JP4863651B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、高圧ガスを燃料とした燃料電池システムに関する。
従来から、高圧ガスを燃料とした燃料電池システムでは、高圧タンク内にインタンク式の電磁弁からなる遮断弁が設けられたものが知られている。この種の遮断弁は、高圧ガスを減圧するために設けられたレギュレータよりも上流側に位置し、システム運転中に開弁し、システム停止中に閉弁するように動作し、システム停止中の燃料の供給を遮断するため、また遮断弁の下流側に位置するレギュレータなどのデバイスに不具合が発生したときに燃料が流出するのを防止するために設置されている(例えば、特許文献1参照)。
特公平7−18384号公報(第3頁、第2図)
しかし、特許文献1に記載した遮断弁が搭載されたシステムでは、システム全体としての保証温度に近い低温環境下において、システムが高負荷で運転されて高圧ガスが急激に消費されると、高圧タンク内における等エントロピ膨張により、高圧タンク内のガス温度がシステムの保証温度よりもさらに低下し、例えば、遮断弁の遮断機能、特に遮断弁のシール部の機能が損なわれるという問題がある。
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、低温環境下における運転において、高圧タンクから燃料電池に至るデバイスの機能が損なわれるのを防止す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する。
請求項1に係る発明は、内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、を備え、前記燃料消費制御手段は、前記燃料消費量として前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を有し、前記高圧タンクがおかれる最低使用環境温度と前記供給装置の性能保証温度との差に基づいて前記燃料電池の出力を制限する際の上限値である最低制限値を設定し、前記燃料温度検知手段により検知した前記燃料の温度に基づいて前記燃料電池の出力の制限を開始すると判定したときに前記燃料の温度が低下するにつれて前記燃料電池の最高出力を前記最低制限値に向けて徐々に制限することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段と、を備え、前記燃料消費制御手段は、前記燃料消費量として前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を有し、前記環境温度検知手段により検知した前記環境温度に基づいて前記燃料電池の出力を制限する際の上限値である最低制限値を前記環境温度が高くなるにつれて高くなるように設定し、前記燃料温度検知手段により検知した前記燃料の温度に基づいて前記燃料電池の出力の制限を開始すると判定したときに前記燃料の温度が低下するにつれて前記燃料電池の最高出力を前記最低制限値に向けて徐々に制限することを特徴とする。
請求項3に係る発明は、内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段と、を備え、前記燃料消費制御手段は、前記燃料消費量として前記燃料電池への前記燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段を有し、前記環境温度検知手段により検知した前記環境温度に基づいて前記燃料の供給量を制限する際の上限値である最低制限値を前記環境温度が高くなるにつれて高くなるように設定し、前記燃料温度検知手段により検知した前記燃料の温度に基づいて前記燃料の供給量の制限を開始すると判定したときに前記燃料の温度が低下するにつれて前記燃料の最大供給量を前記最低制限値に向けて徐々に制限することを特徴とする。
前記本発明によれば、高圧タンクから放出される燃料の温度に基づいて燃料消費量を制御することで、高圧タンク内の減圧による熱エネルギーの損失、つまり温度低下を制御できるため、供給装置(例えば、遮断弁)の低温による劣化を防止できる。なお、前記した高圧タンクから放出される燃料の温度とは、高圧タンク内に蓄積された燃料の温度をも含む主旨である。
また、請求項1および請求項2に係る発明によれば、燃料電池の出力を制御することで、燃料消費量を制御できるようになる。
また、請求項3に係る発明によれば、燃料電池への燃料の供給量を制御することで、燃料消費量を制御できるようになる。
また、請求項1に係る発明によれば、前記高圧タンクがおかれる最低使用環境温度と、前記供給装置の性能保証温度とに基づいて、前記燃料消費量の最低制限値を求めることにより、高圧タンクなど燃料が寄与する部材の特性に応じて、燃料消費量の制限を抑えることができるので、燃料電池の出力を不必要に制限したり、燃料電池への燃料の供給量を不必要に制限したりするのを防止することができる。
また、請求項2および請求項3に係る発明によれば、前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段をさらに備え、前記環境温度検知手段に基づいて前記燃料消費量の最低制限値を求めることにより、高圧タンクがおかれている環境温度の変化によって高圧タンクが受ける熱エネルギーが異なるので、環境温度に応じた燃料消費量の制限が可能になり、燃料電池の出力を不必要に制限したり、燃料電池への燃料の供給量を不必要に制限したりするのを防止することができる。
本発明によれば、低温環境下の使用において、燃料消費量を制限して高圧タンクから排出される燃料の温度低下を抑制することで、遮断弁などの供給装置が劣化するのを防止することができる。
以下、本実施形態の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、以下では、この燃料電池システムを車両に搭載した場合を例に挙げて説明する。
(第1実施形態)
図1は第1実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図2は燃料電池の出力制御の処理を示すフローチャート、図3はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。
図1に示すように、第1実施形態の燃料電池システム1Aは、燃料電池FC、水素供給手段10、空気供給手段20、制御装置30A、温度センサT1,T2を含んで構成されている。
前記燃料電池FCは、固体高分子型であるPEM(Proton Exchage Membrane)型の燃料電池であり、電解質膜mが所定の触媒を含むアノード極p1とカソード極p2とで挟まれて構成される膜電極構造体(MEA;Membrane Electrode Assembly)を、一対の導電性のセパレータ(図示せず)で更に挟んで構成した単セルが複数枚積層されて構成されている。
前記水素供給手段10は、燃料電池FCのアノード極p1に燃料としての水素を供給するものであり、例えば、高圧タンク11、遮断弁12、レギュレータ13および加湿器14で構成されている。なお、遮断弁12、レギュレータ13および加湿器14が、本実施形態での供給装置に相当している。また、アノード極p1に供給される水素は、燃料消費の無駄を防止することなどから、エゼクタ等(図示せず)を用いて再循環して使用するようになっている。
前記高圧タンク11は、燃料としての水素を、例えば35MPa(350気圧)の非常に高い圧力で蓄積可能な容器である。遮断弁12は、例えば、高圧タンク11と一体に設けられた、インタンク式の電磁弁である。レギュレータ13は、高圧タンク11から放出された高圧の水素を減圧するためのものであり、例えば、複数のレギュレータ(減圧弁)から構成されて、段階的に減圧するようになっている。加湿器14は、水素を燃料電池FC内での反応に適した湿度に加湿するためのものである。
前記空気供給手段20は、燃料電池FCのカソード極p2に酸化剤としての空気を供給するものであり、コンプレッサ21、冷却器(図示せず)、加湿器(図示せず)などで構成されている。コンプレッサ21は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、燃料電池FCの上流側に接続され、後記する制御装置30Aからの信号によりモータの回転速度が制御される。
なお、前記燃料電池システム1Aでは、図示しないラジエタや循環ポンプなどで構成された冷却手段が設けられており、燃料電池FCが発電に伴って発生した熱を大気中に放出する機能を備えている。
前記制御装置30Aは、図示しないCPU、ROM、RAM、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されており、遮断弁12およびレギュレータ13を、図示しない制御線を介して制御している。この制御装置30Aが、本実施形態の出力制御手段を含んで構成されている。
前記温度センサT1は、高圧タンク11から遮断弁12を介して放出された水素の温度(ガス温度)を検知するものであり、遮断弁12の下流側に設けられている。この温度センサT1が、本発明の燃料温度検知手段に相当するものである。なお、温度センサT1は、高圧タンク11内の温度を直接検知するものであってもよい。
前記温度センサT2は、燃料電池FCがおかれている環境温度(外気温度)を検知するものであり、本発明の環境温度検知手段に相当するものである。
これら温度センサT1,T2は、それぞれ信号線L1,L2を介して制御装置30Aと接続され、温度センサT1で検知されたガス温度と、温度センサT2で検知された環境温度とが制御装置30Aにそれぞれ入力されるように構成されている。
本実施形態の燃料電池システム1Aでは、遮断弁12の開弁による高圧タンク11から高圧力の水素が、レギュレータ13を介して所定の圧力に減圧された状態で燃料電池FCのアノード極p1に供給され、またコンプレッサ21からの圧縮空気が、図示しない冷却器により所定の温度に冷却され、図示しない加湿器により所定の湿度に加湿された状態で、燃料電池FCのカソード極p2に供給される。これにより、燃料電池FC内において水素と空気中の酸素とが電気化学反応することによって発電が行われる。燃料電池FCが発電した電力(発電電流)は、図示しない走行モータや補機(コンプレッサ21)などの負荷に供給される。
なお、燃料電池FCの掃気処理時やパージ処理時に排出された水素は、図示しない希釈装置を介して燃料電池FCのカソード極から排出された生成水や空気などによって所定の濃度に希釈された後に車両の外部へと排出される。
次に、第1実施形態の燃料電池システム1Aでの燃料電池FCの出力制御について図2および図3を参照しながら説明する。なお、図2では、各処理ステップを「ST」と略記して表示している。また、以下の説明では、遮断弁12を保護する場合を例に挙げて説明する。また、この遮断弁12の性能保証温度をマイナス40℃、出力開始制限温度をマイナス35℃に設定した場合を例に挙げて説明する。ただし、出力開始制限温度については、マイナス35℃に限定されるものではなく、任意に設定することができる。
ところで、燃料電池システム1Aを搭載した車両では、例えばアクセルペダルを踏み込むことによって急激な加速が行われて、燃料電池FCから大きな電力が取り出された場合には、高圧タンク11から水素が急激に放出される。このとき、高圧タンク11から高圧の水素が放出されると、放出される水素の温度が低下することが知られている。このため、車両が氷点下の低温環境下で運転されている場合には、前記のようにして水素が高圧タンク11から急激に放出されると、水素が遮断弁12の性能保証温度(−40℃)よりも低下するおそれがあり、これによって遮断弁12が劣化、特に遮断弁12のシール性能が低下し、遮断機能が損なわれるおそれがある。
そこで、このような遮断弁12の低温による劣化を防止するために、第1実施形態の燃料電池システム1Aでは、図2のフローチャートおよび図3のマップに基づいて燃料電池FCの出力を制御するようにした。
制御装置30Aでは、図2のステップ1(ST1)において、温度センサT1に基づいて高圧タンク11から放出される水素のガス温度(燃料の温度)を常に監視する。そして、ステップ2(ST2)において、ガス温度がマイナス35℃(出力制限開始温度)以下である否かを判断し、このステップ2(ST2)において、ガス温度がマイナス35℃以下でない場合には(No)、リターンして、ステップ1(ST1)に戻る。
一方、ステップ2(ST2)において、ガス温度がマイナス35℃以下と判断された場合には(Yes)、ステップ3(ST3)に移行し、図3のマップに基づき燃料電池FCの出力(最高出力)を制限する。この図3に示すマップは、燃料電池FCの出力とガス温度との関係を示すものであり、ガス温度がマイナス35℃に至ったことを出力制限開始のトリガーとして、燃料電池FCの出力(最高出力)を徐々に制限していく。このときの燃料電池FCに対する出力制限は、制御装置30Aから燃料電池FCに対して、制御線L3(図1参照)を介して燃料電池FCから取り出す発電電流(電力)を抑制するための制御信号を与えることにより行われる。
このように、第1実施形態の燃料電池システム1Aでは、燃料電池FCからの発電電流(電力)の取り出し量を制限することで、高圧タンク11から放出される燃料の量を抑制することができるので、ガス温度が急激に低下するのを防止して、遮断弁12の劣化を防止することが可能になる。なお、燃料電池FCから取り出す電流を制限するのではなく、電力消費機器の消費量を制限することで、燃料電池FCの出力を制限してもよい。
ところで、前記した燃料電池システム1Aにおける出力制御では、遮断弁12の劣化を防止することはできるが、高圧タンク11の特性、すなわち高圧タンク11の材質などによって高圧タンク11が環境温度(外気温)から受け取ることができる熱エネルギー量が異なるため、温度センサT1から得られる温度のみに応じて一律に燃料電池FCの出力を制限すると、その出力を必要以上に制限するおそれがある。つまり、図3に示すように、ガス温度がマイナス40℃まで低下したときに出力をゼロに設定してしまうと、車両が全く走行できなくなるという不都合を生じる。そこで、図4(a)に示すグラフに基づいて燃料電池FCの出力の最低制限値を設定することで、車両が走行できなくなるといった不都合を解消するようにしてもよい。
図4(a)は環境温度とガス温度との温度差に基づく熱交換バランス出力を示すグラフ、図4(b)はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。図4(a)におけるΔtとは、温度センサT2で検知された環境温度から、温度センサT1で検知されたガス温度を差し引いた温度差である。また、図4(a)における熱交換バランス出力とは、水素放出時において高圧タンク11の減圧により失われる熱エネルギー量と、環境温度下において高圧タンク11を介して高圧タンク11内の燃料が受け取る熱エネルギー量とが等しくなるときの出力である。ここでは、図4(a)に示す関係を利用して、Δtにおける環境温度を燃料電池FCがおかれる(車両が保証している)最低使用環境温度に置き換え、ガス温度を遮断弁12の性能保証温度に置き換えることにより、燃料電池FCで消費される燃料消費量の最低制限値を求めることができる。例えば、最低使用環境温度をマイナス20℃とし、遮断弁12の性能保証温度をマイナス40℃とした場合には、温度差Δtが20℃(図4(a)において符号t1で示している)となり、このt1℃における熱交換バランス出力、すなわち最低制限値は、図4(a)において符号Iで示す出力となる。その結果、図4(b)に示すマップが得られ、このマップに基づいて燃料電池FCの出力を制御することができる。
このように、最低使用環境温度と、遮断弁12の性能保証温度とに基づいて燃料電池FCにおける燃料消費量の最低制限値を求めることにより、燃料電池FCの出力を必要以上に制限するのを抑えることができるので、車両が走行できなくなるといった不都合を防止することができ、また走行性能が過度に制限されるのを防止することができる。
また、本実施形態の燃料電池システム1Aにおいて、図5に示すフローチャートを加味して燃料電池FCの出力を制御するようにしてもよい。図5は燃料電池の別の出力制御を示すフローチャート、図6はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。なお、図5は、図2のステップ3(ST3)に代えてステップ4(ST4)およびステップ5(ST5)を設けたフローチャートである。
図5に示すように、制御装置30A(図1参照)では、ステップ2(ST2)において、ガス温度がマイナス35℃以下と判断された場合には(Yes)、ステップ4(ST4)において、温度センサT2から環境温度を取得する。そして、ステップ5(ST5)に移行して、図6のマップに基づき燃料電池FCの出力(最高出力)を制限する。この図6に示すマップは、図3に示すマップと基本的には同じであるが、環境温度に基づいて、最低制限値を可変にできる点において異なっている。つまり、図6に示すように、環境温度が低い場合には、最低制限値が小さく設定され、環境温度が高い場合には、最低制限値が高く設定される。よって、燃料電池FCの出力を必要以上に制限するのを抑制することができるので、走行機能が損なわれるといった不都合を解消することができ、また走行性能が過度に制限されるのを防止することができる。
(第2実施形態)
図7は第2実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図8は燃料電池への燃料の供給量の制御を示すフローチャート、図9はガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。この第2実施形態における燃料電池システム1Bは、第1実施形態での出力制御手段に代えて、燃料供給量制御手段を搭載したものであり、その他の構成は第1実施形態と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。
前記燃料供給量制御手段は、ガス供給制御弁15と、このガス供給制御弁15と制御装置30Bとで構成されている。ガス供給制御弁15は、可変オリフィス、オンオフ式の開閉弁などによって構成することができ、例えばレギュレータ13と加湿器14との間に設けられている。なお、オンオフ式の開閉弁の場合には、オンとオフとのタイミングを切り換えながら制御することで、燃料電池FCに供給される燃料の供給量を制御することができる。
次に、第2実施形態の燃料電池システム1Bでの燃料供給量の制御について説明する。制御装置30Bでは、図8に示すように、ステップ11(ST11)において、温度センサT1によって高圧タンク11から放出される水素(燃料)のガス温度を常に監視する。そして、ステップ12(ST12)において、検出されたガス温度がマイナス35℃(出力制限開始温度)以下となったか否かを判断する。ステップ12(ST12)において、ガス温度がマイナス35℃以下であると判断された場合には(Yes)、ステップ13(ST13)に移行して、図9のマップに基づきガス供給量(燃料の供給量)を制限する。図9に示すマップは、ガス温度とガス供給量との関係を示すものであり、ガス温度がマイナス35℃まで低下したことをガス供給量の制限を開始するトリガーとして、燃料電池FCに供給するガス供給量を徐々に制限していく。燃料電池FCに対するガス供給量の制限は、例えば、制御装置30Bからガス供給制御弁15に対して制御線L4を介して制御信号を与えることにより行われる。
このように、第2実施形態の燃料電池システム1Bでは、燃料電池FCへのガス供給量を制限することで、高圧タンク11から放出されるガス温度が急激に低下するのを防止して、遮断弁12の低温による劣化を防止することが可能になる。
なお、第2実施形態では、第1実施形態と同様にして、環境温度に応じて、ガス温度におけるガス供給量をマッピングしておき、環境温度が低い場合にはガス供給量の最低制限値を低めに設定し、環境温度が高い場合にはガス供給量の最低制限値を高めに設定するように制御してもよい。
また、前記した実施形態では、供給装置の保護として、遮断弁12の劣化を防止する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、供給装置の中でレギュレータ13が遮断弁12や加湿器14より低温耐性が劣る燃料電池システム1A,1Bである場合には、レギュレータ13の保護を目的として燃料電池FCの出力や燃料電池FCへのガス供給量を制御するようにしてもよい。また、加湿器14が遮断弁12やレギュレータ13より低温耐性が劣る燃料電池システム1A,1Bである場合には、加湿器14の保護を目的として燃料電池FCの出力や燃料電池FCへのガス供給量を制御するようにしてもよい。また、温度センサT1の位置は、保護する供給装置の種類に応じて適宜変更することができ、例えば加湿器14を保護する場合には、レギュレータ13と加湿器14との間に温度センサT1を設置してもよい。
また、前記した実施形態では、車両を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、家庭用などの定置式の燃料電池システムに適用してもよい。定置式の燃料電池システムに適用した場合には、環境温度に基づいてガス供給量の最低制限値を可変とすることにより、燃料電池FCにおける発電性能が過度に低下するのを防止できるようになる。
第1実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池の出力制御を示すフローチャートである。 ガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 (a)は環境温度とガス温度との温度差に基づく熱交換バランス出力を示すグラフ、(b)はガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 燃料電池の別の出力制御を示すフローチャートである。 ガス温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 第2実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池への燃料の供給量の制御を示すフローチャートである。 ガス温度とガス供給量との関係を示すマップである。
符号の説明
1A,1B 燃料電池システム
11 高圧タンク
12 遮断弁
13 レギュレータ
14 加湿器
15 ガス供給制御弁(燃料供給量制御手段)
30A 制御装置(出力制御手段)
30B 制御装置(燃料供給量制御手段)
FC 燃料電池
T1 温度センサ(燃料温度検知手段)
T2 温度センサ(環境温度検知手段)

Claims (3)

  1. 内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、
    前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、
    前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、
    前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、
    を備え、
    前記燃料消費制御手段は、
    前記燃料消費量として前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を有し、
    前記高圧タンクがおかれる最低使用環境温度と前記供給装置の性能保証温度との差に基づいて前記燃料電池の出力を制限する際の上限値である最低制限値を設定し、前記燃料温度検知手段により検知した前記燃料の温度に基づいて前記燃料電池の出力の制限を開始すると判定したときに前記燃料の温度が低下するにつれて前記燃料電池の最高出力を前記最低制限値に向けて徐々に制限することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、
    前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、
    前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、
    前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、
    前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段と、
    を備え、
    前記燃料消費制御手段は、
    前記燃料消費量として前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を有し、
    前記環境温度検知手段により検知した前記環境温度に基づいて前記燃料電池の出力を制限する際の上限値である最低制限値を前記環境温度が高くなるにつれて高くなるように設定し、前記燃料温度検知手段により検知した前記燃料の温度に基づいて前記燃料電池の出力の制限を開始すると判定したときに前記燃料の温度が低下するにつれて前記燃料電池の最高出力を前記最低制限値に向けて徐々に制限することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 内部に蓄積した燃料を燃料電池へと供給する高圧タンクと、
    前記高圧タンク内の前記燃料を前記燃料電池へ供給する供給装置と、
    前記燃料電池で消費される燃料消費量を制御する燃料消費制御手段と、
    前記高圧タンクから放出される前記燃料の温度を検知する燃料温度検知手段と、
    前記燃料電池がおかれている環境温度を検知する環境温度検知手段と、
    を備え、
    前記燃料消費制御手段は、
    前記燃料消費量として前記燃料電池への前記燃料の供給量を制御する燃料供給量制御手段を有し、
    前記環境温度検知手段により検知した前記環境温度に基づいて前記燃料の供給量を制限する際の上限値である最低制限値を前記環境温度が高くなるにつれて高くなるように設定し、前記燃料温度検知手段により検知した前記燃料の温度に基づいて前記燃料の供給量の制限を開始すると判定したときに前記燃料の温度が低下するにつれて前記燃料の最大供給量を前記最低制限値に向けて徐々に制限することを特徴とする燃料電池システム。
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