JP2005108648A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素供給量及び供給圧力を最適に制御できる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池本体１に供給する水素が充填された水素供給源６と、水素供給源６から上記燃料電池本体１へと延びる水素供給ライン７に設けられ、上記水素供給源６から供給される水素の圧力を調整するための圧力調整手段８ｂと、上記水素供給ライン７における上記圧力調整手段８ｂの下流側と上流側とを連通する水素還流ライン９と、水素還流ライン９に設けられ、上記圧力調整手段８ｂの下流側の水素の一部を上記水素還流ライン９を通して上流側へと還流させる還流手段１０とを備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素を燃料として用いる燃料電池に関するものである。

燃料電池とは、化学エネルギを直接電気エネルギに変換する電池であり、電気自動車等の車両の動力源又は電源としてや、住宅用の小型分散発電機としてなど、様々な分野において実用化が進められている。

係る燃料電池は、電解質を挟んで対向するアノード電極とカソード電極とを備え、アノード電極に水素などの燃料を供給し、カソード電極に酸素などの酸化剤を供給することで電気化学反応を生じさせ、両電極間から電気エネルギを取り出すものである（例えば特許文献１参照）。

特開平５−２５１１０２号公報

ところで、燃料として水素ガスを用いるタイプの燃料電池では、燃料タンク内に高圧状態で充填された水素を圧力調整手段（レギュレータなど）により適切な圧力まで減圧・調圧して供給することが考えられる。

しかしながら、このシステムでは、燃料電池の電力負荷に応じた水素供給ができない可能性がある。

例えば、電力負荷が低減し、燃料電池における水素の消費量が比較的急激に減少した場合、燃料電池における水素消費量に対する水素供給量が一時的に過大となり、燃料電池内の水素圧力が上昇する。その結果、シール部からの水素漏れや、燃料電池の構成部材（電解質膜やセパレータ等）の破損を引き起こす可能性がある。

逆に、電力負荷が上昇し、燃料電池における水素の消費量が比較的急激に増加した場合、燃料電池における水素消費量に対する水素供給量が一時的に不足する。その結果、触媒を担持しているカーボンが水素の代わりに酸化され水と反応して炭酸ガスになる反応が起き、有効な触媒面積が減少して、燃料電池の性能が劣化する可能性がある。

また、一般的な圧力調整手段（レギュレータ）では、その性質上、常用領域よりもはるかに小さい流量領域では供給流量と供給圧力との反比例的な関係が常用領域よりも厳しいものとなるため、燃料タンク内に充填された水素をレギュレータの常用領域よりもはるかに小さい流量だけ供給しようとした場合、供給水素が高圧となり、シール部からの漏れや、構成部材の破損などを引き起こす可能性がある。

本発明は上記課題を解決すべく創案されたものであり、その目的は、水素供給量及び供給圧力を最適に制御できる燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、燃料電池本体に供給する水素が充填された水素供給源と、該水素供給源から上記燃料電池本体へと延びる水素供給ラインに設けられ、上記水素供給源から供給される水素の圧力を調整するための圧力調整手段と、上記水素供給ラインにおける上記圧力調整手段の下流側と上流側とを連通する水素還流ラインと、該水素還流ラインに設けられ、上記圧力調整手段の下流側の水素の一部を上記水素還流ラインを通して上流側へと還流させる還流手段とを備えたものである。

ここで、上記還流手段を駆動制御する制御手段と、上記燃料電池本体近傍の上記水素供給ライン内の水素圧力、又は上記燃料電池本体に接続された水素排出ラインの水素圧力を検出するための圧力検出手段とを更に備え、上記制御手段は、上記圧力検出手段により検出された圧力が所定値以上となったときに上記還流手段を駆動するようにしても良い。

また、上記水素供給ラインに一次圧力調整手段が設けられると共に、該一次圧力調整手段の下流側に二次圧力調整手段が設けられ、上記水素還流ラインは、上記二次圧力調整手段の下流側と、上記一次圧力調整手段と二次圧力調整手段との間とを連通するものであっても良い。

また、上記水素還流ラインにおいて、上記還流手段の上流側及び／又は下流側を遮断するための遮断手段を更に備え、上記制御手段は、上記圧力検出手段により検出された圧力が所定値よりも低いときには上記遮断手段を閉側に制御し、上記圧力検出手段により検出された圧力が所定値以上となったときには上記遮断手段を開側に制御するようにしても良い。

更に本発明は、燃料電池本体に供給する水素が充填された水素供給源と、該水素供給源から上記燃料電池本体へと延びる水素供給ラインに設けられ、上記水素供給源から供給される水素の圧力を調整するための圧力調整手段と、上記燃料電池本体に接続された水素排出ラインの水素流量を検出するための流量検出手段と、上記流量検出手段の検出値に基づいて上記圧力調整手段を制御する制御手段とを備えたものである。

ここで、上記制御手段は、上記流量検出手段により検出された水素流量が所定値よりも低いときに、上記圧力調整手段を圧力増加側に制御するようにしても良い。

本発明によれば、水素供給量及び供給圧力を最適に制御できるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施形態に係る燃料電池の概略図である。

図に示すように、本実施形態の燃料電池は、燃料電池本体１のアノード電極２に燃料である水素ガスを供給するための水素供給システム５を備えている。なお、図では燃料電池本体１のカソード電極３に酸化剤を供給する酸化剤供給システムは省略されている。

水素供給システム５は、供給すべき水素（燃料）が高圧状態で充填された水素供給源（水素タンク）６と、水素タンク６から燃料電池本体１の水素入口部へと延びる水素供給ライン７と、水素供給ライン７に設けられ、水素タンク６から供給される水素の圧力を減圧・調圧するための圧力調整手段８とを備えている。

本実施形態では、圧力調整手段８は、水素供給ライン７に沿って直列に配置された二つのレギュレータ８ａ，８ｂからなる。上流側に位置する一次レギュレータ（一次圧力調整手段）８ａは機械式のレギュレータであり、水素タンク６から供給される水素の圧力を所定の一次圧（例えば、５Kg/cm² ≒０．４９MPa）まで減圧する。下流側に位置する二次レギュレータ（二次圧力調整手段）８ｂは機械式と電気式との併用タイプであり、一次レギュレータ８ａから供給される水素の圧力を燃料電池本体１で必要とされる水素消費量に適した圧力・流量に減圧・調圧する。この二次レギュレータ８ｂは、後述する流量制御手段１７により制御される。

水素供給システム５は更に、水素供給ライン７における二次レギュレータ８ｂの下流側と、一次レギュレータ８ａと二次レギュレータ８ｂとの間（つまり、二次レギュレータ８ｂの上流側）とを連通する水素還流ライン９を備える。従って、特許請求の範囲の請求項１における圧力調整手段とは、本実施形態においては二次レギュレータ８ｂのことを意味している。

水素還流ライン９には、二次レギュレータ８ｂの下流側の水素の一部を水素還流ライン９を通して二次レギュレータ８ｂの上流側へと還流させる還流手段（還流ポンプ）１０と、その還流ポンプ１０の上流側及び下流側を遮断する遮断手段（電磁遮断弁）１１ａ，１１ｂとが設けられる。これら還流ポンプ１０及び電磁遮断弁１１ａ，１１ｂは、圧力制御手段（コントローラ）１２により制御される。

水素供給ライン７には、燃料電池本体１の水素入口部近傍の水素圧力を検出するための圧力検出手段（圧力センサ）１３が設けられ、圧力センサ１３の検出値は圧力制御手段１２に送信される。圧力制御手段１２は、圧力センサ１３の検出値に応じて還流ポンプ１０及び電磁遮断弁１１ａ，１１ｂを制御する。

燃料電池本体１には、未反応の水素を排出するための水素排出ライン１５が接続され、その水素排出ライン１５には、燃料電池本体１の水素出口部近傍における水素流量を検出するための流量検出手段（流量センサ）１６が設けられる。流量センサ１６の検出値は流量制御手段（コントローラ）１７に送信される。流量制御手段１７は、流量センサ１６の検出値に応じて二次レギュレータ８ｂを制御する。

次に、本実施形態の燃料電池の作用を説明する。

まず、圧力センサ１３から圧力制御手段１２に送信される水素圧力が、予め圧力制御手段１２に入力された下限側の所定値（所定圧力）よりも低い場合、圧力制御手段１２は、電磁遮断弁１１ａ，１１ｂを閉とすると共に、還流ポンプ１０を非駆動とする。これにより、水素供給ライン７内の水素は全て燃料電池本体１へと供給される。上記所定値は、燃料電池本体１において、水素漏れや構成部材の破損などが生じることのない圧力に設定される。

一方、圧力センサ１３の検出値が上限側の所定値（所定圧力）以上となったならば、圧力制御手段１２は、燃料電池本体１の水素消費量に対する水素供給量が過剰であると判断し、電磁遮断弁１１ａ，１１ｂを開側に制御し、その後、還流ポンプ１０を駆動する。これにより、水素供給ライン７内の水素の一部が還流ライン９を通って二次レギュレータ８ｂの上流側へと還流され、燃料電池本体１に供給される水素の圧力及び流量が低減する。

その後、圧力センサ１３の検出値が下限側の所定値を下回ったならば、圧力制御手段１２は電磁遮断弁１１ａ，１１ｂを閉側に制御して水素還流ライン９を遮断し、還流ポンプ１０を停止（非駆動）する。

なお、燃料タンク６内に充填された水素を二次レギュレータ８ｂの常用領域よりもはるかに小さい流量だけ供給することにより、燃料電池本体１に供給される水素圧力が所定値よりも高圧となった場合にも上記と同様の制御が実行される。

このように、本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池本体１の水素入口部近傍の水素圧力が所定値を越えたときに、過剰分の水素を燃料電池本体１に供給せずに水素供給ライン７の上流側へと戻すため、燃料電池本体１の水素圧力を直ちに低減できる。従って、水素漏れや構成部材の破損を防止できる。

次に、流量センサ１６から流量制御手段１７に送信される水素流量が、予め流量制御手段１７に入力された下限側の所定値（所定流量）よりも低い場合、流量制御手段１７は、燃料電池本体１の水素消費量に対する水素供給量が不足していると判断し、二次レギュレータ８ｂを供給圧力（出口圧力）増加側に制御する。この所定値は、燃料電池本体１において担体カーボンの酸化による性能劣化が生じないような値に設定される。二次レギュレータ８ｂが供給圧力増加側に制御されることにより、水素供給ライン７を通って燃料電池本体１に供給される水素の圧力及び流量が増加する。

その後、流量センサ１６の検出値が上限側の所定値（所定流量）を上回ったならば、流量制御手段１７は二次レギュレータ８ｂに対する供給圧力増加制御を停止する。

このように、本実施形態の燃料電池によれば、燃料電池本体１の水素消費量に対する水素供給量が不足したときに、二次レギュレータ８ｂを直ちに流量（圧力）増加側に制御できるため、担体カーボンの酸化による性能劣化を防止できる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池では、燃料電池本体１の水素消費量（電力負荷）に対する水素供給量及び供給圧力を迅速かつ適切に調節することができる。

本発明は以上説明してきた実施形態に限定されるものではない。

例えば、圧力センサ（圧力検出手段）１３は、燃料電池本体１の水素入口部近傍の水素供給ライン７に設けるとしたが、図１に示すように、燃料電池本体１の水素出口部近傍の水素排出ライン１５に設けて、燃料電池本体１から排出される水素の圧力を検出するようにしても良い。

また、圧力調整手段（レギュレータ８ａ，８ｂ）を二つ備えるとしたが、１つのみとしても良い。つまり、図１の形態において、一次レギュレータ８ａを省略しても良い。

また、流量制御手段１７は、流量センサ１６の検出値が所定値よりも高いときに、圧力調整手段８ｂを供給圧力低減側に制御するようにしても良い。

また、圧力制御手段１２と流量制御手段１７とが実質的に同一のコントローラからなっても良い。

また、燃料電池本体１から排出された未反応水素を水素供給ライン７へと還流する手段を更に備えても良い。

また、遮断手段１１ａ，１１ｂは圧力制御手段１２により制御される電磁弁としたが、逆止弁などを用いても良い。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ アノード電極
３ カソード電極
５ 水素供給システム
７ 水素供給ライン
８ 圧力調整手段
８ａ 一次レギュレータ（一次圧力調整手段）
８ｂ 二次レギュレータ（二次圧力調整手段）
９ 水素還流ライン
１０ 還流手段（還流ポンプ）
１１ａ 遮断手段（電磁遮断弁）
１１ｂ 遮断手段（電磁遮断弁）
１２ 圧力制御手段（コントローラ）
１３ 圧力検出手段（圧力センサ）
１５ 水素排出ライン
１６ 流量検出手段（流量センサ）
１７ 流量制御手段（コントローラ）

Claims (6)

1. 燃料電池本体に供給する水素が充填された水素供給源と、
   該水素供給源から上記燃料電池本体へと延びる水素供給ラインに設けられ、上記水素供給源から供給される水素の圧力を調整するための圧力調整手段と、
   上記水素供給ラインにおける上記圧力調整手段の下流側と上流側とを連通する水素還流ラインと、
   該水素還流ラインに設けられ、上記圧力調整手段の下流側の水素の一部を上記水素還流ラインを通して上流側へと還流させる還流手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 上記還流手段を駆動制御する制御手段と、
   上記燃料電池本体近傍の上記水素供給ライン内の水素圧力、又は上記燃料電池本体に接続された水素排出ラインの水素圧力を検出するための圧力検出手段とを更に備え、
   上記制御手段は、上記圧力検出手段により検出された圧力が所定値以上となったときに上記還流手段を駆動する請求項１記載の燃料電池。
3. 上記水素供給ラインに一次圧力調整手段が設けられると共に、該一次圧力調整手段の下流側に二次圧力調整手段が設けられ、
   上記水素還流ラインは、上記二次圧力調整手段の下流側と、上記一次圧力調整手段と二次圧力調整手段との間とを連通するものである請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 上記水素還流ラインにおいて、上記還流手段の上流側及び／又は下流側を遮断するための遮断手段を更に備え、
   上記制御手段は、上記圧力検出手段により検出された圧力が所定値よりも低いときには上記遮断手段を閉側に制御し、上記圧力検出手段により検出された圧力が所定値以上となったときには上記遮断手段を開側に制御する請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池。
5. 燃料電池本体に供給する水素が充填された水素供給源と、
   該水素供給源から上記燃料電池本体へと延びる水素供給ラインに設けられ、上記水素供給源から供給される水素の圧力を調整するための圧力調整手段と、
   上記燃料電池本体に接続された水素排出ラインの水素流量を検出するための流量検出手段と、
   上記流量検出手段の検出値に基づいて上記圧力調整手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
6. 上記制御手段は、上記流量検出手段により検出された水素流量が所定値よりも低いときに、上記圧力調整手段を圧力増加側に制御する請求項５記載の燃料電池。
   

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