JP4864224B2 - 燃料電池の残留水排出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の残留水排出装置に係り、燃料電池の反応ガスの流路内に残留する残留水を外部に排出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
ここで、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス（例えば、水素や空気）には加湿装置等によって水が混合されていると共に、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成される。こうした水が反応ガスの流路内において結露すると、反応ガスのガス流路に水が溜まってしまいガス流路を閉塞する場合がある。
このように結露水によって反応ガスの流路が閉塞された状態で燃料電池の作動を停止した時に、燃料電池の温度が氷点下まで低下すると、反応ガスのガス流路が閉塞された状態で凍結してしまい、燃料電池の始動が困難になるという問題が生じる。
【０００３】
このような問題に対して、従来、例えば特表２０００−５１２０６８号公報に開示された燃料電池電力発生装置のように、燃料電池の停止時に反応ガスのガス流路内をパージすることによって、ガス流路内の残留水を外部に排出する燃料電池電力発生装置が知られている。
この燃料電池電力発生装置では、パージ専用のガス供給ラインを設けることによって乾燥した浄化ガスを流通させることで、ガス流路内の残留水を外部に排出するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の一例による燃料電池電力発生装置のように、パージ専用のガス供給ラインを設けると、システム構成が複雑化してしまうという問題が生じる。しかも、乾燥した浄化ガスを流通させることで、燃料電池内が過剰に乾燥してしまい、固体分子電解質膜が破損してしまう虞がある。
また、単にガス流路内のガス流量を増大することによって燃料電池の外部に残留水を排出する方法が知られているが、このような方法では、例えばガス流路の曲がり部分等に残留する水分を確実に除去することが困難であるという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置構成が複雑化することを抑制しつつ、反応ガスのガス流路内の残留水を効率良くかつ確実に外部に排出することが可能な燃料電池の残留水排出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置は、燃料電池のガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段（例えば、後述する実施の形態における空気供給部１２および燃料供給部１４）と、前記燃料電池のガス排出口よりも下流側において前記ガス流路を開閉可能な開閉手段と、前記燃料電池内の前記ガス流路から外部にガスおよび残留水を排出可能なドレンバルブと、前記燃料電池の運転停止時において、前記反応ガスのガス流量を増大させることにより前記燃料電池のガス流路内の残留水を外部に排出するガス流量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０１）と、前記ガス流量制御手段の作動後に、前記開閉手段および前記ドレンバルブの閉の状態で前記反応ガスのガス圧力を増大させた後に、増大させた前記ガス圧力を前記開閉手段の閉かつ前記ドレンバルブの開によって低下させることにより、前記ガス流量制御手段によって排出しきれなかった前記ガス流路内の残留水を外部に排出するガス圧力制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０２、ステップＳ１４）とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池の残留水排出装置によれば、燃料電池の運転停止後に、先ず、ガス流量制御手段にてガス流量を増大させる。これにより、ガス流路内の残留水を量的に外部に排出する。
次に、ガス圧力制御手段にて、開閉手段およびドレンバルブの閉の状態で、ガス圧力を増大させた後に、増大したガス圧力を開閉手段の閉かつドレンバルブの開によって解放する（低下させる）ことでガス流路内の反応ガスの流速を増大させる。これにより、例えばガス流路内の曲がり部分等のようにガス流量の増大のみでは除去し難い位置の残留水を外部に排出する。
このように、外部に排出する残留水の排出量や残留位置等に応じて、２段階の排出動作を行うことで、ガス流路内の残留水を確実に除去することができる。
また、この排出動作を燃料電池の運転停止時に行うことで、次回起動時にガス流路内に水が残留していることなく、残留水の凍結によってガス流路内が閉塞されてしまうことを防ぐことができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置は、前記ガス流量制御手段にて前記反応ガスのガス流量を増大させた所定時間（例えば、後述する実施の形態における所定時間ｔ１）後に、前記ガス圧力制御手段にて前記反応ガスのガス圧力を増大させることを特徴としている。
上記構成の燃料電池の残留水排出装置によれば、ガス流路内のガス流量を所定時間に亘って増大させることで、反応ガスの流速を増大させて、ガス流路内の大部分の残留水を量的に外部に排出することができる。
この後、ガス圧力制御手段にてガス圧力を増大させた後に、増大したガス圧力を解放する（低下させる）ことで、流量増大だけでは外部に排出できなかった残留水を除去することができる。
【０００８】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置は、蓄電装置を備え、前記ガス流量制御手段は、前記蓄電装置からの電力供給によって前記反応ガスのガス流量を増大させる。
上記のような燃料電池の残留水排出装置によれば、燃料電池の発電が停止されているために水が生成されることが無い状態で、蓄電装置からの電力供給によってガス流路内の残留水の排出性を向上させることができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置では、前記反応ガス供給手段は、前記燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、前記燃料供給手段は、前記燃料極の前記燃料の圧力を前記空気極の前記空気の圧力を基準として制御し、前記燃料極と前記空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲に設定する比例圧力制御弁を備える。
上記のような燃料電池の残留水排出装置によれば、空気極側における空気の圧力を増大させたときに、この空気の圧力を基準として、燃料極側における燃料の圧力も増大されるので、燃料極と空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲にすることができ、極間差圧が著しく増大することで燃料極と空気極との極間に過剰な圧力差が作用して破損が生じることを防止して、燃料電池を保護することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の参考例に係る燃料電池の残留水排出装置１０の構成図である。
参考例による燃料電池の残留水排出装置１０は、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、例えば、制御部１０ａと、燃料電池１１と、空気供給部１２と、背圧弁１３と、燃料供給部１４と、燃料供給側圧力制御部１５と、エゼクタ１６と、排出弁１７とを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックからなり、燃料として例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。
【００１１】
燃料電池１１の空気極には、酸化剤供給部１２から空気が供給される空気供給口１１ａと、空気極内の空気等を外部に排出するための空気排出口１１ｂが設けられている。一方、燃料極には、水素が供給される燃料供給口１１ｃと、燃料極内の水素等を外部に排出するための燃料排出口１１ｄが設けられている。
【００１２】
酸化剤供給部１２は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池１１の負荷やアクセルペダル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されており、燃料電池１１の空気極に空気を供給するとともに、燃料供給側圧力制御部１５における信号圧として空気を供給している。
【００１３】
燃料としての水素は、順次、燃料供給部１４、燃料供給側圧力制御部１５、エゼクタ１６を介して燃料供給口１１ｃから燃料電池１１の燃料極に供給される。
さらに、燃料電池１１の燃料排出口１１ｄから排出された未反応の排出燃料は、逆止弁１８を通じてエゼクタ１６へと導入されており、燃料供給側圧力制御部１５から供給された燃料と、燃料電池１１から排出された排出燃料とが混合されて燃料電池１１に供給されている。
【００１４】
燃料供給側圧力制御部１５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、酸化剤供給部１２から供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給側圧力制御部１５を通過した燃料が燃料供給側圧力制御部１５の出口で有する圧力、つまり燃料供給圧を酸化剤供給圧に対して所定の圧力差（つまり燃料極と空気極との極間差圧）になるように設定している。
すなわち、酸化剤をなす空気の圧力を基準圧力として、燃料をなす水素の圧力を制御する燃料供給側圧力制御部１５で、燃料電池１１の固体高分子電解質膜に対する酸化剤の圧力と燃料の圧力との差、つまり燃料極と空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲に設定する。
これにより、後述するように、本発明の圧力制御手段（例えば、後述するステップＳ０２、ステップＳ０４）によって、空気極側における酸化剤の圧力を増大させたときに、この酸化剤の圧力を基準として、燃料極側における燃料の圧力も増大されるので、固体高分子電解質膜に対する極間差圧を所定圧力差の範囲にすることができ、極間差圧が著しく増大することで固体高分子電解質膜に過剰な圧力差が作用して破損してしまうことを防止して、固体高分子電解質膜を保護することができる。
なお、燃料供給側圧力制御部１５は、上述したような比例圧力制御弁に限定されず、比例圧力制御弁以外のその他の圧力制御弁であっても良い。この場合には、空気極側における酸化剤の圧力を増大させたときに、ほぼ同時に、燃料極側における燃料の圧力も増大させることで、固体高分子電解質膜に対する極間差圧を所定圧力差の範囲にすることが好ましい。
【００１５】
エゼクタ１６は、内部を流通する高速の燃料流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１からの排出燃料を吸い込み、この排出燃料を燃料と混合して燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出された排出燃料を循環させている。
【００１６】
参考例による燃料電池の残留水排出装置１０は上記の構成を備えている。次に、この燃料電池の残留水排出装置１０の動作、特に燃料電池１１の停止時の動作について添付図面を参照しながら説明する。
図２は、燃料電池の残留水排出装置１０の動作を示すフローチャートであり、図３は燃料電池１１内部における反応ガス（例えば、燃料極側の水素や空気極側の空気）のガス流量の変化を示すグラフ図であり、図４は燃料電池１１内部における反応ガスのガス圧力の変化を示すグラフ図である。
【００１７】
先ず、図２に示すステップＳ０１においては、例えば燃料電池１１の運転停止信号を得たら、酸化剤供給部１２をなすエアーコンプレッサーの回転数を所定時間ｔ１に亘って上昇させる。これにより、例えば図３に示すように、燃料電池１１内を流通する反応ガスの流量は、定常運転での所定流量Ｌ０から所定の第１流量Ｌ１まで増大し、所定時間ｔ１の経過後には徐々に低下して、例えば定常運転での所定流量Ｌ０まで低下する。
次に、ステップＳ０２においては、背圧弁１３および排出弁１７の弁開度を小さくする、あるいは、閉弁する。
これにより、例えば図４に示すように、背圧弁１３および排出弁１７を閉弁した時刻ｔ２から、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力は定常運転での所定圧力Ｐ１から徐々に増大する。
【００１８】
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力が所定の第１圧力Ｐ２（例えば、２００ｋＰａ）まで上昇したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０３に戻り、一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０４に進む。
ステップＳ０４においては、背圧弁１３および排出弁１７を全開とする。これにより、例えば図３に示すように、背圧弁１３および排出弁１７を全開とした時刻ｔ３から適宜の時間に亘って、燃料電池１１内を流通する反応ガスの流量は、所定の第２流量Ｌ２（例えば、Ｌ２＞Ｌ１）まで急激に増大する。一方、例えば図４に示すように、背圧弁１３および排出弁１７を全開とした時刻ｔ３以降において、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力は大気圧Ｐ０まで低下する。
【００１９】
そして、ステップＳ０５においては、例えば反応ガスの供給を停止することで、燃料電池の残留水排出装置１０の作動を停止して、停止時の処理を終了する。すなわち、先ず、燃料電池１１内の反応ガスのガス流路におけるガス流量を増大させることで反応ガスの流速を増大させて、ガス流路内の大部分の残留水を量的に外部に排出する。
次に、ガス流路におけるガス圧力を増大させ、この圧力を低下させることで反応ガスの流速を瞬間的に急上昇させて、流量増大だけでは外部に排出することが困難な残留水を外部に排出する。
【００２０】
上述したように、参考例による燃料電池の残留水排出装置１０によれば、燃料電池１１の外部に排出する残留水の排出量や残留位置等に応じて、２段階の排出動作、つまり、ガス流量増大による量的な排出動作、および、この後のガス圧力増大および低下による質的な排出動作を行うことで、燃料電池の残留水排出装置１０の構成が複雑化することを防止しつつ、ガス流路内の残留水を効率良く、かつ、確実に除去することができる。
【００２１】
参考例においては、背圧弁１３および排出弁１７の開閉動作によって燃料電池１１内の反応ガスの流速を上昇させるとしたが、例えば図５に示す本発明の実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０は、燃料電池１１内に、カソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２を備え、背圧弁１３および排出弁１７と共にカソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２を開閉制御する。
以下に、この本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０について説明する。なお、上述した参考例に係る燃料電池の残留水排出装置１０と同一部分には同じ符号を配して説明を省略または簡略する。
【００２２】
この燃料電池の残留水排出装置２０は、例えば、制御部２０ａと、燃料電池１１と、空気供給部１２と、背圧弁１３と、燃料供給部１４と、燃料供給側圧力制御部１５と、エゼクタ１６と、排出弁１７と、カソードドレンバルブ２１と、アノードドレンバルブ２２と、空気極側加湿部２３と、燃料極側加湿部２４とを備えて構成されている。
カソードドレンバルブ２１は、燃料電池１１内における空気流路の適宜の位置、好ましくは残留水が溜まりやすい出口付近に設けられ、燃料電池１１の外部に空気および残留水を排出可能とされている。
アノードドレンバルブ２２は、燃料電池１１内における水素流路の適宜の位置に設けられ、燃料電池１１の外部に水素および残留水を排出可能とされている。
ここで、カソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２は、燃料電池１１の定常運転状態においては閉状態とされている。
【００２３】
空気極側加湿部２３は、酸化剤供給部１２から供給される酸化剤としての空気に水蒸気を混合して、空気を加湿してから燃料電池１１へと供給し、燃料極側加湿部２４は、燃料供給部１４からエゼクタ１６を介して供給される燃料としての水素に水蒸気を混合して、水素を加湿してから燃料電池１１へと供給し、固体分子電解質膜の所定のイオン導電性を確保している。
【００２４】
次に、この燃料電池の残留水排出装置２０の動作について添付図面を参照しながら説明する。図６は、燃料電池の残留水排出装置２０の動作を示すフローチャートである。
この本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０の動作において、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０の動作と異なる点は、図６に示すステップＳ０３のＹＥＳ側におけるステップＳ１４である。
すなわち、ステップＳ１４においては、カソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２を全開とする。これにより、例えば図３に示すように、各ドレンバルブ２１，２２を全開とした時刻ｔ３から適宜の時間に亘って、各ドレンバルブ２１，２２を流通して燃料電池１１の外部に排出される各反応ガスの流量は、所定の第２流量Ｌ２（例えば、Ｌ２＞Ｌ１）まで急激に増大する。
一方、例えば図４に示すように、各ドレンバルブ２１，２２を全開とした時刻ｔ３以降において、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力は大気圧Ｐ０まで低下する。
この場合には、燃料電池１１に設けた水抜き用の各ドレンバルブ２１，２２を利用することで、ガス流路内の残留水を効率良く外部に排出することができる。
【００２５】
なお、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０および本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０においては、酸化剤供給部１２をなすエアーコンプレッサーの回転数を上昇させるために必要な電力として、例えば燃料電池１１による発電電力を利用しても良い。この場合には、外部電源を必要としないので、システムの簡略化に資することができる。また、例えば電流負荷のない状態つまり燃料電池１１の発電は停止した状態で、蓄電装置等から供給される電力や、外部からの動力等を利用しても良い。この場合には、燃料電池１１の発電が停止されているために水が生成されることが無く、ガス流路内の残留水の排出性を向上させることができる。
また、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０および本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０においては、ガス圧力増大による排出動作は一度だけ実行するとしたが、これに限定されず、上述したステップＳ０２〜ステップＳ０４における動作を繰り返し行っても良い。
なお、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０においては、図３および図４に示すように、ガス流量の増大後に、このガス流量が低下し始めるタイミング（時刻ｔ２）と、ガス圧力が増大し始めるタイミング（時刻ｔ２）とを、同一のタイミングとしたが、これに限定されず、例えばガス流量の増大途中においてガス圧力を増大させても良いし、例えばガス流量の増大後に、このガス流量が低下する途中や、ガス流量の低下後にガス圧力を増大させても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、ガス流量を増大させることでガス流路内の残留水を量的に外部に排出した後に、開閉手段およびドレンバルブの閉の状態で、ガス圧力を増大させ、さらに、増大したガス圧力を開閉手段の閉かつドレンバルブの開によって解放する（低下させる）ことでガス流路内の反応ガスの流速を増大させて、ガス流量の増大のみでは除去し難い位置の残留水を外部に排出する。このように、２段階の排出動作を行うことで、ガス流路内の残留水を確実に除去することができる。
【００２７】
また、請求項２に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、ガス流路内のガス流量を所定時間に亘って増大させることで、反応ガスの流速を増大させて、ガス流路内の大部分の残留水を量的に外部に排出することができる。この後、ガス圧力制御手段にてガス圧力を増大させた後に、増大したガス圧力を解放する（低下させる）ことで、流量増大だけでは外部に排出できなかった残留水を除去することができる。
【００２８】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、燃料電池の発電が停止されているために水が生成されることが無い状態で、蓄電装置からの電力供給によってガス流路内の残留水の排出性を向上させることができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、空気極側における空気の圧力を増大させたときに、この空気の圧力を基準として、燃料極側における燃料の圧力も増大されるので、燃料極と空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲にすることができ、極間差圧が著しく増大することで燃料極と空気極との極間に過剰な圧力差が作用して破損が生じることを防止して、燃料電池を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例に係る燃料電池の残留水排出装置の構成図である。
【図２】 図１に示す燃料電池の残留水排出装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】 燃料電池内部における反応ガス（燃料極側の水素や空気極側の空気）のガス流量の変化を示すグラフ図である。
【図４】 燃料電池内部における反応ガス（燃料極側の水素や空気極側の空気）のガス圧力の変化を示すグラフ図である。
【図５】 本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置の構成図である。
【図６】 図５に示す燃料電池の残留水排出装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０，２０ 燃料電池の残留水排出装置
１２ 空気供給部（反応ガス供給手段）
１３ 背圧弁
１４ 燃料供給部（反応ガス供給手段）
１７ 排出弁
２１ カソードドレンバルブ
２２ アノードドレンバルブ
ステップＳ０１ ガス流量制御手段
ステップＳ０２、ステップＳ０４ ガス圧力制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の残留水排出装置に係り、燃料電池の反応ガスの流路内に残留する残留水を外部に排出する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
ここで、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池に供給される反応ガス（例えば、水素や空気）には加湿装置等によって水が混合されていると共に、燃料電池の作動時には電気化学反応による反応生成水が生成される。こうした水が反応ガスの流路内において結露すると、反応ガスのガス流路に水が溜まってしまいガス流路を閉塞する場合がある。
このように結露水によって反応ガスの流路が閉塞された状態で燃料電池の作動を停止した時に、燃料電池の温度が氷点下まで低下すると、反応ガスのガス流路が閉塞された状態で凍結してしまい、燃料電池の始動が困難になるという問題が生じる。
【０００３】
このような問題に対して、従来、例えば特表２０００−５１２０６８号公報に開示された燃料電池電力発生装置のように、燃料電池の停止時に反応ガスのガス流路内をパージすることによって、ガス流路内の残留水を外部に排出する燃料電池電力発生装置が知られている。
この燃料電池電力発生装置では、パージ専用のガス供給ラインを設けることによって乾燥した浄化ガスを流通させることで、ガス流路内の残留水を外部に排出するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の一例による燃料電池電力発生装置のように、パージ専用のガス供給ラインを設けると、システム構成が複雑化してしまうという問題が生じる。しかも、乾燥した浄化ガスを流通させることで、燃料電池内が過剰に乾燥してしまい、固体分子電解質膜が破損してしまう虞がある。
また、単にガス流路内のガス流量を増大することによって燃料電池の外部に残留水を排出する方法が知られているが、このような方法では、例えばガス流路の曲がり部分等に残留する水分を確実に除去することが困難であるという問題が生じる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、装置構成が複雑化することを抑制しつつ、反応ガスのガス流路内の残留水を効率良くかつ確実に外部に排出することが可能な燃料電池の残留水排出装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置は、燃料電池のガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段（例えば、後述する実施の形態における空気供給部１２および燃料供給部１４）と、前記燃料電池のガス排出口よりも下流側において前記ガス流路を開閉可能な開閉手段と、前記燃料電池内の前記ガス流路から外部にガスおよび残留水を排出可能なドレンバルブと、前記燃料電池の運転停止時において、前記反応ガスのガス流量を増大させることにより前記燃料電池のガス流路内の残留水を外部に排出するガス流量制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０１）と、前記ガス流量制御手段の作動後に、前記開閉手段および前記ドレンバルブの閉の状態で前記反応ガスのガス圧力を増大させた後に、増大させた前記ガス圧力を前記開閉手段の閉かつ前記ドレンバルブの開によって低下させることにより、前記ガス流量制御手段によって排出しきれなかった前記ガス流路内の残留水を外部に排出するガス圧力制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるステップＳ０２、ステップＳ１４）とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池の残留水排出装置によれば、燃料電池の運転停止後に、先ず、ガス流量制御手段にてガス流量を増大させる。これにより、ガス流路内の残留水を量的に外部に排出する。
次に、ガス圧力制御手段にて、開閉手段およびドレンバルブの閉の状態で、ガス圧力を増大させた後に、増大したガス圧力を開閉手段の閉かつドレンバルブの開によって解放する（低下させる）ことでガス流路内の反応ガスの流速を増大させる。これにより、例えばガス流路内の曲がり部分等のようにガス流量の増大のみでは除去し難い位置の残留水を外部に排出する。
このように、外部に排出する残留水の排出量や残留位置等に応じて、２段階の排出動作を行うことで、ガス流路内の残留水を確実に除去することができる。
また、この排出動作を燃料電池の運転停止時に行うことで、次回起動時にガス流路内に水が残留していることなく、残留水の凍結によってガス流路内が閉塞されてしまうことを防ぐことができる。
【０００７】
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置は、前記ガス流量制御手段にて前記反応ガスのガス流量を増大させた所定時間（例えば、後述する実施の形態における所定時間ｔ１）後に、前記ガス圧力制御手段にて前記反応ガスのガス圧力を増大させることを特徴としている。
上記構成の燃料電池の残留水排出装置によれば、ガス流路内のガス流量を所定時間に亘って増大させることで、反応ガスの流速を増大させて、ガス流路内の大部分の残留水を量的に外部に排出することができる。
この後、ガス圧力制御手段にてガス圧力を増大させた後に、増大したガス圧力を解放する（低下させる）ことで、流量増大だけでは外部に排出できなかった残留水を除去することができる。
【０００８】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置は、蓄電装置を備え、前記ガス流量制御手段は、前記蓄電装置からの電力供給によって前記反応ガスのガス流量を増大させる。
上記のような燃料電池の残留水排出装置によれば、燃料電池の発電が停止されているために水が生成されることが無い状態で、蓄電装置からの電力供給によってガス流路内の残留水の排出性を向上させることができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置では、前記反応ガス供給手段は、前記燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、前記燃料供給手段は、前記燃料極の前記燃料の圧力を前記空気極の前記空気の圧力を基準として制御し、前記燃料極と前記空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲に設定する比例圧力制御弁を備える。
上記のような燃料電池の残留水排出装置によれば、空気極側における空気の圧力を増大させたときに、この空気の圧力を基準として、燃料極側における燃料の圧力も増大されるので、燃料極と空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲にすることができ、極間差圧が著しく増大することで燃料極と空気極との極間に過剰な圧力差が作用して破損が生じることを防止して、燃料電池を保護することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の参考例に係る燃料電池の残留水排出装置１０の構成図である。
参考例による燃料電池の残留水排出装置１０は、例えば電気自動車等の車両に搭載されており、例えば、制御部１０ａと、燃料電池１１と、空気供給部１２と、背圧弁１３と、燃料供給部１４と、燃料供給側圧力制御部１５と、エゼクタ１６と、排出弁１７とを備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックからなり、燃料として例えば水素が供給される燃料極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている。
【００１１】
燃料電池１１の空気極には、酸化剤供給部１２から空気が供給される空気供給口１１ａと、空気極内の空気等を外部に排出するための空気排出口１１ｂが設けられている。一方、燃料極には、水素が供給される燃料供給口１１ｃと、燃料極内の水素等を外部に排出するための燃料排出口１１ｄが設けられている。
【００１２】
酸化剤供給部１２は、例えばエアーコンプレッサーからなり、燃料電池１１の負荷やアクセルペダル（図示略）からの入力信号等に応じて制御されており、燃料電池１１の空気極に空気を供給するとともに、燃料供給側圧力制御部１５における信号圧として空気を供給している。
【００１３】
燃料としての水素は、順次、燃料供給部１４、燃料供給側圧力制御部１５、エゼクタ１６を介して燃料供給口１１ｃから燃料電池１１の燃料極に供給される。
さらに、燃料電池１１の燃料排出口１１ｄから排出された未反応の排出燃料は、逆止弁１８を通じてエゼクタ１６へと導入されており、燃料供給側圧力制御部１５から供給された燃料と、燃料電池１１から排出された排出燃料とが混合されて燃料電池１１に供給されている。
【００１４】
燃料供給側圧力制御部１５は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、酸化剤供給部１２から供給される空気の圧力を信号圧として、燃料供給側圧力制御部１５を通過した燃料が燃料供給側圧力制御部１５の出口で有する圧力、つまり燃料供給圧を酸化剤供給圧に対して所定の圧力差（つまり燃料極と空気極との極間差圧）になるように設定している。
すなわち、酸化剤をなす空気の圧力を基準圧力として、燃料をなす水素の圧力を制御する燃料供給側圧力制御部１５で、燃料電池１１の固体高分子電解質膜に対する酸化剤の圧力と燃料の圧力との差、つまり燃料極と空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲に設定する。
これにより、後述するように、本発明の圧力制御手段（例えば、後述するステップＳ０２、ステップＳ０４）によって、空気極側における酸化剤の圧力を増大させたときに、この酸化剤の圧力を基準として、燃料極側における燃料の圧力も増大されるので、固体高分子電解質膜に対する極間差圧を所定圧力差の範囲にすることができ、極間差圧が著しく増大することで固体高分子電解質膜に過剰な圧力差が作用して破損してしまうことを防止して、固体高分子電解質膜を保護することができる。
なお、燃料供給側圧力制御部１５は、上述したような比例圧力制御弁に限定されず、比例圧力制御弁以外のその他の圧力制御弁であっても良い。この場合には、空気極側における酸化剤の圧力を増大させたときに、ほぼ同時に、燃料極側における燃料の圧力も増大させることで、固体高分子電解質膜に対する極間差圧を所定圧力差の範囲にすることが好ましい。
【００１５】
エゼクタ１６は、内部を流通する高速の燃料流の近傍に発生する負圧によって、副流とされる燃料電池１１からの排出燃料を吸い込み、この排出燃料を燃料と混合して燃料電池１１へ再度供給することで、燃料電池１１から排出された排出燃料を循環させている。
【００１６】
参考例による燃料電池の残留水排出装置１０は上記の構成を備えている。次に、この燃料電池の残留水排出装置１０の動作、特に燃料電池１１の停止時の動作について添付図面を参照しながら説明する。
図２は、燃料電池の残留水排出装置１０の動作を示すフローチャートであり、図３は燃料電池１１内部における反応ガス（例えば、燃料極側の水素や空気極側の空気）のガス流量の変化を示すグラフ図であり、図４は燃料電池１１内部における反応ガスのガス圧力の変化を示すグラフ図である。
【００１７】
先ず、図２に示すステップＳ０１においては、例えば燃料電池１１の運転停止信号を得たら、酸化剤供給部１２をなすエアーコンプレッサーの回転数を所定時間ｔ１に亘って上昇させる。これにより、例えば図３に示すように、燃料電池１１内を流通する反応ガスの流量は、定常運転での所定流量Ｌ０から所定の第１流量Ｌ１まで増大し、所定時間ｔ１の経過後には徐々に低下して、例えば定常運転での所定流量Ｌ０まで低下する。
次に、ステップＳ０２においては、背圧弁１３および排出弁１７の弁開度を小さくする、あるいは、閉弁する。
これにより、例えば図４に示すように、背圧弁１３および排出弁１７を閉弁した時刻ｔ２から、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力は定常運転での所定圧力Ｐ１から徐々に増大する。
【００１８】
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力が所定の第１圧力Ｐ２（例えば、２００ｋＰａ）まで上昇したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０３に戻り、一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０４に進む。
ステップＳ０４においては、背圧弁１３および排出弁１７を全開とする。これにより、例えば図３に示すように、背圧弁１３および排出弁１７を全開とした時刻ｔ３から適宜の時間に亘って、燃料電池１１内を流通する反応ガスの流量は、所定の第２流量Ｌ２（例えば、Ｌ２＞Ｌ１）まで急激に増大する。一方、例えば図４に示すように、背圧弁１３および排出弁１７を全開とした時刻ｔ３以降において、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力は大気圧Ｐ０まで低下する。
【００１９】
そして、ステップＳ０５においては、例えば反応ガスの供給を停止することで、燃料電池の残留水排出装置１０の作動を停止して、停止時の処理を終了する。すなわち、先ず、燃料電池１１内の反応ガスのガス流路におけるガス流量を増大させることで反応ガスの流速を増大させて、ガス流路内の大部分の残留水を量的に外部に排出する。
次に、ガス流路におけるガス圧力を増大させ、この圧力を低下させることで反応ガスの流速を瞬間的に急上昇させて、流量増大だけでは外部に排出することが困難な残留水を外部に排出する。
【００２０】
上述したように、参考例による燃料電池の残留水排出装置１０によれば、燃料電池１１の外部に排出する残留水の排出量や残留位置等に応じて、２段階の排出動作、つまり、ガス流量増大による量的な排出動作、および、この後のガス圧力増大および低下による質的な排出動作を行うことで、燃料電池の残留水排出装置１０の構成が複雑化することを防止しつつ、ガス流路内の残留水を効率良く、かつ、確実に除去することができる。
【００２１】
参考例においては、背圧弁１３および排出弁１７の開閉動作によって燃料電池１１内の反応ガスの流速を上昇させるとしたが、例えば図５に示す本発明の実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０は、燃料電池１１内に、カソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２を備え、背圧弁１３および排出弁１７と共にカソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２を開閉制御する。
以下に、この本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０について説明する。なお、上述した参考例に係る燃料電池の残留水排出装置１０と同一部分には同じ符号を配して説明を省略または簡略する。
【００２２】
この燃料電池の残留水排出装置２０は、例えば、制御部２０ａと、燃料電池１１と、空気供給部１２と、背圧弁１３と、燃料供給部１４と、燃料供給側圧力制御部１５と、エゼクタ１６と、排出弁１７と、カソードドレンバルブ２１と、アノードドレンバルブ２２と、空気極側加湿部２３と、燃料極側加湿部２４とを備えて構成されている。
カソードドレンバルブ２１は、燃料電池１１内における空気流路の適宜の位置、好ましくは残留水が溜まりやすい出口付近に設けられ、燃料電池１１の外部に空気および残留水を排出可能とされている。
アノードドレンバルブ２２は、燃料電池１１内における水素流路の適宜の位置に設けられ、燃料電池１１の外部に水素および残留水を排出可能とされている。
ここで、カソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２は、燃料電池１１の定常運転状態においては閉状態とされている。
【００２３】
空気極側加湿部２３は、酸化剤供給部１２から供給される酸化剤としての空気に水蒸気を混合して、空気を加湿してから燃料電池１１へと供給し、燃料極側加湿部２４は、燃料供給部１４からエゼクタ１６を介して供給される燃料としての水素に水蒸気を混合して、水素を加湿してから燃料電池１１へと供給し、固体分子電解質膜の所定のイオン導電性を確保している。
【００２４】
次に、この燃料電池の残留水排出装置２０の動作について添付図面を参照しながら説明する。図６は、燃料電池の残留水排出装置２０の動作を示すフローチャートである。
この本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０の動作において、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０の動作と異なる点は、図６に示すステップＳ０３のＹＥＳ側におけるステップＳ１４である。
すなわち、ステップＳ１４においては、カソードドレンバルブ２１およびアノードドレンバルブ２２を全開とする。これにより、例えば図３に示すように、各ドレンバルブ２１，２２を全開とした時刻ｔ３から適宜の時間に亘って、各ドレンバルブ２１，２２を流通して燃料電池１１の外部に排出される各反応ガスの流量は、所定の第２流量Ｌ２（例えば、Ｌ２＞Ｌ１）まで急激に増大する。
一方、例えば図４に示すように、各ドレンバルブ２１，２２を全開とした時刻ｔ３以降において、燃料電池１１内を流通する反応ガスの圧力は大気圧Ｐ０まで低下する。
この場合には、燃料電池１１に設けた水抜き用の各ドレンバルブ２１，２２を利用することで、ガス流路内の残留水を効率良く外部に排出することができる。
【００２５】
なお、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０および本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０においては、酸化剤供給部１２をなすエアーコンプレッサーの回転数を上昇させるために必要な電力として、例えば燃料電池１１による発電電力を利用しても良い。この場合には、外部電源を必要としないので、システムの簡略化に資することができる。また、例えば電流負荷のない状態つまり燃料電池１１の発電は停止した状態で、蓄電装置等から供給される電力や、外部からの動力等を利用しても良い。この場合には、燃料電池１１の発電が停止されているために水が生成されることが無く、ガス流路内の残留水の排出性を向上させることができる。
また、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０および本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置２０においては、ガス圧力増大による排出動作は一度だけ実行するとしたが、これに限定されず、上述したステップＳ０２〜ステップＳ０４における動作を繰り返し行っても良い。
なお、上述した参考例の燃料電池の残留水排出装置１０においては、図３および図４に示すように、ガス流量の増大後に、このガス流量が低下し始めるタイミング（時刻ｔ２）と、ガス圧力が増大し始めるタイミング（時刻ｔ２）とを、同一のタイミングとしたが、これに限定されず、例えばガス流量の増大途中においてガス圧力を増大させても良いし、例えばガス流量の増大後に、このガス流量が低下する途中や、ガス流量の低下後にガス圧力を増大させても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、ガス流量を増大させることでガス流路内の残留水を量的に外部に排出した後に、開閉手段およびドレンバルブの閉の状態で、ガス圧力を増大させ、さらに、増大したガス圧力を開閉手段の閉かつドレンバルブの開によって解放する（低下させる）ことでガス流路内の反応ガスの流速を増大させて、ガス流量の増大のみでは除去し難い位置の残留水を外部に排出する。このように、２段階の排出動作を行うことで、ガス流路内の残留水を確実に除去することができる。
【００２７】
また、請求項２に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、ガス流路内のガス流量を所定時間に亘って増大させることで、反応ガスの流速を増大させて、ガス流路内の大部分の残留水を量的に外部に排出することができる。この後、ガス圧力制御手段にてガス圧力を増大させた後に、増大したガス圧力を解放する（低下させる）ことで、流量増大だけでは外部に排出できなかった残留水を除去することができる。
【００２８】
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、燃料電池の発電が停止されているために水が生成されることが無い状態で、蓄電装置からの電力供給によってガス流路内の残留水の排出性を向上させることができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池の残留水排出装置によれば、空気極側における空気の圧力を増大させたときに、この空気の圧力を基準として、燃料極側における燃料の圧力も増大されるので、燃料極と空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲にすることができ、極間差圧が著しく増大することで燃料極と空気極との極間に過剰な圧力差が作用して破損が生じることを防止して、燃料電池を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例に係る燃料電池の残留水排出装置の構成図である。
【図２】 図１に示す燃料電池の残留水排出装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】 燃料電池内部における反応ガス（燃料極側の水素や空気極側の空気）のガス流量の変化を示すグラフ図である。
【図４】 燃料電池内部における反応ガス（燃料極側の水素や空気極側の空気）のガス圧力の変化を示すグラフ図である。
【図５】 本実施形態に係る燃料電池の残留水排出装置の構成図である。
【図６】 図５に示す燃料電池の残留水排出装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０，２０ 燃料電池の残留水排出装置
１２ 空気供給部（反応ガス供給手段）
１３ 背圧弁
１４ 燃料供給部（反応ガス供給手段）
１７ 排出弁
２１ カソードドレンバルブ
２２ アノードドレンバルブ
ステップＳ０１ ガス流量制御手段
ステップＳ０２、ステップＳ０４ ガス圧力制御手段
Claims (4)
- 燃料電池のガス流路に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
前記燃料電池のガス排出口よりも下流側において前記ガス流路を開閉可能な開閉手段と、
前記燃料電池内の前記ガス流路から外部にガスおよび残留水を排出可能なドレンバルブと、
前記燃料電池の運転停止時において、前記反応ガスのガス流量を増大させることにより前記燃料電池のガス流路内の残留水を外部に排出するガス流量制御手段と、
前記ガス流量制御手段の作動後に、前記開閉手段および前記ドレンバルブの閉の状態で前記反応ガスのガス圧力を増大させた後に、増大させた前記ガス圧力を前記開閉手段の閉かつ前記ドレンバルブの開によって低下させることにより、前記ガス流量制御手段によって排出しきれなかった前記ガス流路内の残留水を外部に排出するガス圧力制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池の残留水排出装置。 - 前記ガス流量制御手段にて前記反応ガスのガス流量を増大させた所定時間後に、前記ガス圧力制御手段にて前記反応ガスのガス圧力を増大させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の残留水排出装置。
- 蓄電装置を備え、
前記ガス流量制御手段は、前記蓄電装置からの電力供給によって前記反応ガスのガス流量を増大させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池の残留水排出装置。 - 前記反応ガス供給手段は、前記燃料電池の空気極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、
前記燃料供給手段は、前記燃料極の前記燃料の圧力を前記空気極の前記空気の圧力を基準として制御し、前記燃料極と前記空気極との極間差圧を所定圧力差の範囲に設定する比例圧力制御弁を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の燃料電池の残留水排出装置。
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