JP2019033046A

JP2019033046A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2019033046A
Application number: JP2017154700A
Authority: JP
Inventors: 礼森永; Rei Morinaga
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-02-28

Abstract

【課題】圧縮機の応答性が改善された燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスを膨張させ、前記酸化剤オフガスの膨張により得られる動力を前記圧縮機に伝達する膨張機と前記圧縮機により圧縮された前記酸化剤ガスを導入して蓄圧し、前記膨張機に送出する蓄圧部と、前記燃料電池に要求される出力の単位時間当たりの増加量が第１閾値より小さい場合、前記蓄圧部に前記酸化剤ガスが導入され、前記増加量が、前記第１閾値より大きい第２閾値以上である場合、前記蓄圧部に蓄圧された前記酸化剤ガスが前記膨張機に送出されるように、前記蓄圧部を制御する制御部とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

例えば特許文献１には、燃料電池の出力の増加要求時、燃料電池からの排気のエネルギを回収するエキスパンダ（膨張機）の入口側に外気を導入することにより、エキスパンダの入口及び出口の圧力差を低減する点が記載されている。

特開２００８−２９３７０６号公報

しかし、エキスパンダの入口及び出口の圧力差が小さい場合、エキスパンダを流れるガスの流量が少ないため、エキスパンダが回収するエネルギ量が少なくなる。このため、例えば、回収したエネルギをコンプレッサ（圧縮機）の駆動に利用するとき、燃料電池の出力の増加要求に対し良好な応答性でコンプレッサの出力を増加させることができないおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧縮機の応答性が改善された燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスを膨張させ、前記酸化剤オフガスの膨張により得られる動力を前記圧縮機に伝達する膨張機と、前記圧縮機により圧縮された前記酸化剤ガスを導入して蓄圧し、前記膨張機に送出する蓄圧部と、前記燃料電池に要求される出力の単位時間当たりの増加量が第１閾値より小さい場合、前記蓄圧部に前記酸化剤ガスが導入され、前記増加量が、前記第１閾値より大きい第２閾値以上である場合、前記蓄圧部に蓄圧された前記酸化剤ガスが前記膨張機に送出されるように、前記蓄圧部を制御する制御部とを有する。

本発明によれば、圧縮機の応答性を改善することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。ＥＣＵ（Electronic Control Unit）の制御処理の一例を示すフローチャートである。燃料電池システムの他の例を示す構成図である。燃料電池システムの他の例を示す構成図である。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、燃料電池１と、蓄圧部４と、ＥＣＵ５と、圧縮機２０と、膨張機２１と、調圧バルブ３０と、供給路６０と、排出路６１と、バイパス路６２と、エアクリーナ７０と、インタークーラ７１と、圧力センサ８０と、フローメータ８１と、モータ９０と、動力伝達機構９１とを有する。なお、燃料電池システムは、一例として燃料電池車に搭載されるが、これに限定されず、他の用途に用いられるものであってもよい。

燃料電池１は、膜電極接合体をそれぞれ備えた複数の単セルが積層されることにより構成され、カソードには酸化剤ガスの一例として酸素を含む空気が供給され、アノードには、燃料ガスの一例として水素ガスが供給される。燃料電池１は、各単セルにおいて酸化剤ガスと燃料ガスが化学反応することにより発電する。なお、図１には燃料電池１のカソード側の構成のみが示されており、アノード側の構成の図示は省略する。

このように、燃料電池１は、酸化剤ガスと燃料ガスが供給されることにより発電する。発電で得られた電力は、例えば燃料電池車の場合、燃料電池車の動力に用いられる。

燃料電池１は、供給路６０を介して酸化剤ガスが供給され、排出路６１を介して酸化剤オフガスを排出する。また、供給路６０と排出路６１の間はバイパス路６２により接続されている。

供給路６０には、エアクリーナ７０と、圧縮機２０と、インタークーラ７１とが接続されている。エアクリーナ７０は、例えば、外部から導入された酸化剤ガス中の塵などを除去するフィルタを備える。エアクリーナを通過した酸化剤ガスは圧縮機２０に導入される。

圧縮機２０は、燃料電池１に供給される酸化剤ガスをタービンの回転により圧縮する。圧縮された酸化剤ガスはインタークーラ７１に導入される。インタークーラ７１は、酸化剤ガスを熱交換により冷却して燃料電池１に送出する。

排出路６１には、調圧バルブ３０と、圧力センサ８０と、フローメータ８１と、膨張機２１とが接続されている。調圧バルブ３０は、排出路６１とバイパス路６２の接続部より上流側に接続され、ＥＣＵ５からの制御に従って排出路６１内の酸化剤ガスの圧力及び流量を調整する。

圧力センサ８０は、膨張機２１の入口側の酸化剤オフガスの圧力を検出する。ＥＣＵ５は、圧力センサ８０から酸化剤オフガスの圧力を取得する。なお、膨張機２１の出口側の圧力は実質的に大気圧に等しい。

フローメータ８１は、膨張機２１の入口側の酸化剤オフガスの流量を検出する。ＥＣＵ５は、圧力センサ８０から酸化剤オフガスの流量を取得する。

膨張機２１は、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスを膨張させ、その膨張により得られる動力を圧縮機２０に伝達する。膨張機２１は、回転軸などの動力伝達機構９１を介して圧縮機２０と接続されており、燃料電池１から排出された酸化剤オフガスによりタービンを回転させ、その動力を、動力伝達機構９１を介して圧縮機２０に伝達する。また、動力伝達機構９１には、圧縮機２０及び膨張機２１のタービンの回転を補助するモータ９０が接続されている。

これにより、圧縮機２０は、膨張機２１と同軸上でタービンを回転させ、膨張機２１により回収されたエネルギを利用して酸化剤ガスを圧縮する。ＥＣＵ５は、圧縮機２０のタービンの回転速度を制御する。

また、バイパス路６２には、圧縮機２０により圧縮された酸化剤ガスを供給路６０から導入して蓄圧し、膨張機２１に送出する蓄圧部４が接続されている。蓄圧部４は、タンク４０、導入バルブ４１、送出バルブ４２、及び圧力センサ４３を含む。導入バルブ４１は供給路６０側に設けられ、送出バルブ４２は排出路６１側に設けられ、タンク４０は導入バルブ４１と送出バルブ４２の間に設けられている。

導入バルブ４１が開くと、圧縮機２０により圧縮された酸化剤ガスが供給路６０からタンク４０に導入される。タンク４０内では酸化剤ガスが蓄圧される。送出バルブ４２が開くと、酸化剤ガスがタンク４０から排出路６１に送出される。ＥＣＵ５は、導入バルブ４１及び送出バルブ４２の開度を制御する。

圧力センサ４３は、タンク４０内の酸化剤ガスの圧力を検出する。ＥＣＵ５は、圧力センサ４３からタンク４０内の酸化剤オフガスの圧力を取得する。

ＥＣＵ５は、制御部の一例であり、燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリなどから構成され、ＣＰＵを駆動するプログラムに従って動作する。

ＥＣＵ５は、不図示のアクセルペダルの開度、バッテリの充電状態、及び室内エアコンなどの外部装置の必要電力に応じて燃料電池１に要求される出力（要求出力）を決定する。なお、要求出力は、燃料電池１から得られる電力と同一の値である。ＥＣＵ５は、要求出力や単位時間当たりの要求出力の増加量に応じて、圧縮機２０のタービンの回転数と、調圧バルブ３０、導入バルブ４１、及び送出バルブ４２の各開度とを制御する。なお、ＥＣＵ５は、例えば単位時間ごとに要求出力の変化を監視することにより要求出力の単位時間当たりの増加量を算出する。

ＥＣＵ５は、燃料電池１の要求出力が急激に増加した場合、燃料電池１に供給される酸化剤ガスの量を増加させるため、圧縮機２０にタービンの回転数の増加を指示する。なお、燃料電池１の要求出力が急激な増加は、例えば燃料電池車の場合、燃料電池車を急加速する場合などに生ずる。圧縮機２０には膨張機２１から動力が伝達されるため、ＥＣＵ５は、蓄圧部４を用いて膨張機２１の入口側の圧力及び流量を増加させる。

より具体的には、ＥＣＵ５は、予めタンク４０に酸化剤ガスを蓄圧させておき、燃料電池１の要求出力が急激に増加したとき、圧縮された酸化剤ガスをタンク４０から排出路６１に送出する。これにより、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が迅速に増加するため、膨張機２１のタービンの回転速度が増加し、膨張機２１から圧縮機２０に伝達される動力が増加する。圧縮機２０は、燃料電池１の要求出力の増加に応じ回転速度の増加を要求されるが、膨張機２１から伝達される動力が増加するため、ＥＣＵ５の指示に応じ即時にタービンの回転速度を増加させることができる。このときのＥＣＵ５の制御について以下に述べる。

図２は、ＥＣＵ５の制御処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ５は、要求出力の単位時間当たりの増加量を所定の閾値ＴＨａと比較する（ステップＳｔ１）。ＥＣＵ５は、要求出力の単位時間当たりの増加量が閾値ＴＨａより少ない場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、要求出力の増加に対して余力があると判定し、以下のステップＳｔ２〜７の処理によりタンク４０に酸化剤ガスを導入する。なお、閾値ＴＨａは、第１閾値の一例であり、燃料電池システムの設計に応じて適切な値に設定される。

ＥＣＵ５は、圧力センサ４３から取得したタンク４０内の圧力（タンク圧力）を所定の圧力Ｐａと比較する（ステップＳｔ２）。これにより、ＥＣＵ５は、タンク４０に蓄圧されている酸化剤ガスの量が、膨張機２１の入口側の圧力及び流量の増加に十分であるか否かを判定する。なお、圧力Ｐａは、膨張機２１の入口側の圧力及び流量を増加させるのに十分な酸化剤ガス量に相当する。

ＥＣＵ５は、タンク圧力が圧力Ｐａ以上である場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、タンク４０内の酸化剤ガスの量が十分であると判定して、処理を終了する。また、ＥＣＵ５は、タンク圧力が圧力Ｐａより小さい場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、タンク４０内の酸化剤ガスが不足していると判定し、導入バルブ４１を開く（ステップＳｔ３）。次に、ＥＣＵ５は、酸化剤ガスの流量を増加させるため、圧縮機２０のタービンの回転数を所定量だけ増加させる（ステップＳｔ４）。これにより、酸化剤ガスが供給路６０からバイパス路６２を介しタンク４０内に導入され蓄圧される。

次に、ＥＣＵ５は、圧力センサ４３から取得したタンク圧力を所定の圧力Ｐｂ（＞Ｐａ）と比較する（ステップＳｔ５）。これにより、ＥＣＵ５は、タンク４０内に導入された酸化剤ガスの量が十分であるか否かを判定する。なお、圧力Ｐｂは、膨張機２１の入口側の圧力及び流量を増加させるのに十分な酸化剤ガス量に相当し、上記の圧力Ｐａと同一の値であってもよいし、圧力Ｐａに所定量のマージンを加えた値であってもよい。

ＥＣＵ５は、タンク圧力が圧力Ｐｂより小さい場合（ステップＳｔ５のＮｏ）、ステップＳｔ４，Ｓｔ５の各処理を再び実行する。また、ＥＣＵ５は、タンク圧力が圧力Ｐｂ以上である場合（ステップＳｔ５のＹｅｓ）、タンク４０内に十分な量の酸化剤ガスが蓄圧されていると判定し、タンク４０への酸化剤ガスの導入を停止するため、圧縮機２０のタービンの回転数を増加前の通常の値に戻し（ステップＳｔ６）、導入バルブ４１を閉じる（ステップＳｔ７）。

このようにして、ＥＣＵ５は、圧縮機２０により圧縮された酸化剤ガスを、燃料電池１の要求出力の急激な増加に先立ってタンク４０に導入し蓄圧させる。

また、ＥＣＵ５は、要求出力の単位時間当たりの増加量が閾値ＴＨａ以上である場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、要求出力の単位時間当たりの増加量を所定の閾値ＴＨｂ（＞ＴＨａ）と比較する（ステップＳｔ８）。ＥＣＵ５は、要求出力の単位時間当たりの増加量が閾値ＴＨｂより小さい場合（ステップＳｔ８のＮｏ）、要求出力の増加が緩やかであると判定し、処理を終了する。

また、ＥＣＵ５は、要求出力の単位時間当たりの増加量が閾値ＴＨｂ以上である場合（ステップＳｔ８のＹｅｓ）、要求出力の増加が急であると判定し、以下のステップＳｔ９〜１５の処理によりタンク４０から膨張機２１に酸化剤ガスを送出する。なお、閾値ＴＨｂは第２閾値の一例であり、燃料電池システムの設計に応じて適切な値に設定される。

ＥＣＵ５は、圧力センサ４３から取得したタンク圧力を圧力Ｐａと比較する（ステップＳｔ９）。これにより、ＥＣＵ５は、タンク４０に蓄圧されている酸化剤ガスの量が、膨張機２１の入口側の圧力及び流量の増加に十分であるか否かを判定する。

ＥＣＵ５は、タンク圧力が圧力Ｐａより小さい場合（ステップＳｔ９のＮｏ）、酸化剤ガスの量が不十分であると判定し、処理を終了する。また、ＥＣＵ５は、タンク圧力が圧力Ｐａ以上である場合（ステップＳｔ９のＹｅｓ）、酸化剤ガスの量が十分であると判定し、要求出力の増加に応じ圧縮機２０のタービンの回転速度を増加させる（ステップＳｔ１０）。

次に、ＥＣＵ５は、タンク４０から膨張機２１の入口側に酸化剤ガスが送出されるように送出バルブ４２の開度を所定量だけ増加させる（ステップＳｔ１１）。次に、ＥＣＵ５は、圧力センサ８０及びフローメータ８１から膨張機２１の入口側の圧力及び流量をそれぞれ取得する（ステップＳｔ１２）。

次に、ＥＣＵ５は、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が、燃料電池１の要求出力の増加時の圧縮機２０のタービンの回転速度の増加分に応じた目標値に到達したか否かを判定する（ステップＳｔ１３）。ここで、膨張機２１の入口側の圧力及び流量の目標値とは、圧縮機２０のタービンの回転速度の増加に十分な動力を膨張機２１から引き出すことができる値である。

ＥＣＵ５は、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が目標値に到達していない場合（ステップＳｔ１３のＮｏ）、再びステップＳｔ１１以降の処理を実行する。また、ＥＣＵ５は、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が目標値に到達している場合（ステップＳｔ１３のＹｅｓ）、送出バルブ４２の開度を所定量だけ減少させる（ステップＳｔ１４）。

次に、ＥＣＵ５は、送出バルブ４２の開度が０になったか否かを判定する（ステップＳｔ１５）。ＥＣＵ５は、送出バルブ４２の開度が０ではない場合（ステップＳｔ１５のＮｏ）、ステップＳｔ１２以降の処理を実行する。また、ＥＣＵ５は、送出バルブ４２の開度が０である場合（ステップＳｔ１５のＹｅｓ）、処理を終了する。このように、ＥＣＵ５は、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が目標値となった後、徐々に送出バルブ４２を閉じる。

このようにして、ＥＣＵ５は、燃料電池１の要求出力の急激な増加に応じて、タンク４０に蓄圧された酸化剤ガスを膨張機２１に送出する。これにより、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が迅速に増加するため、仮にＥＣＵ５が調圧バルブ３０を絞った場合であっても、圧縮機２０のタービンの回転速度の増加に十分な動力を膨張機２１から引き出すことができる。

上述したように、ＥＣＵ５は、燃料電池１の要求出力の単位時間当たりの増加量が閾値ＴＨａより小さい場合、蓄圧部４に酸化剤ガスが導入され、要求出力の増加量が閾値ＴＨｂ以上である場合、蓄圧部４に蓄圧された酸化剤ガスが膨張機２１に送出されるように、蓄圧部４を制御する。これにより、膨張機２１の入口側の圧力及び流量が迅速に増加するため、膨張機２１のタービンの回転速度が増加し、膨張機２１から圧縮機２０に伝達される動力が増加する。したがって、圧縮機２０の応答性が改善される。

本実施例において、バイパス路６２には蓄圧部４が接続されているため、ＥＣＵ５は、供給路６０から排出路６１に酸化剤ガスをバイパスさせる場合、導入バルブ４１及び送出バルブ４２を開状態に維持する必要があり、酸化剤ガスをタンク４０に蓄圧することが難しい。そこで、次の実施例のように、バイパス路６２とは別に、供給路６０と排出路６１の間を接続する分流路が設けられてもよい。

図３は、燃料電池システムの他の例を示す構成図である。燃料電池システムは、さらに分流バルブ３１と、分流路６３とを有する。図３において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

分流路６３は供給路６０と排出路６１の間を接続し、分流路６３には分流バルブ３１が接続されている。分流路６３の入口はインタークーラ７１の上流側に接続され、分流路６３の出口は、調圧バルブ３０の下流側かつ膨張機２１の上流側に接続されている。

ＥＣＵ５は分流バルブ３１の開度を制御する。ＥＣＵ５は、例えば燃料電池車を駆動するモータの回生電力をバッテリにチャージできない場合、圧縮機２０に電力を消費させるため、供給路６０から分流路６３を介し排出路６１に酸化剤ガスが流れるように分流バルブ３１を開く。また、ＥＣＵ５は、圧縮機２０のサージングを回避するため、上記と同様に分流バルブ３１を開いてもよい。

本実施例の構成によると、バイパス路６２とは別に、供給路６０と排出路６１の間を接続する分流路６３が設けられているため、タンク４０に酸化剤ガスが蓄圧された状態でも、供給路６０から分流路６３を介し排出路６１に酸化剤ガスを流すことが可能である。

上記の構成において、蓄圧部４は、バイパス路６２に接続されているが、これに限定されない。例えば、蓄圧部４は、分流路６３からの酸化剤ガスと燃料電池１からの酸化剤オフガスを混合して蓄圧するため、排出路６１と並列に接続された並列接続路に接続されてもよい。

図４は、燃料電池システムの他の例を示す構成図である。燃料電池システムは、バイパス路６２に代えて並列接続路６４を有する。図４において、図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

並列接続路６４は、排出路６１と並列に接続されている。より具体的には、並列接続路６４の入口及び出口は、調圧バルブ３０の下流側、かつ膨張機２１の上流側に接続されている。

蓄圧部４は、並列接続路６４に接続されており、分流路６３からの酸化剤ガスと燃料電池１からの酸化剤オフガスを混合して蓄圧することができる。このため、例えば、タンク４０に酸化剤オフガスが導入されている間、排出路６１から膨張機２１に入る酸化剤オフガス中の生成水の量が低減されるので、生成水による膨張機２１の機械的ダメージが低減される。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池
４蓄圧部
５ＥＣＵ（制御部）
２０圧縮機
２１膨張機

Claims

酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、
前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスを膨張させ、前記酸化剤オフガスの膨張により得られる動力を前記圧縮機に伝達する膨張機と、
前記圧縮機により圧縮された前記酸化剤ガスを導入して蓄圧し、前記膨張機に送出する蓄圧部と、
前記燃料電池に要求される出力の単位時間当たりの増加量が第１閾値より小さい場合、前記蓄圧部に前記酸化剤ガスが導入され、前記増加量が、前記第１閾値より大きい第２閾値以上である場合、前記蓄圧部に蓄圧された前記酸化剤ガスが前記膨張機に送出されるように、前記蓄圧部を制御する制御部とを有することを特徴とする燃料電池システム。