JP2008210705A - 燃料電池用気泡除去システム及びこれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒から空気を除去することにより燃料電池の温度制御を正確に行なうことができる燃料電池用気泡除去システム及びこれを備えた燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池２を冷却する冷媒の流路上に、中空糸フィルタ（フィルタ）５０を設けた。冷媒中の気泡量を検出する光検知センサ（気泡量検出手段）４８をさらに設け、光検知センサ４８により検出された気泡量が所定量以上となった場合に、開閉弁（流路切換手段）５１，５２，５３を制御して冷媒を中空糸フィルタ５０に通過させるようにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用気泡除去システム及びこれを備えた燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池を冷却するための冷媒系統の構造に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）とセパレータとからなるセルを積層して構成される。アノード側電極に水素（燃料ガス）が供給され、カソード側電極に酸素が供給されることで、発電反応が行われる。
このような燃料電池を開発する際には、燃料電池の評価装置によって性能評価が行われる。燃料電池の評価装置においては、供試体としての燃料電池に対して水素（燃料ガス）および空気（酸化ガス）を供給するとともに、排気ガス（オフガス）の成分を評価し、燃料電池の発電性能向上に用いる。

また、燃料電池を冷却するための冷却系統としては、従来、例えば燃料電池スタックの積層方向に貫通する冷媒供給用のマニホールド中に冷媒を供給するものがある（特許文献１〜５参照）。冷媒供給用のマニホールドに供給された冷媒は、燃料電池スタックを構成する各セパレータに設けられた冷媒流路に分配され、燃料電池スタックを冷却した後に排出される。
特開２００３−１５１５７５号公報 特開２００４−１９３１１０号公報 特開２００５−２０３１８９号公報 特開２００６−３２０５４号公報 特開平５−１８４８１２号公報

このような気泡除去システムにおいて、マニホールド中に空気が存在すると、各セパレータに対する冷媒分配量が偏り、燃料電池スタックを均一に温度制御することが難しくなる場合がある。

上記事情に鑑み、本発明は、冷媒から空気を除去することにより燃料電池の温度制御をより正確に行なうことができる燃料電池用気泡除去システム及びこれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池用気泡除去システムは、燃料電池を冷却する冷媒の流路上に設けられた、中空糸を含むフィルタが設けられたものである。

中空糸により気体のみ選択的に通過させて気液分離することで、冷媒から気泡が除去される。

また、前記冷媒の流路を、前記フィルタを通過する流路と通過しない流路とに切り換える流路切換手段と、該流路切換手段を制御して前記冷媒の流路を変更する制御部とを備えてもよい。

常時フィルタに冷媒を流す構成であると、フィルタに目詰まり等が発生しやすくなる場合がある。本発明のように、切換手段により冷媒流路を適宜フィルタ側に切り換えることで、フィルタのメンテナンス回数を低減させることができる。

また、前記冷媒に含まれる気泡量を検出する気泡量検出手段をさらに備え、前記制御部は、該気泡量検出手段により検出された気泡量が所定量以上となった場合に、前記流路切換手段を制御して前記冷媒を前記フィルタに通過させるようにしてもよい。

気泡量が所定以上に増加した場合にのみフィルタ側に冷媒を流すことにより、効果的に気泡の除去が可能となる。

さらに、上記の気泡除去システムが設けられた燃料電池システムにおいては、中空糸によって気体だけが選択的に通過され、冷媒から気泡が除去される。これにより、燃料電池の温度制御を正確に行なうことが可能となる。燃料電池システムとしては、燃料電池の耐久性等の性能を評価するための評価装置のほか、車両用の発電システムや、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体、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。

本発明の燃料電池用気泡除去システム及びこれを備えた燃料電池システムによれば、冷媒から気泡を除去することにより、燃料電池の温度制御をより正確に行なうことが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池用気泡除去システムについて説明する。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、燃料電池システム１の電力を充放電する不図示の電力系と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備え、さらに気泡除去システム６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、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、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を有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２とを有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。

供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された調圧弁１６によって調圧される。酸化オフガスは、調圧弁１６及び加湿器１５を経て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に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられている。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒（例えばLong Life Coolant; ＬＬＣなど）を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷媒の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

冷媒流路４１には、冷媒を貯留するリザーバタンク４６が設けられている。冷媒流路４１にはさらに、リザーバタンク４６下流側にて分岐する分岐路４７が設けられ、分岐路４７には光検知センサ（気泡量検出手段）４８が設けられている。分岐路４７は燃料電池２よりも上流で再び冷媒流路４１に合流する。冷媒流路４１からはさらに分岐管４９が分岐し、分岐管４９には中空糸フィルタ（フィルタ）５０と、中空糸フィルタ５０の上流と下流に位置して開閉弁（流路切換手段）５１，５２が設けられている。分岐管４９は冷媒流路４１に設けられた開閉弁（流路切換手段）５３をバイパスして再び冷媒流路４１に合流する。

光検知センサ４８は、図２に示したように冷媒に対して赤外線照射器４８ａにより赤外線Ｂを照射し、これを受光素子４８ｂにより受光することにより、冷媒中に含まれる気泡Ａの量を検出する装置である。

中空糸フィルタ５０は、孔径約０．０３μｍの多孔質層（疎水性分離膜）の中空糸５０ａにより構成された脱気モジュールとして機能するフィルタ装置であり、本実施形態における気泡除去システム６の構成要素の一つである。図３に示したように、中空糸５０ａの一端に対して気泡を含んだ冷媒が導入され、冷媒は中空糸５０ａの内部を流動し、他端から吐出されるようになっている。中空糸周囲は不図示の真空ポンプにより脱気されており、図４に示したように冷媒中に含まれる気泡Ａのみが中空糸５０ａを通過することにより、冷媒から気泡が除去される。

中空糸５０ａは、繊維の中心が空洞になっているストロー状の繊維である。空洞内の壁面には濾過機能を発揮するスリット状等の微細な孔が形成されている。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、調圧弁１６及びバイパス弁１８など）に制御信号を出力する。

冷媒系統５は、制御部７によって以下のように制御される。運転中に冷媒中に含まれる気泡量が光検知センサ４８により検出される。図５に示したように、気泡量が経過時間にしたがって増加し、所定量（図の検量線）を超えると、制御部７は開閉弁５１，５２を開くと共に開閉弁５３を閉じ、冷媒を分岐管４９に流動させる。中空糸フィルタ５０にて上記のように冷媒中の気泡が脱気され、脱気された冷媒が冷媒流路４１に戻る。

このように、本実施形態においては中空糸フィルタ５０を用いて冷媒から気泡を除去する構成であるため、燃料電池２の温度制御を正確に行なうことが可能となる。
また、常に中空糸フィルタ５０に冷媒を流動させる構成とすると中空糸フィルタ５０に目詰まりが発生しやすくなるが、本実施形態では、光検知センサ４８により気泡量が所定値以上に増加した場合にのみ中空糸フィルタ５０を用いて冷媒から気泡を除去するため、中空糸フィルタ５０の目詰まりを抑制することができる。さらにまた、複雑な装置を必要としないため、従来のシステムに対して導入することが容易である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 光検知センサの概略構成を示した図である。 中空糸フィルタの概略構成を示した図である。 中空糸フィルタを気体粒子のみが通過する様子を示した模式図である。 気泡量と経過時間の関係及び検量線を示した図である。

符号の説明

２…燃料電池、６…気泡除去システム、４１…冷媒流路、４８…光検知センサ（気泡量検出手段）、５０…中空糸フィルタ（フィルタ）、５１，５２…開閉弁（流路切換手段）、５３…開閉弁（流路切換手段）

Claims (4)

1. 燃料電池を冷却する冷媒の流路上に設けられた、中空糸を含むフィルタからなる燃料電池用気泡除去システム。
2. 前記冷媒の流路を、前記フィルタを通過する流路と通過しない流路とに切り換える流路切換手段と、該流路切換手段を制御して前記冷媒の流路を変更する制御部とを備える請求項１に記載の燃料電池用気泡除去システム。
3. 前記冷媒に含まれる気泡量を検出する気泡量検出手段をさらに備え、
   前記制御部は、該気泡量検出手段により検出された気泡量が所定量以上となった場合に、前記流路切換手段を制御して前記冷媒を前記フィルタに通過させる、請求項２に記載の燃料電池用気泡除去システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池用気泡除去システムを備えた燃料電池システム。

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