JP5005668B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のカソードを封鎖する封鎖手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時にアノード側の水素が膜（イオン交換膜）を通ってカソードに移動し、逆にカソードの空気が膜を通ってアノードに移動するクロスリークによって、カソードおよびアノードのそれぞれの極において水素と酸素とが化学反応して燃料電池が劣化するという現象が発生する。これを防止するための手段として、燃料電池のカソードの出入口に遮断弁を設けて、燃料電池の発電停止後に各遮断弁を閉じてカソードを封鎖する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−２１８０７２号公報（図１）

ところで、燃料電池システムでは発電によって生成された水によってカソードの電極表面が覆われると、空気（酸化剤ガス）の供給が阻害されて発電性能が低下するため、燃料電池のカソードの出口に、燃料電池からカソードオフガスを排出する流路とは別に生成水を排出するためのドレン通路を設ける技術が提案されている。しかし、このようなドレン通路を設けた場合、燃料電池のカソードの出入口とともにドレン通路にも封止弁（開閉弁）を設ける必要があり、システム構成が複雑化するという課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、生成水を排出するドレン通路を備える燃料電池システムにおいて、カソードを封鎖する構成を簡素化す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。

本発明は、内部にアノード流路とカソード流路とを有し、前記アノード流路を介してアノードに燃料ガスが供給され、前記カソード流路を介してカソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、前記カソード流路からの酸化剤オフガスを排出する酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉弁と、前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉弁と、前記燃料電池の発電停止後に前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを閉状態として前記カソードを封鎖するカソード封鎖手段と、前記酸化剤ガス流路の供給側を流通する酸化剤ガスと前記酸化剤ガス流路の排出側を流通する酸化剤オフガスとの間で水分交換を行う加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の内部に前記カソード流路とは別に設けられ、上流端が前記カソード流路と接続された排水路と、上流側の端部が前記排水路の下流端と接続されて、前記カソードからの生成水を排出するドレン通路と、前記ドレン通路を前記酸化剤ガス流路の排出側における前記加湿器の下流の流路に接続する接続部と、を備え、前記第１の開閉弁を前記加湿器の上流に設置するとともに、前記第２の開閉弁を前記接続部の下流に設置し、前記燃料電池の発電中において前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とは開状態であり、前記ドレン通路内の圧力と前記酸化剤ガス流路の排出側の流路の圧力との圧力差により、前記生成水を排出可能としたことを特徴とする。

これによれば、燃料電池の出口側の第２の開閉弁を、酸化剤ガス流路のドレン通路が合流する接続部（合流部）の下流に配置することで、燃料電池の出口とドレン通路とを１つの弁（第２の開閉弁）で同時に封鎖することができ、ドレン通路専用の封止弁を廃止することが可能になる。しかも、燃料電池のカソードとともに加湿器を封鎖することにより、燃料電池の発電停止中において膜（電解質膜）が過度に乾燥するのを防止することが可能になる。

また、前記排水路の上流端は、前記カソード流路の前記酸化剤ガス流路の排出側と接続される出口とは前記燃料電池を構成する単セルの積層方向の反対側で当該カソード流路と接続されるとともに、前記排水路は、前記カソード流路よりも天地方向の下側において前記カソード流路の出口側に向けて延びていることを特徴とする。
また、前記酸化剤ガス流路の排出側には、前記カソードへの前記酸化剤ガスの流量を調整する流量調整弁が設けられ、前記第２の開閉弁は、前記流量調整弁よりも前記燃料電池側に位置していることを特徴とする。これによれば、燃料電池の出口側を封鎖する第２の開閉弁を流量調整弁よりも燃料電池側（上流側）に配置することで、流量調整弁の負圧シール対策が不要となり、流量調整弁のシール構造を簡素化できる。ちなみに、カソードの第１の開閉弁と第２の開閉弁との間が負圧になるのは、例えば、封鎖されたカソードの酸化剤ガスがアノードの燃料ガスと反応して消費されることによる。

本発明によれば、生成水を排出するドレン通路を備える燃料電池において、カソードを封鎖する構成を簡素化することができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２（ａ）ドレン通路を示す概略図、（ｂ）はドレン通路への生成水の排出作用を示す説明図、図３は燃料電池の発電停止後の制御を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、他の車両、船舶や航空機、家庭用や業務用の定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、カソード系２０、アノード系３０、制御部５０などで構成されている。

燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を一対のセパレータ（不図示）で挟持してなる単セル（不図示）が複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）、これを挟持するアノードおよびカソードなどを備えている。カソードおよびアノードは、白金等の触媒がカーボンブラック等の触媒担体に担持された電極触媒層である。また、カソードに対向するセパレータの表面には、空気（酸化剤ガス）が流通するカソード流路１０ａが形成され、アノードに対向するセパレータの表面には、水素（燃料ガス）が流通するアノード流路１０ｂが形成されている。

また、燃料電池１０には、カソード流路１０ａとは別に生成水を排出するためのドレン通路の一部を構成する排水路１０ｃが形成されている。この排水路１０ｃは、例えば、図２に示すように、燃料電池１０のカソード流路１０ａ側の出口１０ａ１とは反対側（単セルの積層方向とは反対側）の位置でカソード流路１０ａと連通し、カソード流路１０ａよりも天地方向（上下方向）の下側において出口１０ａ１側に向けて延びて形成されている。

図１に示すように、カソード系２０は、エアコンプレッサ２１、第１の開閉弁２２、加湿器２３、第２の開閉弁２４、背圧弁（流量調整弁）２５、ドレン配管２６，２７、オリフィス２８，２９、酸化剤ガス配管（酸化剤ガス流路）Ｌ１〜Ｌ７などで構成されている。

エアコンプレッサ２１は、下流に設けられた第１の開閉弁２２と酸化剤ガス配管Ｌ１を介して接続され、第１の開閉弁２２は、下流に設けられた加湿器２３の空気の入口と酸化剤ガス配管Ｌ２を介して接続され、加湿器２３の空気の出口は、下流に設けられた燃料電池１０のカソード流路１０ａの入口と酸化剤ガス配管Ｌ３を介して接続されている。

また、燃料電池のカソード流路１０ａの出口は、下流に設けられた加湿器２３のカソードオフガスの入口と酸化剤ガス配管Ｌ４を介して接続され、加湿器２３のカソードオフガスの出口は、下流に設けられた第２の開閉弁２４と酸化剤ガス配管Ｌ５を介して接続され、第２の開閉弁２４は、下流に設けられた背圧弁２５と酸化剤ガス配管Ｌ６を介して接続され、背圧弁２５は、酸化剤ガス配管Ｌ７を介して図示しない希釈器と接続されている。なお、図示しない希釈器は、アノード側から排出された水素を所定の濃度に希釈する機能を有し、図示しない配管を介して大気（外部）と連通している。

エアコンプレッサ２１は、例えばモータで駆動される機械式の過給器であり、外気（空気）を圧縮して燃料電池１０のカソードに向けて供給する。

第１の開閉弁２２は、例えば電磁作動式のもので構成され、供給側の酸化剤ガス流路（酸化剤ガス配管Ｌ１〜Ｌ３）において、加湿器２３の上流側に設けられている。

加湿器２３は、エアコンプレッサ２１から供給された空気を加湿する機能を有し、例えば、複数の中空糸膜が束ねられた中空糸膜束をケース内に収容して構成したものである。中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ２１からの加湿される前の空気が通流し、他側にカソードオフガス（酸化剤オフガス）が流通することで、各中空糸膜に貫通して形成された細孔を介して加湿前の空気とカソードオフガスとの間で水分交換が行われるようになっている。

第２の開閉弁２４は、例えば電磁作動式のもので構成され、排出側の酸化剤ガス流路（酸化剤ガス配管Ｌ４〜Ｌ７）において、加湿器２３の下流側に設けられている。

背圧弁２５は、例えばバタフライ弁で構成され、第２の開閉弁２４の下流に設けられ、燃料電池１０のカソードを流れる空気（酸化剤ガス）の流量（圧力）を調整する機能を有する。なお、図示していないが、バタフライ弁は、例えば、円盤状の弁体が固定されたバルブシャフトが軸受け（ベアリングなど）を介してバルブケース内に支持されており、バルブシャフトがステッピングモータを駆動源として駆動されるように構成されている。また、弁体と軸受けとの間において、バルブシャフトとバルブケースとの間にシール部材が介装されており、弁体側のバルブシャフトとバルブケースとの間から生成水などが浸入しないように構成されている。

ドレン配管２６は、上流側の端部が燃料電池１０の内部に形成された排水路１０ｃと接続され、下流側の端部が加湿器２３の下流の酸化剤ガス配管Ｌ５と接続されている。このドレン配管２６と酸化剤ガス配管Ｌ５とが合流する部分が本実施形態における接続部Ｓに相当する。また、ドレン配管２７は、一端が酸化剤ガス配管Ｌ４と接続され、他端がドレン配管２６と接続されている。また、ドレン配管２７の上流側の端部には、生成水を溜めておくための液だまり部（トラップ）２７ａ（図２参照）が形成されている。

オリフィス２８は、排水路１０ｃとドレン配管２７との間のドレン配管２６に設けられ、排水路１０ｃからドレン配管２６への流体の流れ込み量を制限する。オリフィス２９は、ドレン配管２７に設けられ、酸化剤ガス配管Ｌ４からドレン配管２６への流体の流れ込み量を制限する。

アノード系３０は、高圧水素タンク３１が燃料ガス配管Ｌ１１を介して遮断弁３２と接続され、遮断弁３２が燃料ガス配管Ｌ１２を介して減圧弁３３と接続され、減圧弁３３が燃料ガス配管Ｌ１３を介してエゼクタ３４と接続され、エゼクタ３４が燃料ガス配管Ｌ１４を介してアノード流路１０ｂの入口と接続されている。また、アノード流路１０ｂの出口は、燃料ガス配管Ｌ１５を介して前記エゼクタ３４と接続されている。パージ弁３５は、燃料ガス配管Ｌ１６を介して燃料ガス配管Ｌ１５と接続されている。なお、パージ弁３５は、配管を介して図示しない希釈器と接続されている。

高圧水素タンク３１は高純度の水素が圧縮充填されたものであり、遮断弁３２は電磁作動式のもので構成され、減圧弁３３は高圧水素タンク３１から供給された水素の圧力を所定の圧力に減圧する機能を有する。エゼクタ３４は、高圧水素タンク３１からの水素の流れを利用して負圧を発生させ、燃料ガス配管Ｌ１５を介して燃料電池１０のアノード流路１０ｂの出口から排出された未反応の水素を吸引して、再びアノード流路１０ｂに戻す真空ポンプとしての機能を有する。パージ弁３５は、例えば後記する制御部５０によって定期的に開弁されて、アノード流路１０ｂおよび燃料ガス配管Ｌ１４，Ｌ１５に蓄積した不純物（電解質膜を透過した空気中の窒素、生成水など）を外部（車外）に排出する機能を有する。

なお、燃料電池システム１は、後記する氷点下対策掃気を実行する際にアノードを掃気する手段として、掃気ガス導入配管４１、掃気ガス導入弁４２を備えている。掃気ガス導入配管４１は、エアコンプレッサ２１の空気をアノードに導入する流路を構成し、上流側の端部がエアコンプレッサ２１と第１の開閉弁２２との間の酸化剤ガス配管Ｌ１に接続され、下流側の端部がエゼクタ３４とアノード流路１０ｂの入口との間の燃料ガス配管Ｌ１４に接続されている。掃気ガス導入弁４２は、掃気ガス導入配管４１に設けられた遮断弁であり、燃料電池１０の発電停止時にアノードを掃気する際に開弁する。

なお、アノードを掃気する手段としては、前記した実施形態に限定されず、掃気ガス導入配管４１および掃気ガス導入弁４２の構成に、パージ弁３５の上流（燃料電池１０の下流）の燃料ガス配管Ｌ１５と背圧弁２５の下流の酸化剤ガス配管Ｌ７とを接続した、掃気ガス導出弁を備えた掃気ガス導出配管を追加した構成であってもよい。

制御部５０は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、掃気制御プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、エアコンプレッサ２１のモータ（不図示）の回転速度、第１の開閉弁２２、第２の開閉弁２４、遮断弁３２、パージ弁３５および掃気ガス導入弁４２を開閉制御し、背圧弁２５の開度を調整制御し、温度センサ５１によって燃料電池１０の温度を監視する。なお、温度センサ５１は、例えば、アノード流路１０ｂの出口側の燃料ガス配管Ｌ１５に設けられる。なお、燃料電池１０の温度を検出することができる位置であれば特に限定されず、カソード流路１０ａの出口側、燃料電池１０を冷却する冷媒の出口側などであってもよく、燃料電池１０の温度を直接に測定するものであってもよい。また、制御部５０は、燃料電池１０の発電停止時に、第１の開閉弁２２と第２の開閉弁２４とを閉じて、燃料電池１０のカソードを封鎖するカソード封鎖手段を備えている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１における掃気制御について図３を参照して説明する。燃料電池システム１の運転時においては、第１の開閉弁２２と第２の開閉弁２４が開弁制御された状態で、エアコンプレッサ２１が駆動されて、燃料電池１０の各単セルのカソードに空気が供給され、遮断弁３２が開弁制御されて、減圧弁３３で減圧された水素が燃料電池１０の各単セルのアノードに供給される。また、燃料電池１０は、外部負荷（走行モータ、高圧バッテリ、エアコンプレッサ２１など）と接続され、発電が行われている。

発電時において燃料電池１０のアノードでは、触媒の作用によって、水素から電子が乖離して、水素イオンが電解質膜を介してカソードに透過し、電子が外部負荷を通ってカソードに移動する。カソードでは、触媒の作用によって、アノードから電解質膜を透過した水素イオンと、外部負荷を通って移動した電子と、カソードに供給された空気に含まれる酸素との化学反応により水が生成される。

カソードで生成された水は、図２（ａ）に示すように、カソード流路１０ａから酸化剤ガス配管Ｌ４に排出され、ドレン配管２７の液だまり部２７ａに溜まる。このとき、酸化剤ガス配管Ｌ４を通って加湿器２３に流入しようとする流体は加湿器２３の圧力損失が大きいのでドレン配管２７に入り込もうとする。しかし、ドレン配管２７にはオリフィス２９が設けられているので、ドレン配管２７への流体の流れ込み量が制限される。したがって、ドレン配管２７の入口付近の圧力は高くなり、液だまり部２７ａに溜まった生成水の液面が押圧されることになる。

また、カソードで生成され、カソード流路１０ａの出口１０ａ１とは反対側に流れて溜まった生成水は、重力作用によって排水路１０ｃに入り込む。また、排水路１０ｃに流れ込んだ生成水は、カソード流路１０ａ内の圧力によって押圧され、ドレン配管２６に向けて排出される。

そして、酸化剤ガス配管Ｌ５（接続部Ｓ）の圧力は、酸化剤ガス配管Ｌ４に対して加湿器２３を通ることによって大きな圧力損失が発生し、加湿器２３をバイパスするドレン配管２６内の圧力よりも低くなるので、ドレン配管２６内に導入された生成水は、圧力の低い接続部Ｓに向けて流れ、接続部Ｓにおいてカソードオフガスと合流して、第２の開閉弁２４、背圧弁２５および希釈器（不図示）を介して、車外に排出される。

つまり、燃料電池１０のカソードから下流に向かうにしたがって圧力損失によって圧力が低下し、接続部Ｓでは位置が車外（大気中）に近く、圧力が大気圧に近くなるので、ドレン配管２６の生成水は、高い圧力の燃料電池１０側よりも低い圧力の接続部Ｓ側に流れるようになる。

図３に示すステップＳ１において、制御部５０は、車両のイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされたか否かを判断する。制御部５０は、ＩＧ−ＯＦＦ信号を検知しない（ＩＧ−ＯＮ信号を検知した）場合には（Ｓ１，Ｎｏ）、処理を終了し、ＩＧ−ＯＦＦ信号を検知した場合には（Ｓ１，Ｙｅｓ）、ステップＳ２に進み、第１の開閉弁２２と第２の開閉弁２４の双方を閉じて、燃料電池１０のカソードを封鎖する（カソード封鎖手段）。なお、フローでの図示を省略しているが、第１の開閉弁２２および第２の開閉弁２４を閉じる前に、掃気ガス導入弁４２を閉じて背圧弁２５を全開にした状態において、エアコンプレッサ２１を所定時間駆動して、カソード側に空気（掃気ガス）を供給する。これにより、カソードから排出されたカソードオフガスによって希釈器（不図示）内に残留している水素が希釈される。なお、このときの所定時間は、予め実験等によって決められた時間に設定される。希釈器内の水素を希釈した後、第１の開閉弁２２および第２の開閉弁２４を閉じる。

そして、ステップＳ３に進み、温度センサ５１によって燃料電池１０の温度を検出し、そして、ステップＳ４に進み、制御部５０は、燃料電池１０の温度に基づいて、氷点下対策掃気が必要であるか否かを判断する。氷点下対策掃気とは、燃料電池１０内などに残留している生成水が凍結するのを防止するために行われる処理であり、残留している生成水を吹き飛ばして車外に排出する処理である。制御部５０は、燃料電池１０の温度が所定温度（例えば、５℃）以下となったときに、氷点下対策掃気が必要であると判断し（Ｓ４，Ｙｅｓ）、ステップＳ５に進む。また、制御部５０は、燃料電池１０の温度が所定温度を超えているときには氷点下対策掃気が必要でないと判断し（Ｓ４，Ｎｏ）、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ５において、制御部５０は、氷点下対策掃気を実行する。すなわち、制御部５０は、背圧弁２５を閉じ、パージ弁３５および掃気ガス導入弁４２を開いた状態において、エアコンプレッサ２１のモータを所定の回転速度で駆動して、掃気ガス導入配管４１を介してアノード側に空気（掃気ガス）を導入する。これにより、アノード流路１０ｂや燃料ガス配管Ｌ１４〜Ｌ１６などに残留する生成水を、希釈器（不図示）を介して車外に排出できる。なお、氷点下対策掃気を実行する際には、第１の開閉弁２２と第２の開閉弁２４を開く制御を行う。

なお、このときアノード側に残留する水素の濃度に応じて、背圧弁２５の開度を適宜調節して、高濃度の水素が車外に排出されないようにする。そして、掃気ガス導入弁４２を閉じ、背圧弁２５を全開にした状態において、カソード側に空気を導入して、カソード流路１０ａ、排水路１０ｃ、酸化剤ガス配管Ｌ１〜Ｌ７およびドレン配管２６，２７などに残留する生成水を吹き飛ばして、希釈器（不図示）を介して車外に排出する。なお、カソードの掃気を先に実行し、その後にアノードの掃気を実行してもよく、あるいは、カソードの掃気とアノードの掃気を同時に実行してもよい。また、氷点下対策掃気は、予め実験等によって決められた所定時間の間実行される。

そして、ステップＳ６に進み、制御部５０は、第１の開閉弁２２および第２の開閉弁２４を開弁した状態において、温度センサ５１による温度監視を停止する（システム停止）。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０の出口側の第２の開閉弁２４の位置を、酸化剤ガス配管Ｌ５のドレン配管２６が合流する接続部Ｓ（合流部）の下流に設定することで、燃料電池１０のカソードオフガスの出口１０ａ１とドレン通路（排水路１０ｃおよびドレン配管２６，２７）とを１つの弁（第２の開閉弁２４）で同時に封鎖することができ、ドレン通路専用の封止弁を廃止することが可能になる。その結果、燃料電池システム１におけるカソード封鎖手段の構成を簡素化できる。

さらに、本実施形態によれば、燃料電池１０のカソードとともに加湿器２３を一緒に封鎖することにより、燃料電池１０の発電停止中において膜（電解質膜）が過度に乾燥するのを防止することが可能になる。

さらに、本実施形態によれば、第２の開閉弁２４を背圧弁２５よりも燃料電池１０側に配置することにより、背圧弁２５を負圧にも対応できるシール部材にすること（負圧シール対策）が不要となり、背圧弁２５のシール構造を簡素化できる。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 （ａ）ドレン通路を示す概略図、（ｂ）はドレン通路への生成水の排出作用を示す説明図である。 燃料電池の発電停止後の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１０ｃ 排水路（ドレン通路）
２２ 第１の開閉弁
２３ 加湿器
２４ 第２の開閉弁
２５ 背圧弁（流量調整弁）
２６，２７ ドレン配管（ドレン通路）
５０ 制御部（カソード封鎖手段）
Ｌ１〜Ｌ７ 酸化剤ガス配管（酸化剤ガス流路）
Ｓ 接続部

Claims (3)

1. 内部にアノード流路とカソード流路とを有し、前記アノード流路を介してアノードに燃料ガスが供給され、前記カソード流路を介してカソードに酸化剤ガスが供給される燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、前記カソード流路からの酸化剤オフガスを排出する酸化剤ガス流路と、
   前記酸化剤ガス流路の供給側に設けられた第１の開閉弁と、
   前記酸化剤ガス流路の排出側に設けられた第２の開閉弁と、
   前記燃料電池の発電停止後に前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを閉状態として前記カソードを封鎖するカソード封鎖手段と、
   前記酸化剤ガス流路の供給側を流通する酸化剤ガスと前記酸化剤ガス流路の排出側を流通する酸化剤オフガスとの間で水分交換を行う加湿器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の内部に前記カソード流路とは別に設けられ、上流端が前記カソード流路と接続された排水路と、
   上流側の端部が前記排水路の下流端と接続されて、前記カソードからの生成水を排出するドレン通路と、
   前記ドレン通路を前記酸化剤ガス流路の排出側における前記加湿器の下流の流路に接続する接続部と、を備え、
   前記第１の開閉弁を前記加湿器の上流に設置するとともに、前記第２の開閉弁を前記接続部の下流に設置し、前記燃料電池の発電中において前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とは開状態であり、前記ドレン通路内の圧力と前記酸化剤ガス流路の排出側の流路の圧力との圧力差により、前記生成水を排出可能としたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排水路の上流端は、前記カソード流路の前記酸化剤ガス流路の排出側と接続される出口とは前記燃料電池を構成する単セルの積層方向の反対側で当該カソード流路と接続されるとともに、前記排水路は、前記カソード流路よりも天地方向の下側において前記カソード流路の出口側に向けて延び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。
3. 前記酸化剤ガス流路の排出側には、前記カソードへの前記酸化剤ガスの流量を調整する流量調整弁が設けられ、
   前記第２の開閉弁は、前記流量調整弁よりも前記燃料電池側に位置していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

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