JP5120773B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いている。このような燃料電池システムでは、システムを停止させる際に、反応ガスの供給を停止させている。そして、反応ガスのうちの酸化ガスの供給を停止させる場合には、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路および燃料電池から酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路に設けられた遮断弁をそれぞれ閉弁させる（例えば、下記特許文献１および２参照）。
特開２００５−２５１５７６号公報 特開２００７−００５１７０号公報

ところで、上述した遮断弁が、例えば、ダイアフラム式の遮断弁である場合には、遮断弁を構成する弁体の上部部分に、ダイアフラムを隔てて上下方向に形成される二つの弁内空間が設けられる。このような遮断弁では、二つの弁内空間のうち、上側の弁内空間に酸化ガスが供給され、下側の弁内空間から酸化ガスが抜かれることによって遮断弁の弁体が閉方向（下方向）に移動し、燃料電池に対する酸化ガスの供給や燃料電池からの酸化オフガスの排出が遮断される。一方、下側の弁内空間に酸化ガスが供給され、上側の弁内空間から酸化ガスが抜かれることによって遮断弁の弁体が開方向（上方向）に移動し、燃料電池に対する酸化ガスの供給や燃料電池からの酸化オフガスの排出が許容される。

このようなダイアフラム式の遮断弁を有する燃料電池システムにおいて、上側の弁内空間に供給された酸化ガスをその空間内に封止する弁のシール性が低いと、遮断弁の閉弁状態を維持させることが難しくなり、システム停止後に、燃料電池に酸化ガスが流入してしまうことも考えられる。このような場合には、燃料電池を構成するスタックにおけるカーボン酸化が促進されてしまい、スタックの寿命が短くなってしまう。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、システム停止後に、酸化ガス給排機構に設けられた遮断弁の閉弁状態をより長時間持続させ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。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給し、燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化ガス給排機構と、酸化ガス給排機構に設けられ、酸化ガスの供給および酸化オフガスの排出を遮断または許容する遮断弁と、酸化ガス給排機構から分岐し、遮断弁に酸化ガスを供給するための分岐流路と、分岐流路への酸化ガスの供給を遮断または許容する分岐流路弁と、分岐流路のうち、分岐流路弁の下流側に設けられ、遮断弁に酸化ガスを供給することで遮断弁を閉弁状態に保持させるための閉弁用分岐流路と、閉弁用分岐流路に設けられ、酸化ガスを貯留するバッファ部と、燃料電池システムを停止させるときに、分岐流路弁を制御して閉弁用分岐流路に前記酸化ガスを供給させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池システムを停止させるときに、分岐流路弁を開弁して閉弁用分岐流路に酸化ガスを供給することができるため、遮断弁を閉弁状態に保持させることができるとともに、閉弁用分岐流路に酸化ガスを貯留するためのバッファ部が設けられているため、分岐流路弁のシール性が低い場合であっても、バッファ部内に貯留された酸化ガスが遮断弁に供給されることになり、遮断弁の閉弁状態をより長時間持続させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記酸化ガス給排機構は、酸化ガスを燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路とを有し、上記遮断弁は、酸化ガス供給流路および酸化オフガス排出流路にそれぞれ設けられ、上記分岐流路は、酸化ガス供給流路から分岐することとしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、上記分岐流路のうち、分岐流路弁の下流側に設けられ、遮断弁に前記酸化ガスを供給することで遮断弁を開弁状態に保持させるための開弁用分岐流路を、さらに備え、上記分岐流路弁は、閉弁用分岐流路と開弁用分岐流路とを切り換えることで、遮断弁の開閉を制御することとしてもよい。

本発明によれば、システム停止後に、酸化ガス給排機構に設けられた遮断弁の閉弁状態をより長時間持続させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池システムを停止させるときに、酸化ガスの供給および排出を遮断する遮断弁の閉弁状態をより長時間持続させるものであって、遮断弁を閉弁状態に保持させるための閉弁用流路に酸化ガスを貯留するバッファ部を設けた点に特徴がある。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受け、この反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３（酸化ガス給排機構）と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系（不図示）と、システム全体を統括制御する制御部４（制御手段）とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスの熱を冷ますインタークーラ３２と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３３（酸化ガス供給流路）と、燃料電池２から排出される酸化オフガスを排出するための空気排出流路３４（酸化オフガス排出流路）と、を有する。空気供給流路３３および空気排出流路３４には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３５が設けられている。この加湿器３５で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

空気供給流路３３には、燃料電池２への酸化ガスの供給を遮断または許容する遮断弁３７が設けられ、空気排出流路３４には、燃料電池２からの酸化オフガスの排出を遮断または許容する遮断弁３８が設けられている。これらの遮断弁３７、３８は、無制御状態であるときにはバネの付勢力によって開弁状態となるノーマルオープン型の弁である。なお、空気排出流路３４には、遮断弁３８の上流側に背圧調整弁Ｖ１が設けられている。

遮断弁３７、３８を構成する弁体の上部はダイアフラムに接続されており、このダイアフラムを隔てて上下方向に二つの弁内空間が設けられている。遮断弁３７、３８を閉弁させるときには、遮断弁３７、３８に設けられた二つの弁内空間のうち、上側の弁内空間に酸化ガスを供給し、下側の弁内空間から酸化ガスを抜く。これにより、ダイアフラムが下方向に移動し、遮断弁３７、３８の弁体が閉方向に移動する。つまり、燃料電池２への酸化ガスの供給や燃料電池２からの酸化オフガスの排出が遮断される。一方、遮断弁３７、３８を開弁させるときには、上側の弁内空間から酸化ガスを抜き、下側の弁内空間に酸化ガスを供給する。これにより、ダイアフラムが上方向に移動し、遮断弁３７、３８の弁体が開方向に移動する。つまり、燃料電池２への酸化ガスの供給や燃料電池２からの酸化オフガスの排出が許容される。

空気供給流路３３には、空気供給流路３３からそれぞれ分岐し、遮断弁３７、３８に酸化ガスをそれぞれ供給するための分岐流路３３ｘ、３３ｙが設けられている。

分岐流路３３ｘには、遮断弁３７に設けられた二つの弁内空間に酸化ガスをそれぞれ供給するための分岐流路３３ｘａ（閉弁用分岐流路）および分岐流路３３ｘｂ（開弁用分岐流路）が設けられ、分岐流路３３ｘａと分岐流路３３ｘｂとを切り換えるとともに、分岐流路３３ｘへの酸化ガスの供給を遮断または許容するスイッチ弁３７ａ（分岐流路弁）が設けられている。

分岐流路３３ｘａは、遮断弁３７に設けられた二つの弁内空間のうち、上側の弁内空間に酸化ガスを供給するための流路であり、分岐流路３３ｘｂは、下側の弁内空間に酸化ガスを供給するための流路である。スイッチ弁３７ａは、遮断弁３７を閉弁させるときには、流路を分岐流路３３ｘａに切り換えて遮断弁３７の上側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。一方、遮断弁３７を開弁させるときには、流路を分岐流路３３ｘｂに切り換えて遮断弁３７の下側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。

分岐流路３３ｘａには、遮断弁３７の上側の弁内空間に供給される酸化ガスを貯留するためのバッファ部３７ｄと、遮断弁３７の上側の弁内空間から酸化ガスを抜くときに開弁されるガス抜き弁３７ｂが設けられている。分岐流路３３ｘｂには、遮断弁３７の下側の弁内空間から酸化ガスを抜くときに開弁されるガス抜き弁３７ｃが設けられている。

分岐流路３３ｙには、遮断弁３８に設けられた二つの弁内空間に酸化ガスをそれぞれ供給するための分岐流路３３ｙａ（閉弁用分岐流路）および分岐流路３３ｙｂ（開弁用分岐流路）が設けられ、分岐流路３３ｙａと分岐流路３３ｙｂとを切り換えるとともに、分岐流路３３ｙへの酸化ガスの供給を遮断または許容するスイッチ弁３８ａ（分岐流路弁）が設けられている。

分岐流路３３ｙａは、遮断弁３８に設けられた二つの弁内空間のうち、上側の弁内空間に酸化ガスを供給するための流路であり、分岐流路３３ｙｂは、下側の弁内空間に酸化ガスを供給するための流路である。スイッチ弁３８ａは、遮断弁３８を閉弁させるときには、流路を分岐流路３３ｙａに切り換えて遮断弁３８の上側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。一方、遮断弁３８を開弁させるときには、流路を分岐流路３３ｙｂに切り換えて遮断弁３８の下側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。

分岐流路３３ｙａには、遮断弁３８の上側の弁内空間に供給される酸化ガスを貯留するためのバッファ部３８ｄと、遮断弁３８の上側の弁内空間から酸化ガスを抜くときに開弁されるガス抜き弁３８ｂが設けられている。分岐流路３３ｙｂには、遮断弁３８の下側の弁内空間から酸化ガスを抜くときに開弁されるガス抜き弁３８ｃが設けられている。

分岐流路３３ｘａおよび分岐流路３３ｙａに、バッファ部３７ｄおよびバッファ部３８ｄを設けることによって、スイッチ弁３７ａ、３８ａやガス抜き弁３７ｂ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｃのシール性が低い場合であっても、遮断弁３７、３８が閉弁された後に、バッファ部３７ｄ、３８ｄに貯留された酸化ガスが遮断弁３７、３８に供給されることによって、遮断弁３７、３８の上側の弁内空間における酸化ガスの圧力を閉弁可能圧力内に収める時間を延ばすことができる。

ここで、遮断弁３７、３８を閉弁させてから数十分ほど経過すると、遮断弁３７、３８の弁体と燃料電池２との間に形成される閉空間が負圧になる。これは、閉空間に残留する酸化ガスに含まれる酸素が、閉空間に残留する水素と反応し、この反応により消費された酸素の分だけ閉空間の圧力が降下するためである。閉空間が負圧になると、遮断弁３７、３８の弁体が圧力の低い閉空間側に引っ張られるため、遮断弁が開弁し難くなる。したがって、閉空間が負圧になるまでの数十分ほどの間だけでも、遮断弁３７、３８の閉弁状態を維持させることができれば、例えスイッチ弁やガス抜き弁のシール性が低くて酸化ガスが微量に漏れてしまう場合であっても、閉空間が負圧になった後は閉弁状態を維持させることが可能となる。つまり、バッファ部３７ｄ、３８ｄの容量は、閉空間が負圧になるまでの間、遮断弁３７、３８の閉弁状態を維持させることができる量に設定することが好ましい。この容量は実験等を繰り返すことによって決定することができる。

空気供給流路３３には、加湿器３５をバイパスして燃料電池２に酸化ガスを供給するための加湿器バイパス流路３６が設けられている。加湿器バイパス流路３６には、加湿器バイパス流路３６への酸化ガスの流入を遮断または許容する遮断弁３９が設けられている。この遮断弁３９は、無制御状態であるときにはバネの付勢力によって閉弁状態となるノーマルクローズ型の弁である。

遮断弁３９の構成については、ノーマルクローズ型であるかノーマルオープン型であるかの違いはあるものの、基本構成は上述した遮断弁３７、３８と同様であるため、その説明については省略する。

空気供給流路３３には、空気供給流路３３から分岐し、遮断弁３９に酸化ガスを供給するための分岐流路３３ｚが設けられている。分岐流路３３ｚには、遮断弁３９に設けられた二つの弁内空間に酸化ガスをそれぞれ供給するための分岐流路３３ｚａおよび分岐流路３３ｚｂが設けられ、分岐流路３３ｚａと分岐流路３３ｚｂとを切り換えるとともに、分岐流路３３ｚへの酸化ガスの供給を遮断または許容するスイッチ弁３９ａが設けられている。

分岐流路３３ｚａは、遮断弁３９に設けられた二つの弁内空間のうち、上側の弁内空間に酸化ガスを供給するための流路であり、分岐流路３３ｚｂは、下側の弁内空間に酸化ガスを供給するための流路である。スイッチ弁３９ａは、遮断弁３９を開弁させるときには、流路を分岐流路３３ｚｂに切り換えて遮断弁３９の下側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。一方、遮断弁３９を閉弁させるときには、流路を分岐流路３３ｚａに切り換えて遮断弁３９の上側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。分岐流路３３ｚａには、遮断弁３９の上側の弁内空間から酸化ガスを抜くときに開弁されるガス抜き弁３９ｂが設けられている。分岐流路３３ｚｂには、遮断弁３９の下側の弁内空間から酸化ガスを抜くときに開弁されるガス抜き弁３９ｃが設けられている。

空気供給流路３３には、燃料電池２に対する酸化ガスの供給をバイパスさせるための燃料電池バイパス流路３３ｗが設けられている。燃料電池バイパス流路３３ｗには、燃料電池バイパス流路３３ｗへの酸化ガスの流入を遮断または許容するバイパス弁Ｖ２が設けられている。燃料電池バイパス流路３３ｗは、低温起動時に燃料電池２を暖機する際に、酸化ガスをバイパスさせるために用いられる他、燃料電池２に供給される酸化ガスの圧力を調整する際にも用いられる。例えば、遮断弁３７、３８に不具合が生じて燃料電池のスタックの圧力が上昇した場合には、バイパス弁Ｖ２を開弁して酸化ガスをバイパスさせることで上昇した圧力を低下させるためにも用いることができる。

制御部４は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部４は、例えば、イグニッションＯＦＦ等の運転停止命令を受信すると、スイッチ弁３７ａを、分岐流路３３ｘａ側に切り換えさせて、遮断弁３７の上側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断するとともに、スイッチ弁３８ａを、分岐流路３３ｙａ側に切り換えさせて、遮断弁３８の上側の弁内空間に酸化ガスを供給させ、その後、酸化ガスの供給を遮断する。これにより、遮断弁３７および遮断弁３８が閉弁状態となり、燃料電池２への酸化ガスの供給が停止し、燃料電池システム１の運転が停止する。

ここで、制御部４は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、スイッチ弁３７ａ、３８ａ、３９ａ、ガス抜き弁３７ｂ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｃ、３９ｂ、３９ｃ等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰ等での検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムにおける遮断弁の開閉等を含む各種処理を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１を停止させるときに、スイッチ弁３７ａ、３８ａの制御により分岐流路３３ｘａ、３３ｙａに酸化ガスを供給させることができるため、遮断弁３７、３８を閉弁状態に保持させることができる。また、分岐流路３３ｘａ、３３ｙａに酸化ガスを貯留するバッファ部３７ｄ、３８ｄが設けられているため、スイッチ弁３７ａ、３８ａやガス抜き弁３７ｂ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｃのシール性が低い場合であっても、バッファ部３７ｄ、３８ｄ内に貯留された酸化ガスを遮断弁３７、３８に供給することができ、遮断弁３７、３８の閉弁状態をより長時間持続させることができる。

なお、上述した実施形態では、バッファ部が、分岐流路３３ｘａおよび分岐流路３３ｙａの双方に設けられているが、いずれか一方にのみ設けることとしてもよい。

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…制御部、３１…コンプレッサ、３３…空気供給流路、３３ｘ、３３ｘａ、３３ｘｂ、３３ｙ、３３ｙａ、３３ｙｂ…分岐流路、３４…空気排出流路、３５…加湿器、３７、３８…遮断弁、３７ａ、３８ａ…スイッチ弁、３７ｂ、３７ｃ、３８ｂ、３８ｃ…ガス抜き弁、３７ｄ、３８ｄ…バッファ部。

Claims (3)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化ガス給排機構と、
   前記酸化ガス給排機構に設けられ、前記酸化ガスの供給および前記酸化オフガスの排出を遮断または許容する遮断弁と、
   前記酸化ガス給排機構から分岐し、前記遮断弁に前記酸化ガスを供給するための分岐流路と、
   前記分岐流路への前記酸化ガスの供給を遮断または許容する分岐流路弁と、
   前記分岐流路のうち、前記分岐流路弁の下流側に設けられ、前記遮断弁に前記酸化ガスを供給することで前記遮断弁を閉弁状態に保持させるための閉弁用分岐流路と、
   前記閉弁用分岐流路に設けられ、前記酸化ガスを貯留するバッファ部と、
   前記燃料電池システムを停止させるときに、前記分岐流路弁を制御して前記閉弁用分岐流路に前記酸化ガスを供給させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化ガス給排機構は、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路とを有し、
   前記遮断弁は、前記酸化ガス供給流路および前記酸化オフガス排出流路にそれぞれ設けられ、
   前記分岐流路は、前記酸化ガス供給流路から分岐する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記分岐流路のうち、前記分岐流路弁の下流側に設けられ、前記遮断弁に前記酸化ガスを供給することで前記遮断弁を開弁状態に保持させるための開弁用分岐流路を、さらに備え、
   前記分岐流路弁は、前記閉弁用分岐流路と前記開弁用分岐流路とを切り換えることで、前記遮断弁の開閉を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。