JP2008181811A - 燃料電池システム及びそのパージ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の稼働停止後に燃料ガスの使用量を少なく抑えながらシステム内の排水を行うことができ、なおかつ、短時間で稼働を再開することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路１１と、燃料電池２から燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出流路２３と、燃料オフガス排出流路２３を流通する燃料オフガスから水を分離する気液分離器３０と、気液分離器３０で分離された水を系外に排出する排気排水弁３１と、を備えた燃料電池システム１であって、酸化ガス供給流路１１と燃料オフガス排出流路２３とを連通接続するバイパス流路３５と、バイパス弁３６と、を備え、燃料電池２の稼働停止後にバイパス弁３６及び排気排水弁３１を開放しバイパス流路３５を経由して酸化ガスを供給することにより排気排水弁３１から水を排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びそのパージ方法に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池に酸化ガスと燃料ガスとが供給されることで、電気化学反応により発電が実施される。かかる発電時には、燃料電池の機能維持のために水が供給され、また、反応により水が生成される。これらの水は気体又は液体の状態で燃料電池から酸化オフガスや燃料オフガスとともに排出される。水分が燃料電池システム内に滞留すると、稼働中には各ガスの流動路の断面積や反応面積を減少させ、稼働停止後には寒冷地等では凍結等を生じるため好ましくない。

現在においては、燃料電池の稼働停止時に燃料電池内や気液分離器内に多量に残留する水を排出するシステムが種々提案されている。例えば、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路とを連通路により連通させ、燃料電池の稼働停止時に、外気温等の各種条件を判定し、判定結果に基づいて燃料ガス供給流路に酸化ガス供給流路から酸化ガスを供給することにより、燃料電池内の水を排出する技術が提案されている（特許文献１参照。）。
特開２００５−３４０１２０号公報

しかし、燃料電池内に酸化ガスを流通させる前記特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池内及び燃料ガス配管系の双方に酸化ガスを流通させるため、水分の排出後に燃料電池内に多量に酸化ガスが残留してしまう。このため、次回の燃料電池の稼働再開時には、燃料電池内に残留する多量の酸化ガスを十分に燃料ガスで置換しなければ稼働を再開できず、稼働及び停止が繰り返される場合等には不便であった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の稼働停止後に燃料ガスの使用量を少なく抑えながらシステム内の水を排出することができ、なおかつ、短時間で稼働を再開することが可能な燃料電池システムを提供す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、燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出流路と、燃料オフガス排出流路を流通する燃料オフガスから水を分離する気液分離器と、気液分離器で分離された水を外部に排出する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムであって、酸化ガス供給流路と燃料オフガス排出流路とを連通接続するバイパス流路と、バイパス流路に設けられた開閉自在なバイパス弁と、燃料電池の稼働停止後に、バイパス弁を開放して酸化ガス供給流路からの酸化ガスを気液分離器及び排気排水弁に供給するとともに排気排水弁を開放することにより、気液分離器及び排気排水弁内の水を外部に排出する制御手段と、を備えるものである。

また、本発明に係る燃料電池システムのパージ方法は、燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出流路と、燃料オフガス排出流路からの燃料オフガスから水を分離する気液分離器と、気液分離器で分離された水を外部に排出する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムのパージ方法であって、酸化ガス供給流路と燃料オフガス排出流路とをバイパス流路により連通接続する第１の工程と、燃料電池の稼働停止後に、バイパス流路を経由させて酸化ガス供給流路からの酸化ガスを気液分離器及び排気排水弁に供給するとともに排気排水弁を開放することにより、気液分離器及び排気排水弁内の水分を外部に排出する第２の工程と、を備えるものである。

かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池の稼働停止後に、バイパス流路を経由して酸化ガス供給流路からの酸化ガスを気液分離器及び排気排水弁に供給して、気液分離器及び排気排水弁内の水を排出することができる。従って、水を系外に排出するために気液分離器及び排気排水弁内に燃料ガスを供給する必要がなくなるので、燃料ガスの使用量を少なく抑えることができる。しかも、燃料電池内に酸化ガスを流通させずに気液分離器及び排気排水弁内の水を排出するため、燃料電池内に酸化ガスが多量に残留することがないので、稼働再開時に燃料電池内の酸化ガスを燃料ガスで置換する処理を簡略化することができ、短時間で稼働を再開することが可能となる。

前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の稼働再開時に排気排水弁を一時的に開放する制御手段を採用することが好ましい。

このようにすると、燃料電池の稼働再開時に、燃料オフガス排出流路内に滞留した酸化ガスを、燃料電池内に流入させることなく、燃料オフガス排出流路の外部へと効果的に排出することができる。従って、より短時間で燃料電池の稼働を再開することが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、酸化ガスを圧送するコンプレッサを有する酸化ガス供給流路を採用することができる。かかる場合において、コンプレッサの下流側から酸化ガスを気液分離器及び排気排水弁に供給するバイパス流路を採用することができる。

このようにすれば、コンプレッサにより圧縮されて昇温した酸化ガスを気液分離器及び排気排水弁に供給することができ、気液分離器及び排気排水弁内の水分を酸化ガスの温度で蒸発させて、より効率的な排水を実現させることが可能となる。

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池の稼働停止後に燃料ガスの使用量を少なく抑えながらシステム内の水を排出することができ、なおかつ、短時間で稼働を再開することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、内部の酸化ガス流動系２ａ及び燃料ガス流動系２ｂに、それぞれ酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガスが供給されて電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２の酸化ガス流動系２ａに接続された酸化ガス配管系３と、燃料電池２の燃料ガス流動系２ｂに接続された燃料ガス配管系４と、酸化ガス配管系３と燃料ガス配管系４との間に設けられた排水促進系５と、燃料電池システム１全体を統括制御する制御部６と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質を介して、一方の面に酸化ガス流動系２ａが連通する空気極（カソード）が配置され、他方の面に燃料ガス流動系２ｂが連通する燃料極（アノード）が配置され、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータが配置されている。

酸化ガス配管系３は、酸化ガスを燃料電池２の酸化ガス流動系２ａに供給するための酸化ガス供給流路１１と、燃料電池２の酸化ガス流動系２ａから酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路１２と、を有している。酸化ガス供給流路１１は、フィルタ１３とコンプレッサ１４とを有し、酸化ガスをフィルタ１３から取り込み、コンプレッサ１４により圧送し、加湿器１５を経由して燃料電池２に供給するように構成されている。酸化オフガス排出流路１２は、酸化ガス流動系２ａ内の酸化ガスの圧力を調整する背圧調整弁１６を有し、加湿器１５を経由して希釈器３４に送り、後述する燃料オフガスを希釈して、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気するように構成されている。加湿器１５は、酸化オフガスの水分を酸化ガス供給流路１１の酸化ガスに供給する（水分交換を行う）ように構成されている。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路２２と、燃料電池２から排出された燃料オフガスが流れる燃料オフガス排出流路２３と、燃料オフガス排出流路２３に接続され燃料オフガス中に含まれる水と燃料ガスとを分離する気液分離器３０と、気液分離器３０で分離された気体を燃料ガス供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２５と、を備えている。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。遮断弁２６を開き、水素供給源２１から燃料ガス供給流路２２に水素ガスが流出し、レギュレータ２７や電磁式の開閉弁２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給されるようになっている。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。

気液分離器３０には、分離された水を燃料オフガスの一部とともに排出可能な排気排水弁３１が設けられ、排気排水弁３１には排出される水及び燃料オフガスを希釈器３４に送る排気排水流路３２が接続されている。希釈器３４では、分離された液体の水とともに排出される燃料オフガス中の燃料ガス成分を、酸化オフガスにより希釈して大気中に排気するようになっている。

循環流路２５には、気液分離器３０で分離されて燃料ガスが含まれる分離気体を燃料ガス供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４が設けられている。

排水促進系５は、酸化ガス配管系３の酸化ガス供給流路１１と燃料ガス配管系４の燃料オフガス排出流路２３とを連通接続するバイパス流路３５と、酸化ガス供給流路１１と燃料オフガス排出流路２３との間を連通又は遮断するようにバイパス流路３５を開閉するバイパス弁３６と、を備えている。バイパス流路３５は、酸化ガス配管系３のコンプレッサ１４より下流側であって加湿器１５より上流に接続されている。なお、酸化ガス供給流路１１と燃料オフガス排出流路２３とをバイパス流路３５で接続する際に経る工程は、本発明における第１の工程に相当するものである。

制御部６は、車両に設けられた各種負荷装置の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ、各部の弁等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御部６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

燃料電池の稼働時には、酸化ガス供給流路１１から燃料電池２の酸化ガス流動系２ａに酸化ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給流路２２から燃料電池２の燃料ガス流動系４に燃料ガスが供給されて発電が実施される。かかる発電時には、燃料電池２の酸化ガス流動系２ａから酸化オフガスが酸化オフガス排出流路１２により排出され、燃料電池２の燃料ガス流動系２ｂから燃料オフガスが燃料オフガス排出流路２３により排出される。燃料オフガスは気液分離器３０に移送されて気液分離され、燃料ガスを含有する分離気体は循環流路２５により燃料ガス供給流路２２に戻されて循環使用される。分離液の水は、所定条件に達した時点で排気排水弁３１が開閉され、燃料オフガスの一部とともに排気排水流路３２を通して排出される。

燃料電池２の稼働停止時には、制御部６により燃料電池システム１内の水を排出する処理が実施され、酸化ガス流動路２ａ及び酸化ガス配管系３の水が排出されるとともに、燃料ガス流動路２ｂ及び燃料ガス配管系４の水が排出される。水を排出する処理（パージ制御）は、燃料電池２の稼働が停止された情報に基づき開始され、図２に示すように行われる。

まず、制御部６は、燃料電池２内の燃料ガス流動系２ｂの排水と、燃料電池２内の酸化ガス流動系２ａ内の排水と、を行う（燃料電池内排水工程：Ｓ１）。燃料ガス流動系２ｂの排水は、例えば、稼働停止後に燃料ガス供給流路２２からの燃料ガスの供給を一定時間継続し、燃料ガス流動系２ｂ内の水を燃料オフガス排出流路２３から排出し、気液分離器３０により気液分離することにより行ってもよい。また、燃料ガス流動系２ｂの排水は、例えば、水素ポンプ２４を稼働状態にして、循環させつつ、循環流路２５に残留する水分を排出させることも可能である。酸化ガス流動系２ａの排水は、例えば、稼働停止後に、加湿器１５を停止してコンプレッサ１４を稼働させ、酸化ガス供給流路１１からの酸化ガスの供給を継続することにより行ってもよい。

燃料電池内排水工程Ｓ１を経た後、制御部６は、気液分離器３０及び排気排水弁３１の排水を行う。具体的には、制御部６は、遮断弁２６や開閉弁２８を閉鎖することにより燃料ガスの供給を停止するとともに、水素ポンプ２４を停止して燃料ガスの循環を停止する（燃料供給停止工程：Ｓ２）。また、制御部６は、背圧弁１６を閉鎖することにより、酸化オフガス排出流路１２を閉鎖する（酸化オフガス流路閉鎖工程：Ｓ３）。

次いで、制御部６は、バイパス弁３６を開放することによりバイパス流路３５を介して酸化ガス供給流路１１と燃料オフガス排出流路２３とを連通させるとともに、気液分離器３０の排気排水弁３１を開放し、かつ、コンプレッサ１４を稼働状態にする（バイパス流路開放工程：Ｓ４）。かかるバイパス流路開放工程Ｓ４により、酸化ガス供給流路１１、バイパス流路３５及び燃料オフガス排出流路２３を順次経由して、コンプレッサ１４からの酸化ガスが気液分離器３０及び排気排水弁３１に供給され、気液分離器３０及び排気排水弁３１の内部に滞留している水が押し出され、排気排水流路３２を通して外部に排出される。バイパス流路開放工程Ｓ４は、本発明における第２の工程の一実施形態に相当し、制御部６は、本発明における制御手段の一実施形態に相当する。

次いで、制御部６は、気液分離器３０及び排気排水弁３１内の排水が完了したか否かを判定する（排水完了判定工程：Ｓ５）。排水完了時点は、例えば、気液分離器３０内の水をセンサ等により検出して判定してもよく、気液分離器３０及び排気排水弁３１の排水の開始後に予め設定された所定時間が経過することにより排水完了と判定してもよい。所定時間を設定する場合、例えば気液分離器３０及び排気排水弁３１内の容積とコンプレッサ１４から供給される酸化ガスの流量等に基づいて算出することも可能である。

制御部６は、排水完了判定工程Ｓ５において排水が完了していないものと判定した場合には、バイパス流路開放工程Ｓ４を続行する。一方、制御部６は、排水完了判定工程Ｓ５において気液分離器３０及び排気排水弁３１の排水が完了したものと判定した場合には、コンプレッサ１４の稼働を停止するとともに、バイパス弁３６及び排気排水弁３１を閉鎖して排水処理を終了する（バイパス流路閉鎖工程：Ｓ６）。排水処理終了後には、気液分離器３０及び排気排水弁３１内が酸化ガスで充満された状態となる。その後、燃料電池２の稼働再開時まで、燃料電池システム１内が外部から閉鎖された状態で維持される。

燃料電池２の稼働再開時には、制御部６により、気液分離器３０及び排気排水弁３１の内部に滞留する酸化ガスを排出する制御が行われる。具体的には、制御部６は、稼働再開時において、排気排水弁３１を開放しながら、燃料ガス供給流路２２から燃料ガスを燃料電池２に供給し発電を開始する。そして、制御部６は、気液分離器３０及び排気排水弁３１の内部に滞留する酸化ガスを、燃料電池２から排出された燃料オフガスにより十分に押し出して排出した段階（例えば稼働再開時から一定時間経過した段階）で、排気排水弁３１を閉鎖する。その後、制御部６は、水素ポンプ２４の稼働を開始し、燃料電池２から排出された燃料オフガスを気液分離器３０により気液分離し、分離気体を燃料ガス供給流路２２に戻すことにより循環させて、通常の発電を再開する。

以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の稼働停止後に、バイパス流路３５を経由して酸化ガス供給流路１１からの酸化ガスを気液分離器３０及び排気排水弁３１に供給して、気液分離器３０及び排気排水弁３１内の水を排出することができる。従って、水を系外に排出するために気液分離器３０及び排気排水弁３１内に燃料ガスを供給する必要がなくなるので、燃料ガスの使用量を少なく抑えることができる。しかも、燃料電池２内に酸化ガスを流通させずに気液分離器３０及び排気排水弁３１内の水を排出するため、燃料電池２内に酸化ガスが多量に残留することがないので、稼働再開時に燃料電池２内の酸化ガスを燃料ガスで置換する処理を簡略化することができ、短時間で稼働を再開することが可能となる。

また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の稼働再開時に排気排水弁３１を一時的に開放するので、燃料オフガス排出流路２３内に滞留した酸化ガスを、燃料電池２内に流入させることなく、燃料オフガス排出流路２３の外部へと効果的に排出することができる。従って、より短時間で燃料電池２の稼働を再開することが可能となる。

また、以上の実施形態に係る燃料電池システム１においては、酸化ガスを圧送するコンプレッサ１４の下流側からバイパス流路３５を経由させて酸化ガスを気液分離器３０及び排気排水弁３１に供給しているので、コンプレッサ１４により圧縮されて昇温した酸化ガスを気液分離器３０及び排気排水弁３１に供給することができる。この結果、気液分離器３０及び排気排水弁３１内の水分を酸化ガスの温度で蒸発させて、より効率的な排水を実現させることが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池２内（燃料ガス流動系２ｂ内及び酸化ガス流動系２ａ内）の排水を実施した後に、気液分離器３０及び排気排水弁３１内の排水を実施した例について説明したが、燃料電池２内の排水と気液分離器３０及び排気排水弁３１の排水とを同時に実施することも可能である。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムのパージ制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御部（制御手段）、１１…酸化ガス供給流路、１４…コンプレッサ、２３…燃料オフガス排出流路、３０…気液分離器、３１…排気排水弁、３５…バイパス流路、３６…バイパス弁。

Claims (4)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、前記燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路を流通する前記燃料オフガスから水を分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された水を外部に排出する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記酸化ガス供給流路と前記燃料オフガス排出流路とを連通接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられた開閉自在なバイパス弁と、
   前記燃料電池の稼働停止後に、前記バイパス弁を開放して前記酸化ガス供給流路からの酸化ガスを前記気液分離器及び前記排気排水弁に供給するとともに前記排気排水弁を開放することにより、前記気液分離器及び前記排気排水弁内の水を外部に排出する制御手段と、を備える、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池の稼働再開時に前記排気排水弁を一時的に開放するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化ガス供給流路は、前記酸化ガスを圧送するコンプレッサを有し、
   前記バイパス流路は、前記コンプレッサの下流側から酸化ガスを前記気液分離器及び前記排気排水弁に供給するものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路と、前記燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路からの前記燃料オフガスから水を分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された水を外部に排出する排気排水弁と、を備えた燃料電池システムのパージ方法であって、
   前記酸化ガス供給流路と前記燃料オフガス排出流路とをバイパス流路により連通接続する第１の工程と、
   前記燃料電池の稼働停止後に、前記バイパス流路を経由させて前記酸化ガス供給流路からの酸化ガスを前記気液分離器及び前記排気排水弁に供給するとともに前記排気排水弁を開放することにより、前記気液分離器及び前記排気排水弁内の水分を外部に排出する第２の工程と、を備える、
   燃料電池システムのパージ方法。

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