JP2006066117A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気温が氷点下であっても水位調整弁１０が凍結することがない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管５０、５１と、純水を貯蔵する純水タンク２と、純水配管５０、５１上に配置された水位調整弁１０とを備える燃料電池システムであって、水位調整弁１０を用いて純水タンク２内の水量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、純水を貯蔵する純水タンクを備えた燃料電池システムに関する。

従来から、純水を貯蔵する純水タンクを備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。図６に示すように、特許文献１において純水タンク２の純水の貯蔵量或いは水面の高さの調整は、純水タンク底や側面に電磁弁（ドレンバルブ１３）やレベルセンサ３３等を配置してレベルセンサ３３の測定値を用いて行っていた。
特開２００３−１１５３２０号公報

しかし、純水タンク２内に氷と水が混在する状態で水位調整を行うと、シール部に氷が挟み込み、弁が閉じきらない状態となる場合がある。また、弁のシール部や流路は外気に近い配置となっていることが多く、純水タンク２内が液体の状態であっても、弁の稼動部のすきまの純水や流路の純水が凍結し弁が開かず水位が調整できない場合がある。

これらの対策としては水位調整手段を暖めるといった凍結対策が必要になるが、コストアップにつながる。

本発明の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管と、純水を貯蔵する純水タンクと、純水配管上に配置された水位調整弁とを備える燃料電池システムであって、水位調整弁を用いて純水タンク内の水量を調整することを要旨とする。

本発明によれば、外気温が氷点下であっても水位調整弁が凍結することがない燃料電池システムを提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により直接発電を行う燃料電池スタック１（以後、「燃料電池」と略す）と、燃料電池１を加湿或いは冷却する純水を貯蔵する純水タンク２と、燃料電池１と純水タンク２の間を循環する純水が流通する純水配管５０、５１と、純水を純水配管５０、５１内に循環させる純水ポンプ３と、純水配管５０、５１内の純水中の異物を取り除く異物フィルタ４と、純水の導電率を測定するイオンフィルタ５と、燃料電池１出口付近の純水配管５１内の圧力を検知する圧力センサP_Wと、酸化剤ガスの一例である空気が流通する空気配管５２と、空気を取込み、圧縮して燃料電池１へ吐出するコンプレッサ６と、コンプレッサ６と燃料電池１との間の空気配管５２内の圧力を検知する圧力センサP_Aと、燃料電池１より下流の空気配管５２上に配置された空気調整弁１６と、燃料ガスが流通する水素配管５３と、燃料ガスを高圧状態で貯蔵する水素貯蔵タンク８と、水素貯蔵タンク８と燃料電池１との間の水素配管５３内の圧力を検知する圧力センサP_Hと、燃料電池１より下流の水素配管５３上に配置された水素遮断弁１５と、水素貯蔵タンク８と燃料電池１との間の水素配管５３上に配置された水素調整弁９と、空気配管５２と純水配管５１とを接続する水パージ用空気導入配管５７と、水パージ用空気導入配管５７上に配置された水パージ弁１２と、燃料電池システムの各電磁バルブ、純水ポンプ３、燃料電池１などを制御するコントローラ２０とを備える。

燃料電池１は、燃料ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスが供給される空気極と、水素極と空気極が挟持する電解質膜と、燃料ガス、酸化剤ガス及び純水の流路を形成するセパレータとを備えるセルが複数積層されてなるスタック構造を有する。空気配管５２は空気極に接続され、水素配管５３は水素極に接続されている。

純水タンク２には、純水タンク２の内部を大気へ開放するための大気開放配管５５と、純水タンク２に空気を圧送するための空気配管５６とが接続されている。純水配管５０、５１は、純水タンク２から燃料電池１へ向かって純水が流れる純水配管５０と、燃料電池１から純水タンク２へ向かって純水が流れる純水配管５１とからなる。純水配管５１上には、純水配管５１内の純水の流通を遮断する流路遮断弁１１が配置されている。純水ポンプ３と異物フィルタ４間の純水配管５０には、開放配管５４が接続され、開放配管５４上に水位調整弁（ポンプアシスト弁）１０が配置されている。純水タンク２は、凍結した内部の純水を解凍する解凍装置を備える。イオンフィルタ５は、純水の導電度を操作して、純水の導電度を維持する。

コンプレッサ６から圧送された空気は、空気調整弁１６によってその流量及び圧力が調整される。同様に、水素貯蔵タンク８から供給される燃料ガスは、水素調整弁９によってその流量及び圧力が調整される。水素遮断弁１５は、燃料電池１の下流において、水素配管内の燃料ガスの流れを遮断し、燃料ガスの圧力を調整する。水パージ用空気導入配管５７は、燃料電池１と空気調整弁１６間の空気配管５２と純水配管５１とを接続している。水パージ弁１２は、水パージ用空気導入配管５７内のガスの流れを遮断する。

コントローラ２０は、コンプレッサ６、燃料電池１、水パージ弁１２、水素遮断弁１５、空気調整弁１６、純水ポンプ３、及び水位調整弁１０に接続され、これらの動作を制御する。コントローラ２０は、燃料電池システムを停止する時に、純水配管５０、５１内の純水を純水タンク２に戻す。具体的には、燃料電池システムを停止する際、水素配管５３内に残留する燃料ガスを反応或いは希釈させ、その後、空気配管５２及び水素配管５３内の空気の圧力を用いて純水配管５０、５１内に残留する純水を純水タンク２にパージする。コントローラ２０は、燃料電池１での発電に必要な各ガス流量を、発電量から決定される各ガスの反応量に基づいて求める。そして、コントローラ２０は、必要な水素流量を水素調整弁９を制御して調整し、必要な空気流量を空気調整弁１６を制御して調整し、必要な純水流量を純水ポンプ３を制御して調整する。

図２は、図１の純水配管５０、５１及び純水配管５０、５１上に配置された純水タンク２、純水ポンプ３、異物フィルタ４、水位調整弁１０、燃料電池１の天地方向の配置関係を示す。水位調整弁（ポンプアシスト弁）１０は、純水タンク２内の水面より天地の上方に配置されている。ここでは、純水ポンプ３、異物フィルタ４、水位調整弁１０は、純水タンク２と燃料電池１よりも天地の上方に配置されている。また、純水タンク２には、純水タンク２内の水位を測定するためのレベルセンサ３３と、手動で純水タンク２内の純水を排水するためのドレンプラグ６０が取り付けられている。

次に、図１の燃料電池システムの動作を説明する。特に、純水系システムの起動時、及び燃料電池システムの停止時、及び純水タンク内水位調整の処理手順について説明する。

＜純水系システムの起動＞
（イ）先ず、図３に示すように、Ｓ０１段階において燃料電池システムが起動し、Ｓ０２段階において流路遮断弁１１を閉じ、Ｓ０３段階においてコンプレッサ６を駆動して空気の供給を開始する。このとき、水パージ弁１２を開くことにより水パージ用空気導入配管５７を介して純水タンク２にも空気が流れ、純水タンク２内に微小な圧力が発生する。アイドル時に純水タンク２内に流れる空気量による純水タンク２の内圧が、純水ポンプ３の呼び水に必要な圧力より低くなる場合は、空気流量を増加させる必要がある。

（ロ）この状態で、Ｓ０４段階において、ポンプアシスト弁１０を開放すると純水ポンプ３の下流の純水配管５０内がほぼ大気圧となり、純水タンク２内には圧力がかかっているために、純水が純水ポンプ３に供給される。この時、純水タンク２の水面から純水ポンプ３の吸込口までの水頭より高い圧力が純水タンク２の内圧に必要である。数秒間程度の時間が経過した後に、Ｓ０５段階において、純水ポンプ３の電源を入れ、純水ポンプ３の駆動を開始する。

（ハ）Ｓ０６段階において、純水ポンプ３駆動後から所定時間が経過した後にポンプアシスト弁１０を閉じ、Ｓ０７段階において流路遮断弁１１を開ける。この後、通常運転に入り燃料電池１の発電状況により純水の循環流量を純水ポンプ３で調整する。Ｓ０８段階において純水配管５１上の圧力センサＰ_Wの測定値（純水圧力センサ値）が所定圧力よりも大きくなることを監視し、純水圧力センサ値が所定圧力よりも大きくなったことを確認して（Ｓ０８段階においてＹＥＳ）、Ｓ０９段階に進み、純水ポンプ３が通常通りに起動したと判断して、通常運転に入り燃料電池１の発電状況により純水循環流量を純水ポンプ３で調整する。

なお、通常運転時の燃料電池１内の圧力制御は、水素配管５３上の燃料電池１よりも上流に配置された圧力センサＰ_Hで検知される水素ラインの圧力と、空気配管５２上の燃料電池１よりも上流に配置された圧力センサＰ_Aで検知される空気ラインの圧力、純水配管５１上の燃料電池１よりも下流に配置された圧力センサＰ_Wで検知される純水ラインの圧力が、燃料電池１内の反応膜の保護等で守るべき差圧範囲内に入るように行われる。

＜燃料電池システムの停止＞
（イ）図４に示すように、先ず、Ｓ２１段階において燃料電池１の発電を停止し、Ｓ２２段階において純水ポンプ３の動作を停止する。Ｓ２３段階において、燃料電池１よりも下流の純水配管５１に設置した流路遮断弁１１を閉じる。Ｓ２４段階において、空気の圧力により純水配管５０、５１に残留する純水を純水タンク２に戻し始める前に（水パージと呼ぶ）、コンプレッサ６の出力を調整して空気配管５２内の圧力を所定の圧力にする。

（ロ）Ｓ２５段階において水パージ弁１２を開けて水パージを開始する。Ｓ２６段階において、上記の状態において水パージが行われている時間（水パージ時間）の計測を開始し、Ｓ２７段階において、水パージ時間が所定時間となることを監視する。

（ハ）水パージ時間が所定時間となった場合（Ｓ２７段階においてＹＥＳ）、Ｓ２８段階において、流路遮断弁１１を所定時間だけ開けて、上記方向とは逆方向の水パージを行う。Ｓ２９段階において水パージ弁１２を閉じ、Ｓ３０段階においてコンプレッサ６を停止する。これで、純水系システムの停止時の制御は終了する。

＜純水タンク内水位調整＞
図５を参照して、図１の燃料電池の通常運転時における純水タンク２内水位を調整する手順を説明する。

（イ）Ｓ４１段階において燃料電池１が通常の運転を実施している。通常運転時、燃料電池１への発電要求から燃料ガスと空気の供給流量及び純水循環量が決まり、燃料電池１内の反応膜へ加わる差圧制限から燃料ガス、空気及び純水の各圧力が決定される。

（ロ）Ｓ０２段階において、純水タンク２に設けたレベルセンサ３３を用いて純水タンク２内の水位を検知して、純水タンク２内の水位（レベルセンサ値）が所定水位より高いか否かを判断する。レベルセンサ値が所定水位より高い場合（Ｓ４２段階においてＹＥＳ）、Ｓ４３段階において水位調整用に純水配管５０上に設けたポンプアシスト弁１０を開ける。一方、レベルセンサ値が所定水位以下である場合（Ｓ４２段階においてＮＯ）、Ｓ４４段階に進む。

（ハ）Ｓ４４段階において、レベルセンサ値が所定水位より低いか否かを判断する。レベルセンサ値が所定水位より低い場合（Ｓ４４段階においてＹＥＳ）、Ｓ４５段階に進み、ポンプアシスト弁１０を閉じる。Ｓ４６段階において、燃料電池システムの停止指令があったか否かを判断する。燃料電池システムの停止指令があった場合（Ｓ４６段階においてＹＥＳ）Ｓ４７段階に進み、図４に示した燃料電池システムの停止シーケンスに移る。一方、燃料電池システムの停止指令がない場合（Ｓ４６段階においてＮＯ）、通常運転の水位調整シーケンスのスタート（Ｓ４１）に戻る。

以上説明したように、純水タンク２の水位調整を純水配管５０上に設けた水位調整弁（ポンプアシスト弁）１０で行い、燃料電池システムの停止時には、純水配管５０、５１を水パージすることで、純水配管５０、５１内に残留するほぼ総ての純水を純水タンク２に戻すことができる。よって、外気温が氷点下になり純水系部品が凍結するおそれがある場合においても、水位調整弁１０の開閉を行うことができるので、純水ポンプ３への呼び水を行うことができ、その後の純水タンク２の水位調整も行うことができる。

また、純水ポンプ３を起動する時に、水位調整弁１０を開いて純水ポンプ３よりも下流を大気に開放することにより、純水ポンプ３へ呼び水を行うことができる。

また、純水配管５０上に水位調整弁１０を設置したことにより、外気温度が氷点下であっても燃料電池１や純水タンク２内のヒータ等で加熱された純水が循環されるので、燃料電池システムの運転中に、弁１０、１１の稼動部近傍や流路の純水が凍結することがない。

また、水供給先（燃料電池１）と純水タンク２とをつなぐ水経路５０、５１に設置した水位調整弁１０により純水タンク２の水位を調整するようにすることで、水位調整弁１０専用の凍結対策が不要に成る。即ち、一般的に燃料電池システムの水供給手段では凍結対策として停止時、水経路を水パージにより残水がほとんどない状態で放置する、さらにヒータ等を設置するといった対策が成される。これらの対策がなされている水経路に水位調整弁１０も設けることで、別途凍結対策の手段を講じる必要がない。

なお、純水タンク２内の純水を交換する必要があるときには、図２に示すように、純水タンク２底に設けたドレンプラグ６０を外すことで、手動で純水を排出することができる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。 図１の純水配管及び純水配管上に配置された純水系部材の天地方向の配置を示す断面図である。 図１の燃料電池システムにおける純水システムの起動時の制御手順を示すフローチャートである。 図１の燃料電池システムの停止時の制御手順を示すフローチャートである。 図１の燃料電池の通常運転時における純水タンク内水位を調整する手順を示すフローチャートである。 関連技術に係わる純水ポンプを示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…純水タンク
３…純水ポンプ
４…異物フィルタ
５…イオンフィルタ
６…コンプレッサ
８…水素貯蔵タンク
９…水素調整弁
１０…水位調整弁（ポンプアシスト弁）
１１…流路遮断弁
１２…水パージ弁
１３…ドレンバルブ
１５…水素遮断弁
１６…空気調整弁
２０…コントローラ
３３…レベルセンサ
５０、５１…純水配管
５２…空気配管
５３…水素配管
５４…開放配管
５５…大気開放配管
５６…空気配管
５７…水パージ用空気導入配管
６０…ドレンプラグ
Ｐ_A、Ｐ_H、Ｐ_W…圧力センサ

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を加湿或いは冷却する純水が流通する純水配管と、前記純水を貯蔵する純水タンクと、前記純水配管上に配置された水位調整弁とを備える燃料電池システムであって、
   前記水位調整弁を用いて前記純水タンク内の水量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池システムを停止する時に、前記純水配管内の純水を前記純水タンクに戻すことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記水位調整弁は、前記純水タンク内の水面より天地の上方に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記純水配管内に前記純水を流通させる純水ポンプを更に有し、
   前記水位調整弁は、前記純水ポンプよりも下流に配置され、前記純水ポンプを起動する時に前記水位調整弁を開いて前記純水ポンプの下流を大気に開放することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記純水タンク内に配置された、手動で前記純水タンク内の純水を排水するためのプラグ或いは弁を更に有することを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池システム。

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