JP2010129484A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気流路を太径化することなく電解質膜を適切な湿潤状態に維持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】供給された反応ガスによって発電する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の反応ガス入口１１に接続され、湿潤ガス流路２４を流れるガスによって供給ガス流路２５を流れるガスを加湿する加湿器２０と、燃料電池スタック１０の反応ガス出口１２に接続され、その燃料電池スタック１０から排出された反応ガスが流れる排気流路３０と、排気流路３０から分岐し加湿器２０の湿潤ガス流路２４に合流する分岐流路４０と、加湿器２０の湿潤ガス流路２４から分岐し排気流路３０に合流するリターン流路５０と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックの電解質膜は、適度な湿潤状態であることが望ましい。そこで湿潤状態を保持するために、燃料電池スタックに供給する反応ガスを予め加湿しておくシステムが知られている(たとえば特許文献１)。この特許文献１の加湿システムは、燃料電池スタックから排出される反応ガス(オフガス)の全量を加湿器に流す。そしてこのオフガスによって燃料電池スタックに供給するガスを加湿する。
特開２００４−３５５８４３号公報

しかしながら前述したシステムでは、オフガスの全量を加湿器に流すので、圧力損失が大きくなりやすい。そこで排気流路を太径化するなどの対策が必要となって加湿器が大形化しやすい。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、排気流路を太径化することなく電解質膜を適切な湿潤状態に維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、供給された反応ガスによって発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。燃料電池スタックの反応ガス入口に接続され、湿潤ガス流路を流れるガスによって供給ガス流路を流れるガスを加湿する加湿器と、燃料電池スタックの反応ガス出口に接続され、燃料電池スタックから排出された反応ガスが流れる排気流路と、その排気流路から分岐し加湿器の湿潤ガス流路に合流する分岐流路と、加湿器の湿潤ガス流路から分岐し前記排気流路に合流するリターン流路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタックから排出される反応ガス(オフガス)の一部が加湿器に流れる。したがって排気流路を太径化することなく、加湿器を大型化することなく電解質膜を適切な湿潤状態に維持することができる。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

はじめに実施形態の理解を容易にするために図８を参照して燃料電池スタックについて説明する。なお図８(Ａ)は燃料電池スタックを構成するセルを示す図であり、図８(Ｂ−１)は高負荷運転におけるセル断面の模式図であり、図８(Ｂ−２)は低負荷運転におけるセル断面の模式図である。

燃料電池スタックは、反応ガス(アノードガスＨ₂、カソードガスＯ₂)が供給されて発電する。燃料電池スタックは、電解質膜の両面にアノード電極触媒層及びカソード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、アノード電極触媒層及びカソード電極触媒層において以下の反応が進行して発電する。

上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が湿潤状態であることが必要である。

負荷が十分に大きく、発電反応が大きいときには、図８(Ｂ−１)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ₂)がカソード流路を流れるにつれて上式(２)の反応が進行し、水蒸気が生成される。そしてカソード流路の下流側では相対湿度が高くなり、カソード側とアノード側の相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側を加湿する。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ₂)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてカソード上流のＭＥＡを加湿する。このように負荷が十分に大きく、発電反応が大きいときには、上式(２)の反応によって生成された水分でＭＥＡを全体的に加湿できるのでＭＥＡの湿潤状態が保持される。

しかしながら低負荷運転域では、図８(Ｂ−２)に示すように反応ガス(アノードガスＨ₂、カソードガスＯ₂)が少なく水蒸気の生成量が少ない。そのためカソード下流側の流路の相対湿度も低く、アノード側に水を供給できない。さらに低負荷運転域においてガスの利用率を高負荷運転域と同じ(たとえばＳＲ(反応に必要なガス量に対する総ガス量の比)１．５)にすると、流速が遅すぎてフラッディングが生じやすくなる。そこで利用率を下げて(たとえばＳＲ２．０)流速を上げて運転する必要がある。ガスの流速が上がるほど電解質膜は乾燥しやすい。このように低負荷運転域では、生成水に対するガス流量が多くなり、カソード入口の電解質膜及び触媒層が乾燥してセル電圧が低下しやすくなってしまう。

このように電解質膜の水収支は負荷に応じて変わり、図９に示すように、中高負荷運転域では湿潤状態であるものの、低負荷運転域では乾燥気味になってしまう。

そこで本実施形態では、低負荷運転域においても電解質膜の湿潤状態を保持できる燃料電池システムを提案する。

図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図であり、図１(Ａ)は全体構成図、図１(Ｂ)は加湿器の構成図、図１(Ｃ)は加湿器の内部の特に中空糸膜を示す図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、加湿器２０と、排気流路３０と、分岐流路４０と、リターン流路５０と、を含む。

加湿器２０は、燃料電池スタック１０の反応ガス入口１１に接続される。また加湿器２０には、分岐流路４０及びリターン流路５０が連設される。加湿器２０は、外側ハウジング２１と、内側ハウジング２２と、中空糸膜束２３と、を含む。

図１(Ｂ)に示すように、内側ハウジング２２は外側ハウジング２１の内側に設けられる。内側ハウジング２２は、外側ハウジング２１の内周に形成された凸部２１ａ〜２１ｃによって保持される。凸部２１ａ及び凸部２１ｃは、内側ハウジング２２の全周に形成されている。凸部２１ｂは、所定角度だけ形成されている。そして凸部２１ｂの端部には後述の内側ハウジング凸部２２ｂが連続するようになっている。外側ハウジング２１(凸部２１ａ，２１ｂ)及び内側ハウジング２２によって区画形成される空間が湿潤ガス流入路２４ａである。外側ハウジング２１(凸部２１ｂ，２１ｃ)及び内側ハウジング２２によって区画形成される空間が湿潤ガス流出路２４ｂである。内側ハウジング２２のうち湿潤ガス流入路２４ａに位置する部分には、全周に渡って多数の貫通孔２２ａが形成されている。なおさらに詳細な構成については後述する。

図１(Ｃ)に示すように、内側ハウジング２２には中空糸膜束２３が内蔵されている。中空糸膜束２３は、乾燥ガスが流れる乾燥ガス流路２５に沿って延びる。中空糸膜束２３の両端は、ポッティング剤(接着剤)で固定されるが、両端を除く部位は固定されていない。中空糸膜については後述する。

詳細は後述するが、加湿器２０はこのような構造によって湿潤ガス流路２４を流れるガスで供給ガス流路２５を流れるガスを加湿する。

排気流路３０には、燃料電池スタック１０から排出された反応ガスが流れる。排気流路３０は、燃料電池スタック１０の反応ガス出口１２に接続される。排気流路３０には、流量制御弁３１が設けられる。流量制御弁３１は、排気流路３０の延設方向及び分岐流路４０の延設方向に直交する軸３１ａを中心に回動するバタフライ弁である。流量制御弁３１の開度が小さくなるほど、排気流路３０から分岐流路４０にガスが流れやすくなる。

分岐流路４０は、流量制御弁３１よりも上流側の排気流路３０から分岐し加湿器２０の湿潤ガス流路２４ａに合流する。

リターン流路５０は、加湿器２０の湿潤ガス流路２４ｂから分岐し、流量制御弁３１よりも下流側の排気流路３０に合流する。

図２は、加湿器の断面を示す図である。

上述のように加湿器２０は、外側ハウジング２１と、内側ハウジング２２と、中空糸膜束２３と、を含む。そして外側ハウジング２１(凸部２１ａ，２１ｂ)及び内側ハウジング２２によって区画形成される空間が、湿潤ガス流入路２４ａである。内側ハウジング２２の表面には、軸方向に延設されて外側ハウジングの凸部２１ａから凸２１ｂまで延びる凸部２２ｂが設けられる。この凸部２２ｂによって、湿潤ガス流入路２４ａは、湿潤ガス流入上流路２４ａ−１と、湿潤ガス流入下流路２４ａ−３と、に区画される。なお外側ハウジング２１の内周面と内側ハウジング凸部２２ｂとの隙間が湿潤ガス流入バイパス路２４ａ−２である。

図３は、加湿器の内側ハウジングに内蔵される中空糸膜について説明する図である。

中空糸膜２３ａは、表面に多数の孔が形成された中空の糸状体である。この孔は非常に微細であり、中空糸膜表面に形成された細孔内に水分が凝縮(毛細管凝縮)し、乾燥ガスと接触、気化することで乾燥ガスを加湿する。本実施形態では、図３に示すように、一本一本の中空糸膜の内側に乾燥ガスを流す。また中空糸膜の外側に湿潤ガスを流す。このようにすると、乾燥ガスと湿潤ガスとで湿潤交換され、乾燥ガスが加湿される。膜内側、膜外側での水蒸気濃度差(水蒸気分圧差)がドライビングフォースとなって水蒸気が透過する。膜構造によって優位性が変わるが、膜内側、膜外側どちらにも乾燥ガス、湿潤ガスを流すことが可能である。本実施形態では多孔質の中空糸膜を採用しているが、非多孔質体の膜(溶解拡散による水蒸気透過)でも実施可能である。

図４は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の作用を示す図であり、図４(Ａ)〜(Ｃ)は図１(Ａ)〜(Ｃ)に対応する。

燃料電池スタック１０で反応し燃料電池スタック１０から流出するガスは水分を含んだ湿潤ガスである。燃料電池スタック１０から排気流路３０に流出した湿潤ガスは、矢印で示すように分岐流路４０に流れる。そして湿潤ガスは加湿器２０の湿潤ガス流入上流路２４ａ−１から貫通孔２２ａを介して内側ハウジング２２の内部に流れ込み、中空糸膜の外側を流れる。このガスと、乾燥ガス流路２５を通って中空糸膜の内側を流れるガスとが湿潤交換し、内側を流れるガスが加湿される。そして中空糸膜の外側を流れたガスが貫通孔２２ａから流れ出て流入下流路２４ａ−３に流れる。また湿潤ガス流入上流路２４ａ−１に流れ込んだ湿潤ガスの一部は、湿潤ガス流入バイパス路２４ａ−２を通って湿潤ガス流入下流路２４ａ−３に流れる。そして湿潤ガスは、湿潤ガス流入下流路２４ａ−３から湿潤ガス流出路２４ｂ→リターン流路５０→排気流路３０を流れる。

図５は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の効果を説明する図であり、図５(Ａ)は、分岐流路４０の軸方向から見た図、図５(Ｂ)は、加湿器２０の平断面図である。

本実施形態では、内側ハウジング２２のうち湿潤ガス流入路２４ａに位置する部分には、全周に渡って多数の貫通孔２２ａを形成した。このようにしたので、湿潤ガス流入上流路２４ａ−１の広い領域から内側ハウジング２２の内部に湿潤ガスが均等に流入することとなる。仮に或る特定領域からのみ内側ハウジング２２の内部に湿潤ガスが流入すると、特にガス流量の多い中高負荷運転域においては、その流入ガスが図５(Ａ)に示すように中空糸膜を押しのけるように作用して中空糸膜束２３に偏りが生じてしまってガスの流れる通り道ができてしまう。

しかしながら本実施形態では、湿潤ガス流入上流路２４ａ−１の広い領域から均等に内側ハウジング２２の内部に湿潤ガスが流入するので、図５(Ｂ)に示すようにガスの流れ方向下流側で中空糸膜が密な状態(閉塞状態)になる。この特性により水収支が湿潤側になる中高負荷運転域では、風圧によって中空糸膜が密な状態(閉塞状態)になってガスが流れない状態になり、乾燥ガスを過加湿してしまうことを防止できる。また低負荷運転域では水収支が乾燥側になるが、このときは反応ガスの流量が少ないので風圧による中空糸膜の押付作用も小さい。したがって中空糸膜が閉塞状態にはならず、適量に湿潤ガスが流れ、乾燥ガスを適度な湿潤状態にすることができるのである。したがって流量制御弁３１を開閉制御しなくても、加湿器２０に湿潤ガスの流量を調整可能である。

ただし中高負荷運転域においても加湿が必要な仕様であるときは、風圧により中空糸膜が密にならないようにすればいい。密になる／密にならないは、加湿器モジュールのアスペクト比、膜充填率、膜径を変更したり、湿潤ガス流入バイパス路２４ａ−２の隙間を調整することで、風圧を低減することで調整可能である。

また流量制御弁３１の開度を調整すれば、加湿が必要なときに、より確実に加湿することができる。

この場合は、流量制御弁３１の開度を燃料電池の運転負荷に応じて調整すればよい。すなわち排気流路３０を流れる反応ガス流量が同じであれば、流量制御弁３１の開度が小さいほど多くのガスが加湿器２０に流れて乾燥ガスを加湿しやすくなる。そして図９に示した通り、電解質膜の水収支は負荷に応じて変わり、中高負荷運転域では湿潤状態であるものの、低負荷運転域では乾燥気味になってしまう。また低負荷運転域では低負荷であるほど乾燥してしまう。そこでこのような特性を考慮して負荷に応じて流量制御弁３１の開度を制御すればよい。たとえば低負荷運転域では流量制御弁３１を全閉し、中高負荷運転域では負荷が上がるほど流量制御弁３１を開けばよい。または中高負荷運転域では流量制御弁３１を全開し、低負荷運転域では負荷が下がるほど流量制御弁３１を閉じてもよい。具体的には燃料電池の仕様や特性などに応じて決定すればよい。本実施形態では、流量制御弁として背圧弁を用いているので新規に弁を追加する必要がない。いずれにせよこのようにすることで高負荷運転時には燃料電池スタック１０から排出された反応ガスは、流量が大きく加湿器にはほとんど流れない。したがって過剰に加湿してしまうことを抑制できフラッディングを防止することができる。よってこのような構成によって電解質膜を適度な湿潤状態に維持できるのである。

そして流量制御弁３１の開度を調整することで加湿が必要なときに確実に加湿できるのである。

また湿潤状態の反応ガス(オフガス)の全量を加湿器に流すのではなく、流量制御弁３１で調整された一部の反応ガス(オフガス)を加湿器に流すだけである。したがって圧力損失が増大してしまうことを抑制でき、排気流路の太径化を招かない。

さらに本実施形態では、燃料電池スタックに供給する反応ガスを中空糸膜の内側に流し、燃料電池スタックから排出されて湿潤状態である反応ガスを中空糸膜の外側に流す。このようにガスを流して供給ガスを加湿する。このようにガスを流す理由について図６を参照して説明する。

本システムでは、燃料電池スタックに供給する反応ガスは、常に全量が加湿器２０を流れる。一方、燃料電池スタックから排出される反応ガス(オフガス)は、低負荷運転でしか加湿器２０に流れず流量が少ない。

中空糸膜の内側のガスの流れは層流になる。圧力損失は流速に対して図６に示すように一次関数で表される。一方、中空糸膜の外側のガスの流れは乱流になる。圧力損失は流速に対して図６に示すように二次関数で表される。

仮に燃料電池スタックに供給する反応ガスを中空糸膜の外側に流すと、加湿器のサイズによっては圧力損失の変化が非常に大きくなってしまう。したがって圧力損失の大きな変化が生じないように加湿器のサイズを大形化しなければならない。

しかしながら、本実施形態では、燃料電池スタックに供給する反応ガスを中空糸膜の内側に流すようにしたので、圧力損失が急増することがない。したがって加湿器のサイズを無用に大形化する必要がないのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、図１では、排気流路３０の延設方向及び分岐流路４０の延設方向に直交する軸３１ａを中心に回動するように流量制御弁３１を構成した。しかしこれには限られない。図７に示すように分岐流路４０の延設方向に平行な軸３１ｂを中心に回動するように流量制御弁３１を構成してもよい。

本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。 加湿器の断面を示す図である。 加湿器の内側ハウジングに内蔵される中空糸膜について説明する図である。 本発明による燃料電池システムの第１実施形態の作用効果を示す図である。 本発明による燃料電池システムの第１実施形態の効果を説明する図である。 中空糸膜に流すガスを規律する理由について説明する図である。 本発明による燃料電池システムの他の実施形態を示す図である。 燃料電池スタックについて説明する図である。 電解質膜の水収支と負荷との特性を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
２０ 加湿器
３０ 排気流路
３１ 流量制御弁
４０ 分岐流路
５０ リターン流路

Claims (6)

1. 供給された反応ガスによって発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの反応ガス入口に接続され、湿潤ガス流路を流れるガスによって供給ガス流路を流れるガスを加湿する加湿器と、
   前記燃料電池スタックの反応ガス出口に接続され、その燃料電池スタックから排出された反応ガスが流れる排気流路と、
   前記排気流路から分岐し前記加湿器の湿潤ガス流路に合流する分岐流路と、
   前記加湿器の湿潤ガス流路から分岐し前記排気流路に合流するリターン流路と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記排気流路であって前記分岐流路が分岐する分岐部分と前記リターン流路が合流する合流部分との間に設けられ、開度に応じて分岐流路に流れる反応ガスの流量を調整する流量制御弁をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記流量制御弁は、中高負荷運転域のおける開度よりも低負荷運転域における開度が小さい、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流量制御弁は、低負荷運転域においては全閉する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記流量制御弁は、低負荷運転域においては負荷が小さいほど開度が小さい、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記加湿器の供給ガス流路は、中空糸膜の内側に連設され、
   前記加湿器の湿潤流路は、中空糸膜の外側をガスが流れるように形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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