(57)【要約】【課題】オフガスの排出流路に気化装置を備える燃料電池において、燃料電池内部の圧力変動を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出されるオフガス及び排出水の排出流路と、排出流路に設けられて排出流路内の排出水を気化させるための気化装置と、排出流路において、燃料電池と気化装置との間に設けられた第１の背圧弁と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガス及び排出水の排出流路と、
前記排出流路に設けられ、前記排出流路内の前記排出水を気化させるための気化装置と、
前記排出流路において、前記燃料電池と前記気化装置との間に設けられた第１の背圧弁と、
を備える、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、さらに、
前記排出流路において、前記気化装置よりも下流側に配置された露点計を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記排出流路において、前記気化装置よりも下流側に配置された第２の背圧弁を備える、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第２の背圧弁を制御して、前記第２の背圧弁の目標背圧を調整可能な制御部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の出力が増加する際に、前記目標背圧を低下させるように前記第２の背圧弁を制御する、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、燃料電池の内部の圧力を調整する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池では、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）において、燃料ガス（水素ガス等）と酸化ガス（空気等）とによる燃焼反応が起こり、この燃料反応によって得られるエネルギーが電気エネルギーに変換される。このとき、ＭＥＡの発電効率は、ＭＥＡの含水率（濡れ性）に応じて異なる。すなわち、ＭＥＡの含水率が低くなる（乾燥する）と、膜抵抗が増大して発電効率が低下する。ここで、含水率は、燃料電池内の水蒸気分圧（水蒸気の圧力／全圧）の変化に伴って変化する。そこで、燃料電池システムとして、燃料電池内部の全圧を一定に保つために、オフガスの排出流路において背圧弁を備えるものがある（下記特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１０８６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この従来の燃料電池システムでは、背圧弁の水分供給を抑制するためのヒータが燃料電池と背圧弁との間に設けられている。しかしながら、多量の排水がヒータによって気化すると、燃料電池内部の圧力が大幅に変動してしまい、この結果、燃料電池の発電効率が変化するという問題があった。
【０００５】
なお、上述した問題は、固体高分子電解質型燃料電池に限らず、リン酸型燃料電池など他の種類の燃料電池においても発生し得る。
【０００６】
本発明は、オフガスの排出流路に気化装置を備える燃料電池において、燃料電池内部の圧力変動を抑制することができる技術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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガス及び排出水の排出流路と、前記排出流路に設けられ、前記排出流路内の前記排出水を気化させるための気化装置と、前記排出流路において、前記燃料電池と前記気化装置との間に設けられた第１の背圧弁と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、第１の背圧弁は、排出流路において、燃料電池と気化装置との間に設けられているので、排出水の気化による圧力変動が生じても、第１の背圧弁によって燃料電池が接続されている側の圧力を一定に保ち、燃料電池内部の圧力変動を抑制することができる。
【０００９】
上記燃料電池システムは、さらに、前記排出流路において、前記気化装置よりも下流側に配置された露点計を備えるようにしてもよい。
【００１０】
このようにすることで、排出流路内に液体として存在する水を気化装置において気化させることができるので、排出流路における水分量を露点計によって正確に計測することができる。
【００１１】
上記燃料電池システムは、さらに、前記排出流路において、前記気化装置よりも下流側に配置された第２の背圧弁を備えるようにしてもよい。
【００１２】
このようにすることで、第２の背圧弁の目標背圧を低下させてオフガスを急速に排出することができ、このオフガスの流れを利用して、排出流路内に留まる水分を排出することができる。
【００１３】
上記燃料電池システムは、さらに、前記第２の背圧弁を制御して、前記第２の背圧弁の目標背圧を調整可能な制御部を備え、前記制御部は、前記燃料電池の出力が増加する際に、前記目標背圧を低下させるように前記第２の背圧弁を制御するようにしてもよい。
【００１４】
このようにすることで、燃料電池の出力増加に伴って排出水が増加して、排出流路内に留まる水分が増加することとなっても、第２の背圧弁の目標圧力を低下させることで発生するオフガスの流れを利用して、増加した排出水を排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ｂ．第２の実施例：
Ｃ．変形例：
【００１６】
Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、水素タンク４０と、ラジエータ５０と、循環用ポンプ２４０と、エアポンプ３１０と、背圧弁５００と、気化装置５１０と、露点計５２０と、制御ユニット６０と、を備えている。燃料電池スタック１００は、積層された複数の燃料電池１０から構成されている。制御ユニット６０は、ＣＰＵ６１とメモリ６２とを備えており、ＣＰＵ６１は、メモリ６２に記憶されているプログラムにしたがって、燃料電池システム１０００の運転を制御する。なお、燃料電池システム１０００は、例えば、電気車両に搭載して、外部負荷であるモータに電力を供給するために用いることができる。
【００１７】
燃料電池スタック１００には、各燃料電池１０における電気化学反応に用いられる反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）及び冷却媒体が供給される。具体的には、水素タンク４０から配管２５０ａを介して燃料ガスとしての水素が燃料電池スタック１００に供給される。電気化学反応で用いられなかった燃料ガスは、循環用ポンプ２４０によって配管２５０ｂを介して配管２５０ａに戻されて、再び燃料電池スタック１００に供給される。また、燃料電池スタック１００には、エアポンプ３１０によって配管３５０ａを介して酸化ガスとしての空気が供給される。また、燃料電池スタック１００には、ラジエータ５０から配管４５０ａを介して冷却媒体としての水が供給される。燃料電池スタック１００から排出された水は、配管４５０ｂを介してラジエータ５０に送られて再び燃料電池スタック１００に供給される。配管４５０ｂには、水の循環のための循環用ポンプ４１０が配置されている。
【００１８】
各反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）は、加湿器（図示省略）で加湿されて燃料電池スタック１００に供給される。これは、各燃料電池１０のＭＥＡを構成する電解質膜（図示省略）が湿潤環境下において高いイオン交換能力を発揮するためである。なお、水素タンク４０から水素を供給する代わりに、アルコールや炭化水素などを原料とする改質反応によって水素を生成して供給するようにしても良い。また、冷却媒体として、水の代わりにエチレングリコール等の不凍水や空気等を用いてもよい。
【００１９】
燃料電池スタック１００において、電気化学反応で用いられなかった酸化ガス（オフガス）は、配管３５０ｂを介して排出される。また、電気化学反応によってカソード側で生成された水もこの配管３５０ｂを介して排出される。ここで、配管３５０ｂには、背圧弁５００が配置されている。また、背圧弁５００の二次側（下流側）には気化装置５１０と露点計５２０とが、この順番で配置されている。
【００２０】
背圧弁５００の一次側（上流側）には、配管３５０ｂを介して燃料電池スタック１００が直接接続されている。すなわち、背圧弁５００は、燃料電池スタック１００（各燃料電池１０）の内部の圧力（全圧）を一定に保つように働く。
【００２１】
露点計５２０は、配管３５０ｂにおける露点温度を測定することでオフガス中の水分量を測定する。露点計５２０としては、例えば、静電容量式露点計を用いることができる。なお、この露点計５２０によって得られた水分量のデータは、制御ユニット６０に通知される。制御ユニット６０において、ＣＰＵ６１は、受信した水分量データに基づいて、反応ガス用の加湿器（図示省略）の運転を制御するなどして、ＭＥＡにおける含水率を制御する。
【００２２】
気化装置５１０は、水（液体）を水蒸気に気化するためのヒータであり、例えば、配管の内部にフランジヒータ等の発熱体を組み込んだサーキュレーションヒータを用いることができる。また、例えば、配管３５０ｂの外周を覆うバンドヒータを用いることもできる。この気化装置５１０は、燃料電池スタック１００から排出される排出水（液体）を加熱して水蒸気（気体）にすることで、燃料電池からの排出水分量を露点計５２０によって正確に測定できるようにする。なお、気化装置５１０が配管内部に発熱体を組み込む構成である場合には、気化装置５１０において圧力損失が生じる。図１の例では、気化装置５１０において２０ｋＰａの圧力損失が生じている。
【００２３】
以上の構成を有する燃料電池システム１０００では、気化装置５１０において排出水が気化する際にオフガスの体積が増加する。したがって、配管３５０ｂにおいて、背圧弁５００よりも下流側（二次側）の圧力が増加することとなる。しかしながら、背圧弁５００の一次側の圧力は一定に保たれるので、燃料電池スタック１００の内部における圧力変動を抑制することができる。
【００２４】
図２は、比較例としての燃料電池システム９００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム９００は、背圧弁５００の配置位置が、配管３５０ｂにおいて気化装置５１０及び露点計５２０の下流側である点において、図１に示す燃料電池システム１０００と異なる。
【００２５】
燃料電池システム９００においても、気化装置５１０によって排出水を気化して露点計５２０において露点を計測することができる。しかしながら、気化装置５１０の上流側には背圧弁５００がなく、気化装置５１０には配管３５０ｂのみを介して燃料電池スタック１００が接続されている。したがって、排出水の気化によって配管３５０ｂにおけるオフガス体積が増加すると、燃料電池スタック１００内部の圧力（全圧）も増加することとなる。また、配管３５０ｂにおける圧力（一次側圧力）が増加すると、背圧弁５００によって減圧されるので、増加した燃料電池スタック１００内部の圧力は、その後低下することとなる。このように、燃料電池システム９００では、燃料電池スタック１００内部の圧力は急激に変動することとなる。
【００２６】
ここで、気化装置５１０の圧力損失が２０ｋＰａであり、また、燃料電池スタック１００の圧力損失が４０ｋＰａであるものとする。この場合、配管３５０ａ，３５０ｂにおける圧力損失を無視すると、背圧弁５００の一次側の圧力を例えば１４０ｋＰａとするために、エアポンプ３１０は、空気を２００ｋＰａで配管３５０ａに送り込む必要がある。
【００２７】
一方、本発明の燃料電池システム１０００（図１）では、気化装置５１０は、背圧弁５００の二次側に配置されている。それゆえ、気化装置５１０の圧力損失は、エアポンプ３１０の出力に影響を与えない。したがって、例えば、背圧弁５００の一次側の圧力を前述の１４０ｋＰａとするためには、エアポンプ３１０は、大気を１８０ｋＰａで配管３５０ａに送り込めばよいこととなる。このように、燃料電池システム１０００では、比較例の燃料電池システム９００（図２）に比べて、エアポンプ３１０として小出力のポンプを採用することができ、燃料電池システム１０００の製造コストを抑えることができる。また、燃料電池システム１０００では、気化装置５１０の圧力損失がエアポンプ３１０の出力に影響を与えないので、エアポンプ３１０の能力はそのままで、気化装置５１０として、圧力損失がより大きく気化能力の高いヒータ等を採用することもできる。
【００２８】
以上説明したように、燃料電池システム１０００では、背圧弁５００が気化装置５１０の一次側（上流側）に配置されているので、排出水の気化による圧力変動が生じても背圧弁５００の一次側の圧力は一定に保つことができる。したがって、燃料電池スタック１００内部における圧力変動を抑制することができ、燃料電池スタック１００における発電効率を安定させることができる。また、気化装置５１０は、背圧弁５００の二次側（下流側）に配置されているので、気化装置５１０において圧力損失が生じてもエアポンプ３１０の出力に影響を与えないようにすることができる。したがって、エアポンプ３１０として比較的小出力のポンプを採用することができ、燃料電池システム１０００の製造コストを抑えることができる。
【００２９】
Ｂ．第２の実施例：
図３は、第２の実施例における燃料電池システム１０００ａの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００ａは、背圧弁５００（第１の背圧弁５００）に加えて、露点計５２０の下流側に第２の背圧弁５５０を備えている点において、燃料電池システム１０００（図１）と異なり、他の構成については第１の実施例と同じである。
【００３０】
第２の背圧弁５５０は、電磁弁であり、一次側において一定に保つ圧力（目標圧力）を、制御ユニット６０からの指示に従って調整することができる。燃料電池システム１０００ａは、例えば、電気車両に搭載されており、制御ユニット６０は、アクセル７０の踏み込み量（アクセル開度とも呼ぶ）を計測するアクセルセンサ３５からアクセル開度信号Ｗｔを受信する。そして、制御ユニット６０においてＣＰＵ６１は、受信したアクセル開度信号Ｗｔに基づいて燃料電池システム１０００ａの運転を制御する。
【００３１】
図３の例では、第１の背圧弁５００の一次側の圧力は、１４０ｋＰａである。また、気化装置５１０の圧力損失は、第１の実施例と同じく２０ｋＰａである。そこで、第２の背圧弁５５０では、一次側の圧力（目標圧力）は１２０ｋＰａとなるように設定されている。
【００３２】
しかしながら、ユーザが燃料電池スタック１００の出力を上げるため、アクセル７０を踏み込むと、この第２の背圧弁５５０における目標圧力は変更される。具体的には、ＣＰＵ６１は、増加したアクセル開度を示すアクセル開度信号Ｗｔを受信すると、第２の背圧弁５５０の目標圧力を低下させる。図３の例では、目標圧力を１００ｋＰａとするように制御する。ここで、ＣＰＵ６１は、増加したアクセル開度を示すアクセル開度信号Ｗｔを受信すると、第２の背圧弁５５０の目標圧力を低下させると共に、発電量（出力）を増やすために燃料電池スタック１００に供給する反応ガスの量を増加させる。そうすると、燃料電池スタック１００では、電気化学反応が促進されて排出水の量が増加する。このとき、気化装置５１０の気化能力を超えるほど排出水が増加して、第１の背圧弁５００と気化装置５１０との間に水（液体）が留まるおそれがある。
【００３３】
ところが、上述したように第２の背圧弁５５０の目標圧力が、１２０ｋＰａから１００ｋＰａまで低下すると、第１の背圧弁５００と第２の背圧弁５５０との間において、オフガスは急激に第２の背圧弁５５０へと向かって排出されることとなる。そうすると、第１の背圧弁５００と気化装置５１０との間に留まる排出水は、オフガスの流れによって排出される。
【００３４】
以上のように、燃料電池システム１０００ａも、第１の背圧弁５００が気化装置５１０の上流側に配置されているので、第１の実施例と同じ効果を奏する。また、アクセル７０が踏み込まれた場合に、第２の背圧弁５５０の一次側の圧力（目標圧力）を低下させて、電気化学反応の促進に伴って増加する排出水をオフガスの流れによって排出するようにしている。したがって、第１の背圧弁５００と気化装置５１０との間に排出水が留まることを抑制することができる。
【００３５】
Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３６】
Ｃ１．変形例１：
上述した第１の実施例では、燃料電池システム１０００は、露点計５２０を備える構成であったが、露点計５２０を省略することもできる。第１の実施例では、気化装置５１０は、露点計５２０において水分量を正確に計測するために用いられていた。しかしながら、露点計５２０を省略する構成においては、配管３５０ｂにおいて液体として存在する排出水を気化して排出しやすくするために気化装置５１０を用いることができる。すなわち、一般には、オフガス（及び排出水）の排出流路において、燃料電池と気化装置との間に背圧弁が設けられ、背圧弁の一次側に燃料電池が接続されている任意の構成を、本発明の燃料電池システムにおいて採用することができる。
【００３７】
Ｃ２．変形例２：
上述した第２の実施例では、第２の背圧弁５５０の目標圧力は、制御ユニット６０（ＣＰＵ６１）からの指示にしたがって調整されるものとしたが、これに代えて、ユーザが第２の背圧弁５５０のバルブを手動で調整することで変更されるものであってもよい。すなわち、一般には、目標圧力を調整可能な背圧弁を、本発明の燃料電池システムにおける第２の背圧弁として採用することができる。
【００３８】
Ｃ３．変形例３：
上述した各実施例では、第１の背圧弁５００及び第２の背圧弁５５０は、カソード側のオフガス排出用の配管３５０ｂに配置されるものとしたが、これに代えて又はこれに加えて、アノード側のオフガス排出用の配管２５０ｂに配置することもできる。すなわち、一般には、燃料電池から排出されるオフガス及び排出水の排出流路に背圧弁を配置する任意の構成を、本発明の燃料電池システムにおいて採用することができる。
【００３９】
Ｃ４．変形例４：
上述した各実施例では、燃料電池システム１０００は、複数の燃料電池１０が積層した燃料電池スタック１００を備えるものとしたが、１つの燃料電池１０のみを備える構成とすることもできる。
【００４０】
Ｃ５．変形例５：
上述した実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】比較例としての燃料電池システム９００の概略構成を示す説明図。
【図３】第２の実施例における燃料電池システム１０００ａの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…燃料電池
３５…アクセルセンサ
４０…水素タンク
５０…ラジエータ
６０…制御ユニット
６１…ＣＰＵ
６２…メモリ
７０…アクセル
１００…燃料電池スタック
２４０…循環用ポンプ
２５０ａ，２５０ｂ，３５０ａ，３５０ｂ，４５０ａ，４５０ｂ…配管
３１０…エアポンプ
４１０…循環用ポンプ
５００…背圧弁（第１の背圧弁）
５１０…気化装置
５２０…露点計
５５０…第２の背圧弁
９００，１０００，１０００ａ…燃料電池システム
Ｗｔ…アクセル開度信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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