JP2023131966A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、加湿器での内部リークの有無を個別に判定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、燃料電池と、上記燃料電池に酸素含有ガスを供給する、供給器と、加湿器と、流量計と、上記加湿器において内部リークが発生しているか否かを判定する、判定装置と、を有する燃料電池システムであって、上記燃料電池システムは、第一流路、および、第二流路、の少なくとも一方に配置された、封止弁をさらに有し、上記判定装置は、上記封止弁を閉じた状態で、上記供給器が上記酸素含有ガスを供給するよう制御する、制御部と、上記流量計から、上記制御中における酸素含有ガスの流量を取得する、取得部と、上記取得部が取得した酸素含有ガスの流量に基づき、上記判定を行う、判定部と、を有する、燃料電池システムを提供することにより上記課題を解決する。【選択図】図３

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。

また、燃料電池の劣化抑制および安全性向上の観点から、燃料電池に供給排出されるガスが、ガス流路から漏れているか否かを判定する技術が検討されている。例えば、特許文献１には、燃料電池の発電停止後の経過時間に対する、燃料電池の総電圧、アノード流路の圧力、カソード流路の圧力、アノード流路の酸素濃度およびカソード流路の酸素濃度のうち少なくともいずれか一つの状態変化から、燃料電池システムの流路封止の漏れ異常を判定する、ことを特徴とする燃料電池システムの漏れ異常判定方法が開示されている。

特開２０１３－１７１７３７号公報

また、燃料電池システムにおいては、燃料電池に供給される酸素含有ガスを、カソードから排出されたオフガスに含まれる水分によって加湿する加湿器を用いることが知られている。加湿器においてガス漏れ（内部リーク）が発生していると、十分量の酸素含有ガスを燃料電池に供給することが困難となり、燃料電池の発電性能が低下する恐れがある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、加湿器での内部リークの有無を個別に判定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、上記燃料電池に酸素含有ガスを供給する、供給器と、上記酸素含有ガスを前記燃料電池から排出されたカソードオフガスに含まれる水分により加湿する、加湿器と、上記燃料電池に供給される上記酸素含有ガスの流量を測定する、流量計と、上記加湿器において内部リークが発生しているか否かを判定する、判定装置と、を有する燃料電池システムであって、上記燃料電池システムは、上記加湿器と、上記燃料電池の酸素含有ガス入口とを連通する第一流路、および、上記燃料電池のカソードオフガス出口と、上記加湿器とを連通する第二流路、の少なくとも一方に配置された、封止弁をさらに有し、上記判定装置は、上記流量計から、上記制御中における酸素含有ガスの流量を取得する、取得部と、上記封止弁を閉じた状態で、上記供給器が上記酸素含有ガスを供給するよう制御する、制御部と、上記制御中における酸素含有ガスの流量に基づき、前記判定を行う、判定部と、を有する、燃料電池システムを提供する。

本開示によれば、封止弁を閉じた状態で、供給器が酸素含有ガスを供給するよう制御し、上記制御中における酸素ガス含有量の流量に基づき、加湿器の内部リークが発生しているか否かを判定するため、加湿器での内部リークの有無を個別に判定できる。

本開示においては、加湿器での内部リークの有無を個別に判定できる燃料電池システムを提供する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。 本開示における燃料電池を例示する概略断面図である。 本開示における判定装置の処理を例示するフロー図である。 本開示における判定装置の処理を例示するフロー図である。

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に酸素含有ガスを供給する、供給器２０と、酸素含有ガスを燃料電池１０から排出されたカソードオフガスに含まれる水分により加湿する、加湿器３０と、燃料電池１０に供給される酸素含有ガスの流量を測定する、流量計４０と、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、燃料電池システムの各種制御を行うが、後述する判定装置としても機能する。

また、燃料電池システム１００は、加湿器３０と、燃料電池１０の酸素含有ガス入口とを連通する第一流路６０Ａと、燃料電池１０のカソードオフガス出口と、加湿器３０とを連通する第二流路６０Ｂと、を備え、第二流路６０Ｂに、封止弁７０が配置されている。燃料電池システム１００は、ＥＣＵ５０が、封止弁７０を閉じた状態で、供給器２０が酸素含有ガスを供給するよう制御し、上記制御中における酸素含有ガスの流量に基づき、加湿器３０において内部リークが発生しているか否かを判定する。

また、燃料電池システム１００は、酸素含有ガス流路の上流側において、供給器２０および加湿器３０の間に、インタークーラ６１および三方弁６２が配置されている。インタークーラ６１により、燃料電池１０に供給される酸素含有ガスと冷却液とを熱交換できる。また、三方弁６２により、加湿器３０により加湿されて燃料電池１０へ供給される酸素含有ガスの流量と、加湿器３０により加湿されずに燃料電池１０へ供給される酸素含有ガスとの割合を調整できる。なお、加湿器３０により加湿されない酸素含有ガスは、バイパス流路６０Ｃを介して燃料電池１０に供給される。

また、燃料電池システム１００は、酸素含有ガス流路の下流において、供給器２０および加湿器３０の間に、背圧を調整する調圧弁６３を有している。さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池を監視する監視ユニット８０を有している。

本開示によれば、封止弁を閉じた状態で、供給器が酸素含有ガスを供給するよう制御し、上記制御中における酸素ガス含有量の流量に基づき、加湿器の内部リークが発生しているか否かを判定するため、加湿器での内部リークの有無を個別に判定できる。

加湿器の内部リークが発生していない場合には、封止弁を閉じているため、供給器は酸素含有ガスを供給することができない。一方、加湿器の内部リークが発生している場合には、封止弁を閉じていても、加湿器を経由して酸素含有ガスはガス流路の下流に流れるため、供給器は酸素含有ガスを供給できる。そのため、本開示における燃料電池システムは、流量計の値に基づき、加湿器の内部リークの有無を個別に判定することができる。

１．燃料電池
図２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２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経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．供給器、加湿器および流量計
供給器は、燃料電池に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスとしては、一般的に空気が挙げられる。供給器としては、エアコンプレッサが挙げられる。また、図１に示すように、供給器２０（エアコンプレッサ）は、コンプレッサ２０ａ、モータ２０ｂおよびタービン２０ｃを有していてもよい。コンプレッサ２０ａが回転することにより、圧縮された酸素含有ガス（空気）が燃料電池１０に供給される。また、タービン２０ｃが回転することにより、燃料電池１０から排出された酸素含有ガス（カソードオフガス）が外部に排出される。例えば、ＥＣＵ５０は、モータ２０ｂの回転速度を制御することで、酸素含有ガスの供給の有無および供給量を調整することができる。

加湿器は、酸素含有ガスを燃料電池から排出されたオフガスに含まれる水分により加湿する。具体的には、加湿器は、水分透過部材を備え、水分透過部材を介してオフガス中の水分を酸素含有ガスに加える。水分透過部材としては、例えば中空糸およびイオン交換膜が挙げられる。

ここで、中空糸を用いた加湿器は、通常時における内部リーク量が比較的多いため、加湿器の内部リークを想定したシステムが設計されている場合が多い。一方、イオン交換膜を用いた加湿器は、通常時における内部リーク量は比較的少ないものの、異常時（例えば、イオン交換膜の破れが発生したとき）には、内部リーク量が急激に増加するため、システムに与える影響が大きいと考えられる。そのため、加湿器がイオン交換膜を有している場合に、加湿器の内部リークの有無を個別に判定できるという本開示における燃料電池システムの利益をより享受することができる。

イオン交換膜としては、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。

流量計は、例えば、供給器よりも酸素含有ガス流路の上流側に配置される。流量計は、その測定結果をＥＣＵに出力する。

３．封止弁
封止弁は、加湿器と、燃料電池の酸素含有ガス入口とを連通する第一流路、および、燃料電池のカソードオフガス出口と、加湿器とを連通する第二流路、の少なくとも一方に配置されている。

第一流路に封止弁を配置した場合は、燃料電池における内部リークの有無を考慮せずに、加湿器の内部リークの有無を判定できるという利点がある。第一流路および第二流路の両方に配置した場合は、燃料電池に対するガスの流れを封止できるため、燃料電池の劣化を抑制できるという利点がある。また、第二流路に設けた場合は、第一流路および第二流路の両方に配置した場合に比べコストの面で利点がある。

４．監視ユニット
燃料電池システムは、燃料電池を監視する監視ユニットを備えていてもよい。図１に示すように、監視ユニット８０は、燃料電池１０の状態を監視し、その監視結果をＥＣＵ５０に出力する。監視ユニットは、例えば、燃料電池の電流を測定する電流センサ、燃料電池の電圧を測定する電圧センサ、および、燃料電池の温度を測定する温度センサなどの各種センサを有していてもよい。特に、監視ユニットは、電圧センサを有していることが好ましい。また、電圧センサは、燃料電池の開回路電圧を測定してもよい。

５．判定装置
（１）判定装置の構成
本開示における燃料電池システムは、加湿器において内部リークが発生しているか否かを判定する判定装置を備える。判定装置は、封止弁を閉じた状態で酸素含有ガスを燃料電池に供給する制御を行い、その制御中における酸素含有ガスの供給量に基づき、加湿器において内部リークが発生しているか否か判定するように構成されている。

上述したように、電子制御装置（ＥＣＵ）は、本開示における判定装置としても機能し、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。

判定装置は、その機能を実現するための処理ブロックとして、取得部、制御部および判定部を有する。取得部は、流量計から、酸素含有ガスの流量を取得するように設定される。また、取得部は、燃料電池システムが監視ユニットを備える場合、監視ユニットが備える電圧センサから、電圧値（例えば、開回路電圧値）を取得してもよい。

制御部は、封止弁を閉じた状態で、供給器が酸素含有ガスを供給するよう制御するように設定される。ここで、封止弁が第一流路および第二流路の両方に配置されている場合、制御部は、いずれか一方の封止弁のみを閉じてもよく、両方の封止弁を閉じてもよい。

判定部は、制御中における酸素含有ガスの流量に基づき、加湿器において内部リークが発生しているか否かを判定するように設定される。判定部は、後述する第一判定部および第二判定部を有していてもよい。判定部は、第一判定部の判定結果によって、加湿器の内部リークが発生しているか否かを判定してもよく、第一判定部および第二判定部の判定結果によって、加湿器の内部リークが発生しているか否かを判定してもよい。

第一判定部は、上記制御中において酸素含有ガスの流量が第一閾値以上であるか否かを判定する。判定部は、第一判定部が第一閾値以上と判定した場合、加湿器の内部リークが発生したと判定してもよく、加湿器および燃料電池の少なくとも一方で内部リークが発生したと判定してもよい。後者の場合、判定部は、後述する第二判定部の判定結果に基づき、加湿器での内部リークの有無を個別に判定することが好ましい。第一閾値については、例えば予備試験を行い、予めメモリに記録しておくことが好ましい。

第二判定部は、上記第一判定部が、酸素含有ガスの流量が第一閾値以上であると判定した場合において、上記制御中の燃料電池の開回路電圧が第二閾値未満か否かを判定する。第二閾値としては、例えば制御中の所定時間（Δｔ）における燃料電池の開回路電圧の減少量（ΔＶ）と規定することができる。例えば、燃料電池において内部リークが発生した場合、燃料電池の発電が継続することで、燃料電池の電圧（開回路電圧）が減少する。よって、開回路電圧の減少量が第二閾値未満か否かを判定することで、上記制御中における酸素含有ガスの流量が、加湿器の内部リークによるものか否かをより正確に判定でき、より精度よく、加湿器での内部リークの有無を個別に判定できる。第二閾値については、例えば予備試験を行い、予めメモリに記録しておくことが好ましい。

（２）判定装置が行う処理
図３は、本開示における判定装置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、封止弁を閉じた状態で、供給器が酸素含有ガスを供給するよう制御する。そして、ステップＳ２において、流量計から、上記制御中における酸素含有ガスの流量を所得する。そして、ステップＳ３において、上記制御中における酸素含有ガスの流量が第一閾値以上であれば、ステップＳ４に進み、加湿器に異常が発生したことを報告して処理を終了する。

また、図４に示すように、ステップＳ３において、ステップＳ１の制御中の酸素含有ガスの流量が第一閾値以上であった場合、ステップＳ３’に進んでもよい。ステップＳ３’において、燃料電池の開回路電圧の減少量が第二閾値未満であった場合、判定装置は、加湿器において内部リークが発生したと判定し、ステップＳ４に進み、加湿器に異常が発生したことを報告して処理を終了する。なお、ステップＳ３’に進む場合においては、ステップＳ２において、燃料電池の開回路電圧を取得しておくことが好ましい。

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 …供給器
３０ …加湿器
４０ …流量計
５０ …ＥＣＵ
６０Ａ …第一流路
６０Ｂ …第二流路
７０ …封止弁
１００ …燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に酸素含有ガスを供給する、供給器と、
   前記酸素含有ガスを前記燃料電池から排出されたカソードオフガスに含まれる水分により加湿する、加湿器と、
   前記燃料電池に供給される前記酸素含有ガスの流量を測定する、流量計と、
   前記加湿器において内部リークが発生しているか否かを判定する、判定装置と、を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムは、
   前記加湿器と、前記燃料電池の酸素含有ガス入口とを連通する第一流路、および、前記燃料電池のカソードオフガス出口と、前記加湿器とを連通する第二流路、の少なくとも一方に配置された、封止弁をさらに有し、
   前記判定装置は、
   前記流量計から、酸素含有ガスの流量を取得する、取得部と、
   前記封止弁を閉じた状態で、前記供給器が前記酸素含有ガスを供給するよう制御する、制御部と、
   前記制御中における酸素含有ガスの流量に基づき、前記判定を行う、判定部と、を有する、燃料電池システム。