JP2013037826A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、大型の三方弁を不要にするとともに、所望の運転状態を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が積層された燃料電池１４と、前記燃料電池１４が収容される燃料電池ボックス１５、前記燃料電池１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置３２とを備える。酸化剤ガス供給装置３２は、エアポンプ３４と、前記エアポンプ３４と燃料電池１４の酸化剤ガス入口とに接続される酸化剤ガス供給路４０と、前記燃料電池１４の酸化剤ガス出口に一端が接続され、他端が燃料電池ボックス１５の外部に露呈する酸化剤ガス排出路４２と、前記酸化剤ガス排出路４２に配置されるベンチュリ部材４８と、一端が前記ベンチュリ部材４８の吸引口４８ａに連通するとともに、他端が前記燃料電池ボックス１５内に開放される換気流路５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有するとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。

燃料電池は、通常、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

この種の燃料電池では、特に燃料電池電気自動車に搭載される際に、燃料電池ボックス内に収容された状態で搭載される場合がある。その際、燃料電池ボックス内には、燃料電池を収容するための燃料電池室が形成されており、この燃料電池室内を換気するための換気装置が用いられている。この換気装置は、例えば、燃料電池の水素ラインから水素が進入したことを検出すると、その水素を換気ファンによって燃料電池ボックスの外部に排出する機能を有している。

また、車載用燃料電池では、車体床下やフロントボックス等の限定されたスペース内を燃料電池室として燃料電池を搭載する場合がある。このため、燃料電池が配置されるスペース内、すなわち、燃料電池室内では、上記の燃料電池ボックス内と同様に換気する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置が知られている。この燃料電池ボックス換気装置は、図３に示すように、三方弁１、換気配管２、換気ファン３、排出口４、水素検出センサ５及び制御装置６によって構成されている。

そして、燃料電池ボックスＢの内部の水素が、水素検出センサ５により検出されると、その検出値に応じて三方弁１がスーパーチャージャ７から燃料電池Ｖに供給されている空気を、換気配管２から前記燃料電池ボックスＢ内に放出させている。

特開２００３−１３２９１６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池ボックス換気装置により換気処理をしながら、燃料電池Ｖによる発電を継続する場合に、三方弁１では、発電側のエア流路、すなわち、前記燃料電池Ｖに供給されるエア流量が減少してしまう。

例えば、この種の三方弁１では、燃料電池Ｖと換気配管２とに分配されるエア流量が同量となり、燃料電池電気自動車の走行に影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、大型の三方弁を不要にするとともに、所望の運転状態を確保することが可能な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、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有するとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給装置は、コンプレッサと、前記コンプレッサと燃料電池の酸化剤ガス入口とに接続される酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池の酸化剤ガス出口に一端が接続され、他端が燃料電池ボックスの外部に露呈する酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス排出路に配置されるベンチュリ部材と、一端が前記ベンチュリ部材の吸引口に連通するとともに、他端が前記燃料電池ボックス内に開放される換気流路とを備えている。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池ボックスには、外部空気を導入するための大気吸い込み口が設けられることが好ましい。

本発明では、コンプレッサから酸化剤ガス供給路に吐出された酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口から燃料電池の内部に供給される。そして、カソード電極に供給されて反応に使用された後、未反応の酸化剤ガスを含む酸化剤排ガスは、酸化剤ガス出口から酸化剤ガス排出路に排出される。酸化剤ガス排出路には、ベンチュリ部材が配置されており、前記酸化剤ガス排出路に沿って排出される酸化剤排ガスの圧力の作用下に、前記ベンチュリ部材の吸引口が吸引される。

その際、ベンチュリ部材の吸引口には、換気流路の一端が連通するとともに、前記換気流路の他端が燃料電池ボックス内に開放されている。このため、燃料電池ボックス内の水素は、換気流路を通ってベンチュリ部材の吸引口に強制的に排出され、前記燃料電池ボックス内の換気が行われる。

これにより、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置の概略説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が水平方向又は重力方向に積層（スタック）される燃料電池１４を備え、前記燃料電池１４は、燃料電池ボックス１５に収容される。燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６が、カソード側セパレータ１８及びアノード側セパレータ２０間に挟持される。電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード電極２４及びアノード電極２６とを備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成されている。

カソード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、酸化剤ガス通路２８が形成される。アノード側セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、燃料ガス通路３０が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１８とアノード側セパレータ２０との間には、冷却媒体通路（図示せず）が形成される。

燃料電池１４には、酸化剤ガス供給装置３２が接続される。酸化剤ガス供給装置３２は、エアポンプ３４を備える。エアポンプ３４は、モータ３６にコンプレッサ３８が一体化される。

エアポンプ３４には、酸化剤ガス供給路４０の一端が接続される。酸化剤ガス供給路４０の他端は、燃料電池１４に接続されて酸化剤ガス通路２８の入口（酸化剤ガス入口）側に連通する。

燃料電池１４には、酸化剤ガス通路２８の出口（酸化剤ガス出口）側に連通して、酸化剤ガス排出路４２の一端が接続される。この酸化剤ガス排出路４２の他端は、燃料電池ボックス１５の外部で加湿器４４に接続される一方、酸化剤ガス供給路４０は、前記加湿器４４に接続される。酸化剤ガス供給路４０を流通する酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路４２を流通する使用済みの高加湿及び高温の酸化剤排ガスとの間で水分及び熱交換を行う。酸化剤ガス供給路４０の途上には、エアポンプ３４から吐出された高温の酸化剤ガスを冷却するためのインタークーラ４６が配設される。

酸化剤ガス排出路４２には、ベンチュリ部材４８が配置される。ベンチュリ部材４８の吸引口４８ａには、換気流路５０の一端が接続されるとともに、前記換気流路５０の他端が燃料電池ボックス１５内の燃料電池室５２に開放される。ベンチュリ部材４８は、酸化剤ガス排出路４２に沿って流通する酸化剤排ガスが、流路を絞った部位（ベンチュリ部）を通過する際に、流速の増加による圧力低下を惹起し、吸引口４８ａから吸気を行う。

燃料電池１４は、燃料電池ボックス１５内に形成された燃料電池室５２に配設される。燃料電池ボックス１５内には、燃料電池１４及び水素濃度を検出するための水素検出センサ５４が収容される。水素検出センサ５４は、燃料電池室５２の上端部側に配置される。燃料電池ボックス１５には、壁面上方側に外部空気を導入するための大気吸い込み口５６が設けられる。

燃料電池システム１０は、制御部５８により運転制御される。なお、燃料電池１４には、図示しないが、燃料ガス供給装置及び冷却媒体供給装置が接続される。燃料ガス供給装置は、例えば、エゼクタ、水素ポンプ、減圧弁及び開閉弁等を備えており、燃料電池ボックス１５内に配置してもよい。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０が搭載されている燃料電池電気自動車（図示せず）の通常走行時には、酸化剤ガス供給装置３２では、エアポンプ３４の駆動作用下に、酸化剤ガス供給路４０から燃料電池１４の酸化剤ガス通路２８に酸化剤ガス（空気）が供給される。一方、図示しない燃料ガス供給装置では、高圧水素タンク等から燃料電池１４の燃料ガス通路３０に燃料ガス（水素ガス）が供給される。

従って、各発電セル１２では、カソード電極２４に供給される酸化剤ガス中の酸素と、アノード電極２６に供給される燃料ガス中の水素とが、電気化学的に反応して発電が行われる。このため、燃料電池１４から図示しない走行モータに電力が供給され、燃料電池電気自動車の走行が行われる。

燃料電池１４から排出される酸化剤排ガス（未使用酸化剤ガスを含む）は、酸化剤ガス排出路４２から加湿器４４に供給される。このため、酸化剤ガス供給路４０を流通する酸化剤ガスは、酸化剤排ガスを介して加湿及び加温された後、燃料電池１４に供給される。

この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス排出路４２に、加湿器４４の下流に位置してベンチュリ部材４８が配置されている。従って、酸化剤ガス排出路４２に沿って排出される酸化剤排ガスの圧力の作用下に、ベンチュリ部材４８の吸引口４８ａが吸引されている。

その際、ベンチュリ部材４８の吸引口４８ａには、換気流路５０の一端が連通するとともに、前記換気流路５０の他端が燃料電池ボックス１５内に開放されている。これにより、燃料電池ボックス１５内の水素は、換気流路５０を通ってベンチュリ部材４８の吸引口４８ａに強制的に排出される一方、前記燃料電池ボックス１５内には、大気吸い込み口５６から外部空気が導入されている。このため、燃料電池ボックス１５内の換気が良好に遂行される。

従って、第１の実施形態では、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができるという効果が得られる。

また、制御部５８は、水素検出センサ５４を介して燃料電池室５２に規定以上の水素濃度を検出した際には、エアポンプ３４による供給空気量を一時的に増量させる。これにより、ベンチュリ部材４８による吸引力が増加され、燃料電池室５２の水素が迅速且つ確実に排出されるという利点がある。

しかも、燃料電池ボックス１５内には、例えば、酸化剤排ガスを直接換気気体として導入することがない。このため、酸化剤排ガスに含まれる水蒸気により閉塞空間である燃料電池室５２の内部環境が低下することを抑制することが可能になる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム７０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム７０は、酸化剤ガス供給装置７２を備える。この酸化剤ガス供給装置７２は、酸化剤ガス排出路４２の途上に、具体的には、加湿器４４とベンチュリ部材４８との間に、希釈装置７４が配置される。希釈装置７４には、燃料ガス排出路７６の一端が接続されるとともに、前記燃料ガス排出路７６の他端は、燃料電池１４の燃料ガス通路３０の出口側に連通する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池１４に供給された燃料ガスは、燃料ガス通路３０を流通して発電反応に使用された後、未使用の燃料ガスを含む燃料排ガスとして燃料ガス排出路７６に排出される。燃料排ガスは、燃料ガス排出路７６を通って希釈装置７４に導入され、この希釈装置７４内で酸化剤ガスと混合されて水素濃度が低下した状態で、外部に排出される。

その際、第２の実施形態では、燃料電池ボックス１５内の水素は、換気流路５０を通ってベンチュリ部材４８の吸引口４８ａに強制的に排出されている。このため、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができる等、上記の第１実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０…燃料電池システム １２…発電セル
１４…燃料電池 １５…燃料電池ボックス
１６…電解質膜・電極構造体 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…酸化剤ガス通路 ３０…燃料ガス通路
３２、７２…酸化剤ガス供給装置 ３４…エアポンプ
３６…モータ ３８…コンプレッサ
４０…酸化剤ガス供給路 ４２…酸化剤ガス排出路
４４…加湿器 ４６…インタークーラ
４８…ベンチュリ部材 ４８ａ…吸引口
５０…換気流路 ５２…燃料電池室
５６…大気吸い込み口 ５８…制御部
７４…希釈装置 ７６…燃料ガス排出路

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有するとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記酸化剤ガス供給装置は、コンプレッサと、
   前記コンプレッサと前記燃料電池の酸化剤ガス入口とに接続される酸化剤ガス供給路と、
   前記燃料電池の酸化剤ガス出口に一端が接続され、他端が前記燃料電池ボックスの外部に露呈する酸化剤ガス排出路と、
   前記酸化剤ガス排出路に配置されるベンチュリ部材と、
   一端が前記ベンチュリ部材の吸引口に連通するとともに、他端が前記燃料電池ボックス内に開放される換気流路と、
   を備えることを特徴とす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、前記燃料電池ボックスには、外部空気を導入するための大気吸い込み口が設けられることを特徴とする燃料電池システム。

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