JP2021182532A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の過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１０は、燃料電池１００と、燃料電池１００内に残留している水分を発電停止時に掃気する掃気部としてのエアコンプレッサ３３０と、掃気部を制御するＦＣ−ＥＣＵ３０と、を備える。ＦＣ−ＥＣＵ３０は、掃気部による掃気処理の実施中に当該燃料電池システム１０の緊急停止指令が入力されたとき、燃料電池１００の含水量を記憶して緊急停止処理を行い、当該燃料電池システム１０の再起動後に再度の掃気処理を行う際に、記憶された含水量と、当該燃料電池システム１０の再起動後の燃料電池１００の温度とに基づき、掃気時間を決定して再度の掃気処理を行う。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムを緊急停止させる場合に、システム停止時に通常実行する処理（通常停止処理）の少なくとも一部を実行せずにシステムを停止し、停止から一定期間経過後に燃料電池システムを再起動させて、未完了の通常停止処理を実行する構成が記載されている。

特開２０１７−０１０８２４号公報

上記の通常停止処理には、燃料電池内に残留している水分を排出する掃気処理が含まれる。特許文献１などに記載される従来手法では、システムの緊急停止時に掃気処理が中断された場合、システム再起動後に掃気処理を再開する際に適切な掃気時間が不明なため、必要以上に掃気処理が行われて燃料電池が過乾燥となる虞がある。

本開示は、燃料電池の過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、前記燃料電池内に残留している水分を発電停止時に掃気する掃気部と、前記掃気部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記掃気部による掃気処理の実施中に当該燃料電池システムの緊急停止指令が入力されたとき、前記燃料電池の含水量を記憶して緊急停止処理を行い、当該燃料電池システムの再起動後に再度の掃気処理を行う際に、前記記憶された前記含水量と、当該燃料電池システムの再起動後の前記燃料電池の温度とに基づき、掃気時間を決定して前記再度の掃気処理を行う。

本開示によれば、燃料電池の過乾燥を抑制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 本実施形態の燃料電池システムの掃気処理及び再掃気処理のフローチャート 掃気時間設定テーブルの一例を示す図

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。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１００（ＦＣスタック）と、燃料ガス供給回路２００と、エア供給回路３００と、排ガス回路４００と、冷却回路５００と、を備える。

燃料電池１００は、燃料ガスと酸素含有の酸化ガスの供給を受けて発電し、発電電力を、図示しない負荷、例えば燃料電池搭載車両の駆動モータ等に出力する。燃料電池１００は、固体高分子型の複数のセルが積層してなるスタック構造体である。各セルには膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が設けられており、膜電極接合体において酸化ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが電気化学反応することにより発電する。燃料電池１００は、発電とともに水分を生成する。

燃料ガス供給回路２００は、燃料ガスタンク２１０と、燃料ガス供給流路２２０と、燃料ガス排気流路２３０と、燃料ガス循環流路２４０と、メインバルブ２５０と、レギュレータ２６０と、インジェクタ２７０と、気液分離器２８０と、還流ポンプ２９０と、を備える。燃料ガスタンク２１０は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素ガスを用いている。

燃料ガス供給流路２２０は、燃料ガスタンク２１０から燃料電池１００に掛けて配設され、燃料ガスを燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給流路２２０上には、燃料ガスタンク２１０側から、メインバルブ２５０と、レギュレータ２６０と、インジェクタ２７０が設けられている。メインバルブ２５０は、燃料ガスタンク２１０からの燃料ガスの供給をオン・オフする。レギュレータ２６０は、燃料ガスの圧力を所定の圧力に減圧してインジェクタ２７０に供給する。インジェクタ２７０は、燃料ガスの圧力と量とを調整して燃料電池１００を噴射する噴射装置である。本実施形態では、３つのインジェクタ２７０が並列に配置されている。なお、インジェクタ２７０の数は３に限定されず、１つのインジェクタあるいは２以上の複数のインジェクタを備える構成であってもよい。本実施形態のように複数のインジェクタ２７０を備えると、燃料電池１００に要求される発電量に応じて燃料電池１００に噴射される燃料ガスの量を調整し易くできる。

燃料ガス排気流路２３０は、燃料電池１００からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス循環流路２４０は、燃料ガス排気流路２３０から燃料ガス供給流路２２０に掛けて配設され、燃料電池１００から排出される燃料排ガスを燃料ガス供給流路２２０に循環させる。燃料ガス循環流路２４０には、気液分離器２８０が配設されている。燃料排ガスには、反応で消費されなかった燃料ガス及び燃料電池１００を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器２８０は、燃料ガス循環流路２４０を通過する燃料排ガスに含まれる水分と、ガス（燃料ガスと燃料電池１００を通って移動してきた窒素などの不純物）に気液分離し、分離液水を貯留する。燃料ガス循環流路２４０には、還流ポンプ２９０が設けられている。気液分離器２８０で分離された未消費の燃料ガスを含むガスは、還流ポンプ２９０によって燃料ガス供給流路２２０に循環され、再利用される。なお、気液分離器２８０で分離された分離液水については、後述する。

エア供給回路３００は、エアクリーナ３１０と、エア供給流路３２０と、エアコンプレッサ３３０と、インタクーラ３４０と、スタック入口バルブ３５０と、を備える。本実施形態の燃料電池１００は、酸素含有の酸化ガスとして、空気を用いる。

エアクリーナ３１０は、空気を取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアクリーナ３１０と、燃料電池１００とは、エア供給流路３２０で接続されている。エア供給流路３２０上には、エアクリーナ３１０側から、エアコンプレッサ３３０、インタクーラ３４０、スタック入口バルブ３５０、がこの順で設けられている。エアコンプレッサ３３０は、空気を圧縮し、エア供給流路３２０を通して空気を燃料電池１００に送る。一般に気体は、圧縮されると、温度が上昇する。これは、気体を圧縮するときには、気体の圧力に対抗して圧縮するため、気体に仕事が加えられるからである。

インタクーラ３４０は、エアコンプレッサ３３０によって圧縮されて温度が上昇した空気の温度を燃料電池１００の温度とほぼ同じになるように熱交換を行う。すなわち、インタクーラ３４０には、燃料電池１００から排出された冷媒が分流されて供給されており、この冷媒の温度は、燃料電池１００の温度とほぼ等しくなっている。したがって、圧縮された空気の温度は、燃料電池１００の温度とほぼ等しくなる。なお、燃料電池１００から排出される排ガスの温度も、燃料電池１００の温度とほぼ等しい。スタック入口バルブ３５０は、空気の燃料電池１００への供給をオン・オフするためのバルブである。

排ガス回路４００は、オフガス排出管４１０と、調圧バルブ４２０と、液水排出管４３０と、排出弁４４０と、酸化ガスのバイパス流路４５０とを備える。オフガス排出管４１０は、燃料電池１００に接続されるオフガス上流側排出管４１１と、その下流側のオフガス下流側排出管４１２とから構成され、燃料電池１００から排出される空気（酸化ガス）を燃料電池１００から外部に導いて排出する。オフガス上流側排出管４１１は、管路上下端で他の固定機器への固定が想定されるフレキシブルホース形態であり、耐熱性のエチレン−プロピレン系ゴム等を用いて成形される。オフガス下流側排出管４１２は、他の部材と適宜箇所で固定され、排出管自体で管路軌跡を維持できるパイプ形態であり、耐熱性の樹脂を用いて成形される。オフガス排出管４１０には、調圧バルブ４２０が設けられている。図１において、調圧バルブ４２０は、オフガス上流側排出管４１１の管路途中に示されているが、オフガス上流側排出管４１１がその上流端で固定される後述のマニホールド治具に設けられている。調圧バルブ４２０は、燃料電池１００中の空気の圧力を調整する。

液水排出管４３０は、気液分離器２８０と、オフガス排出管４１０とを接続している。液水排出管４３０は、排出弁４４０と接続されている。排出弁４４０は、後述するアクチュエータ制御部３１の制御を受けて液水排出管４３０の管路を開閉し、排出弁４４０による管路開放により、気液分離器２８０が貯留した分離液水を、液水排出管４３０を経てオフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１に排出する。この分離液水排出後においても排出弁４４０が管路を開放している状態では、燃料電池１００から排出された燃料排ガスは、液水排出管４３０を経てオフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１に排出される。上記した排出弁４４０の管路開放は、燃料排ガス中の窒素濃度が高くなる、あるいは、気液分離器２８０中の水の量が多くなったときには、実行される。

バイパス流路４５０は、エア供給流路３２０と、オフガス排出管４１０のオフガス上流側排出管４１１とを連通している。バイパス流路４５０には、バイパス流路調整弁４５５が設けられている。バイパス流路４５０は、燃料電池１００を経由せずに空気をオフガス排出管４１０にバイパスさせるための流路である。バイパス流路調整弁４５５は、その開閉や、弁の開度を調整することにより、バイパス流路４５０に流す空気であるバイパスエアの流量を調節する。

冷却回路５００は、冷媒供給流路５１０と、冷媒排出流路５１５と、ラジエータ流路５２０と、ウォーターポンプ５２５と、ラジエータ５３０と、冷媒バイパス流路５４０と、三方バルブ５４５と、を備える。冷媒供給流路５１０は、燃料電池１００に冷媒を供給するための流路であり、冷媒供給流路５１０にはウォーターポンプ５２５が配置されている。冷媒排出流路５１５は、燃料電池１００から冷媒を排出するための流路である。冷媒排出流路５１５には、温度センサ５５０が設けられており、燃料電池１００から排出される冷媒の温度を測定する。温度センサ５５０で測定される温度は、燃料電池１００の内部の温度とほぼ等しく、燃料電池１００から排出される排ガスの温度とも、ほぼ等しい。冷媒排出流路５１５の下流部は、三方バルブ５４５を介して、ラジエータ流路５２０と、冷媒バイパス流路５４０と、に接続されている。ラジエータ流路５２０には、ラジエータ５３０が設けられている。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。ラジエータ流路５２０の下流部と、冷媒バイパス流路５４０の下流部とは、冷媒供給流路５１０に接続されている。冷媒供給流路５１０と、冷媒排出流路５１５とは、インタクーラ３４０に接続されている。

また、燃料電池システム１０は、含水量計測部２０と、ＦＣ−ＥＣＵ３０と、ＨＦ−ＥＣＵ４０とを備える。

含水量計測部２０は、燃料電池１００に接続され、燃料電池１００の内部に残留する水分量である含水量を計測する。含水量計測部２０は、含水量と相関関係を有する燃料電池１００の交流インピーダンスを計測し、計測したインピーダンスに基づき含水量を算出する。含水量計測部２０は、例えば、燃料ガスのガス拡散係数に応じた高い周波数（例えば１ｋＨｚなど）の交流電流を燃料電池１００に重畳し、その電圧応答を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。なお、含水量計測部２０は含水量に係る情報を取得できればよく、インピーダンス以外の情報に基づき含水量を計測する構成でもよい。

ＦＣ−ＥＣＵ３０及びＨＦ−ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１０の動作を制御する制御装置である。ＦＣ−ＥＣＵ３０は、例えば、燃料電池１００の発電制御及び車載補機類の制御等を行う。ＨＦ−ＥＣＵ４０は、例えば、燃料ガスの充填及び供給等に関する制御を行う。ＦＣ−ＥＣＵ３０及びＨＦ−ＥＣＵ４０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コンピュータ装置である。

ＦＣ−ＥＣＵ３０は、アクチュエータ制御部３１を有する。アクチュエータ制御部３１は、例えば温度センサ５５０などのシステム内外の各種センサ類からの情報に基づき、燃料電池１００が必要な電力を発電するように、システム内の各種アクチュエータ（例えばエアコンプレッサ３３０、インタクーラ３４０、スタック入口バルブ３５０など）の動作を制御する。なお、含水量計測部２０がＦＣ−ＥＣＵ３０に設けられる構成でもよい。

ＨＦ−ＥＣＵ４０は、リッド状態管理部４１を有する。リッド状態管理部４１は、燃料ガスタンク２１０に水素を充填するための充填口の開閉制御や開閉状態検知を行う。なお、ＨＦ−ＥＣＵ４０がＦＣ−ＥＣＵ３０または含水量計測部２０と単一の制御装置として纏められる構成でもよい。

ＦＣ−ＥＣＵ３０は、発電停止要求など燃料電池システム１０を停止させる要求を受けると、システム停止時に通常実行する所定の処理（通常停止処理）を行って燃料電池システム１０を停止させる。この通常停止処理には、燃料電池１００内に残留している水分を排出する掃気処理が含まれる。掃気処理では、例えばアクチュエータ制御部３１が、エアコンプレッサ３３０を駆動し、燃料電池１００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。本実施形態では、エアコンプレッサ３３０は、燃料電池１００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部としても機能する。

なお、本実施形態で用いる「掃気」とは、燃料電池１００内に残留している水分を外部に排出することを意味するものであり、排気や排水などの文言を用いてもよい。

また、ＦＣ−ＥＣＵ３０は、燃料電池システム１０の緊急停止指令が入力されたときは、通常停止処理の少なくとも一部を実行せずにシステムを停止する。緊急停止指令は、例えば燃料電池システム１０の発電動作中に、ＨＦ−ＥＣＵ４０のリッド状態管理部４１により燃料ガスタンク２１０の充填口が開いていることが検知された場合などに、ＨＦ−ＥＣＵ４０などの車両内の他の制御装置から入力される。なお、「ＦＣ−ＥＣＵ３０に緊急停止指令が入力される場合」とは、ＦＣ−ＥＣＵ３０自身が何らかのシステム緊急停止のトリガを検出した場合も含む。

特に本実施形態では、ＦＣ−ＥＣＵ３０は、掃気部（エアコンプレッサ３３０）による掃気処理の実施中に緊急停止指令が入力されたときには、含水量計測部２０により計測された燃料電池１００の含水量の情報を記憶して緊急停止処理を行い、掃気処理は途中で中断する。そして、例えば緊急停止後の所定時間経過後など、緊急停止の原因が解消された後に、燃料電池システム１０を再起動して通常停止処理の残りの処理を行って、システムを正しい状態で停止させる。このとき、燃料電池システム１０の再起動後に再度の掃気処理を行う際に、記憶された含水量と、燃料電池システム１０の再起動後の燃料電池１００の温度とに基づき、掃気時間を決定して再度の掃気処理を行う。燃料電池１００の温度は、例えば温度センサ５５０により計測された冷媒温度の情報を用いることができる。

図２、図３を参照して、本実施形態における掃気処理について説明する。図２は、本実施形態の燃料電池システム１０の掃気処理及び再掃気処理のフローチャートである。図３は、掃気時間設定テーブルの一例を示す図である。図２のフローチャートに示す各処理は、ＦＣ−ＥＣＵ３０により実行される。

ステップＳ０１では掃気処理が開始され、ステップＳ０２では、ＦＣスタック含水量とＦＣ水温から掃気時間が決定されて、決定された掃気時間に基づき掃気処理が実行される。ＦＣスタック含水量は、燃料電池１００の含水量であり、含水量計測部２０により計測された情報を用いることができる。ＦＣ水温は、冷却回路５００の温度センサ５５０により計測された冷媒温度であり、燃料電池１００の内部温度に相当する。ＦＣスタック含水量とＦＣ水温の情報は、例えばステップＳ０１の掃気処理開始時における現在値を共に用いることができる。

ステップＳ０３では、燃料電池システム１０の緊急停止指令の入力などの掃気処理の中断入力の有無が確認される。中断入力が無い場合（ステップＳ０３のＮｏ）には、掃気処理はステップＳ０２で設定された掃気時間実施されて、ステップＳ０９に進み通常停止処理が実施される。中断入力が有る場合（ステップＳ０３のＹｅｓ）にはステップＳ０４に進む。

ステップＳ０４では、掃気処理の中断入力に応じて、ＦＣスタック含水量（すなわち燃料電池１００のインピーダンス）が記憶される。例えば、ＦＣ−ＥＣＵ３０は内部のメモリなどの記憶装置に含水量の情報を格納する。このとき格納される含水量の情報は、例えば、掃気処理の中断入力があった時点の値を用いることができる。

ステップＳ０５では、燃料電池システム１０の緊急停止処理が実施され、掃気処理が中断される。

ステップＳ０６では、ＦＣシステム起動時間が設定される。ＦＣシステム起動時間とは、緊急停止後に燃料電池システム１０を再度起動させる（いわゆるウェイクアップ）までの待ち時間である。ステップＳ０７では、現在時間（ステップＳ０５の緊急停止後からの経過時間）がステップＳ０６にて設定されたＦＣシステム起動時間を超えるまで待機する。

緊急停止後にＦＣシステム起動時間経過するとき（ステップＳ０７のＹｅｓ）、ステップＳ０３にて中断された掃気処理の残りの処理（再度の掃気処理）を含む通常停止処理を実行すべく、燃料電池システム１０が再起動される。

ステップＳ０８では、中断時ＦＣスタック含水量とＦＣ水温から、この再度の掃気処理の掃気時間が決定され、決定された掃気時間に基づき再度の掃気処理が実行される。中断時ＦＣスタック含水量は、ステップＳ０４にて記憶された含水量の情報である。ＦＣ水温は、例えば燃料電池システム１０の再起動後の掃気処理実施直前の現在値を用いることができる。

ステップＳ０８の掃気時間は、例えば図３に示す掃気時間設定テーブルを用いて決定することができる。図３の掃気時間設定テーブルの例では、ＦＣ温度（燃料電池１００の内部温度。ＦＣ水温に相当）に応じた適切な掃気時間を示すグラフが、さまざまな含水量の場合ごとに個別に図示されている。図３の横軸はＦＣ温度（℃）を表し、図３の縦軸は掃気時間（ｓｅｃ）を表す。

図３に示すように、燃料電池１００の温度が低くなるほど適切な掃気時間は長くなり、温度が高くなるほど適切な掃気時間は短くなる傾向がある。また、燃料電池１００の含水量が多くなるほど適切な掃気時間は長くなり、含水量が少なくなるほど適切な掃気時間は短くなる傾向がある。

なお、ステップＳ０２の緊急停止指令の入力前の掃気時間決定処理においても、図３に例示する掃気時間設定テーブルに基づき掃気時間を決定する構成でもよい。

ステップＳ０９では、掃気処理以外の通常停止処理が実施された後に、燃料電池システム１０が停止されて、本制御フローを終了する。

本実施形態の燃料電池システム１０の作用効果を説明する。特許文献１などの従来手法では、システム停止時に通常実行する処理（通常停止処理）に含まれる掃気処理の実施時間（掃気時間）は画一的に設定されるのが一般的である。このため、システムの緊急停止時に掃気処理が中断された場合、システム再起動後に掃気処理を再開する際に適切な掃気時間となるように調整することができず、また、そもそも中断後の適切な掃気時間が不明なため、必要以上に掃気処理が行われて燃料電池１００が過乾燥となる虞がある。または、掃気処理が不十分となって燃料電池１００が掃気不足となる虞もある。

そこで本実施形態では、掃気処理の実施中に燃料電池システム１０の緊急停止指令が入力されたときには、そのときの燃料電池１００の含水量を記憶した上で緊急停止処理を行う。そして、燃料電池システム１０の再起動後に再度の掃気処理を行う際に、記憶された含水量と、燃料電池システム１０の再起動後の燃料電池１００の温度とに基づき、掃気時間を決定して再度の掃気処理を行う。

この構成により、掃気処理中断後の再度の掃気処理に適切な掃気時間を設定することが可能となり、燃料電池１００の過乾燥や掃気不足を抑制できる。

また、燃料電池１００の含水量は、上述のとおり燃料電池１００のインピーダンスに基づき求められる。ここで、燃料電池システム１０の再起動後にインピーダンスを計測しようとすると、システム再起動後に燃料電池１００に燃料ガスと酸化ガスを供給して発電を行う状態とした上で、交流電流を燃料電池１００に重畳させ、その電圧応答を検出した後にインピーダンスを算出する必要がある。このため、システム再起動から掃気時間決定までに時間がかかり、再掃気処理をシステム再起動後に直ちに行えない。これに対して本実施形態では、燃料電池１００の含水量の情報はシステム緊急停止時に予め確保してあるので、この記憶した情報を用いることでシステム再起動後に掃気時間を決定するまでの所要時間を短縮でき、再掃気処理を迅速に実施できる。

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
３０ ＦＣ−ＥＣＵ（制御部）
１００ 燃料電池
３３０ エアコンプレッサ（掃気部）

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池内に残留している水分を発電停止時に掃気する掃気部と、
   前記掃気部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記掃気部による掃気処理の実施中に当該燃料電池システムの緊急停止指令が入力されたとき、前記燃料電池の含水量を記憶して緊急停止処理を行い、
   当該燃料電池システムの再起動後に再度の掃気処理を行う際に、前記記憶された前記含水量と、当該燃料電池システムの再起動後の前記燃料電池の温度とに基づき、掃気時間を決定して前記再度の掃気処理を行う、
   燃料電池システム。
   

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