JP2012109132A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、氷点下時の還流によるエゼクタのアイシングを防ぐことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニット１１と、このセルユニット１１から排出された排水素含有ガスを、そのセルユニット１１に還流させるためのエゼクタ２２を還流路３０ａに配した燃料電池システムにおいて、上記還流路３０ａに、排水素含有ガスのセルユニット１１への逆流を防止し、適切な時期に還流を実施するための流通制御部２５を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば固体高分子型セルを用いたセルユニットを有する燃料電池システムに関する。

従来、この種の燃料電池システムとして、車両搭載用燃料電池の水素供給システムとした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された従来の車両搭載用燃料電池の水素供給システムは、水素供給源から燃料電池へ水素を供給する経路に同燃料電池において発電に使用されなかった水素を還流させるためのエゼクタを設けたものであり、そのエゼクタをバイパスして前記水素供給源からの水素を前記燃料電池に供給するバイパス経路を備えたものである。

特開２００１‐２１０３４２号公報

上記特許文献１に開示された車両搭載用燃料電池の水素供給システムは、ある条件下において、発電に使用されなかった水素をエゼクタによって還流させることなく、非循環のデッドエンド運転を実施するとき等に、水素ガスが還流配管（エゼクタ戻り部に）を逆流して流れてしまい、セルスタック内部に生成水が逆流して発電が不安定になるという課題がある。

また、氷点下においてエゼクタによる還流を行なうと、セルスタックからの還流中の水蒸気が水素供給タンクから氷点下で送給される水素ガスで冷却され、エゼクタのノズルを凍結、閉塞させてしまうアイシングという現象が生じ、排水素ガスの還流を行なえないという課題もある。

そこで本発明は、排水素含有ガスの逆流を防止するとともに、氷点下時の還流によるエゼクタのアイシングを防ぐことができる燃料電池システムの提供を目的としている。

上記課題を解決するための本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流手段を還流路に配した燃料電池システムにおいて、上記還流路に、温度に応じて還流を実施又は停止する流通制御部を有することを特徴としている。

本発明によれば、排水素含有ガスの逆流を防止するとともに、還流手段であるエゼクタ又はエゼクタの代わりに設置した三方管のアイシングを防ぐことができる。

（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時の動作を示すフローチャートである。 同上の第一の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における温度検知に基づく動作を示すフローチャートである。 （Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。 同上の第二の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における温度検知に基づく動作を示すフローチャートである。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
なお、図１及び以下に示す図２〜４においては、水素含有ガスと酸素含有ガスのうち、水素含有ガスの流通系統についてのみ図示し、酸素含有ガスの流通系統についての図示を省略することにより簡略化している。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、セルスタック１０の他、燃料タンク２０、調圧弁２１、エゼクタ２２、圧力センサ２３、ＯＮ‐ＯＦＦ弁２５、温度センサ２８、窒素パージ弁２４、セパレートタンク３０、排水弁３１等とともに、コントロールユニットＣを有して構成されている。

セルスタック１０は、複数のセルユニット１１…を互いに間隙をもって重合してなるものであり、それら各セルユニット１１…内外に、水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うようにしたものである。
本実施形態においては、「水素含有ガス」として「水素ガス」、また、「酸素含有ガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。

セルユニット１１…は、アノードとカソードとを電解質の両側に配設した固体高分子型セルをセパレータ間に（いずれも図示しない）を収容したものである。

燃料タンク２０は、セルスタック１０に送給するための所要量の水素ガスを貯蔵するものであり、その燃料タンク２０とセルスタック１０の受入部との間に送給パイプ２０ａが連結されている。

上記した調圧弁２１は、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を無段階に増減調整する機能を有するものであり、送給パイプ２０ａの中間部位に配設されているとともに、詳細を後述するコントロールユニットＣの出力側に接続されて、送給圧力を増減制御されるようにしている。

本実施形態においては、調圧弁２１が、水素ガスの供給源である燃料タンク２０からセルスタック１０の受入部、従ってまた、各セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を増減調整するための調圧部である。

セルスタック１０の排出部には、排出パイプ１０ａを介して後述するセパレートタンク３０が接続されているとともに、そのセパレータタンク３０とエゼクタ２２との間には還流路である還流パイプ３０ａが接続されている。
すなわち、セルスタック１０のアノードから排出される排水素ガスを、エゼクタ２２を介してセルスタック１０に還流させられるようにしている。

上記エゼクタ２２は、送給パイプ２０ａであって調圧弁２１の下流側に配置されている。
このエゼクタ２２は、送給パイプ２０ａを流通する水素ガスによる巻き込み作用により、セルスタック１０から排出された排水素ガスを、還流パイプ３０ａを通じてアノードに還流させる機能を有するものである。
なお、還流手段としてのエゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｂｌｏｗｅｒ、水素循環ポンプの略称、以下、「ＨＲＢ」とする）を設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けて還流手段としてもよい。すなわち、エゼクタ２２のみが還流手段となり、また、ＨＲＢと三方管を合わせて還流手段ともなる。勿論、エゼクタ２２を設けて還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けて還流手段としてもよい。

圧力センサ２３は、エゼクタ２２から排出された水素ガスの圧力を測定するものであり、
送給パイプ２０ａであって上記エゼクタ２２の下流側に配置され、また、コントロールユニットＣの入力側に接続されて、圧力を検出するようになっている。

ＯＮ‐ＯＦＦ弁２５は還流パイプ３０ａを流通する排水素ガスを開放遮断するためのものである。
すなわち、間欠運転の昇圧時にＯＮ‐ＯＦＦ弁２５を開放することで、還流パイプ３０ａ側に圧力がかかって排水素ガスがセルスタック１０を逆流することを防止するようにしたものである。このようなＯＮ‐ＯＦＦ弁２５を還流パイプ３０ａに配設することにより、より安定した発電を行なうことができる。
本実施形態においては、ＯＮ‐ＯＦＦ弁２５が、排水素ガス（排水素含有ガス）のセルユニット１１への逆流を防止するための流通制御部である。この流通制御部は後述するように温度に応じて還流を実施、又は停止するものである。
温度センサ２８は、セルスタック１０、従ってまた、セルユニット１１の温度を測定するためのものであり、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。

セパレートタンク３０は、アノードから排出された排水素ガスに含まれる水ｗを分離して貯留するようになっており、セパレートタンク３０内に貯留した水ｗは、排水弁３１を通じて外部に排出されるようにしている。
なお、排水弁３１は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜に開閉制御されるようになっている。
窒素パージ弁２４は、セパレートタンク３０に滞留する窒素ガスを排出するためのものであり、コントロールユニットＣの出力側に接続されて開閉制御されるようになっている。

コントローラＣは、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
（１）負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な、セルユニット１１に送給される水素含有ガス流量が、所定の流量より小さいか否かを判定する機能。この機能を「流量判定手段Ｃ１」という。
「送給される水素含有ガス流量が、所定の流量より小さいか否かの判定」は、例えば最高出力の１０％以下の低負荷に対応するための水素含有ガス流量より小さいか否かによる。なお、最高出力の要求値で設計した一般的なエゼクタでは、１０％以下の低負荷（低流量域では還流できない）であることを実験的に確認している。
また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた場合でも、例えば最高出力の１０％以下の低負荷に対応するための水素含有ガス流量より小さいか否かによる。
すなわち、「所定の流量」は、排水素含有ガスがセルユニット１１に還流されない流量である。換言すると、排水素ガスを還流パイプ３０ａを通じてセルユニット１１に還流させられない水素ガスの流量のことである。

（２）負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な、セルユニット１１に送給される水素含有ガス流量が、所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させる機能。この機能を「ガス送給圧力変動手段Ｃ２」という。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁２１を介して、セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させている。
なお、水素ガスの流量が所定の流量を超えるときには、その水素ガスの圧力を一定にした送給を行なわせている。

「間欠的に」とは、等間隔の他、不規則な間隔を含むものである。
また、圧力の増減変動の値は、固体高分子型セル中の不純物を排出できるように設定する。具体的には、水を排出させられる比較的高い圧力の値と、窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力の値との二つの値にすることができる。

例えば、通常の圧力変動を窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力値に設定し、その圧力変動を所定数繰り返した後に、水を排出させられる比較的高い圧力の値での圧力変動を行なうようにしてもよい。

すなわち、排水素ガスを還流させられない場合には、アノード圧を間欠的に増減変動させることにより、固体高分子型セル中の不純物（水、窒素等）を排出させている。これにより、その固体高分子型セルのアノード上流から下流までの水素ガス濃度を全体的に向上させることができ、これにより安定した発電を行わせることができる。

（３）負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な、セルユニット１１に送給される水素含有ガス流量が、所定の流量よりも少ないと判定したときには、流通制御部２５を介して排水素ガスの逆流を防止する機能。この機能を「逆流防止手段Ｃ３」という。

（４）セルユニット１１の温度を検出する機能。この機能を「セル温度検出手段Ｃ４」という。
本実施形態においては、温度センサ２８に基づいて、セルユニット１１の温度を検出している。

（５）温度センサ２８を介して測定したセルユニット１１の温度が、氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か、すなわちセルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否かを判定する機能。この機能を「セル温度判定手段Ｃ５」という。
「氷点温度を含む所定の温度領域」は、カソードからの窒素透過量が増大して、デッドエンド運転が困難になり、かつ、エゼクタの温度がセンサー類の誤差やエゼクタ２２の熱容量を加味しても、アイシングを起こさない上限温度である２０℃程度以下の温度領域である。
また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた場合でも、アイシングを起こさない上限温度である２０℃程度以下の温度領域である。
「アイシング」とは、セルスタック１０からの還流中の水蒸気が燃料タンク２０からの氷点下の供給水素で冷却され、エゼクタノズル部で凍結、閉塞させることである。
また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けた場合でも、「アイシング」とは、セルスタック１０からの還流中の水蒸気が燃料タンク２０からの氷点下の供給水素で冷却され、三方管で凍結、閉塞させることである。

（６）検出したセルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定したときには、流通制御部２５を介して水蒸気の還流を停止する機能。この機能を「還流停止手段Ｃ６」という。
なお、「氷点温度を含む所定の温度領域」は、上記したとおりである。

上記した構成からなる燃料電池システムＡ１の起動時の動作について、図１（Ｂ）を参照して説明する。
ステップ１：図１（Ｂ）においては、「Ｓａ１」と略記する。以下、同様。
燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する。

ステップ２：負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ１に戻る。
ステップ３：アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ２に戻る。

上記した構成からなる燃料電池システムＡ１の起動時における温度検知に基づく動作について、図２を参照して説明する。図２は、燃料電池システムＡ１の起動時における温度検知に基づく動作を示すフローチャートである。

ステップ１：図２においては、「Ｓｂ１」と略記する。以下、同様。
セルスタック１１の温度を検知する。
ステップ２：セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か）を判定し、当該温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ３に進む。
ステップ３：ＯＮ‐ＯＦＦ弁２５を開駆動させて、エゼクタ２２を介して排水素ガスを還流させる。
ステップ４：ＯＮ‐ＯＦＦ弁２５を閉駆動させて、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する（還流を停止する）。

本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・氷点下時の水蒸気の還流を停止し、エゼクタにおけるアイシングを防ぐことができる。
・低温時は窒素透過量が少ないので、デッドエンド運転をより容易に行なうことができる。また、氷点下でなくても、温度センサの配置によっては、エゼクタが氷点以下の場合があり、この場合にもアイシングを有効に防止することができる。

次に、発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図３（Ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。

第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したものに、迂回路２７ａ、三方弁２７及び還流パイプ３０ａに逆止弁２６を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。

三方弁２７は、送給パイプ２０ａに配設したエゼクタ２２の上流側に設けられており、これとエグゼクタ２２の下流側の送給パイプ２０ａ間に迂回路であるパイパスパイプ２７ａが配設されている。
なお、この実施形態においても還流手段としてのエゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けて還流手段としてもよい。すなわち、エゼクタ２２のみが還流手段となり、また、ＨＲＢと三方管を合わせて還流手段ともなる。勿論、エゼクタ２２を設けて還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けて還流手段としてもよい。
この三方弁２７は、コントロールユニットＣの出力側に接続され、適宜切り替え制御されるようになっている。

すなわち、本実施形態においてはコントロールユニットＣが、上記した各機能とともに、次の機能を有している。
（７）セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定したときには、セルユニット１１に向けて送給される水素含有ガスを三方弁２７を介して迂回路２７ａに切り替え送給する機能。この機能を「迂回送給手段Ｃ７」という。
これにより、間欠運転の時には、エゼクタ２２をバイパスさせて、そのエゼクタ２２の圧損を回避することができ、より安定した間欠運転を行なうことができるようにしている。

上記した構成からなる燃料電池システムＡ２の動作について、図３（Ｂ）をも参照して説明する。
ステップ１：図３（Ｂ）においては、「Ｓｃ１」と略記する。以下、同様。
水素ガスをパイパスパイプ２７ａに流通させるように三方弁２７を切り替えるとともに、水素ガスを間欠的にアノードに送給する。

ステップ２：負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な水素ガスの流量が所要の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷に対応するための電力（電流）を発生させるのに必要な水素ガスの流量が所要の流量よりも大きいと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ１に戻る。
ステップ３：水素ガスをエゼクタ２２に流通させるように三方弁２７を切り替えて、アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ２に戻る。

上記した構成からなる燃料電池システムＡ２の起動時における温度検知に基づく動作について、図４を参照して説明する。図４は、燃料電池システムＡ２の起動時における温度検知に基づく動作を示すフローチャートである。
ステップ１：図４においては、「Ｓｄ１」と略記する。以下、同様。
セルスタック１１、従ってまた、セルユニット１１の温度を検知する。
ステップ２：セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か）を判定し、セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ３に進む。
ステップ３：三方弁２７をエゼクタ２２側に切り替えてステップ１に戻る。
ステップ４：三方弁２７をパイパスパイプ２７ａ側に切り替えるとともに、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する（還流を停止する）。
なお、図４においては、「水素ガスの圧力を間欠的に増減変動」させることを、「非循環デッドエンド運転」と記している。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記した温度センサは、セルユニットの温度を測定するように配設したものを例示したが、その形態に限らず、上記セルユニットの温度を測定する温度センサとは別に、例えばエゼクタの温度を測定するための温度センサを配設してもよい。

・以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それらを任意に組み合わせることができるものである。

１１ セルユニット
２２ エゼクタ
２５ 流通制御部（ＯＮ‐ＯＦＦ弁）
２７ 三方弁
２７ａ 迂回路（パイパスパイプ）
２８ 温度センサ
３０ａ 還流路（還流パイプ）
Ｃ１ 流量判定手段
Ｃ２ ガス送給圧力変動手段
Ｃ３ 逆流防止手段
Ｃ６ 還流停止手段
Ｃ４，５ セル温度判定手段
Ｃ７ 迂回送給手段

Claims (6)

1. 水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流手段を還流路に配した燃料電池システムにおいて、
   上記還流路に、温度に応じて還流を実施又は停止する流通制御部を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. セルユニットの温度を測定するための温度センサを配設しているとともに、
   上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
   セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、流通制御部によって還流を停止する制御手段とを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 流通制御部は、還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するためのＯＮ‐ＯＦＦ弁であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記還流手段がエゼクタ、ＨＲＢと三方管の組み合わせ又はエゼクタとＨＲＢの組み合わせのいずれかであり、
   セルユニットに向けて流通する水素含有ガスをエゼクタ又は３方管を迂回させるための迂回路と、そのセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 上記セルユニットに送給される水素含有ガス流量が所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、
   そのセルユニットに送給される水素含有ガス流量が所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させるガス送給圧力変動手段と、
   セルユニットに送給される水素含有ガス流量が所定の流量よりも少ないと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段とを設けていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. セルユニットの温度を測定するための温度センサを配設しているとともに、
   上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
   セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段とを設けていることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。

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