JP2005129263A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの純水タンクについて、部品点数の削減、レイアウト設計の自由度を増し、且つ部品の組み付け性を向上させることを課題とする。
【解決手段】仕切り板３７により分割された第１タンク５Ａ及び第２タンク５Ｂをもち、且つ仕切り板３７のタンク底面部に仕切りバルブ３６を設けることにより純水タンク５を構成する。コントロールユニット５０は、システム停止時には純水循環流路Ｌ９を通じて第１タンク５Ａの純水をすべて第２タンク５Ｂに移し替え、システム起動時には仕切りバルブ３６を開栓して第２タンク５Ｂに蓄えられた純水を第１タンク５Ａへ導く。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムは、燃料電池スタックの水素極に燃料ガスとなる水素を、また空気極には酸化剤ガスとして空気を供給してこれらを反応させることにより発電電力を得ている。このような燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質の加湿や燃料電池スタックの温度調整といった用途に純水を必要とする。このため、燃料電池システムは、通常、運転時に燃料電池スタックに純水を供給すると共に、この純水を回収して循環させるための純水系システムを備えている。

また、燃料電池システムにおいては、運転を停止したまま寒冷地で放置すると純水が凍結し、運転不能となるなどの事態を招来するおそれがある。

そこで、このような問題に対応するために、システム停止時に純水を通常使用する水タンクから補助タンクに移すようにすることで、凍結を免れるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１４９９７０号公報

上記特開２０００−１４９９７０号公報のシステムでは、水タンクと予備タンクとがそれぞれ別体の部品となり、また解凍した水をタンク間で移送するための配管が必要になるため、部品点数が増えることになる。また、車体内でのレイアウトが複雑になるため、レイアウト設計にも制約を受けることになる。更には、部品の組み付け性も悪くなるという課題があった。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、前記加湿手段に供給する純水を収容する純水タンクと、前記加湿手段と前記純水タンクとの間で純水を循環させる純水循環手段と、前記各部の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムであって、前記純水タンクは、タンク本体内において仕切り板により分割された第１タンク及び第２タンクからなり、且つ前記仕切り板のタンク底面部に前記制御手段により開閉可能に制御される仕切りバルブを設けた構成とし、前記制御手段は、システム停止時には前記純水循環手段の所定流路を通じて前記第１タンクの純水をすべて前記第２タンクに移し替え、システム起動時には前記仕切りバルブを開栓して前記第２タンクに蓄えられた純水を前記第１タンクへ導くことを特徴とする。

本発明によれば、純水タンクに仕切り板を設けて第１タンク及び第２タンクを形成し、仕切り板のタンク底面部に仕切りバルブを設けた構成としたため、各タンクを一体化することができ、解凍した水をタンク間で移送するための配管も不要になる。このため、水タンクと予備タンクとをそれぞれ別体の部品として構成した従来例に比べて部品点数を減らすことができる。また、車体内でのレイアウトも容易になるため、レイアウト設計の自由度が増すことになる。更には、部品の組み付け性も向上する。

以下、本発明に係わる燃料電池システムを実施するための最良の形態を示す実施例として、本発明を燃料電池自動車に適用した場合の実施例を図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施例に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備えている。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と水素極とを対向配置した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、これを複数積層して構成されている。本実施例では、燃料電池スタック１で発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素極に供給するとともに、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気極に供給する燃料電池システムについて説明する。

燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１及び燃焼器３に空気を供給する空気系、燃料電池スタック１に水素ガスを供給して燃料電池スタック１から排出された水素ガスを燃焼器３に導く水素ガス系、燃料電池スタック１に供給する空気及び水素ガスを加湿するための純水を循環させる加湿用純水系、燃料電池スタック１の温度調整をする冷却水を循環させる冷却水系を備える。この燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の発電を制御するに際して、空気、水素ガス、純水、冷却水の各流体の流量及び圧力をコントロールユニット５０からの制御信号により制御する。コントロールユニット５０（制御手段）には、システム各部（温度計、水位計など）からのセンサ信号が入力される。なお、図示していないが、燃料電池システム１００が搭載される車体の所定箇所には、温度検出手段としての外気温度計４３が設けられている。

空気系は、空気供給流路Ｌ１に、空気コンプレッサ６、空気を加湿器・燃焼器側に切り替えるための三方弁２１、及び加湿器（加湿手段）２が設けられて構成されている。また、燃料電池スタック１の空気排出側の空気排出流路Ｌ２に、スタック下流空気調圧弁３２が設けられ、空気供給流路Ｌ３に、三方弁２１、燃焼器側空気調圧弁２３が設けられて構成されている。この空気系は、燃料電池システム１００の通常運転時において、コントロールユニット５０からの制御信号により空気コンプレッサ６の回転数やスタック下流空気調圧弁３２の開度が調整されることで、燃料電池スタック１に供給する空気流量及び空気圧力が調整される。

また、通常運転時には、空気コンプレッサ６により外気を取り込んで加湿器２に空気を導き、加湿した状態の空気を燃料電池スタック１に供給し、解凍時には、空気コンプレッサ６により取り込んだ空気を燃焼器３へ導くように制御される。

更に、空気系には、空気供給流路Ｌ１から分岐した加湿器２のバイパスラインであって、システム停止時に燃料電池スタック１内に残留した凝縮水をパージ（排除）するための凝縮水パージ流路Ｌ４と、システム停止時に純水系の流路内に残留した純水をパージし、またシステム起動時に純水系の流路を解凍するための純水パージ流路Ｌ５とが設けられている。このうち、凝縮水パージ流路Ｌ４には空気コンプレッサ６からのドライ空気を燃料電池スタック１へ導入するバルブ３０が、また純水パージ流路Ｌ５には空気コンプレッサ６からのドライ空気を純水系の流路へ導入するためのバルブ３１が設けられている。

これら空気系は、燃料電池システム１００の起動時及び停止時において、三方弁２１、バルブ３０及び３１の動作がコントロールユニット５０からの制御信号により制御される。

上記空気供給流路Ｌ１、空気排出流路Ｌ２、空気供給流路Ｌ３、凝縮水パージ流路Ｌ４、及び純水パージ流路Ｌ５は、本実施例における酸化剤ガス供給手段を構成する。

水素ガス系は、水素供給流路Ｌ６に、水素タンク４５、水素ヒータ１２、水素を加湿器・燃焼器側に切り替えるための三方弁２２、水素調圧弁２５及び加湿器２が設けられて構成されている。この水素ガス系は、燃料電池システム１００の通常運転時において、水素タンク４５に貯蔵した水素を水素ガスとして燃料電池スタック１に導く。このとき、水素ガス系は、コントロールユニット５０からの制御信号により水素調圧弁２５の開度が調整されることで、水素圧力及び水素流量が調整される。

また、この水素ガス系は、燃料電池スタック１の水素排出側に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを燃料電池スタック１に戻す水素循環流路Ｌ７と、水素ガスをパージをするための水素パージ流路Ｌ８とが設けられている。水素循環流路Ｌ７には水素循環ポンプ８が設けられ、水素パージ流路Ｌ８には水素パージ弁２６、燃焼器側水素調圧弁２４が設けられている。

この水素ガス系は、燃料電池システム１００の起動時及び停止時において、三方弁２２、燃焼器側水素調圧弁２４及び水素調圧弁２５の動作がコントロールユニット５０からの制御信号により制御される。

上記水素供給流路Ｌ６、水素循環流路Ｌ７、及び水素パージ流路Ｌ８は、本実施例における燃料ガス供給手段を構成する。

純水系は、純水循環流路Ｌ９に、純水タンク５、純水ポンプ７、純水系をパージする際に交互に切り替えるバルブ２７、２８、純水タンク５への戻り流路を切り替えるための三方弁２９が設けられて構成されている。また、凝縮水回収流路Ｌ１０に、熱交換器４、水素ヒータ１２、水セパレータ１０、異物フィルタ１１が設けられて構成されている。

上記純水循環流路Ｌ９は、本実施例における純水循環手段を構成する。また凝縮水回収流路Ｌ１０は、本実施例における凝縮水回収手段を構成する。

純水タンク５は、タンク本体内に設けられた仕切り板３７により分割された第１タンク５Ａ、第２タンク５Ｂからなり、仕切り板３７のタンク底面には仕切りバルブ３６が設けられている。このうち、第１タンク５Ａは通常運転時に使用するタンクであり、水位検出手段としての水位計４４が設けられている。また第２タンク５Ｂは停止時に純水を貯めておくタンクであり、温度検出手段としての純水タンク内温度計４２が設けられている。燃料電池システム１００の起動時及び停止時において、２つのタンク間に連通する仕切りバルブ３６の開閉動作はコントロールユニット５０からの制御信号により制御される。

純水系は、燃料電池システム１００の通常運転時において、コントロールユニット５０からの制御信号により純水ポンプ７の回転数が調整され、純水タンク５に収容された純水を加湿器２に送ることにより、燃料電池スタック１に供給する空気及び水素ガスを加湿している。また、通常運転時において、熱交換器４から排出した燃焼排ガスは水素ヒータ１２に導かれ、熱交換により水素ガスを暖めると同時に、燃焼排ガス自身は冷やされて凝縮水となり、水セパレータ１０で回収された後、異物フィルタ１１を経て第１タンク５Ａに集められる。

冷却水系は、冷却水循環流路Ｌ１１に、冷却水ポンプ９、燃料電池スタック１、熱交換器４、純水タンク５、冷却水ラジエータバイパス三方弁３５、ラジエータ４６及び送風ファン４７が設けられて構成されている。なお、燃料電池スタック１の出口付近の流路には、温度検出手段としての冷却水スタック出口温度計４１が設けられている。冷却水（熱交換媒体）は、燃料電池スタック１の内部を通過するように構成され、スタック内部で発生する熱を冷却した冷却水は、熱交換器４において燃料排ガスとの間で熱交換された後に純水タンク５内に導かれて純水タンク５を加温し、更にラジエータ４６で冷やされた後、再び燃料電池スタック１を冷却するように循環している。

この冷却水系は、燃料電池システム１００の通常運転時において、コントロールユニット５０からの制御信号により、冷却水ポンプ９の駆動量、冷却水ラジエータバイパス三方弁３５の動作、送風ファン４７の駆動量等が調整されて、冷却水ポンプ９から燃料電池スタック１に供給する冷却水の温度が適正な値に調整される。

次に、燃料電池システム１００のシステム起動時、システム停止時の動作をコントロールユニット５０の制御内容とともに説明する。なお、システム起動、システム停止時の動作については、主要な動作についてのみ説明し、これに連動する他の動作については説明を省略する。

また、以下に説明するフローチャートは、いずれもコントロールユニット５０のメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されるものである。

最初に、燃料電池システム１００のシステム停止時の動作について説明する。図２は、燃料電池システム１００の停止時の動作手順を示すフローチャートである。

停止シーケンスがスタートすると、コントロールユニット５０は、純水タンク５の仕切りバルブ３６を閉栓し（ステップＳ１０１）、続いて、三方弁２９を第２タンク５Ｂ側に切り替え（ステップＳ１０２）、すべての純水を第１タンク５Ａから第２タンク５Ｂに移し替える（ステップＳ１０３）。次に、バルブ３０を開栓し、空気コンプレッサ６から加湿器２をバイパスしたドライ空気を燃料電池スタック１に供給することにより、燃料電池スタック１内に残った凝縮水をパージする（ステップＳ１０４）。

コントロールユニット５０は、パージ開始から一定時間が経過すると、バルブ３０を閉栓して燃料電池スタック１へのドライ空気の供給を止め（ステップＳ１０５）、続いて、バルブ３１を開栓し（ステップＳ１０６）、バルブ２７、２８を交互に開閉しながら、空気コンプレッサ６から加湿器２をバイパスしたドライ空気を純水循環流路Ｌ９に供給することにより、純水循環流路Ｌ９内に残った純水をパージする（ステップＳ１０７）。コントロールユニット５０は、パージ開始から一定時間が経過すると、水素調圧弁２５を閉栓して水素ガスの供給を止め、燃料電池システム１００を停止する（ステップＳ１０８）。

次に、燃料電池システム１００の起動時の動作について説明する。図３は、燃料電池システム１００の起動時の動作手順を示すフローチャートである。

起動シーケンスがスタートすると、コントロールユニット５０は、冷却水ポンプ９の運転を開始し（ステップＳ２０１）、続いて、純水タンク５の仕切りバルブ３６を開栓する（ステップＳ２０２）。

先に説明したように、システム停止時には、すべての純水が第１タンク５Ａから第２タンク５Ｂに移し替えられているため、システム起動時に純水が凍結していなければ、仕切りバルブ３６を開栓したときに、純水は第２タンク５Ｂから第１タンク５Ａ側へ流れこむことになる。

次に、コントロールユニット５０は、冷却水スタック出口温度計４１、純水タンク内温度計４２（又は外気温度計４３）で測定された温度を参照して、純水タンク５の解凍作業が必要かどうかを判断する（ステップＳ２０３）。例えば、すべての測定値（又はいずれか一つの測定値）が０℃以上なら解凍作業が不要と判断する。

ここで、解凍作業が不要と判断した場合は通常運転を開始する（ステップＳ２０４）。すなわち、起動時に純水が凍結していない場合は、ステップＳ２０２で仕切りバルブ３６を開栓した瞬間に純水が第２タンク５Ｂから第１タンク５Ａへ流れ込むため、第１タンク５Ａの水位が上昇する。この水位が規定値以上であれば、加湿器２への純水の供給を開始し、燃料電池スタック１の通常運転を開始する。

一方、ステップＳ２０３で解凍作業が必要と判断した場合は、バルブ３０を閉栓し、バルブ３１を開栓し（ステップＳ２０５）、バルブ２７、２８を交互に開閉しながら、空気コンプレッサ６から加湿器２をバイパスしたドライ空気を純水循環流路Ｌ９に一定時間供給することにより、純水循環流路Ｌ９（純水ポンプ７、バルブ類を含む）内の部分凍結を解凍する（ステップＳ２０６）。続いて、三方弁２１、２２を燃焼器３側に切り替えて、燃焼器３の運転を開始する（ステップＳ２０７）。

燃焼器３の運転により発生した燃焼排ガスは、熱交換器４で冷却水を加熱し、この冷却水が純水タンク５内に導かれて純水タンク５を加温することにより、凍結した純水が解凍される。解凍された純水は第２タンク５Ｂから第１タンク５Ａへ流れ込む。同時に、熱交換器４で発生した燃焼排ガスは水素ヒータ１２（及び水セパレータ１０）で凝縮水として回収され、第１タンク５Ａに集められる。このような純水の解凍作業と凝縮水の回収により、第１タンク５Ａの水位は次第に上昇する。

コントロールユニット５０は、解凍により第１タンク５Ａの水位が規定値以上となるまで燃焼器３の運転を継続し、第１タンク５Ａの水位が規定値以上となった場合は（ステップＳ２０８でＹｅｓ）、三方弁２１、２２を加湿器２側に切り替えて、燃焼器３の運転を停止する（ステップＳ２０９）。続いて、純水ポンプ７の運転を開始し（ステップＳ２１０）、通常運転を開始する（ステップＳ２０４）。

以上説明したように、本実施例に係わる燃料電池システム１００においては、純水タンク５内に仕切り板３７を設けて第１タンク５Ａ及び第２タンク５Ｂを形成し、仕切り板３７のタンク底面に仕切りバルブ３６を設けた構成としたため、各タンクを一体化することができ、解凍した水をタンク間で移送するための配管も不要になるため、水タンクと予備タンクとをそれぞれ別体の部品として構成した従来例に比べて部品点数を減らすことができる。また、車体内でのレイアウトも容易になるため、レイアウト設計の自由度が増すことになる。更には、部品の組み付け性も向上する。

システム起動時には、燃焼器３を運転して純水タンク５の解凍を行うとともに、燃焼排ガスを凝縮水として回収するため、加湿器２へ供給するのに必要な量（規定水量）の純水を得るまでの時間が短縮され、氷点下から短時間での起動が可能となる。図４は、解凍作業時における純水タンク５の水量変化を示す特性図である。燃焼器３の運転による純水タンク５の解凍水量だけでは、規定水量に達するまでに時間がかかるが、これに燃焼排ガスからの凝縮水を加えることにより、短時間で純水タンク５の規定水量を得ることができる。

また、温かい凝縮水が第１タンク５Ａに集められることにより、隣接する第２タンク５Ｂで凍結している純水の解凍を促進することができる。更に、ドライ空気により純水循環流路Ｌ９内を解凍するため、純水ポンプ７の運転を開始した際に、純水を効率良く加湿器２へ供給することができる。

一方、システム停止時には、ドライ空気により燃料電池スタック１内及び純水循環流路Ｌ９内をパージして、内部に残った凝縮水や純水を排除するようにしたので、燃料電池スタック１内及び純水循環流路Ｌ９内での凍結を防止することができる。

実施例に係わる燃料電池システムの構成を示すブロック図。 燃料電池システムの停止時の動作手順を示すフローチャート。 燃料電池システムの起動時の動作手順を示すフローチャート。 解凍作業時における純水タンクの水量変化を示す特性図。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…加湿器
３…燃焼器
４…熱交換器
５…純水タンク
５Ａ…第１タンク
５Ｂ…第２タンク
６…空気コンプレッサ
７…純水ポンプ
８…水素循環ポンプ
９…冷却水ポンプ
１０…水セパレータ
１１…異物フィルタ
１２…水素ヒータ
２１，２２…三方弁
２３…燃焼器側空気調圧弁
２４…燃焼器側水素調圧弁
２５…水素調圧弁
２６…水素パージ弁
２７，３０，３１，３６…バルブ
２９…三方弁
３２…スタック下流空気調圧弁
３５…冷却水ラジエータバイパス三方弁
３７…仕切り板
４１…冷却水スタック出口温度計
４２…純水タンク内温度計
４３…外気温度計
４４…水位計
４５…水素タンク
４６…ラジエータ
４７…送風ファン
５０…コントロールユニット
１００…燃料電池システム
Ｌ１…空気供給流路
Ｌ２…空気排出流路
Ｌ３…空気供給流路
Ｌ４…凝縮水パージ流路
Ｌ５…純水パージ流路
Ｌ６…水素供給流路
Ｌ７…水素循環流路
Ｌ８…水素パージ流路
Ｌ９…純水循環流路
Ｌ１０…凝縮水回収流路
Ｌ１１…冷却水循環流路

Claims (7)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス及び酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、前記加湿手段に供給する純水を収容する純水タンクと、前記加湿手段と前記純水タンクとの間で純水を循環させる純水循環手段と、前記各部の動作を制御する制御手段とを備え、
   前記純水タンクは、仕切り板により分割された第１タンク及び第２タンクからなり、且つ前記仕切り板のタンク底面部に仕切りバルブが設けられ、
   前記制御手段は、システム停止時には前記純水循環手段を通じて前記第１タンクから前記第２タンクに純水を移し替え、システム起動時には前記仕切りバルブを開栓して前記第２タンクから前記第１タンクへ純水を導くことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて燃焼排ガスを発生する燃焼器と、前記燃焼排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行い前記熱交換媒体を温める熱交換器とを備え、
   前記制御手段は、システム起動時に前記燃焼器に前記燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して運転を開始し、前記熱交換器で温められた熱交換媒体で前記純水タンクを加温す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。
3. 前記燃焼器で生じた燃焼排ガスと前記燃料ガス供給手段から供給された燃料ガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により生じた凝縮水を回収する凝縮水回収手段を備え、
   前記凝縮水回収手段により回収された凝縮水を前記第１タンクに蓄えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. システム内の所定箇所の温度を検出する温度検出手段と、前記第１タンクの水位を検出する水位検出手段とを備え、
   前記制御手段は、システム起動時に前記仕切りバルブを開栓して前記第２タンクから前記第１タンクへ純水を導くとともに、前記温度検出手段で検出された温度が前記純水タンクに収容された純水の解凍作業を必要とする温度であるときは、前記燃焼器の運転を開始して前記純水タンクを加温し、前記水位検出手段で検出された水位が規定値以上となったときは前記燃焼器の運転を停止し、且つ前記加湿手段に前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを供給するとともに、前記純水循環手段から純水を供給することにより、前記燃料電池スタックの通常運転を開始することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、システム起動時に前記温度検出手段で検出された温度が前記純水タンクに収容された純水の解凍作業を必要とする温度であるときは、前記純水循環手段に前記加湿手段を経由しない酸化剤ガスを一定時間供給して前記純水循環手段の流路を解凍することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、システム停止時に前記仕切りバルブを閉栓して前記純水循環手段の所定流路を通じて前記第１タンクから前記第２タンクに純水を移し替えるとともに、前記燃料電池スタックに前記加湿手段を経由しない酸化剤ガスを一定時間供給することにより、前記燃料電池スタック内に残留した凝縮水を排除することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、システム停止時に前記純水循環手段に前記加湿手段を経由しない酸化剤ガスを一定時間供給して前記純水循環手段の流路に残留した純水を排除することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
   

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