説明

燃料電池システム

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2003−132916号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【発明の効果】
【0018】
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。
【0019】
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。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】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。
【図2】前記燃料電池システムの動作説明図である。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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。
【図6】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。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【符号の説明】
【0055】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2013−8664(P2013−8664A)
【公開日】平成25年1月10日(2013.1.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−91520(P2012−91520)
【出願日】平成24年4月13日(2012.4.13)
【出願人】(000005326)本田技研工業株式会社 (23,863)
【Fターム(参考)】