JP6886617B2

JP6886617B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6886617B2
Application number: JP2017052385A
Authority: JP
Inventors: 朋宏小川; 剛丸尾; 洋之常川; 峻松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: JP2018156822A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

外気温を検出し、燃料電池の凍結が予測される場合、燃料電池の内部で水分が凍結することを防止する処理を行う燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この種の燃料電池システムでは、例えば燃料電池セルの水素ガス（アノードガス）導出部が櫛歯状の狭い流路で排水されにくいような場合、発電後に生成水が滞留し、氷点下で凍結閉塞して水素不足となり、発電不能に至ることが生じ得る。従来は、水素ガス導出部の凍結を検知する方法がないということがあり、凍結の有無にかかわらず、氷点下始動時は水素圧力を増加し、排気排水弁によりアノード内に溜まった窒素を水素に置換する処理を行うことで、凍結時でも発電可能な状態としていた（図１１参照）。

特開２００４−０２２１９８号公報

しかし、上記のように水素置換を行うと、水素ガスを無駄に消費することになりかねず、燃費を悪化させることにつながるという問題があった。

そこで、本発明は、氷点下始動確保のための水素ガスの無駄な消費を抑制して燃費悪化を抑えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、
複数のセルを有する燃料電池と、
燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、
燃料電池のセルの水素ガス導出部が凍結しているか否か検知するセンサと、
燃料電池の発電を制御するとともに、センサから得られる値を用いて水素ガス供給手段の動作を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、
氷点下である際に、燃料電池を発電させ、
燃料電池のセルの水素ガス導出部に凍結がないと判定された場合、セルの水素置換を行わず、燃料電池の暖機運転を実施する、というものである。

上記態様の燃料電池システムでは、セルの水素ガス導出部に凍結があるか否かを検知し、セルの水素ガス導出部に凍結がある場合のみ水素置換を行うため、水素ガスを不要に消費することなく、燃料電池の暖機運転を実施することができる。

また、水素ガス導出部の凍結時の制御（氷点下始動前に、セル内に溜まった窒素を水素に置換するために排気排水弁５２を開弁する制御）を行うことで、起動時間延長追加、排気排水弁の凍結、燃費悪化等の背反が生じうるが、上記態様の燃料電池システム１によれば、水素加圧前に発電を行い、発電開始からセル電圧が判定閾値まで低下する時間で水素ガス導出部の凍結を判定することから、氷点下始動確保のための水素ガスの無駄な消費を抑制して燃費悪化を抑えることができる。

本発明によれば、氷点下始動確保のための水素ガスの無駄な消費を抑制して燃費悪化を抑えた燃料電池システムを提供することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。第１実施形態における凍結判定等の制御処理例を示すフローチャートである。水素ガス凍結時の発電中窒素濃縮について説明する図である。水素ガス導出部の凍結判定後における凍結時対策制御シーケンスの一例を示す図である。第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。第２実施形態における凍結判定等の制御処理例を示すフローチャートである。面内発電分布による凍結判定について説明する図である。第３実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。第３実施形態における凍結判定等の制御処理例を示すフローチャートである。水素流量計による凍結判定について説明する図である。従来の氷点下始動シーケンスの一例を参考として示す図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

以下、図を参照しつつ、燃料電池システム１の実施形態を説明する。

＜第１実施形態＞
燃料電池システム１は、燃料電池（燃料電池スタック）１０、水素インジェクタ２０、気液分離器５０、排気排水弁５２、水素循環ポンプ６０、モータ６２、セル電圧計測器７０、制御部（制御ＥＣＵ）４０、セル電圧計測器（センサ）３２を備える（図１参照）。

この燃料電池システム１では、氷点下始動時、水素加圧前に発電を行い、発電開始からセル電圧が判定閾値まで低下する時間で燃料電池１０の水素ガス（アノードガス）導出部の凍結を検知し（図４（Ｄ）参照）、電圧低下速度に応じて水素加圧および窒素排気を行う（図１〜図４参照）。

凍結判定等の制御処理の具体例をフローチャートに示して説明する（図２等参照）。燃料電池システム１の氷点下始動時、発電を行い、設定電流に到達後、最低セル電圧を記憶する（ステップＳＰ１１）。あらかじめ設定された所定時間の経過後（ステップＳＰ１２）、最低セル電圧を記憶し（ステップＳＰ１３）、セル電圧低下速度を算出する（ステップＳＰ１４）。

続いて、セル電圧低下速度が判定閾値を超えているかどうか判断する（ステップＳＰ１５）。この判断は、窒素濃縮時間からセル電圧低下時間を推定することによって行う（図３参照）。超えていれば、最低セル電圧低下速度に応じた水素置換処理を実施し（ステップＳＰ１６）、急速暖機を開始して（ステップＳＰ１７）、一連の処理を終了する。ステップＳＰ１５においてセル電圧低下速度が判定閾値を超えていなければ、ステップＳＰ１６を経ずに急速暖機を開始する（ステップＳＰ１７）。

水素ガス導出部の凍結判定後における凍結時の対策制御実施について例を挙げて説明する（図４参照）。なお、この対策制御実施の例は、後に説明する第２実施形態および第３実施形態においても同様である。水素低圧圧力は、凍結判定後、セル電圧低下速度に応じて水素加圧される（図４（Ａ）参照）。排気排水弁５２は、セル電圧低下速度に応じた水素置換を行うべく開閉する（図４（Ｂ）参照）。電流は、凍結判定処理の途中の発電開始時から流れ続ける（図４（Ｃ）参照）。セル電圧は、発電開始後、凍結判定閾値まで低下し、その後、上昇する（図４（Ｄ）参照）。

第１実施形態の燃料電池システム１においては、氷点下始動時にアノードの窒素を水素に置換する処理を常時行う必要がなくなるため、起動時間の短縮、燃費向上、排気排水弁５２の凍結防止などが見込める。また、水素置換処理を行う場合も、セル電圧低下速度に応じて、必要な量の水素置換をするという対応ができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態で説明した構成に加え、燃料電池１０に設けられた面内電流検知板３２をさらに備える（図５参照）。

この燃料電池システム１では、氷点下始動時、燃料電池セルの面内電流検知板３２により、面内発電分布と温度分布を測定することで、水素ガス導出部１４の凍結を検知する（図５〜図７参照）。

凍結判定等の制御処理の具体例をフローチャートに示して説明する（図６等参照）。燃料電池システム１の氷点下始動を開始し（ステップＳＰ２１）、水素ガス導出部１４の凍結判定のため発電を開始する（ステップＳＰ２２）。燃料電池セルの面内電流検知板３４により面内発電分布と温度分布を測定し（図７参照）、水素ガス導出部１４の凍結判定を実施する（ステップＳＰ２３）。具体的には、発電面積が判定閾値を下回り、かつ、水素ガス導出部１４の周辺温度が氷点下である場合に、水素ガス導出部１４が凍結していると判定する（ステップＳＰ２３にてＹｅｓ）。この場合は、水素置換処理を実施し（ステップＳＰ２４）、急速暖機を開始して（ステップＳＰ２５）、一連の処理を終了する。ステップＳＰ２３において水素ガス導出部１４が凍結していると判定しなかった場合は（ステップＳＰ２３にてＮｏ）、ステップＳＰ２４を経ずに急速暖機を開始する（ステップＳＰ２５）。

第２実施形態の燃料電池システム１においては、第１の実施形態と同様、氷点下始動時にアノードの窒素を水素に置換する処理を常時行う必要がなくなるため、起動時間の短縮、燃費向上、排気排水弁５２の凍結防止などが見込める。また、水素置換処理を行う場合も、セル電圧低下速度に応じて、必要な量の水素置換をするという対応ができる。

＜第３実施形態＞
本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態で説明した構成に加え、燃料電池１０に設けられた流量計３６をさらに備える（図８参照）。

この燃料電池システム１では、氷点下始動時、流量計３６により、水素ガス導出部１４の水素流量を測定することで（図１０参照）、当該水素ガス導出部１４の凍結を検知する（図８〜図１０参照）。

凍結判定等の制御処理の具体例をフローチャートに示して説明する（図９等参照）。燃料電池システム１の氷点下始動を開始し（ステップＳＰ３１）、水素ガス導出部１４の凍結判定のため発電を開始する（ステップＳＰ３２）。その後、水素ガス導出部１４の凍結判定を実施する（ステップＳＰ３３）。具体的には、水素ガス導出部１４の水素流量を測定し（図１０参照）、当該水素流量が判定閾値を下回る場合に、水素ガス導出部１４が凍結していると判定する（ステップＳＰ３３にてＹｅｓ）。この場合は、水素置換処理を実施し（ステップＳＰ３４）、急速暖機を開始して（ステップＳＰ３５）、一連の処理を終了する。ステップＳＰ３３において水素ガス導出部１４が凍結していると判定しなかった場合は（ステップＳＰ３３にてＮｏ）、ステップＳＰ３４を経ずに急速暖機を開始する（ステップＳＰ３５）。

第３実施形態の燃料電池システム１においては、第１の実施形態と同様、氷点下始動時にアノードの窒素を水素に置換する処理を常時行う必要がなくなるため、起動時間の短縮、燃費向上、排気排水弁５２の凍結防止などが見込める。また、水素置換処理を行う場合も、セル電圧低下速度に応じて、必要な量の水素置換をするという対応ができる。

なお、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、形状およびサイズ等は、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。

例えば、上述した各実施形態では、一つの制御部（制御ＥＣＵ）４０が、燃料電池１０の発電を制御する制御部、および水素インジェクタ（水素ガス供給手段）２０の動作を制御する制御部の両方として機能する構成例を示したが、もちろん、これらの制御部をそれぞれ別体としてもよい。

本発明は、燃料電池システムに適用して好適である。

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、１２…水素ガス導入部、１４…水素ガス導出部、２０…水素インジェクタ（水素ガス供給手段）、３２…セル電圧計測器（センサ）、３４…面内電流検知板（センサ）、３６…流量計（センサ）、４０…制御部

Claims

燃料電池システムであって、
複数のセルを有する燃料電池と、
前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、
前記燃料電池の前記セルの水素ガス導出部が凍結しているか否か検知するセンサとして機能するセル電圧計測器と、
前記燃料電池の発電を制御するとともに、前記セル電圧計測器から得られる値を用いて前記水素ガス供給手段の動作を制御する制御部と、
水素ガスの流量を測定する流量計と、
を備え、
前記制御部は、
氷点下である際に、前記燃料電池を発電させ、
前記流量計により測定した、前記燃料電池のセルの水素ガス導出部の水素流量が判定閾値を下回っていない場合、凍結がないと判定し、前記セルの水素置換を行わず、前記燃料電池の暖機運転を実施する一方、
前記セルの水素置換を行う場合は、前記セル電圧計測器による計測されるセル電圧低下速度に応じて、必要な量の水素置換をする、
燃料電池システム。