JP2006221987A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に残留する水分量を的確に把握して、残留する水分量に応じて水分の除去処理を効率よく行うことを課題とする。
【解決手段】 燃料電池１の入口側酸化剤極マニホールドと酸化剤供給配管１２との結合部の配管を金属製の酸化剤供給金属配管１４で構成し、出口側酸化剤極マニホールドと酸化剤排気配管１３との結合部の配管を金属製の酸化剤排気金属配管１５で構成し、金属配管１４，１５の絶縁抵抗を計測する酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９を接続し、酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９で計測された絶縁抵抗が所定の判定値よりも下回っている場合には、酸化剤ガスの流通経路に水分が残留しているとものと判別し、残留水分を除去して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池内に水分が残留しているか否かを的確に判別し、残留水分の除去を効率よく行う燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池に残留する水分を除去する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１，２参照）。文献１に記載された技術では、燃料電池システムの起動時又は停止時に、非加湿空気を燃料極、空気極に供給するとともに、両極のガス通路を連通し、非加湿空気で空気パージを行い、燃費の悪化を抑制しながら燃料極通路内の水などの不純物を効率よく除去するようにしている。

一方、文献２に記載された技術では、配管内での水蒸気の凝縮を防ぐことにより、凝縮水のセルへの侵入によるフラッディング現象や燃料ガス流量の不安定化等を抑制し、高出力を安定的に得る固体高分子型燃料電池装置及びその運転方法を提供している。この凝縮水を防ぐ手段として、外部加湿方式の固体高分子型燃料電池装置において、燃料ガス又は酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿器から電池セル入口までの配管温度を加湿器の温度よりも２℃以上高く維持こととしている。
特開２００３−３３１８９３ 特開２０００−２５１９１２

燃料電池システム発電時において、燃料極内あるいは酸化剤極内には凝縮水が残る場合がある。これら残留する水分が少量の場合には燃料電池の発電に支障を及ぼすことはないい。しかし、残留水分量によっては燃料電池システムの発電効率を低下させることや、燃料電池内の電気短絡を発生させる等の問題があった。

また、残留水分量に関わらず定期的に残留水分を除去する処理を実行する場合に、車両に搭載された燃料電池システムでは、水分の除去処理にかかる時間や消費電力の改善が望まれていた。

しかし、先の両文献１，２に記載された技術では、燃料電池内に残留する水分を検出する手段を備えていないため、残留水分量に応じて水分の除去作業を選択的に行うことができなかった。そのため、水分除去にかかる時間や消費電力を改善し、水分除去を効率よく行うには至っていなかった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池に残留する水分量を的確に把握して、残留する水分量に応じて水分の除去処理を効率よく行う燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料供給配管を介して供給された燃料ガスと酸化剤供給配管を介して供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電し、燃料排気配管を介して燃料極から排出された排気ガスを排気し、酸化剤排気配管を介して酸化剤極から排出された排気ガスを排気する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料供給配管と前記燃料排気配管の一部、及び／又は前記酸化剤供給配管と前記酸化剤排気配管の一部を金属製配管で構成し、前記燃料供給配管の金属製配管と前記燃料排気配管の金属製配管、及び／又は前記酸化剤供給配管の金属製配管と前記酸化剤排気配管の金属製配管に接続されて、前記金属製配管の絶縁抵抗を計測する計測手段と、前記計測手段で計測された絶縁抵抗に基づいて、燃料ガスの流通経路及び／又は酸化剤ガスの流通経路に水分が残留しているか否かを判別する判別手段と、前記判別手段で水分が残留していると判別された場合には、残留水分を除去する除去手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の反応ガスの供給側と排気側の金属配管の絶縁抵抗に基づいて残留水分を判別することで、除去が必要な量の水分が燃料電池に残留しているか否かを的確に判別することが可能となる。

これにより、除去が必要な量の水分が残留している場合にのみ残留水分を除去することで、効率的に水分の除去処理を行うことができ、水分除去に費やされるエネルギーを削減することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１〜４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す燃料電池システムは、燃料電池１の燃料極２に供給される水素ガス等の燃料ガスと、酸化剤極３に供給される空気中に含まれる酸素の酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。燃料タンク４に貯蔵された例えば水素ガスの燃料ガスは、燃料供給配管６ならびに燃料の供給を制御する燃料供給弁２０を介して燃料電池１の燃料極２に供給される。燃料電池１から排出された燃料オフガスは、燃料排気配管７を介して希釈された後排気される。

一方、酸化剤ガスとなる空気は、空気を圧縮して供給する酸化剤ブロアー５、酸化剤供給配管１２ならびに酸化剤の供給を制御する酸化剤供給弁２１を介して燃料電池１の酸化剤極３に供給される。燃料電池１から排出された酸化剤オフガスは、酸化剤排気配管１３を介して排気される。

燃料供給配管６と燃料電池１の燃料極入口側に設けられている燃料極マニホールド（図示せず）との結合部の燃料供給配管６は、金属製の燃料供給金属配管８で構成され、この燃料供給金属配管８に連結されて、燃料ガスの流通方向に対して上流側の燃料供給配管６の一部は、高絶縁性の燃料供給高絶縁性配管１０で構成されている。

燃料排気配管７と燃料電池１の燃料極出口側に設けられている燃料極マニホールド（図示せず）との結合部の燃料排気配管７は、金属製の燃料排気金属配管９で構成され、この燃料排気金属配管９に連結されて、燃料ガスの流通方向に対して下流側の燃料排気配管７の一部は、高絶縁性の燃料排気高絶縁性配管１１で構成されている。

燃料排気金属配管９には、燃料オフガスが排気される方向とは別方向に分岐部が設けられ、この分岐部には、燃料極側から排出された水分を燃料電池１外に選択的に排出する燃料極側排水弁２４が設けられ、また分岐部には燃料極側高絶縁性排水管２５が連結されている。

酸化剤供給配管１２と燃料電池１の酸化剤極入口側に設けられている酸化剤極マニホールド（図示せず）との結合部の酸化剤供給配管１２は、金属製の酸化剤供給金属配管１４で構成され、この酸化剤供給金属配管１４に連結されて、酸化剤ガスの流通方向に対して上流側の酸化剤供給配管１２の一部は、高絶縁性の酸化剤供給高絶縁性配管１６で構成されている。

酸化剤排気配管１３と燃料電池１の酸化剤極出口側に設けられている酸化剤極マニホールド（図示せず）との結合部の酸化剤排気配管１３は、金属製の酸化剤排気金属配管１５で構成され、この酸化剤排気金属配管１５に連結されて、酸化剤ガスの流通方向に対して下流側の酸化剤排気配管１３の一部は、高絶縁性の酸化剤排気高絶縁性配管１７で構成されている。

酸化剤排気金属配管１５には、酸化剤オフガスが排気される方向とは別方向に分岐部が設けられ、この分岐部には、酸化剤極側から排出された水分を燃料電池１外に選択的に排出する酸化剤極側排水弁２６が設けられ、また分岐部には酸化剤極側高絶縁性排水管２７が連結されている。

酸化剤供給配管１２には、酸化剤供給高絶縁性配管１６と酸化剤供給弁２１との間に、切り替え三方弁２２が設けられている。この切り替え三方弁２２には、燃料供給配管６と酸化剤供給配管１２とを連通するバイパス配管２３が連結され、切り替え三方弁２２により切り替え三方弁２２の上流側の酸化剤供給配管１２と切り替え三方弁２２の下流側の酸化剤供給配管１２またはバイパス配管２３が選択的に連通制御される。

燃料供給金属配管８と燃料排気金属配管９には、燃料電池１の本体外装と金属配管との間の絶縁抵抗を測定する燃料極側絶縁抵抗計測装置１８が接続され、同様に酸化剤供給金属配管１４と酸化剤排気金属配管１５には、燃料電池１の本体外装と金属配管との間の絶縁抵抗を測定する酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９が接続されている。それぞれの絶縁抵抗計測装置で計測された絶縁抵抗は、制御部２８に与えられる。

制御部２８は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御部２８は、燃料極側絶縁抵抗計測装置１８ならびに酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁体を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する残留水分の検出ならびに水分の除去処理の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

制御部２８は、燃料極側絶縁抵抗計測装置１８ならびに酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９で計測された絶縁抵抗を受けて、絶縁抵抗と予め設定された所定の判定値と比較し、比較結果に基づいて、燃料極２内のマニホールド又は／及び酸化剤極３内のマニホールドを含む反応ガスの流通経路に水分が残留しているか否か判別し、判別結果に基づいて残留水分の除去処理を実行するか否かを決定する。

図２は本発明の実施例１を適用した燃料電池システムの起動前の処理手順を示すフローチャートである。図２において、この実施例１では、先ず燃料電池システムに起動指令が与えられると、酸化剤供給金属配管１４、酸化剤排気金属配管１５と燃料電池１の本体外装との間の絶縁抵抗を酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９にて計測する。計測後、計測された絶縁抵抗と予め設定された所定の判定値とを比較し（ステップＳ２１）、絶縁抵抗が判定値を下回った場合には、酸化剤ガスの流通経路に水分が残留しているものと推定する。絶縁抵抗と残留水分量との関係は、予め行われた実験や机上検討により取得され、この関係に基づいて、除去処理を必要とする量の水分が残留しているか否かを判別し、かつ上記判定値を設定している。

水分が残留しているものと推定された場合には、酸化剤ブロアー５を作動し、酸化剤ガスが流通する配管系統ならびに燃料電池１の酸化剤極３に酸化剤ガスを流通させて、酸化剤排気配管１３から残留水分をパージして除去する（ステップＳ２２）。

一方、先のステップＳ２１の比較結果において、絶縁抵抗が判定値を上回っている場合には、水分は残留していないものと推定し、上述した水分の除去処理を行うことなくシステムを起動する（ステップＳ２３）。

このように、上記実施例１においては、酸化剤供給金属配管１４、酸化剤排気金属配管１５を酸化剤極のマニホールドに連結し、この金属配管を通して絶縁抵抗を計測することで、酸化剤ガスの流通経路の残留水分の有無を的確に判定することができる。

酸化剤供給高絶縁性配管１６ならびに酸化剤排気高絶縁性配管１７を設けることで、酸化剤極マニホールド内から残留水が溢れた場合でも、溢れた残留水分が酸化剤供給高絶縁性配管１６ならびに酸化剤排気高絶縁性配管１７内に残留水が収まれば、金属配管と燃料電池１本体または外部との絶縁性は保たれ、漏電の問題を回避することができる。

酸化剤供給金属配管１４ならびに酸化剤排気金属配管１５を酸化剤極マニホールドの最下面から残留水分を検出したい水位となる位置に設置するようにすれば、酸化剤極マニホールド内から酸化剤供給金属配管１４又は酸化剤排気金属配管１５まで残留水分が達したことを絶縁抵抗の計測値にて判定することができる。

酸化剤極の絶縁抵抗と所定の判定値とを比較することで、除去すべき量の水分が残留しているものと推定することが可能となり、残留水分を除去する処理を実行するべきか否かを的確に判断することができ、この結果効率的に水分の除去処理を行うことができる。これにより、車載の燃料電池システムでは、車両の始動時間の短縮化や低消費電力化を達成することができる。

燃料極側に適用した場合にも、上記効果を同様に得ることができる。

図３は本発明の実施例２を適用した燃料電池システムの起動前の処理手順を示すフローチャートである。図３において、この実施例２では、先ず燃料電池システムに起動指令が与えられると、燃料供給金属配管８、燃料排気金属配管９と燃料電池１の本体外装との間の絶縁抵抗を燃料極側絶縁抵抗計測装置１８にて計測する。計測後、計測された絶縁抵抗と予め設定された所定の判定値とを比較し（ステップＳ３１）、絶縁抵抗が判定値を下回った場合には、燃料ガスの流通経路に水分が残留しているものと推定する。絶縁抵抗と残留水分量との関係は、予め行われた実験や机上検討により取得され、この関係に基づいて、除去処理を必要とする量の水分が残留しているか否かを判別し、かつ上記判定値を設定している。

水分が残留しているものと推定された場合には、切り替え三方弁２２を酸化剤供給配管１２からバイパス配管２３側に切り替え、切り替え三方弁２２の上流側の酸化剤供給配管１２とバイパス配管２３とを連通させる（ステップＳ３２）。この後、酸化剤ブロアー５を作動し、バイパス配管２３を介して燃料ガスが流通する配管系統ならびに燃料電池１の燃料極２に酸化剤ガスを流通させて、燃料排気配管７から残留する水分をパージして除去する（ステップＳ３３）。

一方、先のステップＳ３１の比較結果において、絶縁抵抗が判定値を上回っている場合には、水分は残留していないものと推定し、上述した水分の除去処理を行うことなくシステムを起動する（ステップＳ３４）。

このように、上記実施例２においては、燃料系において先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

図４は本発明の実施例３を適用した燃料電池システムの起動前の処理手順を示すフローチャートである。図４において、この実施例３では、先ず燃料電池システムに起動指令が与えられると、酸化剤供給金属配管１４、酸化剤排気金属配管１５と燃料電池１の本体外装との間の絶縁抵抗を酸化剤極側絶縁抵抗計測装置１９にて計測する。計測後、計測された絶縁抵抗と予め設定された所定の判定値とを比較し（ステップＳ４１）、絶縁抵抗が判定値を下回った場合には、酸化剤ガスの流通経路に水分が残留しているものと推定する。絶縁抵抗と残留水分量との関係は、予め行われた実験や机上検討により取得され、この関係に基づいて、除去処理を必要とする量の水分が残留しているか否かを判別し、かつ上記判定値を設定している。

水分が残留しているものと推定された場合には、酸化剤極側排水弁２６を開弁した後（ステップＳ４２）、酸化剤ブロアー５を作動し、酸化剤ガスが流通する配管系統ならびに燃料電池の酸化剤極３内に酸化剤ガスを流通させて、酸化剤極側高絶縁性排水管２７から残留する水分をパージして除去する（ステップＳ４３）。

一方、先のステップＳ４１の比較結果において、絶縁抵抗が判定値を上回っている場合には、水分は残留していないものと推定し、上述した水分の除去処理を行うことなくシステムを起動する（ステップＳ４４）。

このように、上記実施例３においては、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。

図５は本発明の実施例４を適用した燃料電池システムの起動前の処理手順を示すフローチャートである。図５において、この実施例４では、先ず燃料電池システムに起動指令が与えられると、燃料供給金属配管８、燃料排気金属配管９と燃料電池１の本体外装との間の絶縁抵抗を燃料極側絶縁抵抗計測装置１８にて計測する。計測後、計測された絶縁抵抗と予め設定された所定の判定値とを比較し（ステップＳ５１）、絶縁抵抗が判定値を下回った場合には、燃料ガスの流通経路に水分が残留しているものと推定する。絶縁抵抗と残留水分量との関係は、予め行われた実験や机上検討により取得され、この関係に基づいて、除去処理を必要とする量の水分が残留しているか否かを判別し、かつ上記判定値を設定している。

水分が残留しているものと推定された場合には、燃料極側排水弁２４を開弁し（ステップＳ５２）、続いて切り替え三方弁２２を酸化剤供給配管１２からバイパス配管２３側に切り替え、切り替え三方弁２２の上流側の酸化剤供給配管１２とバイパス配管２３とを連通させる（ステップＳ５３）。この後、酸化剤ブロアー５を作動し、バイパス配管２３を介して燃料ガスが流通する配管系統ならびに燃料電池１の燃料極２に酸化剤ガスを流通させて、燃料極側高絶縁性排水管２５から残留する水分をパージして除去する（ステップＳ５４）。

一方、先のステップＳ５１の比較結果において、絶縁抵抗が判定値を上回っている場合には、水分は残留していないものと推定し、上述した水分の除去処理を行うことなくシステムを起動する（ステップＳ５５）。

このように、上記実施例４においては、燃料系において先の実施例２と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例１〜４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る動作手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例４に係る動作手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…燃料極
３…酸化剤極
４…燃料タンク
５…酸化剤ブロアー
６…燃料供給配管
７…燃料排気配管
８…燃料供給金属配管
９…燃料排気金属配管
１０…燃料供給高絶縁性配管
１１…燃料排気高絶縁性配管
１２…酸化剤供給配管
１３…酸化剤排気配管
１４…酸化剤供給金属配管
１５…酸化剤排気金属配管
１６…酸化剤供給高絶縁性配管
１７…酸化剤排気高絶縁性配管
１８…燃料極側絶縁抵抗計測装置
１９…酸化剤極側絶縁抵抗計測装置
２０…燃料供給弁
２１…酸化剤供給弁
２２…切り替え三方弁
２３…バイパス配管
２４…燃料極側排水弁
２５…燃料極側高絶縁性排水管
２６…酸化剤極側排水弁
２７…酸化剤極側高絶縁性排水管
２８…制御部

Claims (6)

1. 燃料供給配管を介して供給された燃料ガスと酸化剤供給配管を介して供給された酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電し、燃料排気配管を介して燃料極から排出された排気ガスを排気し、酸化剤排気配管を介して酸化剤極から排出された排気ガスを排気する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料供給配管と前記燃料排気配管の一部、及び／又は前記酸化剤供給配管と前記酸化剤排気配管の一部を金属製配管で構成し、
   前記燃料供給配管の金属製配管と前記燃料排気配管の金属製配管、及び／又は前記酸化剤供給配管の金属製配管と前記酸化剤排気配管の金属製配管に接続されて、前記金属製配管の絶縁抵抗を計測する計測手段と、
   前記計測手段で計測された絶縁抵抗に基づいて、燃料ガスの流通経路及び／又は酸化剤ガスの流通経路に水分が残留しているか否かを判別する判別手段と、
   前記判別手段で水分が残留していると判別された場合には、残留水分を除去する除去手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料供給配管の金属製配管の上流側の前記燃料供給配管の一部と前記燃料排気配管の金属製配管の下流側の前記燃料排気配管の一部、
   及び又は前記酸化剤供給配管の金属製配管の上流側の前記酸化剤供給配管の一部と前記酸化剤排気配管の金属製配管の下流側の前記酸化剤排気配管の一部は、
   高絶縁性配管で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料供給配管の金属製配管と前記燃料排気配管の金属製配管とを、燃料極マニホールドの最下面から残留水分を検出したい水位となる位置に配置し、
   及び／又は前記酸化剤供給配管の金属製配管と前記燃料排気配管の金属製配管とを、酸化剤極マニホールドの最下面から残留水分を検出したい水位となる位置に配置した
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記判別手段は、前記計測手段で計測された酸化剤極側の絶縁抵抗が、予め設定された所定の判定値を下回った場合には、酸化剤の流通経路に水分が残留しているものと判別し、
   前記除去手段は、システムの起動前に前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段を作動させて、前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給して残留水分をパージする
   ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給するか、もしくは酸化剤ガスを前記燃料電池の燃料極に供給するかを択一的に選択する選択手段を備え、
   前記選択手段は、前記判別手段で燃料ガスの流通経路に水分が残留していると判別された場合には、前記燃料電池の燃料極への酸化剤ガスの供給を選択し、
   前記除去手段は、システムの起動前に前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段を作動させ、前記選択手段で選択された酸化剤ガスを前記燃料電池の燃料極に供給して残留水分をパージする
   ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料排気配管の金属製配管に残留水分を選択的に排水制御する燃料極側排水弁と前記燃料極側排水弁の下流に高絶縁性の燃料極側配水管とを設け、
   及び／又は前記酸化剤排気配管の金属製配管に残留水分を選択的に排水制御する酸化剤極側排水弁と前記酸化剤極側排水弁の下流に高絶縁性の酸化剤極側配水管とを設けた
   ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images