JP2005078997A

JP2005078997A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2005078997A
Application number: JP2003309825A
Authority: JP
Inventors: Taro Yokoi; 太郎横井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】従来の燃料電池モジュール取付け構造では、凝縮水の滞留防止とレイアウト性を両立することができなかった。
【解決手段】燃料電池供給口と燃料電池排出口を燃料電池同一側面に横方向に並べて配置し、水分調整手段及び第二の循環手段を燃料電池供給口と燃料電池排出口の間に配置し、第一のガス排出口を第一のガス吸引口の略鉛直方向に配置し、第二のガス吸引口と第二の排気ガス排出口を同じ高さに配置し、第一の循環流路を燃料電池停止時に流路内部が連通する構造とし、第二の循環流路をガスを遮断可能な遮断弁を取付けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池装置、詳しくは燃料電池モジュールの取付け構造に関する。

従来の燃料電池モジュールの取付け構造は、燃料電池から排出側の気液分離器を燃料電池等の装置に対して最下点にレイアウトし、循環装置は気液分離器より上に、バルブは配管でつながられた各装置(循環装置等)より高い位置にレイアウトすることにより、凝縮水の滞留を防止している。(特許文献1参照。)
特開2002-231294号公報(第4―7頁、第4図)

しかしながら従来の燃料電池モジュール取付け構造では、凝縮水の滞留は防止できるが、気液分離器より循環装置を高く、バルブを循環装置より高く配置しているため、高さ方向が大きくなる。また、高さ方向を抑えようとすると、循環装置を気液分離器の横方向付近に配置することとなり、横方向が大きくなる。そして、高さ方向及び横方向を抑えようとすると、流路が曲がりを多く或いは鋭角の曲がりをもつこととなり、圧力損失が大きくなる。したがって、凝縮水の滞留防止とレイアウト性を両立することができなかった。

燃料電池供給口と燃料電池排出口を燃料電池同一側面に横方向に並べて配置し、水分調整手段及び第二の循環手段を燃料電池供給口と燃料電池排出口の間に配置し、第一のガス排出口を第一のガス吸引口の略鉛直方向に配置し、第二のガス吸引口と第二の排気ガス排出口を同じ高さに配置し、第一の循環流路を燃料電池停止時に流路内部が連通する構造とし、第二の循環流路をガスを遮断可能な遮断弁を取付ける。

第一のガス排出口を第一のガス吸引口の略鉛直方向に配置し、第一の循環流路を燃料電池停止時に流路内部が連通する構造とし、第二の循環流路はガスを遮断可能な遮断弁を取付けることで、第一の循環流路は略直線状にすることができ、凝縮水の滞留を防止できる流路が確保できるので、燃料電池を起動することが可能となり、第二の循環流路に流すことなく、第一の循環流路のみに起動時に流すことができるので、効率的に燃料電池を起動できる。また、水分調整手段及び第二の循環手段は、燃料電池供給口と燃料電池排出口の間に配置し、第一のガス排出口を、第一のガス吸引口の略鉛直方向に配置することで、限られたスペースでもレイアウトが可能となる。そして、燃料電池供給口と燃料電池排出口を燃料電池同一側面に横方向に並べて配置し、水分調整手段及び第二の循環手段を燃料電池供給口と燃料電池排出口の間に配置し、第二のガス吸引口と第二の排気ガス排出口は同じ高さに配置することで、第二の循環流路と、燃料電池排出口と水分調整手段流入口を結ぶ配管、及び第二の循環手段からガスを排出する循環ガス排出口と燃料電池供給口を結ぶ配管を略直線状とすることができるので、圧力損失を抑えることが可能となる。したがって、このような配置にすることで、凝縮水の滞留防止とレイアウト性を両立することができる。

（実施例１）
本実施例の構成を、図1を用いて説明する。燃料電池1、燃料ガス供給口1b(燃料電池供給口)、燃料ガス排出口1a(燃料電池排出口)、循環装置3,4、遮断弁5,6、気液分離器2(水分調整手段)で構成されている。また、図示しない燃料供給装置から循環装置4(第一の循環手段)を結ぶ配管を燃料ガス供給配管11(第一の供給ガス流路)とし、燃料ガス供給配管11から分岐し循環装置3(第二の循環手段)とを結ぶ配管を高負荷用燃料ガス供給配管12(第二の供給ガス流路)とし、気液分離器2と循環装置4を結ぶ配管を循環配管13(第一の循環流路)とし、気液分離器2と循環装置3を結ぶ配管を高負荷用循環配管14(第二の循環流路)とする。なお、高負荷用燃料ガス供給配管12には供給ガス遮断弁5(第二のバルブ)が、高負荷用循環配管14には循環ガス遮断弁6(第一のバルブ)が、夫々取付けられ、循環配管13はバルブを設けない構造としている。また、夫々の装置を接続している配管は、直線状のものを用いる。なお、ここで用いる直線状とは、緩やかな曲線部(鈍角)を有するものも含む。

次に、各装置のレイアウトについて説明する。燃料電池1は空気極と燃料極を有しており、燃料極排気口1aと燃料極供給口1bを同じ高さに備える。燃料極排気口1aと、気液分離器2の吸気口2ｃ(排気ガス流入口)と、気液分離器2の排気口2a(第二の排気ガス排出口)と、循環装置3の吸気口3a(第二のガス吸入口)と、燃料極供給口1bは同じ高さに配置している。高負荷用循環4及び気液分離器2は燃料電池排気口1aと燃料電池供給口1bの間に配置する。気液分離器2の排気口2bの鉛直方向上に循環装置4の吸気口4a(第一のガス吸入口)を配置している。なお、ここで述べた高さとは、地上から鉛直方向上の高さを言う。

次に、本実施例の作用について説明する。

まず、燃料電池1を低負荷で運転している場合を説明する。燃料供給装置から供給された燃料ガスは、燃料ガス供給配管11を流れ、循環装置3を通過し燃料極供給口1bに送られる。この時、供給ガス遮断弁5は閉である。燃料電池1に供給された燃料ガスは、燃料電池1内を通過し、燃料極排気口1aより排出される。排出されたガスは、気液分離器2でガス中に含まれる水分を除去(或いは加湿)し、循環配管13を流れ、循環装置4に送られる。この時、循環ガス遮断弁6は閉である。その後、燃料供給装置から供給される燃料ガスと循環装置4で混合し、再び燃料極供給口1bに送られる。

次に、燃料電池1を高負荷で運転している場合を説明する。燃料供給装置から供給された燃料ガスは、高負荷用燃料ガス供給配管12及び燃料ガス供給配管11を流れ、循環装置3及び循環装置4を通過し燃料極供給口1bに送られる。燃料電池1に供給された燃料ガスは、燃料電池1内を通過し、燃料極排気口1aより排出される。排出されたガスは、気液分離器2でガス中に含まれる水分を除去(或いは加湿)し、高負荷用循環配管14及び循環配管13を流れ、循環装置3及び循環装置4に送られる。その後、燃料供給装置から供給される燃料ガスと循環装置3及び循環装４で混合し、再び燃料極供給口1bに送られる。

なお以下では、主に高負荷運転時に用いる循環装置3を高負荷用循環装置とし、主に低負荷運転時及び高負荷運転時又は燃料電池1起動時に用いる循環装置4を低負荷用循環装置と総称する。

このように本実施例では、以上の構成により以下の効果を得る。

低負荷用循環装置4の吸気口4aの鉛直方向に気液分離器2の排気口2bを配置することで、循環配管13は略直線状にすることができ、且つ循環配管13をバルブを設けない構造とすることで、少なくても一つは凝縮水の滞留を防止できる流路が確保できるので、燃料電池1を起動することが可能となり、高負荷用循環配管14に流すことなく、循環配管13のみに起動時に流すことができるので、効率的に燃料電池1を起動できる。また、気液分離器2、高負荷用循環装置3、及び低負荷用循環装置4を、燃料電池供給口1bと燃料電池排出口1aの間に配置し、気液分離器2の排気口2bの鉛直方向上に循環装置4の吸気口4aを配置することで、限られたスペースでもレイアウトが可能となる。そして、燃料電池供給口1bと燃料電池排出口1aを燃料電池1同一側面に横方向に並べて配置し、気液分離器2及び高負荷用循環装置3を燃料電池供給口1bと燃料電池排出口1aの間に配置することで、循環配管14と、燃料電池排出口1aと気液分離器2を結ぶ配管、及び循環装置3と燃料電池供給口1bを結ぶ配管を直線状とすることができ、且つ燃料電池1循環装置3の吸気口3aと気液分離器2の排気口2aを同じ高さに配置することで、各装置を同じ高さでつなぐことができ、特に高負荷運転時に流れる流路の圧力損失を抑えることが可能となる。したがって、このような配置にすることで、凝縮水の滞留防止とレイアウト性を両立することができる。なお、起動後はシステムで発生する熱や燃料電池で発電した電力で高負荷用の流路を加熱することで、高負荷での運転も可能となる。

燃料電池排出口1bと、気液分離器2の吸気口2ｃと、気液分離器2の排気口2aと、高負荷用循環装置3の循環ガス排出口3b(循環ガス排出口)と、燃料電池供給口1aを同じ高さに配置したので、高負荷運転時に使用する流路は圧力損失をさらに抑えることができる。

なお、本実施例では循環配管13をバルブを設けない構造としたが、燃料電池1起動時(特に、氷点下での起動時)に流路をふさがない構造とすればよい(例えば、通常開のバルブを設けても良い)。また、高負荷用循環配管14を直線状の配管としたが、圧損が少ない構造にすればよい(例えば、鈍角の曲がりをもつ配管)。また、燃料極について説明したが、空気極でも同様な構成にすることで同様の効果を得る。
（実施例２）
本実施例の構成について図2を用いて説明する。本実施例は、実施例１で用いた構成に、流量計7(流量測定手段)、圧力調整弁9、圧力計8、パージ弁10(第三のバルブ)、図示しないコントロールユニットを取付けた構成である。また、燃料電池から排出されたガスを系外に排出可能にするため、気液分離器2から外部に向ってパージ弁10を備える排気配管15(排気流路)を取り付ける。

次に、各機器のレイアウト及び機能について説明する。圧力計7は、燃料極供給口1bに取り付け、燃料極供給口1bに流入する燃料ガスの圧力を測定する。圧力調整弁8は、燃料ガス供給配管11と高負荷用燃料ガス供給配管12との分岐点より燃料ガスの流れ方向において上流に取り付け、燃料電池1に供給する燃料ガスの圧力を調整する。流量計7は、圧力調整弁8より燃料ガスの流れ方向において上流に取り付け、燃料供給装置が供給している燃料ガスの流量を測定する。また、コントロールユニットは、各計器の結果に基づいて各弁の開閉制御を行う。

次に、本実施例の作用について説明する。

燃料電池を運転していると、空気極側の窒素が高分子膜を透過して燃料極にクロスオーバしてくる現象が現れる場合がある。そのような場合は燃料極の燃料ガス分圧が低下して発電効率が低下する為燃料極内のガスを所定量排出して燃料ガス濃度を高める制御を行う場合がある。その際行う制御(パージ弁10の制御方法)について、図3を用いて説明する。このシステムフローチャートは、燃料電池1を起動してから設定時間毎(例えば10ms)に繰り返し実行される。

ステップ100では、このシステムフローチャートを開始する。

ステップ101では、フラグFPが1かどうかを判断する。フラグFPが1の時は、ステップ109に進む。

ステップ102では、使用者の要求負荷L(例えば、アクセルセンサ)をコントロールユニットに読み込む。

ステップ103では、ステップ102で読み込んだ要求負荷Lでの単位時間あたりの窒素ガス混入量N2を予め実験等で求めたテーブル(例えば図3(3a))から求める。

ステップ104では、ステップ103で求めた値から、燃料極内の総窒素ガス量SN2を算出する。この際、このシステムフローチャートが一定時間実行されている時は積算し、不規則な間隔で実行されている時はその間隔との積を積算する。

ステップ105では、ステップ104で算出された総窒素ガス量SN2が所定総窒素ガス量SLSN2を超えているかを判断する。所定総窒素ガス量SLSN2以下の場合は、ステップ112に進む。

ステップ106では、パージ弁10を開にする。

ステップ107では、タイマAを開始する。

ステップ108では、フラグFPを1にする。ステップ112に進む。

ステップ109では、タイマAが設定時間Tを超えたかを判断する。設定時間T以下の場合は、ステップ112に進む。

ステップ110では、パージ弁を閉にする。

ステップ111では、フラグFP及び所定総窒素ガス量SLSN2を0にして、タイマAを停止しリセットする。

ステップ112では、このシステムフローチャートを終了する。

次に、高負荷時のみに流れる燃料ガス流路(高負荷流路)の圧力損失診断方法(圧力損失検出手段)について、図4を用いて説明する。このシステムフローチャートは、FP＝1(即ち、パージ弁10が開)のときに一回のみ実行される。

ステップ200では、このシステムフローチャートを開始する。

ステップ201では、フラグFPが1かを判断する。フラグPが1でない時は、ステップ214に進む。

ステップ202では、供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6が閉か判断する。閉の場合は、ステップ207に進む。

ステップ203では、供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6を開にする。

ステップ204では、流量計7により燃料ガスの流量QOをコントロールユニットに読み込む。

ステップ205では、供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6を閉にする。

ステップ206では、流量計7により燃料ガスの流量QCをコントロールユニットに読み込む。ステップ211に進む。

ステップ207では、供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6を閉にする。

ステップ208では、流量計7により燃料ガスの流量QCをコントロールユニットに読み込む。

ステップ209では、供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6を開にする。

ステップ210では、流量計7により燃料ガスの流量QOをコントロールユニットに読み込む。

ステップ211では、供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6を開にした時の流量QOから供給ガス遮断弁5及び循環ガス遮断弁6を閉にした時の流量QCを引いた値が、所定流量SLDPを超えているかを判断する。所定流量SLDP以下の場合は、ステップ213に進む。

ステップ212では、フラグFDPを0にする。ステップ214に進む。

ステップ213では、フラグFDPを1にする。

ステップ214では、このシステムフローチャートを終了する。

また、高負荷運転禁止方法について、図５を用いて説明する。このシステムフローチャートは、図4のシステムフローチャート終了後、設定時間毎(例えば10ms)に繰り返し実行される。

ステップ300では、このシステムフローチャートを開始する。

ステップ301では、使用者の要求負荷L(例えば、アクセルセンサ)をコントロールユニットに読み込む。

ステップ302では、ステップ301で読み込んだ要求負荷Lが所定負荷SLLを超えているかを判断する。所定負荷SLL以下の場合は、ステップ305に進む。

ステップ303では、フラグFPDが0かを判断する。フラグFPDが0でない場合は、ステップ305に進む。

ステップ304では、高負荷運転を禁止する(例えば、使用者に警告音或いは警告ランプに知らせる)。

ステップ305では、このシステムフローチャートを終了する。

このように本実施例では、以上の制御を行うことで以下の効果を得る。

高負荷用流路の圧損が所定値以上であれば高負荷運転を禁止する制御を実施することで、高負荷時の燃料ガスの循環不良を招くことなく、安定して燃料電池システムを運転することが可能となる。具体的には、循環不良となった場合、燃料電池のセルの一部には水素が供給されなくなり、そのセルが劣化するという故障モードとなる場合があり、本発明では本モードを回避する為に有効な手段となる。また、始動直後に高負荷用流路の圧損が異常であるとしておけば、すなわちキーONでFDP=1となる様にプログラムしておけば始動から高負荷用流路の圧損が正常であると判断するまで高負荷運転禁止とすることができ、氷点下起動時で高負荷用流路が凍結などにより高圧損となっている場合高負荷運転を回避することができる。

特別な装置の付加なく流量計7の読み値により高負荷用流路の圧損を判定することが可能であり、圧損計測のために燃費等の効率を落とすことも回避できる。また、その判定結果により高負荷運転を禁止できるため的確な循環量の確保できない条件での無理な高負荷運転による燃料電池の劣化を回避することが可能となる。

所定条件で循環燃料ガスを系外に排出するパージ手段を備え、パージ手段実行中に圧力損失診断方法を実行するので、判定の為だけに燃料ガスを捨てることなく、燃費の悪化を招くことなく高負荷用燃料ガス流路の圧損を判定することが可能となる。

第一実施形態に係わる構成図である。第二実施形態に係わる構成図である。第二実施形態に係わるシステムフローチャートである。第二実施形態に係わるシステムフローチャートである。第二実施形態に係わるシステムフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池
２気液分離器
３高負荷用循環装置
４低負荷用循環装置
５供給ガス遮断弁
６循環ガス遮断弁
７流量計
８圧力計
９圧力調整弁
１０パージ弁
１１燃料ガス供給配管
１２高負荷用燃料ガス供給配管
１３循環配管
１４高負荷用循環配管
１５排気配管

Claims

ガスを供給する燃料電池供給口及び排出する燃料電池排出口を有する燃料電池と、
前記燃料電池にガスを供給する第一及び第二の供給ガス流路と、
前記燃料電池から排出される排気ガス中に含まれる水分量を調整する水分調整手段と、
前記水分調整手段通過後の前記排気ガスを前記第一の供給ガス流路に送る第一の循環手段と、前記第二の供給ガス流路に送る第二の循環手段を備え、
前記水分調整手段は排ガスが流入する排気ガス流入口と、排気ガス中の水分を調整したガスを排出する第一及び第二の排気ガス排出口を有し、
前記第一及び第二の循環手段は、前記第一及び第二の排気ガス排出口から排出されるガスを吸入する第一及び第二のガス吸入口を夫々有し、
前記燃料電池供給口と前記燃料電池排出口は、前記燃料電池同一側面に横方向に並んで配置され、
前記水分調整手段及び前記第二の循環手段は、前記燃料電池供給口と前記燃料電池排出口の間に配置し、
前記第一のガス排出口を、前記第一のガス吸引口の略鉛直方向に配置し、
前記第二のガス吸引口と前記第二の排気ガス排出口は同じ高さに配置し、
前記第一のガス吸入口と前記第一のガス排気口を結ぶ第一の循環流路を、前記燃料電池停止時に流路内部が連通する構造とし、
前記第二のガス吸引口と前記第二のガス排出口を結ぶ第二の循環流路と、前記燃料電池排出口と前記水分調整手段流入口を結ぶ配管、及び前記第二の循環手段からガスを排出する循環ガス排出口と前記燃料電池供給口を結ぶ配管を備え、
前記第二の循環流路は、ガスを遮断可能な遮断弁を取付ける
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項1の燃料電池装置において、
前記燃料電池排出口と、前記排気ガス流入口と、前記第二の排気ガス排出口と、前記循環ガス排出口と、前記燃料電池供給口を同じ高さに配置する
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項1又は請求項2の燃料電池装置において、
前記第一の循環装置は前記燃料電池の低負荷運転時及び前記燃料電池の起動時に使用し、
前記第二の循環装置は前記燃料電池の高負荷運転時に使用する
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項1乃至請求項3の燃料電池装置において、
前記第一の循環装置は前記燃料電池の低負荷運転時及び前記燃料電池の起動時に使用し、
前記第二の循環装置は前記燃料電池の高負荷運転時に使用する
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項1乃至請求項4の燃料電池装置において、
前記燃料電池の前記第二の循環装置使用時のみにガスが流れる流路の圧力損失が所定値以上であれば前記第二の循環装置の使用を禁止する
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項5の燃料電池装置において、
前記燃料電池内に流入するガスの流量を測定する流量測定手段と、
前記燃料電池から排出されるガスを系外に排出する排気流路を備え、
前記第二の循環手段と前記水分調整手段をつなぐ第二の循環流路及び前記第二のガス供給流路にガスを遮断する第一及び第二のバルブを有し、
前記燃料電池に供給するガスの圧力を一定に保ちながら、
前記第一及び第二のバルブが閉のときは開にし、開のときは閉にし、
前記第一及び第二のバルブの開閉前後の前記流量測定手段での測定値の差で前記圧力損失を判断する圧力損失検出手段を有する
ことを特徴とする燃料電池装置。
請求項6の燃料電池装置において、
前記排気流路はガスを遮断する第三のバルブを有し、
前記圧力損失検出手段は、
前記第三のバルブが開のときに実行する
ことを特徴とする燃料電池装置。