JP2006073444A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない電力でコンプレッサを駆動して掃気処理することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池ＦＣとコンプレッサ５との間には、サブタンク１０と流量増幅ノズル２０とを備える流路９が設けられている。通常発電時には、サブタンク１０にコンプレッサ５からの圧縮空気が充填される。通常発電から掃気処理に切り替えられると、第３バルブ１５が閉じられ、第１バルブ１２および第２バルブ１３が開けられて、サブタンク１０から低流量の圧縮空気が流量増幅ノズル２０に供給される。この流量増幅ノズル２０では、大流量の空気となって燃料電池ＦＣに供給される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池システムに係り、特に低温起動時の始動性を改善することができる燃料電池システムに関する。

固体高分子型の燃料電池では、アノード極に水素が、カソード極に空気（酸素）がそれぞれ供給されると、電気化学反応により発電が行われ、この発電によって水が生成される。また、燃料電池内には、加湿器によって加湿された空気に含まれる凝縮水なども存在している。このように燃料電池内に多量の水が存在している状態で、氷点下となる環境条件で使用すると、発電停止後に燃料電池内の残留水（生成水、凝縮水など）が凍結することがあり、これにより燃料電池内のアノード極とカソード極との間に設けられた高分子電解質膜が破損するなどの不具合を生じるおそれがある。そこで、このような不具合を防止するために、発電の停止要求が出されたときに燃料電池内に大量の空気を供給して燃料電池内の残留水を除去する処理（掃気処理）が行われる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１１１１９６号公報（段落００１９、図１）

しかし、従来の燃料電池システムでは、特にカソード極側で、生成水や凝縮水など多量の残留水が存在するため、燃料電池内に空気を大量に送り込んで残留水を除去する必要がある。このため、消費電力の大きなコンプレッサなどを駆動して掃気処理しなければならず、燃料電池システムに２次電源用として搭載されているバッテリまたはキャパシタに蓄積されている電力が過大に消費されてしまう問題がある。このように大きな電力が必要になるため、バッテリやキャパシタが大型化するという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、少ない消費電力で掃気処理を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記酸化剤を圧縮して前記燃料電池に供給するコンプレッサと、圧縮された前記酸化剤が供給されることにより、出力する前記酸化剤の流量を増大させる流量増大手段とを備え、前記燃料電池の停止時に、圧縮された前記酸化剤を前記流量増大手段を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を掃気することを特徴とする。

前記本発明によれば、圧縮された酸化剤を流量増大手段に導入することで、少ない酸化剤の供給量で大きい流量の酸化剤を燃料電池に供給することが可能になるので、コンプレッサを駆動するのに必要な電力を低減することができる。

また、前記コンプレッサから供給されて圧縮された前記酸化剤を蓄積する蓄積手段をさらに備え、前記燃料電池の停止時に、少なくとも前記蓄積手段に蓄積されている前記酸化剤を前記流量増大手段を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を掃気する構成にしてもよい。

この構成によれば、蓄積手段のみから流量増大手段に圧縮された酸化剤を供給した場合には、掃気処理する際の消費電力、すなわちコンプレッサが必要とする電力をゼロにできる。また、コンプレッサから圧縮された酸化剤を少ない流量で供給した場合には、コンプレッサが必要とする電力を低減できる。

本発明によれば、少ない消費電力で掃気処理を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。

図１は第１実施形態の燃料電池システムにおける通常発電時の状態を示す全体構成図、図２は第１実施形態の燃料電池システムにおける掃気処理時の状態を示す全体構成図、図３は流量増幅ノズルを示す断面図、図４は第１実施形態の燃料電池システムでの掃気処理を示すフローチャートである。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣと、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣに供給する水素供給装置２と、酸化剤としての空気（酸素）を燃料電池ＦＣに供給する空気供給装置４とを備えている。なお、以下では、燃料電池システム１Ａを車両に搭載した場合について説明するが、車両に搭載されるものに限定されず、船舶などの他の乗り物や定置式の燃料電池システムなどにも適用できる。

前記燃料電池ＦＣは、イオン導伝性を有する固体高分子電解質膜の一面側を触媒を含むアノード極（水素極）で、他面側を触媒を含むカソード極（酸素極）で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両面を導電性のセパレータで挟んだ単セルが、厚み方向に複数積層された構造をしている。このセパレータには、アノード極に対向する面に水素の流路、カソード極に対向する面に空気の流路、さらに冷却媒体の流路がそれぞれ形成されており、セパレータの各流路には、水素供給装置２から水素が、空気供給装置４から空気が、および図示しない冷却媒体循環装置から冷却媒体が、それぞれ互いに交じり合わないように供給される。

前記水素供給装置２は、図示しない電磁作動の遮断弁を備えて高純度の水素が充填された高圧水素タンク３の他に、この高圧水素タンク３から供給される水素の圧力を調整する圧力調整弁、水素を再循環して使用するためのエゼクタ、水素を加湿するための加湿器（いずれも図示せず）などで構成されている。

前記空気供給装置４は、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池ＦＣに供給するコンプレッサ５、このコンプレッサ５から供給された圧縮空気を冷却するインタークーラ６、このインタークーラ６で冷却された圧縮空気を加湿する加湿器７などで構成されている。

前記燃料電池システム１Ａには、燃料電池ＦＣとコンプレッサ５との間に形成された流路８に、別の流路９がインタークーラ６および加湿器７を迂回するように設けられている。流路９には、コンプレッサ５から導入された圧縮空気を蓄積するサブタンク１０と、流量増大手段として機能する流量増幅ノズル２０と、サブタンク１０からの圧縮空気の逆流を防止する逆止弁１１と、開閉可能な第１バルブ１２および第２バルブ１３と、圧力調整弁１４とが設けられている。逆止弁１１は、サブタンク１０の上流側に、第１バルブ１２は、サブタンク１０と流量増幅ノズル２０との間に、第２バルブ１３は、流量増幅ノズル２０の下流側に、圧力調整弁１４は、流量増幅ノズル２０と第２バルブ１３との間に、それぞれ設けられている。そして、流路８と流路９とが分岐する分岐点８ａと、流路８と流路９とが合流する合流点８ｂとの間の流路８には、インタークーラ６の上流側に第３バルブ１５が設けられている。

また、前記燃料電池システム１Ａには、ＣＰＵやメモリなどで構成された制御装置３０が設けられている。この制御装置３０は、水素供給装置２に設けられた図示しない圧力調整弁の開度、コンプレッサ５のモータの出力、第１〜第３バルブ１２，１３，１５の開閉操作、圧力調整弁１４の開度などを制御できるようになっている。また、制御装置３０は、燃料電池ＦＣのカソード側の入口と出口にそれぞれ設けられた圧力センサ３１，３２により検知された検出値を取得できるようになっている。

本実施形態では、水素供給装置２から燃料電池ＦＣのアノード極に水素が、空気供給装置４から燃料電池ＦＣのカソード極に空気（酸素）がそれぞれ供給されると、アノード極では触媒の作用により水素イオンが生成され、この水素イオンが固体高分子電解質膜を介してカソード極に移動する。そして、アノード極では、水素イオンが生成される際に電子が発生して、この電子がコンプレッサ５や走行モータ（図示せず）などの外部負荷を介してカソード極に移動する。カソード極に移動した水素イオンと電子は、カソード極の触媒の作用により空気中の酸素と反応して、発電が行われ、同時に水が生成される。なお、このような燃料電池システム１Ａでは、燃料電池ＦＣから発電電流を取り出す操作を行ってはじめて水素と酸素との反応が進行する。また、発電時の生成水は、燃料電池ＦＣから排出されて前記加湿器７に供給され、この加湿器７においてコンプレッサ５から供給された乾燥した空気を加湿するようになっている。

図３に示すように、流量増幅ノズル２０は、円筒形状のバルブ本体２１を有し、このバルブ本体２１の上端部に外部の空気を取り込む取込口２２と、バルブ本体２１の下端部に空気を排出する排出口２３が設けられている。また、バルブ本体２１には、その側面に前記サブタンク１０（図１参照）から供給された圧縮空気をバルブ本体２１内に導入するためのリング状の導入路２４が形成されている。また、導入路２４の上縁部には、図３の下方へ向けて吐出させる微小隙間の吹出口２５が形成されている。

前記流量増幅ノズル２０では、導入路２４にサブタンク１０から圧縮空気が供給されると、この圧縮空気が高速度で吹出口２５からバルブ本体２１の内周面に沿って下方の排出口２３に向かって吹き出す。このとき、バルブ本体２１内において一点鎖線で示す領域Ｑが負圧に設定されるので、バルブ本体２１の上部の取込口２２から空気が引き込まれる。このようにして、少ない流量の圧縮空気を流量増幅ノズル２０に供給することによって、排出口２３から大きな流量の空気を取り出すことができ、大流量の空気を燃料電池ＦＣに供給することができるようになる。

次に、第１実施形態の燃料電池システムの動作について図４を参照して説明する（適宜、図１および図２を参照）。なお、図４では、ステップ１，２，・・・を、Ｓ１，Ｓ２，・・・と略記して図示している。

図４に示すように、起動スイッチをＯＮ（例えば、イグニッションスイッチをオン）にすると（ステップ１）、コンプレッサ５のモータが回転駆動を開始し、高圧水素タンク３の図示しない遮断弁が開になる。これにより、水素供給装置２からは水素が、空気供給装置４からは空気が燃料電池ＦＣにそれぞれ供給され、燃料電池ＦＣの通常発電が開始される（ステップ２）。本実施形態の燃料電池システム１Ａは、この通常発電時に、図１に示すように、制御装置３０からの所定の制御信号によって、第１バルブ１２および第２バルブ１３が閉じられ、第３バルブ１５が開かれるように制御されている。したがって、コンプレッサ５から供給された圧縮空気は、流路８を通って、インタークーラ６で所定の温度に冷却され、加湿器７で所定の湿度に加湿されて、燃料電池ＦＣのカソード極に供給される。また、通常発電時にコンプレッサ５から供給された圧縮空気は、流路８の分岐点８ａから流路９に流れて、サブタンク１０に圧縮空気が蓄積される。なお、サブタンク１０は、満タンに充填されるとそれ以上充填されることはない。

次に、本実施形態の燃料電池システム１Ａの停止時における動作を説明する。ステップ３において、起動スイッチがＯＦＦに切り替えられると、燃料電池ＦＣ内に残留している水を除去するための掃気処理が開始される。まず、ステップ４において、コンプレッサ５のモータの回転が停止するように制御される。これにより、コンプレッサ５での電力消費がなくなる。そして、ステップ５で、第３バルブ１５を閉じるように、そしてステップ６で、第１バルブ１２および第２バルブ１３を開くように、それぞれ制御される（図２参照）。この一連の制御により、図２に示すように、サブタンク１０から少ない流量の圧縮空気が流量増幅ノズル２０に向けて供給されるが、流量増幅ノズル２０において、前記した取込口２２から外気（空気）が引き込まれるので、サブタンク１０から供給された流量を超える大流量の空気が、圧力調整弁１４および第２バルブ１３を通って燃料電池ＦＣに供給される。なお、サブタンク１０から供給される空気の圧力は、流量増幅ノズル２０により低下するが、それでもなお大きな圧力を有している場合があることから、過大な圧力（或いは流量）の空気が燃料電池ＦＣのセパレータや電極などに当って不具合が発生するのを防止するため、流量増幅ノズル２０の下流側に圧力調整弁１４を設けて、流量増幅ノズル２０から排出される空気の圧力（或いは流量）を調整できるようになっている。

そして、ステップ７に移行して、掃気処理が完了したか否かが確認される。ステップ７において、掃気処理が完了していないと判断されたときには（Ｎｏ）、この判断を繰り返す。この掃気処理完了の確認は、例えば、図２に示すように、圧力センサ３１，３２で検出された検出値をそれぞれ制御装置３０で監視することにより行われる。すなわち、燃料電池ＦＣ内の流路が残留水によって阻害されている場合には、互いの圧力センサ３１と圧力センサ３２との圧力差が大きくなり、また、残留水が燃料電池ＦＣ内から排出された場合には、前記圧力差が予め設定された所定値で安定するようになる。したがって、圧力センサ３１と圧力センサ３２の圧力差が前記所定値に至ったときに、燃料電池ＦＣ内の残留水が除去されて掃気処理が完了したと判断して（Ｙｅｓ）、ステップ８において、第１バルブ１２および第２バルブ１３を閉じて、第３バルブ１５を開くように制御して処理を終了する。

なお、掃気処理の完了の判断は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、制御装置３０にタイマーを設定しておき、このタイマーによって所定時間が経過したと判断したときに掃気処理が完了したと判断するようにしてもよい。あるいは、圧力センサに代えて、流量計を燃料電池ＦＣの入口側または出口側に設ける構成にしてもよい。流量計の場合には、残留水が除去されたときに通常の流量に設定される。

このように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、掃気処理する際にコンプレッサ５を完全に停止して、サブタンク１０に蓄積された圧縮空気のみで掃気処理することができるので、コンプレッサ５を駆動する必要がなくなり、コンプレッサ５に必要な電力をゼロにできる。しかも、流量増幅ノズル２０により、燃料電池ＦＣに供給できる空気の流量を、サブタンク１０から供給される空気の量よりも多くすることができる。よって、少ない消費電力ながら確実に掃気処理を行うことができる燃料電池システム１Ａとなる。さらに、燃料電池システム１Ａに搭載される２次電源としてのバッテリまたはキャパシタの電力を無駄に消費することがなくなる。その結果、バッテリなどを電気容量の小さいものにできるので、２次電源装置の小型化を図ることが可能になる。

図５は、第１実施形態の燃料電池システムでの別の掃気処理を示すフローチャートである。この処理は、掃気処理時にコンプレッサ５を停止させずにモータ出力を低減した状態で圧縮空気を供給し、流量の不足分を補うアシスト的な処理である。なお、図５におけるステップ１１，１２は、図４に示すステップ１，２と同様であるのでその説明を省略する。

ステップ１３において、起動スイッチがオフに切り替えられると、コンプレッサ５のモータの回転速度を低減するように制御される（ステップ１４）。そして、ステップ１５で、第３バルブ１５を閉じずに第１バルブ１２および第２バルブ１３を開く。この制御により、コンプレッサ５から流路８を通る圧縮空気と、サブタンク１０から流量増幅ノズル２０を介して流量が増幅された空気とが合わされて、大流量の空気が燃料電池ＦＣに供給される。それ以降のステップ１６，１７は、図４に示すステップ７，８と同様にして制御される。なお、コンプレッサ５から流路８に流れる圧縮空気は、加湿器７を損傷しない程度の低温の空気となるように設定することが好ましい。

図５に示す掃気処理では、掃気処理時の空気流量を低下させずにコンプレッサ５の出力を低減することができるので、掃気処理時にコンプレッサ５に必要な電力を低減することが可能になる。

〔第２実施形態〕
図６は第２実施形態の燃料電池システムにおける通常発電時の状態を示す全体構成図、図７は第２実施形態の燃料電池システムにおける掃気処理時の状態を示す全体構成図である。なお、この第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、前記燃料電池システム１Ａからサブタンク１０と逆止弁１１とを取り除いた構成であり、その他の構成は燃料電池システム１Ａと同様であるので、燃料電池システム１Ｂの構成についての説明はすべて省略する。

この燃料電池システム１Ｂでは、図４に示す掃気処理のフローチャートに基づいて制御することができる。ただし、この場合の掃気処理では、図４に示すステップ４において、コンプレッサ５のモータの回転出力が減少するように制御される。

前記燃料電池システム１Ｂでは、起動スイッチがオンになって通常発電が開始されると、図６に示すように、第３バルブ１５のみが開いているので、コンプレッサ５から供給された圧縮空気が流路８を通って燃料電池ＦＣに供給される。起動スイッチがオフに切り替えられると、コンプレッサ５のモータの回転出力が減少するように制御されて、図７に示すように、第３バルブ１５が閉じられ、第１バルブ１２および第２バルブ１３が開かれて、少ない流量の圧縮空気が流路９を通って、流量増幅ノズル２０を介して大きな流量の空気となって燃料電池ＦＣに供給できるようになる。

なお、前記燃料電池システム１Ｂでは、図５に示すフローチャートに基づいて制御されてもよい。この場合には、起動スイッチがオフに設定されたときに、コンプレッサ５から供給された圧縮空気を流路８と流路９に供給することにより、燃料電池ＦＣに供給される空気の流量を増大させることができる。

このように第２実施形態の燃料電池システム１Ｂでは、第１実施形態と同様に、コンプレッサ５の電力を過大に消費することなく、燃料電池ＦＣを十分な流量の空気で掃気することができるようになる。また、第２実施形態では、サブタンク１０を不要にできるので、システムが大型化するのを防止することもできる。

また、前記各実施形態では、十分な流量の空気で燃料電池内の残留水を除去できるので、寒冷地での使用における凍結を防止することができ、車両などの始動性を向上できるようになる。

また、コンプレッサ５の出力を低下させた状態の空気を供給し、また流量増幅ノズル２０において外部から低温の空気を取り入れて供給しているので、燃料電池ＦＣに供給される空気の温度を下げることができる。その結果、高分子電解質膜が乾燥し過ぎてシステムに不具合が生じるのを防止することができる。

なお、前記各実施形態では、燃料電池ＦＣのカソード側を掃気する場合を例に挙げて説明したが、カソード側に限定されるものではなく、燃料電池ＦＣのアノード極側に空気を導入するための流路を形成して、アノード側を掃気するようにしてもよい。

また、前記各実施形態では、インタークーラ６と加湿器７を流路８の分岐点８ａと合流点８ｂとの間に設けた場合について説明したが、インタークーラ６と加湿器７を合流点８ｂよりも下流側に設け、掃気処理時にこれらインタークーラ６と加湿器７をバイパスする流路を設けた構成であってもよい。また、流路８の分岐点８ａと第３バルブ１５との間に、圧力調整弁を設けてコンプレッサ５から流路８を介して燃料電池ＦＣに供給される空気の圧力を調整できるようにしてもよい。また、サブタンク１０へは、コンプレッサ５から吐出された直後の空気を供給するようにしているが、インタークーラ６により冷却された後の空気を供給するようにしてもよい。このようにすると、サブタンク１０にとって熱的に好ましくなる。

第１実施形態の燃料電池システムにおける通常発電時の状態を示す全体構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおける掃気処理時の状態を示す全体構成図である。 流量増幅ノズルを示す断面図である。 第１実施形態の燃料電池システムでの掃気処理を示すフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムでの別の掃気処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムにおける通常発電時の状態を示す全体構成図である。 第２実施形態の燃料電池システムにおける掃気処理時の状態を示す全体構成図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
２ 水素供給装置
３ 高圧水素タンク
４ 空気供給装置
５ コンプレッサ
６ インタークーラ
７ 加湿器
８，９ 流路
１０ サブタンク（蓄積手段）
１１ 逆止弁
１２ 第１バルブ
１３ 第２バルブ
１５ 第３バルブ
１４ 圧力調整弁
２０ 流量増幅ノズル（流量増大手段）
３０ 制御装置
３１，３２ 圧力センサ
ＦＣ 燃料電池

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記酸化剤を圧縮して前記燃料電池に供給するコンプレッサと、圧縮された前記酸化剤が供給されることにより、出力する前記酸化剤の流量を増大させる流量増大手段とを備え、
   前記燃料電池の停止時に、圧縮された前記酸化剤を前記流量増大手段を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を掃気することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記コンプレッサから供給されて圧縮された前記酸化剤を蓄積する蓄積手段をさらに備え、
   前記燃料電池の停止時に、少なくとも前記蓄積手段に蓄積されている前記酸化剤を前記流量増大手段を介して前記燃料電池に供給して前記燃料電池を掃気することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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