JP2009016220A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の走行状態にかかわらず、簡素な構成でアウトリークした水素を換気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、水素ガスとエアとを反応させて発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０を収容するパッケージ１１と、水素供給路４３を介して燃料電池に水素ガスを供給する水素タンク２２と、エア供給路４１を介して燃料電池１０にエアを供給するエアポンプ２１と、エア供給路４１から分岐されたエア分岐路４１１と、水素供給路４３に設けられ、エア分岐路４１１内のエアの圧力に基づいて、水素供給路４３を通る水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４３１と、エア分岐路４１１内のエアを排出することで、エア分岐路４１１内のエアの圧力を調整するインジェクタ４１２と、を備える。インジェクタ４１２は、排出したエアによりパッケージ１１内を換気する。
【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、自動車に搭載される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、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、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反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応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。

このような燃料電池は、箱状のパッケージに収容されて、自動車に搭載される。
しかしながら、水素ガスは僅かな隙間から漏れやすい性質であるうえに、燃料電池の各セル同士の間にはシール部位が多いため、燃料電池から微量の水素がアウトリークし、パッケージ内の水素ガス濃度が上昇する場合がある。

この問題を解決するため、反応ガス供給装置からパッケージ内に延びる換気用配管を設け、この配管を通してパッケージ内に空気を供給することで、パッケージ内の換気を行う手法が提案されている（特許文献１参照）。
また、パッケージに換気ファンを設け、この換気ファンを駆動することによって、パッケージ内の換気を行う手法がある。
また、パッケージの壁面に開口を設け、この開口を通して、自動車の走行により発生する走行風や外部の環境風をパッケージ内に導入して、パッケージ内の換気を行う手法がある。

特開２００４−３５６０１７号公報

しかしながら、換気用配管や換気ファンを設けた場合には、システムが複雑かつ大型化してしまう。
また、パッケージに開口を設けた場合には、外部が無風状態で、かつ、アイドル停止により走行風を得られない場合には、アウトリークした水素を換気することが困難となり、水素ガスが燃料電池の周囲に滞留し、水素濃度が上昇してしまう場合がある。

本発明は、自動車の走行状態にかかわらず、簡素な構成でアウトリークした水素を換気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（例えば、後述の燃料電池システム１）は、アノードガス（例えば、後述の水素ガス）とカソードガス（例えば、後述のエア）とを反応させて発電を行う燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池を収容するパッケージ（例えば、後述のパッケージ１１）と、アノードガス供給路（例えば、後述の水素供給路４３）を介して前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段（例えば、後述の水素タンク２２）と、カソードガス供給路（例えば、後述のエア供給路４１）を介して前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、後述のエアポンプ２１）と、前記カソードガス供給路から分岐されたカソードガス分岐路（例えば、後述のエア分岐路４１１）と、前記アノードガス供給路に設けられ、前記カソードガス分岐路内のカソードガスの圧力に基づいて、前記アノードガス供給路を通るアノードガスの圧力を調整するレギュレータ（例えば、後述のレギュレータ４３１）と、前記カソードガス分岐路内のカソードガスを排出することで、当該カソードガス分岐路内のカソードガスの圧力を調整するインジェクタ（例えば、後述のインジェクタ４１２）と、を備える燃料電池システムであって、前記インジェクタは、排出したカソードガスにより前記パッケージ内を換気することを特徴とする。

この発明によれば、インジェクタから排出されるカソードガスを用いてパッケージ内を換気したので、アイドリング停止時のように、外部からの風を取り入れることができない場合でも、インジェクタの排気により換気が可能となる。よって、自動車の走行状態にかかわらず、アウトリークした水素を換気でき、自動車の安全性を向上できる。
また、換気のためのデバイスや配管を設けることなく、パッケージ内に滞留する水素ガスを換気できるので、燃料電池システムの簡素化および小型化が可能となる。

ところで、インジェクタからカソードガスを排出する際、この排出されるガスにより騒音が発生するが、この騒音は、ガスの排出口近傍に膨張室を設けることで軽減される。
そこで、この発明によれば、インジェクタからパッケージ内にカソードガスを排出し、このガスがパッケージ内を通って排出されるので、パッケージが膨張室と同様の役割を果たすことになり、インジェクタの騒音を低減できる。

この場合、前記インジェクタを制御する制御手段（例えば、後述の制御装置３０）をさらに備え、当該制御手段は、前記アノード供給路内のアノードガスの圧力を上昇させる場合には、前記インジェクタからカソードガスを排出させないことが好ましい。

例えば自動車を加速させる場合、アノードガス供給路内のアノードガスの圧力を上昇させて、燃料電池の発電量を増加する。この場合、この発明によれば、インジェクタからカソードガスを排出させないので、インジェクタによる換気は行われないが、アノードガスの圧力を確実に上昇させることができ、燃料電池の発電性能を確保できる。

この場合、前記アノード供給路内のアノードガスの圧力を下降させる場合には、前記インジェクタのカソードガスの排出量を増加して、前記パッケージ内を換気することが好ましい。

例えば自動車をアイドル停止させる場合や自動車を減速させる場合には、アノードガス供給路内のアノードガスの圧力を下降させて、燃料電池の発電量を減少させる。この場合、この発明によれば、カソードガスを排出してパッケージ内を換気するので、自動車の安全性を向上できる。

本発明によれば、インジェクタから排出されるカソードガスを用いてパッケージ内を換気したので、アイドリング停止時のように、外部からの風を取り入れることができない場合でも、インジェクタの排気により換気が可能となる。よって、自動車の走行状態にかかわらず、アウトリークした水素を換気でき、自動車の安全性を向上できる。また、換気のためのデバイスや配管を設けることなく、パッケージ内に滞留する水素ガスを換気できるので、燃料電池システムの簡素化および小型化が可能となる。また、インジェクタからパッケージ内にカソードガスを排出し、このガスがパッケージ内を通って排出されるので、パッケージが膨張室と同様の役割を果たすことになり、インジェクタの騒音を低減できる。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一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、自動車に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０および供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０と、を有する。

このような燃料電池１０は、パッケージ１１に収容され、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）側にカソードガスとしての酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
パッケージ１１は箱状であり、このパッケージ１１の側面のうち自動車の進行方向側には、自動車の走行に伴ってパッケージ１１内に風を取り入れるための風取入口１１１が形成される。
また、パッケージ１１の上面には、後述のインジェクタ４１２の先端が挿通される挿通口１１３が形成される。
また、パッケージ１１の下面には、パッケージ１１内のガスを排出するためのガス排出口１１２が形成される。

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と、を含んで構成される。

エアポンプ２１は、カソードガス供給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は途中で分岐されており、この分岐した部分は、カソードガス分岐路としてのエア分岐路４１１となっている。

燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路４２が接続され、このエア排出路４２の先端側には、カソード背圧弁４２１が設けられる。

水素タンク２２は、アノードガス供給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。
水素供給路４３には、この水素供給路４３を通る水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４３１が設けられ、このレギュレータ４３１には、上述のエア分岐路４１１が接続される。
レギュレータ４３１は、エア分岐路４１１内のエアの圧力に基づいて、水素供給路４３を通る水素ガスの圧力を調整する。
エア分岐路４１１には、このエア分岐路４１１内のエアを排出することで、エア分岐路４１１内のエアの圧力を調整するインジェクタ４１２が設けられている。インジェクタ４１２のエア排出口は、上述の挿通口１１３を通ってパッケージ１１内に露出し、燃料電池１０の上方に位置している。

また、水素供給路４３の水素タンク２２とレギュレータ４３１との間には、遮断弁４３２が設けられている。

燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路４４が接続され、この水素排出路４４の先端側には、パージ弁４４１が設けられている。また、水素排出路４４のうちパージ弁４４１よりもアノード電極側では、水素排出路４４が分岐されて水素還流路４５となり、この水素還流路４５は、水素供給路４３に接続されている。

制御装置３０は、供給装置２０を制御して、燃料電池１０を発電させるほか、インジェクタ４１２を制御して、このインジェクタ４１２から排出されるカソードガスによりパッケージ１１内を換気する。
具体的には、制御装置３０は、水素供給路４３内の水素ガスの圧力を上昇させる場合には、インジェクタ４１２からエアを排出させず、水素供給路４３内の水素ガスの圧力を下降させる場合には、インジェクタ４１２のエアの排出量を増加して、パッケージ１１内を換気する。

燃料電池１０を発電させる手順は、以下のようになる。
すなわち、図２に示すように、パージ弁４４１を閉じるとともに、遮断弁４３２およびカソード背圧弁４２１を開く。そして、エアポンプ２１を駆動することにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。同時に、水素タンク２２から、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。

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、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路４４およびエア排出路４２に流入する。パージ弁４４１は閉じているので、水素排出路４４に流れた水素ガスは、水素還流路４５を通って水素供給路４３に還流されて、再利用される。

その後、パージ弁４４１およびカソード背圧弁４２１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、エア、および残留水が、水素排出路４４およびエア排出路４２から排出される。

ここで、エアポンプ２１から供給されたエアのほとんどは、エア供給路４１を通って燃料電池１０で発電に供給されるが、一部は、エア分岐路４１１にも流入する。インジェクタ４１２からのエア排出量を調整することで、エア分岐路４１１を通ってレギュレータ４３１に流入するエアの圧力を変化させ、水素ガスの供給量を調整する。
例えば、インジェクタ４１２のエアの排出量を一定量とするか、あるいは、ゼロとすることで、エア分岐路４１１内のエアの圧力を高める。すると、レギュレータ４３１の開度は、このエアの圧力に応じて大きくなり、水素ガスの供給量が大きくなる。
このようにして、エアの供給量に応じて、水素ガス量の供給量を確保する。

次に、以上の燃料電池１０の発電した状態から、燃料電池１０の発電を停止する手順は、以下のようになる。
すなわち、図３に示すように、エアポンプ２１の回転数を最低限まで下げるとともに、カソード背圧弁４２１を閉じる。すると、エアポンプ２１から供給されるエア量は減少し、さらに、この供給されたエアは、エア供給路４１に流入せず、全て、エア分岐路４１１に流入する。

そこで、インジェクタ４１２のエアの排出量を多くして、エア分岐路４１１内のエアの圧力を低下させる。すると、レギュレータ４３１の開度は、このエアの圧力に応じて小さくなり、水素ガスの供給量が減少する。ここで、インジェクタ４１２のエアの排出量が多くなるので、パッケージ１１内のガスは、ガス排出口１１２を通って排出される。
このようにして、エアの供給量および水素ガスの供給量を低減して、燃料電池１０の発電を停止させる。

図４は、燃料電池システム１の動作のタイミングチャートである。
時刻ｔ０からｔ１までの期間、エアポンプ２１からエア供給路４１に供給されるエアの圧力は一定値Ｐ０である。インジェクタ４１２では、一定流量Ｆ０のエアが排出されて、インジェクタ後段のエアの圧力は、一定値Ｑ０となっている。これにより、燃料電池の発電量は一定となり、自動車は一定速度Ａで走行する。

時刻ｔ１からｔ２までの期間、エアポンプ２１からエア供給路４１に供給されるエア量がＰ０からＰ１まで増加する。一方、インジェクタ４１２で排出されるエア量はゼロとなり、その結果、インジェクタ後段のエアの圧力がＱ０からＱ１まで上昇して、水素ガスの供給量が増加する。これにより、燃料電池の発電量が増加し、自動車は加速して、速度Ａよりも速い速度Ｂとなる。

時刻ｔ２からｔ３までの期間、エアポンプ２１からエア供給路４１に供給されるエアの圧力は、一定値Ｐ１である。インジェクタ４１２では、一定流量Ｆ０のエアが排出されて、インジェクタ後段のエアの圧力は、一定値Ｑ１となっている。これにより、燃料電池の発電量は一定となり、自動車は一定速度Ｂで走行する。

時刻ｔ３からｔ４までの期間、エアポンプ２１からエア供給路４１に供給されるエア量がＰ１からＰ０まで減少する。一方、インジェクタ４１２で排出されるエア量はＦ０よりも大きいＦ１となり、その結果、インジェクタ後段のエアの圧力がＱ１からＱ０まで下降して、水素ガスの供給量が減少する。これにより、燃料電池の発電量が減少し、自動車は減速する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）インジェクタ４１２から排出されるエアを用いてパッケージ１１内を換気したので、アイドリング停止時のように、外部からの風を取り入れることができない場合でも、インジェクタ４１２の排気により換気が可能となる。よって、自動車の走行状態にかかわらず、アウトリークした水素を換気でき、自動車の安全性を向上できる。
また、換気のためのデバイスや配管を設けることなく、パッケージ１１内に滞留する水素ガスを換気できるので、燃料電池システム１の簡素化および小型化が可能となる。

また、インジェクタ４１２からパッケージ１１内にエアを排出し、このエアがパッケージ１１内を通って排出されるので、パッケージ１１が膨張室と同様の役割を果たすことになり、インジェクタ４１２の騒音を低減できる。

（２）例えば自動車を加速させる場合、水素供給路４３内の水素ガスの圧力を上昇させて、燃料電池１０の発電量を増加する。この場合、インジェクタ４１２からエアを排出させないので、インジェクタ４１２による換気は行われないが、水素ガスの圧力を確実に上昇させることができ、燃料電池１０の発電性能を確保できる。
なお、この場合でも、パッケージ１１に風取入口１１１を設けたので、加速時にインジェクタ４１２による換気を行わなくても、走行風によりパッケージ１１内部を換気でき、燃料電池の発電性能を確保しつつ、安全性を確保できる。

（３）例えば自動車をアイドル停止させる場合や自動車を減速させる場合には、水素供給路４３内の水素ガスの圧力を下降させて、燃料電池１０の発電量を減少させる。この場合、エアを排出してパッケージ１１内を換気するので、自動車の安全性を向上できる。

（４）インジェクタ４１２のエア排出口を燃料電池１０の上方に位置させた。燃料電池１０からアウトリークした水素ガスは、パッケージ１１の上部に滞留するので、インジェクタ４１２から排出するエアで水素ガスを確実に希釈でき、水素ガスの希釈性能を向上できる。

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。

本発明の一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燃料電池システムの燃料電池を発電させる手順を説明するための図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の発電を停止させる手順を説明するための図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの動作のタイミングチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ パッケージ
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）
３０ 制御装置（制御手段）
４１ エア供給路（カソードガス供給路）
４３ 水素供給路（アノードガス供給路）
４１１ エア分岐路（カソードガス分岐路）
４１２ インジェクタ
４３１ レギュレータ

Claims (3)

1. アノードガスとカソードガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
   当該燃料電池を収容するパッケージと、
   アノードガス供給路を介して前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
   カソードガス供給路を介して前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記カソードガス供給路から分岐されたカソードガス分岐路と、
   前記アノードガス供給路に設けられ、前記カソードガス分岐路内のカソードガスの圧力に基づいて、前記アノードガス供給路を通るアノードガスの圧力を調整するレギュレータと、
   前記カソードガス分岐路内のカソードガスを排出することで、当該カソードガス分岐路内のカソードガスの圧力を調整するインジェクタと、を備える燃料電池システムであって、
   前記インジェクタは、排出したカソードガスにより前記パッケージ内を換気することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記インジェクタを制御する制御手段をさらに備え、
   当該制御手段は、前記アノード供給路内のアノードガスの圧力を上昇させる場合には、前記インジェクタからカソードガスを排出させないことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記アノード供給路内のアノードガスの圧力を下降させる場合には、前記インジェクタのカソードガスの排出量を増加して、前記パッケージ内を換気することを特徴とする燃料電池システム。

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