JP5092418B2

JP5092418B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5092418B2
Application number: JP2007011320A
Authority: JP
Inventors: 卓睦手塚; 善仁菅野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-22
Filing date: 2007-01-22
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2027-01-22
Also published as: JP2008177116A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特開平９−３１２１６７号公報には、燃料電池のアノード（燃料極）から排出されるアノードオフガス（燃料極排出ガス）を、制御弁（バルブ手段）を有する導入通路（閉ライン）を介してカソード（空気極）に導入するようにしたシステムが開示されている。このようなシステムによれば、水素ガス（燃料ガス）を含む排気ガスを外気に放出しないようにすることができる。このため、排気ガスを希釈する希釈器が不要となるなどの利点がある。

特開平９−３１２１６７号公報特許第２５４１２８８号公報

上記のシステムにおいては、アノードオフガス中の水素は、カソード内で燃焼処理される。このため、カソード内に過剰な量の水素が流入すると、燃料電池の温度が高くなり過ぎてしまう。このような事態を回避するため、導入通路に設けられた制御弁の開度を制御することによって、過剰な量の水素がカソードに流入しないようにすることが必要である。しかしながら、制御弁が開故障した場合を想定すると、過剰な量の水素がカソードに流入するおそれがある。上記公報に記載されたシステムでは、このような問題について考慮されていないため、制御弁の故障時に対応できないという課題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アノードオフガスをカソードに導入する導入通路の導通状態を制御する制御弁に故障が発生した場合に、その故障を確実に検知することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記カソードに導入する導入通路と、
前記導入通路の導通状態を制御する制御弁と、
前記カソードに流入するガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
前記制御弁に対して出されている指令の内容と、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガス濃度とに基づいて、前記制御弁の故障を検知する弁故障検知手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
アノード圧力がカソード圧力より高いことを検知する検知手段を更に備え、
前記弁故障検知手段は、アノード圧力がカソード圧力より高いことが検知されており、かつ前記制御弁に対し閉指令が出されている場合において、前記検出された燃料ガス濃度が所定値より大きい場合には、前記制御弁が開故障していると判定する手段を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
アノード圧力およびカソード圧力を調整する圧力調整手段と、
前記弁故障検知手段により前記制御弁の開故障が検知された場合に、アノード圧力とカソード圧力との差圧を縮小させることにより、前記導入通路を通って前記カソードに流入するアノードオフガスの流量を抑制する流量抑制手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、アノードから排出されるアノードオフガスをカソードに導入する導入通路と、その導入通路の導通状態を制御する制御弁とを備えた燃料電池システムにおいて、カソードに流入するガスに含まれる燃料ガスの濃度の検出値と、制御弁に対して出されている指令の内容とに基づいて、制御弁の故障を正確に検知することができる。これにより、制御弁に故障が生じた場合には、適切な対策を迅速にとることができる。よって、例えば、燃料電池の温度が異常に上昇するなどの事態を回避することができ、燃料電池を確実に保護することができるとともに、高い安全性が得られる。

第２の発明によれば、アノード圧力がカソード圧力より高いことが検知されており、かつ制御弁に対し閉指令が出されている場合において、カソードに流入するガスに含まれる燃料ガス濃度が所定値より大きい場合には、制御弁が開故障していると判定することができる。これにより、制御弁が開故障した場合、そのことを確実に検知することができる。

第３の発明によれば、制御弁の開故障が検知された場合に、アノード圧力とカソード圧力との差圧を縮小させることにより、導入通路を通ってカソードに流入するアノードオフガスの流量を抑制することができる。これにより、制御弁が開故障した場合であっても、アノードからカソードへの燃料ガスの流入量を低減することができる。このため、カソードでの燃焼による発熱を抑制することができ、燃料電池の温度が上がり過ぎることを確実に回避することができる。つまり、燃料電池を確実に保護することができ、安全を確保することができる。更に、制御弁が開故障した後も、ある程度の発電量を確保しながら、燃料電池システムの運転を安全に継続することができる。

実施の形態１．
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、例えば燃料電池自動車に搭載されるものである。燃料電池システム１０は燃料電池１２を備えている。本実施形態において、燃料電池１２は、固体高分子分離膜を備えた燃料電池であり、２つの燃料電池スタック１２ａ，１２ｂから構成されている。

各スタック１２ａ，１２ｂは、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成される単位セルを複数積層して構成される。各スタック１２ａ，１２ｂは、それぞれ、例えば２００個程度の単位セルを備えている。

単位セルに設けられた電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されており、触媒層、拡散層を備えている。また、セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。隣接する単位セル同士は、一方のセルのアノードと他方のセルのカソードがセパレータを介して対向した状態で積層されている。

図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４およびカソードガス流路１６が接続されている。アノードガス流路１４には、例えば高圧水素タンクなどの水素供給源から、燃料ガス（アノードガス）としての水素ガス（水素リッチガス）が供給される。その水素ガスは、各スタック１２ａ，１２ｂ内のアノードへと送られる。

アノードガス流路１４の途中には、水素供給源側から順に、元弁１８と、水素調圧弁２０と、水素入口弁２２とが設けられている。水素調圧弁２０は、燃料電池１２の入口におけるアノードガスの圧力を、要求される適正圧力に調圧するものである。

カソードガス流路１６には、エアコンプレッサ２４が設けられている。このエアコンプレッサ２４により、酸素を含む酸化ガスとしてのカソードガス（空気）が、各スタック１２ａ，１２ｂ内のカソードへと送られる。

なお、燃料電池１２の各単位セルには、冷却液が循環している。これにより、発電に伴う燃料電池１２の過度な温度上昇が抑えられ、燃料電池１２の温度が最適値に設定される。

アノードガス流路１４を通って供給されたアノードガスは、各スタック１２ａ，１２ｂの各単位セルのアノードに送られる。同様に、カソードガス流路１６を通って供給されたカソードガスは、各スタック１２ａ，１２ｂの各単位セルのカソードに送られる。

燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンが生成する（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。一方、カソードでは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて、排出される。

各単位セルのアノードで反応した後のガスは、アノードオフガスとして、アノードオフガス流路２６に送られる。アノードオフガス流路２６には、水素ポンプ２８が設けられている。アノードオフガスは、水素ポンプ２８の駆動により、再びアノードガス流路１４へと戻される。アノードガス流路１４に戻されたアノードオフガスは、水素供給源からの水素の補充を受けて、再度燃料電池１２へ送られる。アノードオフガスを燃料電池１２に送ることで、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素を燃料電池１２内で反応させることができ、水素の利用効率を高めることができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量は、水素調圧弁２０や水素ポンプ２８により制御することができる。

一方、各単位セルのカソードで反応した後のガスは、カソードオフガスとして、カソードオフガス流路３０に送られる。カソードオフガスは、カソードオフガス流路３０を通って、外部へと排出される。カソードオフガス流路３０には、カソードオフガスの圧力を調整するエア調圧弁３２が設けられている。エア調圧弁３２によれば、燃料電池１２から排出されるカソードオフガスの圧力を制御することができる。また、燃料電池１２に送られるカソードガスの流量は、エアコンプレッサ２４やエア調圧弁３２により制御することができる。

また、カソードガス流路１６とカソードオフガス流路３０との間には、加湿モジュール３４が設けられている。加湿モジュール３４は、カソードオフガスに含まれる水分、つまり燃料電池１２内で生成された水分を吸収し、その吸収した水分によりカソードガス流路１６中のカソードガスを加湿する機能を有している。

アノードオフガス流路２６には、圧力センサ３６が設置されている。この圧力センサ３６によれば、アノード出口圧力を検出することができる。また、カソードガス流路１６には、圧力センサ３８が設置されている。この圧力センサ３８によれば、カソード入口圧力を検出することができる。

また、本実施形態のシステムは、アノードオフガス流路２６と、カソードガス流路１６とを接続する導入通路４０を備えている。本実施形態では、アノードオフガス流路２６から取り出したアノードオフガスを、この導入通路４０を通してカソードガス流路１６に流入させ、燃料電池１２のカソードに導入することができる。

導入通路４０の途中には、制御弁４２と、凝縮器４４とが設置されている。制御弁４２の開度（導通状態）を制御することにより、導入通路４０を通ってカソードに導入されるアノードオフガスの量を制御することができる。また、凝縮器４４によれば、アノードオフガス中の水分を捕集することができる。

カソードガス流路１６と導入通路４０との合流部分より下流側のカソードガス流路１６には、水素濃度センサ４６が設置されている。水素濃度センサ４６によれば、燃料電池１２のカソードに流入するガスに含まれる水素の濃度を検出することができる。

本実施形態のシステムは、更に、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、システムの運転状態を把握すべく、燃料電池１２の出力（電圧値、電流値）、冷却水温などを検出するための各種センサ（図示せず）が接続されている。また、ＥＣＵ５０には、上述したアノード圧力センサ３６、カソード圧力センサ３８、水素濃度センサ４６等の各種センサや、水素調圧弁２０、エア調圧弁３２等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、燃料電池１２の出力、各ガスの圧力、各ガスの流量などを制御することで、燃料電池１２を所望の運転状態で運転することができる。

[実施の形態１における動作]
アノードオフガス中には、燃料電池１２内で反応しなかった未反応の水素（残留水素）が含まれている。本実施形態のシステム構成によれば、アノード出口圧力をカソード入口圧力より高くするとともに、制御弁４２を開くことにより、アノードオフガスを、導入通路４０を通して、カソードガスとともに、カソードへ送ることができる。その場合、カソードに担持された触媒の作用により、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素とカソードガス中の酸素とが反応し、水が生成される。

このようにして、本システムによれば、アノードオフガスに含まれる残留水素をカソード内で燃焼処理することができ、外部への水素の放出を回避することができる。このため、排気ガスの水素濃度を低下させるための希釈器などが不要となり、装置の小型化やコスト低減が図れ、また、安全性にも優れる。

カソード内で燃焼処理される残留水素の量が多いと、燃料電池１２の温度が上昇し易くなる。一方、燃料電池１２の温度が上昇し過ぎることは、好ましくない。そこで、ＥＣＵ５０は、カソードへのアノードオフガスの導入タイミングや導入量を、制御弁４２の開度を調整して制御することにより、燃料電池１２の温度が上昇し過ぎるのを防止している。

しかしながら、制御弁４２が故障のために開状態で固着した場合（以下「開故障」という）には、カソードへのアノードオフガスの導入量が多くなり過ぎ、その結果、燃料電池１２の温度が異常に上昇するおそれがある。このため、制御弁４２の開故障が発生した場合には、そのことを確実に検知して、適切な対策をとる必要がある。

そこで、本実施形態では、燃料電池１２のカソードの入口に設置された水素濃度センサ４６を用いて、制御弁４２の開故障を検知することとした。具体的には、まず、制御弁４２に対して閉指令（開度をゼロとする指令）が出されており、かつ、アノード出口圧力がカソード入口圧力より高いことを確認する。それらのことが確認された場合、制御弁４２がＥＣＵ５０からの指令通りに閉じていれば、アノードオフガスがカソードの入口に流入することはなく、よって、カソード入口の水素濃度センサ４６で水素が検知されることはない。

これに対し、制御弁４２が開故障していた場合には、アノードオフガスが導入通路４０を通ってカソード入口に流入するので、水素濃度センサ４６で水素が検知されることとなる。また、上記の状況において、水素濃度センサ４６で水素が検知された場合には、原理的に、制御弁４２が開故障しているとしか考えられない。従って、水素濃度センサ４６の検出値により、制御弁４２の開故障の有無を正確に検知することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図２は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンによれば、まず、制御弁４２に対する指令が閉指令であるか否かが判別される（ステップ１００）。制御弁４２に対し閉指令が出されている場合には、次に、圧力センサ３６により検出されるアノード出口圧力が、圧力センサ３８により検出されるカソード入口圧力より高いか否かが判別される（ステップ１０２）。

上記ステップ１０２で、アノード出口圧力がカソード入口圧力より高いと判別された場合には、次に、水素濃度センサ４６により検出される、カソード入口の水素濃度が所定値より高いか否かが判別される（ステップ１０４）。その結果、カソード入口の水素濃度が所定値より高かった場合には、カソード入口に水素が流入している、つまり、制御弁４２がＥＣＵ５０からの指令に反して開いていると判断できる。そこで、この場合には、制御弁４２が開故障していると判定される（ステップ１０６）。

一方、上記ステップ１０４において、カソード入口の水素濃度が所定値より低かった場合には、カソード入口に水素は流入していない、つまり、制御弁４２はＥＣＵ５０からの指令通りに閉じていると判断できる。すなわち、制御弁４２は正常であり、開故障は発生していないと判断できる。この場合には、ステップ１００以下の処理が再度実行される。

以上説明した図２に示すルーチンの処理によれば、制御弁４２が開故障した場合、そのことを確実に検知することができる。

（制御弁４２の開故障が検知された後の処理）
制御弁４２の開故障が検知された場合、本実施形態では、次のような処理を実施する。まず、アノード出口圧力とカソード入口圧力との差圧を小さくするべく、水素調圧弁２０やエア調圧弁３２を制御する。これにより、導入通路４０を流れるアノードオフガスの流量を少なくすることができる。更に、カソードに流入するガスの水素濃度が所定値以下となるようにエアコンプレッサ２４を駆動し、エア流量を制御する。

上述した処理によれば、制御弁４２が開故障状態になっていても、アノードからカソードへの水素の流入量を低減することができる。このため、燃料電池１２の温度が上がり過ぎることを確実に回避することができるので、燃料電池１２を保護することができ、安全を確保することができる。また、制御弁４２が開故障した後も、ある程度の発電量を確保しながら、燃料電池システム１０の運転を安全に継続することができる。このため、車両の走行能力（退避走行能力）を確保することができる。

なお、制御弁４２の開故障が検知された場合の処理は、上述の処理に限定されるものではなく、例えば、水素の元弁１８を閉じて、燃料電池システム１０の運転を停止するようにしてもよい。

上述した実施の形態１では、制御弁４２の開故障を検知する方法について説明したが、次のようにすれば、制御弁４２の閉故障（閉状態での固着）を検知することもできる。まず、制御弁４２に対して開指令が出されており、かつ、アノード出口圧力がカソード入口圧力より高いことを確認する。この場合、制御弁４２がＥＣＵ５０からの指令通りに開いていれば、アノードオフガスがカソードの入口に流入することにより、水素濃度センサ４６で水素が検知される。これに対し、制御弁４２が閉故障しているとすると、アノードオフガスがカソード入口に流入しないので、水素濃度センサ４６で水素は検知されない。従って、上記の状況において、水素濃度センサ４６によって水素が検知されなかった場合には、制御弁４２が閉故障していると判定することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、システム停止時に、エアコンプレッサ２４によって送られる掃気エアを、導入通路４０を介して燃料電池１２のアノードに導入することにより、アノード内に残留した水素を掃気するようにしてもよい。

なお、上述した実施の形態１においては、水素濃度センサ４６が前記第１の発明における「燃料ガス濃度検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０４および１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「弁故障検知手段」および前記第２の発明における「判定する手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第２の発明における「検知手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
１４アノードガス流路
１６カソードガス流路
１８元弁
２０水素調圧弁
２２水素入口弁
２４エアコンプレッサ
２６アノードオフガス流路
３０カソードオフガス流路
３２エア調圧弁
４０導入通路
４２制御弁
４４凝縮器
４６水素濃度センサ
５０ＥＣＵ

Claims

アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに酸化剤ガスの供給を受けることにより、発電する燃料電池と、
前記アノードから排出されるアノードオフガスを前記カソードに導入する導入通路と、
前記導入通路の導通状態を制御する制御弁と、
前記カソードに流入するガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
アノード出口圧力がカソード入口圧力より高いことを検知する検知手段と、
アノード出口圧力およびカソード入口圧力を調整する圧力調整手段と、
アノード出口圧力がカソード入口圧力より高いことが検知されており、かつ前記制御弁に対し閉指令が出されている場合において、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガス濃度が所定値より大きい場合には、前記制御弁が開故障していると判定する弁故障検知手段と、
前記弁故障検知手段により前記制御弁が開故障していると判定された場合に、アノード出口圧力とカソード入口圧力との差圧を縮小させることにより、前記導入通路を通って前記カソードに流入するアノードオフガスの流量を抑制する流量抑制手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。