JP2008257891A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に導入される外気に含まれる物質による被毒を防止した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 車両に搭載され、燃料と酸素含有気体とが供給されて発電した電力により車両を走行させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸素含有気体として外気を供給する空気供給系と、を有する燃料電池システムであって、
前記空気供給系は、外気から燃料電池スタックの出力を低下させる不純物を除去する不純物除去経路と、前記外気を無処理で通過させる無処理経路と、外気中の不純物を検出する検出手段と、外気中の不純物を検出した場合、前記不純物除去経路に切り換える空気供給路切換手段と、を備えた燃料電池システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであって自動車搭載用の燃料電池システムのように様々な使用環境において、燃料電池の出力特性の劣化を生じない燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、燃料極と酸素極を電解質膜等を介して配置した単位燃料電池を複極板を介在させて電気的に直列に積層したものの複数個を直列、あるいは直並列に接続して、燃料電池スタックを形成している。
燃料電池スタックの燃料極には燃料供給手段によって水素等の燃料が供給されており、酸素極に供給される外気から取り込んだ空気中の酸素との電池反応によって発電し、燃料電池内において生成した水が外部へ排出されている。

自動車用燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質膜の両面に白金等の触媒からなる電極が配置されている。ところが、燃料として供給される水素、あるいは外気から取り込まれた空気に一酸化炭素が混入していると一酸化炭素が白金に吸着し、電極触媒の作用が著しく低下し、燃料電池の出力が大きく低下するという被毒の問題があった。
燃料極に供給する水素として炭化水素を改質した改質気体を使用する場合には、改質気体中の一酸化炭素を除去する手段を設けることが必要となるが、充分に管理された製造設備において大量に製造される高品質を供給する水素ステーションを利用する場合には、水素側から一酸化炭素をはじめとする燃料電池の特性を著しく損なう物質が混入することはなくなっている。

一方、燃料電池システムを搭載した自動車は様々なところで使用され、外気から取り入れた空気中の酸素を酸化性気体として使用しているために、自動車の排気ガスが滞留したトンネル、渋滞箇所等においては空気中に滞留した一酸化炭素が取り込まれたり、あるいは温泉地、火山地帯では、硫化水素、二酸化硫黄等の硫黄含有物質が取り込まれたり、海岸沿い道路では、海水由来の塩化ナトリウム、塩化マグネシウム等の塩化物の微細な粒子が取り込まれることによって触媒の被毒、固体高分子電解質膜の劣化を引き起こし、燃料電池が性能回復しがたい特性の状況に陥るという問題点があった。

燃料電池の触媒の被毒の防止を行うために、大気中の汚染気体が取り込まれる可能性がある場合には、外気の取り込みを停止して自動車内に設けた空気タンク内に貯蔵した空気を利用する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この燃料電池システムにおいては、ＰＳＡ等によって空気中の窒素を分離して貯蔵するものであるが、ＰＳＡ等においては空気を高度に圧縮して吸脱着をすることが必要であり、装置が大がかりになるとともに、燃料電池が発生した電気エネルギーを大量に消費することとなる。
したがって、比較的小型の燃料電池システムにおいては、燃料電池の触媒の被毒等を防止するために事前に貯蔵した空気を利用することはできなかった。
特開２００４−５５２６０号公報

本発明は、自動車に搭載した燃料電池システムが、自動車の走行環境の外気から、一酸化炭素、硫黄化合物、あるいは塩化物等を取り込むことによって電極触媒の被毒、固体高分子電解質膜の特性の劣化等が生じることがない燃料電池システムを提供することを課題とするものである。

本発明は、車両に搭載され、燃料と酸素含有気体とが供給されて発電した電力により車両を走行させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸素含有気体として外気を供給する空気供給系と、を有する燃料電池システムであって、前記空気供給系は、外気から燃料電池スタックの出力を低下させる不純物を除去する不純物除去経路と、前記外気を無処理で通過させる無処理経路と、外気中の不純物を検出する検出手段と、外気中の不純物を検出した場合、前記不純物除去経路に切り換える空気供給路切換手段と、を備えた燃料電池システムである。
前記不純物除去経路は、被毒物質を分解する被毒物質分解手段と、イオン物質もしくは微粒子を除去するイオン物質除去手段とを有し、前記不純物検出手段は、排ガスセンサと、イオン濃度センサとを有し、前記空気供給路切換手段は、被毒物質を検出した場合は、前記被毒物質分離手段に切り換え、高濃度のイオン物質を検出した場合は、イオン物質除去手段に切り換える制御装置を備えている前記の燃料電池システムである。

また、不純物検出手段は、車両位置から不純物の存在を予測する自動車走行環境検出手段を備えた前記の燃料電池システムである。
被毒物質分解手段が一酸化炭素分解触媒を担持した分解手段である前記の燃料電池システムである。
不純物分離手段が静電気による分離手段もしくはＨＥＰＡフィルタの少なくともいずれか一種である前記の燃料電池システムである。
被毒物質の検出手段が一酸化炭素検出センサ、または硫黄化合物検出センサの少なくともいずれか一種である前記の燃料電池システムである。

自動車走行環境検出手段が、照度センサ、あるいはカーナビゲーションシステムによる位置情報に基づくトンネル、温泉地、火山地帯、あるいは海岸沿いの少なくともいずれか一種の検出手段である前記の燃料電池システムである。
また、前記空気供給系は前記空気供給部に常圧空気を供給するファンを有し、前記制御装置は、前記自動車走行環境検出手段で車両位置が高地や峠にあることを検出した場合、前記ファンの回転数を増加させる前記の燃料電池システムである。

請求項１の構成によれば、自動車に搭載した燃料電池システムにおいて、様々な環境下で外気から取り入れられる空気により燃料電池が被毒して出力の低下、あるいは特性の低下等を防止した燃料電池システムを提供することができる。

また、請求項２の構成によれば、被毒物質を分解、あるいは分離する不純物除去経路も備えているので、様々な環境に対応することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
請求項３記載の構成によれば、位置情報の利用によって確実に被毒を防止する燃料電池システムを提供することができる。

また、請求項４の構成によれば、一酸化炭素の効率的な除去が可能な燃料電池システムを提供することができる。
請求項５記載の構成によれば、粒子状の物質による被毒を防止した燃料電池システムを提供することができる。

請求項６記載の構成によれば、被毒物質の検出を確実に行えるので、被毒を防止した燃料電池システムを提供することができる。
請求項７記載の構成によれば、位置情報の利用によって確実に被毒を防止する燃料電池システムを提供することができる。
請求項８記載の構成によれば、常圧空気を使用した特性が優れたな燃料電池システムを提供することができる。

本発明は、自動車に搭載する燃料電池システムが、自動車が走行する様々な環境において外気とともに取り込まれる被毒物質による燃料電池の出力の低下等の問題を、被毒物質の検出手段および自動車走行環境検出手段とともに、被毒物質の分解、あるいは分離手段を空気供給路に設けることによって燃料電池内部に被毒物質が取り込まれることを防止することによって解決することが可能であることを見出したものである。
本発明において、被毒物質とは、電極触媒を劣化させる物質のみではなく、高分子固体電解質をはじめとして単位燃料電池の構成部材を劣化させて発電性能に悪影響を及ぼす物質を含む。

以下に実施例を示し、本発明の燃料電池システムを説明する。
図１は、本発明の燃料電池システムを説明する図である
燃料電池システム１は、筐体１Ａ内に取り付けた燃料電池スタック２、燃料供給系３１、燃料排出系３２、空気供給系４、冷却水供給系５１、および冷却水排出系５２から構成されている。
燃料供給系３１は圧縮水素ボンベ、水素吸蔵合金等の水素貯蔵手段、調圧弁、圧力センサ等から構成されており、燃料電池スタック２へ所定の流量で水素が供給される。
また、燃料電池スタック２から排出される水素は、燃料排出系３２によって処理されて、未反応の水素は燃料供給系３１に循環して再度使用される。

空気供給系４から、ファン４１によって空気４２が空気供給ダクト４Ａを通じて燃料電池スタック２に供給される。また、空気供給系４に設けた空気供給口４３には、空気供給路切換手段４７と、不純物除去経路４５を通過しない無処理経路４６を有しており、空気供給路切換手段４７の空気取入口４７Ａには、フィルタ４８が配置されている。

空気取入口４７の近傍には、大気中の被毒物質、照度等を測定するセンサ６１が設けられており、センサによる検出信号、およびナビゲーションシステム６２から提供される自動車走行環境信号が制御手段６３に供給される。制御手段６３では被毒判定手段６４が動作をして、被毒の可能性があるか否かを判断する。

次いで、被毒判定手段６４が被毒の可能性があると判断した場合には、被毒を回避するために、所定の不純物除去経路４５を動作状態とし、更に空気流路切換手段４７によって空気流路を切り換えて、被毒回避動作を行い所定の被毒回避動作が完了した後に元の無処理経路４６に切り換えられる。
また、本発明では、ナビゲーションシステムから提供される自動車走行環境信号による制御を行う構成としたので、トンネル等の場合には、センサによる検出動作に先立ち被毒回避動作の準備動作を行うことができるのでより確実な被毒回避を実現できる。

図に示した例では、不純物除去経路４５として、一酸化炭素分解触媒等をハニカム材等に担持した被毒物質分解手段４５Ａを備えている。一酸化炭素分解触媒としては、銅−マンガン系触媒、貴金属系等の触媒が用いられる。

また、不純物除去経路４５は、温泉地帯、火山地帯等で大気中に浮遊する硫黄化合物、あるいは海岸線に近いに地域で空気中に浮遊する海水由来の塩化ナトリウム、塩化マグネシウム等の塩化物、イオン物質もしくは微粒子を除去することが可能なイオン物質除去手段４５Ｂを備えている。
なお、本発明のおいてイオン物質とは、燃料電池内においてイオン化して固体高分子電解質等を劣化させる物質を広く意味する。
イオン物質除去手段４５Ｂとしては、高電圧を印加した電圧を配置した静電気かつイオン式の分離除去手段、高度に微粒子を除去することが可能なＨＥＰＡフィルタ (High Efficiency Particulate Air Filter)、また、酸、アルカリ反応によらずにイオウ化合物を取り込むジルコニウムを含有したキレート系の分離手段等を用いることができる。

不純物除去経路４５を空気流が通過することによって空気流に圧損が生じて空気流量が低下する場合には、ファン４１の流速を高めて空気の流量が低下しないようにすることが好ましい。また、これらの不純物除去経路４５の空気流の上流側のみではなく下流側にも流路切換手段４９を設けた場合には、被毒物質除去手段４５Ａを通過した空気を、無処理経路４４を通じて入り口側に戻した後にイオン物質除去手段４５Ｂを通過させて空気供給口４７側へ送風することができる。なお、この順序は逆にすることもできる。
また、以上の分解手段、除去手段は、不純物の種類に応じて分解あるいは分離除去手法が異なるものを複数個を配置してもよい。

燃料電池スタック２の上部には、冷却水供給系５１から燃料電池スタックを冷却する水が供給され、電池反応で生成した水とともに燃料電池スタックの下部の冷却水排出系５２から取り出されて水タンクに貯蔵されて再利用される。また、酸素濃度が低下した空気は、排気ダクト４Ｂを通じて排出される。

図２は、本発明の燃料電池システムの制御動作の一例を説明するフロー図である。
Ｓ１において、制御動作を開始し、気体センサ、照度センサ、あるいはナビゲーションシステムからの情報を取得し、Ｓ２においてトンネル内で否かを判断する。
トンネル内であると判断した場合には、トンネル内はセンサが一酸化炭素が滞留しやすい場所であるので、Ｓ３において流路切換手段によって空気を被毒物質分解手段へ分配し、被毒物質を分解する。

一方、トンネル内でない場合には、Ｓ４において一酸化炭素を検出したか否かを判断し、一酸化炭素が検出された場合には、Ｓ３によって一酸化炭素を分解する。
一酸化炭素が検出されていない場合には、Ｓ５において、硫黄化合物検出センサ、あるいはナビゲーションシステムから取得した情報によって、温泉地、火山地帯、あるいは海岸沿いであるか否かを判断し、温泉地、火山地帯、あるいは海岸沿いである場合には、Ｓ６において流路切換手段によって空気をイオン物質除去手段へ分配し、イオン物質を除去する。
また、温泉地、火山地帯、あるいは海岸沿いでない場合には、Ｓ１へ戻る。

このような図２に示すフローを走行中の車速度に応じた制御周期にて実施する。異常のようにして、燃料電池の出力性能に影響を及ぼす不純物混入による性能劣化要因を抑制することが可能となる。

本発明の燃料電池システムでは、自動車に搭載した燃料電池が様々な環境において外気からの被毒物質によって出力が低下したり、特性が劣化することを防止することが可能となるので、燃料電池の環境適応性を高めることが可能となり、燃料電池システムに極めて有用である

図１は、本発明の燃料電池システムを説明する図である。 図２は、本発明の燃料電池システムの制御動作の一例を説明するフロー図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１Ａ…筐体、２…燃料電池スタック
３１…燃料供給系、３２…燃料排出系
４…空気供給系、４１…ファン、４２…空気、４３…空気供給口、４４…空気供給路切換手段、４５…不純物除去経路、４５Ａ…被毒物質分解手段、４５Ｂ…イオン物質除去手段、…無処理経路、４７…空気取入口、４８…フィルタ、４９…下流側流路切換手段
５１…冷却水供給系、５２…冷却水排出系
６１…センサ、６２…ナビゲーションシステム、６３…制御手段、６４Ａ…被毒判定手段

Claims (8)

1. 車両に搭載され、燃料と酸素含有気体とが供給されて発電した電力により車両を走行させる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記酸素含有気体として外気を供給する空気供給系と、を有する燃料電池システムであって、
   前記空気供給系は、外気から燃料電池スタックの出力を低下させる不純物を除去する不純物除去経路と、前記外気を無処理で通過させる無処理経路と、外気中の不純物を検出する検出手段と、外気中の不純物を検出した場合、前記不純物除去経路に切り換える空気供給路切換手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記不純物除去経路は、被毒物質を分解する被毒物質分解手段と、イオン物質もしくは微粒子を除去するイオン物質除去手段とを有し、前記不純物検出手段は、排ガスセンサと、イオン濃度センサとを有し、前記空気供給路切換手段は、被毒物質を検出した場合は、前記被毒物質分離手段に切り換え、高濃度のイオン物質を検出した場合は、イオン物質除去手段に切り換える制御装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 不純物検出手段は、車両位置から不純物の存在を予測する自動車走行環境検出手段を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 被毒物質分解手段が一酸化炭素分解触媒を担持した分解手段であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
5. 不純物分離手段が静電気による分離手段もしくはＨＥＰＡフィルタの少なくともいずれか一種であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
6. 被毒物質の検出手段が一酸化炭素検出センサ、または硫黄化合物検出センサの少なくともいずれか一種であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
7. 自動車走行環境検出手段が、照度センサ、あるいはカーナビゲーションシステムによる位置情報に基づくトンネル、温泉地、火山地帯、あるいは海岸沿いの少なくともいずれか一種の検出手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
8. 前記空気供給系は前記空気供給部に常圧空気を供給するファンを有し、前記制御装置は、前記自動車走行環境検出手段で車両位置が高地や峠にあることを検出した場合、前記ファンの回転数を増加させる請求項３記載の燃料電池システム。

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