JP2009009762A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度に依存せず、オフガスを確実に気液分離させる。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池スタック５０と、燃料電池スタック５０を収容するスタックケース６２と、燃料電池スタック５０から燃料ガスのオフガスを排出させる燃料ガス排出流路５４と、燃料ガス排出流路５４に連通し、流入するオフガスを気液分離させる気液分離器５６と、を備える。気液分離器５６は、スタックケース６２の外部に設けられている一方、寒冷時には、冷却媒体の少なくとも一部を、気液分離器５６の近傍の冷媒導入流路７２に導入し、気液分離器５６内部での水分の凍結を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳細には、排出されたオフガスを再利用する燃料電池システムに関する。

燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル（燃料電池単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図２に例示するように、カソード触媒層１２（酸化極またはカソード極とも称する）とアノード触媒層１４（燃料極またはアノード極とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設け、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、カソード触媒層１２の外側にはカソード拡散層１６が、アノード触媒層１４の外側にはアノード拡散層１８が、それぞれ設けられている。さらに、カソード拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成されたカソード側セパレータ２６が、アノード拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成されたアノード側セパレータ２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル４０が形成される。

得られた単セル４０を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させた燃料電池スタック（ＦＣスタックとも称する）がさまざまな分野において適用されている。燃料電池スタックは一般に、カソード触媒層１２に酸素や空気等の酸化ガスを、アノード触媒層１４に水素等の燃料ガスを、それぞれ供給して発電する。このような燃料電池は通常、発電時には例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御されているが、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体（冷媒）を各単セルに設けられたセル冷媒流路２２に流通させて燃料電池の過熱を防止している。

このように燃料極および酸化極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より、排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

一般に燃料電池が良好な発電を行なうためには、例えばパーフルオロ系、パーフルオロスルホン酸系等のフッ素系イオン交換樹脂などが用いられる電解質膜１０に対して所定の水分量（含水量）を維持させて、プロトン透過性膜としての機能を発揮させることが好適であり、例えば燃料電池内に供給する反応ガスのいずれか一方、または両方を加湿させることにより電解質膜１０の水分調節を行なう。その一方で、水分は、寒冷時には凍結することがあり、凍結箇所によっては流路閉塞や機能低下の要因ともなり得るため、生成水や反応ガスの加湿にも用いられる、例えばガス流路中の水分の凍結防止についても考慮する必要がある。

一方、単セル内に供給された燃料ガスおよび酸化ガスは、ＭＥＡを挟んでそれぞれが反応して消費される（燃料ガスおよび酸化ガスを反応ガスとも称する）が、その一部が未反応の状態で排気ガスに残留したまま排出される（これをオフガスとも称する）。このような、例えば水素や酸素などの未反応の反応性原料や水分を含むオフガスを再利用し、エネルギー利用効率をさらに向上させる方法についても検討されている。

特許文献１には、気液分離器における、排気ガスからの液体の水分（液水とも称する）の回収量を向上させるために、冷却手段を備えた燃料電池システムについて記載されている。

特許文献２には、寒冷時における生成水の凍結を、排出されるオフガスまたは熱交換により加温された冷却媒体を用いて防止する技術について記載されている。

また、特許文献３には、寒冷時における生成水の凍結に伴う不具合を防止するために、不凍液を供給することについて記載されている。

特開２００２−３１３３８３号公報 特開２００６−１４７４４０号公報 特開２００６−２８６５４４号公報

ところで、燃料電池スタックから排出されるオフガスのうち、特に燃料極側から排出される、燃料ガスのオフガスには、前述したように電池反応に伴う生成水に由来する水分が含まれている。一方、オフガス中に含有する生成水には、電解質膜に起因する酸性物質が混入する場合があり、一般に強い酸性を示す。このため、燃料ガスのオフガスを水素供給源として再利用するためには、少なくとも電解質膜由来の酸性物質を除去し、ポンプや配管、単セルや燃料電池スタックなどの劣化を防止または抑制することが望ましい。

一方、燃料電池システムの更なるコスト低減の要請のために、使用する部品や装置の小型化、構成の簡素化なども検討されている。

本発明は、例えば氷点下など、環境温度に依存せず、オフガスを確実に気液分離させることの可能な燃料電池システムを提供する。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする単セルを積層させた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する筐体と、前記燃料電池スタックから前記反応ガスのオフガスを排出させる反応ガス排出流路と、前記反応ガス排出流路に連通し、流入する前記オフガスを気液分離させる気液分離手段と、を備え、前記気液分離手段は、前記筐体の外部に設けられており、前記燃料電池スタックから前記反応ガス排出流路を介して流入するオフガス中の水分を凝縮させる、燃料電池システム。

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記反応ガス排出流路は、燃料ガスのオフガスを排出させる燃料ガス排出流路であり、前記気液分離手段により前記燃料ガスのオフガスから気液分離させた水分を除去した再生ガスを前記燃料電池スタック内に供給させる再生ガス供給流路をさらに含む、燃料電池システム。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの冷却に供される冷却媒体の少なくとも一部を、前記気液分離手段の近傍に導入可能な冷媒導入流路と、前記冷却媒体の導入を制御する冷媒導入制御部と、をさらに備え、前記冷媒導入制御部は、前記気液分離手段の温度に基づいて前記冷却媒体の導入を制御する、燃料電池システム。

本発明によれば、オフガスを確実に気液分離させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示したものである。

図１において、燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする、図２に例示したような単セル４０を複数枚積層させた燃料電池スタック５０と、これを収容するスタックケース６２と、スタックケース６２の外部に設けられた気液分離器５６と、ラジエータ６８と、を有している。

また、燃料電池スタック５０に供給される反応ガスの供給流路として、燃料ガス供給流路５２および酸化ガス供給流路６４がそれぞれ設けられ、燃料電池スタック５０から排出される反応ガスのオフガスの排出流路として、燃料ガス排出流路５４および酸化ガス排出流路６６がそれぞれ設けられている。一方、燃料電池スタック５０と、ラジエータ６８との間には、冷却媒体を循環させる冷媒流路７０ａ，７０ｂが設けられており、燃料電池スタック５０内で発生する熱と、冷媒流路７０ａ，７０ｂ内を流通する冷却媒体との間の熱交換により、燃料電池スタック５０の内部温度を所定の範囲内に維持している。

本実施の形態において、例えば純水素ガスまたは改質ガスなどの燃料ガスが供給可能な図示しない燃料ガス供給源から、水素ガスなどの燃料ガスが、燃料ガス供給流路５２を介して燃料電池スタック５０に供給される。一方、エアコンプレッサなどの酸化ガス供給機構による空気や酸素ボンベによる純酸素ガスなどの酸化ガスが供給可能な酸化ガス供給源（図示せず）から、空気や酸素などの酸化ガスが、酸化ガス供給流路６４を介して燃料電池スタック５０に供給される。燃料電池スタック５０内に反応ガスがそれぞれ供給されると、燃料ガス中の水素と、酸化ガス中の酸素とが各単セルにおいて消費され、その後、各反応ガスのオフガスが燃料ガス排出流路５４と、酸化ガス排出流路６６を介してそれぞれ燃料電池スタック５０より排出される。

本実施の形態において、燃料ガス排出流路５４は、気液分離器５６と連通している。気液分離器５６は、燃料電池スタック５０から排出され、燃料ガス排出流路５４を介して流入する燃料ガスのオフガス中に含有する水分の少なくとも一部を凝縮させ、気相と液相とに分離させる。このとき、気液分離器５６は、スタックケース６２の外部に設けられているため、実質的に燃料電池スタック５０内で発生する熱の影響を受けることなく、流入するオフガスの温度と、気液分離器５６の環境温度との間の差に基づき、オフガス中の含水量に応じた水分を凝縮させることができる。

ここで、燃料ガスのオフガス中に含まれる水分には、燃料電池スタック５０内での電極反応により生成した生成水が含まれる。この生成水とともに燃料ガスのオフガス中に含まれ、図２に示す電解質膜１０に由来する酸性物質は一般に水溶性である。このため、気液分離器５６を用いてオフガス中の水分が凝縮して得られた液相中にこの酸性物質を溶存させることにより、気相中からはそのほとんどを除去することができる。

このように、燃料ガス排出流路５４を気液分離器５６に連通させて、燃料ガスに由来する水素ガスや水蒸気などを含有するオフガスから、水溶性酸性物質などの不純物を分離除去することにより、得られる気相を燃料ガスの一部である再生ガスとして、再利用することができる。より具体的には、図１に示すように、気液分離器５６と燃料電池スタック５０との間に再生ガス供給流路５８を設け、連通させることにより、燃料ガスのオフガスから気液分離器５６により気液分離させた水分を除去した再生ガスを燃料電池スタック５０内に供給し、再利用することが可能となる。このとき、気液分離器５６により分離した液相中の成分が混入しないよう、再生ガス供給流路５８を気液分離器５６の上部に接続させることが好適である。

図１に示す実施の形態において、再生ガス供給流路５８は、燃料ガス供給流路５２とは別に独立して設けられているが、他の実施の形態として、再生ガス供給流路５８を燃料ガス供給流路５２と合流させた後に燃料電池スタック５０内に供給させることも可能である。また、必要に応じて、再生ガス供給流路５８から燃料電池スタック５０に供給される再生ガスの流量および／または流速を適宜調整することも可能である。

一方、凝縮により、気液分離器５６の下部に貯留される水相は、排水流路７６により燃料電池システム１００の外部に排出される。このとき排出される水相に対し、必要に応じて、中和処理やイオン除去処理等を行った後に廃棄または再利用することも好適である。

本発明の実施の形態において、図１に示した気液分離器５６としては、環境温度に応じて気液分離させることが可能なものであればいかなるものを使用してもよいが、例えば空気冷却式の気液分離器を挙げることができる。空気冷却式の気液分離器は、環境温度に応じた空気により凝縮を行なうものであって、構造が簡単であり、かつ保守が容易であるなどの利点がある。また、気液分離器５６は１つに限らず、必要に応じて複数用いることも可能である。また、環境温度によっては、冷媒導入流路７２に導入した冷却媒体を利用した冷媒冷却方式（冷却媒体が水である場合、いわゆる水冷式）を併用することも可能である。また、気液分離器５６を、オフガスを凝縮させる凝縮器と、凝縮器により凝縮された水分を貯留する貯留部との別部材とすることも可能である。

また、本実施の形態において、気液分離器５６を構成する材料としては、熱伝導率の高いものが好ましいが、所定期間水相を滞留させることも想定されるため、耐酸性を有するものが好適であり、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などを用いることが可能であるが、これに限定されるものではない。

また、本実施の形態において、気液分離器５６における冷却作用を高め、気液分離効率を向上させるため、例えば気液分離器の外面に、空気との間の伝熱面積を増大させるフィンを適用したり、ファンで送風する構成としたりすることも好適である。さらに、気液分離器５６の内部壁面において、凹凸や溝形状を形成させて表面粗さを調整したり、水接触角を調整し、疎水性または親水性としたりといった、水分の凝集を促進させる構成を採用することも好適である。

本発明の実施の形態における燃料電池システムは、環境温度の変化が少ない、屋内などの温度調整可能な箇所における使用に特に適している。一方、例えば屋外など、環境温度の大きく変化する条件下、例えば寒冷時における使用においても、以下に説明するように、図１に示す冷媒導入流路７２と、冷媒導入制御部７４と、をさらに備えることにより、スタックケース６２の外部に設けられた気液分離器５６およびその近傍での生成水の凍結に伴う不具合を防止または抑制させることが可能となる。

図１において、冷媒導入制御部７４は、気液分離器５６の温度に基づいて冷媒導入流路７２への冷却媒体の導入を制御することができるように構成されている。一方、冷媒導入流路７２は、燃料電池スタック５０の冷却に供される冷却媒体の少なくとも一部を、気液分離器５６の近傍に導入可能に構成されている。ここで、「気液分離器５６の近傍」とは、冷媒導入流路７２への冷却媒体の導入に伴い、気液分離器５６に対し温度変化をもたらすことが可能な程度であることを示しており、具体的な距離は冷媒導入流路７２の材質や導入する冷却媒体の温度などにより適宜設定されるものであって良く、特に制限はない。また、必要に応じて、冷媒導入流路７２に導入する冷却媒体の流量および／または流速を調整することも好適である。

本実施の形態において、気液分離器５６に設けられた図示しない温度センサが所定の温度、例えば、０℃まで低下したことを検知すると、冷媒導入制御部７４はバルブｖ１，ｖ２を開き、冷却媒体を冷媒導入流路７２に導入する制御を行なう。このとき、冷却媒体の温度は、燃料電池スタック５０とラジエータ６８との循環により所定の温度、例えば３０℃〜６０℃程度まで上昇しているため、冷媒導入流路７２への冷却媒体の導入により気液分離器５６の温度は次第に上昇していく。気液分離器５６に設けられた温度センサが所定の温度、例えば、１０℃まで上昇したことを検知すると、冷媒導入制御部７４はバルブｖ１，ｖ２を閉じ、冷媒導入流路７２への冷却媒体の導入を停止する制御を行なう。なお、温度センサにより検知される気液分離器５６の温度は、内部温度とすることも可能であり、また気液分離器５６を構成する部材の温度とすることも可能である。

図１に示す冷媒導入流路７２に対する、上述したような冷却媒体の導入制御は、特に燃料電池スタック５０の起動開始直後において好適に行なう構成とすることが可能であるが、他の実施の形態として、気液分離器５６に設けられた温度センサにより気液分離器５６の温度を常時または所定の間隔で監視し、気液分離器５６の温度変化に応じて冷却媒体の導入制御を行なう構成とすることも好適である。また、冷媒導入流路７２に対し、冷却媒体の導入を調整するためのバルブｖ１，ｖ２の構成は例示であって、図１に示す構成に限らないことはいうまでもなく、例えば１つのバルブの開閉による制御とすることも可能である。

図１に示す本実施の形態において、冷媒導入流路７２に導入される冷却媒体は、燃料電池スタック５０内を流通し、温度上昇したものを冷媒流路７０ｂより導入する構成としているが、これに限らず、例えばラジエータ６８での熱交換により冷却された冷却媒体を冷媒流路７０ａより導入する構成とすることも可能である。本構成によれば、例えば環境温度よりも低い温度条件下で気液分離を行なうことが可能となり、これに伴い、水分の凝縮により得られる液相の量が増加することが想定される。本構成を、例えば燃料ガスのオフガスに代えて酸化ガスのオフガスの気液分離に適用することにより、気液分離により得られた液相である水を、オフガスとともにそのまま排出させずに、例えば酸化ガスの加湿材料として再利用する構成とすることも可能となるが、本構成は例えば車両など、移動体に搭載する燃料電池システムにおいて特に好適である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における燃料電池システム１００は、気液分離器５６を除く燃料ガス系流通機構は、配管部分の一部を除き、実質的にスタックケース６２内にすべて収容されている。スタックケース６２内に収容された部分においては、環境温度の低下に伴う水分の凍結などの不具合を防止または抑制することが可能である。また、特に、再生ガスの燃料電池スタック５０への供給に寄与するポンプ（またはインジェクタ）６０も含め、スタックケース６２内に収容することにより、モータの高速回転などに起因する騒音（異音）や振動を緩和し、抑制することも可能となるため、好適である。一方、気液分離器５６は、スタックケース６２の外部に設けられている。これにより、燃料電池スタック５０の運転に伴うスタックケース６２の内部温度にかかわらず確実に燃料ガスのオフガスを気液分離させることが可能となる一方、寒冷時には、冷却媒体の少なくとも一部を、気液分離器５６の近傍の冷媒導入流路７２に導入することにより、気液分離器５６内部での水分の凍結を抑制することが可能となる。

このように、本発明の実施の形態によれば、環境温度に依存せず、オフガスを確実に気液分離させることが可能となる。

本発明は、反応ガスのオフガスを気液分離させて再利用する燃料電池システムにおいて好適に利用することが可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略を示す図である。 単セルの構成の概略を例示する図である。

符号の説明

１０ 電解質膜、１２ カソード触媒層、１４ アノード触媒層、１６ カソード拡散層、１８ アノード拡散層、２０ 酸化ガス流路、２２ セル冷媒流路、２４ 燃料ガス流路、２６ カソード側セパレータ、２８ アノード側セパレータ、３０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、４０ 単セル、５０ 燃料電池スタック、５２ 燃料ガス供給流路、５４ 燃料ガス排出流路、５６ 気液分離器、５８ 再生ガス供給流路、６０ ポンプ、６２ スタックケース、６４ 酸化ガス供給流路、６６ 酸化ガス排出流路、６８ ラジエータ、７０ａ，７０ｂ 冷媒流路、７２ 冷媒導入流路、７４ 冷媒導入制御部、７６ 排水流路、１００ 燃料電池システム。

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化ガスとを反応ガスとする単セルを積層させた燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収容する筐体と、
   前記燃料電池スタックから前記反応ガスのオフガスを排出させる反応ガス排出流路と、
   前記反応ガス排出流路に連通し、流入する前記オフガスを気液分離させる気液分離手段と、
   を備え、
   前記気液分離手段は、前記筐体の外部に設けられており、前記燃料電池スタックから前記反応ガス排出流路を介して流入するオフガス中の水分を凝縮させることを特徴とす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、
   前記反応ガス排出流路は、燃料ガスのオフガスを排出させる燃料ガス排出流路であり、
   前記気液分離手段により前記燃料ガスのオフガスから気液分離させた水分を除去した再生ガスを前記燃料電池スタック内に供給させる再生ガス供給流路をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの冷却に供される冷却媒体の少なくとも一部を、前記気液分離手段の近傍に導入可能な冷媒導入流路と、
   前記冷却媒体の導入を制御する冷媒導入制御部と、
   をさらに備え、
   前記冷媒導入制御部は、前記気液分離手段の温度に基づいて前記冷却媒体の導入を制御することを特徴とする燃料電池システム。

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