JP2013008664A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、燃料電池室内の換気を行うとともに、前記燃料電池室内に静電気が発生することを可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が積層された燃料電池１４と、前記燃料電池１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置３２とを備える。酸化剤ガス供給装置３２は、燃料電池１４の酸化剤ガス入口に連通し、エアポンプ３４から酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス供給路３６と、前記酸化剤ガス供給路３６から分岐し、燃料電池室５４内に開口する分岐供給路４２と、前記燃料電池１４から酸化剤オフガスを排出する酸化剤ガス排出路３８と、前記酸化剤ガス排出路３８と前記酸化剤ガス供給路３６の前記エアポンプ３４より上流とに両端が連通する酸化剤オフガス還流路５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード側電極及びアノード側電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード側電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と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設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。

一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード側電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード側電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

この種の燃料電池では、特に燃料電池電気自動車に搭載される際に、燃料電池ボックス内に収容された状態で搭載される場合がある。その際、燃料電池ボックス内には、燃料電池を収容するための燃料電池室が形成されており、この燃料電池室内を換気するための換気装置が用いられている。この換気装置は、例えば、燃料電池の水素ラインから水素が進入したことを検出すると、その水素を換気ファンによって燃料電池ボックスの外部に排出する機能を有している。

また、車載用燃料電池では、車体床下やフロントボックス等の限定されたスペース内を燃料電池室として燃料電池を搭載する場合がある。このため、燃料電池が配置されるスペース内、すなわち、燃料電池室内では、上記の燃料電池ボックス内と同様に換気する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置が知られている。この燃料電池ボックス換気装置は、図６に示すように、三方弁１、換気配管２、換気ファン３、排出口４、水素検出センサ５及び制御装置６によって構成されている。

そして、燃料電池ボックスＢの内部の水素が、水素検出センサ５により検出されると、その検出値に応じて三方弁１がエアポンプ７から燃料電池Ｖに供給されている空気を、換気配管２から前記燃料電池ボックスＢ内に放出させている。

特開２００３−１３２９１６号公報

上記の特許文献１では、エアポンプ７により吸引された外部の空気が、三方弁１の切り換え作用下に換気配管２を通って燃料電池ボックスＢ内に放出されている。このため、燃料電池ボックスＢ内には、低湿度の空気が導入される場合があり、前記燃料電池ボックスＢ内で静電気が帯電し易くなるという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池室内の換気を行うとともに、前記燃料電池室内に静電気が発生することを可及的に抑制す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、電解質膜の両側にカソード側電極及びアノード側電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード側電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池の酸化剤ガス入口に連通し、流体圧機器から供給される酸化剤ガスを前記酸化剤ガス入口に導入する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路から分岐し、前記燃料電池が収容される燃料電池室内に開口する分岐供給路と、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを酸化剤オフガスとして排出する酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路の前記分岐供給路より上流とに両端が連通し、前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤オフガスを、前記酸化剤ガス供給路の前記分岐供給路より上流に戻す酸化剤オフガス還流路とを備えている。

また、この燃料電池システムでは、分岐供給路に設けられる開閉弁と、酸化剤オフガス還流路に設けられる流量制御弁と、燃料電池室内の水素濃度を検出する水素濃度検出センサと、前記水素濃度が所定値以上であることが検出された際、前記開閉弁を開放させるとともに、前記流量制御弁の開度を調整することにより、前記流体圧機器から前記燃料電池室内に水分を含む前記酸化剤オフガスを供給する制御装置とを備えることが好ましい。所定値とは、水素による影響を回避することができる好ましい値（濃度）をいう。

さらに、この燃料電池システムでは、酸化剤オフガス還流路は、酸化剤ガス排出路に排出された酸化剤オフガスを、流体圧機器の上流で酸化剤ガス供給路に戻すことが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムでは、酸化剤オフガス還流路は、酸化剤ガス排出路に排出された酸化剤オフガスを、流体圧機器の下流で酸化剤ガス供給路に戻すことが好ましい。

また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路と酸化剤ガス排出路とに跨って配設される加湿器を備え、前記加湿器は、前記酸化剤ガス供給路を流通する酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス排出路を流通する反応生成水を含んだ酸化剤オフガスにより加湿する一方、前記加湿器を通過した前記酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス還流路に供給されることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給路と酸化剤ガス排出路とに跨って配設される加湿器を備え、前記加湿器は、前記酸化剤ガス供給路を流通する酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス排出路を流通する酸化剤オフガスにより加湿する一方、前記加湿器に供給される前の前記酸化剤オフガスの一部は、前記加湿器を迂回して酸化剤オフガス還流路に供給されることが好ましい。

本発明では、酸化剤ガス排出路に排出された高湿度な酸化剤オフガスが、酸化剤オフガス還流路を通って酸化剤ガス供給路に、分岐供給路より上流に位置して戻される。このため、高湿度な酸化剤オフガスは、分岐供給路を通って燃料電池室内に確実に供給される。

これにより、簡単な構成で、燃料電池室内の換気を行うとともに、前記燃料電池室内に静電気が発生することを可及的に抑制することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムの動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 特許文献１に開示されている燃料電池ボックス換気装置の概略説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の発電セル１２が積層（スタック）される燃料電池１４を備える。燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）１６が、カソード側セパレータ１８及びアノード側セパレータ２０間に挟持される。電解質膜・電極構造体１６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２２と、前記固体高分子電解質膜２２を挟持するカソード側電極２４及びアノード側電極２６とを備える。

カソード側電極２４及びアノード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成されている。

カソード側セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、酸化剤ガス通路２８が形成される。アノード側セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面には、燃料ガス通路３０が形成される。互いに隣接するカソード側セパレータ１８とアノード側セパレータ２０との間には、冷却媒体通路（図示せず）が形成される。

燃料電池１４には、酸化剤ガス供給装置３２が接続される。酸化剤ガス供給装置３２は、流体圧機器、例えば、エアポンプ３４を備え、前記エアポンプ３４に酸化剤ガス供給路３６の一端が接続される。酸化剤ガス供給路３６の他端は、燃料電池１４に接続されて酸化剤ガス通路２８の酸化剤ガス入口側に連通する。

燃料電池１４には、酸化剤ガス通路２８の酸化剤ガス出口側に連通して、酸化剤ガス排出路３８の一端が接続される。この酸化剤ガス排出路３８の他端には、背圧弁４０が接続される。

酸化剤ガス供給路３６から分岐供給路４２が分岐する。この分岐供給路４２は、燃料電池１４に向かって開口する開口部４４を設ける。分岐供給路４２を流通する酸化剤ガス流量は、酸化剤ガス供給路３６を流通する酸化剤ガス流量に比べて少流量に設定されるとともに、前記分岐供給路４２には、開閉弁４６が配置される。開閉弁４６は、分岐供給路４２への酸化剤ガス供給流量を調整することができる。

酸化剤ガス供給路３６と酸化剤ガス排出路３８とに跨って加湿器４８が配設される。加湿器４８は、図示しないが、水分透過性（多孔性）を有する中空糸膜が、複数本に束ねられた中空糸膜束を備える。各中空糸膜の内側と外側とに、酸化剤ガス供給路３６を流通する新たな空気（酸化剤ガス）と、酸化剤ガス排出路３８を流通する反応生成水を含む酸化剤オフガス（酸化剤ガス通路２８を流通した酸化剤ガス）とを流通させることにより、前記空気を加湿する。なお、加湿器４８は、多孔質膜やイオン交換膜の両面に、それぞれ新たな空気と酸化剤オフガスとを流通させて前記空気を加湿してもよい。

酸化剤ガス供給路３６と酸化剤ガス排出路３８とには、酸化剤オフガス還流路５０が連通する。酸化剤オフガス還流路５０は、酸化剤ガス供給路３６の分岐供給路４２より上流に連通し、第１の実施形態では、エアポンプ３４より上流に連通し、酸化剤ガス排出路３８に排出された酸化剤オフガスを、前記酸化剤ガス供給路３６の前記エアポンプ３４より上流に戻す。酸化剤オフガス還流路５０には、流量制御弁５２が配設される。流量制御弁５２は、開閉弁４６が閉じている際に、流量が零に設定されてもよく、常に、小流量を流していてもよい。

燃料電池１４は、燃料電池室５４に配設される。この燃料電池室５４は、例えば、燃料電池ボックス５６内に形成される。燃料電池ボックス５６内には、燃料電池１４、分岐供給路４２及び水素濃度を検出するための水素検出センサ５８が収容される。水素検出センサ５８は、燃料電池ボックス５６内の重力方向上方に設置される。燃料電池ボックス５６には、分岐供給路４２と反対側の壁面上方側に、排気口６０が形成される。分岐供給路４２は、排気口６０よりも重力方向下方に設定される。

燃料電池システム１０は、制御装置６２を備える。制御装置６２は、水素検出センサ５８により水素濃度が検出された際、開閉弁４６を開放させるとともに、流量制御弁５２の開度を調整することにより、エアポンプ３４から燃料電池室５４内に水分を含む酸化剤オフガスを供給する。

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、燃料電池システム１０が搭載されている燃料電池電気自動車（図示せず）の通常走行時には、図２に示すように、開閉弁４６が閉塞される。一方、エアポンプ３４、背圧弁４０及び流量制御弁５２は、車両からの要求負荷に基づき通常の制御が行われる。

このため、酸化剤ガス供給装置３２では、エアポンプ３４の駆動作用下に、酸化剤ガス供給路３６から燃料電池１４の酸化剤ガス通路２８に酸化剤ガス（空気）が供給される。一方、図示しない燃料ガス供給装置では、高圧水素タンク等から燃料電池１４の燃料ガス通路３０に燃料ガス（水素ガス）が供給される。

従って、各発電セル１２では、カソード側電極２４に供給される酸化剤ガス中の酸素と、アノード側電極２６に供給される燃料ガス中の水素とが、電気化学的に反応して発電が行われる。これにより、燃料電池１４から図示しない走行モータに電力が供給されて走行が行われる。

燃料電池１４から排出される酸化剤オフガスは、酸化剤ガス排出路３８から加湿器４８に供給される。このため、加湿器４８では、酸化剤ガス供給路３６を流通する新たな空気が、酸化剤ガス排出路３８を流通する酸化剤オフガスにより加湿及び加温される。酸化剤ガス排出路３８を流通する酸化剤オフガスは、一部が酸化剤オフガス還流路５０に供給されて酸化剤ガス供給路３６に、エアポンプ３４の入口側に対応して導入される。

一方、燃料ガスは、燃料電池１４から排出された後、再度、新たな燃料ガスに混合されて前記燃料電池１４に循環供給される。

制御装置６２では、水素検出センサ５８により燃料電池ボックス５６内の燃料電池室５４に水素濃度を検出している。

そこで、第１の実施形態では、所定値以上の水素濃度が検出されると、図１に示すように、開閉弁４６が開放される。所定値とは、水素による影響を回避することができる好ましい値（濃度）をいう。さらに、背圧弁４０は、通常よりも閉塞側に制御され、流量制御弁５２は、通常よりも開放側に制御され、エアポンプ３４は、通常よりも流量が増加されるように制御される。

従って、酸化剤ガス排出路３８に排出された酸化剤オフガスは、加湿器４８を通過した後、酸化剤オフガス還流路５０を通って酸化剤ガス供給路３６に、通常時よりも多量に供給される。なお、酸化剤オフガスは、燃料電池１４から排出された際には、多量の水分を含んでいるため、加湿器４８に通すことによって適量の水分量に調整することが好ましい。

水分を含んだ酸化剤オフガスは、エアポンプ３４に吸気されて酸化剤ガス供給路３６から分岐供給路４２に導入される。さらに、水分を含んだ酸化剤オフガスは、開口部４４から燃料電池室５４に吹き出される。これにより、燃料電池室５４に進入した水素は、酸化剤ガスにより排気口６０から室外に排出されて、燃料電池ボックス５６内の換気が行われる。

その際、燃料電池室５４には、水分を含んだ酸化剤オフガスが供給されており、前記燃料電池室５４内が低湿度になることを確実に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、燃料電池室５４内の換気を行うとともに、前記燃料電池室５４内に静電気が発生することを可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

図３には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム７０の概略構成図が示される。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム７０は、酸化剤オフガス還流路７２を備える。酸化剤オフガス還流路７２の一端（入口側）は、酸化剤ガス排出路３８に加湿器４８と背圧弁４０との間に位置して接続される。酸化剤オフガス還流路７２の他端（出口側）は、酸化剤ガス供給路３６にエアポンプ３４と分岐供給路４２との間に位置して接続される。酸化剤オフガス還流路７２には、流量制御弁５２が配設される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池１４から排出される酸化剤オフガスは、酸化剤ガス排出路３８から加湿器４８に供給された後、一部が酸化剤オフガス還流路７２に供給される。酸化剤オフガスは、酸化剤ガス供給路３６に、エアポンプ３４の下流側に位置して導入され、さらに分岐供給路４２に導入されて開口部４４から燃料電池室５４に吹き出される。

これにより、簡単な構成で、燃料電池室５４内の換気を行うとともに、前記燃料電池室５４内に静電気が発生することを可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図４には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成図が示される。

燃料電池システム８０は、酸化剤オフガス還流路８２を備える。酸化剤オフガス還流路８２の一端（入口側）は、酸化剤ガス排出路３８に加湿器４８の上流に位置して接続される。酸化剤オフガス還流路８２の他端（出口側）は、酸化剤ガス供給路３６にエアポンプ３４と分岐供給路４２との間に位置して接続される。酸化剤オフガス還流路８２には、流量制御弁５２が配設される。

このように構成される第３の実施形態では、燃料電池１４から排出される酸化剤オフガスは、一部が酸化剤ガス排出路３８から加湿器４８を迂回して酸化剤オフガス還流路８２に供給される。酸化剤オフガスは、酸化剤ガス供給路３６に、エアポンプ３４の下流側に位置して導入され、さらに分岐供給路４２に導入されて開口部４４から燃料電池室５４に吹き出される。

これにより、簡単な構成で、燃料電池室５４内の換気を行うとともに、前記燃料電池室５４内に静電気が発生することを可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。特に、酸化剤オフガス還流路８２は、加湿器４８の上流から分岐しているため、より多量の水分を含んだ酸化剤オフガスを供給することができる。

図５には、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成図が示される。

燃料電池システム９０は、酸化剤オフガス還流路９２を備える。酸化剤オフガス還流路９２の一端（入口側）は、酸化剤ガス排出路３８に加湿器４８の上流に位置して接続される。酸化剤オフガス還流路９２の他端（出口側）は、酸化剤ガス供給路３６にエアポンプ３４より上流に位置して接続される。酸化剤オフガス還流路９２には、流量制御弁５２が配設される。

このように構成される第４の実施形態では、燃料電池１４から排出される酸化剤オフガスは、一部が酸化剤ガス排出路３８から加湿器４８を迂回して酸化剤オフガス還流路９２に供給される。酸化剤オフガスは、酸化剤ガス供給路３６に、エアポンプ３４の上流側に位置して導入され、さらに前記エアポンプ３４の作用下に分岐供給路４２に導入されて開口部４４から燃料電池室５４に吹き出される。

これにより、簡単な構成で、燃料電池室５４内の換気を行うとともに、前記燃料電池室５４内に静電気が発生することを可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０、８０、９０…燃料電池システム
１２…発電セル １４…燃料電池
１６…電解質膜・電極構造体 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード側電極 ２６…アノード側電極
２８…酸化剤ガス通路 ３０…燃料ガス通路
３２…酸化剤ガス供給装置 ３４…エアポンプ
３６…酸化剤ガス供給路 ３８…酸化剤ガス排出路
４０…背圧弁 ４２…分岐供給路
４４…開口部 ４６…開閉弁
４８…加湿器
５０、７２、８２、９２…酸化剤オフガス還流路
５２…流量制御弁 ５４…燃料電池室
５６…燃料電池ボックス ５８…水素検出センサ
６２…制御装置

Claims (6)

1. 電解質膜の両側にカソード側電極及びアノード側電極が設けられた電解質膜・電極構造体を有する発電セルを備えるとともに、前記カソード側電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に連通し、流体圧機器から供給される前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス入口に導入する酸化剤ガス供給路と、
   前記酸化剤ガス供給路から分岐し、前記燃料電池が収容される燃料電池室内に開口する分岐供給路と、
   前記燃料電池から前記酸化剤ガスを酸化剤オフガスとして排出する酸化剤ガス排出路と、
   前記酸化剤ガス排出路と前記酸化剤ガス供給路の前記分岐供給路より上流とに両端が連通し、前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤オフガスを、前記酸化剤ガス供給路の前記分岐供給路より上流に戻す酸化剤オフガス還流路と、
   を備え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、前記分岐供給路に設けられる開閉弁と、
   前記酸化剤オフガス還流路に設けられる流量制御弁と、
   前記燃料電池室内の水素濃度を検出する水素濃度検出センサと、
   前記水素濃度が所定値以上であることが検出された際、前記開閉弁を開放させるとともに、前記流量制御弁の開度を調整することにより、前記流体圧機器から前記燃料電池室内に水分を含む前記酸化剤オフガスを供給する制御装置と、
   を備え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、前記酸化剤オフガス還流路は、前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤オフガスを、前記流体圧機器の上流で前記酸化剤ガス供給路に戻すことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤オフガス還流路は、前記酸化剤ガス排出路に排出された前記酸化剤オフガスを、前記流体圧機器の下流で前記酸化剤ガス供給路に戻すことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨って配設される加湿器を備え、
   前記加湿器は、前記酸化剤ガス供給路を流通する前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス排出路を流通する反応生成水を含んだ前記酸化剤オフガスにより加湿する一方、
   前記加湿器を通過した前記酸化剤オフガスは、前記酸化剤オフガス還流路に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨って配設される加湿器を備え、
   前記加湿器は、前記酸化剤ガス供給路を流通する前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス排出路を流通する前記酸化剤オフガスにより加湿する一方、
   前記加湿器に供給される前の前記酸化剤オフガスの一部は、前記加湿器を迂回して前記酸化剤オフガス還流路に供給されることを特徴とする燃料電池システム。

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