JP2005302451A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池のアノードに堆積した不純物を効率的に燃料電池外に排出する。
【解決手段】 アノード１６に窒素や水などの不純物が堆積したときに、出口弁３２を閉じるとともに水素ポンプ３０の回転数を増加させて、出口弁３２の出口側の圧力を下げ、その後出口弁３２を開くとともに水素ポンプ３０の回転数を元に戻し、ガス循環流路２８中に圧力変動を発生させ、その反動で、アノード１６に堆積した不純物を燃料電池１０外に排出し、不純物が排気弁３６の入口側に移動したタイミングで排気弁３６を開いて不純物を外部に排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出される残留水素を含む水素オフガスを再利用する燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池としては、例えば、固体高分子膜型燃料電池が知られている。この種の固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード（水素極）とカソード（酸素極）とで両側から挟みこんで形成したセルを複数個積層して構成したスタックを備えており、アノードに燃料ガスとして水素ガスが供給され、カソードに酸化ガス（酸化剤）として空気が供給されると、アノード側で触媒反応により水素イオンを発生して電流を生じる。水素イオンは固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素イオンと電気化学反応を起こして水となる。

アノードへの水素供給を円滑にするため、アノードを循環した水素ガスは外部に排気される。この排気されるガス（排水素ガス）中には水素が一部未反応のまま残っている。この残留水素を有効に活用するために、アノードに連なる排出口とアノードに連なる供給口とを結ぶ水素ガスのガス循環流路を形成し、該ガス循環流路中に設けた循環ポンプを動作させて残留水素をアノードに戻して再利用している。

上述したように、電気化学反応に伴って燃料電池内には生成水が生じるが、この生成水は固体高分子電解質膜を透過してアノード側にも蓄積される。生成水が燃料電池底部やガス循環流路に溜まるとガス循環流路の閉塞要因となる。

そこで、燃料電池の運転停止時に、燃料電池に空気を供給するためのエアコンプレッサの回転数を所定時間上昇させ、燃料電池内を流通する反応ガスの流量を所定流量増大させたあと、カソードの空気排出口に接続された背圧弁を閉じるとともに、アノードの燃料排出口に接続された排出弁を閉じて反応ガスの圧力を所定圧力まで増大させ、その後背圧弁と排出弁をそれぞれ全開させて、残留水を燃料電池の外部に排出することが提案されている（特許文献１）。
特開平１４−３０５０１７号公報（第3頁〜第４頁、図1と図２参照）

上述した先行技術は、燃料電池内の反応ガスのガス流路におけるガス流量を増大させることで、反応ガスの流速を増大させ、ガス流路内の大部分の残留水を外部に排出することができるとともに、その後ガス流路におけるガス圧力を増大させたあと圧力を低下させて、反応ガスの流速を瞬間的に急上昇させているため、流量増大だけでは外部に排出することが困難な残留水を外部に排出することができるというものである。

しかしながら、上記先行技術はカソード側のエアコンプレッサによって供給空気を加圧するものであり、アノード側の不純物を燃料電池から排出するために使用される水素ガスが適切な排出圧力に設定されるとは限らない。アノードに窒素や水を含む不純物が堆積したままになると、水素ガスの供給が阻害されて水素濃度が低下し、燃料電池の発電性能が低下する虞がある。また、燃料電池内の不純物排出の目的で燃料電池内部の水素ガスを外部に大量に放出すると水素ガスのロスが増えて燃費が低下する。

よって、本発明は、燃料電池のアノードに堆積した不純物を効率よく燃料電池外に排出することを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、本発明は燃料電池のアノードに堆積した不純物を水素ガスのロスを抑制しつつ燃料電池外に排出することを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの供給口と排出口とに連なるアノードと酸化ガスの供給口と排出口とに連なるカソードを有する燃料電池と、上記燃料ガスの供給口に接続する燃料ガス供給流路と、上記燃料ガスの排出口と上記燃料ガス供給流路とに接続するガス循環流路と、上記ガス循環流路に設けられて上記燃料ガスの排出口から排出される流体を上記燃料ガス供給流路に吐出させる循環ポンプと、上記燃料ガスの排出口と上記循環ポンプとの間の上記ガス循環流路を開閉する開閉弁と、上記循環ポンプが吐出する流体を上記ガス循環流路から外部に排出する排気弁と、上記開閉弁を閉じると共に上記循環ポンプの運転を制御して上記開閉弁前後の上記ガス循環流路中に圧力差を生じさせ、その後上記開閉弁を開弁した後、所定のタイミングで上記排気弁を開弁させる制御部と、を備える。

かかる構成とすることによって、開閉弁の前後において加圧と急な減圧がなされ、より大きい圧力変動によって燃料電池内部の不純物が燃料電池下流に排出される。それにより、燃料電池底部のアノード側に堆積した不純物を燃料電池外に効率よく排出することができる。また、開閉弁が開いて不純物が燃料電池からガス循環流路に排出され、不純物がガス循環流路を移動して排気弁を通過する直前のタイミングで排気弁を開くことで不純物をガス循環流路外に排出することができると共に、燃料ガスの無駄な排出を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの供給口と排出口とに連なるアノードと酸化ガスの供給口と排出口とに連なるカソードを有する燃料電池と、上記燃料ガスの供給口に接続する燃料ガス供給流路と、上記燃料ガスの排出口と上記燃料ガスの供給流路とを接続するガス循環流路と、上記ガス循環流路に設けられて上記燃料ガスの排出口から排出される流体を上記燃料ガス供給流路に吐出させる循環ポンプと、上記燃料ガスの排出口と上記循環ポンプとの間の上記ガス循環流路を開閉する開閉弁と、上記循環ポンプが吐出する流体をガス循環流路から外部に排出する排気弁と、上記循環ポンプの作動量と上記開閉弁の開閉状態を制御することにより上記開閉弁前後の上記ガス循環流路中に圧力差を生じさせて上記燃料電池の内部の不純物をガス循環流路に移動させると共に、上記不純物が上記排気弁の近傍に移動したときに前記排気弁を開弁させる制御部と、を備える。

かかる構成とすることによって、燃料電池内の不純物がガス循環流路に排出され、排出された不純物が排気弁近傍に移動したときに排気弁が開けられて不純物が外部に排出される。不純物が外部に排出される際に同時に排出される燃料ガスのロスも減少して具合がよい。

本発明によれば、燃料電池のアノード側に堆積した不純物を燃料電池外に効率良く排出することができる。また、不純物の外部排出に伴う燃料ガスの外部排出量を低減できる。

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、燃料電池システムは、燃料電池１０を備えており、燃料電池１０は水素と空気中の酸素の供給を受けて発電するようになっている。この燃料電池１０としては、例えば、固体高分子電解質膜型のものを用いて構成することができる。燃料電池１０は、水素供給口１２とガス排出口１４とに連なるアノード（水素極）１６と、酸素供給口１８と排気口２０とに連なるカソード（酸素極）２２とを備え、アノード１６とカソード２２との間には固体高分子電解質膜２４が挿入されている。水素供給口１２は水素供給路２６を介して、例えば、水素供給源としての水素タンクに接続されており、水素供給口１２には水素タンクから燃料として水素が供給されるようになっている。一方、酸素供給口１８には、図示しないエアポンプによって空気が供給されるようになっている。アノード１６に燃料として水素が供給され、カソード２２に酸化剤として空気が供給されると、アノード１６で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２４を通過してカソード２２まで移動し、カソード２２で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。

一方、ガス排出口１４にはガス循環流路２８が接続されており、このガス循環流路２８は、ガス排出口１４から排出される流体（排水素ガス）のうち未消化の残留水素を水素供給口１２まで戻すバイパス流路として、水素供給路２６の流路途中に接続されている。このガス循環流路２８の流路途中には、循環ポンプとしての水素ポンプ３０が挿入されているとともに、ガス排出口１４と水素ポンプ３０との間のガス循環流路２８の途中にはガス循環流路２８を開閉する開閉弁としての出口弁３２が設けられている。また、ガス循環流路２８のうち水素ポンプ３０の出口側の流路途中には、ガス循環流路２８から分岐した排出流路３４が接続されており、排出流路３４の流路途中には、ガス循環流路２８中の流体をガス循環流路２８外に排出する排気弁３６が設けられている。

ここで、本実施例においては、水素ポンプ３０の運転を自動的に制御するとともに、出口弁３２と排気弁３６の開閉弁動作を自動的に制御するために、水素ポンプ３０、出口弁３２、排気弁３６はそれぞれ制御ユニット３８に接続されている。

制御ユニット３８は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを有するマイクロコンピュータで構成されており、制御プログラムあるいは指令に応答して水素ポンプ３０の運転、例えば、回転数を制御すると共に、一定の条件の下に、出口弁３２と排気弁３６の開閉弁動作を制御するように構成されている。

具体的には、制御ユニット３８は、低負荷での運転時には、排気弁３６に閉弁動作を指令するとともに、出口弁３２に開弁動作を指令し、且つ水素ポンプ３０を一定回転数で運転する制御を行い、燃料電池１０で使用されなかった水素ガスを含む排水素ガスをガス循環流路２８、水素供給路２６、水素供給口１２を介してアノード１６に戻す運転を行うようになっている。

燃料電池１０が発電を行っている過程では、カソード２２から固体高分子電解質膜２４を透過した窒素や水などの不純物がアノード１６側に増えてくる。

そこで、本実施例においては、アノード１６に蓄積した不純物を排出するための指令が制御ユニット２８に入力されたとき、あるいは制御プログラムの実行によって制御ユニット３８が不純物を排出するための動作を開始したときには、図２に示すような処理を実行することとしている。

図２は、制御部３８の動作を説明するフローチャートである。制御ユニット３８は、アノード１６に堆積した不純物を排出するに際して、まず出口弁３２に対して一定時間閉弁させる動作を指令し（ステップＳ１）、続いて水素ポンプ３０に対して回転数を一定量増加させるための回転数増加指令を行う（ステップＳ２）。すなわち、出口弁３２を閉弁させてガス循環流路２８を閉塞した状態で、水素ポンプ３０の回転数を上昇させて、出口弁３２と水素ポンプ３０との間のガス循環流路２８内の圧力を下げ、出口弁３２の前後におけるガス循環流路２８中に圧力差を生じさせる。その後、出口弁３２の出口側の圧力が下がったことを条件に出口弁３２に対して開弁動作を指令する。同時に図示しないタイマを起動する（ステップＳ３）。続いて水素ポンプ３０を元の回転数に戻して運転する（ステップＳ４）。これにより、ガス循環流路２８においては圧力変動が発生し、その反動で、アノード１６内に堆積した不純物が短時間で燃料電池１０外に大量に排出（吸い出し）される。アノード１６側に堆積した不純物がガス排出口１４からガス循環流路２８中に排出されると、排出された不純物は出口弁３２から水素ポンプ３０側に移動する。

制御ユニット３８は、出口弁３２を開弁動作させたときに起動したタイマが指定のタイミングになったか否かの判定を行う。指定のタイミングは、例えば、出口弁３２から水素ポンプ３０側に移動した不純物（主に生成水）が水素ポンプ３０を経て排気弁３６の入口側（あるいは入口側近傍）まで移動するに要する時間を設定する（ステップＳ５）。指定時間の経過を待ち（ステップＳ５；ＮＯ）、指定時間になると（ステップＳ５；ＹＥＳ）、制御部３８は排出流路３４に設けられた排気弁３６に対して開弁動作を指令する（ステップＳ６）。これにより、水素ポンプ３０の吐出による不純物が排気弁３６から排出流路３４を経て外部に排出される。このあとステップＳ１〜ステップＳ６までの処理を指定の回数繰り返したか否かの判定を行い（ステップＳ７）、例えば、３回同じ動作を繰り返したか否かの判定を行う。ステップＳ１〜ステップＳ６までの処理を３回繰り返したときには、このルーチンでの処理を終了する。

本実施例によれば、アノード側の出口弁３２を一時的に閉じたあと、水素ポンプ３０の回転数を増加させて、出口弁３２の出口側の圧力を下げ、その後出口弁３２を開くと共にに水素ポンプ３０の回転数を元に戻し、ガス循環流路２８中に圧力変動を発生させて、その反動で、アノード１６に堆積した不純物を燃料電池１０外に排出するようにしたため、アノード１６に堆積した不純物を効果的に燃料電池１０外に排出することができ、不純物の堆積によって通気性が悪化して水素濃度が低下したり、燃料電池１０の性能が低下したりするのを防止することができる。

また、本実施例によれば、燃料電池１０から排出された不純物が排気弁３６の入口側まで移動したタイミングで排気弁３６を開くようにしたため、排気弁３６の１度の開弁動作によって大量の不純物を外部に排出することができるとともに燃料（水素）の無駄な排出を抑制することができる。

なお、出口弁３２から排出された不純物が排気弁３６の入口側あるいは入口側近傍に至ることの推定あるいは検知を上述したタイマによるほか、水などを検出する不純物センサを出口弁３２から排気弁３６に至る途中のガス循環流路２８に設け、不純物の通過を該不純物センサが検出したときに排気弁３６を開放するようにしても良い。

また、不純物を排気弁３６から排出するに際しては、排気弁３６の入口側に不純物を貯留するタンクを設け、このタンク内に不純物が一定量貯留されたときに、排気弁３６を開いてタンク内の不純物を外部に排出する構成を採用することもできる。

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。 本発明に係る燃料電池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。

符号の説明

１０ 燃料電池、１２ 水素供給口、１４ ガス排出口、１６ アノード、２２ カソード、２４ 固体高分子電解質膜、２６ 水素供給路、２８ ガス循環流路、３０ 水素ポンプ、３２ 出口弁、３６ 排気弁、３８ 制御ユニット

Claims (2)

1. 燃料ガスの供給口と排出口とに連なるアノードと酸化ガスの供給口と排出口とに連なるカソードを有する燃料電池と、
   前記燃料ガスの供給口に接続する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガスの排出口と前記燃料ガス供給流路とに接続するガス循環流路と、
   前記ガス循環流路に設けられて前記燃料ガスの排出口から排出される流体を前記燃料ガス供給流路に吐出させる循環ポンプと、
   前記燃料ガスの排出口と前記循環ポンプとの間の前記ガス循環流路を開閉する開閉弁と、
   前記循環ポンプが吐出する流体を前記ガス循環流路から外部に排出する排気弁と、
   前記開閉弁を閉じると共に前記循環ポンプの運転を制御して前記開閉弁前後の前記ガス循環流路中に圧力差を生じさせ、その後前記開閉弁を開弁した後、所定のタイミングで前記排気弁を開弁させる制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 燃料ガスの供給口と排出口とに連なるアノードと酸化ガスの供給口と排出口とに連なるカソードを有する燃料電池と、
   前記燃料ガスの供給口に接続する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガスの排出口から前記燃料ガス供給流路に接続するガス循環流路と、
   前記ガス循環流路に設けられて前記燃料ガスの排出口から排出される流体を前記燃料ガス供給流路に吐出させる循環ポンプと、
   前記燃料ガスの排出口と前記循環ポンプとの間の前記ガス循環流路を開閉する開閉弁と、
   前記循環ポンプが吐出する流体を前記ガス循環流路から外部に排出する排気弁と、
   前記循環ポンプの作動量と前記開閉弁の開閉状態を制御することにより前記開閉弁前後の前記ガス循環流路中に圧力差を生じさせて前記燃料電池の内部の不純物を前記ガス還流路に移動させると共に、前記不純物が前記排気弁の近傍に移動したときに前記排気弁を開弁させる制御部と、
   を備える燃料電池システム。

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