(57)【要約】【課題】簡単な構成で、燃料ガスの圧力エネルギを有効に利用するとともに、効率的な発電機能を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部３０と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部３２とを備える。燃料ガス供給部３２は、水素ガスを高圧状態で充填する高圧タンク４０を備えるとともに、この高圧タンク４０には、燃料ガス供給管４２を介してエネルギ回収装置４４が接続される。エネルギ回収装置４４は、燃料ガスの圧力エネルギを回転運動に変換するタービン４６と、前記タービン４６に連結されて発電を行う発電部４８とを備える。【選択図】図１
2004079385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスを圧縮状態で収容する圧縮燃料ガス収容部と、
前記圧縮燃料ガス収容部と前記燃料電池との間に配設され、該圧縮燃料ガス収容部から導出される前記燃料ガスの圧力エネルギを、発電により電気エネルギに変換するエネルギ回収装置と、
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記載の燃料電池システムにおいて、前記エネルギ回収装置は、前記圧力エネルギを回転運動に変換するタービンと、
前記タービンに連結されて発電を行う発電部と、
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記載の燃料電池システムにおいて、前記エネルギ回収装置は、密閉系エネルギ変換装置であ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乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、車両に搭載され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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質（電解質膜）・電極接合体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質・電極接合体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスまたは単に水素ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この場合、アノード側電極に供給される燃料ガスである水素ガスは、例えば、高圧タンクに充填されている一方、燃料電池では、前記高圧タンクの圧力に比べて相当に低圧で作動している。このため、高圧タンクから導出された圧縮水素ガスは、通常、レギュレータを介して圧力エネルギを大幅に消費した後、アノード側電極に供給されている。従って、非常に多くの圧力エネルギが、動力源として使用されることがなく、不要に消費されている。
【０００５】
そこで、例えば、特開２００２−８６９８号公報に開示されている燃料電池発電装置が知られている。この従来技術では、図５に示すように、アノード１ａおよびカソード１ｂを有する燃料電池１を備えており、このアノード１ａには、燃料ガス容器２内の燃料ガスがタービン３ａを通じて供給されている。燃料ガス容器２は、耐圧容器であり、予め加圧した燃料ガスが充填されている。
【０００６】
タービン３ａは、送風機３ｂと同軸に結合されてターボコンプレッサ３を構成している。この送風機３ｂは、カソード空気加湿器４を通ってカソード１ｂに空気を供給している。
【０００７】
このような構成において、タービン３ａは、燃料ガス容器２内の燃料ガスの圧力エネルギを運動エネルギに変換することによって回転し、このタービン３ａと同軸に結合される送風機３ｂが駆動されている。このため、大気は、送風機３ｂによってカソード空気加湿器４を介しカソード１ｂに酸化剤ガスとして供給されている。一方、燃料ガスは、タービン３ａにより圧力エネルギが低減された後、アノード１ａに供給されている。
【０００８】
これにより、燃料ガス容器２内の燃料ガスの圧力エネルギを、ターボコンプレッサ３を介して、送風機３ｂを駆動するエネルギとして利用することができ、前記送風機３ｂの専用電源が不要になる、としている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、ターボコンプレッサ３を構成するタービン３ａを燃料ガスの圧力エネルギで回転駆動させることにより、前記タービン３ａと同軸に結合された送風機３ｂを駆動して空気の供給を行っている。このため、タービン３ａによる燃料ガスの供給と送風機３ｂによる空気の供給とにタイムラグが発生し易い。これにより、燃料電池１のアノード１ａとカソード１ｂとに、所定量の燃料ガスと空気とを確実に供給することができず、発電性能が低下するおそれがある。
【００１０】
しかも、燃料ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量とに相当に大きな差異が発生する。従って、タービン３ａと同軸に結合された送風機３ｂを介して空気の供給を行う構成では、効率が悪いという問題が指摘されている。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料ガスの圧力エネルギを有効に利用するとともに、効率的な発電機能を確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、圧縮燃料ガス収容部と燃料電池との間にエネルギ回収装置が配設されており、前記圧縮燃料ガス収容部から導出される燃料ガスの圧力エネルギが、前記エネルギ回収装置を介して発電により電気エネルギに変換されている。
【００１３】
このように、燃料ガスの圧力エネルギを利用して発電が行われ、電気エネルギが得られることにより、この電気エネルギを、例えば、酸化剤ガスの過給、空調や制御機器等の低電圧系電源、または燃料ガス循環用コンプレッサ等の駆動源として使用することができる。これにより、燃料ガスの圧力エネルギを不要に消費させることがなく、エネルギ効率が向上して効率的な発電機能を維持することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池システムでは、エネルギ回収装置が、圧力エネルギを回転運動に変換するタービンと、前記タービンに連結されて発電を行う発電部とを備えている。従って、簡単な構成で、圧力エネルギを電気エネルギに容易に変換することができるとともに、前記圧力エネルギを高効率で回収することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムでは、エネルギ回収装置が、密閉系エネルギ変換装置、例えば、シリンダ・ピストン式、ダイヤフラム式、リショルム式、スクロール式またはルーツ式等を採用している。このため、特に、燃料ガスのシール性が有効に向上する。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池システムでは、燃料電池が車両に搭載されるため、燃料ガスの圧力エネルギを、駆動系以外の種々の電力や動力として利用することができる。これにより、圧力エネルギを有効に活用して効率的な発電が遂行可能になるとともに、燃費の向上が図られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図である。
【００１８】
燃料電池システム１０は、例えば、車載用として使用されており、燃料電池スタック１２を備えている。この燃料電池スタック１２は、複数組みの燃料電池１４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが配設されており、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ間に所定の締め付け荷重が付与されている。
【００１９】
燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体１８と、前記電解質膜・電極構造体１８を挟持する第１および第２セパレータ２０、２２とを設ける。電解質膜・電極構造体１８は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２４と、この固体高分子電解質膜２４を挟持するカソード側電極２６およびアノード側電極２８とを備える。
【００２０】
カソード側電極２６およびアノード側電極２８は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されてなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２４を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２４の両面に接合されている。
【００２１】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部３０と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部３２とを備える。酸化剤ガス供給部３０は、モータ３４を介して駆動されるコンプレッサ３６を備え、このコンプレッサ３６が酸化剤ガス供給管３８を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路（図示せず）に連通する。この酸化剤ガス流路は、各燃料電池１４を構成するカソード側電極２６の電極面に沿って酸化剤ガス、例えば、空気を供給可能である。
【００２２】
燃料ガス供給部３２は、燃料ガス、例えば、水素ガスを高圧状態で充填する高圧タンク（圧縮燃料ガス収容部）４０を備える。この高圧タンク４０には、燃料ガス供給管４２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス流路（図示せず）に連通するとともに、この燃料ガス供給管４２の途上には、エネルギ回収装置４４が接続される。
【００２３】
エネルギ回収装置４４は、例えば、開放系であり、燃料ガスの圧力エネルギを回転運動に変換するタービン４６と、前記タービン４６に連結されて発電を行う発電部４８とを備える。なお、燃料ガス流路は、各燃料電池１４を構成するアノード側電極２８の電極面に沿って水素ガスを供給可能である。
【００２４】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００２５】
まず、燃料ガス供給部３２では、高圧タンク４０に水素ガスが高圧状態で充填されており、前記高圧タンク４０から前記水素ガスが燃料ガス供給管４２に導出される。この水素ガスは、エネルギ回収装置４４を構成するタービン４６に送られるため、前記タービン４６は、該水素ガスの圧力エネルギを回転運動に変換するとともに、前記タービン４６の回転運動によって発電部４８で発電が行われる。
【００２６】
これにより、水素ガスの圧力エネルギが電気エネルギとして取り出され、この電気エネルギが、例えば、酸化剤ガス供給部３０を構成するモータ３４に供給され、前記モータ３４を介してコンプレッサ３６が駆動される。従って、コンプレッサ３６の作用下に、酸化剤ガスである空気が酸化剤ガス供給管３８に送られて、この空気が燃料電池スタック１２に供給される。一方、タービン４６により圧力エネルギが減少した燃料ガスは、燃料電池スタック１２に送られる。
【００２７】
燃料電池スタック１２では、各燃料電池１４を構成するカソード側電極２６に空気（酸化剤ガス）が供給されるとともに、アノード側電極２８に水素ガス（燃料ガス）が供給される。このため、各電解質膜・電極構造体１８では、カソード側電極２６に供給される空気とアノード側電極２８に供給される水素ガスとが電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００２８】
このように、第１の実施形態では、高圧タンク４０から導出される水素ガスの圧力エネルギを利用して、エネルギ回収装置４４により電気エネルギが得られている。このため、電気エネルギは、例えば、酸化剤ガスの過給としてモータ３４で消費されるとともに、図示しない冷却水用ポンプ、制御デバイスあるいはエアコン等の駆動用電力として消費される。
【００２９】
従って、水素ガスの圧力エネルギを不要に消費させることがなく、空気の過給や、駆動系以外に消費される電力として使用することにより、エネルギ効率が向上するという効果が得られる。しかも、燃料電池スタック１２の発電により得られる電力を、空気の過給や低電圧系電源や燃料ガス循環用コンプレッサ等の駆動源として使用する必要がないため、前記燃料電池スタック１２の発電機能を効率的に維持することが可能になる。
【００３０】
さらに、燃料電池システム１０を車両に搭載すれば、燃料ガスの圧力エネルギを駆動系以外の種々の電力や動力として利用することができる。これにより、燃料電池システム１０全体の発電効率が向上するとともに、燃費が有効に向上して、走行距離を伸ばすことができるという利点がある。
【００３１】
ここで、エネルギ回収装置４４は、開放系の装置としてタービン４６を使用している。このため、高圧タンク４０におけるタンク残圧に対する回収可能なエネルギは、図２に示すように、タービン段数が増加するのに伴って増加している。例えば、二段式のタービンでは、燃料電池スタック１２の出力が１００Ａ（燃料電池１４が４００セル）の場合に、タンク残圧が１０ＭＰａまで１ｋＷ以上のエネルギが回収可能となる。
【００３２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム６０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符合を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
この燃料電池システム６０は、高圧タンク４０と燃料電池スタック１２との間に、エネルギ回収装置６２が設けられている。エネルギ回収装置６２は、密閉系エネルギ変換装置であり、燃料ガス供給管４２の途上に配置されるシリンダ・ピストン６４と、前記シリンダ・ピストン６４の作動によって発電が行われ、圧力エネルギを電気エネルギに変換する発電機６６とを備える。
【００３４】
このように構成される第２の実施形態では、高圧タンク４０から燃料ガス供給管４２に導出される水素ガス（燃料ガス）の圧力エネルギによって、エネルギ回収装置６２を構成するシリンダ・ピストン６４が進退移動する。このシリンダ・ピストン６４の進退動作によりクランクを介して発電機６６が回転運動を行って、電気エネルギが得られる。
【００３５】
従って、第２の実施形態では、得られた電気エネルギが、酸化剤ガスの過給、冷却水用ポンプ、制御デバイスまたはエアコン等で消費されることによって、圧力エネルギの有効利用が図られる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３６】
この場合、シリンダ・ピストン６４を備える密閉系エネルギ変換装置では、回収可能なエネルギが、図４に示すように、開放系に比べて比熱比の分だけ少なくなっている。ところが、密閉系エネルギ変換装置では、燃料ガスである水素ガスのシール性に優れるという利点が得られる。
【００３７】
なお、密閉系エネルギ変換装置としては、シリンダ・ピストン６４の他に、ダイヤフラム式、リショルム式、スクロール式またはルーツ式等が採用可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料ガスの圧力エネルギを利用して発電が行われ、電気エネルギが得られるため、この電気エネルギを、例えば、酸化剤ガスの過給、低電圧系電源、または燃料ガス循環用コンプレッサ等の駆動源として使用することができる。これにより、燃料ガスの圧力エネルギを不要に消費させることがなく、エネルギ効率が向上して効率的な発電機能を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成するタービンの使用によるタンク残圧と回収エネルギとの関係説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図４】前記燃料電池システムを構成するシリンダ・ピストンの使用によるタンク残圧と回収エネルギとの関係説明図である。
【図５】従来技術に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、６０…燃料電池システム　　　１２…燃料電池スタック
１４…燃料電池　　　　　　　　　　１８…電解質膜・電極構造体
２０、２２…セパレータ　　　　　　２４…固体高分子膜電解質
２６…カソード側電極　　　　　　　２８…アノード側電極
３０…酸化剤ガス供給部　　　　　　３２…燃料ガス供給部
３６…コンプレッサ　　　　　　　　３８…酸化剤ガス供給管
４０…高圧タンク　　　　　　　　　４２…燃料ガス供給管
４４、６２…エネルギ回収装置　　　４６…タービン
４８、６６…発電部　　　　　　　　６４…シリンダ・ピストン
【図１】
2004079385.tif 000003
【図２】
2004079385.tif 000004
【図３】
2004079385.tif 000005
【図４】
2004079385.tif 000006
【図５】
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