JP4506099B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムでは、燃料電池スタックの水素極にて水素ガスが水素イオンと電子とに分離する反応が生じ、空気極にて酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応を発生させる。このような燃料電池システムにおいては、固体高分子電解質の加湿や燃料電池スタックの温度調整といった用途に純水を必要とする。このため、燃料電池システムは、通常、運転時に燃料電池スタックに純水を供給すると共に、この純水を回収して循環させるための純水系システムを備えている。
【0003】
また、燃料電池システムにおいては、運転を停止したまま寒冷地で放置すると、燃料電池スタック、配管、及び配管途中に設けられた各種構成部品内部に滞留していた純水が凍結し、これに起因して、運転不能となったり、凍結による配管の膨張させるといった事態を招来するおそれがある。
【0004】
そこで、このような問題に対応するために、燃料電池システム内部の水を回収する技術が例えば特許文献1などで知られている。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−273705号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献1に記載された燃料電池システムにおいては、水を回収するための回収手段としてポンプを用い、当該ポンプを駆動させることによって水を回収しているので、水を完全に回収することが困難であるために内部に水が残存しやすく、内部に残存した水の凍結を確実に防止する対策としては不十分であるという問題があった。
【0007】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、システム停止時にシステム内部の水を確実に回収することができる燃料電池システムを提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池に循環される純水を貯蔵する純水貯蔵手段と、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池とを接続し、通常運転時には、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池との間で所定の方向で純水を循環させる純水経路を有する純水循環手段と、前記純水経路に空気を導入する空気導入経路を有する空気導入手段と、前記燃料電池の通常運転時における純水出口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられる第1バルブと、前記燃料電池の通常運転時における純水排出側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路と接続された空気導入経路に設けられる第2バルブと運転停止時に、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流して、前記純水経路内の純水を前記純水貯蔵手段に戻す制御手段とを備え、前記制御手段は、運転停止時には、前記第1バルブを閉塞すると共に前記第2バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流し、所定時間の経過後に、前記第2バルブを開放状態にしたままで前記第1バルブを開放することにより、上述の課題を解決する。
【0009】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、運転停止時に燃料電池スタック及び純水経路内部の純水を純水貯蔵手段へと回収するに際し、空気導入経路から純水経路に導入された空気を利用し、この空気を通常運転時における純水の流れと逆流させるので、例えばポンプ駆動によって純水を除去する場合に比べて、燃料電池スタック及び純水経路内部の純水の除去をより確実に行うことができ、純水の凍結や膨張などを防止することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
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。
【0011】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムについて説明する。
【0012】
[第1実施形態]
まず、第1実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【0013】
[燃料電池システムの構成]
第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を図1に示す。なお、図1においては、システム内にて純水を循環させる純水系システムのみについて示しており、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系、及び余剰分の水素を循環させる水素循環系等の図示を省略している。
【0014】
この燃料電池システムは、水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック1を備える。この燃料電池スタック1は、固体高分子電解質を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極と燃料ガスが供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック1による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン(H+)が高分子電解質を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水(H2O)を生成することによって行われる。
【0015】
また、燃料電池システムは、各部の動作を制御して燃料電池スタック1の発電反応を制御する制御手段であるコントロールユニット2を備える。このコントロールユニット2は、例えば図示しないROM(Read Only Memory)等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷に電力供給を行うための一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、図示しない各種センサからの信号を読み込み、当該燃料電池制御プログラムを図示しないCPU(Central Processing Unit)等によって実行して各部へと制御信号を送ることにより、純水系システムを含む各部を制御する。
【0016】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池スタック1の温度調整を行うために、燃料電池スタック1に純水を循環するための純水系システムを備える。
【0017】
具体的には、この純水系システムは、純水循環経路L1上に、純水を貯蔵する純水貯蔵手段である純水タンク11、純水を循環させる純水ポンプ12、純水中の異物を除去する異物除去手段である異物フィルタ13、イオン交換を行って純水の導電率を所定値以下とするためのイオン交換手段であるイオンフィルタ14、第1バルブ15が設けられて構成されている。また、この純水系システムは、純水循環経路L1から分岐した空気導入経路L2に第2バルブ16が設けられて構成されている。
【0018】
純水タンク11は、燃料電池スタック1に供給する純水を貯蔵する。この純水タンク11に貯蔵されている純水は、純水ポンプ12によって吸い上げられ、純水循環経路L1を介して図中矢印Aで示す所定の方向へと供給される。ここで、純水循環経路L1の上流側端部11aは、純水タンク11に貯蔵されている純水を吸い上げるため、常に純水内に浸漬された状態となっている。一方、純水循環経路L1の下流側端部11bは、純水タンク11の天井面に設けられた差圧制御弁17に接続される。
【0019】
この差圧制御弁17は、コントロールユニット2の制御により開閉される。具体的には、この差圧制御弁17は、参照空気圧である燃料電池スタック1における空気極の圧力と純水タンク11に貯蔵されている純水圧力との差圧が、所定値以内に維持するように開閉制御される。
【0020】
純水ポンプ12は、燃料電池スタック1よりも上流側の純水循環経路L1に設けられる。この純水ポンプ12は、通常運転時には、図示しないポンプモータがコントロールユニット2により制御されて、燃料電池スタック1の出力等に応じて必要とされる流量の純水を純水タンク11から吸い上げ、図中矢印Aで示す方向へと吐出することで循環させる。
【0021】
異物フィルタ13は、燃料電池スタック1よりも上流側であって且つ純水ポンプ12の下流側の純水循環経路L1に設けられる。この異物フィルタ13は、内部に設けられた図示しない所定の樹脂フィルタを備え、純水中の異物を除去する。この異物フィルタ13によって異物が除去された純水は、イオンフィルタ14に供給される。
【0022】
イオンフィルタ14は、燃料電池スタック1よりも上流側であって且つ異物フィルタ13の下流側の純水循環経路L1に設けられる。このイオンフィルタ14は、純水の導電性を改善するために、内部に設けられた図示しない所定のイオン交換樹脂フィルタを備え、当該イオン交換樹脂フィルタによりイオン交換を行い、純水の導電率を所定値以下とする。このイオンフィルタ14によって導電性が改善された純水は、燃料電池スタック1に供給される。
【0023】
第1バルブ15は、燃料電池スタック1よりも下流側の純水循環経路L1に設けられる。この第1バルブ15は、コントロールユニット2の制御により開閉される。具体的には、第1バルブ15は、コントロールユニット2からの制御信号に従って、通常運転時には所定の開度で開状態とされる。また、この第1バルブ15は、運転停止時には、燃料電池スタック1、純水ポンプ12、異物フィルタ13、イオンフィルタ14、及び純水循環経路L1の内部に滞留している純水を除去して純水タンク11へと回収し、これら各種構成部品1,12,13,14の内部を空気で置換する操作(以下、水パージという。)を行うために閉塞され、純水循環経路L1を遮断する。
【0024】
第2バルブ16は、第1バルブ15の上流(燃料電池スタック1側)にて合流するように設けられた水パージに必要な空気を純水循環経路L1に導入するための空気導入経路L2に設けられ、コントロールユニット2の制御により開閉する。なお、空気導入経路L2を第1バルブ15の上流(燃料電池スタック1側)にて合流するように設けたのは、純水循環経路L1を遮断するバルブを1つとするためである。第2バルブ16は、コントロールユニット2の制御により、通常運転時には閉状態とされ、空気導入経路L2を介した空気の導入を遮断する一方で、運転停止時には開状態とされ、空気導入経路L2を介した空気の導入を行う。
【0025】
このような燃料電池システムにおいては、通常運転時には、コントロールユニット2の制御により、純水ポンプ12によって純水タンク11から吸い上げられた純水が、純水循環経路L1を図中矢印Aで示す方向に流れ、異物フィルタ13及びイオンフィルタ14を介して燃料電池スタック1に供給される。また、燃料電池システムにおいては、コントロールユニット2の制御により、第2バルブ16が閉塞されると共に、第1バルブ15が開放されていることにより、燃料電池スタック1から排出された純水が、図中矢印Aで示す方向に流れ、第1バルブ15及び差圧制御弁17を介して、純水タンク11へと回収される。
【0026】
一方、燃料電池システムにおいては、運転停止時には、コントロールユニット2の制御により、水パージを行うことにより、純水ポンプ12、異物フィルタ13、イオンフィルタ14、燃料電池スタック1、及び純水循環経路L1の内部の純水を純水タンク11へと回収する。
【0027】
ここで、純水ポンプ12、異物フィルタ13、及びイオンフィルタ14は、図2に示すように、運転停止時に、これら各部内部の純水が純水タンク11へと戻りやすいように、純水タンク11よりも上方に配置される。
【0028】
また、異物フィルタ13は、図3(A)に示すように、通常運転時に純水循環経路L1へと純水を流出させる流出口13aが、純水循環経路L1から純水が流入する流入口13bよりも上方に配置される。この異物フィルタ13では、運転停止時に水パージが行われると、図3(B)に示すように、異物フィルタ13の内部に、流出口13aから空気が導入され、図中矢印Bで示す方向、すなわち、純水が流れる方向とは逆方向に空気が流れる。このとき、純水と空気との密度差によって異物フィルタ13の内部の水が下方に移動し、速やかに流入口13bから純水が除去され、異物フィルタ13の内部が空気で満たされた状態となる。
【0029】
そして、異物フィルタ13は、内部が空気で満たされた状態から燃料電池システムが起動されると、純水の流入口13bが流出口13aに比べて下方に設けられているので、流入口13bから流れ込んだ純水が、徐々に異物フィルタ13の内部を満たし、異物フィルタ13の内部の空気を純水で置換する。すなわち、異物フィルタ13内部では、純水と空気との密度差によって空気が速やかに上方に移動し、当該空気が流出口13aから排出される。
【0030】
[燃料電池システムの水パージ動作]
つぎに、上述したような燃料電池システムにおける運転停止時の水パージ動作について図4のフローチャートを参照して説明する。
【0031】
まず、コントロールユニット2は、図4に示すように、当該燃料電池システムが停止されると、ステップS1において、第1バルブ15を閉塞させ、純水循環経路L1による純水の循環を停止する。
【0032】
続いて、コントロールユニット2は、ステップS2において、第2バルブ16を開放させ、空気導入経路L2から純水循環経路L1に空気を導入する。なお、この空気導入経路L2から純水循環経路L1への空気の導入は、燃料電池スタック1に空気を送る図示しないコンプレッサやブロアを利用しても良く、専用のコンプレッサやブロアを使用しても良い。
【0033】
そして、コントロールユニット2は、ステップS3において、この状態を所定時間維持するように制御する。これにより、燃料電池システムにおいては、純水循環経路L1及び各部1,14,13,12に残存している純水が、純水循環経路L1に導入された空気の空気圧により、燃料電池スタック1、イオンフィルタ14、異物フィルタ13、及び純水ポンプ12の順序、すなわち、図1中矢印Aで示す方向とは逆方向に流れ、純水タンク11へと回収される。すなわち、燃料電池システムにおいては、導入された空気の空気圧により、第1バルブ15よりも上流側の純水が、純水循環経路L1を逆流し、純水タンク11へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、これら各種構成部品及び純水循環経路L1の内部が、導入された空気で満たされることになる。なお、このステップS3における所定時間は、空気圧により純水を純水タンク11に回収するのに十分な時間が燃料電池システムの設計時などに設定されているものとする。
【0034】
続いて、コントロールユニット2は、所定時間の経過後、ステップS4において、第1バルブ15を開放させる。
【0035】
続いて、コントロールユニット2は、ステップS5において、この状態を所定時間維持するように制御する。これにより、燃料電池システムにおいては、第1バルブ15よりも下流側の純水循環経路L1の内部に残存している純水が、純水循環経路L1に導入された空気の空気圧により、図1中矢印Aで示す方向に流れ、差圧制御弁17を介して純水タンク11へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、純水循環経路L1の全ての内部が、導入された空気で満たされることになる。なお、このステップS5における所定時間は、空気圧により純水を純水タンク11に回収するのに十分な時間が燃料電池システムの設計時などに設定されているものとし、ステップS3における所定時間と同じ時間である必要はない。
【0036】
そして、コントロールユニット2は、所定時間の経過後、ステップS6において、第2バルブ16を閉塞させ、一連の水パージ動作を終了する。
【0037】
燃料電池システムは、このような一連の処理を経ることにより、燃料電池スタック1、純水ポンプ12、異物フィルタ13、イオンフィルタ14、及び純水循環経路L1の内部の純水を除去することができる。
【0038】
[第1実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、第1実施形態に係る燃料電池システムによれば、運転停止時に水パージを行う際に、第1バルブ15を閉じた状態で空気導入経路L2を介して導入した空気を純水循環経路L1に流すように制御することにより、通常運転時における純水の循環方向とは逆方向に純水を循環させて、燃料電池スタック1、純水ポンプ12、異物フィルタ13、イオンフィルタ14、及び純水循環経路L1の内部の純水を完全に純水タンク11へと回収することができる。
【0039】
したがって、この燃料電池システムによれば、ポンプを用いて純水を回収する場合に比べて、各種構成部品や純水循環経路L1の内部の純水の除去をより完全なものとすることができる。この結果、燃料電池システムによれば、寒冷地で停止状態とされたまま放置された場合であっても、純水の凍結・膨張を確実に回避することができる。
【0040】
また、この燃料電池システムによれば、コントロールユニット2により、運転停止時には、純水循環経路L1に設けられる第1バルブ15を閉塞すると共に、空気導入経路L2に設けられる第2バルブ16を開放し、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路L2を介して導入した空気を純水循環経路L1に流し、所定時間の経過後に、第1バルブ15を開放することにより、極めて簡易な構成であっても、空気導入経路L2から純水循環経路L1に導入された空気の空気圧を利用した水パージを行うことが可能となる。
【0041】
更に、この燃料電池システムによれば、純水ポンプ12、異物フィルタ13、及びイオンフィルタ14といった純水循環経路L1に設けられる構成部品を、純水タンク11よりも上方に配置することにより、水パージを行う際に、これら構成部品内部の純水が純水タンク11へと戻りやすくなり、水パージをより迅速に行うことができる。
【0042】
更にまた、この燃料電池システムによれば、純水循環経路L1に設けられる各種構成部品を、通常運転時に純水循環経路L1へと純水が流出する流出口が、純水循環経路L1から純水が流入する流入口よりも上方に配置されたものとしたので、これら構成部品における流入口と流出口との上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性を良好とすることができ、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができ、さらには耐久性の向上も図ることができる。
【0043】
すなわち、燃料電池システムによれば、異物フィルタ13における流入口13bと流出口13aとの上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性を良好とすることができ、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができる。また、燃料電池システムにおいては、起動時には、異物フィルタ13の内部全体を純水で満たすので、異物フィルタ13の内部全体を有効に利用することができ、異物フィルタ13による異物の除去効率や、異物フィルタ13の耐久性の向上も図ることができる。
【0044】
また、燃料電池システムにおいては、図示しないが、異物フィルタ13と同様に、イオンフィルタ14における純水の流出口も、純水の流入口よりも上方に配置させて構成する。これにより、イオンフィルタ14は、水パージ時における水抜き性、及び起動時における空気抜き性が良好とされる。このため、燃料電池システムにおいては、イオンフィルタ14における流入口と流出口との上下関係を逆に配置した場合に比べて、水パージ動作及び起動動作の両方を迅速に行うことができる。また、燃料電池システムにおいては、起動時には、イオンフィルタ14の内部に設けられた図示しないイオン交換樹脂フィルタ全体を純水で満たすので、イオン交換樹脂フィルタ全体を有効に利用することができ、イオン交換率の向上を図ることもできる。
【0045】
ここで、燃料電池システムの比較例を図5に示すように、イオンフィルタ14と燃料電池スタック1との間に、純水循環経路L1と空気導入経路L2との合流点を設けた場合には、純水循環経路L1に設けるバルブとして、純水循環経路L1と空気導入経路L2との合流点よりも下流側に設けられるバルブ21の他に、当該合流点よりも上流側に補助バルブ22が必要となる。すなわち、この燃料電池システムは、純水循環経路L1と空気導入経路L2との合流点の上下流にバルブ21及び補助バルブ22を設置している。
【0046】
この燃料電池システムにより水パージを行うときには、先ずバルブ21を閉じると共に空気導入経路L2のバルブ23を開き、空気圧によって純水をイオンフィルタ14、異物フィルタ13、純水ポンプ12、純水タンク11と流し、純水循環経路L1及び各構成部品内を空気で満した状態とする。次に、バルブ21を開けると共に補助バルブ22を閉じ、空気導入経路L2のバルブ23を開く。これにより、空気圧によって純水を燃料電池スタック1、差圧制御弁17、純水タンク11と流し、純水循環経路L1及び構成部品内を空気で満した状態とする。
最後に、バルブ21と補助バルブ22を開け、各方向に水パージした際に抜けきらなかった純水を純水タンク11へと流し、水パージ完了となる。
【0047】
しかし、この燃料電池システムでは、バルブ21よりも下流側に大きな圧力損失となる燃料電池スタック1が配置されているので、合流点よりも上流側の圧力損失を利用してバルブ21よりも下流に空気を流すことが困難となり、バルブ21単独では、合流点よりも下流側の純水を純水タンク11へと戻すことが困難となる。
【0048】
これに対し、本発明を適用した燃料電池システムでは、純水循環経路L1の空気導入経路L2との合流点よりも上流側の純水循環経路L1に圧力損失部品1,14,13,12を設けることにより、当該合流点よりも上流側の圧力損失が当該合流点よりも下流側の圧力損失よりも大きくしている。したがって、この燃料電池システムでは、合流点の上流の圧力損失よりも合流点の下流の圧力損失が低くすることにより、第1バルブ15よりも下流に空気を流して純水を純水タンク11へと戻すことができ、水パージを行うために純水循環経路L1に設けるバルブを第1バルブ15の1つで足りる。
【0049】
このように、燃料電池システムにおいては、先に図1に示したように、空気導入経路L2を、純水循環経路L1との合流点よりも上流側の圧力損失が、当該合流点よりも下流側の圧力損失よりも大きくなる位置に設けることにより、部品点数の削減を図ることができる。
【0050】
[第2実施形態]
つぎに、本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の部分については同一符号及びステップ番号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【0051】
この第2実施形態に係る燃料電池システムは、図6に示すように、純水循環経路L1における純水ポンプ12の純水吸い込み口側に分岐経路L3を設け、この分岐経路L3を純水タンク11に接続すると共に、この分岐経路L3に第3バルブ31を設けた点で、第1実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。
【0052】
分岐経路L3は、純水循環経路L1における純水タンク11側の端部の近傍から分岐されている。また、この分岐経路L3は、純水タンク11の満水時の液面よりも上方に端部が開口している。
【0053】
第3バルブ31は、分岐経路L3に設けられ、コントロールユニット2の制御により開閉される。具体的には、第3バルブ31は、コントロールユニット2の制御により、通常運転時には閉塞される一方で、運転停止時における水パージを行う際には開放され、純水が純水循環経路L1のみならず分岐経路L3を介して純水タンク11へと回収させる。
【0054】
このような燃料電池システムでは、運転停止時、コントロールユニット2の制御により、図7に示す一連の動作を行うことによって水パージを行い、純水ポンプ12、異物フィルタ13、イオンフィルタ14、燃料電池スタック1、及び純水循環経路L1の内部の純水を純水タンク11へと回収する。
【0055】
まず、コントロールユニット2は、燃料電池システムが停止されると、第1バルブ15を閉塞させて(ステップS1)、純水循環経路L1による純水の輸送を遮断した後に、第3バルブ31を開放させ(ステップS11)、分岐経路L3による純水の輸送が可能な状態とする。続いて、コントロールユニット2は、第2バルブ16を開放させ、空気導入経路L2から純水循環経路L1に空気を導入させ(ステップS2)、この状態を所定時間維持する(ステップS3)。
【0056】
これにより、燃料電池システムにおいては、内部に残存している純水が、純水循環経路L1に導入された空気の空気圧により、燃料電池スタック1、イオンフィルタ14、異物フィルタ13、及び純水ポンプ12の順序、すなわち、図1中矢印Aで示す方向とは逆方向に流れ、純水タンク11へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、これら各種構成部品及び純水循環経路L1の内部が、導入された空気で満たされることになる。
【0057】
このとき、燃料電池システムにおいては、第3バルブ31が開放されているので、分岐経路L3にも純水が流れ、純水が純水タンク11へと戻る。ここで、分岐経路L3は、純水タンク11の満水時の液面よりも上方に端部が開口しているので、純水ポンプ12の内部圧力は、大気圧となる。
【0058】
続いて、コントロールユニット2は、所定時間の経過後、第1バルブ15を開放させ(ステップS4)、この状態を所定時間維持する(ステップS5)。
【0059】
これにより、燃料電池システムにおいては、第1バルブ15よりも下流側の純水循環経路L1の内部に残存している純水が、純水循環経路L1に導入された空気の空気圧により、図1中矢印Aで示す方向に流れ、差圧制御弁17を介して純水タンク11へと回収される。これにともない、燃料電池システムにおいては、純水循環経路L1の全ての内部が、導入された空気で満たされることになる。
【0060】
そして、コントロールユニット2は、所定時間の経過後、第2バルブ16を閉塞させ(ステップS6)、一連の水パージ動作を終了する。
【0061】
燃料電池システムは、このような一連の動作を経ることにより、燃料電池スタック1、純水ポンプ12、異物フィルタ13、イオンフィルタ14、及び純水循環経路L1の内部の純水を除去することができる。
【0062】
[第2実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、第2実施形態に係る燃料電池システムによれば、純水ポンプ12による純水吸い込み側の純水循環経路L1における端部の近傍から分岐され、純水タンク11の満水時の液面よりも上方に端部が開口している分岐経路L3を備え、コントロールユニット2により、運転停止時には、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路L2を介して導入した空気を純水循環経路L1及び分岐経路L3に流すように制御することにより、純水ポンプ12の内部圧力を大気圧とする。
【0063】
このように、燃料電池システムにおいては、純水ポンプ12の内部圧力を大気圧とするので、純水循環経路L1の端部の圧力と純水ポンプ12の内部圧力との圧力差を解消して、純水タンク11の内部の純水を純水循環経路L1を介して再び吸い込んで純水ポンプ12に戻すおそれをなくすことができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、確実に純水の凍結を防止することができる。
【0064】
また、この燃料電池システムは、コントロールユニット2により、運転停止時には、第1バルブ15を閉塞すると共に、第2バルブ16及び第3バルブ31を開放し、通常運転時における純水の流れと逆方向に、空気導入経路L2を介して導入した空気を純水循環経路L1及び分岐経路L3に流し、所定時間の経過後に、第1バルブ15を開放することにより、極めて簡易な構成であっても、空気導入経路L2から純水循環経路L1に導入された空気の空気圧を利用した水パージを行うことが可能となる。
【0065】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの側面図である。
【図3】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムが備える異物フィルタにおける純水及び空気の流れを説明するための側面図である。
(A) 異物フィルタにおける純水の流れを説明するための側面図である。
(B) 異物フィルタにおける空気の流れを説明するための側面図である。
【図4】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムにおいて水パージを行う際の一連の動作を示すフローチャートである。
【図5】本発明を適用した第1実施形態に係る燃料電池システムの比較として、圧力損失を考慮しない構成からなる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図6】本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す側面図である。
【図7】本発明を適用した第2実施形態に係る燃料電池システムにおいて水パージを行う際の一連の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池スタック
2 コントロールユニット
11 純水タンク
12 純水ポンプ
13 異物フィルタ
14 イオンフィルタ
15 第1バルブ
16 第2バルブ
17 差圧制御弁
21,23 バルブ
22 補助バルブ
31 第3バルブ
L1 純水循環経路
L2 空気導入経路
L3 分岐経路
Claims (6)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に循環される純水を貯蔵する純水貯蔵手段と、
前記純水貯蔵手段と前記燃料電池とを接続し、通常運転時には、前記純水貯蔵手段と前記燃料電池との間で所定の方向で純水を循環させる純水経路を有する純水循環手段と、
前記純水経路に空気を導入する空気導入経路を有する空気導入手段と、
前記燃料電池の通常運転時における純水出口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられる第1バルブと、
前記燃料電池の通常運転時における純水排出側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路と接続された空気導入経路に設けられる第2バルブと、
運転停止時に、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流して、前記純水経路内の純水を前記純水貯蔵手段に戻す制御手段とを備え、
前記制御手段は、運転停止時には、前記第1バルブを閉塞すると共に前記第2バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路に流し、所定時間の経過後に、前記第2バルブを開放状態にした状態で前記第1バルブを開放すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の通常運転時における純水入口側と前記純水貯蔵手段との間の純水経路に設けられた純水供給用部品を更に備え、
前記純水供給用部品を、前記純水貯蔵手段よりも上方に配置したことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記純水供給用部品は、通常運転時における純水出口が、通常運転時における純水入口よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記空気導入経路は、前記純水経路との合流点よりも純水供給側の前記純水経路における圧力損失が、前記合流点よりも純水排出側の前記純水経路における圧力損失よりも大きくなる位置に設けられていることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れかに記載の燃料電池システム。
- 前記純水貯蔵手段に貯蔵されている前記純水を吸い込む前記純水経路における端部の近傍から分岐され、前記純水貯蔵手段の満水時の液面位置よりも上方位置に開口部が設けられた分岐経路を更に備え、
前記制御手段は、運転停止時に、通常運転時における前記純水の流れと逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路及び前記分岐経路に流すように制御す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。 - 前記分岐経路に設けられる第3バルブを更に備え、
前記制御手段は、運転停止時には、前記第1バルブを閉塞すると共に前記第2バルブ及び前記第3バルブを開放し、前記所定の方向とは逆方向に、前記空気導入経路を介して導入した空気を前記純水経路及び前記分岐経路に流し、所定時間の経過後に、前記第2バルブを開放状態にした状態で前記第1バルブを開放することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
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