JP2005332676A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 構成部品を増大することなく、第１水素流路と第２水素流の合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止する。
【解決手段】 燃料電池システムであって、水素源からのアノードガスを燃料電池本体へ供給する第１流路と、前記燃料電池本体から排出されるアノードオフガスを気液分離器を介して前記第１水素流路に合流させる第２流路と、を含む水素循環系流路と、前記気液分離器によって分離されずに前記水素循環系流路に循環される水分量を増大させる循環水分量増大手段と、を備える。前記循環水分量増大手段は、前記燃料電池本体のカソード側からアノード側への水分透過量を増大させる水分透過量増大手段である。前記循環水分量増大手段は、前記気液分離器による水分分離度合いを低減する分離度合い低減手段である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素源からのアノードガスを燃料電池本体へ供給する第１流路と燃料電池本体から排出されるアノードオフガスをその第１流路に合流させる第２流路とを含む水素循環系流路を備える燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムの分野においては、水素源からのアノードガス（水素）を燃料電池本体へ供給する第１流路と燃料電池本体から排出されるアノードオフガスをその第１流路に合流させる第２流路とを含む水素循環系流路を備える燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

このような燃料電池システムにおいては、水素源である水素タンクなどからのアノードガスが燃料電池本体へ供給されるが、外気温氷点下時などで供給水素の温度が低く、スタックのアノードガスもまだ低い場合には、その合流部（あるいはその合流部付近）において結露あるいは凍結が生ずることがある。しかしながら、従来、その合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止するための着想については提案されていなかった。なお、この従来技術においては、気液分離器で分離された温水を貯蔵して熱源とする技術を開示するが、そのために別途貯蔵器を設けることが必要になることから、構成部品が増大するという問題がある。

なお、本発明に関連すると考えられるものとして、気液分離器内圧コントロールによる気液分離器温度制御、高温による回収水の沸騰防止に関するもの（例えば特許文献２参照）や、低温時、水素循環系内の燃料濃度をＵＰさせるもの（例えば特許文献３参照）がある。
特開２００３−２７２６８７号公報 特開平６−１７６７７８号公報 特表２００３−５２０３９９号公報

本発明の課題は、構成部品を増大することなく、第１流路と第２流路の合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止するための技術を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムであって、水素源からのアノードガスを燃料電池本体へ供給する第１流路と、前記燃料電池本体から排出されるアノードオフガスを気液分離器を介して前記第１水素流路に合流させる第２流路と、を含む水素循環系流路と、前記気液分離器によって分離されずに前記水素循環系流路に循環される水分量を増大させる循環水分量増大手段と、を備える構成とした。

本発明によれば、前記気液分離器によって分離されずに前記水素循環系流路に循環される水分量を増大させる循環水分量増大手段を備えている。前記水素循環系流路に循環される水分は、燃料電池本体（各セル）の発熱に応じた熱量を受けて比較的高温に達する。

従って、この循環される水分量を増大させることで、第１流路と第２流路の合流部（あるいはその合流部付近）により多くの熱量を供給することが可能となり、これにより、構
成部品を増大することなく、第１流路と第２流路の合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記循環水分量増大手段は、前記燃料電池本体のカソードへの水分透過量を増大させる水分透過量増大手段である。

これは、循環水分量増大手段の一例である。従って、本発明の循環水分量増大手段はこれに限定されることがなく、他の手段を循環水分量増大手段とすることが可能である。例えば、前記気液分離器による水分分離度合いを低減する分離度合い低減手段を、循環水分量増大手段としてもよい。

上記燃料電池システムにおいては、例えば、前記燃料電池本体の温度が所定温度以下であるか否かを判断する低温判断手段と、前記低温判断手段によって前記燃料電池本体の温度が所定温度以下であると判断された場合に、前記循環水分量増大手段によって前記水素循環系流路に循環される水分量を前記燃料電池本体の温度が所定温度より高い場合に比較して増大させる低温時水分増大手段と、を備える。

これは、増大の一例を示したものである。従って、本発明の増大とは他の対象と比較して増大させるものであってもよい。

本発明によれば、構成部品を増大することなく、第１水素流路と第２水素流の合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施形態である燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、不図示の水素タンク（本発明の水素源に相当）からのアノードガスを循環させる水素循環系流路１を備えている。

この水素循環系流路１は、水素源からのアノードガス（水素）を燃料電池本体（図中スタックを例示）４へ供給する第１水素流路５と、その燃料電池本体４から排出されるアノードオフガス（燃料電池本体４の空気極側で生成され燃料極側へ透過する水分を含む）を気液分離器６を介して第１水素流路５に合流させる第２水素流路７と、を含む。

燃料電池本体４においては、第１水素流路５を介して供給されるアノードガスや空気循環系（図示せず）を介して供給される酸化剤である空気が反応することで発電する。燃料電池本体４から排出されるアノードオフガスは第２水素流路７を介して第１水素流路５に合流し、再度燃料電池本体４へ供給される。このようにして、水素源からのアノードガスが水素循環系流路１を循環するようになっている。

次に、水素循環系流路１を構成する要素について説明する。

調圧弁２は、水素タンクから供給されるアノードガス圧を減圧調圧できるように構成されている。

循環装置３は、アノードガスを循環させるための装置であり、例えば、エゼクタ、水素ポンプなどの、アノードガスを循環させることができるものを適用可能である。第１水素
流路５と第２水素流路７は、循環装置３内部において合流する。例えば、第１水素流路５及び第２水素流路７が配管である場合には、循環装置３内部において両配管がＴ字状に接合される。あるいは、第１水素流路５が配管で、第２水素流路７がインジェクタである場合には、循環装置３内部において配管内にインジェクタを突出させて接合される。なお、循環装置３においては、水素源からのアノードガス及び燃料電池本体４から排出されるアノードオフガスが流入しその合流部において混合され、下流に配置された燃料電池本体４に供給される。

燃料電池本体４は、複数のセル（単電池あるいは単セルともいう）を直列に積層して構成されるスタックと、その積層された各セルを冷却するための冷却水（冷媒とも呼ばれる）流路と、冷却水流路に冷却水を循環させる冷却水ポンプなどを備える（いずれも図示せず）、いわゆる高分子電解質型燃料電池である。セルは、セパレータ、ＭＥＡ(membrane electrode assembly)、及びセパレータを積層して構成される。セルにおいては、各カソ
ード流路と各アノード流路に水素などの燃料であるアノードガスと酸化剤である空気などのカソードガスが供給されＭＥＡにおいて反応することで発電する。各セルはそのセパレータを他のセルのセパレータに向き合わせた状態で積層される。この積層された各セルが上記反応により発熱することから、各セルを冷却する目的で各セル間に冷却水流路が設けられる。

気液分離器６は燃料電池本体４から排出されるアノードオフガスから気液を分離するためのものであり、気液分離率を変化させられるものを適用可能である。気液分離器６には分離後の気液を排出（排水）するために排出弁８が接続されている。排出弁８はこれに接続されているＥＣＵなどの制御装置１０により開閉制御（例えば排水する頻度が長くなるように制御）されることで排水量が調整され、これにより、水素循環系流路１外へ排出される水分量が減少することから、水素循環系流路１に循環される水分量を増大させることが可能となっている。水素循環系流路１に循環される水分は、各セルが上記反応により発熱することから、その発熱に応じた熱量を受けて比較的高温に達している。従って、水素循環系流路１に循環される水分量を増大させることで、第１水素流路５と第２水素流路７の合流部（あるいはその合流部付近）により多くの熱量を供給し、これにより、その合流部（あるいはその合流部付近）おいて生ずる結露あるいは凍結を防止することが可能となっている。

温度センサ９は、水素循環装置３に供給する水素の温度を検知する（又は推定する）ためのものである。なお、温度センサ９は、（水素流量と外気温センサ）、（電流値と外気温センサ）であってもよい。また、水素出口温度の検知は、冷却水温度センサで行ってもよい。

次に、上記構成の燃料電池システムにおいて水素循環系流路１に循環される水分量を増大させるための処理（本発明の循環水分量増大手段に相当）について説明する。

まず、外気温、燃料電池出力、冷却水温度から、凍結危険領域にいるかどうかの判断、いわゆる凍結判断を行う（Ｓ１０）。凍結判断の方法としてはいくつか考えられる。

第１に、外気温が規定値以下、かつ、燃料電池本体入口水温が規定値以下である場合に、凍結危険領域にいると判定することが考えられる。第２に、外気温が規定値以下、かつ、燃料電池本体出口水温が規定値以下である場合に、凍結危険領域にいると判定することも考えられる。第３に、外気温が規定値以下、かつ、起動からの電流の積算値が規定値以下である場合に、凍結危険領域にいると判定することも考えられる。第４に、外気温が規定値以下、かつ、燃料電池本体４の水素出口温度が規定値以下の場合に、凍結危険領域にいると判定することも考えられる。第５に、燃料電池本体からの出力が上限以上、かつ、
上記第１〜第４のいずれかのの場合に、凍結危険領域にいると判定することも考えられる。なお、外気温や燃料電池本体の水素出口温度などについては例えば温度センサ９からの出力によって制御装置１０が算出（又は推定）することが考えられる。

その結果、凍結危険領域にいると判定されないと（Ｓ１０：Ｎｏ）、以後の処理を行わずに処理を終了する（Ｓ１３）。

一方、凍結危険領域にいると判定されると（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、制御装置１０は、気液分離器６の排水能力を減少させる（Ｓ１１）。例えば、制御装置１０は、気液分離器６から排水する頻度が長くなるように（つまり、気液分離器に６よる水分分離度合いを低減するように）排出弁８を制御する（本発明の分離度合い低減手段に相当）。これにより、水素循環系流路１外へ排出される水分量が減少することから、水素循環系流路１に循環される水分量を増大させることが可能となっている。水素循環系流路１に循環される水分は、各セルが上記反応により発熱することから、その発熱に応じた熱量を受けて比較的高温に達している。従って、水素循環系流路１に循環される水分量を増大させることで、第１水素流路と第２水素流の合流部（あるいはその合流部付近）により多くの熱量を供給し、これにより、その合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止することが可能となっている。

次に、制御装置１０は、気液分離器６への投入液体量（水分量）を増加させる（Ｓ１２）。このように、気液分離器６への投入液体量を増加させること、すなわち水素循環系流路１に循環される水分量を増大させることで、第１水素流路５と第２水素流路７の合流部（あるいはその合流部付近）により多くの熱量を供給し、これにより、その合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結をより有効に防止することが可能となる。

気液分離器６への投入液体量を増加させる方法としてはいくつか考えられる。

第１に、各セルに対応する冷却水流路の温度を高温化することが考えられる。例えば、不図示の冷却水循環系に包含される冷却ファン（例えば回転数を落とす又は回転を停止させる）や冷却水循環ポンプ（例えば作動を停止させる）などを制御装置１０で制御する。これにより、各セルに対応する冷却水流路の温度が高温化することで、（燃料電池の設計にもよるが）燃料極における水分蒸発量が増加する。従って、燃料電池本体４から排出されるアノードオフガスに含まれる水分量も増大することから、気液分離器６への投入液体量を増加させることが可能となる。

第２に、カソードストイキを低減することが考えられる。例えば、不図示の冷却水循環系に包含されるエアコンプレッサなどを制御装置１０で制御して空気の流量を減らす。これにより、不図示の空気循環系の空気出口から流出する水分量が減少する。従って、空気極で発生し燃料極側に透過する水分量が増大することから、気液分離器６への投入液体量を増加させることが可能となる（本発明の水分透過量増大手段に相当）。なお、アノードストイキを上げる制御をすることも考えられる。

第３に、カソード作動圧を上げることが考えられる。例えば、不図示の空気循環系の空気調圧弁などを制御装置１０で制御して流路をしぼる。これにより、（燃料電池の設計にもよるが）不図示の空気循環系の空気出口から流出する水分量が減少する。従って、空気極で発生し燃料極側に透過する水分量が増大することから、気液分離器６への投入液体量を増加させることが可能となる（本発明の水分透過量増大手段に相当）。

第４に、水素の作動圧を上げることが考えられる。例えば、調圧弁２を制御装置１０で
制御する。これにより、燃料極側における水蒸気と液体の量の比率が変わるので液体の量が増加する。従って、気液分離器６への投入液体量を増加させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、水素循環系流路１に循環される水分量を増大させるように制御することで、第１水素流路５と第２水素流路７の合流部（あるいはその合流部付近）により多くの熱量を供給し、これにより、その合流部（あるいはその合流部付近）おいて生ずる結露あるいは凍結をより有効に防止することが可能となる。そのために新たな構成部品が増大することがない。

また、気液分離器への投入液体量を増加させる手段のうち上記第２及び第３において説明した例は、捨てる熱量自体を低減することから、燃料電池システムの昇温速度自体を向上させることが可能となる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。このため、上記の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明が限定的に解釈されるものではない。

本発明によれば、構成部品を増大することなく、第１水素流路と第２水素流の合流部（あるいはその合流部付近）において生ずる結露あるいは凍結を防止することが可能となる。

本発明の実施形態である燃料電池システムの概略構成を説明するための図である。 本発明の実施形態である燃料電池システムにおける動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 水素循環系流路
２ 調圧弁
３ 循環装置
４ 燃料電池本体（スタック）
５ 第１水素流路
６ 気液分離器
７ 第２水素流路
８ 排出弁
９ 温度センサ
１０ 制御装置（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 水素源からのアノードガスを燃料電池本体へ供給する第１流路と、前記燃料電池本体から排出されるアノードオフガスを気液分離器を介して前記第１水素流路に合流させる第２流路と、を含む水素循環系流路と、
   前記気液分離器によって分離されずに前記水素循環系流路に循環される水分量を増大させる循環水分量増大手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記循環水分量増大手段は、前記燃料電池本体のカソード側からアノード側への水分透過量を増大させる水分透過量増大手段である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環水分量増大手段は、前記気液分離器による水分分離度合いを低減する分離度合い低減手段である請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池本体の温度が所定温度以下であるか否かを判断する低温判断手段と、
   前記低温判断手段によって前記燃料電池本体の温度が所定温度以下であると判断された場合に、前記循環水分量増大手段によって前記水素循環系流路に循環される水分量を前記燃料電池本体の温度が所定温度より高い場合に比較して増大させる低温時水分増大手段と、
   を備える請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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