JP4872231B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
前記燃料電池に対して水素を含有する燃料ガスを供給する第1の流路と、
前記第1の流路に接続される第2の流路と、
前記第2の流路あるいは前記第2の流路と前記第1の流路との接続部に設けられ、該第2の流路内の圧力が第1の基準値を超えるときに開弁する第1のリリーフバルブと、
前記第2の流路の下流側に接続され、前記第1のリリーフバルブを介して前記第1の流路から排出された水素の濃度を、外部への排出に先立って低減する水素濃度低減部と、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池とを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導入する酸化ガス流路と、
を備え、
前記第2の流路は、さらに前記酸化ガス流路に接続されており、
前記水素濃度低減部は、前記燃料電池が備えるカソード触媒であることを要旨とする。
前記第1の流路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する圧力調整部を備え、
前記第2の流路は、前記圧力調整部の配置位置よりも下流側において前記第1の流路に接続されることとしても良い。
水素を貯蔵すると共に前記第1の流路に接続する水素貯蔵部と、
前記第1の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態となるシャットバルブと
を備え
前記第2の流路は、前記シャットバルブよりも下流側で前記第1の流路に対して接続することとしても良い。
前記カソードから排出されるカソード排ガスを外部に導くカソード排ガス流路に設けられると共に、該カソード排ガス流路の断面積よりも大きな断面積を有する希釈器と、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
前記第2の流路から分岐して前記希釈器に接続する第1の分岐路と、
前記第2の流路を、前記第1の分岐路あるいは前記酸化ガス流路のいずれかと択一的に連通させる切り替え部と、
前記燃料電池温度取得部が取得した前記燃料電池の温度が基準値以上のときには、前記切り替え部を駆動して前記第2の流路と前記酸化ガス流路とを連通させ、前記燃料電池の温度が基準値を下回るときには、前記切り替え部を駆動して前記第2の流路と前記第1の分岐路とを連通させる切り替え制御部と
を備え、
前記第2の流路が前記第1の分岐路に連通するときには、前記希釈器が前記水素濃度低減部として働き、前記第2の流路が前記酸化ガス流路に連通するときには、前記燃料電池が備えるカソード触媒が前記水素濃度低減部として働くこととしても良い。
前記燃料電池による発電を行なう際に、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス量制御部であって、前記第1のリリーフバルブが開弁すると共に前記第2の流路が前記第1の分岐路に連通されるときには、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を、前記燃料電池における発電量に基づいて設定される値よりも増大させる酸化ガス量制御部を備えることとしても良い。
前記第1の流路に接続されると共に、前記第2の流路よりも流路の配管径が大きく形成された第3の流路と、
前記第3の流路あるいは前記第3の流路と前記第1の流路との接続部に設けられ、該第3の流路内の圧力が、前記第1の基準値よりも大きな第2の基準値を超えるときに開弁する第2のリリーフバルブと
を備えることとしても良い。
A.システムの全体構成:
B.水素ガス圧過剰上昇防止の動作:
C.第2実施例:
D.第3実施例:
E.第4実施例:
F.変形例:
図1は、本発明の実施例である燃料電池システム10における燃料電池の発電に関わる部分の構成の概略を表わすブロック図である。本実施例の燃料電池システム10は、車両に搭載され、車両の駆動用電源として用いられる。燃料電池システム10は、発電の本体である燃料電池22と、燃料電池22に供給する水素を貯蔵する水素タンク23と、燃料電池22に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ24と、を備えている。ここで、水素タンク23は、第1の流路60によって燃料電池22のアノードと接続されており、水素タンク23に貯蔵される水素が、燃料ガスとして燃料電池22のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ24は、酸化ガス供給路67によって燃料電池22のカソードに接続されており、エアコンプレッサ24によって取り込まれた空気が、酸化ガスとして燃料電池22のカソードに供給される。燃料電池22としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池22として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池22は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。以下に、燃料電池システム10を構成する各部および燃料電池システム10におけるガスの流れについて、さらに説明する。
図2は、第1の水素流路60内の水素圧が許容範囲を超えて上昇する時に燃料電池システム10で行なわれる動作である圧力上昇時処理を表わす説明図である。なお、この図2に示した圧力上昇時処理は、制御部70によって積極的に行なわれる制御を表わすものではなく、燃料電池システム10において進行する動作を説明するものである。
図3は、第2実施例の燃料電池システム110の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム110は、第1実施例の燃料電池システム10と同様に、車両の駆動用電源として用いられており、燃料電池システム10と類似する構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
図5は、第3実施例の燃料電池システム210の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム210は、燃料電池システム10および燃料電池システム110と類似する構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
図7は、第4実施例の燃料電池システム310の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム310は、燃料電池システム10と類似する構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分について、以下に説明する。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1ないし第3実施例では、第1のリリーフバルブ69を備える第2の水素流路は、第1の水素流路60において、循環流路の一部を構成する領域に接続されているが、異なる構成としても良い。すなわち、燃料ガスを供給する燃料ガス供給部である水素タンク23と燃料電池22のアノードとを接続する第1の水素流路60における他の位置に接続されることとしても良い。例えば、第4実施例と同様に、第1の水素流路60が複数の流量調整弁を有する場合には、これらの複数の流量調整弁の間のいずれかの場所において、第2の水素流路が接続されることとしても良い。高圧の水素ガスを減圧して燃料電池22に供給する際に、第1の水素流路60の途中に接続される第2の水素流路を設けることで、第2の水素流路の接続部よりも下流側に対する望ましくない高圧ガスの供給を防止することが可能となる。
また、第4実施例において、第2の水素流路366が接続する水素濃度低減部として、燃料電池22に代えて、第1ないし第3実施例のいずれかの水素濃度低減部を用いても良い。この場合にも、第4実施例と同様に、第2のリリーフバルブ92の開弁圧を第1のリリーフバルブ69よりも高く設定し、第2の水素流路366の配管径を第3の水素流路90の配管径よりも小さくすることで、上記水素濃度低減部に対する許容範囲を超える圧力のガスの供給を防止可能となる。なお、このとき、第3の水素流路90は、第2の水素流路366が接続する水素濃度低減部よりも許容圧力が高い他の水素濃度低減部に接続するか、外部へと開放すればよい。
第1ないし第4実施例で用いた水素濃度低減部に代えて、さらに他の水素濃度低減部を用いても良い。例えば、リリーフバルブを設けた水素流路の下流を大気開放し、この水素流路の下流側開口部近傍に、水素濃度低減部として、制御部70によって駆動されるファンを設けても良い。既述した圧力センサあるいは流量計を用いてリリーフバルブの開弁を検知し、リリーフバルブが開弁したときには上記ファンを駆動すればよい。このようにして外部の空気を取り込むことによって、リリーフバルブを介して排出される水素を、外部への排出の際に希釈することができる。水素濃度低減部として用いる上記ファンは、燃料電池22以外の電源(例えば2次電池)を電源とすることが望ましく、これにより、燃料電池システムの停止時にも水素濃度低減部として用いることが可能となる。
第1ないし第4実施例では、予め設定した所定の開弁圧となったときに自動的に開弁するリリーフバルブを用いているが、異なるバルブを用いても良い。例えば、上記リリーフバルブに代えて、制御部70によって開閉駆動されるバルブを設け、このバルブの上流側における圧力あるいはガス流量を検知することによって、このバルブの開閉制御を行なっても良い。
さらに、実施例とは異なる構成の燃料電池システムにおいて本発明を適用しても良い。例えば、第1ないし第4実施例の燃料電池システムでは、燃料電池22に供給される水素ガスは循環流路内を循環しているが、アノード排ガス路63を設けず、燃料電池からアノード排ガスを排出させない構成(いわゆるデッドエンド型)としても良い。上記構成では、水素の循環は行なわれないが、発電で消費された水素量に対応する量の水素が新たに燃料電池内に供給される。したがって、燃料電池に新たに供給される水素量の調節において不具合が生じて圧力超過を起こす際に、本発明を適用することができる。
22…燃料電池
23…水素タンク
24…エアコンプレッサ
25…加湿モジュール
26…希釈器
27…気液分離器
27a…バルブ
28…エアクリーナ
60…第1の水素流路
61,96…シャットバルブ
62,94…流路調整弁
63…アノード排ガス路
64…排ガス排出路
65…水素ポンプ
66,166,266,366…第2の水素流路
67…酸化ガス供給路
68…カソード排ガス路
69…第1のリリーフバルブ
70…制御部
80…第1分岐路
82…第2分岐路
84…流路切り替え弁
86…圧力センサ
88…温度センサ
90…第3の水素流路
92…第2のリリーフバルブ
Claims (6)
- 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に対して水素を含有する燃料ガスを供給する第1の流路と、
前記第1の流路に接続される第2の流路と、
前記第2の流路あるいは前記第2の流路と前記第1の流路との接続部に設けられ、該第2の流路内の圧力が第1の基準値を超えるときに開弁する第1のリリーフバルブと、
前記第2の流路の下流側に接続され、前記第1のリリーフバルブを介して前記第1の流路から排出された水素の濃度を、外部への排出に先立って低減する水素濃度低減部と、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池とを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導入する酸化ガス流路と、
を備え、
前記第2の流路は、さらに前記酸化ガス流路に接続されており、
前記水素濃度低減部は、前記燃料電池が備えるカソード触媒である
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第1の流路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する圧力調整部を備え、
前記第2の流路は、前記圧力調整部の配置位置よりも下流側において前記第1の流路に接続される
燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、さらに、
水素を貯蔵すると共に前記第1の流路に接続する水素貯蔵部と、
前記第1の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態となるシャットバルブと
を備え
前記第2の流路は、前記シャットバルブよりも下流側で前記第1の流路に対して接続する
燃料電池システム。 - 請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードから排出されるカソード排ガスを外部に導くカソード排ガス流路に設けられると共に、該カソード排ガス流路の断面積よりも大きな断面積を有する希釈器と、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
前記第2の流路から分岐して前記希釈器に接続する第1の分岐路と、
前記第2の流路を、前記第1の分岐路あるいは前記酸化ガス流路のいずれかと択一的に連通させる切り替え部と、
前記燃料電池温度取得部が取得した前記燃料電池の温度が基準値以上のときには、前記切り替え部を駆動して前記第2の流路と前記酸化ガス流路とを連通させ、前記燃料電池の温度が基準値を下回るときには、前記切り替え部を駆動して前記第2の流路と前記第1の分岐路とを連通させる切り替え制御部と
を備え、
前記第2の流路が前記第1の分岐路に連通するときには、前記希釈器が前記水素濃度低減部として働き、前記第2の流路が前記酸化ガス流路に連通するときには、前記燃料電池が備えるカソード触媒が前記水素濃度低減部として働く
燃料電池システム。 - 請求項4記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池による発電を行なう際に、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス量制御部であって、前記第1のリリーフバルブが開弁すると共に前記第2の流路が前記第1の分岐路に連通されるときには、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を、前記燃料電池における発電量に基づいて設定される値よりも増大させる酸化ガス量制御部を備える
燃料電池システム。 - 請求項1ないし5いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第1の流路に接続されると共に、前記第2の流路よりも流路の配管径が大きく形成された第3の流路と、
前記第3の流路あるいは前記第3の流路と前記第1の流路との接続部に設けられ、該第3の流路内の圧力が、前記第1の基準値よりも大きな第2の基準値を超えるときに開弁する第2のリリーフバルブと
を備える燃料電池システム。
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