(57)【要約】【課題】この発明は、単純な構成で制御弁を効率よく加熱して早期に始動することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システムの運転停止時に、制御部は、水素流路２の第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６を閉じると共に背圧調整弁７、シャットオフ弁９及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１を開いて燃料電池本体１内を大気開放する。また、空気流路３の背圧調整弁１６を閉じると共に三方弁１８によりバイパス路１７を選択して、本体側流路３ａへのガスの流れを遮断した状態にする。ここで、制御部は、システムの運転始動時に制御弁の凍結を検知すると、燃料電池システムの始動に先立って水素ポンプ８及びエアポンプ１５を作動させてバイパス路１０及び１７に空気を流し、これにより制御弁を加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体に水素流路及び空気流路からそれぞれ制御弁を介して水素と空気とを供給して発電する燃料電池システムにおいて、
水素流路と空気流路のうち少なくとも一方のガス流路は、
燃料電池本体と制御弁とを迂回してガスを流すためのバイパス路と、
燃料電池本体を通る本体側流路と前記バイパス路のどちらか一方を選択する選択手段と、
前記バイパス路にガスを流すためのガス流通手段と、
運転時には前記選択手段により本体側流路を選択し、制御弁の凍結時には前記選択手段により前記バイパス路を選択すると共に前記ガス流通手段を作動させることにより前記バイパス路にガスを流して制御弁を加熱する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス路と前記選択手段と前記ガス流通手段は、水素流路と空気流路の双方にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記少なくとも一方のガス流路は、燃料電池本体から排出される排出ガスを燃料電池本体の上流に循環させるための循環流路をさらに備え、制御弁の凍結時にこの循環流路と前記バイパス路と前記選択手段と前記ガス流通手段とが閉回路を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記選択手段は、前記バイパス路の途中に配置されるシャットオフ弁であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記選択手段は、前記本体側流路と前記バイパス路との分岐点に配置される三方弁であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパス路には、絞り部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バイパス路の配管径は、前記ガス流路の配管径よりも小さく形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、バッテリの充電容量に応じて前記ガス流通手段の作動時間または前記ガス流通手段により流通されるガスの流量を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ガス流通手段は、運転時に本体側流路にガスを流すためのポンプであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項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係り、特に燃料電池本体に水素流路及び空気流路からそれぞれ水素と空気とを供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムがエネルギー源として注目されている。このような燃料電池システムでは、外気の温度が例えば氷点下にまで低下すると、燃料電池本体から排出されるガスの流路上に設けられた排出弁や逆止弁等の制御弁においてガス中の水分が凝縮して凍結あるいは残留している水分が凍結し、これらの制御弁の開閉制御ができなくなってしまうことがある。その場合、制御弁の凍結が解消されるまでシステムを始動することができず、システム始動までに相当の時間を要することとなる。
【０００３】
これに対し、例えば特許文献１に開示された燃料電池システムでは、排出弁や逆止弁等の制御弁を暖気ボックス内に配置すると共に、エアコンプレッサの下流と暖気ボックスとを接続する分流流路及びこの分流流路を流通・遮断する分流弁等を設け、制御弁の凍結時には分流弁を開いて分流流路を開通することによりエアコンプレッサで断熱圧縮された高温の空気を暖気ボックス内に供給し、これにより制御弁を加熱して解凍している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１３３８９号公報
【発明の開示】
【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では、制御弁を収容する暖気ボックスだけでなく、エアコンプレッサの下流と暖気ボックスとを接続する分流流路及びこの分流流路を流通・遮断する分流弁等を設ける必要があるため、燃料電池システム全体が複雑な構成となってしまう。
また、各制御弁にヒータ等の加熱装置を取り付けて加熱してもよいが、各制御弁に専用の加熱装置を設ける必要があるため、この場合も燃料電池システム全体が複雑な構成になってしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、単純な構成で制御弁を効率よく加熱して早期に始動することができる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】
この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池本体に水素流路及び空気流路からそれぞれ制御弁を介して水素と空気とを供給して発電する燃料電池システムにおいて、水素流路と空気流路のうち少なくとも一方のガス流路は、燃料電池本体と制御弁とを迂回してガスを流すためのバイパス路と、燃料電池本体を通る本体側流路とバイパス路のどちらか一方を選択する選択手段と、バイパス路にガスを流すためのガス流通手段と、運転時には選択手段により本体側流路を選択し、制御弁の凍結時には選択手段によりバイパス路を選択すると共にガス流通手段を作動させることによりバイパス路にガスを流して制御弁を加熱する制御部とを備えるものである。
少なくとも一方のガス流路において、制御弁の凍結時に制御部によりガス流通手段が作動されると、燃料電池本体及び制御弁を迂回してバイパス路にガスが流されることにより、制御弁が効率よく加熱されて解凍される。従って、各制御弁にヒータ等の専用の加熱装置を取り付ける必要もなく、単純なシステム構成で制御弁を含むシステム全体を効率よく暖気することができる。
【０００７】
バイパス路と選択手段とガス流通手段は、水素流路と空気流路の双方にそれぞれ設けられていることが好ましい。これにより水素流路に設けられた制御弁及び空気流路に設けられた制御弁のどちらも加熱することができる。
少なくとも一方のガス流路は、燃料電池本体から排出される排出ガスを燃料電池本体の上流に循環させるための循環用配管をさらに備え、制御弁の凍結時にこの循環用配管とバイパス路と選択手段とガス流通手段とが閉回路を形成することがより好ましい。閉回路にガスを循環させることにより、制御弁を含むシステム全体をより効率よく暖気することができる。
【０００８】
選択手段として、バイパス路の途中にシャットオフ弁を配置することができ、また、本体側流路とバイパス路との分岐点に三方弁を配置することもできる。
制御部は、バッテリの充電容量に応じてガス流通手段の作動時間またはガス流通手段により流通されるガスの流量を制御することが好ましい。
また、ガス流通手段は、運転時に本体側流路にガスを流すためのポンプであることが好ましい。このように運転時に本体側流路にガスを流すためのポンプを用いて、制御弁の凍結時にバイパス管にガスを流すようにすれば、バイパス管にガスを流すための専用のポンプを設ける必要がなくなり、システムの構成がより単純になる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、水素流路と空気流路のうち少なくとも一方のガス流路は、燃料電池本体と制御弁とを迂回してガスを流すためのバイパス路と、燃料電池本体を通る本体側流路とバイパス路のどちらか一方を選択する選択手段と、バイパス路にガスを流すためのガス流通手段と、運転時には選択手段により本体側流路を選択し、制御弁の凍結時には選択手段によりバイパス路を選択すると共にガス流通手段を作動させることによりバイパス路にガスを流して制御弁を加熱する制御部とを備えたので、単純な構成で制御弁を効率よく加熱して早期に始動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略図を示す。このシステムは、水素と空気中の酸素の電気化学反応により発電する燃料電池本体（ＦＣスタック）１を有しており、この本体１で発生した電力を車両等の駆動源として使用することができる。また、この燃料電池システムは、燃料電池本体１の水素極に水素を供給するための水素流路２と、燃料電池本体１の酸素極に空気（酸素）を供給するための空気流路３とを有している。
【００１１】
水素流路２は、燃料電池本体１内を通って水素極に水素を供給するための本体側流路２ａと、この本体側流路２ａの供給側に接続された供給流路２ｂと、本体側流路２ａの排出側に接続された排出流路２ｃとを有している。供給流路２ｂには、高圧水素タンク４が接続されると共にこのタンク４の下流に第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６が配置されている。一方、排出流路２ｃには、燃料電池本体１内の圧力を調整するための背圧調整弁７が配置されており、その下流にルーツ型コンプレッサ等からなる水素ポンプ８が配置され、さらにこのポンプ８の下流にシャットオフ弁９が配置されている。なお、シャットオフ弁９の下流は大気開放されている。
ここで、供給流路２ｂと排出流路２ｃとの間には、燃料電池本体１、第２圧力調整弁６及び背圧調整弁７を迂回するバイパス路１０が形成されており、このバイパス路１０の途中にシャットオフ弁１１が配置されている。また、水素ポンプ８の下流には、燃料電池本体１の本体側流路２ａから排出流路２ｃへ排出される水素オフガスを水素ポンプ８により供給流路２ｂへ循環させるための循環流路１２が形成されており、この循環流路１２の途中には供給流路２ｂから排出流路２ｃへのガスの逆流を防止する逆止弁１３が配置されている。
【００１２】
同様にして、空気流路３も、燃料電池本体１内を通って酸素極に空気（酸素）を供給するための本体側流路３ａと、この本体側流路３ａの供給側に接続された供給流路３ｂと、本体側流路３ａの排出側に接続された排出流路３ｃとを有しており、供給流路３ｂの上流と排出流路３ｃの下流は大気開放されている。これら供給流路３ｂ及び排出流路３ｃの途中には加湿モジュール１４が配置されている。また、供給流路３ｂには、加湿モジュール１４の上流にルーツ型コンプレッサ等からなるエアポンプ１５が配置されている。一方、排出流路３ｃには、加湿モジュール１４の上流に燃料電池本体１内の圧力を調整するための背圧調整弁１６が配置されている。
ここで、供給流路３ｂと排出流路３ｃとの間には、燃料電池本体１、背圧調整弁１６及び加湿モジュール１４を迂回するバイパス路１７が形成されており、このバイパス路１７と供給流路３ｂとの分岐点に三方弁１８が配置されている。
【００１３】
また、この燃料電池システムは図示しない制御部を有しており、この制御部に水素流路２における水素ポンプ８、第１圧力調整弁５、第２圧力調整弁６、背圧調整弁７、シャットオフ弁９及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１と、空気流路３におけるエアポンプ１５、背圧調整弁１６及び三方弁１８とがそれぞれ電気的に接続されている。
なお、通常運転時には、制御部は、水素流路２における第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６を開くと共に背圧調整弁７の開度を調整し、シャットオフ弁９及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１を閉じる。また、空気流路３における背圧調整弁１６の開度を調整すると共に三方弁１８により本体側流路３ａを選択してバイパス路１７を遮断した状態にする。
【００１４】
通常運転時には、水素流路２において高圧水素タンク４から供給流路２ｂに供給された水素が第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６を経て所定の圧力に調整されて本体側流路２ａへ供給されると同時に、空気流路３においてエアポンプ１５により空気が供給流路３ｂを通って本体側流路３ａに供給され、このように燃料電池本体１内へ供給された水素と空気中の酸素とが電気化学反応することにより電力が発生される。このとき、水素流路２において、燃料電池本体１から排出流路２ｃに排出された水素オフガスの一部は水素ポンプ８により循環流路１２を通って供給流路２ｂに循環される。これにより水素オフガス中に含まれる未使用の水素が循環されて燃料電池本体１内で再使用される。
【００１５】
次に、燃料電池システムの運転停止時には、制御部は、水素流路２における第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６を閉じると共に背圧調整弁７及びシャットオフ弁９を開いて燃料電池本体１内を大気開放する。また、空気流路３における背圧調整弁１６を閉じる。
また、制御部は水素流路２におけるバイパス路１０のシャットオフ弁１１を開いてバイパス路１０を流通させると共に、空気流路３の三方弁１８によりバイパス路１７を選択して、本体側流路３ａへのガスの流れを遮断した状態にする。その後、制御部は水素流路２のシャットオフ弁９を閉じる。
【００１６】
ここで、外気温度が例えば氷点下にまで低下するなどして、この燃料電池システムの運転停止中に水素オフガスや空気に含まれていた水分が凝縮して氷結する、あるいは残留している水分が凝縮することにより、運転始動時に、水素流路２の背圧調整弁７や空気流路３の背圧調整弁１６等の制御弁が凍結して作動することができないことがある。制御部はこの制御弁の凍結を検知すると、燃料電池システムの始動に先立って水素ポンプ８を作動させると共にエアポンプ１５を作動させる。
このとき、水素流路２では、バイパス路１０のシャットオフ弁１１が開かれていると共にシャットオフ弁９が閉じられているため、水素ポンプ８によりバイパス路１０に空気が流され、これによりバイパス路１０の近傍に位置する第２圧力調整弁６や背圧調整弁７が加熱される。またこのとき、バイパス路１０のシャットオフ弁１１は、水素ポンプ８の背圧を調整する背圧調整弁としても機能しており、シャットオフ弁１１の上流側で空気が断熱圧縮されて高圧の加熱ガスができる。
また、空気流路３では、三方弁１８がバイパス路１７を選択しているため、エアポンプ１５によりバイパス路１７に空気が流され、これによりバイパス路１７の近傍に位置する加湿モジュール１４や背圧調整弁１６が加熱される。またこのとき、三方弁１８はエアポンプ１５の背圧を調整する背圧調整弁としても機能しており、三方弁１８の上流側で空気が断熱圧縮されて高圧の加熱ガスができる。
【００１７】
このように水素流路２及び空気流路３のバイパス路１０及び１７に空気が流されて制御弁が効率よく加熱されて解凍される。従って、各制御弁にヒータ等の専用の加熱装置を取り付ける必要もなく、単純なシステム構成で制御弁を効率よく加熱することができる。これにより、システム全体が効率よく暖気されて、システムを早期に始動することが可能になる。
【００１８】
また、制御弁の加熱時に、水素流路２では、第２圧力調整弁６が閉じられてバイパス路１０のシャットオフ弁１１の上流側と本体側流路２ａとの間が遮断されているため、水素ポンプ８により圧縮された高圧の空気が本体側流路２ａに作用して燃料電池本体１の内部を損傷する虞がない。また、本体側流路２ａがバイパス路１０のシャットオフ弁１１の下流側と連通しているため、減圧された加熱空気が本体側流路２ａに回り込むことが可能になっており、これにより燃料電池本体１内を暖気することが可能である。
同様にして、空気流路３でも、三方弁１８によりバイパス路１７が選択されて、供給流路３ｂの三方弁１８の上流側と本体側流路３ａとの間が遮断されているため、エアポンプ１５により圧縮された高圧の空気が本体側流路３ａに作用して燃料電池本体１の内部を損傷する虞がない。
【００１９】
また、水素流路２では、水素ポンプ８によりバイパス路１０に空気を流す際に、バイパス路１０、水素ポンプ８、循環流路１２とから閉回路が形成されて、この閉回路内を空気が循環すると共にこの閉回路内を循環する空気は水素ポンプ８により断熱圧縮されて高温になる。従って、第１圧力調整弁５や逆止弁１３、シャットオフ弁９等が凍結していても、循環する空気により加熱されて解凍される。このようにして制御弁を含むシステム全体をより効率よく暖気することができる。
また、システム停止時に、予め水素流路２におけるバイパス路１０のシャットオフ弁１１を開くと共に空気流路３における三方弁１８によりバイパス路１７を選択しておくことで、システム始動時にこれら水素流路２のシャットオフ弁１１及び空気流路３の三方弁１８が凍結していても、水素ポンプ８及びエアポンプ１５を駆動することにより水素流路２及び空気流路３のバイパス路１０及び１７にそれぞれ空気を流して制御弁を加熱することができる。
【００２０】
なお、上述の実施の形態１において、システム停止時に背圧調整弁７とシャットオフ弁９を開いて大気開放する代わりに、制御部はシステム停止に先立って水素流路２における第２圧力調整弁６及び背圧調整弁７を閉じると共に第１圧力調整弁５、シャットオフ弁９及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１を開いて、高圧水素タンク４からこれら第１圧力調整弁５及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１を介して水素ポンプ８に燃料電池本体１内を通していない乾燥した水素を流して掃気し、その後、第１圧力調整弁５及びシャットオフ弁９を閉じてシステムを停止することができる。このようにすれば、システム停止時に第１圧力調整弁５、第２圧力調整弁６、背圧調整弁７及びシャットオフ弁９が閉じられ、バイパス路１０のシャットオフ弁１１が開かれているため、バイパス路１０、水素ポンプ８及び循環流路１２から形成される閉回路内に乾燥した水素が残留した状態になる。従って、制御弁の凍結時に水素ポンプ８を作動すると、この閉回路内を乾燥した水素が循環されることとなる。このようにしても、バイパス路１０に水素が流されることにより制御弁が加熱されて、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２１】
また、上述のように、システム停止に先立って高圧水素タンク４から第１圧力調整弁５及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１を介して水素ポンプ８に乾燥した水素を流して掃気した後に、バイパス路１０のシャットオフ弁１１を開いたままで第１圧力調整弁５とシャットオフ弁９を閉じてシステムを停止する場合、制御弁の凍結時に第１圧力調整弁５を開くと共に水素ポンプ８を作動させて高圧水素タンク４からバイパス路１０に水素を流すことにより制御弁を加熱しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２２】
なお、上述の実施の形態１において、水素流路２のバイパス路１０に絞り部を設ける、またはバイパス路１０の配管径を水素流路２の配管径よりも小さく形成する、またはこの両者を実施すれば、水素ポンプ８にさらに負荷がかかることにより、より高温のガスをバイパス路１０に流すことができ、これにより暖気効率を向上させることができる。同様にして、空気流路３においても、バイパス路１７に絞り部を設けたり、バイパス路１７の配管径を空気流路３の配管径よりも小さく形成したり、この両者を実施することにより、暖気効率を向上させることができる。
また、水素流路２において、バイパス路１０にシャットオフ弁１１を設ける代わりに、空気流路３と同様に、バイパス路１０と供給流路２ｂとの分岐点に三方弁を配置してもよく、このとき三方弁が本体側流路２ａを選択する際の開度と第２圧力調整弁６の開度を等しく設定すれば、第２圧力調整弁６を設ける必要がなくなる。
【００２３】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図２を参照して説明する。この実施の形態２の燃料電池システムは、図１に示した実施の形態１の燃料電池システムにおいて、空気流路３に循環流路２１を設けたものである。すなわち空気流路３において循環流路２１は、一端がポンプ１５の上流に接続されると共に他端が排出流路３ｃのバイパス路１７との分岐点の下流に接続されている。なお、水素流路２の構成及び動作は実施の形態１と同様のため省略する。
【００２４】
空気流路３においてこのようにしても、制御弁の凍結時に制御部によりエアポンプ１５が作動されると、燃料電池本体１、背圧調整弁１６及び加湿モジュール１４を迂回してバイパス路１７に空気が流されて制御弁が加熱され、実施の形態１と同様の効果が得られる。
それに加えて、この実施の形態２の燃料電池システムは、循環流路２１を有しているため、バイパス路１７、エアポンプ１５及び循環流路２１から閉回路が形成され、この閉回路内を空気が循環すると共にこの閉回路内を循環する空気はエアポンプ１５により断熱圧縮されて高温になる。従って、制御弁を含むシステム全体をより効率よく暖気することができる。
【００２５】
なお、上述の実施の形態２において、空気流路３の循環流路２１に絞り部を設ける、または循環流路２１の配管径を空気流路３の配管径よりも小さく形成する、またはこの両者を実施すれば、エアポンプ１５にさらに負荷がかかることにより、空気をより高温にして流すことができ、これにより暖気効率をより向上させることができる。このようにエアポンプ１５に負荷をかける場合には、排出流路３ｃにおける循環流路２１との分岐点の下流に、暖気時、すなわち制御弁の加熱時には閉じられるシャットオフ弁を設ける必要がある。
【００２６】
なお、上述の実施の形態１及び２において、制御部は、外気温度を検出する外気温センサを備えて、この外気温センサで測定される外気温度が所定の温度以下になった際に制御弁の凍結を検知することができる。また、制御弁の開閉状態を検出する状態センサを備え、制御部は制御弁の開閉制御を行なった際に状態センサにより検出された制御弁の開閉状態が予期しない状態となったときに制御弁が凍結したと判断するようにしてもよく、この場合、制御弁毎に凍結しているか否かを検知することができる。ここで、上述の実施の形態１及び２では、制御弁の凍結時に制御部は水素ポンプ８及びエアポンプ１５を共に作動させていたが、このように制御弁毎の凍結状態を検知できる場合には、水素流路２及び空気流路３のうち、凍結している制御弁をもったガス流路におけるポンプだけ作動させることもできる。このようにすれば、システム始動に先立って行われる暖気動作に費やされる電力が低減されて、省エネの燃料電池システムを実現することができる。
【００２７】
なお、上述の実施の形態１及び２の燃料電池システムが、バッテリ駆動型のシステムである場合には、始動後の燃料電池システムの運転に要する充電容量を確保するため、制御部は、バッテリの充電容量に応じて水素ポンプ８及びエアポンプ１５の作動時間すなわち解凍時間や、これらのポンプ８及び１１により流通されるガスの流量を制御することが好ましい。
また、制御部に予め解凍時間を設定しておいて、その時間分だけ暖気動作を行ってもよいし、外気温センサを設けて、外気温センサで測定される外気温度に応じてその解凍時間を変更してもよい。また、上述のように制御弁の開閉状態を検出する状態センサを設けて、この状態センサにより検出された制御弁の開閉状態が所望の開閉状態になったときに、制御部は暖気動作を停止して、システムを始動するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す概略図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る燃料電池システムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  燃料電池本体、２  水素流路、２ａ，３ａ  本体側流路、２ｂ，３ｂ  供給流路、２ｃ，３ｃ  排出流路、３  空気流路、４  高圧水素タンク、５  第１圧力調整弁、６  第２圧力調整弁、７，１６  背圧調整弁、８  水素ポンプ、９，１１  シャットオフ弁、１０，１７  バイパス路、１２，２１  循環流路、１３  逆止弁、１４  加湿モジュール、１５  エアポンプ、１８  三方弁。
【図１】
2005158282.tif 000003
【図２】
2005158282.tif 000004