JP2023128754A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、効率的に掃気を行う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。【解決手段】本開示においては、制御ユニットが、温度センサから温度を取得し、電圧センサから電圧値を取得し、電流センサから電流値を取得する、取得部と、上記温度、上記電圧値および上記電流値に基づき、燃料電池の発電停止時におけるガス流路内の残留水分量を計算する、第１計算部と、上記残留水分量および上記燃料電池の発電停止中における上記温度の変化に基づき、析出水分量を計算する、第２計算部と、上記析出水分量に基づき、ガス流路内の液滴の高さを計算する、第３計算部と、上記液滴の高さに基づき、掃気ユニットが掃気を行うか否かを制御する、制御部と、を有する燃料電池システムを提供する。【選択図】図５

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料極（アノード）、電解質膜および酸素極（カソード）を有する燃料電池に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給して、発電するシステムである。

燃料電池の反応で生じた水を、ガス流路から除去する技術が検討されている。例えば、燃料電池が、停止後に、ガス流路に水が残留した状態で低温環境下に置かれた場合、残留水が凍結してガス流路が閉塞してしまう恐れがあり、始動性が低下する恐れがあるからである。例えば、特許文献１では、発電停止後燃料電池が氷点下と判定した場合、ガス流路へ燃料ガス及び酸化ガスを送り込んで掃気する掃気処理とともに冷却部によって燃料電池を冷却する冷却処理を行う制御部とを備えた燃料電池システムが開示されている。また、特許文献２では、乾燥処理時に電解質膜が乾燥している場合において、電解質膜の水分値を一定範囲内に乾燥させ、ガス供給路の水を排水する燃料電池システムが開示されている。また、特許文献３では、発電停止直後に燃料電池内を大流量で掃気し、その後に所定時間掃気を停止した後に、小流量の掃気を行う燃料電池の制御方法が開示されている。

国際公開第２０１１／０１０３６５号 特開２００９－０７６４２９号公報 特開２００７－０７３３２８号公報

エネルギー効率の観点から、残留水除去のための掃気は効率的に行うことが好ましい。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、効率的に掃気を行う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。

上記課題を解決するために、本開示においては、燃料電池と、上記燃料電池を監視する監視ユニットと、上記燃料電池にガスを供給および排出するためのガス流路を掃気する掃気ユニットと、上記掃気ユニットを制御する制御ユニットと、を備える燃料電池システムであって、上記監視ユニットは、上記燃料電池の温度を測定する温度センサと、上記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、上記燃料電池の電流を測定する電流センサと、を有し、上記制御ユニットは、上記温度センサから温度を取得し、上記電圧センサから電圧値を取得し、上記電流センサから電流値を取得する、取得部と、上記温度、上記電圧値および上記電流値に基づき、上記燃料電池の発電停止時における上記ガス流路内の残留水分量を計算する、第１計算部と、上記残留水分量および上記燃料電池の発電停止中における上記温度の変化に基づき、析出水分量を計算する、第２計算部と、上記析出水分量に基づき、上記ガス流路内の液滴の高さを計算する、第３計算部と、上記液滴の高さに基づき、上記掃気ユニットが掃気を行うか否かを制御する、制御部と、を有する燃料電池システムを提供する。

本開示によれば、ガス流路内の液滴の高さに基づき掃気を行うか否かを制御するため、効率的に掃気を行うことができる。

本開示においては、効率的に掃気を行うことができるという効果を奏する。

本開示における燃料電池システムの構成を例示する概略図である。 本開示におけるメカニズムを説明する図である。 本開示における燃料電池を例示する概略断面図である。 本開示における制御部の制御方法の一例について説明する図である。 本開示における制御ユニットが実行する処理を例示するフローチャートである。 本開示における制御ユニットが実行する処理を例示するフローチャートである。

以下、本開示における燃料電池システムについて、詳細に説明する。
図１は、本開示における燃料電池システムの構成を例示する概略図である。図１に示される燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料電池１０を監視する監視ユニット２０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３０を備える。監視ユニット２０は、後述する温度センサ、電圧センサおよび電流センサを少なくとも備える。また、ＥＣＵ３０は、燃料電池システムの各種制御を行うが、後述する制御ユニットとしても機能する。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池１０にカソードガスを供給および排出するためのカソードガス流路４０と、燃料電池１０にアノードガスを供給および排出するためのアノードガス流路５０とを備えている。また、燃料電池システム１００は、掃気ユニットとして、カソードガス流路４０上にエアコンプレッサ４１と、アノードガス流路５０上にエジェクタ５２とを有している。燃料電池システム１００は、ＥＣＵ３０が、ガス流路（アノードガス流路４０およびカソードガス流路５０）内の液滴の高さに基づき、エジェクタ５２およびエアコンプレッサ４１がガス流路の掃気を行うか否かを制御する。

また、カソードガス流路４０には、構成部品として、カソードガスの流れを制御するバルブ４２が配置されている。アノードガス流路５０には、構成部品として、燃料電池に供給されるアノードガスを貯留するガスタンク５１と、燃料電池１０から排出されたアノードガスから、水分と燃料ガスとを分離する気液分離機５３とが配置されている。なお、図１に示されるように、カソードガス流路４０およびアノードガス流路５０はガス循環路として構成され、燃料電池から排出されたカソードガスおよびアノードガスの一部が、再度燃料電池に供給されるように構成されている。

本開示によれば、ガス流路内の液滴の高さに基づき掃気を行うか否かを制御するため、効率的に掃気を行うことができる。

ここで、本開示におけるメカニズムを、図２を用いて説明する。燃料電池停止時には、ガス流路内において、電池反応で生じた水の液滴および蒸気が残留している場合がある。図２（ａ）のように、液滴（水滴）の高さが低い場合にガス流路から水を十分に排出するためには、掃気するガスの流量を増加させる必要がある。ここで、例えば、燃料電池の停止中に燃料電池内部および外部の温度差が大きくなった場合、水蒸気が析出し、液滴が粗大化する。そのため、図２（ｂ）のように、液滴が所定の高さにまで増大した場合に掃気を行えば、掃気するガスの流量が少なくても水を十分に排出することができる。このように、液滴の高さに基づき掃気を行うか否かを制御することで、効率的に掃気を行うことができる。

１．燃料電池
本開示における燃料電池は、ガスの化学反応により発電する。ガスは、通常燃料ガス（アノードガス）および酸化剤ガス（カソードガス）である。燃料ガスは、通常水素ガスであり、カソードガスは、通常空気である。

図３は、本開示における燃料電池を例示する概略断面図である。図３に示される燃料電池（単セル）１０は、カソード側ガス拡散層１、カソード触媒層２、電解質膜３、アノード触媒層４、アノード側ガス拡散層５がこの順に積層された膜－電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する２枚のセパレータ１２を有している。燃料電池は、単セルであってもよく、複数の単セルが積層された積層体であってもよい。

電解質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜などのフッ素系電解質膜および非フッ素系電解質膜が挙げられる。非フッ素系電解質膜としては、例えば炭化水素系電解質膜が挙げられる。電解質膜の厚さは、例えば、５μｍ以上、１００μｍ以下である。

カソード触媒層およびアノード触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、触媒金属を担持する母材、プロトン伝導性を有する電解質、および、電子伝導性を有するカーボン粒子を備える。触媒金属としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などの金属単体、Ｐｔを含む合金が挙げられる。電解質としては、例えばフッ素系樹脂が挙げられる。また、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が挙げられる。カソード触媒層およびアノード触媒層の厚さは、例えば、それぞれ、５μｍ以上、１００μｍ以下である。

アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンクロスおよびカーボンペーパーなどのカーボン多孔質体、金属メッシュおよび発泡金属などの金属多孔質体が挙げられる。アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層の厚さは、例えば、それぞれ、５μｍ以上、１００μｍ以下である。

セパレータは、ガス拡散層（アノード側ガス拡散層およびカソード側ガス拡散層）に対向する面にガス流路を有していてもよい。セパレータの材料としては、例えば、ステンレス鋼などの金属材料およびカーボンコンポジット材などの炭素材料を挙げることができる。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。

２．監視ユニット
本開示における監視ユニットは、燃料電池の状態を監視する。例えば図１において、監視ユニット２０は、燃料電池１０の状態を監視し、その監視結果をＥＣＵ３０に出力する。監視ユニットは、燃料電池の温度を測定する温度センサと、燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、燃料電池の電流を測定する電流センサと、を有している。なお、温度センサは、例えば燃料電池スタック内部など燃料電池内部の温度、および、燃料電池スタック周囲の空気の温度など燃料電池外部の温度、を測定することが好ましい。

３．掃気ユニット
本開示における掃気ユニットは、ガス流路を掃気する。掃気は、掃気ガスをガス流路に噴射して行う。掃気ガスは、アノードガスであってもよく、カソードガスであってもよい。また、ガス流路は、アノードガス流路であってもよく、カソードガス流路であってもよい。掃気ユニットとしては、例えばエアコンプレッサおよびエジェクタが挙げられる。

４．制御ユニット
（１）制御ユニットの構成
本開示における燃料電池システムは、制御ユニットを備える。制御ユニットは、上記監視ユニットから取得した温度、電圧値および電流値に基づき、ガス流路内の残留水分量、析出水分量、および液滴の高さを計算し、液滴の高さに基づいて掃気ユニットが掃気を行うか否かを決定するように構成されている。

例えば図１において、ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含む。メモリは、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および、書き換え可能な不揮発性メモリを含む。メモリに記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することで、各種制御が実行される。ＥＣＵが行なう各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

制御ユニットは、その機能を実現するための処理ブロックとして、取得部、第１計算部、第２計算部、第３計算部および制御部を有する。取得部は、温度センサから温度を取得し、電圧センサから電圧値を取得し、電流センサから電流値を取得するように構成される。

第１計算部は、温度、電圧値および電流値に基づき、燃料電池の発電停止時におけるガス流路内の残留水分量を計算するように構成される。例えば、第１計算部は、電圧値および電流値から燃料電池の発電量を計算し、発電量および温度から停止時の残留水分量を計算する。第１計算部は、発電量および温度を、発電量および温度に対する残留水分量の関係マップと照合して、残留水分量を計算することが好ましい。発電量および温度に対する残留水分量の関係マップは、予備実験を行い作成し、予めメモリに保存されていることが好ましい。なお、残留水分量は、液滴（水滴）の量として計算されてもよく、蒸気量（水蒸気量）として計算されてもよく、液滴および蒸気量の合計量として計算されていてもよい。一方、第１計算部が計算する残留水分量には、少なくとも水蒸気量が含まれていることが好ましい。

第２計算部は、燃料電池の発電停止中における温度変化に基づき、析出水分量を計算するように構成される。温度低下による飽和蒸気量の差分が結露として析出するため、第２計算部は、予めメモリに記録された、温度変化と析出水分量との関係マップを参照することで、析出水分量を計算することが好ましい。

第３計算部は、上記析出水分量に基づき、ガス流路内部の液滴の高さを計算するように構成される。ここで、液滴の高さは接触角により変動する。そのため、第３計算部は、析出水分量および接触角に対する液滴の高さの関係マップと照合して、析出水分量を計算することが好ましい。析出水分量および接触角に対する液滴の高さの関係マップは、予備実験を行い作成し、予めメモリに保存されていることが好ましい。

制御部は、上記液滴の高さに基づき、上記掃気ユニットが掃気を行うか否かを制御する。図４に示すように、制御部は、（ｉ）第３計算部が計算した液滴の高さＨ１が第１閾値以上になった場合に、掃気ユニットが掃気を行うよう制御してもよい。また、制御部は、（ｉｉ）ガス流路の内径Ｈ２に対する第３計算部が計算した液滴の高さＨ１の比が第２閾値以上になった場合に、掃気ユニットが掃気を行うように制御してもよい。制御部は、上記（ｉ）および（ｉｉ）の少なくとも一方がみたされた場合に、掃気を行うように制御してもよく、（ｉ）および（ｉｉ）の両方がみたされた場合に、掃気を行うように制御してもよい。

第１閾値は特に限定されないが、例えば０．１ｃｍ以上であり、０．２ｃｍ以上であってもよい。第２閾値は特に限定されないが、例えば０．３以上であり、０．４以上であってもよい。第１閾値および第２閾値は、予め設定し、メモリに記録しておくことが好ましい。

また、制御部は、掃気するガスの流量および掃気時間を制御してもよい。掃気するガスの流量および掃気時間は、例えば、掃気を行う液滴の高さ（第１閾値）、ガス流路の内径などに基づいて予め設定しておくことが好ましい。

（２）制御ユニットの処理
図５は、本開示における制御ユニットが実行する処理を例示するフローチャートである。ステップＳ１では、監視ユニットが測定した、温度、電圧値および電流値を取得する。ステップＳ２では、取得した温度、電圧値および電流値に基づき、ガス流路内の残留水分量を計算する。ステップＳ３では、残留水分量および燃料電池の発電停止中における温度変化に基づき、析出水分量を計算する。ステップＳ４では、析出水分量に基づきガス流路内の液滴の高さを計算する。そして、ステップＳ５において、液滴の高さが、第１閾値以上であるか否を判定する。そして、その条件を満たす場合に、ステップＳ６に進み、掃気を開始して、処理を終了する。また、図６に示すように、ステップＳ５において、ガス流路の内径に対する液滴の高さの比が、第２閾値以上であるか否かを判定し、その条件を満たす場合にステップ６に進んでもよい。また、特に図示しないが、ステップＳ５において、液滴の高さが第１閾値以上であり、かつ、ガス流路の内径に対する液滴の高さの比が第２閾値以上であると判定された場合に、ステップ６に進んでもよい。

なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。

１０ …燃料電池
２０ …監視ユニット
３０ …ＥＣＵ
４０ …カソードガス流路
５０ …アノードガス流路
１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を監視する監視ユニットと、
   前記燃料電池にガスを供給および排出するためのガス流路を掃気する掃気ユニットと、
   前記掃気ユニットを制御する制御ユニットと、を備える燃料電池システムであって、
   前記監視ユニットは、
   前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
   前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
   前記燃料電池の電流を測定する電流センサと、を有し、
   前記制御ユニットは、
   前記温度センサから温度を取得し、前記電圧センサから電圧値を取得し、前記電流センサから電流値を取得する、取得部と、
   前記温度、前記電圧値および前記電流値に基づき、前記燃料電池の発電停止時における前記ガス流路内の残留水分量を計算する、第１計算部と、
   前記残留水分量および前記燃料電池の発電停止中における前記温度の変化に基づき、析出水分量を計算する、第２計算部と、
   前記析出水分量に基づき、前記ガス流路内の液滴の高さを計算する、第３計算部と、
   前記液滴の高さに基づき、前記掃気ユニットが掃気を行うか否かを制御する、制御部と、を有する燃料電池システム。