JP4126741B2

JP4126741B2 - 燃料電池装置の排気方法

Info

Publication number: JP4126741B2
Application number: JP36737797A
Authority: JP
Inventors: 宗久堀口; 剛一白石; 慎之高田; 正隆上野; 清市片平
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH11185783A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池装置に関する。更に詳しくは燃料排気ガスの排気の仕方の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の燃料電池は電解質膜を燃料極と空気極で挟持した構成であり、水素ガスを燃料ガスとして燃料極へ供給し、一方、空気を空気極へ供給して電解質膜を介して両者を反応させ、電気化学反応の進行に伴い電力を得ている。
【０００３】
燃料極へ供給された燃料ガスはこれが燃料極において完全に消費されることが好ましい。しかし、実際には燃料ガスとして水素ボンベから純水素を供給しても電池反応が進むにつれて、空気極より透過するＮ₂、Ｏ₂あるいは生成水により、電池の出力が不安定になってくる。
そこで従来では、燃料ガスを燃料電池の系外へ連続して、若しくは一定の間隔で排出していた。
【０００４】
しかしながら、水素ガスは活性が高いので、このように水素ガスを垂れ流すと、燃料電池の系外で水素ガスが好ましくない反応を引き起こすおそれがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はかかる課題を解決すべくなされた。請求項１に記載の発明は次の通りである。即ち、
燃料電池本体の燃料極から直接排気される燃料排気ガスを、排気口から排気すると同時にファンにより機械的に発生された空気流に巻き込ませる、ことを特徴とする燃料電池装置の排気方法である。
【０００６】
【発明の作用・効果】
請求項１に記載の発明によると、燃料極から直接排気される燃料排気ガスが排気口から排気されると同時にファンにより機械的に発生された空気流に巻き込まれる。そこで、燃料排気ガスに含まれる水素ガスは空気流に沿って拡散され、排気口付近の水素濃度は限りなくゼロに近くなる。従って、燃料排気ガスに含まれる水素ガスが原因となる異常反応は発生しなくなる。
【０００７】
【構成の詳細な説明】
上記において、燃料ガス成分を含んだ排気ガスには燃料極から直接排気される燃料排気ガスと空気極から排気される空気排気ガスとがある。後者は燃料排気ガスを一旦空気極に導入するタイプの燃料電池装置の場合である。
【０００８】
空気流はファンなどによって機械的に発生される。この機械的空気流発生手段は排気口に対する空気流を発生させるために専用に設けることもできるが、冷却系のラジエータファンを利用することが装置の部品点数削減の見地から好ましい。その他、空気排気ガスから水分を分離する凝縮器のファンを利用すること、回転する車輪等を利用することができる。
【０００９】
空気流は温度差によっても空気の対流として発生する。従って、加湿器などの大気と温度差がある部品に向けて、若しくはその近傍に排気口を配置すれば、当該排気口より排出される空気は対流する空気に巻き込まれて拡散されることとなる。
【００１０】
【実施例】
次ぎに、この発明の参考例および実施例を図面を参照にして説明する。
（参考例）
図１は参考例の燃料電池装置１の概略構成を示す。図２は燃料電池本体１０の基本ユニットを示す。
【００１１】
図１に示すように、この装置１は燃料電池本体１０、燃料ガスとしての水素ガス供給系２０、空気供給系３０、水供給系４０から概略構成される。
【００１２】
燃料電池本体１０の単位ユニットは空気極１１と燃料極１３とで固体高分子電解質膜１２を挟持した構成である。実際の装置ではこの単位ユニットが複数枚積層されている（燃料電池スタック）。空気極１１の上方及び下方には空気マニホールド１４、１５が形成されている。上方のマニホールド１４にはノズル４１を取り付けるための取付孔が形成されている。一方、下側の空気マニホールド１５は滴下した水を効率よく排出できるものとする。
【００１３】
図２に示すように、上記空気極１１−固体高分子電解質膜１２−燃料極１３の単位ユニットは一対のカーボン製コネクタ板１６、１７で挟持されている。空気極１１に対向するコネクタ板１６の面には空気を流通させるための溝１８が複数条形成されている。各溝１８は上下方向に形成されてマニホールド１４、１５を連通している。その結果、ノズル４１より供給される霧状の水は当該溝１８に沿って空気極１１の下側部分まで達する。
同様に、燃料極１３に対向するコネクタ板１７の面には水素ガスを流通させるための溝１９が形成されている。参考例ではこの溝１９を水平方向に複数条形成した。
【００１４】
空気極１１には水が供給されるのでこれは耐水性のある材料で形成される。また、そこに水の膜ができると空気極１１の実効面積が減少するので空気極１１の材料には高い撥水性も要求される。かかる材料として、カーボンクロスを基材として（Ｃ＋ＰＴＦＥ）を塗りこんだガス拡散層を使用した。
固体高分子電解質膜１２には汎用的なナフィオン（商品名：デュポン社）の薄膜を使用した。
尚、膜の厚さは空気極側から生成水の逆浸透が可能であればその数値は特に問わない。
燃料極１３は空気極１１と同じ材料で形成されている。部品の共通化の為である。
空気極１１、及び燃料極１３において電解質膜１２と接触する方の面には、ある程度の厚さでもって酸素と水素の反応を促進するために用いられる周知の白金系触媒がそれぞれ均一に分散されていて、空気極１１及び燃料極１３における触媒層として形成される。
【００１５】
水素ガス供給系２０の水素源２１として、この参考例では水素吸蔵合金からなる水素ボンベを利用した。その他、水／メタノール混合液等の改質原料を改質器にて改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成させ、この改質ガスをタンクに貯留しておいてこれを水素源とすることもできる。勿論、燃料電池装置１を室内で固定して使用する場合には、水素配管を水素源とすることができる。
水素源２１と燃料極１３とは水素供給調圧弁２３を介して水素ガス供給路２２により接続されている。調圧弁２３は燃料極１３に供給する水素ガスの圧力を調整するものであり、汎用的な構成のものを利用できる。
【００１６】
燃料極１３からの排気ガスは燃料排気ガス路２４を通じて空気導入路３１に供給されここで空気と混合される。空気導入路３１に導入された燃料排気ガスは空気排気ガス循環路３５が空気導入路３１と合流する部分で更に混合される。燃料排気ガス路２４にはこれを開閉するための水素排気弁２５が配設されている。図中の符号２７は燃料排気ガス中の水素ガス成分の濃度を検出するセンサであり、符号２９は燃料排気ガスの流量を検出する流量計である。
なお、燃料排気ガス路２４の吹き出し口を、ノズル４１の噴出口若しくは空気導入路３１の吹き出し口に向ければ、そこで撹拌・混合が行われるので、この場合、燃料排気ガスを空気マニホールド１４に直接導入することが可能となる。
【００１７】
燃料極１３に供給された水素ガスは発電反応に利用されてその大部分が消費されるが、なお残存する余剰水素ガスは排気ガス路２４を流れ、排気弁２５を介して空気導入路３１へ導入される。そしてここで予混合され分散の高い状態で空気極１１に到達する。
このようにして空気極１１に供給された余剰水素ガスは触媒上で燃焼して水に転化する。この水は電解質膜１２に供給される。このようにして、通常の電池反応による生成水と余剰水素ガスの燃焼による回収水が利用できる燃料電池装置１では、水素ガス系２０及び空気系３０の各ガス路に従来型の加湿器が何ら必要とされない。
【００１８】
空気極１１にはブロア３７によって大気中より空気が供給される。このブロア３７はモータ３８によって駆動制御される。図の符号３１は空気の導入路であり空気極１１のマニホールド１４に連結されている。下側のマニホールド１５には空気極１１を通過した空気を排気するための空気排気ガス路３２が連結され、水を分離するセパレータ３３を介して空気排気ガスは循環路３５及び排気口３６へ送られる。空気排気調圧弁３４の開度により循環路３５と排気口３６とへ分配される空気排気ガスの割合が調節される。空気排気ガスを循環させるのは、空気極１１へ導入された余剰水素ガスを完全に燃焼させるためである。
循環路３５及び弁３４を省略し、空気排気ガスをそのまま大気へ排出する構成とすることもできる。
【００１９】
この空気排気ガスはラジエータファン３９へ向けて排気し、これを大気中へ拡散させる。これにより、空気排気ガスはラジエータファン３９の発生する空気流に巻き込まれ、この空気流に沿って拡散する。従って、空気排気ガスが一カ所に滞留することがなく、もってその中に含まれる水素ガス成分の濃度が可及的に小さくなり、これが好ましくない反応を引き起こすことは殆どなくなる。
【００２０】
凝集器３３で分離された水はタンク４２へ送られる。タンク４２には水位センサ４３が付設される。この水位センサ４３により、タンク４２の水位が所定の値以下となると、アラーム４４が点滅してオペレータに水不足を知らせる。
参考例の水供給系４０では、タンク４２から水供給路４５がポンプ４６、水圧センサ４７及び調圧弁４８を介して、ノズル４１まで連結されている。調圧弁４８により所望の水圧に調節された水はノズル４１から吹き出して空気マニホールド１４内では霧状になる。そして、吹き出し時の運動量（初速）、霧の自重および空気流等によって空気極１１の実質的な全面に霧状の水が供給される。
【００２１】
このようにして空気極１１の表面に供給された水はそこで周囲の空気から潜熱を奪って蒸発する。これにより、電解質膜１２の水分の蒸発が防止される。
また、空気極１１へ供給された水は空気極１１からも潜熱を奪うので、これを冷却する作用もある。特に、始動時に水を供給すると、異常反応により発生するかもしれない冷却器（図示せず）の定格を超えた熱を冷却し、燃料電池本体がダメージを受けることを予防できる。
【００２２】
図中の符号５０は電圧計であり、空気極１１と燃料極１３との間の電圧を計測する。
【００２３】
次ぎに、図３及び以降の図面を参照にして、参考例の燃料電池装置１の動作を説明する。
制御装置７０及びメモリ７３は燃料電池装置１のコントロールボックス（図１に示されていない）に収納されている。メモリ７３にはコンピュータからなる制御装置７０の動作を規定するコントロールプログラム及び各種制御を実行するときのパラメータやルックアップテーブルが収納されている。
【００２４】
まず、水素ガス供給系２０の動作について説明する。
起動時には、水素排気弁２５を閉に保持しておいて、爆発限界以下の所定の濃度で水素ガスが燃料極１３に供給されように水素供給調圧弁２３を調整する。
排気弁２５を閉じた状態で燃料電池装置１を運転すると、空気極より透過するＮ₂、Ｏ₂あるいは生成水の影響で、燃料極１３で消費される水素の分圧は反対に徐々に低下するため、これに伴って出力電圧も低下し、安定した電圧が得られなくなる。
【００２５】
そこで、予め定めれた規則に基づいて弁２５を解放して水素分圧の低下したガスを排気し、燃料極１３の雰囲気ガスをリフレッシュする。
予め定めれた規則はメモリ７３に保存されており、排気弁２５の開閉及び調圧弁２３の調整は、制御装置７０が当該規則をメモり７３から読み出して、実行する。
【００２６】
この参考例では、電圧計５０で出力電圧をモニタし、出力電圧が所定の閾値を超えて低下したら所定の時間（例えば１秒間）弁２５を解放する。
あるいは、弁２５を閉とした状態で燃料電池装置１を運転したときに出力電圧が低下し始める時間間隔を予め計測しておき、その時間間隔と実質的に同一又は若干短い周期で排気弁２５を解放するように、排気弁２５を間欠的に開閉制御する。
【００２７】
次ぎに、空気供給系３０の動作について説明する。
モータ３８は通常一定の出力で回転し、ブロア３７により外気が一定の圧力で空気マニホールド１４へ供給される。一方、空気排気ガスの一部は空気排気調圧弁３４の開度に応じて系外へ排出され、残部は循環路３５を通って循環される。即ち、空気排気ガスには水素が含まれるのでこの水素を燃焼させることにより生成される水分が電解質膜１２を湿潤状態を維持するのに適当な量となるよう、換言すれば燃料電池本体の水分バランスが最適となるように調圧弁３４の開度が調節される。
【００２８】
空気排気調圧弁３４の開度の調節も予め定められた規則に基づき制御装置７０により制御される。予め定められた規則はメモリ７３に保存されている。
この参考例では、燃料電池本体１０の水分バランスは主として後述する水供給系４０により調整されるので、調圧弁３４の開度は固定しておいても良い。
【００２９】
水素排気弁２５が開かれたとき、空気供給系３０は図４に示すように動作する。先ず、ステップ１で燃料排気ガス中の水素ガス成分の濃度を水素濃度センサ２７により検出する。次ぎにステップ３で燃料排気ガスの流量を流量計２９により検出する。これらのステップ１及び３で得られた検出結果に基づいて最適な空気導入量を演算する（ステップ５）。即ち、水素ガス濃度が高かったり若しくは燃料排気ガスの流量が多く、結果として多量の水素ガスが空気に混合され得るときにはモータ３８の出力を上げて空気の導入量を増やし、もって空気導入路３１における空気の流量を速める。これにより空気と水素ガスとの予混合が促進される（ステップ７）。
【００３０】
なお、ステップ５における演算はメモリ７３に予め保存されている規則に基づき演算装置７０が実行する。この規則の一例として水素ガス濃度及び燃料排気ガスの流量をパラメータとして空気導入量が規定される方程式がある。又はこれらパラメータのルックアップテーブルより空気導入量を求めることもできる。
【００３１】
この参考例では燃料排気ガス中の水素ガス成分の濃度及び燃料排気ガスの流量に基づいて空気導入量を演算したが、どちらか一方の値のみを検出しその検出結果から空気導入量を演算しても良い。
【００３２】
次ぎに、水供給系４０の動作について説明する。
タンク４２の水がポンプ４６で圧送される。そして、噴射圧力調整弁４８でその圧力が調整されてノズル４１から噴霧される。これにより、水が液体の状態（霧の状態）で空気極１１に供給されることとなる。
【００３３】
水の供給量は予め定められた規則に基づき制御装置７０により制御される。予め定められた規則はメモリ７３に保存されている。
この参考例では、図５に示すとおり、まず空気極１１−燃料極１３間の出力電圧がモニタされる（ステップ１１）。そして、出力電圧に基づき最適水噴射量が演算される（ステップ１３）。この演算は所定の方程式を用いるか、若しくは所定のルックアップテーブルを準備しておいて（メモリ７３に保存しておく）、これより求めることができる。通常は、出力電圧が所定の閾値電圧を超えて小さくなったとき、若しくは出力電圧の変動幅が所定の閾値を超えたときに、水供給系４０はその作動を開始する。
【００３４】
次ぎに、ステップ１５において最適水噴射量に対応する最適水圧力を演算する。例えば、水噴射量と水圧力とは図６に示す関係があるので、この関係が方程式若しくはルックアップテーブルのかたちでメモり７３に予め保存されている。
この参考例では、ポンプ４６を一定のパワーで運転しておいて循環路４９の調圧弁４８の開度によりノズル４１の水圧力を調節している。即ち、調圧弁４８の開度が大きく（小さく）なればノズル４１の水圧力は小さく（大きく）なる。
【００３５】
従って、ステップ１７では水圧センサ４７によりノズル４１にかかる水圧力を検出し、フィードバック制御によりその水圧力が所望の値（最適水圧力）となるように調圧弁４８を調節する（ステップ１９）。
【００３６】
その他、所定の時間経過（例えば５〜１０秒）ごとに、一定の水圧で水供給系４０を稼働させても良い。
【００３７】
（実施例）
この実施例の燃料電池装置１０１を図７に示す。この装置１０１では燃料排気ガス路２４は空気導入路３１に合流せず、そのまま装置１０１の系外へ排出されている。そして排出口１０３がラジエータファン３９に対向している。このように構成された燃料電池装置１０１によれば、排出口１０３から排出された燃料排気ガスはラジエータファン３９の発生する空気流に巻き込まれ、この空気流に沿って拡散する。従って、空気排気ガスが一カ所に滞留することがなく、もってその中に含まれる水素ガス成分の濃度が可及的に小さくなり、これが好ましくない反応を引き起こすことは殆どなくなる。
【００３８】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の参考例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。
【図２】同じく燃料電池本体の基本構成を示す断面図である。
【図３】同じく燃料電池装置の制御系を示す模式図である。
【図４】同じく空気供給系の動作を示すフローチャートである。
【図５】同じく水供給系の動作を示すフローチャートである。
【図６】同じく水噴射量と水圧力の関係を示すグラフ図である。
【図７】この発明の実施例の燃料電池装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１０１燃料電池装置
１０燃料電池本体
１１空気極
１２電解質膜
１３燃料極
２０水素供給系
２５水素排気ガス路
３０空気供給系
３５空気排気ガス循環路
３６、１０３排気口
３９ラジエータファン
４０水供給系

Claims

燃料電池本体の燃料極から直接排気される燃料排気ガスを、排気口から排気すると同時にファンにより機械的に発生された空気流に巻き込ませる、ことを特徴とする燃料電池装置の排気方法。