JP2010257865A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下であっても良好な始動性を確保することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２０に反応ガスを供給し、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システム１であって、燃料電池２０内のガス流路に存在する流体に刺激を与える刺激付与部と、ガス流路内における過冷却水の有無を判定する判定部５と、を備え、システム始動時にガス流路内に過冷却水が存在すると判定された場合には、刺激付与部によって過冷却水に刺激を付与する。刺激付与部は、燃料電池２０に冷媒を給排する冷媒給排部７３，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１３からなり、燃料電池２０に冷媒を供給することによって、過冷却水に刺激を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。この種の燃料電池システムには、燃料電池内の水分が凍結することを予測すると、ラジエータもしくは強制冷却器を用いて燃料電池を−１０℃程度まで急速に冷却するものがある。

この燃料電池システムによれば、氷の成長がもっとも促進される最大氷結晶生成温度帯を短時間で通過させ得て、ＭＥＡを構成する触媒層やガス拡散層、電解質膜あるいはこれらの界面構造が氷の成長によって劣化、損傷することを抑制することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１４７４５２号公報

ところで、燃料電池システムのガス流路内の水分は、たとえ氷点下になったとしても−１０℃程度では、液体の状態である過冷却水として残留している可能性がある。このような場合にシステムを始動させると、流れ出した過冷却水がコモンレール等の狭隘な流路部分に達してそこで凍結し、ガスの流れを閉塞あるいは低下させて始動性の低下を引き起こすおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、氷点下であっても良好な始動性を確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給し、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池内のガス流路に存在する流体に刺激を与える刺激付与部と、前記ガス流路内における過冷却水の有無を判定する判定部と、を備え、システム始動時に前記ガス流路内に過冷却水が存在すると判定された場合に、前記刺激付与部によって前記ガス流路に刺激が付与されるように構成されたものである。

かかる構成の燃料電池システムにおいては、ガス流路内に過冷却水が残留している場合には、ガス流路に刺激を与えて過冷却水を積極的に凍結させることになる。
これにより、システム始動時に燃料電池に供給された反応ガスによって過冷却水が流れ出して狭隘なガス流路において凍結してしまうといった不具合が解消されるので、氷点下始動時における反応ガスの通流を確保でき、始動性の悪化が抑制される。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記刺激付与部は、前記燃料電池に冷媒を給排する冷媒給排部からなり、前記燃料電池に冷媒が供給されることによって、前記ガス流路内の過冷却水が冷却されて当該過冷却水に刺激が付与される構成であっても良い。

かかる構成の燃料電池システムにおいては、ガス流路内に過冷却水が残留している場合には、燃料電池に冷媒を供給することにより、燃料電池内のガス流路に存在する過冷却水に対して冷却という刺激を与えて当該過冷却水を積極的に凍結させることになる。
なお、前記刺激付与部は、ガス流路に振動を加えることによって過冷却水に刺激を付与するものでも良い。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、システム停止後の前記ガス流路内の氷点下での温度変化に不連続部分を検出した際に、前記ガス流路内に存在する過冷却水が凍結したと判定するものであっても良い。

ここで、前記不連続部分は、単位時間あたりの温度変化がそれまでと比較して小さくなる部分でも良いし、一時的に温度が上昇する部分あるいは一時的に温度変化が生じない部分であっても良い。

本発明の燃料電池システムによれば、氷点下であっても良好な始動性を確保することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 制御部による燃料電池システムの制御を説明するフローチャートである。 燃料電池のガス流路内の温度変化を示す図であって、（ａ）は過冷却水が存在しない場合の温度変化を示すグラフ図であり、（ｂ）は過冷却水が存在する場合の温度変化を示すグラフ図である。

まず、燃料電池システム１の全体構成を説明する。この燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムであるが、車載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、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の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、及び圧力調整弁Ａ４が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。

圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０内に形成されている冷却水流路の冷却水出入口には、冷却水（冷媒）を循環させる冷却路７３が接続されている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の保有熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

本発明の刺激付与部および冷媒給排部は、本実施形態においては、これら冷却路７３、温度センサＴ１，Ｔ２、ポンプＣ１、ラジエータＣ２、及び冷却ファンＣ１３を備えた構成とされている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けてそれらガスの電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。
この燃料電池２０には、単セルの積層方向の中央位置に、燃料電池２０のガス流路内温度を測定する温度センサＴ３が設けられている。なお、温度センサＴ３で測温される燃料電池スタックの積層方向中央部（以下、測温部ということがある。）は、外気温低下時における温度低下の度合いが積層方向両端部よりも小さい部分である。

燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

制御部５０には、図示しない記憶部が設けられており、システム停止後からの燃料電池２０のガス流路内温度を検出する温度センサＴ３から送信された温度変化データが記憶される。この記憶部には、燃料電池システム１の前回の停止状況が記憶される。例えば、燃料ガスのガス流路内をパージする掃気運転あるいは含水量を減少させる含水量制御運転を行ったか否かが記憶される。

ここで、制御部５０は、記憶部に記憶されている前回のシステムの停止状況に基づいて、燃料電池２０内の燃料ガスのガス流路内に水が残留している状態か否かを推定する。例えば、前回のシステム停止時に、掃気運転あるいは含水量制御運転が行われていた場合は、燃料電池２０内のガス流路内に水が残留していないと推定し、前回のシステム停止時に、掃気運転あるいは含水量制御が行われていない場合は、燃料電池２０内のガス流路に水が残留していると推定する。

次に、燃料電池２０内のガス流路内に水が残留していると推定された場合における制御部５０による燃料電池システム１の始動制御について、図２及び図３を参照しながら説明する。

図２は、制御部５による燃料電池システム１の始動制御の内容を示すフローチャートである。
イグニッションスイッチがＯＮされてシステムが起動されると、制御部５は、温度センサＴ３の検出結果に基づいて、燃料電池２０内のガス流路内温度が０℃以下の氷点下となっているか否かを判定する（ステップＳ０１）。

この判定の結果、燃料電池２０のガス流路内温度が氷点下でなければ（ステップＳ０１で「ＮＯ」）、制御部５は、通常の始動条件にて燃料電池システム１を始動させる（ステップＳ０２）。つまり、ガス流路内温度が氷点下でなければ、ガス流路内の水分が凍結していることもなく、また、過冷却水として存在することもない。よって、この場合は、通常の運転条件で始動する。

一方、上記判定の結果、燃料電池２０のガス流路内温度が氷点下であれば（ステップＳ０１で「ＹＥＳ」）、制御部５は、さらに温度センサＴ３の検出結果に基づいて、燃料電池２０の内部温度が−１５℃よりも高いか否かを判定する（ステップＳ０３）。この判定の結果、ガス流路内温度が−１５℃以下であれば（ステップＳ０３で「ＮＯ」）、制御部５は、氷点下始動用の運転条件で燃料電池システム１を始動させる（ステップＳ０７）。

つまり、ガス流路内温度が−１５℃以下であれば、ガス流路内の水分が過冷却水として存在することなく完全に凍結していると判定し、例えば燃料電池２０の発電効率を低下させる代わりに熱変換率を増大させ、より多くの熱を発生させて燃料電池２０の温度を上昇させながら始動させる氷点下始動時用の運転を行う。なお、本実施形態では、過冷却水の有無の判定閾値を「−１５℃」に設定したが、この閾値は適宜の値に設定することが可能である。

一方、上記判定の結果、燃料電池２０のガス流路内温度が−１５℃よりも高ければ（ステップＳ０３で「ＹＥＳ」）、制御部５は、ガス流路中の水分が過冷却水として存在しているか否か、言い換えれば、ガス流路中の過冷却水が凍結しているか否かを判定する（ステップＳ０４）。つまり、このような氷点下において−１５℃よりも高い温度状態では、水分が凍結せずに過冷却水として液体の状態で存在する可能性があるからである。

そこで、制御部５は、記憶部に記憶されている前回の運転停止後の温度変化データに基づいて、過冷却水の有無を判定する。
図３は、運転停止後に温度センサＴ３で継続的に測温された、燃料電池２０の積層方向中央部におけるガス流路内の温度変化データを示すグラフ図である。

図３（ａ）に示すように、システム停止（ＩＧ−ｏｆｆ）後、連続して低下していた燃料電池２０のガス流路内温度が氷点下となり、ガス流路内の水が凍結すると、この凍結時にて温度変化に不連続部分Ｘが生じる。具体的には、温度低下の度合い（単位時間あたりの温度低下率）が、過冷却水が凍結した際に発生する凝固熱によって一時的に小さくなることによって不連続部分Ｘが生じる。そして、過冷却水の凍結が完了した後は、再び連続的に温度が低下する。

したがって、制御部５は、燃料電池２０の測温部におけるガス流路内の温度変化中に、不連続部分Ｘが存在している場合には、ガス流路内の水は完全に凍結していて既に過冷却水としては存在していないと判定する（ステップＳ０４で「ＮＯ」）。なお、不連続部分Ｘの有無は、例えば温度が一時的に上昇する部分や、一時的に温度変化が生じなくなる部分の存否により判断することが可能である。

これに対して、図３（ｂ）に示すように、システム停止（ＩＧ−ｏｆｆ）後、連続して低下していた燃料電池２０のガス流路内温度が氷点下以降も連続して低下している場合、つまり、温度変化に不連続部分Ｘが存在しない場合には、ガス流路中の水は凍結することなく過冷却水として液体の状態で存在している可能性が高い。

したがって、制御部５は、燃料電池２０の測温部における温度変化中に連続部分Ｘが存在しない場合は、ガス流路内の水が過冷却水として液体の状態で存在している、言い換えれば、ガス流路内の過冷却水が凍結していないと判定する（ステップＳ０４で「ＹＥＳ」）。すなわち、本実施形態の制御部５は、本発明の判定部に相当する。

上記の過冷却水の有無判定（ステップＳ０４）の結果、過冷却水が存在しない（過冷却水が凍結している）と判定した場合（ステップＳ０４で「ＮＯ」）は、上記ステップＳ０３の判定の結果が「ＮＯ」の場合と同様に、氷点下始動時用の運転を行う（ステップＳ０７）。

これに対し、上記の過冷却水の有無判定（ステップＳ０４）の結果、過冷却水が存在する（過冷却水が凍結していない）と判定した場合（ステップＳ０４で「ＹＥＳ」）は、冷却水循環用のポンプＣ１を作動させ（ステップＳ０５）、外気温で低温化している冷却水を例えば燃料電池２０内の冷却水流路と冷却路７３とからなる冷却水の循環総流路長の１周分に相当する分だけ循環させる（ステップＳ０６）。

このようにすると、燃料電池２０内のガス流路が循環冷却水によって冷却されて刺激を受けるので、燃料電池２０内のガス流路に液体状態で存在している過冷却水は、その場あるいはその場付近で凍結する。なお、冷却水の循環量を上記循環総流路長の１周分相当量に抑えて設定しているので、燃料電池２０を過剰に冷却することによって始動に支障を来すようなことにはならない。

そして、制御部５は、冷却水を１周分循環させた後、氷点下始動時用の運転を行う（ステップＳ０７）。このとき、燃料電池２０内のガス流路内に存在していた過冷却水は既に凍結させられているため、過冷却水が狭隘なガス流路へ流れ込んで凍結してガス流路を閉塞させてしまうような不具合を生じることはない。したがって、氷点下においても、燃料電池２０内への燃料ガス及び酸化ガスの通流を確保することが可能になり、確実な氷点下始動を行うことができる。

以上、説明したように、上記実施形態にかかる燃料電池システム１によれば、燃料電池２０内のガス流路内に過冷却水が残留している場合には、ガス流路を積極的に冷却して過冷却水を凍結させるようにしているので、始動時に燃料電池２に供給される燃料ガスや酸化ガスによって過冷却水が狭隘なガス流路に達して凍結してしまうといった不具合の発生が抑制される。したがって、氷点下始動時における反応ガスの通流を確保し、より確実な氷点下始動を実現することができる。

また、図２のステップＳ０４の判定を行なうことなく、測温部の温度のみをもって過冷却水の有無を判定することも可能ではあるが、始動時における測温部の温度のみでは、元々ガス流路内に水が残存していない場合も過冷却水が存在しているものと誤判定してしまう場合があり、かかる場合には、燃料電池２０に冷却水を循環させる必要がないにもかかわらず、図２のステップＳ０５，Ｓ０６を実施してしまう。

そうすると、氷点下始動時に燃料電池２０を不必要に冷却することになり、氷点下始動時における始動性の悪化を招いてしまう。
しかしながら、本実施形態では、図２のステップＳ０４の判定を行ない、ガス流路内に過冷却水が存在していると判定した場合にのみ冷却水を循環させているので、始動時に燃料電池２０を不必要に冷却することがなく、氷点下始動時における始動性の悪化が効果的に抑制されている。

なお、上記実施形態では、燃料電池２０のガス流路内での過冷却水の有無による起動制御を説明したが、水素ポンプＨ５０などの各種補機や気液分離器Ｈ４２、排水弁Ｈ４１などの各種弁等における狭隘なガス流路での凍結を抑制する場合にも、本発明を適用することができる。

１…燃料電池システム、５…制御部（判定部）、２０…燃料電池、７３…冷却路（刺激付与部、冷媒給排部）、Ｃ１…ポンプ（刺激付与部、冷媒給排部）、Ｃ２…ラジエータ（刺激付与部、冷媒給排部）、Ｃ１３…冷却ファン（刺激付与部、冷媒給排部）、Ｘ…不連続部分。

Claims (6)

1. 燃料電池に反応ガスを供給し、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内のガス流路に存在する流体に刺激を与える刺激付与部と、
   前記ガス流路内における過冷却水の有無を判定する判定部と、を備え、
   システム始動時に前記ガス流路内に過冷却水が存在すると判定された場合に、前記刺激付与部によって前記過冷却水に刺激が付与され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、
   前記刺激付与部は、前記燃料電池に冷媒を給排する冷媒給排部からなり、
   前記燃料電池に冷媒が供給されることによって、前記ガス流路内の過冷却水が冷却されて当該過冷却水に刺激が付与される燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記判定部は、システム停止後の前記ガス流路内の氷点下での温度変化に不連続部分を検出した際に、前記ガス流路内に存在する過冷却水が凍結したと判定する燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記不連続部分は、単位時間あたりの温度変化がそれまでと比較して小さくなる部分である燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記不連続部分は、一時的に温度が上昇する部分である燃料電池システム。
6. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記不連続部分は、一時的に温度変化が生じない部分である燃料電池システム。

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