JP5002921B2

JP5002921B2 - 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

Info

Publication number: JP5002921B2
Application number: JP2005214615A
Authority: JP
Inventors: 久新岡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: JP2007035369A

Description

本発明は、燃料電池の燃料極から排出される反応ガスを循環させて再利用する燃料電池システムに係り、特に凝縮水によってパージ弁が凍結することを防止する燃料電池システム及びその凍結防止方法に関する。

一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。

この固体高分子型燃料電池では、安定した発電を行うために燃料極への水素の供給量は、発電に必要な量よりも多く供給する必要があり、燃料電池の出口からは化学反応しなかった余剰の水素が排出される。そこで、水素の利用効率を向上させるために排出される残燃料を循環ポンプによって再び供給側へ循環させて再利用している。

このような水素を循環させる燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスとして空気を用いると、燃料電池における反応で使用されることのない窒素などの不純物は燃料電池の電解質膜を通じて酸化剤極から燃料極へ透過し、水素循環流路内に蓄積されていく。そこで、水素循環流路から外部に不純物を排出するための排出流路を設置し、この排出流路にパージ弁を設置して不純物の排出をコントロールしていた。

一方で、水素循環流路には燃料電池における反応によって凝縮水が生じるので、凝縮水タンクを設置して凝縮水を溜めている。そして、溜まった凝縮水を排出する際に、水素が外部に放出されることがないように凝縮水を溜めたタンクの底部に水を残してシールしていた。しかし、この水が燃料電池システムの低温起動時に凍結してパージ弁が動作せず、車外に排出できなくなる場合があった。そこで、従来では外部ヒータを取り付けることによって水素循環流路内を加温してパージ弁の凍結を防止していた。

また、凍結を防止するために燃料電池の運転終了後、装置内の水を外部へ排出することも行なわれており、このような燃料電池装置の従来例として、例えば特開平１１−２７３７０４号公報（特許文献１）が開示されている。

この従来例では、燃料電池装置の運転終了後に凍結防止ボタンを押すと、温度センサで外気温が凍結温度以下かどうかを判断し、凍結温度以下の場合には装置内の水を外部に排出するようにしていた。
特開平１１−２７３７０４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、循環ポンプを駆動して水を外部へ放出していたので、余分な電力が必要になるという問題点があった。

また、外部ヒータを取り付けて凍結を防止する場合には余分な電力が必要になるだけでなく、装置のレイアウトが大きくなってしまうという問題点もあった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出された反応ガスを循環させる燃料循環流路と、前記燃料循環流路から前記反応ガスを外部へ排出する排出流路と、前記排出流路に設置されて前記反応ガスの排出を制御するパージ弁とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転を停止させる際、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、その後に前記燃料電池内に残った燃料ガスを消費させて前記燃料循環流路内を負圧にし、その後に前記パージ弁を所定時間開放するように制御する制御手段を備えていることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムの凍結防止方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出された反応ガスを循環させる燃料循環流路と、前記燃料循環流路から前記反応ガスを外部へ排出する排出流路と、前記排出流路に設置されて前記反応ガスの排出を制御するパージ弁とを備えた燃料電池システムの凍結防止方法であって、前記燃料電池の運転を停止させる際、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、その後に前記燃料電池内に残った燃料ガスを消費させて前記燃料循環流路内を負圧にし、その後に前記パージ弁を所定時間開放するように制御することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の運転を停止させる際、燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、その後に燃料電池内に残った燃料ガスを消費させて燃料循環流路内を負圧にし、その後にパージ弁を所定時間開放するように制御するので、パージ弁から外部の空気を取り込んでパージ弁に溜まった水を取り除くことができる。これによって循環ポンプを駆動したり、外部ヒータを作動させたりする必要がなくなり、余分な電力を消費せずにパージ弁の凍結を防止することができる。さらに、外部ヒータなどの新たな装置を追加して取り付ける必要もないので、レイアウトを大きくすることもなくパージ弁の凍結を防止することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本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１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池システム１を制御するコントロールユニット（制御手段）３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から燃料電池２への水素ガスの供給を制御する水素調圧弁５と、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力を検出する水素ガス圧力センサ６と、燃料電池２で消費されなかった水素ガスを再循環させる燃料循環流路７と、燃料循環流路７内の水素ガスを循環させる循環ポンプ８と、燃料循環流路７に生じた凝縮水を貯蔵する凝縮水タンク（凝縮水貯蔵手段）９と、凝縮水タンク９の水位を検出する水位センサ１０と、燃料電池２のアノードから排出された反応ガスを外部へ排出する排出流路１１と、排出流路１１に設置されて反応ガスの排出を制御するパージ弁１２と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池２のカソードに供給するコンプレッサ１３と、燃料電池２に供給される空気の圧力を検出する空気圧力センサ１４と、燃料電池２における空気の圧力を調整する空気調圧弁１５と、外部の温度を検出する温度センサ１６とを備えている。

ここで、燃料電池２は、燃料電池単セルを積層させた燃料電池スタックによって構成され、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ（２）
コントロールユニット３は、燃料電池システム１における各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに従って各構成部品に指令を送り、本システムの制御を行っている。特に水素ガス圧力センサ６や空気圧力センサ１４、水位センサ１０、温度センサ１６による検出値に基づいて、水素調圧弁５やパージ弁１２、空気調圧弁１５の開度を制御するとともに、循環ポンプ８とコンプレッサ１３の回転数を制御して燃料電池システム１による発電及び凍結防止処理をコントロールしている。

水素タンク４は、燃料ガスとして高圧の水素ガスを貯蔵している。

水素調圧弁５は、コントロールユニット３からの指令により、その開度が制御され、燃料電池２に供給される水素ガスの流量を制御し、これによって燃料電池２の入口における水素ガスの圧力を制御している。

水素ガス圧力センサ６は、燃料電池２のアノード入口における水素ガスの圧力を検出し、コントロールユニット３に検出値を出力している。

循環ポンプ８は、コントロールユニット３からの指令により、その回転数が制御され、燃料電池２から燃料循環流路７に排出された反応ガスの中から未使用の水素を吸い込み、再度燃料電池２へ供給している。

凝縮水タンク９は、燃料電池２における反応で生成された凝縮水を貯蔵しており、その底部には排出流路１１が接続されている。

水位センサ１０は、凝縮水タンク９の水位を検出し、コントロールユニット３に検出値を出力している。

排出流路１１は、凝縮水タンク９の底部に接続されてパージ弁１２を介して反応ガスを外部に排出している。また、凝縮水タンク９とパージ弁１２との間にはパージ弁１２の設置されている位置よりも低い位置を通過するように曲げられた屈曲部１７が設けられている。そして、通常の運転時には凝縮水タンク９から屈曲部１７あるいはパージ弁１２の位置まで凝縮水が満たしており、凝縮水の排出時に水素ガスが外部に排出されないようにシールしている。また、この屈曲部１７の他の実施例を図２に示す。

コンプレッサ１３は、コントロールユニット３からの指令により、その回転数が制御され、外部から酸化剤ガスである空気を吸入し、圧縮して燃料電池２に供給している。このとき供給する空気の流量を制御し、これによって燃料電池２の入口における空気の圧力を制御している。

空気圧力センサ１４は、燃料電池２のカソード入口における空気の圧力を検出し、コントロールユニット３に検出値を出力している。

空気調圧弁１５は、コントロールユニット３からの指令により、その開度が制御され、燃料電池２に供給される空気の流量を制御し、これによって燃料電池２における空気の圧力を制御している。

温度センサ１６は、外部温度を検出し、コントロールユニット３に検出値を出力している。

このように構成された燃料電池システム１において、通常の運転時には水素タンク４から水素調圧弁５を通じて水素ガスが循環ポンプ８に供給され、循環ポンプ８は供給された水素ガスを燃料電池２のアノードに供給する。一方、空気はコンプレッサ１３によって外部から取り入れられ、加圧されて燃料電池２のカソードに供給される。そして、燃料電池２では供給された水素ガスと空気とを反応させて発電し、アノードで消費されなかった水素ガスは燃料循環流路７に排出され、排出された未使用の水素ガスは循環ポンプ８に吸引されて燃料電池２のアノードに再び供給される。

このとき、燃料電池２のアノードにおける反応で生じた凝縮水は、凝縮水タンク９に貯蔵される。また、燃料電池２のアノードに窒素などの不純物が蓄積すると、パージ弁１２を開放して排出流路１１から不純物である窒素を外部へ排出する。また、パージ弁１２は燃料電池２の水詰まりによってセル電圧が低下したときにも詰まった水を吹き飛ばすために開放される。さらに、燃料電池２の起動時には水素供給系を水素ガスで置換するためにパージ弁１２が開放されて水素供給系内にあるガスの排出を行う。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による凍結防止処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３に示すように、まず燃料電池２の運転を停止する信号がコントロールユニット３に入力されると（Ｓ３０１）、コントロールユニット３は水素調圧弁５を閉じ、循環ポンプ８を停止させて燃料電池２への水素ガスの供給を停止する（Ｓ３０２）。一方で、燃料電池２における発電は所定時間継続して行われるように制御し、燃料電池２内や燃料循環流路７内に残った水素ガスを消費させ（Ｓ３０３）、燃料循環流路７内を負圧にする。

その後、所定時間が経過したか否かをコントロールユニット３が監視し（Ｓ３０４）、所定時間が経過するとパージ弁１２を開放する（Ｓ３０５）。これによって、外部の空気がパージ弁１２から流入してパージ弁１２付近に溜まった凝縮水を屈曲部１７に移動させて取り除くことができる。したがって、凝縮水がパージ弁１２に接触することはなくなり、その後に外気温が低下したとしてもパージ弁１２が凍結することはなくなる。

こうしてパージ弁１２に溜まった凝縮水が取り除かれると、パージ弁１２を閉じて（Ｓ３０６）本実施形態の燃料電池システム１による凍結防止処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池２への水素ガスの供給を停止したときに、燃料電池２内に残った水素ガスを消費させて燃料循環流路７内を負圧にし、その後にパージ弁１２を所定時間開放するように制御するので、パージ弁１２から外部の空気を取り込んでパージ弁１２に溜まった水を取り除くことができる。これによって循環ポンプ８を駆動したり、外部ヒータを作動させたりする必要なく、余分な電力を消費せずにパージ弁１２の凍結を防止することができる。さらに、外部ヒータなどの新たな装置を追加して取り付ける必要もないので、レイアウトを大きくすることもなくパージ弁１２の凍結を防止することができる（請求項１、５の効果）。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料循環流路７に生じた凝縮水を貯蔵する凝縮水タンク９を備え、この凝縮水タンク９の底部に排出流路１１を接続し、凝縮水タンク９とパージ弁１２との間の排出流路１１に、パージ弁１２の設置されている位置よりも低い位置を通過するように曲げられた屈曲部１７を設置したので、凝縮水タンク９の底部に水を溜めて凝縮水の排出時に水素ガスを排出しないようにシールすることができる。さらに、外部の空気を取り込んでパージ弁１２から取り除いた凝縮水を、屈曲部１７に溜めてパージ弁１２に凝縮水が接触することを防ぐので、パージ弁１２の凍結を防止することができる（請求項２、６の効果）。

さらに、燃料電池車では傾斜した場所に停車させると、凝縮水が偏って凍結し、低温での起動が困難になる場合があるが、本実施形態の燃料電池システム１を車両に搭載した場合には、燃料循環流路７内の負圧を利用して空気を吸入しているので、どのような傾斜の場所に車両を停車させたとしても凍結を防止することができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、本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４に示すように、本実施形態の燃料電池システム４１は、凝縮水タンク９から溢れた凝縮水を貯蔵するオーバーフロータンク（オーバーフロー貯蔵手段）４２と、オーバーフロータンク４２から外部に凝縮水を排出するオーバーフロー排出流路４３と、オーバーフロー排出流路４３に設置されたオーバーフロー弁４４と、排出流路１１のパージ弁１２よりも外部側に設置された排出流路圧力センサ（圧力検出手段）４５と、排出流路圧力センサ４５のさらに外部側に設置されたオリフィス４６とをさらに備えている。ただし、その他の構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

このように構成された本実施形態の燃料電池システム４１では、システムの起動時に正常にパージ弁１２が作動していると、オリフィス４６が設置されているので排出流路圧力センサ４５で検出される圧力は上昇していく。

しかし、システムの低温起動時にパージ弁１２が凍結していると、排出流路圧力センサ４５で検出される圧力は上昇しない。そこで、システムの起動時に排出流路圧力センサ４５で検出された圧力が所定の圧力以上に上昇しない場合には、コントロールユニット３によってパージ弁１２が凍結して作動していないと判断される。

そして、起動後の時間の経過とともにパージ弁１２が開かないことによって凝縮水が凝縮水タン９に溜まっていき、溜まった凝縮水はオーバーフロータンク４２へと溢れて流入していく。このときパージ弁１２が作動していないことを検出しているコントロールユニット３は、オーバーフロー弁４４を開放して凝縮水を外部に排出するように制御する。尚、オーバーフロータンク４２やオーバーフロー弁４４は通常は使用されていないため、水が溜まっていることはなく凍結することはない。

このように、本実施形態の燃料電池システム４１では、排出流路圧力センサ４５で検出された圧力に基づいてパージ弁１２が作動していないと判断されたときには、オーバーフロー弁４４を開放して凝縮水を外部へ排出するので、パージ弁１２が凍結して作動しない場合でも燃料電池システム４１の低温起動を遅らせることなく、効率よく起動させることができる（請求項３、７の効果）。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、本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５に示すように、本実施形態の燃料電池システム５１は、凝縮水タンク９と排出流路１１との接続部にフィルタ５２を設置したことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成については第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

このように構成された本実施形態の燃料電池システム５１では、通常の運転時にはフィルタ５２が凝縮水に含まれる異物を除去している。そして、フィルタ５２に付着した異物が多くなり、燃料電池システム４１の停止時やアイドルストップ時に圧損が大きくなると、コントロールユニット３が第１の実施形態で説明した凍結防止処理を実施して凝縮水を逆流させ、これによってフィルタ５２に付着した異物を除去してフィルタ５２の詰まりを解消する。

このように本実施形態の燃料電池システム５１では、凝縮水タンク９と排出流路１１との接続部にフィルタ５２を設置したので、凝縮水の異物を除去できるとともに、フィルタ５２に異物が付着して圧損が大きくなった場合でも凍結防止処理を実施して凝縮水を逆流させ、フィルタ５２の詰まりを解消することができる。これによって、フィルタ５２の詰まりによる圧損の低下を解消して効率よく運転することができる（請求項４、８の効果）。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

燃料電池の燃料極から排出される反応ガスを循環させて再利用する燃料電池システムに係り、特に凝縮水によってパージ弁が凍結することを防止するための技術として極めて有用である。

本発明の第１の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。本発明の燃料電池システムにおける排出流路の他の実施例を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる凍結防止処理を示すフローチャートである。本発明の第２の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。本発明の第３の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。

符号の説明

１、４１、５１燃料電池システム
２燃料電池
３コントロールユニット（制御手段）
４水素タンク
５水素調圧弁
６水素ガス圧力センサ
７燃料循環流路
８循環ポンプ
９凝縮水タンク（凝縮水貯蔵手段）
１０水位センサ
１１排出流路
１２パージ弁
１３コンプレッサ
１４空気圧力センサ
１５空気調圧弁
１６温度センサ
１７屈曲部
４２オーバーフロータンク（オーバーフロー貯蔵手段）
４３オーバーフロー排出流路
４４オーバーフロー弁
４５排出流路圧力センサ（圧力検出手段）
４６オリフィス
５２フィルタ

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出された反応ガスを循環させる燃料循環流路と、前記燃料循環流路から前記反応ガスを外部へ排出する排出流路と、前記排出流路に設置されて前記反応ガスの排出を制御するパージ弁とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転を停止させる際、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、その後に前記燃料電池内に残った燃料ガスを消費させて前記燃料循環流路内を負圧にし、その後に前記パージ弁を所定時間開放するように制御する制御手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料循環流路に生じた凝縮水を貯蔵する凝縮水貯蔵手段をさらに備え、
前記凝縮水貯蔵手段の底部に前記排出流路を接続し、前記凝縮水貯蔵手段と前記パージ弁との間の排出流路には、前記パージ弁の設置されている位置よりも低い位置を通過するように曲げられた屈曲部が設けられてい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。
前記凝縮水貯蔵手段から溢れた凝縮水を貯蔵するオーバーフロー貯蔵手段と、
前記オーバーフロー貯蔵手段から外部に凝縮水を排出するオーバーフロー排出流路と、
前記オーバーフロー排出流路に設置されたオーバーフロー弁と、
前記排出流路の前記パージ弁よりも外部側に設置された圧力検出手段とをさらに備え、
前記制御手段は、前記圧力検出手段で検出された圧力に基づいて前記パージ弁が作動していないと判断したときには、前記オーバーフロー弁を開放して凝縮水を外部へ排出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記凝縮水貯蔵手段と前記排出流路との接続部にフィルタを設置したことを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の燃料電池システム。
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の燃料極から排出された反応ガスを循環させる燃料循環流路と、前記燃料循環流路から前記反応ガスを外部へ排出する排出流路と、前記排出流路に設置されて前記反応ガスの排出を制御するパージ弁とを備えた燃料電池システムの凍結防止方法であって、
前記燃料電池の運転を停止させる際、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、その後に前記燃料電池内に残った燃料ガスを消費させて前記燃料循環流路内を負圧にし、その後に前記パージ弁を所定時間開放するように制御することを特徴とする燃料電池システムの凍結防止方法。
前記燃料循環流路に凝縮水貯蔵手段を設置し、前記凝縮水貯蔵手段の底部に前記排出流路を接続して前記凝縮水貯蔵手段と前記パージ弁との間の排出流路には、前記パージ弁の設置されている位置よりも低い位置を通過するように曲げられた屈曲部を設けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの凍結防止方法。
前記凝縮水貯蔵手段から溢れた凝縮水を貯蔵するオーバーフロー貯蔵手段と、前記オーバーフロー貯蔵手段から外部に凝縮水を排出するオーバーフロー排出流路と、前記オーバーフロー排出流路に設置されたオーバーフロー弁と、前記排出流路の前記パージ弁よりも外部側に設置された圧力検出手段とを設け、
前記圧力検出手段で検出された圧力に基づいて前記パージ弁が作動していないと判断されたときには、前記オーバーフロー弁を開放して凝縮水を外部へ排出することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの凍結防止方法。
前記凝縮水貯蔵手段と前記排出流路との接続部にフィルタを設置したことを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の燃料電池システムの凍結防止方法。