JP2015201406A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給し、燃料電池から排ガスを排出させるガス給排部と、燃料電池に対する反応ガスの入口圧力と排ガスの出口圧力との差圧を検出する差圧検出部と、入口圧力を調整する入口圧力調整部と、出口圧力を調整する出口圧力調整部と、差圧検出部により検出された差圧が、燃料電池に対する指示発電量に対応して設定された所定の閾値を超えた場合に、入口圧力調整部および出口圧力調整部の少なくともいずれか一方を制御して、差圧を間欠的に増加させる圧力制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池には、各電極に反応ガスを供給するための、ガス流路が設けられている。燃料電池において発電の際に生成された水や加湿された反応ガスに含まれる水が、液体の水（以下、「液水」とも称する）としてガス流路に滞留すると、反応ガスの供給が妨げられ、発電性能が低下するおそれがある。そこで、ガス流路内に滞留する液水（以下、「滞留水」とも称する）を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２０１０−０８０２８７号公報 特開２００８−０１０３４７号公報 特開２００５−１１６２６９号公報

特許文献１では、燃料電池スタックの圧力損失を、一定の判定値とを比較することによりガス流路内の液水の滞留を判定している。しかしながら、特許文献１の判定方法では、燃料電池スタックの発電に応じたガス流路内の液水の滞留を適切に判定できない可能性があった。そこで、ガス流路内の液水の滞留を適切に判定可能な技術が望まれていた。そのほか、従来の燃料電池システムにおいては、低コスト化、省資源化、製造の容易化、性能の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に反応ガスを供給し、燃料電池から排ガスを排出させるガス給排部と、燃料電池に対する反応ガスの入口圧力と排ガスの出口圧力との差圧を検出する差圧検出部と、入口圧力を調整する入口圧力調整部と、出口圧力を調整する出口圧力調整部と、差圧検出部により検出された差圧が、燃料電池に対する指示発電量に対応して設定された所定の閾値を超えた場合に、入口圧力調整部および出口圧力調整部の少なくともいずれか一方を制御して、差圧を間欠的に増加させる圧力制御部と、を備えてよい。

燃料電池に対する反応ガスの入口側圧力と出口側圧力との差圧は、燃料電池に対する指示発電量に応じて変化する。燃料電池内部に形成されている反応ガス流路内に液水が滞留した場合に、差圧は増加するため、差圧を監視することにより反応ガス流路内の液水の滞留を判別することができる。この燃料電池システムによれば、燃料電池に対する反応ガスの入口側圧力と出口側圧力との差圧を間欠的に増加させることにより、燃料電池内の反応ガス流路内の滞留水を排出することができる。この燃料電池システムでは、上記差圧が燃料電池に対する指示発電量に対応して設定された所定の閾値を超えた場合に、差圧を増加させているため、所定の閾値を、反応ガス流路内に液水が滞留した場合の差圧値相当に設定することにより、燃料電池に対する指示発電量に応じて適切に滞留水を排出させることができる。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの制御方法、それらのシステムや車両、制御方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 制御部に記憶されているＭＡＰを示す説明図である。 本実施形態の燃料電池システムにおいて実行されるアノード圧力脈動運転の開始判定の流れを示すフローチャートである。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は、車両に搭載されている。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０と、燃料ガスとしての水素を給排する水素給排系３０と、酸化剤ガスとしての空気を給排する空気給排系４０と、燃料電池スタック２０を冷却する冷却系５０と、燃料電池システム１００を制御する制御部６０と、を主に備える。

燃料電池スタック２０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池であり、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池スタック２０は、単セル（図示しない）を、セパレータ（図示しない）を介在させて複数積層して成るスタック構造を成し、その積層数は、燃料電池スタック２０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

水素給排系３０では、高圧水素が貯蔵された水素タンク３１から水素が放出され、インジェクタ３２によって流量が制御され、配管３３を介して、燃料電池スタック２０のアノードに水素が供給される。アノード排ガスは、配管３４に導入され、図示せざる気液分離器において水分が分離された後、配管３７を介して配管３３へ戻される。気液分離器によって分離されたアノード排ガス中の水分は、配管３５を介して大気中に排出される。配管３５上には、シャット弁３９が設けられており、アノード排ガス中の水分は、シャット弁３９が開弁された際に排出される。配管３３上には圧力計３６ｉｎが設けられており、配管３３を流通する水素の圧力、換言すると、燃料電池スタック２０に対する水素の入口圧力を計測する。配管３４上には圧力計３６ｏｕｔが設けられており、配管３４を流通するアノード排ガスの圧力、換言すると、燃料電池スタック２０に対するアノード排ガスの出口圧力を計測する。配管３７上には、水素ポンプ３８が設けられており、上記したアノード排ガス中の水素の循環流量を調整する。

空気給排系４０では、エアコンプレッサ４４によって圧縮された圧縮空気が、配管４１を介して、燃料電池スタック２０のカソードに供給される。カソード排ガスは配管４２を介して、大気中に放出される。配管４１上には、エアコンプレッサ４４の上流側にエアフロメータ４３が設けられており、エアコンプレッサ４４が取り込む外気の量を計測している。エアコンプレッサ４４による空気の供給量は、エアフロメータ４３による計測値に基づいて制御されている。配管４２上には、圧力計４５と調圧弁４６とが設けられており、圧力計４５によるカソード排ガスの圧力計測値に基づいて、調圧弁４６の開度が調整される。

冷却系５０は、配管５１と、温度センサ５２と、冷媒ポンプ５３と、ラジエータ５４と、を主に備える。冷媒は、冷媒ポンプ５３によって、配管５１を流れ、燃料電池スタック２０内を循環して燃料電池スタック２０を冷却した後、ラジエータ５４によって冷却され、再度、燃料電池スタック２０に供給される。冷媒ポンプ５３の循環流量は、温度センサ５２による冷媒温度の計測値に基づいて制御され、これにより、燃料電池スタック２０の運転温度が調整される。

制御部６０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部６０は、外部負荷８４からの出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、上述の燃料電池システム１００の各構成部およびＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：パワーコントロールユニット）８２を制御し、燃料電池スタック２０に発電させる。

また、制御部６０は、後に詳述するように、燃料電池スタック２０に対する水素の入口圧力とアノード排ガスの出口圧力との差圧が所定の閾値を超えた場合には、燃料電池スタック２０を構成する単セルに形成された水素流路（以下、「内部流路」とも称する）内に滞留する液水を排出させるためのアノード圧力脈動運転を実行する。制御部６０は、このアノード圧力脈動運転の開始判断に用いられるＭＡＰ７２を予め記憶している。

図２は、制御部に記憶されているＭＡＰを示す説明図である。図２に示すＭＡＰは、燃料電池スタック２０のアノード側内部流路に液水を滞留させた状態で、燃料電池スタック２０に発電させた場合の指示電流とアノード側差圧との関係を示している。後述するように、本実施形態の燃料電池システム１００では、アノード側の差圧がＭＡＰ７２で規定されるＴＰを超えると、アノード圧力脈動運転が開始される。

Ａ−２．アノード圧力脈動運転の開始判定：
図３は、本実施形態の燃料電池システムにおいて実行されるアノード圧力脈動運転の開始判定の流れを示すフローチャートである。図３に示す処理は、外部負荷８４の要求に応じた発電を燃料電池スタック２０にさせる通常運転を、燃料電池システム１００が行っている間、繰り返し実行される。

まず、制御部６０は、外部負荷８４の要求に応じて燃料電池スタック２０に出力を指示する指示電流Ｉを取得する（ステップＳ２２）。制御部６０は、燃料電池スタック２０についてのＷ−Ｉ特性を予め記憶しており、通常運転時、Ｗ−Ｉ特性を用いて、外部負荷８４が要求する電力Ｐｔに対応する指示電流Ｉを取得するため、取得された指示電流Ｉを利用すればよい。

続いて、制御部６０は、圧力計３６ｉｎ、圧力計３６ｏｕｔから燃料電池スタック２０に対する水素の入口圧力Ｐ１と、アノード排ガスの出口圧力Ｐ２とを取得し（ステップＳ２２）、差圧ΔＰ１（ΔＰ１＝Ｐ１−Ｐ２）を算出する（ステップＳ２６）。制御部６０は、ＭＡＰ６２を参照し、ステップ２２にて取得した指示電流Ｉに対応する閾値ＴＰを導出し、差圧ΔＰ１＞閾値ＴＰか否かを判定する（ステップＳ２８）。制御部６０は、ステップＳ２８において、差圧ΔＰ１が閾値ＴＰを超えたと判定すると、アノード圧力脈動運転を実施する（ステップＳ３０）。アノード脈動制御は、通常運転時に、差圧ΔＰ１が閾値ＴＰを超えたと判定された場合に、通常運転に代えて行われる。

アノード圧力脈動運転とは、燃料電池スタック２０に対する水素の入口圧力とアノード排ガスの出口圧力との差圧を間欠的に増加させる運転制御である。具体的には、制御部６０は、シャット弁３９を閉弁させ（シャット弁３９が閉弁されている場合はそのまま）、インジェクタ３２の噴射圧力を上昇させる。その後、シャット弁３９を開弁すると、アノード排ガスの出口圧力が低下して、差圧が大きくなる。水素の入口圧力とアノード排ガスの出口圧力との差圧が増加されると、その差圧により、単セルのアノード側の内部流路に滞留した液水を排出することができる。シャット弁３９閉、インジェクタ３２の噴射圧力の上昇、シャット弁３９開を１セットとして、複数回繰り返すことにより、水素の入口圧力とアノード排ガスの出口圧力との差圧を間欠的に増加させることができる。繰り返しの回数、インジェクタ３２の噴射圧力、およびシャット弁３９の開度は、燃料電池システム１００の構成、運転状況等に応じて適宜設定することができる。差圧の増加を間欠的に繰り返し行うことにより、良好に内部流路内の滞留水を排出することができる。制御部６０は、差圧の増加制御を所定の回数行うと、アノード圧力脈動運転を終了し、ステップＳ２２に戻る。すなわち、通常の運転制御に戻る。ステップＳ２８において、差圧ΔＰ１が閾値ＴＰを超えたと判定されなかった場合は、アノード圧力脈動運転を実施せず、ステップＳ２２に戻る。

Ａ−３．実施形態の効果：
本実施形態の燃料電池システム１００によれば、アノード圧力脈動運転の開始判断を、指示電流Ｉに応じた閾値ＴＰに基づいて行っている。すなわち、指示電流Ｉに応じて、異なる閾値を用いている。単セルの内部流路内に液水が滞留する場合、燃料電池スタック２０に対する水素の入口圧力とアノード排ガスの出口圧力との差圧が、内部流路内に液水が滞留していない場合に対して大きくなる。この差圧は、燃料電池スタック２０に対する出力指示電流によって異なる。したがって、指示電流Ｉに応じた閾値ＴＰに基づいて、アノード内部流路内の液水の滞留を判定することにより、適切なタイミングで、アノード圧力脈動運転を開始することができ、より効果的に内部流路内の滞留水を排出させることができる。

Ｂ．変形例：
本発明は、先述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、先述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、次のような変形も可能である。

Ｂ−１．変形例１：
上記実施形態において、指示電流Ｉに対応した閾値ＴＰを用いたがこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック２０に供給する水素の流量（指示流量）に対応した閾値を用いてもよい。燃料電池スタック２０に対する水素の入口圧力と、アノード排ガスの出口圧力との差圧は、水素の指示流量に応じて異なるため、このようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

Ｂ−２．変形例２：
アノード圧力脈動運転は、上記実施形態に限定されない。例えば、制御部６０は、差圧を調整する方法として、シャット弁３９の開閉、シャット弁３９の開度の調整のみを行ってもよいし、水素ポンプ３８による循環流量のみを増加してもよい。また、インジェクタ３２の噴射圧力の増加、シャット弁３９の開閉、シャット弁３９の開度の調整、水素ポンプ３８による循環流量を適宜組み合わせて行ってもよい。

Ｂ−３．変形例３：
上記実施形態において、アノード側の内部流路内の滞留水を排出する運転制御を例示したが、カソード側について同様の運転制御を行ってもよいし、アノード側、カソード側両方について同様の運転制御を行ってもよい。

２０…燃料電池スタック
３０…水素給排系
３１…水素タンク
３２…インジェクタ
３３…配管
３４…配管
３５…配管
３６ｉｎ…圧力計
３６ｏｕｔ…圧力計
３７…配管
３８…水素ポンプ
３９…シャット弁
４０…空気給排系
４１…配管
４２…配管
４３…エアフロメータ
４４…エアコンプレッサ
４５…圧力計
４６…調圧弁
５０…冷却系
５１…配管
５２…温度センサ
５３…冷媒ポンプ
５４…ラジエータ
６０…制御部
８４…外部負荷
１００…燃料電池システム
Ｐ１…入口圧力
ΔＰ１…差圧
Ｐ２…出口圧力
ＴＰ…閾値

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給し、前記燃料電池から排ガスを排出させるガス給排部と、
   前記燃料電池に対する前記反応ガスの入口圧力と前記排ガスの出口圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
   前記入口圧力を調整する入口圧力調整部と、
   前記出口圧力を調整する出口圧力調整部と、
   前記差圧検出部により検出された前記差圧が、前記燃料電池に対する指示発電量に対応して設定された所定の閾値を超えた場合に、前記入口圧力調整部および前記出口圧力調整部の少なくともいずれか一方を制御して、前記差圧を間欠的に増加させる圧力制御部と、
   を備える燃料電池システム。

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