JP2004063342A - 燃料電池システム - Google Patents

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

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）

Claims (10)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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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