JP4706954B2

JP4706954B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4706954B2
Application number: JP2004341991A
Authority: JP
Inventors: 哲也坊農
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2006155998A

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、凍結等に起因する燃料ガス循環装置の一時的な異常時にも燃料電池の運転を可能にする技術に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは電気化学反応によって水が生成され、この生成水は燃料電池システム内部の冷却に使用されたり、排水管からシステム外部へ排出されていた。

このような燃料電池システムが低温下におかれ、一定時間運転を停止されると、システム内のバルブ、ポンプ、配管などに滞留した水が凍結する。そのような状態の下で燃料電池を無理に発電させると、燃料電池システムを劣化・破損させることがあることから、反応ガス給排部に凍結が検出された場合に、システム起動を禁止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７２０２５号公報

この特許文献１に開示の技術では、凍結と判定された燃料電池システムの部位が反応ガス給排部を除く所定の部位のみである場合、例えば排出バルブ（パージ弁）のみが凍結している場合には、燃料電池システムの起動を許可することとしているが、燃料ガス循環装置（水素ポンプ）等のように排出バルブ以外の部品が凍結している場合には、燃料電池システムを起動することができない。

そこで、本発明は、凍結等に起因する燃料ガス循環装置の一時的な異常時にも燃料電池の運転が可能な燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給源からの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通路と、アノードから排出された燃料オフガスを燃料ガス供給通路に戻す燃料ガス循環通路と、燃料ガス循環通路に設置されて燃料オフガスを燃料ガス供給通路に還流させる燃料ガス循環装置と、燃料ガス循環装置の異常を判定する異常判定装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、異常判定装置により異常が判定された場合に、燃料ガス循環装置の使用を制限すると共に、燃料電池の出力を制限する出力制限手段を備える。ここで、燃料ガス循環装置の異常とは、回復不可能な状態で修理や部品交換等の手当てが必要な状態（故障）や、例えば一時的な凍結等のように特別な修理をしなくても回復可能な状態を含む。

かかる構成とすることにより、凍結等に起因する燃料ガス循環装置の一時的な異常（ロック）時には、燃料ガス循環装置の保護が可能になると共に、燃料ガス循環が行われずに燃料電池の発電状態が悪化しても、セルの劣化やセル電圧低下による異常発電を有効に防止することが可能となる。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガス循環装置の異常が解消されたことを判定した場合に、前記出力制限手段による燃料電池の出力制限を解除するようにしてもよい。

かかる構成とすることにより、燃料ガス循環装置の一時的な異常要因が排除された場合、例えば燃料ガス循環装置の凍結が解氷して通常運転が可能になった場合には、通常運転への復帰が可能となり、要求出力の確保が可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記異常判定装置は、燃料ガス循環通路に設置される燃料ガス循環装置の凍結を判定するものでもよい。この燃料ガス循環装置は、循環ガスの流動源として機能するものであれば、ポンプのような電動機を利用する機構のものに限らず、例えばエゼクタのような電動機を利用しない機構、つまり、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガス供給量に依存して燃料ガス循環通路を流通する循環ガス量も変化する機械的機構のものでもよい。

本発明によれば、凍結等に起因する燃料ガス循環装置の一時的な異常時にも燃料電池の運転が可能となる。また、燃料ガス循環装置の異常（ロック）に伴って燃料ガスの循環が行われず、燃料電池の発電状態が悪化した場合にも、燃料電池の出力を制限してセルの劣化やセル電圧低下による異常発電を有効に防止することができる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムの他に、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。

燃料電池スタック１０のカソードには、酸化ガスとしての空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガス）は、配管３６、マフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧は、調圧バルブ２７の開度によって制御される。

燃料電池スタック１０のアノードには、配管（燃料ガス供給通路）３２を介して水素タンク２０に貯蔵された水素が燃料ガスとして供給される。この水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成してアノードに供給する燃料改質器や、水素吸蔵合金等であっても良い。

水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたレギュレータ２１と、シャットバルブ２２と、一次圧を所定圧に減圧する高圧レギュレータバルブ２３及び低圧レギュレータバルブ２４とによって圧力および供給量が調整されて、開閉バルブ２５を経てアノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガス）は、配管３３に流出する。アノードの出口には開閉バルブ２６が設けられている。

配管３３は、その途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続されている。アノード出口に接続された配管３３と、そこから分岐して配管３２に接続された配管とで構成される燃料ガス循環通路には、アノードオフガスを昇圧して配管３２に還流させる水素ポンプ（燃料ガス循環装置）４５が設けられている。

この水素ポンプ４５は、スクロールポンプ，ベーンポンプ，ルーツ式ポンプ，ダイヤフラムポンプなど回転機構の動力を利用してガスを圧縮し、二次側に吐出させる回転式ポンプ装置である。本燃料電池システムは、この水素ポンプ４５の回転数を検出する検出装置（図示略）を備えている。

排出管３４に設けられた排出バルブ（パージ弁）２７が閉じられている間、アノードオフガスは、配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効活用することができる。

アノードオフガスの循環中、水素は発電に使用される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードからの電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２７が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通って外部に排出（パージ）され、不純物の循環量が低減する。

燃料電池スタック１０には、水素および空気の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。配管３７は、ラジエータ３８の上流にて二つに分岐されており、その一方はラジエータ３８をバイパスし、該ラジエータ３８の下流に設けられたバイパスバルブ３９を介してラジエータ配管と合流している。

制御装置（異常判定装置、出力制限手段）５０は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、図示しない車両のアクセル開度信号などの要求負荷、燃料電池システムの各部に設けられたセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、電流計、電圧計等）、各機器（コンプレッサ４１、水素ポンプ４５等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。具体的には、コンプレッサ４１及び水素ポンプ４５の回転数を調整することにより、燃料電池スタック１０への空気供給量及び水素供給量を調整する。

また、制御装置５０は、上記各センサや各機器から取得した制御情報を用いて、水素ポンプ４５の回転数偏差（指令回転数と実測回転数との偏差）や発生トルク、水素ポンプ４５を駆動するドライバの通電電流等を監視しており、これらの監視結果に基づき水素ポンプ４５の凍結判定（異常判定）を行う。

そして、制御装置５０が水素ポンプ４５の凍結（異常）を判定した場合は、水素ポンプ４５の作動を停止（使用を制限）すると共に、燃料電池スタック１０への空気供給量を低減する等して燃料電池スタック１０の出力を制限する。また、制御装置５０は、燃料電池スタック１０の出力制限を実施した後に水素ポンプ４５の異常が解消されたことを判定した場合は、かかる出力制限を解除する。

以上のように、本実施形態の制御装置５０は、燃料ガス循環装置（水素ポンプ４５）の異常（凍結）を判定する異常判定装置として機能する他、かかる異常が判定された場合に、燃料ガス循環装置の作動を停止（使用を制限）すると共に、燃料電池（燃料電池スタック１０）の出力を制限する出力制限手段として機能し、さらには、燃料ガス循環装置の異常が解消されたことを判定した場合には、かかる燃料電池の出力制限を解除する出力制限解除手段としても機能する。

次に、図２を参照しながら、制御装置５０による制御フローの要部について説明する。

まず、ステップＳ１において、水素ポンプ４５の異常（凍結）判定を行う。この異常判定は、例えば水素ポンプ４５の回転数偏差を監視したり、水素ポンプ４５を駆動するドライバ異常を監視すること等により行う。水素ポンプ４５に異常があると判定される場合としては、例えば、水素ポンプ４５の回転数偏差が所定値以上であったり、上記ドライバに所定値以上の過電流が流れていたり、水素ポンプ４５に所定値以上の異常トルクが発生している場合等がある。

ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり、水素ポンプ４５に異常がない場合はステップＳ１１に進み、通常運転を行う。一方、ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり、水素ポンプ４５に異常がある場合はステップＳ３に進み、水素ポンプ４５の運転（作動）を停止させる。さらに、続くステップＳ５において、燃料電池スタック１０の出力を所定値に制限する。

このときの出力制限率は、例えば一定値に制限（例えば、最高出力の３５％）する他に、セル電圧に応じて決定してもよい。また、燃料電池スタック１０の温度が低いときは運転状態が悪化し易いことから、燃料電池スタック１０の温度に基づきマップを参照する等して出力制限率を決定してもよい。なお、出力制限に伴うシステム要求出力に対する不足分は、車両駆動モータ等の負荷に対して燃料電池スタック１０と並列に接続された二次電池（図示略）からの出力で賄われる。

続くステップＳ７では、水素ポンプ４５の異常が継続しているかを判定する。ステップＳ７の判定結果が「ＹＥＳ」の場合は、この異常継続判定を繰り返す。一方、ステップＳ７の判定結果「ＮＯ」の場合、つまり、水素ポンプ４５に異常がない場合、さらに言い換えれば、水素ポンプ４５の異常が解消されたことが判定された場合は、ステップＳ２１に進み、水素ポンプ４５の運転を再開する。さらに、続くステップＳ２３において、上記ステップＳ５で実行した燃料電池スタック１０の出力制限を解除する。

なお、ステップＳ７の判定において、水素ポンプ４５の異常が解消されたことが判定される場合としては、例えば、故障解消判定の為に一時的にごく短時間だけ水素ポンプ４５の運転を再開し、その時の水素ポンプ４５の回転数偏差が所定値未満であったり、上記ドライバの通電電流が所定値未満であったり、水素ポンプ４５のモータトルクが所定値未満である場合等がある。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムは、水素ポンプ４５の異常が判定された場合には、水素ポンプ４５の作動を停止（使用を制限）すると共に、燃料電池スタック１０の出力を制限するようにしたので、凍結等に起因する水素ポンプ４５の一時的な異常（ロック）時には、水素ポンプ４５の保護が可能になると共に、たとえ水素循環が行われずに燃料電池スタック１０の発電状態が悪化しても、セルの劣化やセル電圧低下による異常発電を招くことなく、燃料電池スタック１０の運転を継続することが可能となる。

さらに、この燃料電池システムは、水素ポンプ４５の一時的な異常（ロック）が解消されたことを判定した場合には、燃料電池スタック１０の出力制限を解除するようにしたので、例えば、運転継続による温度上昇に伴い水素ポンプ４５の凍結が解氷し、通常運転が可能になった場合等のように、一時的な異常要因が排除された場合には、通常運転への復帰が可能となり、要求出力の確保が可能となる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。例えば、上記実施の形態では、燃料ガス循環装置として水素ポンプを例示したが、燃料ガス供給通路にアノードオフガスを還流させることができるものであれば、水素ポンプに限らず、他の代替手段を採用してもよい。

かかる代替手段としては、例えば、水素ポンプのような電動機を利用しない機構を有するもの、より具体的には、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガス供給量に依存して燃料ガス循環通路を流通する循環ガス量も変化する機械的機構（例えば、エゼクタ）の採用が可能である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図。図１に示す制御装置による制御フローの要部を説明するフローチャート。

符号の説明

１０…燃料電池スタック（燃料電池）、２０…水素タンク（燃料ガス供給源）、３２…配管（燃料ガス供給通路）、３３…配管（燃料ガス循環通路の一部）、４５…水素ポンプ（燃料ガス循環装置）、５０…制御装置（異常判定装置、出力制限手段）

Claims

燃料電池と、燃料ガス供給源からの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通路と、アノードから排出された燃料オフガスを燃料ガス供給通路に戻す燃料ガス循環通路と、燃料ガス循環通路に設置されて燃料オフガスを燃料ガス供給通路に還流させる燃料ガス循環装置と、燃料ガス循環装置の異常を判定する異常判定装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
異常判定装置により異常が判定された場合に、燃料ガス循環装置の使用を制限すると共に、燃料電池の出力を制限する出力制限手段を備える燃料電池システム。
燃料ガス循環装置の異常が解消されたことを判定した場合に、前記出力制限手段による燃料電池の出力制限を解除する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記異常判定装置は、燃料ガス循環通路に設置される燃料ガス循環装置の凍結を判定するものである請求項１又は２に記載の燃料電池システム。