(57)【要約】【課題】燃料電池システムとして運転効率の低下を防止しつつ、調圧弁の低温時での作動不良を防止する。【解決手段】燃料電池１からの排出空気が流れる空気排出通路１５に調圧弁２３を設ける。圧縮機１７からの圧縮空気は、空気供給通路１９を通って燃料電池１に供給され、空気供給通路１９から分岐する空気バイパス通路２５を経て圧縮空気の一部を調圧弁２３に供給し、調圧弁２３の凍結を防止する。空気供給通路１９からは、さらに換気通路３７を分岐させて燃料電池ケース２７内に換気空気を供給し、その排気を調圧弁２３に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に圧縮機から酸化剤ガスを含む空気を供給する空気供給通路および、前記燃料電池から排出空気が流れる空気排出通路をそれぞれ設けるとともに、前記空気排出通路に空気の圧力を調整する調圧弁を設け、この調圧弁に前記空気供給通路から前記圧縮空気を供給する調圧弁用空気供給通路を接続して設けた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、前記調圧弁用空気供給通路は、前記空気供給通路と前記調圧弁とを接続して前記燃料電池を空気がバイパスして流れる空気バイパス通路であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記調圧弁用空気供給通路は、前記燃料電池を収容する燃料電池ケース内に連通する換気通路であ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ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記調圧弁を、通路壁に対して回転可能な軸部と、この軸部に設けられ前記空気供給通路を開閉する弁体とを有する構成とし、前記調圧弁用空気供給通路を流れる空気を前記軸部の前記通路壁近傍に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記調圧弁用空気供給通路を流れる空気を前記軸部の前記通路壁近傍に供給する空気導入通路を、前記調圧弁のハウジングに設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記空気導入通路は、前記調圧弁の上流側における前記ハウジングの通路壁に設けた環状の空気供給空間と、この空気供給空間の下流側に位置して前記軸部の前記通路壁近傍に空気を供給するよう流出口が開口する空気流出空間とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、前記空気導入通路は、前記調圧弁の上流側における前記ハウジングの通路壁に設けた環状の空気供給空間と、この空気供給空間の円周方向における一部に、空気供給空間に供給した空気が円周方向に沿って流れるよう流入する流入口と、前記空気供給空間の下流側端部に、前記空気を前記軸部の前記通路壁近傍に供給するよう開口する流出口とをそれぞれ備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から排出される排出燃料ガスが流れる燃料ガス排出通路を、前記調圧弁の下流の前記空気排出通路に接続し、前記燃料ガス排出通路よりも下流の前記空気排出通路に燃料ガス濃度検出手段を設けるとともに、前記調圧弁用空気供給通路に通路開閉手段を設け、前記燃料ガス濃度検出手段の検出濃度に応じて前記通路開閉手段を開閉制御する制御手段を設けた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、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池においては、従来氷点下などの低温時の起動を正常に行うためには、ヒータなどの加熱手段を用いてシステム構成部品を暖めるというものが多い。
【０００３】
ところが、この場合には加熱手段を別途設ける必要があることから、駆動電力が余計に必要となって、特に自動車などの移動体に燃料電池を搭載する場合には、コストや設置スペースなどを考慮すると採用が困難となる。
【０００４】
ここで、上記した燃料電池システムの構成部品のうち、燃料電池に供給する反応ガス（水素や空気）の圧力を調整する調圧弁に着目すると、例えば、下記特許文献１によれば、氷点下などの低温時に調圧弁が凍結しないように、凍結しそうな状態であることを検知したときに、調圧弁の開度を所定開度以下にしないように制御するという方法がある。
【特許文献１】特開２００４−３１１２８８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、上記した従来の燃料電池システムにおいては、発電が開始されてから水分を持った排出ガスが調圧弁に導入されると、流速が上がって圧力が低下するため、流路内面に霜付きが生じやすく、それが高じて弁の動作を遅くしたり、最悪凍結して弁を固着させ、調圧不能にするという問題がある。
【０００６】
また、調圧弁の開度を所定開度以下にしないように制御していることから、調圧弁による圧力制御の範囲が制限されて燃料電池システムとして運転効率の低下を招くという問題も発生する。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池システムとして運転効率の低下を防止しつつ、調圧弁の低温時での作動不良を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電させる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に圧縮機から酸化剤ガスを含む空気を供給する空気供給通路および、前記燃料電池から排出空気が流れる空気排出通路をそれぞれ設けるとともに、前記空気排出通路に空気の圧力を調整する調圧弁を設け、この調圧弁に前記空気供給通路から前記圧縮空気を供給する調圧弁用空気供給通路を接続して設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池の空気排出通路に設けた調圧弁には、圧縮機を出て温度が高く、乾燥した空気が直接供給できるので、別途加熱手段を設けることなく、調圧弁の霜付や凍結などに起因する低温時での作動不良を防止して低温始動性を高めることができ、この際、調圧弁の開度を制限する必要がないので、燃料電池システムとして運転効率の低下を回避することができる。
【００１０】
また、燃料電池をアイドル運転時のような低負荷で運転する際、圧縮機をあまり低回転で運転することは効率が悪いため、ある程度回転を維持したまま燃料電池に空気を供給すると、燃料電池が乾燥して発電性能が落ちてしまう可能性がある。このような場合であっても、低負荷時にて余剰となる空気を、調圧弁用空気供給通路を経て調圧弁に供給すれば、燃料電池の発電性能を維持したまま、圧縮機の効率も落とさず運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。燃料電池１に対し、図示しない水素タンクなどの燃料供給源から燃料ガスである水素ガスが、水素供給通路３に設けた水素調圧弁５を通して供給され、燃料電池１から排出される排出水素ガスは、水素循環通路７に設けた水素循環装置９を通して水素調圧弁５の下流に戻され、これにより水素循環系を構成している。
【００１３】
水素循環通路７の水素循環装置９より下流には、燃料ガス排出通路となるパージ配管１１を接続し、このパージ配管１１に設けたパージ弁１３を通して、後述する空気排出通路１５に循環水素の一部を流す。
【００１４】
一方、空気は、圧縮機１７から空気供給通路１９に設けた加湿装置２１を通って燃料電池１に供給され、燃料電池１から排出される排出空気は前記した空気排出通路１５を通って外部に排出される。空気排出通路１５には、燃料電池１側から前記した加湿装置２１および調圧弁２３をそれぞれ設置している。この調圧弁２３の下流に、前記したパージ配管１１を接続している。
【００１５】
加湿装置２１では、空気排出通路１５を流れる排出空気中の水分により、空気供給通路１９を流れる乾燥した空気を加湿し、この加湿空気を燃料電池１に供給することで、燃料電池１の構成部品である固体高分子電解質膜を湿潤状態に確保する。
【００１６】
圧縮機１７と加湿装置２１との間の空気供給通路１９には、燃料電池１をパイパスして空気が流れる空気バイパス通路２５の一端を上流側に、燃料電池１を収容する燃料電池ケース２７内に空気を供給する換気入口通路２９の一端を、下流側にそれぞれ接続する。これら空気バイパス通路２５および換気入口通路２９には、通路開閉手段としてのバイパス弁３１および換気弁３３をそれぞれ設置する。
【００１７】
そして、上記した空気バイパス通路２５の他端を、調圧弁２３に接続する。また、燃料電池ケース２７には、上記した換気入口通路２９の他端を接続するとともに、換気出口通路３５の一端を接続し、換気出口通路３５の他端を調圧弁２３に接続する。この換気出口通路３５と換気入口通路２９とで換気通路３７を構成している。また、換気通路３７および空気バイパス通路２５は、調圧弁用空気供給通路を構成している。
【００１８】
調圧弁２３より下流の空気排出通路１５には、燃料ガス濃度検出手段としての水素濃度センサ３９を設置し、水素濃度センサ３９が検出する水素濃度が、所定値以下になっているか否かを、制御手段としての制御装置４１が監視している。
【００１９】
図２（ａ）は調圧弁２３の簡略化した断面図で、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面に対応する断面図である。ただし、図２（ａ）と図２（ｂ）とでは、調圧弁２３の開度を異ならせている。
【００２０】
上記した調圧弁２３は、円筒形状のハウジング４３内に、その通路壁に対して回転可能な軸部４５と、この軸部４５に設けられて内部の通路、すなわち空気供給通路１５を開閉する弁体４７とを備えている。
【００２１】
ハウジング４３は、軸部４５および弁体４７より図２中で右側の上流側を二重管構造として、環状の空気供給空間４９を備えるとともに、空気供給空間４９より下流側には、空気供給空間４９に連続する空気流出空間５１を備えている。これら空気供給空間４９および空気流出空間５１により空気導入通路５３を構成している。
【００２２】
上記した空気供給空間４９および空気流出空間５１からなる空気導入通路５３の形状を図３に斜視図として示す。図３に示すように、空気流出空間５１は、円周方向の相互に対向する２箇所にて、空気供給空間４９の下流側端部からさらに下流に向けて延長し、その下流端に空気流出口５５を設けている。
【００２３】
一方、空気供給空間４９の上記した空気流出空間５１とは円周方向に沿って９０度隔てた相互に対向する位置に、空気流入口５７を設け、この各空気流入口５７に前記した空気バイパス通路２５および換気出口通路３５をそれぞれ接続する。
【００２４】
上記した構成の燃料電池システムによれば、水素調圧弁５にて調圧された水素が水素供給通路３を通って燃料電池１に供給されるとともに、圧縮機１７で圧縮された空気が加湿装置２１にて加湿されて燃料電池１に供給され、これにより燃料電池１が発電する。
【００２５】
この際、燃料電池１から排出される排出水素ガスは、水素循環装置９により水素循環通路７を通って水素供給通路３に戻され再度燃料電池１に供給される。一方、燃料電池１の運転状態に応じてパージ弁１３が開いたときに、排出水素ガスの一部がパージ配管１１を通って調圧弁２３下流の空気排出通路１５に流れ込む。
【００２６】
一方、燃料電池１から排出される排出空気は、加湿装置２１にて空気供給通路１９を流れる乾燥した空気を加湿し、調圧弁２３にて調圧された後、システム外に放出される。
【００２７】
また、空気供給通路１９から換気入口通路２９に流れる換気空気は、常に一定開度で開いている換気弁３３を通して燃料電池ケース２７内に流入し、燃料電池ケース２７内において、燃料電池１から僅かに透過して燃料電池ケース２７内空間に漏れ出た微量な水素が滞留し、その濃度が高くならないように希釈して燃料電池ケース２７外に放出される。
【００２８】
そして、この希釈後の空気は、換気出口通路３５を通って調圧弁２３に供給されるとともに、空気供給通路１９から空気バイパス通路２５に流れる空気が、そのときの運転状態に応じて開度が調整されるバイパス弁３１を通って調圧弁２３に供給される。
【００２９】
空気バイパス通路２５に流れる空気および換気出口通路３５を流れる空気が、上記のように調圧弁２３に供給される際には、図２，図３に示すように、環状の空気供給空間４９に空気流入口５７を通して流入した後、空気流出空間５１を経て空気流出口５５から、軸部４５の通路壁近傍の端部に向けて流出する。
【００３０】
ここで、上記したような、いわゆるバタフライ弁型の調圧弁２３において、図２（ｂ）に示すように軸部４５近傍の弁体４７と通路壁面との隙間が一番小さく流速が高いため、圧力が下がって温度も下がり、低温起動時にハウジング４３が冷え切った状態で水分を持った排出空気が導入されると、従来では、図４に示すように、軸部４５近傍の通路壁面周辺で霜５９が付着しやすく、これが高じると、霜５９を掻き取るように弁体４７が動くことによって霜５９が堆積し、霜５９と弁体４７との摩擦で動作が遅くなったり、最悪凍結して固着してしまう場合がある。
【００３１】
しかしながら、本実施形態においては、上記のように軸部４５の通路壁近傍の端部に、圧縮機１７を出て温度が高く、乾燥している空気を供給するので、上記したような霜５９の付着を防止し、スムーズな低温起動を実施できる。この際、本実施形態では、調圧弁２３の開度を制限する必要がないので、燃料電池システムとして運転効率の低下を回避することができる。
【００３２】
また、燃料電池システムにおけるアイドル運転のような低負荷で運転する際に、圧縮機１７をあまり低回転で運転することは効率が悪いため、ある程度回転を維持したまま燃料電池１に空気を供給すると、燃料電池１が乾燥して発電性能が落ちてしまう問題が発生する。そこで、低負荷時にて余剰となる空気を、バイパス弁３１を用いて燃料電池１をバイパスさせることで、燃料電池１の発電性能を維持したまま、圧縮機１７の効率も落とさず運転することができるという効果もある。
【００３３】
図５は、燃料電池システムの負荷とバイパス弁３１の開度との関係を示しており、これによれば、調圧弁２３内にて霜の発生や凍結の発生しやすい低温時には、破線で示すように、低負荷時にバイパス弁３１を負荷Ｌとなるまでの一定期間だけ全開として調圧弁２３に供給する空気を多くし、その後の負荷の増大とともにバイパス弁３１の開度を徐々に小さくしていく。これにより、霜の発生や凍結の発生を防止しつつ、燃料電池システムの運転効率を所望に維持することができる。
【００３４】
一方、温度が高まる通常の発電時には、霜の発生や凍結の発生の恐れがないことから、実線で示すように、運転開始から負荷の増大とともにバイパス弁３１の開度を全開から徐々に小さくする。この際、低負荷では圧縮機１７の効率を維持できる回転数のまま、燃料電池１に負荷に応じた必要な空気が供給されるようにバイパス弁３１の開度を設定する。
【００３５】
また、上記した実施形態によれば、霜の発生しやすい軸部４５の端部近傍に集中して温度の高い乾燥空気を導入することにより、効率的に調圧弁２３の動作不良を防止できる。
【００３６】
また、空気バイパス通路２５を流れる空気に加えて、換気通路３７を流れる空気をも調圧弁２３に供給しているので、温度の高い空気の量が増し、調圧弁２３の動作不良を防止する効果をより高めることができる。
【００３７】
なお、換気弁３３は、基本的には通常発電でも低温起動においても、常に一定開度で開いており、特に開度を制御する必要がないため、オリフィスを用いたり、配管そのものの径を適切に選択すれば、省略しても特に問題はない。
【００３８】
図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態を示す調圧弁２３Ａの、前記図２（ａ）に対応する断面図で、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線断面に対応する断面図である。ただし、図６（ａ）と図６（ｂ）とでは、調圧弁２３Ａの開度を異ならせている。
【００３９】
上記した調圧弁２３Ａは、前記図２に示した調圧弁２３と同様に、円筒形状のハウジング４３Ａ内に、その通路壁に対して回転可能な軸部４５と、この軸部４５に設けられて内部の通路、すなわち空気供給通路１５を開閉する弁体４７とを備えている。
【００４０】
ハウジング４３Ａは、軸部４５および弁体４７より図６中で右側の上流側を二重管構造とし、環状の空気供給空間６１を備えている。空気供給空間６１の上流側端部の外周には、前記した空気バイパス通路２５を流れる空気を、空気供給空間６１内に導入するバイパス空気流入口６３と、換気出口通路３５を流れる換気空気を、空気供給空間６１内に導入する換気空気流入口６５とをそれぞれ接続する。
【００４１】
これらバイパス空気流入口６３および換気空気流入口６５は、空気供給空間６１内に流入した空気が、図７の矢印で示すように円周方向に沿って螺旋状に流れるように、上流側端部付近において、通路の下流に向かい、かつ通路の軸線に対して傾斜するよう接続する。
【００４２】
また、空気供給空間６１の下流側の端部は、全周にわたり開口し、空気流出口６７となっている。
【００４３】
上記した空気供給空間６１と、バイパス空気流入口６３および換気空気流入口６５と、空気流出口６７とで空気導入通路を構成している。
【００４４】
上記図６，図７に示した第２の実施形態においては、バイパス空気流入口６３および換気空気流入口６５からバイパス空気および換気空気が、空気供給空間６１に流入し、空気流出口６７から流出した後は通路内面に沿って流れつつ弁体４７の周囲に向けて流れる。
【００４５】
これにより、第１の実施形態と同様に、軸部４５の通路壁近傍の端部に、圧縮機１７を出て温度が高く、乾燥している空気を供給することになるので、前記図４に示したような霜５９の付着を防止し、スムーズな低温起動を実施できる。
【００４６】
また、第２の実施形態では、空気供給空間６１に流入したバイパス空気および換気空気が円周方向に沿って螺旋状に流れるので、ハウジング４３Ａ自体をこれら導入した温度の高い乾燥空気によって暖め、また空気流出口６７から流出した乾燥空気が通路内面に沿って層を形成し、この空気層により排出空気が直接通路内面に触れないようにするため、より効果的に霜の付着および凍結を防止することができる。
【００４７】
さらに、通常発電時には多量に水蒸気を含んだ排出空気が調圧弁２３に導入されるが、空気バイパス通路２５を通しての温度の高い乾燥空気導入により、軸部４５や弁体４７およびハウジング４３Ａでの水蒸気の凝縮を防止し、液水が溜まることによる調圧不良も防止できる。このような効果は第１の実施形態においても同様に発生する。
【００４８】
なお、上記した第２の実施形態においては、バイパス空気流入口６３および換気空気流入口６５の空気供給空間６１への空気導入角度によって、空気供給空間６１内に螺旋状に回転する空気流を発生させているが、例えば、空気供給空間６１内に螺旋状に回転する空気流が発生するように空気流れを整流する導風板を、空気供給空間６１内に取り付けてもよい。
【００４９】
図８は、換気弁３３の開度動作の一例を示した説明図である。この例は、換気弁３３を、開度調整可能な弁とし、通常発電時は実線で示すように開度一定とし、低温起動時には、破線で示すように、開度を大きくし、負荷の増大とともに開度を徐々に小さくする。これにより、低温起動時の低負荷時には、空気バイパス通路２５による空気の導入に加え、さらに多量の温度の高い乾燥空気を調圧弁２３に導入できるため、より効率的に凍結防止が可能となる。
【００５０】
また、通常所定濃度以上であった場合の警告をするだけの目的で設置されている水素濃度センサ３９を使用し、開度調整可能なバイパス３１弁および換気弁３３を用いて、水素濃度センサ３９で検知した水素濃度に応じてこれらバイパス弁３１および換気弁３３の開度を、制御装置４１が変化させることで、より運転領域を広げることが可能となる。
【００５１】
例えば、所定の水素濃度以上を検知した場合、バイパス弁３１および換気弁３３の開度が全開でなく、かつ燃料電池１への運転に必要な供給空気量を維持できる範囲で、バイパス弁３１および換気弁３３の開度を大きくすることで、空気排出通路１５内の水素濃度を下げることができ、運転を継続できる時間をより長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】（ａ）は調圧弁の簡略化した断面図で、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面に対応する断面図である。
【図３】図２の調圧弁における空気導入通路の形状を示す斜視図である。
【図４】調圧弁の軸部近傍の通路壁面で霜が付着した状態を示す斜視図である。
【図５】燃料電池システムの負荷とバイパス弁の開度との関係を示す説明図である。
【図６】（ａ）は本発明の第２の実施形態を示す調圧弁の断面図で、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面に対応する断面図である。
【図７】図６の調圧弁における空気導入通路の形状および空気の流れ状態を示す斜視図である。
【図８】燃料電池システムの負荷と換気弁の開度との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料電池
１１  パージ配管（燃料ガス排出通路）
１５  空気排出通路
１７  圧縮機
１９  空気供給通路
２３  空気の圧力を調整する調圧弁
２５  空気バイパス通路（調圧弁用空気供給通路）
３１  バイパス弁（通路開閉手段）
３３  換気弁（通路開閉手段）
３７  換気通路（調圧弁用空気供給通路）
３９  水素濃度センサ（燃料ガス濃度検出手段）
４１  制御装置（制御手段）
４３，４３Ａ  調圧弁のハウジング
４５  調圧弁の軸部
４７  調圧弁の弁体
４９  空気供給空間（空気導入通路）
５１  空気流出空間（空気導入通路）
５３  空気導入通路
５５  空気流出空間の空気流出口（流出口）
６１  空気供給空間（空気導入通路）
６３  バイパス空気流入口（空気導入通路，流入口）
６５  換気空気流入口（空気導入通路，流入口）
６７  空気流出口（空気導入通路，流出口）
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007242530.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007242530.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007242530.tif 000009
【図８】
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