JP2007018910A - 車載用燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素パージ時に高濃度の水素を含む水素オフガスが一気に希釈器内に流入した場合でも、簡易な構成で、この水素オフガスを良好に希釈して、水素濃度を十分に下げて排出することができる車載用燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 発電時に燃料電池２から排出された水素オフガスを流入させる水素排出流路１６と、水素オフガスを希釈する希釈ガス（空気オフガス、非加湿空気）を導入する空気排出流路２３ｂおよびバイパス流路２４と、燃料電池自動車に設けた外気取り入れ口３２から外気を導入する外気導入流路３３と、を備え、水素排出流路１６と、空気排出流路２３ｂと、バイパス流路２４と、外気導入流路３３とを希釈器７内で合流させ、水素オフガスを、空気排出流路２３ｂおよびバイパス流路２４から導入される希釈ガス（空気オフガス、非加湿空気）、および外気導入流路３３から導入される外気とで希釈して排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池自動車に搭載するのに好適な車載用燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）とを備え、アノード極側に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソード極側に酸化剤ガスとしての空気（酸素）を供給して、これらのガスを電気化学反応させることで発電するものである。また、このような燃料電池を備えた燃料電池システムでは、水素ガスの利用効率を高めるために、発電にともなって燃料電池から排出された未反応の水素ガスを燃料電池の水素ガス供給側に戻し、水素ガスを循環させるようにしている。この場合、発電にともなって、循環する未反応の水素ガス中に含まれる不純物の濃度が上昇するので、所定時間ごとに、もしくは水素ガス中に含まれる不純物の濃度が一定値を超えたときに（超えたとみなせるときに）、あるいは、セル電圧低下時に燃料電池から排出された水素ガス（以下、「水素オフガス」という）を循環させることなく、希釈ガスで希釈して外部（大気中）に排出するようにしている（以下、この動作を「水素パージ」という）。

前記水素パージ時において、水素濃度が高い状態で大気中に排出されるのを防止するために、排出される水素オフガスを、燃料電池の発電にともなって排出される未反応の空気（以下、「空気オフガス）という）と混合させ、さらに、この混合ガスを希釈器内に導入して、この混合ガス中の水素の濃度を下げてから大気中に排出するようにした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２００２−２８９２３７号公報（段落番号［０１３３］〜［０１３５］、図７、図８）

ところで、前記特許文献１の燃料電池システムでは、希釈器内に導入される水素オフガス中の水素濃度を下げる希釈ガスとして、燃料電池から排出される空気オフガスを使用しているが、この空気オフガスは燃料電池の発電に応じた量しか排出されていない。このため、水素パージ時に高濃度の水素を含んだ水素オフガスが一気に希釈器内に流入した場合には、水素オフガスが良好に希釈されずに、水素濃度の高い水素オフガスが大気中に排出される虞がある。

また、高濃度の水素が一気に排出されないように、この排出系に制御弁や圧損設定などの機構を設けた場合には、この排出系の構造や制御が複雑になってしまう。

そこで、本発明は、水素パージ時に高濃度の水素を含んだ水素オフガスが一気に希釈器内に流入した場合でも、簡易な構成で、この水素オフガスを良好に希釈して、水素濃度を十分に下げて排出することができる車載用燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、アノード極に水素ガスが、カソード極に酸化剤ガスが、それぞれ供給され、前記水素ガスと前記酸化剤ガスとの反応により発電をする燃料電池を備えた、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、発電時に前記燃料電池から排出された水素オフガスを、この水素オフガスを希釈する希釈手段に流通させる排出水素流路と、前記水素オフガスを希釈する希釈ガスを前記希釈手段に導入する希釈ガス導入路と、前記希釈手段から排出される希釈済みガスを排出する排出流路と、前記車両に設けた外気取り入れ口から外気を前記希釈手段もしくは前記排出流路に導入する外気導入流路と、を備え、前記水素オフガスを、前記希釈ガス導入路から導入される前記希釈ガスおよび前記外気導入流路から導入される前記外気とで前記車両外に希釈して排出することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、発電にともなって排出される水素オフガスを希釈する希釈ガスとして、希釈ガス導入路から導入される希釈ガスに加えて、外気取り入れ口から外気導入流路を通して導入される外気も希釈ガスとして利用することができる。

また、請求項２に記載の発明は、前記外気取り入れ口を前記車両の進行方向前方に向けて開口するように設けたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、希釈ガスとして利用する外気をより効率よく導入することができる。

本発明によれば、発電にともなって排出される水素オフガスを希釈する希釈ガスとして、希釈ガス導入路から導入される希釈ガスに加えて、外気取り入れ口から外気導入流路を通して導入される外気も希釈ガスとして利用することにより、水素オフガス中の水素濃度をより低減して排出することができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システムを示す概略構成図、図２は、本実施形態に係る車載用燃料電池システムを搭載した車両（燃料電池自動車）を示す概略図、図３は、希釈器の構造を示す一部破断斜視図である。

≪燃料電池システム全体の構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る車載用燃料電池システム（以下、燃料電池システムという）１は、燃料電池自動車（図２参照）３０に搭載されたシステムであって、燃料電池２と、燃料電池２のアノード極３に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス供給系４と、燃料電池２のカソード極５に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系６と、燃料電池２から排出される未反応の水素ガスである水素オフガスを希釈して外部に排出するための希釈手段としての希釈器７と、この燃料電池システム１を制御する制御装置（ＥＣＵ）８と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池２は、主として、一価の陽イオン交換型の高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）９の両面を前記アノード極３（燃料極）および前記カソード極５（空気極）で挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、この膜電極接合体を挟持するセパレータ（不図示）とからなる単セルが、複数積層されたスタック構造となっている。なお、図１では、前記単セルの構成を示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続して所定の電圧が得られるように構成されている。

前記セパレータには、電解質膜９の全面に水素ガス、空気（酸素）を、それぞれ供給するための溝や、各単セルに供給するための貫通孔などが形成されている。そして、アノード極３に供給される水素ガスと、カソード極５に供給される空気（酸素）との電気化学反応によって発電するようになっている。

＜水素ガス供給系＞
水素ガス供給系４は、水素ガスが貯蔵された水素タンク１０と、水素供給流路１１と、遮断弁１２と、エゼクタ１３と、水素循環流路１４ａ，１４ｂと、気液分離器１５と、を主に備えている。

水素タンク１０内には、燃料ガスとしての水素ガスが充填されており、この水素ガスは、遮断弁１２と水素タンク１０に設けた電磁弁（不図示）とが開放されることで、水素供給流路１１を通って燃料電池２のアノード極３側へ供給されるようになっている。エゼクタ１３は、水素タンク１０からの水素ガスと燃料電池２から排出されて水素循環流路１４ａ，１４ｂを通って戻ってくる水素ガスを混合させ、これを燃料電池２に再供給して水素ガスを循環させている。

水素循環流路１４ａ，１４ｂは、燃料電池２から排出される水素ガスをエゼクタ１３を介して再度燃料電池２に戻す流路であり、その間に気液分離器１５が設置されている。また、気液分離器１５の下流側に位置する水素循環流路１４ｂには、燃料電池２から排出される不純物を含む未反応の水素ガスである水素オフガスを希釈器７へ排出させるための排出水素流路１６が設けられており、この排出水素流路１６の適所には水素パージ弁１７が設けられている。

気液分離器１５は、燃料電池２から排出される水分を含んだ水素オフガスを、水素ガスと水とに分離する気液分離の機能を有しており、その底部に分離した水が溜まる構造となっている。また、気液分離器１５には、排出水素流路１６に連通するドレインライン１８が接続されており、このドレインライン１８の適所にはドレイン弁１９が設けられている。

＜空気供給系＞
空気供給系６は、外気（空気）を圧縮して供給するコンプレッサ２０と、このコンプレッサ２０からの空気を燃料電池２のカソード極５側に導く空気供給流路２１ａ，２１ｂと、この空気供給流路２１ｂ内を流れる空気を加湿する加湿器２２と、燃料電池２から排出される空気オフガス（希釈ガス）を希釈器７に導入する希釈ガス導入路としての空気排出流路２３ａ，２３ｂと、を主に備えている。加湿器２２は、コンプレッサ２０から供給される空気と、燃料電池２のカソード極５から排出された水分を多く含んだ空気オフガスとの間で水分交換し、コンプレッサ２０から供給される空気を加湿空気とし、この加湿空気を空気供給流路２１ｂを通して燃料電池２のカソード極５に供給する。

空気供給流路２１ａには、コンプレッサ２０から燃料電池２のカソード極５へ供給する空気（非加湿空気）の一部を希釈器７へと直接導く希釈ガス導入路としてのバイパス流路２４が設けられており、このバイパス流路２４の適所には開閉弁２５が設けられている。

＜希釈器＞
図３に示すように、筒状の希釈器７の上流側（図３の左側）の中央付近には、前記排出水素流路１６の接続口１６ａと、前記バイパス流路２４の接続口２４ａがそれぞれ接続されている。また、希釈器７内に形成された滞留室２７の下部付近には、その上流側から下流側に沿って貫通する排出管２６が設けられている。滞留室２７の上流外側（図３の左側）に位置する排出管２６の上流側には、空気排出流路２３ｂと、後記する外気導入流路３３が接続されており、排出管２６の下流側（図３の右側）は、希釈器７の外に水素濃度を低減した希釈済みガスを排出する排出流路として延びている。また、滞留室２７内に位置する排出管２６の下流側の上面には、排出口２６ａが形成されており、滞留室２７内に位置する排出管２６の下面には、複数の水抜き穴２６ｂが形成されている。このように、排出水素流路１６と、バイパス流路２４と、空気排出流路２３ｂと、外気導入流路３３は、希釈器７内で合流している。

また、図２に示すように、燃料電池自動車３０のボンネット３１には外気取り入れ口３２が設けられており、外気取り入れ口３２から取り入れられる外気（走行風）は、前記外気導入流路３３を通して希釈器７内の排出管２６に導入されるように構成されている。外気導入流路３３の適所には開閉弁３４（図１参照）が設けられている。このように、排出水素流路１６と、バイパス流路２４と、空気排出流路２３ｂと、外気導入流路３３は、希釈器７内で合流している。なお、前記開閉弁３４は、導入する外気を逆流させないような構成の逆止弁でもよい。

＜制御装置＞
制御装置８は、前記した遮断弁１２、水素パージ弁１７、ドレイン弁１９、開閉弁２５、開閉弁３４のそれぞれの開／閉制御、およびコンプレッサ２０の運転／停止制御を含む燃料電池システム１全体の動作を制御し、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス等で構成されている。

≪燃料電池システムの発電動作≫
次に、燃料電池システム１の通常発電（運転）時における動作について説明する。まず、イグニッションＯＮ後において、制御装置８からの信号により、遮断弁１２、水素パージ弁１７を開弁するとともに、ドレイン弁１９、開閉弁２５、開閉弁３４を閉弁し、コンプレッサ２０を運転（ＯＮ）する。

これにより、水素タンク１０内の水素ガスが、水素供給流路１１を通して燃料電池２のアノード極３に供給される。一方、コンプレッサ２０の運転により、空気供給流路２１ａ、加湿器２２、空気供給流路２１ｂを通して加湿空気が燃料電池２のカソード極５に供給されることによって、燃料電池２内で供給された前記水素ガスと加湿空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電が行われ、燃料電池自動車３０（図２参照）の走行モータ等の負荷に電力が供給される。

なお、この発電時にアノード極３から排出された水分を含む水素オフガスは、水素循環流路１４ａを通して気液分離器１５に入り、この気液分離器１５で水分を分離した水素オフガスは水素循環流路１４ｂを通してエゼクタ１３に戻され、再度循環利用される。また、気液分離器１５で分離された水は、ドレインライン１８、ドレイン弁１９、排出水素流路１６を通して希釈器７に送られ、滞留室２７の底部に設けた排出口（不図示）を通して排出される。また、この発電時にカソード極５から排出された空気オフガスは、空気排出流路２３ａ、加湿器２２、空気供給流路２３ｂを通して希釈器７内を貫通する排出管２６に送られ、排出管２６を通して外部に排出される。なお、前記空気オフガス中の水分は、複数の水抜き穴２６ｂから滞留室２７の底部に設けた排出口（不図示）を通して排出される。

≪燃料電池システムの水素パージ動作≫
通常発電時においては、前記したように燃料電池２のアノード極３から排出される水素オフガスを、水素循環流路１４ａ、気液分離器１５、水素循環流路１４ｂを通してエゼクタ１３に戻して循環させているが、発電の経過とともに、この水素オフガス中に含まれる不純物の濃度が上昇する。そのため、発電中に所定時間ごとに、もしくは水素オフガス中に含まれる不純物の濃度が所定濃度以上になった場合に水素パージ弁１７を開弁して、循環する水素オフガスを排出水素流路１６を通して希釈器７に送って希釈し、希釈してから外部に排出するようにしている（この動作を、水素パージという）。本発明の特徴である、この水素パージ動作の詳細については後記する。なお、前記燃料電池システム１を搭載した燃料電池自動車３０（図２参照）は、燃料電池２の発電によって駆動モータ（不図示）が駆動され、走行状態にある。

この水素パージ時には、制御装置８からの信号により、水素パージ弁１７、開閉弁２５、開閉弁３４を開弁する。なお、遮断弁１２、ドレイン弁１９は開弁状態であり、コンプレッサ２０は運転（ＯＮ）状態である。

水素パージ弁１７の開弁により、不純物を含んだ水素オフガスが排出水素流路１６を通して希釈器７内の滞留室２７に送り込まれ、また、コンプレッサ２０から供給される加湿されていない希釈ガスとしての空気（非加湿空気）が、バイパス流路２４を通して希釈器７内の滞留室２７に送り込まれ、前記水素オフガスと混合される。これにより、滞留室２７で水素オフガスが非加湿空気によって希釈され、水素オフガス中の水素濃度が下げられる。この水素濃度が低下した水素オフガスと非加湿空気との混合ガスは、排出口２６ａを通して排出管２６内に導入される。

このとき、カソード極５から排出された希釈ガスとしての空気オフガスが、空気排出流路２３ａ、加湿器２２、空気排出流路２３ｂを通して希釈器７内を貫通する排出管２６に送られており、さらに、走行中の燃料電池自動車３０（図２参照）のボンネット３１に設けた外気取り入れ口３２から取り入れた希釈ガスとしての外気（走行風）が、外気導入流路３３を通して希釈器７内を貫通する排出管２６に送られる。

これにより、排出口２６ａから排出管２６に導入された前記混合ガス（水素オフガス＋非加湿空気）は、空気排出流路２３ｂから送り込まれる空気オフガスと、外気導入流路３３から送り込まれる外気（走行風）とによってさらに希釈され、前記混合ガスの水素オフガス中の水素濃度がさらに下げられて、外部（大気中）に排出される。なお、排出管２６に導入された前記混合ガスと空気オフガス中に含まれる水分は、排出管２６の下部に設けた複数の水抜き穴２６ｂを通して滞留室２７の底部に設けた排出口（不図示）から排出される。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素パージ時に排出される水素オフガスが、希釈器７の滞留室２７でバイパス流路２４から供給される非加湿空気で一旦希釈された後に排出管２６に導入され、さらに、この水素オフガスが、排出管２６に空気排出流路２３ｂから送り込まれる空気オフガス、および外気導入流路３３から送り込まれる外気（走行風）によって希釈されることで、高濃度の水素を含んだ水素オフガスが一気に希釈器７に送り出された場合でも、確実に水素濃度を下げて排出することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素パージ時に排出される水素オフガスの希釈用ガスとして、燃料電池自動車３０の走行時の走行風を利用する簡易な構成により、特別な制御弁や圧損設定などの機構を設けることなく、高濃度の水素を含んだ水素オフガスの排出に対しても容易に対応することができる。

なお、前記した実施形態では、希釈ガスとして利用する外気（走行風）を、燃料電池自動車３０のボンネット３１に設けた外気取り入れ口３２から導入するようにしたが、これに限らず、例えば、燃料電池自動車３０の前面、側面、ルーフなどの位置に、進行方向前方に向けて開口する外気取り入れ口を設けてもよい。

また、排出管２６に空気排出流路２３ｂから送り込まれる空気オフガス、および外気導入流路３３から送り込まれる外気（走行風）を、希釈器７内の滞留室２７に導入して、この滞留室２７に送り込まれる水素オフガスと空気（非加湿空気）との混合ガスを希釈するようにしてもよい。

また、前記実施形態では、外気導入流路３３は、希釈器７内の上流側で排出管２６と合流しているが、それに限らず、例えば、外気導入流路３３を、希釈器７の下流側から外に延びる排出流路としての排出管２６と合流、または希釈器７の手前で空気排出流路２３ｂと合流するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システムを示す概略構成図。 本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車を示す図。 本発明の実施形態に係る車載用燃料電池システムの希釈器を示す一部破断斜視図。

符号の説明

１ 車載用燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード極
５ カソード極
７ 希釈器（希釈手段）
１０ 水素タンク
１６ 排出水素流路
１７ 水素パージ弁
２０ コンプレッサ
２２ 加湿器
２３ｂ 空気排出流路（希釈ガス導入路）
２４ バイパス流路（希釈ガス導入路）
２６ 排出管
３０ 燃料電池自動車
３２ 外気取り入れ口
３３ 外気導入流路

Claims (2)

1. アノード極に水素ガスが、カソード極に酸化剤ガスが、それぞれ供給され、前記水素ガスと前記酸化剤ガスとの反応により発電をする燃料電池を備えた、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
   発電時に前記燃料電池から排出された水素オフガスを、この水素オフガスを希釈する希釈手段に流通させる排出水素流路と、
   前記水素オフガスを希釈する希釈ガスを前記希釈手段に導入する希釈ガス導入路と、
   前記希釈手段から排出される希釈済みガスを排出する排出流路と、
   前記車両に設けた外気取り入れ口から外気を前記希釈手段もしくは前記排出流路に導入する外気導入流路と、を備え、
   前記水素オフガスを、前記希釈ガス導入路から導入される前記希釈ガスおよび前記外気導入流路から導入される前記外気とで前記車両外に希釈して排出する、
   ことを特徴とする車載用燃料電池システム。
2. 前記外気取り入れ口は、前記車両の進行方向前方に向けて開口するように設けた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の車載用燃料電池システム。

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