に水を貯水する水タンクを設け、ポンプでその水タンク内の水を燃料電池に供給している。
特開平１１−３１７２３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、適切な圧での水供給がポンプに依存していることから燃料電池へ供給する水の圧力制御が必要となる。また、仮に燃料電池内で空気極との差圧を一定以内におさめる要件がある場合に、燃料電池システム停止時などに燃料電池や加湿器への水供給系での水抜けの懸念があり、燃料電池に供給する水の供給信頼性も課題となる。

そこで本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池や加湿器への水の運転時の圧力制御性と停止時の加湿部での水抜け性による水の供給性への懸念を改善するもので、燃料電池への水供給圧力を適した状態に設定し易くすると共に、燃料電池システム停止時でも加湿部へ確実に水供給することのできる燃料電池システムを提供する。

本発明は、水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して該燃料電池の発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、水タンクを、少なくとも燃料電池または該燃料電池に供給する空気を加湿させる加湿器に対して略同一高さ若しくは上部に配置し、該水タンク内の水を重力の補助にて燃料電池または加湿器に供給するようにする。

本発明によれば、燃料電池や加湿器へ供給する水は、重力で供給するので、水の供給性信頼性が向上し、水の不足が起こりにくく、燃料電池の運転性を維持することができる。

特に、本発明によれば、燃料電池上部から燃料電池内部の多孔質体を介して空気極へ染み出させた水を気化することで冷却する燃料電池であるから、多孔質体での水不足は加湿性や冷却性を低下させることとなり、運転継続の支障となりかねないが、これを低減することができる。これにより、多孔質体への設計要件の自由度が向上し、性能、製造性、コスト、などの点で優位性を引き出すことができる。

また、本発明によれば、水タンク上部へのアクセスを容易とする配置も可能となり、水タンクへの水供給構造の設計や作業性が向上し、交換性を求めるイオン除去フィルタなどの交換性を考慮した設計に有利となる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［実施形態１］
図１は実施形態１の燃料電池システムを示し、（Ａ）はその燃料電池システムを車両に搭載したときの全体概略構成図、（Ｂ）はその燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１と、燃料電池１に燃料としての水素を供給する燃料供給手段と、燃料電池１に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給手段と、発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却させる水供給手段とを主要な構成要素として備え、燃料電池に水素と空気をそれぞれ供給することで、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。

燃料電池１は、電解質膜をアノード側電極（燃料極）とカソード側電極（酸化剤極）とで挟み込んでなる膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）と、この膜電極接合体の両側に水素、空気及び水を供給するための流路が形成されたセパレータを配置した単位燃料電池セル（単セル）を複数積層してなるセルスタックからなる。本実施形態の燃料電池システムでは、電極及びセパレータを多孔質体として形成し、水を電解質膜へと浸み出させ、その水の気化潜熱にて発電で生じた熱を冷却するように構成されている。

燃料供給手段は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンク、水素供給通路、バルブ、水素排気通路、水素希釈装置、水素燃焼装置（何れも図示は省略する）等を有する。高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給通路を通じて燃料電池１の燃料極へと供給される。また、燃料電池１の燃料極から排出されたアノード排出ガスは、水素排気通路を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈されるか水素燃焼装置で燃焼されて酸化された上で、システム外部に排出される。

酸化剤供給手段は、例えば、空気を圧縮し燃料電池１の酸化剤極へ供給する圧縮機（コンプレッサ）２、圧縮した空気を燃料電池１に送る空気供給流路３、その空気を所定湿度にする加湿器、燃料電池１から排気された空気温度を下げる空気冷却装置（コンデンサ）４、コンデンサ４で凝縮された空気中に含まれる水を分離する気液分離装置（セパレータ）５、気液分離装置５で分離した空気をシステム外へ排気する空気排気流路等を有する。圧縮機２にて圧縮して供給された空気は、可変バルブなどで流量や圧力が調整され、コンデンサ４や加湿器によって適切な温度・湿度に調整されて燃料電池１の酸化剤極へ供給される。また、燃料電池１の酸化剤極から排出された排出ガスは、空気排気通路１３Ａ、１３Ｂを介してシステム外部へ排出される。

水供給手段は、例えば純水を貯水する水タンク６と、この水タンク６から燃料電池１または加湿器へと水を供給する水供給流路７と、気液分離装置５で分離した水を再び水タンク６へ戻すポンプ８及び水回収流路９等を有する。

本実施形態では、車両１０の高さ方向において燃料電池１の上部（真上）に水タンク６を配置し、その水タンク６内の水を、前記水供給流路７を介して燃料電池１に重力にて供給するように構成してある。このように、燃料電池１へ供給する水は、ポンプを使用することなく重力で供給することができるので、水供給の信頼性が向上し、水不足が起こらず、燃料電池システムの運転性を維持できる。特に、燃料電池１上部から燃料電池１内部の多孔質体を介して酸化剤極へ気化することで冷却する燃料電池１では、多孔質体での水不足は加湿性や冷却性を低下させることとなり、運転継続の支障となりかねないが、本実施形態ではこれを低減できる。

したがって、本実施形態によれば、多孔質体への設計要件の自由度が向上し、性能、製造性、コスト等で優位性を引き出せる。また、水タンク１上部へのアクセスを容易とする配置も可能となり、該水タンク１への水供給構造の設計や作業性が向上し、交換性が求められるイオン除去フィルタ１１などの水タンク６からの交換作業性を考慮した設計に有利となる。

図２は水タンクから加湿器に水を重力の補助で供給するようにした実施形態１の他の例を示す燃料電池システムを示し、（Ａ）はその燃料電池システムを車両に搭載したときの全体概略構成図、（Ｂ）はその燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

図２では、燃料電池１の真上に配置した水タンク６から圧縮機２と燃料電池１間に設けられた加湿器１２に、該水タンク６からの水を重力によって直接供給するように構成してある。このように、燃料電池１の上部に配した水タンク６からポンプなどの供給手段を使用せずに重力の補助によって加湿器１２に水を供給することで、前記した例と同様の効果を得ることができる。

［実施形態２］
図３は実施形態２の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

実施形態２では、水タンク６から燃料電池１へと水を供給する水供給流路７に、この水供給流路７内を流れる水の流れと圧力を調整する水調圧手段１４を設けている。水調圧手段１４としては、例えばオリフィスやバルブが使用できる。

本実施形態によれば、水タンク６から燃料電池１へ重力によって水を供給する水供給流路７に水調圧手段１４を設けてその流路内の流量と圧力を調整することで、セパレータなどの多孔質体における水の圧力を調整することができ、多孔質体からガス側への水抜けを低減することができ、運転性への信頼性がより一層向上する。これにより、本実施形態では、多孔質体への設計要件の自由度が向上し、性能、製造性、コスト、などで優位性を引き出せる。

なお、実施形態２では、水タンク６から加湿器１２へと水を供給する水供給流路７に、この水供給流路７内を流れる水の流れと圧力を調整する水調圧手段１４を設けるようにしても同様の効果が得られる。

［実施形態３］
図４は実施形態３の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

実施形態３では、燃料電池１から排気される空気の出口直後の空気排気流路１３Ａから水タンク６に空気圧を導入する空気連通路１５を設けている。この空気連通路１５は、燃料電池出口直後の空気排気流路１３Ａから分岐して水タンク６の上部に接続され、その水タンク６内に燃料電池１から排気される空気を供給するようになっている。

本実施形態によれば、燃料電池１から排気された空気を空気連通路１５を介して水タンク６に供給することで、当該水タンク６内の圧力を燃料電池空気出口圧とほぼ同一となる。その結果、燃料電池１内での水とガスとの圧力差が低減し、多孔質体からの水抜けが低減して、燃料電池システムの運転性への信頼性がより一層向上する。これにより、本実施形態では、多孔質体への設計要件の自由度が向上し、性能、製造性、コスト、などで優位性を引き出せる。

［実施形態４］
図５は実施形態４の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態では、水タンク６内の空気を該水タンク６の内圧よりも低い部位へ排気させるタンク内空気排気流路１６を設け、前記空気連通路１５とこのタンク内空気排気流路１６の両方に空気圧を調整する空気調圧手段１７を設けている。タンク内空気排気流路１６は、空気連通路１５が接続される水タンク６の一面とは反対側の他面に接続され、タンク内部の空気を、水タンク６の内圧よりも低い大気へ排気させるようにしている。空気調圧手段１７としては、例えばオリフィスやバルブが使用できる。

本実施形態によれば、水タンク６に接続される空気連通路１５に設けた空気調圧手段１７とタンク内空気排気流路１６に接続された空気調圧手段１７とを適宜調整して水タンク６内の圧力を調整することで、燃料電池１内での水とガスとの圧力差を最適にすることができ、多孔質体からの水抜けを防止することができ、蒸気と同じ効果を得ることができる。

なお、空気調圧手段１７は、空気連通路１５とタンク内空気排気流路１６の両方に設けてもよく、或いは何れか一方に設けても構わない。また、この空気調圧手段１７を調整するに際しては、燃料電池出口の空気圧と水タンク６内の圧力を圧力計で計測し、その測定値に基づいてバルブ開閉調整を行うようにしてもよい。

また、図５では、水タンク６内の空気を該水タンク６の内圧よりも低い大気へ排気させたが、図６に示すように、気液分離装置５で分離された空気を燃料電池システム外へと排出させる空気排気流路１３Ｂの下流に、前記タンク内空気排気流路１６を接続するようにしてもよい。この例では、図５に示す構成のものと同様の効果が得られると共に、さらに燃料電池システム外へと排気する空気出口の数を減らすことができる。

［実施形態５］
図７は実施形態５の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態では、タンク内空気排気流路１６に負圧装置１８を接続し、燃料電池システム停止時において前記水タンク６内を大気圧より負圧にする。負圧装置１８には、例えばコンプレッサなどの真空装置を使用する。

本実施形態によれば、タンク内空気排気流路１６に接続した負圧装置１８で水タンク６内の圧力を大気圧よりも負圧にすれば、水のヘッド圧による多孔質体での浸み出しを防止することができる。

［実施形態６］
図８は実施形態６の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態では、燃料電池１に空気を圧縮して供給する圧縮機（コンプレッサ）２が吸入する空気の負圧部位に、前記したタンク内空気排気流路１６を接続し、空気調圧手段１７を調整して燃料電池システム停止時において水タンク６内を大気圧より負圧にする。

本実施形態によれば、燃料電池システム停止時に、圧縮機２及び空気調圧手段１７にて水タンク６内を負圧にすることができるため、水のヘッド圧による多孔質体での浸み出しを防止することができる。

［実施形態７］
図９は実施形態７の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態では、燃料電池１から排気された空気に含まれる液滴を捕捉し、水タンク６に繋がる空気連通路１５を介して、前記水タンク６へ液滴を送る液滴捕捉手段１９を設けている。液滴捕捉手段１９と空気連通路１５は、部品点数の削減が図れるように燃料電池１のマニホールド２０に設置すると共に該マニホールド２０を水タンク６まで延長して当該水タンク６と接続させる。

本実施形態によれば、燃料電池１を出た空気は発電部から離れることで徐々に冷却されて水分が凝縮し始めるが、その凝縮水を液滴捕捉手段１９で捕捉して、コンデンサ４手前で前記した空気連通路１５を介して水タンク６へ移動させるので、コンデンサ４での必要凝縮量を低減でき、凝縮性能や気液分離性能をより一層高めることができる。また、本実施形態によれば、下流に流れる水分を低減することで、流れの妨げを低減でき、さらには気液分離後の水タンク６へ移動させる水の量も低減でき、移動手段の必要能力（消費電力など）を低減することが可能となる。

なお、図９では、燃料電池１の構造を詳細に示してある。燃料電池１は、電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟み込んでなる膜電極接合体２１と、この膜電極接合体２１の両側に配置される多孔質体からなるセパレータ２２とからなる単セルを複数積層して構成され、その単セルの積層体からなるセルスタックの一面に水、燃料及び酸化剤を供給するためのマニホルド２０を配置した構造となっている。膜電極接合体２１を挟むセパレータ２２には、燃料極と対向する面には水素を供給するための水素流路２３、酸化剤極と対向する面には空気を供給するための空気流路２４、膜電極接合体２１の反対側の面には水流路２５がそれぞれ形成されている。

［実施形態８］
図１０は実施形態８の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態では、水タンク６内の温度と、燃料電池１から排気される空気の出口温度との差を利用して空気温度を下げ、液滴捕捉手段１９で捕捉する水量を増大し、空気連通路１５へ送る液滴量を増大させる。具体的には、空気排気流路１３Ａのうち燃料電池出口直後の配管部分１３ａを、マニホールド２０内を通して水タンク６内へ導入させた後、再びマニホールド２０を通してコンデンサ４へと導くようにする。

本実施形態によれば、燃料電池１から排気された空気は水タンク６内を通るため、この水タンク６内の水によって冷やされることから、この水タンク６内の温度と燃料電池１から排気される空気の出口温度との差により空気温度がより一層下がる。その結果、マニホールド２０内に配置された液滴捕捉手段１９で捕捉される水量が増大し、前記空気連通路１５を介して水タンク６へと送られる液滴量を増大させることができる。

したがって、本実施形態によれば、排空気中の水分の凝縮と回収を促進でき、コンデンサ４での必要凝縮量を低減することが可能となり、凝縮性能や気液分離性能をより一層高めることができ、下流の流れやすさを改善できる。また、本実施形態によれば、気液分離後の水タンク６へ移動させる水の量も低減することができ、移動手段の必要能力（ポンプ消費電力など）も低減でき、また低温起動時で水タンク６内の水が凍結している場合には、純水の解凍が促進され、低温起動性も高められる。

また、本実施形態では、気液分離装置５内にポンプ８を設け、このポンプ８にて気液分離装置５で分離させた水を水タンク６へと戻す水回収流路９とを設けたので、該ポンプ８より水タンク６への水の昇圧が可能となり、コンデンサ４での圧力損失増大を許容することができ、凝縮性能を向上できる。また、本実施形態によれば、低い位置からの水回収でも水タンク６への水移動を容易とし、コンデンサ４の冷却性能確保による大型化の許容やレイアウトの自由度を向上させることができる。

［実施形態９］
図１１は実施形態９の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

本実施形態では、水タンク６を燃料電池１に対して略同一高さに配置し、その水タンク６内の水を重力にて燃料電池１に供給するように構成した例である。実施形態１では、燃料電池１の上部に水タンク６を配置したが、本発明では、重力によって内部の水を燃料電池１または加湿器１２に供給することができる位置であれば構わない。

本実施形態によれば、水タンク６を燃料電池１に対して略同一高さに配置したので、水タンク６から燃料電池１または加湿器１２への水供給を確実に行うことができ、過剰な水供給を防止することができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されることは言うまでもない。

実施形態１の燃料電池システムを示し、（Ａ）はその燃料電池システムを車両に搭載したときの全体概略構成図、（Ｂ）はその燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 水タンクから加湿器に水を重力の補助で供給するようにした実施形態１の他の例を示す燃料電池システムを示し、（Ａ）はその燃料電池システムを車両に搭載したときの全体概略構成図、（Ｂ）はその燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態２の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態３の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態４の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態４の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図であり、タンク内空気排気流路を空気排気流路の下流に接続した例を示す。 実施形態５の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態６の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態７の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態８の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。 実施形態９の燃料電池システムの一部を取り出して示す概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…圧縮機（コンプレッサ）
３…空気供給流路
４…空気冷却装置（コンデンサ）
５…気液分離装置（セパレータ）
６…水タンク
７…水供給流路
８…ポンプ
９…水回収流路
１１…イオン除去フィルタ
１２…加湿器
１３Ａ，１３Ｂ…空気排気流路
１４…水調圧手段
１５…空気連通路
１６…タンク内空気排気流路
１７…空気調圧手段
１８…負圧装置
１９…液滴捕捉手段
２０…マニホールド
２１…膜電極接合体
２２…セパレータ

Claims (10)

1. 水タンク内に貯水した水を燃料電池に供給して該燃料電池の発電によって生じた熱を気化潜熱で奪って冷却する燃料電池システムにおいて、
   前記水タンクを、少なくとも前記燃料電池または該燃料電池に供給する空気を加湿させる加湿器に対して略同一高さ若しくは上部に配置し、該水タンク内の水を重力にて燃料電池または加湿器に供給する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記水タンクから前記燃料電池または前記加湿器へと水を供給する水供給流路に、この水供給流路内を流れる水の流れと圧力を調整する水調圧手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排気される空気の出口直後の空気排気流路から前記水タンクに空気圧を導入する空気連通路を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記水タンク内の空気を該水タンクの内圧よりも低い部位へ排気させるタンク内空気排気流路を設け、前記空気連通路と前記タンク内空気排気流路の両方または何れかに空気圧を調整する空気調圧手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記タンク内空気排気流路を、前記燃料電池から排気される空気を燃料電池システム外へ排気させる空気排気流路の下流に接続した
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記タンク内空気排気流路に負圧装置を接続し、燃料電池システム停止時において前記水タンク内を大気圧より負圧にする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に空気を圧縮して供給する圧縮機が吸入する空気の負圧部位に、前記タンク内空気排気通路を接続し、燃料電池システム停止時において前記水タンク内を大気圧より負圧にする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排気された空気に含まれる液滴を捕捉し、前記空気連通路を介して前記水タンクへ液滴を送る液滴捕捉手段を設けた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
   前記水タンク内の温度と、前記燃料電池から排気される空気の出口温度との差を利用して空気温度を下げ、前記液滴捕捉手段で捕捉する水量を増大し、前記空気連通路へ送る液滴量を増大させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１から請求項９の何れか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池から排気された空気をコンデンサで凝縮して冷却し、その凝縮された水を、前記水タンクに送り込むポンプ及び水回収流路を設けた
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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