JP2008218168A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】流路に設けられたバルブをガスが通過する際に発生する気流音を低減する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、該燃料電池から排出されるガスを希釈する希釈器１３と、第１及び第２の流路を有する加湿器であって、燃料電池に供給されるガスを第１の流路１０７に流通させ、希釈器を通過したガスを第２の流路１０８に流通させることにより、第１の流路１０７に流通するガスを加湿する加湿器と、第１の流路１０７を通過したガスの一部を希釈器１３に導入するバイパス流路５と、該バイパス流路に設けられたバイパス弁Ａ４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。

近年、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池が、エネルギー源として注目されている。例えば、燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を水素極（以下、「アノード」という場合がある。）と酸素極（以下、「カソード」という場合がある。）とで両側から挟み込んだＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）を含むセルを積層したスタック（「燃料電池スタック」ともいう）を備えている。ＭＥＡのアノードには、燃料ガスとして例えば水素ガスが供給され、カソードには酸化ガスとして、例えば空気が供給される。

ところで、酸化ガスとして用いられる空気は、通常、コンプレッサにより外部から取り込まれる。そのため、圧力脈動やその他の気流の乱れにより、酸化ガスが流路の随所に設けられたバルブを通過する際に、気流音や振動を発生させてしまう。従って、燃料電池システムやそれが搭載された車両等の騒音を抑制するために、そのような気流音を低減することが望まれている。

関連する技術として、特許文献１の図１には、コンプレッサ、サイレンサ、アフタクーラ、フィルタ、加湿器及び燃料電池が、空気流路流れに沿ってこの順に配設されている燃料電池システムが開示されている。また、特許文献２には、水蒸気交換による加湿器の排気側下流にマフラーが配置された燃料電池用加湿システムが開示されている。
特開２００４−１８５９２１号公報 特開２００１−２１６９８６号公報

しかしながら、特許文献１及び２のいずれにも、酸化ガスの流路に設けられたバルブにおける気流音の発生や、それを低減する方法については記載されていない。
そこで、本発明は、流路に設けられたバルブをガスが通過する際に発生する気流音を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスを希釈する希釈器と、第１及び第２の流路を有する加湿器であって、前記燃料電池に供給されるガスを前記第１の流路に流通させ、前記希釈器を通過したガスを前記第２の流路に流通させることにより、前記第１の流路を流通するガスを加湿する加湿器と、前記第１の流路を通過したガスの一部を前記希釈器に導入するバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバルブとを備える。

かかる構成とすることにより、第１の流路を通過することにより整流された酸化ガスがバルブを通過するので、その際に生じる気流音を低減させることができる。また、加湿器の第２の流路の上流に希釈器等の機器を配置することにより、燃料電池から排出された酸化オフガスが加湿器に導入されるまでの間にその温度が低下するので、相対的に湿度が高くなり、加湿器における加湿性能を向上させることができる。

また、前記燃料電池システムは、前記加湿器の第２の流路の上流又は下流に配置されたマフラーをさらに備えても良い。それにより、騒音や振動をさらに低減することができる。また、マフラーを加湿器の上流に設ける場合には、燃料電池から加湿器に至る流路に配置される機器が増加するので、その間に酸化オフガスの湿度をさらに低下させて、加湿器における加湿性能をさらに向上させることができる。

本発明によれば、加湿器においてガスを整流することにより、ガスがバルブを通過する際に発生させる気流音を低減させるので、後段のマフラーにおける消音効果を高めることができる。従って、燃料電池システムやそれを備えた車両等の装置における振動・騒音（ＮＶ）性能を向上させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すシステム図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、本実施形態においては自動車用となっている。

図１に示す燃料電池システムは、電解質及びその両側に配置された電極層（アノード及びカソード）を含む複数のセルが積層された燃料電池２０を含んでいる。燃料電池２０は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する。なお、本実施形態においては、酸化ガスとして空気が用いられ、燃料ガスとして水素ガスが用いられる。

また、この燃料電池システムには、酸化ガスを燃料電池２０に供給する酸化ガス供給系（フィルタ１０〜酸化ガス導入路１〜加湿器１２〜酸化ガス供給路２、及び、流路３）と、使用された酸化ガス（酸化オフガス）を燃料電池２０から排出する酸化オフガス排出系（酸化オフガス導出路４〜加湿器１２〜酸化オフガス排出路６）と、燃料ガスを燃料電池２０に供給する燃料ガス供給系（燃料ガスタンク３０及び燃料ガス供給路３１）と、使用された燃料ガス（燃料オフガス）を燃料電池２０から排出する燃料オフガス排出系（燃料オフガス導出路３２及び燃料オフガス排出路３３）とが設けられている。

燃料ガス供給路３１には、燃料ガスタンク３０が接続されており、その途中には開閉弁Ｈ１、圧調整弁Ｈ２及び開閉弁Ｈ３が設けられている。また、燃料オフガス導出路３２には、循環ポンプＨ４が設けられている。循環ポンプＨ４は、燃料オフガスを燃料ガス供給路３１に向けて圧送することにより、燃料ガスとして再利用させる。また、燃料オフガス導出路３２には、開閉弁Ｈ５が設けられた燃料オフガス排出路３３が接続されており、燃料オフガスを再利用しない場合に、燃料オフガスは燃料オフガス排出路３３を通って外部に排出される。

酸化ガス導入路１には、フィルタ１０及びコンプレッサ１１が設けられている。フィルタ１０を介してコンプレッサ１１により取り込まれた酸化ガスは、加湿器１２に導入され、そこで適切な湿度まで加湿される。なお、加湿器１２の構造及び機能については、後で説明する。

酸化ガス供給路２には、開閉弁Ａ１が設けられており、加湿器１２において加湿された酸化ガスはここを通過して燃料電池２０に導入される。なお、酸化ガスを加湿する必要がない場合には、開閉弁Ａ１閉じ、開閉弁Ａ２を開くことにより、流路３を通じて燃料電池２０に直接供給される。

酸化オフガス導出路４には、背圧調整弁Ａ３と、希釈器１３と、マフラー１４とが設けられている。また、酸化ガス供給路２と酸化オフガス導出路４とは、バイパス弁（開閉弁）Ａ４が設けられたバイパス流路５によって接続されている。

ここで、燃料電池２０における発電効率が低い場合には、使用されない燃料ガスの量が増加する。そのため、アノード側に供給された燃料ガスの余剰分が電解質を透過して、カソード側に染み出してくることがある。しかし、そのような燃料ガスが混入した酸化オフガスをそのまま外部に排出することは、環境上好ましくない。

そこで、バイパス流路５を介して、加湿器１２を通過した酸化ガスを希釈器１３に導入することにより、酸化オフガスに混入した燃料ガスの濃度を希釈している。バイパス弁Ａ４は、燃料電池２０における発電効率が低くなったときに開かれるように制御されている。

マフラー１４は、酸化オフガスを整流することにより、騒音や振動の発生を抑制する。マフラー１４を通過した酸化オフガスは、加湿器１２（図２参照）において酸化ガスを加湿するために用いられ、その後、酸化オフガス排出路６から外部に排出される。

図２は、加湿器１２の内部構造を示す図である。加湿器１２の筐体１００には、酸化ガス導入口１０１と、酸化ガス導出口１０２と、酸化オフガス導入口１０３と、酸化オフガス導出口１０４とが設けられている。また、筐体１００の内部には、望ましくは水蒸気のみを透過させる複数の中空糸膜１０５を束ねた中空糸膜束（中空糸モジュール）が配置されている。さらに、筐体１００の内部の空間は、仕切り部材１０６によって、酸化ガスの流路（ドライ側流路）１０７と酸化オフガスの流路（ウェット側流路）１０８とに仕切られている。

燃料電池２０（図１）から導出された酸化オフガスは、電気化学反応の際に生成された水を含む高湿ガスである。この酸化オフガスをウェット側流路１０８に導入して中空糸膜１０５の内側を通過させると、ガスに含まれる水分が中空糸膜１０５に吸収される。一方、酸化ガスをドライ側流路１０７に導入して中空糸膜１０５の外側を通過させると、酸化ガスは、中空糸膜から水分供給を受けて加湿される。
なお、図２においては中空糸膜１０５の外側をドライ側流路とし、内側をウェット側流路としているが、その反対にしても良い。

次に、図１〜図３を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池システムの特徴について説明する。
図３は、酸化オフガス排出系に希釈器１３及びマフラー１４を設ける場合における通常の配置を示している。通常、希釈器１３やマフラー１４は、酸化オフガス排出系の末端側、即ち、加湿器１２のウェット側流路１０８（図２）の下流側に配置される。そのため、希釈器１３に酸化ガスを導入するためのバイパス流路５及びバイパス弁Ａ４も、加湿器１２と燃料電池２０とを接続する流路（酸化ガス供給路２及び酸化オフガス導出路４）の外側に配置される。

ところが、コンプレッサ１１により取り込まれ、気流が乱れた状態の酸化ガスは、流路に設けられたバルブを通過する際に気流音を発生させたり、バルブを振動させたりする。そのため、図３に示す構成においては、騒音や振動を抑えることが困難である。

ここで、加湿器１２の中空糸膜１０５のような多孔質材料は、ガスに対して整流作用を有することが知られている。
そこで、本実施形態においては、その整流作用に着目し、加湿器１２を補助的なマフラーとしても利用している。即ち、各種バルブのように、気流の乱れにより気流音や振動を発生し易い部品を、加湿器１２と燃料電池２０とを接続する流路内に配置することにより、加湿器１２を通過した後のガスがその部品を通過するようにする。

具体的には、バイパス流路５及びバイパス弁Ａ４を、加湿器１２のドライ側流路１０７（図２）の下流側に配置する。それに伴い、希釈器１３及びマフラー１４を、加湿器１２のウェット側流路１０８（図２）の上流側に配置する。それにより、一旦加湿器１２を通過することにより整流された酸化ガスが、バイパス弁Ａ４を通って希釈器１３に導入されるようになる。その結果、バイパス弁Ａ４における気流音や振動が低減する。

また、加湿器１２のウェット側流路１０８の上流に希釈器１３及びマフラー１４を配置することにより、燃料電池２０と加湿器１２との間の距離が長くなると共に、酸化オフガスは、加湿器１２に導入されるまでに希釈器１３等から所定の作用を受ける。その間に酸化オフガスの温度が低下するので、酸化オフガスの湿度は相対的に高くなる。或いは、酸化オフガスに含まれる水分が凝結する場合もある。その結果、加湿器１２において加湿されるガス（酸化ガス）と加湿するガス（酸化オフガス）との湿度の差が大きくなるので、加湿性能が向上する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムについて、図４を参照しながら説明する。本実施形態においては、図１に示す構成に対して、マフラー１４を加湿器１２のウェット側流路１０８（図２）の下流側に配置している。その他の構成については、図１に示すものと同様である。

この場合においても、加湿器１２において整流された酸化ガスがバイパス弁Ａ４を通過するので、その際に生じる気流音や振動を低減することができる。
このように、気流の状態の影響を受け易いバルブに対して、加湿器１２を通過した後のガスを通過させることができれば、加湿器１２、希釈器１３、及び、マフラー１４の配置関係は特に限定されない。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示す加湿器の内部構造を示す図である。 希釈器及びマフラーの配置を比較のために示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

２…酸化ガス供給路、４…酸化オフガス導出路、５…バイパス流路、１２…加湿器、１３…希釈器、１４…マフラー、２０…燃料電池、１０７…ドライ側流路、１０８…ウェット側流路、Ａ４…バイパス弁

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるガスを希釈する希釈器と、
   第１及び第２の流路を有する加湿器であって、前記燃料電池に供給されるガスを前記第１の流路に流通させ、前記希釈器を通過したガスを前記第２の流路に流通させることにより、前記第１の流路を流通するガスを加湿する加湿器と、
   前記第１の流路を通過したガスの一部を前記希釈器に導入するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられたバルブと、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記加湿器の第２の流路の上流又は下流に配置されたマフラーをさらに備える請求項１記載の燃料電池システム。

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