JP7359791B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、移動体に搭載されて発電を行う燃料電池システムに関する。
燃料電池自動車等の移動体に搭載される燃料電池システムは、燃料電池スタックにおいて発電に使用されなかったアノードガス(水素ガス)を含むアノードオフガスを移動体の外部に排出している。外部に排出する際のアノードガスの引火を防ぐために、通常、燃料電池システムには、アノードガスを希釈する希釈器が設けられる。
この種の希釈器は、燃料電池システムを大型化させる。このため、特許文献1には、希釈器を備えない燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、発電停止時に、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスをアノード供給路に戻す。アノードガスは、電解質膜・電極構造体を透過してアノード経路からカソード経路に移動することになり、カソード経路にてカソードガスにより希釈されて外部に排出される。
特開2020-9598号公報
しかしながら、特許文献1に開示の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電により生成されてアノード系装置に排出される生成水の排出手段について考慮されていない。燃料電池システムは、アノード系装置に流出した生成水を排出する必要があり、この排出時にはアノードガスも排出される。従って、発電停止時にアノードガスをカソード経路に導く構成だけでは、移動体の起動中や起動停止中等の状況下において、アノードガスを希釈できるわけではない。
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、状況に応じてカソードガスの供給量を調整することにより、適切に希釈されたアノードガスを移動体の外部に排出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。
前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、移動体に設けられた燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記カソードガスを供給するエアポンプと、前記燃料電池スタックからカソードオフガスが排出されるカソード排出路と、前記燃料電池スタックにアノードガスを流通させるアノード経路と、前記アノード経路のアノードガスを前記カソード排出路に導く1以上の排出路と、前記エアポンプの動作を制御する制御装置と、を含み、前記制御装置は、前記移動体の起動中に、低負荷回転数で前記エアポンプを回転させることで前記カソードガスを供給し、前記燃料電池スタックにて低負荷発電を実施することが可能であり、前記移動体の起動停止中に前記燃料電池スタックの発電を行う場合に、前記低負荷回転数よりも大きな回転数である起動停止時回転数で前記エアポンプを回転させることで前記カソードガスの供給量を増やす。
上記の燃料電池システムは、状況に応じてカソードガスの供給量を調整することにより、適切に希釈されたアノードガスを移動体の外部に排出することができる。
本発明の一実施形態に係る移動体に搭載された燃料電池システムの全体構成を概略的に示す説明図である。 移動体の起動中の燃料電池システムの発電を説明するためのタイミングチャートである。 図3Aは、移動体の走行中のアノードガス及びカソードガスの排出を示す概略側面図である。図3Bは、移動体の起動停止中のアノードガス及びカソードガスの排出を示す概略側面図である。 ECUの移動体起動中発電制御部の処理を行う機能ブロックを示すブロック図である。 ECUの移動体起動停止中発電制御部の処理を行う機能ブロックを示すブロック図である。 図6Aは、移動体の起動停止中における燃料電池システムの発電を説明するためのタイミングチャートである。図6Bは、ドレイン弁が開故障の場合のアノードガスの排出量を例示するタイミングチャートである。 カソードガス供給方法の処理フローを例示するフローチャートである。 サービスモードの処理フローを例示するフローチャートである。 変形例に係る燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10は、図1に示すように、燃料電池スタック12、アノード系装置14、カソード系装置16及び冷却装置18を備える。この燃料電池システム10は、燃料電池自動車等の移動体11に搭載され、燃料電池スタック12の発電電力を移動体11のバッテリBtや走行用モータMt等に供給する。なお、燃料電池システム10が搭載される移動体11は、燃電池自動車に限定されず、他の車両、船舶、航空機、ロボット等であってもよい。
燃料電池スタック12は、複数の発電セル20を積層した積層体21を図示しないスタックケース内に収容している。各発電セル20は、アノードガス(水素等の燃料ガス)とカソードガス(エア等の酸化剤ガス)の電気化学反応により発電を行う。
各発電セル20は、電解質膜・電極構造体22(以下、「MEA22」という)と、MEA22を挟持する一対のセパレータ24(セパレータ24a、セパレータ24b)とで構成される。MEA22は、電解質膜26(例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜))と、電解質膜26の一方の面に設けられたアノード電極28と、電解質膜26の他方の面に設けられたカソード電極30とを有する。セパレータ24aは、MEA22の一方の面に、アノードガスを流通させるアノードガス流路32を形成する。セパレータ24bは、MEA22の他方の面に、カソードガスを流通させるカソードガス流路34を形成する。また、複数の発電セル20の積層によりセパレータ24aとセパレータ24bが対向し合う面には、冷媒を流通させる冷媒流路36が形成される。
さらに、各発電セル20は、アノードガス、カソードガス及び冷媒の各々を、積層体21の積層方向に沿って流通させる図示しない複数の連通孔(アノードガス連通孔、カソードガス連通孔、冷媒連通孔)を備える。アノードガス連通孔はアノードガス流路32に連通しており、カソードガス連通孔はカソードガス流路34に連通しており、冷媒連通孔は冷媒流路36に連通している。
燃料電池スタック12は、アノード系装置14によりアノードガスが供給される。燃料電池スタック12内においてアノードガスは、アノードガス連通孔(アノードガス入口連通孔)を流通してアノードガス流路32に流入し、アノード電極28において発電に使用される。発電に使用されたアノードオフガス(未反応の水素を含む)は、アノードガス流路32からアノードガス連通孔(アノードガス出口連通孔)に流出して燃料電池スタック12からアノード系装置14に排出される。
また、燃料電池スタック12は、カソード系装置16によりカソードガスが供給される。燃料電池スタック12内においてカソードガスは、カソードガス連通孔(カソードガス入口連通孔)を流通してカソードガス流路34に流入し、カソード電極30において発電に使用される。発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路34からカソードガス連通孔(カソード出口連通孔)に流出して燃料電池スタック12からカソード系装置16に排出される。
さらに、燃料電池スタック12は、冷却装置18により冷媒が供給される。燃料電池スタック12内において冷媒は、冷媒連通孔(冷媒入口連通孔)を流通して冷媒流路36に流入し、発電セル20を冷却する。発電セル20を冷却した冷媒は、冷媒流路36から冷媒連通孔(冷媒出口連通孔)に流出して燃料電池スタック12から冷却装置18に排出される。
燃料電池システム10のアノード系装置14は、アノード経路38を有する。アノード経路38は、燃料電池スタック12にアノードガスを供給するアノード供給路40と、燃料電池スタック12からアノードオフガスを排出するアノード排出路42と、を含む。また、アノード経路38は、アノード排出路42のアノードオフガスに含まれる未反応の水素をアノード供給路40に戻すためのアノード循環路44を有する。
アノード経路38は、エジェクタ50よりも下流側のアノード供給路40、アノード排出路42、アノード循環路44によりアノードガス(アノードオフガス)を循環させる循環回路39を形成している。アノード循環路44には、循環回路39からアノードオフガスの一部を、カソード系装置16に回すブリード路46が接続されている。
アノード供給路40の上流部には、アノードガスを貯留するタンク47が設けられている。またアノード供給路40には、アノードガスの流通方向下流側に向かって順に、インジェクタ48、エジェクタ50が設けられている。インジェクタ48は、燃料電池システム10の運転時に開閉して、タンク47側よりも低圧にしたアノードガスを下流に吐出する。エジェクタ50は、インジェクタ48から吐出されたアノードガスの移動によって発生する負圧により、アノード循環路44からアノードオフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック12にアノードガスを供給する。
アノード排出路42には、アノードオフガスに含まれる水(発電時の生成水)を、アノードオフガスから分離する気液分離器52が設けられる。気液分離器52の上部にはアノード循環路44が接続され、アノードオフガス(気体)がアノード循環路44に流動する。気液分離器52の底部には、分離した水を排出するドレイン路54の一端が接続される。ドレイン路54には、流路を開閉するドレイン弁56が設けられる。また、ブリード路46には、ブリード路46内の流路を開閉するブリード弁58が設けられている。ドレイン弁56及びブリード弁58は、開弁(開度100%)及び閉弁(開度0%)を切り替える封止弁55、例えばソレノイド弁である。
燃料電池システム10のカソード系装置16は、カソード経路60を有する。カソード経路60は、燃料電池スタック12にカソードガスを供給するカソード供給路62と、燃料電池スタック12からカソードオフガスを排出するカソード排出路64と、を含む。また、カソード供給路62とカソード排出路64の間には、カソード供給路62のカソードガスをカソード排出路64に直接(燃料電池スタック12を通さずに)流通させるカソードバイパス路66が接続されている。
カソード供給路62には、カソードガスを燃料電池スタック12に供給するエアポンプ68が設けられている。エアポンプ68は、図示しないファンの回転下に、エアポンプ68よりも上流側のエア(外気)を圧縮して下流側のカソード供給路62に流通させるコンプレッサである。エアポンプ68は、カソード供給路62にコンプレッサを備える一方で、カソード排出路64にエキスパンダを備えた構成でもよい。
カソード供給路62は、エアポンプ68とカソードバイパス路66の間に、カソードガスを空気や水等の冷媒により冷却する温調器70(インタクーラ)を備える。また、カソード供給路62は、カソードバイパス路66と燃料電池スタック12の間に加湿器72を備える。加湿器72よりも下流側のカソード供給路62には、上記したブリード路46が接続されている。ブリード路46の接続箇所には気液分離器(不図示)が設けられていることが好ましい。
加湿器72は、カソード供給路62とカソード排出路64の両方にわたって設けられ、燃料電池スタック12からカソード排出路64に排出されたカソードオフガスに含まれる水分(発電時の生成水等)により、カソード供給路62のカソードガスを加湿する。
また、カソード排出路64においてカソードバイパス路66よりも下流側には、アノード系装置14のドレイン路54が接続されている。エアポンプ68がカソード排出路64にエキスパンダを備える場合、カソード排出路64の加湿器72とカソードバイパス路66の間に、カソードオフガスに含まれる水分を分離してエキスパンダよりも下流側に水分を排出する気液分離器が設けられるとよい。
カソードバイパス路66には、燃料電池スタック12をバイパスするカソードガスの流量を調整するためのバイパス弁74が設けられている。バイパス弁74は、開度を線形的に調整可能なバタフライ弁が適用される。
以上の燃料電池システム10は、当該燃料電池システム10の各構成の動作を制御するECU80(Electronic Control Unit:制御装置)を有する。ECU80は、1以上のプロセッサ、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路(共に不図示)を有するコンピュータに構成されている。ECU80は、メモリに記憶された図示しないプログラムを1以上のプロセッサが実行処理することで、ドレイン弁56、ブリード弁58、エアポンプ68、バイパス弁74等の動作を制御する。
ここで、アノード系装置14は、ドレイン弁56の開弁時に、気液分離器52において分離した水分と共に、アノードオフガスに含まれるアノードガスをドレイン路54に排出する。ドレイン路54がカソード排出路64に接続されていることから、ドレイン路54のアノードガスは、カソード排出路64を介してカソードガスと共に外部に排出される。また、アノード系装置14は、ブリード弁58の開弁時に、アノードオフガスに含まれる窒素や酸素と共にアノードガスがカソード供給路62に流出する。このアノードガスは、燃料電池スタック12を流通した後にカソード排出路64に排出され、カソード排出路64を通ってカソードガスと共に外部に排出される。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、カソード排出路64においてドレイン路54の接続箇所よりも下流側に、アノードガスを希釈するための希釈器を備えない構成となっている。これにより、燃料電池システム10全体としての小型化が促進される。
ECU80は、カソード排出路64から移動体11の外部にアノードガスを排出する際に、移動体11の状況に応じて適切にカソードガスの供給量を調整することで、カソード排出路64に流入したアノードガスを希釈する。以下、移動体11の起動中(走行中)と、起動停止中(走行停止中)との各状況におけるカソードガスの供給方法について説明する。
〔移動体11の起動中〕
燃料電池システム10は、移動体11の起動中(イグニッションやスタータスイッチのオンによる動作中)に、走行制御ECUやバッテリECUの発電要求に基づき燃料電池スタック12の発電を行う。この際、ECU80は、発電要求に応じた電力をエアポンプ68に供給すると共にバイパス弁74の開度を調整することで、燃料電池スタック12に向かうカソードガスの供給量を調整する。
図2に示すように、移動体11が平坦路を走行している等の状況では、燃料電池システム10は、通常走行(走行用モータMtやエアポンプ68の消費電力)に応じた通常発電を実施する。この際、ECU80は、発電要求に基づきエアポンプ68の回転数を所定の回転範囲RRで変化させる(図2中では便宜的に一定の回転数としている)。従って、適宜の供給量のカソードガスがエアポンプ68から燃料電池スタック12に供給される。
また、移動体11が坂路を登坂している等の走行用モータMtに高負荷がかかる状況下では、燃料電池システム10は高負荷発電を実施する。この際、ECU80は、通常走行の回転範囲RRよりも(或いは回転範囲RRの上限付近まで)上昇させた高負荷回転数HRでエアポンプ68を回転させる。従って、通常発電の供給量よりも多い供給量(高負荷回転数HRに応じた流量)のカソードガスが、燃料電池スタック12に供給される。
逆に、移動体11のユーザがアクセルを緩める等の走行用モータMtに低負荷がかかる状況下では、燃料電池システム10は低負荷発電を実施する。このためECU80は、通常走行の回転範囲RRよりも(或いは回転範囲RRの下限付近まで)減少させた低負荷回転数LRでエアポンプ68を回転させる。従って、通常発電の供給量よりも少ない供給量(低負荷回転数LRに応じた流量)のカソードガスが、燃料電池スタック12に供給される。
なお、移動体11が走行中や走行停止中等の状況において発電要求がゼロの場合でも、燃料電池システム10はエアポンプ68を低い回転数(例えば低負荷回転数LRに近似した回転数)で回転させて、カソードガスを燃料電池スタック12に多少供給する。その結果、燃料電池スタック12は、エアポンプ68の消費電力よりも低い発電電力を出力するアイドル発電を行い、その発電電力をエアポンプ68にて消費する。
また移動体11の起動中において、ECU80は、アノード系装置14側の各構成(インジェクタ48等)も制御して、カソードガスの供給量に合わせた供給量のアノードガスを、燃料電池スタック12に供給する。これにより、燃料電池スタック12は、種々の発電(通常発電、高負荷発電、低負荷発電、アイドル発電)に応じた電力を出力する。
移動体11の起動中において、アノード経路38の循環回路39には、燃料電池スタック12の発電に応じたアノードガス(アノードオフガス)が循環する。燃料電池システム10は、ドレイン弁56及びブリード弁58を適宜開弁して、循環回路39の生成水、窒素や酸素(電解質膜26を透過したカソードガス)をカソード排出路64に排出する。なお図2中では、ドレイン弁56とブリード弁58を異なるタイミングで開弁しているが、例えば、高負荷発電の実施中等においてドレイン弁56、ブリード弁58を同時に開弁してもよい。
ドレイン弁56やブリード弁58の開弁時には、アノードガスも流出される。ここで図3Aに示すように、移動体11が走行していれば、カソード排出路64が連通するテールパイプ76の排出口76a付近において引火する要素(火種等)が存在しない。従って、燃料電池スタック12の発電に伴って供給されるカソードガスによりアノードガスを希釈することで、アノードガスを排出する際の安全性を確保することができる。
仮に、移動体11の起動中の低負荷発電やアイドル発電の実施によりエアポンプ68が低負荷回転数LRで回転しカソードガスの供給量が少ない場合でも、アノードガスを充分に希釈できる(例えば、連続3秒の時間間隔におけるアノードガスの濃度が体積平均4%を超えない、又は任意時点でのアノードガスの濃度の瞬時上限が8%を超えないようにすることができる)。例えば、ECU80は、移動体11の起動中に、図4に示すような移動体起動中発電制御部81を形成し、カソードガスの供給によるアノードガスの希釈を制御する。
移動体起動中発電制御部81内には、基準カソードガス量算出部82、バルブ選択部84、希釈カソードガス量算出部86、ポンプ制御部88、バルブ開弁判定部90、バルブ制御部92、移動体起動中故障検出部94及びサービスモード制御部96が形成される。
基準カソードガス量算出部82は、他のECU(走行用モータMtを制御する走行制御ECU、バッテリBtの電池量を監視するバッテリECU等)から送信される発電要求の信号に基づき、燃料電池スタック12に供給するカソードガスの供給目標量を算出する。なお、ECU80自体が走行制御ECUやバッテリECUの機能を備えていてもよく、センサ(アクセル開度センサ、車輪速センサ等)の信号に基づき発電要求を算出してもよい。
バルブ選択部84は、水素濃度を監視する図示しないECUの水素濃度調整要求、気液分離器52(又は他の気液分離器)の貯水量を監視する図示しないECUやセンサの排水要求に基づき、ドレイン弁56及びブリード弁58のうち開弁する弁を選択する。
希釈カソードガス量算出部86は、バルブ選択部84が選択したドレイン弁56又はブリード弁58の開弁要求に基づき、アノードガスの希釈に必要なカソードガスの量(希釈カソードガス量)を算出する。例えば、希釈カソードガス量算出部86は、図示しないECUやセンサから取得するブリード路46やドレイン路54の上流及び下流の圧力差、アノードガスの推定温度、アノードガスの推定濃度、触媒反応効果等に基づき、アノードガスの排出量を算出する。さらに、希釈カソードガス量算出部86は、算出されたアノードガスの排出量に基づき、希釈カソードガス量を算出する。
ポンプ制御部88は、基準カソードガス量算出部82が算出した供給目標量、及び希釈カソードガス量算出部86が算出した希釈カソードガス量に基づき、エアポンプ68の回転数を算出する。そして、ポンプ制御部88は、算出された回転数に基づき、エアポンプ68の回転を制御する。エアポンプ68の回転数は、アノードガスを希釈可能な量とすることで、燃料電池スタック12の発電に必要な量より多くなる場合があるが、この場合、ECU80は、バイパス弁74の開度を変えてカソードバイパス路66を流通するカソードガスの量を調整する。これにより、燃料電池スタック12に供給されるカソードガが発電電力に対応した適切な量になる。
バルブ開弁判定部90は、カソード供給路62の図示しないカソードガスの流量センサが検出した実流量が、希釈カソードガス量算出部86の希釈カソードガス量を上回ったタイミングに基づき、開弁を許可する。
バルブ制御部92は、バルブ選択部84が選択したドレイン弁56、ブリード弁58の選択情報、及びバルブ開弁判定部90の開弁許可に基づき、選択された封止弁55(ドレイン弁56、ブリード弁58のうち一方)を開弁する。また、バルブ制御部92は、高負荷発電時において、ドレイン弁56及びブリード弁58の両方を開弁してもよい。
これにより、ECU80は、エアポンプ68の回転数に応じて、ドレイン弁56及びブリード弁58のうち一方(又はドレイン弁56及びブリード弁58の両方:高負荷発電時)を開弁することで、循環回路39からアノードガスを排出する。例えば、エアポンプ68を低負荷回転数LRで回転させる低負荷発電やアイドル発電を行う場合でも、カソード排出路64には、アノードガスを希釈し得るカソードガスが供給される。従って、燃料電池システム10は、移動体11の起動中に、アノードガス及びカソードガスを安全に排出することができる。
また、移動体起動中故障検出部94は、移動体11の起動中に、燃料電池システム10の各封止弁55(ドレイン弁56、ブリード弁58)の故障及びアノードガスの漏れを検出する。例えば、移動体起動中故障検出部94は、ドレイン弁56の開閉指示とドレイン弁56の電圧とを監視し、ドレイン弁56の閉弁指示を行っているにもかかわらず、ドレイン弁56に電圧がかかっている場合に、ドレイン弁56が誤って開いていると判断する。この検出方法(以下、指令動作不一致検出法という)によれば、移動体起動中故障検出部94は、ドレイン弁56が閉じずに開いたまままとなる開故障及びアノードガスの漏れを検出することができる(ブリード弁58についても同様である)。この検出方法は、各封止弁55の異常を短時間に検知できるというメリットがある。或いは、移動体起動中故障検出部94は、ドレイン弁56に閉弁を指示している状態で、循環回路39の図示しない圧力センサの検出圧力と発電電流値から水素漏れ量を算出し、漏れ量が大きい場合にドレイン弁56が誤って開いていると判断してもよい。この検出方法(以下、圧力降下検出法という)でも、移動体起動中故障検出部94は、ドレイン弁56が閉じない開故障及びアノードガスの漏れを検出することができる(ブリード弁58についても同様である)。圧力降下検出法は、指令動作不一致検出法よりも時間がかかるが検出精度を高めることができる。
サービスモード制御部96は、検査時やメンテナンス時等にサービスマンによる操作があった場合に、燃料電池システム10の動作を行う制御部である。例えば、サービスモード制御部96は、ドレイン弁56又はブリード弁58の異常の検出後に動作して、エアポンプ68の回転数を低負荷回転数LRよりも増加した回転数(サービスモード回転数)に設定する。この際、サービスモード制御部96は、燃料電池スタック12に向かうカソードガスの供給量をバイパス弁74の開度に応じて調整することで、通常発電や低負荷発電を行う。これにより、サービスモードでは、故障箇所の再確認を行う、故障が生じている各補機(封止弁55等)や各ECUのリセットを行う、起動停止を行う等の対処を図ることができる。
また、サービスモード制御部96は、ドレイン弁56又はブリード弁58の異常の検出後において、ドレイン弁56やブリード弁58に対して閉弁指令を出力することで、アノードガスの排出を防ぐようにしてもよい。例えば仮に、ドレイン弁56が閉弁できない開故障となっていても、閉弁指示によりブリード弁58が閉じられることで、カソード排出路64に排出されるアノードガスの排出量を抑制することができる。
〔移動体11の起動停止中〕
次に、移動体11の起動停止中(イグニッションやスタータスイッチのオフによる非動作中)の発電時におけるカソードガスの供給方法について説明する。燃料電池システム10は、移動体11の起動停止中でも発電を行うべき状況(燃料電池システム10の凍結を回避する、リモートで空調装置を起動する、外部給電、バッテリBtの充電等)を判定し、燃料電池スタック12の発電を自動的に行う。起動停止中でも、ECU80は、エアポンプ68の稼働及びバイパス弁74の開度を調整することで、燃料電池スタック12に向かうカソードガスの供給量を調整する。
ここで、アノード経路38から排出されるアノードガスは、ドレイン弁56の流路断面積(又はブリード弁58の流路断面積)に応じて排出量が決まる。このため、起動停止中の発電でも、燃料電池システム10は、ドレイン弁56及びブリード弁58を選択的に開弁してアノードガスを排出し、また起動中と同程度の回転数でエアポンプ68がカソードガスを供給すれば、アノードガスを希釈することが可能である。
しかしながら、ドレイン弁56が閉弁しない開故障又はブリード弁58が閉弁しない開故障が生じている場合には、アノードガスの希釈度合が弱まる。例えば、ドレイン弁56が開故障の場合にブリード弁58を開弁すると、ドレイン路54とブリード路46の両方からアノードガスを排出することになり、アノード系装置14全体としてのアノードガスの排出量が増える(図6Bも参照)。そして、図3Bに示すように、移動体11の起動停止中(走行停止中)は、テールパイプ76の排出口76a付近において引火する要素(例えば、車庫内で火花が出る作業を行う等、水素着火点温度以上となる火種)が存在する可能性がある。
そのため、移動体11の起動停止中において、ECU80は、図5に示すような移動体起動停止中発電制御部100を形成する。移動体起動停止中発電制御部100は、低負荷発電やアイドル発電に供給するカソードガスの供給量よりも、供給量を増加させたカソードガスを供給することで、アノードガスを希釈する制御を行う。
具体的には、移動体起動停止中発電制御部100内には、上記の移動体起動中発電制御部81と同様に、バルブ選択部84、ポンプ制御部88、バルブ開弁判定部90、バルブ制御部92が形成される。また移動体起動停止中発電制御部100内には、基準カソードガス量算出部82及び希釈カソードガス量算出部86に代えてカソードガス量設定部102が設けられ、移動体起動中故障検出部94に代えて移動体起動停止中故障検出部104が設けられる。
カソードガス量設定部102は、起動停止中の発電において、エアポンプ68の回転数を予め規定した値(以下、起動停止時回転数SRという)を保有している。起動停止時回転数SRは、仮に、複数の封止弁55(ドレイン弁56、ブリード弁58)からアノードガスが排出される場合に、このアノードガスの合計量に対応したエアポンプ68の回転数である。すなわち、起動停止時回転数SRは、複数の封止弁55の流路断面積に基づき排出されるアノードガスの合計量を算出し、合計量のアノードガスを充分に希釈可能なカソードガスの供給量を確保する回転値を、製造者が予め実験等により求めたものである。なお、アノード経路38からアノードガスを排出する封止弁55が3以上ある場合に、起動停止時回転数SRは、2つの封止弁55のアノードガスの排出量に対応していてもよく、3以上の封止弁55のアノードガスの排出量に対応していてもよい。
具体的には、図6Aに示すように、起動停止時回転数SRは、移動体11の起動中において低負荷発電やアイドル発電を実施した際のエアポンプ68の低負荷回転数LRよりも大きな回転数である。なお、起動停止時回転数SRは、移動体11の起動中に高負荷発電を実施した際のエアポンプ68の高負荷回転数HRより低くてよい。これにより、燃料電池システム10の起動停止時にカソードガスの過剰な供給による電力消費を抑えることができる。
カソードガス量設定部102は、起動停止時に他のECUから送信される発電要求を受信すると、保有している起動停止時回転数SRを自動的に設定し、ポンプ制御部88に出力する。ポンプ制御部88は、カソードガス量設定部102が設定した起動停止時回転数SRに基づき、エアポンプ68の回転を制御する。また、バルブ選択部84、バルブ開弁判定部90及びバルブ制御部92の動作は、移動体起動中発電制御部81と同様である。つまり、バルブ選択部84はドレイン弁56及びブリード弁58のうち一方を選択し、バルブ制御部92は、バルブ開弁判定部90の開弁の許可に基づき、選択された弁を開弁する。
これにより、燃料電池システム10は、循環回路39からアノードガスを排出しつつ、起動停止時回転数SRに応じてエアポンプ68を回転させて、燃料電池スタック12にカソードガスを供給する。起動停止中に、アノード系装置14から燃料電池スタック12に供給するアノードガスの供給量は、例えば、起動中の低負荷発電時と同じ供給量に設定される。そのため、燃料電池スタック12は、アノードガスとカソードガスの流入に基づき低負荷発電を行い、発電電力を出力する。燃料電池スタック12の発電電力に対して供給量が多い分のカソードガスは、バイパス弁74の開度に応じてカソードバイパス路66からカソード排出路64に導かれる。
従って、エアポンプ68の回転下に供給されたカソードガスがアノードガスを希釈する。仮に、ドレイン弁56及びブリード弁58の一方又は両方が開故障していることで、ブリード路46及びドレイン路54の両方からアノードガスが流出しても、カソードガスは、2つの封止弁55から排出されるアノードガスの排出量を希釈できる供給量で流通する。従って、起動停止中の発電において、燃料電池システム10は、アノードガスを充分に希釈できる(例えば、連続3秒の時間間隔におけるアノードガスの濃度が体積平均4%を超えない、又は任意時点でのアノードガスの濃度の瞬時上限が8%を超えないようにすることができる)。
また、移動体起動停止中故障検出部104は、移動体11の起動停止中に、燃料電池システム10の各弁(ドレイン弁56、ブリード弁58)の故障及びアノードガスの漏れを検出する。例えば、移動体起動停止中故障検出部104は、循環回路39の図示しない圧力センサの検出圧力を取得して、ドレイン弁56、ブリード弁58の各々についてアノードガスの流出量を常時計算しておく。そして移動体起動停止中故障検出部104は、ドレイン弁56やブリード弁58に開弁と閉弁を順に指令し、閉弁指令にも関わらずアノードガスの流出量が大きい場合に、ドレイン弁56やブリード弁58が誤って開いていると判断することができる。この検出方法(以下、流出量推定検出法という)によれば、移動体起動停止中故障検出部104は、弁の開故障及びアノードガスの漏れを検出することができる。また流出量推定検出法は、上記の指令動作不一致検出法や圧力降下検出法よりも時間がかかるものの、高精度な検出が可能になると共に、電圧センサ又は電流センサを設置せずに済むのでコストを低減できるメリットもある。
本実施形態に係る燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下、図7を参照して処理フローについて説明する。
燃料電池システム10のECU80は、燃料電池スタック12の発電を実施する際に、まずイグニッションやスタータスイッチの信号に基づき、移動体11が起動中又は起動停止中を判定する(ステップS1)。移動体11の起動中を判定した場合(ステップS1:YES)には、ステップS2に進み、移動体起動中発電制御部81によるカソードガスの供給処理を行う。
具体的には、移動体起動中発電制御部81は、先に燃料電池システム10を整備するサービスモードの実施又は非実施を判定する(ステップS2)。サービスモードは、上記したように、サービスマンによる操作があった場合等に実施し、それ以外の場合に非実施とする。ステップS2においてサービスモードを実施しない場合(ステップS2:YES)には、移動体起動中発電制御部81は、発電要求に基づき燃料電池スタック12の発電を実施する(ステップS3)。
起動中の発電制御において、ECU80は、通常発電、高負荷発電、低負荷発電、アイドル発電等を適宜実施し、発電の種類に応じてエアポンプ68の回転数を調整する。これにより、エアポンプ68の回転数に応じたカソードガスがカソード経路60を流通し、アノード系装置14から排出されたアノードガスを希釈する。例えば、ドレイン弁56の開弁に伴いドレイン路54に流出したアノードガスは、カソード排出路64に流入して適宜の供給量からなるカソードガスにより希釈され、カソードガスと共に移動体11の外部に排出される。同様に、ブリード弁58の開弁に伴いブリード路46に流出したアノードガスは、カソード供給路62に流入してカソードガスと混合し、燃料電池スタック12を流通してカソード排出路64に排出され、カソードガスと共に移動体11の外部に排出される。
また、移動体起動中故障検出部94は、燃料電池スタック12の発電中に、ドレイン弁56又はブリード弁58が故障しているか否かを判定する(ステップS4)。この際、移動体起動中故障検出部94は、上記した指令動作不一致検出法により時間をかけずにドレイン弁56、ブリード弁58の故障を検出する。これにより、ドレイン弁56やブリード弁58が故障していることを迅速に調べることができる。
ドレイン弁56又はブリード弁58の故障を判定した場合(ステップS4:YES)には、ステップS5に進み、故障している弁の異常コードを記憶する。また、ドレイン弁56又はブリード弁58が開故障している場合に、移動体起動中故障検出部94は、アノード系装置14においてアノードガスの供給を停止すると共に、ドレイン弁56及びブリード弁58に対して閉弁指令を行う(ステップS6)。さらに、移動体起動中故障検出部94は、移動体11の図示しない報知部を介してアノード系装置14に異常が生じている旨を、移動体11のユーザに報知する(ステップS7)。
ステップS4においてドレイン弁56やブリード弁58が故障していない場合及びステップS7の終了後に、ECU80は、移動体11の起動が終了したか否かを判定する(ステップS8)。そして、移動体11の起動を継続する場合(ステップS8:NO)は、ステップS3に戻って、以下同じ処理フローを繰り返す。
またステップS1において、移動体11の起動停止中を判定した場合(ステップS1:NO)には、ステップS9に進み、移動体起動停止中発電制御部100によるカソードガスの供給処理を行う。
ステップS9において、移動体起動停止中発電制御部100は、カソードガス量設定部102により設定された起動停止時回転数SRに基づきエアポンプ68を回転させて、起動中の低負荷発電のカソードガスの供給量よりも増加した供給量のカソードガスを供給する。カソードガスの供給量は、ドレイン弁56からのアノードガスの排出量及びブリード弁58からのアノードガスの排出量の合計量に対応している。これにより、仮にドレイン弁56やブリード弁58が閉じない開故障していることで、複数の排出路(ブリード路46、ドレイン路54)からアノードガスが排出されても、カソードガスにより充分に希釈することが可能となる。
また、移動体起動停止中故障検出部104は、燃料電池スタック12の発電中に、ドレイン弁56やブリード弁58が故障しているか否かを判定する(ステップS10)。この際、移動体起動停止中故障検出部104は、上記した流出量推定検出法により時間をかけてドレイン弁56、ブリード弁58の故障を検出することで、ドレイン弁56やブリード弁58の故障を精度よく検出する。故障検出に時間がかかっても、アノードガスは供給量が多いカソードガスにより希釈され続けているため、引火等が回避される。
ステップS10において故障を判定した場合(ステップS10:YES)には、ステップS11に進み、故障している弁の異常コードを記憶する。また、移動体起動停止中故障検出部104は、移動体11の図示しない報知部を介してアノード系装置14に異常が生じている旨を、移動体11のユーザに報知する(ステップS12)。
ステップS10においてドレイン弁56やブリード弁58が故障していない場合(ステップS10:NO)及びステップS12の終了後に、ECU80は、移動体11の起動停止中の発電が終了するか否かを判定する(ステップS13)。移動体11の起動停止中において燃料電池スタック12の発電を継続する場合(ステップS13:NO)は、ステップS9に戻って、以下同じ処理フローを繰り返す。
一方、図7に示すステップS2においてサービスモードを実施する場合(ステップS2:NO)には、図8に示すように、サービスモード制御部96による燃料電池システム10の制御を開始する。サービスモード中は、移動体11の移動を禁止してもよい。
サービスモード制御部96は、サービスモードにおいて、低負荷発電のエアポンプ68の低負荷回転数LRよりも大きなサービスモード回転数とし、増加した供給量のカソードガスをエアポンプ68の下流に供給する(ステップS21)。また移動体起動中故障検出部94は、サービスモードでもドレイン弁56やブリード弁58が故障しているか否かを判定する(ステップS22)。サービスモードでは、カソードガスの供給量が多く、アノードガスが希釈された状態となるため、移動体起動中故障検出部94は、例えば、上記した流出量推定検出法(又は圧力降下検出法)により時間をかけてドレイン弁56、ブリード弁58の故障を検出する。
ステップS22において故障を判定した場合(ステップS22:YES)には、ステップS23に進み、故障している弁の異常コードを記憶する。さらに移動体起動中故障検出部94は、移動体11の図示しない報知部を介してアノード系装置14に異常が生じている旨を、移動体11のユーザに報知する(ステップS24)。
ステップS2においてドレイン弁56やブリード弁58が故障していない場合(ステップS22:NO)及びステップS24の終了後に、ECU80はサービスモードを終了するか否かを判定する(ステップS25)。
サービスモードを継続する場合(ステップS25:NO)には、ステップS21に戻って、以下同じ処理フローを繰り返す。このようにサービスモードを実施することで、燃料電池システム10は、移動体11の起動時に、封止弁55の故障を確認して必要な対処を早期に図ることができる。なお、移動体11は、サービスモードにおいて走行を許可してもよく、これにより整備工場等への運搬を容易に行うことができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、エアポンプ68は、コンプレッサに限定されず、ブロワ等の酸化剤ガスを供給できるデバイスを適用してよい。
また例えば、上記の処理フローでは、ECU80は、移動体11の起動中において封止弁55(ドレイン弁56、ブリード弁58)の故障を検出した場合に、封止弁55に閉弁指令を出力する構成とした(図7中のステップS6)。これに限らず、ECU80は、移動体11の起動中に封止弁55の故障を検出した場合に、封止弁55が故障していない状況のエアポンプ68の回転数よりも、エアポンプ68の回転数を増加させる制御を行ってもよい。これにより、充分な供給量のカソードガスがカソード排出路64に導かれて、アノードガスを希釈することが可能となる。
例えば、図9に示すように、燃料電池システム10は、アノード循環路44にパージ路110が接続されると共に、パージ路110の流路を開閉するパージ弁112が設けられた構成でもよい。この場合、パージ路110は、上記のブリード路46と同じ機能を有し、パージ弁112は上記のブリード弁58と同じ機能を有する。或いは、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12内に溜まる生成水を直接排出する図示しない排水管を備えると共に、排水管の流路を開閉する封止弁55を備えた構成でもよい。要するに、燃料電池システム10は、アノード系装置14からアノードガスを排出する排出路及び封止弁55の数について、特に限定されず、3以上設けられてもよい。
また、他の変形例として、燃料電池システム10は、アノード経路38からアノードガスを排出する排出路を1つ(例えば、ドレイン路54)のみ備えると共に、この排出路を開閉する封止弁55(例えば、ドレイン弁56)を1つ備える構成でもよい。このように排出路が1つでも、起動停止中におけるエアポンプ68の回転数を、ドレイン弁56の流路断面積に基づき設定された起動停止時回転数SRに設定することで、カソードガスによりアノードガスを充分に希釈することができる。また、この場合の起動停止時回転数SRは、移動体11の起動中において低負荷発電を行う際のエアポンプ68の低負荷回転数LRよりも大きい値に設定される。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について以下に記載する。
本発明の一態様は、移動体11に設けられた燃料電池システム10であって、燃料電池スタック12と、燃料電池スタック12にカソードガスを供給するエアポンプ68と、燃料電池スタック12からカソードオフガスが排出されるカソード排出路64と、燃料電池スタック12にアノードガスを流通させるアノード経路38と、アノード経路38のアノードガスをカソード排出路64に導く1以上の排出路(ブリード路46、ドレイン路54)と、エアポンプ68の動作を制御する制御装置(ECU80)と、を含み、制御装置は、移動体11の起動中に、低負荷回転数LRでエアポンプ68を回転させることでカソードガスを供給し、燃料電池スタック12にて低負荷発電を実施することが可能であり、移動体11の起動停止中に燃料電池スタック12の発電を行う場合に、低負荷回転数LRよりも大きな回転数である起動停止時回転数SRでエアポンプ68を回転させることでカソードガスの供給量を増やす。
上記によれば、燃料電池システム10は、移動体11の起動中や起動停止中等の状況に応じてカソードガスの供給量を調整することで、適切に希釈したアノードガスを移動体11の外部に排出することができる。特に、移動体11の起動停止中は、引火する要素が移動体11の外部に存在する可能性があるが、燃料電池システム10は、負荷回転数よりも大きな起動停止時回転数SRでエアポンプ68を回転させる。これにより、カソード排出路64に排出されるカソードガスが、アノードガスを充分に希釈することができる。その結果、燃料電池システム10は、希釈器を備えない構成とすることができ、システム全体として小型化を促進することができる。
また、1以上の排出路(ブリード路46、ドレイン路54)におけるアノードガスの流通可能状態と流通停止状態を切り替える1以上の封止弁55(ドレイン弁56、ブリード弁58)を備え、起動停止時回転数SRは、1以上の封止弁55の流路断面積に基づき設定される。このように、封止弁55の流路断面積に応じて起動停止時回転数SRを設定することで、エアポンプ68のカソードガスの供給量を、アノードガスの希釈に必要な量に適切に合わせることができる。これにより、燃料電池システム10は、エアポンプ68を必要以上に回転させずに済むので、発電の効率化が図られる。
また、排出路(ブリード路46、ドレイン路54)は複数設けられると共に、複数の排出路毎に封止弁55が設けられ、起動停止時回転数SRは、複数の封止弁55から排出されたアノードガスの合計量に対応したカソードガスの供給量となるように設定される。これにより、複数の封止弁55が同時に開弁したとしても、複数の封止弁55から排出されたアノードガスの合計量に対応した供給量のカソードガスにより、アノードガスを充分に希釈することができる。
また、アノード経路38は、燃料電池スタック12にアノードガスを供給するアノード供給路40と、燃料電池スタック12からアノードオフガスが排出されると共に、気液分離器52を備えたアノード排出路42と、気液分離器52から排出されたアノードオフガスをアノード供給路40に循環させるアノード循環路44と、を含み、複数の封止弁55は、気液分離器52に接続された排出路であるドレイン路54を開閉して、分離された水分を排出するドレイン弁56と、アノード循環路44に接続された排出路であるブリード路46を開閉して、アノードオフガスを排出するブリード弁58と、を含む。これにより、燃料電池システム10は、ドレイン弁56及びブリード弁58の異常により両方が開弁した場合でも、適切な量のカソードガスによりアノードガスを希釈することができる。
また、制御装置(ECU80)は、移動体11の起動中に封止弁55の故障を検出する第1検出方法と、移動体11の起動停止中に封止弁55の故障を検出する第2検出方法と、を実施可能であり、第1検出方法の検出期間の方が第2検出方法の検出期間よりも短い。これにより、燃料電池システム10は、移動体11の起動中に第1検出方法により短い検出期間で故障を検知することで、封止弁55の異常を早期に検出してユーザに必要な対応をとらせることができる。その一方で、燃料電池システム10は、移動体11の起動停止中に、時間がかかる第2検出方法によって封止弁55の異常を精度よく検出することが可能となり、移動体11の起動中の安全性を高めることができる。
また、制御装置(ECU80)は、移動体11の起動中に1以上の封止弁55の故障を検出した場合に、故障の検出前のエアポンプ68の回転数よりも故障の検出後のエアポンプ68の回転数を増加させる。これにより、燃料電池システム10は、移動体11の起動中に封止弁55の故障を検出した場合でも、カソードガスの供給量が増加するので、アノードガスを充分に希釈することができる。
また、制御装置(ECU80)は、封止弁55の故障を検出した場合に、封止弁55に対して閉弁指令を出力する。これにより、燃料電池システム10は、封止弁55の故障を検出した場合に、直ちにアノードガスの排出を減らすことが可能となる。
また、制御装置(ECU80)は、移動体11の起動停止中に封止弁55の故障を検出した後の移動体11の起動中において、封止弁55が故障していない状態でのエアポンプ68の回転数よりも故障を検出した後のエアポンプ68の回転数を増やす。これにより、燃料電池システム10は、移動体11の起動中に封止弁55が故障している場合でもアノードガスを充分に希釈することができ、移動体11を必要に応じて移動させることが可能となる。
10…燃料電池システム 11…移動体
12…燃料電池スタック 38…アノード経路
40…アノード供給路 42…アノード排出路
44…アノード循環路 46…ブリード路
52…気液分離器 54…ドレイン路
55…封止弁 56…ドレイン弁
58…ブリード弁 64…カソード排出路
68…エアポンプ 80…ECU
SR…起動停止時回転数

Claims (6)

  1. 移動体に設けられた燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するエアポンプと、
    前記燃料電池スタックからカソードオフガスが排出されるカソード排出路と、
    前記燃料電池スタックにアノードガスを流通させるアノード経路と、
    前記アノード経路のアノードガスを前記カソード排出路に導く1以上の排出路と、
    前記エアポンプの動作を制御する制御装置と、を含み、
    前記制御装置は、
    前記移動体のイグニッションまたはスタータスイッチのオンによる動作中に、低負荷回転数で前記エアポンプを回転させることで前記カソードガスを供給し、前記燃料電池スタックにて低負荷発電を実施することが可能であり、
    前記移動体のイグニッションまたはスタータスイッチのオフによる非動作中に前記燃料電池スタックの発電を行う場合に、前記低負荷回転数よりも大きな回転数である停止時回転数で前記エアポンプを回転させることで前記カソードガスの供給量を増やし、
    前記アノード経路は、
    前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するアノード供給路と、
    前記燃料電池スタックからアノードオフガスが排出されると共に、気液分離器を備えたアノード排出路と、
    前記気液分離器から排出された前記アノードオフガスを前記アノード供給路に循環させるアノード循環路と、を含み、
    前記気液分離器に接続された前記排出路であるドレイン路を開閉して、分離された水分を排出するドレイン弁と、
    前記アノード循環路に接続された前記排出路であるブリード路を開閉して、前記アノードオフガスを排出するブリード弁と、を含み、
    前記制御装置は、
    前記移動体の前記動作中に前記ドレイン弁または前記ブリード弁の故障を検出する第1検出方法と、前記移動体の前記非動作中に前記ドレイン弁または前記ブリード弁の故障を検出する第2検出方法と、を実施可能であり、
    前記第1検出方法の検出期間の方が前記第2検出方法の検出期間よりも短い
    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、
    前記停止時回転数は、前記ドレイン弁または前記ブリード弁の流路断面積に基づき設定される
    燃料電池システム。
  3. 請求項2記載の燃料電池システムにおいて、
    前記停止時回転数は、前記ドレイン弁および前記ブリード弁の各々から排出された前記アノードガスの合計量に対応した前記カソードガスの供給量となるように設定される
    燃料電池システム。
  4. 請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記移動体の前記動作中に前記ドレイン弁または前記ブリード弁の故障が検出された場合に、前記故障の検出前の前記エアポンプの回転数よりも前記故障の検出後の前記エアポンプの回転数を増加させる
    燃料電池システム。
  5. 請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記ドレイン弁または前記ブリード弁の故障が検出された場合に、前記故障が検出された前記ドレイン弁または前記ブリード弁に対して閉弁指令を出力する
    燃料電池システム。
  6. 請求項1~のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御装置は、
    前記移動体の前記非動作中に前記ドレイン弁または前記ブリード弁の故障が検出された後の前記移動体の前記動作中において、前記故障が検出されていない状態での前記エアポンプの回転数よりも前記故障が検出された後の前記エアポンプの回転数を増やす
    燃料電池システム。
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