JP2021190243A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気排水弁以外の凍結に起因して燃料電池スタック内に不純物が蓄積することを抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、セルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、循環流路と、ポンプと、スタック温度を取得する温度測定部と、アノードガス供給部とポンプとを制御する制御部と、を備える。制御部は、アノードガス供給部およびポンプを制御して、燃料電池システムの始動時に掃気処理を行った後に、暖機運転を行う場合において、スタック温度が予め定められた閾値温度以下であり、かつ、燃料電池システムの前回の停止後、掃気処理を行ったと判断できる場合、ポンプを停止して暖機運転を行い、スタック温度が閾値温度より高い場合、または、燃料電池システムの前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理を行ったと判断できない場合、ポンプを駆動して暖機運転を行う。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、低温始動時に、カソードガスの流路に設けられたエアコンプレッサや弁等の補機部品を制御して、燃料電池スタックに供給するカソードガス、例えば、空気の供給量を少なくして低効率で発電を行い、燃料電池スタックを暖める暖機運転を行うものがある。また、暖機運転の前には発電不良を起こさないために掃気処理と呼ばれる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ものがある。特許文献１には、掃気処理時にアノードガスの排出機構からの排出機能が正常でない場合、例えば排気排水弁が凍結している場合にポンプを停止して、アノードガスの循環を停止する技術が記載されている。これにより、不純物が排出されずにアノードオフガスが燃料電池スタックに循環して、燃料電池スタック内に不純物が蓄積することを抑制できる。

特開２０１６−９６０８１号公報

しかし、特許文献１の技術は、排気排水弁が凍結せずに燃料電池スタックのアノードガス排出口が凍結した場合には、アノードガスの循環を停止しないと掃気処理で排気しきれなかった不純物や暖機運転中にカソードから透過してくる不純物が燃料電池スタック内に蓄積するおそれがある。そのため、暖機運転においても、排気排水弁以外の凍結に起因して燃料電池スタック内に不純物が蓄積することを抑制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、セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスが循環する循環流路と、前記循環流路に設けられ、前記アノードガスを送出するポンプと、前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を取得する温度測定部と、前記アノードガス供給部と前記ポンプとを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記アノードガス供給部および前記ポンプを制御して、前記燃料電池スタック内の水を除去する掃気処理および、暖機運転を行うことができ、前記燃料電池システムの始動時に前記掃気処理を行った後に、暖機運転を行う場合において、前記スタック温度が予め定められた閾値温度以下であり、かつ、前記燃料電池システムの前回の停止後、今回の始動までの間に前記掃気処理を行ったと判断できる場合、前記ポンプを停止して暖機運転を行い、前記スタック温度が前記閾値温度より高い場合、または、前記燃料電池システムの前回の停止後、今回の始動までの間に前記掃気処理を行ったと判断できない場合、前記ポンプを駆動して暖機運転を行う。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、スタック温度が予め定められた閾値温度以下であり、かつ、燃料電池システムの前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理を行ったと判断できる場合に、ポンプを停止して暖機運転を行う。そのため、例えば、燃料電池スタックのアノードガス排出口等の燃料電池スタックや循環流路の一部または全部が凍結した場合にも、ポンプを停止して暖機運転を行うことができる。従って、燃料電池スタックのアノードガス排出口が凍結している場合に、ポンプによってアノードオフガスが循環し排気排水弁以外の凍結に起因して燃料電池スタック内に不純物が蓄積することも抑制しつつ、暖機運転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。 始動時暖機運転の手順の一例を表すフローチャートである。

Ａ．実施形態：
図１は、本開示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、カソードガス給排系３０と、アノードガス給排系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や、燃料電池スタック１０を暖める暖気運転を行う。掃気処理とは、燃料電池スタック１０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。制御部２０は、例えば、燃料電池システム１００の始動時に、アノードガス給排系５０を制御して、燃料電池スタック１０内にアノードガスを供給することによって、掃気処理を行う。また、制御部２０は、例えば、燃料電池システム１００の始動時であって、掃気処理を行った後に、カソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０を制御して、暖機運転を行う。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。

カソードガス給排系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、電力を消費して、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。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。

アノードガス給排系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。また、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とで構成される部分のことをアノードガス供給部ともいう。

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。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、始動時暖機運転処理の手順の一例を表すフローチャートである。始動時暖機運転処理は、制御部２０が、カソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０を制御して暖機運転を行う処理である。制御部２０は、燃料電池システム１００の始動時にこの処理を実行する。なお、この処理は氷点下の場合にのみ実行されてもよい。また、この処理は、燃料電池システム１００の始動時にアノードガスポンプ６５を停止して掃気処理を行った後に実行される。

ステップＳ１００において、制御部２０は、燃料電池システム１００が前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理の実行履歴があるか否かを判定する。これにより、単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結している危険性があるか否かを判定する。例えば、制御部２０は、パーキングパージ（ＰＰＧ）の実行履歴を記憶しておき、パーキングパージを行ったか否かを判定する。パーキングパージは、燃料電池システム１００のシステム停止中に凍結防止のために行われる掃気処理である。すなわち、パーキングパージは、燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間に行われる掃気処理である。例えば、制御部２０は、燃料電池システム１００を停止する際に単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結する危険性があると判断した場合は、燃料電池システム１００を停止する際に掃気処理を行うことで、次回の始動時において単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結している危険性を下げる。一方、制御部２０が、燃料電池システム１００を停止する際に単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結する危険性があると判断しなかった場合であって、かつ、前回の停止後、今回の始動までの間で単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結する危険性があると判定した場合、パーキングパージを行い、掃気処理を行う。すなわち、パーキングパージは、制御部２０が、燃料電池システム１００を停止する際に単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結する危険性があると判断しなかった場合であって、かつ、前回の停止後、今回の始動までの間で単セル１１、あるいはカソードガス給排系３０やアノードガス給排系５０が凍結する危険性があると判定した場合に実行される。しかし、パーキングパージは外気温が低い時に実施されるのに加え、燃料電池スタック１０を発電させずに実施されるため、掃気に使用できるエネルギーに制約があり、単セル１１内に水が多く残る可能性がある。ＰＰＧの実行履歴がある場合、制御部２０は、ステップＳ１１０の処理に進む。すなわち、単セル１１内に水が多く残っている可能性があると判断できる場合は、処理は、ステップＳ１１０に進む。一方、ＰＰＧの実行履歴がない場合、制御部２０は、ステップＳ１２５の処理に進む。すなわち、燃料電池スタック１０内に水が多く残っていない場合は、処理は、ステップＳ１２５に進む。

ステップＳ１１０において、制御部２０は、温度測定部７７から取得した燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が予め定められた閾値温度以下か否かを判定する。閾値温度は、燃料電池スタック１０内やアノードガス給排系５０の一部または全部が凍結した場合に、後述する暖機運転によってその凍結の解凍に要する時間が予め定められた時間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、燃料電池システム１００の始動時のスタック温度と暖機運転に要する時間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。燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が閾値温度以下の場合、制御部２０は、ステップＳ１２０の処理に進む。一方、燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が閾値よりも大きい場合、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、アノードガスポンプ６５を停止して暖機運転を行う。制御部２０は、燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が閾値温度以下であり、かつ、燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理（ＰＰＧ）の実行履歴がある場合に、アノードガスポンプ６５を停止して暖機運転を行う。すなわち、制御部２０は、例えば、排気排水弁６３が凍結した場合や燃料電池スタック１０のアノードガス排出口や単セル１１のアノードガス出口の櫛歯部分が凍結した場合に、アノードガスポンプ６５を停止して暖機運転を行う。そのため、アノードガス給排系５０の凍結に起因して燃料電池スタック内に不純物が蓄積することを抑制できる。制御部２０は、例えば、予め定められた時間経過した場合に暖機運転を終了する。

ステップＳ１２５において、制御部２０は、アノードガスポンプ６５を駆動して暖機運転を行う。制御部２０は、燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が閾値温度より高い、または、燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理（ＰＰＧ）の実行履歴がない場合に、アノードガスポンプ６５を駆動して暖機運転を行う。すなわち、制御部２０は、例えば、アノードガス給排系５０の一部や全部が凍結しているおそれがない場合に、アノードガスポンプ６５を駆動して暖機運転を行う。そのため、アノードガスを循環させて、燃料電池スタック１０の発電に十分なアノードガス量を供給することができる。制御部２０は、例えば、予め定められた時間経過した場合に暖機運転を終了する。

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、燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が予め定められた閾値温度以下であり、かつ、燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理（ＰＰＧ）を行ったと判断できる場合に、アノードガスポンプ６５を停止して暖機運転を行う。そのため、制御部２０は、例えば、燃料電池スタックのアノードガス排出口やアノードガス供給部の一部または全部、循環流路の一部または全部が凍結した場合に、アノードガスポンプ６５を停止して暖機運転を行うことができる。従って、燃料電池スタックのアノードガス排出口が凍結している場合に、ポンプによってアノードオフガスが循環し、燃料電池スタック１０内に不純物が蓄積することを抑制しつつ、暖機運転を行うことができる。また、制御部２０は、燃料電池システム１００の始動時のスタック温度が閾値温度より高い、または、燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理（ＰＰＧ）を行ったと判断できない場合に、アノードガスポンプ６５を駆動して暖機運転を行う。そのため、制御部２０は、例えば、燃料電池スタックのアノードガス排出口が凍結している恐れがない場合に、アノードガスポンプ６５を駆動して暖機運転を行うことができる。したがって、アノードガスを循環させて、燃料電池スタック１０の発電に十分なアノードガス量を供給しつつ、暖機運転を行うことができる。

Ｂ．他の形態：
上記実施形態において、制御部２０は、燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間に掃気処理（ＰＰＧ）を行ったか否かを判定している（図２、ステップＳ１００）。燃料電池システム１００の前回の停止後、今回の始動までの間で単セル１１等が凍結する危険性があった場合に、ＰＰＧが実行される。そのため、ＰＰＧが行われた場合、単セル１１内の水が予め定められた閾値以上であると判断できる。単セル１１内の水が予め定められた閾値以上であると判断できる場合には、燃料電池スタック１０が有する複数の単セル１１のうちの１つ以上が閾値以上の水を有していると判断できる場合と、燃料電池スタック１０内の水の量を単セル１１の数で除算した値を単セル１１内の水の量として、閾値以上であると判断できる場合とを含む。

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、３０…カソードガス給排系、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…アノードガス給排系、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、
   セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、
   前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスが循環する循環流路と、
   前記循環流路に設けられ、前記アノードガスを送出するポンプと、
   前記燃料電池スタックの温度であるスタック温度を取得する温度測定部と、
   前記アノードガス供給部と前記ポンプとを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記アノードガス供給部および前記ポンプを制御して、前記燃料電池スタック内の水を除去する掃気処理および、暖機運転を行うことができ、
   前記燃料電池システムの始動時に前記掃気処理を行った後に、暖機運転を行う場合において、
   前記スタック温度が予め定められた閾値温度以下であり、かつ、前記燃料電池システムの前回の停止後、今回の始動までの間に前記掃気処理を行ったと判断できる場合、前記ポンプを停止して暖機運転を行い、
   前記スタック温度が前記閾値温度より高い場合、または、前記燃料電池システムの前回の停止後、今回の始動までの間に前記掃気処理を行ったと判断できない場合、前記ポンプを駆動して暖機運転を行う、燃料電池システム。

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