JP5212879B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池に酸化ガス（例えば、空気）と燃料ガス（例えば、水素）を供給し、これら反応ガスの電気化学反応により発電が行われる。この電気化学反応に伴い燃料電池内で生成される水は、当該システムの運転中は燃料電池の排気系統を通じて外部に排出されるが、外気温が低いと、排気系統内の水分が凍結し、運転の継続あるいは運転停止後の再開が不能となる場合がある。
特開２００５‐２２８６３４号公報

特許文献１では、通路断面積の小さい排気系統を２系統設けることにより、一方の排気系統が凍結した場合であっても、他方の排気系統により排気路が確保されているため、運転の継続あるいは再開が可能となっている。しかしながら、常時２系統にて排気が行なわれているため、燃料電池システムの状態によっては、燃料電池に対する要求発電量を確保することができない、という課題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、排気系統の凍結抑制と要求発電量の確保とを両立させることが可能な燃料電池システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された反応オフガスのうち酸化オフガスを流す複数の排気系統と、前記燃料電池から排出された反応オフガスのうち燃料オフガスを流す第２の排気系統と、前記複数の排気系統のうち前記酸化オフガスを流す排気系統をシステム状態に応じて選択する制御部と、を有し、前記複数の排気系統として、少なくとも主排気系統と副排気系統とを備え、前記制御部は、通常運転時は前記酸化オフガスを前記主排気系統にのみ流し、前記排気系統における凍結の可能性を検知した場合には、前記酸化オフガスを前記副排気系統にも追加的に流すものである。

この構成によれば、酸化オフガスを流す排気系統が複数存在することにより、一排気系統当りの酸化オフガス流量が少なくなり、一排気系統当たりに残存する水分量も低下する。これにより、凍結を抑制することができる。加えて、酸化オフガスを流す排気系統をシステム状態に応じて選択的に切り替えることにより、要求発電量の確保も可能となる。

また、この構成によれば、必要に応じて、つまり、排気系統における凍結の可能性を検知した場合に副排気系統に酸化オフガスを流すので、常時複数の排気系統から酸化オフガスを排出する場合と比較して、要求発電量の確保が容易となる。

また、本燃料電池システムの車両搭載状態でのＷＯＴ（Wide Open Throttle：スロットルバルブ全開）時など、急速な出力上昇要求があった場合には、一つの排気系統で圧力調整弁の開度やポンプの回転数を制御する場合と比較して、より応答性良く反応ガス供給量を増やすことができ、出力の立ち上がりを早めることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記複数の排気系統の少なくとも一つが閉塞した場合には、閉塞していない他の排気系統に前記酸化オフガスを流すように構成されていてもよい。

この構成によれば、例えば凍結などで特定の排気系統が使用不可能となった場合でも、他の排気系統をバックアップとして使用することが可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記複数の排気系統のうち前記酸化オフガスを流す排気系統をシステム状態に応じて連続的に切り替えるように構成されていてもよい。

この構成によれば、排気系統を流れる酸化オフガスに脈動を生じさせることが可能となり、排気系統内に水分が存在する場合には、その水分が脈動によって排出されやすくなる。このような脈動による掃気運転は、例えばユーザーから燃料電池システムの停止命令を受けた後に行われ、これにより、システム停止後における排気系統の凍結を抑制することができる。

本発明の燃料電池システムは、前記複数の排気系統の少なくとも一つに、前記燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿器が設けられていてもよい。

また、かかる場合においては、さらに、前記加湿器が設けられている前記複数の排気系統の少なくとも一つに弁が設けられており、前記制御部は、前記弁の開閉状態を制御することにより、前記加湿器が設けられている排気系統のいずれかに対して前記酸化オフガスを選択的に流すように構成されていてもよい。

この構成によれば、酸化オフガスを流す排気系統の本数を選択することにより、加湿器を通る酸化オフガス流量の制御、つまり、酸化ガスの加湿量制御が可能となる。

本発明の燃料電池システムは、前記加湿器が設けられている前記複数の排気系統の全てに弁が設けられており、これら弁の開閉状態に応じて前記燃料電池の背圧が制御されるように構成されていてもよい。

この構成によれば、加湿器の上流側に配置されて燃料電池の背圧を調整する圧力調整弁を排気系統から廃止することが可能になるとともに、かかる圧力調整弁よりも応答性の良い背圧調整が可能となる。

本発明によれば、酸化オフガスを流すための排気系統を複数設けると共に酸化オフガスを流す排気系統をシステム状態に応じて選択的に切り替えることにより、排気系統の凍結抑制と要求発電量の確保との両立が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガス（反応ガス）としての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路（主排気系統）１２と、を有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。また、酸化オフガスは、燃料電池２の電気化学反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧制御弁１６によって調圧される。背圧制御弁１６は、例えばステップモータで駆動する弁であり、制御部７に電気的に接続されている。背圧制御弁１６の弁開度は、制御部７によって、全開、半開及び全閉を含む任意の範囲で調整可能に構成されている。

背圧制御弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する不図示の圧力センサが設けられている。酸化オフガスは、背圧制御弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２９と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、を有している。

燃料ガス配管系４は、さらに気液分離器２９で分離された生成水を導く排出路（排出配管、第２の排気系統）２５と、気液分離器２９で分離されたガスを導く排気路（第２の排気系統）３０と、排出路２５に設けられたパージ弁３３Ａと、排気路３０に設けられたパージ弁３３Ｂを備える。

元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ弁３３Ａ，３３Ｂが燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁されることで、水素オフガス中の不純物および生成水が後述のように系外に排出される。

パージ弁３３Ａ，３３Ｂの開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。水素オフガスおよび酸化オフガスは、マフラー３６を経て外部に排出される。マフラー３６には排出路２５、排出路１２、及び排気路３０から各々生成水、酸化オフガス、及び水素オフガスが導かれる。

本実施形態ではさらに、主排気系統をなす排出路１２に加えて、副排気系統をなす排出路３８が設けられている。この排出路３８は、排出路１２における燃料電池２と背圧制御弁１６との間から分岐しており、排出路１２から分岐した酸化オフガスをマフラー３９に導入する。酸化オフガスはマフラー３９を経て大気に放出される。排出路３８にはサブバルブ４０が設けられている。なお、サブバルブ４０は、背圧制御弁１６よりも応答性が高い例えば電磁駆動式の開閉弁とされている。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御されるトラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。

このトラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されている。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、背圧制御弁１６及びサブバルブ４０など）に制御信号を出力する。

このように構成された燃料電池システム１の運転時には、燃料電池２の電気化学反応によって生成水が生ずる。生成水は循環路２３から気液分離器２９を経て、パージ弁３３Ａが開くことにより排出路２５に流入する。

また、本実施形態では、酸化オフガスの排気系統が、主排気系統である排出路１２と、副排気系統である排出路３８とに別れている。これらの切り替えは、制御部７によって以下のように行なわれる。まず、通常運転時は、サブバルブ４０を閉じて主排気系統である排出路１２のみを使用する。酸化オフガスは、背圧制御弁１６により背圧が調整され、加湿器１５及びマフラー３６を経て大気へ放出される。

これに対し、制御部７が、例えば外気温に基づいて、排出路１２における凍結の可能性を検知した場合には、サブバルブ４０を開いて排出路１２とともに排出路３８を使用する。これにより、排気系統１本当りの酸化オフガス流通量が少なくなり、その結果、排気系統１本当たりに残存する生成水量も少なくなることから、排出路１２，３８中に生成水が溜まりにくくなり、凍結を抑制することができる。

また、万が一、排出路１２，３８の一方が凍結した場合でも、凍結していない方の排出路１２，３８を用いて酸化オフガスを排気し続けることができるため、運転不能状態に至ることがない。なお、排出路１２，３８が凍結しているか否かの判断は、制御部７が、ガス系統３に設けられた不図示の圧力センサの出力や、コンプレッサ１４の回転数を監視することで検出可能である。

また、制御部７が、例えばＷＯＴ（Wide Open Throttle：スロットルバルブ全開）時等、運転状態（システム状態）に基づいて、燃料電池２に対する要求発電量（要求出力）の急激な上昇要求を検知した場合には、サブバルブ４０を開いて排出路３８にも酸化オフガスを流す。これにより、燃料電池２の背圧を下げることができるため、コンプレッサ１４及び背圧制御弁１６の応答を待つことなく、出力の立ち上がりを早めることができる。

さらに、本実施形態において、副排気系である排出路３８は、加湿器１５をバイパスして酸化オフガスを排気する構成となっているため、サブバルブ４０の開閉を切り替えることにより、燃料電池２に供給される酸化ガスの加湿器１５による加湿量を制御することができる。

また、本実施形態においては、酸化オフガスの排気系統を２系統有しているため、サブバルブ４０を開いてこれら排気系統の両方を用いて酸化オフガスを排気することで、背圧を低下させることができ、これにより、コンプレッサ１４の動力を低減させることができる。したがって、燃費を向上させた運転を行なうことができる。

なお、以上の制御は、運転状態（システム状態）や外部環境（外気温等）に基づいて制御部７が制御してもよいし、ユーザ（運転者）からの指示により制御部７が切り替えてもよい。

また、制御部７は、これら排出路１２，３８の使用を交互に連続的に切り替えることで、排出路１２，３８内に排気脈動を発生させることができる。これにより、排出路１２，３８内における水分の排出性が向上し、排出路１２，３８の凍結を抑制することができる。また、この排気脈動により、排気音に変化を付けることもできるため、当該排気音を運転者または近隣の人に対して排気音による警告（例えば車両が接近する警告音、車両の運転状態をユーザーに通知する警告音）として使用することも可能である。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１およびこれを搭載した燃料電池車両においては、酸化オフガスの排気系統が二つ設けられていると共に、運転状態に応じてこれら排気系統を選択的に切り替えることが可能になっているため、排気系統の凍結抑制と燃料電池２に対する要求発電量の確保との両立を図ることができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、図２に示すように、排出路１２の背圧制御弁１６と加湿器１５との間から排出路５０が分岐していると共に、この排出路５０が加湿器１５を通過している。そして、この排出路５０には、サブバルブ４０が設けられている。

加湿器１５では、排出路１２及び排出路５０の酸化オフガス中に含まれる水分により、供給路１１を通って燃料電池２に供給される酸化ガスの加湿が行なわれる。排出路５０により導かれた酸化オフガスは、上記実施形態と同様に、マフラー３９を経て大気に放出される。他の構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、サブバルブ４０を開くことにより、加湿器１５においては、排出路１２と排出路５０の双方に導かれた酸化オフガスによって当該燃料電池２に供給される酸化ガスが加湿されるため、加湿器１５による加湿能力を増大させることができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、図３に示すように、排出路１２には背圧制御弁１６（図１及び図２参照）が設けられておらず、この背圧制御弁１６の代わりにバルブ４６，５３，５４が設けられている。

そして、排出路１２のバルブ４６と燃料電池２との間からは、副排気系統としての排出路５１，５２が分岐しており、これら排出路５１，５２には各々サブバルブ５３，５４が設けられている。これらバルブ４６，５３，５４は、背圧制御弁１６より応答性が高い例えば電磁駆動式の開閉弁とされている。

排出路５１，５２は、各々加湿器１５及びマフラー３９を経て酸化オフガスを導き、大気に放出する。加湿器１５では、排出路１２，５１，５２の酸化オフガス中に含まれる水分により、供給路１１を通って燃料電池２に供給される酸化ガスの加湿が行なわれる。他の構成は上記第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム１においては、背圧制御弁１６が設けられておらず、制御部７は、バルブ４６，５３，５４を開閉することにより背圧調整を行なう。したがって、背圧制御弁１６を備えた燃料電池システムと比較し、高い応答性を得ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を概略的に示したシステム構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム，２…燃料電池，７…制御部，１２…排出路（主排気系統），１５…加湿器，３８…排出路（副排気系統），５０…排出路（副排気系統），５１…排出路（副排気系統），５２…排出路（副排気系統）

Claims (6)

1. 反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された反応オフガスのうち酸化オフガスを流す複数の排気系統と、
   前記燃料電池から排出された反応オフガスのうち燃料オフガスを流す第２の排気系統と、
   前記複数の排気系統のうち前記酸化オフガスを流す排気系統をシステム状態に応じて選択する制御部と、
   を有し、
   前記複数の排気系統として、少なくとも主排気系統と副排気系統とを備え、
   前記制御部は、通常運転時は前記酸化オフガスを前記主排気系統にのみ流し、前記排気系統における凍結の可能性を検知した場合には、前記酸化オフガスを前記副排気系統にも追加的に流す燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記複数の排気系統の少なくとも一つが閉塞した場合には、閉塞していない他の排気系統に前記酸化オフガスを流す請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記複数の排気系統のうち前記酸化オフガスを流す排気系統をシステム停止時に連続的に切り替える請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記複数の排気系統の少なくとも一つに、前記燃料電池に供給される酸化ガスを加湿する加湿器が設けられている請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記加湿器が設けられている前記複数の排気系統の少なくとも一つに弁が設けられており、
   前記制御部は、前記弁の開閉状態を制御することにより、前記加湿器が設けられている排気系統のいずれかに対して前記酸化オフガスを選択的に流す請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記加湿器が設けられている前記複数の排気系統の全てに弁が設けられており、
   これら弁の開閉状態に応じて前記燃料電池の背圧が制御される請求項５に記載の燃料電池システム。

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