JP2004111060A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転停止時に燃料電池内部に残留する水を好適に排出する。
【解決手段】燃料電池本体１の運転停止時に、冷却水が循環している冷却通路４への冷却水の供給を遮断弁１０により遮断することで冷却通路４を負圧にし、冷却通路４に残留する冷却水を排出する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電中に生じる熱を除去する冷却水系の冷却水の一部を多孔質体の加湿水透過板および多孔質体の燃料極集電板を介して高分子電解質膜に供給する燃料電池システムに関し、特に、運転停止時に燃料電池内部に残留する冷却水の排出に好適な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池において、発電中に生じる熱を除去する冷却水系の冷却水の一部を多孔質体の加湿水透過板および多孔質体の燃料極集電板を介して高分子電解質膜に供給する直接水供給加湿法は知られている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
これは、燃料極と酸化剤極とで高分子電解質膜を挾持した単位セルを各単位セル毎に冷却板を挿入して複数個積層して燃料電池スタックを構成し、冷却板に供給した冷却水の一部を多孔質体の加湿水透過板および多孔質体の燃料極集電板を介して高分子電解質膜に供給するものであり、冷却水の圧力を流量とは独立に制御する圧力調整手段を冷却水系に備えている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−６８８８４号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平９−９２３１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、運転停止時に燃料電池内に残留する冷却水を積極的に排出する手段を備えていないため、冬季や寒冷地において、冷却通路および多孔質体の加湿水透過板や多孔質体の燃料極集電板から流出した冷却水が流路内で凍ることがあり、再起動時に凍結部分で流路抵抗を生じて不必要な圧力損失を発生させる虞があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、運転停止時に燃料電池内部に残留する水の排出に好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷却通路に供給された冷却水の一部を高分子電解質膜に供給して高分子電解質膜を加湿する燃料電池本体の冷却通路にポンプにより冷却水を循環させて発電中に生じる熱を除去する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の冷却通路の上流側に、燃料電池の運転停止時に閉弁する遮断弁を配置することを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
したがって、本発明では、燃料電池の運転停止時に、冷却水が循環している冷却通路への冷却水の供給を遮断弁により遮断することで冷却通路を負圧にし、残留する冷却水を排出することができ、残留する冷却水の凍結等による始動時の不必要な圧力損失を生じない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略構成図であり、燃料ガス、酸化剤ガス、および、冷却水が供給される燃料電池本体１と、燃料電池本体１に供給する冷却水を制御する冷却水系統２とから構成している。
【００１２】
前記燃料電池本体１は、燃料極１Ａと酸化剤極１Ｂとの間に高分子電解質膜１Ｃを挾持して単セルＣを構成し、燃料極１Ａの外側に冷却板３を層着したものを１ユニットとして複数積層することにより構成している。冷却板３は、冷却通路４を備える構成体４Ａと燃料極１Ａの外面側に配置される多孔質体の加湿水透過板５とにより構成している。冷却通路４の構成体４Ａの背面には、酸化剤極１Ｂを接して隣の単セルＣを積層する。
【００１３】
燃料極１Ａには、燃料源の燃料を燃料処理装置で改質するか、若しくは、燃料貯蔵部よりの水素に富んだ燃料ガスを供給し、酸化剤極１Ｂには、酸化剤ガス供給系から酸化剤ガスを供給する。
【００１４】
冷却板３には、冷却水系統２から冷却水を供給し、冷却水の一部は、燃料極１Ａに供給されて高分子電解質膜１Ｃを加湿するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガス中に蒸発して蒸発潜熱により電池反応熱の一部を取り除く。残りの冷却水は、顕熱により残りの電池反応熱を取り除き、冷却水系統２に排出される。
【００１５】
前記冷却水系統２は、燃料電池本体１に冷却水タンク６の冷却水を供給する供給管路７と燃料電池本体１から冷却水タンク６に冷却水を戻す戻り管路８を備える。供給管路７には、冷却水タンク６の冷却水を燃料電池本体１に供給するポンプ９と、運転停止時に供給管路７を遮断しポンプ９より供給される冷却水を冷却水タンク６に還流させる遮断弁１０を配置して備える。遮断弁１０は、図示例では、供給管路７に配置した弁１０Ａと供給管路７から分岐して冷却水タンク６に戻る管路７Ａに配置した弁１０Ｂとで構成されている。戻り管路８には、前記遮断弁１０の開放時には燃料電池本体１の冷却通路４の圧力を設定した圧力となるよう調圧作動し、前記遮断弁１０の遮断作動時には設定した開放状態となる背圧制御弁１１と、通過する冷却水を冷却する熱交換器１２とを配置して備える。前記背圧制御弁１１の調圧圧力および設定した開放状態は、外部から設定し且つ変更できる。
【００１６】
以上の構成になる燃料電池システムの作動について説明する。
【００１７】
燃料電池本体１の運転時には、ポンプ９により冷却水タンク６の冷却水が遮断弁１０を通過して燃料電池本体１に供給され、背圧制御弁１１により燃料電池本体１内の冷却通路４の圧力が一定に調圧される。背圧制御弁１１から流出した冷却水は熱交換器１２により冷却された後に冷却水タンク６に戻される。
【００１８】
燃料電池本体１の冷却板３の冷却流路４に供給され冷却水は、背圧制御弁１１により調圧された圧力に応じて、その一部が多孔質体の加湿水透過板５を透過して燃料極１Ａに供給されて高分子電解質膜１Ｃを加湿し、次いで、燃料ガスおよび酸化剤ガス中に蒸発して蒸発潜熱により電池反応熱の一部を取り除く。多孔質体の加湿水透過板５を透過しなかった残りの冷却水は、顕熱により残りの電池反応熱を取り除き、冷却水系統２の戻り管路８に排出される。
【００１９】
この運転状態において、燃料電池本体１が運転停止状態に切換えられると、先ず、遮断弁１０が閉じられ、連動して背圧制御弁１１が設定した開放状態となる。遮断弁１０の遮断によりポンプ９から吐出された冷却水は弁１０Ｂを介して冷却水タンク６に戻され、次いで、ポンプ９が停止される。
【００２０】
遮断弁１０下流の冷却水は、燃料電池本体１から背圧制御弁１１、熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に戻る作動を継続し、背圧制御弁１１が開放状態となっているため、この作動はより促進される。このため、燃料電池本体１の冷却板３の冷却流路４は負圧状態に維持され、冷却水の排出が完了した後にも、多孔質体の加湿水透過板５内に保持されている冷却水やその先の燃料極１Ａ側に存在する冷却水も透過させて冷却通路４を経由して排出させる。
【００２１】
前記背圧制御弁１１の開放開度は、予め設定した負圧を生じさせる開度とし、この開度は燃料電池本体１の運転状態に応じて図示しないコントローラに予め記憶させ、また、制御表に設定することが望ましい。
【００２２】
本実施形態においては、下記に記載した効果を奏することができる。
【００２３】
（ア）燃料電池本体１の運転停止時に、冷却水が循環している冷却通路４への冷却水の供給を遮断弁１０により遮断することで冷却通路４を負圧にし、残留する冷却水を排出することができ、残留する冷却水の凍結等による始動時の不必要な圧力損失を生じない。
【００２４】
（イ）冷却通路４の下流側に配置された背圧制御手段としての背圧制御弁１１は、燃料電池本体１の運転停止時に開放されるため、冷却通路４から冷却水タンク６へ排出される冷却水の流れに抵抗がなく、効果的に冷却通路４の残留冷却水を排出することができる。
【００２５】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の燃料電池システムの一例を示す概略構成図であり、冷却水系統２の供給管路７に配置したポンプ９に代えて戻り管路８にポンプ１４を配置したものである。
【００２６】
図２において、冷却水系統２の戻り管路８に配置したポンプ１４は、燃料電池本体１の冷却通路４からの冷却水を昇圧し、熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に戻す。冷却水タンク６の冷却水は、供給管路７の遮断弁１０および燃料電池本体１の冷却通路４への供給圧力を制御する圧力制御弁１５を経由して前記冷却通路４へ冷却水を供給する。圧力制御弁１５は冷却通路４への冷却水の圧力を制御するものであるが、燃料電池本体１の運転停止時に閉じるよう構成する場合には、遮断弁機能を備えた圧力制御弁とでき、遮断弁１０を省略することができる。
【００２７】
上記構成において、燃料電池本体１の通常運転時には、遮断弁１０が開放し、圧力制御弁１５は供給圧力を制御し、ポンプ１４は作動している。従って、冷却水タンク６の冷却水が遮断弁１０、圧力制御弁１５を経由して燃料電池本体１の冷却通路４に供給し、冷却通路４の冷却水はポンプ１４により排出され、熱交換器１２を介して冷却水タンク６に戻される。
【００２８】
燃料電池本体１が運転状態から停止作動されると、遮断弁１０が閉弁するが、ポンプ１４の作動は継続される。遮断弁１０の下流の冷却水はポンプ１４により吸引され、昇圧されて熱交換器１２を介して冷却水タンク６に戻される。ポンプ１４の作動により燃料電池本体１の冷却通路４内の圧力が低下してゆき（負圧が増加し）、第１実施形態と同様に燃料電池本体１内の冷却水を排出する。負圧が所定値まで達するとき、ポンプ１４を停止させる。
【００２９】
この停止タイミング、即ち、遮断弁１０が作動した時からポンプ１４を停止する時間までの時間は、目的の値の負圧が生ずる時間により設定すればよい。逆に得られる負圧は、遮断弁１０が作動した時からポンプ１４を停止する時間を制御することで調整可能である。なお、停止時間の目標値も運転状態からあらかじめ目標値を表として設定することができる。
【００３０】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００３１】
（ウ）冷却水系統２は、燃料電池本体１の運転停止時に、冷却通路４の冷却水を下流に流し続けるポンプ１４を備えているため、冷却通路４に発生する負圧をポンプ１４の作動時間に応じて増減させることができ、効果的に冷却通路４より残留冷却水を排出することができる。
【００３２】
（第３実施形態）
図３〜６は、本発明の第３の実施形態の燃料電池システムを示し、運転停止時に燃料電池本体全体の冷却通路から冷却水を排水するのでなく、燃料電池本体内の凍結し易いセルの冷却通路の冷却水を排出しようとする燃料電池システムである。図３は燃料電池本体１の積層されたセルを含む断面図、図４は図３の作動時の状態を示す断面図、図５は別の燃料電池本体１の積層されたセルを含む断面図、図６は図５の作動時の状態を示す断面図である。
【００３３】
図３に示す燃料電池本体１においては、冷却水の入口マニホールド２０および出口マニホールド２１は積層されたセルの外側に配置している。入口マニホールド２０の略中央部には冷却水の入口２２（冷却水集合入口）を設け、出口マニホールド２１の略中央部には冷却水の出口２３（冷却水集合出口）を設ける。入口マニホールド２０の冷却水は各セルの冷却通路４を経て出口マニホールド２１に流れる。入口マニホールド２０の入口２２から遠い両端には、端部から所定数のセルへの冷却通路４の入口を閉鎖可能に遮断弁２４を配置する。遮断弁２４は、燃料電池本体１の運転時には、冷却水の該当するセルへの流入を邪魔しない部分に位置し、燃料電池本体１の運転停止時に入口マニホールド２０に突出して前記セルの冷却水入口を閉じ、該当するセルの冷却通路４への冷却水の流れを遮断するよう作動する。
【００３４】
このようにして構成して遮断弁２４を含む燃料電池本体１は、第１実施形態における遮断弁１０を取去った冷却水系統２に接続して作動可能となる。
【００３５】
即ち、燃料電池本体１の運転時においては、入口マニホールド２０の両端に配置した遮断弁２４は開放し、ポンプ９からの冷却水は、背圧制御弁１１の制御圧力下において、全てのセルの冷却通路４を通過してセルの冷却作動を行い、背圧制御弁１１、熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に戻される。
【００３６】
燃料電池本体１の運転停止時においては、図４に示すように、燃料電池本体１の端部の複数のセルの入口が遮断弁２４により閉じられ、背圧制御弁１１は開放される。但し、ポンプ９は、この場合においては、作動を継続される。即ち、ポンプ９からの冷却水は燃料電池本体１の入口マニホールド２０から遮断弁２４が配置されていないセルの冷却通路４のみに流入し、出口マニホールド２１から背圧制御弁１１、熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に戻される。遮断弁２４が配置された両端における複数セルの冷却通路４は、遮断弁２４により阻止されて冷却水が流入しない。しかしながら、両端における複数セルの冷却通路４は出口マニホールド２１には連通しており、遮断弁２４が作動しても入口２２から出口２３への冷却水の流動は慣性により継続されているため、冷却水はこの冷却通路４から排出される。遮断弁２４が作動してからのポンプ９の停止タイミングは、該当するセルの冷却通路４から冷却水が抜出る時間を目安に設定すればよい。
【００３７】
図５に示す燃料電池本体１においては、冷却水の入口マニホールド２５および出口マニホールド２６は積層されたセルを貫通するように配置している。入口マニホールド２５および出口マニホールド２６の一端は冷却水の入口２７および出口２８に形成され、入口マニホールド２５の冷却水が各セルの冷却通路４を経て出口マニホールド２６に流れる。遮断弁２９は冷却水の入口２７および出口２８より遠い奥側の複数のセルの冷却通路４の入口を遮断するよう配置する。遮断弁２９は燃料電池本体１の運転時には、入口マニホールド２５の延長上に位置し、燃料電池本体１の運転停止時に作動して入口マニホールド２５に進入し、奥側の複数のセルの冷却通路４の入口を遮断する（図６参照）よう作動する。
【００３８】
この燃料電池本体１も図３と同様に冷却水系統２に配置して作動可能となる。なお、具体的な作動は、図３と同様であり、燃料電池本体１の運転停止時に遮断弁２９を作動させて入口マニホールド２５および出口マニホールド２６の奥側に位置する複数のセルの冷却通路４から冷却水を排出させる。
【００３９】
これら図３および図５の遮断弁２４，２９を備えた燃料電池本体１を図２に示す実施形態の冷却水系統２に適用する場合には、図２に配置されている遮断弁１０を取去ることで適用することができる。ポンプ１４の作動による負圧により燃料電池本体１内の各セルの冷却通路４から冷却水を排出させるよう作用するが、遮断弁２４、２９が配置されていないセルの冷却通路４の冷却水による緩衝により、ポンプ１４にキャビテーションが生ずることを緩和し、耐久性が悪化するのを防ぐことができる。
【００４０】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）および第２実施形態における効果（ウ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００４１】
（エ）遮断弁９，１４を、冷却水を各冷却通路４に配分する入口マニホールド２１、２５に配置するため、遮断弁９，１４で遮断される冷却通路４から冷却水タンク６までの戻り管路８の上流に位置する凍結しやすい冷却通路４の残留冷却水の排出が効果的に行える。
【００４２】
（オ）遮断弁９，１４は、また、入口マニホールド２０，２５への入口から遠いセルへの入口マニホールド２０，２５からの冷却水の流入を遮断可能に配置するため、燃料電池本体１中の冷却水が抜けにくいセルだけに選択的に負圧を加えて、凍結の不具合が生じる可能性のあるセルを無くすることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
図７，８は、本発明の第４の実施形態の燃料電池システムを示し、運転停止時に燃料電池本体１の冷却通路４に生ずる負圧を調整するようにした燃料電池システムである。
【００４４】
図７は、燃料電池本体１の単一セルの冷却通路４を示し、入口マニホールド２０と出口マニホールド２１に連通させて冷却通路４が配置されている。冷却通路４の出口マニホールド２１への接続口には、オリフィス３０が配置され、冷却通路４の冷却水圧力と出口マニホールド２１の冷却水圧力とを相違させるようにしている。このオリフィス３０は、燃料電池本体１の他のセルの冷却通路４にも配置される。冷却通路４の入口は、マニホールド２０から遮断弁１０を経由して冷却水タンク６に接続され、冷却通路４の出口は、マニホールド２１からポンプ１４、熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に接続される。
【００４５】
この構成の燃料電池システムにおいては、燃料電池本体１の運転時には、冷却水タンク６からの冷却水が入口マニホールド２０に供給され、各セルの冷却通路４を通過し、オリフィス３０を経由して出口マニホールド２１に至り、ポンプ１４により昇圧されて熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に戻される。その際、冷却通路４の圧力は、オリフィス３０の開口面積で設定した圧力に設定される。オリフィス３０は冷却通路４を通過する冷却水の流量に応じて出口マニホールド２１の冷却水圧力（ポンプ吸い込み側の圧力）よりも高くなる。なお、冷却通路４中においても冷却水は通路抵抗を受けて圧力降下される。
【００４６】
燃料電池本体１の運転停止時には、遮断弁１０が閉じ、ポンプ１４は作動を継続する。ポンプ１４の作動により、各セルの冷却通路４の冷却水はオリフィス３０を経由してポンプ１４で吸出されて熱交換器１２を経由して冷却水タンク６に戻される。ポンプ１４の作動で燃料電池本体１内の圧力が負圧に低下し、各セルの冷却通路４に残存する冷却水がポンプ１４により吸出されてゆく。この作動において、冷却通路の負圧は時間の経過に連れて高まるものであるが、オリフィス３０が出口マニホールド２１との間に配置しているため、出口マニホールド２１の負圧値に比較して負圧値が小さくされる。このため、冷却通路４が目的とする負圧値に到達する時間を長くすることができ、運転停止時の制御性が良くなる。
【００４７】
図８は、上記オリフィス３０を感温変形収縮部材３２からなる感温弁３１により構成した変形例である。感温弁３１は、低温時は、図８（Ｂ）に示すように、感温変形収縮部材３２が収縮することによりオリフィス径が大きくなり、高温時は、図８（Ａ）に示すように、膨張することにより小さくなる。
【００４８】
一般的に燃料電池本体１の運転停止時に、燃料電池本体１が高温であると、冷却通路４の冷却水の流動性が高く、速やかに出口マニホールド２１に流出してしまい、また、低温であると同じく冷却水の流動性が低く、出口マニホールド２１に流出してしまう時間が長くなる。
【００４９】
しかしながら、この構成では、オリフィス３０を温度によって開口径が縮小する感温弁３１で構成しているため、冷却水温が高温である場合には流出を制限する割合を増加し、低温である場合には流出を制限する割合を減じて、一定の時間経過のもとに冷却水を流出させることができる。従って、温度の高低に左右されることなく遮断弁１０の閉弁後の所定時間にポンプ１４を停止させることができる。
【００５０】
以上の例では、冷却通路４の出口のオリフィス３０，３１は、全てのセルに設ける場合について説明したが、図示しないが、燃料電池本体１内の冷却水が残留しやすいセルの冷却通路４出口には、オリフィス３０や感温弁３１を配置しないようにするか、他より開口面積の大きいオリフィス３０や感温弁３１を配置するよう構成することもできる。このようにすると、冷却水が残留しやすいセルの冷却水が先ず抜け、次いで、他の冷却水が残留し難いセルの冷却水が抜けるように作動する。
【００５１】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）および第２の実施形態における効果（ウ）に加えて、下記に記載した効果を奏することができる。
【００５２】
（カ）冷却通路４の背圧を、セルの冷却通路４出口に配置したオリフィス３０により制御するよう構成したため、圧力制御弁を必要とせず、より構成を簡単化することができる。
【００５３】
（キ）オリフィス３０を、冷却通路の冷却水の温度が上昇するに連れて開口面積が減少する感温弁３１で構成したため、冷却水の温度に左右されずにポンプ１４の作動時間を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。
【図４】図３の作動状態を示す概略構成図。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの変形例の概略構成図。
【図６】図５の作動状態を示す概略構成図。
【図７】本発明の第４実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。
【図８】第４実施形態の燃料電池システムの変形例における高温時の作動状態図（Ａ）、および、低温時の作動状態図（Ｂ）。
【符号の説明】
１　燃料電池本体
２　冷却水系統
３　冷却板
４　冷却通路
５　多孔質体の加湿水透過板
６　冷却水タンク
７　供給管路
８　戻り管路
９、１４　ポンプ
１０、２４、２９　遮断弁
１１　背圧制御弁
１５　圧力制御弁
２０、２５　入口マニホールド
２１、２６　出口マニホールド
３０　オリフィス
３１　感温弁

Claims (7)

1. 燃料極と酸化剤極とで高分子電解質膜を挾持した単位セルを複数個積層するとともに、各単位セル毎に多孔質体の加湿水透過板および冷却通路を備えた冷却板を挿入し、加湿水透過板および多孔質体の燃料極、酸化剤極集電板を介して冷却通路に供給された冷却水の一部を高分子電解質膜に供給して高分子電解質膜を加湿するようにした燃料電池本体と、前記燃料電池本体の冷却通路にポンプにより冷却水を循環させて発電中に生じる熱を除去する冷却水系統と、を具備する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池本体の冷却通路の上流側に、燃料電池の運転停止時に閉弁する遮断弁を配置したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却通路の下流側には、冷却通路に背圧を付与する背圧制御手段を配置して備え、
   前記背圧制御手段は燃料電池の運転停止時には開放されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷却水系統のポンプは、冷却通路の下流側に配置され、冷却通路の冷却水を昇圧して冷却水タンクに戻し、冷却水タンクから遮断弁を介して冷却通路に還流させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記遮断弁は、冷却水を冷却通路に配分する入口マニホールドに配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記遮断弁は、入口マニホールドへの入口から遠いセルへの入口マニホールドからの冷却水の流入を遮断可能に配置することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却通路は、出口に配置したオリフィスにより背圧が制御されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記オリフィスは、冷却通路の冷却水の温度が上昇するに連れて開口面積が減少する感温弁であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。

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