JP2022113210A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 気液分離器の排気排水弁の解凍を容易に判定することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、反応ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された反応ガスが流れる排出流路と、排出流路を流れる反応ガスから液水を分離する気液分離器と、気液分離器から液水を排出する排気排水弁と、制御装置とを有し、制御装置は、燃料電池の始動時、調圧弁の開度を所定値に維持した状態で排気排水弁の開放制御を行い、排気排水弁の開放制御に応じた反応ガスの圧力の変化に基づき排気排水弁が凍結状態であるか否かを判定し、排気排水弁が凍結状態であると判定した場合、燃料電池を暖機運転し、調圧弁の開度を、排気排水弁が凍結していないと判定した場合の燃料電池の運転状態より小さい値に維持した状態で排気排水弁の開放制御を行い、排気排水弁の開放制御に応じた反応ガスの圧力の変化に基づき排気排水弁が解凍されたか否かを判定する。
【選択図】図１

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、燃料ガス及び酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池を備える（例えば特許文献１参照）。燃料電池システムは、カソード側の酸化剤ガスの供給路及び排出路にエアコンプレッサ及びエキスパンダをそれぞれ備えることがある。

燃料電池の発電により生成された液水がエキスパンダに流れ込むとエキスパンダの動作に悪影響が及ぶおそれがある。このため、酸化剤ガスの排出路の上流側に気液分離器が設けられる。気液分離器は、燃料電池から排出された酸化剤ガスから液水を分離して貯留する。気液分離器内の液水は、気液分離器の下部に設けられた排気排水弁の開放により排出される。

特開２０２０－７７４５７号公報

例えば氷点下で燃料電池システムが運用される場合、燃料電池の運転の停止中、振動などの要因で燃料電池から閉塞状態の排気排水弁に液水が流れ込むことにより排気排水弁が凍結する場合がある。この場合、燃料電池の始動時、酸化剤ガスから分離された液水が気液分離器から排出されずに溢れて、酸化剤ガスの排出路経由でエキスパンダに流れ込むおそれがある。

これに対し、排気排水弁は、例えば燃料電池の暖機運転により解凍することができるが、排気排水弁が解凍されたことを判定するには、排気排水弁の開放に応じた酸化剤ガスの圧力の変化を検出する必要がある。しかし、暖機運転中、燃料電池から酸化剤ガスが排出路を介して排出されるため、圧力変化が微小であることからその検出が難しいという問題がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、気液分離器の排気排水弁の解凍を容易に判定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。

本明細書に記載の燃料電池システムは、反応ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された前記反応ガスが流れる排出流路と、前記排出流路を流れる前記反応ガスから液水を分離する気液分離器と、前記気液分離器から前記液水を排出する排気排水弁と、前記気液分離器の下流側の前記排出流路に設けられた調圧弁と、前記反応ガスの圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池、前記排気排水弁、及び前記調圧弁を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記燃料電池の始動時、前記調圧弁の開度を所定値に維持した状態で前記排気排水弁の開放制御を行い、前記排気排水弁の開放制御に応じた前記反応ガスの圧力の変化に基づき前記排気排水弁が凍結状態であるか否かを判定し、前記排気排水弁が凍結状態であると判定した場合、前記燃料電池を暖機運転し、前記調圧弁の開度を、前記排気排水弁が凍結していないと判定した場合の前記燃料電池の運転状態より小さい値に維持した状態で前記排気排水弁の開放制御を行い、前記排気排水弁の開放制御に応じた前記反応ガスの圧力の変化に基づき前記排気排水弁が解凍されたか否かを判定する。

本発明によれば、気液分離器の排気排水弁の解凍を容易に判定することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。 排気排水弁の凍結状態の判定処理の一例を示すフローチャートである。

（燃料電池システムの構成例）
図１は、燃料電池システム９の一例を示す構成図である。燃料電池システム９は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０、空気供給システム１、水素供給システム２、及び燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）３を有する。

水素供給システム２はＦＣ３のカソードに、酸化剤ガスとして圧縮空気を供給し、水素供給システム２はＦＣ３のアノードに、燃料ガスとして水素ガスを供給する。ＦＣ３は、固体高分子電解質型の複数の単セルの積層体を含み、圧縮空気と水素ガスの化学反応により発電する。なお、圧縮空気は、ＦＣ３が発電に用いる反応ガスの一例である。燃料電池システム９が例えば燃料電池車に搭載される場合、ＦＣ３が発電した電力は燃料電池車の動力のモータ（不図示）やバッテリ（不図示）に供給される。

水素供給システム２は、水素タンク２０、インジェクタ２１、水素供給管Ｒ２１、及び水素排出管Ｒ２２を有する。水素供給管Ｒ２１には、高圧の水素ガスを貯留する水素タンク２０、及び水素ガスを噴射するインジェクタ２１などが設けられている。水素ガスは水素供給管Ｒ２１を流れてＦＣ３のアノードに供給される。

ＦＣ３には、水素ガスが流れるアノード流路Ｒ３２が設けられている。アノード流路Ｒ３２は、各単セルを構成する不図示のセパレータに設けられた溝流路及びマニホルドである。水素ガスは、アノード流路Ｒ３２を流れて発電に用いられた後、アノードオフガスとして水素排出管Ｒ２２に排出される。なお、水素排出管Ｒ２２から水素供給管Ｒ２１に至る水素ガスの循環経路の図示は省略する。

空気供給システム１は、エアコンプレッサ１０、インタークーラ１１、圧力センサ１２、供給弁１３、気液分離器１４、排気排水弁１５、調圧弁１６、エキスパンダ１７、回転軸１９、モータＭ、空気供給管Ｒ１１、空気排出管Ｒ１２、及びバイパス管Ｒ１３を有する。なお、エアコンプレッサ１０の上流側に設けられるエアクリーナの図示は省略する。

外気である空気は空気供給管Ｒ１１を流れて最下流のＦＣ３のカソードに供給される。空気供給管Ｒ１１には、上流から下流に向かってエアコンプレッサ１０、インタークーラ１１、圧力センサ１２、及び供給弁１３が、この順で設けられている。

エアコンプレッサ１０は、インペラなどを有しており、空気供給管Ｒ１１から取り込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成する。圧縮空気の温度は外気よりも高くなる。インタークーラ１１は、不図示の冷却システムと熱交換することにより高温の圧縮空気を冷却する。

圧力センサ１２は、インタークーラ１１の下流側の空気供給管Ｒ１１に設けられている。圧力センサ１２は、空気供給管Ｒ１１内の圧縮空気の圧力を検出する。供給弁１３は、圧力センサ１２の下流側の空気供給管Ｒ１１に設けられている。供給弁１３が開いているとき、圧縮空気は空気供給管Ｒ１１を流れてＦＣ３に供給され、供給弁１３が閉じているとき、圧縮空気の供給は停止する。

ＦＣ３には、圧縮空気が流れるカソード流路Ｒ３１が設けられている。カソード流路Ｒ３１は、各単セルを構成する不図示のセパレータに設けられた溝流路及びマニホルドである。圧縮空気は、カソード流路Ｒ３１を流れて発電に用いられた後、空気排出管Ｒ１２に排出される。

空気排出管Ｒ１２は、ＦＣ３から排出された反応ガスが流れる排出流路の一例である。空気排出管Ｒ１２には、上流から下流に向かって気液分離器１４、調圧弁１６、及びエキスパンダ１７がこの順で設けられている。また、気液分離器１４とエキスパンダ１７の下流側の空気排出管Ｒ１２の間は排水管Ｒ１４により接続されている。なお、空気排出管Ｒ１２はエキスパンダ１７の下流側において水素排出管Ｒ２２と接続されてもよい。

気液分離器１４は、空気排出管Ｒ１２を流れる圧縮空気から液水を分離する。発電に用いられた後の圧縮空気には、発電で生成された液水が含まれている。気液分離器１４は、圧縮空気から液水を取り除くことにより、液水がエキスパンダ１７に侵入することを抑制する。

液水が取り除かれた圧縮空気は、気液分離器１４から下流側の空気排出管Ｒ１２に流れる。気液分離器１４の下流側の空気排出管Ｒ１２には調圧弁１６が設けられている。調圧弁１６は、空気排出管Ｒ１２を流れる圧縮空気の圧力、つまりＦＣ３の背圧を調整する。

調圧弁１６の下流側の空気排出管Ｒ１２にはエキスパンダ１７が設けられている。エキスパンダ１７は、空気排出管Ｒ１２から流れ込む圧縮空気により作動するタービンである。圧縮空気は、エキスパンダ１７を通過して外部に排出される。

エキスパンダ１７及びエアコンプレッサ１０は共通の回転軸１９により互いに接続されている。回転軸１９はモータＭの出力軸と一体に形成され、回転軸１９はモータＭにより回転駆動される。回転軸１９の両端は不図示のモータケーシングの外部に露出しており、その一端はエアコンプレッサ１０の回転の中心部に接続され、他端はエキスパンダ１７の回転の中心部に接続されている。すなわち、モータＭ、エキスパンダ１７、及びエアコンプレッサ１０は回転軸１９を介して互いに接続されている。

また、空気供給管Ｒ１１と空気排出管Ｒ１２の間はバイパス管Ｒ１３により結ばれている。バイパス管Ｒ１３の下流側の端部は圧力センサ１２及び供給弁１３の間の空気供給管Ｒ１１に接続され、バイパス管Ｒ１３の上流側の端部は調圧弁１６及びエキスパンダ１７の間の空気排出管Ｒ１２に接続されている。

バイパス管Ｒ１３にはバイパス弁１８が設けられている。空気供給管Ｒ１１を流れる圧縮空気の一部は、バイパス弁１８の開度に応じた流速で空気排出管Ｒ１２に流れ込む。

気液分離器１４の底部は、排気排水弁１５を介して排水管Ｒ１４に接続されている。排気排水弁１５は気液分離器１４から液水を排出する。排気排水弁１５が開いているとき、気液分離器１４に貯留された液水は排気排水弁１５を通って排水管Ｒ１４に流れる。排気排水弁１５が閉じているとき、液水は気液分離器１４内部に貯留される。

ＥＣＵ９０は、制御装置の一例であり、燃料電池システム９の動作を制御する。ＥＣＵ９０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリなどを含む回路を備え、ＣＰＵが、メモリに記憶されたプログラムに従って処理を実行することにより各種の制御を行う。

例えばＥＣＵ９０は、インジェクタ２１の開閉、供給弁１３の開閉、排気排水弁１５の開度、調圧弁１６の開度、バイパス弁１８の開度、及びモータＭの回転数を制御する。ＥＣＵ９０は、ＦＣ３に発電を開始させるとき、供給弁１３を開いて圧縮空気をＦＣ３に供給し、インジェクタ２１を周期的に開閉して水素ガスをＦＣ３に供給する。ＥＣＵ９０は、要求された発電電力に応じてモータＭの回転数及びインジェクタ２１の開閉周期などを制御する。これにより、ＦＣ３の発電状態が制御される。

また、ＥＣＵ９０は、ＦＣ３の始動時、調圧弁１６の開度を所定値に維持した状態で排気排水弁１５の開放制御を行い、圧力センサ１２が検出する圧縮空気の圧力の変化を検出する。ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の開放制御に応じた圧力変化に基づき排気排水弁１５が凍結状態であるか否かを判定する。圧縮空気の圧力は、調圧弁１６の開度が所定値であるため、一定値に保たれる。したがって、排気排水弁１５が非凍結状態であってＥＣＵ９０の開放制御に従って開いた場合、圧縮空気の圧力は減少する。

ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５が凍結状態であると判定した場合、ＦＣ３を急速暖機運転する。ＥＣＵ９０は、急速暖機運転では、ＦＣ３への圧縮空気の供給量を通常の発電時より減少させて、ＦＣ３の発熱量を増加させる。このとき、ＦＣ３の出力電流値は通常の発電時より小さいため、発電で生成される水分（水蒸気及び液水）の量も少ない。なお、燃料電池システム９が燃料電池車に搭載されている場合、ＥＣＵ９０は、急速暖機運転中、ＦＣ３の発電電力が燃料電池車の走行に不十分であるとき、走行の許可を保留する。

ＥＣＵ９０は、暖機運転中、調圧弁１６の開度を、排気排水弁１５が凍結していないと判定した場合より小さい開度に維持した状態で排気排水弁１５の開放制御を行う。ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の開放制御に応じた圧縮空気の圧力の変化に基づき排気排水弁１５が解凍されたか否かを判定する。

このとき、調圧弁１６は開いているため、ＦＣ３は暖機運転中の発電に用いた圧縮空気を空気排出管Ｒ１２から排出することができる。また、ＥＣＵ９０は、調圧弁１６の開度を、排気排水弁１５が凍結していないと判定した場合のＦＣ３の運転状態より小さい開度に維持するため、空気排出管Ｒ１２の圧縮空気の圧力が、排気排水弁１５が凍結状態ではない場合の通常の発電状態より高くなる。これにより、排気排水弁１５が解凍されて開いたときの圧縮空気の圧力の変化が大きくなるため、ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の解凍を容易に判定することができる。

（排気排水弁の凍結状態の判定処理）
図２は、排気排水弁１５の凍結状態の判定処理の一例を示すフローチャートである。本処理に先立ち、ＥＣＵ９０は、供給弁１３、調圧弁１６、及びインジェクタ２１が正常状態であることを確認済みであると仮定する。また、排気排水弁１５はあらかじめ閉じられている。

まず、ＥＣＵ９０はＦＣ３を始動する（ステップＳｔ１）。このとき、ＥＣＵ９０は、圧縮空気及び水素ガスを供給するため、供給弁１３を開き、インジェクタ２１を開閉する。また、ＥＣＵ９０は、後述する調圧弁１６の閉塞によりＦＣ３内の圧縮空気の圧力が過剰に増加しないようにバイパス弁１８を開く。これにより、エアコンプレッサ１０から出力される圧縮空気の一部がバイパス管Ｒ１３を流れて空気排出管Ｒ１２に流れ込む。

次にＥＣＵ９０は調圧弁１６の開度を一例として０（％）に設定することにより調圧弁１６を閉塞する（ステップＳｔ２）。排気排水弁１５は閉じられているため、空気排出管Ｒ１２内の圧縮空気の圧力が増加し、これに伴い空気供給管Ｒ１１内の圧縮空気の圧力も増加する。なお、ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の開放制御による圧縮空気の圧力の変化が検出可能であれば調圧弁１６の開度を０（％）以上の値に設定してもよい。

次にＥＣＵ９０は、圧力センサ１２から圧力Ｐａを取得する（ステップＳｔ３）。これにより、ＥＣＵ９０は、調圧弁１６の閉塞により増加した圧縮空気の圧力を取得することができる。

次にＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の開放制御を行う（ステップＳｔ４）。排気排水弁１５は、凍結状態である場合、開放制御にかかわらず十分に開かず、または閉じたままであり、凍結状態ではない場合、開放制御に従って開く。ＥＣＵ９０は、一例として排気排水弁１５の開度を１００（％）に設定するが、これに限定されない。ＥＣＵ９０は、圧縮空気の圧力の変化が検出可能であれば、排気排水弁１５の開度を例えば１００（％）未満の値に設定してもよい。

次にＥＣＵ９０は、圧力センサ１２から圧力Ｐｂを取得する（ステップＳｔ５）。これにより、ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の開放制御後の圧縮空気の圧力Ｐｂを取得することができる。

次にＥＣＵ９０は、排気排水弁１５の開放制御の前後の圧縮空気の圧力の変化量ΔＰ（＝Ｐｂ－Ｐａ）を算出する（ステップＳｔ６）。ここで、排気排水弁１５の開放制御後の圧縮空気の圧力Ｐｂは、排気排水弁１５の開放制御前の圧縮空気の圧力Ｐａ以下となるため、変化量ΔＰは０以下である。

次にＥＣＵ９０は、変化量ΔＰの大きさ（絶対値）を所定の閾値ＴＨ（＞０）と比較する（ステップＳｔ７）。閾値ＴＨは燃料電池システム９の設計に基づき決定される。

ＥＣＵ９０は、変化量ΔＰの大きさが閾値ＴＨ以上である場合（ステップＳｔ７のＮｏ）、排気排水弁１５が凍結状態ではないと判定し、ＦＣ３の通常運転を行う（ステップＳｔ１０）。排気排水弁１５がＥＣＵ９０の開放制御に従って正常に開いた場合、空気排出管Ｒ１２内の圧縮空気の圧力が十分に低下するため、変化量ΔＰが閾値ＴＨ以上となる。

次にＥＣＵ９０は、調圧弁１６の開度をＦＣ３の通常運転に応じた値Ｋｂに設定する（ステップＳｔ１１）。通常運転では暖機運転とは異なり、ＥＣＵ９０は、ＦＣ３の発電電力を制限せず、要求に応じた発電電力でＦＣ３の発電を制御する。

また、ＥＣＵ９０は、変化量ΔＰの大きさが閾値ＴＨ未満である場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、排気排水弁１５が凍結状態であると判定し、ＦＣ３の急速暖機運転を行う（ステップＳｔ８）。急速暖機運転によりＦＣ３は通常運転より高い温度の水分を生成する。このため、気液分離器１４により圧縮空気から分離された液水は凍結状態の排気排水弁１５を加熱することにより、排気排水弁１５に付着した氷が溶かされる。なお、急速暖機運転は暖機運転の一例である。

次にＥＣＵ９０は、調圧弁１６の開度を、通常運転の場合の値Ｋｂより小さい値Ｋａに設定する（ステップＳｔ９）。これにより、空気排出管Ｒ１２内の圧縮空気の圧力を、通常運転の場合より増加させることができるため、解凍された排気排水弁１５が開放制御に従って開いた場合の変化量ΔＰを増加させることができる。また、調圧弁１６の開度を小さい値Ｋａとすることで、空気排出管Ｒ１２から排出される圧縮空気量が制限されるため、ＦＣ３の発電電力が制限され、暖機運転中に気液分離器１４が液水で溢れることが抑制される。その後、ステップＳｔ３以降の各処理が実行される。

すなわち、ＥＣＵ９０は、暖機運転中、排気排水弁１５の開放制御を行い（ステップＳｔ４）、開放制御の前後の圧縮空気の圧力Ｐａ，Ｐｂの変化量ΔＰを算出する（ステップＳｔ６）。ＥＣＵ９０は、変化量ΔＰの大きさが閾値ＴＨ以上である場合（ステップＳｔ７のＮｏ）、排気排水弁１５が解凍された（凍結状態ではない）と判定し、ＦＣ３の通常運転を行う（ステップＳｔ１０）。

また、ＥＣＵ９０は、変化量ΔＰの大きさが閾値ＴＨ未満である場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、排気排水弁１５が解凍されていない（凍結状態である）と判定し、ＦＣ３の急速暖機運転を継続する（ステップＳｔ８）。このようにして、排気排水弁１５の凍結状態の判定処理は実行される。

これまで述べたように、ＥＣＵ９０は、ＦＣ３の始動時、調圧弁１６の開度を所定値に維持した状態で排気排水弁１５の開放制御を行い、排気排水弁１５の開放制御に応じた圧縮空気の圧力の変化（ΔＰ）に基づき排気排水弁１５が凍結状態であるか否かを判定する。ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５が凍結状態であると判定した場合、ＦＣ３を急速暖機運転する。ＥＣＵ９０は、急速暖機運転中、調圧弁１６の開度を、排気排水弁１５が凍結していないと判定した場合のＦＣ３の通常の運転状態より小さい値Ｋａに維持した状態で排気排水弁１５の開放制御を行い、排気排水弁１５の開放制御に応じた圧縮空気の圧力の変化（ΔＰ）に基づき排気排水弁１５が解凍されたか否かを判定する。

このため、ＥＣＵ９０は、急速暖機運転中、調圧弁１６の開度をＦＣ３の通常の運転状態より小さい値Ｋａとして、ＦＣ３からの圧縮空気の排出を可能としつつ、排気排水弁１５が解凍された後に開いた場合の圧縮空気の圧力の変化量ΔＰを、調圧弁１６の開度をＦＣ３の通常の運転状態と同じ値Ｋｂとした場合より増加させることができる。これにより、ＥＣＵ９０は、排気排水弁１５が解凍されたことを容易に判定することができる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

３ 燃料電池
９ 燃料電池システム
１２ 圧力センサ
１４ 気液分離器
１５ 排気排水弁
１６ 調圧弁
９０ ＥＣＵ（制御装置）
Ｒ１２ 空気排出管（排出流路）

Claims (1)

1. 反応ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された前記反応ガスが流れる排出流路と、
   前記排出流路を流れる前記反応ガスから液水を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器から前記液水を排出する排気排水弁と、
   前記気液分離器の下流側の前記排出流路に設けられた調圧弁と、
   前記反応ガスの圧力を検出する圧力センサと、
   前記燃料電池、前記排気排水弁、及び前記調圧弁を制御する制御装置とを有し、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の始動時、前記調圧弁の開度を所定値に維持した状態で前記排気排水弁の開放制御を行い、前記排気排水弁の開放制御に応じた前記反応ガスの圧力の変化に基づき前記排気排水弁が凍結状態であるか否かを判定し、
   前記排気排水弁が凍結状態であると判定した場合、前記燃料電池を暖機運転し、前記調圧弁の開度を、前記排気排水弁が凍結していないと判定した場合の前記燃料電池の運転状態より小さい値に維持した状態で前記排気排水弁の開放制御を行い、前記排気排水弁の開放制御に応じた前記反応ガスの圧力の変化に基づき前記排気排水弁が解凍されたか否かを判定する、
   燃料電池システム。
   
   
   

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