(57)【要約】【課題】アノード循環系からのガスリークを抑制すると共に、タービン駆動のためにエアコンプレッサに余分な負荷を掛けないように構成することが可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】この燃料電池システムＦＣＳは、燃料流路を通過したアノードオフガスを燃料流路に還流させるためのコンプレッサ５２と、コンプレッサ５２を回転駆動するためのタービン５１と、燃料流路を通過したアノードオフガスをコンプレッサ５２側とタービン５１側とに分ける分割手段と、を備え、タービン５１は、分割手段によってタービン５１側に分けられたアノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスが当てられることで駆動され、タービン５１が収められているタービン室の圧力が、コンプレッサ５２が収められているコンプレッサ室の圧力よりも高くなるように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
2010186696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びこのアノードに対向する燃料流路と、カソード及びこのカソードに対向する酸化剤流路と、を有するセルを複数備える燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムであって、
前記燃料流路を通過したアノードオフガスを前記燃料流路に還流させるためのコンプレッサと、前記コンプレッサを回転駆動するためのタービンと、前記燃料流路を通過したアノードオフガスを前記コンプレッサ側と前記タービン側とに分ける分割手段と、を備え、
前記タービンは、前記分割手段によって前記タービン側に分けられたアノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスが当てられることで駆動され、
前記タービンが収められているタービン室の圧力が、前記コンプレッサが収められているコンプレッサ室の圧力よりも高くなるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノード及びこのアノードに対向する燃料流路とカソード及びこのカソードに対向する酸化剤流路とを有するセルを複数備える燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池システムとして、燃料電池セルスタックから排出されたアノードオフガス（水素オフガス）をアノードに還流させて再使用する構成が知られている。例えば、下記特許文献１には、カソードオフガス（酸素オフガス）を作動媒体として利用してタービンを駆動し、このタービンの動力を水素循環用のコンプレッサに伝達することによって、アノードオフガスをアノードに還流させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１２９３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の技術では、カソードオフガスがタービン側に、アノードオフガスがコンプレッサ側に、それぞれ存在するため、コンプレッサ軸シール部を介したガス系のリークが発生する。具体的には、アノード循環系へカソードオフガスとしてのエアが混入してセル内で燃焼してしまったり、アノード循環系からタービン側へとアノードオフガスとしての水素が漏れ出していまい効率が低下してしまったりといった現象が生じ、更にはコンプレッサ内で水素が燃焼してしまうような現象も生じる。これらの現象を抑制するためには、コンプレッサ軸シール部のシール構造をより機密性の高いものにすることも考えられるが、これらのガスの漏出を完全に抑えるようにシールする構造は現実的には困難である。更に上述した従来の技術では、カソード側のタービンが圧力損失部分となるため、エアコンプレッサの吐出圧力を高める必要があり、エアコンプレッサの効率悪化を招く恐れがある。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アノード循環系からのガスリークを抑制すると共に、タービン駆動のためにエアコンプレッサに余分な負荷を掛けないように構成することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、アノード及びこのアノードに対向する燃料流路と、カソード及びこのカソードに対向する酸化剤流路と、を有するセルを複数備える燃料電池セルスタックを含む燃料電池システムであって、前記燃料流路を通過したアノードオフガスを前記燃料流路に還流させるためのコンプレッサと、前記コンプレッサを回転駆動するためのタービンと、前記燃料流路を通過したアノードオフガスを前記コンプレッサ側と前記タービン側とに分ける分割手段と、を備え、前記タービンは、前記分割手段によって前記タービン側に分けられたアノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスが当てられることで駆動され、前記タービンが収められているタービン室の圧力が、前記コンプレッサが収められているコンプレッサ室の圧力よりも高くなるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、タービンの動力源としてアノードオフガスの一部を燃焼させた燃焼排ガスを用いているので、タービン室における酸素濃度は燃焼によって低下し、コンプレッサ室内及びアノード循環系において水素と酸素との遭遇確率を低下させることができる。また、アノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスを用いることで、水素燃焼によるアノードオフガスの体積膨張を利用することになり、排出水素を用いた高効率のシステム構築が可能となる。更にその燃焼によって、排気水素量が低減されるため、従来排気水素濃度低減のために供給していた希釈用のエアが不要となって効率が向上する。更にその燃焼によって、タービン室の圧力が上昇するので、タービン室の圧力がコンプレッサ室の圧力よりも高まり、コンプレッサ室からタービン室へのガスリークを抑制できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アノード循環系からのガスリークを抑制すると共に、タービン駆動のためにエアコンプレッサに余分な負荷を掛けないように構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す循環ポンプの構成を示す図である。
【図３】図１に示す燃焼室へのガス供給の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態である燃料電池システムＦＣＳの構成図である。燃料電池システムＦＣＳは反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池セルスタック２０を備えている。燃料電池セルスタック２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜の両面にアノード極とカソード極をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。膜・電極接合体の両面はリブ付セパレータによって挟まれており、このセパレータとアノード極及びカソード極との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルを形成している。
【００１２】
アノード極では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極では（２）式の還元反応が生じる。燃料電池セルスタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。燃料電池セルスタック２０が発電した電力は電力負荷９０に供給される。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ…（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ…（３）
【００１３】
燃料電池システムＦＣＳの燃料ガス供給系統にはアノードガスチャンネルに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネルから排出されるアノードオフガスを燃料ガス流路４１に還流させるための水素オフガス循環流路４２が配管されている。燃料ガス流路４１には水素供給装置８１からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁Ａ４と、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータＡ５が配設されている。
【００１４】
水素オフガス循環流路４２には気液分離機６０（分割手段）が配設されており、気液分離機６０には、液体成分を排出する液体排出流路４５と、気体成分を燃焼室８２へと分離供給する気体分離供給流路４４とが繋がれている。液体排出流路４５には気体排出弁Ａ３が設けられており、気液分離機６０からの液体の排出を制御している。気体分離供給流路４４には水素排気弁Ａ２と逆止弁Ａ７とが配設されている。水素排気弁Ａ２は、気液分離機６０で分離された気体成分を燃焼室８２へどれくらい供給するかを制御している。
【００１５】
気液分離機６０よりも下流の水素オフガス循環流路４２には、循環ポンプ５０が配設されており、アノードガスチャンネルを通過する際に圧力損失を受けて低圧までに降圧されたアノードオフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧し、燃料ガス流路４１に還流させている。循環ポンプ５０は、燃焼室８２において燃焼するアノードオフガスの圧力エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン５１と、水素オフガス循環流路４２を流れるアノードオフガスを圧縮するコンプレッサ５２と、タービン５１の動力をコンプレッサ５２に伝達する動力伝達機構５３を備えている。
【００１６】
動力伝達機構５３としては、タービン５１の駆動軸（ドライブ側）と、コンプレッサ５２の被駆動軸（ドリブン側）を同軸に構成して動力伝達効率を高めるのが望ましい。燃焼室８２と循環ポンプ５０とは圧力伝達流路３３を介して繋がれており、燃焼室８２において燃焼するアノードオフガスの燃焼排ガスを循環ポンプ５０のタービン５１へ当ててタービン５１を駆動している。タービン５１を駆動した燃焼排ガスは、排ガス排出流路３４を経由して排出される。
【００１７】
ここで、循環ポンプ５０の詳細な構成を図２に示す。図２に示すように、圧力伝達流路３３と排ガス排出流路３４とは、バイパス流路３３ａを介して繋がっている。圧力伝達流路３３にバイパス流路３３ａが繋がっている部分よりも上流側には圧力センサＰ１が、排ガス排出流路３４にバイパス流路３３ａが繋がっている部分よりも下流側には圧力センサＰ２が、それぞれ設けられている。更に、圧力伝達流路３３からバイパス流路３３ａへと繋がる部分には、開閉弁３３ｂが設けられている。開閉弁３３ｂはアクチュエータ３３ｃによって開閉駆動される。
【００１８】
このような構成によって、圧力伝達流路３３の圧力が高まり過ぎてしまった場合などには、開閉弁３３ｂを開いて燃料排ガスをタービン５１に当てずに排出することができる。また、動力伝達機構５３には回転数検出センサＲ１が設けられているので、動力伝達機構５３の動作状態を加味して開閉弁３３ｂを制御することができる。より具体的には、後述する制御部７０において必要な水素循環量を算出し、タービンの回転数を制御することで適切な水素循環を行うことができる。
【００１９】
図１に戻り、燃料電池システムＦＣＳの酸化ガス供給系統にはカソードガスチャンネルに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３１と、カソードガスチャンネルから排出されるカソードオフガスを排気するための酸素オフガス流路３５が配管されている。酸化ガス流路３１には大気から取り込んだエアに含まれる粉塵等を濾過するためのエアフィルタ（図に明示しない）と、モータＭによって駆動されるエアコンプレッサ８３とが配設されている。酸化ガス流路３１には、燃焼室８２へと酸素を送り込むための酸素供給流路３２が分岐排泄されている。酸素供給流路３２には流量制御弁Ａ１と逆止弁Ａ６とが配設されている。
【００２０】
制御部７０は、温度センサ（図に明示しない）、圧力センサＰ１，Ｐ２、電流センサ（図に明示しない）、回転数検出センサＲ１等から出力されるセンサ信号が入力されるとともに、運転状態に応じて流量制御弁Ａ１、水素排気弁Ａ２、気体排出弁Ａ３、遮断弁Ａ４、モータＭ等を制御するための制御信号を出力し、システム全体を制御する。
【００２１】
上述した本実施形態では、燃焼室８２に水素を供給する気体分離供給流路４４に水素排気弁Ａ２と逆止弁Ａ７とを配設し、燃焼室８２に酸素を供給する酸素供給流路３２に流量制御弁Ａ１と逆止弁Ａ６とを配設したけれども、これらのガス供給構造をバルブ化することで、逆止弁Ａ６，Ａ７を省略した構造とすることができる。
【００２２】
逆止弁Ａ６，Ａ７を省略した構造の一例を図３に示す。図３に示すように、燃焼室８２ａと気体分離供給流路４４との接続部分にはバルブ８２ｂが設けられ、燃焼室８２ａと酸素供給流路３２との接続部分にはバルブ８２ｃが設けられている。このような構成にすると、着火プラグ８２ｄによって水素が燃焼して燃焼室８２ａの内圧が上昇し、バルブ８２ｂ及びバルブ８２ｃが燃焼室８２ａの壁面に押し付けられて逆流を防ぐように作用する。
【００２３】
上述した本実施形態によれば、タービン５１の動力源としてアノードオフガスの一部を燃焼させた燃焼排ガスを用いているので、タービン室における酸素濃度は燃焼によって低下し、コンプレッサ室内及びアノード循環系において水素と酸素との遭遇確率を低下させることができる。また、アノードオフガスを燃焼させた燃焼排ガスを用いることで、水素燃焼によるアノードオフガスの体積膨張を利用することになり、排出水素を用いた高効率のシステム構築が可能となる。更にその燃焼によって、排気水素量が低減されるため、従来排気水素濃度低減のために供給していた希釈用のエアが不要となって効率が向上する。更にその燃焼によって、タービン室の圧力が上昇するので、タービン室の圧力がコンプレッサ室の圧力よりも高まり、コンプレッサ室からタービン室へのガスリークを抑制できる。
【００２４】
また、制御部７０を備えることによって、燃焼室８２に対する水素供給及び酸素供給を制御し、着火タイミングを制御することができる。更には、必要な水素循環量を算出し、タービン５１の回転数を制御することで適切な水素循環を行うことができる。
【符号の説明】
【００２５】
２０：燃料電池セルスタック
３１：酸化ガス流路
３２：酸素供給流路
３３：圧力伝達流路
３３ａ：バイパス流路
３３ｂ：開閉弁
３３ｃ：アクチュエータ
３４：排ガス排出流路
３５：酸素オフガス流路
４１：燃料ガス流路
４２：水素オフガス循環流路
４４：気体分離供給流路
４５：液体排出流路
５０：循環ポンプ
５１：タービン
５２：コンプレッサ
５３：動力伝達機構
６０：気液分離機
７０：制御部
８１：水素供給装置
８２：燃焼室
８２ａ：燃焼室
８２ｂ：バルブ
８２ｃ：バルブ
８２ｄ：着火プラグ
８３：エアコンプレッサ
９０：電力負荷
Ａ１：流量制御弁
Ａ２：水素排気弁
Ａ３：気体排出弁
Ａ４：遮断弁
Ａ５：レギュレータ
Ａ６：逆止弁
Ａ６，Ａ７：逆止弁
ＦＣＳ：燃料電池システム
Ｍ：モータ
Ｐ１，Ｐ２：圧力センサ
Ｒ１：回転数検出センサ
【図１】
2010186696.tif 000003
【図２】
2010186696.tif 000004
【図３】
2010186696.tif 000005