JP5276135B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路に設けられたエゼクタにより該燃料ガス供給流路の途上に戻して該燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムに関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータにより挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
この種の燃料電池では、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、新たに供給される燃料ガスに混合して前記燃料電池に供給する燃料ガス循環型燃料電池システムが採用されている。燃料ガスの消費量が節約されるとともに、水素利用率の向上が図られるからである。
ところで、燃料ガス循環型燃料電池システムでは、燃料電池内で生成された生成水が、凝縮水やミスト等の液体の状態で燃料ガス循環系内を循環している。このため、液状の生成水が燃料電池のアノード側電極に付着してしまい、燃料ガスが前記アノード側電極に供給されないおそれがある。
そこで、例えば、特許文献1には、燃料オフガス中に含まれる水分が、新たに供給された燃料ガスとの混合状態でガス管路中に凝縮することを防止することが可能な燃料電池発電装置が開示されている。具体的には、図6に示すように、リン酸型燃料電池1は、燃料極1aと空気極1bとの間に冷却板1cが介装されており、この燃料電池1には燃料ガス供給系2、反応空気供給系3及び冷却水循環系4が接続されている。
燃料ガス供給系2は、燃料ガス供給回路2a、燃料オフガスリサイクル回路2b及び混合ガス回路2cを有するとともに、これらの合流する地点にエゼクタポンプ5が接続されている。冷却水循環系4は、水蒸気分離器4a及び冷却水循環ポンプ6を備えている。
混合ガス回路2cには、熱交換器として機能するガス加熱器7が配設されている。このガス加熱器7は、混合ガス回路2cの管路に巻き付けて配管した加熱コイル7aを備え、この加熱コイル7aには、燃料電池1の冷却水循環系4に備えた水蒸気分離器4aから抽出された蒸気が熱媒として流されている。
このような構成において、燃料電池1の運転時には、水蒸気分離器4aには水と水蒸気が貯留されており、この水蒸気分離器4aからガス加熱器7の加熱コイル7aに供給される水蒸気と、混合ガス回路2cを通流する燃料混合ガスとの熱交換によって、前記燃料混合ガスが加熱昇温される。このため、燃料混合ガスの相対湿度が低下し、前記燃料混合ガス中に含まれる水分の凝縮が起き難くなった状態で燃料電池1の運転が遂行され、ガス配管中に凝縮水が溜まることがない、としている。
特開平8−321316号公報(段落[0003]、[0020]〜[0021]、図3)
ところで、上記の特許文献1では、運転温度が約180℃に維持されるため、燃料電池1に供給される燃料オフガス中にミストが含まれていても、このミストは高温の前記燃料電池1によって蒸発し易い。しかも、特許文献1は、リン酸型燃料電池1に関するものであり、電解質を加湿する必要がない。
一方、固体高分子型燃料電池では、水分をキャリアとして水素イオンをアノード側電極からカソード側電極に透過させるため、固体高分子電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。しかしながら、特許文献1は、燃料オフガス中に含まれる水分を除去するだけでよく、前記特許文献1の技術を固体高分子型燃料電池に、直接、採用することができないという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、効率的な発電を遂行することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の請求項1に係る燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、前記固体高分子型燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路と、を備え、前記冷却媒体循環流路は、前記固体高分子型燃料電池の冷却媒体出口から排出される前記冷却媒体を、前記熱交換器に昇温用熱源として循環供給し、前記熱交換器から前記固体高分子型燃料電池に前記冷却媒体が供給される前記冷却媒体循環流路の途上には、該冷却媒体を循環させるポンプが配設され、前記ポンプは、前記冷却媒体循環流路において前記熱交換器から前記固体高分子型燃料電池の冷却媒体入口までの部分を構成する途中流路のうち、前記冷却媒体の流れ方向の上流側部分に配置され、前記熱交換器のみで、前記ミスト状生成水の水蒸気化と前記冷却媒体の冷却とを行うことを特徴とする。
エゼクタは、燃料ガス供給流路を流れる新たな燃料ガスと、燃料電池から排出される排ガスとを混合するとともに、前記排ガスに含まれる生成水をミスト状にする。さらに、ミスト状の生成水は、エゼクタの下流に配設されている水蒸気化機構を介して水蒸気化される。
このため、ミスト状の生成水が燃料電池内に供給されてアノード側電極に付着することがなく、水蒸気化された生成水が前記アノード側電極を良好に透過する。従って、燃料ガスをアノード側電極に確実に供給することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。しかも、水蒸気化された生成水を加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水の有効利用が図られる。
、燃料電池から排出される高温の冷却媒体を熱源として熱交換器に供給することにより、生成水の水蒸気化と前記高温の冷却媒体の冷却とが行われる。従って、熱交換器と加湿器とが統合されて燃料電池システム全体の小型化が容易に図られる。
又、本発明の請求項2に係る燃料電池システムでは、固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、を備え、前記燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路の途上から分岐するとともに、該燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、前記熱交換器に供給するパージ流路を備え、前記燃料ガス循環流路の途上と前記パージ流路の分岐部には、前記燃料ガス循環流路を前記パージ流路に連通させる三方弁が設けられ、前記熱交換器の内部には、前記廃棄される前記排ガスが供給されることにより燃焼が起こる触媒が収容され、前記固体高分子型燃料電池の通常発電時、前記廃棄される前記排ガスを外部に廃棄する際に、前記三方弁を切り替えて前記廃棄される前記排ガスを前記熱交換器内の前記触媒に供給することにより触媒燃焼が起こり、該触媒燃焼で得た熱を用いて前記ミスト状生成水を含む前記排ガスを加熱することを特徴とする。このため、通常、車両外部に廃棄している排ガスを燃焼させて生成水を水蒸気化させる熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られる。
本発明に係る燃料電池システムでは、エゼクタが燃料ガス供給流路を流れる新たな燃料ガスと、燃料電池から排出される排ガスとを混合するとともに、前記排ガスに含まれる生成水をミスト状にする。さらに、ミスト状の生成水は、エゼクタの下流に配設されている水蒸気化機構を介して水蒸気化される。
このため、ミスト状の生成水が燃料電池内に供給されてアノード側電極に付着することがなく、水蒸気化された生成水が前記アノード側電極を良好に透過する。従って、燃料ガスをアノード側電極に確実に供給することができ、所望の発電性能を維持することが可能になる。しかも、水蒸気化された生成水を加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水の有効利用が図られる。
本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する熱交換器の説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する熱交換器の説明図である。 特許文献1に係る燃料電池発電装置の概略構成説明図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システム10の概略構成図である。燃料電池システム10は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック12を備える。この燃料電池スタック12は、複数の発電セル14を矢印A方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート16a、16bが配置されており、前記エンドプレート16a、16bが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
発電セル14は、例えば、固体高分子電解質膜18aの両側にアノード側電極18bとカソード側電極18cとを配置した電解質膜・電極構造体18と、前記電解質膜・電極構造体18を挟持する一対のセパレータ20、22とを備える。アノード側電極18bには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極18cには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
エンドプレート16aには、発電セル14に水素ガスを供給するための水素ガス入口24aと、前記発電セル14に空気を供給するための空気入口(酸化剤ガス入口)26aとが設けられる。エンドプレート16bには、発電セル14から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック12から排出するための水素ガス出口24bと、前記発電セル14から排出される未使用の酸素を含む空気を燃料電池スタック12から排出するための空気出口26bとが設けられる。
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12に水素ガスを供給する燃料ガス供給流路28と、前記燃料電池スタック12から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路28の途上に戻して該燃料電池スタック12に供給するための燃料ガス循環流路30と、前記燃料電池スタック12に空気を供給する酸化剤ガス供給流路31とを備える。
燃料ガス供給流路28には、高圧水素を貯留する水素タンク32と、前記水素タンク32から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ34と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック12に供給するとともに、燃料ガス循環流路30から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック12に戻すためのエゼクタ36とが配設される。
エゼクタ36の下流と燃料電池スタック12との間には、排ガスに含まれて前記エゼクタ36を通過した水分を水蒸気化させる水蒸気化機構、例えば、熱交換器38が配設される。熱交換器38では、燃料ガス循環流路30から供給される排ガスを含む混合水素ガスを被加熱媒体とする一方、酸化剤ガス供給流路31から供給される圧縮された空気を加熱媒体(熱源)とし、この圧縮された空気により前記排ガスが加熱される。
酸化剤ガス供給流路31には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ(コンプレッサ)40が配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路31は、熱交換器38を介して燃料電池スタック12の空気入口26aに連通する。燃料電池スタック12の空気出口26bには、未使用の空気を含む排ガスを外部に廃棄するための空気排出流路42が接続される。
このように構成される燃料電池システム10の動作について、以下に説明する。
図1に示すように、水素タンク32から燃料ガス供給流路28に供給される水素ガスは、レギュレータ34を介して所定の圧力に減圧され、エゼクタ36を通って熱交換器38に供給される。熱交換器38では、後述するように、混合水素ガスが加熱され、この加熱された混合水素ガスは、水素ガス入口24aから各発電セル14に供給される。このため、混合水素ガスは、各発電セル14を構成するアノード側電極18bに沿って移動した後、未使用の水素ガスを含む排ガスが、水素ガス出口24bから燃料ガス循環流路30に排出される。
一方、酸化剤ガス供給流路31では、スーパーチャージャ40を介して空気が圧縮され、この圧縮された空気が熱交換器38を通って各発電セル14のカソード側電極8cに供給される。そして、未使用の空気を含む排ガスは、空気出口26bから空気排出流路42に排出される。これにより、各発電セル14では、アノード側電極18bに供給される水素と、カソード側電極18cに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
燃料ガス循環流路30に排出された排ガスは、エゼクタ36の吸引作用下に、燃料ガス供給流路28の途上に戻される。この場合、図2に示すように、排ガス中に含有する液状の生成水44は、エゼクタ36の吸引によってミスト状の生成水44aになる。さらに、ミスト状の生成水44aは、熱交換器38を通過するとともに、スーパーチャージャ40の作用下に、圧縮された空気が前記熱交換器38に供給される。
この空気は、圧縮されることによって相当に高温(例えば、200℃)に昇温されており、熱源として熱交換器38に供給される。このため、熱交換器38に供給された水素ガス及び排ガスを含む混合水素ガスは、被加熱媒体として熱源である高温の空気によって加熱される。従って、ミスト状の生成水44aは、高温の空気と熱交換することによって水蒸気状の生成水44bになり、この水蒸気状の生成水44bが各発電セル14のアノード側電極18bに供給される。
これにより、第1の実施形態では、ミスト状の生成水44aが各発電セル14内に供給されてアノード側電極18bに付着することがなく、水蒸気状の生成水44bが前記アノード側電極18bを良好に透過する。従って、水素ガスをアノード側電極18bに確実に供給することができ、各発電セル14は、所望の発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。
さらに、スーパーチャージャ40により圧縮された空気は、固体高分子型燃料電池である発電セル14の運転温度よりも高温になっている。そこで、高温の空気を熱源として熱交換器38に供給することにより、ミスト状の生成水44aの水蒸気化と、酸化剤ガスである前記高温の空気の冷却とが有効に行われる。
このため、専用の加湿器が不要になって熱交換器38と加湿器とが統合され、燃料電池システム10全体を経済的且つ小型に構成することができる。しかも、水蒸気状の生成水44bを加湿水として使用することができ、専用の加湿器が不要になるとともに、生成水44の有効利用が図られるという利点がある。
その上、スーパーチャージャ40の圧縮作用下に、空気が迅速に加熱されるため、熱交換器38のレスポンスが有効に向上し、燃料電池システム10の運転直後に生成水を確実に水蒸気化させることが可能になる。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池システム60の概略構成図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池システム10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。又、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池システム60には、エンドプレート16bに発電セル14の冷却を行うための冷却媒体を供給する冷却媒体入口62aが設けられるとともに、エンドプレート16aには、前記発電セル14の冷却を行って高温となっている冷却媒体を排出する冷却媒体出口62bが設けられる。
燃料電池システム60は、冷却媒体入口62aと冷却媒体出口62bとを連通し、各発電セル14に沿って冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路64を備える。冷却媒体循環流路64には、冷却媒体を矢印方向に循環させるポンプ66が配設されるとともに、冷却媒体出口62bから排出される比較的高温の冷却媒体が、熱源として熱交換器38に供給される。
このように構成される第2の実施形態では、ポンプ66の作用下に、冷却媒体循環流路64に沿って冷却媒体が循環され、この冷却媒体はエンドプレート16bの冷却媒体入口62aから各発電セル14に供給されて前記発電セル14を冷却する。発電セル14を冷却することによって比較的高温となった冷却媒体は、エンドプレート16bの冷却媒体出口62bから熱交換器38に供給される。
これにより、燃料電池スタック12から排出される高温の冷却媒体を、熱源として熱交換器38に供給することができ、この熱交換器38に被加熱媒体として供給される排ガス中の生成水は、前記高温の冷却媒体と熱交換を行ってミスト状から水蒸気状に確実に変換された後、燃料電池スタック12に供給される。
従って、第2の実施形態では、生成水の水蒸気化と冷却媒体の冷却とが単一の熱交換器38で行われるため、熱交換機能と加湿機能とが統合されて燃料電池システム60全体の小型化が容易に図られる。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システム70の概略構成図である。
燃料電池システム70には、燃料ガス循環流路30の途上に三方弁72が設けられ、この三方弁72に前記燃料ガス循環流路30から排ガスを廃棄するためのパージ流路74が接続される。パージ流路74は、排ガスを熱源として熱交換器76に供給する一方、前記熱交換器76には、新たな燃料ガスである水素ガスと排ガスとの混合水素ガスが被加熱媒体として供給される。
図5に示すように、熱交換器76は、供給口78と排出口80とを設けるとともに、内部にハニカム構造の複数の触媒82が収容されており、この触媒82に沿って蛇行する通路84が形成される。
このように構成される第3の実施形態では、燃料ガス循環流路30を循環する排ガスを外部に廃棄(パージ)する際に、三方弁72が駆動されてこの燃料ガス循環流路30がパージ流路74に連通する。このため、排ガスはパージ流路74を通って熱交換器76の触媒82に供給され、触媒燃焼が惹起される。
熱交換器76には、供給口78から水素ガス及び排ガスの混合水素ガスが導入され、前記混合水素ガスが通路84に沿って蛇行しながら排出口80から燃料電池スタック12に供給される。その際、熱交換器76では、触媒82を介してパージ用の排ガスが触媒燃焼されており、この触媒燃焼によって通路84を通る混合水素ガスが加熱される。これにより、混合水素ガス中のミスト成分は、確実に水蒸気化されて燃料電池スタック12に供給される。
従って、第3の実施形態では、通常、燃料電池システム70の外部に廃棄される排ガスを燃焼させて生成水の水蒸気化を行うための熱源とすることができ、前記排ガスの有効利用が図られるという効果が得られる。
10、60、70…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
14…発電セル 16a、16b…エンドプレート
18a…固体高分子電解質膜 18b…アノード側電極
18c…カソード側電極 20、22…セパレータ
24a…水素ガス入口 24b…水素ガス出口
26a…空気入口 26b…空気出口
28…燃料ガス供給流路 30…燃料ガス循環流路
31…酸化剤ガス供給流路 32…水素タンク
36…エゼクタ 38、76…熱交換器
40…スーパーチャージャ 42…空気排出流路
62a…冷却媒体入口 62b…冷却媒体出口
64…冷却媒体循環流路 72…三方弁
74…パージ流路 82…触媒
84…通路

Claims (2)

  1. 固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、
    前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、
    前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、
    前記固体高分子型燃料電池に冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環流路と、
    を備え、
    前記冷却媒体循環流路は、前記固体高分子型燃料電池の冷却媒体出口から排出される前記冷却媒体を、前記熱交換器に昇温用熱源として循環供給し、
    前記熱交換器から前記固体高分子型燃料電池に前記冷却媒体が供給される前記冷却媒体循環流路の途上には、該冷却媒体を循環させるポンプが配設され、
    前記ポンプは、前記冷却媒体循環流路において前記熱交換器から前記固体高分子型燃料電池の冷却媒体入口までの部分を構成する途中流路のうち、前記冷却媒体の流れ方向の上流側部分に配置され、
    前記熱交換器のみで、前記ミスト状生成水の水蒸気化と前記冷却媒体の冷却とを行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 固体高分子電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とが配設された電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記固体高分子型燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを含む排ガスを、前記燃料ガス供給流路の途上に戻して該固体高分子型燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路とを備える燃料電池システムであって、
    前記燃料ガス供給流路と前記燃料ガス循環流路とに連通し、前記燃料ガス循環流路から吸引される前記排ガスに含まれる液状生成水をミスト状生成水にして前記燃料ガス供給流路に戻すエゼクタと、
    前記エゼクタの下流と前記固体高分子型燃料電池との間に配設され、前記ミスト状生成水を水蒸気化させる熱交換器と、
    を備え、
    前記燃料ガス循環流路は、該燃料ガス循環流路の途上から分岐するとともに、該燃料ガス循環流路から廃棄される前記排ガスを、前記熱交換器に供給するパージ流路を備え、
    前記燃料ガス循環流路の途上と前記パージ流路の分岐部には、前記燃料ガス循環流路を前記パージ流路に連通させる三方弁が設けられ、
    前記熱交換器の内部には、前記廃棄される前記排ガスが供給されることにより燃焼が起こる触媒が収容され、
    前記固体高分子型燃料電池の通常発電時、前記廃棄される前記排ガスを外部に廃棄する際に、前記三方弁を切り替えて前記廃棄される前記排ガスを前記熱交換器内の前記触媒に供給することにより触媒燃焼が起こり、該触媒燃焼で得た熱を用いて前記ミスト状生成水を含む前記排ガスを加熱することを特徴とする燃料電池システム。
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