JP2004342482A

JP2004342482A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004342482A
Application number: JP2003138421A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Asai; 明寛浅井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】燃料極と酸化剤極との差圧制御および、系内の耐圧制御を、これらに対応する二つの弁機構を別々に設けることなく行えるようにする。
【解決手段】水素供給配管１１内の圧力が所定値以上となったときに安全弁部４３における弁体５１が上昇して水素放出口４７ａから水素を系外へ放出する。一方、差圧弁部４５は、水素圧力導入配管６５から水素圧力導入空間６１に導入する水素の圧力が、空気圧力導入配管６７から空気圧力導入空間６３に導入する空気の圧力より高くなったときに、ピストン５９が上昇して差圧を制御する。この差圧弁部４５のピストン５９と、安全弁部４３の弁体５１とを、連結ロッド６９および弁体作動用フランジ７１によって連結する。弁体作動用フランジ７１は弁体５１に対して遊びを持って連結しており、空気系と水素系との圧力差に影響を受けることなく、弁体５１の作動が可能となる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸化剤である空気の供給を受けるとともに、燃料である水素の供給を受けて発電する発電手段を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおける発電手段に用いる高分子膜は、燃料極（水素極）と酸化剤極（空気極）との間の差圧によって、発電手段の機能低下を引き起こすことが考えられる。そのため、運転時には燃料極と酸化剤極との間の圧力差を圧力制御弁などで制御する必要がある。
【０００３】
このような制御を簡便に行うものとして、燃料極と酸化剤極との圧力差を機械的に制御する弁を設ける方法が、例えば下記特許文献１に記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−８１１５８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムの圧力制御要素に要求される機能としては、上述の差圧制御の他にも、システム全体の耐圧の制限から、一般に安全弁を系内に設け、系内の圧力が所定値以上に上昇した場合には、機械的に系外へ流体を放出する機能を設ける必要がある。
【０００６】
しかし、上述した特許文献１におけるような差圧制御用の弁を設けた場合、燃料極と酸化剤極との間の圧力差による制御は可能であるが、システムの耐圧に対する安全性については確保されないため、差圧制御用の弁とは別に、通常の安全弁を設ける必要があり、このような二つの弁機構を別々に設けることは、部品のレイアウト上課題となる。
【０００７】
そこで、この発明は、燃料極と酸化剤極との差圧制御および、系内の耐圧制御を、これらに対応する二つの弁機構を別々に設けることなく行えるようにすることを目的としている。
【０００８】
【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、酸化剤である空気を供給する空気供給手段と、燃料である水素を供給する水素供給手段と、前記空気供給手段から供給される空気および前記水素供給手段から供給される水素を元に発電する発電手段と、前記水素供給手段から供給される水素の圧力が所定値以上になると移動し、水素を系外に放出させる放出口を開口させる弁体を備えた安全弁機構と、をそれぞれ有する燃料電池システムにおいて、前記安全弁機構は、前記空気供給手段から供給する空気の圧力および前記水素供給手段から供給する水素の圧力をそれぞれ導入する圧力導入部と、この圧力導入部に導入した水素および空気の各圧力相互の差圧で移動するピストンと、このピストンと前記弁体とを、前記ピストンが、前記水素の圧力が高まった場合に、前記弁体が前記放出口を開口させる方向に移動するよう接続する接続手段と、をそれぞれ有する構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、安全弁機構として、空気と水素との差圧によって移動するピストンと、水素の圧力が所定値以上になると移動し、水素を系外に放出させる放出口を開口させる弁体とを、接続手段を介して接続するようにしたので、燃料電池システム内の異常昇圧時に余剰流体を系外に放出する動作と、空気と水素との差圧によって余剰流体を系外に放出する動作とを、二つの弁機構を別々に設けることなく実施することができ、部品のレイアウト性が向上する。
【００１０】
【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。
【００１１】
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の全体構成図である。発電手段としての燃料電池１は、酸化剤である空気の供給を受ける空気極３と燃料である水素の供給を受ける水素極５とをそれぞれ備えている。空気極３には、空気供給配管７および空気排出配管９をそれぞれ接続し、水素極５には、水素供給配管１１および水素排出配管１３をそれぞれ接続する。
【００１２】
空気供給配管７には、その上流側から、エアフィルタ１５，エアフローメータ１７，圧縮機モータ１９を備えた圧縮機２１，空気側差圧安全弁２３をそれぞれ設け、空気排出配管９には空気圧力制御弁２５を設ける。上記したエアフィルタ１５，エアフローメータ１７，圧縮機２１により空気供給手段を構成している。
【００１３】
一方、水素供給配管１１には、その上流側から、水素タンク２７，水素圧力制御弁２９，水素循環装置３１，水素側差圧安全弁３３をそれぞれ設けている。水素タンク２７，水素圧力制御弁２９，水素循環装置３１により水素供給手段を構成している。水素排出配管１３は、水素循環配管３５によって水素循環装置３１に接続し、水素極５で消費しきれなかった水素を水素循環装置３１によって循環させて水素極５に供給する。
【００１４】
また、燃料電池１の運転中に空気極３から水素極５へ空気に含まれる窒素が浸入するので、この窒素を除去するために、水素排出配管１３にパージ配管３７を接続するとともに、水素循環配管３５およびパージ配管３７にパージ手段３９および４１をそれぞれ設ける。
【００１５】
なお、上記した空気が通過する部分を空気系、水素が通過する部分を水素系とする。
【００１６】
前記した空気供給手段は、エアフィルタ１５にて清浄した空気をエアフローメータ１７で流量を測定し、所定流量となるよう圧縮機２１にて空気を燃料電池１に供給する。このとき、空気圧力制御弁２５によって、空気系内の圧力が所定の圧力となるよう弁開度を制御する。
【００１７】
一方、水素供給手段は、水素タンク２７から供給する高圧水素を水素圧力制御弁２９で所定の圧力に減圧した後、燃料電池１に供給する。燃料電池１に供給し水素は、全てが発電に使用される訳ではないため、ポンプなどの水素循環装置３１にて水素系内を循環させ、再利用する。
【００１８】
また、燃料電池１の運転中に空気極３から水素極５へ、空気に含まれる窒素が浸入すると、この窒素をパージ配管３７およびパージ手段３９，４１が除去して水素循環装置３１への流入を防止する。
【００１９】
前記した空気系および水素系にそれぞれ設置してある空気側差圧安全弁２３および水素側差圧安全弁３３は、安全弁機構を構成していて、基本的な構造は同様であり、ここでは水素側差圧安全弁３３の内部構造を一例として図２に断面図として示す。
【００２０】
この水素側差圧安全弁３３は、安全弁部４３と差圧弁部４５とが一体となっている。
【００２１】
安全弁部４３は、安全弁ハウジング４７を、その内部が水素供給配管１１に開口４９を通して連通するよう接続している。安全弁ハウジング４７内には、弁体５１を図２中で上下動可能に収容し、この弁体５１を安全弁スプリング５３によって開口４９側に押し付けている。弁体５１と開口４９周囲の水素供給配管１１との間および、弁体５１と安全弁ハウジング４７の内壁との間は、弁体５１に取り付けてあるシール材５５によってシールする。
【００２２】
また、安全弁ハウジング４７の水素供給配管１１近傍には、水素放出口４７ａを複数設けてあり、水素供給配管１１内の圧力が所定値以上となった場合に、弁体５１が安全弁スプリング５３に抗して移動し、水素放出口４７ａを開口させて余剰の水素を系外へ放出する。
【００２３】
一方、差圧弁部４５は、差圧弁ハウジング５７内に、ピストン５９を図２中で上下動可能に収容し、ピストン５９の安全弁部４３側に水素圧力導入空間６１を、安全弁部４３と反対側に空気圧力導入空間６３を、圧力導入部としてそれぞれ形成する。ピストン５９は、その外周部に取り付けてあるシール材６４によって、水素圧力導入空間６１と空気圧力導入空間６３とを互いにシールしており、水素および空気の各流体が混ざることはない。
【００２４】
上記した水素圧力導入空間６１に水素圧力導入配管６５の一端を接続し、水素圧力導入配管６５の他端を、図１に示すように、水素側差圧安全弁３３と燃料電池１との間の水素供給配管１１に接続する。一方、空気圧力導入空間６３には空気圧力導入配管６７の一端を接続し、空気圧力導入配管６７の他端を、図１に示すように、空気側差圧安全弁２３と燃料電池１との間の空気供給配管７に接続する。
【００２５】
すなわち、前記したピストン５９は、空気供給手段から供給する空気の圧力および水素供給手段から供給する水素の圧力をそれぞれ圧力導入部に導入してこれら両圧力相互間の差圧で移動する。
【００２６】
前記したピストン５９は、水素圧力導入空間６１側に連結ロッド６９の一端を連結し、連結ロッド６９の他端は、安全弁ハウジング４７内に貫通孔４７ａを通して移動可能に挿入してある。
【００２７】
上記した連結ロッド６９の安全弁ハウジング４７内に挿入した側の端部には、弁体作動用フランジ７１を設けてある。一方、前記した弁体５１内には、弁体作動用フランジ７１が移動できるように、弁体作動用フランジ移動空間５１ａを形成してある。弁体作動用フランジ移動空間５１ａは連通孔５１ｂを通して安全弁ハウジング４７内に連通しており、この連通孔５１ｂに前記した連結ロッド６９を挿入してある。連通孔５１ｂの孔径は、弁体作動用フランジ７１の外径より小さくしてあり、連結ロッド６９が安全弁ハウジング４７の外部に引き出される方向に移動したときに、弁体作動用フランジ７１が連通孔５１ｂ周囲の上部内壁５１ｃに当接する。
【００２８】
図２に示す状態は、空気系と水素系との間の圧力差が所定値未満で、かつ水素系の圧力が所定値未満であり、この状態で、前記した弁体作動用フランジ７１は弁体作動用フランジ移動空間５１ａのほぼ中央に位置し、上部内壁５１ｃおよび下部内壁５１ｄとのいずれに対しても離間している。
【００２９】
また、連結ロッド６９の周囲にはストッパ７３を固定してあり、このストッパ７３は、上記図２に示す状態で、安全弁ハウジング４７の上部外面に接する位置にある。すなわち、このストッパ７３は、空気圧力導入空間６３に導入する空気の圧力が高まった場合に、ピストン５９が図２の状態より水素圧力導入空間６１側へ向かう移動の規制を行う。
【００３０】
上記した連結ロッド６９および弁体作動用フランジ７１は、ピストン５９と弁体５１とを接続する接続手段を構成している。この接続手段は、前記したように、弁体作動用フランジ７１が、弁体作動用フランジ移動空間５１ａの上下各内壁５１ｃ，５１ｄに対して離間していることから、弁体５１とピストン５９とを、これら両者間にピストン５９の移動方向に所定の遊びを持った状態で接続することになる。
【００３１】
上記図２においては、水素側差圧安全弁３３として説明したが、これを空気側差圧安全弁２３として使用する場合は、図２における水素供給配管１１が空気供給配管７となり、同水素圧力導入空間６１および空気圧力導入空間６３が、図１に示すように、それぞれ空気圧力導入空間７５および水素圧力導入空間７７となる。そして、この空気圧力導入空間７５を空気圧力導入配管７９により前記した空気圧力導入配管６７に接続し、さらに水素圧力導入空間７７を水素圧力導入配管８１により前記した水素圧力導入配管６５に接続する。
【００３２】
図３は、水素供給配管１１内の水素圧力が所定値以上に上昇した場合の水素側差圧安全弁３３の動作を示している。この場合、水素供給配管１１内の圧力によって弁体５１が安全弁スプリング５３に抗して移動し、これによって開口する水素放出口４７ａから余剰水素を系外へ放出し、系内の圧力を下げる。
【００３３】
このとき、弁体５１の弁体作動用フランジ移動空間５１ａにおける下部内壁５１ｄと弁体作動用フランジ７１とは、図２に示すように離間した状態にあるので、弁体５１が水素圧力の上昇によって図３のように移動しても、空気系と水素系との差圧が所定値未満（燃料電池１の高分子膜に影響が現れない範囲とすることが望ましい）であれば、この差圧に影響されることなく、弁体５１は水素供給配管１１内の水素圧力によって動作することができる。
【００３４】
図４は、水素供給配管１１および空気供給配管７内の各圧力が所定未満であるが、水素供給配管１１内の水素圧力が空気供給配管７内の空気圧力より所定値以上高くなった場合の水素側差圧安全弁３３の動作を示している。
【００３５】
このように水素系内の圧力が空気系内の圧力より所定値以上高くなると、ピストン５９は、図２の状態から空気圧力導入空間６３側に移動する。このピストン５９の移動により、弁体作動用フランジ７１は弁体作動用フランジ移動空間５１ａの上部内壁５１ｃに当接し、弁体５１を同方向に移動させる。この弁体５１の移動により、水素放出口４７ａが図４に示すように開口し、余剰水素を系外へ放出する。
【００３６】
逆に、空気系内の圧力が水素系内の圧力より高くなると、ピストン５９は、図２の状態から水素圧力導入空間６１側に移動しようとするが、連結ロッド６９に固定してあるストッパ７３が安全弁ハウジング４７の上部外面に接触していることから、この移動を規制し、図２の状態を保持したままとなる。したがって、この場合においても、空気系と水素系との圧力差に影響を受けることなく、弁体５１の作動が可能となる。
【００３７】
図５は、図１に示した燃料電池システムに対する比較例を示している。これは、空気供給配管７および水素供給配管１１に、差圧検出手段８３および８５をそれぞれ設け、空気系と水素系との差圧が大きい場合には、空気排出配管９および水素排出配管１３にそれぞれ設けた差圧制御弁８７および８９を開として各流体を系外へ放出する。
【００３８】
この比較例では、システム電源が切断された場合には動作することができないといった課題がある。
【００３９】
また、別の比較例として、図６は、空気供給配管７および水素供給配管１１におけるそれぞれの任意の一点での圧力相互を、機械的に同時に釣り合わせる手段９１を設けている。この比較例では、システム耐圧に対する系内の圧力上昇には、別途安全弁を設けなければならず、部品のレイアウト上課題となる。
【００４０】
これら各比較例に対し、前記図１に示した第１の実施形態では、系内の圧力による余剰流体の系外への放出を行う安全弁部４３と、空気系と水素系との差圧による余剰流体の系外への放出を行う差圧弁部４５とを、接続手段で接続して一体化している。
【００４１】
このため、安全弁機構と差圧制御手段とを個別に設けることなく、すなわち部品のレイアウト上課題となることなく、空気系および水素系の異常圧力上昇、ならびに両系内相互の差圧による余剰流体の系外への放出が可能となる。
【００４２】
さらに、機械的な機構によって、差圧による余剰流体の系外への放出を行うため、システム故障時などにシステム電源が切断された状況下においても、確実に余剰流体の系外への放出を行うことができる。
【００４３】
また、ピストン５９と弁体５１とは、遊びを持った状態で接続しているため、常時接続された状態にはならず、空気系と水素系との所定の範囲内での差圧に拘わらず、システム内の圧力によって安全弁５１を作動させることができる。
【００４４】
また、ピストン５９と弁体５１とを接続する連結ロッド６９にストッパ７３を設けているため、弁体５１を閉じる方向に差圧が発生した場合でも、弁体５１の動作圧力は変化することがなく、所定のシステム内圧力によって弁体５１を作動させることができる。
【００４５】
図７は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。この実施形態は、図１に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池１と空気側差圧安全弁２３との間の空気供給配管７および、燃料電池１と水素側差圧安全弁３３との間の水素供給配管１１に、圧力センサ９３および９５をそれぞれ設けている。この各圧力センサ９３，９５は、空気供給手段から供給する空気の圧力と水素供給手段から供給する水素の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を構成している。
【００４６】
そして、図８に示すように、水素側差圧安全弁３３における安全弁部４３と差圧弁部４５との間の連結ロッド６９の周囲には、通電によって連結ロッド６９を移動させる比例ソレノイド９７を設けてある。この比例ソレノイド９７は、図示していないが、空気側差圧安全弁２３についても同様に設けることができる。
【００４７】
上記した比例ソレノイド９７は、圧力センサ９３，９５がそれぞれ検出する空気系と水素系との間の任意の差圧によってピストン５９を移動させる移動手段を構成している。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態と同様である。
【００４８】
第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の動作を行うとともに、比例ソレノイド９７によってピストン５９を移動させて弁体５１を安全弁スプリング５３に抗して動作させ、余剰流体を積極的に系外へ放出するため、より正確に燃料電池１の機能低下を防ぐことができる。
【００４９】
また、弁体５１を動かす差圧を任意に設定できるため、システム上最も効率のよい任意の差圧に設定することができる。
【００５０】
図９は、この発明の第３の実施形態を示す水素側差圧安全弁３３の断面図である。この実施形態は、水素圧力導入空間６１におけるピストン５９の受圧面積を空気圧力導入空間６３における同受圧面積より小さくしている。その他の構成は、図２に示した第１の実施形態と同様である。
【００５１】
この場合、水素系の圧力がより高圧時にピストン５９を動作させることができ、空気系に比べより高圧となる水素系部分に水素側差圧安全弁３３を設けることができる。このように、水素圧力導入空間６１および空気導入空間６３におけるピストン５９の受圧面積を任意に工夫することによって、水素側差圧安全弁３３をシステム内の任意の位置に設けることができる。
【００５２】
なお、上記したピストン５９の受圧面積を変えずに、図２に示した水素側差圧安全弁３３の空気圧力導入空間６３に、ピストン５９を水素圧力導入空間６１側に押し付けるスプリングを設けることで、図９に示した第３の実施形態と同様の効果を得ることできる。すなわち、図２の構造において、空気圧力導入空間６３にスプリングを設けることで、水素系の圧力がより高圧時にピストン５９を動作させることができる。
【００５３】
上記した第３の実施形態は、空気側差圧安全弁２３についても適用できる。すなわち、この場合には、空気系の圧力がより高圧時にピストン５９を動作させることができ、水素系に比べより高圧となる空気系部分に空気側差圧安全弁２３を設けることができる。
【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の全体構成図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムにおける水素側差圧安全弁の内部構造を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池システムにおける水素系の圧力が所定値以上に上昇した場合の水素側差圧安全弁の動作説明図である。
【図４】第１の実施形態の燃料電池システムにおける水素系の圧力が空気系の圧力より所定値以上高くなった場合の水素側差圧安全弁の動作説明図である。
【図５】第１の実施形態に対する比較例を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図６】第１の実施形態に対する他の比較例を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムにおける水素側差圧安全弁の内部構造を示す断面図である。
【図９】この発明の第３の実施形態を示す水素側差圧安全弁の断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池（発電手段）
１５エアフィルタ（空気供給手段）
１７エアフローメータ（空気供給手段）
２１圧縮機（空気供給手段）
２３空気側差圧安全弁（安全弁機構）
２７水素タンク（水素供給手段）
２９水素圧力制御弁（水素供給手段）
３１水素循環装置（水素供給手段）
３３水素側差圧安全弁（安全弁機構）
４７ａ水素放出口（放出口）
５１弁体
５９ピストン
６１，７７水素圧力導入空間（圧力導入部）
６３，７５空気圧力導入空間（圧力導入部）
６９連結ロッド（接続手段）
７１弁体作動用フランジ（接続手段）
７３ストッパ
９３，９５圧力センサ（差圧検出手段）
９７比例ソレノイド（移動手段）

Claims

酸化剤である空気を供給する空気供給手段と、燃料である水素を供給する水素供給手段と、前記空気供給手段から供給される空気および前記水素供給手段から供給される水素を元に発電する発電手段と、前記水素供給手段から供給される水素の圧力が所定値以上になると移動し、水素を系外に放出させる放出口を開口させる弁体を備えた安全弁機構と、をそれぞれ有する燃料電池システムにおいて、
前記安全弁機構は、前記空気供給手段から供給する空気の圧力および前記水素供給手段から供給する水素の圧力をそれぞれ導入する圧力導入部と、この圧力導入部に導入した水素および空気の各圧力相互の差圧で移動するピストンと、このピストンと前記弁体とを、前記ピストンが、前記水素の圧力が高まった場合に、前記弁体が前記放出口を開口させる方向に移動するよう接続する接続手段と、をそれぞれ有することを特徴とする燃料電池システム。
前記接続手段は、前記弁体と前記ピストンとを、ピストンの移動方向に所定の遊びを持った状態で接続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。
前記接続手段は、前記ピストンが、前記空気供給手段が供給する空気の圧力が高まった場合に移動する方向の位置を規制するストッパを備えていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
酸化剤である空気を供給する空気供給手段と、燃料である水素を供給する水素供給手段と、前記空気供給手段から供給される空気および前記水素供給手段から供給される水素を元に発電する発電手段と、前記空気供給手段から供給される空気の圧力が所定値以上になると移動し、空気を系外に放出させる放出口を開口させる弁体を備えた安全弁機構と、をそれぞれ有する燃料電池システムにおいて、
前記安全弁機構は、前記空気供給手段から供給する空気の圧力および前記水素供給手段から供給する水素の圧力をそれぞれ導入する圧力導入部と、この圧力導入部に導入した水素および空気の各圧力相互の差圧で移動するピストンと、このピストンと前記弁体とを、前記ピストンが、前記空気の圧力が高まった場合に、前記弁体が前記放出口を開口させる方向に移動するよう接続する接続手段と、をそれぞれ有することを特徴とする燃料電池システム。
前記接続手段は、前記弁体と前記ピストンとを、ピストンの移動方向に所定の遊びを持った状態で接続することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記接続手段は、前記ピストンが、前記水素供給手段が供給する水素の圧力が高まった場合に移動する方向の位置を規制するストッパを備えていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記空気供給手段から供給する空気の圧力と前記水素供給手段から供給する水素の圧力との差圧を検出する差圧検出手段を設け、この差圧検出手段が検出する任意の差圧によって前記ピストンを移動させる移動手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記ピストンの受圧面積を、空気の圧力を導入する圧力導入部側と水素の圧力を導入する圧力導入部側とで変化させたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池システム。