JP6726393B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、空気（酸化ガス）と水素（燃料ガス）との化学反応により発電する燃料電池を備える。この燃料電池システムは、燃料電池に水素を供給する燃料ガス供給系と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給系とを有する。酸化ガス供給系の構成としては、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された酸化ガス供給系は、燃料電池に酸化ガスを圧送するエアコンプレッサと、エアコンプレッサと燃料電池とを接続して燃料電池に酸化ガスを供給する空気供給流路と、空気供給流路に設けられる封止弁と、燃料電池からの酸化オフガスを排出する空気排出流路と、封止弁の上流側において空気供給流路から分岐して燃料電池及び封止弁をバイパスし、空気排出流路に合流するバイパス流路と、を備えている。

特開２０１０−１４６７８８号公報

この種の燃料電池システムでは、システムの起動停止期間が長期間に及んでいる場合、例えばエアコンプレッサに錆等の異物が発生することがあり、この状態でシステムを起動すると、異物が燃料電池内部に流入して故障を引き起こすおそれがあった。

そこで、本発明は、酸化ガス供給系に生じた異物が燃料電池内部に流入することを抑制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。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを圧送するエアコンプレッサと、エアコンプレッサと燃料電池とを接続して燃料電池に酸化ガスを供給する空気供給流路と、空気供給流路に設けられ、燃料電池に供給される酸化ガス供給量を調整する封止弁と、封止弁よりも上流側において空気供給流路から分岐して燃料電池及び封止弁をバイパスし、燃料電池から排出された酸化オフガスが流れる空気排出流路に合流するバイパス流路と、封止弁の開閉及びエアコンプレッサの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池システムの起動停止期間が所定期間以上継続した後に起動要求があった場合に、封止弁を閉状態でエアコンプレッサにより圧送される酸化ガス流量が燃料電池の運転範囲における最大の体積流量となるようにエアコンプレッサを動作させる。

かかる構成によれば、燃料電池システムの起動停止期間が所定期間以上継続した後に起動要求があった場合には、封止弁を閉状態で酸化ガス流量が燃料電池の運転範囲における最大の体積流量となるようにエアコンプレッサを動作させ、バイパス流路を通して酸化ガスを流している。これにより、長期間放置（例えば１ヶ月以上放置）したことによって例えばエアコンプレッサに異物が生じた場合には、この異物はバイパス流路を利用して除去されることとなる。その結果、長期間放置した後に起動要求があったとしても、燃料電池内部に異物が流入することを抑制することができる。

本発明によれば、酸化ガス供給系に生じた異物が燃料電池内部に流入することを抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態における燃料電池システムを説明するための構成図である。 図１に示す燃料電池システムの制御処理の一例を示すフローチャートである。 図２に示す異物掃気処理を説明するためのフローチャートである。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、本実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、燃料電池システムを説明するための構成図である。図１では、説明の便宜上、燃料電池システムにおける酸化ガス供給系の一部及び燃料ガス供給系の一部のみを示し、その他の構成の図示を省略しているが、本実施形態における燃料電池システムは、以下に説明する構成以外の構成を含むことができる。なお、本実施形態における燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）等に搭載されるものであり、そのような燃料電池車両の車載電源システムとして機能する。

図１に示す燃料電池システム１の燃料ガス供給系１ａは、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための系である。

燃料電池ＦＣは、複数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を複数積層してなる燃料電池スタックを含んで構成されている。燃料電池ＦＣは、アノード電極に燃料ガスとして水素を供給し、カソード電極に酸化ガスとして空気又は酸素を供給することにより、電気化学反応にて電力を発電する。

燃料ガス供給系１ａは、水素ガスを貯留した燃料供給源（図示略）からの水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するための燃料供給流路３００と、燃料電池ＦＣから排出された燃料オフガスの一部を燃料供給流路３００に戻すための循環ガス流路３５０と、燃料電池ＦＣから排出された燃料オフガスの一部を外部に排出するための燃料排出流路３８０とを備える。

燃料供給流路３００には、燃料供給源からの水素ガスを燃料電池ＦＣに供給するためにインジェクタ３１０（燃料ガス供給弁）が設けられている。インジェクタ３１０は、ガス流量やガス圧を調整する機能を有していれば良いが、例えば、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁として構成される。なお、インジェクタ３１０の下流側であって燃料供給流路３００と循環ガス流路３５０との合流部の上流側には、燃料供給流路３００内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ３２０や温度を検出する温度センサ（図示略）が設けられている。圧力センサ３２０等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に関する情報は、インジェクタ３１０のフィードバック制御等に用いられる。

インジェクタ３１０から燃料電池ＦＣに入口に供給された燃料ガスは、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に供された後、オフガス（燃料オフガス）として燃料電池ＦＣの出口から排出される。こうして燃料電池ＦＣの出口から排出された燃料オフガスの一部は、循環ポンプ３３０の作動により循環ガス流路３５０を通って還流され、インジェクタ３１０から供給される燃料ガスと共に燃料電池ＦＣに再供給される。このように、燃料電池ＦＣの出口から排出される燃料オフガス（水素ガス及び窒素を含む循環ガス）を加圧して燃料供給流路３００側に送り出す循環ポンプ３３０が循環ガス流路３５０に設けられている。

なお、循環ガス流路３５０には、燃料オフガスの一部を外部に排出するための燃料排出流路３８０が、気液分離器３６０及び排気排水弁３７０を介して接続されている。気液分離器３６０は、燃料オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７０は、制御部４００（ＥＣＵ）からの指令によって作動することにより、気液分離器３６０で回収した水分と、循環ガス流路３５０内の不純物を含む燃料オフガスとを、燃料排出流路３８０に排出させる。燃料排出流路３８０から排出された水分を含む燃料オフガスは、空気排出流路２５０を流通する酸化オフガスと混合されて外部に排出される。

続いて、燃料電池システム１の酸化ガス供給系１ｂについて説明する。酸化ガス供給系１ｂは、酸化ガスとして空気又は酸素を燃料電池ＦＣに供給するための系である。

図１に示す酸化ガス供給系１ｂは、空気供給流路２００と、エアコンプレッサ２２０と、インタークーラ２３０と、空気排出流路２５０と、バイパス流路２９０と、調整弁Ｖａ、Ｖｂ，Ｖｃとを備える。

空気供給流路２００は、燃料電池ＦＣに酸化ガスを供給するための流路である。空気供給流路２００には、エアコンプレッサ２２０と、インタークーラ２３０と、調整弁Ｖａ（封止弁）とが設けられている。

エアコンプレッサ２２０は、外気から取り込まれた空気（例えば矢印Ａ方向に導入した空気）を圧縮して燃料電池ＦＣに圧送するための装置である。エアコンプレッサ２２０の下流側にはインタークーラ２３０が設けられており、このインタークーラ２３０によって圧縮されて温度が上昇した空気が冷却される。

なお、エアコンプレッサ２２０、インタークーラ２３０は、例えばアルミ製等の金属製部品を含む材料で構成されている。

空気供給流路２００におけるインタークーラ２３０の下流側には調整弁Ｖａが配設されている。調整弁Ｖａは、燃料電池ＦＣに供給される酸化ガスの供給量を調整する電磁バルブである。調整弁Ｖａの開度は制御部４００に制御され、調整弁Ｖａを開くと、エアコンプレッサ２２０を介して圧縮された圧縮空気が、燃料電池ＦＣに供給される。

空気排出流路２５０は、燃料電池ＦＣの下流側に接続され、燃料電池ＦＣからの酸化オフガスを排出するための流路である。空気排出流路２５０には、酸化オフガスの流量を調整可能な電磁バルブとしての調整弁Ｖｂが設けられている。調整弁Ｖｂの開度は制御部４００によって制御され、調整弁Ｖｂを開くと、燃料電池ＦＣからの酸化オフガスが空気排出流路２５０内を流れ、外部に排出される。

バイパス流路２９０は、調整弁Ｖａよりも上流側において空気供給流路２００から分岐して燃料電池ＦＣ及び調整弁Ｖａをバイパスし、燃料電池ＦＣの下流側に接続された空気排出流路２５０に合流する。バイパス流路２９０には、調整弁（以下、バイパス弁Ｖｃ）が配設され、このバイパス弁Ｖｃの開度が制御部４００により調整される。バイパス弁Ｖｃを開き、調整弁Ｖａを閉じると、空気供給流路２００内を流れる空気は、燃料電池ＦＣ及び調整弁Ｖａを通ることなく空気排出流路２５０に流れて排出される。

制御部４００（ＥＣＵ）は、システム内の各種機器の動作を制御するものであり、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。制御部４００は、例えば、調整弁Ｖａやバイパス弁Ｖｃの開閉、及び、エアコンプレッサ２２０等を含む装置の駆動を制御する。また制御部４００は、例えば、燃料電池システム停止時からの時間をカウントし、当該カウント値が所定値以上であった後（すなわち、起動停止期間が所定期間以上継続した後）に起動要求があった場合に、調整弁Ｖａを閉じ且つバイパス弁Ｖｃを全開にしてエアコンプレッサ２２０により圧送される酸化ガス流量が燃料電池ＦＣの運転範囲における最大の体積流量となるようにエアコンプレッサ２２０を動作させる。

ところで、上述したように、エアコンプレッサ２２０又はインタークーラ２３０は、アルミ製等の金属製部品が用いられるが、金属製部品は腐食により錆等の異物を生成することがあり、この異物が燃料電池に流入すると、短絡故障、流路閉塞故障等を引き起こすおそれがある。なお、通常の始動時に行われる水素希釈によるバイパス流路２９０を利用した処理では、燃料電池ＦＣの定格動作点（最大出力）で動作する流量の３割未満の酸化ガス（例えば１０００ＮＬ）しか流れないため、燃料電池ＦＣの定格動作点付近の流量で流入する可能性のある異物を除去できない。

上記異物を除去することを意図して、例えば、燃料電池の定格動作点と同様の酸化ガス流量を流すことを高頻度で行うという考え方もあるが、この方法ではエアコンプレッサ２２０から生じる騒音等により商品性が下がるおそれがある。また、消費動力増加により燃費への影響も懸念される。

そこで本実施形態では、燃料電池ＦＣに流入する異物を抑制しながら商品性や燃費の低下を抑えるために、以下で説明するように、所定の条件を満たした時に異物掃気処理を行う。図２は、本実施形態における燃料電池システムの制御部４００で実行される制御処理を示すフローチャートであり、図３は、異物掃気処理を説明するためのフローチャートである。

まず、図２に示すステップＳ１１では、燃料電池システム１の起動要求（ＳＴ−ＯＮ）があるか否かが判定される。起動要求がない場合には（ステップＳ１１（ＮＯ））、ステップＳ１２でタイマをカウントアップし、ステップＳ１１に戻り、起動要求があるまでカウントアップする（すなわち、起動停止期間をタイマで計測する）。一方で、起動要求があった場合には（ステップＳ１１（ＹＥＳ））、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、タイマのカウント値（すなわち、前回のシステム起動終了時から起動要求があるまでの経過時間）が閾値Ｔ_th以上（例えば１ヶ月以上）であるか否かが判定される。言い換えれば、システムの起動停止期間が閾値Ｔ_th以上継続していたか否かが判定される。タイマのカウント値が閾値Ｔ_th未満である場合には、ステップＳ１４を実行せずにステップＳ１５へ移行し、ステップＳ１５以降の処理を実行する。タイマのカウント値が閾値Ｔ_th以上である場合には、ステップＳ１４へ移行する。

ステップＳ１４では、バイパス流路２９０を利用して異物掃気処理を実行する。異物掃気処理フローの例を図３に示す。

異物掃気処理では、まず、バイパス弁Ｖｃを開き（ステップＳ１４１）、調整弁Ｖａを閉じる。なお、この異物掃気処理でバイパス流路２９０に酸化ガスを流す際は、バイパスラインの調圧をしない（すなわち、バイパス弁Ｖｃを全開にする）。これにより、発電時における最大の質量流量（例えば５０００ＮＬ）よりも少ない質量流量（例えば３０００ＮＬ）で掃気を行うことができる、つまり、エアコンプレッサ２２０を低回転の動作点で異物の掃気を実現できるため、エアコンプレッサ２２０による騒音の低下と消費電力の削減が可能となる。

次いで、エアコンプレッサ２２０によって圧送される酸化ガス流量（空気供給流路２００を流れる酸化ガス流量）が規定流量以上となるように、エアコンプレッサ２２０を動作させる（ステップＳ１４２）。規定流量とは、燃料電池ＦＣの運転範囲における最大となる体積流量を示す。

エアコンプレッサ２２０を動作させることにより空気供給流路２００を流れる酸化ガス流量が規定流量に到達した場合には（ステップＳ１４３）、停止状態へ戻り（ステップＳ１４４）、異物掃気処理を終了する。

異物掃気処理が終了した後、図２に示すステップＳ１５へ進み、システム起動要求があったときに実施される起動シーケンスに移行する。その後、通常発電（酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けて燃料電池が発電している状態）に移行し（ステップＳ１６）、システム起動要求がなくなった場合には、停止シーケンス（ステップＳ１７）に移行して、タイマをリセットする（ステップＳ１８）。タイマをリセットした後、ステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１以降の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態では、所定の条件を満たした時に異物掃気処理を実行して燃料電池ＦＣに流入する異物を抑制する。具体的には、タイマのカウント値（すなわち、前回のシステム起動終了時から起動要求があるまでの経過時間、言い換えれば、システムの起動停止期間）が閾値Ｔ_th以上（例えば１ヶ月以上）の時に起動要求があった場合に、エアコンプレッサ２２０によって圧送される酸化ガス流量が燃料電池ＦＣの運転範囲における最大の体積流量となるようにエアコンプレッサ２２０を動作させる。このようにエアコンプレッサ２２０を動作させ、長期間放置における異物（金属材料から生じる錆やメッキ剥がれ等を含むその他の異物）を対象として異物掃気処理を行うものであるため、短期間（例えば数時間程度）経過した時点で異物掃気処理を行う構成と比較して、異物掃気処理の頻度過多による商品性の低下や燃費の低下を抑えつつ、燃料電池ＦＣに流入する異物を抑制することができる。

以上説明した実施形態において、制御部４００（ＥＣＵ）は、調整弁Ｖａの開閉、バイパス弁Ｖｃの開閉、及び、エアコンプレッサ２２０の駆動を制御する制御部として一体の構成としているが、この例に限定されない。つまり、例えばそれぞれの機能（調整弁Ｖａの開閉制御、バイパス弁Ｖｃの開閉制御、エアコンプレッサ２２０の駆動制御）を有する別体の制御部として構成しても良く、それぞれの機能に合わせて制御部の構成を適宜変形することが可能である。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１…燃料電池システム
１ａ…燃料ガス供給系
１ｂ…酸化ガス供給系
２００…空気供給流路
２２０…エアコンプレッサ
２３０…インタークーラ
２５０…空気排出流路
２９０…バイパス流路
３００…燃料供給流路
３１０…インジェクタ
３３０…循環ポンプ
３５０…循環ガス流路
３６０…気液分離器
３７０…排気排水弁
３８０…燃料排出流路
４００…ＥＣＵ（制御部）
Ｖａ…調整弁（封止弁）
Ｖｃ…バイパス弁

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化ガスを圧送するエアコンプレッサと、
   前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを接続して前記燃料電池に酸化ガスを供給する空気供給流路と、
   前記空気供給流路に設けられ、前記燃料電池に供給される酸化ガス供給量を調整する封止弁と、
   前記封止弁よりも上流側において前記空気供給流路から分岐して前記燃料電池及び前記封止弁をバイパスし、前記燃料電池から排出された酸化オフガスが流れる空気排出流路に合流するバイパス流路と、
   前記封止弁の開閉及び前記エアコンプレッサの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの起動停止期間が所定期間以上継続した後に起動要求があった場合に、前記封止弁を閉状態で前記エアコンプレッサにより圧送される酸化ガス流量が前記燃料電池の運転範囲における最大の体積流量となるように前記エアコンプレッサを動作させる、ことを特徴とする燃料電池システム。