(57)【要約】【課題】燃料電池の電池反応後におけるカソードオフガスに含まれる異物等が加湿モジュール内に留まることで、加湿モジュールに不具合が生じることを防止する。【解決手段】加湿モジュールの掃気処理を行う際に、第１バルブ８１と第２バルブ８２を閉状態、第３〜第６バルブ８３〜８６を開状態にする。この状態にすることで、カソードオフガスが加湿モジュール内を逆流して、下流側から上流側へ流れる。カソードオフガスが加湿モジュール内を逆流することで、加湿モジュール内の中空糸膜などに溜まった異物等が加湿モジュール内から排除される。【選択図】図２
2008112694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されたカソードオフガスを導入するオフガス流入口と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと水分交換を行い前記酸化ガスの加湿を行った後の前記カソードオフガスを排出するオフガス流出口と、を有する加湿モジュールと、
前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを前記オフガス流出口から導入させ、前記オフガス流入口から排出させることで、前記加湿モジュールの掃気処理を行う掃気処理手段と、
を備え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において、
前記オフガス流出口から排出された前記酸化ガスの加湿を行った後のカソードオフガスを外部へ排出するオフガス排出流路を備え、
前記掃気処理手段は、
前記オフガス流入口から排出された前記掃気処理を行った後のカソードオフガスを、前記加湿モジュールをバイパスして前記オフガス排出流路へ導くバイパス流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパス流路に前記カソードオフガスに含まれる異物を除去する除去手段が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記掃気処理手段は、前記燃料電池の発電停止時に前記掃気処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記掃気処理手段は、前記燃料電池の発電時であって前記燃料電池に供給される酸化ガスの流量が所定の閾値以上の時に前記掃気処理を行う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関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、例えば、電解質膜と電解質膜を挟んで形成された触媒層を含む２つの電極を有している。燃料電池システムでは、一方の電極（アノード）には燃料ガスである水素が供給され、他方の電極（カソード）には酸化ガスである酸素が供給される。水素極に供給された水素は、水素極の触媒によりプロトンと電子に分離され、空気極側で酸素と反応し、発電が実現される。
【０００３】
ところで、燃料電池システムでは、燃料電池の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換を行うことで、酸化ガスを加湿する加湿モジュールが知られている。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池に供給するために大気から取り込んだ酸化ガスの粉塵を除去するフィルタを設けた加湿システムが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、燃料電池のアノードオフガスを還流して再び燃料電池に供給する水素還流通路上にフィルタを設け、アノードオフガスに含まれる異物を除去することが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１５２７２６号公報
【特許文献２】特開２００５−３４００９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、従来の燃料電池システムでは、酸化ガスに含まれる粉塵を除去する、あるいは、アノードオフガスに含まれる異物を除去することは考慮されている。
【０００８】
しかし、燃料電池の電池反応後におけるカソードオフガスに含まれる異物等を除去することは考慮されていない。ところが、カソードオフガスにも異物等が混在する場合があり、カソードオフガスが供給されることで加湿モジュールに異物が混入し、加湿モジュールの加湿性能が低下するおそれがある。
【０００９】
本発明は、燃料電池の電池反応後におけるカソードオフガスに含まれる異物等が加湿モジュール内に留まることで、加湿モジュールに不具合が生じることを防止する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排出されたカソードオフガスを導入するオフガス流入口と、前記燃料電池に供給される酸化ガスと水分交換を行い前記酸化ガスの加湿を行った後の前記カソードオフガスを排出するオフガス流出口と、を有する加湿モジュールと、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスを前記オフガス流出口から導入させ、前記オフガス流入口から排出させることで、前記加湿モジュールの掃気処理を行う掃気処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記オフガス流出口から排出された前記酸化ガスの加湿を行った後のカソードオフガスを外部へ排出するオフガス排出流路を備え、前記掃気処理手段は、前記オフガス流入口から排出された前記掃気処理を行った後のカソードオフガスを、前記加湿モジュールをバイパスして前記オフガス排出流路へ導くバイパス流路を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記バイパス流路に前記カソードオフガスに含まれる異物を除去する除去手段が設けられることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記掃気処理手段は、前記燃料電池の発電停止時に前記掃気処理を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様によれば、前記掃気処理手段は、前記燃料電池の発電時であって前記燃料電池に供給される酸化ガスの流量が所定の閾値以上の時に前記掃気処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、加湿モジュール内のカソードオフガスの流れを逆方向にして、加湿モジュール内の異物等を除去することにより、加湿モジュールに留まる異物により加湿モジュールに不具合が生じることを防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と称する）について、以下図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態における燃料電池システムは、モータ（電動機）で駆動する車両に電源として搭載される。燃料電池システムは、ユーザがイグニションスイッチをオンすると起動し、ユーザによるアクセルの操作量に応じた発電を行う。車両は、燃料電池システムから供給される電力によって走行することができる。
【００１８】
図１において、燃料電池システムは、主に、燃料ガス供給装置４２、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、及び制御部９０を備える。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。制御部９０はイグニションスイッチ９２を介してユーザからのシステム起動信号やシステム停止信号を受信し、これらの信号に応じてシステムの起動および停止を制御する。また、制御部９０はアクセルセンサ９４によって検出されたアクセス開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように燃料ガス供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整する。
【００１９】
図２は、燃料電池システム１０の配管系統を中心とするシステム構成を示す図である。図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系統と、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系統と、冷却水により燃料電池２０を冷却もしくは暖機するための冷却水供給系統とを備える。本実施形態において特徴的なことは、燃料電池の電池反応後のカソードオフガスが加湿モジュール７６に供給される際に混入した異物等を除去するための掃気処理機構が、カソードオフガス流路７２−１，７２−２上に設けられていることである。この掃気処理機構の詳細については後述する。
【００２０】
図２において、燃料電池２０は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである酸素との電気化学反応によって発電するセルを積層することで構成される。各セルは電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置して構成される。本実施形態では、例えばナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを例に説明するが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２１】
燃料電池システム１０の冷却水供給系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエタ３３、ラジエタ３３へ流入する冷却水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させるポンプ３５などが設けられる。バルブ３４は、燃料電池２０を冷却する場合には、制御部９０の制御に基づいてラジエタ３３へ流入する冷却水量を増加させ、ラジエタ３３によって冷却された冷却水を燃料電池２０に供給する。一方、バルブ３４は、燃料電池２０を暖機する場合には、制御部９０の制御に基づいて、ラジエタ３３へ流入する冷却水量を減少させ、ラジエタ３３による冷却が抑制された冷却水を燃料電池２０に供給する。
【００２２】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードから排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に循環させるための循環流路５１が配管される。
【００２３】
燃料ガス流路４１には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池２０の燃料ガス供給口を開閉する遮断弁４６などが設置される。燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などにより構成される。
【００２４】
循環流路５１には、燃料オフガスを排出する遮断弁５２、モータによって駆動される循環ポンプ５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流することを防止する逆流阻止弁５６などが設置される。循環ポンプ５５は、制御部９０の制御に基づいてアノードを通過する際に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２５】
循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐配管される。排気流路６１には排気弁６３が設置されており、排気弁６３の開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料オフ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の電圧の低下を防止する。また、排気弁６３を開閉し、循環流路５１の内圧に脈動を起こすことで、ガス流路に蓄積した水分を除去することができる。つまり、排気弁６３を開閉することで、燃料ガス供給系統における掃気処理を行うことができる。
【００２６】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードから排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２−１，７２−２が配管される。酸化ガス流路７１には、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７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５などから構成され、圧縮空気を酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置される。カソードオフガス流路７２−１とカソードオフガス流路７２−２との間には加湿モジュール７６が設置される。
【００２７】
加湿モジュール７６は、筒状のハウジングを有する。ハウジングの内部には多数、例えば５０００本の中空糸膜からなる中空糸膜が収容される。また、ハウジングには、酸化ガスを導入する酸化ガス流入口および酸化ガスを排出する酸化ガス流出口、さらに、カソードオフガスを導入するオフガス流入口およびカソードオフガスを排出するオフガス流出口が形成される。
【００２８】
酸化ガス流入口を介して導入された酸化ガスが中空糸膜の内側を流通する共に、オフガス流入口を介して導入されたカソードオフガスが中空糸膜の外側を流通する。これにより、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードの背圧はカソードオフガス流路７２−１に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。加湿モジュール７６から排出され、カソードオフガス流路７２−２を流れるカソードオフガスは、例えば気液分離器やマフラなどを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。
【００２９】
また、酸化ガス流路７１には、加湿モジュール７６をバイパスするバイパス流路７８が配管される。バイパス流路７８を介して乾燥した空気を燃料電池２０に供給することで、燃料電池２０の内部の流路などに残っている水分を除去することができる。つまり、バイパス流路７８を介して乾燥した空気を燃料電池２０に供給することで、酸化ガス供給系統における掃気処理を行うことができる。
【００３０】
制御部９０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９０は、各流路に配置された温度センサＴ、圧力センサＰ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５５とエアコンプレッサ７５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。下記に示す加湿モジュール７６の掃気処理も制御部９０がバルブの開閉等を制御することで行われる。
【００３１】
さて、以上のように構成された燃料電池システムにおいて、燃料電池２０の内部の流路上などに存在する異物がカソードオフガスとともに加湿モジュール７６に導入される場合がある。このように異物が加湿モジュール７６に混入をするのを防ぐために、カソードオフガスの加湿モジュール７６への流入口にフィルタを設けることも考えられる。しかし、フィルタを長時間放置すると、フィルタが目詰まりを起こし、カソードオフガス流路７２の圧損を招くおそれがある。
【００３２】
そこで、本実施形態では、加湿モジュール７６内のカソードオフガスの流れを逆方向にして、加湿モジュール７６内の中空糸膜などに留まる異物等を除去する加湿モジュールの掃気処理機構８０が設けられる。
【００３３】
以下、加湿モジュールの掃気処理機構８０について説明する。
【００３４】
第１オフガスバイパス流路８８は、燃料電池２０と加湿モジュール７６とを結ぶカソードオフガス流路７２−１上の分岐点ａと、カソードオフガス流路７２−２上の分岐点ｃとを配管し、加湿モジュール７６をバイパスする。第２オフガスバイパス流路８９は、分岐点ａより下流側、つまり分岐点ａより加湿モジュール７６側におけるカソードオフガス流路７２−１上の分岐点ｂと、分岐点ｃより下流側におけるカソードオフガス流路７２−２上の分岐点ｄとを配管し、加湿モジュール７６をバイパスする。
【００３５】
また、分岐点ａと分岐点ｂとの間のカソードオフガス流路７２−１には第１バルブ８１が設けられ、分岐点ｃと分岐点ｄとの間のカソードオフガス流路７２−２には第２バルブ８２が設けられる。さらに、第１オフガスバイパス流路８８には、第３バルブ８３および第４バルブ８４が設けられ、第２オフガスバイパス流路８９には、第５バルブ８５および第６バルブ８６が設けられる。加えて、第２オフガスバイパス流路８９には、第５バルブ８５および第６バルブ８６の間に、カソードオフガスに含まれる異物を除去するためのフィルタ８７が設けられる。
【００３６】
このように構成された加湿モジュールの掃気処理機構８０において、制御部９０が、第１〜第６バルブ８１〜８６の開閉を制御することで、加湿モジュールの掃気処理を行う。
【００３７】
図３Ａ、３Ｂは、通常運転時（非掃気処理時）あるいは掃気処理時における各バルブの開閉状態（図中、白抜きが「開」、黒塗りが「閉」を示す）および、カソードオフガスの流れを示す図である。
【００３８】
通常運転時は、図３Ａに示す通り、第１バルブ８１と第２バルブ８２を開状態、第３〜第６バルブ８３〜８６を閉状態にする。この状態にすることで、カソードオフガスは、加湿モジュール内を上流側から下流側へ流れ、酸化ガス流路７１を通過する酸化ガスを加湿する。つまり、通常運転時は、オフガス流入口からカソードオフガスが導入され、オフガス流出口から排出される。
【００３９】
一方、掃気処理時は、図３Ｂに示す通り、第１バルブ８１と第２バルブ８２を閉状態、第３〜第６バルブ８３〜８６を開状態にする。この状態にすることで、カソードオフガスが加湿モジュール内を逆流して、下流側から上流側へ流れる。つまり、オフガス流出口からカソードオフガスが導入され、オフガス流入口から排出される。
【００４０】
以下、掃気処理時のカソードオフガスの流れについてさらに説明する。燃料電池２０から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路７２−１を通過し、分岐点ａを介して、第１オフガスバイパス流路８８に至る。さらに、カソードオフガスは、分岐点ｃを介して、加湿モジュール内を下流側から上流側へ流れ、分岐点ｂを介して第１オフガスバイパス流路８８に至る。その後、カソードオフガスは、フィルタ８７、分岐点ｄを介して、カソードオフガス流路７２−２を通過して、車外へ排出される。
【００４１】
このような掃気処理を行うことにより、加湿モジュール内の中空糸膜などに溜まった異物等が加湿モジュール内から排除され、加湿モジュールの加湿能力の低下を防ぐことができる。
【００４２】
なお、掃気処理時のカソードオフガスの流量は多いほど、加湿モジュール内に溜まった異物の除去率が高くなる。よって、掃気処理時には、エアコンプレッサ７５を制御して大気から取り込む酸化ガスの流量を多くすることが望ましい。
【００４３】
また、加湿モジュールの掃気処理時には、加湿モジュール７６の加湿能力が低下するおそれがある。よって、加湿モジュール７６において酸化ガスの加湿を行う必要がないときに行うことが好ましい。そこで、例えば、ユーザがイグニッションスイッチをオフした際、つまり、燃料電池システムの発電を停止した際に行えばよい。
【００４４】
さらに、燃料電池システムを高負荷運転している間は、燃料電池２０自身が電気反応を行った際に生成する水により酸化ガスの加湿を行うことができるため、加湿モジュール７６の加湿能力が低下しても、燃料電池２０の発電には影響が少ない。加えて、高負荷運転時には、酸化ガスの流量が増加しているため、加湿モジュール内に溜まった異物の除去率も高い。よって、加湿モジュールの掃気処理は、燃料電池システムが高負荷発電時に行ってもよい。なお、制御部９０は、例えば、酸化ガスの流量を検知し、検知した流量が所定の流量以上となった場合に、高負荷発電と判定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態における燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成を示す図である。
【図３Ａ】通常運転時における各バルブの開閉状態およびカソードオフガスの流れを説明するための図である。
【図３Ｂ】加湿モジュールの掃気処理時における各バルブの開閉状態およびカソードオフガスの流れを説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３１  冷却路、３２  温度センサ、３３  ラジエタ、３５  ポンプ、４１  燃料ガス流路、４２  燃料ガス供給装置、４３  遮断弁、４４  圧力センサ、４５  レギュレータ、４６  遮断弁、５１  循環流路、５２  遮断弁、５５  循環ポンプ、５６  逆流阻止弁、６１  排気流路、６２  希釈器、６３  排気弁、７１  酸化ガス流路、７２  カソードオフガス流路、７３  酸化ガス供給装置、７４  エアフィルタ、７５  エアコンプレッサ、７６  加湿モジュール、７７  圧力調整弁、７８  バイパス流路、８０  掃気処理機構、８１，８２，８３，８４，８５，８６  バルブ、８７  フィルタ、８８  第１オフガスバイパス流路、８９  第２オフガスバイパス流路、９０  制御部、９２  イグニションスイッチ、９４  アクセルセンサ。
【図１】
2008112694.tif 000003
【図２】
2008112694.tif 000004
【図３Ａ】
2008112694.tif 000005
【図３Ｂ】
2008112694.tif 000006