JP2005116262A - 燃料電池の水供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 路面に応じて傾斜する車両に適用可能な燃料電池の水供給装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池の水供給装置のポンプ２６の吐出口または吸込み口のいずれか一方をポンプ室の下方に配置し、冷却水タンク２５に空気を供給して冷却水タンク２５に貯留した冷却水２４をポンプ２６に供給するエア抜き手段３３〜３４と、ポンプ始動に先立ち前記エア抜き手段３３〜３４を作動させ、その後に前記ポンプ２６を始動させる制御手段６とを備えるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加湿およびまたは冷却のために燃料電池へ水を供給する燃料電池の水供給装置に関し、特に、貯水タンクに貯留した水を吸込み燃料電池へ供給するポンプを備える燃料電池の水供給装置に関するものである。

従来からポンプ内部および配管内に残留した水が凍結することによる破損を防止するため、ポンプ動作終了後はポンプケース内の水が貯水タンクに戻り、ポンプ内部および配管内には水が残留しないようにした水供給装置が提案されている（特許文献１参照）。

これは、自吸式ポンプの吸込み口を水平面内で回転するポンプインペラの回転中心と同軸上でかつインペラの下部に形成し、ポンプケースに流体を吸引するための吸水通路には逆止弁を備えず常時開放されたものとし、これによりポンプ動作終了後にポンプケース内の水がほとんど液体源側へ戻るようにしている。そして、ポンプ始動時には、予め呼び水をポンプケース内に供給することでポンプによる吸引負圧を発生させるようにしている。
特開２００２−８１３９３号公報

しかしながら、上記従来例では、始動時にポンプインペラを呼び水で浸すことが必要であり、車両に搭載された燃料電池の水供給装置に適用する場合には、車両が傾斜するとポンプインペラ全体を呼び水で浸すことができず、有効なポンプ吸引負圧を発生せず始動不良となる場合がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、路面に応じて傾斜する車両に適用可能な燃料電池の水供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、冷却水タンクに貯留した冷却水をポンプにより燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックから冷却水タンクに還流させて燃料電池スタックの加湿およびまたは冷却を行う燃料電池の水供給装置のポンプの吐出口または吸込み口のいずれか一方をポンプ室の下方に配置し、前記冷却水タンクに空気を供給して冷却水タンクに貯留した冷却水をポンプに供給するエア抜き手段と、前記ポンプ始動に先立ち前記エア抜き手段を作動させ、その後に前記ポンプを始動させる制御手段とを備える。

したがって、本発明では、燃料電池の水供給装置のポンプの吐出口または吸込み口のいずれか一方をポンプ室の下方に配置し、前記冷却水タンクに空気を供給して冷却水タンクに貯留した冷却水をポンプに供給するエア抜き手段と、前記ポンプ始動に先立ち前記エア抜き手段を作動させ、その後に前記ポンプを始動させる制御手段とを備えるようにしたため、ポンプ停止時には、ポンプ室内の水を吐出口から排水でき、冬季等の低温時における水の凍結によるポンプの破損を防止できる。しかも、ポンプ始動時には、冷却水タンクに空気を供給して冷却水タンクに貯留した冷却水をポンプに供給するエア抜き手段を作動させることで、ポンプの配置や車両姿勢に係らず良好な始動性を得ることができる。

以下、本発明の燃料電池の水供給装置を一実施形態に基づいて説明する。

図１〜図５は本発明を適用した燃料電池の水供給装置の第１実施形態を示し、図１は燃料電池の水供給装置のシステム構成図、図２は燃料電池スタックの概略断面図、図３はポンプの概略平面図および側面図、図４は始動時にコントローラにより実行される水供給装置の制御フローチャート、図５はコントローラに記憶した制御マップである。

図１において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料としての水素を供給する水素供給系統３と、燃料電池スタック２に燃料としての空気（酸素）を供給する空気供給系統４と、燃料電池スタック２の冷却およびまたは加湿のために冷却水を供給する水供給系統５とを備え、これらはコントローラ６により制御される。

燃料電池スタック２は、図２に示すように、高分子電解質膜の両側面に燃料極および酸化剤極で高分子電解質膜を挾持するよう配設した膜電極接合体１１を備え、酸化剤極の背面には酸化剤としての空気を膜電極接合体１１に供給する流路を備えた酸化剤極集電板１２を、また、燃料極の背面には燃料としての水素を膜電極接合体１１に供給する流路を備えた多孔質体からなる燃料極集電板１３を夫々配設した単位セル１０を構成している。そして、燃料極集電板１３のさらに背面側に多孔質体からなる加湿水透過板１４を介して冷却水流路１６を備える冷却板１５を配設し、これらを複数組積層することにより燃料電池スタック２を構成している。

前記燃料電池スタック２は、燃料極に水素供給系統３から水素を供給し、酸化剤極に空気供給系統４から酸化剤ガスとしての空気を供給することで発電し、上記冷却板１５内に水供給系統５から冷却水を供給することで発電中に生じる熱を除去するよう構成している。冷却板１５に供給された冷却水は、その一部を加湿水透過板１４および燃料極集電板１３に浸透させて燃料極に供給して高分子電解質膜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させる。その際の蒸発潜熱は電池反応熱の一部を取り除く。残りの冷却水は、冷却板１５を介して背面側の酸化剤極集電板１２を介して顕熱により残りの電池反応熱の取り除いた後燃料電池スタック２から排出される。

この構造では、冷却水の圧力を調整することにより燃料ガスとの差圧を変化させ、加湿水として燃料極側に供給する水の量を調整することができる。即ち、冷却水の圧力を上昇させる（即ち、差圧を低下させる）と加湿水として供給する水の量を増加させ、冷却水の圧力を低下させる（即ち、差圧を増加させる）と加湿水として供給する水の量を減少させることができる。また、冷却水の流量を調整することにより顕熱により取り除く電池反応熱を調整することができる。

図１に戻り、前記空気供給系統４は、コンプレッサ２０を備え、コンプレッサ２０で圧搾した空気を配管２１を経由させて燃料電池スタック２に供給するよう構成している。

前記水供給系統５は、冷却水２４が貯められた冷却水タンク２５、ポンプ２６、背圧制御弁２７、および図示しない熱交換器を冷却板１５の冷却水流路１６と直列に循環通路２８により接続して構成しており、冷却水タンク２５に貯められた冷却水２４をポンプ２６によって燃料電池スタック２の冷却板１５に供給し、燃料電池２の冷却板１５から背圧制御弁２７、熱交換器を経て冷却水タンク２５に戻される。ポンプ２６の吸込み側の循環通路２８の開口端は冷却水タンク２５の冷却水２４内に配置されている。ポンプ２６および背圧制御弁２７は、コントローラ６によりその回転速度および制御圧力が制御される。また、前記ポンプ２６の下流から分岐して大気に開放した排出管路２９が接続され、排出管路２９にはポンプ２６始動時にコントローラ６により開放される常閉の遮断弁３０が配置されている。

前記冷却水タンク２５には、空気供給系統４の配管２１を分岐した空気導入配管３１が接続され、空気導入配管３１にはコントローラ６により開閉制御される常閉の遮断弁３２が配置され、また、タンク２５内を大気に開放する大気開放通路３３を備え、大気開放通路３３にもコントローラ６により開閉制御される常開の遮断弁３４が配置されている。前記遮断弁３２は、前記空気供給系統４のコンプレッサ２０が作動された状態で遮断弁３２を開放すると空気導入配管３１を経由して圧搾空気を冷却水タンク２５に導入可能としており、この圧搾空気の導入中に背圧制御弁２７および大気開放通路３３の遮断弁３４を閉じる場合には、冷却水タンク２５内を加圧可能に構成している。冷却水タンク２５内が加圧された状態では、貯留された冷却水２４も圧搾空気により加圧されることから、循環通路２８を経由してポンプ２６側に流出させることができる。

前記ポンプ２６は、図３に示すように、横置きされた駆動モータ３６（駆動軸が水平配置されている）によりインペラ（図示しない）を回転駆動する渦巻き型ポンプで構成され、その吸込み口３７がインペラ室（ポンプ室）３８の中央部に開口し、その吐出口３９がインペラ室３８の下方に開口するよう構成している。このため、ポンプ２６停止時には、インペラ室３８に存在する水は、低い位置に開口している吐出口３９から流出してポンプインペラ室３８内に残留しない構成としている。

以上の構成になる燃料電池の水供給装置の動作について、図４に示す制御フローチャートに基づいて以下説明する。

燃料電池システム１の停止時には、ポンプ２６、コンプレッサ２０は停止され、背圧制御弁２７が開放される。燃料電池スタック２内の冷却水は開放された背圧制御弁２７を経由して冷却水タンク２５に戻り、ポンプ室３８上部の冷却水およびポンプ２６と冷却水タンク２５間の循環通路２８の冷却水は冷却水タンク２５に逆流して戻る。ポンプ室３８下部および燃料電池２とポンプ２６間の循環通路２８の冷却水は、ポンプ２６と燃料電池スタック２との上下方向の設置位置にも関係するが、ポンプ２６の設置位置を高くすることで、燃料電池スタック２の冷却流路２６を経由して上記と同様に冷却水タンク２５に戻る。

ポンプ２６の設置位置が燃料電池スタック２に対して比較的低い位置にある場合には、ポンプ室３８下部および燃料電池２とポンプ２６間の循環通路２８の冷却水の抜けを良好にするために、燃料電池システム１の停止時に、排出管路２９の遮断弁３０を開放して外部へ排出してもよい。このようにして、ポンプ２６内および燃料電池スタック２内には水が残留しない状態とする。その後、排出管路２９の遮断弁３０は閉じられる。また、大気開放通路３３の遮断弁３４は開放されており、空気導入配管３１の遮断弁３２は閉じられている。

なお、ポンプ２６の吸込み口３７をポンプ室３８の下方位置に配置した場合には、燃料電池２までの循環通路２８の冷却水は、ポンプ室３８を含めてその全てを冷却水タンク２５に逆流させて戻すこともできる。

図外の燃料電池起動スイッチが作動されると、コントローラ６は水供給系統５を図４に示す制御フローチャートに基づいて起動させる。

先ず、ステップＳ１では、背圧制御弁２７および大気開放通路３３の遮断弁３４を閉弁し、空気供給系統４のコンプレッサ２０を起動させる。背圧制御弁２７および大気開放通路３３の遮断弁３４を閉弁させることにより冷却水タンク２５は燃料電池スタック２および大気との連通が遮断される。コンプレッサ２０よりの圧搾空気は配管２１を経由して燃料電池スタック２に供給され、酸化剤極集電板１２の流路に供給される。

ステップＳ２では、空気導入配管３１の遮断弁３２を開弁させ、更にポンプ２６の吐出側に分岐接続された排出管路２９の遮断弁３０を開弁させる。空気導入配管３１の遮断弁３２が開弁されることで、コンプレッサ２０の圧搾空気が冷却水タンク２５内に導入され、冷却水タンク２５内の内圧を上昇させ、内圧により冷却水２４液面を押し下げて貯留した冷却水２４を、循環通路２８を経由してポンプ２６内に流入させるよう作用する。同時に排出管路２９の遮断弁３０が開放されることにより、ポンプ室３８に滞留していた空気が排出管路２９を経由して大気に排出されてポンプ２６の吐出側の圧力を低下させる。冷却水タンク２５とポンプ２６吐出側との圧力差により、冷却水タンク２５内の冷却水２４は循環通路２８を経由してポンプ２６内に流入する。この場合に、ポンプ２６の吸込み口３７の位置がポンプ室３８の中央、最上部、最下部等のいずれの位置にあっても、また、車両の姿勢の如何を問わず、冷却水２４をポンプ室３８に供給することができる。

ステップＳ３では、ステップＳ２が実行された後の時間Ｔが所定時間Ｔ０に到達したか否かを判定し、所定時間Ｔ０を経過するまで上記ステップＳ２の状態を維持し、所定時間Ｔ０が経過した場合にステップＳ４へ進む。上記所定時間Ｔ０は、冷却水２４がポンプ２６のインペラ室３８に満たされる時間で設定される。図５は、縦軸を流体運動量（差圧）とし、横軸をエア抜き時間とし、冷却水タンク２５からポンプ２６までの循環通路２８とポンプインペラ室３８との総容積をパラメータとした特性図であり、線Ａは等容積線を示している。図から理解できるように、パラメータとしての容積が小さい場合（図中左下側）には、差圧が低くてもエア抜き時間を短時間とできるが、パラメータとしての容積が大きい場合には、差圧が大きくてもエア抜き時間は長時間となり、ここでの差圧が小さい場合にはエア抜き時間は更に長時間となることを示している。例えば、容積が線Ａ１で示される場合には、差圧とエア抜き時間とをΔＰ１およびＴ１を超える図中のＯＫ領域に設定すればよい。

ステップＳ４では、ポンプ２６を起動させ、ステップＳ５で空気導入配管３１およびポンプ２６吐出側の分岐した排出管路２９の各遮断弁３０、３２を閉弁させ、ステップＳ６で背圧制御弁２７および大気開放通路３３の遮断弁３４を開弁させて、ポンプ２６の始動制御が完了する。ステップＳ３の判定で所定時間Ｔ０が経過してポンプ２６のインペラ室３８内には冷却水が満たされているので、ステップＳ４でポンプ２６を起動させるとインペラは冷却水を吐出する。ステップＳ５で空気導入配管３１および排出管路２９が閉じられ、ステップＳ６で大気開放通路３３が開き、背圧制御弁２７が所定開度に開いているので、冷却水タンク２５内は大気圧となっている。ポンプ２６から吐出された冷却水は循環配管２８を経由して燃料電池スタック２の冷却流路１６に流入され、冷却流路１６から流出した冷却水は循環配管２８および背圧制御弁２７を経由して冷却水タンク２５に戻される。冷却流路２８での冷却水の圧力はコントローラ６による背圧制御弁２７の開度調整により制御される。

以上のように、始動時においては、冷却水タンク２５に空気圧力を導くことでポンプ２６吐出口３９側圧力との間に差圧を発生させ、冷却水を循環通路２８に送出し、ポンプ２６吸込み口３７から吐出口３９へ向かって冷却水を流すことで、ポンプ室３８内の空気をこの冷却水によりポンプ室３８下流へ排出することができ、車両の傾きに関係なく、良好なエア抜き性と始動性を得られる。

なお、上記実施形態において、水供給装置に用いるポンプ２６の吐出口３９を吸込み口３７よりも下に配置するものについて説明したが、吸込み口３７と吐出口３９とのいずれか一方をポンプ室３８の下方位置に配置することで、ポンプ２６停止時にポンプ室３８内の水を排水できるものであり、図示しないが、例えば、吸込み口をポンプ室の下方位置に配置するものであっても、吐出口をポンプ室の下方位置に配置するものであっても、ポンプ停止時には、ポンプ室内の水を排水でき、冬季等の低温時における水の凍結によるポンプの破損を防止できる。

また、上記実施形態において、水供給装置に用いるポンプ２６の駆動軸が横位置にしたものについて説明したが、図示しないが、駆動軸が縦位置に配置されたポンプであってもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）冷却水タンク２５に貯留した冷却水２４をポンプ２６により燃料電池スタック２に供給し且つ燃料電池スタック２から冷却水タンク２５に還流させて燃料電池スタック２の加湿およびまたは冷却を行う燃料電池の水供給装置のポンプ２６の吐出口３９または吸込み口３７のいずれか一方をポンプ室３８の下方に配置し、前記冷却水タンク２５に空気を供給して冷却水タンク２５に貯留した冷却水２４をポンプ２６に供給するエア抜き手段（３１〜３４）と、前記ポンプ２６始動に先立ち前記エア抜き手段（３１〜３４）を作動させ、その後に前記ポンプ２６を始動させる制御手段（コントローラ６）とを備える。このため、ポンプ停止時には、ポンプ室３８内の水を吐出口３９または吸込み口３７から排水でき、冬季等の低温時における水の凍結によるポンプ２６の破損を防止できる。しかも、ポンプ始動時には、冷却水タンク２５に空気を供給して冷却水タンク２５に貯留した冷却水２４をポンプ２６に供給するエア抜き手段（３１〜３４）を作動させることで、ポンプ２６の配置や車両姿勢に係らず良好な始動性を得ることができる。

（イ）エア抜き手段（３１〜３４）の冷却水タンク２５に導入する空気として、燃料電池スタック２の酸化剤極に供給する空気を導入するようにすると、空気供給系統４のコンプレッサ２０から空気を導入するのみの簡単な構成とできる。

（ウ）エア抜き手段として、作動時にポンプ２６吐出口３９を排出管路２９および遮断弁３０よりなる排出手段により大気に開放するようにすると、冷却水タンク２５からポンプ吐出口３９までの空気を短期間で排出でき、短時間でポンプ２６を始動させることができる。

（エ）エア抜き手段の作動時間を、冷却水タンク２５に導入する空気圧とポンプ吐出側の圧力との差圧および冷却水タンク２５からポンプ吐出口３９までの容積とに応じて設定すると、過不足なくエア抜きを行うことができ、良好な始動性を得ることができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池の水供給装置のシステム構成図。 同じく燃料電池スタックの概略断面図。 ポンプの概略平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）。 始動時にコントローラにより実行される水供給装置の制御フローチャート。 コントローラに記憶した制御マップ。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック、燃料電池
３ 水素供給系統
４ 空気供給系統
５ 水供給系統
６ コントローラ
１０ 単セル
２０ コンプレッサ
２４ 水、冷却水
２５ 冷却水タンク
２６ ポンプ
２７ 背圧制御弁
２８ 循環通路
２９ 排出管路
３０、３２、３４ 遮断弁
３１ 空気導入配管
３３ 大気開放通路

Claims (5)

1. 冷却水タンクに貯留した冷却水をポンプにより燃料電池スタックに供給し且つ燃料電池スタックから冷却水タンクに還流させて燃料電池スタックの加湿およびまたは冷却を行う燃料電池の水供給装置において、
   前記ポンプの吐出口または吸込み口のいずれか一方をポンプ室の下方に配置し、
   前記冷却水タンクに空気を供給して冷却水タンクに貯留した冷却水をポンプに供給するエア抜き手段と、
   前記ポンプ始動に先立ち前記エア抜き手段を作動させ、その後に前記ポンプを始動させる制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池の水供給装置。
2. 前記ポンプは、その吐出口を吸込み口より低い位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水供給装置。
3. 前記エア抜き手段は、前記燃料電池スタックの酸化剤極に供給する空気を冷却水タンクに供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の水供給装置。
4. 前記エア抜き手段は、作動時にポンプ吐出口を大気に開放する排出手段を備える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の水供給装置。
5. 前記エア抜き手段は、冷却水タンクに導入する空気圧とポンプ吐出側の圧力との差圧および冷却水タンクからポンプ吐出口までの容積とに応じて作動時間を設定することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池の水供給装置。

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