JP2007227212A - 燃料電池の掃気方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的且つ迅速に燃料電池内の水分を除去することができる燃料電池の掃気方法を提供する。
【解決手段】燃料電池１の発電停止時に燃料電池１の燃料ガス流通路５と酸化剤ガス流通路６に掃気ガスを流通させてこれらガス流通路５，６を掃気する燃料電池１の掃気方法であって、燃料ガス流通路５と酸化剤ガス流通路６のいずれか一方のガス流通路に前記燃料電池１の発電停止前に供給していたガスの圧力よりも高圧の掃気ガスを流通して該一方のガス流通路を掃気する第１の掃気を行った後、他方のガス流通路に掃気ガスを流通して該他方のガス流通路を掃気する第２の掃気を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電をする燃料電池の掃気方法に関するものである。

一般に、燃料電池では、低温環境下での発電停止期間中に燃料電池内で水が凍結して次の発電時の発電性能が低下するのを防止するために、発電停止時に燃料電池内の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に掃気ガスを流通して掃気し、これらガス流通路内に残留する水分を排出している。
従来の掃気方法は、燃料電池の停止時に掃気ガスとしての酸化剤ガスを、燃料電池内の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路の両方に同時に流通させていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３５１６６６号公報

しかしながら、従来の掃気方法では、固体高分子電解質膜内に存在する水分も除去しようとすると、燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に同時に大量の掃気ガスを流通させなければならず、そのためには、大型のコンプレッサが必要になって、システムの大型化、コストアップを招く。
一方、コンプレッサの容量を大きくしないで燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に同時に掃気ガスを流通させると、各ガス流路に流れる掃気ガス流量を十分に大きくできなくなるため、固体高分子電解質膜内に存在する水分も除去しようとすると、掃気時間を長くしなければならず、電力消費が多くなってしまう。
そこで、この発明は、効率的且つ迅速に燃料電池内の水分を除去することができる燃料電池の掃気方法を提供するものである。

この発明に係る燃料電池の掃気方法は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）の発電停止時に前記燃料電池の燃料ガス流通路（例えば、後述する実施例における燃料ガス流通路５）と酸化剤ガス流通路（例えば、後述する実施例における酸化剤ガス流通路６）に掃気ガスを流通させてこれらガス流通路を掃気する燃料電池の掃気方法であって、前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路のいずれか一方のガス流通路に前記燃料電池の発電停止前に供給していたガスの圧力よりも高圧の掃気ガスを流通して該一方のガス流通路を掃気する第１の掃気を行った後、他方のガス流通路に掃気ガスを流通して該他方のガス流通路を掃気する第２の掃気を行うことを特徴とする燃料電池の掃気方法である。

燃料電池の固体高分子電解質膜内の水分は、アノードとカソードの水蒸気分圧差に基づき、水蒸気分圧の高い方から低い方へと移動し、水蒸気分圧差が大きいほど移動し易い性質を有している。
請求項１に係る発明では、第１の掃気を実施することによって、一方のガス流通路を掃気することができるとともに、該一方のガス流通路内の水蒸気分圧を高くすることができる。その結果、第１の掃気によって、固体高分子電解質膜のアノードとカソードの間の水蒸気分圧差を大きくすることができ、固体高分子電解質膜内の水分が他方のガス流通路側へ移動するのを促進することができる。この後、第２の掃気を実施することによって、他方のガス流通路を掃気するとともに、前記第１の掃気で前記他方のガス流通路側に移動させておいた固体高分子電解質膜内の水分を前記他方のガス流通路に導出して排出することができる。したがって、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、および固体高分子電解質膜内の水分を効率よく迅速に排出することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の掃気では、前記燃料電池の停止前の燃料電池の内部温度よりも高温の掃気ガスを前記一方のガス流通路に供給することを特徴とする。
このように構成することにより、前記一方のガス流通路内の水蒸気分圧をさらに高くすることができるので、固体高分子電解質膜のアノードとカソードの間の水蒸気分圧差をさらに大きくすることができ、固体高分子電解質膜内における水分の移動をさらに促進することができる。

請求項１に係る発明によれば、固体高分子電解質膜内の水分の移動を促進することができるので、掃気ガスの流量を特別に増大させなくても、燃料電池内の水分を効率よく迅速に排出することができ、掃気処理に要する時間を短縮することができる。
請求項２に係る発明によれば、固体高分子電解質膜内の水分の移動をさらに促進することができ、排水性がさらに向上する。

以下、この発明に係る燃料電池の掃気方法の実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、この発明に係る燃料電池の掃気方法を実施可能な燃料電池システムの一例を示す概略構成図であり、この実施例では燃料電池車両に搭載されている。

燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており（図１では単セルのみを示す）、アノード３側の燃料ガス流通路５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード４側の酸化剤ガス流通路６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される。空気供給流路８は、冷却装置１１と、この冷却装置１１を迂回して空気を流通させるバイパス通路１２と、三方弁型の流路切替弁１３とを備え、コンプレッサ７で昇圧された空気を、冷却装置１１を流通させるか、あるいはバイパス通路１２を流通させるかを、流路切替弁１３によって切り換え可能になっている。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して図示しない排気処理装置へ排出される。

一方、水素タンク１５から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１７、遮断弁２０を流通し、レギュレータ１６によって所定圧力に減圧され、エゼクタ１９を通って燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。

アノードオフガス流路１８からは、排出弁２１を備えたアノードオフガス排出流路２２が分岐している。排気弁２１は、燃料電池１を循環する水素ガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなったときなど必要に応じて開いてアノードオフガスを排出する。排出弁２１から排出されたアノードオフガスは前記排気処理装置へ排出され、排気処理装置においてアノードオフガスはカソードオフガスによって希釈される。
冷却装置１１およびバイパス通路１２よりも下流の空気供給流路８と、エゼクタ１９よりも下流の水素ガス供給流路１７は、第１掃気弁２３を備えた掃気流路２４によって接続されている。
圧力制御弁１０よりも上流の空気排出流路９と、排出弁２１よりも上流のアノードオフガス排出流路２２は、第２掃気弁２５を備えた掃気流路２６によって接続されている。

この燃料電池システムでは、発電停止時に燃料電池１内の燃料ガス流通路５と酸化剤ガス流通路６に掃気ガス（空気）を流通して掃気し、これらガス流通路５，６内に残留する水分を排出して、低温環境下での凍結等による発電性能の低下を防止する。
特に、この燃料電池システムにおける掃気処理では、初めに、発電停止前に燃料電池１に酸化剤ガスとして供給していた空気よりも高温・高圧の空気を掃気ガスとして酸化剤ガス流通路６に流通させて酸化剤ガス流通路６の掃気を行い（以下、第１の掃気という）、その後、燃料ガス流通路５に掃気ガスとしての空気を流通させて燃料ガス流通路５の掃気を行う（以下、第２の掃気という）。

図２は掃気の原理を説明する模式図である。図２（Ａ）は発電停止時（掃気前）の水分分布を示しており、燃料ガス流通路５、酸化剤ガス流通路６、固体高分子電解質膜２に水分が存在していて、特に固体高分子電解質膜２内には水分が分散して存在している。
図２（Ｂ）は第１の掃気の初期段階を示し、図２（Ｃ）は第１の掃気の終期段階を示しており、高温・高圧の掃気ガス（空気）を酸化剤ガス流通路６に流すと、酸化剤ガス流通路６内の水分が系外に排出されるとともに、固体高分子電解質膜２内に存在する水分がアノード３側に移動せしめられる。
図２（Ｄ）は第２の掃気のときを示しており、固体高分子電解質膜２のアノード３側に移動した水分が燃料ガス流通路５に導出され、燃料ガス流通路５内の水分とともに系外に排出される。

第１の掃気により固体高分子電解質膜２内に存在する水分がアノード３側に移動する原理を詳しく説明する。
燃料電池１の固体高分子電解質膜２内の水分は、アノード３とカソード４の水蒸気分圧差に基づき、水蒸気分圧の高い方から低い方へと移動し、水蒸気分圧差が大きいほど移動し易い性質を有している。
水蒸気は気体であるので、圧縮・膨張などを行った際に、気相の全圧に対する水蒸気分圧の分圧比は一定に保たれる（水蒸気分圧／全圧＝一定）。つまり、飽和蒸気圧以下の領域においては、全圧を２倍にすれば水蒸気分圧も２倍になる。

いま、大気圧Ｐ（ｋＰａ）下で水蒸気分圧Ｗ（ｋＰａ）の水蒸気を含む空気を燃料電池の一方の極のガス通路（この実施例では酸化剤ガス流通路６）に供給するとする。他方の極のガス通路（この実施例では燃料ガス流通路５）内の水蒸気分圧をＹ（ｋＰａ）とすると、前記一方のガス通路に供給する空気の圧力が大気圧Ｐ（ｋＰａ）と等しい場合には、固体高分子電解質膜２の両極（アノード３とカソード４）間の蒸気圧差ΔＰ（ｋＰａ）は、ΔＰ＝Ｗ−Ｙとなる。
これに対して、前記一方のガス通路に供給する空気の圧力を大気圧Ｐ（ｋＰａ）の２倍に加圧した場合には、前記分圧比一定の特性から、両ガス通路間の蒸気圧差ΔＰは、ΔＰ＝２Ｗ−Ｙとなる。
なお、２Ｗが飽和蒸気圧Ｚ（ｋＰａ）を越えている場合にはΔＰ＝Ｚ−Ｙとなるが、それでも飽和蒸気圧Ｚは大気圧Ｗ以上であるので（Ｚ≧Ｗ）、供給する空気の圧力が大気圧Ｐ（ｋＰａ）と等しい場合よりは大きな蒸気圧差ΔＰを発生させることができる。

したがって、第１の掃気において空気（掃気ガス）を発電停止前の空気圧力（酸化剤ガス圧力）よりも高圧にして供給することにより、両極間の蒸気圧差をより大きくすることができ、固体高分子電解質膜２内における水分の移動を促進することができる。
さらに、これに加えて供給する空気の温度を高くすることにより、飽和蒸気圧を上げることができるので、より大きな蒸気圧差ΔＰを発生させることができ、固体高分子電解質膜２内の水分移動をさらに促進することができる。
その結果、掃気ガスとしての空気の流量を特別に増大させなくても、燃料ガス流通路５、酸化剤ガス流通路６、および固体高分子電解質膜２内の水分を効率よく迅速に排出することができ、掃気処理に要する時間を短縮することができる。
そして、発電停止時に燃料電池１内の水分を十分に除去することができるので、低温環境下でも良好な発電性能を維持することができる。

この掃気処理は、イグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）３１のＯＦＦ信号が電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと略す）３０に入力されたのを開始条件として、ＥＣＵ３０が、コンプレッサ７、流路切替弁１３、圧力制御弁１０、排出弁２１、第１掃気弁２３、第２掃気弁２５を制御することにより実行される。

この実施例における掃気処理について、図３のフローチャートに従って説明する。
図３に示すフローチャートは、掃気処理ルーチンを示すものであり、この掃気処理ルーチンは、ＥＣＵ３０によって一定時間毎に実行される
まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチがＯＦＦされたか否か、換言すると発電停止か否かを判定する。ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（ＩＧＳＷ：ＯＮ）である場合は本ルーチンの実行を終了する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（ＩＧＳＷ：ＯＦＦ）である場合は、ステップＳ１０２に進み、まず酸化剤ガス流通路６に対する掃気、すなわち第１の掃気を行う。
第１の掃気では、ＥＣＵ３０は、コンプレッサ７を運転し、圧力制御弁１０を開き、第１，第２掃気弁２３，２５を閉じ、さらに空気が冷却装置１１を迂回してバイパス通路１２を流れるように流路切替弁１３を切り換える。つまり、コンプレッサ７で昇圧された空気を冷却装置１１を迂回して流すことにより、酸化剤ガス流通路６に供給すべき空気の温度を燃料電池１の内部温度よりも高温にし、コンプレッサ７と圧力制御弁１０を所定に制御することにより、発電時よりも高圧の空気を酸化剤ガス流通路６に流す。

次に、ステップＳ１０３に進み、所定時間経過したか否かを判定する。ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」（所定時間未経過）である場合は、ステップＳ１０２に戻り、酸化剤ガス流通路６の掃気を継続する。
ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過）である場合は、酸化剤ガス流通路６に対する掃気は完了と判断して、ステップＳ１０４に進み、燃料ガス流通路５に対する掃気、すなわち第２の掃気を行う。
第２の掃気では、ＥＣＵ３０は、コンプレッサ７の運転を継続し、圧力制御弁１０と排出弁２１と第１，第２掃気弁２３，２５をいずれも開くように制御する。なお、第２の掃気では、掃気ガスの温度に制約はなく、ステップＳ１０４における流路切替弁１３に対する制御は、空気が冷却装置１１に流れるように流路切替弁１３を切り換え制御してもよいし、あるいは空気がバイパス通路１２を流れるように流路切替弁１３を切り換え制御してもよい。
これにより、この実施例における第２の掃気では、コンプレッサ７で昇圧された空気の一部が燃料ガス流通路５を流通して燃料ガス流通路５を掃気し、残りの空気が酸化剤ガス流通路６を流通する。

次に、ステップＳ１０５に進み、所定時間経過したか否かを判定する。ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（所定時間未経過）である場合は、ステップＳ１０４に戻り、燃料ガス流通路５の掃気を継続する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過）である場合は、燃料ガス流通路５に対する掃気は完了と判断して、ステップＳ１０６に進み、第１，第２掃気弁２３，２５を閉じてコンプレッサ７を停止することにより掃気を終了し、本ルーチンの実行を終了する。

なお、ステップＳ１０３における判定処理は、時間経過に基づく判定に代えて、酸化剤ガス流通路６の上流と下流との差圧に基づく判定にしてもよい。酸化剤ガス流通路６内の水が少なくなるにしたがって差圧が小さくなるので、所定の差圧を閾値にすることにより酸化剤ガス流通路６の掃気完了を判断することができるからである。ステップＳ１０５における判定処理についても同様であり、時間経過に基づく判定に代えて、燃料ガス流通路５の上流と下流との差圧に基づく判定にしてもよい。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、第１の掃気において掃気ガス（空気）を酸化剤ガス流通路６に流通し、第２の掃気において掃気ガスを燃料ガス流通路５に流通したが、この順番を逆にして、第１の掃気において掃気ガスを燃料ガス流通路５に流通し、第２の掃気において掃気ガスを酸化剤ガス流通路６に流通させてもよい。

この発明に係る燃料電池の掃気方法を実施可能な燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 この発明に係る掃気の原理を説明する模式図である。 掃気処理の一実施例におけるフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
５ 燃料ガス流通路
６ 酸化剤ガス流通路

Claims (2)

1. 燃料電池の発電停止時に前記燃料電池の燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路に掃気ガスを流通させてこれらガス流通路を掃気する燃料電池の掃気方法であって、
   前記燃料ガス流通路と前記酸化剤ガス流通路のいずれか一方のガス流通路に前記燃料電池の発電停止前に供給していたガスの圧力よりも高圧の掃気ガスを流通して該一方のガス流通路を掃気する第１の掃気を行った後、他方のガス流通路に掃気ガスを流通して該他方のガス流通路を掃気する第２の掃気を行うことを特徴とする燃料電池の掃気方法。
2. 前記第１の掃気では、前記燃料電池の停止前の燃料電池の内部温度よりも高温の掃気ガスを前記一方のガス流通路に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の掃気方法。

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