JP2008226676A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】調圧バルブにかかる負荷を下げつつ、酸化剤オフガスを再利用する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化剤オフガスの排出流路１２ｃ中にボルテックスチューブ２４を設け、冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスを、圧縮機２１の吸入空気の冷却と、燃料電池１０の冷却に用いる。また、暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスを燃料電池１０と加湿モジュール１９の加熱に用いる。これにより、酸化剤オフガスをシステムを構成する機器の冷却や加熱に再利用できるようになる。さらに、ボルテックスチューブ２４が圧損体として機能し、調圧バルブ２３にかかる負担を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、詳しくは燃料電池からの排出ガスのエネルギーを再利用した燃料電池システムに関する。

燃料電池から排出される酸化剤オフガスは一般に高温高圧であり、燃料電池システム全体の効率を高めるために、この酸化剤オフガスを再利用する方法として、タービンでこのガスを捕獲するものが良く知られている。

従来技術として引用文献１には、酸化剤ガス供給ラインに設けられたコンプレッサと酸化剤ガス排出ラインに設けられたタービンからなるターボチャージャを備え、コンプレッサより上流に吸入空気とタービンからの酸化剤オフガスを熱交換させる熱交換器を備えた燃料電池システムが開示されている。
特開２００２−５６８６５公報

この従来技術はコンプレッサの種類がタービンアシストコンプレッサに限られており、形状が決まってしまうため、特に自動車内などの限られた空間に搭載するには汎用性に欠ける。また、排出ガスは一般に高圧となっており、再利用するまでに調圧バルブで減圧する必要があるが、タービンに減圧効果は見込めず、その分調圧バルブに大きな負荷がかかる。そのため調圧バルブの低寿命化や高コスト化といった問題が生じる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、調圧バルブにかかる負荷を下げつつ、酸化剤オフガスを再利用する燃料電池システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、水素を主成分とする燃料ガスと、酸素を主成分とする酸化剤ガスの供給を受け、これらを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から酸化剤オフガスが排出される流路中にボルテックスチューブを備え、前記ボルテックスチューブの冷気吹出口及び暖気吹出口から流出する酸化剤オフガスのうち少なくとも一方を、前記システムを構成する機器の冷却や加熱に利用するように構成したことを特徴とするものである。

このような構成によれば、酸化剤オフガスがボルテックスチューブによって冷気と暖気に分かれるので、これらをシステムを構成する機器の冷却や加熱に使うという点で再利用が図れる。さらに、ボルテックスチューブが排出ガスの圧力を低減させる圧損体として機能するので、調圧バルブにかかる負担を低減させることができる。

さらに、前記燃料電池システムにおいて、前記機器は燃料ガスまたはその原料や酸化剤ガスを輸送するポンプであり、前記冷気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記ポンプを冷却するように構成するのが好ましい。
このような構成によれば、運転中発熱するポンプが冷却されるので、ポンプの信頼性が高まる。

さらに、前記ポンプは前記燃料電池に酸化剤ガスを圧縮供給する圧縮機であり、前記圧縮機を冷却するために、前記冷気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記圧縮機の吸入気体を冷却するように構成するのが好ましい。
このような構成によれば、圧縮機の発熱が抑えられ、圧縮機の信頼性が高まるだけでなく、圧縮機から吐出される酸化剤ガスの温度が低減されるので、酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラの小型化が図れる。

または、前記燃料電池システムにおいて、前記機器は前記燃料電池であり、前記冷気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記燃料電池を冷却するように構成するのが好ましい。
このような構成によれば、動作中にシステム内で発生する熱などによる燃料電池の作動温度範囲を超えた温度上昇による動作不良を防ぐことができる。

または、前記燃料電池システムにおいて、前記機器は前記燃料電池であり、前記暖気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記燃料電池を加熱するように構成するのが好ましい。
このような構成によれば、外気温が低い場合などにおいても燃料電池の作動温度範囲を超えた温度低下による動作不良を防ぐことができる。

または、前記燃料電池システムにおいて、前記機器は前記燃料電池であり、前記ボルテックスチューブから酸化剤オフガスが排出される流路中に切替バルブを備え、前記切替バルブにより、前記燃料電池に送る酸化剤オフガスの供給元を、前記冷気吹出口または前記暖気吹出口のどちらかに切り替えることにより、前記燃料電池の温度を作動温度範囲内に維持するべく酸化剤オフガスにより前記燃料電池を冷却または加熱するよう構成するのが好ましい。
このような構成によれば、燃料電池の温度が常に作動温度範囲内に収まるので、システム内外の温度状況に関わらず効率の良い発電を行うことができる。

または、前記機器は加湿モジュールであり、前記暖気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記加湿モジュールを加熱するように構成するのが好ましい。
このような構成によれば、外気温が低い場合においても加湿モジュール中の水分の凍結による動作不良を防ぐことができる。

本発明によれば、調圧バルブにかかる負荷を下げつつ、酸化剤オフガスを再利用することができる。

以下、本発明を固体高分子型燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」と呼ぶ）に適用した例として、実施形態に係る燃料電池システムを要部のみ略示した図１に基づいて説明する。
この燃料電池システムは、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池（ＦＣスタック）１０を有している。また、このシステムは、燃料電池１０の陽極に水素を主成分とする燃料ガスを供給するための燃料流路１１と、燃料電池１０の陰極に酸素を主成分とする酸化剤ガスを供給するための酸化剤流路１２とを有している。

燃料流路１１は、燃料電池１０内を通って陽極に燃料ガスを供給するための本体側流路１１ａと、この本体側流路１１ａの供給側に接続された供給流路１１ｂと、本体側流路１１ａの排出側に接続された排出流路１１ｃとを有しており、排出流路１１ｃの下流は大気開放されている。供給流路１１ｂはその上流において二本に分岐しており、それぞれメタノールタンク１３と水タンク１４が接続されている。また、これらの下流にはそれぞれポンプ１５とポンプ１６が接続されている。さらに、これらの下流において、二本の供給流路１１ｂは合流し、その下流には改質器１７が接続されている。一方、排出流路１１ｃには改質器１７に内蔵されたバーナー１８が接続されている。

同様にして、酸化剤流路１２も、燃料電池１０内を通って陰極に酸化剤ガスを供給するための本体側流路１２ａと、この本体側流路１２ａの供給側に接続された供給流路１２ｂと、本体側流路１２ａの排出側に接続された排出流路１２ｃとを有しており、供給流路１２ｂの上流は大気開放されている。これら供給流路１２ｂ及び排出流路１２ｃの途中には加湿モジュール１９が配置されている。この加湿モジュール１９の内部は高分子電解質膜で仕切られており、この膜を介して湿度の高い排出流路１２ｃ中のガスから湿度の低い供給流路１２ｂ中のガスへと水分が移動する。供給流路１２ｂはその最上流において、熱交換器２０が接続され、この下流には圧縮機２１が配置されている。さらに、この下流において、インタークーラ２２が接続され、この下流には加湿モジュール１９が接続されている。一方、排出流路１２ｃには、燃料電池１０内の圧力を調整するための調圧バルブ２３が配置されており、その下流に加湿モジュール１９と図示しない気液分離機が接続されている。また、この下流にはボルテックスチューブ２４が接続されており、ここから排出流路１２ｃは、ボルテックスチューブ２４の冷気吹出口２４ａから下流の冷気排出流路１２ｄと、暖気吹出口２４ｂから下流の暖気排出流路１２ｅとに分岐する。冷気排出流路１２ｄはさらに二本に分岐し、一本は熱交換器２０に接続されたあと大気開放され、もう一本は切替バルブ２５に接続されている。暖気排出流路１２ｅは暖気と冷気の流量を制御するバルブ２６に接続されたあと三本に分岐し、一本は切替バルブ２５に接続され、もう一本はバルブ２７に接続されたあと加湿モジュール１９を経て大気開放され、最後の一本は何も経由せずに大気開放されている。切替バルブ２５によって冷気排出流路１２ｄの一部と暖気排出流路１２ｅの一部は１本の共通排出流路１２ｆへと結合され、燃料電池１０を経て大気開放される。

次に、本実施形態に係わる燃料電池システムの動作について説明する。
供給流路１１ｂにおいて、ポンプ１５及びポンプ１６によりメタノールタンク１３及び水タンク１４から改質器１７へと供給された原料としてのメタノールと水は、バーナー１８で発生する熱によりそれぞれ気化され、水素を主成分とする燃料ガスに改質され、燃料電池１０の陽極へと流入する。一方、供給流路１２ｂにおいて、圧縮機２１の吸入気体である大気中の空気は高温高圧の酸化剤ガスとなり、インタークーラ２２で冷却された後、加湿モジュール１９へと供給・加湿され、燃料電池１０の陰極へと流入する。燃料電池１０へ供給された燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素は電気化学反応を起こし電力が発生する。その後、燃料電池１０から排出流路１１ｃに排出された燃料オフガスはバーナー１８へと供給され、未使用の水素が燃焼される。一方、排出流路１２ｃに排出された酸化剤オフガスは調圧バルブ２３にて減圧されたのち、加湿モジュール１９へと供給・除湿される。そして、図示しない気液分離器に供給され、水分を除去されたのちボルテックスチューブ２４へと流入する。このとき、酸化剤オフガスはボルテックスチューブ２４内で拡大してその圧力の一部を失う。

ボルテックスチューブ２４内において酸化剤オフガスはそれぞれ反対の方向に移動する内側と外側の二つの回転流となり、運動エネルギーの差により内側から外側へと熱が運ばれ、温度差が生じる。内側の回転流は冷気吹出口２４ａから冷気排出流路１２ｄへと流出され、流入する前よりも低い温度となる。この冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスのうち一部は熱交換器２０へと供給され、圧縮機２１に吸入される空気はこの酸化剤オフガスとの熱交換により冷却される。また、冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスのうち残りは切替バルブ２５へと供給される。システム内で発生した熱により燃料電池１０の温度がその作動温度範囲である３０〜１００℃を上回った場合、切替バルブ２５が冷気排出流路１２ｄと共通排出流路１２ｆを連通することにより、冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスによって燃料電池１０は冷却され、作動温度範囲内の温度となる。

一方、外側の回転流は暖気吹出口２４ｂから暖気排出流路１２ｅへと流出され、流入する前よりも高い温度となる。外気温が低いなどの理由で燃料電池１０の温度がその作動温度範囲を下回った場合、切替バルブ２５が暖気排出流路１２ｅと共通排出流路１２ｆを連通することにより、暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスによって燃料電池１０は加熱され、作動温度範囲内の温度となる。また、加湿モジュール１９中の水分が凍結され、その機能を充分に発揮できない場合、バルブ２７が開くことにより、暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスのうち一部は加湿モジュール１９へと送られる。これにより、加湿モジュール１９は加熱され、水分の凍結による動作不良は防がれる。暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスのうち、残りは大気中に放出される。

従って、本実施形態の燃料電池システムによれば以下に示す効果を得ることができる。
（１）酸化剤オフガスの排出流路１２ｃ中にボルテックスチューブ２４を設けた。これにより、酸化剤オフガスがボルテックスチューブ２４によって冷気と暖気に分かれ、システムを構成する機器の冷却や加熱に再利用できるようになった。さらに、ボルテックスチューブ２４が圧損体として機能し、調圧バルブ２３にかかる負担を低減させることができた。

（２）ボルテックスチューブ２４の冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスの一部を、圧縮機２１の冷却に利用した。これにより、圧縮機２１の信頼性が高まった。

（３）圧縮機２１を冷却するために、冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスの一部を熱交換器２０に供給させ、圧縮機２１の吸入気体を冷却する方法をとった。これにより、圧縮機２１から吐出される酸化剤ガスの温度が低減され、インタークーラ２２の小型化が可能となった。

（４）冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスのうち残りを燃料電池１０に送れるようにした。これにより、燃料電池１０の温度がその作動温度範囲を上回るのを抑えられ、動作不良を防ぐことが可能となった。

（５）暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスのうち一部を燃料電池１０に送れるようにした。これにより、燃料電池１０の温度がその作動温度範囲を下回るのを抑えられ、動作不良を防ぐことが可能となった。

（６）冷気吹出口２４ａから流出する酸化剤オフガスを燃料電池１０に送る流路と、暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスを燃料電池１０に送る流路を切替バルブ２５により１つにまとめた。これにより、切替バルブ２５を操作することによって、燃料電池１０の温度を常に作動温度範囲内に収め、システム内外の温度状況に関わらず効率の良い発電を行うことが可能となった。

（７）暖気吹出口２４ｂから流出する酸化剤オフガスのうち一部を加湿モジュール１９に送り、加熱に利用した。これにより、外気温が低い場合においても加湿モジュール１９中の水分の凍結による動作不良を防ぐことが可能となった。

なお上記実施形態は以下のように変更しても良い。
・ 実施形態において、酸化剤オフガスにより冷却するポンプとして圧縮機２１の代わりにポンプ１５やポンプ１６が選択されても良い。また、冷却する方法としては、熱交換器によって吸入する流体を冷却しても良いし、直接ポンプを冷却しても良い。
・ 実施形態において、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池が選択されているが、他の形式の燃料電池が選択されてもよい。

本発明に関わる燃料電池システムの要部のみを略示した説明図

符号の説明

１０・・・燃料電池、１１・・・燃料流路、１２・・・酸化剤流路、１３・・・メタノールタンク、１４・・・水タンク、１７・・・改質器、１９・・・加湿モジュール、２０・・・熱交換器、２１・・・圧縮機、２２・・・インタークーラ、２３・・・調圧バルブ、２４・・・ボルテックスチューブ、２５…切替バルブ

Claims (7)

1. 水素を主成分とする燃料ガスと、酸素を主成分とする酸化剤ガスの供給を受け、これらを用いた電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から酸化剤オフガスが排出される流路中にボルテックスチューブを備え、前記ボルテックスチューブの冷気吹出口及び暖気吹出口から流出する酸化剤オフガスのうち少なくとも一方を、前記システムを構成する機器の冷却や加熱に利用するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記機器は燃料ガスまたはその原料や酸化剤ガスを輸送するポンプであり、前記冷気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記ポンプを冷却するように構成し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. 前記ポンプは前記燃料電池に酸化剤ガスを圧縮供給する圧縮機であり、前記圧縮機を冷却するために、前記冷気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記圧縮機の吸入気体を冷却するように構成した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. 前記機器は前記燃料電池であり、前記冷気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記燃料電池を冷却するように構成し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。
5. 前記機器は前記燃料電池であり、前記暖気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記燃料電池を加熱するように構成し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。
6. 前記機器は前記燃料電池であり、前記ボルテックスチューブから酸化剤オフガスが排出される流路中に切替バルブを備え、前記切替バルブにより前記燃料電池に送る酸化剤オフガスの供給元を前記冷気吹出口または前記暖気吹出口のどちらかに切り替えることにより、前記燃料電池の温度を作動温度範囲内に維持するべく酸化剤オフガスにより前記燃料電池を冷却または加熱するよう構成し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。
7. 前記機器は加湿モジュールであり、前記暖気吹出口から流出する酸化剤オフガスにより前記加湿モジュールを加熱するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

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