JP2008235206A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードからパージガス用配管に排出されたアノードパージガスの流量が一定となるように調整する調整弁を必要とせずに、排気ガス中の水素濃度を基準値以下にする。
【解決手段】燃料電池１２のアノードパージガスを、パージガス用配管２２を介して、カソードオフガスを大気中に排気する排気管２０に導く。制御装置２６は開閉弁２５を閉じた状態でパージ用開閉弁２４を開閉するアノードパージを行った後、次のアノードパージまでの間に、開閉弁２５を開放して一時貯留部２２ａに貯留されたアノードパージガスを排気管２０へ排出するように制御する。一時貯留部２２ａの容積は、一時貯留部に貯留されたアノードパージガスが開閉弁２５の開放時に排気管２０とパージガス用配管２２との合流部に直ちに供給されても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、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。そして、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（水素オフガス）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方法として、カソードオフガスで希釈して排気する方法がある。（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１には、燃料電池から排出された水素オフガスを外部に導出する排気通路に前記水素オフガスを一定流量となるように調整する調整弁を設け、前記調整弁の上流の排気通路上にガスを一時的に滞留させる容積室を設けた構成が開示されている。そして、調整弁より下流の排気通路にカソードオフガスを合流させる合流部を設け、合流部に設けた触媒を含むコンバスタで水素を燃焼処理する構成が開示されている。また、コンバスタを設けずに、水素オフガスをカソードオフガスで希釈して排気する構成も開示されている。
特開２００５−１０８８０５号公報

特許文献１の構成では、アノードパージでアノードから排出された水素オフガス（アノードパージガス）の流量を一定となるように調整する調整弁を必要とし、調整が面倒である。

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、アノードパージでアノードからパージガス用配管に排出されたアノードパージガスの流量が一定となるように調整する調整弁を必要とせずに、排気ガス中の水素濃度を基準値以下にす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。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池から排出されるアノードパージガスをカソードオフガスと混合して大気中に放出する燃料電池システムである。そして、前記燃料電池のカソードオフガスを大気中に排気する排気管と、前記燃料電池のアノードパージガスを前記排気管に導くパージガス用配管と、前記パージガス用配管に設けられた第１弁と、前記パージガス用配管の前記第１弁より下流側に設けられた第２弁と、前記第１弁及び前記第２弁の開閉制御を行う制御手段とを備えている。そして、前記パージガス用配管の前記第１弁と前記第２弁との間をアノードパージガスの一時貯留部とし、前記制御手段は、前記第２弁を閉じた状態で前記第１弁を開閉するアノードパージを行って前記一時貯留部にアノードパージガスを一時貯留した後、次のアノードパージまでの間に、前記第２弁を開放して前記一時貯留部に一時貯留された前記アノードパージガスを前記排気管へ排出するように前記第１弁及び前記第２弁を開閉制御する。前記一時貯留部の容積は、前記一時貯留部に貯留されたアノードパージガスが前記第２弁の開放時に前記排気管と前記パージガス用配管との合流部に供給されても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されている。

第１弁と第２弁との間におけるパージガス用配管の容積、即ち一時貯留部の容積Ｖ_Ｈは、燃料電池システムによって決まる一定の値であり、アノードパージガスの圧力（第１弁の１次側圧力）Ｐ_Ｈ、カソードオフガスの流量Ｖ_ａｉｒ及び排気管とパージガス用配管との合流部における圧力Ｐ_ａｉｒは、燃料電池システムの運転条件（燃料電池の稼働条件）によって決まる。また、アノードパージガスの圧力Ｐ_Ｈは、通常は一定に保持され、燃料電池が電気的に接続された負荷が要求する電力に対応してカソードオフガスの流量Ｖ_ａｉｒが変更される。また、圧力Ｐ_ａｉｒは一般に大気圧となる。

パージガス用配管に第２弁が存在せず、１個の弁を設けるとともにその弁の開閉でアノードパージを行う場合は、１回の弁の開閉でアノードパージガスが数百×１０^−６ｍ^３
程度排出される。この量は多すぎるため、排気管から排出される排気ガス中の水素濃度が基準値を超える状態となる。

この発明では、制御手段からの指令により、第２弁が閉じた状態で第１弁が開放されてアノードパージが行われ、第１弁が閉じた後、次のアノードパージまでの間に制御手段からの指令により、第２弁が開放される。第２弁が閉じた状態で第１弁が開放されると、第１弁と第２弁との間の一時貯留部に貯留されるアノードパージガスの体積は一時貯留部の容積Ｖ_Ｈと同じ一定値となり、圧力はアノードから排出されるアノードパージガスの圧力とほぼ同じになる。そして、一時貯留部に一時貯留されたアノードパージガスは、次のアノードパージまでの間に、第２弁が開放されて排気管とパージガス用配管との合流部に供給される。一時貯留部の容積は、一時貯留部に貯留されたアノードパージガスが第２弁の開放時に排気管とパージガス用配管との合流部に供給されても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されているため、排気ガス中の水素濃度が基準値を超えることが防止される。一時貯留部の容積を、カソードオフガスの流量が少ない状態、即ち負荷が小さな状態を基準にして設定すれば、負荷が大きい時も確実に水素濃度が基準値未満になる。したがって、第１弁及び第２弁に流量調整機能を持たないオンオフ弁を用いても何ら支障がない。

本発明によれば、アノードパージでアノードからパージガス用配管に排出されたアノードパージガスの流量が一定となるように調整する調整弁を必要とせずに、排気ガス中の水素濃度を基準値以下にすることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、燃料電池１２、水素源としての水素タンク１３、加圧手段としてのエアコンプレッサ１４及び加湿器１５を備えている。

燃料電池１２は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素タンク１３から供給される水素と、エアコンプレッサ１４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。

水素タンク１３は、燃料電池１２の水素供給ポート（図示せず）に管路１６を介して接続され、管路１６には燃料電池１２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１３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１４は、管路１７を介して加湿器１５に接続されている。加湿器１５は、供給管１８を介して燃料電池１２の酸素供給ポート（図示せず）に接続され、管路１９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１４で加圧された空気が加湿器１５で加湿された後、燃料電池１２の酸素供給ポート（図示せず）に供給され、燃料電池１２のカソード（図示せず）からのオフガスは管路１９を介して加湿器１５に排出される。

加湿器１５には燃料電池１２のカソードオフガスを大気中に排気する排気管２０が接続されている。排気管２０には調圧バルブ２１が設けられている。
燃料電池１２の水素排出ポート（図示せず）には、燃料電池１２のアノードパージガスを排気管２０に導くパージガス用配管２２の第１端部が接続され、パージガス用配管２２の第２端部は排気管２０に対して調圧バルブ２１の下流側において接続されている。パージガス用配管２２には第１弁としてのパージ用開閉弁２４が設けられ、パージ用開閉弁２４より下流側に第２弁としての開閉弁２５が設けられている。パージガス用配管２２のパージ用開閉弁２４と開閉弁２５との間がアノードパージガスの一時貯留部２２ａを構成する。

一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈは、一時貯留部２２ａに貯留されたアノードパージガスが開閉弁２５の開放時に排気管２０とパージガス用配管２２との合流部に供給されても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されている。詳述すると、次式が成立するように一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈを設定し、評価にて最終調整を行っている。

Ｖ_Ｈ≦（α／α_０）（Ｐ_ａｉｒ／Ｐ_Ｈ）Ｖ_Ｈ０・・・（１）
但し、Ｐ_ａｉｒは、排気管２０とパージガス用配管２２との合流部におけるカソードオフガスの圧力、Ｐ_Ｈは、パージ用開閉弁２４の１次側圧力である。Ｖ_Ｈ０は、開閉弁２５が存在せず、パージ用開閉弁２４のみでアノードパージを行ったときの１回の開閉で吐き出されるアノードパージガス量（パージ用開閉弁２４の開放時間は、０．１秒以下）、α_０は、開閉弁２５が存在せず、パージ用開閉弁２４のみでアノードパージを行ったときの排気ガス中の最大水素濃度（％）である。なお、α_０は、アノード側の圧力が一定で制御される燃料電池システムにおいては、カソードオフガス流量が最小となる状態（燃料電池１２が低出力で稼動される状態）で観測される水素濃度の最大値である。αは、排気ガス中の水素濃度の基準値（％）である。

一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈは、パージガス用配管２２の内径と、パージ用開閉弁２４及び開閉弁２５の位置によって一義的に決まっている。Ｐ_ａｉｒは、ほぼ大気圧に等しく、１００ＫＰａで一定としてもよい。また、Ｐ_Ｈは、通常、２００ＫＰａ程度である。Ｖ_Ｈ０が４×１０^−６ｍ^３、α_０が４％、αが２％であれば、一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈは、１×１０^−６ｍ^３以下になるように設定し、評価にて最終調整を行い設定すればよい。

パージ用開閉弁２４及び開閉弁２５は、制御手段としての制御装置２６からの指令により開閉制御される。制御装置２６は、ＣＰＵ２７及び記憶手段としてのメモリ２８を備えている。制御装置２６は、燃料電池１２が予め設定された所定時間稼働する毎にアノードパージを行うようにパージ用開閉弁２４及び開閉弁２５を制御する。詳述すると、制御装置２６は、開閉弁２５を閉じた状態でパージ用開閉弁２４を開放するアノードパージを行った後、次のアノードパージまでの間に、開閉弁２５を開放制御する。

次に前記のように構成された燃料電池システム１１の作用を説明する。
燃料電池システム１１は、燃料電池１２の稼動時には、水素タンク１３からから所定の加圧状態で水素が燃料電池１２のアノード（水素極）に供給される。また、エアコンプレッサ１４が稼動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１２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１５に排出され、加湿器１５から排気管２０へ排出され、調圧バルブ２１を経て大気中に排気される。

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１２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１２が所定時間稼動を継続した時点で、開閉弁２５が閉じた状態においてパージ用開閉弁２４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２２へ排出され、パージガス用配管２２を介して排気管２０へ導かれる（供給される）。そして、排気管２０へ供給されたアノードパージガスは排気管２０においてカソードオフガスと合流した後、図示しないマフラーを経て大気中に排気される。

アノードからパージガス用配管２２に排出されたアノードパージガスは、パージガス用配管２２を介して排気管２０へ直接供給されるのではなく、一時貯留部２２ａに一時貯留された後、開閉弁２５を経て排気管２０へ供給される。

燃料電池１２は、アノードには一定圧力で水素が供給され、カソードには燃料電池１２が接続された図示しない負荷の要求に応じて、供給される空気の量が変更されるように稼動される。燃料電池１２に接続された負荷の要求が高負荷のときに燃料電池１２は高出力で稼動され、低負荷のとき低出力で稼動される。燃料電池１２の高出力稼動時にはカソードに供給される空気の量が多くなる。そのため、燃料電池１２が接続された負荷の要求が高負荷のときは、アノードパージガスを一時貯留部２２ａに一時貯留せずに、開閉弁２５が開放状態のまま、パージ用開閉弁２４を開閉動作させて、単にアノードパージガスをカソードオフガスで希釈して排気するだけで、排気ガス中の水素濃度は基準値以下になる。一方、燃料電池１２に接続された負荷の要求が低負荷のときは、燃料電池１２が低出力で稼動されて、カソードオフガスの量が、アノードパージガスを排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように希釈するのには不十分な量になる。

しかし、この実施形態の燃料電池システム１１では、一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈが、一時貯留部２２ａに貯留されたアノードパージガスを、開閉弁２５を開放状態に保持して排気管２０とパージガス用配管２２との合流部に供給しても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されている。そして、制御装置２６は、開閉弁２５を閉じた状態でパージ用開閉弁２４を開閉するアノードパージを行って一時貯留部２２ａにアノードパージガスを一時貯留した後、次のアノードパージまでの間に、一時貯留部２２ａに貯留されたアノードパージガスを排気管２０へ排出するようにパージ用開閉弁２４及び開閉弁２５を開閉制御する。

排気ガス中の水素濃度の基準値α（％）と一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈ等には（１）式の関係が成立するように一時貯留部２２ａの容積Ｖ_Ｈが設定されている。
Ｖ_Ｈ≦（α／α_０）（Ｐ_ａｉｒ／Ｐ_Ｈ）Ｖ_Ｈ０・・・（１）
したがって、アノードパージガスは、排気管２０とパージガス用配管２２との合流部においてカソードガスで希釈されて、排気ガス中の水素濃度が基準値α以下になって大気中に排出される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）燃料電池システム１１は、燃料電池１２のカソードオフガスを大気中に排気する排気管２０と、燃料電池１２のアノードパージガスを排気管２０に導くパージガス用配管２２と、パージガス用配管２２に設けられたパージ用開閉弁２４と、パージガス用配管２２のパージ用開閉弁２４より下流側に設けられた開閉弁２５とを備えている。そして、パージガス用配管２２のパージ用開閉弁２４と開閉弁２５との間をアノードパージガスの一時貯留部２２ａとし、制御装置２６は、開閉弁２５を閉じた状態でパージ用開閉弁２４を開閉するアノードパージを行って一時貯留部２２ａにアノードパージガスを一時貯留する。その後、次のアノードパージまでの間に、開閉弁２５を開放して一時貯留部２２ａに一時貯留されたアノードパージガスを排気管２０へ排出するようにパージ用開閉弁２４及び開閉弁２５を開閉制御する。そして、一時貯留部２２ａの容積は、一時貯留部２２ａに貯留されたアノードパージガスが開閉弁２５の開放時に排気管２０とパージガス用配管２２との合流部に供給されても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されている。

したがって、アノードパージでアノードからパージガス用配管２２に排出されたアノードパージガスの流量が一定となるように調整する調整弁を必要とせずに、排気ガス中の水素濃度を基準値以下にすることができる。また、体格を大きくすることなく、排気ガス中の水素濃度を基準値以下にすることができる。

（２）パージ用開閉弁２４を開閉制御してアノードパージを行う際、パージ用開閉弁２４の開閉速度を短時間で行わなくても、一時貯留部２２ａにはアノードパージガスが一時貯留部２２ａの容積で決まる所定量貯留される。したがって、パージ用開閉弁２４を精度良く制御しなくても、支障がない。

（３）開閉弁２５は、１回のアノードパージが行われた後、次のアノードパージまでに一時貯留部２２ａ内のアドパージガスを排気管２０へ排出するように開閉されればよく、開閉を短時間で行う必要がないため制御が簡単になる。

（４）パージ用開閉弁２４及び開閉弁２５として、流量調整が不能なオンオフ弁を使用してもよいため、製造コストを低減できる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ パージガス用配管２２の径を一定ではなく、パージ用開閉弁２４と開閉弁２５との間の径を他の部分の径より大きくしてもよい。
○ 排気管２０には調圧バルブ２１より下流側に希釈器を設け、パージガス用配管２２を希釈器に接続してもよい。この場合、アノードパージガスは希釈器でカソードオフガスにより希釈されるため、効率よく希釈されて大気中に排気される。

○ パージ用開閉弁２４の開放間隔は予め設定されずに、制御装置２６が燃料電池１２の発電状態を判断して、発電効率が悪くなった時に開放するようにしてもよい。
○ 燃料電池１２で使用されなかった水素を水素供給経路としての管路１９に戻すことが可能な水素循環経路を備えている構成の燃料電池システムに適用してもよい。例えば、パージ用開閉弁２４と燃料電池１２との間におけるパージガス用配管２２と、管路１６とを接続する水素循環経路を設けるとともに、水素循環経路に水素循環ポンプを設ける。この場合、未反応の水素を再循環利用することにより、水素の利用率を高めることができる。

○ 燃料電池システム１１は必ずしも、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１１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１３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。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１に記載の発明において、前記一時貯留部の容積Ｖ_Ｈは、次式が成立するように設定されている。

Ｖ_Ｈ≦（α／α_０）（Ｐ_ａｉｒ／Ｐ_Ｈ）Ｖ_Ｈ０・・・（１）
但し、Ｐ_ａｉｒは排気管とパージガス用配管との合流部におけるカソードオフガスの圧力、Ｐ_Ｈは第１弁の１次側圧力である。Ｖ_Ｈ０は第２弁が存在せず、第１弁のみでアノードパージを行ったときの１回の開閉で吐き出されるアノードパージガス量、α_０は第２弁が存在せず、第１弁のみでアノードパージを行ったときの排気ガス中の最大水素濃度（％）、αは排気ガス中の水素濃度の基準値（％）である。

一実施形態における燃料電池システムの構成図。

符号の説明

１１…燃料電池システム、１２…燃料電池、２０…排気管、２２…パージガス用配管、２２ａ…一時貯留部、２４…第１弁としてのパージ用開閉弁、２５…第２弁としての開閉弁、２６…制御手段としての制御装置。

Claims (1)

1. 燃料電池から排出されるアノードパージガスをカソードオフガスと混合して大気中に放出する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のカソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
   前記燃料電池のアノードパージガスを前記排気管に導くパージガス用配管と、
   前記パージガス用配管に設けられた第１弁と、
   前記パージガス用配管の前記第１弁より下流側に設けられた第２弁と、
   前記第１弁及び前記第２弁の開閉制御を行う制御手段と
   を備え、
   前記パージガス用配管の前記第１弁と前記第２弁との間をアノードパージガスの一時貯留部とし、前記制御手段は、前記第２弁を閉じた状態で前記第１弁を開閉するアノードパージを行って前記一時貯留部にアノードパージガスを一時貯留した後、次のアノードパージまでの間に、前記第２弁を開放して前記一時貯留部に一時貯留された前記アノードパージガスを前記排気管へ排出するように前記第１弁及び前記第２弁を開閉制御し、前記一時貯留部の容積は、前記一時貯留部に貯留されたアノードパージガスが前記第２弁の開放時に前記排気管と前記パージガス用配管との合流部に供給されても排気ガス中の水素濃度が基準値以下になるように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。

Images