JP2011076830A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃料電池の発電時に生成する生成水量が増加しても、燃料電池の対地絶縁性を確保することができる燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に接続されるガス供給配管及びガス排出配管と、前記ガス供給配管を通して燃料電池に反応ガスを供給するガス供給手段と、ガス排出配管に設けられ、前記ガス排出配管の上流側と下流側とを絶縁する絶縁部と、前記上流側のガス配管と前記下流側のガス配管との間の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定手段と、前記絶縁抵抗測定手段により測定された絶縁抵抗値が所定値以下であるか否かを判定する絶縁判定手段と、前記絶縁判定手段により、前記絶縁抵抗値が所定値以下であると判定されれば、前記ガス供給手段による反応ガスの供給量を、通常発電時に供給される反応ガスの供給量より増加させる制御を行う制御手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のガス配管の技術に関する。

燃料電池は、水素ガス等のアノードガスと酸素ガス等のカソードガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、その際に生じる電力を外部へ出力するように構成されたものである。その電解質の種類によって高分子電解質膜型燃料電池、リン酸型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等に分類される。

一般的な燃料電池においては、燃料電池の対地絶縁性を確保するために、燃料電池に接続されているガス配管の途中に絶縁部分が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２３０８２０号公報

ところで、燃料電池の発電時には水が生成し、その生成水が、燃料電池に接続されているカソードガス排出配管から主に排出される。そして、燃料電池の運転時間や負荷の増加等により、カソードガス排出配管やアノードガス排出配管を通る生成水が増加し、ガス配管に設けられた絶縁部分を覆ってしまう場合がある。そうすると、絶縁部分より上流側のガス配管と電気絶縁部分より下流側のガス配管とが導通して、燃料電池の対地絶縁性が低下する問題がある。

そこで、本発明は、燃料電池の発電時に生成する生成水量が増加しても、燃料電池の対地絶縁性を確保することができる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に接続されるガス供給配管及びガス排出配管と、前記ガス供給配管を通して燃料電池に反応ガスを供給するガス供給手段と、ガス排出配管に設けられ、前記ガス排出配管の上流側と下流側とを絶縁する絶縁部と、前記上流側のガス配管と前記下流側のガス配管との間の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定手段と、前記絶縁抵抗測定手段により測定された絶縁抵抗値が所定値以下であるか否かを判定する絶縁判定手段と、前記絶縁判定手段により、前記絶縁抵抗値が所定値以下であると判定されれば、前記ガス供給手段による反応ガスの供給量を、通常発電時に供給される反応ガスの供給量より増加させる制御を行う制御手段と、を備える。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が発電しているか否かを判定する発電判定手段を備え、前記絶縁判定手段により、前記絶縁抵抗値が所定値以下であると判定され、前記発電判定手段により、前記燃料電池が発電していると判定された場合に、前記制御手段は、前記ガス供給手段による反応ガスの供給量を増加させる制御を継続して行うことが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の発電時に生成する生成水量が増加しても、燃料電池の対地絶縁性を確保することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの制御手順の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの制御手順の他の一例を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０、エアコンプレッサ１２（カソード側のガス供給手段）、水素ガス源１４（アノード側のガス供給手段）、ガス供給配管としてのアノードガス供給配管１６及びカソードガス供給配管１８、ガス排出配管としてのアノードガス排出配管２０及びカソードガス排出配管２２、絶縁抵抗測定器２４、ＥＣＵ２６を備えている。エアコンプレッサ１２、水素ガス源１４及び絶縁抵抗測定器２４は、ＥＣＵ２６と電気的に接続されている。

水素ガス源１４と燃料電池１０のアノードガス供給口（不図示）とはアノードガス供給配管１６により接続され、エアコンプレッサ１２と燃料電池１０のカソードガス供給口（不図示）とは、カソードガス供給配管１８により接続されている。また、燃料電池１０のアノードガス排出口（不図示）には、アノードガス排出配管２０が接続され、燃料電池１０のカソードガス排出口（不図示）には、カソードガス排出配管２２が接続されている。

カソードガス排出配管２２には、絶縁部分２８が設けられている。絶縁部分２８は、カソードガス排出配管２２を上流側と下流側とに区分して、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとを絶縁するものである。絶縁部分２８を構成する材料は、絶縁性を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、ゴム、樹脂等である。なお、絶縁部分２８は、反応ガスが通過できるように、ガス配管と同様な管状の構造である。なお、図示してはいないが、絶縁部分２８は、アノードガス供給配管１６、アノードガス排出配管２０及びカソードガス供給配管１８にも設けられている。

また、カソードガス排出配管２２には、絶縁抵抗測定器２４が設置されている。本実施形態に用いられる絶縁抵抗測定器２４は、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとの間の絶縁抵抗を測定するものである。

図２（ａ），（ｂ）は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。なお、図２では、燃料電池１０及びカソードガス排出配管２２を図示して説明するが、アノードガス供給配管１６、アノードガス排出配管２０、カソードガス供給配管１８にも同様の構造を採用することができる。図２（ａ）に示すカソードガス排出配管２２は、上流側のカソードガス排出配管２２ａに、生成水を溜める水溜まり部３０を備えている。本実施形態では、上流側のカソードガス排出配管２２ａの一部をＶ字型に成形することによって、水溜まり部３０を形成しているが、これに制限されるものではなく、例えば、上流側のカソードガス排出配管２２ａの一部に、水溜まり部としての凹部を形成し、凹部内に生成水を溜めてもよい。また、図２（ｂ）に示すカソードガス排出配管２２では、上流側及び下流側のカソードガス排出配管２２ａ，２２ｂに、絶縁部分２８に向かって鉛直方向上方に傾斜する傾斜部３２ａ，３２ｂが形成されている。上記これらの構成を採用することにより、絶縁部分２８が燃料電池の発電時に生成する水によって覆われ難く、燃料電池１０の対地絶縁性を確保し易くなる。

燃料電池１０は、不図示であるが、電解質を挟んでアノード極触媒層とカソード極触媒層とが設けられ、電解質と反対側の触媒層の面には拡散層が設けられ、さらにその外側にはアノードガスの流路又はカソードガスの流路が形成されたセパレータが配置されている。本実施形態の燃料電池１０は、上記構成を単位セルとして、これを複数積層した積層体であってもよい。

燃料電池１０の発電時における反応ガスの流れについて説明する。アノードガスとしての水素ガスが、水素ガス源１４から供給され、アノードガス供給配管１６を通り、燃料電池１０内のアノード極触媒層に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。カソードガスとしての空気が、エアコンプレッサ１２から供給され、カソードガス供給配管１８を通り、燃料電池１０に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。燃料電池１０の発電時には、水が生成されるが、その生成水は主に、カソード側で生成されるため、カソードオフガスと共に、カソードガス排出配管２２から排出される。

ここで、燃料電池１０の通常発電時には、燃料電池１０の出力要求電力に見合った水素ガス及び空気の流量が、ＥＣＵ２６により決定され、水素ガス源１４及びエアコンプレッサ１２の制御が行われる。

また、ＥＣＵ２６は、絶縁抵抗測定器２４により測定された絶縁抵抗値（上流側のガス配管と下流側のガス配管との間の抵抗値）が、予め設定した値以下であるか否かを判定する機能を有しており、上記絶縁抵抗値が所定値以下である場合には、通常発電時において供給されるカソードガスの流量より大きな流量が供給されるようにエアコンプレッサ１２を制御する。本実施形態では、カソード側の制御を例としているが、これに制限されるものではない。例えば、アノードガス排出配管２０に上記同様な絶縁抵抗値を設置し、その抵抗値が所定値以下である場合には、通常発電時において供給されるアノードガスの流量より大きな流量が供給されるように水素ガス源１４を制御してもよい。さらに、本実施形態では、カソード側及びアノードガス側の両方の制御を行ってもよい。

図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの制御手順の一例を示すフローチャートである。図３に示すように、まず、ステップＳ１０では、絶縁抵抗測定器２４により、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとの間の絶縁抵抗が測定される。そして、測定した絶縁抵抗値のデータがＥＣＵ２６に送信され、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗測定器２４により測定され絶縁抵抗値が、予め設定した値（所定値）以下であるか否かが判定される。所定値は、燃料電池１０の対地絶縁性を確保するのに十分な値として設定されることが好ましい。

絶縁抵抗値が所定値以下であれば、絶縁部分２８が生成水に覆われ、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとが導通している可能性がある。そこで、絶縁抵抗値が所定値以下であれば、ステップＳ１２に進み、ＥＣＵ２６により、エアコンプレッサ１２を制御して、カソードガス（Ａｉｒ）流量を増加させる。上記でも説明したように、絶縁抵抗値が所定値以下である場合には、ＥＣＵ２６によって、通常発電時において供給されるカソードガスの流量より大きな流量が供給されるようにエアコンプレッサ１２が制御される。そして、大きな流量のカソードガスが、カソードガス供給配管１８、燃料電池１０を通してカソードガス排出配管２２を流れることにより、絶縁部分２８を覆った生成水を一掃することが可能となる。

これに対し、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗値が所定値を超えていれば、カソードガス排出配管２２と下流側のカソードガス排出配管２２ｂとの間の絶縁性は確保されているため、燃料電池１０の対地絶縁性も十分に確保されていると判断することができるので、処理を終了する。すなわち、燃料電池１０の通常発電時には、燃料電池１０の出力要求電力に見合った空気の流量がエアコンプレッサ１２から供給されていることとなる。

次に、ステップＳ１４では、絶縁抵抗測定器２４により、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとの間の絶縁抵抗が測定される。そして、測定した絶縁抵抗値のデータがＥＣＵ２６に送信され、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗測定器２４により測定された絶縁抵抗値が、予め設定した値以下であるか否かが判定される。そして、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗値が所定値を超えていれば、大きな流量のカソードガスの供給により、絶縁部分２８を覆った水が一掃されて、燃料電池１０の対地絶縁性が回復したと判断し、処理を終了する。

これに対し、絶縁抵抗値が所定値以下であれば、燃料電池１０の対地絶縁性の低下（実質的にはガス配管の絶縁性の低下）が、絶縁部分２８を覆った水によるものではないため、ステップＳ１６に進み、ＥＣＵ２６により、絶縁性低下の原因は他の要因であると確定して、処理を終了する。

図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの制御手順の他の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、まず、ステップＳ２０では、絶縁抵抗測定器２４により、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとの間の絶縁抵抗が測定される。そして、測定した絶縁抵抗値のデータがＥＣＵ２６に送信され、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗値が、予め設定した値以下であるか否かが判定される。

絶縁抵抗値が所定値以下であれば、ステップＳ２２に進み、ＥＣＵ２６により、通常発電時において供給されるカソードガスの流量より大きな流量が供給されるようにエアコンプレッサ１２が制御される。そして、大きな流量のカソードガスが、カソードガス供給配管１８、燃料電池１０を通してカソードガス排出配管２２を流れることにより、絶縁部分２８を覆った水を一掃することが可能となる。

これに対し、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗値が所定値を超えていれば、燃料電池１０の対地絶縁性が十分に確保されていると判断し、処理を終了する。

次に、ステップＳ２４では、絶縁抵抗測定器２４により、上流側のカソードガス排出配管２２ａと下流側のカソードガス排出配管２２ｂとの間の絶縁抵抗が測定される。そして、測定した絶縁抵抗値のデータがＥＣＵ２６に送信され、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗測定器２４により測定された絶縁抵抗値が、予め設定した値以下であるか否かが判定される。そして、ＥＣＵ２６により、絶縁抵抗値が所定値を超えていれば、燃料電池１０の対地絶縁性が回復したと判断し、処理を終了する。

これに対し、絶縁抵抗値が所定値以下であれば、ＥＣＵ２６により、燃料電池１０が発電しているか否かが判断される。燃料電池１０の発電・停止の判断については、例えば、ＥＣＵ２６に入力されるイグニッションキーのＯＮ／ＯＦＦ信号により判断され、イグニッションキーがＯＮであれば発電中であり、イグニッションキーがＯＦＦであれば発電停止中であると、ＥＣＵ２６によって判断される。ここで、燃料電池１０が発電中であると判断された場合には、ステップＳ２２に戻る。すなわち、ＥＣＵ２６により、通常発電時において供給されるカソードガスの流量より大きな流量が供給されるようにエアコンプレッサ１２が制御されることとなる。これは、燃料電池１０が発電中であれば、生成水は常にガス配管を流れているため、絶縁性低下の原因が他の要因であると確定するより、大きい流量の反応ガスを流し続け、絶縁部分２８が生成水で覆われることを防ぐ方が好ましいからである。

一方、燃料電池１０の発電が停止中であれば、燃料電池１０の対地絶縁性の低下が、絶縁部分２８を覆った水によるものではないため（発電停止状態であれば、水の生成は停止しているから）、ステップＳ２６に進み、ＥＣＵ２６により、絶縁性低下の原因は他の要因であると確定して、処理を終了する。

なお、上記これらの制御においては、カソード側のガス配管でなくアノード側のガス配管において行ってもよい。

本実施形態の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等に使用される。

１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１２ エアコンプレッサ、１４ 水素ガス源、１６ アノードガス供給配管、１８ カソードガス供給配管、２０ アノードガス排出配管、２２ カソードガス排出配管、２２ａ 上流側のカソードガス排出配管、２２ｂ 下流側のカソードガス排出配管、２４ 絶縁抵抗測定器、２６ ＥＣＵ、２８ 絶縁部分、３０ 水溜まり部、３２ａ，３２ｂ 傾斜部。

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   燃料電池に接続されるガス供給配管及びガス排出配管と、
   前記ガス供給配管を通して燃料電池に反応ガスを供給するガス供給手段と、
   ガス排出配管に設けられ、前記ガス排出配管の上流側と下流側とを絶縁する絶縁部と、
   前記上流側のガス配管と前記下流側のガス配管との間の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定手段と、
   前記絶縁抵抗測定手段により測定された絶縁抵抗値が所定値以下であるか否かを判定する絶縁判定手段と、
   前記絶縁判定手段により、前記絶縁抵抗値が所定値以下であると判定されれば、前記ガス供給手段による反応ガスの供給量を、通常発電時に供給される反応ガスの供給量より増加させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池が発電しているか否かを判定する発電判定手段を備え、
   前記絶縁判定手段により、前記絶縁抵抗値が所定値以下であると判定され、前記発電判定手段により、前記燃料電池が発電していると判定された場合に、前記制御手段は、前記ガス供給手段による反応ガスの供給量を増加させる制御を継続して行うことを特徴とする燃料電池システム。

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