JP2007299644A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿手段の加湿効率を高める。
【解決手段】燃料電池９のアノード１１から排出されるアノードオフガスが流れるアノードオフガス循環通路１９に、アノード液水回収タンク４７を設け、このアノード液水回収タンク４７内に、アノードオフガス中の水分を捕集して貯留し、この貯留した水の中に中空糸膜束からなるアノードガス加湿手段５５を設置する。アノードガス加湿手段５５に、アノードガス供給通路７から分岐するアノードガス分岐通路５７を通してアノードガスを供給して加湿し、加湿後のアノードガスを燃料電池９のアノード１１に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿手段を備えた燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。

このような燃料電池においては、電解質のイオン伝導度と、発電により発生した熱を冷却する機能が必要とされる。例えば、パーフルオロスルフォン酸高分子などの固体高分子電解質膜の多くは、電解質が湿潤した状態でイオン伝導度が確保される。このため、燃料電池に使用する反応ガスであるカソードガスやアノードガスは加湿した状態で利用する。

例えば、下記特許文献１に記載の燃料電池では、燃料電池に接続する水素供給管の一部を、水を透過しつつ気体を透過しない水素非透過膜で構成し、この水素非透過膜で構成した水素供給管の一部を、加湿手段となるシート状の保水手段により包囲するよう構成し、保水手段に保持された水によって水素供給管内を流れる水素を加湿するようにしている。
特開平９−２１３３５９号公報

しかしながら、上記した従来の燃料電池においては、水素供給管を包囲する加湿手段となる保水手段は、燃料電池本体で生成された水を回収して保水するものであり、燃料電池ケース内であるとは言え外気に触れる状態に設置してあることから、生成水を効率よく加湿水として利用できず、加湿効率が不充分となっている。

そこで、本発明は、燃料電池に供給する反応ガスを加湿する加湿手段の加湿効率を高めることを目的としている。

本発明は、アノードガスおよびカソードガスの供給を受けて燃料電池が発電し、この発電時に前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを、前記アノードガスが流れるアノードガス供給通路に循環させて、前記アノードガスとともに前記燃料電池に供給するアノードオフガス循環通路を備える燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガス循環通路に、前記アノードオフガスに含まれる水を貯留する水貯留手段を設け、この水貯留手段の内部に前記アノードガスを加湿するアノードガス加湿手段を設けたことを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、アノードオフガス循環通路に、アノードオフガス中の水を貯留する水貯留手段を設け、この水貯留手段の内部にアノードガスを加湿するアノードガス加湿手段を設けたので、アノードオフガスに含まれる水分を、反応ガスであるアノードガスに対し、水貯留手段内で効率よく加湿に利用することができ、加湿手段の加湿効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システム１の全体構成図であり、この燃料電池システム１は、システムコントローラ３により運転状態が制御されている。

燃料ガス（ここでは水素）供給装置５からは、水素をアノードガス供給通路７を通して燃料電池９のアノード１１に、また酸化剤ガス（ここでは空気）供給装置１３からは、空気をカソードガス供給通路１５を通して燃料電池９のカソード１７にそれぞれ供給し、燃料電池９内で反応させて発電する。

その際、アノード１１からは、消費されずに残ったアノードオフガスがアノードオフガス循環通路１９に、またカソード１７からは、一部の酸素が消費されかつ発電により生成した生成水を含んだカソードオフガスがカソードオフガス排出通路２１にそれぞれ排出される。

アノードオフガスは、アノードオフガス循環通路１９に設けたアノードオフガス循環装置２３により、アノードガス供給通路７に全量循環され、燃料ガス供給装置５からのアノードガスと混合してアノードガスを形成して再度アノード１１へと供給される。この際、燃料電池９内にてカソード１７から透過してくる窒素や、発電に伴って生成される水分などによりアノード１１に供給するガス中の水素濃度が所定範囲よりも小さいと、システムコントローラ３が判断する場合には、アノードオフガス排出装置となるパージ弁２５より、アノードオフガスの排出を、アノードオフガス排出通路２７を通して所定時間行い、燃料電池９に供給する水素の濃度を高めるよう制御する。

一方、カソードオフガスは、燃料電池９へ供給するカソードガスを加湿する加湿装置２９、およびカソード圧力を調整するカソード圧力調整弁３１を経由してカソードオフガス排出通路３３から外部に排気される。加湿装置２９では、カソードオフガスに含まれる水分によってカソードガスを加湿する。

アノードガスおよびカソードガスの圧力は、それぞれの極の燃料電池９の入口に設置した圧力推定手段（ここでは圧力センサ）３５，３７の推定値（検出値）を基にシステムコントローラ３により調整されている。

また、燃料電池９は、その温度管理を行うために、冷媒ポンプ３９により圧送する冷媒が内部を流通できる冷媒通路を内蔵しており、この冷媒通路に、冷媒供給通路４１および冷媒排出通路４３をそれぞれ接続し、燃料電池９から流出した冷媒は、冷媒排出通路４３から冷媒冷却装置４５に流入して比較的温度が低い外気と熱交換が行われて温度が低減した後に、冷媒供給通路４１に設けた前記冷媒ポンプ３９で圧送されて再度燃料電池９に流入する。

そして、前記したアノードオフガス循環通路１９のアノードオフガス排出通路２７との接続部より上流側に、アノード１１から排出されるアノードオフガス中の水分を捕集して貯留する水貯留手段としてアノード液水回収タンク４７を設置している。燃料電池９から排出されるアノードオフガスは、アノード液水回収タンク４７を通過する際に、内包する液水が分離、貯留されるように構成してある。

図２は、アノード液水回収タンク４７の内部構造を示す簡略化した断面図で、（ａ）は燃料電池９の運転中、（ｂ）は同停止時を示す。アノード液水回収タンク４７には、その内部に貯留される水の水位を測定する水位推定手段（ここでは、静電容量式水位センサ，レーザ式変位センサ，レベルスイッチなど）４９を設けている。

また、アノード液水回収タンク４７内には、燃料電池９へ供給するアノードガスを加湿するアノードガス加湿手段５５を設けている。ここでのアノードガス加湿手段５５は、複数の中空糸膜を束ねた中空糸膜束で構成している。このアノードガス加湿手段５５は、システム運転中は、アノード液水回収タンク４７内に貯留される水Ｗの中に浸るように、アノード液水回収タンク４７の中でも比較的低い底部付近に配置している。

その際、前記した水位推定手段４９が推定（検出した）した水位Ｌが、予め設定される基準上限値（アノードオフガス循環通路１９のアノード液水回収タンク４７への接続開口部とアノードガス加湿手段５５との間の、上記接続開口部近傍位置）に達した場合には、下部の排水通路５１に設けた排水弁５３を開放して水を排出し、同水位Ｌが予め設定される基準下限値（上記基準上限値とアノードガス加湿手段５５との間の例えば図２（ａ）で示す位置）に達した場合には排水弁５３を閉塞して排水を停止するように、システムコントローラ３が制御する。したがって、上記した水位推定手段４９，排水弁５３およびシステムコントローラ３などにより水位調整手段を構成している。

すなわち、図２（ａ）に示すように、燃料電池１の運転中におけるアノード液水回収タン４７内の水Ｗの水位（水面）Ｌは、アノードガス加湿手段５５よりも上側で、かつアノードオフガス循環通路１９のアノード液水回収タンク４７への接続開口部より下側となるよう制御している。

アノードガス加湿手段５５として中空糸膜を用い、かつアノード液水回収タンク４７内のアノードオフガスから回収した水Ｗを用いて加湿を行うため、中空糸膜への水Ｗの供給を確実にでき、極めて高い加湿効率を確保することができる。

アノードガス加湿手段５５へのアノードガスの供給は、前記図１に示したアノードガス供給通路７から分岐するアノードガス分岐通路５７を通して行い、かつアノードガス分岐通路５７には、アノード液水回収タンク４７に流入するアノードガスの量を調整するアノードガス流量調整手段としてのアノードガス流量調整弁５９を設けている。

一方、アノードガス供給配通路７のアノードガス分岐通路５７との分岐部より下流側には、アノードガスを、アノードガス分岐通路５７に分岐させる際に必要となる圧力調整手段として、ここでは例えば流量調整弁６１を設けている。この際、流量調整弁６１は、アノードガスをアノードガス加湿手段５５に供給する際のアノードガス加湿手段５５での圧力損失とほぼ同等な圧力低下を発生させるように構成している。

アノードガス加湿手段５５を通過し加湿されたアノードガスは、加湿アノードガス排出通路６３から、前記した流量調整弁６１と圧力センサ３５との間のアノードガス供給通路７に合流して、燃料電池９に供給される。

上記した構成の燃料電池システムによれば、アノードオフガス循環通路１９に、アノードオフガス中の水を貯留するアノード液水回収タンク４７を設け、このアノード液水回収タンク４７の内部にアノードガスを加湿するアノードガス加湿手段５５を設けたので、アノードオフガスに含まれる水分を、反応ガスであるアノードガスに対し、アノード液水回収タンク４７内で効率よく加湿に利用することができ、加湿手段としての加湿効率を高めることができる。

また、アノードガスの加湿を、アノードオフガス循環通路１９を経てアノード液水回収タンク４７内に導入するアノードオフガスにより行うことにより、アノード液水回収タンク４７内に設置したアノードガス加湿手段５５の内部で、シール性能低下などにより万一アノードガスが漏洩する場合でも、アノードガスが漏れる先はアノード系内で留められるので、異種ガス、特に酸素と混合、反応して燃料電池システム１に熱的悪影響を及ぼすことを防止しつつ、アノードガスの加湿を高効率で行うことができる。

また、アノードガス加湿手段５５を中空糸膜束とし、アノード液水回収タンク４７内に貯留している水Ｗに中空糸膜束を浸した状態でアノードガスを加湿することにより、アノードガスの加湿を効率よく行うことができ、加湿性能を高めることができる。

上記した中空糸膜により加湿を行う場合には、水蒸気分圧の大きい方が加湿性能が向上するため、中空糸膜に流通させるアノードガスを、アノードオフガス循環装置２３により循環する水分を含むアノーオフドガスとの合流前のアノードガスとすることで、アノードガス加湿手段５５での水蒸気分圧を高めることができ、中空糸膜による加湿性能を高めることができる。

また、アノードガス供給通路７から分岐するアノードガス分岐通路５７に、アノードガスの流量を調整するアノードガス流量調整弁５９を設けたので、加湿が必要な場合に選択的に中空糸膜束にアノードガスを流し、アノードガスの全量、ないしは一部を流通可能とすることにより、必要な運転条件において必要な量のアノードガスを加湿することができる。

これにより、燃料電池９への必要以上の水分の供給を回避して燃料電池９内のガス通路に液水が滞留するのを防止し、アノードガスの流通を適正なものとして発電性能の低下を抑制することができる。

ここで、上記したアノードガス流量調整弁５９は、少なくともシステム起動時においてアノードガスをアノードガス加湿手段５５に流通させて加湿することにより、水分が不足しがちなシステム起動時での燃料電池９の水分不足による発電性能低下を抑制できることができる。

また、アノードガス流量調整弁５９は、少なくとも燃料電池９の水分不足が発生する高負荷運転時においてアノードガスをアノードガス加湿手段５５に流通させて加湿することにより、発電する際にプロトンの移動に必要な水の量が不足しがちな高負荷運転時での燃料電池９の水分不足による発電性能低下を抑制できる。

さらに、アノードガス流量調整弁５９は、少なくとも燃料電池９の水分不足が発生する高温運転時においてアノードガスをアノードガス加湿手段５５に流通させて加湿することにより、同じ水分量であっても相対的に湿度が低下する懸念がある高温運転時での燃料電池９の水分不足による発電性能低下を抑制できる。

また、前記したアノード液水回収タンク４７には、該アノード液水回収タンク４７内の水位を調整するために、水位推定手段４９や内部の水Ｗを排出するための排水弁５３を設け、システム停止時には、アノード液水回収タンク４７内の水位Ｌを、中空糸膜が水没しないように低下させることにより、システム停止時に中空糸膜を介して内部ガス通路への液水の流入を防止して、次回起動時に液水が燃料電池９に流入することにより生じるフラッディング（液水過多）に伴う発電性能低下を抑制することができる。また、この際、低温起動時に中空糸膜周囲の液水が凍結して加湿できなくなることを抑制できる。

さらに、システム停止時において、上記したアノード液水回収タンク４７内の水位Ｌを、特に外気温が氷点下となるような場合に低下させるなど、外気温に応じて低下させるようにすることで、必要な時のみ排水を行うことができ、加湿が必要なときにアノード液水回収タンク４７内の液水が不足することを防止でき、システム起動時に水が凍結していて加湿できない状況を回避することができる。

また、上記の外気温が氷点下となるような状況では、起動時の燃料電池システム１自体の温度も低く、起動時に必要な加湿量も比較的少ないため、燃料電池システム１の温度が上昇するまでの間にアノード液水回収タンク４７内に水を貯留することにより、その後の加湿性能不足となる状況を回避する。

また、外気温が常温の場合でも、システム停止中にアノードガス加湿手段５５が水に浸されていると、中空糸膜内に水が浸透してくるような場合などは、外気温に拠らずシステム停止時にはアノード液水回収タンク４７内の水位Ｌを、アノードガス加湿手段５５よりも低くするよう制御してもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す燃料電池システム１Ａの全体構成図である。第２の実施形態は、前記図１に示した第１の実施形態の燃料電池システム１において、アノード液水回収タンク４７内に、アノード液水回収タンク４７内の水Ｗを加熱して気化を促進させる加熱手段として電気ヒータ６５を設けている。その他の構成は、図１のものと同様であり、同一構成要素には同一符号を付してある。

第２の実施形態は、アノードガスに対する加湿量が多量に必要な場合は、アノード液水回収タンク４７内の水Ｗおよび、アノードガス加湿手段５５に供給するアノードガスがそれぞれ有する熱エネルギでは、加湿する際の水Ｗの気化熱を賄えない場合があり、そのため加熱手段として電気ヒータ６５を、アノード液水回収タンク４７内の水Ｗに浸る部位に設置している。

上記のようにして、アノード液水回収タンク４７内の水Ｗを電気ヒータ６５により加熱することで、水Ｗの気化に要するエネルギを補充し、できるだけ水蒸気でアノードガスを加湿して性能向上を図ることができる。

また、上記したように加熱手段として電気ヒータ６５をアノード液水回収タンク４７内の水に浸る部位に設置する場合、水Ｗの気化熱を供給するだけでなく、アノード液水回収タンク４７内の水Ｗが凍結するような場合には、電気ヒータ６５で水Ｗを加熱することで、比較的速やかに加湿を開始することができる効果もある。

なお、必要な熱エネルギ量が比較的少ない場合などは、加熱手段として電気ヒータをアノードガス分岐通路５７に設置してアノードガスを直接加熱してもよい。アノードガスを直接加熱することで、水Ｗの気化を促進させることができる。

なお、加熱手段としては、電気ヒータ６５に限ることはないが、電気ヒータ６５とすることで、運転条件に応じて熱量を応答性よく供給することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態を示す燃料電池システム１Ｂの全体構成図である。第３の実施形態は、前記図３に示した第２の実施形態の燃料電池システム１Ａにおける加熱手段として用いた電気ヒータ６５に代えて、燃料電池９の温度を調整するための冷媒との間で熱交換する熱交換器６７を用いている。この熱交換器６７を、電気ヒータ６５と同様に、アノード液水回収タンク４７内の水に浸る部位に設置している。

ここでは、上記した熱交換器６７に、燃料電池９から排出される冷媒が流れる冷媒排出通路４３を接続し、燃料電池９の廃熱を利用するようにしている。このため、気化熱供給のための特別な熱発生手段が不要であり、エネルギ効率を高く保ちつつ、加湿を行うことができる。

また、燃料電池９の廃熱の一部を水Ｗの気化熱として利用できるため、システム冷却系統の負荷を低減することが可能となる。

なお、上記した熱交換器６７は、第２の実施形態と同様に、必要な熱エネルギ量が比較的少ない場合などは、アノードガス分岐通路５７に設置してアノードガスを直接加熱してもよい。

また、加熱手段として燃料電池９の温度を調整するための冷媒との間で熱を交換する熱交換器６７とすることにより、電気ヒータ６５に比較して運転状件に応じてより大量の熱量を応答性よく供給することができる。

本発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 第１の実施形態におけるアノード液水回収タンクの内部構造を示す簡略化した断面図で、（ａ）は燃料電池の運転中、（ｂ）は同停止時を示す。 本発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。 本発明の第３の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。

符号の説明

３ システムコントローラ３（水位調整手段）
９ 燃料電池
７ アノードガス供給通路
１９ アノードオフガス循環通路
４７ アノード液水回収タンク（水貯留手段）
４９ 水位推定手段（水位調整手段）
５３ 排水弁（水位調整手段）
５５ アノードガス加湿手段
５７ アノードガス分岐通路
５９ アノードガス流量調整弁（アノードガス流量調整手段）
６５ 電気ヒータ（加熱手段）
６７ 熱交換器（加熱手段）

Claims (14)

1. アノードガスおよびカソードガスの供給を受けて燃料電池が発電し、この発電時に前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを、前記アノードガスが流れるアノードガス供給通路に循環させて、前記アノードガスとともに前記燃料電池に供給するアノードオフガス循環通路を備える燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガス循環通路に、前記アノードオフガスに含まれる水を貯留する水貯留手段を設け、この水貯留手段の内部に前記アノードガスを加湿するアノードガス加湿手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アノードガス加湿手段は、内部に前記アノードガスが流れる中空糸膜とし、この中空糸膜を、前記水貯留手段に貯留する水に浸した状態で設けた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. 前記中空糸膜内に流通させるアノードガスは、前記アノードオフガス循環通路により循環するアノードオフガスとの合流前の前記アノードガス供給通路を流れるアノードガスとす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. 前記アノードガス加湿手段に流通させるアノードガスが流れるアノードガス分岐通路を、前記アノードガス供給通路から分岐させて設け、前記アノードガス分岐通路にアノードガスの流量を調整するアノードガス流量調整手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記アノードガス流量調整手段は、少なくともシステム起動時においてアノードガスを前記アノードガス加湿手段に流通させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記アノードガス流量調整手段は、少なくとも前記燃料電池の水分不足が発生する高負荷運転時においてアノードガスを前記アノードガス加湿手段に流通させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記アノードガス流量調整手段は、少なくとも前記燃料電池の水分不足が発生する高温運転時においてアノードガスを前記アノードガス加湿手段に流通させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 前記水貯留手段内の水位を調整する水位調整手段を設け、この水位調整手段は、システム停止時に、前記水貯留手段内の水位を、前記中空糸膜が水没しないように低下させることを特徴とする請求項２ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記水位調整手段は、前記水貯留手段内の水位を外気温に応じて低下させ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. 前記水貯留手段内の水の気化を促進させるための加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記加熱手段は、前記前記水貯留手段内の水を加熱することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記加熱手段は、前記アノードガス加湿手段に供給するアノードガスを加熱することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
13. 前記加熱手段は、電気ヒータとすることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記加熱手段は、前記燃料電池の温度を調整するための冷媒との間で熱交換する熱交換器とすることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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