JP2016028372A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】パージ弁に残留する水分量を低減できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池１００と、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路２２０と、アノードオフガス流路２２０に設けられるパージ弁２３０と、を含む燃料電池システムにおいて、燃料電池１００の発電運転中に不純物量に基づいてパージ弁２３０を開弁させる運転中パージ処理を実行するとともに、燃料電池１００が発電運転を停止するときには、パージ弁２３０に溜まった水を除去するために、所定時間パージ弁２３０を開く停止パージ処理を実行するパージ制御部を含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１は、アノードオフガスをタンクに溜めるとともに、適宜、バルブを開いて水分をパージするシステムを開示する。

特開２００８−４３２０号公報

ところで、車両がたとえば冬季に一晩放置されると、バルブで水分が凍結する可能性がある。このような状態で起動指令がなされると、十分な起動パージを実行できず、起動時間が長くなることがある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、パージ弁に残留する水分量を低減できる燃料電池システムを提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路と、前記アノードオフガス流路に設けられるパージ弁と、を含む燃料電池システムである。そして、前記燃料電池の発電運転中に不純物量に基づいて前記パージ弁を開弁させる運転中パージ処理を実行するとともに、燃料電池が発電運転を停止するときには、前記パージ弁に溜まった水を除去するために、所定時間パージ弁を開く停止パージ処理を実行するパージ制御部を含む。

この態様によれば、燃料電池が発電運転を停止するときには、発電運転中とは異なり、パージ弁に溜まった水を除去するために所定時間パージ弁を開く停止パージ処理を実行するので、パージ弁に残留する水分量を低減でき、たとえば冬季に一晩放置されるような状況であっても、起動パージの性能の低下を抑制できる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す図である。 図２は、パージ弁の構造を示す図である。 図３は、停止処理の全体の流れを示すフローチャートである。 図４は、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)の制御フローチャートである。 図５は、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)がなされたときの動作を示すタイムチャートである。 図６は、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)において、パージ弁が２回開閉する場合を示すタイムチャートである。

図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態の概要を示す図である。

本実施形態の燃料電池システム１は、アノードデッドエンドタイプの燃料電池システムである。燃料電池システム１の燃料電池スタック１００は、所定数(たとえば数百枚)の単セルを含む。単セルは、積層されて前後から一対のエンドプレート１１０で挟持される。

燃料電池スタック１００には、アノードガス流路２１０と、アノードオフガス流路２２０と、カソードガス流路３１０と、カソードオフガス流路３２０と、冷却水流路４００と、が接続される。

アノードガス流路２１０には、水素タンク２１１及びアノード調圧弁２１２が含まれる。水素タンク２１１は、アノードガスＨ₂を高圧状態で貯蔵する高圧ガスタンクである。水素タンク２１１は、アノードガス流路２１０の最上流に設けられる。アノード調圧弁２１２は、水素タンク２１１の下流に設けられる。アノード調圧弁２１２は、水素タンク２１１から供給されるアノードガスＨ₂の圧力を調整する。アノードガスＨ₂の圧力は、アノード調圧弁２１２の開度によって調整される。なおアノード調圧弁２１２の上流側の圧力及び下流側の圧力は、圧力センサーで検出される。また水素タンク２１１とアノード調圧弁２１２との間には、主止弁及び遮断弁も設けられる。これらは通常設けられるものであり、説明は省略される。

アノードオフガス流路２２０は、本実施形態では２系統設けられる。一方のアノードオフガス流路２２０は、一方のエンドプレート１１０に接続される。他方のアノードオフガス流路２２０は、他方のエンドプレート１１０に接続される。各アノードオフガス流路２２０には、それぞれパージ弁２３０が設けられる。パージ弁２３０は、通常は閉弁しており、パージタイミングで開弁する(運転中パージ処理)。パージ弁２３０よりも上流のアノードオフガス流路２２０を結ぶ流路にバッファータンク２４０が設けられる。バッファータンク２４０は、燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスを蓄える。

カソードガス流路３１０には、カソードコンプレッサー３１１が含まれる。カソードコンプレッサー３１１は、カソードガス(空気)を供給する。

カソードオフガス流路３２０には、カソード調圧弁３２１が含まれる。カソード調圧弁３２１は、カソードガス(空気)の圧力を調整する。カソードオフガス流路３２０は、アノードオフガス流路２２０と合流して大気に開放される。このように構成することで、アノードオフガスは、カソードオフガス(空気)で希釈されて、大気に放出される。

発明者らは、燃料ガス(アノードガスＨ₂)の良好な消費効率を図るために、アノードデッドエンドタイプの燃料電池システムを開発している。アノードデッドエンドタイプの燃料電池システムでは、通常は、パージ弁２３０が閉弁されている。この状態で、アノード調圧弁２１２が開閉を繰り返すことで、燃料ガス(アノードガスＨ₂)が脈動供給される。反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)は、燃料電池スタックの膜電極接合体(ＭＥＡ)のカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において、負荷に応じて以下ように反応する。この結果、燃料電池スタックが発電する。

アノード調圧弁２１２が閉弁されている状態で、この反応が進行すると、アノードガスが消費されてアノード圧力が低下する。そこで再度アノード調圧弁２１２が開弁されて燃料ガスが供給される。このような繰り返しによって、燃料ガスが効率よく消費される。

なおカソード電極触媒層で生成された水分Ｈ₂Ｏは、電解質膜を透過してアノード電極触媒層に漏れることがある。また燃料電池スタックのカソード流路を流れる空気の一部(特に窒素Ｎ₂)が電解質膜を透過してアノード流路に漏れることがある。このためアノードオフガスには、未反応の水素Ｈ₂、水分Ｈ₂Ｏ、窒素Ｎ₂などが含まれる。この場合、空気中の窒素Ｎ₂は、反応することなく、バッファータンク２４０に溜まる。このような窒素Ｎ₂が、燃料電池スタックのアノード流路に逆流しては、水素分圧が下がってしまって、発電反応が阻害される。そこで、窒素Ｎ₂、水分Ｈ₂Ｏなどを適宜除去するために、パージ弁２３０が開かれる。例えば、燃料電池の不純物量(窒素Ｎ₂、水分Ｈ₂Ｏ)を、発電電力や温度に基づいて演算し、演算した不純物量に基づいて、燃料電池内の不純物濃度を所定の目標濃度とするようにパージ弁の開弁制御を実施する。これによって、窒素Ｎ₂、水分Ｈ₂Ｏなどがパージされる(運転中パージ処理)。

このとき、水分Ｈ₂Ｏがパージ弁２３０に残存して、低温環境下で、この水分が凍結して、パージ処理が阻害されるおそれがある。そこで、水分が残留しにくくなるように、パージ弁２３０は、以下のような構造になっている。

図２は、パージ弁の構造を示す図である。

パージ弁２３０は、ハウジング２３と、弁体２３５と、を含む。ハウジング２３には、入口流路２３１と、出口流路２３２と、中間流路２３３と、が形成される。入口流路２３１は、ハウジング２３の下方に形成される。入口流路２３１には、アノードオフガス流路２２１が接続される。出口流路２３２は、ハウジング２３の上方に形成される。出口流路２３２には、アノードオフガス流路２２２が接続される。中間流路２３３は、入口流路２３１と出口流路２３２とを結んで形成される。中間流路２３３と出口流路２３２との境に、座面２３４がある。弁体２３５が上昇して座面２３４から離れると、中間流路２３３と出口流路２３２とが連通し、アノードオフガスが、入口流路２３１→中間流路２３３→出口流路２３２と流れて、アノードオフガス流路２２２に排出される。このように弁体２３５と座面２３４との当接部分が、重力方向上方に設けられているので、弁体２３５と座面２３４との当接部分に水分が残留しにくい。したがって、低温環境下でも、パージ弁２３０の動作が阻害されにくい。なお中間流路２３３は、入口流路２３１や出口流路２３２に比べて細径である。このようにすれば、中間流路２３３を流れるアノードオフガスの流速が十分に速くなり、水分が重力に逆らって中間流路２３３を上昇させることができるようになる。

しかしながら、中間流路２３３が細径であれば、流路面に水分が付着して残留する可能性がある。この水分が凍結した状態で、次回起動されると、十分な起動パージを実行できず、起動時間が長くなることがある。

そこで、発明者らは、停止パージ処理を実行することで、水分が残留しにくくなるようにした。

図３は、停止処理の全体の流れを示すフローチャートである。

イグニッションオフ(ＩＧＮ−ＯＦＦ)の操作がなされると、図３の処理(パワープラント停止処理)が開始される。まず、アノードガスの圧力の早期低減が実行され(ステップＳ１)、弁診断準備が完了したら、診断要否が判定される(ステップＳ２)。高圧圧力が所定値以上であれば、遮断弁診断がなされる(ステップＳ３)。所定時間が経過し、アノード入口圧力が所定値以下であればアノード調圧弁が閉弁される(ステップＳ５)。所定時間経過後に、主止弁診断がなされる(ステップＳ６)。所定時間経過時に高圧圧力が所定値以上であれば、ＦＡＩＬ処理される。高圧圧力が所定値以下であれば、パージ弁水抜き操作が準備される(ステップＳ７)。空気流量、圧力、水抜き操作圧力条件が成立するまで待機し(ステップＳ８)、成立したら、パージ弁水抜き操作がなされる(ステップＳ９)。なおこのパージ弁水抜き操作が停止パージ処理であり、詳細な内容は後述される。パージ弁水抜きが終了したら、停止ＶＬＣ(Voltage Limit Control)がなされる。これについて詳述すると、まず停止ＶＬＣ準備がなされる(ステップＳ１０)。停止ＶＬＣ準備が完了したら、停止ＶＬＣ時電荷消費量積算値に基づくＶＬＣ終了判定が開始される(ステップＳ１１)。発熱が停止し、停止ＶＬＣ終了判定が完了又はスタック総電圧が所定電圧以下になったら(ステップＳ１２)、スタック電流が停止され(ステップＳ１３)、水素系バルブが遮断される(ステップＳ１４)。以上のステップＳ１０〜ステップＳ１４が停止ＶＬＣである。そして、所定時間経過後、かつ空気コンプレッサーの回転数が停止し、かつスタック電流取り出しが停止し、かつＰＭ(Power Manager)動作モード切替準備が完了したら、空気調圧弁(カソード調圧弁)の全開／全閉位置の学習が開始されて、ＰＭモード切替がなされる(ステップＳ１５)。ＰＭのモード切替が完了し、かつ「ＰＭスタック端電圧≧スタック総電圧＋α」でスタックＪＢが遮断される(ステップＳ１６)。所定時間経過、かつスタック冷却ポンプ回転数が停止したら、ポンプリレーが遮断される(ステップＳ１７)。空気バイパス弁初期化完了、かつ空気調圧弁学習制御完了後に、パワープラント停止処理が終了し、強電システム停止シーケンスに処理が移行される。

図４は、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)の制御フローチャートである。

ふたつのパージ弁が閉弁され閉弁時間タイマーがスタートされる(ステップＳ９０１)。閉弁時間が所定時間よりも小さい間は待機される(ステップＳ９０２)。所定時間以上になったら一方のパージ弁が開弁され開弁時間タイマーがスタートされる(ステップＳ９０３)。開弁時間が所定時間Ａよりも小さい間は待機される(ステップＳ９０４)。なおこの所定時間Ａは、運転中パージ処理における開弁時間よりも短い時間である。運転中パージ処理における開弁時間は、数秒であるが、停止パージ処理の全体にかかる時間は、数秒もかからない。そしてその停止パージ処理にかかる時間の一部の時間が所定時間Ａであるから、所定時間Ａは、運転中パージ処理における開弁時間に比べて大幅に短い。所定時間Ａ以上になったら一方のパージ弁が閉弁され閉弁時間タイマーがスタートされる(ステップＳ９０５)。閉弁時間が所定時間Ｂよりも小さい間は待機される(ステップＳ９０６)。所定時間Ｂ以上になったら開閉回数がインクリメントされる(ステップＳ９０７)。開閉回数が所定回数よりも小さい間はステップＳ９０３〜ステップＳ９０８が繰り返される。開閉回数が所定回数以上になったら他方のパージ弁が開弁され開弁時間タイマーがスタートされる(ステップＳ９０９)。開弁時間が所定時間Ａよりも小さい間は待機される(ステップＳ９１０)。所定時間Ａ以上になったら他方のパージ弁が閉弁され閉弁時間タイマーがスタートされる(ステップＳ９１１)。閉弁時間が所定時間Ｂよりも小さい間は待機される(ステップＳ９１２)。所定時間Ｂ以上になったら開閉回数がインクリメントされる(ステップＳ９１３)。開閉回数が所定回数よりも小さい間はステップＳ９０９〜ステップＳ９１４が繰り返される。以上で、パージ弁水抜き操作が終了される。終了した時点で、ふたつのパージ弁がともに閉弁している。

図５は、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)がなされたときの動作を示すタイムチャートである。

図４の制御フローチャートが実行されると、一方のパージ弁の所定時間Ａの開弁と所定時間Ｂの開弁とが所定回数継続された後に、他方のパージ弁の開弁閉弁が所定回数継続される。

図６は、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)において、パージ弁が２回開閉する場合を示すタイムチャートである。

図４の制御フローチャートが実行される前は、アノード圧力は弁診断用の圧力に設定されている。弁診断が終了後に水抜き操作用の圧力に設定されてから(図３のステップＳ８)、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)がなされる。そして、一方のパージ弁の所定時間Ａの開弁と所定時間Ｂの開弁とが２回実行された後に、他方のパージ弁の開弁閉弁が２回実行される。その後は、アノード圧力が停止ＶＬＣ用の圧力に設定されて、停止ＶＬＣが処理される。

通常運転中は、燃料電池スタックが発熱しており、上述の発電反応の結果、水分が排出される。この水分や窒素がバッファータンクに溜まるので、適宜、運転中パージ処理がなされる。しかしながら、たとえば、冬季に、パージ弁に水分が残存した状態で車両が一晩放置されると、水分が凍結する可能性がある。このような状態で、起動指令がなされると、十分な起動パージを実行できず、起動時間が長くなることがある。これに対して、本実施形態では、車両の停止指令があったら、パージ弁水抜き操作処理(停止パージ処理)を実行するようにした。具体的には、運転中パージよりも短い時間パージ弁を開いて、停止パージ処理を実行する。パージ処理を実行すると、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素も排出されるが、本実施形態のように短時間だけのパージにとどめれば、無用に水素を捨てることなく、水分を除去できる。特に、発明者らによれば、水分は、パージ弁が開弁した直後に移動しやすい、ということが知見された。液水は、一旦流線形に変形してしまうと、流体抵抗(空気抵抗)が小さくなって、周りに水素や窒素などを含んだアノードオフガス(パージガス)が流れても力を受けにくくなる。したがって、パージ弁が開弁した直後であって、流線形に変形する前が移動しやすい。したがって、短時間だけのパージであっても、十分な排水性能を確保できるのである。

また本実施形態のパージ弁は、入口流路がハウジングの下方に形成され、出口流路がハウジングの上方に形成され、中間流路が、入口流路と出口流路とを結ぶように形成される。中間流路と出口流路との境の座面に当接又は離間して、中間流路と出口流路とを遮断又は連通させる弁体が含まれる。そして中間流路は、入口流路及び出口流路よりも細径である。このような構造のパージ弁では、中間流路の流路面に水分が付着して残留する可能性がある。この水分が凍結した状態では、次回起動時に、十分な起動パージを実行できず、起動時間が長くなることがある。これに対して、本実施形態のように停止パージ処理を実行することで、水分の残留を低減できるのである。

また本実施形態では、停止パージ処理を複数回実行するときには、パージ弁を全閉させた後にパージ弁を開いて次の停止パージ処理を開始させるようにした。上述のように、液水は、一旦流線形に変形してしまうと、流体抵抗(空気抵抗)が小さくなって、周りに水素や窒素などを含んだアノードオフガス(パージガス)が流れても力を受けにくくなる。これに対して本実施形態のように、パージ弁を一旦全閉させると、流線形の変形が解かれて、流体抵抗(空気抵抗)が回復する。そして再度、パージ弁を開いて次の停止パージ処理を開始することで、排水性能を向上できるのである。なお閉弁時間(すなわち図５，図６の所定時間Ｂ)が長すぎれば、せっかく上昇させた水分が下降する可能性がある。したがって、所定時間Ｂは、このような点が考慮されて適宜設定される。

また本実施形態では、一方のパージ弁の開弁閉弁が所定回数実行された後に、他方のパージ弁の開弁閉弁が所定回数実行される。このようにすることで、２つのパージ弁の開状態がオーバーラップすることがなく、アノードオフガスのパージ流量を無用に増やしてしまうことが防止される。

また本実施形態では、停止パージ処理を実行するときには、燃料ガスの供給圧力が、停止パージ処理に適した圧力にされる。すなわち、図６に示されているように、圧力が上げられる。このようにすることで、開弁時間Ａが短時間であっても、良好な排水性能を確保できるのである。

なお停止パージ処理がなされる前は、所定の圧力で、供給圧力調整弁の診断がなされる。このような圧力は、排水を目的としたパージには必ずしも向いているとは言えない。これに対して、本実施形態では、停止パージ処理を実行するときには、燃料ガスの供給圧力が、停止パージ処理に適した圧力上げられるので、良好な排水性能を確保できるのである。

また本実施形態では、短時間パージを停止処理にのみ実行するので、無用に多くのパージを実行することがない。したがって、パージ弁の耐久性に悪影響を与えることがない。また凍結の可能性がある冬季にのみ実行すれば、さらに無用な停止パージ処理を回避できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

たとえば、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１００ 燃料電池スタック(燃料電池)
２２０ アノードオフガス流路
２３０ パージ弁
２３ ハウジング
２３１ 入口流路
２３２ 出口流路
２３３ 中間流路
２３４ 座面
２３５ 弁体
ステップＳ９ パージ制御部

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路と、
   前記アノードオフガス流路に設けられるパージ弁と、
   を含む燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電運転中に不純物量に基づいて前記パージ弁を開弁させる運転中パージ処理を実行するとともに、燃料電池が発電運転を停止するときには、前記パージ弁に溜まった水を除去するために、所定時間パージ弁を開く停止パージ処理を実行するパージ制御部を含む、
   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において、
   前記パージ弁は、
   ハウジングの下方に形成される入口流路と、
   ハウジングの上方に形成される出口流路と、
   前記入口流路と前記出口流路とを結び、入口流路及び出口流路よりも細径の中間流路と、
   中間流路と出口流路との境の座面に当接又は離間して、中間流路と出口流路とを遮断又は連通させる弁体と、を含む、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記パージ制御部は、燃料電池が発電運転を停止するときに、停止パージ処理を複数回実行するときには、前記パージ弁を全閉させた後にパージ弁を開いて次の停止パージ処理を開始させる、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記アノードオフガス流路は、２系統あり、
   前記パージ弁は、各系統のアノードオフガス流路にそれぞれ設けられ、
   前記パージ制御部は、一方のパージ弁による停止パージ処理を完了させてから、他方のパージ弁による停止パージ処理を開始する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   停止パージ処理を実行するときには、燃料ガスの供給圧力を、停止パージ処理に適した圧力にする、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料電池が発電運転の停止が指令されたときには、燃料ガスの供給圧力を、燃料ガスの供給圧力調整弁の診断に適した圧力にして、燃料ガスの供給圧力調整弁を診断した後、停止パージ処理を実行する、
   燃料電池システム。

Images