JP2022134844A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】氷点下始動時でも燃料電池内に水素濃度が高い燃料ガスを供給することができ、触媒の劣化を抑制し、速やかに凍結を解消することができ、燃費を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】制御部は、燃料電池システムの起動時に、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、前記制御部は、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、燃料ガス供給部に前記燃料電池への前記燃料ガスの供給指令を出し、且つ、循環流路中の燃料オフガスの流れを止めるように循環ポンプの回転を制御することを特徴とする燃料電池システム。【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（ＦＣ）は、１つの単セル又は複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ、以下単に拡散層と記載する場合がある）が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素（Ｈ２）が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、低温始動性の向上を図る燃料電池システムが開示されている。
特許文献２では、循環ガス流路の逆流防止弁が凍結するような低温環境下でも迅速な起動が行える燃料電池システムが開示されている。
特許文献３では、燃料電池セルの劣化を抑制可能な燃料電池システムが開示されている。
特開２００４－１５２５２９号公報 特開２００８－１９２５１４号公報 特開２０１８－１８１４８４号公報
燃料電池システムにおいて、氷点下始動時に燃料電池内の燃料ガス流路が凍結した際、燃料ガスを供給しつつその燃料ガスを利用した発電の熱で凍結を解消したい。凍結を解消する際にも発電する上では燃料電池内の燃料ガス欠乏を防ぎたい。そのために水素濃度が高い燃料ガスを供給する必要がある。
上記特許文献１は、燃料電池内の燃料ガス流路が完全に閉塞していない場合は、燃料オフガスが不自由なく循環できるシステムであるため、燃料電池の燃料ガス入口には窒素等が混入した水素濃度が低い燃料ガスが導入される虞がある。
また、特許文献２では、バイパスから水素濃度が高い燃料ガスは供給されるものの、燃料オフガスが循環してエジェクタを経由して水素濃度が低い燃料ガスが燃料電池内に導入される虞がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、氷点下始動時でも燃料電池内に水素濃度が高い燃料ガスを供給することができ、触媒の劣化を抑制し、速やかに凍結を解消することができ、燃費を向上させることができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、燃料電池と、水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口とを接続する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、前記燃料電池の温度を検知する温度センサと、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを前記燃料電池システムの外部に排出する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に配置される気液分離器と、前記燃料オフガス排出流路の前記気液分離器よりも下流に配置される排気排水弁と、前記気液分離器と前記エジェクタとを接続し、且つ、前記燃料オフガスを循環ガスとして前記燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、前記循環流路に配置され且つ前記燃料オフガスを前記循環ガスとして循環させる循環ポンプと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、前記制御部は、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、前記燃料ガス供給部に前記燃料電池への前記燃料ガスの供給指令を出し、且つ、前記循環流路中の前記燃料オフガスの流れを止めるように前記循環ポンプの回転を制御する。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時又は前記燃料電池システムの起動から所定の時間経過後に、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、前記制御部は、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えると判定した場合、前記燃料ガス供給部に前記燃料電池への前記燃料ガスの供給指令を出し、且つ、前記燃料オフガスを前記循環ガスとして循環させるように前記循環ポンプの回転を制御してもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、氷点下始動時でも燃料電池内に水素濃度が高い燃料ガスを供給することができ、触媒の劣化を抑制し、速やかに凍結を解消することができ、燃費を向上させることができる。
図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 図２は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、燃料電池と、水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口とを接続する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、前記燃料電池の温度を検知する温度センサと、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを前記燃料電池システムの外部に排出する燃料オフガス排出流路と、前記燃料オフガス排出流路に配置される気液分離器と、前記燃料オフガス排出流路の前記気液分離器よりも下流に配置される排気排水弁と、前記気液分離器と前記エジェクタとを接続し、且つ、前記燃料オフガスを循環ガスとして前記燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、前記循環流路に配置され且つ前記燃料オフガスを前記循環ガスとして循環させる循環ポンプと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、前記制御部は、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、前記燃料ガス供給部に前記燃料電池への前記燃料ガスの供給指令を出し、且つ、前記循環流路中の前記燃料オフガスの流れを止めるように前記循環ポンプの回転を制御する。
エジェクタを用いた燃料ガス循環系を含む燃料電池システムにおいては、氷点下始動時において、燃料電池の燃料ガス出口のくし歯が水滴の凍結により閉塞した場合に、速やかに凍結閉塞を解消するために濃度の高い水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する必要がある。
エジェクタを用いた燃料ガス循環系において、通常通り燃料オフガスを循環させると燃料電池に供給される水素の濃度は低下してしまう。
従来技術では、逆止弁とバイパス経路を用いて濃度の高い水素を含む燃料ガスを供給している。しかし、氷点下始動において、逆止弁に氷が挟まり、燃料ガスが自由に流れる状態になり、燃費が悪くなる懸念がある。
燃料ガス出口のくし歯の凍結閉塞は、その発生を防止することは困難であるため、燃料電池システム側で濃度の高い水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給することを可能とする必要がある。
逆止弁の凍結による不具合は、逆止弁は循環ポンプとは異なり、可動部がないため、自律的に復帰させることができない。
本研究者は、上記知見から、逆止弁に頼らずに濃度の高い水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給することができる燃料電池システムを見出した。
本開示の燃料電池システムによれば、氷点下始動時は、燃料オフガスを循環ガスとして循環させないように循環ポンプの回転を制御することにより、氷点下始動時でも燃料電池内に水素濃度が高い燃料ガスを供給することができ、触媒の劣化を抑制し、速やかに凍結を解消することができ、燃費を向上させることができる。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源として電動機を有する車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池を備える。
燃料電池は、単セルを１つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。２枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料ガス供給部と、燃料ガス供給流路と、エジェクタと、温度センサと、燃料オフガス排出流路と、気液分離器と、排気排水弁と、循環流路と、循環ポンプと、制御部と、を備える。
燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する。具体的には燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池の燃料ガス入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
燃料ガス供給流路には、エジェクタが配置される。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路上の循環流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
温度センサは、燃料電池の温度を検知する。
燃料電池の温度は、燃料電池の内外を循環する冷媒の温度であってもよい。温度センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、温度センサによって検知された燃料電池の温度を検知する。
温度センサは、従来公知の温度計等を用いることができる。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを燃料電池システムの外部に排出する。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路には、気液分離器（アノード気液分離器）が配置される。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路と循環流路との分岐点に配置されていてもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路の排気排水弁よりも上流に配置される。
気液分離器は、燃料ガス出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料ガスを循環ガスとして循環流路に戻してもよいし、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路の排気排水弁を開弁して外部に排出してもよい。また、気液分離器により、余分な水分が循環流路に流れることを抑制することができるため、当該水分による循環ポンプ等の凍結の発生を抑制することができる。
燃料オフガス排出流路には、排気排水弁（燃料オフガス排出弁）が配置される。排気排水弁は、燃料オフガス排出流路の気液分離器よりも下流に配置される。
排気排水弁は、燃料オフガス及び水分等を外部（系外）へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
排気排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排気排水弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、排気排水弁の開度を調整することにより、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力（アノード圧力）を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
循環流路は、気液分離器とエジェクタとを接続する。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から気液分離器を介して分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
循環ポンプは、循環流路に配置される。循環ポンプは、燃料オフガスを循環ガスとして循環させる。循環ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス系として、酸化剤ガス供給部を備えていてもよく、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよく、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも１つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整してもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部を備えていてもよく、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
制御部は、燃料電池システムの起動時に、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定する。
制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、燃料ガス供給部に燃料電池への燃料ガスの供給指令を出し、且つ、循環流路中の燃料オフガスの流れを止めるように循環ポンプの回転を制御する。これにより水素濃度の高い燃料ガスを燃料電池に供給することができ、速やかに凍結した櫛歯等の部品を解凍することができ、速やかに暖機処理を行うことができ、燃費を向上させることができる。
氷点下始動相当の温度としては、例えば、０℃以下であってもよく、－１０℃以下であってもよい。
循環流路中の燃料オフガスの流れを止めるためには、循環ポンプの回転を停止してもよいし、循環ポンプを逆回転させてもよい。循環ポンプを逆回転する場合の回転数は特に限定されず、循環ポンプを正回転する場合の回転数と同じであってもよく、異なっていてもよい。
制御部は、燃料電池システムの起動時又は燃料電池システムの起動から所定の時間経過後に、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えると判定した場合、燃料ガス供給部に燃料電池への燃料ガスの供給指令を出し、且つ、燃料オフガスを循環ガスとして循環させるように循環ポンプの回転を制御してもよい。
燃料オフガスを循環ガスとして循環させるためには、循環ポンプを正回転させてもよい。循環ポンプを正回転する場合の回転数は特に限定されず、循環ポンプを逆回転する場合の回転数と同じであってもよく、異なっていてもよい。
燃料電池システムの起動からの所定の時間は、特に限定されず、起動直後であってもよいし、一定の時間経過後であってもよく、燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えると想定される暖機時間の経過後であってもよい。
燃料電池システムの起動から所定の時間経過後に、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定することにより、燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えた場合に速やかに暖機処理を終了し、燃費を良好にすることができる。
図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料ガス供給部２０と、燃料ガス供給流路２１と、燃料オフガス排出流路２２と、排気排水弁２３と、気液分離器２４と、循環流路２５と、エジェクタ２６と、循環ポンプ２７と、制御部５０と、温度センサ６０と、を備える。なお、図１では、燃料ガス系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、冷却系等の図示は省略する。
温度センサ６０は、燃料電池１０を流れる冷媒の温度を検知する。温度センサ６０は、鎖線で示すように制御部５０と電気的に接続され、検知した燃料電池の温度を制御部５０に与える。
気液分離器２４は、燃料オフガス排出流路２２の循環流路２５との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、循環流路２５に燃料ガスを循環ガスとして戻す。
エジェクタ２６は、循環流路２５の燃料ガス供給流路２１との合流部に配置されている。
循環ポンプ２７は、循環流路２５に配置されている。
制御部５０は、循環ポンプ２７と電気的に接続され、検知した燃料電池の温度の結果に基づいて循環ポンプ２７の回転を制御する。
制御部５０は、燃料ガス供給部２０と電気的に接続され、検知した燃料電池の温度の結果に基づいて燃料ガス供給部２０からの燃料ガスの供給を制御する。
制御部５０は、排気排水弁２３と電気的に接続され、必要に応じて排気排水弁２３を開き、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路２２から外部へ排出する。
図２は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
燃料電池システムの起動時に、温度センサは燃料電池の温度を検知する。
制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定する。
制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えると判定した場合、燃料ガス供給部に燃料電池への燃料ガスの供給指令を出し、且つ、燃料オフガスを循環ガスとして循環させるように循環ポンプの回転を制御する循環ガス供給指令を出し、制御を終了する。
一方、制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、燃料ガス供給部に燃料電池への燃料ガスの供給指令を出し、且つ、循環流路中の燃料オフガスの流れを止めるように循環ポンプの回転を制御する循環ガス停止指令を出す。
そして、燃料電池システムの起動から所定の時間経過後に、温度センサは、再度燃料電池の温度を検知する。
制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か再度判定する。
制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、再度燃料ガス供給部に燃料電池への燃料ガスの供給指令を出し、且つ、循環流路中の燃料オフガスの流れを止めるように循環ポンプの回転を制御する循環ガス停止指令を出す。
一方、制御部は、温度センサが検知した燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えると判定した場合、燃料ガス供給部に燃料電池への燃料ガスの供給指令を出し、且つ、燃料オフガスを循環ガスとして循環させるように循環ポンプの回転を制御する循環ガス供給指令を出し、制御を終了する。
１０ 燃料電池
２０ 燃料ガス供給部
２１ 燃料ガス供給流路
２２ 燃料オフガス排出流路
２３ 排気排水弁
２４ 気液分離器
２５ 循環流路
２６ エジェクタ
２７ 循環ポンプ
５０ 制御部
６０ 温度センサ
１００ 燃料電池システム

Claims (2)

  1. 燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムは、燃料電池と、
    水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
    前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口とを接続する燃料ガス供給流路と、
    前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
    前記燃料電池の温度を検知する温度センサと、
    前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを前記燃料電池システムの外部に排出する燃料オフガス排出流路と、
    前記燃料オフガス排出流路に配置される気液分離器と、
    前記燃料オフガス排出流路の前記気液分離器よりも下流に配置される排気排水弁と、
    前記気液分離器と前記エジェクタとを接続し、且つ、前記燃料オフガスを循環ガスとして前記燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
    前記循環流路に配置され且つ前記燃料オフガスを前記循環ガスとして循環させる循環ポンプと、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、
    前記制御部は、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であると判定した場合、前記燃料ガス供給部に前記燃料電池への前記燃料ガスの供給指令を出し、且つ、前記循環流路中の前記燃料オフガスの流れを止めるように前記循環ポンプの回転を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時又は前記燃料電池システムの起動から所定の時間経過後に、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度以下であるか否か判定し、
    前記制御部は、前記温度センサが検知した前記燃料電池の温度が氷点下始動相当の温度を超えると判定した場合、前記燃料ガス供給部に前記燃料電池への前記燃料ガスの供給指令を出し、且つ、前記燃料オフガスを前記循環ガスとして循環させるように前記循環ポンプの回転を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
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