JP5743792B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池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からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。
燃料電池は、通常、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間に、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。
この種の燃料電池では、特に燃料電池電気自動車に搭載される際に、燃料電池ボックス内に収容された状態で搭載される場合がある。その際、燃料電池ボックス内には、燃料電池を収容するための燃料電池室が形成されており、この燃料電池室内を換気するための換気装置が用いられている。この換気装置は、例えば、燃料電池の水素ラインから水素が進入したことを検出すると、その水素を換気ファンによって燃料電池ボックスの外部に排出する機能を有している。
また、車載用燃料電池では、車体床下やフロントボックス等の限定されたスペース内を燃料電池室として燃料電池を搭載する場合がある。このため、燃料電池が配置されるスペース内、すなわち、燃料電池室内では、上記の燃料電池ボックス内と同様に換気する必要がある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置が知られている。この燃料電池ボックス換気装置は、図３に示すように、三方弁１、換気配管２、換気ファン３、排出口４、水素検出センサ５及び制御装置６によって構成されている。
そして、燃料電池ボックスＢの内部の水素が、水素検出センサ５により検出されると、その検出値に応じて三方弁１がスーパーチャージャ７から燃料電池Ｖに供給されている空気を、排気配管２から前記燃料電池ボックスＢ内に放出させている。
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池ボックスＢの内部に微量な水素が検出された際にも、燃料電池ボックス換気装置により換気処理をしながら、燃料電池Ｖによる発電を継続する必要がある。
このため、三方弁１では、発電側のエア流路、すなわち、燃料電池Ｖに供給されるエア流量が減少してしまい、燃料電池電気自動車の走行に影響を及ぼすおそれがある。しかも、スーパーチャージャ７の出力を高く設定しなければならず、騒音の問題が発生し易い。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、換気デバイスを経済的に駆動させるとともに、燃料電池ボックス内の換気を良好に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。
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスとを備える燃料電池システムに関するものである。
この燃料電池システムでは、燃料電池ボックス内の水素濃度が規定以上である際に駆動される換気デバイスと、前記換気デバイスに接続され、燃料電池ボックス内にエアを供給する吸気ダクトと、前記吸気ダクトの一部に設けられ、該吸気ダクトよりも小さな開口断面積を有し、且つ、前記燃料電池ボックスの外部に開放される排気配管部とを備えている。
また、この燃料電池システムでは、吸気ダクトは、燃料電池ボックスの上部に連通するとともに、排気配管部は、前記燃料電池ボックスの上方に延在して開口することが好ましい。
さらに、この燃料電池システムでは、吸気ダクトの途上から分岐ダクトが形成され、前記分岐ダクトは、燃料電池ボックスの下部に連通するとともに、前記分岐ダクトには、前記燃料電池ボックスの下方に延在して開口し、且つ該分岐ダクトよりも小さな開口断面積を有する排水配管部が設けられることが好ましい。
本発明では、燃料電池室内が微少な水素濃度である際に、換気デバイスが停止されている。このため、燃料電池室内の水素は、吸気ダクトの一部に設けられた排気配管部を通って燃料電池ボックスの外部に自然換気されている。
一方、燃料電池室内に規定以上の水素濃度が検出された際、換気デバイスが駆動されている。従って、吸気ダクトから燃料電池室内に換気用エアが導入され、強制換気されている。その際、排気配管部は、吸気ダクトよりも小さな開口断面積を有しており、前記排気配管部から外部に水素が逆流することを阻止することができる。
これにより、自然換気と強制換気とを切り替えるための弁等を不要にし、簡単な構成で、換気デバイスを経済的に駆動させるとともに、燃料電池ボックス内の換気を良好に遂行することが可能になる。しかも、換気デバイスによる騒音を有効に低減させることができる。
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両１１に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。
燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が水平方向又は重力方向に積層（スタック）される燃料電池１４を備える。燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６が、カソード側セパレータ１８及びアノード側セパレータ２０間に挟持される。電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード電極２４及びアノード電極２６とを備える。
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成されている。
カソード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、酸化剤ガス通路２８が形成される。アノード側セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、燃料ガス通路３０が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１８とアノード側セパレータ２０との間には、冷却媒体通路（図示せず）が形成される。
燃料電池１４には、図示しないが、酸化剤ガス通路２８に酸化剤ガス、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料ガス通路３０に燃料ガス、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置と、冷却媒体通路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とが接続される。
燃料電池１４は、燃料電池室３２に配設される。この燃料電池室３２は、例えば、燃料電池ボックス３４内に形成される。燃料電池ボックス３４内には、燃料電池１４及び水素濃度を検出するための水素検出センサ３６が収容されるとともに、燃料電池１４の補機類を収容してもよい。水素検出センサ３６は、燃料電池ボックス３４内の上面（天板）３４ａに配置される。燃料電池ボックス３４には、壁面３４ｂの下方側にボックス換気排気ダクト３８が接続される。
燃料電池システム１０は、燃料電池ボックス３４の外部に配設される換気デバイス（例えば、エアポンプ）４０と、前記換気デバイス４０に接続され、前記燃料電池ボックス３４内に換気用空気を供給する吸気ダクト４２と、前記吸気ダクト４２の一部に設けられ、該吸気ダクト４２よりも小さな開口断面積を有し、且つ、前記燃料電池ボックス３４の上方に設けられて外部に開放される排気配管部４４とを備える。
吸気ダクト４２は、一端が換気デバイス４０のエア出口４０ａに連通するとともに、他端が燃料電池ボックス３４の上部開口部４６に連通する。排気配管部４４は、燃料電池ボックス３４の上方に延在して開口する。吸気ダクト４２の内径Ｄ１は、排気配管部４４の内径Ｄ２よりも大きく設定される（Ｄ１＞Ｄ２）。好ましくは、４×Ｄ２≧Ｄ１≧１．５×Ｄ２、より好ましくは、４×Ｄ２≧Ｄ１≧２×Ｄ２に設定される。実質的には、自然換気能力と強制換気能力の要求値に対して、適宜、Ｄ１及びＤ２が設定される。
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。
先ず、燃料電池システム１０が搭載されている燃料電池車両１１の通常走行時には、酸化剤ガス供給装置、燃料ガス供給装置及び冷却媒体供給装置が駆動される。このため、燃料電池１４の酸化剤ガス通路２８に酸化剤ガス（空気）が供給される一方、前記燃料電池１４の燃料ガス通路３０に燃料ガス（水素ガス）が供給される。
従って、各発電セル１２では、カソード電極２４に供給される酸化剤ガス中の酸素と、アノード電極２６に供給される燃料ガス中の水素とが、電気化学的に反応して発電が行われる。このため、燃料電池１４から図示しない走行モータに電力が供給され、燃料電池車両１１の走行が行われる。また、燃料電池１４に供給される冷却媒体により、前記燃料電池１４が冷却される。
燃料電池ボックス３４内では、水素検出センサ３６により燃料電池室３２に規定以上の水素濃度が発生したか否かを検出している。そして、規定以上の水素濃度が検知されると、換気デバイス４０が駆動される。なお、燃料電池１４に発電用に供給される空気を分岐して供給してもよい。
従って、換気デバイス４０から吸気ダクト４２に空気が送られ、前記空気は、燃料電池ボックス３４の上部開口部４６から燃料電池室３２に吹き出される。これにより、燃料電池室３２に侵入した水素は、空気によりボックス換気排気ダクト３８を通って室外に排出されて、燃料電池ボックス３４内の換気が行われる。
その際、吸気ダクト４２の内径Ｄ１は、排気配管部４４の内径Ｄ２よりも大きく設定されている（Ｄ１＞Ｄ２）。このため、吸気ダクト４２を流通する空気は、燃料電池ボックス３４内に良好に噴出されて燃料電池室３２の換気が遂行される一方、排気配管部４４から外部に水素が逆流することを阻止することができる。これにより、燃料電池車両１１内では、水素の漏出を抑制したい空間、例えば、モータルームや客室内等に前記水素が進入することを阻止することが可能になる。
また、燃料電池ボックス３４内の燃料電池室３２が、微少な水素濃度（規定未満の水素濃度）である際には、換気デバイス４０が停止されている。従って、燃料電池室３２内の水素は、吸気ダクト４２の一部に設けられた排気配管部４４を通って燃料電池ボックス３４の外部に自然換気される。
特に、排気配管部４４は、燃料電池ボックス３４の上部開口部４６から上方に延在して開口している。このため、燃料電池ボックス３４内の上部に滞留し易い水素は、効率的に換気される。
この場合、第１の実施形態では、燃料電池室３２内が微少な水素濃度である際、換気デバイス４０が停止されており、前記燃料電池室３２内の水素は、自然換気されている。
一方、燃料電池室３２内に規定以上の水素濃度が検出された際、換気デバイス４０が駆動されており、吸気ダクト４２から前記燃料電池室３２内に換気用エアが導入され、強制換気されている。
これにより、自然換気と強制換気とを切り替えるための弁等を不要にすることができ、簡単な構成で、換気デバイス４０を経済的に駆動させることが可能になる。しかも、燃料電池ボックス３４内の換気を良好に遂行するとともに、換気デバイス４０による騒音を有効に低減させることができるという効果が得られる。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム６０が、燃料電池車両１１に搭載された状態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。
燃料電池システム６０は、吸気ダクト４２の途上から分岐ダクト６２が形成される。分岐ダクト６２は、燃料電池ボックス３４の重力方向下部開口部６４に連通するとともに、前記分岐ダクト６２には、前記燃料電池ボックス３４の下方に延在して開口する排水配管部６６が設けられる。
分岐ダクト６２の内径Ｄ３は、排水配管部６６の内径Ｄ４よりも大きく設定される（Ｄ３＞Ｄ４）。好ましくは、４×Ｄ４≧Ｄ３≧１．５×Ｄ４、より好ましくは、４×Ｄ４≧Ｄ３≧２×Ｄ４に設定される。
このように構成される燃料電池システム６０の動作について、以下に説明する。
燃料電池室３２内が微少な水素濃度である際、換気デバイス４０が停止されており、前記燃料電池室３２内の水素は、吸気ダクト４２の一部に設けられた排気配管部４４を通って燃料電池ボックス３４の外部に自然換気されている。
また、燃料電池室３２では、結露水が底部に滞留し易い。その際、燃料電池ボックス３４の下部開口部６４に連通して分岐ダクト６２が設けられるとともに、前記分岐ダクト６２には、前記燃料電池ボックス３４の下方に延在して開口する排水配管部６６が設けられている。このため、燃料電池室３２の底部に滞留する結露水は、分岐ダクト６２から排水配管部６６を通って外部に排出される。従って、燃料電池室３２に滞留水が発生することを阻止することができる。
一方、燃料電池室３２内に規定以上の水素濃度が検出された際、換気デバイス４０が駆動されており、吸気ダクト４２から前記燃料電池室３２内に換気用エアが導入され、強制換気されている。
同様に、吸気ダクト４２から分岐する分岐ダクト６２から燃料電池室３２内に換気用エアが導入される。その際、分岐ダクト６２の内径Ｄ３は、排水配管部６６の内径Ｄ４よりも大きく設定されている（Ｄ３＞Ｄ４）。このため、分岐ダクト６２を流通する空気は、燃料電池ボックス３４内に良好に噴出されて燃料電池室３２の換気が遂行される一方、排水配管部６６から外部に水素が逆流することを阻止することができる。
これにより、自然換気と強制換気とを切り替えるための弁等を不要にすることができ、簡単な構成で、換気デバイス４０を経済的に駆動させることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
１０、６０…燃料電池システム １２…発電セル
１４…燃料電池 １６…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…酸化剤ガス通路
３０…燃料ガス通路 ３２…燃料電池室
３４…燃料電池ボックス ３８…ボックス換気排気ダクト
４０…換気デバイス ４２…吸気ダクト
４４…排気配管部 ４６…上部開口部
６２…分岐ダクト ６４…下部開口部
６６…排水配管部
１４…燃料電池 １６…電解質膜・電極構造体
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…酸化剤ガス通路
３０…燃料ガス通路 ３２…燃料電池室
３４…燃料電池ボックス ３８…ボックス換気排気ダクト
４０…換気デバイス ４２…吸気ダクト
４４…排気配管部 ４６…上部開口部
６２…分岐ダクト ６４…下部開口部
６６…排水配管部
Claims (3)
- 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池ボックス内の水素濃度が規定以上である際に駆動される換気デバイスと、
前記換気デバイスに接続され、前記燃料電池ボックス内にエアを供給する吸気ダクトと、
前記吸気ダクトの一部に設けられ、該吸気ダクトよりも小さな開口断面積を有し、且つ、前記燃料電池ボックスの外部に開放される排気配管部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記吸気ダクトは、前記燃料電池ボックスの上部に連通するとともに、
前記排気配管部は、前記燃料電池ボックスの上方に延在して開口することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記吸気ダクトの途上から分岐ダクトが形成され、
前記分岐ダクトは、前記燃料電池ボックスの下部に連通するとともに、
前記分岐ダクトには、前記燃料電池ボックスの下方に延在して開口し、且つ該分岐ダクトよりも小さな開口断面積を有する排水配管部が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
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