(57)【要約】【課題】燃料電池の搭載性を確保しつつ、燃料電池停止中における燃料電池内部の水分過多状態を抑制する。【解決手段】ケース１２内に格納される燃料電池１１と、ケース１２を貫通してケース内の燃料電池１１に接続され、燃料電池１１に空気を供給する空気供給管１７と、電気化学反応後の空気を排出する空気排出管２２と、各配管１７，２２に設けられる空気入口、出口遮断弁１８，２３と、を備える燃料電池システム１０であって、ケース１２内に設けられる第３空気入口、出口管１６，２１は他の配管部分よりも剛性の低いゴムによって構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース内に格納され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
ケースを貫通してケース内の燃料電池に接続され、ケース外から燃料電池に酸化剤ガスを供給又は電気化学反応後の酸化剤ガスを燃料電池からケース外へ排出する酸化剤ガス配管と、
酸化剤ガス配管に設けられ、燃料電池の運転中には開弁状態に保持され、燃料電池の停止中には閉弁状態に保持される酸化剤ガス遮断弁と、を備える燃料電池システムであって、
酸化剤ガス配管は弾性体によって構成され、燃料電池と酸化剤ガス遮断弁との間の酸化剤ガス配管の剛性は、その他の部分の酸化剤ガス配管の剛性よりも低いこと、
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、
酸化剤ガス遮断弁は、ケースの外側に配置されていること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
ケース内に配置された酸化剤ガス配管の剛性は、ケース外に配置された酸化剤ガス配管の剛性よりも低いこと、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
燃料電池と酸化剤ガス遮断弁との間の酸化剤ガス配管は、燃料電池内の負圧によって閉塞すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
ケース内に配置された酸化剤ガス配管は、燃料電池内の負圧によって閉塞すること、
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、燃料電池システムの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料と酸化剤の電気化学反応によって発電をするもので、イオン交換膜からなる電解質の両側に燃料極と酸化剤極とが対向して配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、燃料極に燃料を供給する燃料供給流路が形成された燃料用セパレータと、酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給流路が形成された酸化剤用セパレータと、を備えている。燃料と酸化剤には色々なガスが用いられるが、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、電気化学反応によって発電がされると共に酸化剤極側に水が生成される形式のものが多く用いられている。
【０００３】
このような燃料電池において、運転が停止した際には、燃料電池内に残留している水素と酸素がクロスリークにより反応し、燃料電池内部の圧力は負圧となる。この残留した水素と酸素の反応は、空気中の酸素が消費されてしまうと停止するものであるが、燃料電池の停止中に酸化剤供給流路に新たな空気が流れこむと、上記のクロスリークによる反応が継続して発生してしまう。すると、燃料電池内の酸化剤極にはクロスリークによる反応によって生成した水分が過多となり、酸化剤ガスの流路が水分で塞がれてしまう場合がある。
【０００４】
このため、燃料電池の酸化剤ガスの入口及び出口の管路中に燃料電池の停止時の際には閉となる酸化剤ガス遮断弁を設けて、燃料電池の停止中に酸化剤ガスが燃料電池の内部に侵入することを防止する方法が用いられている。また、車両に搭載される燃料電池は、燃料電池を衝撃或いは外部の低温環境から保護するためのケースに格納されている場合が多い。そして、上記の酸化剤ガス遮断弁は、燃料電池の停止中に燃料電池の内部に入り込む酸化剤ガスの量を極力少なくするために、燃料電池の直近に設けられることが多く、ケースの内部に燃料電池と共に設けられている場合が多い(例えば、特許文献１参照)。
【０００５】
一方、燃料電池の酸化剤ガスとしては酸素を含む空気が用いられることが多い。そして、空気を燃料電池に供給するために空気圧縮機が用いられているが、空気圧縮機から発生する振動や騒音が接続配管で共鳴して大きな振動、騒音を発生することがある。このため、酸化剤ガスの配管をゴム製或いは樹脂製として配管の共鳴を防止することが提案されている(例えば、特許文献２参照)。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２６８０５４号公報
【特許文献２】特開２００２−３７３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、車両に搭載される燃料電池は、少ないスペースに大きな出力の電池を搭載することができるよう、搭載性が重視される。このため、酸化剤ガス遮断弁などは燃料電池のケースの内部に配置せずに、ケースの外部に配置する場合がある。このような場合には、燃料電池を停止して酸化剤ガス遮断弁を閉止した後に燃料電池と酸化剤ガス遮断弁との間の配管内部に残留した酸化剤ガスが停止後に負圧になっている燃料電池内部に引かれ、燃料電池内部に残留している燃料ガスと反応して、水分過多が発生する場合がある。また、酸化剤ガスの遮断弁がケースの外部に配置されているので低温状態で燃料電池が停止した場合、外気によってケースの外部にある配管が冷却されるので配管内部の酸化剤ガスが冷却され、この冷却された酸化剤ガスが停止中に負圧となる燃料電池に引かれて燃料電池内部に侵入し、燃料電池の端部の発電セルが冷却されることがある。燃料電池の発電セルが冷却されると、燃料ガス流路に残留している燃料ガスに含まれている水分が結露を起こし水溜りが発生してしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池の搭載性を確保しつつ、燃料電池停止中における燃料電池内部の水分過多状態を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、ケース内に格納され、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、ケースを貫通してケース内の燃料電池に接続され、ケース外から燃料電池に酸化剤ガスを供給又は電気化学反応後の酸化剤ガスを燃料電池からケース外へ排出する酸化剤ガス配管と、酸化剤ガス配管に設けられ、燃料電池の運転中には開弁状態に保持され、燃料電池の停止中には閉弁状態に保持される酸化剤ガス遮断弁と、を備える燃料電池システムであって、酸化剤ガス配管は弾性体によって構成され、燃料電池と酸化剤ガス遮断弁との間の酸化剤ガス配管の剛性は、その他の部分の酸化剤ガス配管の剛性よりも低いこと、を特徴とする燃料電池システム。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス遮断弁は、ケースの外側に配置されていること、としても好適であるし、ケース内に配置された酸化剤ガス配管の剛性は、ケース外に配置された酸化剤ガス配管の剛性よりも低いこと、としても好適である。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池と酸化剤ガス遮断弁との間の酸化剤ガス配管は、燃料電池内の負圧によって閉塞すること、としても好適であるし、ケース内の配置された酸化剤ガス配管は、燃料電池内の負圧によって閉塞すること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、燃料電池の搭載性を確保しつつ、燃料電池停止中における燃料電池内部の水分過多状態を抑制することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気とが供給されて電気化学反応によって発電する燃料電池１１と、燃料電池１１を内部に格納するケース１２と、燃料電池１１に供給する燃料ガスである水素ガスを貯留する水素タンク３４と、モータ３２によって燃料電池１１に供給する酸化剤ガスである空気を圧縮する空気圧縮機３１とを備えている。空気圧縮機３１には、外部から空気を吸い込む空気吸い込み管１３と、空気圧縮機３１によって圧縮された空気を燃料電池１１の酸化剤極に供給する空気供給管１７とが接続され、空気供給管１７の空気圧縮機３１と燃料電池１１との間には空気入口遮断弁１８が設けられている。空気入口遮断弁１８はケース１２の外に設けられ、空気供給管１７はケースを貫通して燃料電池１１に接続されている。空気供給管１７のうち空気圧縮機３１と空気入口遮断弁１８との間の空気配管は第１空気入口管１４であり、空気入口遮断弁１８と燃料電池１１との間のケース外側の空気配管は第２空気入口管１５であり、ケース内側の配管は第３空気入口管１６である。第３空気入口管１６はケース１２の中で燃料電池１１の空気入口ノズルに直接接続されている。
【００１４】
燃料電池１１の内部で電気化学反応をした空気は燃料電池１１の空気排出ノズルから排出される。燃料電池１１の空気排出ノズルには空気排出管２２が接続されている。空気排出管２２には空気出口遮断弁２３が設けられている。空気排出管２２のうち、空気出口遮断弁２３から下流の空気配管は第１空気出口管１９であり、空気出口遮断弁２３と燃料電池１１との間のケース外側の空気配管は第２空気出口管２０であり、ケース内側の配管は第３空気出口管２１である。第３空気出口管２１は燃料電池１１の空気排出ノズルに直接接続されている。空気排出管２２は燃料電池１１からの電気化学反応後の空気を大気に放出する大気放出管２６に接続されている。
【００１５】
水素タンク３４は燃料ガス供給路である水素ガス供給管３７によって燃料電池１１に接続され、燃料電池１１には空気と反応後のガスを燃料電池１１から排出するガス排出管４１が設けられている。水素ガス供給管３７、ガス排出管４１共に燃料電池１１を格納するケース１２を貫通しており、ケース１２内の水素ガス供給管は第２水素ガス供給管３８であり、ケース１２内のガス排出管４１は第２ガス排出管３９である。水素ガス供給管３７には、水素タンク３４に貯留された高圧水素ガスを減圧すると共に、水素ガス供給管３７を開閉して燃料電池１１への水素ガスの供給を調節する水素ガス供給弁３５が設けられている。ガス排出管４１は、大気放出管２６に並列して設けられた希釈器２５に接続され、反応後のガスは空気によって希釈された後、大気放出管２６から排出空気と共に大気に放出される。ガス排出管４１にはガス排出管４１を開閉して反応後のガスの大気への放出を調節するガス排出弁４５が設けられている。
【００１６】
ガス排出管４１と水素ガス供給管３７のとの間には、燃料電池１１から排出された反応後ガスの一部を水素ガス供給管３７に再循環させる再循環管４３が設けられ、再循環管４３には反応後ガスをガス排出管４１から水素ガス供給管３７に再循環させる水素循環ポンプ３６が設けられている。
【００１７】
図２に示すように、空気供給管１７と、空気排出管２２との燃料電池１１のケース１２の貫通部は、それぞれケース１２に固定された金属製の貫通管５１が設けられ、空気供給管１７と空気排出管２２とはそれぞれ貫通管５１の外面に被せられ、金属製のバンド５２，５３によって貫通管５１に締め付けられて固定されている。
【００１８】
図２に示すように、第２、第３空気入口管１５，１６及び第２、第３空気出口管２０，２１はそれぞれ弾性体であるゴムによって構成されている。ケース１２の内部に設けられている第３空気入口管１６、第３空気出口管２１のゴムの厚さは、ケース外側に設けられている第２空気入口管１５、第２空気出口管２０よりも薄くなっており、第３空気入口管１６、第３空気出口管２１の剛性は、ケース外側に設けられている第１空気入口管１４、第１空気出口管１９の剛性よりも低くなっている。また、空気入口遮断弁１８，空気出口遮断弁２３に接続されている第１空気入口管１４、第１空気出口管１９は金属製で、第２、第３空気入口、出口管１５，１６，２０，２１よりも大きな剛性を持つよう構成されている。
【００１９】
以上のように構成された燃料電池システム１０の動作について説明する。燃料電池システム１０が起動されると空気圧縮機３１が起動し、空気吸い込み管１３から吸い込んだ空気は空気圧縮機３１によって加圧され、空気供給管１７の第１空気入口管１４に流入する。起動開始の際には空気供給管１７に設けられた空気入口遮断弁１８は閉となっているので、最初は第１空気入口管１４だけが加圧される。そして、空気入口遮断弁１８が開となると加圧された空気は第２空気入口管１５、第３空気入口管１６を通って燃料電池１１に供給され、燃料電池の酸化剤極を加圧する。そして、空気出口遮断弁２３が開となると、燃料電池１１の酸化剤極に酸化剤ガスとしての空気が流れ始める。一方、燃料電池１１が起動されると、水素ガス供給弁３５が開となり、燃料ガスである水素ガスが貯留されている水素タンク３４から水素ガスが燃料電池１１の燃料極に供給され、燃料極が加圧される。そして、燃料極が加圧されると水素循環ポンプ３６が起動され、水素ガスが循環し始める。この様に、燃料電池１１に空気及び水素が供給されると燃料電池１１内部での電気化学反応によって発電が開始される。電気化学反応によって発電がされると、反応後の空気は反応生成物の水分と共に第１空気出口管１９から大気放出管２６に流れ、大気に放出される。また、電気化学反応によって水素濃度が低下してきた場合は、ガス排出弁４５を開として水素系のガスの一部を排出し、水素ガス供給弁３５の開度を調節して水素ガスを燃料電池１１の燃料極に供給する。
【００２０】
燃料電池１１が停止されると、空気圧縮機３１が停止して燃料電池１１への空気の供給が停止すると共に、入口、出口の空気遮断弁１８，２３が閉となる、また、水素ガス供給弁３５が閉され、水素ガスの供給が停止される。燃料電池１１の停止後、燃料電池１１の内部には未反応の空気と水素ガスとが残留している状態となっている。そして、時間がたつにつれて、この残留している未反応の空気と水素ガスとが反応して水分が生成される。すると、反応に消費された分だけ空気の体積が減少してくるので、空気の入っている酸化剤極の圧力は次第に低下してくる。一方、空気供給管１７及び空気排出管２２に設けられている空気入口遮断弁１８，空気出口遮断弁２３はそれぞれ閉となっていることから外部から燃料電池１１の内部に空気は流入してこない。このため、燃料電池１１の停止から時間が経過すると共に、燃料電池１１内部の圧力は更に低下していく。
【００２１】
そして、燃料電池１１の酸化剤極の圧力が低下すると、それに接続されている空気供給管１７及び空気排出管２２内部の圧力が低下してくる。すると、図３に示すように、空気供給管１７の一番剛性の低くなっているゴム製の第３空気入口管１６と第３空気出口管２１とが内部の負圧によって押し潰され始める。そして、更に負圧が大きくなると更に押し潰されて、断面が完全に閉塞する。すると、閉塞部分が空気を遮断し、空気入口遮断弁１８と第３空気入口管１６の閉塞部分との間、及び空気出口遮断弁２３と第３空気出口管２１との閉塞部分との間に残っている空気は燃料電池１１の内部に流入することができなくなる。このため、燃料電池１１にはそれ以上酸化剤ガスである空気が供給されることがなくなるので、燃料電池１１内部に残留している水素ガスとの反応による水分の生成も停止し、酸化剤極の水分が過多となることを抑制する。また、燃料電池１１の停止後に低温の外部環境におかれた場合でも、外部環境によって冷却される第２空気入口管１５、第２空気出口管２０の内部に残留している空気が燃料電池１１内部に流入することがなくなる。燃料電池１１はケース１２の内部に格納されているので、低温の外部環境下でもゆっくりしか冷却されない。このため、低温の外部環境によって冷却された空気が燃料電池１１の内部に流入してこなければ、空気供給管１７、空気排出管２２が接続されている端面に近い発電セルは急速に冷却されることはなく、そのセルの燃料極の残留水分が結露して水溜りが発生することを抑制し、燃料極が水分過多となることを抑制することができる。
【００２２】
燃料電池１１が起動され、空気圧縮機３１によって加圧された空気が供給されて、空気入口遮断弁１８、空気出口遮断弁２３が開となると、圧縮空気が第２空気入口管１５から第３空気入口管１６に流入し、空気圧力によって第３空気入口管１６の閉塞部分が押し広げられて閉塞が開放され、空気が燃料電池１１の内部に流入する。そして、燃料電池１１の酸化剤極が空気によって加圧されると、その圧力で閉塞されていた第３空気出口管２１の閉塞部が開放され、空気が第２空気出口管２０に流出する。そして、空気出口遮断弁２３が開となると、空気が燃料電池１１に流れ始める。先に述べたと同様に、燃料電池１１が起動されると、水素ガス供給弁３５が開き水素循環ポンプ３６が始動され、水素が燃料極に供給され、水素と酸素との電気化学反応によって燃料電池１１の発電が始まる。
【００２３】
以上述べたように、本実施形態は、空気入口遮断弁１８、空気出口遮断弁２３がケース１２の外に配置されているので、車両に燃料電池１１を搭載する際に各弁１８，２３を車両の燃料電池１１の格納スペースの中の空きスペースに配置することができるので、大きなケース１２に格納された大きな燃料電池１１を車両に搭載することができ、燃料電池１１の搭載性が向上するという効果を奏する。また、ケース１２の内部に配置されている第３空気入口管１６、第３空気出口管２１が燃料電池１１の停止中の負圧によって閉塞され、ケース外に配置されている第２空気入口管１５或いは第２空気出口管２０の内部に残留している空気が燃料電池１１の内部に入り込むことを抑制することができるので、酸化剤極に残留水素との反応によって水分が生成されることを抑制し、酸化剤極が水分過多となることを抑制することができるという効果を奏する。また、低温の外部環境によって第２空気入口管１５と第２空気出口管２０との内部に残留している空気が冷却されても、その冷却空気が燃料電池１１の内部に流入することを抑制できるので、燃料電池１１の停止中に燃料電池１１の発電セルが冷却され、燃料極に残留している水素ガスに含まれる水分が結露して燃料極が水分過多となり水溜りができたりすることを抑制することができるという効果を奏する。
【００２４】
本実施形態では、第２、第３空気入口管１５，１６及び第２、第３空気出口管２０，２１はそれぞれ弾性体であるゴムによって構成され、厚さを変更することによって、第３空気入口管１６、第３空気出口管２１の剛性をケース外側に設けられている第１空気入口管１４、第１空気出口管１９の剛性よりも低くすることとして説明したが、第２、第３空気入口管１５，１６及び第２、第３空気出口管２０，２１は弾性体であればゴムに限らず樹脂などによって構成されていてもよいし、第３空気入口管１６及び第３空気出口管２１は材料の組成によって弾性率を変更して剛性を低くすることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池の系統を示す図である。
【図２】本発明の実施形態における燃料電池の空気入口管、空気出口管の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態における燃料電池が停止して内部が負圧となった場合の空気入口管、空気出口管の変形を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  燃料電池システム、１１  燃料電池、１２  ケース、１３  空気吸い込み管、１４  第１空気入口管、１５  第２空気入口管、１６  第３空気入口管、１７  空気供給管、１８  空気入口遮断弁、１９  第１空気出口管、２０  第２空気出口管、２１  第３空気出口管、２２  空気排出管、２３  空気出口遮断弁、２５  希釈器、２６  大気放出管、３１  空気圧縮機、３２  モータ、３４  水素タンク、３５  水素ガス供給弁、３６  水素循環ポンプ、３７  水素ガス供給管、３８  第２水素ガス供給管、３９  第２ガス排出管、４１  ガス排出管、４３  再循環管、４５  ガス排出弁、５１  貫通管、５２，５３  バンド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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