JP4632055B2 - 燃料電池システム及びその液体排出方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタック内に残存している液体を燃料電池起動時に効率的に排出することのできる燃料電池システム及びその液体排出方法に関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスとを用いて電気化学反応により電力を発生する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって生成水（水蒸気）が発生するので、燃料電池の動作中に生成水を適宜排出することが行われる。
しかし、燃料電池の動作停止後、再起動する際には燃料電池スタック内には生成水や結露水が残存しており、そのままでは円滑な再起動が困難である。この生成水や結露水を除去する方法として、燃料ガス循環系の循環ポンプを高回転で作動させることが考えられるが、騒音悪化という問題がある。
特開２００３−３１７７６６号公報は、燃料ガス循環系にパージ弁を設置し、水詰まり発生時にパージ弁を開き、一時的に燃料ガスの流量を上げることで水詰まりを解消することを開示している。
特開２００３−３１７７６６号公報

しかしながら、単に燃料ガスの流量を上げるだけでは、系内の液体（生成水、結露水）を十分に排出することは困難である。
本発明は、上記従来技術の問題を解決し、燃料電池スタックの起動時に、確実且つ迅速に燃料電池スタック内の液体を排出することのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタック内の少なくとも液体を排出可能な排出路を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックの起動時に、前記燃料電池スタック内圧を負圧状態にして、前記燃料電池スタックの通常動作時に供給される反応ガスより高速の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給するものである。高速の反応ガスを供給することで、燃料電池スタック内の残留液体を吹き飛ばし、確実且つ迅速に排出することができる。また、燃料電池スタック内圧を負圧とするので、高圧、高速の反応ガスあるいはより大きい量の反応ガスを供給することができる。ここで、反応ガスとは燃料ガス（水素）及び酸化ガス（酸素又は空気）のうち少なくともいずれか一方を意味する。反応ガスの速度の程度は、燃料電池スタック、ポンプ、配管形状、水素タンクの圧力、圧力調整弁、等のシステムの構成に依存するが、例えば、１０００リットル／分以上であり、好ましくは５０００リットル／分以上、また、好ましくは１００００リットル／分以上の高圧・高速の反応ガスの供給を行う。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、燃料電池スタックは、前記反応ガスの供給口及び排出口を備え、前記反応ガスは、前記供給口から前記燃料電池スタック内に供給され、前記排出口から前記排出路に排出されることが好ましい。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記燃料電池スタックの起動時に、前記通常動作時の反応ガスの供給量より大きい供給量の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給することが好ましい。この構成によれば、大量の反応ガスを供給するので、燃料電池スタック内の残留液体を吹き飛ばし、確実且つ迅速に排出することができる。
好ましくは、負圧状態は、前記反応ガスの供給前に前記燃料電池スタックを発電することにより設定される。あるいは、排出路にはポンプが設けられ、前記負圧状態は前記ポンプを駆動することにより設定されることが好ましい。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記反応ガスの供給源と前記燃料電池スタックとの間に可変調圧弁を備え、前記燃料電池スタックの起動時に、前記可変調圧弁を変更して前記通常動作時の反応ガスの供給圧より高圧の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給することが好ましい。この構成によれば、可変調圧弁により、高圧、高速の反応ガスを供給することができる。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記反応ガスの供給源と前記燃料電池スタックとの間に設けられた調圧弁と、前記調圧弁をバイパスするバイパス路とを更に備える。そして、前記燃料電池スタックの起動時に前記バイパス路から前記燃料電池スタック内に前記反応ガスを供給し、前記燃料電池スタックの通常動作時に前記調圧弁を介して前記燃料電池スタック内に前記反応ガスを供給することが好ましい。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記燃料電池スタックの起動時に、前記反応ガスの供給を複数回実施することが好ましい。これにより、より確実に残留液体の除去を行うことが可能となる。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記排出路にボリュームを備えることが好ましい。これにより、大量の反応ガスの供給を可能とし、あるいはこれを排出せずに一時溜めておくことが可能となる。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給するための供給路と、前記供給路に接続され、前記燃料電池スタックから排出される前記反応ガスを前記供給路に戻すための循環路と、を更に備えることが好ましい。
好ましくは、前記循環路にボリュームを備える。
また好ましくは、循環路は排出路の一部である。
本発明の燃料電池システムの一態様によれば、前記反応ガスは、燃料ガスであることが好ましい。
好ましくは、前記燃料電池スタックの起動時に、前記通常動作時よりも高速で前記燃料ガスを前記燃料電池スタック内に供給すると共に、前記通常動作時よりも高速で酸化ガスを前記燃料電池スタック内に供給する。
本発明の燃料電池システムの液体排出方法は、燃料電池スタック内の少なくとも液体を排出する燃料電池システムの液体排出方法であって、前記燃料電池スタックの起動時に、前記燃料電池スタック内圧を負圧状態にして、前記燃料電池スタックの通常動作時に供給される反応ガスより高速の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給するものである。

以上説明した本発明によれば、確実且つ迅速に燃料電池スタック内の液体を排出することのできる燃料電池システムおよびその液体排出方法を提供することができる。

図１は、本発明が適用される燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
図２は、第１実施形態の燃料電池システムによる起動時の液体排出処理手順を示すフローチャートである。
図３は、第２実施形態の燃料電池システムによる起動時の液体排出処理手順を示すフローチャートである。
図４は、第３実施形態の燃料電池システムを概略的に示す構成図である。

次に、本発明を車両に適用した場合を例にして図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
＜１．第１実施形態の構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
同図に示されるように、酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池スタック２０の空気供給口３に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタ１１、空気を加圧するコンプレッサ１２、供給空気圧を検出する圧力センサ５１及び空気に所要の水分を加える加湿器１３が設けられている。なお、エアフィルタ１１には空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられる。
燃料電池スタック２０の空気排出口４から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサ５２、圧力調整弁１４及び加湿器１３の熱交換器が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）１４は、燃料電池スタック２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。圧力センサ５１及び５２の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサ１２及び圧力調整弁１４を調整することによって供給空気圧や供給流量を設定する。
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３１から燃料供給路７５を介して燃料電池スタック２０の水素供給口５に供給される。水素供給源３１は、例えば、高圧水素タンク、燃料改質器、水素吸蔵タンク等で構成される。燃料供給路７５には、水素供給源の圧力を検出する圧力センサ５４、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給圧力を調整する水素調圧弁３２、遮断弁４１、燃料供給路７５の異常圧力時に開放するリリーフ弁３９、遮断弁３３、及び水素ガスの入口圧力を検出する圧力センサ５５が設けられている。圧力センサ５４及び５５の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。好ましくは、水素調圧弁３２は、調圧値を変更できる可変調圧弁である。可変調圧弁により、高圧・高速の燃料ガス供給及び通常圧・通常流速での供給を可能にする。特に、燃料電池スタック２０の起動時に通常動作時より高圧・高速の燃料ガスが供給される。例えば、１０００リットル／分以上、好ましくは５０００リットル／分以上、より好ましくは１００００リットル／分以上の高圧・高速の燃料ガスの供給が行われる。ここで、通常動作時とは、燃料電池スタック２０の起動が完了し、燃料電池システムの異常がない状態であり、かつ燃料電池スタック２０が要求電力に対応する発電を行う状態のことを意味する。要求電力は、負荷（例えば、車両の場合の駆動モータ、あるいは運転者の加速要求）に応じて低電力から高電力まで幅広い電力が要求されるが、これらの要求電力の範囲を通常動作時と解釈することもできる。また、低電力から高電力の要求電力の範囲に対応する燃料電池スタック２０の動作時における燃料ガスや酸化ガスの供給状態（圧力、流速、流量）を、通常動作時の反応ガスの供給状態と解釈することができる。
従って、本実施形態における燃料電池スタック２０の起動時に供給される燃料ガス（反応ガス）の供給状態は、通常動作時の反応ガスの供給状態より大きな値である。なお、他の実施形態として、通常動作時のうち高電力が要求される一部の高い要求電力の範囲に対応する反応ガスの供給状態を起動時の供給状態と解釈してもよい。要するに、燃料電池スタック２０の通常動作時の上限電力付近における反応ガスの供給状態で供給することが可能となる。このように起動時の反応ガスの供給状態と通常動作時の反応ガスの供給状態は、燃料電池システムの定格値によって適宜設定すればよい。
なお、後述するように、可変調圧弁を用いない例も採用することができる。
燃料電池スタック２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７６に排出され、燃料供給路７５の遮断弁４１の下流側に戻される。水素循環路７６には、水素オフガスの温度を検出する温度センサ６３、水素オフガスの排出を制御する遮断弁３４、水素オフガスから水分を回収する気液分離器３５、回収した水を図示しないタンクに回収する排水弁３６、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３７、及び逆流阻止弁４０が設けられている。温度センサ６３の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプ３７は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７５で水素ガスと合流し、燃料電池スタック２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁４０は、燃料供給路７５の水素ガスが水素循環路７６側に逆流することを防止する。
水素循環路７６（排出路）は、パージ弁３８を介してパージ流路７７によって排気路７２に接続される。パージ弁３８は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に放出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増してセル電圧が低下することを防止することができる。好ましくは、燃料電池スタック２０からの出口６（排出口）付近には、水素オフガスを一時的に蓄えるボリューム３０が設けられる。このボリューム３０により、燃料電池スタック２０の起動時に大量の水素ガスを導入してもこれを回収することができる。ボリューム３０を設けない場合には、高圧で燃料電池スタック２０に供給された水素ガスを水素循環路７６に流し、必要に応じてパージ弁３８等より排出することが考えられる。
更に、燃料電池スタック２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７４が設けられる。冷却路７４には、燃料電池スタック２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ６１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）２１、冷却水を加圧して循環させるポンプ２２、及び燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ６２が設けられている。
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサなどから制御情報を受け取り、各種の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成される。制御コンピュータシステムは、公知の入手可能なシステムによって構成することが出来る。
＜２．制御フロー＞
次に、図２に示すフローチャートを参照して、第１実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による起動時の液体排出動作について説明する。制御部５０は、上述のように制御用コンピュータによって構成され、図示しない制御プログラムに従って燃料電池システムの各部動作の制御を実行する。
第１実施形態では、燃料電池スタック２０の起動直後はシステム内の残留水素ガスを用いて燃料電池スタック２０による発電を行い、スタック２０内を負圧状態にし、その後水素供給源３１から水素ガスを供給する。
まず、燃料電池スタック２０を起動後（ステップ１１）、水素ガスを供給することなく発電を行う（ステップ１２）。具体的には、遮断弁３３を閉じた状態で発電を行う。これによりシステム内の残留水素ガスを消費することで燃料電池スタック２０内を負圧状態とする。発電により得られた電力は図示しないバッテリに充電されたり、補機類の駆動に用いられたりすることができる。次に、セル電圧の低下又は燃料電池スタック２０内の負圧を検出する（ステップ１３）。セル電圧の低下とは、これ以上消費すべき水素ガスが少ないことを意味するので、スタック２０内が負圧になっていなくても次のステップに進む。セル電圧の低下又は燃料電池スタック２０内の負圧のいずれも検出されないうちは（ステップ１３：ＮＯ）、ステップ１２に戻って発電動作を継続する。
セル電圧が低下し又は燃料電池スタック内が負圧になった場合（ステップ１３：ＹＥＳ）、水素供給源３１から水素ガスを供給する（ステップ１４）。燃料電池スタック２０内が負圧になっている場合は、燃料電池スタック２０内に導入される水素が高速に流れ、生成水や結露水などの残留液体を除去することができる。なお、水素ガスは高圧で供給できればその方法は限定されず、上記の可変調圧弁を用いる方法や、後述する水素調圧弁３２を経由しない図示しないバイパス路を用いた方法、図示しないポンプで加圧する方法、循環ポンプ３７を利用して負圧状態としても良い。また、上記ステップ１２〜１４の処理を複数回繰り返してもよい。また、燃料電池スタック２０下流のボリューム３０を設けても設けていなくてもよい。
次に、図３に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る燃料電池システムの制御部５０による起動時の液体排出動作について説明する。
第２実施形態では、上記の可変調圧弁３２を用い、燃料電池スタック２０の起動直後は通常動作時より高圧の水素ガスを燃料電池スタック２０内に供給する。
まず、燃料電池スタック２０を起動後（ステップ２１）、水素調圧弁の調圧値を高く設定する（ステップ２２）。この設定は、制御部５０により行われる。そして、水素供給源３１からの水素ガス供給を開始する（ステップ２３）。水素ガスの供給が予め定められた所定時間継続し（Ｓ２４）、残留液体を除去したら水素調圧値を通常時の値に戻す（ステップ２５）。これにより、燃料電池スタック２０内に高圧の水素ガスが導入され、生成水や結露水などの残留液体を除去することができる。
次に、図４に示す第３実施形態に係る燃料電池システムの液体排出動作について相違点を中心に説明する。
第１実施形態との相違点は、水素調圧弁３２を可変調圧弁でなく、機械式の調圧弁で構成し、さらに水素調圧弁３２をバイパスするバイパス路８０を設けると共に、バイパス路８０への切替え用の開閉弁８１を設けたことである。
機械式の水素調圧弁３２は、例えばダイアフラム式で構成され、ダイアフラムの両面に作用する推力のバランスにより燃料電池スタック２０への水素供給圧を調整する。この種の機械式の調圧弁は、大気圧を利用したものでもよいし、バネ等を利用したものでもよい。
バイパス路８０は、水素調圧弁３２を経由しないように、燃料供給路７５と平行に設けられている。燃料供給路７５に対するバイパス路８０の上流側接続点は、水素調圧弁３２と水素供給源３１との間に位置する開閉弁８１の第１ポートに位置する。また、燃料供給路７５に対するバイパス路８０の下流側接続点は、水素調圧弁３２とリリーフ弁３９との間に位置している。ただし、これらの上流側及び下流側接続点の位置に限定されるものではない。
開閉弁８１は、例えば電磁式の三方弁からなり、制御部５０により開閉制御される。開閉弁８１の流入側の第２ポートは、燃料供給路７５の水素供給源３１側に接続され、開閉弁８１の第３ポートは、燃料供給路７５の水素調圧弁３２側に接続されている。開閉弁８１を開閉することにより、燃料電池スタック２への水素ガスの供給経路を水素調圧弁３２とバイパス路８０との間で切替えることができる。なお、上記構成に代えて、開閉弁８１のポート数を二つとし、開閉弁８１をバイパス路８０上に設けるようにしてもよい。
燃料電池スタック２０内の生成水や結露水などの残留液体を除去するべく、高速の水素を燃料電池スタック２０内に供給するには、制御部５０により以下の制御を行うとよい。すなわち、燃料電池スタック２０の起動時には、開閉弁８１をバイパス路８０側に切り替え、水素調圧弁３２を経由しないでバイパス路８０から水素を燃料電池スタック２０内に供給する。一方、燃料電池スタック２０の通常動作時には、開閉弁８１を通常の設定に切り替え、バイパス路８０を経由しないで水素調圧弁３２を介して水素を燃料電池スタック２０内に供給する。なお、ポート数が二つの開閉弁８１をバイパス路８０上に設けた構成の場合には、開閉弁８１を閉弁したとき（通常動作時）は、水素調圧弁３２により一次圧が所定の二次圧に減圧されて出力される。一方、例えば燃料電池スタック２０の起動時に、バイパス路８０上の開閉弁８１を開弁したときは、バイパス路８１で一次圧が調圧（減圧）されることなく下流に出力される。この場合、水素調圧弁３２は流路抵抗となるので、水素調圧弁３２を経由する水素は、バイパス路８０を流れる水素に比して少量となる。
上述した各実施形態では、アノード側の燃料ガス（反応ガス）を一例に説明したが、カソード側に関しても、燃料電池スタック２０の起動時に通常動作時の酸化ガス（反応ガス）供給量よりも高速の酸化ガスを燃料電池スタック内に供給することができる。この結果、カソード側の生成水・結露水を外部に排出することができる。好ましくは、燃料電池スタック２０の起動時にアノード側とカソード側の両方を同時に、通常動作時のガス供給量より高速の酸化ガスを燃料電池スタック２０内に供給することで、アノード側とカソード側の膜差圧を低減できる。これにより、スタック２０内の単セルにおける電解質膜の損傷を抑制しながら、生成水・結露水を外部に排出することができる。
なお、高圧水素ガスの供給停止は、燃料電池スタック２０内の圧力、吐出ガスの圧力、流量等を検出して行っても良い。
また、上記高圧の水素ガスの導入を複数回繰り返してもよい。
また、本実施形態では燃料電池スタック２０下流のボリューム３０を設けているが、これを設けなくてもよい。
以上説明した各実施形態は、単独で用いても良いし組み合わせて用いてもよい。また、高圧水素ガスの導入を複数回実行することとしてもよい。

Claims (17)

1. 燃料電池スタック内の少なくとも液体を排出可能な排出路を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックの起動時に、前記燃料電池スタック内圧を負圧状態にして、前記燃料電池スタックの通常動作時に供給される反応ガスより高速の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、前記反応ガスの供給口及び排出口を備え、
   前記反応ガスは、前記供給口から前記燃料電池スタック内に供給され、前記排出口から前記排出路に排出される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックの起動時に、１０００リットル／分以上の前記反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックの起動時に、５０００リットル／分以上の前記反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックの起動時に、前記通常動作時の反応ガスの供給量より大きい供給量の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記負圧状態は、前記反応ガスの供給前に前記燃料電池スタックを発電することにより設定される請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記排出路には、ポンプが設けられ、
   前記負圧状態は、前記ポンプを駆動することにより設定される請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記反応ガスの供給源と前記燃料電池スタックとの間に可変調圧弁を備え、
   前記燃料電池スタックの起動時に、前記可変調圧弁を変更して前記通常動作時の反応ガスの供給圧より高圧の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記反応ガスの供給源と前記燃料電池スタックとの間に設けられた調圧弁と、
   前記調圧弁をバイパスするバイパス路と、を更に備え、
   前記燃料電池スタックの起動時に前記バイパス路から前記燃料電池スタック内に前記反応ガスを供給し、
   前記燃料電池スタックの通常動作時に前記調圧弁を介して前記燃料電池スタック内に前記反応ガスを供給する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックの起動時に、前記反応ガスの供給を複数回実施する請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 前記排出路に、前記反応ガスのオフガスを一時的に蓄えるボリュームを備える請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給するための供給路と、
    前記供給路に接続され、前記燃料電池スタックから排出される前記反応ガスを前記供給路に戻すための循環路と、
    を更に備える請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
13. 前記循環路に、前記反応ガスのオフガスを一時的に蓄えるボリュームを備える請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記循環路は、前記排出路の一部である請求項１２または１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記反応ガスは、燃料ガスである請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料電池スタックの起動時に、前記通常動作時よりも高速で前記燃料ガスを前記燃料電池スタック内に供給すると共に、前記通常動作時よりも高速で酸化ガスを前記燃料電池スタック内に供給する請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 燃料電池スタック内の少なくとも液体を排出する燃料電池システムの液体排出方法であって、
    前記燃料電池スタックの起動時に、前記燃料電池スタック内圧を負圧状態にして、前記燃料電池スタックの通常動作時に供給される反応ガスより高速の反応ガスを前記燃料電池スタック内に供給する、燃料電池システムの液体排出方法。

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