JP2016136480A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】システム各部の耐圧性向上のための格別な対策を施すことなく酸化剤ガスを昇温させて燃料電池の暖機を図ることを課題とする。【解決手段】燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを圧縮して供給する酸化剤ガス圧縮供給部と、前記酸化剤ガス圧縮供給部に流入する酸化剤ガスの流入圧を変更する酸化剤ガス流入圧変更部と、前記燃料電池の暖機が必要であるときに、前記酸化剤ガス流入圧変更部により前記酸化剤ガス圧縮供給部に流入する前記酸化剤ガスの流入圧を低下させる制御部と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
昨今、燃料電池システムを搭載し、モータを動力源とする燃料電池自動車が登場している。このような燃料電池自動車において、低温で燃料電池システムを起動するような場合、燃料電池の早期暖機を行うべく、ヒーターを装備したり、燃料電池スタック自体の発熱を利用して昇温を図ったりする提案がされている。また、例えば、燃料電池発電前に、酸化剤ガス供給手段から供給される加熱ガスを酸化剤ガス供給路及び燃料ガス供給路に導入し、燃料電池の両極を昇温させることで、燃料電池の迅速な暖機を図る提案が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段により圧縮加熱することによって加熱ガスを準備している。
特開2006−147167号公報
しかしながら、特許文献1のように、酸化剤ガスを圧縮加熱し、燃料電池の暖機に求められる温度の加熱ガスを得ようとすると、入力ガスを高い圧力比で加圧する必要がある。酸化剤ガス供給手段によって高い圧力比で加圧され、吐出される酸化剤ガスの圧力の絶対値は高くなる。このため、酸化剤ガス供給手段の下流側に配置される各種部品が高い圧力に耐え得るように格別の対策を施し、耐圧保障を行うことが求められ、この結果、コストが嵩むことが想定される。
そこで、本明細書開示の燃料電池システムは、システム各部の耐圧性向上のための格別な対策を施すことなく酸化剤ガスを昇温させて燃料電池の暖機を図ることを課題とする。
かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを圧縮して供給する酸化剤ガス圧縮供給部と、前記酸化剤ガス圧縮供給部に流入する酸化剤ガスの流入圧を変更する酸化剤ガス流入圧変更部と、前記燃料電池の暖機が必要であるときに、前記酸化剤ガス流入圧変更部により前記酸化剤ガス圧縮供給部に流入する前記酸化剤ガスの流入圧を低下させる制御部と、を備える。
酸化剤ガス圧縮供給部に流入する前記酸化剤ガスの流入圧を低下させることにより、酸化剤ガス圧縮供給部によって加圧され、吐出される酸化剤ガスの圧力の絶対値を低く抑えることができる。これにより、燃料電池システムにおける耐圧性向上のための格別な対策を施すことが不要となる。また、酸化剤ガス圧縮供給部に流入する酸化剤ガスの流入圧を低下させるのみであり、暖機に求められる酸化剤ガスの温度を確保すための圧力比を維持することができるので燃料電池の暖機をすることができる。
前記酸化剤ガス流入圧変更部は、前記酸化剤ガス圧縮供給部の上流側に配置された入口弁とすることができる。入口弁の開度を小さくすることにより、入口弁と酸化剤ガス圧縮供給部との間の圧力、すなわち、酸化剤ガス圧縮供給部に流入する酸化剤ガスの流入圧を低くすることができる。
本明細書開示の燃料電池システムによれば、システム各部の耐圧性向上のための格別な対策を施すことなく酸化剤ガスを昇温させて燃料電池の暖機を図ることができる。
図1は実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 図2(A)は実施形態の燃料電池システムの主要部を示す説明図であり、図2(B)は比較例の燃料電池システムの主要部を示す説明図である。 図3は実施形態における燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。 図4は要求出力と必要空気流量との関係の概略を示すグラフである。 図5は空気流量と空気圧力との関係の一例を示すグラフである。 図6は空気流量とエアコンプレッサの圧力比との関係の一例を示すグラフである。 図7は入口弁の開度、空気流量及び負圧との関係の一例を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれていたり、実際には装備されている構成が省略されていたりする場合がある。また、図面では省略されている構成要素が以下の説明に登場する場合がある。
(実施形態)
まず、図1を参照しつつ、実施形態の燃料電池システム1について説明する。図1は実施形態の燃料電池システム1の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム1は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。燃料電池システム1は、燃料電池2、酸化剤ガス供給流路4、インタークーラ5、コンプレッサK1、アノード供給流路9、水素タンク10等及びこれらを接続する各種配管、入口弁V1、その他の弁等を備える。また、燃料電池システム1は、制御部として機能するECU(Electronic Control Unit)21を備える。本実施形態における燃料電池2は、固体高分子形である。燃料電池2は、カソード電極、アノード電極、これらの間に配置された電解質膜を有する複数の単セルを備える。単セルは積層して配置され、燃料電池スタックを形成している。燃料電池2の内部にはカソード流路3aとアノード流路3bとが形成されている。電解質膜は、例えば、プロトン導電性の固体高分子電解質膜である。なお、図1において単セルの図示は省略されている。また、燃料電池2内には、燃料電池2を冷却する冷媒が流通する冷媒流路3cが設けられている。燃料電池2には、アノード電極に水素ガス、すなわち、燃料ガスが供給されると共に、カソード電極に酸素を含む空気、すなわち、酸化剤ガスが供給される。そして、アノード電極における触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を透過し、カソード電極まで移動して、酸素と電気化学反応を起こすことにより発電する。燃料電池2には、発電した電気の電圧値を測定する電圧計と電流値を測定する電流計が接続されている。そして、冷媒流路3cを流通する冷媒は、燃料電池2を冷却する。ただし、燃料電池2の低温起動時、すなわち暖機が要求される場合には、冷媒により、燃料電池2の温度を上昇させる。
燃料電池2の入口、より具体的には、燃料電池2のカソード流路3aの入口3a1側には、酸化剤ガス供給流路4が接続されている。酸化剤ガス供給流路4の端部には、エアクリーナ4aが装着されている。また、酸化剤ガス供給流路4には、酸化剤ガスを圧送し、燃料電池2に酸化剤ガスを供給するコンプレッサK1が配置されている。コンプレッサK1は、燃料電池2に酸化剤ガスを圧縮して供給する酸化剤ガス圧縮供給部として機能する。コンプレッサK1は、入口K1aと出口K1bとを備える。酸化剤ガス供給流路4のエアクリーナ4aとコンプレッサK1の入口K1aとの間には、入口弁V1が配置されている。入口弁V1は、酸化剤ガス圧縮供給部、すなわち、コンプレッサK1に流入する酸化剤ガスの流入圧を変更する酸化剤ガス流入圧変更部として機能する。入口弁V1は、その開度により、酸化剤ガスの流入圧、すなわち、入口弁V1からコンプレッサK1の入口K1aまでの領域の圧力を変更することができる。
また、酸化剤ガス供給流路4には、カソード流路3aの入口3a1とコンプレッサK1の出口K1bとの間にインタークーラ5が配置されている。インタークーラ5は、冷媒循環流路17と接続され、冷媒との間で熱交換を行い、コンプレッサK1から排出された酸化剤ガスを冷却する。また、燃料電池2の暖機要求があるときには、コンプレッサK1によって圧縮され、温度が高くなった酸化剤ガスの熱により、冷媒を昇温させる。冷媒が循環する冷媒循環流路17については、後に詳述する。
燃料電池2のカソード流路3aの出口3a2側には、カソードオフガス排出流路6が接続されている。カソードオフガス排出流路6には、背圧弁V2が配置されている。背圧弁V2は、酸化剤ガス供給流路4のコンプレッサK1の出口K1bよりも下流側、カソード流路3a及びカソードオフガス排出流路6の背圧弁V2よりも上流側の領域の圧力、すなわち、カソード背圧を調整する。燃料電池システム1では、背圧弁V2の開度を調節することにより、燃料電池2の要求出力に応じた空気流量を確保すべく、燃料電池2に導入される空気圧力が制御される。すなわち、燃料電池2の要求出力に応じて背圧弁V2の開度が調節されることにより、コンプレッサK1によって圧縮され、吐出される酸化剤ガスの圧力が制御される。カソードオフガス排出流路6には、背圧弁V2の下流側にマフラー7が配置されている。
燃料電池システム1は、インタークーラ5の下流側で酸化剤ガス供給流路4から分岐し、カソード流路3aをバイパスしてカソードオフガス排出流路6に接続されたバイパス流路8を備える。このバイパス流路8には、バイパス流路8の開通状態を制御する分流弁V3が配置されている。分流弁V3は、例えば、バッテリの充電容量に余裕がなく、コンプレッサK1を駆動して電力を消費する場合に、開弁される。これにより、酸化剤ガスを燃料電池2に送ることなく、カソードオフガス排出流路6へ排出する。
燃料電池2のアノード流路3bの入口3b1側には、アノード供給流路9が接続されている。アノード供給流路9の端部には、水素供給源となる水素タンク10が接続されている。水素タンク10内には、高圧の燃料ガスとしての水素が貯留されている。アノード供給流路9には、水素の供給を遮断するシャット弁11と、水素の圧力を減圧するレギュレータ12が配置されている。
燃料電池2のアノード流路3bの出口3b2側には、排気管15が接続されている。排気管15の端部には、気液分離器16が設置されている。そして、気液分離器16において、循環流路15aとパージ流路15bとが分岐している。気液分離器16では、アノードオフガスに含まれる水分が分離される。水分が分離された後のアノードオフガスは、循環流路15a側に排出される。一方、分離された水分は、パージ流路15b側へ排出される。循環流路15aには、ポンプP1が配置されている。循環流路15aにポンプP1が配置されることにより、アノードオフガスをアノード流路3bへ再度供給することができる。気液分離器16において分岐したパージ流路15bは、カソードオフガス排出流路6に設けられた背圧弁V2の下流側に接続されている。パージ流路15bには、パージ弁16aが配置されている。パージ弁16aを開弁することにより、循環させないアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出することができる。
燃料電池2の冷媒流路3cの入口3c1には、冷媒循環流路17の一端が接続されている。また、冷媒流路3cの出口3c2には、冷媒循環流路17の他端が接続されている。冷媒循環流路17には、冷媒を循環させ、冷媒を燃料電池2内に供給するポンプP2が設置されている。また、冷媒循環流路17には、ラジエータ18が設置されている。冷媒循環流路17には、三方弁19が設けられており、この三方弁19からラジエータ18をバイパスするバイパス流路が分岐している。なお、三方弁19は、感温部を備え、冷媒の温度に応じて開閉状態を変化させる、いわゆるサーモスタット型の弁であるが、電気式の弁を採用してもよい。三方弁19は、冷媒の温度が所定値よりも高くなると冷媒をラジエータ18側へ循環させて、冷媒を冷却する。
冷媒循環流路17には、インタークーラ5が接続されている。具体的に、冷媒循環流路17からは、第1引込流路17aと第2引込流路17bとが分岐している。第1引込流路17aは、ポンプP2と冷媒流路3cの入口3c1との間から分岐しており、その他端は、インタークーラ5に接続されている。冷媒は、第1引込流路17aを通じて、インタークーラ5に流入する。一方、第2引込流路17bは、三方弁19と冷媒流路3cの出口3c2との間から分岐しており、その他端は、インタークーラ5に接続されている。冷媒は、第2引込流路17bを通じて、インタークーラ5から冷媒循環流路17に戻される。
燃料電池システム1は、ECU21を備える。ECU21は、内部にCPU、ROM、RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成されており、制御部として機能する。ECU21には、コンプレッサK1、ポンプP1、P2と電気的に接続されており、これらの機器の駆動制御を行う。また、ECU21には、入口弁V1、背圧弁V2、分流弁V3、シャット弁11、レギュレータ12及びパージ弁16aが電気的に接続されており、これらの弁の開閉制御を行う。ECU21は、その他各センサによって検出された値が入力される。また、ECU21は、電流電圧マップ等を格納している。このようなECU21は、出力設定処理を行う。すなわち、空気供給量や、カソード背圧、水素供給量、水素圧力、出力履歴、電圧、電流値マップ等から出力する電流値を設定する。ECU21は、燃料電池2の昇温が要求されたとき、すなわち、いわゆる暖機時において、コンプレッサK1の駆動、入口弁V1及び背圧弁V2を制御することによる冷媒温度の上昇制御を行う。なお、ECU21には、外気温センサが接続されており、この外気温センサによって取得された外気温によって燃料電池2の暖機要求があるか否かを判断する。
つぎに、図2、図3を参照しつつ、実施形態の燃料電池システム1の制御について説明する。図2(A)は実施形態の燃料電池システムの主要部を示す説明図であり、図2(B)は比較例の燃料電池システムの主要部を示す説明図である。図3は実施形態における燃料電池システム1の制御の一例を示すフローチャートである。燃料電池システム1の制御は、ECU21によって主体的に行われる。
まず、燃料電池システム1の暖機要請時における制御内容の理解を容易にするため、具体的な制御内容の説明に先立って、実施形態の燃料電池システム1の制御の基本的な方針について説明する。燃料電池システム1は、コンプレッサK1により酸化剤ガスを断熱圧縮することにより、酸化剤ガスを昇温する。そして、昇温した酸化剤ガスの熱を、インタークーラ5を介して冷媒へ伝達し、冷媒を昇温させることによって暖機を促進する。また、昇温された酸化剤ガスは、それ自体が燃料電池2に導入されることによって、燃料電池2の暖機に資することができる。
コンプレッサK1によって吐出される酸化剤ガスの温度T2は、一般的に、以下の式1によって規定される。

式1:
T2=T1×コンプレッサ圧力比^(κ−1)/κ

T1:吸入される酸化剤ガスの温度(外気温)
T2:吐出される酸化剤ガスの温度
κ:比熱比
すなわち、コンプレッサK1によって吐出される酸化剤ガスの温度T2は、ほぼ、コンプレッサK1の断熱圧縮仕事≒圧力比で決定される。従って、コンプレッサK1の圧力比が維持されていれば、吸入圧が異なっていても所望の温度上昇を得ることができる。このため、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサK1の圧力比を維持する一方で、吸入圧を低下させることにより、コンプレッサK1から吐出された酸化剤ガスの圧力を低く抑える。これにより、システム各部の耐圧性向上のための格別な対策を施すことなく酸化剤ガスを昇温させて燃料電池の暖機を図ることができる。なお、圧力比は、吐出圧/吸入圧で規定される。
具体的に、図2(A)を参照すると、入口弁V1の上流側の圧力がb(kPa)であるときに、入口弁V1の下流側の圧力がa(kPa)であると仮定する。ここで、入口弁V1は、流入する酸化剤ガスの圧力を低下させることができるものであるから、b(kPa)>a(kPa)である。このような状況において、コンプレッサK1を圧力比3で稼働させたとすると、コンプレッサK1から吐出された酸化剤ガスの圧力は3a(kPa)となる。
これに対し、図2(B)に示す比較例のように、入口弁V1を装備していない場合には、コンプレッサK1から吐出された酸化剤ガスの圧力は3b(kPa)となる。従って、両者の関係を比較すると、3b(kPa)>3a(kPa)となる。このように、吐出圧の比較では圧力比の分だけ両者の差が拡大する。このため、図2(B)に示す比較例では、コンプレッサK1の下流側に位置する各種部品、配管等に対して耐圧性を向上させる措置が求められる。これに対し、本実施形態の燃料電池システム1では、吐出圧を低く抑えることができるため、耐圧性向上のための格別な措置は不要である。以下、このような制御方針に従って制御の一例について説明する。
まず、ステップS1では、燃料電池2の暖機要求の有無について説明する。具体的に、外気温センサによって取得された外気温に基づいて暖機要求の有無を判断する。ステップS1でNoと判断したときは、処理はリターンとなる。
ステップS1でYESと判断したときは、ステップS2へ進む。ステップS2では、燃料電池2に対する要求出力に対する必要空気流量及び必要空気圧力を決定する。必要空気流量、すなわち、酸化剤ガスの流量は、例えば、図4に示すようなグラフの関係から決定される。一般的に、必要空気流量は、燃料電池2の要求出力が高くなると多くなる。一方、必要空気圧力、すなわち、酸化剤ガスの圧力は、例えば、図5に示すようなグラフの関係から決定される。一般的に、必要空気流量が多くなると、必要空気圧力は大きくなる。なお、図4や図5に示すグラフは、これらの要素間の関係の傾向を示したものであり、実際のマップとは異なる。例えば、図5に示すグラフでは、必要空気流量の増加に比例して必要空気圧力が増大しているが、実際には、コンプレッサK1の消費電力等の駆動特性を考慮した制御とすることができる。
ステップS2に引き続き行われるステップS3では、必要空気流量からエアコンプレッサK1の圧力比を取得する。具体的に、図6に示すグラフの関係から、コンプレッサK1を運転することができる圧力比を取得する。ここで、図6に示す必要空気流量と空気コンプレッサの圧力比との関係について説明する。コンプレッサK1の運転特性は、必要空気流量と圧力比とで評価することができる。圧力比は、必要空気流量と対応している。すなわち、必要空気流量が決まればこれを実現する圧力比を決定することができる。このようなコンプレッサK1の運転特性は、コンプレッサK1の仕様によって決まるものである。ECU21は、図6に示すようなグラフに基づくマップを予め記憶しており、ステップS2で取得された必要空気流量の値に基づいて、取り得る圧力比を決定する。すなわち、コンプレッサK1には、図6に示すように、運転可能領域と運転不可領域とが存在するため、ECU21は、運転可能領域内から必要空気流量に対応する圧力比を選定する。ここで、ある特定の必要空気流量を実現することができる圧力比は、複数選択可能であるため、ECU21は、その中から、コンプレッサK1から吐出された空気(酸化剤ガス)の温度T2を実現するために必要となる圧力比を選定する。上述した式1から明らかであるように、温度T2には、圧力比が関わっているため、外気温T1から温度T2まで上昇させることができる圧力比を選定する。
ステップS3に引き続いて行われるステップS4では、ステップS3で取得した圧力比とステップS2で取得した必要空気圧力との関係からエアコンプレッサK1が吸入する酸化剤ガスの圧力である吸入圧の目標値を取得する。圧力比は、エアコンプレッサK1の吸入圧力に対する吐出圧の比である。ここで、必要空気圧力が吐出圧に相当するため、必要空気圧力と圧力比とから吸入圧を算出することができる。具体的に、ステップS2で取得した必要空気圧をステップS3で取得した圧力比で除する(割る)ことにより吸入圧を算出する。
ステップS4に引き続き行われるステップS5では、入口弁V1の開度を決定する。入口弁V1の開度は、図7に概略的に示すようなグラフの関係に基づいて決定される。図7に示すグラフは、横軸を必要空気流量、縦軸を負圧の量としたグラフであり、このグラフに、入口弁V1の開度を表す斜線が描かれている。入口弁V1を閉弁する方向に制御すると、吸入圧は負圧、すなわち、大気圧よりも低くなる。このとき、入口弁V1の開度が小さいほど、負圧になりやすくなる。具体的に、入口弁V1の開度が小さいほど、同一の空気流量に対して負圧になりやすくなる。このような関係を利用して入口弁V1の開度を決定する。まず、ステップS2で決定した必要空気流を横軸に当て嵌める。また、ステップS4で取得した吸入圧の目標値を実現する為の負圧の値を縦軸に当て嵌める。そして、双方の値がぶつかった点を通過する入口弁V1の開度を表す斜線を求めることにより、入口弁V1の開度を求めることができる。例えば、必要空気流量がQ1であり、吸入圧の目標値を実現する為の負圧がP1であるとすると、入口弁V1の開度は1/2開である。
ステップS5に引き続き行われるステップS6では、エアコンプレッサK1の駆動を開始するとともに、入口弁V1の開度調整を行う。さらに、このとき、ステップS2で決定した必要空気圧力及びステップS3で決定した圧力比を実現するように、背圧弁V2の開度を調節する。このように、必要空気流量を得ることができる圧力比と必要空気圧力を確保することができるため、燃料電池2の要求出力を得ることができる。また、必要空気流量を得ることができる圧力比を維持しつつ、吸入圧を低下させたことにより、エアコンプレッサK1の吐出圧を低く抑えることができる。この結果、システム各部の耐圧性向上のための格別な対策を施すことなく酸化剤ガスを昇温させて燃料電池の暖機を図ることができる。なお、入口弁の設置により、例えば、車両の停車中等において、酸化剤ガスの燃料電池2へ侵入を緩和することができる。これにより、燃料電池2に含まれる触媒層の劣化を抑制することができる。
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3a カソード流路
3b アノード流路
3c 冷媒流路
4 酸化剤ガス供給流路
5 インタークーラ
6 カソードオフガス排出流路
8 バイパス流路
17 冷媒循環流路
17a 第1引込流路
17b 第2引込流路
K1 コンプレッサ
V1 入口弁
V2 背圧弁
V3 分流弁

Claims (2)

  1. 酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを圧縮して供給する酸化剤ガス圧縮供給部と、
    前記酸化剤ガス圧縮供給部に流入する酸化剤ガスの流入圧を変更する酸化剤ガス流入圧変更部と、
    前記燃料電池の暖機が必要であるときに、前記酸化剤ガス流入圧変更部により前記酸化剤ガス圧縮供給部に流入する前記酸化剤ガスの流入圧を低下させる制御部と、
    を、備える燃料電池システム。
  2. 前記酸化剤ガス流入圧変更部は、前記酸化剤ガス圧縮供給部の上流側に配置された入口弁である請求項1に記載の燃料電池システム。
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