专利名称：燃料电池系统及其运转方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池系统及其运转方法，该燃料电池系统包括利用燃料气体与氧化剂的反应进行发电的燃料电池和燃料电池的燃料废气的排出流路。
背景技术：
作为以往的燃料电池系统，例如，如专利文献I所记载的那样，存在包括利用燃料气体与氧化剂的反应进行发电的燃料电池和用于将自燃料电池排出的燃料废气排出至外部的排出流路的系统。并且，专利文件I的燃料电池系统具有如下结构在排出流路的中途具有用于开闭该流路的阀(放气阀)，并且在阀上设有用于除去燃料废气中的异物的过滤器。这里，在该种燃料电池系统中，燃料废气中含有水蒸气等水分时，有时水分在排出流路内凝结而积水，特别是水易于附着在过滤器的网部分。因此，在系统停止后放置于低温环境下的情况下，有时附着于过滤器的水冻结而闭塞排出流路。因此，在上述专利文献I的燃料电池系统中，设置用于对阀内的小孔(orifice)、过滤器进行加热的加热器，通过在启动时使加热器工作来防止排出流路因水分冻结而引起闭塞。专利文件I :日本特开2008-270151号公报但是，在上述那样的燃料电池系统中，能够防止燃料废气的排出流路闭塞，另一方面，存在启动时需要利用加热器进行加热的时间而启动时间延长这种问题，解决这种问题是该燃料电池系统课题。
发明内容
本发明是着眼于上述以往的课题而做成的，其目的在于提供一种能够防止排出流路因水分冻结而引起闭塞并且也能够实现缩短启动时间的燃料电池系统及其运转方法。本发明的燃料电池系统包括燃料电池，其用于使燃料气体与氧化剂气体反应而进行发电；排出流路，其用于将自燃料电池的燃料极排出的燃料废气排出至外部。而且，燃料电池系统为包括配置在排出流路中的可动式过滤器装置的结构，利用上述的结构作为用于解决以往的课题的方法。另外，本发明的燃料电池系统的运转方法的特征在于，在燃料电池开始发电前的一个期间和燃料电池停止发电前的一个期间之中的至少的一个期间内，使可动式过滤器装置工作。另外，燃料电池停止发电和开始发电存在基于系统整体停止和启动而进行的情况、基于燃料电池暂时停止和重启而进行的情况，与上述的状况相应地使可动式过滤器装置工作。采用本发明的燃料电池系统及其运转方法，通过使可动式过滤器装置工作，使附着于过滤器的水在因旋转而产生的离心力、振动的作用下迅速飞散，能够防止排出流路因水冻结而引起闭塞，并且能够实现缩短启动时间。
图I是表示本发明的燃料电池系统的第一实施方式的说明图。图2是说明图I所示的燃料电池系统的运转方法中的系统停止时的过程的流程图。图3是说明图I所示的燃料电池系统的运转方法中的从燃料电池一次停止发电至重启的过程的流程图。图4是表示本发明的燃料电池系统的第二实施方式的说明图。图5是表示本发明的燃料电池系统的第三实施方式的说明图。图6是表示本发明的燃料电池系统的第四实施方式的说明图。图7是表示本发明的燃料电池系统的第五实施方式的说明图。图8是说明图7所示的燃料电池系统的运转方法中的系统停止时的过程的流程图。图9是说明图7所示的燃料电池系统的运转方法中的从燃料电池一次停止发电至重启的过程的流程图。图10是表示本发明的燃料电池系统的第六实施方式的说明图。图11是表示本发明的燃料电池系统的第七实施方式的说明图。图12是说明图11所示的燃料电池系统的运转方法中的系统停止时的过程的流程图。图13是说明图11所示的燃料电池系统的运转方法中的从燃料电池暂时停止发电 至重启的过程的流程图。图14是说明能够应用于第一实施方式、第二实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的一例的剖视图。图15是表示图14所示的可动式过滤器装置的过滤器主体的概略纵剖视图(A)和图14A的俯视图(B)。图16是说明能够应用于第一实施方式、第二实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的另一例的剖视图。图17是说明能够应用于第三实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的一例的剖视图。图18是图17中的A-A剖视图。图19是说明能够应用于第三实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的另一例的剖视图。图20是图19中的B-B剖视图。图21是表示图20所示的可动式过滤器装置的过滤器主体的概略纵剖视图(A)和图14A的俯视图(B)。图22是说明能够应用于第四实施方式 第七实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的一例的剖视图。图23是图22中的C-C剖视图，是说明能够应用于第五实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的一例的剖视图(A)和说明能够应用于第七实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的一例的剖视图(B)。图24是说明能够应用于第六实施方式、第七实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的一例的剖视图。图25是图22中的D-D剖视图。图26是说明能够应用于第一实施方式和第二实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的又一例的剖视图。图27是说明能够应用于第一实施方式和第二实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的又一例的剖视图(A)和旋转构件的俯视图(B)。图28是说明能够应用于第一实施方式和第二实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的再一例的剖视图。 图29是说明能够应用于第四实施方式 第七实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的又一例的剖视图。图30是说明能够应用于第四实施方式 第七实施方式的燃料电池系统的可动式过滤器装置的再一例的剖视图。
具体实施例方式图I是说明本发明的燃料电池系统的第一实施方式的图。图示的燃料电池系统Fl包括使燃料气体与氧化剂气体反应进行发电的燃料电池FC。该燃料电池FC例如包括层叠多片固体高分子型的燃料电池单体而成的燃料电池堆。并且，燃料电池系统Fl包括氢系统，其用于向燃料电池FC的正极(氢极)16供给作为燃料气体的氢气；空气系统，其用于向燃料电池FC的负极(空气极)20供给作为氧化剂气体的空气。另外，在图I中概略示出了两电极，但实际上每个燃料电池单体均具有两电极。在氢系统中，将作为燃料的氢气作为高压氢气储存在氢存储罐14中，借助氢压力调整阀22将来自氢存储罐14的高压氢气减压至燃料电池FC的运转压力，经由氢供给流路24供给至正极16。在正极16未被消耗的余下的氢气经由氢循环泵26和氢循环流路28回流至氢供给流路24，与来自氢存储罐14的氢气混合，再次供给至正极16。在空气系统中，自外部导入作为氧化剂气体的空气，该空气通过未图示的空气过滤器且被压缩机18压缩后，经由空气供给流路30供给至负极20。该空气中能够的氧气用于发电反应。余下的空气经由用于调整空气压的空气压力调整阀32被排出至外部。并且，燃料电池系统Fl为了将燃料电池FC的运转温度保持在适当范围，包括用于使冷却流体(例如冷却水)循环的冷却系统。在该冷却系统中，利用散热器34对冷却流体进行冷却，并且利用冷却水泵36和冷却水流体循环流路38、40使该冷却流体循环，从而对燃料电池FC进行冷却。而且，燃料电池系统Fl包括用于将自燃料电池FC的正极(燃料极/氢极)16排出的燃料废气排出至外部的排出流路42。排出流路42由自氢循环流路28分支的上游侧排出流路42a和在中间夹设有放气阀44的下游侧排出流路42b构成，在上游侧排出流路42a和下游侧排出流路42b之间设有可动式过滤50。S卩，在燃料电池系统Fl中，在自燃料电池FC的正极16排出的燃料废气中含有未反应的氢气，在燃料电池FC中，由于自空气发生渗透而使燃料废气中的氮浓度逐渐增大。因此，氮浓度到达规定以上时，利用放气阀44将燃料废气排出至外部。而且，因反应而产生的生成水借助自氢循环流路28分支的弃水阀46被排出至外部。燃料电池系统F I还包括用于对压缩机18、氢压力调整阀22、氢循环泵26、空气压力调整阀32、散热器34、冷却水泵36、放气阀44、弃水阀46以及可动式过滤器装置50进行控制的控制单元48。这里，在上述那样对燃料废气进行放气的燃料电池系统中，为了确保排出流路上的放气阀的密封性能，例如设有网型的过滤器，以便使异物不会进入。而且，以包含氮的氢气为主要成分的燃料废气因生成水等而成为湿润状态。因此，燃料废气通过过滤器的网时，若燃料废气中的水分附着于过滤器，则该水分因表面张力而在过滤器的网部表面扩展。若在这样的状态下停止系统，并放置在低温环境下，则有时过滤器的网部表面的水分冻结，闭塞排出流路。因此，在该燃料电池系统F I中，为了避免排出流路42因上述的水分冻结而引起 闭塞，在燃料废气的排出流路42上具有可动式过滤器装置50。可动式过滤器装置50包括过滤器主体66，其用于使燃料废气通过；驱动机构，其用于对过滤器主体66施加旋转和振动中的至少一种。该实施方式的可动式过滤器装置50设为对过滤器主体66施加旋转的装置，驱动机构的驱动源是电动的马达70。可动式过滤器装置50的具体的结构如图14所示那样包括上部外壳52、中间外壳54以及下部外壳56。上部外壳52与中间外壳54之间以及中间外壳54与下部外壳56之间借助密封构件58密封。在中间外壳54上形成有用于导入流体的流体导入通路60，该流体导入通路60的入口(IN)与图I所示的上游侧排出流路42a连接。流体导入通路60自中间外壳54的下方侧部向上方倾斜，与形成于中间外壳54的上方部中央的过滤器室61连通。在该过滤器室61中借助轴承69以过滤器主体66能够旋转的方式容纳有过滤器主体66，该过滤器主体66用于除去自流体导入通路60导入的燃料废气中的异物等。如图15 (A)、(B)所示，过滤器主体66包括大致圆筒形状的过滤器部66a、安装于过滤器部66a的外周的网等过滤器构件66b以及与过滤器部66a的下方连续的轴部66c。另外，在过滤器部66a与上部外壳52之间夹设有密封构件11。在中间外壳54中，过滤器主体66的轴部66c在形成于过滤器室61的下方的轴孔64b中穿过，与旋转用磁铁74连结。并且，在上部外壳51中，形成有用于将通过了过滤器主体66的燃料废气排出的流体排出通路68。该流体排出通路68由自过滤器室61向上方延伸的第一流体排出通路68a和自该第一流体排出通路68a的上端部分向下方倾斜地延伸至上部外壳52的侧部的第二流体排出通路68b构成。而且，第二流体排出通路68b的出口(OUT)与图I所示的下游侧排出流路42b连接。中间外壳54在下方中央部形成有驱动机构容纳部62，在该驱动机构容纳部62中以上述旋转用磁铁74旋转自如的方式容纳有构成驱动机构的上述旋转用磁铁74。而下部外壳56容纳有作为驱动机构的驱动源的马达70。驱动用磁铁72与马达70的驱动轴连结，该驱动用磁铁72和与过滤器主体66的轴部66c连结的旋转用磁铁74构成了磁性联轴节(magnet coupling)。由此,过滤器主体66在马达70的驱动下绕铅垂轴线旋转。另外，在驱动用磁铁72与旋转用磁铁74之间夹设有用于将驱动机构容纳部62与马达70侧之间气密分离的分隔壁构件76及密封构件78。由此，能够将含氢的燃料废气的流通部分与马达70侧充分分离。因此，对于分子较小且易于泄漏的氢，不需要设成复杂的密封结构就能够形成充分的密封结构。而且，对于马达70的驱动部，能够防止因氢与金属构件接触而产生的氢脆性导致劣化。并且，在中间外壳54中，在驱动用磁铁72与旋转用磁铁74的磁性联轴节之间设有泄露流体排出通路80，该泄露流体排出通路80与流体导入通路60连接，例如使自过滤器主体66的旋转滑动部分泄漏的燃料废气回流至流体导入通路60。作为包括上述可动式过滤器装置50的燃料电池系统F I的运转方法，在燃料电池 FC开始发电之前的一个期间以及燃料电池F C停止发电之前的一个期间中的至少一个期间内，使可动式过滤器装置50工作。这里，上述的燃料电池系统F I例如搭载于燃料电池汽车。因而，燃料电池FC停止发电和开始发电存在基于与汽车的运用状况相应的系统整体停止和启动而进行的情况、基于与汽车的行驶状况相应的燃料电池FC暂时停止和重启(再启动)而进行的情况。更具体来说，在等待信号的空转时、下坡时等那样运转负荷较小且仅靠蓄电池的电力就能够运转时，通过暂时停止燃料电池FC的发电，谋求节约氢消耗量而提高燃料效率。此时，由于停止供给氢气(燃料气体)和空气(氧化剂气体)，因此氢系统和空气系统的辅助机械类停止，但冷却系统、强电及驱动马达类利用来自蓄电池的电力供给而持续工作。而且，蓄电池的容量减少时，自动地重启燃料电池FC的发电。因此，作为运转方法，在燃料电池FC停止发电和开始发电是基于系统整体停止和启动而进行的情况下，优选至少在基于系统整体停止而停止发电之前使可动式过滤器装置50工作。并且，在燃料电池的停止发电和开始发电是基于燃料电池FC暂时停止和重启而进行的情况下，更优选至少在基于燃料电池FC重启而开始发电之前使可动式过滤器装置50工作。图2是说明燃料电池系统F I的运转方法中的特别是系统停止时的过程的流程图。由控制单元48进行该控制。在步骤SI中开始燃料电池系统Fl的停止处理后，在步骤S2中，停止空气压缩机18和冷却水泵36，并且关闭氢和空气的压力调整阀22、32、弃水阀46及放气阀44。之后，在步骤S3中，使可动式过滤器装置50工作。即，驱动马达70，使过滤器主体66旋转。此时，利用离心力使附着于过滤器主体66的水、异物飞散，迅速地除去。然后，经过规定时间后，在步骤S4中，停止可动式过滤器装置50的工作，在步骤S5中，结束燃料电池系统Fl的停止处理。这样，在燃料电池系统Fl整体停止之前，使可动式过滤器装置50工作，将附着于过滤器主体66的水、异物除去。由此，即使系统停止后放置在低温环境下，由于在过滤器主体66上也几乎未附着有水、异物，因此，能够预先防止排出流路42因水的冻结、异物的堵塞而引起闭塞，也能够迅速地进行之后的系统整体启动。
另外，如上所述，本发明的运转方法不仅在燃料电池系统Fl整体停止之前使可动式过滤器装置50工作，也可以在系统整体启动之前使可动式过滤器装置50工作。由此，能够在系统停止后迅速地除去在过滤器主体66中产生的结露水、异物等，能够对更顺利的系统启动做出贡献。图3是说明燃料电池系统F I的运转方法中的特别是自燃料电池FC—次停止发电至重启的过程的流程图。在步骤Sll中，暂时停止燃料电池FC的发电，在步骤S12中，使可动式过滤器装置50工作。即，驱动马达70使过滤器主体66旋转。然后，经过规定时间后，在步骤S13中，停止可动式过滤器装置50的工作，在步骤S14中，重启(再启动)燃料电池FC的发电。如此，采用在燃料电池FC重启发电之前使可动式过滤器装置50工作的运转方法，由于可动式过滤器装置50在运转过程中不旋转，因此能够抑制在向放气阀44通气时的压力损失上升。并且，由于在重启发电之前不使过滤器主体66旋转，因此能够维持过滤器主 体66的耐久性。而且，例如在长时间沿冬季的山路下坡的情况下等，冷气有可能在发电暂时停止过程中时进入放气阀44的附近而引起冻结。而在上述的运转方法中，由于在发电重启之前使可动式过滤器装置50工作，因此能够防止附着于过滤器主体66的水分急剧冻结而闭塞排出通路42那样的情况。而且，通过在发电重启之前使可动式过滤器装置50工作，不仅能够除去燃料废气中的水分，还能够除去燃料废气中的异物、在停止过程中产生的结露。另外，如上所述，本发明的运转方法不仅是在燃料电池FC重启发电之前使可动式过滤器装置50工作，也可以在暂时停止发电之前使可动式过滤器装置50工作，从而除去附着于过滤器主体66的水、异物。如上所述，采用上述实施方式的燃料电池系统Fl及其运转方法，通过使可动式过滤器装置50工作,利用离心力使附着于过滤器主体66的水、异物迅速飞散,能够防止排出流路42因水的冻结、异物的堵塞而引起闭塞，并且能够实现缩短之后的启动时间。另外，在上述的燃料电池系统Fl及其运转方法中，由于不需要以往那样的过滤器加热用的加热器，因此能够大幅削减装置的零件件数，能够实现系统整体的简单化、低成本化等。而且，在上述的燃料电池系统Fl及其运转方法中，在可动式过滤器装置50中，由于采用马达70作为驱动机构的驱动源，因此构造简单，并且能够对想使过滤器主体66旋转的规定的时间进行控制，例如能够进行使过滤器主体66仅在系统停止后的恒定时间内旋转等的控制，能够使用于使过滤器主体66旋转的驱动机构的寿命长期化。而且，在上述的燃料电池系统Fl及其运转方法中，在可动式过滤器装置50中，由于不能在氢系统的流路内配置作为点火源的装置，因此利用马达70的驱动轴侧的驱动用磁铁72和过滤器主体侧的旋转用磁铁74构成了磁性联轴节。由此，能够将氢系统的流路与马达70侧充分分离。因此，对于分子较小且易于泄漏的氢，不需要复杂的密封结构就能够形成充分的密封结构。并且，对于马达70的驱动部，能够防止因氢与金属构件接触而产生的氢脆性导致劣化。并且，在上述可动式过滤器装置50中，也可以使驱动用磁铁72和旋转用磁铁74中的任一个为磁性材料。由此,选择性地使用高价的磁铁,能够对低成本化做出贡献。该情况下，虽然钕磁铁作为具有强力的磁力的磁铁为人所知，但钕磁铁不耐水分，不适于设置在含水蒸气的氢系统的流路内，因此优选使用铁氧体磁铁、磁性材料。并且，在上述的燃料电池系统F I及其运转方法中，能够如图14所示的流体导入通路60、第二流体排出通路68b那样通过设置倾斜而使水分向下方侧流动。此时，优选通过对过滤器主体66、外壳52 56、流体导入通路60以及流体排出通路68的内壁实施例如氟处理等的防水处理，使水分易于流动。图4是说明本发明的燃料电池系统的第二实施方式的图。另外，对于与之前的实施方式相同的结构部位标注相同的附图标记而省略详细的说明。图示燃料电池系统F2没有图I所示的实施方式的氢循环泵26和氢循环流路28，而是将燃料电池FC的正极16的燃料废气通过构成排出流路42的上游侧排出流路42a直接排出的结构。因此，弃水阀46自上游侧排出流路42a分支。并且，可动式过滤器装置50与之前的实施方式同样包括过滤器主体66和作为旋转机构的驱动源的马达70。在上述的燃料电池系统F2中，能够使用在前说明的图14的可动式过滤器装置50，在该结构和运转方法中，能够获得与之前的实施方式同样的作用和效果。并且，在图I和图4所示的第一实施方式和第二实施方式的燃料电池系统FI、F2中，除了图14所示的可动式过滤器装置之外，能够使用图16所示的例子的可动式过滤器装置。图16所示的可动式过滤器装置50是与图14和图15所示的可动式过滤器装置基本相同的结构，利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转。在该实施方式中，在流体排出通路68的靠过滤器主体66侧一体地设有作为放气阀(44)起作用的电磁阀94。该电磁阀94开闭阀口 96，从而在流体导入通路60与流体排出通路68之间进行连通/阻断。由此，能够不需要与电磁阀94连接的配管(例如下游侧排出流路42b)和外壳，能够实现进一步小型化。图5是说明本发明的燃料电池系统的第三实施方式的图。另外，对于与之前的实施方式相同的结构部位标注相同的附图标记而省略详细的说明。图示的燃料电池系统F3是与图4所示的实施方式基本相同的结构，可动式过滤器装置50包括用于使燃料废气通过的过滤器主体66和用于使过滤器主体66旋转的驱动机构。而且，驱动机构的驱动源是在系统中流通的流体，特别是，流体为燃料电池FC的燃料废气。在这样的燃料电池系统F3中，能够应用图17和图18所示的可动式过滤器装置50。图17所示的可动式过滤器装置50利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转，该可动式过滤器装置50包括上部外壳52、中间外壳54及下部外壳56。在中间外壳54上形成有用于导入流体的流体导入通路60，该流体导入通路60的入口(IN)与图5所示的上游侧排出流路42a连接。该实施方式的流体导入通路60由以自中间外壳54的下方侧部向上方倾斜地到达相反侧的侧部附近的方式形成的第一流体导入通路60a和第一流体导入通路60a在中间外壳54的相反侧的侧部附近弯曲而向上方倾斜而成的第二流体导入通路60b构成。并且，第一流体导入通路60a与第二流体导入通路60b的连结部的外侧由密封构件60c闭塞。
也如图18所示，第一流体导入通路60a的一部分以在形成于中间外壳54的下方中央部的驱动机构容纳部62的一部分中穿过的方式形成。在该驱动机构容纳部62中借助轴承65和滚珠63以构成驱动机构的叶片构件(叶轮)能够旋转的方式容纳有构成驱动机构的叶片构件(叶轮)。叶片构件64在圆周上以等间隔具有多个叶片64a，叶片构件64在自上游侧排出流路42a导入到第一流体导入通路60a中的燃料废气的压力的作用下沿图18的箭头所示方向旋转。另一方面，第二流体导入通路60b的上方端部与形成于中间外壳54的上方部分中央的过滤器室61连通。在该过滤器室61中，以与之前的图15中说明的过滤器主体相同的过滤器主体66能够旋转的方式容纳有与之前的图15中说明的过滤器主体相同的过滤器主体66。并且，过滤器主体66的轴部66c嵌合于被形成在叶片构件64的上部中央的轴孔·64b中。由此，可动式过滤器装置50在自上游侧排出流路42a导入到第一流体导入通路60a中的燃料废气的压力作用下使叶片构件64旋转,过滤器主体66与该叶片构件64 —起旋转。在上述的燃料电池系统F3的结构和运转方法中，能够获得与之前的实施方式相同的作用和效果。而且，将在系统中流通的流体作为构成可动式过滤器装置50的驱动机构的驱动源，特别是，使用燃料电池FC的燃料废气作为流体，从而在燃料气体的运转压力较高的情况下特别有效。即，由于不需要提高氢系统的压力，因此适合不使用氢循环泵等升压装置的系统(第三实施方式的系统)，能够谋求系统的进一步简单化。而且，在采用如上述那样燃料气体的压力较高的系统的情况下，打开放气阀44的同时，燃料废气的压力作用于叶片构件64，叶片构件64和过滤器主体66恒定地旋转。由此，能够利用离心力使附着于过滤器主体66的水分、异物飞散。并且，在图5所示的第三实施方式的燃料电池系统F3中，除了图17所示的可动式过滤器装置，也能够使用图19 图21所示的可动式过滤器装置。图19所示的可动式过滤器装置50是与图17所示可动式过滤器基本相同的结构，利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转。也如图21所示，该可动式过滤器装置50的过滤器主体66为大致圆盘形状。而且，在过滤器主体66上，形成有安装在过滤器部66a的下表面的网等的过滤器构件66b。这样，通过将过滤器主体66设成本例的大致圆盘形状、图15所示的例子的大致圆筒形状，能够根据设计上希望确保的过滤器的面积和安装空间来决定形态，设计自由度提闻。图6是说明本发明的燃料电池系统的第四实施方式的图。另外，对于与上述实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记而省略详细的说明。图示的燃料电池系统F4是与图4所示的实施方式基本相同的结构，可动式过滤器装置50包括用于使燃料废气通过的过滤器主体66和用于使过滤器主体66旋转的驱动机构。而且，驱动机构的驱动源是在系统中流通的流体，特别是，流体是冷却系统的冷却流体(冷却水)。因此，燃料电池系统F4包括上游侧分支流路38A，其在冷却流体循环流路38中自比冷却水泵36靠下游侧的位置分支；下游侧分支流路38B，其连接于比冷却水泵36靠上游侧的位置。并且，后述的可动式过滤器装置50的入口与上游侧分支流路38A连接，该可动式过滤器装置50的出口与下游侧分支流路38B连接。另外，图7是说明本发明的燃料电池系统的第五实施方式的图。图示的燃料电池系统F5是与图6所示的实施方式基本相同的结构，可动式过滤器装置50的驱动机构的驱动源是冷却流体(冷却水)，特别是，在下游侧循环流路38B的中途夹设有控制阀82。图6所示的第四实施方式和图7所示的第五实施方式的燃料电池系统F4、F5能够应用图22所示那样的可动式过滤器装置50。图示的可动式过滤器装置50是与图14所示装置基本相同的结构，将图14中的马达(70)改变为叶片构件64，利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转。该情况下，在下部外壳56中借助轴承65和滚珠63以构成驱动机构的叶片构件64旋转自如的方式容纳有构成驱动机构的叶片构件64。并且，在下部外壳56中形成有自其一个侧部穿过叶片构件64的收容部分到达另一侧部的流体流路38a，流体流路38a的入口侧与上游侧分支流路38A连接，流体流路38a的出口侧与下游侧分支流路38B连接。由此，将冷却流体导入到流体流路 38a中时，在冷却流体的压力的作用下，如图23 (A)中的箭头所示，叶片构件64旋转。并且，图示的可动式过滤器装置50将驱动用磁铁72连结于叶片构件64的轴部，并且将旋转用磁铁74连结于过滤器主体66的轴部66c，由驱动用磁铁72和旋转用磁铁74构成磁性联轴节。由此，叶片构件64在冷却流体的压力的作用下旋转时,过滤器主体66与叶片构件64 —体地旋转。并且，通过在驱动机构容纳部62与叶片构件64侧之间利用分隔壁构件76和密封构件78来进行密封，将燃料废气的流路和冷却流体的流路充分地气密分离。而且，在图7所示的实施方式的燃料电池系统F5中，通过对图23 (A)所示的控制阀82进行开闭控制，向流体流路38a导入冷却流体及停止向流体流路38a导入冷却流体，从而选择性地使叶片构件64和过滤器主体66旋转及停止旋转。图8是说明图7所示的燃料电池系统F5的运转方法中的特别是系统停止时的过程的流程图。由控制单元48进行该控制。在步骤S21中开始燃料电池系统F5的停止处理后，在步骤S22中，使可动式过滤器装置50工作。S卩，打开控制阀82，导入冷却流体，使过滤器主体66与叶片构件64 —起旋转。由此，利用离心力使附着于过滤器主体66的水、异物飞散，迅速地除去。然后，经过规定时间后，在步骤S23中，停止可动式过滤器装置50的工作，接下来，在步骤S24中停止冷却水泵36后，在步骤S25中，结束燃料电池系统F5的停止处理。这样，在燃料电池系统F5整体停止之前，使可动式过滤器装置50工作，除去附着于过滤器主体66的水、异物。由此，即使系统停止后放置在低温环境下，在过滤器主体66上也几乎未附着有水、异物，因此，能够事先防止排出流路42因该水的冻结、异物的堵塞而引起闭塞，也能够迅速地进行之后的系统整体启动。另外，与之前的实施方式同样，本发明的运转方法不仅可以在燃料电池系统F 5整体停止之前使可动式过滤器装置50工作，也可以在系统整体启动之前使可动式过滤器装置50工作。图9是说明图7所示的燃料电池系统F 5的运转方法中的特别是从燃料电池FC一次停止发电至重启的过程的流程图。
在步骤S31中，暂时停止燃料电池FC发电，在步骤S32中，使可动式过滤器装置50工作。即，打开控制阀82，导入冷却流体，使过滤器主体66与叶片构件64 —起旋转。然后，经过规定时间后，在步骤S33中，停止可动式过滤器装置50的工作，在步骤S34中，重启(再启动)燃料电池FC的发电。这样，采用在燃料电池FC重启发电之前使可动式过滤器装置50工作的运转方法，与之前的实施方式同样，由于运转过程中可动式过滤器装置50不旋转，能够抑制在向放气阀44通气时的压力损失上升。并且，由于在重启发电之前不使过滤器主体66旋转，因此能够维持过滤器主体66的耐久性。采用上述燃料电池系统F4、F5及其运转方法，能够获得与之前的实施方式相同的作用和效果。并且，由于将在系统中流通的流体作为构成可动式过滤器装置50的驱动机构的驱动源，并且使用冷却流体作为流体，特别是，在使冷却流体在外壳内流通而维持温度那样的结构的情况下，在能够使用该冷却回路这一点上是有效的。而且，适合不使用氢循环泵等升压装置的系统(第四实施方式、第五实施方式的系统)，能够实现系统的进一步简单化。 图10是说明本发明的燃料电池系统的第六实施方式的图。另外，对于与上述实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记而省略详细的说明。图示的燃料电池系统F6是与图4所示的实施方式基本相同的结构，可动式过滤器装置50包括用于使燃料废气通过的过滤器主体66和用于使过滤器主体66旋转的驱动机构。而且，驱动机构的驱动源是在系统中流通的流体，特别是，流体是燃料电池FC的氧化剂气体(空气)。因此，燃料电池系统F6包括在空气供给流路30中自比压缩机18靠下游侧的位置分支的空气分支流路30A。而且，后述的可动式过滤器装置50的入口与空气分支流路30A连接。另外，图11是说明本发明的燃料电池系统的第七实施方式的图。图示燃料电池系统F7是与图10所示的实施方式基本相同的结构，可动式过滤器装置50的驱动机构的驱动源是氧化剂气体(空气)，特别是，在空气分支流路30A的中途夹设有控制阀82。这里，燃料电池系统F 7使用图23 (B)所示的过滤器装置50，将控制阀82的出口侧连接于流体流路38a的入口侧，通过对控制阀82进行开闭控制，向流体流路38a导入氧化剂气体(空气)及停止向流体流路38a导入氧化剂气体(空气)，从而选择性地使叶片构件64和过滤器主体66旋转及停止旋转。并且，还通过将控制阀82的出口侧连接于放气阀44，充分利用了氧化剂气体(空气)系统回路，还能够利用作为流体的氧化剂气体(空气)对放气阀44的工作部分的水分进行扫气和干燥，从而避免冻结。图12是说明图11所示的燃料电池系统F7的运转方法中的特别是系统停止时的过程的流程图。由控制单元48进行该控制。在步骤S41中开始燃料电池系统F7的停止处理后，在步骤S42中，使可动式过滤器装置50工作。S卩，打开控制阀82，导入空气，使过滤器主体66与叶片构件64 —起旋转。由此，利用离心力使附着于过滤器主体66的水、异物飞散，迅速地除去。然后，经过规定时间后，在步骤S43中，停止可动式过滤器装置50的工作，接下来，在步骤S44中，停止压缩机18之后，在步骤S45中，结束燃料电池系统F7的停止处理。这样，在燃料电池系统F7整体停止之前，使可动式过滤器装置50工作，除去附着于过滤器主体66的水、异物。由此，即使在系统停止后放置于低温环境下，在过滤器主体66上也几乎未附着有水、异物，因此，能够事先防止排出流路42因该水的冻结、异物的堵塞而引起闭塞，也能够迅速地进行之后的系统整体启动。另外，与之前的实施方式同样，本发明的运转方法不仅可以在燃料电池系统F 7整体停止之前使可动式过滤器装置50工作，也可以在系统整体启动之前使可动式过滤器装置50工作。图13是说明图11所示的燃料电池系统F7的运转方法中的特别是从燃料电池FC一次停止发电至重启的过程的流程图。在步骤S51中，暂时停止燃料电池FC的发电，在步骤S52中，使可动式过滤器装置50工作。即，打开控制阀82，导入空气，使过滤器主体66与叶片构件64—起旋转。并且，经过规定时间后，在步骤S53中，停止可动式过滤器装置50的工作，在步骤S54中，重启(再启动)燃料电池FC的发电。 这样，采用在燃料电池FC重启发电之前使可动式过滤器装置50工作的运转方法，与之前的实施方式同样，由于可动式过滤器装置50在运转过程中不旋转，因此能够抑制在向放气阀44通气时的压力损失上升。并且，由于重启发电之前不使过滤器主体66旋转，因此能够维持过滤器主体66的耐久性。采用上述燃料电池系统F6、F7及其运转方法，能够获得与之前的实施方式相同的作用和效果。并且，由于将在系统中流通的流体作为构成可动式过滤器装置50的驱动机构的驱动源，并且使用氧化剂气体(空气)作为流体，因此，充分利用了空气系统回路，能够利用空气对驱动部分的水分进行扫气和干燥，从而避免冻结。而且，适合不使用氢循环泵等升压装置的系统(第六实施方式、第七实施方式的系统)，能够实现系统的进一步简单化。这里，在图7所示的第五实施方式和图11所示的第七实施方式的燃料电池系统F5、F7中，除了图22所示的可动式过滤器装置之外，还能够应用图24和图25所示的可动式过滤器装置50。图24所示的可动式过滤器装置50是与图22所示的装置基本相同的结构，利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转。在该情况下，在下部外壳56中，也如图25所示，容纳有构成驱动机构的齿条构件84和与该齿条构件84卡合的小齿轮构件88。并且，在下部外壳56中形成有自其侧部到达驱动机构的容纳空间的流体流路38a。齿条构件84的一端部被弹簧构件86向流体流路38a侧(图中左侧)施力，并且在另一端部具有滑动自由地插设在流体流路38a中的轴部84A。齿条构件84的轴部84A的端面为流体的受压面。并且，图示的可动式过滤器装置50在小齿轮构件88的轴部连结驱动用磁铁72，并且在过滤器主体66的轴部66c连结旋转用磁铁74，由驱动用磁铁72和旋转用磁铁74构成磁性联轴节。由此，图示的可动式过滤器装置50将流体导入到流体流路38a中时，流体的压力作用于轴部84A的端面，齿条构件84移动，并且小齿轮构件88旋转，与此同时过滤器主体66旋转。这里，上述的可动式过滤器装置50通过开闭图25所示的控制阀82而向流体流路38a导入冷却流体或空气及从流体流路38a排出冷却流体或空气。因而，在将冷却流体作为驱动机构的驱动源的情况下，如图7的第五实施方式说明的那样，在下游侧分支流路38B的中途夹设控制阀82。另外，在将氧化剂气体(空气)作为驱动机构的驱动源的情况下，如图11的第七实施方式说明的那样，在空气分支流路30A的中途夹设控制阀82。上述的可动式过滤器装置50能够利用在燃料电池系统中流通的冷却流体、空气驱动过滤器主体66而使过滤器主体66旋转，因此与之前的各实施方式同样，不需要其他配管类、电源，能够对燃料电池系统的低成本化、小型轻量化做出贡献。并且，能够对想使过滤器主体66旋转的规定的时间进行控制，例如能够进行使过滤器主体66仅在系统停止后的恒定时间内旋转等的控制，从而也能够谋求过滤器主体66的驱动机构的长寿命化。图26 图30是说明能够应用于本发明的燃料电池系统的可动式过滤器装置的其他例子的图。另外，对于与上述实施方式相同的构成部位标注相同的附图标记而省略详细的说明。
图26所示的可动式过滤器装置50能够应用于图I所示的第一实施方式的燃料电池系统F I和图4所不的第二实施方式的燃料电池系统F2,相对于在之前的各实施方式中对过滤器主体施加旋转,在本实施方式中利用驱动机构对过滤器主体66施加振动。图示的可动式过滤器装置50在外壳101中包括流体导入通路60、流体排出通路68及容纳有过滤器主体66的过滤器室61等。并且，在外壳101的上部，一体地设有作为放气阀(44)起作用的电磁阀94，利用该电磁阀94开闭阀口 96，从而在流体导入通路60与流体排出通路68之间进行连通/阻断。这里，在外壳101中，过滤器主体66以能够在上下方向上往复移动的方式支承在过滤器室61内，在过滤器室61的下部，隔着轴孔64b形成有驱动机构容纳部62。过滤器主体66的轴部66c穿过轴孔64b延伸至驱动机构容纳部62。而且，在驱动机构容纳部62中，作为驱动机构的驱动源，容纳有用于使过滤器主体66振动的压电元件102，上述轴部66c的下端连结于该压电元件102。具有上述结构的可动式过滤器装置50通过向压电元件102供给脉冲状的电源，使压电元件102以短周期伸缩，由此使过滤器主体66在上下方向上往复移动、即振动。由此，可动式过滤器装置50能够使附着于过滤器主体66的水、异物飞散而迅速地除去，事先阻止排出流路因水冻结而引起闭塞，能够对缩短燃料电池系统的启动时间做出贡献。图27所示的可动式过滤器装置50能够应用于图I所示的第一实施方式的燃料电池系统Fl和图4所示的第二实施方式的燃料电池系统F2，是利用驱动机构对过滤器主体66施加振动的装置。图27 (A)所示的可动式过滤器装置50包括流体导入通路60、流体排出通路68、以过滤器主体66能够在上下方向上往复移动的方式容纳有过滤器主体66的过滤器室61、用于开闭阀口 96的电磁阀(放气阀44) 94以及容纳有马达70的驱动机构容纳部62。这里，过滤器主体66在下端部包括振动用磁铁103。更具体来说，在过滤器室61的下部，隔着轴孔64b形成有磁铁容纳部104。并且，在磁铁容纳部104中以振动用磁铁103能够上下移动的方式容纳振动用磁铁103，使过滤器主体66的轴部66c穿过轴孔64b，将该轴部66c的下端部连结于振动用磁铁103。而如图27 (B)所示，在马达70的输出轴上，在圆周部的一个部位设有配置有驱动用磁铁105的旋转构件106。即，该实施方式的可动式过滤器装置50的驱动机构包括旋转构件106，该旋转构件106在圆周部的规定相位具有驱动用磁铁105且被驱动而旋转。而且，可动式过滤器装置50使过滤器主体66的轴部66c和马达70的输出轴错开，在过滤器主体66的往复移动方向(上下方向)上使振动用磁铁103与旋转构件106的圆周部相对配置，此时，使振动用磁铁103和驱动用磁铁105成为彼此排斥的朝向、即同极相对的朝向。具有上述结构的可动式过滤器装置50利用马达70使旋转构件106旋转驱动时，振动用磁铁103与旋转构件106的驱动用磁铁105相对时，过滤器主体66与振动用磁铁103 一起上升，两磁铁103、105的位置错开时，过滤器主体66下降。S卩，过滤器主体66伴随旋转构件106的旋转而上下振动。由此，可动式过滤器装置50能够使附着于过滤器主体66的水、异物飞散而迅速地除去，能够事先阻止排出流路因水的冻结而引起闭塞，能够对燃料电池系统的启动时间的缩短化做出贡献。图28所示的可动式过滤器装置50能够应用于图I所示的第一实施方式燃料电池系统F I和图4所示的第二实施方式的燃料电池系统F2，在之前的各实施方式中对过滤器·主体施加旋转或振动，而在本实施方式中利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转和振动。图示的可动式过滤器装置50具有与图14、图16所示装置相同的结构，以过滤器主体66能够旋转的方式支承过滤器主体66，并且驱动机构包括磁性联轴节，该磁性联轴节具有过滤器主体66侧的旋转用磁铁74和驱动源(马达70)侧的驱动用磁铁72。另外，为了简便，将构件名称设为磁铁，但是能够如上述那样使任一个构件为磁性材料。而且，该可动式过滤器装置50配置成使旋转用磁铁74的旋转轴线LI和驱动用磁铁72的旋转轴线L2彼此错开。虽然附图中两旋转轴线L1、L2为同轴状，但两者在水平方向上略微错开。具有上述结构的可动式过滤器装置50利用马达70驱动驱动用磁铁72而使驱动用磁铁72旋转时，过滤器主体与旋转用磁铁74 一起旋转，与此同时，旋转用磁铁74相对于驱动用磁铁72偏心地旋转，从而使过滤器主体66振动。由此，可动式过滤器装置50能够利用因旋转而产生的离心力和振动更可靠地使附着于过滤器主体66的水、异物飞散，充分地除去，能够事先阻止排出流路因水冻结而引起闭塞，能够对燃料电池系统的启动时间的缩短化做出贡献。图29 (A)所示的可动式过滤器装置50能够应用于图6、7、10及11所示的第四实施方式 第七实施方式的燃料电池系统F4 F7,是利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转和振动的装置。图示的可动式过滤器装置50包括与图22和图23所示装置相同的结构，以过滤器主体66能够旋转的方式支承过滤器主体66，并且驱动机构包括磁性联轴节，该磁性联轴节具有过滤器主体66侧的旋转用磁铁74和驱动源(图29 (B)所示叶片构件64)侧的驱动用磁铁72。并且，该可动式过滤器装置50配置成使旋转用磁铁74的旋转轴线LI和驱动用磁铁72的旋转轴线L2彼此错开。虽然在附图中两旋转轴线LI、L2为同轴状，但是两者在水平方向略微错开。具有上述结构的可动式过滤器装置50打开控制阀82时，将冷却流体或空气导入到流体流路38a中，利用叶片构件64驱动驱动用磁铁72而使驱动用磁铁72旋转，过滤器主体66与旋转用磁铁74 —起旋转,与此同时，由于旋转用磁铁74相对于驱动用磁铁72偏心地旋转，因此过滤器主体66振动。
由此，可动式过滤器装置50能够利用因旋转而产生的离心力和振动使附着于过滤器主体66的水、异物更可靠地飞散，充分地除去，能够事先阻止排出流路因水冻结而引起闭塞，能够对燃料电池系统的启动时间的缩短化做出贡献。图30的(A)所示的可动式过滤器装置50能够应用于图6、7、10及11所示的第四实施方式 第七实施方式的燃料电池系统F4 F7，是利用驱动机构对过滤器主体66施加旋转和振动的装置。图示的可动式过滤器装置50具有与图24和图25所示的装置相同的结构，以过滤器主体66能够旋转的方式支承过滤器主体66，并且驱动机构包括磁性联轴节，该磁性联轴节具有过滤器主体66侧的旋转用磁铁74和驱动源(图30 (B)所示的齿条构件84和小齿轮构件88)侧的驱动用磁铁72。而且，该可动式过滤器装置50配置成使旋转用磁铁74的旋转轴线LI和驱动用磁铁72的旋转轴线L2彼此错开。虽然在附图中两旋转轴线LI、L2为同轴状，但两者在水平方向略微错开。
具有上述结构的可动式过滤器装置50通过开闭控制阀82而向流体流路38a导入冷却流体或空气及从流体流路38a排出冷却流体或空气时，被弹簧构件86施力的齿条构件84往复移动，并且小齿轮构件88往复转动。而且，驱动用磁铁72与小齿轮构件88 —起往复旋转，从而过滤器主体66也与旋转用磁铁74 一起往复旋转，与此同时，由于旋转用磁铁74相对于驱动用磁铁72偏心地旋转，因此过滤器主体66振动。由此，可动式过滤器装置50能够利用因旋转而产生的离心力和振动使附着于过滤器主体66的水、异物更可靠地飞散，充分地除去，能够事先阻止排出流路因水冻结而引起闭塞，能够对燃料电池系统的启动时间的缩短化做出贡献。另外，本发明的燃料电池系统及其运转方法的结构并非仅限定于上述的各实施方式，能够将各实施方式的结构的细微部分适当组合，并且也能够选择可动式过滤器装置结构，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种改变。附图标记说明Fl F7、燃料电池系统；FC、燃料电池；L1、旋转要用磁铁的旋转轴线；L2、驱动用磁铁的旋转轴线；42、(燃料废气的)排出流路；50、可动式过滤器装置；64、叶片构件(驱动机构)；66、过滤器主体；70、马达(驱动机构)；72、驱动用磁铁(驱动机构)；74、旋转用磁铁(驱动机构)；84、齿条构件(驱动机构)；88、小齿轮构件(驱动机构)；102、压电元件(驱动机构)；103、振动用磁铁；105、驱动用磁铁(驱动机构)；106、旋转构件(驱动机构)。
权利要求
1.一种燃料电池系统，其包括燃料电池，其通过使燃料气体与氧化剂气体反应进行发电；排出流路，其用于将自燃料电池的燃料极排出的燃料废气排出至外部，其特征在于， 该燃料电池系统包括配置在排出流路中的可动式过滤器装置。
2.根据权利要求I所述的燃料电池系统，其特征在于， 可动式过滤器装置包括过滤器主体，其用于使燃料废气通过；驱动机构，其用于对过滤器主体施加旋转和振动中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 以过滤器主体能够旋转的方式支承过滤器主体，并且驱动机构的驱动源是用于使过滤器主体旋转的马达。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于， 以过滤器主体能够旋转的方式支承过滤器主体,并且驱动机构包括磁性联轴节,该磁性联轴节具有过滤器主体侧的旋转用磁铁和驱动源侧的驱动用磁铁，旋转用磁铁的旋转轴线与驱动用磁铁的旋转轴线彼此错开地配置。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 以过滤器主体能够往复移动的方式支承过滤器主体，并且驱动机构的驱动源是用于使过滤器主体振动的压电元件。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 过滤器主体具有振动用磁铁，从而过滤器主体被以能够往复移动的方式支承，并且驱动机构包括旋转构件，该旋转构件在圆周部的规定相位具有驱动用磁铁，从而该旋转构件被驱动而旋转， 将振动用磁铁与旋转构件的圆周部在过滤器主体的往复移动方向上相对配置，并且使振动用磁铁和驱动用磁铁成为彼此排斥的朝向。
7.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于， 驱动机构的驱动源是在系统中流通的流体。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 流体是燃料电池的燃料废气。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 流体是用于冷却燃料电池的冷却流体。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于， 流体是燃料电池的氧化剂气体。
11.一种燃料电池系统的运转方法，其是权利要求I 10中任一项所述燃料电池系统的运转方法，其特征在于， 在燃料电池开始发电之前的期间和燃料电池停止发电之前的期间中的至少一个的期间内，使可动式过滤器装置工作。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于， 燃料电池停止发电和开始发电是基于系统整体停止和启动而进行的，至少在基于系统整体停止而停止发电之前使可动式过滤器装置工作。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于， 燃料电池停止发电和开始发电是基于燃料电池暂时停止和重启而进行的，至少在基于燃料电池重启而开始发电之前使可动式过滤器装置工作 。
全文摘要
本发明提供燃料电池系统及其运转方法。在以往的燃料电池系统中，由于是利用加热器对燃料废气的排出流路中的过滤器进行加热的结构，因此能够防止排出流路因冻结而引起闭塞，另一方面，存在启动时间延长这样的问题。燃料电池系统(F 1)包括使燃料气体与氧化剂气体反应进行发电的燃料电池(FC)、用于将自燃料电池(FC)的燃料极(16)排出的燃料废气排出至外部的排出流路(42)，由于包括配置在排出流路(42)中的可动式过滤器装置(50)，因此，通过使可动式过滤器装置(50)工作，利用因旋转而产生的离心力、振动使附着于该过滤器的水、异物迅速飞散，防止排出流路(42)因水的冻结、异物的堵塞而引起闭塞，并且实现启动时间的缩短化。
文档编号H01M8/10GK102934272SQ20118001243
公开日2013年2月13日 申请日期2011年2月2日 优先权日2010年3月19日
发明者竹本真一郎, 大泽一彦, 大河原一郎, 北野信一, 小俣道夫 申请人:日产自动车株式会社, 株式会社鹭宫制作所