JP2008130329A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成で設置場所の空間を無駄にすることのない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガス供給配管部９、排出配管部１５の一部及び排出弁１６が容器１７内に収納されているため、当該燃料ガス配管部９を配管するための空間が必要なくなり、燃料電池システムの小型化を図ることができ、コンパクトな構成で設置場所の空間を無駄にすることがない。また、燃料ガス供給配管部９が容器１７内に収納されているため、燃料電池システムの外部に水素が流出することを防止でき、水素が漏れないような複雑な構造及び特殊な材質のレギュレータ６、供給弁７及び圧力センサ８を使用しなくてもよいため、簡素な構造であって、樹脂等の材質で構成された部品を使用することが可能となり、簡易かつ安価に燃料電池システムを構成することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムに関する。

従来、車両に搭載される燃料電池システムは、例えば高分子電解質膜型の燃料電池のように水素と酸素のガスの電気化学反応を利用して発電するが、その反応過程において、カソード側（酸素極側）に発生した生成水が高分子電解質膜を通してアノード側（水素極側）に逆拡散して混入する。

そして、燃料電池のアノード側は、混入した生成水を放置しておくと、生成水が蓄積して水素濃度が次第に低下し、その結果、燃料電池の発電効率が低下し、さらには燃料電池の損傷を招来する。

そのため、この種の燃料電池においては、アノード側の前記生成水をどのようにして排出するのかが重要な課題の１つになっている。そこで、この課題を解決するため、本願出願人は、特願２００６−０７４８２５号の出願において、以下に図４を参照して説明する技術を提案している。

図４は本願出願人が上記した出願で提案している燃料電池システムのブロック図である。図４において、４は燃料タンク、５はその主止弁、６、７、８は燃料タンク４から燃料電池（ＦＣ）１に至るアノード側上流の燃料ガス供給配管部９に設けられたレギュレータ、燃料である水素の供給弁、圧力センサである。

また、１５は燃料電池１から常閉の排出弁１６に至るアノード側下流の排出配管部、１７０は排出配管部１５に設けられた適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体の容器である。なお、弁５、７、１６及びレギュレータ６は白抜きが開いた状態を示し、黒塗りが閉じた状態を示す。

そして、燃料タンク４の主止弁５を通った高圧の水素ガスは、レギュレータ６で減圧調整された後、供給弁７、圧力センサ８を通って燃料電池１のアノード側上流から下流に向かって通流し、その間に、水素と燃料電池１のカソード側に供給された酸素（空気）との高分子電解質膜を介した電気化学反応が生じて発電が行なわれる。

このとき、この燃料電池システムでは、燃料電池１のアノード側の上流に供給弁７を設け、アノード側の下流に容器１７０、排出弁１６を設け、アノード側の生成水の排出時、供給弁７と排出弁１６を閉じた状態にして燃料電池１の発電を行なった後、供給弁７を開放して生成水を排出している。

また、生成水の排出タイミングを燃料電池１のアノード側の濡れ状態、換言すれば、燃料電池１のアノード側の生成水の滞留状態から決定し、燃料電池１のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに供給弁７と排出弁１６を閉じた状態にして前記の燃料電池１の発電を行なうようにしている。

このような構成とすれば、まず、通常の発電状態において、供給弁７は開かれ、燃料タンク４からレギュレータ６、供給弁７、圧力センサ８を介して燃料電池１のアノード側に燃料の水素ガスが供給される。そして、発電に伴って生じた生成水が燃料電池１のアノード側に滞留し、アノード側の濡れ状態が進行して発電能力が次第に低下していく。

そこで、燃料電池１のアノード側の濡れ状態を、燃料電池１の電流の積算値、電圧、或いは発電時間等の状態値から推定或いは検出し、前記状態値が実験等で設定された所定値に達して生成水の排出が必要なタイミングになると、供給弁７を閉止し、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態で燃料電池１の発電を継続する。

このとき、燃料電池１は燃料である水素ガスの供給を止めた状態で発電し、この発電によって燃料電池１内及び該燃料電池１に連通した容器（水溜り部）１７０が減圧状態になる。

そして、燃料電池１内が所定圧力に低下するか、燃料電池１の減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達するかすると、供給弁７を開き、減圧状態の燃料電池１内に水素ガスを噴入することで、燃料電池１から排出配管部１５を介して容器１７０に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水を容器１７０に押し出して電池外部に確実に排出することができる。

ところで、上記した燃料電池システムでは、燃料タンク４から燃料電池１へ水素ガスを供給する燃料ガス供給配管部９、燃料電池１から排出される生成水を容器１７０へ排出する排出配管部１５を配管するために広い空間が必要となり、当該配管部９，１５を備える燃料電池システムが大型化するという問題があった。したがって、限られた余剰空間しか有さない、例えば車両にこの燃料電池システムを設置する場合に、配管部分の空間が無駄となり当該余剰空間を有効活用できない。

本発明は、コンパクトな構成で設置場所の空間を無駄にすることのない燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード側に燃料タンクからの水素を供給し、前記燃料電池のカソード側に空気を供給することで発電する燃料電池システムにおいて、前記燃料タンクから前記水素を供給する燃料ガス供給配管部と、前記燃料電池のアノード側の生成水を溜める水溜り部と、前記水溜り部から生成水を排出する排出弁とを備え、少なくとも前記燃料ガス供給配管部が、前記水溜り部内に収納されていることを特徴としている（請求項１）。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料ガス供給配管部には、前記燃料タンクからの前記水素の圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータにより圧力を調整された前記水素の供給弁とが設けられていることを特徴としている（請求項２）。

請求項１の発明によれば、少なくとも燃料ガス供給配管部が水溜り部内に収納されているため、当該燃料ガス配管部を配管するための空間が必要なくなり、燃料電池システムの小型化を図ることができる。したがって、コンパクトな構成で設置場所の空間を無駄にすることのない燃料電池システムを提供することができる。

請求項２の発明によれば、燃料ガス供給配管部に設けられたレギュレータ及び供給弁からは水素が漏れ易いが、当該レギュレータ及び供給弁は水溜り部内に収納されているため、燃料電池システムの外部に水素が流出することを防止できる。したがって、水素が漏れないように、複雑な構造及び特殊な材質でレギュレータ及び供給弁を構成しなくてもよく、各部品の構造の簡素化及び材質の変更（例えば樹脂）が可能となり、簡易かつ安価に燃料電池システムを提供することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１〜図３にしたがって詳述する。

（一実施形態）
まず、一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

図１は燃料電池システムのアノード側のブロック図、図２は図１の燃料電池システムの生成水排出処理の説明図であり、それらの図面において、図４と同一符号は同一若しくは相当するものを示し、燃料電池１のアノード側から排出された生成水は、一部が容器１７に収納されるように配管された排出配管部１５を介して容器１７に流入することで当該容器１７に溜まるように構成されている。また、容器１７は、適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体であって、本発明の「水溜り部」を形成する。

そして、燃料タンク４から水素を供給する燃料ガス供給配管部９は、当該燃料ガス供給配管部９に設けられたレギュレータ６、供給弁７及び圧力センサ８と共に容器１７内に収納されている。また、この実施形態では、容器１７に溜まった生成水を排出する排出弁１６も当該容器１７内に収納されている。なお、図１、図２においても、弁５、７、１６及びレギュレータ６は白抜きが開いた状態を示し、黒塗りが閉じた状態を示す。

また、この実施形態の燃料電池システムでは図４の燃料電池システムと同様に、アノード側の生成水の排出時、容器１７内に設けられた供給弁７と排出弁１６とを閉じた状態にして燃料電池１の発電を行なった後、供給弁７を開放して生成水を排出する。そして、生成水の排出タイミングを燃料電池１のアノード側の濡れ状態、すなわち、燃料電池１のアノード側の生成水の滞留状態から決定し、燃料電池１のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに供給弁７と排出弁１６を閉じた状態にして前記の燃料電池１の発電を行なっている。

つぎに、図１の燃料電池システムの生成水排出処理を、図２を参照して説明する。

まず、図２の工程Ｓ１は通常の発電状態を示し、この通常の発電状態においては、供給弁７は開かれ、燃料タンク４に貯蔵された燃料の高圧の水素ガスは、レギュレータ６により減圧調整され、その後、供給弁７、圧力センサ８を介して燃料電池１のアノード側に供給される。

そして、発電に伴って生じた生成水が燃料電池１のアノード側に滞留し、アノード側の濡れ状態が進行して発電能力が次第に低下していく。なお、図２の燃料電池１、容器１７等の斜線部分が模式的に示した生成水である。

そこで、燃料電池１のアノード側の濡れ状態を、燃料電池１の電流の積算値、電圧、或いは発電時間等の状態値から推定或いは検出し、前記状態値が実験等で設定された所定値に達して生成水の排出が必要なタイミングになると、図２の工程Ｓ２に移行し、供給弁７を閉止し、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態で燃料電池１の発電を継続する。

このとき、燃料電池１は燃料である水素ガスの供給を止めた状態で発電し、この発電によってガスが消費されて、燃料電池１内及び該燃料電池１に連通した容器（水溜り部）１７が減圧状態になる。

そして、燃料電池１内が所定圧力に低下するか、燃料電池１の減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達するかすると、図２の工程Ｓ３に移行して供給弁７を開き、減圧状態の燃料電池１内に水素ガスを噴入し、燃料電池１から排出配管部１５を介して容器１７に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水を容器１７に押し出して電池外部に確実に排出する。

このとき、容器１７の生成水が燃料電池１に逆流しないようにするため、この実施形態においては、燃料電池１と容器１７との排出配管部１５を容器１７の上部に接続し、排出弁１６を容器１７の下部に設けて、生成水を容器１７に落とし込んで貯留する。なお、容器７の燃料電池１側の排出配管部１５との接続位置と排出弁１６の配設位置とに段差を設ける代わりに、例えば、燃料電池１と容器１７との間の排出配管部１５に逆支弁を設けるようにしてもよい。

また、燃料電池１のアノード側に滞留した生成水を確実に排出するため、容器１７を燃料電池１のアノード側の空間容積以上の大きさにして前記アノード側全体の燃料等を全て容器１７に導入するように減圧すればよく、この減圧の調整は燃料電池１の発電電力を調整して制御することができる。なお、圧力変化ΔＰと発電電流ｉとは、Ｒ、Ｔ、Ｖを気体乗数、温度、容積として、ΔＰ＝（Ｒ・Ｔ／Ｖ）×（（ｉ／９６４８５）×（セル数／２））の関係がある。

そして、一定量の生成水が容器１７に溜まるまでは、工程Ｓ３から工程Ｓ１に戻って通常の発電を行ない、生成水の排出が必要になると工程Ｓ２、Ｓ３に移行し、上記の処理をくり返す。

さらに、容器１７に一定量の生成水が溜まると、図２の工程Ｓ３からＳ４に移行し、排出弁１６を開け容器１７の貯留水を排出し、この排水の終了後、排出弁１６を閉止して工程Ｓ１に戻る。なお、排出弁１６は供給弁７等と同様の電磁弁或いはフロート式の弁等で形成される。

以上のように、この実施形態の燃料電池システムの場合、燃料ガス供給配管部９（レギュレータ６、供給弁７、圧力センサ８）、排出配管部１５の一部及び排出弁１６が容器１７内に収納されているため、当該燃料ガス配管部９等を配管するための空間が必要なくなり、燃料電池システムの小型化を図ることができ、コンパクトな構成で設置場所の空間を無駄にすることがない。また、容器１７内に収納されている排出配管部１５の一部及び排出弁１６を燃料の水素が漏れやすい樹脂等で構成しても、当該容器１７により燃料電池システムの外部に水素が流出するのを防止できるため、従来のように高価で成形に手間のかかるステンレス管等を使用せずともよく、簡易かつ安価にコンパクトな構成の燃料電池システムを提供することができる。

また、燃料ガス供給配管部９に設けられたレギュレータ６、供給弁７及び圧力センサ８からは燃料の水素が漏れ易いが、当該レギュレータ６、供給弁７及び圧力センサ８は容器１７内に収納されているため、燃料電池システムの外部に水素が流出することを防止できる。このように、燃料の水素が漏れ易い機能部品６，７，８等を容器１７内に収納することで、水素が漏れないような複雑な構造及びステンレス等の特殊な材質のレギュレータ６、供給弁７及び圧力センサ８を使用しなくてもよいため、簡素な構造であって、樹脂等の材質で構成された部品を使用することが可能となり、簡易かつ安価にコンパクトな燃料電池システムを構成することができる。

また、配管等を容器１７の内部に収納することで、容器１７の大きさを、レギュレータ６、供給弁７及び圧力センサ８といった燃料ガス供給配管部９の配設位置に制限されないで、必要に応じて自由に設定することができる。

（他の実施形態）
つぎに、他の実施形態について、図３を参照して説明する。

図３は燃料電池システムのアノード側のブロック図であり、図１と同一符号は同一若しくは相当するものを示す。

前記図１の一実施形態の構成の場合、燃料電池１のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態で発電を継続すると、燃料電池１内の残存水素の消費にしたがって燃料電池１は内部の圧力が低下し、この圧力低下にしたがって出力電圧が低下し、発電効率の低下を招来する。

そこで、この実施形態においては、図３に示すように、図１の容器１７に代えてアキュムレータ１９付きの水タンク１８を備えている。

この水タンク１８は本発明の「水溜り部」を形成する。また、そのアキュムレータ１９は水タンク１８に内装又は外装され、ベローズ（じゃばら）とバネを組合わせたベローズ型や、ゴム状の風船（袋）を設けるブラダ型、或いは、ピストン型、ダイアフラム型等の周知の構造である。

そして、燃料電池１のアノード側の濡れ状態の検出等に基づき、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態で発電を継続すると、その発電中に残存水素の消費にしたがって燃料電池１内部の圧力が低下し始め、燃料電池１のアノード側に連通した水タンク１８内部の圧力も低下し始めるが、このとき、水タンク１８の減圧変化にアキュムレータ１９が応動し、アキュムレータ１９の隔壁としてのダイアフラムが減圧側に膨出したり、風船が膨張したり、ピストンが動作したりして水タンク１８の体積（容積）が減少し、水タンク１８及び燃料電池１内の圧力低下が防止或いは緩和（抑制）される。

そのため、その間の燃料電池１の出力電圧の低下に起因する発電効率の低下が防止され、一実施形態の場合より発電効率が向上する。

そして、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態での発電に基づく燃料電池１の減圧開始から所定時間が経過するか、又は、前記減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達すると、生成水を排出するために供給弁７を開く。

このとき、燃料電池１及びそのアノード側に連通する水タンク１８は減圧状態であり、一実施形態の場合と同様に燃料電池１内に水素ガスが噴入し、燃料電池１から排出配管部１５を介して水タンク１８に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水を水タンク１８に押し出して電池外部に確実に排出することができる。

そして、水タンク１８の底部に溜まった水は、その後、排出弁１６が開かれて水タンク１８から外部に排出される。

したがって、この実施形態の場合は、発電効率のさらに一層の向上を図りつつ燃料電池１のアノード側の生成水を良好に排出することができるとともに、上記した一実施形態と同様に、燃料ガス供給配管部９を水タンク１８に収納することで燃料電池システムの小型化を図ることができる。

なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、上記した実施形態では排出配管部１５の一部が容器１７及び水タンク１８に収納されるように構成されているが、排出配管部１５と、容器１７及び水タンク１８とを継手によって連結してもよいし、排出配管部１５のほぼ全てが容器１７及び水タンク１８内に収納されるように構成してもよい。なお、排出配管部１５のほぼ全てを容器１７及び水タンク１８内に収納されるように構成した場合、燃料電池システムのより一層の小型化を図ることができる。

また、排出弁１６は容器１７及び水タンク１８の外側に設けてもよい。また、燃料電池１のセル数等はどのようであってもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、例えば１ｋｗ〜１０ｋｗの家庭用電気製品の電源及びその非常用電源、あるいは車両用バッテリーとして利用することができる。なお、本発明の燃料電池システムを車両用バッテリーとして用いる場合、車両を構成する中空のサイドメンバの内部空間を本発明の「水溜り部」として利用し、水溜り部とサイドメンバを一体化することで、燃料電池システムを車両にコンパクトに搭載することが可能となる。

本発明の一実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図１の燃料電池システムの生成水排出処理の説明図である。 本発明の他の実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 従来の燃料電池システムのブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池
４ 燃料タンク
６ レギュレータ
７ 供給弁
９ 燃料ガス供給配管部
１６ 排出弁
１７ 容器（水溜り部）
１８ 水タンク（水溜り部）

Claims (2)

1. 燃料電池のアノード側に燃料タンクからの水素を供給し、前記燃料電池のカソード側に空気を供給することで発電する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料タンクから前記水素を供給する燃料ガス供給配管部と、
   前記燃料電池のアノード側の生成水を溜める水溜り部と、
   前記水溜り部から生成水を排出する排出弁とを備え、
   少なくとも前記燃料ガス供給配管部が、前記水溜り部内に収納されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス供給配管部には、前記燃料タンクからの前記水素の圧力を調整するレギュレータと、前記レギュレータにより圧力を調整された前記水素の供給弁とが設けら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。

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