(57)【要約】      （修正有）【課題】料電池の運転停止中に燃料電池内での凝縮水が生成されることが抑制された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１は、燃料電池と、外気からの空気を燃料電池に供給する第１通路４０と、燃料電池からの空気を外気に排出する第２通路５０と、第１通路を開閉する第１弁６０と、第２通路を開閉する第２弁７０と、一端が外気に開放され、他端が第１通路の第１弁よりも下流側又は第２通路の第２弁よりも上流側に連通した第３通路８０と、第３通路内に配置された乾燥剤８５と、第３通路を開閉する第３弁８１、８３と、を備える。燃料電池の運転中には、第１弁及び第２弁は開き、燃料電池の運転が停止中であり燃料電池のカソード側の内圧が外気圧よりも低い場合に、第１弁及び第２弁が閉じた状態で第３弁が開く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
外気からの空気を前記燃料電池に供給する第１通路と、
前記燃料電池からの空気を外気に排出する第２通路と、
前記第１通路を開閉する第１弁と、
前記第２通路を開閉する第２弁と、
一端が外気に開放され、他端が前記第１通路の前記第１弁よりも下流側又は前記第２通路の前記第２弁よりも上流側に連通した第３通路と、
前記第３通路内に配置された乾燥剤と、
前記第３通路を開閉する第３弁と、を備え、
前記燃料電池の運転中には、前記第１及び第２弁は開き、
前記燃料電池の運転が停止中であり前記燃料電池のカソード側の内圧が外気圧よりも低い場合に、前記第１及び第２弁が閉じた状態で前記第３弁は開く、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の停止中に、燃料電池のアノード側に除湿剤が接続される技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１４−５０３９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する供給通路や、燃料電池のカソードからの酸化剤ガスを排出する排出通路は、外気に開放されている場合がある。このような構成において、燃料電池の運転停止後に燃料電池の温度が低下すると、燃料電池内の気体が収縮して、湿度の高い外気が供給通路や排出通路を介して燃料電池内に侵入する可能性がある。これにより、燃料電池内で凝縮水が生成されて凝縮水が凍結し、燃料電池の性能に影響を及ぼす可能性がある。
【０００５】
本発明は、燃料電池の運転停止中に燃料電池内での凝縮水が生成されることが抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、燃料電池と、外気からの空気を前記燃料電池に供給する第１通路と、前記燃料電池からの空気を外気に排出する第２通路と、前記第１通路を開閉する第１弁と、前記第２通路を開閉する第２弁と、一端が外気に開放され、他端が前記第１通路の前記第１弁よりも下流側又は前記第２通路の前記第２弁よりも上流側に連通した第３通路と、前記第３通路内に配置された乾燥剤と、前記第３通路を開閉する第３弁と、を備え、前記燃料電池の運転中には、前記第１及び第２弁は開き、前記燃料電池の運転が停止中であり前記燃料電池のカソード側の内圧が外気圧よりも低い場合に、前記第１及び第２弁が閉じた状態で前記第３弁は開く、燃料電池システムによって達成できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の運転停止中に燃料電池内での凝縮水が生成されることが抑制された燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１Ａ及び図１Ｂは、本実施例の燃料電池システムの説明図である。
【図２】図２は、制御装置が実行する制御の一例を示したフローチャートである。
【図３】図３は、比較例の燃料電池システムの説明図である。
【図４】図４Ａは、第１変形例の燃料電池システムの説明図であり、図４Ｂは、第２変形例の燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施例の燃料電池システム１の説明図である。燃料電池システム１は、空冷式の燃料電池スタック（以下、燃料電池と称する）ＦＣ、供給ダクト４０、排出ダクト５０、供給シャッタ弁６０、排出シャッタ弁７０、吸湿通路８０、ファンＦ、外気圧センサＡＰ、内圧センサＢＰ、制御装置１００を含む。
【００１０】
燃料電池ＦＣは、反応ガスである水素及び酸素の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、液体ではなく空気によって冷却される空冷式である。燃料電池ＦＣのアノード側には、タンクに貯蔵された水素が供給される。燃料電池ＦＣのカソード側には、供給ダクト４０を介して外気から空気が供給される。また、外気圧センサＡＰは、外気圧を検出する。内圧センサＢＰは、燃料電池ＦＣのカソード側の内圧を検出する。尚、本明細書において、単に「燃料電池ＦＣの内圧」と称するときは、燃料電池ＦＣのカソード側の内圧を意味する。
【００１１】
供給ダクト４０は、一端が外気に開放され、他端が燃料電池ＦＣに接続されている。同様に、排出ダクト５０は、一端が外気に開放され、他端が燃料電池ＦＣに接続されている。供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０は、それぞれ供給ダクト４０及び排出ダクト５０を開閉する。ファンＦは、排出ダクト５０内に設けられている。供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が開いた状態でファンＦが回転することにより、供給ダクト４０を介して燃料電池ＦＣに外気から空気が供給され、燃料電池ＦＣを通過した空気が排出ダクト５０を介して外気へ排出される。このようにして燃料電池ＦＣに発電に供される酸素が供給されると共に燃料電池ＦＣが冷却される。図１Ａには、供給ダクト４０内で燃料電池ＦＣに向かい、排出ダクト５０から排出される空気の方向を矢印で示している。
【００１２】
供給ダクト４０は、外気からの空気を燃料電池ＦＣに供給する第１通路の一例である。排出ダクト５０は、燃料電池ＦＣからの空気を外気に排出する第２通路の一例である。供給シャッタ弁６０は、供給ダクト４０を開閉する第１弁の一例である。排出シャッタ弁７０は、排出ダクト５０を開閉する第２弁の一例である。
【００１３】
吸湿通路８０は、一端が外気に開放され、他端が供給ダクト４０の供給シャッタ弁６０よりも下流側に連通している。吸湿通路８０には、外気側から供給ダクト４０側に、電磁駆動式の開閉弁８１及び８３が順に設けられている。開閉弁８１及び８３は、それぞれ吸湿通路８０を開閉する。開閉弁８１及び８３との間の吸湿通路８０内には、乾燥剤８５が設けられている。乾燥剤８５は、開閉弁８１及び８３が開いた状態で、吸湿通路８０内の空気の通過を妨げないように配置されている。乾燥剤８５は、例えばシリカゲル等のデシカント式が望ましい。
【００１４】
吸湿通路８０は、一端が外気に開放され、他端が供給ダクト４０の供給シャッタ弁６０よりも下流側又は排出ダクト５０の排出ダクト５０よりも上流側に連通した第３通路の一例である。開閉弁８１及び８３は、吸湿通路８０を開閉する第３弁の一例である。
【００１５】
制御装置１００は、供給シャッタ弁６０、排出シャッタ弁７０、開閉弁８１及び８３、燃料電池ＦＣに電気的に接続され、これらを制御する。また、制御装置１００は、外気圧センサＡＰや内圧センサＢＰに電気的に接続され、これらセンサの検出値を取得する。
【００１６】
図１Ａは、燃料電池ＦＣの運転中の状態を示している。燃料電池ＦＣの運転中には、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が開き、開閉弁８１及び８３は閉じた状態でファンＦが回転して、外気からの空気が燃料電池ＦＣに供給される。図１Ｂは、燃料電池ＦＣの運転停止中であって後述する所定の条件下での状態を示している。図１Ｂでは、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じ、開閉弁８１及び８３が開いている。詳しくは以下で説明する。
【００１７】
図２は、制御装置１００が実行する制御の一例を示したフローチャートである。この制御は、所定の周期毎に繰り返し実行される。最初に、燃料電池ＦＣが運転停止中であるか否かが判定され（ステップＳ１）、否定判定の場合には本制御は終了される。肯定判定の場合には、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じられる（ステップＳ３）。
【００１８】
次に、外気圧センサＡＰ及び内圧センサＢＰの検出値に基づいて、燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも低いが否かが判定される（ステップＳ５）。燃料電池ＦＣの運転の停止中に燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも低くなる理由は、以下による。運転中に高温となった燃料電池ＦＣの運転が停止されて供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じられると、燃料電池ＦＣの温度が低下し、燃料電池ＦＣ内の空気が収縮する。この状態で開閉弁８１及び８３も閉じた状態であるため、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０や開閉弁８３により封止された供給ダクト４０及び排出ダクト５０内の空間内の空気も、同様に温度が低下して収縮する。このようにして、燃料電池ＦＣ内の空気が収縮して、燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも低下する。
【００１９】
ステップＳ５で肯定判定の場合には、開閉弁８１及び８３が開かれる（ステップＳ７）。ここで、ステップＳ５で肯定判定の場合とは、上述したように供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じた状態で供給ダクト４０及び排出ダクト５０の内圧が外気圧よりも低い状態にある。従って、この状態で開閉弁８１及び８３が開かれることにより、外気からの空気が吸湿通路８０を介して供給ダクト４０内に導入される。これにより、外気からの空気が燃料電池ＦＣ内のカソード側にも侵入し、供給ダクト４０や排出ダクト５０の内圧や燃料電池ＦＣの内圧が外気圧に近づくように上昇する。尚、この空気は、吸湿通路８０内の乾燥剤８５を通過している。
【００２０】
ステップＳ５で否定判定の場合には、開閉弁８１及び８３は閉じられる（ステップＳ９）。従って、ステップＳ７で開閉弁８１及び８３が開かれて、燃料電池ＦＣの内圧が外気圧以上になると、開閉弁８１及び８３は閉じられる。以上のように、燃料電池ＦＣの運転停止中は、燃料電池ＦＣの内圧が外気圧にまで上昇するように、開閉弁８１及び８１の開閉が制御される。
【００２１】
次に、本実施例の上記構成による効果について、比較例を用いて説明する。図３は、比較例である燃料電池システム１ｘの説明図である。尚、比較例については、本実施例と同一構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。燃料電池システム１ｘには、本実施例と異なり、吸湿通路８０や乾燥剤８５は設けられていない。例えば燃料電池ＦＣが運転状態から停止状態に移行して供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じられた後に、燃料電池ＦＣの温度が低下して燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも低下する可能性がある。このような場合には、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じられた状態であっても、図３に示すように外気の空気が供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０の羽根の隙間等を介して燃料電池ＦＣ内に侵入する可能性がある。ここで、湿度の高い空気が燃料電池ＦＣ内に侵入すると、その後に燃料電池ＦＣ内で凝縮水が生成されて、外気温度によっては燃料電池ＦＣ内で凝縮水が凍結する可能性がある。これにより、燃料電池ＦＣの性能に影響を与える可能性がある。
【００２２】
これに対して、本実施例では、外気からの空気が、吸湿通路８０内に配置された乾燥剤８５を通過して吸湿され、この吸湿された空気が燃料電池ＦＣ内に侵入する。これにより、燃料電池ＦＣ内での凝縮水の発生が抑制され、燃料電池ＦＣ内で凝縮水の凍結も抑制される。尚、乾燥剤８５を通過した空気が供給ダクト４０や排出ダクト５０内に導入されることにより、燃料電池ＦＣの内圧は外気圧にまで上昇するため、乾燥剤８５を通過しない外気の空気が供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０の隙間等を介して燃料電池ＦＣ内に侵入することが抑制される。これによっても、燃料電池ＦＣ内での凝縮水の発生が抑制される。
【００２３】
また、比較例において、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０をシール性が優れた弁に変更することにより、上記の問題は抑制される。しかしながらそのような弁は高価であり、製造コストが増大する可能性がある。また、供給ダクト４０ｘ及び排出ダクト５０内のそれぞれに乾燥剤を配置することも考えられる。しかしながらこの場合、燃料電池ＦＣの運転中において供給ダクト４０ｘ及び排出ダクト５０内での空気の圧損が増大する可能性がある。また、燃料電池ＦＣの運転中には供給ダクト４０ｘや排出ダクト５０内に多量の空気が流通するため、乾燥剤が吸湿し過ぎて、燃料電池ＦＣの停止時には乾燥剤の吸湿性能が既に低下している可能性がある。
【００２４】
これに対して本実施例では、供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０がシール性の低い安価なものであっても、乾燥剤８５を通過した空気のみが燃料電池ＦＣ内へ侵入するため、製造コストの増大を抑制できる。
【００２５】
また、本実施例では、供給ダクト４０及び排出ダクト５０内には乾燥剤８５は設けられていないため、供給ダクト４０及び排出ダクト５０内での空気の圧損の増大も抑制されている。また、燃料電池ＦＣの運転中には開閉弁８１及び８３は閉じているため、乾燥剤８５を多量に通過することはなく、乾燥剤８５の吸湿性能の低下も抑制されている。
【００２６】
また、ステップＳ７で開閉弁８１及び８３が開かれたことにより燃料電池ＦＣの内圧が上昇して外気圧と等しくなると、開閉弁８１及び８３は再び閉じられる。このため、燃料電池ＦＣが過度に乾燥状態となることが抑制され、次回の燃料電池ＦＣの始動時に、過乾燥により燃料電池ＦＣの始動時間が伸びることが抑制される。
【００２７】
尚、上記実施例では、開閉弁８１及び８３の何れか一方のみが設けられていてもよい。例えば開閉弁８３のみが設けられている場合、乾燥剤８５は吸湿通路８０の一端から外気に晒されるが、燃料電池ＦＣの運転中では開閉弁８３は閉じられているため、吸湿通路８０内に多量の空気が流通することはない。また、例えば開閉弁８１のみが設けられている場合には、燃料電池ＦＣの運転中では乾燥剤８５は供給ダクト４０内を通過する空気に晒されるが、開閉弁８１が閉じているため、吸湿通路８０を多量の空気が流通することはない。以上により乾燥剤８５の吸湿性能の低下が抑制される。
【００２８】
上記実施例では、ステップＳ５では、燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも所定値以上低いか否かを判定してもよい。
【００２９】
次に、複数の変形例について説明する。尚、変形例においても同一の構成については、同一の符号を用いて説明する。図４Ａは、第１変形例の燃料電池システム１ａの説明図である。燃料電池システム１ａでは、供給ダクト４０ａには吸湿通路８０は設けられておらず、排出ダクト５０ａに連通している。このような構成であっても、燃料電池ＦＣの運転停止中であり供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じられた状態で燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも低い場合に開閉弁８１及び８３を開くことにより、乾燥剤８５により吸湿された空気が排出ダクト５０ａを介して燃料電池ＦＣ内に侵入する。これにより、運転停止中での燃料電池ＦＣ内での凝縮水の生成が抑制される。
【００３０】
図４Ｂは、第２変形例の燃料電池システム１ｂの説明図である。燃料電池システム１ｂでは、燃料電池システム１ａと同様に、供給ダクト４０ａに吸湿通路８０は設けられておらず、排出ダクト５０ａに吸湿通路８０が連通している。ここで、開閉弁８３は、乾燥剤８５よりも排出ダクト５０ａ側の吸湿通路８０に設けられている。燃料電池ＦＣの運転中では、開閉弁８３は開いた状態に維持される。これにより、燃料電池ＦＣの運転中において、燃料電池ＦＣの発電に伴う熱を受けて高温となった空気が排出ダクト５０ａを介して吸湿通路８０から外部へと排出される。従って、乾燥剤８５には、燃料電池ＦＣを通過した高温の空気の一部が通過するため、乾燥剤８５の乾燥が促進され、乾燥剤８５の吸湿性能の低下が抑制される。尚、燃料電池ＦＣの温度を検出する温度センサを更に備え、燃料電池の温度が所定温度以上であるときのみ、開閉弁８３を開いた状態とし、燃料電池から排出される空気を流通させてもよい。
【００３１】
また、燃料電池システム１ｂにおいても、燃料電池ＦＣの運転停止中に供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じられ燃料電池ＦＣの内圧が外気圧よりも低下した場合に開閉弁８３が開かれる。これにより、運転停止中での燃料電池ＦＣ内での凝縮水の生成が抑制される。尚、第２変形例においても、開閉弁８３の代わりに、乾燥剤８５よりも外気側の開閉弁８１を設けてもよい。
【００３２】
上記実施例や第１変形例では、電磁駆動式の開閉弁８１及び８３を用いたが、電磁駆動式の開閉弁８１及び８３の代わりに、バネ駆動式の開閉弁を用いてもよい。バネ駆動式の開閉弁とは、例えば、外気側からの空気の流通は許容するが逆方向の流れを規制する逆止弁であり、例えばフラップ弁等である。バネ駆動式の開閉弁は、燃料電池ＦＣの運転停止中に供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０が閉じた状態で供給ダクト４０及び排出ダクト５０側の内圧が外気圧よりも所定値以上低下した場合に、バネの付勢力に抗して吸湿通路８０を開く開閉弁である。このような安価なバネ駆動式の開閉弁を用いることにより、製造コストの増大を抑制できる。また、バネ駆動式の開閉弁の開閉制御のために、内圧センサＢＰ及び外気圧センサＡＰを設ける必要もないため、これによっても製造コストの増大を抑制できる。更に、バネ駆動式の開閉弁は、制御装置１００によりその駆動が制御されるものではないため、制御装置１００の処理負荷も低減される。
【００３３】
上記実施例や第１及び第２変形例では、内圧センサＢＰは燃料電池ＦＣ内に設けられているが、例えば、供給シャッタ弁６０よりも下流側の供給ダクト４０又は４０ａ内に設けてもよいし、排出シャッタ弁７０よりも上流側の排出ダクト５０又は５０ａ内に設けてもよい。燃料電池ＦＣの運転停止中であって供給シャッタ弁６０及び排出シャッタ弁７０や開閉弁８１及び８３が閉じられた状態では、燃料電池ＦＣのカソード側の内圧は、供給ダクト４０又は４０ａや排出ダクト５０又は５０ａの内圧と略同じとなるからである。
【００３４】
上記実施例や第１及び第２変形例において、乾燥剤８５の性能を回復させるためのヒータを乾燥剤８５近傍に設けてもよい。また、ファンＦは排出ダクト５０内に配置されているが、供給ダクト４０内に配置されていてもよい。また、燃料電池ＦＣは空冷式であるが、水冷式であってもよい。
【００３５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池システム
４０  供給ダクト（第１通路）
５０  排出ダクト（第２通路）
６０  供給シャッタ弁（第１弁）
７０  排出シャッタ弁（第２弁）
８０  吸湿通路（第３通路）
８１、８３  開閉弁（第３弁）
８５  乾燥剤
ＦＣ  燃料電池
ＡＰ  外気圧センサ
ＢＰ  内圧センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2018125151.tif 000006