JP2010170729A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス又は酸化剤ガスの供給に必要なエネルギーを無くしたり低減したりすることができて消費電力低減に寄与できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０の燃料ガスの入口に水素ガス供給配管１６を介して水素タンク１５を接続する。燃料電池１０の酸化剤ガスの入口に空気供給配管２０を接続する。前記水素ガス供給配管１６及び空気供給配管２０に対し、ガス供給機構２２を設け、前記水素タンク１５により水素ガス供給配管１６に圧送された燃料ガスによって、ガス供給機構２２の第１回転羽根３８を回転させ、回転軸３５を介して第２回転羽根３９を回転させ、大気に開放された空気供給配管２０により空気（酸化剤ガス）を吸い込み燃料電池１０に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは燃料電池の周辺機器のための消費電力を軽減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、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。
燃料電池システムの燃料電池には、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が備えられている。前記燃料電池には、燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管が接続されている。そして、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。発電に供された燃料オフガス及び酸化オフガスは、燃料オフガス排出配管及び酸化オフガス排出配管から外部に排出されるようになっている。

前記燃料ガス供給配管の上流側には、水素ガスを高圧力で封入した水素タンクが接続され、前記酸化剤ガス供給配管の上流側には空気を圧縮して酸素ガスとして燃料電池へ供給するためのコンプレッサが接続されている。

特許文献１には、水素タンクから水素ガスを燃料電池に供給するとともに、エアブロアにより空気を燃料電池に供給するようにした燃料電池システムが開示されている。

特開２００８−２７５８９号公報

ところが、従来の特許文献１の燃料電池システムは、燃料ガス供給配管の上流側に高圧力の水素タンクを接続するとともに、酸化剤ガス供給配管の上流側にコンプレッサを接続していたので、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ供給するための専用の動力が必要となって、消費電力低減の障害になるという問題があった。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給に必要なエネルギーを無くしたり低減したりすることができて消費電力低減に寄与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、燃料電池に燃料ガス供給配管及び燃料オフガス排出配管を接続するとともに、酸化剤ガス供給配管及び酸化オフガス排出配管を接続した燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給配管及び酸化剤ガス供給配管に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方のガス圧力を利用して、他方のガスの供給を行うためのガス供給機構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、前記燃料ガス供給配管の上流には燃料ガスボンベが設けられ、前記ガス供給機構は、前記燃料ガス供給配管及び酸化剤ガス供給配管に設けられ、前記燃料ガスの流動圧力によって作動されるように構成さ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、前記酸化剤ガス供給配管の上流側には酸化剤ガス供給源が接続され、燃料ガス供給配管の上流側には、非圧力供給方式の燃料ガス供給源が接続され、前記ガス供給機構は酸化剤ガス供給配管及び燃料ガス供給配管に設けられ、酸化剤ガスの流動圧力によって作動されるように構成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２又は３において、前記ガス供給機構は、燃料ガス供給配管の途中に接続された第１ハウジングと、酸化剤ガス供給配管の途中に接続された第２ハウジングと、両ハウジングの内部に両端部を貫通支持された回転軸と、該回転軸の第１ハウジング内の端部に嵌合された第１回転羽根と、第２ハウジング内の回転軸の端部に嵌合された第２回転羽根とによって構成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１項において、前記燃料オフガス排出配管には、気液分離器が設けられ、該気液分離器には分離された燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に還元するための燃料ガス循環配管が接続され、前記ガス供給機構は、前記燃料ガス供給配管、酸化剤ガス供給配管及び燃料ガス循環配管に設けられていることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、燃料電池に燃料ガス供給配管及び燃料オフガス排出配管を接続するとともに、酸化剤ガス供給配管及び酸化オフガス排出配管を接続した燃料電池システムにおいて、燃料オフガス排出配管及び酸化オフガス排出配管に、前記燃料オフガス及び酸化オフガスのうちの一方のガス排出圧力を利用して、他方のガスの排出を行うためのオフガス排出機構を設けたことを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記燃料オフガス排出配管には、気液分離器が設けられ、該気液分離器には分離された燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に還元するための燃料ガス循環配管が接続され、前記オフガス排出機構は、前記燃料オフガス排出配管、酸化オフガス排出配管及び燃料ガス循環配管に設けられていることを要旨とする。

（作用）
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明は、ガス供給機構によって、燃料ガス及び酸化剤ガスのうち一方のガスの供給圧力を利用して、他方のガスの供給が行われる。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方のガスの供給に必要なエネルギーを無くしたり低減したりすることができる。

請求項６又は７に記載の発明は、オフガス排出機構によって、燃料オフガス及び酸化オフガスのうちの一方のオフガスの排出圧力を利用して、他方のオフガスの排出が行われる。このため、オフガス排出機構によって燃料ガス又は酸化剤ガスが燃料電池に吸引され、結果的に燃料ガス及び酸化剤ガスのうち一方のガスの供給に必要なエネルギーを無くしたり低減したりすることができる。

本発明によれば、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給に必要なエネルギーを無くしたり低減したりすることができて消費電力低減に寄与することができる。

この発明の燃料電池システムを具体化した１実施形態の略体回路図。 ガス供給機構の断面図。 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部分略体回路図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示す部分略体回路図。 この発明の燃料電池システムの別の実施形態を示すガス供給機構の横断面図。 （ａ）は図６の１−１線断面図、（ｂ）は図６の２−２線断面図。

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に従って説明する。
この実施形態の燃料電池システムは、図１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１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、空気を前記酸化剤極１３内に供給するために大気に開放された空気供給配管２０と、該空気供給配管２０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２１とにより構成されている。

前記水素ガス供給配管１６と空気供給配管２０には、後に詳述するガス供給機構２２が接続されている。
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、発電時に酸化剤極１３側で生成された生成水が前記固体電解質膜１１を浸透して燃料極１２に移動された浸透水とを前記気液分離器２５によって分離し、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。

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２７の基端が接続され、該配管２７の中間部には、水素ガスの希釈装置２８が接続されている。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２８の入口に導くための燃料オフガス配管２９が接続されている。前記配管２９は前記希釈装置２８に接続されている。該配管２９には電磁式の開閉弁３０が接続されている。前記希釈装置２８よりも下流側の酸化オフガス配管２７には、電磁式の開閉弁３１が接続されている。

図１に示す前記圧力調整弁１８、加湿器１７，２１、燃料循環ポンプ２６、開閉弁３０，３１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、図２に基づいて、ガス供給機構２２について説明する。この実施形態では、ガス供給機構２２として、自動車のエンジンに用いられるターボチャージャー（過給器）の構造を採用している。

図２に示すように、前記水素ガス供給配管１６の途中にはアルミニウム合金製の第１ハウジング３２が接続され、前記空気供給配管２０の途中にはアルミニウム合金製の第２ハウジング３３が接続されている。前記第１及び第２ハウジング３２，３３は金属製の連結部材３４によって連結されている。前記第１及び第２ハウジング３２，３３の対向する壁面には回転軸３５の上端部がベアリング３６及びシールリング３７を介して回転可能に支持されている。前記回転軸３５の第１ハウジング３２側の端部には、例えばアルミニウム合金等の軽量金属よりなる第１回転羽根３８が連結され、回転軸３５の第２ハウジング３３側の端部には、同じく例えばアルミニウム合金等の軽量金属よりなる第２回転羽根３９が連結されている。

従って、前記水素ガス供給配管１６内を流れる水素ガスの流動圧力によって、前記第１回転羽根３８が回転されると、回転軸３５を介して、第２回転羽根３９が回転され、大気に開放された空気供給配管２０内の酸化剤ガス（空気）が燃料電池１０に供給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１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３０，３１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。前記水素ガスの燃料電池１０への供給によって、図２に示すガス供給機構２２の第１回転羽根３８が水素ガスの流動圧力により回転され、回転軸３５を介して第２回転羽根３９が回転される。この第２回転羽根３９の回転により、大気に開放された空気供給配管２０に空気が吸い込まれ、この空気が加湿器２１に送られ、燃料電池１０の酸化剤極１３に空気（酸素）が供給される。このように、水素ガスの供給圧力を利用して、酸化剤ガス（空気）が燃料電池１０に供給される。

空気供給配管２０内の酸化剤ガスが加湿器２１に供給され、加湿器２１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。又、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、窒素ガス等を含む酸化オフガス及び生成水が酸化オフガス配管２７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２９を通して図１に示す希釈装置２８の希釈室内に供給される。希釈室内に導かれた燃料オフガスは該希釈室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酸化オフガス配管２７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。

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、前記燃料ガス供給系１４の水素ガス供給配管１６及び酸化剤ガス供給系１９の空気供給配管２０にガス供給機構２２を設けた。このため、水素タンク１５から水素ガス供給配管１６を介して燃料極１２に供給される水素ガスの流動圧力を利用して、空気供給配管２０から空気（酸化剤ガス）を燃料電池１０に供給することができ、空気供給配管２０の上流側に酸化剤ガス供給源としてのコンプレッサ（ポンプ、エアブロア等）を接続して空気（酸化剤ガス）を燃料電池１０に供給する必要がなくなる。従って、空気（酸化剤ガス）の供給に必要なエネルギーを低減することができるとともに、周辺機器の小型化を図り、省スペース化を図ることができる。

（２）上記実施形態では、ガス供給機構２２として、図２に示すように、従来周知のターボチャージャーと同様の構造を用いたので、ガス供給機構２２の製造を容易に行い、コストを低減することができる。

（３）上記実施形態では、ガス供給機構２２の第１及び第２ハウジング３２，３３、第１及び第２回転羽根３８，３９の材料として、アルミニウム合金を用いたので、ガス供給機構２２を軽量化することができる。

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のガス循環配管２４に設けた燃料循環ポンプ２６を省略するとともに、前記ガス循環配管２４の途中に第３ハウジング４６を接続する。この第３ハウジング４６の内部に、前記ガス供給機構２２の回転軸３５によって回転される第３回転羽根４７を設けるようにしてもよい。この場合には燃料循環ポンプ２６が省略できるので、部品点数を低減し、製造を容易に行い、省スペース化を図ることができる。

・図４に示すように、前記ガス循環配管２４（燃料オフガス配管２９でもある）及び酸化オフガス配管２７側に対し、前記ガス供給機構２２と同様に構成したオフガス排出機構２２Ａを設けても良い。

上記の実施形態においては、水素タンク１５の圧力によって、燃料電池１０からガス循環配管２４に流入された燃料オフガスの排出圧力を利用して、第１ハウジング３２内の第１回転羽根３８が回転されて、回転軸３５及び第２回転羽根３９が回転されるため、酸化オフガス配管２７内を流れる酸化オフガスの排出が第２回転羽根３９によって強制的に行われる。このため、空気供給配管２０の上流側に酸化剤ガスを供給するコンプレッサ等が無くても、強制的に排出される酸化オフガスの排出力を利用して、酸化剤ガスが空気供給配管２０を通して燃料電池１０内に吸い込まれる。このため、結果的に、燃料電池１０の上流側の空気供給配管２０による酸化剤ガスの供給に必要な専用の供給機構を無くすことができる。

・図５に示すように、前記燃料循環ポンプ２６を省略し、前記ガス循環配管２４、酸化オフガス配管２７側に前記オフガス排出機構２２Ａを配設する。このオフガス排出機構２２Ａは、前記連結部材３４を延長するとともに、この連結部材３４に第３ハウジング４６を設け、該第３ハウジング４６内に収容された第３回転羽根４７に前記回転軸３５の延長部を連結する。そして、前記第１ハウジング３２内の第１回転羽根３８が回転されると、第２回転羽根３９及び第３回転羽根４７が同期回転され、前記第３回転羽根４７によって水素ガスがガス循環配管２４を通して水素ガス供給配管１６に供給される。この実施形態においては、燃料循環ポンプ２６が省略できるので、部品点数を低減し、製造を容易に行い、省スペース化を図ることができる。

・図６に示すように、水素ガス供給配管１６と空気供給配管２０を互いに結合させるとともに、前記回転軸３５を水素ガス供給配管１６及び空気供給配管２０に貫通させて、ベアリング３６及びシールリング３７により回転可能に支持し、該回転軸３５の外周面に第１回転羽根３８、第２回転羽根３９を嵌合固定する。図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、前記水素ガス供給配管１６、空気供給配管２０の内部に整流板４０を配設する。そして、前記水素ガス供給配管１６内の水素ガスの流動圧力によって前記第１回転羽根３８が回転されると、回転軸３５を介して空気供給配管２０内の第２回転羽根３９が回転され、空気供給配管２０内の酸化剤ガスが第２回転羽根３９によって燃料電池１０側に供給される。

上記の実施形態においては、ガス供給機構２２として、図２に示すような過給器と同様の構成を採用するのと比較して、第１及び第２ハウジング３２，３３、連結部材３４を省略することができ、このためガス供給機構２２の小型化を図ることができる。

・図６及び図７に示すガス供給機構２２を、燃料オフガス配管２９及び酸化オフガス配管２７側にオフガス排出機構２２Ａとして適用してもよい。
・図示しないが、図１、図４、図５及び図６に示す各実施形態において、空気供給配管２０の上流側に酸化剤ガス供給源としてのコンプレッサ、エアブロア又はエアポンプ等の酸化剤ガス供給手段を接続するとともに、水素タンク１５に代えて、非圧力供給方式の燃料ガス供給源（例えば水素吸蔵合金を収容した容器）に変更したタイプの燃料電池システムに具体化してもよい。この実施形態においては、コンプレッサ等による酸化剤ガスの供給圧力によってガス供給機構２２あるいはオフガス排出機構２２Ａが作動されて、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池１０に供給される。

・前記第１〜第３回転羽根３８，３９，４７の材料として、ポリプロピレン樹脂、芳香族ナイロン、ポリアミド系樹脂等を用いてもよい。この実施形態においては、第１〜第３回転羽根３８，３９，４７を成形装置を用いて容易に製造することができるとともに、各羽根の軽量化を図ることができる。

・前記空気供給配管２０の上流側にコンプレッサを接続した燃料電池システムにおいて、前記ガス供給機構２２又はオフガス排出機構２２Ａを配設してもよい。このコンプレッサとガス供給機構２２又はオフガス排出機構２２Ａを併用する場合には、前記コンプレッサの容量を小容量化することができるとともに、コンプレッサの消費エネルギーの低減を図ることができる。

１０…燃料電池、２２…ガス供給機構、２２Ａ…オフガス排出機構、２５…気液分離器、３２…第１ハウジング、３３…第２ハウジング、３５…回転軸、３８…第１回転羽根、３９…第２回転羽根、４７…第３回転羽根。

Claims (7)

1. 燃料電池に燃料ガス供給配管及び燃料オフガス排出配管を接続するとともに、酸化剤ガス供給配管及び酸化オフガス排出配管を接続した燃料電池システムにおいて、
   燃料ガス供給配管及び酸化剤ガス供給配管に、前記燃料ガス及び酸化剤ガスのうちの一方のガス圧力を利用して、他方のガスの供給を行うためのガス供給機構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、前記燃料ガス供給配管の上流には燃料ガスボンベが設けられ、前記ガス供給機構は、前記燃料ガス供給配管及び酸化剤ガス供給配管に設けられ、前記燃料ガスの流動圧力によって作動されるように構成さ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、前記酸化剤ガス供給配管の上流側には酸化剤ガス供給源が接続され、燃料ガス供給配管の上流側には、非圧力供給方式の燃料ガス供給源が接続され、前記ガス供給機構は酸化剤ガス供給配管及び燃料ガス供給配管に設けられ、酸化剤ガスの流動圧力によって作動されるように構成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２又は３において、前記ガス供給機構は、燃料ガス供給配管の途中に接続された第１ハウジングと、酸化剤ガス供給配管の途中に接続された第２ハウジングと、両ハウジングの内部に両端部を貫通支持された回転軸と、該回転軸の第１ハウジング内の端部に嵌合された第１回転羽根と、第２ハウジング内の回転軸の端部に嵌合された第２回転羽根とによって構成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１項において、前記燃料オフガス排出配管には、気液分離器が設けられ、該気液分離器には分離された燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に還元するための燃料ガス循環配管が接続され、前記ガス供給機構は、前記燃料ガス供給配管、酸化剤ガス供給配管及び燃料ガス循環配管に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料電池に燃料ガス供給配管及び燃料オフガス排出配管を接続するとともに、酸化剤ガス供給配管及び酸化オフガス排出配管を接続した燃料電池システムにおいて、
   燃料オフガス排出配管及び酸化オフガス排出配管に、前記燃料オフガス及び酸化オフガスのうちの一方のガス排出圧力を利用して、他方のガスの排出を行うためのオフガス排出機構を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６において、前記燃料オフガス排出配管には、気液分離器が設けられ、該気液分離器には分離された燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に還元するための燃料ガス循環配管が接続され、前記オフガス排出機構は、前記燃料オフガス排出配管、酸化オフガス排出配管及び燃料ガス循環配管に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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