JP2020068153A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温時の気液分離器の閉塞および水素循環ポンプにおけるロータと筐体との固着を抑制する。【解決手段】制御部は、燃料電池システム停止時に、ルーツ式水素循環ポンプを第１回転数で駆動させ、予め定められた時間経過後に、前記第１回転数よりも低い第２回転数で駆動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、システムの運転停止時に、燃料電池にアノードオフガスを供給するルーツ式の水素循環ポンプの温度が予め定められた値以下になると、予め定められた期間、水素循環ポンプを駆動し、ロータに付着する水分を除去し、水素循環ポンプの凍結を防止する燃料電池システムが開示されている。

特開２０１６−９６０５７号公報

水素循環ポンプが気液分離器の上部に配置される燃料電池システムでは、水素循環ポンプにおける残水が気液分離器に流入し、低温時に凍結して気液分離器が閉塞する可能性がある。また、水素循環ポンプのロータと、ロータを収容する筐体の内壁面との間の隙間に規定量以上の水が存在すると、低温時に凍結してロータと筐体とが固着するおそれがある。

本発明は、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、燃料電池と、前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給管と、前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記燃料ガス供給管とを接続するための燃料ガス循環管と、前記燃料ガス循環管に配置されている気液分離器と、前記燃料ガス循環管に配置され、前記気液分離器の上部に位置するルーツ式水素循環ポンプと、前記ルーツ式水素循環ポンプを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システム停止時に、前記ルーツ式水素循環ポンプを第１回転数で駆動させ、予め定められた時間経過後に、前記第１回転数よりも低い第２回転数で駆動させる。
この形態の燃料電池システムによれば、第１回転数でポンプ駆動し、吸入側の残留水を低減して、気液分離器が低温時に凍結閉塞する可能性を減らすことができる。また、予め定められた時間経過後、第１回転数より低い第２回転数でポンプ駆動し、吸入側の残留水を巻き上げることなく、ロータと筐体内面との間の水を規定量以下に低減することにより、低温時に凍結してロータと筐体とが固着するのを防ぐ。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 水素循環ポンプと気液分離器の残水を示す図。 水素循環ポンプの掃気処理を示すフローチャート。 時間と水素循環ポンプの回転数を示すグラフ。

第１実施形態：
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動用電動機を駆動するための電力を出力する。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス系３０と、アノードガス系５０と、冷却系７０と、を備える。

制御部１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池２０に出力要求に応じた電力を発電させるための燃料電池２０の運転制御を実行する。制御部１０は、さらに、燃料電池２０の運転停止中に水素循環ポンプ６４の掃気処理を実行する。制御部１０による水素循環ポンプ６４の当該処理については後述する。

燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）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２０は、複数の単セル２１が積層されたスタック構造を有する。各単セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極が配置されている発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレーター（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を含有する湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。

カソードガス系３０は、燃料電池２０のカソード側にカソードガスを供給する供給部と、燃料電池２０のカソード側から排出される排水およびカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する排出部と、を有する。

アノードガス系５０は、燃料電池２０のアノード側にアノードガスを供給する供給部と、燃料電池２０のアノード側から排出されるアノード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出し、アノードオフガスを燃料電池システム１００において循環させる排出循環部と、を有する。アノードガス系５０の供給部は、燃料ガス供給管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２には、燃料電池２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、燃料ガス供給管５１を介して燃料電池２０の燃料ガス供給口に接続されている。

燃料ガス供給管５１には、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とが、この順序で、上流側、すなわち、水素タンク５２側から配置されている。制御部１０は、開閉弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御される。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の開閉タイミングを表す駆動周期を制御することによって、燃料電池２０に供給される水素量を制御する。

アノードガス系５０の排出循環部は、アノード排ガス配管６１と、気液分離器６２と、燃料ガス循環管６３と、水素循環ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、を備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池２０の燃料ガス排出口と気液分離器６２とを接続する。

気液分離器６２は、水素循環ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、接続されている。水素循環ポンプ６４は、気液分離器６２から気体成分が排出される側に配置されている。より具体的には、水素循環ポンプ６４は、燃料電池システム１００が車載される際に、気液分離器６２の上部に位置するように気液分離器６２と接続されている。アノード排ガス配管６１を介して気液分離器６２に流入したアノード排ガスは、気液分離器６２によって気体成分と液体成分とに分離される。気液分離器６２によって分離されたアノード排ガスの気体成分は水素循環ポンプ６４に流入し、液体成分である水分はアノード排水配管６５へと流入する。

燃料ガス循環管６３の一端は水素循環ポンプ６４に接続され、他端は水素供給装置５５より下流の位置にて燃料ガス供給管５１に接続されている。気液分離器６２において分離された気体成分は、水素循環ポンプ６４によって燃料ガス供給管５１へ送出される。燃料ガス供給管５１に送出されたアノード排ガスは、燃料ガスと共に燃料電池２０に投入される。本実施形態では、水素循環ポンプ６４は、ルーツ式のポンプによって構成されている。水素循環ポンプ６４の構成の詳細は後述する。

アノード排水配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め定められた排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。

冷却系７０は、燃料電池２０を冷却するための冷媒を循環させる。

図２に示されるように、水素循環ポンプ６４は、本体部６４１と、吸入部６４４と、送出部６４５と、ロータ６４２、６４３とを有する。水素循環ポンプ６４は、２葉式のルーツポンプであり、本体部６４１は、内部に２つのロータ６４２、６４３を備える筐体である。本体部６４１内で２つのロータ６４２、６４３が回転することによって、吸入部６４４から吸入されたアノード排ガスは、送出部６４５から送出される。

図３は、水素循環ポンプ６４の掃気処理を実行するためのフローチャートである。図４は、水素循環ポンプ６４の２段掃気実行時における回転数と時間の関係を示すグラフである。本実施形態では、水素循環ポンプ６４の掃気時間はＴ_３であり、図４に示すように、制御部１０は、第１回転数Ｎｅ_１でＴ_１秒間、第２回転数Ｎｅ_２でＴ_２秒間、水素循環ポンプ６４を駆動させる。制御部１０は、燃料電池２０の運転の停止要求を受けると、水素循環ポンプ６４の掃気処理を開始する。具体的には、制御部１０は、水素循環ポンプ６４を駆動させ、アノードに残留している水素を含む残留ガスをパージガスとして用いる。

本実施形態における掃気処理では、制御部１０は、まず、第１回転数Ｎｅ_１で水素循環ポンプ６４を駆動させる（ステップＳ１０）。第１回転数は、吸入側の水が流速で揺れ、吹き飛ばされて水滴がロータ室に飛散し、その結果、吸入側の滞留水を低減可能にする回転数であり、例えば、４５００ｒｐｍである。制御部１０は、第１回転数Ｎｅ_１で第１の時間Ｔ_１が経過するまで、水素循環ポンプ６４を駆動させる（ステップＳ２０：ＮＯ）。制御部１０は、Ｔ_１経過後（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、第１回転数よりも低い第２回転数Ｎｅ_２で水素循環ポンプ６４を駆動させる（ステップＳ３０）。第２回転数は、吸入側の滞留水を巻き上げることなく、ロータ壁面の水を低減可能にする回転数で、例えば、２０００ｒｐｍである。制御部１０は、第２回転数Ｎｅ_２で第２の時間Ｔ_２が経過するまで、水素循環ポンプ６４を駆動させる（ステップＳ４０：ＮＯ）。制御部１０は、Ｔ_２経過後（ステップＳ４０：ＹＥＳ）、処理を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、制御部１０は、燃料電池システム停止時に、ルーツ式水素循環ポンプを第１回転数Ｎｅ_１でＴ_１秒間、駆動させ、Ｔ_１秒経過後、第１回転数よりも低い第２回転数Ｎｅ_２でＴ_２秒間、駆動させる。制御部１０が、高回転の第１回転数で水素循環ポンプ６４を駆動させることにより、吸入側の滞留水が低減される。したがって、残水６４６が気液分離器６２に液垂れすることが抑制され、低温時に気液分離器が凍結閉塞する可能性を減らす。また、制御部１０が、低回転の第２回転数で水素循環ポンプ６４を駆動させることにより、吸入側の滞留水を巻き上げることなく、水素循環ポンプ６４の送出部６４５からロータ室内の水滴が送出される。したがって、ロータ室内の水滴が低減され、残水６４７が隙間に滞留して、低温時に凍結してロータと筐体とが固着することを抑制する。

本実施形態では、外気温度を要件としない２段階の掃気処理であるが、凍結防止の基準温度以下、（例えば、０度未満）の場合に上記掃気処理が実行されてもよい。基準温度よりも高い場合には、ポンプ室内の水滴の固着はないので、第１回転数にて水素循環ポンプ６４を駆動するようにしてもよい。また、図４に示すように、制御部１０は、第１回転数Ｎｅ_１でＴ_１秒間、第２回転数Ｎｅ_２でＴ_２秒間、水素循環ポンプ６４を駆動させるが、水素循環ポンプの掃気時間Ｔ_３のうち、外気温度によって、第１回転数Ｎｅ_１で駆動する第１の時間Ｔ_１と第２回転数Ｎｅ_２で駆動する第２の時間Ｔ_２の比率を可変としてもよい。

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…制御部 ２０…燃料電池 ２１…単セル ３０…カソードガス系 ５０…アノードガス系 ５１…燃料ガス供給管 ５２…水素タンク ５３…開閉弁 ５４…レギュレーター ５５…水素供給装置 ５６…圧力計測部 ６１…アノード排ガス配管 ６２…気液分離器 ６３…燃料ガス循環管 ６４…水素循環ポンプ ６５…アノード排水配管 ６６…排水弁 ７０…冷却系 １００…燃料電池システム ６４１…本体部 ６４２, ６４３…ロータ ６４４…吸入部 ６４５…送出部 ６４６, ６４７…残水

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料ガス供給口に接続されている燃料ガス供給管と、
   前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記燃料ガス供給管とを接続するための燃料ガス循環管と、
   前記燃料ガス循環管に配置されている気液分離器と、
   前記燃料ガス循環管に配置され、前記気液分離器の上部に位置するルーツ式水素循環ポンプと、
   前記ルーツ式水素循環ポンプを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの停止時に、前記ルーツ式水素循環ポンプを第１回転数で駆動させ、予め定められた時間経過後に、前記第１回転数よりも低い第２回転数で駆動させる、燃料電池システム。

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