JP4427833B2

JP4427833B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP4427833B2
Application number: JP04463399A
Authority: JP
Inventors: 力稲目; 秀樹中
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: JP2000243417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力の発生を抑制する電力発生抑制物質を効果的に除去できる燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料が有する化学エネルギを電気エネルギ（電力）として直接取り出すものとして、燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置は、１以上のセル（燃料電池）をもって構成され、そのセルは、電解質膜を一対の電極で挟持し、その各電極の外側面に画成部材と協働してガス通路をそれぞれ形成することになっている。そして、一方の側のガス通路に第１ガス（例えば燃料ガス（具体的には水素等））を供給し、他方の側のガス通路に、第１ガスと電気化学反応を起こす第２ガス（例えば酸化ガス（具体的には空気））を供給することにより、その第１、第２ガスの電気化学反応に基づき一対の電極から電力を取り出せることになっている。
【０００３】
このような燃料電池装置は改良が加えられ、現在では、特開平１０−８３８２４号公報に示すように、燃料電池（セル）における電極がＣＯにより被毒され出力が低下したときに、燃料電池の温度を高めると共に反応ガスの水蒸気分圧を一定にして、出力性能の低下を抑えたものや、特開平７−２７２７３８号公報に示すように、燃料電池の停止時に、燃料ガスを窒素ガスと置換して、起電力の発生を早急に停止するものが提案されるに至っている。
【０００４】
ところで、本出願人は、燃料電池装置として、セルに対して、循環経路をもって前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを循環供給するものを既に提案している。このものにおいては、循環経路に基づき未使用のガスを再使用できることになり、ガスの有効利用を図ることができることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近の研究によれば、何等かの原因で循環経路内に電力発生抑制物質としての不純物（窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、埃等）が入り込み、その不純物が、循環経路が閉サイクル故に徐々に蓄積され、その不純物が電極反応面に付着することが見い出されている。このため、そのことにより電気化学的反応が阻害され、出力性能が発電（運転）に伴い低下することになっている。
【０００６】
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その技術的課題は、ガス供給を行う循環経路内に不純物が混入することに起因する出力性能の低下を抑制できる燃料電池装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を達成するために本発明（請求項１の発明）にあっては、
第１ガスと第２ガスとを電気化学反応をさせて電力を得るセルと、該セルに対して、前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを循環供給する循環経路とが備えられる燃料電池装置において、
前記循環経路に、該循環経路内を大気に対して開閉する大気開放弁と、前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを該循環経路内に補充するガス補充装置と、が備えられ、
前記大気開放弁は、該大気開放弁が閉弁状態にあるときにおいて、前記セルの電流値が一定であるときであって該セルの電圧が所定状態から低下したとき、前記循環経路内を所定時間だけ大気に開放するように設定され、
前記ガス補充装置は、前記大気開放弁による大気開放に伴い同じタイミングで前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを前記循環経路内に補充するように設定され、
しかも、前記大気開放弁は、該大気開放弁が閉弁状態にあるときにおいて、前記セルの電流値が一定でないときには、前記セルの電圧が所定状態から低下しているときであっても該大気開放弁の閉弁状態を維持するように設定されている構成としてある。この請求項１の好ましい態様としては、請求項２以下の記載の通りとなる。
【０００８】
【発明の効果】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
請求項１に記載された発明によれば、循環経路に、該循環経路内を大気に対して開閉する大気開放弁が備えられ、その大気開放弁が、閉弁状態にあるときにおいて、セルの電流値が一定であるときであって該セルの電圧が所定状態から低下したとき、循環経路内を所定時間だけ大気に開放することから、循環経路内のガス圧を利用して電力発生抑制物質を大気に放出でき、循環経路内の電力発生抑制物資の量を低減できることになる。このため、極めて簡単な構成をもって、電力発生抑制物質に起因して出力が低下することを抑制できることになる。
【００１２】
また、循環経路に、大気開放弁による大気開放に伴い第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを補充するガス補充装置が備えられていることから、大気開放弁が開弁されても、ガスが補充されて循環経路内のガス圧等が一定に維持されることになり、大気開放弁の開弁に伴い、出力が一時的に低下することを抑制できることになる。
請求項２に記載された発明によれば、大気開放弁は、セルの電圧が所定状態から低下していなくても、循環経路内の電力発生抑制物質の量が所定値以上のときには開弁するように設定されていることから、出力低下に影響を与える電力発生抑制物質の混入量を的確に捉えて、電力発生抑制物質を除去できることになり、予め発生する出力の低下を前もって抑制できることになる。
【００１３】
請求項３に記載された発明によれば、さらに、循環経路内の電力発生抑制物質を吸着する吸着手段が備えられていることから、閉サイクルをなす循環経路の下で使用できることになり、電力発生抑制物質の除去作業に伴い、ガスを循環経路内から捨てることを防止できることになる。
【００１４】
請求項４に記載された発明によれば、吸着手段が、循環経路に対して、該循環経路に付設されるバイパス通路を介して設けられ、該バイパス通路に、大気開放弁が開弁状態のときに吸着手段への流れに切換える切換弁が設けられていることから、具体的構成をもって、前記請求項３と同様の作用効果を得ることができることになる。
【００１５】
【００１６】
請求項５に記載された発明によれば、第１、第２ガスのうちの一方のガスが水素であり、第１、第２ガスのうちの他方のガスが酸素含有ガスであり、セルに対して、循環経路をもって水素のみが循環供給されることから、燃料電池として最も一般的な基本的構成のものであっても、前記請求項１と同様の作用効果を得ることができることになる。
【００１７】
請求項６に記載された発明によれば、吸着手段がパラジウム薄膜により構成されていることから、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池として最も一般的な基本的構成のものにおいて、吸着手段（パラジウム薄膜）は、水素以外の電力発生抑制物質を吸着し、水素を通過させることになり、電力発生抑制物質を除去するに際して、水素を捨てることなく有効に使用できることになる。
【００１８】
請求項７に記載された発明によれば、セルが、１以上のセルをもって構成されていることから、単一のセルの場合は勿論、複数のセルを集合させた燃料電池スタックに対しても前記請求項１〜６と同様の作用効果を得ることができることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１において、符号１は、実施形態に係る燃料電池装置を示すもので、この燃料電池装置１は、燃料電池スタック２を４つ備えている。各燃料電池スタック２は、図２に示すように、複数の固体高分子燃料電池（以下、セルと称す）３を積層して構成されており、その各セル３は、高分子電解質膜４を一対の電極５、６で挟持し、その各電極５、６の外側面に画成部材７と協働してガス通路８、９をそれぞれ形成することになっている。そして、一方のガス通路８に第１ガスとしての水素（燃料ガス）が供給され、他方のガス通路９に、水素と電気化学反応を起こす第２ガスとしての空気（酸化ガス）が供給されることになっている。
【００２０】
前記各燃料電池スタック２には、図１に示すように、水素給排系１０が関係づけられ、その水素給排系１０と各燃料電池スタック２とは循環経路を構成している。この水素給排系１０は、各燃料電池スタック２との関連づけのために水素共通供給管１１と水素共通排出管１２とを備えており、その水素共通供給管１１と水素共通排出管１２とは、水素共通排出管１２から水素共通供給管１１への流れのみ許容する逆止弁１３を介して接続されている。
【００２１】
水素共通供給管１１は、水素供給口１４と供給分岐管１５ａ〜１５ｄとを備えている。水素供給口１４は、その一端が、逆止弁１３の下流側において水素共通供給管１１に接続され、その他端には、水素が充填されている水素ガスボンベ４５が接続されている。この水素供給口１４にはレギュレータ２１が介装されており、このレギュレータ２１は、水素給排系１０内（水素共通供給管１１内及び水素共通排出管１２内）の圧力を所定圧に保つ役割を有し、水素給排系１０内が所定圧以下になったときには開弁して、水素ガスボンベ４５内の水素を水素共通供給管１１内に補充することになっている。供給分岐管１５ａ〜１５ｄは、前記燃料電池スタック２に対応しており、その各供給分岐管１５ａ〜１５ｄによって、水素が各燃料電池スタック２における各セル３の一方のガス通路８に供給されることになっている。
【００２２】
一方、水素共通排出管１２は、その一端側において、４つの排出分岐管１７ａ〜１７ｄが備えられ、その他端側において、前記逆止弁１３に向かって順に、水素循環ポンプ２０、パージバルブ４１、三方弁４２が備えられている。４つの排出分岐管１７ａ〜１７ｄは、前記各燃料電池スタック２に対応しており、その各排出分岐管１７ａ〜１７ｄによって、各燃料電池スタック２における各セル３の一方のガス通路８内の水素が排出されることになっている。この場合、各燃料電池スタック２における各セル３の一方のガス通路８に対する供給又は各セル３の一方のガス通路からの排出は、各燃料電池スタック２内部のそれぞれの共通通路（図示略）を介して供給又は排出されるが、その内容は、既知であるので、これ以上の説明は省略する。水素循環ポンプ２０は、水素を強制循環するもので、これにより、加圧状態の水素が各燃料電池スタック２に向けて供給できることになっている。パージバルブは４１は、通常は閉弁状態とされている一方、開弁時には、水素給排系１０内と大気とを連通して、水素給排系１０内のガスを放出する機能を有している。三方弁４２は、前記水素共通排出管１２において、その第１の接続口がパージバルブ４１側に接続されると共にその第２の接続口が逆止弁１３側に接続され、その第３の接続口は、前記水素供給口１４に前記レギュレータ２１よりも上流側において接続されるバイパス管４３に接続されている。この三方弁４２は、その切換えによって選択的に、パージバルブ４１側と逆止弁１３側、又はパージバルブ４１側とバイバス管４３側とを連通させることができることになっており、水素は、逆止弁１３を介して水素共通供給管１１に流れることができるだけでなく、バイパス管４３にも流れることができることになっている。この場合、バイパス管４３には、吸着手段としてのパラジウム薄膜装置１９、逆止弁４６が、水素供給口１４に向かって順に、介装されている。パラジウム薄膜装置１９は、パラジウム薄膜から構成されて、ガスから水素以外の不純物（例えば窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、埃等）を除去して水素のみを通過させる機能を有しており、逆止弁４６は、パラジウム薄膜装置１９を通過した水素が水素供給口１４に流れ込むことを許容する一方、水素ガスボンベ４５からの水素がパラジウム薄膜装置１９側に流れ込むことを阻止する機能を有している。
【００２３】
前記各燃料電池スタック２には、図１に示すように、空気給排系２２が関係づけられており、その空気給排系２２は、各燃料電池スタック２との関連づけのために空気共通供給管２３と空気共通排出管２４とを備えている。空気共通供給管２３においては、その一端が空気を取り入れる空気供給口２５とされ、その空気共通供給管２３には、空気供給口２５から空気共通供給管２３の他端側に向けて順に、冷却器２６、圧縮機（回転ポンプ）２７が介装されている。冷却器２６は、各燃料電池スタック２に供給する空気の温度を調整するものである。圧縮機２７は、その回転数を調整することにより、外気を吸引して各燃料電池スタック２へその空気を供給すると共にその供給空気の圧力等を調整して各燃料電池スタック２における電気化学反応を調整するものであり、その調整は、要求電力により応じて行われることになっている（図５参照）。この空気共通供給管２３の他端側には４つの供給分岐管２８ａ〜２８ｄが備えられている。この４つの供給分岐管２８ａ〜２８ｄは、前記各燃料電池スタック２に対応しており、その各供給分岐管２８ａ〜２８ｄによって、空気が各燃料電池スタック２における各セル３の他方のガス通路９に供給されることになっている。
【００２４】
一方、空気共通排出管２４は、その一端が大気に開口する空気排出口３０とされる一方、その空気共通排出管２４の他端側には４つの排出分岐管３１ａ〜３１ｄを備えている。４つの排出分岐管３１ａ〜３１ｄは、前記各燃料電池スタック２に対応しており、その各排出分岐管３１ａ〜３１ｄによって、各燃料電池スタック２における各セル３の他方のガス通路９から空気が排出されることになっている。この場合も、各燃料電池スタック２における各セル３の他方のガス通路９に対する供給又は各セル３の他方のガス通路９からの排出は、各燃料電池スタック２内部のそれぞれの共通通路（図示略）を介して供給又は排出されるが、その内容は既知であるので、これ以上の説明は省略する。
【００２５】
前記各燃料電池スタック２には、図１に示すように、冷却系３２が関係づけられている。冷却系３２は、各燃料電池スタック２と協働して冷却水を循環させる循環経路３３を構成しており、その循環経路３３には、冷却水ヒータ４０、循環ポンプ３４、冷却水バルブ３５、冷却器３６が備えられている。また、冷却系３２には、冷却器３６をバイパスするバイパス経路３７が設けられ、そのバイパス経路３７に冷却水バイパスバルブ３８が設けられている。これにより、これら要素３３〜３８、４０をもって冷却水の温度調整を行うことにより、各燃料電池スタック２の温度調整が行えることになっている。
【００２６】
前記水素給排系１０は、本実施形態においては、図１、図３に示すように、制御手段としての制御ユニットＵにより制御されることになっている。制御ユニットＵには、各燃料電池スタック２の電圧を測定する電圧センサＶ１〜Ｖ４からの電圧信号、水素給排系１０内の水素濃度を検出する水素濃度検出センサ４４からの水素濃度信号、その他各種センサＥＳからの種々の信号が入力されており、制御ユニットＵからは、前記パージバルブ４１、前記三方弁４２に対して制御信号が出力されることになっている。
【００２７】
この制御ユニットＵは、概略的には、次のような制御を行う。すなわち、水素以外の不純物が水素給排系１０内に蓄積され、或いは電極５に付着されると、各燃料電池スタック２（セル３）の出力性能が時間と共に低下してくることに鑑み、原則として、一定時間毎（例えばａ分毎（０＜ａ））に水素給排系１０内のガス（水素他不純物）を所定時間（例えばα秒（０＜α≪ａ））だけ大気に放出（以下、パージと称す）しつつ、その放出して不足する水素を水素給排系１０内に補充する一方、その一定時間内でも、各燃料電池スタック２の電圧が所定状態から低下した場合、或いは水素給排系１０内の水素濃度が所定状態から低下した場合には、水素給排系１０内に水素以外の不純物が蓄積されているとして、パージを行おうとしている。しかも、パージに伴う水素の補充においては、水素給排系１０内の残存水素の回収を図り、その水素をも補充水素に使うことにより、水素使用量の低減を図ろうとしている。
【００２８】
次に、上記制御内容を、図４に示すフローチャートに基づき説明する。尚、Ｓはステップを示す。先ず、Ｓ１において、各燃料電池スタック２からの電圧、水素濃度検出センサ４４からの水素給排系１０内の水素濃度等の各種データが入力され、次のＳ２において、タイマによりカウントが加算される。そして、次のＳ３において、経過時間Ｔが、タイマがカウントを開始してから一定時間Ｔ１０が経過したか否かが判別される。これは、原則として、一定時間毎にパージを行い、電力発生抑制物質としての不純物を水素給排系１０（循環経路）内から放出する判断を得るために行われる。
【００２９】
上記Ｓ３の判別がＹＥＳのときには、タイマがリセットされると共に、パージバルブ４１が開（大気開放）とされ、所定時間だけパージが行われて、水素給排系１０内の不純物が大気に放出される（Ｓ４、Ｓ５）。またこのとき、三方弁４２が、パージバルブ４１に同期して、パージバルブ４１側を、逆止弁１３側ではなくバイパス管４３側に連通させるように切換えられることになり、これにより、パージバルブ４１を通過して三方弁４２に至ったガス（水素等）は、このとき、水素給排系１０内の圧力がパージに伴って低下していることに基づきレギュレータ２１を介して水素共通供給管１１内に流入しているフレッシュな水素（水素ガスボンベ４５からの水素）に吸引されて、該フレッシュな水素と共に水素共通供給管１１内に流れ込むことになる。この場合、バイパス管４３に流れ込むガスは、パラジウム薄膜装置１９に通ることになり、そのパラジウム薄膜装置１９により不純物が除去された水素が、再び補充水素として水素共通供給管１１内に供給されることになる。このため、フレッシュな水素と、バイパス管４３からの回収された水素とによって、パージ実行中においても、水素給排系１０を含む循環経路内の圧力を一定に保って出力の低下を抑制することができるだけでなく、回収された水素の再利用により、水素の使用量をできるだけ減らすことができることになる。そしてこの後、パージの終了に伴い、三方弁４２は、元の状態に切換えられ、水素給排系１０は、元の閉サイクルの状態に戻ることになる。
【００３０】
前記Ｓ３がＮＯのとき、すなわち、前回のパージから一定時間Ｔ１０が経過していないときには、Ｓ７において、各燃料電池スタック２の電流が一定か否か判別される。これは、出力性能の低下があるか否かを定常状態の下で判別して、判別の信頼性を高いものにするためである。このＳ７がＮＯのときには、パージバルブ４１が閉弁状態とされる一方、Ｓ７がＹＥＳのときには、各燃料電池スタック２の電圧が所定状態から低下しているか否か、水素給排系１０内の水素濃度が所定状態から低下しているか（不純物濃度が相対的に増大しているか）否かが判別される（Ｓ９、Ｓ１０）。水素給排系１０内に不純物が蓄積され、或いは電極５に不純物が付着しているか否かを判別してパージする必要があるか否かの判断を得るためである。
【００３１】
前記Ｓ９、Ｓ１０のいずれもがＮＯのときには、前記Ｓ８に移行する一方、前記Ｓ９又はＳ１０のいずれかがＹＥＳのときには、Ｓ１１において、経過時間Ｔが前回のタイマカウント開始から一定時間Ｔ１０未満の所定時間Ｔ２０よりも大きいか否かが判別される。前回のパージからあまりにも短い時間しか経過していない場合を、燃料電池スタック２の異常として判定するためである。Ｓ１１がＮＯのときには、Ｓ１２において該当燃料電池スタック２が異常であると判定され、Ｓ１１がＹＥＳのときには、前記Ｓ４に進んで前述の如きパージ等が行われる（Ｓ５、Ｓ６）。
【００３２】
したがって、この実施形態においては、パージが、原則として、一定時間Ｔ１０経過毎に行われるだけでなく、経過時間Ｔが一定時間Ｔ１０以下であっても、各燃料電池スタック２における電圧低下或いは水素給排系１０内の水素濃度の低下を検出して、パージを行うことなり、水素給排系１０を含む循環経路内に不純物が蓄積されることを抑制できることになる。このため、循環経路内に蓄積される不純物に基づき、出力性能が低下することを抑制できることになる。
【００３３】
以上実施形態について説明したが本発明においては、次のようなものを包含する。
（１）レギュレータ２１に代えて電磁弁を設け、その電磁弁を制御ユニットうＵにより開閉制御すること。
（２）水素だけでなく、第２ガスとしての酸化ガスをも、燃料電池スタック２に対して循環供給すること。
（３）水素ガスボンベ４５に代えて、改質器、例えばメタノールをもって水素を生成する改質器を用いること。
（４）当該燃料電池装置を、車両等の動力源として用いること。
（５）Ｓ８でパージバルブ４１を閉じた後も、三方弁４２に至ったガスの一部をパラジウム薄膜装置１９に供給すること。
【００３４】
尚、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましい或は利点として記載されたものに対応したものを提供することをも暗黙的に含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る全体系統図。
【図２】セル（燃料電池）構造を概念的に示す説明図。
【図３】制御ユニットに対する入・出力関係を示す図。
【図４】制御ユニットＵによる制御例を示すフローチャート。
【図５】要求電力に対する圧縮機の回転数の特性を示す図。
【符号の説明】
１燃料電池装置
２燃料電池スタック
３セル
１０水素給排系
１９パラジウム薄膜装置
４１パージバルブ
４２三方弁
４４水素濃度検出センサ
４５水素ガスボンベ
Ｕ制御ユニット
Ｖ１電圧センサ
Ｖ２電圧センサ
Ｖ３電圧センサ
Ｖ４電圧センサ

Claims

第１ガスと第２ガスとを電気化学反応をさせて電力を得るセルと、該セルに対して、前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを循環供給する循環経路とが備えられる燃料電池装置において、
前記循環経路に、該循環経路内を大気に対して開閉する大気開放弁と、前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを該循環経路内に補充するガス補充装置と、が備えられ、
前記大気開放弁は、該大気開放弁が閉弁状態にあるときにおいて、前記セルの電流値が一定であるときであって該セルの電圧が所定状態から低下したとき、前記循環経路内を所定時間だけ大気に開放するように設定され、
前記ガス補充装置は、前記大気開放弁による大気開放に伴い同じタイミングで前記第１、第２ガスのうちの少なくとも一方のガスを前記循環経路内に補充するように設定され、
しかも、前記大気開放弁は、該大気開放弁が閉弁状態にあるときにおいて、前記セルの電流値が一定でないときには、前記セルの電圧が所定状態から低下しているときであっても該大気開放弁の閉弁状態を維持するように設定されている、
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項１において、
前記大気開放弁は、前記セルの電圧が所定状態から低下していなくても、前記循環経路内の電力発生抑制物質の量が所定値以上のときには開弁するように設定されている、
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項１において、
さらに、前記循環経路内の前記電力発生抑制物質を吸着する吸着手段が備えられている、
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項３において、
前記吸着手段が、前記循環経路に対して、該循環経路に付設されるバイパス通路を介して設けられ、該バイパス通路に、前記大気開放弁が開弁状態のときに前記吸着手段への流れに切換える切換弁が設けられている、
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項１において、
前記第１、第２ガスのうちの一方のガスが水素であり、
前記第１、第２ガスのうちの他方のガスが酸素含有ガスであり、
前記セルに対して、前記循環経路をもって水素のみが循環供給される、
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項３又は４において、
前記吸着手段がパラジウム薄膜により構成されている、
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記セルが、１以上のセルをもって構成されている、
ことを特徴とする燃料電池装置。