JP2005353523A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧を生じさせることなく、純水経路内の空気抜きに要する時間を短縮する。
【解決手段】システム起動時、コントローラ８が、バイパス経路６に純水が流れ、燃料電池側経路５には純水が流れないように三方弁７を制御する。このような構成によれば、燃料電池２内部の純水圧力を大気圧相当に保持した状態で、純水経路内の純水圧力を上げて純水経路内の空気抜きを速やかに行うことができるので、純水経路内の空気抜きに要する時間を短縮することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧を生じさせることなく、純水経路内の空気抜きに要する時間を短縮するための技術に係わる。

一般に、燃料電池内において空気，水素，及び純水の流体間に圧力差が生じると、反応膜が破損することがある。また、純水の圧力が他の流体の圧力より高い場合、純水が他の流体のチャネル内に流れ込み、水詰まりの原因になることがある。また逆に、純水の圧力が他の流体の圧力よりも低い場合には、水素等の他の流体が純水に溶け込んでしまうことがある。このような背景から、燃料電池を利用する際には、内部の流体の圧力がほぼ等しくなるように制御する必要性がある。

ところで、従来より、システム停止時に純水経路内の純水を凍結防止のため回収し、システム起動時に純水経路内に純水を再注入する燃料電池システムが知られており（例えば、特許文献１を参照）、このような燃料電池システムでは、純水経路内に純水を再注入する際、システム停止中に純水経路内に混入した空気を除去する空気抜き作業を行う。
特開２００３−１７３８０９号公報

しかしながら、上述の通り、燃料電池内部では空気，水素，及び純水の流体間に圧力差を設けることができないために、従来までの燃料電池システムによれば、高い純水圧力によって純水経路内に混入した空気を速やかに除去し、純水経路内の空気抜き作業を短時間で行うことができない。また、純水経路内の空気抜きが不十分であると、純水ポンプ内に空気が混入してしまい、純水ポンプが純水を吐出する能力が著しく低下してしまう。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧を生じさせることなく、純水経路内の空気抜きに要する時間を短縮することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を経由させて純水経路内に純水を循環させる燃料電池側経路と、燃料電池を迂回させて純水経路内に純水を循環させるバイパス経路と、燃料電池側経路とバイパス経路との間で純水の循環経路を切り替える切替弁とを備え、システム起動時には、純水がバイパス経路に流れるように切替弁を制御して純水経路内の空気を除去した後、純水が燃料電池側経路に流れるように切替弁を制御する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、システム起動時には燃料電池側に純水が流れないので、燃料電池内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧を生じさせることなく、純水経路内の空気抜きに要する時間を短縮することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、水素と空気を利用して発電する燃料電池２と、純水を貯留する純水タンク３と、純水タンク３内の純水を純水経路内で循環させる純水ポンプ４と、燃料電池２を経由させて純水を純水経路内で循環させる燃料電池側経路５と、燃料電池２を迂回させて純水を純水経路内で循環させるバイパス経路６と、燃料電池側経路５とバイパス経路６との間で純水の循環経路を切り替える三方弁７と、純水ポンプ４と三方弁７の動作を制御するコントローラ８とを主な構成要素として備える。

このような構成を有する燃料電池システム１では、システム停止時、コントローラ８が、純水の凍結防止のために純水経路内の純水を純水タンク３内に回収する。そして、システム起動時には、コントローラ８は、以下に示す純水注入処理を実行することにより、純水経路内の空気抜きを行いながら純水経路内に純水を再注入する。以下、図２に示すタイミングチャート図を参照して、本発明の第１の実施形態となる純水注入処理を実行する際のコントローラ８の動作について説明する。

〔純水注入処理〕
本発明の第１の実施形態となる純水注入処理は、図２に示す時間Ｔ＝Ｔ１のタイミングでシステムの起動命令がコントローラ８に入力されることで開始となり、始めに、コントローラ８は、純水がバイパス経路６に流れるように三方弁７の開度を保った状態で（図２（ｅ）参照）、純水ポンプ４の回転数を所定値まで上げ（図２（ｄ）参照）、純水の圧力を上げる（図２（ａ）参照）ことにより、燃料電池側経路５を除く純水経路内の空気抜きを行う。

次に、所定時間が経過し、純水経路内の空気抜きが完了した時間Ｔ＝Ｔ２のタイミングで、コントローラ８は、純水ポンプ４の回転数をゼロにして純水ポンプ４を停止した後（図２（ｄ）参照）、純水が燃料電池側経路５に流れるように三方弁７の開度を調整する。そして、純水が燃料電池側経路５に完全に流れるようになった時間Ｔ＝Ｔ３のタイミングで、コントローラ８は、純水ポンプ４の回転数を所定値まで上げる（図２（ｄ）参照）ことにより、燃料電池２内部に純水を注入する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システム１によれば、システム起動時、コントローラ８が、バイパス経路６に純水が流れ、燃料電池側経路５には純水が流れないように三方弁７を制御する。このような構成によれば、図２（ｃ）に示すように燃料電池２内部の純水圧力を大気圧相当に保持した状態で、純水経路内の純水圧力を上げて純水経路内の空気抜きを速やかに行うことができるので、純水経路内の空気抜きに要する時間を短縮することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、純水が燃料電池側経路５に流れるように三方弁７の開度を制御する際、コントローラ８が、純水ポンプ４を停止させる。このような構成によれば、図２（ｃ）に示すように純水経路内の純水圧力は大気圧相当値になるので、純水が燃料電池側経路５に流れるように三方弁７の開度を制御した際、燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧が生じることを防止できる。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システム１１は、上記第１の実施形態となる燃料電池システム１と同じ構成を有し、コントローラ８が、以下に示す純水注入処理を実行することにより、純水経路内の空気抜きを行いながら純水経路内に純水を再注入する。以下、図３に示すタイミングチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となる純水注入処理を実行する際のコントローラ８の動作について説明する。

本発明の第２の実施形態となる純水注入処理は、図３に示す時間Ｔ＝Ｔ１のタイミングでシステム起動命令がコントローラ８に入力されることで開始となり、始めに、コントローラ８は、純水がバイパス経路６に流れるように三方弁７の開度を保った状態で（図３（ｅ）参照）、純水ポンプ４の回転数を所定値まで上げ（図３（ｄ）参照）、純水の圧力を上げる（図３（ａ）参照）ことにより、燃料電池側経路５を除く純水経路内の空気抜きを行う。

次に、所定時間が経過し、純水経路内の空気抜きが完了した時間Ｔ＝Ｔ２のタイミングで、コントローラ８は、純水ポンプ４の回転数を所定値まで下げた後（図３（ｄ）参照）、燃料電池側経路５に純水が流れるように三方弁７の開度を調整する。なお、時間Ｔ＝Ｔ２のタイミングで設定する純水ポンプ４の回転数は、燃料電池側経路５に純水が流れるように三方弁７の開度を制御した際に、燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間の差圧が所定値以内になる回転数であり、実験やシミュレーションによって予め算出されている値とする。そして、燃料電池側経路５に純水が完全に流れるようになった時間Ｔ＝Ｔ３のタイミングで、コントローラ８は、純水ポンプ４の回転数を所定値まで上げる（図３（ｄ）参照）ことにより、燃料電池２内部に純水を注入する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システム１１によれば、純水経路内の空気抜きが完了し、燃料電池側経路５に純水が流れるように三方弁７の開度を制御する際、コントローラ８が、燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間の差圧が所定値以内になる回転数に純水ポンプ４の回転数を低下させる。このような構成によれば、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間の差圧が所定値以内になるので、純水が空気や水素のチャネル内に流れ出すことを防止できる。

本発明の第３の実施形態となる燃料電池システム２１は、図４に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システム１の構成に、燃料電池２の入口側純水圧力を検出する圧力センサ２２が加わった構成となっている。そして、このような構成を有する燃料電池システム２１では、コントローラ８が、以下に示す純水注入処理を実行することにより、空気抜きを行いながら純水経路内に純水を再注入する。以下、図５に示すタイミングチャートを参照して、本発明の第３の実施形態となる純水注入処理を実行する際のコントローラ８の動作について説明する。

本発明の第３の実施形態となる純水注入処理は、図５に示す時間Ｔ＝Ｔ１のタイミングでシステム起動命令がコントローラ８に入力されることで開始となり、始めに、コントローラ８が、バイパス経路６に純水が流れるように三方弁７の開度を保った状態で（図５（ｅ）参照）、純水ポンプ４の回転数を所定値まで上げ（図５（ｄ）参照）、純水の圧力を上げる（図５（ａ）参照）ことにより、燃料電池側経路５を除く純水経路内の空気抜きを行う。

次に、所定時間が経過し、純水経路内の空気抜きが完了した時間Ｔ＝Ｔ２のタイミングで、コントローラ８は、圧力センサ２２が検出した燃料電池２の入口側純水圧力を参照して、入口側純水圧力にならないように純水ポンプ４の回転数を下げながら（図５（ｂ），（ｄ）参照）、燃料電池側経路５に純水が流れるように三方弁７の開度を調整する。そして、燃料電池側経路５に純水が完全に流れるようになった時間Ｔ＝Ｔ３のタイミングで、コントローラ８は、純水ポンプ４の回転数を保持する（図５（ｄ）参照）。

以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる燃料電池システム２１によれば、コントローラ８が、燃料電池２の入口側純水圧力が所定値以上にならないように純水ポンプ４の回転数を低下させながら、燃料電池側経路５に純水が流れるように三方弁７の開度を調整するので、図５（ｂ），（ｃ）に示すように燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間の差圧を所定値以内に保ちながら、純水の循環経路をバイパス経路６から燃料電池側経路５に短時間で切り替えることができる。

本発明の第４の実施形態となる燃料電池システム３１は、図６に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システム１の構成に、純水経路内を流れる純水の導電率を検出する導電率センサと、純水経路内を流れる導電率を調整するイオンフィルタ３３が加わった構成となっている。そして、このような構成を有する燃料電池システム２１では、純水経路内を流れる純水の導電率が悪化した場合、コントローラ８が、バイパス経路６に純水が流れるように三方弁７の開度を制御した後、純水ポンプ４の回転数を上げることにより、イオンフィルタ３３を通過する純水の量を多くし、純水の導電率を調整する。このような構成によれば、燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧を生じさせることなく、純水経路内を流れる純水の導電率を速やかに改善することができる。

本発明の第５の実施形態となる燃料電池システム４１は、図７に示すように、上記第３の実施形態となる燃料電池システム２１の構成に、燃料電池２の出口側純水圧力を検出する圧力センサ４２が加わった構成となっている。そして、このような構成を有する燃料電池システム２１では、コントローラ８が、圧力センサ２２，４２の検出結果を参照して燃料電池２の入口側純水圧力と出口側純水圧力が所定値以下であるか否かを判別し、燃料電池２の入口側純水圧力と出口側純水圧力が所定値以下になった場合、バイパス経路６に純水が流れるように三方弁７の開度を制御した後、純水ポンプ４の回転数を上げて純水経路内の純水圧力を上げる。一般に、純水ポンプに空気が混入すると純水吐出圧が低くなり、純水の流量は減り、燃料電池２の出入口側圧力は小さくなる。従って、このような本発明の第５の実施形態となる燃料電池システム４１の構成によれば、純水経路内に空気が混入した場合、燃料電池２内の純水圧力と空気及び水素の圧力との間に差圧を生じさせることなく、純水経路内の純水圧力を上げ、純水に混入した空気を短時間で除去することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態となる純水注入処理の流れを説明するためのタイミングチャート図である。 本発明の第２の実施形態となる純水注入処理の流れを説明するためのタイミングチャート図である。 本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態となる純水注入処理の流れを説明するためのタイミングチャート図である。 本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：純水タンク
４：純水ポンプ
５：燃料電池側経路
６：バイパス経路
７：三方弁
８：コントローラ
２２，４２：圧力センサ
３２：導電率検出センサ
３３：イオンフィルタ

Claims (6)

1. システム停止時に純水経路内の純水を回収し、システム起動時には純水経路内に純水を注入する燃料電池システムにおいて、
   純水経路内に純水を圧送する純水ポンプと、
   燃料電池を経由させて純水経路内に純水を循環させる燃料電池側経路と、
   燃料電池を迂回させて純水経路内に純水を循環させるバイパス経路と、
   燃料電池側経路とバイパス経路との間で純水の循環経路を切り替える切替弁と、
   純水ポンプ及び切替弁の動作を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、システム起動時、純水がバイパス経路に流れるように切替弁を制御して純水経路内の空気を除去した後、純水が燃料電池側経路に流れるように切替弁を制御すること
   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であって、
   前記コントローラは、純水ポンプを停止させた後、純水が燃料電池側経路に流れるように切替弁を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記コントローラは、純水ポンプの回転数を所定値まで低下させた後、純水が燃料電池側経路に流れるように切替弁を制御することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の入口側純水圧力を検出する入口側純水圧力検出手段を備え、
   前記コントローラは、純水が燃料電池側経路に流れるように切替弁を制御する際、入口側純水圧力検出手段の検出結果を参照して、燃料電池の入口側純水圧力が所定値以下になるように純水ポンプの回転数を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   純水経路内を流れる純水の導電率を検出する導電率検出手段と、
   純水経路内を流れる純水の導電率を調整する導電率調整手段とを備え、
   前記コントローラは、導電率検出手段の検出結果を参照して、純水経路内を流れる純水の導電率が所定値以上であるか否かを判別し、純水の導電率が所定値以上である場合、純水がバイパス経路に流れるように切替弁を制御した後、純水ポンプの回転数を上昇させること
   を特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の入口側純水圧力及び出口側純水圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記コントローラは、圧力検出手段の検出結果を参照して燃料電池の入口側純水圧力及び出口側純水圧力が所定値以下であるか否かを判別し、燃料電池の入口側純水圧力及び出口側純水圧力が所定値以下である場合、純水がバイパス経路に流れるように切替弁を制御した後、純水ポンプの回転数を上昇させること
   を特徴とする燃料電池システム。

Images