JP2005108759A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システム内の流路に存在する微小な間隙から確実に水分を除去する。
【解決手段】 水素ガス及び空気を使用して発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する空気供給系と、燃料電池スタック１に水素ガスを供給する水素循環系と、燃料電池スタック１を加湿する純水循環系とを備える燃料電池システムであって、純水流路封止弁１９の内部に、水素タンク１１から燃料電池スタック１に供給される乾燥した水素ガスを供給する乾燥水素開閉弁２０及び乾燥水素経路Ｌ８を備える。このような燃料電池システムでは、システム停止時や外気温が氷点下となる時に、水素タンク１１から純水流路封止弁１９の内部に乾燥水素ガスを供給する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を加湿させた状態に保持し、当該燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池スタックの内部に備えられた固体高分子電解質を加湿させて発電させる燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックを発電させるために加湿を行う必要がある。

このような燃料電池システムにおいて、発電手段である燃料電池スタックを加湿して発電させる場合、燃料電池スタックに供給するガス圧力等を調整するために燃料電池スタックのガス下流に開閉弁を設けている。したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電停止後に開閉弁に残存した水分による凍結を防止するために、燃料電池スタックの発電停止時に無加湿の空気を開閉弁に供給することにより水分をパージして、当該開閉弁やガス流路等を乾燥状態にする技術が下記の特許文献１などにて知られている。
特開２００１−３３２２８１号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、無加湿の乾燥空気などを用いて流路内等の水分をパージしているが、開閉弁内部の微小な隙間には十分にパージ流体（乾燥空気）が行き渡らず、結果として開閉弁内部の微小隙間に残留した水分が氷点下雰囲気において凍結する可能性がある。したがって、従来の燃料電池システムでは、開閉弁が凍結することによりスムーズなシステムの起動を妨げることとなっていた。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システム内の流路に存在する微小な間隙から確実に水分を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を目的とする。

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを使用して発電する発電手段と、発電手段に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、発電手段に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、発電手段を加湿する純水供給手段とを備える燃料電池システムであって、酸化剤ガス供給手段、燃料ガス供給手段又は純水供給手段に含まれ水分を含む流体を遮断又は通過させる弁の内部に、燃料ガス供給手段から発電手段に供給される乾燥した燃料ガスを供給する乾燥燃料ガス供給手段を備える。このような燃料電池システムでは、発電手段の発電を停止させるシステム停止時に、制御手段により、乾燥燃料ガス供給手段から弁の内部に乾燥燃料ガスを供給するように制御することにより、上述の課題を解決する。

また、本発明では、システムの外気温度を検出する外気温度検出手段を更に備え、制御手段により、外気温度検出手段により検出された外気温度が所定値以下である場合に、乾燥燃料ガス供給手段から弁の内部に乾燥燃料ガスを供給するように制御することにより、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、システム停止時に、弁内部に乾燥燃料ガスを供給するので、弁内部の微小間隙の水分を除去することができ、システム内の流路に存在する微小な間隙から確実に水分を除去することができる。

また、この燃料電池システムによれば、外気温度が所定値以下である場合に、弁内部に乾燥燃料ガスを供給するので、弁内部の微小間隙の水分を除去することができ、システム内の流路に存在する微小な間隙から確実に水分を除去することができ、微小間隙の水分の凍結を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、例えば車両に搭載され、燃料電池スタック１に発電反応を行わせ、当該燃料電池スタック１にて発電した発電電力を負荷に供給することにより、車両の走行トルクを発生させる。

燃料電池スタック１は、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで、酸化剤ガスとして空気が供給される空気極１ａと燃料ガスとして水素が供給される水素極１ｂとを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極１ｂにて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ^＋）が高分子電解質膜を通過して空気極１ａに到達し、この水素イオンが空気極１ａにて酸素と結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成することによって行われる。また、この燃料電池スタック１には、固体高分子電解質を加湿させるための純水を通過させる純水通過流路１ｃが形成されている。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電反応に使用される水素ガスを循環させる水素循環系、燃料電池スタック１の発電反応に使用される空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１の加湿に使用される純水を循環させる純水循環系を備える。これらの各系は、後述するコントローラ２により動作が制御される。

水素循環系は、燃料電池スタック１の水素ガス入口と接続された水素供給経路Ｌ１に水素タンク１１、水素圧力制御弁１２が設けられ、燃料電池スタック１の水素出口と水素供給経路Ｌ１とを水素循環経路Ｌ２により接続し、当該水素循環経路Ｌ２から分岐した水素排出経路Ｌ３にパージ弁１３が設けられて構成されている。

このような水素循環系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、水素圧力制御弁１２の開度がコントローラ２により調整されることによりガス圧力を調整して、水素タンク１１に貯蔵しておいた水素を燃料電池スタック１の水素ガス入口に送る。

そして、燃料電池スタック１は、一部の水素を発電反応に使用し、発電反応に使用されなかった一部の水素を水素ガス出口から水素循環経路Ｌ２に排出する。この燃料電池スタック１の水素ガス出口から排出された水素ガスは、水素循環経路Ｌ２を介して水素供給経路Ｌ１に取り込まれ、循環水素ガスとして再度水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１の水素ガス入口に送られる。なお、燃料電池スタック１から排出される水素ガスは、燃料電池スタック１内で加湿された状態となって水素循環経路Ｌ２、水素供給経路Ｌ１、水素排出経路Ｌ３及びパージ弁１３に送られる。

また、この水素循環系では、水素供給経路Ｌ１及び水素循環経路Ｌ２内のガスをパージするに際して、コントローラ２によりパージ弁１３を開動作させる。これにより、水素循環系では、水素循環経路Ｌ２に蓄積していた水素以外の不純物等を水素排出経路Ｌ３を介して燃料器等により燃焼して排出する。

空気供給系は、燃料電池スタック１の空気入口と接続された空気供給流路Ｌ４に圧縮機１４、アフタークーラ１５が設けられ、燃料電池スタック１の空気出口と接続された空気排出経路Ｌ５に空気圧力制御弁１６が設けられて構成されている。なお、燃料電池スタック１から排出される空気は、燃料電池スタック１内で加湿された状態となって空気排出経路Ｌ５及び空気圧力制御弁１６に送られる。

このような空気供給系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、圧縮機１４により外気を取り込んでアフタークーラ１５により一旦冷却した後に水素供給経路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に空気を供給し、燃料電池スタック１から排出された空気を空気圧力制御弁１６を介して排出する。このとき、コントローラ２は、空気圧力制御弁１６の開度を調整することにより、空気極１ａ内での空気圧力を調整する。

更に、純水循環系は、純水タンク１７と燃料電池スタック１の純水入口とを接続する純水供給経路Ｌ６に純水ポンプ１８を設け、燃料電池スタック１の純水出口と純水タンク１７とを接続する純水循環経路Ｌ７に純水流路封止弁１９が設けられて構成されている。このような純水循環系では、燃料電池スタック１を発電させるに際して、燃料電池スタック１の固体高分子電解質を湿潤状態とするために、コントローラ２により、純水流路封止弁１９を開状態にして純水ポンプ１８を駆動することにより純水タンク１７に貯蔵された純水を純水通過流路１ｃに供給し、当該純水通過流路１ｃから排出された純水を純水タンク１７に戻す。

また、この燃料電池システムでは、水素供給経路Ｌ１と純水流路封止弁１９とを接続する乾燥水素経路Ｌ８及び当該乾燥水素経路Ｌ８に設けられた乾燥水素開閉弁２０、空気排出経路Ｌ５と純水流路封止弁１９の上流側の純水循環経路Ｌ７とを接続する空気パージ経路Ｌ９及び当該空気パージ経路Ｌ９に設けられた純水経路パージ空気導入弁２１を備えて構成されている。

このような燃料電池システムでは、コントローラ２の制御によって乾燥水素開閉弁２０が開状態となされると、加湿されていない乾燥水素を水素タンク１１から純水流路封止弁１９に供給する状態となる。また、この燃料電池システムでは、コントローラ２の制御によって純水経路パージ空気導入弁２１が開状態となされると、燃料電池スタック１から排出された空気を純水流路封止弁１９の上流側（燃料電池スタック１の下流側）に供給する状態となる。

このような燃料電池システムにおいて、純水流路封止弁１９は、図２に示すように、プランジャ３１、プランジャチューブ３２、プランジャ駆動用コイル３３、内部に乾燥水素を供給する純水循環経路Ｌ７と接続された乾燥水素流路３４、プランジャ３１内に水素を供給するための乾燥水素流路３５が設けられて構成されている。このような純水流路封止弁１９は、乾燥水素流路３４、乾燥水素流路３５が純水を遮断又は通過させる可動部（プランジャ３１）の動作する上下方向における両端部に亘って形成されている。このような純水流路封止弁１９では、コントローラ２によりプランジャ駆動用コイル３３に電流が供給されることにより、プランジャ３１が上下方向に移動して弁体３６が上下方向に移動して、純水、空気及び水素の通過又は遮断状態が制御される。

この純水流路封止弁１９では、燃料電池スタック１の通常発電時においては、開状態となされ、乾燥水素流路３４外の入口から純水を通過させ、プランジャ３１内を介して純水を循環させる。また、この純水流路封止弁１９では、燃料電池スタック１の停止時において、純水入口と同じ入口側から空気や水素が導入され、弁体３６部分から空気や水素を排出する。

このように構成された燃料電池システムにおいて、コントローラ２は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、乾燥水素開閉弁２０及び純水経路パージ空気導入弁２１を閉状態にすることにより各流体を遮断し、圧縮機１４から空気極１ａに空気を供給して外部に排出すると共に、水素タンク１１から燃料電池スタック１に水素ガスを供給し、更に純水を燃料電池スタック１内に循環させるように各部を制御する。

また、コントローラ２は、燃料電池スタック１の発電を停止させる時に、コントローラ２により純水流路封止弁１９の内部の水分を除去する水分パージ処理を行う。

［水分パージ処理］
つぎに、コントローラ２による水分パージ処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。この水分パージ処理は、外部から燃料電池スタック１の発電を停止させる制御信号を入力することに応じて、コントローラ２によりステップＳ１以降の水分パージ処理を開始する。

先ず、ステップＳ１においては、コントローラ２により、水素タンク１１から燃料電池スタック１に水素ガスを供給しており、圧縮機１４から燃料電池スタック１に空気を供給している状態を保持して、純水経路パージ空気導入弁２１を開状態にすると共に、純水流路封止弁１９を閉状態とする。また、コントローラ２は、燃料電池スタック１への純水供給を停止させるように純水ポンプ１８の動作を停止させる。これにより、燃料電池システムにおいては、純水供給経路Ｌ６、純水通過流路１ｃ及び純水循環経路Ｌ７内に空気排出経路Ｌ５からの空気を導入して、当該純水供給経路Ｌ６、純水通過流路１ｃ及び純水循環経路Ｌ７内の水分を純水タンク１７内にパージする。

次のステップＳ２においては、コントローラ２により、純水経路パージ空気導入弁２１を閉状態とすると共に、純水流路封止弁１９を開状態とする。これにより、燃料電池システムにおいては、ステップＳ１にて行った空気の導入を停止する。

次のステップＳ３においては、コントローラ２により、乾燥水素開閉弁２０を開状態とすることにより、燃料電池スタック１を通過していない乾燥水素を乾燥水素経路Ｌ８を介して純水流路封止弁１９に導入開始する。

ここで、純水流路封止弁１９内の可動部（プランジャ３１）の水分は、ステップＳ１にて空気を導入しても表面張力によって残留している。したがって、コントローラ２では、ステップＳ３にて乾燥水素の供給を開始すると略同時にプランジャ３１が上下方向に繰り返し移動するようにプランジャ駆動用コイル３３に電流を供給する。これにより、純水流路封止弁１９内では、繰り返し開閉動作を行うことにより、内部に流入する乾燥水素の流量変化を脈動させる。また、このステップＳ３においては、コントローラ２により、乾燥水素開閉弁２０を開閉動作させることにより、純水流路封止弁１９内部の水素流量の変化を脈動させても良い。

次のステップＳ４においては、コントローラ２により、例えば、純水流路封止弁１９内の水分が除去されるような予め設定した所定期間、ステップＳ３の処理を行ったことを認識した後に乾燥水素開閉弁２０を閉状態にして処理を終了して燃料電池スタック１の発電を停止させて、システム全体を停止させて処理を終了する。

このような動作をする燃料電池システムにおいて、固体高分子電解質を加湿させるために純水通過流路１ｃを設けた燃料電池スタック１を使用しているため、燃料電池スタック１から排出されるガスが高い湿度となる。したがって、水素循環系に設けられた各弁や経路、空気供給系に設けられた空気圧力制御弁１６や経路には、高湿度の気体が侵入して水分が残存する場合がある。そして、燃料電池システムを氷点下雰囲気中に放置しておくと、燃料電池システム内に残存した凍結して、システム起動に際して行う暖機時間が長くなり、システムの起動性能が低下する。そのため、例えば、純水循環系では、システム停止時に純水流路を空気供給系から供給される空気にてパージを行う。しかし、純水流路封止弁１９の可動部に浸入した水は、空気のみパージでは除去されにくく、残った水が純水流路封止弁１９内部で凍結した場合には、次回のシステム起動時にヒーターなどの熱源を使用して凍結を解除する必要がある。

これに対し、上述の燃料電池システムでは、水素タンク１１から純水流路封止弁１９に直接乾燥水素を導入する乾燥水素経路Ｌ８及び乾燥水素開閉弁２０を設けることにより、純水流路封止弁１９内の可動部に直接乾燥水素を導入し、可動部の水分のパージを行う。

また、このような処理を行う燃料電池システムとしては、図１に示した構成に限らず、図４に示すように、水素圧力制御弁１２の下流側（燃料電池スタック１側）の水素供給経路Ｌ１から分岐し、当該水素供給経路Ｌ１と純水流路封止弁１９とを接続する乾燥水素経路Ｌ１０を備えたものであっても良い。このような燃料電池システムでは、水素供給経路Ｌ１の分岐部分を水素圧力制御弁１２の下流側とすることにより、乾燥水素開閉弁２０を開閉動作させずに水素圧力制御弁１２を開閉動作させることにより純水流路封止弁１９内の水素の流量変化を脈動させることができる。したがって、この燃料電池システムでは、水素の流量変化を脈動させるための乾燥水素開閉弁２０の電気回路を省略することができる。

［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、システムの停止時に、高圧状態にて水素タンク１１に貯蔵しておいた乾燥水素を純水流路封止弁１９に供給するので、図２に示すような微小間隙を有する純水流路封止弁１９内部の水分を乾燥水素によってパージすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、純水流路封止弁１９内への液水の浸入や結露による微小隙間の水分を除去することができるので、システム停止後に氷点下雰囲気に放置しても純水流路封止弁１９内部が水分によって凍結することなく、次回のシステムの起動をスムーズに行うことができる。

また、この燃料電池システムによれば、水素供給経路Ｌ１と純水流路封止弁１９とを接続する乾燥水素経路Ｌ８及び乾燥水素開閉弁２０を設けるのみで純水流路封止弁１９や、純水経路を乾燥させた状態でシステム停止させることができ、安価且つ簡単な構成の追加のみで上述の効果を発揮させることができる。

更に、この燃料電池システムによれば、純水流路封止弁１９内部の可動部に乾燥水素を通すための乾燥水素流路３５を設けたので、確実にプランジャ３１からなる可動部に乾燥水素を供給して、微小間隙に残存する水分をパージすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、純水流路封止弁１９の可動方向の双方向に乾燥水素の噴出し口を設けるため、純水流路封止弁１９内の各部に残存する水分を確実にパージすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、純水のパージ時に純水流路封止弁１９内の流体が脈動するように純水流路封止弁１９を動作させるので、純水流路封止弁１９や純水供給経路Ｌ６や純水循環経路Ｌ７、純水通過流路１ｃを含む純水循環系内に表面張力などにより残留する液滴を除去することが可能となる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、純水流路封止弁１９の内部等を乾燥させるために水素供給経路Ｌ１と純水流路封止弁１９とを接続した場合であっても、燃料電池スタック１の通常運転時には乾燥水素開閉弁２０を閉状態にするので、燃料電池スタック１の通常運転中に空気供給系及び純水循環系への水素の混入を防止することができ、燃費の向上が期待できる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、純水循環系内の水分をパージする時に、乾燥水素開閉弁２０を開閉動作させるので、純水流路封止弁１９に供給する水素の流量変化を脈動させることができ、より確実に純水流路封止弁１９内等の微小間隙の水分をパージさせることができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

すなわち、上述した実施の形態では、外部から燃料電池スタック１の発電を停止させる制御信号を入力することに応じて図３に示す水分パージ処理を行う場合について説明したが、これに限らず、図示しない外気温検出センサを設け、システム停止時又は停止後の外気温度が例えば氷点下温度に近い所定温度に達した場合にのみ図３の水分パージ処理を行って乾燥水素を純水循環系に供給するものとしても良い。

また、上述した実施の形態では、純水流路封止弁１９内の微小間隙の水分をパージする場合を主として説明したが、これに限らず、空気供給系や水素循環系についても水分パージ処理を行うことにより、空気供給系や水素循環系の水分パージを実現することができることは勿論である。

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 純水循環系に設けられた純水流路封止弁の内部構成を示す図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおける水分パージ処理の処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ コントローラ
１１ 水素タンク
１２ 水素圧力制御弁
１３ パージ弁
１４ 圧縮機
１５ アフタークーラ
１６ 空気圧力制御弁
１７ 純水タンク
１８ 純水ポンプ
１９ 純水流路封止弁
２０ 乾燥水素開閉弁
２１ 純水経路パージ空気導入弁
３１ プランジャ
３２ プランジャチューブ
３３ プランジャ駆動用コイル
３４，３５ 乾燥水素流路
３６ 弁体
Ｌ１ 水素供給経路
Ｌ２ 水素循環経路
Ｌ３ 水素排出経路
Ｌ４ 空気供給流路
Ｌ５ 空気排出経路
Ｌ６ 純水供給経路
Ｌ７ 純水循環経路
Ｌ８，Ｌ１０ 乾燥水素経路
Ｌ９ 空気パージ経路

Claims (8)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを使用して発電する発電手段と、
   前記発電手段に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記発電手段に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記発電手段を加湿する純水供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給手段、前記燃料ガス供給手段又は前記純水供給手段に含まれ水分を含む流体を遮断又は通過させる弁の内部に、前記燃料ガス供給手段から前記発電手段に供給される乾燥した燃料ガスを供給する乾燥燃料ガス供給手段と、
   システム停止時に、前記乾燥燃料ガス供給手段から前記弁の内部に乾燥燃料ガスを供給するように制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料ガス及び酸化剤ガスを使用して発電する発電手段と、
   前記発電手段に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記発電手段に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記発電手段を加湿する純水供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給手段、前記燃料ガス供給手段又は前記純水供給手段に含まれ水分を含む流体を遮断又は通過させる弁の内部に、前記燃料ガス供給手段から前記発電手段に供給される乾燥した燃料ガスを供給する乾燥燃料ガス供給手段と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、
   前記外気温度検出手段により検出された外気温度が所定値以下である場合に、前記乾燥燃料ガス供給手段から前記弁の内部に乾燥燃料ガスを供給するように制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記弁は、前記乾燥燃料ガス供給手段から送られる乾燥燃料ガスを通過させる乾燥燃料ガス流路を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記乾燥燃料ガス流路は、水分を含む流体を遮断又は通過させる可動部の動作する方向における両端部に亘って形成されてい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。
5. 前記制御手段は、前記乾燥燃料ガス供給手段から前記弁の内部に乾燥燃料ガスを供給させている時に、前記弁の水分を含む流体を遮断又は通過させる可動部を開閉動作させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記乾燥燃料ガス供給手段は、前記弁に乾燥燃料ガスを供給する流路に開閉弁が設けられて構成され、
   前記制御手段は、前記発電手段を発電させている時には前記開閉弁を閉状態とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記乾燥燃料ガス供給手段から前記弁の内部に乾燥燃料ガスを供給させている時に、前記開閉弁を開閉動作させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記純水供給手段は、前記発電手段に純水を循環させる純水循環流路を備え、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記発電手段と接続された酸化剤ガス流路と、当該酸化剤ガス流路から分岐して前記純水循環流路に接続された分岐流路とを備え、
   前記制御手段は、前記分岐流路から前記弁の内部に酸化剤ガスを供給するように前記酸化剤ガス供給手段を制御した後に、前記弁の内部に乾燥燃料ガスを供給するように前記乾燥燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
   

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