JP2008235205A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】大気中に排気されたアノードパージガスを強制的に拡散させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム２０は、燃料電池２１のアノードパージガスを大気中に排気する排気管３９と、燃料電池２１に循環する冷却水が通過する熱媒体通路２８と、熱媒体通路２８に設けられたラジエータ２６と、ラジエータ２６を通過する空気量を増大させるためのファン２７とを備える。ファン２７の回転により発生した風の出口を排気管３９から排気されたアノードパージガスを拡散させる位置に設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは排気系に特徴を有する燃料電池システムに関する。

排気ガスによる地球温暖化の抑制のため動力源として燃料電池が注目され、一部実用化されている。燃料電池は水素と酸素との反応によって電気エネルギーを生成するが、燃料電池システムでは、カソードに酸素を直接使用する代わりに空気を供給して空気中の酸素を使用する構成が一般的である。また、燃料電池は発電に伴い熱を発生する。このため、燃料電池システムでは、燃料電池の温度を一定に保つための冷却システムを備えている（例えば、特許文献１参照。）。前記冷却システムは、燃料電池に冷却水（熱媒体）を循環させる熱媒体経路を備え、該熱媒体通路上にラジエータを備える。そして、燃料電池に冷却水を循環させ、燃料電池の熱をラジエータにて外部に放出させる。

また、燃料電池において、カソードで生成した水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池が稼動を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制するため、一般に、アノードに溜まった水分及び窒素を水素ガスと共に排出するアノードパージが行われている。アノードパージを行う際に、アノードパージガスを直接大気中に排気すると、水素濃度が高すぎて安全を損なう虞がある。そこで、水素ガスの濃度を安全な基準値以下にするため、アノードパージガスはカソードオフガスで希釈されて排気ガスとして排気されている。
特開２００３−１６８４６２号公報

しかし、アノードパージガスがカソードオフガスによって希釈されて大気中に排気されるとはいえ、一箇所に排気ガスが滞留し続けるとアノードパージガスに含まれる水素ガスによって滞留箇所の安全を損なう虞がある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、大気中に排気されたアノードパージガスを強制的に拡散させることができる燃料電池システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池のカソード側に供給される酸素と、アノード側に供給される水素との反応により電気エネルギーを生成する燃料電池システムであって、前記燃料電池のアノードパージガスを大気中に排気する排気管と、前記燃料電池に循環する熱媒体が通過する熱媒体通路と、前記熱媒体通路に設けられた熱交換器と、前記熱交換器を通過する空気量を増大させるためのファンとを備え、前記ファンの回転により発生した風の出口を前記排気管から排気されたアノードパージガスを拡散させる位置に設けた。なお、「排気管から排気されたアノードパージガス」とは、アノードパージガスをカソードオフガスで希釈した排気ガスのこともいう。

この発明では、燃料電池の稼働中、ファンの回転により熱交換器を通過する空気量が強制的に増大され、熱交換器を通過する熱媒体が空気によって冷却される。そして、ファンの回転により発生した空気の流れは風となり、この風は排気管から排気されたアノードパージガスに向けて導出される。すると、大気中に排気されたアノードパージガスが風によって強制的に拡散される。このため、アノードパージガスに含まれる水素ガスが一箇所に滞留し続けるといった不都合の発生を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、産業車両に搭載されている。この発明では、産業車両は、例えば倉庫内といった囲まれた作業空間内で運転される。そして、産業車両に燃料電池システムが搭載されていると排気管から排気されたアノードパージガスが強制的に拡散されて、作業空間内に滞留することが防止される。よって、燃料電池システムは産業車両に搭載するのに好適である。

本発明によれば、大気中に排気されたアノードパージガスを強制的に拡散させることができる。

以下、本発明を産業車両として使用されるフォークリフトの燃料電池システムに具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
まず、産業車両としてのフォークリフト１０について説明する。図１に示すように、フォークリフト１０には、車体１１の前部にマスト１２が設けられている。マスト１２にはフォーク１３がリフトブラケット１４を介して昇降可能に装備され、リフトシリンダ１５の伸縮作動によりフォーク１３がリフトブラケット１４とともに昇降される。車体１１の前下部には駆動輪（前輪）１６が設けられ、駆動輪１６は車軸に装備された差動装置及びギヤ（いずれも図示せず）を介して走行用モータ（図示せず）により駆動される。また、車体１１の後方には、燃料電池システム２０が搭載され、燃料電池システム２０は、車体１１に設置されたケース１９内に収容されている。そして、燃料電池システム２０は、リフトシリンダ１５及びティルトシリンダの油圧源となる油圧モータ（図示せず）及び走行用モータの電源として使用される。

次に、前記燃料電池システム２０について説明する。図２に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池２１、水素タンク２２、エアコンプレッサ２３、加湿器２４、希釈器２５、熱交換器としてのラジエータ２６及びファン２７を備え、各機器２１〜２７が前記ケース１９内に収容されている。

燃料電池２１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンク２２から供給される水素と、エアコンプレッサ２３から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。水素源としての水素タンク２２は、燃料電池２１の水素供給ポート（図示せず）に管路３０を介して連結され、管路３０には燃料電池２１へ供給される水素の圧力を調整する調圧弁（図示せず）が設けられている。調圧弁は、水素タンク２２に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。

エアコンプレッサ２３は、管路３１を介して加湿器２４に接続されている。加湿器２４は、管路３３を介して燃料電池２１の酸素供給ポート（図示せず）に接続され、管路３４を介してオフガス排出ポート（図示せず）に接続されている。そして、エアコンプレッサ２３で加圧された空気が加湿器２４で加湿された後、管路３３を介して燃料電池２１の酸素供給ポート（図示せず）に供給され、燃料電池２１のカソード（図示せず）からのオフガスは管路３４を介して加湿器２４に排出される。

加湿器２４には燃料電池２１のカソードオフガスを排気するカソードオフガス排気管３５が接続されている。カソードオフガス排気管３５には調圧バルブ３６が設けられ、調圧バルブ３６より下流側に希釈器２５が設けられている。燃料電池２１の水素排出ポート（図示せず）には、パージガス用配管３７の第１端部が接続され、パージガス用配管３７の第２端部は希釈器２５に接続されている。

パージガス用配管３７は、燃料電池２１のアノードパージガスをカソードオフガス排気管３５の調圧バルブ３６より下流側に導く。また、希釈器２５には排気管３９の第１端部３９ａが接続され、排気管３９の第２端部３９ｂはケース１９に設けられた出口１９ａからケース１９の外部に突出し、大気に向けて開放されている。したがって、水素排出ポートから排出されるアノードパージガスは、希釈器２５においてカソードオフガスで希釈され、排気ガスとして排気管３９から大気中に排気される。そして、パージガス用配管３７にはパージ用開閉弁（アノードパージバルブ）３８が設けられている。

燃料電池２１には、熱媒体としての冷却水を循環させる熱媒体通路２８が接続されている。また、熱媒体通路２８にはラジエータ２６が設けられるとともに、熱媒体通路２８及び燃料電池２１に冷却水を循環させる循環ポンプＰが設けられている。ラジエータ２６は、該ラジエータ２６を通過する空気量を増大させるための強制送風を行うファン２７を備える。このファン２７は、ラジエータ２６を挟んだ燃料電池２１の反対側からラジエータ２６に向けて空気を吸い込み、ラジエータ２６を通過する空気量を増大させる。そして、ケース１９内には、ファン２７の回転によってラジエータ２６側から燃料電池２１に向かい、さらに排気管３９の第２端部３９ｂに向かう空気の流れ（矢印Ｙに示す）によって風が発生する。

ケース１９内には、ファン２７の回転により発生した風を排気管３９の第２端部３９ｂに向けて流すガイド配管４０が配設されている。なお、図２において、ガイド配管４０を通過する風の流れを矢印Ｙで図示するため、ガイド配管４０のみを他の配管に比して拡径して模式的に図示している。ガイド配管４０の第１端部側には、燃料電池２１を介してファン２７に向かって拡径するテーパ部４０ａが設けられるとともに、テーパ部４０ａは燃料電池２１に向けて開放されている。

また、ガイド配管４０の第２端部側は、ケース１９の出口１９ａからケース１９の外部に突出するとともに、排気管３９の第２端部３９ｂに並設されている。そして、ガイド配管４０の第２端部には出口４０ｂがケース１９の外部に向けて開放されている。ガイド配管４０の出口４０ｂは、排気管３９の第２端部３９ｂの近傍に配設され、排気管３９から排気される排気ガスを拡散させる位置に設けられている。

次に前記のように構成された燃料電池システム２０の作用を説明する。
燃料電池システム２０は、燃料電池２１の稼動時には、水素タンク２２から所定の加圧状態で水素が燃料電池２１のアノード（水素極）に供給される。また、エアコンプレッサ２３が稼動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池２１のカソード（空気極）に供給される。アノードに供給された水素は、触媒によって水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜を通って水と共にカソードへ移動する。カソードでは、カソードに供給された空気中の酸素と、電解質膜中を移動してカソードに達した水素イオンと、外部回路を通ってきた電子とが結合して水を生成する。カソードで発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気と共にカソードオフガスとして加湿器２４に排出され、希釈器２５を経て排気管３９から大気中に排気される。

燃料電池２１の稼働時、循環ポンプＰによって熱媒体通路２８を冷却水が循環し、燃料電池２１に冷却水が流入する。そして、燃料電池２１と冷却水との間の熱交換により、燃料電池２１の温度が一定に保たれる。さらに、燃料電池２１を通過した冷却水がラジエータ２６を通過する際、燃料電池２１で発生した熱がラジエータ２６から大気に放出される。このとき、ファン２７の回転により、ラジエータ２６を通過する空気量が強制的に増大され、空気によって冷却水が冷却される。

また、カソードの水や窒素の一部が電解質膜をカソード側からアノード側へ逆拡散するため、燃料電池２１が稼動を続けると、アノードの水や窒素の濃度が高くなり、それらの濃度がある程度以上になると、発電効率が低下する。これを防止あるいは抑制するため、例えば、燃料電池２１が所定時間稼動を継続した時点でパージ用開閉弁３８が開放されて、アノードに溜まった水分及び窒素が水素ガスと共にパージガス用配管３７へ排出され、パージガス用配管３７を介して希釈器２５に供給される。そして、希釈器２５へ供給されたアノードパージガスは、希釈器２５においてカソードオフガスにより希釈された後、排気ガスとして排気管３９からケース１９の外部たる大気中に排気される。

このとき、ファン２７の回転によってケース１９内に発生した風は、テーパ部４０ａによってガイド配管４０内に流れ込み、さらに、ガイド配管４０内を通過して排気管３９の第２端部３９ｂに向けて流れる。そして、ガイド配管４０の出口４０ｂから第２端部３９ｂに向けて導出された風が、排気管３９から大気中に排気された排気ガス（アノードパージガス）に向けて吹きかけられる。すると、排気ガスが風によって強制的に拡散され、アノードパージガスも強制的に拡散される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ファン２７の回転によって発生した風の出口（ガイド配管４０の出口４０ｂ）を排気管３９の第２端部３９ｂから排出される排気ガス（アノードパージガス）を拡散させる位置に配設した。このため、排気管３９から大気中に排気された排気ガスを風により強制的に拡散することができる。また、万一、希釈器２５によってアノードパージガスが希釈されず、アノードパージガスがそのまま排気ガスとして排気管３９から大気中に排気されてもアノードパージガスを風により強制的に拡散することができる。よって、排気ガス（アノードパージガス）が大気中に排気された後、一箇所に滞留し続けるといった不都合を無くすことができる。

（２）ファン２７の回転によって発生した風の出口（ガイド配管４０の出口４０ｂ）を排気管３９の第２端部３９ｂから排出される排気ガス（アノードパージガス）を拡散させる位置に配設した。このため、排気ガスに含まれる水蒸気も風によって拡散することができる。よって、フォークリフト１０の周囲の視界が、水蒸気によって悪化することを防止することができる。

（３）燃料電池２１が低出力で稼動されて、希釈器２５に供給されるカソードオフガスの量が少なくなったとき、ファン２７の回転により発生した風によって、排気管３９から大気中に排気された排気ガスを拡散させることができる。このため、カソードオフガスによるアノードパージガスの希釈率が小さくても、排気ガスの水素濃度を基準値以下にすることができる。よって、燃料電池２１の低出力時において、アノードパージガスを希釈するため、発電に必要な量以上の空気をエアコンプレッサ２３からカソードに供給してカソードオフガスの量を多くする必要がなく、燃料電池２１の低出力時にカソードオフガスの量を多く供給する場合に比してエアコンプレッサ２３の消費電力を低減させることができる。

（４）フォークリフト１０は、例えば倉庫内といった囲まれた作業空間内で運転される。そして、フォークリフト１０に本実施形態の燃料電池システム２０が搭載されていると大気中に排気された排気ガスを拡散させて、作業空間内に排気ガスが滞留することが防止される。よって、燃料電池システム２０はフォークリフト１０に搭載するのに好適である。

（５）ケース１９内には、ファン２７の回転により発生した風を排気管３９の第２端部３９ｂに向けて流れるようにガイドするガイド配管４０が設けられている。このため、ガイド配管４０を設けない場合に比して、排気管３９の第２端部３９ｂに向けて導出される風を強力にすることができ、排気ガスを風によって確実に拡散させることができる。

（６）ガイド配管４０はファン２７に向けて拡径するテーパ部４０ａを備えている。このため、ファン２７の回転により発生した風を広範囲から拾うことができ、テーパ部４０ａを備えない場合に比して排気管３９に向けて導出される風量を多く確保することができる。したがって、テーパ部４０ａを備えないガイド配管４０を用いる場合に比して排気ガスを風によって強力に拡散させることができる。

（７）アノードパージガスは希釈器２５においてカソードオフガスにより希釈された後、排気管３９から大気中に排気される。そして、水素濃度が低下した排気ガスをファン２７の回転により発生した風で拡散させる。このため、高濃度の水素ガスが滞留することを確実に防止することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図３に示すように、ラジエータ２６、熱媒体通路２８及びファン２７の位置は変更してもよく、例えば、ファン２７の回転によって発生した風をラジエータ２６に向けて吹き込む構成としてもよい。

○ 図４に示すように、ガイド配管４０に出口４０ｂを開閉させる開閉蓋４１を回動可能に取り付けてもよい。この開閉蓋４１は、出口４０ｂの開口端に設けられた回動軸４２を回動中心として回動し、ガイド配管４０の開口端に当接した状態で出口４０ｂを閉塞する。このため、開閉蓋４１によって出口４０ｂが閉塞された状態では、排気管３９からの排気ガスがガイド配管４０に流れ込むことを防止することができる。そして、ガイド配管４０を風が通過してくると開閉蓋４１が押し上げられ、出口４０ｂから風が排気管３９に向けて導出されるようになっている。

○ ガイド配管４０を削除してもよい。この場合、ケース１９の出口１９ａが風の出口となり、出口１９ａの近傍に排気管３９の第２端部３９ｂが配設される。
○ アノードパージガスは、希釈器２５で希釈されずパージガス用配管３７から直接大気中に排気されてもよく、この場合、パージガス用配管３７が排気管を構成する。さらに、ガイド配管４０の出口４０ｂをパージガス用配管３７の出口の近傍に配設し、パージガス用配管３７から大気中に排気されるアノードパージガスを風で拡散させる。

○ 熱媒体としてエチレングリコール等の不凍液を用いてもよい。
○ 産業車両としてのショベルローダー、ジョブファイター、トーイングトラクター等に燃料電池システム２０を搭載してもよい。

○ 燃料電池システム２０は必ずしも、産業車両等の移動体に限らず、電源を必要とする電気製品に装備したり、定置式の燃料電池システムに適用したりしてもよい。
○ 燃料電池システム２０の水素源は、高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンク２２に限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すもの等であってもよい。また、水素源としてメタノール、天然ガスやガソリン等の燃料を改質器で改質した改質ガスを使用する構成としてもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（１）前記ファンの回転により発生した風を前記排気管から排気されたアノードパージガスに向けて導出させるガイド配管を備える請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

（２）前記ガイド配管には、前記ファンに向けて拡径するテーパ部が設けられる前記技術的思想（１）に記載の燃料電池システム。
（３）前記ガイド配管の出口には該出口を開閉する開閉蓋が設けられる前記技術的思想（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。

（４）前記燃料電池のカソードオフガスを排気するカソードオフガス排気管と、前記燃料電池のアノードパージガスを排気するパージガス用配管とを備え、前記排気管の上流側に希釈器が設けられるとともに、カソードオフガス排気管及びパージガス用配管は前記希釈器に接続されている請求項１、請求項２、及び技術的思想（１）〜（３）のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。

フォークリフトを示す側面図。 実施形態における燃料電池システムの構成図。 別の実施形態における燃料電池システムの構成図。 ガイド配管の別の実施形態を示す部分拡大図。

符号の説明

１０…産業車両としてのフォークリフト、１９ａ…風の出口としてのケースの出口、２０…燃料電池システム、２１…燃料電池、２６…熱交換器としてのラジエータ、２７…ファン、２８…熱媒体通路、３９…排気管、４０ｂ…風の出口としてのガイド配管の出口。

Claims (2)

1. 燃料電池のカソード側に供給される酸素と、アノード側に供給される水素との反応により電気エネルギーを生成する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のアノードパージガスを大気中に排気する排気管と、
   前記燃料電池に循環する熱媒体が通過する熱媒体通路と、
   前記熱媒体通路に設けられた熱交換器と、
   前記熱交換器を通過する空気量を増大させるためのファンとを備え、
   前記ファンの回転により発生した風の出口を前記排気管から排気されたアノードパージガスを拡散させる位置に設けた燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムは、産業車両に搭載される請求項１に記載の燃料電池システム。

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