JP2008243562A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】安価で配管設計の自由度が高い構成により、供給弁及び排水弁が閉じた状態（燃料遮断状態）で燃料電池が発電して連通した燃料電池及び水溜り部を減圧状態にするときに、燃料電池が過度に減圧状態になったり、燃料電池１ａのスタック内が不均一な減圧状態になることを防止する。
【解決手段】燃料電池１ｂと容器（水溜り部）７ｂとを少なくとも２本の配管６３ａ、６３ｂの管路によって連通し、供給弁４及び排水弁８が閉じた状態で燃料電池１ｂが発電して連通した燃料電池１ｂ及び容器７ｂが減圧状態になるときに、燃料電池１ｂと容器７ｂとの管路の通気抵抗が１本の配管の場合より小さくなって燃料電池１ｂが過度に減圧状態にならないようにして燃料電池１ｂが過度に減圧状態になったり、燃料電池１ｂのスタック内が不均一な減圧状態になることを防止する。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素と空気を用いて発電する固体高分子型の燃料電池システムに関し、詳しくは、反応により生じたアノード（水素極）側の生成水の排出に関する。

従来、車両に搭載等される燃料電池システムは、水素と空気を用いる固体高分子型の燃料電池（ＦＣ）のスタックによって形成される。

この種の固体高分子型の燃料電池システムは、よく知られているように、その反応過程においてカソード側（酸素極側）に発生した水（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、アノード側に混入した生成水を放置しておくと、その蓄積によって電極付近に生成水が滞留し、水素ガスが電極に供給されにくくなり、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。

そこで、本出願人は、この種の燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード側の下流路にいわゆるバッファタンクとしての水溜り部を設け、水素ガスを遮断した状態での燃料電池の発電によって連通した燃料電池及び水溜まり部を減圧状態にした後に、減圧状態の燃料電池のアノード側に水素ガスを噴入し、そのガス圧によって燃料電池のアノード側の生成水を水溜り部に押し出して排出することを既に発明し、出願している（特願２００６−７４８２５）。

本出願人の前記既出願の燃料電池システムはアノード側が概略図８に示すように構成される。

図８において、１ａは水素と酸素を使用する固体高分子型のスタック構造の燃料電池（ＦＣ）であり、アノード（水素極）側に供給された燃料ガスと、カソード（空気極）側に供給された空気中の酸素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する。

２は燃料電池１ａのアノード側上流の燃料タンク、３、４は燃料タンク２から燃料電池１ａに至るアノード側の上流路５に設けられた水素供給用のレギュレータ、供給弁である。

６ａは燃料電池１ａのアノード側の下流路、７ａは燃料電池１ａに連通した下流経路６ａの適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体の容器であり、サブタンクとしての水溜り部を形成する。８は容器７ａの下流側に設けられ常閉の排水弁である。なお、図８において、弁４、８及びレギュレータ３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２の高圧の水素ガスは、通常の発電時、レギュレータ３で減圧調整された後、供給弁４を通って燃料電池１ａのアノード側の上流から下流に向かって通流する。

このとき、燃料電池１ａにおいて、アノードに供給された水素とカソードに供給された酸素（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。

そして、燃料電池１ａのアノード側においては、前記発電に伴って水（生成水）が発生し、いわゆる濡れ状態になる。

この濡れ状態を放置して燃料電池１ａの発電を継続すると、燃料電池１ａはアノード側に堆積した水によって発電能力が次第に低下していく。

そこで、図８の燃料電池システムは、燃料電池１ａのアノード側の前記濡れ状態を、燃料電池１ａ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アノード側の水の排出が必要になると、供給弁４を閉止し、供給弁４及び排水弁８が閉じた状態（燃料ガスの遮断状態）で燃料電池１ａの発電を継続する。

この発電によって燃料電池１ａ内が所定圧力に低下するか、燃料電池１ａの減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達するかし、燃料電池１ａ内及び燃料電池１ａに連通した容器（水溜り部）７ａが所期の減圧状態になると、供給弁４を開いて減圧状態の燃料電池１ａ内に水素ガスを噴入し、燃料電池１ａから下流路６ａを通って容器７ａに至る水素ガス流により燃料電池１ａのアノード側の水を容器７ａに押し出して電池外部に確実に排出する。

なお、容器７ａの水が燃料電池１ａに逆流しないようにするため、燃料電池１ａと容器７ａとの配管６１は容器７ａの上部に接続され、容器７ａから排水弁８に伸びた配管８２は容器７ａの下部に接続され、容器７ａに押し出された水は容器７ａに落とし込まれて貯留される。

そして、所定短時間が経過して燃料電池１ａのアノード側の水が容器７ａに押し出されると、通常の発電に戻る。

以降、燃料電池１ａのアノード側の水の排出が必要になる毎に、上述の処理がくり返えされ、燃料電池１ａのアノード側の水が容器７ａに押し出されて電池外部に確実に排出される。

なお、容器７ａに定量の水が溜まると、排水弁８を開いて容器７ａの貯留水が排出される。

したがって、前記図８の既出願の燃料電池システムの場合、アノード側下流の水素ガスを上流に戻す燃料循環路やポンプ等の特別な構成を備えたりすることなく、簡易かつ安価な構成で燃料電池１ａのアノード側に生成した水を確実に排出することができる。

また、燃料電池１ａのアノード側の未反応水素が電池外部に漏出することがなく、しかも、容器７ａにある程度水が溜まってから下流の排水弁８を開く構成であるため、電池外部に排出される水素ガス濃度が極めて低く、極めて安全であるとともに燃料ロスが少ない。

そのため、簡易かつ安価で発電効率及び安全性の向上を図るようにした構成により、燃料電池１ａのアノード側の水を確実に排出することができる。

その上、燃料電池１ａのアノード側の濡れ状態からアノード側の生成水の滞留状態を把握して、適当な滞留状態になったときに燃料電池１ａのアノード側の生成水を排出するようにしたため、必要なときにのみ燃料電池１ａのアノード側の生成水を排出できる利点もある。

ところで、燃料電池１ａのようなスタック構造の燃料電池のアノード及びカソードの上流側と下流側との温度分布を均一にするため、溶融炭酸塩型のスタック構造の燃料電池において、燃料電池を上部スタックと下部スタックとに２分し、アノード、カソードそれぞれの上流側から燃料電池に供給された燃料ガス、酸化ガスを、中間分配器によって燃料電池内をスタック中央部から上部スタック側、下部スタック側に逆向きに流れるように２分岐することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平５−１４４４６４号公報（要約書、［００２２］−［００３３］、図１等）

前記図８の既出願の燃料電池システムの場合、燃料電池１ａのアノード側は上流路５及び下流路６ａにそれぞれ単一の配管（１本の配管）５１、６１で連通している。

そして、燃料電池１ａのアノード側の排水が必要になると、上述したように供給弁４及び排水弁８が閉じた状態（燃料遮断状態）で燃料電池１ａが発電する。この発電によって燃料電池１ａが減圧状態になること、燃料電池１ａに連通した容器７ａの残存ガスが燃料電池１ａに移動し、これの繰り返しによって燃料電池１ａ及び容器７ａが共に減圧状態になる。

このとき、実際には主に下流路６ａの管路の通気抵抗により、燃料電池１ａの減圧状態と容器７ａの減圧状態とに差が生じるため、連通状態の燃料電池１ａ及び容器７ａが確実に所期の減圧状態になってから供給弁４を開いて水素ガスを燃料電池１ａ内に噴入しようとすると、容器７ａが前記所期の減圧状態になるまで供給弁４及び排水弁８が閉じた状態で燃料電池１ａの発電を継続する必要がある。

しかしながら、供給弁４及び排水弁８が閉じた状態で燃料電池１ａの発電を継続すると、下流路６ａの管路の通気抵抗によっては、燃料電池１ａが過度に減圧状態になって燃料電池１ａの高分子膜の破損や劣化が生じるおそれがあり、また、燃料電池１ａのスタック内が不均一な減圧状態になってセル間の発電に差が生じるおそれもある。

そして、燃料電池１ａのアノード側に前記特許文献１に記載の分配器を設けて燃料電池１ａ内の水素ガスの流路をスタック中央部からスタック両端側に２分岐するようにしても、下流路６ａの管路の通気抵抗に起因した上述と同様の問題が生じる。

本発明は、安価で配管設計の自由度が高い構成により、供給弁及び排水弁が閉じた状態（燃料遮断状態）で燃料電池が発電して連通した燃料電池及び水溜り部を減圧状態にするときに、燃料電池が過度に減圧状態になったり、燃料電池１ａのスタック内が不均一な減圧状態になることを防止し、反応により生じたアノード側の生成水の排出性能を向上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、アノード側に水素が供給され、カソード側に空気が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノード側の上流路に設けられた水素供給用の供給弁と、前記燃料電池のアノード側の下流路に設けられた排水弁と、前記燃料電池と前記排水弁との間に設けられ、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を備え、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態での発電後、前記供給弁を開いて前記燃料電池のアノード側の生成水を前記水溜り部に押し出して排出する燃料電池システムにおいて、前記下流路の前記燃料電池と前記水溜り部とを少なくとも２本の配管で連通したことを特徴としている（請求項１）。

請求項１の発明によれば、燃料電池と水溜り部とが少なくとも２本の配管の管路によって連通するため、供給弁及び排水弁が閉じた状態（燃料遮断状態）で燃料電池が発電して連通した燃料電池及び水溜り部が減圧状態になるときに、燃料電池と水溜り部との管路の通気抵抗が１本の配管の場合より小さくなって燃料電池の減圧状態と水溜り部の減圧状態との差が解消し、水溜り部が所期の減圧状態になるまで供給弁及び排水弁を閉じた状態で燃料電池の発電を継続しても燃料電池が過度に減圧状態になることがなく、燃料電池のスタック内が不均一な減圧状態になることもない。

そして、配管径を大きくするのではなく、複数本の配管で前記管路を形成する構成であるため、配管径を大きくしたときには問題となる曲げ加工のいわゆる「曲げＲ」を十分に小さくすることが可能になる。

したがって、安価で配管設計の自由度が高い構成により、供給弁及び排水弁が閉じた状態（燃料遮断状態）で燃料電池が発電して連通した燃料電池及び水溜り部を減圧状態にするときに、燃料電池が過度に減圧状態になったり、燃料電池１ａのスタック内が不均一な減圧状態になることを防止し、反応により生じたアノード側の生成水の排出性能を向上することができる。

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７にしたがって詳述する。

（一実施形態）
一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

図１は本実施形態の燃料電池システムのアノード側の模式図、図２は図１の燃料電池１ｂの配管から切り離した状態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）はその左側面図、（ｃ）はその右側面図である。

図３は燃料電池１ｂのスタック構造を示す側面図、図４は燃料電池１ｂのセル構造を示す分解斜視図、図５は燃料電池１ｂの部分拡大図、図６は減圧状態説明用のタイミングチャートである。

図１の燃料電池システムは、前記した本出願人の既出願の固体高分子型の燃料電池の燃料電池システムを改良したものであり、例えば軽自動車等の車両に搭載される。

図１において、図８と同一符号は同一のものを示し、１ｂは図８の燃料電池１ａに代えて設けられた固体高分子型の燃料電池（ＦＣ）、６ｂは図８の下流路６ａに代えて設けられた下流路である。また、７ｂは図８の容器７ａに代えて設けられた水溜り部としての容器であり、容器７ａと異なる点は、燃料電池１ｂのアノード側に後述するように２本の配管を介して接続されている点である。

そして、燃料電池１ｂは図２、図３に示すように、両端のエンドプレート９、１０間にセパレータ１１を挟んで複数個の膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２を重ねた直列スタック構造に形成され、所望の電圧が取り出せるようになっている。

なお、各セパレータ１１及び各膜電極接合体１２は四隅が貫通ボルト１３とナット１４とによってエンドプレート９、１０間に圧接した状態に配設されている。

また、各膜電極接合体１２は図４、図５に示すように、前記高分子膜である電解質膜１３を挟んで水素極（燃料極）１４ａと酸素極１４ｂとが対設した構成であり、水素極１４ａ、酸素極１４ｂは、それぞれ電解質膜１３側の触媒層１５とセパレータ１１側の集電体１６とからなる。

さらに、各セパレータ１１は、水素極１４ａ側の面に例えば上部左端の貫通孔１１ａから下部左端の貫通孔１１ｂに至るジグザグの水素ガスの通流溝１１１が形成され、酸素極１４ｂ側の面に上部左端の貫通孔１１ｃから下部左端の貫通孔１１ｄに至る通流溝１１１と逆送りの向きのジグザグの酸素ガスの通流溝１１２が形成されている。

そして、図２に示すように、例えば右側のエンドプレート９の左側の上、下に図４の貫通孔１１ａ、１１ｂに連通したアノード側（水素ガス側）の流出口１７ｂ、流入口１７ａが突出して設けられ、エンドプレート９の右側の上、下に図４の貫通孔１１ｃ、１１ｄに連通したカソード側（空気（酸素ガス）側）の流出口１８ｂ、流入口１８ａが突出して設けられている。

さらに、本発明では図２（ｂ）に示すように、エンドプレート９に対向する左側の、エンドプレート１０の左側の下部に貫通孔１１ｂに連通したアノード側の第二の流出口１７ｃが設けられている。

そして、図１に示すように、アノード側の流入口１７ａは上流路５の配管５１に接続され、アノード側の流出口１７ｂ、１７ｃは下流路６ｂの２本の配管６３ａ、６３ｂの一端それぞれに接続されている。配管６３ａ、６３ｂの他端は容器７ｂに接続されている。

なお、カソード側の流入口１８ａ、流出口１８ｂは、図示省略したカソード側の上流路、下流路の配管に接続されている。

以上のように構成された本実施形の燃料電池システムの特徴は、燃料電池１ａのアノード側のスタック左右端部が下流路ｂの２本の配管６３ａ、６３ｂの並列路を介して容器７ｂに連通している点である。

そして、本実施形態の燃料電池システムも図８の従来システムと同様に動作し、燃料電池１ａのアノード側の前記濡れ状態の検出に基づき、燃料電池１ｂのアノード側の水の排出が必要になると、供給弁４を閉止し、供給弁４及び排水弁８が閉じた状態（燃料ガスの遮断状態）で燃料電池１ｂの発電を継続する。

この発電によって燃料電池１ｂ内及び燃料電池１ｂに連通した容器（水溜り部）９ｂが所期の減圧状態になると、供給弁４を開いて減圧状態の燃料電池１ｂ内に水素ガスを噴入し、燃料電池１ｂから下流路６ｂを通って容器７ｂに至る水素ガス流により燃料電池１ｂのアノード側の水を容器７ｂに押し出して電池外部に確実に排出する。

なお、容器７ａの水が燃料電池１ａに逆流しないようにするため、配管６３ａ、６３ｂも容器７ｂの上部に接続されている。

そして、所定短時間が経過して燃料電池１ｂのアノード側の水が容器７ｂに押し出されると、通常の発電に戻る。

以降、燃料電池１ｂのアノード側の水の排出が必要になる毎に、上述の処理がくり返えされ、燃料電池１ｂのアノード側の水が容器７ｂに押し出されて電池外部に確実に排出される。

なお、容器７ｂに定量の水が溜まると、排水弁８を開いて容器７ｂの貯留水が排出される。

そして、燃料電池１ｂと容器７ｂとが下流路６ｂの２本の配管６３ａ、６３ｂの並列管路を介して連通しているため、燃料電池１ｂのアノード側の排水が必要になって供給弁４及び排水弁８が閉じた状態（燃料ガスの遮断状態）で燃料電池１ｂを発電し、この発電によって燃料電池１ｂ及び容器７ｂを減圧状態にするときに、下流路６ｂの管路の通気抵抗が図８の１本の配管６１の場合より十分に小さくなり、燃料電池１ｂの減圧状態と容器７ｂの減圧状態との差が生じないようになる。

そのため、通状態の燃料電池１ｂ及び容器７ｂが確実に所期の減圧状態になってから供給弁４を開いて水素ガスを燃料電池１ｂ内に噴入するようにしても、燃料電池１ｂが過度の減圧状態にならない。

なお、供給弁４の開閉に基づく燃料電池１ｂのアノード側の水素ガス圧の変化は、例えば図６の実線に示すようになる。図６の（ａ）は供給弁４の開閉タイミングを示し、同図の（ｂ）は燃料電池１ｂのアノード側の水素ガス圧の変化を示す。また、図６の（ｂ）の破線は比較のために示した図８の既出願システムの燃料電池１ａのアノード側の水素ガス圧の変化を示す。

そして、図６の（ｂ）の実線と破線との比較からも明らかなように、本実施形態の燃料電池１ｂは、図８の燃料電池１ａのような大きな減圧状態になることがない。

そのため、アノード側の排水のために燃料電池１ｂが減圧状態になっても、燃料電池１ｂの前記高分子膜である電解質膜１３の破損や劣化がなく、また、燃料電池１ｂのスタック内が均一な減圧状態になってセル間の発電に差が生じることもなく、反応により生じた燃料電池１ｂのアノード側の生成水の排出性能が著しく向上する。

さらに、配管径を大きくするのではなく、２本の配管６３ａ、６３ｂによって燃料電池１ｂと容器７ｂとの管路を形成する構成であるため、配管径を大きくしたときには問題となる曲げ加工のいわゆる「曲げＲ」を十分に小さくすることが可能になり、安価で配管設計の自由度が高い構成に形成することができる利点がある。また、配管６３ａ、６３ｂの取付け側である燃料電池１ｂの配管取り付け孔径を大きくする必要もない。

（他の実施形態）
他の実施形態について、図７を参照して説明する。

図７は図１に対応する本実施形態の燃料電池システムのアノード側の模式図であり、同図において、図１と同一符号は同一もしくは相当するものを示す。

そして、本実施形態の燃料電池システムが、図１の一実施形態の燃料電池システムと異なる点は、図１の燃料電池１ｂに代えて、スタック中央部に水素ガスの流入口１７ｄを設けた固体高分子型の燃料電池１ｃを備えた点である。

この場合、供給弁４及び排水弁８が閉じた状態（燃料ガスの遮断状態）で燃料電池１ｃを発電し、燃料電池１ｃ及び容器７ｂを減圧状態にするときに、流入口１７ｄから配管６３ａを介して容器７ｂに至るガス流路長と、流入口１７ｄから配管６３ｂを介して容器７ｂに至るガス流路長とが等しくなる。そのため、配管６３ａ、６３ｂの管路の通気抵抗が等しくなって最も小さくなり、反応により生じた燃料電池１ｂのアノード側の生成水の排出性能が一層向上する。

そして、本発明は上記した両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る。

すなわち、本発明においては、例えば配管６３ａ、６３ｂが燃料電池１ｂのスタック両端のエンドプレート９、１０から引き出される構成に限られるものではなく、燃料電池１ｂの直列スタックの適当な間隔をとった２箇所の一方に、他の各セパレータ１１の水素流路の貫通孔１１ａに連通した例えばＴ字状の継手路が形成された配管用セパレータを挿み込み、前記２箇所の他方に、他の各セパレータ１１の水素流路の貫通孔１１ｂに連通した同様のＴ字状の継手路が形成された配管用セパレータを挿み込み、両配管用セパレータの前記継手路に流出口１７ａ、１７ｂそれぞれを取り付け、配管６３ａ、６３ｂを、燃料電池１ｂのスタックの適当な間隔をとった２箇所から引き出すようにしてもよい。なお、この場合も、前記両配管用セパレータを挟み込む位置は前記ガス流路長がなるべく等しくなるようにすることが好ましいのは勿論である。

また、燃料電池１ｂ、１ｃと容器７ｂとの間の並列管路の配管数が３本以上であってもよいのは勿論である。さらに、燃料電池１ｂ、１ｃと容器７ｂとの間の並列管路の各配管の径は同一であることが好ましいが、異なっていてもよい。

つぎに、上流路５、下流路６ｂの弁の構成等はどのようであってもよい。

そして、本発明は、車両に搭載する燃料電池システムは勿論、種々の用途のこの種の燃料電池システムに適用することができる。

本発明の一実施形態の燃料電池システムのアノード側の模式図である。 図１の燃料電池の配管から切り離した状態を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は右側面図である。 図１の燃料電池のスタック構造を示す側面図である。 図１の燃料電池のセル構造を示す分解斜視図である。 図１の燃料電池の部分拡大図である。 図１の燃料電池の減圧状態説明用のタイミングチャートである。 本発明の他の実施形態の燃料電池システムのアノード側の模式図である。 既出願の燃料電池システムのアノード側の模式図である。

符号の説明

１ｂ、１ｃ 燃料電池
４ 供給弁
５ 上流路
６ｂ 下流路
６３ａ、６３ｂ 配管
７ｂ 容器
８ 排水弁

Claims (1)

1. アノード側に水素が供給され、カソード側に空気が供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノード側の上流路に設けられた水素供給用の供給弁と、前記燃料電池のアノード側の下流路に設けられた排水弁と、前記燃料電池と前記排水弁との間に設けられ、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を備え、前記供給弁と前記排水弁を閉じた状態での発電後、前記供給弁を開いて前記燃料電池のアノード側の生成水を前記水溜り部に押し出して排出する燃料電池システムにおいて、
   前記下流路の前記燃料電池と前記水溜り部とを少なくとも２本の配管で連通したことを特徴とする燃料電池システム。

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