JP2007073292A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池のカソードオフガスを排出する排出配管に配設された調圧バルブの凍結を、速やかに解消する。
【解決手段】 燃料電池システム１００は、エアコンプレッサ４１から吐出された空気を燃料電池スタック１０のカソードに供給し、その供給圧力を、燃料電池スタック１０のカソードオフガスを排出するための配管３５に配設された調圧バルブ２５によって調整する。この燃料電池システム１００において、氷点下での低温起動時には、エアコンプレッサ４１によって圧縮されて高温になった空気を、燃料電池スタック１０を通過させずに、バイパス配管（配管３４）から、直接、配管３５における調圧バルブ２５の上流近傍に供給し、調圧バルブ２５を加熱し、調圧バルブ２５の凍結を解消する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池のカソード（酸素極）では、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。そして、この生成水は、燃料電池から排出される排出ガスとともに外部に排出されたり、燃料電池システムの内部で再利用されたりする。

このような燃料電池システムの運転が停止され、氷点下の低温環境下におかれると、燃料電池システム内部に残留する生成水が凍結し、燃料電池システムを起動できなくなったり、生成水が凍結したまま運転することによって燃料電池システムの各部に過剰な負荷がかかり、燃料電池システムの寿命を縮めたりするおそれがある。そこで、このような不具合を防止するための技術として、例えば、下記特許文献１には、燃料電池システム内で生成水が凍結していると判断されたときには、燃料電池システムの運転を禁止し、凍結部分をヒータによって解凍してから運転することが記載されている。

特開２００４−１７２０２５号公報

燃料電池システムには、エアコンプレッサによって圧縮された空気を燃料電池のカソードに供給するタイプのものがある。このタイプの燃料電池システムでは、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを外部に排出するための配管に、空気の供給圧力を調整するための調圧バルブが配設される。この調圧バルブの内部で生成水が凍結すると、燃料電池のカソードへの空気の供給が制御できなくなる。このような燃料電池システムにおいても、上記調圧バルブの解凍を解消するために、特許文献１に記載された技術と同様に、調圧バルブの近傍にヒータを設置することは可能ではある。

しかし、この場合、ヒータを設置することによる燃料電池システムの大型化や、ヒータを動作させることによる消費電力の増大を招く。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池のカソードオフガスを排出する排出配管に配設された調圧バルブの凍結を、速やかに解消することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
空気を圧縮するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサが配設され、前記圧縮された空気を前記燃料電池のカソードに供給する空気供給配管と、
前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを外部に排出するカソードオフガス排出配管と、
前記カソードオフガス排出配管上に配設され、前記エアコンプレッサから供給される空気の圧力を調整する調圧バルブと、
前記圧縮された空気を、前記燃料電池を通過させずに、前記カソードオフガス排出配管における前記調圧バルブの上流側であって、前記調圧バルブの近傍に供給するバイパス配管と、
前記圧縮された空気を、前記燃料電池を通過させずに前記バイパス配管に流すか否かを切り換える切換バルブと、
前記切換バルブの駆動を制御するバルブ制御部と、を備え、
前記バルブ制御部は、前記燃料電池システムの氷点下での低温起動時に、前記圧縮された空気が前記バイパス配管を流れるように、前記切換バルブの駆動を制御することを要旨とする。

本発明の燃料電池システムは、エアコンプレッサによって圧縮された空気を燃料電池のカソードに供給するタイプのものである。そして、本発明では、既存のエアコンプレッサによって圧縮され、断熱圧縮によって高温になった空気を、燃料電池を通過させずに、直接、バイパス配管から調圧バルブの近傍に供給し、調圧バルブの内部における生成水の凍結を解凍することができる。したがって、調圧バルブの近傍にヒータを設置する必要はない。つまり、本発明によって、燃料電池システムの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、燃料電池のカソードオフガスを排出する排出配管に配設された調圧バルブの凍結を、速やかに解消することができる。

なお、本発明では、燃料電池システムの起動時に、例えば、温度センサによって、燃料電池システムがおかれている環境温度や、調圧バルブの温度を測定し、その温度が氷点下のときに、調圧バルブが凍結しているものと判断して、エアコンプレッサによって圧縮することによって比較的高温になった空気をバイパス配管に流す。一方、燃料電池システムの起動時に、温度センサによって測定された温度が所定値以上である場合には、調圧バルブは凍結していないと判断して、エアコンプレッサによって圧縮することによって比較的高温になった空気をバイパス配管に流さない。こうすることによって、温度が所定値以上であるときに、燃料電池システムの起動を速やかに行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記調圧バルブの下流側の前記カソードオフガス排出配管から分岐し、前記調圧バルブを通過したガスを、前記エアコンプレッサの上流側の前記空気供給配管に循環させる循環配管を備えるようにしてもよい。

こうすることによって、エアコンプレッサによって圧縮することによって比較的高温になった空気をバイパス配管に供給するときに、この高温の空気を循環させて、さらに高温にすることができる。したがって、調圧バルブの解凍を行うときのエアコンプレッサの消費電力を抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記循環配管には、該循環配管を通過するガスの循環量を調整する流量調整バルブが配設されており、
前記バルブ制御部は、さらに、前記燃料電池システムの停止時に、前記流量調整バルブの開度が所定値以上となるように、前記流量調整バルブの駆動を制御するようにすることが好ましい。

こうすることによって、燃料電池システムの氷点下での低温起動時に、流量調整バルブが凍結しても、ガスを循環させることができる。

上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記バルブ制御部は、さらに、前記燃料電池システムの停止時に、前記調圧バルブの開度が所定範囲内の値になるように、前記調圧バルブの駆動を制御するようにすることが好ましい。

ここで、「所定範囲の値」は、調圧バルブが全閉となる０（％）よりも大きく、全開となる１００（％）未満の範囲内の値である。本発明では、燃料電池システムの停止時に、調圧バルブの開度を１００（％）未満の値にするので、燃料電池システムの氷点下での低温起動時に、調圧バルブが凍結していても、エアコンプレッサによって圧縮された空気を供給するときに、調圧バルブの開度が１００（％）のときよりも圧力を上昇させ、断熱圧縮によって空気を高温にすることができる。また、燃料電池システムの停止時に、調圧バルブの開度を０（％）よりも大きな値にするので、燃料電池システムの氷点下での低温起動時に、調圧バルブが凍結していても、エアコンプレッサによって圧縮することによって高温になった空気が調圧バルブを通過するので、配管内の圧力が上昇しすぎることを防止することができる。

本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．起動時制御：
Ｃ．変形例：

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている（図示省略）。本実施例では、ナフィオン（登録商標）を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。

燃料電池スタック１０のアノードには、配管３０を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、アルコールや、炭化水素や、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２等によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３１に流出する。配管３１には、図示しない圧力センサが設けられており、アノードへの水素の供給圧力および量の制御に利用される。

配管３１は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための配管３２に接続され、他方は配管３０に接続されている。また、燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３１には、アノードオフガスを加圧するためのポンプ４５が設けられている。

配管３２には、排出バルブ２３が配設されている。この排出バルブ２３が閉じられている間は、アノードオフガスは、配管３１を介して、燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電によって消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。

アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２３が開かれると、アノードオフガスは、配管３２を通り、希釈器４４で空気（カソードオフガス）によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。

燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有した酸化剤ガスとしての圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、配管３３を通って、エアコンプレッサ４１によって圧縮されて高温にされた後、インタークーラ４２によって８０℃程度に冷却され、加湿器４３によって加湿されて、燃料電池スタック１０に供給される。配管３３は、本発明における空気供給配管に相当する。

カソードからの排気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３５に流出し、加湿器４３、および、希釈器４４を通って外部に排出される。配管３５は、本発明におけるカソードオフガス排出配管に相当する。

なお、本実施例における加湿器４３は、水蒸気透過膜４３ｃによって、被加湿ガス室４３ａと加湿ガス室４３ｂとに分離されており、加湿ガス室４３ｂに供給されたカソードオフガスに含まれる水蒸気が水蒸気透過膜４３ｃを介して被加湿ガス室４３ａに透過することによって、被加湿ガス室４３ａに供給された空気を加湿する。カソードオフガスには、燃料電池スタック１０において発電によって生成された生成水が含まれるため、本実施例では、この生成水を利用して、燃料電池スタック１０に供給する空気の加湿を行うものとした。他のタイプの加湿器を用いるようにしてもよい。

配管３３上のエアコンプレッサ４１とインタークーラ４２との間には、三方弁２４が配設されている。この三方弁２４を切り換えることによって、エアコンプレッサ４１から吐出された空気を、燃料電池スタック１０を通過させずに、配管３４を介して、配管３５における調圧バルブ２５の上流側近傍に供給することもできる。三方弁２４は、本発明にける切換バルブに相当し、配管３４は、本発明におけるバイパス配管に相当する。以下、エアコンプレッサ４１から吐出された空気を、インタークーラ４２、および、加湿器４３を通過させて燃料電池スタック１０に供給するラインを通常ラインと呼び、燃料電池スタック１０を通過させずに、配管３４から配管３５における調圧バルブ２５の上流側近傍に供給するラインをバイパスラインと呼ぶ。三方弁２４は、エアコンプレッサ４１から吐出された空気を、通常ラインに流すか、バイパスラインに流すかを切り換えることが可能である。

なお、空気の供給圧力は、燃料電池スタック１０のカソードオフガスの出口付近の配管３５に設けられた圧力センサ（図示省略）によって検出され、調圧バルブ２５の開度を調整することによって制御される。

燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット６０によって制御される。制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００内の雰囲気の温度、すなわち、燃料電池システム１００の環境温度を測定するための温度センサ５０を備えており、制御ユニット６０は、後述するように、燃料電池システム１００の起動時に、温度センサ５０の出力に基づいて、起動時制御を行ったり、各種バルブの駆動を制御したりする。制御ユニット６０は、本発明におけるバルブ制御部に相当する。

Ｂ．起動時制御：
先に説明したように、燃料電池システム１００の運転が停止され、氷点下の低温環境下におかれると、調圧バルブ２５内部に残留する生成水が凍結して、各種不具合が生じる。したがって、本実施例では、燃料電池システム１００の氷点下の低温起動時に、調圧バルブ２５の凍結を解消するための制御を行う。

図２は、燃料電池システム１００の起動時制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の電源が投入されたときに、制御ユニット６０のＣＰＵが実行する処理である。なお、燃料電池システム１００の停止時には、三方弁２４は、エアコンプレッサ４１から吐出される空気が通常ラインを流れるように切り換えられている。

まず、ＣＰＵは、温度センサ５０によって、燃料電池システム１００の環境温度を測定し（ステップＳ１００）、環境温度が氷点下か否かを判断する（ステップＳ１１０）。環境温度が氷点下でない場合には、ＣＰＵは、調圧バルブ２５の内部において、燃料電池システム１００の停止時に残留した生成水が凍結していないものと判断し、エアコンプレッサ４１を起動して（ステップＳ１６０）、エアコンプレッサ４１から吐出される空気を燃料電池スタック１０に供給する、そして、起動時制御を終了する。

一方、燃料電池システム１００の環境温度が氷点下である場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、調圧バルブ２５の内部において、燃料電池システム１００の停止時に残留した生成水が凍結しているものと判断し、エアコンプレッサ４１から吐出される空気がバイパスラインを流れるように、三方弁２４を切り換え（ステップＳ１２０）、エアコンプレッサ４１を起動する（ステップＳ１３０）。エアコンプレッサ４１から吐出される空気は、圧縮され、断熱圧縮によって高温になっているため、この高温の空気を、燃料電池スタック１０を通過させずに、直接、配管３５における調圧バルブ２５の近傍に供給することによって、調圧バルブ２５を加熱し、調圧バルブ２５の内部における生成水の凍結を解消することができる。

なお、燃料電池システム１００の停止時に、調圧バルブ２５の開度は、全閉となる０（％）よりも大きく、全開となる１００（％）未満の範囲内に設定されている。燃料電池システム１００の停止時に、調圧バルブ２５の開度を１００（％）未満の値にすることによって、燃料電池システム１００の氷点下での低温起動時に、調圧バルブ２５が凍結していても、エアコンプレッサ４１によって圧縮された空気を供給するときに、調圧バルブ２５の開度が１００（％）のときよりも圧力を上昇させ、断熱圧縮によって空気を高温にすることができる。また、燃料電池システム１００の停止時に、調圧バルブ２５の開度を０（％）よりも大きな値にすることによって、燃料電池システム１００の氷点下での低温起動時に、調圧バルブ２５が凍結していても、エアコンプレッサ４１によって圧縮することによって高温になった空気が調圧バルブ２５を通過するので、配管内の圧力が上昇しすぎることを防止することができる。

次に、ＣＰＵは、タイマを参照し、エアコンプレッサ４１を起動してから、所定時間経過したか否かを判断する（ステップＳ１４０）。所定時間は、調圧バルブ２５の凍結を解消するために十分な時間が設定されている。そして、エアコンプレッサ４１を起動してから、所定時間経過したら、ＣＰＵは、エアコンプレッサ４１から吐出される空気が通常ラインを流れるように、三方弁２４を切り換え（ステップＳ１５０）、起動時制御を終了する。

以上説明した燃料電池システム１００によれば、調圧バルブ２５の凍結を解消するために、調圧バルブ２５の近傍にヒータを設置する必要はないので、燃料電池システム１００の大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、調圧バルブ２５の凍結を、速やかに解消することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｃ１．変形例１：
図３は、第１変形例の燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００Ａは、先に説明した燃料電池システム１００とほぼ同じであるので、燃料電池システム１００と異なる点についてのみ説明する。

燃料電池システム１００Ａは、燃料電池システム１００において、加湿器４３と希釈器４４との間の配管３５から分岐し、調圧バルブ２５を通過したガスをエアコンプレッサ４１の上流側の配管３３に循環させるための配管３６を備えている。この配管３６は、本発明における循環配管に相当する。

この燃料電池システム１００Ａにおいても、先に説明した起動時制御と同様の起動時制御を行う。燃料電池システム１００Ａは、配管３６を備えているので、エアコンプレッサ４１から吐出された高温の空気を循環させて、さらに高温にすることができる。したがって、起動時制御において、調圧バルブ２５の解凍を行うときのエアコンプレッサ４１の消費電力を、先に説明した燃料電池システム１００よりも抑制することができる。

また、配管３６には、配管３６を通過するガスの循環量を調整するための流量調整バルブ２６が配設されている。そして、この流量調整バルブ２６は、燃料電池システム１００Ａの停止時に、開いた状態で停止される。本変形例では、流量調整バルブ２６が全開の状態で燃料電池システム１００Ａを停止するものとした。こうすることによって、燃料電池システム１００Ａの氷点下での低温起動時に、流量調整バルブ２６が凍結しても、空気を循環させることができる。燃料電池システム１００Ａの運転中には、流量調整バルブ２６は、適宜、開度が調整され、カソードオフガスの循環量が調整される。

なお、燃料電池システム１００Ａでは、配管３６は、加湿器４３と希釈器４４との間の配管３５から分岐するものとしたが、これに限られない。配管３６は、調圧バルブ２５の下流側の配管３５から分岐すればよく、例えば、調圧バルブ２５と加湿器４３との間から分岐するものとしてもよい。

Ｃ２．変形例２：
図４は、第２変形例の燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００Ａは、先に説明した燃料電池システム１００とほぼ同じであるので、燃料電池システム１００と異なる点についてのみ説明する。

燃料電池システム１００Ｂは、燃料電池システム１００と、三方弁２４の位置が異なり、配管３３上の加湿器４３と燃料電池スタック１０との間に配設されている。こうすることによっても、燃料電池システム１００と同様に、調圧バルブ２５の凍結を解消するためのヒータを設置する必要はないので、燃料電池システムの大型化、および、消費電力の増大を抑制しつつ、調圧バルブ２５の凍結を、速やかに解凍することができる。

なお、高温の空気を調圧バルブ２５に供給する観点から、三方弁２４は、エアコンプレッサ４１になるべく近い位置に配設されることが好ましい。また、配管３４の長さはなるべく短くし、調圧バルブ２５のなるべく近くに接続することが好ましい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、図２に示した起動時制御のステップＳ１００において、温度センサ５０によって、燃料電池システム１００の環境温度を測定するものとしたが、これに限られない。例えば、調圧バルブ２５に温度センサを設置し、調圧バルブ２５の温度を測定するものとしてもよい。また、調圧バルブ２５に温度センサを設置した場合、起動時制御のステップＳ１４０において、所定時間が経過した場合に、エアコンプレッサ４１から吐出される空気の流路を通常ラインに切り換え、起動時制御を終了する代わりに、調圧バルブ２５の温度が所定温度以上になったときに、エアコンプレッサ４１から吐出される空気の流路を通常ラインに切り換え、起動時制御を終了するようにしてもよい。

燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池システム１００の起動時制御の流れを示すフローチャートである。 第１変形例の燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。 第２変形例の燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１００，１００Ａ，１００Ｂ...燃料電池システム
１０...燃料電池スタック
２０...水素タンク
２１...シャットバルブ
２２...レギュレータ
２３...排出バルブ
２４...三方弁
２５...調圧バルブ
２６...流量調整バルブ
３０〜３６...配管
４０...フィルタ
４１...エアコンプレッサ
４２...インタークーラ
４３...加湿器
４３ａ...被加湿ガス室
４３ｂ...加湿ガス室
４３ｃ...水蒸気透過膜
４４...希釈器
４５...ポンプ
５０...温度センサ
６０...制御ユニット

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   空気を圧縮するエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサが配設され、前記圧縮された空気を前記燃料電池のカソードに供給する空気供給配管と、
   前記燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを外部に排出するカソードオフガス排出配管と、
   前記カソードオフガス排出配管上に配設され、前記エアコンプレッサから供給される空気の圧力を調整する調圧バルブと、
   前記圧縮された空気を、前記燃料電池を通過させずに、前記カソードオフガス排出配管における前記調圧バルブの上流側であって、前記調圧バルブの近傍に供給するバイパス配管と、
   前記圧縮された空気を、前記燃料電池を通過させずに前記バイパス配管に流すか否かを切り換える切換バルブと、
   前記切換バルブの駆動を制御するバルブ制御部と、を備え、
   前記バルブ制御部は、前記燃料電池システムの氷点下での低温起動時に、前記圧縮された空気が前記バイパス配管を流れるように、前記切換バルブの駆動を制御する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記調圧バルブの下流側の前記カソードオフガス排出配管から分岐し、前記調圧バルブを通過したガスを、前記エアコンプレッサの上流側の前記空気供給配管に循環させる循環配管を備える、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記循環配管には、該循環配管を通過するガスの循環量を調整する流量調整バルブが配設されており、
   前記バルブ制御部は、さらに、前記燃料電池システムの停止時に、前記流量調整バルブの開度が所定値以上となるように、前記流量調整バルブの駆動を制御する、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記バルブ制御部は、さらに、前記燃料電池システムの停止時に、前記調圧バルブの開度が所定範囲内の値になるように、前記調圧バルブの駆動を制御する、
   燃料電池システム。

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