JP2020024785A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードガス供給口の閉塞を解消して発電可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池セルと燃料電池セルにアノードガスを供給するためのアノードガス供給口と燃料電池セルからアノードガスが排出されるアノードガス排出口とを有する燃料電池スタックと、アノードガス供給口とアノードガス排出口とのうちいずれか一方に選択的にアノードガスを送出可能に構成されたアノードガス送出部と、燃料電池スタックセル当りの電圧を監視する監視部と、燃料電池スタックの電流値を検出する電流検出部と、制御部と、を備える。制御部は、燃料電池システムが氷点下で始動された場合に、現在の燃料電池セルの電圧値と、燃料電池スタックの電流値と、燃料電池スタックが発電を開始してからの経過時間とから、アノードガス供給口が閉塞していると判定した場合に、アノードガス送出部を制御してアノードガス排出口にアノードガスを送出する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、低温始動時に燃料電池スタックを昇温させる暖機運転を行うものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、氷点下での始動時において、圧力調整弁の開度を調整して、水素濃度を高めて暖気を行うことで、水素流路内の閉塞を解消している。

国際公開第２０１１／０２１３０１号

しかし、燃料電池スタックのアノードガス供給口が凍結により閉塞した場合、水素濃度を上昇させたとしても燃料電池の暖機が行えないおそれがある。そのため、アノードガス供給口の閉塞を解消して発電可能な技術が望まれていた。

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。

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、複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルにアノードガスを供給するためのアノードガス供給口と、前記燃料電池セルから前記アノードガスが排出されるアノードガス排出口とを有する燃料電池スタックと、前記アノードガス供給口と前記アノードガス排出口とのうちいずれか一方に選択的に前記アノードガスを送出可能に構成されたアノードガス送出部と、前記燃料電池セル当りの電圧を監視する監視部と、前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流検出部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムが氷点下で始動された場合に、前記アノードガス供給口が閉塞している場合における前記燃料電池セル当りの電圧が予め定められた負電圧に到達するまでの時間と前記燃料電池スタックの電流値との関係が定められた判定領域を用いて、現在の前記燃料電池セルの電圧値と、前記燃料電池スタックの電流値と、前記燃料電池スタックが発電を開始してからの経過時間とから、前記アノードガス供給口が閉塞しているか否かを判定し、前記アノードガス供給口が閉塞していると判定した場合には、前記アノードガス送出部を制御して前記アノードガス排出口に前記アノードガスを送出することにより、前記アノードガスの流通方向を逆転させる。この形態の燃料電池システムによれば、アノードガス供給口が閉塞していると判定した場合、アノードガス排出口を通じて燃料電池セル内にアノードガスを供給して暖気を行わせることができる。このため、氷点下であってもアノードガス供給口の閉塞を解消して、発電を行わせることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。 燃料電池セルの平面図である。 氷点下始動処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 判定領域を示したグラフである。 第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。 アノードガス排出口へアノードガスを送出する流通経路を示す概略図である。 第２実施形態における氷点下始動処理の一例を示したフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給排出系３０と、アノードガス供給排出系５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、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」という）９１と、２次電池９２と、負荷９３と、監視部９４と、電流検出部９５と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成されている。

図２は、燃料電池セル１１の平面図である。燃料電池セル１１は、セルアノードガス入口１２ｃと、セルアノードガス出口１３ｃと、ガス流路１４と、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体１５と、膜電極接合体１５を挟持する１組のセパレータとで構成される。セルアノードガス入口１２ｃおよびセルアノードガス出口１３ｃは、燃料電池セル１１の周縁に形成されている。燃料電池セル１１は、ガス流路１４を通じてアノードガスをセルアノードガス入口１２ｃから膜電極接合体１５に流通させ、セルアノードガス出口１３ｃから排出させる。図２には、セルアノードガス入口１２ｃ近傍のガス流路１４に、生成水が凍結した凍結部ＦＡが形成された様子を示している。本実施形態において、セルアノードガス入口１２ｃと燃料電池スタック１０のアノードガス入口とをまとめて「アノードガス供給口１２」といい、セルアノードガス出口１３ｃと燃料電池スタック１０のアノードガス出口とをまとめて「アノードガス排出口１３」という。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行う。

カソードガス供給排出系３０は、カソードガス配管３１と、カソードガスコンプレッサ３２と、第１開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。

カソードガスコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。カソードガスコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３３は、カソードガスコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０との間に設けられている。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口圧力を調整する。

アノードガス供給排出系５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、アノードガスポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。以下では、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。

アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口（アノードガス供給口１２）と接続されており、内部に充填されているアノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側、から設けられている。

第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口（アノードガス排出口１３）と気液分離器７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかったアノードガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器７０へと誘導する。

気液分離器７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。気液分離器７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６０は、気液分離器７０の下部に設けられている。排気排水弁６０は、気液分離器７０に貯水された水の排水と、気液分離器７０内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６０は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

循環配管６３は、アノードガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されており、アノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させる。循環配管６３には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６４が設けられている。気液分離器７０によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６４によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、アノードガスを含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。本実施形態において、アノードガスポンプ６４は、アノードガス送出部に相当する。アノードガスポンプ６４は制御部２０からの制御信号に応じてアノードガス供給口１２とアノードガス排出口１３とのうちいずれか一方に選択的にアノードガスを送出可能に構成されている。本実施形態において、アノードガス供給口１２にアノードガスを送出するアノードガスポンプ６４の回転方向を「正回転」といい、アノードガス排出口１３にアノードガスを送出するアノードガスポンプ６４の回転方向を「逆回転」という。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部２０の制御に応じて燃料電池スタック１０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２０の制御に応じてインバータを介して負荷９３に電力を供給する。また、ＰＣＵ９１は、制御部２０からの指令に基づき燃料電池スタック１０の出力電流を制御する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０とＰＣＵ９１とを介して２次電池９２に蓄電される。

監視部９４は、燃料電池セル当りの電圧を監視する。より具体的には、監視部９４は、燃料電池スタック１０の各燃料電池セル１１をｎ枚１組（ｎは１以上の整数）としたセルグループと接続されており、各燃料電池セルグループについての燃料電池セル１１の電圧の合計値を計測する。監視部９４は、その計測結果から燃料電池セル当りの電圧を求めて制御部２０に送信する。なお、監視部９４は、求めた燃料電池セル当りの電圧のうち、最も低い燃料電池セル当りの電圧のみを制御部２０に送信するものとしてもよい。

電流検出部９５は、燃料電池スタック１０の電流値を検出する。電流検出部９５は、検出した電流値を制御部２０に送信する。

図３は、本実施形態における、氷点下始動処理の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は氷点下で燃料電池システム１００が始動された場合に制御部２０によって実行される。氷点下か否かは、制御部２０は、例えば、外気温や燃料電池スタック１０の冷媒の温度を温度計によって検出することで判断できる。

まず、制御部２０は、ステップＳ１００で、暖機運転を開始する。「暖機運転」とは、燃料電池スタック１０の温度が定常状態として予め定められた温度範囲に達するように、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの量を通常運転の際のカソードガスの量よりも少なくし、燃料電池スタック１０から発生する損失熱によって燃料電池スタック１０を積極的に昇温させる運転状態である。暖機運転において、アノードガスポンプ６４は正回転で駆動する。

次に、制御部２０は、ステップＳ１１０において、電流掃引を行う。本実施形態において、「電流掃引」とは、暖機運転において設定された、燃料電池スタック１０の出力電流値で発電を行う処理である。

続いて、制御部２０は、ステップＳ１２０において、アノードガス供給口１２が閉塞しているか否か判定する。本実施形態において、制御部２０は、アノードガス供給口１２が閉塞している場合における燃料電池セル当りの電圧Ｖｃが予め定められた負電圧Ｖｔｈに到達するまでの時間と燃料電池スタック１０の電流値との関係が定められた判定領域を用いて、現在の燃料電池セル当りの電圧値と、燃料電池スタック１０の電流値と、燃料電池スタック１０が発電を開始してからの経過時間（以下、単に「経過時間」ともいう）とから、アノードガス供給口１２が閉塞しているか否かを判定する。経過時間は、より具体的にはステップＳ１１０を開始してからの経過時間である。負電圧Ｖｔｈは、予め実験的に定めることができる。負電圧Ｖｔｈは、０Ｖ未満であり、−０．８Ｖ以上−０．６Ｖ以下の値とすることが好ましい。

図４は、判定領域を示したグラフである。このグラフの縦軸は燃料電池セル当りの電圧Ｖｃが予め定められた負電圧Ｖｔｈに到達するまでの時間を示し、横軸は燃料電池スタック１０の電流値を示している。経過時間と燃料電池スタック１０の電流値との関係が斜線を付した判定領域にある場合、アノードガス供給口１２が閉塞している。判定領域は、例えば、制御部２０に備えられたＲＯＭにマップとして予め記憶されている。判定領域は、アノードガス供給口１２が閉塞している場合における燃料電池セル当りの電圧Ｖｃが予め定められた負電圧Ｖｔｈに到達するまでの時間と燃料電池スタック１０の電流値との関係を予め測定あるいは実験により求めることで定めることができる。

制御部２０は、ステップＳ１２０（図３）において、アノードガス供給口１２が閉塞していると判定した場合、つまり、経過時間と燃料電池スタック１０の電流値との関係が斜線を付した判定領域にある場合、ステップＳ１３０の処理に進む。一方、アノードガス供給口１２が閉塞していないと判定した場合、つまり、経過時間と燃料電池スタック１０の電流値との関係が斜線を付した判定領域にない場合、氷点下処理を終了する。なお、この場合、燃料電池スタック１０のいずれの箇所も閉塞していないと判定されるとき、例えば、燃料電池セル当りの電圧Ｖｃが０Ｖ以下に低下しないときは、暖機運転を終了してもよい。また、燃料電池セル当りの電圧Ｖｃが負電圧であっても、図４に示した判定領域に該当せず、アノードガス供給口１２以外が閉塞していると判定されるとき、例えば、アノードガス排出口１３が閉塞していると判定されるときは、暖気が完了するまでアノードガスポンプ６４を正回転で駆動して暖機運転を継続してもよい。

制御部２０はステップＳ１３０において、アノードガスポンプ６４が逆回転で駆動するよう制御する。つまり、制御部２０は、アノードガス排出口１３へアノードガスを送出することによりアノードガスの流通方向を逆転させるようアノードガス送出部であるアノードガスポンプ６４を制御する。続いて、制御部２０は、ステップＳ１４０において、燃料電池スタック１０の暖気が完了したか否か判定する。本実施形態において、例えば、燃料電池スタック１０の温度が予め定めた温度以上に上昇していた場合、燃料電池スタック１０の暖気が完了したと判定できる。燃料電池スタック１０の暖気が完了した場合、制御部２０は、ステップＳ１５０に進み、アノードガスポンプ６４の回転方向を正回転に戻す。一方、燃料電池スタック１０の暖気が完了していない場合、制御部２０は、ステップＳ１４０の処理に戻る。つまり、燃料電池スタック１０の暖気が完了するまでステップＳ１４０を繰り返す。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、アノードガス供給口１２が閉塞していると判定した場合、アノードガス送出部であるアノードガスポンプ６４の回転方向を制御してアノードガス排出口１３を通じて燃料電池セル１１内にアノードガスを供給して暖気を行わせることができる。このため、氷点下であってもアノードガス供給口１２の閉塞を解消して、発電を行わせることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５および図６は、第２実施形態における燃料電池システム１０１の概略構成を示す図である。図５は、アノードガス供給口１２へアノードガスを送出する場合のアノードガスの流通経路を破線で示しており、図６は、アノードガス排出口１３へアノードガスを送出する場合のアノードガスの流通経路を一点鎖線で示している。本実施形態において、アノードガス供給口１２にアノードガスを送出する流通経路を「通常経路」といい、アノードガス排出口１３にアノードガスを送出する流通経路を「逆経路」という。燃料電池システム１０１は、アノードガス送出部として第１三方弁５６、第２三方弁５７、第３三方弁６２、第４三方弁６６を備える点およびアノードガスポンプ６４の設けられる箇所が第１実施形態と異なり、他の構成は同一である。以下、第１三方弁５６、第２三方弁５７、第３三方弁６２、第４三方弁６６をまとめて単に三方弁ともいう。

インジェクタ５５、アノードガスポンプ６４、第１三方弁５６、第２三方弁５７は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。第３三方弁６２は、燃料電池スタック１０と気液分離器７０との間のアノードオフガス配管６１に設けられている。第４三方弁６６は、循環配管６３に設けられている。第１三方弁５６と第３三方弁６２とは、第１配管６７で接続されており、第２三方弁５７と第４三方弁６６とは、第２配管６８で接続されている。本実施形態において、制御部２０は、三方弁の流通方向を切替えることで、通常経路と逆経路とを切替える。通常経路では、図５に示すように、インジェクタ５５、アノードガスポンプ６４、第１三方弁５６、第２三方弁５７、燃料電池スタック１０、第３三方弁６２、気液分離器７０、第４三方弁６６の順で上流側からアノードガスが流通する。逆経路では、図６に示すように、インジェクタ５５、アノードガスポンプ６４、第１三方弁５６、第３三方弁６２、燃料電池スタック１０、第２三方弁５７、第４三方弁６６、気液分離器７０の順で上流側からアノードガスが流通する。

図７は、第２実施形態における氷点下処理の一例を示したフローチャートである。第２実施形態において、氷点下処理は、アノードガス供給口１２が閉塞している場合にステップＳ１３５において三方弁の流通方向を切替えてアノードガスの流通経路を逆経路とし、アノードガス排出口１３にアノードガスを送出する点と、ステップＳ１５５において三方弁の流通方向を再度切替えてアノードガスの流通経路を通常経路とし、アノードガス供給口１２にアノードガスを送出する点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０１によれば、アノードガス供給口１２が閉塞していると判定した場合、アノードガス送出部を構成する三方弁の流通方向を切替えてアノードガス排出口１３を通じて燃料電池セル１１内にアノードガスを供給して暖気を行わせることができる。このため、アノードガス供給口１２の閉塞を解消して、発電を行わせることができる。また、排気排水弁６０が凍結して閉じた状態で固着してしまった場合であっても、逆経路においてはアノードオフガスが循環しないため、燃料電池スタック１０から排水した液水がアノードガスポンプ６４によって巻き上げられてアノードガス供給口１２に液水が流入することを抑制できる。

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、上述した課題を解決するために、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…燃料電池スタック、１１…燃料電池セル、１２…アノードガス供給口、１２ｃ…セルアノードガス入口、１３…アノードガス排出口、１３ｃ…セルアノードガス出口、１４…ガス流路、１５…膜電極接合体、２０…制御部、３０…カソードガス供給排出系、３１…カソードガス配管、３２…カソードガスコンプレッサ、３３…第１開閉弁、４１…カソードオフガス配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給排出系、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、５６…第１三方弁、５７…第２三方弁、６０…排気排水弁、６１…アノードオフガス配管、６２…第３三方弁、６３…循環配管、６４…アノードガスポンプ、６５…循環流路、６６…第４三方弁、６７…第１配管、６８…第２配管、７０…気液分離器、９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、９１…ＰＣＵ、９２…２次電池、９３…負荷、９４…監視部、９５…電流検出部、１００、１０１…燃料電池システム、ＦＡ…凍結部、Ｖｃ…燃料電池セル当りの電圧、Ｖｔｈ…負電圧

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルにアノードガスを供給するためのアノードガス供給口と、前記燃料電池セルから前記アノードガスが排出されるアノードガス排出口とを有する燃料電池スタックと、
   前記アノードガス供給口と前記アノードガス排出口とのうちいずれか一方に選択的に前記アノードガスを送出可能に構成されたアノードガス送出部と、
   前記燃料電池セル当りの電圧を監視する監視部と、
   前記燃料電池スタックの電流値を検出する電流検出部と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムが氷点下で始動された場合に、前記アノードガス供給口が閉塞している場合における前記燃料電池セル当りの電圧が予め定められた負電圧に到達するまでの時間と前記燃料電池スタックの電流値との関係が定められた判定領域を用いて、現在の前記燃料電池セルの電圧値と、前記燃料電池スタックの電流値と、前記燃料電池スタックが発電を開始してからの経過時間とから、前記アノードガス供給口が閉塞しているか否かを判定し、前記アノードガス供給口が閉塞していると判定した場合には、前記アノードガス送出部を制御して前記アノードガス排出口に前記アノードガスを送出することにより、前記アノードガスの流通方向を逆転させる、燃料電池システム。

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