JP2009170209A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】希釈装置を小型化するとともに、燃料電池から排出されるアノードオフガスを、外部から導入される空気により良好に希釈して放出することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２２と、オフガス配管２８及び希釈用ガス配管３０が接続され、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈する希釈器３２と、前記希釈器３２の下流に配設され、前記希釈器３２で希釈された前記アノードオフガスを排ガスとして外部に排出する排気配管３４とを備える。排気配管３４は、流路断面積が減少する絞り部８０と、排ガスが前記絞り部８０を通過する際に発生する負圧を介し、前記排気配管３４の外部である床下空間１４から該排気配管３４の内部に空気を吸引する吸引部８２とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、アノードオフガスを流すオフガス配管と、前記オフガス配管が接続されるとともに、前記アノードオフガスを希釈する希釈装置と、前記希釈装置の下流に配設され、前記希釈装置で希釈された排ガスを外部に排出する排気配管とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

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、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池は、車載用としての利用が要請されており、車両に搭載するために種々の工夫がなされている。特に、発電反応後に燃料電池から排出される排出燃料ガス（以下、アノードオフガスともいう）は、直接、車両から外部に放出させることができず、希釈用ガス、例えば、発電反応後に前記燃料電池から排出される空気（以下、カソードオフガスともいう）により所定の濃度以下に希釈する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている排出水素処理装置は、希釈室を設けることなく希釈された水素を大気中に放出することを目的とし、図５に示すように、燃料電池１及び排出水素処理装置２を備えている。燃料電池１は、固体高分子膜１ａを空気極１ｂと燃料極１ｃとで挟持して構成されている。空気極１ｂには、エアコンプレッサ３から空気供給管４ａを介して空気が供給される一方、燃料極１ｃには、水素貯蔵器５から水素供給管４ｂを介して水素が供給されている。

排出空気は、空気排出管４ｃを介して大気中に放出されるとともに、排出水素ガスは、水素排出管４ｄを介して排出水素処理装置２に供給されている。水素排出管４ｄには、制御弁６が配置されており、この制御弁６が連通状態に操作されると、燃料極１ｃの排出水素ガスは、排出水素ガス導入口２ａを介して収容器２ｂ内に導入される。

そして、制御弁６が非連通状態に操作されると、排出空気取り入れ口２ｃから導入された排出空気は、隔壁２ｄの流動規制部２ｅを通過して、排出水素ガスを導出部２ｆへと、順次、移動させる。排出水素ガスは、導出部２ｆから排出水素ガス排出管４ｅを介して空気排出管４ｃに排出され、この空気排出管４ｃを流れる排出空気によって希釈された後、大気中に放出される。

特開２００４−６１８３号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、排出水素処理装置２において、排出水素ガスを希釈するための空気は、エアコンプレッサ３を介して燃料電池１に供給された空気量からこの燃料電池１で消費された酸素量を引いた量に限定されている。従って、多量の排出水素ガスを十分に希釈することが困難になり、前記排出水素ガスの希釈処理が効率的に遂行されないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、希釈装置を有効に小型化するとともに、燃料電池から排出されるアノードオフガスを、外部から導入される空気により良好に希釈して放出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、カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側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、前記アノード側電極から排出されるアノードオフガスを流すオフガス配管と、前記オフガス配管及び希釈用ガス配管が接続され、前記アノードオフガスを希釈用ガスで希釈する希釈装置と、前記希釈装置の下流に配設され、前記希釈装置で希釈された前記アノードオフガスを排ガスとして外部に排出する排気配管とを備える燃料電池システムに関するものである。

そして、排気配管は、流路断面積が減少する絞り部と、排ガスが前記絞り部を通過する際に発生する負圧を介し、前記排気配管の外部から該排気配管の内部に空気を吸引するための吸引部とを設けている。

また、燃料電池システムは、車両に搭載されるとともに、排気配管の吸引部は、前記車両の内部又は外部に露呈することが好ましい。

さらに、絞り部には、排気配管の内部を流動する排ガスが、吸引部から前記排気配管の外部に逆流することを阻止する逆流防止弁が配設されることが好ましい。

本発明では、燃料電池から排出されるアノードオフガスは、希釈装置に導入されて希釈された後、排ガスとして排気配管を流動して外部に放出されている。ここで、排気配管には、絞り部が設けられており、排ガスが前記絞り部を通過する際に、エゼクタ作用によって負圧が発生する。従って、吸引部には、排気配管の外部から空気が吸引され、この空気を介して排ガスがさらに希釈されている。

このため、希釈装置の小型化が図られるとともに、例えば、車外に放出される排ガス中の水素濃度を、良好且つ確実に低減させることができる。特に、多量のアノードオフガスが排出される際にも、希釈装置の下流で、前記アノードオフガスである排ガスをさらに希釈することができ、前記排ガスを所望の水素濃度に確実に希釈して外部に放出することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０が搭載される車両１２の概略側面図である。

燃料電池システム１０は、車両１２の床下空間１４に配設されるとともに、この床下空間１４は、フロント空間１６を介して外部に開放される。フロント空間１６には、ファン付ラジエータ１８が配置され、このラジエータ１８は、後述する燃料電池スタック２２を冷却するための冷却媒体を循環させるとともに、床下空間１４に外気を導入する機能を有する。

図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２２と、前記燃料電池スタック２２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置２４と、前記燃料電池スタック２２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２６と、前記燃料電池スタック２２から排出されるアノードオフガスを流すオフガス配管２８と、前記オフガス配管２８及び希釈用ガス配管３０が接続され、前記アノードオフガスをカソードオフガス（希釈用ガス）で希釈する希釈器（希釈装置）３２と、前記希釈器３２の下流に配設され、前記希釈器３２で希釈された前記アノードオフガスを排ガスとして外部に排出する排気配管３４とを備える。

燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池３６を積層して構成される。各燃料電池３６は、固体高分子電解質膜３８をカソード側電極４０とアノード側電極４２とで挟持した電解質膜・電極構造体４４を備え、前記電解質膜・電極構造体４４を一対のセパレータ４６ａ、４６ｂで挟持する。電解質膜・電極構造体４４とセパレータ４６ａとの間には、カソード側電極４０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４８が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体４４とセパレータ４６ｂとの間には、アノード側電極４２に燃料ガスを供給する燃料ガス流路５０が形成される。

燃料電池スタック２２の積層方向一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路４８に供給するための酸化剤ガス入口連通孔５２ａと、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス流路４８から排出するための酸化剤ガス出口連通孔５２ｂとが形成される。燃料電池スタック２２の積層方向他端部には、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路５０に供給するための燃料ガス入口連通孔５４ａと、前記燃料ガスを前記燃料ガス流路５０から排出するための燃料ガス出口連通孔５４ｂとが形成される。

酸化剤ガス供給装置２４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ５６を備え、前記エアコンプレッサ５６が空気供給流路５８に配設される。空気供給流路５８には、加湿器６０が配設されるとともに、前記空気供給流路５８は、燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔５２ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置２４は、酸化剤ガス出口連通孔５２ｂに連通する希釈用ガス配管３０を備える。この希釈用ガス配管３０は、加湿器６０に接続されるとともに、エアコンプレッサ５６から空気供給流路５８を通って燃料電池スタック２２に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁６２を配設する。

燃料ガス供給装置２６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク６４を備え、この水素タンク６４は、水素供給流路６６を介して燃料電池スタック２２の燃料ガス入口連通孔５４ａに連通する。この水素供給流路６６には、水素遮断弁６８とエゼクタ７０とが設けられる。燃料ガス出口連通孔５４ｂには、オフガス流路７２が連通するとともに、前記オフガス流路７２にキャッチタンク７４が設けられる。

オフガス流路７２には、水素循環路７６が連通し、前記水素循環路７６は、エゼクタ７０に連通する。オフガス流路７２には、パージ弁７８が配設されるとともに、前記パージ弁７８には、オフガス配管２８が連通する。

エゼクタ７０は、水素タンク６４から供給される水素ガスを、水素供給流路６６を通って燃料電池スタック２２に供給するとともに、燃料電池スタック２２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路７６から吸引して、再度、前記燃料電池スタック２２に燃料ガスとして供給する。

図１に示すように、排気配管３４は、流路断面積が減少する絞り部８０と、排ガスが前記絞り部８０を通過する際に発生する負圧（エゼクタ作用）を介し、前記排気配管３４の外部である床下空間１４から該排気配管３４の内部に空気を吸引するための吸引部８２とを設ける。

絞り部８０は、排気配管３４の外径を絞って小径部を形成することにより形成され、吸引部８２は、前記排気配管３４の外周部を拡径させて床下空間１４に開放されることにより形成される。なお、吸引部８２は、単に外周面を切り欠くことにより、すなわち、拡径部を設けずに形成してもよい。

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、酸化剤ガス供給装置２４を構成するエアコンプレッサ５６の駆動作用下に、空気供給流路５８に空気が供給される。この空気は、加湿器６０に導入され、後述するように、燃料電池スタック２２から排出されるカソードオフガスに含まれる水分によって加湿された後、前記燃料電池スタック２２の酸化剤ガス入口連通孔５２ａから酸化剤ガス流路４８に供給される。

一方、燃料ガス供給装置２６を構成する水素タンク６４から水素供給流路６６に水素ガスが供給され、この水素ガスは、水素遮断弁６８が開放されることにより、エゼクタ７０を通って燃料ガス入口連通孔５４ａから燃料ガス流路５０に供給される。

このため、カソード側電極４０に供給される空気と、アノード側電極４２に供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。各燃料電池３６が発電することにより、燃料電池スタック２２から電力が取り出され、負荷である図示しない走行用モータに電力が供給されることにより、車両１２の走行が可能になる。

発電反応により所定量の酸素が消費された空気は、カソードオフガスとして希釈用ガス配管３０に排出され、加湿器６０で新たに燃料電池スタック２２に供給される空気を加湿した後、希釈器３２に導入される。

一方、発電により所定量の水素ガスが消費されたアノードオフガスは、燃料ガス出口連通孔５４ｂからオフガス流路７２に排出される。このオフガス流路７２では、キャッチタンク７４で液滴が除去された後、水素循環路７６からエゼクタ７０に吸引されて燃料電池スタック２２に燃料ガスとして供給される。そして、オフガス流路７２に排出されたアノードオフガスは、必要に応じてパージ弁７８が開放されることにより、オフガス配管２８を通って希釈器３２に排出される。

希釈器３２には、希釈用ガスとしてカソードオフガスが導入されており、この希釈器３２に導入されたアノードオフガスの希釈が行われる。希釈器３２で希釈されたアノードオフガスは、排ガスとして排気配管３４に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、排気配管３４には、絞り部８０及び吸引部８２を有するエゼクタ構造が採用されている。このため、排気配管３４に排出された排ガスは、流路断面積の減少する絞り部８０を通過する際に、吸引部８２に負圧を発生させ、前記排気配管３４の外部である床下空間１４の空気が、前記吸引部８２から該排気配管３４の内部に吸引される。従って、排気配管３４に沿って流通する排ガスは、外部空気によってさらに希釈され、所望の水素濃度以下に希釈された後、車両１２の外部に放出される。

このため、希釈器３２の小型化が容易に図られるとともに、車両１２の外方に放出される排ガス中の水素濃度を、良好且つ確実に低減させることができる。特に、多量のアノードオフガスが排出される際にも、希釈器３２の下流で前記アノードオフガスをさらに希釈することができ、所望の水素濃度に確実に希釈することが可能になるという効果が得られる。

さらに、床下空間１４には、これに連通するフロント空間１６に配置されているラジエータ１８を介して空気が導入されている。これにより、外部の空気を排気配管３４の内部に円滑且つ良好に導入することができ、希釈用ガスである空気の吸引量を有効に増大させることが可能になる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００が搭載される車両１２の概略側面図である。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１００は、希釈器３２の下流に配設される排気配管１０２を備える。排気配管１０２は、吸引部８２が車両１２の外部に開放され、この吸引部８２が車両１２の走行時のラム圧を受けるように構成される。

従って、第２の実施形態では、車両１２の走行時に発生する走行中のラム圧により、吸引部８２から空気の吸引が一層円滑且つ良好に遂行される。これにより、排ガスの希釈効果が増大するとともに、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する排気配管１１０の断面説明図である。

排気配管１１０は、絞り部８０及び吸引部８２を設けるとともに、前記絞り部８０の先端には、前記排気配管１１０の内部を流動する排ガスが、前記吸引部８２から前記排気配管１１０の外部に逆流することを阻止する逆流防止弁１１２が配設される。

このため、第３の実施形態では、特に内圧が比較的低い排気ラインに配置されことにより、排気配管１１０の内部を流動する排ガスが大気に逆流することを良好に防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の概略側面図である。 前記燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の概略側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する排気配管の断面説明図である。 特許文献１に開示されている排出水素処理装置の概略構成図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池システム １２…車両
１４…床下空間 １６…フロント空間
２２…燃料電池スタック ２４…酸化剤ガス供給装置
２６…燃料ガス供給装置 ２８…オフガス配管
３０…希釈用ガス配管 ３２…希釈器
３４、１０２、１１０…排気配管 ３６…燃料電池
４８…酸化剤ガス流路 ５０…燃料ガス流路
５６…エアコンプレッサ ６０…加湿器
６４…水素タンク ８０…絞り部
８２…吸引部 １１２…逆流防止弁

Claims (3)

1. カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側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、
   前記アノード側電極から排出されるアノードオフガスを流すオフガス配管と、
   前記オフガス配管及び希釈用ガス配管が接続され、前記アノードオフガスを希釈用ガスで希釈する希釈装置と、
   前記希釈装置の下流に配設され、前記希釈装置で希釈された前記アノードオフガスを排ガスとして外部に排出する排気配管と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記排気配管は、流路断面積が減少する絞り部と、
   前記排ガスが前記絞り部を通過する際に発生する負圧を介し、前記排気配管の外部から該排気配管の内部に空気を吸引するための吸引部と、
   を設ける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において、前記燃料電池システムは、車両に搭載されるとともに、
   前記排気配管の前記吸引部は、前記車両の内部又は外部に露呈することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記絞り部には、前記排気配管の内部を流動する前記排ガスが、前記吸引部から前記排気配管の外部に逆流することを阻止する逆流防止弁が配設されることを特徴とする燃料電池システム。

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