JP4791022B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の残留水を排出する掃気処理を行う燃料電池システムに関するものである。

近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。

燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電停止時には燃料電池内には水分が含有されている。燃料電池内に水を残留させた状態で停止すると、例えば低温環境下で燃料電池車両を始動する場合に、残留水が凍結して反応ガス流路が閉塞されてしまい、始動時間が長くなってしまう。このような事態を防止する観点から、燃料電池の停止時に残留水を排出するパージ工程を行う技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、燃料電池の停止時に反応ガスのガス流路内をパージすることによって、ガス流路内の残留水を外部に排出する技術が提案されている。この技術によれば、パージ専用のガス供給ラインを設けることによって乾燥した浄化ガスを流通させることで、ガス流路内の残留水を外部に排出している。
特表２０００−５１２０６８号公報

しかしながら、従来の技術においては、掃気処理を行う場合に単にガス流路内のガス流量を増大することによって燃料電池の外部に残留水を排出する処理を行うのみであるので、掃気処理中に消費するエネルギーを効率的に利用しているとは言えず、さらなる効率化が望まれている。
また、従来においては、反応ガス流路内の残留水を凝縮水として除去できるものの、電解質膜の内部に残存している水分もしくは反応ガス流路の表面上の水分（これらの水分を「残留水分」と称す）を水蒸気として排出する能力が不足するおそれがあり、この点で排出性能の向上が求められている。

従って、本発明は、掃気処理中に消費するエネルギーを効率的に利用することができるとともに、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高める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する。ここで、残留水分とは、上述したように、電解質膜の内部に残存している水分もしくは反応ガス流路の表面上の水分を言う。以下の説明においても同様とする。

請求項１に係る発明は、燃料ガスと、酸化剤ガスとを供給することによって発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（例えば、実施の形態における水素供給流路３）と、前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガスの流通を遮断可能な遮断弁（例えば、実施の形態における遮断弁４）と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（例えば、実施の形態におけるエア供給流路６）と、前記燃料ガス供給流路と前記酸化剤ガス供給流路の少なくとも一方を掃気ガス供給により掃気する掃気手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ５）と、掃気弁を介して前記燃料ガス供給流路及び前記酸化剤ガス供給流路を接続する合流流路（例えば、実施の形態における合流流路９）と、前記掃気手段による掃気が必要か否かを判断する掃気判断手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１２）と、を備え、前記掃気判断手段により掃気が必要と判断したとき、前記掃気手段により供給される掃気ガスを低圧で供給する低圧掃気処理と、前記低圧よりも高圧で掃気ガスを供給する高圧掃気処理と、を行う掃気ガス供給制御手段を有（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１２、アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８）を有し、前記掃気に先立って前記遮断弁を閉弁するとともに、前記掃気弁を開弁した状態で前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする。

この発明によれば、前記掃気判断手段により掃気が必要と判断したときに、前記掃気ガス供給制御手段によって低圧掃気処理を行うことで、前記燃料電池に供給する掃気ガスを大流量で前記掃気手段により掃気させることができる。すなわち、前記掃気手段により供給される掃気ガスが略一定量のときに、前記低圧掃気処理を行うと、ボイルの法則（ＰＶ＝一定）により掃気ガスの体積が増大する。換言すれば、低圧掃気処理を行うことで大きな体積流量で掃気ガスによる掃気を行うことができる。従って、前記低圧掃気処理を行うことで、燃料電池内に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。

そして、前記低圧掃気処理を行った後、前記高圧掃気処理を行うことで、小さな体積流量で掃気ガスによる掃気を行うことができる。従って、残留水分を水蒸気として掃気ガス中に取り込んで（飽和させて）、掃気ガスを排出することで残留水分も排出することができるので、凝縮水のみならず残留水分の排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記掃気ガス供給制御手段は、前記掃気が必要と判断したときには、低圧で前記掃気ガスを供給し、その後、前記低圧よりも高圧で前記掃気ガスを供給することを特徴とする。
この発明によれば、掃気が必要と判断したときに、低圧掃気処理を行うことで大きな体積流量で掃気ガスによる掃気を行うことができる。従って、前記低圧掃気処理を行うことで、燃料電池内に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。そして、前記低圧掃気処理を行った後、前記高圧掃気処理を行うことで、小さな体積流量で掃気ガスによる掃気を行うことができる。従って、残留水分を水蒸気として掃気ガス中に取り込んで（飽和させて）、掃気ガスを排出することで残留水分も排出することができるので、凝縮水のみならず残留水分の排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。
請求項４に係る発明は、前記掃気ガス供給制御手段は、掃気ガス圧力調整弁を有し、前記掃気手段により前記掃気ガスを一定量で供給した状態で、前記掃気ガス圧力調整弁の開度を調整することで前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、前記掃気ガス圧力調整弁は、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通する排出流路に設けられ、開閉動作により前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち、少なくとも一方の圧力調整を行う背圧弁であることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、前記排出流路は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス排出流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス排出流路と、を有し、前記掃気ガス圧力調整弁は、前記燃料オフガス排出流路及び前記酸化剤オフガス排出流路にそれぞれ設けられていることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、前記低圧掃気処理において、前記掃気ガス圧力調整弁を全開にすることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、前記燃料ガス供給流路には、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に循環供給するエゼクタが設けられ、前記合流流路は、前記燃料ガス供給流路における前記エゼクタと前記燃料電池との間に接続されていることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、前記燃料ガス供給流路には、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に循環供給するエゼクタが設けられ、前記合流流路は、前記燃料ガス供給流路における前記エゼクタよりも上流側に接続されていることを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、前記掃気ガス供給制御手段は、経過時間に応じて前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする。
請求項１１に係る発明は、前記掃気ガス供給制御手段は、前記燃料電池のアノードとカソードとの差圧に応じて前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、掃気処理中に消費するエネルギーを効率的に利用することができるとともに、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜１ａをアノード１ｂとカソード１ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものである。なお、図１には簡略化のため単セルのみを示す。

このように構成された燃料電池１のアノード１ｂに燃料として水素を供給し、カソード１ｃに酸化剤として酸素を含む空気を供給する。これにより、アノード１ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜１ａを通過してカソード１ｃまで移動して、カソード１ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。このとき、カソード１ｃ側で生じた生成水の一部は電解質膜１ａを介してアノード１ｂ側に逆拡散するため、アノード１ｂ側にも生成水が存在する。

水素ボンベ２から供給される水素は、遮断弁４を介して水素供給流路３を通って燃料電池１のアノード１ｂに供給される。
一方、空気はエアコンプレッサ５によりエア供給流路６に圧送され、燃料電池１のカソード１ｃに供給される。

また、水素供給流路３とエア供給流路６とは、合流流路９を介して接続されている。合流流路９には掃気弁１０が設けられ、掃気弁１０を開閉制御することにより、互いの流路３、６にそれぞれ流通する反応ガス（水素、エア）の合流を許容または防止することができる。本実施の形態において、掃気弁１０は、エアを掃気用ガスとして水素供給流路３に流入させる場合の制御に使用される。

そして、燃料電池１の電気化学反応により消費されなかった未反応の水素は、アノード１ｂ側の生成水等の残留水と共にアノード１ｂから循環流路１３に排出され、エゼクタ１４を介して水素供給流路３に合流する。つまり、燃料電池１から排出された水素は、水素ボンベ２から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池１のアノード１ｂに供給される。

また、循環流路１３から分岐した水素排出流路７にはアノード圧力調整弁１７が設けられ、アノード圧力調整弁１７を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素排出流路７から排出する。また、アノード圧力調整弁１７の開度を調整することにより、水素供給流路３を介して燃料電池１のアノード１ｂに供給されるガス（水素や後述する掃気ガス）の圧力を調整する。なお、水素排出流路７から排出された水素オフガスは、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。

一方、エア排出流路８には、カソード圧力調整弁１８が設けられている。カソード圧力調整弁１８を開くことにより、反応済のエアオフガスをエア排出流路８から排出する。また、カソード圧力調整弁１８の開度を調整することにより、燃料電池１のカソード１ｃに供給されるエア圧力（カソード圧力）を調整することができる。水素供給流路３やエア供給流路６には、アノード圧力やカソード圧力を測定するための圧力センサ１９、２０がそれぞれ設けられている。また、燃料電池１には、発電電圧を測定するための電圧センサ２１が設けられている。

燃料電池システムには、各種機器の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１２が設けられている。
制御部１２には、イグニッションスイッチ１５が接続され、これらからイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号が入力される。
また、制御部１２には、圧力センサ１９、２０や電圧センサ２１が接続され、これらから、アノード圧力やカソード圧力、発電電圧が入力される。

そして、制御部１２は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、エアコンプレッサ５、遮断弁４、掃気弁１０、アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８を駆動させる信号を出力する。

上述のように構成された燃料電池システムの作用について図２を用いて説明する。図２は図１に示す燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチ１５がＯＮからＯＦＦに切り換わって、運転停止信号が入力されると（ＩＧ−ＯＦＦ）、ステップＳ１２で、水素供給流路３の遮断弁４が閉じられて、燃料電池１のアノード１ｂへの水素の供給を停止させる（発電停止）。そして、電圧センサ２１で検出した電圧値が所定値以下になったときに、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４で、掃気弁１０を開弁する。これにより、合流流路９のガス流通を可能とする。この状態で、エアコンプレッサ５を駆動させてエア供給流路６にエアを供給することで、合流流路９を介して水素供給流路３にもエアを供給することができる。ゆえに、カソード１ｃ側のみならずアノード１ｂ側の掃気処理も併せて行うことができる。従って、水素を消費することなく、掃気処理を行うことができる。

このときに、ステップＳ１６で、エア低圧供給処理を行う。このエア低圧供給処理は、アノード圧力調整弁１７およびカソード圧力調整弁１８の開度を大きくする（例えば全開状態または略全開状態）ことで行う。これにより、アノード１ｂとカソード１ｃに供給されるエア圧力を低下させることができる。

このように低圧掃気処理を行うと、ボイルの法則（ＰＶ＝一定）により掃気ガスであるエアの体積が増大する。換言すれば、低圧掃気処理を行うことで大きな体積流量でエアによる掃気を行うことができる。前記低圧掃気処理を行って、燃料電池１のアノード１ｂやカソード１ｃにおける残留水蓄積部位と、水素排出流路７やエア排出流路８との差圧を増加させることで、燃料電池１内に液滴で残留している残留水（凝結水）の排出を促進することができる。ここで、低圧とは、例えば、燃料電池１の通常発電時にカソード１ｃに供給されている圧力よりも低圧である。

そして、ステップＳ１８で、低圧掃気処理が完了したか否かの判定を行い、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ１８の処理を繰り返す。本実施の形態では、前記掃気処理の完了の判定は、タイマーを用いて予め設定された掃気時間が経過したかを計測することで行う。なお、タイマーに換えて、圧力センサ１９、２０のそれぞれで圧力変化を検出することにより行ってもよいし、アノード１ｂやカソード１ｃの入口側、出口側のそれぞれに圧力センサを設けて、それぞれの差圧を検出することで行ってもよい。

また、ステップＳ２０では、エア高圧供給処理を行う。このエア高圧供給処理は、アノード圧力調整弁１７およびカソード圧力調整弁１８の開度を小さくする（例えば半開状態）ことで行う。これにより、アノード１ｂとカソード１ｃに供給されるエア圧力を増大させることができる。これにより、小さな体積流量でエアによる掃気を行うことができる。従って、残留水分を水蒸気としてエア中に取り込んで（飽和させて）、このエアを排出することで残留水分も排出することができる。このように低圧掃気（換言すれば小流量掃気）を行うことにより、残留水分を水蒸気として取り込ませる（飽和させる）効率を高めることができる。

この点についてより具体的に説明する。燃料電池１の電解質膜１ａ等に蓄積された水分は、拡散層等の細孔に蓄積されているため、表面張力が大きく、物理的な力（差圧による吸引力）では排水することが困難である。このような残留水分を排出するにあたっては、表面張力を低減させるために、水分を水蒸気に変換して除去する必要がある。従って、燃料電池１内の電解質膜１ａ等に蓄積された水分を除去するために、燃料電池１に供給されるエアの圧力を大きくして体積流量を下げることで、エアが燃料電池１内に滞留する時間を増大することができる。これにより、燃料電池１に供給されるエアが前記蓄積された水分を十分に含有することができる（換言すれば水蒸気として除去することができる）ため、残留水分の除去を促進することができる。

そして、ステップＳ２２で、高圧掃気が完了したか否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２２に戻る。この判定手法としては、タイマにより行ってもよいし、上述のように差圧を検出することにより行ってもよい。ステップＳ２４では、掃気弁１０を閉じるとともにコンプレッサ５を停止してエアの供給を停止する。そして、本フローチャートの処理を終了する。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。以下、前述の実施の形態と同様の構成や処理内容については同一の符号を付してその説明を適宜省略する。図３は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。同図に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは、エアコンプレッサ５とは別に、掃気ガス供給装置２３を備えている。ここで、掃気ガスとしては、エアであってもよいし、窒素等の不活性ガスであってもよい。前記掃気ガス供給装置２３には掃気ガス供給流路２４が接続されている。掃気ガス供給流路は合流流路２５、２７を介して水素供給流路３、エア供給流路６にそれぞれ接続されている。合流流路２５、２７にはそれぞれ掃気弁２６、２８が設けられている。

図４は図３に示す燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。同図に示すように、ステップＳ１２で発電停止処理を行った後に、ステップＳ３２で、掃気ガス低圧供給処理を行う。ステップＳ３２で、掃気弁２６、２８をそれぞれ開弁して、合流流路２５、２７のガス流通を可能とする。この状態で、掃気ガス供給装置２３から掃気ガス供給流路２４、合流流路２５、２７を介して水素供給流路３、エア供給流路６に掃気ガスを流通させて、燃料電池１のアノード１ｂ、カソード１ｃに掃気ガスを供給する。アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８の開度を大きくしてステップＳ３２の低圧掃気処理を行う。そして、上述したステップＳ１８で低圧掃気処理完了の有無を判定する。

ステップＳ１８の判定結果がＹＥＳの場合には、アノード圧力調整弁１７やカソード圧力調整弁１８の開度を小さくして、ステップＳ３４で掃気ガス高圧供給処理を行う。そして、上述したステップＳ２２で高圧掃気処理完了の有無を判定する。ステップＳ２２の判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ３６で掃気弁２６、２８を閉弁して、掃気ガスの供給を停止する処理を行い、本フローチャートの処理を終了する。

本発明の上述した第１および第２の実施の形態における掃気処理と従来技術に相当する比較例における掃気処理との相違点を図５、図６を用いて説明する。
まず、比較例においては、図６に示すように、掃気処理が開始されてから終了するまで掃気ガスの圧力が略一定の高圧状態に保持されている。このような制御では、燃料電池１内の残留水は排出されるものの、燃料電池１の電解質膜１ａ等に蓄積された水分を排出することは困難である。さらに、掃気処理の全体に亘り高圧状態に保持されているため、掃気処理に要するエネルギーがその分増大し、掃気処理中に消費するエネルギーを効率的に利用しているとは言えない。

これに対し、上述した実施の形態においては、図５に示すように、掃気初期においては、掃気ガスの圧力が低圧に維持されているので掃気ガスの流量を増大させることができ、迅速に残留水を排出することができる。また、掃気ガスの圧力を低圧に維持することにより、掃気に必要なエネルギーを低減させることができる。そして、掃気後期においては、掃気ガスの圧力が高圧に変更されるので、その分掃気ガスの体積流量を減少させることができ、燃料電池１内の残留水分も効率的に除去することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、上述の実施の形態では、発電停止時に掃気処理を行う場合について説明したが、本発明の掃気処理は発電停止時に限られない。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。 図３に示す燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。 本発明の第１および第２の実施の形態における掃気ガス圧力の時間変化を示すグラフ図である。 従来技術に相当する比較例における掃気ガス圧力の時間変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池
３…水素供給流路（燃料ガス供給流路）
５…エアコンプレッサ（掃気手段）
６…エア供給流路（酸化剤ガス供給流路）
１２…ＥＣＵ（掃気判断手段、掃気ガス供給制御手段）
１７…アノード圧力調整弁（掃気ガス供給制御手段）
１８…カソード圧力調整弁（掃気ガス供給制御手段）

Claims (11)

1. 燃料ガスと、酸化剤ガスとを供給することによって発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路に設けられ、前記燃料ガスの流通を遮断可能な遮断弁と、
   前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
   前記燃料ガス供給流路と前記酸化剤ガス供給流路の少なくとも一方を掃気ガス供給により掃気する掃気手段と、
   掃気弁を介して前記燃料ガス供給流路及び前記酸化剤ガス供給流路を接続する合流流路と、
   前記掃気手段による掃気が必要か否かを判断する掃気判断手段と、を備え、
   前記掃気判断手段により掃気が必要と判断したとき、前記掃気手段により供給される掃気ガスを低圧で供給する低圧掃気処理と、前記低圧よりも高圧で掃気ガスを供給する高圧掃気処理と、を行う掃気ガス供給制御手段を有し、
   前記掃気に先立って前記遮断弁を閉弁するとともに、前記掃気弁を開弁した状態で前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記掃気ガス供給制御手段は、前記掃気が必要と判断したときには、低圧で前記掃気ガスを供給し、その後、前記低圧よりも高圧で前記掃気ガスを供給することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気ガス供給制御手段は、掃気ガス圧力調整弁を有し、
   前記掃気手段により前記掃気ガスを一定量で供給した状態で、前記掃気ガス圧力調整弁の開度を調整することで前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記掃気ガス圧力調整弁は、前記燃料電池から排出されるオフガスが流通する排出流路に設けられ、開閉動作により前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスのうち、少なくとも一方の圧力調整を行う背圧弁であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記排出流路は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス排出流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス排出流路と、を有し、
   前記掃気ガス圧力調整弁は、前記燃料オフガス排出流路及び前記酸化剤オフガス排出流路にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記低圧掃気処理において、前記掃気ガス圧力調整弁を全開にすることを特徴とする請求項４ないし請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料ガス供給流路には、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に循環供給するエゼクタが設けられ、
   前記合流流路は、前記燃料ガス供給流路における前記エゼクタと前記燃料電池との間に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料ガス供給流路には、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを、循環流路を介して前記燃料ガス供給流路に循環供給するエゼクタが設けられ、
   前記合流流路は、前記燃料ガス供給流路における前記エゼクタよりも上流側に接続されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記掃気ガス供給制御手段は、経過時間に応じて前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記掃気ガス供給制御手段は、前記燃料電池のアノードとカソードとの差圧に応じて前記低圧掃気処理と前記高圧掃気処理とを切り替えることを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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