JP5151067B2

JP5151067B2 - 燃料電池システム、燃料電池車

Info

Publication number: JP5151067B2
Application number: JP2006141765A
Authority: JP
Inventors: 成章三木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: JP2007311305A

Description

本発明は、燃料電池システムにおいて空気をフィルタするための技術に関する。

図４は、ある燃料電池システム１０の概略的な構成を示す参考図である。この燃料電池システム１０は、空気取入路１２とＦＣ（燃料電池）３０を備えている。空気取入路１２には、その先端に外部から空気を取り入れる空気吸入口１４が設けられており、空気吸入口１４の下流側にエアクリーナ１６が設けられている。エアクリーナ１６は、空気中の砂や塵などを取り除くための簡易なフィルタである。そして、空気取入路１２においては、エアクリーナ１６の下流に空気をＦＣ３０に供給するためのエアコンプレッサ１８が設けられ、その下流には圧縮された空気を冷却するインタークーラ２０が設けられている。

燃料電池システム１０では、エアコンプレッサ１８が動作することで、空気吸入口１４から空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は、エアクリーナ１６を通過する過程で砂や塵などを取り除かれ、エアコンプレッサ１８で高圧化される。さらに、空気は、インタークーラ２０で冷却されて、ＦＣ３０に供給される。ＦＣ３０では、この空気をカソードに供給し、別途アノードに供給された水素等の燃料ガスと反応させる。そして、この化学反応の過程で、電力が取り出される。

空気中には、非常に小さな粒子が含まれている。下記特許文献１には、燃料電池システムの空気取り入れ流路に、物理的フィルタ及び化学的フィルタを設置する技術が開示されている。下記特許文献２には、化学フィルタにより空気から汚染物質を取り除いて燃料電池に供給する流路と、化学フィルタをバイパスする流路とを設ける技術が記載されている。

なお、下記特許文献３には、燃料電池とディーゼルエンジンとを備えた車両についての技術が記載されている。この燃料電池は改質ガスによって動作するものであり、また、ディーゼルエンジンの排気路には触媒付きのフィルタが設置されている。そして、フィルタの性能が低下した場合には、改質ガスをフィルタに供給し、触媒反応により発熱させることで、フィルタに付着した未燃焼の煤などを燃焼させ、フィルタを再生させている。また、下記特許文献４には、複数の吸気部のうち、ラム圧が高い吸気部から空気を取り入れて、燃料電池に供給する技術が開示されている。

特表２００５−５０２９８８号公報特表２００４−５０８６９３号公報特表２００５−５１６１５４号公報特開２００２−１５１１３０号公報

上記特許文献１，２の技術では、フィルタを設けることで燃料電池システムに濾過済みのきれいな空気を供給する。しかし、フィルタの交換や清掃などを行わない限り、一般にフィルタの除去能力は次第に低下してしまう。

本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、空気中の物質を除去するフィルタの性能低下を防ぐことにある。

本発明の別の目的は、燃料電池システムの運転を継続しながら、フィルタの再生を行うことにある。

本発明の燃料電池システムは、空気中の酸素を消費して発電を行う燃料電池と、燃料電池に空気を供給する空気供給路と、空気供給路に設けられ、空気中に混在した物質を除去し、再生機構によって物質除去能力が再生されるフィルタと、空気供給路においてフィルタの上流側の分流部で分流し、フィルタを通らないように迂回して、フィルタの下流側の合流部で空気供給路に再び合流するバイパス路と、分流部に設けられ、空気供給路を介して燃料電池に供給される空気量のうちバイパス路を通って供給される空気量の割合であるバイパス比を０から１の範囲で調整するバイパス弁と、を備え、バイパス弁は、再生機構によってフィルタが再生されるときはバイパス比を１とし、再生機構によるフィルタの再生が終了したときに、０を超える値にバイパス比を調整してフィルタに通風を行い、その後バイパス比を０とする。

燃料電池は、空気中の酸素を、水素などの燃料ガスと化学反応させ、この過程で電力を取り出す装置である。空気供給路は、この空気を供給するために用いられる流路である。一般に、空気中には、砂や埃などの天然粒子、内燃機関や工場から排出される人工粒子、ＮＯｘやＳＯｘなどの気体など、様々な物質（異物）が混在する。そして、こうした物質は、燃料電池の性能を低下させたり、燃料電池を劣化させたりするおそれがある。そこで、空気供給路にフィルタを設け、空気中に混在する物質の少なくとも一部を取り除くこととした。フィルタは、物理的フィルタであっても、化学的フィルタであってもよい。

再生機構は、フィルタの物質除去能力をある程度または完全に回復させるために設けられている。一般に、フィルタは、除去する物質の付着などにより、次第に物質除去能力を低下させる。この結果、通過させることのできる空気量が減少してしまうこともある。そこで、再生機構によってフィルタを再生することで、このような弊害を緩和しあるいは除去することとした。再生の態様は特に限定されず、フィルタの特性に応じて適宜選択すればよい。再生の態様の例としては、加熱することで付着した微粒子を燃焼させる態様、逆向きの送風をすることで付着した微粒子を吹き飛ばし目詰まりを解消する態様、薬品を用いて付着した微粒子を化学的に除去する態様などを挙げることができる。

この構成によれば、フィルタの性能低下を防ぐことが可能となる。そして、ユーザによるフィルタ交換や清掃などを行うことなく、燃料電池システムを比較的長期間にわたって運転することが可能となる。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、再生機構は、フィルタの加熱によってフィルタに付着した物質を燃焼させてフィルタの物質除去能力を再生し、バイパス弁は、再生機構によるフィルタの加熱が終了したときに、フィルタに通風を行い、フィルタを冷却し、燃えかすを除去する。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、再生機構によるフィルタの再生中に、フィルタから流れ出す空気を燃料電池に供給することなく空気供給路から排気する排気機構を備える。再生中のフィルタに送られた空気は汚れていることが予想される。そこで、この空気を燃料電池に供給せずに排気できるよう排気機構を設けることとした。なお、再生中のフィルタに対しては、通常と同様に空気が送られても良いが、空気の流量を変えたり、空気を流す方向を変えたりしてもよい。また、排気機構は、例えば、フィルタの下流側に排気口（排気路）と切替弁を設け、切替弁を制御することで実現することができる。排気にあたっては送風機を利用してもよい。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、フィルタより下流かつバイパス路の合流部よりも上流において、空気供給路から空気を排気する排気口と、フィルタに送られた空気を排気口から排気させるか、空気供給路の下流側に流すか切り替える切替弁と、を備える。バイパス弁としては、典型的には、フィルタとバイパス路へ送風する空気量を細かく制御できる弁を用いるが、フィルタとバイパス路の一方にのみ空気を流す弁を用いてもよい。また、切替弁としては、典型的には、排気するか否かを択一的に制御する弁を用いるが、排気する空気量を細かく制御できる弁を用いても良い。バイパス弁と切替弁の制御は様々に行うことが可能であり、例えば、燃料電池の発電量、空気供給路に取り入れられた空気量、フィルタの物質除去能力、フィルタの再生状況の少なくとも一つに応じて制御する態様を挙げることができる。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、空気供給路は、前記フィルタの上流側にエアクリーナを備え、前記フィルタは、直径が２．５μｍ以下の粒子状の物質を除去するフィルタである。エアクリーナは、一般的・簡易的なフィルタであり、比較的大きな粒子（例えば１０μｍ、あるいは５０μｍ程度以上）を除去することができるが、これよりも小さな物質の除去には適さない。そこで、直径が２．５μｍ以下の粒子状の物質（の少なくとも一部）を除去できるフィルタを設けることとした。もちろん、フィルタは、２．５μｍ以上の粒子を除去できる能力を備えていてもよい。また、フィルタが除去可能な粒子の下限は、特に限定されるものではない。例えば、数ｎｍ（例えば５ｎｍ）程度の微細な粒子までも除去できる高性能なものであってもよいし、１０ｎｍ、あるいは１００ｎｍ程度を下限とするものであってもよい。

本発明の燃料電池システムの一態様においては、前記フィルタは、ディーゼル微粒子を除去するディーゼル微粒子フィルタである。ディーゼル微粒子は、主として、ディーゼルエンジンからの排気ガスに含まれる微粒子であり、揮発性有機物や硫黄化合物が凝縮した粒子や、固体炭素を主成分とする粒子が含まれる。ディーゼル微粒子は、観測的研究などから、典型的には、数ｎｍ（例えば５ｎｍ）〜３００ｎｍ、特に、３０〜１００ｎｍ程度の粒子が多いと言われる。ディーゼル微粒子フィルタの語は、通常は、ディーゼルエンジンの排気路に設置され、ディーゼル微粒子（の少なくとも一部）を除去するフィルタを指すが、本態様では、このフィルタと実質的に同じ構造をもつフィルタをディーゼル微粒子フィルタと呼んでいる。これにより、空気中に含まれるディーゼル微粒子他の微粒子を除去し、燃料電池にきれいな空気を供給することが可能となる。

本発明の燃料電池車は、前記燃料電池システムを搭載し、燃料電池が発電した電力により駆動される。また、本発明の燃料電池車の一態様においては、燃料電池車の走行によるラム圧を利用して空気供給路への吸気が行われる。一般に、走行方向前方においてラム圧は高くなる。さらに、本発明の燃料電池車の一態様においては、燃料電池車の走行による負圧を利用して、再生中のフィルタに送られた空気が排気される。一般に、負圧は走行方向後方において大きい。また、車両の側面、上面、下面においても負圧を利用できる場合がある。

以下に、本発明の実施形態を例示する。

図１は、本実施形態にかかる燃料電池システム５０の概略的な構成を説明する図である。図においては、図４に示した構成と同様の構成には、同一の番号を付して説明を省略ないしは簡略化する。

燃料電池システム５０では、空気取入路１２において、エアクリーナ１６とエアコンプレッサ１８の間に、上流側から順に、バイパス弁５２と、ＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ；微粒子）フィルタ５４と、切替弁５６が設けられている。そして、バイパス弁５２からは、バイパス路５８が伸びており、バイパス路５８は、切替弁５６とエアコンプレッサ１８の間で、空気取入路１２に合流している。また、切替弁５６からは排気路６０が伸びており、排気路６０の他端には外部に空気を放出する排気口６２が設けられている。

ＰＭフィルタ５４の上流と下流には、それぞれ、圧力センサ６４，６６が設けられている。そして、圧力センサ６４，６６の出力は、コンピュータ機能を備えた制御部７０に入力されている。また、ＰＭフィルタ５４の下流には、流速計６８も設けられており、制御部７０に測定値が入力されている。制御部７０は、測定された圧力や流速などに基づいて、バイパス弁５２や切替弁５６を制御する。さらに、ＰＭフィルタ５４には加熱器７２が設けられており、制御部７０からの制御に基づいてＰＭフィルタ５４を加熱する。加熱器７２は、例えば、電気抵抗による発熱を利用するものであってもよいし、燃料ガス（水素など）の触媒酸化による反応熱を利用するものであってもよい。

バイパス弁５２は、空気取入路１２の上流から流れてくる空気を、どの程度下流側に流し、どの程度バイパス路５８に流すか調整する弁である。また、ＰＭフィルタ５４は、主としてＰＭと呼ばれる数μｍ以下の微粒子を除去するためのフィルタである。特に、ディーゼルエンジンから排出されるＰＭは、ＤＰＭ（ディーゼル微粒子）と呼ばれ、燃え残り燃料、オイル、硫黄化合物などを含むため、ＦＣ３０の発電機能の低下を招いたり、ＦＣ３０内でＰＭが低下することによる流路の閉塞や圧力損失を招いたりするおそれがある。しかし、ＰＭは、その小ささゆえに、エアクリーナ１６では除去することができない。そこで、ＰＭフィルタ５４を設置してＰＭを除去することとした。なお、ＰＭフィルタ５４には、ＤＰＭ以外のＮＯｘやＳＯｘなどの気体成分や、微少な砂や埃成分などを取り除くことも期待できる。

ＰＭフィルタ５４は、除去した物質が付着することで、徐々にフィルタ機能を低下させる。そこで、フィルタ機能が低下した場合には、加熱器７２を用いてＰＭフィルタ５４を加熱し、付着した物質を燃焼させて、フィルタ機能を再生させる処理が行われる。

切替弁５６は、ＰＭフィルタ５４から流れてくる空気を空気取入路１２の下流に流すか、排気路６０の側に流すかを制御する弁である。ＰＭフィルタ５４の再生が行われる場合には、ＰＭフィルタ５４からの空気を排気路６０の側を開き、燃えかすを排気口６２から排気する。

続いて、図２のフローチャートを用いて、燃料電池システム５０における制御について説明する。通常の運転状態では、切替弁５６はＯＦＦに設定される。ここで、切替弁５６がＯＦＦとは、空気を全てＦＣ側に流し、排気路６０へは流さない設定をいう。また、バイパス弁は、バイパス比を０に設定される。バイパス比とは、エアクリーナ１６を通過した全流量に対するバイパス路５８に流す流量の比であり、バイパス比が０とは、バイパス路５８には空気が流されず、全ての空気がＰＭフィルタ５４の側に流されることを示している（Ｓ１０）。

制御部７０では、圧力センサ６４，６６の測定結果から、圧力差ΔＰを定期的に計算する。ここで、ΔＰは、「ΔＰ≡（ＰＭフィルタ５４の上流側圧力）−（ＰＭフィルタ５４の下流側圧力）」で定義される。一般に、ＰＭフィルタ５４が目詰まりを起こすと、ΔＰの値が大きくなる。そこで、制御部７０では、ΔＰを規定値と比べて目詰まりの度合いを判定する（Ｓ１２）。ただし、ΔＰの値は、空気の流れが速いほど大きくなる。そこで、制御部７０には、流速計６８で測定された速度毎に規定値が用意されている。

ΔＰが規定値よりも小さいと判定された場合には、ステップＳ１０の設定が維持される。他方、ΔＰが規定値よりも大きいと判定された場合には、ＰＭフィルタ５４の再生処理が行われる。すなわち、切替弁がＯＮに設定され、ＰＭフィルタ５４を通過した空気は全て排気路６０の側に流される。また、バイパス比が１に設定され、基本的に全ての空気がＰＭフィルタ５４側ではなく、バイパス路５８の側に流される（Ｓ１４）。この状態においては、ＦＣ３０にはバイパス路５８を通じて空気が流され続けるため、発電を停止することなくＰＭフィルタ５４の再生を行うことが可能となる。

続いて制御部７０は、加熱器７２を動作させる（Ｓ１６）。これにより、ＰＭフィルタ５４が加熱され、付着していた物質が燃焼される。そして、制御部７０は、適当な時間間隔で、加熱終了条件の判定を繰り返す（Ｓ１８）。加熱終了条件は、様々に設定可能であり、例えば、加熱が所定の時間行われたか否かの条件とすることができる。また、バイパス比を所定の値にまで高めた時の圧力差に基づいて加熱終了条件を設定してもよい。

加熱終了条件を満たすまでの間は、ＰＭフィルタの加熱が継続される。他方、加熱終了条件を満たした場合には、制御部７０は、加熱器７２の動作を停止し、さらに切替弁のＯＦＦとバイパス比０の設定を行い、通常の運転を再開する（Ｓ１０）。ただし、加熱器７２を停止した直後は、ＰＭフィルタ５４は、高温化しており、また、燃えかすを含んでいる。そこで、制御部７０は、切替弁のＯＦＦに先だって、まず、バイパス比を高め、ＰＭフィルタ５４に通風を行う。これにより、ＰＭフィルタ５４の低温化と、燃えかすの除去が行われる。

次に、図３を用いて、燃料電池システム５０を車両に搭載する例について説明する。図３に示した燃料電池車８０は、図１，２で説明した燃料電池システム５０を搭載する車両である。燃料電池車８０では、ＦＣ３０から電力供給を受けて、モータ８２が駆動される。そして、この回転動力が車輪８４に伝えられることで、燃料電池車８０の走行が行われる。

燃料電池車８０は、図の左側が前側であり、通常走行時には、図の右側から左側へと走行する。そして、燃料電池システム５０の空気吸入口１４は、燃料電池車８０の前側に設けられ、排気口６２は、燃料電池車８０の後側に設けられている。したがって、通常走行時には、エアコンプレッサ１８の作用のみならず、走行にともなうラム圧を利用して、空気の吸入が行われる。さらに、ＰＭフィルタ５４を再生する際には、走行にともなう負圧を利用して、排気口６２からの排気が行われる。

以上に説明した燃料電池システム５０の構成や制御は、様々に変更することが可能である。例えば、上記説明では、ＰＭフィルタ５４の再生中には、バイパス路５８に空気を流してＦＣ３０の発電を継続する態様について示したが、ＰＭフィルタ５４の再生中にＦＣ３０の発電を停止することも可能である。この態様は、ＰＭフィルタ５４を迂回した汚れた空気をＦＣ３０に入れたくない場合に有効である。特に、燃料電池システム５０を搭載した燃料電池車８０などの装置が、バッテリなどの代替電源や、エンジンなどの代替動力源を備える場合には、ＦＣ３０を停止する間にもこれらの代替電源や代替動力源を用いて運転を継続できるため、格段の弊害を招くこともない。

エアコンプレッサ１８の設置位置を変更することも有効である。図１に示した態様では、排気口６２からの排気にエアコンプレッサ１８の動力を利用することができない。そこで、バイパス弁５２よりも上流側にエアコンプレッサ１８を設置することが考えられる。これにより、燃料電池システム５０を搭載した燃料電池車８０などの装置が動いていない場合にも、排気口６２から燃えかすを含む空気を強制排気することが可能になる。

また、ＰＭフィルタ５４を再生していない場合に、バイパス弁５２を開くことも有効である。例えば、ＦＣ３０に大量の空気を送り込む必要がある場合や、ＰＭフィルタ５４がやや目詰まりを起こした場合に、バイパス比を０より大きく１より小さい適当な値に設定することで、エアコンプレッサ１８での消費エネルギを増大させることなく、ＦＣ３０に供給する空気量を簡易に増大させることができる。

ＰＭフィルタ５４に設けた加熱器７２は、ＰＭフィルタ５４の再生以外にも利用することができる。一般に、ＦＣ３０の性能を十分に引き出すためには、ある程度加温された空気を供給する必要がある。そこで、低温時には、加熱器７２を動作させて、空気を高温化することが有効となる。これにより、特に、燃料電池システム５０の低温始動時の始動時間を短縮できる利点が生じる。

燃料電池システムの概略的な構成を説明する図である。燃料電池システムの制御の流れを説明するフローチャートである。燃料電池システムを搭載した燃料電池車の例を示す図である。参考となる燃料電池システムの構成を説明する図である。

符号の説明

１０燃料電池システム、１２空気取入路、１４空気吸入口、１６エアクリーナ、１８エアコンプレッサ、２０インタークーラ、３０ＦＣ、５０燃料電池システム、５２バイパス弁、５４ＰＭフィルタ、５６切替弁、５８バイパス路、６０排気路、６２排気口、６４，６６圧力センサ、６８流速計、７０制御部、７２加熱器、８０燃料電池車、８２モータ、８４車輪。

Claims

空気中の酸素を消費して発電を行う燃料電池と、
燃料電池に空気を供給する空気供給路と、
空気供給路に設けられ、空気中に混在した物質を除去し、再生機構によって物質除去能力が再生されるフィルタと、
空気供給路においてフィルタの上流側の分流部で分流し、フィルタを通らないように迂回して、フィルタの下流側の合流部で空気供給路に再び合流するバイパス路と、
分流部に設けられ、空気供給路を介して燃料電池に供給される空気量のうちバイパス路を通って供給される空気量の割合であるバイパス比を０から１の範囲で調整するバイパス弁と、
を備え、
バイパス弁は、
再生機構によってフィルタが再生されるときはバイパス比を１とし、
再生機構によるフィルタの再生が終了したときに、０を超える値にバイパス比を調整してフィルタに通風を行い、
その後バイパス比を０とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
再生機構は、フィルタの加熱によってフィルタに付着した物質を燃焼させてフィルタの物質除去能力を再生し、
バイパス弁は、
再生機構によるフィルタの加熱が終了したときに、フィルタに通風を行い、フィルタを冷却し、燃えかすを除去する燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
再生機構によるフィルタの再生中に、フィルタから流れ出す空気を燃料電池に供給することなく空気供給路から排気する排気機構を備える燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
フィルタより下流かつバイパス路の合流部よりも上流において、空気供給路から空気を排気する排気口と、
フィルタに送られた空気を排気口から排気させるか、空気供給路の下流側に流すか切り替える切替弁と、
を備える燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
空気供給路は、前記フィルタの上流側にエアクリーナを備え、
前記フィルタは、直径が２．５μｍ以下の粒子状の物質を除去するフィルタである燃料電池システム。
請求項１または５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記フィルタは、ディーゼル微粒子を除去するディーゼル微粒子フィルタである燃料電池システム。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載し、燃料電池が発電した電力により駆動される燃料電池車。
請求項７に記載の燃料電池車において、
燃料電池車の走行によるラム圧を利用して空気供給路への吸気が行われる燃料電池車。
請求項３または４に記載の燃料電池システムを搭載し、
燃料電池が発電した電力により駆動される燃料電池車であって、
燃料電池車の走行による負圧を利用して、再生中のフィルタに送られた空気が排気される燃料電池車。