JP2009301842A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】希釈装置の希釈室内における水素ガスの希釈機能を向上することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池の燃料極側の出口にガス循環配管を介して気液分離器を接続し、気液分離器によって分離された水素ガスを燃料極の入口側へ還流する。前記燃料電池の酸化剤極側の出口に接続された酸化オフガス配管３１に希釈装置３２を装着する。該希釈装置３２に前記気液分離器から排出された燃料オフガスを配管３３によって前記希釈装置３２内に導入する。前記希釈装置３２の希釈室３６の底部に電熱ヒータ３９を配設する。配管３３によって希釈室３６内に導入された浸透水を電熱ヒータ３９によって蒸発させる。この水蒸気を燃料オフガスに拡散混合して残留する水素ガスを希釈する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは燃料電池から排出される水を蒸発させて、希釈装置から大気に排出される排出ガスに含まれる水素ガスの濃度を容易に低下することができる燃料電池システムに関する。

燃料電池は発電効率が高く、環境に優しいので、例えば内燃機関を有する自動車に代わる燃料電池車として期待され、実用化に向けた開発が進められている。
燃料電池システムにおいては、水素ガスが供給される燃料極と、空気中の酸素ガスが供給される酸化剤極と、両極間に介在された電解質膜とを備えた燃料電池により水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電するようになっている。前記酸化剤極に供給された空気の成分のうち窒素ガスは電解質膜を浸透して前記燃料電池の燃料極側の出口から燃料オフガスとして排出される。発電に用いられなかった一部の水素ガスも前記燃料電池の燃料極側の出口から排出され、燃料オフガスに混入される。又、発電により生成された生成水の一部は、前記電解質膜を浸透して浸透水として、前記燃料オフガスとともに外部に排出される。一方、酸化剤極側に供給された空気に含まれる一部の酸素ガスも発電に用いられることなく、酸化剤極側の出口から酸化オフガスとして外部に排出される。前記生成水のうち前記電解質膜を浸透しなかった生成水は、前記酸化オフガスとともに外部に排出される。

前記燃料極側の出口から排出された燃料オフガス中に含まれる水素ガスを発電に有効利用するため、前記燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、前記出口から燃料極の入口側に水素ガスを循環させるガス循環手段が設けられている。前記ガス循環手段のガス循環配管の途中には主に水素ガスと浸透水等を分離する気液分離器が接続されている。そして、前記気液分離器により主に水素ガスと浸透水等とを分離し、水素ガスを燃料電池へ還流し、浸透水等を定期的に外部に排出するようになっている。さらに、前記気液分離器の水素分離膜により燃料オフガスから水素ガスを完全に分離回収することは困難であるため、回収し得なかった水素ガスを希釈するために、気液分離器から排出される燃料オフガスを浸透水とともに希釈装置に導くようになっている。そして、燃料電池の酸化剤極側の出口から配管を通して排出される酸化オフガスと、前記燃料オフガスとを希釈装置において混合することにより水素ガスを酸化オフガスにより希釈して、水素の濃度を基準値以下にして大気中に放出する。なお、酸化オフガスとともに排出される生成水は酸化オフガス配管を通して外部に排出される。

上記の水素ガスを希釈するために、従来、特許文献１に記載された燃料電池の排出ガス希釈装置が提案されている。この希釈装置は、図７に示すように構成されている。四角箱状の収容体５１の図示左側壁部に燃料オフガス及び浸透水の導入用のアノード（燃料極）側排気管５２が接続されるとともに、収容体５１には酸化オフガス及び生成水を導入するカソード（酸化剤極）側の上流側排気管５３が貫通されている。又、前記収容体５１の図示右側壁部には、前記上流側排気管５３と対応するように下流側排気管５４が接続されている。前記収容体５１の内部には、前記アノード側排気管５２により導入された燃料オフガスを蛇行させて、前記上流側排気管５３と下流側排気管５４の隙間Ｇに導くための二枚の遮蔽板５５，５６が装着されている。そして、前記遮蔽板５５，５６により燃料オフガスの蛇行通路を形成して、収容体５１内での燃料オフガスの滞留時間を長くして、燃料オフガスに乱流を生じさせて水素ガスの希釈機能を向上するようになっている。

さらに、排出ガス希釈装置の遮蔽板５６の下部には、アノード側排気管５２から収容体５１内に燃料オフガスとともに導かれた浸透水を前記隙間Ｇ側に導びき、下流側排気管５４から外部に排出させるための貫通孔５７が形成されている。
特開２００７−１７９８９４号公報

ところが、従来の排出ガス希釈装置は、収容体５１内の浸透水がそのまま前記貫通孔５７から前記隙間Ｇを通して下流側排気管５４へ導かれるようになっていたので、次のような問題があった。すなわち、浸透水が液体のまま下流側排気管５４から外部に排出されるので、燃料オフガスに含まれる水素ガスの希釈に利用することができない。

又、前記遮蔽板５６の下部に貫通孔５７が形成されていても、前記収容体５１の底面に水が残留していると、燃料電池の停止中において、例えば冬季に気温が低下して水が凍結した場合に、前記遮蔽板５６に形成した貫通孔５７が氷によって閉鎖されるので、燃料電池の再起動時に水が遮蔽板５６の下流側へ流れないことになる。このため、遮蔽板５６の上流側に水が溜まって蛇行通路が狭くなり、希釈装置としての機能が阻害されるという問題があった。

本発明の主たる目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、希釈装置の希釈室内における水素ガスの希釈機能を向上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。

本発明の別の目的は、上記目的に加えて、燃料電池の燃料極側の出口から希釈装置の希釈室の出口までの燃料オフガスの流通経路に水が残留するのを防止して、水の凍結による不具合を解消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。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池の燃料極側の出口に対し、該出口から排出される燃料オフガスから水素ガスと浸透水とを分離するための気液分離器を接続し、該気液分離器により分離された水素ガスを燃料電池に還流するためのガス循環配管を気液分離器の回収口に接続し、前記気液分離器の排出口に配管を介して希釈装置の入口を接続し、該希釈装置の出口を前記燃料電池の酸化剤極側の出口に接続された酸化オフガス配管のガス流路に接続し、燃料オフガスを酸化オフガスにより希釈するように構成した燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の燃料極側の出口から前記希釈装置の出口までの燃料オフガスの流通経路に対し、水を気化させる気化手段を設けたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記気化手段は、前記気液分離器よりも下流側の前記流通経路に設けられていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記気化手段は前記希釈装置の希釈室の底面に配設されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記希釈室には、気化手段により気化された水蒸気の対流を促進させる対流板が傾斜状態で配設されていることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記ガス循環配管には、モータにより駆動されるポンプが接続され、前記気化手段は前記モータが運転中に発生する熱を前記流通経路の水に伝達するための伝熱部材により構成されていることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記燃料電池の酸化剤極側の出口から前記希釈装置までの酸化オフガス配管に対し、該配管内の生成水を気化させるための気化手段が設けられていることを要旨とする。

（作用）
この発明は、気化手段により、燃料電池の燃料極側の出口から希釈装置の希釈室の出口までの燃料オフガスの流通経路の水が気化されて水蒸気となる。この水蒸気が水素ガスを含む燃料オフガスに混入されて拡散され、希釈室における水素ガスの希釈機能が促進される。

本発明によれば、希釈装置の希釈室内における水素ガスの希釈機能を向上することができる。

以下、本発明を具体化した燃料電池システムの一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
この実施形態の燃料電池システムは、図２に示すように、燃料電池１０と、燃料ガス供給系１４と、酸化剤ガス供給系１９とを備えている。前記燃料電池１０は、燃料ガスである水素ガスと、酸化剤ガスである酸素ガスとを反応させることによって、発電を行うものであって、固体電解質膜１１の片面に接合され、水素ガスが供給される燃料極１２と、固体電解質膜１１の他面に接合され、酸素を含む空気が供給される酸化剤極１３とを備えている。これらの固体電解質膜１１及び両極１２，１３により発電セルが構成されている。燃料電池１０は多数の発電セルが積層されたスタック構造となっているが、図３では単一の発電セルのみを簡略化して表している。

前記燃料ガス供給系１４は、前記燃料電池１０の燃料極１２に供給する水素ガスを蓄えるための高圧の水素タンク１５と、水素ガスを前記燃料電池１０の燃料極１２内に供給するための水素ガス供給配管１６と、該配管１６に接続され、かつ水素ガスに水蒸気を供給して加湿する加湿器１７と、水素ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁１８とによって構成されている。前記圧力調整弁１８は、開度が調整されることによって、水素タンク１５から燃料電池１０の燃料極１２側に供給される水素ガスの供給量を制御し、水素ガスの供給量を制御することにより、燃料電池１０の燃料極１２側の燃料ガスの圧力についても制御する構成となっている。

前記酸化剤ガス供給系１９は、図示しないモータにより駆動されるコンプレッサ２０と、コンプレッサ２０から空気を前記酸化剤極１３内に供給する空気供給配管２１と、該配管２１に接続され、かつ空気に水蒸気を供給して加湿する加湿器２２とにより構成されている。

前記燃料電池１０の燃料極１２側の出口と、前記加湿器１７の上流側の水素ガス供給配管１６との間には、ガス循環系２３が接続されている。このガス循環系２３を構成するガス循環配管２４の中間部には、主に水素ガスと浸透水を分離する気液分離器２５が接続されている。この気液分離器２５の下流側のガス循環配管２４には、燃料循環ポンプ２６が接続されている。前記気液分離器２５によって前記燃料電池１０の燃料極１２側の出口から排出された燃料オフガスに含まれる未反応の水素ガスと浸透水等を分離し、分離された水素ガスを前記燃料循環ポンプ２６により燃料極１２側の水素ガス供給配管１６へ還流するようになっている。

この明細書において、前記気液分離器２５によって分離された水素ガスとは、主に水素ガスを言うが、該分離器２５の構造に起因して水素ガスに窒素ガスが含まれる場合もあり、これも水素ガスと言う。又、気液分離器２５によって分離された浸透水とは、主に浸透水を言うが、浸透水に生成水や加湿水が含まれる場合或いは浸透水に生成水や加湿水の他、少量の水素ガスや窒素ガスも含まれる場合もあり、これらも浸透水と言う。

前記燃料電池１０の酸化剤極１３側の出口には、酸化オフガスを排出する酸化オフガス配管３１の基端が接続され、該配管３１の中間部の外周面には、図１に示すように水素ガスの希釈装置３２が配設されている。図２に示すように、前記気液分離器２５の出口には、水素ガスの大半が分離された燃料オフガスを前記希釈装置３２の入口に導くための配管３３が接続されている。前記配管３３は図１に示すように前記希釈装置３２の下部に接続されている。該配管３３には図２に示すように電磁式の開閉弁３４が接続されている。前記希釈装置３２よりも下流側の酸化オフガス配管３１には、電磁式の開閉弁３５が接続されている。

図１に示すように、前記希釈装置３２の希釈室３６の上板に形成された出口３７は、前記酸化オフガス配管３１の内部のガス流路３８と連通されている。前記希釈室３６の内底部には、該希釈室３６内に進入した浸透水及び生成水を蒸発させるための気化手段としてのニクロム線よりなる電熱ヒータ３９が配設されている。

図２に示す前記圧力調整弁１８、コンプレッサ２０、加湿器１７，２２、燃料循環ポンプ２６、開閉弁３４，３５等の動作は、図示しないがコンピュータを備えた制御コントローラからの制御信号に基づいてそれぞれ制御されるようになっている。

次に、前記のように構成した燃料電池システムの動作について説明する。
図２において、制御コントローラ（図示略）からの制御信号によって、前記開閉弁３４，３５が開放された状態において、燃料電池システムが起動されると、水素タンク１５から水素ガスが水素ガス供給配管１６を介して、加湿器１７に供給され、加湿器１７によって加湿された水素ガスが燃料電池１０の燃料極１２側に供給される。一方、酸化剤ガス供給系１９を構成するコンプレッサ２０によって、空気が空気供給配管２１を介して加湿器２２に供給され、加湿器２２によって空気が加湿された後、燃料電池１０の酸化剤極１３側に供給される。そして、燃料極１２内にスタックされた発電セルによって水素ガスと空気中に含まれる酸素ガスとが反応して、発電が行われる。発電された電力は、図示しないインバータによって、直流から交流に変換され、例えば、自動車の走行用モータ等の駆動に用いられる。

燃料電池１０による発電中は、燃料電池１０の燃料極１２側の出口から前記ガス循環配管２４に窒素ガス、水素ガス等の燃料オフガス及び浸透水が排出される。一方、酸化剤極１３側の出口から酸素ガス、窒素ガス等の酸化オフガス及び生成水が酸化オフガス配管３１に排出される。前記気液分離器２５によって分離された水素ガスは、燃料循環ポンプ２６によってガス循環配管２４を通して水素ガス供給配管１６に還流され、発電に利用される。

前記気液分離器２５によって大半の水素ガスが分離された燃料オフガスと浸透水は、配管３３を通して図１に示す希釈装置３２の希釈室３６内に供給される。希釈室３６内に導かれた燃料オフガスは該希釈室３６内で拡散されて滞留されるので、水素ガスと水素ガス以外の窒素ガス等の他のガスとの混合が促進され、水素ガスが他のガスによって希釈される。希釈された燃料オフガスは出口３７を通って酸化オフガス配管３１のガス流路３８に導かれ、ガス流路３８内の酸化オフガスと混合されて、水素ガスが酸化オフガスによりさらに希釈されて、水素濃度が基準値以下となって大気に排出される。

前述したように、前記気液分離器２５に接続された配管３３には燃料オフガスの他に浸透水が排出され、この浸透水は前記希釈室３６に流入される。一方、酸化オフガス配管３１のガス流路３８には酸化オフガスの他に生成水が排出され、この生成水は前記配管３１に形成された出口３７を通して希釈装置３２の希釈室３６内に流下される。浸透水及び生成水は、電熱ヒータ３９により加熱されて希釈室３６内で気化されて、水蒸気となって蒸発される。この水蒸気が希釈室３６内に滞留している燃料オフガスに混合されるので、水素ガスの希釈が促進される。

上記実施形態の燃料電池システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、希釈装置３２の希釈室３６の底面に電熱ヒータ３９を配設したので、希釈室３６の底面に貯留された浸透水及び生成水を加熱して蒸発させることができる。このため、蒸発された水蒸気は希釈室３６の底部から滞留している燃料オフガスに混入されて水素ガスを拡散希釈することができ、水素ガスの水素濃度を低下することができる。

（２）上記実施形態では、前記希釈装置３２の底部に前記導入配管３３を接続したので、導入配管３３から希釈室３６の底部に導入された浸透水が前記電熱ヒータ３９に当たって浸透水が希釈室３６の底部で水蒸気となる。このため、希釈室３６内の底面から上面までの全域を利用して水蒸気による水素ガスの希釈を行うことができ、希釈機能を向上することができる。

（３）上記実施形態では、燃料電池の運転停止状態で、前記電熱ヒータ３９を作動させることにより、希釈室３６の底部に残留しようとする水を蒸発させて外部に排出することができる。このため、燃料電池の運転停止状態で、寒冷地において、希釈室３６内で水が凍結して燃料オフガスの配管３３の出口を閉鎖するのを防止でき、再起動時に希釈装置３２の機能を適正に保持することができる。

（４）上記実施形態では、酸化オフガス配管３１のガス流路３８の生成水を出口３７から希釈室３６内に流下して、これを電熱ヒータ３９により気化するようにしたので、浸透水よりも大量に排出される生成水を気化させて水素ガスの希釈能力を向上することができる。

なお、本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、前記ガス循環系２３に用いた燃料循環ポンプ２６を駆動するモータ４０の台座４１に対し、熱伝導性の良好な例えば銅製の伝熱部材としての伝熱板４２を接合し、該伝熱板４２を前記希釈装置３２の希釈室３６の底部に進入させてもよい。前記モータ４０は通常駆動状態において約１２０〜１３０℃となり、伝熱板４２により水を蒸発させることができる。

この実施形態においては、燃料電池の運転が停止された後に、モータ４０の余熱によって、希釈室３６内に残留しようとする水が蒸発されて外部に排出されるというメリットがある。又、電熱ヒータ３９と比較してランニングコストを低減することができる。

・図３に実線で示すように、前記希釈室３６内に前記伝熱板４２によって蒸発された水蒸気の希釈室３６内での対流を促進させる対流板４３を複数箇所に傾斜状態で配設したり、同図に鎖線で示すように、対流板４３を水平状態或いは垂直状態で配設したりしてもよい。この実施形態においては、希釈室３６内で燃料オフガスと水蒸気との対流が促進されて混合が適正に行われ、水素ガスの希釈機能を向上することができる。

・図４に示すように、燃料電池１０内において積層状態の発電セルを収容する絶縁板４４に形成された燃料極１２側の出口４５に対し、電熱ヒータ３９Ａを装着してもよい。又、燃料電池１０の燃料極１２側の出口に接続されたガス循環配管２４の上流端に電熱ヒータ３９Ｂを配設してもよい。さらに、気液分離器２５内に電熱ヒータ３９Ｃを配設してもよい。前記配管３３の上流端に電熱ヒータ３９Ｄを装着してもよい。上記の電熱ヒータ３９Ａ〜２９Ｄを少なくとも二個以上使用してもよい。

上記の各実施形態はいずれも浸透水が前記希釈装置３２に進入する前に蒸発されるので、水素ガスの希釈機能を向上することができる。又、開閉弁３４の上流側に電熱ヒータ３９Ａ〜３９Ｃを設けた場合には、燃料電池１０の運転停止後に、電熱ヒータを作動させて、配管３３及び開閉弁３４内に残留しようとする水を蒸発させて外部に排出することができ、開閉弁３４内の水が凍結することによる作動不能や劣化等の不具合を解消することができる。前記気液分離器２５の下流側の配管３３に電熱ヒータ３９Ｄを設けた場合には、気液分離器２５の内部又はその上流側のガス循環配管２４に設けるのと比較して、配管３３内で蒸発された水蒸気が希釈装置３２内に水蒸気のまま供給することが容易となり、希釈装置３２内での水素ガスの希釈機能を向上することができる。

・図４に示すように、酸化剤極１３側の出口に接続した酸化オフガス配管３１に電熱ヒータ３９Ｅを装着してもよい。この場合には、ガス流路３８内の酸化オフガスに生成水が電熱ヒータ３９Ｅによって加熱されて得られた水蒸気が混入されるので、希釈室３６の出口３７からガス流路３８に導入された燃料オフガスの水素ガスがガス流路３８内で前記水蒸気によって希釈される。

・図５に示すように、前記酸化オフガス配管３１の上方に希釈装置３２を装着し、前記出口３７によって希釈室３６内の浸透水を燃料オフガスとともに酸化オフガス配管３１内に流入するようにしてもよい。前記配管３３の接続位置を鎖線で示すように変更してもよい。

・図６に示すように、図７に示す構成の希釈装置の前記収容体５１の内底面に電熱ヒータ３９を配設してもよい。この場合には、浸透水が電熱ヒータ３９によって加熱されて得られた水蒸気によって、蛇行通路を移動する燃料オフガスの水素ガスの希釈が効率的に行われる。又、燃料電池の運転停止後に電熱ヒータ３９を作動することにより収容体５１内に残留しようとする水を蒸発させて、外部に排出することができる。このため、収容体５１内の浸透水の凍結による貫通孔５７の閉鎖を阻止することができ、希釈装置の再起動時に収容体５１の蛇行通路に浸透水が貯留されて燃料オフガスの流量か低下することを防止することができる。

・気化手段として、前記電熱ヒータ３９、伝熱板４２以外に他の加熱手段を用いたりしてもよい。

この発明の燃料電池システムを具体化した１実施形態の要部を示す断面図。 燃料電池システムの略体回路図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す排出ガスの希釈装置の断面図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す部分回路図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す希釈装置の断面図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す希釈装置の断面図。 従来の燃料電池システムの排出ガス希釈装置の断面図。

符号の説明

１０…燃料電池、１２…燃料極、１３…酸化剤極、１６，２１，３１，３３…配管、２４…ガス循環配管、２５…気液分離器、３１…酸化オフガス配管、３２…希釈装置、３６…希釈室、３７…出口、３８…ガス流路、４０…モータ、４２…伝熱部材としての伝熱板、４３…対流板、４５…出口。

Claims (6)

1. 燃料電池の燃料極側の出口に対し、該出口から排出される燃料オフガスから水素ガスと浸透水とを分離するための気液分離器を接続し、該気液分離器により分離された水素ガスを燃料電池に還流するためのガス循環配管を気液分離器の回収口に接続し、前記気液分離器の排出口に配管を介して希釈装置の入口を接続し、該希釈装置の出口を前記燃料電池の酸化剤極側の出口に接続された酸化オフガス配管のガス流路に接続し、燃料オフガスを酸化オフガスにより希釈するように構成した燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の燃料極側の出口から前記希釈装置の出口までの燃料オフガスの流通経路に対し、水を気化させる気化手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記気化手段は、前記気液分離器よりも下流側の前記流通経路に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１において、前記気化手段は前記希釈装置の希釈室の底面に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３において、前記希釈室には、気化手段により気化された水蒸気の対流を促進させる対流板が傾斜状態で配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記ガス循環配管には、モータにより駆動されるポンプが接続され、前記気化手段は前記モータが運転中に発生する熱を前記流通経路の水に伝達するための伝熱部材により構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記燃料電池の酸化剤極側の出口から前記希釈装置までの酸化オフガス配管に対し、該配管内の生成水を気化させるための気化手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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