JP2004355944A

JP2004355944A - 燃料電池のパージ装置

Info

Publication number: JP2004355944A
Application number: JP2003151990A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Toda; 茂戸田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: JP4008848B2

Abstract

【課題】燃料電池の運転状態（負荷）に応じた最適なタイミングでパージを実行し、不反応ガスや生成水が蓄積されるのを防止すると共に、不要なパージが繰り返し実行されるのを防止するようにした燃料電池のパージ装置を提供する。また、燃料電池内に滞留した不反応ガスや生成水の量に関わらず、それらの排出を完了させると共に、未反応の水素が排出されないようにした燃料電池のパージ装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１２の出力電流を検出する電流センサ１１４を設け、電流センサ１１４の検出値に応じてパージ間隔を決定する。また、パージガス排出路８２に水素センサ８６を設け、水素センサ８６によってパージガス排出路８２に水素ガスが流入したことが検出されたとき、パージを終了する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池のパージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池内に不反応ガスや生成水が滞留、蓄積すると、発電力が低下する。そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、所定の時間間隔ごとに、所定時間にわたってパージを実行し、滞留した不反応ガスや生成水を排出すると共に、燃料電池の出力電圧を監視し、所定電圧以下に低下した場合に追加的なパージを行うようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２４３４１７号公報（段落００２７から００２９など）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池内に発生する不反応ガスや生成水の量は、燃料電池の運転状態（負荷）によって左右される。しかしながら、上記した従来技術にあっては、パージ間隔（パージを実行してから次回のパージを実行するまでの時間間隔）が所定の時間に設定されているため、必ずしも最適なタイミングでパージが実行されるとは限らず、滞留した不反応ガスや生成水が蓄積される、あるいは不要なパージが繰り返し実行される可能性があった。
【０００５】
また、出力電圧が所定電圧以下になったときにパージを実行するようにすると、負荷の大きい外部機器が接続されて出力電圧が低い値で安定したとき、不要なパージが繰り返し実行されるという不具合があった。
【０００６】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池の運転状態（負荷）に応じた最適なタイミングでパージを実行し、燃料電池内に不反応ガスや生成水が蓄積されるのを防止すると共に、不要なパージが繰り返し実行されるのを防止するようにした燃料電池のパージ装置を提供することにある。
【０００７】
また、上記した従来技術にあっては、パージ時間（１回のパージの実行時間）が所定の時間に設定されていることから、不反応ガスや生成水の滞留量によってはパージ時間が十分でなく、不反応ガスや生成水の排出が完了されない、あるいはパージ時間が長すぎて未反応の水素ガスが外部に排出されてしまうという不具合があった。
【０００８】
従って、この発明のさらなる目的は、燃料電池内に滞留した不反応ガスや生成水の量に関わらず、それらの排出を完了させると共に、未反応の水素が排出されないようにした燃料電池のパージ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、請求項１項においては、パージガスを供給して燃料電池をパージする燃料電池のパージ装置において、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサを設けると共に、前記電流センサの検出値に応じて決定される時間間隔ごとに前記パージを実行するように構成した。
【００１０】
このように、請求項１項においては、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを設けると共に、前記電流センサの検出値（換言すれば、燃料電池の負荷）に応じて決定される時間間隔ごとにパージを実行するように構成したので、燃料電池の運転状態（負荷）に応じた最適なタイミングでパージを実行することが可能となり、不反応ガスや生成水が蓄積されるのを防止できると共に、不要なパージが繰り返し実行されるのを防止することができる。
【００１１】
また、請求項２項にあっては、前記パージガスを外部に排出するパージガス排出路に水素センサを設けると共に、前記水素センサによって前記パージガス排出路に水素ガスが流入したことが検出されたとき、前記パージを終了するように構成した。
【００１２】
このように、請求項２項にあっては、パージガスを外部に排出するパージガス排出路に水素センサを設けると共に、前記水素センサによって前記パージガス排出路に水素ガスが流入したことが検出されたとき、パージを終了するように構成したので、燃料電池内に滞留した不反応ガスや生成水の量に関わらずそれらの排出を完了できると共に、未反応の水素ガスが外部に排出されるのを防止することができる。
【００１３】
また、請求項３項にあっては、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサを設けると共に、前記電圧センサの検出値が前記電流センサの検出値に応じて決定されるしきい値以下になったとき、前記パージを実行するように構成した。
【００１４】
このように、請求項３項にあっては、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサを設けると共に、前記電圧センサの検出値が電流センサの検出値に応じて決定されるしきい値以下になったとき、パージを実行するように構成した、より具体的には、電圧センサの検出値が、電流センサの検出値が大きくなる（即ち、燃料電池の負荷が大きくなる）にしたがって小さい値に決定されるしきい値以下になったとき、追加的なパージを実行するように構成したので、不反応ガスや生成水の発生量が短期間に増加した場合にも対応することができると共に、負荷の大きい外部機器が接続されて出力電圧が低下した場合であっても、不要なパージが実行されることがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に即してこの発明の一つの実施の形態に係る燃料電池のパージ装置について説明する。
【００１６】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池のパージ装置を示す概略図である。
【００１７】
図１において、符合１０は、この実施の形態に係る燃料電池のパージ装置を備えた発電ユニットを示す。発電ユニット１０は、燃料電池１２や配管類など、発電に必要な要素が携帯自在な大きさにパッケージ化されてなる。
【００１８】
燃料電池１２（具体的には積層体（セルスタック））は、単電池１４（セル）を複数個、具体的には７０個積層して形成され、定格出力１．０５ｋｗを発生する。尚、単電池１４は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持する空気極（カソード電極）と燃料極（アノード電極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとからなる公知の固体高分子型燃料電池であり、詳しい説明は省略する。
【００１９】
燃料電池１２には、燃料電池１２に空気を供給する空気供給系２０が接続される。空気供給系２０は、空気を吸引するエアブロワ２２と、エアブロワ２２を燃料電池１２に接続する空気供給路２４とからなる。空気供給路２４は、燃料電池１２の手前で冷却空気供給用流路２４ａと反応空気供給用流路２４ｂに分岐される。
【００２０】
また、燃料電池１２には、燃料電池１２に水素ガスを供給する水素ガス供給系３０が接続される。水素ガス供給系３０は、水素を高圧で封入した水素ガスボンベ３２と、水素ガスボンベ３２を燃料電池１２に接続する流路３４ａ〜３４ｄと、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。
【００２１】
水素ガスボンベ３２は、手動のボンベバルブ３６を介してレギュレータ３８に接続され、レギュレータ３８は、第１の流路３４ａを介してエジェクタ４０に接続される。第１の流路３４ａの途中には、メインバルブ４２（手動弁）が配置されると共に、メインバルブ４２をバイパスする第２の流路３４ｂが接続される。第２の流路３４ｂの途中には、第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６が配置される。
【００２２】
エジェクタ４０は、第３の流路３４ｃおよび第４の流路３４ｄを介して燃料電池１２の各燃料極に接続される。尚、第３の流路３４ｃが供給側の流路であり、第４の流路３４ｄが排出側の流路である。
【００２３】
また、第１の流路３４ａにおいてメインバルブ４２の下流には、パージガス（不活性ガス。この実施の形態にあっては、窒素ガスを使用する）を燃料電池１２に供給する窒素ガス供給系５０が接続される。窒素ガス供給系５０は、窒素を高圧で封入した窒素ガスボンベ５２と、窒素ガスボンベ５２を第１の流路３４ａに接続する第５の流路５４と、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。
【００２４】
窒素ガスボンベ５２は、手動のボンベバルブ５６を介してレギュレータ５８に接続され、レギュレータ５８は、第５の流路５４を介して第１の流路３４ａに接続される。また、第５の流路５４の途中には、第３の電磁バルブ６０が配置される。
【００２５】
燃料電池１２には、さらに空気排出系７０が接続される。空気排出系７０は、エキゾーストマニホールド７２と、燃料電池１２をエキゾーストマニホールド７２に接続する空気排出路７４とからなる。空気排出路７４は、冷却空気排出用流路７４ａと反応空気排出用流路７４ｂに分岐されて燃料電池１２に接続されると共に、それらはエキゾーストマニホールド７２の手前で１つの流路に集合させられる。
【００２６】
また、前記したエジェクタ４０には、パージガス排出系８０が接続される。パージガス排出系８０は、エジェクタ４０をエキゾーストマニホールド７２に接続するパージガス排出路８２と、パージガス排出路８２の途中に配置された第４の電磁バルブ８４とからなる。また、パージガス排出路８２において第４の電磁バルブ８４より上流側（燃料電池１２側）には水素センサ８６が設けられる。水素センサ８６は、パージガス排出路８２に水素ガスが流入したか否かを示す信号（オン・オフ信号）を出力する。この実施の形態にあっては、水素ガスを検出したときにオン信号を、然らざるときにオフ信号を出力するものとする。
【００２７】
尚、図１において、水素ガスやパージガスの流路となる各流路を太い実線で示し、空気の流路となる各流路を２重線で示した。
【００２８】
図１の説明を続けると、燃料電池１２の出力端子には、出力回路１００が接続される。出力回路１００は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２およびリレー１０４を介して図示しない外部機器に接続されると共に、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を介してＥＣＵ１１０に接続される。ＥＣＵ１１０には、外部からオン・オフ自在な運転スイッチ１１２が接続されると共に、前記したリレー１０４が接続される。
【００２９】
また、出力回路１００において、燃料電池１２の出力端子と第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の間には、電流センサ１１４が設けられる。電流センサ１１４は、燃料電池１２の出力電流Ｉの大きさに応じた信号を出力する。
【００３０】
さらに、燃料電池１２の各単電池１４には電圧センサ１１６が設けられ、電圧センサ１１６は、燃料電池１２の出力電圧Ｖの大きさに応じた信号を出力する。水素センサ８６、電流センサ１１４および電圧センサ１１６の各出力は、ＥＣＵ１１０に送出される。
【００３１】
以上の構成において、この実施の形態に係る燃料電池のパージ装置は、水素ガス供給系３０と、窒素ガス供給系５０と、パージガス排出系８０と、水素センサ８６と、ＥＣＵ１１０と、電流センサ１１４および電圧センサ１１６とからなる。
【００３２】
次いで、上記した構成を前提に燃料電池１２の発電動作について説明する。
【００３３】
水素ガスボンベ３２に封入された高圧の水素は、ボンベバルブ３６が手動で開弁されることによってレギュレータ３８に供給される。レギュレータ３８で減圧、調圧された水素ガスは、メインバルブ４２が手動で操作（開弁）されることによって第１の流路３４ａを介してエジェクタ４０に供給され、さらに第３の流路３４ｃを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、図１に示す第１から第４の電磁バルブ４４，４６，６０，８４は、燃料電池１２の非運転時に水素ガスや窒素ガスが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１２の運転終了時に全て閉弁されているものとする。換言すれば、第１から第４の電磁バルブ４４，４６，６０，８４は、いずれもノーマル・クローズ型の電磁バルブ（非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁バルブ）である。
【００３４】
燃料電池１２の各単電池１４では、燃料極に供給された水素ガスが空気極に存在する空気（酸素）と電気化学反応を生じることにより、発電が開始される。尚、燃料極に供給された水素ガスのうち、空気との電気化学反応に供されなかった未反応ガスは、第４の流路３４ｄを介してエジェクタ４０に還流され、第３の流路３４ｃを介して再度燃料極に供給される。
【００３５】
燃料電池１２の発電が開始されると、その電力は出力回路１００に設けられた第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、ＥＣＵ１１０に動作電源として供給される。
【００３６】
電力の供給を受けて起動させられたＥＣＵ１１０は、第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を開弁し、第２の流路３４ｂを介して水素ガスを燃料極に供給すると共に、エアブロワ２２を動作させ、空気供給路２４に空気を流入させる。エアブロワ２２を介して空気供給路２４に流入された空気は、冷却空気用流路２４ａと反応空気用流路２４ｂに所定の割合で分配された後、冷却空気用流路２４ａを介して各単電池１４に冷却用の空気として供給されると共に、反応空気用流路２４ｂを介して各空気極に反応用の空気として供給される。
【００３７】
各単電池１４の冷却に使用された冷却空気、および空気極を通過した反応空気は、それぞれ冷却空気排出用流路７４ａと反応空気排出用流路７４ｂを介して燃料電池１２内から流出した後、エキゾーストマニホールド７２を介して外部へと排出される。
【００３８】
尚、ＥＣＵ１１０が起動して第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６が開弁されると、メインバルブ４２を手動で操作する必要がなくなる。このため、ＥＣＵ１１０は、燃料電池１２の発電が開始されてＥＣＵ１１０が起動したこと、換言すれば、外部機器への電力供給の準備が整ったことを、音声や表示などの適宜な報知手段（図示せず）を介して操作者に報知する。
【００３９】
そして、外部機器への電力供給の準備が整ったことを知った操作者によって運転スイッチ１１２が手動で操作（オン）されると、ＥＣＵ１１０は、出力回路１００に設けられたリレー１０４を動作させて第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と外部機器を導通させる。これにより、燃料電池１２で発電された電力は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、リレー１０４を介して外部機器へと供給される。
【００４０】
次いで、この実施の形態に係る燃料電池のパージ装置が実行するパージ動作について説明する。
【００４１】
ＥＣＵ１１０は、各電磁バルブを動作させ、定期的に燃料電池１２のパージを実行する。具体的には、第２の流路３４ｂに配置された第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を閉弁して水素ガスの供給を遮断すると共に、第５の流路５４に配置された第３の電磁バルブ６０とパージガス排出路８２に配置された第４の電磁バルブ８４を開弁することで、パージを行う。図２に、各電磁バルブの開閉タイミングをタイム・チャートで示す。
【００４２】
これにより、窒素ガスボンベ５２に封入された高圧の窒素は、ボンベバルブ５６を介してレギュレータ５８に供給され、そこで減圧、調圧された後に第５の流路５４、エジェクタ４０および第３の流路３４ｃを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、ボンベバルブ５６は、燃料電池１２の運転開始時に操作者によって予め開弁されるものとする。
【００４３】
燃料極に供給された窒素ガスは、燃料極内に滞留した不反応ガスや生成水を燃料電池１２内から押し出しつつ、第４の流路３４ｄ、エジェクタ４０、パージガス排出路８２およびエキゾーストマニホールド７２を介して外部に排出される。
【００４４】
ところで、燃料電池１２内に発生する不反応ガスや生成水の量は、燃料電池１２の運転状態（負荷）によって左右される。このため、パージを実行するタイミングを適切に管理しないと、不反応ガスや生成水を蓄積させてしまう、あるいは、不要なパージが繰り返し実行されるおそれがある。そこで、この実施の形態にあっては、パージを実行してから次回のパージを実行するまでの時間間隔（図２に符号ｔで示す。以下「パージ間隔」という）を電流センサ１１４の検出値に応じて決定するようにした。
【００４５】
具体的には、燃料電池１２の発電量の増加、即ち、水素ガスや空気の供給量の増加に伴って生成水や不反応ガスの発生量が増加すると考えられることから、図３に示すように、電流センサ１１４の検出値（出力電流Ｉ）が大きくなる（換言すれば、燃料電池１２の負荷が大きくなる）にしたがってパージ間隔ｔが短くなるように設定した。これにより、燃料電池１２の運転状態（負荷）に応じた最適なタイミングでパージを実行することが可能となり、不反応ガスや生成水が蓄積されるのを防止できると共に、不要なパージが繰り返し実行されるのを防止することができる。
【００４６】
尚、燃料電池１２の負荷が急激に増加すると、生成水や不反応ガスの発生量が短期間に増加し、次回のパージまでの間に発電量が低下するおそれがある。このため、図２に示すように、パージ間隔ｔ内であっても、電圧センサ１１６の検出値（出力電圧Ｖ）がしきい値＃Ｖ以下に低下したときは、追加的なパージが実行される。
【００４７】
しかしながら、出力電圧Ｖの低下に応じてパージを実行する場合、燃料電池１２に負荷の大きい外部機器が接続されて出力電圧が低い値で安定したときに、不要なパージが繰り返し実行されるおそれがあるのは、課題で述べたとおりである。
【００４８】
そこで、この実施の形態にあっては、図３に示すように、パージの実行条件となるしきい値＃Ｖを、電流センサ１１４の検出値に応じて決定するようにした。具体的には、電流センサ１１４の検出値が大きくなる、即ち、燃料電池１２の負荷が大きくなるにしたがって、しきい値＃Ｖを小さい値に決定するようにした。これにより、不反応ガスや生成水の発生量が短期間に増加した場合にも対応することができると共に、負荷の大きい外部機器が接続されて出力電圧が低下した場合であっても、不要なパージが実行されることがない。
【００４９】
また、パージを実行した際、燃料電池１２内の不反応ガスや生成水を完全に排出できることが望ましいのは言うまでもない。そのためには、１回のパージ実行時間（以下「パージ時間」という）をある程度長く確保する必要があるが、必要以上に長く実行すると、未反応の水素ガスを外部に排出してしまうおそれがある。
【００５０】
そこで、この実施の形態にあっては、図２に示すように、水素センサ８６によってパージガス排出路８２に水素ガスが流入したことが検出されたとき（オン信号が出力されたとき）、パージを終了する、具体的には、パージガス排出路８２において水素センサ８６より下流に配置された第４の電磁バルブ８４を閉弁して水素ガスの流出を遮断するのと同時に、第５の流路に配置された第３の電磁バルブ６０を閉弁して窒素ガスの供給を遮断し、第２の流路に配置された第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を開弁して水素ガスの供給を開始するようにした。これにより、燃料電池１２内に滞留した不反応ガスや生成水の量に関わらずそれらの排出を完了できると共に、未反応の水素が外部に排出されるのを防止することができる。
【００５１】
このように、この発明の一つの実施の形態に係る燃料電池のパージ装置にあっては、燃料電池１２の出力電流Ｉを検出する電流センサ１１４を設けると共に、電流センサ１１４の検出値（即ち、燃料電池１２の負荷）に応じてパージ間隔ｔを決定するように構成したので、燃料電池１２の運転状態（負荷）に応じた最適なタイミングでパージを実行することが可能となり、不反応ガスや生成水が蓄積されるのを防止できると共に、不要なパージが繰り返し実行されるのを防止することができる。
【００５２】
また、燃料電池１２の出力電圧Ｖを検出する電圧センサ１１６を設けると共に、電圧センサ１１６の検出値が電流センサ１１４の検出値に応じて決定されるしきい値＃Ｖ以下になったとき、パージを実行するように構成したので、不反応ガスや生成水の発生量が短期間に増加した場合にも対応することができると共に、負荷の大きい外部機器が接続されて出力電圧が低下した場合であっても、不要なパージが実行されることがない。
【００５３】
さらに、パージガス排出路８２に水素センサ８６を設けると共に、水素センサ８６によってパージガス排出路８２に水素ガスが流入したことが検出されたとき、パージを終了するように構成したので、燃料電池内に滞留した不反応ガスや生成水の量に関わらずそれらの排出を完了できると共に、未反応の水素ガスが外部に排出されるのを防止することができる。
【００５４】
以上の如く、この発明の一つの実施の形態にあっては、パージガス（窒素ガス）を供給して燃料電池（１２）をパージする燃料電池のパージ装置において、前記燃料電池（１２）の出力電流Ｉを検出する電流センサ（１１４）を設けると共に、前記電流センサ（１１４）の検出値に応じて決定される時間間隔ｔごとに前記パージを実行するように構成した。
【００５５】
また、前記パージガスを外部に排出するパージガス排出路（８２）に水素センサ（８６）を設けると共に、前記水素センサ（８６）によって前記パージガス排出路（８２）に水素ガスが流入したことが検出されたとき、前記パージを終了するように構成した。
【００５６】
また、前記燃料電池（１２）の出力電圧Ｖを検出する電圧センサ（１１６）を設けると共に、前記電圧センサ（１１６）の検出値が前記電流センサ（１１４）の検出値に応じて決定されるしきい値（＃Ｖ）以下になったとき、前記パージを実行するように構成した。
【００５７】
【発明の効果】
請求項１項にあっては、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを設けると共に、前記電流センサの検出値に応じて決定される時間間隔ごとにパージを実行するように構成したので、燃料電池の運転状態（負荷）に応じた最適なタイミングでパージを実行することが可能となり、不反応ガスや生成水が蓄積されるのを防止できると共に、不要なパージが繰り返し実行されるのを防止することができる。
【００５８】
また、請求項２項にあっては、パージガスを外部に排出するパージガス排出路に水素センサを設けると共に、前記水素センサによって前記パージガス排出路に水素ガスが流入したことが検出されたとき、パージを終了するように構成したので、燃料電池内に滞留した不反応ガスや生成水の量に関わらずそれらの排出を完了できると共に、未反応の水素ガスが外部に排出されるのを防止することができる。
【００５９】
また、請求項３項にあっては、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサを設けると共に、前記電圧センサの検出値が電流センサの検出値に応じて決定されるしきい値以下になったとき、パージを実行するように構成したので、不反応ガスや生成水の発生量が短期間に増加した場合にも対応することができる共に、負荷の大きい外部機器が接続されて出力電圧が低下した場合であっても、不要なパージが実行されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一つの実施の形態に係る燃料電池のパージ装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す各電磁バルブの開閉タイミングなどを示すタイム・チャートである。
【図３】図１に示す燃料電池の出力電流とパージ間隔の関係などを示す表である。
【符号の説明】
１２燃料電池
８２パージガス排出路
８６水素センサ
１１４電流センサ
１１６電圧センサ

Claims

パージガスを供給して燃料電池をパージする燃料電池のパージ装置において、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサを設けると共に、前記電流センサの検出値に応じて決定される時間間隔ごとに前記パージを実行するように構成したことを特徴とする燃料電池のパージ装置。
前記パージガスを外部に排出するパージガス排出路に水素センサを設けると共に、前記水素センサによって前記パージガス排出路に水素ガスが流入したことが検出されたとき、前記パージを終了することを特徴とする請求項１項記載の燃料電池のパージ装置。
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサを設けると共に、前記電圧センサの検出値が前記電流センサの検出値に応じて決定されるしきい値以下になったとき、前記パージを実行することを特徴とする請求項１項または２項記載の燃料電池のパージ装置。