(57)【要約】【課題】システム構成を複雑にすることなく、全ての発電量運転状態において最適な運転圧力で燃料電池を動作させる。【解決手段】ソリッド型燃料電池２は、高圧水素タンク４及びコンプレッサ１５から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電し、ポーラス型燃料電池３は、ソリッド型燃料電池２から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスを利用して発電する。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力はポーラス型燃料電池３側よりもソリッド型燃料電池２側の方が高くなるので、ソリッド型燃料電池２は、常に高い運転圧力で動作し、ＩＶ特性の向上を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電するソリッドプレート型燃料電池と、
前記ソリッドプレート型燃料電池から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスを利用して発電するポーラスプレート型燃料電池と
を備え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に記載の燃料電池システムであって、
前記ポーラスプレート型燃料電池に冷却水を供給すると共に、当該ポーラスプレート型燃料電池から排出される冷却水を前記ソリッドプレート型燃料電池に供給する冷却水供給手段を備え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又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記ソリッドプレート型燃料電池及び前記ポーラスプレート型燃料電池は電気的に直列に接続され、ソリッドプレート型燃料電池の発電有効面積はポーラスプレート型燃料電池の発電有効面積より大きく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、複数の燃料電池を備える燃料電池システムに関し、システム構成を複雑にすることなく、全ての発電量運転状態において最適な運転圧力で燃料電池を動作可能にするための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複数の燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、負荷に応じて燃料電池に対する反応ガス供給系統の接続状態を直列と並列との間で切り替えることにより、全ての発電量運転状態において略一定のガス利用効率で燃料電池を動作可能にする技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００２−３５８９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来までの燃料電池システムによれば、全ての発電量運転状態において最適な運転圧力で動作可能にするためには、燃料電池に対する反応ガス供給系統の接続状態を切り替えるための切替手段が必要になることから、部品スペースや配管レイアウト等に制約が掛かり、システム構成が複雑になる。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システム構成を複雑にすることなく、全ての発電量運転状態において最適な運転圧力で燃料電池を動作させ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】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電するソリッドプレート型燃料電池と、ソリッドプレート型燃料電池から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスを利用して発電するポーラスプレート型燃料電池とを備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力はポーラス型燃料電池側よりもソリッド型燃料電池側の方が高くなるので、システム構成を複雑にすることなく、全ての発電量運転状態において最適な運転圧力で動作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電するソリッドプレート型燃料電池（以下、ソリッド型燃料電池と略記）２と、ソリッド型燃料電池２から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスの供給を受けて発電するポーラスプレート型燃料電池（以下、ポーラス型燃料電池と略記）３とを備える。なお、上記ソリッド型燃料電池２は、ポーラス型燃料電池３よりも運転圧力が高い特性を有し、ポーラス型燃料電池３は、毛細管現象等によってソリッド型燃料電池２によりもガス流路内の水分をプレートに吸収しやすい特性を有する。また、この実施形態では、図２に示すように、燃料電池内部におけるガス流路３１と膜電極接合体（ＭＥＡ）３２との接触面積（アクティブエリア，発電有効面積）については、ソリッド型燃料電池２の方がポーラス型燃料電池３よりも大きく構成されている。また、ソリッド型燃料電池２及びポーラス型燃料電池３のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。
【０００９】
〔化１〕
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
〔燃料ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、燃料ガス供給手段として、高圧水素タンク４及び水素圧力調整弁５を備え、水素圧力調整弁５にて高圧水素タンク４内の高圧水素を運転条件に適した圧力まで低下させて、燃料ガス供給路６を介してソリッド型燃料電池２のアノードに水素ガスを供給する。ソリッド型燃料電池２のアノードでは、供給された水素ガスが純水ポンプ７から供給される純水で加湿され、その一部が発電のための電気化学反応に使用される。ソリッド型燃料電池２のアノードから排出された残りの水素ガスは、水蒸気を含んだ状態で中間弁８及び燃料電池間燃料ガス供給路９を介してポーラス型燃料電池３のアノードへ供給され、発電のための電気化学反応に使用される。
【００１０】
ポーラス型燃料電池３のアノードで未使用の水素ガスは、燃料ガス循環路１０及び燃料ガス循環ポンプ１１を介してソリッド型燃料電池２のアノードへ循環される。燃料ガス循環路１０及び燃料ガス循環ポンプ１１を設けたことにより、ポーラス型燃料電池３のアノードで未使用の水素ガスを再利用することが可能となり、燃料電池システム１の燃費性能を向上させることができる。
【００１１】
また、ポーラス型燃料電池３のアノードからソリッド型燃料電池２のアノードに戻る水素ガスの循環経路には、ソリッド型燃料電池２やポーラス型燃料電池３のカソードからリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ、水素ガスの循環を困難にする。また液水は水素ガスの循環を妨げる。
【００１２】
このため、燃料ガス排出路１２と、これを開閉するパージ弁１３が設けられている。上記不純物ガスや液水が蓄積したとき、制御装置１４からの指示でパージ弁１３を短時間開き、不純物ガスや液水をポーラス型燃料電池３のアノードから系外へ排出させるパージを行う。これにより、燃料ガス循環経路１０内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。なお、燃料電池の運転条件と適合すれば、燃料ガス循環ポンプ１１に代えて、流体ポンプであるエゼクタを使用してもよいことは明らかである。
【００１３】
〔酸化剤ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給手段として、空気を圧縮して供給するコンプレッサ１５を備え、コンプレッサ１５は、圧縮した空気を酸化剤供給路１６を介してソリッド型燃料電池２のカソードへ供給する。ソリッド型燃料電池２のカソードでは、供給された空気が純水ポンプ７から供給される純水で加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。ソリッド型燃料電池２のカソードから排出された残りの空気は、水蒸気を含んだ状態で燃料電池間酸化剤ガス供給路１７を介して、ポーラス型燃料電池３のカソードへ供給される。ポーラス型燃料電池３のカソードでは、供給された空気が純水ポンプ７から供給される純水で加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。ポーラス型燃料電池３のカソードで未使用の空気は、空気圧力調整弁１８により圧力調整されて空気排出路１９から系外へ排出される。
【００１４】
〔純水系の構成〕
上記燃料電池システム１における純水系は、純水タンク２０と、純水供給路２１を介して純水タンク２０の純水をポーラス型燃料電池３へ圧送する純水ポンプ７ｂと、燃料電池間純水供給路２２と、純水排出路２３とにより構成されている。そして、純水タンク２０に貯蔵された純水は、純水ポンプ７によりポーラス型燃料電池３のアノードとカソードの圧力に応じた水圧で純水供給路２１を介してポーラス型燃料電池３へ圧送される。ポーラス型燃料電池３は、供給された純水で燃料ガスである水素、酸化剤ガスである空気を加湿する。ポーラス型燃料電池３から排出された純水は、燃料電池間純水供給路２２を介してソリッド型燃料電池２に供給され、ソリッド型燃料電池２は、供給された純水で水素及び空気を加湿する。そして、ソリッド型燃料電池２から排出された純水は、純水排出路２３を介して純水タンク２０に戻る。
【００１５】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１における制御系は、ソリッド型燃料電池２及びポーラス型燃料電池３に対して直列に接続された電力変換器２４と、燃料電池システム１の動作を制御する制御装置１４とを備える。なお、この実施形態では、制御装置１４は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００１６】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、ソリッド型燃料電池２は、高圧水素タンク４及びコンプレッサ１５から供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを利用して発電し、ポーラス型燃料電池３は、ソリッド型燃料電池２から排出される排燃料ガス及び排酸化剤ガスを利用して発電する。このような構成によれば、図３（ａ）に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力はポーラス型燃料電池３側よりもソリッド型燃料電池２側の方が高くなるので、ソリッド型燃料電池２は、常に高い運転圧力で動作し、ＩＶ特性の向上を図ることができる。一方、この場合、ポーラス型燃料電池３は、図３（ｂ）に示すように低ストイキ比で動作することになるが、プレートへの水浸透性によってフラッディングを防止することができる。
【００１７】
また、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、純水タンク２０に貯蔵された純水は、純水ポンプ７によりポーラス型燃料電池３へ圧送され、ポーラス型燃料電池３から排出された純水は、燃料電池間純水供給路２２を介してソリッド型燃料電池２に供給される。このような構成によれば、ソリッド型燃料電池２には、ポーラス型燃料電池３により昇温された冷却水が供給され、図３（ｃ）に示すように、ソリッド型燃料電池２の運転温度はポーラス型燃料電池３の運転温度より高くなるので、ソリッド型燃料電池２のＩＶ特性を向上させることができる。一方、この場合、ポーラス型燃料電池３は、低い運転温度で動作することになるが、プレートへの水浸透性によってフラッディングを防止することができる。
【００１８】
さらに、本発明の一実施形態となる燃料電池システム１によれば、ソリッド型燃料電池２とポーラス型燃料電池３は電気的に直列に接続され、ソリッド型燃料電池２の発電有効面積はポーラス型燃料電池３の発電有効面積より大きく構成されている。このような構成によれば、ポーラス型燃料電池３の電流密度はソリッド型燃料電池２の電流密度より高くなるので、ポーラス型燃料電池３内部で冷却水を昇温し、ポーラス型燃料電池３内部の熱を早期にソリッド型燃料電池２に供給することができ、暖機効率を向上させることができる。なお、この場合、低温時において高電流域でのフラッディングの可能性があるが、ポーラス型燃料電池３の除水効果によってＩＶ特性を低下させることなく動作することができる。
【００１９】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池内部の発電有効面積を説明するための燃料電池の断面図である。
【図３】ソリッド型燃料電池及びポーラス型燃料電池間のガス圧力，ストイキ，及び温度の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１：燃料電池システム
２：ソリッドプレート型燃料電池（ソリッド型燃料電池）
３：ポーラスプレート型燃料電池（ポーラス型燃料電池）
４：高圧水素タンク
５：水素圧力調整弁
６：燃料ガス供給路
７：純水ポンプ
８：中間弁
９：燃料電池間燃料ガス供給路
１０：燃料ガス循環路
１１：燃料ガス循環ポンプ
１２：燃料ガス排出路
１３：パージ弁
１４：制御装置
１５：コンプレッサ
１６：酸化剤供給路
１７：燃料電池間酸化剤ガス供給路
１８：空気圧力調整弁
１９：空気排出路
２０：純水タンク
２１：純水供給路
２２：燃料電池間純水供給路
２３：純水排出路
２４：電力変換器
３１：ガス流路
３２：膜電極接合体（ＭＥＡ）
【図１】
2006049150.tif 000003
【図２】
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【図３】
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