JP2009093888A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに供給される燃料ガスからオイルを確実に除去する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給するアノードガス供給流路２３と、燃料電池スタック１から排出される燃料排ガスをアノードガス供給流路２３に循環させるアノードオフガス流路２９と、アノードオフガス流路２９とアノードガス供給流路２３との間に設けられるエゼクタ２８と、アノードガス供給流路２３に燃料ガスを供給する水素タンク２１と、を備えた燃料電池システムにおいて、エゼクタ２８の上流のアノードガス供給流路２３に燃料ガスの圧力を低減する２次レギュレータ２６を設け、２次レギュレータ２６とエゼクタ２８との間のアノードガス供給流路２３にオイルフィルタ２７を設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料ガス供給系に関するものである。

燃料電池システムでは、燃料ガスあるいは酸化剤ガスに含まれる塵埃が加湿器に付着して加湿性能を低下させたり、バルブに付着して噛み込みを起こし作動不良になるのを防止するため、燃料ガス供給路や酸化剤ガス供給路にフィルタを設置し塵埃を除去している（例えば、特許文献１参照）。

車両用燃料電池システムの場合、車両に燃料タンク（水素タンク）が搭載されていて、水素ステーションにおいて前記燃料タンクに水素を充填するときには高圧で充填し、燃料電池スタックで発電を行うときには前記燃料タンクの水素をレギュレータで所定圧力に減圧して燃料電池スタックに供給している。
特開２００７−１０９５５５号公報

ところで、前記水素ステーションにおいて燃料タンクに水素を高圧充填する場合に、一般にコンプレッサが利用されているが、このコンプレッサによって水素を昇圧する際に、このコンプレッサの潤滑油が極微量ながら水素に混入する場合があることが判明した。オイルが燃料電池スタックに供給されると、燃料電池スタックに悪影響を及ぼす。
しかしながら、従来の塵埃除去用のフィルタでは、オイルを完全に除去するのは困難であった。

そこで、この発明は、燃料ガス中からオイルを確実に除去することができる燃料電池システムを提供するものである。

この発明に係る燃料電池システムは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、 前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路（例えば、後述する実施例におけるアノードガス供給流路２３）と、前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に循環させる循環路（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス流路２９）と、前記循環路と前記燃料ガス供給路との間に設けられるエゼクタ（例えば、後述する実施例におけるエゼクタ２８）と、前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガスタンク（例えば、後述する実施例における水素タンク２１）と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの上流の燃料ガス供給路に燃料ガスの圧力を低減する減圧手段（例えば、後述する実施例における２次レギュレータ２６）を設け、該減圧手段と前記エゼクタとの間の燃料ガス供給路にオイルフィルタ（例えば、後述する実施例におけるオイルフィルタ２７）を設けたことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料ガス中のオイルを確実に除去することができる。また、エゼクタの上流の燃料ガス流路にオイルフィルタを設けているので、乾燥した燃料ガスをオイルフィルタに流通させることができ、オイルフィルタにおける圧力損失を低く抑えることができるとともに、オイルフィルタでの凍結を防止することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記減圧手段は、燃料電池システムの運転領域において前記燃料ガスを臨界圧以下の圧力に減圧することを特徴とする。
燃料ガスの圧力が臨界圧を超えていると燃料ガスが超臨界流体となり、オイルが燃料ガス中に溶解状態となるためオイルフィルタを通過してしまい、オイルを除去することができないが、上述のように構成することにより、燃料電池システムの運転領域において減圧手段が燃料ガスの圧力を臨界圧以下の圧力に減圧するので、オイルフィルタを流れる燃料ガスの圧力が臨界圧以下となり、その結果、燃料ガスからオイルを分離可能となり、オイルフィルタでオイルを除去することができる。

請求項１に係る発明によれば、オイルを含まない燃料ガスを燃料電池スタックに供給することができるので、燃料電池スタックがオイルに起因するダメージを受けることがない。また、オイルフィルタにおける圧力損失を低く抑えることができるとともに、オイルフィルタでの凍結を防止することができる。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池システムの運転領域において、オイルが除去された燃料ガスを燃料電池スタックに供給することができ、燃料電池スタックがオイルによるダメージを受けるのを防止することができる。

以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載され、走行用モータの電力源などに用いられる態様である。

燃料電池スタック１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路３とカソードガス流路５を備えてなるセルを複数積層して構成されており、アノードガス流路３にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給し、カソードガス流路５にカソードガス（酸化剤ガス）として酸素を含む空気を供給すると、アノード極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。なお、図１では、単一のセルのアノードガス流路３とカソードガス流路５を代表して示している。

カソードガス（空気）はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ（酸化剤ガス供給源）７により所定圧力に加圧され、カソードガス供給流路（酸化剤ガス供給路）９、加湿器１１を通って燃料電池スタック１のカソードガス流路５に供給される。燃料電池スタック１に供給されたカソードガスは発電に供された後、燃料電池スタック１からカソード側の生成水と共にカソードオフガスとしてカソードオフガス流路１３に排出され、加湿器１１を通り、背圧弁１５を介して希釈装置３５に導入される。加湿器１１は例えば水透過膜を備えて構成されており、水透過膜を間に挟んでカソードガスとカソードオフガスを流通させることにより、カソードオフガスに含まれる水分が水透過膜を透過してカソードガスに移動し、カソードガスが加湿される。

一方、水素タンク（燃料ガスタンク）２１から供給されるアノードガス（水素ガス）は、１次レギュレータ２２、アノードガス供給流路（燃料ガス供給路）２３、２次レギュレータ（減圧手段）２６、オイルフィルタ２７、エゼクタ２８を通って燃料電池スタック１のアノードガス流路３に供給される。

１次レギュレータ２２は水素タンク２１のヘッダに直結されており、水素タンク２１に高圧で充填されている水素を第１の所定圧力Ｐ１に減圧する。
２次レギュレータ２６は、アノードガス供給流路２３において１次レギュレータ２２の下流に設置されており、１次レギュレータ２２から供給されるアノードガスの圧力を、燃料電池スタック１の運転状態に応じた（換言すると燃料電池スタック１の負荷状態に応じて）第２の所定圧力Ｐ２に減圧する。
オイルフィルタ２７は、アノードガス供給流路２３において２次レギュレータ２６の下流に設置されており、アノードガス中の油分（オイル）を除去する。
エゼクタ２８は、アノードガス供給流路２３においてオイルフィルタ２７の下流に設置されており、このエゼクタ２８を通ってアノードガスが燃料電池スタック１のアノードガス流路３に供給される。

そして、燃料電池スタック１において消費されなかったアノードガスは、燃料電池スタック１からアノードオフガス（燃料排ガス）として排出され、アノードオフガス流路（循環路）２９を通ってエゼクタ２８に吸引され、水素タンク２１から供給される新鮮なアノードガスと合流し再び燃料電池スタック１のアノードガス流路３に供給される。
つまり、エゼクタ２８は、アノードガス供給流路２３とアノードオフガス流路２９との間（換言すると合流部）に設けられている。また、オイルフィルタ２７は、２次レギュレータ２６とエゼクタ２８との間のアノードガス供給流路２３に設けられている。

アノードオフガス流路２９からは、排出弁３１を備えたアノードオフガス排出流路３３が分岐している。排出弁３１は燃料電池スタック１の発電時においては通常は閉じており、所定のパージ条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを希釈装置３５に導入する。そして、排出弁３１から排出されたアノードオフガスは希釈装置３５において背圧弁１５から排出されるカソードオフガスによって希釈される。

水素タンク２１には水素ステーションにおいて初期充填圧力Ｐ０で水素ガスが充填されている。通常、水素タンク２１の水素充填効率を高めるため、初期充填圧力Ｐ０が極めて高く、例えば３５ＭＰａＧ（ゲージ圧、以下同じ）に設定されている。水素タンク２１に充填されている高圧の水素ガスを直接に燃料電池スタック１へ供給することはできないので、まず１次レギュレータ２２によって第１の所定圧力Ｐ１に減圧し、さらに、２次レギュレータ２６によって燃料電池スタック１の運転状態に応じた第２の所定圧力Ｐ２に減圧し、エゼクタ２８を介して燃料電池スタック１に供給する。

ところで、エゼクタ２８の流量特性は一般に、供給流量と差圧が一定である場合には、図３に示すように、循環流量は供給圧力に比例する。ここで、循環流量は、アノードオフガス流路２９からエゼクタ２８に流入するアノードオフガス流量であり、供給流量、供給圧力は、２次レギュレータ２６からエゼクタ２８に供給されるアノードガス流量、アノードガス圧力であり、差圧は、前記供給圧力とエゼクタ２８の出口のアノードガス圧力との圧力差である。

したがって、エゼクタ２８の循環能力を高めるためには、エゼクタ２８への供給圧力が高い方が有利である。つまり、エゼクタ２８の循環能力の観点からすると、２次レギュレータ２６の減圧後のアノードガス圧力は高い方がよい。
しかしながら、この燃料電池システムにおいてはアノードガス中に含まれるオイルを除去するために２次レギュレータ２６の下流にオイルフィルタ２７を設けており、このオイルフィルタ２７のオイル除去性能を考慮したときに、２次レギュレータ２６の減圧後のアノードガス圧力には上限がある。これについて以下に説明する。

水素ステーションにおいてコンプレッサを用いて水素タンク２１に水素を高圧充填するなどによって、水素タンク２１に充填されている水素ガスにオイルが含まれている場合がある。このオイルが燃料電池スタック１に供給されると、燃料電池スタック１がダメージを受けるので、オイルフィルタ２７が設けられている。

ところで、物質は、図２に示すよう、温度および圧力の条件により、固体−液体−気体の３つの状態をとる。さらに、物質には、臨界点と呼ばれる各物質に固有の温度、圧力があり、この臨界点を超えた状態が超臨界状態と呼ばれている。超臨界状態では、気体をいくら圧縮しても液体にはならず密度のみが高くなり、液体に匹敵した超臨界流体になる。超臨界流体は、液体のように物質を容易に溶解する溶解性と、気体のように高い拡散性を有する。

したがって、水素ガスが超臨界流体であるときには、オイルは水素ガス中に溶解した状態となり、超臨界流体の水素ガスをオイルフィルタ２７に流してもオイルを除去することができず、素通りしてしまう。オイルフィルタ２７でアノードガス中のオイルを除去するには、非超臨界状態の水素ガスをオイルフィルタ２７に流さなければならない。ここで、水素の臨界点は、臨界温度がマイナス２４０度、臨界圧力が１．２ＭＰａＧである。

燃料電池スタック１の使用温度領域は臨界温度以上であり、温度を臨界温度以下に下げて超臨界状態から脱するのは非現実的である。したがって、オイルフィルタ２７でアノードガス中のオイルを除去するには、アノードガス圧力を２次レギュレータ２６で臨界圧以下に減圧する必要がある。つまり、２次レギュレータ２６の減圧後のアノードガス圧力の上限値は臨界圧ということになる。

そこで、この実施例では、１次レギュレータ２２による減圧後のアノードガス圧力を臨界圧よりも高い１．５ＭＰａＧとすることとし、さらにこの臨界圧よりも高いアノードガス圧力を２次レギュレータ２６によって臨界圧以下である１．１ＭＰａＧ以下に減圧することとし、この燃料電池システムの運転領域において、２次レギュレータ２６よりも下流のアノードガス供給流路２３におけるアノードガス圧力が１．１ＭＰａＧ以下となるようにする。換言すると、２次レギュレータ２６は、燃料電池システムの運転領域において常にアノードガスを臨界圧以下の圧力に減圧する。

このように１次レギュレータ２２と２次レギュレータ２６の出口側圧力を設定することにより、次のような作用効果が奏される。
２次レギュレータ２６よりも上流側のアノードガス供給流路２３内では、アノードガス圧力が臨界圧より大きいので、アノードガス中にオイルが混入していたとしても、オイルの析出が少ない。その結果、オイルが該流路内のデバイスの作動に与える影響を極めて小さくすることができる。

一方、２次レギュレータ２６よりも下流側のアノードガス供給流路２３内では、アノードガス圧力が臨界圧以下であるので、アノードガスは非超臨界流体となり、アノードガス中にオイルが混入していた場合にオイルが析出するので、該オイルはオイルフィルタ２７によって確実に除去することができる。したがって、オイルを含まないアノードガスを燃料電池スタック１に供給することができ、オイルによる燃料電池スタック１への損傷を未然に防止することができる。

また、２次レギュレータ２６の下流側のアノードガス圧力は、臨界圧以下でありながら極めて臨界圧に近い圧力であり、その圧力をエゼクタ２８への供給圧力とすることができるので、エゼクタ２８の循環能力を最大限高めることができ、循環流量を多くすることができる。

なお、２次レギュレータ２６による減圧を臨界圧よりの若干大きい圧力に設定し、エゼクタ２８における圧力降下によりエゼクタ２８よりも下流のアノードガス圧力を臨界圧以下となるようにして、エゼクタ２８と燃料電池スタック１の入口との間にオイルフィルタを設けることによっても、アノードガス中のオイルをオイルフィルタ２７によって除去することは可能である。しかしながら、この場合には、オイルフィルタ２７に流入するアノードガスに、燃料電池スタック１から排出されアノードオフガス流路２９を通って循環する湿度の高いアノードオフガスが含まれるため、オイルフィルタ２７には加湿状態のアノードガスが流れることになる。このように加湿状態のアノードガスがオイルフィルタ２７に流れると、オイルフィルタ２７における圧力損失が大きくなって不利となり、また、氷点下ではオイルフィルタ２７において水分が凍結して閉塞する虞がある。

これに対して、この実施例のように、オイルフィルタ２７を２次レギュレータ２６とエゼクタ２８との間に配置し、２次レギュレータ２６によりアノードガスを臨界圧以下に減圧した場合には、水素タンク２１から供給される乾燥したアノードガスのみがオイルフィルタ２７に流れるので、オイルフィルタ２７における圧力損失を小さくできて有利であり、また、オイルフィルタ２７における凍結の虞が極めて小さいという利点がある。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、２次レギュレータ２６によってアノードガスを１．１ＭＰａＧ以下に減圧しているが、２次レギュレータ２６の出口側の圧力は臨界圧以下であれば、特に１．１ＭＰａＧに限定されるものではない。
また、水素タンク２１への初期充填圧力Ｐ０は３５ＭＰａＧに限るものではなく、１次レギュレータ２２による減圧後の圧力Ｐ１も１．５ＭＰａＧに限るものではない。また、１次レギュレータ２２がなくてもこの発明は成立する。

この発明に係る燃料電池システムの一例を示す構成図である。 物質の状態図（温度−圧力線図）である。 一般的なエゼクタの流量特性図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２１ 水素タンク（燃料ガスタンク）
２３ アノードガス供給流路（燃料ガス供給路）
２６ ２次レギュレータ（減圧手段）
２７ オイルフィルタ
２８ エゼクタ
２９ アノードオフガス流路（循環路）

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   前記燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に循環させる循環路と、
   前記循環路と前記燃料ガス供給路との間に設けられるエゼクタと、
   前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガスタンクと、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記エゼクタの上流の燃料ガス供給路に燃料ガスの圧力を低減する減圧手段を設け、該減圧手段と前記エゼクタとの間の燃料ガス供給路にオイルフィルタを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記減圧手段は、燃料電池システムの運転領域において前記燃料ガスを臨界圧以下の圧力に減圧することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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