JP6886914B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池のアノード電極及びカソード電極に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システム及びその制御方法に関する。
例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）を構成する。通常、所望の発電力を得るために必要な個数の発電セルを積層し、スタックとした状態で、例えば、燃料電池車両等に組み込まれる。
この種の燃料電池は、例えば、約７０〜１００℃が発電に最適な動作温度域とされているが、特に、車載等の用途では、氷点下等の寒冷環境で起動することも想定される。この場合、低温である分、燃料電池での発電反応の速度が小さくなるため、該発電反応による加熱のみでは、燃料電池が最適な動作温度域に達するまでに長時間を要してしまうことがある。そこで、氷点下等で起動する場合であっても燃料電池を上記の動作温度域まで迅速に暖機するべく、例えば、特許文献１の燃料電池システムの低温起動方法が提案されている。この方法では、カソード電極に酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス供給装置から燃料ガスを供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせている。
特開２００１−１８９１６４号公報
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、燃料排ガスが流入する気液分離器の液体排出口から排出流体を排出するための排水弁が正常に開弁する場合に、該排出流体を有効に利用して燃料電池を迅速に暖機することができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、前記アノード電極から排出された燃料排ガスを流通させる燃料排ガス流路と、前記燃料排ガス流路を介して前記燃料排ガスが流入し、該燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、前記燃料ガス供給流路と接続部を介して接続されることで、前記気液分離器の気体排出口と前記燃料ガス供給流路とを連通する循環流路と、前記気液分離器の液体排出口を、排水弁を介して前記酸化剤ガス供給流路に連通する接続流路と、前記燃料ガス供給流路又は前記循環流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連通する分配流路と、前記分配流路を開閉可能であり、前記分配流路を開状態とすることで、前記燃料ガス供給流路又は前記循環流路の内部のガスを、前記分配流路を介して前記酸化剤ガス供給流路へと流入させる開閉弁と、を備えることを特徴とする。
この燃料電池システムでは、アノード電極に燃料ガスを供給し且つカソード電極に酸化剤ガスを供給することで電気化学反応（発電反応）が生じる。その結果、アノード電極から燃料排ガス流路に燃料排ガスが排出される。この燃料排ガスは、上記の発電反応で消費されなかった燃料ガスの未消費分（以下、単に未消費分ともいう）と、余剰の水等を含む。従って、燃料排ガスを、燃料排ガス流路を介して気液分離器に流入させることで、液体の水が分離され且つ未消費分を含む排出ガスが気体排出口から循環流路に排出される。循環流路は、接続部を介して燃料ガス供給流路と接続されている。このため、循環流路及び燃料ガス供給流路を介してアノード電極に再び未消費分を供給して発電反応に利用することができる。
一方、気液分離器の液体排出口は、排水弁を介して接続流路に接続されているため、排水弁を開弁することで、該液体排出口から接続流路に、液体の水と未消費分を含む排出流体が排出される。このように、接続流路を介して、排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガス供給流路に流入させることで、該未消費分を酸化剤ガスとともにカソード電極に供給することができる。これによって、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。
従って、上記の発電反応の熱に加えて、カソード触媒での発熱反応の熱によっても燃料電池を加熱できるため、燃料電池を迅速に暖機することが可能になる。また、通常であれば、大気等に放出される排出流体に含まれる未消費分を有効に利用することができるため、燃料電池システムに供給された燃料ガスの利用効率を向上させることができる。この場合、排出流体に含まれる未消費分を、大気等に放出する前に希釈するための設備等を不要とすることも可能になる。
また、例えば、凍結等によって排水弁が正常に開弁せず、排出流体に含まれる未消費分をカソード電極に供給できない場合には、開閉弁を開弁することで、分配流路を介して、燃料ガス供給流路又は循環流路と、酸化剤ガス供給流路とを連通する。これによって、排出流体に代えて、燃料ガス供給流路に供給された燃料ガス、排出ガス、これらの混合ガスの何れかに含まれる燃料ガスを酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。従って、排水弁が正常に開弁しない場合であっても、燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能である。
上記の燃料電池システムにおいて、前記接続部には、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガスと、前記気体排出口から前記循環流路に排出された排出ガスとを混合するエジェクタが設けられ、前記エジェクタには、電磁弁を介して前記燃料ガスが供給され、前記分配流路は、前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも下流側と、前記酸化剤ガス供給流路とを連通することが好ましい。
この場合、開閉弁を開弁すると、分配流路を介してエジェクタの下流側の混合ガスが酸化剤ガス供給流路に流通するため、エジェクタの上流側に設けられた電磁弁は、該エジェクタに噴射する燃料ガスの流量を増大させることになる。これによって、エジェクタによる排出ガスの吸引力が増大するため、燃料ガス供給流路のエジェクタの下流側と、燃料排ガス流路と、循環流路とを循環するガスの循環効率を、ポンプ等を用いることなく向上させることができる。その結果、簡素な構成で発電反応を促進して、燃料電池の暖機を迅速に行うことが可能になる。
上記の燃料電池システムにおいて、前記開閉弁及び前記排水弁に開弁指示又は閉弁指示を行うことが可能な制御部をさらに備え、前記制御部は、前記燃料電池の暖機開始時に、前記排水弁に開弁指示を行うことが好ましい。この開弁指示に応じて排水弁が開弁した場合には、排出流体を有効に利用して燃料電池を迅速に暖機することができる。
上記の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、開弁指示を行った前記排水弁が開弁していないと判定した場合、前記開閉弁に対して開弁指示を行うことが好ましい。この場合、排出流体に代えて、燃料ガス供給流路に供給された燃料ガス、排出ガス、これらの混合ガスの何れかに含まれる燃料ガスを利用して燃料電池を迅速に暖機することができる。
上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給流路の前記接続部よりも下流側と、前記燃料排ガス流路と、前記循環流路とを循環するガスの圧力を検出する圧力センサをさらに備え、前記制御部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて、開弁指示を行った前記排水弁が開弁したか否かを判定することが好ましい。このように、圧力センサの検出結果に基づくことで、排水弁が実際に開弁しているか否かを容易且つ高精度に判定することができる。
上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を測定可能な温度センサをさらに備え、前記制御部は、前記排水弁及び前記開閉弁の両方、又は前記排水弁のみに対して開弁指示を行うことで上昇する前記温度センサによる検出結果の上昇率が所定の範囲内となるように、前記燃料ガス供給流路に対する前記燃料ガスの供給量を調整することが好ましい。例えば、排水弁を開弁した状態で、燃料ガス供給流路に対する燃料ガスの供給量を調整すると、液体排出口から排出される排出流体に含まれる未消費分の量が調整される。これによって、カソード電極に供給される未消費分の量が調整されるため、カソード触媒での発熱反応による発熱量を調整することができる。
一方、開閉弁を開弁した状態で、燃料ガス供給流路に対する燃料ガスの供給量を調整すると、分配流路を介して、カソード電極に供給される燃料ガスの量が調整される。従って、この場合も、カソード触媒での発熱反応による発熱量を調整することができる。つまり、燃料電池システムの温度の上昇率が所定の範囲内となるように燃料ガスの供給量を調整することにより、燃料電池システムを過不足ない昇温率で加熱できるため、燃料電池の暖機を所望の時間で良好に行うことが可能になる。
また、本発明は、燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、前記アノード電極から排出された燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器の液体排出口から前記液体を含む排出流体を排出するための排水弁が開弁指示に応じて正常に開弁したか否かを判定する開弁判定工程を有し、前記開弁判定工程で、前記排水弁が正常に開弁したと判定した場合には、前記排水弁に対する開弁指示を継続することで、前記排出流体を前記酸化剤ガスとともに前記カソード電極に供給して、前記カソード電極で発熱反応を生じさせることを特徴とする。
この燃料電池システムの制御方法では、開弁判定工程において、排水弁が正常に開弁したと判定した場合、気液分離器の液体排出口から排出される排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガスとともにカソード電極に供給する。これによって、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。その結果、発熱反応の熱によって燃料電池を加熱することが可能になるため、燃料電池を迅速に暖機することができる。また、通常であれば、大気等に放出される排出流体に含まれる未消費分を有効に利用することができるため、燃料電池システムに供給された燃料ガスの利用効率を向上させることができる。
上記の燃料電池システムの制御方法において、前記開弁判定工程で、前記排水弁が正常に開弁していないと判定した場合には、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガス及び前記気液分離器の気体排出口から排出された排出ガスの少なくとも一方を、前記酸化剤ガスとともに前記カソード電極に供給して、前記カソード電極で発熱反応を生じさせることが好ましい。排水弁が正常に開弁せず、カソード電極に排出流体に含まれる燃料ガスを供給できない場合であっても、燃料ガス供給流路に供給された燃料ガス、排出ガス、これらの混合ガスの何れかをカソード電極に供給して発熱反応を生じさせることができる。従って、燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能である。
上記の燃料電池システムの制御方法において、前記開弁判定工程の後、前記カソード電極で発熱反応を生じさせることで上昇した前記燃料電池の温度の上昇率が所定の範囲内であるか否かを判定する上昇率確認工程をさらに有し、前記上昇率確認工程で、前記上昇率が所定の範囲内ではないと判定した場合、前記燃料ガス供給流路に対する前記燃料ガスの供給量を調整することが好ましい。燃料電池システムの温度の上昇率が所定の範囲内となるように燃料ガスの供給量を調整することにより、燃料電池システムを過不足ない昇温率で加熱できるため、燃料電池の暖機を所望の時間で良好に行うことが可能になる。
本発明によれば、燃料排ガスが流入する気液分離器の液体排出口から排出流体を排出するための排水弁が正常に開弁する場合、該排出流体を有効に利用して燃料電池を迅速に暖機することができる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの要部概略構成図である。 燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。
以下、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態では、図１に示す燃料電池システム１０が、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される場合を例に挙げて説明するが、特にこれには限定されない。例えば、燃料電池システム１０は、燃料電池車両を除く種々の移動体に適用することや、定置型として用いることも可能である。
燃料電池システム１０は、該燃料電池システム１０の制御を行う制御部１２と、図示しない発電セルを複数積層したスタックからなる燃料電池１４を備える。個々の発電セルは、例えば、固体高分子からなる電解質膜と、該電解質膜を挟んで対向するアノード電極及びカソード電極を有する電解質膜・電極構造体が一対のセパレータで挟持されることで構成される。アノード電極に、水素を含む燃料ガスが供給され、且つカソード電極に、酸素を含む酸化剤ガスが供給されることで発電が行われる。なお、発電セルの構成は周知であるため、その図示及び詳細な説明は省略する。
燃料電池１４では、アノード電極の燃料ガス供給口１６に、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路１８が接続され、アノード電極の燃料排ガス排出口２０に、燃料排ガスを排出するための燃料排ガス流路２２が接続されている。また、カソード電極の酸化剤ガス供給口２４に、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路２６が接続され、カソード電極の酸化剤排ガス排出口２８に、酸化剤排ガスを排出するための酸化剤排ガス流路３０が接続されている。
酸化剤ガス供給流路２６には、その上流側から順に、エアポンプ３２と、加湿器３４とが設けられる。エアポンプ３２を駆動することによって、大気から酸化剤ガス供給流路２６に酸化剤ガスとして空気が取り込まれる。この空気は、エアポンプ３２で圧縮されてから、加湿器３４へ供給される。加湿器３４では、酸化剤ガス供給流路２６内の酸化剤ガスと、酸化剤排ガス流路３０内の酸化剤排ガスとを水分交換させることで、カソード電極に供給される前の酸化剤ガスを加湿する。
燃料ガス供給流路１８には、水素タンク３６に貯留された水素が燃料ガスとして供給される。燃料排ガス流路２２の下流側には、燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器３８が接続されている。つまり、アノード電極で消費されなかった燃料ガスの未消費分（以下、単に未消費分ともいう）と、余剰の水等を含む燃料排ガスが、燃料排ガス流路２２を介して気液分離器３８に流入する。気液分離器３８の気体排出口４０には、循環流路４２が接続されている。このため、気体排出口４０から循環流路４２に、液体の水が分離され、主に未消費分を含む排出ガスが排出される。
循環流路４２の下流側は、接続部４４を介して燃料ガス供給流路１８と連通している。接続部４４にはエジェクタ４６が設けられている。エジェクタ４６には、その上流側に設けられた電磁弁（インジェクタ）４８を介して燃料ガスが供給される。これによって、エジェクタ４６は、排出ガスと燃料ガスとを混合して混合ガスとし、該混合ガスを、燃料ガス供給流路１８の該エジェクタ４６の下流側（混合ガス流路５０）に排出する。
混合ガス流路５０には、圧力センサ５２が設けられる。圧力センサ５２は、混合ガス流路５０と、燃料排ガス流路２２と、循環流路４２とを循環する循環ガス（混合ガス、燃料排ガス、排出ガス）の圧力を測定する。
気液分離器３８の液体排出口５４は、接続流路５６に接続されている。接続流路５６は、液体排出口５４から排出流体を排出するための排水弁５８を介して、液体排出口５４と酸化剤ガス供給流路２６とを連通する。この排水弁５８は、通電により開閉する。
接続流路５６の排水弁５８の下流側と、酸化剤ガス供給流路２６との間には、不図示の気液分離器が設けられてもよい。この気液分離器によって、排出流体は、該排出流体中の液体が分離された状態で酸化剤ガス供給流路２６に流入する。
混合ガス流路５０と酸化剤ガス供給流路２６とは、分配流路６０により連通されている。分配流路６０には、該分配流路６０を開閉する開閉弁６２が設けられている。
燃料電池１４は、該燃料電池１４に設けられた冷却媒体流路（不図示）に、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体供給流路６３ａ及び冷却媒体排出流路６３ｂがさらに付設されている。本実施形態では、冷却媒体排出流路６３ｂに温度センサ６４が設けられ、該温度センサ６４は、燃料電池システム１０の温度として冷却媒体排出流路６３ｂの温度を測定する。
制御部１２は、不図示のＣＰＵ等を備えるマイクロコンピュータとして構成され、該ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所定の演算を実行し、燃料電池システム１０の通常運転制御や、暖機制御等の種々の処理や制御を行う。また、制御部１２は、例えば、圧力センサ５２や温度センサ６４等の各種センサから受けた検出信号に基づき、排水弁５８や開閉弁６２等の各構成要素に、開弁指示や閉弁指示等の制御信号を出力する。
次に、図２に示すフローチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法について説明する。
はじめに、ステップＳ１において、温度センサ６４により検出された燃料電池システム１０の温度が、暖機実行温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。暖機実行温度Ｔ１は、燃料電池１４の暖機が必要であると判断される温度であれば特に限定されるものではないが、例えば、０℃付近の氷点下とすることができる。
ステップＳ１で、燃料電池システム１０の温度が暖機実行温度Ｔ１より大きいと判定された場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、暖機を行わず、燃料電池システム１０の通常運転を開始する。
ステップＳ１で、燃料電池システム１０の温度が暖機実行温度Ｔ１以下であると判定された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、ステップＳ２において、燃料電池１４の暖機実行を確定し、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、燃料電池システム１０の作動を開始する。これによって、水素タンク３６から燃料ガス供給流路１８に燃料ガスが供給されるとともに、エアポンプ３２の回転作用下に酸化剤ガス供給流路２６に酸化剤ガスが供給される。燃料ガス供給流路１８に供給された燃料ガスは、電磁弁４８及びエジェクタ４６を経由して、アノード電極に供給される。酸化剤ガス供給流路２６に供給された酸化剤ガスは加湿器３４を経由してカソード電極に供給される。
これによって、燃料ガス及び酸化剤ガスが、アノード電極のアノード触媒及びカソード電極のカソード触媒での電気化学反応（発電反応）に消費され、発電が行われる。なお、燃料電池１４の冷却媒体流路には、冷却媒体供給流路６３ａから冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路を流通した後、冷却媒体排出流路６３ｂに排出される。
カソード電極に供給されて一部の酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス流路３０に排出される。この酸化剤排ガスは、例えば、加湿器３４において、カソード電極に新たに供給される酸化剤ガスを加湿した後、燃料電池システム１０の外部に排出される。
アノード電極で消費されなかった燃料ガスの未消費分は、燃料排ガスとして燃料排ガス流路２２に排出された後、気液分離器３８に導入される。これによって、燃料排ガスは、気体成分である排出ガスと、液体成分である排出流体とに分離される。この際、排水弁５８が閉弁状態であるため、排出流体は排水弁５８の上流側に留まる。
上記のように電磁弁４８からエジェクタ４６の上流側に燃料ガスが噴射されることにより、循環流路４２には負圧が生じている。このため、排出ガスは、循環流路４２を介してエジェクタ４６に吸引され、燃料ガス供給流路１８に供給された燃料ガスと混合される。これによって、エジェクタ４６の下流側の混合ガス流路５０に混合ガスが排出される。
従って、発電反応で消費されずに燃料排ガスとしてアノード電極から排出された未消費分は、液体の水が分離されて排出ガスとなった後、新たに燃料ガス供給流路１８に供給される燃料ガスと混合されることで混合ガスとして、再びアノード電極に供給される。
次に、ステップＳ４において、排水弁５８に開弁指示を行った後、ステップＳ５において、実際に排水弁５８が開弁しているか否かを判定する。つまり、開弁指示に応じて排水弁５８が正常に開弁したか否かを判定する（開弁判定工程）。
具体的には、圧力センサ５２により検出された循環ガスの圧力が、排水弁５８に開弁指示を行う前後で降下した大きさ（圧力降下量ΔＰ）を求め、該圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒ以上であるか否かを判定する。基準値Ｐｒは、例えば、排水弁５８が閉弁した状態の循環ガスの圧力と、排水弁５８が開弁した状態の循環ガスの圧力とを予め測定しておき、これらの圧力の差として設定することができる。
ステップＳ５で、圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒ以上である、換言すると、排水弁５８が正常に開弁していると判定された場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、そのまま、排水弁５８に対する開弁指示を継続する。この場合、排水弁５８が開弁しているため、接続流路５６の排水弁５８の下流側に排出流体が流通し、該排出流体に含まれる未消費分が酸化剤ガスとともにカソード電極に供給される。その結果、カソード触媒で発熱反応が生じるため、該発熱反応の熱と上記の発電反応の熱とによって、燃料電池１４が迅速に加熱される。
ステップＳ５で、圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒより小さい、換言すると、排水弁５８が正常に開弁していないと判定された場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、ステップＳ６において、排水弁５８に対する開弁指示を継続し、且つ開閉弁６２に対する開弁指示を行う。これによって、開閉弁６２が開弁すると、分配流路６０を介して混合ガス流路５０と酸化剤ガス供給流路２６とが連通するため、混合ガスが酸化剤ガス供給流路２６に流通する。その結果、混合ガスに含まれる燃料ガスが酸化剤ガスとともにカソード電極に供給され、カソード触媒で発熱反応が生じる。この発熱反応と上記の発電反応とにより、燃料電池１４が迅速に加熱される。
次に、ステップＳ７において、上記の発熱反応及び発電反応により温度センサ６４の検出結果が上昇した上昇率ΔＴが、最小値Ｔｍｉｎ以上且つ最大値Ｔｍａｘ以下となる範囲内（Ｔｍｉｎ≦ΔＴ≦Ｔｍａｘ）であるか否かを判定する（上昇率確認工程）。最小値Ｔｍｉｎ及び最大値Ｔｍａｘのそれぞれは、例えば、燃料電池システム１０の暖機に要する時間が所望の範囲となるように設定されればよい。
ステップＳ７で、上昇率ΔＴが上記の範囲内ではない（ΔＴ＜Ｔｍｉｎ又はＴｍａｘ＜ΔＴ）と判定された場合（ステップＳ７：ＮＯ）には、ステップＳ８に進み、燃料ガス供給流路１８に対する燃料ガスの供給量を調整する。例えば、ΔＴ＜Ｔｍｉｎと判定された場合には、燃料ガス供給流路１８に対する燃料ガスの供給量を増大させる。一方、Ｔｍａｘ＜ΔＴと判定された場合には、燃料ガス供給流路１８に対する燃料ガスの供給量を減少させる。これらのステップＳ７、Ｓ８の処理を繰り返し実行し、上昇率ΔＴが上記の範囲内となるのを待つ。
ステップＳ７で、上昇率ΔＴが上記の範囲内であると判定された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、温度センサ６４により検出された燃料電池システム１０の温度が、暖機完了温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。暖機完了温度Ｔ２は、燃料電池１４の暖機が完了したと判断される温度であり、例えば、６０℃とすることができる。
ステップＳ９で、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度Ｔ２より小さいと判定された場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、ステップＳ９の処理を繰り返し実行し、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度Ｔ２以上となるのを待つ。
ステップＳ９で、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度Ｔ２以上であると判定された場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）には、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、それまでの処理において、排水弁５８及び開閉弁６２の両方に開弁指示を行っていた場合には、排水弁５８及び開閉弁６２に閉弁指示を行う。一方、排水弁５８のみに開弁指示を行っていた場合には、該排水弁５８に閉弁指示を行う。この閉弁指示によって排水弁５８を閉弁させることで、カソード電極に対する排出流体の供給を停止する。また、開閉弁６２を閉弁させることで、カソード電極に対する混合ガスの供給を停止する。
次に、ステップＳ１１において、燃料電池システム１０の通常運転を開始する。このステップＳ１１の処理の後、本実施形態に係るフローチャートは終了する。
以上から、本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法では、燃料電池１４の暖機開始時に、開弁指示に応じて排水弁５８が正常に開弁した場合には、接続流路５６を介して排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガス供給流路２６に流入させる。これによって、排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。
従って、燃料電池１４の発電反応の熱に加えて、カソード触媒での発熱反応の熱によっても燃料電池１４を加熱できるため、燃料電池１４を迅速に暖機することが可能になる。また、通常であれば、大気等に放出される排出流体に含まれる未消費分を有効に利用することができるため、燃料電池システム１０に供給された燃料ガスの利用効率を向上させることができる。この場合、排出流体に含まれる未消費分を希釈するための設備等を不要とすることも可能になる。
一方、燃料電池１４の暖機開始時に、開弁指示を行っても排水弁５８が正常に開弁しない場合には、開閉弁６２を開弁し、分配流路６０を介して混合ガスを酸化剤ガス供給流路２６に流入させる。これによって、排出流体に代えて、混合ガスに含まれる燃料ガスを、酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。
従って、排水弁５８が、例えば、凍結等によって正常に開弁せず、排出流体に含まれる未消費分をカソード電極に供給できない場合であっても、燃料電池１４の迅速な暖機を行うことが可能である。
上記の通り、燃料ガス供給流路１８と循環流路４２との接続部４４には、エジェクタ４６が設けられ、該エジェクタ４６には、電磁弁４８を介して燃料ガスが供給されることとした。また、分配流路６０は、燃料ガス供給流路１８のエジェクタ４６よりも下流側である混合ガス流路５０と、酸化剤ガス供給流路２６とを連通することとした。
この場合、開閉弁６２を開弁すると、分配流路６０を介してエジェクタ４６の下流側の混合ガスが酸化剤ガス供給流路２６に流通するため、エジェクタ４６の上流側に設けられた電磁弁４８は、該エジェクタ４６に噴射する燃料ガスの流量を増大させることになる。これによって、エジェクタ４６による排出ガスの吸引力も増大するため、循環ガスの循環効率を、ポンプ等を用いることなく向上させることができる。その結果、簡素な構成で発電反応を促進して、燃料電池１４の暖機を迅速に行うことが可能になる。
上記の通り、開弁判定工程では、排水弁５８に開弁指示を行う前後の圧力センサ５２の検出結果に基づいて、排水弁５８が開弁しているか否かを判定することとした。このように、圧力センサ５２の検出結果に基づくことで、排水弁５８が実際に開弁しているか否かを容易且つ高精度に判定することができる。
上記の通り、ステップＳ５の後、ステップＳ６を経ずにステップＳ７の上昇率確認工程を行った場合、換言すると、排水弁５８を開弁した状態である場合、燃料ガス供給流路１８に対する燃料ガスの供給量を調整すると、排出流体に含まれる未消費分の量が調整される。これによって、カソード電極に供給される未消費分の量が調整されるため、カソード触媒での発熱反応による発熱量を調整することができる。
一方、ステップＳ５の後、ステップＳ６を経てステップＳ７の上昇率確認工程を行った場合、換言すると、開閉弁６２を開弁した状態である場合、燃料ガス供給流路１８に対する燃料ガスの供給量を調整すると、分配流路６０を介して、カソード電極に供給される燃料ガスの量が調整される。従って、この場合も、カソード触媒での発熱反応による発熱量を調整することができる。
つまり、上記のようにして、燃料電池システム１０の温度の上昇率ΔＴが所定の範囲内となるように燃料ガスの供給量を調整することにより、燃料電池システム１０を過不足ない昇温率で加熱できるため、燃料電池１４の暖機を所望の時間で良好に行うことが可能になる。
本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、混合ガス流路５０と、酸化剤ガス供給流路２６とを分配流路６０により連通し、開閉弁６２を開弁することによって、混合ガスを酸化剤ガス供給流路２６に分配することとした。しかしながら、分配流路６０は、循環流路４２と酸化剤ガス供給流路２６とを連通してもよい。この場合、開閉弁６２を開弁することによって、排出ガスをカソード電極に供給してカソード触媒で発熱反応を生じさせることが可能になる。また、分配流路６０は、燃料ガス供給流路１８のエジェクタ４６よりも上流側と酸化剤ガス供給流路２６とを連通してもよい。この場合、開閉弁６２を開弁することによって、燃料ガス供給流路１８に供給された燃料ガスをカソード電極に供給してカソード触媒で発熱反応を生じさせることが可能になる。
上記の実施形態では、冷却媒体排出流路６３ｂに温度センサ６４が設けられ、該温度センサ６４は、燃料電池システム１０の温度として冷却媒体排出流路６３ｂの温度を測定することとした。しかしながら、燃料電池システム１０の温度を測定することが可能であれば、温度センサ６４を設ける箇所は特に限定されるものではない。同様に、圧力センサ５２の設置箇所も、混合ガス流路５０に限定されるものではなく、混合ガスの圧力を検出可能に設けられればよい。
上記の実施形態では、接続部４４にエジェクタ４６を設けることとしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、エジェクタ４６を設けることに代えて、循環流路４２に不図示のポンプ等を設けて、循環ガスを循環させてもよい。
１０…燃料電池システム １２…制御部
１４…燃料電池 １６…燃料ガス供給口
１８…燃料ガス供給流路 ２０…燃料排ガス排出口
２２…燃料排ガス流路 ２４…酸化剤ガス供給口
２６…酸化剤ガス供給流路 ２８…酸化剤排ガス排出口
３０…酸化剤排ガス流路 ３２…エアポンプ
３４…加湿器 ３６…水素タンク
３８…気液分離器 ４０…気体排出口
４２…循環流路 ４４…接続部
４６…エジェクタ ４８…電磁弁
５０…混合ガス流路 ５２…圧力センサ
５４…液体排出口 ５６…接続流路
５８…排水弁 ６０…分配流路
６２…開閉弁 ６３ａ…冷却媒体供給流路
６３ｂ…冷却媒体排出流路 ６４…温度センサ

Claims (9)

  1. 燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
    前記アノード電極から排出された燃料排ガスを流通させる燃料排ガス流路と、
    前記燃料排ガス流路を介して前記燃料排ガスが流入し、該燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、
    前記燃料ガス供給流路と接続部を介して接続されることで、前記気液分離器の気体排出口と前記燃料ガス供給流路とを連通する循環流路と、
    前記気液分離器の液体排出口を、排水弁を介して前記酸化剤ガス供給流路に連通する接続流路と、
    前記燃料ガス供給流路又は前記循環流路と前記酸化剤ガス供給流路とを連通する分配流路と、
    前記分配流路を開閉可能であり、前記分配流路を開状態とすることで、前記燃料ガス供給流路又は前記循環流路の内部のガスを、前記分配流路を介して前記酸化剤ガス供給流路へと流入させる開閉弁と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記接続部には、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガスと、前記気体排出口から前記循環流路に排出された排出ガスとを混合するエジェクタが設けられ、
    前記エジェクタには、電磁弁を介して前記燃料ガスが供給され、
    前記分配流路は、前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも下流側と、前記酸化剤ガス供給流路とを連通することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
    前記開閉弁及び前記排水弁に開弁指示又は閉弁指示を行うことが可能な制御部をさらに備え、
    前記制御部は、前記燃料電池の暖機開始時に、前記排水弁に開弁指示を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、開弁指示を行った前記排水弁が開弁していないと判定した場合、前記開閉弁に対して開弁指示を行うことを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料ガス供給流路の前記接続部よりも下流側と、前記燃料排ガス流路と、前記循環流路とを循環するガスの圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて、開弁指示を行った前記排水弁が開弁したか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池の温度を測定可能な温度センサをさらに備え、
    前記制御部は、前記排水弁及び前記開閉弁の両方、又は前記排水弁のみに対して開弁指示を行うことで上昇する前記温度センサによる検出結果の上昇率が所定の範囲内となるように、前記燃料ガス供給流路に対する前記燃料ガスの供給量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
  7. 燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、
    前記アノード電極から排出された燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器の液体排出口から前記液体を含む排出流体を排出するための排水弁が開弁指示に応じて正常に開弁したか否かを判定する開弁判定工程を有し、
    前記開弁判定工程で、前記排水弁が正常に開弁したと判定した場合には、前記排水弁に対する開弁指示を継続することで、前記排出流体を前記酸化剤ガスとともに前記カソード電極に供給して、前記カソード電極で発熱反応を生じさせることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  8. 請求項７記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記開弁判定工程で、前記排水弁が正常に開弁していないと判定した場合には、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガス及び前記気液分離器の気体排出口から排出された排出ガスの少なくとも一方を、前記酸化剤ガスとともに前記カソード電極に供給して、前記カソード電極で発熱反応を生じさせることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  9. 請求項８記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記開弁判定工程の後、前記カソード電極で発熱反応を生じさせることで上昇した前記燃料電池の温度の上昇率が所定の範囲内であるか否かを判定する上昇率確認工程をさらに有し、
    前記上昇率確認工程で、前記上昇率が所定の範囲内ではないと判定した場合、前記燃料ガス供給流路に対する前記燃料ガスの供給量を調整することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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