JP4779402B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に接続され且つ反応ガスが流通するガス流通路と、当該ガス流通路に設けられ且つ当該ガス流通路を介して前記燃料電池に反応ガスを流動させるガス流動装置と、当該ガス流動装置から吐出されたガスの温度を調整する温度調整装置と、を備えた燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池システムでは、ガス流通路内を流通する反応ガス（酸化剤ガス：例えば空気、燃料ガス：例えば水素）を燃料電池に供給し、電気化学反応を起こすことで発電を行っている。前記ガス流通路には、当該ガス流通路を介して前記燃料電池に反応ガスを流動させるためのガス流動装置が設けられている。前記ガス流通路のうち、空気を流通させる空気流通路には、ガス流動装置として、一般的にエアコンプレッサが配設されており、水素を流通させる水素流通路には、ガス流動装置として、一般的に水素ポンプが配設されている。

このような燃料電池システムでは、通常、エアコンプレッサから吐出される空気は、エアコンプレッサにおける圧縮過程により高温となっているが、この高温の空気が、エアコンプレッサよりも下流に配設されている、例えば、加湿器や燃料電池等を流通すると、これらの部品に損傷を与える虞がある。したがって、エアコンプレッサの下流直近に冷却システム（例えば、冷却装置や吐出空気温度監視センサ等）を配設し、エアコンプレッサから吐出された空気を冷却することで、加湿器や燃料電池等に高温の空気が流通することを防止している。また、水素ポンプから吐出される燃料ガスについても同様に、冷却システムによって冷却がなされるものもある。

近年では、例えば、燃料電池自動車の場合、燃料電池を冷却する第１冷却系と、燃料電池以外の部品（例えば、制御装置、駆動モータ、エアコンプレッサ用インタークーラ等）の冷却を行う第２冷却系とを有し、前記燃料電池が過冷状態にあるとき、前記第２冷却系を閉じて前記第１冷却系によって前記燃料電池と燃料電池以外の部品とを冷却するように、当該燃料電池以外の部品の冷却水流路を切り替える流路切替手段を備えた燃料電池システムが紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３１５５１３号公報 特開２００４−１７９１２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、第２冷却系の冷却装置に異常が発生した場合、高温の空気がエアコンプレッサよりも下流にある加湿器や燃料電池等を流通する虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、ガス流通路に設けられたガス流動装置（例えば、エアコンプレッサや水素ポンプ等）から吐出されたガスの温度を調整する温度調整装置が仮に故障したとしても、ガス流動装置の下流に配設された部品を流通するガスの状態を即座に制御することができ、当該部品に高温のガスが流通することを防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に接続され且つ反応ガスが流通するガス流通路と、前記ガス流通路に設けられ、前記反応ガスを流動させるガス流動装置と、前記ガス流動装置から吐出されたガスの温度を調整する温度調整装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記温度調整装置の異常を判定する異常判定手段と、前記異常判定手段から得られた判定結果に基づいて、前記ガス流動装置の作動量を制御して、前記ガス流通路を流通するガスの状態を制御するガス流通状態制御手段と、を備え、前記ガス流通状態制御手段は、前記異常判定手段により異常と判定された場合に、前記ガス流動装置から吐出されるガスの温度と前記ガス流動装置の作動量との相関を示すテーブルに基づいて、前記ガス流動装置から吐出されるガスの温度を推定し、当該温度が、前記ガス流動装置よりも下流に配設された部品の耐熱温度以下になるように、前記ガス流動装置の作動量を制限する、燃料電池システムを提供するものである。

この構成を備えた燃料電池システムは、異常判定手段により温度調整装置の異常を即座に判定することができ、この判定結果に基づいて、ガス流通状態制御手段により前記ガス流通路を流通するガスの状態を制御することができる。したがって、温度調整装置が仮に故障したとしても、ガス流動装置の下流に配設された部品を流通するガスの状態を即座に制御することができる。このため、ガス流動装置の下流に配設された部品に、高温のガスが流通することを確実に防止することができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記ガス流動装置がポンプを有し、当該ポンプの作動量を制御してもよい。この場合、前記ポンプが回転駆動式ポンプであり、前記異常判定手段によって、異常と判定された際に、当該ポンプの回転駆動の回転数が所定値以下となるよう制御することもできる。

そしてまた、前記ガス流通状態制御手段は、前記ガス流動装置よりも下流に配設された部品の耐熱温度に基づいて、前記ガス流通路を流通するガスの状態を制御することもできる。

さらにまた、前記ガス流通状態制御手段は、前述した制御に加え、燃料電池の発電量を制御することもできる。

また、本発明にかかる燃料電池システムのガス流通路は、酸化剤ガス流通路及び燃料ガス流通路の少なくとも一方とすることができ、当然両者であってもよい。そして、酸化剤ガス流通路の場合、前記ガス流動装置がコンプレッサであり、燃料ガス流通路の場合、前記ガス流動装置が燃料ポンプであることができる。

そしてまた、前記温度調整装置は、インタークーラ、当該インタークーラの冷却回路部品、温度センサを含むことができる。

本発明にかかる燃料電池システムによれば、温度調整装置の異常を判定結果に基づいて、前記ガス流通路を流通するガスの状態を制御することができる。したがって、温度調整装置が仮に故障したとしても、ガス流動装置の下流に配設された部品を流通するガスの状態を即座に制御することができる。このため、ガス流動装置の下流に配設された部品に、高温のガスが流通することを確実に防止することができる結果、信頼性の高い燃料電池システムを提供できると共に、燃料電池システムの寿命を向上することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムを示す概略図、図２は、図１に示す燃料電池システムの異常判定手段及びガス流通状態制御手段の制御方法を示すフローチャート、図３は、図１に示す燃料電池システムのエアコンプレッサから吐出された空気の温度とエアコンプレッサの回転数との関係を示す図である。

なお、本実施の形態では、酸化剤ガス流通路３２を介して燃料電池１０に酸素（反応ガス）を流動させるガス流動装置として、エアコンプレッサ１５を使用し、水素循環路１７（燃料ガス流通路）を介して燃料電池１０に水素（反応ガス）を流動させるガス流動装置として、水素ポンプ１８を使用した場合について説明する。

図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池システム１の燃料電池１０は、ＭＥＡと、ＭＥＡの燃料極（アノード）に燃料ガス（水素）を、酸化剤極（カソード）に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせたセルを複数備えてなるスタックを内蔵した構成を備えている。

燃料電池１０の水素供給口１１には、燃料ガスとしての水素が流通する燃料ガス流通路１２が接続されている。この燃料ガス流通路１２には、上流側から順に、水素供給源１３と、レギュレータ１４が配設されている。また、燃料電池１０の水素排出口１６には、燃料電池１０から排出された未反応の水素が流通する水素循環路１７が接続されている。この水素循環路１７には、水素を循環させる（流動させる）ための水素ポンプ１８が配設されている。そして、水素循環路１７の水素ポンプ１８よりも下流側は、合流点Ａで燃料ガス流通路１２と合流し、合流点Ａを流通した水素は、再び燃料電池１０に供給されるようになっている。

また、燃料電池１０には、燃料電池１０を冷却するための冷却水通路２１が接続されており、この冷却水通路２１には、冷却水を流動させるための冷却水ポンプ２２が配設されている。なお、符号２３は、ラジエータ、符号２４は、ラジエータローラリーバルブである。

一方、燃料電池１０の空気供給口３１には、酸化剤ガスとしての空気を流通させる酸化剤ガス流通路３２が接続されている。この酸化剤ガス流通路３２には、上流側から順に、空気供給源３３と、この空気供給源３３から供給された空気を清浄するエアクリーナ３４と、空気供給源３３から供給された空気を流動させるエアコンプレッサ３５と、エアコンプレッサ３５から吐出される空気の温度を調整する温度調整装置３７と、加湿モジュール３８が配設されている。そして、この加湿モジュール３８から吐出された空気が、燃料電池１０に供給（流通）される。

また、燃料電池１０の空気排出口４１には、燃料電池１０から排出された空気を流通させる酸化剤ガス排出流路４５が接続されている。この酸化剤ガス排出流路４５には、上流側（燃料電池１０側）から順に、エア調圧バルブ４２と、加湿モジュール３８と、マフラ４３が配設されている。

温度調整装置３７は、インタークーラ３７Ａと、温度センサ３７Ｂを備えて構成されている。インタークーラ３７Ａには、冷却水ポンプ回転数偏差をモニタして、インタークーラ３７Ａの異常を判定する異常判定手段１００が接続されている。また、この異常判定手段１００には、ここから得られた判定結果に基づいて、エアコンプレッサ３５の回転数を制御して、空気の流通状態を変更するガス流通状態制御手段１１０が接続されている。なお、このインタークーラ３７Ａには、冷却回路部品等が含まれている。

異常判定手段１００及びガス流通状態制御手段１１０の具体的動作は、以下の通りである。すなわち、図２に示すように、インタークーラ３７Ａの冷却水ポンプ回転数偏差をモニタし（ステップＳ１００）、異常判定手段１００により、冷却水ポンプ回転数偏差が予め設定した閾値を超えた場合（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、インタークーラ３７Ａに異常があると判断し、エアコンプレッサ３５の回転数を下げる（ステップＳ１０２）。

ここで、エアコンプレッサ３５から吐出された空気の温度と、エアコンプレッサ３５の回転数との関係を図３に示すが、異常判定手段１００によりインタークーラ３７Ａに異常があると判断された場合、ガス流通状態制御手段１１０により、予め測定しておいたテーブル（例えば、図３参照）に基づき、エアコンプレッサ３５から吐出される空気の温度を推定し、インタークーラ３７Ａよりも下流に配置されている部品の耐熱温度（例えば、７０℃）以下となるように、エアコンプレッサ３５の回転数を制限する。

次に、異常判定手段１００により、引き続きインタークーラ３７Ａの冷却水ポンプ回転数偏差をモニタし（ステップＳ１０３）、冷却水ポンプ回転数偏差が予め設定した閾値を超えている場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、インタークーラ３７Ａに異常があると判断し、ステップＳ１０３を繰り返す。一方、冷却水ポンプ回転数偏差が予め設定した閾値以下の場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、ガス流通状態制御手段１１０は、エアコンプレッサ３５の回転数の制限を解除し（ステップ１０５）、通常運転を行う（ステップＳ１０６）。

一方、インタークーラ３７Ａの冷却水ポンプ回転数偏差が予め設定した閾値以下の場合（ステップＳ１０１：ＮＯ）は、通常運転を行う（ステップＳ１０６）。

このように、本実施の形態にかかる燃料電池システム１では、異常判定手段１００によって、インタークーラ３７Ａに異常が生じているか否かを即座に判断し、この判断結果に基づいて、エアコンプレッサ３５の回転数を制限することができる。したがって、仮にインタークーラ３７Ａに異常が生じたとしても、エアコンプレッサ３５から吐出された空気の温度と、エアコンプレッサ３５の回転数との関係（例えば、図３に示す）に基づいて、エアコンプレッサ３５の回転数を通常時よりも下げることで、エアコンプレッサ３５から吐出される空気の温度を下げることができる。したがって、インタークーラ３７Ａよりも下流にある部品に高温の温度が流通することを防止することができる。すなわち、エアコンプレッサ３５から吐出される空気の温度を、下流に配設された部品の耐熱温度以下にできる結果、これらの部品に損傷をきたすことを防止でき、信頼性の高い燃料電池システムを提供できると共に、燃料電池システムの寿命を向上することができる。

なお、本実施の形態では、異常判定手段１００により、インタークーラ３７Ａの冷却水ポンプ回転数偏差をモニタして、冷却水ポンプ回転数偏差が予め設定した閾値を超えたか否かによって、インタークーラ３７Ａの異常を判定する場合について説明したが、これに限らず、例えば、温度センサ３７Ｂにより、インタークーラ３７Ａから吐出された空気の温度をモニタし、この温度が予め設定した閾値を超えた場合に、インタークーラ３７Ａに異常があると判断する等、インタークーラ３７Ａの異常を判断するファクタは、特に限定されるものではない。また、冷却水ポンプ回転数偏差と、温度センサ３７Ｂが測定した温度の両方を用いてインタークーラ３７Ａの異常を判定してもよい。このようにすることで、より正確な判断を行うことができる。

また、本実施の形態では、ガス流通路を流通するガスの状態を制御する方法として、ガス流通状態制御手段１１０により、予め測定しておいたテーブル（マップ）に基づき、エアコンプレッサ３５から吐出される空気の温度を推定し、インタークーラ３７Ａよりも下流に配置されている部品の耐熱温度以下となるように、エアコンプレッサ３５の回転数を制限した場合について説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池１０の発電量を制限することで、ガス流通路を流通するガスの状態を制御してもよい。また、エアコンプレッサ３５の回転数と、燃料電池１０の発電量の制限の両方を行うことで、ガス流通路を流通するガスの状態を制御してもよい。

さらにまた、本実施の形態では、酸化剤ガス流通路３２を介して燃料電池１０に酸素（反応ガス）を流動させるガス流動装置として、エアコンプレッサ１５を使用し、水素循環路１７（燃料ガス流通路）を介して燃料電池１０に水素（反応ガス）を流動させるガス流動装置として、水素ポンプ１８を使用した場合について説明したが、これに限らず、ガス流動装置は、ガス流通路を介して前記燃料電池に反応ガスを流動させることが可能であれば、特に限定されるものではない。また、ガス流通状態制御手段は、ガス流通路を流通するガスの状態を制御することが可能であれば、ポンプの回転数を制御する他、ガス流動装置の他の作動量を制御してもよい。

そしてまた、本実施の形態では、酸化剤ガス流通路３２に温度調整装置３７を配設し、この温度調整装置３７に異常判定手段１００及びガス流通状態制御手段１１０を接続した場合について説明したが、これに限らず、例えば、図４に示すように、水素循環路１７の水素ポンプ１８の下流に、インタークーラ３７Ａと、温度センサ３７Ｂを備えた温度調整装置３７を配設し、この温度調整装置３７に、異常判定手段１００及びガス流通状態制御手段１１０を接続してもよい。なお、温度調整装置３７、異常判定手段１００及びガス流通状態制御手段１１０は、酸化剤ガス流通路３２のみに配設してもよく、水素循環路１７のみに配設してもよく、酸化剤ガス流通路３２及び水素循環路１７の両方に配設してもよい。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムを示す概略図である。 図１に示す燃料電池システムの異常判定手段及びガス流通状態制御手段の制御方法を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムのエアコンプレッサから吐出された空気の温度とエアコンプレッサの回転数との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムを示す概略図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１２…燃料ガス流通路、１５…エアコンプレッサ、１７…水素循環路、１８…水素ポンプ、３２…酸化剤ガス流通路、３５…エアコンプレッサ、３７Ａ…インタークーラ、３７Ｂ…温度センサ、３７…温度調整装置、１００…異常判定手段、１１０…ガス流通状態制御手段

Claims (7)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に接続され且つ反応ガスが流通するガス流通路と、前記ガス流通路に設けられ、前記反応ガスを流動させるガス流動装置と、前記ガス流動装置から吐出されたガスの温度を調整する温度調整装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記温度調整装置の異常を判定する異常判定手段と、
   前記異常判定手段から得られた判定結果に基づいて、前記ガス流動装置の作動量を制御して、前記ガス流通路を流通するガスの状態を制御するガス流通状態制御手段と、を備え、
   前記ガス流通状態制御手段は、前記異常判定手段により異常と判定された場合に、前記ガス流動装置から吐出されるガスの温度と前記ガス流動装置の作動量との相関を示すテーブルに基づいて、前記ガス流動装置から吐出されるガスの温度を推定し、当該温度が前記ガス流動装置よりも下流に配設された部品の耐熱温度以下になるように、前記ガス流動装置の作動量を制限する、燃料電池システム。
2. 前記ガス流動装置はポンプを有し、当該ポンプの作動量を減らすように制御する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記ポンプが回転駆動式ポンプであり、前記異常判定手段によって異常と判定された際に、当該ポンプの回転駆動の回転数が所定値以下となるよう制御する請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス流通状態制御手段は、さらに燃料電池の発電量を減らすように制御する請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス流通路が酸化剤ガス流通路であり、前記ガス流動装置がコンプレッサである請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス流通路が燃料ガス流通路であり、前記ガス流動装置が燃料ポンプである請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記温度調整装置は、インタークーラ、当該インタークーラの冷却回路部品、温度センサを含む請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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