JP2020035644A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒による燃料電池の燃料ガス導出部の閉塞を防止しつつ、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制できる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１は、酸化ガスが一方向に流れる酸化ガス流路１０１と、酸化ガスの流れ方向とは反対方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路１０２と、冷媒が流れる冷媒流路１０３とを有する燃料電池１０と、外気温検出部６０と、アクセル開度検出部７０と、冷媒の流れ方向を制御する制御部５０とを備える。制御部５０は、外気温検出部６０によって検出された外気温が所定値以下である第１状態、又は外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部７０によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第２状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御し、第１状態及び第２状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。特許文献１に記載の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層される燃料電池を備え、該燃料電池には酸化ガス流路、燃料ガス流路及び冷媒流路が設けられている。そして、冷媒流路の燃料電池の入口における冷媒の温度が所定値以下であった場合に、通常運転時よりも少ない流量で冷媒を循環させることで、氷点下始動時における暖機時間の短縮を図ることができる。

特開２０１６−９１９２１号公報

しかし、上述の燃料電池システムでは、冷媒は燃料電池セルの発電面上を酸化ガスと同じ方向且つ燃料ガスとは反対方向に流れているため、燃料電池セルの発電面を通過していない冷たい冷媒が燃料ガス導出部を冷却し、燃料電池セル内の残水や生成水が凍結して燃料ガス導出部を閉塞してしまうおそれがある。燃料ガス導出部を閉塞すると、燃料ガスが欠乏状態になり、負電圧が生じる可能性がある。このような問題を解決するために、冷媒を燃料ガスと同じ方向（すなわち、酸化ガスと反対方向）に流すことも考えられるが、酸化ガス導入部を冷却できなくなるため、燃料電池セルの電解質膜が乾燥し、発電性能の低下を招く問題が新たに生じる。

本発明は、冷媒による燃料電池の燃料ガス導出部の閉塞を防止しつつ、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、酸化ガスが一方向に流れる酸化ガス流路と、酸化ガスの流れ方向とは反対方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、冷媒が流れる冷媒流路とを有する燃料電池と、外気の温度を検出する外気温検出部と、アクセルの開度を検出するアクセル開度検出部と、冷媒の流れ方向を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外気温検出部によって検出された外気温が所定値以下である第１状態、又は、前記外気温検出部によって検出された外気温が所定範囲にあり且つ前記アクセル開度検出部によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第２状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御し、前記第１状態及び前記第２状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御することを特徴としている。

本発明に係る燃料電池システムでは、制御部は、外気温検出部によって検出された外気温が所定値以下である第１状態、又は外気温検出部によって検出された外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第２状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による燃料ガス導出部の閉塞を防止することができる。また、上述の第１状態及び第２状態以外の場合に、制御部は冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による酸化ガス導入部の冷却を確保でき、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制することができる。

本発明によれば、冷媒による燃料電池の燃料ガス導出部の閉塞を防止しつつ、燃料電池の電解質膜の乾燥を抑制することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池の構造を示す模式断面図である。 燃料電池を示す模式平面図である。 燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。 発明品と従来品について氷点下始動を実施した際のセル電圧測定値を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。

図１は実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池の構造を示す模式断面図であり、図３は燃料電池を示す模式平面図である。本実施形態の燃料電池システム１は、車両に搭載されて車両の駆動源として用いられるシステムであり、燃料電池１０と、燃料電池１０に空気等の酸化ガスを供給する酸化ガス供給系２０と、燃料電池１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系３０と、燃料電池１０に冷媒を供給する冷媒供給系４０と、燃料電池システム１の動作を制御する制御部５０と、外気の温度を検出する外気温検出部６０と、アクセルの開度を検出するアクセル開度検出部７０とを備えている。

図２に示すように、燃料電池１０は、複数の燃料電池セル１１を積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。燃料電池１０の内部には、酸化ガス供給系２０と接続される酸化ガス流路１０１と、燃料ガス供給系３０と接続される燃料ガス流路１０２と、冷媒供給系４０と接続される冷媒流路１０３とがそれぞれ複数設けられている。

燃料電池セル１１は、酸化ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素ガス）との電気化学反応により起電力を発生するセルである。この燃料電池セル１１は、ＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１２と、ＭＥＧＡ１２を挟持する一対のセパレータ１３，１３とを備えている。

ＭＥＧＡ１２は、ＭＥＡ（膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly）１４と、ＭＥＡ４の両面に配置されたガス拡散層１７，１７とが、一体化されたものである。ＭＥＡ１４は、電解質膜１５と、電解質膜１５を挟むように接合された一対の電極１６，１６とからなる。電解質膜１５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極１６は、例えば、白金等の触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成されている。電解質膜１５の一方側に配置された電極１６がアノード電極となり、他方側の電極１６がカソード電極となる。ガス拡散層１７は、例えばカーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。

ＭＥＧＡ１２は燃料電池１０の発電部を構成しており、セパレータ１３はＭＥＧＡ１２のガス拡散層１７に接するように配置されている。セパレータ１３は、凹部１３ａと凸部１３ｂとを交互に繰り返すことにより波形に形成されている。凹部１３ａの底部は平面状を呈しており、ＭＥＧＡ１２のガス拡散層１７と面接触している。一方、凸部１３ｂの頂部も平面状を呈しており、隣接するセパレータ１３における凸部１３ｂの頂部と面接触している。

一対のガス拡散層１７，１７のうち一方のガス拡散層１７は、それに隣接するセパレータ１３の凸部１３ｂとともに、燃料ガスが流れる燃料ガス流路１０２を形成している。他方のガス拡散層１７は、それに隣接するセパレータ１３の凸部１３ｂとともに、酸化ガスが流れる酸化ガス流路１０１を形成している。

燃料電池セル１１同士は、ある燃料電池セル１１のアノード電極１６と、それに隣接する他の燃料電池セル１１のカソード電極１６とを向き合わせた状態で積層されている。これによって、隣接するセパレータ１３の凹部１３ａ同士の間には、空間が形成されている。この空間は、冷媒が流れる冷媒流路１０３になる。

また、図３に示すように、燃料電池セル１１の長手方向の一端縁部（図３では右側縁部）には、酸化ガス導入部１８ａと、第１冷媒導出入部１８ｂと、燃料ガス導出部１８ｃとが順に配置されている。燃料電池セル１１の長手方向の他端縁部（図２では左側縁部）には、燃料ガス導入部１８ｄと、第２冷媒導出入部１８ｅと、酸化ガス導出部１８ｆとが順に配置されている。従って、燃料電池セル１１において、酸化ガスは右側から左側に向かう方向に流れ、燃料ガスは左側から右側に向かう方向に流れる。すなわち、酸化ガスの流れ方向と燃料ガスの流れ方向とは逆になっている。なお、これらの導入部、導出部及び導出入部は、それぞれマニホールド孔によって形成されている。

一方、冷媒は、第１冷媒導出入部１８ｂから第２冷媒導出入部１８ｅに向かう方向、及び、第２冷媒導出入部１８ｅから第１冷媒導出入部１８ｂに向かう方向のいずれにも流れるように、制御部５０によって制御されている。これに関する説明は後述する。

図１に示すように、酸化ガス供給系２０は、例えば、燃料電池１０のカソード電極１６に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給経路２１と、燃料電池セル１１で電気化学反応に供された後の酸化オフガス（すなわち、未消費の酸化ガス）を燃料電池１０から排出する酸化ガス排出経路２２と、酸化ガスを燃料電池１０を介さずにバイパスして酸化ガス排出経路２２に流すバイパス経路２３とを有する。

酸化ガス供給経路２１には、上流側から、エアクリーナ２４、エアコンプレッサ２５、インタクーラ２６等が設けられている。一方、酸化ガス排出経路２２には、マフラ２７等が備えられている。なお、酸化ガス供給経路２１のエアクリーナ２４には、例えば、図示しない大気圧センサ、エアフローメータ等が設けられている。

エアクリーナ２４は、外部から取り込まれた空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ２５は、エアクリーナ２４を介して導入された酸化ガスを圧縮し、圧縮された酸化ガスをインタクーラ２６に供給する。インタクーラ２６は、エアコンプレッサ２５から供給された酸化ガスを通過させるときに、例えば冷媒との熱交換によって酸化ガスを冷却し、更に燃料電池１０のカソード電極１６に供給する。

また、酸化ガス供給経路２１には、インタクーラ２６と燃料電池１０との間の酸化ガスの流れを遮断するための入口弁２１Ｖが設けられている。入口弁２１Ｖは、例えば、インタクーラ２６から燃料電池１０に向かう酸化ガスの流れによって開弁して酸化ガスを流すとともに、燃料電池１０からインタクーラ２６へ向かう酸化ガスの流れによって閉弁して酸化ガスの流れを遮断する逆止弁である。

バイパス経路２３は、一端が酸化ガス供給経路２１のインタクーラ２６の下流側に接続され、他端が酸化ガス排出経路２２に接続されている。言い換えれば、バイパス経路２３は、酸化ガス供給経路２１のインタクーラ２６の下流側から、酸化ガス排出経路２２に向けて分岐接続されている。バイパス経路２３には、エアコンプレッサ２５によって供給され、インタクーラ２６によって冷却されて排出された酸化ガスが、燃料電池１０をバイパスして酸化ガス排出経路２２に向けて流れる。このバイパス経路２３には、該バイパス経路２３を流れる酸化ガスの流量を調整するためのバイパス弁２３Ｖが設けられている。

酸化ガス排出経路２２において、マフラ２７は、酸化ガス排出経路２２に流れる酸化オフガスを、例えば気相と液相とに分離して外部に排出する。また、酸化ガス排出経路２２には、燃料電池１０に供給される酸化ガスの背圧を調整するための調圧弁２２Ｖが設けられる。調圧弁２２Ｖの下流側には、上述のバイパス経路２３が接続されている。

一方、燃料ガス供給系３０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する燃料ガスタンク３１と、燃料ガスタンク３１からの燃料ガスを燃料電池１０のアノード電極１６へ供給する燃料ガス供給経路３２と、燃料電池１０から排出された燃料オフガス（すなわち、未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給経路３２に還流させる循環経路３３と、後述する気液分離器３７を介して循環経路３３に分岐接続される排出経路３４とを有する。

燃料ガス供給経路３２には、燃料ガス供給経路３２を開閉する遮断弁３２Ｖと、燃料ガス供給経路３２を流れる燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ３５と、調圧された燃料ガスを燃料電池１０に向けて供給するためのインジェクタ３６とが設けられている。遮断弁３２Ｖを開くと、燃料ガスタンク３１に貯留された高圧の燃料ガスが燃料ガス供給経路３２に流出し、レギュレータ３５やインジェクタ３６により減圧されて、燃料電池１０のアノード電極１６に供給される。

循環経路３３には、上流側（すなわち、燃料電池１０側）から、気液分離器３７及び排気排水弁３８と、燃料ガス循環ポンプ３９とが順に配置されている。気液分離器３７は、循環経路３３と接続されており、循環経路３３を流れる燃料オフガスに含まれる生成水を気液分離し、分離した生成水を貯留するとともに、分離した燃料オフガスを燃料ガス循環ポンプ３９側に送る。燃料ガス循環ポンプ３９は、気液分離器３７で気液分離した燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給経路３２に循環させる。

排出経路３４の一端は排気排水弁３８と接続され、他端は酸化ガス排出経路２２と接続されている。

一方、冷媒供給系４０は、例えば、ラジエータ４２と燃料電池１０との間で冷媒を循環させる冷媒循環経路４１と、該冷媒循環経路４１に設けられたウォーターポンプ４３とを有する。ウォーターポンプ４３は、冷媒循環経路４１の往路側に配置されており、冷媒を加圧して燃料電池１０に供給する。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。そして、冷媒循環経路４１を流れる冷媒は、燃料電池１０を通過する際に、電気化学反応により生じた熱を吸収し温められ、更にラジエータ４２を通過するときに放熱することで、冷却される。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたマイクロコンピュータによって構成され、ＲＡＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０は、酸化ガス供給系２０のエアコンプレッサ２５、入口弁２１Ｖ、調圧弁２２Ｖ及びバイパス弁２３Ｖ、燃料ガス供給系３０の遮断弁３２Ｖ、レギュレータ３５及び燃料ガス循環ポンプ３９、冷媒供給系４０のウォーターポンプ４３等とそれぞれ接続されており、これらの機器の動作を制御する。

また、制御部５０は、外気温検出部６０及びアクセル開度検出部７０とそれぞれ接続されており、これらの検出部によって検出された結果に基づいて冷媒の流れ方向を制御する。具体的には、制御部５０は、外気温検出部６０によって検出された外気温が所定値以下である第１状態、又は、外気温検出部６０によって検出された外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部７０によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第２状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御しており、第１状態及び第２状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御する。なお、冷媒の流れ方向の変化は、例えばウォーターポンプ４３の正転と逆転を介して実行される。

以下、図４を参照して燃料電池システム１の制御処理、すなわち制御部が各状態に応じて冷媒の流れ方向を変える処理を説明する。

図４は燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。図４のフローチャートに記載の制御処理は、一定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１１では、制御部５０は、外気温検出部６０に検出された外気温の結果を取得し、氷点下始動か否かを判定する。氷点下始動でないと判定された場合、制御処理はステップＳ１２に進み、通常運転が実行される。ここでの通常運転とは、冷媒の流れ方向を酸化ガスの流れ方向と同じにすることである。すなわち、冷媒は第１冷媒導出入部１８ｂから第２冷媒導出入部１８ｅに向かって流れる。

一方、ステップＳ１１で氷点下始動であると判定された場合、制御処理はステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、制御部５０は、外気温が所定値（例えば、−１５℃）以下である第１状態、又は外気温が所定範囲（例えば、０℃〜−１５℃）にあり且つアクセル開度が基準値以上である第２状態になっているか否かを判定する。

具体的には、制御部５０は、外気温検出部６０によって検出された外気温の検出結果と、アクセル開度検出部７０によって検出されたアクセル開度の検出結果をそれぞれ取得する。次に、制御部５０は、外気温の検出結果が−１５℃以下であるかを判定することにより、現在の状態が第１状態になっているか否かを判定する。また、制御部５０は、外気温の検出結果が０℃〜−１５℃の範囲にあるか否かを判定しつつ、アクセル開度の検出結果に基づいて該検出結果に対応する燃料電池１０の電流密度を演算し、演算した電流密度がアクセル開度基準値に対応する電流密度基準値（例えば、１Ａ／ｃｍ^２）以上であるかを判定することにより、現在の状態が第２状態になっているか否かを判定する。

そして、現在の状態が上述の第１状態及び第２状態のいずれにもなっていないと判定された場合（すなわち、第１状態及び第２状態以外の場合）、制御処理はステップＳ１２に進み、通常運転が実行される。一方、現在の状態が上述の第１状態又は第２状態になっていると判定された場合、制御処理はステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、制御部５０は、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御する。具体的には、制御部５０は、ウォーターポンプ４３を逆回転させることで、冷媒を第２冷媒導出入部１８ｅから第１冷媒導出入部１８ｂに向かう方向に流す。

本実施形態の燃料電池システム１では、制御部５０は、外気温検出部６０によって検出された外気温が所定値以下である第１状態、又は外気温が所定範囲にあり且つアクセル開度検出部７０によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第２状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による燃料ガス導出部１８ｃの閉塞を防止することができる。また、上述の第１状態及び第２状態以外の場合に、制御部５０は冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御するので、冷媒による酸化ガス導入部１８ａの冷却を確保することができ、燃料電池１０の電解質膜１５の乾燥を抑制することができる。

なお、本願発明者は、冷媒の流れ方向を変えない従来品と、冷媒の流れ方向を状態に応じて変える発明品について、氷点下始動を実施した場合際のセル電圧をそれぞれ測定した。その測定結果を図５に示す。図５において、（ａ）は従来品のセル電圧、（ｂ）は発明品のセル電圧である。図５から、従来品の場合と比べて、発明品の場合は、燃料ガス導出部閉塞により負電圧が生じた部分が少ないことが分かり、本発明による燃料ガス導出部の閉塞を防止できる効果が示された。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ 燃料電池セル
１２ ＭＥＧＡ
１３ セパレータ
１４ ＭＥＡ
１５ 電解質膜
１６ 電極
１７ ガス拡散層
１８ａ 酸化ガス導入部
１８ｂ 第１冷媒導出入部
１８ｃ 燃料ガス導出部
１８ｄ 燃料ガス導入部
１８ｅ 第２冷媒導出入部
１８ｆ 酸化ガス導出部
２０ 酸化ガス供給系
２１ 酸化ガス供給経路
２１Ｖ 入口弁
２２ 酸化ガス排出経路
２２Ｖ 調圧弁
２３ バイパス経路
２３Ｖ バイパス弁
２４ エアクリーナ
２５ エアコンプレッサ
２６ インタクーラ
２７ マフラ
３０ 燃料ガス供給系
３１ 燃料ガスタンク
３２ 燃料ガス供給経路
３２Ｖ 遮断弁
３３ 循環経路
３４ 排出経路
３５ レギュレータ
３６ インジェクタ
３７ 気液分離器
３８ 排気排水弁
３９ 燃料ガス循環ポンプ
４０ 冷媒供給系
４１ 冷媒循環経路
４２ ラジエータ
４３ ウォーターポンプ
５０ 制御部
６０ 外気温検出部
７０ アクセル開度検出部
１０１ 酸化ガス流路
１０２ 燃料ガス流路
１０３ 冷媒流路

Claims (1)

1. 酸化ガスが一方向に流れる酸化ガス流路と、酸化ガスの流れ方向とは反対方向に燃料ガスが流れる燃料ガス流路と、冷媒が流れる冷媒流路とを有する燃料電池と、
   外気の温度を検出する外気温検出部と、
   アクセルの開度を検出するアクセル開度検出部と、
   冷媒の流れ方向を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記外気温検出部によって検出された外気温が所定値以下である第１状態、又は、前記外気温検出部によって検出された外気温が所定範囲にあり且つ前記アクセル開度検出部によって検出されたアクセル開度が基準値以上である第２状態の場合に、冷媒を燃料ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御し、
   前記第１状態及び前記第２状態以外の場合に、冷媒を酸化ガスの流れ方向と同じ方向に流すように制御することを特徴とする燃料電池システム。

Images