JP2010282783A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】膜の穴開き等の問題が電気化学的水素ポンプにて生じないように、かつ、不純物と共にシステム外に排出される水素量が十分に少なくなるように制御することが容易な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムを、第１電気化学的水素ポンプ２４の後段に、そのアノード側流路のアノード排ガス排出口近傍の部分まで水素が拡散するのに要する時間が第１電気化学的水素ポンプ２４よりも短い構成／構造を有する第２電気化学的水素ポンプ２５を備えたシステムとしておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料（アノードガス）として水素を使用する燃料電池システムの中には、燃料電池から排出されるアノード排ガスが、燃料電池のアノードガス供給口に戻されるものが存在している。そして、そのような燃料電池システムは、システム内を循環するアノードガス（アノード排ガス）中の不純物量が増えた場合に、アノード排ガス（窒素、ヘリウム等の不純物＋水素）をシステム外に排出できるものとなっているのであるが、燃費（水素の利用効率）を向上させるためには、システム外に不純物と共に排出される水素量は少ない方が良い。

そのため、電気化学的水素ポンプ（以下、単に、水素ポンプとも表記する）により水素を抽出してから（不純物濃度を高めてから）アノード排ガスをシステム外に排出する燃料電池システム（例えば、特許文献１参照。）が開発されている。

より具体的には、アノード排ガスの一部が水素ポンプのアノード排ガス導入口（アノード側のガス導入口）に供給されるように、水素ポンプ及びガス流路を設けた上で、水素ポンプのアノード排ガス排出口（アノード側のガス排出口）に開閉弁を設けた燃料電池システムであって、水素ポンプ及び開閉弁に対して、『開閉弁を閉じた状態で水素ポンプの電極間に所定電流を流し、水素ポンプの電極間の電圧が規定電圧となったときに開閉弁を開ける制御』が行われる燃料電池システム（以下、従来システムと表記する）が開発されている。

特開２００６−０１９１２４号公報 特開２００５−１６６５１５号公報

水素ポンプ（電気化学的水素ポンプ）は、水素欠となっている部分（水素がない／水素が不足している部分）がカソード側に存在している状況下、電極間に比較的に高い電圧を印可すると、当該部分で、膜の穴開き〔触媒層の腐食反応〕や水の電気分解が生じ得るデバイスである。

そのため、上記した従来システム内の水素ポンプも、膜の穴開き等の問題が生じないように制御する必要があるのであるが、アノード排ガス排出口を封止した状態（開閉弁を閉じた状態）で水素ポンプを使用する場合、水素ポンプのアノード側の各部の水素濃度は、アノードガス導入口からより離れた部分の水素濃度の方がより早く減少する。何故ならば、アノード排ガス排出口が封止されている場合、アノード側の各部分に、アノード排ガス導入口から当該部分までの距離分、水素が拡散により移動しないと、水素が補充されないことになるからである。

従って、アノード排ガス排出口を封止した状態で水素ポンプを使用し続けると、アノード排ガス導入口から最も離れた部分（アノード排ガス排出口に最も近い部分）が最初に水素欠状態となる。そして、水素欠状態となっている部分が現れると、水素欠状態とはなっ
ていない部分に電流が集中するため、ＩＲ損失分、印可電圧が増大する。また、水素欠状態となっている部分が現れた後にも水素ポンプを使用し続けた場合には、水素欠状態となっている部分が広がっていくことになる。

要するに、アノード排ガス排出口を封止した状態で水素ポンプを使用しつづけると、或る時点で（アノード排ガス導入口から最も離れた部分が水素欠状態となったときに）、水素ポンプに対する印可電圧が急激に上昇し始めるのであるが、印可電圧が急激に上昇し始めたときに開閉弁を開けるようにしたのでは、水素ポンプ内への水素の補充が間に合わず、高電圧が電極間に印可されて膜の穴開き等が生ずる可能性がある。

そのため、従来システムは、開閉弁を開ける印可電圧を、膜の穴開き等の問題が生じないことが確実な、比較的に低い電圧に設定したものとなっている。

そこで、本発明の課題は、電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、膜の穴開き等の問題が電気化学的水素ポンプにて生じないように、かつ、不純物と共にシステム外に排出される水素量が十分に少なくなるように制御することが容易な燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
水素がアノードガスとして供給される燃料電池と、
前記燃料電池より排出されるアノード排ガスからアノードガスとして再利用する水素を抽出するための第１の電気化学的水素ポンプであって、所定流量のガスをアノード側に流した場合に、平均流速Ｖ１のガスが、反応面上を平均距離Ｌ１移動した後、排出されることになる構成を有する第１の電気化学的水素ポンプと、
前記第１の電気化学的水素ポンプにより水素が抽出されたアノード排ガスからアノードガスとして再利用する水素を抽出するための第２の電気化学的水素ポンプであって、前記所定流量のガスをアノード側に流した場合に、前記平均流速Ｖ１よりも遅い平均流速Ｖ２のガスが、反応面上を、前記平均距離Ｌ１よりも短い平均距離Ｌ２移動した後、排出されることになる構成を有する第２の電気化学的水素ポンプと、
前記第２の電気化学的水素ポンプ内のアノード排ガスのシステム外への排出をＯＮ／ＯＦＦするための排出制御用開閉弁とを、備える。

すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料電池より排出されるアノード排ガス中の不純物濃度を第１の電気化学的水素ポンプによって限界まで上げておかなくても、第２の電気化学的水素ポンプによりシステム外に排出されるガス中の不純物濃度を上げられる構成を有している。しかも、本発明の燃料電池システムが備える第２の電気化学的水素ポンプは、第１の電気化学的水素ポンプよりも、ポンプ内（ポンプ内のアノード側）の各部に水素（アノード排ガス）が供給されやすいもの〔“前記所定流量のガスをカソード側に流した場合に、前記平均流速Ｖ１よりも遅い平均流速Ｖ２のガスが、反応面上を、前記Ｌ１よりも短い平均距離Ｌ２移動した後、排出されることになる構成”を有するが故に、ポンプ内の各部に短時間で水素が拡散するもの〕となっている。

そして、各部に水素が供給されやすい第２の電気化学的水素ポンプと、それに接続された排出制御用開閉弁とを、第２の電気化学的水素ポンプにて膜の穴開き等の問題が生ぜす、且つ、第１の電気化学的水素ポンプにて抽出しきれなかった量の水素が抽出されるように制御することは、容易なことである。従って、本発明の燃料電池システムは、膜の穴開き等の問題が電気化学的水素ポンプにて生じないように、かつ、不純物と共にシステム外に排出される水素量が十分に少なくなるように制御することが容易なシステムとなっていると言うことが出来る。

なお、本発明の燃料電池システムを実現するに際しては、第１の電気化学的水素ポンプにより水素が抽出されたアノード排ガスを第２の電気化学的水素ポンプに供給するための流路中に開閉弁を設けておくことも設けておかないことも出来る。また、排出制御用開閉弁と第２の電気化学的水素ポンプとの間に、幾つかの電気化学的水素ポンプをさらに設けておくことも出来る。

本発明によれば、電気化学的水素ポンプを備えた燃料電池システムであって、膜の穴開き等の問題が水素ポンプにて生じないように、かつ、不純物と共にシステム外に排出される水素量が十分に少なくなるように制御することが容易な燃料電池システムを提供できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 実施形態に係る燃料電池システムに用いられている各電気化学的水素ポンプの概略構成図である。 実施形態に係る燃料電池システムに用いられている２つの電気化学的水素ポンプの構成の違いを説明するための図である。 実施形態に係る燃料電池システムによる不純物濃縮動作の内容を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載するシステムとして開発したものである。図１に示してあるように、燃料電池システムは、燃料電池２０、水素タンク２１、機械式ポンプ２２、第１電気化学的水素ポンプ２４、第２電気化学的水素ポンプ２５等からなる発電部１２と、制御部１１とを、備えている。

まず、本燃料電池システムが備える発電部１２の構成を説明する。なお、以下の説明において、電気化学的水素ポンプ（第１電気化学的水素ポンプ２４又は第２電気化学的水素ポンプ２５）のアノード排ガス導入口、アノード排ガス排出口とは、図２に模式的に示してあるように、それぞれ、電気化学的水素ポンプのアノード側流路（アノード側のガス流路）と連通しているガス導入口、ガス排出口のことである。また、電気化学的水素ポンプの水素排出口（図示略）とは、電気化学的水素ポンプのカソード側流路（カソード側のガス流路）と連通しているガス排出口のことである。

発電部１２（図１）の構成要素である燃料電池２０は、複数の固体高分子型燃料電池セルをセパレータを介して積層した燃料電池である。

この燃料電池２０は、一般的な燃料電池（燃料電池スタック）と同様に、燃料電池２０へのアノードガスの供給口であるアノードガス供給口、燃料電池２０内を通過したアノードガス（以下、アノード排ガス表記する）の出口であるアノード排ガス出口、燃料電池２０へのカソードガス（本実施形態では、空気）の供給口であるカソードガス供給口（図示略）、燃料電池２０内を通過したカソードガスの出口であるカソード排ガス出口（図示略）を備えている。なお、図示は省略してあるが、発電部１２は、この燃料電池２０のカソードガス供給口及びカソード排ガス出口に接続されたカソードガス供給系（エアーコンプレッサ、加湿器等からなるもの）も備えたものとなっている。

水素タンク２１は、数十ＭＰａ程度の水素を貯蔵したタンクである。この水素タンク２１は、主止弁４１、減圧弁４２等が設けられているアノードガス通路３０によって、燃料電池２０のアノードガス供給口と接続されている。

燃料電池２０のアノード排ガス出口には、アノード排ガスから水分を分離するための気液分離器２３が接続されている。この気液分離器２３は、水分除去後のアノード排ガスの排出口を２つ備えている。そして、気液分離器２３の一方の排出口は、機械式ポンプ２２を備えたアノード排ガス循環路３２により、アノードガス通路３０と接続され、他方の排出口は、第１電気化学的水素ポンプ２４のアノード排ガス導入口とガス通路３３によって接続されている。

第１電気化学的水素ポンプ２４の水素排出口は、アノード排ガス循環路３２の途中（機械式ポンプ２２よりも上流側の部分）とガス通路３４によって接続されている。また、第１電気化学的水素ポンプ２４のアノード排ガス排出口は、開閉弁４４を備えたガス通路３５により、第２電気化学的水素ポンプ２５のアノード排ガス導入口と接続されている。

第２電気化学的水素ポンプ２５の水素排出口は、アノード排ガス循環路３２の途中（機械式ポンプ２２よりも上流側の部分）とガス通路３６によって接続されている。そして、第２電気化学的水素ポンプ２５のアノード排ガス排出口には、第２電気化学的水素ポンプ２５のアノード側流路内のガスをシステム外へ排出するためのガス通路が接続されており、当該ガス通路には、システム外へのガスの排出をＯＮ／ＯＦＦするための開閉弁４５が設けられている。

発電部１２は、以上、説明した構成を有するものであると共に、第１電気化学的水素ポンプ２４として、その構成／構造を特に工夫していない電気化学的水素ポンプ（閉止弁４４を閉じた状態で使用し続けると、アノード側流路のアノード排ガス排出口により近い部分の方がより早く水素欠となる電気化学的水素ポンプ）を採用したものとなっている。

さらに、発電部１２は、第２電気化学的水素ポンプ２５として、図３に示したような構成を有する電気化学的水素ポンプを採用したものとなっている。すなわち、発電部１２は、第２電気化学的水素ポンプ２５として、所定流量Ｖのガスをアノード側流路に流した場合における反応面（電解質膜のアノード側流路側の面）上のガスの平均流速Ｖ２が、同条件における第１電気化学的水素ポンプ２４の反応面上の平均流速Ｖ１よりも遅く、かつ、ポンプ内に入った後、ポンプ外に出るまでの間に反応面上を移動するガスの平均距離Ｌ２が、第１電気化学的水素ポンプ２４の平均距離Ｌ１よりも短い電気化学的水素ポンプを採用したものとなっている。

なお、本実施形態の燃料電池システムに実際に採用した第２電気化学的水素ポンプ２５は、アノード側流路の高さが、第１電気化学的水素ポンプ２４のそれと等しくなるように、かつ、アノード側流路の、ガスの流れ方向に垂直な方向の長さが、第１電気化学的水素ポンプ２４のそれよりも長くなるように、構成（製造）したものである。

次に、制御部１１の構成及び制御動作を説明する。

制御部１１（図１）は、発電部１２内の各部（機械式ポンプ２２、エアコンプレッサ、減圧弁４２、第１電気化学的水素ポンプ２４等）を統合的に制御するための、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるユニット（いわゆる電子制御ユニット）である。

この制御部１１が、第１、第２電気化学的水素ポンプ２４、２５、開閉弁４４、４５を除く各部に対して行う制御は、既存の制御部と本質的には同じものとなっている。このた
め、以下では、制御部１１の、第１電気化学的水素ポンプ２４等に対する制御内容のみを説明することにする。

制御部１１は、第１電気化学的水素ポンプ２４及び開閉弁４４に対しては、『開閉弁４４を閉じた状態で第１電気化学的水素ポンプ２４の電極間に予め定められている第１所定電流値の電流を流し、第１電気化学的水素ポンプ２４の電極間への印可電圧が、“印可電圧が急上昇することを考慮して定めた第１規定電圧”となったときに開閉弁４４を開ける制御』を行うように、プログラミングされている。

また、制御部１１は、第２電気化学的水素ポンプ２５及び開閉弁４５に対しても同様の制御を行うように、プログラミングされている。

ただし、制御部１１は、第２電気化学的水素ポンプ２５及び開閉弁４５に対しては、『開閉弁４５を閉じた状態で第２電気化学的水素ポンプ２５の電極間に予め定められている第２所定電流値の電流を流し、第２電気化学的水素ポンプ２５の電極間への印可電圧が、“アノード側流路内の水素濃度のみを考慮して（印可電圧が急上昇することを考慮せずに）定めた第２規定電圧”となったときに開閉弁４５を開ける制御』を行う装置となっている。

すなわち、上記したように、発電部１２が備える第１電気化学的水素ポンプ２４は、閉止弁４４を閉じた状態で使用し続けると、アノード側流路のアノード排ガス排出口により近い部分の方がより早く水素欠となるものとなっている。

そのため、例えば、第１電気化学的水素ポンプ２４のアノード側流路内の各部の水素濃度が図４（ａ）に示したものとなっている状態で開閉弁４４が閉じられた場合、図４（ｂ）に模式的に示したように、アノード側流路のアノード排ガス排出口により近い部分の方の水素濃度がより早く減少することになる。そして、その結果として、暫くすると、第１電気化学的水素ポンプ２４に対する印可電圧が急激に上昇し始めるのであるが、既に説明したように、印可電圧が急激に上昇し始めたときに開閉弁４４を開けたのでは、第１電気化学的水素ポンプ２４内への水素（アノード排ガス）の補充が間に合わない危険性がある。

従って、開閉弁４４を開ける電圧（第１規定電圧）は、印可電圧が急上昇することを考慮して定めざるを得ない。

一方、第２電気化学的水素ポンプ２５は、上記した構成（図３参照）から明らかなように、アノード側流路のアノード排ガス排出口近傍の部分まで水素が比較的に短時間で拡散し得るものとなっている。しかも、そのアノード側流路に供給されるガスが比較的に水素濃度が低いガス（第１電気化学的水素ポンプ２４によって既に水素が流出されているガス）であるが故に、第２電気化学的水素ポンプ２５は、水素の抽出速度が比較的に遅い（アノード側流路からカソード側流路への水素の単位時間当たりの移動量が比較的に少ない）状態で機能させれば良いものとなっている。

さて、アノード側流路のアノード排ガス排出口近傍の部分まで水素が比較的に短時間で拡散し得る第２電気化学的水素ポンプ２５を、水素の抽出速度が比較的に少ない状態で機能させた場合、図４（ａ′）、図４（ｂ′）に模式的に示したように、第２電気化学的水素ポンプ２５のアノード側流路の各所で水素濃度が一様に減少することになる。

そして、アノード側流路の各所で水素濃度が一様に減少する場合には、アノード側流路内の水素濃度のみを考慮して（印可電圧が急上昇することを考慮せずに）、開閉弁４５を
開けるタイミングを決定できる。このため、制御部１１として、第２電気化学的水素ポンプ２５及び開閉弁４５に対しては、『開閉弁４５を閉じた状態で第２電気化学的水素ポンプ２５の電極間に、予め定められている第２所定電流値の電流を流し、第２電気化学的水素ポンプ２５の電極間への印可電圧が、アノード側流路内の水素濃度のみを考慮して（印可電圧が急上昇することを考慮せずに）定めた第２規定電圧となったときに開閉弁４５を開ける制御』を行う装置を採用しているのである。

以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池２０より排出されるアノード排ガス中の不純物濃度を第１電気化学的水素ポンプ２４によって限界まで上げておかなくても、第２電気化学的水素ポンプ２５によって、システム外に排出されるガス中の不純物濃度を上げられる構成を有している。しかも、燃料電池システムに採用されている第２電気化学的水素ポンプ２５は、第１電気化学的水素ポンプ２４よりも、アノード側流路内の各部に水素（アノード排ガス）が供給されやすいもの（アノード側流路のアノード排ガス排出口近傍の部分まで水素が拡散するのに要する時間が、第１電気化学的水素ポンプ２４よりも短いもの）となっている。

そして、各部に水素が供給されやすい第２電気化学的水素ポンプ２５と、それに接続された開閉弁４５とを、第２電気化学的水素ポンプ２５にて膜の穴開き等の問題が生ぜす、且つ、第１電気化学的水素ポンプ２４にて抽出しきれなかった量の水素が抽出されるように制御することは、上記したように容易なことである。従って、この燃料電池システムの、電気化学的水素ポンプ２４、２５関連の構成（図１、図３参照）を採用しておけば、他の部分の構成として上記したものとは異なるものを採用した場合であっても、膜の穴開き等の問題が電気化学的水素ポンプにて生じないように、かつ、不純物と共にシステム外に排出される水素量が十分に少なくなるように制御することが容易な燃料電池システムを実現できることになる。

《変形形態》
上記した、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、各種の変形を行うことが出来る。例えば、実施形態の燃料電池システムのガス流路３５から開閉弁４４を取り除いておくことや、ガス流路３５から開閉弁４４を取り除くと共に、ガス流路３５として、ガスが少量しか流れないものを採用しておくことが出来る。

開閉弁４５と第２電気化学的水素ポンプ２５との間に、幾つかの電気化学的水素ポンプを追加することも出来る。また、第２電気化学的水素ポンプ２５として、“アノード側流路の高さをより高くすることにより、平均流速Ｖ２が第１電気化学的水素ポンプ２４の平均流速Ｖ１よりも遅くなるようにしたもの”を採用することも出来る。

１１・・・制御部
１２・・・発電部
２０・・・燃料電池
２１・・・水素タンク
２２・・・機械式ポンプ
２３・・・気液分離器
２４・・・第１電気化学的水素ポンプ
２５・・・第２電気化学的水素ポンプ
３０・・・アノードガス通路
３２・・・アノード排ガス循環路
３３、３４、３５、３６・・・ガス通路
４１・・・主止弁
４２・・・減圧弁
４４、４５・・・開閉弁

Claims (1)

1. 水素がアノードガスとして供給される燃料電池と、
   前記燃料電池より排出されるアノード排ガスからアノードガスとして再利用する水素を抽出するための第１の電気化学的水素ポンプであって、所定流量のガスをカソード側に流した場合に、平均流速Ｖ１のガスが、反応面上を平均距離Ｌ１移動した後、排出されることになる構成を有する第１の電気化学的水素ポンプと、
   前記第１の電気化学的水素ポンプにより水素が抽出されたアノード排ガスからアノードガスとして再利用する水素を抽出するための第２の電気化学的水素ポンプであって、前記所定流量のガスをカソード側に流した場合に、前記平均流速Ｖ１よりも遅い平均流速Ｖ２のガスが、反応面上を、前記平均距離Ｌ１よりも短い平均距離Ｌ２移動した後、排出されることになる構成を有する第２の電気化学的水素ポンプと、
   前記第２の電気化学的水素ポンプ内のアノード排ガスのシステム外への排出をＯＮ／ＯＦＦするための開閉弁と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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