JP4643969B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された内部マニホールド型燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。

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（電解質）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対設した電解質膜・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。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

この場合、アノード側電極に供給される燃料ガスには、消費されずに燃料電池から排出される未反応部分が存在しており、この未反応部分が廃棄されることによる燃費の低下が懸念されている。このため、燃料電池から排出される未反応部分を新たな燃料ガスに混合し、再度、アノード側電極に供給する燃料ガス循環路を備える構造が採用されている。

ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、燃料電池スタックに導入された後に電解質膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタックの反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路）内や該燃料電池スタックを積層方向に貫通し且つ前記反応ガス流路に連通するマニホールドである反応ガス連通孔（酸化剤ガス連通孔及び／又は燃料ガス連通孔）内で冷却され、液体の状態で存在し易い。

しかしながら、上記のように、燃料ガスを燃料電池に循環供給する構造では、前記燃料電池から排出される水分（生成水）が、前記燃料電池に戻されてしまい、アノード側電極にフラッディングが惹起されるという問題がある。また、カソード側電極に供給される空気中の窒素が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガスに混入し、前記窒素濃度が高くなるおそれがある。

このため、燃料ガス循環路から水分や窒素等を含む燃料ガスをパージする処理が行われており、例えば、特許文献１に開示されている水素パージ制御装置が知られている。この水素パージ制御装置を組み込む燃料電池システムは、図４に示すように、燃料電池１を備えており、この燃料電池１のカソード（図示せず）には、コンプレッサ２を介して所定圧力に加圧された空気が空気供給流路３を介して供給されるとともに、前記燃料電池１のアノード（図示せず）には、水素タンク４から水素ガス供給流路５を通って水素ガスが供給されている。

燃料電池１で消費されなかった未反応の水素ガスは、生成水と共に水素ガス循環流路６に排出され、エゼクタ７を介して水素ガス供給流路５に導入されている。水素ガス循環流路６には、パージ弁８を介してパージ水素希釈器９が接続される一方、前記燃料電池１から排出される空気は、生成水と共に空気排出流路３ａを介して前記パージ水素希釈器９に導入されている。

このため、パージを行う際には、パージ弁８が開放されて燃料電池１から排出される水素ガスが、生成水と共にパージ水素希釈器９に流入する一方、このパージ水素希釈器９内には、前記燃料電池１から排出される空気及び生成水が供給されている。従って、水素ガスは、排出空気と混合されて希釈され、水素濃度が所定濃度以下に調整された後、外部に排出されている。

特開２００４−５５２８７号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１では、燃料電池１に供給された空気は、カソードにおける反応によって生成される生成水と共に空気排出流路３ａに排出されるため、前記生成水の量の変化によって前記燃料電池１内における空気圧力が変動し易い。これにより、燃料電池１に供給される空気流量の制御が困難になるおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックから生成水を効率的に排出して酸化剤ガス流量の制御を容易に行うとともに、燃費を良好に向上させ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、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に連通する希釈機構と、流路の一端が前記反応ガス排出口の他方である酸化剤ガス排出口に連通し、流路の他端が前記希釈機構に連通する排ガス流路と、流路の一端が前記排ガス流路とは個別に前記酸化剤ガス排出口に連通して前記燃料電池スタックの外部に露呈し、流路の他端が前記希釈機構に連通して前記酸化剤ガス排出口から前記希釈機構に、主として液滴を排出するドレン流路と、前記希釈機構に連通し、前記希釈機構からガス成分及び液滴を排出する排出流路とを備えている。

また、少なくともドレン流路には、流量制御機構が配設されることが好ましい。流量制御機構を操作することにより、ドレン流路の開閉が行われ、排水制御が確実に遂行されるからである。

本発明によれば、酸化剤ガス排出口の生成水（液滴）は、排水を主とするドレン流路に排出されて希釈機構に供給される。このため、酸化剤ガス排出口内の水分量が有効に削減され、この酸化剤ガス排出口から排ガス流路に排出される排ガス中に生成水が混入することを抑制することができる。これにより、酸化剤ガスの圧力変動を良好に阻止することが可能になり、前記酸化剤ガスの流量を容易且つ確実に制御することができる。

しかも、排ガス流路に排出される生成水量が削減されるため、酸化剤ガスを燃料電池スタックから希釈機構に供給するためのファンや過給機等の消費電力を抑えることが可能になり、燃費の向上が容易に図られる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。この燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１４が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及び第１エンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。単位セル１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性プレート１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。

図１及び図２に示すように、各単位セル１４は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

単位セル１４の長辺方向（図２中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（導入口）２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（排出口）３２ｂが設けられる。

単位セル１４の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（導入口）３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（排出口）２８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。第１金属セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス入口連通孔２８ａと酸化剤ガス出口連通孔２８ｂとに連通する。第２金属セパレータ２６の面２６ｂには、第１金属セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材４６が一体成形されるとともに、第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材４８が一体成形される。

図１に示すように、燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給系５０、酸化剤ガス供給系５２及び冷却媒体供給系（図示せず）が組み込まれる。燃料ガス供給系５０は、水素タンク５４を備え、この水素タンク５４は、バルブ５６からエゼクタ５８を介して燃料ガス循環路６０に接続される。この燃料ガス循環路６０は、第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３２ａに連結される。

第１エンドプレート２０ａの燃料ガス出口連通孔３２ｂは、燃料ガス排出路６２を介してエゼクタ５８に連通するとともに、前記燃料ガス排出路６２の途上には、パージ流路６４が設けられ、このパージ流路６４は、バルブ６６を介して希釈ボックス（希釈機構）６８に接続される。

酸化剤ガス供給系５２は、加圧空気を発生させる、例えば、コンプレッサ７０を備え、このコンプレッサ７０は、酸化剤ガス供給路７２を介して第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔２８ａに連通する。第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス出口連通孔２８ｂには、希釈ガス流路（排ガス流路）７４が接続されるとともに、前記希釈ガス流路７４は、希釈ボックス６８に連通する。

第２エンドプレート２０ｂの酸化剤ガス出口連通孔２８ｂには、希釈ガス流路７４とは個別に希釈ボックス６８に連通するドレン流路７６が接続される。ドレン流路７６は、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに対して希釈ガス流路７４よりも下方に配置されるとともに、前記希釈ガス流路７４よりも小径に設定されることが好ましい。このドレン流路７６には、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに近接してバルブユニット７８が設けられている。

図３に示すように、バルブユニット７８は、ドレン流路７６に配設され、このドレン流路７６に所定量の液滴が溜まったことを検出するためのセンサ、例えば、静電容量センサ８０と、前記静電容量センサ８０の近傍に配置されて前記ドレン流路７６を開閉するバルブ８２と、前記静電容量センサ８０からの信号に基づいて前記バルブ８２を制御する制御部８４とを備える。なお、センサとしては、静電容量センサ８０に代替して、例えば、超音波センサ等、管内の液滴の有無を検出可能な種々のセンサが使用可能である。

図１に示すように、希釈ボックス６８には、この希釈ボックス６８内の生成水及びガス成分（主として希釈された燃料ガス成分）を外部に排出するための排出流路８６が接続される。この排出流路８６には、開閉用のバルブ８８が設けられる。

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、図１に示すように、酸化剤ガス供給系５２を介して燃料電池スタック１２を構成する第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔２８ａに、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。一方、燃料ガス供給系５０を構成する水素タンク５４は、バルブ５６を介して燃料ガス循環路６０に水素含有ガス等の燃料ガスを供給する。この燃料ガスは、第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３２ａに供給される。

さらに、図示しない冷却媒体供給系を介して、第１エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３０ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が循環供給される。

図２に示すように、燃料電池スタック１２内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス入口連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

また、冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂを移動して第１エンドプレート２０ａに連結された図示しない循環流路に排出され、循環使用される。

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂに沿って流動した後、第１エンドプレート２０ａに連結された希釈ガス流路７４に排出される（図１参照）。この希釈ガス流路７４に排出された酸化剤ガスは、希釈ボックス６８に、常時、供給される。

同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガス（以下、消費燃料ガスともいう）は、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、第１エンドプレート２０ａに連結された燃料ガス排出路６２に排出される。この消費燃料ガスは、エゼクタ５８の作用下に燃料ガス循環路６０に戻され、新たな燃料ガスと混在されて第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３２ａに循環供給される。

この場合、本実施形態では、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの第２エンドプレート２０ｂ側の端部には、ドレン流路７６が接続されるとともに、このドレン流路７６の高さ位置は、希釈ガス流路７４の高さ位置よりも低く設定されている。従って、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂの生成水は、ドレン流路７６に円滑に排出され、バルブユニット７８の作用下に希釈ボックス６８に供給される。

バルブユニット７８では、図３に示すように、予めバルブ８２を介してドレン流路７６が閉塞されており、静電容量センサ８０が前記ドレン流路７６に排出される水分量を検出する。そして、検出された水分量が所定量となる際に、制御部８４を介して前記バルブ８２が開放される。このため、コンプレッサ７０を介して燃料電池スタック１２内に供給される圧縮酸化剤ガス（空気）の圧力によって、ドレン流路７６の生成水は、希釈ボックス６８に確実に導入される。

これにより、酸化剤ガス出口連通孔２８ｂ内の水分量が有効に削減され、この酸化剤ガス出口連通孔２８ｂから希釈ガス流路７４に排出される希釈ガス（使用済み酸化剤ガス）中に、生成水が混入することを抑制することができる。

これにより、燃料電池スタック１２に供給される酸化剤ガスの圧力変動を良好に阻止することが可能になり、前記酸化剤ガスの流量を容易且つ確実に制御することができるという効果が得られる。しかも、希釈ガス流路７４に排出される生成水量が削減されるため、酸化剤ガスを燃料電池スタック１２から希釈ボックス６８に供給するためのコンプレッサ７０の消費電力を抑えることが可能になり、燃費の向上が容易に図られる。

ところで、燃料ガスのパージを行う際には、パージ流路６４に設けられているバルブ６６が開放され、燃料ガス排出路６２から水分、窒素ガス及び燃料ガスを含むパージガスが希釈ボックス６８に導出される。この希釈ボックス６８では、希釈ガス流路７４を介して希釈ガスが、常時、供給されており、水素濃度が所定値以下になったガス成分及び生成水は、バルブ８８の開放作用下に排出流路８６から外部に排出される。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略説明図である。 前記燃料電池システムを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成するバルブユニットの説明図である。 特許文献１の燃料電池システムの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…単位セル ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３０ａ…冷却媒体入口連通孔 ３０ｂ…冷却媒体出口連通孔
３２ａ…燃料ガス入口連通孔 ３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路 ４４…酸化剤ガス流路
５０…燃料ガス供給系 ５２…酸化剤ガス供給系
５４…水素タンク ５６、６６、８２、８８…バルブ
５８…エゼクタ ６０…燃料ガス循環路
６２…燃料ガス排出路 ６４…パージ流路
６８…希釈ボックス ７０…コンプレッサ
７２…酸化剤ガス供給路 ７４…希釈ガス流路
７６…ドレン流路 ７８…バルブユニット
８６…排出流路

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとを積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも反応ガス導入口及び反応ガス排出口が形成された燃料電池スタックと、
   前記反応ガス排出口の一方である燃料ガス排出口に連通する希釈機構と、
   前記燃料電池スタックの下方に位置し且つ積層方向一端に設けられる前記反応ガス排出口の他方である酸化剤ガス排出口に、流路の一端が連通し、流路の他端が前記希釈機構に連通して希釈ガス及び生成水が排出される希釈ガス流路と、
   流路の一端が、前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる前記酸化剤ガス排出口に連通して前記燃料電池スタックの外部に露呈し、流路の他端が前記希釈機構に連通して前記酸化剤ガス排出口から前記希釈機構に、主として液滴を排出するドレン流路と、
   前記希釈機構に連通し、前記希釈機構からガス成分及び液滴を排出する排出流路と、
   を備え、
   前記ドレン流路は、前記酸化剤ガス排出口に対して前記希釈ガス流路よりも下方に配置され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、少なくとも前記ドレン流路には、流量制御機構が配設され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、前記ドレン流路は、前記希釈ガス流路よりも小径に設定されることを特徴とする燃料電池システム。

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