JP2008293847A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムに関し、不純物の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、燃料ガスの排気量の抑制による燃費の向上との両立を簡素でコンパクトな構成にて実現する。
【解決手段】各単位電池２０のアノードガス流路の出口に連通して燃料ガス中の不純物を蓄積する不純物蓄積部３０を燃料電池２の内部に形成する。不純物蓄積部３０の容積は、好ましくは、燃料ガス入口マニホールド２４の容積よりも大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の単位電池が積層されてなる燃料電池を有する燃料電池システムに関し、詳しくは、各単位電池の発電に供する燃料ガスを燃料電池内に実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムに関する。

従来、例えば下記の各特許文献に開示されるように、燃料電池内に燃料ガスを止めて運転し、発電によって消費された分の燃料ガスを燃料電池に供給するようにした燃料電池システム（以下、デッドエンド型システムという）が知られている。デッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池を構成する各単位電池のアノードガス流路内に窒素を主とした不純物が蓄積されていく。これら不純物がＭＥＡの表面を覆ってしまうと電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位がＭＥＡを劣化させてしまうおそれもある。このような不具合を防止して燃料電池性能を維持するためには、適宜のタイミングにてアノードガス流路内に蓄積された不純物を燃料電池の外部に排気してやる必要が有る。

しかし、アノードガス流路内の不純物を排気する際には、不純物だけでなくアノードガス流路内の燃料ガスも一緒に排気されてしまう。このため、頻繁な排気の実行は燃費の悪化を招くことになり好ましくない。また、不純物を十分に蓄積した状態で排気を実行すれば、その分、無駄に排気される燃料ガスの量は抑えることができる。つまり、燃料電池性能の維持という観点からは不純物質の蓄積は好ましくはないが、燃費の向上という観点からは排気の実行頻度は出来る限り抑えたい。

このような背反する二つの要求、すなわち、不純物質の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、燃料ガスの排気量の抑制による燃費の向上とを両立させることができるシステムが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたシステムでは、燃料電池から燃料ガスのオフガスを排出する排出管に不純物を蓄積する貯蔵容器（バッファ）を設け、この貯蔵容器の下流に遮断弁を配置している。燃料ガス中の不純物を燃料電池の外部に設けた貯蔵容器に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができ、遮断弁を開くことによる排気の実行頻度を抑えることができる。
特開２００５−２４３４７７号公報 特開２００６−１２５５３号公報 特開２００５−３５３５６９号公報 特開２００５−３５３３０３号公報 特開平９−３１２１６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたシステムでは、燃料電池とは別に貯蔵容器を配置するための空間を確保する必要が生じる。自動車等の移動体の動力源としての使用を考慮すると、燃料電池システムの構成は可能な限り簡素でコンパクトなものとしたい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、不純物の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、燃料ガスの排気量の抑制による燃費の向上との両立を簡素でコンパクトな構成にて実現できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の単位電池が積層されてなる燃料電池を有し、各単位電池の発電に供する燃料ガスを前記燃料電池の内部に実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部に形成され、各単位電池のアノードガス流路の出口に連通して燃料ガス中の不純物を蓄積する不純物蓄積部を備えたことを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記不純物蓄積部を前記燃料電池の外部に連通させる連通機構を備えたことを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記燃料電池の内部には、前記燃料電池の外部から供給される燃料ガスを各単位電池のアノードガス流路に分配する燃料ガス入口マニホールドが形成されており、前記不純物蓄積部の容積は前記燃料ガス入口マニホールドの容積よりも大きいことを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記燃料電池の内部には、前記燃料電池の外部から供給される空気を各単位電池のカソードガス流路に分配する空気入口マニホールドと、各単位電池のカソードガス流路から空気を回収して前記燃料電池の外部に排出する空気出口マニホールドとが形成されており、前記不純物蓄積部の容積は前記燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド及び空気出口マニホールドの合計容積よりも大きいことを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、
前記燃料電池の内部には、前記燃料電池の外部から供給される冷媒を各単位電池の冷媒流路に分配する冷媒入口マニホールドと、各単位電池の冷媒流路から冷媒を回収して前記燃料電池の外部に排出する冷媒出口マニホールドとが形成されており、前記不純物蓄積部の容積は前記燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド、空気出口マニホールド、冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドの合計容積よりも大きいことを特徴としている。

第６の発明は、第３乃至第５の何れか１つの発明において、
前記燃料ガス入口マニホールドと各単位電池のアノードガス流路との連通部には絞りが形成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、燃料ガス中の不純物を燃料電池の内部に形成した不純物蓄積部に導くことで、アノードガス流路内の不純物濃度の上昇を抑えることができる。したがって、燃料電池内から燃料ガスのオフガスを排気する頻度は少なくて済み、燃料ガスの無駄を抑制することができる。また、各単位電池のアノードガス流路の出口からアノードオフガスを回収し、不純物蓄積部に導くための燃料ガス出口マニホールドを別途設ける必要がない。つまり、システム全体の構成を簡素でコンパクトなものにすることができる。

第２の発明によれば、不純物蓄積部を燃料電池の外部に連通させることで、不純物蓄積部に蓄積された不純物を外部に排出することができる。

第３の発明によれば、不純物蓄積部の容積を燃料ガス入口マニホールドの容積よりも大きくすることで、多くの不純物を不純物蓄積部に蓄積することができ、その分、排気の実行頻度を少なくすることができる。

第４の発明によれば、不純物蓄積部の容積を燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド及び空気出口マニホールドの合計容積よりも大きくすることで、より多くの不純物を不純物蓄積部に蓄積して排気の実行頻度をより少なくすることができる。

第５の発明によれば、不純物蓄積部の容積を燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド、空気出口マニホールド、冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドの合計容積よりも大きくすることで、さらに多くの不純物を不純物蓄積部に蓄積して排気の実行頻度をさらに少なくすることができる。

第６の発明によれば、燃料ガス入口マニホールドと各単位電池のアノードガス流路との連通部に絞りを形成することで、アノードガス流路で発生する圧力損失よりも大きな圧力損失を連通部に発生させることができる。これによれば、各単位電池のアノードガス流路の出口間の圧力差を縮小することができ、その圧力差に起因する不純物蓄積部からアノードガス流路への不純物の逆流を防止することができる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の電気的負荷に供給するシステムである。燃料電池２は複数の単位電池２０が積層されたものであり、各単位電池２０は電気的に直列に接続されている。単位電池２０は、図示は省略するが、ＭＥＡ（膜電極接合体）を一対の集電板で挟んだ構成になっている。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両面に触媒電極が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚のＭＥＡの間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位電池２０は、アノードに燃料ガス（例えば水素）の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。

燃料電池２には、高圧水素タンク等の燃料ガス供給源４から燃料電池２に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管６が接続されている。燃料電池２に供給された燃料ガスは、燃料電池２内に形成された燃料ガス入口マニホールド２６によって各単位電池２０のアノードガス流路に分配され、発電部であるＭＥＡにおいて使用される。

燃料電池２内には、各単位電池２０のアノードガス流路の出口に連通する燃料ガス出口マニホールド３０が形成されている。燃料電池２の発電時には、発電により消費される分を補うように燃料ガス入口マニホールド２６から燃料ガスが流れ込むことにより、アノードガス流路内には燃料ガスの流れが生じる。この燃料ガスの流れにより、アノードガス流路内の不純物（カソード側から固体高分子電解質膜を透過してきた窒素）は、アノードガス流路の下流にある燃料ガス出口マニホールド３０に蓄積されていく。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料ガス出口マニホールド３０を燃料ガス中の不純物を蓄積する不純物蓄積部として機能させることに特徴がある。

燃料ガス出口マニホールド３０には、燃料電池２に接続された排気管８が連通している。排気管８には、燃料ガス出口マニホールド３０内と系外との連通を遮断／許容する排気弁１０が設けられている。排気弁１０の開閉状態は制御装置１４によって制御される。本実施の形態の燃料電池システムは、燃料ガスを燃料電池２の内部に止めた状態で運転する、いわゆる、デッドエンド型システムである。したがって、制御装置１４は、通常の発電時には排気弁１０を閉状態に維持し、所定のパージ条件が成立した場合のみ、極短時間だけ排気弁１０を開くように制御する。本実施の形態では、燃料ガス出口マニホールド３０内の水素濃度が所定の基準値を下回ることがパージ条件とされている。燃料ガス出口マニホールド３０内の水素濃度は、燃料電池２に取り付けられた水素濃度センサ１２によって測定される。

図１では、燃料ガス出口マニホールド３０が燃料ガス入口マニホールド２６よりも格段に大きく描かれている。これは、本実施の形態の燃料電池システムでは、燃料ガス出口マニホールド３０は、その容積が燃料ガス入口マニホールド２６の容積に比較して格段に大きくなるように形成されていることを意味している。本実施の形態のようなデッドエンド型システムでは、燃料電池２に供給する燃料ガスの流量は燃料電池２の内部での消費量に見合ったものでよい。したがって、燃料ガスを循環させる循環型システムに比較して、燃料ガス入口マニホールド２６の容積、より詳しくは、その流路断面積を小さくすることができる。本実施の形態では、燃料ガス入口マニホールド２６の流路断面積を小さくした分、燃料ガス出口マニホールド３０の流路断面積を大きく取っている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、燃料電池２を構成する単位電池２０の形状、より詳しくは、セパレータ（集電板）２４の形状を示している。前述のように、単位電池２０は、ＭＥＡを一対のセパレータ２４で挟んだ構成になっている。セパレータ２４のＭＥＡのアノード面が積層される部位には、アノードガス流路２２が設けられている。アノードガス流路２２の形状や構成には限定はない。例えば、セパレータ２４の表面に溝を形成し、その溝をアノードガス流路２２としてもよい。また、導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってアノードガス流路２２を形成してもよい。

アノードガス流路２２はセパレータ２４の中央部に位置し、セパレータ２４の外枠部にはアノードガス流路２２を囲むようにして複数の開口２６，３０，３２，３４，３６，３８が形成されている。そのうちの１つは前述の燃料ガス入口マニホールド２６であり、別の１つが燃料ガス出口マニホールド３０である。燃料ガス入口マニホールド２６はアノードガス流路２２の入口に連通し、燃料ガス出口マニホールド３０はアノードガス流路２２の出口に連通している。その他の開口は、空気入口マニホールド３２、空気出口マニホールド３４、冷媒入口マニホールド３６、そして、冷媒出口マニホールド３８である。

図２に示すように、燃料ガス出口マニホールド３０は、他のマニホールド２６，３２，３４，３６，３８に比較してその流路断面積（開口面積）が各段に大きくなるように形成されている。より詳しくは、他のマニホールド２６，３２，３４，３６，３８の合計流路断面積よりも、燃料ガス出口マニホールド３０の流路断面積の方が大きく取られている。各マニホールドの流路断面積は積層方向に一定であるので、図２に示すような各マニホールドの形状によれば、燃料ガス出口マニホールド３０の容積を他のマニホールド２６，３２，３４，３６，３８の合計容積よりも大きくすることができる。

燃料ガス出口マニホールド３０の容積を大きく取ることで、アノードガス流路の出口３０から排気弁１０までの間に大きなデッドボリュームを確保することができる。これによれば、アノードガス流路２２内にて発生する燃料ガス中の不純物をデッドボリュームに導いて蓄えることができ、アノードガス流路２２内の不純物濃度の上昇を抑えることができる。なお、デッドボリュームは燃料電池２の外部に貯蔵容器を設けることでも確保することができる。しかし、その場合には部品点数が増えるだけでなく、貯蔵容器を配置するための空間を確保する必要も生じる。本実施の形態のように不純物を蓄積するためのデッドボリュームを燃料電池２の内部に確保することとすれば、燃料電池２とは別に不純物を蓄積するための空間を確保する必要もない。つまり、システム全体の構成を簡素でコンパクトなものにすることができる。

アノードガス流路２２内の不純物濃度の上昇を抑えることができれば、燃料電池２内から燃料ガスのオフガスを排気する頻度は少なくて済む。本実施の形態では、燃料ガス出口マニホールド３０内の水素濃度が基準値を下回ったら排気弁１０を開くこととなっているが、燃料ガス出口マニホールド３０は大容積であるので、燃料ガス出口マニホールド３０内に不純物が蓄積されて水素濃度が基準値まで低下するまでには時間を要する。したがって、排気弁１０を開いてパージを実行する頻度は少なくて済み、その分、燃料ガスの無駄を抑制することができる。

また、本実施の形態の燃料電池システムの更なる特徴として、燃料ガス入口マニホールド２６とアノードガス流路２２との連通部に絞り２８が形成されている。この絞り２８の存在により、燃料ガス入口マニホールド２６からアノードガス流路２２に燃料ガスが流れ込む際に圧力損失が発生する。発生する圧力損失の大きさは、絞り２８の径によって調整することができる。本実施の形態では、アノードガス流路２２内で発生する圧力損失の少なくとも１０倍の圧力損失が絞り２８にて発生するように、絞り２８の径が設定されている。

アノードガス流路２２で発生する圧力損失の大きさには単位電池２０間でばらつきがあり、圧力損失のばらつきに応じてアノードガス流路２２の出口圧力にもばらつきが生じる。アノードガス流路２２間で出口圧力に差がある場合、出口圧力が低いアノードガス流路２２には燃料ガス出口マニホールド３０から不純物が逆流する場合がある。しかし、本実施の形態のように大きな圧力損失を入口の絞り２８で発生させれば、アノードガス流路２２内の圧力損失のばらつきに起因する出口部の圧力差を縮小させ、出口部の圧力差に起因する燃料ガス出口マニホールド３０からアノードガス流路２２への不純物の逆流を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

燃料ガス出口マニホールドの容積は、少なくとも燃料ガス入口マニホールドの容積よりも大きければよい。ただし、好ましくは、燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド及び空気出口マニホールドの合計容積よりも大きくする。最も好ましいのは、上記実施の形態のように、燃料ガス出口マニホールドの容積を他の全マニホールドの合計容積よりも大きくすることである。

また、上記実施の形態では燃料ガス出口マニホールドの容積を大きく取って不純物蓄積部としているが、燃料電池の内部に形成された空間であって、且つ、各単位電池のアノードガス流路の出口に連通している空間であれば、燃料ガス出口マニホールドとは別の空間を不純物蓄積部としてもよい。その場合のアノードガス流路の出口との連通は、直接連通するのでもよく、燃料ガス出口マニホールドを介して連通するのでもよい。

上記実施の形態では排気弁を完全に閉じたデッドエンド運転を燃料電池システムの基本運転としているが、排気弁を僅かに開いた連続少量排気運転を基本運転としてもよい。連続少量排気運転は、実質的には、デッドエンド運転と同様に燃料ガスを燃料電池の内部に止めた状態での運転であり、系外へ排気されるオフガスの流量が燃料電池内での燃料ガスの消費量に比較して極微小な値になるように排気弁の開度を調整する。この連続少量排気運転によれば、燃料ガス出口マニホールドに溜まる不純物を系外に少しずつ排気してアノードガス流路から燃料ガス出口マニホールドへの不純物の移動を持続させることができるので、アノードガス流路内の不純物濃度を低い状態に維持することが可能になる。

本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。単位燃料電池の内部の構造とそこで起きている現象を模式的に示す図である。

符号の説明

２ 燃料電池
４ 燃料ガス供給源
６ 燃料ガス供給管
８ 排気管
１０ 排気弁
１２ 水素濃度センサ
１４ 制御装置
２０ 単位電池
２２ アノードガス流路
２４ セパレータ
２６ 燃料ガス入口マニホールド
２８ 絞り
３０ 燃料ガス出口マニホールド
３２ 空気入口マニホールド
３４ 空気出口マニホールド
３６ 冷媒入口マニホールド
３８ 冷媒出口マニホールド

Claims (6)

1. 複数の単位電池が積層されてなる燃料電池を有し、各単位電池の発電に供する燃料ガスを前記燃料電池の内部に実質的に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の内部に形成され、各単位電池のアノードガス流路の出口に連通して燃料ガス中の不純物を蓄積する不純物蓄積部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記不純物蓄積部を前記燃料電池の外部に連通させる連通機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の内部には、前記燃料電池の外部から供給される燃料ガスを各単位電池のアノードガス流路に分配する燃料ガス入口マニホールドが形成されており、前記不純物蓄積部の容積は前記燃料ガス入口マニホールドの容積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の内部には、前記燃料電池の外部から供給される空気を各単位電池のカソードガス流路に分配する空気入口マニホールドと、各単位電池のカソードガス流路から空気を回収して前記燃料電池の外部に排出する空気出口マニホールドとが形成されており、前記不純物蓄積部の容積は前記燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド及び空気出口マニホールドの合計容積よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の内部には、前記燃料電池の外部から供給される冷媒を各単位電池の冷媒流路に分配する冷媒入口マニホールドと、各単位電池の冷媒流路から冷媒を回収して前記燃料電池の外部に排出する冷媒出口マニホールドとが形成されており、前記不純物蓄積部の容積は前記燃料ガス入口マニホールド、空気入口マニホールド、空気出口マニホールド、冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドの合計容積よりも大きいことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料ガス入口マニホールドと各単位電池のアノードガス流路との連通部には絞りが形成されていることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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