(57)【要約】【課題】循環路を有する燃料電池システムにおいて、制御弁への水分浸入を防止する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２、水素タンク１４、アノード排ガス路３０、循環ポンプ１８及び制御弁２４を有する。制御弁２４は、水素ガスの供給を遮断する。制御弁２４は、循環ポンプ１８を介して循環されるアノード排ガスの合流部Ｓよりも鉛直上方に配設され、水分の浸入を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給源からの燃料ガスを供給路を介して燃料電池のアノードに供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池から排出される排出ガスを循環路を介して前記供給路に合流させるガス循環部と、
を有する燃料電池システムであって、
前記供給路と前記循環路の少なくとも一方に燃料ガスの流通を調整する弁を備え、
前記弁は、前記供給路と前記循環路の合流部よりも鉛直上方に配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記供給路に前記燃料ガスの供給を制御する弁が配設され、
前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記循環路に前記排出ガスの供給を制御する弁が配設され、
前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記循環路に前記排出ガスを所定条件下で外部に排出するパージ用の弁が配設され、
前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のシステムにおいて、
前記循環路は、前記合流部を含む少なくともその一部が前記燃料電池側が鉛直下方となるように傾斜して配設されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記弁は、前記燃料ガスを遮断する遮断弁であ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、燃料電池のアノードから排出される排ガスをアノードに再循環させる循環路を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のアノードに供給する燃料ガスとして水素ガスが知られている。水素ガスを供給する際には、所望の電力を得るために必要な理論上の水素量よりも多くの水素ガスを供給する。水素ガスリッチとすることで、発電効率を維持するとともに、燃料電池内の燃料ガス流路から不純物を効率的に排出する。不純物は、電気化学反応により生じた水蒸気等であり、水素ガスの流速を高めることで燃料電池側に排出できる。一方、水素ガスを過剰に供給するため、排出ガスには電気化学反応に寄与しない水素ガスが多く含まれることとなる。そこで、従来より、燃料電池のアノードに供給する水素ガスに加えて、燃料電池から排出された排出ガスを循環させるシステムが提案されている。
【０００３】
下記の特許文献には、排出ガスを循環させるシステム構成、及び循環流路に水分量の多い液体から水分量の少ない液体に水分を移動させる水透過膜式除湿器を設け、循環流路を流れる液体の水分を水透過膜式除湿器に移動させることで水素ガスから水分を除去する構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７１３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池から排出され循環される排ガスには生成水が固体高分子電解質膜を透過してくることにより水蒸気が含まれており、この水蒸気が凝縮し、さらに氷点下の環境下において凍結するとガス流路に設けられる各種の弁の開閉制御が不能となる、あるいは弁に溜まった水分により開閉速度が低下する、あるいは弁の腐食が進む問題がある。上記の従来技術では、水分を除去しているものの除湿器等を介在させているため構成が複雑化する。また、除湿器の動作停止時における凝縮や凍結に対応できない。
【０００６】
本発明の目的は、簡易な構成でありながら水分の凝縮あるいは凍結による弁の動作不良を防止できる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】
【０００７】
本発明は、燃料ガス供給源からの燃料ガスを供給路を介して燃料電池のアノードに供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池から排出される排出ガスを循環路を介して前記供給路に合流させるガス循環部とを有する燃料電池システムであって、前記供給路に前記燃料ガスの供給を制御する弁が配設され、前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、燃料ガス供給源からの燃料ガスを供給路を介して燃料電池のアノードに供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池から排出される排出ガスを循環路を介して前記供給路に合流させるガス循環部とを有する燃料電池システムであって、前記循環路に前記排出ガスの供給を制御する弁が配設され、前記弁は、前記燃料ガスと前記排出ガスの合流部よりも鉛直上方に配設されることを特徴とする。
【０００９】
循環路を有する燃料電池システムでは、循環される排出ガスに水蒸気が含まれており、これが凝縮してアノード側の供給路に水分が溜まりやすい。システムの動作中は燃料電池側に向けて燃料ガスを流しているため水分も燃料電池側に流れるが、システムの停止状態においては凝縮した水分が逆流（燃料電池側を下流とすると）して弁に浸入することになる。本発明では、供給路あるいは循環路のいずれかに配設された弁を合流部よりも鉛直上方に配設し（弁を合流部よりも高い位置に配設する）、水分の浸入を簡易に防止する。本発明では、供給路と循環路の少なくとも一方に燃料ガスの流通を調整する弁を備え、この弁を供給路と循環路の合流部よりも鉛直上方に配設すればよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水分遮断フィルタや除湿器等を付加的に用いることなく、簡易な構成で弁への水分浸入を防止し、弁の動作を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
＜基本構成＞
まず、燃料電池システムの基本構成について説明する。図１に、燃料電池システムのシステム構成図を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池１２、水素タンク１４、ブロワ１６、循環ポンプ１８を有する。
【００１２】
水素タンク１４は、水素ガスを貯蔵してシステムに水素ガスを供給する供給源であり、燃料ガス供給路２０を介して燃料電池１２に接続される。燃料ガス供給路２０には、水素タンク１４の近傍にレギュレータ２２が配設される。また、レギュレータ２２よりも下流側に制御弁２４が配設される。レギュレータ２２は水素タンク１４から燃料電池１２に供給されるガス流量を調整し、制御弁２４は水素ガスの供給を遮蔽／導通（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する遮断弁として機能する。水素ガスの圧力は、レギュレータ２２により例えば２００ｋＰａ程度に調整される。燃料ガスとしての水素ガスは、燃料電池１２のアノードに供給される。
【００１３】
燃料電池１２は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有する。単セルそれぞれのアノードに水素ガスを供給し、カソードに酸素を含有する酸化ガス（空気）を供給する。アノードでは水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソードに移動し、カソードで酸素と反応して水を生成する。この電気化学的反応により電気エネルギが生成される。
【００１４】
ブロワ１６は、酸化ガス供給路２６を介して燃料電池１２に接続され、空気を燃料電池１２のカソードに供給する。電気化学反応に供された後の排ガスは、カソード排ガス路２８を介して外部に排出される。
【００１５】
一方、燃料電池１２において電気化学反応に供された残りの水素ガス（アノード排ガス）は、アノード排ガス路３０に排出される。アノード排ガス路３０は、循環ポンプ１８を介して燃料ガス供給路２０に接続される。残りの水素ガスは、循環ポンプ１８により合流部Ｓ（接続点）において水素タンク１４からの水素ガス（フレッシュな水素ガス）と混合され、再び燃料電池１２のアノードに供給される。アノード排ガス路３０は循環路として機能する。なお、合流部Ｓから燃料電池１２までの供給路２０を便宜上、供給路（混合ガス供給路）３２と称する。
【００１６】
従来においては、制御弁２４は合流部Ｓの下流側（燃料電池１２側）に配設される場合があり、このため水蒸気の凝縮により生じた水分が制御弁内に溜まり、開閉制御の速度低下や腐食、あるいは氷点下の環境下での水分凍結による開閉制御不能が生じていた。本実施形態の制御弁２４は、上記の如く、合流部Ｓよりも上流側に配設し、かつ、合流点よりも鉛直上方に配設することで、燃料電池システム動作中だけでなく停止中においても凝縮した水分が弁に到達することを防止する。
【００１７】
＜制御弁の配置＞
図２に、制御弁２４の配設位置を示す。図において、ＸＹ平面は水平面、Ｚ軸は鉛直方向を示す。循環ポンプ１８に接続されるアノード排ガス路３０及び供給路３２をシステムの下部（鉛直下方）に配設する。また、制御弁２４を合流部Ｓより鉛直上方に、つまりアノード排ガス路３０及び供給路３２より鉛直上方に配設する。制御弁２４と合流部Ｓとの間は、例えば曲率を有する配管で接続する。
【００１８】
このように、制御弁２４を合流部Ｓよりも鉛直上方に配設し、制御弁２４と合流部Ｓとの間に高低差を形成することで、アノード排出ガス中の水蒸気が凝縮して水分が生じても、この水分が制御弁２４まで到達することはなく、水分による開閉速度の低下や腐食、水分凍結による動作不能を防止できる。なお、制御弁２４と合流部Ｓとの間に高低差がない場合でも、システム動作中は水素ガスの圧力により水分が制御弁２４に溜まることはなく燃料電池１２側に流されるが、システムの動作が停止した場合には水分が制御弁２４に浸入する。制御弁２４の配設位置を鉛直上方として高低差を形成することで、システム動作停止中においても水分の浸入を簡易にかつ確実に防止できる。本実施形態では、重力により水分の浸入を防止するため、水分除去フィルタや除湿器等の構成が不要化される。
【００１９】
制御弁２４と合流部Ｓとの高低差は任意に設定でき、配管径及び予想水分量に応じて設定すればよい。高低差の一例は５０ｍｍ程度である。また、制御弁２４の配設位置は固定ではなく、鉛直方向に調整自在に配設してもよい。
【００２０】
＜制御弁の具体的配置＞
図３に、制御弁２４のより具体的な配置を示す。図において、３軸方向の「ＵＰ」は鉛直方向、「ＲＨ」は水平面内における車両左右方向、「ＦＲ」は水平面内における車両前後方向を示す。図示しない水素タンクから供給された水素ガスは供給路２０を介して制御弁２４に供給される。制御弁２４は車載マイクロコンピュータからの制御で開閉制御され、水素ガスの供給／遮蔽を制御する。制御弁２４からの水素ガスは、配管を介して合流部Ｓに供給される。制御弁２４は、合流部Ｓよりも「ＵＰ」側、つまり鉛直上方側に配設され、合流部Ｓとの間に高低差が形成される。
【００２１】
一方、燃料電池１２のアノードから排出されたアノード排ガスは循環ポンプ１８に供給される。循環ポンプ１８は、アノード排ガス路３０を介してアノード排ガスを合流部Ｓに供給する。合流部Ｓでフレッシュな水素ガスとアノード排ガスとが混合される。合流部Ｓの近傍で合流部Ｓより下流側に圧力センサ３４が配設され、混合ガスの圧力が測定される。混合ガスの圧力はセンサ３４からマイクロコンピュータに供給され、混合ガスの圧力が所望値となるように供給路２０側及びアノード排ガス路３０側の圧力が調整される。混合ガスは、供給路３２を介して燃料電池１２のアノードに供給される。
【００２２】
＜第２実施形態＞
図４に、本実施形態の基本構成を示す。第１実施形態では、制御弁２４は供給路２０に配設されているが、本実施形態ではさらに制御弁３６がアノード排ガス路３０にも配設される。制御弁３６はアノード排ガスを遮断する弁として機能する他、アノード排ガスを別系統に切り替える切替弁として機能してもよい。制御弁３６を切替弁として機能させる構成は、特開２００４−１８６０６５号公報に開示されている。この公報では、アノード排ガスから不純物がより高い不純物リッチガスを除去するための分離室を設け、制御弁３６を切り替えてアノード排ガスを分離室に導く。分離室で不純物が除去されたアノード排ガスは合流部Ｓと異なる他の合流部Ｓ’（不図示）でフレッシュな水素ガスと混合される。分離室を通って循環する経路をバイパス経路、分離室を通らず循環する経路をメイン経路と称すると、制御弁３６はメイン経路とバイパス経路を切り替える弁である。制御弁３６は、所定の時間間隔でメイン経路とバイパス経路を切り替える。
【００２３】
このような構成において、制御弁３６も制御弁２４と同様に、合流部Ｓよりも鉛直上方に配置し、合流部との間に高低差を形成する。これにより、システム動作停止中に凝縮した水分が制御弁３６に浸入することを防止し、制御弁３６の動作を確保する。
【００２４】
＜第３実施形態＞
図５に、第３実施形態におけるアノード排ガス路３０及び供給路３２の配置を示す。上記の実施形態では、合流部Ｓと制御弁２４あるいは制御弁３６の高低差に着目しており、アノード排ガス路３０及び供給路３２は同一水平面内（燃料電池システムの最下部）に配設されているが、本実施形態ではアノード排ガス路３０及び供給路３２は傾斜して配設される。アノード排ガス路３０及び供給路３２は燃料電池１２側で低く（Ｚ方向の鉛直下方）、循環ポンプ１８側で高く（Ｚ方向の鉛直上方）なるように傾斜配設される。合流部Ｓを基準とすると、上流側を高く、下流側を低く配設するということもできる。制御弁３６は合流部Ｓの上流側に配設されるから、当然ながら制御弁３６は合流部Ｓよりも鉛直上方に配設されることになる。この配設方法によっても、システム動作停止時に凝縮した水分が逆流して制御弁３６に浸入することを防止できる。供給路２０についても同様であり、上流側が高くなるように傾斜して配設できる。
【００２５】
＜第４実施形態＞
図６に、本実施形態のさらに他の基本構成を示す。アノード排ガス路３０に、アノード排ガスを循環させずに外部に排出するためのパージ弁４０が配設される。アノード排ガスには、水素以外の不純物が混入する場合がある。例えば、燃料電池１２のカソードから窒素ガスや生成水が電解質膜を透過してアノードに達し、アノード排ガスに混入する等である。したがって、アノード排ガスを循環し続けると次第に水素濃度が低下し、発電反応の低下を引き起こす。そこで、循環路であるアノード排ガス路３０から配管を分岐させ、この分岐路にパージ弁４０を配設する。パージ弁４０は通常は閉状態にあり、所定条件、例えば運転時間が一定時間に達した場合や水素濃度が所定値以下に低下した場合等において合流部Ｓに至る循環路を遮断し、パージ弁４０を開状態としてアノード排ガスに含まれる窒素ガスや水等の不純物を外部に排出する。パージ弁４０で排出されたガス及びカソード排ガスは、いずれも希釈器４２で処理された後に外部に排出される。
【００２６】
このような構成において、パージ弁４０を合流部Ｓよりも鉛直上方に配置し、合流部との間に高低差を形成する。これにより、システム動作停止中に凝縮した水がパージ弁４０に浸入することを防止し、パージ弁４０の動作を確保する。制御弁２４及びパージ弁４０をともに合流部Ｓよりも鉛直上方に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態の基本構成図である。
【図２】制御弁の配置説明図である。
【図３】燃料電池システムの斜視図である。
【図４】他の実施形態の基本構成図である。
【図５】他の実施形態の制御弁の配置説明図である。
【図６】さらに他の実施形態の基本構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池、１４  水素タンク、１６  ブロワ、１８  循環ポンプ、２０  供給路（燃料ガス供給路）、２２  レギュレータ、２４  制御弁、２６  酸化ガス供給路、２８  カソード排ガス路、３０  アノード排ガス路（循環路）、３２  供給路（混合ガス供給路）、４０  パージ弁。
【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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【図６】
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