JP4506099B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP4506099B2 JP4506099B2 JP2003128780A JP2003128780A JP4506099B2 JP 4506099 B2 JP4506099 B2 JP 4506099B2 JP 2003128780 A JP2003128780 A JP 2003128780A JP 2003128780 A JP2003128780 A JP 2003128780A JP 4506099 B2 JP4506099 B2 JP 4506099B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pure water
- fuel cell
- path
- valve
- cell system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムでは、燃料電池スタックの水素極にて水素ガスが水素イオンと電子とに分離する反応が生じ、空気極にて酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応を発生させる。このような燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質の加湿や燃料電池スタックの温度調整といった用途に純水を必要とする。このため、燃料電池システムは、通常、運転時に燃料電池スタックに純水を供給すると共に、この純水を回収して循環させるための純水系システムを備えている。
【０００３】
また、燃料電池システムにおいては、運転を停止したまま寒冷地で放置すると、燃料電池スタック、配管、及び配管途中に設けられた各種構成部品内部に滞留していた純水が凍結し、これに起因して、運転不能となったり、凍結による配管の膨張させるといった事態を招来するおそれがある。
【０００４】
そこで、このような問題に対応するために、燃料電池システム内部の水を回収する技術が例えば特許文献１などで知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２７３７０５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、水を回収するための回収手段としてポンプを用い、当該ポンプを駆動させることによって水を回収しているので、水を完全に回収することが困難であるために内部に水が残存しやすく、内部に残存した水の凍結を確実に防止する対策としては不十分であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システム停止時にシステム内部の水を確実に回収することができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に循環される純水を貯蔵する純水貯蔵手段と、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池とを接続し、通常運転時には、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池との間で所定の方向で純水を循環させる純水経路を有する純水循環手段と、前記純水経路に空気を導入する空気導入経路を有する空気導入手段と、前記燃料電池の通常運転時における純水出口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられる第１バルブと、前記燃料電池の通常運転時における純水排出側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路と接続された空気導入経路に設けられる第２バルブと運転停止時に、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流して、前記純水経路内の純水を前記純水貯蔵手段に戻す制御手段とを備え、前記制御手段は、運転停止時には、前記第１バルブを閉塞すると共に前記第２バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流し、所定時間の経過後に、前記第２バルブを開放状態にしたままで前記第１バルブを開放することにより、上述の課題を解決する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、運転停止時に燃料電池スタック及び純水経路内部の純水を純水貯蔵手段へと回収するに際し、空気導入経路から純水経路に導入された空気を利用し、この空気を通常運転時における純水の流れと逆流させるので、例えばポンプ駆動によって純水を除去する場合に比べて、燃料電池スタック及び純水経路内部の純水の除去をより確実に行うことができ、純水の凍結や膨張などを防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムについて説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を図１に示す。なお、図１においては、システム内にて純水を循環させる純水系システムのみについて示しており、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系、及び余剰分の水素を循環させる水素循環系等の図示を省略している。
【００１４】
この燃料電池システムは、水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極と燃料ガスが供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００１５】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御する制御手段であるコントロールユニット２を備える。このコントロールユニット２は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷に電力供給を行うための一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、図示しない各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと制御信号を送ることにより、純水系システムを含む各部を制御する。
【００１６】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度調整を行うために、燃料電池スタック１に純水を循環するための純水系システムを備える。
【００１７】
具体的には、この純水系システムは、純水循環経路Ｌ１上に、純水を貯蔵する純水貯蔵手段である純水タンク１１、純水を循環させる純水ポンプ１２、純水中の異物を除去する異物除去手段である異物フィルタ１３、イオン交換を行って純水の導電率を所定値以下とするためのイオン交換手段であるイオンフィルタ１４、第１バルブ１５が設けられて構成されている。また、この純水系システムは、純水循環経路Ｌ１から分岐した空気導入経路Ｌ２に第２バルブ１６が設けられて構成されている。
【００１８】
純水タンク１１は、燃料電池スタック１に供給する純水を貯蔵する。この純水タンク１１に貯蔵されている純水は、純水ポンプ１２によって吸い上げられ、純水循環経路Ｌ１を介して図中矢印Ａで示す所定の方向へと供給される。ここで、純水循環経路Ｌ１の上流側端部１１ａは、純水タンク１１に貯蔵されている純水を吸い上げるため、常に純水内に浸漬された状態となっている。一方、純水循環経路Ｌ１の下流側端部１１ｂは、純水タンク１１の天井面に設けられた差圧制御弁１７に接続される。
【００１９】
この差圧制御弁１７は、コントロールユニット２の制御により開閉される。具体的には、この差圧制御弁１７は、参照空気圧である燃料電池スタック１における空気極の圧力と純水タンク１１に貯蔵されている純水圧力との差圧が、所定値以内に維持するように開閉制御される。
【００２０】
純水ポンプ１２は、燃料電池スタック１よりも上流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。この純水ポンプ１２は、通常運転時には、図示しないポンプモータがコントロールユニット２により制御されて、燃料電池スタック１の出力等に応じて必要とされる流量の純水を純水タンク１１から吸い上げ、図中矢印Ａで示す方向へと吐出することで循環させる。
【００２１】
異物フィルタ１３は、燃料電池スタック１よりも上流側であって且つ純水ポンプ１２の下流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。この異物フィルタ１３は、内部に設けられた図示しない所定の樹脂フィルタを備え、純水中の異物を除去する。この異物フィルタ１３によって異物が除去された純水は、イオンフィルタ１４に供給される。
【００２２】
イオンフィルタ１４は、燃料電池スタック１よりも上流側であって且つ異物フィルタ１３の下流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。このイオンフィルタ１４は、純水の導電性を改善するために、内部に設けられた図示しない所定のイオン交換樹脂フィルタを備え、当該イオン交換樹脂フィルタによりイオン交換を行い、純水の導電率を所定値以下とする。このイオンフィルタ１４によって導電性が改善された純水は、燃料電池スタック１に供給される。
【００２３】
第１バルブ１５は、燃料電池スタック１よりも下流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。この第１バルブ１５は、コントロールユニット２の制御により開閉される。具体的には、第１バルブ１５は、コントロールユニット２からの制御信号に従って、通常運転時には所定の開度で開状態とされる。また、この第１バルブ１５は、運転停止時には、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部に滞留している純水を除去して純水タンク１１へと回収し、これら各種構成部品１，１２，１３，１４の内部を空気で置換する操作（以下、水パージという。）を行うために閉塞され、純水循環経路Ｌ１を遮断する。
【００２４】
第２バルブ１６は、第１バルブ１５の上流（燃料電池スタック１側）にて合流するように設けられた水パージに必要な空気を純水循環経路Ｌ１に導入するための空気導入経路Ｌ２に設けられ、コントロールユニット２の制御により開閉する。なお、空気導入経路Ｌ２を第１バルブ１５の上流（燃料電池スタック１側）にて合流するように設けたのは、純水循環経路Ｌ１を遮断するバルブを１つとするためである。第２バルブ１６は、コントロールユニット２の制御により、通常運転時には閉状態とされ、空気導入経路Ｌ２を介した空気の導入を遮断する一方で、運転停止時には開状態とされ、空気導入経路Ｌ２を介した空気の導入を行う。
【００２５】
このような燃料電池システムにおいては、通常運転時には、コントロールユニット２の制御により、純水ポンプ１２によって純水タンク１１から吸い上げられた純水が、純水循環経路Ｌ１を図中矢印Ａで示す方向に流れ、異物フィルタ１３及びイオンフィルタ１４を介して燃料電池スタック１に供給される。また、燃料電池システムにおいては、コントロールユニット２の制御により、第２バルブ１６が閉塞されると共に、第１バルブ１５が開放されていることにより、燃料電池スタック１から排出された純水が、図中矢印Ａで示す方向に流れ、第１バルブ１５及び差圧制御弁１７を介して、純水タンク１１へと回収される。
【００２６】
一方、燃料電池システムにおいては、運転停止時には、コントロールユニット２の制御により、水パージを行うことにより、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、燃料電池スタック１、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を純水タンク１１へと回収する。
【００２７】
ここで、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、及びイオンフィルタ１４は、図２に示すように、運転停止時に、これら各部内部の純水が純水タンク１１へと戻りやすいように、純水タンク１１よりも上方に配置される。
【００２８】
また、異物フィルタ１３は、図３（Ａ）に示すように、通常運転時に純水循環経路Ｌ１へと純水を流出させる流出口１３ａが、純水循環経路Ｌ１から純水が流入する流入口１３ｂよりも上方に配置される。この異物フィルタ１３では、運転停止時に水パージが行われると、図３（Ｂ）に示すように、異物フィルタ１３の内部に、流出口１３ａから空気が導入され、図中矢印Ｂで示す方向、すなわち、純水が流れる方向とは逆方向に空気が流れる。このとき、純水と空気との密度差によって異物フィルタ１３の内部の水が下方に移動し、速やかに流入口１３ｂから純水が除去され、異物フィルタ１３の内部が空気で満たされた状態となる。
【００２９】
そして、異物フィルタ１３は、内部が空気で満たされた状態から燃料電池システムが起動されると、純水の流入口１３ｂが流出口１３ａに比べて下方に設けられているので、流入口１３ｂから流れ込んだ純水が、徐々に異物フィルタ１３の内部を満たし、異物フィルタ１３の内部の空気を純水で置換する。すなわち、異物フィルタ１３内部では、純水と空気との密度差によって空気が速やかに上方に移動し、当該空気が流出口１３ａから排出される。
【００３０】
［燃料電池システムの水パージ動作］
つぎに、上述したような燃料電池システムにおける運転停止時の水パージ動作について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
まず、コントロールユニット２は、図４に示すように、当該燃料電池システムが停止されると、ステップＳ１において、第１バルブ１５を閉塞させ、純水循環経路Ｌ１による純水の循環を停止する。
【００３２】
続いて、コントロールユニット２は、ステップＳ２において、第２バルブ１６を開放させ、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に空気を導入する。なお、この空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１への空気の導入は、燃料電池スタック１に空気を送る図示しないコンプレッサやブロアを利用しても良く、専用のコンプレッサやブロアを使用しても良い。
【００３３】
そして、コントロールユニット２は、ステップＳ３において、この状態を所定時間維持するように制御する。これにより、燃料電池システムにおいては、純水循環経路Ｌ１及び各部１，１４，１３，１２に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、燃料電池スタック１、イオンフィルタ１４、異物フィルタ１３、及び純水ポンプ１２の順序、すなわち、図１中矢印Ａで示す方向とは逆方向に流れ、純水タンク１１へと回収される。すなわち、燃料電池システムにおいては、導入された空気の空気圧により、第１バルブ１５よりも上流側の純水が、純水循環経路Ｌ１を逆流し、純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、これら各種構成部品及び純水循環経路Ｌ１の内部が、導入された空気で満たされることになる。なお、このステップＳ３における所定時間は、空気圧により純水を純水タンク１１に回収するのに十分な時間が燃料電池システムの設計時などに設定されているものとする。
【００３４】
続いて、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、ステップＳ４において、第１バルブ１５を開放させる。
【００３５】
続いて、コントロールユニット２は、ステップＳ５において、この状態を所定時間維持するように制御する。これにより、燃料電池システムにおいては、第１バルブ１５よりも下流側の純水循環経路Ｌ１の内部に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、図１中矢印Ａで示す方向に流れ、差圧制御弁１７を介して純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、純水循環経路Ｌ１の全ての内部が、導入された空気で満たされることになる。なお、このステップＳ５における所定時間は、空気圧により純水を純水タンク１１に回収するのに十分な時間が燃料電池システムの設計時などに設定されているものとし、ステップＳ３における所定時間と同じ時間である必要はない。
【００３６】
そして、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、ステップＳ６において、第２バルブ１６を閉塞させ、一連の水パージ動作を終了する。
【００３７】
燃料電池システムは、このような一連の処理を経ることにより、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を除去することができる。
【００３８】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、運転停止時に水パージを行う際に、第１バルブ１５を閉じた状態で空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１に流すように制御することにより、通常運転時における純水の循環方向とは逆方向に純水を循環させて、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を完全に純水タンク１１へと回収することができる。
【００３９】
したがって、この燃料電池システムによれば、ポンプを用いて純水を回収する場合に比べて、各種構成部品や純水循環経路Ｌ１の内部の純水の除去をより完全なものとすることができる。この結果、燃料電池システムによれば、寒冷地で停止状態とされたまま放置された場合であっても、純水の凍結・膨張を確実に回避することができる。
【００４０】
また、この燃料電池システムによれば、コントロールユニット２により、運転停止時には、純水循環経路Ｌ１に設けられる第１バルブ１５を閉塞すると共に、空気導入経路Ｌ２に設けられる第２バルブ１６を開放し、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１に流し、所定時間の経過後に、第１バルブ１５を開放することにより、極めて簡易な構成であっても、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧を利用した水パージを行うことが可能となる。
【００４１】
更に、この燃料電池システムによれば、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、及びイオンフィルタ１４といった純水循環経路Ｌ１に設けられる構成部品を、純水タンク１１よりも上方に配置することにより、水パージを行う際に、これら構成部品内部の純水が純水タンク１１へと戻りやすくなり、水パージをより迅速に行うことができる。
【００４２】
更にまた、この燃料電池システムによれば、純水循環経路Ｌ１に設けられる各種構成部品を、通常運転時に純水循環経路Ｌ１へと純水が流出する流出口が、純水循環経路Ｌ１から純水が流入する流入口よりも上方に配置されたものとしたので、これら構成部品における流入口と流出口との上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性を良好とすることができ、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができ、さらには耐久性の向上も図ることができる。
【００４３】
すなわち、燃料電池システムによれば、異物フィルタ１３における流入口１３ｂと流出口１３ａとの上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性を良好とすることができ、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができる。また、燃料電池システムにおいては、起動時には、異物フィルタ１３の内部全体を純水で満たすので、異物フィルタ１３の内部全体を有効に利用することができ、異物フィルタ１３による異物の除去効率や、異物フィルタ１３の耐久性の向上も図ることができる。
【００４４】
また、燃料電池システムにおいては、図示しないが、異物フィルタ１３と同様に、イオンフィルタ１４における純水の流出口も、純水の流入口よりも上方に配置させて構成する。これにより、イオンフィルタ１４は、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性が良好とされる。このため、燃料電池システムにおいては、イオンフィルタ１４における流入口と流出口との上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができる。また、燃料電池システムにおいては、起動時には、イオンフィルタ１４の内部に設けられた図示しないイオン交換樹脂フィルタ全体を純水で満たすので、イオン交換樹脂フィルタ全体を有効に利用することができ、イオン交換率の向上を図ることもできる。
【００４５】
ここで、燃料電池システムの比較例を図５に示すように、イオンフィルタ１４と燃料電池スタック１との間に、純水循環経路Ｌ１と空気導入経路Ｌ２との合流点を設けた場合には、純水循環経路Ｌ１に設けるバルブとして、純水循環経路Ｌ１と空気導入経路Ｌ２との合流点よりも下流側に設けられるバルブ２１の他に、当該合流点よりも上流側に補助バルブ２２が必要となる。すなわち、この燃料電池システムは、純水循環経路Ｌ１と空気導入経路Ｌ２との合流点の上下流にバルブ２１及び補助バルブ２２を設置している。
【００４６】
この燃料電池システムにより水パージを行うときには、先ずバルブ２１を閉じると共に空気導入経路Ｌ２のバルブ２３を開き、空気圧によって純水をイオンフィルタ１４、異物フィルタ１３、純水ポンプ１２、純水タンク１１と流し、純水循環経路Ｌ１及び各構成部品内を空気で満した状態とする。次に、バルブ２１を開けると共に補助バルブ２２を閉じ、空気導入経路Ｌ２のバルブ２３を開く。これにより、空気圧によって純水を燃料電池スタック１、差圧制御弁１７、純水タンク１１と流し、純水循環経路Ｌ１及び構成部品内を空気で満した状態とする。
最後に、バルブ２１と補助バルブ２２を開け、各方向に水パージした際に抜けきらなかった純水を純水タンク１１へと流し、水パージ完了となる。
【００４７】
しかし、この燃料電池システムでは、バルブ２１よりも下流側に大きな圧力損失となる燃料電池スタック１が配置されているので、合流点よりも上流側の圧力損失を利用してバルブ２１よりも下流に空気を流すことが困難となり、バルブ２１単独では、合流点よりも下流側の純水を純水タンク１１へと戻すことが困難となる。
【００４８】
これに対し、本発明を適用した燃料電池システムでは、純水循環経路Ｌ１の空気導入経路Ｌ２との合流点よりも上流側の純水循環経路Ｌ１に圧力損失部品１，１４，１３，１２を設けることにより、当該合流点よりも上流側の圧力損失が当該合流点よりも下流側の圧力損失よりも大きくしている。したがって、この燃料電池システムでは、合流点の上流の圧力損失よりも合流点の下流の圧力損失が低くすることにより、第１バルブ１５よりも下流に空気を流して純水を純水タンク１１へと戻すことができ、水パージを行うために純水循環経路Ｌ１に設けるバルブを第１バルブ１５の１つで足りる。
【００４９】
このように、燃料電池システムにおいては、先に図１に示したように、空気導入経路Ｌ２を、純水循環経路Ｌ１との合流点よりも上流側の圧力損失が、当該合流点よりも下流側の圧力損失よりも大きくなる位置に設けることにより、部品点数の削減を図ることができる。
【００５０】
［第２実施形態］
つぎに、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の部分については同一符号及びステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５１】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、純水循環経路Ｌ１における純水ポンプ１２の純水吸い込み口側に分岐経路Ｌ３を設け、この分岐経路Ｌ３を純水タンク１１に接続すると共に、この分岐経路Ｌ３に第３バルブ３１を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００５２】
分岐経路Ｌ３は、純水循環経路Ｌ１における純水タンク１１側の端部の近傍から分岐されている。また、この分岐経路Ｌ３は、純水タンク１１の満水時の液面よりも上方に端部が開口している。
【００５３】
第３バルブ３１は、分岐経路Ｌ３に設けられ、コントロールユニット２の制御により開閉される。具体的には、第３バルブ３１は、コントロールユニット２の制御により、通常運転時には閉塞される一方で、運転停止時における水パージを行う際には開放され、純水が純水循環経路Ｌ１のみならず分岐経路Ｌ３を介して純水タンク１１へと回収させる。
【００５４】
このような燃料電池システムでは、運転停止時、コントロールユニット２の制御により、図７に示す一連の動作を行うことによって水パージを行い、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、燃料電池スタック１、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を純水タンク１１へと回収する。
【００５５】
まず、コントロールユニット２は、燃料電池システムが停止されると、第１バルブ１５を閉塞させて（ステップＳ１）、純水循環経路Ｌ１による純水の輸送を遮断した後に、第３バルブ３１を開放させ（ステップＳ１１）、分岐経路Ｌ３による純水の輸送が可能な状態とする。続いて、コントロールユニット２は、第２バルブ１６を開放させ、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に空気を導入させ（ステップＳ２）、この状態を所定時間維持する（ステップＳ３）。
【００５６】
これにより、燃料電池システムにおいては、内部に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、燃料電池スタック１、イオンフィルタ１４、異物フィルタ１３、及び純水ポンプ１２の順序、すなわち、図１中矢印Ａで示す方向とは逆方向に流れ、純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、これら各種構成部品及び純水循環経路Ｌ１の内部が、導入された空気で満たされることになる。
【００５７】
このとき、燃料電池システムにおいては、第３バルブ３１が開放されているので、分岐経路Ｌ３にも純水が流れ、純水が純水タンク１１へと戻る。ここで、分岐経路Ｌ３は、純水タンク１１の満水時の液面よりも上方に端部が開口しているので、純水ポンプ１２の内部圧力は、大気圧となる。
【００５８】
続いて、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、第１バルブ１５を開放させ（ステップＳ４）、この状態を所定時間維持する（ステップＳ５）。
【００５９】
これにより、燃料電池システムにおいては、第１バルブ１５よりも下流側の純水循環経路Ｌ１の内部に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、図１中矢印Ａで示す方向に流れ、差圧制御弁１７を介して純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、純水循環経路Ｌ１の全ての内部が、導入された空気で満たされることになる。
【００６０】
そして、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、第２バルブ１６を閉塞させ（ステップＳ６）、一連の水パージ動作を終了する。
【００６１】
燃料電池システムは、このような一連の動作を経ることにより、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を除去することができる。
【００６２】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、純水ポンプ１２による純水吸い込み側の純水循環経路Ｌ１における端部の近傍から分岐され、純水タンク１１の満水時の液面よりも上方に端部が開口している分岐経路Ｌ３を備え、コントロールユニット２により、運転停止時には、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１及び分岐経路Ｌ３に流すように制御することにより、純水ポンプ１２の内部圧力を大気圧とする。
【００６３】
このように、燃料電池システムにおいては、純水ポンプ１２の内部圧力を大気圧とするので、純水循環経路Ｌ１の端部の圧力と純水ポンプ１２の内部圧力との圧力差を解消して、純水タンク１１の内部の純水を純水循環経路Ｌ１を介して再び吸い込んで純水ポンプ１２に戻すおそれをなくすことができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、確実に純水の凍結を防止することができる。
【００６４】
また、この燃料電池システムは、コントロールユニット２により、運転停止時には、第１バルブ１５を閉塞すると共に、第２バルブ１６及び第３バルブ３１を開放し、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１及び分岐経路Ｌ３に流し、所定時間の経過後に、第１バルブ１５を開放することにより、極めて簡易な構成であっても、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧を利用した水パージを行うことが可能となる。
【００６５】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの側面図である。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムが備える異物フィルタにおける純水及び空気の流れを説明するための側面図である。
（Ａ） 異物フィルタにおける純水の流れを説明するための側面図である。
（Ｂ） 異物フィルタにおける空気の流れを説明するための側面図である。
【図４】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて水パージを行う際の一連の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの比較として、圧力損失を考慮しない構成からなる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す側面図である。
【図７】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて水パージを行う際の一連の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ コントロールユニット
１１ 純水タンク
１２ 純水ポンプ
１３ 異物フィルタ
１４ イオンフィルタ
１５ 第１バルブ
１６ 第２バルブ
１７ 差圧制御弁
２１，２３ バルブ
２２ 補助バルブ
３１ 第３バルブ
Ｌ１ 純水循環経路
Ｌ２ 空気導入経路
Ｌ３ 分岐経路
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムでは、燃料電池スタックの水素極にて水素ガスが水素イオンと電子とに分離する反応が生じ、空気極にて酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応を発生させる。このような燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質の加湿や燃料電池スタックの温度調整といった用途に純水を必要とする。このため、燃料電池システムは、通常、運転時に燃料電池スタックに純水を供給すると共に、この純水を回収して循環させるための純水系システムを備えている。
【０００３】
また、燃料電池システムにおいては、運転を停止したまま寒冷地で放置すると、燃料電池スタック、配管、及び配管途中に設けられた各種構成部品内部に滞留していた純水が凍結し、これに起因して、運転不能となったり、凍結による配管の膨張させるといった事態を招来するおそれがある。
【０００４】
そこで、このような問題に対応するために、燃料電池システム内部の水を回収する技術が例えば特許文献１などで知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２７３７０５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、水を回収するための回収手段としてポンプを用い、当該ポンプを駆動させることによって水を回収しているので、水を完全に回収することが困難であるために内部に水が残存しやすく、内部に残存した水の凍結を確実に防止する対策としては不十分であるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システム停止時にシステム内部の水を確実に回収することができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に循環される純水を貯蔵する純水貯蔵手段と、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池とを接続し、通常運転時には、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池との間で所定の方向で純水を循環させる純水経路を有する純水循環手段と、前記純水経路に空気を導入する空気導入経路を有する空気導入手段と、前記燃料電池の通常運転時における純水出口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられる第１バルブと、前記燃料電池の通常運転時における純水排出側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路と接続された空気導入経路に設けられる第２バルブと運転停止時に、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流して、前記純水経路内の純水を前記純水貯蔵手段に戻す制御手段とを備え、前記制御手段は、運転停止時には、前記第１バルブを閉塞すると共に前記第２バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流し、所定時間の経過後に、前記第２バルブを開放状態にしたままで前記第１バルブを開放することにより、上述の課題を解決する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、運転停止時に燃料電池スタック及び純水経路内部の純水を純水貯蔵手段へと回収するに際し、空気導入経路から純水経路に導入された空気を利用し、この空気を通常運転時における純水の流れと逆流させるので、例えばポンプ駆動によって純水を除去する場合に比べて、燃料電池スタック及び純水経路内部の純水の除去をより確実に行うことができ、純水の凍結や膨張などを防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムについて説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を図１に示す。なお、図１においては、システム内にて純水を循環させる純水系システムのみについて示しており、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系、及び余剰分の水素を循環させる水素循環系等の図示を省略している。
【００１４】
この燃料電池システムは、水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極と燃料ガスが供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００１５】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御する制御手段であるコントロールユニット２を備える。このコントロールユニット２は、例えば図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷に電力供給を行うための一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、図示しない各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）等によって実行して各部へと制御信号を送ることにより、純水系システムを含む各部を制御する。
【００１６】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度調整を行うために、燃料電池スタック１に純水を循環するための純水系システムを備える。
【００１７】
具体的には、この純水系システムは、純水循環経路Ｌ１上に、純水を貯蔵する純水貯蔵手段である純水タンク１１、純水を循環させる純水ポンプ１２、純水中の異物を除去する異物除去手段である異物フィルタ１３、イオン交換を行って純水の導電率を所定値以下とするためのイオン交換手段であるイオンフィルタ１４、第１バルブ１５が設けられて構成されている。また、この純水系システムは、純水循環経路Ｌ１から分岐した空気導入経路Ｌ２に第２バルブ１６が設けられて構成されている。
【００１８】
純水タンク１１は、燃料電池スタック１に供給する純水を貯蔵する。この純水タンク１１に貯蔵されている純水は、純水ポンプ１２によって吸い上げられ、純水循環経路Ｌ１を介して図中矢印Ａで示す所定の方向へと供給される。ここで、純水循環経路Ｌ１の上流側端部１１ａは、純水タンク１１に貯蔵されている純水を吸い上げるため、常に純水内に浸漬された状態となっている。一方、純水循環経路Ｌ１の下流側端部１１ｂは、純水タンク１１の天井面に設けられた差圧制御弁１７に接続される。
【００１９】
この差圧制御弁１７は、コントロールユニット２の制御により開閉される。具体的には、この差圧制御弁１７は、参照空気圧である燃料電池スタック１における空気極の圧力と純水タンク１１に貯蔵されている純水圧力との差圧が、所定値以内に維持するように開閉制御される。
【００２０】
純水ポンプ１２は、燃料電池スタック１よりも上流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。この純水ポンプ１２は、通常運転時には、図示しないポンプモータがコントロールユニット２により制御されて、燃料電池スタック１の出力等に応じて必要とされる流量の純水を純水タンク１１から吸い上げ、図中矢印Ａで示す方向へと吐出することで循環させる。
【００２１】
異物フィルタ１３は、燃料電池スタック１よりも上流側であって且つ純水ポンプ１２の下流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。この異物フィルタ１３は、内部に設けられた図示しない所定の樹脂フィルタを備え、純水中の異物を除去する。この異物フィルタ１３によって異物が除去された純水は、イオンフィルタ１４に供給される。
【００２２】
イオンフィルタ１４は、燃料電池スタック１よりも上流側であって且つ異物フィルタ１３の下流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。このイオンフィルタ１４は、純水の導電性を改善するために、内部に設けられた図示しない所定のイオン交換樹脂フィルタを備え、当該イオン交換樹脂フィルタによりイオン交換を行い、純水の導電率を所定値以下とする。このイオンフィルタ１４によって導電性が改善された純水は、燃料電池スタック１に供給される。
【００２３】
第１バルブ１５は、燃料電池スタック１よりも下流側の純水循環経路Ｌ１に設けられる。この第１バルブ１５は、コントロールユニット２の制御により開閉される。具体的には、第１バルブ１５は、コントロールユニット２からの制御信号に従って、通常運転時には所定の開度で開状態とされる。また、この第１バルブ１５は、運転停止時には、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部に滞留している純水を除去して純水タンク１１へと回収し、これら各種構成部品１，１２，１３，１４の内部を空気で置換する操作（以下、水パージという。）を行うために閉塞され、純水循環経路Ｌ１を遮断する。
【００２４】
第２バルブ１６は、第１バルブ１５の上流（燃料電池スタック１側）にて合流するように設けられた水パージに必要な空気を純水循環経路Ｌ１に導入するための空気導入経路Ｌ２に設けられ、コントロールユニット２の制御により開閉する。なお、空気導入経路Ｌ２を第１バルブ１５の上流（燃料電池スタック１側）にて合流するように設けたのは、純水循環経路Ｌ１を遮断するバルブを１つとするためである。第２バルブ１６は、コントロールユニット２の制御により、通常運転時には閉状態とされ、空気導入経路Ｌ２を介した空気の導入を遮断する一方で、運転停止時には開状態とされ、空気導入経路Ｌ２を介した空気の導入を行う。
【００２５】
このような燃料電池システムにおいては、通常運転時には、コントロールユニット２の制御により、純水ポンプ１２によって純水タンク１１から吸い上げられた純水が、純水循環経路Ｌ１を図中矢印Ａで示す方向に流れ、異物フィルタ１３及びイオンフィルタ１４を介して燃料電池スタック１に供給される。また、燃料電池システムにおいては、コントロールユニット２の制御により、第２バルブ１６が閉塞されると共に、第１バルブ１５が開放されていることにより、燃料電池スタック１から排出された純水が、図中矢印Ａで示す方向に流れ、第１バルブ１５及び差圧制御弁１７を介して、純水タンク１１へと回収される。
【００２６】
一方、燃料電池システムにおいては、運転停止時には、コントロールユニット２の制御により、水パージを行うことにより、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、燃料電池スタック１、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を純水タンク１１へと回収する。
【００２７】
ここで、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、及びイオンフィルタ１４は、図２に示すように、運転停止時に、これら各部内部の純水が純水タンク１１へと戻りやすいように、純水タンク１１よりも上方に配置される。
【００２８】
また、異物フィルタ１３は、図３（Ａ）に示すように、通常運転時に純水循環経路Ｌ１へと純水を流出させる流出口１３ａが、純水循環経路Ｌ１から純水が流入する流入口１３ｂよりも上方に配置される。この異物フィルタ１３では、運転停止時に水パージが行われると、図３（Ｂ）に示すように、異物フィルタ１３の内部に、流出口１３ａから空気が導入され、図中矢印Ｂで示す方向、すなわち、純水が流れる方向とは逆方向に空気が流れる。このとき、純水と空気との密度差によって異物フィルタ１３の内部の水が下方に移動し、速やかに流入口１３ｂから純水が除去され、異物フィルタ１３の内部が空気で満たされた状態となる。
【００２９】
そして、異物フィルタ１３は、内部が空気で満たされた状態から燃料電池システムが起動されると、純水の流入口１３ｂが流出口１３ａに比べて下方に設けられているので、流入口１３ｂから流れ込んだ純水が、徐々に異物フィルタ１３の内部を満たし、異物フィルタ１３の内部の空気を純水で置換する。すなわち、異物フィルタ１３内部では、純水と空気との密度差によって空気が速やかに上方に移動し、当該空気が流出口１３ａから排出される。
【００３０】
［燃料電池システムの水パージ動作］
つぎに、上述したような燃料電池システムにおける運転停止時の水パージ動作について図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３１】
まず、コントロールユニット２は、図４に示すように、当該燃料電池システムが停止されると、ステップＳ１において、第１バルブ１５を閉塞させ、純水循環経路Ｌ１による純水の循環を停止する。
【００３２】
続いて、コントロールユニット２は、ステップＳ２において、第２バルブ１６を開放させ、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に空気を導入する。なお、この空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１への空気の導入は、燃料電池スタック１に空気を送る図示しないコンプレッサやブロアを利用しても良く、専用のコンプレッサやブロアを使用しても良い。
【００３３】
そして、コントロールユニット２は、ステップＳ３において、この状態を所定時間維持するように制御する。これにより、燃料電池システムにおいては、純水循環経路Ｌ１及び各部１，１４，１３，１２に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、燃料電池スタック１、イオンフィルタ１４、異物フィルタ１３、及び純水ポンプ１２の順序、すなわち、図１中矢印Ａで示す方向とは逆方向に流れ、純水タンク１１へと回収される。すなわち、燃料電池システムにおいては、導入された空気の空気圧により、第１バルブ１５よりも上流側の純水が、純水循環経路Ｌ１を逆流し、純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、これら各種構成部品及び純水循環経路Ｌ１の内部が、導入された空気で満たされることになる。なお、このステップＳ３における所定時間は、空気圧により純水を純水タンク１１に回収するのに十分な時間が燃料電池システムの設計時などに設定されているものとする。
【００３４】
続いて、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、ステップＳ４において、第１バルブ１５を開放させる。
【００３５】
続いて、コントロールユニット２は、ステップＳ５において、この状態を所定時間維持するように制御する。これにより、燃料電池システムにおいては、第１バルブ１５よりも下流側の純水循環経路Ｌ１の内部に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、図１中矢印Ａで示す方向に流れ、差圧制御弁１７を介して純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、純水循環経路Ｌ１の全ての内部が、導入された空気で満たされることになる。なお、このステップＳ５における所定時間は、空気圧により純水を純水タンク１１に回収するのに十分な時間が燃料電池システムの設計時などに設定されているものとし、ステップＳ３における所定時間と同じ時間である必要はない。
【００３６】
そして、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、ステップＳ６において、第２バルブ１６を閉塞させ、一連の水パージ動作を終了する。
【００３７】
燃料電池システムは、このような一連の処理を経ることにより、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を除去することができる。
【００３８】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、運転停止時に水パージを行う際に、第１バルブ１５を閉じた状態で空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１に流すように制御することにより、通常運転時における純水の循環方向とは逆方向に純水を循環させて、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を完全に純水タンク１１へと回収することができる。
【００３９】
したがって、この燃料電池システムによれば、ポンプを用いて純水を回収する場合に比べて、各種構成部品や純水循環経路Ｌ１の内部の純水の除去をより完全なものとすることができる。この結果、燃料電池システムによれば、寒冷地で停止状態とされたまま放置された場合であっても、純水の凍結・膨張を確実に回避することができる。
【００４０】
また、この燃料電池システムによれば、コントロールユニット２により、運転停止時には、純水循環経路Ｌ１に設けられる第１バルブ１５を閉塞すると共に、空気導入経路Ｌ２に設けられる第２バルブ１６を開放し、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１に流し、所定時間の経過後に、第１バルブ１５を開放することにより、極めて簡易な構成であっても、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧を利用した水パージを行うことが可能となる。
【００４１】
更に、この燃料電池システムによれば、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、及びイオンフィルタ１４といった純水循環経路Ｌ１に設けられる構成部品を、純水タンク１１よりも上方に配置することにより、水パージを行う際に、これら構成部品内部の純水が純水タンク１１へと戻りやすくなり、水パージをより迅速に行うことができる。
【００４２】
更にまた、この燃料電池システムによれば、純水循環経路Ｌ１に設けられる各種構成部品を、通常運転時に純水循環経路Ｌ１へと純水が流出する流出口が、純水循環経路Ｌ１から純水が流入する流入口よりも上方に配置されたものとしたので、これら構成部品における流入口と流出口との上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性を良好とすることができ、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができ、さらには耐久性の向上も図ることができる。
【００４３】
すなわち、燃料電池システムによれば、異物フィルタ１３における流入口１３ｂと流出口１３ａとの上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性を良好とすることができ、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができる。また、燃料電池システムにおいては、起動時には、異物フィルタ１３の内部全体を純水で満たすので、異物フィルタ１３の内部全体を有効に利用することができ、異物フィルタ１３による異物の除去効率や、異物フィルタ１３の耐久性の向上も図ることができる。
【００４４】
また、燃料電池システムにおいては、図示しないが、異物フィルタ１３と同様に、イオンフィルタ１４における純水の流出口も、純水の流入口よりも上方に配置させて構成する。これにより、イオンフィルタ１４は、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性が良好とされる。このため、燃料電池システムにおいては、イオンフィルタ１４における流入口と流出口との上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができる。また、燃料電池システムにおいては、起動時には、イオンフィルタ１４の内部に設けられた図示しないイオン交換樹脂フィルタ全体を純水で満たすので、イオン交換樹脂フィルタ全体を有効に利用することができ、イオン交換率の向上を図ることもできる。
【００４５】
ここで、燃料電池システムの比較例を図５に示すように、イオンフィルタ１４と燃料電池スタック１との間に、純水循環経路Ｌ１と空気導入経路Ｌ２との合流点を設けた場合には、純水循環経路Ｌ１に設けるバルブとして、純水循環経路Ｌ１と空気導入経路Ｌ２との合流点よりも下流側に設けられるバルブ２１の他に、当該合流点よりも上流側に補助バルブ２２が必要となる。すなわち、この燃料電池システムは、純水循環経路Ｌ１と空気導入経路Ｌ２との合流点の上下流にバルブ２１及び補助バルブ２２を設置している。
【００４６】
この燃料電池システムにより水パージを行うときには、先ずバルブ２１を閉じると共に空気導入経路Ｌ２のバルブ２３を開き、空気圧によって純水をイオンフィルタ１４、異物フィルタ１３、純水ポンプ１２、純水タンク１１と流し、純水循環経路Ｌ１及び各構成部品内を空気で満した状態とする。次に、バルブ２１を開けると共に補助バルブ２２を閉じ、空気導入経路Ｌ２のバルブ２３を開く。これにより、空気圧によって純水を燃料電池スタック１、差圧制御弁１７、純水タンク１１と流し、純水循環経路Ｌ１及び構成部品内を空気で満した状態とする。
最後に、バルブ２１と補助バルブ２２を開け、各方向に水パージした際に抜けきらなかった純水を純水タンク１１へと流し、水パージ完了となる。
【００４７】
しかし、この燃料電池システムでは、バルブ２１よりも下流側に大きな圧力損失となる燃料電池スタック１が配置されているので、合流点よりも上流側の圧力損失を利用してバルブ２１よりも下流に空気を流すことが困難となり、バルブ２１単独では、合流点よりも下流側の純水を純水タンク１１へと戻すことが困難となる。
【００４８】
これに対し、本発明を適用した燃料電池システムでは、純水循環経路Ｌ１の空気導入経路Ｌ２との合流点よりも上流側の純水循環経路Ｌ１に圧力損失部品１，１４，１３，１２を設けることにより、当該合流点よりも上流側の圧力損失が当該合流点よりも下流側の圧力損失よりも大きくしている。したがって、この燃料電池システムでは、合流点の上流の圧力損失よりも合流点の下流の圧力損失が低くすることにより、第１バルブ１５よりも下流に空気を流して純水を純水タンク１１へと戻すことができ、水パージを行うために純水循環経路Ｌ１に設けるバルブを第１バルブ１５の１つで足りる。
【００４９】
このように、燃料電池システムにおいては、先に図１に示したように、空気導入経路Ｌ２を、純水循環経路Ｌ１との合流点よりも上流側の圧力損失が、当該合流点よりも下流側の圧力損失よりも大きくなる位置に設けることにより、部品点数の削減を図ることができる。
【００５０】
［第２実施形態］
つぎに、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の部分については同一符号及びステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５１】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、純水循環経路Ｌ１における純水ポンプ１２の純水吸い込み口側に分岐経路Ｌ３を設け、この分岐経路Ｌ３を純水タンク１１に接続すると共に、この分岐経路Ｌ３に第３バルブ３１を設けた点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【００５２】
分岐経路Ｌ３は、純水循環経路Ｌ１における純水タンク１１側の端部の近傍から分岐されている。また、この分岐経路Ｌ３は、純水タンク１１の満水時の液面よりも上方に端部が開口している。
【００５３】
第３バルブ３１は、分岐経路Ｌ３に設けられ、コントロールユニット２の制御により開閉される。具体的には、第３バルブ３１は、コントロールユニット２の制御により、通常運転時には閉塞される一方で、運転停止時における水パージを行う際には開放され、純水が純水循環経路Ｌ１のみならず分岐経路Ｌ３を介して純水タンク１１へと回収させる。
【００５４】
このような燃料電池システムでは、運転停止時、コントロールユニット２の制御により、図７に示す一連の動作を行うことによって水パージを行い、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、燃料電池スタック１、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を純水タンク１１へと回収する。
【００５５】
まず、コントロールユニット２は、燃料電池システムが停止されると、第１バルブ１５を閉塞させて（ステップＳ１）、純水循環経路Ｌ１による純水の輸送を遮断した後に、第３バルブ３１を開放させ（ステップＳ１１）、分岐経路Ｌ３による純水の輸送が可能な状態とする。続いて、コントロールユニット２は、第２バルブ１６を開放させ、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に空気を導入させ（ステップＳ２）、この状態を所定時間維持する（ステップＳ３）。
【００５６】
これにより、燃料電池システムにおいては、内部に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、燃料電池スタック１、イオンフィルタ１４、異物フィルタ１３、及び純水ポンプ１２の順序、すなわち、図１中矢印Ａで示す方向とは逆方向に流れ、純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、これら各種構成部品及び純水循環経路Ｌ１の内部が、導入された空気で満たされることになる。
【００５７】
このとき、燃料電池システムにおいては、第３バルブ３１が開放されているので、分岐経路Ｌ３にも純水が流れ、純水が純水タンク１１へと戻る。ここで、分岐経路Ｌ３は、純水タンク１１の満水時の液面よりも上方に端部が開口しているので、純水ポンプ１２の内部圧力は、大気圧となる。
【００５８】
続いて、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、第１バルブ１５を開放させ（ステップＳ４）、この状態を所定時間維持する（ステップＳ５）。
【００５９】
これにより、燃料電池システムにおいては、第１バルブ１５よりも下流側の純水循環経路Ｌ１の内部に残存している純水が、純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧により、図１中矢印Ａで示す方向に流れ、差圧制御弁１７を介して純水タンク１１へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、純水循環経路Ｌ１の全ての内部が、導入された空気で満たされることになる。
【００６０】
そして、コントロールユニット２は、所定時間の経過後、第２バルブ１６を閉塞させ（ステップＳ６）、一連の水パージ動作を終了する。
【００６１】
燃料電池システムは、このような一連の動作を経ることにより、燃料電池スタック１、純水ポンプ１２、異物フィルタ１３、イオンフィルタ１４、及び純水循環経路Ｌ１の内部の純水を除去することができる。
【００６２】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、純水ポンプ１２による純水吸い込み側の純水循環経路Ｌ１における端部の近傍から分岐され、純水タンク１１の満水時の液面よりも上方に端部が開口している分岐経路Ｌ３を備え、コントロールユニット２により、運転停止時には、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１及び分岐経路Ｌ３に流すように制御することにより、純水ポンプ１２の内部圧力を大気圧とする。
【００６３】
このように、燃料電池システムにおいては、純水ポンプ１２の内部圧力を大気圧とするので、純水循環経路Ｌ１の端部の圧力と純水ポンプ１２の内部圧力との圧力差を解消して、純水タンク１１の内部の純水を純水循環経路Ｌ１を介して再び吸い込んで純水ポンプ１２に戻すおそれをなくすことができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、確実に純水の凍結を防止することができる。
【００６４】
また、この燃料電池システムは、コントロールユニット２により、運転停止時には、第１バルブ１５を閉塞すると共に、第２バルブ１６及び第３バルブ３１を開放し、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路Ｌ２を介して導入した空気を純水循環経路Ｌ１及び分岐経路Ｌ３に流し、所定時間の経過後に、第１バルブ１５を開放することにより、極めて簡易な構成であっても、空気導入経路Ｌ２から純水循環経路Ｌ１に導入された空気の空気圧を利用した水パージを行うことが可能となる。
【００６５】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの側面図である。
【図３】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムが備える異物フィルタにおける純水及び空気の流れを説明するための側面図である。
（Ａ） 異物フィルタにおける純水の流れを説明するための側面図である。
（Ｂ） 異物フィルタにおける空気の流れを説明するための側面図である。
【図４】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて水パージを行う際の一連の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの比較として、圧力損失を考慮しない構成からなる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す側面図である。
【図７】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて水パージを行う際の一連の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ コントロールユニット
１１ 純水タンク
１２ 純水ポンプ
１３ 異物フィルタ
１４ イオンフィルタ
１５ 第１バルブ
１６ 第２バルブ
１７ 差圧制御弁
２１，２３ バルブ
２２ 補助バルブ
３１ 第３バルブ
Ｌ１ 純水循環経路
Ｌ２ 空気導入経路
Ｌ３ 分岐経路
Claims (6)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に循環される純水を貯蔵する純水貯蔵手段と、
前記純水貯蔵手段と前記燃料電池とを接続し、通常運転時には、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池との間で所定の方向で純水を循環させる純水経路を有する純水循環手段と、
前記純水経路に空気を導入する空気導入経路を有する空気導入手段と、
前記燃料電池の通常運転時における純水出口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられる第１バルブと、
前記燃料電池の通常運転時における純水排出側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路と接続された空気導入経路に設けられる第２バルブと、
運転停止時に、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流して、前記純水経路内の純水を前記純水貯蔵手段に戻す制御手段とを備え、
前記制御手段は、運転停止時には、前記第１バルブを閉塞すると共に前記第２バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流し、所定時間の経過後に、前記第２バルブを開放状態にした状態で前記第１バルブを開放すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の通常運転時における純水入口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられた純水供給用部品を更に備え、
前記純水供給用部品を、前記純水貯蔵手段よりも上方に配置し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。 - 前記純水供給用部品は、通常運転時における純水出口が、通常運転時における純水入口よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記空気導入経路は、前記純水経路との合流点よりも純水供給側の前記純水経路における圧力損失が、前記合流点よりも純水排出側の前記純水経路における圧力損失よりも大きくなる位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
- 前記純水貯蔵手段に貯蔵されている前記純水を吸い込む前記純水経路における端部の近傍から分岐され、前記純水貯蔵手段の満水時の液面位置よりも上方位置に開口部が設けられた分岐経路を更に備え、
前記制御手段は、運転停止時に、通常運転時における前記純水の流れと逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路及び前記分岐経路に流すように制御す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。 - 前記分岐経路に設けられる第３バルブを更に備え、
前記制御手段は、運転停止時には、前記第１バルブを閉塞すると共に前記第２バルブ及び前記第３バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路及び前記分岐経路に流し、所定時間の経過後に、前記第２バルブを開放状態にした状態で前記第１バルブを開放することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003128780A JP4506099B2 (ja) | 2003-05-07 | 2003-05-07 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003128780A JP4506099B2 (ja) | 2003-05-07 | 2003-05-07 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004335240A JP2004335240A (ja) | 2004-11-25 |
| JP4506099B2 true JP4506099B2 (ja) | 2010-07-21 |
Family
ID=33504802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003128780A Expired - Fee Related JP4506099B2 (ja) | 2003-05-07 | 2003-05-07 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4506099B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4852633B2 (ja) | 2009-08-21 | 2012-01-11 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06223855A (ja) * | 1993-01-28 | 1994-08-12 | Mazda Motor Corp | 燃料電池自動車 |
| JPH09147892A (ja) * | 1995-11-29 | 1997-06-06 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池システム及びその運転方法 |
| JP2003331894A (ja) * | 2002-05-08 | 2003-11-21 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2004022436A (ja) * | 2002-06-19 | 2004-01-22 | Araco Corp | 燃料電池発電システムおよびそれを用いた発電方法 |
-
2003
- 2003-05-07 JP JP2003128780A patent/JP4506099B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06223855A (ja) * | 1993-01-28 | 1994-08-12 | Mazda Motor Corp | 燃料電池自動車 |
| JPH09147892A (ja) * | 1995-11-29 | 1997-06-06 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池システム及びその運転方法 |
| JP2003331894A (ja) * | 2002-05-08 | 2003-11-21 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2004022436A (ja) * | 2002-06-19 | 2004-01-22 | Araco Corp | 燃料電池発電システムおよびそれを用いた発電方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004335240A (ja) | 2004-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6325033B2 (ja) | 燃料電池システムの制御方法 | |
| JP2002313395A (ja) | 燃料電池システムの残留水排出装置 | |
| JP2017157297A (ja) | 燃料電池システム及びその運転方法 | |
| JP4632055B2 (ja) | 燃料電池システム及びその液体排出方法 | |
| JP4334851B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2024026174A (ja) | 燃料電池システムの運転方法、及び燃料電池システム | |
| JP6555169B2 (ja) | 燃料電池システムの制御方法 | |
| JP2008311160A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP5002921B2 (ja) | 燃料電池システム及び燃料電池システムの凍結防止方法 | |
| JP4891961B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4506099B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2004214085A (ja) | 燃料電池の加湿システム | |
| JP2011014252A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2005026199A (ja) | 燃料電池用水供給装置 | |
| JP2011049040A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4397686B2 (ja) | 燃料電池の反応ガス供給装置 | |
| JP2009224179A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2005071751A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4630040B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP4856398B2 (ja) | 燃料電池の掃気方法および燃料電池システム | |
| JP2005032601A (ja) | 燃料電池システム、及び燃料電池の発電方法 | |
| JP5437089B2 (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2010135082A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2006302594A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2006216350A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060403 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081205 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090106 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090212 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100406 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100419 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130514 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |