JP2021180076A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力を消費しつつ、掃気処理が可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、電力を消費して燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、電力を消費して発熱する加熱装置と、カソードガス供給部と加熱装置とを制御する制御部と、を備える。制御部は、燃料電池システムの終了時に、インピーダンスに基づいて、カソードガス供給部を制御して、燃料電池スタック内の水を除去する掃気処理を行い、加熱装置が故障していない場合には、燃料電池スタックから供給される電力によって加熱装置を駆動し、加熱装置が故障している場合には、加熱装置が故障していない場合よりもカソードガスの供給量を増加させるようにカソードガス供給部を制御して、燃料電池スタックから供給される電力によってカソードガス供給部を駆動する。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの停止スイッチが押された時（燃料電池システムの終了時）に掃気処理を行うものがある。掃気処理とは、燃料電池スタック内の水の排出や窒素等の不純物の排気を行う処理である。特許文献１には、燃料電池スタック内の水分量に応じて、掃気処理終了のタイミングを定める技術が記載されている。燃料電池スタック内の水分量は、インピーダンスの測定値を用いて求めることができる。

特開２００７−１４９５７２号公報

インピーダンスを測定するには、燃料電池システムによって発電を行う必要がある。しかし、燃料電池システムの終了時には生成された電力が消費できず、例えば、燃料電池システムが備えるバッテリが過充電となるおそれがある。そのため、電力を消費しつつ、掃気処理が可能な技術が望まれていた。

本開示は、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。

本開示の一形態によれば、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、電力を消費して前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、電力を消費して発熱する加熱装置と、前記カソードガス供給部と前記加熱装置と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の終了時に、前記インピーダンス測定部のインピーダンスの測定値に基づいて、前記カソードガス供給部を制御して、前記燃料電池スタック内の水を除去する掃気処理を行い、前記燃料電池システムの終了時の前記掃気処理において、前記加熱装置が故障していない場合には、前記燃料電池スタックから供給される電力によって前記加熱装置を駆動し、前記燃料電池システムの終了時の前記掃気処理において、前記加熱装置が故障している場合には、前記加熱装置が故障していない場合よりもカソードガスの供給量を増加させるように前記カソードガス供給部を制御して、前記燃料電池スタックから供給される電力によって前記カソードガス供給部を駆動する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、加熱装置が故障していない場合に、掃気処理において、加熱装置を駆動する。そのため、加熱装置の駆動により電力を消費できる。また、制御部は、加熱装置が故障している場合に、掃気処理において、加熱装置が故障していない場合よりもカソードガスの供給量を増加させるようにカソードガス供給部を制御する。そのため、カソードガスの供給を行う、例えば、エアコンプレッサの駆動により電力を消費できる。従って、電力を消費しつつ、掃気処理を行うことができる。

なお、本開示は、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。 終了時掃気処理の手順の一例を表す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、外気温センサ２２と、加熱装置２３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、バッテリ８３と、電圧測定部８４と、電流計８５と、インピーダンス測定部８６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、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内の水を除去する掃気処理を行う。制御部２０は、例えば、燃料電池システム１００の終了時に、インピーダンス測定部８６のインピーダンスの測定値に基づいて、カソードガス供給部３０を制御して、燃料電池スタック１０内にカソードガスを供給することによって、掃気処理を行う。なお、制御部２０においては、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路として実現されてもよい。

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。

外気温センサ２２は、燃料電池車両の外側の温度を検出するセンサである。例えば、フロントバンパーの裏側に取り付けられている。外気温センサ２２は、測定結果である外気温を制御部２０に送信する。

加熱装置２３は、電力を消費して発熱するヒータである。加熱装置２３は、例えば、燃料電池システム１００が搭載された燃料電池車両の室内の暖房を行う。また、加熱装置２３は、後述する冷却媒体循環部７０に設けられ、燃料電池スタック１０の冷却媒体を暖めるヒータでもよい。加熱装置２３は、燃料電池スタック１０やバッテリ８３を電源として用いる。

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。カソードガス供給部３０は、燃料電池スタック１０やバッテリ８３を電源として用いる。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、取り込んだ空気の供給量を測定する。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。コンプレッサ３３は、電力を消費して駆動する。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供給量を制御する。

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への冷媒の供給量を調節する。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。バッテリ８３は、燃料電池スタック１０の発電電力を蓄電する。バッテリ８３は、制御部２０に充電許容電力を送信する。充電許容電力が大きいほど、充電性能が高いことを示す。電圧測定部８４は、燃料電池スタック１０の出力電圧を測定する。電流計８５は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。インピーダンス測定部８６は、電圧測定部８４および電流計８５を用いて、燃料電池スタック１０の交流インピーダンス測定を実行し、制御部２０に測定値を送信する。

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。また、燃料電池スタック１０の電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０を介してバッテリ８３に蓄電される。

図２は、本実施形態における、終了時掃気処理の手順の一例を表すフローチャートである。終了時掃気処理は、制御部２０が、カソードガス供給部３０を制御して燃料電池スタック１０にカソードガスを供給することにより掃気処理を行う処理である。制御部２０は、燃料電池システム１００の終了時にこの処理を実行する。

ステップＳ１００において、制御部２０は、バッテリ８３の充電許容電力を取得する。この処理は省略してもよい。

ステップＳ１１０において、制御部２０は、加熱装置２３が故障しているか否かを判定する。制御部２０は、例えば、加熱装置２３が出力する故障信号を用いて、加熱装置２３が故障しているか否かを判定する。また、制御部２０は、例えば、加熱装置２３が燃料電池スタック１０の冷却媒体を暖めるヒータである場合、加熱装置２３に流入する冷却媒体の温度と加熱装置２３から流出する冷却媒体の温度とを比較することによって、加熱装置２３が故障しているか否かを判定できる。加熱装置２３が故障していない場合、制御部２０は、ステップＳ１２０の処理に進む。一方、加熱装置２３が故障している場合、制御部２０は、ステップＳ１２５の処理に進む。

ステップＳ１２０において、制御部２０は、掃気処理における単位時間当たりのカソードガス供給量を供給量Ｑ１に決定する。カソードガス供給量は、例えば、予め実験的に定められた供給量であり、任意に定めることができる。また、制御部２０は、燃料電池スタック１０の状態とカソードガス供給量との関係が定義されたマップや関数に基づき、カソードガスの供給量を定めるようにしてもよい。

ステップＳ１３０において、制御部２０は、加熱装置２３の駆動を決定する。より具体的には、制御部２０は、後述するステップＳ１４０の掃気処理において加熱装置２３が消費する電力量（以下、「消費電力量」ともいう）を決定する。加熱装置２３の消費電力量は、予め実験的に定められた電力量であり、任意に定めることができる。また、制御部２０は、燃料電池スタック１０の状態と加熱装置２３の消費電力量との関係が定義されたマップや関数に基づき、加熱装置２３の消費電力量を定めるようにしてもよい。続いて、制御部２０は、ステップＳ１４０の処理に進む。

ステップＳ１２５において、制御部２０は、掃気処理におけるカソードガス供給量をＱ１よりも多い供給量Ｑ２に決定する。供給量Ｑ２の供給量Ｑ１からの増加量は、予め実験的に定められた供給量であり、任意に定めることができる。また、制御部２０は、燃料電池スタック１０の状態と、供給量Ｑ１と供給量Ｑ２との関係が定義されたマップや関数に基づき、カソードガスの供給量を定めるようにしてもよい。続いて、制御部２０は、ステップＳ１４０の処理に進む。

ステップＳ１４０において、制御部２０は、掃気処理を行う。より具体的には、ステップＳ１２０またはステップＳ１２５で設定したカソードガス供給量を燃料電池スタック１０に供給するようカソードガス供給部３０を制御する。制御部２０は、例えば、インピーダンス測定部８６のインピーダンスの測定値に基づいて掃気処理を終了できる。

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、加熱装置２３の故障が検出されなかった場合に、掃気処理において、加熱装置２３を駆動する。そのため、加熱装置２３の駆動により電力を消費できる。更に、電力消費のために必要以上にコンプレッサ３３を駆動させることを抑制できるため、コンプレッサ３３の駆動音や高周波ノイズの発生を抑制しながら掃気処理を行うことができる。すなわち、掃気処理において燃料電池システム１００の静音性が確保できる。また、制御部２０は、加熱装置２３の故障が検出された場合に、掃気処理において、加熱装置２３の故障が検出されなかった場合よりもカソードガスの供給量を増加させるようにカソードガス供給部３０を制御する。そのため、カソードガスの供給を行う、例えば、コンプレッサ３３の駆動により電力を消費できる。従って、電力を消費しつつ、掃気処理を行うことができる。

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、ステップＳ１００で取得したバッテリ８３の充電許容電力が閾値以下である場合にのみ、ステップＳ１１０に進んでもよい。一方、バッテリ８３の充電許容電力が閾値より大きい場合、制御部２０は、ステップＳ１４０に進んでもよい。この場合のステップＳ１４０の掃気処理におけるアノードガス供給量は予め実験的に定められた供給量であり、任意に定めることができる。例えば、供給量Ｑ１である。つまり、制御部２０は、バッテリ８３が過充電となるおそれがある場合には、電力を消費しつつ掃気処理を行ってもよい。一方、制御部２０は、燃料電池スタック１０の余剰電力をバッテリ８３に充電可能な場合は、通常の掃気処理を行ってもよい。

（Ｂ２）上述した実施形態において、制御部２０は、燃料電池システム１００の終了時に外気温センサ２２で取得した外気温が閾値温度以下の場合にのみ終了時掃気処理を行うようにしてもよい。閾値温度は、例えば、０℃である。閾値温度は、バッテリ８３の充電許容電力が予め定めた閾値より大きくなる温度であり、予めシミュレーションや実験を行うことにより設定できる。閾値温度は、バッテリ８３の充電許容電力と外気温との関係が定義された関数やマップに基づいて設定されてもよい。外気温が閾値よりも大きい場合は、制御部２０は、単に掃気処理を行うことができる。

本開示は、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…外気温センサ、２３…加熱装置、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…バッテリ、８４…電圧測定部、８５…電流計、８６…インピーダンス測定部、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、
   電力を消費して前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
   前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、
   電力を消費して発熱する加熱装置と、
   前記カソードガス供給部と前記加熱装置と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終了時に、前記インピーダンス測定部のインピーダンスの測定値に基づいて、前記カソードガス供給部を制御して、前記燃料電池スタック内の水を除去する掃気処理を行い、
   前記燃料電池システムの終了時の前記掃気処理において、前記加熱装置が故障していない場合には、前記燃料電池スタックから供給される電力によって前記加熱装置を駆動し、
   前記燃料電池システムの終了時の前記掃気処理において、前記加熱装置が故障している場合には、前記加熱装置が故障していない場合よりもカソードガスの供給量を増加させるように前記カソードガス供給部を制御して、前記燃料電池スタックから供給される電力によって前記カソードガス供給部を駆動する、燃料電池システム。

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