JP5383493B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
池システムの内部温度が低下するため、燃料電池内部の原料ガスの体積の減少が生じて負圧となり、外部の酸素が流入することや、燃料電池の構成部品であるガスケット等の破壊につながる。このため、燃料電池の内部の圧力が負圧にならないように、補圧ガスとして適宜原料ガスを燃料電池の内部に注入する燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献3参照)。
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における発電用ガスの流れを模式的に示している。ここで、発電用ガ
スは、燃料電池の発電に寄与するガスであって、直接燃料電池の発電に寄与する燃料ガス(水素ガス)及び酸化剤ガス(酸素ガス)の反応ガスだけでなく、燃料ガスを生成する原料として、間接的に燃料電池の発電に寄与する原料ガス等を含む。
図1に示すように、本実施の形態1に係る燃料電池システム100は、燃料電池101、燃料ガス供給系統、酸化剤ガス供給系統、温度調整系統、及び制御器108を備えている。燃料ガス供給系統は、燃料電池101に燃料ガスを供給するように構成されており、酸化剤ガス供給系統は、燃料電池101に酸化剤ガスを供給するように構成されている。
ガス供給用マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。なお、燃料ガス供給用マニホールドと、燃料ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各アノードセパレータ5aに設けられた燃料ガス流路6と、から燃料ガス内部流路11が構成され(図1参照)、酸化剤ガス供給用マニホールドと、酸化剤ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各カソードセパレータ5bに設けられた酸化剤ガス流路7と、から酸化剤ガス内部流路12が構成され(図1参照)、冷却水供給用マニホールドと、冷却水排出マニホールドと、これらを接続するように各セパレータ5a、5bに設けられた冷却水流路8と、から冷却水内部流路(図示せず)が構成される。
により、水素リッチな改質ガスが生成される。そして、変成器及びCO除去器では、改質器で生成された改質ガスを、シフト反応及び酸化反応させることにより、一酸化炭素が1ppm程度まで低減された水素リッチな燃料ガスが生成される。
ソード用バイパス経路137の下流端が接続されており、その上流端は、バイパス経路136の途中に接続されている。なお、第1酸化剤ガス供給経路134aと第2酸化剤ガス供給経路134bから酸化剤ガス供給経路134が構成される。
れており、その下流端は、冷却水タンク106に接続されている。熱交換器107の二次流路(図示せず)の一端には、水循環路154を構成する水往路154aの下流端が接続され、その上流端は、図示されない貯湯タンクに接続されている。また、熱交換器107の二次流路の他端には、水循環路154を構成する水復路154bの上流端が接続され、その下流端は、貯湯タンクに接続されている。水往路154aの途中には、第3ポンプ143が設けられている。なお、第1冷却水排出経路153aと第2冷却水排出経路153bから冷却水排出経路153が構成され、冷却水供給経路152と冷却水排出経路153から冷却水経路が構成される。
ように、サーペンタイン状に設けられている。なお、ここでは、冷却水流路66及び燃料ガス流路67は、サーペンタイン状に形成したが、これに限定されず、セパレータ61のほぼ全域を燃料ガス又は冷却水が通流するようにすれば、どのような形状であってもよい。
及び酸化剤ガス用加湿器105の水分透過膜62の冷却水流路66側には安定して、所定の圧力(水圧)がかかるため、補圧動作時の補圧ガスの冷却水流路66側への漏出量を抑制することは可能であるが、補圧ガスの漏出量を0に近づけるために、補圧ガスの圧力よりも、燃料ガス用加湿器103及び酸化剤ガス用加湿器105の冷却水流路66の圧力が大きくなるように、冷却水タンク106内の水位閾値を決定することが好ましい。
まず、本実施の形態1に係る燃料電池システム100における燃料電池101の発電時の一般的動作について、図1を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器108が燃料電池システム100を制御することにより遂行される。
料電池101内が所定の温度に保たれる。燃料電池101内の熱を回収した冷却水は、第1冷却水排出経路153aを通流して、熱交換器107の一次流路に供給される。このとき、上述したように、燃料ガス用加湿器103及び酸化剤ガス用加湿器105で、反応ガスと水分交換を行い、反応ガスを加湿する。熱交換器7の一次流路に供給された冷却水は、熱交換器107の二次流路を通流する水と熱交換を行い、第2冷却水排出経路153bを介して冷却水タンク106に供給される。
bを閉止することでパージガスの供給を停止し、第2切り替え器122は、第2ポート122bを第1及び第3ポート122a、122cのいずれにも接続させないようにし、また、第3切り替え器123は、第2ポート123bを第1及び第3ポート123a、123cのいずれにも接続させないようにして、第2燃料ガス供給経路132b及び第2酸化剤ガス供給経路134bの上流端を閉鎖する。
2bから燃料ガス内部供給路11を経て、第1オフガス流路133aまでの区間としたが、あくまでこれは例示であり、少なくとも燃料ガス用加湿器103が設けられた燃料ガス経路であれば、いずれの区間であってもあってもよい。例えば、第2燃料ガス供給経路132bを特定区間として、第2燃料ガス供給経路132bの下端(燃料ガス加湿器103と燃料電池101の間の燃料ガス経路)に別途弁が設けられ、この弁と第2切り替え器122で区切られた燃料ガス経路のガス圧が低下した場合に補圧動作として原料ガス供給器より補圧ガスを供給するようにしても構わない。酸化ガス経路においても同様で、少なくとも酸化剤ガス用加湿器が設けられた酸化剤ガス経路であればいずれの区間であってもよい。
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム100の概略構成を示す模式図である。
図6は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
環を妨げることを抑制することができる。また、冷却水経路から燃料電池システム100外に補圧ガスが漏れ出ることによって、人体へ悪影響を及ぼすことや、機器の発火や爆発の原因になったりする危険性を回避できる。
ることができるため、安全な燃料電池システムとして産業上利用することが可能となる。
2a アノード
2b カソード
3 MEA(Membrane−Electrode−Assembly:電解質膜−電極接合体)
4 ガスケット
5a アノードセパレータ
5b カソードセパレータ
6 燃料ガス流路
7 酸化剤ガス流路
8 冷却水流路
9 セル
11 燃料ガス内部流路
12 酸化剤ガス内部流路
61 セパレータ
62 水分透過膜
63 加湿セル
64 燃料ガス供給用マニホールド孔
65 冷却水供給用マニホールド孔
66 冷却水流路
67 燃料ガス流路
69 加湿セル積層体
90 セルスタック
100 燃料電池システム
101 燃料電池
102 燃料処理器
102a バーナ
103 燃料ガス用加湿器
104 酸化剤ガス供給器
105 酸化剤ガス用加湿器
106 冷却水タンク
107 熱交換器
108 制御器
109 水位検知器
110 原料ガス供給器(補圧ガス供給器)
110a 昇圧器
110b 開閉弁
111 圧力検出器
112 原料ガス用加湿器
121 第1切り替え器
121a 第1ポート
121b 第2ポート
121c 第3ポート
122 第2切り替え器
122a 第1ポート
122b 第2ポート
122c 第3ポート
123 第3切り替え器
123a 第1ポート
123b 第2ポート
123c 第3ポート
124 オフガス流路開閉弁
125 酸化剤ガス排出経路開閉弁
126 原料ガス供給経路開閉弁
131 原料ガス供給経路
131a 第1原料ガス供給経路
131b 第2原料ガス供給経路
132 燃料ガス供給経路
132a 第1燃料ガス供給経路
132b 第2燃料ガス供給経路
133 オフガス流路
133a 第1オフガス流路
133b 第2オフガス流路
134 酸化剤ガス供給経路
134a 第1酸化剤ガス供給経路
134b 第1酸化剤ガス供給経路
135 酸化剤ガス排出経路
135a 第1酸化剤ガス排出経路
135b 第2酸化剤ガス排出経路
136 バイパス経路
137 カソード用バイパス経路
138 補圧ガス供給路
141 第1ポンプ
142 第2ポンプ
143 第3ポンプ
151 市水供給経路
152 冷却水供給経路
153 冷却水排出経路
153a 第1冷却水排出経路
153b 第1冷却水排出経路
154 水循環路
154a 水往路
154b 水復路
164 燃料ガス供給用マニホールド
165 冷却水供給用マニホールド
Claims (8)
- 燃料電池と、
前記燃料電池の発電に用いられる発電用ガスが通流するガス経路と、
前記燃料電池を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、
前記冷却水経路に設けられた、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、
水分透過膜を有し、前記冷却水経路を通流する前記冷却水と前記ガス経路を通流する前記発電用ガスとの間で、前記水分透過膜を介して水分交換するように構成された加湿器と、
燃料電池システムの停止後に、前記ガス経路における前記加湿器を含む特定区間のガス経路内部の圧力が低下した場合に前記特定区間に補圧ガスを供給する補圧ガス供給器と、を備え、
前記補圧ガスの圧力よりも前記冷却水の水圧が高くなるように前記冷却水タンクの水面が前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも上方に位置する、燃料電池システム。 - 前記補圧ガス供給器による前記補圧ガスの供給時における前記加湿器内の前記ガス経路圧よりも前記加湿器内の冷却水経路圧が高くなるよう、前記冷却水タンクの水面が位置する、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記補圧ガス供給器から前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間に供給される前記補圧ガスの圧力よりも前記冷却水経路の前記加湿器の入口と前記冷却水タンクとの水頭差圧の方が高くなるように前記冷却水タンクの水面が位置する、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記ガス経路の前記加湿器を含む特定区間の両端を閉鎖する閉鎖器を更に備え、
前記補圧ガス供給器は、前記特定区間の両端が前記閉鎖器により閉鎖されていて、該特定区間の圧力が低下した場合に補圧ガスを供給するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却水タンクが大気開放されている、請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記補圧ガス供給器より供給された前記補圧ガスが流れる補圧ガス供給路を更に備え、
前記冷却水タンクは、密閉されており、かつ、前記補圧ガス供給路が前記冷却水タンクに接続している、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却水タンクの水位を検出する水位検知器と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する水補給器と、制御器とを備え、
前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位が、水位閾値未満になった場合、前記水補給器を動作させ、前記冷却水タンクに水を補給する、請求項5又は6に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却水タンクの水位は、前記加湿器の前記水分透過膜の上端よりも25cm以上高く、
前記補圧ガスは、ガス圧が1.0〜2.5kPaの都市ガスである、請求項1に記載の燃料電池システム。
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