JP2019053875A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに供給される水素の水素濃度の低下を検出する。【解決手段】燃料電池システムは、複数の単セルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素を供給するアノードガス供給系と、燃料電池スタックに供給される水素の水素圧力を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能な圧力センサと、複数の単セルのセル平均電圧を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能な電圧センサと、水素圧力が時間とともに周期的に変化している状態で、セル平均電圧の電圧変化周期が水素圧力の圧力変化周期と一致する場合に、燃料電池スタックに供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定する水素濃度低下判定部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、水素供給流路を介して水素タンク内の水素を燃料電池に供給する（例えば、特許文献１）。

特開２００９−０２１０２４号公報

水素タンク内の水素に不純物が混入している場合、その不純物がアノードガス還流管に滞留し、アノードガス還流管から燃料電池に供給される水素の濃度が低下してしまい、燃料電池の単セルが負電圧となり劣化する恐れがある。本発明は、燃料電池に供給される水素の濃度の低下を検出する技術を提供する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の単セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給するアノードガス供給系と、前記燃料電池スタックに供給される水素の水素圧力を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能な圧力センサと、前記複数の単セルのセル平均電圧を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能な電圧センサと、前記水素圧力が時間とともに周期的に変化している状態で、前記セル平均電圧の電圧変化周期が前記水素圧力の圧力変化周期と一致する場合に、前記燃料電池スタックに供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定する水素濃度低下判定部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、水素濃度低下判定部は、セル平均電圧の電圧変化周期が水素圧力の圧力変化周期と一致する場合に、燃料電池スタックに供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定できるので、別途水素濃度を測定する構成を設けることなく水素濃度の低下を検出できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、水素濃度低下の判定方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 セル平均電圧及び水素圧力の時間的変化の一例を示す図。 水素濃度低下判定のフローチャート。 第２実施形態における水素濃度低下判定のフローチャート。 水素濃度低下時のＦＣ電流とインピーダンスの時間的変化の例を示す図。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０と、アノードガス供給系５０と、カソードガス供給排出系３０と、冷却媒体循環系７０と、制御部８０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」と称する）９１と、電圧センサ９２と、を備える。

燃料電池スタック２０は、積層された複数の単セル２４と、これら複数の単セル２４を両側から挟持する２つの集電板２３、２つの絶縁板２２及び２つのエンドプレート２１とを有する。単セル２４は、図示しない膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード及びカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。

アノードガス供給系５０は、燃料電池スタック２０に水素を供給する。アノードガス供給系５０は、アノードガスタンク４０と、アノードガス供給管６０と、アノードガス還流管６１と、排気排水管５８と、を備える。

アノードガスタンク４０は、数十ＭＰａの圧力で高圧水素ガスを貯蔵している。アノードガス供給管６０は、燃料電池スタック２０とアノードガスタンク４０とを接続し、アノードガスタンク４０内の水素を燃料電池スタック２０に導く。アノードガス供給管６０には、アノードガスタンク４０側から、シャットバルブ４１と、レギュレータ５１と、インジェクタ５４とが設けられている。レギュレータ５１は、水素の圧力を上流側の圧力よりも低い圧力に調整する。インジェクタ５４は、制御部８０からの制御信号によって水素の吐出時間及び吐出時期が制御されることにより、水素の流量及び圧力を調整する。

アノードガス還流管６１は、燃料電池スタック２０から排出されたアノード排ガスをアノードガス供給管６０に還流させる。アノード排ガスには、発電に利用されなかった水素が含まれている。アノードガス還流管６１を流れた水素は、アノードガスタンク４０から供給された水素とアノードガス供給管６０の下流部６０ｄで合流して、燃料電池スタック２０に供給される。

アノードガス還流管６１には、燃料電池スタック２０側から、気液分離器５６と、アノードガス循環ポンプ５５とが設けられている。気液分離器５６は、燃料電池スタック２０から排出されたアノード排ガスから水素を含む気体を分離する。分離後の気体は、アノードガス循環ポンプ５５によってアノードガス供給管６０に還流される。気液分離器５６に残った残留気体と液水は、気液分離器５６下部のシャットバルブ５７と排気排水管５８を介して外部に排出される。

アノードガス還流管６１とアノードガス供給管６０との合流点Ｃ１の上流側で、インジェクタ５４の下流側には、圧力センサ５２が設置されている。圧力センサ５２は、インジェクタ５４及びアノードガス還流管６１から燃料電池スタック２０に供給される水素の水素圧力を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能である。「予め定めた時間」とは、水素圧力を測定可能な時間であり、例えば、数秒程度の時間である。

カソードガス供給排出系３０は、燃料電池スタック２０へのカソードガスの供給及びカソードガスの排出を行う。図１の例では、カソードガスとして空気が採用されている。カソードガス供給排出系３０は、カソードガス供給管３２と、バイパス管３８と、カソードガス排出管３９とを備える。

カソードガス供給管３２は、一端が燃料電池スタック２０と接続され、外部の空気を燃料電池スタック２０に導く。カソードガス供給管３２には、空気の入口側から、外気温度センサ３５と、エアフローメータ３４と、コンプレッサ３１と、三方弁３３とがこの順に設けられている。外気温度センサ３５は、取り込む前の空気の温度を測定する。エアフローメータ３４は、取り込んだ空気の量を測定する。コンプレッサ３１は、取り組んだ空気を圧縮する。三方弁３３は、バイパス管３８と接続され、燃料電池スタック２０とバイパス管３８への空気の流量を調節する。バイパス管３８は、カソードガス排出管３９と接続されている。

カソードガス排出管３９は、上流側の端部が燃料電池スタック２０に接続されており、その途中がバイパス管３８と、アノードガス供給系５０の排気排水管５８とに接続されている。カソードガス排出管３９は、燃料電池スタック２０から排出されたカソード排ガスと、バイパス管３８に分流された空気と、排気排水管５８から排出された残留気体と液水とを外部に排出する。また、カソードガス排出管３９には、調圧弁３６が設けられている。調圧弁３６は、カソードガス排出管３９とバイパス管３８との接続部位よりも燃料電池スタック２０側に位置する。調圧弁３６は、燃料電池スタック２０に供給された空気の圧力を調整する。

冷却媒体循環系７０は、燃料電池スタック２０を冷却する。冷却媒体循環系７０は、冷媒供給管７４と、冷媒排出管７３と、ラジエータ７１と、バイパス管７７と、三方弁７５と、冷媒ポンプ７２と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。冷媒ポンプ７２は、冷媒供給管７４に設けられており、冷媒を燃料電池スタック２０に供給する。三方弁７５は、ラジエータ７１とバイパス管７７への冷媒の流量を調節する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部８０の制御に応じて燃料電池スタック２０から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ９１に供給する。ＰＣＵ９１は、インバータを内蔵し、制御部８０の制御に応じて負荷（図示せず）に電力を供給する。

電圧センサ９２は、複数の単セル２４のセル平均電圧を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能である。セル平均電圧は、例えば、燃料電池スタック２０の両端総電圧を単セル２４の数で割って測定できる。「予め定めた時間」とは、セル平均電圧を測定可能な時間であり、例えば、数秒程度の時間である。

制御部８０は、ＣＰＵとＲＡＭと不揮発性メモリとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部８０は、水素濃度低下判定部８１と、インピーダンス計測部８２とを有する。水素濃度低下判定部８１は、アノードガス供給系５０に設置された圧力センサ５２から送信された水素圧力値と、電圧センサ９２から送信されたセル平均電圧値を用いて、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下しているか否かを判定する。この詳細については後述する。インピーダンス計測部８２は、燃料電池スタック２０の出力端子間に交流信号（電圧もしくは電流）を重畳させ、出力端子間の交流電圧と出力端子間を流れる交流電流を同時に測定することによって得られた信号の比（電圧/ 電流）から、燃料電池スタック２０のインピーダンスを計測する。インピーダンス計測部８２は、省略されてもよい。なお、制御部８０は、発電要求を受けて、燃料電池システム１０の各部を制御して燃料電池スタック２０を発電させる。

図２は、燃料電池システム１０（図１）の運転時に燃料電池スタック２０の複数の単セル２４のセル平均電圧及び燃料電池スタック２０に供給される水素圧力の時間的変化の一例を示す図であり、本発明の発明者による検証結果である。図２によれば、水素圧力は、時間とともに周期的に変化している。この状態において、セル平均電圧は、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下している時、すなわち、水素濃度が予め定めた基準値以下である時に、時間とともに周期的に変化する。セル平均電圧の電圧周期Ｔｖは、水素圧力の圧力変化周期Ｔｐと一致する。ここで、水素濃度低下の理由として、アノードガスタンク４０に予め不純物が混入していること、及び、燃料電池スタック２０の発電中にカソードガスからの窒素等の不純物がアノードガス還流管６１に滞留すること、が考えられる。一方、セル平均電圧は、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が正常である時、すなわち、水素濃度が予め定めた基準値よりも高い時には、周期的に変化しない。なお、「予め定めた基準値」とは、燃料電池システム１０（図１）が所期の出力性能を維持するための水素濃度の下限値である。

図３は、燃料電池システム１０（図１）の運転時に、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下しているか否かを判定するフローチャートである。燃料電池システム１０が運転している際に、制御部８０は、アノードガス供給系５０（図１）のインジェクタ５４の水素の吐出流量を要求出力に応じて制御している。これにつれて、燃料電池スタック２０に供給される水素の圧力は、図２に示すように時間とともに周期的に変化している。ステップＳ１１０において、水素濃度低下判定部８１は、アノードガス供給系５０の圧力センサ５２が予め定めた時間に亘って連続的に測定した水素圧力値を取得する。ステップＳ１２０において、水素濃度低下判定部８１は、電圧センサ９２が予め定めた時間に亘って連続的に測定したセル平均電圧値を取得する。ステップＳ１１０における予め定めた時間と、ステップＳ１２０における予め定めた時間は、同一時間としてもよく、異なる時間としてもよい。また、これら２つの予め定めた時間は、水素圧力の圧力変化周期及びセル平均電圧の電圧変化周期それぞれを計測できるように設定されることが好ましい。

ステップＳ１３０において、水素濃度低下判定部８１は、ステップＳ１１０で取得した水素圧力値から圧力変化周期を読み取り、ステップＳ１２０で取得したセル平均電圧値から電圧変化周期を読み取り、それらの周期を比較する。水素濃度低下判定部８１は、電圧変化周期が圧力変化周期と一致しない場合には、ステップＳ１１０に戻る。一方、水素濃度低下判定部８１は、電圧変化周期が圧力変化周期と一致する場合には、ステップＳ１４０に移行する。ステップＳ１４０において、水素濃度低下判定部８１は、水素濃度低下と判定し、すなわち、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定する。ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０は、燃料電池システム１０の運転中に繰り返して実行される。

以上説明したように、第１実施形態では、水素濃度低下判定部８１は、セル平均電圧の電圧変化周期が水素圧力の圧力変化周期と一致する場合に、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定できるので、別途水素濃度を測定する構成を設けることなく水素濃度の低下を検出できる。

・第２実施形態：
図４は、第２実施形態における燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下しているか否かを判定するフローチャートであり、図３に対応する図である。図４は、図３のステップＳ１３０とステップＳ１４０の間にステップＳ１３５とステップＳ１３７を加え、ステップＳ１４０の後にステップＳ１５０を加えたフローチャートである。図４では、ステップＳ１３５において、インピーダンス計測部８２（図１）は、燃料電池スタック２０のインピーダンスを計測する。ステップＳ１３７において、制御部８０は、ステップＳ１３５で計測したインピーダンス値を予め定めたインピーダンス基準値と比較する。ここで、図５を用いてステップＳ１３７を説明する。

図５は、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下している時の燃料電池スタック２０の電流とインピーダンスの時間的変化の一例を示す図であり、本発明の発明者による検証結果である。図５によれば、水素濃度低下時に、燃料電池スタック２０のインピーダンスは、予め定めたインピーダンス基準値Ｒｆを超過している。「予め定めたインピーダンス基準値」とは、燃料電池システム１０（図１）が所期の出力性能を維持するためのインピーダンスの値であり、例えば９０ｍΩ以上で１１０ｍΩ以下、好ましくは１００ｍΩ程度に設定されている。

図４に戻り、ステップＳ１３７において、制御部８０は、計測したインピーダンス値が予め定めたインピーダンス基準値以下である場合には、ステップＳ１１０に戻る。一方、制御部８０は、計測したインピーダンス値が予め定めたインピーダンス基準値を超過している場合には、ステップＳ１４０に移行する。こうすれば、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下しているか否かを確実に判定できる。

ステップＳ１５０において、制御部８０は、水素濃度増加制御を実行する。具体的には、制御部８０は、例えば、アノードガス供給系５０のインジェクタ５４の吐出量を増加することと、アノードガス供給系５０のアノードガス循環ポンプ５５の回転数を増加することと、アノードガス供給系５０の気液分離器５６のシャットバルブ５７の開頻度を増加することの少なくとも１つを実行する。ステップＳ１５０は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０と別個独立に実行されてもよい。但し、ステップＳ１５０は、省略されてもよい。

第２実施形態においても、水素濃度低下判定部８１は、セル平均電圧の電圧変化周期が水素圧力の圧力変化周期と一致する場合に、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定できるので、別途水素濃度を測定する構成を設けることなく水素濃度の低下を検出できる。また、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせることにより、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下しているか否かの判定の精度をより高めることができる。なお、第２実施形態によれば、燃料電池スタック２０に供給される水素の水素濃度が低下していると判定された場合には、インジェクタ５４の吐出量を増加する対策や、アノードガス循環ポンプ５５の回転数を増加する、気液分離器５６のシャットバルブ５７の開頻度を増加する等の対策を実行するので、燃料電池スタック２０における水素欠乏を軽減させることが可能である。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…エンドプレート
２２…絶縁板
２３…集電板
２４…単セル
３０…カソードガス供給排出系
３１…コンプレッサ
３２…カソードガス供給管
３３…三方弁
３４…エアフローメータ
３５…外気温度センサ
３６…調圧弁
３８…バイパス管
３９…カソードガス排出管
４０…アノードガスタンク
４１…シャットバルブ
５０…アノードガス供給系
５１…レギュレータ
５２…圧力センサ
５４…インジェクタ
５５…アノードガス循環ポンプ
５６…気液分離器
５７…シャットバルブ
５８…排気排水管
６０…アノードガス供給管
６０ｄ…下流部
６１…アノードガス還流管
７０…冷却媒体循環系
７１…ラジエータ
７２…冷媒ポンプ
７３…冷媒排出管
７４…冷媒供給管
７５…三方弁
７７…バイパス管
８０…制御部
８１…水素濃度低下判定部
８２…インピーダンス計測部
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
９２…電圧センサ

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の単セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに水素を供給するアノードガス供給系と、
   前記燃料電池スタックに供給される水素の水素圧力を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能な圧力センサと、
   前記複数の単セルのセル平均電圧を予め定めた時間に亘って連続的に測定可能な電圧センサと、
   前記水素圧力が時間とともに周期的に変化している状態で、前記セル平均電圧の電圧変化周期が前記水素圧力の圧力変化周期と一致する場合に、前記燃料電池スタックに供給される水素の水素濃度が予め定めた基準値以下であると判定する水素濃度低下判定部と、
   を備える、
   燃料電池システム。

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