JP5044676B2 - 水噴射手段を備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に供給する空気を加湿手段で加湿するようにした燃料電池システムに係り、特に、加湿手段の機能を維持して燃料電池システムを安定して運転する技術に関する。

燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガスを流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガスを流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。

ここで、上記のような電気化学反応を安定させて発電効率を高く維持するためには、電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン交換樹脂としての機能を確保する必要がある。たとえば、特許文献１には、ブロアから送り出された空気を加湿手段に流通させ、加湿手段内で燃料電池スタックから排出された使役後の空気（以下、カソードオフガスまたはオフガスと称する場合がある）や、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスまたはオフガスと称する場合がある）に含まれる水分を空気に与える、すなわち水分交換するようにした燃料電池システムが開示されている。

そのような燃料電池システムの構成例を図２に示す。図に示すように、例えばリショルム式やルーツ式のコンプレッサ１２で大気中より空気を吸入することで、酸化剤ガスが流路２０を介して燃料電池スタック１０のカソード側へ供給される（空気中の酸素が酸化剤として使われる）。また、同時に、燃料電池で発生した生成水を含むオフガスは、流路２１を介して加湿器１１へ供給され、この加湿器１１によって供給酸化剤ガスとオフガス間で水分交換が行われ、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスを湿潤にすることができる。

しかしながら、加湿器１１は、供給酸化剤ガスとオフガスとの間で十分に水分交換を行うための大きな表面積を有する平膜の水蒸気透過膜や多本数の中空糸膜を保持しているため、加湿器自体が大きくなってしまい、特に車載するにおいてシステムのコンパクト化が困難になるという問題がある。

また、コンプレッサ１２の低風量域においては、ロータークリアランス（空隙）からの空気の漏れにより、コンプレッサの送風効率が高風量域より低下するという問題もある。

このような問題に対して、コンプレッサの効率低下を回避する為に、燃料電池における生成水を、供給酸化剤ガス流路のコンプレッサに噴射する技術が提示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、生成水の噴射による追加の流量が加わるため、コンプレッサの低風量域での効率向上は可能となる。

特開平６−１３２０３８号公報 特開２０００−２９４２６５号公報

しかしながら、コンプレッサの送風効率を向上させるために生成水の噴射量を増加させるに伴って、生成水による冷却に起因してコンプレッサから吐出される供給酸化剤ガス温度は下がる傾向にある為に、供給酸化剤ガスの飽和水蒸気量が低下する。結果として、生成水噴射によって、供給酸化剤ガスの水蒸気保持量が低下するという矛盾を抱える問題がある。

したがって、本発明は、コンプレッサの低風量域においても送風効率を上げるとともに、コンプレッサから吐出される供給酸化剤ガスが保持する水蒸気量も向上させることができ、燃料電池の負荷状況に関わらず常にガスの加湿状態を過不足なく維持し、安定して運転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している。

本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池へ向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス供給流路上に配置され酸化剤ガスを吸込み加圧して燃料電池に向けて吐出するコンプレッサと、コンプレッサの吸込口へ向けて水を噴射する水噴射手段と、酸化剤ガス供給流路上であってコンプレッサの下流の位置から分岐し、コンプレッサの上流に戻る戻り流路と、戻り流路上に配置され開度調整可能な調整弁とを備えることを第１の特徴としている。

上記構成の燃料電池システムにあっては、コンプレッサの吐出側の圧力の方が吸入側の圧力より高い為に、一部の吐出酸化剤ガスは自然と戻り流路を吸入側に向かって還流する。また、吸入される酸化剤ガスには、水噴射手段によって水が噴射されるとともに、コンプレッサによって一度加圧され吐出された酸化剤ガスの一部が、再びコンプレッサ上流の吸入側へ還流させられ、再度コンプレッサによって加圧・吐出されることにより、コンプレッサ内部の圧縮熱で吐出ガス温度をさらに向上させることが可能となり、ひいては吐出される酸化剤ガスの飽和水蒸気量を上昇させることが可能となる。結果として、吐出酸化剤ガスに含まれる水蒸気量を向上させることが可能となる。

また、本発明においては、酸化剤ガス供給流路上であってコンプレッサよりも下流の位置に配置された水分量測定手段と、水分量測定手段に接続された制御手段とを備え、制御手段は、水分量測定手段によって測定された水分値に応じて調整弁の開度を制御することを第２の特徴としている。

上記構成の燃料電池システムにあっては、コンプレッサよりも下流、すなわち燃料電池の酸化剤ガス供給口の前には、水分量測定手段が設けられているので、燃料電池に供給される酸化剤ガスの含有水分量が測定され、この測定結果によって、戻り流路の調整弁の開度を調整することができる。すなわち、水分量が不足している場合は調整弁の開度を大きくして還流させる酸化剤ガス量を増加させ、水分量が十分である場合や過剰な場合は調整弁の開度を小さくして還流させる酸化剤ガス量を減少させることができる。

また、本発明においては、燃料電池からの酸化剤ガス排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、酸化剤ガス排出流路上に配置され酸化剤ガス排出流体からの水分を貯留する貯留器とを備え、水噴射手段は、貯留器からの水を導入されて噴射することを好ましい態様としている。

上記構成の燃料電池システムにあっては、燃料電池によって排出される生成水を一旦貯留し、これを水噴射手段に供給して、供給酸化剤ガスの加湿に用いることができるので、加湿のための水分を外部から供給せずに、リサイクル使用することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、水噴射によりコンプレッサの低風量域においても送風効率が向上し、また、コンプレッサおよび水噴射手段によって飽和水蒸気量を高められると共に適切に加湿された酸化剤ガスを燃料電池に供給することが可能となる。さらにシステムの小型化の障害になっていた加湿器を無くすことも可能となる。

本発明の燃料電池システムを示す系統図である。 従来の燃料電池システムを示す系統図である。

以下、図１を参照して本発明の実施形態を説明する。図１において符号１０は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック１０は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口には、酸化剤ガス（空気）が通流する第１配管（酸化剤ガス供給流路）２０が接続されている。第１配管２０上には、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）１２が配置されており、大気中から酸化剤ガスである空気を吸い込んで圧縮し、燃料電池１０に対して吐出するようになっている。

燃料電池スタック１０の酸化剤ガス排出口には、燃料電池の電気化学反応での生成水を含む排出酸化剤ガスが通流する第２配管（排出酸化剤ガス流路）２１が接続されている。第２配管２１上には、排出酸化剤ガスが有する生成水を受けるキャッチタンク（貯留器）１４と、背圧弁４１と、希釈器１９が配置されている。背圧弁４１は開度調整可能に構成され、供給された酸化剤ガスの圧力および流量を任意に調整する。また、希釈器１９は、第２配管２１から導入された排出酸化剤ガスと後述の第８配管から導入された排出燃料ガスとを混合し、所定以下の水素濃度の調整したのち第１０配管（最終排出流路）に向けて排出ガスを送出する。

燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口には、燃料ガス（水素）が通流する第３配管（燃料ガス供給流路）２２が接続されている。第３配管２２の上流には、レギュレータ４２を介して水素タンク１８が配置されており、タンク内の水素を、レギュレータ４２で圧力と流量を調整しながら燃料電池スタック１０に供給するようになっている。

燃料電池スタック１０の燃料ガス排出口には、燃料電池の電気化学反応での生成水を含む排出燃料ガスが通流する第４配管（排出燃料ガス流路）２３が接続されている。第４配管２３上には、排出燃料ガスが有する生成水を受けるキャッチタンク１５が配置されている。

ここで、カソード側の第１配管２０上であってコンプレッサ１２の下流側では、第１配管２０から第５配管２４（酸化剤ガス戻り流路）が分岐し、コンプレッサ１２の上流側に設けられた水噴射バルブ（水噴射手段）１３の上流側に接続されている。この第５配管２４の中途には酸化剤ガス戻し用バルブ４０が接続されており、流量を調整することができる。第２配管２１に設けられたキャッチタンク１４からは、第６配管２５（水循環流路）が分岐し、水噴射バルブ１３を介して第１配管２０のコンプレッサ１２の上流側に接続されており、キャッチタンク１４内の一部の生成水を酸化剤ガスに噴射するようになっている。

また、第１配管２０のコンプレッサ１２より下流側には、湿度計（水分量測定手段）６０が接続され、燃料電池スタック１０に供給される酸化剤ガスの湿度（水分含有量）を測定するようになっている。湿度計６０には、図示しない制御手段が接続されており、湿度計からの測定結果を制御手段に入力することによって、酸化剤ガス戻し用バルブ４０の開度を調整するように制御することができる。この制御手段としては公知の方法を採用することができ、例えば、湿度が所定の基準湿度より低い場合にはバルブ４０を完全に開いて還流量を最大とし、所定の基準湿度より高い場合にはバルブ４０を完全に閉じて還流を停止するＯＮ−ＯＦＦ制御とすることができる。または、所定の基準湿度を設定せずに、湿度が最小の際にバルブ４０の開度を最大とし、湿度の増加に伴ってバルブ４０の開度を連続的に小さくして還流量を調節することもできる。

一方、アノード側の第４配管２３に設けられたキャッチタンク１５からは、第７配管（排出燃料ガス流路）２６、第８配管（排出燃料ガス流路）２７、第９配管（排出燃料ガス戻り流路）２８が分岐し、第７配管２６はドレイン弁４３を、第８配管２７はパージ弁４４をそれぞれ介して希釈器１９に接続されている。また、第９配管２８は、コンプレッサ（燃料ガス側循環供給手段）１６を介して第３配管２２に接続されており、排出燃料ガスおよびキャッチタンク１５内の一部の生成水を燃料ガスに循環供給するようになっている。

ここで、ドレイン弁４３は第４配管２３に排出された生成水が溜まらないように適宜のタイミングで開成されてキャッチタンク１５に貯留した生成水を希釈器１９に導く。また、パージ弁４４は、第３配管２２および第４配管２３内にカソード側から透過してきた窒素等の不純物が徐々に蓄積されるのを防ぐため、適切なタイミングで開成されて第３配管２２および第４配管２３内のガスを希釈器１９に導くものである。

上述した本発明によれば、供給される酸化剤ガスに対して水噴射バルブ１３から水が噴射されるので、コンプレッサ１２の低風量域であってもロータークリアランスからの逆流漏れを抑制することができ、コンプレッサの送風効率が向上する。また、水噴射された酸化剤ガスがコンプレッサによって吸入・加圧・吐出された後、一部のガスが分岐してコンプレッサの上流に戻されて再びコンプレッサを通過するので、吐出ガス温度が上昇して飽和水蒸気量が上昇し、十分適切に加湿された酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、燃料電池システムにおいて加湿器が不要になるという効果を奏する。

また、本発明によれば、排出酸化剤ガスに含まれる生成水を水噴射バルブに供給して酸化剤ガスにリサイクル使用することができるので、外部から加湿用の水供給配管を設ける必要がない。

さらに、本発明によれば、湿度計により酸化剤ガスの湿度を測定してその測定結果を制御手段にフィードバックすることで酸化剤ガス戻し用バルブの開度を調整することができるから、例えば、水分量が不足している場合は調整弁の開度を大きくして還流させる酸化剤ガス量を増加させ、水分量が十分である場合や過剰な場合は調整弁の開度を小さくして還流させる酸化剤ガス量を減少させるように制御することにより、燃料電池に供給される酸化剤ガスを常に最適な湿度とすることができる。

本発明では、燃料電池に供給される酸化剤ガスの湿度を測定して、湿度の測定結果により加湿量を制御することができるので、燃料電池の安定した運転が確保され、厳しい信頼性が求められる自動車用の燃料電池システムに適用して極めて有望である。

１０…燃料電池スタック、
１１…加湿器、
１２…コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）、
１３…水噴射バルブ（水噴射手段）、
１４、１５…キャッチタンク（貯留器）、
１６…コンプレッサ（燃料ガス側循環供給手段）、
１７…水ポンプ、
１８…水素タンク、
１９…希釈器、
２０…第１配管（酸化剤ガス供給流路）、
２１…第２配管（排出酸化剤ガス流路）、
２２…第３配管（燃料ガス供給流路）、
２３…第４配管（排出燃料ガス流路）、
２４…第５配管（酸化剤ガス戻り流路）、
２５…第６配管（水循環流路）、
２６…第７配管（排出燃料ガス流路）、
２７…第８配管（排出燃料ガス流路）、
２８…第９配管（排出燃料ガス戻り流路）、
２９…第１０配管（最終排出流路）、
３０、３１…第１１配管（冷却水流路）、
４０…酸化剤ガス戻し用バルブ、
４１…背圧弁、
４２…レギュレータ、
４３…ドレイン弁、
４４…パージ弁
５０…ラジエータ、
６０…湿度計（水分量測定手段）。

Claims (3)

1. 酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路上に配置され酸化剤ガスを吸込み加圧して前記燃料電池に向けて吐出するコンプレッサと、
   前記コンプレッサの吸込口へ向けて水を噴射する水噴射手段と、
   前記酸化剤ガス供給流路上であって前記コンプレッサの下流の位置から分岐し、前記コンプレッサの上流に戻る戻り流路と、
   前記戻り流路上に配置され開度調整可能な調整弁と、
   前記酸化剤ガス供給流路上であって前記コンプレッサよりも下流の位置に配置された水分量測定手段と、
   前記水分量測定手段に接続された制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記水分量測定手段によって測定された水分値に応じて調整弁の開度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池からの酸化剤ガス排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路上に配置され前記酸化剤ガス排出流体からの水分を貯留する貯留器と
   を備え、
   前記水噴射手段は、前記貯留器からの水を導入されて噴射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. 前記戻り流路は、
   前記酸化剤ガス供給流路上であって前記水噴射手段よりも上流の位置に合流するよう接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
   

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