JP2010198746A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ラジエータおよびシステムの構成要素を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げる。
【解決手段】反応ガスが供給されて該反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０から排出された反応ガスに含まれる水分を燃料電池１０に供給される反応ガスに移す加湿器４０と、反応ガスを圧縮して燃料電池に送り込むコンプレッサ３０と、コンプレッサ３０を流通した後燃料電池１０に供給される反応ガスを冷却する熱交換器とを備えた燃料電池システムであって、燃料電池１０から排出された反応ガスを熱交換器２０に流通させて加熱した後、加湿器４０に加湿源として流通させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムの構成要素および構成要素を冷却するためのラジエータ等の冷却手段を小型化する技術に関する。

燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。

ここで、上記のような電気化学反応を安定させるためには、膜電極構造体が湿潤していることが望ましい。たとえば、特許文献１には、燃料ガス通路内で燃料ガスに発電生成水が水蒸気となって加わることにより、水蒸気分圧が上昇した使役後の燃料オフガスを加湿ガスとし、未使役の燃料ガスを加湿する燃料電池システムが開示されている。

ところで、近年、燃料電池の高性能化に伴って膜電極構造体は薄くなる傾向にあり、電気化学反応で生成され空気極側に出てくる水が燃料極側へ移動するという現象が生じるようになってきた。このため、燃料ガスを加湿すると燃料極の湿潤状態が過剰となり、燃料と燃料極との接触が妨げられるフラッディングと呼ばれる現象が生じる。一方、空気極側は、湿潤の程度が過剰でも電気化学反応にはさほど差し障りがない場合のあることが知られている。したがって、最近では、燃料ガスを加湿するよりも酸化剤ガスを加湿する技術が重要視されてきている。

酸化剤ガスを加湿する従来の燃料電池システムとしては、たとえば、図２に示すものが知られている。この図に示す燃料電池システムＡは、燃料電池の単位セルを多数積層した燃料電池スタック１と、熱交換器２と、コンプレッサ３と、加湿器４とを直列に接続して概略構成されている。この燃料電池システムＡには、ラジエータ５が接続され、ラジエータ５と、燃料電池スタック１、熱交換器２、およびコンプレッサ３との間において冷却媒体が循環するようになっている。

上記構成の燃料電池システムＡでは、空気は、先ず加湿器４に供給されて加湿され、次いでコンプレッサ２に供給されて加圧される。その際の加圧により空気の温度が上昇するので、熱交換器２によって燃料電池の作動温度まで冷却されて燃料電池スタック１に供給される。一方、燃料電池スタック１には、図示しない供給手段により水素などの燃料ガスが供給され、燃料ガスと空気とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じる。そして、燃料電池において使役済みの空気（空気オフガス）は、加湿器４に供給され、空気オフガスに含まれる水蒸気が供給空気に水分交換され、供給空気が加湿される。

実開昭６１−３６７１号公報

しかしながら、上記のような燃料電池システムでは、ラジエータ５から燃料電池スタック１、熱交換器２、およびコンプレッサ３に冷却媒体を供給して冷却するから、ラジエータが大型化するとともに、冷却媒体を循環させるための配管がスペースを占め、例えば車両用の燃料電池システムに適用した際は、エンジンルーム内のレイアウト設計に制約を受けるという問題があった。また、燃料電池システムを小型化したいという強い要請があった。

したがって、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、ラジエータおよびシステムの構成要素を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げ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している。

本発明は、反応ガスが供給されて該反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された反応ガスに含まれる水分を前記燃料電池に供給される反応ガスに移す加湿手段と、前記反応ガスを圧縮して前記燃料電池に送り込むコンプレッサと、前記コンプレッサを流通した後前記燃料電池に供給される反応ガスを冷却する熱交換手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出された反応ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させることを特徴としている。

上記構成の燃料電池システムにあっては、燃料電池から排出された反応ガスを熱交換手段に流通させて加熱するから、反応ガスに随伴された凝縮水が反応ガスの温度上昇に伴って蒸発し、反応ガス中の水蒸気分圧が増加する。そして、このときの蒸発の潜熱がコンプレッサで圧縮されて高温となった反応ガスを冷却する。したがって、熱交換手段にはラジエータから冷却媒体を供給する必要がないので、冷却手段を小型化することができるとともに、冷却手段と熱交換手段との間の配管が不要となる。また、水蒸気分圧が増加した反応ガスが加湿手段に加湿源として流通するので、加湿手段における加湿効率が向上する。従って、加湿手段を小型化することができる。

ここで、反応ガスは空気などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスである。より好ましい態様として、燃料電池から排出された燃料ガスを凝縮して凝縮水として貯留する凝縮手段を備え、燃料電池から排出された酸化剤ガスに凝縮水を供給し、酸化剤ガスを熱交換手段に流通させて加熱した後、加湿手段に加湿源として流通させることができる。このような態様では、排出酸化剤ガスと排出燃料ガスに含まれる水分を無駄にすることなく加湿源として利用することができるので、加湿器をさらに小型化することができる。

本発明によれば、ラジエータおよび加湿手段を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げることができる等の効果が得られる。

本発明の実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。 従来の燃料電池システムを示す系統図である。 実施形態の燃料電池システムの各所における空気オフガスのパラメータを示すグラフである。

以下、図１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は実施形態の燃料電池システムＢを示す図である。図１において符号１０は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック１０は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック１０には、熱交換器（熱交換手段）２０が接続され、熱交換器２０には、コンプレッサ３０が接続されている。また、コンプレッサ３０には、加湿器（加湿手段）４０が接続されている。

燃料電池スタック１０、熱交換器２０、コンプレッサ３０、および加湿器４０は、第１配管２１によって直列に接続されている。第１配管２１には空気が供給され、この空気を熱交換器２０の高温媒体流路に供給する。また、燃料電池スタック１０、熱交換器２０、および加湿器４０は、第２配管２２によって直列に接続されている。第２配管２２には、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排出ガスが排出され、このカソード排出ガスを熱交換器２０の冷却媒体流路に供給する。

ここで、加湿器４０は、ハウジング４１に、水分交換のための中空糸膜を多数平行に束ねたものを内蔵して構成されている。中空糸膜は中空状の細い糸の膜であって、その膜は、ガスの浸透は阻止するが水分すなわち水分子の浸透は許容するという性質を有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に中空糸膜を介して浸透する。したがって、中空糸膜の内側に相対湿度の低いガスを流通させ、外側に相対湿度の高いガスを流通させると、水分は中空糸膜の外側から内部に浸透し、相対湿度の低いガス中に拡散してその湿度を上昇させる。なお、中空糸膜の内側に相対湿度の高いガスを流通させ、外側に相対湿度の低いガスを流通させても同じ作用を得ることができる。

この実施形態では、第１配管２１が中空糸膜の内側に接続されている。具体的には、中空糸膜の束の上流側の端面に設けた被加湿ガス供給口４２に、第１配管２１が接続されている。したがって、中空糸膜の内側には加湿されていない相対湿度の低い空気が供給される。また、中空糸膜の束の下流側の端面に設けた被加湿ガス排出口４３には、コンプレッサ３０が接続されている。

中空糸膜の束の外周側にはカソード排出ガス供給口４４とカソード排出ガス排出口４５とが設けられ、カソード排出ガス供給口４４には、第２配管２２が接続されている。なお、図示は省略するが、燃料電池スタック１０およびコンプレッサ３０には、ラジエータなどの冷却手段で冷却された冷却媒体が循環して冷却するようになっている。

燃料電池スタック１０には、エゼクタ５０が接続され、エゼクタ５０には水素などの燃料ガスが充填された燃料タンク６０が接続されている。また、燃料電池スタック１０には、凝縮手段７０が接続されている。凝縮手段７０としては、凝縮水を貯留するように構成されたキャッチタンクが好適であるが、パイプのようなものであってもよい。凝縮手段７０は、燃料電池で生成される水分とガス分とを気液分離し、エゼクタ５０は、燃料タンク６０から燃料電池スタック１０への燃料ガスの流れによって負圧を形成する。この負圧で凝縮手段７０で凝縮水と分離されたガス分を吸い込み、燃料タンク６０から供給される燃料ガスと混合して所定の燃料ガス濃度とし、これを燃料電池スタック１０へ供給する。

燃料電池スタック１０には、中継ボックス８０が配管２３を介して接続されている。凝縮手段７０においてアノード排出ガスから分離された凝縮水とエゼクタ５０に吸い込まれなかった燃料ガスは、第３配管２３を流通して中継ボックス８０に供給される。そして、それら凝縮水と燃料ガスは、燃料電池スタック１０と熱交換器２０の中間の第２配管２２に供給される。

次に、上記構成の燃料電池システムＢの動作を説明する。燃料電池システムＢを作動させて発電する際には、空気は、加湿器４０、コンプレッサ３０、熱交換器２０を順番に流通して燃料電池スタック１０に供給される。一方、燃料電池スタック１０には、燃料タンク６０からエゼクタ５０を経て燃料ガスが供給され、燃料ガスと空気とが電気化学反応を起こすことにより発電が生じる。そして、使役後の燃料ガスはアノード排出ガスとなって凝縮手段７０に吸い込まれ、そこで気液分離される。凝縮手段７０において分離された燃料ガスを含むガス分は、エゼクタ５０に吸引され、燃料タンク６０から供給される燃料ガスに混合されて燃料電池スタック１０に供給される。また、凝縮手段７０において分離された凝縮水は貯留され、エゼクタ５０に吸い込まれなかった燃料ガスとともに第３配管２３を流通して中継ボックス８０に供給される。

中継ボックス８０に供給された凝縮水および燃料ガスは、燃料電池スタック１０と熱交換器２０の中間の第２配管２２に供給され、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排出ガスと混合される。そして、これら排出流分は、熱交換器２０の冷却媒体流路に供給される。一方、熱交換器の高温媒体流路には、コンプレッサ３０で加圧されて高温となった空気が送り込まれている。このため、排出流分の温度が上昇し、排出流分に含まれた凝縮水が温度上昇に伴って蒸発し、排出流分の水蒸気分圧が増加する。そして、このときの蒸発の潜熱がコンプレッサ３０で圧縮されて高温となった排出流分を冷却する。

図３は、燃料電池システムＢにおける各所での排出流分のパラメータを示すグラフである。図３（Ａ）は、燃料電池スタック１０から排出された直後のカソード排出ガスのパラメータを示し、図３（Ｂ）は、そのカソード排出ガスに中継ボックス８０から供給された凝縮水および燃料ガスが混合された後のパラメータを示す。これらの図から、凝縮水が増えた以外はいずれのパラメータにも変化は見られない。しかしながら、排出流分が熱交換器２０から排出された後は、図３（Ｃ）に示すように、加熱されたことにより温度と露点は上昇している。一方、凝縮水が蒸発により減少した反面、水蒸気の量が増加している。したがって、凝縮水の量が充分であれば、排出流分の相対湿度を１００％まで高めることができる。

熱交換器２０によって相対湿度が高められた排出流分は、加湿器４０に供給される。加湿器４０では、中空糸膜の外側をカソード排出ガス、凝縮水、および燃料ガスからなる排出流分が流通し、中空糸膜の内側を燃料電池スタック１０に供給する空気が流通する。そして、排出流分に含まれる水蒸気が中空糸膜を浸透して空気に吸収され、空気が加湿される。なお、排出流分に含まれる燃料ガスは、加湿器４０から放出されるが、希釈ボックスによって非可燃状態まで希釈されている。

上記構成の燃料電池システムＢでは、熱交換器２０に供給する冷却媒体は凝縮水を含む排出流分であるため、熱交換器２０にはラジエータから冷却媒体を供給する必要がない。したがって、ラジエータを小型化することができるとともに、ラジエータと熱交換器２０との間の配管が不要となる。また、水蒸気分圧が増加した反応ガスが加湿器４０に加湿源として流通するので、加湿器４０における加湿効率が向上する。したがって、加湿器４０を小型化することができる。

特に、上記実施形態では、凝縮手段７０から供給される凝縮水および排出燃料ガスを中継ボックス８０を介して第２配管２２を流通するカソード排出ガスに混合するから、本来、大気に放出されていたアノード排出ガスに含まれる水分も加湿器４０に供給されるので、排出されたカソード排出ガスの加湿効率をさらに向上させることができる。

上記実施形態では、燃料電池スタック１０から排出されるアノード排出ガスは、凝縮手段７０に供給されているが、図１に二点差線で示すように、燃料電池スタック１０と凝縮手段７０とを接続する流通経路の途中で配管を分岐させ、この配管２４を中継ボックス８０に接続することで、燃料電池スタック１０のアノード排出ガス排出口でドレインとして滴下する凝縮水を中継ボックス８０に供給することができる。また、燃料電池スタック１０のカソード排出ガス排出口でドレインとして滴下する凝縮水を、配管２５によって中継ボックス８０に供給することもできる。このように構成することにより、排出流分の加湿効率をさらに向上させることができる。

本発明では、ラジエータおよび加湿手段を小型化することができるとともに、冷却媒体を循環させるための配管を減らしてレイアウト設計の自由度を上げることができるから、燃料電池車に適用して極めて有望である。

１０ 燃料電池スタック
２０ 熱交換器（熱交換手段）
３０ コンプレッサ
４０ 加湿器（加湿手段）
５０ エゼクタ
６０ 燃料タンク
７０ 凝縮手段
８０ 中継ボックス

Claims (2)

1. 反応ガスが供給されて該反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された反応ガスに含まれる水分を前記燃料電池に供給される反応ガスに移す加湿手段と、
   前記反応ガスを圧縮して前記燃料電池に送り込むコンプレッサと、
   前記コンプレッサを流通した後前記燃料電池に供給される反応ガスを冷却する熱交換手段と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出された反応ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から排出された燃料ガスを凝縮して凝縮水として貯留する凝縮手段を備え、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに前記凝縮水を供給し、該酸化剤ガスを前記熱交換手段に流通させて加熱した後、前記加湿手段に加湿源として流通させ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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