JP5499445B2 - 燃料電池ケースの内部液水除去装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池スタックを収装する燃料電池ケースの内部温度を調整する装置に関する。

たとえば特許文献１に開示された従来の燃料電池システムは、ノズルから流出するコンプレッサから供給される空気によって発生する負圧で外気を吸引しこれら２つの流体を合流させて流出するエゼクタを備え、このエゼクタから流出する空気と外気の混合空気を燃料電池ケースに導入して換気していた。
特開２００４−３１１２４２号公報

ところで、燃料電池スタックの発電反応によって生成される液水が、燃料電池ケースの内部に溜まることがある。このような液水は燃料電池ケースから除去することが望ましい。しかしながら、上述の従来システムでは、燃料電池ケースの内部に液水が残留しやすかった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池ケースの内部の液水を除去する装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、燃料電池スタック(３０)を収装する燃料電池ケース(１０)の内部の液水を除去する装置であって、前記燃料電池ケース（１０）の内部には、前記燃料電池スタック（３０）を収装するスタック収装部と、前記スタック収装部と仕切られたガス通路（１１）とが形成されており、燃料電池スタックの発電反応によって生じて燃料電池スタックから漏出した液水の蒸発が促進されるように、前記燃料電池ケース(１０)の内部温度よりも高温のガスを前記ガス通路に供給する高温ガス供給手段(２０)と、前記燃料電池ケースに設けられ、前記スタック収装部に空気を供給する換気手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池ケースの内部温度よりも高温のガスを、燃料電池ケースに設けられたガス通路に供給するようにした。このようにしたので燃料電池ケースの温度が高まる。すると飽和蒸気圧が大きくなり、燃料電池ケースの内部の液水が蒸発しやすくなり、燃料電池ケースの内部の液水を除去できるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明によるケース内部液水除去装置の一実施形態を示すシステム構成図である。

ケース内部液水除去装置１は、燃料電池システム１００の燃料電池スタック３０を収装する燃料電池ケース１０の内部の液水を除去する。

最初に燃料電池システム１００の基本的な構成を説明する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック３０と、カソードライン１１０と、アノードライン１２０と、換気ライン１３０と、を含む。

燃料電池スタック３０は、供給されたアノードガス(水素)及びカソードガス(空気)によって発電する。燃料電池スタック３０は、燃料電池ケース１０に収装される。

カソードライン１１０は、燃料電池スタック３０にカソードガス(空気)を供給するとともに、燃料電池スタック３０から流出したカソードガスを排出する。カソードライン１１０の供給路は、上流側から、遠心圧縮機１１１と、熱交換器１１２と、加湿器１１３と、を含む。カソードライン１１０の排出路は、加湿器１１３を経由して調圧弁１１４を介して外部に開放する。

アノードライン１２０は、燃料電池スタック３０にアノードガス(水素)を供給するとともに、燃料電池スタック３０から流出したアノードガスを排出する。アノードライン１２０の供給路には、調圧弁１２１が設けられる。

換気ライン１３０は、外気を換気ファン１３１で燃料電池ケース１０に供給する。

ここで本発明の要旨を説明する。燃料電池スタック３０は、アノードガス及びカソードガスが供給されると以下の反応によって発電する。

この反応によって液水Ｈ₂Ｏが生成される。運転状態によっては液水が多量に生成され燃料電池スタックから漏出してしまうことがある。このような液水が燃料電池ケース１０の内部に残留しては、電気的なショートが起こりうるので、除去することが望ましい。そこで本件発明者は、燃料電池ケース１０の温度を高めて飽和蒸気圧を大きくすることで、燃料電池ケース１０の内部の液水が蒸発しやすいようにした。このような状態で、換気ファン１３１によって外気を燃料電池ケース１０に供給すれば、液水が換気とともに外部に排出されやすくなる。

なお燃料電池ケース１０の温度を高めるには、たとえば電気ヒータを使用する手法も考えられる。しかしながらこのようにしては、消費電力(消費エネルギ)が大きくなり、ひいては燃費が悪化してしまう。

そこで本件発明者は、遠心圧縮機１１１の軸受が高温になり、冷却する必要があることに着目した。すなわちカソードガスの一部を分岐して遠心圧縮機１１１の軸受に流し、遠心圧縮機１１１の軸受を冷却するようにした。軸受を冷却したカソードガスは高温化される。その高温カソードガスを燃料電池ケース１０の壁面に流すようにしたのである。このようにすることで、遠心圧縮機１１１の軸受の冷却と、燃料電池ケース１０の加熱と、を両立でき、エネルギの効率化を図ることができるのである。

以下ではこの技術思想を実現する具体的な構造について説明する。

ケース内部液水除去装置１は、燃料電池システム１００の燃料電池スタック３０を収装する燃料電池ケース１０の内部の液水を除去する。ケース内部液水除去装置１は、高温ガスライン２０を含む。

高温ガスライン２０は、カソードライン１１０の熱交換器１１２と加湿器１１３との間から分岐する。高温ガスライン２０は、上流側からオリフィス２１を介して遠心圧縮機１１１の軸受の周囲を通って、さらに三方弁２２に接続される。三方弁２２は、一方が燃料電池ケース１０に形成されたガス通路１１(詳しくは、燃料電池ケース１０の内部の空間(燃料電池スタック３０が収装された空間)と異にする空間)に接続され、もう一方がカソードライン１１０の排出路に接続される。三方弁２２の開度によって高温ガスの流量が制御され、燃料電池ケース１０の内部温度が調整される。なお燃料電池ケース１０のガス通路１１については後述する。

燃料電池ケース１０の内部にはケース温度センサ４１が設置される。また燃料電池スタック３０の内部にはスタック温度センサ４２が設置される。コントローラ４０は、ケース温度センサ４１によって検出された燃料電池ケース１０の温度Ｔｃと、スタック温度センサ４２よって検出された燃料電池スタック３０の温度Ｔｓと、に基づいて三方弁２２の開度を調整する。コントローラ４０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロプロセッサで構成される。コントローラ４０を複数のマイクロプロセッサで構成してもよい。

図２は燃料電池ケースの縦断面図である。

燃料電池ケース１０は、内底の一部に凹部１２が形成されている。この凹部１２は、燃料電池スタックで生成されて滴下した液水が溜まる水溜まり部である。そしてこの凹部１２の下に、ガス通路１１が形成される。このような構造にしたので、燃料電池スタックで生成された液水は、特定の部分(凹部１２)に集まる。そしてこの凹部１２の下に高温ガスを流すことで、高温ガスの熱によって液水を効率よく蒸発させることができるのである。

なお凹部１２とガス通路１１とを区切る仕切部１３には、表面にフィンを形成しておくとよい。フィンを形成しておけば、熱交換を一層促進できるからである。

図３は、本発明による燃料電池ケースの内部液水除去装置の制御ルーチンを示すフローチャートである。

コントローラは燃料電池スタックの発電運転中に以下の処理を微少時間(たとえば１０ミリ秒)ごとに繰り返し実行する。

ステップＳ１においてコントローラ４０は、燃料電池ケース１０の内部の温度を低下させる必要があるか否かを判定する。この内容の詳細は後述するが、低下させる必要があれば温度低下フラグに１をセットし、必要がなければ温度低下フラグに０をセットする。

ステップＳ２においてコントローラ４０は、温度低下フラグが１であるか否かを判定する。１であればステップＳ３へ処理を移行し、１でなければステップＳ４へ処理を移行する。

ステップＳ３においてコントローラ４０は、三方弁２２を、カソードライン１１０の排出路側に開いて、燃料電池ケース１０のガス通路１１へ供給する高温ガスの流量を減量する。

ステップＳ４においてコントローラ４０は、三方弁２２を、燃料電池ケース１０のガス通路１１の側に開いて、燃料電池ケース１０のガス通路１１へ供給する高温ガスの流量を増量する。

図４は、ケース温度低下必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ１１においてコントローラ４０は、燃料電池ケース１０の温度Ｔｃ及び燃料電池スタック３０の温度Ｔｓを検出する。

ステップＳ１２においてコントローラ４０は、燃料電池ケース１０の温度Ｔｃがケース上限温度Ｔｃ0よりも高温であるか否かを判定する。高温であればステップＳ１５へ処理を移行し、そうでなければステップＳ１３へ処理を移行する。ケース上限温度Ｔｃ0については後述する。

ステップＳ１３においてコントローラ４０は、燃料電池スタック３０の温度Ｔｓがスタック上限温度Ｔｓ0よりも高温であるか否かを判定する。高温であればステップＳ１５へ処理を移行し、そうでなければステップＳ１４へ処理を移行する。スタック上限温度Ｔｓ0については後述する。

ステップＳ１４においてコントローラ４０は、温度低下必要フラグＦに０をセットする。

ステップＳ１５においてコントローラ４０は、温度低下必要フラグＦに１をセットする。

図５はケース温度低下必要性判定ルーチンの判定で使用する基準温度(上限温度)を説明する図であり、図５(Ａ)はケース上限温度、図５(Ｂ)はスタック上限温度である。

上限温度は、必要性能を確保するための温度である。

図５(Ａ)に示すように、燃料電池ケースの内部温度が高くなるほど、保証期間後の構成部品の機能、性能が低下してしまう。したがって燃料電池ケースの内部温度は或る温度以下であることが望ましい。そこで保証期間後であっても構成部品が所望の機能、性能を確保可能な温度を、ケース上限温度Ｔｃ0とした。具体的な数値は実験などを通じて設定しておけばよい。

また図５(Ｂ)に示すように、燃料電池スタックは或る温度を超えると、高温乾燥などによって発電性能が急激に低下してしまう。そこで燃料電池スタックの発電性能の急激な低下が生じない温度を、スタック上限温度Ｔｓ0とした。具体的な数値は実験などを通じて設定しておけばよい。

本実施形態によれば、燃料電池ケース１０の内部温度よりも高温のガスを、燃料電池ケース１０に設けられたガス通路１１に供給するようにした。このようにしたので燃料電池ケース１０の温度が高まる。すると飽和蒸気圧が大きくなり、燃料電池ケース１０の内部の液水が蒸発しやすくなる。このような状態で、換気ファン１３１によって外気を燃料電池ケース１０に供給すれば、液水が換気とともに外部に排出されやすくなる。したがって液水が燃料電池ケース１０の内部に残留することを防止できるのである。

またカソードガスの一部を分岐して遠心圧縮機１１１の軸受に流し、遠心圧縮機１１１の軸受を冷却するようにした。軸受を冷却したカソードガスは高温化される。その高温カソードガスを燃料電池ケース１０のガス通路１１に流すようにした。このようにすることで、遠心圧縮機１１１の軸受の冷却と、燃料電池ケース１０の加熱と、を両立でき、エネルギの効率化を図ることができ、消費電力(消費エネルギ)を大きくすることがなく、燃費が悪化しない。

さらに燃料電池ケース１０は、内底の一部に凹部(水溜まり部)１２を形成した。そしてこの凹部１２の下に、ガス通路１１を形成した。このような構造にしたので、燃料電池スタックで生成された液水は、特定の部分(凹部１２)に集まる。そしてこの凹部１２の下に高温ガスが流れるので、高温ガスの熱によって液水を効率よく蒸発させることができるのである。

さらにまた燃料電池ケース１０の温度Ｔｃが基準温度を超えたら、高温ガスの供給量を減らすようにしたので、保証期間後であっても構成部品が所望の機能、性能を確保できる。また燃料電池スタック３０の温度Ｔｓが基準温度を超えたら、高温ガスの供給量を減らすようにしたので、燃料電池スタック３０の発電性能の急激な低下を防止できるのである。なお高温ガスの供給量を減らすのみならず、停止してもよい。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、上記実施形態では、燃料電池ケース１０を二重構造にして内壁と外壁の間にガス通路１１を形成したが、たとえばパイプ状のガス通路を燃料電池ケース１０の内部に構成してもよい。

本発明によるケース内部液水除去装置の一実施形態を示すシステム構成図である。 燃料電池ケースの縦断面図である。 本発明による燃料電池ケースの内部液水除去装置の制御ルーチンを示すフローチャートである。 ケース温度低下必要性判定ルーチンを示すフローチャートである。 ケース温度低下必要性判定ルーチンの判定で使用する基準温度(上限温度)を説明する図である。

符号の説明

１ ケース内部液水除去装置
１０ 燃料電池ケース
１１ ガス通路
２０ 高温ガスライン(高温ガス供給手段)
２２ 三方弁
３０ 燃料電池スタック
１００ 燃料電池システム
１１０ カソードライン
１１１ 遠心圧縮機
１２０ アノードライン
１３０ 換気ライン

Claims (6)

1. 燃料電池スタックを収装する燃料電池ケースの内部の液水を除去する装置であって、
   前記燃料電池ケースの内部には、前記燃料電池スタックを収装するスタック収装部と、前記スタック収装部と仕切られたガス通路とが形成されており、
   燃料電池スタックの発電反応によって生じて燃料電池スタックから漏出した液水の蒸発が促進されるように、前記燃料電池ケースの内部温度よりも高温のガスを前記ガス通路に供給する高温ガス供給手段と、
   前記燃料電池ケースに設けられ、前記スタック収装部に空気を供給する換気手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池ケースの内部液水除去装置。
2. 前記ガス通路は、前記燃料電池ケースの底に形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ケースの内部液水除去装置。
3. 前記燃料電池ケースは、滴下した生成水が溜まる水溜まり部を有し、
   前記ガス通路は、前記水溜まり部の下に形成される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池ケースの内部液水除去装置。
4. 前記高温ガス供給手段は、前記燃料電池ケースの内部温度がケース上限温度を超えたらガスの供給量を減量する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池ケースの内部液水除去装置。
5. 前記高温ガス供給手段は、前記燃料電池スタックの温度がスタック上限温度を超えたらガスの供給を停止する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池ケースの内部液水除去装置。
6. 前記高温ガス供給手段は、
   前記燃料電池スタックに接続するカソード通路にカソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記カソード通路から分岐し、前記コンプレッサの高温部分に連通した後、前記ガス通路に接続する分岐通路と、
   を含むことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池ケースの内部液水除去装置。

Images