JP4821222B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関するものである。

従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にそれぞれアノードとカソードとを備えた単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。そして、単セルのカソードでは、発電時のカソード反応によって、水（生成水）が生成される。

この燃料電池スタックにおいて、積層方向についての両端部に配置された単セルは、放熱によって中央部に配置された単セルよりも温度が低くなる。このため、燃料電池スタックの両端部の単セルでは、蒸気圧が低下し、発電時に生成された生成水が滞留しやすくなる。そして、単セルにおいて生成水が滞留すると、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、燃料電池スタックの両端部の単セルの温度低下を抑制し、単セルの積層方向の温度分布を均一化することによって、各単セルの発電性能を均一化する技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、複数の燃料電池（単セル）を挟持するエンドプレートに電気ヒータを設けて加熱する技術が記載されている。

特開２００４−１１１２００号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、エンドプレートに電気ヒータを設けることによる燃料電池システムの大型化や、電気ヒータを動作させることによる消費電力の増大を招く。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池スタックの各単セルの発電性能を均一化することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
発電を行う単セルを複数積層させるとともに、積層方向に対して垂直な両端面のうちの一方の面に、前記発電に用いられる空気を前記単セルに供給するための空気供給口を有する燃料電池スタックと、
空気を圧縮して吐出するとともに、該吐出した空気が前記両端面のうちの他方の面に衝突するように配置されたエアコンプレッサと、
前記衝突した後の空気を、少なくとも前記燃料電池スタックにおける前記空気供給口を有する面に接触させつつ、前記空気供給口に導く空気流路と、
を備えることを要旨とする。

本発明の燃料電池システムは、エアコンプレッサによって圧縮された空気を酸化剤ガスとして燃料電池（単セル）に供給するタイプのものである。そして、本発明では、既存のエアコンプレッサによって圧縮され、断熱圧縮によって高温になった酸化剤ガスとしての空気を、まず、燃料電池スタックにおける上記空気供給口が設けられている面とは反対側の面に吹き付けることによって、一方の端部に配置された単セルを加熱する。そして、この一方の面に吹き付けた後の高温の空気を、空気流路によって、さらに、燃料電池スタックにおける上記空気供給口が設けられている面に接触させることによって、他方の端部に配置されている単セルを加熱する。なお、燃料電池スタックが、複数の単セルを挟持するエンドプレートを備えている場合には、エンドプレートを介して、燃料電池スタックの両端部に配置された単セルを加熱する。

こうすることによって、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの両端部に配置された単セルを加熱するための電気ヒータを設ける必要がないので、燃料電池システムの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池スタックの両端部に配置された単セルの温度低下を抑制し、単セルの積層方向の温度分布を均一化することができる。そして、各単セルの発電性能を均一化することができる。

上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックを収納する収納ケースを備え、
前記燃料電池スタックと前記収納ケースとの間の空隙を、前記空気流路として利用するようにしてもよい。

燃料電池スタックを収納ケースに収納することによって、燃料電池スタック全体が外気によって冷却されることを抑制することができる。また、燃料電池スタックと収納ケースとの間の空隙を、高温の空気が流れる空気流路として利用するので、高温の空気によって、燃料電池スタック全体の外表面を加熱することができ、燃料電池スタック全体の温度分布をさらに均一化することができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記エアコンプレッサは、前記収納ケースに接合されているようにしてもよい。

こうすることによって、エアコンプレッサの運転時の発熱を収納ケースに伝導させ、収納ケースを加熱することができるので、収納ケース内の空気、および、燃料電池スタックの冷却を抑制することができる。なお、エアコンプレッサは、収納ケースの外側に接合するようにしてもよいし、収納ケースの内側に接合するようにしてもよい。前者によれば、燃料電池システムの組み立てを容易に行うことができる。また、後者によれば、さらに、エアコンプレッサからの放熱を収納ケース内の空気に伝導させ、収納ケース内の空気を加熱することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、前記複数の単セルを挟持するエンドプレートを備えており、
前記エアコンプレッサは、前記エンドプレートに接合されているようにしてもよい。

こうすることによって、エアコンプレッサの運転時の発熱をエンドプレートに伝導させることができる。したがって、このエンドプレートの近傍に配置された単セルを、さらに加熱することができる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例の燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル１２を複数積層させ、図示しない集電板、および、絶縁板を介在させて、エンドプレート２０，３０によって挟持したものである。単セル１２の積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。各単セル１２は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（アノード）と、酸素極（カソード）とを配置し、セパレータによって挟持した構成となっている（図示省略）。本実施例では、電解質膜として、固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。

本実施例では、燃料電池スタック１０の一方のエンドプレート３０に、酸化剤ガスとしての空気の給排気を行うための空気供給口３２、および、排出口３４が設けられている。排出口３４には、排出配管４０が接続されており、この排出配管４０には、空気の供給圧力を調整するための調圧バルブ４２が配設されている。なお、図示は省略したが、エンドプレート３０には、燃料ガスとしての水素や、冷却水を流すための供給口、および、排出口も設けられている。

燃料電池スタック１０において、その両端部に配置されている単セル１２は、放熱によって中央部に配置された単セル１２よりも温度が低くなる。このため、燃料電池スタック１０の両端部の単セル１２では、蒸気圧が低下し、発電時に生成された生成水が滞留しやすくなる。そして、単セル１２において生成水が滞留すると、いわゆるフラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、本実施例では、以下に説明するように、燃料電池スタック１０の両端部の単セル１２の温度低下を抑制し、単セル１２の積層方向の温度分布を均一化することによって、各単セル１２の発電性能を均一化することが可能な構成とした。

図示するように、燃料電池スタック１０は、収納ケース５０に収納されている。そして、燃料電池スタック１０と、収納ケース５０とは、燃料電池スタック１０のエンドプレート２０，３０と、収納ケース５０との間にそれぞれマウント部材５２，５４を介在させて固定されている。燃料電池スタック１０を収納ケース５０に収納することによって、燃料電池スタック１０全体が外気によって冷却されることを抑制することができる。なお、本実施例では、調圧バルブ４２も収納ケース５０に収納するものとした。

収納ケース５０における空気供給口３２が設けられていない側のエンドプレート２０と対向する位置には、吐出した空気がエンドプレート２０の表面に衝突するように、エアコンプレッサ６０が接合されている。本実施例では、エアコンプレッサ６０は、収納ケース５０の外側に直接接合するものとした。エアコンプレッサ６０から吐出される空気は、圧縮され、断熱圧縮によって高温になっている。本実施例の燃料電池システム１００では、この高温の空気を、直接、エンドプレート２０に吹き付け、エンドプレート２０を介して、エンドプレート２０の近傍に配置された単セル１２を加熱することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１００では、収納ケース５０と燃料電池スタック１０との間の空隙５６を、酸化剤ガスとしての空気を空気供給口３２に導く空気流路として利用している。そして、エアコンプレッサ６０から吐出された高温の空気は、エンドプレート２０に衝突した後、空気供給口３２が設けられているもう一方のエンドプレート３０に接触して、空気供給口３２に導入される。したがって、エンドプレート３０を介して、エンドプレート３０の近傍に配置された単セル１２も加熱することができる。

この結果、燃料電池スタック１０の両端部に配置された単セル１２の温度低下を抑制し、単セル１２の積層方向の温度分布を均一化することができる。そして、各単セル１２の発電性能を均一化することができる。

また、エアコンプレッサ６０から吐出された高温の空気は、燃料電池スタック１０全体に接触しながら流れるので、高温の空気によって、燃料電池スタック１０全体の外表面を加熱することができ、燃料電池スタック１０全体の温度分布をさらに均一化することができる。また、本実施例の燃料電池システム１００では、エアコンプレッサ６０を収納ケース５０に直接接合しているので、エアコンプレッサ６０の運転時の発熱を収納ケース５０に伝導させ、収納ケース５０内の空気、および、燃料電池スタック１０の冷却を抑制することができる。また、収納ケース５０内に調圧バルブ４２も収納しているので、燃料電池システム１００が氷点下の低温環境下におかれ、調圧バルブ４２の内部に残留した生成水が凍結した場合に、起動時に、エアコンプレッサ６０から吐出された高温の空気によって、速やかに解凍することができる。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック１０の両端部に配置された単セル１２を加熱するための電気ヒータを設ける必要がないので、燃料電池システム１００の大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池スタック１０の両端部に配置された単セル１２の温度低下を抑制し、単セル１２の積層方向の温度分布を均一化することができる。そして、各単セル１２の発電性能を均一化することができる。

Ｂ．第２実施例：
図２は、第２実施例の燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００Ａでは、エアコンプレッサ６０が収納ケース５０の内部に接合されている。それ以外は、燃料電池システム１００と同じである。

第２実施例の燃料電池システム１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池システム１００Ａでは、エアコンプレッサ６０が収納ケース５０の内部に接合されているので、エアコンプレッサ６０からの放熱を収納ケース５０内の空気に伝達させ、収納ケース５０内の空気を加熱することができる。

Ｃ．第３実施例：
図３は、第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００Ｂは、エアコンプレッサ６０がエンドプレート２０に接合されている。それ以外は、第１実施例の燃料電池システム１００と同じである。

第３実施例の燃料電池システム１００Ｂによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池システム１００Ｂでは、エアコンプレッサ６０がエンドプレート２０に接合されているので、エアコンプレッサ６０の運転時の発熱をエンドプレート２０に伝導させることができ、この近傍に配置された単セル１２を、さらに加熱することができる。

Ｄ．第４実施例：
図４，５は、第４実施例の燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１００Ｃは、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、収納ケース５０を備えていない。その代わりに、図示するように、配管７０を備えている。本実施例では、配管７０は、図５に示したように、エアコンプレッサ６０から吐出された空気を、導入口７２から導入し、燃料電池スタック１０の４つの側面に沿って、エンドプレート２０側からエンドプレート３０側へ導くように設置されている。配管７０の形状や、数や、配置位置は、任意に設定可能である。

第４実施例の燃料電池システム１００Ｃでは、エンドプレート２０と対向する位置に、吐出した空気が、空気供給口３２が設けられていない側のエンドプレート２０の表面に衝突するように、エアコンプレッサ６０が配置される。本実施例においても、エアコンプレッサ６０から吐出された高温の空気を、エンドプレート２０に吹き付け、エンドプレート２０を介して、エンドプレート２０の近傍に配置された単セル１２を加熱することができる。そして、エアコンプレッサ６０から吐出された高温の空気は、エンドプレート２０に衝突した後、配管７０を通って、空気供給口３２が設けられているもう一方のエンドプレート３０に導かれ、エンドプレート３０に接触して、空気供給口３２に導入される。したがって、エンドプレート３０を介して、エンドプレート３０の近傍に配置された単セル１２も加熱することができる。この結果、燃料電池スタック１０の両端部に配置された単セル１２の温度低下を抑制し、単セル１２の積層方向の温度分布を均一化することができる。そして、各単セル１２の発電性能を均一化することができる。

以上説明した第４実施例の燃料電池システム１００Ｃによっても、燃料電池スタック１０の両端部に配置された単セル１２を加熱するための電気ヒータを設ける必要がないので、燃料電池システム１００Ｃの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池スタック１０の両端部に配置された単セル１２の温度低下を抑制し、単セル１２の積層方向の温度分布を均一化することができる。そして、各単セル１２の発電性能を均一化することができる。

Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記第１実施例では、エアコンプレッサ６０は、収納ケース５０に直接接合されているものとしたが、これらの間に配管が介在するようにしてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上記第１ないし第３実施例では、調圧バルブ４２を収納ケース５０内に収納するものとしたが、収納しなくてもよい。

第１実施例の燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。 第３実施例の燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。 第４実施例の燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。 第４実施例の燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ...燃料電池システム
１０...燃料電池スタック
１２...単セル
２０，３０...エンドプレート
３２...空気供給口
３４...排出口
４０...排出配管
４２...調圧バルブ
５０...収納ケース
５２，５４...マウント部材
５６...空隙
６０...エアコンプレッサ
７０...配管

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   発電を行う単セルを複数積層させるとともに、積層方向に対して垂直な両端面のうちの一方の面に、前記発電に用いられる空気を前記単セルに供給するための空気供給口を有する燃料電池スタックと、
   空気を圧縮して吐出するとともに、該吐出した空気が前記両端面のうちの他方の面に衝突するように配置されたエアコンプレッサと、
   前記衝突した後の空気を、少なくとも前記燃料電池スタックにおける前記空気供給口を有する面に接触させつつ、前記空気供給口に導く空気流路と、
   を備え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であって、さらに、
   前記燃料電池スタックを収納する収納ケースを備え、
   前記燃料電池スタックと前記収納ケースとの間の空隙を、前記空気流路として利用する、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記エアコンプレッサは、前記収納ケースに接合されている、
   燃料電池システム。
4. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、前記複数の単セルを挟持するエンドプレートを備えており、
   前記エアコンプレッサは、前記エンドプレートに接合されている、
   燃料電池システム。

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