JP2017050208A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムが停止された状態での燃料電池スタックの内部又は配管内の凍結を防止するとともに、一定以上の電圧で起動することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、水素排気管１２及び空気排気管１３と、コンプレッサ３及び水素循環ポンプ９と、キャパシタ６と、キャパシタ６の充電率を検出する充電率推定器７と、凍結可能性の有無を判定するとともに燃料電池スタック１の発電を制御するＥＣＵ８とを備え、ＥＣＵ８は、発電を停止させる時に凍結可能性があることを判定した場合、キャパシタ６の充電率Ｖが凍結防止必要容量Ｖｅ以上の値となるように燃料電池スタック１を発電させてキャパシタ６に充電を行う。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特にフォークリフト等の産業車両に搭載される燃料電池システムに関する。

車両に搭載される燃料電池システムが有する燃料電池スタックの内部では、水素タンクから供給される燃料ガスとしての水素と、コンプレッサから供給される空気中の酸素とが反応し、電気エネルギが発生する。そして、この時同時に、水素と酸素との化学反応の結果として水が生成される。燃料電池スタックで生成される水のほとんどは排水管を通して外部に排出されるが、一部は水滴となって燃料電池スタックの内部や配管内に残留することがある。そのため、冬季の寒冷地域の屋外や冷蔵庫等の低温の環境下では、利用者が車両のキースイッチをＯＦＦにした時、すなわちシステムが停止した後に車両を一定期間以上放置すると燃料電池スタックの内部又は配管内に残留している水分が凍結してしまう可能性がある。そして、このように燃料電池スタックの内部や配管内で水分が凍結すると、システムに不具合が生じて正常に作動しなくなる不具合が生じるおそれがあった。

ここで、特許文献１に記載される燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時の外気温が低温になると予測される場合に、燃料電池スタック内部又は配管内部の水を吹き飛ばして除去する。また、低温時の起動に備えて、ヒータの駆動に使用する電力も考慮した充電閾値が設定された上でキャパシタの充電が行われる。

特開２００６−１７９４７２号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、システムが停止された状態で車両が一定期間以上放置された場合において、燃料電池スタックの内部又は配管内の水分が凍結し、システムが正常に作動しなくなってしまう可能性については考慮されていない。従って、システムの停止中に水分の凍結の可能性がある時であっても、水分が完全に外部に排出されないことがあるおそれがある。
また、システムの内部で水分が凍結していると、凍結した水分を解凍するため、システムの起動時にヒータの駆動に使用する電力がより大きくなってしまい、燃料電池システム自体の起動に必要な電力が不足してしまうおそれもある。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、システムが停止された状態での燃料電池スタックの内部又は配管内の凍結を防止するとともに、一定以上の電圧で起動することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、一方が燃料電池スタックに接続し、他方が燃料電池スタックの外部に開口する排水流路と、燃料電池スタックの内部及び排水流路の内部から燃料電池スタックの外部に水分を排出する掃気手段と、燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、キャパシタの充電率を検出する充電率検出手段と、燃料電池スタックが発電停止中に燃料電池スタックの内部又は排水流路の内部に存在する水分が凍結する凍結可能性の有無を判定する凍結可能性判定手段と、キャパシタの充電率及び凍結可能性の有無に基づいて燃料電池スタックの発電を制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、制御手段は、凍結可能性があることを凍結可能性判定手段が判定した場合、燃料電池システムを停止させる時に、キャパシタの充電率が、掃気手段による水分の排出に必要な掃気時必要容量と、燃料電池システムの起動時に必要な起動時容量とが加算された所定の凍結防止必要容量以上の値となるように、燃料電池スタックを発電させてキャパシタに充電を行う。

この発明に係る燃料電池システムによれば、システムが停止された状態での燃料電池スタックの内部又は配管内の凍結を防止するとともに、一定以上の電圧で起動することができる。

この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示す燃料電池システムの発電停止時の制御の流れを示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成を図１に示す。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に水素ガスを供給可能な水素タンク２と、燃料電池スタック１に酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ３とを備えている。燃料電池スタック１は複数のセル（図示せず）を有し、これらの複数のセルは全体として水素流通部３１と空気流通部３２とを備え、水素流通部３１と空気流通部３２との間には電解質層３３が設けられる。また、電解質層３３の水素流通部３１側の側面には第一触媒層３３ａが設けられ、電解質層３３の空気流通部３２側の側面には第二触媒層３３ｂが設けられる。さらにまた、水素タンク２と燃料電池スタック１の水素流通部３１とは水素供給管１４を介して接続されている。水素供給管１４には、燃料電池スタック１の各セルに供給される水素ガス量を調整するための電磁弁４が設けられている。また、コンプレッサ３と燃料電池スタック１の空気流通部３２とは空気供給管１５を介して接続されている。

また、燃料電池スタック１の水素流通部３１には、燃料電池スタック１の外部に連通する水素排気管１２が接続されている。すなわち、水素排気管１２は、一方が燃料電池スタック１に接続し、他方が燃料電池スタック１の外部に開口している。水素排気管１２には、気液分離器１１が設けられる。そして、気液分離器１１には、水素排気管１２の水素を回収して再利用するための回収管１６の一端が接続される。さらに、回収管１６の他端は水素供給管１４に接続する。また、回収管１６には水素循環ポンプ９が設けられている。 また、水素排気管１２の気液分離器１１の下流側には、順次、希釈器１７及びマフラー１８が設けられている。

また、燃料電池スタック１の空気流通部３２には、燃料電池スタック１の外部に連通する空気排気管１３が接続されている。すなわち、空気排気管１３は、一方の端部が燃料電池スタック１に接続する。また、空気排気管１３の他方の端部は、水素排気管１２の気液分離器１１の下流側かつ希釈器１７の上流側に接続される。
水素排気管１２及び空気排気管１３は、排水流路を構成する。

さらに、燃料電池スタック１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５が電気的に接続される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５には車両負荷２０が電気的に接続される。またさらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５には、車両負荷２０と並列にキャパシタ６が電気的に接続されている。すなわち、燃料電池スタック１にはＤＣ／ＤＣコンバータ５を介してキャパシタ６及び車両負荷２０が各々電気的に接続されている。また、キャパシタ６には、充電率推定器７が取付けられる。ここで、充電率推定器７は、キャパシタ６に供給される電力の電流値及び電圧値に基づいて、一般的な方法でキャパシタ６の充電率（ＳＯＣ）を算出して推定することができる。また、コンプレッサ３、電磁弁４、充電率推定器７及び水素循環ポンプ９はＥＣＵ８に電気的に接続される。
なお、車両負荷２０は、具体的には産業車両の荷役装置を駆動するための荷役モータや、車軸を駆動するための走行モータ等である。
ここで、充電率推定器７は充電率検出手段を構成する。
また、ＥＣＵ８に制御されるコンプレッサ３及び水素循環ポンプ９は、後述するように燃料電池スタック１の内部、水素排気管１２及び空気排気管１３に残留する水分を燃料電池スタック１の外部に排出、すなわち掃気することができる。従って、コンプレッサ３、水素循環ポンプ９及びＥＣＵ８は掃気手段を構成する。
また、ＥＣＵ８は、季節や日付を判断することができるカレンダー機能や、時刻を把握することができる時計ＩＣを有しており、これらの情報に基づいて凍結可能性の有無を判定する凍結可能性判定手段を構成する。なお、凍結可能性とは、燃料電池スタック１が発電停止中に燃料電池スタック１の内部、水素排気管１２又は空気排気管１３に存在する水分が凍結する可能性をいう。

次に、燃料電池システム１００の動作について説明する。
まず、水素タンク２から水素が水素供給管１４を介して燃料電池スタック１の水素流通部３１に供給される。ここで、ＥＣＵ８は電磁弁４の開閉を制御して、水素タンク２から燃料電池スタック１に供給される水素の量を調整する。また、コンプレッサ３から空気が空気供給管１５を介して燃料電池スタック１の空気流通部３２に供給される。ここで、ＥＣＵ８は、コンプレッサ３を制御して燃料電池スタック１に供給される空気の量を調整する。

水素流通部３１に供給された水素は第一触媒層３３ａにおいて水素イオンとなり、電解質層３３を通って空気流通部３２に移動する。また、空気流通部３２に供給された空気中の酸素は第二触媒層３３ｂにおいて酸素イオンとなり、水素流通部３１から移動してきた水素イオンと反応し、その結果、水が生成される。また、この化学反応に伴って、燃料電池スタック１の内部では発電が行われる。さらにＥＣＵ８は、充電率推定器７によって推定されるキャパシタ６の充電率に基づいて燃料電池スタック１に供給される空気中の酸素及び水素の量を調整し、燃料電池スタック１の発電電力を制御する。

発電が行われた燃料電池スタック１の水素流通部３１からは、未反応の水素が水素排気管１２に流出する。この水素には、空気流通部３２から電解質層３３を通して拡散された水分や高湿化を原因とする水分が含まれている。そして、水分を含む水素は、水素排気管１２に設けられる気液分離器１１によって水素と水とに分離される。そして、気液分離器１１によって分離された水は、希釈器１７で回収される。またさらに、ＥＣＵ８が水素循環ポンプ９を作動させることにより、気液分離器１１によって分離された水素は回収管１６を流通して水素供給管１４に流入し、再び燃料電池スタック１に供給される。

また、燃料電池スタック１の空気流通部３２からは、酸素イオンと水素イオンとの反応によって生成された水分が空気とともに空気排気管１３へ流入する。そして、空気排気管１３を流通する水分は水素排気管１２に流入した後、希釈器１７によって回収される。

また、燃料電池スタック１において発電された直流電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５によって所定の電圧まで降圧された後、車両負荷２０に出力される。そして、燃料電池スタック１の発電電力が車両負荷２０の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ６に充電される。さらに、燃料電池スタック１の発電電力が車両負荷２０の要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ６から放電される。

次に、燃料電池システム１００の掃気処理の動作について説明する。
なお、燃料電池システム１００の掃気とは、燃料電池スタック１の内部や各配管の内部に残留する水分を、内部に循環する気流によって燃料電池スタック１の外部に排出することをいう。
具体的には、燃料電池スタック１における発電が停止された後、ＥＣＵ８は水素循環ポンプ９を稼働させて、回収管１６に回収された未反応の水素を水素供給管１４、燃料電池スタック１の水素流通部３１及び水素排気管１２に循環させる。そしてその結果、燃料電池スタック１の水素流通部３１又は水素排気管１２に残留する水分は水素の気流とともに外部へ掃き出され、除去される。
また、ＥＣＵ８はコンプレッサ３を稼働させて空気を燃料電池スタック１の空気流通部３２に送りこみ、燃料電池スタック１の空気流通部３２及び空気排気管１３に残留している水分を気流とともに外部に排出する。

また次に、この燃料電池システム１００の制御について、図２を参照に説明する。
まず、ステップＳ１において、車両の運転手がキースイッチをＯＦＦの状態とする。
そして、ステップＳ２において、ＥＣＵ８は燃料電池スタック１の内部又は各配管の内部で水分が凍結する凍結可能性が有るか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ８はカレンダー機能により、季節が冬で、かつ連休前であることを判断すれば、車両は長期間の間、稼働されずに放置される可能性が高いため、凍結可能性があるものと判定する。あるいは、時計ＩＣのウェイクアップ機能を利用して、毎朝所定の時間に外気温センサ（図示せず）によって測定される外気温をデータとして取得する。そして、この外気温が一定日数以上連続して所定の温度を下回っている場合は、凍結可能性があるものと判定される。さらに、ＥＣＵ８に通信機能を持たせてインターネットニュースの気象予報の情報を取得して、凍結可能性の有無を判断してもよい。また、ＥＣＵ８は、凍結可能性の有無の判定において車両の使用場所も考慮してもよい。具体的には、スイッチ入力や外気温センサの信号に基づいて、車両が−４０〜−２０℃の冷蔵庫内で使用され、作業終了後も冷蔵庫内に放置されると判断される場合は凍結可能性があるものと判定される。

ステップＳ２において、ＥＣＵ８が、燃料電池システム１００の凍結可能性が有るものと判断した場合、次に制御はステップＳ３に移行する。ステップＳ３において、ＥＣＵ８は、充電率推定器７によって推定されるキャパシタ６の充電率Ｖが凍結防止必要容量Ｖｅ以上の値となるか否かを判断する。ここで、凍結防止必要容量Ｖｅとは、燃料電池システム１００の起動時に必要とされる電圧である起動時必要容量Ｖｄに、掃気に必要とされる電圧である掃気時必要容量Ｖｓを加算した値である。そして、キャパシタ６の充電率が凍結防止必要容量Ｖｅを下回ると判断された場合、燃料電池スタック１では、キャパシタ６の充電率が凍結防止必要容量Ｖｅに到達するまで発電が行われる（ステップＳ４）。一方、キャパシタ６の充電率が凍結防止必要容量Ｖｅ以上の値に到達したと判断される場合は、ステップＳ５において掃気が行われ、掃気開始から所定時間ｔを経過した後、制御は終了する。なお、所定時間ｔは、掃気によって燃料電池スタック１の内部や各配管の内部から水分が十分に除去されるとともに、掃気終了後に充電率Ｖが起動時必要容量Ｖｄを下回らないように予め設定されている時間である。

一方、ステップＳ２において、ＥＣＵ８が、燃料電池システム１００の凍結可能性が無いものと判断した場合、制御はステップＳ６に移行する。ステップＳ６において、ＥＣＵ８は、キャパシタ６の充電率Ｖが起動時必要容量Ｖｄ以上の値となるか否かを判断する。そして、キャパシタ６の充電率Ｖが起動時必要容量Ｖｄを下回ると判断された場合、燃料電池スタック１では、キャパシタ６の充電率Ｖが起動時必要容量Ｖｄに到達するまで発電が行われる（ステップＳ７）。一方、キャパシタ６の充電率Ｖが起動時必要容量Ｖｄ以上の値に到達したと判断される場合は、その後制御は終了する。

以上より、この実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の発電停止時に凍結可能性があることが判定された場合、キャパシタ６の充電率Ｖが凍結防止必要容量Ｖｅを超えるよう、ＥＣＵ８は燃料電池スタック１を発電させてキャパシタ６の充電を行う。これにより、凍結可能性がある時は、掃気によって燃料電池スタック１の内部又は各配管の内部の水分を充分に除去して、確実に凍結を防止することができる。また、電力容量の上限が大きくないキャパシタ６を用いる場合であっても、凍結可能性がある時は掃気に必要な充電が行われると同時に、燃料電池システム１００の起動時に必要な電力容量も確保される。

なお、この実施の形態において、燃料電池システム１００は充電率検出手段として充電率推定器７を有しているが、これに限定されず、ＥＣＵ８が充電率検出手段を構成してもよい。すなわち、充電率推定器７を設けずに、キャパシタ６に供給される電力の電流値及び電圧値から、ＥＣＵ８がキャパシタ６の充電率を算出してもよい。

１ 燃料電池スタック、３ コンプレッサ（掃気手段）、６ キャパシタ、７ 充電率推定器（充電率検出手段）、８ ＥＣＵ（制御手段、掃気手段、凍結可能性判定手段）、９ 第二コンプレッサ（掃気手段）、１２ 水素排気管（排水流路）、１３ 空気排気管（排水流路）、１００ 燃料電池システム、Ｖｓ 掃気時必要容量、Ｖｄ 起動時必要容量、Ｖｅ 凍結防止必要容量。

Claims (1)

1. 車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
   一方が前記燃料電池スタックに接続し、他方が前記燃料電池スタックの外部に開口する排水流路と、
   前記燃料電池スタックの内部及び前記排水流路の内部から前記燃料電池スタックの前記外部に水分を排出する掃気手段と、
   前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、
   前記キャパシタの充電率を検出する充電率検出手段と、
   前記燃料電池スタックの発電停止中に前記燃料電池スタックの内部又は前記排水流路の内部に存在する水分が凍結する凍結可能性の有無を判定する凍結可能性判定手段と、
   前記キャパシタの前記充電率及び前記凍結可能性の有無に基づいて前記燃料電池スタックの発電を制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、
   前記凍結可能性があることを前記凍結可能性判定手段が判定した場合、前記燃料電池システムを停止させる時に、前記キャパシタの前記充電率が、前記掃気手段による前記水分の排出に必要な掃気時必要容量と、前記燃料電池システムの起動時に必要な起動時容量とが加算された所定の凍結防止必要容量以上の値となるように、前記燃料電池スタックを発電させて前記キャパシタに充電を行う燃料電池システム。

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