JP5223469B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係るものである。詳しくは燃料電池から排出された燃料オフガスに含まれる発電に用いられなかった未反応の水素ガスを水素分離膜を有する気液分離器により分離して利用することができるとともに、気液分離器から排出される水素ガスの希釈のための専用の希釈器を不要にできる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、水素ガスが供給される燃料極及び空気が供給される酸化剤極とを備えた燃料電池により水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとを反応させて発電するようになっている。前記燃料電池の燃料極側から排出されるガスには、未反応の水素ガスも含まれるので、この水素ガスを有効利用するため、燃料極側の出口から燃料極側の入口にガスを循環させるガス循環手段が設けられている。このガス循環手段のガス循環配管の途中には分離容器の内部に水素分離膜を収容して構成された気液分離器が接続されている。そして、前記気液分離器の水素分離膜により水素ガスと、水素ガス以外の窒素ガス等の他のガス及び発電時に生じた浸透水とを分離し、水素ガスを燃料電池へ還流し、他のガス及び浸透水を定期的に外部に排出するようになっている。さらに、前記気液分離器により水素ガスを完全に分離回収することは困難であるため、気液分離器から排出される燃料オフガスを希釈器に導くようになっている。又、燃料電池の酸化剤極側の出口から排出される酸化オフガス及び発電時に生じた生成水を前記希釈器に導いて、燃料オフガスと酸化オフガスとを混合するようになっている。そして、混合された排出ガス中の水素ガスの濃度を安全な基準値以下にして大気中に放出するようになっている。（特許文献１及び特許文献２参照）
特開２００７−４２６０７号公報（図５には分離器１０と水素ガスの希釈機能を有する排ガスリザーブタンク６０が記載されている。） 特開２００８−１６２１７号公報（図１には気液分離装置Ｈ４２と、希釈器１０が記載されている。）

ところが、上記従来の燃料電池システムにおいては、気液分離器の他に希釈器が必要であるために、部品点数が多くなり、構造が複雑となって、製造及び組付作業が面倒で、設備コストを低減することができないばかりでなく、広い占有スペースが必要になるという問題があった。

又、燃料電池の燃料極から排出される燃料オフガスには浸透水が含まれている。その浸透水の中には燃料電池の燃料極、酸化剤極及び両極間に介在された電解質膜等からなる発電セルの前記電解質膜に塗布されたフッ素から遊離したフッ化物イオンが混入する。このため、水素分離膜にフッ化物イオンが付着して、分離膜を劣化するという問題がある。又、フッ化物イオンが水素分離膜を透過してガス循環配管を通して燃料電池の内部に侵入すると、燃料電池の発電セルに悪影響を及ぼし、燃料電池の耐久性が低下するという問題があった。

本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、部品点数を低減して、構造を簡素化し、製造及び組付作業を容易に行い、設備コスト及び占有スペースを低減することができる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の別の目的は、上記目的に加えて、燃料電池から排出される燃料オフガスに含まれるフッ化物イオンを除去して、水素分離膜及び燃料電池の耐久性を向上することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、水素ガスが供給される燃料極及び空気が供給される酸化剤極とを備え、水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極側の出口から排出される燃料オフガスを燃料極側の入口に循環させるガス循環手段と、前記ガス循環手段のガス循環配管の途中に接続され、かつ水素ガスと水素ガス以外の他のガス及び水とを分離する水素分離膜を収容した気液分離器とを備え、前記水素分離膜により分離された水素ガスを燃料電池へ還流し、他のガス及び水を外部に排出するように構成した燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の酸化剤極側の出口に接続された酸化オフガス配管を、前記燃料極側の出口と前記気液分離器との間の前記ガス循環配管に接続し、前記ガス循環配管と酸化オフガス配管の接続部と、気液分離器との間の前記ガス循環配管に圧力調整弁を設け、前記気液分離器の排出口側に開閉弁を設け、前記気液分離器の内部に水素の濃度を測定する水素濃度センサを設け、前記水素濃度センサの測定値に基づいて前記圧力調整弁及び開閉弁を制御する制御信号を出力する制御コントローラを設けたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記気液分離器の分離容器の上部には、燃料オフガスと酸化オフガスとが混合された混合オフガスの導入口が設けられ、分離容器の下部には水素ガスが分離された混合オフガス及び水の排出口が設けられ、前記分離容器の外周壁には水素分離膜によって分離された水素ガスの導出口が設けられていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記気液分離器の内部には、前記水素分離膜の上流側に位置するようにフッ化物イオンを除去するためのイオン交換樹脂が収容されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記気液分離器の内部には、前記水素分離膜の上流側に位置するように不純物を物理濾過するためのフィルタが収容されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項において、前記分離容器の下端部には、水を貯留するための貯水容器が連結され、該貯水容器の出口側に前記開閉弁が設けられていることを要旨とする。

（作用）
請求項１記載の発明は、燃料電池の酸化剤極に接続された酸化オフガス配管から酸化オフガスが燃料オフガスのガス循環配管に供給されて、燃料オフガスと酸化オフガスとが混合され、混合オフガスとなる。このため、水素ガスが酸化オフガスによって希釈される。その後、混合オフガスは気液分離器に導かれ、水素分離膜により水素ガスが分離され、分離された水素ガスはガス循環配管を通して燃料電池に還流される。このため、請求項１に記載の燃料電池システムは、気液分離器とは別に水素ガスの希釈器を設ける必要がなくなる。

また、気液分離器の水素分離膜を透過しないで、排出される混合オフガス中の水素ガスの濃度が水素濃度センサによって検出され、この濃度の測定値が制御コントローラによって判定される。この測定値が基準値以下の場合には、制御コントローラからの開放信号により開閉弁が開放され、気液分離器内の混合オフガスが大気に排出される。

他方、水素濃度センサの測定値が基準値以上の場合には、制御コントローラからの閉鎖信号により開閉弁が閉鎖され、かつ圧力調整弁の開度が大きくなり、気液分離器に供給される混合オフガスの量が増加し、気液分離器内の混合オフガスの圧力が上昇される。このため、水素分離膜の上流側のガスの圧力と下流側のガスの圧力との差が大きくなり、水素分離膜による水素ガスの分離能力が高められ、大気に排出される混合オフガス中の水素ガスの濃度が低下する。

請求項３に記載の発明は、気液分離器の内部にイオン交換樹脂を設けたので、燃料電池から排出される燃料オフガスに含まれるフッ化物イオンが除去される。このため、フッ化物イオンが水素分離膜に付着して、分離膜が劣化されるのが防止される。又、フッ化物イオンが水素分離膜を透過して燃料電池に侵入するのが防止され、発電セルのフッ化物イオンによる劣化が防止される。

請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明によれば、専用の希釈器が不要となるので、部品点数を低減して、構造を簡素化し、製造及び組付作業を容易に行い、設備コスト及び占有スペースを低減することができる。

請求項３〜５のいずれか一項に記載の発明によれば、フッ化物イオンが水素分離膜に付着したり、ガス循環配管から燃料電池に侵入したりするのを防止することができるので、水素分離膜及び燃料電池内の発電セルがフッ化物イオンによって劣化されることがなく、水素分離膜及び燃料電池の耐久性を向上することができる。

以下、本発明を具体化した燃料電池システムの一実施形態を図面にしたがって説明する。
この実施形態の燃料電池システムは、図３に示すように、燃料電池１１と、燃料ガス供給系１４と、酸化剤ガス供給系１９とを備えている。前記燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである酸素とを反応させることによって、発電を行うものであって、水素ガスが供給される燃料極１２と、酸素を含む空気が供給される酸化剤極１３とを備えている。これらの両極１２，１３は電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されている。燃料電池１１は複数の発電セルが多段階に積層されたスタック構造となっているが、図３では単一の発電セルのみを簡略化して表している。

前記燃料ガス供給系１４は、前記燃料電池１１の燃料極１２に供給する水素ガスを蓄えるための高圧の水素タンク１５と、水素ガスを前記燃料電池１１の燃料極１２内に供給するための水素ガス供給配管１６と、水素ガスに水蒸気を供給して加湿する加湿器１７と、水素ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁１８とによって構成されている。前記圧力調整弁１８は、開度が調整されることによって、水素タンク１５から燃料電池１１の燃料極１２側に供給される水素ガスの供給量を制御し、水素ガスの供給量を制御することにより、燃料電池１１の燃料極１２側の燃料ガスの圧力についても制御する構成となっている。

前記酸化剤ガス供給系１９は、図示しないモータにより駆動されるコンプレッサ２０と、コンプレッサ２０から空気を前記酸化剤極１３内に供給する空気供給配管２１と、該空気供給配管２１に接続され、かつ空気に水蒸気を供給して加湿する加湿器２２とにより構成されている。

前記燃料電池１１の燃料極１２側の出口と、前記加湿器１７の上流側の水素ガス供給配管１６との間には、ガス循環手段としてのガス循環配管２４を備えたガス循環系２３が接続されている。このガス循環配管２４の中間部には、後に詳述する気液分離器２５が接続されている。この気液分離器２５の下流側のガス循環配管２４には、燃料循環ポンプ２６が接続されている。前記気液分離器２５の上流側のガス循環配管２４にはガスの通路面積を無段階に調整することが可能な圧力調整弁２７が接続されている。前記燃料電池１１の酸化剤極１３側の出口には、酸化オフガスを排出する酸化オフガス配管２８の基端が接続され、該酸化オフガス配管２８の先端は、前記燃料極１２側の出口と圧力調整弁２７との間のガス循環配管２４に接続されている。ガス循環配管２４と酸化オフガス配管２８の接続部Ｐよりも上流側のガス循環配管２４には逆止弁２９が接続され、酸化オフガス配管２８から酸化オフガスが前記燃料電池１１側に逆流しないようにしている。

次に、前記気液分離器２５の構成を図１及び図２に基づいて説明する。
この気液分離器２５は、分離容器３１と、この分離容器３１の上端開口部に螺合固定された蓋体３２と、分離容器３１の下端筒部に螺合固定された連結具３３と、この連結具３３に螺合固定された貯水容器３４とを備えている。前記蓋体３２には、前記ガス循環配管２４を接続するためのボス部３２ａが形成されている。前記分離容器３１の外周壁には、前記ガス循環配管２４を接続するための筒部３１ａが形成されている。前記分離容器３１の内部には、例えば高分子系多孔質有機膜、パラジウム（Ｐｄ）系合金膜或いは多孔質無機膜等よりなる縦長円筒状をなす多数本の水素分離膜３５が上下方向を指向するように互いに平行に収容されている。各水素分離膜３５の上端部は、前記分離容器３１の内周面に水平に取り付けられた上部の遮蔽板３６の孔３６ａに貫通固定されている。水素分離膜３５の下端部は分離容器３１の内周面に水平に取り付けられた下部の遮蔽板３７の孔３７ａに貫通固定されている。前記水素分離膜３５は燃料オフガスと酸化オフガスとの混合オフガスに含まれる水素ガスのみを効率よく透過し、水素ガス以外の窒素ガス、酸素ガス等の他のガス及び水を透過させない機能を有している。

前記分離容器３１の遮蔽板３６よりも上方の上部空間には前記各水素分離膜３５の上流側に位置するように混合オフガスに含まれるフッ化物イオンを除去するためのイオン交換樹脂３８が収容されている。前記イオン交換樹脂３８の上面と、前記蓋体３２の裏面との間には、前記混合オフガスに含まれるフッ素樹脂の破片等の微細な不純物を物理濾過して除去するための例えばナイロン製のメッシュ、不織布或いは多孔質セラミックよりなるフィルタ３９が収容されている。前記フッ素樹脂の破片は前記発電セルに用いられ、その一部が何らかの原因によって破損されて、燃料オフガス及び酸化オフガスとともに気液分離器２５に流入したものである。

前記貯水容器３４の下端開口部には、水素ガスが分離された酸化オフガスを外部に排出するための排出口３４ａが設けられ、該排出口３４ａに接続された排出配管４０には、開閉弁４１が接続されている。

前記分離容器３１の前記遮蔽板３７よりも下方の下部空間には、分離容器３１において水素分離膜３５により水素ガスが分離処理された後の混合オフガスになお残留する微量の水素ガスの濃度を測定するための水素濃度センサ４２が設けられている。図３に示すように、前記圧力調整弁２７及び開閉弁４１は、前記水素濃度センサ４２によって検出された水素濃度の測定値に基づいてコンピュータを備えた制御コントローラ４３から出力される制御信号によって、動作が制御されるようになっている。

燃料電池１１には、図示しないが、燃料電池の稼働状態において、例えば、燃料電池１１の内部を冷却するための冷却手段、発電された直流電流を交流電流に変換する変換器（通常インバータ）及びその他の必要な機器が備えられている。

次に、前記のように構成した燃料電池システムの動作について説明する。
図３において、燃料電池システムが起動されると、制御コントローラ４３からの制御信号によって、前記圧力調整弁２７が所定の開度に調整されるとともに、開閉弁４１が閉鎖された状態で、水素タンク１５から水素ガスが水素ガス供給配管１６を介して加湿器１７に供給され、該加湿器１７によって加湿された水素ガスが燃料電池１１の燃料極１２側に供給される。又、酸化剤ガス供給系１９のコンプレッサ２０によって、空気（大気）が空気供給配管２１を介して加湿器２２に供給され、該加湿器２２によって加湿された空気が燃料電池１１の酸化剤極１３側に供給される。そして、燃料極１２内にスタックされた発電セルによって水素ガスと空気中に含まれる酸素ガスとが反応して直流電流の発電が行われる。発電された直流電流は、図示しない変換器によって、直流電流から交流電流に変換され、例えば、自動車や家屋の空調装置に用いられる。

燃料電池１１による発電中は、燃料電池１１の酸化剤極１３側の出口から前記ガス循環配管２４に水素ガス、窒素ガス及び浸透水を含んだ燃料オフガスが排出されるとともに、酸化剤極１３側の出口から酸素ガス、窒素ガス及び生成水を含んだ酸化オフガスが酸化オフガス配管２８に排出され、該酸化オフガス配管２８からガス循環配管２４に供給される。そして、前記ガス循環配管２４と酸化オフガス配管２８の接続部Ｐよりも下流側のガス循環配管２４内において、燃料オフガスと酸化オフガスとが混合されて混合オフガスとなって、図１に示す前記気液分離器２５の内部に供給される。

図１に示す気液分離器２５の分離容器３１に供給された混合オフガスは、最初にフィルタ３９を透過する。この際、フィルタ３９によって混合オフガス中に含まれる例えば燃料電池１１の内部で発電セルの電解質膜の表面から剥離されたフッ素樹脂等の破片が捕捉されて除去される。

その後、混合オフガスは、イオン交換樹脂３８を通過して水素分離膜３５へ流れる。前記燃料循環ポンプ２６によってガス循環配管２４を通して、分離容器３１の内部から混合オフガスが外部に吸引される状態となっているので、分離容器３１内に吸引された混合オフガス中に含まれるフッ化物イオンがイオン交換樹脂３８によって捕捉されて除去される。又、水素分離膜３５の内部通路３５ａの混合オフガス中の水素ガスが水素分離膜３５を透過して、ガス循環配管２４に導かれ、前記水素ガス供給配管１６に供給されて発電に供される。

水素分離膜３５の内部通路３５ａの水素ガスが分離された混合オフガスには、浸透水及び生成水が含まれるので、この水は分離容器３１の下部空間を通って貯水容器３４の内部に貯留される。

ところで、燃料電池の運転中は、前記水素濃度センサ４２によって分離容器３１内の水素ガスの濃度が常時測定される。この水素濃度センサ４２の測定値が設定値を超えた場合には、前記制御コントローラ４３からの制御信号によって、前記開閉弁４１が閉鎖された状態のままで、前記圧力調整弁２７の開度が増大される。このため、水素分離膜３５の内部に多量の混合オフガスが供給されて、分離容器３１内における水素分離膜３５よりも上流側の空間のガス圧力が増大され、水素分離膜３５による水素ガスの分離能力が高められ、混合オフガス中に含まれる水素ガスの濃度が容易に低減され、結果的に水素ガスが基準値以下の濃度に希釈される。

前記水素濃度センサ４２の水素濃度の測定値が設定値以下になると、制御コントローラ４３から前記開閉弁４１に開放信号が出力されて、開閉弁４１が開放されるので、貯水容器３４内の水が外部に排出されるとともに、水素濃度の排出基準を満たす混合オフガスが大気中に排出される。又、制御コントローラ４３から圧力調整弁２７に制御信号が送られて、その開度が元の開度に低減され、分離容器３１へ供給されるオフガスの圧力が低減される。

上記実施形態の燃料電池システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記ガス循環系２３を構成するガス循環配管２４に前記燃料電池１１の酸化剤極１３側の出口から外部に排出される酸化オフガスを供給して、燃料オフガスと混合するようにしたので、燃料オフガス中の水素ガスを酸化オフガスによって希釈することができる。このため、専用の希釈器を設ける必要がなく、部品点数を低減して、構造を簡素化することができるとともに、製造及び組付作業を容易に行い、設備コスト及び占有スペースを低減することができる。

（２）上記実施形態では、水素濃度センサ４２の測定値が設定値以下の場合には、前記制御コントローラ４３からの制御信号により前記開閉弁４１を開放して、混合オフガスを外部に排出するようにした。このため、環境基準を満たした混合オフガスを大気に排出することができる。

（３）上記実施形態では、前記分離容器３１の下端部に貯水容器３４を連結したので、各水素分離膜３５の内部通路３５ａから下方に滴下された浸透水及び生成水を貯留することができる。そして、貯留された水により分離容器３１及び貯水容器３４内のガス雰囲気下の容積を低減することができるので、気液分離器２５内の狭い空間に混合オフガスを供給することになり、気液分離器２５内の混合オフガスの圧力をより高くすることができ、水素分離膜３５による水素ガスの分離機能を向上することができる。

（４）上記実施形態では、前記ガス循環配管２４に逆止弁２９を設けたので、酸化オフガス配管２８から酸化オフガスが燃料電池１１側に逆流することを防止することができ、発電効率の低下を防止することができる。

（５）上記実施形態では、気液分離器２５の内部にイオン交換樹脂３８を設けたので、燃料電池１１から排出される燃料オフガスに含まれるフッ化物イオンを除去することができる。このため、フッ化物イオンが水素分離膜３５に付着することを防止して、分離機能が低下することを防止できる。又、フッ化物イオンが水素分離膜３５に付着されないので、分離膜３５が劣化されるのを防止でき、水素分離膜３５の耐久性を向上することができる。又、フッ化物イオンがガス循環配管２４から燃料電池１１に侵入するのを防止することができ、燃料電池１１内の発電セルがフッ化物イオンによって発電性能が阻害されるのを防止することができる。

（６）上記実施形態では、前記イオン交換樹脂３８の上面と、前記蓋体３２の裏面との間に混合オフガスに含まれるフッ素樹脂の破片を除去するためのフィルタ３９を設けた。このため、破片等の不純物がイオン交換樹脂３８に付着したり、水素分離膜３５に付着したりすることを防止して、それらの機能を適正に維持することができる。

なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
・図示しないが、前記ガス循環配管２４と酸化オフガス配管２８の接続部Ｐに燃料オフガスと酸化オフガスとを混合する混合室を有する容器を設けてもよい。

・図１に示す連結具３３及び貯水容器３４を省略してもよい。この場合には、気液分離器２５を小型化することができる。
・フィルタ３９を省略したり、イオン交換樹脂３８を省略したりしてもよい。

・前記燃料循環ポンプ２６を省略してもよい。

この発明の燃料電池システムの気液分離器を具体化した１実施形態を示す縦断面図。 図１の１−１線断面図。 燃料電池システム全体を示す略体回路図。

符号の説明

Ｐ…接続部、１１…燃料電池、１２…燃料極、１３…酸化剤極、１８，２７…圧力調整弁、２４…ガス循環配管、２５…気液分離器、２８…酸化オフガス配管、３１…分離容器、３４…貯水容器、３４ａ…排出口、３５…水素分離膜、３８…イオン交換樹脂、３９…フィルタ、４１…開閉弁、４２…水素濃度センサ、４３…制御コントローラ。

Claims (5)

1. 水素ガスが供給される燃料極及び空気が供給される酸化剤極とを備え、水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極側の出口から排出される燃料オフガスを燃料極側の入口に循環させるガス循環手段と、
   前記ガス循環手段のガス循環配管の途中に接続され、かつ水素ガスと水素ガス以外の他のガス及び水とを分離する水素分離膜を収容した気液分離器とを備え、
   前記水素分離膜により分離された水素ガスを燃料電池へ還流し、他のガス及び水を外部に排出するように構成した燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の酸化剤極側の出口に接続された酸化オフガス配管を、前記燃料極側の出口と前記気液分離器との間の前記ガス循環配管に接続し、
   前記ガス循環配管と酸化オフガス配管の接続部と、気液分離器との間の前記ガス循環配管に圧力調整弁を設け、
   前記気液分離器の排出口側に開閉弁を設け、
   前記気液分離器の内部に水素の濃度を測定する水素濃度センサを設け、
   前記水素濃度センサの測定値に基づいて前記圧力調整弁及び開閉弁を制御する制御信号を出力する制御コントローラを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記気液分離器の分離容器の上部には、燃料オフガスと酸化オフガスとが混合された混合オフガスの導入口が設けられ、分離容器の下部には水素ガスが分離された混合オフガス及び水の排出口が設けられ、前記分離容器の外周壁には水素分離膜によって分離された水素ガスの導出口が設けられてい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において、前記気液分離器の内部には、前記水素分離膜の上流側に位置するようにフッ化物イオンを除去するためのイオン交換樹脂が収容されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記気液分離器の内部には、前記水素分離膜の上流側に位置するように不純物を物理濾過するためのフィルタが収容されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２〜４のいずれか一項において、前記分離容器の下端部には、水を貯留するための貯水容器が連結され、該貯水容器の出口側に前記開閉弁が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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