JP2005293868A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池内に残留した生成水を燃料電池を停止する前に確実に除去する。
【解決手段】 水素タンク２２からの水素をアノード１２に供給し、エアポンプ６０からのエアを加湿器５６、エア供給口３６を介してカソード１４に供給して発電を行っている過程で、燃料電池１０の運転を停止するに先立って、開閉弁５２、５４、６８を閉弁状態にすると共に、開閉弁４４、６４、７６を開弁状態とし、エアコンプレッサ４８の駆動によって圧縮されたエアを圧縮空気タンク４２から配管４０を介してカソード１４に供給し、カソード１４に残留した生成水を排気口３８から排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、アノードとカソードを有する燃料電池に水素とエアを供給して発電を行うに好適な燃料電池システムに関する。

燃料電池としては、例えば、固体高分子膜型のものが知られている。この種の燃料電池は、アノード（水素極）に水素が供給され、カソード（酸素極）にエアが供給されると、アノードで発生したプロトンが電解質膜を介してカソード側に運ばれ、空気中の酸素と結びついて水を生成することにより、発電するようになっている。

この種の燃料電池を用いて発電を行うに際して、水素供給源として改質器を用いたり、コンプレッサによって圧縮されたエアを流量制御弁等を介して燃料電池に供給したりするシステムが提案されている。

ところが、この種の燃料電池システムを低温雰囲気で停止した場合、システム内の結露が凍結して、再始動に影響することがある。

そこで、発電停止時および停止後に、エアコンプレッサからのエアを流量制御弁等に供給したり、あるいは蓄圧手段に蓄積されたエアを流量制御弁等に供給したりして、流量制御弁等に付着した水滴を吹き飛ばして結露、凍結を防止するようにしたものが提案されている（特許文献1参照）。
特開２００３−２０３６６５号公報（第6頁〜第8頁、図1と図2）

しかしながら、従来技術においては、燃料電池内で生成された生成水を除去することについては十分配慮されておらず、発電停止時および停止後にコンプレッサからのエアまたは蓄圧手段に蓄積されたエアを流量制御弁等に一定時間供給する構成では、燃料電池のうち、特にカソードに残留した生成水を十分に除去できない恐れがある。なお、エアコンプレッサや蓄圧手段を長時間駆動したときには、運転時間の増加に伴って燃料およびバッテリ容量を消費し、燃料電池の効率的な運転が難しくなる。

よって本発明は、燃料電池内に残留した生成水を燃料電池を停止する前に確実に除去することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、アノードとカソードを有する燃料電池の上記アノードに連なる水素供給口に水素を供給すると共に、上記カソードに連なるエア供給口にエアを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、エアを導入して圧縮するエアコンプレッサと、上記エア供給口に接続されて上記エアコンプレッサで圧縮されたエアを蓄積する蓄圧タンクとを備え、上記燃料電池の水分除去条件が成立したときに、上記蓄圧タンク内に蓄積されたエアを上記エア供給口から上記カソードに供給してなることを特徴とする燃料電池システムを構成したものである。

上述した手段によれば、燃料電池の水分除去条件が成立したとき、例えば、外気温度が設定温度以下にあって燃料電池を停止する必要があるときに、蓄圧タンク内に蓄圧されたエアをエア供給口から燃料電池内に供給するようにしたため、エア供給口に供給されたエアにより、カソードに残留した生成水を排出口から確実に排出することができ、燃料電池を停止したあと燃料電池内が凍結するのを防止することができる。

また、エアコンプレッサとして、エア導入口と水素導入・排出口を有する容器と、この容器内に配置されて、この容器内をエア導入口に連通するエア室と水素導入・排出口に連通する水素室とに分割するダイアフラムを備え、水素供給源から水素導入口に導入された水素の圧力をダイアフラムに対する駆動力としてエアを圧縮するものを用いることで、水素供給源からの水素を有効に活用することができる。

本発明によれば、蓄圧タンクに蓄積されたエアを発電時と同じエアの供給方向に沿って燃料電池のカソードに供給するようにしたため、燃料電池内に残留した生成水を燃料電池外に確実に排出することができ、燃料電池が停止したあと燃料電池内が凍結するのを防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例を示す燃料電池システムのブロック構成図である。図1において、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムは、燃料電池１０を備えており、この燃料電池１０は、例えば、固体高分子膜型のもので構成されており、アノード（水素極）１２とカソード（酸素極）１４との間に固体高分子膜（図示せず）が挿入されている。アノード１２は水素供給口１６と排出口１８に接続されており、水素供給口１６は配管２０を介して水素タンク２２に接続されている。配管２０の管路途中には水素タンク２２から排出される水素の流量を調整する流量調整弁２４が挿入されている。一方、排出口１８は、配管２６、逆止弁２８を介して配管２０の管路途中に接続されており、配管２６の管路途中には水素ポンプ３０が挿入されている。水素ポンプ３０は、排出口１８から排出された残留水素を逆止弁２８側に吐出して、残留水素を、配管２０を介して水素供給口１６に戻すようになっている。また配管２６の管路途中には配管３２が接続されており、配管３２の管路途中には排気弁３４が挿入されている。

一方、カソード１４はエア供給口３６と排気口３８に接続されており、エア供給口３６は配管４０を介して圧縮空気タンク４２に接続されている。配管４０の管路途中には配管４０の管路を開閉する開閉弁４４が挿入されている。圧縮エアタンク４２は逆止弁４６を介してエアコンプレッサ４８に接続されており、エアコンプレッサ４８は、燃料電池１０または二次電池（図示せず）から電力の供給を受けてエア（外気）を導入し、導入したエアを圧縮し、圧縮されたエアを逆止弁４６を介して圧縮空気タンク４２に供給するようになっている。すなわち、圧縮エアタンク４２内には、エアコンプレッサ４８で圧縮されたエア（高圧エア）が蓄積されるようになっている。また配管４０の管路途中には配管５０が接続されており、配管５０の管路途中には開閉弁５２、５４、加湿器５６、調圧器５８が挿入されている。配管５０の管路端にはエアポンプ６０が接続されている。また配管５０の管路途中には加湿器５６をバイパスするための配管６２が接続されており、配管６２の管路途中には開閉弁６４が挿入されている。

一方、排気口３８は配管６６に接続されており、配管６６の管路途中には開閉弁６８、加湿器５６、流量調整弁７０、マフラ（消音器）７２が挿入されている。また配管６６の管路途中には加湿器５６をバイパスする配管７４が接続されており、配管７４の管路途中には開閉弁７６が挿入されている。

燃料電池１０の運転時には、開閉弁４４、５２、５４、６４、６８、７６のうち、開閉弁５２、５４、６８は開弁状態にあるが、開閉弁４４、６４，７６は閉弁状態にあり、エアポンプ６０の作動によるエアが加湿器５６、配管５０、４０を介してエア供給口３６に供給されるようになっている。そして、エア供給口３６に供給されたエアがカソード１４内に導入され、アノード１２に供給された水素と電気化学反応によって発電する過程で生成された排気ガス（余剰空気）が排気口３８から配管６６を介して排出されるようになっている。この排気ガスは加湿器５６で除湿されたあと、マフラ７２を介して排気されるようになっている。

一方、燃料電池１０の運転が停止されたときには、開閉弁５２、５４、６８は開弁状態から閉弁状態に移行するが、開閉弁４４、６４、７６は閉弁状態から開弁状態に移行し、圧縮空気タンク４２内に蓄積されたエアが配管４０を介してエア供給口３６に供給されるようになっている。

ここで、各開閉弁の開閉弁動作を自動的に行うために、本実施例では、制御ユニット７８が設けられている。この制御ユニット７８は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを有するマイクロコンピュータで構成されており、この制御ユニット７４には、燃料電池１０の電圧を検出する電圧センサ８０、外気温度を検出する温度センサ８２、圧縮空気タンク４２内のエアの圧力（タンク圧力）を検出する圧力センサ８４からの信号が入力されており、制御ユニット７８を、各センサからの信号に基づいて各開閉弁に対する開閉弁動作、エアコンプレッサ４８や燃料電池１０の運転を制御するように構成されている。

次に、図１に示すシステムの作用を図２のフローチャートに従って説明する。まず、燃料電池自動車のイグニッションキーがオンになると燃料電池自動車の起動とともに、システムがオン状態になる（ステップＳ１）。このあと制御ユニット７８は、温度センサ８２からの信号を取り込んで外気温度の検出を行う（ステップＳ２）。そして温度センサ８２の検出による外気温度と圧力センサ８４の検出による縮空気タンク４２の圧力との関係から圧縮空気タンク４２内に蓄積するためのエアの圧力を算出する（ステップＳ３）。すなわち、燃料電池１０内に残留した生成水（水分）を除去（蒸発）させるには、図３に示すように、外気温度が低いほど、エアにて吹き飛ばすのに要するエネルギーが増えるため、外気温度が低いほど圧縮空気タンク４２内に蓄積するエアの圧力を高く設定する必要がある。このため、図３に示す特性を基に圧縮空気タンク４２内に蓄積すべきエアの圧力（タンク圧力）を算出することとしている。例えば、−２０℃のときには、タンク圧力をａとする。なお、このタンク圧力を算出するに際しては、燃料電池１０内に残留する生成水の量は燃料電池１０の電流値から計算できるので、イグニッションキーがオフになる数分前までの電流値の積算値と外気温度から求めることもできる。

次に、燃料電池１０の発電による電力をエアコンプレッサ４８に供給すると共に、エアコンプレッサ４８の駆動によってエアを圧縮し、圧縮されたエアを逆止弁４６を介して圧縮空気タンク４２内に供給する。なお、このときエアコンプレッサ４８に供給する電力としては、減速時における回生電力を利用することもできる。

次に、圧力センサ８４の検出によるタンク圧力が目標圧力になるまでエアコンプレッサ４８を駆動する（ステップＳ４）このあと、圧力センサ８４の検出によるタンク圧力が目標圧力に達したときにはエアコンプレッサ４８の作動を停止する（ステップＳ５）。

次に、燃料電池１０の水分除去条件が成立するか否かの判定を行う（ステップＳ６）。この条件が成立しないときには、開閉弁４４、６４、７６の閉弁状態を維持すると共に、開閉弁５２、５４、６８の開弁状態を維持し、燃料電池１０による運転を継続する。

一方、水分除去条件が成立したとき、すなわちイグニッションキーがオフとなって、外気温度が低温状態（設定温度以下）にあるときには、燃料電池１０をアイドル状態で運転し、開閉弁５２、５４、６８を閉弁状態にすると共に、開閉弁４４、６４、７６を開弁状態とする。すなわち、圧縮空気タンク４２内に蓄積された高圧のエアを開閉弁４４、配管４０を介してエア供給口３６に供給し、カソード１４に残留していた生成水などの水分を排気口３８を介して燃料電池１０外に排出する（ステップＳ７）。このあと電圧センサ８０の検出による電圧が設定電圧以下になったことを条件にシステムの運転を停止する（ステップＳ８）。すなわち、電圧センサ８０によって燃料電池１０内の電圧が設定電圧以下に低下したときには、燃料電池１０内の水分が十分に除去されて、乾いた状態にあるとして、システムの運転を停止する。この場合、燃料電池１０のスタック内がドライアップされて低温状態で放置されても、温度の低下に伴って相対湿度が上がるので、次にシステムを始動するときに悪影響を与えることはない。

本実施例においては、低温時に燃料電池１０を停止するに先立って、加湿器５６による加湿を停止すると共に、圧縮空気タンク４２内に蓄積された高圧エアを燃料電池１０のカソード１４内に供給し、圧縮されたエアによってカソード１４内の生成水を排気口３８から燃料電池１０外に排出するようにしたため、低温時に燃料電池１０を停止しても、凍結を防止することができるとともに、低温放置後の始動を可能にすることができる。

次に、本発明の他の実施例を図４に従って説明する。本実施例は、エアコンプレッサ４８の代わりに、高圧水素を動力源としてエアを圧縮するエアコンプレッサ８６を用いたものであり、他の構成は図１のものと同様である。エアコンプレッサ８６は、流体を貯留する容器（タンク）８８を備えており、容器８８にはエア導入口を構成する逆止弁９０が設けられているとともに、水素導入口９２、水素排出口９４が設けられている。そして容器８８内には、容器８８内を逆止弁９０に連通するエア室９６と水素導入口９２、水素排出口９４に連通する水素室９８とに分割するダイアフラム１００が設けられており、エア室９６が逆止弁４６を介して圧縮空気タンク４２に接続されている。水素導入口９２は配管１０２を介して水素タンク２２に接続され、水素排出口９４は配管１０４を介して配管２０の管路途中に接続されている。配管１０２の管路途中には開閉弁１０６が挿入され、配管１０４の管路途中には開閉弁１０８が挿入されている。各開閉弁１０６、１０８の開閉弁動作は制御ユニット７８によって制御されるようになっている。

水素タンク２２としては、例えば、３０メガパスカルの水素を貯留する高圧水素タンクを用いており、水素タンク２２を水素供給源として、この水素タンク２２内の水素が配管１０２を介して水素導入口９２に供給されるようになっている。そして開閉弁１０６が開弁状態にあって、開閉弁１０８が閉弁状態にあるときに、水素タンク２２から水素導入口９２を介して水素室９８に水素が導入され、この水素の圧力によってダイアフラム１００が駆動して、エア室９６内のエアが圧縮される。次に、開閉弁１０６が閉じ、開閉弁１０８が開かれると、水素室９８内の水素が排出され、エア室９６内にエアが導入される。このような動作を繰り返すことで、エア室９６内に導入されたエアが順次圧縮され、圧縮されたエアが逆止弁４６を介して圧縮空気タンク４２内に供給される。

本実施例においても、圧縮空気タンク４２内に蓄積されたエアを燃料電池１０のエア供給口３６に供給することで、カソード１４に残留した生成水を燃料電池１０外に排出することができるとともに、水素タンク２２に蓄積された水素を有効に活用してエアコンプレッサ８６を駆動することができる。

また本実施例においては、エアポンプ６０の動作によるエアを配管１１０、制御弁１１２、逆止弁９０を介してエア室９６内に供給し、エアポンプ６０によって圧縮されたエアをエア室９６に供給することで、エアコンプレッサ８６の駆動力を低減することができる。

本発明の一実施例を示す燃料電池システムのブロック構成図である。 図１に示すシステムの作用を説明するためのフローチャートである。 外気温度と空気タンク圧力との関係を示す特性図である。 本発明の他の実施例を示す燃料電池システムのブロック構成図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、１２ アノード、１４ カソード、２２ 水素タンク、３６ エア供給口、３８ 排気口、４２ 圧縮空気タンク、４８ エアコンプレッサ、５２，５４ 開閉弁、５６ 加湿器、６４，６８，７６ 開閉弁

Claims (2)

1. アノードとカソードを有する燃料電池の前記アノードに連なる水素供給口に水素を供給すると共に、前記カソードに連なるエア供給口にエアを供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、エアを導入して圧縮するエアコンプレッサと、前記エア供給口に接続されて前記エアコンプレッサで圧縮されたエアを蓄積する蓄圧タンクとを備え、前記燃料電池の水分除去条件が成立したときに、前記蓄圧タンク内に蓄積されたエアを前記エア供給口から前記カソードに供給してなることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記エアコンプレッサは、エア導入口と水素導入・排出口を有する容器と、前記容器内に配置されて前記容器内を前記エア導入口に連通するエア室と前記水素導入・排出口に連通する水素室とに分割するダイアフラムとを備え、水素供給源から前記水素導入口に導入された水素の圧力を前記ダイアフラムに対する駆動力としてエアを圧縮してなることを特徴とする燃料電池システム。
   

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