JP5153129B2

JP5153129B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5153129B2
Application number: JP2006334500A
Authority: JP
Inventors: 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: JP2008147076A

Description

この発明は、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムに関する。

従来、車両に搭載される燃料電池システムは、カソード側（酸素極側）に圧縮空気（酸素）を供給し、アノード側（水素極側）に水素を供給して、例えば高分子電解質膜型の燃料電池のように水素と酸素のガスの電気化学反応を利用して発電するものが知られている。

ところで、上記した燃料電池システムでは、その反応過程において、カソード側（酸素極側）に発生した生成水が高分子電解質膜を通してアノード側（水素極側）に逆拡散して混入する。そして、燃料電池のアノード側は、混入した生成水を放置しておくと、生成水が蓄積して水素濃度が次第に低下し、その結果、燃料電池の発電効率が低下し、さらには燃料電池の損傷を招来する。

そのため、この種の燃料電池においては、アノード側の前記生成水をどのようにして排出するのかが重要な課題の１つになっている。そこで、この課題を解決するため、本願出願人は、特願２００６−０７４８２５号の出願において、以下に図３を参照して説明する技術を提案している。

図３は従来の燃料電池システムのブロック図である。図３において、４は燃料タンク、５はその主止弁、６、７、８は燃料タンク４から燃料電池（ＦＣ）１に至るアノード側上流の燃料ガス供給配管部９に設けられたレギュレータ、燃料である水素の供給弁、圧力センサである。

また、１５は燃料電池１から常閉の排出弁１６に至るアノード側下流の燃料ガス排出配管部、１７０は燃料ガス排出配管部１５に設けられた適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体のタンクである。なお、弁５、７、１６及びレギュレータ６は白抜きが開いた状態を示し、黒塗りが閉じた状態を示す。

また、２２はコンプレッサ、２０はコンプレッサ２２によって圧縮された圧縮空気を燃料電池１のカソード側に供給するカソード側上流に設けられた空気供給配管部、２１は燃料電池１から空気を排出するカソード側下流に設けられた空気排出配管部である。

そして、燃料タンク４の主止弁５を通った高圧の水素ガスは、レギュレータ６で減圧調整された後、供給弁７、圧力センサ８を通って燃料電池１のアノード側上流から下流に向かって通流し、その間に、水素と燃料電池１のカソード側に供給された酸素（圧縮空気）との高分子電解質膜を介した電気化学反応が生じて発電が行なわれる。

このとき、この燃料電池システムでは、燃料電池１のアノード側の上流に供給弁７を設け、アノード側の下流にタンク１７０、排出弁１６を設け、アノード側の生成水の排出時、供給弁７と排出弁１６を閉じた状態にして燃料電池１の発電を行なった後、供給弁７を開放して生成水を排出している。

また、生成水の排出タイミングを燃料電池１のアノード側の濡れ状態、換言すれば、燃料電池１のアノード側の生成水の滞留状態から決定し、燃料電池１のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに供給弁７と排出弁１６を閉じた状態にして前記の燃料電池１の発電を行なうようにしている。

このような構成とすれば、まず、通常の発電状態において、供給弁７は開かれ、燃料タンク４からレギュレータ６、供給弁７、圧力センサ８を介して燃料電池１のアノード側に燃料の水素ガスが供給される。そして、発電に伴って生じた生成水が燃料電池１のアノード側に滞留し、アノード側の濡れ状態が進行して発電能力が次第に低下していく。

そこで、燃料電池１のアノード側の濡れ状態を、燃料電池１の電流の積算値、電圧、或いは発電時間等の状態値から推定或いは検出し、前記状態値が実験等で設定された所定値に達して生成水の排出が必要なタイミングになると、供給弁７を閉止し、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態で燃料電池１の発電を継続する。

このとき、燃料電池１は燃料である水素ガスの供給を止めた状態で発電し、この発電によって燃料電池１内及び該燃料電池１に連通したタンク１７０が減圧状態になる。

そして、燃料電池１内が所定圧力に低下するか、燃料電池１の減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達するかすると、供給弁７を開き、減圧状態の燃料電池１内に水素ガスを噴入することで、燃料電池１から燃料ガス排出配管部１５を介してタンク１７０に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水をタンク１７０に押し出して電池外部に確実に排出することができる。

ところで、燃料電池１のカソード側に供給される圧縮空気はコンプレッサ２２により高圧に圧縮されることで非常に高温となる。そのため、高温の圧縮空気が燃料電池１に供給されることで燃料電池が損傷するのを防止するため、当該圧縮空気を冷却する必要があった。このように圧縮空気を冷却する方法についてはその他にも様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−９９９９６号公報（［００３１］−［００３６］、図３、要約書）

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料タンクに貯蔵した圧縮水素および、コンプレッサで圧縮した圧縮空気の供給を受けて発電する燃料電池を備え、燃料電池から排出される排出水素を循環させて再度燃料電池に供給する水素循環ポンプを備えている。そして、コンプレッサと水素循環ポンプとは、空気を取り入れて空気を圧縮する第１空間と、減圧されて低温下した水素が流入する第２空間とが形成されたハウジング内に配設されている。すなわち、コンプレッサ用のモータと水素循環用のモータとからなるモータ部をハウジング内に配置し、第１空間で圧縮される高温の圧縮空気と第２空間に流入する低温の水素との間で熱交換を行って圧縮空気を冷却している。

しかしながら、上記した方法では、駆動部品であるモータ部をハウジング内に配置するため、装置の構成が複雑になる。また、空気が圧縮されて高温となる第１空間と、低温の水素が供給される第２空間との間の温度差により、ハウジングを構成する材料間に熱膨張の異なる部分が発生してモータ部が誤動作を招くおそれがある。また、第１空間と第２空間に対応する部分のハウジングを別材料として、熱膨張を吸収できるように構成することも提案されているが、この場合、構成がさらに複雑となり製造コストの増大を招いてしまう。

本発明は、簡易な構成で圧縮空気を冷却して燃料電池が損傷するのを防止でき、さらに、構成部材間の熱膨張の差を原因とした誤動作を招くおそれのない燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード側に水素を供給し、前記燃料電池のカソード側に圧縮空気を供給することで発電する燃料電池システムにおいて、前記アノード側の上流に設けられた前記水素の供給弁と、前記アノード側の下流に設けられた前記燃料電池のアノード側の生成水を排出する排出弁と、前記圧縮空気を供給する空気供給配管部と、前記燃料電池のアノード側の生成水を溜める水溜り部と、前記空気供給配管部の少なくとも一部と前記水溜り部との間で熱交換を行なう熱交換部とを備え、前記供給弁と前記排出弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行ない、前記燃料電池内及び前記水溜り部を減圧状態にした後、前記供給弁を開放して前記燃料電池内に前記水素を噴入して前記生成水を前記水溜り部に押し出すことを特徴としている（請求項１）。

また、前記熱交換部は、前記空気供給配管部により供給される前記圧縮空気を加湿する加湿手段を含み、前記水溜り部を構成するタンクと前記加湿手段とが熱交換可能に接触して配設されていることを特徴としている（請求項２）。

請求項１の発明によれば、圧縮空気を燃料電池のカソード側に供給する空気供給配管部の少なくとも一部と、燃料電池のアノード側の生成水を溜める水溜り部との間で熱交換部により熱交換を行なうことで、燃料電池に供給される高温の圧縮空気の冷却を行なっている。さらに、供給弁と排出弁を閉じた状態での燃料電池の発電により、燃料電池内及び水溜り部を減圧状態にし、その後供給弁を開放することにより燃料電池内に噴入する水素が低温であるため、燃料電池内及び水溜り部が冷却されて空気供給配管部を通過する圧縮空気に対する熱交換機能がより向上する。したがって、非駆動部品間で熱交換を行なうことにより、従来の複雑な構成に比べ、非常に簡易な構成で圧縮空気を冷却して燃料電池が損傷するのを防止でき、さらに、従来のような、構成材料、構成部材間の熱膨張の差を原因とした誤動作を招くおそれのない燃料電池システムを提供することができる。

請求項２の発明によれば、空気供給配管部により供給される圧縮空気を加湿手段により加湿することで、圧縮空気を冷却できるとともに、当該加湿手段とタンクとが熱交換可能に接触して配設されているため、圧縮空気とタンクとの間で熱交換を行なうことができ、より効率よく簡易に圧縮空気を冷却することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、実施形態について、図１および図２にしたがって詳述する。

図１は燃料電池システムのブロック図、図２は図１の燃料電池システムの生成水排出処理の説明図であり、それらの図面において、図３と同一符号は同一若しくは相当するものを示し、４は燃料タンク、５はその主止弁、６、７、８は燃料タンク４から燃料電池（ＦＣ）１に至るアノード側上流の燃料ガス供給配管部９に設けられたレギュレータ、燃料である水素の供給弁、圧力センサである。また、１５は燃料電池１から常閉の排出弁１６に至るアノード側下流の燃料ガス排出配管部、１７は燃料ガス排出配管部１５に設けられた適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体のタンクである。そして、燃料電池１のアノード側から排出された生成水は、燃料ガス排出配管部１５を介してタンク１７に流入することで当該タンク１７に溜まるように構成されている。また、タンク１７は、適当な大きさの矩形箱体或いは円筒体であって、本発明の「水溜り部」を形成する。

また、図１に示すように、コンプレッサ２２により圧縮された圧縮空気を燃料電池１のカソード側に供給する空気供給配管部２０と、化学反応後に残存した空気を燃料電池１から排出する空気排出配管部２１とが配管されている。そして、燃料電池１から空気排出配管部２１を介して排出される残存空気に含まれる水分を、水分子のみ透過可能な中空糸を介して空気供給配管部２０を通過する圧縮空気に供給することで、当該圧縮空気を加湿する加湿器（本発明の「加湿手段」に相当）２３が配設されている。

上記したように、空気供給配管部２０を介して燃料電池１のカソード側に供給する圧縮空気を加湿器２３により加湿することで、当該圧縮空気を冷却することができる。また、加湿された圧縮空気が燃料電池１に供給されることで、燃料電池１を構成する高分子電解質膜に水分を供給して当該燃料電池１内で生じる燃料の水素と酸素との化学反応を促進することができる。

また、図１に示すように、加湿器２３とタンク１７とは熱交換可能に接触して配設されている。したがって、加湿器２３を介して空気供給配管部２０を通過する圧縮空気とタンク１７との間で熱交換が行なわれ、高温の圧縮空気が冷却される。このように、加湿器２３が本発明の「熱交換部」として機能するとともに、タンク１７が高温の圧縮空気および加湿器２３の放熱板として機能している。

なお、図１、図２においても、弁５、７、１６及びレギュレータ６は白抜きが開いた状態を示し、黒塗りが閉じた状態を示す。

また、この実施形態の燃料電池システムでは図３の燃料電池システムと同様に、アノード側の生成水の排出時、タンク１７内に設けられた供給弁７と排出弁１６とを閉じた状態にして燃料電池１の発電を行なった後、供給弁７を開放して生成水を排出する。そして、生成水の排出タイミングを燃料電池１のアノード側の濡れ状態、すなわち、燃料電池１のアノード側の生成水の滞留状態から決定し、燃料電池１のアノード側の設定した濡れ状態を検出したときに供給弁７と排出弁１６を閉じた状態にして前記の燃料電池１の発電を行なっている。

つぎに、図１の燃料電池システムの生成水排出処理を、図２を参照して説明する。

まず、図２の工程Ｓ１は通常の発電状態を示し、この通常の発電状態においては、供給弁７は開かれ、燃料タンク４に貯蔵された燃料の高圧の水素ガスは、レギュレータ６により減圧調整され、その後、供給弁７、圧力センサ８を介して燃料電池１のアノード側に供給される。

また、コンプレッサ２２で圧縮され、加湿器２３により加湿されるとともに冷却された圧縮空気が空気供給配管部２０により燃料電池１のカソード側に供給される。また、燃料電池１内における化学反応後、水分を含んだ残存空気が空気排出配管部２１介して排出される。なお、上記したように、この残存空気に含まれる水分を利用して加湿器２３は空気供給配管部２０を通過して燃料電池１のカソード側に供給される圧縮空気を加湿する。

そして、発電に伴って生じた生成水が燃料電池１のアノード側に滞留し、アノード側の濡れ状態が進行して発電能力が次第に低下していく。なお、図２の燃料電池１、タンク１７等の斜線部分が模式的に示した生成水である。

そこで、燃料電池１のアノード側の濡れ状態を、燃料電池１の電流の積算値、電圧、或いは発電時間等の状態値から推定或いは検出し、前記状態値が実験等で設定された所定値に達して生成水の排出が必要なタイミングになると、図２の工程Ｓ２に移行し、供給弁７を閉止し、供給弁７及び排出弁１６が閉じた状態で燃料電池１の発電を継続する。

このとき、燃料電池１は燃料である水素ガスの供給を止めた状態で発電し、この発電によってガスが消費されて、燃料電池１内及び該燃料電池１に連通したタンク（水溜り部）１７が減圧状態になる。

そして、燃料電池１内が所定圧力に低下するか、燃料電池１の減圧開始からの電流量（積算値）が設定値に達するかすると、図２の工程Ｓ３に移行して供給弁７を開き、減圧状態の燃料電池１内に水素ガスを噴入し、燃料電池１から燃料ガス排出配管部１５を介してタンク１７に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水をタンク１７に押し出して電池外部に確実に排出する。

このとき、タンク１７の生成水が燃料電池１に逆流しないようにするため、この実施形態においては、燃料電池１とタンク１７との燃料ガス排出配管部１５をタンク１７の上部に接続し、排出弁１６をタンク１７の下部に設けて、生成水をタンク１７に落とし込んで貯留する。なお、タンク７の燃料電池１側の燃料ガス排出配管部１５との接続位置と排出弁１６の配設位置とに段差を設ける代わりに、例えば、燃料電池１とタンク１７との間の燃料ガス排出配管部１５に逆止弁を設けるようにしてもよい。

また、燃料電池１のアノード側に滞留した生成水を確実に排出するため、タンク１７を燃料電池１のアノード側の空間容積以上の大きさにして前記アノード側全体の燃料等を全てタンク１７に導入するように減圧すればよく、この減圧の調整は燃料電池１の発電電力を調整して制御することができる。なお、圧力変化ΔＰと発電電流ｉとは、Ｒ、Ｔ、Ｖを気体乗数、温度、容積として、ΔＰ＝（Ｒ・Ｔ／Ｖ）×（（ｉ／９６４８５）×（セル数／２））の関係がある。

なお、減圧状態の燃料電池１内に水素ガスを噴入し、燃料電池１から燃料ガス排出配管部１５を介してタンク１７に至る水素ガス流により燃料電池１のアノード側の生成水をタンク１７に押し出す際に、噴入された低温の水素の一部がタンク１７に流入する。したがって、タンク１７が流入した低温の水素によって冷却されるため、空気供給配管部２０を通過する高温の圧縮空気および加湿器２３に対する、タンク１７の放熱板としての機能が向上し、より効率よく圧縮空気および加湿器２３が冷却される。

そして、一定量の生成水がタンク１７に溜まるまでは、工程Ｓ３から工程Ｓ１に戻って通常の発電を行ない、生成水の排出が必要になると工程Ｓ２、Ｓ３に移行し、上記の処理をくり返す。

さらに、タンク１７に一定量の生成水が溜まると、図２の工程Ｓ３からＳ４に移行し、排出弁１６を開けタンク１７の貯留水を排出し、この排水の終了後、排出弁１６を閉止して工程Ｓ１に戻る。なお、排出弁１６は供給弁７等と同様の電磁弁或いはフロート式の弁等で形成される。

以上のように、この実施形態の燃料電池システムの場合、高温の圧縮空気を燃料電池１のカソード側に供給する空気供給配管部２０の少なくとも一部と、燃料電池１のアノード側の生成水を溜めるタンク１７との間で加湿器２３を介して熱交換を行なうことで、燃料電池１に供給される圧縮空気の冷却を行なっている。したがって、非駆動部品間で熱交換を行なうことにより、従来の複雑な構成に比べ、非常に簡易な構成で圧縮空気を冷却して燃料電池が損傷するのを防止でき、さらに、従来のような、構成材料、構成部材間の熱膨張の差を原因とした誤動作を招くおそれがない。

また、空気供給配管部２０により供給される圧縮空気を加湿器２３により加湿することで、圧縮空気を冷却できるとともに、当該加湿器２３とタンク１７とが熱交換可能に接触して配設されているため、圧縮空気とタンク１７との間で加湿手段２３を介して熱交換を行なうことができ、より効率よく簡易に圧縮空気を冷却することができる。なお、図１に示すように、矩形状のタンク１７に同様の形状の加湿器２３を載置することで、タンク１７と加湿器２３との間の接触面積が大きくなり、タンク１７による加湿器２３および圧縮空気の放熱効果が向上する。

また、図２に示すように、生成水の排出工程で、燃料タンク４から燃料電池１に供給された低温の水素がタンク１７に流入するので、タンク１７が流入した水素により冷却されて、タンク１７の放熱板としての機能がより向上し、加湿器２３および圧縮空気がより効率よく冷却される。

また、従来の圧縮空気を冷却する技術に比べ、非常に簡易かつ簡素な構成で圧縮空気を冷却できるため、燃料電池システムを小型化でき、特に、軽自動車など、燃料電池システムの配置スペースに制限のある小型な機器に採用することができる。

なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、タンク１７を空気供給配管部２０に接触して配設したり、空気供給配管部２０をタンク１７を貫通するように配設することで、加湿器２３を介さずに圧縮空気を冷却することができる。

また、燃料の水素は、改質器によりメタノールや天然ガスから水素を生成して燃料電池１に供給するように構成してもよい。また、燃料電池１のセル数等はどのようであってもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、例えば１ｋｗ〜１０ｋｗの家庭用電気製品の電源およびその非常用電源、あるいは車両用バッテリーとして利用することができる。なお、本発明の燃料電池システムを車両用バッテリーとして用いる場合、車両を構成する中空のサイドメンバの内部空間を本発明の「水溜り部」として利用することで、燃料電池システムを車両にコンパクトに搭載することが可能となる。

本発明の一実施形態たる燃料電池システムのブロック図である。図１の燃料電池システムの生成水排出処理の説明図である。従来の燃料電池システムのブロック図である。

符号の説明

１燃料電池
９燃料ガス供給配管部
１６排出弁
１７タンク（水溜り部）
２０空気供給配管部
２３加湿器（加湿手段、熱交換部）

Claims

燃料電池のアノード側に水素を供給し、前記燃料電池のカソード側に圧縮空気を供給することで発電する燃料電池システムにおいて、
前記アノード側の上流に設けられた前記水素の供給弁と、
前記アノード側の下流に設けられた前記燃料電池のアノード側の生成水を排出する排出弁と、
前記圧縮空気を供給する空気供給配管部と、
前記燃料電池のアノード側の生成水を溜める水溜り部と、
前記空気供給配管部の少なくとも一部と前記水溜り部との間で熱交換を行なう熱交換部と
を備え、
前記供給弁と前記排出弁を閉じた状態にして前記燃料電池の発電を行ない、前記燃料電池内及び前記水溜り部を減圧状態にした後、前記供給弁を開放して前記燃料電池内に前記水素を噴入して前記生成水を前記水溜り部に押し出すことを特徴とする燃料電池システム。
前記熱交換部は、前記空気供給配管部により供給される前記圧縮空気を加湿する加湿手段を含み、
前記水溜り部を構成するタンクと前記加湿手段とが熱交換可能に接触して配設されてい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。