JP4517414B2

JP4517414B2 - 燃料電池システムおよび水回収方法

Info

Publication number: JP4517414B2
Application number: JP00925399A
Authority: JP
Inventors: 雅俊飯尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: JP2000208160A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特にシステム内で必要とされる純水を水位に応じて効率的に回収することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちの陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する燃料ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（たとえば特開平８−１０６９１４号公報参照）。
【０００３】
【化１】
陽極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
陰極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
一対の電極に供給される燃料ガスを生成する装置としては、水素を含有する燃料ガスを生成する装置として、メタノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガスとする改質器、酸素を含有する燃料ガスを生成する装置として、空気を取り入れて圧縮空気とする圧縮機が知られている。そして、圧縮機からの圧縮空気をアフタークーラで冷却したのち燃料電池の陰極（空気極）へ供給する一方で、燃料タンクから改質器へメタノールを送り、当該改質器にて改質された水素含有ガスを燃料電池の陽極（燃料極）に供給する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした燃料電池システムにおいては、第１に改質器にて水素を発生させるためにメタノールとともに水を供給する必要がある。また、第２に燃料電池の電解質膜を湿らせるため、燃料電池に供給する空気および改質ガスのうち少なくとも一方を加湿する必要があり、このための水が必要となる。これら燃料電池システムで消費される水を外部から供給することなくシステム内で循環させる（賄う）ため、水分を多く含んだ燃料電池の排空気を凝縮させることで水を回収することが行われる。
【０００５】
一方、燃料電池システム全体の効率を同じ出力を維持しながら高くするには、空気を供給する圧縮機の消費電力を抑える必要がある。これには空気流量を小さくすることと、圧縮機の吐出圧力を小さくする２つの方法が考えられるが、燃料電池において電気を取り出す電気化学反応で必要な酸素量は決まっているので、空気流量は燃料電池の出力で決まる流量以下には小さくできない。したがって、圧縮機の吐出圧力をできる限り小さくすることにより燃料電池システムの効率を向上させる方法が採られる。
【０００６】
しかしながら、このように圧縮機の吐出圧力を低くすると、燃料電池の排空気流路に設けられたコンデンサに加わる空気圧力も小さくなり、飽和水蒸気量が大きくなるので凝縮する水の量は減少する。このため、低圧力運転を行う燃料電池システムは、コンデンサに供給される冷却水の温度が充分に低くないと、コンデンサで回収できる水の量は、システム内で消費する水の量より少なくなり、純水が不足するといった問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、システム内で必要とされる純水を効率的に回収することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素供給系と、前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、前記燃料電池からの排気流路に設けられ、ラジエータで冷却された冷却水が送られることにより、前記排気流路から送られる水分含有ガスを凝縮する凝縮器と、システム内に供給するための水が収容された水タンクとを備え、前記凝縮器にて生成された凝縮水を前記水タンクにより回収可能な燃料電地システムにおいて、所定時間における前記水タンク内の水容量の変化量を検出するセンサと、前記センサにより検出された前記所定時間における前記水タンク内の水容量の変化量が所定範囲になったとき、前記凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧力を増加させる信号を出力する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
一定の出力を維持しながら燃料電池システムの効率を高めるために圧縮機の吐出圧を低下させると、水分含有ガスの飽和水蒸気量が増加するので凝縮により回収できる水の量は減少する。しかしながら、請求項１記載の発明では、水タンク内の水容量の変動値をセンサで検出し、水の回収が必要となったときは凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧力を増加させるので、飽和水蒸気量が減少し、これにより水の回収量が増加する。こうした水回収量を増加させる運転モードを設けることで、通常は燃料電池システムの効率を高めることができるとともに、必要な場合にのみ水の回収量を増加させてシステム内で水を賄うことができる。
【００１０】
なお、請求項１記載の発明において、水分含有ガスとしては燃料電池から排出される酸素含有ガス（たとえば空気）、水素含有ガス（たとえば改質ガスまたは水素ガス）をいい、何れのガスであっても良い。
【００１２】
（２）上記請求項１記載の発明において、凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧力を増加させる手法は特に限定されず、たとえば請求項２乃至４記載の手法が挙げられる。
【００１３】
すなわち、請求項２記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記燃料電池へ酸素含有ガスを供給する圧縮機に対し、酸素含有ガスの圧力を増加させる信号を出力することを特徴とする。
【００１４】
この請求項２記載の燃料電池システムにおいては、圧縮機から燃料電池へ送られる酸素含有ガスの圧力を増加させるので、凝縮器を通過する排酸素含有ガスの圧力も増加し、飽和水蒸気量が減少することで、水の回収量が増加する。
【００１５】
また、請求項３記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記凝縮器の出口に設けられた流量調節弁に対し、当該凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を増加させる信号を出力することを特徴とする。
【００１６】
この請求項３記載の燃料電池システムにおいては、凝縮器出口の流量調節弁を制御して（具体的には弁開度を小さくして）凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を増加させるので、飽和水蒸気量が減少し水の回収量が増加する。この手法は単独であるいは請求項２記載の手法と組み合わせて採用することができる。
【００１７】
また、請求項４記載の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記燃料電池に対し、その出力を低下させて酸素含有ガスの流量を低下させる信号を出力することを特徴とする。
【００１８】
この請求項４記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力を一旦低下させることで、それまでの酸素含有ガス流量を低減する。これにより酸素含有ガスの圧力が増加し、凝縮器を通過する排酸素含有ガスの圧力も増加するので、飽和水蒸気量が減少し、水の回収量が増加する。この発明によれば圧縮機やその駆動モータなどを燃料電池システムの低圧高効率運転に合わせて高効率にすることができ、システム全体の効率を向上させることができる。
【００１９】
（３）上記目的を達成するために、本発明の他の観点による請求項５記載の燃料電池システムにおける水回収方法は、燃料電池と、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素供給系と、前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、前記燃料電池からの排気流路に設けられ、ラジエータで冷却された冷却水が送られることにより、前記排気流路から送られる水分含有ガスを凝縮する凝縮器と、システム内に供給するための水が収容された水タンクとを備え、前記凝縮器にて生成された凝縮水を前記水タンクにより回収可能な燃料電地システムにおける水回収方法において、所定時間におけるシステム内の水貯留の変化量に応じて、前記凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を制御することを特徴とする。
【００２０】
凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を制御することで、当該ガスの飽和水蒸気量が変化し、これにより凝縮量を制御することができる。
【００２１】
特に、請求項６記載の燃料電池システムにおける水回収方法のように、水を回収するときは、前記凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を増加させることが好ましい。水分含有ガスの飽和水蒸気量は圧力にほぼ反比例するので、当該水分含有ガスの圧力を増加させると飽和水蒸気量が減少し、その結果、水の改修量が増加する。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１乃至６記載の発明によれば、水の残量が少なくなったときに凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を高める水回収モード運転を行い、水の回収が不要であるときは低圧モード運転を行うので、燃料電池システム全体の効率を高めつつ燃料電池システム内にて純水を賄うことができる。
【００２４】
また、システム全体の効率を高めることにより、水タンクの容量自体や二次電池の容量自体を小さくすることができ、システムの小型化および低コストかが図られる。
【００２５】
これに加えて、請求項４記載の発明によれば、圧縮機やその駆動モータなどを燃料電池システムの低圧高効率運転に合わせて高効率にすることができるので、システム全体の効率をより一層向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１は本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図、図２および図３は本実施形態の制御手順を示すフローチャートである。
【００２７】
まず、本実施形態の燃料電池システムは、電解質を挟んで対電極が設けられた燃料電池３を有し、この燃料電池３の陰極側に圧縮機７からの圧縮空気（本発明の酸素含有ガスに相当する。）が供給され、陽極側に改質器１からの水素含有ガス（本発明の水素含有ガスまたは改質ガスに相当する。）が供給される。
【００２８】
圧縮機７は、外気等を取り入れてこれをシステムの負荷に応じて０．５〜２ｋｇ／ｃｍ^２程度まで圧縮して燃料電池３に供給するが、その型式は特に限定されず、ピストン式圧縮機、スクロール式圧縮機あるいはターボ式圧縮機等々を用いることができる。
【００２９】
燃料電池３に供給される空気は８０〜８５℃の温度が望ましいが、圧縮機７で圧縮された空気は通常１５０℃以上となっているので、これを上記温度範囲まで冷却するために、圧縮機７と燃料電池３との間にアフタークーラなどを設けることが望ましい。この種のアフタークーラは、水冷式および空冷式の何れのものも用いることができる。
【００３０】
一方、改質器１は、たとえば燃料タンク１２に収容されたメタノールを水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガスとするもので、メタノールおよび水の供給を受けて下記式に示すメタノールの分解反応と一酸化炭素の変性反応とを同時進行させて水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを生成する改質部と、この改質部で得られた改質ガス中の未反応の一酸化炭素と水とを同じ変性反応により水素と二酸化炭素とに変性して水素含有量の多い燃料ガスを生成するシフト部とを備える。燃料タンク１２から改質器１へのメタノールおよび水の供給はポンプ１３により行われる。
【００３１】
【化２】
メタノール反応：ＣＨ_３ＯＨ→ＣＯ＋２Ｈ_２−２１．７kcal/mol
変性反応：ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２＋９．８kcal/mol
全体反応：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋３Ｈ_２−１１．９kcal/mol
なお詳細な図示は省略するが、改質器１には、上述した改質部およびシフト部における反応部分を加熱するためのバーナーを有する燃焼器が設けられており、改質器１自体で生成した燃料ガスの一部と、燃料電池３からの排出ガスが送り込まれ、当該排出ガス中の未反応の水素ガスはここで燃焼することになる。この燃焼器には、これらの水素ガス以外にも、圧縮機７からの空気が燃焼用空気として供給される。
【００３２】
燃料電池３では、陰極（空気極）に導入された圧縮空気と陽極（燃料極）に導入された水素含有ガスとが、電解質を挟んで電極表面で下記の電気化学反応し、これにより電気エネルギが二次電池４へ取り出される。
【００３３】
【化３】
陽極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
陰極反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
このとき、燃料電池３の陰極側には、水タンク８に収容された純水が加湿器２を介して圧縮空気の加湿用として供給される。また、上記反応において陰極側で生成された純水および陰極側で余剰となった排空気はコンデンサ５（本発明の凝縮器に相当する。）へ送られる。
【００３４】
このコンデンサ５には、ここを通過する排空気を凝縮させるための冷却水が送られ、この冷却水はラジエータ６によって冷却される。コンデンサ５にて生成された凝縮水は水タンク８へ回収され、ポンプ１３により再び改質器１および加湿器２へ送られる。また、コンデンサ５の出口配管には流量制御弁１１が設けられており、制御装置１０からの指令信号によりその開度が制御される。
【００３５】
水タンク８には、当該水タンク８に収容された純水の残量を検出する水位センサ９が設けられており、この水位センサ９による検出信号は制御装置１０へ送出される。この制御装置１０は、水位センサ９から送出される純水の残量を取り込んで当該純水の残量変化量を演算し、水回収モード運転とするかどうかを判断し、圧縮機７、二次電池４および流量制御弁１１を制御する。
【００３６】
次に作用を説明する。
図２および図３に示すように、燃料電池システムの運転が開始され、外部装置からの出力要求指令が入力されると（ステップ１〜２）、圧縮機７は外気を取り入れ、これをシステムの負荷に応じて適宜０．５〜２ｋｇ／ｃｍ^２に圧縮し（温度は１５０℃以上）、アフタークーラを介して８０〜８５℃の適温としたのち、この圧縮空気は燃料電池３の陰極側に供給される。一方、燃料タンク１２に収容されたメタノール（環境温度）はポンプ１３によってメタノール＋水として改質器１へ供給され、この改質器１で生成された３００〜４００℃の水素含有ガスは、燃料電池３の陽極側に供給される。そして、これら酸素と水素との電気化学反応によって燃料電池３から二次電池４へ電力が取り出される。このとき、水タンク８から燃料電池３の陰極側に加湿器２を介して純水が供給される。
【００３７】
また、燃料電池３の陰極側の排空気はコンデンサ５へ導かれ、ラジエータ６を循環する冷却水により冷却されることで凝縮水として水タンク８へ回収される。また上述した電気化学反応によって生じた純水もこれに含まれる。
【００３８】
このとき、本実施形態では、まず水タンク８の水位を水位センサ９で測定する（ステップ３〜６）。この水位の測定は所定時間（ステップ４）における水位の変化量（ステップ６）にて求められる。この水タンク８内の水の増減量に基づいて水回収モードの運転が必要がどうかの判定を行う（ステップ７）。
【００３９】
ところで、コンデンサ５による水の回収量は、大気中の水分量、加湿の水分量および燃料電池の反応で生成する水分量を加算したものから、コンデンサ出口の排気に含まれる水分量を減じたものとなる。このなかで、大気中の水分量はシステム運転の環境状態により異なり、加湿の水分量は燃料電池３の運転状態により決められる水分量であり、また、燃料電池３にて生成される水分量は燃料電池の出力電流で決まる。また、コンデンサ出口の排気に含まれる水分量はコンデンサ５で冷やされる空気温度、コンデンサ５に供給される空気圧力により決まるため、コンデンサ５に供給される冷却用流体温度（冷却水温度）と空気圧力により変動する。
【００４０】
したがって、大気中の水分量が多いとき、燃料電池３の出力が大きいとき、コンデンサ５の冷却水温度が低いときおよび空気圧力が高いときは、回収水分量は多くなり、逆の場合は少なくなる。このため、燃料電池３の出力（または電流）、ラジエータ６の冷却水温度、燃料電池３の入口圧力および水タンク８内の水変化量を測定すれば（ステップ１０）、運転中の大気中の水分量が逆算でき、これが求まれば空気圧力の上昇分による回収水分量の増加分が計算できることになる（ステップ１１〜１２）。こうして求められた燃料電池３の入口圧力に対する回収水分量の関係の一例を図６に示す。
【００４１】
この計算結果に基づいて、現状の環境および条件によって回収し得る水分量に対するコンデンサ５の出口における圧力の目標値を定め（ステップ１３）、この目標値を満足するように圧縮機７の出力と流量制御弁１１の開度を調節する（ステップ１４，１５）。この調節結果は、燃料電池３の入口圧力とコンデンサ５の出口圧力とを測定し、これらが目標圧力とされているかどうかにより判断する（ステップ１６〜１８）。
【００４２】
こうすることで、コンデンサ５により回収される水分量が増加するので、水タンク８の水位が上昇することになり（ステップ１９，２０）、その水位が充分となったときは（ステップ７）、それまでの水回収モード運転から通常の低圧運転に復帰させ、システム全体の効率化を図る（ステップ８）。
【００４３】
第２実施形態
図４は本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示すフローチャートであり、上述した第１実施形態のステップ１〜１２までの構成は同じである。また燃料電池システムの構成は図１に示す第１実施形態と同じであるが、圧縮機７の最大出力は、燃料電池システムが定格出力を得るために必要とされる最低圧力とされている。
【００４４】
そして、水回収モード運転においては、上述した第１実施形態と同様に水回収に必要なコンデンサ５の圧力を得るためにコンデンサ５を通過する排空気の圧力を上昇させるが、このとき圧縮機７がこの吐出圧を満足できない空気流量で燃料電池３が運転している場合には、燃料電池３の出力を一時的に低下させ、空気流量を低減することで吐出圧を増加させる。
【００４５】
すなわち、水回収モード運転に切り替わると（ステップ９〜１２）、二次電池４の容量を測定し（ステップ１２１）、この二次電池４の充電量が設定値よりも大きいときは燃料電池３の出力を低下させ（ステップ１２２〜１２３）たのち、圧縮機７と流量制御弁１１とを制御することでコンデンサ５の通過圧力を増加させる。また、ステップ１２２にて二次電池４の充電量が設定値よりも小さい場合にはそのまま燃料電池３の出力を低下できないので、一旦ステップ１２４およびステップ１２５へ進んで燃料電池３の出力を増加させて二次電池４への充電量を増加させたのち、上記の処理を実行する。
【００４６】
本実施形態では、二次電池４の充電量を管理しながら緻密に水回収モード運転を行い、圧縮機７およびその駆動モータを燃料電池システムに最低限必要とされる能力に設定しているので、燃料電池システム全体としての効率が向上するとともに水回収率も向上することになる。
【００４７】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの実施形態の制御手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池システムの実施形態の制御手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池入口の空気圧に対する回収水の増減を示すグラフである。
【符号の説明】
１…改質器
２…加湿器
３…燃料電池
４…二次電池
５…コンデンサ
６…ラジエータ
７…圧縮機
８…水タンク
９…水位センサ
１０…制御装置
１１…流量制御弁
１２…燃料タンク
１３…ポンプ

Claims

燃料電池と、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素供給系と、前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、前記燃料電池からの排気流路に設けられ、ラジエータで冷却された冷却水が送られることにより、前記排気流路から送られる水分含有ガスを凝縮する凝縮器と、システム内に供給するための水が収容された水タンクとを備え、前記凝縮器にて生成された凝縮水を前記水タンクにより回収可能な燃料電地システムにおいて、
所定時間における前記水タンク内の水容量の変化量を検出するセンサと、前記センサにより検出された前記所定時間における前記水タンク内の水容量の変化量が所定範囲になったとき、前記凝縮器へ送られる水分含有ガスの圧力を増加させる信号を出力する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池へ酸素含有ガスを供給する圧縮機に対し、酸素含有ガスの圧力を増加させる信号を出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記凝縮器の出口に設けられた流量調節弁に対し、当該凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を増加させる信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池に対し、その出力を低下させて酸素含有ガスの流量を低下させる信号を出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
燃料電池と、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する水素供給系と、前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、前記燃料電池からの排気流路に設けられ、ラジエータで冷却された冷却水が送られることにより、前記排気流路から送られる水分含有ガスを凝縮する凝縮器と、システム内に供給するための水が収容された水タンクとを備え、前記凝縮器にて生成された凝縮水を前記水タンクにより回収可能な燃料電地システムにおける水回収方法において、
所定時間におけるシステム内の水貯留の変化量に応じて、前記凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を制御することを特徴とする燃料電池システムにおける水回収方法。
水を回収するときは、前記凝縮器を通過する水分含有ガスの圧力を増加させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムにおける水回収方法。