JP6210051B2 - 燃料電池の排水方法および燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態としての掃気処理を実行する燃料電池システム100の構成を示す概略図である。この燃料電池システム100は、移動体の一態様である燃料電池車両110に搭載されており、運転者からの要求に応じて、主に燃料電池車両110の駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム100は、制御部10と、燃料電池20と、カソードガス供給部30と、アノードガス供給部50と、傾斜角度検出部70と、を備える。
図6は、本発明の第2実施形態としてのアノード掃気処理のフローを示す説明図である。第2実施形態のアノード掃気処理は、第1実施形態で説明したのと同様な構成を有する燃料電池システム100を搭載する燃料電池車両110において実行される(図1,図2)。第2実施形態におけるアノード掃気処理は、以下に説明するステップS25,S26の処理が追加されていることによって、第1掃気制御や第2掃気制御における掃気の条件が変更される点以外は、第1実施形態のアノード掃気処理とほぼ同じである。掃気処理実行部15は、ステップS20において第1掃気制御または第2掃気制御のいずれかの実行が決定された後に、各掃気制御における掃気条件を気液分離部62の傾斜角度に基づいて変更する(ステップS25,S26)。
図11は本発明の第3実施形態としてのカソード掃気処理のフローを示す説明図である。第3実施形態のカソード掃気処理は、第1実施形態で説明したのと同様な構成を有する燃料電池システム100を搭載する燃料電池車両110において、掃気処理実行部15によって、第1実施形態で説明したアノード掃気処理とともに実行される(図1,図2)。カソード掃気処理は、カソードガス供給部30のエアコンプレッサー32によって取り入れられた外気を掃気ガスとして、燃料電池20内のカソード側のガス流路およびカソードガス供給部30の各配管31,41内を掃気する処理である。つまり、第3実施形態の燃料電池システム100では、アノードガス供給部50が第1掃気ガス供給部として機能し、カソードガス供給部30が第2掃気ガス供給部として機能する。カソード掃気処理は、燃料電池20の運転を終了するときや燃料電池20の運転を停止している間に実行される。カソード掃気処理は、アノード掃気処理と同時並行的に実行されても良いし、アノード掃気処理とは時間をずらして実行されても良い。アノード掃気処理の掃気工程が本発明における第1掃気工程の下位概念に相当し、カソード掃気処理の掃気工程が本発明における第2掃気工程の下位概念に相当する。
D1.変形例1:
上記の各実施形態のアノード掃気処理では、第2掃気制御の第1期間P1aにおける水素循環用ポンプ64の第1回転数R1aと、第1掃気制御の第1期間P1における水素循環用ポンプ64の第1回転数R1と、はほぼ同じ値である。これに対して、第2掃気制御の第1期間P1aにおける水素循環用ポンプ64の第1回転数R1aと、第1掃気制御の第1期間P1における水素循環用ポンプ64の第1回転数R1とは異なる値であっても良い。第2掃気制御における水素循環用ポンプ64の第1回転数R1aは、気液分離部62に貯留されている排水を吸引してしまわない程度の回転数に設定されていることが望ましく、燃料電池20内からの排水性が確保できる回転数に設定されていることが、より望ましい。
上記の各実施形態のアノード掃気処理では、第2掃気制御の第1期間P1aの時間の長さと、第1掃気制御の第1期間P1の時間の長さと、はほぼ同じである。これに対して、第2掃気制御の第1期間P1aの長さと、第1掃気制御の第1期間P1の時間の長さとは異なる値であっても良い。第2掃気制御の第1期間P1aの長さは、第1掃気制御の第1期間P1の時間の長さより短くて良い。第2掃気制御の第1期間P1aの長さは、気液分離部62内に貯留されている水分量を、水素循環用ポンプ64によって吸引されない程度に低減できるだけの時間に設定されていることが望ましい。第2掃気制御の第1期間P1aの長さは、燃料電池20の運転中の生成水量(発電量)に基づいて可変に調整されても良い。
上記の各実施形態では、ステップS10において、水平面に対する燃料電池車両110の傾斜角度を検出する傾斜角度検出工程が実行されている。これに対して、ステップS10の傾斜角度検出工程は省略されても良い。この場合には、例えば振り子のように重力方向の変化に従って物理的に変位するスイッチ等によって、燃料電池20がアノード側の排出用マニホールドの出口が上を向く所定の傾斜状態である場合に、第2掃気制御に切り替えられるように構成されていれば良い。
上記の各実施形態の燃料電池車両110では、燃料電池20は、単セル21の積層方向が燃料電池車両110の幅方向に平行になるように配置されている。これに対して、燃料電池車両110では、燃料電池20は他の配置角度で配置されても良い。例えば、燃料電池車両110において、燃料電池20は単セル21の積層方向が燃料電池車両110の前後方向に平行になるように配置されても良いし、燃料電池車両110の高さ方向に平行になるように配置されても良い。また、燃料電池20は、アノード側の供給用マニホールド24が下側になり、アノード側の排出用マニホールド25が上側になるように配置されていても良い。
上記の各実施形態では、水素循環用ポンプ64によって水素を含む残留ガスを掃気ガスとして循環させるアノードガス供給部50を掃気ガス供給部として第1掃気制御と第2掃気制御とを含むアノード掃気処理が実行されている。これに対して、アノード掃気処理に代えて、あるいは、アノード掃気処理とともに、カソードガス供給部30を掃気ガス供給部として、第1掃気制御と第2掃気制御とを含むカソード掃気処理が実行されても良い。
上記の各実施形態のアノード掃気処理では、第2掃気制御において、水素循環用ポンプ64の回転数を第1回転数R1aから第2回転数R2aに階段状に2段階で増加させている(図5)。これに対して、水素循環用ポンプ64の回転数は第1回転数R1aから第2回転数R2aに連続的に滑らかに増大させても良いし、さらに、複数の段階を経て階段状に増大させても良い。また、上記の各実施形態のアノード掃気処理では、第1掃気制御の場合には第2期間P2において、第2掃気制御の場合には第3期間P3aにおいて水素循環用ポンプ64の回転数を低下させている(図4,図5)。これに対して、第1掃気制御の第2期間P2や第2掃気制御の第3期間P3aにおいて水素循環用ポンプ64の回転数は低下されることなく、直前の期間P1,P2aでの回転数R1,R2aが維持されていても良い。また、第1掃気制御の第2期間P2における水素循環用ポンプ64の第2回転数R2と第2掃気制御の第3期間P3aにおける水素循環用ポンプ64の第3回転数R3aとは異なる値であっても良い。第1掃気制御の第3期間P3や第2掃気制御の第4期間P4aにおける排水弁66の開閉動作は省略されても良い。
上記の各実施形態では、傾斜角度検出部70は、加速度センサーによって構成されている。これに対して、傾斜角度検出部70は、加速度センサー以外のセンサーによって構成されていても良いし、センサー以外の方法によって燃料電池車両110の傾斜角度を検出しても良い。傾斜角度検出部70は、例えば、搭載しているナビゲーション装置やGPS情報に基づいて燃料電池車両110の現在地の地形情報を取得し、当該地形情報から燃料電池車両110の傾斜角度を検出しても良い。
上記の第2実施形態では、気液分離部62の傾斜角度に応じて、第1掃気制御の第2回転数R2または第2掃気制御の第2回転数R2aおよび第3回転数R3bが補正されている。これに対して、気液分離部62の傾斜角度に応じて、第1掃気制御および第2掃気制御の第1回転数R1,R1aが補正されても良いし、第2掃気制御における第2回転数R2aと第3回転数R3bのうちのいずれか一方のみが補正されても良い。
15…掃気処理実行部
20…燃料電池
21…単セル
22…第1エンドプレート
23…第2エンドプレート
24…供給用マニホールド
25…排出用マニホールド
30…カソードガス供給部
31…カソードガス配管
32…エアコンプレッサー
33…エアフロメーター
34…開閉弁
41…カソード排ガス配管
43…調圧弁
44…圧力計測部
50…アノードガス供給部
51…アノードガス配管
52…水素タンク
53…開閉弁
54…レギュレーター
55…水素供給装置
56…圧力計測部
61…アノード排ガス配管
62…気液分離部
63…アノードガス循環配管
64…水素循環用ポンプ
65…アノード排水配管
66…排水弁
70…傾斜角度検出部
80…内部空間
81…入口部
82…出口部
83…排水口
84…傾斜壁面部
100…燃料電池システム
110…燃料電池車両
Claims (5)
- 燃料電池を搭載し、前記燃料電池からの排ガスから気液分離部によって分離された気体成分を循環ポンプによって前記燃料電池に循環させるとともに、前記気液分離部によって前記排ガスから分離された液体成分を貯留した後に排水として排出する移動体における排水の方法であって、
前記移動体の水平面に対する傾斜状態を検出する傾斜状態検出工程と、
前記循環ポンプの駆動によって、前記燃料電池内のガス流路に対して、所定の第1供給流量で掃気ガスの供給を開始する掃気開始工程と、
前記燃料電池に対する前記掃気ガスの供給がされている間に、前記気液分離部に貯留されている前記排水を繰り返し排出する排水工程と、
前記移動体の傾斜状態が、前記ガス流路の出口が重力方向上側に向く所定の傾斜状態であることが検出された場合に、前記掃気ガスの前記第1供給流量での供給開始から所定の期間経過後に、前記循環ポンプの回転数を増大させて、前記掃気ガスの供給流量を、前記第1供給流量から、前記第1供給流量よりも高い第2供給流量に増加させる供給流量増加工程と、
を備える、方法。 - 請求項1記載の方法であって、
前記傾斜状態検出工程は、水平面に対する前記移動体の傾斜角度を取得する工程を含み、
前記供給流量増加工程は、前記傾斜角度に応じて前記第2供給流量を変更する工程を含む、方法。 - 請求項1または請求項2記載の方法であって、
前記排水工程は、前記掃気ガスが前記燃料電池に供給されている間に、貯留されている前記排水を所定の排水周期で排出する工程であり、
前記傾斜状態検出工程は、水平面に対する前記移動体の傾斜角度を取得する工程を含み、
前記排水工程は、前記移動体の傾斜角度に応じて、排水周期を変更する工程を含む、方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の方法であって、
前記燃料電池は、第1電極側の第1ガス流路と、第2電極側の第2ガス流路と、を有し、
前記第1ガス流路を第1掃気ガスの供給によって掃気する第1掃気工程と、
前記第2ガス流路を第2掃気ガスの供給によって掃気し、前記第2ガス流路から排出される排水を前記燃料電池に接続されている排水配管によって前記移動体の外部に誘導する第2掃気工程と、
を備え、
前記第1掃気工程は、前記第1掃気ガスを前記掃気ガスとし、前記第1ガス流路を前記ガス流路として実行される前記掃気開始工程および前記供給流量増加工程を含み、
前記第2掃気工程は、水平面に対する前記移動体の傾斜状態を検出し、前記移動体の傾斜状態が、前記排水配管が下流側に向かって延びる方向が重力方向上側に向く所定の傾斜状態である場合に、前記第2掃気ガスの流量を増加させる工程を含む、方法。 - 移動体に搭載される燃料電池システムであって、
反応ガスのためのガス流路を内部に有する燃料電池と、
前記燃料電池からの排ガスを、気体成分と液体成分とに分離し、前記液体成分を排水として貯留する気液分離部と、
前記気液分離部において分離された前記気体成分を、前記燃料電池に循環させる循環ポンプと、
開閉動作によって、前記気液分離部からの前記排水の排出を制御する開閉弁と、
前記循環ポンプを駆動させて前記燃料電池に掃気ガスを循環させ、前記掃気ガスを循環させている間に前記開閉弁を開閉させて、前記排水の排出を繰り返す掃気処理を実行する制御部と、
水平面に対する前記燃料電池の傾斜状態を検出する傾斜状態検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記循環ポンプの駆動によって前記燃料電池内の水分を掃気するときに、前記燃料電池内の前記ガス流路に対して、所定の第1供給流量で前記掃気ガスの供給を開始し、前記移動体の傾斜状態が、前記ガス流路の出口が重力方向上側に向く所定の傾斜状態である場合に、前記掃気ガスの供給開始から所定の期間経過後に、前記循環ポンプの回転数を増大させて、前記掃気ガスの供給流量を、前記第1供給流量から、前記第1供給流量よりも高い第2供給流量に増加させる、燃料電池システム。
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