JP2018139181A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】掃気時間を短縮し、掃気にかかる消費電力を削減する。【解決手段】掃気流量、第２マニホールド５２から外部に排水される排水量、傾斜センサ２によって検出された傾斜方向および傾斜角度に基づいて、第２マップからポンプ３５の消費電力が最小となる掃気時間を決定する掃気時間決定部１０３と、掃気流量、第１マニホールド５１から外部に排水された排水量、傾斜センサ２によって検出された傾斜方向および傾斜角度により算出されたセル２１内および第１マニホールド５１内の残水の自重と、燃料オフガスの掃気流量及び掃気速度に基づいた第１マニホールド５１の残水押上げ力とを比較する比較部１０４と、残水の自重が残水押上げ力よりも小さい場合に、第１マニホールド５１の排水量を考慮して掃気時間決定部１０３により決定した掃気時間を短縮する掃気時間変更部１０５と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、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として、車両姿勢が残留水分の排出向きに上がっている場合には基準面からの角度が大きくなるにつれて排出量を多く設定し、車両姿勢が残留水分の排出向きに下がっている場合には基準面からの角度が大きくなるにつれて排出量を少なく設定するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−５３０８６号公報

ところで、傾斜センサのみによって排出量を調整する場合、実際の残水量が想定よりも少ない場合であっても、予め決められた時間で排水処理が行われる。このため、無駄に排水処理が行われて掃気時間が長くなり、また、掃気させるためのポンプの消費電力が嵩んでしまうことがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、掃気時間の短縮及び掃気にかかる消費電力の削減が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給によって発電するセルを有する燃料電池と、前記燃料電池の傾きを検出する傾斜センサと、前記燃料電池から燃料オフガスを掃気させるためのポンプと、前記ポンプの駆動を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、
前記燃料オフガスが通される第１マニホールドと、
前記第１マニホールドを迂回するように設けられた第２マニホールドと、
を有し、
前記制御装置は、
前記燃料オフガスの掃気流量、前記第２マニホールドから外部に排水される排水量、前記傾斜センサによって検出された傾斜方向および傾斜角度に基づいて、予め決められたマップから前記ポンプの消費電力が最小となる掃気時間を決定する掃気時間決定部と、
前記燃料オフガスの掃気流量、前記第１マニホールドから外部に排水された排水量、前記傾斜センサによって検出された傾斜方向および傾斜角度により算出された前記セル内および前記第１マニホールド内の残水の自重と、前記燃料オフガスの掃気流量及び掃気速度に基づいた前記第１マニホールドの残水押上げ力とを比較する比較部と、
前記残水の自重が前記残水押上げ力よりも小さい場合に、前記第１マニホールドの排水量を考慮して前記掃気時間決定部により決定した掃気時間を短縮する掃気時間変更部と、
を備える。

この構成の燃料電池システムによれば、残水の自重に応じて掃気時間を短くすることができ、掃気のためにポンプを動かす際の消費電力をより少なくできる。

本発明の燃料電池システムによれば、掃気時間の短縮及び掃気にかかる消費電力の削減が可能な燃料電池システムを提供できる。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１マニホールド及び第２マニホールドを説明する燃料電池の概略断面図である。 第１マニホールド及び第２マニホールドの概略断面図である。 燃料電池システムが搭載された車両の概略構成図である。 制御装置の構成を示すブロック図である。 制御装置による排水制御について説明するブロック図である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用も可能である。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１を備えている。燃料電池１１には、発電用ガスを供給するガス供給系１３、１４と、排ガスを排出するためのガス排気系１５、１６と、冷却水を循環させる冷却水系（図示略）とが接続されるとともに、燃料電池１１により発電された電力を各種の機器に供給するための電力供給系１７が接続されている。燃料電池システム１０は、制御装置１０１を有している。制御装置１０１は、燃料電池システム１０を制御する。

燃料電池１１は、多数のセル２１が配列された略直方体の外観形状を有するスタック２０を備えている。セル２１は、高分子電解質膜を有した、いわゆる固体高分子型燃料電池である。セル２１は、高分子電解質膜の表裏に水素及び空気が流されることにより、高分子電解質膜において、水素と空気に含まれる酸素とが電気化学反応して発電する。

燃料電池１１に発電用ガスを供給するガス供給系１３、１４は、一方の発電用ガスである燃料ガスとしての水素ガスを供給するための燃料ガス供給系１３と、他方の発電用ガスである酸化剤ガスとしての空気を供給するための酸化剤ガス供給系１４とを備えている。一方、ガス排気系１５、１６は、燃料ガス供給系１３から過剰に供給された水素ガスを含む排ガスを排出するための燃料ガス排気系１５と、酸化剤ガス供給系１４から過剰に供給された空気や発電時に生じた水蒸気を含む排ガスを排出するための酸化剤ガス排気系１６とを備えている。

酸化剤ガス供給系１４は、空気の供給源としてのコンプレッサ４１と、高分子電解質膜の機能を維持するための水分を供給空気に混合するための加湿器４２と、を備えて、燃料電池１１に接続されている。酸化剤ガス排気系１６は、燃料電池１１から加湿器４２に接続され、排出された水分の一部を供給空気に混合した後、排出路４３から車両外部へ排出できるように構成されている。

燃料ガス供給系１３は、水素ガスの供給源としてのタンク３１、開閉弁３２及びレギュレータ３３を備えて燃料電池１１に接続されている。燃料ガス排気系１５は、気液分離器３４を備え、気液分離器３４から分離される液体を含む一部の気体を排出路４３に移送して、酸化剤ガス排気系１６からの排ガスと混合して排出できるように構成されており、気液分離器３４から分離される気体をポンプ３５により燃料ガス供給系１３に移送して供給水素と混合して循環できるように循環路が構成されている。

ガス供給系１３、１４及びガス排気系１５、１６が接続された燃料電池１１では、発電時に、各セル２１における酸化剤ガスの供給側に、電気化学反応により水分が生成される。この水分は水蒸気として酸化剤ガス排気系１６から排出される他、凝縮することにより液体となり、燃料電池１１内に水が生じる。更に、各セル２１の高分子電解質膜の機能を維持するため、ガス供給系１３、１４の加湿器４２から水分が供給されており、過剰量の場合には燃料電池１１内に液体が生じる。

図２は、第１マニホールド及び第２マニホールドを説明する燃料電池の概略断面図である。図３は、第１マニホールド及び第２マニホールドの概略断面図である。燃料電池１１は、ガス供給系１３，１４、ガス排気系１５，１６、冷却水系にそれぞれ連通する複数のマニホールドを有するが、以下では、水素オフガスが流れる第１マニホールドとこれに連通する第２マニホールドについてのみ説明する。
図２及び図３に示すように、燃料電池１１は、第１マニホールド５１と、第２マニホールド５２とを有している。第１マニホールド５１は、セル２１の水素ガスの排出側に連通されて燃料オフガスである水素オフガスが流される流路であり、この第１マニホールド５１は、ガス排気系１５の配管１５ａに接続されている。第２マニホールド５２は、第１マニホールド５１の下方側で並列に設けられた流路であり、第１マニホールド５１の奥に溜まった残水（図３のハッチング参照）を排出させるための流路である。第２マニホールド５２は、連通路５３によって一端が第１マニホールド５１の一端側に連通され、連通路５４によって他端が第１マニホールド５１の他端側に連通されている。また、第１マニホールド５１とガス排気系１５の配管１５ａとの間には、第１マニホールド５１よりも流路の断面積が狭くされたオリフィス部５５が設けられており、連通路５４は、このオリフィス部５５で連通されている。燃料電池１１では、ポンプ３５が駆動されて第１マニホールド５１が掃気されると、第１マニホールド５１における内圧Ｐ１とオリフィス部５５における内圧Ｐ２との差圧（Ｐ２−Ｐ１）によって第２マニホールド５２の残水（図３のハッチング）が連通路５４から引き上げられ、ガス排気系１５の配管１５ａから排出される。

図４は、燃料電池システムが搭載された車両の概略構成図である。
図４に示すように、燃料電池システム１０は、移動体である車両１に搭載される。車両１は、燃料電池１１によって発電された電力でモータを駆動させて走行する燃料電池車両である。燃料電池１１は、第１マニホールド５１及び第２マニホールド５２が車両１の前後方向に沿うように、車両１における前部に搭載されている。また、車両１に搭載された燃料電池１１には、その傾斜方向及び傾斜角度を検出する傾斜センサ２が設けられている。傾斜センサ２は、制御装置１０１に接続されており、制御装置１０１には、傾斜センサ２から検出信号が送信される。

図５は、制御装置１０１の機能部分のうち本発明に関連する部分の構成を示すブロック図である。
図５に示すように、制御装置１０１は、記憶部１０２、掃気時間決定部１０３、比較部１０４及び掃気時間変更部１０５を備えている。記憶部１０２には、予め設定しておいた第１マニホールド５１についてのマップである第１マップ及び第２マニホールド５２についてのマップである第２マップが記憶されている。第１マップは、第１マニホールド５１における流量、排水量及び傾斜の関係を関連付けたマップであり、第２マップは、第２マニホールド５２における流量、排水量及び傾斜の関係を関連付けたマップである。

上記の燃料電池システム１０では、燃料電池システム１０の運転終了時に、制御装置１０１がポンプ３５を駆動させることで、燃料電池１１内を掃気し、第１マニホールド５１の残水を排水させる排水制御を行う。

次に、制御装置１０１による排水制御について説明する。
図６は、制御装置による排水制御について説明するブロック図である。

図６に示すように、制御装置１０１は、掃気時間決定部１０３が、燃料電池システム１０の運転終了時に、第１マニホールド５１の残水を排水させるための掃気流量及び掃気時間を以下のように決定する。

傾斜センサ２からの検出信号から燃料電池１１の前後左右の傾斜センサ値を取得する（Ｐｒ１）。

燃料電池１１の電流値から燃料電池１１で生成される生成水量を計算して求め（Ｐｒ２）、さらに、その生成水量を、酸化剤ガス側から燃料ガス側への拡散量に換算する（Ｐｒ３）

傾斜センサ値と生成水量値から第１マニホールド５１とセル２１内の残水量を推定し、その残水量推定値を割り出す（Ｐｒ４）。

冬モード判定でイグニッションオフとなると（Ｐｒ５）、運転時の温度を高めたり、排水制御を強化して燃料電池１１内の含水量を通常時よりも減らす制御が行われる。そして、傾斜センサ２からの検出信号から燃料電池１１の前後左右の傾斜センサ値を取得し（Ｐｒ６）、ガス組成の推定値を割り出す（Ｐｒ７）。

残水量推定値、傾斜センサ値及びガス組成の推定値から燃料電池システム１０の運転終了時における掃気流量及び掃気時間を決定する（Ｐｒ８）。なお、この掃気流量及び掃気時間は、記憶部１０２に記憶されている第２マニホールド５２の第２マップからポンプ３５の消費電力が最小となる時間をベースに、記憶部１０２に記憶されている第１マニホールド５１の第１マップと第１マニホールド５１の残水の自重と第２マニホールド５２の残水押上げ力との関係により決定する。

次に、制御装置１０１による掃気流量及び掃気時間の算出プロセス例を以下に説明する。

（１）第２マニホールド５２の第２マップに基づいて求められる掃気時間から、ポンプ３５での消費電力が最小の場合の掃気時間を選択する。

（２）第１マニホールドの第１マップに基づいて上記（１）で選択した掃気時間を、下記のケース１〜３に応じて掃気時間変更部１０５が変更する。

ケース１：残水の自重＝第１マニホールドの残水押上げ力
ケース２：残水の自重＞第１マニホールドの残水押上げ力
ケース３：残水の自重＜第１マニホールドの残水押上げ力

これらのケース１〜３は、比較部１０４が、残水の自重と、燃料オフガスの掃気重量及び掃気時間に基づいた第１マニホールド５１の残水押上げ力とを比較することで求められる。なお、第１マニホールド５１の残水押上げ力とは、燃料オフガスの掃気流量及び掃気時間に基づいて求められるものである。

ケース１の場合は、間欠制御によって（１）で選択した掃気時間での掃気を行う。このように、間欠制御で掃気することで、第１マニホールド５１内における残水の停滞を抑制しつつ、第２マニホールド５２からの排水を行わせる。なお、間欠時間は、残水が傾斜下部へ戻ってくる時間を算出し、その時間に第２マニホールド５２が機能するまでの時間（約３秒）を加算して決定する。

ケース２の場合は、（１）で選択した掃気時間での掃気をそのまま行う。これにより、第２マニホールド５２の機能のみで排水する。

ケース３の場合は、第１マニホールド５１における排水量を加味し、（１）で選択した掃気時間を短縮する。これにより、燃料電池１１の第１マニホールド５１に残水がない状態での無駄な掃気を抑制し、ポンプ３５の消費電力及びＮＶ（Noise Vibration）を抑える。

以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、残水の自重に応じて掃気時間を短くすることができ、掃気のためにポンプ３５を動かす際の消費電力をより少なくできる。

２ 傾斜センサ
１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
２１ セル
３５ ポンプ
５１ 第１マニホールド
５２ 第２マニホールド
１０１ 制御装置
１０３ 掃気時間決定部
１０４ 比較部
１０５ 掃気時間変更部

Claims (1)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給によって発電するセルを有する燃料電池と、前記燃料電池の傾きを検出する傾斜センサと、前記燃料電池から燃料オフガスを掃気させるためのポンプと、前記ポンプの駆動を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、
   前記燃料オフガスが通される第１マニホールドと、
   前記第１マニホールドを迂回するように設けられた第２マニホールドと、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記燃料オフガスの掃気流量、前記第２マニホールドから外部に排水される排水量、前記傾斜センサによって検出された傾斜方向および傾斜角度に基づいて、予め決められたマップから前記ポンプの消費電力が最小となる掃気時間を決定する掃気時間決定部と、
   前記燃料オフガスの掃気流量、前記第１マニホールドから外部に排水された排水量、前記傾斜センサによって検出された傾斜方向および傾斜角度により算出された前記セル内および前記第１マニホールド内の残水の自重と、前記燃料オフガスの掃気流量及び掃気速度に基づいた前記第１マニホールドの残水押上げ力とを比較する比較部と、
   前記残水の自重が前記残水押上げ力よりも小さい場合に、前記第１マニホールドの排水量を考慮して前記掃気時間決定部により決定した掃気時間を短縮する掃気時間変更部と、
   を備える、燃料電池システム。

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