JP2010177166A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム運転中にカソード入口側の封止弁が閉弁故障したとしても燃料電池の破損を回避できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】空気供給配管２２ａ，２２ｂを締め切る第１封止弁２０と、空気オフガス配管２２ｃ，２２ｄを締め切る第２封止弁２１と、水素供給配管３１ａ，３１ｂに配置されて空気供給配管２２ａ，２２ｂの圧力に基づいて開度調整を行うことにより燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するエゼクタ３０と、を備え、燃料電池１０の発電を停止した際に第１封止弁２０と第２封止弁２１とを閉弁して、燃料電池１０のカソードを封止する燃料電池システム１Ａにおいて、空気供給配管の圧力は、燃料電池１０と第１封止弁２０との間に配置された分岐部Ｓから取得される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のカソードの出入口を封止する弁を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止時にアノード側の水素が膜（イオン交換膜）を通ってカソードに移動し、逆にカソードの空気が膜を通ってアノードに移動するクロスリークが発生する。これによって、カソードおよびアノードのそれぞれの極において水素と酸素とが化学反応してＯＨラジカル（ヒドロキシラジカル）が発生し、このＯＨラジカルによって電極が酸化して燃料電池の耐久性が著しく低下する問題がある。このような問題を解決する対策として、燃料電池のカソード側の出入口を封止する封止弁を設けて、カソードを封じ込める技術が提案されている（特許文献１ないし３参照）。

特開２００２−２１６８２３号公報（図１） 特開２００７−６６８３１号公報（図１） 特開２００８−４３３７号公報（図１）

しかしながら、燃料電池システムの運転中に、封止弁が何らかの不具合で異常閉弁した場合、燃料電池への燃料供給機能、運転制御機能に支障が生じることが予想されているが、その対応がこれまで検討されてこなかった。特に、燃料電池の入口側の弁がシステム運転中に閉弁故障した場合、燃料電池内のカソード側の空気（酸素）がアノード側の水素と反応することによってカソード側の圧力が先に抜け、アノード側の圧力がそのまま保持されるため、燃料電池内において極間差圧（アノード圧−カソード圧）が過大となって燃料電池が破損に至るおそれがあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、システム運転中にカソード入口側の封止弁が閉弁故障したとしても燃料電池の破損を回避できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノードに燃料が供給され、カソードに酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料流路と、前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤流路と、前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤排出流路と、前記酸化剤流路を締め切る第１封止弁と、前記酸化剤排出流路を締め切る第２封止弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料流路に配置され、前記酸化剤流路の圧力に基づいて開度調整を行うことにより前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を調整する調圧部と、前記燃料電池の発電を停止した際に前記第１封止弁と前記第２封止弁とを閉弁して、前記燃料電池のカソードを封止するカソード封止手段と、を備え、前記酸化剤流路の圧力は、前記燃料電池と前記第１封止弁との間に配置された分岐部から取得されることを特徴とする。

これによれば、燃料電池システムの運転中に第１封止弁が故障によって閉弁したとしても、燃料系の調圧部に与える信号圧の取得位置を、第１封止弁と燃料電池との間に設定しているので、燃料電池内のカソード側の酸化剤が消費されてカソード内圧が低下したとしても、カソード内圧の低下に連動してアノード圧も低下し、極間差圧が一定に維持され、燃料電池が破損（不具合）に至るのを回避できる。

請求項２に係る発明は、前記酸化剤流路に配置され、前記燃料電池に供給される酸化剤に水分を与える加湿器を備え、前記加湿器は、前記第１封止弁よりも下流に配置されることを特徴とする。

これによれば、前記不具合回避に加え、燃料電池システムを氷点下に至るような低温環境下で使用した場合であっても、発電停止時などに加湿器内の水が第１封止弁に流れ込むことによって第１封止弁が凍結するのを防止でき、システムの破損や不具合を回避できる。例えば、第１封止弁が加湿器から流れ出た水で凍結して、燃料電池システムの起動時に第１封止弁が開弁しなくなるといった不具合を防止できる。

請求項３に係る発明は、前記加湿器は、前記酸化剤排出流路中の前記第２封止弁よりも上流の位置で酸化剤から水分を得ることを特徴とする。

これによれば、第２封止弁には、発電停止時などに水分が取り除かれた後の酸化剤が流れ込むので、前記不具合回避に加えて、第２封止弁の凍結が防止されて、システムの破損や不具合を回避できる。

請求項４に係る発明は、前記調圧部は、前記燃料の圧力と前記酸化剤の圧力との差圧により出力を調整するエゼクタであることを特徴とする。

これによれば、電気的な制御を行うことなく簡単な構成で圧力が自動で調整されるので、前記不具合回避に加え、システムが簡単になりコスト削減が可能になる。

本発明によれば、システム運転中にカソード入口側の封止弁が閉弁故障したとしても燃料電池の破損を回避できる燃料電池システムを提供できる。

第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第１封止弁が閉弁故障したときの圧力の変化を示すタイムチャートを示し、（ａ）は分岐部を第１封止弁の下流側に設けた場合、（ｂ）は分岐部を第１封止弁の上流側に設けた場合である。 第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第３実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１Ａ〜１Ｃは、燃料電池車、船舶、航空機などの移動体、家庭用や業務用の定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、第１封止弁２０、第２封止弁２１、空気供給配管（酸化剤流路）２２ａ，２２ｂ、空気オフガス配管（酸化剤排出流路）２２ｃ，２２ｄ、信号圧配管２３、エゼクタ３０、水素供給配管（燃料流路）３１ａ，３１ｂ、水素オフガス配管３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ、パージ弁３２などで構成されている。

燃料電池１０は、例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を一対の導電性のセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノード、カソードなどで挟んで構成されている。また、カソードに対向するセパレータには、空気が流通するカソード流路１１が形成され、アノードに対向するセパレータには、水素が流通するアノード流路１２が形成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素（燃料）が供給され、カソードに酸素を含む空気（酸化剤）が供給されることにより発電可能な状態になる。燃料電池１０と図示しない外部負荷（車両であれば、走行モータ、バッテリ、エアポンプなど）とが電気的に接続されることにより、発電するようになっている。

燃料電池システム１Ａのカソード系では、第１封止弁２０が、その上流側において空気供給配管２２ａと接続され、下流側において空気供給配管２２ｂと接続され、空気供給配管２２ｂがカソード流路１１の入口１０ａと接続されている。

第２封止弁２１は、その上流側において空気オフガス配管２２ｃと接続され、空気オフガス配管２２ｃがカソード流路１１の出口１０ｂと接続され、その下流側において空気オフガス配管２２ｄを介して外部と連通している。なお、図示していないが、第１封止弁２０の上流には、カソードに圧縮空気を送るエアポンプ、圧縮空気を加湿する加湿器などが設けられている。

燃料電池システム１Ａのアノード系では、エゼクタ３０が、その上流側において水素供給配管３１ａと接続され、下流側において水素供給配管３１ｂが接続され、水素供給配管３１ｂがアノード流路１２の入口１０ｃと接続されている。

また、アノード流路１２の出口１０ｄは、水素オフガス配管３１ｃを介してパージ弁３２と接続され、水素オフガス配管３１ｃに分岐して形成された水素オフガス配管３１ｄを介してエゼクタ３０の戻りポート（不図示）と接続されている。また、パージ弁３２は、水素オフガス配管３１ｅなどを介して外部と連通している。

なお、図示していないが、エゼクタ３０の上流には、高純度の水素が圧縮充填された水素タンク、電磁作動式の遮断弁、減圧弁などが設けられ、水素タンクから供給された水素が所定の圧力に減圧された後にエゼクタ３０に供給されるようになっている。また、水素オフガス配管３１ｅおよび空気オフガス配管２２ｄは、希釈器と接続されており、アノード系から排出された水素をカソード系の空気オフガスで希釈して外部に排出するようになっている。

第１封止弁２０は、例えば電磁作動式の開閉弁であり、燃料電池１０の空気供給側の空気供給配管２２ａ，２２ｂを締め切る（封止する）機能を有する。第２封止弁２１は、同様な電磁作動式の開閉弁であり、燃料電池１０の空気排出側の空気オフガス配管２２ｃ，２２ｄを締め切る（封止する）機能を有する。したがって、第１封止弁２０と第２封止弁２１とがそれぞれ閉じられることにより、燃料電池１０のカソード（カソード流路１１）が封止されるようになっている。

なお、第１封止弁２０および第２封止弁２１は、常閉型の弁であってもよく、常開型の弁であってもよく、燃料電池システム１Ａ（以下の燃料電池システム１Ｂ，１Ｃについても同様）に応じて適宜選択することができる。

信号圧配管２３は、燃料電池１０に供給される空気の圧力によって後記するエゼクタ３０に信号圧（パイロット圧）を与える流路であり、一端が第１封止弁２０と燃料電池１０との間の空気供給配管２２ｂに接続され、他端がエゼクタ３０の信号圧の入力ポートに接続されている。この信号圧配管２３の一端と空気供給配管２２ｂとの接続部分が分岐部Ｓに相当する。

エゼクタ３０は、アノード流路１２の出口１０ｄから排出された未反応の水素を水素オフガス配管３１ｃ，３１ｄを介して吸引し、水素タンクからの水素と混合して再び燃料電池１０の入口１０ｃに戻して再循環させる機能を有する。

また、エゼクタ３０は、可変流量タイプであり、カソードの空気圧が信号圧として入力されることにより、エゼクタ３０から燃料電池１０に供給される水素の圧力（出力）を制御できる機構を備えたものである。

すなわち、カソード側の空気圧が増加した場合には、その空気圧に連動して、エゼクタ３０から出力される水素圧が増加し、逆に空気圧が減少した場合には水素圧が減少するように自動で制御されるようになっている。

なお、空気圧によってエゼクタ３０からの吐出圧力を可変にするエゼクタとしては、例えば、ディフューザ、ノズル、ニードル、ニードル保持ガイドに、２枚のダイヤフラムを組み合わせた公知の技術を適用できる（特開２００２−２２７７９９号公報参照）。

このようなエゼクタ３０によれば、水素タンク（不図示）から供給される水素の圧力と、信号圧として入力される空気の圧力との差圧によって、ノズル（不図示）からのニードル（不図示）の突出量を変化させて流路断面（開度）を調整することで、ノズルから放出される圧力（出力）を可変にできるようになっている。

パージ弁３２は、電磁作動式のものであって、例えば発電時において定期的に開弁することにより、アノード流路１２、水素供給配管３１ｂ、水素オフガス配管３１ｃに蓄積した不純物（電解質膜を透過した生成水、空気に含まれる窒素など）を外部に排出する機能を有する。

なお、前記した第１封止弁２０、第２封止弁２１およびパージ弁３２は、図示しない制御部（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）によって適宜開閉制御される。制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを含んで構成され、カソード封止手段を備えている。

カソード封止手段は、燃料電池システム１Ａの運転停止時（燃料電池１０の発電停止時）に、第１封止弁２０および第２封止弁２１を閉じて、燃料電池１０のカソード流路１１を封止して、燃料電池１０内における電極（アノード、カソード）の酸化を防止する手段である。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について説明する。まず、イグニッションスイッチがオンにされて、燃料電池システム１Ａが運転中（システム運転中）の場合には、第１封止弁２０および第２封止弁２１が開弁された状態において、エアポンプ（不図示）から供給されて加湿器（不図示）で加湿された空気がカソードに供給され、また、水素タンク（不図示）から供給された水素がエゼクタ３０で吐出圧力が調整された後にアノードに供給される。

また、運転中において燃料電池１０からの発電電流（発電電力）の取り出しが増加すると、エアポンプのモータ（不図示）の回転速度が増加されてカソード圧（空気圧）が高められるが、このときカソード圧の増加に連動して信号圧が増加し、水素タンクからの水素の圧力（燃料の圧力）と、信号圧としての空気の圧力（酸化剤の圧力）との差圧が変化することによってエゼクタ３０から吐出されるアノード圧（水素圧）が高められる。逆に燃料電池１０からの発電電流の取り出しが減少すると、カソード圧の低下に連動してエゼクタ３０から吐出されるアノード圧が低下する。

ところで、エゼクタ３０に入力される信号圧の取得位置（分岐部）が第１封止弁２０の上流側である場合、比較例として図２（ｂ）に示すように、燃料電池システム１Ａの運転中に第１封止弁２０に何らかの不具合が生じて開弁状態から閉弁状態に切り替わると、第１封止弁２０の上流圧が高まり、その上流圧の上昇に連動してエゼクタ３０から吐出される水素の流量が増加してアノード圧力（アノード内圧）Ｐａが上昇する。また、第１封止弁２０の下流側の空気が燃料電池１０内において水素との反応により消費されて、第１封止弁の下流圧（カソード内圧）Ｐｃが低下することになる。このようにアノード内圧が上昇してカソード内圧が減少するため、カソード内圧Ｐｃとアノード内圧Ｐａとの間における極間差圧（Ｐａ−Ｐｃ）が過大となって、燃料電池１０が破損に至るおそれがある。

そこで、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、エゼクタ３０に入力される信号圧の取得位置（分岐部Ｓ）を第１封止弁２０の下流側に設定しているので、図２（ａ）に示すように、燃料電池システム１Ａの運転中に第１封止弁２０が何らかの不具合によって開弁状態から閉弁状態に切り替わったとしても、第１封止弁２０の下流圧Ｐｃ（カソード内圧）の低下に連動してアノード内圧も低下し、極間差圧（Ｐａ−Ｐｃ）は一定のままとなる。このように、カソード内圧が急減した場合でも、信号圧も一緒に連動して急減するため、アノード側の制御圧（アノード内圧）を下げることが可能となり、燃料電池１０が破損に至るおそれがない。

また、第１実施形態によれば、カソード圧を信号圧としてアノード圧が調整されるエゼクタ３０を用いているので、簡単な構成によって圧力が自動で調整される。また、システムが簡単になりコスト削減が可能になる。

（第２実施形態）
図３に示す第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａに加湿器４０を追加した構成であり、その他の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３に示す加湿器４０は、空気供給配管２２ｂ上において、第１封止弁２０の下流、かつ、分岐部Ｓの下流に設けられている。なお、加湿器４０は、エアポンプ（不図示）からの圧縮空気を加湿できるものであればその種類は特に限定されるものではなく、例えば、エアポンプから供給される空気に水を噴霧して加湿するものであってもよく、あるいは水中に空気をバブリングして加湿するものであってもよい。

第２実施形態によれば、加湿器４０を第１封止弁２０の上流ではなく下流に設けたので、加湿器４０内の水が第１封止弁２０に流れ込むのを防止できるので、燃料電池システム１Ｂが氷点下に至るような低温環境下で使用された場合に燃料電池システム１Ｂの運転が停止しているときに、第１封止弁２０が凍結して開閉不能になるといった不具合を回避することが可能になる。よって、第１封止弁２０の凍結による燃料電池システム１Ｂの破損や不具合を回避することが可能になる。

また、加湿器４０を分岐部Ｓの下流に設けておけば、加湿器４０に残留する水が信号圧配管２３に流れ込んで、信号圧配管２３が凍結によって閉塞する不具合を回避することも可能になる。なお、分岐部Ｓの位置は、第１封止弁２０と加湿器４０との間に限定されるものではなく、第１封止弁２０の下流であればよく、加湿器４０と燃料電池１０との間であってもよい。

（第３実施形態）
図４に示す第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの加湿器４０に替えて加湿器５０とした構成であり、その他の構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

この加湿器５０は、エアポンプ（不図示）から空気供給配管２２ａ，２２ｂを通って供給される空気（低湿潤ガス）が、燃料電池１０のカソードから空気オフガス配管２２ｃに排出された空気オフガス（高湿潤ガス）によって加湿されるものである。なお、加湿器５０は、例えば、複数の中空糸膜（水分交換膜）が束ねられた中空糸膜束が収容されたケース（不図示）に、エアポンプ(不図示)からの乾燥した空気の出入口および空気オフガスの出入口を設けた公知の技術を採用できる。

このような加湿器５０によれば、エアポンプから供給された空気（低湿潤ガス）が、加湿器５０の中空糸膜の一面側を流通し、燃料電池１０から排出された空気オフガス（高湿潤ガス）が中空糸膜の他面側を流通することにより、空気（低湿潤ガス）が加湿される。

第３実施形態によれば、第２実施形態によって得られる効果に加えて、加湿器５０を第２封止弁２１の上流に設けたので、例えば、燃料電池１０のカソード流路１１の出口１０ｂから排出された生成水の流れが加湿器５０によって遮断され、生成水が第２封止弁２１に流れ込むのを防止できる。

また、加湿器５０内を通過することによって水分が吸収された後の空気オフガス（酸化剤）が第２封止弁２１に流れ込むので、第２封止弁２１が凍結するといった不具合を回避することが可能になる。よって、第２封止弁２１の凍結による燃料電池システム１Ｃの破損や不具合を回避することができる。

なお、第３実施形態の加湿器５０では、中空糸膜を利用したものを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、膜を介して水分交換を行うものであれば、平膜状やスパイラル状などの他の形状の水分交換膜であってもよい。

また、本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、調圧部としてエゼクタを例に挙げて説明したが、例えばソレノイドを駆動源として電気的に圧力が制御されるエゼクタであってもよい。また、調圧部として、流量可変のエゼクタに適用した場合を例に挙げて説明したが、カソード圧を信号圧とする減圧弁（レギュレータ）に適用するものであってもよい。

１Ａ〜１Ｃ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ 第１封止弁
２１ 第２封止弁
２２ａ，２２ｂ 空気供給配管（酸化剤流路）
２２ｃ，２２ｄ 空気オフガス配管（酸化剤排出流路）
３０ エゼクタ（調圧部）
３１ａ，３１ｂ 水素供給配管（燃料流路）
４０，５０ 加湿器
Ｓ 分岐部

Claims (4)

1. アノードに燃料が供給され、カソードに酸化剤が供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料を供給する燃料流路と、
   前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤流路と、
   前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤排出流路と、
   前記酸化剤流路を締め切る第１封止弁と、
   前記酸化剤排出流路を締め切る第２封止弁と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料流路に配置され、前記酸化剤流路の圧力に基づいて開度調整を行うことにより前記燃料電池に供給される前記燃料の圧力を調整する調圧部と、
   前記燃料電池の発電を停止した際に前記第１封止弁と前記第２封止弁とを閉弁して、前記燃料電池のカソードを封止するカソード封止手段と、を備え、
   前記酸化剤流路の圧力は、前記燃料電池と前記第１封止弁との間に配置された分岐部から取得されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤流路に配置され、前記燃料電池に供給される酸化剤に水分を与える加湿器を備え、
   前記加湿器は、前記第１封止弁よりも下流に配置され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. 前記加湿器は、前記酸化剤排出流路中の前記第２封止弁よりも上流の位置で酸化剤から水分を得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. 前記調圧部は、前記燃料の圧力と前記酸化剤の圧力との差圧により出力を調整するエゼクタであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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