JP2021026848A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの大型化やコストアップを抑制しつつ、気液分離器に流入する液水の量を低減できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出されるガスから、ガスに含まれる液水を分離する気液分離器と燃料電池スタックの電流値の測定値または指令値を取得する電流取得部と、燃料電池スタックの冷却水温度を測定する温度測定部と、冷却水温度が予め定められた目標温度になるように燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、制御部は、電流値が最大電流の場合に目標温度を第１温度よりも高い温度に更新し、第１温度は、電流値が最大電流の場合において気液分離器に流入する液水の量が最も大きくなる冷却水温度である。【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、燃料電池スタックから排出されたガスに含まれる液水を分離する気液分離器を備えるものがある。特許文献１には、アノードガスの温度と燃料電池スタックの出力電流との関係に応じた気液分離器で回収される液水の量から、液水を排出するために気液分離器の下流に設けられた排気排水弁（ドレイン弁）の開弁時間を求め、排気排水弁を開閉する技術が記載されている。

特開２００６−１４７１６１号公報

燃料電池スタックの状態によっては、気液分離器に流入する液水の量が増加する場合がある。そこで、その液水の量に応じて排気排水弁を大きくすると、燃料電池システムが大型化するおそれや、高価になるおそれがある。そのため、燃料電池システムの大型化やコストアップを抑制しつつ、気液分離器に流入する液水の量を低減できる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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されるガスから、前記ガスに含まれる液水を分離する気液分離器と前記燃料電池スタックの電流値の測定値または指令値を取得する電流値取得部と、前記燃料電池スタックの冷却水温度を測定する温度測定部と、前記冷却水温度が予め定められた目標温度になるように前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電流値が最大電流の場合に前記目標温度を第１温度よりも高い温度に更新し、前記第１温度は、前記電流値が最大電流の場合において前記気液分離器に流入する前記液水の量が最も大きくなる冷却水温度である。この形態の燃料電池システムによれば、電流値が最大電流である場合、目標温度を、電流値が最大電流の場合において気液分離器に流入する液水の量が最も大きくなる冷却水温度よりも高い温度に更新するため、燃料電池システムの大型化やコストアップを抑制しつつ、気液分離器に流入する液水の量を低減できる。

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。 目標温度更新処理の手順の一例を表すフローチャートである。 スタック温度と液水流量との関係の一例を示すグラフである。

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、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ８１」という）８１と、負荷８２と、電圧測定部８３と、電流計８４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、水素ガス）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、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。

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。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２１の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、電流値取得部２２を備える。電流値取得部２２は、燃料電池スタック１０の動作点として設定される指令値である要求電流値を取得する。また、制御部２０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と共に、燃料電池スタック１０のスタック温度が目標温度になるように燃料電池システム１００を制御する。制御部２０は、例えば、スタック温度が目標温度になるように、後述する冷却媒体循環部７０を制御する。「目標温度」は、任意に定める事ができる温度であり、例えば、電流値取得部２２が取得した電流値（以下、単に「電流値」ともいう）と目標温度との関係が予め定義されたマップや関数に基づいて定められてもよい。また、制御部２０は、電流値が高電流の場合に、目標温度を更新する。目標温度の更新の詳細については後述する。なお、制御部２０は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。

ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２１は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４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。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。

エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ３３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３４は、コンプレッサ３３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の圧力を調整する。

アノードガス供給部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、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５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、気液分離器６２と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、で構成される流路のことを、循環流路６６ともいう。循環流路６６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と接続されており、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およびインジェクタ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流量を制御する。

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と気液分離器６２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水素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６２へと誘導する。

気液分離器６２は、循環流路６６のアノードオフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、燃料電池スタック１０から排出されるガスから、ガスに含まれる液水のうちの少なくとも一部を分離する。より具体的には、気液分離器６２は、循環流路６６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６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２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６３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６３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６３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６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４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６５が設けられている。気液分離器６２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６５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、水素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。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、温度測定部７７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。

冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の流量を調節する。温度測定部７７は、冷媒排出管７２に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を測定する。温度測定部７７で測定される温度は、燃料電池スタック１０のスタック温度とほぼ等しい。従って、温度測定部７７は、燃料電池スタック１０のスタック温度を測定する温度測定部に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１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８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。電圧測定部８３は、燃料電池スタック１０の出力電圧を測定する。電流計８４は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。

燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、上述したコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。

図２は、本実施形態における、目標温度更新処理の手順の一例を表すフローチャートである。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中にこの処理を繰り返し実行する。なお、この処理の開始時には目標温度が燃料電池スタック１０の運転状態に応じた温度に設定されているものとする。

まず、制御部２０は、ステップＳ１００において、電流値が最大電流か否かを判定する。本実施形態において、「電流値が最大電流」とは、燃料電池スタック１０の動作点として設定する要求電流値が最大であることをいう。電流値が最大電流である場合、制御部２０は、ステップＳ１１０に進み、目標温度を更新し、目標温度更新処理を終了する。より具体的には、制御部２０は、目標温度を、第１温度よりも高い温度に更新する。本実施形態において「第１温度」とは、電流値が最大電流の場合において、気液分離器６２に流入する液水の量（以下、「液水流量」ともいう）が最も大きくなるスタック温度である。第１温度は、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。一方、電流値が最大電流でない場合、制御部２０は、ステップＳ１１５に進み、目標温度の更新は行わず、目標温度更新処理を終了する。制御部２０は、目標温度の更新が行われていた場合には、ステップＳ１１５において、目標温度を元の目標温度に戻す。

図３は、スタック温度と液水流量との関係の一例を示すグラフである。横軸は、スタック温度を示し、縦軸は、液水流量を示す。グラフＧ１は、電流値が最大電流である場合におけるスタック温度と液水流量との関係を示し、グラフＧ２〜Ｇ４は、電流値が最大電流より低い場合におけるスタック温度と液水流量との関係を示す。図３に示すように、電流値が最大電流である場合において、液水流量が最大となる流量Ｑｍａｘになるスタック温度である第１温度は、温度Ｔｘである。つまり、本実施形態において、燃料電池スタック１０から排出される液水の量は、スタック温度に依存性があり、温度Ｔｘを超えると、燃料電池スタック１０から排出される液水の量は低下する。

制御部２０は、ステップＳ１１０（図２）おいて、目標温度を温度Ｔｘよりも高い温度Ｔｙに更新する。制御部２０は、スタック温度が更新された目標温度になるよう燃料電池システム１００を制御するため、スタック温度は温度Ｔｘより高くなる。従って、液水流量は流量Ｑｍａｘ以下となり、気液分離器６２に流入する液水の量を低減することができる更新された目標温度は温度Ｔｘよりも高いため、液水流量を低減するためにスタック温度を温度Ｔｘ未満まで下げる必要がない。そのため、ラジエータ７３や冷媒ポンプ７４等の冷却設備が高性能でなくても、液水流量を低減できる。また、図３に示すように、電流値が最大電流でない場合には、電流値およびスタック温度にかかわらず、液水流量は、流量Ｑｍａｘよりも少ない。そのため、電流値が最大電流である場合にのみ目標温度を温度Ｔｙとすればよい。

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、制御部２０は、電流値が最大電流である場合、目標温度を、電流値が最大電流の場合において気液分離器６２に流入する液水の量が最も大きくなるスタック温度である冷却水温度よりも高い温度に更新する。そのため、高性能な冷却装備を必要とせずに、気液分離器６２に流入する液水の量を低減でき、燃料電池システムの大型化やコストアップを抑制できる。また、気液分離器６２に流入する液水の量が低減できるため、気液分離器６２からアノードガスポンプ６５への液水巻き上げにより、燃料電池スタック１０に液水が入り負電圧になる事を抑制できる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上述した実施形態において、制御部２０は冷却媒体循環部７０に備えられた温度測定部７７で測定された温度を燃料電池スタック１０の温度として用いている。この代わりに、制御部２０は、例えば、単セル１１と第１レギュレータ４２との間に設けられた温度計（図示せず）や、アノードオフガス配管６１に設けられた温度計（図示せず）で測定された温度を燃料電池スタック１０の温度として用いてもよい。

（Ｂ２）上述した実施形態において、第１温度は、予めシミュレーションや実験を行うことにより設定されている。この代わりに、第１温度は、燃料電池システム１００の運転中において測定した、電流値における液水流量とスタック温度との関係に基づいて設定されてもよい。

（Ｂ３）上述した実施形態において、電流値取得部２２は、電流値として、燃料電池スタック１０の動作点として設定される要求電流値を取得している。この代わりに、電流値取得部２２は、電流値として、電流計８４から測定値である燃料電池スタック１０の出力電流値を取得してもよい。この場合、目標温度更新処理のステップＳ１００（図２）における最大電流か否かの判定は、電流値が予め定められた値（例えば、燃料電池スタック１０の定格電流値）以上の場合に、電流値が最大電流であると判定できる。

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…単セル、２０…制御部、２１…ＥＣＵ、２２…電流値取得部、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…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…アノードガス供給部、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、６１…アノードオフガス配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６６…循環流路、７０…冷却媒体循環部、７１…冷媒供給管、７２…冷媒排出管、７３…ラジエータ、７４…冷媒ポンプ、７５…三方弁、７６…バイパス管、７７…温度測定部、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電圧測定部、８４…電流計、１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出されるガスから、前記ガスに含まれる液水を分離する気液分離器と
   前記燃料電池スタックの電流値の測定値または指令値を取得する電流値取得部と、
   前記燃料電池スタックの冷却水温度を測定する温度測定部と、
   前記冷却水温度が予め定められた目標温度になるように前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電流値が最大電流の場合に前記目標温度を第１温度よりも高い温度に更新し、
   前記第１温度は、前記電流値が最大電流の場合において前記気液分離器に流入する前記液水の量が最も大きくなる冷却水温度である、燃料電池システム。

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