JP4288721B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタックに水を供給し、また排出ガスから水を回収して再利用する水供給系の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今汎用されるＰＥＭ型の燃料電池本体は、燃料極と空気極との間に高分子固体電解質膜が挟持された構成である。
燃料極及び空気極はともに触媒物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持すると共に反応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極器材からなる。
燃料極と空気極の更に外側には、反応ガスを外部より電極内に均一に供給するとともに、余剰ガスを外部に排出するためのガス流通溝を設けたセパレータ（コネクタ板）が積層される。このセパレータはガスの透過を防止するとともに発生した電流を外部へ取り出すための集電を行う。
【０００３】
上記燃料電池本体とセパレータとで燃料電池の単位ユニットが構成される。実際の燃料電池システムでは、かかる単位ユニットの多数個が直列に積層されてスタックが構成される。
燃料電池本体では、一般的に発生電力にほぼ相当する熱量の熱が発生する。従って、燃料電池本体が過度にヒートアップすることを防止するために、スタックに冷却板を内蔵させる。この冷却板には空気や水などの冷却媒体が流通されてスタックが冷却され、もって燃料電池本体が所望の温度に維持される。
【０００４】
このような構成の燃料電池の起電力は、燃料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い電子が発生し、この電子を外部回路に取り出すことにより、発生される。
即ち、燃料極（アノード）にて得られる水素イオンがプロトン（Ｈ^＋)の形態で、水分を含んだ電解質膜中を空気極（カソード）側に移動し、また燃料極（アノード）にて得られた電子が外部負荷を通って空気極（カソード）側に移動して酸化ガス（空気を含む）中の酸素と反応して水を生成する、一連の電気化学反応による電気エネルギーを取り出すことができるからである。
【０００５】
上記において、プロトンが燃料極より空気極に向かって電解質膜中を移動する際に水和の状態をとるため、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。
よって、良好なイオン伝導を保つために固体電解質膜に水分を供給する必要があり、そのために燃料ガス及び酸化ガスを加湿して、水分を供給している。
また、アノード電極側では、電極反応を適正に継続させるために、より水素ガスの湿潤状態を維持する必要があり、燃料ガスの加湿方法については従来から様々な提案がある。
【０００６】
他方、プロセス空気を加湿する方法は従来から提案されているが、反応熱により昇温されている（通常８０℃程度である）空気極を確実に加湿するには、常温のプロセス空気を加湿器において予め加温しておく必要がある。飽和水蒸気量を空気極の周囲の環境と一致させるためである。そのため、加湿器は水の供給機能とプロセス空気の昇温機能とが求められる複雑な構成であった。
特開平７−１４５９９号公報に開示の燃料電池装置では、空気導入管に噴射ノズルを設けて加湿に必要な水がプロセス空気中に噴霧される。この噴射ノズルが圧縮機の上流側にある場合、噴霧された水はプロセス空気の圧縮にともなう熱で蒸発され、水蒸気の状態で空気極を加湿する。また、この装置でも、必要に応じて空気の加湿装置が更に付加される。
いずれにせよ従来の技術では空気へ水蒸気を混入させることにより電解質膜へ水分を補給していた。
【０００７】
更には、特開平９−２６６００４号公報に示される燃料電池装置では、排出される水素ガスの濃度を下げるため、燃料極から排出されるガス（この排気ガスには未反応の水素ガスが含まれている）を空気極側へ導入してその中の水素ガスを空気極において燃焼させている。当該燃焼において反応水（回収水）が生成されるため、このような燃料電池装置では加湿器を特に付加しなくても、電解質膜へ充分な水分を補給できることとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
更なる研究により以下の事項が解った。
所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、プロトンが空気極において空気中の酸素と反応して生成された水が、電解質膜中を空気極から水素極へ逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好適な湿潤状態に維持することができるため、水素極（アノード電極）側で水素（燃料ガス）を加湿する必要がない。
しかし、空気極（カソード電極）側において、導入される空気（酸化ガス）流により、電解質膜の空気極側の水分が蒸発するため、電解質膜の空気極側の水分が不足することが解った。
【０００９】
そこで本出願人は特願平１０―６７８８５号において、燃料電池本体の空気極に水が液体の状態で供給される、水直噴タイプの燃料電池システムを提案した。
このように構成された燃料電池システムによれば、空気極の表面に供給された水が優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極側の電解質膜から水分の蒸発することが防止される。従って、電解質膜はその空気極側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。よって、燃料電池システムの性能及び／又は耐久性が向上する。
【００１０】
さらには、水を液体の状態で空気極に供給すると、空気極の表面に供給された水は空気極自体からも熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池本体の温度を制御できる。即ち、燃料電池スタックへ冷却板を付加しなくても当該燃料電池本体を冷却することができる。
【００１１】
このようにして空気極に供給された水は空気とともに燃料電池スタックから排出され、水凝縮器において回収されて再利用される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池スタックに水を液体の状態で供給し、排出空気中から当該供給された水を回収する水供給系は、閉じられた系である。
一方、既述のように発電反応が進行すると反応水が生成される。この水が水供給系に加わると、理論上水供給系中において水量が増加する。勿論、物理的に完全に閉じられた系を得ることは不可能であるので、水供給系中の水の幾らかは消失する。しかし、反応水の生成量如何によっては水供給系中の水量が過剰となりかねない。
そこでこの発明は、水供給系中の水量を自動的に調節してこれを常に所望量に維持することを目的とする。
【００１３】
この発明は上記目的を達成するものであり、その構成は次の通りである。
燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックから排出されるガス中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収装置と、
該水回収装置で回収された水を貯蔵するタンクと、
該タンクの水を前記燃料電池スタックに供給する水供給手段と、
該タンクの水の量を検出するセンサと、
該センサの出力に応じて前記水回収装置のオン、オフを制御する制御手段と、
を備えてなる、燃料電池システム。
【００１４】
このように構成されたこの発明の燃料電池システムによれば、タンクの水量に応じて水回収装置のオン、オフが制御される。従って、タンクの水量、即ち水供給系の水量が過剰になる前に水回収装置をオフとすれば、それ以降は水蒸気の凝縮が行われなくなり、もって反応水が水供給系に取り込まれなくなる。一方、燃料電池スタックに供給された水の中で蒸発したものは水回収装置で回収されずに系外へ排出される。よって、水供給系内の水量は水回収装置をオフすると同時に次第に減少する。そして、水供給系内の水量が不足する前に水回収装置をオンとすると、反応水が取り込まれて今度は系内の水量が次第に増加する。かかる制御を繰り返すことにより、水供給系内の水量を常に一定に保つことができる。
よって、水供給系においてメインテナンスフリーが実現される。
【００１５】
かかる水供給系における水量の調整は、先に説明した水直噴タイプの燃料電池システムに限られるものではない。水を水蒸気の状態で空気供給系及び／又は燃料供給系に供給し、燃料電池スタックの排出空気及び／又は排出燃料ガスから水分を凝縮して回収するタイプの燃料電池システムにおいても有効である。
特に、水直噴タイプの燃料電池システムにおいては、水供給系を循環する水の量が他のタイプに比べて多いので、その水量のモニタ及び調節は重要である。
【００１６】
本発明を構成する要素において、水回収装置は燃料電池スタックから排出されるガス（排出空気、水素ガス等の燃料ガス）中の水蒸気を任意に凝縮できるものであれば特に限定されない。一般的には、当該ガスを流通させる熱交換器とこの熱交換器を冷却するためのファンとを備えてなる。かかる構成の水回収装置では、ファンの回転を制御することにより、その水凝縮機能をオン、オフさせることができる。
【００１７】
タンクの水の量を検出するセンサとして、実施例では水位センサを用いた。タンクの重量より水量を検出することもできる。
【００１８】
水供給系内の水量を調節する見地からいえば、その水量が過剰となる前に系内の水を外部へ排出できるバルブを設けてもよい。即ち、水貯蔵手段としてのタンク内の水量を検出し、タンク内の水量、即ち水供給系内の水量が所定の閾値を超えたときにバルブを開放して系内の水を排出し、系内の水量を一定範囲内に保つ。
【００１９】
【実施例】
次にこの発明の実施例を説明する。
図１にこの発明の実施例の燃料電池システム１の構成を示す。図１に示すように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック２、水素吸蔵合金１１を含む燃料供給系１０、空気供給系４０、水供給系５０及び負荷系７０から大略構成される。
【００２０】
燃料電池スタック２は燃料電池の単位ユニットＵを複数接続したものである。この単位ユニットＵは、図２に示すように、空気極３と燃料極４とで固体高分子電解質５を挟持した構成の燃料電池本体を、更にカーボンブラックのセパレータ６、７で挟持した構成である。この単位ユニットＵの形状は特に限定されないが、セパレータ６と空気極３との間には空気を流通させる空気流路８が上下方向に形成される。セパレータ７と燃料極４との間には水素ガスを流通させる水素ガス流路９が形成されている。
【００２１】
燃料供給系１０では、水素供給路２０を介して水素吸蔵合金１１から放出された水素を燃料スタック２の各単位ユニットＵの水素ガス流路９へ送る。水素供給路２０には、水素調圧弁２１が配設され、水素吸蔵合金１１から放出された水素ガスを調圧している。符号２３は水素供給電磁弁２３であって、水素供給路２０の開閉を制御している。燃料電池スタック２へ供給される直前の水素ガス圧は水素元圧センサ２５でモニタされている。
【００２２】
燃料供給系１０において、燃料電池スタック２から排出される水素ガスは水素排気路３０を介して大気へ放出される。水素排気路３０には逆止弁３１と電磁弁３３が設けられている。逆止弁３１は水素排気路３０を介して空気が燃料電池スタック２の燃料極に進入することを防止する。電磁弁３３は間欠的に駆動されて水素の完全燃焼を図る。
【００２３】
空気供給系４０は大気から空気を燃料電池スタック２の空気流路８に供給し、燃料電池スタック２から排出された空気を水凝縮器５１を通過させて排気する。
空気供給路４１にはファン４３が備えられ、大気から空気を空気マニホールド４５へ送る。空気はマニホールド４５から燃料電池スタック２の空気流路８へ流入して空気極３へ酸素を供給する。燃料電池スタック２から排出された空気は水凝縮器５１（水回収装置）で水分が凝縮・回収されて大気へ放出される。
燃料電池スタック２から排出される温度は排気温度センサ４７によりモニタされている。
【００２４】
この実施例では、空気マニホールド４５の側壁にノズル５５が配設されて、これより吸気中に水が液体の状態で供給される。この水の大部分は液体の状態を維持したまま水凝縮器５１に到達し、そのままタンク５３へ送られて回収される。供給された水の一部は蒸発し、水凝縮器５１において凝縮されて回収される。なお、排出空気に含まれる水蒸気には燃料電池スタック２の発電反応に伴う反応水に起因するものもあると考えられる。
この水凝縮器５１は汎用的な熱交換器（図示せず）を備え、これをファン５２の風で冷却して排出空気中の水蒸気を凝縮させて回収する構成である。
【００２５】
水供給系５０はタンク５３の水をノズル５５から空気マニホールド４５へ供給し、この水を水凝縮器５１で回収してタンク５３に戻すという閉じられた系である。タンク５３の水位は常に水位センサ５６でモニタされている。水位センサにはフロート式のものを用いた。冬季にタンク５３中の水が凍結しないようにタンク５３にはヒータ５７と凍結防止電磁バルブ５８が取り付けられている。
水凝縮器５１とタンク５３を連結する配管には電磁バルブ６０が取り付けられてタンク５３内の水が蒸発するのを防止している。
【００２６】
タンク５３の水はポンプ６１により空気マニホールド内に配設されたノズル５５へ圧送され、ここから空気極３の表面に対して連続的若しくは間欠的に噴出される。この水は燃料電池スタック２の空気極３に供給され、ここにおいて優先的に空気から潜熱を奪うので、空気極３側の電解質膜５からの水分の蒸発が防止される。従って、電解質膜５はその空気極３側で乾燥することなく、常に均一な湿潤状態を維持する。
また、空気極３の表面に供給された水は空気極３自体からも熱を奪いこれを冷却するので、これにより燃料電池スタック２の温度を制御できる。即ち、燃料電池スタック２へ冷却水供給系を付加しなくても当該燃料電池スタック２を充分に冷却することができる。
なお、排気温度センサ４７で検出された排出空気の温度に対応してポンプ６１の出力を制御し、燃料電池スタック２の温度を所望の温度に維持する。
【００２７】
負荷系７０は燃料電池スタック２の出力を外部に取り出して、モータ７７等の負荷を駆動させる。この負荷系７０にはスイッチのためのリレー７１と補助出力源となる２次電池７５が設けられ、２次電池７５とリレー７１との間に整流用のダイオード７３が介在されている。
なお、燃料電池スタック２自体の出力は電圧センサ７５で常にモニタされている。このモニタ結果に基づき、図示しない制御回路で水素排気電磁弁３３の開閉が制御される。
【００２８】
次に、この実施例の水供給系５０の動作について説明する。
図３は水供給系５０の各要素を制御する制御系１５０の構成を示すブロック図である。
制御装置１５１はＣＰＵ１５３とメモリ１５５を備える。ＣＰＵ１５３は各要素と図示しないインターフェースを介して接続されており、メモリ１５５に予め保存されている制御プログラムに基づいて各要素を制御する。符号１５９は外気温センサであり、図１には示されていないが、ファン５２の近くに配置されている。
【００２９】
図４は制御系１５０の動作を示すフローチャートである。
まずステップ１において、排気温度センサ４７で検出された燃料電池スタックの排出空気の温度と外気温センサ１５９で検出された外気温度とが比較される。
排気温度が外気温度より高いとき、ステップ２に進む。ステップ２では、水位センサ５６で検出されたタンク５３の水位が正常の範囲（最大許容量の５０〜８０％に対応する水位）にあるかどうかを調べる。タンク５３の水位が正常の範囲にあれば、制御装置は現在の状況（ファン５２がオン若しくはオフ）を維持する。一方、タンク５３の水位が正常の範囲内にないときは、ステップ３に進む。
【００３０】
ステップ３では、タンク５３の水位が正常の範囲より高い側にあるのか、若しくは低い側にあるのかを判断する。タンクの水位が正常の範囲（即ち所定の閾値）より高いときはステップ４に進む。ステップ４においてファン５２がオフとされる（若しくは風量が小さくされる）。これにより、水回収装置５１において排出空気中の水蒸気は殆ど凝縮されなくなる。よって、水供給系５０より供給された水のうちで燃料電池スタックにおいて蒸発した分は排出空気とともに系外に排出され、その分水供給系５０の水量、即ちタンク５３の水位が低下する。
一方、ステップ３においてタンク５３の水位が正常の範囲（即ち第２の閾値）より低い場合はステップ５に進む。ステップ５ではファン５２がオンとされる（若しくは風量が大きくされる）。これにより、水回収装置５１における排出空気中の水蒸気の回収が開始（水回収効率が向上）され、もって、水供給系５０の水量、即ちタンク５３の水位が上昇する。
【００３１】
ステップ１において排気温度が外気温度より低いときにはステップ６に進む。ステップ６では、ステップ２と同様に、タンク５３の水位が予め定められた水位の正常範囲と比較される。タンク５３の水位が正常の範囲にあれば、制御装置は現在の状況（ファン５２がオン若しくはオフ）を維持する。一方、タンク５３の水位が正常の範囲内にないときは、ステップ７に進む。
【００３２】
ステップ７では、タンク５３の水位が正常の範囲より高い側にあるのか、若しくは低い側にあるのかを判断する。タンクの水位が正常の範囲（即ち所定の閾値）より高いときはステップ８に進む。ステップ８ではファン５２がオンとされる（若しくは風量が大きくされる。）。ここに、外気温度が排気温度より高いので、ファン５２がオンとされると、水回収装置５１において液体の状態にある水（本来ならばタンク５３へ回収されるべきもの）が蒸発し、系外へ排出される。これにより、水供給系５０の水量、即ちタンク５３の水位が低下する。
【００３３】
一方、ステップ７においてタンク５３の水位が正常の範囲（即ち第２の閾値）より低い場合はステップ９に進む。ステップ９ではファン５３がオフとされる（若しくは風量が低下される）。ここに、外気温度が排気温度より高いので、ファン５２をオフとすることにより水回収装置５１における水のそれ以上の蒸発が防止される。
通常、外気温度が排気温度より高い状態は長く続かない。従って、ステップ６以降の制御は短時間で終了し、ステップ２以降の制御が専ら実行される。
【００３４】
なお、燃料電池システムを長期間作動させないときには、水供給系５０から水の消失を防止するため、水蒸発防止電磁バルブ６０を閉じる。このバルブ６０の開閉はマニュアル動作である。
【００３５】
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。
【００３６】
以下、下記の事項を開示する。
（１０） 前記制御手段は前記タンクの水位が所定の閾値を超えたとき前記水回収装置の水回収能力を低下させる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
（１１） 前記制御手段は前記タンクの水位が所定の第２の閾値を下回ったとき前記水回収装置の作動をオンとする、ことを特徴とする請求項１〜３、４及び（１０）のいずれかに記載の燃料電池システム。
（１２） 前記制御手段は前記タンクの水位が所定の第２の閾値を下回ったとき前記水回収装置の水回収能力を向上させる、ことを特徴とする請求項１〜３、４及び（１０）のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００３７】
（２０） 前記水供給系は水を液体の状態で前記燃料電池スタックの空気極へ供給する、ことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の一の実施例の燃料電池システムの構成を示す概念図である。
【図２】図２は同じく燃料電池の単位ユニットの構成を示す断面図である。
【図３】図３は同じく実施例の水供給系の制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は水供給系の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 空気極
４ 燃料極
１０ 燃料供給系
４０ 空気供給系
５０ 水供給系
５１ 水凝縮器
５２ ファン
５３ タンク
６１ ポンプ
７０ 負荷系
１５０ 制御系

Claims (4)

1. 燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックから排出される空気中の水蒸気を凝縮させて回収する水回収装置と、
   該水回収装置で回収された水を貯蔵するタンクと、
   該タンクの水を前記燃料電池スタックに供給するポンプを備えた水供給手段と、
   該タンクの水の量を検出するセンサと、
   該センサの出力に応じて前記水回収装置の作動のオン、オフを制御する制御手段と、
   前記排出空気の温度を検出する排気温度センサと、を備え、
   前記排気温度センサで検出された前記排気空気の温度に応じて前記ポンプの出力を制御する、燃料電池システム。
2. 前記水回収装置は外気を導入するファンと熱交換器を備え、前記燃料電池スタックから排出された空気を前記熱交換器へ通し、前記ファンより送られた外気と排出空気とで熱交換を行って排出空気中の水蒸気を凝縮させ、
   前記制御手段は前記ファンの作動のオン、オフを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水供給手段は水を液体の状態で前記燃料電池スタックの空気極に供給する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は前記タンクの水位が所定の閾値を超えたとき前記水回収装置の作動をオフとする、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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