JP2007157655A

JP2007157655A - 燃料電池システム及び移動体

Info

Publication number: JP2007157655A
Application number: JP2005355279A
Authority: JP
Inventors: Kanji Kizaki; 幹士木崎
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: JP5152546B2

Abstract

【課題】移動体に固定された燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、移動体の傾斜状態に応じた適切な掃気制御を行う。
【解決手段】移動体１００に固定された燃料電池１０と、燃料電池１０内にガスを供給することにより燃料電池１０内の水分を外部に排出する掃気手段（コンプレッサ２４、遮断弁３３、レギュレータ３４、制御装置４）と、を備える燃料電池システム１において、移動体１００の傾斜状態に応じて掃気手段による燃料電池１０へのガスの供給条件を設定する掃気制御手段（制御装置４）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムで発電を行うと、電気化学反応により燃料電池の内部で水分が生成されるが、この水分が燃料電池内の反応ガス流路に滞留して、反応ガスの流れが妨げられる場合がある。また、氷点下等の低温環境下で燃料電池システムを運転させる際には、燃料電池の電極（触媒層や拡散層）の内部に存在する水分が凍結して、始動性能が著しく低下する場合がある。

このように燃料電池の内部で生成される水分に起因する種々の問題を解決するため、近年においては、燃料電池の運転停止時に、燃料電池内の湿潤状態に応じて反応ガス流路に乾燥酸素や乾燥水素を供給することにより、燃料電池内の水分を除去する技術（掃気技術）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２０８４２１号公報

ところで、燃料電池は、各種移動体（車両、ロボット、船舶、航空機等）に搭載されて駆動源としての機能を果たす場合があり、燃料電池が移動体に固定される場合には、移動体の姿勢に合わせて燃料電池の姿勢も変化する。例えば、燃料電池が燃料電池車両の車体に固定されている場合には、燃料電池車両の坂道に停車して車体が傾斜すると、燃料電池もそれに合わせて傾斜することとなる。

しかし、前記した特許文献１に記載された従来の掃気技術においては、燃料電池の姿勢変化を考慮していないため、前記したように燃料電池が傾斜した場合には効果的な掃気を行うことが困難であった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、移動体に固定された燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、移動体の傾斜状態に応じた適切な掃気制御を行うことを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、移動体に固定された燃料電池と、この燃料電池内にガスを供給することにより燃料電池内の水分を外部に排出する掃気手段と、を備える燃料電池システムにおいて、移動体の傾斜状態に応じて掃気手段による燃料電池へのガスの供給条件を設定する掃気制御手段を備えるものである。

かかる構成によれば、燃料電池が固定された移動体の傾斜状態に応じて、掃気手段による燃料電池へのガスの供給条件（掃気条件）を設定することができる。例えば、燃料電池内の水分が外部に排出され難いように移動体が傾斜している場合に、水分の排出を促進するようにガスの供給条件を設定することができる。この結果、燃料電池内に水分が残存することに起因する種々の問題（例えば低温環境下における始動性能の低下）の発生を抑制することができる。

前記燃料電池システムにおいて、掃気制御手段は、燃料電池内の水分が外部に排出され難いように移動体が傾斜している場合に、水分の排出を促進するようなガスの供給条件を設定する一方、燃料電池内の水分が外部に排出され易いように移動体が傾斜している場合に、水分の排出を抑制するようなガスの供給条件を設定することができる。

例えば、掃気制御手段は、燃料電池内の水分が外部に排出され難いように移動体が傾斜している場合に、掃気手段による燃料電池へのガスの供給圧力を大きく（供給流量を多く）設定する一方、燃料電池内の水分が外部に排出され易いように移動体が傾斜している場合に、掃気手段による燃料電池へのガスの供給圧力を小さく（供給流量を少なく）設定することができる。また、掃気制御手段は、燃料電池内の水分が外部に排出され難いように移動体が傾斜している場合に、掃気手段による燃料電池へのガスの供給時間を長く設定する一方、燃料電池内の水分が外部に排出され易いように移動体が傾斜している場合に、掃気手段による燃料電池へのガスの供給時間を短く設定することもできる。

このようにすることにより、燃料電池内の水分が外部に排出され難いように移動体が傾斜している場合においても、燃料電池内の水分の排出を促進することができる。この結果、低温環境下において燃料電池内に生成水が残存することに起因した始動性能の低下を抑制することができる。一方、燃料電池内の水分が外部に排出され易いように移動体が傾斜している場合においては、燃料電池内の水分の排出を抑制することができる。この結果、燃料電池内のドライアップ（電解質膜の水分不足）の発生を抑制することができるとともに、掃気に必要なエネルギを節減することが可能となる。

また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。

かかる構成によれば、移動体の傾斜状態に応じた適切な掃気制御を行うことが可能な燃料電池システムを備えているため、低温環境下において優れた始動性能を有するとともに、掃気に必要なエネルギを節減することが可能な移動体を提供することができる。

本発明によれば、移動体に固定される燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、移動体の傾斜状態に応じた適切な掃気制御を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を移動体としての燃料電池車両１００（図２、図３）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１〜図３を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池車両１００のトラクションモータ１２に電力を供給するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種補機類に電力を供給するインバータ、二次バッテリへの充電や二次バッテリからのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。コンプレッサ２４の動作は、制御装置４により制御される。

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。遮断弁３３及びレギュレータ３４の動作は制御装置４により制御される。

循環流路３２には、気液分離器３５及び排気排水弁３６を介して、排出流路３７が接続されている。気液分離器３５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３６は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３５で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３８が設けられている。なお、排出流路３７内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて、排気流路２３内のガスと排出管３９において合流するようになっている。

また、図２に示すように、燃料電池１０は、燃料電池車両１００の前後方向略中央部に配置された状態で車体に固定されている。そして、燃料電池１０の内部のガス流路は、燃料電池車両１００が水平走行する場合に略水平になるように設定されており、ガス流路内を流れる水分の排出口は燃料電池１０の後方に設けられている。また、燃料電池１０に接続された各種配管（排気流路２３、排出流路３７、排出管３９等）は、燃料電池車両１００の前後方向略中央部から後方に向けて、燃料電池車両１００が水平走行する場合に略水平になるように配設されている。このため、図２（ａ）に示すように燃料電池車両１００が下り坂を走行すると、排出管３９の出口側が燃料電池１０側よりも上方に位置するように排出管３９が傾斜する一方、図２（ｂ）に示すように燃料電池車両１００が上り坂を走行すると、排出管３９の出口側が燃料電池１０側よりも下方に位置するように排出管３９が傾斜することとなる。

また、燃料電池車両１００には、その前後方向の傾斜角度θを検出する図示されていない傾斜センサが搭載されている。本実施形態においては、図２（ａ）に示すように排出管３９の出口側が燃料電池１０側よりも上方に位置する場合における排出管３９の水平面に対する傾斜角度を、燃料電池車両１００の正の傾斜角度（＋θ）とする。また、図２（ｂ）に示すように排出管３９の出口側が燃料電池１０側よりも下方に位置する場合における排出管３９の水平面に対する傾斜角度を、燃料電池車両１００の負の傾斜角度（−θ）としている。傾斜センサで検出された燃料電池車両１００の傾斜角度θに係る情報は、制御装置４に伝送され、掃気制御に用いられることとなる。

制御装置４は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、コンプレッサ２４、遮断弁３３及びレギュレータ３４を駆動制御して燃料電池１０内にガス（酸化ガス及び水素ガス）を供給することにより、燃料電池１０内の水分を外部に排出する「掃気」を実施する。すなわち、コンプレッサ２４、遮断弁３３、レギュレータ３４及び制御装置４は、本発明における掃気手段の一実施形態を構成する。制御装置４は、掃気を実施する際に、加湿器２０による酸化ガスの加湿を一時的に抑制ないし停止する。なお、本実施形態における制御装置４は、燃料電池１０の運転停止時（発電停止時）においても、燃料電池１０の運転中におけるパージ（循環流路３２内のガスの排出）時においても、掃気制御を行うものとする。

また、制御装置４は、燃料電池車両１００の傾斜状態に応じた適切な掃気条件を設定する。具体的には、制御装置４は、図２（ａ）に示すように燃料電池１０内の水分が外部に排出され難い傾斜角度正（＋θ）の状態において、水分の排出を促進するようなガスの供給条件を設定する。一方、制御装置４は、図２（ｂ）に示すように燃料電池１０内の水分が外部に排出され易い傾斜角度負（−θ）の状態において、水分の排出を抑制するようなガスの供給条件を設定する。すなわち、制御装置４は、本発明における掃気制御手段の一実施形態として機能する。

本実施形態における制御装置４は、図３に示すようなマップを用いて掃気制御を行っている。すなわち、制御装置４は、燃料電池車両１００の傾斜角度θが小さいほど（傾斜角度が負であって絶対値が大きいほど）、燃料電池１０へのガスの供給圧力Ｐを小さく供給流量Ｑを少なく設定するとともに、燃料電池１０へのガスの供給時間Ｔを短く設定する。換言すれば、制御装置４は、燃料電池１００の傾斜角度θが大きいほど（傾斜角度が正であって絶対値が大きいほど）、燃料電池１０へのガスの供給圧力Ｐを大きく供給流量Ｑを多く設定するとともに、燃料電池１０へのガスの供給時間Ｔを長く設定する。

続いて、図４のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転停止後における掃気動作について説明する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。通常運転時においては燃料電池１０内が湿潤状態となっているため、運転を停止させると燃料電池１０内に水分が残留することとなる。本実施形態においては、かかる通常運転停止後に、燃料電池１０内の水分を外部に排出する「掃気」を実施する。

すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置４は、イグニッションスイッチのＯＦＦ操作等による運転停止信号の有無を判定する（運転停止判定工程：Ｓ１）。そして、制御装置４は、運転停止信号を検出した場合に、傾斜センサを用いて燃料電池車両１００の傾斜角度を検出する（傾斜角度検出工程：Ｓ２）。

次いで、制御装置４は、図３に示したマップに基づいて、傾斜角度検出工程Ｓ２で検出した傾斜角度に対応した掃気条件を設定する（掃気条件設定工程：Ｓ３）。例えば、燃料電池車両１００が下り坂に停車しており、傾斜角度が「θ₁」である場合（燃料電池１０内の水分が外部に排出され難い場合）には、制御装置４は、ガス供給圧力、ガス供給流量及びガス供給時間を各々「Ｐ₅」、「Ｑ₅」、「Ｔ₅」と設定する。また、燃料電池車両１００が上り坂に停車しており、傾斜角度が「−θ₂」である場合（燃料電池１０内の水分が外部に排出され易い場合）には、制御装置４は、ガス供給圧力、ガス供給流量及びガス供給時間を各々「Ｐ₂」、「Ｑ₂」、「Ｔ₂」と設定する。

次いで、制御装置４は、掃気条件設定工程Ｓ３で設定した掃気条件を実現させるようにコンプレッサ２４、遮断弁３３及びレギュレータ３４を駆動制御して、燃料電池１０内にガス（酸化ガス及び水素ガス）を供給することにより、燃料電池１０内に残存した水分を外部に排出する（掃気工程：Ｓ４）。かかる掃気工程Ｓ４において、制御装置４は排気排水弁３６を開放しておき、燃料電池１０から循環流路３２に排出された水分を排出流路３７及び排出管３９を経由させて燃料電池車両１００の外部に排出するようにする。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０が固定された燃料電池車両１００の傾斜状態に応じて掃気条件を設定することができる。すなわち、燃料電池１０内の水分が外部に排出され難いように燃料電池車両１００が傾斜している場合（傾斜角度正の場合）においては、水分の排出を促進するようにガスの供給条件を設定することができる。この結果、燃料電池１０内に水分が残存することに起因する種々の問題（例えば低温環境下における始動性能の低下）の発生を抑制することができる。また、燃料電池１０内の水分が外部に排出され易いように燃料電池車両１００が傾斜している場合（傾斜角度負の場合）においては、水分の排出を抑制するようにガスの供給条件を設定することができる。この結果、燃料電池１０内のドライアップ（電解質膜の水分不足）の発生を抑制することができるとともに、掃気に必要なエネルギを節減することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両１００（移動体）は、その傾斜状態に応じた適切な掃気制御を行うことが可能な燃料電池システム１を備えているため、低温環境下において優れた始動性能を有することとなり、なおかつ、掃気に必要なエネルギを節減することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図５に示すように、燃料電池１０に排出流路３７を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御装置４で前記実施形態と同様の掃気制御を実施することにより、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の通常運転停止後に掃気制御を実施した例を示したが、通常運転中にパージ動作を実行する際に掃気制御を実施することもできる。かかる場合、制御装置４は、図６に示すように、パージ動作を実行する時期か否かを判定する（パージ判定工程：Ｓ１１）。そして、制御装置４は、パージ動作を実行する時期であると判定した場合に、燃料電池車両１００の傾斜角度を検出する（傾斜角度検出工程：Ｓ１２）。その後、制御装置４は、検出した傾斜角度に対応した掃気条件を設定し（掃気条件設定工程：Ｓ１３）、設定した掃気条件を実現させるようにコンプレッサ２４等を駆動制御して燃料電池１０内にガスを供給することにより、燃料電池１０内に残存した水分を外部に排出する（掃気工程：Ｓ１４）ようにする。傾斜角度検出工程Ｓ１２、掃気条件設定工程Ｓ１３及び掃気工程Ｓ１４は前記実施形態と同様である。

また、以上の実施形態においては、燃料電池車両１００の傾斜角度に応じて、燃料電池１０内へのガスの供給圧力、供給流量及び供給時間を全て設定した例を示したが、ガスの供給条件（掃気条件）はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池車両１００の傾斜角度に応じてガスの供給圧力、供給流量及び供給時間の何れか一つを設定してもよい。また、燃料電池車両１００の傾斜角度に応じてガスの温度を設定したり、ガスの脈動態様を変化させたりすることもできる。

また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３８を設けた例を示したが、水素ポンプ３８に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３６を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３５で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示した燃料電池システムの燃料電池が搭載された燃料電池車両を示すものであり、（ａ）は下り坂に停車した状態を示す概念図、（ｂ）は上り坂に停車した状態を示す概念図である。図２に示した燃料電池車両の傾斜角度と掃気条件との関係を表すマップである。図１に示した燃料電池システムの運転停止後における掃気動作を説明するためのフローチャートである。図１に示した燃料電池システムの変形例を示す構成図である。図１に示した燃料電池システムのパージ時における掃気動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…制御装置（掃気手段の一部、掃気制御手段）、１０…燃料電池、２４…コンプレッサ（掃気手段の一部）、３３…遮断弁（掃気手段の一部）、３４…レギュレータ（掃気手段の一部）、１００…燃料電池車両（移動体）

Claims

移動体に固定された燃料電池と、前記燃料電池内にガスを供給することにより前記燃料電池内の水分を外部に排出する掃気手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記移動体の傾斜状態に応じて前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給条件を設定する掃気制御手段を備える燃料電池システム。
前記掃気制御手段は、前記燃料電池内の水分が外部に排出され難いように前記移動体が傾斜している場合に、水分の排出を促進するようなガスの供給条件を設定する一方、前記燃料電池内の水分が外部に排出され易いように前記移動体が傾斜している場合に、水分の排出を抑制するようなガスの供給条件を設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記掃気制御手段は、前記燃料電池内の水分が外部に排出され難いように前記移動体が傾斜している場合に、前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給圧力を大きく設定する一方、前記燃料電池内の水分が外部に排出され易いように前記移動体が傾斜している場合に、前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給圧力を小さく設定する請求項２に記載の燃料電池システム。
前記掃気制御手段は、前記燃料電池内の水分が外部に排出され難いように前記移動体が傾斜している場合に、前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給流量を多く設定する一方、前記燃料電池内の水分が外部に排出され易いように前記移動体が傾斜している場合に、前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給流量を少なく設定する請求項２に記載の燃料電池システム。
前記掃気制御手段は、前記燃料電池内の水分が外部に排出され難いように前記移動体が傾斜している場合に、前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給時間を長く設定する一方、前記燃料電池内の水分が外部に排出され易いように前記移動体が傾斜している場合に、前記掃気手段による前記燃料電池へのガスの供給時間を短く設定する請求項２に記載の燃料電池システム。
請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システムを備える移動体。