JP3589175B2

JP3589175B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP3589175B2
Application number: JP2000332860A
Authority: JP
Inventors: 博通三輪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002141089A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に燃料と空気とを供給して化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極（水素極）と、空気が供給されるカソード電極（空気極）との間に配置した構成となっている。水素極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。
【０００４】
一方、空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００５】
上記したような電解質膜は、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。逆に、含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。
【０００６】
一方、発電により水素極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときに、水も一緒に移動するため、水素極側では乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で電解質膜は乾燥する傾向にある。
【０００７】
このようなことから、固体高分子膜型燃料電池における電解質膜は、外部から水分を供給して加湿する必要がある。電解質膜を加湿する方法としては、空気極で生成される水を回収して利用する方法が、例えば特開平７−２７２７４０号公報や、特開平１１−１８５７８２号公報に記載されている。これは、燃料電池の空気極で生成された水（空気中に含まれる水分）をコンデンサで冷却凝縮し、貯水タンクに回収して貯水するとともに、貯水タンクから直接ポンプによって水を汲み出し、燃料電池に供給されるガス（水素および空気）に対する加湿や燃料電池の冷却に使用している。
【０００８】
このような構成は、ＳＡＥｐａｐｅｒ２０００−０１−１０６１およびＳＡＥｐａｐｅｒ９８Ｃ０５４にも記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加湿器に空気極から回収した水を供給する場合には、水の供給量が少ないと、加湿器における蒸発によって水から熱が奪われることによる水の温度低下が大きくなり、結果として燃料電池に供給されるガスの露点が低下し、燃料電池の出力が低下することになり、このため、加湿器への加湿水の供給量を多くする必要がある。また、燃料電池は熱効率が高いものの、内燃機関のように、排気からの熱損失が少ないため、燃料電池の冷却のためを考慮しても冷却水供給量も多くする必要がある。
【００１０】
ところが、貯水タンクからポンプにより汲み上げる水の量が多いと、貯水タンクの加湿水出口近傍で渦流が発生してキャビテーションを引き起し、このキャビテーションによって貯水タンクの加湿水出口近傍に応力集中するばかりでなく、ポンプの効率低下およびポンプ自体の性能の悪化を引き起こすことになる。
【００１１】
そこで、この発明は、貯水タンク内の水を加湿水として用いるべくポンプにより汲み上げる際のキャビテーションの発生を防止することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料電池の空気極で生成される水を回収して貯水する貯水タンクを設けるとともに、前記燃料電池に供給される燃料と空気との少なくともいずれか一方を加湿する加湿器を設け、前記貯水タンクと前記加湿器とを、加湿水供給ポンプを備えた加湿水供給通路で接続し、前記加湿器に一端が接続される加湿水戻し通路の他端を、前記貯水タンクと加湿水供給ポンプとの間の加湿水供給通路に接続し、前記燃料電池の空気極と貯水タンクとの間に、空気極から排出された蒸気分を凝縮するコンデンサを設け、このコンデンサを、前記燃料電池における空気極の出口より上方に配置する一方、第２の貯水タンクを前記空気極の出口より下方に配置し、この第２の貯水タンクを前記空気極とコンデンサとの間の空気極出口近傍に接続した構成としてある。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、第２の貯水タンクに貯水した水を加湿水として使用する構成としてある。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、第２の貯水タンク内の水を貯水タンクに圧送するポンプを設けた構成としてある。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２の発明の構成において、第２の貯水タンクと、加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間の加湿水供給通路とを接続する通路を設け、この通路を開閉する開閉弁を設けた構成としてある。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれかの発明の構成において、燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水供給通路を加湿水供給通路の加湿器側端部に接続するとともに、冷却後燃料電池から排出される冷却水の冷却水戻し通路を、加湿水戻し通路の加湿器側端部に接続した構成としてある。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、加湿水供給ポンプにより貯水タンクから汲み出されて加湿器で加湿に使用（消費）されなかった余剰の水が、加湿水戻し通路を経て加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間に還流し、この還流した水を貯水タンク内の水とともに加湿水供給ポンプにより加湿器に供給するようにしたため、貯水タンクから汲み出すべき水の量は加湿に使用された分だけとなって少なくて済み、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンクの加湿水出口近傍の応力集中やポンプの効率低下およびポンプ自体の性能悪化を防止することができる。
また、燃料電池の空気極出口近傍に、空気極出口より下方に位置する第２の貯水タンクを設けたので、空気極出口より上方に配置してあるコンデンサに至る途中で凝縮した水や、空気極出口から直接排出される水が、第２の貯水タンクに取り込まれ、空気極への水の逆流が回避されて燃料電池の性能低下を防止することができる。
【００２２】
請求項２の発明によれば、第２の貯水タンクに取り込まれた水も加湿水として有効利用することができる。
【００２３】
請求項３の発明によれば、第２の貯水タンクに取り込まれた水を、ポンプにより貯水タンクに確実に供給することができる。
【００２４】
請求項４の発明によれば、加湿水供給ポンプを作動させた状態で、開閉弁を開放することで、第２の貯水タンク内の水も加湿水供給ポンプにより汲み出すことができるので、貯水タンクから汲み出される水の量をさらに少なくでき、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生をより確実に防止することができる。
【００２５】
請求項５の発明によれば、加湿水供給ポンプにより貯水タンクから汲み出されて加湿器で加湿に使用されなかった余剰の水を、燃料電池の冷却に使用しても、この冷却後の水が冷却水戻し通路および加湿水戻し通路を経て加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間に還流し、この還流した水を貯水タンク内の水とともに加湿水供給ポンプにより加湿器に供給できるので、貯水タンクから汲み出される水の量は加湿に使用された分だけとなって少なくなり、貯水タンクの加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンクの加湿水出口近傍の応力集中やポンプの効率低下およびポンプ自体の性能悪化を防止することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２７】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。燃料としての水素が貯蔵される高圧の水素タンク１と、燃料電池３の水素極３ａの燃料入口３ａｉとは、燃料供給通路５により接続されている。燃料供給通路５には、水素タンク１側から、減圧弁７，圧力制御弁９，循環器１１および加湿器１３が順次設けられている。
【００２８】
減圧弁７は、水素タンク１から供給される水素を所定の圧力まで減圧する。圧力制御弁９は、減圧弁７によって減圧された水素の圧力を、マイクロコンピュータなどからなる図示しないコントロールユニットによって制御されて燃料電池装置の運転条件に対応した所望の圧力に制御する。循環器１１は、燃料電池３における水素極３ａの燃料出口３ａｏに一端が接続された燃料再循環通路１５の他端が接続され、燃料電池３で発電に寄与できずに余剰となった水素を、燃料再循環通路１５を経て燃料供給通路５に戻す。加湿器１３は、燃料電池３に供給される水素および後述する空気に対して所望の湿度（ほぼ相対湿度１００％）に加湿する。
【００２９】
一方、燃料電池３の空気極３ｂの空気入口３ｂｉと、コンプレッサ１７とは空気供給通路１９により接続されている。空気供給通路１９には、コンプレッサ１７側からフィルタ２１および前記した加湿器１３が順次設けられている。フィルタ２１は、冷却された空気中のダストを除去する。
【００３０】
燃料電池３における空気極３ｂの出口となる空気出口３ｂｏに一端が接続された空気排出通路２３の他端には、コンデンサ２５が接続されている。コンデンサ２５には、冷却水入口通路２９と冷却水出口通路３１とがそれぞれ接続され、図示しない冷却系から冷却水がコンデンサ２５に供給される。このコンデンサ２５では、空気極３ｂで反応により生成された水（蒸気分と液分）中の蒸気分と、空気極３ｂで空気消費に伴って余剰となった蒸気分が、冷却水によって冷却／凝縮されることにより液水化され、セパレータ３３に導入される。
【００３１】
なお、コンデンサ２５の上下方向位置は、コンデンサ２５の下方にセパレータ３３、その下方に貯水タンク３９を設置する必要があるため、燃料電池３における空気極３ｂの空気出口３ｂｏより上方となる。
【００３２】
セパレータ３３では、凝縮された水が空気と分離され、空気は、空気放出通路３５に設けられて前記した図示しないコントロールユニットにより制御される圧力調整弁３７により、運転条件に応じた所望の圧力に調整されるとともに、燃料電池３内での水素極３ａと空気極３ｂとの圧力差が所定の範囲になるよう調整される。一方セパレータ３３で空気と分離された水は、貯水タンク３９に回収される。
【００３３】
貯水タンク３９と加湿器１３とは、加湿水供給ポンプ４１を備えた加湿水供給通路４３で接続され、加湿器１３に一端が接続される加湿水戻し通路４５の他端は、貯水タンク３９と加湿水供給ポンプ４１との間の加湿水供給通路４３ａに接続されている。さらに、加湿器１３と燃料電池３とは、冷却水供給通路４７と冷却水戻し通路４９とでそれぞれ接続されている。すなわち、貯水タンク３９内の水は、加湿水供給ポンプ４１により汲み出され、加湿器１３に達することで水素および空気を加湿し、さらに冷却水供給通路４７を経て燃料電池３に達して燃料電池３を冷却した後、冷却水戻し通路４９、加湿器１３および加湿水戻し通路４５を経て加湿水供給通路４３ａに戻される。
【００３４】
上記した構成によれば、加湿水供給ポンプ４１により貯水タンク３９から汲み上げられて加湿器１３に達し、ここで加湿に寄与しなかった余剰の水が、燃料電池３を冷却後、加湿器１３を経て貯水タンク３９の下流側の加湿水供給通路４３ａに戻され、この戻された水および、加湿器１３で消費された量に相当する貯水タンク３９内の水が、加湿水供給ポンプ４１により、加湿器１３に供給される。
【００３５】
このため、加湿水供給ポンプ４１により貯水タンク３９から汲み上げられる水の量は、加湿器１３で消費された分だけとなって少なくなり、この結果貯水タンク３９の加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンク３９の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ４１の効率低下および加湿水供給ポンプ４１自体の性能悪化を防止することができる。
【００３６】
また、セパレータ３３で水と分離された空気の圧力を、圧力調整弁３７により調整することで、貯水タンク３９に対して所定の空気圧を付与できるので、加湿水供給ポンプ４１の揚程を小さくできるとともに、燃料電池３内での水素極３ａと空気極３ｂとの圧力差を所定範囲に抑えられ、燃料電池３の性能向上に寄与することができる。
【００３７】
図２は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、燃料電池３に対する冷却系を、加湿器１３への加湿水供給系とは別となる冷却水導入通路５１および冷却水排出通路５３を燃料電池３にそれぞれ接続して構成した例である。その他の構成は、前記図１のものと同様である。したがって、この場合には、加湿水供給ポンプ４１で汲み上げられた水は、加湿水供給通路４３を経て加湿器１３に達した後、加湿水戻し通路４５を経て貯水タンク３９と加湿水供給ポンプ４１との間の加湿水供給通路４３ａに戻される。
【００３８】
上記図２の例においても、加湿器１３から流出する水は、貯水タンク３９と加湿水供給ポンプ４１との間の加湿水供給通路４３ａに戻されるので、加湿水供給ポンプ４１により貯水タンク３９から汲み上げられる水の量は、加湿器１３で消費された分だけとなって少なくなり、貯水タンク３９の加湿水出口近傍での渦流発生が回避されてキャビテーション発生が防止され、貯水タンク３９の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ４１の効率低下および加湿水供給ポンプ４１自体の性能悪化を防止することができる。
【００３９】
図３は、この発明の第３の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、図２の例に対し、燃料電池３における空気極３ｂの空気出口３ｂｏに接続された空気排出通路２３の空気出口３ｂｏ近傍に、第２の貯水タンク５５を、回収通路５７を介して接続している。第２の貯水タンク５５は、燃料電池３における空気極３ｂの空気出口３ｂｏより下方に位置しており、内部には、回収した水の液面を検出する液面センサ５９が設けられている。
【００４０】
第２の貯水タンク５５と貯水タンク３９とは、放出通路６１により接続されている。放出通路６１には、第２の貯水タンク５５内の水を貯水タンク３９に圧送供給するポンプ６３が設けられている。その他の構成は、図２のものと同様である。
【００４１】
図４は、図３の例における燃料電池の空気極３ｂの空気出口３ｂｏ、コンデンサ２５および第２の貯水タンク５５のそれぞれの上下位置関係を示した説明図である。すなわち、空気出口３ｂｏより上方にコンデンサ２５が配置され、空気出口３ｂｏより下方に第２の貯水タンク５５が配置されている。
【００４２】
上記した図３の例では、図４に示すように、空気極３ｂの空気出口３ｂｏから流出し、空気極３ｂより上方に配置してあるコンデンサ２５に向かう蒸気Ｓが空気排出通路２３の途中で凝縮した水Ｌ１や、空気出口３ｂｏから排出される水Ｌ２が、空気出口３ｂｏより下方に配置してある第２の貯水タンク５５に回収される。このため、空気排出通路２３を空気出口３ｂｏに向けて水が逆流する現象を回避でき、燃料極３ａおよび空気極３ｂへの水の蓄積を防止でき、燃料電池としての性能悪化を防止することができる。
【００４３】
第２の貯水タンク５５に回収された水は、液面センサ５９で液面が所定範囲に維持されるように、ポンプ６３を駆動して貯水タンク３９に圧送し、加湿水として利用される。
【００４４】
図５は、この発明の第４の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図であり、図３におけるポンプ６３に代えて開閉弁６５を設けるとともに、放出通路６１を、貯水タンク３９と加湿水供給ポンプ４１との間の加湿水供給通路４３ａに接続している。その他の構成は図３のものと同様である。
【００４５】
加湿水供給ポンプ４１が作動すると、その上流側が負圧となるので、この状態で開閉弁６５が開弁すると、その負圧による吸引力によって第２の貯水タンク５５内の水が貯水タンク３９の下流側に供給される。第２の貯水タンク５５内の水量は、液面センサ５９によって検出されて所定範囲となるように、開閉弁５５が前記した図示しないコントロールユニットによりオン・オフ制御される。
【００４６】
この場合には、図３のものに対し、ポンプ６３の代わりに開閉弁６５を使用することでその分コスト低下が達成されるとともに、加湿水供給ポンプ４１により貯水タンク３９から汲み上げられる水の量が、加湿器１３で消費された分から第２貯水タンク５５より供給される分を差し引いた分だけとなってさらに少なくなり、貯水タンク３９の加湿水出口近傍での渦流発生がより確実に回避することができ、貯水タンク３９の加湿水出口近傍への応力集中や、加湿水供給ポンプ４１の効率低下および加湿水供給ポンプ４１自体の性能悪化を確実に防止することができる。
【００４７】
なお、図３および図５の例においては、燃料電池３に対する冷却系を加湿水の供給系とは別に設けてあるが、図１の例のように、加湿水供給系に燃料電池３に対する冷却系の配管を接続した構成としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図２】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構図である。
【図３】この発明の第３の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図４】図３の実施形態における燃料電池の空気極の空気出口、コンデンサおよび第２の貯水タンクのそれぞれの上下位置関係を示した説明図である。
【図５】この発明の第４の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【符号の説明】
３燃料電池
３ｂ空気極
３ｂｏ空気出口
１３加湿器
２５コンデンサ
３３セパレータ
３７圧力調整弁
３９貯水タンク
４１加湿水供給ポンプ
４３，４３ａ加湿水供給通路
４５加湿水戻し通路
４７冷却水供給通路
４９冷却水戻し通路
５５第２の貯水タンク
６１放出通路
６３ポンプ
６５開閉弁

Claims

燃料電池の空気極で生成される水を回収して貯水する貯水タンクを設けるとともに、前記燃料電池に供給される燃料と空気との少なくともいずれか一方を加湿する加湿器を設け、前記貯水タンクと前記加湿器とを、加湿水供給ポンプを備えた加湿水供給通路で接続し、前記加湿器に一端が接続される加湿水戻し通路の他端を、前記貯水タンクと加湿水供給ポンプとの間の加湿水供給通路に接続し、前記燃料電池の空気極と貯水タンクとの間に、空気極から排出された蒸気分を凝縮するコンデンサを設け、このコンデンサを、前記燃料電池における空気極の出口より上方に配置する一方、第２の貯水タンクを前記空気極の出口より下方に配置し、この第２の貯水タンクを前記空気極とコンデンサとの間の空気極出口近傍に接続したことを特徴とする燃料電池装置。
第２の貯水タンクに貯水した水を加湿水として使用することを特徴とする請求項１載の燃料電池装置。
第２の貯水タンク内の水を貯水タンクに圧送するポンプを設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
第２の貯水タンクと、加湿水供給ポンプと貯水タンクとの間の加湿水供給通路とを接続する通路を設け、この通路を開閉する開閉弁を設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
燃料電池を冷却するための冷却水が通る冷却水供給通路を加湿水供給通路の加湿器側端部に接続するとともに、冷却後燃料電池から排出される冷却水の冷却水戻し通路を、加湿水戻し通路の加湿器側端部に接続したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。