JPWO2013137217A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続されてカソードガスが流れるカソード供給流路と、前記燃料電池スタックに接続されてカソードオフガスを排出するカソードオフガス流路と、前記カソード供給流路から分岐し、前記カソードガスの一部が前記燃料電池スタックをバイパスして流れるバイパス流路と、前記バイパス流路を流れるバイパス流量を調整するとともに、大気連通孔を有するバイパス弁と、前記燃料電池スタックに接続されてアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を備える燃料電池システムであって、当該アノードオフガス流路は、前記カソードオフガス流路又は前記バイパス弁よりも下流のバイパス流路に合流し、前記バイパス弁には、全閉状態であっても、所定量のガスを漏洩させる隙間が形成される。

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。
ＪＰ２００９−１２３５５０Ａは、カソードコンプレッサーから吐出されたカソードガスの一部を、燃料電池スタックに供給せずにバイパスさせる燃料電池システムを開示する。
本件発明者らは、アノードオフガス流路をカソードオフガス流路に合流させることで、燃料電池スタックから流出したアノードオフガスを、カソードオフガスと混合させて、アノードオフガスの濃度を薄めて大気へ排気する燃料電池システムを開発している。そして、本件発明者らのシステムでは、さらにカソードオフガス流路に、バイパス流路をも合流させている。このようなシステムにおいて、バイパス弁などに大気連通孔が存在し、排気マフラーに水が存在しているなどの場合にアノードオフガスがバイパス流路を遡行する現象が生じうる。このような場合に、遡行したアノードオフガスが連通孔から大気に流出する可能性が考えられる。
本発明は、このような可能性に着目してなされた。本発明の目的は、バイパス弁などに大気連通孔が存在しても、アノードオフガスが大気に流出することを抑制できる燃料電池システムを提供することである。
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに接続されてカソードガスが流れるカソード供給流路と、前記燃料電池スタックに接続されてカソードオフガスを排出するカソードオフガス流路と、前記カソード供給流路から分岐し、前記カソードガスの一部が前記燃料電池スタックをバイパスして流れるバイパス流路と、前記バイパス流路を流れるバイパス流量を調整するとともに、大気連通孔を有するバイパス弁と、前記燃料電池スタックに接続されてアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を備える。そして、当該アノードオフガス流路は、前記カソードオフガス流路又は前記バイパス弁よりも下流のバイパス流路に合流し、前記バイパス弁には、全閉状態であっても、所定量のガスを漏洩させる隙間が形成される。
本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図１は、本発明による燃料電池システムの第１施形態を示す図である。 図２Ａは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 図２Ｂは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。 図３は、本実施形態の特徴的な構成であるバイパス弁の構造を示す図である。 図４は、初期状態をモデル化した図である。 図５は、本発明による燃料電池システムの第２施形態を示す図である。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、カソードコンプレッサー２０と、カソード供給流路３０と、バイパス流路４０と、バイパス弁５０と、カソードオフガス流路６０と、アノードタンク７０と、アノード供給流路８０と、アノードオフガス流路９０と、を含む。
燃料電池スタック１０は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。
カソードコンプレッサー２０は、カソード供給流路３０に設けられる。カソードコンプレッサー２０は、空気を圧送する。
カソード供給流路３０は、燃料電池スタック１０に接続される。カソード供給流路３０には、カソードコンプレッサー２０が圧送した空気が流れる。
バイパス流路４０は、カソード供給流路３０から分岐し、カソードオフガス流路６０に合流する。バイパス流路４０には、カソードコンプレッサー２０が圧送した空気の一部(燃料電池スタック１０が必要としない余剰の空気)が分岐して流れる。
バイパス弁５０は、バイパス流路４０の途中に設けられる。バイパス弁５０は、バイパス流路４０を流れるカソードガスの流量を調整する。
カソードオフガス流路６０は、燃料電池スタック１０に接続されて、燃料電池スタック１０から流出したカソードオフガスが流れる。
アノードタンク７０は、アノード供給流路８０に設けられる。アノードタンク７０は、アノードガス(水素)を収容する密閉容器である。アノードタンク７０は、収容しているアノードガス(水素)を燃料電池スタック１０に供給する。
アノード供給流路８０は、燃料電池スタック１０に接続される。アノード供給流路８０には、アノードタンク７０から流出したアノードガス(水素)が流れる。
アノードオフガス流路９０は、一端が燃料電池スタック１０に接続されてアノードオフガスが流れる。他端は、本実施形態では、カソードオフガス流路６０に接続される。
図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
上述のように、燃料電池スタック１０は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。なお図２ＡはＭＥＡ１枚を示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給され(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給され(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例を示している。
Figure 2013137217
図２Ｂに示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１−１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。そしてカソード流路の下流側では相対湿度が高くなり、カソード側とアノード側との相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側を加湿する。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿する。
アノード電極触媒層では、上式(１−２)のような反応が進行するが、余剰のアノードガスＨ2は、未反応のまま流出する。このような未反応ガスが多いとアノードガスＨ2の消費効率が悪い。そこで、アノードガスＨ2の消費効率を高めるべく、アノードオフガス流路９０にパージ弁を設け、通常はそのパージ弁を閉弁しておくアノードデッドエンドタイプの燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、空気中の窒素Ｎ2が電解質膜を介してアノード流路に透過する。このような窒素Ｎ2は、燃料電池スタック１０の直下流に設けられたバッファータンクに溜められ、パージ時期になったらパージ弁が開弁されて窒素Ｎ2がアノードオフガス流路９０に排斥(パージ)される。このときバッファータンク中の水素Ｈ2も窒素Ｎ2とともにアノードオフガス流路９０に流出する。このようなガスがアノードオフガスと呼ばれる。このアノードオフガスに含まれる水素Ｈ2は、カソードオフガス流路６０を流れるカソードオフガス(空気)と混合し、濃度が薄められて排気される。
ここで、本実施形態の理解を容易にするために、解決課題について説明する。発明者らは、バイパス弁５０としてポペットタイプを使用することを検討している。このようなタイプでは、大気連通孔を介して内部が大気に連通されている。そのため、このような構成のバイパス弁に用いると、排気マフラーに水が存在しているなどの場合にアノードオフガスがバイパス流路４０を遡行する現象が生じうる。このような場合に、遡行したアノードオフガスが大気連通孔から大気に流出する可能性が存在するということを、発明者らが知見した。この場合、アノードオフガスに含まれる水素Ｈ2が大気連通孔から大気に流出することとなる。
そこで、発明者らは、このような事態を回避できる燃料電池システムを提案する。
以下に具体的な内容を説明する。
図３は、本実施形態の特徴的な構成であるバイパス弁の構造を示す図である。
バイパス弁５０は、ハウジング５１と、弁体５２と、モーター５３と、を含む。このバイパス弁５０は、弁体５２が、１本のステムシャフト５２０に２つの傘弁５２１，５２２が固設されたダブルポペットタイプである。
ハウジング５１は、内部が、上流室５０１と、下流室５０２と、スプリング室５０３と、に区画されている。上流室５０１と下流室５０２とは、ふたつの隔壁(隔壁５１１及び隔壁５１２)で区画される。図３では、ふたつの隔壁(隔壁５１１及び隔壁５１２)の内側が上流室５０１である。ふたつの隔壁(隔壁５１１及び隔壁５１２)の外側が下流室５０２である。上流室５０１は、バイパス流路４０の上流側(カソード供給流路側)に接続される。下流室５０２は、バイパス流路４０の下流側(カソードオフガス流路側)に接続される。隔壁５１１には、孔５１１ａが形成される。隔壁５１２には、孔５１２ａが形成される。後述のように、本実施形態では、孔５１２ａの周囲がバルブシートであり、そのバルブシートに弁体５２の傘弁５２２が当接する。
スプリング室５０３は、下流室５０２のさらに外側(図３では上側)に形成される。下流室５０２とスプリング室５０３とをつなぐ孔には、ブッシュ５６が設けられる。スプリング室５０３は、大気連通孔５５を介して大気に連通される。このような構造であるので、スプリング室５０３に水分などが存在しても、その水分は大気連通孔５５から大気に逃がされる。
弁体５２は、ステムシャフト５２０と、傘弁５２１と、傘弁５２２と、スプリングリテーナー５２３と、を含む。
傘弁５２１、傘弁５２２及びスプリングリテーナー５２３は、ステムシャフト５２０に固設される。したがって、ステムシャフト５２０が軸方向(図３では上下方向)に移動すれば、傘弁５２１、傘弁５２２及びスプリングリテーナー５２３も、ステムシャフト５２０とともに軸方向に移動する。なお傘弁５２１と傘弁５２２との間隔は、隔壁５１１と隔壁５１２との間隔よりも短い。そして本実施形態では、図３に示されているように、孔５１２ａの周囲のバルブシートに弁体５２の傘弁５２２が当接した状態(初期状態)で、傘弁５２１が、孔５１１ａの周囲のバルブシートから離れて上流室５０１に位置する。ステムシャフト５２０は、ブッシュ５６に挿通される。スプリングリテーナー５２３は、スプリング５４に当接する。
モーター５３は、ハウジング５１の頂部に設けられる。モーター５３は、駆動指令信号を受けて、モーターシャフト５３１を伸縮する機構を有する。モーターシャフト５３１は、ステムシャフト５２０の一端(図３では上端)に当接する。
図３に示されるように、初期状態(バイパス弁５０の開度が最小の状態；なおこのようにバイパス弁５０の開度が最小の状態を適宜「全閉状態」と称する)では、傘弁５２２はバルブシートに当接し、孔５１２ａは閉塞される。傘弁５２１はバルブシートに当接しないので、隔壁５１１と傘弁５２１との間には隙間があり、孔５１１ａは閉塞されない。
初期状態から、モーター５３のモーターシャフト５３１が伸びると、ステムシャフト５２０は、下方に移動し、傘弁５２２がバルブシートから離れる。このときスプリング５４が圧縮される。
モーターシャフト５３１が縮むと、スプリング５４が伸長し、スプリングリテーナー５２３を上方に押し上げる。これによってステムシャフト５２０は、上方に移動する。ステムシャフト５２０は、傘弁５２２がバルブシートに当接するまで移動する。
なお上述のように、初期状態(バイパス弁５０の開度が最小の状態)では、傘弁５２２はバルブシートに当接し、孔５１２ａは閉塞されるが、傘弁５２１はバルブシートに当接しない。隔壁５１１と傘弁５２１との間には隙間があり、孔５１１ａは閉塞されない。
このような状態をモデル化すると、図４のようになる。
隔壁５１１と傘弁５２１との間に隙間があるので、バイパス弁５０の上流室５０１の圧力Ｐ１と、下流室５０２の圧力Ｐ２との圧力差に応じて、カソードガス(内部漏洩ガス)が漏洩する。本実施形態では、このカソードガスの漏洩(流れ)によってアノードオフガスの遡行を防止する。このため、このようなアノードガス流量になるように、初期状態における、隔壁５１１と傘弁５２１との隙間が設定される。具体的な数値は、実験やシミュレーションなどによって設定される。なお上述のように、スプリング室５０３から大気連通孔５５を介して大気に漏洩するガス(外部漏洩ガス)もあるので、その流量も考慮して設定される。
内部漏洩量Ｑ１及び外部漏洩量Ｑ２は次式で表される。なお、ρはカソードガスの密度を示す。ｆは漏洩特性を示す関数である。
Figure 2013137217
遡行を防止するための条件は、次式である。
Figure 2013137217
カソード圧Ｐ1、燃料電池スタックの圧力損失Ｐｓ、バイパス弁のブッシュ部の漏洩特性ｆ2、バイパス流路４０の圧力損失ΔＰ3は、システム設計や部品製造性から決定される。これらの前提条件に対して、上式を満足するような漏洩量Ｑ1を設計することで漏洩量を管理する。
そして、この条件が成立すれば、少なくともバイパス通路４０には、カソード供給流路３０から分岐したカソードガスが常に上流側から下流側(図１及び図４の左側から右側)に流れることとなるので、アノードオフガスの遡行が防止される。
また本実施形態では、初期状態(バイパス弁５０の開度が最小の状態)では、スプリング室５０３や大気連通孔５５から遠い傘弁５２２はバルブシートに当接し、孔５１２ａが閉塞される。一方、スプリング室５０３や大気連通孔５５に近い傘弁５２１はバルブシートに当接しないので、隔壁５１１と傘弁５２１との間には隙間があり、孔５１１ａは閉塞されない。そのため内部漏洩が生じる。スプリング室５０３のすぐ近くにはモーター５３がある。モーター５３が、万一遡行してきたアノードオフガスに晒されると、アノードオフガスに含まれる水蒸気の影響で錆びることも考えられるが、本実施形態のように、スプリング室５０３や大気連通孔５５に近い側から内部漏洩を生じさせることで、カソード供給流路３０から分岐したカソードガスが、スプリング室５０３及び大気連通孔５５に流れる流れや、バイパス流路４０を流れる流れができるので、モーター５３が、アノードオフガスに晒されることを防止できる。またこのように、大気連通孔５５に流れる量を考慮して、すなわち、大気連通孔５５から大気に漏洩(外部漏洩)する量よりも多くのガスが漏洩(内部漏洩)するように、隔壁５１１と傘弁５２１との隙間を設ける。このようにすれば、バイパス流路４０の流れを確保でき、アノードオフガスの遡行を防止できるのである。
また本実施形態では、図３に示されているように、孔５１２ａの周囲のバルブシートに弁体５２の傘弁５２２が当接した状態(初期状態)で、傘弁５２１が、孔５１１ａの周囲のバルブシートから離れて上流室５０１に位置する。上流室５０１は気圧が高いので、その気圧に抗して弁体５２を作動させるには、大きなエネルギーが必要であるが、本実施形態の構造であれば、傘弁５２１及び傘弁５２２で気圧による力がキャンセルされるため、弁体５２を作動させやすい。
なお本実施形態では、傘弁５２２がバルブシートに当接し、孔５１２ａが閉塞されるが、経時的な磨耗も考えられる。このような経時変化をも考慮して設計することで、さらに本実施形態の作用効果を確実なものにできる。
さらに上述した式によって、本実施形態の作用効果を確実なものにできるのである。
（第２実施形態）
図５は、本発明による燃料電池システムの第２施形態を示す図である。
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
本実施形態の燃料電池システム１では、アノードオフガス流路９０は、一端が燃料電池スタック１０に接続されてアノードオフガスが流れ、他端は、バイパス流路４０に接続される。
このような構成であっても、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
たとえば、上記実施形態では、傘弁５２１と傘弁５２２との間隔は、隔壁５１１と隔壁５１２との間隔よりも短かった。しかしながら、これには限られない。傘弁５２１と傘弁５２２との間隔が、隔壁５１１と隔壁５１２との間隔よりも長くてもよい。このような構成であれば、初期状態では、孔５１１ａの周囲のバルブシートに弁体５２の傘弁５２１が当接し、傘弁５２２が、孔５１２ａの周囲のバルブシートから離れて下流室５０２に位置した状態になる。このような構成も本発明の技術的範囲である。
また傘弁５２１と傘弁５２２との間隔が、隔壁５１１と隔壁５１２との間隔と同じでもよい。このような場合には、傘弁５２１及び傘弁５２２の少なくとも一方に、上流室５０１及び下流室５０２を連通する連通孔が形成されていればよい。このような構成も本発明の技術的範囲である。
さらに上記実施形態では、バイパス弁５０は、ポペットタイプであったが、バタフライタイプであってもよい。
なお上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
本願は、２０１２年３月１４日に日本国特許庁に出願された特願２０１２−５７７６１に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

  1. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに接続されてカソードガスが流れるカソード供給流路と、
    前記燃料電池スタックに接続されてカソードオフガスを排出するカソードオフガス流路と、
    前記カソード供給流路から分岐し、前記カソードガスの一部が前記燃料電池スタックをバイパスして流れるバイパス流路と、
    前記バイパス流路を流れるバイパス流量を調整するとともに、大気連通孔を有するバイパス弁と、
    前記燃料電池スタックに接続されてアノードオフガスを排出するアノードオフガス流路と、を備え、
    当該アノードオフガス流路は、前記カソードオフガス流路又は前記バイパス弁よりも下流のバイパス流路に合流し、
    前記バイパス弁には、全閉状態であっても、所定量のガスを漏洩させる隙間が形成される、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記所定量は、アノードオフガスが前記バイパス流路を遡行することを防止できる量である、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記バイパス弁は、弁体が、１本のステムシャフトに２つの傘弁で構成されるダブルポペットタイプであり、全閉状態であるときに、前記２つの傘弁のうち一方の傘弁はバルブシートに当接するが、他方の傘弁はバルブシートに当接することなく隙間があって所定量のガスを漏洩させる、
    燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記大気連通孔は、前記バイパス弁のハウジングに形成されて、ハウジング内部と大気とを連通し、
    前記一方の傘弁は、前記大気連通孔に遠い側の傘弁であり、
    前記他方の傘弁は、前記大気連通孔に近い側の傘弁である、
    燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記大気連通孔は、前記バイパス弁のハウジングに形成されて、ハウジング内部と大気とを連通し、
    前記所定量は、前記大気連通孔から大気に漏洩する外部漏洩量よりも大きい、
    燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記バイパス弁は、経時的に磨耗しても、全閉状態で、所定量のガスを漏洩させる、
    燃料電池システム。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記バイパス弁には、ハウジング内に、弁体で区画される上流室及び下流室が形成され、全閉状態で、上流室から下流室に漏洩する内部漏洩量及び下流室から大気に漏洩する外部漏洩量が漏洩特性関数に基づいて求められ、内部漏洩量が外部漏洩量よりも大きくなるように、隙間が設けられる、
    燃料電池システム。
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