JP5112804B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成されたアノードガス流路にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成されたカソードガス流路にカソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。

図９は、従来技術に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システムでは、水素タンク１３０から供給された水素ガスが、アノードガス供給配管１１３を通って燃料電池１のアノードガス流路５１に供給される。アノードガス流路５１から排出されたアノードオフガスは、アノードガス供給配管１１３に設けられたエゼクタに吸引され、水素タンク１３０から供給される水素ガスと合流し、再び燃料電池１に供給されて循環するようになっている。アノード循環路１１１から、電磁駆動式のパージ弁１０８を介して、アノードオフガス排出配管１１２が分岐されている。そして、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や空気、窒素等）の濃度が高くなったときなど、燃料電池の運転状態に応じてパージ弁１０８が開放され、アノードオフガス排出配管１１２からアノードオフガスを排出するようになっている。
特開２００２−１３４１５０号公報

燃料電池の発電に伴って、カソードガス流路５２で水が生成される。近年では電解質膜が薄膜化される傾向にあるため、カソードガス流路５２で生成された水が、電解質膜を通ってアノードガス流路５１に移動する。そのためアノードオフガスには水分が含まれ、アノードオフガスが排出される際にアノードオフガス排出配管１１２に水が付着する。これにより、寒冷地ではアノードオフガス排出配管１１２に付着した水が凍結し、アノードオフガス排出配管１１２が閉塞されるおそれがある。その結果、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。

なお、寒冷地において燃料電池を起動させる際に、暖機運転を行う技術が開発されている。例えば特許文献１には、燃料電池スタックの暖機状態を検出して暖機が必要なときには、空気圧力を高くするようにコンプレッサを制御する技術が記載されている。しかしながら、図９に示すパージ弁１０８は燃料電池の運転状態に応じて開放されるので、アノードオフガス排出配管１１２には、高温のアノードオフガスが常に流通しているわけではない。そのため、燃料電池の暖機が完了してもアノードオフガス排出配管１１２の温度は十分に上昇せず、内部の凍結が解消されない場合がある。

そこで本発明は、アノードオフガス排出配管内の凍結を抑制することが可能な、燃料電池システムの提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、カソードガスおよびアノードガスを導入して発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記燃料電池に再度供給するアノード循環路（例えば、実施形態におけるアノード循環路１１１）と、前記アノード循環路内のガスを、前記燃料電池の運転状態に応じて外部に排出するアノードオフガス排出配管（例えば、実施形態におけるアノードオフガス排出配管１１２）と、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを外部に常時排出するカソードオフガス排出配管（例えば、実施形態におけるカソードオフガス排出配管１２２）と、を有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１００）において、前記アノードオフガス排出配管および前記カソードオフガス排出配管が相互に熱交換を行うように隣接配置された配管隣接部（例えば、実施形態における配管隣接部１６０）をさらに有し、前記カソードガスと前記カソードオフガスとの間で水分交換を行う加湿装置（例えば、実施形態における加湿器１０３）を有し、前記配管隣接部は、前記加湿装置および前記アノードオフガス排出配管が隣接配置されてなることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記配管隣接部を覆うように、断熱部材（例えば、実施形態における断熱部材１６２）が配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記配管隣接部の下流側に、前記カソードオフガスおよび前記アノードオフガスを混合希釈して外部に排出する希釈装置（例えば、実施形態における希釈器１４０）を有することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記加湿装置は、ハウジング（例えば、実施形態におけるハウジング１０３ａ）と、前記ハウジングの内部に設けられた複数の中空糸膜（例えば、実施形態におけるチューブ１０３ｂ）とを備え、前記中空糸膜の内部を前記カソードガスが流通し、前記中空糸膜の外部であって前記ハウジングの内部を前記カソードオフガスが流通することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、カソードオフガス排出配管には高温のカソードオフガスが常時流通するので、燃料電池の運転中および運転停止直後におけるカソードオフガス排出配管の温度は高くなっている。そのため、配管隣接部においてカソードオフガス排出配管からアノードオフガス排出配管に熱伝達が行われ、アノードオフガス排出配管の温度を上昇させることが可能になる。これにより、燃料電池の運転開始から短時間でアノードオフガス排出配管内の凍結を解消することが可能になり、また燃料電池の運転停止から長時間にわたりアノードオフガス排出配管内の凍結を防止することが可能になる。したがって、アノードオフガス排出配管内の凍結を抑制することができる。
また、加湿装置は一般に熱容量が大きく燃料電池の運転停止後でも高温に維持されているため、加湿装置からアノードオフガス排出配管への熱伝達を十分に行うことが可能になる。したがって、アノードオフガス排出配管内の凍結を抑制することができる。

請求項２に係る発明によれば、カソードオフガス排出配管の熱が輻射によって失われるのを防止することが可能になり、アノードオフガス排出配管への熱伝達を効率よく行うことができる。また、アノードオフガス排出配管に伝達された熱が輻射によって失われるのを防止することもできる。

請求項３に係る発明によれば、配管隣接部において温度上昇したアノードオフガスが希釈装置に供給されるので、アノードオフガスが希釈装置の内部で拡散し易くなる。これにより、アノードオフガスおよびカソードオフガスを確実に混合希釈することができる。

請求項４に係る発明によれば、アノードオフガス排出配管への熱伝達を効率よく行うことができる。したがって、アノードオフガス排出配管内の凍結を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池システム）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、カソードガスとアノードガスを供給し発電を行う燃料電池１を備えている。燃料電池１は、単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を多数積層して電気的に直列接続したものである。単位セルは、膜電極構造体の両側にセパレータを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）の両側にアノード電極とカソード電極を配置して構成されている。その膜電極構造体のアノード電極に面してアノード側セパレータが配置され、両者間にアノードガス流路５１が形成されている。また膜電極構造体のカソード電極に面してカソード側セパレータが配置され、両者間にカソードガス流路５２が形成されている。

この燃料電池１では、アノードガス流路５１にアノードガス（燃料ガス）として水素ガス等を供給し、カソードガス流路５２にカソードガス（酸化剤ガス）として酸素を含む空気等を供給すると、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動する。この水素イオンがカソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電が行われ、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される。近年では電解質膜が薄膜化される傾向にあるため、カソード電極側で生成された水の一部は、固体高分子電解質膜を透過してアノード電極側にも拡散する。

燃料電池１のアノードガス流路５１の入口側にはアノードガス供給配管１１３が連結され、その上流端部には水素タンク１３０が接続されている。また、燃料電池１のアノードガス流路５１の出口側にはアノード循環路１１１が連結されている。
水素タンク１３０から供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ１０６を通り、アノードガス供給配管１１３から燃料電池１のアノードガス流路５１に供給される。アノードオフガスは、アノード循環路１１１を通って前記エゼクタに吸引され、水素タンク１３０から供給される水素ガスと合流し、再び燃料電池１に供給されて循環するようになっている。

アノード循環路１１１から、電磁駆動式のパージ弁１０８を介して、アノードオフガス排出配管１１２が分岐されている。そして、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や空気、窒素等）の濃度が高くなり、水素ガスの濃度を高める必要がある場合など、燃料電池１の運転状態に応じて定期的にパージ弁１０８が開放され、アノードオフガス排出配管１１２からアノードオフガスを排出するようになっている。アノードオフガス排出配管１１２は希釈器１４０に接続されている。

一方、燃料電池１のカソードガス流路５２の入口側にはカソードガス供給配管１２１が連結され、その上流端部にはエアポンプ（Ａ／Ｐ）１０２が接続されている。また、カソードガス流路５２の出口側にはカソードオフガス排出配管１２２が連結されている。
エアポンプ１０２により加圧された空気は、加湿器１０３で加湿されて、カソードガス供給配管１２１から燃料電池１のカソードガス流路５２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１からカソードオフガスとして排出される。カソードオフガス排出配管１２２は、上述した加湿器１０３を通り、電磁駆動式の背圧弁１０４を介して、希釈器１４０に接続されている。希釈器１４０は、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合することにより、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスをカソードオフガスで希釈して、外部に排出する。

なお制御装置（不図示）は、燃料電池１に要求される出力に応じて、エアポンプ１０２を駆動して所定量の空気を燃料電池１に供給するとともに、遮断弁（不図示）を制御して水素タンク１３０から所定量の水素ガスを燃料電池１に供給する。また制御装置は、背圧弁１０４を制御して、カソードガス流路５２を流れる空気の圧力を燃料電池１の要求出力に応じた圧力に調整する。また制御装置は、パージ弁１０８を制御して、アノードオフガスの排出を調整する。

（第１実施形態）
図２（ａ）は第１実施形態における配管隣接部の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。図２（ａ）に示すように、カソードガス供給配管１２１およびカソードオフガス排出配管１２２は、加湿器１０３に接続されている。
図２（ｂ）に示すように、加湿器１０３は、金属材料等により円筒状に形成されたハウジング１０３ａを備えている。ハウジング１０３ａの内部には、中空糸膜からなる複数のチューブ１０３ｂが設けられている。このチューブ１０３ｂの内部をカソードガスが流通し、チューブ１０３ｂの外部であってハウジング１０３ａの内部をカソードオフガスが流通するようになっている。チューブ１０３ｂを構成する中空糸膜は、ガスを透過することなく水分のみを透過する性質を有する。そのため、カソードオフガスに含まれる水分が中空糸膜を透過してカソードガスに受け渡され、カソードガスが加湿されるようになっている。

第１実施形態では、加湿器１０３とアノードオフガス排出配管１１２とが隣接配置されて、配管隣接部１６０が構成されている。具体的には、加湿器１０３のハウジング１０３ａの外周面とアノードオフガス排出配管１１２とが接触するように配置されている。この加湿器１０３およびアノードオフガス排出配管１１２が、硬質ウレタン、または発砲ウレタン等からなる断熱部材１６２により覆われていることが望ましい。なお図２（ｂ）の断熱部材１６２は、アノードオフガス排出配管１１２の全周を覆うとともに、加湿器１０３のハウジング１０３ａの半周程度を覆っている。また図２（ａ）に示すように、配管隣接部１６０の長手方向の略全体に断熱部材が配置されていることが望ましい。

上述したように、燃料電池の発電に伴ってカソード電極側で生成された水はアノード電極側にも拡散するので、アノードオフガスは水分を含んでいる。そのため、図１に示すパージ弁１０８を開いてアノードオフガスを排出する際に、アノードオフガス排出配管１１２に水分が付着する。寒冷地において気温が氷点下に下がると、アノードオフガス排出配管１１２に付着した水分が凍結し、アノードオフガス排出配管１１２が閉塞されるおそれがある。

そこで本実施形態では、アノードオフガス排出配管１１２がカソードオフガス排出配管１２２に沿って配置されている構成とした。カソードオフガス排出配管１２２には、燃料電池１から排出された高温のカソードオフガスが常時流通するので、燃料電池の運転中および運転停止直後におけるカソードオフガス排出配管１２２の温度は高くなっている。そのため、カソードオフガス排出配管１２２からアノードオフガス排出配管１１２に熱伝達が行われ、アノードオフガス排出配管の温度を上昇させることが可能になる。これにより、燃料電池１の運転開始から短時間でアノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を解消することが可能になり、また燃料電池の運転停止から長時間にわたりアノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を防止することが可能になる。このように、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を抑制することで、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。なお、従来技術では廃棄されていたカソードオフガスの熱エネルギーを利用して、特別な装置を追加することなくアノードオフガス排出配管の暖機を行うことで、コスト上昇を抑制することができる。

図３は本実施形態と従来技術とを比較するためのグラフであり、図３（ａ）は暖機運転開始時であり、図３（ｂ）は通常運転停止時である。なお図３では、横軸に時間をとり、縦軸にアノードオフガス排出配管の温度をとっている。
図３（ａ）に示すように、気温が氷点下の状態で燃料電池の暖機運転を開始すると、電気化学反応に伴う発熱により燃料電池の温度は上昇する。ところが、アノードオフガスはアノード循環路を循環しアノードオフガス排出配管に排出されないので、従来技術ではアノードオフガス排出配管の温度上昇速度が遅くなる。これに対して本実施形態では、カソードオフガスが流通するカソードオフガス排出配管１２２からアノードオフガス排出配管１１２に熱伝達が行われるので、アノードオフガス排出配管１１２の温度上昇速度が早くなる。したがって、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を迅速に解消することが可能になり、燃料電池１の通常運転を早期に開始することができる。

図３（ｂ）に示すように、気温が氷点下の状態で燃料電池１の運転を停止すると、アノードオフガス排出配管１１２の温度が急激に低下し、０℃を下回ると内部の水分が凍結する。従来技術では、アノードオフガス排出配管１１２の温度が早期に０℃を下回るので、燃料電池１の運転停止直後に運転を再開する場合でも、上記のように長時間の暖機運転が必要になる。これに対して本実施形態では、燃料電池１の運転停止直後も高温に維持されているカソードオフガス排出配管１２２からアノードオフガス排出配管１１２に熱伝達が行われるので、アノードオフガス排出配管１１２の温度を長時間にわたって０℃以上に保持することが可能になる。これにより、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を防止することが可能になり、燃料電池の運転停止直後に運転を再開する場合には、暖機運転が不要になるか、または暖機運転時間を短縮することができる。

また本実施形態では、カソードオフガス排出配管１２２が接続された加湿器１０３に沿ってアノードオフガス排出配管１１２が配置されている構成とした。加湿器１０３は一般に熱容量が大きく燃料電池１の運転停止後にも高温に維持されているため、加湿器１０３からアノードオフガス排出配管１１２への熱伝達を十分に行うことが可能になる。したがって、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を抑制することができる。

また加湿器１０３の全部または一部が断熱部材１６２によって覆われているので、加湿器１０３の熱が輻射によって失われるのを防止することが可能になり、加湿器１０３の熱を効率よくアノードオフガス排出配管１１２に伝達することができる。またアノードオフガス排出配管１１２が断熱部材１６２によって覆われているので、加湿器１０３からアノードオフガス排出配管１１２に伝達された熱が輻射によって失われるのを防止することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態では、加湿器１０３に沿って配管隣接部１６０が形成されていたが、第２実施形態では、希釈器１４０の上流側のカソードオフガス排出配管１２２に沿って配管隣接部１６０が形成されている点で相違している。すなわち第２実施形態では、希釈器１４０の上流側のカソードオフガス排出配管１２２に沿ってアノードオフガス排出配管１１２を配置することで、配管隣接部１６０が形成されている。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図５（ａ）は第２実施形態における配管隣接部の斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。図５（ａ）に示すように、配管隣接部１６０は、加湿器１０３の下流側に形成されている。
図５（ｂ）に示すように、配管隣接部１６０では、カソードオフガス排出配管１２２とアノードオフガス排出配管１１２とが接触している。これにより、カソードオフガス排出配管１２２からアノードオフガス排出配管１１２に熱伝達が行われ、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を抑制することができる。

また両配管１２２，１１２は断熱部材１６２によって覆われている。これにより、カソードオフガス排出配管１２２の熱が輻射によって失われるのを防止することが可能になり、カソードオフガス排出配管１２２の熱を効率よくアノードオフガス排出配管１１２に伝達することができる。またアノードオフガス排出配管１１２に伝達された熱が輻射によって失われるのを防止することができる。

図４に戻り、第２実施形態では、希釈器１４０の上流側に配管隣接部１６０が配置されている。この場合、配管隣接部１６０において温度上昇したアノードオフガスが希釈器に供給されるので、アノードオフガスが希釈器１４０の内部で拡散し易くなる。これにより、アノードオフガスに含まれる未反応の水素ガスを、カソードオフガスによって確実に混合希釈することができる。

図６は、第２実施形態の変形例における配管隣接部の斜視図である。上述した第２実施形態における配管隣接部１６０では、カソードオフガス排出配管１２２とアノードオフガス排出配管１１２とを接触させていたが、この変形例における配管隣接部１６０では、両配管１２２，１１２を所定間隔で離間配置しつつ、連結部材１６４により連結している。連結部材１６４は、熱伝導率の高い金属材料等で構成されている。なお配管隣接部１６０では、両配管１２２，１１２および連結部材１６４が断熱部材（不図示）によって覆われていることが望ましい。
この変形例のように、両配管１２２，１１２を離間配置した場合でも、両配管１２２，１１２を連結部材１６４により連結することで、両配管１２２，１１２の熱交換が可能になる。したがって、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を抑制することができる。

なお図示しないが、他の変形例として、カソードオフガス排出配管およびアノードオフガス排出配管のうち、一方の配管の内部に他方の配管を配置して配管隣接部を構成してもよい。例えば、カソードオフガス排出配管の内部にアノードオフガス排出配管を配置すればよい。これにより、カソードオフガス排出配管からアノードオフガス排出配管に対して効率よく熱伝達を行うことができる。この場合にも、配管隣接部におけるカソードオフガス排出配管が断熱部材により覆われていることが望ましい。

（第３参考形態）
図７は、第３参考形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。上述した第１実施形態では、加湿器１０３に沿って配管隣接部１６０が形成されていたが、第３参考形態では、加湿器１０３の上流側のカソードオフガス排出配管１２２に沿って配管隣接部１６０が形成されている点で相違している。なお第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図８（ａ）は第３参考形態における配管隣接部の斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。図８（ａ）に示すように、配管隣接部１６０は、加湿器１０３の上流側に形成されている。
図８（ｂ）に示すように、配管隣接部１６０では、カソードオフガス排出配管１２２とアノードオフガス排出配管１１２とが接触している。これにより、カソードオフガス排出配管１２２からアノードオフガス排出配管１１２に対して熱伝達が行われ、アノードオフガス排出配管１１２の内部の凍結を抑制することができる。

また両配管１２２，１１２は断熱部材１６２によって覆われている。これにより、カソードオフガス排出配管１２２の熱が輻射によって失われるのを防止することが可能になり、カソードオフガス排出配管１２２の熱を効率よくアノードオフガス排出配管１１２に伝達することができる。またアノードオフガス排出配管１１２に伝達された熱が輻射によって失われるのを防止することができる。

図８（ａ）に示すように、第３参考形態では、加湿器１０３の上流側に配管隣接部１６０が配置されている。配管隣接部１６０では、カソードオフガス排出配管１２２からアノードオフガス排出配管１１２に熱伝達されるので、カソードオフガス排出配管１２２の温度が低下する。そのため、カソードオフガスに含まれる水蒸気の一部が凝結して加湿器１０３に供給される。水蒸気のまま加湿装置に供給されると加湿器１０３を通り過ぎる可能性があるが、水蒸気が凝結して供給されると加湿に利用される可能性が高くなる。したがって、加湿器１０３においてカソードガスを効率よく加湿することができる。

なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、加湿器の構造は上記以外の他の構造とすることも可能である。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は第１実施形態における配管隣接部の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 実施形態と従来技術とを比較するためのグラフである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は第２実施形態における配管隣接部の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。 第２実施形態の変形例における配管隣接部の斜視図である。 第３参考形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 （ａ）は第３参考形態における配管隣接部の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。 従来技術に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…燃料電池 １００…燃料電池システム １０３…加湿器（加湿装置） １０３ａ…ハウジング １０３ｂ…チューブ（中空糸膜） １１１…アノード循環路 １１２…アノードオフガス排出配管 １２２…カソードオフガス排出配管 １４０…希釈器（希釈装置） １６０…配管隣接部 １６２…断熱部材

Claims (4)

1. カソードガスおよびアノードガスを導入して発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記燃料電池に再度供給するアノード循環路と、
   前記アノード循環路内のガスを、前記燃料電池の運転状態に応じて外部に排出するアノードオフガス排出配管と、
   前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを外部に常時排出するカソードオフガス排出配管と、
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記アノードオフガス排出配管および前記カソードオフガス排出配管が相互に熱交換を行うように隣接配置されてなる配管隣接部をさらに有し、
   前記カソードガスと前記カソードオフガスとの間で水分交換を行う加湿装置を有し、
   前記配管隣接部は、前記加湿装置および前記アノードオフガス排出配管が隣接配置されてなることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記配管隣接部を覆うように、断熱部材が配置されてい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. 前記配管隣接部の下流側に、前記カソードオフガスおよび前記アノードオフガスを混合希釈して外部に排出する希釈装置を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記加湿装置は、ハウジングと、前記ハウジングの内部に設けられた複数の中空糸膜とを備え、前記中空糸膜の内部を前記カソードガスが流通し、前記中空糸膜の外部であって前記ハウジングの内部を前記カソードオフガスが流通することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。

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