JP2004234892A - 燃料電池システム - Google Patents
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
【課題】運転停止時における燃料電池の凍結を防止する。
【解決手段】燃料電池1をケース3内に密閉状態で収容し、このケース3と燃料電池1との間にガス層7を設ける。システム停止時に、真空ポンプ31を作動させてガス層7内を負圧にし、燃料電池1とケース3の外部とを断熱する。
【選択図】 図2
【解決手段】燃料電池1をケース3内に密閉状態で収容し、このケース3と燃料電池1との間にガス層7を設ける。システム停止時に、真空ポンプ31を作動させてガス層7内を負圧にし、燃料電池1とケース3の外部とを断熱する。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば特許文献1には、温度センサが検出する装置外部の温度が所定のしきい値以下であると、燃料電池の駆動/停止を制御して熱を発生し、この燃料電池からの発生熱の一部を燃料電池への循環水に供給して循環水を加熱するものが開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−214025号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は、発電時に水が多く存在するため、反応ガス流路内やガス拡散層電極内に水が残留していると、氷点下では凍結する。この凍結状態で燃料電池を起動すると、反応ガスを多孔質拡散層電極の触媒面に供給しにくくなり、性能悪化を招く。
【0005】
そこで、この発明は、運転停止時における燃料電池の凍結を防止することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池をケース内に収容し、このケースと前記燃料電池との間にガス層を設け、システム停止時に前記ガス層を負圧にする構成としてある。
【0007】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池とそれを収容するケースとの間にガス層を設け、このガス層をシステム停止時に負圧にするようにしたため、ケース内の燃料電池は、負圧状態のガス層を介して外部と断熱され、これによりケース外部が氷点下であっても、燃料電池の凍結が回避され、性能悪化を防止することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0009】
図1は、この発明の第1の実施形態を示す燃料電池システムにおける燃料電池1およびそれを密閉状態で収容するケース3の概略断面図である。(a)は正面断面図、(b)は側面断面図である。
【0010】
燃料電池1は、図示していないが、固体高分子電解質膜をその両側から二つの多孔質拡散層電極で挟持し、さらにその両側にセパレータを配置することにより単位電池を構成する。このセパレータの多孔質拡散層電極に対向する面に、反応ガスとして燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる反応ガス流路を備え、さらにセパレータの多孔質拡散層電極と反対側の面に冷却水が流れる冷却水流路を備える。
【0011】
そして、上記した単位電池を複数積層してスタック構成とする。このようなスタック構成の燃料電池1は、全体として直方体状に形成してあり、その8方の面とケース3との間に、支持体5を介装して燃料電池1をケース3に支持させてある。これにより燃料電池1とケース3との間に、ガス層7を形成する。
【0012】
上記したケース3は、断熱性、可能であれば絶縁性の高い材料で構成してあり、また支持体5は、絶縁性および断熱性がともに高く、可能であれば弾力性の高い、例えばゴム製とする。
【0013】
燃料電池1とケース3の大きさ、または必要な断熱性能の程度によって、前記支持体5の個数や大きさを変え、これによりガス層7の容積を変えることができる。
【0014】
ここで、ガス層7の容積が小の場合には、真空ポンプの容量(図2参照)が小で、断熱性も小となり、ガス層7の容積が大の場合には、真空ポンプ(図2参照)の容量が大で、断熱性も大となる。
【0015】
図2は、上記した第1の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、図2では支持体5を省略してある。
【0016】
ケース3内に収容してある燃料電池1には、燃料ガス入口配管9,酸化剤ガス入口配管11および冷却水入口配管13を、ケース3を貫通して接続してある。
【0017】
燃料ガス入口配管9および酸化剤ガス入口配管11の上流側には、燃料ガス用ブロア15および酸化剤ガス用ブロア17をそれぞれ設け、冷却水入口配管13の上流側には、冷却水ポンプ19を設ける。これにより、燃料ガスである水素または改質ガス,酸化剤ガスである空気または酸素などの反応ガスや、冷却水である純水または不凍液などの液体を、燃料電池1にそれぞれ供給する。
【0018】
上記した燃料ガス用ブロア15と燃料電池1との間の燃料ガス入口配管9および、酸化剤ガス用ブロア17と燃料電池1との間の酸化剤ガス入口配管11には、加湿器21および23をそれぞれ設置する。
【0019】
また、燃料電池1には、燃料ガス出口配管25,酸化剤ガス出口配管27および冷却水出口配管29を、ケース3を貫通してそれぞれ接続してある。これにより、ガスや液体が外部に排出または図示しないタンクなどに流すことができる。
さらに、負圧発生手段としての真空ポンプ31をケース3の外部に設置し、この真空ポンプ31とケース3内のガス層7とを真空ポンプ用配管33で接続し、真空ポンプ31の駆動によりガス層7内のガスを大気中に放出する構成とする。また、真空ポンプ用配管33の途中には、電気制御が可能な電磁弁35を設置する。
【0020】
次に、第1の実施形態の作用を説明する。
【0021】
第1の実施形態では、燃料電池1の運転停止時に、常にまたは外部温度が0℃以下の場合に、電磁弁35を開放した状態で真空ポンプ31を作動させ、ガス層7を減圧し真空に近づける。すなわち、本システム停止時にガス層7を負圧にする。
【0022】
ガス層7が設定した負圧に達したら、真空ポンプ31を停止させ、電磁弁35を閉じる。これにより、燃料電池1とケース3外部との間の断熱性を、低電力で高めることができ、ケース3の外部が氷点下となる低温環境下であっても、燃料電池1の凍結を防止でき、反応ガスを多孔質拡散層電極の触媒面に供給しやすくなって起動も容易に行うことができ、性能悪化を防止することが可能となる。
【0023】
さらに、上記した凍結を防止することで、凍結・解凍を繰り返すことによる固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【0024】
上記したガス層7を負圧にする作業を、外部温度が0℃以下のときのみ行うことで、常時負圧にする場合に比べ、真空ポンプ31や電磁弁駆動のための電力を節約することができる。
【0025】
また、図示していないが、ケース3内に圧力センサを設け、ガス層7内を負圧にした後、ガス層7が設定圧力(負圧)より高い圧力になった時点で、上記したシステム停止時と同じ動作をすることで、負圧状態を維持し、連続して断熱性を高めることが可能となる。
【0026】
一方、システム起動時には、電磁弁35を開放し、ガス層7の圧力を常圧にする。
【0027】
図3は、従来例と上記した第1の実施形態の断熱性比較の計算例を示すグラフであり、横軸が時間(単位:時間)、縦軸が燃料電池1の温度(単位:℃)を示している。燃料電池1の初期温度は80℃、外部温度は−20℃(一定)とした。
【0028】
従来例では、ガス層7の空気と配管の熱伝導により、約15時間で燃料電池1の温度が氷点下になって凍結するのに対し、本実施形態では、ガス層7の空気をほぼ真空にして空気の熱伝導率を限りなく0に近づけることで、1日経過しても、燃料電池1は温度が氷点下になることなく起動が容易となる。
【0029】
なお、上記した第1の実施形態では、図2に示すように、ガス層7と外気を連通する外気導入管37および、外気導入管37を開閉する電磁弁39をさらに設け、上記した真空ポンプ31の作動時に電磁弁39を開くようにしてもよい。これにより、簡単な構成で、運転中に燃料電池1からガス層7にリークした反応ガス(水素など)を外部に排出してガス層7を換気し、その後電磁弁39を閉じた状態で、真空ポンプ31の作動を継続させることで、ガス層7を負圧にする。
【0030】
また、ガス層7を換気する前にガス層7を負圧にし、燃料電池1の内部からガスを強制的にリークさせた後に換気してもよい。このようにすれば、換気後ガス層7を再度負圧にしたときに、燃料電池1からのガスリーク量を減少できる。
【0031】
図4は、この発明の第2の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、この図4においても、図2と同様に前記図1に示した支持体5を省略してある。
【0032】
この実施形態は、前記図2に示した第1の実施形態の燃料電池システムに加え、電磁弁35と燃料電池1との間の真空ポンプ用配管33に、大気に開放する大気開放用分岐配管41を接続し、この大気開放用分岐配管41に電磁弁43を設置する。さらに、酸化剤ガス用ブロア17と加湿器23との間の酸化剤ガス入口配管11に電磁弁45を設置するとともに、この電磁弁45と酸化剤ガス用ブロア17との間の酸化剤ガス入口配管11と、ガス層7とを、酸化剤ガス分岐配管47で接続する。酸化剤ガス分岐配管47にも電磁弁49を設置する。図2における外気導入管37および電磁弁39は設けない。これにより、燃料電池1に供給する酸化剤ガスである空気や酸素などをガス層7に供給することができる。
【0033】
なお、上記した各電磁弁45,49は、独立で制御可能なものである。その他の構成は第1の実施形態と同様である。
【0034】
第2の実施形態では、ガス層7を換気する際に、電磁弁45を閉、電磁弁49を開として酸化剤ガス分岐配管47から空気をガス層7に供給すると同時に、電磁弁43を開とする。これにより、ガス層7のガスを換気してガス層7に漏れたリークガスを除去することができる。この場合、酸化剤ガスは外部温度より高いので、燃料電池1の温度低下を抑えつつ換気を行うことができ、燃料電池1の凍結防止効果がさらに向上する。
【0035】
換気後は、電磁弁45を開、電磁弁43,49を閉として、第1の実施形態と同様にガス層7を負圧にすることで、第1の実施形態と同様の効果を得る。
【0036】
なお、上記した第2の実施形態でも、換気の前にガス層7を負圧にし、燃料電池1からガスを強制的にリークさせてもよく、これにより、ガス層7を再度負圧にしたときに、燃料電池1からのガスリーク量を減少できる。
【0037】
図5は、この発明の第3の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、この図5においても、図2と同様に前記図1に示した支持体5を省略してある。
【0038】
この実施形態は、前記図4に示した第2の実施形態の燃料電池システムに加え、燃料ガス出口配管25および酸化剤ガス出口配管27のガス層7における部分に、燃料ガス分岐出口配管51および酸化剤ガス分岐出口配管53を、ガス層7に開口させてそれぞれ接続する。この燃料ガス分岐出口配管51および酸化剤ガス分岐出口配管53には、電磁弁55および57をそれぞれ設置する。
【0039】
さらに、大気開放用分岐配管41の電磁弁43より下流側には、水回収装置59を設置し、ガス層7内の水を回収できるようにする。
【0040】
第3の実施形態では、運転停止時に電磁弁55,57を開放した状態で、真空ポンプ31を駆動することで、燃料電池1内の反応ガスを強制的に引き抜くことが可能になる。このとき、電磁弁43,49は閉じておく。
【0041】
その後、電磁弁43,49を開き、第2の実施形態と同様にしてガス層7を換気する。換気後は、電磁弁43,49を閉として、第1の実施形態と同様にガス層7を負圧にすることで、第1の実施形態と同様の効果を得る。
【0042】
また、露点が高いガスを真空に近づけると、凝縮して水が発生するが、この水を電磁弁43の開放により水回収装置59で回収する。これにより、水に対するパージ効果が発生し、ガス層7内の水を極力排出することができ、燃料電池1が低温環境になった場合でも、凍結する水量が少なく、燃料電池1の起動を確実に行うことができる。
【0043】
さらに、固体高分子電解質膜は、ある程度含水していないと、燃料電池1の発電が行えないが、電磁弁55,57を開放した状態でガス層7を負圧にすることで、燃料電池1内の反応ガス流路に凝縮水を発生させ、この凝縮水を固体高分子電解質膜に浸透させることで、次回の起動が速やかに行える。
【0044】
次に、この発明の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、前記図5に示した第3の実施形態のシステム構成において、運転停止時にまず燃料ガス側の電磁弁55を開放し,真空ポンプ31でガス層7内を減圧させた後、電磁弁55を閉じる。
【0045】
その後、電磁弁43,49を開放し、第2,第3の各実施形態と同様にしてガス層7内を換気する。換気が終了したら、電磁弁43,49を閉じ、酸化剤ガス側の電磁弁57を開放した状態で、再び真空ポンプ31でガス層7内を減圧させた後、電磁弁57を閉じる。
【0046】
このような制御をすることで、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが交じり合うことを極力防止できる。
【0047】
なお、第4の実施形態では、電磁弁57を閉じた後に、再度電磁弁43,49を開放してガス層7内の換気を行い、その後真空ポンプ31で減圧してもよい。こうすることで、ガス層7内に残留する水素を極力少なくすることができる。
【0048】
上記した第4の実施形態では、燃料電池1から燃料ガスを引き抜いた後、酸化剤ガスを引き抜くようにしたが、酸化剤ガスを先に引き抜き、その後燃料ガスを引き抜くようにしてもよい。このようにすれば、ガス層7内に残留する水素を極力少なくすることができる。
【0049】
次に、この発明の第5の実施形態について説明する。第5の実施形態では、前記第1ないし第3の実施形態のシステム構成において、真空ポンプ31を作動させてガス層7を減圧させる際に、冷却水ポンプ19を駆動して、60℃程度の冷却水を燃料電池1に循環させる。これにより、ガス層7の温度が必要以上に下がったとしても、燃料電池1の温度低下を防止する。
【0050】
以上本発明の実施形態ついていくつか説明したが、本発明はこのような実施形態例に限定されるものではなく、当然本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態を示す燃料電池システムにおける燃料電池およびそれを収容するケースの概略断面図で、(a)は正面断面図、(b)は側面断面図である。
【図2】第1の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図3】従来例と第1の実施形態の断熱性比較の計算例を示すグラフである。
【図4】この発明の第2の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図5】この発明の第3の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
3 ケース
5 支持体
7 ガス層
31 真空ポンプ(負圧発生手段)
59 水回収装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば特許文献1には、温度センサが検出する装置外部の温度が所定のしきい値以下であると、燃料電池の駆動/停止を制御して熱を発生し、この燃料電池からの発生熱の一部を燃料電池への循環水に供給して循環水を加熱するものが開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−214025号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は、発電時に水が多く存在するため、反応ガス流路内やガス拡散層電極内に水が残留していると、氷点下では凍結する。この凍結状態で燃料電池を起動すると、反応ガスを多孔質拡散層電極の触媒面に供給しにくくなり、性能悪化を招く。
【0005】
そこで、この発明は、運転停止時における燃料電池の凍結を防止することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池をケース内に収容し、このケースと前記燃料電池との間にガス層を設け、システム停止時に前記ガス層を負圧にする構成としてある。
【0007】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池とそれを収容するケースとの間にガス層を設け、このガス層をシステム停止時に負圧にするようにしたため、ケース内の燃料電池は、負圧状態のガス層を介して外部と断熱され、これによりケース外部が氷点下であっても、燃料電池の凍結が回避され、性能悪化を防止することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0009】
図1は、この発明の第1の実施形態を示す燃料電池システムにおける燃料電池1およびそれを密閉状態で収容するケース3の概略断面図である。(a)は正面断面図、(b)は側面断面図である。
【0010】
燃料電池1は、図示していないが、固体高分子電解質膜をその両側から二つの多孔質拡散層電極で挟持し、さらにその両側にセパレータを配置することにより単位電池を構成する。このセパレータの多孔質拡散層電極に対向する面に、反応ガスとして燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる反応ガス流路を備え、さらにセパレータの多孔質拡散層電極と反対側の面に冷却水が流れる冷却水流路を備える。
【0011】
そして、上記した単位電池を複数積層してスタック構成とする。このようなスタック構成の燃料電池1は、全体として直方体状に形成してあり、その8方の面とケース3との間に、支持体5を介装して燃料電池1をケース3に支持させてある。これにより燃料電池1とケース3との間に、ガス層7を形成する。
【0012】
上記したケース3は、断熱性、可能であれば絶縁性の高い材料で構成してあり、また支持体5は、絶縁性および断熱性がともに高く、可能であれば弾力性の高い、例えばゴム製とする。
【0013】
燃料電池1とケース3の大きさ、または必要な断熱性能の程度によって、前記支持体5の個数や大きさを変え、これによりガス層7の容積を変えることができる。
【0014】
ここで、ガス層7の容積が小の場合には、真空ポンプの容量(図2参照)が小で、断熱性も小となり、ガス層7の容積が大の場合には、真空ポンプ(図2参照)の容量が大で、断熱性も大となる。
【0015】
図2は、上記した第1の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、図2では支持体5を省略してある。
【0016】
ケース3内に収容してある燃料電池1には、燃料ガス入口配管9,酸化剤ガス入口配管11および冷却水入口配管13を、ケース3を貫通して接続してある。
【0017】
燃料ガス入口配管9および酸化剤ガス入口配管11の上流側には、燃料ガス用ブロア15および酸化剤ガス用ブロア17をそれぞれ設け、冷却水入口配管13の上流側には、冷却水ポンプ19を設ける。これにより、燃料ガスである水素または改質ガス,酸化剤ガスである空気または酸素などの反応ガスや、冷却水である純水または不凍液などの液体を、燃料電池1にそれぞれ供給する。
【0018】
上記した燃料ガス用ブロア15と燃料電池1との間の燃料ガス入口配管9および、酸化剤ガス用ブロア17と燃料電池1との間の酸化剤ガス入口配管11には、加湿器21および23をそれぞれ設置する。
【0019】
また、燃料電池1には、燃料ガス出口配管25,酸化剤ガス出口配管27および冷却水出口配管29を、ケース3を貫通してそれぞれ接続してある。これにより、ガスや液体が外部に排出または図示しないタンクなどに流すことができる。
さらに、負圧発生手段としての真空ポンプ31をケース3の外部に設置し、この真空ポンプ31とケース3内のガス層7とを真空ポンプ用配管33で接続し、真空ポンプ31の駆動によりガス層7内のガスを大気中に放出する構成とする。また、真空ポンプ用配管33の途中には、電気制御が可能な電磁弁35を設置する。
【0020】
次に、第1の実施形態の作用を説明する。
【0021】
第1の実施形態では、燃料電池1の運転停止時に、常にまたは外部温度が0℃以下の場合に、電磁弁35を開放した状態で真空ポンプ31を作動させ、ガス層7を減圧し真空に近づける。すなわち、本システム停止時にガス層7を負圧にする。
【0022】
ガス層7が設定した負圧に達したら、真空ポンプ31を停止させ、電磁弁35を閉じる。これにより、燃料電池1とケース3外部との間の断熱性を、低電力で高めることができ、ケース3の外部が氷点下となる低温環境下であっても、燃料電池1の凍結を防止でき、反応ガスを多孔質拡散層電極の触媒面に供給しやすくなって起動も容易に行うことができ、性能悪化を防止することが可能となる。
【0023】
さらに、上記した凍結を防止することで、凍結・解凍を繰り返すことによる固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【0024】
上記したガス層7を負圧にする作業を、外部温度が0℃以下のときのみ行うことで、常時負圧にする場合に比べ、真空ポンプ31や電磁弁駆動のための電力を節約することができる。
【0025】
また、図示していないが、ケース3内に圧力センサを設け、ガス層7内を負圧にした後、ガス層7が設定圧力(負圧)より高い圧力になった時点で、上記したシステム停止時と同じ動作をすることで、負圧状態を維持し、連続して断熱性を高めることが可能となる。
【0026】
一方、システム起動時には、電磁弁35を開放し、ガス層7の圧力を常圧にする。
【0027】
図3は、従来例と上記した第1の実施形態の断熱性比較の計算例を示すグラフであり、横軸が時間(単位:時間)、縦軸が燃料電池1の温度(単位:℃)を示している。燃料電池1の初期温度は80℃、外部温度は−20℃(一定)とした。
【0028】
従来例では、ガス層7の空気と配管の熱伝導により、約15時間で燃料電池1の温度が氷点下になって凍結するのに対し、本実施形態では、ガス層7の空気をほぼ真空にして空気の熱伝導率を限りなく0に近づけることで、1日経過しても、燃料電池1は温度が氷点下になることなく起動が容易となる。
【0029】
なお、上記した第1の実施形態では、図2に示すように、ガス層7と外気を連通する外気導入管37および、外気導入管37を開閉する電磁弁39をさらに設け、上記した真空ポンプ31の作動時に電磁弁39を開くようにしてもよい。これにより、簡単な構成で、運転中に燃料電池1からガス層7にリークした反応ガス(水素など)を外部に排出してガス層7を換気し、その後電磁弁39を閉じた状態で、真空ポンプ31の作動を継続させることで、ガス層7を負圧にする。
【0030】
また、ガス層7を換気する前にガス層7を負圧にし、燃料電池1の内部からガスを強制的にリークさせた後に換気してもよい。このようにすれば、換気後ガス層7を再度負圧にしたときに、燃料電池1からのガスリーク量を減少できる。
【0031】
図4は、この発明の第2の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、この図4においても、図2と同様に前記図1に示した支持体5を省略してある。
【0032】
この実施形態は、前記図2に示した第1の実施形態の燃料電池システムに加え、電磁弁35と燃料電池1との間の真空ポンプ用配管33に、大気に開放する大気開放用分岐配管41を接続し、この大気開放用分岐配管41に電磁弁43を設置する。さらに、酸化剤ガス用ブロア17と加湿器23との間の酸化剤ガス入口配管11に電磁弁45を設置するとともに、この電磁弁45と酸化剤ガス用ブロア17との間の酸化剤ガス入口配管11と、ガス層7とを、酸化剤ガス分岐配管47で接続する。酸化剤ガス分岐配管47にも電磁弁49を設置する。図2における外気導入管37および電磁弁39は設けない。これにより、燃料電池1に供給する酸化剤ガスである空気や酸素などをガス層7に供給することができる。
【0033】
なお、上記した各電磁弁45,49は、独立で制御可能なものである。その他の構成は第1の実施形態と同様である。
【0034】
第2の実施形態では、ガス層7を換気する際に、電磁弁45を閉、電磁弁49を開として酸化剤ガス分岐配管47から空気をガス層7に供給すると同時に、電磁弁43を開とする。これにより、ガス層7のガスを換気してガス層7に漏れたリークガスを除去することができる。この場合、酸化剤ガスは外部温度より高いので、燃料電池1の温度低下を抑えつつ換気を行うことができ、燃料電池1の凍結防止効果がさらに向上する。
【0035】
換気後は、電磁弁45を開、電磁弁43,49を閉として、第1の実施形態と同様にガス層7を負圧にすることで、第1の実施形態と同様の効果を得る。
【0036】
なお、上記した第2の実施形態でも、換気の前にガス層7を負圧にし、燃料電池1からガスを強制的にリークさせてもよく、これにより、ガス層7を再度負圧にしたときに、燃料電池1からのガスリーク量を減少できる。
【0037】
図5は、この発明の第3の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、この図5においても、図2と同様に前記図1に示した支持体5を省略してある。
【0038】
この実施形態は、前記図4に示した第2の実施形態の燃料電池システムに加え、燃料ガス出口配管25および酸化剤ガス出口配管27のガス層7における部分に、燃料ガス分岐出口配管51および酸化剤ガス分岐出口配管53を、ガス層7に開口させてそれぞれ接続する。この燃料ガス分岐出口配管51および酸化剤ガス分岐出口配管53には、電磁弁55および57をそれぞれ設置する。
【0039】
さらに、大気開放用分岐配管41の電磁弁43より下流側には、水回収装置59を設置し、ガス層7内の水を回収できるようにする。
【0040】
第3の実施形態では、運転停止時に電磁弁55,57を開放した状態で、真空ポンプ31を駆動することで、燃料電池1内の反応ガスを強制的に引き抜くことが可能になる。このとき、電磁弁43,49は閉じておく。
【0041】
その後、電磁弁43,49を開き、第2の実施形態と同様にしてガス層7を換気する。換気後は、電磁弁43,49を閉として、第1の実施形態と同様にガス層7を負圧にすることで、第1の実施形態と同様の効果を得る。
【0042】
また、露点が高いガスを真空に近づけると、凝縮して水が発生するが、この水を電磁弁43の開放により水回収装置59で回収する。これにより、水に対するパージ効果が発生し、ガス層7内の水を極力排出することができ、燃料電池1が低温環境になった場合でも、凍結する水量が少なく、燃料電池1の起動を確実に行うことができる。
【0043】
さらに、固体高分子電解質膜は、ある程度含水していないと、燃料電池1の発電が行えないが、電磁弁55,57を開放した状態でガス層7を負圧にすることで、燃料電池1内の反応ガス流路に凝縮水を発生させ、この凝縮水を固体高分子電解質膜に浸透させることで、次回の起動が速やかに行える。
【0044】
次に、この発明の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、前記図5に示した第3の実施形態のシステム構成において、運転停止時にまず燃料ガス側の電磁弁55を開放し,真空ポンプ31でガス層7内を減圧させた後、電磁弁55を閉じる。
【0045】
その後、電磁弁43,49を開放し、第2,第3の各実施形態と同様にしてガス層7内を換気する。換気が終了したら、電磁弁43,49を閉じ、酸化剤ガス側の電磁弁57を開放した状態で、再び真空ポンプ31でガス層7内を減圧させた後、電磁弁57を閉じる。
【0046】
このような制御をすることで、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが交じり合うことを極力防止できる。
【0047】
なお、第4の実施形態では、電磁弁57を閉じた後に、再度電磁弁43,49を開放してガス層7内の換気を行い、その後真空ポンプ31で減圧してもよい。こうすることで、ガス層7内に残留する水素を極力少なくすることができる。
【0048】
上記した第4の実施形態では、燃料電池1から燃料ガスを引き抜いた後、酸化剤ガスを引き抜くようにしたが、酸化剤ガスを先に引き抜き、その後燃料ガスを引き抜くようにしてもよい。このようにすれば、ガス層7内に残留する水素を極力少なくすることができる。
【0049】
次に、この発明の第5の実施形態について説明する。第5の実施形態では、前記第1ないし第3の実施形態のシステム構成において、真空ポンプ31を作動させてガス層7を減圧させる際に、冷却水ポンプ19を駆動して、60℃程度の冷却水を燃料電池1に循環させる。これにより、ガス層7の温度が必要以上に下がったとしても、燃料電池1の温度低下を防止する。
【0050】
以上本発明の実施形態ついていくつか説明したが、本発明はこのような実施形態例に限定されるものではなく、当然本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施形態を示す燃料電池システムにおける燃料電池およびそれを収容するケースの概略断面図で、(a)は正面断面図、(b)は側面断面図である。
【図2】第1の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図3】従来例と第1の実施形態の断熱性比較の計算例を示すグラフである。
【図4】この発明の第2の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図5】この発明の第3の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
3 ケース
5 支持体
7 ガス層
31 真空ポンプ(負圧発生手段)
59 水回収装置
Claims (9)
- 反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池をケース内に収容し、このケースと前記燃料電池との間にガス層を設け、システム停止時に前記ガス層を負圧にすることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、外気温度に応じて前記ガス層を負圧にすることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1または2記載の燃料電池システムにおいて、システム停止時に、前記ガス層を換気後、負圧にすることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項3記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス層を換気する際に、ガス層を負圧にするための負圧発生手段を駆動すると同時にガス層を大気に開放することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項3記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス層を換気する際に、前記反応ガスとして前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを前記ガス層に供給すると同時にガス層を大気に開放することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、システム停止時に前記ガス層を負圧にする際に、前記燃料電池の排気を前記ガス層に開放することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項6記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の排気として燃料ガス側と酸化剤ガス側とを、それぞれ別に排気することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項6または7記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス層内のガスが大気に流出する流路に水回収装置を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1ないし8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ケースと前記燃料電池との間に絶縁性および断熱性をそれぞれ備えた支持体を介装して前記燃料電池を前記ケースに支持させたことを特徴とする燃料電池システム。
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