JP3854117B2

JP3854117B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3854117B2
Application number: JP2001306767A
Authority: JP
Inventors: 哲郎菊地; 稔幸鈴木
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: JP2003115310A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気を供給するポンプを備えた燃料電池システムに関する。特に本発明は、燃料電池内に残留する水分を排出するのに効果的な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
クリーンで高効率な燃料電池が自動車用動力源として注目され、実用化に向けた開発、試験が行われている。燃料電池では、水素と酸素を反応させて電気を発生させるが、このとき同時に水も生成する。また、電池反応を円滑に行わせるために水分が供給される。このため、電池の作動停止後に水分が中に残ることがある。電池内に水分が残留した状態で、燃料電池の温度が低下すると、残った水分が凍結する可能性がある。
【０００３】
これを防止するために、作動停止後に大量のガスを用いて電池内の水分を飛ばしてしまうことが考えられいる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電池のセル内の通路は細く、複雑な形状をしているので、中に淀み点が発生し、水分が残留してしまうという欠点が残る。
【０００５】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、燃料電池に気体を供給するポンプを含み、ポンプから供給された気体を燃料電池内に流すことにより、燃料電池内に残留した水分を排出する燃料電池システムであって、ポンプから供給された気体の燃料電池内での流れの向きを変更する気体流方向変更手段を備え、気体流方向変更手段は、燃料電池内での気体流の方向を反転させる気体流反転手段を含み、気体流反転手段は、ポンプと燃料電池の気体入口とを接続する気体通路に設けられる第１開閉弁と、第１開閉弁と燃料電池の気体入口との間において気体通路に分岐接続され、気体通路を大気に接続または遮断する第２開閉弁と、ポンプと燃料電池の気体出口とを接続する気体通路に設けられる第３開閉弁と、第３開閉弁と燃料電池の気体出口との間において気体通路に分岐接続され、気体通路を大気に接続または遮断する第４開閉弁とを有し、燃料電池の運転停止後、第１開閉弁と第４開閉弁とを開き、第２開閉弁と第３開閉弁とを閉じて燃料電池内に気体を流し、第１開閉弁と第４開閉弁とを閉じ、第２開閉弁と第３開閉弁とを開いて燃料電池内に気体を流すことを特徴とする。
【０００７】
燃料電池内の気体の流れが一方向のみの場合には、水分の排出が重力に逆らって行われるために、水分の排出がうまく行われずに、水分が淀むことがある。しかし、本発明では、燃料電池内での気体の流れの方向を変更することにより、淀んだ水分をスムースに排出することができる。また、燃料電池内での気体の流れの方向を反転させることにより、淀んだ水分をよりスムースに排出することができる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の気体入口は、気体出口の上方に配置されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、燃料電池の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、燃料電池の運転停止後、燃料電池の温度が所定の温度以下になったときに、ポンプから燃料電池に気体が供給されてもよい。
【００１１】
これにより、燃料電池の運転停止後、燃料電池内の水分を排出する適切な温度において、燃料電池内に気体を流すことができるので、ポンプの動力を有効に使うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システム１０のシステム構成図である。燃料電池システム１０は、燃料電池２０、燃料電池２０に空気を送り込むポンプ３０を備える。
【００１４】
燃料電池２０は、たとえば、単電池２６を複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池である。図２は、単電池２６の構成を示す。単電池２６は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜６８と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜６８を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としての空気極６６および水素極７０と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつ空気極６６および水素極７０とで空気、燃料ガス、または酸化ガスの流路６０，６２を形成すると共に隣接する単電池２６との間の隔壁をなす２つのセパレータ６４とにより構成されている。
【００１５】
図１に戻り、ポンプ３０には、空気通路４０が接続されている。空気通路４０は、ポンプ３０と反対側の端部において、空気通路４２、４４に分岐接続されている。
【００１６】
空気通路４２は、燃料電池２０に設けられた空気入口２２に接続されている。なお、空気入口２２から燃料電池２０に入った空気は、燃料電池２０を構成する各単電池２６に形成された流路６０，６２を通って、空気出口２４に到達する。空気通路４２には、第１開閉弁５０が設けられている。第１開閉弁５０により空気通路４２の開閉が可能である。また、空気通路４２には、第１開閉弁５０と空気入口２２との間において、第２開閉弁５２と分岐接続され、第２開閉弁５２の開閉により、空気通路４２を大気に接続または遮断することができる。
【００１７】
また、空気通路４４は、空気出口２４に接続されている。空気通路４４には、第３開閉弁５４が設けられている。第３開閉弁５４により空気通路４４の開閉が可能である。また、空気通路４４には、第３開閉弁５４と空気出口２４との間において、第４開閉弁５６と分岐接続され、第４開閉弁５６の開閉により、空気通路４４を大気に接続または遮断することができる。なお、上記第１開閉弁５０，第３開閉弁５４および第２開閉弁５２，第４開閉弁５６としては、たとえば、三方弁が好適な例である。
【００１８】
なお、燃料電池システム１０は、第１開閉弁５０，第２開閉弁５２，第３開閉弁５４，第４開閉弁５６の開閉動作を制御する制御機構を含む（図示せず）。
【００１９】
次に、燃料電池システム１０の動作について説明する。発電時（電池作動時）においては、第１開閉弁５０,第４開閉弁５６は開かれ、第２開閉弁５２,第３開閉弁５４は閉じられている。ポンプ３０から送り出された空気は、第１開閉弁５０および空気入口２２を介して、燃料電池２０の内部に入る。燃料電池２０に供給された空気に含まれる酸素の一部は、発電のための電池反応によって消費され、残りの空気は空気出口２４および第４開閉弁５６を介して、大気に放出される。
【００２０】
電池の作動停止後は、まず、第１開閉弁５０−第４開閉弁５６の開閉状態を電池作動時と同様にした状態で、ポンプ３０の空気供給能力を上げることにより、燃料電池２０に残留している水分が空気とともに外に放出される。このときの、燃料電池システム１０における空気の流れを図３に示す。図３に示すように、燃料電池２０内の空気の流れは、空気入口２２、流路６０（または流路６２）、空気出口２４の順になっている。
【００２１】
次に、所定時間経過後、第１開閉弁５０,第４開閉弁５６は閉じられ、第２開閉弁５２,第３開閉弁５４は開かれる。これにより、ポンプ３０から供給された空気は、第３開閉弁５４および空気出口２４を介して、燃料電池２０に入り込む。これにより、上記の水分排出によっても燃料電池２０内部に残留した水分が、空気出口２４から供給された空気とともに、空気入口２２および第２開閉弁５２を介して排出される。このときの、燃料電池システム１０における空気の流れを図４に示す。図４に示すように、燃料電池２０内の空気の流れは、図３とは逆に、空気出口２４、流路６０（または流路６２）、空気入口２２の順になっている。
【００２２】
特に、空気入口２２から空気を供給した場合に、構造上、燃料電池２０に溜まった水滴状の水分を重力に逆らって排出しなければならず、水分の排出がスムースに行われない場合がある。しかし、本実施形態のように、本来は燃料電池２０から空気が排出される空気出口２４に空気を送り込み、空気入口２２から空気を外に排出することにより、空気入口２２から空気を供給した場合には、重力に逆らって排出しなければならなかった水分を、重力に沿って排出することができるので、水分の排出が促進される。
【００２３】
なお、本実施形態においては、ポンプ３０から空気が供給されたが、空気の代わりに窒素などの不活性ガスを用いてもよい。
【００２４】
また、外気温の低下などによる水分の凍結のおそれが無い場合は、水分の排出を行う必要性は低い。一般に電池の作動温度は８０℃程度であり、運転を停止しても急激に温度が低下して凍結することはないので、運転停止後速やかに水分を放出することは、再起動時に水分不足をきたすことになり、起動時に運転性能が低下することになる。そこで、燃料電池２０の温度を測定する温度センサー（図示せず）を設ける。燃料電池２０停止後、電池温度を監視し、温度が所定の温度以下になった段階で、上記の水分排出のための空気供給制御を行ってもよい。さらに、この空気供給制御を所定時間行うようにしてもよい。これにより、空気供給制御に要するエネルギーを節約することができる。
【００２５】
また、温度変化度合いに応じて、空気供給制御の実施方法を変えてもよい。たとえば、温度変化が緩やかな場合には、凝縮による液滴が付きにくいので、空気流量を少なくすることが好適である。
【００２６】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように、本発明によれば、燃料電池内の水分をより効果的に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる燃料電池システム１０のシステム構成図である。
【図２】単電池２６の概略を示す構成図である。
【図３】電池の作動停止後の燃料電池システム１０における空気の流れを示す図である。
【図４】空気の流れが反転したときの、燃料電池システム１０における空気の流れを示す図である。
【符号の説明】
１０燃料電池システム、２０燃料電池、２２空気入口、２４空気出口、２６単電池、３０ポンプ、４０，４２，４４空気通路、５０第１開閉弁、５２第２開閉弁、５４第３開閉弁、５６第４開閉弁、６０，６２流路、６４セパレータ、６６空気極、６８電解質膜、７０水素極。

Claims

燃料電池に気体を供給するポンプを含み、ポンプから供給された気体を燃料電池内に流すことにより、燃料電池内に残留した水分を排出する燃料電池システムであって、
ポンプから供給された気体の燃料電池内での流れの向きを変更する気体流方向変更手段を備え、
気体流方向変更手段は、燃料電池内での気体流の方向を反転させる気体流反転手段を含み、
気体流反転手段は、
ポンプと燃料電池の気体入口とを接続する気体通路に設けられる第１開閉弁と、
第１開閉弁と燃料電池の気体入口との間において気体通路に分岐接続され、気体通路を大気に接続または遮断する第２開閉弁と、
ポンプと燃料電池の気体出口とを接続する気体通路に設けられる第３開閉弁と、
第３開閉弁と燃料電池の気体出口との間において気体通路に分岐接続され、気体通路を大気に接続または遮断する第４開閉弁と、
を有し、
燃料電池の運転停止後、
第１開閉弁と第４開閉弁とを開き、第２開閉弁と第３開閉弁とを閉じて燃料電池内に気体を流し、
第１開閉弁と第４開閉弁とを閉じ、第２開閉弁と第３開閉弁とを開いて燃料電池内に気体を流すことを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池の気体入口は、気体出口の上方に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
燃料電池の温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
燃料電池の運転停止後、燃料電池の温度が所定の温度以下になったときに、ポンプから燃料電池に気体が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。