JP2006073335A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で極間差圧を低減し、燃料電池膜の寿命向上を図ることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池２０に供給する燃料ガスの圧力を調節する複数の調圧装置３２ａ、３２ｂを直列に備えている。そして、複数の調圧装置３２ａ、３２ｂは燃料ガスの流量が増加するに伴って下流側の調圧装置３２ａからの吐出圧が上昇する。このような特性を示すことにより、空気極の流量対吐出圧特性と同様の特性となり、極間差圧を低減することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池に供給する燃料ガス圧力の調節に関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。この燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを用いて電気化学反応により電力を発生する。この発電に用いる燃料ガス（水素ガス）は、水素タンクなどの燃料貯蔵装置から取出された高圧の状態から、減圧調圧装置を介して減圧して燃料電池の燃料極に供給される。ところが、減圧調圧装置は流量が増加するに伴って吐出圧が低下する傾向にある。逆に流量が低下すると吐出圧が上昇する。このため、低流量の場合には空気極との差圧が大きくなり、燃料電池の寿命が短くなる原因となっている。

特開２００２−２２２６５８号公報は、燃料通路の調圧装置（レギュレータ）に、空気極の入口圧力をパイロット圧として入力することにより、空気極と燃料極の極間差圧の変動を少なくすることを開示している。
特開２００２−２２２６５８号公報（段落００３２等）

しかしながら、この従来技術においては、空気極圧力の導入機構を要するため部品点数が増加し、装置の複雑化、高コスト化を招くという問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、簡単な構成で極間差圧を低減し、燃料電池膜の寿命向上を図ることのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムにおいて、前記複数の調圧装置は、前記燃料ガスの供給流量が増加するに伴って下流側の調圧装置からの吐出圧が上昇するようになされている。このような特性を示すことにより、燃料極（アノード）と空気極（カソード）における反応ガスの流量対圧力（吐出圧）特性が近似して、極間差圧を低減することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、上記複数の調圧装置のうち上流側の調圧装置は、上記燃料ガスの流量が増加するに伴って吐出圧が低下する特性を有し、上記複数の調圧装置のうち下流側の調圧装置は、入力圧が低下するに伴って吐出圧が上昇する特性を有する。かかる特性を有する調圧装置を組み合わせることにより、極間差圧を生じにくい流量対吐出圧特性を得ることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムにおいて、上記複数の調圧装置のうち上流側の調圧装置は、吐出側圧力を当該上流側調圧装置のバランスポート室に導入する減圧調圧装置で構成され、上記複数の調圧装置のうち下流側の調圧装置は、入力側圧力を当該下流側調圧装置のバランスポート室に導入する減圧調圧装置で構成される。このような構成のものを組み合わせることにより、極間差圧を生じにくい流量対吐出圧特性を得ることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記上流側の調圧装置の吐出路にオリフィスを設けることが好ましい。オリフィスを設けることにより高流量における圧力損失を大きくすることができるので、下流側の調圧装置と組み合わせることにより極間差圧を生じにくい流量対吐出圧特性を得ることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムにおいて、上記複数の調圧装置のうち上流側の調圧装置は、上記燃料ガスの流量が増加するに伴って圧力損失が上昇するオリフィスで構成され、上記複数の調圧装置のうち下流側の調圧装置は、入力側圧力を当該下流側調圧装置のバランスポート室に導入する減圧調圧装置で構成される。圧力調節弁を備えないオリフィスのみでも、高流量における圧力損失を大きくすることができるので、下流側の調圧装置と組み合わせることにより極間差圧を生じにくい流量対吐出圧特性を得ることができる。

本発明によれば、簡単な構成で極間差圧を低減し、燃料電池膜の寿命向上を図ることのできる燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

＜１．第１実施形態の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る車両に適用された燃料電池システムを概略的に示す構成図である。

同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ１１、空気を加圧するコンプレッサ１２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器１３が設けられている。なお、エアフィルタには図示しない空気流量を検出するエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁１４及び加湿器１３の熱交換器が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）１４は燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０はコンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を調整する調圧装置（３２）としての低圧水素調圧弁３２ａ及び中圧水素調圧弁３２ｂ、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁３９、遮断弁３３及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。なお、本発明の調圧装置としての低圧水素調圧弁３２ａ及び中圧水素調圧弁３２ｂより上流には、高圧の燃料タンクから中圧水素調圧弁３２ｂが許容する圧力まで減圧する高圧水素調圧弁（図示せず）を更に備えていてもよい。また、中圧水素調圧弁３２ｂに代えて、中圧水素調圧弁３２ｂの２次側圧力特性と同等の圧力特性を有する高圧水素調圧弁を水素供給源３１に備えてもよい。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５のリリーフ弁３９の下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、燃料電池２０の出口側の水素循環路７６に設けられた遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁４０が設けられている。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁４０は燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。

水素循環路７６はパージ弁３８を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。パージ弁３８は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。

更に、燃料電池２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）２１、冷却水を加圧して循環させるポンプ２２及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。

＜２．調圧装置の構成＞
図２は、第１実施形態の燃料電池システムにおける上記調圧装置としての低圧水素調圧弁３２ａ及び中圧水素調圧弁３２ｂの断面を概略的に示す構成図である。

まず、中圧水素調圧弁３２ｂの構成について説明すると、当該調圧弁装置は弁ケーシング内へのガス流入口である１次側（入力側）ポート８１ｂと、弁ケーシングから外部へのガス流出口である２次側（吐出側）ポート８２ｂと、両ポートの中間に設けられ弁ケーシング内の空間を仕切る弁座８３ｂと、弁座に対して挿抜される弁棒８４ｂと、弁棒と一体に設けられ弁座８３ｂを塞ぐ弁体８５ｂと、弁棒８４ｂの一端に設けられ弁体８５ｂと連動するダイアフラム８６ｂと、上記弁体８５ｂが弁座８３ｂから離れる方向に弁棒８４ｂを付勢する調圧スプリング８７ｂと、を備えている。弁棒８４ｂの他端（ダイアフラム８６ｂと反対側）には、弁体８５ｂが弁座８３ｂに当接する方向に弁棒８４ｂを押し戻そうとするバランスポート室８８ｂが設けられている。バランスポート室８８ｂには２次側ポート８２ｂの圧力が導入されている。

かかる中圧水素調圧弁３２ｂの構成によれば、低流量の場合においては、２次側ポート８２の圧力が増加するため、調圧スプリング８７の付勢力に抗してダイアフラム８６が押し上げられ、弁体８５が弁座８３に押し付けられるため、結果として、２次側ポート８２の圧力が安定する。これに対し、中・高流量の場合では、低流量よりも流量が高くなるため、バルブ開口面積が大きくなるように動作し、弁体８５が弁座８３から、より離れた位置で安定し、２次側ポート８２の圧力が低下する。

更に、バランスポート室８８ｂに２次側ポート８２ｂの圧力が導入されているので、高流量の場合においては、２次側ポート８２ｂの圧力が増大すれば調圧スプリング８７ｂの付勢力に抗してダイアフラム８６ｂが押し上げられる他、バランスポート８８ｂ室にも圧力がかかるので、一層、弁体８５ｂが弁座８３ｂに押し付けられて圧力損失が発生し、２次側ポート８２ｂの圧力が一層低下する。これに対し、低流量の場合においては圧力損失が少ないので、低流量の場合と高流量の場合との２次側圧力差が大きくなっている。

このように低流量の場合と高流量の場合との２次側圧力差を大きくするためには、高流量における圧力損失を大きくすることが有効である。例えば調圧スプリング８７ｂのバネ定数を大きくし、ダイアフラム径を小さくし、弁体８５ｂの面積を小さくするなど、目的とする特性に応じてこれらの値を設計することが望ましい。また、２次側ポート８２ｂにオリフィス８９ｂを設けることによっても、高流量における圧力損失を高めることができるので好ましい。

なお、以下に説明する低圧水素調圧弁３２ａと異なり、中圧水素調圧弁３２ｂは、１次側ポート８１ｂの圧力をバランスポート８８ｂに導入していないので、１次側圧力に対する変動は小さく、１次側の圧力変動の影響を受けない構造となっている。

次に、低圧水素調圧弁３２ａの構成について説明すると、当該調圧弁装置は弁ケーシング内へのガス流入口である１次側（入力側）ポート８１ａと、弁ケーシングから外部へのガス流出口である２次側（吐出側）ポート８２ａと、両ポートの中間に設けられ弁ケーシング内の空間を仕切る弁座８３ａと、弁座に対して挿抜される弁棒８４ａと、弁棒と一体に設けられ弁座８３ａを塞ぐ弁体８５ａと、弁棒８４ａの一端に設けられ弁体８５ａと連動するダイアフラム８６ａと、上記弁体８５ａが弁座８３ａから離れる方向に弁棒８４ａを付勢する調圧スプリング８７ａと、を備えている。弁棒８４ａの他端（ダイアフラム８６ａと反対側）には、弁体８５ａが弁座８３ａに当接する方向に弁棒８４ａを押し戻そうとするバランスポート室８８ａが設けられている。バランスポート室８８ａには１次側ポート８１ａの圧力が導入されている。

かかる低圧水素調圧弁３２ａの構成によれば、低流量の場合においては、２次側ポート８２の圧力が増加するため、調圧スプリング８７の付勢力に抗してダイアフラム８６が押し上げられ、弁体８５が弁座８３に押し付けられるため、結果として、２次側ポート８２の圧力が安定する。これに対し、中・高流量の場合では、低流量よりも流量が高くなるため、バルブ開口面積が大きくなるように動作し、弁体８５が弁座８３から、より離れた位置で安定し、２次側ポート８２の圧力が低下する。

更に、バランスポート室８８ａに２次側ポート８２ａの圧力が導入されているので、高流量〜低流量いずれの場合においても、１次側ポート８１ａの圧力が高いときは弁体８５が弁座８３に押し戻されて圧力損失が発生し、２次側ポート８２ａの圧力が低くなる。そして、１次側ポート８１ａの圧力が低いときは２次側ポート８２ａの圧力が高くなる。低圧水素調圧弁３２ｂは、２次側ポート８２ａの圧力をバランスポート８８ｂに導入していないので、２次側圧力に対する変動は小さく、１次側の圧力変動の影響を受けない構造となっている。

＜３．調圧装置の特性＞
図３に、以上の低圧水素調圧弁３２ａ及び中圧水素調圧弁３２ｂの特性をまとめてグラフに示した。同図（ａ）に示す中圧水素調圧弁３２ｂの特性は、流量Ｑが高いときは座標Ｂに示すように２次側圧力が低く、流量Ｑが低くなるに従って座標Ａに示すように２次側圧力が高くなる。一方、同図（ｂ）に示す低圧水素調圧弁３２ａの特性は、１次側圧力をパラメータとする特性曲線群として示される。１次側圧力が低いときは曲線Ｌに示すように２次側圧力が高く、１次側圧力が高いときは曲線Ｈに示すように２次側圧力が低くなる。

これら低圧水素調圧弁３２ａと中圧水素調圧弁３２ｂの特性を併せ考えると、中圧水素調圧弁３２ｂの特性における座標Ｂの場合は、高い流量と低い２次圧力が低圧水素調圧弁３２ａの１次側に導入される。従って、中圧水素調圧弁３２ｂの特性における座標Ｂの場合は、低圧水素調圧弁３２ａの特性における座標Ｂの２次圧力が出力される。これに対し、中圧水素調圧弁３２ｂの特性における座標Ａの場合は、低い流量と高い２次圧力が低圧水素調圧弁３２ａの１次側に導入される。従って、中圧水素調圧弁３２ｂの特性における座標Ａの場合は、低圧水素調圧弁３２ａの特性における座標Ａの２次圧力が出力される。

図４に、以上のようにして低圧水素調圧弁３２ａと中圧水素調圧弁３２ｂの特性を組み合わせた結果を同図（ａ）に示す。座標Ａ、Ｂは中圧水素調圧弁及び低圧水素調圧弁の特性グラフにおける座標Ａ、Ｂに対応する。このように、本実施形態の燃料電池システムに設けられた水素調圧弁によれば、流量が大きくなるに従って２次側圧力が増大する特性を得ることができる。これにより、同図（ｂ）に示すように発電量に応じた水素流量・空気流量となり、低流量における空気極側との極間差圧が減少し、燃料電池の電解質膜の寿命向上を図ることができる。

＜４．第２実施形態＞
図５は、本発明の第２実施形態の燃料電池システムにおける調圧装置３２としての低圧水素調圧弁３２ａ及びオリフィス３２ｃの断面を概略的に示す構成図である。この調圧装置３２の部分を除き、第２実施形態の燃料電池システムの全体的な構成は図１で説明した第１実施形態と同一であるので説明を省略する。なお、図５において、図２と対応する部分には同一符号を付している。

図５の調圧装置は、第１実施形態における中圧水素調圧弁３２ｂの代わりにオリフィス３２ｃを有している。このオリフィス３２ｃにより高流量ほど大きな圧力損失を生じさせることができるので、高流量ほど低いガス圧を低圧水素調圧弁３２ａに入力することができる。その結果、このような構成によっても図４（ａ）に示したと同様の流量に応じて二次圧力が増加する特性を得ることができる。

＜５．第３実施形態＞
図６は、本発明の第３実施形態の燃料電池システムにおける一体化された調圧装置３２の断面を概略的に示す構成図である。この調圧装置３２の部分を除き、第３実施形態の燃料電池システムの全体的な構成は図１で説明した第１実施形態と同一であるので説明を省略する。なお、図６において、図２と対応する部分には同一符号を付している。

図６の調圧装置３２は、第１実施形態における低圧水素調圧弁３２ａと中圧水素調圧弁３２ｂとを構造的に一体化したものである。一体化することにより、配管接続を不要とし、装置容積を小型化することができる。また、ガスの経路を短くして制御の応答性を高めることができる。なお、第１実施形態と同様、第３実施形態における中圧水素調圧弁３２ｂの吐出口にオリフィスを設ける（図２、８９ｂ参照）こととしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおける低圧水素調圧弁３２ａ及び中圧水素調圧弁３２ｂの断面を概略的に示す構成図である。 同図（ａ）は中圧水素調圧弁３２ｂの流量対二次圧力特性を示すグラフである。同図（ｂ）は低圧水素調圧弁３２ａの流量対二次圧力特性を示すグラフである。 同図（ａ）は低圧水素調圧弁３２ａと中圧水素調圧弁３２ｂの特性を組み合わせた結果を示すグラフである。同図（ｂ）は発電量対水素供給圧特性及び発電量対エア供給圧特性を示すグラフである。 第２実施形態の燃料電池システムにおける低圧水素調圧弁３２ａ及びオリフィス３２ｃの断面を概略的に示す構成図である。 第３実施形態の燃料電池システムにおける一体化調圧装置の断面を概略的に示す構成図である。

符号の説明

２０ 燃料電池、３２ａ、３２ｂ 水素調圧弁、３２ｃ オリフィス、３３、３４、４１ 遮断弁、３５ 気液分離器、３７ 水素ポンプ、３８ パージ弁、４０ 逆流阻止弁、７１ 空気供給路、７２ 排気路、７４ 冷却路、７５ 燃料供給路、７６ 水素循環路、７７ パージ流路、８８ａ、８８ｂ バランスポート室、８１ａ，８１ｂ １次側ポート、８２ａ，８２ｂ ２次側ポート、８９ｂ オリフィス

Claims (5)

1. 燃料電池の燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムであって、
   前記複数の調圧装置は、前記燃料ガスの流量が増加するに伴って下流側の調圧装置からの吐出圧が上昇する、燃料電池システム。
2. 燃料電池の燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムであって、
   前記複数の調圧装置のうち上流側の調圧装置は、前記燃料ガスの流量が増加するに伴って吐出圧が低下する特性を有し、
   前記複数の調圧装置のうち下流側の調圧装置は、入力圧が低下するに伴って吐出圧が上昇する特性を有する、燃料電池システム。
3. 燃料電池の燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムであって、
   前記複数の調圧装置のうち上流側の調圧装置は、吐出側圧力を当該上流側調圧装置のバランスポート室に導入する減圧調圧装置で構成され、
   前記複数の調圧装置のうち下流側の調圧装置は、入力側圧力を当該下流側調圧装置のバランスポート室に導入する減圧調圧装置で構成される、燃料電池システム。
4. 請求項３において、
   前記上流側の調圧装置の吐出路にオリフィスを設けた、燃料電池システム。
5. 燃料電池の燃料ガス供給通路上に複数の調圧装置を直列に配置してなる燃料電池システムであって、
   前記複数の調圧装置のうち上流側の調圧装置は、前記燃料ガスの流量が増加するに伴って圧力損失が上昇するオリフィスで構成され、
   前記複数の調圧装置のうち下流側の調圧装置は、入力側圧力を当該下流側調圧装置のバランスポート室に導入する減圧調圧装置で構成される、燃料電池システム。
   
   
   

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