JP2016096047A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素ポンプが停止した場合であっても、水素系に不純物が溜まることを抑制することができる燃料電池システムを提供することを提供すること。【解決手段】この燃料電池システム１００は、燃料電池１の水素極１ａの出口側から排出される水素オフガスを水素極１ａの入口側へ循環させる水素ガス循環流路３に設けられる水素ポンプ４と、水素ガス循環流路３内を流れる水素オフガスを水素ガス循環流路３外へ排出させる排出弁６１と、水素ポンプ４の停止を判定する判定部８１と、排出弁６１の開閉を制御する制御部８０と、を備え、判定部８１によって水素ポンプ４の停止が判定された場合に、制御部８０は、排出弁６１から排出される水素オフガスの排出量を、水素ポンプ４が稼働していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加させるように排出弁６１の開閉を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに適用される燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料ガスとして水素が供給されるアノード極と、空気が供給されるカソード極を備える燃料電池スタックを本体として、アノード極に供給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンクや、未使用の燃料ガスを含む排ガスを元のアノード極に戻すための水素循環機構（水素ポンプ）等が付設されたシステムである。燃料電池スタックでは、水素と空気に含まれる酸素が反応して電力が生成される。

ここで、燃料電池においては反応が進むにつれて、カソード極からカソードガス（空気）中の窒素や反応による生成水などが電解質膜を通りアノード極側へと滲み出してくることが知られている。これにより、アノード極において窒素等（以下、これらを合わせて「不純物」とも呼ぶ）の分圧が上昇して燃料ガス（水素）の濃度が低下し、燃料電池の発電能力が低下してしまう。

そのため、一般的に上記水素循環機構等が付設された燃料電池システムにおいては、アノード極側（以下、「水素系」とも称する。）の排出流路に設けられた排出弁を開弁し、未使用の水素や不純物を含むガスを排出している。例えば、特許文献１には、燃料電池の水素系の圧力と当該水素系内の水素分圧とに基づいて、水素系内の不純物濃度を推定し、当該不純物濃度に応じて排出弁を開いて水素オフガス（アノード極から排出された未使用の水素や不純物を含むガス）を排出することが記載されている。

特開２００５−３２７５９７号公報

ところで、水素系に通常許容される不純物は、上記水素循環機構が稼働していることを前提として定められている。この水素循環機構が例えば凍結等により停止した場合には、水素系の排出流路に不純物が溜まってしまうおそれがあった。不純物が溜まってしまうと、燃料電池から排出されるガスの流れが阻害され、ひいては燃料電池セル面内で発電が不均一となってしまう問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素ポンプが停止した場合であっても、水素系に不純物が溜まることを抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、アノード極及びカソード極にそれぞれ燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記アノード極の出口側から排出される水素オフガスを前記アノード極の入口側へ循環させる水素ガス循環流路に設けられる水素ポンプと、前記水素ガス循環流路内を流れる前記水素オフガスを前記水素ガス循環流路外へ排出させる排出弁と、前記水素ポンプの停止を判定する判定部と、前記排出弁の開閉を制御する制御部と、を備え、前記判定部によって前記水素ポンプの停止が判定された場合に、前記制御部は、前記排出弁による前記水素オフガスの排出量を、前記水素ポンプが稼働していると仮定したときに排出される前記水素オフガスの排出量よりも増加させるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、判定部によって水素ポンプの停止が判定された場合に、制御部は、排出弁による水素オフガスの排出量を、水素ポンプが稼働していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加させるように排出弁の開閉を制御する。水素ポンプが停止した場合には、水素系の排出流路（例えば燃料電池の下流側の配管）に不純物が溜まりやすくなってしまうため、このような状況においては、水素オフガスの排出量を、水素ポンプが稼動していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加させることができる。その結果、不純物が例えば燃料電池の下流側の配管に溜まるのを抑制することができ、ひいては燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、燃料電池の出力値又は燃料電池への要求値に応じて前記排出弁による前記水素オフガスの排出量を増加させるように前記排出弁の開閉を制御することも好ましい。

この好ましい態様では、燃料電池の出力値又は燃料電池への要求値に応じて水素オフガスの排出量を増加させる。燃料電池の出力値又は燃料電池への要求値が増加すると不純物が増加するため、このように水素オフガスの排出量を増加させることで、不純物が燃料電池の下流側の配管に溜まることを抑制することができる。

本発明によれば、水素ポンプが停止した場合であっても、水素系に不純物が溜まることを抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 図１に示す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。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

（燃料電池システム）
まず、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池自動車（以下、単に「車両」とも呼ぶ）などに搭載され、燃料電池（燃料電池スタック）１に対して種々の制御を行うシステムである。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、水素ガス供給流路２ａと、供給弁２１と、圧力計２２と、酸化ガス供給流路２ｂと、水素ガス循環流路３と、水素ポンプ４と、排出流路６と、排出弁６１と、流量計６２と、検出装置７０と、制御部８０と、判定部８１と、電流ケーブル５１と、電流センサ５２とを備える。

燃料電池１は、電解質膜１ｃの両面に、ガスが拡散可能な多孔質膜等の構造を有する電極を成膜した単セルを、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜１ｃ面にアノード極（水素極）１ａとカソード極（酸素極）１ｂとが形成された単セルの構造のみを示している。図示のように、水素極１ａには水素ガス供給流路２ａより水素（燃料ガス）が供給され、酸素極１ｂには酸化ガス供給流路２ｂより空気（酸化ガス）が供給される。このように燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて燃料電池１は発電し、電力が生成される。なお、燃料電池１の発電電圧は、電流ケーブル５１を通り、例えば車両駆動用のモータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータや、車両に搭載される種々の補機や、この補機への給電用の二次電池であるバッテリー（これら全てを含めて、「負荷５３」として示している）に出力される。

水素ガス供給流路２ａは、上記した燃料電池１の水素極１ａの入口側に水素を供給する流路である。酸化ガス供給流路２ｂは、酸素極１ｂの入口側に空気を供給する流路である。

水素ガス循環流路３は、水素極１ａの出口側から入口側へ水素ガスを循環させる流路である。水素ガス循環流路３には、水素ポンプ４が配設されている。また水素ガス循環流路３には、排出流路６が接続され、水素ガス循環流路３の内部を流れる不純物等を含むガスを排出流路６から水素ガス循環流路３の外部に排出することが可能となっている。

水素ポンプ４は、水素極１ａの出口側から排出されて水素ガス循環流路３の内部を流れる不純物等を含むガスを、水素極１ａの入口側に圧送する装置である。換言すれば、水素ポンプ４は、水素循環流路３の内部を流れる不純物等を含むガスを水素極１ａの出口側から入口側へ循環させるための装置である。なお、水素ポンプ４としては、水素ガス循環流路３内のガスを循環させる機能を有する装置であれば良く、ポンプの方式等は様々なものを選択することが可能である。

排出流路６は、水素ガス循環流路３と連通し、水素ガス循環流路３内を流れる不純物等を含むガスを水素ガス循環流路３外へ排出するための流路である。排出流路６には、排出弁６１と、流量計６２とが配設されている。排出弁６１と流量計６２の詳細については後述するが、流量計６２を設けない構成とすることも可能である。

ここで、燃料電池システム１００を構成する各種センサ、弁について説明する。図１に示すように、上記水素ガス供給流路２ａには、供給弁２１と、圧力計２２とが配設されている。

供給弁２１は、水素極１ａに供給する水素の流量（水素量）を調節する弁である。供給弁２１は、制御部８０からの制御信号Ｓ１により制御され、その開度量が調節される。

圧力計２２は、水素ガス供給流路２ａ内の圧力、すなわち燃料電池１のアノード極１ａの圧力を検出する装置である。つまり、圧力計２２は、燃料電池のアノード極側（水素系）の圧力を取得する機能を有する。圧力計２２が検出した圧力に対応する信号Ｓ２は、制御部８０に出力される。

燃料電池１には電流ケーブル５１が接続され、当該電流ケーブル５１には、電流センサ５２が設けられている。電流センサ５２は、燃料電池１が発電した電流値を検出するセンサである。電流センサ５２が検出した電流値に相当する信号Ｓ５は、制御部８０に出力される。この電流センサ５２の出力信号Ｓ５は、燃料電池１の発電量に対応する。本実施形態では、後述する制御部８０は、燃料電池１の電流値に応じて排出弁６１による水素オフガスの排出量（排気頻度）が増加するように、排出弁６１の開閉を制御する。

なお、上記電流センサ５２が検出した電流値に基づき燃料電池１の出力値を制御部８０が算出し、当該制御部８０は、燃料電池１の出力値に応じて排出弁６１による水素オフガスの排出量（排気頻度）が増加するように排出弁６１の開閉を制御しても良い。また、制御部８０は、燃料電池１への要求値に応じて排出弁６１による水素オフガスの排出量（排気頻度）が増加するように排出弁６１の開閉を制御しても良い。また、制御部８０は、燃料電池１と電流ケーブル５１を介して接続される負荷５３に応じて排出弁６１による水素オフガスの排出量（排気頻度）が増加するように排出弁６１の開閉を制御しても良い。

水素ガス循環流路３に接続される排出流路６には、排出弁６１と、流量計６２とが配設されている。排出弁６１は、排出流路６の開度量又は開度時間を調節可能な弁であって、その開度を制御することにより水素極１ａから未使用の水素や不純物（窒素、水など）を含むガスを外部に排出することができる。排出弁６１は、制御部８０からの制御信号Ｓ６により制御される。なお、排出弁６１としては、排出流路６の開度量又は開度時間を調節可能な弁であればいずれの方式の弁も採用することが可能である。

流量計６２は、排出流路６を通じて排出される流体の流量を検出する装置である。即ち、流量計６２が検出する流量は、水素極１ａから排出された未使用の水素や不純物（窒素、水など）を含むガス（水素オフガス）の排出量に相当する。流量計６２が検出した流量に対応する信号Ｓ７は、制御部８０に出力される。本実施形態では、流量計６２は、水素ポンプ４の稼働時の排出弁６１から排出される水素オフガスの流量（排出量）を検出し、当該検出した流量に対応する信号Ｓ７を制御部８０に出力する。

なお、流量計６２を設けない構成としても良く、例えば排出弁６１が精度良く開度量の調節可能な弁であれば、排出流路６の流量を検出する流量計６２を用いずに、排出弁６１の開度量、開度時間又は開閉回数から、水素オフガスの排出量を調整することも可能である。なお、燃料電池１の運転状況から水素ガス循環流路３内の圧力を制御部８０が算出し、当該算出した圧力から排出弁６１が所定時間開となった時に排出される量に基づき、排出量を調整することも可能である。

検出装置７０は、水素ポンプ４の例えば回転数、消費電力又は消費電流を検出し、当該検出した情報に対応する信号Ｓ４を制御部８０へ出力するものである。検出装置７０が検出した情報に対応する信号Ｓ４が制御部８０へ出力されると、判定部８１は、当該信号Ｓ４に対応する水素ポンプ４の稼働状態（例えば水素ポンプ４が停止しているか否か）を判定する。

制御部８０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。制御部８０は、上記したように、圧力計２２、電流センサ５２、流量計６２からのそれぞれの検出信号Ｓ２、Ｓ５、Ｓ７に基づいて、供給弁２１又は排出弁６１を制御する。すなわち、供給弁２１又は排出弁６１に制御信号Ｓ１、Ｓ６を送信する。本実施形態では、制御部８０は、圧力計２２が検出した圧力に対応する信号Ｓ２に基づき、現在の水素極１ａ内の水素分圧を推定し、この推定された水素分圧に基づいて水素極１ａ内の不純物濃度（又は不純物量）を推定する。そして、制御部８０は、推定された不純物濃度に従って排出弁６１を制御する。つまり、制御部８０は、推定された不純物濃度に基づいて、排出弁６１を制御して水素極１ａから排出される水素オフガスの排出量を増加させる。

また制御部８０は、判定部８１を備える。判定部８１は、検出装置７０からの検出信号Ｓ４に基づき、水素ポンプ４が停止したか否かを判定する。判定部８１により水素ポンプ４の停止が判定された場合には、制御部８０は、排出弁６１に制御信号Ｓ６を送信し、水素ポンプ４が稼働していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加するように排出弁６１の開閉を制御する。なお、水素ポンプ４の停止が判定部８１により判定された場合に、水素ポンプ４が稼働していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加させる量は、水素ポンプ４の稼働・停止以外は同一条件時における運転状態に基づき算出される。この水素ポンプ４の稼働・停止以外は同一条件時における運転状態とは、水素ポンプ４の稼働時における水素ポンプ４以外の装置（例えば燃料電池１など）の運転状態と、水素ポンプ４の停止時における水素ポンプ４以外の装置（例えば燃料電池１など）の運転状態とが、同一の条件で運転していることを含む。このように本実施形態では、水素ポンプ４の停止時に増加させる水素オフガスの排出量は、水素ポンプ４以外の装置が同一の条件で運転していることを前提とした上で調整される。なお、排出弁６１の開閉制御としては、例えば排出弁６１の開度量を大きくする制御、開度時間を長くする制御又は開閉回数を多くする（パージ周期を短くする）制御等が挙げられる。なお、本実施形態では、例えばセル電圧低下時、後述する水素ポンプ回転数偏差が規定値以上のときに、制御部８０は、パージ周期を短くする制御を行う。

（燃料電池システムの処理の流れ）
以下では、燃料電池システム１００の制御部８０が行う排出弁６１の制御方法について説明する。図２は、制御部８０が行う処理の一例を示すフローチャートである。なお、この処理は燃料電池１の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１０では、検出装置７０からの検出信号Ｓ４に基づき、判定部８１は、水素ポンプ４が例えば凍結等により停止しているか否かを判定する。判定の結果、水素ポンプ４が稼働していると判定部８１により判定された場合には（ステップＳ１０（ＮＯ））、引き続きステップＳ１０の処理が実行され、水素ポンプ４が停止していると判定部８１により判定された場合には（ステップＳ１０（ＹＥＳ））、ステップＳ１１に進む。なお、ステップＳ１０における判定条件としては、例えばポンプ回転数偏差が規定値以上あるか否か、より詳細には、ポンプ回転数指令値よりもポンプ回転数測定値（実測値）が低いか否かを判定条件とすることが挙げられる。

続いて、ステップＳ１１では、制御部８０は、水素オフガスの排気頻度を増加させるように制御する。具体的には、検出装置７０により検出された検出信号Ｓ４に基づき、制御部８０は、水素ポンプ４が稼働していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加するように排出弁６１の開閉制御を行う。換言すれば、制御部８０は、水素ポンプ４以外の装置は同一条件の運転状態を前提とした上で、水素ポンプ４が停止した時に、水素ポンプ４の稼働時に排出される水素オフガスの排出量よりも増加するように排出弁６１の開閉制御を行う。上述したように、排出弁６１の開閉制御としては、例えば排出弁６１の開度量を大きくする制御、開度時間を長くする制御又は開閉回数を多くする（パージ周期を短くする）制御等が挙げられる。このように排出弁６１の開閉制御を行うことで、水素オフガスの排出量（排気量）を、水素ポンプ４の稼働時の同一条件時における排出量よりも増加させることが可能となる。

以上のように本実施形態では、水素ポンプ４の停止を判定する判定部８１と、排出弁６１の開閉を制御する制御部８０とを備え、判定部８１により水素ポンプ４の停止が判定された場合に、排出弁６１から排出される水素オフガスの排出量を、水素ポンプ４が稼働していると仮定したときに排出される水素オフガスの排出量よりも増加させるように排出弁６１の開閉を制御する。水素ポンプ４が停止した場合には、不純物が燃料電池１の下流側の配管（本実施形態では水素ガス循環流路３）に溜まりやすくなってしまうため、このような場合には、排出弁６１からの水素オフガスの排気頻度（排出量）を、水素ポンプ４が稼働していると仮定したときの水素オフガスの排気頻度（排出量）よりも増加させる。その結果、不純物が燃料電池の下流側の配管に溜まることを抑制することができ、ひいては燃料電池１の劣化を抑制することが可能となる。

また本実施形態では、燃料電池１の出力値又は燃料電池１への要求値に応じて排出弁６１から排出される水素オフガスの排出量を増加させるように排出弁６１の開閉を制御する。燃料電池１の出力値又は燃料電池１の要求値が増加すると不純物の発生量が増加するため、このように不純物の発生量が増加する場合には、水素オフガスの排出量を増加することとしている。その結果、不純物の発生量が増加したとしても不純物が燃料電池１の下流側の配管に溜まることを抑制することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１：燃料電池
１ａ：水素極（アノード極）
１ｂ：酸素極（カソード極）
１ｃ：電解質膜
２ａ：水素ガス供給流路
２ｂ：酸化ガス供給流路
３：水素ガス循環流路
４：水素ポンプ
６：排出流路
２１：供給弁
２２：圧力計
５１：電流ケーブル
５２：電流センサ
５３：負荷
６１：排出弁
６２：流量計
７０：検出装置
８０：制御部
８１：判定部
１００：燃料電池システム

Claims (2)

1. アノード極及びカソード極にそれぞれ燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記アノード極の出口側から排出される水素オフガスを前記アノード極の入口側へ循環させる水素ガス循環流路に設けられる水素ポンプと、
   前記水素ガス循環流路内を流れる前記水素オフガスを前記水素ガス循環流路外へ排出させる排出弁と、
   前記水素ポンプの停止を判定する判定部と、
   前記排出弁の開閉を制御する制御部と、を備え、
   前記判定部によって前記水素ポンプの停止が判定された場合に、前記制御部は、前記排出弁による前記水素オフガスの排出量を、前記水素ポンプが稼働していると仮定したときに排出される前記水素オフガスの排出量よりも増加させるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、燃料電池の出力値又は燃料電池への要求値に応じて前記排出弁による前記水素オフガスの排出量を増加させるように前記排出弁の開閉を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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