JP2003331893A

JP2003331893A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003331893A
Application number: JP2002138922A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Nishio; 元治西尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: JP3664150B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃費の悪化を抑制しながら燃料極通路内の水
などの不純物を効率よく除去することができる燃料電池
システムを提供する。【解決手段】バルブ７は燃料極入口２１に、加湿され
た水素を供給するかコンプレッサ５で圧縮された非加湿
空気を供給するかを切り換える。バルブ８は空気極入口
２３に、加湿された空気を供給するかコンプレッサ５で
圧縮された非加湿空気を供給するかを切り換える。燃料
電池システムの起動時又は停止時に、バルブ７，８から
それぞれ非加湿空気を燃料極、空気極に供給するととも
に、両極のガス通路を連通するバルブ１１を開くことに
より、非加湿空気で空気パージを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
係り、特に燃料極パージによる燃費低下を抑制した燃料
電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素を含んだ燃料ガスを燃
料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給するこ
とにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発
電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られる
と共に、環境性に優れている。

【０００３】また、近年、電解質として固体高分子イオ
ン交換膜を使用することで、小型高出力化が可能であ
り、酸水溶液が不要な固体高分子型燃料電池が水素ガス
を用いた燃料電池の方式として注目されている。

【０００４】燃料電池において、固体高分子膜を挟んで
対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸
素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池にお
ける原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利
用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃
料電池の燃料極からの排出ガスを再循環して、外部から
新たに供給される水素の濃い燃料ガスと混合させ、燃料
電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案
されている。

【０００５】ところで、化学工場での副産物として得ら
れた副生水素は、精製して燃料電池に供給するようにし
ているが、その純度は工場によって異なり、水素以外に
微量の酸素、窒素、塩素、アンモニア等の不純物を含ん
でいる。このために燃料極からの排出ガスを再循環させ
ていると、循環の繰り返しに伴って不純物濃度が上昇
し、これが原因で燃料電池の電極触媒活性を低下させた
り、腐食を与えたりして電池性能が低下する恐れがあ
る。

【０００６】また燃料電池では、燃料極に水が過多状態
となると発電効率が低下する水詰まり状態が生じること
があり、この水詰まりを解消する必要がある。

【０００７】このため、特開平９−２２７１４号公報記
載の燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極通
路に水などの不純物が溜まった場合に、パージラインを
開放して燃料ガスを外部に捨てて燃料ガスの流量を増加
することで不純物を吹き飛ばして除去するパージを行っ
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術では、パージを行う際に発電に使用されずに消費さ
れる燃料ガスが多いので燃費の悪化につながるという問
題点があった。

【０００９】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、燃費
の悪化を抑制しながら燃料極通路内の水などの不純物を
効率よく除去することができる燃料電池システムを提供
することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供
給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する
燃料電池システムにおいて、燃料極通路に燃料ガスを供
給するか空気を供給するかを切り換える燃料極通路切換
弁を備え、運転状況に応じて燃料極通路に空気を供給す
るように前記燃料極通路切換弁を切り換えて、空気で燃
料極をパージする空気パージを行うことを要旨とする。

【００１１】

【発明の効果】本発明によれば、燃料ガスの代わりに空
気により燃料極に溜まった水などを吹き飛ばして除去で
きるので、発電に使われずに消費されてしまう燃料の量
を減らし、燃費を向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。〔第１実施形態〕図１は、本発明に係る燃料電池システ
ムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。なお
各バルブは図１に示した状態がオフ状態（非通電状態、
通常状態）である。同図において、水素タンク１から供
給される燃料としての水素ガスは、水素タンク１の残圧
に関わらず圧力レギュレータ２で所定の圧力に調整され
て、流量調整弁３に供給される。流量調整弁３は、運転
条件に応じた流量の水素ガスをエゼクタ４を経由して加
湿器６に供給する。

【００１３】加湿器６で加湿された水素ガスは、燃料電
池スタック９の燃料極入口２１に供給される。燃料極で
発電に利用された残りの水素ガスは、パージバルブ１２
がオリフィス１３と連通しているときは大気へ放出さ
れ、非連通となっているときは全量がエゼクタ４へと戻
る。燃料極出口２２から循環路１０を経由してエゼクタ
４の吸込口に戻された水素ガスは、エゼクタ４で流量調
整弁３から供給される水素ガスと混合されて、加湿器６
へ供給される。

【００１４】一方、酸化剤ガスとしての空気は、コンプ
レッサ（空気供給源）５を用いて大気より導入された空
気を加湿器６に送り込む。加湿器６で加湿された空気
は、燃料電池スタック９の空気極入口２３に供給され、
水素ガスと空気中の酸素により発電することが可能とな
る。

【００１５】加湿器６と燃料電池スタック９の燃料極入
口２１との間に、水素ガスと加湿器６をバイパスした非
加湿の空気の導入を切り換えられるバルブ７（燃料極通
路切換弁）が設置されている。同様に、加湿器６と燃料
電池スタック９の空気極入口２３との間に、非加湿と加
湿の空気の導入を切り換えられるバルブ８（空気極通路
切換弁）が設置されている。

【００１６】空気供給源であるコンプレッサ５は、加湿
器６へ空気を供給するとともに、非加湿の空気をバルブ
７，８を介して燃料極入口２１，空気極入口２３へそれ
ぞれ供給できるようになっている。燃料極出口２２と空
気極出口２４との間には、両者を連通することができる
バルブ１１（連通弁）が設けられている。

【００１７】図３は、本実施形態における燃料電池シス
テム起動時の制御を説明するフローチャートである。

【００１８】まずステップ（以下、ステップをＳと略
す）１０において、燃料電池スタック９の反応膜に付着
したり、ガス流路に存在する液水を燃料電池スタック９
の外部に放出するために、バルブ７を非加湿空気が燃料
電池に流れ込むように、バルブ８も非加湿空気が燃料電
池に流れこむように制御する。このとき同時に燃料電池
スタック９の下流に水素ガス流路と空気流路とを連通す
るようにバルブ１１を制御し、パージバルブ１２は大気
開放となるように開く。

【００１９】次いで、Ｓ１２で、コンプレッサ５を起動
して、空気の供給を開始して流量を増やす。Ｓ１４で設
定した時間まで（例えば１０秒間）、空気パージによる
水や不純物の吹き飛ばしを行う。Ｓ１４で設定時間が経
過すると、Ｓ１６へ移り、バルブ７，８をオフして、加
湿器６を経由した水素ガス及び空気を燃料電池スタック
９に供給できるように切り換えるとともに、バルブ１
１，１２をオフする。次いで、Ｓ１８で通常運転へ移行
する。

【００２０】これにより、燃料を無駄に捨てることな
く、燃料電池システムの起動をスムーズに、短時間に行
うことが可能となる。

【００２１】尚、Ｓ１０でパージバルブ１２を大気開放
となるように開いたが、燃料極出口２２は、バルブ１１
が開くことにより空気極出口２４と連通して大気に開放
されているので、パージバルブ１２は閉じていてもよ
い。

【００２２】図４は、本実施形態における発電終了時の
動作を説明するフローチャートである。まずステップ２
０において、コンプレッサ５の運転を継続しつつ、燃料
電池スタック９の反応膜に付着したり、ガス流路に存在
する液水を燃料電池スタック９の外部に放出するため
に、バルブ７を非加湿空気が燃料極入口２１に流れ込む
ように、バルブ８も非加湿空気が空気極入口２３に流れ
こむように制御する。このとき同時に燃料電池スタック
９の下流に水素ガス流路と空気流路とを連通するように
バルブ１１を制御し、パージバルブ１２は大気開放とな
るように開く。

【００２３】次いで、Ｓ２２で設定した時間が経過する
まで（例えば１０秒間）、空気パージによる水や不純物
の吹き飛ばしを行う。Ｓ２２で設定時間が経過すると、
Ｓ２４へ移り、バルブ７，８，１１，１２をオフする。
次いで、Ｓ２６でコンプレッサ５の運転を停止する。

【００２４】図５は、本実施形態における通常運転中の
パージ動作を説明するフローチャートであり、通常運転
中は一定時間毎に呼び出されるルーチンとして構成され
る。まずＳ３０で、水詰まりが発生したか、否かを判定
する。水詰まり発生の判定は従来技術で公知であるが、
例えば、図示しないセル電圧センサが、燃料電池スタッ
ク９の各セル毎、または直列接続された所定数の複数セ
ル毎にセル電圧またはセル群電圧を検出し、これらの検
出値の平均値と、各検出値の平均値からの変移、または
分散を算出し、変移または分散が一定以上大きければ水
詰まりが発生したと判断する。

【００２５】次いで、Ｓ３２でパージバルブ１２を開く
（オンする）。Ｓ３４で設定時間（例えば１０秒間）が
経過するまで、燃料ガス（水素）によるパージを行う。
Ｓ３４で設定時間が経過すると、Ｓ３６へ移り、パージ
バルブ１２を閉じて（オフして）、リターンする。

【００２６】以上説明したように本実施形態によれば、
バルブ７により水素ガスの代わりに空気により燃料極に
溜まった水などを吹き飛ばして除去できるので、発電に
使われずに消費されてしまう燃料の量を減らすことによ
り燃費を向上させることができる。

【００２７】また、空気パージ中にバルブ１１を開くこ
とにより、燃料極通路と空気極通路とが連通し、特別な
ガス圧制御をしなくとも燃料極圧力と空気極圧力とを近
づけることができ、簡単な構造で燃料電池へ損傷を与え
ることを抑制できる。

【００２８】また、バルブ７が非加湿の空気を導入する
ため低湿度の空気でパージでき、燃料極に溜まった水を
除去する効果が加湿した空気で行うよりも高まる。ま
た、バルブ７が導入する非加湿の空気は、加湿器６の上
流で分岐させているため、加湿器６の加湿量変化の応答
性が低くても対応可能になる。

【００２９】また、空気パージ専用に空気供給源を用意
する必要が無く、コストアップ抑制できる。また、空気
パージを起動時に行うので、運転停止中に燃料極通路内
で発生した凝縮水を発電に先駆けてあらかじめこれらを
除去しておくことで安定した発電が出来るようになる。

【００３０】さらに、図４のように空気パージを発電停
止時にも行うと、停止時にガス通路及び燃料電池スタッ
ク内部の湿度を低下させておくことができ、運転停止中
に燃料極通路内に発生する凝縮水の量を抑制し、次回の
起動に要する時間が短縮できる。

【００３１】なお、本実施形態の空気パージを通常運転
中に行うと、発電中断する必要が有る。また、一度空気
パージを行うと、再度燃料極の燃料濃度を発電に必要な
濃度まで高める水素置換に時間がかかるので、再度発電
可能になるまでに時間がかかってしまう。

【００３２】そこで、空気パージはこれらの問題が影響
しない起動時、あるいは運転終了時のみとして、運転中
の水除去については従来のようなパージバルブ１２によ
る水素ガスの流量増加を行う方法（図５）などを用いる
となお良い。

【００３３】あるいは、通常運転中に本実施形態の空気
パージを行うのであれば、上記の影響が少ない低負荷時
に限る、あるいは空気パージによる発電中断の間の電力
供給を補完する二次電池あるいは他の燃料電池を用意す
るといった対策もある。

【００３４】〔第２実施形態〕図２は、本発明に係る燃
料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図
である。各バルブの状態は、図２に示した状態がオフ状
態（非通電状態、通常状態）である。

【００３５】第２実施形態と第１実施形態との構成上の
相違は、第１実施形態にバルブ１５（空気切換弁）と、
エゼクタ１６とが追加されていることである。バルブ１
５は、空気供給源であるコンプレッサ５から加湿器６へ
空気を供給するか、エゼクタ１６へ空気を供給するかを
切り換えるバルブである。エゼクタ１６は、ノズルがバ
ルブ１５を介してコンプレッサ５に接続され、吸込口が
バルブ１１及び空気極出口２４に接続され、ディフュー
ザ出口が大気開放されている。即ちエゼクタ１６は、コ
ンプレッサ５の圧縮空気を駆動流として、空気極出口２
４及びバルブ１１を介して燃料極出口２２から燃料電池
スタック９内部の水等の不純物を吸い出すことができる
ようになっている。

【００３６】また、バルブ７（第１大気開放弁）が加湿
器６で加湿された水素ガスと大気とのいずれかを選択的
に燃料電池スタック９の燃料極に供給し、バルブ８（第
２大気開放弁）が加湿器６で加湿された空気と大気との
いずれかを選択的に燃料電池スタック９の空気極に供給
するよになっていることである。その他の構成は、図１
に示した第１実施形態と同様であるので、同一構成要素
には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。

【００３７】図２において、水素タンク１から供給され
る燃料としての水素ガスは、水素タンク１の残圧に関わ
らず圧力レギュレータ２で所定の圧力に調整されて、流
量調整弁３に供給される。流量調整弁３は、運転条件に
応じた流量の水素ガスをエゼクタ４を経由して加湿器６
に供給する。

【００３８】加湿器６で加湿された水素ガスは、燃料電
池スタック９の燃料極入口２１に供給される。燃料極で
発電に利用された残りの水素ガスは、パージバルブ１２
がオリフィス１３と連通しているときは大気へ放出さ
れ、非連通となっているときは全量がエゼクタ４へと戻
る。燃料極出口２２から循環路１０を経由してエゼクタ
４の吸込口に戻された水素ガスは、エゼクタ４で流量調
整弁３から供給される水素ガスと混合されて、加湿器６
へ供給される。

【００３９】一方コンプレッサ（空気供給源）５が圧縮
した空気は、バルブ１５（空気切換弁）を経由し、加湿
器６を通して加湿され、燃料電池スタック９の空気極入
口２３へと供給される。ここで酸素が消費され、空気極
出口２４からエゼクタ１６を介して、大気へと開放され
る。

【００４０】図６は、本実施形態における起動時の制御
を説明するフローチャートである。まずＳ４０で、空気
パージ（水飛ばし）が必要か否かを判断する。Ｓ４０に
おける空気パージの必要性の判断は、燃料電池システム
の起動前の停止時間、外気温などから判断する。制御を
簡素化させたい場合には、一律起動時にパージを実行す
るようにしても良いが、パージの必要性を判断して行っ
た方が起動時間を必要最小限にすることができる。

【００４１】Ｓ４０で空気パージが必要ないと判断した
場合には、Ｓ４２へ進み、コンプレッサ５を起動して、
Ｓ５２で通常運転へ移行する。

【００４２】Ｓ４０で空気パージが必要と判断したとき
には、Ｓ４４で、バルブ７とバルブ８を燃料電池スタッ
ク９上流が大気と連通するように制御する。このとき、
加湿器６上流にあるバルブ１５はエゼクタ１６とコンプ
レッサ５からの供給流路を連通するように制御され、エ
ゼクタ１６へと供給される。また、このときバルブ１１
は水素ガス流路と空気流路とを連通するように制御す
る。

【００４３】次いで、Ｓ４６でコンプレッサ５を起動し
て、空気をバルブ１５を介してエゼクタ１６のノズルに
供給する。このときコンプレッサ５から供給する空気流
量が多いと、エゼクタ１６で燃料電池スタック９の空気
極出口２４側の流路から吸い込む流量も増えるため、燃
料電池スタック９の空気極内を通過する空気も増え、こ
れにより、燃料電池内の水を飛ばす空気パージを行うこ
とが可能となる。

【００４４】次いで、Ｓ４８で設定時間が経過するまで
待機し、設定時間が経過すると、Ｓ５０へ移る。Ｓ５０
では、バルブ１５は加湿器６側へ切り換え、バルブ７，
８は大気と遮断する側へ切り換え、バルブ１１は燃料極
通路と空気極通路とを遮断するように切り換える。これ
により、それぞれ加湿器６で加湿された水素ガス、空気
が燃料電池スタック９へと供給されるようになる。次い
で、Ｓ５２で通常運転へ移行する。

【００４５】これにより、燃料を無駄に捨てることな
く、燃料電池内の水を飛ばすことができるため、短時間
での燃料電池システムの起動が可能となる。

【００４６】また、バルブ７を用いたことにより、停止
状態の燃料電池スタック９内部を大気レベルの湿度に保
つことができ、燃料電池内ガスの凝縮水発生を防止でき
る。

【００４７】エゼクタ１６を用いたことにより、空気パ
ージ専用に空気供給源を用意する必要が無くコストアッ
プ抑制できる。

【００４８】バルブ８も用いることで燃料極圧力と空気
極圧力を近づけることができるため、特別なガス圧制御
を不要にすることができる。

【００４９】なお両実施形態とも空気パージ時間は所定
時間としているが、これは運転状態に応じて変更するこ
ともでき、例えば低温時ほど長くするといった変更を加
えても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態
の構成を説明する構成図である。

【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態
の構成を説明する構成図である。

【図３】第１実施形態における起動時の動作を説明する
フローチャートである。

【図４】第１実施形態における発電終了時の動作を説明
するフローチャートである。

【図５】第１実施形態における通常運転中の動作を説明
するフローチャートである。

【図６】第２実施形態における起動時の動作を説明する
フローチャートである。

【符号の説明】

１…水素タンク２…圧力レギュレータ３…流量調整弁４…エゼクタ５…コンプレッサ６…加湿器７…バルブ（燃料極通路切換弁）８…バルブ（空気極通路切換弁）９…燃料電池スタック１０…循環路１１…バルブ（連通弁）１２…バージバルブ１３…オリフィス１５…バルブ１６…エゼクタ２１…燃料極入口２２…燃料極出口２３…空気極入口２４…空気極出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極に供給された燃料ガスと空気極に
供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電す
る燃料電池システムにおいて、燃料極通路に燃料ガスを供給するか空気を供給するかを
切り換える燃料極通路切換弁を備え、運転状況に応じて
燃料極通路に空気を供給するように前記燃料極通路切換
弁を切り換えて、空気で燃料極をパージする空気パージ
を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記空気パージ時に、空気極と燃料極と
を連通させる連通弁を備えた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】少なくとも空気を加湿する加湿器を備
え、前記空気パージ時に、燃料極に供給する空気の加湿量
は、通常運転時の空気極への供給空気の加湿量よりも低
くす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】燃料ガス及び空気をそれぞれ加湿するた
めの加湿器を備え、空気極へ空気を供給する空気供給源と前記空気パージ時
に燃料極へ空気を供給する空気供給源とを共用し、該空
気供給源から空気供給通路を前記加湿器の上流で分岐し
たことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】前記燃料極通路切換弁は、前記加湿器と
燃料電池本体との間の燃料極通路に設けた第１大気開放
弁であり、前記空気供給源の下流には、該空気供給源により発生す
る空気流により作動するエゼクタを設け、前記空気パージ時は、第１大気開放弁により燃料極通路
を大気開放し、前記エゼクタの吸口部を燃料極の燃料電
池出口に接続することを特徴とする請求項３記載の燃料
電池システム。
【請求項６】前記加湿器と燃料電池本体との間の空気
極通路に第２大気開放弁を備え、前記空気供給源からの空気を前記加湿器に供給するか前
記エゼクタに供給するかを切り換える空気切換弁を備
え、空気極出口を前記エゼクタの吸口部に接続し、空気パージ時には、前記空気供給源からの空気を前記エ
ゼクタに供給するように前記空気切換弁を切り換えると
ともに、第２大気開放弁により空気極通路を大気開放す
ることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】燃料電池システムの起動時に前記空気パ
ージを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何
れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】燃料電池システムの発電終了時に前記空
気パージを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項６
の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】通常運転中には、前記空気パージを禁止
することを特徴とする請求項７又は請求項８記載の燃料
電池システム。