JP4771292B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に循環供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
燃料ガスとしての水素ガス（余剰水素）を燃料電池に循環供給するようにした燃料電池システムは、広く知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。この種の燃料電池システムの燃料ガス系の配管ラインは、高圧タンクなどの燃料ガス供給源から燃料電池のガス入口までの供給配管と、燃料電池のガス出口から供給配管に合流する合流点までの循環配管と、で構成されている。すなわち、燃料電池に水素ガスを循環供給するガス循環系は、循環配管と、供給配管の合流点の下流側の部分と、により構成されている。
例えば特許文献１では、供給配管の合流点の上流側に、燃料ガス供給源側から順に遮断弁および調圧弁を設け、循環配管にポンプおよび逆止弁を設けている。また特許文献２では、この構成に加えて、複数の遮断弁を燃料電池のガス入口側およびガス出口側などのガス循環系の配管上に設けている。
【特許文献１】
特開２００４−２２１９８号公報（第１図）
【特許文献２】
特開２００２−２１６８１２号公報（第４図）
【発明の開示】
ところで、燃料電池システムの運転終了時には、燃料ガス供給源側の遮断弁を閉弁して、燃料ガス供給源からの水素ガスの供給を遮断する。この閉弁直後では、アノード側の水素ガス圧とカソード側の酸化剤ガス圧とは異なる。しかし、その圧力差（極間差圧）が大きいと、燃料電池の劣化やクロスリークによる外部への水素ガスの放出を誘引するおそれがある。このため、運転終了時に極間差圧を小さくするべく、アノード側の水素ガス圧を減圧することが望ましい。
特許文献１の構成で水素ガス圧を減圧する場合には、運転終了時にポンプの駆動を続行して、ガス循環系に残留する水素ガスを燃料電池の発電により消費させることが考えられる。しかし、燃料ガス供給源からの水素ガスの供給を遮断する遮断弁が調圧弁よりも上流側に設けられている。このため、ガス循環系の水素ガスのみならず、遮断弁から調圧弁までの水素ガスを消費する必要がある。その結果、水素ガスの無駄な消費量が増大したり、二次バッテリを過充電したり、運転終了までに多くの時間を要したりするおそれがある。また、ガス循環系に逆止弁（開閉装置）が設けられている分、運転終了時にポンプを駆動する際に、効率的な水素ガスの循環を妨げる。
また、特許文献２の構成においても、運転終了時に水素ガス圧を減圧しようとすると、上記同様の問題が生じるおそれがある。また、ガス循環系に複数の遮断弁や逆止弁がある分、水素ガスの循環をより一層妨げる。一方、運転終了時にガス循環系の二つの遮断弁（燃料電池のガス入口側およびガス出口側）を閉弁して、燃料電池の発電により消費する水素ガスの量を減らすことはできる。しかし、ポンプを駆動できないため、定格運転の圧力以下での燃料電池の発電が困難となる。
さらに、これら両特許文献とも、燃料電池システムの運転中では、ガス循環系の遮断弁や逆止弁で水素ガスの圧損が生じる。このため、圧損を考慮してポンプを駆動する必要があることに加え、その分だけポンプの回転数を上げる必要があり、余計な消費電力を必要としていた。
本発明は、以上のような問題に鑑みてガス循環系を改良することに着目し、簡素な燃料電池システムを提供することを目的とし、加えて、運転終了時等に燃料ガスの消費量を減らすことができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの配管ラインとして、燃料電池のガス出口とガス入口とを結び、燃料電池に燃料ガスを循環供給するガス循環系と、ガス循環系に接続されて、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスが流れる第１供給通路と、を備えた燃料電池システムであって、第１供給通路に設けられた調圧弁と、配管ラインのうち第１供給通路にのみ設けられ、調圧弁の下流側に位置する少なくとも一つの遮断弁と、ガス循環系に設けられ、燃料ガスを圧送するポンプと、ポンプおよび少なくとも一つの遮断弁を制御する制御装置と、を更に備える。そして、制御装置は、燃料電池システムの運転終了時に、少なくとも一つの遮断弁の閉弁後にポンプの駆動を続行させ、ガス循環系内の燃料ガスを燃料電池の発電により消費させる。また、ガス循環系は、ガス出口から第１供給通路との接続点までの第１の循環路と、第１の循環路に連通し、接続点からガス入口までの第２の循環路と、からなる。
この構成によれば、ガス循環系に遮断弁を設けていないため、簡素化して部品点数を削減した燃料電池システムを構成することができる。システムの運転時には、遮断弁を開弁することで、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスとガス循環系の燃料ガスとが合流され、調圧弁で調圧された燃料ガスが燃料電池に供給される。一方、システムの運転終了後には、遮断弁を閉弁することで、第１供給通路とガス循環系との間が遮断され、ガス循環系が燃料電池との間で独立した閉空間を構成する。
これにより、従来のように遮断弁の下流側に調圧弁を設けた構成に比べて、本発明のように、調圧弁の下流側の第１供給通路に遮断弁を設ける構成とすることで、閉空間に残留する燃料ガスの量が減る。したがって、運転終了時等に燃料ガスの消費量を減らすことが可能となり、燃費（発電効率）を向上し、運転終了時間の短縮にも寄与し得る。また、上記閉空間には、これを閉じる遮断弁が設けられていないため、燃料ガスの循環を妨げることなくこれを好適に行い得る。また、運転終了時にガス循環系内の燃料ガスを燃料電池の発電により消費させるときに、ポンプの駆動が続行している。このため、燃料ガスを適切に消費できると共に、燃料電池の発電を安定して行える。なお、遮断弁や逆止弁など、ガス循環系を構成する配管を開閉する開閉装置が、ガス循環系には設けられないことが好ましい。換言すれば、ガス循環系は、燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が常に連通状態であることが好ましい。
上記目的を達成するべく、本発明を別の観点からみると、本発明の他の燃料電池システムは、燃料ガスの配管ラインとして、燃料電池のガス出口とガス入口とを結び、燃料電池に燃料ガスを循環供給するガス循環系と、ガス循環系に接続されて、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスが流れる第１供給通路と、備えた燃料電池システムであって、第１供給通路には、燃料ガス供給源側から順に、調圧弁と少なくとも一つの遮断弁と、ガス循環系に設けられ、燃料ガスを圧送するポンプと、ポンプおよび少なくとも一つの遮断弁を制御する制御装置と、を更に備える。そして、制御装置は、燃料電池システムの運転終了時に、少なくとも一つの遮断弁の閉弁後にポンプの駆動を続行させ、ガス循環系内の燃料ガスを燃料電池の発電により消費させる。また、ガス循環系は、ガス出口から第１供給通路との接続点までの第１の循環路と、第１の循環路に連通し、接続点からガス入口までの第２の循環路と、からなる。
好ましくは、ガス循環系は、燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が燃料電池システムの運転時及び停止時に連通状態である。
好ましくは、少なくとも一つの遮断弁は、ガス循環系と第１供給通路との接続点の直近に設けられている。
この構成によれば、上記の閉空間を最小限の容積にすることができ、閉空間内の燃料ガスの量を一層減らすことができる。これにより、運転終了時に燃料ガスの消費量をより一層減らすことができる。
好ましくは、燃料ガス供給源は、燃料ガスとして水素ガスを貯蔵した圧力容器である。
この構成によれば、水素ガスが圧力容器で貯蔵され、圧力容器の水素ガスを調圧弁により調圧して燃料電池に供給することができる。ここで、圧力容器には、水素ガスを高圧で貯蔵した高圧タンクのみならず、内部に水素吸蔵合金を備えた水素吸蔵タンクが含まれる。
好ましくは、調圧弁は、第１供給通路に複数が設けられている。
好ましくは、ガス循環系は、燃料電池から排出されたアノードオフガスの水分と気体分とを分離する気液分離器を有している。
好ましくは、ガス循環系は、燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる不純物成分を除去する不純物除去器を有している。
以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、簡素な構成とすることができることに加え、運転終了時等に、燃料ガスを好適に循環させながらその消費量を適切に減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図２は、比較例に係る従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図３は、他の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガスの配管ラインに設けられる弁などの開閉装置の配置を改善し、システムの構成を簡素化したものである。また、燃料電池システムは、システムの運転終了時等に、水素ガスの消費量を減らすようにしたものである。
図１に示すように、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１は、多数の単セルを積層したスタック構造からなる燃料電池２と、システム全体を統括制御する制御装置３と、を備えている。燃料電池２としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載や定置に好適な固体高分子電解質型で構成されている。
燃料電池２の単セルは、図示省略したが、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）をメタルなどの一対のセパレータで挟持して構成されている。ＭＥＡは、酸化剤ガスとしての空気が供給されるカソードと、燃料ガスとしての水素ガスが供給されるアノードと、カソードおよびアノードの間に設けられた電解質膜と、で構成されている。通常、一対のセパレータの一方の内面に空気の流路が形成され、その他方のセパレータの内面に水素ガスの流路が形成されている。燃料電池２は、この空気と水素ガスとにより発電して、起電力が得られる。
空気は、図示省略したコンプレッサにより圧送されて、供給配管１１を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される空気（カソードオフガス）は、排出配管１２を介して外部に排出される。
水素ガスは、燃料ガス供給源２１に貯留されている。燃料ガス供給源２１は、例えば、内部に水素吸蔵合金を有するタンク（圧力容器）や、水素ガスを３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの高圧で貯蔵する高圧タンク（圧力容器）で構成されている。あるいは、燃料ガス供給源２１は、２０ＭＰａの圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などの原燃料を貯蔵する圧力容器で構成されている。この場合には、燃料電池自動車において、水素ガスに改質する改質器が設けられる。
水素ガスの配管ラインとしては、燃料ガス供給源２１から燃料電池２のアノードガス入口２ａまでに亘る供給配管２２と、燃料電池２のアノードガス出口２ｂから供給配管２２に合流する合流点Ａまでに亘る循環配管２３と、で構成されている。循環配管２３は、燃料電池２から排出された未反応の水素ガス（アノードオフガス）を、燃料ガス供給源２１からの新たな水素ガスに合流させる。この合流後の混合ガスが、燃料電池２に供給される。
供給配管２２は、燃料ガス供給源２１から合流点Ａまでに亘り、新たな水素ガスが流れる上流管３１と、合流点Ａから燃料電池２のアノードガス入口２ａにまでに亘り、混合された水素ガスが流れる下流管３２と、で主に構成されている。下流管３２（第１の循環路）と循環配管２３（第２の循環路）とにより、燃料電池２のアノードガス出口２ｂとアノードガス入口２ａとを結んで、燃料電池２に水素ガスを循環供給するガス循環系３５が構成されている。そして、ガス循環系３５の合流点Ａ（接続点）で上流管３１（第１供給通路）が接続されている。
上流管３１には、燃料ガス供給源２１に対して元弁となる遮断弁４１（第２の遮断弁）と、遮断弁４１の下流側に位置する調圧弁４２と、調圧弁４２の下流側に位置する遮断弁４３（第１の遮断弁）と、が介設されている。
調圧弁４２（レギュレータ）は、燃料ガス供給源２１からの水素ガスを減圧し、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力を調圧する。本実施形態では、上流管３１に調圧弁４２を一つ設けたが、複数の調圧弁４２を上流管３１に設けて、燃料ガス供給源２１からの水素ガスの圧力を段階的に減圧することが好ましい。例えば、二つの調圧弁４２を設けて、最終的に水素ガスの圧力が０．２ＭＰａ〜０．３ＭＰａになるように調圧する。もっとも、複数の調圧弁４２のいずれも、合流点Ａの近傍の遮断弁４３よりも上流側に設けられると共に、元弁となる遮断弁４１の下流側に設けられる。
二つの遮断弁４１，４３は、制御装置３に接続された例えば電磁弁からなり、制御装置３により開閉制御される。遮断弁４３は、逆流防止機能を有して、合流点Ａの直近の上流側に位置している。遮断弁４１，４３が開弁することで、上流管３１内の水素ガスは燃料電池２に供給可能となる。遮断弁４１，４３が閉弁することで、上流管３１内の水素ガスは燃料電池２への供給を遮断される。このとき、遮断弁４３から合流点Ａまでの上流管３１の部分とガス循環系３５とにより、燃料電池２との間で閉空間（閉回路）が構成される。
循環配管２３には、水素ガスを圧送するポンプ５０が設けられている。循環配管２３は、主として、燃料電池２のアノードガス出口２ｂからポンプ５０までに亘る第１の配管５１と、ポンプ５０から合流点までに亘る第２の配管５２と、で構成されている。ポンプ５０は、その駆動源となるモータが制御装置３に接続されており、制御装置３によりモータの回転数を制御される。
循環配管２３には、これを開閉する開閉装置が設けられていない。ここで、開閉装置とは、主として遮断弁を意味するが、水素ガスの逆流を阻止するために閉塞される逆止弁をも含む意味である。この種の開閉装置は、循環配管２３のみならず、供給配管２２の下流管３２にも設けられていない。すなわち、ガス循環系３５は、一つの開閉装置も具備しない構成となっている。これを換言すれば、ガス循環系３５は、アノードガス出口２ｂとアノードガス入口２ａとの間の通路（循環配管２３及び下流管３２）が、燃料電池システム１の運転時及び停止時も含め常に、連通状態を保持する構成である。なお、連通状態とは、循環配管２３及び下流管３２の内部が完全に閉じられていない状態をいい、これらの内部をガスが流通可能な状態をいう。
なお、本発明の一態様としては、図３に示すようなシステム構成も採用することができる。
すなわち、図３に示すように、循環配管２３には、燃料電池２から排出された水素ガスの水分と気体分とを分離する気液分離器７１を設けてもよい。また、循環配管２３には、水素ガスに含まれる不純物成分を除去するイオン交換器などの不純物除去器７２を設けてもよい。気液分離器７１やイオン交換器７２は、循環配管２３を開閉する構成とはなっていない。すなわち、気液分離器７１及び不純物除去器７２は、循環配管２３の連通状態を妨げる構成ではない。具体的には、気液分離器７１は、例えばサイクロン式の分離器であり、気液分離器７１内のガス通路を遮断する構成ではない。また、不純物除去器７２は、例えばメッシュ状のフィルタ、又は、ガスが通過可能なイオン交換樹脂を封入したケースである。不純物除去器７２も同様にガス通路を閉塞する構成ではない。
また、図３に示すように、循環配管２３の例えば第１の配管５１又は第２の配管５２に分岐接続されたパージ系８１を設けてもよい。パージ系８１は、水素ガスが含む不純物を水素ガスと共に外部に排出するためのものである。好ましくは、パージ系８１は、第１の配管５１に接続されたパージ通路８２と、パージ通路８２を開閉する遮断弁タイプのパージ弁８３と、を備えている。さらに好ましくは、アノードガス出口２ｂとポンプ５０との間の第１の配管５１上には、アノードガス出口２ｂから下流に向かって、気液分離器７１、パージ通路８２の接続点、ポンプ５０の順に配置される。
制御装置３（ＥＣＵ）は、図示省略したＣＰＵ、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶したＲＯＭ、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭなどを有している。制御装置３は、図示省略した温度センサや圧力センサなどの各種センサからの検出信号を入力する。また、制御装置３は、各種ドライバに制御信号を出力することによりポンプ５０や各遮断弁４１，４３を制御するなど、燃料電池システム１全体を統括制御している。
本実施形態の燃料電池システム１の効果について、図２に示す従来の燃料電池システム１´と比較して説明する。図２では、本実施形態の燃料電池システム１と同一の構成部品については同一の符号を付している。
図２に示すように、ガス循環系３５における供給配管２２の下流管３２と循環配管２３の第１の配管５１とには、それぞれ遮断弁１０１，１０２が設けられている。また、循環配管２３の第２の配管５２には、逆止弁１０３が設けられている。さらに、供給配管２２の上流管３１については、調圧弁４２と合流点Ａとの間に遮断弁が設けられていない。
従来の燃料電池システム１´では、ガス循環系３５に二つの遮断弁１０１，１０２および逆止弁１０３を設けている。これに対し、これらを具備しない本実施形態の燃料電池システム１では、その分、部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。
一般に、ガス循環系３５では、その配管や燃料電池２から流出または溶出し得る不純物成分や異物が配管内を流動するおそれがある。従来の燃料電池システム１´では、この不純物成分等に起因して遮断弁１０１，１０２等の機能を阻害するおそれがある。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１によれば、部品点数が削減されているため、その機能阻害を未然に防止することができ、システムの信頼性を高めることができる。
また、従来の燃料電池システム１´の運転中では、ガス循環系３５の二つの遮断弁１０１，１０２および逆止弁１０３で水素ガスの圧損が生じる。このため、圧損を考慮して回転数を調整されたポンプ５０が駆動する必要がある。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１では、ガス循環系３５にはこれらの開閉装置が設けられていないため、水素ガスの圧損を極めて抑制することができる。したがって、ポンプ５０の制御が簡素化されると共に、消費電力を小さくすることができる。
また一般に、燃料電池システム（１、１´）の運転終了後には、アノードとカソードとの間の極間差圧が小さいことが好ましい。このため、燃料電池システム（１、１´）の運転停止に移行する運転終了時には、ポンプ５０の駆動を所定時間だけ続行して、水素ガスを燃料電池２の発電により消費することが行われる。
従来の燃料電池システム１´では、運転終了時にガス循環系３５の二つの遮断弁１０１，１０２を閉弁してしまうとポンプ５０の駆動を続行することができなくなる。このため、燃料電池２の発電を定格運転の圧力以下で行い難くなる。また、二つの遮断弁１０１，１０２を開弁してポンプ５０を駆動する場合には、ガス循環系３５の水素ガスのみならず、上流管３１の水素ガスを消費する必要がある。
これに対し、本実施形態の燃料電池システム１では、ガス循環系３５が常に連通状態であるため、運転終了時にポンプ５０の駆動を確実に続行することができる。また、合流点の直近の遮断弁４３を閉弁することで、上流管３１の水素ガスを消費することなく、ガス循環系３５の水素ガスを消費することができる。つまり、閉空間に残留する水素ガスの量が減少する分、運転終了時の水素ガスの消費量を減らすことができる。したがって、燃料電池２の発電を定格運転の圧力以下で安定させて燃費（発電効率）を向上することができる。また、運転終了時間が短縮されると共に、図示省略した二次バッテリの過充電を適切に防止することができる。
本発明は、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料電池に循環供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
燃料ガスとしての水素ガス（余剰水素）を燃料電池に循環供給するようにした燃料電池システムは、広く知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。この種の燃料電池システムの燃料ガス系の配管ラインは、高圧タンクなどの燃料ガス供給源から燃料電池のガス入口までの供給配管と、燃料電池のガス出口から供給配管に合流する合流点までの循環配管と、で構成されている。すなわち、燃料電池に水素ガスを循環供給するガス循環系は、循環配管と、供給配管の合流点の下流側の部分と、により構成されている。
例えば特許文献１では、供給配管の合流点の上流側に、燃料ガス供給源側から順に遮断弁および調圧弁を設け、循環配管にポンプおよび逆止弁を設けている。また特許文献２では、この構成に加えて、複数の遮断弁を燃料電池のガス入口側およびガス出口側などのガス循環系の配管上に設けている。
【特許文献１】
特開２００４−２２１９８号公報（第１図）
【特許文献２】
特開２００２−２１６８１２号公報（第４図）
【発明の開示】
ところで、燃料電池システムの運転終了時には、燃料ガス供給源側の遮断弁を閉弁して、燃料ガス供給源からの水素ガスの供給を遮断する。この閉弁直後では、アノード側の水素ガス圧とカソード側の酸化剤ガス圧とは異なる。しかし、その圧力差（極間差圧）が大きいと、燃料電池の劣化やクロスリークによる外部への水素ガスの放出を誘引するおそれがある。このため、運転終了時に極間差圧を小さくするべく、アノード側の水素ガス圧を減圧することが望ましい。
特許文献１の構成で水素ガス圧を減圧する場合には、運転終了時にポンプの駆動を続行して、ガス循環系に残留する水素ガスを燃料電池の発電により消費させることが考えられる。しかし、燃料ガス供給源からの水素ガスの供給を遮断する遮断弁が調圧弁よりも上流側に設けられている。このため、ガス循環系の水素ガスのみならず、遮断弁から調圧弁までの水素ガスを消費する必要がある。その結果、水素ガスの無駄な消費量が増大したり、二次バッテリを過充電したり、運転終了までに多くの時間を要したりするおそれがある。また、ガス循環系に逆止弁（開閉装置）が設けられている分、運転終了時にポンプを駆動する際に、効率的な水素ガスの循環を妨げる。
また、特許文献２の構成においても、運転終了時に水素ガス圧を減圧しようとすると、上記同様の問題が生じるおそれがある。また、ガス循環系に複数の遮断弁や逆止弁がある分、水素ガスの循環をより一層妨げる。一方、運転終了時にガス循環系の二つの遮断弁（燃料電池のガス入口側およびガス出口側）を閉弁して、燃料電池の発電により消費する水素ガスの量を減らすことはできる。しかし、ポンプを駆動できないため、定格運転の圧力以下での燃料電池の発電が困難となる。
さらに、これら両特許文献とも、燃料電池システムの運転中では、ガス循環系の遮断弁や逆止弁で水素ガスの圧損が生じる。このため、圧損を考慮してポンプを駆動する必要があることに加え、その分だけポンプの回転数を上げる必要があり、余計な消費電力を必要としていた。
本発明は、以上のような問題に鑑みてガス循環系を改良することに着目し、簡素な燃料電池システムを提供することを目的とし、加えて、運転終了時等に燃料ガスの消費量を減らすことができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの配管ラインとして、燃料電池のガス出口とガス入口とを結び、燃料電池に燃料ガスを循環供給するガス循環系と、ガス循環系に接続されて、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスが流れる第１供給通路と、を備えた燃料電池システムであって、第１供給通路に設けられた調圧弁と、配管ラインのうち第１供給通路にのみ設けられ、調圧弁の下流側に位置する少なくとも一つの遮断弁と、ガス循環系に設けられ、燃料ガスを圧送するポンプと、ポンプおよび少なくとも一つの遮断弁を制御する制御装置と、を更に備える。そして、制御装置は、燃料電池システムの運転終了時に、少なくとも一つの遮断弁の閉弁後にポンプの駆動を続行させ、ガス循環系内の燃料ガスを燃料電池の発電により消費させる。また、ガス循環系は、ガス出口から第１供給通路との接続点までの第１の循環路と、第１の循環路に連通し、接続点からガス入口までの第２の循環路と、からなる。
この構成によれば、ガス循環系に遮断弁を設けていないため、簡素化して部品点数を削減した燃料電池システムを構成することができる。システムの運転時には、遮断弁を開弁することで、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスとガス循環系の燃料ガスとが合流され、調圧弁で調圧された燃料ガスが燃料電池に供給される。一方、システムの運転終了後には、遮断弁を閉弁することで、第１供給通路とガス循環系との間が遮断され、ガス循環系が燃料電池との間で独立した閉空間を構成する。
これにより、従来のように遮断弁の下流側に調圧弁を設けた構成に比べて、本発明のように、調圧弁の下流側の第１供給通路に遮断弁を設ける構成とすることで、閉空間に残留する燃料ガスの量が減る。したがって、運転終了時等に燃料ガスの消費量を減らすことが可能となり、燃費（発電効率）を向上し、運転終了時間の短縮にも寄与し得る。また、上記閉空間には、これを閉じる遮断弁が設けられていないため、燃料ガスの循環を妨げることなくこれを好適に行い得る。また、運転終了時にガス循環系内の燃料ガスを燃料電池の発電により消費させるときに、ポンプの駆動が続行している。このため、燃料ガスを適切に消費できると共に、燃料電池の発電を安定して行える。なお、遮断弁や逆止弁など、ガス循環系を構成する配管を開閉する開閉装置が、ガス循環系には設けられないことが好ましい。換言すれば、ガス循環系は、燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が常に連通状態であることが好ましい。
上記目的を達成するべく、本発明を別の観点からみると、本発明の他の燃料電池システムは、燃料ガスの配管ラインとして、燃料電池のガス出口とガス入口とを結び、燃料電池に燃料ガスを循環供給するガス循環系と、ガス循環系に接続されて、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスが流れる第１供給通路と、備えた燃料電池システムであって、第１供給通路には、燃料ガス供給源側から順に、調圧弁と少なくとも一つの遮断弁と、ガス循環系に設けられ、燃料ガスを圧送するポンプと、ポンプおよび少なくとも一つの遮断弁を制御する制御装置と、を更に備える。そして、制御装置は、燃料電池システムの運転終了時に、少なくとも一つの遮断弁の閉弁後にポンプの駆動を続行させ、ガス循環系内の燃料ガスを燃料電池の発電により消費させる。また、ガス循環系は、ガス出口から第１供給通路との接続点までの第１の循環路と、第１の循環路に連通し、接続点からガス入口までの第２の循環路と、からなる。
好ましくは、ガス循環系は、燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が燃料電池システムの運転時及び停止時に連通状態である。
好ましくは、少なくとも一つの遮断弁は、ガス循環系と第１供給通路との接続点の直近に設けられている。
この構成によれば、上記の閉空間を最小限の容積にすることができ、閉空間内の燃料ガスの量を一層減らすことができる。これにより、運転終了時に燃料ガスの消費量をより一層減らすことができる。
好ましくは、燃料ガス供給源は、燃料ガスとして水素ガスを貯蔵した圧力容器である。
この構成によれば、水素ガスが圧力容器で貯蔵され、圧力容器の水素ガスを調圧弁により調圧して燃料電池に供給することができる。ここで、圧力容器には、水素ガスを高圧で貯蔵した高圧タンクのみならず、内部に水素吸蔵合金を備えた水素吸蔵タンクが含まれる。
好ましくは、調圧弁は、第１供給通路に複数が設けられている。
好ましくは、ガス循環系は、燃料電池から排出されたアノードオフガスの水分と気体分とを分離する気液分離器を有している。
好ましくは、ガス循環系は、燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる不純物成分を除去する不純物除去器を有している。
以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、簡素な構成とすることができることに加え、運転終了時等に、燃料ガスを好適に循環させながらその消費量を適切に減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図２は、比較例に係る従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
図３は、他の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガスの配管ラインに設けられる弁などの開閉装置の配置を改善し、システムの構成を簡素化したものである。また、燃料電池システムは、システムの運転終了時等に、水素ガスの消費量を減らすようにしたものである。
図１に示すように、例えば燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム１は、多数の単セルを積層したスタック構造からなる燃料電池２と、システム全体を統括制御する制御装置３と、を備えている。燃料電池２としては、リン酸型など複数の種類があるが、ここでは車載や定置に好適な固体高分子電解質型で構成されている。
燃料電池２の単セルは、図示省略したが、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）をメタルなどの一対のセパレータで挟持して構成されている。ＭＥＡは、酸化剤ガスとしての空気が供給されるカソードと、燃料ガスとしての水素ガスが供給されるアノードと、カソードおよびアノードの間に設けられた電解質膜と、で構成されている。通常、一対のセパレータの一方の内面に空気の流路が形成され、その他方のセパレータの内面に水素ガスの流路が形成されている。燃料電池２は、この空気と水素ガスとにより発電して、起電力が得られる。
空気は、図示省略したコンプレッサにより圧送されて、供給配管１１を介して燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出される空気（カソードオフガス）は、排出配管１２を介して外部に排出される。
水素ガスは、燃料ガス供給源２１に貯留されている。燃料ガス供給源２１は、例えば、内部に水素吸蔵合金を有するタンク（圧力容器）や、水素ガスを３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの高圧で貯蔵する高圧タンク（圧力容器）で構成されている。あるいは、燃料ガス供給源２１は、２０ＭＰａの圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などの原燃料を貯蔵する圧力容器で構成されている。この場合には、燃料電池自動車において、水素ガスに改質する改質器が設けられる。
水素ガスの配管ラインとしては、燃料ガス供給源２１から燃料電池２のアノードガス入口２ａまでに亘る供給配管２２と、燃料電池２のアノードガス出口２ｂから供給配管２２に合流する合流点Ａまでに亘る循環配管２３と、で構成されている。循環配管２３は、燃料電池２から排出された未反応の水素ガス（アノードオフガス）を、燃料ガス供給源２１からの新たな水素ガスに合流させる。この合流後の混合ガスが、燃料電池２に供給される。
供給配管２２は、燃料ガス供給源２１から合流点Ａまでに亘り、新たな水素ガスが流れる上流管３１と、合流点Ａから燃料電池２のアノードガス入口２ａにまでに亘り、混合された水素ガスが流れる下流管３２と、で主に構成されている。下流管３２（第１の循環路）と循環配管２３（第２の循環路）とにより、燃料電池２のアノードガス出口２ｂとアノードガス入口２ａとを結んで、燃料電池２に水素ガスを循環供給するガス循環系３５が構成されている。そして、ガス循環系３５の合流点Ａ（接続点）で上流管３１（第１供給通路）が接続されている。
上流管３１には、燃料ガス供給源２１に対して元弁となる遮断弁４１（第２の遮断弁）と、遮断弁４１の下流側に位置する調圧弁４２と、調圧弁４２の下流側に位置する遮断弁４３（第１の遮断弁）と、が介設されている。
調圧弁４２（レギュレータ）は、燃料ガス供給源２１からの水素ガスを減圧し、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力を調圧する。本実施形態では、上流管３１に調圧弁４２を一つ設けたが、複数の調圧弁４２を上流管３１に設けて、燃料ガス供給源２１からの水素ガスの圧力を段階的に減圧することが好ましい。例えば、二つの調圧弁４２を設けて、最終的に水素ガスの圧力が０．２ＭＰａ〜０．３ＭＰａになるように調圧する。もっとも、複数の調圧弁４２のいずれも、合流点Ａの近傍の遮断弁４３よりも上流側に設けられると共に、元弁となる遮断弁４１の下流側に設けられる。
二つの遮断弁４１，４３は、制御装置３に接続された例えば電磁弁からなり、制御装置３により開閉制御される。遮断弁４３は、逆流防止機能を有して、合流点Ａの直近の上流側に位置している。遮断弁４１，４３が開弁することで、上流管３１内の水素ガスは燃料電池２に供給可能となる。遮断弁４１，４３が閉弁することで、上流管３１内の水素ガスは燃料電池２への供給を遮断される。このとき、遮断弁４３から合流点Ａまでの上流管３１の部分とガス循環系３５とにより、燃料電池２との間で閉空間（閉回路）が構成される。
循環配管２３には、水素ガスを圧送するポンプ５０が設けられている。循環配管２３は、主として、燃料電池２のアノードガス出口２ｂからポンプ５０までに亘る第１の配管５１と、ポンプ５０から合流点までに亘る第２の配管５２と、で構成されている。ポンプ５０は、その駆動源となるモータが制御装置３に接続されており、制御装置３によりモータの回転数を制御される。
循環配管２３には、これを開閉する開閉装置が設けられていない。ここで、開閉装置とは、主として遮断弁を意味するが、水素ガスの逆流を阻止するために閉塞される逆止弁をも含む意味である。この種の開閉装置は、循環配管２３のみならず、供給配管２２の下流管３２にも設けられていない。すなわち、ガス循環系３５は、一つの開閉装置も具備しない構成となっている。これを換言すれば、ガス循環系３５は、アノードガス出口２ｂとアノードガス入口２ａとの間の通路（循環配管２３及び下流管３２）が、燃料電池システム１の運転時及び停止時も含め常に、連通状態を保持する構成である。なお、連通状態とは、循環配管２３及び下流管３２の内部が完全に閉じられていない状態をいい、これらの内部をガスが流通可能な状態をいう。
なお、本発明の一態様としては、図３に示すようなシステム構成も採用することができる。
すなわち、図３に示すように、循環配管２３には、燃料電池２から排出された水素ガスの水分と気体分とを分離する気液分離器７１を設けてもよい。また、循環配管２３には、水素ガスに含まれる不純物成分を除去するイオン交換器などの不純物除去器７２を設けてもよい。気液分離器７１やイオン交換器７２は、循環配管２３を開閉する構成とはなっていない。すなわち、気液分離器７１及び不純物除去器７２は、循環配管２３の連通状態を妨げる構成ではない。具体的には、気液分離器７１は、例えばサイクロン式の分離器であり、気液分離器７１内のガス通路を遮断する構成ではない。また、不純物除去器７２は、例えばメッシュ状のフィルタ、又は、ガスが通過可能なイオン交換樹脂を封入したケースである。不純物除去器７２も同様にガス通路を閉塞する構成ではない。
また、図３に示すように、循環配管２３の例えば第１の配管５１又は第２の配管５２に分岐接続されたパージ系８１を設けてもよい。パージ系８１は、水素ガスが含む不純物を水素ガスと共に外部に排出するためのものである。好ましくは、パージ系８１は、第１の配管５１に接続されたパージ通路８２と、パージ通路８２を開閉する遮断弁タイプのパージ弁８３と、を備えている。さらに好ましくは、アノードガス出口２ｂとポンプ５０との間の第１の配管５１上には、アノードガス出口２ｂから下流に向かって、気液分離器７１、パージ通路８２の接続点、ポンプ５０の順に配置される。
制御装置３（ＥＣＵ）は、図示省略したＣＰＵ、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶したＲＯＭ、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭなどを有している。制御装置３は、図示省略した温度センサや圧力センサなどの各種センサからの検出信号を入力する。また、制御装置３は、各種ドライバに制御信号を出力することによりポンプ５０や各遮断弁４１，４３を制御するなど、燃料電池システム１全体を統括制御している。
本実施形態の燃料電池システム１の効果について、図２に示す従来の燃料電池システム１´と比較して説明する。図２では、本実施形態の燃料電池システム１と同一の構成部品については同一の符号を付している。
図２に示すように、ガス循環系３５における供給配管２２の下流管３２と循環配管２３の第１の配管５１とには、それぞれ遮断弁１０１，１０２が設けられている。また、循環配管２３の第２の配管５２には、逆止弁１０３が設けられている。さらに、供給配管２２の上流管３１については、調圧弁４２と合流点Ａとの間に遮断弁が設けられていない。
従来の燃料電池システム１´では、ガス循環系３５に二つの遮断弁１０１，１０２および逆止弁１０３を設けている。これに対し、これらを具備しない本実施形態の燃料電池システム１では、その分、部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。
一般に、ガス循環系３５では、その配管や燃料電池２から流出または溶出し得る不純物成分や異物が配管内を流動するおそれがある。従来の燃料電池システム１´では、この不純物成分等に起因して遮断弁１０１，１０２等の機能を阻害するおそれがある。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１によれば、部品点数が削減されているため、その機能阻害を未然に防止することができ、システムの信頼性を高めることができる。
また、従来の燃料電池システム１´の運転中では、ガス循環系３５の二つの遮断弁１０１，１０２および逆止弁１０３で水素ガスの圧損が生じる。このため、圧損を考慮して回転数を調整されたポンプ５０が駆動する必要がある。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１では、ガス循環系３５にはこれらの開閉装置が設けられていないため、水素ガスの圧損を極めて抑制することができる。したがって、ポンプ５０の制御が簡素化されると共に、消費電力を小さくすることができる。
また一般に、燃料電池システム（１、１´）の運転終了後には、アノードとカソードとの間の極間差圧が小さいことが好ましい。このため、燃料電池システム（１、１´）の運転停止に移行する運転終了時には、ポンプ５０の駆動を所定時間だけ続行して、水素ガスを燃料電池２の発電により消費することが行われる。
従来の燃料電池システム１´では、運転終了時にガス循環系３５の二つの遮断弁１０１，１０２を閉弁してしまうとポンプ５０の駆動を続行することができなくなる。このため、燃料電池２の発電を定格運転の圧力以下で行い難くなる。また、二つの遮断弁１０１，１０２を開弁してポンプ５０を駆動する場合には、ガス循環系３５の水素ガスのみならず、上流管３１の水素ガスを消費する必要がある。
これに対し、本実施形態の燃料電池システム１では、ガス循環系３５が常に連通状態であるため、運転終了時にポンプ５０の駆動を確実に続行することができる。また、合流点の直近の遮断弁４３を閉弁することで、上流管３１の水素ガスを消費することなく、ガス循環系３５の水素ガスを消費することができる。つまり、閉空間に残留する水素ガスの量が減少する分、運転終了時の水素ガスの消費量を減らすことができる。したがって、燃料電池２の発電を定格運転の圧力以下で安定させて燃費（発電効率）を向上することができる。また、運転終了時間が短縮されると共に、図示省略した二次バッテリの過充電を適切に防止することができる。
Claims (9)
- 燃料ガスの配管ラインとして、
燃料電池のガス出口とガス入口とを結び、当該燃料電池に燃料ガスを循環供給するガス循環系と、
前記ガス循環系に接続されて、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスが流れる第１供給通路と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記第１供給通路に設けられた調圧弁と、
前記配管ラインのうち前記第１供給通路にのみ設けられ、前記調圧弁の下流側に位置する少なくとも一つの遮断弁と、
前記ガス循環系に設けられ、燃料ガスを圧送するポンプと、
前記ポンプおよび前記少なくとも一つの遮断弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転終了時に、前記少なくとも一つの遮断弁の閉弁後に前記ポンプの駆動を続行させ、前記ガス循環系内の燃料ガスを前記燃料電池の発電により消費させるものであり、
前記ガス循環系は、
前記ガス出口から前記第１供給通路との接続点までの第１の循環路と、
前記第１の循環路に連通し、前記接続点から前記ガス入口までの第２の循環路と、からなる燃料電池システム。 - 前記ガス循環系は、前記燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が常に連通状態である請求項１に記載の燃料電池システム。
- 燃料ガスの配管ラインとして、
燃料電池のガス出口とガス入口とを結び、当該燃料電池に燃料ガスを循環供給するガス循環系と、
前記ガス循環系に接続されて、燃料ガス供給源からの新たな燃料ガスが流れる第１供給通路と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記第１供給通路に、前記燃料ガス供給源側から順に設けられた、調圧弁と少なくとも一つの遮断弁と、
前記ガス循環系に設けられ、燃料ガスを圧送するポンプと、
前記ポンプおよび前記少なくとも一つの遮断弁を制御する制御装置と、を備え、
前記ガス循環系は、前記燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が常に連通状態であり、
前記制御装置は、当該燃料電池システムの運転終了時に、前記少なくとも一つの遮断弁の閉弁後に前記ポンプの駆動を続行させ、前記ガス循環系内の燃料ガスを前記燃料電池の発電により消費させるものであり、
前記ガス循環系は、
前記ガス出口から前記第１供給通路との接続点までの第１の循環路と、
前記第１の循環路に連通し、前記接続点から前記ガス入口までの第２の循環路と、からなる、燃料電池システム。 - 前記ガス循環系は、前記燃料電池のガス出口とガス入口との間の通路が当該燃料電池システムの運転時及び停止時に連通状態である請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記少なくとも一つの遮断弁は、前記ガス循環系と前記第１供給通路との接続点の直近に設けられている請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料ガス供給源は、燃料ガスとして水素ガスを貯蔵した圧力容器である請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記調圧弁は、前記第１供給通路に複数が設けられている請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記ガス循環系は、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスの水分と気体分とを分離する気液分離器を有している請求項１ないし７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記ガス循環系は、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスに含まれる不純物成分を除去する不純物除去器を有している請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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