JP4908322B2 - 車両用燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤の排出量を制御することにより、前記カソードに供給される酸化剤の流量ないし圧力を調整する燃料電池用圧力調整装置を 具備する車両用燃料電池システムに関する。

固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルが複数個積層されたスタックを備えている。このようなスタックにおいては、前記セルの各アノードに燃料として水素が供給される一方、各カソードに酸化剤としてエアーが供給される。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで電気化学反応を起こして発電するようになっている。

このスタックを含む燃料電池システムは、例えば、カソード側にエアーを供給するためのエアーコンプレッサ等を備え、さらに、このエアーの圧力を信号圧として、該エアーの圧力に応じた圧力でアノード側に水素を供給する圧力制御弁を備え、燃料電池のカソード側に対するアノード側の反応ガスの圧力を所定圧に調圧して所定の発電効率を確保するとともに、燃料電池に供給される反応ガスの流量を制御することで所定の出力が得られるように設定されている。

このような固体高分子膜型燃料電池においては、固体高分子電解質膜に加わる圧力や、アノードとカソードとの差圧を調整するために、エアーの供給流量ないし圧力が調整される。具体的には、未反応の酸化剤ガスと、発電に伴って生成したＨ₂Ｏとをカソードから排気するための排気ラインに圧力調整弁を設け、カソード内の圧力を調整するようにしている（特許文献１および特許文献２参照）。

特開２００１−１７６５２６号公報（段落［０００５］） 特開２００２−３１３３８２号公報（段落［０００４］）

上記した圧力調整弁としては、一般的に、バタフライ弁が採用される。この場合、弁体を開閉する制御モータが通電されていないときには、弁体がスプリングによって弁閉方向に付勢される。また、制御モータが通電されたときには、該制御モータは、前記スプリングの弾発力に抗して弁体が開放する方向に回動する。すなわち、圧力調整弁としては、いわゆるノーマルクローズド型バルブが使用される。

しかしながら、例えば、燃料電池システムを自動車等に搭載する場合、該自動車の安定走行中は、この圧力調整弁が弁開状態で使用される。したがって、ノーマルクローズド型バルブを圧力調整弁とした場合、自動車の走行中に該弁を弁開状態とするために、制御モータに常に通電しなければならない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたものであり、非通電時に弁開状態となるために運転する際に無駄な電力を消費することがない燃料電池用圧力調整装置を具備す る車両用燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、車両に搭載される燃料電池と、前記燃料電池のカソードに供給された酸化剤を排気する排気ラインに配設され、排出される前記酸化剤の排出量を制御することで前記カソード内における前記酸化剤の圧力を調整する燃料電池用圧力調整装置とを有する車両用燃料電池システムであって、
前記燃料電池用圧力調整装置は、前記酸化剤が通過する開口部と、
前記開口部を開放または閉止する弁体と、
前記弁体が連結された回転軸を、前記開口部が開放する方向に回動付勢する弾性部材と、
前記弾性部材による前記弁体の回動位置を規制し、前記開口部を全開状態に設定する規制部材と、
通電された際、前記弾性部材の弾発力に抗して前記開口部が閉止する方向に前記弁体を回動するモータと、
を備え、
前記燃料電池が休止状態にあるとき、前記開口部が全開状態となることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、燃料電池を発電させる最中に弁体を全開にする必要があるときには、モータを滅勢すればよい。これに伴い、弾性部材の弾発力によって弁体が全開位置にまで回動し、燃料電池用圧力調整装置が全開状態に設定される。すなわち、燃料電池用圧力調整装置を全開状態に設定する際には、モータに通電する必要がない。このため、車両用燃料電池システムを運転するために必要な電力を低減することができるので、該車 両用燃料電池システムを低電力で運転することができる。

しかも、この場合、燃料電池による発電が停止された場合においても、燃料電池用圧力調整装置が全開状態にあるので、発電反応に伴って生成した水を含むエアーが燃料電池の外部に排出される。

本発明においては、燃料電池が発電を開始する際に該燃料電池のカソードに酸化剤が供 給されたとき、燃料電池用圧力調整装置の開口部が全閉状態となることが好ましい。全閉 状態としたことに伴ってカソードに供給されるエアーの圧力が上昇するので、発電当初の 発電反応を促進させることができるようになるからである。

以上の構成においては、モータがステッピングモータであることが好ましい。ステッピングモータは非接触式であるため、例えば、ステッピングモータの近傍に水素雰囲気があったとしても、好適に使用することが可能となる。

いずれの場合においても、回転軸はベアリングによって軸止され、かつ該ベアリングと前記開口部との間にシール部材が配設されていることが好ましい。これにより、燃料電池スタックの発電に伴って生成した水がモータ等に浸入することを回避することができる。

また、弁体、回転軸、および／またはベアリングがステンレス鋼からなることが好ましい。この場合、燃料電池スタックの発電に伴って生成した水を含む湿潤ガスがこれらの各部材に接触しても、該各部材に錆が発生することが著しく抑制されるからである。

本発明によれば、燃料電池のカソードから酸化剤ガスを排気する場合には、弁体を駆動するモータを滅勢状態（非通電状態）とし、弾性部材の弾発力のみによって通路の全開状態を維持することができる。したがって、車両用燃料電池システムを構成する燃料電池用 圧力調整装置の全開状態を維持するために無駄な電力を消費することがない。

すなわち、本発明によれば、車両用燃料電池システムを運転するために必要な電力を低減することができるという効果が達成される。

以下、本発明に係る車両用燃料電池システムにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に、燃料電池スタック及び燃料電池用圧力調整装置が組み込まれた本実施の形態に 係る燃料電池システム２００を示す。なお、この燃料電池システム２００は、例えば、自動車等の車両に搭載される、車両用のシステムである。

燃料電池システム２００は、例えば、高分子を素材としたイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込むことによって形成されたセルが複数個積層されることによって設けられた燃料電池スタック２０２を含む。

前記セルの各カソードには、酸化剤として酸素を含むエアーが供給され、一方、各アノードには、燃料として水素が供給される。すなわち、カソード側には、酸化剤供給部２０４からのエアーが供給されるエアー供給口２０６と、該カソード内のエアーを外部に排出するためのエアー排出部２０８が接続されたエアー排出口２１０が設けられる。その一方で、アノード側には、燃料供給部２１２からの水素が供給される水素供給口２１４と、水素排出部２１６が接続された水素排出口２１８とが設けられる。

エアー供給口２０６に接続されたエアー供給用通路２１９においては、前記酸化剤供給部２０４と、放熱部２２０と、カソード加湿部２２２とが上流側からこの順序で介装されている。

酸化剤供給部２０４は、例えば、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータ等から構成され、燃料電池スタック２０２で酸化剤ガスとして使用される酸素を含有するエアーを断熱圧縮して圧送する。この断熱圧縮の際にエアーが加熱される。このように加熱された圧縮エアーが、燃料電池スタック２０２の暖機に貢献する。

放熱部２２０は、例えば、図示しないインタークーラ等から構成される。酸化剤供給部２０４から供給されたエアーは、該放熱部２２０に設けられた流路に沿って流通する冷却水と熱交換することによって冷却される。すなわち、エアーは、所定温度に冷却された後、カソード加湿部２２２に導入される。

カソード加湿部２２２は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、放熱部２２０によって所定の温度に冷却されたエアーを所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２のエアー供給口２０６へと供給する。加湿されたエアーは燃料電池スタック２０２に供給され、これに伴って該燃料電池スタック２０２の固体高分子電解質膜に水分が付与されることによって、該膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。

そして、上記したように、燃料電池スタック２０２のエアー排出口２１０にはエアー排出部２０８が接続される。このエアー排出部２０８には、図２に示す本実施の形態に係る燃料電池用圧力調整装置２２１が配設されている。大気中に排気されるエアーの排出量がこの燃料電池用圧力調整装置２２１によって調整されることに伴い、燃料電池スタック２０２（図１参照）のカソードに供給されるエアーの圧力が制御される。

一方、前記水素供給口２１４に接続された水素供給通路２２３には、前記燃料供給部２１２と、圧力制御部２２４と、エゼクタ２２６と、アノード加湿部２２８とが上流側からこの順序で介装されている。また、水素排出口２１８には、循環用通路２３０を介して水素排出部２１６が接続される。

燃料供給部２１２は、例えば、燃料電池に対する燃料として水素を供給する図示しない水素ガスボンベからなり、燃料電池スタック２０２のアノード側に供給される水素が貯蔵される。

圧力制御部２２４は、例えば、空気式の比例圧力制御弁からなる。

ここで、この圧力制御部２２４には、圧力制御用バイパス通路２３２を介してエアーが供給される。すなわち、前記酸化剤供給部２０４から供給されるエアーは、例えば、燃料電池スタック２０２の負荷や図示しないアクセルペダルの操作量等に応じて所定の圧力に設定されて燃料電池スタック２０２に導入される。これに伴い、水素の圧力を調整する必要が生じる。このため、圧力制御用バイパス通路２３２からのエアーの圧力をパイロット圧（信号圧）として、圧力制御部２２４の出口側圧力である二次側圧力を前記パイロット圧に対応した所定範囲の圧力に設定している。

なお、図１から諒解されるように、圧力制御部２２４には、放熱部２２０によって冷却されたエアーが供給される。

エゼクタ２２６は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、圧力制御部２２４から供給された水素は、ノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。ノズル部からディフューザ部に向かって水素が高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、循環用通路２３０を介してアノード側の排出水素が吸引される。エゼクタ２２６で混合された水素および排出水素はアノード加湿部２２８へと供給され、燃料電池スタック２０２から排出された排出水素は、エゼクタ２２６を介して循環するように設けられている。

このように、燃料電池スタック２０２の水素排出口２１８から排出された未反応の排出水素は、循環用通路２３０を介してエゼクタ２２６に導入され、圧力制御部２２４から供給された水素と、燃料電池スタック２０２から排出された排出水素とが混合されて燃料電池スタック２０２に再び供給されるように設けられている。

アノード加湿部２２８は、例えば、水透過膜を備えて構成され、該水透過膜の一端面から他端面に水分を透過させることにより、エゼクタ２２６から導出された燃料を所定の湿度に加湿して燃料電池スタック２０２の水素供給口２１４へと供給している。すなわち、水素もエアー同様に加湿された状態で燃料電池スタック２０２に供給され、これにより、前記固体高分子電解質膜のイオン伝導度が一定値以上に確保される。

水素排出口２１８には、例えば、図示しない排出制御弁を有する水素排出部２１６が循環用通路２３０を介して接続される。前記排出制御弁は、燃料電池スタック２０２の運転状態に応じて開閉動作が制御され、例えば、図示しない貯留タンクによって分離された排出ガス中の過剰な水分（主に液体水）等が車両外部に排出される。

このように構成された燃料電池スタック２０２では、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するように設定されている。

次に、図２および図３に基づき、エアー排出部２０８を構成する燃料電池用圧力調整装置２２１を詳細に説明する。

燃料電池用圧力調整装置２２１は、カソードのエアー排出口２１０を外部に連通する通路２２５（開口部）が形成されたボデイ２５０と、シール部材２５２および連結板２５４を介してボルト２５５によりボデイ２５０に装着されるモータハウジング２５６とを備える。

モータハウジング２５６には、駆動源であるステッピングモータ２５８が収容される。ステッピングモータ２５８は、ロータ２６０とステータ２６２とから構成されており、このうち、ロータ２６０の中心には、駆動軸２６４が配設される。該駆動軸２６４の一端部は、ベアリング２６６ａを介してモータハウジング２５６に軸支され、かつ他端部はベアリング２６６ｂを介して連結板２５４に軸支される。

駆動軸２６４の他端部は、連結板２５４を貫通してボデイ２５０内に臨入し、その先端には、駆動板２６８が装着される。この駆動板２６８は、図３に示すように、一部が通路２２５側に起立し、後述する連結スプリング３０６の端部を係止する係止溝２６９が形成された係止部２７０を有する。また、駆動板２６８には、通路２２５側に突出し、後述する弁体を全開位置に位置決めするための位置決め部２７２が設けられる。一方、ボデイ２５０の所定部位には、位置決め部２７２が当接することで、弁体を全開位置に位置決めするストッパピン２７４が配設される。

図２および図３に示すように、ボデイ２５０の通路２２５には、回転軸としてのバルブシャフト２７６に連結部材としてのボルト２７７ａ、２７７ｂにて固定され、通路２２５の開度を制御する弁体２７８が配設される。バルブシャフト２７６の各端部は、ベアリング２８０ａ、２８０ｂおよびシール部材２８２ａ、２８２ｂを介してボデイ２５０に軸支される（図２参照）。この場合、バルブシャフト２７６、ボルト２７７ａ、２７７ｂ、弁体２７８、および、ベアリング２８０ａ、２８０ｂは、全てステンレス鋼からなる。

なお、ベアリング２８０ａ、２８０ｂは、カラー２８１ａ、２８１ｂによって保持される。また、シール部材２８２ａ、２８２ｂは、通路２２５から離間する方向に傾斜した状態でバルブシャフト２７６を周回する第１リップ部２８４ａと、通路２２５側に傾斜した状態でバルブシャフト２７６を周回する第２リップ部２８４ｂとを有する。これらの第１リップ部２８４ａおよび第２リップ部２８４ｂにより、通路２２５からボデイ２５０側へのガス漏れ、およびボデイ２５０側から通路２２５への不純物、例えば、ベアリング２８０ａ、２８０ｂの潤滑グリース等の侵入を確実に阻止することができる。

ベアリング２８０ａ側のバルブシャフト２７６の端部に近接して、弁体２７８の通路２２５に対する開度を検出する開度センサ２８６が配設される。開度センサ２８６は、例えば、バルブシャフト２７６の端部に埋め込まれたマグネットからの磁界を検出することで、バルブシャフト２７６の回動位置を検出するホール素子によって構成することができる。

一方、バルブシャフト２７６のベアリング２８０ｂ側の端部には、カラー２８８を介して受け部材２９０が固定される。バルブシャフト２７６を支持するボス部２９２の外周部には、弁体２７８を全開状態に付勢するための全開スプリング２９４（弾性部材）が配設される。この場合、図２に示すように、全開スプリング２９４の一端部がボデイ２５０の段部２９６に係合し、かつ他端部が受け部材２９０に形成した孔部２９８に係合することによって、ボデイ２５０と受け部材２９０とが連結されている。換言すれば、ボデイ２５０と受け部材２９０とは、全開スプリング２９４を介して連結されている。

また、受け部材２９０には、被動板３００が固定される。この被動板３００には、中央部に周回する溝部３０２が形成されており、該溝部３０２には、受け部材２９０の端面に設けられた突起部３０３が挿入されている。

さらに、被動板３００の溝部３０２には、受け部材３０４が固定される。この受け部材３０４の側周壁には、バルブシャフト２７６とステッピングモータ２５８の駆動軸２６４とを連結する連結スプリング３０６が巻回される。この場合、連結スプリング３０６は、一端部が被動板３００の突起部３０３に係合し、他端部が駆動板２６８の係止部２７０に形成した係止溝２６９に係合する。

これにより、被動板３００に設けられた係合部３００ａが位置決め部２７２の裏面に当接係合するようになっている。

本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。

燃料電池スタック２０２が発電していない休止状態にあるとき、燃料電池用圧力調整装置２２１の弁体２７８は、通路２２５を介してエアー排出口２１０を外部に連通する全開状態に設定されている（図２参照）。

燃料電池スタック２０２による発電を開始する際、カソードに対して圧力の高いエアーを供給して発電反応を促進させるため、弁体２７８を一旦全閉状態とし、通路２２５を遮断する。

この際にはステッピングモータ２５８が付勢され、これに伴って、駆動軸２６４が弁閉方向に回動される。このとき、駆動軸２６４に固定されている駆動板２６８が回動するとともに被動板３００が回動する。被動板３００は、バルブシャフト２７６に固定されているため、バルブシャフト２７６が図２の状態から９０゜回動することで弁体２７８が通路２２５を閉塞する。

この場合、ボデイ２５０におけるボス部２９２の外周部に配設されている全開スプリング２９４には、該全開スプリング２９４の一端部がボデイ２５０に係合し、かつ他端部がバルブシャフト２７６とともに回動する受け部材２９０に係合しているために捻られ、これにより弁体２７８を全開方向に付勢する弾発力が蓄勢されることになる。

以上のようにして、燃料電池用圧力調整装置２２１により通路２２５が遮断された状態において、エアーは、酸化剤供給部２０４によって圧縮された後、放熱部２２０によって所定温度に冷却され、カソード加湿部２２２で加湿されてエアー供給口２０６からカソードに供給される。一方、燃料供給部２１２から供給された水素は、圧力制御部２２４において、圧力制御用バイパス通路２３２から供給されるエアーによるパイロット圧により所定圧に調整された後、エゼクタ２２６を介してアノード加湿部２２８で加湿され、水素供給口２１４からアノードに供給される。この結果、燃料電池スタック２０２による発電が開始される。なお、カソードに供給されるエアーの圧力は、燃料電池用圧力調整装置２２１を弁閉止状態とすることで上昇しているため、発電当初の発電反応が促進される。

次に、発電状態が安定した後、所望の目標発電電流に従って燃料電池用圧力調整装置２２１が開弁制御され、燃料電池スタック２０２に供給するエアーの圧力が制御される。すなわち、ステッピングモータ２５８は、前述した場合と同様にして付勢され、弁体２７８が目標発電電流に応じた所定角度に開弁する。

このように、本実施の形態においては、バルブシャフト２７６を回動付勢する駆動源としてステッピングモータ２５８を採用しているので、弁体２７８の開度を容易に調整することができる。この開度調整に伴って燃料電池スタック２０２のカソードに供給されるエアーの流量・圧力が調整され、結局、該燃料電池スタック２０２の発電量を容易に制御することができる。

また、ステッピングモータ２５８は非接触型であるため、例えば、該ステッピングモータ２５８の近傍に水素雰囲気が存在する場合であっても、好適に使用することが可能となる。

ここで、弁体２７８を全開位置とするには、ステッピングモータ２５８への通電を停止する。

すなわち、ステッピングモータ２５８が滅勢されると、蓄勢された全開スプリング２９４の弾発力により、受け部材２９０および被動板３００を介してバルブシャフト２７６が弁体２７８を開弁する方向に回動する。このとき、被動板３００とともに駆動板２６８が回動する。

バルブシャフト２７６の回動によって弁体２７８が全開位置まで到達すると、駆動板２６８に形成された位置決め部２７２がストッパピン２７４に当接するため、駆動板２６８の回動が阻止される。

また、燃料電池スタック２０２による発電が停止された場合においても、燃料電池用圧力調整装置２２１は、弁体２７８を全開状態とし、エアー排出口２１０から水を含むエアーを外部に排出できる状態に設定される。

このように、本実施の形態によれば、燃料電池スタック２０２の運転中または運転停止時に弁体２７８を全開にする場合、ステッピングモータ２５８への通電を停止すればよい。換言すれば、弁体２７８を全開にする際、ステッピングモータ２５８に通電する必要は特にない。このため、燃料電池システム２００を運転させるために必要な計装電力を低減することができ、結局、燃料電池システム２００を低電力で運転することができる。

なお、上記したように、燃料電池スタック２０２のカソードにおいては、水素イオン、酸素および電子が電気化学的反応を起こすことによってＨ₂Ｏが生成する。すなわち、通路２２５には、水ないし水蒸気を含んだ湿潤ガスが通過する。

しかしながら、上記したように、バルブシャフト２７６、ボルト２７７ａ、２７７ｂ、弁体２７８、およびベアリング２８０ａ、２８０ｂがステンレス鋼からなるので、これらの部材に錆が生じることが著しく抑制される。このため、バルブシャフト２７６や弁体２７８が確実に動作するので、確実に閉止・開放する燃料電池用圧力調整装置２２１を構成することができる。

また、湿潤ガス中の水分が、例えば、弁体２７８に付着した後に凝縮して水が生成した場合であっても、この水は、弁体２７８とベアリング２８０ａ、２８０ｂとの間に介在されたシール部材２８２ａ、２８２ｂによって堰止される。すなわち、水がボデイ２５０側や開度センサ２８６側に流入することはない。このため、ステッピングモータ２５８や開度センサ２８６の各電気回路に水が混入することによって錆が発生したり、短絡が惹起されたりする等の不具合を回避することもできる。

燃料電池スタック及び燃料電池用圧力調整装置が組み込まれた本実施の形態 に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。 図１の燃料電池用圧力調整装置の要部概略断面構成図である。 図２に示す燃料電池用圧力調整装置の要部構成図である。

符号の説明

２００…燃料電池システム ２０２…燃料電池スタック
２０４…酸化剤供給部 ２０６…エアー供給口
２１２…燃料供給部 ２１４…水素供給口
２１９…エアー供給用通路 ２２０…放熱部
２２１…燃料電池用圧力調整装置 ２２２…カソード加湿部
２２３…水素供給通路 ２２４…圧力制御部
２２５…通路 ２２６…エゼクタ
２２８…アノード加湿部 ２３０…循環用通路
２３２…圧力制御用バイパス通路 ２５０…ボデイ
２５８…ステッピングモータ ２６４…駆動軸
２６６ａ、２６６ｂ、２８０ａ、２８０ｂ…ベアリング
２６８…駆動板 ２６９…係止溝
２７２…位置決め部 ２７４…ストッパピン
２７６…バルブシャフト ２７８…弁体
２８２ａ、２８２ｂ…シール部材 ２８４ａ、２８４ｂ…リップ部
２９０、３０４…受け部材 ２９４…全開スプリング
２９６…段部 ２９８…孔部
３００…被動板 ３０６…連結スプリング

Claims (2)

1. 車両に搭載される燃料電池と、前記燃料電池のカソードに供給された酸化剤を排気する排気ラインに配設され、排出される前記酸化剤の排出量を制御することで前記カソード内における前記酸化剤の圧力を調整する燃料電池用圧力調整装置とを有する車両用燃料電池 システムであって、
   前記燃料電池用圧力調整装置は、前記酸化剤が通過する開口部と、
   前記開口部を開放または閉止する弁体と、
   前記弁体が連結された回転軸を、前記開口部が開放する方向に回動付勢する弾性部材と、
   前記弾性部材による前記弁体の回動位置を規制し、前記開口部を全開状態に設定する規制部材と、
   通電された際、前記弾性部材の弾発力に抗して前記開口部が閉止する方向に前記弁体を回動するモータと、
   を備え、
   前記燃料電池が休止状態にあるとき、前記開口部が全開状態となることを特徴とする車 両用燃料電池システム。
2. 請求項１記載の車両用燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が発電を開始する際に 前記燃料電池の前記カソードに酸化剤が供給されたとき、前記燃料電池用圧力調整装置の 前記開口部が全閉状態となることを特徴とする車両用燃料電池システム。

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