JP2009170346A - 燃料電池システム及びそれを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムのガス流路から燃料電池へ水が進入することを好適に抑制する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池排ガスの排気経路に多孔体フィルタ４２を備えている。多孔体フィルタ４２は、系外方向へ向かってガス及び水蒸気を透過させるが、系内方向へ向かってガスのみを透過させるフィルタである。また、燃料電池システム１００は、多孔体フィルタ４２により燃料電池排ガスの排気性が悪化した場合には、排気制御処理を行う。排気制御処理では、多孔体フィルタ４２の前後の差圧ＤＰが所定値以上となると、多孔体フィルタ４２の位置を移動し、排気経路を開放すると共に、エアコンプレッサ３２の回転数を増加させて、滞留する燃料電池排ガス及び燃料電池の生成水の排出を促進させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池により発電を行う燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、外部から燃料電池への水の進入を抑制する技術に関する。

燃料電池システムは、例えば、水素タンクに貯留した水素ガスと、大気から取り込んだ空気とを電解質膜・電極接合体に供給して、電気化学反応により発電を行うと共に、発電排ガスを大気中に排出する。

かかる燃料電池システムを車両に搭載した場合、例えば、車両が、大雨時に走行する際や、路面に生じた水たまりの中を走行する際などには、反応ガスの吸気口や排気口から、水が燃料電池側に進入することがありえた。この場合、燃料電池が浸水すると、燃料電池システムが正常に作動しなくなるというおそれがあった。なお、このような問題は、車両に搭載した燃料電池に限らず、屋外設置形の燃料電池システムなど、種々の燃料電池システムに共通する問題であった。

特開２００５−６９１９０号公報

上述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池システムのガス流路から燃料電池へ水が進入することを好適に抑制することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池により発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池と連通するガス流路と、
前記ガス流路の少なくとも一部に設置され、前記燃料電池の系外へ向かってガス及び水蒸気を透過させ、該燃料電池の系内へ向かって前記ガスのみを透過させる性質を有する多孔体フィルタと、
前記ガス流路を流れる前記ガスが前記多孔体フィルタを透過する透過状況を検知する検知手段と、
前記検知手段が前記ガスの透過の滞りを検知した場合に、前記ガス流路における前記ガスの流通を促進させる制御を行う制御手段と
を備えた燃料電池システム。

かかる燃料電池システムは、燃料電池と連通するガス流路の少なくとも一部に、燃料電池の系外へ向かってガス及び水蒸気を透過させ、系内へ向かってガスのみを透過させる性質を有する多孔体フィルタを備えているので、燃料電池の外部から水が進入することを抑制することができる。また、多孔体フィルタにより、ガスの透過が滞った場合でも、検知手段がそれを検知して、制御手段が、ガスの流通を促進させる制御を行うので、燃料電池システムの運転に悪影響を与えることがない。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、制御手段は、アクチュエータを用いて、ガス流路を開放させる方向へ多孔体フィルタを移動させて、ガスの流通を促進させる燃料電池システム。

かかる燃料電池システムは、制御手段が多孔体フィルタを移動させて、ガス流路を開放するので、簡単にガスの流通を促進することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２記載の燃料電池システムであって、制御手段は、ガス流路内のガスを強制排気させて、ガスの流通を促進させる燃料電池システム。
かかる燃料電池システムは、制御手段がガス流路内のガスを強制排気させるので、簡単にガスの流通を促進することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれか記載の燃料電池システムであって、検知手段は、多孔体フィルタの前後のガス流路に設置した圧力計であり、多孔体フィルタの前後の圧力差に基づいてガスの透過の滞りを検知する燃料電池システム。

かかる燃料電池システムは、検知手段が、多孔体フィルタの前後の圧力差により、ガスの透過の滞りを検知するので、簡単かつ確実に透過状況を検知することができる。

［適用例５］ガス流路は、燃料電池で使用された反応ガスの排ガスの流路である適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池システム。
かかる燃料電池システムは、排ガスの流路から燃料電池に水が進入することを抑制することができる。

［適用例６］ガス流路は、ガス流路における燃料電池の系外方向の端部よりも高い位置を流れる部位を有する適用例１ないし適用例５のいずれか記載の燃料電池システム。

かかる燃料電池システムのガス流路は、ガス流路における燃料電池の系外方向の端部よりも高い位置を流れる部位を有するので、端部から水が進入しても、燃料電池まで達することを抑制することができる。

［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池システムを搭載した車両。
かかる燃料電池システムは、車両に搭載しても、水の進入を抑制することができる。

Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての、車両に搭載された燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、電気化学反応により発電を行う燃料電池１０、燃料電池１０に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器２０、燃料電池１０に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器３０、外部からの水の逆流を防止する逆流防止装置４０、燃料電池システム１００を制御する制御ユニット５０を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、電解質膜とアノード及びカソードとで形成される電解質膜・電極接合体に、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての空気とを供給して、電気化学反応によって発電を行う。

燃料ガス系機器２０は、水素タンク２１、シャットバルブ２２、レギュレータ２３、気液分離器２６、循環ポンプ２８、パージ弁２９と配管２４，２５，２７ａ，２７ｂによって構成される。水素タンク２１に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ２２、レギュレータ２３によって圧力及び供給量が調整されて、配管２４を介して燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして供給される。そして、アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管２５を介して気液分離器２６に導かれ、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった残留水素とを分離する。気液分離器２６によって分離された水素は、配管２７ａ、循環ポンプ２８及び配管２４を介して燃料電池１０に再循環される。

また、気液分離器２６と循環ポンプ２８との間には、配管２７ｂが分岐して接続されており、この配管２７ｂには、パージ弁２９が配設されている。上述のアノードオフガスの再循環の際には、このパージ弁２９は、通常、閉じられているが、所定のタイミングで開弁することで、アノードオフガスを、配管２７ｂを介して後述する希釈器３５に導入し、さらに系外に排出することで、不純物濃度が上昇することを抑えている。

酸化ガス系機器３０は、エアクリーナ３１、エアコンプレッサ３２、希釈器３５、配管３３，３４，３６，３７によって構成される。エアクリーナ３１から吸入された空気は、エアコンプレッサ３２によって圧縮され、配管３３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３４を介して希釈器３５に導入される。

この希釈器３５では、カソードオフガスと、上述の所定のタイミングで希釈器３５に導入されるアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度が希釈される。希釈器３５から排出された排出ガス（以下、燃料電池排ガスと呼ぶ）は、配管３６，３７及び後述する逆流防止装置４０を介して、燃料電池システム１００の系外へ排出される。

逆流防止装置４０は、図２（ａ）に示すように、配管３６及と配管３７との間に接続され、配管４１、多孔体フィルタ４２及び多孔体フィルタ移動機構４３を備えている。配管４１は、その一部において、燃料電池排ガスが配管３７よりも高い位置を流れるように、曲がり部を有している。このような形状とすることで、配管３７の出口部（燃料電池排ガスの出口部）から雨水等が進入することを抑制することができる。

多孔体フィルタ４２は、一方向に向かってガス及び水蒸気を透過させ、反対方向に向かってガスのみを透過させる性質を有する公知のフィルタである。本実施例においては、多孔体フィルタ４２は、系外側（配管３７側）には、ガス及び水蒸気を透過させ、系内側（配管３６側）には、ガスのみを透過させるように配置している。この多孔体フィルタ４２は、本実施例では、ポリ乳酸エステルのフィルタを用いたが、これに限るものではなく、アラミド系樹脂、アルキド樹脂など、種々の材質を用いることができる。

多孔体フィルタ移動機構４３は、ガイドレール４４、モータ４５、プーリ４６、駆動ベルト４７を備えている。ガイドレール４４は、配管４１と連通しており、その内部は、燃料電池排ガスが漏洩しないようにシールされている。多孔体フィルタ移動機構４３は、モータ４５を駆動すると、駆動ベルト４７の一端が固定されたプーリ４６によって、駆動ベルト４７を巻き取り、多孔体フィルタ４２をガイドレール４４に沿って下方に移動させることができる。多孔体フィルタ移動機構４３により、多孔体フィルタ４２は、図２（ｂ）に示すように、最大で配管４１の断面を全て開放する位置まで移動することができる。なお、多孔体フィルタ４２の移動方向は、下方に限られるものではなく、他の方向に設定してもよいが、本実施例のように、下方に移動する構成とすれば、他の方向に移動させる場合と比べて、多孔体フィルタ４２が、図２（ａ）に示した位置から移動した時においても、後述する水の進入抑制効果を高めることができる。

また、配管４１には、圧力計４８，４９が設けられており、配管４１内における多孔体フィルタ４２の前後の気圧を検知測することができる。

上述の装置は、制御ユニット５０により制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求５６と各種センサ５８からの信号を受けて、レギュレータ２３、エアコンプレッサ３２、パージ弁２９や燃料電池システム１００の各種アクチュエータ５７に駆動信号を出力し、燃料電池システム１００の運転全体を制御する。また、制御ユニット５０は、監視部５２や制御部５４としても機能する。この監視部５２及び制御部５４の詳細については、「Ａ−２．燃料電池システムの制御」で後述する。

かかる構成の燃料電池システム１００は、燃料電池排ガスの排出流路に、系内側へガスのみを透過させる多孔体フィルタ４２を備えているので、排出流路の出口部から水が進入しても、水が燃料電池１０に到達することを抑制することができる。特に、燃料電池システム１００を車両に搭載し、燃料電池排ガスの配管を車両の底部などの低い位置に設置する場合には、路上に溜まった雨水等が進入しやすくなるので、上述の構成は有効である。

Ａ−２．燃料電池システムの制御：
上述した燃料電池システム１００における排気制御処理について図３及び図４を用いて説明する。排気制御処理とは、燃料電池排ガスの排出流路に多孔体フィルタ４２を設けたことにより、燃料電池排ガスの排気性が悪化し、燃料電池排ガスや燃料電池の生成水が多孔体フィルタ４２の上流側に滞留することを抑制するための処理である。

排気制御処理が開始されると、制御ユニット５０は、監視部５２の処理として、多孔体フィルタ４２の上流側の圧力計４８により検出される圧力Ｐｉｎと、下流側の圧力計４９により検出される圧力Ｐｏｕｔとの差圧ＤＰ（ＤＰ＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）を常時監視している（図４（ａ），（ｂ）参照）。そして、差圧ＤＰが所定値Ｔｈ以上であるか否かを判断している（図３，ステップＳ１１０）。

その結果、図４（ｃ）の時間Ｔ１に示すように、差圧ＤＰが所定値Ｔｈ（例えば、圧力Ｐｏｕｔの１０％）以上となれば（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、多孔体フィルタ４２により燃料電池排ガスの系外への排出が抑制され、多孔体フィルタ４２よりも上流側に位置する配管３６側に燃料電池排ガスが滞留しているということである。そこで、制御ユニット５０は、制御部５４の処理として、図４（ｄ），（ｅ）の時間Ｔ１に示すように、多孔体フィルタ移動機構４３を駆動させて多孔体フィルタ４２を、配管４１の流路断面を開放する方向に所定距離だけ（本実施例においては、図２（ｂ）に示した位置まで）移動させると共に、エアコンプレッサ３２の回転数を所定値まで増加させる（図３，ステップＳ１２０）。

このように、流路断面を開放させることにより、燃料電池排ガスが配管４１を通過する際の圧損が低下して、燃料電池排ガスの排出が促進される。また、エアコンプレッサ３２の回転数を増加させることにより、燃料電池１０への供給空気量が増加して、燃料電池排ガスが強制排気され、排出が促進される。したがって、図４（ｂ），（ｃ）の時間Ｔ２に示すように、圧力Ｐｉｎ及び差圧ＤＰは、正常値に戻る。

なお、本実施例においては、エアコンプレッサ３２の回転数を増加させて、いわゆる第二種換気の手法により、燃料電池排ガスの強制排気を行う構成としたが、このような態様に限られるものではなく、第一種換気や第三種換気の手法であってもよい。

そして、所定時間経過後、制御ユニット５０は、制御部５４の処理として、図４（ｄ），（ｅ）の時間Ｔ２に示すように、モータ４５を駆動させて多孔体フィルタ４２を元の位置に戻すと共に、エアコンプレッサ３２の回転数を定常値に戻す（図３，ステップＳ１３０）。

こうして、排気制御処理は終了する。一方、上記ステップＳ１１０において、差圧ＤＰが所定値Ｔｈ未満であれば（ステップＳ１１０：ＮＯ）、燃料電池排ガスは、多孔体フィルタ４２を良好に透過しているということであり、処理を終了させる。

なお、本実施例においては、上記ステップＳ１３０の処理は、上記ステップＳ１２０の処理から所定時間経過後に行うこととしたが、かかる態様に限るものではない。例えば、差圧ＤＰが所定値以下となったことを検知した後に、ステップＳ１３０の処理を行うこととしてもよい。

かかる制御処理を行う燃料電池システム１００は、検出した差圧ＤＰが所定値Ｔｈ以上であれば、多孔体フィルタ４２を移動させて排出流路を開放させると共に、エアコンプレッサ３２の回転数を増加させて、燃料電池排ガスを強制排気させる。したがって、燃料電池排ガスの排出経路である配管３６，３７の間に設けた逆流防止装置４０の多孔体フィルタ４２によって、燃料電池排ガスの排気性が悪化した場合であっても、燃料電池排ガスの流通を促進させることができる。すなわち、燃料電池排ガスの流通性を確保しながら、燃料電池システム１００のガス流路から燃料電池１０へ水が進入することを好適に抑制することができる。

上述の実施例の変形例について説明する。
Ｂ：変形例：
Ｂ−１．変形例１：
実施例においては、アノードオフガスとカソードオフガスとが希釈器３５で混合されて、燃料電池排ガスとして配管３７から系外へ排出される構成を示したが、アノードオフガスとカソードオフガスとをそれぞれ独立に系外に排出する構成であってもよい。そのような場合には、逆流防止装置４０は、アノードオフガス排出経路と、カソードオフガス排出経路の両方に設けてもよいし、いずれか一方に設けてもよい。

また、実施例においては、逆流防止装置４０を燃料電池排ガスの排気側に設ける構成を示したが、吸気側（エアクリーナ３１側）に設ける構成としてもよいし、排気側と吸気側の両方に設ける構成としてもよい。逆流防止装置４０の設置場所は、燃料電池システム１００を車両に搭載した際の配管の取り付け位置や高さなどから、水の進入のしやすさを考慮して適宜設定すればよい。なお、逆流防止装置４０を吸気側に設ける場合には、実施例で示した排気制御処理は、酸化ガスの供給流路に多孔体フィルタ４２を設けたことにより、酸化ガスの供給性が悪化し、燃料電池１０で酸化ガス不足を生じることを抑制するための処理として行われることになる。

Ｂ−２．変形例２：
実施例においては、多孔体フィルタ４２の上流側に滞留する燃料電池排ガス（生成水を含む）を適正に排出させるために、多孔体フィルタ４２を移動させる処理と共に、エアコンプレッサ３２の回転数を増加させる処理を行ったが、これらは、どちらか一方を行う構成であってもよい。あるいは、検出された差圧ＤＰの大きさに応じて、実行する処理を選択する構成であってもよい。

また、実施例においては、多孔体フィルタ４２の移動量やエアコンプレッサ３２の回転数の増加量は、差圧ＤＰの大きさに係わらず所定量としたが、このような構成に限られるものではない。例えば、差圧ＤＰの大きさに応じた多孔体フィルタ４２の移動量やエアコンプレッサ３２の回転数の増加量を制御ユニット５０が記憶しておき、検出された差圧ＤＰの大きさに応じて、移動量や回転数の増加量を決定する構成としてもよい。このように、検出された差圧ＤＰの大きさによって実行する処理を変化させることにより、状況に応じた効率的な排気制御処理を行うことができる。

Ｂ−３．変形例３：
実施例においては、圧力計４８及び４９を設置し、これらの差圧ＤＰを用いて、燃料電池排ガスの多孔体フィルタ４２を透過する透過状況を検出したが、このような構成に限られるものではなく、種々の構成をとることができる。例えば、多孔体フィルタ４２の前後に流速計を設置して、これらの流速差を用いてもよいし、水素濃度計や酸素濃度計などの濃度計を設置して、これらの濃度差を用いてもよい。

Ｂ−４．変形例４：
実施例においては、多孔体フィルタ４２の上流側に滞留する燃料電池排ガス（生成水を含む）を適正に排出させるために、多孔体フィルタ４２を移動させる処理と共に、エアコンプレッサ３２の回転数を増加させる処理を行ったが、燃料電池排ガスを排出させる処理は、このような構成に限るものではなく、燃料電池排ガスの流通を促進させる処理として、種々の構成とすることができる。

例えば、多孔体フィルタ４２を移動させる以外の方法で、燃料電池排ガスの流路断面を変化させてもよい。具体的には、例えば、アクチュエータが多孔体フィルタ４２を圧縮・縮小させることで、燃料電池排ガスが、多孔体フィルタ４２を透過せずに配管４１を通過できる開放流路を確保するような構成であってもよい。

あるいは、多孔体フィルタ４２を有する配管４１と平行して、多孔体フィルタ４２を有しないバイパスラインを設けておき、弁の開閉により、燃料ガスの排出流路をバイパスラインに切り替える構成であってもよい。

Ｂ−５．変形例５：
実施例においては、差圧ＤＰが所定値未満である場合には、配管４１の断面全てに多孔体フィルタ４２が設けられる構成としたが、このような構成に限られるものではない。例えば、配管４１の断面の一部のみに多孔体フィルタ４２を設けて、燃料電池排ガスが、多孔体フィルタ４２を透過せずに配管４１を通過できる開放流路を一部に確保するような構成であってもよい。

このようにすれば、図３に示した排気制御処理を実行する回数を低減でき、あるいは、処理を不要とすることができる。なお、このような場合には、上述の開放流路は、水の進入抑制機能を高めるために配管４１の断面の上方に設けることが望ましい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムに限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池を用いた燃料電池システムに適用することができる。また、車両に搭載する燃料電池システムに限らず、商用電源を供給する屋外設置型の燃料電池システムなど、種々の用途の燃料電池システムに適用することができる。

本発明の実施例としての車両に搭載された燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。 逆流防止装置４０の概略構成を示す説明図である。 排気制御処理の流れを示すフローチャートである。 排気制御処理による気圧変化を概念的に示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…燃料ガス系機器
２１…水素タンク
２２…シャットバルブ
２３…レギュレータ
２４，２５，２７ａ，２７ｂ…配管
２６…気液分離器
２８…循環ポンプ
２９…パージ弁
３０…酸化ガス系機器
３１…エアクリーナ
３２…エアコンプレッサ
３３，３４，３６，３７…配管
３５…希釈器
４０…逆流防止装置
４１…配管
４２…多孔体フィルタ
４３…多孔体フィルタ移動機構
４４…ガイドレール
４５…モータ
４６…プーリ
４７…駆動ベルト
４８，４９…圧力計
５０…制御ユニット
５２…監視部
５４…制御部
５６…出力要求
５７…各種アクチュエータ
５８…各種センサ
１００…燃料電池システム

Claims (7)

1. 燃料電池により発電を行う燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と連通するガス流路と、
   前記ガス流路の少なくとも一部に設置され、前記燃料電池の系外へ向かってガス及び水蒸気を透過させ、該燃料電池の系内へ向かって前記ガスのみを透過させる性質を有する多孔体フィルタと、
   前記ガス流路を流れる前記ガスが前記多孔体フィルタを透過する透過状況を検知する検知手段と、
   前記検知手段が前記ガスの透過の滞りを検知した場合に、前記ガス流路における前記ガスの流通を促進させる制御を行う制御手段と
   を備えた燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、アクチュエータを用いて、前記ガス流路を開放させる方向へ前記多孔体フィルタを移動させて、前記ガスの流通を促進させる
   燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記ガス流路内の前記ガスを強制排気させて、前記ガスの流通を促進させる
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記検知手段は、前記多孔体フィルタの前後の前記ガス流路に設置した圧力計であり、該多孔体フィルタの前後の圧力差に基づいて前記ガスの透過の滞りを検知する
   燃料電池システム。
5. 前記ガス流路は、前記燃料電池で使用された反応ガスの排ガスの流路である請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス流路は、該ガス流路における前記燃料電池の系外方向の端部よりも高い位置を流れる部位を有する請求項１ないし請求項５のいずれか記載の燃料電池システム。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池システムを搭載した車両。

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