JP3664150B2

JP3664150B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3664150B2
Application number: JP2002138922A
Authority: JP
Inventors: 元治西尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: JP2003331893A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に燃料極パージによる燃費低下を抑制した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を含んだ燃料ガスを燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境性に優れている。
【０００３】
また、近年、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化が可能であり、酸水溶液が不要な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用いた燃料電池の方式として注目されている。
【０００４】
燃料電池において、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを再循環して、外部から新たに供給される水素の濃い燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案されている。
【０００５】
ところで、化学工場での副産物として得られた副生水素は、精製して燃料電池に供給するようにしているが、その純度は工場によって異なり、水素以外に微量の酸素、窒素、塩素、アンモニア等の不純物を含んでいる。このために燃料極からの排出ガスを再循環させていると、循環の繰り返しに伴って不純物濃度が上昇し、これが原因で燃料電池の電極触媒活性を低下させたり、腐食を与えたりして電池性能が低下する恐れがある。
【０００６】
また燃料電池では、燃料極に水が過多状態となると発電効率が低下する水詰まり状態が生じることがあり、この水詰まりを解消する必要がある。
【０００７】
このため、特開平９−２２７１４号公報記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極通路に水などの不純物が溜まった場合に、パージラインを開放して燃料ガスを外部に捨てて燃料ガスの流量を増加することで不純物を吹き飛ばして除去するパージを行っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、パージを行う際に発電に使用されずに消費される燃料ガスが多いので燃費の悪化につながるという問題点があった。
【０００９】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、燃費の悪化を抑制しながら燃料極通路内の水などの不純物を効率よく除去することができる燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、燃料極通路に燃料ガスを供給するか空気を供給するかを切り換える燃料極通路切換弁と、空気極と燃料極とを連通させる連通弁と、を備え、運転状況に応じて燃料極通路に空気を供給するように前記燃料極通路切換弁を切り換えるとともに、前記連通弁を連通させて、空気で燃料極をパージする空気パージを行うことを要旨とする。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガスの代わりに空気により燃料極に溜まった水などを吹き飛ばして除去できるので、発電に使われずに消費されてしまう燃料の量を減らし、燃費を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。なお各バルブは図１に示した状態がオフ状態（非通電状態、通常状態）である。同図において、水素タンク１から供給される燃料としての水素ガスは、水素タンク１の残圧に関わらず圧力レギュレータ２で所定の圧力に調整されて、流量調整弁３に供給される。流量調整弁３は、運転条件に応じた流量の水素ガスをエゼクタ４を経由して加湿器６に供給する。
【００１３】
加湿器６で加湿された水素ガスは、燃料電池スタック９の燃料極入口２１に供給される。燃料極で発電に利用された残りの水素ガスは、パージバルブ１２がオリフィス１３と連通しているときは大気へ放出され、非連通となっているときは全量がエゼクタ４へと戻る。燃料極出口２２から循環路１０を経由してエゼクタ４の吸込口に戻された水素ガスは、エゼクタ４で流量調整弁３から供給される水素ガスと混合されて、加湿器６へ供給される。
【００１４】
一方、酸化剤ガスとしての空気は、コンプレッサ（空気供給源）５を用いて大気より導入された空気を加湿器６に送り込む。加湿器６で加湿された空気は、燃料電池スタック９の空気極入口２３に供給され、水素ガスと空気中の酸素により発電することが可能となる。
【００１５】
加湿器６と燃料電池スタック９の燃料極入口２１との間に、水素ガスと加湿器６をバイパスした非加湿の空気の導入を切り換えられるバルブ７（燃料極通路切換弁）が設置されている。同様に、加湿器６と燃料電池スタック９の空気極入口２３との間に、非加湿と加湿の空気の導入を切り換えられるバルブ８（空気極通路切換弁）が設置されている。
【００１６】
空気供給源であるコンプレッサ５は、加湿器６へ空気を供給するとともに、非加湿の空気をバルブ７，８を介して燃料極入口２１，空気極入口２３へそれぞれ供給できるようになっている。燃料極出口２２と空気極出口２４との間には、両者を連通することができるバルブ１１（連通弁）が設けられている。
【００１７】
図３は、本実施形態における燃料電池システム起動時の制御を説明するフローチャートである。
【００１８】
まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池スタック９の反応膜に付着したり、ガス流路に存在する液水を燃料電池スタック９の外部に放出するために、バルブ７を非加湿空気が燃料電池に流れ込むように、バルブ８も非加湿空気が燃料電池に流れこむように制御する。このとき同時に燃料電池スタック９の下流に水素ガス流路と空気流路とを連通するようにバルブ１１を制御し、パージバルブ１２は大気開放となるように開く。
【００１９】
次いで、Ｓ１２で、コンプレッサ５を起動して、空気の供給を開始して流量を増やす。Ｓ１４で設定した時間まで（例えば１０秒間）、空気パージによる水や不純物の吹き飛ばしを行う。Ｓ１４で設定時間が経過すると、Ｓ１６へ移り、バルブ７，８をオフして、加湿器６を経由した水素ガス及び空気を燃料電池スタック９に供給できるように切り換えるとともに、バルブ１１，１２をオフする。次いで、Ｓ１８で通常運転へ移行する。
【００２０】
これにより、燃料を無駄に捨てることなく、燃料電池システムの起動をスムーズに、短時間に行うことが可能となる。
【００２１】
尚、Ｓ１０でパージバルブ１２を大気開放となるように開いたが、燃料極出口２２は、バルブ１１が開くことにより空気極出口２４と連通して大気に開放されているので、パージバルブ１２は閉じていてもよい。
【００２２】
図４は、本実施形態における発電終了時の動作を説明するフローチャートである。まずステップ２０において、コンプレッサ５の運転を継続しつつ、燃料電池スタック９の反応膜に付着したり、ガス流路に存在する液水を燃料電池スタック９の外部に放出するために、バルブ７を非加湿空気が燃料極入口２１に流れ込むように、バルブ８も非加湿空気が空気極入口２３に流れこむように制御する。このとき同時に燃料電池スタック９の下流に水素ガス流路と空気流路とを連通するようにバルブ１１を制御し、パージバルブ１２は大気開放となるように開く。
【００２３】
次いで、Ｓ２２で設定した時間が経過するまで（例えば１０秒間）、空気パージによる水や不純物の吹き飛ばしを行う。Ｓ２２で設定時間が経過すると、Ｓ２４へ移り、バルブ７，８，１１，１２をオフする。次いで、Ｓ２６でコンプレッサ５の運転を停止する。
【００２４】
図５は、本実施形態における通常運転中のパージ動作を説明するフローチャートであり、通常運転中は一定時間毎に呼び出されるルーチンとして構成される。尚、この通常運転中のパージ動作は、燃料極を空気でパージすることは行わず、従来のパージ動作と同様のパージ動作を行う。まずＳ３０で、水詰まりが発生したか、否かを判定する。水詰まり発生の判定は従来技術で公知であるが、例えば、図示しないセル電圧センサが、燃料電池スタック９の各セル毎、または直列接続された所定数の複数セル毎にセル電圧またはセル群電圧を検出し、これらの検出値の平均値と、各検出値の平均値からの変移、または分散を算出し、変移または分散が一定以上大きければ水詰まりが発生したと判断する。
【００２５】
次いで、Ｓ３２でパージバルブ１２を開く（オンする）。Ｓ３４で設定時間（例えば１０秒間）が経過するまで、燃料ガス（水素）によるパージを行う。Ｓ３４で設定時間が経過すると、Ｓ３６へ移り、パージバルブ１２を閉じて（オフして）、リターンする。
【００２６】
以上説明したように本実施形態によれば、燃料電池システムの起動時及び発電終了時に、バルブ７により水素ガスの代わりに空気により燃料極に溜まった水などを吹き飛ばして除去できるので、発電に使われずに消費されてしまう燃料の量を減らすことにより燃費を向上させることができる。
【００２７】
また、空気パージ中にバルブ１１を開くことにより、燃料極通路と空気極通路とが連通し、特別なガス圧制御をしなくとも燃料極圧力と空気極圧力とを近づけることができ、簡単な構造で燃料電池へ損傷を与えることを抑制できる。
【００２８】
また、バルブ７が非加湿の空気を導入するため低湿度の空気でパージでき、燃料極に溜まった水を除去する効果が加湿した空気で行うよりも高まる。
また、バルブ７が導入する非加湿の空気は、加湿器６の上流で分岐させているため、加湿器６の加湿量変化の応答性が低くても対応可能になる。
【００２９】
また、空気パージ専用に空気供給源を用意する必要が無く、コストアップ抑制できる。
また、空気パージを起動時に行うので、運転停止中に燃料極通路内で発生した凝縮水を発電に先駆けてあらかじめこれらを除去しておくことで安定した発電が出来るようになる。
【００３０】
さらに、図４のように空気パージを発電停止時にも行うと、停止時にガス通路及び燃料電池スタック内部の湿度を低下させておくことができ、運転停止中に燃料極通路内に発生する凝縮水の量を抑制し、次回の起動に要する時間が短縮できる。
【００３１】
なお、空気パージを通常運転中に行うと、発電中断する必要が有る。また、一度空気パージを行うと、再度燃料極の燃料濃度を発電に必要な濃度まで高める水素置換に時間がかかるので、再度発電可能になるまでに時間がかかってしまう。
【００３２】
そこで、空気パージはこれらの問題が影響しない起動時、あるいは運転終了時のみとして、運転中の水除去については従来のようなパージバルブ１２による水素ガスの流量増加を行う方法（図５）などを用いるとなお良い。
【００３３】
あるいは、通常運転中に空気パージを行うのであれば、上記の影響が少ない低負荷時に限る、あるいは空気パージによる発電中断の間の電力供給を補完する二次電池あるいは他の燃料電池を用意するといった対策もある。
【００３４】
〔第２実施形態〕
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図である。各バルブの状態は、図２に示した状態がオフ状態（非通電状態、通常状態）である。
【００３５】
第２実施形態と第１実施形態との構成上の相違は、第１実施形態にバルブ１５（空気切換弁）と、エゼクタ１６とが追加されていることである。バルブ１５は、空気供給源であるコンプレッサ５から加湿器６へ空気を供給するか、エゼクタ１６へ空気を供給するかを切り換えるバルブである。エゼクタ１６は、ノズルがバルブ１５を介してコンプレッサ５に接続され、吸込口がバルブ１１及び空気極出口２４に接続され、ディフューザ出口が大気開放されている。即ちエゼクタ１６は、コンプレッサ５の圧縮空気を駆動流として、空気極出口２４及びバルブ１１を介して燃料極出口２２から燃料電池スタック９内部の水等の不純物を吸い出すことができるようになっている。
【００３６】
また、バルブ７（第１大気開放弁）が加湿器６で加湿された水素ガスと大気とのいずれかを選択的に燃料電池スタック９の燃料極に供給し、バルブ８（第２大気開放弁）が加湿器６で加湿された空気と大気とのいずれかを選択的に燃料電池スタック９の空気極に供給するよになっていることである。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３７】
図２において、水素タンク１から供給される燃料としての水素ガスは、水素タンク１の残圧に関わらず圧力レギュレータ２で所定の圧力に調整されて、流量調整弁３に供給される。流量調整弁３は、運転条件に応じた流量の水素ガスをエゼクタ４を経由して加湿器６に供給する。
【００３８】
加湿器６で加湿された水素ガスは、燃料電池スタック９の燃料極入口２１に供給される。燃料極で発電に利用された残りの水素ガスは、パージバルブ１２がオリフィス１３と連通しているときは大気へ放出され、非連通となっているときは全量がエゼクタ４へと戻る。燃料極出口２２から循環路１０を経由してエゼクタ４の吸込口に戻された水素ガスは、エゼクタ４で流量調整弁３から供給される水素ガスと混合されて、加湿器６へ供給される。
【００３９】
一方コンプレッサ（空気供給源）５が圧縮した空気は、バルブ１５（空気切換弁）を経由し、加湿器６を通して加湿され、燃料電池スタック９の空気極入口２３へと供給される。ここで酸素が消費され、空気極出口２４からエゼクタ１６を介して、大気へと開放される。
【００４０】
図６は、本実施形態における起動時の制御を説明するフローチャートである。まずＳ４０で、空気パージ（水飛ばし）が必要か否かを判断する。Ｓ４０における空気パージの必要性の判断は、燃料電池システムの起動前の停止時間、外気温などから判断する。制御を簡素化させたい場合には、一律起動時にパージを実行するようにしても良いが、パージの必要性を判断して行った方が起動時間を必要最小限にすることができる。
【００４１】
Ｓ４０で空気パージが必要ないと判断した場合には、Ｓ４２へ進み、コンプレッサ５を起動して、Ｓ５２で通常運転へ移行する。
【００４２】
Ｓ４０で空気パージが必要と判断したときには、Ｓ４４で、バルブ７とバルブ８を燃料電池スタック９上流が大気と連通するように制御する。このとき、加湿器６上流にあるバルブ１５はエゼクタ１６とコンプレッサ５からの供給流路を連通するように制御され、エゼクタ１６へと供給される。また、このときバルブ１１は水素ガス流路と空気流路とを連通するように制御する。
【００４３】
次いで、Ｓ４６でコンプレッサ５を起動して、空気をバルブ１５を介してエゼクタ１６のノズルに供給する。このときコンプレッサ５から供給する空気流量が多いと、エゼクタ１６で燃料電池スタック９の空気極出口２４側の流路から吸い込む流量も増えるため、燃料電池スタック９の空気極内を通過する空気も増え、これにより、燃料電池内の水を飛ばす空気パージを行うことが可能となる。
【００４４】
次いで、Ｓ４８で設定時間が経過するまで待機し、設定時間が経過すると、Ｓ５０へ移る。Ｓ５０では、バルブ１５は加湿器６側へ切り換え、バルブ７，８は大気と遮断する側へ切り換え、バルブ１１は燃料極通路と空気極通路とを遮断するように切り換える。これにより、それぞれ加湿器６で加湿された水素ガス、空気が燃料電池スタック９へと供給されるようになる。次いで、Ｓ５２で通常運転へ移行する。
【００４５】
これにより、燃料を無駄に捨てることなく、燃料電池内の水を飛ばすことができるため、短時間での燃料電池システムの起動が可能となる。
【００４６】
また、バルブ７を用いたことにより、停止状態の燃料電池スタック９内部を大気レベルの湿度に保つことができ、燃料電池内ガスの凝縮水発生を防止できる。
【００４７】
エゼクタ１６を用いたことにより、空気パージ専用に空気供給源を用意する必要が無くコストアップ抑制できる。
【００４８】
バルブ８も用いることで燃料極圧力と空気極圧力を近づけることができるため、特別なガス圧制御を不要にすることができる。
【００４９】
なお両実施形態とも空気パージ時間は所定時間としているが、これは運転状態に応じて変更することもでき、例えば低温時ほど長くするといった変更を加えても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図である。
【図３】第１実施形態における起動時の動作を説明するフローチャートである。
【図４】第１実施形態における発電終了時の動作を説明するフローチャートである。
【図５】第１実施形態における通常運転中の動作を説明するフローチャートである。
【図６】第２実施形態における起動時の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…水素タンク
２…圧力レギュレータ
３…流量調整弁
４…エゼクタ
５…コンプレッサ
６…加湿器
７…バルブ（燃料極通路切換弁）
８…バルブ（空気極通路切換弁）
９…燃料電池スタック
１０…循環路
１１…バルブ（連通弁）
１２…バージバルブ
１３…オリフィス
１５…バルブ
１６…エゼクタ
２１…燃料極入口
２２…燃料極出口
２３…空気極入口
２４…空気極出口

Claims

燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された空気中の酸素との電気化学反応により発電する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、
燃料極通路に燃料ガスを供給するか空気を供給するかを切り換える燃料極通路切換弁と、空気極と燃料極とを連通させる連通弁と、を備え、
運転状況に応じて燃料極通路に空気を供給するように前記燃料極通路切換弁を切り換えるとともに、前記連通弁を連通させて、空気で燃料極をパージする空気パージを行うことを特徴とする燃料電池システム。
燃料ガス及び空気をそれぞれ加湿する加湿器を備え、
前記燃料極通路切換弁は、前記加湿器と燃料電池本体との間の燃料極通路に設けた第１大気開放弁であり、
前記空気供給源の下流には、該空気供給源により発生する空気流により作動するエゼクタを設け、
前記空気パージ時には、第１大気開放弁により燃料極通路を大気開放し、前記エゼクタの吸口部を燃料極の燃料電池出口に接続することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記加湿器と燃料電池本体との間の空気極通路に第２大気開放弁を備え、
前記空気供給源からの空気を前記加湿器に供給するか前記エゼクタに供給するかを切り換える空気切換弁を備え、
空気極出口を前記エゼクタの吸口部に接続し、
前記空気パージ時には、前記空気供給源からの空気を前記エゼクタに供給するように前記空気切換弁を切り換えるとともに、第２大気開放弁により空気極通路を大気開放することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
燃料電池システムの起動時に前記空気パージを行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。