JP5389090B2

JP5389090B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5389090B2
Application number: JP2011080177A
Authority: JP
Inventors: 竜也菅原; 知樹小林; 幹浩鈴木; 卓磨金沢; 拓也若林; 勇人加地
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: US20120251900A1; JP2012216380A; CN102738486A; DE102012205129A1

Description

本発明は、燃料電池の排気からエネルギーを回収するエキスパンダを備えた燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸化剤供給路及び酸化剤排出路間に、燃料電池から酸化剤排出路に排出されるオフガス中の水分を用いて、酸化剤供給路から燃料電池に供給される空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器を備えた構成が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された燃料電池システムでは、酸化剤供給路又は酸化剤排出路側に、加湿器をバイパスするバイパス路とバイパス路の開度を調節する流量調節弁とを備えて、バイパス路に側に流れるガスの流量を変更することにより、燃料電池の発電量に応じて、酸化剤供給路から燃料電池に供給される空気の加湿の程度を制御している。

特開２００５−１５８３５４号公報

一方、燃料電池システムにおいては、燃料電池から酸化剤排出路に排出されるオフガスにより駆動される酸化剤供給路側のコンプレッサと同軸のエキスパンダを設けて、オフガスのエネルギーを回収する構成が提案されている。そして、上述した特許文献１記載の加湿器を備えた燃料電池システムにおいても、エキスパンダを設けることで、オフガスのエネルギーを有効に活用することが考えられる。

そこで、本発明は、加湿器でのオフガスによる加湿と、エキスパンダによるオフガスからのエネルギー回収とを両立させて、効率良く行う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。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極からオフガスが排出される酸化剤排出路と、前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続されて、オフガス中の水分により酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサとを備えた燃料電池システムの改良に関する。

そして、前記酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動され、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと、前記酸化剤排出路において、前記加湿器をバイパスするバイパス路と、カソード極から前記酸化剤排出路に排出されるオフガスの流量に対する、前記バイパス路を流れるオフガスの流量の大小の割合であるバイパス比を変更するバイパス比変更部と、前記燃料電池の出力に応じて変化する燃料電池パラメータを検出する燃料電池パラメータ検出部と、前記燃料電池出力パラメータの検出値に応じて、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を変更するバイパス制御部とを備えており、前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときの前記バイパス比が、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲から逸脱していることを示すものであるときの前記バイパス比よりも大きくなるように定められた特性で、前記燃料電池出力パラメータの検出値に応じて、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を変更することを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記燃料電池出力パラメータの検出値により示される前記燃料電池の出力に応じて、前記バイパス比を変更する。より詳しくは、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときの前記バイパス比が、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲から逸脱していることを示すものであるときの前記バイパス比よりも大きくなるように定められた特性で、前記燃料電池出力パラメータの検出値に応じて、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を変更する。これにより、前記加湿器による前記酸化剤ガスの加湿の程度と、前記エキスパンダによるオフガスからのエネルギーの回収量とを効率良く両立させて、前記燃料電池システムを作動させることができる。

また、第１発明において、前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときには、前記バイパス比変更部により、前記バイパス比をゼロを超える一定値とすることを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記燃料電池の出力が前記出力範囲内であるときに、前記バイパス比を一定として前記バイパス路にオフガスを流通させることにより、前記加湿器での酸化剤ガスの加湿の程度と、前記エキスパンダでのオフガスからのエネルギー回収率とを、一定レベル以上に容易に確保することができる。

また、第１発明において、前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときには、前記燃料電池出力パラメータの検出値により認識される前記燃料電池の出力が大きいほど、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を小さくすることを特徴とする（第３発明）。

第３発明によれば、前記燃料電池の出力が前記低中出力範囲内であるときに、前記燃料電池の出力が大きいほど、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を小さくすることにより、前記加湿器での酸化剤ガスの加湿を前記燃料電池の発電量に応じたものとしつつ、前記燃料電池の出力増に伴うオフガスの流量増により、前記エキスパンダでのオフガスからのエネルギー回収量の減少を抑制することができる。

また、第２発明又は第３発明において、前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が前記下限レベル未満であることを示すものであるときには、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を第１所定値以下にすることを特徴とする（第４発明）。

第４発明によれば、前記燃料電池の出力が前記下限レベル以下であって、オフガスの流量が少ないときには、前記エキスパンダでオフガスから回収されるエネルギーが小さくなり、エネルギー回収によるメリットが減少する。そこで、この場合には、前記バイパス比を前記第１所定値以下にして前記バイパス路のオフガスの流通量を微小なものとすることにより、前記加湿器での酸化剤ガスの加湿を優先した適切なバランスで両立させることができる。

また、第２発明から第４発明のいずれかにおいて、前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が前記上限レベルを超えていることを示すものであるときには、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を第２所定値以下にすることを特徴とする（第５発明）。

第５発明によれば、前記燃料電池の出力が前記上限レベル以上であって、オフガスの流量が多いときには、前記加湿器内を流通したオフガスからでも、前記エキスパンダにより十分なエネルギーを回収することができる。そこで、この場合には、前記バイパス比を前記第２所定値以下にして前記バイパス路のオフガスの流通量を微小なものとすることにより、前記加湿器での酸化剤ガスの加湿を優先した適切なバランスで両立させることができる。

本発明の燃料電池システムの構成図。燃料電池の出力に応じてバイパス比を設定する処理のフローチャート。加湿器をバイパスさせてオフガスをエキスパンダに供給することによるエネルギーの回収率向上の説明図。

本発明の実施形態の一例について、図１〜図３を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車に搭載されるものであり、燃料電池１０、燃料電池１０のカソード極（空気極）に接続されて空気（酸化剤ガス）を供給する酸化剤供給路１１、燃料電池１０のカソード極に接続されて反応後のオフガスが排出される酸化剤排出路１２、燃料電池１０のアノード極に接続されて水素（燃料ガス）を供給する燃料供給路１３、図示しない水素ガスタンクからの水素を燃料供給路１３に送出するイジェクタ５０、及び、燃料電池１０のアノード極に接続されて残留水素を水素供給路１３に戻す燃料ガス排出路１４を備えている。

また、燃料電池システムは、酸化剤供給路１１に空気を送出するコンプレッサ４０を駆動するモータ４１、コンプレッサ４０と同軸でモータ４１に連結され、酸化剤排出路１２を流通するオフガスによりタービン（図示しない）が回転するエキスパンダ４２、酸化剤供給路１１及び酸化剤排出路１２の途中に架け渡されて接続された加湿器３０、加湿器３０をバイパスして、加湿器３０の上流側と下流側の酸化剤排出路１２を連通するバイパス路２０、バイパス路２０の開度を変更する流量調節弁２１（本発明のバイパス比変更部に相当する）、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１５、及び、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１６を備えている。

加湿器３０は、例えば、中空糸膜や平膜等の流体中の水分のみを移動させる構成を備えており、酸化剤排出路１２を流通するオフガス中の水分を用いて、酸化剤供給路１１を流通する空気を加湿する。エキスパンダ４２のタービンは、酸化剤排出路１２を流通するオフガスにより回動され、モータ４１の駆動軸を介して駆動力をコンプレッサ４０に伝達することにより、オフガスのエネルギーを回収する。

さらに、燃料電池システムは、燃料電池システムの全体的な作動を制御するコントローラ６０を備え、電圧センサ１５の電圧検出信号と電圧センサ１６の電流検出信号が、コントローラ６０に入力される。また、コントローラ６０から出力される制御信号により、流量調節弁２１とモータ４１の作動が制御される。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、メモリに保持された燃料電池システム用の制御プログラムをＣＰＵで実行することにより、燃料電池システムの作動を制御する機能を果す。

また、コントローラ６０は、燃料電池システムの作動を制御する機能の一部であって、燃料電池１０の出力に応じて、燃料電池１０のカソード極から酸化剤排出路１２に排出されるオフガスの総流量Ｆaに対する、バイパス路２０側に流通するオフガスの流量Ｆbの大小の割合であるバイパス比ＢR（ＢR＝Ｆb／Ｆa）を制御するバイパス制御部６１として機能する。

ここで、バイパス比ＢRを大きくして、加湿器３０側を流通するオフガスの流量Ｆcを減少させると、加湿器３０におけるオフガスのエネルギー損失（放熱、圧損）が減少するため、エキスパンダ４２におけるオフガスからのエネルギー回収量を増加させることができるが、加湿器３０における加湿量が減少する。

一方、バイパス比ＢRを小さくして、加湿器３０側を流通するオフガスの流量を増加させると、加湿器３０における空気の加湿量が増加するが、加湿器３０におけるオフガスのエネルギー損失が増大するため、エキスパンダ４２におけるオフガスからのエネルギー回収量が減少する。

また、燃料電池１０の発電を良好に行うためには、燃料電池１０の固体電解質膜の導電性を高めるために、燃料電池１０の出力に応じた空気の加湿を行う必要があるが、加湿が過剰になると、酸化剤供給路１１に滞留する水により空気の供給が妨げられて、燃料電池１０の出力が低下するおそれがある。

そこで、バイパス制御部６１は、燃料電池１０の出力に応じて、流量調節弁２１によりバイパス比ＢRを制御することによって、加湿器３０における空気の加湿の程度と、エキスパンダ４２におけるオフガスからのエネルギーの回収量とを、バランスを考慮して効率良く両立させる処理を行う。以下、図２に示したフローチャートに従って、この処理について説明する。

バイパス制御部６１は、燃料電池１０が発電運転を行なっているときに、図２に示したフローチャートを繰り返し実行してバイパス比ＢRを設定する。ＳＴＥＰ１で、バイパス制御部６１は、電圧センサ１５の電圧検出信号及び電流センサ１６の電流検出信号から、燃料電池１０の出力電圧Ｖfcと出力電流Ｉfcを検出する。

続くＳＴＥＰ２で、バイパス制御部６１は、燃料電池１０の出力電力Ｐfc（Ｐfc＝Ｖfc×Ｉfc）が、下限レベルＰfc_Ｌo_lmtから上限レベルＰfc_Ｈi_lmtまでの出力範囲内（Ｐfc_Ｌo_lmt≦Ｐfc≦Ｐfc_Ｈi_lmt）であるか否かを判断する。

なお、燃料電池１０の出力電力Ｐfcは、本発明の燃料電池出力パラメータに相当する。また、電圧センサ１５により燃料電池１０の出力電圧Ｖfcを検出し、電流センサ１６により燃料電池１０の出力電流Ｉfcを検出して、燃料電池１０の出力電力Ｐfcを検出する構成が、本発明の燃料電池出力パラメータ検出部に相当する。

ＳＴＥＰ２で、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが、下限レベルＰfc_Ｌo_lmtから上限レベルＰfc_Ｈi_lmtまでの出力範囲内であるときはＳＴＥＰ３に進み、バイパス制御部６１は、流量調節弁２１を、バイパス比ＢRが０．５となる開度に制御してＳＴＥＰ４に進む。

一方、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが、下限レベルＰfc_Ｌo_lmtから上限レベルＰfc_Ｈi_lmtまでの出力範囲外であるときにはＳＴＥＰ１０に分岐し、バイパス制御部６１は、流量調節弁２１を閉弁してバイパス比ＢRをゼロ（本発明の第１所定値及び第２所定値に相当する）とし、これにより、バイパス路２０を流通するオフガスの流量をゼロとしてＳＴＥＰ４に進む。

ここで、図３は、バイパス比ＢRを０から０．５に変更したときの、エキスパンダ４２におけるオフガスからのエネルギー回収量の向上率を、縦軸をエネルギー回収量の向上率に設定し、横軸を燃料電池１０の出力電力に設定して示したグラフである。

図３から明らかなように、エネルギー回収量の向上率は、燃料電池１０の出力電力がＰ1を超えてから急激に高くなっている。これは、燃料電池１０の出力電力ＰfcがＰ１以下の範囲では、オフガスの流量自体が少なく、バイパス路２０側にオフガスの一部を流通させてもエキスパンダ４２に供給されるエネルギーの量がさほど増えないためと想定される。

また、燃料電池１０の出力電力ＰfcがＰ２を超えると、エネルギー回収量が次第に減少している。これは、出力電力Ｐfcの増加に伴ってオフガスの流量が増大すると、加湿器３０である程度のエネルギー損失があっても、加湿器３０を経由してエキスパンダ４２に供給されるオフガスのエネルギーが高く維持され、バイパス路２０側にオフガスの一部を流通させても、エキスパンダ４２に供給されるエネルギーの量がさほど増えないためと想定される。

そこで、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが、図３のＰ１に相当する下限レベルＰfc_Ｈi_lmt未満であるとき、及び、図３のＰ３に相当する上限レベルＰfc_Ｌo_lmtを超えるときには、バイパス比をゼロとすることにより、加湿器３０による加湿を優先させつつ、エキスパンダ４２によるオフガスからのエネルギーの回収を効率良く行うことができ、加湿とエネルギー回収を両立させることができる。

なお、本実施形態においては、図２のフローチャートのＳＴＥＰ３で、バイパス比を０．５に設定したが、ここで設定するバイパス比は０．５に限られず、実験やコンピュータシミュレーション等により適切な値を決定すればよい。

また、図２のフローチャートのＳＴＥＰ３で、バイパス比を固定値（０．５）に設定したが、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが大きくなるに従って、バイパス比を減少させてもよい。この場合のバイパス比の減少は、リニアに減少させてもよく、段階的に減少させてもよい。

また、図２のＳＴＥＰ２で、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが下限レベルＰfc_Ｌo_lmt未満である場合、及び、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが上限レベルＰfc_Ｈi_lmtを超える場合の双方について、バイパス比をゼロに設定したが、いずれか一方の場合にのみ、バイパス比をゼロに設定するようにしてもよい。

また、図２のＳＴＥＰ１０で、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが下限レベルＰfc_Ｌo_lmt未満であるときのバイパス比（本発明の第１所定値に相当する）、及び、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが上限レベルＰfc_Ｈi_lmtを超える場合のときのバイパス比（本発明の第２所定値に相当する）を、いずれもゼロに設定したが、バイパス比をゼロ以外の値に設定して、バイパス路２０を流通するオフガスの流量を微量なものとしてもよい。さらに、この場合に、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが下限レベルＰfc_Ｌo_lmt未満であるときと、燃料電池１０の出力電力Ｐfcが上限レベルＰfc_Ｈi_lmtを超えるときとで、バイパス比を異なる値に設定してもよい。

また、本実施の形態では、本発明の燃料電池出力パラメータとして、燃料電池の出力電力を用いたが、燃料電池の出力電流、燃料電池の温度、燃料電池に供給される燃料ガスの流量等を、燃料電池出力パラメータとして用いてもよい。

１０…燃料電池、１１…酸化剤供給路、１２…酸化剤排出路、１５…電圧センサ、１６…電流センサ、２０…バイパス路、２１…流量調節弁（バイパス比変更部）、３０…加湿器、４０…コンプレッサ、４１…モータ、４２…エキスパンダ、６０…コントローラ、６１…バイパス制御部。

Claims

燃料電池と、
燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、
燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極からオフガスが排出される酸化剤排出路と、
前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続されて、オフガス中の水分により酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと
を備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動され、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと、
前記酸化剤排出路において、前記加湿器をバイパスするバイパス路と、
カソード極から前記酸化剤排出路に排出されるオフガスの流量に対する、前記バイパス路を流れるオフガスの流量の大小の割合であるバイパス比を変更するバイパス比変更部と、
前記燃料電池の出力に応じて変化する燃料電池出力パラメータを検出する燃料電池出力パラメータ検出部と、
前記燃料電池出力パラメータの検出値に応じて、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を変更するバイパス制御部と
を備えており、
前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときの前記バイパス比が、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲から逸脱していることを示すものであるときの前記バイパス比よりも大きくなるように定められた特性で、前記燃料電池出力パラメータの検出値に応じて、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を変更することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときには、前記バイパス比変更部により、前記バイパス比をゼロを超える一定値とすることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が所定の下限レベルから上限レベルまでの出力範囲内にあることを示すものであるときには、前記燃料電池出力パラメータの検出値により認識される前記燃料電池の出力が大きいほど、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が前記下限レベル未満であることを示すものであるときには、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を第１所定値以下にすることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２から請求項４のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記バイパス制御部は、前記燃料電池出力パラメータの検出値が、前記燃料電池の出力が前記上限レベルを超えていることを示すものであるときには、前記バイパス比変更部により前記バイパス比を第２所定値以下にすることを特徴とする燃料電池システム。