JP5665684B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード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、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード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、それぞれアノード電極及びカソード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。

燃料電池は、通常、一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間に、アノード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、カソード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４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がスーパーチャージャ７から燃料電池Ｖに供給されている空気を、排気配管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

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池ボックス換気装置により換気処理をしながら、燃料電池Ｖによる発電を継続する場合に、三方弁１では、発電側のエア流路、すなわち、前記燃料電池Ｖに供給されるエア流量が減少してしまう。

例えば、この種の三方弁１では、燃料電池Ｖと換気配管２とに分配されるエア流量が同量となり、燃料電池電気自動車の走行に影響を及ぼすおそれがある。

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、大型の三方弁を不要にするとともに、所望の運転状態を確保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電極及びアノード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、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード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、前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、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、コンプレッサと、前記コンプレッサと燃料電池の酸化剤ガス供給口とに接続され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、前記コンプレッサに酸化剤ガスを冷却風として供給する冷却路と、前記コンプレッサを冷却して該コンプレッサから排出された前記冷却風を、燃料電池ボックス内に換気用エアとして供給するための換気路とを備えている。

そして、酸化剤ガス供給路には、コンプレッサの下流にインタークーラが配設され、且つ前記インタークーラの下流に熱水交換式の加湿器が配置されるとともに、冷却路は、前記インタークーラと前記加湿器との間から分岐する。

さらにまた、この燃料電池システムでは、換気路は、換気エア流量を調整するための調整弁を設けることが好ましい。

本発明では、コンプレッサから酸化剤ガス供給路に吐出された酸化剤ガスの一部は、冷却路を通って前記コンプレッサに冷却風として供給された後、換気路を通って燃料電池ボックス内に換気用エアとして供給されている。

このため、通常、コンプレッサを冷却した後、大気に排出される使用後の冷却風を、さらに換気用エアとして有効利用することが可能になる。これにより、燃料電池システムの効率低下を可及的に抑制することができる。しかも、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができる。

本発明に関連する燃料電池システムの概略構成図である。 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。 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。 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、本発明に関連す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（図示せず）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が水平方向又は重力方向に積層（スタック）される燃料電池１４を備え、前記燃料電池１４は、燃料電池ボックス１５に収容される。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電極２４及びアノード電極２６とを備える。

カソード電極２４及びアノード電極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、エアポンプ３４を備える。エアポンプ３４は、例えば、リショルム式やタービン式等の内部部品、特に高速回転するエアベアリングを有するポンプが使用され、前記エアベアリングを含むモータ３６にコンプレッサ３８が一体化される。

エアポンプ３４には、酸化剤ガス供給路４０の一端が接続される。酸化剤ガス供給路４０の他端は、燃料電池１４に接続されて酸化剤ガス通路２８の入口（酸化剤ガス供給口）側に連通する。

燃料電池１４には、酸化剤ガス通路２８の出口側に連通して、酸化剤ガス排出路４２の一端が接続される。この酸化剤ガス排出路４２の他端は、加湿器４４に接続される一方、酸化剤ガス供給路４０は、前記加湿器４４に接続される。酸化剤ガス供給路４０を流通する酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路４２を流通する使用済みの高加湿及び高温の酸化剤排ガスとの間で水分及び熱交換を行う。

酸化剤ガス供給路４０の途上には、インタークーラ４６が配設されるとともに、前記インタークーラ４６の上流から冷却路４８が分岐する。この冷却路４８は、エアポンプ３４、より具体的には、前記エアポンプ３４を構成するモータ３６（及び図示しないベアリング）を冷却する冷却風の供給路である。

モータ３６には、エアポンプ３４（実質的には、モータ３６）を冷却して前記エアポンプ３４から排出された冷却風を、燃料電池ボックス１５内に換気用エアとして供給するための換気路５０が接続される。換気路５０は、燃料電池ボックス１５内の燃料電池室５２に開放される。

燃料電池１４は、燃料電池ボックス１５内に形成された燃料電池室５２に配設される。燃料電池ボックス１５内には、燃料電池１４及び水素濃度を検出するための水素検出センサ５４が収容される。水素検出センサ５４は、燃料電池室５２の上端部側に配置される。燃料電池ボックス１５には、壁面下方側に排気配管５６が接続される。

燃料電池システム１０は、制御部５８により運転制御される。なお、燃料電池１４には、図示しないが、燃料ガス供給装置及び冷却媒体供給装置が接続される。燃料ガス供給装置は、例えば、エゼクタ、水素循環ポンプ、減圧弁及び遮断弁等を備えており、燃料電池ボックス１５内に収容してもよい。

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、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４０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、カソード電極２４に供給される酸化剤ガス中の酸素と、アノード電極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。このため、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、燃料電池電気自動車の走行が行われる。

燃料電池１４から排出される酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路４２から加湿器４４に供給された後、外部に放出される。このため、酸化剤ガス供給路４０を流通する酸化剤ガスは、加湿及び加温された後、燃料電池１４に供給される。

この場合、酸化剤ガス供給装置３２において、エアポンプ３４から酸化剤ガス供給路４０に吐出された酸化剤ガスの一部が、冷却路４８を通って前記エアポンプ３４を構成するモータ３６内に導入される。このため、モータ３６は、冷却風により良好に冷却される一方、前記モータ３６から換気路５０には、使用済みの冷却風が換気用エアとして導出される。

この換気用エアは、換気路５０を流通して燃料電池ボックス１５の燃料電池室５２に供給される。従って、換気用エア及び残存水素は、排気配管５６を介して外部に排出され、燃料電池室５２内の水素濃度が低下する。

このように、エアポンプ３４から酸化剤ガス供給路４０に吐出された酸化剤ガスの一部は、冷却路４８を通って前記エアポンプ３４に冷却風として供給された後、換気路５０を通って燃料電池ボックス１５内に換気用エアとして供給されている。

このため、通常、エアポンプ３４（主にモータ３６）を冷却した後、大気に排出される使用後の冷却風を、さらに換気用エアとして有効利用することができ、燃料電池システム１０の効率低下を可及的に抑制することができる。しかも、大型の三方弁等を不要にすることが可能になり、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができるという効果が得られる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム７０の概略構成図である。なお、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。

燃料電池システム７０は、酸化剤ガス供給装置７２を備える。この酸化剤ガス供給装置７２は、酸化剤ガス供給路４０の途上に、インタークーラ４６の下流から、より具体的には、前記インタークーラ４６と加湿器４４との間から冷却路７４が分岐する。冷却路７４は、エアポンプ３４のモータ３６に冷却風を供給する。

このように構成される第１の実施形態では、エアポンプ３４から酸化剤ガス供給路４０に吐出された酸化剤ガスの一部が、インタークーラ４６により冷却された後、冷却路７４を通って前記エアポンプ３４を構成するモータ３６内に導入されている。

従って、モータ３６には、インタークーラ４６を通った比較的低温の冷却風が供給されるため、前記モータ３６を一層効率的に冷却することができるとともに、前記モータ３６から換気路５０には、使用済みの冷却風が換気用エアとして導出される。これにより、経済的且つ軽量な構成で、所望の運転状態を確保することができる等の効果が得られる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成図である。なお、燃料電池システム１０、７０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。

燃料電池システム８０は、酸化剤ガス供給装置８２を備える。この酸化剤ガス供給装置８２は、換気用エアの流量を調整又は遮断する弁８４を、換気路５０の途上に直列（又は並列）に配設する。

このため、第２の実施形態では、例えば、燃料電池ボックス１５内に必要な換気用エアの流量が少量でよい場合には、弁８４の開度を絞ることができる。一方、水素検出センサ５４が、燃料電池室５２に規定以上の水素濃度を検出した際には、弁８４の開度を開くことにより、大流量の換気用エアを前記燃料電池室５２に供給することが可能になる。

これにより、第２の実施形態では、上記の燃料電池システム１０、７０と同様の効果が得られるとともに、燃料電池ボックス１５に供給される換気用エアの流量を状況の変化に対応して緻密に調整することができるという利点がある。

１０、７０、８０…燃料電池システム １２…発電セル
１４…燃料電池 １５…燃料電池ボックス
１６…電解質膜・電極構造体 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…酸化剤ガス通路 ３０…燃料ガス通路
３２、７２、８２…酸化剤ガス供給装置
３４…エアポンプ ３６…モータ
３８…コンプレッサ ４０…酸化剤ガス供給路
４２…酸化剤ガス排出路 ４４…加湿器
４６…インタークーラ ４８、７４…冷却路
５０…換気路 ５２…燃料電池室
５４…水素検出センサ ５６…排気配管
５８…制御部 ８４…弁

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード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、前記カソード電極に供給される酸化剤ガス及び前記アノード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、
   前記燃料電池が収容される燃料電池ボックスと、
   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、コンプレッサと、
   前記コンプレッサと前記燃料電池の酸化剤ガス供給口とに接続され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、前記コンプレッサに前記酸化剤ガスを冷却風として供給する冷却路と、
   前記コンプレッサを冷却して該コンプレッサから排出された前記冷却風を、前記燃料電池ボックス内に換気用エアとして供給するための換気路と、
   を備え、
   前記酸化剤ガス供給路には、前記コンプレッサの下流にインタークーラが配設され、且つ前記インタークーラの下流に熱水交換式の加湿器が配置されるとともに、
   前記冷却路は、前記インタークーラと前記加湿器との間から分岐す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、前記換気路は、換気エア流量を調整するための調整弁を設けることを特徴とする燃料電池システム。

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