JP2000110727A - 車両用燃料電池装置における圧縮機の凍結防止方法 - Google Patents

車両用燃料電池装置における圧縮機の凍結防止方法

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裕久 加藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】プロセス空気の加湿のために給水される燃料電
池用圧縮機であって、圧縮機内の残留水による寒冷時の
凍結事故を防止する。 【解決手段】燃料電池１０の出力停止時、圧縮機１１の
停止に先行して給水路１７の遮断を指令し、給水路１７
の遮断後、圧縮機１１から吐出されるプロセス空気の湿
度を検出して、検出湿度が設定値まで下降した時、圧縮
機１１の停止を指令する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の排出ガ
スに含まれる水分を、プロセス空気の加湿に利用するよ
うにした車両用燃料電池装置における圧縮機の凍結防止
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開平７ー１４５９９号公報に開示の燃
料電池装置では、図２に示すように、空気供給導管３０
から吸い込まれた空気が、電動機３１で駆動される圧縮
機３２によって所定の圧力に加圧されたのち燃料電池３
３に供給される。そして燃料電池３３内で供給空気から
酸素が消費された排出ガスは、圧縮機３２及び電動機３
１と共通な軸３４で連結された膨張機３５により膨張さ
れて大気中へ放出される。
【０００３】一方、排出ガスに含まれる生成水は、空気
排出導管３６に設けられた液体分離器３７、３８により
分離されて開放型の貯蔵容器３９に集められ、その貯溜
水はプロセス空気の加湿に供するため、ポンプ４０によ
り噴出ノズル４１へと送られて空気供給導管３０内に噴
射される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】すなわち上述の燃料電
池装置は、燃料電池３３の排出ガス中に含まれる生成水
を分離収容して、これをプロセス空気の加湿に利用する
ことを開示している。圧縮機３２が運転されて燃料電池
３３が電力供給を行っている状態では、上記貯溜水は反
応熱により幾分高い温度に保たれて循環されているが、
燃料電池装置の停止時にはこれら燃料電池３３を巡る水
のすべてが回収されるわけでなく、とくに圧縮機３２の
内部や給水経路にはそのまま残留することが避けられな
い。
【０００５】したがって、寒冷地での使用の際、このよ
うな状態で放置されると残留水は凍結して、再起動時に
経路の閉塞や圧縮機３２の破損などを誘発する。勿論、
かかる事態を回避するため、水の供給を停止してから一
定時間圧縮機３２の運転を継続して、残留水分を可能な
限り排除するといった手法も考えられるが、とくに車両
用に供される燃料電池装置では、車両出力の大小や二次
電池の蓄電量により圧縮機の回転数も常に変動を余儀な
くなくされているため、かなりの余裕を見込んだ一律的
な停止時間の延長は、いたずらにエネルギ損失を増大さ
せる結果となる。
【０００６】本発明は、もっとも簡便な方法で的確に圧
縮機の凍結を防止することを解決すべき技術課題として
いる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１記載の発明に係る圧縮機の凍結防止方法は、燃料電
池の空気供給管に接続された圧縮機と、空気排出管に接
続された回生機と、上記回生機に至る空気排出管中に配
設された水分離槽とを備え、該水分離槽内の貯溜水を給
水路を介して上記圧縮機へ供給すべく構成した車両用燃
料電池装置において、上記燃料電池の出力停止時、圧縮
機の停止に先行して上記給水路の遮断を指令し、該給水
路の遮断後、該圧縮機から吐出されるプロセス空気の湿
度を検出して、検出湿度が設定値まで下降した時、該圧
縮機の停止を指令することを特徴としている。
【０００８】すなわち、圧縮機に供給された水は、圧縮
され熱せられた空気によって蒸発せしめられ、その結果
プロセス空気はこの水蒸気によって加湿されるが、圧縮
機の停止に先行して給水路が遮断されると、圧縮機から
吐出されるプロセス空気への湿度は急速に減少し、検出
湿度はほどなく設定値まで下降する。圧縮機の停止はこ
の時点で指令されるが、かかる検出湿度（設定値）は、
給水路を含めて圧縮機内の水分が余すことなく排出され
たことを意味するので、無用なエネルギ消費を伴うこと
なく、残留水の凍結に起因する事故を的確に防止するこ
とができる。
【０００９】また、請求項２記載の発明は、圧縮機内の
残留水分の有無をプロセス空気の検出温度に求めたもの
であるが、給水が遮断されて加湿度が低下すれば、同時
にプロセス空気に対する冷却能も低下することになるの
で、設定された検出温度によっても同様に凍結事故を防
止することが可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、燃料電池装置の要部のみ略
示した図１に基づいて、本発明の実施形態を具体的に説
明する。燃料電池１０は既に知られるように、平板状の
電解質の両面に正極及び負極が積層状に構成されてお
り、この燃料電池１０には圧縮機１１から空気供給管１
２を経てプロセス空気が供給され、このプロセス空気は
燃料電池１０の図示しない正極空間を通ったのち、空気
排出管１３を経由して排出される。燃料電池１０の同様
に図示しない負極空間には、燃料供給路を介して水素又
は改質された水素を多く含むガスが供給され、燃料電池
１０内で水素がプロセス空気に含まれている酸素と反応
すると、電気エネルギのほかに生成水及び反応熱を生
じ、したがって、多分に水蒸気を含んだ排出ガスが空気
排出管１３を通じて排出される。
【００１１】この排出ガスに含まれる水分を除去するた
めに、該空気排出管１３中には水分離槽１４が設けられ
ており、この水分離槽１４は、外郭円筒壁を有して密閉
状に形成されており、筒内上部には小円筒形のセパレー
タ１４ａが垂下され、かつ、下半部は分離水を貯溜する
ために所要のスペースが与えられている。そして外郭円
筒壁の上方部には空気排出管１３の入口側が、セパレー
タ１４ａ内の頂壁には同じく出口側がそれぞれ接続され
ている。このため、空気排出管１３を経由して水分離槽
１４の入口側から流入した排出ガスは、内壁に沿って周
回しながら含有水分が物理的に分離されて滴落し、水分
を除去された排出ガスは同槽１４の出口側から流出した
のち、該排出ガス中に残留するエネルギを回収すべく、
回生機（膨張機）１５に導入される。なお、この回生機
１５は上記圧縮機１１ともども電動機１６と同心軸上に
配設されており、一方、水分離槽１４の下底壁から延設
された給水路１７は、圧縮機１１の吸入側と接続されて
いる。
【００１２】すなわち水分離槽１４内の貯溜水は、一つ
には燃料電池１０の陽イオン交換膜がプロトン導電性を
維持するために必要なプロセス空気の加湿用水分とし
て、さらには圧縮機１１の冷却、潤滑に供される水分と
して利用されるが、水分離槽１４の内部、つまり貯溜水
の水面には、空気排出管１３を介して運転中は常に排出
ガス圧力が作用しているため、ポンプ等別段のエネルギ
源を必要とすることなく、貯溜水はこの背圧によって圧
縮機１１へと送給される。
【００１３】２０は制御装置であって、該制御装置２０
には車両出力の大小や二次電池の蓄電量など各種の運転
パラメータが入力されており、これらの入力情報に基づ
き、例えば電動機駆動回路２１を介して圧縮機１１の回
転数が制御され、同時に燃料電池１０の出力制御も行わ
れる。本発明の最も特徴的な構成として、水分離槽１４
近傍の給水路１７上に電磁開閉弁２２が設けられてい
る。該電磁開閉弁２２は制御装置２０を介した燃料電池
１０の出力停止指令によって直ちに閉じられ、起動指令
によって再び開かれるよう制御されるが、電動機１６と
同軸上にある圧縮機１１に対しては、電磁開閉弁２２の
閉止後、圧縮機１１から吐出されたプロセス空気の湿度
を検出するセンサ２３の出力信号に基づいて、圧縮機１
１の停止が指令されるよう構成されている。
【００１４】したがって、燃料電池１０からの排出ガス
は水分離槽１４内で含有水分が分離除去され、分離後の
排出ガスは引続き回生機１５に導入されて、該排出ガス
中に残留する圧力エネルギが機械的エネルギに変換回収
される。一方、分離された水分離槽１４内の貯溜水は、
貯溜水に付加される排出ガス圧力を利用してそのまま給
水路１７へと送出され、図示しない流量制御弁などの制
御に基づいて、プロセス空気の加湿及び圧縮機１１の冷
却、潤滑に好適な水量が圧縮機１１の吸入側へ供給され
る。
【００１５】すなわち燃料電池１０の運転中は、上述し
た各種の運転パラメータに基づいて圧縮機１１の回転数
も随時調整されるが、燃料電池１０の出力停止に際し、
停止信号が制御装置２０に入力されると、燃料供給系と
共に電磁開閉弁２２は閉止されて給水路１７は直ちに遮
断される。このように給水路１７が遮断された後も圧縮
機１１は依然として運転を継続しており、給水の途絶に
伴って圧縮機１１から吐出されるプロセス空気の湿度は
急速に減少し、センサ２３の検出湿度はほどなく設定値
まで下降する。この検出湿度の設定値は、給水路１７を
含む圧縮機１１内の残留水分を余すことなく送出した状
態の想定湿度に設定されているので、センサ２３の設定
湿度検出信号が制御装置２０に入力されることによって
圧縮機１１の停止が指令され、電動機駆動回路２１を介
して圧縮機１１は停止せしめられる。この場合、燃料電
池１０の出力停止指令によって電磁開閉弁２２が閉止さ
れてから、圧縮機１１が実質的に停止するまでの時間に
は、その時点における圧縮機１１の回転数に応じて格差
を生じることになるが、これはそのときの運転状態に応
じて常に最少の残留水送出時間を選択している証左であ
り、無用なエネルギ消費を伴うことなく、残留水の凍結
事故を防止することができる。
【００１６】なお、上述の実施形態は、センサ２３によ
ってプロセス空気の湿度を検出する構成について説明し
たが、圧縮機１１内の残留水分の有無をプロセス空気の
検出温度に求め、センサ２３を温度検出センサに代替す
ることも可能である。すなわち給水が遮断されて加湿度
が低下すれば、同時にプロセス空気に対する冷却能も低
下することになるので検出温度によっても同様に残留水
の凍結事故を防止することができる。
【００１７】また、水分離槽１４内の貯溜水を燃料電池
１０の再起動時にそのまま使用するように構成した燃料
電池装置では、凍結に備えて水分離槽１４に相応の保温
対策が必要であり、一方、別設の始動用水源に依存する
構成であれば、該貯溜水は凍結を避回すべく圧縮機１１
の停止と同時に放出される。
【００１８】
【発明の効果】以上、詳述したように本発明は、燃料電
池の出力停止時、圧縮機の停止に先行して上記給水路の
遮断を指令し、該給水路の遮断後、該圧縮機から吐出さ
れるプロセス空気の湿度を検出して、検出湿度が設定値
まで下降した時、該圧縮機の停止を指令するようにした
ものであるから、給水路を含む圧縮機内の残留水分がほ
ぼ完全に除去された時点を捉えて圧縮機が停止せしめら
れるので、寒冷地使用の場合であっても無用なエネルギ
消費を伴うことなく、残留水の凍結に起因する事故を的
確に防止することができる。また、請求項２記載の発明
のように、圧縮機内の残留水分の有無をプロセス空気の
検出温度に求めたものでも、同様に残留水の凍結事故を
防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の要部のみを略示し
た説明図。
【図２】従来の燃料電池装置の原理的構成を示す説明
図。
【符号の説明】
１０は燃料電池、１１は圧縮機、１２は空気供給管、１
３は空気排出管、１４は水分離槽、１５は回生機、１６
は電動機、１７は給水路、２０は制御装置、２２は電磁
開閉弁、２３は湿度センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 裕久 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内 (72)発明者 川口 竜太 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内 Ｆターム(参考） 3H003 AC02 BF00 BG06 CF04 5H027 BC11 KK00 KK44 MM01 MM04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池の空気供給管に接続された圧縮機
    と、空気排出管に接続された回生機と、上記回生機に至
    る空気排出管中に配設された水分離槽とを備え、該水分
    離槽内の貯溜水を給水路を介して上記圧縮機へ供給すべ
    く構成した車両用燃料電池装置において、上記燃料電池
    の出力停止時、圧縮機の停止に先行して上記給水路の遮
    断を指令し、該給水路の遮断後、該圧縮機から吐出され
    るプロセス空気の湿度を検出して、検出湿度が設定値ま
    で下降した時、該圧縮機の停止を指令することを特徴と
    する車両用燃料電池装置における圧縮機の凍結防止方
    法。
  2. 【請求項２】燃料電池の空気供給管に接続された圧縮機
    と、空気排出管に接続された回生機と、上記回生機に至
    る空気排出管中に配設された水分離槽とを備え、該水分
    離槽内の貯溜水を給水路を介して上記圧縮機へ供給すべ
    く構成した車両用燃料電池装置において、上記燃料電池
    の出力停止時、圧縮機の停止に先行して上記給水路の遮
    断を指令し、該給水路の遮断後、該圧縮機から吐出され
    るプロセス空気の温度を検出して、検出温度が設定値ま
    で上昇した時、該圧縮機の停止を指令することを特徴と
    する車両用燃料電池装置における圧縮機の凍結防止方
    法。
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