JP4742522B2

JP4742522B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4742522B2
Application number: JP2004169818A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2024-06-08
Also published as: JP2005353305A

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、アノードガスとカソード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適用して好適である。

燃料電池は、アノード側に供給した水素と、カソード側に供給した酸素を反応させて電力を発生する。このような燃料電池において、特開２００３−６８３３４号公報には、水素圧力を調圧する調圧弁を設け、燃料電池供給前の水素圧力と燃料電池供給前の酸素圧力の差圧を調整する技術が開示されている。

特開２００３−６８３３４号公報特開２００２−３７３６８２号公報特開２００２−３１３３９５号公報特開２００３−２０３６６５号公報特開平７−２７１４５０号公報

特開２００３−６８３３４号公報に開示された技術では、水素圧力を調圧する調圧弁には、信号圧力を得るために燃料電池供給前の酸素ガスが導入される。しかしながら、調圧弁に供給される酸素ガス中には水分が含まれるため、調圧弁に酸素ガスを導入すると、酸素ガス中の水分が凍結して調圧弁の動作に不具合が生じたり、水分によって調圧弁、配管等が腐食する虞がある。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池供給前の水素圧力と酸素圧力の差圧を調整する調圧弁を備えたシステムにおいて、ガス中に含まれる水分によって調圧弁を含む経路に腐食、凍結等が生じることを抑止することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記カソードガスが導入される基準ガス室を有し前記カソードガスの圧力に基づいて前記アノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
前記調圧弁の前記基準ガス室を少なくとも含む所定の経路に備えられた排出弁を有し、当該排出弁を介して前記所定の経路から水分を排出する水分排出手段と、
前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを再び前記カソードへ供給する循環系を形成するように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを連通させた連通状態と、前記循環系を形成しないように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを遮断した遮断状態と、を切り換え可能な弁と、
を備え、
前記水分排出手段によって前記所定の経路から水分を排出する際には、前記弁を前記遮断状態とすることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記水分排出手段は、前記燃料電池の運転停止時に前記所定の経路から水分を排出することを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記水分排出手段は、前記カソードガスを前記調圧弁に送るガス供給手段を更に含み、前記排出弁から前記カソードガスとともに水分を排出することを特徴とする。

第１の発明によれば、水分排出手段によって調圧弁を含む経路から水分を排出することができる。従って、調圧弁を含む経路内で水分が凍結してしまうことを抑止することができ、また水分によって調圧弁を含む経路内に腐食が発生してしまうことを抑止できる。これにより、調圧弁を確実に作動させることが可能となり、燃料電池システムの信頼性を高めることが可能となる。さらに、第１の発明によれば水分を排出する際に循環の機能を停止させることで、カソードオフガスに含まれる水分が循環されて調圧弁に送られてしまうことを抑止できる。従って、水分を排出している際に、調圧弁を含む経路に水分が送られてしまうことを抑止できる。

第２の発明によれば、燃料電池の運転停止時に水分を排出するため、運転停止後のシステムの温度低下によって水分が凍結してしまうことを抑止できる。また、燃料電池の運転停止時に水分を排出するため、燃料電池作動中の調圧弁による圧力調整に影響が生じることを抑止できる。

第３の発明によれば、ガス供給手段によって調圧弁にガスを送りながら排出弁を開くことで、調圧弁からガスとともに水分を排出することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池１２は固体高分子電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、フッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。また、アノードおよびカソードに供給したガスにイオン反応を生じさせる電極触媒は、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボンペーストを電解質膜の表面に塗布することで形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。また、カソードガス流路１６には空気ポンプ２０が設けられており、空気ポンプ２０の駆動によりカソードへ酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガスが送られる。

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。

アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２１から排出される。アノードオフガス流路２１には、アノードオフガスの排出量を調整する水素排出弁２２が設けられている。また、水素排出弁２２の下流には、アノードオフガス中の水素を希釈するための処理装置２４が設けられている。

カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路２５に送られる。カソードオフガス流路２５には空気調圧弁２６が設けられている。空気調圧弁２６の下流には、カソードオフガス流路２５から分岐し、カソードガス流路１６と接続された流路２７が設けられている。カソードオフガスの一部は空気調圧弁２６から流路２７に送られ、カソードガス流路１６に戻される。流路２７には、カソードガス流路１６に戻されるカソードオフガス量を調整する空気循環弁２８が設けられている。このように、本実施形態のシステムは、カソードオフガスを循環させて燃料電池１２のカソードへ送る循環系を備えている。

アノードガス流路１４には調圧弁３０が設けられている。調圧弁３０には、カソードガス流路１６から分岐した流路３２が導入されており、カソードガスの一部が流路３２から調圧弁３０に送られる。

調圧弁３０は、流路３２から送られたカソードガスの圧力に基づいて、アノードガスの圧力を調整する機能を有している。図２は、調圧弁３０の構造の一例を示す断面図である。図２に示すように、調圧弁３０の本体３４の内部空間はダイヤフラム３６によって上下に仕切られている。ダイヤフラム３６よりも上側の空間は基準ガス室３８を構成し、ダイヤフラム３６よりも下側の空間はガス通路４０を構成している。基準ガス室３８には、流路３２からカソードガスが導入される。また、ガス通路４０にはアノードガス流路１４からアノードガスが送られる。

水素ガス通路４０は、その中間部に弁座４２を備えており、弁座４２よりも上流側のガス通路４０ａには、水素ガス入口４４からアノードガスが供給される。また、弁座４２よりも下流側のガス通路４０ｂは、ガス出口４６を介してアノードガス流路１４に接続されている。ダイヤフラム３６は、ステム４８によって連結され連動するように構成されており、ステム４８はガス通路４０ａ内に突出して、その先端に弁体５０を備えている。弁体５０はガス通路４０ａ側から弁座４２に着座離間可能とされており、弁体５０が弁座４２に着座するとガス通路４０ａとガス通路４０ｂが遮断されて、調圧弁３０は全閉状態となる。また、弁体５０が弁座４２から離間すると、ガス通路４０ａとガス通路４０ｂが連通して、調圧弁３０は開弁状態となる。なお、図２では、調圧弁３０が全閉となった状態を示している。

また、基準ガス室３８には、ダイヤフラム３６をガス通路４０に接近する方向に押し付けるバイアス設定用のスプリング５２が設置されており、スプリング５２は、ダイヤフラム３６およびステム４８を介して、弁体５０を弁座４２から離間する方向に付勢する。

このように構成された調圧弁３０によれば、ガス通路４０ｂ内の水素ガスの圧力がダイヤフラム３６の下面に作用するため、これに基づいてダイヤフラム３６の下面に上向きの力が作用し、一方、基準ガス室３８内の空気の圧力とスプリング５２の押し付け力がダイヤフラム３６の上面に作用するため、これに基づいてダイヤフラム３６の上面に下向きの力が作用する。そして、ダイヤフラム３６は上面に作用する力と下面に作用する力の差に支配されて動くこととなる。すなわち、ダイヤフラム３６の下面に作用する力が上面に作用する力よりも大きいときにはダイヤフラム３６に上向きの力が作用し、弁体５０を弁座４２に接近させる方向（すなわち閉弁方向）に作動させ、ダイヤフラム３６の下面に作用する力が上面に作用する力よりも小さくなったときにはダイヤフラム３６に下向きの力が作用し、弁体５０を弁座４２から離間させる方向（すなわち、開弁方向）に作動させる。

このように、調圧弁３０によれば、基準ガス室３８内に供給されたカソードガスの圧力に基づいて燃料電池１２へのアノードガスの供給状態を制御することができる。従って、スプリング５２の押し付け力を適宜調整することで、燃料電池１２に供給されるカソードガスの圧力とアノードガスの圧力の差圧を所望の値に調整することが可能となる。

これにより、燃料電池１２に供給されるカソードガスの圧力とアノードガスの圧力との圧力差を許容範囲内に設定することが可能となる。また、カソードガスの圧力とアノードガスの圧力が略一定となることが望まれるシステムにおいては、燃料電池１２に供給されるカソードガスの圧力とアノードガスの圧力を略同一の値に設定することが可能となり、電解質膜の両側に供給されるカソードガス、アノードガスの圧力を同等にすることができる。従って、カソードガスとアノードガスの圧力差に起因して電解質膜に不具合が生じることを抑止でき、燃料電池１２の信頼性を高めることが可能となる。

ところで、上述したように燃料電池１２のカソードでは水分が生成されるため、カソードから排出されたカソードオフガスには水分が含まれている。従って、空気循環弁２８によって水分を含むカソードオフガスをカソードガス流路１６に戻すことで、燃料電池１２に送るカソードガスを予め加湿することができ、燃料電池１２における反応効率を高めることができる。

一方、カソードガスは流路３２から調圧弁３０に送られるため、カソードオフガスに含まれていた水分は流路３２から調圧弁３０にも送られる。この場合、調圧弁３０の信号室３８内に水分が溜まり、氷点下時に水分が凍結して調圧弁３０の機能に支障が生じる場合がある。また、水分によって調圧弁３０を構成する部品、流路３２の配管等が腐食することも想定される。

このため、本実施形態のシステムでは、図２に示すように、基準ガス室３８から水分を排出するための排出弁５４を設けている。そして、空気ポンプ２０を作動させた状態で排出弁５４を開くことで、流路３２内、および基準ガス室３８から空気、水分を強制的に排出することができる。これにより、流路３２、基準ガス室３８に水分が溜まってしまうことを抑止でき、腐食、凍結等の発生を抑止できる。

排出弁５４を開くタイミングは、例えば燃料電池システム１０の停止時とすることが好適であり、システムの停止時に、空気ポンプ２０を作動させた状態で排出弁５４を開くようにする。これにより、システムの停止時に流路３２、調圧弁３０内に残留している水分を排出することができ、システム停止後に水分が凍結してしまうことを抑止できる。また、通常の運転時には排出弁５４を閉じておくことで、調圧弁３０の機能を発揮させることができる。

また、システムの起動時に排出弁５４を開くようにしても良い。この場合、システムの起動時に、空気ポンプ２０を作動させた状態で排出弁５４を開くようにする。これにより、通常運転を始める前に流路３２、基準ガス室３８から水分を排出することができる。

排出弁５４を開いて水分を排出する際には、空気循環弁２８を閉じておくことが好適である。これにより、カソードオフガス中の水分がカソードガス流路１６から流路３２、調圧弁３０に供給されてしまうことを抑止でき、乾燥した空気のみを調圧弁３０に送ることができる。従って、流路３２、基準ガス室３８から確実に水分を排出することができる。

このように、本実施形態のシステムでは、排出弁５４を開くことで流路３２、調圧弁３０の掃気を行い、水分を排出することができるため、水分を含む湿潤ガスであっても積極的に調圧弁３０に送ることが可能となる。従って、燃料電池１２に供給される直前の、水分を含んだ状態のカソードガスを基準ガスとして調圧弁３０に送ることができる。これにより、調圧弁３０に送られたカソードガスと、燃料電池１２に供給されたカソードガスとの間に生じる圧力損失、時間遅れを最小限に抑えることができ、燃料電池１２に供給されたカソードガスとほぼ同一の圧力を有するガスに基づいてアノードガスの圧力を調整することができる。従って、燃料電池１２内におけるカソードガスとアノードガスの差圧をより高い精度で制御することができる。

図３は、カソードガスを加湿するための加湿器５６を備えたシステムに本発明を適用した例を示す模式図である。図３のシステムでは、カソードガス流路１６の空気ポンプ２０の下流に加湿器５６が設けられている。加湿器５６にはカソードオフガスの流路２５が導入されており、カソードオフガス中の水分は、加湿器５６によってカソードガス流路１６に送られ、カソードガスが加湿される。また、図３のシステムでは、カソードガス流路１６から分岐して、加湿器５６をバイパスするバイパス流路１７と、バイパス流路１７へのガス流を制御する三方弁１９が設けられている。その他の構成は図１のシステムと同様である。

図３のシステムでは、通常の運転時には、カソードガスが空気ポンプ２０から加湿器５６に送られるように三方弁１９の状態が設定される。一方、排出弁５４を開いて調圧弁３０、流路３２から水分を排出する場合は、カソードガスがバイパス流路１７に流れるように三方弁１９の状態が設定される。これにより、水分を排出する際に、加湿器５６から水分を含むガスが流路３２、調圧弁３０に送られてしまうことを抑止でき、流路３２、調圧弁３０から確実に水分を排出することができる。

このように、カソードガス循環系の代わりに加湿器５６を備えたシステムにおいて、調圧弁３０を含む経路から水分を排出する排出弁５４を設けても良い。これにより、水分による腐食、凍結の発生を抑止することができる。

なお、図４に示すように、カソードオフガス流路２５にバイパス流路６４、三方弁６６を設けても良い。この場合、排出弁５４を開いて調圧弁３０、流路３２から水分を排出する場合は、カソードオフガスがバイパス流路６４側に流れ、加湿器５６に流れないように三方弁６６の状態を設定する。これにより、加湿器５６からカソードガス流路１６への水分の供給を停止させることができ、図３の場合と同様に、水分を含むガスが加湿器５６から流路３２、調圧弁３０に送られてしまうことを抑止できる。

なお、図３及び図４にシステムにおいて、バイパス流路１７，６４を設けることなく、流路３２から調圧弁３０へカソードガスを送った場合であっても、排出弁５４を開くことで調圧弁３０を含む経路から水分を排出することは可能である。従って、図３及び図４において、バイパス流路１７，６４、三方弁１９，６６を設けることなくシステムを構成しても良い。

図５は、アノードガスを調圧弁３０の基準ガス室３８に導入し、アノードガスの圧力に基づいてカソードガスの供給を制御するシステムを示している。このシステムでは、アノードオフガス流路２１とアノードガス流路１４を流路５８で接続し、流路５８に設けたポンプ６０によってアノードオフガスをアノードガス流路１４へ戻し、燃料電池１２のアノードへ供給する循環系を構成している。

このように、本実施形態のシステムは、アノードオフガスを循環させてアノードガス利用効率を高めるアノード循環系燃料電池システムや、燃料電池に供給した燃料ガスを燃料電池内部に留めることにより燃料ガスの利用効率を高めるアノードデッドエンド式の燃料電池システム等に適用可能である。

そして、図５のシステムでは、アノードガス流路１４から分岐する流路６２を設け、流路６２を調圧弁３０の基準ガス室３８へ導入している。一方、カソードガス流路１６は調圧弁３０のガス流路４０に導入されている。従って、基準ガス室３８に送られたアノードガスの圧力に基づいて、燃料電池１２に供給されるカソードガスの圧力を所望の値に調整することができる。

燃料電池１２に供給されるアノードガス中にも水分が含まれる場合があり、アノードガスを調圧弁３０の基準ガス室３８に供給した場合、カソードガスを基準ガス室３８に供給した場合と同様に腐食、凍結等が生じる場合がある。図５のシステムにおいても、調圧弁３０から水分を排出する排出弁５４を設けることで、アノードガス中に含まれる水分によって流路６２内、調圧弁３０内に腐食、凍結等が生じてしまうことを抑止できる。

図５の例では、排出弁５４の下流に処理装置６４を設けている。処理装置６４は、排出弁５４から排出されたアノードガス中の水素がそのまま大気中に排出されてしまうことを回避するため、所定の処理を行う装置である。排出弁５４から排出された水素ガスは、処理装置６４によって希釈等の処理が成された後、大気に排出される。

図６は、図５のシステムにおいて、処理装置２４と処理装置６４を共通に構成した例を示している。図５のシステムによれば、アノードガス中の水素を処理する装置が１つで済むため、燃料電池システム１０を簡素に構成することができる。なお、図５及び図６の例では、アノードガスを循環させる循環系を備えたシステムを例示しているが、図１と同様にアノードガスを循環させずに排気しても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、調圧弁３０から水分を排出するための排出弁５４を設けたため、調圧弁３０、流路３２を含む経路に溜まった水分を確実に排出することが可能となる。従って、流路３２内、調圧弁３０内で水分が凍結してしまうことを抑止することができ、また水分によって腐食が発生してしまうことを抑止できる。これにより、調圧弁３０を確実に作動させることができ、燃料電池システム１０の信頼性を高めることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。調圧弁の構造の一例を示す断面図である。カソードガスを加湿するための加湿器を備えたシステムに本発明を適用した例を示す模式図である。カソードオフガス流路にバイパス流路、三方弁を設けた例を示す模式図である。アノードガスを調圧弁の基準ガス室に導入し、アノードガスの圧力に基づいてカソードガスの供給を制御するシステムを示す模式図である。図５のシステムにおいて、水素の処理装置を共通に構成した例を示す模式図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
２０空気ポンプ
２４，６４処理装置
２７流路
２８空気循環弁
３０調圧弁
３２，６２流路
３８基準ガス室
５４排出弁

Claims

アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記カソードガスが導入される基準ガス室を有し前記カソードガスの圧力に基づいて前記アノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
前記調圧弁の前記基準ガス室を少なくとも含む所定の経路に備えられた排出弁を有し、当該排出弁を介して前記所定の経路から水分を排出する水分排出手段と、
前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを再び前記カソードへ供給する循環系を形成するように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを連通させた連通状態と、前記循環系を形成しないように前記燃料電池の前記カソードの入口側と前記カソードの出口側とを遮断した遮断状態と、を切り換え可能な弁と、
を備え、
前記水分排出手段によって前記所定の経路から水分を排出する際には、前記弁を前記遮断状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
前記水分排出手段は、前記燃料電池の運転停止時に前記所定の経路から水分を排出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水分排出手段は、前記カソードガスを前記調圧弁に送るガス供給手段を更に含み、
前記排出弁から前記カソードガスとともに水分を排出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。