JP5144124B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のアノード極を掃気するシステム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、燃料電池のアノード極に水素が供給され、カソード極に空気が供給されることで、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われる。また、燃料電池システムでは、燃料電池のカソード極において水が生成されるが、この生成水が電解質膜を介してカソード極からアノード極に透過することがある。このため、燃料電池システムが氷点下に至るような低温環境下で使用された場合、運転停止中に生成水が凍結するという問題があった。そこで、このような凍結を防止するために、運転停止時にカソード極とともにアノード極に空気を導入して生成水を系外に排出するという技術が提案されている。アノード極に空気を導入する手段としては、カソード極側とアノード極側とを接続する配管と、この配管を連通・遮断する掃気導入弁とを設け、掃気時に掃気導入弁を開弁する技術が提案されている。

しかし、運転停止時に掃気を行った場合、掃気終了後にアノード極の内部から拡散してくる水分によって、掃気導入弁のプランジャと、そのプランジャを支持するガイド部との間で凍結して、氷点下起動時に掃気導入弁が作動しなくなるという問題があった。

そこで、氷点下起動時における掃気導入弁の作動不良を防止する手段として、プランジャをダイヤフラムなどで、水分拡散による加湿雰囲気から隔離して作動性を確保する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００５−２６５０３６号公報（図２および図３） 特開２００５−２７３７０４号公報（図２および図３）

しかし、特許文献１および特許文献２に記載のような掃気導入弁にダイヤフラムを設ける技術では、ダイヤフラムで隔離したプランジャ室は作動時におけるダイヤフラムの収縮膨張による吸盤効果で弁が作動不良に至る問題がある。このため、掃気導入弁に、大気に連通する呼吸穴を設ける必要がある。しかし、呼吸穴を設けるとプランジャ室が大気圧になるため掃気時のカソード極側のガス圧がダイヤフラムの全面に作用していまい、掃気導入弁を開弁させるのに過大な推力が必要となるという課題がある。

また、掃気導入弁にダイヤフラムを設ける技術では、ダイヤフラムや呼吸穴を設ける必要があるため部品点数が増え、レイアウト性が損なわれ、さらにコストアップや重量増などの課題もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、氷点下起動時における作動不良を回避でき、しかも掃気導入弁を開弁させるに過大な推力を必要としない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、燃料電池のアノード極を、前記燃料電池のカソード極へ導入するカソードガスによって掃気する燃料電池システムであって、外部と連通するカソードガス流入口を介して前記カソード極に前記カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記カソードガス供給手段と前記カソード極とを連通させるカソードガス供給路と、前記カソードガスを加湿して前記カソード極に導入する加湿器と、前記加湿器と前記カソードガス供給手段との間の前記カソードガス供給路を前記アノード極に連通させるバイパス路と、前記バイパス路に設けられ、開弁することで前記カソードガス供給手段からのカソードガスを前記アノード極に導入する掃気導入弁と、前記掃気導入弁を開閉可能に制御する掃気導入弁制御装置と、を備え、前記掃気導入弁は、弁座と、前記弁座を挟んで前記アノード極の側である一方側に配置された弁体と、前記カソードガス供給手段の側である他方側に配置されて前記弁体を可動させるプランジャと、前記一方側に配置されて前記弁体を閉弁させる方向に付勢する第１スプリングと、を有し、前記アノード極を掃気した後の前記カソードガス供給手段の停止時に、前記掃気導入弁制御装置が前記掃気導入弁を閉弁することで前記アノード極から前記プランジャへの水分の拡散を遮断するとともに、前記プランジャが前記カソードガス流入口を介して外部のガスであるカソードガスの雰囲気中に曝されていることを特徴とする。
なお、カソードガス流入口は、カソードガス供給手段、カソードガス供給路、第１スプリングは、それぞれ後記する実施形態での、空気流入口３１ａ、エアコンプレッサ３１、配管３４ａ，３４ｂ、スプリング４８ｂに対応する。

これによれば、燃料電池システムの運転停止中に燃料電池のカソード極側に残留する水分の拡散は加湿器で遮断され、かつ、加湿器上流の空気流入口から乾燥したカソードガス（空気）が拡散してくることから、掃気導入弁のカソード極は運転停止中もドライな環境を維持することが可能になる。
これによれば、発電時には通常、アノード極側のガス圧がカソード極側のガス圧より高い状態であるので、その差圧力を弁体がガスをシールする方向に作用させることが可能になる。その結果、弁体に設けるスプリング力の軽減が可能になり、掃気導入弁を開弁させるのに過大な推力が不要になる。

また、前記掃気導入弁は、前記弁体を開弁方向に付勢する第２スプリングを備えることを特徴とする。なお、第２スプリングは、後記する実施形態でのスプリング４８ａに対応する。

本発明によれば、氷点下起動時における作動不良を回避でき、しかも掃気導入弁を過大な推力を必要とせずに開弁することが可能になる。

図１は本実施形態の燃料電池システムの一例を示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池システムに用いられる掃気導入弁の構造を示す断面図である。なお、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車、船舶、航空機、家庭用の定置式電源などに適用できる。

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、アノード系２０、カソード系３０、アノード掃気系４０、ＥＣＵ（制御部）５０などを備えて構成されている。

前記燃料電池１０は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜１１を、触媒を含むアノード極１２と、触媒を含むカソード極１３とで挟んで構成した膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を有し、さらに膜電極接合体を導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成して単セルを構成し、この単セルを厚み方向に複数直列に接続して積層した構造を有する。また、セパレータ１４には、アノード極１２と対向する面に水素が流通するアノード流路１４ａが形成され、セパレータ１５には、カソード極１３と対向する面に空気が流通するカソード流路１５ａが形成されている。なお、図１は、説明の便宜上、単セルの状態を図示している。

前記アノード系２０は、燃料電池１０に対して水素を供給し、かつ、燃料電池１０から水素を排出する系であり、水素タンク２１、遮断弁２２、レギュレータ２３、エゼクタ２４、排出弁２５、配管２６ａ〜２６ｆなどを含んで構成されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク２１の出口近傍に設けられ、配管２６ａを介して水素タンク２１と接続されている。

前記レギュレータ２３は、配管２６ｂを介して遮断弁２２と接続され、水素タンク２１から供給された高圧の水素ガスを減圧する機能を有している。

前記エゼクタ２４は、燃料電池１０のアノード極１２側の出口から排出された未反応の水素を再循環させるための真空ポンプの一種であり、配管２６ｃを介してレギュレータ２３と接続されている。また、配管２６ｄは、エゼクタ２４と燃料電池１０のアノード極１２側の入口とを接続し、配管２６ｅは、アノード極１２の出口と後記する排出弁２５とを接続し、配管２６ｆは、配管２６ｅの途中とエゼクタ２４とを接続して、これら配管２６ｄ，２６ｅ，２６ｆを介して水素が循環するように構成されている。

前記排出弁２５は、配管２６ｅに設けられ、例えば、燃料電池システム１の運転停止時におけるアノード掃気時に開弁してアノード系２０内の生成水を排出する機能を有している。なお、生成水は、アノード系２０内（アノード流路１４ａ、配管２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ内など）に残留しているものである。また、アノード掃気とは、後記するエアコンプレッサ３１を駆動して、アノード系２０内に空気（カソードガス）を導入して、残留している生成水などを系外に掃き出す処理である。

前記カソード系３０は、空気（酸素）を燃料電池１０のカソード極１３に供給し、かつ、カソード極１３からカソードオフガスを排出する系であり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧制御弁３３、配管３４ａ〜３４ｄなどを備えて構成されている。

前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、空気流入口３１ａから取り込んで圧縮した空気を燃料電池１０のカソード極１３に供給する機能を有している。

前記加湿器３２は、カソードオフガスに含まれる水分を回収して、カソードガス（空気）を加湿する機能を有する。この加湿器３２は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池１０のカソード極１３の出口から排出されたカソードオフガス（湿潤な空気、生成水）を流通させることにより、エアコンプレッサ３１からのカソードガスを加湿する機能を有している。

前記背圧制御弁３３は、例えばバタフライ弁で構成され、カソード系３０内の圧力を適宜調節する機能を有している。

なお、配管３４ａは、エアコンプレッサ３１と、エアコンプレッサ３１からのカソードガスが導入されるカソードガス導入口３２ａとを接続している。配管３４ｂは、加湿器３２で加湿されたカソードガスが排出されるカソードガス排出口３２ｂと、燃料電池１０のカソード極１３の入口とを接続している。配管３４ｃは、燃料電池１０のカソード極１３側の出口と、カソードオフガスが導入される加湿器３２のカソードオフガス導入口３２ｃとを接続している。配管３４ｄは、加湿器３２のカソードオフガスが排出されるカソードオフガス排出口３２ｄと、背圧制御弁３３とを接続している。

前記アノード掃気系４０は、バイパス配管４１、掃気導入弁４２などを備えて構成されている。

前記バイパス配管４１は、エアコンプレッサ３１から取り込んだカソードガスを、燃料電池１０のアノード極１２側に導入する流路であり、一端が加湿器３２の上流側の配管３４ａと接続され、他端が燃料電池１０のアノード極１２側の入口の配管２６ｄと接続されている。

前記掃気導入弁４２は、バイパス配管４１に設けられ、アノード掃気時に開弁して、エアコンプレッサ３１からのカソードガスをアノード極１２側に導入する機能を有している。

図２に示すように、掃気導入弁４２は、ケース４３内に、プランジャ４４、弁体４５などを収容して構成されている。なお、図２は、掃気導入弁４２が閉弁している状態を示している。

前記ケース４３は、例えば、複数の筐体が組み合わされて構成されたものであり、前記エアコンプレッサ３１からの掃気ガスとしてのカソードガスが導入される掃気ガス導入口４３ａと、前記カソードガスが排出される掃気ガス排出口４３ｂとを備えている。またケース４３内には、後記する弁体４５が接することで閉弁し、離れることで開弁する弁座４３ｃが設けられている。

前記プランジャ４４は、駆動部４６によって図示上下方向に駆動され、プランジャ４４の進出により開弁し、後退により閉弁するように構成されている。駆動部４６は、コイル４６ａが設けられたボビン４６ｂ、固定鉄心４６ｃ、プランジャ４４を図示上下方向に移動可能に支持するガイド部４６ｄなどを備えている。また、プランジャ４４には、シャフト４７の一端（図示下側）が挿入されて固定され、シャフト４７の他端（図示上側）に弁体４５が装着されている。また、プランジャ４４の下端とケース４３との間には、弁体４５を開弁方向（図示上方向）に付勢するスプリング４８ａが介装されている。

前記弁体４５は、第１受圧部４５ａと第２受圧部４５ｂとを有している。第１受圧部４５ａは、アノード側の気体に接する部分全体であり、第２受圧部４５ｂは、カソード側の気体に接する部分全体である。また、弁体４５は、前記弁座４３ｃが当接する当接部４５ｃ１や、先端部（上端部）４５ｃ２などが弾性部材４５ｃで形成されている。また、弁体４５とケース４３との間には、弁体４５を閉弁方向（図示下方向）に付勢するスプリング４８ｂが介装されている。なお、弁体４５の形状は、一例であり、本実施形態に限定されるものではない。

このように本実施形態では、ケース４３の図示上下方向の中央部に掃気ガス導入口４３ａが設けられ、弁座４３ｃを挟んで掃気ガス導入口４３ａの上側に掃気ガス排出口４３ｂが設けられ、弁体４５で仕切られた空間のカソード側にプランジャ４４が位置するように構成されている。

前記ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、プログラムなどで構成され、掃気導入弁制御装置を備えて構成されている。なお、掃気導入弁制御装置は、アノード掃気開始時に掃気導入弁４２を開弁し、アノード掃気終了時に掃気導入弁４２を閉弁するように制御する。また、ＥＣＵ５０は、遮断弁２２、排出弁２５、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３３、掃気導入弁４２と接続され、遮断弁２２、排出弁２５および掃気導入弁４２の開閉動作、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度、背圧制御弁３３の弁開度を制御する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について説明する。まず、燃料電池システム１の運転中には、ＥＣＵ５０によって、遮断弁２２が開かれて、燃料電池１０のアノード極１２に水素が供給され、またエアコンプレッサ３１が駆動されて、燃料電池１０のカソード極１３に加湿器３２で加湿された空気（酸素）が供給される。これにより、燃料電池１０内のアノード極１２では、触媒の作用により水素から電子が離れて外部負荷（図示せず）を通り、電子がカソード極１３に移動することで発電が行われる。また、カソード極１３では、触媒の作用により固体高分子電解質膜１１を透過してカソード極１３へ移動した水素イオンと、外部負荷を移動してきた電子と、空気中の酸素との反応により水が生成される。

ところで、発電時には、燃料電池１０のカソード極１３で生成された水が固体高分子電解質膜１１を透過してアノード極１２に移動することがある。このため、燃料電池システム１の運転停止時には、ＥＣＵ５０の制御によって掃気導入弁４２および排出弁２５が開弁されるとともにエアコンプレッサ３１が駆動され、エアコンプレッサ３１から導入したカソードガスが、バイパス配管４１を介してアノード極１２側に供給される。なお、このとき掃気導入弁４２では、コイル４６ａが通電されて励磁されることにより、プランジャ４４が図示上側に移動して、弁体４５が上方に押し出され、カソードガスは図３（ａ）において矢印で示すように流れるようになる。これにより、アノード極１２の表面などに付着した生成水（カソード側から移動してきた生成水）が吹き飛ばされて、排出弁２５を通って系外に排出される。アノード掃気終了後は、ＥＣＵ５０の制御によって、掃気導入弁４２および排出弁２５が閉じられ、エアコンプレッサ３１の駆動が停止される。しかし、アノード掃気終了後には、ＭＥＡの内部に残留していた生成水がＭＥＡの外部に拡散して、配管２６ｄ〜２６ｆ、バイパス配管４１を通って掃気導入弁４２に至ることがある。

そこで、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、掃気導入弁４２の閉弁時には、可動体であるプランジャ４４が空気（カソードガス）の雰囲気に曝されるような構造となるように掃気導入弁４２を構成したものである。すなわち、プランジャ４４が弁体４５で仕切られた空間のカソード側に設置し、かつ、掃気ガスとしてのカソードガスの取り出し位置を、カソードオフガス水分回収型の加湿器３２の上流にする構造としたものである。これにより、燃料電池システム１の運転停止中には燃料電池１０のカソード極１３側に残留する生成水が加湿器３２で吸収されて配管３４ａまで拡散しなくなり、かつ、上流の空気流入口３１ａからは乾燥した空気が拡散することから、掃気導入弁４２のカソード側は、燃料電池システム１の運転停止中もドライな環境を維持することが可能となる。

このように運転停止時にプランジャ４４をドライなカソードガス雰囲気中に曝されるようにすることで、拡散した水分が、固定鉄心４６ｃとシャフト４７との間を通って、プランジャ４４とガイド部４６ｄとの間に至ることがなくなり、プランジャ４４とガイド部４６ｄとの間で氷結が発生するのを防止することが可能になる。したがって、燃料電池システム１の氷点下起動時における掃気導入弁４２の作動不良を回避することが可能になる。

また、本実施形態では、プランジャ４４が弁体４５を押し出すことで開弁する構造とすることにより、前記したように、発電時には通常アノード極１２側のガス圧Ｐａ（図３（ｂ）参照）がカソード極１３側のガス圧Ｐｃ（図３（ｂ）参照）よりも高い状態に制御され、その差圧（Ｐａ−Ｐｃ＞０）によって弁体４５がシール（遮断）される方向に作用するので、高いガス遮断能力もしくはシール性を確保するために必要なスプリング４８ｂのバネ力を小さなものにすることが可能になる。これにより、掃気導入弁４２を開弁する際にプランジャ４４を小さい推力で駆動させることができるようになり、掃気導入弁４２の小型化が可能になる。

また、本実施形態では、従来のようにダイヤフラムや呼吸穴を設けることなく、氷点下起動時における掃気導入弁の作動不良を防止できるので、部品点数の削減によるレイアウト性の向上、軽量化、コストダウンを図ることができるようになる。

本実施形態の燃料電池システムの一例を示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムに用いられる掃気導入弁を示す断面図である。 本実施形態における掃気導入弁を示す断面図であり、（ａ）は開弁時、（ｂ）は閉弁時である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１２ アノード極
１３ カソード極
３２ 加湿器
４１ バイパス配管（バイパス路）
４２ 掃気導入弁
４４ プランジャ
４５ａ 第１受圧部
４５ｂ 第２受圧部
５０ ＥＣＵ（掃気導入弁制御装置）

Claims (2)

1. 燃料電池のアノード極を、前記燃料電池のカソード極へ導入するカソードガスによって掃気する燃料電池システムであって、
   外部と連通するカソードガス流入口を介して前記カソード極に前記カソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
   前記カソードガス供給手段と前記カソード極とを連通させるカソードガス供給路と、
   前記カソードガスを加湿して前記カソード極に導入する加湿器と、
   前記加湿器と前記カソードガス供給手段との間の前記カソードガス供給路を前記アノード極に連通させるバイパス路と、
   前記バイパス路に設けられ、開弁することで前記カソードガス供給手段からのカソードガスを前記アノード極に導入する掃気導入弁と、
   前記掃気導入弁を開閉可能に制御する掃気導入弁制御装置と、を備え、
   前記掃気導入弁は、弁座と、前記弁座を挟んで前記アノード極の側である一方側に配置された弁体と、前記カソードガス供給手段の側である他方側に配置されて前記弁体を可動させるプランジャと、前記一方側に配置されて前記弁体を閉弁させる方向に付勢する第１スプリングと、を有し、
   前記アノード極を掃気した後の前記カソードガス供給手段の停止時に、前記掃気導入弁制御装置が前記掃気導入弁を閉弁することで前記アノード極から前記プランジャへの水分の拡散を遮断するとともに、前記プランジャが前記カソードガス流入口を介して外部のガスであるカソードガスの雰囲気中に曝されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気導入弁は、前記弁体を開弁方向に付勢する第２スプリングを備え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。

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