JP2005190722A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム停止時の燃料電池スタック内からの水の抜け落ちを防止し、起動時間を短縮する。
【解決手段】水タンク１７から燃料電池スタック１へと純水を循環供給するための水循環配管であるスタック上流側配管１９及びスタック下流側配管２１に、スタック上流側開閉弁２０とスタック下流側開放弁２２とをそれぞれ設ける。そして、運転停止時の水供給系停止動作において、スタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じることで、燃料電池スタック１内に水が保持されるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに水を循環供給するための水循環配管及び水循環装置を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池システムの起動時間を短縮するための技術に関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料ガス（例えば水素）及び空気を、電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。中でも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用電源としての用途が期待されている。

ところで、前記固体高分子型燃料電池においては、固体高分子膜は、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能するとともに、水素と酸素とを分離する機能も有する。固体高分子膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、水素と酸素とが混合して燃料電池としての発電ができなくなってしまう。

一方で、発電により燃料極で分離した水素イオンが電解質膜を通るときには、水も一緒に移動するため、燃料極側は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜が乾燥する傾向にある。

このようなことから、固体高分子型燃料電池における固体高分子膜は、外部から水分を供給して積極的にこれを加湿する必要があり、燃料電池スタック内部に純水等の加湿剤を直接供給し、加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１等を参照）。

特許文献１記載の発明では、燃料電池セルにおいて、燃料極（アノード）及び空気極（カソード）と冷却水流路を多孔質材料で構成されたバイポーラプレートで接続し、冷却水流路からバイポーラプレートを介して電解質膜に水を供給して、電解質膜を加湿している。この方法は、燃料ガス及び空気の加湿器を必要としないため、システム構成が簡単になるという利点がある。
特開２００３−１５１５９７号公報

ところで、前述の内部加湿方式の燃料電池システムでは、システム停止時に水供給系（例えば水ポンプ）も停止し、その結果、燃料電池スタック内から水が抜け落ちることになる。そして、一度燃料電池スタック内から水が抜け落ちてしまうと、再起動の際に、再び燃料電池スタック内を水で満たす必要が生じ、起動時間が長くなるという問題点がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて提案されたものであり、システム停止時の燃料電池スタック内からの水の抜け落ちを防止することができ、起動時間を大幅に短縮することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、アノード及びカソードを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給配管と、燃料電池スタックのカソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置及び酸化剤ガス供給配管と、燃料電池スタックに水を供給するための水を収容する水タンクと、水タンクから燃料電池スタックへと水を循環供給するための水循環配管及び水循環装置とを備える。そして、水循環配管の燃料電池スタック上流位置にはスタック上流側開閉弁、燃料電池スタック下流位置にはスタック下流側開閉弁をそれぞれ設けるようにしている。

本発明の燃料電池システムによれば、水循環配管の燃料電池スタック上流位置にスタック上流側開閉弁、燃料電池スタック下流位置にスタック下流側開閉弁がそれぞれ設けられているので、運転停止時にこれらスタック上流側開閉弁及びスタック下流側開閉弁を閉じることで、燃料電池スタック内に水を保持して、システム停止時の燃料電池スタック内からの水の抜け落ちを防止することができ、起動時間を大幅に短縮することが可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、アノード（燃料極）１ａ及びカソード（空気極）１ｂを有する燃料電池スタック１、この燃料電池スタック１のアノード１ａに燃料ガス（ここでは水素）を供給するための燃料ガス供給系、燃料電池スタック１のカソード１ｂに酸化剤ガス（ここでは空気）を供給する酸化剤ガス供給系、燃料電池スタック１を保湿するための水供給系を主な構成要素としている。

燃料ガス供給系は、燃料ガス供給源としての水素供給装置２、水素供給配管３、排水素循環装置４、及び水素循環配管５を備えて構成され、前記排水素循環装置４から分岐される排気系として、パージ弁６及び水素排気管７が設けられている。また、水素排気管６の末端には、希釈ファン８を備えた希釈ボックス９が設けられている。

酸化剤ガス供給系は、空気供給装置であるコンプレッサ１０、アフタークーラ１１、燃料電池スタック１からの排空気により加湿を行う加湿装置１２、空気供給配管１３を備えて構成されている。また、燃料電池スタック１のカソード１ｂ出口側には、カソード出口配管１４、圧力調整弁１５、及びカソード排気配管１６が設けられている。

水供給系は、水タンク１７及び水循環ポンプ１８、スタック上流側配管１９及びスタック上流側開閉弁２０、スタック下流側配管２１及びスタック下流側開閉弁２２とを備えて構成されている。また、水タンク１７は、オーバーフロー配管２３を備えている。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス供給装置１から水素を燃料電池スタック１のアノード１ａに、またコンプレッサ２から空気を燃料電池スタック１のカソード１ｂにそれぞれ供給し、ポーラスセパレータ（多孔質セパレータ）を有する燃料電池スタック１内で反応させて発電する。その際、空気は、アフタークーラ１１を経由して燃料電池スタック１での反応に適した温度にまで冷却されて、燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される。燃料電池スタック１のアノード１ａからは、燃料電池スタック１での反応で消費されない余剰分の水素（アノードオフガス）が排出され、また燃料電池スタック１のカソード１ｂからは、一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだ空気（カソードオフガス）が排出される。

通常運転時、アノードオフガスは、排水素循環装置４により水素供給配管５に全量循環されて、新たに水素供給装置２から供給される水素と混合され、再度、燃料電池スタック１のアノード１ａへと供給される。また、カソードオフガスは、燃料電池スタック１への供給空気を加湿する加湿装置１２を経由した後に、圧力調整弁１５を経由してカソード排気配管１６から外部に排気される。燃料電池スタック１への供給空気の圧力は、加湿装置１２の下流に設置されている圧力調整弁１５により調整される。

また、水素パージを行うときは、パージ弁６が開放されることで、アノードオフガスが水素排気管７を経由して希釈ボックス９に導かれる。希釈ボックス９では、水素排気管７軽油で導かれたアノードオフガスと、当該希釈ボックス９に備えられた希釈ファン８から供給される空気とを均一に混合して、混合ガスを大気へ排出する。このとき、希釈ファン８からは、アノードオフガスを着火しない濃度まで希釈するのに充分な空気流量が供給される。

一方、燃料電池スタック１を保湿するために、水タンク１７に収容された純水が水循環ポンプ１８により燃料電池スタック１へと供給される。この燃料電池スタック１への供給水は、水循環配管２１を経由して再び水タンク１７へと回収される。また、燃料電池スタック１内の反応による生成水の一部が凝縮水となった余剰水分も、水循環配管２１を経由して水タンク１７へと回収される。水タンク１７に蓄積される水の水位がオーバフロー配管２３まで達する場合には、このオーバフロー配管２３から水が外部へ排出される。

なお、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１と水タンク１７とにはヘッド差（水位の差）が生じており、燃料電池スタック１に対して水タンク１７のヘッド（水位）が高い構成となっている。

次に、以上の構成を有する燃料電池システムの動作について説明する。

先ず、本実施形態の燃料電池システムでは、通常運転時、水素供給装置２の作動により、燃料ガスである水素が燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される。また、コンプレッサ１０が外気を取り入れて圧縮、吐出し、この圧縮空気がアフタークーラ１１により冷却されて燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される。このとき、水循環ポンプ１８の駆動によって、水タンク１７から燃料電池スタック１に対して、純水が供給されている。燃料電池スタック１の発電による生成水は、カソードオフガスと共に燃料電池スタック１のカソード１ｂから排出され、凝縮した生成水は水タンク１７へ回収される。さらに、カソードオフガスの含有水の一部は、カソードオフガスが加湿装置１２を経由することにより、アフタークーラ１１から排出される比較的低湿度の供給空気に水分を渡すことで再び燃料電池スタック１のカソード１ｂへと供給される。また、加湿装置１２から排出されるカソードオフガスの含有水は、空気調圧弁１５を経由してカソード排気配管１６から外部に排気される。

燃料電池システムの運転停止時には、図２に示すフローチャートに従って水供給系の停止動作を行う。

すなわち、燃料電池システムの運転停止時には、先ず、ステップＳ１１において、図示しないシステム制御装置から水供給系の停止動作開始を指示する信号が出力される。この信号が出力されると、ステップ１２において、水循環ポンプ１８の作動が停止され、さらに、ステップＳ１３において、スタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２が閉に切り替えられる。これにより、スタック上流側開閉弁２０とスタック下流側開閉弁２２との間の領域には純水が保持されることになる。そして、ステップＳ１４において、システム制御装置に対して水供給系の停止動作が完了した旨の信号が入力され、水供給系の停止動作が完了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、燃料電池スタック１内に純水が保持されるようにしているので、再起動の際に、燃料電池スタック１内を再び純水で満たすまでの時間を省略でき、起動時間を大幅に短縮することが可能である。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、水タンク１７と燃料電池スタック１との間での水の繋がりを断ち切るようにしているので、運転停止中に水タンク１７に収容された純水がポーラスセパレータを介して燃料電池スタック１のリアクタント（アノード１ａ、あるいはカソード１ｂ）へと漏れ出すことを防止できる。

すなわち、ポーラスセパレータを有する燃料電池スタック１では、当該燃料電池スタック１と水タンク１７とでヘッド差が生じた状態とされ、水タンク１７のヘッドが当該燃料電池スタック１のヘッドよりも高い場合には、燃料電池システムの運転停止中に、サイホンの効果によって、このヘッド差がなくなるまで、水タンク１７に収容された純水がポーラスセパレータを介して燃料電池スタック１のリアクタント（アノード１ａ、あるいはカソード１ｂ）へと漏れ出すことになり、燃料電池スタック１が水過剰な状態となることが懸念される。しかしながら、本実施形態の燃料電池システムでは、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じるようにしているので、水タンク１７から燃料電池スタック１のリアクタントへの水漏れを防止でき、燃料電池スタック１が水過剰となることを有効に防止できる。

また、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、水タンク１７と燃料電池スタック１との間での水の繋がりを断ち切るようにすることで、スタック下流側配管２１内にある純水を水タンク１７へと回収する時間も省略することができ、システム停止時間の短縮を図ることもできる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様とし、その一部を変更したものである。以下、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分を中心に説明する。

本実施形態の燃料電池システムでは、図３に示すように、スタック上流側配管１９のスタック上流側開閉弁２０よりも上流側（水タンク１７側）の位置に、当該スタック上流側配管１９内に空気を導入する空気導入配管２４が接続されている。この空気導入配管２４には、空気導入弁２５が備えられ、上流端が大気開放となっている。

また、水タンク１７、スタック上流側配管１９、及び空気導入配管２４は、鉛直方向において、上から、空気導入配管２４、スタック上流側配管１９、水タンク１７の順に設置されている。そのため、水循環ポンプ１８の作動を停止した後に空気導入弁２５を開けるようにすれば、スタック上流側配管１９内にある純水を重力によって水タンク１７へ戻すことが可能であり、スタック上流側配管１９を空気で満たすことができる。

本実施形態の燃料電池システムの運転停止時には、図４に示すフローチャートに従って水供給系の停止動作が行われる。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムの運転停止時には、先ず、ステップＳ２１において、図示しないシステム制御装置から水供給系の停止動作開始を指示する信号が出力される。この信号が出力されると、ステップ２２において、水循環ポンプ１８の作動が停止され、さらに、ステップＳ２３において、スタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２が閉に切り替えられる。これにより、スタック上流側開閉弁２０とスタック下流側開閉弁２２との間の領域には純水が保持されることになる。

次に、スタック上流側開閉弁２０とスタック下流側開閉弁２２との間の領域に純水が保持された状態で、ステップＳ２４において、空気導入弁２５が開に切り替えられ、スタック上流側配管１９内の水が重力によって水タンク１７へと戻される。これによりスタック上流側配管１９は空気で満たされることになる。

その後、予め設定した所定時間が経過した段階で（ステップＳ２５）、ステップＳ２６において、空気導入弁２５が閉に切り替えられる。そして、ステップＳ２７において、システム制御装置に対して水供給系の停止動作が完了した旨の信号が入力され、水供給系の停止動作が完了する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１の実施形態と同様に、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、燃料電池スタック１内に純水が保持されるようにしているので、再起動の際に、燃料電池スタック１内を再び純水で満たすまでの時間を省略でき、起動時間を大幅に短縮することが可能である。

また、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、水タンク１７と燃料電池スタック１との間での水の繋がりを断ち切るようにしているので、運転停止中に水タンク１７に収容された純水がポーラスセパレータを介して燃料電池スタック１のリアクタント（アノード１ａ、あるいはカソード１ｂ）へと漏れ出すことを防止できる。

特に、本実施形態の燃料電池システムでは、スタック上流側配管１９のスタック上流側開閉弁２０よりも上流側の位置に、空気導入弁２５を有する空気導入配管２４を接続し、運転停止時に水循環ポンプ１８の作動を停止した後に、空気導入弁２５を開けて空気導入配管２４からスタック上流側配管１９内に空気を導入するようにしているので、スタック上流側開閉弁２０が異物の噛み込み等によってそのシール性が不完全となった場合であっても、スタック上流側開閉弁２０での水の表面張力を利用して、スタック上流側開閉弁２０の不完全なシールに起因して生ずる水タンク１７から燃料電池スタック１のリアクタントへの水漏れを有効に防止できる。また、スタック上流側配管１９内にある水を水タンク１７へ戻す力として重力を利用しているために、システム構成を簡素化できるという利点も有する。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様とし、その一部を変更したものである。以下、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明は省略し、本実施形態に特徴的な部分を中心に説明する。

本実施形態の燃料電池システムは、上述した第２の実施形態と同様に、スタック上流側配管１９のスタック上流側開閉弁２０よりも上流側に接続された空気導入配管２４と、この空気導入配管２４に設けられた空気導入弁２５とを有するが、本実施形態では、空気導入配管２４の上流端が大気開放ではなく、アフタークーラ１１の下流側の空気供給配管１３に接続されている。そのため、水供給系の停止動作時において、コンプレッサ１０を駆動している場合には、水循環ポンプ１８の作動を停止させた後に空気導入弁２５を開くことで、アフタークーラ１１下流の水素供給配管１３と水タンク１７との圧力差を利用して、空気供給配管１９内の空気を空気導入配管２４を介してスタック上流側配管１９内に導入して、このスタック上流配管１９内の水を水タンク１８へ戻すことが可能であり、スタック上流側配管１９を空気で満たすことができる。

本実施形態の燃料電池システムの運転停止時に行われる水供給系の停止動作は、上述した第２の実施形態の水供給系の停止動作（図４）と同様である。ただし、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水供給系の停止動作が完了するまでは、コンプレッサ２の駆動は継続して行われることになる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１，第２の実施形態と同様に、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、燃料電池スタック１内に純水が保持されるようにしているので、再起動の際に、燃料電池スタック１内を再び純水で満たすまでの時間を省略でき、起動時間を大幅に短縮することが可能である。

また、運転停止時にスタック上流側開閉弁２０及びスタック下流側開閉弁２２を閉じて、水タンク１７と燃料電池スタック１との間での水の繋がりを断ち切るようにしているので、運転停止中に水タンク１７に収容された純水がポーラスセパレータを介して燃料電池スタック１のリアクタント（アノード１ａ、あるいはカソード１ｂ）へと漏れ出すことを防止できる。

特に、本実施形態の燃料電池システムでは、第２の実施形態と同様に、スタック上流側配管１９のスタック上流側開閉弁２０よりも上流側の位置に、空気導入弁２５を有する空気導入配管２４を接続し、運転停止時に水循環ポンプ１８の作動を停止した後に、空気導入弁２５を開けて空気導入配管２４からスタック上流側配管１９内に空気を導入するようにしているので、スタック上流側開閉弁２０が異物の噛み込み等によってそのシール性が不完全となった場合であっても、スタック上流側開閉弁２０の不完全なシールに起因して生ずる水タンク１７から燃料電池スタック１のリアクタントへの水漏れを有効に防止できる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、スタック上流側配管１９への空気の導入として、アフタークーラ１１下流の空気供給配管１３と水タンク１７との圧力差を利用しているので、スタック上流側配管１９へのガス導入時間を短縮できるともに、ガス導入機構のレイアウト設計を重力の影響に束縛されることなく柔軟に行うことができる。

第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおける運転停止時の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおける運転停止時の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 水素供給装置
３ 水素供給配管
１０ コンプレッサ
１３ 空気供給配管
１７ 水タンク
１８ 水循環ポンプ
１９ スタック上流側配管
２０ スタック上流側開閉弁
２１ スタック下流側配管
２２ スタック下流側開閉弁
２４ 空気導入配管
２５ 空気導入弁

Claims (6)

1. アノード及びカソードを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックのアノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給配管と、
   前記燃料電池スタックのカソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置及び酸化剤ガス供給配管と、
   前記燃料電池スタックに供給するための水が収容される水タンクと、
   前記水タンクから前記燃料電池スタックへと水を循環供給するための水循環配管及び水循環装置とを備え、
   前記水循環配管の燃料電池スタック上流位置にスタック上流側開閉弁が設けられるとともに、前記水循環配管の燃料電池スタック下流位置にスタック下流側開閉弁が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 運転停止時に、前記スタック上流側開閉弁及びスタック下流側開閉弁を閉じることで、前記燃料電池スタック内に水が保持され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。
3. 前記燃料電池スタックが多孔質セパレータを有し、当該多孔質セパレータを介して燃料ガス及び／又は酸化剤ガスの加湿が行われるとともに、前記水タンクの水位が燃料電池スタックの水位よりも高くなるように設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水循環配管の前記スタック上流側開閉弁よりも上流側位置に、当該水循環配管内にガスを導入するガス導入手段を有す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. 前記ガス導入手段は、前記水循環配管の前記スタック上流側開閉弁よりも上流側位置に接続されたガス導入配管と、当該ガス導入配管に設けられたガス導入切り換え弁を有し、
   前記ガス導入配管の上流端が大気開放され、鉛直方向において、上から、前記ガス導入配管、前記スタック上流側開閉弁よりも上流側の水循環配管、前記水タンクの順に設置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス導入手段は、前記水循環配管の前記スタック上流側開閉弁よりも上流側位置に接続されたガス導入配管と、当該ガス導入配管に設けられたガス導入切り換え弁を有し、
   前記ガス導入配管の上流端は、前記酸化剤ガス供給装置の下流側に備えられた前記酸化剤ガス供給配管に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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