JP2006155917A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの緊急停止時後の放置中であっても水素と酸素の拡散による空気の混入を防止して燃料電池本体の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 水素と酸素を反応させて起電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１から排出されるアノードオフガスを大気へ放出する排気管１２と、排気管１２に設けられ、非通電状態で閉じるノーマルクローズの第１のリリーフ弁１０と、排気管１２から分岐された分岐排気管１５に前記第１のリリーフ弁１０と並列に設けられ、非通電状態で開くノーマルオープンの第２のリリーフ弁１１と、第２のリリーフ弁１２の上流又は下流若しくは両方に、前記燃料電池１の発電停止時及び電源遮断時に液体３０を溜めて前記排気管１２又は分岐排気管１５の流路を閉塞する液溜め部１４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関し、詳細には、燃料電池システムの緊急停止時などにおいて燃料電池の劣化を抑制させる技術に関する。

近年、自動車搭載用の動力源として、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）を用いて発電する燃料電池の実用化が進められている。燃料電池は、発電に伴い有害な排気ガスが生じないことから、地球環境保護の観点から注目されている。

かかる燃料電池は、発電の基本単位となる燃料電池単セルを複数個積層することにより燃料電池スタックを構成し、その燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスを導入することで所定の起電力を生じる。燃料電池単セルは、例えば、固体高分子電解質膜の両面にアノード極（水素極）及びカソード極（酸素極）を接合して一体化した膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）を有し、アノード極に燃料ガスである水素ガスを、カソード極に酸化剤ガスである酸素を供給することで発電する。

このような燃料電池システムでは、例えば緊急停止時などパワープラントシステムの制御が不能になった場合、アノード極とカソード極の極間差圧が過大にならないようにシステムを停止する様、アノードラインにノーマルオープンのアノードパージ弁を設定している（例えば、特許文献１など参照）。
特開昭６２−１０８４６６号公報（第２頁及び第３頁、第４図）

しかし、特許文献１に記載される技術では、アノードラインに設定されているパージ弁をノーマルオープンに設定しているため、パワープラントシステム停止後はアノードラインに空気が拡散して入り込み、燃料電池スタック本体の寿命の加速原因となる問題点が生じる。

また、これを防止するために、ノーマルオープンではなくノーマルクローズのパージ弁を設定した場合は、緊急停止時等のパワープラントシステム制御が不能となりシステムを停止する様な状況では、アノードとカソードの差圧を守りながら、アノードの水素を抜くことが出来なくなり、緊急停止時に燃料電池本体の破損を招く可能性があった。

そこで、本発明は、例えば、燃料電池システムの緊急停止時後の放置中であっても水素と酸素の拡散による空気の混入を防止して燃料電池本体の劣化を防止することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、水素と酸素を反応させて起電力を発生する燃料電池と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを大気へ放出する排気管と、排気管に設けられ、非通電状態で閉じるノーマルクローズの第１のリリーフ弁と、排気管から分岐された分岐排気管に前記第１のリリーフ弁と並列に設けられ、非通電状態で開くノーマルオープンの第２のリリーフ弁と、第２のリリーフ弁の上流又は下流若しくは両方に、前記システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に液体を溜めて前記排気管又は分岐排気管の流路を閉塞する液溜め部とを備える。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システム停止後の放置中は、ノーマルオープンの第２のリリーフ弁の上流又は下流若しくは両方に設けた液溜め部に液体が溜まり、この液体によって排気管が閉塞されるため、外気（空気）とアノード側の水素との混入が防止され、空気のアノード内への拡散が抑制されてシステム停止後の燃料電池本体の劣化を阻止することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態は、本発明にかかる燃料電池システムを、燃料電池自動車に適用した例である。

「第１の実施の形態」
図１は、第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図、図２は、第１のリリーフ弁の上流と下流にそれぞれ形成した液溜め部の要部拡大断面図である。

第１の実施の形態の燃料電池システムは、水素と酸素を反応させて起電力を発生する燃料電池１と、酸素を燃料電池１に供給するカソード供給経路と、水素を燃料電池１に供給するアノード供給経路と、燃料電池１から排出されるカソードオフガスを大気へ排出させるカソードオフガス排気経路と、燃料電池１から排出されるアノードオフガスを大気へ排出させるアノードオフガス排気経路とを主たる構成としている。

カソード供給経路は、コンプレッサー２により加圧された空気を、カソードＩＮ３から燃料電池１へ供給する経路である。カソードオフガス排気経路は、燃料電池１から排出されたカソードオフガスをカソードＥＸ４を通して大気へ放出する経路である。

アノード供給経路は、水素タンク５から供給された水素が水素配管６を通り、圧力調整弁７で調圧された後、アノードＩＮ８から燃料電池１に供給される経路である。また、このアノード供給経路には、発電に使用されずに残った水素をアノードＥＸ９を介して排出し、昇圧装置１３で調圧してアノードＩＮ８に循環させる経路が設けられている。

アノードオフガス排気経路は、アノードＥＸ９から分岐して設けられ、開口端を大気に開放させた排気管１２を通してアノードオフガスを大気に放出する経路である。この排気管１２の途中には、第１のリリーフ弁１０が設けられると共に、この第１のリリーフ弁１０をパイパスするように分岐する分岐排気管１５が設けられ、その分岐配管１５に第１のリリーフ弁１０と並列に配置された第２のリリーフ弁１１が設けられている。

第１のリリーフ弁１０は、非通電状態で閉じるノーマルクローズのリリーフ弁からなる。ここで定義するノーマルクローズとは、電気が通っていない状態（例えば、燃料電池システム停止時）で、弁が閉まっており、通電することで弁を開くことを意味する。したがって、第１のリリーフ弁１０は、燃料電池システムが稼働して燃料電池１が発電している間は弁がＯＮ−ＯＦＦしている状態であるので、アノードオフガスは排気管１２から大気へと放出され、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時には弁が閉じた状態となるので、アノードオフガスは分岐排気管１５へと流れる。

第２のリリーフ弁１１は、非通電状態で開くノーマルオープンのリリーフ弁からなる。ここで定義するノーマルオープンとは、電気が通っていない状態（例えば、燃料電池システム停止時）で、弁が開いており、通電することで弁を閉じることを意味する。したがって、第２のリリーフ弁１１は、燃料電池システムが稼働して燃料電池１が発電している間は弁が閉じた状態であるので、アノードオフガスは分岐排気管１５を流れずに本流である排気管１２を流れ、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時には弁が開いた状態となるので、アノードオフガスは分岐排気管１５を流れる。

そして、この第２のリリーフ弁１１の上流と下流の両方には、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に液体を溜めて排気管１２及び分岐排気管１５を閉塞する液溜め部１４が形成されている。液溜め部１４は、排気管１２に接続される分岐排気管１５の接続部分よりも上流と下流の位置にそれぞれ設けられている。かかる液溜め部１４は、図２に示すように、車両下側に向かって排気管１２の一部を略Ｕ字状（または略Ｖ字状）に湾曲させることにより形成され、液体３０が満たされたときに当該排気管１２を閉塞するようになっている。

このように構成された燃料電池システムでは、システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時などの場合に、燃料電池運転中に生成される生成水をこの液溜め部１４に満水にさせ、当該液溜め部１４を冠水させることにより排気管１２及び分岐排気管１５を完全に閉塞するので、システム運転停止後の放置中は溜まった生成水で外気とアノード側の水素とが直接混ざるのを防止できる。したがって、水素と空気が直接触れることもないので、空気のアノード内への拡散を防止することが可能となり、システム運転停止後の放置状態でも燃料電池本体の破損を未然に回避できる。

また、燃料電池システムの始動時は、液溜め部１４に溜まった液体３０を内圧で吹き飛ばすことができるため、第１のリリーフ弁１０及び第２のリリーフ弁１１の機能を阻害することはない。

一方、前記燃料電池システムの運転方法では、システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に燃料電池１から排出されるアノードオフガスを大気へと放出する排気管１２に設けた液溜め部１４に、燃料電池運転中に生成された生成水及び配管内の凝縮水（液体３０）が液溜め部１４に流れ落ちて来て溜まり、当該液溜め部１４が冠水する。したがって、燃料電池システム停止後の放置状態においては、液溜め部１４が液体３０によって冠水して排気管１２及び分岐排気管１５が閉塞されることで、アノード内への空気の拡散が防止され、燃料電池の寿命短縮が回避される。

このように、本実施の形態では、燃料電池１が発電することによって生成した水（液体３０）を使用しているため、液溜め部１４を冠水させるための特段上の設備を要しないことから燃料電池システム自体の構造を簡略化することができる。

「第２の実施の形態」
図３は、第２の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

第２の実施の形態の燃料電池システムは、第１の実施の形態の燃料電池システムの構成に加えて、液体３０である不凍液（Long Life Cloolant）を溜めたリザーバタンク１６と、このリザーバタンク１６から不凍液を前記液溜め部１４に供給する不凍液供給配管１７と、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に不凍液を液溜め部１４に供給制御する制御弁１８とを備えている。

リザーバタンク１６には、氷点下の下に燃料電池システムが置かれた場合でも燃料電池１から排出された水が凍結しないように防止するための不凍液が満たされている。かかる不凍液は、液溜め部１４の近傍に設置された制御弁１８により制御され、リザーバタンク１６から不凍液供給配管１７を通して液溜め部１４に供給される。この不凍液が液溜め部１４に供給されるタイミングとしては、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時とされる。また、不凍液の供給量としては、図２で示したように、液溜め部１４が冠水して排気管１２が閉塞された状態となる水量とされる。

第２の実施の形態の燃料電池システムでは、第１の実施の形態の燃料電池システムに対して、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に、液溜め部１４に不凍液を流し込むことが可能となり、寒冷地等で外気温が氷点下になる等の条件下では氷結による始動時の配管閉塞を起すこともなく始動可能となるので、第１の実施の形態の燃料電池システムと同等の効果を確保し且つ低温対応も可能となる。つまり、この実施の形態の燃料電池システムによれば、液溜め部１４に溜めた不凍液によって排気管１２を閉塞させることで外気とアノードの拡散を防止でき、さらに、極低温時でも凍結を防止できると共に極低温起動時も排気の同通を確保できる。

「第３の実施の形態」
図４は、第３の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

第３の実施の形態の燃料電池システムは、第２の実施の形態の燃料電池システムの構成に加えて、外気温を検出する外気温検出手段である温度センサー１９と、この温度センサー１９の信号をモニターして燃料電池１の氷結発生を推定（燃料電池が氷結するか否かを判定）し、氷結の危険性がないと判断した場合は、燃料電池１の発電中に生成された水を液溜め部１４に溜め、氷結の危険性があると判断した場合は、前記制御弁１８を開いて不凍液を液溜め部１４に溜めるように制御する制御部であるコンピュータ２０とを備える。

温度センサー１９は、自動車の車体の一部に設けられ、外気の温度を検出する。コンピュータ２０は、温度センサー１９で検出したセンサー信号を読み込み、排気管１２内の水が氷結するかどうかを判定し、氷結の可能性があると判断した場合は、制御弁１８を開き、リザーバタンク１６から不凍液を液溜め部１４に供給し、氷結の可能性がないと判断した場合は、不凍液の供給を行わず燃料電池１により生成された生成水を液溜め部１４に供給する。

第３の実施の形態の燃料電池システムでは、外気温を検出して氷結の有無の可能性を判断して不凍液を液溜め部１４に供給するか否かの判断を行っているため、温度環境状態に応じて不凍液の供給か、燃料電池１により生成される生成水の供給かを選択することができる。そのため、氷結が心配ない温度環境下では、燃料電池により生成され、運転中は尽きることがない生成水を使用し、リザーバタンク１６内に貯蔵された不凍液の使用を節約し、不凍液の補給頻度を少なくし経済性を確保することができる。また、氷結が発生する温度環境下では、不凍液により氷結を防止することができるため、第２の実施の形態の燃料電池システムと同様の効果が得られる。

もちろん、この第３の実施の形態の燃料電池システムによれば、氷結の可能性の有無判断によって選択的に燃料電池１から生成された水か、或いは不凍液の何れかを液溜め部１４に満たして排気管１２を閉塞することで、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止後の放置中のアノードへの空気の拡散を防止することができる。

「その他の実施の形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は、上述の実施の形態に制限されず、種々の変更が可能である。

例えば、上述の第１〜第３の実施の形態では、何れも第１のリリーフ弁１０の上流と下流の両方に液溜め部１４を形成したが、少なくとも何れか一方に液溜め部１４を形成すれば、本発明の効果を奏することができる。

また、第１のリリーフ弁１０は、燃料電池システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時において弁を閉じるノーマルクローズのリリーフ弁を使用していることから、この第１のリリーフ弁１０が設けられる排気管１２よりバイパスされた分岐排気管１５に液溜め部１４を設けても同様の効果が得られる。この場合の液溜め部１４は、第２のリリーフ弁１１の上流又は下流或いは両方における分岐排気管１５に液溜め部１４を設けるようにする。

第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態の燃料電池システムにおける第１のリリーフ弁の上流と下流にそれぞれ形成した液溜め部の要部拡大断面図である。 第２の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…コンプレッサー
３…カソードＩＮ
４…カソードＥＸ
５…水素タンク
８…アノードＩＮ
９…アノードＥＸ
１０…第１のリリーフ弁
１１…第２のリリーフ弁
１２…排気管
１４…液溜め部
１５…分岐排気管
１６…リザーバタンク（タンク）
１８…制御弁
１９…温度センサー（外気温検出手段）
２０…コンピュータ（制御部）
３０…液体（水、不凍液）

Claims (10)

1. 水素と酸素を反応させて起電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを大気へ放出する排気管と、
   前記排気管に設けられ、非通電状態で閉じるノーマルクローズの第１のリリーフ弁と、
   前記排気管から分岐された分岐排気管に前記第１のリリーフ弁と並列に設けられ、非通電状態で開くノーマルオープンの第２のリリーフ弁と、
   前記第２のリリーフ弁の上流又は下流若しくは両方に、システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に液体を溜めて前記排気管又は分岐排気管の流路を閉塞する液溜め部とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記液溜め部は、前記排気管又は分岐排気管の一部を屈曲させて形成された
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記液体は、前記燃料電池の発電中に生成された水である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記液体は、不凍液である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   不凍液を溜めたタンクと、
   前記タンクから不凍液を前記液溜め部に供給する配管と、
   前記システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に、前記不凍液を前記液溜め部に供給制御する制御弁とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   外気温を検出する外気温検出手段と、
   前記外気温検出手段の信号をモニターして前記燃料電池の氷結発生を推定し、氷結の危険性がないと判断した場合は、該燃料電池の発電中に生成された水を前記液溜め部に溜め、氷結の危険性があると判断した場合は、前記制御弁を開いて不凍液を前記液溜め部に溜めるように制御する制御部とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 水素と酸素を燃料電池に供給して発電させると共に発電により生じたアノードオフガスを大気に放出させる燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを大気へと放出する排気管に設けた液溜め部に、前記システムの通常停止時及び、システム異常診断による緊急停止時に、該液体を溜めて流路を閉塞するようにした
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法であって、
   前記液体として前記燃料電池の発電中に生成された水を使用する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法であって、
   前記液体として不凍液を使用する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 請求項７に記載の燃料電池システムの運転方法であって、
    外気温を検出して燃料電池が氷結する危険性がないと判断した場合は、燃料電池の発電中に生成された水を前記液溜め部に溜め、氷結の危険性があると判断した場合は、不凍液を前記液溜め部に溜める
    ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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