JP2006139924A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明では、燃料電池の起動時において、凍って開かなくなっているドレイン弁に無駄に電流を流すことによって発生するエネルギの無駄やドレイン弁の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の発電により生成された水を溜めるキャッチタンクと、キャッチタンクの水を排出するドレイン弁２６と、燃料電池の起動時において、ドレイン弁２６内の水が凍っているか否かを判断する凍結判断手段３２と、を備えている。そして、この凍結判断手段３２は、ドレイン弁２６内の水が凍っていると判断した場合に、ドレイン弁２６の開弁を禁止するように動作する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、気水分離器を備えた燃料電池システムに関するものである。

一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池を備える燃料電池システムとしては、燃料電池から排出される未反応の水素ガス（以下、「水素オフガス」ともいう。）を再度燃料電池に戻すための循環流路などを備えたシステムが知られている。

ところで、前記したような燃料電池システムでは、主にカソード極側において水素と酸素との電気化学反応によって水が生成され、この水は高分子電解質膜を介してアノード極内に入り込むという現象が生じている。そのため、燃料電池から排出される水素オフガスに水分が含まれることとなり、このような水分を含んだ水素オフガスが再度燃料電池に供給されることで燃料電池の発電性能が低下するといった問題が発生する。

このような問題に対する技術としては、従来、水素を再度燃料電池に戻すための循環流路に、水素オフガス中の水分を分離するための気水分離器を備えた構造が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この気水分離器は、水素オフガス中の水分を液体として凝結させるための熱交換器と、この熱交換器で凝結させた水を溜めておくためのタンクと、タンク内の水を外部に導くドレインラインと、このドレインラインの導通状態を切り替えるドレイン弁とを備えている。そして、この技術においては、タンク内に水が所定量以上溜まったときに適宜ドレイン弁を開閉させることで、タンク内の水を排出するようになっている。

特開平８−３２１３１６号公報

しかしながら、前記した技術では、ドレイン系内（タンク内、ドレインライン内、ドレイン弁内）に水が溜まったままの状態で燃料電池の稼動が終了し、その後長い時間が経過すると、冬季や寒冷地ではその水が凍結してしまうおそれがあった。そして、このようにドレイン系内の水が凍った場合は、例えば燃料電池の起動とともにドレイン弁の制御を行うシステムでは、凍って開かなくなっているドレイン弁に無駄に電流を流して強引に開弁させようとするので、その分エネルギの無駄やドレイン弁の劣化が発生するおそれがあった。

そこで、本発明では、燃料電池の起動時において、凍って開かなくなっているドレイン弁に無駄に電流を流すことによって発生するエネルギの無駄やドレイン弁の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電により生成された水を溜める水溜部と、前記水溜部の水を排出するドレイン弁と、前記ドレイン弁内の水が凍っているか否かを判断する凍結判断手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記凍結判断手段によって前記ドレイン弁内の水が凍っていると判断された場合に、前記ドレイン弁への開弁指令の出力を禁止する開弁指令禁止手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、凍結判断手段によってドレイン弁内の水が凍っていると判断された場合には、開弁指令禁止手段が、ドレイン弁への開弁指令の出力を禁止するので、凍って開かなくなっているドレイン弁に無駄に電流を流すことによって発生するエネルギの無駄やドレイン弁の劣化を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記水溜部が、前記燃料電池から排出された反応ガスを再度燃料電池に戻すための循環流路に設けられるとともに、前記循環流路内の前記反応ガスを排出するパージ弁と、前記凍結判断手段によってドレイン弁内の水が凍っていると判断された場合に、前記パージ弁により前記循環流路内の不純物を排出させるパージ弁制御手段と、をさらに備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、例えば水が溜まらない場所にパージ弁を設けるようにしておけば、燃料電池の起動時においてドレイン弁が凍結により開かなくなっていた場合であっても、パージ弁制御手段によって、凍結していないパージ弁から循環流路内の不純物を排出させることができるので、燃料電池の発電性能を維持することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、ドレイン弁内の水が凍っている場合には、開弁指令禁止手段がドレイン弁への開弁指令の出力を禁止するので、凍って開かなくなっているドレイン弁に無駄に電流を流すことによって発生するエネルギの無駄やドレイン弁の劣化を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、例えば水が溜まらない場所にパージ弁を設けるようにしておけば、燃料電池の起動時においてドレイン弁が凍結により開かなくなっていた場合であっても、凍結していないパージ弁から循環流路内の不純物を排出させることができるので、燃料電池の発電性能を維持することが可能となる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図２は図１のＥＣＵの構成を示すブロック図である。また、図３は、ドレイン弁開弁時間と排出量との関係を示すマップである。

図１に示すように、燃料電池システムＳは、走行モータ（負荷）Ｍに電流を供給する燃料電池ＦＣと、この燃料電池ＦＣに空気を供給する空気供給系１と、燃料電池ＦＣに水素を供給する水素供給系２と、各種機器の制御を行うＥＣＵ（制御装置）３と、を備えている。また、この燃料電池システムＳは、燃料電池ＦＣから取り出される電流を検出するための電流計４１と、水素供給系２内の水素ガスの温度を検出するための温度センサ４２とを備えている。

燃料電池ＦＣは、プロトン導電性の高分子電解質膜を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電している。そのため、この燃料電池ＦＣでは、発電に伴って水が主にカソード極側に生成されており、この水は高分子電解質膜を介して水素供給系２に入り込むようになっている。

空気供給系１は、空気を圧縮して供給するコンプレッサＣと、このコンプレッサＣからの空気を燃料電池ＦＣに導くとともに燃料電池ＦＣから排出される空気を外部に導く空気用流路１１と、この空気用流路１１の出口に設けられてカソード極側の圧力（背圧）を制御する背圧弁１２とを主に備えている。

水素供給系２は、水素タンクＨＴ、水素供給用流路２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、循環流路２４、キャッチタンク（水溜部）２５、ドレイン弁２６および水素パージ弁２７を主に備えている。水素タンクＨＴ内には、燃料ガス（反応ガス）としての水素が充填されており、この水素は、遮断弁２２と水素タンクＨＴ内に備えられた図示しない電磁弁とが開放されることで、水素供給用流路２１を通って燃料電池ＦＣへ排出されるようになっている。エゼクタ２３は、水素タンクＨＴからの水素と燃料電池ＦＣから戻ってくる水素を混合させ、これを燃料電池ＦＣに再供給して水素を循環させている。循環流路２４は、燃料電池ＦＣから排出される水素をエゼクタ２３を介して再度燃料電池ＦＣに戻す流路であり、その適所にキャッチタンク２５が取り付けられている。

キャッチタンク２５は、燃料電池ＦＣから排出される水分を含んだ水素ガスを、水素ガスと水とに分離する気液分離の機能を有したタンクであり、その底部に分離した水が溜まる構造となっている。また、キャッチタンク２５の底部には、その内部の水を外部に導くためのドレインライン２５ａが接続されるとともに、このドレインライン２５ａにドレイン弁２６が設けられている。なお、キャッチタンク２５は、この燃料電池システムＳにおける水の排出性を考慮した下方の位置、すなわち燃料電池ＦＣや循環流路２４内の残溜水分が溜まりやすい位置に配設されている。

ドレイン弁２６は、キャッチタンク２５内の水を排出するために、その開閉がＥＣＵ３によって適宜制御されるようになっている。なお、以下の説明においては、便宜上、このドレイン弁２６や、前記したキャッチタンク２５およびドレインライン２５ａを総称して、ドレイン系Ｄとも呼ぶこととする。

水素パージ弁２７は、循環流路２４によって循環される水素ガスに、水や不純物が混ざった場合に、この混合ガスを図示せぬ希釈ボックスを介して外部に排出させるものである。そして、この水素パージ弁２７は、その内部に水が溜まらない構造となっており、これにより冬季や寒冷地などにおける燃料電池ＦＣの起動時においても凍結して開かなくなることがないように構成されている。

ＥＣＵ３は、燃料電池システムＳの各機器、主にコンプレッサＣ、背圧弁１２、遮断弁２２、ドレイン弁２６、水素パージ弁２７の制御を行っている。特に、このＥＣＵ３は、燃料電池ＦＣの起動時において、ドレイン系Ｄ内の凍結を判断し、凍結している場合には水素パージ弁２７の開閉制御によって循環流路２４内のパージを行っている。以下に、その詳細について説明する。

図２に示すように、ＥＣＵ３は、ドレイン弁開弁時間算出手段３１と、凍結判断手段３２と、ドレイン弁制御手段３３と、水素パージ弁制御手段３４とを備えている。

ドレイン弁開弁時間算出手段３１は、燃料電池ＦＣの起動時に電流計４１や温度センサ４２から送られてくる信号と、図３に示すマップとに基づいて、ドレイン弁開弁時間（ドレイン弁２６を開弁させておく時間）を算出する機能を有している。具体的には、負荷である走行モータＭに流れる電流値と、水素ガスの温度とに基づいて、循環流路２４内に生じる結露水の量が算出されるとともに、前記電流値に基づいて外部にパージできる水素ガス（混合ガス）の限界量が算出される。そして、このように算出した結露水の量と水素ガスの限界量を加算したものを排出量としてマップに入れ込むことによって、ドレイン弁開弁時間が算出されることとなっている。また、このドレイン弁開弁時間算出手段３１は、算出したドレイン弁開弁時間を凍結判断手段３２に出力するように構成されている。

凍結判断手段３２は、燃料電池ＦＣの起動時に、外気温に基づいて、燃料電池ＦＣを停止させてから次に起動させるまでの間において外気温が一度でも氷点下となったか否かを判断することで、ドレイン系Ｄ内の水が凍っているか否かを予想する機能を有し、凍っていると予想した場合には、その氷が現在解凍された状態であるか否かを判断することで、未だにドレイン系Ｄ内の水が凍っているか否かを判断する機能を有している。具体的には、この凍結判断手段３２は、例えば図４に示すフローチャートに基づいて、凍結判断を行うようになっている。

以下に、凍結判断手段３２による凍結判断の一例について図４を参照して説明する。参照する図面において、図４は、凍結判断手段による凍結判断の一例を示すフローチャートである。

図４に示すように、凍結判断手段３２は、まず、図示せぬ外気温センサで検出される外気温に基づいて、ドレイン系Ｄ内の水が凍結しているか否かを予想する（ステップＳ１）。つまり、現在の外気温が所定値（例えば０℃）を超えているかどうかを判断することで、燃料電池ＦＣの停止中に外気温が氷点下となったことがあると判断している。ステップＳ１において、外気温が一度でも氷点下となったことがある場合には、ドレイン系Ｄ内の水が凍結していると予想して（Ｎｏ）、現在のキャッチタンク２５内の温度が所定値を超えているか否かを判断することで、ドレイン系Ｄ内の氷が現在解凍された状態であるか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、キャッチタンク２５内の温度は、図示せぬ温度センサで検出されている。

ステップＳ２において、所定値を超えていないと判断した場合は（Ｎｏ）、ドレイン系Ｄ内の氷は未だに解凍されていないと判断して（ステップＳ３）、このフローによる処理を終了させる。また、ステップＳ２において所定値を超えたと判断された場合や（Ｙｅｓ）、ステップＳ１においてドレイン系Ｄが凍結していないと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍された（あるいは既に解凍された状態である）と判断して（ステップＳ４）、このフローによる処理を終了させる。

そして、図２に示すように、前記した凍結判断手段３２は、氷が解凍された状態であると判断すると、ドレイン弁開弁時間算出手段３１から送られてきているドレイン弁開弁時間をそのままドレイン弁制御手段３３に出力する機能を有している。また、この凍結判断手段３２は、氷が解凍されていないと判断すると、ドレイン弁開弁時間算出手段３１から送られてきているドレイン弁開弁時間を０（ゼロ）にしてからドレイン弁制御手段３３に出力するとともに、ドレイン弁開弁時間を水素パージ弁開弁時間（水素パージ弁を開弁しておく時間）に変換してから水素パージ弁制御手段３４に出力する機能を有している。

ここで、「０となったドレイン弁開弁時間をドレイン弁制御手段３３に出力すること」は、特許請求の範囲にいう「ドレイン弁への開弁指令の出力を禁止すること」に相当する。そのため、本実施形態においては、０となったドレイン弁開弁時間を出力する凍結判断手段３２が、特許請求の範囲にいう「開弁指令禁止手段」に相当することとなる。また、ドレイン弁開弁時間を水素パージ弁開弁時間に変換する方法としては、例えばドレイン弁２６の開口径と、水素パージ弁２７の開口径との比率を、ドレイン弁開弁時間に掛けることによって求める方法が挙げられる。

ドレイン弁制御手段３３は、凍結判断手段３２から出力されてくるドレイン弁開弁時間に基づいた開弁指令をドレイン弁２６に対して出力することで、ドレイン弁２６の開閉を制御する機能を有している。すなわち、このドレイン弁制御手段３３は、凍結判断手段３２からドレイン弁開弁時間算出手段３１で算出したドレイン弁開弁時間が送られてくると、このドレイン弁開弁時間の間ドレイン弁２６を開放させ、凍結判断手段３２から０となったドレイン開弁時間が送られてくると、この信号に基づいてドレイン弁２６への開弁指令が禁止されて、ドレイン弁２６の開弁を行わないようになっている。

水素パージ弁制御手段３４は、凍結判断手段３２から出力されてくる水素パージ弁開弁時間に基づいた開弁指令を水素パージ弁２７に対して出力することで、水素パージ弁２７の開閉を制御する機能を有している。すなわち、この水素パージ弁制御手段３４は、凍結判断手段３２で氷が解凍されていないと判断された場合に、ドレイン弁２６の代わりに水素パージ弁２７を制御して、循環流路２４内の不純物をパージさせる機能を有している。

次に、ＥＣＵ３の動作について図５を参照して説明する。参照する図面において、図５は、ＥＣＵの動作を示すフローチャートである。

図５に示すように、燃料電池ＦＣを起動させると（Ｓｔａｒｔ）、ＥＣＵ３は、まず、図３に示したマップに基づいてドレイン弁開弁時間を算出する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１の後は、ステップＳ１２に進んで、例えば図４で示したような凍結判断が行われる。そして、このステップＳ１２において、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍された状態であると判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１で算出したドレイン弁開弁時間（ＴＤＲ＿ｃａｌｃ）に基づいてドレイン弁２６が開弁される（ステップＳ１３）。

また、ステップＳ１２において、解凍されていないと判断されると（Ｎｏ）、ステップＳ１１で算出したドレイン弁開弁時間ＴＤＲ＿ｃａｌｃが０にされ、ドレイン弁２６の開弁が禁止される（ステップＳ１４）。ステップＳ１４の後は、ステップＳ１１で算出したドレイン弁開弁時間ＴＤＲ＿ｃａｌｃが水素パージ弁開弁時間に変換されるとともに、このように変換された水素パージ弁開弁時間に基づいて水素パージ弁２７が開弁される（ステップＳ１５）。

なお、この図５に示すフローは、ステップＳ１２で解凍されたと判断されるまでの間、繰り返し行われるようになっており、これによりドレイン系Ｄ内の氷が解凍されていない間は、凍結により開かなくなっているドレイン弁２６の代わりに、凍結していない水素パージ弁２７によって、循環流路２４内の不純物がパージされている。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
ドレイン弁２６内の水が凍っている場合には、ドレイン弁２６の開弁が禁止されるので、凍って開かなくなっているドレイン弁２６に無駄に電流を流すことによって発生するエネルギの無駄やドレイン弁２６の劣化を防止することができる。
燃料電池ＦＣの起動時においてドレイン弁２６が凍結により開かなくなっていた場合には、凍結していない水素パージ弁２７から循環流路２４内の不純物を排出させることができるので、燃料電池ＦＣの発電性能を維持することが可能となる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、図５のステップＳ１５において、ドレイン弁開弁時間に所定の係数を掛けることでドレイン弁開弁時間を水素パージ弁開弁時間に変換したが、本発明はこれに限定されず、例えば図６に示すようなマップを用いて水素パージ弁開弁時間を算出してもよい。具体的に、この水素パージ弁開弁時間の算出方法では、負荷である走行モータＭに流れる電流値と、水素ガスの温度とに基づいて、循環流路２４内に生じる結露水の量が算出されるとともに、前記電流値に基づいて外部にパージできる水素ガス（混合ガス）の限界量が算出される。そして、このように算出した結露水の量と水素ガスの限界量を加算したものを排出量としてマップに入れ込むことによって、水素パージ弁開弁時間が算出されることとなっている。

本実施形態では、凍結判断手段３２から出力される「０となったドレイン弁開弁時間」に基づいて、ドレイン弁制御手段３４からドレイン弁２６への開弁指令の出力が禁止されるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態に係る凍結判断手段３２からドレイン弁制御手段３４に信号を送らないことで、ドレイン弁制御手段３４からドレイン弁２６への開弁指令の出力を禁止するようにしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 図１のＥＣＵの構成を示すブロック図である。 ドレイン弁開弁時間と排出量との関係を示すマップである。 凍結判断手段による凍結判断の一例を示すフローチャートである。 ＥＣＵの動作を示すフローチャートである。 水素パージ弁開弁時間と排出量との関係を示すマップである。

符号の説明

１ 空気供給系
２ 水素供給系
３ ＥＣＵ
１１ 空気用流路
２１ 水素供給用流路
２４ 循環流路
２５ キャッチタンク
２５ａ ドレインライン
２６ ドレイン弁
２７ 水素パージ弁
３１ ドレイン弁開弁時間算出手段
３２ 凍結判断手段
３３ ドレイン弁制御手段
３４ 水素パージ弁制御手段
４１ 電流計
４２ 温度センサ
Ｄ ドレイン系
ＦＣ 燃料電池
Ｓ 燃料電池システム

Claims (2)

1. 反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の発電により生成された水を溜める水溜部と、
   前記水溜部の水を排出するドレイン弁と、
   前記ドレイン弁内の水が凍っているか否かを判断する凍結判断手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記凍結判断手段によって前記ドレイン弁内の水が凍っていると判断された場合に、前記ドレイン弁への開弁指令の出力を禁止する開弁指令禁止手段をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記水溜部が、前記燃料電池から排出された反応ガスを再度燃料電池に戻すための循環流路に設けられるとともに、
   前記循環流路内の前記反応ガスを排出するパージ弁と、
   前記凍結判断手段によってドレイン弁内の水が凍っていると判断された場合に、前記パージ弁により前記循環流路内の不純物を排出させるパージ弁制御手段と、をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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