(57)【要約】【課題】簡易な構造で、適切に燃料電池スタックの発電停止時の性能低下を防止することができる燃料電池システム提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、発電を行う燃料電池スタック１と、水素タンク３と、燃料電池スタック１と水素タンク３との間に設けられる水素供給流路Ｌ２と、水素供給流路Ｌ２に設けられ、燃料電池スタック１に流入する水素の圧力を調整するインジェクタ４と、上流側の一端がインジェクタ４の上流に接続されるとともに、下流側の他端がインジェクタ４の下流に接続され、インジェクタ４をバイパスするとともに水素供給流路Ｌ２に接続されるバイパス流路Ｌ３と、バイパス流路Ｌ３に設けられるリリーフ弁１１とを備え、リリーフ弁１１は、リリーフ弁１１の上流の水素の圧力が、リリーフ弁１１の下流の水素の圧力よりも所定の圧Ｐｃ以上の圧力差で高い時に開状態となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記水素を前記燃料電池スタックに供給する水素タンクと、
前記燃料電池スタックと前記水素タンクとの間に設けられ、前記水素が流通する水素供給流路と、
前記水素供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックに流入する前記水素の圧力を調整する圧力調整装置と、
前記圧力調整装置をバイパスするとともに前記水素供給流路に接続されるバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられるリリーフ弁とを備え、
前記バイパス流路において、前記リリーフ弁の上流の前記水素の圧力が前記リリーフ弁の下流の前記水素の圧力よりも高く、かつ、前記リリーフ弁の上流の前記水素の圧力と前記リリーフ弁の下流の前記水素の圧力との間に所定の圧以上の圧力差がある時に、前記リリーフ弁は開状態となる燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス流路には遮断弁が設けられ、前記遮断弁は、前記燃料電池スタックの発電中は閉状態であり、前記燃料電池スタックの発電停止中は開状態である請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業車両等の車両に搭載される燃料電池システムの燃料電池スタックには水素及び空気が供給され、水素と空気中の酸素とが化学反応を起こすことにより発電が行われる。ここで、燃料電池システムが運転を停止して車両が保管されている間、燃料電池スタックに空気が入り込んでしまうと燃料電池スタックのセルが酸化して性能が低下してしまうおそれがある。
【０００３】
そこで、特許文献１では、燃料電池システムの運転停止中であっても燃料電池スタックの性能が低下しないよう、水素供給流路上の２つの閉状態のバルブの間に保持される水素がバイパス流路を介して燃料電池スタックに供給される。そして、供給された水素は燃料電池スタックの中の酸素と反応して酸素を消費し、セルの酸化を防止する。バイパス流路には、燃料電池スタックに供給される水素の流量を少量に制限する流量制限手段としてオリフィスが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０８６９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムの流量制限手段は、バイパス流路から燃料電池スタックに流入する水素の量を、その時点の燃料電池スタック１の水素濃度に応じて適宜調整することはできない。そのため、適切な量の水素を燃料電池スタックに供給することは困難であった。
【０００６】
また一方で、バイパス流路に電磁弁を設け、制御手段がセンサを介して水素供給流路の水素濃度をモニタリングしつつ電磁弁を制御してバイパス流路の水素の流量を調整する方法もある。しかしながら、このように電磁弁を設ける方法を採用すると燃料電池システムの構造が煩雑となってしまい、製造コストが増加してしまう。
【０００７】
この発明は、このような問題を解決するためになされ、簡易な構造で、適切に燃料電池スタックの発電停止時の性能低下を防止することができる燃料電池システム提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、水素と空気中の酸素とを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、水素を燃料電池スタックに供給する水素タンクと、燃料電池スタックと水素タンクとの間に設けられ、水素が流通する水素供給流路と、水素供給流路に設けられ、燃料電池スタックに流入する水素の圧力を調整する圧力調整装置と、圧力調整装置をバイパスするとともに水素供給流路に接続されるバイパス流路と、バイパス流路に設けられるリリーフ弁とを備え、バイパス流路において、リリーフ弁の上流の水素の圧力がリリーフ弁の下流の水素の圧力よりも高く、かつ、リリーフ弁の上流の水素の圧力とリリーフ弁の下流の水素の圧力との間に所定の圧以上の圧力差がある時に、リリーフ弁は開状態となる。
【０００９】
また、バイパス流路には遮断弁が設けられ、遮断弁は、燃料電池スタックの発電中は閉状態であり、燃料電池スタックの発電停止中は開状態であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る燃料電池システムによれば、簡易な構造で、適切に燃料電池スタックの発電停止時の性能低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおけるバイパス流路のリリーフ弁の下流の水素圧ＰＭ及び上流の水素圧ＰＬの推移を示すグラフである。
【図３】この発明の別の実施の形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１のカソード側に空気を供給するエアコンプレッサ２と、燃料電池スタック１のアノード側に水素を供給する水素タンク３とを備える。なお、水素タンク３の内部の水素圧は、例えば、１〜３５ＭＰａである。エアコンプレッサ２と燃料電池スタック１との間には、空気が流通するための空気供給流路Ｌ１が設けられる。また、水素タンク３と燃料電池スタック１との間には、水素が流通するための水素供給流路Ｌ２が設けられる。
【００１３】
空気供給流路Ｌ１には空気遮断弁１６が設けられる。ここで、空気遮断弁１６が開状態の時、エアコンプレッサ２で圧縮された空気は空気供給流路Ｌ１を流通して燃料電池スタック１に供給され、空気遮断弁１６が閉状態の時は、燃料電池スタック１への空気の供給は停止する。
【００１４】
また、水素供給流路Ｌ２には、上流側から下流側に向かって、水素遮断弁１２、減圧弁１３及びインジェクタ４が順次設けられている。ここで、水素遮断弁１２が開状態の時、水素タンク３の内部に貯留される高圧の水素は水素供給流路Ｌ２を流通して燃料電池スタック１に供給され、水素遮断弁１２が閉状態の時は、燃料電池スタック１への水素の供給は停止する。また、減圧弁１３は水素タンク３から流通する高圧の水素を減圧する。また、インジェクタ４は、水素供給流路Ｌ２を流通して燃料電池スタック１に流入する水素の流量及び圧力を調整することができる電磁駆動式の開閉弁である。
ここで、インジェクタ４は圧力調整装置を構成する。
【００１５】
水素供給流路Ｌ２には、インジェクタ４をバイパスするバイパス流路Ｌ３が接続する。バイパス流路Ｌ３の上流側の一端は、減圧弁１３の下流かつインジェクタ４の上流の第一分岐点４ａに接続されている。また、バイパス流路Ｌ３の下流側の他端は、インジェクタ４の下流に設けられる第二分岐点４ｂに接続される。このバイパス流路Ｌ３にはリリーフ弁１１が設けられている。
【００１６】
ここで、水素供給流路Ｌ２の減圧弁１３の下流かつインジェクタ４の上流の部分及びバイパス流路Ｌ３のリリーフ弁１１の上流の部分の水素圧を第一水素圧ＰＭとする。第一水素圧ＰＭは、圧力センサ７ａによって検出される。また、水素供給流路Ｌ２のインジェクタ４の下流及びバイパス流路Ｌ３のリリーフ弁１１の下流の水素圧、すなわち燃料電池スタック１のアノード側の入口の水素圧を第二水素圧ＰＬとする。第二水素圧ＰＬは圧力センサ７ｂによって検出される。具体的には、第一水素圧ＰＭは約０．８５ＭＰａであり、第二水素圧ＰＬは０．１１〜０．３ＭＰａの値をとるものとするが、この値に必ずしも限定されるものではない。なお、第二水素圧ＰＬの下限圧はＰＬＬとする。
【００１７】
また、燃料電池スタック１の排気側には、カソード側に空気排気流路Ｌ４が接続され、アノード側に水素排気流路Ｌ５が接続される。空気排気流路Ｌ４及び水素排気流路Ｌ５は、各々、下流側において希釈器５に接続される。また、空気排気流路Ｌ４には、空気の供給圧力を調整するための空気調圧弁１４が設けられる。さらに、水素排気流路Ｌ５には排出される水素の流量を調整する水素排気弁１５が設けられる。
【００１８】
さらに、水素排気流路Ｌ５の水素排気弁１５の上流には第三分岐点６ａが設けられ、第三分岐点６ａには水素循環流路Ｌ６の一端が接続される。さらに、水素循環流路Ｌ６の他端は水素供給流路Ｌ２の第二分岐点４ｂの下流に設けられる第四分岐点６ｂに接続されている。水素循環流路Ｌ６には水素循環ポンプ６が設けられる。
【００１９】
次に、図１及び２を用いて、燃料電池システム１００の動作について説明する。
まず、燃料電池システム１００が運転中であり、燃料電池スタック１が発電中である時は、インジェクタ４、水素遮断弁１２、減圧弁１３、空気調圧弁１４、水素排気弁１５及び空気遮断弁１６は開状態である。そして、燃料電池スタック１のカソード側には、空気供給流路Ｌ１を介してエアコンプレッサ２から圧縮された空気が供給される。また、水素タンク３の内部の高圧の水素は水素供給流路Ｌ２を流通し、減圧弁１３及びインジェクタ４によって圧力を調整されて燃料電池スタック１のアノード側に送り込まれる。燃料電池スタック１では、水素と空気中の酸素とが化学反応を起こして発電が行われるとともに水が生成される。
【００２０】
そして、燃料電池スタック１のカソード側及びアノード側の排気は、各々、空気排気流路Ｌ４及び水素排気流路Ｌ５に流出する。空気排気流路Ｌ４には、未反応の酸素を含む空気が流通し、希釈器５に流入する。また、未反応の水素は水素排気流路Ｌ５を流通するとともに、その一部は、水素循環流路Ｌ６を介して水素供給流路Ｌ２の水素と合流し、燃料電池スタック１に再び流入する。そして、水素排気流路Ｌ５を流通する残りの水素は希釈器５に流入し、空気排気流路Ｌ４から流入した空気によって希釈されて外部に排出される。
【００２１】
また、燃料電池システム１００の運転停止時、すなわち燃料電池スタック１が発電停止中の時は、インジェクタ４、水素遮断弁１２、減圧弁１３、空気調圧弁１４、水素排気弁１５及び空気遮断弁１６は閉状態である。水素供給流路Ｌ２及びバイパス流路Ｌ３には、水素が残留している。ここで、図２に示すように、燃料電池システム１００が運転を停止している時、すなわち燃料電池スタック１が発電を停止している状態において、第一水素圧ＰＭは第二水素圧ＰＬよりも高い圧力となる。また、バイパス流路Ｌ３のリリーフ弁１１は、上流の第一水素圧ＰＭと下流の第二水素圧ＰＬとの圧力差が所定の圧Ｐｃ以上となると閉状態から開状態に切り替わるものとする。ここで、燃料電池スタック１の発電中におけるインジェクタ４の上流の第一水素圧ＰＭと下流の第二水素圧ＰＬとの間の最大の圧力差を発電時最大圧力差ｄＰ１とすると、圧Ｐｃは発電時最大圧力差ｄＰ１よりも大きい。これにより、燃料電池スタック１が発電中の時はリリーフ弁１１が開状態となることはない。言い換えれば、このようにして、所定の圧Ｐｃ（リリーフ弁１１のクラッキング圧）が決定される。
【００２２】
さらに、燃料電池スタック１の発電停止中に、燃料電池スタック１の内部に空気が入り込むと、浸入した空気に含まれる酸素が燃料電池スタック１内部に残留している水素と反応して水が生成される。そして、その分、図２に示すように、燃料電池スタック１のアノード側の入口の第二水素圧ＰＬは徐々に低下していく。その結果、時間ｔ１経過後に第一水素圧ＰＭと第二水素圧ＰＬとの差圧が圧Ｐｃに達し、リリーフ弁１１が開状態となる。そして、インジェクタ４の上流側に残留する水素が、バイパス流路Ｌ３を介してインジェクタ４の下流側、すなわち燃料電池スタック１のアノード側の入口に供給される。これにより、第一水素圧ＰＭは下がり、第二水素圧ＰＬは上がるため、第一水素圧ＰＭと第二水素圧ＰＬとの差圧は圧Ｐｃより小さくなってリリーフ弁１１は再び閉状態となる。
【００２３】
そして、再び第二水素圧ＰＬは徐々に低下していき、時間ｔ２経過後に第一水素圧ＰＭと第二水素圧ＰＬとの差圧が圧Ｐｃに達して、リリーフ弁１１が開状態となる。その後、再び第一水素圧ＰＭと第二水素圧ＰＬとの差圧は圧Ｐｃより小さくなってリリーフ弁１１は閉状態となる。そしてさらに、時間ｔ３経過後にも、同様の原理でリリーフ弁１１は開状態と閉状態とに切り替わる動作を行う。すなわち、図２に示すように、ほぼ一定の周期でリリーフ弁１１は閉状態から開状態に切り替わった後、すぐに再び閉状態となり、その都度、第一水素圧ＰＭは低下するとともに第二水素圧ＰＬは一時的に上昇する。
【００２４】
以上より、この実施の形態に係る燃料電池システム１００は、インジェクタ４をバイパスするバイパス流路Ｌ３にリリーフ弁１１を有し、リリーフ弁１１は第一水素圧ＰＭと第二水素圧ＰＬとの差圧が所定の圧Ｐｃを超えると閉状態から開状態に切り替わる。これによって、図２に示すように、第二水素圧ＰＬが下限圧ＰＬＬに達しない範囲で、インジェクタ４の上流に残留している水素が燃料電池スタック１に供給される。従って、排気側から燃料電池スタック１に入り込んだ空気中の酸素は、燃料電池スタック１に供給された水素と反応して消費されるため、燃料電池スタック１の酸化による劣化や性能の低下が防止される。また、リリーフ弁１１は、第一水素圧ＰＭと第二水素圧ＰＬとの差圧に応じて開閉するため、リリーフ弁１１の開閉を電気的に制御したり、第一水素圧ＰＭ及び第二水素圧ＰＬをセンサを用いてモニタリングしたりする必要がない。従って、燃料電池システム１００では、簡易な構造で確実に燃料電池スタック１の性能の低下を防止することができるため、燃料電池システム１００の構造を複雑にしたり、排気側の空気調圧弁１４のシール性能を向上させたりする必要もない。
【００２５】
なお、図１に示す燃料電池システム１００の構成に限定されず、図２に示す燃料電池システム２００のように、バイパス流路Ｌ３には、リリーフ弁１１の上流側にバイパス側遮断弁２１が設けられていてもよい。バイパス側遮断弁２１は、車両のキーがＯＮの時、すなわち燃料電池スタック１が発電中の時は閉状態であり、車両のキーがＯＦＦの時、すなわち燃料電池スタック１が発電を停止している時は開状態となる。これによって、燃料電池システム１００の駆動中にリリーフ弁１１が開状態となってしまうことを防止することができる。また、圧Ｐｃを必ずしも発電時最大圧力差ｄＰ１よりも大きく設定する必要がないため、燃料電池スタック１の発電停止中の第一水素圧ＰＭ及び第二水素圧ＰＬの変動範囲をより自由に設定することができる。
【００２６】
また、燃料電池システム１００，２００において、燃料電池スタック１の発電が停止している間、水素遮断弁１２及び減圧弁１３を常に開状態としていてもよい。これにより、インジェクタ４の上流には常に水素が供給され、リリーフ弁１１が開状態となった際も第一水素圧ＰＭは低下せずに一定の圧力が保たれる。また、発電停止時の燃料電池スタック１の性能の低下を抑止することができる時間がより延長される。
【符号の説明】
【００２７】
１  燃料電池スタック、３  水素タンク、４  インジェクタ（圧力調整装置）、１１  リリーフ弁、２１  バイパス側遮断弁（遮断弁）、１００，２００  燃料電池システム、Ｌ２  水素供給流路、Ｌ３  バイパス流路、Ｐｃ  所定の圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018073568.tif 000005