JP2022132887A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排気排水弁の開閉異常を判断する。【解決手段】燃料電池２０と、燃料電池への酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給配管３１と、燃料電池からの酸化剤オフガスが流れる酸化剤オフガス排出配管３２と、酸化剤オフガス排出配管３２に設けられ燃料電池内の酸化剤ガスの圧力を調整する調圧弁３８と、酸化剤オフガス排出配管に設けられ酸化剤オフガスから液水を分離する気液分離器３７と、気液分離器の液溜部３７ａからの排気排水の双方を兼ねる排気排水弁３９と、燃料電池内の酸化剤ガスの圧力を計測する圧力センサ４０と、燃料電池内の酸化剤ガスの圧力が目標圧力になるよう予め定められた開度に調圧弁を制御した後、圧力センサで計測された計測値に基づく圧力が目標圧力になるよう調圧弁の開度を調整する圧力制御を実施し、圧力制御での調圧弁の開度の調整幅が所定値より大きい場合に排気排水弁の開閉異常と判断するＥＣＵ１０と、を備える燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池から排出される燃料オフガスが流れる燃料オフガス排出配管に気液分離器が設けられた燃料電池システムが知られている。気液分離器には、液溜部からの排水と排気の双方を兼ねる排気排水弁が接続されている。このような燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給状態の変化を考慮して排気排水弁の開閉異常を判断することが知られている（例えば特許文献１）。

特開２００８－０４１３４６号公報

燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流れる酸化剤オフガス排出配管に気液分離器を設け、気液分離器の液溜部に排気排水弁を接続させることがある。この場合でも、排気排水弁の開閉異常を判断できることが望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、酸化剤オフガス排出配管に気液分離器が設けられる場合に、気液分離器に接続される排気排水弁の開閉異常の判断を可能とすることを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流れる酸化剤オフガス排出配管と、前記酸化剤オフガス排出配管に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力を調整する調圧弁と、前記酸化剤オフガス排出配管に設けられ、前記酸化剤オフガスから液水を分離する気液分離器と、前記気液分離器の液溜部からの排気と排水の双方を兼ねる排気排水弁と、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力を計測する圧力計測器と、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力が目標圧力になるように予め定められた開度に前記調圧弁を制御した後に、前記圧力計測器で計測された計測値に基づく圧力が前記目標圧力になるように前記調圧弁の開度を調整する圧力制御を実施し、前記圧力制御における前記調圧弁の開度の調整幅が所定値よりも大きい場合に前記排気排水弁の開閉異常と判断する制御部と、を備える燃料電池システムである。

本発明によれば、酸化剤オフガス排出配管に気液分離器が設けられる場合に、気液分離器に接続される排気排水弁の開閉異常の判断をすることができる。

図１は、実施例に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、排気排水弁の開閉異常の判断処理の一例を示すフローチャートである。 図３は、圧力と調圧弁の開度とを関連付けた情報の一例を示す。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

［燃料電池システムの概略構成］
燃料電池システムは、燃料電池自動車又は定置用燃料電池装置などに用いられ、要求電力に応じて電力を出力する発電システムである。図１は、実施例に係る燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。図１のように、燃料電池システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０、燃料電池２０、酸化剤ガス配管系３０、及び燃料ガス配管系５０を備える。なお、燃料電池システム１００は、燃料電池２０に冷媒を循環させる冷媒配管系、及び、コンバータ等を含む電力系も備えるが、図１では図示を省略している。

燃料電池２０は、反応ガスとして空気などの酸化剤ガス（カソードガスとも称される）と水素ガスなどの燃料ガス（アノードガスとも称される）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２０は複数のセル２１が積層されたスタック構造をしている。

セル２１は、一対の電極の間に電解質膜が挟まれた発電体となる膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成される固体高分子膜である。電極は、例えば、発電反応を促進させるための触媒が担持されるカーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であるアイオノマーと、を含んで構成される。セル２１には、反応ガスを流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、セパレータによって形成されるガス流路を介してセル２１の発電領域に供給される。

酸化剤ガス配管系３０は、空気などの酸化剤ガスを燃料電池２０に供給し、燃料電池２０から排出される酸化剤オフガスを外部に排出する。酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガス供給配管３１、酸化剤オフガス排出配管３２、エキスパンダ付きコンプレッサ３３、インタークーラー３４、三方弁３５、加湿器３６、気液分離器３７、調圧弁３８、排気排水弁３９、及び圧力センサ４０を備える。

酸化剤ガス供給配管３１は、燃料電池２０の酸化剤ガス供給マニホールドに接続され、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスが流れる。酸化剤オフガス排出配管３２は、燃料電池２０の酸化剤オフガス排出マニホールドに接続され、燃料電池２０から排出される酸化剤オフガスが流れる。

酸化剤ガス供給配管３１には、上流側から順にエキスパンダ付きコンプレッサ３３、インタークーラー３４、三方弁３５、加湿器３６が配置されている。酸化剤オフガス排出配管３２には、上流側から順に圧力センサ４０、気液分離器３７、加湿器３６、調圧弁３８、エキスパンダ付きコンプレッサ３３が配置されている。気液分離器３７の液溜部３７ａには排気排水弁３９が接続されている。気液分離器３７は、燃料電池２０から排出される酸化剤オフガスから水分を分離して液溜部３７ａに貯留する。液溜部３７ａに貯留された液水は、排気排水弁３９が開くことにより外部に排出される。気液分離器３７は、酸化剤オフガスに含まれる水分がエキスパンダ付きコンプレッサ３３に流入することを抑制するために設けられている。したがって、気液分離器３７は、エキスパンダ付きコンプレッサ３３よりも上流側で酸化剤オフガス排出配管３２に設けられる。なお、気液分離器３７は、その他の理由によって酸化剤オフガス排出配管３２に設けられる場合もある。

エキスパンダ付きコンプレッサ３３、三方弁３５、調圧弁３８、及び排気排水弁３９はＥＣＵ１０に電気的に接続され、これらの駆動はＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、エキスパンダ付きコンプレッサ３３の回転速度を制御することにより燃料電池２０に供給される酸化剤ガスの流量を調整する。エキスパンダ付きコンプレッサ３３は、酸化剤オフガス排出配管３２を流れる酸化剤オフガスの排気圧力が利用されて回転が補助される。加湿器３６は、酸化剤ガス供給配管３１から酸化剤オフガス排出配管３２にわたって設けられ、酸化剤オフガス排出配管３２を流れる酸化剤オフガスに含まれる水分を用いて酸化剤ガス供給配管３１を流れる酸化剤ガスを加湿する。調圧弁３８は、ＥＣＵ１０からの指令により開度が制御され、酸化剤オフガスの圧力（燃料電池２０内のカソード側の背圧）を調整する。圧力センサ４０は、調圧弁３８よりも上流側で酸化剤オフガス排出配管３２に取り付けられ、酸化剤オフガスの圧力を計測し、ＥＣＵ１０に送信する。圧力センサ４０は、燃料電池２０内の酸化剤ガスの圧力を計測する圧力計測器の一例である。

燃料ガス配管系５０は、水素ガスなどの燃料ガスを燃料電池２０に供給し、燃料電池２０から排出される燃料オフガスを燃料電池２０に循環させる。燃料ガス配管系５０は、タンク６０、燃料ガス供給配管５１、燃料オフガス排出配管５２、燃料オフガス循環配管５３、主止弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６、気液分離器５７、排気排水弁５８、及び循環ポンプ５９を備える。

タンク６０は、燃料ガス供給配管５１を介して燃料電池２０の燃料ガス供給マニホールドに接続され、貯留する水素ガスなどの燃料ガスを燃料電池２０に供給する。燃料オフガス排出配管５２は、燃料電池２０の燃料オフガス排出マニホールドに接続される。燃料オフガス循環配管５３は、気液分離器５７と燃料ガス供給配管５１とを連通する。

燃料ガス供給配管５１には、上流側から順に主止弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６が配置されている。主止弁５４が開いた状態で調圧弁５５の開度が調整され、インジェクタ５６が水素ガスを噴射することで、燃料電池２０に燃料ガスが供給される。

燃料オフガス排出配管５２には、上流側から順に気液分離器５７、排気排水弁５８が配置されている。気液分離器５７は、燃料電池２０から排出される燃料オフガスから水分を分離し液溜部５７ａに貯留する。液溜部５７ａに貯留された液水は、排気排水弁５８が開くことにより外部に排出される。燃料オフガス循環配管５３は、一端が気液分離器５７に接続され、他端がインジェクタ５６よりも下流側で燃料ガス供給配管５１に接続される。燃料オフガス循環配管５３には循環ポンプ５９が配置されている。燃料電池２０から排出される燃料オフガスは、循環ポンプ５９によって適度に加圧されて燃料ガス供給配管５１へと導かれる。なお、循環ポンプ５９の代わりにエジェクタが備わる場合でもよい。主止弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６、排気排水弁５８、及び循環ポンプ５９はＥＣＵ１０に電気的に接続され、これらの駆動はＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、インジェクタ５６の噴射時間及び噴射回数、並びに、循環ポンプ５９の回転速度を制御することにより燃料電池２０に供給される燃料ガスの流量を調整する。

ＥＣＵ１０（制御部）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びメモリなどを備えるマイクロコンピュータを含む。メモリは、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである。ＥＣＵ１０は、燃料電池２０への要求電力に応じて、エキスパンダ付きコンプレッサ３３を制御して酸化剤ガスの供給流量を調整し、インジェクタ５６及び循環ポンプ５９を制御して燃料ガスの供給流量を調整する。また、ＥＣＵ１０は酸化剤ガス配管系３０に備わる排気排水弁３９の開閉異常を判断する処理も実行する。

［開閉異常の判断処理］
排気排水弁３９が故障して弁が開いた状態になってしまった場合、酸化剤オフガスの一部が排気排水弁３９から外部に放出されてしまう。このため、エキスパンダ付きコンプレッサ３３での酸化剤オフガスのエネルギー回収量が減少して回転補助の効果が弱まってしまう。酸化剤オフガス排出配管３２には調圧弁３８が設けられているため、排気排水弁３９が故障して圧力低下が生じた場合、調圧弁３８の開度によって圧力が調整されてしまう。このため、圧力変化によって排気排水弁３９の開閉異常を判断することは難しい。そこで、圧力変化以外の方法によって排気排水弁３９の開閉異常の判断を行う処理を以下に示す。

図２は、排気排水弁３９の開閉異常の判断処理の一例を示すフローチャートである。図２に示すように、まず、ＥＣＵ１０は、燃料電池２０内の酸化剤ガスの圧力が目標圧力になるように、予めメモリに記憶された、圧力と調圧弁３８の開度とを関連付けた情報から目標圧力にするための開度を求め、求めた開度に調圧弁３８の開度を制御する（ステップＳ１０）。図３には、圧力と調圧弁３８の開度とを関連付けた情報の一例を示す。ＥＣＵ１０は、図３に示すような情報を用いて、目標圧力となるように調圧弁３８の開度を制御する。なお、調圧弁３８の開度と圧力とを関連付けた情報は図３以外の場合であってもよい。

次いで、ＥＣＵ１０は、圧力センサ４０から酸化剤オフガスの圧力値を取得する（ステップＳ１２）。

次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２で取得した圧力値が目標圧力になっているか否かを判断する（ステップＳ１４）。目標圧力になっている場合（Ｙｅｓの場合）は、本処理を終了する。一方、各部品のばらつき、外気の湿度、排気排水弁３９の開閉異常などにより目標圧力から外れる場合がある。そこで、目標圧力から外れている場合（Ｎｏの場合）は、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６では、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２で取得した圧力値が目標圧力になるように調圧弁３８の開度を調整する。例えば、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１２で取得した圧力値と目標圧力との差を算出し、この差から調圧弁３８の開度の調整量を算出する。例えば、図３に示すような圧力と調圧弁３８の開度との関連情報を用いて、調圧弁３８の開度の調整量を算出する。そして、ＥＣＵ１０は、算出した調整量に基づいて、調圧弁３８の開度を調整する。

次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１６で調整した調圧弁３８の開度の調整幅が所定値以内か否かを判断する（ステップＳ１８）。例えば、ステップＳ１０での調圧弁３８の開度がａ％であったとする。ステップＳ１６での調圧弁３８の開度の調整によって調圧弁３８の開度が（ａ－ｂ）％になったとする。この場合、ステップＳ１８では、ＥＣＵ１０は、ｂ％が所定値以内か否かを判断する。

圧力センサ４０で計測される酸化剤オフガスの圧力値は、各部品のばらつきや外気の湿度などの要因によって多少変動する。したがって、ステップＳ１６での調圧弁３８の開度の調整幅が所定値以内であれば、各部品のならつきや外気の湿度などの要因による酸化剤オフガスの圧力変動によるものと考えられる。一方、調圧弁３８の開度の調整幅が所定値よりも大きい場合は、排気排水弁３９が故障して開いた状態となっていることによる酸化剤オフガスの圧力変動によるものと考えられる。一例として、調整幅が±３％以内であれば、各部品のばらつきや外気の湿度などの要因による酸化剤オフガスの圧力変動と考えられる。

したがって、ステップＳ１８で調圧弁３８の開度の調整幅が所定値を超えていると判断された場合（Ｎｏの場合）、ＥＣＵ１０は、排気排水弁３９の開閉異常と判断する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０において、ＥＣＵ１０は、排気排水弁３９に改めて閉指令（開度を０にする指令）を出してもよいし、排気排水弁３９の異常を知らせるアラームなどの報知を行ってもよい。

一方、ステップＳ１８で調圧弁３８の開度の調整幅が所定値以内であると判断された場合（Ｙｅｓの場合）、本処理を終了する。

実施例によれば、ＥＣＵ１０は、燃料電池２０内の酸化剤ガスの圧力が目標圧力になるように予め定められた開度に調圧弁３８を制御する（ステップＳ１０）。その後、ＥＣＵ１０は、圧力センサ４０が計測した圧力値が目標圧力になるように調圧弁３８の開度を調整する（ステップＳ１６）。そして、ＥＣＵ１０は、目標圧力になるように調整した調圧弁３８の開度の調整幅が所定値よりも大きい場合（ステップＳ１８でＮｏ）に、排気排水弁３９の開閉異常と判断する（ステップＳ２０）。これにより、酸化剤オフガス排出配管３２に気液分離器３７を設けた場合でも、気液分離器３７の液溜部３７ａに接続する排気排水弁３９の開閉異常を判断することができる。よって、排気排水弁３９に開閉異常が発生して開状態が続くことによる酸化剤オフガスの外部への排出が抑制される。これにより、エキスパンダ付きコンプレッサ３３への酸化剤オフガスの流入量の減少による消費電力の増大及び燃費の低下が抑制される。

また、実施例によれば、燃料電池２０内の酸化剤ガスの圧力を計測する圧力センサ４０は酸化剤オフガス排出配管３２に設けられている。これにより、圧力センサ４０で計測される圧力値は排気排水弁３９の開閉異常による圧力変動の影響を受けやすい為、排気排水弁３９の開閉異常を良好に且つ迅速に検出することができる。

なお、実施例において、圧力センサ４０が計測した圧力値（計測値）が目標圧力になるように調圧弁３８の開度を調整する場合を例に示したが、圧力センサ４０が計測した計測値に補正などを加えた圧力が目標圧力になるように調圧弁３８の開度を調整する場合でもよい。また、燃料電池２０内の酸化剤ガスの圧力を計測する圧力センサは、酸化剤オフガス排出配管３２に設けられる場合に限られず、酸化剤ガス供給配管３１に設けられてもよいし、酸化剤オフガス排出配管３２と酸化剤ガス供給配管３１の両方に設けられてもよい。圧力センサが酸化剤オフガス排出配管３２と酸化剤ガス供給配管３１の両方に設けられる場合、ＥＣＵ１０は、それぞれの圧力センサで計測された計測値の平均値が目標圧力になるように調圧弁３８の開度を調整してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ＥＣＵ
２０ 燃料電池
２１ セル
３０ 酸化剤ガス配管系
３１ 酸化剤ガス供給配管
３２ 酸化剤オフガス排出配管
３３ エキスパンダ付きコンプレッサ
３４ インタークーラー
３５ 三方弁
３６ 加湿器
３７ 気液分離器
３７ａ 液溜部
３８ 調圧弁
３９ 排気排水弁
４０ 圧力センサ
５０ 燃料ガス配管系
５１ 燃料ガス供給配管
５２ 燃料オフガス排出配管
５３ 燃料オフガス循環配管
５４ 主止弁
５５ 調圧弁
５６ インジェクタ
５７ 気液分離器
５７ａ 液溜部
５８ 排気排水弁
５９ 循環ポンプ
６０ タンク
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス供給配管と、
   前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流れる酸化剤オフガス排出配管と、
   前記酸化剤オフガス排出配管に設けられ、前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力を調整する調圧弁と、
   前記酸化剤オフガス排出配管に設けられ、前記酸化剤オフガスから液水を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の液溜部からの排気と排水の双方を兼ねる排気排水弁と、
   前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力を計測する圧力計測器と、
   前記燃料電池内の前記酸化剤ガスの圧力が目標圧力になるように予め定められた開度に前記調圧弁を制御した後に、前記圧力計測器で計測された計測値に基づく圧力が前記目標圧力になるように前記調圧弁の開度を調整する圧力制御を実施し、前記圧力制御における前記調圧弁の開度の調整幅が所定値よりも大きい場合に前記排気排水弁の開閉異常と判断する制御部と、を備える燃料電池システム。
   

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