JP2015088325A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から排出されるエアの圧力を有効に利用でき、かつ、サイズ、重量およびコストを低減することができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２から燃料循環路３には、未反応の液体燃料とともに、発電反応により生成された気体が排出される。この排出された液体燃料および気体は、燃料循環路３を通して、燃料循環タンク４に供給される。また、燃料電池２からエア流通路８には、エアとともに、燃料電池２内でクロスリークした液体燃料の蒸気が排出される。この液体燃料の蒸気を含むエアは、エア流通路８を通して、燃料循環タンク４に供給される。燃料循環タンク４には、排気路９が接続されている。排気路９には、リリーフバルブ１１が設けられている。燃料電池２の発電中、燃料循環タンク４には、エア流通路８からエアが流入するので、リリーフバルブ１１が閉じた状態では、燃料循環タンク４の内圧が上がる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池システムでは、たとえば、ポンプにより、燃料電池のアノードに液体燃料が供給され、エアコンプレッサにより、燃料電池のカソードにエアが供給される。アノードおよびカソードにそれぞれ液体燃料およびエアが供給されると、アノードとカソードとの間に、発電反応（電気化学反応）による起電力が発生する。

燃料電池には、燃料排出路が接続されており、燃料排出路には、燃料電池から未反応の液体燃料とともに、発電反応により生成された気体が排出される。この排出された液体燃料および気体は、燃料排出路から気液分離器に流入し、気液分離器において、互いに分離される。そして、液体燃料は、気液分離器から燃料循環タンクに排出され、気体は、気液分離器から排気処理部を経由して大気に放出される。燃料循環タンク内の液体燃料は、燃料電池に再び供給される。

燃料電池では、液体燃料がアノードからカソードにそれらの間に介在される電解質膜を透過して移動する、いわゆるクロスリークが発生する。そのため、燃料電池から排出されるエアには、液体燃料とその蒸気が含まれる。この液体燃料とその蒸気を含むエアは、気液分離器に流入し、気液分離器において、液体燃料とエアとに分離される。そして、液体燃料は、気液分離器から燃料循環タンクに排出され、エアは、気液分離器から排気処理部を経由して大気に放出される。

特開２０１３−１３４９８１号公報

燃料電池に供給されるエアは、エアコンプレッサにより作られた圧縮エアであり、比較的高い圧力を有している。そのため、燃料電池から排出されるエアは、高い圧力（エネルギー）を有しているが、その圧力は、何ら利用されることなく捨てられている。

また、燃料電池のアノード側およびカソード側にそれぞれ気液分離器が設けられているため、燃料電池システムのサイズ（体積）、重量およびコストが嵩んでいるという問題もある。

本発明の目的は、燃料電池から排出されるエアの圧力を有効に利用でき、かつ、サイズ、重量およびコストを低減することができる、燃料電池システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を経由する燃料循環路と、燃料循環路の一部を構成し、燃料循環路を循環する液体燃料を貯留する燃料循環タンクと、燃料循環路に設けられ、燃料循環タンクに貯留されている液体燃料を燃料電池に供給するための燃料循環ポンプと、燃料電池に供給されるエアが流通するエア供給路と、燃料電池から排出されるエアが流通し、当該流通方向の下流端が燃料循環タンクに接続されたエア流通路と、燃料循環タンクから気体を排出するための排気路と、排気路に設けられ、燃料循環タンク内の圧力を制御するためのバルブとを含む。

この構成によれば、燃料循環ポンプが駆動されると、燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて液体燃料が流通し、燃料電池に液体燃料が供給される。一方、エア供給路をエアが流通し、燃料電池にエアが供給される。これにより、燃料電池において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その発電反応による起電力が発生する。

燃料電池から燃料循環路には、未反応の液体燃料とともに、発電反応により生成された気体が排出される。この排出された液体燃料および気体は、燃料循環路を通して、燃料循環タンクに還流される。また、燃料電池からエア流通路には、エアとともに、燃料電池内でクロスリークした液体燃料とその蒸気が排出される。この液体燃料とその蒸気を含むエアは、エア流通路を通して、燃料循環タンクに供給される。

燃料循環タンクには、排気路が接続されている。排気路には、バルブが設けられている。燃料電池の発電中、燃料循環タンクには、エア流通路からエアが流入するので、バルブが閉じると、燃料循環タンクの内圧が上がり、バルブが開くと、燃料循環タンクの内圧が下がる。

燃料循環タンクの内圧が上がった状態では、その内圧により、液体燃料が燃料循環タンクから押し出される。よって、燃料循環ポンプの仕事量を低減させることができ、燃料循環ポンプによる電力の消費量を低減させることができる。

また、燃料循環タンクの内圧が上がると、燃料循環タンク内において、液体燃料の蒸気の凝縮が進み、エアおよび燃料電池で発生した気体と液体燃料とが分離される。よって、従来の燃料電池システムで燃料電池のアノード側およびカソード側にそれぞれ設けられていた気液分離器を省略することができる。その結果、燃料電池システムのサイズ、重量およびコストを低減することができる。

燃料電池システムは、燃料循環タンクの内圧を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段により検出される圧力に応じて、バルブの開閉を制御するバルブ制御手段とをさらに含む構成であってもよい。

この場合、バルブ制御手段は、バルブが閉じられた状態で、圧力検出手段により検出される圧力が第１圧力まで上がると、バルブを開き、バルブが開かれた状態で、圧力検出手段により検出される圧力が第２圧力まで下がると、バルブを閉じることが好ましい。第１圧力と第２圧力とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

バルブが閉じられた状態で、燃料循環タンクの内圧が第１圧力まで上がると、バルブが開かれて、燃料循環タンクの内圧が下げられる。これにより、燃料循環タンクの内圧の上昇による燃料電池の破損などを抑制することができる。また、燃料循環タンクの内圧が第２圧力まで下がると、バルブが閉じられて、燃料循環タンクの内圧が上げられる。これにより、燃料循環タンクの内圧が有効に利用されて、燃料循環タンクから液体燃料が押し出される。また、燃料循環タンク内での蒸気の凝縮が促進され、気体と液体燃料とが良好に分離する。

なお、液体燃料の種類によっては、燃料電池からエア流通路に排出されるエアに、水の蒸気が含まれる。

本発明によれば、燃料電池から排出されるエアの圧力を有効に利用して、燃料循環タンクから液体燃料を押し出すことができ、燃料循環ポンプによる電力消費量を低減することができる。また、燃料循環タンク内において、気体と液体燃料とを分離させることができるので、気液分離器を別途設ける必要がなく、燃料電池システムのサイズ、重量およびコストを低減することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの電気的構成の要部を示すブロック図である。 図２に示されるバルブの開閉制御の流れを示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。

燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）２を備えている。燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。このセルスタックは、セルの積層方向の両側から出力端子付の集電板によって挟まれ、さらにその両外側からエンドプレートに挟まれている。各セルは、電解質膜の両側にアノードおよびカソードを貼り合わせて一体化した膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。

また、燃料電池システム１は、燃料循環路３、燃料循環タンク４、燃料循環ポンプ５、エアコンプレッサ６、エア供給路７、エア流通路８、排気路９、排気処理器１０およびリリーフバルブ１１を備えている。

燃料循環路３の一端は、燃料電池２の燃料入口に接続され、その他端は、燃料電池２の燃料出口に接続されている。

燃料循環タンク４は、燃料循環路３の一部として、燃料循環路３の途中部に介装されている。燃料循環タンク４には、液体燃料（たとえば、ヒドラジン）が電解液（たとえば、水酸化カリウム水溶液）と混合された状態で貯留されている。

燃料循環タンク４には、原料補給管１２の一端が接続されている。原料補給管１２の他端は、原料タンク１３に接続されている。原料補給管１２の途中部には、原料ポンプ１４が介装されている。原料タンク１３には、電解液と混合されていない液体燃料（原料）が貯留されている。燃料循環タンク４に原料を補給する必要が生じると、原料ポンプ１４が駆動され、原料タンク１３から燃料循環タンク４に原料補給管１２を通して原料が供給される。

なお、以下では、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。

燃料循環ポンプ５は、燃料循環路３の途中部であって、燃料循環タンク４と燃料電池２の燃料入口との間に介装されている。

燃料循環ポンプ５が駆動されると、燃料循環タンク４に貯留されている液体燃料が燃料循環路３を燃料電池２の燃料入口に向けて送られ、燃料入口に液体燃料が供給される。そして、液体燃料は、燃料電池２内の燃料流路を流通して、燃料電池２の燃料出口から燃料循環路３に排出され、燃料循環路３を流通して、燃料循環タンク４に戻される。

エアコンプレッサ６の吐出口には、エア供給路７の一端が接続されている。

エア供給路７の他端は、燃料電池２のエア入口に接続されている。

エア流通路８の一端は、燃料電池２のエア出口に接続されている。エア流通路８の他端は、燃料循環タンク４に接続されている。エア流通路８の他端の接続部位は、たとえば、燃料循環タンク４の側壁の上部に設定されている。

エアコンプレッサ６が駆動されると、エアコンプレッサ６に吸込口からエア（大気）が取り込まれる。エアコンプレッサ６に取り込まれたエアは、エアコンプレッサ６で圧縮されて、圧縮エアとなり、エアコンプレッサ６からエア供給路７に送り出される。そして、圧縮エアは、燃料電池２内のエア流路を流通して、燃料電池２のエア出口からエア流通路８に排出される。エア流通路８に排出されたエアは、エア流通路８を流通して、燃料循環タンク４に流入する。

燃料電池２の燃料流路を液体燃料が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その発電反応による起電力が発生する。このとき、燃料電池２から燃料循環路３には、未反応の液体燃料とともに、アノードで生成された気体（たとえば、窒素ガス）が排出される。また、燃料電池２において、液体燃料がアノードからカソードにそれらの間に介在される電解質膜を透過して移動する、いわゆるクロスリークが発生する。液体燃料がヒドラジンである場合には、燃料電池２において、液体燃料とともに、アノードで生成される水がクロスリークする。そのため、燃料電池２からエア流通路８に排出されるエアには、液体燃料（および水）とその蒸気が含まれる。よって、燃料循環タンク４には、未反応の液体燃料、燃料電池２で生成された気体、エアおよびクロスリークした液体燃料（および水）とその蒸気が流入する。

排気路９の一端は、燃料循環タンク４に接続されている。排気路９の一端の接続部位は、たとえば、燃料循環タンク４の側壁であって、エア流通路８が接続された側壁と反対側の側壁の上部、好ましくは、エア流通路８の接続部位よりも上方の位置に設定されている。排気路９の一端は、燃料循環タンク４の天面に接続されていてもよい。

排気処理器１０には、排気路９の他端が接続されている。

リリーフバルブ１１は、排気路９を開閉可能に設けられている。

燃料電池２の発電中、燃料循環タンク４には、エア流通路８からエアが流入するので、リリーフバルブ１１が閉じた状態では、そのエアの流入に伴って、燃料循環タンク４の内圧が上がる。燃料循環タンク４の内圧が上がると、その内圧により、液体燃料が燃料循環タンク４から燃料循環路３に押し出される。また、燃料循環タンク４の内圧が上がると、燃料循環タンク４内において、液体燃料（および水）の蒸気の凝縮が進み、エアおよび燃料電池２で生成された気体と、未反応の液体燃料および凝縮した液体燃料（および水）とが分離される。液体燃料（および水）は、燃料循環タンク４の底部に集まり、気体は、燃料循環タンク４の上部に滞留する。

燃料循環タンク４の内圧が一定の圧力に達すると、リリーフバルブ１１が自動的に開き、燃料循環タンク４内の気体が排気路９に流出する。排気路９に流出した気体は、排気路９を流通し、排気処理器１０を経由して、排気処理器１０で有害成分が除去された後、大気に放出される。燃料循環タンク４内の気体が排気路９に流出し、燃料循環タンク４の内圧が一定の圧力以下に低下すると、リリーフバルブ１１が自動的に閉じ、燃料循環タンク４から排気路９への気体の流出が停止する。

以上のように、燃料循環タンク４の内圧が上がった状態では、その内圧が有効に利用されて、内圧により、液体燃料が燃料循環タンク４から燃料循環路３に押し出される。よって、燃料循環ポンプ５の仕事量を低減させることができ、燃料循環ポンプ５による電力の消費量を低減させることができる。

また、燃料循環タンク４内において、気体と液体燃料とを分離させることができるので、気液分離器を別途設ける必要がない。よって、燃料電池システム１のサイズ、重量およびコストを低減することができる。

なお、燃料循環タンク４内の上部には、図１に示されるように、液体燃料（および水）の蒸気の凝縮をさらに促進させるために、エア流通路８から流入するエアの流れを妨げる障壁部材１５が設けられていてもよい。

図２は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システム１の電気的構成の要部を示すブロック図である。

前述の実施形態では、リリーフバルブ１１を備えた構成を取り上げたが、リリーフバルブ１１に代えて、開閉制御可能なバルブ２１が排気路９に設けられてもよい。この場合、燃料電池システム１には、燃料循環タンク４の内圧を検出する圧力センサ２２と、圧力センサ２２により検出される内圧に基づいて、バルブ２１の開閉を制御するバルブ制御部２３とが設けられる。バルブ制御部２３は、たとえば、燃料電池システム１の全体を制御するＦＣ制御装置が実行するプログラム処理によりソフトウエア的に実現される機能処理部である。

図３は、バルブ２１の開閉制御の流れを示すフローチャートである。

燃料電池システム１の稼働中、バルブ制御部２３により、図３に示される開閉制御が繰り返し実行される。

開閉制御の開始前は、バルブ２１が閉じられている。開閉制御が開始されると、圧力センサ２２により検出される燃料循環タンク４の内圧が所定の第１圧力に上昇したか否かが調べられる（ステップＳ１）。燃料循環タンク４の内圧が第１圧力に上昇するまでは（ステップＳ１のＮＯ）、バルブ２１の閉状態が維持される。

燃料循環タンク４の内圧が第１圧力に上昇すると（ステップＳ１のＹＥＳ）、バルブ２１が開かれる（ステップＳ２）。バルブ２１が開かれると、燃料循環タンク４内の気体が排気路９に流出し、燃料循環タンク４の内圧が下がる。

その後は、圧力センサ２２により検出される燃料循環タンク４の内圧が所定の第２圧力まで低下したか否かが調べられる（ステップＳ３）。第２圧力は、第１圧力と同じ値であってもよいし、第１圧力よりも小さい値であってもよい。燃料循環タンク４の内圧が第２圧力に低下するまでは（ステップＳ３のＮＯ）、バルブ２１の開状態が維持される。

燃料循環タンク４の内圧が第２圧力まで低下すると（ステップＳ３のＹＥＳ）、バルブ２１が閉じられる（ステップＳ４）。バルブ２１が閉じられると、燃料循環タンク４から排気路９への気体の流出が停止し、燃料循環タンク４の内圧が上がる。燃料循環タンク４の内圧が上がると、その内圧により、液体燃料が燃料循環タンク４から燃料循環路３に押し出される。また、燃料循環タンク４内において、液体燃料（および水）の蒸気の凝縮が進み、エアおよび燃料電池２で生成された気体と、未反応の液体燃料および凝縮した液体燃料（および水）とが分離される。

よって、この実施形態に係る構成によっても、前述の実施形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。

以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。

たとえば、燃料電池システム１は、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載されてもよいし、家屋などに非常用電源として設置されてもよい。燃料電池システム１は、気液分離器を別途設ける必要がなく、小型かつ軽量に構成できるので、車両への搭載に適している。燃料電池システム１が車両に搭載される場合、従来の燃料電池システムが搭載された車両と比較して、車両全体の重量を低減することができ、車両の走行燃費を向上することができる。

また、燃料循環タンク４の内圧を検出する圧力検出手段の一例として、圧力センサ２２を例示したが、圧力検出手段は、圧力センサ２２に限らず、たとえば、燃料循環タンク４の内圧が一定の圧力以上でオン（またはオフ）になり、当該圧力未満でオフ（またはオン）になる圧力スイッチであってもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料循環路
４ 燃料循環タンク
５ 燃料循環ポンプ
７ エア供給路
８ エア流通路
９ 排気路
１１ リリーフバルブ（バルブ）
２１ バルブ
２２ 圧力センサ（圧力検出手段）
２３ バルブ制御部（バルブ制御手段）

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を経由する燃料循環路と、
   前記燃料循環路の一部を構成し、前記燃料循環路を循環する液体燃料を貯留する燃料循環タンクと、
   前記燃料循環路に設けられ、前記燃料循環タンクに貯留されている液体燃料を前記燃料電池に供給するための燃料循環ポンプと、
   前記燃料電池に供給されるエアが流通するエア供給路と、
   前記燃料電池から排出されるエアが流通し、当該流通方向の下流端が前記燃料循環タンクに接続されたエア流通路と、
   前記燃料循環タンクから気体を排出するための排気路と、
   前記排気路に設けられ、前記燃料循環タンク内の圧力を制御するためのバルブとを含む、燃料電池システム。
2. 前記燃料循環タンクの内圧を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段により検出される圧力に応じて、前記バルブの開閉を制御するバルブ制御手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記バルブ制御手段は、前記バルブが閉じられた状態で、前記圧力検出手段により検出される圧力が第１圧力まで上がると、前記バルブを開き、前記バルブが開かれた状態で、前記圧力検出手段により検出される圧力が第２圧力まで下がると、前記バルブを閉じる、請求項２に記載の燃料電池システム。

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