JP2011100646A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガスが高圧タンクから放出される際の、高圧タンク内の水素ガス温度の低下を防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００Ａは、燃料電池と、燃料電池に供給される水素ガスを高圧で貯留する水素ガス貯留容器と、水素ガス貯留容器の少なくとも一部を覆い、燃料電池から排出される排ガスが流れる貯留容器用排ガス流路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

燃料電池における発電に用いられる燃料ガスとしての水素ガスは、高圧で圧縮されて高圧タンクに充填される。燃料電池の発電時には、燃料電池に水素ガスを供給するために、水素ガスが高圧タンクから放出される。

特開２００７−１８８６６６号公報

水素ガスが高圧タンクから放出されると、高圧タンク内の水素ガスの温度が低下するという課題があった。高圧タンク内の水素ガスの温度が低下すると、以下のような問題が生じる場合がある。例えば、高圧タンクとして樹脂製のタンクが用いられる場合に、高圧タンク内の水素ガスの温度が、−７０℃よりも低くなると、高圧タンクを構成する樹脂材の伸び応力が低下して、亀裂が生じたり、バルブのシール部材（樹脂製）が硬化してシール性能が低下するおそれがある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される水素ガスを高圧で貯留する水素ガス貯留容器と、
前記水素ガス貯留容器の少なくとも一部を覆い、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる貯留容器用排ガス流路と、
を備える燃料電池システム。

この燃料電池システムによれば、排ガスにより水素ガス貯留容器内の水素ガスが温められるため、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度低下を抑制することができる。

［適用例２］ 適用例１記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、
前記貯留容器用排ガス流路に流す排ガスの量を調節する流量調節部を備える、燃料電池システム。

この燃料電池システムによれば、貯留容器用排ガス流路に流す排ガスの量を調節することができるため、例えば、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度に応じて留容器用排ガス流路に流す排ガスの量を調節して、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度を適切な温度に保つことができる。本明細書中において、流量調節部は、貯留容器用排ガス流路に排ガスを流すか否かを切り替える、すなわち、貯留容器用排ガス流路に流すガスの流量を、０と１００（１００を最大とした場合）のいずれか一方に調節するものを含む。

［適用例３］ 適用例２記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、
前記水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度を検出する水素ガス温度検出部を備え、
前記流量調節部は、
前記水素ガス温度検出部による前記水素ガスの温度が所定の値より大きい場合に、前記排ガスを前記貯留容器用排ガス流路に流さないように調節する、燃料電池システム。

このようにすると、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度が上昇しすぎるのを抑制することができる。

なお、本発明は種々の形態で実現することが可能であり、例えば、水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度を制御する方法、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を概略的に示す説明図である。 水素タンク２０の構成を概略的に示す説明図である。 第２の実施例の燃料電池システム１００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。 第３の実施例の燃料電池システム１００Ｃの構成を概略的に示す説明図である。

Ａ．第１の実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１の実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を概略的に示す説明図である。図１に示すように、燃料電池システム１００Ａは、燃料電池スタック１０と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池スタック１０から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう）を再び燃料電池スタック１０に供給する水素供給系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池スタック１０から排出された排気ガス（以下、カソード排ガスともいう）を外部へ排出する空気給排系と、を備える。

燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。

水素供給系は、水素充填路２２と、水素タンク２０と、水素供給路３０と、アノード排ガス路３４と、水素ポンプ３６と、を中心として構成されている。

図２は、水素タンク２０の構成を概略的に示す説明図である。水素タンク２０は、高圧水素を貯留する貯留容器である。水素タンク２０は、樹脂製のライナーとカーボン製の外殻とを備える。水素タンク２０には、水素ガスの充填、放出を行うための口金が設けられており、口金は、樹脂製のシール部材を介してバルブ２６により閉塞されている。これにより、水素タンク２０は、密閉されている。本実施例において、水素タンク２０は、水素タンクカバー２８に内包されている。水素充填路２２には、レセプタクル２４が設けられている。例えば、水素供給所等で、レセプタクル２４、水素充填路２２を介して、水素タンク２０内に高圧水素が充填される。

水素供給路３０には、レギュレータ３２が設けられている。水素タンク２０に貯蔵された水素ガスは、水素タンク２０のバルブ２６が開弁されると、レギュレータ３２によって所定の圧力に調整（減圧）され、水素タンク２０に接続する水素供給路３０を介して、燃料電池スタック１０を構成する各単セルのアノードに燃料ガスとして供給される。なお、図示しないが、アノード排ガス中の窒素等を排出するための排出部や、アノード排ガス中の水を除去するための気液分離器が設けられている。

アノード排ガス路３４には、水素ポンプ３６が設けられており、燃料電池スタック１０のアノードから排出されるアノード排ガスを、水素供給路３０に再び流入させる。したがって、アノード排ガス中の残余の水素は、再度電気化学反応に供される。

一方、発電のための電気化学反応に用いられる酸素を燃料電池スタック１０に供給する空気給排系は、エアコンプレッサ５２と、空気供給路５０と、カソード排ガス供給路６０と、水素タンク用カソード排ガス流路４０と、カソード排ガス排出路４２と、を中心として構成されている。

エアコンプレッサ５２は、外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、空気供給路５０を介して酸化剤ガスとして燃料電池スタック１０のカソードに供給する。

カソード排ガス供給路６０は、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスを、水素タンク用カソード排ガス流路４０へ供給する。本実施例において、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間が、水素タンク用カソード排ガス流路４０として機能する（図１，２）。

カソード排ガス排出路４２は、水素タンク用カソード排ガス流路４０と接続され、水素タンク用カソード排ガス流路４０内を流通したカソード排ガスを大気中に放出する。すなわち、本実施例の燃料電池システム１００Ａにおいて、カソード排ガスは、カソード排ガス供給路６０、水素タンク用カソード排ガス流路４０、カソード排ガス排出路４２を、順に流通して、大気中に放出される。

Ａ２．実施例の効果：
本実施例の燃料電池システム１００Ａでは、カソード排ガスが流れる水素タンク用カソード排ガス流路４０が水素タンク２０の表面全体を覆うように形成されており、燃料電池スタック１０の発電中に、比較的高温（例えば、７０℃程度）のカソード排ガスが水素タンク２０の表面を流通するため、カソード排ガスにより水素タンク２０内の水素ガスが温められ、温度低下が抑制される。

例えば、燃料電池が高負荷運転を行っている場合には、水素ガスを大量に放出するため、水素タンク２０内の水素ガスの温度が大きく低下することがある。このように、水素タンク２０内の水素ガスの温度が低下すると、水素タンク２０の樹脂製ライナーの劣化による亀裂や、バルブ２６のシール部材の硬化によるシール性能の低下が生じるおそれがある。これに対して、本実施例の燃料電池システム１００Ａによれば、水素タンク２０内の水素ガスの温度低下が抑制されるため、水素タンク２０の樹脂製ライナーの劣化による亀裂や、バルブ２６のシール部材の硬化によるシール性能の低下を抑制することができる。

Ｂ．第２の実施例：
図３は、第２の実施例の燃料電池システム１００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｂが第１の実施例における燃料電池システム１００Ａと異なる主な点は、水素ガス温度センサ４４と、カソード排ガスバイパス路９０と、流路切替弁９２と、制御部８０と、を備える点である。本実施例において、燃料電池システム１００Ａと同様の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

水素ガス温度センサ４４は、水素タンク２０内の水素ガスの温度を検出する温度センサである。水素ガス温度センサ４４としては、白金測温抵抗体・サーミスタ・熱電対等の接触式の温度センサや、サーモパイル等の非接触式の温度センサ等、周知の種々の温度センサを用いることができる。

カソード排ガスバイパス路９０は、カソード排ガス供給路６０から分岐して設けられ、カソード排ガス排出路４２に接続される流路である。燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスは、カソード排ガスバイパス路９０に流入すると、水素タンク用カソード排ガス流路４０を流通せず、カソード排ガス排出路４２を介して大気中に放出される。

流路切替弁９２は、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスを、水素タンク用カソード排ガス流路４０に流すか、カソード排ガスバイパス路９０に流すかを切り替える切替弁である。本実施例における流路切替弁９２が、請求項における流量調節部に相当する。

制御部８０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。制御部８０は、水素ガス温度センサ４４の計測信号を取得して、水素タンク２０内部の水素ガスの温度が氷点（例えば、１気圧で０℃）より高い場合には、流路切替弁９２を制御して、カソード排ガスをカソード排ガスバイパス路９０に流入させる。その結果、カソード排ガスは、水素タンク２０の表面を覆う水素タンク用カソード排ガス流路４０には供給されず、大気中に放出される。すなわち、本実施例において、水素タンク２０内の水素ガスの温度が氷点以下の場合には、カソード排ガスが水素タンク用カソード排ガス流路４０に供給され、水素タンク２０内の水素ガスの温度が氷点より高い場合には、カソード排ガスは、カソード排ガスが水素タンク用カソード排ガス流路４０に供給されず、排出される。

水素タンク２０内の水素ガスの温度が高いと、水素ガスを充填する場合に、十分に充填できないおそれがある。本実施例の燃料電池システム１００Ｂでは、水素タンク２０内の水素ガスの温度が氷点より高くなると、カソード排ガスが水素タンク用カソード排ガス流路４０に供給されずに排出されるため、それ以上、水素タンク２０内の水素ガスの温度が上昇しない。したがって、水素ガスの充填時における、充填量の不足を抑制することができる。

本実施例において、カソード排ガスを水素タンク用カソード排ガス流路４０に流すか、カソード排ガスバイパス路９０に流すかを切り替える流路切替弁９２を備える構成を例示したが、流路切替弁９２に代えて、水素タンク用カソード排ガス流路４０とカソード排ガスバイパス路９０とに流すカソード排ガスの流量の割合を調節する流量調節弁を備える構成にしてもよい。このような構成にした場合に、例えば、制御部８０が、水素ガス温度センサ４４の計測信号に基づいて、流量調節弁を調節して、水素タンク用カソード排ガス流路４０に流れるカソード排ガスの流量を調節する構成にしてもよい。

Ｃ．第３の実施例：
図４は、第３の実施例の燃料電池システム１００Ｃの構成を概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００Ｃが第１の実施例における燃料電池システム１００Ａと異なる主な点は、カソード排ガスに代えて、アノード排ガスを水素タンク２０の周囲に供給する点である。本実施例において、燃料電池システム１００Ａと同様の構成には、同一の符号を付して、その説明を省略する。

本実施例において、水素供給系は、さらに、アノード排ガス供給路３３と、水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｃと、凝縮水排出路４２Ｃと、を備える。本実施例において、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間が、水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｃとして機能する（図４）。すなわち、第１の実施例における燃料電池システム１００Ａでは、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間にカソード排ガスを供給していたのに対し、本実施例の燃料電池システム１００Ｃでは、水素タンクカバー２８と水素タンク２０との間の空間にアノード排ガスを供給している。

本実施例において、アノード排ガス路３４は、凝縮水排出路４２Ｃから分岐して設けられ、水素供給路３０に合流する。すなわち、燃料電池スタック１０から排出されたアノード排ガスは、アノード排ガス供給路３３を介して水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｃに供給された後、アノード排ガス路３４を介して水素供給路３０に戻されて、再び、燃料電池スタック１０に供給される。本実施例では、アノード排ガスが水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｃに供給されると、水素タンク用アノード排ガス流路４０Ｃ内のアノード排ガスと、水素タンク２０内の水素ガスとの間で熱交換が行われるため、アノード排ガスの温度が低下する。そうすると、アノード排ガス中の水が凝縮される。その結果、アノード排ガス中の水は、凝縮水として凝縮水排出路４２Ｃを介して排出され、水が除去された（乾燥した）アノード排ガスが、燃料電池スタック１０に再供給される。

したがって、本実施例の燃料電池システム１００Ｃによれば、アノード排ガスの熱を利用して水素タンク２０内の水素ガスの温度低下を抑制するとともに、アノード排ガス中の水を除去することができる。したがって、アノード排ガス中の水を除去するための気液分離器を別個に設けることなく、アノード排ガス中の水を除去することができるため、部品点数を減少させることができ、コスト低減に資することができる。

Ｄ．変形例：
この発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

（１）上記実施例では、水素タンク用カソード排ガス流路４０が水素タンク２０の全面を覆う構成を例示したが、一部を覆う構成にしてもよい。水素タンク用カソード排ガス流路４０が、水素タンク２０の一部を覆う構成の場合でも、その一部において、カソード排ガスと水素タンク２０内の水素ガスとの間で熱交換を行うことにより、水素タンク２０内の水素ガスの温度低下を抑制することができる。例えば、バルブ２６の周囲に水素タンク用カソード排ガス流路４０を設けることにより、シール部材の亀裂を抑制することができる。

（２）上記実施例において、アノード排ガスを燃料電池スタック１０に再供給する構成を例示したが、アノード排ガスを燃料電池スタック１０に再供給せず、大気中に放出する構成にしてもよい。また、水素タンク２０内の水素ガスの温度低下の抑制にアノード排ガスを利用しない場合には、アノードガスを燃料電池スタック１０における発電において全て消費して、アノード排ガスが排出されない構成（いわゆる、アノードデッドエンド）にしてもよい。

（３）上記実施例において、水素タンク用カソード排ガス流路４０は、水素タンクカバー２８と水素タンク２０とによって構成されているが、水素タンク用カソード排ガス流路４０の構成は、上記実施例に限定されない。例えば、パイプ状の流路を、水素タンク２０の周囲に巻きつける構成にしてもよい。

（４）上記実施例において、燃料電池スタック１０として固体高分子型燃料電池を用いる例を示したが、燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池等他の燃料電池を用いてもよい。高温の排ガスを排出する燃料電池を用いる場合には、水素タンク２０の周囲に排ガスを流す前に温度を低下させることが好ましい。

１０…燃料電池スタック
２０…水素タンク
２２…水素充填路
２４…レセプタクル
２６…バルブ
２８…水素タンクカバー
３０…水素供給路
３２…レギュレータ
３３…アノード排ガス供給路
３４…アノード排ガス路
３６…水素ポンプ
４０…水素タンク用カソード排ガス流路
４０Ｃ…水素タンク用アノード排ガス流路
４２…カソード排ガス排出路
４２Ｃ…凝縮水排出路
４４…水素ガス温度センサ
５０…空気供給路
５２…エアコンプレッサ
６０…カソード排ガス供給路
８０…制御部
９０…カソード排ガスバイパス路
９２…流路切替弁
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…燃料電池システム

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される水素ガスを高圧で貯留する水素ガス貯留容器と、
   前記水素ガス貯留容器の少なくとも一部を覆い、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる貯留容器用排ガス流路と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、
   前記貯留容器用排ガス流路に流す排ガスの量を調節する流量調節部を備える、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、
   前記水素ガス貯留容器内の水素ガスの温度を検出する水素ガス温度検出部を備え、
   前記流量調節部は、
   前記水素ガス温度検出部による前記水素ガスの温度が所定の値より大きい場合に、前記排ガスを前記貯留容器用排ガス流路に流さないように調節する、燃料電池システム。

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