JP2011014294A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型且つ軽量な構成で、カソード側電極に供給される酸化剤ガスの流量調整を行うとともに、消費電力を良好に低減させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４から使用済みの前記酸化剤ガスを排出するオフガス供給配管４０に設けられ、前記燃料電池スタック１４に供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整装置４２を備える。圧力調整装置４２は、油圧シリンダ４６と、前記油圧シリンダ４６の作用下に、オフガス供給配管４０の流れ方向と交差する方向に進退するとともに、前記オフガス供給配管４０を閉塞可能な弁部材４８と、前記弁部材４８を前記油圧シリンダ４６による押圧方向とは逆方向に押圧するリターンスプリング５０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出通路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整装置とを備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この場合、燃料電池では、水素ガス等の燃料ガスがアノード側電極に供給されるとともに、空気等の酸化剤ガスがカソード側電極に供給され、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電が行われている。その際、燃料電池への酸化剤ガスの供給制御は、前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出通路に設けられた背圧弁の開度調整により行われている。

背圧弁としては、通常、モータに連結されたバタフライバルブを備えている。そして、モータによる回転作用下に、バタフライバルブによる酸化剤ガス排出通路の開度調整を行うことで、酸化剤ガスの供給量の調整が行われている（特許文献１）。

特許第３９９５８９８号公報

ところで、バタフライバルブを回転制御するモータでは、比較的大きな出力トルクが要求されている。このため、モータ自体が大型化且つ重量化するとともに、コストが高騰するという問題がある。しかも、この種のモータを駆動するためには、消費電力が増大し、経済的ではないという問題がある。

さらにまた、バタフライバルブでは、その構造上、酸化剤ガス排出通路を完全に閉塞することができない。これにより、必要に応じて、専用の開閉バルブを別に用いなければならず、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、小型且つ軽量な構成で、カソード側電極に供給される酸化剤ガスの流量調整を正確に行うとともに、消費電力を良好に低減させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出通路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

圧力調整装置は、油圧シリンダと、前記油圧シリンダの作用下に、酸化剤ガス排出通路の流れ方向と交差する方向に進退するとともに、前記酸化剤ガス排出通路を閉塞可能な弁部材と、前記弁部材を、前記油圧シリンダによる押圧方向とは逆方向に押圧する弾性部材とを備えている。

本発明によれば、弁部材の駆動が油圧シリンダを介して行われるため、油圧により比較的大きなトルクを容易に得ることができる。このため、例えば、モータやソレノイドを使用する場合に比べて、小型化及び軽量化が確実に図られる。しかも、コストの削減を図るとともに、消費電力の低減が可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池スタックを構成する圧力調整装置の説明図である。 燃料電池出力と油圧との関係説明図である。 温度とバルブ応答性とに関連する油圧マップの説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池車両に搭載されている。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。

冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８と、冷却媒体排出配管３０とが接続される。

酸化剤ガス供給機構１８は、冷媒用ポンプ２６に近接して配置される空気用ポンプ３２を備える。この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１４が接続される。燃料電池スタック１４と加湿器３６とには、使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管（酸化剤ガス排出通路）４０が接続される。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、圧力調整装置４２が配設される。

図２に示すように、圧力調整装置４２は、オフガス供給配管４０の途上に前記オフガス供給配管４０とは直交する方向に延在して設けられる有底円筒状の筐体４４を備える。

筐体４４の一端側には、第１筐体部４４ａが設けられるとともに、前記第１筐体部４４ａには、油圧シリンダ４６が構成される。筐体４４の他端側には、第２筐体部４４ｂが設けられる。第２筐体部４４ｂには、油圧シリンダ４６の作用下に、オフガス供給配管４０の流れ方向（矢印Ａ方向）と交差する方向（矢印Ｂ方向）に進退するとともに、前記オフガス供給配管４０を閉塞可能な弁部材４８と、前記弁部材４８を前記油圧シリンダ４６による押圧方向とは逆方向に押圧するリターンスプリング（弾性部材）５０とが設けられる。

油圧シリンダ４６は、第１筐体部４４ａの内周面にシール部材５２ａを介して摺動自在に配置されるピストン部５４を備える。第１筐体部４４ａ内は、ピストン部５４により第１シリンダ室５６ａと第２シリンダ室５６ｂとに分割される。

第１シリンダ室５６ａは、油圧配管５８を介して油圧ポンプ６０に連通するとともに、前記油圧配管５８の途上と前記油圧ポンプ６０とには、循環配管６２が接続される。この循環配管６２には、油圧調整弁６４と油圧タンク６６とが配設される。第２シリンダ室５６ｂには、油又は空気が充填されるとともに、前記油又は前記空気を導出及び導入自在である。

ピストン部５４から延在するロッド５４ａには、円柱状の弁部材４８が連結される。ロッド５４ａの摺動面及び弁部材４８の摺動面には、それぞれシール部材５２ｂ、５２ｃが配設される。

油圧ポンプ６０は、例えば、空気用ポンプ３２、冷媒用ポンプ２６又は図示しない駆動モータ等と一体化して駆動される他、燃料電池スタック１４や図示しないバッテリからの電力を用いて駆動してもよい。

図１に示すように、燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク７０を備える。この燃料ガスタンク７０には、燃料ガスパイプ７２の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ７２は、遮断弁７４、レギュレータ７６及びエゼクタ７８を介して燃料電池スタック１４に接続される。

燃料電池スタック１４には、使用済みの燃料ガスを排出する排出燃料ガス配管８０が接続される。この排出燃料ガス配管８０は、リターン配管８２を介してエゼクタ７８に接続されるとともに、一部がパージ弁８４を介して希釈ボックス８６に連通する。希釈ボックス８６には、例えば、燃料電池スタック１４から排出される使用済みの酸化剤ガスが希釈エアとして導入される。

燃料電池スタック１４は、複数の発電セル９０が水平方向（又は鉛直方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介してエンドプレート９２ａ、９２ｂが配設される。燃料電池スタック１４は、例えば、エンドプレート９２ａ、９２ｂを端板とするケーシング（図示せず）、又は前記エンドプレート９２ａ、９２ｂ間を締結するタイロッド（図示せず）を備える。

一対のターミナルプレートには、電力取り出し端子９４ａ、９４ｂが設けられており、エンドプレート９２ａ、９２ｂから積層方向外方に前記電力取り出し端子９４ａ、９４ｂが突出する。電力取り出し端子９４ａ、９４ｂは、図示しない走行用駆動モータや補機類に接続される。

各発電セル９０は、電解質膜・電極構造体９６と、前記電解質膜・電極構造体９６を挟持する第１及び第２セパレータ９８、１００とを備える。なお、第１及び第２セパレータ９８、１００は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

電解質膜・電極構造体９６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１０２と、前記固体高分子電解質膜１０２を挟持するアノード側電極１０４及びカソード側電極１０６とを備える。

第１セパレータ９８と電解質膜・電極構造体９６との間には、燃料ガス流路１０８が形成されるとともに、第２セパレータ１００と前記電解質膜・電極構造体９６との間には、酸化剤ガス流路１１０が形成される。各発電セル９０間には、冷却媒体流路１１２が形成される。

エンドプレート９２ａには、冷却媒体流路１１２に連通する冷却媒体入口連通孔１１４ａと冷却媒体出口連通孔１１４ｂとが設けられる。冷却媒体入口連通孔１１４ａは、冷却媒体供給配管２８に連通する一方、冷却媒体出口連通孔１１４ｂは、冷却媒体排出配管３０に連通する。

エンドプレート９２ｂには、酸化剤ガス流路１１０に連通する酸化剤ガス入口連通孔１１６ａ及び酸化剤ガス出口連通孔１１６ｂと、燃料ガス流路１０８に連通する燃料ガス入口連通孔１１８ａ及び燃料ガス出口連通孔１１８ｂが形成される。

酸化剤ガス入口連通孔１１６ａは、加湿空気供給配管３８に連通し、酸化剤ガス出口連通孔１１６ｂは、オフガス供給配管４０に連通する。燃料ガス入口連通孔１１８ａは、エゼクタ７８に連通し、燃料ガス出口連通孔１１８ｂは、排出燃料ガス配管８０に連通する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入された後、加湿空気供給配管３８に供給される。

その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、加湿器３６において、使用前の空気には、オフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート９２ｂの酸化剤ガス入口連通孔１１６ａを通って燃料電池スタック１４内に供給される。

一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁７４の開放作用下に、燃料ガスタンク７０内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ７６で降圧された後、エゼクタ７８からエンドプレート９２ｂの燃料ガス入口連通孔１１８ａを通って燃料電池スタック１４内に導入される。

さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート９２ａの冷却媒体入口連通孔１１４ａを通って燃料電池スタック１４内に冷却媒体が導入される。

酸化剤ガス入口連通孔１１６ａから燃料電池スタック１４内の各発電セル９０に供給された空気は、第２セパレータ１００の酸化剤ガス流路１１０に導入され、電解質膜・電極構造体９６のカソード側電極１０６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔１１８ａから第１セパレータ９８の燃料ガス流路１０８に導入され、電解質膜・電極構造体９６のアノード側電極１０４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体９６では、カソード側電極１０６に供給される空気中の酸素と、アノード側電極１０４に供給される燃料ガス（水素）とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極１０６に供給されて消費された空気は、オフガスとしてエンドプレート９２ｂの酸化剤ガス出口連通孔１１６ｂからオフガス供給配管４０に排出される。

同様に、アノード側電極１０４に供給されて消費された燃料ガスは、排出燃料ガスとしてエンドプレート９２ｂの燃料ガス出口連通孔１１８ｂから排出燃料ガス配管８０に排出される。排出燃料ガス配管８０に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管８２を通ってエゼクタ７８の吸引作用下に新たな燃料ガスに混在し、燃料電池スタック１４内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁８４の開放作用下に希釈ボックス８６に導入される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔１１４ａから第１及び第２セパレータ９８、１００間の冷却媒体流路１１２に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体９６を冷却した後、エンドプレート９２ａの冷却媒体出口連通孔１１４ｂから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１４に供給される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、圧力調整装置４２は、燃料電池システム１０の起動が停止している際には、第１シリンダ室５６ａに油圧が供給されないため、弁部材４８は、リターンスプリング５０の押圧作用下にオフガス供給配管４０を完全に閉塞している。すなわち、弁部材４８は、オフガス供給配管４０の封止弁として機能している。

次いで、燃料電池システム１０の運転が開始され、油圧ポンプ６０が駆動されると、油圧配管５８を介して油圧シリンダ４６の第１シリンダ室５６ａに油圧が供給される。このため、ピストン部５４は、第２シリンダ室５６ｂ側に移動し、前記ピストン部５４にロッド５４ａを介して連結されている弁部材４８は、リターンスプリング５０の弾性力に抗して第２筐体部４４ｂ側に移動する。

従って、オフガス供給配管４０が開放され、このオフガス供給配管４０が所望の開放状態に維持されるように、油圧調整弁６４が調整される。すなわち、油圧ポンプ６０から油圧配管５８に押し出される油圧の中、余剰油圧は、循環配管６２を介して油圧タンク６６に戻され、弁部材４８が所望の開度位置（進退位置）に維持される。

さらに、油圧ポンプ６０は、燃料電池スタック１４の出力増減に関連して油圧の増減が行われる（図３参照）。これにより、燃料電池車両の加減速時には、油圧ポンプ６０から油圧シリンダ４６に供給される油圧が増減され、弁部材４８によるオフガス供給配管４０の開閉調整が良好に行われる。

このように、圧力調整装置４２では、油圧ポンプ６０から第１シリンダ室５６ａに供給される油圧を介して弁部材４８が駆動され、オフガス供給配管４０に発生する背圧を調整している。このため、パスカルの原理により、ピストン部５４には、比較的大きな推力を発生させることができ、例えば、モータやソレノイドを使用する場合に比べ、圧力調整装置４２全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。

しかも、圧力調整装置４２全体のコストの削減を図るとともに、消費電力の低減も可能になるという効果が得られる。

さらに、油圧ポンプ６０は、空気用ポンプ３２、冷媒用ポンプ２６又は駆動モータ（図示せず）等を動力源として利用し、これらと一体化することができる。従って、油圧ポンプ６０の小型化及び軽量化を図るとともに、コスト削減や消費電力の抑制が容易に可能になる。

また、油圧ポンプ６０は、燃料電池スタック１４や図示しないバッテリからの電力で動作させることができる。これにより、油圧シリンダ４６に供給される油圧を緻密に制御することが可能になる。

さらにまた、弁部材４８は、油圧シリンダ４６による油圧制御を介して進退移動している。従って、パスカルの原理により、油圧の上流圧やシリンダ面積比を可変するだけで、大きな推力を発生させることができる。

このため、例えば、バルブ凍結時や応答性低下時等には、油圧ポンプ６０の回転数を上昇させて供給油圧力を上昇させる制御や、面積比切替機構（図示せず）を介してシリンダ面積比を増大させる処理や、油圧調整弁６４の制御作用下に循環配管６２に循環される油圧量を低減させて、油圧シリンダ４６に供給される油圧流量を増大させる制御を行ったりすることにより、容易に対応することが可能になる。これにより、凍結対策や応答性低下対策の制御が容易に簡素化されるという効果がある。

さらに、電源がオフされた停止時には、弁部材４８は、リターンスプリング５０の押圧作用下にオフガス供給配管４０を完全に閉塞している。従って、別途、閉塞用の開閉バルブが不要になり、経済的である。

また、温度に起因する油粘性変化による供給油圧の影響や、ゴムの温度特性よるバルブ応答性低下に対する改善策として、図４に示すマップを用いることができる。すなわち、温度の計測により、予め各バルブ応答性を予測し、バルブ応答性の閾値に応じた油圧（高圧又は低圧）を発生させることにより、バルブ応答性を確保することが可能になる。

１０…燃料電池システム １４…燃料電池スタック
１６…冷却媒体供給機構 １８…酸化剤ガス供給機構
２０…燃料ガス供給機構 ２８…冷却媒体供給配管
３０…冷却媒体排出配管 ３２…空気用ポンプ
３４…空気供給配管 ３６…加湿器
３８…加湿空気供給配管 ４０…オフガス供給配管
４２…圧力調整装置 ４４…筐体
４４ａ、４４ｂ…筐体部 ４６…油圧シリンダ
４８…弁部材 ５０…リターンスプリング
５６ａ、５６ｂ…シリンダ室 ５８…油圧配管
６０…油圧ポンプ ６２…循環配管
６４…油圧調整弁 ６６…油圧タンク
７０…燃料ガスタンク ７２…燃料ガスパイプ
７８…エゼクタ ８０…排出燃料ガス配管
８２…リターン配管 ９０…発電セル
９２ａ、９２ｂ…エンドプレート ９６…電解質膜・電極構造体
９８、１００…セパレータ

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出通路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記圧力調整装置は、油圧シリンダと、
   前記油圧シリンダの作用下に、前記酸化剤ガス排出通路の流れ方向と交差する方向に進退するとともに、該酸化剤ガス排出通路を閉塞可能な弁部材と、
   前記弁部材を、前記油圧シリンダによる押圧方向とは逆方向に押圧する弾性部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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