(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、外気温度が所定の温度以上の場合には、ポンプ等の負荷を抑えることである。【解決手段】燃料電池１２へガスを圧送するエアコンプレッサ５４等と、燃料電池１２に接続され、エアコンプレッサ５４等で圧送され排気されるガスを所定部品へ搬送するガス排気配管５０と、を備え、所定部品を排気されるガスで加熱して、凍結を防止する燃料電池システム１０であって、外気温度を測定する外気温度センサ６０を含み、ガス排気配管５０は、燃料電池１２と所定部品との間に、排気されるガスを大気へ開放する切替弁６２等を有し、外気温度が所定温度以上の場合には、切替弁６２等で、排気されるガスを大気へ開放してエアコンプレッサ５４等の負荷を抑える。ガスは、酸化剤ガスであることが好ましい。【選択図】図１
2008130403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へガスを圧送する圧送手段と、
燃料電池に接続され、圧送手段で圧送され排気されるガスを所定部品へ搬送するガス搬送路と、
を備え、
所定部品を排気されるガスで加熱して、凍結を防止する燃料電池システムであって、
外気温度を測定する温度測定手段を含み、
ガス搬送路は、燃料電池と所定部品との間に、排気されるガスを大気へ開放する切替手段を有し、
外気温度が所定温度以上の場合には、切替手段で、排気されるガスを大気へ開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
【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係り、特に、燃料電池へガスを圧送する圧送手段と、燃料電池に接続され、圧送手段で圧送され排気されるガスを所定部品へ搬送するガス搬送路と、を備え、所定部品を排気されるガスで加熱して、凍結を防止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、高効率と優れた環境特性を有する電池として近年脚光を浴びている。燃料電池は、一般的に、燃料ガスである水素に、酸化剤ガスである空気中の酸素を電気化学反応させて、電気エネルギをつくりだしている。そして、水素と酸素とが電気化学反応した結果、水が生成される。
【０００３】
燃料電池の種類には、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、アルカリ型、固体高分子型等がある。この中でも、常温で起動しかつ起動時間が速い等の利点を有する固体高分子型の燃料電池を使用した燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムは、例えば、車両、特に、電気自動車等の動力源として用いられている。
【０００４】
固体高分子型の燃料電池は、一般的に、６０℃から１００℃で作動する。そのため、燃料電池から排気される燃料ガスや酸化剤ガスが有する熱の有効利用が行われている。例えば、特許文献１には、燃料電池のスタック内に二重管構造の空気予熱器と燃料ガス予熱器とを備えて、空気予熱器の二重管の一方側に発電前の低温の空気を、他方側に発電済みで高温の空気または燃料ガスの一方を流すとともに、燃料ガス予熱器の二重管の一方側に発電前の燃料ガスを、他方側に発電済みの空気または燃料ガスの他方をそれぞれ流し、スタック内で発電済みの空気や燃料ガスが有する熱の有効利用が図られることが示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−１６３０６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池システムを、例えば、寒冷地の屋外等の低温環境下で作動させる場合には、燃料電池システム内のバルブや配管等の所定部品が凍結する可能性がある。そのため、燃料電池から排気される燃料ガスや酸化剤ガスでバルブや配管等の所定部品を加熱して、凍結を防止することが行われている。そのため、排気される燃料ガスや酸化剤ガスやは、配管等で所定部品まで搬送される。
【０００７】
しかし、低温環境下でなく、燃料電池システム内のバルブや配管等が閉塞する可能性が少ない場合にも、排気される酸化剤ガスや燃料ガスは配管等で所定部品まで搬送されるため、ポンプ等の圧送手段における負荷が大きくなり、燃料電池システムの効率が低下する場合がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、外気温度が所定温度以上の場合には、圧送手段の負荷を抑える燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池へガスを圧送する圧送手段と、燃料電池に接続され、圧送手段で圧送され排気されるガスを所定部品へ搬送するガス搬送路と、を備え、所定部品を排気されるガスで加熱して、凍結を防止する燃料電池システムであって、外気温度を測定する温度測定手段を含み、ガス搬送路は、燃料電池と所定部品との間に、排気されるガスを大気へ開放する切替手段を有し、外気温度が所定温度以上の場合には、切替手段で、排気されるガスを大気へ開放することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように本発明に係る燃料電池システムによれば、外気温度が所定の温度以上の場合には、燃料電池から排気されるガスを所定部品まで搬送せずに大気へ開放することができるので、圧送手段の負荷を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。図１は、燃料電池システム１０の構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガス供給装置１６と、制御部１８とを含んで構成される。
【００１３】
燃料電池１２は、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである酸素との電気化学反応によって発電する機能を有している。燃料電池１２、例えば、固体高分子型の燃料電池１２は、複数個の単セルを積み重ねて組み立てたスタックを含んで構成される。ここで、単セルは、電解質膜の両側にそれぞれ触媒層が積層され、各々の触媒層にガス拡散層が積層された膜電極接合体に、更に、セパレータが積層されて組み立てられる。そして、このようなスタックの両側に集電板を設けることにより、集電板から電流を取り出すことができる。
【００１４】
電解質膜は、アノード極側で発生した水素イオンをカソード極側まで移動させる機能等を有している。電解質膜の材料は、化学的に安定であるフッ素系樹脂、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜が使用される。パーフルオロカーボンスルホン酸のイオン交換膜としては、ナフィオン膜（デュポン社の登録商標）等を用いることができる。
【００１５】
触媒層は、アノード極側での水素の酸化反応やカソード極側での酸素の還元反応を促進する機能を有している。そして、触媒層は、触媒と触媒の担体とを含んで構成される。触媒は、反応させる電極面積を大きくするため、一般的に粒子状にして、触媒の担体に付着して使用される。触媒には、水素の酸化反応や酸素の還元反応について、小さい活性化過電圧を有する白金族元素である白金等が使用される。触媒の担体としては、カーボン材料、例えば、カーボンブラック等が使用される。
【００１６】
ガス拡散層は、燃料である水素や酸化剤である酸素を触媒層に拡散させる機能や、電子を移動させる機能等を有している。そして、ガス拡散層には、導電性を有する材料であるカーボン繊維織布、カーボン紙等を使用することができる。そして、膜電極接合体は、電解質膜と、触媒層と、ガス拡散層とを積層し、ヒートプレス等することにより製造することができる。
【００１７】
セパレータは、膜電極接合体のガス拡散層に積層され、隣設する単セルにおける燃料ガスである水素と酸化剤である空気とを分離する機能を有している。また、セパレータは、一方の単セルと他方の単セルとを電気的に接続する機能を有している。セパレータは、例えば、チタンシートやステンレスシート等をプレス加工することにより成形することができる。
【００１８】
燃料電池システム１０の冷却系統には、冷却水を循環させる冷却配管２０、燃料電池１２から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ（図示せず）、冷却水の熱を外部に放熱するラジエタ２２、ラジエタ２２へ流入する冷却水量を調整する冷却水量調整バルブ（図示せず）、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ２４等が設けられる。
【００１９】
冷却水量調整バルブ（図示せず）は、燃料電池１２を冷却する場合には、制御部１８の制御に基づいてラジエタ２２へ流入する冷却水量を増加させ、ラジエタ２２によって冷却された冷却水を燃料電池１２に供給する。一方、冷却水量調整バルブ（図示せず）は、燃料電池１２を暖機する場合には、制御部１８の制御に基づいて、ラジエタ２２へ流入する冷却水量を減少させ、ラジエタ２２による冷却が抑制された冷却水を燃料電池１２に供給する。
【００２０】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統は、燃料電池１２のアノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給配管２６と、燃料電池１２のアノードから排気される燃料ガスを燃料ガス供給配管２６に循環させるための燃料ガス循環配管２８とを備える。
【００２１】
燃料ガス供給配管２６には、燃料ガス供給装置１４からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁３０、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ３２、燃料ガスの圧力調整を行う燃料ガス用圧力調整弁３４、燃料電池１２の燃料ガス供給口を開閉する遮断弁（図示せず）等が設置される。燃料ガス供給装置１４は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器等により構成される。
【００２２】
燃料ガス循環配管２８には、燃料ガスを排出する遮断弁（図示せず）、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ３５、モータによって駆動される循環ポンプ３６、燃料ガス供給配管２６の燃料ガスが燃料ガス循環配管２８側に逆流することを防止する逆止弁３８等が設置される。循環ポンプ３６は、制御部１８の制御に基づいて、燃料電池１２のアノードを通過する際に圧力損失を受けた燃料ガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス供給配管２６に還流させる。燃料ガスは、燃料ガス供給配管２６で燃料ガス供給装置１４から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池１２に供給されて再利用される。
【００２３】
燃料ガス循環配管２８には、燃料ガス循環系統から排気された燃料ガスを図示しない希釈器（例えば、水素濃度低減装置）を介して車外に排気するための燃料ガス排気配管４０が分岐される。燃料ガス排気配管４０には排気弁４１が設置されており、排気弁４１を開閉することで、燃料電池１２内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料ガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入して燃料電池１２の電圧の低下を防止することができる。
【００２４】
燃料ガス排気配管４０は、低温環境下で凍結しやすい部位を２重管４２にすることができる。２重管４２は内管４４と外管４６とを含んで構成され、２重管４２の外管４６には、後述する酸化剤ガス排気配管５０が接続される。内管４４に排気された燃料ガスを流し、内管４４と外管４６との間に、燃料電池１２から排気された酸化剤ガスを流すことにより、内管４４を排気された酸化剤ガスで加熱することができる。それにより、燃料ガス排気配管４０の凍結を抑えることができる。勿論、他の条件次第では、排気される酸化剤ガスで燃料ガス排気配管４０を加熱する構造は、２重管に限定されることはない。
【００２５】
燃料電池システム１０の酸化剤ガス供給系統には、燃料電池１２のカソードに酸化剤ガスを供給する機能を有する酸化剤ガス供給配管４８と、燃料電池１２のカソードから排気される酸化剤ガスを、燃料ガス排気配管４０へ搬送する機能を有する酸化剤ガス排気配管５０と、圧縮空気を酸化剤ガスとして酸化剤ガス供給配管４８に供給する酸化剤ガス供給装置１６とを備える。
【００２６】
酸化剤ガス供給装置１６は、大気から取り込んだ空気に含まれる粉塵等を除去するエアフィルタ５２と、モータによって駆動され、酸化剤ガスを圧送する圧送手段としての機能を有するポンプまたはエアコンプレッサ５４とを含んで構成される。また、酸化剤ガス供給配管４８または酸化剤ガス排気配管５０には、酸化剤ガスの圧力を検出する圧力センサ４５等が設けられる。
【００２７】
加湿器５６は、酸化剤ガス供給装置１６と燃料電池１２との間に配置され、燃料電池１２の電気化学反応で生じた生成水によって高湿潤状態となった酸化剤ガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化剤ガスとの間で水分交換を行う機能を有している。そして、加湿器５６により、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化剤ガスを加湿することができる。
【００２８】
酸化剤ガス用圧力調整弁５８は、酸化剤ガス供給配管４８または酸化剤ガス排気配管５０に配置され、カソードの酸化剤ガス圧力を調圧する機能を有している。酸化剤ガス用圧力調整弁５８には、一般的に、空気等のガスの調圧に用いられる電磁弁等を用いることができる。
【００２９】
酸化剤ガス排気配管５０は、燃料ガス排気配管４０における２重管４２の外管４６に接続される。そして、燃料電池１２から排気される酸化剤ガスは、２重管４２の外管４６と内管４４との間を流れて、内管４４を加熱した後、車外に排気される。
【００３０】
外気温度センサ６０は、外気温度を測定する温度測定手段としての機能を有し、燃料電池システム１０に設けられる。外気温度センサ６０で測定された外気温度データは制御部１８へ送られる。外気温度センサ６０には、一般的な温度計や熱電対等を使用することができる。
【００３１】
切替弁６２は、酸化剤ガス排気配管５０に設けられ、排気される酸化剤ガスを大気へ開放する切替手段としての機能を有している。そして、切替弁６２は、燃料電池１２と燃料ガス排気配管４０との間に設けられる。外気温度が所定温度以上の場合には、燃料ガス排気配管４０が凍結する可能性が少ないため、排気される酸化剤ガスを燃料ガス排気配管４０まで搬送せずに、燃料電池１２と燃料ガス排気配管４０との間で切替弁６２で切替えて大気開放する。それにより、排気される酸化剤ガスを搬送する経路が短縮されるため、ポンプまたはエアコンプレッサ５４等の負荷を抑えることができる。切替弁６２には、一般的に、使用されている三方弁等を使用することができる。
【００３２】
制御部１８は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム１０の各部動作の制御を実行する。制御部１８は、各配管に配置された温度センサ、圧力センサからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態（例えば、電力負荷）に応じて各モータを駆動して循環ポンプ３６やエアコンプレッサ５４等の回転数を調整し、更に、各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整などを行う。制御部１８は、各ポンプ、外気温度センサ６０等の各センサ、切替弁６２等の各弁と図示されない電気ケーブル等で接続される。
【００３３】
次に、上記構成における燃料電池システム１０の動作について説明する。図２は、燃料電池システム１０の動作を示す図であり、図２（ａ）は、外気温度が所定温度より低い場合を示す図であり、図２（ｂ）は、外気温度が所定温度以上の場合を示す図である。なお、排気される酸化剤ガスの流れを矢印Ｘで示し、排気される燃料ガスの流れを矢印Ｙで示す。
【００３４】
まず、外気温度センサ６０で計測された外気温度データが制御部１８へ送られる。制御部１８は、外気温度を設定された所定温度と比較する。外気温度が所定温度より低い場合には、制御部１８は、図２（ａ）に示すように、燃料電池１２から排気された酸化剤ガスが酸化剤ガス排気配管５０で燃料ガス排気配管４０まで搬送されるように切替弁６２を作動させる。排気された酸化剤ガスは、２重管４２の外管４６と内管４４との間を流れ、排気された燃料ガスが流れる内管４４を熱交換により加熱する。そして、燃料ガス排気配管４０の内管４４が加熱されることにより、燃料ガス排気配管４０の凍結を抑えることができる。
【００３５】
外気温度センサ６０で測定される外気温度が所定温度以上の場合には、制御部１８は、図２（ｂ）に示すように、切替弁６２を切替えて、燃料電池１２から排気された酸化剤ガスを大気へ開放する。それにより、排気された酸化剤ガスを搬送する距離が短縮されるため、ポンプやエアコンプレッサ５４等の負荷を低減することができる。
【００３６】
上記構成によれば、外気温度が所定温度以上の場合には、燃料電池から排気された酸化剤ガスを、燃料電池１２と燃料ガス排気配管との間に設けられた切替弁で切替えて大気に開放することにより、排気された酸化剤ガスを搬送する経路が短縮され、ポンプやエアコンプレッサ等の負荷を低減することができる。そして、排気された酸化剤ガスを搬送する経路が短縮されることにより圧損が低減し、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【００３７】
次に、図面を用いて本発明に係る他の実施の形態につき、詳細に説明する。図３は、燃料電池システム７０の構成を示す図である。なお、同様な要素は同一の符号を付して詳細な説明を省略する。燃料電池システム７０は、燃料電池１２と、燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガス供給装置１６と、制御部１８とを含んで構成される。
【００３８】
酸化剤ガス排気配管７２ａ、７２ｂは、燃料電池１２から燃料ガス用圧力調整弁３４まで設けられ、燃料電池１２から排気された酸化剤ガスは、燃料ガス用圧力調整弁３４まで搬送される。そして、燃料ガス用圧力調整弁３４は、搬送された酸化剤ガスで加熱されることにより凍結が抑制される。
【００３９】
ダンパ７４は、酸化剤ガス排気配管７２ａ、７２ｂに設けられ、排気される酸化剤ガスを大気へ開放する切替手段としての機能を有している。そして、ダンパ７４は、燃料電池１２と燃料ガス用圧力調整弁３４との間に設けられる。ダンパ７４は、羽根７６の略中心部に回転軸７８を有しており、羽根７６を回転軸７８で回転させることにより、排気される酸化剤ガスを大気へ開放することができる。外気温度が所定温度以上の場合には、燃料ガス用圧力調整弁３４が凍結する可能性が少ないため、排気された酸化剤ガスを燃料ガス用圧力調整弁３４まで搬送せずに、燃料電池１２と燃料ガス用圧力調整弁３４との間で大気開放する。それにより、排気される酸化剤ガスを搬送する経路が短縮されるため、ポンプまたはエアコンプレッサ５４等の負荷を抑えることができる。ダンパ７４には、一般的に、ダクト等で搬送される気体量を調節等する場合に使用されているダンパ７４等を用いることができる。また、ダンパ７４の開閉は、制御部１８により制御される。
【００４０】
次に、上記構成における燃料電池システム７０の動作について説明する。図４は、燃料電池システム７０の動作を示す図であり、図４（ａ）は、外気温度が所定温度より低い場合を示す図であり、図４（ｂ）は、外気温度が所定温度以上の場合を示す図である。なお、排気された酸化剤ガスの流れを矢印Ｚで示す。
【００４１】
まず、外気温度センサ６０で測定された外気温度データが制御部１８へ送られる。制御部１８は、外気温度を設定された所定温度と比較する。外気温度が所定温度より低い場合には、制御部１８は、図４（ａ）に示すように、燃料電池１２から排気された酸化剤ガスが酸化剤ガス排気配管７２ａ、７２ｂで燃料ガス用圧力調整弁３４まで搬送されるようにダンパ７４を閉じる。そして、搬送された酸化剤ガスは、例えば、燃料ガス用圧力調整弁３４に吹き付けられて、燃料ガス用圧力調整弁３４が加熱される。それにより、燃料ガス用圧力調整弁３４の凍結が抑制される。
【００４２】
外気温度センサ６０で測定された外気温度が所定温度以上の場合には、制御部１８は、図４（ｂ）に示すように、燃料電池１２から排気された酸化剤ガスを、燃料ガス用圧力調整弁３４まで搬送される前に大気へ開放するためにダンパ７４を開ける。それにより、排気された酸化剤ガスが搬送される距離が短縮されるため、ポンプやエアコンプレッサ５４等の負荷を低減することができる。
【００４３】
上記構成によれば、外気温度が所定温度以上の場合には、燃料電池から排気された酸化剤ガスを、燃料電池と燃料ガス用圧力調整弁との間に設けられたダンパで切替えて大気に開放することにより、排気された酸化剤ガスを搬送する経路が短縮され、ポンプやエアコンプレッサ等の負荷を低減することができる。そして、排気された酸化剤ガスを搬送する経路が短縮されることにより圧損が低減し、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態において、燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、燃料電池システムの動作を示す図である。
【図３】本発明の他の実施の形態において、燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】本発明の他の実施の形態において、燃料電池システムの動作を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０、７０  燃料電池システム、１２  燃料電池、１４  燃料ガス供給装置、１６  酸化剤ガス供給装置、１８  制御部、２０  冷却配管、２２  ラジエタ、２４  冷却水ポンプ、２６  燃料ガス供給配管、２８  燃料ガス循環配管、３０  遮断弁、３２、３５、４５  圧力センサ、３４  燃料ガス用圧力調整弁、３６  循環ポンプ、３８  逆止弁、４０  燃料ガス排気配管、４１  排気弁、４２  ２重管、４４  内管、４６  外管、４８  酸化剤ガス供給配管、５０、７２ａ、７２ｂ  酸化剤ガス排気配管、５２  エアフィルタ、５４  エアコンプレッサ、５６  加湿器、５８  酸化剤ガス用圧力調整弁、６０  外気温度センサ、６２  切替弁、７４  ダンパ、７６  羽根、７８  回転軸。
【図１】
2008130403.tif 000003
【図２】
2008130403.tif 000004
【図３】
2008130403.tif 000005
【図４】
2008130403.tif 000006