JP2022112991A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のガス流路が閉塞してしまうことを抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、発電領域に沿って反応ガスを流通させるガス流路が形成されたセパレータを有する燃料電池と、燃料電池の運転を停止するときに、ガス流路に掃気ガスを供給して、ガス流路内に滞留する水を排出する掃気運転を実行する制御部と、を備える。セパレータには、ガス流路を通過した反応ガスを排出する排出マニホールド１３と、ガス流路と排出マニホールドとを連結する連結流路と、がさらに形成されている。連結流路の排出マニホールドへ接続する下流区間は、並列に配列された複数の並列流路（複数の短流路２０ａ、複数の長流路２０ｂ）により構成されている。複数の並列流路の一部である特定流路２０ａの流路長が、他の並列流路の流路長よりも短い。【選択図】図５

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池の運転を停止するときに、燃料電池のガス流路内に滞留する水を掃気ガスによって排出する処理（以下、掃気運転という。）を行う燃料電池システムが開示されている。燃料電池の運転を停止するときに掃気運転を実行することにより、低温環境下（例えば、氷点下）においても、滞留水が凍結することによるガス流路の閉塞を防止することができる。

特開２０１４－１９７４８１号公報

燃料電池の運転を停止するときに、掃気運転により燃料電池内から滞留水を完全に排出した場合であっても、燃料電池の運転を開始するときには、発電により液水が生成される。このため、低温環境下において燃料電池の運転を開始すると、生成された液水が凍結することによりガス流路が閉塞してしまうという問題が生じる。

燃料電池の発電には発熱が伴うため、低温環境下で燃料電池の運転を開始しても、燃料電池は速やかに昇温する。しかしながら、燃料電池の発電領域の外側の領域は、発電領域と比較して昇温し難い。発電領域の外側には、一般的に、反応ガスが発電領域に沿って流通するガス流路と、反応ガスを排出する排出マニホールドとを連結する連結流路が形成されており、連結流路ではガス流路よりも昇温速度が遅い。このため、燃料電池が低温環境下で運転を開始するときに、生成した液水が当該連結流路において凍結し、連結流路が閉塞してしまう場合がある。本明細書では、燃料電池を低温環境下で運転させた場合であっても、ガス流路が閉塞してしまうことを抑制することができる技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、発電領域に沿って反応ガスを流通させるガス流路が形成されたセパレータを有する燃料電池と、燃料電池の運転を停止するときに、前記ガス流路に掃気ガスを供給して、前記ガス流路内に滞留する水を排出する掃気運転を実行する制御部と、を備えている。前記セパレータには、前記ガス流路を通過した反応ガスを排出する排出マニホールドと、前記ガス流路と前記排出マニホールドとを連結する連結流路と、がさらに形成されている。前記連結流路の前記排出マニホールドへ接続する下流区間は、並列に配列された複数の並列流路により構成されている。前記複数の並列流路の一部である特定流路の流路長が、他の前記並列流路の流路長よりも短い。

上記の燃料電池システムでは、燃料電池の運転を停止するときに、掃気運転を実行する。これにより、ガス流路内に滞留する水を外部に排出する。このため、低温環境下においてもガス流路が閉塞することを抑制することができる。また、この燃料電池システムでは、連結流路の下流区間（すなわち、発電領域から離れた区間）が、複数の並列流路により構成されている。燃料電池の運転を開始するときに発電により生成した液水は、複数の並列流路に分岐して流れるので、その流速が速い。したがって、低温環境下で燃料電池の運転を開始した場合であっても、並列流路内を流れる液水から各並列流路の内壁への熱伝導率が低減する。このため、発電領域から離れた下流区間においても、連結流路内で液水が凍結し難い。さらに、並列流路のうちの特定流路の流路長が、他の並列流路の流路長よりも短い。このため、特定流路に流入した液水は、当該特定流路から短時間で排出される。したがって、特定流路内に流入した液水は、熱を奪われ難く、より凍結し難いため、特定流路では凍結による閉塞がより生じ難い。以上の通り、この燃料電池システムでは、並列流路の全てが凍結により閉塞されてしまうことが抑制され、反応ガスの流通を妨げることを抑制することができる。

燃料電池システムの構成を概略的に示す図。 燃料電池セルの分解斜視図。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に対応する箇所における燃料電池セルの断面図。 燃料電池セルの平面図。 アノード排出マニホールド近傍の構成を示す拡大図。 図５のＶＩ－ＶＩ線における断面図。 図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線における断面図。 図５のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面図。 変形例の連結流路の構成を示す図８に対応する図。 他の変形例の連結流路の構成を示す図８に対応する図。 他の変形例の連結流路の構成を示す図８に対応する図。 他の変形例の連結流路の構成を示す図８に対応する図。

本明細書が開示する技術要素を、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。

本技術の一実施形態では、前記特定流路の内壁は、前記他の並列流路の内壁よりも高い撥水性を有していてもよい。このような構成では、液水と特定流路の内壁との接触角が大きくなるため、これらの接触面積が小さくなる。したがって、熱伝導率がより低減し、より凍結を抑制することができる。

本技術の一実施形態では、前記特定流路には、前記特定流路の内壁よりも高い撥水性を有する撥水部材が、前記内壁の少なくとも一部を覆うように配置されていてもよい。このような構成では、撥水部材と液水との接触角が、特定流路の内壁と液水との接触角よりも大きくなる。すなわち、撥水部材と液水との接触面積が比較的小さくなる。したがって、熱伝導率がより低減し、より凍結を抑制することができる。また、撥水部材が配置されることにより、特定流路の流路断面積が小さくなる。このため、特定流路内を流れる液水の流速がより速くなる。

本技術の一実施形態では、前記撥水部材は、筒形状を有していてもよい。このような構成では、特定流路の内壁を広く覆うように筒形状の撥水部材が配置されることにより、より効率良く熱伝導率を低減することができる。

（実施例）
以下、図面を参照して、実施例の燃料電池システム１００について説明する。図１に示す燃料電池システム１００は、発電を行う燃料電池１０と、燃料ガス系３０と、酸化ガス系５０と、冷却系６０と、制御ユニット７０と、を備えている。燃料ガス系３０は、燃料電池１０への燃料ガスの供給及び燃料電池１０からの燃料ガスの排出を行う。酸化ガス系５０は、燃料電池１０への酸化ガスの供給及び燃料電池１０からの酸化ガスの排出を行う。冷却系６０は、燃料電池１０の冷却を行う。制御ユニット７０は、燃料電池システム１００全体の動作を制御する。燃料電池システム１００は、例えば、車両に搭載される。

燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、複数の燃料電池セル１１が積層されたスタック構造を有している。燃料電池１０は、燃料ガスとしての水素ガス、及び酸化ガスとしての空気が供給されると、電気化学反応による発電を行う。

燃料ガス系３０は、水素タンク３１、シャットバルブ３２、アノードガス調圧弁３３、気液分離器３５、循環ポンプ３６、排気排水弁３７、及び配管４１、４２、４３、４４を備えている。

水素タンク３１に貯蔵された水素ガスは、配管４１（以下、水素供給配管４１とも称する。）を介して燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして供給される。シャットバルブ３２及びアノードガス調圧弁３３は、燃料電池１０へ供給される水素ガスの圧力を調整する。

アノードからの排ガス（以下、アノードオフガスとも称する。）は、配管４２（以下、アノードオフガス配管４２とも称する。）を介して気液分離器３５に導かれる。気液分離器３５は、アノードオフガスに含まれる水と、発電で消費されなかった水素ガスとを分離する。気液分離器３５によって分離された水素ガスは、循環ポンプ３６が配設された配管４３（以下、水素循環配管４３とも称する。）及び水素供給配管４１を介して、燃料電池１０に循環する。

気液分離器３５には、貯留された水を排出するための配管４４が接続されており、この配管４４には、排気排水弁３７が設けられている。排気排水弁３７は、通常時には閉じられており、気液分離器３５の貯水量に応じて開弁されて、貯水が配管４４を介して燃料電池システム１００の外部に排水される。また、排気排水弁３７は、燃料電池１０内に滞留する水を排出するための排気運転が終了したときにも開弁される。

排気排水弁３７は、アノードオフガスを燃料電池システム１００の外部に排出する弁としても機能する。排気排水弁３７は、通常時には閉じられており、アノードオフガスが燃料電池１０に循環する。一方で、排気排水弁３７は、アノードオフガスに含まれる窒素ガスや水蒸気などの不純物濃度が所定値よりも高くなったときに開弁される。これにより、アノードオフガスが配管４４を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。この結果、窒素ガスや水蒸気などの不純物がアノード側から取り除かれ、アノード側の不純物濃度の上昇が抑制される。

酸化ガス系５０は、エアポンプ５１、カソードガス調圧弁５２、及び配管５３、５４を備えている。

エアポンプ５１によって大気から吸入された空気は、配管５３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスとも称する。）は、配管５４を介して燃料電池システム１００の外部に排出される。カソードガス調圧弁５２は、配管５４におけるカソードオフガスの圧力を調整する。

冷却系６０は、ラジエータ６１、循環ポンプ６２、及び配管６３、６４を備えている。配管６３、６４は、燃料電池１０とラジエータ６１とに接続されている。配管６３、６４の内部を流れる冷却水は、循環ポンプ６２の圧力によって、燃料電池１０とラジエータ６１の間を循環する。このため、燃料電池１０の電気化学反応に伴って生じる熱は、循環する冷却水によって吸収され、この冷却水によって吸収された熱が、ラジエータ６１によって放熱される。これにより、燃料電池１０の温度が適切な温度に保たれる。

制御ユニット７０は、ＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるコンピュータによって構成されている。制御ユニット７０は、車両からの出力要求や各種センサによる検出状態に基づいて、シャットバルブ３２、アノードガス調圧弁３３、循環ポンプ３６、排気排水弁３７、エアポンプ５１、カソードガス調圧弁５２、循環ポンプ６２等に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム１００の運転動作や、運転停止時における掃気動作を制御する。

続いて、図２～図８を参照して燃料電池１０の燃料電池セル１１（以下、単にセル１１という。）の構成について説明する。図２は、セル１１の分解斜視図である。図２のｚ方向は、複数のセル１１が積層される方向を示しており、ｘ方向及びｙ方向は、略矩形状に形成されたセル１１の長手方向及び短手方向を示している。

図２に示すように、セル１１は、発電領域としての膜電極ガス拡散層接合体２２（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する。）と、ＭＥＧＡ２２を支持する支持フレーム２４と、ＭＥＧＡ２２を両側から挟持するアノードセパレータ６及びカソードセパレータ７（以下、単にセパレータ６、セパレータ７と称する場合がある。）により構成されている。支持フレーム２４は、樹脂により構成されており、略枠状であって内周側がＭＥＧＡ２２の外周領域に接合されている。支持フレーム２４は、セパレータ６、７と接することにより、アノードガス流路及びカソードガス流路のガス流路（後述）のシール性を確保する。

図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に対応する箇所におけるセル１１の断面図である。図３に示すように、セル１１の発電領域は、ＭＥＧＡ２２、アノードセパレータ６、及びカソードセパレータ７により構成されている。ＭＥＧＡ２２は、電解質膜１と、電解質膜１の一方の表面に順に積層されるアノード触媒層２及びアノード拡散層４と、電解質膜１の他方の表面に順に積層されるカソード触媒層３及びカソード拡散層５と、を備えている。アノード拡散層４の表面にアノードセパレータ６が積層され、カソード拡散層５の表面にカソードセパレータ７が積層されている。アノードセパレータ６には、アノードガス流路８及び冷媒流路１０ａが形成されている。カソードセパレータ７には、カソードガス流路９及び冷媒流路１０ｂが形成されている。

図２に示すように、支持フレーム２４及びセパレータ６、７には、各々の外周近傍において、セル１１の積層方向（すなわち、ｚ方向）に互いに重なる位置に、マニホールドを形成するための複数の孔が設けられている。マニホールドは、反応ガス又は冷媒が流れる流路であり、セパレータ６、７及び支持フレーム２４を貫通する。孔１２ａはアノードガス流路８へ燃料ガスを供給するアノード供給マニホールド１２（図４参照）を画定する。孔１３ａは、アノードガス流路８から燃料ガスを排出するアノード排出マニホールド１３（図４参照）を画定する。孔１４ａは、カソードガス流路９へ酸化ガスを供給するカソード供給マニホールド１４（図４参照）を画定する。孔１５ａは、カソードガス流路９から酸化ガスを排出するカソード排出マニホールド１５（図３参照）を画定する。孔１６ａは、セル１１間に形成される冷媒流路１０ａ、１０ｂへ冷媒を供給する冷媒供給マニホールド１６（図３参照）を画定する。孔１７ａは、セル１１間に形成される冷媒流路１０ａ、１０ｂから冷媒を排出する冷媒排出マニホールド１７（図３参照）を画定する。

図４は、セル１１の平面図である。以下では、図４を参照して、セル１１内において燃料ガス（水素ガス）が流通する流路について説明する。セル１１は、燃料ガスが流通する流路として、アノード供給マニホールド１２、アノード排出マニホールド１３、及びアノードガス流路８を備える。アノード供給マニホールド１２には、水素供給配管４１（図１参照）が接続されており、アノード排出マニホールド１３には、アノードオフガス配管４２（図１参照）が接続されている。アノードガス流路８は、支持フレーム２４の内周側に接合されたＭＥＧＡ２０と積層方向（ｚ方向）に重なる範囲（すなわち、発電領域と重なる範囲）に形成されている。アノードガス流路８は、セパレータ６の表面に設けられた複数の溝によってアノード拡散層４との間に形成される。また、アノード排出マニホールド１３の周囲には、積層される他のセル１１とのシール性を確保するためのガスケット２５が配置されている。他のマニホールド１２、１４、１５についても同様にガスケットが配置されている。

図４及び図５に示すように、セパレータ６には、アノードガス流路８とアノード排出マニホールド１３とを連結する連結流路１８がさらに形成されている。連結流路１８は、アノードガス流路８を通過した燃料ガスをアノード排出マニホールド１３に導く。連結流路１８は、アノードガス流路８に接続する上流区間１９と、アノード排出マニホールド１３に接続する下流区間２０を有している。上流区間１９と下流区間２０は互いに接続されている。

上流区間１９は、複数本のアノードガス流路８を通過した反応ガスを集約し、下流区間２０へと送り出す。本実施例では、図５に示すように、１本の上流区間１９が、対応する２本の下流区間２０にそれぞれ接続されている。本実施例では、上流区間１９がアノードガス流路８から下流区間２０に向かって徐々に狭くなるように構成されている。ただし、上流区間１９の構成は特に限定されず、アノードガス流路８から下流区間２０に向かって反応ガスが流通可能な構成を有していればよい。下流区間２０は、並列に配列された複数の並列流路により構成されている。下流区間２０は、複数の短流路２０ａと複数の長流路２０ｂを有している。本実施例では、下流区間２０が、２本の短流路２０ａと６本の長流路２０ｂにより構成されている。図６及び図７に示すように、短流路２０ａの流路長Ｌ１は、長流路２０ｂの流路長Ｌ２よりも短い。なお、短流路２０ａが「特定流路」の一例である。

図７及び８に示すように、短流路２０ａの内部には、短流路２０ａの内壁よりも高い撥水性を有する撥水部材２６が配置されている。図８に示すように、撥水部材２６は、筒形状を有しており、短流路２０ａの内壁を覆うように配置されている。撥水部材２６は、特に限定されないが、例えば、テフロン（登録商標）樹脂により構成されている。他の実施形態として、撥水部材２６は、必ずしも筒形状に限定されず、短流路２０ａの内壁の少なくとも一部を覆うものであればよい。

この燃料電池１０では、図６及び図７の矢印１１０に示すように、アノードガス流路８を通過した燃料ガスは、連結流路１８（上流区間１９及び下流区間２０）をそれぞれ通過した後、アノード排出マニホールド１３を介して燃料電池１０の外部へと排出される。

本実施例の燃料電池システム１００では、制御ユニット７０が、燃料電池１０の運転を停止するときに、掃気ガスを各ガス流路８、９に供給して、各ガス流路８、９内に滞留する水を排出する掃気運転を実行する。具体的には、制御ユニット７０は、カソード側においては、エアポンプ５１を所定の回転数で作動させ、カソードガス流路９内に空気を供給する。また、制御ユニット７０は、カソードガス調圧弁５２を制御し、カソードガス流路９内の空気の圧力を調整する。一方、制御ユニット７０は、アノード側においては、循環ポンプ３６を所定の回転数で作動させ、アノード内のガスを循環させる。また、制御ユニット７０は、排気排水弁３７の開閉を制御することにより気液分離器３５に滞留する水を排水する。この燃料電池システム１００では、制御ユニット７０が、燃料電池１０の運転を停止するときに、上記の掃気運転を所定時間実行することにより、各ガス流路８、９内に貯留される水を燃料電池１０の外部に排出する。なお、掃気運転は、次回の燃料電池１０の運転を開始するときに、低温環境下（例えば、氷点下や－２０℃以下の極低温下等）での発電が推定される場合にのみ実行してもよい。

この燃料電池システム１００では、制御ユニット７０は、運転を開始するときに、低温環境下であると判断した場合、低効率運転を実行する。低効率運転とは、酸化ガスの供給流量を負荷要求に応じて設定される流量（すなわち、発電に必要な流量）よりも少なく供給する運転である。これにより、燃料電池１０による発電効率が低下し、発熱量が多くなる。このため、低温環境下においても燃料電池１０を急速に昇温することができる。制御ユニット７０は、冷媒排出マニホールド１７近傍の温度が０℃を超えるまで低効率運転を実行する。

燃料電池１０が発電を開始すると、発電領域が発熱するため、ＭＥＧＡ２２及びＭＥＧＡ２２に隣接するガス流路（例えば、アノードガス流路８）は速やかに昇温する。しかしながら、燃料電池１０の発電領域から離れた領域は、発電領域と比較して昇温し難い。すなわち、連結流路１８の下流区間２０では特に昇温が遅く、発電により生成した液水が下流区間２０内に流入すると、下流区間２０内で凍結し得る。しかしながら、本実施例では、並列流路の一部（すなわち、短流路２０ａ）が他の流路（すなわち、長流路２０ｂ）よりも短い。このため、短流路２０ａに流入した液水は、短流路２０ａから短時間で排出される。したがって、短流路２０ａ内に流入した液水は、短流路２０ａ内でセパレータ６、７に熱を奪われ難く、凍結し難い。このように、この燃料電池システム１００では、並列流路の全てが凍結により閉塞されてしまうことが抑制され、反応ガスの流通を妨げることを抑制することができる。

また、本実施例では、短流路２０ａ内に撥水部材２６が配置されている。この撥水部材２６は、短流路２０ａの内壁よりも高い撥水性を有しているため、液水と撥水部材２６との接触角が大きくなる。すなわち、液水と撥水部材２６との接触面積が低減されるため、液水から撥水部材２６への熱伝導率が低減される。このため、短流路２０ａ内で液水が凍結することをより抑制することができる。さらに、短流路２０ａ内に撥水部材２６が配置されているため、短流路２０ａの流路断面積が小さくなる。このため、短流路２０ａ内を流れる液水の流速が速くなり、液水が短時間で短流路２０ａから排出される。その結果、液水が短流路２０ａ内を流通する過程で液水の熱がセパレータ６、７に奪われ難く、液水が凍結することがさらに抑制される。

以上に説明した通り、本実施例の燃料電池システム１００では、連結流路１８の下流区間２０における複数の並列流路の長さを調整することにより、燃料電池１０を低温環境下で運転させても、反応ガスが流通する流路が凍結してしまうことを効率良く抑制することができる。

上述した実施例では、下流区間２０が２本の短流路２０ａと６本の長流路２０ｂにより構成されていたが、これに限られない。短流路２０ａの本数は、１本であってもよいし、３本以上であってもよい。また、本明細書に開示する技術では、下流区間２０を構成する複数の並列流路の一部が、他の並列流路の流路長より短ければよい。すなわち、下流区間２０では、複数の並列流路の流路長の全てが異なっていてもよい。

また、撥水部材２６は、筒形状に限られない。例えば、図９及び図１０に示すように、短流路２０ａの上下方向の幅又は左右方向の幅を縮小するような細長の撥水部材１２６、２２６を採用してもよい。なお、撥水部材２６は、設けられていなくてもよい。撥水部材２６の配置に代えて、短流路２０ａの内壁に対して、長流路２０ｂの内壁よりも撥水性を高くする表面処理を施してもよい。当該表面処理としては、例えば、テフロンコーティング等が挙げられる。

また、上述した実施例における支持フレーム２４に代えて、図１１及び図１２に示すように、短流路２０ａの流路断面積が、長流路２０ｂの流路断面積よりも小さくなるように構成された支持フレーム１２４、２２４を採用してもよい。このような構成では、短流路２０ａ内を流れる液水の流速が速くなり、液水が短時間で短流路２０ａから排出される。その結果、液水が短流路２０ａ内を流通する過程で液水の熱がセパレータ６、７に奪われ難く、液水が凍結することを抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：電解質膜、２：アノード触媒層、３：カソード触媒層、４：アノード拡散層、５：カソード拡散層、６：アノードセパレータ、７：カソードセパレータ、８：アノードガス流路、９：カソードガス流路、１０：燃料電池、１０ａ：冷媒流路、１０ｂ：冷媒流路、１１：燃料電池セル、１２：アノード供給マニホールド、１３：アノード排出マニホールド、１４：カソード供給マニホールド、１５：カソード排出マニホールド、１６：冷媒供給マニホールド、１７：冷媒排出マニホールド、１８：連結流路、１９：上流区間、２０：下流区間、２０ａ：短流路、２０ｂ：長流路、２２：膜電極ガス拡散層接合体、２４：支持フレーム、２５：ガスケット、２６：撥水部材、３０：燃料ガス系、５０：酸化ガス系、６０：冷却系、７０：制御ユニット、１００：燃料電池システム

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   発電領域に沿って反応ガスを流通させるガス流路が形成されたセパレータを有する燃料電池と、
   前記燃料電池の運転を停止するときに、前記ガス流路に掃気ガスを供給して、前記ガス流路内に滞留する水を排出する掃気運転を実行する制御部と、
   を備えており、
   前記セパレータには、前記ガス流路を通過した反応ガスを排出する排出マニホールドと、前記ガス流路と前記排出マニホールドとを連結する連結流路と、がさらに形成されており、
   前記連結流路の前記排出マニホールドへ接続する下流区間は、並列に配列された複数の並列流路により構成されており、
   前記複数の並列流路の一部である特定流路の流路長が、他の前記並列流路の流路長よりも短い、
   燃料電池システム。
2. 前記特定流路の内壁は、前記他の並列流路の内壁よりも高い撥水性を有している、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記特定流路には、前記特定流路の内壁よりも高い撥水性を有する撥水部材が、前記内壁の少なくとも一部を覆うように配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記撥水部材は、筒形状を有している、請求項３に記載の燃料電池システム。

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