JP2009123517A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両が傾いた際に、オフガスから分離した反応水がオフガス流通管に流れ込むことを防止し、気液分離器から漏れ出す水素ガスを最小にするための弁を有する気液分離器及びその制御方法等を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１には燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、希釈器１６と、水素供給弁１１と、ポンプ１３及びポンプ用モータ１２と、排水弁コントローラ１５と、燃料電池制御装置１４と、を含んでいる。水素ガスは、水素供給流通路４１に流れ、燃料電池スタック１０へ導入される。燃料電池スタック１０からは未反応の水素ガスと反応水とを含むオフガスがオフガス流通路４２を流れて気液分離器２０へ導入される。反応水は排水流通路４４から希釈器１６へ導入され、希釈器１６から排水される。反応水が分離された水素ガスはポンプ１３により再び水素供給流通路４１へ戻される。
【選択図】図１

Description

車両に搭載され、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス通路に気液分離器を有する燃料電池システム及びその制御方法に関する。

電気自動車の動力源として充電が不要な燃料電池が注目されている。この燃料電池はイオン交換が可能な電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された水素極と、他方の面に配置された酸素極と、それぞれの極に水素ガスと空気を供給するための流路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数枚積層して燃料電池スタックとしている。

このような燃料電池スタックを含む燃料電池システムは、燃料となる水素と空気中の酸素から発電をするもので、燃料電池の水素極に供給された水素ガスが電気化学反応により水素イオン化する際に水素極から酸素極に移動する電子を外部回路によって直流電流として取り出すことができる。水素極に供給された水素ガスの一部は未反応状態で燃料電池スタックから排出されるため、この未反応のオフガスを再度燃料電池スタックに戻して有効利用する循環系が設けられている。

また、この電気化学反応により反応水が生成され、反応水は水素ガスの循環系内に設けられた気液分離器によって分離され、外部に排出される。なお、このような水素ガスの循環系には、ポンプ及び弁などが経路内に設けられている。

特許文献１には、気体と液体を分離する気液分離器に関し、排出用のドレイン弁内の摺動部分の凍結を防止し、かつ、車両への搭載性を向上させるため、弁の取り付け高さを抑えるサイドフィード弁を排気弁として用いた気液分離器が開示され、気液分離器によって分離された液体が外部に排出されるものがある。

車両に対する取り付けスペースを考慮して、気液分離器の高さ方向の厚みは、低減されているものが望ましい。このため、特許文献１に示されるような厚みを低減した気液分離器では、オフガス流通管及び配水管を気液分離器の側壁に設けている。一方、気液分離器は、車両が傾くことによって傾くことになる。このため、オフガスから分離された反応水が気液分離器内を移動することによって気液分離器内の側壁側に偏り、側壁にオフガス流路管を設けたものでは、反応水がオフガス流路管に流れ込み、水素ガスの流れを遮ることになる。そこで、このような問題を解決した気液分離器が特許文献２に開示されている。

特許文献２には、燃料電池スタックのオフガスが導入されてオフガスに含まれる水を分離する上側チャンバと、分離された反応水を排出する排出部が形成された下側チャンバと、上側チャンバと下側チャンバとを仕切る仕切プレートと、仕切プレートに設けられた連通孔とを備え、連通孔がオフガス流路管から離れるように仕切プレートの中央部からオフセットして形成された気液分離器が開示されている。

特開２００５−３２７６６５号公報 特開２００６−１２０５０３号公報

上述した特許文献２の気液分離器は、車両が傾いた際に、オフガスから分離した反応水がオフガス流通管に流れ込むことを防止することができるが、気液分離器から漏れ出す水素ガスを最小にするための弁を有していないため、別途、弁を設ける必要があり、装置の小型化と搭載性の向上が難しい。

そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、車両が傾いた際に、オフガスから分離した反応水がオフガス流通管に流れ込むことを防止し、気液分離器から漏れ出す水素ガスを最小にするための弁を有する気液分離器及びその制御方法を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載され、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス通路に気液分離器を有する燃料電池システムにおいて、気液分離器は、燃料電池のオフガスに含まれる液体を分離する上側チャンバと、分離された液体を受け入れる貯蔵部が形成された下側チャンバと、上側チャンバの下部と下側チャンバの側部とを連通させる連通孔と、連通孔を通り下側チャンバの貯蔵部に受け入れられた液体を可動弁の開閉によって発生する排出ガス流により排出する電磁弁と、電磁弁に接続され、排出ガス流により液体を排水する排水口と、を備え、電磁弁は下側チャンバの連通孔に対向する面に設けられ、排水口を車両幅方向に開口したことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、気液分離器は重力方向に対して水平、かつ、気液分離器の長手方向と車両幅方向が一致するように車両に搭載されることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、下側チャンバの貯蔵部は、液体が流通し、連通孔と電磁弁とを接続する垂れ下がった流路であることを特徴とする。

さらに、本発明に係る燃料電池システムを制御する制御方法において、車両の走行状態を検出して車両横方向の姿勢角度を検出する姿勢角度検出工程と、電磁弁の開くタイミングを調整する電磁弁調整工程と、を含み、電磁弁調整工程は、姿勢角度検出工程で検出した姿勢角度が所定値より小さい時に電磁弁を開くことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムを用いることにより、車両が傾いた際に、オフガスから分離した反応水がオフガス流通管に流れ込むことを防止し、気液分離器から漏れ出す水素ガスを最小にするための弁を有する気液分離器により、排水性能を低下させないという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図５には、燃料電池システムの車両への搭載状況の概要が示されている。本実施形態で特徴的な事項の一つは、車両１００の姿勢角度の変化が気液分離器２０の排水性能に変化を及ぼすため、車両運用時における傾きの小さい車両幅方法に合わせて気液分離器２０を搭載することである。図中、燃料電池システム１を構成する燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、マフラーの機能を併せ持つ希釈器１６と、が示されている。燃料電池システム１は、車両１００のフロント部に配置され、燃料電池スタック１０から排出されたオフガスは、気液分離器２０に導入され、気液分離器２０によって分離された反応水及びオフガスの一部は希釈器１６へ排出される。

図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１には燃料電池スタック１０と、気液分離器２０と、希釈器１６と、水素供給弁１１と、ポンプ１３及びポンプ用モータ１２と、排水弁コントローラ１５と、燃料電池制御装置１４と、を含んでいる。水素ガスは、水素供給弁１１を開状態にすることで、水素供給流通路４１に流れ、燃料電池スタック１０へ導入される。燃料電池スタック１０には、水素ガスの他に、空気中の酸素が導入され、電気化学反応により、電流が発生し、反応水が生成される。燃料電池スタック１０からは未反応の水素ガスと反応水とを含むオフガスがオフガス流通路４２を流れて気液分離器２０へ導入される。

気液分離器２０は、後述するイオン交換フィルタ３１を有し、反応水は排水流通路４４から希釈器１６へ導入され、希釈器１６により排水及び大気へ放出される。なお、反応水が分離された水素ガスはポンプ１３により再び水素供給流通路４１へ戻される。

図２には、燃料電池システムにおける気液分離器の正面図及び上面図が示されている。図に示すように、気液分離器２０の排水方向の長さ（Ｗ）が奥行き方向（Ｄ）よりも長く設定され、気液分離器と配管とを組み合わせた形状となっている。また、気液分離器２０は、オフガスを導入するオフガス導入管２１と、導入されたオフガスが最初に入る上側チャンバ２２と、反応水が一時的に貯蔵される下側チャンバ２３と、反応水を排出するための排水弁２５と、排水弁２５に接続されている排出管２６と、反応水が分離された水素ガスが排出される循環排出管２４と、を有している。

図３には、気液分離器２０の断面が示されている。オフガス導入管２１から導入されるオフガスは、燃料電池スタック１０を循環する水素ガスや反応水が含まれている。この水素ガスや反応水には、微量であるが、燃料電池スタック１０や配管部品などから溶け出した不純物が存在する。また、外気から吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素ガスの循環系に混入することもある。そこで、水素ガスの循環系にはイオン交換フィルタ３１を設け、反応水、水素ガス及び空気等による燃料電池スタック１０の劣化を抑制するイオン交換フィルタ３１が上側チャンバ２２に配置されている。

図３のオフガス導入管２１から上側チャンバ２２に導入されたオフガスは、水素ガスと、反応水に分離され、反応水は、上側チャンバ２２の側面及び傾斜した底面を伝って連通孔２７を通り、下側チャンバ２３に一時的に貯蔵（反応水３２）される。

貯蔵された反応水３２の排出は、燃料電池制御装置及び排水弁コントローラにより排水弁が制御され、水素ガスの圧力と、連通孔２７を流れる水素ガスの流速と、の相乗効果により反応水３２を瞬間的に吹き飛ばすフラッシュ排水を行う。

図４には、気液分離器２０における傾き状態の一例が示されている。図４（Ａ）は、オフガス導入管２１に逆流しない程度に前傾した状態を示し、図４（Ｂ）は、下側チャンバ２３に反応水３２で満たされる程度に後傾した状態を示している。気液分離器２０は車両に搭載され、車両は走行場所の制限はあるものの、姿勢角度は、道路の傾斜を許容範囲とすることや、停車時の縁石乗り上げによる傾斜まで許容範囲とする必要がある。

一般的な車両の姿勢角度の変化は、例えば、車両前後方向では約±１８度、車両幅方向では約±６度となることから、気液分離器の排水口は車両幅方向に沿うようにして配置している。このような配置とすることで、図４（Ａ）に示すようにオフガス導入管２１へ逆流を防止しつつ、反応水３２の安定したフラッシュ排水を可能にしている。

また、図１に示す排水弁コントローラ１５はマイクロコンピュータを有し、燃料電池制御装置１４からの指示に基づいて排水弁２５を作動させる。このとき、車両幅方向の傾き情報を図示しない車両制御装置から取得し、その傾き情報に応じて排水弁を動作させることで、水素ガスの損失をさらに減少させることが可能となる。

以上、上述したように、本実施形態の燃料電池システムでは、車両が傾いた際に、オフガスから分離した反応水がオフガス流通管に流れ込むことを防止し、気液分離器から漏れ出す水素ガスを最小にするための弁を有する気液分離器とすることにより、排水性能の低下を防止することが可能となる。なお、本実施形態の燃料電池システムの説明のために示した各種数値は、この値に限定するものではなく、燃料電池システム及び車両毎に最適な数値を選定するものであることはいうまでもない。

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。 本実施形態に係る燃料電池システムにおける気液分離器の正面図及び上面図である。 本実施形態における気液分離器の断面図である。 本実施形態における気液分離器の傾き状態を説明する説明図である。 本発明に係る燃料電池システムの車両への搭載状況を説明する説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池スタック、１１ 水素供給弁、１２ ポンプ用モータ、１３ ポンプ、１４ 燃料電池制御装置、１５ 排水弁コントローラ、１６ 希釈器、２０ 気液分離器、２１ オフガス導入管、２２ 上側チャンバ、２３ 下側チャンバ、２４ 循環排出管、２５ 排水弁、２６ 排出管、２７ 連通孔、３１ イオン交換フィルタ、３２ 反応水、４１ 水素供給流通路、４２ オフガス流通路、４４ 排水流通路。

Claims (4)

1. 車両に搭載され、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス通路に気液分離器を有する燃料電池システムにおいて、
   気液分離器は、
   燃料電池のオフガスに含まれる液体を分離する上側チャンバと、
   分離された液体を受け入れる貯蔵部が形成された下側チャンバと、
   上側チャンバの下部と下側チャンバの側部とを連通させる連通孔と、
   連通孔を通り下側チャンバの貯蔵部に受け入れられた液体を可動弁の開閉によって発生する排出ガス流により排出する電磁弁と、
   電磁弁に接続され、排出ガス流により液体を排水する排水口と、
   を備え、
   電磁弁は下側チャンバの連通孔に対向する面に設けられ、排水口を車両幅方向に開口した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、
   気液分離器は重力方向に対して水平、かつ、気液分離器の長手方向と車両幅方向が一致するように車両に搭載されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   下側チャンバの貯蔵部は、液体が流通し、連通孔と電磁弁とを接続する垂れ下がった流路であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムを制御する制御方法において、
   車両の走行状態を検出して車両横方向の姿勢角度を検出する姿勢角度検出工程と、
   電磁弁の開くタイミングを調整する電磁弁調整工程と、
   を含み、
   電磁弁調整工程は、姿勢角度検出工程で検出した姿勢角度が所定値より小さい時に電磁弁を開くことを特徴とする燃料電池システムを制御する制御方法。

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