JP2008112597A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と、これに燃料ガス、酸化ガスを供給するガス供給手段とを含む燃料電池システムにおいて、簡易な構造により、燃料ガス供給管路内の凍結を防止することができるようにする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管路１６と、燃料電池１２から排出される排出燃料ガスを燃料ガス供給管路１６に戻す循環管路１８と、制御装置４０を有している。制御装置４０は、凍結が発生すると判断した場合、循環管路１８に設けられた気液分離器２４の排水弁２６から排出燃料ガスを外部に放出させ、燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量、すなわちそのガスに含まれる水分を少なくする。よって、簡易な構造により、凍結を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、これに燃料ガス、酸化ガスを供給するガス供給手段とを含む燃料電池システムに関し、特にこのシステム内の凍結防止に関する。

燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行う装置であり、これに燃料ガス、酸化ガスを供給するガス供給手段を含む燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料ガスのガス供給手段として、燃料ガス源から燃料電池に燃料ガスを供給する供給管路と、この供給管路に、燃料電池から排出される排出燃料ガスを戻す循環管路を有している。排出燃料ガスには、電気化学反応により生成される水と、電気化学反応せずに燃料電池から排出される燃料ガスが含まれている。排出燃料ガスに含まれる燃料ガスを循環管路及び供給管路を介して再び燃料電池に送ることにより、燃料電池システムの発電効率を高めている。

このような燃料電池システムでは、燃料ガス源内の燃料ガスが外部環境の影響を受け、その燃料ガスの温度が外部の温度とほぼ同じになる。そして、燃料ガス源内の燃料ガスが高圧状態から減圧されて供給管路に送り出されるため、供給管路を流れる燃料ガスの温度が外部の温度より低くなる。外部の温度が摂氏０℃付近の場合、供給管路には外部の温度より低い温度、すなわち氷点下の燃料ガスが流れるため、この燃料ガスによって循環管路からの排出燃料ガスに含まれる水分が冷やされ、供給管路内において凍結してしまうという問題があった。

下記特許文献１には、電気化学反応により発生した熱をより多く供給管路に供給することにより、供給管路内の凍結を防止する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムの循環管路には、排出燃料ガスからそれに含まれる水分を分離し、外部に放出する気液分離器が設けられている。気液分離器が排出燃料ガスに含まれる水分を外部に放出すると、電気化学反応により発生した熱も同時に外部に放出してしまう。供給管路内において凍結の恐れがある場合、下記特許文献１の燃料電池システムは、気液分離器が排出燃料ガスに含まれる水分を外部に放出しないよう制御して、供給管路に送られる、電気化学反応により発生した熱量を増大させる。電気化学反応により発生した熱をより多く供給管路内に供給することにより、燃料ガス源からの燃料ガスを十分に暖めることができ、供給管路内における凍結の防止を可能としている。

特開２００５−３３２６７６号公報

しかしながら、上記特許文献１の燃料電池システムは、電気化学反応により発生した熱量が少ない場合、燃料ガス源からの燃料ガスを十分に暖めることができず、排出燃料ガスに含まれる水分が冷やされ、供給管路内において凍結してしまう可能性がある。

本発明の目的は、簡易な構造により、供給管路内の凍結を防止する燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、燃料電池システムであって、燃料ガス源から燃料電池に燃料ガスを供給する供給管路と、燃料電池から排出される排出燃料ガスを前記供給管路に戻し、その排出燃料ガスを燃料電池に循環させる循環管路と、前記供給管路を流れる燃料ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出される検出温度に基づいて、排出燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池システムの外部に放出し、前記供給管路に戻される排出燃料ガスの流量を制御する流量制御手段とを有し、前記流量制御手段は、前記検出温度が所定値以下のとき、その所定値超のときより排出燃料ガスの流量を減少させるよう制御することを特徴とする。

また、前記循環管路に設けられ、排出燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離器を有し、前記流量制御手段は、前記気液分離器が分離した水分を排水する排水弁の開度を調整して、排出燃料ガスの流量を制御することができる。

さらに、前記温度検出手段は、前記供給管路において、排出燃料ガスが燃料ガスに合流する合流部の温度を検出することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、簡易な構造により、供給管路内の凍結を防止することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面に従って説明する。 図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行う燃料電池１２を有している。

燃料電池１２には、これの燃料極（図示せず）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管路１６と、燃料電池１２の空気極（図示せず）に酸化ガスを供給する酸化ガス供給管路２２が接続されている。

また、燃料電池１２には、燃料極から排出される排出燃料ガスを燃料ガス供給管路１６に戻し、その排出燃料ガスを燃料電池１２に循環させる循環管路１８と、空気極から排出される排出酸化ガスを外部へ放出する放出管路３８が接続されている。

燃料電池１２は、例えばフッ素樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する固体高分子型の燃料電池である。燃料電池１２は、電解質膜を燃料極と空気極を挟んで構成される膜−電極接合体を含む単位セル（図示せず）を複数有し、これらの単位セルを積層して構成されるスタック（図示せず）を有する。

燃料電池１２内における電気化学反応について説明する。各単位セルの燃料極に燃料ガス（水素ガス）が供給され、空気極に酸化ガス（空気）が供給される。燃料極では、燃料ガスが水素イオンと電子に解離され、解離された水素イオンが電解質膜を透過して空気極に移動する。また、解離された電子は、外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極では、電解質膜を透過した水素イオンと、外部回路を通って供給された電子が、空気に含まれる酸素と反応し、この反応により水が生成される。この一連の電気化学反応により、各単位セルは外部へ電力を供給することができる。また、各単位セルは電気的に直接接続されており、各単位セルにより発電される電力の電圧を加算した電圧が燃料電池１２の出力となる。

燃料電池システム１０は、燃料ガスを燃料電池１２に供給する供給源として、燃料ガスを高圧状態にして貯蔵する燃料ガスタンク１４を有している。燃料ガスタンク１４は、燃料ガス供給管路１６に接続されており、燃料ガスが高圧状態から減圧され燃料ガス供給管路１６に送り出される。送り出された燃料ガスは、燃料ガス供給管路１６を介して燃料電池１２に供給される。

燃料ガス供給管路１６には、燃料ガスタンク１４の近傍に燃料ガス流量制御装置３４が設けられている。燃料ガス流量制御装置３４は、燃料ガスの流量及び圧力を制御する流量調節弁（図示せず）を有し、この流量調節弁が燃料電池１２に要求される電力に応じて燃料ガスタンク１４から燃料電池１２に供給される燃料ガス量を制御する。

また、燃料ガス供給管路１６には、燃料ガス流量制御装置３４の下流側に循環管路１８が接続されており、この接続された部分には、燃料ガス供給管路１６を流れる燃料ガスの温度を検出する温度センサ３２が設けられている。温度センサ３２は、後述する制御装置３２に検出した温度を示す信号を出力する。なお、燃料ガス供給管路１６に循環管路１８が接続された部分は、燃料ガスタンク１４からの燃料ガスと燃料電池１２からの排出燃料ガスが合流する部分であり、ここを以降、合流部２０と記す。

循環管路１８には、燃料電池１２から合流部２０までの間に、気液分離器２４と循環装置３０が順に設けられている。燃料電池１２から排出される排出燃料ガスには、未反応の燃料ガス（水素ガス）と、電気化学反応により生成される水及びこの水が反応熱により気化してなる水蒸気が含まれる。気液分離器２４は、排出燃料ガスに含まれる水分（主に水）を分離する装置である。気液分離器２４には、分離された水分を排水する排水弁２６が接続されており、この排水弁２６には、放出管路３８が接続されている。排水弁２６は、例えば二位置式の動作、すなわちオン／オフの動作を行うバルブである。気液分離器２４により排出燃料ガスに含まれる水分（主に水）が分離されるため、気液分離器２４を通過した排出燃料ガスには水分として水蒸気が含まれる。

気液分離器２４には、分離され、気液分離器２４内に溜まっている水の水位を検出する水位センサ２８が設けられている。この水位センサ２８が気液分離器２４内の上限と下限の水位を検出し、これらの検出水位に基づいて、後述する制御装置４０が排水弁２６に動作指令の信号を出力する。水位センサ２８が上限の水位を検出した場合、制御装置４０により排水弁２６が開放し、気液分離器２４に分離し溜められた水が放出管路３８を介して外部に放出される。水位センサ２８が下限を検出した場合、制御装置４０により排水弁２６が閉鎖し、気液分離器２４内に水が溜められる。

循環装置３０は、ポンプ（図示せず）を内蔵し、このポンプの動作により、燃料電池１２から排出される排出燃料ガスを燃料ガス供給管路１６に送り出す。これにより、排出燃料ガスは、燃料ガス供給管路１６の合流部２０において、燃料ガスタンク１４からの燃料ガスと合流し、燃料電池１２に供給される。

空気供給管路２２は、その端部を外部に開放している。空気供給管路２２には、空気ポンプ（図示せず）が設けられ、この空気ポンプの動作により、外部から燃料電池１２に空気が供給される。

燃料電池システム１０は、各種入力信号に基づいて排水弁２６を制御する制御装置４０を有している。各種入力信号は、温度センサ３２から入力される燃料ガスの温度と、水位センサ２８から入力される水位を含む。制御装置４０は、燃料ガスの温度と、所定時間における排水弁２６の開放時間の割合（以下、開放時間比と記す）とを対応づけたテーブルを記憶している。所定時間内で排水弁２６はオン／オフを繰り返し、所定時間内のオン状態となっている時間の割合により、排水弁２６から外部に放出される排出燃料ガスの流量が制御される。すなわち、開放時間比が大きい場合、排水弁２６から外部に放出される排出燃料ガス量が多くなり、開放時間比が小さければ、放出される排出燃料ガス量は減り、燃料ガス供給管路１６に戻され循環する排出燃料ガス量が増加する。

制御装置４０は、温度センサ３２により検出される検出温度に基づいて燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生するか否かを判断する。水が凍結する温度は、０℃であるが、本実施形態における凍結の判断は、検出誤差及び制御動作時間を考慮し、０℃よりやや高い温度、例えば２℃を基準とする。

温度センサ３２からの検出温度が２℃超の場合、制御装置４０は、凍結が発生しないと判断し、上述した通常の排水弁２６の動作を行うように、上限の水位のとき、排水弁２６を開放させ、下限の水位のとき、排水弁２６を閉鎖させるよう制御する。

一方、温度センサ３２からの検出温度が２℃以下の場合、制御装置４０は、凍結が発生すると判断し、温度センサ３２からの検出温度に基づいて排出燃料ガスの少なくとも一部を外部に放出するよう排水弁２６の動作を制御する。制御装置４０は、温度センサ３２からの検出温度に対応する開放時間比をテーブルから選択する。そして、選択された開放時間比になるよう排水弁２６に動作指令の信号を出力する。その出力信号により、排水弁２６が動作し、まず気液分離器２４に溜まっている水が放出管路３８を介し外部に放出され、その後、排気燃料ガスが外部に放出される。このように、凍結が発生すると判断した場合、制御装置４０は、選択された開放時間比に基づいて排水弁２６の開度を調整することにより、循環管路１８を流れる排出燃料ガスの少なくとも一部を外部に放出し、燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガス量を減じている。

次に、燃料ガス供給管路１６内における凍結を防止する、制御装置４０の制御動作を図に従って説明する。図２は、本実施形態に係る制御装置４０の凍結防止制御動作例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ０１において、温度センサ３２により検出された燃料ガスの温度が制御装置４０に入力される。

ステップＳ０２では、入力された燃料ガスの温度に基づき燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生するか否かが判断される。燃料ガスの温度が例えば２℃超のときは、燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生しないと判断され、本制御動作は終了する。一方、燃料ガスの温度が例えば２℃以下のときは、燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生すると判断され、ステップＳ０３の動作が実行される。

ステップＳ０３では、入力された燃料ガスの温度に基づいて開放時間比がテーブルから選択される。燃料ガスの温度が例えば２℃に近い場合、小さい開放時間比が選択され、燃料ガスの温度が２℃から低くなるにつれ、より大きい開放時間比が選択される。すなわち、燃料ガスの温度が２℃から低くなるにつれ、より多く排出燃料ガスが外部に放出されるような排水弁２６の動作が選択される。そして、燃料ガスの温度がさらに低くなり、その温度が例えば−２℃になった場合、一番大きい開放時間比が選択される。つまり、排出燃料ガスが全て外部に放出されるような排水弁２６の動作、すなわち常時開放が選択される。

ステップＳ０４では、排水弁２６がステップＳ０３において選択された状態になるように、動作が実行され本制御動作は終了する。

本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料ガス供給管路１６内が凍結しそうな温度環境になった場合、制御装置４０が排水弁２６を動作させて排出燃料ガスの少なくとも一部を外部に放出するので、燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量を減らすことができる。燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量を減らすことにより、そのガスに含まれる水分（水蒸気）が減るため、凍結の要因を減らすことができる。

また、燃料ガス供給管路１６内の温度がより低下した場合、排出燃料ガスをより多く外部に放出するので、燃料ガス供給管路１６に戻される水分（水蒸気）がより減少する。これにより、凍結の要因を減らすことができる。また、燃料ガス供給管路１６に戻される少量の水蒸気が凍ったとしても、その水蒸気は氷粒となり暖気された燃料電池１２に供給され解凍される。よって、氷粒が燃料ガス供給管路１６の壁面に着氷することによる凍結を防止することができる。たとえ少量の氷粒が燃料ガス供給管路１６の壁面に着氷したとしても、一定時間経過することにより、燃料電池システム１０の暖気運転によりガス燃料供給管路１６が暖められるため、解凍することができる。

また、燃料ガス供給管路１６内の温度がさらに低下した場合、排出燃料ガスを全て外部に放出するので、燃料ガス供給管路１６に戻される水分がなくなる。水分がないため、燃料ガス供給管路１６内が凍結する温度環境であっても、凍結を確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、新たな構成を大幅に追加することなく、簡易な構造により、凍結を防止することができる。また、燃料ガス供給管路１６内が凍結しそうな温度環境であっても、排出燃料ガスが燃料ガス供給管路１６に戻され燃料電池１２に送られるため、燃料電池システム１０の発電効率を高めることができる。

次に、燃料電池システム１０の発電効率を高めることよりも確実に凍結を防止することに重点をおいた、制御装置４０の別の制御動作を図に従って説明する。図３は、本実施形態に係る制御装置４０の別の凍結防止制御動作例を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、温度センサ３２により検出された燃料ガスの温度が制御装置４０に入力される。

ステップＳ１２では、入力された燃料ガスの温度に基づき燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生するか否かが判断される。燃料ガスの温度が例えば２℃超のときは、燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生しないと判断され、本制御動作は終了する。一方、燃料ガスの温度が例えば２℃以下のときは、燃料ガス供給管路１６内において凍結が発生すると判断され、ステップＳ１３の動作が実行される。

ステップＳ１３では、排水弁２６が開放状態になるように、動作が実行され本制御動作は終了する。

この実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料ガス供給管路１６内が凍結しそうな温度環境になった場合、制御装置４０が排水弁２６を動作させて排出燃料ガスを全て外部に放出するので、燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量をなくすことができる。燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量をなくすことにより、そのガスに含まれる水分がなくなるため、凍結を確実に防止することができる。このように、この実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、新たな構成を大幅に追加することなく、簡易な構造により、凍結を防止することができる。

上記の各実施形態では、排出燃料ガスを外部に放出する手段が排水弁２６であることについて説明したが、この構成に限定されるものではない。循環管路１８において排出燃料ガスを外部に放出することができるのであれば、循環管路１８に設けられ、この循環管路１８内の窒素濃度が高くなると排出燃料ガスを放出する放出弁でもよい。

上記の各実施形態では、燃料ガス供給管路１６内における凍結の有無が、温度センサ３２からの検出温度に基づいて判断されることについて説明したが、この構成に限定されるものではない。凍結が発生しやすい合流部２０の温度を他の検出値より算出することができれば、その算出結果に基づいて判断されてもよい。例えば、燃料電池１２内の温度、燃料電池システム１０外部の温度、燃料ガスタンク１４からの燃料ガスの流量及び燃料ガス供給管路１６に戻される排気燃料ガスの流量を検出し、それらの検出値から算出される合流部２０の温度に基づいて判断されてもよい。

上記の各実施形態では、燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量を制御するのに、制御装置４０が開放時間比を選択することについて説明したが、この構成に限定されるものではない。連続的に開度を調整することができる排水弁であれば、排水弁の開度を選択することにより、外部に放出される排出燃料ガスの流量を調整し、燃料ガス供給管路１６に戻される排出燃料ガスの流量を制御してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本実施形態に係る制御装置の凍結防止制御動作例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る制御装置の別の凍結防止制御動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１４ 燃料ガスタンク、１６ 燃料ガス供給管路、１８ 循環管路、２０ 合流部、２２ 酸化ガス供給管路、２４ 気液分離器、２６ 排水弁、２８ 水位センサ、３０ 循環装置、３２ 温度センサ、３４ 燃料ガス流量制御装置、３８ 放出管路、４０ 制御装置。

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガス源から燃料電池に燃料ガスを供給する供給管路と、
   燃料電池から排出される排出燃料ガスを前記供給管路に戻し、その排出燃料ガスを燃料電池に循環させる循環管路と、
   前記供給管路を流れる燃料ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段により検出される検出温度に基づいて、排出燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料電池システムの外部に放出し、前記供給管路に戻される排出燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、
   を有し、
   前記流量制御手段は、前記検出温度が所定値以下のとき、その所定値超のときより排出燃料ガスの流量を減少させるよう制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記循環管路に設けられ、排出燃料ガスに含まれる水分を分離する気液分離器を有し、
   前記流量制御手段は、前記気液分離器が分離した水分を排水する排水弁の開度を調整して、排出燃料ガスの流量を制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度検出手段は、前記供給管路において、排出燃料ガスが燃料ガスに合流する合流部の温度を検出する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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