JP2021180160A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の過乾燥の抑制と調圧弁の凍結防止とを両立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１０は、燃料電池４０と、燃料電池４０に吸排されるガスの圧力を調整する調圧弁１６と、燃料電池４０内に残留している水分を発電停止時に掃気する掃気手段としてのエアコンプレッサ１４と、調圧弁１６の開度を制御する調圧弁制御部と、燃料電池４０の乾燥度合を測定する燃料電池乾燥度測定部としてのコントローラ６０とを備える。調圧弁制御部は、燃料電池乾燥度測定部が測定した燃料電池乾燥度が目標値に到達したときに、掃気手段の稼働時間が予め決められた所定時間未満である場合、調圧弁１６を一定時間開放する。【選択図】図４

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、燃料電池の発電を停止したときには、システム内部に反応ガスの電気化学反応により生成された水が残留する。この残留水をシステム内部に放置すると、例えば寒冷地など低温環境下などでは残留水が凍結してしまい、燃料電池システムの動作を阻害する虞がある。

この問題に対して、例えば特許文献１には、燃料電池の発電停止時に、燃料電池スタック内に掃気ガスを供給し、燃料電池スタック内の排水を行う燃料電池システムが開示されている。

特開２００８−１０３１６９号公報

しかしながら、特許文献１などに記載の従来の掃気手法では、調圧弁の凍結防止の観点から改善の余地がある。

また、従来の燃料電池システムでは、発電停止時に予め決められた一定の設定量で掃気処理されることが多く、不必要に長い時間掃気してしまうことがあり、この場合、燃料電池が乾燥し過ぎ、これにより電解質膜を劣化させるなどして、発電性能が低下することがある。

本開示は、燃料電池の過乾燥の抑制と調圧弁の凍結防止とを両立できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の実施形態の一観点に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に吸排されるガスの圧力を調整する調圧弁と、前記燃料電池内に残留している水分を発電停止時に掃気する掃気手段と、前記調圧弁の開度を制御する調圧弁制御部と、前記燃料電池の乾燥度合を測定する燃料電池乾燥度測定部と、を備え、前記調圧弁制御部は、前記燃料電池乾燥度測定部が測定した燃料電池乾燥度が目標値に到達したときに、前記掃気手段の稼働時間が予め決められた所定時間未満である場合、前記調圧弁を一定時間開放する。

本開示によれば、燃料電池の過乾燥の抑制と調圧弁の凍結防止とを両立できる燃料電池システムを提供することができる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図 図２は、掃気処理におけるインピーダンス（乾燥度）と掃気時間との関係を示す図 図２の状態Bの場合の残留水の状況を説明する模式図 エア調圧弁水切り処理のフローチャート

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池車両の車載用発電システムとして機能するものであり、複数のセルを積層してなるスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池スタック４０を備えている。セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体と、膜−電極接合体に反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流すためのガスチャンネル（アノードガスチャンネル、カソードガスチャンネル）や冷媒を流すための冷媒流路が形成されたセパレータとから成る。燃料電池スタック４０は、アノード極に水素ガス（燃料ガス）の供給を受けるともに、カソード極に酸素ガス（酸化ガス）の供給を受けて発電する。

燃料電池スタック４０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック４０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ …（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ …（３）

燃料電池システム１０の酸素ガス供給系には、燃料電池スタック４０に酸素ガスを供給するための酸素ガス供給路１１と、燃料電池スタック４０から排出される酸素オフガスを外部に排気するための酸素オフガス排出路１２とが配設されている。酸素ガス供給路１１には、大気中の酸素ガスに含有されている粉塵等を除去するためのフィルタ１３と、酸素ガスを加圧するためのエアコンプレッサ１４と、が配設されている。

酸素オフガス排出路１２には、燃料電池スタック４０内の酸素ガス圧を調圧する調圧弁１６が配設されている。酸素オフガス排出路１２を流れる酸素オフガスは、調圧弁１６を通った後、排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

また、酸素ガス供給系には、酸素ガス供給路１１を介して供給される酸素ガスを、燃料電池スタック４０を介さずに酸素オフガス排出路１２へと流通させるバイパス流路１５が配設されている。バイパス流路１５には、酸素オフガス排出路１２へ向けて流れる酸素ガスを遮断して当該バイパス流路１５を流れる酸素ガスの流量を調整するための分流弁１８が設けられている。酸素ガス供給路１１には、エアコンプレッサ１４と燃料電池スタック４０との間の酸素ガスの流れを遮断するための入口弁１７が設けられている。

燃料電池システム１０の水素ガス供給系には、高圧の水素ガスを貯蔵した水素供給源としての水素タンク２１と、水素タンク２１内に充填されている水素ガスを燃料電池スタック４０に供給する水素ガス供給路２２と、水素タンク２１から水素ガス供給路２２への水素ガス供給／停止を制御する遮断弁２９と、燃料電池スタック４０から排出された水素オフガス（未反応水素ガス）を水素ガス供給路２２に還流させるための循環路２３、循環路２３を流れる水素オフガスを水素ガス供給路２２に圧送する水素ポンプ２４と、が配設されている。

水素ガス供給路２２の上流側には、水素タンク２１から流出される高圧水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７が介設され、レギュレータ２７の下流側に、レギュレータ２７により調圧された水素ガスを燃料電池スタック４０へ向けて供給するためのインジェクタ２５が設けられ、インジェクタ２５の下流側に循環路２３が合流している。水素タンク２１から水素ガス供給路２２へ流出する水素ガスと、循環路２３を還流する水素オフガスとは、水素ガス供給路２２と循環路２３との接続点で合流し、混合ガスとなって燃料電池スタック４０に供給される。

水素ポンプ２４の上流側には、循環路２３を流れる水素オフガスから水分を分離させるための気液分離器３０が介設されている。循環路２３を流れる流体には、燃料電池スタック４０から排出される水素オフガスと、燃料電池スタック４０での電気化学反応によって生成された生成水とが含まれている。気液分離器３０は、この生成水を水素オフガスから分離する。水分が分離された水素オフガスは、水素ポンプ２４によって燃料電池スタック４０に還流させられる一方、気液分離器３０にて回収された水分は、流体配管３２から酸素オフガス排出路１２に排出される。

流体配管３２には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３３が配設されている。流体配管３２には、パージ弁３３を適宜開閉させることで、気液分離器３０で分離された水分を酸素オフガス排出路１２に流入させることができる。

燃料電池システム１０の電力系には、燃料電池スタック４０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電するための蓄電装置としての二次電池４２と、燃料電池スタック４０の出力電圧を調整して燃料電池スタック４０と二次電池４２との電力供給分配を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、燃料電池スタック４０又は二次電池４２から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（車両走行モータ）４４に供給するトラクションインバータ４３とが配設されている。

二次電池４２は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池４２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。二次電池４２に替えてキャパシタ等の蓄電装置を搭載してもよい。

燃料電池システム１０の冷却系には、燃料電池スタック４０内を循環する冷媒を流すための冷媒流路５１と、冷媒流路５１に沿って冷媒を圧送するための冷媒ポンプ５４と、冷媒を冷却するためのラジエータ５３と、ラジエータ５３をバイパスさせて冷媒流路５１上に冷媒を流すためのバイパス弁５２とが配設されている。ラジエータ５３をバイパスする冷媒のバイパス量を加減することで、冷媒温度を調整できる。

燃料電池システム１０の制御系には、燃料電池システム１０全体を制御するためのコントローラ６０が配設されている。コントローラ６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御ユニット（ＥＣＵ）である。コントローラ６０は、各種センサ類からのセンサ出力を基に運転状態をモニタリングし、燃料電池システム１０を制御する。

センサ類として、起動／停止信号を出力するイグニッションスイッチ７１、車速を検出する車速センサ７２、アクセル開度を検出するアクセルセンサ７３、燃料電池スタック４０を構成する各セルの出力電圧を検出する電圧センサ７４、燃料電池スタック４０の出力電流（ＦＣ電流）を検出する電流センサ７５、燃料電池スタック４０の温度（ＦＣ温度）を検出する温度センサ７６、燃料電池スタック４０のカソード出口から流出するエアの流量を検出するエア流量センサ７７、燃料電池スタック４０のカソード出口から流出するエアの圧力を検出するエア圧力センサ７８、二次電池４２のＳＯＣを検出するＳＯＣ（State of charge）センサ７９等がある。

例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチ７１から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ７３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ７２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック４０と二次電池４２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック４０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ１４の回転数やレギュレータ２７の弁開度を調整し、燃料電池スタック４０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して燃料電池スタック４０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック４０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をインバータ４３に出力し、トラクションモータ４４の出力トルク、及び回転数を制御する。

コントローラ６０は、発電停止要求を受けると、二次電池４２に蓄電された電力を用いてエアコンプレッサ１４を駆動し、燃料電池スタック４０内部のガスチャンネルに掃気ガスを供給することで、ガスチャンネル内の水分を掃気する。エアコンプレッサ１４は、燃料電池スタック４０内に残留している水分を発電停止時に掃気するための掃気手段として機能する。

コントローラ６０は、燃料電池の乾燥度合を測定する燃料電池乾燥度測定部としても機能する。コントローラ６０は、燃料電池スタック４０の交流インピーダンスに基づき、燃料電池スタック４０の乾燥度合を示す燃料電池乾燥度を算出する。

燃料電池乾燥度は、例えば、掃気処理時に燃料電池スタック４０から排水される水分量に関する指標である。交流インピーダンスは、燃料電池スタック４０に残留する水分量と相関関係を有することが知られているので、コントローラ６０は、例えば、掃気処理中の交流インピーダンスの変動量に基づき、燃料電池乾燥度を求めることができる。

コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して燃料電池スタック４０に交流信号を重畳し、その電圧応答を電圧センサ７４によって検出することにより、交流インピーダンスを計測することができる。交流インピーダンスを計測するための他の方法として、コントローラ６０は、内部抵抗計測器を用いて燃料電池スタック４０の交流インピーダンスを計測してもよい。内部抵抗計測器は、燃料電池スタック４０に高周波電流を印加し、その電圧応答を検出することにより燃料電池スタック４０の交流インピーダンスを求めることのできる高周波インピーダンス計測器である。

また、コントローラ６０は、調圧弁１６の開度を制御する調圧弁制御部としても機能する。特に本実施形態では、後述する「エア調圧弁水切り処理」において、燃料電池乾燥度測定部が測定した燃料電池乾燥度が目標値に到達したときに、掃気手段の稼働時間が予め決められた所定時間未満である場合、調圧弁１６を一定時間開放する。

掃気処理が短時間であり、燃料電池内の掃気が不十分の状態では、燃料電池スタック４０内の残留水が下流側にしみ出て、酸素オフガス排出路１２のうち燃料電池スタック４０に一番近い弁である調圧弁１６にこの残留水が溜まる場合がある。調圧弁１６に残留水が溜まったまま放置すると、例えば寒冷地など低温環境下などでは残留水が凍結してしまい、調圧弁１６が動作不能となって、燃料電池システムの動作を阻害する虞がある。そこで本実施形態では、掃気処理が短時間であり、燃料電池内の掃気が不十分な状態では、調圧弁１６を開放して、調圧弁１６に溜まった液だれ水を排水することで、調圧弁１６の凍結を防止できる。以降ではこの制御を「エア調圧弁水切り処理」とも表記する。

なお、エア調圧弁水切り処理において開放される弁は、燃料電池スタック４０の下流側の最も近い位置に配置される弁であるのが好ましい。本実施形態では、図１に示すようにこの条件を満たす弁は調圧弁１６であるが、調圧弁１６よりも燃料電池スタック４０により近い弁があれば、その弁を開放する構成でもよい。また、燃料電池スタック４０に吸排されるガスの圧力を調整する調圧弁であれば、本実施形態のエア調圧弁１６以外の弁を開放する構成でもよい。

図２を参照して、エア調圧弁水切り処理を実施する条件についてさらに説明する。図２は、掃気処理におけるインピーダンス（乾燥度）と掃気時間との関係を示す図である。図２の横軸は掃気時間を表し、縦軸はインピーダンスを表す。

図２には、掃気処理において生じ得る５つの状態Ａ〜Ｅの時間推移のグラフを示す。状態Ｃのグラフは、状態Ｂのグラフと同じ傾きであり、状態Ｂから延長したものである。同様に、状態Ｅのグラフは、状態Ｄのグラフと同じ傾きであり、状態Ｄから延長したものである。

状態Ａは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜／電極接合体）乾燥要件（インピーダンス（乾燥度）がＭＥＡ乾燥目標値に到達すること）と、マニホールド排水要件（掃気手段の稼働時間が予め定められた「マニホールド排水に必要な時間（所定時間）」に到達すること）を共に満たす掃気ラインである。

状態Ｂは、ＭＥＡ乾燥要件は満たすが、掃気時間が短く、マニホールド排水要件を満たさない掃気ラインである。

このときの状況について図３を参照して説明する。図３は、図２の状態Ｂの場合の残留水の状況を説明する模式図である。図３には、図１にも示したコンプレッサ１４と、燃料電池スタック４０（ＦＣスタック）と、調圧弁１６とが図示され、さらに、酸素ガス供給路１１に設けられる入口弁１７と、酸素ガス供給路１１と酸素オフガス排出路１２との間のバイパス流路１５に設けられる分流弁１８も図示されている。図３に示すように、状態Ｂの場合には、マニホールド排水要件が未達の為、状態Ｂで掃気処理が終わると、燃料電池スタック４０内の残水が下流側の酸素オフガス排出路１２にしみ出る液だれが生じ、直近に配置される調圧弁１６に液だれの水が溜まる。このような液だれにより調圧弁１６の凍結の虞がある。

図２に戻り、状態Ｃは、状態Ｂからマニホールド排水要件を満たす為に掃気時間を延長した掃気ラインである。この場合、マニホールド排水要件を満たすと、ＭＥＡが過乾燥になり次回始動時に出力低下の虞がある。

状態Ｄは、マニホールド排水要件は満たすが、インピーダンスが低く、ＭＥＡ乾燥要件を満たさない掃気ラインである。状態Ｄの場合、ＭＥＡ乾燥要件が未達の為、状態Ｄで掃気処理が終わると、次回氷点下始動時にガス欠負電位の虞がある。

状態Ｅは、状態ＤからＭＥＡ乾燥要件を満たす為に掃気時間を延長した掃気ラインである。この場合、終了処理時間は長くなるが、両方の条件を満たすので、次回始動性に問題は無くなる。

つまり、掃気処理では、状態Ａと状態Ｅの場合には、ＭＥＡ乾燥要件（インピーダンス（乾燥度）がＭＥＡ乾燥目標値に到達すること）と、マニホールド排水要件（掃気時間が「マニホールド排水に必要な時間」に到達すること）を共に満たすので、掃気処理が適切に行われている。また、状態Ｄの場合には、掃気時間を延長して状態Ｅに遷移すればよい。

一方、状態Ｃは既に燃料電池が過乾燥の状態になってしまっているので、状態Ｃからはリカバリ不可能である。また、状態Ｂは、状態Ｄのように掃気時間を延長すると状態Ｃとなるため、掃気時間を延長することができない。このため、マニホールド排水要件を満たすために、掃気時間延長以外の手法で液だれ水を別途排水すればよい。つまり本実施形態の「エア調圧弁水切り処理」は、状態Ｂからマニホールド排水要件を満たすための制御である。

図４は、エア調圧弁水切り処理のフローチャートである。

ステップＳ０１では、例えば車両のイグニッションオフなどをトリガとして、燃料電池システム１０の終了処理が開始されると、まずは掃気処理が行われる。掃気処理では、掃気手段としてのエアコンプレッサ１４から燃料電池スタック４０の内部へ掃気ガスが供給されて、燃料電池スタック４０内部に残留する水分が掃気される。また、燃料電池乾燥度測定部としてのコントローラ６０により、燃料電池スタック４０の出力電圧などの情報に基づき交流インピーダンスが算出され、算出されたインピーダンスに基づき燃料電池乾燥度が求められる。

ステップＳ０２では、掃気処理によって燃料電池乾燥度がＭＥＡ乾燥目標値に到達した時に、「マニホールド排水に必要な時間」以上排気できたか否かが判定される。掃気処理の掃気時間が「マニホールド排水に必要な時間」以上の場合（ステップＳ０２のＹＥＳ）には、ＭＥＡ乾燥要件（インピーダンス（乾燥度）がＭＥＡ乾燥目標値に到達すること）と、マニホールド排水要件（掃気時間が「マニホールド排水に必要な時間」に到達すること）を共に満たす状態（図２の状態ＡまたはＥ）であるので、掃気処理が十分に行えたものと判断して終了処理が完了する。

一方、掃気処理の掃気時間が「マニホールド排水に必要な時間」未満の場合（ステップＳ０２のＮＯ）には、ＭＥＡ乾燥要件のみを満たし、マニホールド排水要件を満たさない状態（図２の状態Ｂ）であるので、ステップＳ０３以降のエア調圧弁水切り処理が実行される。

ステップＳ０３では、一定時間経過後にエア調圧弁１６のみが開かれ、排水に必要な一定時間以上経過するまで（ステップＳ０４のＮＯ）、調圧弁１６の開弁状態が維持されて、調圧弁１６に溜まった残留水が排出される。これにより、液だれ水を排水することでエア調圧弁１６の凍結を回避することができる。

調圧弁１６の開弁後、排水に必要な一定時間以上経過すると（ステップＳ０４のＹＥＳ）、ステップＳ０５にてエア調圧弁１６が閉弁される。そして、ステップＳ０６では、ステップＳ０３〜Ｓ０５の調圧弁１６の開弁動作によって、エア調圧弁１６から燃料電池スタック４０内にエアが流入し、燃料電池スタック４０劣化の懸念がある為、燃料電池スタック４０内の酸素を消費させるために必要な分の水素が、水素ガス供給路２２から燃料電池スタック４０に補填される。これにより、エア調圧弁水切り処理の調圧弁１６開弁に伴う燃料電池スタック４０の劣化を回避できる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１０では、ＭＥＡ乾燥要件（測定したインピーダンス（燃料電池乾燥度）がＭＥＡ乾燥目標値に到達すること）を満たしたときに、かつ、マニホールド排水要件（掃気手段の稼働時間が予め定められた「マニホールド排水に必要な時間（所定時間）」に到達すること）を満たさない場合に、エア調圧弁水切り処理を実施して、燃料電池スタック４０の下流側の最も近い位置に配置される弁である調圧弁１６を一定時間開放する。

この構成により、エア調圧弁水切り処理を実施して開放された調圧弁１６から残留水を排出でき、調圧弁１６の凍結を防止できる。また、エア調圧弁水切り処理の実施時にも、さらなる掃気処理は行われず、既にＭＥＡ乾燥目標値に到達している燃料電池スタック４０からさらに排水されることがないので、燃料電池スタック４０の過乾燥を抑制できる。この結果、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック４０の過乾燥の抑制と調圧弁１６の凍結防止とを両立できる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０ 燃料電池システム
１４ エアコンプレッサ（掃気手段）
１６ 調圧弁
４０ 燃料電池スタック
６０ コントローラ（調圧弁制御部、燃料電池乾燥度測定部）

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に吸排されるガスの圧力を調整する調圧弁と、
   前記燃料電池内に残留している水分を発電停止時に掃気する掃気手段と、
   前記調圧弁の開度を制御する調圧弁制御部と、
   前記燃料電池の乾燥度合を測定する燃料電池乾燥度測定部と、を備え、
   前記調圧弁制御部は、
   前記燃料電池乾燥度測定部が測定した燃料電池乾燥度が目標値に到達したときに、前記掃気手段の稼働時間が予め決められた所定時間未満である場合、前記調圧弁を一定時間開放する、
   燃料電池システム。

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