JP2018116774A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】掃気休止中の部品凍結を抑制可能な技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池内の水を排出する掃気処理に用いられる掃気部品と、掃気部品に電力を供給可能な二次電池と、掃気部品を制御して、一定期間、掃気処理を実行する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池システムの発電停止中に、掃気処理を開始し、掃気処理の開始後、二次電池の電圧が予め定められた電圧まで低下した場合に掃気処理を一時休止し、掃気処理の一時休止した後、二次電池の電圧が、再開後の掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで回復するのに必要な時間が経過した場合に、掃気処理を再開する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、燃料電池システム内の水の排出や窒素等の不純物の排気を行う掃気処理に、二次電池の電力を用いる物が知られている。特許文献１には、二次電池の制御方法として、掃気処理を行うための放電と、二次電池の電圧回復のための休止と、を繰り返す燃料電池システムが記載されている。

特開２００４−１７１８６４号公報

氷点下における燃料電池システムの掃気制御において、二次電池の放電休止を行うと、休止している時間によっては二次電池の電圧が回復するまでの間に生成水が凍結する場合がある。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と；前記燃料電池内の水を排出する掃気処理に用いられる掃気部品と；前記掃気部品に電力を供給可能な二次電池と；前記掃気部品を制御して、一定期間、前記掃気処理を実行する制御部と、を備え；前記制御部は；前記燃料電池システムの発電停止中に、前記掃気処理を開始し、前記掃気処理の開始後、前記二次電池の電圧が予め定められた電圧まで低下した場合に前記掃気処理を一時休止し；前記掃気処理の一時休止した後、前記二次電池の電圧が、再開後の前記掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで回復するのに必要な時間が経過した場合に、前記掃気処理を再開する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、二次電池の電圧低下によって掃気処理を一時休止させた後、再開後の掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで二次電池の電圧が回復した時点で即掃気処理を再開できるので、掃気を休止する期間を最小限にできる。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 掃気処理による消費電力と二次電池の電圧の関係を示した参考図である。 掃気処理の概要を表わすフローチャートである。 掃気制御処理による消費電力と二次電池の電圧の関係を示した図である。 第２実施形態における掃気制御処理による消費電力と二次電池の電圧の関係を示した図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、酸化ガス流路系３０と、燃料ガス流路系５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、二次電池９２と、負荷９３と、ＳＯＣ検出部９４と、備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（燃料ガス）と空気（酸化ガス）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。各セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極を配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介して二次電池９２に蓄電される。

二次電池９２には、種々の負荷９３が接続されている。燃料電池１０および二次電池９２は、後述するエアコンプレッサ３２や循環用ポンプ６４、各種弁に、電力が供給可能である。二次電池９２は、本実施形態において、リチウムイオン電池である。二次電池９２は、例えば、ニッケル水素電池などで構成されていてもよい。二次電池９２は、長時間連続で放電すると電荷のキャリアであるリチウムが不均一となり、過電圧が増大する。また、放電を一時休止することにより、リチウムが拡散し均一化することで過電圧が減少し電圧が回復する。

二次電池９２には、また、ＳＯＣ検出部９４が接続されている。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池９２の蓄電量（ＳＯＣ）［％］を検出し、制御部２０に送信する。本実施形態において「蓄電量（ＳＯＣ）」とは、二次電池９２の現在の充電容量に対する充電残量の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池９２の温度や、出力電圧値、出力電流値を検出し、それらの検出値に基づき、蓄電量（ＳＯＣ）を検出する。また、本実施形態のＳＯＣ検出部９４は、二次電池９２の温度についても制御部２０に送信する。

酸化ガス流路系３０は、酸化ガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、レギュレータ４２と、を備える。酸化ガス流路系３０には、燃料電池１０内のカソード側の流路が含まれる。

エアコンプレッサ３２は、酸化ガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、酸化ガスとして燃料電池１０に供給する。

開閉弁３３は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、酸化ガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３３は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が酸化ガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、カソードオフガス配管４１におけるカソードオフガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。

燃料ガス流路系５０は、燃料ガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、循環用ポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。燃料ガス流路系５０には、燃料電池１０内のアノード側の流路が含まれる。以下では、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池１０内のアノード側の流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池１０のアノードオフガスを燃料電池１０に循環させるための流路である。

水素タンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池１０に供給する。開閉弁５３、レギュレータ５４、インジェクタ５５は、燃料ガス配管５１に、この順序で上流側、つまり水素タンク５２に近い側、から設けられている。

開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉し、水素タンク５２からインジェクタ５５の上流側への水素の流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時には開閉弁５３は閉じられる。レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素の量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離器７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった燃料ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器７０へと誘導する。

気液分離器７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。気液分離器７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから生成水を分離して貯水する。

循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動される循環用ポンプ６４が設けられている。この循環用ポンプ６４によって、気液分離器７０によって生成水が分離されたアノードオフガスが、燃料ガス配管５１へと送り出される。このように、この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

排気排水弁６０は、気液分離器７０の下部に設けられている。排気排水弁６０は、気液分離器７０に貯水された生成水の排水と、気液分離器７０内のアノードオフガスの排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６０は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された生成水およびアノードオフガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

本実施形態において、制御部２０は、燃料電池システム１００の発電休止持に、エアコンプレッサ３２や開閉弁５３、排気排水弁６０、循環用ポンプ６４を制御して掃気処理を行う。掃気処理に用いられるこれらの部品をあわせて「掃気部品」という。本実施形態における「掃気処理」とは、一定期間、掃気部品に電力を供給して駆動し、それら掃気部品自体およびそれら掃気部品よりも下流の流路内に存在する水を排出することである。本実施形態の掃気処理では、制御部２０は、すべての掃気部品を同時に駆動する。また、制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４から送信された二次電池９２の温度や電圧の監視も行う。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、掃気部品を制御して燃料電池システム１００の発電停止中に掃気処理を実行する。以下では、燃料電池システム１００の発電停止中に行われる掃気処理のことを、単に「掃気処理」という。本実施形態における掃気処理は燃料電池システム１００の発電停止中に行われるため、掃気部品には二次電池９２から電力が供給される。

図２は、掃気処理による消費電力と二次電池９２の電圧との関係を示した参考図である。制御部２０は、掃気部品の掃気処理において、二次電池９２を連続放電させる。上側のグラフは二次電池９２の電圧の変化を示しており、縦軸は電圧を示している。下側のグラフは掃気部品による掃気処理が完了するまでに必要な消費電力を示しており、縦軸は電力を示している。上下のグラフ共に、横軸は時間を示している。

図２に示すように、掃気部品を駆動して掃気処理を行うと二次電池９２の電圧が徐々に低下し、下限電圧に到達する。二次電池９２の電圧が下限電圧を下回ると、二次電池９２の性能が劣化する原因となる。そのため、下限電圧に到達した後は掃気部品に電力を供給することが出来ない。その結果、掃気部品を駆動する電力が不足する。そこで本実施形態では、以下に説明するように、掃気処理を一時休止させることによって二次電池９２が電力不足となる事を抑制する。なお、下限電圧は、二次電池９２の性能が劣化する電圧値を、予め実験的に求めることで定めることができる。

図３は、本実施形態における掃気制御処理の概要を表わすフローチャートである。本実施形態における掃気制御処理は、燃料電池システム１００の停止中、例えば燃料電池システム１００の停止直後や、燃料電池システム１００の停止から予め定めた時間経過した場合に制御部２０により実行される処理である。なお、掃気制御処理の開始時にはＳＯＣ検出部９４の蓄電量（ＳＯＣ）と電圧とは十分にあるものとする。

本実施形態の掃気制御処理では、まず、制御部２０が、掃気部品を駆動させて掃気処理を開始する（ステップＳ１００）。そして、ＳＯＣ検出部９４を用いて検出した二次電池９２の電圧が予め定めた電圧まで低下したか否か判定する（ステップＳ１１０）。予め定めた電圧のことを、以下、「閾値」という。閾値は上述した下限電圧以上であることが好ましい。二次電池９２の電圧が閾値まで低下していない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部２０は引き続き掃気部品を駆動し、掃気処理を続ける。一方、二次電池９２の電圧が閾値まで低下した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部２０は、掃気部品の駆動を停止させ、掃気処理を一時休止する（ステップＳ１２０）。なお、上記ステップＳ１１０では、電圧が閾値に到達しないまま、予め定めた期間、掃気処理が継続した場合には、当該掃気制御処理を終了させてもよい。

掃気処理を休止した後、制御部２０は、二次電池９２の電圧が目標電圧まで上昇（回復）するのに必要な時間（以下、「電圧回復可能時間」という）を算出する（ステップＳ１３０）。具体的には、制御部２０は、まず、残りの掃気時間、掃気部品の掃気処理完了まで電力を供給できる電圧を、目標電圧として、電圧と掃気可能な時間の関係を示すマップや関数に基づき求める。そして、その後、二次電池９２の蓄電量（ＳＯＣ）および二次電池９２の温度と、電圧の回復にかかる時間との関係を定義したマップや関数に基づき、目標電圧まで回復する時間を、電圧回復可能時間として求める。

電圧回復可能時間を求めた後、制御部２０は、ステップＳ１２０で掃気処理を一時休止した後、電圧回復可能時間経過したか否かを判定する（ステップＳ１４０）。電圧回復可能時間が経過していなければ（ステップＳ１４０：ＮＯ）、制御部２０は、二次電池９２の電圧が目標電圧まで回復するまで待機し、電圧回復可能時間が経過していれば（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、制御部２０は、掃気処理を再開する（ステップＳ１５０）。

図４は、上述した掃気制御処理による消費電力と二次電池９２の電圧の関係を示した図である。図４に示すように、制御部２０は、掃気処理の開始後、二次電池９２の電圧が予め定めた閾値まで低下したタイミングｔ１の時点で、掃気部品の駆動を停止させ、掃気処理を一時休止する。そして、制御部２０は、二次電池９２の電圧が目標電圧まで回復するためのインターバル（電圧回復可能時間）を確保できるようにタイミングｔ２を決定し、停止後の経過時間がタイミングｔ２を経過したら、掃気部品を駆動して掃気処理を再開させる。これにより、二次電池９２の電圧が回復し、掃気部品の駆動に必要な電力全てを供給することができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、二次電池９２の電圧低下によって掃気処理を一時休止させた後、再開後の掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで二次電池９２の電圧が回復した時点で即掃気処理を再開できるので、掃気を休止する期間を最小限にできる。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
上記実施形態において、制御部２０は、掃気処理において、全ての掃気部品を同時に駆動している。これに対して、第２実施形態では、掃気部品毎に異なるタイミングで掃気制御処理を行う。例えば、燃料ガス流路系５０において、上流側にある部品から下流側にある部品へと掃気の強さを弱めながら燃料電池１０、気液分離器７０、排気排水弁６０という順に各部品の掃気を実施する。

図５は、第２実施形態における掃気制御処理による消費電力と二次電池９２の電圧の関係を示した図である。制御部２０は、タイミングｔ０ｂからタイミングｔ１ｂの期間に燃料電池１０の掃気処理を行い、タイミングｔ２ｂからタイミングｔ３ｂの期間に気液分離器７０の掃気処理を行い、タイミングｔ４ｂからタイミングｔ５ｂの期間に排気排水弁６０の掃気処理を行う。制御部２０は、各掃気部品の掃気処理完了まで電力を供給できる電圧に応じて、二次電池９２の電圧が上昇するためのインターバルを確保できるようにタイミングｔ２ｂ、タイミングｔ４ｂを決定し、掃気部品の掃気処理を再開させる制御を行う。

以上で説明した第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、上流からの液水流入で、下流の部品の掃気が不十分になる事を抑制できる。そのため、掃気休止中の部品凍結を抑制できる。

Ｃ．変形例：
＜第１変形例＞
上記実施形態において、掃気処理とは、制御部２０が、予め定めた時間掃気部品を駆動し、それら掃気部品自体およびそれら掃気部品よりも下流の流路内に存在する水を排出することである。換言すれば、制御部２０は、「時間」を掃気処理の指標としている。これに対して、制御部２０は、「掃気部品内の水分量」を掃気処理の指標としてもよい。掃気部品内の水分量は、例えば、残水量の推定値やインピーダンスによる計測値などを用いて求めることができる。

＜第２変形例＞
上記第１実施形態において、制御部２０は、１回の放電休止により、電圧回復可能時間経過させている。これに対して、制御部２０は、２回以上の放電休止により２次電池の電圧を目標電圧まで回復させてもよい。

＜第３変形例＞
燃料電池システム１００の発電停止時において、制御部２０は、掃気制御処理を１回に限らず複数回行ってもよい。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…燃料電池
１１…セル
２０…制御部
３０…酸化ガス流路系
３１…酸化ガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３、５３…開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２、５４…レギュレータ
５０…燃料ガス流路系
５１…燃料ガス配管
５２…水素タンク
５５…インジェクタ
６０…排気排水弁
６１…アノードオフガス配管
６３…循環配管
６４…循環用ポンプ
６５…循環流路
７０…気液分離器
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…二次電池
９３…負荷
９４…ＳＯＣ検出部
１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池内の水を排出する掃気処理に用いられる掃気部品と、
   前記掃気部品に電力を供給可能な二次電池と、
   前記掃気部品を制御して、一定期間、前記掃気処理を実行する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池システムの発電停止中に、前記掃気処理を開始し、前記掃気処理の開始後、前記二次電池の電圧が予め定められた電圧まで低下した場合に前記掃気処理を一時休止し、
   前記掃気処理の一時休止した後、前記二次電池の電圧が、再開後の前記掃気処理に必要な電力が確保できる電圧まで回復するのに必要な時間が経過した場合に、前記掃気処理を再開する、燃料電池システム。

Images