JP2008016269A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池性能や寿命に悪影響を及ぼす電池スタック内及び周辺配管での水の滞留や流路閉塞を起動から運転，停止も含め、いかなる場合においても起こさないようにする。
【解決手段】アノードから排出されるアノードオフガスを前記アノードに供給するガス循環流路にアノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器を配置し、酸化剤ガスを加湿する加湿装置が酸化剤ガスを燃料電池に供給する流路に配置し、気水分離器のドライ側に大気の空気が供給され、気水分離器のドライ側出口ガスが加湿器ドライ側入口に供給されるものであって、燃料電池，気水分離器，加湿器の順に高い方から低い方へ高低差をつけて配置するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給し、発電するものである。また、このような燃料電池を用いた燃料電池システムには、燃料ガスを効率的に使用するため、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、アノードの燃料ガスとして循環させて供給するものがある。

特許文献１には、アノードオフガス中の水分を気液分離するため、燃料ガスの循環流路に気水分離器を配置した燃料電池システムが記載されている。

特開２００３−１５７８７３号公報

電池の性能を常時安定に維持するには電池システムの水管理が重要となる。中でも水素循環システムを用いる燃料電池システムでは、セルのアノード側には水が様々な理由により移動してくるため、電池アノード側の水は速やかにセル内のアノード流路あるいはスタックマニホールド内から除去されないとガス流路の閉塞が生じる。長時間運転においてはなおさらスタック内の各流路内に水が滞留し、閉塞を起こさないように対処しなければならない。

アノードガス中の水分を除去するため、気水分離器が用いられる。気水分離器ではアノード出口オフガスからの水を中空糸膜に通してドライガス側に水を移動させるが、様々な原因により、ドライガス側あるいはアノードオフガス側に水が凝縮する事態が生じる場合がある。凝縮がひどくなると流路を閉塞し、そうなると膜を通した水の移動が行われなくなり、水素循環系の水分調整ができなくなる。すなわち、気水分離器の性能を発揮するためには常にドライ側あるいはウエット側に水が滞留しないことが重要である。また、運転中以外にも停止時などに水分が凝縮してそのまま気水分離器の配管内に溜まることも考えられる。

従って燃料ガスである水素の循環流路に気水分離器を設置する場合には、燃料電池アノード出口から気水分離器間の流路内及び気水分離器出口からアノード入口までのアノード水素循環側でも水による閉塞が生じないようにすること、また、気水分離器出口からのドライガスは加湿器に送られ加湿されるが、気水分離器から加湿器間での流路内に水による閉塞を防止することが課題である。

そこで本発明は、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分によって引き起こされる電池，アノード循環系、及び気水分離器から見てドライ側であるカソード空気系統に長時間運転においても水による閉塞が生じないようにして、電池，気水分離器及び加湿器が常に正常な働きを維持することができる燃料電池システムを提供するものである。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記アノードに供給するガス循環流路とを有し、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器を前記ガス循環流路に配置し、酸化剤ガスを加湿する加湿装置が酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する流路に配置され、前記気水分離器のドライ側に大気の空気が供給され、前記気水分離器のドライ側出口ガスが前記加湿器ドライ側入口に供給されるものであって、前記燃料電池，前記気水分離器，前記加湿器の順に高い方から低い方へ高低差をつけて配置する手段を有することを特徴とするものである。

このような本発明は、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分の凝縮等による閉塞を回避することができ、気水分離器を用いて効率良く水を除去することが可能となる。さらに気水分離器の信頼性が増すことにより加湿度に対する尤度幅が高加湿側に広がり、より高加湿の運転が可能となり発電性能の向上、膜劣化の防止につながり、発電効率の向上と長寿命化が図れる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

本形態に記載した燃料電池システムは、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、アノードから排出されるアノードオフガスをアノードに供給するガス循環流路とを有し、更にアノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器が前記ガス循環流路に配置され、また、酸化剤ガスを加湿する加湿装置が酸化剤ガスを燃料電池に供給する流路に配置され、また、アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁が前記ガス循環流路又はガス循環流路から分岐した流路に設置され、前記気水分離器のドライ側に供給されるガスが大気空気であり、前記加湿器のドライ側に前記気水分離器出口のドライ側ガスが導入され、前記加湿器にカソードから排出されるカソードオフガスが加湿のため供給されるものであって、気水分離器のドライガス出口部が加湿器のドライガス側の入口部よりも高く配置されるものである。

この燃料電池システムでは気水分離器内を通過したドライガスが加湿器に導かれる間に凝縮が生じても凝縮水は配管内に停留することなく、高低差により加湿器に導かれるため気水分離器ドライ側系統配管の閉塞や圧損増大が防止できる。

また、本形態に記載した燃料電池システムは、アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁がガス循環流路又はガス循環流路から分岐した流路に設置され、気水分離器のアノードオフガス側の入口部が、燃料電池のアノードガス出口部よりも下部に位置し、アノードオフガスの出口部が、前記排出弁よりも上部に位置する。これにより、気水分離器アノードオフガス側での凝縮水は電池内及び気水分離器内に滞留しないで高低差により、前記排出弁近傍に停留することになる。従ってこの排出弁を開放することにより電池内のアノード流路とアノードオフガス系統内の水の滞留を防止できる。

また、加湿器のドライガス側の出口部は、燃料電池カソードガス入口部よりも下部に位置し、加湿器のカソードオフガス側入口部が前記燃料電池カソードガス出口部よりも下部に位置する。これにより、加湿器ドライガス側での凝縮水が電池カソード内に流入する可能性が低減でき、更に電池カソード内で発生した凝縮水も電池内に滞留することなく高低差により加湿器側に導かれるため、加湿器のドライガス出口から電池内のカソード流路における水による閉塞が防止できる。

また、本形態に記載した燃料電池システムは、燃料電池，気水分離器，加湿器の順番に高低差をつけ、更に、燃料電池アノードガス入口部は前記ガス循環流路で構成される配管系統内にて最上部に位置し、また、アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁はガス循環流路で構成される配管系統内にて最下部に位置するよう各機器を配置する。本構成の機器配置をとることにより、シンプルな配管構成でアノード側及びカソード側の全てのガス系統内で水の凝縮が極力防止できる。

以下、具体的な実施の形態について図１から図４を参照して説明する。

図１は第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、同じく燃料電池システムの主要構成機器の全体レイアウトを示す正面図であり、図３，図４はそれぞれ燃料電池システムの本発明にかかわる主要構成機器である電池，加湿器，気水分離器の垂直方向の位置関係を詳細に示す燃料電池スタック周りの右，左側面図である。

図１に示すように本形態の燃料電池システムは、燃料電池を有している。燃料電池は、電解質に固体高分子電解質膜を用い、その両側に燃料極であるアノードと空気極であるカソードを形成し、さらにその外側をセパレータで挟持して形成された単位セルを複数積層して構成された燃料電池スタック１からなる。

燃料電池スタック１は、燃料ガス供給手段から水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、空気ブロアから酸素を含む酸化剤ガスをカソードに供給し、以下のような電気化学反応により発電を行う。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
１／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂ ＋(１／２)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （３）
式（１）はアノードにおける反応を示したものであり、式（２）はカソードにおける反
応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。なお、カソードに
おいて生成される水は生成水と呼ばれる。

この燃料電池システムは、燃料ガス供給手段（図示せず）から供給される水素を含む燃料ガス３０が、電磁弁機能を有する燃料ガス圧力調整弁（以下、調圧器６），燃料ガス供給流路１０８，１０９を通ってスタックアノード入口部８に供給される。

ここで圧力調整手段としての調圧器６とは、燃料ガスの供給量を調整する弁のことであり、燃料ガス供給流路１０８，１０９とは、燃料ガスがアノードに供給されるラインのことを示す。

また、アノードから排出される未反応燃料ガスを含んだアノードオフガスはスタックアノード出口部９から、燃料排ガス循環流路１０１を通り、燃料排ガス循環流路１０１上に配置された気水分離器３によりアノードオフガスに含まれている水を取り除き、燃料排ガス循環流路１０３，１０６を通って水素循環ポンプ２に送られ、同ポンプから一定圧力で燃料排ガス循環流路１０７を通って接合部５０に供給され、新鮮な燃料ガスと混合し、燃料ガス供給流路１０９を通ってアノードへ再び供給される。

気水分離器３は、水透過膜を有し、水透過膜を挟んでアノードオフガスとドライガスとを対向するように流す仕組みである。ここではドライガスとは大気中の空気とし、空気ブロアから酸化剤供給流路４０を通り、気水分離器３のドライガス供給口１２に供給されるガスのことをいう。ここで気水分離器３のアノードオフガス排出口１１から排出されたアノードオフガスは燃料排ガス循環流路１０３上に設けられたパージ用電磁弁５を通る。該電磁弁は緊急時を除いて、運転中に開閉することは通常ないが、システムの起動・停止時にシステムをパージする目的で開閉を行う。ただし、燃料排ガス循環流路１０１，１０３，１０６，１０７、燃料ガス供給流路１０９と水素循環ポンプ２，気水分離器３，パージ用電磁弁５で構成される循環系統内に溜まった水を運転中においてもパージ用電磁弁５を開き、ドレン排出口２１から排出させ、正常な状態に戻す操作が行われることがある。

水透過膜には、ガスバリア性及び水透過性が高い固体高分子膜を用いる。ガスバリア性及び水透過性の高い水透過膜であれば、いかなるものでも使用できる。これより、アノードオフガスが水透過膜を挟んで反対側に流れるドライガスに混入することなく、アノードオフガス中の水分を取り除き、系外へ排出することが可能である。

また、水透過膜の形状を中空糸膜にすることで、圧力損失を低減させることも可能であり、アノードオフガスは中空糸膜の内側を流れ、その過程で水分が選択的に中空糸膜を透過し除去される。

ここで本実施例の燃料電池スタック１周りの気水分離器３，加湿器４，パージ用電磁弁５，水素循環ポンプ２の垂直方向における位置関係の詳細について電池スタック近傍の右左側面を示す図３，図４を用いて説明する。スタックアノード出口部９と気水分離器３に設けられたアノードオフガス供給口１３とは燃料排ガス循環流路１０１によりつながっているが、アノードオフガス供給口１３はスタックアノード出口部９より低い位置にあるため、スタックアノードガス中に含まれる水分が凝縮しても燃料電池スタック１のアノード内や燃料排ガス循環流路１０１には滞留せず気水分離器３に流入する。更に気水分離器３のアノードオフガス排出口１１とパージ用電磁弁５は燃料排ガス循環流路１０３によってつながっているがパージ用電磁弁５とはアノードオフガス排出口１１より低い位置にある。また、同電磁弁５は燃料排ガス循環流路１０６によって水素循環ポンプ２の吸入側とつながっているが、吸入側よりもやはり低い位置にある。このため、気水分離器３のアノードオフガス側に流入した水は水素循環系統内で最も低い位置を占めるパージ用電磁弁５近傍に滞留することになる。

また、スタックアノード入口部８は該水素循環系統の中でもっとも高い位置を占めているため、循環水素中の水分が新鮮な水素と一緒に入ってきてもより低い位置を占めるスタックアノード出口部９側に滞留することなく排出される。

以上の結果、燃料電池スタックアノード内には水の滞留は極力避けられ、最終的に水素循環中に蓄積される水分はパージ用電磁弁５近傍の流路１０６，１０３に溜まることになる。

従って、運転時間の経過とともに水分の滞留により水素循環系内の圧力損失が徐々に増大することになるが、圧力検出手段を設けて、圧力の増加を検知し、ある閾値を超えたら該パージ用電磁弁５を開放し、溜まった水を排出する。このような燃料電池スタック１と気水分離器３，パージ用電磁弁５の配置及びパージ操作により、アノードオフガスに含まれている水を効率よく排出することが可能になり、アノードオフガスに含まれている水がガス流路を塞ぎ、発電性能を著しく損なうといった問題が解消され、安定かつ効率的に発電が可能となる。

次に、酸化剤ガス側であるが、これも図１および図３，図４を用いて説明する。空気ブロア（図示せず）から供給される酸化剤ガスは、酸化剤供給流路４０を通って気水分離器３のドライガス供給口１２に送られ、気水分離器３で先のアノードオフガス中から移動してきた水分を受け取り、同気水分離器のドライガス排出口１４から酸化剤循環流路１０２を通って加湿器４のドライガス供給口１７に送られる。

加湿器４で更に加湿された酸化剤ガスは同加湿器のドライガス排出口１５から酸化剤循環流路１０４を通ってスタックカソード入口部７に送られる。燃料電池スタック１内で反応した酸化剤ガスはカソードオフガスとしてスッタクカソード出口部１０から排出される。カソードオフガスは先述したように生成水を含んでいる。生成水を含んだカソードオフガスは酸化剤循環流路１００を通って加湿器４のカソードオフガス供給口１６に導かれ、上記の酸化剤循環流路１０２を通って加湿器４のドライガス供給口１７に送られてきた酸化剤ガスの加湿に用いられる。ここで供給される酸化剤ガスとは、先述したように大気中の空気である。加湿器４は生成水を含んだカソードオフガスを用いて酸化剤ガスを加湿する装置である。酸化剤ガスを加湿することにより、電解質膜のドライアップを防ぐことができる。

加湿器４は、気水分離器３と同様な方法にて酸化剤ガスの加湿を行う。即ち、水透過膜を挟んで、水分を含んだカソードオフガスと酸化剤ガスとを対向するように流すことにより、カソードオフガス中に含まれている水分が水透過膜を透過し、水透過膜を挟んで反対側を流れる露点温度の低い酸化剤ガスに吸湿される。

加湿器４に用いる水透過膜は、気水分離器３の場合とほぼ同様であるが、特に、水透過性の良い固体高分子膜を用いており、燃料電池スタック１の電解質膜に使われているフッ素系高分子膜を用いる。しかし、気水分離器３の場合と違って、ガスバリア性は重要ではなく、水透過性に優れる水透過膜であれば、いかなる種類でも適用することができる。

ここで本実施例の気水分離器３と燃料電池スタック１及び加湿器４の垂直方向の位置関係について図３，図４により説明する。気水分離器３に設けられたドライガス排出口１４は酸化剤ガス循環流路１０２により加湿器４のドライガス供給口１７とつながっているが、図２に示すようにドライガス供給口１７はドライガス排出口１４より低い位置を占める。このため何らかの原因で気水分離器３や流路１０２内において凝縮水が発生しても気水分離器３内には滞留しないため、流路の閉塞による気水分離器３の性能低下を防ぐことができる。

なお、加湿器４のドライガス排出口１５はスッタクカソード入口部７よりも低い位置を占めているため、加湿器４のドライガス流路内で凝縮水が発生しても、電池側に流れることはない。しかし、酸化剤循環流路１０４内で生じた凝縮水は、もしこれより低い位置に気水分離器３があれば流路１０２を通って凝縮水が逆流して気水分離器３に滞留することになり、気水分離器の性能が低下し、調湿されたアノードオフガスを電池アノードに供給できなくなる。本発明では気水分離器３の方が位置が高いため上記のような現象が避けられ、気水分離器３の性能を常時維持できる。

また、スタックカソード出口部１０から排出されるカソードオフガスは酸化剤循環流路１００を通ってスタックカソード出口部１０よりカソードオフガス供給口１６に送られるが、カソードオフガス供給口１６はスタックカソード出口部１０より低い位置を占めるため、スタックのカソード流路内で凝縮した水も酸化剤循環流路１００を通って加湿器４に流れ、最終的には加湿器４のカソードオフガス排出口１８から系外に排出される。従って酸化剤循環流路１００及び燃料電池スタック１のカソード流路に水の滞留が生じる可能性は低い。

以上の説明より、本発明の発電システムにおいては水素循環系統内で発生した凝縮水はパージ用電磁弁５近傍の配管流路内に停留する公算が高く、また酸化剤循環系統内で発生した凝縮水は加湿器４のドライ側に停留する公算が高くなることがわかる。水素循環系統にはパージ用電磁弁５が水を排出する役割も果たすが、酸化剤循環系統にも同様の機能を持つ機器を設置することが望ましい。すなわち図１の酸化剤循環流路１０４にドレンだめを設け、電磁排出弁を取り付けることにより流路１０４での水による閉塞や圧損の増加を防止できる。

本発明を適用した第１実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第１実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すレイアウトの正面図である。 本発明を適用した第１実施形態にかかる燃料電池システムレイアウトの電池スタックまわりの右側面図である。 本発明を適用した第１実施形態にかかる燃料電池システムレイアウトの電池スタックまわりの左側面図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…水素循環ポンプ、３…気水分離器、４…加湿器、５…パージ用電磁弁、６…調圧器、７…スタックカソード入口部、８…アノード入口部、９…スタックアノード出口部、１０…スタックカソード出口部、３０…燃料ガス、４０…酸化剤供給流路、１００…酸化剤循環流路、１０１，１０３，１０６，１０７…燃料排ガス循環流路、１０８，１０９…燃料ガス供給流路。

Claims (8)

1. 燃料ガスが供給されるアノードと、酸化剤ガスが供給されるカソードとを有する燃料電池と、前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記アノードに供給するガス循環流路とを有し、前記アノードオフガスに含まれる水分を除去する気水分離器を前記ガス循環流路に配置し、酸化剤ガスを加湿する加湿装置が酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する流路に配置され、前記気水分離器のドライ側に大気空気が供給され、前記気水分離器のドライ側出口ガスが前記加湿器ドライ側入口に供給される燃料電池システムにおいて、前記燃料電池，前記気水分離器，前記加湿器の順に高い方から低い方へ高低差をつけて配置されることを特徴と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において、前記気水分離器のドライ側出口部が前記加湿器ドライ側入口部よりも高く配置されたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記気水分離器における前記アノードオフガス入口部が、前記燃料電池のアノードガス出口部よりも下部に位置することを特徴とす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において、前記アノードオフガスを大気中へ排出する排出弁が前記ガス循環流路又は前記ガス循環流路から分岐した流路に設置され、前記気水分離器の前記アノードオフガスの出口部が、前記排出弁よりも上部に位置することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿器のドライガス側の出口部は、前記燃料電池カソードガス出口部よりも下部に位置することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記加湿器のウエットガス側入口部が前記燃料電池カソードガス出口部よりも下部に位置することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記排出弁は前記ガス循環流路で構成される配管系統内にて最下部に位置することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池アノードガス入口部は前記ガス循環流路で構成される配管系統内にて最上部に位置することを特徴とする燃料電池システム。
   

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