JP4381443B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池（例えば、固体高分子電解質型燃料電池）は、電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。このような燃料電池では、セパレータ内の流路等に生成水や凝縮水が残っていると低温時に凍結してしまい、場合によっては電解質膜やセパレータ、配管、弁などを破損してしまうおそれがある。さらには、凍結した水がガス流路を塞いでしまうと、次回の起動時にガス供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しなくなるという問題も起こりうる。そこで、例えば、運転終了の際に、燃料電池内に乾燥した空気を送り込む等して燃料電池内の残留水分を除去するいわゆる掃気処理を実施している（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００７−１５７６２１号公報

ところで、掃気処理は、燃料電池の発電が停止した後に、二次電池（バッテリ）に蓄えられた電力を利用して実行される。したがって、ガス欠により燃料電池の発電が停止した後に掃気処理が実行されると、二次電池の残量が減ってしまい、ガス欠時におけるバッテリ稼働時のＥＶ（Electric Vehicle）走行による走行距離が短くなってしまう。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料電池の発電停止後に掃気処理を行う燃料電池システムであっても、ガス欠時におけるバッテリ稼働時の稼働時間を伸ばすことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、燃料電池の発電停止後に蓄電部に蓄電された電力によって燃料電池内の残留水分を除去させる掃気処理を実行する掃気処理実行手段と、燃料電池システムにおいてガス欠が発生したか否かを判定する判定手段と、を備え、掃気処理実行手段は、判定手段によってガス欠が発生したと判定された場合に、掃気処理の実行を制限することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池システムにおいてガス欠が発生ことに起因して燃料電池の発電が停止された場合に、掃気処理の実行を制限することができるため、蓄電部（バッテリ）に蓄電された電力の低下を抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記掃気処理実行手段は、掃気処理に要する時間を短縮することで掃気処理の実行を制限することができる。このようにすることで、蓄電部に蓄電された電力を節約することができる。

上記燃料電池システムにおいて、上記掃気処理実行手段は、掃気処理の実行を禁止することで掃気処理の実行を制限することができる。このようにすることで、蓄電部に蓄電された電力を使用することなく燃料電池の運転を終了させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサをさらに備え、上記掃気処理実行手段は、コンプレッサから燃料電池に酸化ガスを供給させることで掃気処理を実行するとともに、コンプレッサから供給される酸化ガスの供給量を減らすことで掃気処理の実行を制限することができる。このようにすることで、蓄電部に蓄電された電力を節約することができる。

本発明によれば、燃料電池の発電停止後に掃気処理を行う燃料電池システムであっても、ガス欠時におけるバッテリ稼働時の稼働時間を伸ばすことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池の発電停止後に掃気処理を実行する燃料電池システムであって、ガス欠等の異常により燃料電池の発電を停止させる場合には、掃気処理の実行を制限することで、バッテリに蓄電された電力の低下を抑制させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。

図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。燃料電池２および水素ガス配管系４により水素ガス供給機構が構成される。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡと、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶとが設けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素タンク４０は、本発明における燃料供給源の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。

水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４と、が設けられている。また、レギュレータ４４の下流側には、水素ガス供給機構内における水素ガスの圧力を検出する圧力センサＰが設けられている。

循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４５が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４６及び排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、希釈器４９によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。

電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリである二次電池５２（蓄電部）、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、図示しない各種の補機インバータ等を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、二次電池５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５４から入力された直流電圧を調整して二次電池５２に出力する機能と、を有する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ５１の機能により、二次電池５２の充放電が実現される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

二次電池５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。二次電池５２には、二次電池５２の残存容量を検出するための残存容量モニタ（不図示）が設けられている。残存容量モニタとしては、例えば、二次電池５２における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータや、電圧センサを用いることができる。

トラクションインバータ５３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５４に供給する。トラクションモータ５４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部６からの制御指令に従って燃料電池２または二次電池５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ５４等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ５４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４５のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部６（判定手段）は、圧力センサＰのセンサ値が、ガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する。ガス欠判定閾値は、ガス欠であると判定するときの水素ガスの残圧値である。したがって、制御部６は、圧力センサＰのセンサ値がガス欠判定閾値以下である場合には、ガス欠であると判定し、ガス欠表示をさせて燃料電池２の発電を停止させる。なお、ガス欠を判定する方法は、圧力センサＰのセンサ値を用いるものには限定されない。例えば、使用した水素ガスの積算量や、水素タンクの重量、圧力と温度から計算される水素ガスの残量等を用いてガス欠を判定することとしてもよい。

制御部６（掃気処理実行手段）は、燃料電池２の発電停止後に、二次電池５２に蓄電された電力によって掃気処理を実行する。ここで、掃気処理とは、燃料電池２の発電が停止されたときに燃料電池２内の水分を外部に排出することで燃料電池２内の残留水分を除去することをいう。掃気処理としては、各種の処理方法を採用することができる。例えば、燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態で酸化ガスをコンプレッサ３１から空気供給流路３２に供給することにより掃気処理を行うこととしてもよい。この場合には、供給された酸化ガスによって空気供給流路３２に残る生成水を含む水分が空気排出流路３３に排出されることで燃料電池２内の残留水分が除去されることになる。

制御部６は、ガス欠であると判定した場合に、上述した掃気処理の実行を制限する。制限の内容としては、例えば、掃気処理に要する時間を短縮することや、掃気処理の実行を禁止することや、掃気処理における酸化ガスの供給量を減らすことが該当する。掃気処理に要する時間を短縮することや、掃気処理における酸化ガスの供給量を減らすことで、二次電池５２に蓄電された電力を節約することができる。掃気処理の実行を禁止することで、二次電池５２に蓄電された電力を使用することなく燃料電池２の運転を終了させることができる。これにより、掃気処理の実行に伴う二次電池５２の消費電力を抑制することができるため、燃料電池２の発電停止後に掃気処理を行う燃料電池システム１であっても、ＥＶ走行による走行距離を伸ばすことができる。

ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、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と、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ、電流センサＡおよび電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、水素ポンプ４５、排気排水弁４７およびトラクションモータ５４等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰや電流センサＡ、電圧センサＶでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１の掃気処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、実施形態における燃料電池システムの掃気処理について説明する。

最初に、制御部６は、圧力センサＰのセンサ値が、ガス欠判定閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１）。すなわち、ガス欠が発生したか否かを判定する。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１；ＹＥＳ）に、制御部６は、燃料電池２の発電を停止させる（ステップＳ２）。そして、制御部６は、例えば、掃気処理に要する時間を短縮したうえで掃気処理を実行する（ステップＳ３）。

一方、上記ステップＳ１においてガス欠が発生していないと判定された場合（ステップＳ１；ＮＯ）に、制御部６は、燃料電池２の発電を停止させる状況であるか否かを判定する（ステップＳ４）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ４；ＮＯ）には、処理を上述したステップＳ１に移行する。

一方、上記ステップＳ４で発電を停止させる状況であると判定された場合（ステップＳ４；ＹＥＳ）に、制御部６は、発電を停止させてから通常の掃気処理を実行する（ステップＳ５）。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、ガス欠が発生したことに起因して燃料電池２の発電が停止された場合に、掃気処理の実行を制限することができるため、二次電池５２に蓄電された電力の低下を抑制することができる。それゆえに、燃料電池２の発電停止後に掃気処理を行う燃料電池システム１であっても、ＥＶ走行による走行距離を伸ばすことができる。

なお、上述した実施形態では、掃気処理の実行を制限する条件として、ガス欠が発生したことを挙げて説明しているが、掃気処理の実行を制限する条件は、これに限定されない。燃料電池システム１に含まれる構成要素のいずれかにおいて故障等の異常が発生した場合に、掃気処理の実行を制限することとしてもよい。

また、上述した各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 実施形態における燃料電池システムの掃気処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…水素ポンプ、４６…気液分離器、４７…排気排水弁、４８…排出流路、４９…希釈器、５１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２…二次電池、５３…トラクションインバータ、５４…トラクションモータ、Ｐ…圧力センサ、Ａ…電流センサ、Ｖ…電圧センサ。

Claims (4)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電電力を充電可能な蓄電部と、
   前記燃料電池の発電停止後に前記蓄電部に蓄電された電力によって前記燃料電池内の残留水分を除去させる掃気処理を実行する掃気処理実行手段と、
   前記燃料電池システムにおいてガス欠が発生したか否かを判定する判定手段と、を備え、
   前記掃気処理実行手段は、前記判定手段によってガス欠が発生したと判定された場合に、前記掃気処理の実行を制限することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気処理実行手段は、前記掃気処理に要する時間を短縮することで前記掃気処理の実行を制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記掃気処理実行手段は、前記掃気処理の実行を禁止することで前記掃気処理の実行を制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサをさらに備え、
   前記掃気処理実行手段は、前記コンプレッサから前記燃料電池に前記酸化ガスを供給させることで前記掃気処理を実行するとともに、前記コンプレッサから供給される前記酸化ガスの供給量を減らすことで前記掃気処理の実行を制限することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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