JP2005267937A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 主に、燃料電池の停止時に生じる極間差圧を確実に解消し、さらに、簡易な構成を実現する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 アノード21とカソード22の間に電解質膜23が配設され、アノードガス流路3内に供給される燃料ガスとカソードガス流路5内に供給される酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池2を備える燃料電池システム1であって、燃料電池2の停止時に、アノードガス流路3内のガス圧を検出する圧力センサ4と、カソードガス流路5内のガス圧を検出する圧力センサ6と、圧力センサ4,6の検出値に基づき、極間差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段による検出値が、所定値以下であるか否かを判定する差圧判定手段と、前記差圧判定手段による判定結果が所定値を超える場合に前記差圧を所定値以下にする差圧解消手段とを備えた。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、電解質膜の耐久性を向上させる燃料電池システムに関する。
近年、電気自動車の動力源等として固体高分子型の燃料電池が注目されている。固体高分子型の燃料電池(PEFC)は、常温でも発電することが可能であり、自動車以外にも様々な用途に実用化されつつある。
一般に燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで一面側にカソードを配置し、他面側にアノードを配置した燃料電池において、カソードガス流路内に供給される空気中の酸素(酸化剤ガス)と、アノードガス流路内に供給される水素(燃料ガス)とによって水を生成する電気化学反応で電力を発生させる仕組みになっている。
そして、燃料電池の運転においては、外気温などの環境温度等により、発電時と発電停止時とで、燃料電池内の環境が大きく変化(氷点下〜80度付近)する。
ところで、通常、燃料電池システムでは、燃料電池の停止時、カソードガス流路は大気開放し、アノードガス流路は閉鎖系とすることで、燃料ガスの流出、または、酸化剤ガスとの混合を防止している。しかし、アノードガス流路を閉鎖系とすると、ガス中に含まれている水蒸気の温度低下に伴う凝縮によって、アノードガス流路内のガス圧がカソードガス流路内のガス圧より小さくなり、アノードガス流路内のガス圧とカソードガス流路内のガス圧に差圧(以下、「極間差圧」という。)が生じる。
また、燃料電池の停止時、カソードガス流路およびアノードガス流路をともに閉鎖系とした場合(双方水蒸気を同じ量含むものとする。)も、前記極間差圧が生じることがある。つまり、水素の体積収縮率よりも空気の体積収縮率の方が大きいため、アラスカ等の極寒地では、カソードガス流路内のガス圧がアノードガス流路内のガス圧より小さくなり、極間差圧が生じる。
このような極間差圧の発生は、前記した固体高分子電解質膜に負荷をかけて、固体高分子電解質膜を劣化させるため望ましいものではない。
従来、燃料電池の極間差圧を防止するための差圧防止装置がある(例えば、特許文献1参照)。図5は、従来の極間差圧防止装置の全体構成図である。
図5に示すように、従来の極間差圧防止装置100は、燃料電池101の燃料ガス供給通路102と連通するアノード水封器103と、燃料電池101の酸化剤ガス供給通路104と連通するカソード水封器105とを備え、アノード水封器103とカソード水封器105の下端部は連通路106で連通するように構成されている。そして、アノード水封器103とカソード水封器105の内部には水、水銀等の液体が充填されている。
この極間差圧防止装置100の構成によれば、極間差圧が発生すると、燃料ガスの圧力がアノード水封器103内に伝えられるとともに、酸化剤ガスの圧力がカソード水封器105内に伝えられる。例えば、アノードガス流路101a内のガス圧がカソードガス流路101b内のガス圧より小さくなり、極間差圧が生じている場合、カソード水封器105内の液面が下がると同時に、アノード水封器103内の液面が上がり、それぞれの液面の位置に差が生じる。そして、液面の位置は、その差に相当する圧力が前記極間差圧に一致すると、バランスがとれて安定する。かかる液面の変化により、酸化剤ガスの一部がカソード水封器105内に抜かれ、燃料ガスの一部がアノード水封器103から戻される。これにより、差圧が減少して極間差圧を解消・低減できるようになっている。
特開平6−36785号公報(請求項1、段落0011,0017,0018、図1)
しかしながら、アノード水封器103およびカソード水封器105内の液体として水を用いた場合、燃料電池101の停止時に燃料電池101内が氷点下になると、アノード水封器103およびカソード水封器105内が凍結してしまい、機能しなくなるといった問題があった。
また、前記した極間差圧防止装置100では、アノード水封器103およびカソード水封器105といった新たな種々のデバイスを設けるため、燃料電池システムが全体として大型化してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、主に、燃料電池の停止時に生じる極間差圧を確実に解消・低減し、さらに、簡易な構成を実現する燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、アノードとカソードの間に電解質膜が配設され、アノードガス流路内に供給される燃料ガスとカソードガス流路内に供給される酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の停止時に、前記アノードガス流路内のガス圧を検出する第1の圧力検出手段と、前記カソードガス流路内のガス圧を検出する第2の圧力検出手段と、前記圧力検出手段の検出値に基づき、前記アノードガス流路内のガス圧と前記カソードガス流路内のガス圧の差圧を検出する差圧検出手段と、前記差圧検出手段による検出値が、所定値以下であるか否かを判定する差圧判定手段と、前記差圧判定手段による判定結果が所定値を超える場合に前記差圧を所定値以下にする差圧解消手段とを備えたことを特徴とする。
請求項1に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の停止時に、差圧検出手段が、アノードガス流路内のガス圧(燃料ガス圧)とカソードガス流路内のガス圧(酸化剤ガス圧)の差圧を検出し、差圧判定手段が、その検出値が所定値以下であるか否かを判定する。そして、差圧解消手段が、その判定結果(所定値を超えるとの判定結果)に応じて差圧を所定値以下にする。このように、アノードガス流路内のガス圧とカソードガス流路内のガス圧の差圧(極間差圧)を解消・低減することで、電解質膜への負荷を低減することができる。そのため、電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上させることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記差圧解消手段は、前記アノードガス流路内のガス圧と前記カソードガス流路内のガス圧のうち、ガス圧が低い方のガス流路内に、ガスを供給するガス供給手段であることを特徴とする。
請求項2に記載の燃料電池システムによれば、ガス供給手段が、アノードガス流路内のガス圧とカソードガス流路内のガス圧のうち、ガス圧が低い方のガス流路内に、ガスを供給する。ガス圧が低い方のガス流路内にガスを供給することで、そのガス流路内のガス圧を高くすることができ、極間差圧を解消・低減することができる。また、ガス供給手段を設けるだけという簡易な構成を達成することができる。
なお、供給用の専用ガスとしては、窒素ガス、圧縮空気、ヘリウムガス、アルゴンガス等のドライガスが挙げられる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードガス流路内に供給されるガスは燃料ガスであり、前記カソードガス流路内に供給されるガスは酸化剤ガスであ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によれば、例えば、アノードガス流路内のガス圧が低いときに、燃料ガスをアノードガス流路内に供給する。こうすることで、アノードガス流路内に供給される燃料ガスの圧力を高くして、極間差圧を解消・低減することができる。また、酸化剤ガスの圧力が低いときは、酸化剤ガスをカソードガス流路内に供給する。こうすることで、カソードガス流路内に供給される酸化剤ガスの圧力を高くして、極間差圧を解消・低減することができる。
そして、このような燃料電池システムでは、特別な部品を増設することなく、既存のデバイスのみで、極間差圧を解消・低減することができる。
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記差圧解消手段は、前記アノードガス流路内のガス圧と前記カソードガス流路内のガス圧のうち、ガス圧が低い方のガス流路から排出されるオフガスの流路を大気開放する開放手段であ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によれば、前記開放手段が、アノードガス流路内のガス圧とカソードガス流路内のガス圧のうち、ガス圧が低い方のガス流路から排出されるオフガスの流路を大気開放する。こうすることで、極間差圧を解消・低減することができる。
そして、このような燃料電池システムでは、特別な部品を増設することなく、既存のデバイスのみで極間差圧を解消・低減することができる。また、請求項2または請求項3に記載の燃料電池システムのように、ガスを供給することもないので、燃費を向上させることができる。
請求項1に記載の燃料電池システムによれば、極間差圧を解消・低減することができる。そして、極間差圧を解消・低減することで、電解質膜への負荷を低減することができる。そのため、電解質膜の劣化を抑制して、耐久性を向上させることができる。
請求項2および請求項3に記載の燃料電池システムによれば、簡易な構成で極間差圧を解消・低減することができる。特に、請求項3に記載の燃料電池システムでは、既存のデバイスだけで極間差圧を解消・低減することができる。
請求項4に記載の燃料電池システムによれば、既存のデバイスだけで極間差圧を解消・低減することができる。特に、請求項2および請求項3に記載の燃料電池システムに比較して、燃費を向上させることができる。
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池システム1は、燃料電池2のアノード21に接続されるアノードガス流路3内に供給される燃料ガスとしての水素ガスと、カソード22に接続されるカソードガス流路5内に供給される酸化剤ガスとしての空気とによって水を生成する電気化学反応で電力を発生させる仕組みになっている。本発明では、特に、燃料電池2の停止後、アノードガス流路3内の燃料ガスの圧力とカソードガス流路5内の酸化剤ガスの圧力の差圧(極間差圧)を解消・低減することを目的とする。
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2と、この燃料電池2のアノード21に接続されるアノードガス流路3に設けられる圧力センサ4(第1の圧力検出手段)と、燃料電池2のカソード22に接続されるカソードガス流路5に設けられる圧力センサ6(第2の圧力センサ)と、アノードガス流路3内を通流する燃料ガスの圧力(以下、「燃料ガス圧」という。)を調整するバルブV1,V2と、カソードガス流路5内を通流する酸化剤ガスの圧力(以下、「酸化剤ガス圧」という。)を調整するバルブV3,V4と、このバルブV1〜V4の開閉等を制御するECU7を備えている。
燃料電池2は、固体高分子電解質膜23の一面側にアノード21、他面側にカソード22を配置して構成される膜電極接合体を、セパレータを介して積層させてなるものであるが、図1では簡略化して示している。
燃料電池2のアノード21には、燃料ガスが通流するアノードガス流路3が接続されている。アノード21より上流側に位置するアノードガス流路3の端部には、高圧水素のタンク31が配設され、このタンク31からアノードガス流路3内に燃料ガスが供給される。
また、アノード21より上流側に位置するアノードガス流路3には、前記したバルブV1、圧力センサ4、および燃料電池2から排出されたオフガスを吸引するエゼクタ32が設けられている。圧力センサ4は、アノードガス流路3内を通流する燃料ガスの圧力を検出し、その検出値をECU7に送信する。また、バルブV1は、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。
アノード21より下流側に位置するアノードガス流路3(オフガス流路)には、前記したバルブV2が設けられている。このバルブV2は、燃料電池2のアノード21側から排出された燃料ガスを外部に排出するためのパージ弁であり、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。なお、タンク31、バルブV1、エゼクタ32等が、特許請求の範囲の「ガス供給手段」に、また、バルブV2が、特許請求の範囲の「開放手段」に相当する。
燃料電池2のカソード22には、酸化剤ガスが通流するカソードガス流路5が接続されている。カソード22より上流側に位置するカソードガス流路5の端部には、コンプレッサ51が配設されている。このコンプレッサ51は、大気を圧縮して、その大気を酸化剤ガスとしてカソードガス流路5内に供給するものであり、その駆動をECU7によって制御されている。
また、カソード22より上流側に位置するカソードガス流路5には、前記したバルブV3、圧力センサ6が設けられている。圧力センサ6は、カソードガス流路5内を通流する燃料ガスの圧力を検出し、その検出値をECU7に送信する。また、バルブV3は、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。
カソード22より下流側に位置するカソードガス流路5(オフガス流路)には、前記したバルブV4が設けられている。このバルブV4は、燃料電池2のカソード22側から排出された酸化剤ガスを外部に排出するためのパージ弁であり、ECU7から送信される信号に基づき、その開閉を制御されている。なお、コンプレッサ51、バルブV3等が、特許請求の範囲の「ガス供給手段」に、また、バルブV4が、特許請求の範囲の「開放手段」に相当する。
次に、ECU7の内部構成について説明する。図2は、ECUの概略構成図である。
図2に示すように、ECU7は、圧力センサ4,6から送信された各検出値に基づいて極間差圧を検出する差圧検出手段71と、圧力センサ4による検出値が圧力センサ6による検出値よりも小さい場合に、その極間差圧が所定値以下であるか否かを判定する第1の差圧判定手段72と、圧力センサ6の検出値が圧力センサ4の検出値よりも小さい場合に、その極間差圧が所定値以下であるか否かを判定する第2の差圧判定手段73と、第1の差圧判定手段72の判定結果に基づいて、バルブV1を駆動するV1駆動回路81、または、バルブV2を駆動するV2駆動回路82に送信する信号を生成する信号生成回路74と、第2の差圧判定手段73の判定結果に基づいて、コンプレッサ51を駆動するコンプレッサ駆動回路83、バルブV3を駆動するV3駆動回路84、または、バルブV4を駆動するV4駆動回路85に送信する信号を生成する信号生成手段75を含んで構成されている。なお、各所定値は、各差圧判定手段72,73の記憶装置に予め記憶されているものであり、この所定値は適宜設定を変更できるものとする。ちなみに、第1・第2の差圧判定手段72,73は一つの差圧判定手段として構成することもできる。
このように構成された燃料電池システム1の動作について説明する。図3は、燃料電池システムのフローチャートであり、(a)はアノードガス流路内圧力がカソードガス流路内圧力より小さい場合であり、(b)はカソードガス流路内圧力がアノードガス流路内圧力より小さい場合である。
燃料電池システム1は、燃料電池2の停止後は、基本的には、燃料ガスのアノードガス流路3を閉鎖系とするため、バルブV1,V2を閉じており、酸化剤ガスのカソードガス流路5は開放するため、バルブV3,V4を開いているものとする。
まず、アノードガス流路3内圧力がカソードガス流路5内圧力より小さい場合(A<C)について説明する。このような状態になるのは、前記したように、アノードガス流路内を閉鎖系にし、カソードガス流路内を開放するという条件下、燃料ガス中に含まれる水蒸気が、燃料電池2の停止による温度低下に伴って凝縮するからである。
図3(a)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2が停止し、イグニッションがオフされると(ステップS1)、図1に示す圧力センサ4,6で、アノードガス流路3内、および、カソードガス流路5内に供給される各ガスの圧力を検出しながら監視する(ステップS2)。なお、その際の電源は、図示しない車載のバッテリが用いられる。そして、その各検出値から図2に示すECU7の差圧検出手段71で極間差圧を検出し、第1の差圧判定手段72で極間差圧が所定値以下であるか否かを判定する(ステップS3)。その結果、極間差圧の検出値が所定値以下であれば(ステップS3でYesの場合)、ステップS2に戻って、各ガスの圧力の監視を継続する。一方、極間差圧の検出値が所定値を超える場合(ステップS3でNoの場合)、ECU7は、図1に示すバルブV1を開いて燃料ガスをアノードガス流路3内に供給し(ステップS4)、または、バルブV2を開いて、アノードガス流路3の下流側(オフガス流路)を大気開放する(ステップS4’)。ステップS4で示すように、燃料ガスを新たに供給すれば、アノードガス流路3内に供給される燃料ガスの圧力を高めることができるので、極間差圧を解消・低減することができる。また、ステップS4’で示すように、バルブV2を開いて大気開放することで、カソードガス流路5内のガス圧と等しくし、極間差圧を解消・低減することができる。
次に、カソードガス流路5内圧力がアノードガス流路3内圧力より小さい場合(C<A)について説明する。なお、自然状態では、このような状態になることはないが、前記ステップS4で燃料ガスを大量に供給した場合などを想定して、カソードガス流路5内圧力がアノードガス流路3内圧力より小さい場合を説明するものである。
図3(b)に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2が停止し、イグニッションがオフされると(ステップS5)、図1に示す圧力センサ4,6で、アノードガス流路3内、および、カソードガス流路5内に供給される各ガスの圧力を検出しながら監視する(ステップS6)。そして、その各検出値から図2に示すECU7の差圧検出手段71で極間差圧を検出し、第2の差圧判定手段73で極間差圧の検出値が所定値以下であるか否かを判定する(ステップS7)。その結果、極間差圧の検出値が所定値以下であれば(ステップS7でYesの場合)、ステップS6に戻って、各ガスの圧力の監視を継続する。一方、極間差圧の検出値が所定値を超える場合(ステップS7でNoの場合)、ECU7は、図1に示すコンプレッサ51を駆動し、または、バルブV3を開くことで、酸化剤ガスをカソードガス流路5内に大気を導入する(ステップS8)。ステップS8で示すように、大気を導入すれば、カソードガス流路5内に供給される酸化剤ガスの圧力を高めることができるので、極間差圧を解消・低減することができる。なお、燃料電池2の停止時は、バルブV4は開かれているのが基本であるが、これが閉じられているときは、バルブV4を開くことで極間差圧を解消・低減することもできる。
なお、燃料電池2の停止後に発生する極間差圧を解消・低減した後は、例えば、燃料ガスのアノードガス流路3および酸化剤ガスのカソードガス流路5をいずれも閉鎖系にするとよい。燃料電池停止後は、発電時から常温時までのような大きな温度差がないため、一旦極間差圧を解消・低減した後であれば、大きな差圧を生じないからである。このようにすることで、圧力センサで常時圧力を監視する必要もなく、燃費を向上させることができる。
以上によれば、本実施形態に係る燃料電池システム1において、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム1では、ガス圧が低い方のガス流路(アノードガス流路3またはカソードガス流路5)内に新たにガスを供給するため、ガスを供給されたガス流路内のガス圧が高くなり、極間差圧が解消・低減され、固体高分子電解質膜23への負荷を低減することができる。そのため、固体高分子電解質膜23の劣化を抑制して、耐久性を向上させることができる。
また、燃料電池システム1は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを新たに供給し、または、オフガス流路を大気開放するだけなので、特別な部品を増設することなく、既存のシステムで極間差圧を解消・低減することができる。特に、大気開放するだけであれば、余計なガスを使用せず、燃費を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形して実施することもできる。図4は、実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図4に示す燃料電池システム1’は、前記した燃料電池システム1に、さらに、専用ガス供給源9と、この専用ガス供給源9からアノードガス流路3の上流側(燃料電池2の上流側)に連通するガス流路10Aと、専用ガス供給源9からカソードガス流路5の上流側(燃料電池2の上流側)に連通するガス流路10Bとを備え、ガス流路10A,10BにはそれぞれバルブV5,V6が設けられて構成されている。なお、専用ガス供給源9の専用ガスとしては、例えば、窒素、圧縮空気、ヘリウムガス、アルゴンガス等のドライガスがあげられる。
この燃料電池システム1’においては、極間差圧が所定値以下であるか否かの判定までは、前記実施形態と同様であるのでその説明を省略し、ECU7の第1の差圧判定手段72,73(図2参照)が、極間差圧が所定値を超えると判定した後の動作について、以下説明する。
図4に示す燃料電池システム1’は、アノードガス流路3内圧力がカソードガス流路5内圧力より小さい場合、ECU7で、バルブV5を開くように制御して、ガス流路10Aを介して、アノードガス流路3に専用ガスを供給する。このように新たに専用ガスを供給することで、アノードガス流路3内のガス圧を高め、極間差圧を解消・低減することができる。
一方、アノードガス流路3内に専用ガスを供給しすぎた結果、カソードガス流路5内圧力がアノードガス流路3内圧力より小さくなった場合、ECU7で、バルブV6を開くように制御する。そして、ガス流路10Bを介して、カソードガス流路5に専用ガスを供給する。このように新たに専用ガスを供給することで、カソードガス流路5内のガス圧を高め、極間差圧を解消・低減することができる。
このように、変形例に係る燃料電池システム1’においては、アノードガス流路3とカソードガス流路5にそれぞれ専用ガスが供給される手段を設けるだけでよいので、簡易な構成で極間差圧を解消・低減することができる。
また、前記実施形態では、アノードガス流路3を閉鎖し、カソードガス流路5を開放しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アノードガス流路3を開放し、カソードガス流路5を閉鎖し、あるいは、両流路(アノードガス流路3,カソードガス流路5)を閉鎖した状態であってもよい。
本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本実施形態に係るECUの概略構成図である。 燃料電池システムのフローチャートであり、(a)はアノードガス流路内圧力がカソードガス流路内圧力より小さい場合であり、(b)はカソードガス流路内圧力がアノードガス流路内圧力より小さい場合である。 実施形態の変形例に係る燃料電池システムの概略構成図である。 従来の極間差圧防止装置の全体構成図である。
符号の説明
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 ガス流路
4 圧力センサ
5 ガス流路
6 圧力センサ
7 ECU
9 専用ガス供給源
10A ガス流路
10B ガス流路
21 アノードガス流路内
22 カソードガス流路内
23 固体高分子電解質膜
31 高圧水素タンク
32 エゼクタ
51 コンプレッサ

Claims (4)

  1. アノードとカソードの間に電解質膜が配設され、アノードガス流路内に供給される燃料ガスとカソードガス流路内に供給される酸化剤ガスが反応して発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の停止時に、
    前記アノードガス流路内のガス圧を検出する第1の圧力検出手段と、
    前記カソードガス流路内のガス圧を検出する第2の圧力検出手段と、
    前記圧力検出手段の検出値に基づき、前記アノードガス流路内のガス圧と前記カソードガス流路内のガス圧の差圧を検出する差圧検出手段と、
    前記差圧検出手段による検出値が、所定値以下であるか否かを判定する差圧判定手段と、
    前記差圧判定手段による判定結果が所定値を超える場合に前記差圧を所定値以下にする差圧解消手段と
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記差圧解消手段は、前記アノードガス流路内のガス圧と前記カソードガス流路内のガス圧のうち、ガス圧が低い方のガス流路内に、ガスを供給するガス供給手段であ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. 前記アノードガス流路内に供給されるガスは燃料ガスであり、前記カソードガス流路内に供給されるガスは酸化剤ガスであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記差圧解消手段は、前記アノードガス流路内のガス圧と前記カソードガス流路内のガス圧のうち、ガス圧が低い方のガス流路から排出されるオフガスの流路を大気開放する開放手段であ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。
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