JP2005116368A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムのコンパクト化を図る。
【解決手段】 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池３と、燃料電池３に反応助剤として供給する水を貯蔵する水タンク２５と、燃料ガスまたはアノードオフガスと酸化剤ガスまたはカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼器７と、を備え、燃料電池３と燃焼器７との間に水タンク２５を配置した。水タンク２５が燃料電池３と燃焼器７との間の遮熱体として機能し、これにより水タンク２５を挟んで燃料電池３と燃焼器７とを近接配置することができる。結果、別途遮熱体を配置しなくとも燃料電池システムをコンパクト化できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、アノード供給ガス（燃料ガス）またはアノードオフガスを燃焼させる燃焼器を備えるとともに燃料電池に反応助剤として供給する水を貯蔵する水タンクを備える燃料電池システムに関する。

特許文献１に開示されるように燃料電池システムは、燃料電池で、水素ガスなどの燃料ガス（アノード供給ガス）と酸素を有する酸化ガス（カソード供給ガス）とを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置を車両に搭載しそこから供給される水素と、酸素を含む空気と、を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

通常、地上で使用される固体高分子型燃料電池は、酸化剤極に空気を供給している。この空気中の窒素の一部は、高分子電解質膜をリークして酸化剤極から燃料極に至り、燃料ガス循環経路内に蓄積する。また、燃料ガスとして化学工業の副生水素ガスを用いる場合には、水素ガス中の不純物が燃料ガス循環経路に蓄積する。このような窒素等の不純物が燃料ガス循環路に蓄積すると、燃料極に供給される燃料ガス分圧が下がるので発電効率が低下する。

このため、一定時間毎、或いは、一定電力量を発電した後には、燃料ガス循環路内の不純物濃度が高まった燃料ガスを循環路外へ放出するパージ動作を行っている。但し、水素を含むパージガスをそのまま大気中に放出するのは好ましくないので、燃焼触媒を備えた燃焼器で燃焼させてから系外へ放出している。また、この燃焼器は、燃料ガスを燃焼させて燃料電池システム起動時などに凍結した純水の解凍等に利用されることもある。
特開平２０００−３０６５９４号公報

このような燃焼器は、一般に燃焼を容易とするため燃焼温度が５００℃以上で運転される。一方、燃料電池は、例えば固体高分子型燃料電池の場合、固体高分電解質膜が高熱に弱いため室温〜８０℃以下の範囲で運転される。

そのため、燃料電池を熱から保護するために、燃料電池と燃焼器とを離して配置する必要あり、燃料電池システムをコンパクトに納めるのが困難であった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するため、アノード供給ガスとしての燃料ガスとカソード供給ガスとしての酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に反応助剤として供給する水を貯蔵する水タンクと、前記燃料ガスまたは燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと、酸化剤ガスまたは燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスと、の混合ガスを燃焼させる燃焼器と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池と前記燃焼器との間に前記水タンクを配置したことを要旨とする。

本発明によれば、水タンクが燃料電池と燃焼器との間の遮熱体として機能し、これにより水タンクを挟んで燃料電池と燃焼器とを近接配置することができる。結果、別途遮熱体を配置しなくとも燃料電池システムをコンパクト化できる。

以下、図１乃至図２を参照して、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を詳細に説明する。この実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車両に適用されるものであり、可動体としての車両の床下に搭載されこの車両の駆動源として利用されるようになっている。まず、この実施形態の燃料電池システムの概要を説明する。

「燃料電池システムの全体構成」
図１はこの実施形態の燃料電池システムのシステム構成図である。図１において、燃料電池システムは、水素供給配管１１を介して燃料ガスとしての水素を供給する水素供給装置（燃料ガス供給装置）１と、空気供給配管１４を介して酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）２と、アノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５を電極として備えそれぞれの電極に供給された水素と酸素とを用いて発電する燃料電池３と、アノードオフガスをアノードオフガス循環配管１２を介してアノード４の上流に循環させるアノードオフガス循環装置６と、アノードオフガスを燃焼させる燃焼器７と、燃焼器７の燃焼排ガスで冷媒を加熱する冷媒用熱交換器８と、冷媒冷却装置９と、アノード供給ガスとしての水素を加湿する加湿器１０Ａ及びカソード供給ガスとしての空気を加湿する加湿器１０Ｂと、空気流量制御弁１６と、熱交換器８又は冷媒冷却装置９と燃料電池３との間の冷媒流路２０に冷媒を循環させる冷媒ポンプ２１と、冷媒流路２０を熱交換器８又は冷媒冷却装置９に切り換える三方弁２２と、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６からアノードオフガス排出配管１３を介して燃焼器７へ排出するアノードオフガス排出弁２７と、燃料電池システム全体を制御するシステムコントローラ３７と、を備えている。

尚、この実施形態では、アノード供給ガス用の加湿器１０Ａとカソード供給用の加湿器１０Ｂでは構成が異なっており、アノード供給ガス用の加湿器１０Ａは、水タンク２５に貯蔵される水を利用して水素供給配管１１を流れる水素を加湿する。一方、カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは、内部に中空糸膜の集合体を備え、この中空糸膜内にカソードオフガスを流通させるとともに中空糸膜外にカソード供給ガスを流通させて、このカソードオフガス中の水分でカソード供給ガスを加湿する。カソードオフガス側を主体として考えると、カソードオフガスはカソード供給ガスに水分を吸い取られて除湿される。

ここで水タンク２５は、燃料電池３および加湿器および燃焼器７および熱交換器８および排気配管１９などで凝縮した水分を図示せぬ配管を通じて回収して貯留するようになっている。

「燃料電池システムの動作」
次に、燃料電池システムの動作を説明する。

まず、水素供給装置１からの水素が加湿器１０Ａで加湿されてアノード４に供給されるとともに空気供給装置２からの空気が加湿器１０Ｂで加湿されてカソード５に供給され、これら水素および空気が燃料電池３内で反応し、発電される。その際アノード４からは消費されずに残ったアノードオフガスが排出される。またカソード５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。

通常運転時にアノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６によりアノードオフガス循環配管１２を介して水素供給配管１１に全量循環されて再度アノード４へと供給される。一方、カソードオフガスは、加湿器１０Ｂ、燃焼器７、冷媒用熱交換器８、排気配管１９を介してシステム外へ排気される。

ここで、燃料電池３のセル電圧を検知する電圧検知手段により所定の電圧値よりも低い電圧が検知された場合には、システムコントローラ３７からパージ信号が発信され、このパージ信号に基づいて、アノードオフガス排出弁２７から所定流量のアノードオフガスが燃焼器７に排出される。

燃焼器７では、アノードオフガス排出弁２７を介して供給されたアノードオフガス（排水素）がミキサ２３でカソードオフガスと混合され、この混合ガスが燃焼触媒を有する燃焼室２４で燃焼される。燃焼器７で生成された燃焼ガスは、冷媒用熱交換器８を通過して排気配管１９を通じてシステム外（大気）に排気される。

なお、燃焼器７には、図示せぬ配管を介して水素供給装置１から水素を供給できると共に図示せぬ配管を介して空気を供給できるようになっていて、パージされる排水素を処理する時以外にも、水素および空気（酸素）を燃焼させて熱を発生できるようになっている。この燃焼熱を利用して、必要に応じて燃料電池３を加温できる。

「燃料電池の温度管理」
次に、燃料電池３の温度管理について説明する。燃料電池３は、不凍液等の冷媒により運転温度が適温に維持されるように温度管理されている。

燃料電池システムの通常運転時には、発熱した燃料電池３を適正な運転温度に冷却維持する必要がある。そのため、三方弁２２で冷媒ポンプ２１と冷媒冷却装置９とを連通することで、冷媒を冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷媒冷却装置９、燃料電池３、冷媒ポンプ２１という閉路に循環させるようになっている。これにより、燃料電池３の発熱を冷媒冷却装置９からシステム外へ放出して、燃料電池３の温度を適温に冷却維持する。

一方、燃料電池システムの起動時には、燃料電池３を適正な運転温度に上昇させる必要がある。そのため、三方弁２２で冷媒ポンプ２１と冷媒用熱交換器８とを連通することで、冷媒を冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷媒用熱交換器８、燃料電池３、冷媒ポンプ２１という閉路に循環させるようになっている。これにより、通常運転時冷媒として用いる媒体を温媒として用いることができ、温媒温度を冷媒用熱交換器８で上昇させて、燃料電池３の温度を運転開始に適切な温度まで上昇させることができる。

「燃料電池と燃焼器との配置レイアウト」
次に、図２を参照しつつ燃料電池と燃焼器との配置レイアウトを説明する。図２は燃料電池および燃焼器の近傍を示す平面図である。

図２中符号３０はフロントシート下方の床下で車体に固定されたフレームである。このフレーム３０には主に燃料電池３と燃焼器７を含む排気系の構成部品（加湿器１０Ｂ、燃焼器７、冷媒用熱交換器８、排気配管１９等）とがサブアッセンブリされた状態で、取付固定されている。なお、図示せぬ水素タンクおよび燃料電池３で発電した電気を蓄える図示せぬ二次電池およびシステムコントローラ３７は、燃料電池３より車両後方の床下で図示せぬ他のフレームに取付固定されている。

図２に示すように運転温度の大きく異なる燃焼器７と燃料電池３との間には、遮熱体として機能する水タンク２５が配置されている。燃焼器７および水タンク２５および燃料電池３の配置関係は、車両の前方から後方に向けて順番に燃焼器７および水タンク２５および燃料電池３が近接配置されている。そして、カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは、燃料電池３に対して車両前方で且つ燃焼器７および水タンク２５に対して車両側方に配置されている。このようにカソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは、燃焼器７に近接配置されることで燃焼器７の熱を受熱して、加湿器１０Ｂ内を流通する水分の凝縮を防止でき、さらには凍結を防止できるようになっている。また、カソード供給ガス用の加湿器１０Ｂは燃焼器７に対して車幅方向に配置されているため、走行風の影響を受けて直に燃焼熱を浴びることは無く、一般に耐熱性の低い中空糸膜を確実に保護できるようになっている。

「効果」
以下、この実施形態の燃料電池システムの効果をまとめる。

第１に、この燃料電池システムによれば、燃料電池３と燃焼器７との間に水タンク２５を配置したことを特徴とするため、水タンク２５が燃料電池３と燃焼器７との間の遮熱体として機能し、これにより水タンク２５を挟んで燃料電池３と燃焼器７とを近接配置できる。結果、別途遮熱体を配置せずに燃料電池システムをコンパクト化できる。なお、この例では車両前後方向にコンパクト化できる。また、燃焼器７の燃焼熱を利用して水タンク２５を加温できるため、氷点下時には水タンク２５内および水タンク２５周辺配管内の解氷に有利である。また、この水タンク２５を介して燃料電池３も加温できるため、燃料電池３の加温にも有利である。

第２に、燃料電池システムを可動体としての車両に搭載することで燃料電池システムを可動型発電装置とした構造であって、可動体の主移動方向前方（車両前方）から後方に向けて、燃焼器７および水タンク２５および燃料電池３の順番に配置したため、走行風を利用してさらに効率的に水タンク２５および燃料電池３に熱を伝えることができる。なお、一般に床下にも走行風の一部が微量ながら入り込むため、この走行風の一部を利用できる。

第３に、この燃料電池システムによれば、加湿器１０Ｂは水透過性の中空糸膜を有してこの中空糸膜の内または外のいずれか一方に水分を流通させて、他方に被加湿ガスを流通させてこの被加湿ガスを加湿する構造であり、加湿器１０Ｂを水タンク２５および燃焼器７に対して可動体の主移動方向側方（車幅方向）に配置したことを特徴とするため、加湿器１０Ｂと燃焼器７とを近接配置でき、燃焼器７の熱を加湿器１０Ｂで受熱して加湿器１０Ｂ内を流通する水分が凝縮したり凍結しないようできる。しかも、加湿器１０Ｂは燃焼器７に対して可動体の主移動方向側方（車幅方向）に配置されるので、走行風の影響による受熱量の変動を極力抑えることができ、耐熱性の低い中空糸膜は確実に保護できる。

第４に、この燃料電池システムによれば、さらに加湿器１０Ｂを、燃料電池３に対して可動体の主移動方向前方（車両前方）で且つ燃焼器７および水タンク２５に対して可動体の主移動方向側方（車幅方向）に配置したことを特徴とするため、可動体の主移動方向側方（車幅方向）に対してもコンパクトにできる。そのため、車両前後左右方向に最もコンパクトに配置できる。

第５に、この燃料電池システムによれば、加湿器１０Ｂはカソード供給ガス用の加湿器１０Ｂであり、このカソード供給ガス用加湿器１０Ｂは中空糸膜の内または外のいずれか一方に燃料電池３からのカソードオフガスを流通させ他方にカソード供給ガスを流通させてカソードオフガス中に含まれる水分でカソード供給ガスを加湿するタイプであり、この加湿器１０Ｂを燃料電池３に対して可動体の主移動方向前方（車両前方）で且つ燃焼器７および水タンク２５に対して可動体の主移動方向側方（車幅方向）に配置したため、図２に示すように(1)カソード供給ガス用加湿器１０Ｂからカソード供給ガスを燃料電池３に送るための配管１４と、(2)燃料電池３から排気されるカソードオフガスをカソード供給ガス用加湿器１０Ｂに送るための配管１５と、(3)カソード供給ガス用加湿器１０Ｂからカソードオフガスを燃焼器７に送るための配管と、をいずれも短く設定できるため、配管構造が簡素化でき、さらに燃料電池システムをコンパクト化できる。

また、カソードオフガス排気通路の上下流関係にある加湿器１０Ｂと燃焼器７とを予めサブアッセンブリできるため、燃料電池システムの組み付け性も向上する。

第６に、この燃料電池システムによれば、可動体は車両であることを特徴とするため、車両を駆動する動力源に燃料電池３を利用でき、燃料電池車両として好適である。

以上要するに本発明の燃料電池システムにあっては、燃料電池と燃焼器との間に水タンクを配置したことを特徴とするため、水タンクが燃料電池と燃焼器との間の遮熱体として機能し、これにより水タンクを挟んで燃料電池と燃焼器とを近接配置できる。結果、別途遮熱体を配置せずに燃料電池システムをコンパクト化できる。

なお、上記実施形態では水タンク２５は、システム内に発生する凝縮水を貯留しこの貯留水をアノード供給ガス用加湿器１０Ａに供給するものであるが、本発明にあっては、水タンク２５からその他の構成部品に水を供給するものであってもよい。また本発明の技術的思想を逸脱しない範囲でその他の構成を変更してもよい。

本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を示すシステム構成図。 第１実施形態における燃料電池システムの燃料電池および燃焼器の近傍の配置レイアウトを示す平面図。

符号の説明

３…燃料電池
４…アノード
５…カソード
７…燃焼器
１０Ｂ…カソード供給ガス用加湿器（加湿器）
２５…水タンク

Claims (6)

1. アノード供給ガスとしての燃料ガスとカソード供給ガスとしての酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に反応助剤として供給する水を貯蔵する水タンクと、
   前記燃料ガスまたは燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスと、酸化剤ガスまたは燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスと、の混合ガスを燃焼させる燃焼器と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と前記燃焼器との間に前記水タンクを配置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムを可動体に搭載することで、前記燃料電池システムを可動型発電装置とした構造であって、
   前記可動体の主移動方向の前方から後方に向けて、前記燃焼器および前記水タンクおよび前記燃料電池の順番に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   被加湿ガスとしてカソード供給ガスおよびまたはアノード供給ガスを加湿する加湿器を備え、
   前記加湿器は、水透過性の中空糸膜を有してこの中空糸膜の内または外のいずれか一方に水分を流通させて、他方に被加湿ガスを流通させてこの被加湿ガスを加湿する構造であり、
   前記加湿器を、前記水タンクおよび前記燃焼器に対して、前記可動体の主移動方向側方に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記加湿器を、前記燃料電池に対して前記可動体の主移動方向前方で且つ前記燃焼器および前記水タンクに対して前記可動体の主移動方向側方に配置したことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記加湿器は、カソード供給ガス用の加湿器であり、
   前記カソード供給ガス用加湿器は、中空糸膜の内または外のいずれか一方に前記燃料電池からのカソードオフガスを流通させ且つ他方にカソード供給ガスを流通させてカソードオフガス中に含まれる水分でカソード供給ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
   前記可動体は車両であることを特徴とする燃料電池システム。