JP2007280794A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態にあった温度の酸化ガスを燃料電池に供給するとともに、コストの低減を図る。
【解決手段】酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池１０を有するシステムで、酸化ガスをその分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離するボルテックスチューブ等の分離手段２５と、分離手段２５で分離された低温ガス及び高温ガスの燃料電池１０への供給を制御する制御手段１３，３１，３６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

近年、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムにおいて、酸化ガスとして供給するエアをシステムの運転状態に応じて予熱して供給する技術がある（例えば特許文献１参照）。この技術では、電力によって発熱する可変抵抗を酸化ガス用の単一のガス供給流路に設けてエアを予熱するようになっている。
特開２００５−１１６４９９号公報

しかし、上記のように可変抵抗を酸化ガス用の単一のガス供給流路に設けて酸化ガスを予熱するものでは、運転状態にあった温度の酸化ガスを応答性良く燃料電池に供給することが実質的には困難であり、また、可変抵抗を用いることから温度制御のために必要な電力消費によるロスやコストもかかってしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、運転状態にあった温度の酸化ガスを燃料電池に供給するとともに、電力消費の低減やコストの低減を図ることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記酸化ガスを分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離する分離手段と、該分離手段で分離された前記低温のガス及び前記高温のガスの前記燃料電池への供給を制御する制御手段と、を備えたものである。

かかる構成によれば、分離手段で酸化ガスをその分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離し、このように分離された低温のガス及び高温のガスを制御手段が制御して燃料電池へ供給することになるため、酸化ガスの温度制御を迅速に行うことができ、運転状態にあった温度の酸化ガスを応答性良く燃料電池に供給することができるとともに、コストを低減することができる。

前記制御手段は、前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を選択的に前記燃料電池に供給する切換部を有するものでもよい。

特に、前記燃料電池が発電単位である単セルを複数積層してなるスタック構造を有するものである場合には、前記切換部は、前記燃料電池に供給される前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を所定個数の前記単セル毎に選択的に供給するものでもよい。

かかる構成によれば、各単セルの温度を均一化する制御や、特定の単セルだけ他の単セルよりも高温化あるいは低温化する制御が可能となる。
分離された前記高温のガスを前記燃料電池の入口へ供給し、分離された前記低温のガスを前記燃料電池の排出ガス通路（当該排出ガス通路に配設されている希釈器等の装置を含む）に合流させるようにしてもよい。

前記分離手段としては、ボルテックスチューブを採用することができる。

かかる構成によれば、圧縮ガスのみを使用して当該ボルテックスチューブに導入された圧縮ガスを高温のガスと低温のガスとに分離することが可能になるので、分離のための電源や冷媒等が不要となる。また、電力の消費を低減することができる。

本発明によれば、運転状態にあった温度の酸化ガスを応答性良く燃料電池に供給することができ、また、コストの低減を図ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。以下の各実施形態においては、燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

まず、図１〜図３を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。

図１に示される第１実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池１０と、この燃料電池１０の燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス供給系１１と、燃料電池１０の空気極に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス供給系１２と、運転者の操作入力及び車両の各状態等に基づいてこれらを制御する車両ＥＣＵ（制御手段）１３とを備えている。

燃料電池１０は、図２に示すように、水素ガス、空気の流路を有するセパレータ１５と、電解質膜１６をアノード電極１７及びカソード電極１８で挟持して構成されるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１９とを有し、ＭＥＡ１９を一対のセパレータ１５，１５で挟み込んで構成される単セル２０を複数積層したスタック構造を備えている。なお、この燃料電池１０には、冷却水流路は設けられておらず、一枚のセパレータ１５が隣り合う単セル２０，２０で共用されている。

次に、要部である酸化ガス供給系１２について説明する。

一端側が空気（外気）を取り入れるための取入口２２とされた空気取入路２３に、取入口２２側から空気を吸引し加圧して取入口２２とは反対側に圧送するエアコンプレッサ２４が設けられており、この空気取入路２３の取入口２２とは反対側にボルテックスチューブ（分離手段）２５が接続されている。

このボルテックスチューブ２５は、エアコンプレッサ２４で圧送されてきた空気をボルテックス効果を利用して、分離前の圧送空気よりも低温のエア（以下、低温エア）と高温のエア（以下、高温エア）とに分離するもの、言い換えれば、エアコンプレッサ２４側の入口温度に対して低温のエアと高温のエアとに分離するもので、図３に示すように、空気取入路２３に接続されて圧縮空気が導入されるガス供給口２７が長さ方向一側の側部に設けられ、長さ方向におけるガス供給口２７と同側の一端部に、分離した低温エアを吐出する低温エア吐出口２８が設けられ、さらに、長さ方向における他端部に、分離した高温エアを吐出する高温エア吐出口２９が設けられた中空管構造をなしている。

また、その内部には、ガス供給口２７の近傍にノズル３０が、高温エア吐出口２９の内側にバルブ（制御手段）３１が設けられている。そして、エアコンプレッサ２４からガス供給口２７を介してボルテックスチューブ２５の内部に高圧の空気が送り込まれると、この空気は、ボルテックスチューブ２５の内部で旋回ガス流となり、かかる旋回ガス流の中で中央から外側へと熱の流動が起こることにより、その結果、内側の低温エアの旋回流と、外側の高温エアの旋回流とに分離されることとなる。

そして、内側の低温エアが低温エア吐出口２８から、外側の高温エアが高温エア吐出口２９からバルブ３１を介して吐出される。なお、上記したバルブ３１の開度調整により低温エア及び高温エアの分離の度合いが制御可能となっている。また、ボルテックスチューブ２５はその機構上で定められる境界温度領域があり、当該ボルテックスチューブ２５に供給される分離前のエアはその境界温度に対して低温のエアと高温のエアとに分離される。

ボルテックスチューブ２５の低温エア吐出口２８には低温エア路３３が接続されており、高温エア吐出口２９には高温エア路３４が接続されていて、これら低温エア路３３及び高温エア路３４は、流路切換バルブである四方ロータリバルブ（制御手段、切換部）３６に接続されている。

この四方ロータリバルブ３６は、低温エア路３３が接続される第１接続口３７と、高温エア路３４が接続される第２接続口３８と、さらには第３接続口３９及び第４接続口４０とを有しており、第３接続口３９には燃料電池１０の空気極（燃料電池の入口）へ空気を供給する空気供給路４２が接続され、第４接続口４０には外気へ開口する排気路（排出ガス通路）４３が接続されている。

四方ロータリバルブ３６は、図１に実線で示すように、内部で第１接続口３７と第３接続口３９とを連通させ且つ第２接続口３８と第４接続口４０とを連通させることで、低温エア路３３と空気供給路４２とを接続させて低温エアを燃料電池１０に供給するとともに高温エア路３４と排気路４３とを接続させて高温エアを外気に排気する冷却時切換状態と、図１に破線で示すように、内部で第１接続口３７と第４接続口４０とを連通させ、且つ第２接続口３８と第３接続口３９とを連通させることで、高温エア路３４と空気供給路４２とを接続させて高温エアを燃料電池１０に供給するとともに低温エア路３３と排気路４３とを接続させて低温エアを外気に排気する暖機時切換状態とに切り換えられる。

車両ＥＣＵ１３は、燃料電池１０に設けられた温度センサＴから温度信号と燃料電池１０の出力状態とに基づいて、エアコンプレッサ２４、ボルテックスチューブ２５及び四方ロータリバルブ３６を制御する。

つまり、車両ＥＣＵ１３は、燃料電池１０に設けられた温度センサＴからの温度信号と例えば不図示の電流センサや電圧センサ等からの燃料電池１０の出力状態信号とにそれぞれ基づいた加圧指示信号、分離能力調整信号及び切換信号を生成し、エアコンプレッサ２４に加圧指示信号を出力してその吐出圧力を必要により調整するとともに、ボルテックスチューブ２５に分離能力調整信号を出力してバルブ３１の開度を必要により調整し、さらに、切換信号を四方ロータリバルブ３６に出力して必要によりこれを切り換える。

例えば、起動時等の燃料電池１０の温度が低く暖機したい状況では、四方ロータリバルブ３６を暖機時切換状態とし、高温エア路３４と空気供給路４２とを接続させて高温エアを燃料電池１０に供給する。他方、通常運転時等、燃料電池１０の温度が高い状況では、冷却のため、四方ロータリバルブ３６を冷却時切換状態とし、低温エア路３３と空気供給路４２とを接続させて低温エアを燃料電池１０に供給する。しかも、いずれの切換状態とした場合も、ボルテックスチューブ２５のバルブ３１の開度を調整して高温エアあるいは低温エアの温度を制御する。

以上説明した第１実施形態に係る燃料電池システム１においては、ボルテックスチューブ２５で酸化ガスとしての空気を分離前よりも低温エアと高温エアとに分離し、このように分離された低温エア及び高温エアを車両ＥＣＵ１３が四方ロータリバルブ３６を制御して燃料電池１０へ選択的に供給することになるため、酸化ガスとしての空気の温度制御を迅速に行うことができ、運転状態にあった温度の空気を応答性良く燃料電池１０に供給することができる。

しかも、ボルテックスチューブ２５を用いることにより、このボルテックスチューブ２５は、電源や冷媒等を不要とし、圧縮ガスのみを使用して当該ボルテックスチューブ２５に導入された圧縮ガスの高温ガスと低温ガスへの分離を実現させるものであり、比較的安価であるため、設備費用を低減することが可能となる。また、ボルテックスチューブ２５は小型・軽量であるため、設置スペースを低減することもできる。

さらに、冷却水等を用いた独立した冷却機構を用いることなく発電のために必要な酸化ガスを用いて燃料電池１０を最適温度に制御することができるため、コストを低減することができる。この場合、冷却水を使用しないので、燃料電池１０の正極と負極とが短絡することがなくなる。

また、セパレータ１５を隣り合う単セル２０，２０同士で共用することができるので、単セル２０，２０間の接触抵抗の低減、小型化、部品点数削減、製造工程の単純化が可能となる。さらに、小型化されることで燃料電池１０の熱容量が低減され、起動時に高温エアを送ることで発電可能な温度になるまでの時間を短縮できる。

なお、エアコンプレッサ２４は、高温エアあるいは低温エアを排気路４３を介して外気に排気しても、燃料電池１０が発電するために必要な空気量を燃料電池１０に供給可能な能力のものが用いられる。

また、ボルテックスチューブ２５は、分離温度の調整ができないものを用いることも可能であり、その場合、燃料電池１０の最適温度よりも温度が高い高温エアと低い低温エアとに分離可能なものを選定する。

次に、主に図４を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて説明する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１の低温エア及び高温エアの供給の構成を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａでは、ボルテックスチューブ２５に接続された高温エア路３４と低温エア路３３とがそれぞれ分配器（制御手段、切換部）５０に接続されている。

この分配器５０は、複数の空気供給路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，…に接続されており、車両ＥＣＵ１３で制御されて、高温エア路３４から導入された高温エア及び低温エア路３３から導入された低温エアをそれぞれ複数の空気供給路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，…のうちの任意のものに選択的に導入可能となっている。つまり、各空気供給路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，…のそれぞれにおいて高温エアを導入する状態及び低温エアを導入する状態が選択可能となっている。

また、各空気供給路４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，…は、燃料電池１０を構成する各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…に１：１の関係で接続されており、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…それぞれに温度センサＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，…が設けられている。ただし、これら空気供給路４２ａ等と単セル２０ａと温度センサＴａとの接続関係は、１：１：１に限定されるものではなく、例えば１：複数：複数であってもよい。

そして、車両ＥＣＵ１３は、燃料電池の各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…それぞれに設けられた温度センサＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，…からの温度信号と燃料電池１０の出力状態とに基づいて、エアコンプレッサ２４、ボルテックスチューブ２５及び分配器５０を制御する。

つまり、車両ＥＣＵ１３は、燃料電池１０に設けられた各温度センサＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，…から温度信号と例えば不図示の電流センサや電圧センサ等からの燃料電池１０の各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…の出力状態信号とにそれぞれ基づいた加圧指示信号、分離能力調整信号及び切換信号を生成し、エアコンプレッサ２４に加圧指示信号を出力してその吐出圧力を必要により調整するとともに、ボルテックスチューブ２５に分離能力調整信号を出力してバルブ３１の開度を必要により調整し、さらに、切換信号を分配器５０に出力して必要によりこれを切り換える。

このとき、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…毎に、温度センサＴａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，…のうちの対応するものからの温度信号と燃料電池１０の出力状態とに基づいて、単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…のうち低温エアを供給するものと高温エアを供給するものとをそれぞれ割り出し、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…に低温エア及び高温エアのいずれか割り出された一方を供給するように分配器５０を切り換える。

例えば、図４に実線で示すように単セル２０ｂ，２０ｃに接続される空気供給路４２ｂ，４２ｃへは高温エアを供給し、図４に破線で示すように単セル２０ａ，２０ｄに接続される空気供給路４２ａ，４２ｄへは低温エアを供給する等である。なお、低温エア及び高温エアの余剰分は、排気路４３を介して外気に排気される。

このような第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいては、分配器５０を用いて、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…毎に局部的に低温エア及び高温エアの供給を選択制御できるため、各単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…それぞれを運転状態に応じて常に最適な温度で運転できることになる。

例えば、単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…の１又は複数（所定個数）にフラッディングが生じていること又はこれから生じるであろうことが検知された場合には、当該単セル（所定個数の単セル毎）に高温ガスを供給することにより、フラッディングの解消又は予防を図ることができる一方、単セル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，…の１又は複数（所定個数）が過熱ぎみである場合には、当該単セル（所定個数の単セル毎）に低温ガスを供給することにより、ＭＥＡ１９の保護を図ることが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の概略断面図である。 ボルテックスチューブの概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１３…車両ＥＣＵ（制御手段）、２０…単セル、２５…ボルテックスチューブ（分離手段）、３１…バルブ（制御手段）、３６…四方ロータリバルブ（制御手段、切換部）、５０…分配器（制御手段、切換部）

Claims (5)

1. 酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記酸化ガスを分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離する分離手段と、
   該分離手段で分離された前記低温のガス及び前記高温のガスの前記燃料電池への供給を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を選択的に前記燃料電池に供給する切換部を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池は、発電単位である単セルが複数積層されてなるスタック構造を有し、
   前記切換部は、前記燃料電池に供給される前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を所定個数の前記単セル毎に選択的に供給する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 分離された前記高温のガスを前記燃料電池の入口へ供給し、分離された前記低温のガスを前記燃料電池の排出ガス通路に合流させる請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記分離手段は、ボルテックスチューブである請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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