(57)【要約】【課題】大掛かりな装置を配置することなく、寒冷地等の低温環境下においても迅速に燃料電池を起動できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池２と、燃料電池２のカソード極に空気を供給する空気供給手段３と、燃料電池２のアノード極及びカソード極から各々排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼する燃焼器１０と、燃焼器１０から排出される燃焼ガスを空気供給手段３に循環させる燃焼ガス循環手段１３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2005108536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池のアノード極及びカソード極から各々排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼する燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼ガスを前記空気供給手段に循環させる燃焼ガス循環手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池のカソード極に供給される空気を加湿する加湿手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼ガス循環手段は、
前記燃焼器に接続された燃焼ガス排気管に分岐して一端が接続され他端が前記空気供給手段としての空気供給配管に接続された燃焼ガスバイパス管と、
前記燃焼ガス排気管と前記燃焼ガスバイパス管との分岐点に設けられた電磁弁と、
前記燃焼ガスパイパス管と前記圧縮空気供給配管との合流点に設置されたエゼクタと、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿手段は、前記空気供給配管と前記燃焼ガスパイパス管との合流点直後に配置され、燃焼ガスと空気とを含む混合ガスを加湿することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿手段は、前記燃焼ガスパイパス配管に配置され、燃焼ガスを加湿することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿手段は、噴射弁であることを特徴とする請求項２、４又は５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、寒冷地などの低温環境下においても起動可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの１つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する固体高分子電解質膜を使用して、固体高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。このため、固体高分子型燃料電池を使用して発電を行うために、燃料である酸素ガス及び水素ガス中に水分を含有させて、固体高分子電解質膜中の水分を保持している。さらに、固体高分子型燃料電池では、以下の化学式１の電極反応を示し、起電力を生じて発電すると共に、水が生成する。
【０００３】
[化１]
燃料極：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-                ・・・式（１）
酸化剤極：(1/2)Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-→Ｈ2 Ｏ  ・・・式（２）
また、発電に伴い燃料電池の温度が上昇するため、純水等の冷却水を循環させる冷却水循環通路を構成して、燃料電池を冷却している。
【０００４】
上記固体高分子型燃料電池では、内部に水が多量に存在するため、寒冷地では水が凍結してしまい、燃料電池の起動が困難となっていた。
【０００５】
そこで、水の凍結に伴い燃料電池の起動が困難となる寒冷地においても、燃料電池を容易に起動できる方法が各種開発されている（特許文献１参照）。
【０００６】
図３は、従来における、燃料電池システムの一部の構成を示す図である。図３に示すように、燃料電池システム３０は、燃料電池３１の上流側に水素供給管３２と空気供給管３３とが接続され、燃料電池３１の下流側に水素排気管３４と空気排気管３５とを各々接続している。また、燃料電池３１には、冷却水循環配管３６が接続され、燃料電池３１の発電時における温度上昇を防止している。さらに、燃料電池システム３０には、空気を加温するヒータ３７と、水蒸気を発生させるボイラ３８と、を設置している。
【０００７】
上記構成の燃料電池システム３０において、寒冷地などで燃料電池が凍結した際、ヒータ３７で加熱した高温乾燥空気とボイラ３８で加熱蒸発した高温水蒸気との混合ガスを燃料電池３２に接続した水素供給管３２、空気供給管３３及び冷却水循環配管３６内に導入し、燃料電池３１及びその周辺部の温度を昇温して燃料電池３２を起動している。本技術の燃料電池の低温起動方法によれば、氷結により燃料ガスラインや空気ライン等の流路が閉塞される閉塞されることなく、効率的に燃料電池を解凍することができる。
【特許文献１】特開２００３−１５１５９８号公報（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムの構成によれば、効率良く燃料電池を解凍できるという利点を有するが、空気を加温するヒータと、水蒸気を発生させるボイラとを別途設置したため、大がかりな装置が必要であった。
【０００９】
また、燃料電池システム内に水蒸気を発生させるボイラを設置したため、ボイラに供給する燃料と燃料供給用の部品をさらに別途に設置する必要があり、燃料電池システムが大型化していた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池システムは、水素ガス及び空気中の酸素ガスを燃料として電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池のカソード極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池のアノード極及びカソード極から各々排出されるアノードオフガスとカソードオフガスとを含む混合ガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼ガスを前記空気供給手段に循環させる燃焼ガス循環手段と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムに大掛かりな装置を設置することなく、燃料電池内の凍結した水を速やかに解凍できるため、寒冷地等の低温環境下においても燃料電池を迅速に起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、寒冷地において作動する本発明の燃料電池システムについて、図１及び図２を挙げて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略的な構成を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システム１は燃料電池２を設置しており、燃料電池２の上流側に、燃料である空気中の酸素ガス及び水素ガスを各々供給する空気供給手段３及び水素ガス供給手段としての水素ガス供給配管４を備える。空気供給手段３は、燃料電池２に接続された空気供給配管５と、空気供給配管５上に設置された圧縮機（コンプレッサ）６と、を備え、空気供給配管５に空気を加湿する加湿手段７を設置している。
【００１５】
燃料電池２の下流側には、水素ガス排気管８と空気排気管９とを各々接続しており、各排気管８,９は排水素燃焼器１０に接続している。排水素燃焼器１０には燃焼ガス排気管１１を接続しており、排水素燃焼器１０の下流側の燃焼ガス排気管１１に熱交換器１２を配置している。
【００１６】
本燃料電池システム１には、排水素燃焼器１０から排出される高温の燃焼ガスの一部を空気供給手段３に循環させる燃焼ガス循環手段１３を備えている。燃焼ガス循環手段１３は、燃焼ガス排気管１１に電磁弁１４を設置しており、電磁弁１４の設置位置である燃焼ガス排気管１１から分岐して燃焼ガスバイパス配管１５を接続し空気供給配管５に連結しており、燃焼ガスバイパス配管１５と空気供給配管５との合流点に、エゼクタ１６を備えている。
【００１７】
また、燃料電池２を冷却する冷却手段１７として、燃料電池２に接続されて燃料電池２内に純水を循環させる冷却水循環配管１８と、この冷却水循環配管１８上に接続された純水タンク１９と、を備える。純水タンク１９には、加湿用純水配管２０が接続され、加湿用純水配管２０上にポンプ２１が設けられると共に、加湿用純水配管２０の端部に噴射弁２２を備え、加湿手段７を構成している。
【００１８】
上記構成の燃料電池システム１において、燃料電池２の起動時に、圧縮機（コンプレッサ）６の駆動により、圧縮された空気が空気供給配管５を介して燃料電池２に供給されると共に、水素ガスが水素ガス供給配管４を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された水素ガス及び酸素ガスは、氷点下ではほとんど反応しない。また一般的に電流を取り出しての持続反応はない。これは反応によって水が生成するが、この生成水が凍結し、ガス流路を塞ぐのを防ぐためである。燃料電池２に供給された水素ガス及び酸素ガスは、発電の際の燃料としてほとんど使用されることなく、燃料電池２内のアノード極及びカソード極からアノードオフガスとカソードオフガスとして各々排出される。排出されたアノードオフガス及びカソードオフガスは、水素ガス排気管８及び空気排気管９を介して排水素燃焼器１０に導入され、導入された各オフガスの混合ガスを排水素燃焼器１０によって燃焼する。
【００１９】
燃焼によりガス化した燃焼ガスは熱交換器１２に導入され、熱交換により冷却水循環配管１８内を流れる冷却水を昇温する。また、排水素燃焼器１０から排出された燃焼ガスは、電磁弁１４の開度の制御により燃焼ガスバイパス配管１５に導入され、エゼクタ１６を介して空気供給配管５に流入する。空気供給配管５に流入した高温の燃焼ガスは、空気と混合されることにより空気の温度を上昇させて、燃料電池２に供給する空気を昇温している。
【００２０】
熱交換器１２により昇温された冷却水は、純水タンク１９内で凍結した水を解凍して純水とする。解凍した純水は、ポンプ２１の駆動により噴射弁２２に供給され、噴射弁２２から空気供給配管５内に純水を噴射する。空気供給配管５内を流れる燃焼ガスは高温であるため、噴射弁２２から噴射された純水は気化され、気化した蒸気により空気と燃焼ガスとを加湿している。なお、混合ガスの温度と流量に応じて、噴射弁２２の純水噴射量を制御しても良く、また電磁弁１４の開度を燃料電池２の温度に応じて制御しても良い。
【００２１】
なお、本発明における燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１の構成に限定されるものではなく、加湿手段７の配置を変えても良い。
【００２２】
図２は、加湿手段７の配置を変えた燃料電池システム２３の概略的な構成を示す図である。なお、図１と同一箇所については図１と同様の符号を使用し、その説明を省略する。図２に示すように、加湿手段７である噴射弁２２が、燃焼ガスバイパス配管１５の中央位置に設置されている。
【００２３】
図２に示す構成の燃料電池システム２３では、純水タンク１９から供給される純水が噴射弁２２から燃焼ガスバイパス配管１５内を流通する高温の燃焼ガスに直接噴霧して、噴霧した純水を気化している。
【００２４】
このように加湿手段７としての噴射弁２２を燃焼ガスバイパス配管１５に設けることにより、純水の気化が促進されると共に大量の水蒸気を燃料電池に供給することができる。なお、図２に示す燃料電池システム２３において、燃焼ガスの温度と流量により、噴射弁２２の純水噴射量を制御しても良い。
【００２５】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１,２３によれば、高温の燃焼ガスの一部が燃料電池２に供給されるため燃料電池２の昇温が早まり、燃料電池２の起動時間を短縮することができる。
【００２６】
また、本実施形態によれば、電磁弁１４、燃焼ガスバイパス管１５及びエゼクタ１６により燃焼ガス循環手段１３を構成したため、簡単な構成により燃焼ガスを燃料電池２に循環して燃料電池２を昇温することができ、燃料電池システム１,２３の大型化を防ぐことができる。
【００２７】
さらに、本実施形態によれば、空気供給配管５の燃焼ガスパイパス配管１５合流点直後に、燃焼ガスと空気の混合ガスを加湿する加湿手段７を備えたため、燃料電池２の起動時から燃料電池２に湿潤ガスを供給することができる。また、加湿手段７として噴射弁２２を使用したため、簡単な構成により燃料電池に供給する燃料ガスを加湿することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する図であり、燃料電池システムの概略的な構成を示す図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの加湿手段の位置を変えた燃料電池システムの概略的な構成を示す図である。
【図３】従来における、燃料電池システムの概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…燃料電池システム,
２…燃料電池,
３…空気供給手段,
４…水素ガス供給配管,
５…空気供給配管,
６…圧縮機（コンプレッサ）,
７…加湿手段, 
８…水素ガス排気管,
９…空気排気管,
１０…排水素燃焼器, 
１１…燃焼ガス排気管,
１２…熱交換器,
１３…燃焼ガス循環手段,
１４…電磁弁,
１５…燃焼ガスバイパス配管,
１６…エゼクタ,
１７…冷却手段,
１８…冷却水循環配管, 
１９…純水タンク,
２０…加湿用純水配管,
２１…ポンプ,
２２…噴射弁, 
２３…燃料電池システム,
【図１】
2005108536.tif 000003
【図２】
2005108536.tif 000004
【図３】
2005108536.tif 000005