JP2006049234A - 燃料電池システムの液体排出 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の起動時に、確実且つ迅速に系内の液体を排出することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック２０を通過した燃料ガスを再度燃料電池スタックに循環させる循環経路７６と、燃料電池スタック内の液体を循環経路７６から排出可能な排出路７７と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時に、循環経路を外部から閉じた状態においてスタック及び循環経路に存在するガス成分を循環させる循環動作を実行する。燃料電池の起動時に残っている高質量ガスを循環させることにより、迅速且つ確実に系内の液体を排出することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池起動時に燃料電池スタック内に残存している液体を効率的に排出することのできる燃料電池システムに関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。この燃料電池は、水素などの燃料と空気とを用いて電気化学反応により電力を発生する。この燃料と空気との電気化学反応によって生成水が発生するので、燃料電池の作動中に生成水を適宜排出することが行われる。

しかし、燃料電池の動作停止後、再起動する際には燃料電池スタック内には生成水や結露水が残存しており、そのままでは円滑な再起動が困難である。この生成水や結露水を除去する方法として、燃料ガス循環系の循環ポンプを高回転で作動させることが考えられるが、騒音悪化という問題がある。

特開２００３−３１７７６６号公報は、燃料ガス循環系にパージ弁を設置し、水詰まり発生時に開き、一時的に燃料ガスの流量を上げることで水詰まりを解消することを開示している。
特開２００３−３１７７６６号公報

しかしながら、上記従来技術においては、水詰まり発生時にすぐパージ弁を開いてしまうので、残留ガス圧を有効に利用できておらず、系内の液体（生成水、結露水）を十分に排出することができない。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、燃料電池の起動時に、確実且つ迅速に系内の液体を排出することのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックを通過した燃料ガスを再度燃料電池スタックに循環させる循環経路と、上記燃料電池スタック内の液体を上記循環経路から排出可能な排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時に、上記循環経路を外部から閉じた状態において循環動作を実行する。燃料電池の起動時に残っている高質量ガスを循環させることにより、迅速且つ確実に系内の液体を排出することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記循環経路に上記燃料ガスを経路外部に放出するパージ弁を更に備え、上記循環動作を実行後に上記パージ弁を開放することが好ましい。

上記燃料電池システムにおいて、上記循環動作を実行後に、上記燃料電池スタック内に燃料ガスを供給することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の起動時に、確実且つ迅速に系内の液体を排出することのできる燃料電池システムを提供することができる。

以下に説明する本発明の実施例では、燃料電池の起動直前に燃料ガスとしての水素よりも質量の大きい高質量のガス、例えば、窒素ガスを利用して燃料電池スタック及び循環通路に存在する生成水や水蒸気の結露水を外部に排出するものである。

例えば、前回の燃料電池システムの停止時に燃料電池スタック及び循環通路における残留水素を消費すると共に、燃料電池スタックや循環通路に残存する生成水を外部に排出する停止処理を行う（この処理は必須ではない）。この後、燃料電池システムの停止期間中にクロスリークによってカソード側からアノード側に窒素ガスが透過するため、アノード側の燃料電池スタック及び循環通路の窒素ガス量が増加する。そして、本実施形態の場合、水素ガスよりも高質量なガスとしてこの窒素ガスを活用する。窒素ガスは高質量ガスの一例である。窒素ガスはその分子量が水の分子量よりも大きい。このため、燃料電池起動時に窒素ガスを主体とするガスを燃料電池スタック及び循環通路内を流通させると、単位体積当たりの密度が水素ガスを流動させる場合よりも大きいため、生成水・結露水をガスの流動により効果的に排出することができる。また、水素循環ポンプを利用して窒素ガスを流動させる場合は、ポンプの吐出効率が水素ガスの場合よりも高くなるので、短時間で生成水・結露水を排出することが可能である。また、窒素ガスは燃料電池起動前から燃料電池スタック内のアノード側や循環通路に存在しているので質量の大きなガスを循環系に別途に導入する必要がないので構成が簡単になる利点がある。

＜第１実施形態＞
次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。本発明を車両に適用した場合について説明する。

１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池スタック２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタ１１、空気を加圧するコンプレッサ１２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器１３が設けられている。なお、エアフィルタ１１には空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられる。

燃料電池スタック２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁１４及び加湿器１３の熱交換器が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）１４は燃料電池スタック２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。制御部５０はコンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池スタック２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給圧力を調整する水素調圧弁３２、遮断弁４１、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁３９、遮断弁３３及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。

燃料電池スタック２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５の遮断弁４１の下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、水素オフガスの排出を制御する遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７及び逆流阻止弁４０が設けられている。温度センサ６３の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池スタック２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁４０は燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。

水素循環路７６はパージ弁３８を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。パージ弁３８は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。

更に、燃料電池スタック２０の冷却水出入口には冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池スタック２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）２１、冷却水を加圧して循環させるポンプ２２及び燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。

＜制御フロー＞
次に、図２に示すフローチャートを参照して第１実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による起動時液体排出動作について説明する。制御部５０は上述のように制御用コンピュータによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。

第１実施形態では、アノードパージを行う前に循環を実施する。まず、燃料電池を起動後（ステップ１１）、循環系路を外部から閉じた状態で水素循環ポンプ３７を作動させる（ステップ１２）。ここでは水素供給源３１から燃料極への燃料供給路７５にある遮断弁４１を閉じ、かつパージ流路７７にあるパージ弁３８を閉じた状態で水素循環ポンプ３７を作動させる。燃料電池の起動時には空気極から電解質膜を透過してきた窒素ガスなどの高質量ガスが燃料極側にも存在する。この高質量ガスを有効に活用することで水素循環ポンプの回転数が高くなくても十分に結露水などの液体を排出させることができる。水素循環ポンプを作動後一定時間が経過したら、アノードパージを実行して循環系内の高質量ガスを排出し、通常動作に移行する（ステップ３３）。

＜第２実施形態＞
次に、図３に示すフローチャートを参照して第２実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による起動時液体排出動作について説明する。

第２実施形態では、水素供給源３１からの水素供給を行う前に循環を実施する。まず、燃料電池を起動後（ステップ４１）、第１実施形態と同様に、循環系路を外部から閉じた状態で水素循環ポンプを作動させる（ステップ４２）。第１実施形態と同様に、水素供給前の段階で高質量ガスを有効に活用することで結露水などの液体を排出させることができる。水素循環ポンプを作動後一定時間が経過したら、燃料電池スタック内への水素供給を開始して通常動作に移行する（ステップ４３）。

このようにして、燃料電池の通常運転前に水素ガスよりも高質量のガスで燃料電池スタック及び循環通路に存在する生成水や水蒸気の結露水を外部に排出してから水素ガスを燃料電池スタックに供給することによって燃料電池の発電起動が安定する。

本発明が適用される燃料電池システムを概略的に示す構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムによる起動時の液体排出処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムによる起動時の液体排出処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

２０ 燃料電池スタック、３２ 水素調圧弁、３３、３４、４１ 遮断弁、３５ 気液分離器、３７ 水素ポンプ、３８ パージ弁、４０ 逆流阻止弁、７１ 空気供給路、７２ 排気路、７４ 冷却路、７５ 燃料供給路、７６ 水素循環路、７７ パージ流路

Claims (5)

1. 燃料電池スタックを通過した燃料ガスを再度燃料電池スタックに循環させる循環経路と、前記燃料電池スタック内の液体を前記循環経路から排出可能な排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の起動時に、前記循環経路を外部から閉じた状態において循環動作を実行する、燃料電池システム。
2. 請求項１において、
   前記循環経路に前記燃料ガスを経路外部に放出するパージ弁を更に備え、
   前記循環動作を実行後に前記パージ弁を開放する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記循環動作を実行後に、前記燃料電池スタック内に燃料ガスを供給する、燃料電池システム。
4. 請求項１において、
   循環動作は燃料電池の起動前にスタック及び循環経路に存在するガス成分を循環させる、燃料電池システム。
5. 請求項４において、
   前記ガス成分が少なくとも窒素を含んでいる、燃料電池システム。
   
   
   

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