JP4698923B2

JP4698923B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4698923B2
Application number: JP2002342219A
Authority: JP
Inventors: 健一郎上田; 正規林; 義一村上; 順司上原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP2004178900A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらの反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
燃料電池は発電の際に発熱を伴うため、発電を継続すると燃料電池の温度は上昇していく。そこで、発電中の燃料電池の温度を適正に保持するために、反応ガスの供給流路にインタークーラー（熱交換器）を介装し、該インタークーラーにより反応ガスを冷却させている。その一方で、低温環境下では燃料電池は出力が低下してしまうため、早期に温度を上昇させることが望まれるが、この場合には、前記インタークーラーが温度上昇の障害となる。
この点を改善するために、例えば、特許文献１には、インタークーラーをバイパスするバイパス流路を設け、低温環境下では前記バイパス流路によりインタークーラーをバイパスさせて、高温の反応ガスを燃料電池に供給する技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１０２１３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、反応ガスが過度に乾燥していると、前記反応ガスが固体高分子電解質膜から水分を奪ってしまい、固体高分子電解質膜を傷めてしまう場合がある。これを防止するため、反応ガスを加湿させる加湿器を反応ガス供給流路のインタークーラー下流側に設ける場合がある。
しかしながら、上述したように高温の反応ガスをインタークーラーをバイパスさせて供給すると、前記加湿器を損傷させて性能を損なう虞があり、燃料電池の信頼性の点で好ましくないという問題があった。
【０００６】
また、インタークーラーを通る流路と、バイパス流路の流路径が異なる場合には、これらの流路から供給される反応ガス（例えば酸化剤ガス）の圧力が流路の切換により変動してしまう。これにより、他方の反応ガス（例えば水素ガス）との圧力バランス（極間差圧）の変動をも引き起こし、燃料電池の信頼性の点で好ましくないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の信頼性を高める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している。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路９）と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（例えば、後述する実施の形態におけるエア供給流路１０）と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられた加湿器（例えば、後述する実施の形態における加湿器８）と、該加湿器の上流側に設けられ、前記酸化剤ガスと熱交換を行う熱交換器（例えば、後述する実施の形態におけるインタークーラー４）と、前記熱交換器の入口側と出口側との間をバイパスするとともに、前記酸化剤ガス供給流路よりも流路径が小さいバイパス流路（例えば、後述する実施の形態におけるバイパス流路１１）と、前記熱交換器への流路とバイパス流路とを選択的に切り換える流路切換バルブ（例えば、後述する実施の形態における切換バルブ５）と、前記加湿器の入口側温度を検出する温度検出手段（例えば、後述する実施の形態における温度センサ６）と、を備えた燃料電池システムであって、前記流路切換バルブにより、前記燃料電池の温度が低温環境下の場合で、かつ、前記加湿器の入口側温度（例えば、後述する実施の形態における温度ＴＡ）が、該加湿器の性能を維持可能な保護上限温度（例えば、後述する実施の形態における保護上限温度Ｔ１）未満の場合には前記バイパス流路が選択され、前記保護上限温度以上の場合には前記熱交換器への流路が選択されるように切り換える制御を行う制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ７）を備え、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサ（例えば、後述する実施の形態におけるエア供給システム３）の回転数が、前記熱交換器への流路が選択されている場合と前記バイパス流路が選択されている場合とで変更可能に構成され、前記熱交換器への流路が選択されている場合と前記バイパス流路が選択されている場合とで、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力が同一になるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、燃料電池が低温環境下の場合で、かつ、加湿器の温度が、加湿器の性能を維持可能な保護上限温度未満の場合には、前記切換バルブを閉じることによりバイパス流路を介して酸化剤ガスを供給するため燃料電池の温度上昇を促進できるとともに、この場合に前記加湿器の温度が加湿器の性能を維持可能な保護上限温度に達した場合には、前記切換バルブを開いて酸化剤ガスを熱交換器を介して酸化剤ガスの温度を抑制して加湿器に供給するため、加湿器が保護されてその性能を維持することができる。また、バイパス流路を熱交換器の入口側と出口側との間をバイパスするように配置するとともに、バイパス流路の流路径を酸化剤ガス供給流路よりも小さくすることにより、流路切換バルブの開閉のみで流路の切換を行うことができる。したがって、簡易な操作で流路を切り換えることができる。さらに、適度な湿度の酸化剤ガスが燃料電池に供給されることで、燃料電池の信頼性を高めることができる。
【００１１】
また、前記流路切換バルブより切り換えられた流路に応じて、前記エアコンプレッサの回転数を持ち替える制御を行い、熱交換器への流路とバイパス流路との流路径が異なる場合であっても、それぞれの流路の径に応じて等しい圧力となるように前記コンプレッサの回転数を制御することで、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を一定に維持することができる。よって、燃料ガスとの極間差圧も適正に保つことができるため、燃料電池の信頼性を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなる。
前記燃料電池１には、水素ガス供給システム２が水素ガス供給流路９を介して接続されている。前記水素ガス供給システム２は、水素タンク等の水素供給源を備え、該水素供給源から燃料電池１のアノードに水素ガスを供給する。
【００１３】
また、前記燃料電池１には、エア供給システム３がエア供給流路１０を介して接続されている。前記エア供給システム３は、エアコンプレッサ等の空気供給源を備え、該空気供給源から燃料電池１のカソードに空気（酸化剤ガス）を供給する。
【００１４】
前記燃料電池１は、アノードに燃料として水素ガスを供給され、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
これらの反応ガスは発電に供された後、燃料電池１のアノード、カソードからそれぞれオフガスとして排出される。
【００１５】
前記エア供給流路１０には加湿器８が設けられ、該加湿器８により前記流路１０のエアを適度な湿度に加湿して、燃料電池１の固体高分子電解質膜を乾燥から保護している。
前記エア供給流路１０の加湿器８上流側には、インタークーラー４が設けられている。これにより、インタークーラー４に流入するエアは熱交換される。
また、前記エア供給流路１０には、インタークーラー４をバイパスするバイパス流路１１が接続されている。そして、前記エア供給流路１０の、前記インタークーラー４とバイパス流路１１下流部との間には、流路切換バルブ５が設けられている。
【００１６】
本実施の形態においては、前記インタークーラー４への流路の径を、前記バイパス流路１１の径よりも大きい径に設定している。これにより、前記インタークーラー４への流路は、前記バイパス流路１１に比べて圧力損失が低くなり、前記切換バルブ５を開くと、特別な制御を行わなくても、エア供給システム３から供給されたエアの大部分をインタークーラー４に流入させることができる。したがって、後述する燃料電池１の低温時等の特別な場合にのみ前記切換バルブ５を閉じてバイパス流路１１にエアを流通させれば良く、通常の発電制御時においては切換バルブ５を開いておけば、エアをインタークーラー４に通すことができる。
【００１７】
このように、切換バルブ５の開閉のみで流路の切換を行うことができるため、三方弁を設けたり、それぞれの流路に開閉弁を設けて制御を行う必要がなく、流路に関する装置構成をコンパクト化できるとともに簡易な操作で流路を切換えることができる。
また、前記加湿器８の入口側には温度センサ６が設けられ、該温度センサ６により加湿器８に流入するエアの温度ＴＡを検出する。
【００１８】
前記水素ガス供給システム２、エア供給システム３、流路切換バルブ５、温度センサ６はそれぞれＥＣＵ（Electric Control Unit）７に接続されており、該ＥＣＵ７は前記温度センサ６で検出された温度ＴＡにより流路１０、１１の切換制御を行う。これについて図２を用いて説明する。
【００１９】
図２は図１に示した燃料電池システムにおける制御を示すフローチャートである。まず最初は、ステップＳ１２で、通常の発電制御として切換バルブ５を開く指令を送信する。これにより、エアはインタークーラー４に流入し、熱交換された後に加湿器８、燃料電池１に供給される。
【００２０】
そして、ステップＳ１４で、切換バルブ５を閉じる要求（閉要求）があるかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１８に進む。この閉要求は、例えば燃料電池１の温度が低い場合等に発生する。
【００２１】
ステップＳ１６では、温度センサ６で検出した加湿器８入口側の温度ＴＡが所定値Ｔ１（保護上限温度）以上かどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１８に進み切換バルブ５を開いた状態で、ステップＳ２２に進む。これにより、酸化剤ガスは、インタークーラー４に流通して熱交換される。
また、ステップＳ１６の判定結果がＮＯであればステップＳ２０に進み、切換バルブ５を閉じて、ステップＳ２２に進む。これにより、酸化剤ガスの流路は、バイパス流路１１に切り換えられる。
【００２２】
このように、燃料電池１が低温環境下の場合で加湿器８の温度が低い場合（Ｔ１未満の場合）には、バイパス流路１１を介してエアを供給するため燃料電池１の温度上昇を促進できる。また、前記加湿器８の温度が所定値Ｔ１以上のときには、エアをインタークーラー４を介して熱交換させて、エアの温度を抑制して加湿器８に供給するため、加湿器８が保護されてその性能を維持することができる。これにより、適度な湿度のエアが燃料電池１に供給されることで、燃料電池１の信頼性を高めることができる。
【００２３】
ステップＳ２２では、切換バルブ５が開いているかどうかの判定を行う。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２６に進み、エア供給システム３のコンプレッサの回転数を、回転数算出マップ２を用いて制御し、一連の処理を終了する。また、ステップＳ２２の判定結果がＮＯであれば、ステップＳ２４に進み、エア供給システム３のコンプレッサの回転数を、回転数算出マップ１を用いて制御し、一連の処理を終了する。ここで、前記マップ１で算出された回転数は、前記マップ２で算出された回転数よりも大きくなるように設定されている。
【００２４】
上述したように、本実施の形態においては、流路１０の径を流路１１よりも大きく設定しているため、それぞれの流路１０、１１でのコンプレッサの回転数を同じ回転数に設定すると、径の小さい流路１１の圧力損失により燃料電池１に供給されるエア圧力が低減してしまう。本実施の形態においては、前記流路１１に切り換えられた場合には、コンプレッサの回転数を大きくなるように変更して流路１１での圧力損失を補うようにしているため、燃料電池１に供給されるエア圧力を切り換え前と略同一に維持することができる。
【００２５】
このように、前記切換バルブ５の開閉に応じて、前記エアコンプレッサの回転数を持ち替える制御を行うため、インタークーラー４への流路１０と、バイパス流路１１の流路径が異なる場合であっても、それぞれの流路の径に応じて略等しい圧力となるように前記コンプレッサの回転数を制御することで、燃料電池１に供給される酸化剤ガスの圧力を略一定に維持することができる。よって、燃料ガスとの極間差圧も適正に保つことができるため、燃料電池１の信頼性を高めることができる。
【００２６】
なお、本発明における燃料電池システムは、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途にも適用することができるのはもちろんである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池の温度上昇を促進できるとともに、加湿器が保護されてその性能を維持することができ、燃料電池の信頼性を高めることができる。
【００２８】
また、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力を一定に維持するように回転数を持ち替えることができ、燃料ガスとの極間差圧も適正に保つことができるため、燃料電池の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池
４インタークーラー
５切換バルブ
６温度センサ
７ＥＣＵ
８加湿器
９水素ガス供給流路
１０エア供給流路
１１バイパス流路

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられた加湿器と、
該加湿器の上流側に設けられ、前記酸化剤ガスと熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器の入口側と出口側との間をバイパスするとともに、前記酸化剤ガス供給流路よりも流路径が小さいバイパス流路と、
前記熱交換器への流路とバイパス流路とを選択的に切り換える流路切換バルブと、
前記加湿器の入口側温度を検出する温度検出手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記流路切換バルブにより、前記燃料電池の温度が低温環境下の場合で、かつ、前記加湿器の入口側温度が、該加湿器の性能を維持可能な保護上限温度未満の場合には前記バイパス流路が選択され、前記保護上限温度以上の場合には前記熱交換器への流路が選択されるように切り換える制御を行う制御手段を備え、
前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサの回転数が、前記熱交換器への流路が選択されている場合と前記バイパス流路が選択されている場合とで変更可能に構成され、
前記熱交換器への流路が選択されている場合と前記バイパス流路が選択されている場合とで、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの圧力が同一になるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。