JP2017168384A

JP2017168384A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017168384A
Application number: JP2016054828A
Authority: JP
Inventors: 啓榎本; Hiroshi Enomoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】ポンプの腐食を抑制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】燃料電池システム１００に、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に水素を供給する水素タンク１１と、燃料電池スタック２から排出された水素と生成水とを分離する気液分離器３１と、気液分離器３１において分離された水素を燃料電池スタック２に供給する水素ポンプ３２と、水素ポンプ３２に供給する水を貯蔵する水タンク４１と、水素ポンプ３２が運転を停止した場合、水タンク４１から水素ポンプ３２に水を供給する制御を行う制御部５と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、気液分離器によって燃料電池スタックから排出された生成水と水素とを分離し、分離された水素をポンプにより再度燃料電池スタックへ供給する、燃料電池システムが記載されている。

特開２００７−０５９２２１号公報

しかしながら、気液分離器からポンプへ供給される水素には、若干の生成水が含まれる。この生成水のｐＨは４〜５程度の酸性である。そのため、ポンプが運転を停止した後、生成水から水分が蒸発して生成水が濃縮され、生成水のｐＨの値はさらに低下してしまう。これにより、ポンプ停止時にポンプ内に滞留した生成水によってポンプが腐食してしまう虞があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ポンプの腐食を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、前記燃料電池スタックから排出された水素と生成水とを分離する気液分離器と、前記気液分離器において分離された水素を前記燃料電池スタックに供給するポンプと、前記ポンプに供給する水を貯蔵する水タンクと、前記ポンプが運転を停止した場合、前記水タンクから前記ポンプに水を供給する制御を行う制御部５と、を備える。

本発明にかかる燃料電池システムによれば、ポンプが運転を停止した場合、水タンクから当該ポンプに水が供給され、当該ポンプが洗浄される。そのため、ポンプ内に滞留している生成水をポンプ内から除去することができる。これにより、ポンプの腐食を抑制することができる。

実施の形態１にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。生成水によってポンプの腐食が生じる過程を説明するフローチャートである。実施の形態１にかかる燃料電池システムにおけるポンプの洗浄方法を説明するフローチャートである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１にかかる燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。実施の形態１にかかる燃料電池システム１００は、例えば、図１に示すように、燃料ガス供給系１、燃料電池スタック２、循環水素系３、洗浄水供給系４、制御部５を備えている。そして、燃料電池システム１００において、燃料ガス供給系１が燃料電池スタック２に燃料ガスとしての水素ガスを供給する。また、燃料電池システム１００において、循環水素系３が燃料電池スタック２から排出された水素ガスを含む生成水から水素ガスを分離して、当該水素ガスを燃料電池スタック２に再度供給する。

燃料電池スタック２は、多数の単セルが積層されたセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。ここで、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡを両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。燃料電池スタック２は、カソード側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガスと、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。

燃料電池スタック２のカソードには、例えば、酸素を含有する酸化剤ガスとしての空気が供給される（不図示）。そして、燃料電池スタック２から排出されたガスは、外部に排出される。

燃料電池スタック２のアノードには、燃料ガス供給系１の水素タンク１１（後述）から水素ガスが供給される（水素ＩＮ）。アノードに供給される水素ガスの供給量は、バルブ１２等によって調整される。そして、燃料電池スタック２のアノードから水素ガス及び生成水が循環水素系３に排出される。

循環水素系３は、例えば、気液分離器３１、水素ポンプ３２、排気排水バルブ３３を備える。燃料電池スタック２のアノードから排出された水素ガス及び生成水は気液分離器３１に供給される。そして、気液分離器３１は、水素ガスと生成水とを分離する。

気液分離器３１によって生成水から分離された水素ガスは、水素ポンプ３２に供給される。水素ポンプ３２は、当該水素ガスを燃料電池スタック２に供給する。これにより、燃料電池スタック２から排出された未反応の水素ガスは、再度、燃料電池スタック２に供給されて、再利用される。

洗浄水供給系４は、例えば、水タンク４１、洗浄水バルブ４２を備える。水タンク４１は、水素ポンプ３２に供給する水（洗浄水）を貯蔵する。また、洗浄水バルブ４２は、水素ポンプ３２に供給する洗浄水の供給量を調整する。

制御部５は、図示しないＣＰＵ及び図示しない記憶部等を備える。そして、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、制御部５における全ての処理が実現する。
また、制御部５のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、ＣＰＵに実行されることにより、制御部５のそれぞれにおける処理を実現するためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、制御部５における処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ等である。

具体的には、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、制御部５は、燃料電池システム１００の各部を制御する。より具体的には、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、制御部５は、例えば、水素ポンプ３２が運転を停止した場合、水タンク４１から水素ポンプ３２に水を供給して水素ポンプ３２内を洗浄する。これにより、水素ポンプ３２が運転を停止した後に、水素ポンプ３２内に滞留した生成水によってポンプが腐食してしまうのを防ぐことができる。

次に、図２を参照して、生成水によって水素ポンプ３２の腐食が生じる過程について説明する。図２は、生成水によって水素ポンプ３２の腐食が生じる過程を説明するフローチャートである。
まず、図２に示すように、水素ポンプ３２が運転している際（運転時）、燃料電池スタック２のアノードと循環水素系３との間で、水素ガス（Ｈ_２）及び窒素を含む生成水（Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ）が循環している。

次に、水素ポンプ３２が運転を停止すると（停止時）、水素ポンプ３２内に、水素ガス（Ｈ_２）とともに窒素を含む生成水（Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ）が滞留する。これは、気液分離器３１から水素ポンプ３２に供給される水素ガスには、若干の生成水が含まれるためである。このときの生成水のｐＨは約４〜５程度である。

次に、水素ポンプ３２の内壁に、水素ガスに含まれた生成水が付着する。次いで、付着した生成水の水分が蒸発する。これにより、生成水が濃縮され、生成水のｐＨは３以下に低下する。そして、この酸性度の強い生成水の付着によって、水素ポンプ３２の腐食が進行してしまう。そこで、本実施の形態１にかかる燃料電池システム１００では、洗浄水供給系４によって、運転を停止した水素ポンプ３２に洗浄水を供給して、水素ポンプ３２内を洗浄する。

次に、図３を参照して、本実施の形態１にかかる燃料電池システム１００における水素ポンプ３２の洗浄方法を説明する。図３は、燃料電池システム１００における水素ポンプ３２の洗浄方法を説明するフローチャートである。

まず、制御部５は、水素ポンプ３２が運転を停止したか否かを判断する（ステップＳ１）。
ステップＳ１において、制御部５が、水素ポンプ３２の運転が停止していないと判断した場合（ステップＳ１；Ｎｏ）、制御部５は、ステップＳ１の処理を繰り返す。
ステップＳ１において、制御部５が、水素ポンプ３２の運転が停止したと判断した場合（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、制御部５は、洗浄水バルブ４２を開く（ステップＳ２）。具体的には、制御部５は、洗浄水バルブ４２に制御信号を出力し、当該制御信号に従って、洗浄水バルブ４２が開く。

次に、制御部５は、洗浄水バルブ４２を開いてから、所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、制御部５が、洗浄水バルブ４２を開いてから、所定時間が経過していないと判断した場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、制御部５は、ステップＳ３の処理を繰り返す。
ステップＳ３において、制御部５が、洗浄水バルブ４２を開いてから、所定時間が経過したと判断した場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、制御部５は、洗浄水バルブ４２を閉じて（ステップＳ４）、図３の処理を終了する。具体的には、制御部５は、洗浄水バルブ４２に制御信号を出力し、当該制御信号に従って、洗浄水バルブ４２が閉じる。

なお、ステップＳ３における所定時間は、水素ポンプ３２内に滞留又は付着した生成水を洗浄するのに十分な洗浄水を水素ポンプ３２に供給可能な時間であればよい。すなわち、当該所定時間は、洗浄水バルブ４２によって調整される洗浄水の流量及び、水素ポンプ３２の体積等によって決定される時間である。

また、水素ポンプ３２内に供給された洗浄水は、水素ポンプ３２内に滞留していた水素ガス及び生成水とともに、気液分離器３１へ排出される。気液分離器３１には、排気排水バルブ３３が連結されている。そして、気液分離器３１内に貯留された洗浄水及び生成水の液量が所定量以上になった場合に、制御部５が排気排水バルブ３３を開き、気液分離器３１内に貯留された洗浄水及び生成水が排出される。具体的には、制御部５は、排気排水バルブ３３に制御信号を出力し、当該制御信号に従って、排気排水バルブ３３が開閉する。

以上に説明した実施の形態１にかかる燃料電池システム１００によれば、水素ポンプ３２が運転を停止した場合、水タンク４１から当該水素ポンプ３２に洗浄水が供給され、当該水素ポンプ３２が洗浄される。そのため、水素ポンプ３２内に滞留している生成水を水素ポンプ３２内から除去することができる。これにより、水素ポンプ３２の腐食を抑制することができる。また、水素ポンプ３２を形成する材質として、ステンレス（ＳＵＳ）の代わりにアルミニウム（Ａｌ）を用いることが可能となり、燃料電池システム１００の低コスト化及び軽量化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図３のステップＳ３、ステップＳ４において、制御部５は、洗浄水バルブ４２を開いてから所定時間が経過した場合に、洗浄水バルブ４２を閉じているが、水素ポンプ３２が運転を開始した場合にも、洗浄水バルブ４２を閉じてもよい。

１燃料ガス供給系
１１水素タンク
１２バルブ
２燃料電池スタック
３循環水素系
３１気液分離器
３２水素ポンプ（ポンプ）
３３排気排水バルブ
４洗浄水供給系
４１水タンク
４２洗浄水バルブ
５制御部
１００燃料電池システム

Claims

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに水素を供給する水素タンクと、
前記燃料電池スタックから排出された水素と生成水とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器において分離された水素を前記燃料電池スタックに供給するポンプと、
前記ポンプに供給する水を貯蔵する水タンクと、
前記ポンプが運転を停止した場合、前記水タンクから前記ポンプに水を供給する制御を行う制御部と、を備える燃料電池システム。