JP2005149895A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発電に伴う生成水の影響により、１つのセル内において空気入口側の相対湿度が空気出口側の相対湿度よりも低くなる。そこで、簡単な構成で、１つのセルにおける各部位の湿度の均一化を図る。
【解決手段】 燃料電池セルの空気側セパレータ１００に、空気流路１０１と冷却水流路１０４とを形成した燃料電池システムにおいて、冷却水流路１０４の途中に、冷却水流路１０４を流れる冷却水の一部をバイパスさせるバイパス出口１０７を設け、空気流路１０１における上流領域と冷却水流路１０７における上流領域とを隣接して配置する。バイパス出口１０７よりも上流側領域での冷却水流量は、バイパス出口１０７よりも下流側領域での冷却水流量よりも多くなるため、セルにおける空気入口側の冷却能力の方が空気出口側の冷却能力よりも高くなり、空気入口側は温度が下がって相対湿度が上がる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

従来より、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池のセルは発電に伴って発熱するため、セルに冷却水を循環させてセルを冷却し、発電効率が高くなるようにセルの温度を制御している。

ところで、１つのセルにおける空気入口側の相対湿度と空気出口側の相対湿度とを比較すると、空気出口側程空気流量が減少するとともに生成水が増加するため、空気出口側の方が相対湿度が高くなる傾向にある。このように、１つのセルにおける各部位の湿度が不均一になると、１つのセル内において発電分布が不均一になり、ひいては燃料電池として発電が不安定になってしまうという問題が発生する。

そこで、冷却水流路を２系統に分け、各系統毎に異なる温度の冷却水を流して１つのセル内で温度勾配を発生させ、その温度勾配の低温部から高温部側に向かって空気が流れる構成にすることにより、セルにおける空気入口側の温度を下げてセルにおける空気入口側の相対湿度を上げ、１つのセルにおける各部位の湿度を均一にするようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開７−３２０７５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、１つのセルにおける各部位の湿度が均一化される傾向にはなるものの、異なる温度の冷却水を得るために、冷却水の温度を制御する装置を２つ設ける必要があり、システムの複雑化や大型化等の問題が発生する。

また、上記特許文献１に記載の燃料電池システムによれば、１つのセル内の温度勾配は冷却水流路の構造と位置によって成り行きで決まるため、ある運転条件下では１つのセルにおける各部位の湿度をほぼ均一にできたとしても、運転条件が変わって空気流量や生成水発生量が変化した場合、１つのセルにおける各部位の湿度を均一にすることができなくなる恐れがある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池システムの複雑化や大型化を招くことなく、１つのセルにおける各部位の湿度の均一化を図ることを目的とする。また、運転条件が変わっても１つのセルにおける各部位の湿度を均一に制御可能にすることを他の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１０）を有する燃料電池（１）を備え、セルは、酸化ガスが通過する酸化ガス流路（１０１）、および冷却水が通過する冷却水流路（１０４）を有し、酸化ガス流路と冷却水流路が隣接して配置された燃料電池システムにおいて、冷却水流路の途中に、冷却水流路を流れる冷却水の一部を冷却水流路からバイパスさせるバイパス出口（１０７）を備え、酸化ガス流路における上流領域と冷却水流路における上流領域が隣接して配置されていることを特徴とする。

これによると、バイパス出口よりも上流側の領域での冷却水の流量は、バイパス出口よりも下流側の領域での冷却水の流量よりも多くなる。これにより、セルにおける酸化ガス入口側の冷却能力の方が、セルにおける酸化ガス出口側の冷却能力よりも高くなり、セルにおける酸化ガス入口側は温度が下がって相対湿度が上がる。したがって、バイパス出口を設けるだけで１つのセルにおける各部位の湿度の均一化を図ることができ、燃料電池システムの構成の簡素化や小型化を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、セル（１０）の湿度を検出する湿度検出手段（３１、３２）と、湿度検出手段の検出結果に基づいて、バイパス出口（１０７）からバイパスさせる冷却水の流量を調整する流量調整手段（２５）とを備えることを特徴とする。

これによると、例えば運転条件の変化によって１つのセルにおける各部位の湿度が不均一になった場合、バイパスさせる冷却水の流量を調整し、セルにおける酸化ガス出口側の冷却能力を変化させることによって、酸化ガス出口側の相対湿度を調整して、１つのセルにおける各部位の湿度を均一に制御することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する固体高分子電解質型の燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。燃料電池１は、基本単位となるセル１０が複数個積層された積層体として構成されている。

燃料電池１では、図示しない水素供給装置から水素が供給され、図示しない空気供給装置から空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
各セル１０は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータおよび水素側セパレータで構成されている。

図２（ａ）は空気側セパレータ１００の正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の左側面図、図２（ｃ）は図２（ａ）の右側面図であり、空気側セパレータ１００の一方の面には、空気供給装置からの空気を流すための空気流路１０１が形成されている。空気流路１０１における空気流れ最上流部に空気入口部１０２が設けられ、空気流路１０１における空気流れ最下流部に空気出口部１０３が設けられている。空気流路１０１は、空気側セパレータ１００に溝を掘って形成されており、空気入口部１０２から空気出口部１０３まで蛇行した形状になっている。なお、空気流路１０１は本発明の酸化ガス流路に相当する。

空気側セパレータ１００の他方の面には、後述する冷却システムからの冷却水を流すための冷却水流路１０４が形成されている。冷却水流路１０４における冷却水流れ最上流部に冷却水入口部１０５が設けられ、冷却水流路１０４における冷却水流れ最下流部に冷却水出口部１０６が設けられ、冷却水流路１０４における冷却水流れ中間部に、冷却水流路１０４を流れる冷却水の一部を冷却水流路１０４からバイパスさせるためのバイパス出口１０７が設けられている。冷却水流路１０４は、空気側セパレータ１００に溝を掘って形成されており、冷却水入口部１０５から冷却水出口部１０６まで蛇行した形状になっている。

また、空気流路１０１における上流領域（本例では、空気入口部１０２から最初に蛇行する部位までの領域。以下、空気流路上流領域という）と、冷却水流路１０４における上流領域（本例では、冷却水入口部１０５からバイパス出口１０７までの領域、以下、冷却水流路上流領域という）とは、空気側セパレータ１００を側面から見たときに重なる位置に配置されている。さらに、空気流路１０１における下流領域（本例では、最初に蛇行する部位から空気出口部１０３までの領域。以下、空気流路下流領域という）と、冷却水流路１０４における下流領域（本例では、バイパス出口１０７から冷却水出口部１０６までの領域。以下、冷却水流路下流領域という）とは、空気側セパレータ１００を側面から見たときに重なる位置に配置されている。

空気流路１０１には、空気入口部１０２近傍に第１温度センサ３１が設けられ、空気出口部１０３近傍に第２温度センサ３２が設けられている。第１温度センサ３１は、空気流路上流領域（＝冷却水流路上流領域）近傍のセル１０の温度（以下、上流領域セル温度という）、より詳細には、空気入口部１０２近傍のセル１０の温度に応じた電気信号を出力する。第２温度センサ３２は、空気流路下流領域（＝冷却水流路下流領域）近傍のセル１０の温度（以下、下流領域セル温度という）、より詳細には、空気出口部１０３近傍のセル１０の温度に応じた電気信号を出力する。なお、両温度センサ３１、３２は、本発明の湿度検出手段に相当する。

図１に戻り、積層されたセル１０の両外側には一対のブラケット１１、１２が配置されており、このブラケット１１、１２を図示しないボルトとナット等により固定することにより、積層されたセル１０をブラケット１１、１２により挟持している。

第１ブラケット１１は、空気側セパレータ１００の冷却水入口部１０５と連通するブラケット内入口部１１１と、空気側セパレータ１００の冷却水出口部１０６と連通するブラケット内出口部１１２と、空気側セパレータ１００のバイパス出口１０７と連通するブラケット内バイパス部１１３とを備えている。

燃料電池１では発電の際の化学反応により熱が発生するため、発電効率が高くなる温度に燃料電池１の温度を制御する冷却システム２が設けられている。冷却システム２は、不凍液冷却水等の冷却水を燃料電池１に循環させて燃料電池１におけるセル１０の温度を制御するもので、冷却水を燃料電池１に循環させるための通路をなす主経路２０、主経路２０内で冷却水流を発生させる電動式のポンプ２１、冷却水を冷却するためのラジエータ２２、ラジエータ２２に送風を行う電動式のファン２３を備えている。

そして、ポンプ２１の吐出側が第１ブラケット１１におけるブラケット内入口部１１１に接続され、第１ブラケット１１におけるブラケット内出口部１１２がラジエータ２２を介してポンプ２１の吸入側に接続され、これにより、冷却水が空気側セパレータ１００の冷却水流路１０４に流れるようになっている。

また、冷却システム２には、冷却水を通過させる通路を形成するバイパス経路２４が設けられている。このバイパス経路２４の一端は、第１ブラケット１１におけるブラケット内バイパス部１１３に接続され、バイパス経路２４の他端は、主経路２０におけるラジエータ２２の吸入側に接続され、これにより、空気側セパレータ１００の冷却水流路１０４におけるバイパス出口１０７からバイパスされた冷却水が、主経路２０に戻されるようになっている。さらに、バイパス経路２４には、バイパス経路２４を流れる冷却水の流量を調整する電動式の流量調整弁２５が設けられている。なお、流量調整弁２５は本発明の流量調整手段に相当する。

制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、両温度センサ３１、３２からの信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、ポンプ２１、ファン２３、流量調整弁２５等に制御信号を出力する。

因みに、制御部４０は、第１温度センサ３１からの温度信号に基づいて、空気入口部１０２近傍のセル１０の相対湿度を演算し、第２温度センサ３２からの温度信号に基づいて、空気出口部１０３近傍のセル１０の相対湿度を演算する。この場合、生成水の影響を考慮して相対湿度を演算するため、空気入口部１０２近傍のセル１０の温度と空気出口部１０３近傍のセル１０の温度が等しい場合には、相対湿度の演算結果としては、空気入口部１０２近傍のセル１０の相対湿度の方が低い値となる。

次に、上記構成の燃料電池システムの作動を説明する。図１において、燃料電池１に水素および空気を供給して発電を行っている間は、冷却システム２のポンプ２１を作動させて、冷却水を主経路２０を介して各セル１０に循環させる。

具体的には、冷却水は、冷却システム２における主経路２０から第１ブラケット１１におけるブラケット内入口部１１１を通って、空気側セパレータ１００における冷却水入口部１０５から冷却水流路１０４に流入する。

冷却水流路１０４に流入した冷却水の一部は、冷却水出口部１０６に至る前にバイパス出口１０７から冷却水流路１０４外にバイパスされる。そのバイパスされた冷却水は、第１ブラケット１１におけるブラケット内バイパス部１１３、冷却システム２におけるバイパス経路２４および流量調整弁２５を通って、主経路２０に戻る。

一方、冷却水流路１０４に流入した冷却水のうちバイパスされなかった冷却水は、冷却水出口部１０６から第１ブラケット１１におけるブラケット内出口部１１２を通り、主経路２０に戻る。

このように、冷却水流路１０４の途中で冷却水の一部をバイパスさせると、冷却水流路上流領域の冷却水の流量は、冷却水流路下流領域の冷却水の流量よりも多くなり、冷却水流路上流領域の冷却能力の方が、冷却水流路下流領域の冷却能力よりも高くなる。これにより、図３に示すように、上流領域セル温度が下流領域セル温度よりも低くなり、冷却水流路上流領域近傍のセル１０の相対湿度が上がる。したがって、上流領域セル温度と下流領域セル温度との差を適宜に制御することにより、セル１０内の各部位の相対湿度を均一にすることができる。

制御部４０は、前述した相対湿度の演算結果に基づいて、セル１０の各部の温度を制御する。すなわち、ポンプ２１の回転数を制御して冷却水流路上流領域の冷却水流量を調整することにより、上流領域セル温度を制御する。また、流量調整弁２５によりバイパス流量を制御して冷却水流路下流領域の冷却水流量を調整することにより、下流領域セル温度を制御し、ひいては上流領域セル温度と下流領域セル温度との差を制御する。因みに、セル１０の温度の制御目標値としては、発電効率が高くなる８０℃程度が望ましい。また、上流領域セル温度と下流領域セル温度との差は、１０℃以内が望ましい。

なお、セル１０の温度が上昇し、下流領域セル温度が高温側閾値（例えば９０℃）を超えた場合は、流量調整弁２５によりバイパス流量を減少させ、冷却水流路下流領域の冷却水流量を増加させることにより、冷却水流路下流領域の冷却能力を高めて下流領域セル温度を下げるようにする。

また、上流領域セル温度が低下し、上流領域セル温度と下流領域セル温度との差が閾値（例えば２０℃）を超えた場合は、流量調整弁２５によりバイパス流量を減少させ、冷却水流路下流領域の冷却水流量を増加させることにより、冷却水流路下流領域の冷却能力を高めて下流領域セル温度を下げ、温度差を小さくする。

さらに、低温起動時などセル１０を早く暖めたいときは、流量調整弁２５によりバイパス流量を増やし、冷却水流路下流領域を流れる冷却水の流量を減らすことにより、冷却水流路下流領域の冷却能力を低下させる。

上記実施形態では、冷却水流路１０４の途中にバイパス出口１０７を設けたことにより、冷却水上流領域と冷却水流路下流領域とで冷却能力を異ならせて、上流領域セル温度を下流領域セル温度よりも低くすることができる。したがって、冷却水流路上流領域近傍のセル１０の相対湿度が上がり、セル１０内の各部位の相対湿度が略均一になる。

また、バイパス流量を制御する流量調整弁２５を備えているため、例えば運転条件の変化によってセル１０内の各部位の湿度が不均一になった場合でも、バイパス流量を調整して上流領域セル温度と下流領域セル温度との差を制御することにより、セル１０内の各部位の相対湿度を均一にすることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、温度センサ３１、３２からの温度信号に基づいてセル１０の相対湿度を演算したが、冷却水流路上流領域および冷却水流路上流領域の各相対湿度を湿度センサ（湿度検出手段）にて検出し、湿度センサの検出結果に基づいて、セル１０の各部の温度を制御するようにしてもよい。

本発明の一実施形態になる燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 （ａ）は空気側セパレータの正面図、（ｂ）は（ａ）の左側面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。 セルにおける冷却水流路位置とセル温度との関係を示す特性図である。

符号の説明

１…燃料電池、…セル１０、１０１…空気流路（酸化ガス流路）、１０４…冷却水流路、１０７…バイパス出口。

Claims (2)

1. 水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１０）を有する燃料電池（１）を備え、前記セルは、前記酸化ガスが通過する酸化ガス流路（１０１）、および冷却水が通過する冷却水流路（１０４）を有し、前記酸化ガス流路と前記冷却水流路が隣接して配置された燃料電池システムにおいて、
   前記冷却水流路の途中に、前記冷却水流路を流れる前記冷却水の一部を前記冷却水流路からバイパスさせるバイパス出口（１０７）を備え、前記酸化ガス流路における上流領域と前記冷却水流路における上流領域が隣接して配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記セル（１０）の湿度を検出する湿度検出手段（３１、３２）と、前記湿度検出手段の検出結果に基づいて、前記バイパス出口（１０７）からバイパスさせる前記冷却水の流量を調整する流量調整手段（２５）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

Images