(57)【要約】【課題】冷却水の燃料流路への浸透を防止することを目的とする。【解決手段】高分子電解質膜に供給される冷却水が流通する冷却水通路を有する燃料電池１を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の冷却水通路入口と接続する入口通路４と、同じく通路出口に接続する出口通路５と、この入口通路に備えられ、燃料電池内に冷却水を圧送する第１ポンプ３と、前記出口通路に備えられ、燃料電池内の冷却水を吸引する第２ポンプ９とを備える。【選択図】　　図１
2004103393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜に供給される冷却水が流通する冷却水通路を有する燃料電池を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の冷却水通路入口に接続する入口通路と、同じく通路出口に接続する出口通路と、
この入口通路に備えられ、燃料電池内に冷却水を圧送する第１ポンプと、
前記出口通路に備えられ、燃料電池内の冷却水を吸引する第２ポンプと、
を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２ポンプは、前記第１ポンプにより圧送される冷却水を駆動源とするポンプであることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
前記入口通路と出口通路とを連通するバイパス通路とを備え、
前記第２ポンプは、前記バイパス通路を通る第１ポンプからの冷却水によって駆動されることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
前記入口通路と出口通路とを連通するバイパス通路と、
前記入口通路とバイパス通路との分岐から前記燃料電池までの間に設置された第１バルブと、
前記入口通路とバイパス通路との分岐から前記第２ポンプまでの間に設置された第２バルブと、
を設けたことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２ポンプ下流側に逆止弁を設けたことを特徴とする請求項４に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１バルブの開度と前記第２バルブの開度とを前記燃料電池の出口通路の冷却水流量と圧力とに応じて制御することを特徴とする請求項４に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムに関する従来技術として特開平９−９２３１０号公報に記載のものがある。この技術は図３に示すように、燃料極２２と酸化剤極２３とで高分子電解質膜２４を挾持した単セル５を積層して構成される燃料電池本体２１と、この燃料電池本体の冷却板にポンプにより冷却水を循環させて発電中に生じる熱を除去する冷却水系３０と、冷却水系に冷却水圧力を独立に制御する背圧弁３５とを設けている。
【０００３】
図３に示すように燃料処理装置３１によって、例えば改質された燃料ガスは、燃料極２２に供給され、一方酸化剤極２３には例えば、空気が供給される。高分子電解質膜２４を挾持するように配設された燃料極２２及び酸化剤極２３にそれぞれ燃料ガスと空気が供給されることで、発電され、発電後燃料ガスと空気は排ガスとして放出される。
【０００４】
また発電時に発生する熱を除去するため、燃料極には冷却水を通過させる冷却水流路２９を設けた冷却板２６が取りつけられ、ポンプ３３からの冷却水が冷却水流路２９に供給される。冷却水流路２９から排出された冷却水の流量を調節する背圧弁３５が設置される。
【０００５】
図４は、単セルの構造を示す図であり、高分子電解質膜２４の両側面には燃料極２２及び酸化剤極２３が高分子電解質膜２４を挾持するように配設されており、上記燃料極２２の外面（高分子電解質膜２４と反対面）には多孔質体からなる燃料流路２７が配設され、その燃料流路２７の外面側に多孔質体からなる加湿水透過板２８を介して冷却水流路２９が配設される。しかして、冷却水流路２９に供給された冷却水の一部が、加湿水透過板２８及び燃料流路２７に浸透し、高分子膜２４の加湿が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、起動時に燃料電池内に冷却水を導入する際、燃料流路２７内の圧力が低い状態で冷却水を圧送すると冷却水流路２９から多孔質を介して燃料流路２７へ浸透する可能性がある。
【０００７】
これにより燃料流路２７の閉塞がスタッキングされたセルの一部で発生すると圧力分布の不均等が発生し、性能が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を鑑みてなされたもので、冷却水の燃料流路への浸透を防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子電解質膜に供給される冷却水が流通する冷却水通路を有する燃料電池を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の冷却水通路入口に接続する入口通路と、同じく通路出口に接続する出口通路と、この入口通路に備えられ、燃料電池内に冷却水を圧送する第１ポンプと、前記出口通路に備えられ、燃料電池内の冷却水を吸引する第２ポンプとを備える。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、第１のポンプにより冷却水を燃料電池内に加圧導入させて燃料電池出口側の第２のポンプにて冷却水流路内の冷却水の吸引を起こせるため、始動時、特に、燃料電池への供給ガス圧が所望の値となる以前の状態において、燃料流路への冷却水の浸透を回避しつつ、燃料電池内冷却系に冷却水を導入させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムの冷却系を説明する構成図である。
【００１３】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、電気反応熱によって加熱された燃料電池スタック１を冷却するための冷却水を貯蔵するための冷却水タンク２と、この冷却水タンク２の冷却水を燃料電池スタック１の冷却水流路に供給するための加圧ポンプ３と、燃料電池スタック１と燃料電池タンク２との間で冷却水を循環させるための冷却水通路４（冷却水タンク２から燃料電池スタック１への通路）、冷却水通路５（燃料電池スタック１から冷却水タンク２への通路）と、燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を調整するための第１バルブ６とを備えている。
【００１４】
燃料電池スタック１は、図２に示すように、燃料極と酸化剤極との間に高分子電解質膜を狭持し、燃料極の外側に冷却水流路を形成した冷却板を装着したものを複数積層して構成される。燃料極には燃料ガス（たとえば水素）が、また酸化剤極には酸化剤ガス（たとえば酸素）が供給され、電気化学反応を生じることで、燃料電池スタック１は発電を行う。
【００１５】
発電時に電気反応熱が生じて燃料電池スタック１が発熱されるため、冷却水タンク２の冷却水を加圧ポンプ３の作用により冷却板の冷却水流路に供給する。供給された冷却水の一部は、燃料通路から燃料極に浸透し、高分子電解質膜を加湿し、燃料ガスまたは酸化剤ガス中に蒸発する。この蒸発時に潜熱により電池反応熱の一部を取り除くことができる。残りの冷却水は、顕熱により燃料電池スタックの電池反応熱を取り除き、冷却水タンク２に排出される。
【００１６】
燃料電池システムには、さらに加圧ポンプ３の下流から分岐して冷却水通路５に接続する第１バイパス通路７が設けられる。この第１バイパス通路７の途中に通路を通過する冷却水の流量を調整する第２バルブ８が設置されると共に、第１バイパス通路７と冷却水通路５との分岐点には水駆動ポンプ９が設置される。
【００１７】
冷却水通路５の冷却水は、水駆動ポンプ９の自吸式ポンプ部９ａに供給され、下流側の冷却水通路５に排出される。水駆動ポンプ９の下流の冷却水通路５には冷却水タンク２側からの冷却水の逆流を防止する逆止弁１０が設置されている。また水駆動ポンプ９には自吸式ポンプ部９ａを駆動する駆動部９ｂが備えられており、この駆動部９ｂには第１バイパス通路７からの冷却水が供給されて、回転し、その回転に伴って自給式ポンプ９ａが駆動する。駆動部９ｂに供給された冷却水はその後、冷却水通路５に設置された逆止弁１０を迂回して冷却水通路５に接続する第２バイパス通路１１を介し、冷却水タンク２に排出される。
【００１８】
なお、水駆動ポンプ９の自吸式ポンプ部９ｂの詳細構成は、たとえば、特開２００２−１３０１７４号公報に開示される自吸式ポンプの構成を用いることができる。また、駆動部９ｂは、自吸式ポンプ９ａの回転軸と同軸に回転軸９ｃを形成し、回転軸９ｃに複数のフィン９ｄを取り付けて構成される。このように構成されることで、加圧ポンプ３から排出された冷却水の運動エネルギによって駆動部９ｂの回転軸９ｃが回転し、この回転に伴って回転自給式ポンプ９ａが稼動し、燃料電池スタック１から冷却水を吸引する。駆動部９ｂでは回転軸９ｃの回転によりフィン９ｄが第１バイパス通路７の冷却水を吸入し、第２バイパス通路１１に排出する。
【００１９】
燃料電池スタック１から排出される冷却水の流量と冷却水通路内の圧力を検出するための流量計１２と圧力計１３が設置され、これらの検出結果はコントローラ２０に送信される。コントローラ２０は、検出された冷却水の流量と通路内の圧力に基づいて燃料電池スタック１の温度が所定温度となるように第１バルブ６と第２バルブ８の開度を調整する。
【００２０】
このように加圧ポンプ（第１のポンプ）３により冷却水を燃料電池スタック１内に加圧供給し、燃料電池スタック１の冷却水出口に冷却水を吸引する水駆動ポンプ（第２のポンプ）９を設置したため、始動時、特に燃料電池スタック１への供給ガス圧が所定圧となる前の状態において、燃料通路への冷却水の過剰な浸透を回避しつつ燃料電池スタック１内の冷却水系に冷却水を導入することができる。
【００２１】
また、水駆動ポンプ９の出口側に逆止弁１０を設けたので、冷却水の逆流によりポンプ９の効率低下を防止することができる。
【００２２】
さらに、冷却水通路４に設置された第１バルブ６と第１バイパス通路１１に設置された第２バルブ８とを設け、これらバルブ６、８の開閉状態を燃料電池スタック１から排出された冷却水流量と冷却水通路５内の圧力に応じて変更させるため、燃料電池スタック１内への冷却水導入時間の最適化を図ることができる。
【００２３】
また、燃料電池スタック１から冷却水を吸引する水駆動ポンプ９は、加圧ポンプ３から供給される冷却水によって駆動されるため、システムのエネルギ効率を高めることができる。
【００２４】
次に、図２に示すフローチャートについて説明する。このフローチャートは第１バルブ６と第２バルブ８のコントローラ２０によるシステム起動後の制御状態を説明するものである。
【００２５】
まず、ステップ１で初期条件を設定する。起動前の状態では第１バルブ６が全閉、第２バルブ８が全開状態となっている。ここで加圧ポンプ３起動後の初期条件として、第１バルブ６を全閉から開度Ａ％まで開放し、第２バルブ８は全開から開度Ｂ％まで絞る。これにより冷却水を燃料電池スタック１へ供給することができ、また水駆動ポンプ９の起動が可能となる。
【００２６】
ステップ２で、燃料電池スタック１から排出される冷却水流量Ｑ（ｎ）と通路内圧力Ｐ（ｎ）を検出する。続くステップ３では、燃料電池スタック１から排出される冷却水の流量Ｑ（ｎ）が流れ始めの基準となる所定流量Ｓより大きいかを判定し、大きい場合にはステップ４に進み、以下の場合は冷却水通路内のガスの吸引を行い、ステップ５に進む。
【００２７】
ステップ４で、今回検出した流量値Ｑ（ｎ）と前回検出した流量値Ｑ（ｎ−１）との差分の絶対値が所定流量Ｔより少ないかを判定する。少ない場合には冷却水へのガスの混入が少ないと判定してステップ６に進み、第１バルブ６の開度を大きくし、第２バルブ８の開度を絞るように制御し、ステップ８に進む。また、差分が所定流量Ｔ以上である場合には、ステップ７に進み、冷却水へのガスの混入により冷却水圧力が変動することを想定し、第１バルブ６の開度は維持しつつ、第２バルブ８の開度は大きくなるように制御し、加圧ポンプ３の性能を強化し、ステップ８に進む。
【００２８】
一方、ステップ３で流量Ｑ（ｎ）が所定流量Ｓ以下の場合にはステップ５に進み、通路内圧力Ｐ（ｎ）が所定圧力Ｖより小さいかを判定する。小さい場合、すなわち通路内圧力Ｐ（ｎ）が所定圧力Ｖより負圧が大きい場合にはステップ９に進み、第１バルブ６の開度を維持したまま、第２バルブ８の開度を絞り、第１バイパス通路７を通過する冷却水流量を減少するように制御し、ステップ８に進む。また通路内圧力Ｐ（ｎ）が所定圧力Ｖ以上の場合には、ステップ１０に進み、第１バルブ６と第２バルブ８の開度を維持し、ステップ８に進む。
【００２９】
ステップ８では、第１バルブ６と第２バルブ８の開度及び冷却水流量Ｑ（ｎ）を記憶し、続くステップ１１で流量Ｑ（ｎ）が目標流量Ｕ以上であるかどうかを判定する。以上であればステップ１２に進み、未満であればステップ２に戻る。ステップ２に戻った場合には、一つ前の各バルブ開度と流量をバルブの制御値の初期値と制御判断に用いる。
【００３０】
ステップ１２では、流量Ｑ（ｎ）が目標流量Ｕより大きい場合には第１バルブ６の開度を調整して燃料電池スタック１への冷却水の目標流量になるように制御し、このとき第２バルブ８の開度は維持する。
【００３１】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】冷却水流量制御のフローチャートを示す図である。
【図３】従来技術の構成を説明する図である。
【図４】燃料電池セルの構成を説明する図である。
【符号の説明】
１　燃料電池スタック
２　冷却水タンク
３　加圧ポンプ
４　冷却水通路
５　冷却水通路
６　第１バルブ
７　第１バイパス通路
８　第２バルブ
９　水駆動ポンプ
９ａ　自吸式ポンプ部
９ｂ　駆動部
２０　コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004103393.tif 000005
【図４】
2004103393.tif 000006