JP2008257974A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの起動時間を短くでき、かつ、圧力センサの作動不良を防止できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード側に水素供給路４３を介して水素ガスを供給する水素タンク２２と、燃料電池１０のカソード側にエア供給路４１を介してエアを供給するエアポンプ２１と、水素供給路４３とエア供給路４１とを連通するバイパス４６と、バイパス４６に設けられ、バイパス４６を流通するガス量を制御可能なエア導入弁４６１と、水素ガスの圧力により変形可能なダイアフラムを有し、ダイアフラムの変位量を検出することにより水素ガスの圧力を検出する圧力センサ５１と、を備える。圧力センサ５１は、バイパス４６のうちエア導入弁４６１と水素供給路４３との間に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を検出する圧力センサを備えた燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、アノードガスとカソードガスとを化学反応させて発電する燃料電池と、アノード供給経路を介して燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給装置と、カソード供給経路を介して燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。

この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

したがって、このような燃料電池での発電量は、アノードガスの供給量に応じて変化することになる。このため、アノード供給経路内にアノードガスの圧力を検出する圧力センサを設けて、この圧力センサで検出した圧力値に基づいて、アノードガスの供給量を制御している。

ところで、近年、上述の膜を薄くして、小型化を図っている。しかしながら、膜を薄くすると、上述の電気化学反応でカソード側に発生した水が、膜を介してアノード側にリークする。このため、アノード供給経路内は、常に加湿状態になり、圧力センサに水滴が付着する場合がある。この場合、燃料電池による発電を停止した後、周囲温度が氷点下以下になると、圧力センサに付着した水分が凍結するので、その後、燃料電池による発電を再開しようとしても、圧力センサの作動不良が生じ、アノードガスの圧力を検出できない。

そこで、圧力センサに加熱ヒータを設けた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムによれば、加熱ヒータで圧力センサを加熱することで、圧力センサに付着した水分を解凍して、作動不良が生じるのを防止できる。
特開２００５−１６４５３８号公報

しかしながら、上述の燃料電池システムでは、加熱ヒータを設けることにより、部品点数が増加して構造が複雑化するとともに、製造コストが増大する問題があった。また、加熱ヒータによる水分の解凍が完了するまで燃料電池を起動できないので、燃料電池システムの起動時間が長くなり、商品性が低下するおそれがあった。そのため、加熱ヒータによる加熱を必要としない燃料電池システムが要請されていた。

本発明は、システムの起動時間を短くでき、かつ、圧力センサの作動不良を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、アノードガスおよびカソードガスの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、前記燃料電池のアノード側に、アノード供給経路（例えば、実施の形態における水素供給路４３）を介して、アノードガスを供給するアノードガス供給手段（例えば、実施の形態における水素タンク２２）と、前記燃料電池のカソード側に、カソード供給経路（例えば、実施の形態におけるエア供給路４１）を介して、カソードガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、実施の形態におけるエアポンプ２１）と、前記燃料電池のアノード側に接続され、前記燃料電池から排出されるアノード排ガスが流通するアノード排出経路（例えば、実施の形態における水素排出路４４）と、前記アノード排出経路に排出されたアノード排ガスを、前記アノード供給経路を流通するアノードガスに混合するアノード還流経路（例えば、実施の形態における水素還流路４５）と、前記アノード供給経路と前記カソード供給経路とを連通するバイパス経路（例えば、実施の形態におけるバイパス４６）と、前記バイパス経路に設けられ、当該バイパス経路を流通するガス量を制御可能な流量制御手段（例えば、実施の形態におけるエア導入弁４６１）と、前記アノードガスの圧力により変形可能な受圧部（例えば、実施の形態におけるダイアフラム５１１）を有し、当該受圧部の変位量を検出することにより前記アノードガスの圧力を検出するアノードガス圧力検出手段（例えば、実施の形態における圧力センサ５１）と、を備える燃料電池システムであって、前記アノードガス圧力検出手段は、前記バイパス経路のうち前記流量制御手段と前記アノード供給経路との間に設けられることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池システムにアノード供給経路とカソード供給経路とを連通するバイパス経路を設け、バイパス経路に流量制御手段を設けた。このため、掃気を行う場合には、流量制御手段を開いておき、カソードガス供給手段によりカソードガスを供給する。すると、カソードガスは、カソード供給経路からバイパス経路を通ってアノード供給経路に流入し、燃料電池のアノード側、アノード排出経路、およびアノード還流経路を通って排出される。

また、燃料電池で発電する場合には、流量制御手段を閉じておき、カソードガス供給手段により、カソード供給経路を介して、燃料電池のカソード側にカソードガスを供給する。また、アノードガス供給手段によりアノードガスを供給する。すると、このアノードガスは、アノード供給経路、燃料電池のアノード側、アノード排出経路、およびアノード還流経路を通って循環する。

また、アノードガス圧力検出手段をバイパス経路に設けたので、燃料電池で発電する場合には、アノードガスが上述の経路を通って循環することになるが、バイパス経路の圧力はアノードガスが循環する経路の圧力と等しい。さらに、燃料電池のアノード側の近傍にアノードガス圧力検出手段を設けた場合と比べて、アノードガスの影響が非常に少なくなり、湿度が低下するため、水蒸気も溜まり難い。したがって、圧力を正確に測定できるとともに、アノードガス圧力検出手段の作動不良を防止できる。
一方、掃気を行う場合には、カソードガスにより、アノードガス圧力検出手段の受圧部を直接乾燥できるため、水分が溜まるのを防止できるから、システムの起動時間を短くできるうえに、アノードガス圧力検出手段の作動不良をさらに防止できる。
また、従来のようにアノード供給経路内にアノードガス圧力検出手段を設けた場合に比べて、アノードガス圧力検出手段の取付け位置を変更するだけでよいので、アノードガス圧力検出手段の構造を変更する必要がなく、低コストである。

この場合、前記バイパス経路に流通するガスを前記受圧部に導入する導入手段（例えば、実施の形態におけるガイド５１３、５１３Ａ）をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、燃料電池システムに、バイパス経路に流通するガスを受圧部に導入する導入手段を設けた。このため、受圧部に直接当たるガス量が増加するので、受圧部の乾燥を促進できる。

この場合、前記燃料電池のカソード側に接続され、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスが流通するカソード排出経路（例えば、実施の形態におけるエア排出路４２）と、前記カソード供給経路および前記カソード排出経路に跨って設けられ、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスと前記燃料電池に供給されるカソードガスとの間で水分交換を行う加湿装置（例えば、実施の形態における加湿器２４）と、をさらに備え、前記バイパス経路は、前記カソード供給経路のうち前記加湿装置よりも上流側に接続されていることが好ましい。

加湿装置は、燃料電池から排出されるカソードガスに含まれる水分を回収し、この回収した水分を燃料電池に供給されるカソードガスに加える。つまり、燃料電池に供給されるカソードガスの湿度は、加湿装置の上流側の方が、加湿装置の下流側よりも低くなる。
そこで、この発明によれば、カソード供給経路のうち加湿装置よりも上流側に、バイパス経路を接続した。このため、掃気を行う場合、加湿装置で加湿される前の乾燥状態のカソードガスがバイパス経路に流れるので、受圧部の乾燥をさらに促進できる。

本発明によれば、アノードガス圧力検出手段をバイパス経路に設けたので、燃料電池で発電する場合には、燃料電池のアノード側、アノード排出経路、およびアノード還流経路を通ってアノードガスが循環することになるが、バイパス経路の圧力はアノードガスが循環する経路の圧力と等しく、さらに、このアノードガスの影響が非常に少なくなり、水蒸気も溜まり難いから、圧力を正確に測定できる。一方、掃気を行う場合には、カソードガスにより、アノードガス圧力検出手段の受圧部を直接乾燥できるため、水分が溜まるのを防止できるから、システムの起動時間を短くできるうえに、圧力センサの作動不良を防止できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０にアノードガスおよびカソードガスを供給する供給装置２０と、を備える。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むカソードガスとしてのエアが供給されると、電気化学反応により発電する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するカソードガス供給手段としてのエアポンプ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給するアノードガス供給手段としての水素タンク２２およびイジェクタ２３と、燃料電池１０から排出されたガスを処理する希釈装置３３と、を含んで構成される。

燃料電池１０のカソード電極側には、カソード排出経路としてのエア排出路４２が接続され、このエア排出路４２は、燃料電池１０で利用されたエアを排出する。エア排出路４２は、希釈装置３３に接続される。

エアポンプ２１は、カソード供給経路としてのエア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。エア供給路４１には、加湿装置としての加湿器２４が設けられる。この加湿器２４は、燃料電池１０から排出されてエア排出路４２を流れるエアに含まれる水分を回収し、この回収した水分をエア供給路４１を流れて燃料電池１０に供給されるエアに加える。このため、燃料電池１０に供給されるエアの湿度は、加湿器２４の上流側の方が、加湿器２４の下流側よりも低い。

水素タンク２２は、アノード供給経路としての水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。上述のイジェクタ２３は、この水素供給路４３に設けられている。

燃料電池１０のアノード電極側には、アノード排出経路としての水素排出路４４が接続され、この水素排出路４４は、希釈装置３３に接続される。希釈装置３３の近傍には、パージ弁４４１が設けられる。
このパージ弁４４１を開くことにより、水素供給路４３、水素排出路４４、および水素還流路４５内の水素ガスを、希釈装置３３において、エア排出路４２内のエアに合流させる。

また、水素排出路４４のうちパージ弁４４１よりも燃料電池側では、水素排出路４４が分岐されてアノード還流経路としての水素還流路４５となり、この水素還流路４５は、上述のイジェクタ２３に接続されている。

イジェクタ２３は、水素還流路４５を通して、水素排出路４４に流れた水素ガスを回収し、水素供給路４３に還流する。

エア供給路４１と水素供給路４３とは、バイパス経路としてのバイパス４６で接続される。バイパス４６の一端側は、エア供給路４１のうち加湿器２４よりも上流側、つまり加湿器２４とエアポンプ２１との間に接続され、バイパス４６の他端側は、水素供給路４３のうちイジェクタ２３よりも燃料電池１０側に接続される。このバイパス４６には、流量制御手段としてのエア導入弁４６１が設けられ、このエア導入弁４６１を開くと、水素供給路４３とエア供給路４１との間で、ガスが流通可能になる。
また、バイパス４６のうちエア導入弁４６１と水素供給路４３との間には、アノードガス圧力検出手段としての圧力センサ５１が設けられる。

図２は、圧力センサ５１の断面図である。
圧力センサ５１は、受圧部としてのダイアフラム５１１と、このダイアフラム５１１で仕切られた第１室５１２および第２室（図示せず）と、を含んで構成される。
第１室５１２は、バイパス４６に連通している。ダイアフラム５１１は、略鉛直方向下向きに設けられ、第１室５１２と第２室との差圧により変形可能である。
この圧力センサ５１は、ダイアフラム５１１の変位量を検出することにより、バイパス４６の内圧を検出する。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁４４１およびエア導入弁４６１を閉じておき、水素タンク２２から、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する。また、エアポンプ２１を駆動させることにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給する。

燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、水素排出路４４およびエア排出路４２に排出される。エア排出路４２に排出されたエアは、希釈装置３３に流入する。一方、水素排出路４４に排出された水素ガスは、パージ弁４４１が閉じているので、水素還流路４５およびイジェクタ２３を介して、水素供給路４３に還流され、再利用される。このため、水素ガスは、水素供給路４３、燃料電池１０のアノード電極側、水素排出路４４、および水素還流路４５を通って循環する（以降、この水素ガスが循環する経路を水素循環路と呼ぶ）。

ここで、パージ弁４４１およびエア導入弁４６１を閉じた状態では、バイパス４６のうちエア導入弁４６１と水素供給路４３との間の内圧は、上述の水素循環路の内圧に等しくなる。このため、バイパス４６のうちエア導入弁４６１と水素供給路４３との間に設けられた圧力センサ５１のダイアフラム５１１は、水素循環路の内圧、すなわち水素循環路内の水素ガス量に応じて変形する。

一方、燃料電池１０を掃気する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁４４１およびエア導入弁４６１を開いておき、エアポンプ２１を駆動する。すると、エアポンプ２１から送られたエアは、エア供給路４１、燃料電池１０のカソード電極側、およびエア排出路４２を流れ、希釈装置３３に流入するとともに、エア供給路４１およびバイパス４６を介して、水素供給路４３、燃料電池１０のアノード電極側、水素排出路４４、および水素還流路４５を流れ、希釈装置３３に流入する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）圧力センサ５１をバイパス４６に設けた。
ここで、燃料電池１０で発電する場合には、水素供給路４３、燃料電池１０のアノード電極側、水素排出路４４、および水素還流路４５を通って水素ガスが循環することになるが、バイパス４６の圧力は水素ガスが循環する経路の圧力と等しい。さらに、燃料電池１０のアノード電極側の近傍に圧力センサを設けた場合と比べて、この水素ガスの影響が非常に少なくなり、湿度が低下するため、水蒸気も溜まり難い。したがって、圧力を正確に測定できるとともに、圧力センサ５１の作動不良を防止できる。
一方、掃気を行う場合には、エアにより、圧力センサ５１のダイアフラム５１１を直接乾燥できるため、水分が溜まるのを防止できるから、燃料電池システム１の起動時間を短くできるうえに、圧力センサ５１の作動不良をさらに防止できる。
また、従来のように水素供給路４３内に圧力センサ５１を設けた場合に比べて、圧力センサ５１の取付け位置を変更するだけでよいので、圧力センサ５１の構造を変更する必要がなく、低コストである。
なお、掃気を行う場合には、燃料電池１０で発電する場合と比べて、ダイアフラム５１１にエアが当たることで、圧力センサ５１によるバイパス４６の内圧の検出精度が低下してもよい。

（２）ダイアフラム５１１を、略鉛直方向下向きに設けた。このため、ダイアフラム５１１に水分が付着しても、自重により落下しやすいため、ダイアフラム５１１に水分が溜まるのをさらに防止できる。

（３）エア供給路４１のうち加湿器２４よりも上流側、つまり加湿器２４とエアポンプ２１との間に、バイパス４６の一端側を接続した。このため、掃気を行う場合には、加湿器２４で加湿される前の乾燥状態のエアがバイパス４６に流れるので、ダイアフラム５１１の乾燥を促進できる。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２実施形態に係る圧力センサ５１Ａの断面図である。
本実施形態では、バイパス４６の内部に導入手段としてのガイド５１３が設けられる点が第１実施形態と異なる。

すなわち、ガイド５１３は、管状であり、バイパス４６に沿って圧力センサ５１Ａからエア供給路４１側に向かって延びる本体５１４と、この本体５１４に設けられ圧力センサ５１Ａのダイアフラム５１１に向かって略鉛直方向に延びる鉛直部５１５と、を備える。

本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）に加え、以下のような効果がある。
（４）バイパス４６の内部に、管状のガイド５１３を設けたので、掃気の際にバイパス４６を流れるエアは、ガイド５１３内を流れ、ダイアフラム５１１に導入される。このため、ダイアフラム５１１に直接当たるエア量が増加するので、ダイアフラム５１１の乾燥をさらに促進でき、この乾燥に必要な時間を短縮したり、この乾燥に必要なエアの流量を減少させたりできる。

〔第３実施形態〕
図４は、本発明の第３実施形態に係る圧力センサ５１Ｂの断面図である。
本実施形態では、圧力センサ５１Ｂの構造が第２実施形態と異なる。

圧力センサ５１Ｂには、ガイド５１３Ａが設けられており、このガイド５１３Ａは、圧力センサ５１Ｂの水素供給路４３側の壁部５１６が略鉛直方向下向きに延出されて形成される。

本実施形態によれば、バイパス４６の内部に、圧力センサ５１Ｂの水素供給路４３側の壁部５１６が略鉛直方向下向きに延出したガイド５１３Ａを設けたので、掃気の際にバイパス４６を流れるエアは、ガイド５１３Ａに当たって、ダイアフラム５１１に導入される。このため、上述の（４）と同様の効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、圧力センサ５１、５１Ａ、５１Ｂで検出した圧力値を補正する補正手段を設けてもよい。これによれば、燃料電池１０で発電する場合に、バイパス４６において水素ガスに少量の流れが生じても、補正手段で補正することで、圧力を正確に検出できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る圧力センサの断面図である。 本発明の第２実施形態に係る圧力センサの断面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧力センサの断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２１…エアポンプ（カソードガス供給手段）
２２…水素タンク（アノードガス供給手段）
２４…加湿器（加湿装置）
４１…エア供給路（カソード供給経路）
４３…水素供給路（アノード供給経路）
４４…水素排出路（アノード排出経路）
４５…水素還流路（アノード還流経路）
４６…バイパス（バイパス経路）
５１、５１Ａ、５１Ｂ…圧力センサ（アノードガス圧力検出手段）
４６１…エア導入弁（流量制御手段）
５１１…ダイアフラム（受圧部）

Claims (3)

1. アノードガスおよびカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のアノード側に、アノード供給経路を介して、アノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池のカソード側に、カソード供給経路を介して、カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記燃料電池のアノード側に接続され、前記燃料電池から排出されるアノード排ガスが流通するアノード排出経路と、
   前記アノード排出経路に排出されたアノード排ガスを、前記アノード供給経路を流通するアノードガスに混合するアノード還流経路と、
   前記アノード供給経路と前記カソード供給経路とを連通するバイパス経路と、
   前記バイパス経路に設けられ、当該バイパス経路を流通するガス量を制御可能な流量制御手段と、
   前記アノードガスの圧力により変形可能な受圧部を有し、当該受圧部の変位量を検出することにより前記アノードガスの圧力を検出するアノードガス圧力検出手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記アノードガス圧力検出手段は、前記バイパス経路のうち前記流量制御手段と前記アノード供給経路との間に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記バイパス経路に流通するガスを前記受圧部に導入する導入手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池のカソード側に接続され、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスが流通するカソード排出経路と、
   前記カソード供給経路および前記カソード排出経路に跨って設けられ、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスと前記燃料電池に供給されるカソードガスとの間で水分交換を行う加湿装置と、をさらに備え、
   前記バイパス経路は、前記カソード供給経路のうち前記加湿装置よりも上流側に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。

Images