JP2018181653A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソード極に水素が存在する場合のエア供給を最適化した燃料電池システムを提供する。【解決手段】カソード極２２における水素量が互いに異なる第１の場合と第２の場合とでは、入口弁３５及び出口弁３６の制御の仕方を変える。例えば、多くの水素がカソード極２２に存在する場合には、入口弁３５を開放し且つ出口弁３６を閉塞した上で、エア供給機構３４を駆動してカソード極２２にエアを供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、水素が供給されるアノード極及びエアが供給されるカソード極を有する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、酸化ガス供給路を介してカソード極にエアを供給し、酸化オフガス流路を介してカソード極から外部にエアを排出している。酸化ガス供給路と酸化オフガス流路とはバイパス流路によってつながれ、バイパス流路にはバイパス弁が設けられている。通常、バイパス弁は閉じている。一方、カソード極にポンピング水素が発生する低効率運転の際、バイパス弁は開き、それにより酸化ガス供給路を流れるエアの一部を燃料電池をバイパスさせて酸化オフガス流路に導いている。バイパスさせたエアによってポンピング水素を希釈することで、低効率運転を行う始動時に、規制範囲を超えた水素濃度が外部に排出されることを防止している。

国際公開２００７／０４６５４５

ところで、始動時の排気水素濃度を規制範囲内におさえるために、酸化オフガス流路に設けたエア調圧弁を徐々に開けるようにしたとすれば、カソード極側の水素をエアで置換するのを完了するのに時間を要してしまう。また、カソード極における水素量に関わらず、一律、エア調圧弁を徐々に開けるように制御すると、バイパスエアで過剰に水素希釈しながら燃料電池を起動してしまうことになりかねず、エネルギーロスが懸念される。

本発明は、カソード極に水素が存在する場合のエア供給を最適化した燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、水素が供給されるアノード極及びエアが供給されるカソード極を有する燃料電池と、エア供給機構とカソード極の入口側とをつなぐエア供給流路に設けられた入口弁と、カソード極の出口側につながるエアオフガス流路に設けられた出口弁と、エア供給機構、入口弁及び出口弁を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、カソード極における水素量が互いに異なる第１の場合と第２の場合とでは入口弁及び出口弁の制御の仕方を変えており、第１の場合よりも多くの水素がカソード極に存在する第２の場合には、入口弁を開放し且つ出口弁を閉塞した上で、エア供給機構を駆動してカソード極にエアを供給する。

この態様によれば、カソード極における水素量によって入口弁及び出口弁の制御の仕方が変わるので、状況に応じたエア供給の制御が可能となり、カソード極における水素の希釈までの時間短縮やエネルギーロスの低減などが可能となる。特に、カソード極に比較的多くの水素が存在する場合には、カソード極における水素をエアにより攪拌し、かつ、エアとの反応により消費することができ、水素の希釈化を促進することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムにおける運転起動時の酸化ガス供給系の制御フローを示すフローチャートである。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池２０と、酸化ガスとしての空気（エア）を燃料電池２０のカソード極に供給する酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２０のアノード極に供給する燃料ガス供給系４０と、システム全体を統合制御する制御装置６０と、を備えている。燃料電池２０は、例えば複数の単セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックで構成される。例えば、単セルは、電解質膜２１の一方の面にカソード極２２を有し、電解質膜２１の他方の面にアノード極２３を有し、さらに、カソード極２２及びアノード極２３を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。カソード極２２側のセパレータには酸化ガス流路２４が形成され、アノード極２３側のセパレータには燃料ガス流路２５が形成される。これにより、カソード極２２にはエアが供給され、アノード極２３には水素が供給される。

酸化ガス供給系３０は、酸化ガス供給流路３１（エア供給流路）と、酸化オフガス流路３２（エアオフガス流路）を有する。酸化ガス供給流路３１は、エア供給機構としてのエアコンプレッサ３４とカソード極２２の入口側（酸化ガス流路２４の入口側）とをつなぐ流路である。エアコンプレッサ３４は、フィルタ３３を介して外気（エア）を取り込み、酸化ガス供給流路３１を介して酸化ガス流路２４に供給する。カソード極２２の出口側（酸化ガス流路２４の出口側）には酸化オフガス流路３２がつながっており、酸化ガス流路２４から排出される酸化オフガスは、酸化オフガス流路３２を通って外部の大気中又は希釈器（図示省略）へ排出される。酸化オフガスは、燃料電池２０の電池反応に利用されなかったエアであるが、酸化オフガスには水素が含まれることがある。これは、例えば燃料電池システム１の停止中等において、アノード極２３側からカソード極２２側へと水素が透過し、酸化ガス流路２４に水素が存在することがあるからである。また、カソード極２２においてポンピング水素が発生することもあるからである。

酸化ガス供給流路３１には、入口弁３５が酸化ガス流路２４の入口付近に設けられ、酸化オフガス流路３２には、出口弁３６が酸化ガス流路２４の出口付近に設けられている。酸化ガス供給流路３１における入口弁３５の上流側と酸化オフガス流路３２における出口弁３６の下流側とは、バイパス流路３７によって接続されている。バイパス流路３７の途中には、バイパス弁３８が設けられている。バイパス弁３８が開くと、エアコンプレッサ３４から圧送されるエアの一部がバイパス流路３７の下流へと分流され、酸化オフガス流路３２中の酸化オフガスと混合されて、酸化オフガス流路３２の下流へと排出される。すなわち、エアコンプレッサ３４からのエアが燃料電池２０をバイパスして酸化オフガス流路３２の出口弁３６の下流へと流れる。以下の説明では、このようなバイパスされるエアをバイパスエアと呼ぶ。入口弁３５、出口弁３６及びバイパス弁３８は、それぞれ、酸化ガス供給流路３１、酸化オフガス流路３２及びバイパス流路３７を開閉可能に構成される。入口弁３５、出口弁３６及びバイパス弁３８は、例えばステップモータを駆動源とする制御弁であり、制御装置６０からの指令により開度を任意に設定される。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池２０に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路４２と、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給流路４２に帰還させるための循環流路４３と、燃料ガス供給源４１の元弁となる遮断弁４４と、を有する。燃料ガス供給源４１は、高圧の水素、例えば３５ＭＰａ〜７０ＭＰａの水素を貯留するものであり、例えば水素タンク又は水素吸蔵合金などで構成される。燃料ガス供給源４１から燃料電池２０へと供給される燃料ガスは、調圧弁４５及びインジェクタ４６によって減圧される。循環流路４３には、気液分離器７１及び排気排水弁７２を介して、排気排水流路７３が接続されている。排気排水流路７３は、酸化オフガス流路３２の下流側に接続されている。排気排水弁７２は、制御装置６０からの指令によって燃料電池２０の発電運転中に適宜開くことにより、気液分離器７１で回収した水分と、循環流路４３内の不純物を含む燃料オフガスと、を排気排水流路７３に排出（パージ）する。また、循環流路４３には、循環流路４３内の燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給流路４２の下流側へ送り出すポンプ７５が設けられている。

制御装置６０は、ＣＰＵ６１、メモリ６２及び入出力インタフェース６３を備える電子制御ユニットであり、例えばマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵ６１は、制御プログラムに従って所望の演算を実行するものであり、種々の処理や制御を行う。メモリ６２は、例えばＲＯＭ及びＲＡＭを有する。ＲＯＭは、ＣＰＵ６１で処理する制御プログラムや制御データを記憶し、ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。入出力インタフェース６３には、燃料電池システム１の各部を構成する機器、例えばエアコンプレッサ３４、入口弁３５、出口弁３６、バイパス弁３８、遮断弁４４、インジェクタ４６、排気排水弁７２及びポンプ７５が接続される。また、入出力インタフェース６３には、燃料電池２０の一部又は全部の単セルについてセル電圧を検出するセルモニタ６５が接続される。このような構成により、制御装置６０は、圧力センサＰ１〜Ｐ３やセルモニタ６５等の各種センサからの入力信号を受けて、各種機器に指示信号を送り、燃料電池システム１全体を制御する。

本実施形態の燃料電池システム１では、制御装置６０が、運転停止時の燃料電池２０の状態から次回運転起動時の燃料電池２０内のカソード水素分圧を推定し、その推定結果に基づいて酸化ガス供給系３０の動作（特に入口弁３５、出口弁３６及びバイパス弁３８を動かすタイミング等）を変えることで、状況に応じた最適な起動を実現する。これにより、起動時間の短縮と起動時のエネルギー消費抑制とを実現しつつ、排気水素濃度の規制（クライテリア）を満足する。以下、まず、概略を説明する。

１．運転停止時
燃料電池システム１の運転停止時には、入口弁３５及び出口弁３６を閉じる。これにより、燃料電池２０のカソード極２２側を封止する。すなわち、入口弁３５の下流側の酸化ガス供給流路３１、燃料電池２０内の酸化ガス流路２４及び出口弁３６の上流側の酸化オフガス流路３２からなる閉空間が形成される。

２．運転起動時
燃料電池システム１の運転起動時には、この運転起動時における燃料電池２０内のカソード水素分圧を推定する。カソード極２２における水素量が多いほど、すなわちカソード極２２側の水素濃度が高いほど、カソード水素分圧は高くなる。このカソード水素分圧は、運転停止時の燃料電池２０の状態、すなわち前回運転停止時の条件から推定される。

カソード水素分圧が低いと推定した際は、入口弁３５、出口弁３６及びバイパス弁３８を同時に開け、エアコンプレッサ３４を駆動する。このとき、入口弁３５は全開とし、出口弁３６及びバイパス弁３８は、排気水素濃度のクライテリアを満足できる分流比を実現するために必要な開度とする。分流比とは、エアコンプレッサ３４を駆動したときに流れるエアに関して、燃料電池２０に供給されるエアの流量とバイパスエアの流量との比である。エアコンプレッサ３４の駆動により、エアが燃料電池２０内の酸化ガス流路２４に供給され、このエアによって、酸化ガス流路２４にある水素が酸化オフガス流路３２に押し出されるように排出される。酸化オフガス流路３２に排出された水素は、バイパスエアによって希釈される。希釈後の排気水素濃度はクライテリアを満足するものとなっている。なお、入口弁３５は全開とするのではなく、中間開度にして分流比を実現することも可能である。ただし、制御の簡素化からすれば、入口弁３５は全開で、出口弁３６を中間開度とする方がよい。

カソード水素分圧が高いと推定した際は、まず、入口弁３５を開ける。その上で、エアコンプレッサ３４を駆動し、燃料電池２０内の酸化ガス流路２４にエアを供給する。また、入口弁３５の開弁又はエアコンプレッサ３４の駆動と同時に、バイパス弁３８を開く。バイパス弁３８の開度は、燃料電池２０内（酸化ガス流路２４内）の圧力を狙いの圧力とするような開度とする。エアコンプレッサ３４の駆動により、エアが燃料電池２０内の酸化ガス流路２４に供給される。出口弁３６が閉じているため、エアは酸化ガス流路２４内に押し込まれるようになり、これによって、酸化ガス流路２４内にある水素は、攪拌・均一化されると共に、エア中の酸素と反応して消費される。その結果、酸化ガス流路２４内の水素濃度（カソード水素分圧）が低減される。そして、酸化ガス流路２４内の水素濃度が、実現できる分流比で排気水素濃度のクライテリアを満足できる程度に低減したところで、出口弁３６を開け始める。これにより、酸化ガス流路２４内の酸化オフガス（濃度が薄まった水素を含む。）は酸化オフガス流路３２に排出され、バイパスエアによって希釈される。希釈後の排気水素濃度はクライテリアを満足するものとなっている。

このような制御により、燃料電池システム１の運転起動時においてカソード極２２に水素が存在する場合の酸化ガス供給系３０の動作を最適化することができる。仮に、カソード水素分圧が低い場合にも、カソード水素分圧が高い場合と同じように酸化ガス供給系３０を動作させるとすれば、起動時間が長くかかってしまう。これに対し、カソード極２２における水素量が互いに異なる前者の場合（第１の場合：カソード水素分圧が低い場合）と後者の場合（第２の場合：カソード水素分圧が高い場合）とでは上記のように酸化ガス供給系３０について別々の動かし方をさせることで、カソード水素分圧が低い場合には、できる限り多くのエアを燃料電池２０に供給することができるため、酸化ガス流路２４内の水素置換を速やかに完了することができる。これにより、起動時間の短縮とエネルギーロス抑制を図ることができる。このような制御は、例えば燃料電池システム１を搭載した車両の停止中に、燃料電池２０に水素供給を実施するような場合に特に好適である。

次に、上記のエア供給の最適化制御の具体的な制御フローの一例について、図２を参照して説明する。この制御フローは制御装置６０によって実行される。図２に示すように、まず、燃料電池システム１の起動要求を受けると（ステップＳ１）、前回の運転停止時の条件から燃料電池２０内のカソード水素分圧を推定する（ステップＳ２）。次いで、推定したカソード水素分圧に基づいて、エアの必要分流比を推定する（ステップＳ３）。エアの必要分流比とは、排気水素濃度のクライテリアを満足するのに必要な分流比である。そして、実現可能な分流比で排気水素濃度のクライテリアを満足することが可能かどうかを判断する（ステップＳ４）。

推定したカソード水素分圧が低い場合には、実現可能な分流比で排気水素濃度のクライテリアを満足することが可能となるため（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、上述のカソード水素分圧が低いと推定した際の動かした方を実行する。具体的には、推定した必要分流比を実現するための開度指令値を算出し（ステップＳ５）、入口弁３５、出口弁３６及びバイパス弁３８に開弁指令を送る（ステップＳ６）。開弁指令を受けると、例えば、入口弁３５は全開となり、出口弁３６及びバイパス弁３８は所定の必要な開度で開くことになる。そして、エアコンプレッサ３４に駆動指令を送り（ステップＳ７）、エアを酸化ガス流路２４に供給すると共にバイパスエアで酸化オフガス中の水素を希釈する。

推定したカソード水素分圧が高い場合には、実現可能な分流比では排気水素濃度のクライテリアを満足することができないため（ステップＳ４：Ｎｏ）、上述のカソード水素分圧が高いと推定した際の動かした方を実行する。具体的には、燃料電池２０の加圧要求値、すなわち酸化ガス流路２４内を狙いの圧力にするための要求値を算出する（ステップＳ８）。そして、この加圧要求値を実現するための開度指令値を算出し（ステップＳ９）、入口弁３５バイパス弁３８に開弁指令を送る（ステップＳ１０）。開弁指令を受けると、例えば、入口弁３５及びバイパス弁３８は所定の必要な開度で開くことになる（ステップＳ１１）。そして、エアコンプレッサ３４に駆動指令を送り、エアを酸化ガス流路２４に押し込んでいくようにする。セルモニタ６５によってセル電圧を監視し（ステップＳ１２）、セル電圧の分布が規定値以内になるまでステップＳ８〜Ｓ１２が繰り返される（ステップＳ１３：Ｎｏ）。セル電圧の分布が規定値以内になったら（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、酸化ガス流路２４内に存在する水素の攪拌・均一化が単セル面内で完了したとみなして、再度、カソード水素分圧を推定する（ステップＳ１４）。推定したカソード水素分圧が依然として高い場合にはステップＳ８に戻るが（ステップＳ１５：Ｎｏ）、推定したカソード水素分圧が低くなった場合には上記のステップＳ５へと進む（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）。

したがって、本実施形態によれば、燃料電池システム１の運転起動時においてカソード極２２に水素が存在する場合の酸化ガス供給系３０の動作を最適化することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、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…燃料電池システム、２０…燃料電池、２１…電解質膜、２２…カソード極、２３…アノード極、２４…酸化ガス流路、２５…燃料ガス流路、３０…酸化ガス供給系、３１…酸化ガス供給流路、３２…酸化オフガス流路、３３…フィルタ、３４…エアコンプレッサ、３５…入口弁、３６…出口弁、３７…バイパス流路、３８…バイパス弁、４０…燃料ガス供給系、４１…燃料ガス供給源、４２…燃料ガス供給流路、４３…循環流路、４４…遮断弁、４５…調圧弁、４６…インジェクタ、６０…制御装置、６１…ＣＰＵ、６２…メモリ、６３…入出力インタフェース、６５…セルモニタ、７１…気液分離器、７２…排気排水弁、７３…排気排水流路、７５…ポンプ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…圧力センサ

Claims (1)

1. 水素が供給されるアノード極及びエアが供給されるカソード極を有する燃料電池と、
   エア供給機構と前記カソード極の入口側とをつなぐエア供給流路に設けられた入口弁と、
   前記カソード極の出口側につながるエアオフガス流路に設けられた出口弁と、
   前記エア供給機構、前記入口弁及び前記出口弁を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記カソード極における水素量が互いに異なる第１の場合と第２の場合とでは前記入口弁及び前記出口弁の制御の仕方を変えており、前記第１の場合よりも多くの水素が前記カソード極に存在する前記第２の場合には、前記入口弁を開放し且つ前記出口弁を閉塞した上で、前記エア供給機構を駆動して前記カソード極にエアを供給する、燃料電池システム。

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