JP2007128802A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でアノードオフガス中に含まれる水素を確実に処理すること。
【解決手段】アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池１２と、カソードに送られるカソードガスを加湿する加湿器３２と、アノードから排出されたアノードオフガスを加湿器３２に送るアノードオフガス流路２４と、加湿器３２に設けられ、アノードオフガス中の残留水素を燃焼させる触媒３６と、を備える。加湿器３２においてアノードオフガス中の残留水素を燃焼させることができるため、残留水素を処理するための希釈器、燃焼器などの装置が不要となり、簡素なシステムで残留水素を処理することが可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池で安定的に発電を行うためには、アノードから窒素、水分等の不純物を適宜排出する必要がある。しかしながら、アノードから排出されたアノードガス中には未反応の水素が含まれているため、水素の低濃度化処理を行うために希釈器、コンバスター（触媒燃焼器）などの大掛かりな装置が必要となる。このため、システムの複雑化、大型化、高コスト化を招来するとともに、これらの装置にガスを供給するために動力損失、騒音等が生じるという問題がある。

一方、特開２００４−３１９３１８号公報には、燃料電池のアノードオフガスを燃料電池内に供給してカソード触媒で燃焼させる方法が開示されている。また、特開２００５−１７４７５７号公報には、カソード極の入口側に設けた希釈器にアノードオフガスを供給することで、アノードオフガスの濃度を低減する方法が開示されている。

特開２００４−３１９３１８号公報 特開２００５−１７４７５７号公報 特開平９−３１２１６７号公報 特開平１１−１８５７８２号公報 特開平１１−１８５７８３号公報 特開平８−１３８７０５号公報 特開２０００−３１５５１６号公報

しかしながら、特開２００４−３１９３１８号公報に記載された方法では、アノードオフガスを燃料電池のカソード触媒で燃焼させるため、カソード触媒が高温状態となり、電解質膜（ＭＥＡ等）を含む燃料電池の内部構成が劣化する虞がある。また、特開２００５−１７４７５７号公報に記載された方法では、カソード極の入口側に新たに希釈器を設ける必要があるため、カソードガスの流路の構成が複雑になり、製造コストが増大するという問題が生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、簡素な構成でアノードオフガス中に含まれる水素を確実に処理することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、前記カソードに送られる前記カソードガスを加湿する加湿手段と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記加湿手段に送るアノードオフガス供給手段と、前記加湿手段に設けられ、前記アノードオフガス中の残留水素を燃焼させる燃焼手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記カソードから排出されたカソードオフガスを前記加湿手段に送るカソードオフガス供給手段を備え、前記加湿手段は、前記カソードオフガス中の水分を透過させて前記カソードガスに送る水蒸気透過膜を有し、前記燃焼手段は前記水蒸気透過膜に担持された触媒であり、前記加湿手段の内部において、前記アノードオフガスと前記カソードガスが同じ経路を流れることを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記加湿手段の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記加湿手段への前記アノードオフガスの供給量を制御する制御手段と、を更に備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、加湿手段においてアノードオフガス中の残留水素を燃焼させることができるため、残留水素を処理するための希釈器、燃焼器などの装置が不要となる。従って、簡素なシステムで残留水素を処理することが可能となり、システムを小型化することが可能となる。また、残留水素を処理するためのコンプレッサー等の駆動源が不要となるため、システム効率を高めることができる。更に、残留水素は燃料電池の外部で燃焼するため、燃焼による影響が燃料電池へ及ぶことを抑止できる。

第２の発明によれば、水蒸気透過膜に残留水素を燃焼させるための触媒を担持し、加湿手段の内部において、アノードオフガスをカソードガスと同じ経路に流すことで、アノードオフガス中の残留水素を触媒と接触させることができる。これにより、触媒の作用によって残留水素を燃焼させることが可能となる。また、燃焼で生成された水分によってカソードガスを加湿することができるため、加湿手段の加湿機能を向上させることができる。

第３の発明によれば、温度検出手段によって検出された温度に基づいて、加湿手段へのアノードオフガスの供給量を制御するため、過熱によって加湿手段が劣化してしまうことを確実に抑止できる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。本実施形態において、燃料電池（ＦＣ）１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であり、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。アノードガス流路１４には、アノードガスの圧力を調整する調圧弁１６が設けられている。

また、カソードガス流路１６はエアフィルタ２０及びポンプ２２と接続されており、ポンプ２２の駆動により、エアフィルタ２２から取り込まれた空気（カソードガス）がカソードへ送られる。

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソードは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。

燃料電池１２には、アノードオフガス流路２４およびカソードオフガス流路２８が接続されている。アノードで反応した後のガスは、アノードオフガスとして、アノードオフガス流路２４から排出される。アノードオフガス流路２４には、アノードオフガスの流量を制御するアノードパージ弁２６が設けられている。アノードパージ弁２６は、供給エア流量、電気負荷、スロットル開度などの運転条件に応じて制御される。アノードオフガス流路２４は、加湿器３２の上流において、カソードガス流路１６と接続されている。

一方、カソードで反応した後のガスは、カソードオフガスとして、カソードオフガス流路２８から排出される。カソードオフガス流路２８には、カソードオフガスの圧力を調整する調圧弁３０が設けられている。

カソードガス流路１６は、ポンプ２２の下流で加湿器３２へ導入されている。また、カソードオフガス流路２８は、調圧弁３０の下流で加湿器３２へ導入されている。上述したように、カソードオフガス中には燃料電池１２内で生成された水分が含まれている。加湿器３２は、カソードオフガス中に含まれる水分を吸収してカソードガスに送る機能を有している。これにより、カソードガスを十分に加湿することができ、燃料電池１２の反応効率を高めることが可能となる。

図２は、加湿器３２の内部構造を説明するための模式図である。ここで、図２（Ａ）は、加湿器３２の内部構造の全体を示す斜視図である。図２（Ａ）に示すように、加湿器３２には、中空状の管状部材（中空糸）３４が複数個、同じ方向に配置されている。管状部材３４は、ポリイミド等の水蒸気透過膜から構成されている。管状部材３４の内部の空間はカソードオフガス流路２８と接続されており、管状部材３４の内部にはカソードオフガスが流れるように構成されている。

一方、管状部材３４の外部の空間、すなわち隣接する管状部材３４の間の空間はカソードガス流路１６と接続されている。上述したように加湿器３２の上流でカソードガス流路１６はアノードオフガス流路２４と接続されている。このため、管状部材３４の外側にはカソードガスとアノードオフガスとが混合した状態で流れる。

図２（Ｂ）は、１つの管状部材３４の長手方向に沿った断面を示している。また、図２（Ｃ）は図２（Ｂ）の矢印Ｘ方向から管状部材３４を見た状態を示している。

図２（Ｂ）に示すように、管状部材３４の内部にはカソードオフガス(Wet Gas)が流れる。一方、管状部材３４の外側には、カソードオフガスの流れ方向と反対向きにカソードガスおよびアノードガスが(Dry Gas)が流れる。このような構成によれば、カソードオフガスに含まれる水分（水蒸気）が蒸気拡散するため、水蒸気が管状部材３４を透過して管状部材３４の外側に送られる。従って、カソードオフガス中の水分によってカソードガスが加湿することができる。加湿されたカソードガスは燃料電池１２のカソードに送られる。

図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、管状部材３４には、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属が触媒３６として担持されている。触媒３６は、アノードオフガス中の水素を酸化させる機能を有しており、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、主として管状部材３４の外側の表面近傍に担持されている。

アノードオフガス中には、燃料電池１２内で反応しなかった未反応の水素（残留水素）が含まれている。以上のような構成によれば、燃料電池１２から排出されたアノードオフガスは、カソードガスとともに加湿器３２内へ送られる。そして、管状部材３４の外側にアノードオフガスおよびカソードガスが流れると、管状部材３４の表面近傍に担持された触媒３６の作用により、アノードオフガスに含まれる未反応の水素とカソードガス中の酸素とが反応し、水が生成される。

従って、加湿器３２の内部でアノードオフガス中の残留水素を処理することができ、残留水素を処理するための特別な処理器（希釈器、燃焼器等）の構成が不要となる。これにより、希釈器、燃焼器等に空気を送るコンプレッサー等の装置が不要となり、燃料電池システム１０を簡素に構成することが可能となり、システムの効率を高めることが可能となる。

また、水素の燃焼により生成された水分は、管状部材３４の外側を流れるカソードガス中に含まれることとなるため、カソードガスを加湿することができる。従って、カソードオフガス中に含まれる水分と、水素の燃焼による水分の双方をカソードガスの加湿に利用することができ、加湿器３２の加湿性能を向上することが可能となる。

図３は、加湿器３２の構成の他の例を示す模式図である。図３において、ガスの流れ方向は紙面と垂直方向である。図３の例では、カソードガスおよびアノードオフガス(Dry Gas)が流れる領域と、カソードオフガス(Wet Gas)が流れる領域とを蛇腹状（プリーツ状）の樹脂部材３８で仕切っている。樹脂部材３８は、管状部材３４と同様にポリイミド等の水蒸気透過膜から構成されている。そして、樹脂部材３８のアノードオフガスが流れる側の表面近傍には触媒３６が担持されている。図３の構成においても、カソードオフガス中に含まれる水分は蒸気拡散により樹脂部材３８を透過し、カソードガス側へ送られる。また、アノードオフガス中の水素は、触媒３６の作用によりカソードガス中の酸素と反応し、水が生成される。従って、カソードガスを加湿するとともに、アノードオフガス中の残留水素を処理することができる。また、図３の例では、樹脂部材３８を蛇腹状に形成することで、樹脂部材３８の表面積を拡大することができ、加湿機能、水素処理機能を向上させることができる。

以上説明したように実施の形態１によれば、アノードオフガス中に含まれる残留水素を加湿器３２内で燃焼させることができる。従って、希釈器、燃焼器等を設けることなく、アノードオフガス中に含まれる水素を処理することができ、システムを簡素に構成することが可能となる。また、残留水素の燃焼により生じた水分を用いてカソードガスを加湿できるため、加湿器３２の加湿機能を向上することが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に係る燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。実施の形態２は、加湿器３２内で水素を燃焼させた場合に、燃焼量を最適に制御することで、管状部材３４、または樹脂部材３８の劣化を抑えるとともに、これらの部材に担持された触媒３６のシンタリングを抑えるものである。

図４に示すように、加湿器３２には温度センサ４２が設けられている。温度センサ４２は加湿器３２内に担持された触媒３６の近傍に配置され、触媒３６の近傍の温度を検出する機能を有している。温度センサ４２の検出値は制御部４０へ送られる。制御部４０は、温度センサ４２の検出値に基づいてアノードパージ弁２６の開度を制御する。

このように構成された実施の形態２のシステムでは、温度センサ４２によって検出された触媒３６の近傍の温度が所定のしきい値を超えた場合は、アノードオフガス流路２４に設けられたアノードパージ弁２６の開度を減少させる制御を行う。これにより、加湿器３２に送られるアノードオフガス量を減少させることができ、加湿器３２内における水素の燃焼を抑えることができる。

触媒３６の担体である管状部材３４、樹脂部材３８をポリイミド等の樹脂で構成した場合、耐熱温度は１５０℃〜１６０℃程度であるため、温度センサ４２の検出値がこの温度に達する以前にアノードパージ弁２６の開度を減少させる制御を行うことが好適である。

これにより、加湿器３２内の管状部材３４、樹脂部材３８が残留水素が燃焼する際の燃焼熱で劣化してしまうことを抑えることができ、また、これらの部材に担持された触媒３６がシンタリングにより劣化してしまうことを抑えることができる。

以上説明したように実施の形態２によれば、温度センサ４２の検出値に基づいて、加湿器３２へ送られるアノードオフガス量を制御するようにしたため、加湿器３２が過熱して触媒３６、またはその担体である管状部材３４、樹脂部材３８が劣化してしまうことを抑止できる。従って、システムの信頼性を高めることが可能となる。

なお、本発明は上記の構成に限定されるものではなく、アノードオフガスを再度アノードに送るアノード循環系に適用することも可能である。この場合、循環系からのガスの排出経路を加湿器３２に導入することで、アノードオフガスを加湿器３２へ送ることができ、アノードオフガス中に含まれる残留水素を加湿器３２内で燃焼させることができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 加湿器の内部構造を説明するための模式図である。 加湿器の構成の他の例を示す模式図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
３２ 加湿器
２４ アノードオフガス流路
３６ 触媒

Claims (3)

1. アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
   前記カソードに送られる前記カソードガスを加湿する加湿手段と、
   前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記加湿手段に送るアノードオフガス供給手段と、
   前記加湿手段に設けられ、前記アノードオフガス中の残留水素を燃焼させる燃焼手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソードから排出されたカソードオフガスを前記加湿手段に送るカソードオフガス供給手段を備え、
   前記加湿手段は、前記カソードオフガス中の水分を透過させて前記カソードガスに送る水蒸気透過膜を有し、
   前記燃焼手段は前記水蒸気透過膜に担持された触媒であり、
   前記加湿手段の内部において、前記アノードオフガスと前記カソードガスが同じ経路を流れることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記加湿手段の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記加湿手段への前記アノードオフガスの供給量を制御する制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。

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