JP2007115482A - 燃料電池システムとその運転停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システムの運転停止後にも効率的に水分を除去して高い発電効率を得ることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ＭＥＡ１２を有する複数のセルを積層した燃料電池スタック１１に、振動を付加する振動付与装置２１を設ける。燃料電池スタック１１の運転停止時に、振動付与装置２１によって燃料電池スタック１１に超音波振動を付加し、内部の残留水Ｗを霧化させる。この状態において、ガス流路１４内を掃気し、霧化した残留水Ｗを空気とともに排出させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムとその運転停止方法に係り、特に、発電に伴い生成される水を除去する技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。この種の燃料電池システムでは、電気化学反応により水が生成されるため、内部に溜まった水を超音波振動により霧化する加振器を設け、この加振器によって燃料電池の運転時に水分を霧化して排出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３６７６４２号公報

上記技術により、システムの運転時においては水分を排出することができるが、運転停止後においては水分が完全に除去仕切れずに残留することがある。このため、低温環境下では残留した水分が凍結し、ガス流路におけるガスの流れに影響し、発電効率が低下する恐れがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、システムの運転停止後にも効率的に水分を除去して高い発電効率を得ることが可能な燃料電池システムとその運転停止方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、膜−電極接合体と前記膜−電極接合体を挟む酸化ガス流路および燃料ガス流路とを備えたセルを積層してなるスタックと、前記スタックに振動を付加する振動付与手段と、前記振動付与手段の起動停止を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、前記スタックの運転停止時に前記振動付与手段を起動させて前記スタックに振動を付加するものである。前記振動付与手段として、例えば超音波振動器の採用が可能である。

この燃料電池システムによれば、運転停止時にスタックに振動を付加してスタック内の水を霧化して排出させることができる。つまり、運転停止後においても水分を効率的に除去することができ、低温環境下における残留水の凍結によるガス流路のガスの流れへの影響を抑え、その後の運転時における高い発電効率を確保することができる。

この場合、前記スタックの運転停止時に前記スタック内のガス流路を掃気する掃気手段を備えることが好ましい。前記掃気手段として、例えば前記スタックに酸化ガスを圧送するコンプレッサの採用が可能である。

このようにすれば、ガス流路を掃気することにより、振動付与手段によって霧化された残留水を円滑に排出することができる。

さらに、前記セル毎に前記振動付与手段が設けられていてもよい。

また、前記スタックには、前記振動付与手段に対応する位置に水溜まり部が形成されていることが好ましい。

このようにすれば、スタック内に残留する水を水溜まり部に貯留させることができるので、残留する水あるいは該水が凍結したことによるガス流れへの悪影響を極力抑えることができると共に、水溜り部に溜まった水を効率的に霧化して排出させることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの運転停止方法は、ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、前記燃料電池の運転停止時に、前記燃料電池に振動を付加するものである。

この燃料電池システムの運転停止方法によれば、運転停止時に燃料電池に振動を付加して燃料電池内の水を霧化して排出させることができるので、運転停止後においても水分を効率的に除去することができる。よって、低温環境下における残留水の凍結によるガス流路のガスの流れへの影響を抑え、その後の運転時における高い発電効率を確保することができる。

本発明によれば、運転停止時にスタックに振動を付加してスタック内の水を霧化して排出させることができるので、その後の運転時における高い発電効率を確保することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

図１に示すように、燃料電池システム１は、多数のセルを積層したスタック構造からなる例えば固体高分子電解質型の燃料電池（スタック）１０を備えている。燃料電池１０は、酸化ガスとしての空気および燃料ガスとしての水素の供給を受けて電力を発生（発電）する。

燃料電池システム１の酸化ガス配管系３は、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０に供給するための供給配管３１と、燃料電池１０から排出された空気オフガスを外部に排出するための排出配管３２と、を有している。供給配管３１には、フィルタ３３を介して大気中の空気を取り込むコンプレッサ３４と、コンプレッサ３４により圧送される空気を加湿する加湿器３５と、が配設されている。

加湿器３５は、排出配管３２上にも配設されており、圧送される空気と空気オフガスとの間で水分交換を行う。水分交換後の空気は、供給配管３１を介して燃料電池１０に送られ、燃料電池１０での発電に供される。排出配管３２の加湿器３５と燃料電池１０との間には、燃料電池１０への供給空気圧を調整する背圧調整弁３６が配設されている。排出配管３２を流れる空気オフガスは、背圧調整弁３６を通って加湿器３５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料電池システム１の燃料ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯蔵した水素供給源としての高圧タンク４１と、高圧タンク４１内の水素ガスを燃料電池１０に供給する供給配管４２と、燃料電池１０から排出された水素オフガス（未反応の水素ガス）を供給配管４２に戻すための循環配管４３と、循環配管４３の水素オフガスを供給配管４２に還流させる水素ポンプ４４と、循環配管４３に分岐接続され、下流端が酸化ガス配管系３の排出配管３２に接続された排出配管４５と、を有している。

供給配管４２の上流側には、高圧タンク４１からの新たな水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４７が介設され、レギュレータ４７の下流側の合流点Ａに循環配管４３が接続されている。合流点Ａで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池１０に供給される。循環配管４３の水素ポンプ４４の下流側には、燃料電池１０に再度供給される循環配管４３内の水素オフガスが逆流しないように、逆止弁４８が介設されている。

循環配管４３の水素ポンプ４４の上流側には、循環配管４３を流れる水素オフガスから水分を分離させる気液分離器５０が介設されている。循環配管４３を流れる流体には、燃料電池１０から排出される水素オフガスと、燃料電池１０での電気化学反応によって生成された生成水とが含まれている。気液分離器５０では、この生成水たる水分を水素オフガスから分離させる。気液分離器５０で分離された水素オフガスは水素ポンプ４４によって合流点Ａに達する一方、気液分離器５０で分離された水分は、ドレン弁５１を介してドレン配管５２から酸化ガス配管系３の排出配管３２に排出される。

排出配管４５には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁５３が設けられている。パージ弁５３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に排出配管４５を通って、酸素系の排出配管３２に排出される。排出配管４５を設けることで、水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素の濃度を上げることができる。

制御部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、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１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類等の運転を制御する他、後述する振動付与装置（振動付与手段）２１の起動停止動作を制御する。

本実施形態の燃料電池１０は、図２に示すように、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電するセルを、一方向（図２では紙面左右方向）に所要数積層してなる燃料電池スタック１１を有している。この燃料電池スタック１１を構成するセルは、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成されている。

そして、この燃料電池スタック１１は、図３に示すように、ＭＥＡ１２を介した両面側に、セパレータ１３によって区画されたガス流路１４が形成されており、このガス流路１４に燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスとしての空気が流され、水素ガスと空気中の酸素とがＭＥＡ１２を介して電気化学反応することにより発電する。つまり、燃料電池１０のうち、ガス流路１４とＭＥＡ１２とが平面視にて重複する領域を含む発電寄与部分が発電部となる。

この燃料電池スタック１１には、車両搭載状態における上部に空気吸気口１５及び空気排気口１６が設けられ、空気吸気口１５から流入して水素と電気化学反応した空気が空気排気口１６から排気される。なお、図示しないが、燃料電池スタック１１には、水素吸気口及び水素排気口が設けられ、水素吸気口から流入して酸素と電気化学反応した水素が水素排気口から排気される。

また、燃料電池１０には、燃料電池スタック１１の底部（車両搭載時における重力方向最下部）に、振動付与装置２１が設けられている。この振動付与装置２１は、例えば圧電素子又は超音波発生素子などを備えて構成されるもので、制御部６０からの制御信号を受けると起動して超音波振動し、これにより、燃料電池スタック１１が振動付与装置２１によって振動される。

そして、振動付与装置２１によって燃料電池スタック１１が振動されると、図５に示すように、電気化学反応によって生成されてガス流路１４内に溜まった水Ｗが、その内圧と表面張力のバランスとが崩れることにより微粒子（図５の多数の点）となる霧化を起こす。

この状態にて、空気吸気口１５から空気が送り込まれると、霧化した水Ｗが空気とともに空気排気口１６から排出される。これにより、ガス流路１４内における水Ｗの残留が抑制される。

この燃料電池システムでは、運転中はもとより、イグニッションスイッチがオフされた運転停止時においても、上述した振動付与装置２１による加振を行い、水Ｗの排出動作を行う。以下、燃料電池システム停止時における水Ｗの排出動作について説明する。

ユーザによるイグニッションスイッチのオフ動作が検出されるなどして、上記燃料電池システムに運転停止が指令されると、制御部６０は、水素供給源４１とレギュレータ４７の間に配設されている図示しない遮断弁を閉じて水素供給源４１からの水素ガス供給を停止すると共に、コンプレッサ３４の運転を停止する。しかる後、振動付与装置２１を起動して超音波振動を生じさせ、燃料電池スタック１１を振動させる。

これにより、燃料電池スタック１１では、電気化学反応によって生成されてガス流路１４内に溜まった水Ｗが霧化される。水Ｗが霧化されるのに十分な所定時間が経過した後、制御部６０は、コンプレッサ３４の運転を再開し、空気吸気口１５からガス流路１４内へ空気を送り込む掃気処理を行い、霧化された水Ｗとともに空気排気口１６から排出させる。

ガス流路１４内に、霧化された水Ｗが排出されるのに十分な所定時間あるいは所定量の空気を流したら、制御部６０は、コンプレッサ３４の運転を停止することより、ガス流路１４への空気の流入を停止させて排出動作を終了させる。

このように、上記実施形態に係る燃料電池システムによれば、運転停止時にて燃料電池スタック１１に振動を付加して燃料電池スタック１１内の水を霧化し、さらに、空気を流して排出させることができる。つまり、運転停止後においても水分を効率的に除去することができ、低温環境下における残留水の凍結によるガス流路１４のガスの流れへの影響を抑え、その後の運転時（再起動時）における高い発電効率を確保することができる。

図６は、他の構造の燃料電池スタック７１を示している。図に示すように、この燃料電池スタック７１は、各セルの底面に水溜まり部７２を形成し、これらセル毎に形成した水溜まり部７２に対応する位置および数の振動付与装置７３を燃料電池スタック７１の底部に設けたものである。

そして、上記構造の燃料電池スタック７１を備えた燃料電池システムでは、ガス流路１４内に残留する水Ｗを水溜まり部７２内に貯留させることができ、残留する水Ｗあるいは該水Ｗが凍結することによるガス流れへの悪影響を極力抑えることができる。しかも、各水溜まり部７２内に貯留した水Ｗを、それぞれの振動付与装置７３によってより効率的に霧化させて排出させることができる。

なお、上記実施形態では、電気化学反応によって空気側のガス流路１４にて生成される水Ｗを排出する場合を例にとって説明したが、ＭＥＡ１２を介して空気側から水素側のガス流路１４内にリークする水Ｗを排出する場合にも適用可能であることは勿論である。

また、上記実施形態では、振動付与装置２１の起動前にコンプレッサ３４の運転を一旦停止させているが、振動付与装置２１の起動前から起動中さらには起動停止後まで継続的に運転させておいてもよい。

また、上記実施形態における水の排出動作は、イグニッションスイッチのオフによる運転停止時以外にも、通常運転時にて行われる燃料電池システムの間欠運転での運転停止時にも行えることは勿論である。ここで、間欠運転とは、例えばアイドリング時、低速走行時、又は回生制動時等の低負荷運転時に燃料電池スタックの発電を一時休止し、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段から負荷（車両モータや補機類等）への電力供給を行う運転モードをいう。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すシステム構成図である。 同燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視図である。 同燃料電池スタックの構造を説明する図であって、図２のＡ−Ａ線断面を示す概略図である。 同燃料電池スタック内における水の残留状態を示す燃料電池スタックの概略断面図である。 同燃料電池スタック内における水の排出動作を説明する燃料電池スタックの概略断面図である。 他の構造の燃料電池スタックを説明する燃料電池スタックの概略断面図である。

符号の説明

１０，７１…燃料電池、１１…燃料電池スタック、１４…ガス流路、２１、７３…振動付与装置（振動付与手段）、３４…コンプレッサ（掃気手段）、６０…制御部、７２…水溜まり部、Ｗ…水。

Claims (7)

1. 膜−電極接合体と前記膜−電極接合体を挟む酸化ガス流路および燃料ガス流路とを備えたセルを積層してなるスタックと、前記スタックに振動を付加する振動付与手段と、前記振動付与手段の起動停止を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記スタックの運転停止時に前記振動付与手段を起動させて前記スタックに振動を付加する燃料電池システム。
2. 前記スタックの運転停止時に前記スタック内のガス流路を掃気する掃気手段を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記振動付与手段は、超音波振動器である請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気手段は、前記スタックに酸化ガスを圧送するコンプレッサである請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記セル毎に前記振動付与手段が設けられている請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記スタックには、前記振動付与手段に対応する位置に水溜まり部が形成されている請求項１から５に記載の燃料電池システム。
7. ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、
   前記燃料電池の運転停止時に、前記燃料電池に振動を付加する燃料電池システムの運転停止方法。
   
   

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