JP5212765B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

現在、反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のアノード極にアノードガス（水素ガス等の燃料ガス）を供給するアノードガス供給手段と、燃料電池のカソード極にカソードガス（酸化剤である酸素を含む空気等の酸化ガス）を供給するカソードガス供給手段とが設けられている。

ところで、カソード極側では、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応による生成水が生成されており、その一部は燃料電池内でアノード極側に拡散して凝縮する。このため、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃料電池に戻す循環流路を備えた燃料電池システムにおいては、アノード極側の凝縮水が発電効率を低下させる。

そこで、従来は、アノードガス供給手段がアノード極へのアノードガスの供給量を通常発電時よりも増加させることによって、アノード極側から凝縮水を排出させるパージ処理を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３７３６８８号公報

しかしながら、上記のように凝縮水の排水のためにアノードガス供給手段がアノード極へのアノードガスの供給量を通常発電時よりも増加させるのでは、発電に寄与しないアノードガスの使用量が増大することにもなるので、発電効率の低下を避けることができないという課題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、アノード極の排水性向上と発電効率の低下抑制とを両立できる燃料電池システムの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとが供給されて電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のアノード極にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池のカソード極にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池の発電時に前記カソード極からのカソードオフガスを前記アノード極に供給するカソードオフガス供給手段と、を備え、前記カソードガス供給手段は、前記カソード極へのカソードガス供給量を前記アノード極の排水特性に応じて予め定められた所定のエアストイキとなるように制御するものである。

かかる構成によれば、燃料電池の発電時にカソードオフガス供給手段によりアノード極にカソードオフガスを供給することで、このカソードオフガスを利用してアノード極側から凝縮水を発電中に排出することができる。また、カソードガスがアノード極の排水特性に応じて予め定められた所定のエアストイキにてカソード極へ供給されるので、アノードガスと共にカソード極に供給されるカソードガス中の酸化剤濃度を所定値以下に抑制することができる。このエアストイキは、例えば１以上１．２未満とされる。
また、前記カソードガス供給手段は、前記カソード極へのカソードガス供給量を、通常運転時は所定のエアストイキとなるように制御し、排水要求時は前記通常運転時のエアストイキよりも低いエアストイキとなるように制御してもよく、かかる場合において、前記排水要求時のエアストイキは、例えば１以上１．２未満とされてもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記カソードオフガス供給手段は、前記カソード極からのカソードオフガスの少なくともガス成分を外気に常時排気不可に構成されていても良い。

本発明によれば、カソードオフガスを利用してアノード極側から凝縮水を発電中に排出するため、発電中であっても凝縮水に起因した発電効率低下を抑制することができるとともに、発電に寄与しないアノードガスの使用量増大も抑制できるので、この点からも発電効率低下を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。この燃料電池システム１は、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用が可能となっている。

まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

第１実施形態に係る燃料電池システム１は、酸化ガス（カソードガス）としての空気及び燃料ガス（アノードガス）としての水素ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、固体高分子型のもので、図示は略すが電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成された単セルを複数有するスタック構造をなしている。

なお、単セルを構成する一対のセパレータのうちの一方のセパレータには、ＭＥＡのアノード極に水素ガスを供給するための流路と冷却水の流路とが形成されており、他方のセパレータには、ＭＥＡのカソード極に空気を供給するための流路と冷却水の流路とが形成されている。

また、燃料電池システム１は、燃料電池１０のカソード極に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系（カソードガス供給手段）２、燃料電池１０のアノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系（アノードガス供給手段）３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガスとしての空気を燃料電池１０のカソード極に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０のカソード極から排出された空気オフガス（カソードオフガス）を加湿器２０に導く空気排出流路２２とを備えている。

空気供給流路２１には、大気中から空気を取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられており、空気排出流路２２における加湿器２０の下流側には、加湿器２０を通過後の空気オフガスの圧力を調整する圧力調整弁２５が設けられている。なお、加湿器２０は、空気排出流路２２を通る空気オフガスの水蒸気の一部を空気供給流路２１内の空気に供給するものである。

水素ガス配管系３は、高圧の燃料ガスとしての水素ガスを貯留した図示略の燃料供給源から水素ガスを燃料電池１０のアノード極に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０のアノード極から排出された水素オフガス（アノードオフガス）を排出するための水素排出流路３２とを備えている。水素供給流路３１には、燃料電池１０のアノード極に供給する水素ガスの流量を調節するインジェクタ等の流量調節機構３３が設けられており、水素排出流路３２には、水素オフガスの圧力を調整するための圧力調整弁３４が設けられている。

そして、第１実施形態に係る燃料電池システム１では、酸化ガス配管系２の空気排出流路２２の端末と、水素ガス配管系３の水素供給流路３１とを接続することで、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスを燃料電池１０のアノード極に供給する空気オフガス配管系（カソードオフガス供給手段）５が設けられている。

この空気オフガス配管系５は、空気排出流路２２の端末に接続されるとともに水素供給流路３１の流量調節機構３３と燃料電池１０との間に合流する空気オフガス供給流路５１と、空気オフガス供給流路５１に設けられて空気オフガスから液体水（液成分）を除去して排水管５２から排水する気液分離器５３とを備えている。ここで、上記接続により、この空気オフガス配管系５は、その配管の範囲内に限れば、燃料電池１０のカソード極で空気オフガスが発生した場合に、この空気オフガスの少なくともガス成分を外気に常時排気不可に構成されている。

また、燃料電池システム１には、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水配管系６が設けられている。冷却水配管系６は、燃料電池１０の冷却水出口と冷却水入口と結ぶ冷却水流路６１と、冷却水流路６１に設けられて冷却水出口から冷却水入口に向けて冷却水を流す冷却水ポンプ６２と、冷却水流路６１における冷却水ポンプ６２よりも上流側に設けられた三方弁６３と、冷却水流路６１の冷却水ポンプ６２よりも下流側から分岐して冷却水流路６１の三方弁６３よりも上流側に合流する分岐流路６４と、分岐流路６４に設けられたイオン交換樹脂６５と、分岐流路６４の冷却水流路６１への合流位置と三方弁６３とをバイパスして結ぶバイパス流路６６と、バイパス流路６６に設けられた熱交換器としてのラジエータ６７とを有している。

この冷却水配管系６は、三方弁６３を切り替えることにより、燃料電池１０からの冷却水を冷却水流路６１を介してそのまま燃料電池１０に戻す状態と、燃料電池１０からの冷却水をラジエータ６７で冷却して燃料電池１０に戻す状態とに切り替えられる。そして、いずれの状態でも冷却水の一部がイオン交換樹脂６５に導入される。

以上の燃料電池システム１において、図示略の主電源スイッチがオンされて発電状態になると、制御装置４は、水素ガス配管系３の流量調節機構３３及び圧力調整弁３４と、酸化ガス配管系２のコンプレッサ２４及び圧力調整弁２５とを制御し、さらに必要により冷却水ポンプ６２および三方弁６３を制御する。これにより、加湿器２０で加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０のカソード極に供給されるとともに、水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０のアノード極に供給されることにより、燃料電池１０で発電が行われる。

ここで、第１実施形態に係る燃料電池システム１では、上記発電状態になると、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスが、空気排出流路２２の加湿器２０で水蒸気の一部が空気供給流路２１側に移動し、その後、空気オフガス供給流路５１を介して途中の気液分離器５３で液体水が除去された状態で水素供給流路３１に導入され、水素供給流路３１を介して水素ガスとともに燃料電池１０のアノード極に供給されることになる。

そして、アノード極に供給された空気オフガスと水素ガスとの混合ガスの内の水素が発電のために燃料電池１０で消費されながら、空気オフガスが主体となって、燃料電池１０のアノード極側にカソード極側の逆拡散で発生した凝縮水を水素排出流路３２を介して排出することになり、凝縮水によるアノード極側のフラッティングが抑制される。

このように、空気オフガスを利用して燃料電池１０のアノード極側から凝縮水を発電中に排出するため、発電中であっても凝縮水に起因した発電効率低下を抑制できるとともに、発電に寄与しない水素ガス量の増大を抑制でき、この点でも発電効率を向上できる。また、空気オフガスを利用するため、別途の不活性ガス等の発生設備が不要であり、構成を簡素化できる。

なお、燃料電池１０のアノード極に供給される空気オフガスは、酸素が燃料電池１０のカソード極で消費され気液分離器５３で液体水が除去されているため、窒素ガスと水蒸気とを主体としており、含まれる酸素は少量となっている。

しかも、制御装置４は、コンプレッサ２４及び圧力調整弁２５の流量を制御することで、酸化ガス配管系２で燃料電池１０のカソード極に供給する空気の利用率であるエアストイキ（供給量／使用量）を、少なくとも燃料電池２０のアノード極での排水特性に応じた値、例えば一般的な燃料電池システムの発電時のエアストイキ＝１．２〜１．４よりも低い１．０近く（例えば１．０〜１．２）に制御する。これにより、さらに空気オフガス内の酸素濃度を下げている。

このような酸素濃度が低い空気オフガスがアノード極に供給されると、比重の軽い水素ガスに比重の重い窒素ガスが導入されることになって、凝縮水の排出性能が向上する。特に燃料電池１０の低負荷時（要求発電量が所定値よりも低い時）に生じる凝縮水によるアノード極側のフラッティングを効果的に抑制できる。しかも、空気オフガスから酸素をさらに減らすことができ、燃料電池１０のアノード極での酸素供給に起因した異常反応をさらに抑制できる。

また、第１実施形態に係る燃料電池システム１では、空気オフガスに含まれた水蒸気が水素ガスを加湿することになり、加湿不足による性能低下及び劣化を抑制できる。しかも、空気オフガスの水蒸気を用いることから、水素ガスの加湿のために必要であった水素オフガスの水素ガスへの循環が不要となり、循環のための水素ポンプ、水素濃度維持のための水素パージ弁及び水素排気処理装置を含む循環配管系が不要になって低価格化及び簡素化が図れる。しかも、水素オフガスの循環による加湿よりも空気オフガスによる加湿の方が水素ガスの加湿量が多くなり、燃料電池１０の性能を向上させることができる。

次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。

第２実施形態に係る燃料電池システム１においては、第１実施形態の空気排出流路２２に設けられていた圧力調整弁２５が廃止されており、また、空気オフガス配管系５が、空気オフガス供給流路５１の気液分離器５３よりも下流側から外気に開放された排気流路５５を分岐させ、この排気流路５５に圧力及び流量を調節可能なバタフライ弁等の圧力調節機構（供給量制御手段）５６を設けている。

そして、制御装置（供給量制御手段）４がこの圧力調節機構５６を制御することで、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスのアノード極への供給量を一部から全量（加湿器２０により除去される水蒸気及び気液分離器５３で除去される液体水を除く全量）の範囲で変更制御可能となっている。

ここで、制御装置４は、空気オフガス供給流路５１における排気流路５５の分岐位置よりも下流側に設けられた図示略の圧力センサで検出される圧力が所定値Ｐ１となるように圧力調節機構５６を制御する。つまり、制御装置４は、燃料電池１０の排水特性及び必要加湿特性等に基づいて燃料電池１０の運転条件から空気オフガスのアノード極への導入量である必要導入カソード排気量を求めるためのマップを記憶しており、このマップに基づいてその時点での運転条件に対する必要導入カソード排気量を求める。

さらに、制御装置４は、この必要導入カソード排気量と水素排出流路３２における圧力調整弁３４よりも上流側に設けられた図示略の圧力センサで検出される圧力Ｐ２とから必要差圧ΔＰ（ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２）を求めるマップを記憶しており、このマップに基づいてその時点での必要導入カソード排気量及び圧力Ｐ２に対する必要差圧ΔＰを求める。そして、この必要差圧ΔＰと圧力Ｐ２とから所定値Ｐ１を算出し、この所定値Ｐ１が得られるように圧力調節機構５６を制御する。

以上の第２実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスのアノード極への供給量を変更制御可能となっているため、より詳細に制御することができる。つまり、制御装置４が、通常運転時は、圧力調節機構５６を制御することで燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスのアノード極への供給量を最小限とする。すると、燃料電池１０のカソード極には水素ガスを主体として供給される状態となる。

一方、例えば燃料電池１０のアノード極の上下流間の差圧等に基づく排水要求時（つまり、アノード極の凝縮水によるガス流通抵抗が所定値を超え排水が必要と判断された場合）に、制御装置４が、運転条件等に基づいて必要な空気オフガスを燃料電池１０のアノード極へ供給するように圧力調節機構５６を制御する。

すると、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスが気液分離器５３で液体水が除去された状態で水素供給流路３１に導入され、水素供給流路３１の水素ガスとともに燃料電池１０のアノード極に供給されることになる。そして、水素が発電のために燃料電池１０で消費されながら、空気オフガスが主体となって、燃料電池１０のアノード極側の凝縮水が水素排出流路３２を介して排出されることになる。

ここで、制御装置４は、空気オフガスのアノード極への供給量を最小限とする通常運転時には、コンプレッサ２４の流量を制御することで、酸化ガス配管系２で燃料電池１０のカソード極に供給する空気の利用率であるエアストイキを、例えば１．２〜１．４に制御することになり、空気オフガスを排水のためアノード極へ供給する排水運転時には、エアストイキをこれよりも低い１．０近く（例えば１．０〜１．２）に制御する。

これにより、排水運転時には、エアストイキが低く下げられた状態で燃料電池１０のカソード極に供給された空気が燃料電池１０のカソード極で酸素が消費されて空気オフガスとなるため、空気オフガスの酸素濃度は低く下げられている。このような空気オフガスがアノード極に供給されると、比重の軽い水素ガスに比重の重い窒素ガスが導入されることになって、凝縮水の排出性能が向上する。

特に、燃料電池１０の低負荷時に生じる凝縮水によるアノード極側のフラッティングを効果的に抑制できる。しかも、空気オフガスから酸素をさらに減らすことができ、燃料電池１０のアノード極での酸素供給に起因した異常反応をさらに抑制できる。

次に、図３を参照して、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。

第３実施形態に係る燃料電池システム１においては、第２実施形態と同様に、空気オフガス配管系５が、空気オフガス供給流路５１の気液分離器５３よりも下流側から外気に開放された排気流路５５を分岐させる一方、第２実施形態とは異なって空気オフガス供給流路５１の水素供給流路３１への接続位置に、エジェクタあるいは吸引ポンプ等のガス吸引機構（供給量制御手段）５８が設けられている。

このガス吸引機構５８は、空気オフガス供給流路５１から吸引する空気オフガスの吸引量を調整可能なもので、吸引した空気オフガスを水素供給流路３１へ導入する。そして、制御装置４がガス吸引機構５８を制御することで、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスのアノード極への供給量を０（ゼロ）から一部の範囲で変更制御可能となっている。なお、破線で示すように排気流路５５に圧力調整弁５９を設けても良い。

以上の第３実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置４が、通常運転時は、ガス吸引機構５８を作動させず燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスのアノード極への供給量を０（ゼロ）とする。すると、燃料電池１０のカソード極には水素ガスのみが供給される状態となる。

一方、例えば燃料電池１０のアノード極の上下流間の差圧等に基づく排水要求時（つまり、アノード極の凝縮水によるガス流通抵抗が所定値を超え排水が必要と判断された場合）に、制御装置４が、運転条件等に基づいて必要な空気オフガスを燃料電池１０のアノード極への供給するようにガス吸引機構５８を制御する。

すると、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスが気液分離器５３で液体水が除去された状態で水素供給流路３１に導入され、水素供給流路３１の水素ガスとともに燃料電池１０のアノード極に供給されることになる。そして、第２実施形態と同様に水素が発電のために燃料電池１０で消費されながら、空気オフガスが主体となって、燃料電池１０のアノード極側に発生した凝縮水が水素排出流路３２を介して排出されることになる。

ここでも、制御装置４は、空気オフガスのアノード極への供給量を０（ゼロ）とする通常運転時には、コンプレッサ２４及び圧力調整弁２５の流量を制御することで、酸化ガス配管系２で燃料電池１０のカソード極に供給する空気の利用率であるエアストイキを、例えば１．２〜１．４に制御することになり、空気オフガスをアノード極へ供給する排水運転時には、エアストイキをこれよりも低い１．０近く（例えば、１．０〜１．２）に制御する。

次に、図４を参照して、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。

第４実施形態に係る燃料電池システム１においては、第１実施形態に係る燃料電池システム１において設けられていた加湿器２０を廃止し、燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスを加湿器に通すことなく水素供給流路３１に導入して燃料電池１０のアノード極に供給するように構成されている。

なお、加湿器を廃止しても燃料電池１０内におけるプロトン伝導に伴って水がアノード極からカソード極へ移動するため、カソード極側も加湿できる。また、第４実施形態に係る燃料電池システム１では、第１実施形態に係る燃料電池システム１において設けられていた気液分離器５３も廃止している。

以上の第４実施形態に係る燃料電池システム１では、加湿器で空気オフガスの水蒸気を減らすことがないため、空気オフガスが供給されるアノード極の加湿効率をより向上できる。つまり、プロトン伝導に伴って水がアノード極からカソード極へ移動し、高電流での発電を行うとアノード極側の水が不足することになるが、アノード極へ供給される空気オフガスでこの不足を補うことができ、燃料電池１０の性能を向上させることができる。

しかも、加湿器を廃止すれば、低価格化及び簡素化がさらに図れる。なお、気液分離器５３は凍結防止等の点で必要でない場合に廃止することになる。

なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１において、加湿器２０を廃止して燃料電池１０のカソード極からの空気オフガスを加湿器に通すことなく水素供給流路３１に導入して燃料電池１０のアノード極に供給するように構成したり、気液分離器５３を廃止したりしても良い。同様に第３実施形態に係る燃料電池システム１において、加湿器２０や気液分離器５３を廃止しても良い。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…酸化ガス配管系（アノードガス供給手段）、３…水素ガス配管系（カソードガス供給手段）、４…制御装置、５…空気オフガス配管系（カソードオフガス供給手段）、１０…燃料電池、５６…圧力調節機構、５８…ガス吸引機構。

Claims (5)

1. アノードガスとカソードガスとが供給されて電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池のアノード極にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池のカソード極にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電時に前記カソード極からのカソードオフガスを前記アノード極に供給するカソードオフガス供給手段と、を備え、
   前記カソードガス供給手段は、前記カソード極へのカソードガス供給量を前記アノード極の排水特性に応じて予め定められた所定のエアストイキとなるように制御する燃料電池システム。
2. 前記カソードオフガス供給手段は、前記カソード極からのカソードオフガスの少なくともガス成分を外気に常時排気不可に構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記エアストイキが１以上１．２未満である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. アノードガスとカソードガスとが供給されて電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池のアノード極にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池のカソード極にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電時に前記カソード極からのカソードオフガスを前記アノード極に供給するカソードオフガス供給手段と、を備え、
   前記カソードガス供給手段は、前記カソード極へのカソードガス供給量を、通常運転時は所定のエアストイキとなるように制御し、排水要求時は前記通常運転時のエアストイキよりも低いエアストイキとなるように制御する燃料電池システム。
5. 前記排水要求時のエアストイキが１以上１．２未満である請求項４に記載の燃料電池システム。

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