JP2007280794A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】運転状態にあった温度の酸化ガスを燃料電池に供給するとともに、コストの低減を図る。
【解決手段】酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池10を有するシステムで、酸化ガスをその分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離するボルテックスチューブ等の分離手段25と、分離手段25で分離された低温ガス及び高温ガスの燃料電池10への供給を制御する制御手段13,31,36とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池10を有するシステムで、酸化ガスをその分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離するボルテックスチューブ等の分離手段25と、分離手段25で分離された低温ガス及び高温ガスの燃料電池10への供給を制御する制御手段13,31,36とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
近年、酸化ガスと燃料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源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムにおいて、酸化ガスとして供給するエアをシステムの運転状態に応じて予熱して供給する技術がある(例えば特許文献1参照)。この技術では、電力によって発熱する可変抵抗を酸化ガス用の単一のガス供給流路に設けてエアを予熱するようになっている。
特開2005−116499号公報
しかし、上記のように可変抵抗を酸化ガス用の単一のガス供給流路に設けて酸化ガスを予熱するものでは、運転状態にあった温度の酸化ガスを応答性良く燃料電池に供給することが実質的には困難であり、また、可変抵抗を用いることから温度制御のために必要な電力消費によるロスやコストもかかってしまう。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、運転状態にあった温度の酸化ガスを燃料電池に供給するとともに、電力消費の低減やコストの低減を図ることを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記酸化ガスを分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離する分離手段と、該分離手段で分離された前記低温のガス及び前記高温のガスの前記燃料電池への供給を制御する制御手段と、を備えたものである。
かかる構成によれば、分離手段で酸化ガスをその分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離し、このように分離された低温のガス及び高温のガスを制御手段が制御して燃料電池へ供給することになるため、酸化ガスの温度制御を迅速に行うことができ、運転状態にあった温度の酸化ガスを応答性良く燃料電池に供給することができるとともに、コストを低減することができる。
前記制御手段は、前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を選択的に前記燃料電池に供給する切換部を有するものでもよい。
特に、前記燃料電池が発電単位である単セルを複数積層してなるスタック構造を有するものである場合には、前記切換部は、前記燃料電池に供給される前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を所定個数の前記単セル毎に選択的に供給するものでもよい。
かかる構成によれば、各単セルの温度を均一化する制御や、特定の単セルだけ他の単セルよりも高温化あるいは低温化する制御が可能となる。
分離された前記高温のガスを前記燃料電池の入口へ供給し、分離された前記低温のガスを前記燃料電池の排出ガス通路(当該排出ガス通路に配設されている希釈器等の装置を含む)に合流させるようにしてもよい。
分離された前記高温のガスを前記燃料電池の入口へ供給し、分離された前記低温のガスを前記燃料電池の排出ガス通路(当該排出ガス通路に配設されている希釈器等の装置を含む)に合流させるようにしてもよい。
前記分離手段としては、ボルテックスチューブを採用することができる。
かかる構成によれば、圧縮ガスのみを使用して当該ボルテックスチューブに導入された圧縮ガスを高温のガスと低温のガスとに分離することが可能になるので、分離のための電源や冷媒等が不要となる。また、電力の消費を低減することができる。
本発明によれば、運転状態にあった温度の酸化ガスを応答性良く燃料電池に供給することができ、また、コストの低減を図ることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。以下の各実施形態においては、燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶,航空機,電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物(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への適用も可能である。
まず、図1〜図3を用いて、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図1に示される第1実施形態に係る燃料電池システム1は、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10と、この燃料電池10の燃料極に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス供給系11と、燃料電池10の空気極に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス供給系12と、運転者の操作入力及び車両の各状態等に基づいてこれらを制御する車両ECU(制御手段)13とを備えている。
燃料電池10は、図2に示すように、水素ガス、空気の流路を有するセパレータ15と、電解質膜16をアノード電極17及びカソード電極18で挟持して構成されるMEA(Membrane Electrode Assembly)19とを有し、MEA19を一対のセパレータ15,15で挟み込んで構成される単セル20を複数積層したスタック構造を備えている。なお、この燃料電池10には、冷却水流路は設けられておらず、一枚のセパレータ15が隣り合う単セル20,20で共用されている。
次に、要部である酸化ガス供給系12について説明する。
一端側が空気(外気)を取り入れるための取入口22とされた空気取入路23に、取入口22側から空気を吸引し加圧して取入口22とは反対側に圧送するエアコンプレッサ24が設けられており、この空気取入路23の取入口22とは反対側にボルテックスチューブ(分離手段)25が接続されている。
このボルテックスチューブ25は、エアコンプレッサ24で圧送されてきた空気をボルテックス効果を利用して、分離前の圧送空気よりも低温のエア(以下、低温エア)と高温のエア(以下、高温エア)とに分離するもの、言い換えれば、エアコンプレッサ24側の入口温度に対して低温のエアと高温のエアとに分離するもので、図3に示すように、空気取入路23に接続されて圧縮空気が導入されるガス供給口27が長さ方向一側の側部に設けられ、長さ方向におけるガス供給口27と同側の一端部に、分離した低温エアを吐出する低温エア吐出口28が設けられ、さらに、長さ方向における他端部に、分離した高温エアを吐出する高温エア吐出口29が設けられた中空管構造をなしている。
また、その内部には、ガス供給口27の近傍にノズル30が、高温エア吐出口29の内側にバルブ(制御手段)31が設けられている。そして、エアコンプレッサ24からガス供給口27を介してボルテックスチューブ25の内部に高圧の空気が送り込まれると、この空気は、ボルテックスチューブ25の内部で旋回ガス流となり、かかる旋回ガス流の中で中央から外側へと熱の流動が起こることにより、その結果、内側の低温エアの旋回流と、外側の高温エアの旋回流とに分離されることとなる。
そして、内側の低温エアが低温エア吐出口28から、外側の高温エアが高温エア吐出口29からバルブ31を介して吐出される。なお、上記したバルブ31の開度調整により低温エア及び高温エアの分離の度合いが制御可能となっている。また、ボルテックスチューブ25はその機構上で定められる境界温度領域があり、当該ボルテックスチューブ25に供給される分離前のエアはその境界温度に対して低温のエアと高温のエアとに分離される。
ボルテックスチューブ25の低温エア吐出口28には低温エア路33が接続されており、高温エア吐出口29には高温エア路34が接続されていて、これら低温エア路33及び高温エア路34は、流路切換バルブである四方ロータリバルブ(制御手段、切換部)36に接続されている。
この四方ロータリバルブ36は、低温エア路33が接続される第1接続口37と、高温エア路34が接続される第2接続口38と、さらには第3接続口39及び第4接続口40とを有しており、第3接続口39には燃料電池10の空気極(燃料電池の入口)へ空気を供給する空気供給路42が接続され、第4接続口40には外気へ開口する排気路(排出ガス通路)43が接続されている。
四方ロータリバルブ36は、図1に実線で示すように、内部で第1接続口37と第3接続口39とを連通させ且つ第2接続口38と第4接続口40とを連通させることで、低温エア路33と空気供給路42とを接続させて低温エアを燃料電池10に供給するとともに高温エア路34と排気路43とを接続させて高温エアを外気に排気する冷却時切換状態と、図1に破線で示すように、内部で第1接続口37と第4接続口40とを連通させ、且つ第2接続口38と第3接続口39とを連通させることで、高温エア路34と空気供給路42とを接続させて高温エアを燃料電池10に供給するとともに低温エア路33と排気路43とを接続させて低温エアを外気に排気する暖機時切換状態とに切り換えられる。
車両ECU13は、燃料電池10に設けられた温度センサTから温度信号と燃料電池10の出力状態とに基づいて、エアコンプレッサ24、ボルテックスチューブ25及び四方ロータリバルブ36を制御する。
つまり、車両ECU13は、燃料電池10に設けられた温度センサTからの温度信号と例えば不図示の電流センサや電圧センサ等からの燃料電池10の出力状態信号とにそれぞれ基づいた加圧指示信号、分離能力調整信号及び切換信号を生成し、エアコンプレッサ24に加圧指示信号を出力してその吐出圧力を必要により調整するとともに、ボルテックスチューブ25に分離能力調整信号を出力してバルブ31の開度を必要により調整し、さらに、切換信号を四方ロータリバルブ36に出力して必要によりこれを切り換える。
例えば、起動時等の燃料電池10の温度が低く暖機したい状況では、四方ロータリバルブ36を暖機時切換状態とし、高温エア路34と空気供給路42とを接続させて高温エアを燃料電池10に供給する。他方、通常運転時等、燃料電池10の温度が高い状況では、冷却のため、四方ロータリバルブ36を冷却時切換状態とし、低温エア路33と空気供給路42とを接続させて低温エアを燃料電池10に供給する。しかも、いずれの切換状態とした場合も、ボルテックスチューブ25のバルブ31の開度を調整して高温エアあるいは低温エアの温度を制御する。
以上説明した第1実施形態に係る燃料電池システム1においては、ボルテックスチューブ25で酸化ガスとしての空気を分離前よりも低温エアと高温エアとに分離し、このように分離された低温エア及び高温エアを車両ECU13が四方ロータリバルブ36を制御して燃料電池10へ選択的に供給することになるため、酸化ガスとしての空気の温度制御を迅速に行うことができ、運転状態にあった温度の空気を応答性良く燃料電池10に供給することができる。
しかも、ボルテックスチューブ25を用いることにより、このボルテックスチューブ25は、電源や冷媒等を不要とし、圧縮ガスのみを使用して当該ボルテックスチューブ25に導入された圧縮ガスの高温ガスと低温ガスへの分離を実現させるものであり、比較的安価であるため、設備費用を低減することが可能となる。また、ボルテックスチューブ25は小型・軽量であるため、設置スペースを低減することもできる。
さらに、冷却水等を用いた独立した冷却機構を用いることなく発電のために必要な酸化ガスを用いて燃料電池10を最適温度に制御することができるため、コストを低減することができる。この場合、冷却水を使用しないので、燃料電池10の正極と負極とが短絡することがなくなる。
また、セパレータ15を隣り合う単セル20,20同士で共用することができるので、単セル20,20間の接触抵抗の低減、小型化、部品点数削減、製造工程の単純化が可能となる。さらに、小型化されることで燃料電池10の熱容量が低減され、起動時に高温エアを送ることで発電可能な温度になるまでの時間を短縮できる。
なお、エアコンプレッサ24は、高温エアあるいは低温エアを排気路43を介して外気に排気しても、燃料電池10が発電するために必要な空気量を燃料電池10に供給可能な能力のものが用いられる。
また、ボルテックスチューブ25は、分離温度の調整ができないものを用いることも可能であり、その場合、燃料電池10の最適温度よりも温度が高い高温エアと低い低温エアとに分離可能なものを選定する。
次に、主に図4を用いて、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム1Aについて説明する。
第2実施形態に係る燃料電池システム1Aは、第1実施形態に係る燃料電池システム1の低温エア及び高温エアの供給の構成を変更したものであり、その他の構成については第1実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第1実施形態と共通する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
第2実施形態に係る燃料電池システム1Aでは、ボルテックスチューブ25に接続された高温エア路34と低温エア路33とがそれぞれ分配器(制御手段、切換部)50に接続されている。
この分配器50は、複数の空気供給路42a,42b,42c,42d,…に接続されており、車両ECU13で制御されて、高温エア路34から導入された高温エア及び低温エア路33から導入された低温エアをそれぞれ複数の空気供給路42a,42b,42c,42d,…のうちの任意のものに選択的に導入可能となっている。つまり、各空気供給路42a,42b,42c,42d,…のそれぞれにおいて高温エアを導入する状態及び低温エアを導入する状態が選択可能となっている。
また、各空気供給路42a,42b,42c,42d,…は、燃料電池10を構成する各単セル20a,20b,20c,20d,…に1:1の関係で接続されており、各単セル20a,20b,20c,20d,…それぞれに温度センサTa,Tb,Tc,Td,…が設けられている。ただし、これら空気供給路42a等と単セル20aと温度センサTaとの接続関係は、1:1:1に限定されるものではなく、例えば1:複数:複数であってもよい。
そして、車両ECU13は、燃料電池の各単セル20a,20b,20c,20d,…それぞれに設けられた温度センサTa,Tb,Tc,Td,…からの温度信号と燃料電池10の出力状態とに基づいて、エアコンプレッサ24、ボルテックスチューブ25及び分配器50を制御する。
つまり、車両ECU13は、燃料電池10に設けられた各温度センサTa,Tb,Tc,Td,…から温度信号と例えば不図示の電流センサや電圧センサ等からの燃料電池10の各単セル20a,20b,20c,20d,…の出力状態信号とにそれぞれ基づいた加圧指示信号、分離能力調整信号及び切換信号を生成し、エアコンプレッサ24に加圧指示信号を出力してその吐出圧力を必要により調整するとともに、ボルテックスチューブ25に分離能力調整信号を出力してバルブ31の開度を必要により調整し、さらに、切換信号を分配器50に出力して必要によりこれを切り換える。
このとき、各単セル20a,20b,20c,20d,…毎に、温度センサTa,Tb,Tc,Td,…のうちの対応するものからの温度信号と燃料電池10の出力状態とに基づいて、単セル20a,20b,20c,20d,…のうち低温エアを供給するものと高温エアを供給するものとをそれぞれ割り出し、各単セル20a,20b,20c,20d,…に低温エア及び高温エアのいずれか割り出された一方を供給するように分配器50を切り換える。
例えば、図4に実線で示すように単セル20b,20cに接続される空気供給路42b,42cへは高温エアを供給し、図4に破線で示すように単セル20a,20dに接続される空気供給路42a,42dへは低温エアを供給する等である。なお、低温エア及び高温エアの余剰分は、排気路43を介して外気に排気される。
このような第2実施形態に係る燃料電池システム1Aにおいては、分配器50を用いて、各単セル20a,20b,20c,20d,…毎に局部的に低温エア及び高温エアの供給を選択制御できるため、各単セル20a,20b,20c,20d,…それぞれを運転状態に応じて常に最適な温度で運転できることになる。
例えば、単セル20a,20b,20c,20d,…の1又は複数(所定個数)にフラッディングが生じていること又はこれから生じるであろうことが検知された場合には、当該単セル(所定個数の単セル毎)に高温ガスを供給することにより、フラッディングの解消又は予防を図ることができる一方、単セル20a,20b,20c,20d,…の1又は複数(所定個数)が過熱ぎみである場合には、当該単セル(所定個数の単セル毎)に低温ガスを供給することにより、MEA19の保護を図ることが可能となる。
1…燃料電池システム、10…燃料電池、13…車両ECU(制御手段)、20…単セル、25…ボルテックスチューブ(分離手段)、31…バルブ(制御手段)、36…四方ロータリバルブ(制御手段、切換部)、50…分配器(制御手段、切換部)
Claims (5)
- 酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスを分離前よりも低温のガスと高温のガスとに分離する分離手段と、
該分離手段で分離された前記低温のガス及び前記高温のガスの前記燃料電池への供給を制御する制御手段と、を備えた燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を選択的に前記燃料電池に供給する切換部を有する請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池は、発電単位である単セルが複数積層されてなるスタック構造を有し、
前記切換部は、前記燃料電池に供給される前記低温のガスと前記高温のガスとの少なくとも一方を所定個数の前記単セル毎に選択的に供給する請求項2に記載の燃料電池システム。 - 分離された前記高温のガスを前記燃料電池の入口へ供給し、分離された前記低温のガスを前記燃料電池の排出ガス通路に合流させる請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記分離手段は、ボルテックスチューブである請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池システム。
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