JP2004063342A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】システム全体の複雑化を回避しつつ、燃料電池の水素極入口圧を安定化させる。
【解決手段】燃料電池1の空気極3に空気を供給する空気供給手段14および、燃料電池1の水素極19に水素を供給する水素供給手段28をそれぞれ設けるとともに、水素極19の下流に接続される水素排出配管29の体積を変化させる水素配管体積可変手段33を設ける。水素配管体積可変手段33は、外気圧が低い高地では、外気圧の低下に合わせて水素流量制御弁25によって水素極19の入口圧を低下させる際に、水素極19の出口側の水素排出配管29の体積を大きくする。また逆に、外気圧の高い平地運転時には、水素排出配管29の体積を小さくすることにより、システムの応答性を向上させる。
【選択図】 図1
【解決手段】燃料電池1の空気極3に空気を供給する空気供給手段14および、燃料電池1の水素極19に水素を供給する水素供給手段28をそれぞれ設けるとともに、水素極19の下流に接続される水素排出配管29の体積を変化させる水素配管体積可変手段33を設ける。水素配管体積可変手段33は、外気圧が低い高地では、外気圧の低下に合わせて水素流量制御弁25によって水素極19の入口圧を低下させる際に、水素極19の出口側の水素排出配管29の体積を大きくする。また逆に、外気圧の高い平地運転時には、水素排出配管29の体積を小さくすることにより、システムの応答性を向上させる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に空気および水素をそれぞれ供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の空気極に供給する空気は、コンプレッサなどによって圧縮したものを用いる。この圧縮空気は大気圧によらず一定の圧力比(吐出圧/吸気圧)で供給するため、高地運転時など外気圧の低い運転状態では、空気極における入口圧の低下が発生する。
【0003】
このとき、燃料電池の水素極における入口圧は、燃料電池内部の電解質膜の劣化を避けるため、空気極の入口圧との圧力差が発生しないよう保つ必要があり、このため水素極の入口圧も平地運転時に比べて低下させる必要がある。
【0004】
ところで、水素極の入口圧の低下は、この入口部上流に設けてある圧力調整弁によって行うが、この圧力調整弁の僅か開閉によって、水素極入口圧が大きく敏感に変化し、平地での運転に比べて圧力変動が大きくなる。
【0005】
上記した圧力変動が生じる原因は以下の理由による。例えば、大気圧が0.6気圧の高地において、空気系のコンプレッサは圧力比(吐出圧/吸込み圧)一定であるため、圧力比2のとき、コンプレッサ吐出圧は1.2気圧となり(大気圧が1気圧の平地では吐出圧は2気圧)、空気極の入口圧が1.2気圧となる。
【0006】
そのため、平地では2気圧だった水素極の入口圧も、1.2気圧にする必要がある。この1.2気圧の水素極入口圧は、水素タンクと燃料電池との間に設けた圧力調整弁の開閉にて調整することになる。ところが、この圧力調整弁の上流側圧力は水素タンク出口のレギュレータによって、常に1MPa程度に設定されているため、水素極入口圧が低下した場合、圧力調整弁の上下流差圧は増大することとなり、圧力調整弁の開度に対する水素流通量の変化が大きくなる。
【0007】
したがって、運転モードによって圧力調整弁の開閉を行う場合、高地の場合には、平地に比べてより敏感に水素極入口圧(水素量)が変化することとなる。
【0008】
このような水素極入口圧の変化を安定化させるものとしては、水素極下流に配置した圧力流量特性の異なる複数のバルブを、外気圧の変化を含む運転状態に応じて開閉するものがある(特開2001−338671号公報参照)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように水素極の下流に複数のバルブを設ける方法では、水素極入口圧をより正確に制御するために、燃料電池の入口圧力や水素流量、発電電流などを検出する必要があり、システム全体が複雑になるという課題がある。
【0010】
そこで、この発明は、システム全体の複雑化を回避しつつ、水素極入口圧を安定化させることを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段および、前記燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段をそれぞれ設け、前記燃料電池における水素極の下流に接続される水素配管内の体積を変化させる水素配管体積可変手段を設けた構成としてある。
【0012】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池における水素極下流の水素配管内の体積を変化させるようにしたため、複数の検出装置や多数のバルブを設けるなどの構造の複雑化を回避しつつ、水素極の入口圧を安定化させることができる。
【0013】
この際、外気圧の高い運転時には水素配管内の体積を小さくすることにより、システムの応答性を向上させることができる。また、外気圧の低い運転時には水素配管内の体積を大きくすることにより、外気圧低下に伴なう空気極の入口圧低下に対する水素極の入口圧の安定性を確保することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0015】
図1は、この発明に係わる燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池1の空気極3に接続される空気供給配管5には、その上流側から、エアフィルタ7、空気流量計9、コンプレッサモータ11を備えたコンプレッサ13が、それぞれ配置してあり、これらによって空気供給手段14を構成している。また、空気極3に接続される空気排出配管15には、空気流量制御弁17を設けてある。
【0016】
一方、燃料電池1の水素極19に接続される水素供給配管21には、その上流側から水素タンク23、水素流量制御弁25、エジェクタ27が、それぞれ配置してあり、これらによって水素供給手段28を構成している。また、水素極19に接続される水素配管としての水素排出配管29および、前記した空気流量制御弁17の上流側の空気排出配管15に接続した空気分岐配管31には、水素配管体積可変手段33を設けてある。
【0017】
また、水素配管体積可変手段33には、パージ配管35を接続してあり、パージ配管35にはパージ弁37を設けてある。さらにこのパージ弁37上流のパージ配管35とエジェクタ27とは水素還流管39により接続され、水素還流管39にはパージ弁41を設けてある。
【0018】
上記した燃料電池1の空気極3と水素極19の間には、図示していないが発電に必要な高分子膜を設けてある。この高分子膜の劣化を避けるために、空気極3および水素極19のそれぞれの入口圧力が同じになるように、空気流量制御弁17および水素流量制御弁25にて空気流量および水素流量をそれぞれ制御している。
【0019】
上記した水素配管体積可変手段33は、外気圧が高い場合に燃料極19下流の水素排出配管29の体積を小さくし、また高地などで外気圧が低い場合には、水素排出配管29の体積を大きくする。
【0020】
このような水素配管体積可変手段33の第1の実施形態による構造を図2に示す。これは、外気圧を導入し、この導入した外気圧を機械的動作に変換して水素排出配管29の体積を変化させる。
【0021】
水素排出配管29およびパージ配管35に連通する水素室43を設け、この水素室43内に、図2中で左右方向に移動可能な体積可変ピストン45を収容する。この体積可変ピストン45を境にして水素室43と反対側には、前記した空気分岐配管31に連通し、水素室43の圧力に対抗する空気圧力を有する空気室47を設ける。
【0022】
上記した空気室47に対し隔壁49を隔て、1気圧の空気を密閉した密閉室51を設けてある。そして、この密閉室51内に、前記した体積可変ピストン45に接続したピストンロッド53が、隔壁49を貫通して図中で右方向に突出している。このピストンロッド53は、ロッド支持板55を貫通してさらに右方向へ突出しており、この隔壁49およびロッド支持板55との間に軸受57および59をそれぞれ備えている。ロッド支持板55の適宜位置には、貫通孔55aを複数設けてある。
【0023】
上記したピストンロッド5の先端には、外気圧受け板61を設け、この外気圧受け板61の周縁と、密閉室51の端壁63との間には、伸縮可能な金属製のベローズ65を介装してある。すなわち、このベローズ65は、密閉室51と外気とを隔てて、体積可変ピストン45の移動とともに伸縮変位する。
【0024】
また、上記したベローズ65の内側の外気室67内には、外気圧受け板61と端壁63との間に介装したスプリング69を設けてある。
【0025】
ここで水素室43内の水素により体積可変ピストン45を押す力をF1、空気室47内の空気により体積可変ピストン45を押す力をF2としてある。さらに、密閉室51内の1気圧の空気が外気圧受け板61を押す力をF3、スプリング69の外気圧受け板61を押す力(バネ力)をF4、外気圧により外気圧受け板61を押す力をF5としてある。
【0026】
このとき、体積可変ピストン45,ピストンロッド53および外気圧受け板61が一体となった移動体にかかる力は、
F1+F3=F2+F4+F5 ・・・ (式1)
また、水素排出配管29に連通する水素室43の圧力と、空気分岐配管31に連通する空気室47の圧力とは、互いに同等である。すなわち、
F1=F2 ・・・ (式2)
が成り立ち、前記した(式1)は、
F3=F4+F5 ・・・(式3)
と書き換えられる。
【0027】
外気は図2の右側からベローズ65内の外気室57に導かれ、この外気圧F5とスプリング69のバネ力F4で、密閉室51内の1気圧の空気圧F3と釣り合う。
【0028】
このとき、この燃料電池システムを搭載した自動車が高地に登るなどの理由により外気圧が下がった場合、F5が低下しF5’となることによって、
F3>F4+F5’・・・(式4)
という関係になり、移動体は図2の右側に動くこととなり、水素室43の体積が増加する。水素室43は、水素排出配管29に連通していることから、水素極19の下流の接続される水素配管内の体積が増加することになる。移動体が図2中で右側に動くことにより、密閉室51内の空気の圧力が低下するとともに、スプリング69が収縮するため、バネ力F4もF4‘へ増大し、所定の収縮量において、
F3=F4’+F5’・・・(式5)
となり、この時点で移動体の移動は停止する。
【0029】
また、上記のように外気圧が下がった場合に、最低限増やす必要のある水素配管内の体積は、ボイル−シャルルの法則より、
1気圧時水素配管内全体積×{(1/最低外気圧)−1}・・・(式6)
とすることができ、例えば全体積が5リットル、最低外気圧が0.6気圧のときは、3.3リットルとなる。
【0030】
このように特別にアクチュエータなどを設けずに外気圧と水素圧力とのバランスによって、水素配管内の体積を変化させることができ、これにより、外気圧の低下に伴う空気極3の入口圧低下に対する水素極19の入口圧を安定化させることができる。この場合、複数の検出装置や多数のバルブが不要であり、外気圧と封入された任意の圧力の気体とのバランスから機械的な動作を取り出し、この機械的動作によって水素配管内の体積を変化させるという簡易な方法であり、構造の複雑化を回避している。
【0031】
また逆に、上記した高地に比べて外気圧の高い平地運転時には、水素配管内の体積が高地より小さくなることにより、システムの応答性を向上させることができる。
【0032】
さらに、上記した第1の実施形態によれば、ベローズ65の伸縮を用いているため、水素の外部への漏れを確実に防ぐことができる。
【0033】
図3は、この発明の第2の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段15を示す。この水素配管体積可変手段15は、前記図2に示した第1の実施形態におけるベローズ65に代えてダイヤフラム71を使用している。ここでは、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して、主として異なる部位のみ説明する。
【0034】
上記したダイヤフラム71の中心部にはピストンロッド53の先端を固定し、ダイヤフラム71の周縁は外気室67を形成する側壁73の図中で左端部に固定してある。そして、スプリング69は、ダイヤフラム71と端壁63との間に介装してある。
【0035】
この実施形態においては、外気圧の変化によりダイヤフラム71が変位し、この変位に伴って体積可変ピストン45が移動して水素室43の体積、すなわち水素配管内の体積が変化する。この場合、体積可変ピストン45およびピストンロッド53が一体となって移動体を構成している。
【0036】
上記した第2の実施形態によれば、ダイヤフラム71を用いるため、第1の実施形態における金属製のベローズ65を使用する場合に比べコスト低下を図ることができる。
【0037】
図4は、この発明の第3の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段15を示す。この水素配管体積可変手段15は、前記図2に示した第1の実施形態におけるベローズ65に代えてシリンダ機構75を使用している。ここでは、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して、主として異なる部位のみ説明する。
【0038】
すなわち、ピストンロッド53の先端にピストン77を備えており、このピストン77は、密閉室51と外気室79とを隔てている。
【0039】
この実施形態においては、外気圧の変化によりピストン77が移動し、この移動に伴って体積可変ピストン45が移動して水素室43の体積、すなわち水素配管内の体積が変化する。この場合、体積可変ピストン45およびピストンロッド53が一体となって移動体を構成している。
【0040】
上記した第3の実施形態によれば、シリンダ機構75を用いるため、第1の実施形態および第2の実施形態に比べ、耐久性およびび信頼性に優れたものとなる。
【0041】
図5は、この発明の第4の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段15を示す。この水素配管体積可変手段15は、ピストンロッド53の先端を、密閉室51から外部へ突出させ、この突出端部にアクチュエータ81を設けてある。このアクチュエータ81を、外気圧検出手段としての気圧センサ83の検出値に応じて作動させて、ピストン45およびピストンロッド53よりなる移動体を移動させ、水素室43の体積、すなわち水素配管内の体積を変化させるようにしている。なお、図5中で符号85は軸受である。
【0042】
これにより、前記した第1〜第3の各実施形態で示したような機械的動作により水素配管内の体積を変化させる場合に比べ、より細かな制御が可能となる。
【0043】
この場合、図6に示すように、気圧センサ83で検出した外気圧の低下に伴ってに連続的に水素室43の体積を大きくすることができる。これにより、外気圧に応じた最適な水素配管内の体積を得ることができる。
【0044】
また、図7に示すように、気圧センサ83で検出した外気圧に対し、あらかじめ実験などで定めた所定値(閾値)を境にして、ステップ状に水素配管内の体積を変化させることもできる。これにより、図6の制御例に比べ、制御システムの簡便化を図ることができる。
【0045】
ここで、所定の閾値としては、例えば外気圧が低下したときに、水素流量制御弁25を作動させたときの圧力変動によって電解質膜が劣化するときの値として設定し、例えば0.6気圧というように、設計値として設定する値である。
【0046】
また、第5の実施形態として、車載されるカーナビゲーションシステムからの高度情報により、水素配管内の体積を変化させることも考えられる。この場合には、第4の実施形態で使用した気圧センサ83などの新たな検出手段を設けることなく本発明を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図2】図1の燃料電池システムにおける第1の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図3】図1の燃料電池システムにおける第2の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図4】図1の燃料電池システムにおける第3の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図5】図1の燃料電池システムにおける第4の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図6】第4の実施形態による気圧センサで検出した外気圧に従って連続的に水素配管内体積を変化させる例を示す、外気圧と水素配管内体積との相関図である。
【図7】第4の実施形態による気圧センサで検出した外気圧に対し、所定値(閾値)を境にして、ステップ状に水素内管内体積を変化させる例を示す、外気圧と水素配管内体積との相関図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
3 空気極
14 空気供給手段
19 水素極
28 水素供給手段
29 水素排出配管(水素配管)
33 水素配管体積可変手段
45 体積可変ピストン(移動体)
51 密閉室
53 ピストンロッド(移動体)
61 外気圧受け板(移動体)
65 ベローズ
71 ダイヤフラム
75 シリンダ機構
77 ピストン
83 気圧センサ(外気圧検出手段)
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に空気および水素をそれぞれ供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の空気極に供給する空気は、コンプレッサなどによって圧縮したものを用いる。この圧縮空気は大気圧によらず一定の圧力比(吐出圧/吸気圧)で供給するため、高地運転時など外気圧の低い運転状態では、空気極における入口圧の低下が発生する。
【0003】
このとき、燃料電池の水素極における入口圧は、燃料電池内部の電解質膜の劣化を避けるため、空気極の入口圧との圧力差が発生しないよう保つ必要があり、このため水素極の入口圧も平地運転時に比べて低下させる必要がある。
【0004】
ところで、水素極の入口圧の低下は、この入口部上流に設けてある圧力調整弁によって行うが、この圧力調整弁の僅か開閉によって、水素極入口圧が大きく敏感に変化し、平地での運転に比べて圧力変動が大きくなる。
【0005】
上記した圧力変動が生じる原因は以下の理由による。例えば、大気圧が0.6気圧の高地において、空気系のコンプレッサは圧力比(吐出圧/吸込み圧)一定であるため、圧力比2のとき、コンプレッサ吐出圧は1.2気圧となり(大気圧が1気圧の平地では吐出圧は2気圧)、空気極の入口圧が1.2気圧となる。
【0006】
そのため、平地では2気圧だった水素極の入口圧も、1.2気圧にする必要がある。この1.2気圧の水素極入口圧は、水素タンクと燃料電池との間に設けた圧力調整弁の開閉にて調整することになる。ところが、この圧力調整弁の上流側圧力は水素タンク出口のレギュレータによって、常に1MPa程度に設定されているため、水素極入口圧が低下した場合、圧力調整弁の上下流差圧は増大することとなり、圧力調整弁の開度に対する水素流通量の変化が大きくなる。
【0007】
したがって、運転モードによって圧力調整弁の開閉を行う場合、高地の場合には、平地に比べてより敏感に水素極入口圧(水素量)が変化することとなる。
【0008】
このような水素極入口圧の変化を安定化させるものとしては、水素極下流に配置した圧力流量特性の異なる複数のバルブを、外気圧の変化を含む運転状態に応じて開閉するものがある(特開2001−338671号公報参照)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したように水素極の下流に複数のバルブを設ける方法では、水素極入口圧をより正確に制御するために、燃料電池の入口圧力や水素流量、発電電流などを検出する必要があり、システム全体が複雑になるという課題がある。
【0010】
そこで、この発明は、システム全体の複雑化を回避しつつ、水素極入口圧を安定化させることを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段および、前記燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段をそれぞれ設け、前記燃料電池における水素極の下流に接続される水素配管内の体積を変化させる水素配管体積可変手段を設けた構成としてある。
【0012】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池における水素極下流の水素配管内の体積を変化させるようにしたため、複数の検出装置や多数のバルブを設けるなどの構造の複雑化を回避しつつ、水素極の入口圧を安定化させることができる。
【0013】
この際、外気圧の高い運転時には水素配管内の体積を小さくすることにより、システムの応答性を向上させることができる。また、外気圧の低い運転時には水素配管内の体積を大きくすることにより、外気圧低下に伴なう空気極の入口圧低下に対する水素極の入口圧の安定性を確保することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【0015】
図1は、この発明に係わる燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池1の空気極3に接続される空気供給配管5には、その上流側から、エアフィルタ7、空気流量計9、コンプレッサモータ11を備えたコンプレッサ13が、それぞれ配置してあり、これらによって空気供給手段14を構成している。また、空気極3に接続される空気排出配管15には、空気流量制御弁17を設けてある。
【0016】
一方、燃料電池1の水素極19に接続される水素供給配管21には、その上流側から水素タンク23、水素流量制御弁25、エジェクタ27が、それぞれ配置してあり、これらによって水素供給手段28を構成している。また、水素極19に接続される水素配管としての水素排出配管29および、前記した空気流量制御弁17の上流側の空気排出配管15に接続した空気分岐配管31には、水素配管体積可変手段33を設けてある。
【0017】
また、水素配管体積可変手段33には、パージ配管35を接続してあり、パージ配管35にはパージ弁37を設けてある。さらにこのパージ弁37上流のパージ配管35とエジェクタ27とは水素還流管39により接続され、水素還流管39にはパージ弁41を設けてある。
【0018】
上記した燃料電池1の空気極3と水素極19の間には、図示していないが発電に必要な高分子膜を設けてある。この高分子膜の劣化を避けるために、空気極3および水素極19のそれぞれの入口圧力が同じになるように、空気流量制御弁17および水素流量制御弁25にて空気流量および水素流量をそれぞれ制御している。
【0019】
上記した水素配管体積可変手段33は、外気圧が高い場合に燃料極19下流の水素排出配管29の体積を小さくし、また高地などで外気圧が低い場合には、水素排出配管29の体積を大きくする。
【0020】
このような水素配管体積可変手段33の第1の実施形態による構造を図2に示す。これは、外気圧を導入し、この導入した外気圧を機械的動作に変換して水素排出配管29の体積を変化させる。
【0021】
水素排出配管29およびパージ配管35に連通する水素室43を設け、この水素室43内に、図2中で左右方向に移動可能な体積可変ピストン45を収容する。この体積可変ピストン45を境にして水素室43と反対側には、前記した空気分岐配管31に連通し、水素室43の圧力に対抗する空気圧力を有する空気室47を設ける。
【0022】
上記した空気室47に対し隔壁49を隔て、1気圧の空気を密閉した密閉室51を設けてある。そして、この密閉室51内に、前記した体積可変ピストン45に接続したピストンロッド53が、隔壁49を貫通して図中で右方向に突出している。このピストンロッド53は、ロッド支持板55を貫通してさらに右方向へ突出しており、この隔壁49およびロッド支持板55との間に軸受57および59をそれぞれ備えている。ロッド支持板55の適宜位置には、貫通孔55aを複数設けてある。
【0023】
上記したピストンロッド5の先端には、外気圧受け板61を設け、この外気圧受け板61の周縁と、密閉室51の端壁63との間には、伸縮可能な金属製のベローズ65を介装してある。すなわち、このベローズ65は、密閉室51と外気とを隔てて、体積可変ピストン45の移動とともに伸縮変位する。
【0024】
また、上記したベローズ65の内側の外気室67内には、外気圧受け板61と端壁63との間に介装したスプリング69を設けてある。
【0025】
ここで水素室43内の水素により体積可変ピストン45を押す力をF1、空気室47内の空気により体積可変ピストン45を押す力をF2としてある。さらに、密閉室51内の1気圧の空気が外気圧受け板61を押す力をF3、スプリング69の外気圧受け板61を押す力(バネ力)をF4、外気圧により外気圧受け板61を押す力をF5としてある。
【0026】
このとき、体積可変ピストン45,ピストンロッド53および外気圧受け板61が一体となった移動体にかかる力は、
F1+F3=F2+F4+F5 ・・・ (式1)
また、水素排出配管29に連通する水素室43の圧力と、空気分岐配管31に連通する空気室47の圧力とは、互いに同等である。すなわち、
F1=F2 ・・・ (式2)
が成り立ち、前記した(式1)は、
F3=F4+F5 ・・・(式3)
と書き換えられる。
【0027】
外気は図2の右側からベローズ65内の外気室57に導かれ、この外気圧F5とスプリング69のバネ力F4で、密閉室51内の1気圧の空気圧F3と釣り合う。
【0028】
このとき、この燃料電池システムを搭載した自動車が高地に登るなどの理由により外気圧が下がった場合、F5が低下しF5’となることによって、
F3>F4+F5’・・・(式4)
という関係になり、移動体は図2の右側に動くこととなり、水素室43の体積が増加する。水素室43は、水素排出配管29に連通していることから、水素極19の下流の接続される水素配管内の体積が増加することになる。移動体が図2中で右側に動くことにより、密閉室51内の空気の圧力が低下するとともに、スプリング69が収縮するため、バネ力F4もF4‘へ増大し、所定の収縮量において、
F3=F4’+F5’・・・(式5)
となり、この時点で移動体の移動は停止する。
【0029】
また、上記のように外気圧が下がった場合に、最低限増やす必要のある水素配管内の体積は、ボイル−シャルルの法則より、
1気圧時水素配管内全体積×{(1/最低外気圧)−1}・・・(式6)
とすることができ、例えば全体積が5リットル、最低外気圧が0.6気圧のときは、3.3リットルとなる。
【0030】
このように特別にアクチュエータなどを設けずに外気圧と水素圧力とのバランスによって、水素配管内の体積を変化させることができ、これにより、外気圧の低下に伴う空気極3の入口圧低下に対する水素極19の入口圧を安定化させることができる。この場合、複数の検出装置や多数のバルブが不要であり、外気圧と封入された任意の圧力の気体とのバランスから機械的な動作を取り出し、この機械的動作によって水素配管内の体積を変化させるという簡易な方法であり、構造の複雑化を回避している。
【0031】
また逆に、上記した高地に比べて外気圧の高い平地運転時には、水素配管内の体積が高地より小さくなることにより、システムの応答性を向上させることができる。
【0032】
さらに、上記した第1の実施形態によれば、ベローズ65の伸縮を用いているため、水素の外部への漏れを確実に防ぐことができる。
【0033】
図3は、この発明の第2の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段15を示す。この水素配管体積可変手段15は、前記図2に示した第1の実施形態におけるベローズ65に代えてダイヤフラム71を使用している。ここでは、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して、主として異なる部位のみ説明する。
【0034】
上記したダイヤフラム71の中心部にはピストンロッド53の先端を固定し、ダイヤフラム71の周縁は外気室67を形成する側壁73の図中で左端部に固定してある。そして、スプリング69は、ダイヤフラム71と端壁63との間に介装してある。
【0035】
この実施形態においては、外気圧の変化によりダイヤフラム71が変位し、この変位に伴って体積可変ピストン45が移動して水素室43の体積、すなわち水素配管内の体積が変化する。この場合、体積可変ピストン45およびピストンロッド53が一体となって移動体を構成している。
【0036】
上記した第2の実施形態によれば、ダイヤフラム71を用いるため、第1の実施形態における金属製のベローズ65を使用する場合に比べコスト低下を図ることができる。
【0037】
図4は、この発明の第3の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段15を示す。この水素配管体積可変手段15は、前記図2に示した第1の実施形態におけるベローズ65に代えてシリンダ機構75を使用している。ここでは、第1の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付して、主として異なる部位のみ説明する。
【0038】
すなわち、ピストンロッド53の先端にピストン77を備えており、このピストン77は、密閉室51と外気室79とを隔てている。
【0039】
この実施形態においては、外気圧の変化によりピストン77が移動し、この移動に伴って体積可変ピストン45が移動して水素室43の体積、すなわち水素配管内の体積が変化する。この場合、体積可変ピストン45およびピストンロッド53が一体となって移動体を構成している。
【0040】
上記した第3の実施形態によれば、シリンダ機構75を用いるため、第1の実施形態および第2の実施形態に比べ、耐久性およびび信頼性に優れたものとなる。
【0041】
図5は、この発明の第4の実施形態を示す燃料電池システムにおける水素配管体積可変手段15を示す。この水素配管体積可変手段15は、ピストンロッド53の先端を、密閉室51から外部へ突出させ、この突出端部にアクチュエータ81を設けてある。このアクチュエータ81を、外気圧検出手段としての気圧センサ83の検出値に応じて作動させて、ピストン45およびピストンロッド53よりなる移動体を移動させ、水素室43の体積、すなわち水素配管内の体積を変化させるようにしている。なお、図5中で符号85は軸受である。
【0042】
これにより、前記した第1〜第3の各実施形態で示したような機械的動作により水素配管内の体積を変化させる場合に比べ、より細かな制御が可能となる。
【0043】
この場合、図6に示すように、気圧センサ83で検出した外気圧の低下に伴ってに連続的に水素室43の体積を大きくすることができる。これにより、外気圧に応じた最適な水素配管内の体積を得ることができる。
【0044】
また、図7に示すように、気圧センサ83で検出した外気圧に対し、あらかじめ実験などで定めた所定値(閾値)を境にして、ステップ状に水素配管内の体積を変化させることもできる。これにより、図6の制御例に比べ、制御システムの簡便化を図ることができる。
【0045】
ここで、所定の閾値としては、例えば外気圧が低下したときに、水素流量制御弁25を作動させたときの圧力変動によって電解質膜が劣化するときの値として設定し、例えば0.6気圧というように、設計値として設定する値である。
【0046】
また、第5の実施形態として、車載されるカーナビゲーションシステムからの高度情報により、水素配管内の体積を変化させることも考えられる。この場合には、第4の実施形態で使用した気圧センサ83などの新たな検出手段を設けることなく本発明を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図2】図1の燃料電池システムにおける第1の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図3】図1の燃料電池システムにおける第2の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図4】図1の燃料電池システムにおける第3の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図5】図1の燃料電池システムにおける第4の実施形態を示す水素配管体積可変手段の構造図である。
【図6】第4の実施形態による気圧センサで検出した外気圧に従って連続的に水素配管内体積を変化させる例を示す、外気圧と水素配管内体積との相関図である。
【図7】第4の実施形態による気圧センサで検出した外気圧に対し、所定値(閾値)を境にして、ステップ状に水素内管内体積を変化させる例を示す、外気圧と水素配管内体積との相関図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
3 空気極
14 空気供給手段
19 水素極
28 水素供給手段
29 水素排出配管(水素配管)
33 水素配管体積可変手段
45 体積可変ピストン(移動体)
51 密閉室
53 ピストンロッド(移動体)
61 外気圧受け板(移動体)
65 ベローズ
71 ダイヤフラム
75 シリンダ機構
77 ピストン
83 気圧センサ(外気圧検出手段)
Claims (10)
- 燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段および、前記燃料電池の水素極に水素を供給する水素供給手段をそれぞれ設け、前記燃料電池における水素極の下流に接続される水素配管内の体積を変化させる水素配管体積可変手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
- 前記水素配管体積可変手段は、外気圧の導入により移動して前記水素配管内の体積を変化させる移動体を備えていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記移動体の移動により内圧が変化する密閉室を設け、この密閉室と外気とを隔てて、前記移動体の移動とともに変位するベローズを設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記移動体の移動により内圧が変化する密閉室を設け、この密閉室と外気とを隔てて、前記移動体の移動とともに変位するダイヤフラムを設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記移動体の移動により内圧が変化する密閉室を設け、この密閉室と外気とを隔てて前記移動体の移動とともに移動するピストンを備えたシリンダ機構を設けたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記水素配管体積可変手段は、外気圧を検出する外気圧検出手段を備え、この外気圧検出手段が検出した外気圧に基づいて、前記水素配管内の体積を変化させるべく移動する移動体を設けたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記水素配管の体積を、外気圧の変化に応じて連続的に変化させることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
- 前記水素配管の体積を、あらかじめ設定した外気圧の所定値を境にして変化させることを特徴とする請求項6記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池システムを車両に搭載し、前記水素配管体積可変手段は、前記車両に搭載したカーナビゲーションシステムからの高度情報に基づいて、前記水素配管内の体積を変化させるべく移動する移動体を設けたことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記水素配管体積可変手段は、前記水素配管の体積を、外気圧が低い場合に大きくする一方、外気圧が高い場合に小さくすることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の燃料電池システム。
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JP2002221847A JP2004063342A (ja) | 2002-07-30 | 2002-07-30 | 燃料電池システム |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006331884A (ja) * | 2005-05-26 | 2006-12-07 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
JP2007080728A (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-29 | Honda Motor Co Ltd | 水素希釈装置 |
-
2002
- 2002-07-30 JP JP2002221847A patent/JP2004063342A/ja active Pending
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