JP2005203150A - 燃料電池システム及び該システムを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池の出力が変化しても外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、燃料電池と、該燃料電池の出口から少なくとも気体を排出するための気体排出通路と、該燃料電池から生成水を排出するための、前記気体排出通路に接続された生成水排出通路と、を備え、生成水をシステム外部へ排出可能にした燃料電池システムにおいて、前記生成水排出通路に、生成水の排出量を大きくする排出手段を設けたことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池（ＦＣ）の出力が変化しても外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる燃料電池システム及び該システムを備えた車両に関する。

近年、燃料電池で生成される生成水を燃料電池システムの外部へ排出する技術が種々開発されている。

例えば、特開２００２−３７３７００号公報では、燃料電池用気液分離器に関し、貯水タンク部内の圧力を低下させ、排気から分離された水分が、気体出口管から流出するのを防止することを目的として、上下を密閉した円筒状の本体部の内外部に突出するように設けられた出口管と、本体部の中間部に設けられた漏斗状の落し板の下方に設けられた貯水タンク部を具備し、前記貯水タンク部の上部から出口管に通ずるパイプを設けた燃料電池用気液分離器が開示されている（特許文献１）。該公報は、エア排出通路である出口管を設けた気液分離器の下部に貯水タンク部を備え、生成水を自然落下にて外部に導くことを開示するものである。

しかし、かかる従来の技術では、生成水は導電性を有するため、その排水状態によっては燃料電池と、その外部との間の電気絶縁性が低下する場合があるといった問題がある。特に、燃料電池システムを備えた燃料電池自動車等の車両では、発電時に燃料電池で生成する生成水量は出力（負荷）に応じて幅広く変化し、高出力時（高負荷時）になるほど多い。高出力時にはエアを排出するためのエア排出通路や生成水を排出するための生成水排出通路内の生成水量が増加し、その排出通路の断面積のうち生成水が占める割合が増加するため、燃料電池スタックから生成水を通じた外部（ボデー等）への電気的な抵抗値は高出力時ほど低くなってしまう。

また、燃料電池から生成される生成水を燃料電池システムの外部へ排出する従来の燃料電池システムの一例を図２に示す。図２に示すように、従来の燃料電池システム６０は、燃料電池スタック１からエアを排出するためのエア排出通路２を備え、該エア排出通路２からオフエアとともにガス排出圧や自然落下等で流される生成水も併せて排出する構成を有している。このような燃料電池システム６０では、燃料電池スタック１から排出される生成水が該エア排出通路２内において流量に応じた断面積で燃料電池の電位が外部へ接続されることになるため、抵抗値が小さくなる。
特開２００２−３７３７００号公報

従って、本発明の目的は、燃料電池の出力が変化しても外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる燃料電池システムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、燃料電池の出力が変化しても取付け部材等の外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる車両を提供することにある。

本発明は、（１）燃料電池と、該燃料電池の出口から少なくとも気体を排出するための気体排出通路と、該燃料電池から生成水を排出するための、前記気体排出通路に接続された生成水排出通路と、を備え、生成水をシステム外部へ排出可能にした燃料電池システムにおいて、
前記生成水排出通路に、生成水の排出量を大きくする排出手段を設けたことを特徴とする燃料電池システムを提供することにより、前記目的を達成したものである。

かかる構成からなる本発明によれば、排出手段によって生成水の排出速度を大きくできるため、生成水排出における高抵抗を保つことができる。これにより、燃料電池の出力が変化しても外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる燃料電池システムを提供することができる。

本発明はまた、（２）前記排出手段が、ポンプである、１記載の燃料電池システム、（３）前記生成水排出通路の断面積が、前記気体排出通路の断面積より小さい、１又は２記載の燃料電池システム、をそれぞれ提供する。このような構成からなる発明によれば、生成水の排出速度を向上できるため、生成水排出における一層の高抵抗を保つことができる。

また、本発明は、（４）前記排出手段が、前記気体排出通路の圧力を変更する圧力調整手段を備える、１〜３の何れかに記載の燃料電池システムを提供する。かかる構成からなる発明によれば、気体排出通路の圧力を変更することで、接続する生成水排出通路の排出量を大きくでき、ポンプを用いなくとも本発明の効果を達成できる。

本発明はまた、（５）前記圧力調整手段が、前記気体排出通路上に位置する電磁式及び／又は機械式等の絞り弁である、４記載の燃料電池システム、（７）前記圧力調整手段が、前記燃料電池の上流に位置するポンプ等の圧力上昇手段である、４記載の燃料電池システム、をそれぞれ提供する。このような構成からなる発明によれば、気体排出通路の圧力を容易に変更することができ、接続する生成水排出通路の排出量を一層大きくできる。

本発明はまた、（６）前記排出手段が前記生成水排出通路の下流を前記気体排出通路の下流に接続する構成である、１〜３の何れかに記載の燃料電池システムを提供する。この構成からなる発明によれば、生成水排出通路の下流が気体排出通路の下流に接続することで、接続点における気体の流れによって生じる圧力差（負圧）を利用して生成水の排出量（排出速度）を大きくすることができる。

本発明はまた、（８）前記燃料電池の運転状態に応じて、前記生成水排出通路における生成水の排出量を大きくする、１〜７の何れかに記載の燃料電池システム、（９）前記燃料電池の運転状態に応じて、前記生成水排出通路の断面積を変更する、８記載の燃料電池システム、をそれぞれ提供する。このような構成からなる発明によれば、燃料電池の運転状態に対応させて生成水排出における高抵抗を保つことができる。

本発明は、更に、（１０）１〜９の何れかに記載の燃料電池システムを少なくとも備えることを特徴とする車両を提供する。

この発明によれば、燃料電池の出力が変化しても取付け部材等の外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる車両を提供することができる。

本発明によれば、燃料電池の出力（生成水量）が変化しても、燃料電池外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる燃料電池システム、並びに燃料電池の出力（生成水量）が変化しても、取付け部材等の燃料電池外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる車両を提供することができる。

本発明に係る燃料電池システムの一例の全体構成図を図１に示す。図１に示すように、本燃料電池システム５０は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素タンク１１と、燃料電池スタック１にエアフィルタ１２を介してエアを供給するためのモータ１３を備えたコンプレッサ１４と、エア、水素を流通させるための供給通路１５ａ，１５ｂ及び排出通路１６ａ，１６ｂとをそれぞれ備えている。そして、燃料電池スタック１におけるエアの出口（排気口）１７には、エア排出通路１６ａ（後述する実施例におけるエア排出通路２に相当する）及び図示しない生成水排出通路（後述する実施例における生成水排出通路３に相当する）が接続されている。

また、燃料電池スタック１に水素を供給、流通させるための水素供給通路１５ｂには、シャットバルブ１８及びレギュレータ１９が備えられ、水素の供給流量が調整できるように構成されている。さらに、燃料電池スタック１から水素を排出するための水素排出通路１６ａは、水素排出バルブ１９が設けられた水素排出通路１６ｃと循環ポンプ２１が設けられた水素循環通路２２とに分岐される。水素排出通路１６ｃはエア排出通路１６ａに合流し、水素循環通路２２は水素供給通路１５ｂに合流する。このようにして、燃料電池システム５０は、その全体においてエア、水素の流通量を調整可能に構成されている。

以下に、本発明の最良の実施形態としての実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、斯かる実施例により何等制限されるものではない。

実施例１の燃料電池システムの概略構成を図３に示す。

図３に示すように、本実施例１の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１と、該燃料電池スタック１からエアを排出するためのエア排出通路２と、該燃料電池スタック１から生成水を排出するための生成水排出通路３とを備えている。また、生成水排出通路３は、その上流部が、燃料電池スタック１の排気口５において、気液分離器６を介してエア排出通路２に接続されている。本実施例１の燃料電池システム１０は、このようにして生成水を生成水排出通路３の下流からシステム１０の外部へ排出可能にしたものである。

そして、生成水排出通路３の上流部には、生成水の排出量を大きくする排出手段としてのポンプ４が設けられている。ここで、排出手段は、生成水の排出量（排出速度）を燃料電池の出口の排出量（排出速度）より大きくする構成であればよい。この場合、燃料電池の出口とは、燃料電池スタックと接続する気体排出通路の接続位置と解釈したり、接続位置より上流のスタック内部と解釈することができる。このように、燃料電池スタック１からの排気通路で排気を気液分離し、気体（エア）と生成水に分離し、生成水側の通路にポンプ４を設けて排水の流速を早くすることにより、燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。即ち、ポンプ４にて、生成水を流速を上げて排水することにより、生成水断面積を減らし、外部への絶縁抵抗を向上させることができる。

また、生成水排出通路３の断面積は、エア排出通路２の断面積より小さく（好ましくは排水可能な最小の通路径に）設定されている。即ち、生成水排出通路３は、エア排出通路２のバイパス通路となっている。ここで、抵抗値Ｒは、下記に示す式で表され、通路の断面積が少ないほど大きくなる。

抵抗値Ｒ＝（１／ρ）＊（長さ／断面積）
ρ：導電率μＳ／ｃｍ
これを利用した本実施形態１の構成によって、さらに燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

従って、実施例１の燃料電池システム１０においては、生成水排出通路３に設けられたポンプ４を利用した高負荷重によって生成水の通過流速を上げ、生成水の多くを断面積の小さいバイパス通路としての生成水排出通路３によって短時間で排出することができる。

（燃料電池の負荷変化に対応したポンプ作動）
燃料電池から排出される生成水の量は、燃料電池の発電量（燃料電池出力の電流値）に対して１次の関係にあり一義的に決定する。この関係を数式で表すと、次のようになる。

Ｌ（生成水量）＝Ｃ＊Ｉ（電流値） （Ｃ：燃料電池スタックによる固有定数）
そのため、燃料電池の出力が決まれば、生成水の量は決定されるのでその排水に必要となるポンプの回転数が決定する。これらの関係は、図７に示すグラフの通りである。図７は、燃料電池（ＦＣ）出力（電流値）と生成水量とポンプ回転数との関係を示すグラフである。

実施例１のように、排出手段としてのポンプ４を使用する場合には、上記の関係から、燃料電池出力に応じたポンプ回転数を選定することが望ましい。

実施例２の燃料電池システムの概略構成を図４に示す。

図４に示すように、本実施例２の燃料電池システム２０は、燃料電池スタック１と、該燃料電池スタック１からエアを排出するためのエア排出通路２と、該燃料電池スタック１から生成水を排出するための生成水排出通路３とを備えている。また、生成水排出通路３は、その上流部が、燃料電池スタック１の排気口５において、気液分離器６を介してエア排出通路２に接続されている。本実施例２の燃料電池システム１０は、このようにして生成水を生成水排出通路３の下流からシステム２０の外部へ排出可能にしたものである。

そして、エア排出通路２には、生成水の排出量を大きくする排出手段として、該エア排出通路２の圧力を変更する圧力調整手段としての電磁式及び／又は機械式等の絞り弁７を備えている。このように、燃料電池スタック１からの排気通路で気液分離し、エアと生成水に分け、生成水側にポンプ（実施例１参照）を設けずに、エア側の通路に絞り弁を設けてその操作（絞る）によって気液分離器６のエア圧力を上昇させることにより、生成水の排水性を上げ、その排出量を増加させることができる。これにより、燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

また、生成水排出通路３の断面積は、実施例１と同様に、エア排出通路２の断面積より小さく設定されている。これによって、さらに燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

従って、実施例２の燃料電池システム２０においては、エア排出通路２に設けられた絞り弁７を利用した高荷重（エア圧力）によって生成水の通過流速を上げ、生成水の多くを断面積の小さいバイパス通路としての生成水排出通路３によって短時間で排出することができる。

実施例３の燃料電池システムの概略構成を図５に示す。

図５に示すように、本実施例３の燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１と、該燃料電池スタック１からエアを排出するためのエア排出通路２と、該燃料電池スタック１から生成水を排出するための生成水排出通路３とを備えている。また、生成水排出通路３は、その上流部が、燃料電池スタック１の排気口５において、気液分離器６を介してエア排出通路２に接続されている。本実施例３の燃料電池システム３０は、このようにして生成水を生成水排出通路３の下流からシステム３０の外部へ排出可能にしたものである。

そして、燃料電池スタック１の上流（エアを燃料電池スタック１に導入する通路上）には、生成水の排出量を大きくする排出手段として、該エア排出通路２の圧力を上昇させる圧力上昇手段としてのエアポンプ８を備えている。このように、燃料電池スタック１からの排気通路で気液分離し、エアと生成水に分け、エアポンプ８の回転数を上げることにより、燃料電池スタック１へ導入するエアの圧力を上げ、気液分離器６のエア圧力を上昇させて生成水の排水性を上げ、その排出量を増加させることができる。これにより、燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

また、生成水排出通路３の断面積は、実施例１と同様に、エア排出通路２の断面積より小さく設定されている。これによって、さらに燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

従って、実施例３の燃料電池システム３０においては、燃料電池スタック１のエア導入通路に設けられたエアポンプ８を利用した高荷重（エア圧力）によって生成水の通過流速を上げ、生成水の多くを断面積の小さいバイパス通路としての生成水排出通路３によって短時間で排出することができる。

実施例４の燃料電池システムの概略構成を図６に示す。

図６に示すように、本実施例４の燃料電池システム４０は、燃料電池スタック１と、該燃料電池スタック１からエアを排出するためのエア排出通路２と、該燃料電池スタック１から生成水を排出するための生成水排出通路３とを備えている。また、生成水排出通路３は、その上流部が、燃料電池スタック１の排気口５において、気液分離器６を介してエア排出通路２に接続されている。

そして、生成水の排出量を大きくする排出手段として、生成水排出通路３の下流をエア排出通路２の下流に接続する構成を備えている。即ち、生成水排出通路３には、エア排出通路２内に生成水を導入させることのできる生成水出口９が設けられ、該生成水出口９が該エア排出通路２に接続された構成とされている。本実施例４の燃料電池システム４０は、このようにして生成水をシステム４０の外部へ排出可能にしたものである。

生成水排出通路３の下流がエア排出通路２の下流に接続することで、接続点におけるエアの流れによって生じる圧力差（負圧）を利用して生成水の排出量（排出速度）を大きくすることができる。このように、燃料電池スタック１からの排気通路で気液分離し、エアと生成水に分け、エア排出通路２内で吸出し効果を利用することにより、生成水の排水性を上げ、その排出量を増加させることができる。これにより、燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

また、生成水排出通路３の断面積は、実施例１と同様に、エア排出通路２の断面積より小さく設定されている。これによって、さらに燃料電池の電気的な抵抗値を高く維持することができる。

従って、実施例４の燃料電池システム４０においては、燃料電池スタック１のエア排出通路２における負圧を利用することによって吸出し効果により生成水の通過流速を上げ、生成水の多くを断面積の小さいバイパス通路としての生成水排出通路３によって短時間で排出することができる。

以上、本発明の好ましい実施例に基づいて本発明を詳述したが、本発明はかかる実施例に限られず、その他の実施例に適宜変更できることは言うまでもない。

他の実施例としては、例えば、前述した各実施例の燃料電池システムにつき、燃料電池スタック１の運転状態（出力、燃料電池内圧力、燃料電池温度等）に応じて、生成水排出通路３における生成水の排出量を大きくするようにしたものや、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、生成水排出通路３の断面積を変更するようにしたもの等が挙げられる。

また、燃料電池における水素系排出通路でも、オフ水素ガス中に混入する生成水を排出するために、本発明に係る排出手段を同様に適用することも可能である。即ち、本発明においては、燃料電池と、該燃料電池から水素を排出するための水素排出通路と、該燃料電池から生成水を排出するための水素排出通路に接続された生成水排出通路と、を備え、前記生成水排出通路に、生成水の排出量を大きくする排出手段を設けた燃料電池システム等を提供することもできる。

本発明は、燃料電池の出力が変化しても外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる燃料電池システム、及び燃料電池の出力が変化しても取付け部材等の外部への電気的な抵抗を高く保つことのできる車両として、産業上利用することが可能である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。 図２は、従来の燃料電池システムを示す概略構成図である。 図３は、実施例１の燃料電池システムを示す概略構成図である。 図４は、実施例２の燃料電池システムを示す概略構成図である。 図５は、実施例３の燃料電池システムを示す概略構成図である。 図６は、実施例４の燃料電池システムを示す概略構成図である。 図７は、燃料電池（ＦＣ）出力（電流値）と生成水量とポンプ回転数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０，６０…燃料電池システム、１…燃料電池スタック、２…気体排出通路（エア排出通路）、３…生成水排出通路、４…排出手段（ポンプ）、５…排気口、６…気液分離器、７…圧力調整手段（絞り弁）、８…圧力調整手段（エアポンプ）、９…生成水出口、１１…水素タンク、１２…エアフィルタ、１３…モータ、１４…コンプレッサ、１５ａ，１５ｂ…供給通路、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…排出通路、１７…エアの出口、１８…シャットバルブ、１９…水素排出バルブ、２１…循環ポンプ、２２水素循環通路

Claims (10)

1. 燃料電池と、該燃料電池の出口から少なくとも気体を排出するための気体排出通路と、該燃料電池から生成水を排出するための、前記気体排出通路に接続された生成水排出通路と、を備え、生成水をシステム外部へ排出可能にした燃料電池システムにおいて、
   前記生成水排出通路に、生成水の排出量を大きくする排出手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排出手段が、ポンプである、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記生成水排出通路の断面積が、前記気体排出通路の断面積より小さい、請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記排出手段が、前記気体排出通路の圧力を変更する圧力調整手段を備える、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記圧力調整手段が、前記気体排出通路上に位置する絞り弁である、請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記排出手段が前記生成水排出通路の下流を前記気体排出通路の下流に接続する構成である、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池システム。
7. 前記圧力調整手段が、前記燃料電池の入口に接続する気体供給通路に設けられた圧力上昇手段である、請求項４記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の運転状態に応じて、前記生成水排出通路における生成水の排出量を大きくする、請求項１〜７の何れかに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の運転状態に応じて、前記生成水排出通路の断面積を変更する、請求項８記載の燃料電池システム。
10. 請求項１〜９の何れかに記載の燃料電池システムを少なくとも備えることを特徴とする車両。
    
    

Images