JP2009158247A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの停止時だけでなく通常運転時でも、イオン交換フィルタ内の残水量を低減することができる燃料電池システムを提供する
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、燃料電池スタック１０からのオフガスが流通する排出ガス流通路に設けられた気液分離器２０と、気液分離器２０により分離されたオフガスを水素ガス供給手段に循環させる循環流通路４３に設けられたポンプ１３及びポンプ用モータ１２と、燃料電池システム１を制御する燃料電池制御装置１４と、を有している。水素ガス供給手段には、水素供給弁１１、水素供給流通路４１と、水素供給圧力の変動を少なくするためのバッファ配管１８と、水素圧力を測定する圧力センサ１７と、が設けられている。
【選択図】図１

Description

車両に搭載され、燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス流通路に設けられた気液分離器と、気液分離器により分離されたオフガスを水素ガス供給手段に循環させる循環流通路に設けられた循環ポンプと、を有する燃料電池システムに関する。

電気自動車の動力源として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。

導入されるオフガスは、燃料電池スタック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の劣化を抑制している。

特許文献１及び特許文献２には、燃料電池システムで生成された反応水に含まれるイオンを燃料電池スタックの外部で除去するイオン交換フィルタに関する技術が開示されている。特に、これらの特許文献１及び特許文献２は、零度以下の環境下において、イオン交換フィルタに入り込んだ反応水が凍結により膨張し、イオン交換フィルタが破損することを防止している。

特開２００６−４９１００号公報 特開２００７−５２８９号公報

しかし、上述した技術は、燃料電池システム停止の際に循環ポンプを逆回転させて燃料電池システムからの反応水の排出を促進するものであり、燃料電池システムの作動中にイオン交換フィルタ内の水を減少させるものではなかった。

一般的な燃料電池システムの特性として、発電量が少ない場合にはイオン交換フィルタに流入する反応水よりも排出される反応水が多いためイオン交換フィルタに反応水が蓄積されない。しかし、発電量が増加するとイオン交換フィルタに流入する反応水が増加して流入過多となることで残水状態となり、イオン交換フィルタの目づまり状態が一時的に発生してオフガスの圧力が上昇することで発電効率が低下する場合がある。

そこで、本発明は燃料電池システムの停止時だけでなく通常運転時でも、イオン交換フィルタ内の残水量を低減することができる燃料電池システム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、燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス流通路に設けられた気液分離器と、気液分離器により分離されたオフガスを水素ガス供給手段に循環させる循環流通路に設けられた循環ポンプと、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とともに、オフガスを循環流通路に戻す上側チャンバと、上側チャンバに設けられたイオン交換フィルタと、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、オフガスの残留圧力により、下側チャンバの貯蔵部に受け入れられた液体をオフガスと共に可動弁の開閉によって排出させる電磁弁と、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、燃料電池の発電量に基づいてイオン交換フィルタ内の液体量を予測し、その液体量に応じて循環ポンプを逆回転させ、イオン交換フィルタに蓄えられた液体を下側チャンバに排出させ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、さらに、オフガスを循環させる循環ポンプの吐出側と燃料電池との間の水素ガス供給流通路に気蓄器を備え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、循環ポンプを一時停止又は逆回転させてイオン交換フィルタに蓄えられた液体を下側チャンバに排出させることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池において、水素ガス供給流通路のガス圧を測定し、循環ポンプの逆回転による圧力低下が所定値内となるように循環ポンプを制御す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において、気蓄器は、配管内径を水素ガス流通路の配管内径より太くしたバッファ配管であることを特徴とする。

本発明を用いることにより、燃料電池システムの停止の際に限らず、イオン交換フィルタに溜まった反応水の残水量を低減することが可能となり、イオン交換フィルタの目づまり状態による燃料電池の発電率の低下を防止するという効果がある。

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１は車両に搭載された燃料電池システムの構成を示している。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、燃料電池スタック１０からのオフガスが流通するオフガス流通路４２に設けられた気液分離器２０と、気液分離器２０により分離されたオフガスを水素ガス供給手段に循環させる循環流通路４３に設けられたポンプ１３及びポンプ用モータ１２と、気液分離器２０からオフガスと反応水を排水流通路４４へ排出する排水弁コントローラ１５と、気液分離器２０から排出されたオフガスを空気排出流通路４６からの空気で希釈する希釈器１６と、燃料電池システム１を制御する燃料電池制御装置１４と、を有している。

また、水素ガス供給手段には、水素供給弁１１、水素供給流通路４１と、水素供給圧力の変動を少なくするためのバッファ配管１８と、水素圧力を測定する圧力センサ１７と、が設けられている。バッファ配管１８は水素圧力の変動を低減する気蓄器としての機能を実現するために、水素供給流通路４１の管径に対して、例えば、３〜５倍の管径としている。

最初に通常の発電状態について図１を用いて説明する。図に示すように、水素は水素供給弁１１を通り、水素供給流通路４１に接続されているバッファ配管１８を経由して燃料電池スタック１０へ供給される。燃料電池スタック１０には空気供給流通路４５から空気が供給され、空気中の酸素と水素が反応して燃料電池スタック１０が発電する。次に、燃料電池スタック１０のオフガス流通路４２からは、未反応の水素ガスと反応水が気液分離器２０へ送られる。

気液分離器２０は、上側チャンバと下側チャンバに分けられ、上側チャンバにはイオン交換フィルタ３０が設けられている。また、下側チャンバには反応水を一時的に貯蔵する貯蔵部と排水弁とが設けられている。イオン交換フィルタ３０には、粒状のイオン交換樹脂が封入されており、循環させる必要のあるオフガスに含まれる霧状の反応水の不純物を取り除くことができる。オフガスはイオン交換フィルタ３０の下面から入り、イオン交換フィルタの中を抜けて上面から排出される。これに対し、イオン交換フィルタに蓄えられた反応水は、オフガスの流れに逆らってイオン交換フィルタの中から下面へ流れ、イオン交換フィルタ下面から水滴となって下側チャンバに滴下することになる。気液分離器２０の下側チャンバには、上側チャンバに設けられたイオン交換フィルタから滴下する反応水と、循環させる必要の無い反応水と、が上側チャンバから下側チャンバに直接流れ込み、貯蔵される。

通常の発電状態においては、発電量がそれほど多くないため、オフガスの量とオフガス中の反応水も同様に多くなく、イオン交換フィルタ３０に蓄えられた反応水は滞りなく下側チャンバに滴下する。しかし、発電量の増加と共にオフガスの流量及び反応水の量が増加すると、相対的に反応水の流出が滞り、イオン交換フィルタの残水５０が増加することになる。

本実施形態では、後述する燃料電池制御装置１４の指令により、ポンプ１３を停止させて水切りを促進させる処理と、さらに、ポンプ１３を逆回転させてより強力に水切りを実行する処理と、を行うことが可能である。次に、燃料電池システム１の発電量が増加し、ポンプ１３を停止させた場合について、図２を用いて示す。

図２には、燃料電池制御装置１４の指令により循環系のポンプ１３を停止した場合の動作を示している。発電量が通常状態から増加すると、イオン交換フィルタ３０に蓄えられた反応水を滞りなく下側チャンバに滴下させるために、下側から上側に流れるオフガスの流量を、例えば、数秒程度止めることにより反応水の滴下を促進する処理が実行される。このとき、燃料電池スタック１０から排出されるオフガスは継続して供給されているので、気液分離器２０内の圧力が上昇することになる。

燃料電池制御装置１４は、発電量からイオン交換フィルタ３０内の残水５０を予測して必要があれば、排水弁コントローラ１５に対して排水弁３１を開状態とさせて、反応水の排水を行うと共に、上昇したオフガスの圧力を低下させる。その後、燃料電池制御装置１４はポンプ１３を通常の正回転状態に戻すことにより、通常の発電状態とする。

図３は、燃料電池システム１において、循環系のポンプ１３を逆回転した場合の動作を示している。発電量が通常状態からさらに増加して高出力状態となると、ポンプ１３を停止するだけではイオン交換フィルタ３０に蓄えられた残水５０の減少が困難となるため、ポンプ１３を停止後、逆回転させる処理が実行される。この時問題となるのが、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給である。循環流通路４３は水素供給流通路４１に接続されているため、ポンプ１３を逆回転することにより水素ガスの供給圧力が一時的に低下することになるが、本実施形態では、この圧力低下分を肩代わりするバッファ配管１８を設けたことにより圧力低下を軽減する。

さらに、燃料電池制御装置１４は、バッファ配管１８近傍の圧力がガス供給圧力の規定値に収まるようにポンプ１３を制御することで、燃料電池スタック１０の発電量を維持させることが可能である。ポンプ１３が逆回転となることで、一時的（例えば、数秒）にオフガス流がイオン交換フィルタ内の残水５０を押し出す方向に作用することで、イオン交換フィルタ３０内の残水５０が下側チャンバに滴下する。

燃料電池制御装置１４は、発電量と、ポンプ１３の逆回転時間により、排水弁コントローラ１５に対して排水弁３１を開状態とさせ、反応水の排水を行うと共に、オフガスの圧力を低下させる。この時、気液分離器２０の内部圧力が所定の圧力より高い場合には、必要に応じてポンプ１３を停止させ、通常回転に復帰させた後に、排水弁３１を開状態とさせて反応水の排水を行うと共に、オフガスの圧力を低下させる。

図４には、燃料電池システムにおける水切り処理の流れを示し、図５には、水切り処理における残水量と循環系のポンプ１３の回転状態の関係を示している。燃料電池制御装置１４は、ステップＳ１０において、燃料電池スタック１０の発電量を元にして残水量Ｌを推定する。

残水量は、図５に示すように、発電量に比例して発生する反応水の生成量とイオン交換フィルタから排出される反応水量とで決まる。特に、残水量は燃料電池スタック１０が低発電状態では微増となるが、高出力状態では急激に増加する。そこで、ポンプ１３の正回転を停止するしきい値１と、ポンプ１３を停止から逆回転させるしきい値２と、を設けてイオン交換フィルタ３０内の残水を低減させている。

図４のステップＳ１０において推定された残水量Ｌに基づいて、ステップＳ１２において運転状況を判定する。もし、残水量Ｌが「しきい値１」より少ない場合には、ステップＳ１４において、ポンプ回転を正回転とし、さらにステップＳ１６において排水が必要であるか判定する。もし、排水が必要無い場合には、水切り処理を終了することになる。また、排水が必要である場合には、ステップＳ１７に移り、排水弁３１を開き、ステップＳ１８にて排水時間をカウント（例えば、数秒）した後、排水弁３１を閉じる処理（ステップＳ２０）を行い、水切り処理を終了させる。

ステップＳ１２において、推定された残水量Ｌが「しきい値１以上、かつ、しきい値２よりも少ない」場合、ステップＳ２２に移る。ステップＳ２２において、ポンプ１３を停止させ、ステップＳ２４において、発電量に応じた停止時間（例えば、数秒）をカウントする。所定停止時間が経過すると、ステップＳ２６において、排水弁３１を開き、ステップＳ２８にて排水時間をカウントした後、排水弁３１を閉じる処理（ステップＳ３０）を行い、停止していたポンプ１３の回転を正回転で回転（ステップＳ３２）させた後に水切り処理を終了する。

ステップＳ１２において、推定された残水量Ｌが「しきい値２以上」である場合、ステップＳ３４に移る。ステップＳ３４において、ポンプ１３を停止後逆回転させる。ステップＳ３６において、発電量に応じた逆回転時間（例えば、数秒）をカウント後、ステップＳ３８において、ポンプ１３停止後正回転とする。その後、ステップＳ４０にて排水弁３１を開き、ステップＳ４２にて排水時間をカウント（例えば、数秒）した後、排水弁３１を閉じる処理（ステップＳ４４）を行い、水切り処理を終了させる。

以上、上述したように、本実施形態に係る燃料電池システムを用いることにより、燃料電池システム１の作動中にイオン交換フィルタ３０内の残水５０を減少させることが可能となる。なお、本実施形態では、バッファ配管１８を用いたが、これに限定するものではなく、弾性配管やガス圧式気蓄器でもよい。また、水切り処理において、ポンプ停止による緩やかな水切り処理を含めたが、これに限定するものではなく、通常の正回転と逆回転による水切り処理としてもよい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を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて循環系のポンプを停止した場合の動作を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて循環系のポンプを逆回転させた場合の動作を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る水切り処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の水切り処理における残水量と循環系ポンプの回転状態の関係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、１７ 圧力センサ、１８ バッファ配管、２０ 気液分離器、３０ イオン交換フィルタ 、３１ 排水弁、４１ 水素供給流通路、４２ オフガス流通路、４３ 循環流通路、４４ 排水流通路、４５ 空気供給流通路、４６ 空気排出流通路、５０ 残水。

Claims (5)

1. 車両に搭載され、燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、燃料電池からのオフガスが流通する排出ガス流通路に設けられた気液分離器と、気液分離器により分離されたオフガスを水素ガス供給手段に循環させる循環流通路に設けられた循環ポンプと、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とともに、オフガスを循環流通路に戻す上側チャンバと、
   上側チャンバに設けられたイオン交換フィルタと、
   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、
   オフガスの残留圧力により、下側チャンバの貯蔵部に受け入れられた液体をオフガスと共に可動弁の開閉によって排出させる電磁弁と、
   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、
   燃料電池の発電量に基づいてイオン交換フィルタ内の液体量を予測し、その液体量に応じて循環ポンプを逆回転させ、イオン交換フィルタに蓄えられた液体を下側チャンバに排出させ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、
   さらに、オフガスを循環させる循環ポンプの吐出側と燃料電池との間の水素ガス供給流通路に気蓄器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   循環ポンプを一時停止又は逆回転させてイオン交換フィルタに蓄えられた液体を下側チャンバに排出させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、
   水素ガス供給流通路のガス圧を測定し、循環ポンプの逆回転による圧力低下が所定値内となるように循環ポンプを制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   気蓄器は、配管内径を水素ガス流通路の配管内径より太くしたバッファ配管であることを特徴とする燃料電池システム。

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