JP5044969B2

JP5044969B2 - 燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法

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Publication number: JP5044969B2
Application number: JP2006106398A
Authority: JP
Inventors: 尚久土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: WO2007117018A1; US8057943B2; CN101416341A; DE112007000822B4; DE112007000822T5; JP2007280802A; US20100239928A1

Description

本発明は、燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法に係り、特に水素を燃料ガスとする燃料電池においてカソード側に酸化ガスの流れを調整する弁を有する燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法に関する。

燃料電池として、固体電解質膜及び触媒層の積層体である膜積層体（ＭｅｍｂｒａｍｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を挟んでアノード側に燃料ガスとしての水素を供給し、カソード側に酸化ガスとしての空気を供給するシステムが周知である。この燃料電池運転システムでは、ＭＥＡを含むセル内部において、水素と、空気中の酸素との反応によって電力を発生するとともに、カソード側から反応生成物としての水が排出される。カソード側に供給する空気の量を調整するため、燃料電池のカソード側出口に背圧バルブ、あるいは調圧弁と呼ばれる調整弁が設けられる。

また、ＭＥＡは膜の積層体であるので、アノード側からカソード側に水素が一部漏れることがあり、この漏れてきた水素と、アノード側における未反応の水素は、空気でもって希釈され排出される。そのために、カソード側には、酸化ガスである空気を、セルにおける反応のためのガスと、希釈のためのガスとに振り分けるために、バイパス流路が設けられ、またバイパス流路中にバイパス弁が設けられる。

例えば、特許文献１には、高価なバッテリパックを用いない燃料電池車両用の回生制動システムが開示され、ここでは、燃料電池のカソード側出口と大気開放端との間に背圧バルブが設けられ、また圧縮空気を供給するコンプレッサとカソードとの間に、大気開放端へのバイパスのための３方弁であるバイパスバルブが設けられている。

このように、水素を燃料ガスとする燃料運転システムにおいては、水素ガスの供給、空気の供給とともに、いくつかの弁の操作によって、適切な発電電力の取り出しと、発電反応物の水の排水とともに排気の希釈が行われる。

ここで、燃料電池システムのガス供給路には上記のように、反応生成物である水が含まれるので、ガス供給路に設けられる調整弁やバイパス弁は、周囲温度の低下による水の凍結等で固着して起動時に作動しなくなることがある。

特開２００３−１８０００６号公報

上記のように、燃料電池運転システムには、調整弁とバイパス弁が用いられるが、バイパス弁の主な機能は、排気ガスに含まれる水素濃度を希釈するために空気を供給することであるので、通常運転のときは全閉となっていることが多い。したがって、このバイパス弁の近傍に水があると、外気温が氷点下となったときにこの水が凍結し、バイパス弁を作動させることが困難になる。

本発明の目的は、弁の凍結を防止できる燃料電池運転システム及び燃料電池運転システムにおける弁の固着防止方法を提供することである。

本発明に係る燃料電池運転システムは、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムであって、制御部は、燃料電池の発電が停止したことを検出判断する手段と、燃料電池の発電が停止したと判断した後に、バイパス弁を開け、出口側流路及びバイパス流路を通って外気開放端に向けて酸化ガスを流し、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池運転システムは、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムであって、制御部は、燃料電池の発電が停止したことを検出判断する手段と、燃料電池の発電が停止したと判断した後の所定の延長時間の間、バイパス弁を開けて、酸化ガス供給装置から出口側流路及びバイパス流路を通って外気開放端に向けて酸化ガスを供給し続け、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する手段と、を有することを特徴とする。

また、制御部は、さらに、燃料電池運転システムの温度が所定の低温条件となるか否かを判断し、所定の低温条件になると判断するときに、発電停止検出判断処理と、排水処理とを実行させる低温処理手段を有することが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法は、燃料電池と、燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、燃料電池の運転を制御する制御部と、を含む燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法であって、燃料電池の発電が停止したことを検出判断する工程と、燃料電池の発電が停止したと判断した後に、バイパス弁を開け、出口側流路及びバイパス流路を通って外気開放端に向けて酸化ガスを流し、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する工程と、を有することを特徴とする。

上記構成により、燃料電池運転システムは、カソード側において、調整弁が入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、バイパス弁が燃料電池と並列に、入口側流路と出口側流路を接続するように設けられる。そして、燃料電池の発電が停止したことを検出判断し、燃料電池の発電が停止したと判断した後に、バイパス弁を開け、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する。

したがって、燃料電池の発電停止の際に、出口側流路及びバイパス流路の水が排水されるので、その後外気温が低くなっても、出口側流路及びバイパス流路は凍結せず、それらに設けられる弁の凍結を防止できる。

また、燃料電池の発電が停止したことを検出判断し、燃料電池の発電が停止したと判断した後に、所定の延長時間の間、酸化ガス供給装置から酸化ガスを供給して、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する。

また、燃料電池運転システムの温度が所定の低温条件となるか否かを判断し、低温条件になると判断するときに、発電停止検出判断処理と、排水処理とを実行させるので、これらの処理を凍結の可能性のある適切な場合にのみ行わせることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は燃料電池運転システム１０の構成図である。燃料電池運転システム１０は、システム本体部２０と、システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御部７０とから構成されている。

システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガスである水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される酸化ガスである空気供給のための各要素を含んで構成される。

アノード側の燃料ガス供給源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。燃料ガス供給源２４は、レギュレータ２６に接続される。レギュレータ２６は、燃料ガス供給源２４からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ２６の出力口に設けられる圧力計２８は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ２６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された水素ガスが燃料電池スタック２２に供給される。

燃料電池スタック２２のアノード側出口から排出されるガスは、発電で水素が消費されて水素濃度が低くなり、また、ＭＥＡを通してカソード側の空気の成分である窒素ガスが透過してきて不純物ガス濃度が高くなっている。また、ＭＥＡを通して、反応生成物の水も透過してくる。

燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器３２は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３４を通して希釈器６４に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器３２の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３０は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

カソード側の酸化ガス供給源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス供給源４０である大気（エア）はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。フィルタ４２の後に設けられる流量計４４は、酸化ガス供給源４０からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ４２の後に設けられる温度計４６は、酸素ガス供給源４０からのガスの温度を検出する機能を有する。

エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４８は、モータ５０によって酸化ガスである空気を容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ（４８）は、制御部７０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータ５０の回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータ５０の回転速度を下げる。ＡＣＰ消費電力検出部５２は、ＡＣＰ（４８）の消費電力、具体的にはモータ５０の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モータ５０は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。

このように燃料電池スタック２２のカソード側には酸化ガスとしての空気がＡＣＰ（４８）によって制御部７０の制御の下で供給される。すなわちここでは、酸化ガスと、空気、あるいはエアとは、同義語である。したがって、酸化ガス供給源４０からＡＣＰ（４８）までの要素を、酸化ガス供給装置と呼ぶことができる。

加湿器５４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５４に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。すなわち、加湿器５４は、ＡＣＰ（４８）からのガスが流れる流路と、水蒸気が流れる流路との間でガス交換できる構成となっている。例えば、中空糸の内側流路をＡＣＰ（４８）からの酸化ガスの流路とし、中空糸の外側流路を燃料電池スタック２２のカソード側出口からの水蒸気とすることで、燃料電池スタック２２のカソード側入口への酸化ガスを適度に湿らせることができる。

ここで、上記の酸化ガス供給装置と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。

出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計５６は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調整弁６０は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。なお、調整弁６０は、場合によっては入口側流路に設けられるものとしてもよい。

調整弁６０の出力口は、上記の加湿器５４に接続されるので、調整弁６０を出たガスは加湿器５４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器６４に入り、その後外部に排出される。

バイパス弁６２は、入口側流路と出口側流路を接続して燃料電池スタック２２と並列に配置されるバイパス流路に設けられる弁で、主に、排気における水素濃度を希釈するための空気を希釈器６４に供給する機能を有する。すなわち、バイパス弁６２を開くことで、ＡＣＰ（４８）からの酸化ガスを、燃料電池スタック２２へ流れる成分とは別に、燃料電池スタック２２を流れずにバイパス流路を経由して、希釈器６４に供給することができる。バイパス弁６２としては、エンジンの排気ガス希釈のために用いられる排気バイパス弁と同様な構成のものを用いることができる。

希釈器６４は、アノード側の排気バルブ３４からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。そして、水素濃度が適当な濃度を超えるときは、バイパス弁６２を開けることで燃料電池スタック２２を経由せずに提供される酸化ガスを用いてさらに適度な希釈を行うことができる。

制御部７０は、システム本体部２０の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。制御部７０は、特に、燃料電池の発電が停止したことを検出判断する発電停止検出判断モジュール７２と、燃料電池の発電が停止したと判断した後に酸化ガスの供給によっていわば強制的に出口側流路及びバイパス流路の水を排水する排水処理モジュール７４とを含んで構成される。発電停止の判断を行う一例は、燃料電池の運転の停止の際に、それまでに供給済みの水素ガスが燃料電池反応によって消費されて発電が停止するような場合である。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム、あるいはそれに含まれる弁凍結防止プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。

かかる構成の燃料電池運転システム１０の動作、特に制御部７０の各機能につき、図２のフローチャートを用いて詳細に説明する。図２は、燃料電池運転システム１０の動作の中で、弁の凍結を防止するための手順を示すもので、それぞれの手順は、弁凍結防止プログラムの各処理手順に相当する。

燃料電池運転システム１０の弁凍結防止処理は、通常、燃料電池運転システム１０の運転停止時に自動的に行われることが多いが、もちろん必要に応じて任意のときに、運転状態の検出に応じて自動的に、あるいは操作者の指示入力によって手動により行うことができる。

弁凍結は、外気温が所定の低温条件、例えば氷点下以下となるときに生じるので、外気温が所定の低温条件になるか否かを推定判断して弁凍結防止処理が行われることが好ましい。温度計４６によって酸化ガスの温度が検出されるので、その温度の時間的変化から外気温が所定の低温条件、例えば氷点下以下となるか否かを推定し、判断することができる。その判断によって、外気温が氷点下以下になると推定されると、以下の弁の凍結処理の手順が行われる。氷点下以外の低温条件、例えば、外気温が予め設定された温度以下に下がったときに弁の凍結処理の手順を行うものとしてもよい。

弁の凍結防止処理の手順は、最初に、燃料ガスである水素の供給停止が行われる（Ｓ１０）。具体的には、制御部７０の発電停止検出判断モジュール７２の機能により、レギュレータ２６に水素供給停止の指示が与えられ、それに従ってレギュレータ２６はそのガス供給口を閉じ、燃料ガス供給源２４からの燃料ガスを燃料電池スタック２２に供給しないように作動することで行われる。水素供給停止がされても、ＡＣＰ（４８）の作動はそのまま継続され、空気である酸化ガスは引き続き燃料電池スタック２２に供給される。したがって、それまでに供給済みの燃料ガスが燃料電池反応によって消費されるまで、燃料電池スタック２２において発電が継続される（Ｓ１２）。

そして発電停止か否かが常に判断される（Ｓ１４）。この判断は、例えば循環昇圧器３０を含むアノード側の水素供給流路における水素分圧を検出する手段を設け、水素分圧が所定値以下であるか否かによって行うことができる。発電停止か否かは、発電停止であると判断されるまで継続して行われる。あるいは、水素供給停止指示から予め定めた所定時間経過することで発電停止であるとすることもできる。この場合の所定時間は、燃料電池スタック２２の容量やＡＣＰ（４８）からの酸化ガスの供給状態等によって定めることができる。Ｓ１４までの工程は、上記の発電停止検出判断モジュールの機能によって行われる。

そして発電停止であると判断されると、排水処理モジュール７４の機能により、バイパス弁６２を開ける処理が行われる（Ｓ１６）。バイパス弁６２を開けることでバイパス流路に大量の加圧空気が流され、それによってバイパス流路にある水、及び出口側流路にある水が強制的に飛ばされて排水される（Ｓ１８）。そのためには、バイパス弁６２は全開にすることが望ましい。あるいは、効果的に水を飛ばすため、断続的にバイパス弁６２を開閉することもできる。

バイパス弁６２を開けるのは、時間管理で制御してもよい。その場合には、バイパス流路を流れる酸化ガスの流量、圧力等に基づいてバイパス弁６２を開ける時間を定めることができる。あるいは、バイパス流路の両端間の差圧、出口側流路の両端間の差圧を検出し、差圧が所定値以下になるまでバイパス弁６２を開けるものとしてもよい。すなわち、流路に水が滞留しているときは酸化ガスである空気が流れにくく、流路の両端間の差圧が大きくなり、逆に水が十分排除されれば、流路の両端間の差圧は十分に低くなるからである。

また、発電停止であると判断されるときにバイパス弁６２がすでに開いているときは、一旦バイパス弁６２を閉じ、その上で再びバイパス弁６２を開くことが好ましい。また、上記のように、断続的にバイパス弁６２を開閉制御してもよい。

また、発電停止であると判断されると、それ以後は反応生成物である水は生じないので、発電停止の判断の後も酸化ガスである空気の供給を停止せず、そのまま所定の延長時間の間、酸化ガスである空気を供給し続けて、出口側流路及びバイパス流路の水を強制的に排水することもできる。この場合の所定時間の設定は、酸化ガスの流量及び圧力等によって定めることができる。あるいは、流路両端間の差圧検出手段を有しているときは、上記のように、流路両端間の差圧が十分低くなる時間を所定の延長時間とすることができる。

排水処理が終了すると、燃料電池運転システム１０の標準的な運転停止設定条件にバイアス弁６２等が設定される。例えば、アノード側においてはレギュレータ２６によって水素ガスの供給が停止された状態とされ、カソード側においてはＡＣＰ４８の運転が停止され、バイアス弁６２が閉じられる。

このように、燃料電池運転システムの運転停止の際に、バイパス流路及び出口側流路の水が強制的に排水されるので、その後において外気温が弁の凍結が防止される。

本発明に係る実施の形態の燃料電池運転システムの構成図である。本発明に係る実施の形態における、弁の凍結を防止するための手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池運転システム、２０システム本体部、２２燃料電池スタック、２４燃料ガス供給源、２６レギュレータ、２８，５６圧力計、３０循環昇圧器、３２分流器、３４排気バルブ、４０酸化ガス供給源、４２フィルタ、４４流量計、４６温度計、４８ＡＣＰ、５０モータ、５２ＡＣＰ消費電力検出部、５４加湿器、６０調整弁、６２バイパス弁、６４希釈器、７０制御部、７２発電停止検出判断モジュール、７４排水処理モジュール。

Claims

燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、
燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、
入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、
燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムであって、
制御部は、
燃料電池の発電が停止したことを検出判断する手段と、
燃料電池の発電が停止したと判断した後に、バイパス弁を開け、出口側流路及びバイパス流路を通って外気開放端に向けて酸化ガスを流し、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する手段と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、
燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、
入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、
燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムであって、
制御部は、
燃料電池の発電が停止したことを検出判断する手段と、
燃料電池の発電が停止したと判断した後の所定の延長時間の間、バイパス弁を開けて、酸化ガス供給装置から出口側流路及びバイパス流路を通って外気開放端に向けて酸化ガスを供給し続け、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する手段と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池運転システムにおいて、
制御部は、さらに、
燃料電池運転システムの温度が所定の低温条件となるか否かを判断し、所定の低温条件になると判断するときに、発電停止検出判断処理と、排水処理とを実行させる低温処理手段を有することを特徴とする燃料電池運転システム。
燃料電池と、
燃料電池のアノード側に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
燃料電池のカソード側に、酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
酸化ガス供給装置と燃料電池のカソード側ガス入口とを接続する入口側流路と、
燃料電池のカソード側ガス出口から排気側へ接続される出口側流路と、
入口側流路と出口側流路を接続し、燃料電池と並列に配置されるバイパス流路と、
入口側流路又は出口側流路の少なくとも一方に設けられ、カソード側のガス流量を調整する調整弁と、
バイパス流路に設けられ、バイパス流路のガス流量を調節するバイパス弁と、
燃料電池の運転を制御する制御部と、
を含む燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法であって、
燃料電池の発電が停止したことを検出判断する工程と、
燃料電池の発電が停止したと判断した後に、バイパス弁を開け、出口側流路及びバイパス流路を通って外気開放端に向けて酸化ガスを流し、出口側流路及びバイパス流路の水を排水する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池運転システムにおける弁の凍結防止方法。