JP2005259458A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】運転停止時に燃料電池内や配管中に残留する水分を確実に除去し、安定した発電性能を得る。
【解決手段】運転停止時に、切換バルブ８の第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とを連通させると共に、切換バルブ１１の第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とを連通させ、切換バルブ８，１１を互いに連通させる。そして、設定時間の間、コンプレッサ７のモータ７ａを通常運転時の回転方向とは逆方向に回転させて吸込ポンプとして作用させることにより、カソード極１ｂ内及びカソード極１ｂ側の閉管路内の圧力が大気圧以下に低下して内部の水分が急激に蒸発し、消音器１２から迅速に排出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池システムに関する。

近年、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池の開発が進められている。この燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うものであり、中でも、特許文献１に開示されているような、イオン交換膜によってアノード極とカソード極とを分離する固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られる。

このような燃料電池では、一般に、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして酸素を用いており、アノード極に、水素ガスを直接、或いはガソリンやメタノール等の原燃料を改質して水素ガスを供給し、カソード極に、酸素ガスとして空気を供給する。空気の供給は、特許文献２や特許文献３に開示されているように、コンプレッサ或いはブロワを用いて圧送するシステムが多い。
特開平１０−２３３２２０号公報 特開平５−２８３０９１号公報 特開２００２−２４６０３６号公報

しかしながら、水素と酸素との電気化学反応による燃料電池では、カソード極側に水が生成され、また、イオン交換膜を用いるものでは、水素イオンを移動させるために水分が必要なことから、ガスを加湿して供給する関係上、主としてカソード極側で水分が過剰となる場合がある。

この燃料電池内の過剰な水分は、運転中、カソード極に空気を圧送するコンプレッサ或いはブロワによって余剰空気と共に排出されるが、完全には排出しきれず、運転停止時に、カソード極内や配管中に残留水分が存在してしまう。この残留水分は、過剰になると、反応触媒を覆って反応を阻害し、発電性能を低下させたり、氷点下で放置すると凍結して起動が困難となる等の問題を生じるばかりでなく、長期間放置した場合、反応触媒の劣化を引き起こすといった問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、運転停止時に燃料電池内や配管中に残留する水分を確実に除去し、安定した発電性能を得る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している。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給すると共にカソード極に酸化剤ガスを供給し、上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとの反応により発電させる燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の発電停止時に、上記カソード極に上記酸化剤ガスを圧送する酸化剤ガス圧送装置の管路を切換えて設定時間だけ運転することにより、上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の圧力を設定圧力以下に低下させ、上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の水分を蒸発させて排出させる水分除去手段を備えたことを特徴とする。

その際、上記燃料電池の発電停止時に、上記酸化剤ガス圧送装置の吸入側の管路に介装した第１のバルブと上記カソード極のガス出口側の管路に介装した第２のバルブとを切換えることにより、上記カソード極のガス出口側を閉塞すると共に上記第１のバルブと上記第２のバルブとを連通させ、上記酸化剤ガス圧送装置を吐出方向が逆方向となるように設定時間だけ運転して上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の圧力を設定圧力以下に低下させることで、水分を蒸発させて除去することができる。

また、上記燃料電池の発電停止時に、上記酸化剤ガス圧送装置の吸入側の管路に介装した第１のバルブと上記カソード極のガス出口側の管路に介装した第２のバルブとを切換えることにより、上記第１のバルブと上記第２のバルブとを互いに連通させると共に、上記酸化剤ガス圧送装置の吐出側と上記カソード極のガス入口側とを接続する管路に介装した第３のバルブを切換えることにより、上記カソード極のガス入口側を閉塞して上記酸化剤ガス圧送装置の吐出側を開放し、上記供給装置を設定時間だけ運転して上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の圧力を設定圧力以下に低下させることで、水分を蒸発させて除去することができる。

本発明の燃料電池システムは、運転停止時に燃料電池内や配管中に残留する水分を確実に除去し、安定した発電性能を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の実施の第１形態に係り、図１は燃料電池システムの通常運転時の状態を示す説明図、図２は燃料電池システムの運転停止直後の状態を示す説明図である。

図１，図２に示す燃料電池システムにおいて、符号１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池スタックである。この燃料電池スタック１は、本形態においては、イオン交換膜によってアノード極１ａとカソード極１ｂとを分離する固体高分子型燃料電池であり、例えば、自動車等に搭載される。

燃料電池スタック１のアノード極１ａ入口側には、燃料供給用配管２を介して燃料タンク３が接続されており、この燃料タンク３からの燃料ガス（水素ガス、或いはガソリンやメタノール等の原燃料を改質した水素ガス）が、アノード極１ａ出口側と燃料供給用配管２とを接続する循環用配管４に介装されたポンプ５によって回収されるオフガス（未反応ガス）と共に、アノード極１ａ内に供給される。尚、ポンプ５は、モータ５ａによって駆動される。

また、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ入口側には、酸化剤ガスとして空気（酸素）を供給するための空気供給用配管６が接続され、この空気供給用配管６に、カソード極に酸化剤ガスを圧送する酸化剤ガス圧送装置として、モータ７ａによって駆動されるコンプレッサ（或いはブロワ）７が介装されている。コンプレッサ７の上流側には、第１のバルブとしての切換バルブ８を介してエアフィルタ９が介装され、このエアフィルタ９によって清浄化された空気がコンプレッサ７によってカソード極１ｂ内に供給される。更に、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ出口側には、電気化学的に余剰となった酸素ガスをカソード極１ｂから排出するための排気用配管１０が接続され、この排気用配管１０に、第２のバルブとしての切換バルブ１１を介して消音器１２が介装されている。

切換バルブ８，１１は、３つのポートの連通状態を切換える３方切換弁であり、互いに配管１３を介して接続されている。すなわち、空気供給用配管６の切換バルブ８は、第１のポートＰ１がエアフィルタ９側に接続され、第２のポートＰ２がコンプレッサ７の吸入口側に接続され、第３のポートＰ３が配管１３の一方の端部に接続されている。また、排気用配管１０の切換バルブ１１は、第１のポートＰ１が燃料電池スタック１のカソード極１ｂ出口側に接続され、第２のポートＰ２が消音器１２に接続され、第３のポートＰ３が配管１３の他方の端部に接続されている。

以上の燃料電池システムは、マイクロコンピュータ等を中心として構成される電子制御装置（ＥＣＵ）２０によって制御される。図１に示すように、通常運転時、ＥＣＵ２０は、切換バルブ８，１１を、第１のポートＰ１と第２のポートＰ２とが連通して第３のポートＰ３が遮断されるバルブ位置に制御し、燃料電池スタック１のカソード極１ｂの入口側管路と出口側管路とを分離する。

そして、ＥＣＵ２０は、燃料電池スタック１の発電電圧をモニタしながら、ポンプ５のモータ５ａ及びコンプレッサ７のモータ７ａを駆動制御し、燃料タンク３から燃料供給用配管２を介してアノード極１ａに燃料ガスを供給すると共に、コンプレッサ７によって空気供給用配管６から空気（酸素ガス）をカソード極１ｂに供給し、燃料電池スタック１の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応による発電を制御する。このとき、カソード極１ｂ内で発生した水分は、余剰空気と共に排気用配管１０から切換バルブ１１を経て消音器１２を通り、外部に排出される。

一方、システムの運転を停止するときには、ＥＣＵ２０は、運転停直後に切換バルブ８，１１によりカソード極１ｂ側の管路を変更してコンプレッサ７を設定時間だけ稼動させ、カソード極１ｂ内で凝縮・滞留する過剰な水分や配管内に残留する水分を除去する水分除去動作を行う。この水分除去動作は、基本的に、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ内及びカソード極１ｂに接続される管路内の圧力を、内部の水分を蒸発させ得る圧力まで低下させる動作である。

具体的には、ＥＣＵ２０は、ポンプ５のモータ５ａ及びコンプレッサ７のモータ７ａを停止させた直後、図２に示すように、切換バルブ８の第２のポートＰ１と第３のポートＰ３とを連通させると共に、切換バルブ１１の第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とを連通させ、切換バルブ８，１１を互いに連通させる。その結果、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ側の管路が、カソード極１ｂ出口側の排気用配管１０の末端が切換バルブ１１で閉塞され、カソード極１ｂ入口側の空気供給用配管６がコンプレッサ７から切換バルブ８を経て切換バルブ１１に連通され、更に切換バルブ１１から消音器１２に至る管路に変更される。

また、この切換バルブ８，１１の切換えによる管路変更と共に、ＥＣＵ２０は、設定時間の間、コンプレッサ７のモータ７ａを、通常運転時の回転方向とは逆方向に回転させる。これにより、コンプレッサ７が逆回転し、コンプレッサ７からカソード極１ｂ入口側までの空気供給用配管６と、カソード極１ｂ内のガス通路と、カソード極１ｂ出口側から切換バルブ１１までの排気用配管１０とからなる閉管路に対して吸込ポンプとして作用し、管路内の圧力が低下する。

コンプレッサ７を逆回転させて吸込みポンプとして作用させる設定時間は、管路内の圧力を、水分を蒸発させ得る圧力まで低下させる時間であり、燃料電池の耐圧や容量、燃料ガスや酸化剤ガスの種類及び供給圧力、配管系の容量等を考慮して予めシミュレーション或いは実験等により決定され、ＥＣＵ２０内に固定データとして記憶されている。

このコンプレッサ７の逆回転により、カソード極１ｂ内及びカソード極１ｂ側の閉管路内の圧力が大気圧以下に低下して内部の水分が急激に蒸発する。蒸発した水分は、水蒸気としてコンプレッサ７から吐出され、切換バルブ８，１１を通って消音器１２から迅速に排出される。

以上のように、本実施の形態においては、燃料電池スタック１内で発生する水分や管路内に残留する水分を確実に除去することができ、低温下での運転停止による水分の凍結を防止し、また、長期運転停止時の反応触媒の劣化を防止する等して不具合発生を未然に回避することができる。特に、自動車に搭載される場合には、氷点以下の環境での長時間停車時に水分の凍結を防止し、再起動の際のトラブルを未然に回避して安定した発電性能を得ることができる。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。図３及び図４は本発明の実施の第２形態に係り、図３は燃料電池システムの通常運転時の状態を示す説明図、図４は燃料電池システムの運転停止直後の状態を示す説明図である。

第２形態は、前述の第１形態に対し、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ側の管路構成を若干変更するものである。

すなわち、第２形態においては、第１形態の燃料電池システムに対し、図３，図４に示すように、空気供給用配管６のコンプレッサ７下流側（吐出側）と燃料電池スタック１のカソード極１ｂのガス入口側との間に、第３のバルブとしての切換バルブ１４を追加する。この切換バルブ１４は、切換バルブ８，１１と同様の３方切換弁であり、第１のポートＰ１がコンプレッサ７の吐出口側に接続されると共に、第２のポートＰ２が空気供給用配管６を介して燃料電池スタック１のカソード極１ｂ入口側に接続されている。切換バルブ１４の第３のポートＰ３には、新たな配管１５の一端が接続され、この配管１５の他端が切換バルブ１１の第２のポートＰ２と消音器１２との間の管路に合流されている。

通常運転時、図３に示すように、切換バルブ８，１１は、第１形態と同様のバルブ位置に制御され、切換バルブ１４は、第１のポートＰ１と第２のポートＰ２が連通されるバルブ位置に制御されることにより、第１形態と同様、カソード極１ｂの入口側と出口側とで分離・独立した管路が形成される。そして、ＥＣＵ２０により、ポンプ５及びコンプレッサ７を介して燃料電池スタック１への燃料ガス及び空気（酸素ガス）の供給が制御され、カソード極１ｂからの水分及び余剰空気が排気用配管１０から切換バルブ１１及び消音器１２を介して排出される。

一方、運転停止時には、図４に示すように、ＥＣＵ２０は、切換バルブ８の第２のポートＰ２と第３のポートＰ３とを連通させると共に、切換バルブ１１の第１のポートＰ１と第３のポートＰ３とを連通させ、また、切換バルブ１４の第１のポートＰ１と第３のポートＰ３とを連通させる。これにより、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ入口側が切換バルブ１４で閉塞されると共に、カソード極１ｂ出口側の排気用配管１０が切換バルブ１１から切換バルブ８を経てコンプレッサ７の吸入口に連通され、更にコンプレッサ７の吐出口が切換バルブ１４から配管１５を経て消音器１２に連通される。

同時に、ＥＣＵ２０は、コンプレッサ７のモータ７ａを、通常運転時と同じ回転方向（正回転）で設定時間だけ稼動させる。この設定時間は、第１形態と同様、コンプレッサ７によって管路内の圧力を水分を蒸発させ得る圧力まで低下させる時間であり、第１形態と同じ時間としても良いが、管路系の相違を考慮し、第１形態とは若干異なる値とすることが望ましい。

これにより、切換バルブ１４からカソード極１ｂ入口側までの空気供給用配管６と、カソード極１ｂ内のガス通路と、カソード極１ｂ出口側から切換バルブ１１までの排気用配管１０と、切換バルブ１１から切換バルブ８を経てコンプレッサ７吸入口までの管路とからなる閉管路に対し、コンプレッサ７が吸込みポンプとして作用し、第１形態と同様、カソード極１ｂ内及びカソード極１ｂ側の管路内の圧力が大気圧以下に低下し、内部の水分が急激に蒸発する。そして、蒸発した水分が水蒸気としてコンプレッサ７から吐出され、切換バルブ１４を通って消音器１２から迅速に排出される。

第２形態においては、システムの運転停止時に、コンプレッサ７を逆回転させることなく、コンプレッサ７の作動時間を延長するのみで、第１形態と同様、燃料電池スタック１内で発生する水分や管路内に残留する水分を確実に除去することができる。従って、通常運転から運転停止時の水分除去動作に円滑に移行することができるという利点がある。

本発明の実施の第１形態に係り、燃料電池システムの通常運転時の状態を示す説明図 同上、燃料電池システムの運転停止直後の状態を示す説明図 本発明の実施の第２形態に係り、燃料電池システムの通常運転時の状態を示す説明図 同上、燃料電池システムの運転停止直後の状態を示す説明図

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１ａ アノード極
１ｂ カソード極
７ コンプレッサ（酸化剤ガス圧送装置）
８ 切換バルブ（第１のバルブ）
１１ 切換バルブ（第２のバルブ）
１４ 切換バルブ（第３のバルブ）
２０ 電子制御装置
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (3)

1. 燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給すると共にカソード極に酸化剤ガスを供給し、上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとの反応により発電させる燃料電池システムにおいて、
   上記燃料電池の発電停止時に、上記カソード極に上記酸化剤ガスを圧送する酸化剤ガス圧送装置の管路を切換えて設定時間だけ運転することにより、上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の圧力を設定圧力以下に低下させ、上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の水分を蒸発させて排出させる水分除去手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 上記水分除去手段は、
   上記燃料電池の発電停止時に、
   上記酸化剤ガス圧送装置の吸入側の管路に介装した第１のバルブと上記カソード極のガス出口側の管路に介装した第２のバルブとを切換えることにより、上記カソード極のガス出口側を閉塞すると共に上記第１のバルブと上記第２のバルブとを連通させ、
   上記酸化剤ガス圧送装置を吐出方向が逆方向となるように設定時間だけ運転して上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の圧力を設定圧力以下に低下させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 上記水分除去手段は、
   上記燃料電池の発電停止時に、
   上記酸化剤ガス圧送装置の吸入側の管路に介装した第１のバルブと上記カソード極のガス出口側の管路に介装した第２のバルブとを切換えることにより、上記第１のバルブと上記第２のバルブとを互いに連通させると共に、上記酸化剤ガス圧送装置の吐出側と上記カソード極のガス入口側とを接続する管路に介装した第３のバルブを切換えることにより、上記カソード極のガス入口側を閉塞して上記酸化剤ガス圧送装置の吐出側を開放し、
   上記供給装置を設定時間だけ運転して上記カソード極内及び上記カソード極に接続される配管内の圧力を設定圧力以下に低下させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

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