JP2017199564A

JP2017199564A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017199564A
Application number: JP2016089597A
Authority: JP
Inventors: 啓榎本; Hiroshi Enomoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-11-02

Abstract

【課題】０℃以下の低温環境下においても、水素ポンプにおける凍結によるロックを抑制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１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０から排出された水素ガスを燃料電池スタック１０に再供給するように循環させる水素ポンプ３２と、水素ポンプ３２の温度を検出する温度検出部３５と、水素ポンプ３２の吐出口側に設けられた絞り弁３４と、温度検出部３５によって検出された水素ポンプ３２の温度に基づいて、絞り弁３４の開度を制御する制御部４０と、を備える。制御部４０は、水素ポンプ３２の温度が所定の凍結基準温度Ｔ以下になった場合、凍結基準温度Ｔを超える場合よりも絞り弁３４の開度を小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ポンプを有する燃料電池システムに関する。

水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、水素ガスおよび酸素ガスを燃料電池スタックに供給するが、燃料電池スタックにて未反応の水素ガス（水素オフガス）は水素ポンプを有する水素循環経路を介して再び燃料電池スタックに供給される。水素オフガスには水分が含まれているため、燃料電池システムを低温下で運転している場合には、この水分が水素ポンプ内で結露する。さらに水素ポンプの筐体が水の凝固点（０℃）以下になっていると、結露した水が凍結し、水素ポンプがロックする場合があった。

特許文献１には、凍結などにより水素ポンプがロックしている場合、燃料電池スタックからの出力を制限する燃料電池システムの制御方法が開示されている。

特開２００６−１５５９９８号公報

引用文献１に記載の燃料電池システムは、上述したように、あくまでも水素ポンプにおけるロックが発生した場合の燃料電池システムの制御方法であり、水素ポンプにおける凍結によるロックの発生を抑制することはできない。

本発明は、以上の背景に鑑みなされるものであり、０℃以下の低温環境下においても、水素ポンプにおける凍結によるロック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目的とする。

本発明は、燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出された水素ガスを前記燃料電池スタックに再供給するように循環させるポンプと、前記ポンプの温度を検出する温度検出部と、前記ポンプの吐出口側に設けられた絞り弁と、前記温度検出部によって検出された前記ポンプの温度に基づいて、前記絞り弁の開度を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ポンプの温度が所定の凍結基準温度以下になった場合、前記凍結基準温度を超える場合よりも前記絞り弁の開度を小さくするものである。

本発明によれば、０℃以下の低温環境下においても、水素ポンプにおける凍結によるロックを抑制することができる。

本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施の形態にかかる燃料電池システムにおける水素ポンプの概略構成を示す断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における水素ポンプの断面図である。本実施の形態にかかる燃料電池システムにおける制御部による制御フローについて説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システム１の概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、水素タンク５０と、燃焼ガス供給経路２０と、水素循環経路３０と、ポンプとしての水素ポンプ３２と、絞り弁３４と、制御部４０と、を備えている。

燃料電池スタック１０は、多数の単セルが積層されたセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。ここで、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、ＭＥＡを両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。燃料電池スタック１０は、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスと、カソード側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガスとの酸化還元反応により発電する。

燃料電池スタック１０のアノードには、燃料ガス供給経路２５を介して水素タンク５０内の水素が燃料ガスとして供給される。具体的には、水素タンク５０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたレギュレータ２１と、主止弁２２と、一次圧を所定圧に減圧する減圧弁２３及びインジェクタ２４とによって圧力および供給量が調整されて、燃料電池スタック１０のアノードに供給される。燃料電池スタック１０のカソードには、酸素供給経路を介して酸化ガスとしての空気が供給される。図１において、酸素供給経路については省略している。

燃料電池スタック１０おいて、発電に使用されなかった水素ガスおよび酸化還元反応によって生成した水（生成水）は、水素循環経路３０に流出される。燃料電池スタック１０のアノードから排出された水素ガスおよび生成水は、まず、気液分離器３１に供給され、気液分離器３１において水素ガスと生成水とに分離される。気液分離器３１において分離された生成水は排気排水弁３３を介して外部に排出される。一方、気液分離器３１において分離された水素は、水素ポンプ３２、絞り弁３４を介して燃焼ガス供給経路２０へと流入し、再び燃料電池スタック１０のアノードに供給される。

水素ポンプ３２は、燃料電池スタック１０から排出された水素ガスを燃料電池スタック１０に再供給するように循環させるためのポンプである。水素ポンプ３２として、例えば、スクロールポンプ、ベーンポンプ、ルーツポンプ、ダイヤフラムポンプなど、水素ガスを送り出す構成のものが使用される。水素ポンプ３２には、水素ポンプ３２の温度を検出するための温度検出部が設けられている。

絞り弁３４は、水素循環経路３０における水素ガスの循環量を調整するための弁で、水素ポンプ３２の吐出口側に設けられている。制御部４０は、温度検出部３５によって検出された水素ポンプ３２の温度に基づいて、絞り弁３４の開度を制御する。なお、絞り弁３４の開度の制御方法の詳細については後述する。

本実施形態では、水素ポンプ３２として電動ルーツ式ポンプを用いている。図２は、水素ポンプ３２の要部を示す断面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における水素ポンプ３２の断面図である。図２に示すように、筐体３０３には、ロータ室３０１とモータ室３０２とが形成されている。ロータ室３０１には、一対のロータ３０５，３０６が配置されている。

図３に示すように、一対のロータ３０５，３０６はいわゆる瓢箪形（中央部がくびれた楕円形状）であり、ロータ室３０１において位相を約９０度ずらした状態で配置されている。なお、筐体３０３の内面やロータ３０５，３０６の表面のうち水素オフガスが接触し得る面にイオン交換樹脂をコーティングしておくことが好ましい。図２に示すように、モータ室３０２には、ロータ３０５，３０６を回転させるための駆動源であるモータ３０４が配置されている。

図２に示すように、ロータ３０５，３０６は、それぞれがロータシャフト３０７，３０８に接続されており、互いに逆向きに回転するように構成されている。ロータシャフト３０７，３０８は、互いに噛み合うギア３０９，３１０をそれぞれ備える。ロータシャフト３０７は、ボールベアリング３１１，３１２により軸受けされている。また、ロータシャフト３０８は、ボールベアリング３１３，３１４により軸受けされている。

ロータシャフト３０８は、モータ室３０２に配置されたモータ３０４の出力軸である。このロータシャフト３０８にモータ３０４の出力が伝達されると、ギア３０９，３１０を介してロータ３０５とロータ３０６とが互いに逆方向に回転し、ロータ室３０１内にて水素オフガスを昇圧して送り出す。

なお、上述した、温度検出部３５によって検出する水素ポンプ３２の温度とは、具体的には、水素ポンプ３２の筐体３０３におけるロータ室３０１を覆う部分の温度である。水素ポンプ３２の筐体３０３におけるロータ室３０１を覆う部分の温度は、当該部分に設置した温度センサによって検出してもよく、モータ３０４に設けられたモータサーミスタ３０９の温度と水素ポンプ３２の筐体３０３の温度との相関を事前に把握しておき、モータサーミスタ３０９によって検出された温度から推定してもよい。

ここで、制御部４０による絞り弁３４の開度の制御方法について説明する。なお、以下の説明では、図１および図２についても適宜参照する。
気液分離器３１によって分離された水素ガス中には微量の水分が含まれている。燃料電池システム１が、０℃以下の低温環境において運転されている場合、水素ポンプ３２における、ロータ室３０１の壁面とロータ３０５，３０６の表面には、水素ガス中に含まれる微量の水分が結露し霜が発生する。ロータ３０５，３０６とロータ室３０１の壁面とが最も近接している箇所では隙間が非常に狭いので、この隙間においてロータ３０５，３０６とロータ室３０１の壁面とに発生した霜が互いに凍結すると、ロータ３０５がロックされる。

図４は、燃料電池システム１における制御部４０による制御フローについて説明するフローチャートである。図４に示すように、まず、制御部４０が、温度検出部３５の検出した温度に基づいて、水素ポンプ３２の筐体温度が凍結基準温度Ｔ以下であるか否かについて判断する（ステップＳ１）。ここで、凍結基準温度Ｔは、例えば、水の凝固点（０℃）である。

水素ポンプ３２の筐体温度が凍結基準温度Ｔ以下である場合（ステップＳ１でＹＥＳの場合）、制御部４０が、絞り弁３４の開度が、通常時の場合（水素ポンプ３２の筐体温度が凍結基準温度Ｔ以上の場合）よりも小さくするように制御する（ステップＳ２）。水素ポンプ３２の筐体温度が凍結基準温度Ｔを超える場合（ステップＳ１でＮＯの場合）、制御部４０が、絞り弁３４の開度が通常時の開度に維持されるように制御する（ステップＳ２）。

水素ポンプ３２の温度が所定の凍結基準温度Ｔ以下になった場合に、制御部４０が、凍結基準温度Ｔを超える場合よりも絞り弁３４の開度を小さくして水素循環経路３０の圧損を意図的に増やすことにより、モータ３０４の仕事量が増え、モータ３０４で発生する熱の量を増加させることができる。図２に示すように、モータ３０４で発生した熱は、矢印ＡおよびＢのように筐体３０３を伝ってロータ室３０１に供給され、ロータ３０５，３０６とロータ室３０１の壁面とに霜が発生するのを防止することができる。これにより、燃料電池システム１が０℃以下の低温環境下にあるときにも、水素ポンプ３２における凍結によるロックを抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１燃料電池システム１
１０燃料電池スタック
２０燃焼ガス供給経路
３０水素循環経路
３２水素ポンプ
３４絞り弁
３５温度検出部
４０制御部
５０水素タンク
Ｔ凍結基準温度

Claims

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出された水素ガスを前記燃料電池スタックに再供給するように循環させるポンプと、
前記ポンプの温度を検出する温度検出部と、
前記ポンプの吐出口側に設けられた絞り弁と、
前記温度検出部によって検出された前記ポンプの温度に基づいて、前記絞り弁の開度を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ポンプの温度が所定の凍結基準温度以下になった場合、前記凍結基準温度を超える場合よりも前記絞り弁の開度を小さくする、燃料電池システム。