JP4661199B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の空気排出流路に設けられ、空気の流量が変動したときに上流側の空気の圧力を調整する燃料電池用空気背圧調整バルブに関するものである。

燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池の発電効率を確保するため、空気極側の圧力が一定もしくは燃料電池の出力に応じて可変になるように制御する必要がある。このため、モータで駆動する空気背圧調整バルブを用いて、空気極側の圧力を所定圧に調整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）。
特開２００４−１８５８８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の空気背圧調整バルブを用いた燃料電池システムでは、空気背圧調整バルブをモータで駆動しているため、応答性が遅く、さらに、電力を消費するという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、動力を必要としない、高応答な燃料電池用空気背圧調整バルブおよびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセルが複数積層された燃料電池（１０）と、燃料ガスとの電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを燃料電池（１０）から排出する酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられる燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブとを備え、背圧調整バルブは、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流れを利用して圧力変動を発生させる圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が低下するに応じて酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させ、圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が上昇するに応じて酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させることを特徴としている。

これにより、燃料電池（１０）の発電量は燃料ガス流量によって変化するので、燃料電池（１０）の発電量が変化するに伴って、酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を変化させることができる。このため、燃料電池（１０）の酸化剤ガス出口側における酸化剤ガスの圧力を一定に保つことができる。このとき、燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブを作動させるために、モータ等の別の動力を必要としないので、燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブの高応答化および省動力化を図ることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明のように、背圧調整バルブは、酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を調整する弁体（２３３）と、圧力変動発生手段（３３）と接続され、圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力変動により内部の圧力が変動する圧力参照室（２３０）と、圧力参照室（２３０）内の圧力が低下するに応じて弁体（２３３）を酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させる方向に移動させるとともに、圧力参照室（２３０）内の圧力が上昇するに応じて弁体（２３３）を酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させる方向に移動させるダイヤフラム（２３２）とを備えることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、圧力変動発生手段は、エジェクタ（３３）にすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、エジェクタ（３３）は、前記燃料ガス供給手段（３１）から供給された燃料ガスが流出するノズル（３３１）と、前記ノズル（３３１）の開口面積を任意に可変制御できるノズル開口面積可変機構（３３５）とを備えていることを特徴としている。

これにより、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流量および圧力を調整することができるため、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流量および圧力を調整するための機構を別に設ける必要がなくなり、シンプルな構成にすることができる。

また、請求項５に記載の発明のように、さらに、酸化剤ガス供給手段（２１）から燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路（２０ａ）と、燃料ガス供給手段（３１）から前記燃料電池（１０）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（３０ａ）とを備え、圧力変動発生手段（３３）は、燃料ガス供給流路（３０ａ）に配置されていてもよい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０（ＦＣスタック）を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当する。

本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内部を流れる空気の圧力を調整するための空気背圧調整バルブ２３が設けられている。空気背圧調整バルブ２３については後述する。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するためのレギュレータ３２と、燃料電池１０に供給される水素の量に対応して圧力を発生させるエジェクタ３３と、水素への加湿を行う加湿器３４が設けられている。なお、エジェクタ３３が、本発明の圧力変動発生手段に相当している。

水素排出流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおけるエジェクタ３３の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素排出流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３５が設けられている。

燃料電池制御部４０（ＦＣ−ＥＣＵ）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、レギュレータ３２、水素ポンプ３５に制御信号を出力する。

図２は本第１実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。図２に示すように、エジェクタ３３は、供給水素ポート３３１、吸引ポート３３２、ノズル３３３、排出口３３４を備えている。

供給水素ポート３３１には水素供給流路３０ａが接続されている。吸引ポート３３２には、後述する空気背圧調整バルブ２３に参照圧力を導入する参照圧導入経路５０が接続されている。ノズル３３３は、中空形状となっており、供給水素ポート３３１はノズル３３３の中空部と連通しており、吸引ポート３３２はノズル３３３の外周部と連通している。ノズル３３３の中空部は、先端部に向かって径が小さくなるテーパ部を有している。このため、供給水素はノズル３３３先端から高速のガス流として流出する。供給水素がノズル３３３から高速で流出することで、ノズル３３３外周部には負圧が発生することとなり、吸引ポート３３２の圧力が低下する。

図３は、本第１実施形態における供給水素流量とエジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力の関係を示す特性図である。図３に示すように、エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力は、供給水素流量の増加に伴って低下する。

図４は、本第１実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。図４に示すように、空気背圧調整バルブ２３はダイヤフラム式の調圧弁であり、圧力参照室２３０、参照圧ポート２３１、ダイヤフラム２３２、弁体２３３、弁座２３４を備えている。

空気背圧調整バルブ２３におけるダイヤフラム２３２の紙面上側は圧力参照室２３０になっており、ダイヤフラム２３２の紙面下側は空気排出流路２０ｂになっている。

圧力参照室２３０は、圧力参照室２３０内に参照圧を導入する参照圧ポート２３１を有している。参照圧ポート２３１は、参照圧導入経路５０を介してエジェクタ３３の吸引ポート３３２と接続されている。エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力が低下すると、圧力参照室２３０内の圧力が低下し、ダイヤフラム２３２に加わる圧力が低下するため、弁体２３３が紙面上側に上がり、弁体２３３と弁座２３４の隙間が大きくなる。これにより、空気背圧調整バルブ２３内の空気排出流路２０ｂの有効断面積が増加し、空気背圧調整バルブ２３での圧損が低下するため、燃料電池１０内部の空気の圧力が低下する。

また、エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力が上昇すると、圧力参照室２３０内の圧力が上昇し、ダイヤフラム２３２に加わる圧力が上昇するため、空気背圧調整バルブ２３内の空気排出流路２０ｂの有効断面積が減少し、燃料電池１０内部の空気の圧力が上昇する。

ところで、燃料電池１０に供給される水素は、通常、燃料電池１０の発電量が増加するに伴って比例的に増加する。このため、燃料電池１０の発電量が増加するに伴って、水素供給流路３０ａにおけるエジェクタ３３を通過する水素流量が増加し、エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力が低下するため、空気背圧調整バルブ２３内の空気の流路の有効断面積が増加し、空気背圧調整バルブ２３での圧力損失が低下することとなる。これにより、燃料電池１０に供給される空気は、供給水素流量が増加するに伴って比例的に増加するが、燃料電池１０の空気出口側における空気の圧力を一定に保つことができる。

以上説明したように、空気背圧調整バルブ２３を用いることにより、燃料電池１０の発電量が増加するに伴って、空気背圧調整バルブ２３での圧力損失を低下させることができるため、燃料電池１０内部の空気の圧力を常に一定に保つことが可能となる。

このとき、空気背圧調整バルブ２３を作動させるために、モータ等の別の動力を必要としない。したがって、空気背圧調整バルブ２３の高応答化および省動力化を図ることが可能となる。

なお、燃料電池１０の空気出口側の圧力は、エジェクタ３３のノズル径やスロート径および空気背圧調整バルブ３３の設定によって、任意に設定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、エジェクタ３３の形状が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図５は本第２実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。図５に示すように、本第２実施形態のエジェクタ３３は、ノズル３３３の開口面積（開度）を調整するための可動ニードル３３５が、ノズル３３３の内部に同軸的に配置されている。可動ニードル３３５は、ウォームギア３３６を介して電気式駆動手段としてのモータ３３７で駆動され、ノズル３３３の軸方向に移動する。可動ニードル３３５の一端は、先端に向かって断面積が徐々に小さくなるテーパ部を有している。ノズル３３３の先端部で可動ニードル３３５のテーパ部を軸方向に移動させることで、ノズル３３３の開口面積を任意に可変制御できる。具体的には、可動ニードル３３５をノズル３３３内に格納する方向に移動させるとノズル３３３の開口面積が拡大し、可動ニードル３３５をノズル３３３から突き出す方向に移動させるとノズル３３３の開口面積が縮小する。なお、可変ニードル３３５が、本発明のノズル開口面積可変機構に相当している。

ノズル３３３の開口面積を調整することで、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整することができる。具体的には、ノズル３３３の開口面積を拡大することで供給水素の流速が遅くなり、供給水素圧力が低下する。逆に、ノズル３３３の開口面積を縮小することで供給水素の流速が速くなり、供給水素圧力が上昇する。

以上説明したように、ノズル３３３の開口面積を可変制御できるエジェクタ３３を用いることで、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ３２を不要にすることができ、シンプルな構成にすることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６および図７に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に示した燃料電池システムと比較して、空気背圧調整バルブ２３とエジェクタ３３を一体の構造とした点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図６は本第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図で、図７は本第３実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。図６および図７に示すように、空気背圧調整バルブ２３は、空気背圧調整バルブ２３の紙面上側に、エジェクタ３３を一体に設けた構造になっている。そして、空気背圧調整バルブ２３の参照圧ポート２３１に、エジェクタ３３の吸引ポート３３２が直接接続されている。

このような構成をとることにより、空気背圧調整バルブ２３の参照圧ポート２３１とエジェクタ３３の吸引ポート３３２との距離を短くすることができるため、空気背圧調整バルブ２３の応答性をより高くすることが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、圧力変動発生手段としてエジェクタ３３を適用しているが、燃料電池１０に供給される水素の流れにより圧力を変化させるものであればよく、エジェクタ３３の代わりにベンチュリーポンプを適用してもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 第１実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。 第１実施形態における供給水素流量とエジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力の関係を示す特性図である。 第１実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。 第２実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。 第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。 第３実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。

符号の説明

１０…燃料電池、２０ａ…空気供給流路、２０ｂ…空気排出流路、２３…空気背圧調整バルブ、３０ａ…水素供給流路、３１…高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）、３３…エジェクタ（圧力変動発生手段）、３３３…ノズル、３３５…可変ニードル（ノズル開口面積可変機構）。

Claims (5)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセルが複数積層された燃料電池（１０）と、
   燃料ガスとの電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを前記燃料電池（１０）から排出する酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられる燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブとを備え、
   前記背圧調整バルブは、前記燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流れを利用して圧力変動を発生させる圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が低下するに応じて前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させ、前記圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が上昇するに応じて前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記背圧調整バルブは、
   前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を調整する弁体（２３３）と、
   前記圧力変動発生手段（３３）と接続され、前記圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力変動により内部の圧力が変動する圧力参照室（２３０）と、
   前記圧力参照室（２３０）内の圧力が低下するに応じて前記弁体（２３３）を前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させる方向に移動させるとともに、前記圧力参照室（２３０）内の圧力が上昇するに応じて前記弁体（２３３）を前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させる方向に移動させるダイヤフラム（２３２）とを備え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. 前記圧力変動発生手段は、エジェクタ（３３）であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記エジェクタ（３３）は、前記燃料ガス供給手段（３１）から供給された燃料ガスが噴出するノズル（３３３）と、
   前記ノズル（３３３）の開口面積を任意に可変制御できるノズル開口面積可変機構（３３５）とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. さらに、酸化剤ガス供給手段（２１）から前記燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路（２０ａ）と、
   燃料ガス供給手段（３１）から前記燃料電池（１０）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（３０ａ）とを備え、
   前記圧力変動発生手段（３３）は、前記燃料ガス供給流路（３０ａ）に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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