JP2006344492A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 低温環境下における運転において、高圧タンクから燃料電池に至るデバイスの機能が低温によって損なわれるのを防止することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 遮断弁１２の下流には、高圧タンク１１から放出される燃料の温度を検知する温度センサＴ１が設けられている。制御装置３０Ａでは、ガス温度が、予め設定された出力制限開始温度よりも低下したと判断された場合には、所定のマップに基づいて、燃料電池ＦＣからの出力を制限する。出力を制限することで、高圧タンク１１から放出される燃料の量を制限することができるので、燃料が急激に低下するのを抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧ガスを燃料とした燃料電池システムに関する。

従来から、高圧ガスを燃料とした燃料電池システムでは、高圧タンク内にインタンク式の電磁弁からなる遮断弁が設けられたものが知られている。この種の遮断弁は、高圧ガスを減圧するために設けられたレギュレータよりも上流側に位置し、システム運転中に開弁し、システム停止中に閉弁するように動作し、システム停止中の燃料の供給を遮断するため、また遮断弁の下流側に位置するレギュレータなどのデバイスに不具合が発生したときに燃料が流出するのを防止するために設置されている（例えば、特許文献１参照）。
特公平７−１８３８４号公報（第３頁、第２図）

しかし、特許文献１に記載した遮断弁が搭載されたシステムでは、システム全体としての保証温度に近い低温環境下において、システムが高負荷で運転されて高圧ガスが急激に消費されると、高圧タンク内における等エントロピ膨張により、高圧タンク内のガス温度がシステムの保証温度よりもさらに低下し、例えば、遮断弁の遮断機能、特に遮断弁のシール部の機能が損なわれるという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、低温環境下における運転において、高圧タンクから燃料電池に至るデバイスの機能が損なわれるの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。

本発明は、内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、を備え、前記燃料温度検知手段に基づいて前記燃料消費量を制御することを特徴とする。

前記本発明によれば、高圧タンクから放出される燃料の温度に基づいて燃料消費量を制御することで、高圧タンク内の減圧による熱エネルギーの損失、つまり温度低下を制御できるため、供給装置（例えば、遮断弁）の低温による劣化を防止できる。なお、前記した高圧タンクから放出される燃料の温度とは、高圧タンク内に蓄積された燃料の温度をも含む主旨である。

例えば、前記燃料消費制御手段は、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段である。このように、燃料電池の出力を制御することで、燃料消費量を制御できるようになる。

また、前記燃料消費制御手段は、前記燃料電池への前記燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段であってもよい。このように、燃料電池への燃料の供給量を制御することで、燃料消費量を制御できるようになる。

また、前記高圧タンクがおかれる最低使用環境温度と、前記供給装置の性能保証温度とに基づいて、前記燃料消費量の最低制限値を求めるようにしてもよい。これにより、高圧タンクなど燃料が寄与する部材の特性に応じて、燃料消費量の制限を抑えることができるので、燃料電池の出力を不必要に制限したり、燃料電池への燃料の供給量を不必要に制限したりするのを防止することができる。

また、前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段をさらに備え、前記環境温度検知手段に基づいて前記燃料消費量の最低制限値を求めるようにしてもよい。これにより、高圧タンクがおかれている環境温度の変化によって高圧タンクが受ける熱エネルギーが異なるので、環境温度に応じた燃料消費量の制限が可能になり、燃料電池の出力を不必要に制限したり、燃料電池への燃料の供給量を不必要に制限したりするのを防止することができる。

本発明によれば、低温環境下の使用において、燃料消費量を制限して高圧タンクから排出される燃料の温度低下を抑制することで、遮断弁などの供給装置が劣化するのを防止することができる。

以下、本実施形態の燃料電池システムについて、図面を参照して説明する。なお、以下では、この燃料電池システムを車両に搭載した場合を例に挙げて説明する。
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は燃料電池の出力制御の処理を示すフローチャート、図３はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。

図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣ、水素供給手段１０、空気供給手段２０、制御装置３０Ａ、温度センサＴ１，Ｔ２を含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜ｍが所定の触媒を含むアノード極ｐ１とカソード極ｐ２とで挟まれて構成される膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、一対の導電性のセパレータ（図示せず）で更に挟んで構成した単セルが複数枚積層されて構成されている。

前記水素供給手段１０は、燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１に燃料としての水素を供給するものであり、例えば、高圧タンク１１、遮断弁１２、レギュレータ１３および加湿器１４で構成されている。なお、遮断弁１２、レギュレータ１３および加湿器１４が、本実施形態での供給装置に相当している。また、アノード極ｐ１に供給される水素は、燃料消費の無駄を防止することなどから、エゼクタ等（図示せず）を用いて再循環して使用するようになっている。

前記高圧タンク１１は、燃料としての水素を、例えば３５ＭＰａ（３５０気圧）の非常に高い圧力で蓄積可能な容器である。遮断弁１２は、例えば、高圧タンク１１と一体に設けられた、インタンク式の電磁弁である。レギュレータ１３は、高圧タンク１１から放出された高圧の水素を減圧するためのものであり、例えば、複数のレギュレータ（減圧弁）から構成されて、段階的に減圧するようになっている。加湿器１４は、水素を燃料電池ＦＣ内での反応に適した湿度に加湿するためのものである。

前記空気供給手段２０は、燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２に酸化剤としての空気を供給するものであり、コンプレッサ２１、冷却器(図示せず)、加湿器（図示せず）などで構成されている。コンプレッサ２１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、燃料電池ＦＣの上流側に接続され、後記する制御装置３０Ａからの信号によりモータの回転速度が制御される。

なお、前記燃料電池システム１Ａでは、図示しないラジエタや循環ポンプなどで構成された冷却手段が設けられており、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出する機能を備えている。

前記制御装置３０Ａは、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、遮断弁１２およびレギュレータ１３を、図示しない制御線を介して制御している。この制御装置３０Ａが、本実施形態の出力制御手段を含んで構成されている。

前記温度センサＴ１は、高圧タンク１１から遮断弁１２を介して放出された水素の温度（ガス温度）を検知するものであり、遮断弁１２の下流側に設けられている。この温度センサＴ１が、本発明の燃料温度検知手段に相当するものである。なお、温度センサＴ１は、高圧タンク１１内の温度を直接検知するものであってもよい。

前記温度センサＴ２は、燃料電池ＦＣがおかれている環境温度（外気温度）を検知するものであり、本発明の環境温度検知手段に相当するものである。

これら温度センサＴ１，Ｔ２は、それぞれ信号線Ｌ１，Ｌ２を介して制御装置３０Ａと接続され、温度センサＴ１で検知されたガス温度と、温度センサＴ２で検知された環境温度とが制御装置３０Ａにそれぞれ入力されるように構成されている。

本実施形態の燃料電池システム１Ａでは、遮断弁１２の開弁による高圧タンク１１から高圧力の水素が、レギュレータ１３を介して所定の圧力に減圧された状態で燃料電池ＦＣのアノード極ｐ１に供給され、またコンプレッサ２１からの圧縮空気が、図示しない冷却器により所定の温度に冷却され、図示しない加湿器により所定の湿度に加湿された状態で、燃料電池ＦＣのカソード極ｐ２に供給される。これにより、燃料電池ＦＣ内において水素と空気中の酸素とが電気化学反応することによって発電が行われる。燃料電池ＦＣが発電した電力（発電電流）は、図示しない走行モータや補機（コンプレッサ２１）などの負荷に供給される。

なお、燃料電池ＦＣの掃気処理時やパージ処理時に排出された水素は、図示しない希釈装置を介して燃料電池ＦＣのカソード極から排出された生成水や空気などによって所定の濃度に希釈された後に車両の外部へと排出される。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでの燃料電池ＦＣの出力制御について図２および図３を参照しながら説明する。なお、図２では、各処理ステップを「ＳＴ」と略記して表示している。また、以下の説明では、遮断弁１２を保護する場合を例に挙げて説明する。また、この遮断弁１２の性能保証温度をマイナス４０℃、出力開始制限温度をマイナス３５℃に設定した場合を例に挙げて説明する。ただし、出力開始制限温度については、マイナス３５℃に限定されるものではなく、任意に設定することができる。

ところで、燃料電池システム１Ａを搭載した車両では、例えばアクセルペダルを踏み込むことによって急激な加速が行われて、燃料電池ＦＣから大きな電力が取り出された場合には、高圧タンク１１から水素が急激に放出される。このとき、高圧タンク１１から高圧の水素が放出されると、放出される水素の温度が低下することが知られている。このため、車両が氷点下の低温環境下で運転されている場合には、前記のようにして水素が高圧タンク１１から急激に放出されると、水素が遮断弁１２の性能保証温度（−４０℃）よりも低下するおそれがあり、これによって遮断弁１２が劣化、特に遮断弁１２のシール性能が低下し、遮断機能が損なわれるおそれがある。

そこで、このような遮断弁１２の低温による劣化を防止するために、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、図２のフローチャートおよび図３のマップに基づいて燃料電池ＦＣの出力を制御するようにした。

制御装置３０Ａでは、図２のステップ１（ＳＴ１）において、温度センサＴ１に基づいて高圧タンク１１から放出される水素のガス温度（燃料の温度）を常に監視する。そして、ステップ２（ＳＴ２）において、ガス温度がマイナス３５℃（出力制限開始温度）以下である否かを判断し、このステップ２（ＳＴ２）において、ガス温度がマイナス３５℃以下でない場合には（Ｎｏ）、リターンして、ステップ１（ＳＴ１）に戻る。

一方、ステップ２（ＳＴ２）において、ガス温度がマイナス３５℃以下と判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップ３（ＳＴ３）に移行し、図３のマップに基づき燃料電池ＦＣの出力（最高出力）を制限する。この図３に示すマップは、燃料電池ＦＣの出力とガス温度との関係を示すものであり、ガス温度がマイナス３５℃に至ったことを出力制限開始のトリガーとして、燃料電池ＦＣの出力（最高出力）を徐々に制限していく。このときの燃料電池ＦＣに対する出力制限は、制御装置３０Ａから燃料電池ＦＣに対して、制御線Ｌ３（図１参照）を介して燃料電池ＦＣから取り出す発電電流（電力）を抑制するための制御信号を与えることにより行われる。

このように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、燃料電池ＦＣからの発電電流（電力）の取り出し量を制限することで、高圧タンク１１から放出される燃料の量を抑制することができるので、ガス温度が急激に低下するのを防止して、遮断弁１２の劣化を防止することが可能になる。なお、燃料電池ＦＣから取り出す電流を制限するのではなく、電力消費機器の消費量を制限することで、燃料電池ＦＣの出力を制限してもよい。

ところで、前記した燃料電池システム１Ａにおける出力制御では、遮断弁１２の劣化を防止することはできるが、高圧タンク１１の特性、すなわち高圧タンク１１の材質などによって高圧タンク１１が環境温度（外気温）から受け取ることができる熱エネルギー量が異なるため、温度センサＴ１から得られる温度のみに応じて一律に燃料電池ＦＣの出力を制限すると、その出力を必要以上に制限するおそれがある。つまり、図３に示すように、ガス温度がマイナス４０℃まで低下したときに出力をゼロに設定してしまうと、車両が全く走行できなくなるという不都合を生じる。そこで、図４（ａ）に示すグラフに基づいて燃料電池ＦＣの出力の最低制限値を設定することで、車両が走行できなくなるといった不都合を解消するようにしてもよい。

図４（ａ）は環境温度とガス温度との温度差に基づく熱交換バランス出力を示すグラフ、図４（ｂ）はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。図４（ａ）におけるΔｔとは、温度センサＴ２で検知された環境温度から、温度センサＴ１で検知されたガス温度を差し引いた温度差である。また、図４（ａ）における熱交換バランス出力とは、水素放出時において高圧タンク１１の減圧により失われる熱エネルギー量と、環境温度下において高圧タンク１１を介して高圧タンク１１内の燃料が受け取る熱エネルギー量とが等しくなるときの出力である。ここでは、図４（ａ）に示す関係を利用して、Δｔにおける環境温度を燃料電池ＦＣがおかれる（車両が保証している）最低使用環境温度に置き換え、ガス温度を遮断弁１２の性能保証温度に置き換えることにより、燃料電池ＦＣで消費される燃料消費量の最低制限値を求めることができる。例えば、最低使用環境温度をマイナス２０℃とし、遮断弁１２の性能保証温度をマイナス４０℃とした場合には、温度差Δｔが２０℃（図４（ａ）において符号ｔ１で示している）となり、このｔ１℃における熱交換バランス出力、すなわち最低制限値は、図４（ａ）において符号Ｉで示す出力となる。その結果、図４（ｂ）に示すマップが得られ、このマップに基づいて燃料電池ＦＣの出力を制御することができる。

このように、最低使用環境温度と、遮断弁１２の性能保証温度とに基づいて燃料電池ＦＣにおける燃料消費量の最低制限値を求めることにより、燃料電池ＦＣの出力を必要以上に制限するのを抑えることができるので、車両が走行できなくなるといった不都合を防止することができ、また走行性能が過度に制限されるのを防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１Ａにおいて、図５に示すフローチャートを加味して燃料電池ＦＣの出力を制御するようにしてもよい。図５は燃料電池の別の出力制御を示すフローチャート、図６はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。なお、図５は、図２のステップ３（ＳＴ３）に代えてステップ４（ＳＴ４）およびステップ５（ＳＴ５）を設けたフローチャートである。

図５に示すように、制御装置３０Ａ（図１参照）では、ステップ２（ＳＴ２）において、ガス温度がマイナス３５℃以下と判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップ４（ＳＴ４）において、温度センサＴ２から環境温度を取得する。そして、ステップ５（ＳＴ５）に移行して、図６のマップに基づき燃料電池ＦＣの出力（最高出力）を制限する。この図６に示すマップは、図３に示すマップと基本的には同じであるが、環境温度に基づいて、最低制限値を可変にできる点において異なっている。つまり、図６に示すように、環境温度が低い場合には、最低制限値が小さく設定され、環境温度が高い場合には、最低制限値が高く設定される。よって、燃料電池ＦＣの出力を必要以上に制限するのを抑制することができるので、走行機能が損なわれるといった不都合を解消することができ、また走行性能が過度に制限されるのを防止することができる。

（第２実施形態）
図７は第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図８は燃料電池への燃料の供給量の制御を示すフローチャート、図９はガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。この第２実施形態における燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態での出力制御手段に代えて、燃料供給量制御手段を搭載したものであり、その他の構成は第１実施形態と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。

前記燃料供給量制御手段は、ガス供給制御弁１５と、このガス供給制御弁１５と制御装置３０Ｂとで構成されている。ガス供給制御弁１５は、可変オリフィス、オンオフ式の開閉弁などによって構成することができ、例えばレギュレータ１３と加湿器１４との間に設けられている。なお、オンオフ式の開閉弁の場合には、オンとオフとのタイミングを切り換えながら制御することで、燃料電池ＦＣに供給される燃料の供給量を制御することができる。

次に、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂでの燃料供給量の制御について説明する。制御装置３０Ｂでは、図８に示すように、ステップ１１（ＳＴ１１）において、温度センサＴ１によって高圧タンク１１から放出される水素（燃料）のガス温度を常に監視する。そして、ステップ１２（ＳＴ１２）において、検出されたガス温度がマイナス３５℃（出力制限開始温度）以下となったか否かを判断する。ステップ１２（ＳＴ１２）において、ガス温度がマイナス３５℃以下であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップ１３（ＳＴ１３）に移行して、図９のマップに基づきガス供給量（燃料の供給量）を制限する。図９に示すマップは、ガス温度とガス供給量との関係を示すものであり、ガス温度がマイナス３５℃まで低下したことをガス供給量の制限を開始するトリガーとして、燃料電池ＦＣに供給するガス供給量を徐々に制限していく。燃料電池ＦＣに対するガス供給量の制限は、例えば、制御装置３０Ｂからガス供給制御弁１５に対して制御線Ｌ４を介して制御信号を与えることにより行われる。

このように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂでは、燃料電池ＦＣへのガス供給量を制限することで、高圧タンク１１から放出されるガス温度が急激に低下するのを防止して、遮断弁１２の低温による劣化を防止することが可能になる。

なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様にして、環境温度に応じて、ガス温度におけるガス供給量をマッピングしておき、環境温度が低い場合にはガス供給量の最低制限値を低めに設定し、環境温度が高い場合にはガス供給量の最低制限値を高めに設定するように制御してもよい。

また、前記した実施形態では、供給装置の保護として、遮断弁１２の劣化を防止する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、供給装置の中でレギュレータ１３が遮断弁１２や加湿器１４より低温耐性が劣る燃料電池システム１Ａ，１Ｂである場合には、レギュレータ１３の保護を目的として燃料電池ＦＣの出力や燃料電池ＦＣへのガス供給量を制御するようにしてもよい。また、加湿器１４が遮断弁１２やレギュレータ１３より低温耐性が劣る燃料電池システム１Ａ，１Ｂである場合には、加湿器１４の保護を目的として燃料電池ＦＣの出力や燃料電池ＦＣへのガス供給量を制御するようにしてもよい。また、温度センサＴ１の位置は、保護する供給装置の種類に応じて適宜変更することができ、例えば加湿器１４を保護する場合には、レギュレータ１３と加湿器１４との間に温度センサＴ１を設置してもよい。

また、前記した実施形態では、車両を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、家庭用などの定置式の燃料電池システムに適用してもよい。定置式の燃料電池システムに適用した場合には、環境温度に基づいてガス供給量の最低制限値を可変とすることにより、燃料電池ＦＣにおける発電性能が過度に低下するのを防止できるようになる。

第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池の出力制御を示すフローチャートである。 ガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 （ａ）は環境温度とガス温度との温度差に基づく熱交換バランス出力を示すグラフ、（ｂ）はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 燃料電池の別の出力制御を示すフローチャートである。 ガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池への燃料の供給量の制御を示すフローチャートである。 ガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１１ 高圧タンク
１２ 遮断弁
１３ レギュレータ
１４ 加湿器
１５ ガス供給制御弁（燃料供給量制御手段）
３０Ａ 制御装置（出力制御手段）
３０Ｂ 制御装置（燃料供給量制御手段）
ＦＣ 燃料電池
Ｔ１ 温度センサ（燃料温度検知手段）
Ｔ２ 温度センサ（環境温度検知手段）

Claims (5)

1. 内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、
   前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、
   前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、
   前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、
   を備え、
   前記燃料温度検知手段に基づいて前記燃料消費量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料消費制御手段は、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料消費制御手段は、前記燃料電池への前記燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記高圧タンクがおかれる最低使用環境温度と、前記供給装置の性能保証温度とに基づいて、前記燃料消費量の最低制限値を求めることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段をさらに備え、
   前記環境温度検知手段に基づいて前記燃料消費量の最低制限値を求めることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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