JP2010212126A

JP2010212126A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010212126A
Application number: JP2009057750A
Authority: JP
Inventors: Chikashige Konno; 周重紺野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】燃料電池を搭載した車両の傾斜状態に依らず、燃料電池内部の水分を適切に排出させる。
【解決手段】車両２００に固定された燃料電池１０２と、車両２００の前後の傾斜角度に応じて燃料電池１０２で生成された水分をマニホールド５４の前方に設けられた第１の排出口５０及び第２の排出口５２を用いて排出するに当たり、前方に傾斜する場合は第１の排出口５０よりサイホンの原理で排出するように配管に接続された排出口５０と、を備える燃料電池システムとする。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料極に燃料ガス（水素ガス）を、酸化剤極に酸化ガス（空気）を供給することにより燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的な反応を起こして電力を発生させる燃料電池システムが用いられている。このような燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に適用されている。

燃料電池システムでは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的な反応に伴って燃料電池内部で水分が生成される。この水分が燃料電池内のガス流路に滞留し、ガスの流れが妨げられる原因になることがある。また、氷点下の低温度環境下で燃料電池システムを使用する場合、燃料電池内において水分が凍結し、燃料電池の発電性能に悪影響を及ぼす場合がある。

このような水分の滞留を防ぐために、例えば、燃料電池システムのガス流路を掃気する技術が考えられている（特許文献１等）。また、燃料電池のガス排気側に２つの貯水部を設け、一方の貯水部に溜まった水分をサイホンの原理で他方の貯水部へ排出させる技術が開示されている（特許文献２）。

また、燃料電池にガス流路とは別の滞留水のドレン流路を設け、ドレン流路に併設した静電容量センサにより滞留水の有無を検出し、その検出信号に基づいてドレン流路のバルブを開閉して水分を除去する技術が開示されている（特許文献３）。さらに、車両等の移動体に燃料電池システムを搭載した場合に、移動体の傾斜状態に応じて燃料電池のガス流路に溜まった水分を掃気する条件を変更する技術が開示されている（特許文献４）。

特開２００７−５３０１５号公報特開２００７−１８８７９５号公報特開２００６−１２０４３９号公報特開２００７−１５７６５５号公報

ところで、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両７０に燃料電池システムを搭載した場合、図１に示すように、平坦な場所に車両７０がある場合に燃料電池７２よりも排水配管７４を低い位置となるように配置し、重力によってできるだけ自然に水分が排出されるようにする。ただし、重力だけで水分を排出できるだけ車両７０の車高を稼ぐことは難しく、併せて掃気も行っている。

しかしながら、図２に示すように、排水配管７４が燃料電池７２よりも高い位置となるように車両７０が傾斜している場合、掃気を併せて行ったとしても水分を十分に排出することができず、燃料電池７２の流路に水分が残留し易い。

本発明は、上記課題を鑑み、新たな構成の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１つの態様は、移動体に搭載される燃料電池システムであって、前記移動体に固定された燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系システムと、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系システムと、前記移動体の傾斜角度に応じて前記燃料電池で生成された水分をサイホンの原理で排出する排気流路と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記排気流路は第１の排出口及び第２の排出口を備え、前記移動体が水平状態にある場合には、前記第１の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも高い位置にあり、前記第２の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも低い位置にあり、前記移動体が所定の方向に傾斜した状態にある場合には、前記第１の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも低い位置にあり、前記第２の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも高い位置にあり、前記第１の排出口より前記燃料電池で生成された水分をサイホンの原理で排出することが好適である。

本発明によれば、燃料電池を搭載した車両の傾斜状態に依らず、燃料電池内部の水分を排出させることができる。

従来の燃料電池システムを搭載した車両の傾斜と水分排出との関係を示す図である。従来の燃料電池システムを搭載した車両の傾斜と水分排出との関係を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムを搭載した車両の構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムを搭載した車両の傾斜と水分排出との関係を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムを搭載した車両の傾斜と水分排出との関係を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの水分排出処理のフローチャートである。本発明の実施の形態における燃料電池システムを搭載した車両の構成を示す図である。

本発明の実施の形態における燃料電池システム１００は、図３に示すように、燃料電池１０２、酸化ガス供給系システム１０４、燃料ガス供給系システム１０６、電力制御部（ＰＣＵ：ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｏｒｏｌＵｎｉｔ）１０８及び電子制御部（ＥＣＵ：ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｏｒｏｌＵｎｉｔ）１１０を含んで構成される。

燃料電池１０２は、複数の単位セルを積層して構成される。各単位セルは、電解質層を挟み込むように空気極と燃料極とを配置し、さらにその積層体をセパレータで挟み込んだ構造を有する。空気極側のセパレータには酸化ガスが酸化ガス供給系システム１０４により供給される。酸化ガスは、例えば空気とされる。空気極側のセパレータと空気極との間には酸化ガスを流通させる流路が形成されており、これにより空気極に酸化ガスが供給される。また、燃料極側のセパレータには燃料ガスが燃料ガス供給系システム１０６により供給される。燃料ガスは、例えば水素ガスとされる。燃料極側のセパレータと燃料極との間には燃料ガスを流通させる流路が形成されており、これにより燃料極に燃料ガスが供給される。電解質層における電気化学的な反応によって、酸化ガスと燃料ガスとの間で電荷のやり取りが行われ、各単位セルにおいて電力が発生する。

このような電気化学反応の過程で水分が発生し、酸化ガス供給系システム１０４や燃料ガス供給系システム１０６のガス流路等に残留する。水分の残留量が増加すると燃料電池１０２への酸化ガスや燃料ガスの流れが妨げられたり、燃料電池１０２での電荷化学反応に悪影響を及ぼしたりするので水分を除去する必要がある。

燃料電池１０２で発生した電力はＰＣＵ１０８に供給される。ＰＣＵ１０８は、モータ１０に電力を供給するためのＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ、二次バッテリ等を備える。ＰＣＵ１０８は、燃料電池１０２からの電力を受けて、モータ１０等を駆動する。

酸化ガス供給系システム１０４は、供給流路１２、排出流路１４、排気流路１６、加湿器１８及び圧縮機２０を含んで構成される。圧縮機２０によって外気を取り込んで圧縮し、加湿器１８を介して燃料電池１０２へ送り込む。圧縮機２０は、ＥＣＵ１１０によって制御される。燃料電池１０２から排出された空気は排出流路１４を介して加湿器１８へ導かれ、加湿器１８を介して排気流路１６により外部へ排出される。加湿器１８は、燃料電池１０２を通過してきた酸化ガスに含まれる水分によって酸化ガスを加湿する。

本実施の形態における燃料電池システム１００では、排気流路１６の構成に特徴を有しているので、排気については詳細に後述する。

燃料ガス供給系システム１０６は、水素タンク２２、遮断弁２４、レギュレータ２６、気液分離器２８、圧縮機３０、供給流路３２、排出流路３４、排気排水弁３６及び排気流路３８を含んで構成される。本実施の形態では、燃料ガスは水素ガスとしており、水素タンク２２が設けられる。高圧の水素ガスを貯留した水素タンク２２から供給される水素ガスは、遮断弁２４及びレギュレータ２６を介して、供給流路３２により燃料電池１０２へ供給される。遮断弁２４は、緊急時等にＥＣＵ１１０からの制御を受けて、水素タンク２２からの水素ガスの供給を遮断するために設けられる。レギュレータ２６は、ＥＣＵ１１０からの制御を受けて、燃料電池１０２へ供給される水素ガスの圧力を調整するために設けられる。燃料電池１０２から排出された水素ガスは、排出流路３４により気液分離器２８へ導入される。気液分離器２８は、排出された水素ガスから水分を回収する装置である。気液分離器２８において水分を取り除いた水素ガスは圧縮機３０により加圧されて水素タンク２２から供給される水素ガスに加えられ、供給流路３２により燃料電池１０２へ再度供給される。圧縮機３０は、ＥＣＵ１１０によって制御される。一方、気液分離器２８において分離された水分は、排気排水弁３６を介して、排気流路３８から排気される。排気排水弁３６は、ＥＣＵ１１０によって制御される。

酸素ガスから排気流路１６により排出される水分と燃料ガスから排気流路３８により排出される水分は合わせられて排気流路４０により外部へ排出される。

ＥＣＵ１１０は、燃料電池システム１００の各部を統合的に制御する。ＥＣＵ１１０は、マイクロコンピュータを含んで構成することができ、メモリに予め記憶された制御プログラムを実行することによって燃料電池システム１００を制御する。以下に示す水分排出処理もＥＣＵ１１０の制御の下に実行される。

燃料電池システム１００は、図４に示すように、車両２００の前後方向の略中央部に配置された状態で車両に固定される。燃料電池システム１００における排気流路１６，３８及び４０は、図４に示すように、車両２００の前方へ設けられた排出口５０と後方へ設けられた排出口５２の少なくとも２方向へ分岐されて設けられる。

車両２００の後方へ設けられた排出口５２に接続される排気流路１６，３８及び４０は、車両２００が水平状態（水平走行状態又は水平停止状態）にある場合に、車両２００の前後方向の略中央部から排出口５２に向かって下向き傾斜となるように配置される。すなわち、車両２００の前後方向の略中央部に配置されている燃料電池１０２から車両２００の後方に配置されている排出口５２に向けて排気流路１６，３８及び４０の配管が下り傾斜となるように構成する。

これにより、車両２００が水平又は後方に向けて傾斜した状態にあるときには、重力の補助によって燃料電池１０２から排出口５２へ向けての水分の排出がよりスムーズに行われる。

また、車両２００の前方に設けられた排出口５０に接続される排気流路１６，３８及び４０は、車両２００が前方に向けて傾斜した状態にあるときに、サイホンの原理により排出口５０から水分が放出されるように配置される。すなわち、車両２００が水平状態にあるときに、図５の拡大図に示すように、排出口５０の排出口面は燃料電池１０２のマニホールド５４よりも高い位置にあり、車両２００が前方に角度θだけ傾斜した状態にあるときには、図６の拡大図に示すように、排出口５０の排出口面は燃料電池１０２のマニホールド５４よりも低い位置にあるように構成する。また、排出口５０までの配管の径は、燃料電池１０２のマニホールド５４から排出される水分によって管内が満たされる程度の径とする。

これにより、車両２００が前方に向けて傾斜した状態にあるときに、燃料電池１０２から排出口５０までの流路に排出口５０よりも高い位置となる部分があったとしても、燃料電池１０２からの水分を排出口５０から排出することができる。すなわち、排出口５０の排出口面が燃料電池１０２のマニホールド５４よりも低い位置となるように車両２００が傾斜した場合、排出口５０までの配管の最高位点まで配管を満たすように圧縮機２０等により水分を押し出すことによって、その後はサイホンの原理により水分を排出することができる。このようにサイホンの原理を利用することによって、一旦排出口５０までの配管の最高位点まで配管を満たすように水分を押し出した後は、圧縮機２０等による掃気は弱くしたり又は停止させたりしても排出を続けることができる。

さらに車両２００が前方により傾斜した状態にあり、排出口５０までの配管の最上位点が燃料電池１０２のマニホールド５４より低い位置にある場合には、サイホンの原理に依らず、重力の補助によって燃料電池１０２から排出口５０へ向けての水分の排出が行われる。このような状態では、水分の排出の初期に圧縮機２０等により掃気を行わなくてもよい場合もある。

また、図４に示すように、排出口５０及び排出口５２への配管の途中に弁５６，５８をそれぞれ設けてもよい。ＥＣＵ１１０は、傾斜の角度θを測定する傾斜センサ６０の出力に応じて弁５６，５８を開閉制御する。車両２００が水平又は後方に向けて傾斜した状態にあるときには、弁５６を閉状態とし、弁５８を開状態として、排出口５２から水分を排出する。車両２００が前方へ向けて傾斜した状態にあるときには、弁５６を開状態とし、弁５８を閉状態として、排出口５０から水分を排出する。

以下、本実施の形態の燃料電池システム１００における水分排出処理について図７のフローチャートを参照して説明する。

車両２００の運転が開始されると共に、車両２００における燃料電池１０２の運転が開始される（ステップＳ１０）。これに伴って、燃料電池１０２の発電による生成水の滞留が生ずる（ステップＳ１２）。

車両２００が停車されると（Ｓ１４）、ＥＣＵ１１０は燃料電池１０２によって生成された水分の排出処理を開始する。まず、ＥＣＵ１１０は、傾斜センサ６０からの傾斜信号に基づいて、車両２００が排水し易い方向（本実施の形態では車両２００の後方）に傾斜しているか、排水し難い方向（本実施の形態では車両２００の前方）に傾斜しているかを判定する（Ｓ１６）。前者の場合には、ＥＣＵ１１０は、弁５６を閉状態とし、弁５８を開状態として、排出口５２から水分を排出させる（Ｓ１８）。

後者の場合、ＥＣＵ１１０は、傾斜センサ６０からの傾斜信号に基づいて排出口５０とマニホールド５４の高さを計算する（Ｓ２０）。排出口５０の排出口面の高さがマニホールド５４の高さより高い場合には（Ｓ２２）、ＥＣＵ１１０は、弁５６を閉状態とし、弁５８を開状態として、排出口５２から水分を排出させる（Ｓ１８）。

一方、排出口５０の排出口面の高さがマニホールド５４の高さより低い場合には（Ｓ２２）、ＥＣＵ１１０は、弁５６を開状態とし、弁５８を閉状態とする（Ｓ２４）。さらに、排出口５０までの配管の最高位点まで配管を満たすように圧縮機２０等により水分を押し出す初期排水処理を行い、その後はサイホンの原理により水分を排出する（Ｓ２６）。その後、排水が終了すると、弁５６，５８を閉じ、水分排出処理を終了する（Ｓ２８）。

このように、本実施の形態における燃料電池システム１００では、搭載される車両２００が前方に傾斜した状態、水平状態及び後方に傾斜した状態のいずれにおいても燃料電池１０２で生成された水分を適切に排出することができる。

また、図８に示すように、燃料電池１０２と排出口５０との間に配管をレイアウトする際に配管と干渉する部材６２等があった場合であっても、排出口５０までの配管の最高位点が燃料電池１０２のマニホールド５４の位置からサイホンの原理で水分を排出できる高さである範囲内で部材６２を避けるように配管をレイアウトすることができる。これによって、燃料電池システム１００のレイアウトの自由度が高くなる。

なお、本実施の形態では、サイホンの原理を利用した排出口を車両の前方に向けて配置したがこれに限定されるものではない。サイホンの原理を利用した排出口は車両の後方に向けて配置してもよいし、側面等の他の方向へ向けて配置してもよい。また、本発明の燃料電池システムの適用範囲は車両に限定されるものではなく、燃料電池システムが搭載される移動体であれば適用範囲となる。

１０モータ、１２供給流路、１４排出流路、１６排気流路、１８加湿器、２０圧縮機、２２水素タンク、２４遮断弁、２６レギュレータ、２８気液分離器、３０圧縮機、３２供給流路、３４排出流路、３６排気排水弁、３８排気流路、４０排気流路、５０排出口、５２排出口、５４マニホールド、５６，５８弁、６０傾斜センサ、６２部材、７０車両、７２燃料電池、７４排水配管、１００燃料電池システム、１０２燃料電池、１０４酸化ガス供給系システム、１０６燃料ガス供給系システム、２００車両。

Claims

移動体に搭載される燃料電池システムであって、
前記移動体に固定された燃料電池と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系システムと、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系システムと、
前記移動体の傾斜角度に応じて前記燃料電池で生成された水分をサイホンの原理で排出する排気流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記排気流路は第１の排出口及び第２の排出口を備え、
前記移動体が水平状態にある場合には、前記第１の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも高い位置にあり、前記第２の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも低い位置にあり、
前記移動体が所定の方向に傾斜した状態にある場合には、前記第１の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも低い位置にあり、前記第２の排出口は前記燃料電池のマニホールドよりも高い位置にあり、前記第１の排出口より前記燃料電池で生成された水分をサイホンの原理で排出することを特徴とする燃料電池システム。