JP2006302612A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に供給する酸化剤ガスの圧力の変動を最小限にすることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、燃料電池２と、空気の圧力を調整するとともに、燃料電池２から酸化剤オフガスを排出する空気調圧弁５と、ダイヤフラムによって内部が背圧室と調圧室とに分割されており、燃料電池１に空気を供給する空気流路９より分岐した上流側空気流路１０から背圧室に流入する空気の圧力に基づいて、調圧室に流入する水素の圧力を調整するとともに、この調圧した水素を燃料電池２に供給する水素調圧弁７と、背圧室から空気を排出する空気排出弁８とを有する。空気排出弁８から排出された空気の流路である下流側空気流路１１は、酸化剤オフガスが排出される排出路１７に接続している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を調整する調圧弁を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。

一般に、燃料電池システムでは、高圧水素タンクから供給される水素を燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給している。この場合、電解質膜の破損を防止するために、アノード側の圧力とカソード側の圧力との差圧が所定値以下となるように制御する必要がある。そこで、従来は、水素ガスの流路に、信号圧と二次側圧との差圧が一定になるように調整する調圧弁を設け、コンプレッサで加圧した空気を信号圧としてこの調圧弁に導入し、両極間の差圧に応じて弁開度を機械的に調整することによって、両極間の差圧が所定の範囲内となるようにしていた（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−６８３３４号公報

ところで、燃料電池に供給する水素の圧力を変えるには、調圧弁内に設けられた信号圧室内の圧力を調整すればよい。具体的には、信号圧室から排出される空気の流路に排出弁を設け、この排出弁の開弁度を制御することにより空気の圧力を調整できる。しかし、この場合、排出弁からの空気の排出先を大気中とすると、信号室内の圧力が大気圧の影響を受け、それによって水素の圧力が変動してしまうという問題があった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力の変動を最小限にすることのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給されて起電力を生じる燃料電池と、この燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、燃料電池の発電に使用されなかった酸化剤ガスを酸化剤オフガスとして燃料電池から排出する酸化剤オフガス流路と、酸化剤供給路より分岐した分岐路に接続する信号圧室を備え、この信号圧室内の圧力との差圧が一定となるように燃料ガスの圧力を調整するとともに、調圧した燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス調圧弁と、信号圧室から酸化剤ガスを排出する排出弁とを有し、排出弁から排出された前記酸化剤ガスを、酸化剤オフガス流路へ排出する流路を備えることを特徴とする燃料電池システムに関する。

本発明における燃料電池システムは、酸化剤オフガス流路に設けられ、燃料電池内の酸化剤ガスの圧力を調整するとともに、燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤ガス調圧弁をさらに有していて、排出弁から排出された酸化剤ガスの流路が、酸化剤オフガスの流路に接続する位置は、酸化剤ガス調圧弁より燃料電池側であることが好ましい。この場合、排出弁の上流側と下流側における酸化剤ガスの差圧に応じて、酸化剤ガス調圧弁の弁開度を制御する手段を有していることが好ましい。

本発明によれば、排出弁から排出された酸化剤ガスの流路が、酸化剤オフガスの流路に接続しているので、酸化剤ガスが直接大気中に排気される場合と比較して、信号圧室内の圧力の変化量を小さくすることができる。したがって、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力の変動を最小限にすることが可能となる。

一般に、大気圧が７０kPa.abs〜１１０kPa.absであるのに対し、コンプレッサで加圧された空気の圧力は１２０kPa.abs〜３００kPa.absである。このため、従来は、最大差圧（３００−７０＝）２３０kPaでも開弁するように排出弁を設計しなければならず、結果として、排出弁の大型化および高価格化を招くという問題があった。これに対して、本発明の好ましい態様によれば、排出弁から排出された酸化剤ガスは、酸化剤オフガスの流路を経て外部へと向かうまでの間に圧力損失を受ける。これにより、排出される空気の圧力と大気圧との差圧が緩和されるので、従来より小型の排出弁を使用することが可能となる。

図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。尚、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器４と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁７と、水素調圧弁７からの空気を排出する空気排出弁８とを有する。ここで、空気調圧弁５、水素調圧弁７および空気排出弁８は、それぞれ、本発明における酸化剤ガス調圧弁、燃料ガス調圧弁および排出弁に対応する。

燃料電池２は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル（図示せず）が積層された構造を有している。ここで、各セルは、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造となっている。

燃料電池２のカソードには、コンプレッサ３で加圧された空気が供給される。そして、燃料電池２内での電気化学反応によって、空気中から所定量の酸素が消費された後、残りのガスが酸化剤オフガスとして排出される。

加湿器４は、燃料電池２から排出された酸化剤オフガス中の水分を回収するとともに、燃料電池２に供給される空気を加湿する役割を果たしている。これにより、燃料電池２内の電解質膜の含水状態を適切に管理して、電解質膜を正常に機能させることが可能となる。但し、本発明においては、加湿器４はなくてもよい。

一方、燃料電池２のアノードには、水素タンク６に貯蔵された水素が、水素調圧弁７によって調圧された後に供給される。

図２は、図１の水素調圧弁７の拡大図である。

図２に示すように、水素調圧弁７は、可撓性のダイヤフラム７０を有しており、ダイヤフラム７０によって、内部が背圧室７１と調圧室７２とに分割されている。ここで、背圧室は、本発明における信号圧室に対応する。

背圧室７１の上流側には空気流入口７３が、下流側には空気流出口７４がそれぞれ設けられている。また、背圧室７１の内部には、ダイヤフラム７０を調圧室７２の側に付勢する弾性バネ７５が設けられている。ここで、空気流入口７３は、加湿器４から燃料電池２に空気を送る空気流路９から分岐した分岐路である上流側空気流路１０に接続している。また、空気流出口７４は、下流側空気流路１１に接続している。尚、空気流路９は、本発明における酸化剤ガス供給路である。

一方、調圧室７２の上流側には水素流入口７６が、下流側には水素流出口７７がそれぞれ設けられている。また、調圧室７２の内部には、ダイヤフラム７０に連結した弁体７８が設けられている。ここで、水素流入口７６は、上流側水素流路１２を介して水素タンク６に接続している。また、水素流出口７７は、下流側水素流路１３を介して燃料電池２に接続している。

上流側水素流路１２を介して、水素タンク６から上流側調圧室７２ａに供給された水素は、弁体７８と弁座７９の隙間を通って下流側調圧室７２ｂに流入する。水素タンク６から供給される水素の圧力が高くなることによって、下流側調圧室７２ｂに流入した水素の圧力が高くなると、ダイヤフラム７０が図の上方向へ押し上げられる。すると、ダイヤフラム７０に連結した弁体７８が図の上方向へ引き上げられるために、弁体７８と弁座７９の隙間が狭められる。これにより、流量に対する圧力損失が増大して、下流側調圧室７２ｂ内の水素の圧力は低下する。

反対に、水素タンク６から供給される水素の圧力が低くなることによって、下流側調圧室７２ｂに流入する水素の圧力が低くなると、弾性バネ７５と背圧室７１内の圧力による付勢力によって、ダイヤフラム７０が図の下方向へ移動する。すると、ダイヤフラム７０に連結した弁体７８が図の下方向へ移動するために、弁体７８と弁座７９の隙間が広げられる。これにより、流量に対する圧力損失が低下して、下流側調圧室７２ｂ内の水素の圧力は増大する。

このように、水素調圧弁７は、弾性バネ７５および背圧室７１の圧力による付勢力と、調圧室７２に流入する水素の圧力とのバランスを利用して、燃料電池２に供給する水素の圧力を一定にする。

一方、水素調圧弁７の背圧室７１内の空気の圧力が高くなると、ダイヤフラム７０を図の下方向に押し下げる付勢力が強くなる。これにより、弁体７８が図の下方向に押し下げられるので、弁体７８と弁座７９の隙間が広げられ、下流側調圧室７２ｂ内の水素の圧力は増大する。

反対に、水素調圧弁７の背圧室７１内の空気の圧力が低くなると、ダイヤフラム７０を図の下方向に押し下げる付勢力が弱くなる。これにより、弁体７８が図の上方向に引き上げられるので、弁体７８と弁座７９の隙間が狭められ、下流側調圧室７２ｂ内の水素の圧力は低下する。

このように、水素調圧弁７では、背圧室７１の圧力が高くなるほど、燃料電池２に供給される水素の圧力も高くなる。一方、背圧室７１の圧力が低くなるほど、燃料電池２に供給される水素の圧力も低くなる。すなわち、水素調圧弁７によれば、背圧室７１内の空気の圧力に基づいて、調圧室７２に流入する水素の圧力を調圧できるので、結果として、燃料電池２に供給される水素の圧力を調整することが可能となる。

また、空気流出口７４に接続する下流側空気流路１１には、空気排出弁８が設けられている。ここで、背圧室７１内の圧力は、背圧室７１から流出する空気の流量によって決定される。したがって、背圧室７１内の圧力を高くするには、空気排出弁８の弁開度を小さくして、背圧室７１から流出する空気の流量が少なくなるようにすればよい。反対に、背圧室７１内の圧力を低くするには、空気排出弁８の弁開度を大きくして、背圧室７１から流出する空気の量が多くなるようにすればよい。すなわち、空気排出弁８の開閉によって、背圧室７１内の圧力を制御することができる。

以上のようにして調圧された後、燃料電池２のアノードに供給された水素は、電気化学反応によって所定量が消費される。そして、排出バルブ１４を開くことによって、燃料オフガスが、排出路１５から希釈器１６を経由して排出される。

尚、本実施の形態においては、排出路１５から分岐して下流側水素流路１３に接続する循環路を設け、この循環路を通って、燃料オフガスが再び燃料電池２内に供給されるようにしてもよい。このようにすることによって、燃料オフガス中に含まれる残留水素を有効に活用することができる。この場合、カソード側から燃料オフガス中に流入する不純物を除去するために、定期的に排出バルブ１４を開いて、燃料オフガスを排出するようにする。

一方、加湿器４から排出された酸化剤オフガスは、排出路１７から空気調圧弁５を経て排出される。ここで、酸化剤オフガスは、燃料電池の発電に使用されなかった酸化剤ガスである。また、排出路１７は、本発明の酸化剤オフガス流路である。

また、水素調圧弁７の背圧室７１に流入した空気は、空気排出弁８を開くことによって下流側空気流路１１から排出される。ここで、本実施の形態においては、下流側空気流路１１が排出路１７に接続していることを特徴とする。すなわち、下流側空気流路１１は、本発明における「排出弁から排出された酸化剤ガスを、酸化剤オフガス流路へ排出する流路」に対応する。

下流側空気流路１１を排出路１７に接続することによって、下流側空気流路１１から排出される空気は、排出路１７から排出される酸化剤オフガスと合流して排出される。したがって、空気が直接大気中に排気される場合と比較すると、背圧室７１内の圧力の変化量を小さくすることができるので、燃料電池２に供給する水素の圧力の変動を最小限にすることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、空気排出弁８から排出された空気は、下流側空気流路１１から排出路１７を経て外部へと向かうまでの間に、マフラー等による圧力損失によって圧力が低下する。したがって、排出される空気の圧力と大気圧との差圧が緩和されるので、空気排出弁８としては、従来より小型で安価なものを使用することが可能となる。

本実施の形態においては、空気流路９から上流側空気流路１０が分岐する分岐点と、下流側空気流路１１と排出路１７とが合流する合流点とは、燃料電池が収納される筐体内に設けられていることが好ましい。このようにすることによって、空気の流路を形成している各配管の接続部が外れないよう保証することが容易となる。また、空気の流路が短くなるので、水素調圧弁７の応答性を高めることもできる。さらに、これらを筐体内に納めることによって、配管の温度が低下して内部で水分が凍結するのを防ぐこともできる。

また、本実施の形態においては、図３に示すように、下流側空気流路１１が排出路１７に合流する位置を、空気調圧弁５より上流側（すなわち、燃料電池２の側）に設けることが好ましい。このようにすることによって、空気排出弁８より下流側にある空気を空気調圧弁５で調圧することができるので、空気排出弁８の上流側と下流側における空気の差圧をより小さくすることが可能となる。尚、図３において、図１と同じ符号を付した部分は、同じものであることを示している。

また、図３の構造の場合、空気排出弁８の上流側と下流側における空気の差圧に応じて、空気調圧弁５の開弁度を制御する手段（以下、空気調圧弁制御手段と称す。）をさらに備えていることが好ましい。

図４は、図３の空気排出弁８の拡大図である。

図４において、空気排出弁８は、電磁石８０によって弁の開閉が行われる。ここで、電磁石８０は、ソレノイドコイル８３と、固定子８４と、弁体８１の固定子側端部（移動子）とから成る。ソレノイドコイル８３に電流が流れると、ソレノイドコイル８３の周囲に磁界が発生する。これにより、固定子８４に移動子が引かれて、弁体８１が弁座８２から離れる。

図４で、空気排出弁８は、上流側と下流側における空気の差圧によって、弁体８１が弁座８２に押し付けられる構造となっている。このため、上流側と下流側における空気の差圧が大きすぎると、弁体８１を移動させることが困難となって、閉弁状態にある空気排出弁８を開弁することができなくなる。つまり、空気排出弁８の作動保証範囲外となる。

この場合、まず、空気調圧弁制御手段１８によって、下流側の空気の圧力が高くなるように空気調圧弁５を調整する。これにより、空気排出弁８の上流側と下流側における空気の差圧を小さくして、空気排出弁８を開弁することができるようになる。この方法によれば、作動保証範囲外となる事態を想定して、空気排出弁８を大きな差圧に対応可能なものとする必要がなくなる。

また、上記の場合において、空気排出弁８を開弁することにより、水素調圧弁７の背圧室７１内における空気の圧力が所定の値まで低くなった後は、空気調圧弁制御手段１８によって、空気排出弁８の下流側の空気の圧力が低くなるように、空気調圧弁５を調整することが好ましい。これにより、燃料電池２に供給される圧縮空気の圧力が必要以上に高くなった状態を停止して、コンプレッサ３の消費電力を小さくすることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。 図１における水素調圧弁の拡大図である。 本実施の形態における燃料電池システムの構成図の他の例である。 図３における空気排出弁の拡大図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
４ 加湿器
５ 空気調圧弁
６ 水素タンク
７ 水素調圧弁
８ 空気排出弁
９ 空気流路
１０ 上流側空気流路
１１ 下流側空気流路
１２ 上流側水素流路
１３ 下流側水素流路
１４ 排出バルブ
１５，１７ 排出路
１６ 希釈器
１８ 空気調圧弁制御手段
７０ ダイヤフラム
７１ 背圧室
７２ 調圧室
７３ 空気流入口
７４ 空気流出口
７５ 弾性バネ
７６ 水素流入口
７７ 水素流出口
７８，８１ 弁体
７９，８２ 弁座
８０ 電磁石
８３ ソレノイドコイル
８４ 固定子

Claims (3)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給されて起電力を生じる燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   前記燃料電池の発電に使用されなかった酸化剤ガスを酸化剤オフガスとして前記燃料電池から排出する酸化剤オフガス流路と、
   前記酸化剤供給路より分岐した分岐路に接続する信号圧室を備え、該信号圧室内の圧力との差圧が一定となるように燃料ガスの圧力を調整するとともに、該調圧した燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス調圧弁と、
   前記信号圧室から前記酸化剤ガスを排出する排出弁とを有し、
   前記排出弁から排出された前記酸化剤ガスを、前記酸化剤オフガス流路へ排出する流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤オフガス流路に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力を調整するとともに、前記燃料電池から酸化剤オフガスを排出する酸化剤ガス調圧弁をさらに有し、
   前記排出弁から排出された前記酸化剤ガスの流路が、前記酸化剤オフガスの流路に接続する位置は、前記酸化剤ガス調圧弁より前記燃料電池側である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排出弁の上流側と下流側における前記酸化剤ガスの差圧に応じて、前記酸化剤ガス調圧弁の弁開度を制御する手段をさらに有する請求項２に記載の燃料電池システム。

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