JP5505874B2

JP5505874B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5505874B2
Application number: JP2012521470A
Authority: JP
Inventors: 貴仁長田; 圭吾池添; 隼人筑後
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: EP2587577A1; JPWO2011162226A1; CN102986072B; US20130137003A1; CN102986072A; WO2011162226A1; EP2587577A4

Description

本発明は、反応用ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を含む燃料電池システムに関し、とくに、反応用ガスを加湿するための加湿器を備えた燃料電池システムの改良に関するものである。

従来の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているように、反応用ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給するカソードガスを加湿するための加湿器と、燃料電池が排出したカソードオフガスを外部に排出するためのオフガスライン及びオフガスバイパスラインを備えたものがあった。

オフガスラインは、加湿器を経由し、排出ガスに含まれる水分を加湿器に供給した後、外部に至る。また、オフガスバイパスラインは、オフガスラインから分岐し、加湿器を経由せずに外部に至る。これにより、加湿器に供給するカソードオフガスの水分を適切に調節するために、カソードオフガスの一部をバイパスさせるようにしていた。

特開２００７−２２０４９７号公報

ところで、この種の燃料電池システムでは、反応用ガスとしてアノードガス（水素）及びカソードガス（空気）を使用するのであるが、空気中の酸素濃度は１６％程度であるから、酸素の物質量を確保するためには、アノードガスの配管系に比べてカソードガスの配管系を大口径にする必要がある。

ところが、上記したような従来の燃料電池システムにあっては、とくにカソードガスの配管系として、オフガスラインと、このオフガスラインから分岐したオフガスバイパスラインを備えた構成であるため、燃料電池と加湿器との間に大口径の分岐管が存在し、これによりシステム構造を小型化することが難しいという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、とくに、反応用ガスを加湿するための加湿器を備えた燃料電池システムであって、システム構造の小型化を実現することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池システムは、反応用ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に反応用ガスを供給するガス供給路と、ガス供給路に流通する反応用ガスを加湿するための加湿器を備えている。前記燃料電池は、排出ガスの出口として、夫々独立した第１ガス排出口及び第２ガス排出口を備えている。

そして、燃料電池システムは、燃料電池の第１ガス排出口から加湿器を経由して外部に至る第１ガス排出流路と、燃料電池の別の第２ガス排出口から外部に至る第２ガス排出流路とを備えていると共に、第１ガス排出流路及び第２ガス排出流路のいずれか一方の流路に前記流量制御手段を備え、前記流量制御手段を設けた一方の流路の圧力損失が、他方の流路の圧力損失よりも低く、且つ前記流量制御手段を設けた一方の流路の径が、他方の流路の径よりも大きい構成とし、また、燃料電池の第１ガス排出口から加湿器を経由して外部に至る第１ガス排出流路と、燃料電池の別の第２ガス排出口から外部に至る第２ガス排出流路とを備えていると共に、第１ガス排出流路及び第２ガス排出流路の両方に排出ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、前記流量制御手段を設けた一方の流路の圧力損失が、他方の流路の圧力損失よりも低く、且つ一方の流路に設けた流量制御手段が、流量制御バルブであり、他方の流路に設けた流量制御手段が、オリフィスである構成としており、
上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池システムによれば、とくに、反応用ガスを加湿するための加湿器を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池と加湿器との間を短縮して、システム構造の小型化を実現することができる。また、燃料電池システムは、一方の流路の径を他方の流路の径よりも大きくして、一方の流路の圧力損失を他方の流路の圧力損失よりも低くしたことから、他方の流路に径の小さい配管を使用することで、システム構造のさらなる小型化に貢献し得る。さらに、燃料電池システムは、一方の流路に流量制御手段としての流量制御バルブを設け、他方の流路に流量制御手段としてのオリフィスを設けて、一方の流路の圧力損失を他方の流路の圧力損失よりも低くしたことから、両流路に共通の配管を使用したうえで、オリフィスの口径を選択することにより所望の圧力損失比を設定することができる。

本発明の燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。単位セルを説明する部分破断状態の平面図である。燃料電池の反応用ガスの流れを説明する平面図である。燃料電池を説明する斜視図である。図４に示す燃料電池を背面側から見た斜視図である。本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すブロック図である。本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すブロック図である。

以下、図面に基づいて、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を説明する。
図１に示す燃料電池システムは、反応用ガスの電気化学反応により発電する燃料電池１と、燃料電池１に反応用ガスを供給するガス供給路２と、ガス供給路２に流通する反応用ガスを加湿するための加湿器３を備えている。

また、燃料電池システムは、燃料電池１の第１ガス排出口１Ａから加湿器２を経由して外部に至る第１ガス排出流路４Ａと、燃料電池１の別の第２ガス排出口１Ｂから外部に至る第２ガス排出流路４Ｂを備えている。そして、燃料電池システムは、第１ガス排出流路４Ａ及び第２ガス排出流路４Ｂの少なくとも一方の流路に排出ガス（オフガス）の流量を制御する流量制御手段（５）を備えている。

燃料電池１は、図２に示す単位セルＣを複数積層して、図３に示す燃料電池スタックＳを構成すると共に、図４及び図５にも示すように、燃料電池スタックＳの積層方向の両側に、集電板６Ａ，６Ｂを介してエンドプレート７Ａ，７Ｂが固定してある。

単位セルＣは、図２に示す例では長方形状を成し、周囲に樹脂製のフレーム３１を一体的に有する膜電極構造体３２と、フレーム３１及び膜電極構造体３２を挟持する金属製のセパレータ３３を備えている。

この単位セルＣは、膜電極構造体３２の燃料極（アノード）とセパレータ３３との間に、反応用ガスであるアノードガス（水素）を流通させる。また、膜電極構造体３２の空気極（カソード）とセパレータ３３との間には、反応用ガスであるカソードガス（空気）を流通させる。さらに、単位セルＣは、複数積層して燃料電池スタックＳを構成した状態で、隣接するセパレータ３３，３３間に冷却用流体を流通させる。

図示の単位セルＣは、一方の短辺側に、カソードガス（空気）の入口マニホールドＭ１、冷却用流体の入口マニホールドＭ２、及びアノードガス（水素）の出口マニホールドＭ３が形成してある。また、他方の短辺側には、アノードガスの入口マニホールドＭ４、冷却用流体の出口マニホールドＭ５、及びカソードガスの出口マニホールドＭ６が形成してある。これにより、燃料電池１は、外部から単位セルＣの積層方向に反応用ガス及び冷却用流体を導入すると共に、各単位セルＣにおいて、反応用ガス及び冷却用流体を長辺方向に流通させるものとなっている。

ここで、燃料電池１は、とくに図３にカソードガスの流れを示すように、一方のエンドプレート７Ａ側からカソードガスを導入し、入口マニホールドＭ１を通して各単位セルＣにカソードガスを供給する。カソードガスの入口マニホールドＭ１は、他方のエンドプレート７Ｂ側で閉塞してある。そして、燃料電池１は、カソードガスの排出ガスを外部に出すのであるが、カソードガスの出口マニホールドＭ６が、両側のエンドプレート７Ａ，７Ｂに達していて、図４及び図５にも示すように、夫々独立した第１ガス排出口１Ａ及び第２ガス排出口１Ｂを形成している。

すなわち、図１に示す燃料電池システムは、燃料電池スタックＳを含む前記燃料電池１と、燃料電池１に反応用ガスであるカソードガス（空気）を供給するガス供給路２と、ガス供給路２に流通するカソードガスを加湿するために前記ガス供給路２に配置した加湿器３を備えている。ガス供給路２は、燃料電池１に対し、図３に示すように、燃料電池スタックＳの積層方向の一端側（図中左側）からカソードガスを供給する。このガス供給路２には、燃料電池１にカソードガスを加圧供給するためのコンプレッサ８が設けてある。

また、燃料電池システムは、カソードガスの排出経路として、前記第１ガス排出流路４Ａ及び第２ガス排出流路４Ｂを備え、第１ガス排出流路４Ａに、排出ガス（反応後のカソードオフガス）の流量を制御する流量制御手段（５）を備えている。このとき、前記第１ガス排出流路４Ａは、燃料電池１に対して、図３に示す如く、燃料電池スタックＳの積層方向の一端側（カソードガスの供給側）に設けた第１ガス排出口１Ａから加湿器３を経由して外部に至る。前記第２ガス排出流路４Ｂは、燃料電池１に対して、同じく図３に示す如く、燃料電池スタックＳの積層方向の他端側に設けた第２ガス排出口１Ｂから外部に至る。

より具体的には、第１ガス排出流路４Ａは、燃料電池１に設けた第１ガス排出口１Ａから加湿器３を経由して、排出ガスに含まれる水分（水蒸気）を加湿器３に供給し、流量制御手段（５）を経て外部に至る。第２ガス排出流路４Ｂは、燃料電池１の第２ガス排出口１Ｂと第１ガス排出流路４Ａの流量制御手段５よりも下流側との間を接続して外部に至る。

この実施形態の流量制御手段は、流量制御バルブ５であって、全開から全閉に至る間で流量を無段階的に調節することができる。そして、燃料電池システムは、上記の如く第１ガス排出流路４Ａのみに流量制御バルブ５を設け、流量制御バルブ５を設けた一方の流路である第１ガス排出流路４Ａの圧力損失が、他方の流路である第２ガス排出流路４Ｂの圧力損失よりも低くなるようにしてある。故に、第２ガス排出流路４Ｂの方が圧力損失が大きい。これにより、燃料電池システムは、流量制御バルブ５を全開にした状態で、第１ガス排出流路４Ａの方が単位時間当たりの流量が多く、第２ガス排出流路４Ｂの単位時間当たりの流量が少ない。

なお、燃料電池システムは、図１にはカソードガスの流通経路のみを示したが、当然のことながらアノードガス及び冷却用流体の夫々の流通経路も備えている。

上記の構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池１にアノードガス及びカソードガスを導入し、この際、加湿器３によりカソードガスを加湿して導入し、燃料電池１において電気化学反応により発電をする。また、燃料電池システムは、燃料電池１の排出ガスを第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂに夫々流し、その排出ガスに含まれる水分を加湿器３に供給して、外部に排出する。

このとき、燃料電池システムは、流量制御バルブ５の開度調整をすることにより、加湿器３を通過する排出ガスの流量を制御し、燃料電池１に導入するカソードガスの加湿量を調整することができる。例えば、大気の湿度が高い場合に、流量制御バルブ５により加湿器３を通過する排出ガスの流量を減少又は零にして、カソードガスの加湿量を少なくする。

また、燃料電池システムは、流量制御バルブ５を設けた第１ガス排出流路４Ａの圧力損失が、第２ガス排出流路４Ｂの圧力損失よりも低いので、流量制御バルブ５の開度調整だけで、加湿器３を通過する排出ガスの流量を変えてカソードガスの加湿量を調整し得る。つまり、流量制御バルブ５を全開又は全閉にした状態においても、第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂに所望量の排出ガスが流れるように、第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂの圧力損失比を設計しておけば良い。

上記の燃料電池システムは、本来の発電機能やカソードガスの加湿量の調整機能を備えたうえで、燃料電池１と加湿器３との間が、分岐管やバルブ類が一切無い簡素な構造になっており、燃料電池１と加湿器３との間を短縮して、システム構造の小型化を実現することができる。

また、上記の燃料電池システムは、例えば自動車等の車両に搭載するが、この場合、先述したようにカソードガスの配管系を大口径にする必要があり、具体的には、口径が５０ｍｍを超える配管を使用する。このため、燃料電池１と加湿器３の間に分岐管等が存在するようなシステムでは、双方の間に配管の口径を充分に上回るスペースが必要である。これに対して、当該燃料電池システムは、燃料電池１と加湿器３との間を短くすることができるので、搭載スペースが限られている車両用のシステムとして非常に好適である。

ここで、上記の燃料電池システムでは、より好ましい実施形態として、反応用ガスがカソードガスであって、燃料電池スタック（燃料電池１）Ｓと加湿器３との距離を、前記第１ガス排出流路４Ａの径よりも短いものとすることができる。

これにより、システム構造の小型化を実現するほかに、加湿器３の機能向上にも貢献することができる。つまり、加湿器３では、例えば中空糸を介した水分交換（加湿）を行っていて、この水分交換は排出ガス（カソードオフガス）中の水蒸気により行われ、水分となった凝縮水では交換が成されない。そこで、上記の如く、燃料電池スタックＳと加湿器３との距離を小さくしておけば、燃料電池スタックＳからの加湿器３に導入する排出ガスの温度低下を低く抑えることができ、加湿器３に導入する水蒸気量を充分に確保（凝縮水の量を低減）して、水分交換率を向上させることができる。

さらに、上記の燃料電池システムは、第１及び第２のガス排出口１Ａ，１Ｂを、燃料電池スタックＳの積層方向の一端側及び他端側の二箇所にしたので、いずれの排出口１Ａ，１Ｂから排出ガスを排出するかにより、燃料電池スタックＳ内のカソードガスの配流ばらつきが変化する。例えば、一方側（加湿器３側）の第１の排出口１Ａ及び排出流路４Ａから排出ガスを排出する場合には、加湿器３に近い側の単位セルＣへ多くのカソードガス流れ、他方側には流れない。この際、他方側では、排出ガスの流速が小さくなるため、水が排出され難くなる。しかし、上記の燃料電池システムでは、排出ガスの排出流路４Ａ，４Ｂを切り替えることにより、水を良好に排出することができる。

図６〜９は、本発明の燃料電池システムの他の四例の実施形態を示す図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示す燃料電池システムは、第１ガス排出流路４Ａ及び第２ガス排出流路４Ｂのいずれか一方の流路に流量制御手段（５）を設け、前記流量制御手段（５）を設けた一方の流路の径が、他方の流路の径よりも大きいものとなっている。

より具体的には、図示の燃料電池システムは、一方の流路である第１ガス排出流路４Ａに、流量制御手段である流量制御バルブ５を設け、第１ガス排出流路４Ａの径を、他方の流路である第２ガス排出流路４Ｂ（他方の流路）の径よりも大きくしている。これにより、燃料電池システムは、第１ガス排出流路４Ａの圧力損失が、第２ガス排出流路４Ｂの圧力損失よりも低いものとなっている。

図７に示す燃料電池システムは、第１ガス排出流路４Ａ及び第２ガス排出流路４Ｂの両方に流量制御手段（５，１５）が設けてある。一方の流路である第１ガス排出流路４Ａに設けた流量制御手段（５）は、流量制御バルブ５である。また、他方の流路である第２ガス排出流路４Ｂに設けた流量制御手段（１５）は、オリフィス１５である。これにより、燃料電池システムは、第１ガス排出流路４Ａの圧力損失が、第２ガス排出流路４Ｂの圧力損失よりも低いものとなっている。

図８に示す燃料電池システムは、第１ガス排出流路４Ａ及び第２ガス排出流路４Ｂの両方に流量制御手段（５，５）が設けてあり、前記流量制御手段がいずれも流量制御バルブ５，５である構成になっている。

上記の図６〜図８に示す各燃料電池システムは、先の実施形態と同様に、流量制御バルブ５の開度調整を行うことで、加湿器３を通過する排出ガスの流量を制御してカソードガスの加湿量を調整することができる。そして、各燃料電池システムは、先の実施形態と同様に、燃料電池１と加湿器３との間を短縮して、システム構造の小型化を実現することができる。

とくに、図６に示す燃料電池システムは、第２ガス排出流路４Ｂに径の小さい配管を使用することで、システム構造のさらなる小型化に貢献し得る。また、図７に示す燃料電池システムは、第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂに共通の配管を使用したうえで、オリフィス１５の口径を選択することにより所望の圧力損失比を設定することができる。さらに、図８に示す燃料電池システムは、第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂの両方に流量制御バルブ５を設けたので、より高精度な流量制御を行うことができる。

図１〜図８に示す各実施形態では、第１ガス排出流路４Ａのみに流量制御手段を設けた構成や、第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂの両方に流量制御手段を設けた構成を示した。これに対して、図９に示す燃料電池システムは、第２ガス排出流路４Ｂに流量制御手段である流量制御バルブ５を設けた構成になっている。

この場合、燃料電池システムは、先の各実施形態の構成とは逆に、第１ガス排出流路４Ａの圧力損失が、第２ガス排出流路４Ｂの圧力損失よりも高い構成にすることが可能であり、例えば、第１ガス排出流路４Ａの径を小さくしたり、第１ガス排出流路４Ａにオリフィス（１５）を設けたりすることが可能である。

上記の燃料電池システムにあっても、流量制御バルブ５の開度調整により、加湿器３を通過する排出ガスの流量を変えてカソードガスの加湿量を調整することが可能であると共に、先の実施形態と同様に、燃料電池１と加湿器３との間を短縮して、システム構造の小型化を実現することができる。

なお、本発明の燃料電池システムは、その構成が上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、構成の細部を適宜変更することが可能である。また、上記各実施形態では、反応用ガスであるカソードガスの流通経路に、加湿器３、第１及び第２のガス排出流路４Ａ，４Ｂ、並びに流量制御手段等の各構成を設けた場合を説明した。これらの構成は、反応用ガスであるアノードガスの流通経路に設けることも可能であるが、先述の如くアノードガスの配管系に比べてカソードガスの配管系を大口径にする必要があるので、カソードガスの流通経路に設ける方がシステム構造の小型化を実現するうえで一層好ましい。

１燃料電池
１Ａ第１ガス排出口
１Ｂ第２ガス排出口
２ガス供給路
３加湿器
４Ａ第１ガス排出流路
４Ｂ第２ガス排出流路
５流量制御バルブ（流量制御手段）
１５オリフィス（流量制御手段）
Ｃ単位セル
Ｓ燃料電池スタック

Claims

反応用ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に反応用ガスを供給するガス供給路と、
ガス供給路に流通する反応用ガスを加湿するための加湿器と、
燃料電池の第１ガス排出口から加湿器を経由して外部に至る第１ガス排出流路と、
燃料電池の第２ガス排出口から外部に至る第２ガス排出流路と、を備えると共に、
第１ガス排出流路及び第２ガス排出流路のいずれか一方の流路に前記流量制御手段を備え、
前記流量制御手段を設けた一方の流路の圧力損失が、他方の流路の圧力損失よりも低く、且つ前記流量制御手段を設けた一方の流路の径が、他方の流路の径よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
反応用ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に反応用ガスを供給するガス供給路と、
ガス供給路に流通する反応用ガスを加湿するための加湿器と、
燃料電池の第１ガス排出口から加湿器を経由して外部に至る第１ガス排出流路と、
燃料電池の第２ガス排出口から外部に至る第２ガス排出流路と、を備えると共に、
第１ガス排出流路及び第２ガス排出流路の両方に排出ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、
前記流量制御手段を設けた一方の流路の圧力損失が、他方の流路の圧力損失よりも低く、且つ一方の流路に設けた流量制御手段が、流量制御バルブであり、
他方の流路に設けた流量制御手段が、オリフィスであることを特徴とする燃料電池システム。
反応用ガスの電気化学反応により発電する単位セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
燃料電池スタックの積層方向の一端側から反応用ガスを供給するガス供給路と、
ガス供給路に流通する反応用ガスを加湿するために前記ガス供給路に配置した加湿器と、
燃料電池誌スタックの積層方向の一端側に設けた第１ガス排出口から前記加湿器を経由して外部に至る第１ガス排出流路と、
燃料電池スタックの積層方向の他端側に設けた第２ガス排出口から外部に至る第２ガス排出流路と、を備えると共に、
第１ガス排出流路及び第２ガス排出流路のいずれか一方に排出ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、
前記流量制御手段を設けた一方の流路の圧力損失が、他方の流路の圧力損失よりも低く、且つ前記流量制御手段を設けた一方の流路の径が、他方の流路の径よりも大きいことを特徴とする燃料電池システム。
反応用ガスの電気化学反応により発電する単位セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
燃料電池スタックの積層方向の一端側から反応用ガスを供給するガス供給路と、
ガス供給路に流通する反応用ガスを加湿するために前記ガス供給路に配置した加湿器と、
燃料電池誌スタックの積層方向の一端側に設けた第１ガス排出口から前記加湿器を経由して外部に至る第１ガス排出流路と、
燃料電池スタックの積層方向の他端側に設けた第２ガス排出口から外部に至る第２ガス排出流路と、を備えると共に、
第１ガス排出流路及び第２ガス排出流路の両方に排出ガスの流量を制御する流量制御手段を備え、
前記流量制御手段を設けた一方の流路の圧力損失が、他方の流路の圧力損失よりも低く、且つ一方の流路に設けた流量制御手段が、流量制御バルブであり、
他方の流路に設けた流量制御手段が、オリフィスであることを特徴とする燃料電池システム。
反応用ガスがカソードガスであって、燃料電池スタックと加湿器との距離が、前記第１ガス排出流路の径よりも短いことを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池システム。