JP6483598B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、エアコンプレッサ及びタービンを介して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給す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を採用している。燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極が、前記電解質膜の他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持している。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより発電セルを構成している。通常、燃料電池では、発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車に搭載されている。

燃料電池では、例えば、燃料タンク（水素タンク）に貯留されている燃料ガス（水素ガス）をアノード電極に供給する一方、外部空気（酸化剤ガス）をコンプレッサ等によりカソード電極に供給するように構成されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置の出力調整装置では、燃料電池への空気供給導管に設けられる回転数の可変なコンプレッサ（圧縮機）と、空気排出導管に設けられるタービン（膨張機）とを有している。その際、コンプレッサ及びタービンは、共通な軸上に設けられている。

特開平７−１４５９９号公報

ところで、燃料電池から一部が消費されたエア（酸化剤ガス）を排出する酸化剤ガス排出配管には、圧力調整弁が設けられる場合がある。圧力調整弁は、弁開口面積を絞ることにより、燃料電池の内部圧力を保持するとともに、コンプレッサの圧縮比を上げて、前記燃料電池の出力を高める操作が行われている。

しかしながら、圧力調整弁のエア出口からタービンのエア入口の間では、エアが希薄となって負圧となるおそれがある。このため、タービンのエア入口側圧力は、前記タービンのエア出口側圧力よりも低圧となり、タービン前後圧力の関係が逆転するという問題がある。これにより、燃料電池のネット出力が低下し、システム効率の向上が図られないという問題がある。

本発明は、この種の課題を解決するものであり、燃料電池とタービンとの間に圧力調整弁が配置されるとともに、前記タービンが高回転で駆動される際、該タービンの上流側が負圧にな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。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス供給配管、酸化剤ガス排出配管、エアコンプレッサ、タービン及び圧力調整弁を備えている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電している。酸化剤ガス供給配管は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する一方、酸化剤ガス排出配管は、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出している。

タービンは、酸化剤ガス排出配管に配設されるとともに、エアコンプレッサと共通な軸上に設けられる一方、圧力調整弁は、前記酸化剤ガス排出配管に、燃料電池と前記タービンとの間に位置して配設されている。

そして、タービンと圧力調整弁との間には、外気に連通して外部エアを該タービンに導入する逆止弁が配設されている。

また、この燃料電池システムでは、逆止弁の外部エア導入側には、エアフィルタが配置される。

さらに、タービンを構成するハウジングは、前記タービンのエア吸入口を一体又は別体に設けるとともに、前記エア吸入口の壁面には、該エア吸入口の内部と外部とを連通する逆止弁が形成され、且つ、前記壁面には、前記逆止弁を覆ってエアフィルタが取り付けられる。

さらにまた、この燃料電池システムでは、逆止弁は、タービンのエア吸入口の中央水平線位置よりも下方に配置されることが好ましい。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環配管を備え、前記冷却媒体循環配管の一部は、逆止弁に直接又は該逆止弁に近接して設けられることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池とタービンとの間に圧力調整弁が配設されるとともに、前記タービンと前記圧力調整弁との間には、外気に連通して外部エアを該タービンに導入する逆止弁が配設されている。このため、燃料電池の高負荷発電時、タービンが高回転で駆動され、且つ、圧力調整弁の弁開口面積が絞られて、該タービンの上流側が負圧になる際、大気圧により逆止弁が外気に開放されるため、前記タービンの上流側に前記外気が導入されて前記タービンの上流側が大気圧まで昇圧される。

これにより、タービンが高回転で駆動される際にも、該タービンの上流側が負圧になることを可及的に抑制することが可能になり、タービン前後圧力の関係が逆転することによるシステム効率の低下を回避することができる。

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説明図である。 燃料電池出力とモータターボ回転数との関係説明図である。 燃料電池出力と圧力調整弁の弁開度との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成するタービンの概略説明図である。 前記タービンの、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する圧力調整弁の概略説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを構成する中間配管の概略説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記第５の実施形態に係る燃料電池システムを構成するタービンの要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１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電動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（燃料電池）１２が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１８とを備える。燃料電池システム１０は、さらに燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置２０を備える。

発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２を第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６で挟持して構成される。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。電解質膜・電極構造体２２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８には、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２との間に、アノード電極３０に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路３４を設ける。第２セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２との間に、カソード電極３２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３６を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路３８が設けられる。

燃料電池スタック１４を構成する一方のエンドプレート４０ａには、それぞれ発電セル１２の積層方向に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ及び冷却媒体入口連通孔４４ａが形成される。燃料電池スタック１４を構成する他方のエンドプレート４０ｂには、それぞれ発電セル１２の積層方向に個別に連通して、燃料ガス入口連通孔４６ａ、燃料ガス出口連通孔４６ｂ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂが形成される。

酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂは、酸化剤ガス流路３６に連通し、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を流通させる。冷却媒体入口連通孔４４ａ及び冷却媒体出口連通孔４４ｂは、冷却媒体流路３８に連通し、冷却媒体を流通させる。燃料ガス入口連通孔４６ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂは、燃料ガス流路３４に連通し、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を流通させる。

酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに連通する酸化剤ガス供給配管４８ａと、前記燃料電池スタック１４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに連通する酸化剤ガス排出配管４８ｂとを有する。酸化剤ガス供給配管４８ａの上流側には、エアコンプレッサ５０が配設される一方、酸化剤ガス排出配管４８ｂの下流側には、タービン５２が配設される。エアコンプレッサ５０とタービン５２とは、共通な軸５４上に設けられるとともに、前記軸５４には、モータ５６が連結され、モータターボが構成される。

酸化剤ガス供給配管４８ａ及び酸化剤ガス排出配管４８ｂには、エアコンプレッサ５０の下流側に位置して加湿器５８が配設される。なお、加湿器５８としては、供給する空気を加湿できればよく、構造は特に限定されない。酸化剤ガス排出配管４８ｂには、燃料電池スタック１４（及び加湿器５８）とタービン５２との間に位置して圧力調整弁６０が配設される。

酸化剤ガス排出配管４８ｂには、タービン５２と圧力調整弁６０との間に位置し、外気に連通して外部エアを該タービン５２に導入する逆止弁６２が配設される。逆止弁６２としては、例えば、アンブレラバルブが使用されるが、その他、種々の逆止弁（チェックバルブ）を採用することができる。逆止弁６２の外部エア導入側には、エアフィルタ６４が配置される。エアフィルタ６４は、外部から異物が進入することを阻止するものであればよく、種々のフィルタを用いることができる。

燃料ガス供給装置１８は、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４６ａに連通する燃料ガス供給配管６６ａと、前記燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔４６ｂに連通する燃料ガス排出配管６６ｂとを有する。燃料ガス供給配管６６ａの上流には、高圧水素を貯留する水素タンク６８が配置され、この水素タンク６８の下流には、封止弁７０及びエゼクタ７２が配設される。

エゼクタ７２と燃料ガス排出配管６６ｂの途上には、水素循環路７４が接続されるとともに、前記水素循環路７４には、水素循環用の水素ポンプ７６が配設される。燃料ガス排出配管６６ｂの下流には、排出される水素を空気により希釈する希釈器７８が配設される。

冷却媒体供給装置２０は、燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４４ａと冷却媒体出口連通孔４４ｂとに連通し、冷却媒体を循環供給する冷却媒体循環路８０を備える。冷却媒体循環路８０には、冷却媒体入口連通孔４４ａ側に近接して冷却ポンプ８２が配置されるとともに、冷却媒体出口連通孔４４ｂに近接してラジエータ８４が配置される。

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。

図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するモータ５６の回転作用下に、エアコンプレッサ５０を介して、酸化剤ガス供給配管４８ａに空気が送られる。この空気は、加湿器５８を通って加湿された後、燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。

一方、燃料ガス供給装置１８では、封止弁７０の開放作用下に、水素タンク６８から燃料ガス供給配管６６ａに水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔４６ａに供給される。

空気は、酸化剤ガス入口連通孔４２ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路３６に導入される。空気は、酸化剤ガス流路３６に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通孔４６ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。水素ガスは、燃料ガス流路３４に沿って移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３２に供給される空気中の酸素と、アノード電極３０に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置２０では、冷却ポンプ８２の作用下に、冷却媒体循環路８０から燃料電池スタック１４の冷却媒体入口連通孔４４ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って流動し、発電セル１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４４ｂから冷却媒体循環路８０に排出される。

次いで、カソード電極３２に供給されて一部が消費された空気は、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤ガス排出配管４８ｂに排出される。空気は、加湿器５８を通って酸化剤ガス供給配管４８ａから供給される新たな空気を加湿した後、圧力調整弁６０の設定圧力に調整された後、タービン５２に吸引される。タービン５２は、燃料電池スタック１４からの排気エネルギを電気回生し、前記燃料電池スタック１４のネット出力を向上させることができる。

同様に、アノード電極３０に供給されて一部が消費された水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４６ｂから燃料ガス排出配管６６ｂに排出される。水素ガスは、燃料ガス排出配管６６ｂから水素循環路７４に導入され、エゼクタ７２の吸引作用下に燃料ガス供給配管６６ａに循環される。燃料ガス排出配管６６ｂに排出された水素ガスは、必要に応じて、希釈器７８の作用下に外部に排出（パージ）される。

燃料電池システム１０では、燃料電池出力とモータターボ回転数とが、図２に示す関係を有している。具体的には、燃料電池スタック１４の高負荷時（高出力時）には、エアコンプレッサ５０及びタービン５２が高回転化される。

一方、燃料電池出力と圧力調整弁６０の弁開度とは、図３に示す関係を有している。すなわち、燃料電池スタック１４の高負荷時（高出力時）には、前記燃料電池スタック１４の内部圧力を保持するために、圧力調整弁６０の弁開度が絞られている。これにより、図１に示すように、酸化剤ガス排出配管４８ｂでは、圧力調整弁６０とタービン５２の入口側との間の空気が希薄となり、負圧が発生し易くなる。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４（及び加湿器５８）とタービン５２との間に、圧力調整弁６０が配設されるとともに、前記タービン５２と前記圧力調整弁６０との間には、逆止弁６２が配設されている。このため、燃料電池スタック１４の高負荷時に、圧力調整弁６０とタービン５２の入口側との間の圧力が低下すると、大気圧との圧力差により逆止弁６２が外気に開放される。従って、タービン５２の上流側に外気（外部エア）が導入され、圧力調整弁６０と前記タービン５２の入口側との間が大気圧まで昇圧される。

これにより、タービン５２が高回転で駆動される際にも、前記タービン５２の上流側が負圧になることを可及的に抑制することが可能になる。このため、タービン５２の上流側の圧力が、前記タービン５２の下流側の圧力よりも低圧になることを解消することができ、燃料電池スタック１４のネット出力が低下することを良好に阻止することが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、逆止弁６２の外部エア導入側には、エアフィルタ６４が配置されている。従って、外気は、一旦、エアフィルタ６４を通ることにより、前記外気に不純物が混在していても、前記不純物は、前記エアフィルタ６４で捕獲される。これにより、不純物によるタービン５２の不具合（回転不良や腐食等）を確実に防止することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成するタービン９０の概略説明図である。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。

タービン９０は、ハウジング９２を備え、前記ハウジング９２の外周端部には、エア吸入口９４ａが一体成形されるとともに、前記ハウジング９２の中央部には、エア排出口９４ｂが形成される。円筒状のエア吸入口９４ａの壁面９４ａｓには、前記エア吸入口９４ａの内部と外部とを連通する逆止弁６２が形成され、且つ、前記壁面９４ａｓには、前記逆止弁６２を覆ってエアフィルタ６４が取り付けられる。

図５に示すように、壁面９４ａｓには、エア吸入口９４ａの中央位置を通る中央水平線Ｈよりも下方に、例えば、下側半分の略１８０゜の範囲内に、逆止弁６２が取り付けられる。壁面９４ａｓには、厚さを薄くして孔部９６ａを有する座面９６が形成されるとともに、前記座面９６には、前記孔部９６ａを開閉自在に傘状弁体９８が装着される。

壁面９４ａｓには、逆止弁６２を覆ってエアフィルタ６４が配置される。エアフィルタ６４は、メッシュフィルタを構成するとともに、壁面９４ａｓに係合するノッチ１００を設ける。エアフィルタ６４は、プレート１０２に保持されるとともに、前記プレート１０２は、複数本のボルト１０４が壁面９４ａｓに設けられたねじ穴１０６に螺合されることにより、前記壁面９４ａｓに固定される。プレート１０２の中央には、外気を逆止弁６２に導入する開口部１０８が形成される。

このように構成される第２の実施形態では、逆止弁６２は、壁面９４ａｓに容易に取り付けることができる一方、エアフィルタ６４は、前記逆止弁６２の外方にノッチ１００を介して位置決めされている。このため、エアフィルタ６４の着脱作業は、簡単に遂行可能になる。

ところで、外気からの進入水は、逆止弁６２の傘状弁体９８に滞留し易い。その際、第２の実施形態では、逆止弁６２及びエアフィルタ６４は、壁面９４ａｓに対し、エア吸入口９４ａの中央位置を通る中央水平線Ｈよりも下方に取り付けられている。このため、逆止弁６２に滞留水が生成されることがなく、例えば、水の凍結により傘状弁体９８が動作不良を惹起することを回避することができる。しかも、エアフィルタ６４には、水の凍結による目詰まりが発生することがなく、外気の導通不良を阻止することが可能になる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムを構成する圧力調整弁１１０の概略説明図である。

圧力調整弁１１０は、ハウジング１１２を備え、前記ハウジング１１２内には、本体部（アクチュエータ）１１４が収容される。ハウジング１１２の一端には、入口配管部１１６が設けられるとともに、前記ハウジング１１２の他端には、出口配管部（エア吸入口）１１８が設けられる。出口配管部１１８の端面は、タービン５２のエア吸入側の端面に連結される。

出口配管部１１８は、円筒状を有し、壁面１１８ｓには、前記出口配管部１１８の内部と外部とを連通する逆止弁６２が形成され、且つ、前記壁面１１８ｓには、前記逆止弁６２を覆ってエアフィルタ６４が取り付けられる。なお、上記の取り付け構造は、第２の実施形態と同様であり、その詳細な説明は省略する。

このように構成される第３の実施形態では、逆止弁６２に滞留水が生成されることがなく、例えば、水の凍結により弁体が動作不良を惹起することを回避することができる等、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムを構成する中間配管１２０の概略説明図である。

中間配管１２０は、圧力調整弁６０とタービン５２とを連結する円筒状配管である。中間配管１２０の壁面１２０ｓには、前記中間配管１２０の内部と外部とを連通する逆止弁６２が形成され、且つ、前記壁面１２０ｓには、前記逆止弁６２を覆ってエアフィルタ６４が取り付けられる。なお、上記の取り付け構造は、第２の実施形態と同様であり、その詳細な説明は省略する。

このように構成される第４の実施形態では、逆止弁６２に滞留水が生成されることがなく、例えば、水の凍結により弁体が動作不良を惹起することを回避することができる等、上記の第２及び第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１３０は、タービン１３２を備えるとともに、冷却媒体供給装置２０を構成する冷却媒体循環路８０の一部流路８０ａは、逆止弁６２に直接又は前記逆止弁６２の傘状弁体９８に近接して設けられる。図９に示すように、タービン１３２は、第２の実施形態に係るタービン９０と同様に構成されており、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。

タービン１３２のエア吸入口９４ａには、壁面９４ａｓ内にパイプ鋳込みや中子による鋳抜き形状の一対の一部流路８０ａが形成される。一対の一部流路８０ａは、逆止弁６２の上下に配置される。逆止弁６２及びエアフィルタ６４は、搭載位置が限定されるものではなく、壁面９４ａｓのいずれの位置に設けてもよい。

このように構成される第５の実施形態では、燃料電池スタック１４から排出される比較的高温の冷却媒体が、一対の一部流路８０ａを流通することにより、逆止弁６２及びエアフィルタ６４を加温することができる。従って、例えば、滞留する水滴による凍結を解除することが可能になり、逆止弁６２の動作不良を確実に回避することができるという効果が得られる。

１０、１３０…燃料電池システム １２…発電セル
１４…燃料電池スタック １６…酸化剤ガス供給装置
１８…燃料ガス供給装置 ２０…冷却媒体供給装置
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…セパレータ
２８…固体高分子電解質膜 ３０…アノード電極
３２…カソード電極 ３４…燃料ガス流路
３６…酸化剤ガス流路 ３８…冷却媒体流路
４２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ４２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４４ａ…冷却媒体入口連通孔 ４４ｂ…冷却媒体出口連通孔
４６ａ…燃料ガス入口連通孔 ４６ｂ…燃料ガス出口連通孔
４８ａ…酸化剤ガス供給配管 ４８ｂ…酸化剤ガス排出配管
５０…エアコンプレッサ ５２、９０、１３２…タービン
５４…軸 ５６…モータ
６０、１１０…圧力調整弁 ６２…逆止弁
６４…エアフィルタ ６６ａ…燃料ガス供給配管
６６ｂ…燃料ガス排出配管 ６８…水素タンク
８０…冷却媒体循環路 ８０ａ…一部流路
９２、１１２…ハウジング ９４ａ…エア吸入口
９４ｂ…エア排出口 ９４ａｓ、１１８ｓ、１２０ｓ…壁面
１００…ノッチ １０２…プレート
１１８…出口配管部 １２０…中間配管

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、
   前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出配管と、
   前記酸化剤ガス供給配管に配設されるエアコンプレッサと、
   前記酸化剤ガス排出配管に配設されるとともに、前記エアコンプレッサと共通な軸上に設けられるタービンと、
   前記酸化剤ガス排出配管に、前記燃料電池と前記タービンとの間に位置して配設される圧力調整弁と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記タービンと前記圧力調整弁との間には、外気に連通して外部エアを該タービンに導入する逆止弁が配設され、
   前記逆止弁の外部エア導入側には、エアフィルタが配置され、
   前記タービンを構成するハウジングは、前記タービンのエア吸入口を一体又は別体に設けるとともに、
   前記エア吸入口の壁面には、該エア吸入口の内部と外部とを連通する前記逆止弁が形成され、且つ、前記壁面には、前記逆止弁を覆って前記エアフィルタが取り付けら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であって、前記逆止弁は、前記タービンの前記エア吸入口の中央水平線位置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。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池に冷却媒体を循環させる冷却媒体循環配管を備え、
   前記冷却媒体循環配管の一部は、前記逆止弁に直接又は該逆止弁に近接して設けられることを特徴とする燃料電池システム。

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