(57)【要約】【課題】混合比を調整途中の混合ガスが燃料電池で加熱されるのを防ぐ技術を提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システム１であって、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合する混合部３と、前記混合部３が混合した混合ガスが供給されると、該混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池２と、前記燃料電池２の反応熱が前記混合部３へ伝わるのを防ぐ断熱手段８と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを混合する混合部と、
前記混合部が混合した混合ガスが供給されると、該混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池と、
前記燃料電池の反応熱が前記混合部へ伝わるのを防ぐ断熱手段と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記断熱手段は、前記混合部の前記燃料ガスの温度が、該燃料ガスが発火しない所定温度になるように、前記燃料電池から前記混合部へ反応熱が伝わるのを防ぐ、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記混合部は、前記混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの反応による燃焼が生じない所定混合比になるように、該燃料ガスと該酸化剤ガスとを混合する、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定混合比は、前記酸化剤ガスに対する前記燃料ガスの比率が高いことにより、前記混合ガス中の該燃料ガスと該酸化剤ガスとの反応による燃焼が生じない混合比であり、
前記混合部は、前記燃料電池のオフガスから分離した未反応の燃料ガスを、前記酸化剤ガスと混合する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
運転効率および環境性に優れる電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発電する。近年では、機器構成を簡素化するため、酸化剤を含む空気に燃料ガスを混合した混合ガスで発電する燃料電池が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００６−１１４３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池は、電気化学反応に伴う反応熱で高温になる。このため、燃料電池へ供給される混合ガスは、反応熱で加熱される前に燃料ガスの混合比が充分に調整されている必要がある。本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、混合比を調整途中の混合ガスが燃料電池で加熱されるのを防ぐ技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池の反応熱が混合部へ伝わるのを防ぐ。
【０００５】
詳細には、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合する混合部と、前記混合部が混合した混合ガスが供給されると、該混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池と、前記燃料電池の反応熱が前記混合部へ伝わるのを防ぐ断熱手段と、を備える。
【０００６】
上記燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合した混合ガスで電気化学反応を起こし、発電する。燃料電池へ供される混合ガスは、燃料電池のアノード極の触媒で燃料ガスが、カソード極の触媒で酸化剤ガスが選択的に反応することにより、燃料電池における電気化学反応を実現する。
【０００７】
ここで、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合する場合、ガスの濃度が均一になるまでの間、ガスの濃度が不可避的にばらつく。上記燃料電池システムでは、混合部でガスを混合しているため、混合部内で混合ガスの濃度がばらついている。そこで、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の反応熱が混合部へ伝わるのを防ぐ断熱手段を備える。燃料電池の反応熱が断熱手段へ伝わらないように構成されることで、混合比が調整途中の段階にある混合ガスが、燃料電池の反応熱で加熱されるのを防ぐことができる。
【０００８】
また、前記断熱手段は、前記混合部の前記燃料ガスの温度が、該燃料ガスが発火しない所定温度になるように、前記燃料電池から前記混合部へ反応熱が伝わるのを防ぐものであってもよい。このように構成される燃料電池システムによれば、混合部内で燃料ガスが酸化剤ガスと反応することがなくなる。なお、所定温度とは、燃料ガスが自己発火しない温度であり、例えば、燃料ガスの発火点温度よりも低い温度である。
【０００９】
また、前記混合部は、前記混合ガス中の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの反応による燃焼が生じない所定混合比になるように、該燃料ガスと該酸化剤ガスとを混合するものであってもよい。このように構成される燃料電池システムによれば、燃料電池へ供給された混合ガス中の燃料ガスが酸化剤ガスと反応して燃焼することがない。なお、所定混合比と
は、混合ガス中に点火源があっても燃焼が起こらない混合比である。また、一般的に燃焼という場合、広義には燃料電池における電気化学反応のような現象も含み得るが、本願ではこのような電気化学反応による燃焼を除くものとする。
【００１０】
また、前記所定混合比は、前記酸化剤ガスに対する前記燃料ガスの比率が高いことにより、前記混合ガス中の該燃料ガスと該酸化剤ガスとの反応による燃焼が生じない混合比であり、前記混合部は、前記燃料電池のオフガスから分離した未反応の燃料ガスを、前記酸化剤ガスと混合するものであってもよい。
【００１１】
酸化剤ガスに対する燃料ガスの比率が高い場合、燃料電池から排気されるオフガスに多量の燃料ガスが含まれる。燃料ガスを電気化学反応で全て消費できるだけの酸化剤ガスが、燃料電池へ供給される混合ガスに元々含まれていないためである。燃料ガスの比率を高めることで、混合ガス中に点火源があっても燃焼が起こらないようにする場合、燃料電池のオフガス中に含まれる燃料ガスが多量に排気されてしまうため、上記燃料電池システムは、オフガスに含まれる未反応の燃料ガスを混合部が酸化剤ガスと再び混合する。これにより、燃料ガスの有効利用が図られる。
【発明の効果】
【００１２】
混合比を調整途中の混合ガスが燃料電池で加熱されるのを防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を例示的に説明する。以下に示す各実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１４】
＜第一実施形態＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２（本発明でいう、燃料電池に相当する）、燃料電池スタック２へ混合ガスを供給するための混合器３（本発明でいう、混合部に相当する）を備える。混合器３は、バルブ４を介して空気と燃料ガス（水素）とが混合された混合ガスを濃度が均一になるように混合し、燃料電池スタック２へ供給する。バルブ４は、空気圧縮機５から排気される空気へ、水素を貯蔵する水素貯蔵タンク６から供給される水素を混ぜる。空気には、燃料電池スタック２の電気化学反応で酸化剤ガスとして作用する酸素ガスが含まれている。
【００１５】
このように構成される燃料電池システム１では、水素と空気とが混合された混合ガスが燃料電池スタック２へ供給されることで電気化学反応が起こり、電力が生ずる。図２は、燃料電池スタック２の内部構造を示す概略構造図である。図２に示すように、燃料電池スタック２は、約８００℃にも達する電気化学反応の反応熱に耐えるセラミック系固体電解質と、セラミック系固体電解質の上に配置された燃料極および空気極とで構成される。燃料極および空気極は、触媒を担持した電極である。燃料極および空気極が配置された電解質の表面を混合ガスが通過すると次のような反応が生じる。
【００１６】
すなわち、電解質の表面を混合ガスが通過することにより、空気極では、触媒作用により、混合ガスに含まれる酸素から陰イオンが生成される。空気極で生成された陰イオンは、電解質を介して燃料極へ供される。また、燃料極では、触媒作用により、混合ガスに含まれる水素と、電解質を介して空気極から供される陰イオンとが反応する。これにより、負荷を介して電気的に接続される燃料極と空気極との間の回路に電子が流れ、負荷へ電力が供される。このように構成される単室型の燃料電池スタック２は、燃料極を通過するガスと空気極を通過するガスとを遮断したものと異なり、ガスを遮断するためのガスシールやセパレータが不要であるため、小型化や集積化に大変有利である。
【００１７】
なお、燃料電池システム１は、図１に示すように分離膜モジュール７を有する。分離膜モジュール７は、燃料電池スタック２から排気される未反応の混合ガスから水素を分離する装置である。分離膜モジュール７は、混合ガスから分離した水素をバルブ４へ流すことで、未反応の水素を燃料電池スタック２へ戻す。電気化学反応に必要な空気と水素の混合比は７：３であるため、燃料電池スタック２へ供給する混合ガス中の水素濃度を約３０％以下にすれば、混合ガス中の水素を燃料電池スタック２で全て電気化学反応させることにより、混合ガス中の水素を全て消費することが可能となる。従って、この場合、このような分離膜モジュール７は無用のものとなるが、後述するように本燃料電池システム１は、混合器３から燃料電池スタック２へ供される混合ガス中の水素濃度が７５ｖｏｌ％を上回るようにしている。よって、燃料電池スタック２の容量が極めて大きいものであったとしても、混合器３から供される混合ガス中の水素を完全に消費することは不可能となるため、本燃料電池システム１では、燃料電池スタック２のオフガス中に不可避的に含まれる未反応の水素を分離膜モジュール７が回収している。
【００１８】
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の熱が混合器３へ伝わるのを防ぐ断熱材８（本発明でいう、断熱手段に相当する）を備える。断熱材８の詳細については後述する。
【００１９】
以上のように構成される燃料電池システム１では、以下のように動作することで発電が行われる。すなわち、燃料電池システム１は、システムの動作電源が供給されると図示しない電子制御装置が空気圧縮機５を始動すると共に水素貯蔵タンク６の水素を流す。これにより、水素と空気との混合ガスが燃料電池スタック２を流れ、水素と酸素との電気化学反応によって発電が行われる。電気化学反応で発電する燃料電池スタック２は、構成材料等によって異なるものの、概ね以下のような性能である。
【００２０】
開放電圧：０．９Ｖ（１対の燃料極／空気極間）
ＩＶ性能：０．７Ｗ／ｃｍ2（ＩＶ：電流電圧）
発電温度：約８００℃
ところで、空気と混合された水素は、空気中の水素濃度が４〜７５ｖｏｌ％の場合に、空気中の酸素と結びついて燃焼可能となることが一般的に知られている。水素が自己発火する発火点温度は５７２℃（５７２℃未満が本発明でいう所定温度に相当する）であることから、上記燃料電池システム２では、燃料電池スタック２を通過する混合ガスの水素濃度が７５ｖｏｌ％を上回るように、バルブ４で合流される空気と水素との混合比が調整される。また、燃料電池スタック２を通過する混合ガスの濃度分布がばらつくことで、水素濃度が局部的に７５ｖｏｌ％以下となる領域が混合ガス中に発生しないようにするため、バルブ４で混ぜられたガスを混合器３が充分に混合する。燃料電池システム１は、このように構成されることで混合ガスの燃焼を防ぎ、燃料電池スタック２の構成を簡素化しながら混合ガスの電気化学反応を実現している。なお、混合ガス中の水素濃度が０ｖｏｌ％以上４ｖｏｌ％未満、及び７５ｖｏｌ％より高く１００ｖｏｌ％以下となるときの水素と空気の混合比が、本発明でいう所定混合比に相当する。
【００２１】
ところで、バルブ４で混合された混合ガスは、混合器３に至ることで攪拌等が施されている。これにより、燃料電池スタック２へ供される混合ガス中に、水素濃度が４ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下となる領域が発生しなくなる。しかし、バルブ４と混合器３との間を流れる混合ガス中には、水素濃度が７５ｖｏｌ％以下となる領域が存在し得る。よって、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の熱により、バルブ４と混合器３との間にある混合ガスが、水素が自己発火する発火点温度を超えないように、燃料電池スタック２の熱を遮っている。本実施形態に係る燃料電池システム１は、このように構成されることで混合器３における水素と空気との混合を容易にしている。
【００２２】
＜第二実施形態＞
以下、本発明の第二実施形態について説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１１の構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム１１と、上述した第一実施形態の燃料電池システム１との相違点は、分離膜モジュール７の有無にある。すなわち、上述した第一実施形態では、燃料電池スタック２へ供される混合ガス中の水素濃度が７５ｖｏｌ％を上回るように調整されていたため、燃料電池スタック２のオフガス中に含まれる未反応の水素を分離膜モジュール７が回収する構成となっていたが、本実施形態では、燃料電池スタック２へ供される混合ガス中の水素濃度が４ｖｏｌ％未満になるように調整することで分離膜モジュール７を省略している。以下、本実施形態に係る燃料電池システム１１について説明する。なお、上述した第一実施形態に係る燃料電池システム１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２３】
図３に示すように、燃料電池システム１１は、上記第一実施形態に係る燃料電池システム１と同様、燃料電池スタック２、混合器３、空気圧縮機５、及び水素貯蔵タンク６を備える。空気圧縮機５から排気される空気と、水素貯蔵タンク６から供給される水素とを混ぜるバルブ１４は、上述した第一実施形態に係るバルブ４と異なり、燃料電池スタック２へ供される混合ガス中の水素濃度が４ｖｏｌ％未満になるように空気と水素の混合比を調整している。
【００２４】
第一実施形態の説明で述べたように、電気化学反応に必要な空気と水素の混合比は７：３であるため、燃料電池スタック２へ供給する混合ガス中の水素濃度を約３０％以下にすれば、混合ガス中の水素を燃料電池スタック２で全て電気化学反応させることにより、混合ガス中の水素を全て消費することが可能となる。従って、燃料電池スタック２へ供される混合ガス中の水素濃度が４ｖｏｌ％未満になるように空気と水素の混合比を調整するバルブ１４を採用することにより、本実施形態に係る燃料電池システム１１では分離膜モジュール７を省略している。
【００２５】
以上のように構成される燃料電池システム１１では、燃料電池スタック２を通過する混合ガスの水素濃度が４ｖｏｌ％未満になるように、バルブ１４で合流される空気と水素との混合比が調整される。また、燃料電池スタック２を通過する混合ガスの濃度分布がばらつくことで、水素濃度が局部的に４ｖｏｌ％以上となる領域が混合ガス中に発生しないようにするため、バルブ１４で混ぜられたガスを混合器３が充分に混合する。よって、電気化学反応の熱によって約８００℃にも達する燃料電池スタック２を混合ガスが通過しても、混合ガスの燃焼が防止される。
【００２６】
その他、本実施形態に係る燃料電池システム１１の効果は第一実施形態に係る燃料電池システム１と同様である。例えば、バルブ１４と混合器３との間を流れる混合ガス中に４ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下となる領域が存在していても、断熱材８により、水素が自己発火する発火点温度を超えないように、燃料電池スタック２の熱が遮られている。本実施形態に係る燃料電池システム１１は、このように構成されることで混合器３における水素と空気との混合を容易にしている。
【００２７】
＜変形例１＞
以下、上述した第一実施形態の変形例について説明する。図４は、本変形例に係る燃料電池システム２１の構成図である。以下、第一実施形態の変形例として本変形例を説明するが、本変形例は第二実施形態についても適用可能である。
【００２８】
本変形例と第一実施形態との相違点は、断熱材８の有無にある。すなわち、上述した第一実施形態では、混合器３へ伝わる燃料電池スタック２からの熱を断熱材８で遮っていた
。本変形例では、燃料電池スタック２と混合器３とを離間させることで熱を遮る。また、混合器３と燃料電池スタック２とを繋ぐ配管を介して熱が伝達されるのを防ぐため、混合器３と燃料電池スタック２とを繋ぐ配管に放熱部２８を設ける。放熱部２８は、混合器３と燃料電池スタック２とを繋ぐ配管を蛇腹状に蛇行させたものであり、混合器３と燃料電池スタック２とを繋ぐ配管の長さを長くすることで、配管を介して伝わる燃料電池スタック２から混合器３への熱の伝達を防ぐ。
【００２９】
燃料電池スタック２と混合器３との間の間隔は、バルブ４と混合器３との間を流れる混合ガスの温度が水素の発火点温度を超えない程度に適宜調整する。放熱部２８についても同様である。
【００３０】
このように構成される燃料電池システム２１の効果は、第一実施形態や第二実施形態に係る燃料電池システムと同様である。例えば、バルブ１４と混合器３との間を流れる混合ガス中に４ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下となる領域が存在していても、放熱部２８等により、混合器３の温度が、水素が自己発火する発火点温度を超えないように、燃料電池スタック２の熱が遮られている。本実施形態に係る燃料電池システム１１は、このように構成されることで混合器３における水素と空気との混合を容易にしている。
【００３１】
＜変形例２＞
また、上記各燃料電池システムは、次のように変形しても良い。例えば、上記各燃料電池システムは、混合器を積極的に冷却するものであってもよい。混合器を冷却する手段としては、燃料電池スタックの冷却に用いられる冷却水、空気圧縮機が吸い込む空気、或いは水素貯蔵タンクから供される水素等を用いることが可能である。空気圧縮機が吸い込む空気を利用して混合器を冷やす場合の例を図５に示す。上記各燃料電池システムは、例えば、図５に示すように、空気圧縮機に吸い込まれる空気が混合器３やバルブ４の外側を通過するようにすることで、混合器３内のガスを冷却してもよい。これによれば、断熱材で混合器３等を充分に断熱できない場合であっても、これらを冷却することで燃料電池スタック２による加熱を抑えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第一実施形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図２】燃料電池スタックの構成図。
【図３】第二実施形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図４】変形例１に係る燃料電池システムの構成図。
【図５】変形例２に係る燃料電池システムの構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１，１１，２１，・・燃料電池システム
２・・・燃料電池スタック
３・・・混合器
５・・・空気圧縮機
８・・・断熱材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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