JP6123774B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

アノード及びカソードで電解質膜を挟んだ膜電極接合体を備え、アノードに供給されたアノードガスとカソードに供給されたカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー源として注目されている。このような燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃費向上の観点から、アノードから排出された排気ガスを循環ポンプで循環させて、再度アノードに供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−４３６７７号公報

例えば燃料電池システムの起動時や駆動中に、アノードから排出された排気ガスを循環させる循環ポンプの温度が低いと、循環ポンプと排気ガスとの温度差によって循環ポンプ内に凝縮水が発生し易くなってしまう。循環ポンプ内に凝縮水が発生した状態で循環ポンプが駆動した場合、振動騒音（ＮＶ：Noise Vibration）が悪化する恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、振動騒音を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池システムであって、アノード及びカソードで電解質膜を挟んだ膜電極接合体を備えた燃料電池と、前記燃料電池に対する発電要求に応じて、前記アノードにアノードガス供給流路を介してアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、前記アノードから排出された排気ガスを前記アノードガス供給流路に循環させる循環ポンプと、前記燃料電池システムの起動時における前記循環ポンプの温度又は前記循環ポンプの温度に相関する温度が所定温度以下か否かを判断する判断部と、前記判断部で所定温度以下と判断された場合であって、前記燃料電池システムの起動後において前記燃料電池に対する発電要求がない場合に所定の回転数で前記循環ポンプを駆動させる駆動制御部と、を備える燃料電池システムである。本発明によれば、振動騒音を抑制することができる。

上記構成において、前記駆動制御部は、前記所定の回転数での前記循環ポンプの総駆動時間が所定駆動時間を超えるまで、前記燃料電池に対する発電要求がない場合に前記所定の回転数で前記循環ポンプを駆動させる構成とすることができる。

上記構成において、前記所定駆動時間は、前記判断部で判断された際の前記循環ポンプの温度又は前記循環ポンプの温度に相関する温度が低いときに、高いときに比べて長い構成とすることができる。

上記構成において、前記駆動制御部は、前記燃料電池に対する発電要求がない場合には前記所定の回転数で前記循環ポンプを駆動させ、前記燃料電池に対する発電要求がある場合には前記発電要求に応じた回転数で前記循環ポンプを駆動させる構成とすることができる。また、上記構成において、前記判断部は、前記燃料電池システムの起動時における前記燃料電池に供給される冷却水の温度が所定温度以下か否かを判断する構成とすることができる。

本発明によれば、振動騒音を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 図２は、燃料電池セルの概略構成を示す図である。 図３は、凝縮水の発生抑制処理の一例を示すフローチャートである。 図４は、暖機運転における所定回転数での循環ポンプの所定駆動時間を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、例えば駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車や電気自動車等に搭載される。燃料電池システム１００において、燃料電池１０は、燃料ガス（アノードガス、例えば水素）と酸化剤ガス（カソードガス、例えば酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池セルを複数積層させた積層体である。

ここで、燃料電池セルについて説明する。図２は、燃料電池セルの概略構成を示す図である。燃料電池セル１２は、電解質膜１４の両面に触媒電極層であるアノード１６とカソード１８とが形成された膜電極接合体２０を備える。燃料電池セル１２は、膜電極接合体２０の両側に一対のガス拡散層（アノードガス拡散層２２とカソードガス拡散層２４）を配置した発電体２６と、発電体２６を挟む一対のセパレータ（アノード側セパレータ２８とカソード側セパレータ３０）とを含む。

電解質膜１４は、フッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン導電性を有する。アノード１６とカソード１８とは、例えば電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持したカーボン粒子（触媒担持担体）と、プロトン伝導性を有する高分子電解質（例えばフッ素系樹脂）と、を含む。アノードガス拡散層２２とカソードガス拡散層２４とは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパ等の多孔質カーボン製部材により形成される。アノードガス拡散層２２とカソードガス拡散層２４とは、膜電極接合体２０と接触する面に撥水層を備えていてもよい。

アノード側セパレータ２８とカソード側セパレータ３０とは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって構成されている。例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン部材や、プレス成型したステンレス鋼等の金属部材によって形成される。アノード側セパレータ２８とカソード側セパレータ３０とは、表面にガスや液体が流通する流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ２８は、アノードガス拡散層２２との間に、ガスや液体が流通可能なアノードガス流路ＡＧＣを形成する。カソード側セパレータ３０は、カソードガス拡散層２４との間に、ガスや液体が流通可能なカソードガス流路ＣＧＣを形成する。

図１のように、燃料電池１０のアノードには、アノードガス供給流路４０を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク４２から燃料ガスとしての水素が供給される。アノードガス供給流路４０は、例えば管（パイプ）である。なお、水素タンク４２の代わりに、例えばアルコール、炭化水素、アルデヒド等を原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いてもよい。

水素タンク４２に貯蔵された高圧水素は、水素タンク４２の出口に設けられたシャットバルブ４４並びにアノードガス供給流路４０に配設されたレギュレータ４６及びインジェクタ４８によって圧力及び供給量が調整されて、燃料電池１０のアノードに供給される。アノードガス供給流路４０には、アノードガス供給流路４０内の圧力を検出するための圧力センサ４０Ｐが配設されている。インジェクタ４８は、［課題を解決するための手段］における燃料ガス供給部に相当する。

アノードからの排気ガス（以下、アノードオフガスと称す）は、アノードガス排出流路５０に排出される。アノードガス排出流路５０は、例えば管（パイプ）である。アノードガス排出流路５０に排出された発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環流路５２を介して、アノードガス供給流路４０に再循環されることができる。循環流路５２は、例えば管（パイプ）である。なお、アノードオフガスの圧力は、燃料電池１０での発電によって水素が消費された結果、比較的低い状態となっている。このため、循環流路５２には、アノードオフガスの再循環時にアノードオフガスを加圧するための循環ポンプ５４が配設されている。循環ポンプ５４には、アノードオフガスの循環流量を検出するための流量センサ５４Ｆが設けられている。

アノードガス排出流路５０には、流路５６（例えば管（パイプ））が分岐して接続されている。流路５６には、パージ弁５８が配設されている。パージ弁５８が閉じられている間は、発電で未消費の水素を含むアノードオフガスは、循環流路５２を介して、再び燃料電池１０に供給される。これにより、水素を有効利用することができる。

アノードオフガスの再循環中、水素は発電で消費される一方、水素以外の不純物（例えばカソード側からアノード側に電解質膜を介して透過した窒素等）は消費されずに残留する。このため、アノードオフガス中の不純物濃度は徐々に増大する。このとき、パージ弁５８が開弁されると、アノードオフガスは、流路５６、７６を介して、後述するカソードオフガスと共に、燃料電池システム１００の外部に排出される。これにより、アノードオフガス中の不純物濃度を低減させることができる。

燃料電池１０のカソードには、酸素を含有した酸化剤ガスとして、圧縮空気が供給される。空気は、エアクリーナ６０から吸入され、エアコンプレッサ６２によって圧縮され、流路６４（例えば管（パイプ））を介して、加湿装置６６に導入される。加湿装置６６に導入された圧縮空気は、加湿装置６６で加湿された後、カソードガス供給流路６８から燃料電池１０のカソードに供給される。エアコンプレッサ６２には、空気の供給流量を検出するための流量センサ６２Ｆが設けられている。なお、加湿装置６６が設けられていない場合でもよい。

カソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと称す）は、カソードガス排出流路７０（例えば管（パイプ））に排出される。カソードガス排出流路７０には、カソードオフガスの背圧を検出するための圧力センサ７０Ｐ及びカソードオフガスの背圧を調整するための圧力調整弁７２が配設されている。燃料電池１０からカソードガス排出流路７０に排出した高湿度のカソードオフガスは、加湿装置６６に導入されて空気の加湿に利用された後、流路７４、７６（例えば管（パイプ））を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。

燃料電池１０は、上述した電気化学反応によって発熱する。このため、燃料電池１０の温度を発電に適した温度にするために、燃料電池１０には冷却水が供給される。冷却水は、ウォーターポンプ８０によって、冷却水用の流路８２（例えば管（パイプ））を流れ、ラジエーター８４によって冷却されて、燃料電池１０に供給される。流路８２には、ラジエーター８４を通さずに冷却水を循環させるためのバイパス流路８６（例えば管（パイプ））が接続されている。流路８２とバイパス流路８６との一方の接続部には、ロータリー弁８８が配設されている。ロータリー弁８８を切り換えることによって、ラジエーター８４を通さずに、流路８２及びバイパス流路８６を介して、冷却水を循環させることができる。燃料電池１０から冷却水が排出される排出部分の流路８２には、燃料電池１０から排出された冷却水の温度を検出するための温度センサ９０が設けられている。燃料電池１０に冷却水が供給される供給部分の流路８２には、燃料電池１０に供給される冷却水の温度を検出するための温度センサ９２が設けられている。

また、燃料電池１０には、セルモニタ３２が接続されている。セルモニタ３２は、燃料電池１０における各燃料電池セルについて、セル電圧、電流、インピーダンス等を検出する。

燃料電池システム１００の運転は、制御装置３４によって制御される。制御装置３４は、内部にＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えるマイクロコンピュータを含んで構成される。制御装置３４は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。ＲＯＭには、上記プログラムの他に、燃料電池システム１００の制御に用いられる各種マップや閾値等も記憶されている。制御装置３４は、例えば燃料電池１０に対する要求出力や各種センサの出力等に基づいて、各種バルブや、循環ポンプ５４、ウォーターポンプ８０、及びエアコンプレッサ６２等を駆動し、後述する凝縮水の発生を抑制する処理を含むシステムの運転を制御する。制御装置３４は、凝縮水の発生抑制処理において判断部３６、駆動制御部３８として機能する。

図３は、凝縮水の発生抑制処理の一例を示すフローチャートである。図３のように、制御装置３４は、燃料電池システム１００が起動するまで待機している（ステップＳ１０）。燃料電池システム１００が起動されると、制御装置３４は、冷却水の水温を取得する（ステップＳ１２）。燃料電池システム１００の起動時の冷却水の水温は、循環ポンプ５４の温度と相関がある。このため、燃料電池システム１００の起動時の冷却水の水温を取得することで、循環ポンプ５４の温度を間接的に取得することができる。なお、冷却水の水温の検出は、温度センサ９０、９２のいずれで行ってもよい。

次いで、制御装置３４は、冷却水の水温を取得した後、水温がＲＯＭに予め記憶された所定温度以下か否かを判断する（ステップＳ１４）。なお、上述したように、燃料電池システム起動時の冷却水の水温と循環ポンプ５４の温度とは相関があることから、燃料電池システム起動時の冷却水の水温の判断は循環ポンプ５４の温度の判断をしていることと同じである。冷却水の水温が所定温度以下か否かを判断するのは、水温が所定温度以下の場合には、循環ポンプ５４内に凝縮水が発生し易くなるためである。即ち、冷却水の水温が所定温度以下の下で燃料電池システム１００の運転が開始されると、燃料電池１０は発電のために循環ポンプ５４よりも速やかに温度が上昇する。燃料電池１０の温度と燃料電池１０から排出されるアノードオフガスの温度とはほぼ同等であることから、アノードオフガスの温度と循環ポンプ５４の温度との温度差が大きくなる。その結果、循環ポンプ５４内に凝縮水が発生し易くなるためである。このように、所定温度とは、循環ポンプ５４内に凝縮水が発生し易くなるか否かの閾値となる温度であり、例えば２０℃である。

冷却水の水温が所定温度よりも高い場合（ステップＳ１４でＮｏの場合）、循環ポンプ５４内に凝縮水が発生し難いことから、制御装置３４は凝縮水の発生抑制処理を終了する。

一方、冷却水の水温が所定温度以下の場合（ステップＳ１４でＹｅｓの場合）、制御装置３４は、燃料電池１０に対する発電要求の有無を判断する（ステップＳ１６）。燃料電池１０に対して発電要求がある場合（ステップＳ１６でＮｏの場合）には、制御装置３４は、発電要求に応じた回転数で循環ポンプ５４を駆動させる（ステップＳ１８）。

一方、燃料電池１０に対して発電要求がない場合（ステップＳ１６でＹｅｓの場合）には、制御装置３４は、暖機効果と駆動音とを考慮して決定された所定の回転数（例えば１８００ｒｐｍの一定回転数）で循環ポンプ５４を駆動させる（ステップＳ２０）。暖機効果と駆動音とを考慮した所定の回転数（以下、暖機回転数と称す）で循環ポンプ５４を駆動させることで、循環ポンプ５４の駆動音を抑えつつ、循環ポンプ５４の暖機を促進させることができる。その結果、アノードオフガスと循環ポンプ５４との温度差を速やかに小さくすることができる。

次いで、制御装置３４は、暖機回転数での循環ポンプ５４の総駆動時間が、所定駆動時間を経過したか否かを判断する（ステップＳ２２）。ここで、所定駆動時間について説明する。図４は、暖機回転数での循環ポンプ５４の所定駆動時間を説明するための図である。図４の横軸は燃料電池システム起動時の冷却水の水温であり、縦軸は所定駆動時間である。なお、図４のマップは、制御装置３４のＲＯＭに記憶されている。

図４のように、燃料電池システム起動時の冷却水の水温が低いときは、高いときに比べて、所定駆動時間が長くなるように設定されている。このように、燃料電池システム起動時の冷却水の水温に応じて所定駆動時間を変化させるのは、以下の要求の全てを満たすためである。１つ目は、循環ポンプ５４とアノードオフガスとの温度差が小さくなり、循環ポンプ５４内に凝縮水が発生し難くなるまでは、循環ポンプ５４を暖機回転数で駆動させたいという要求である。２つ目は、比較的回転数の高い暖機回転数での循環ポンプ５４の駆動は駆動音や消費電力を増大させることから、暖機回転数での循環ポンプ５４の駆動はできるだけ短くしたいとの要求である。

したがって、ステップＳ２２において、制御装置３４は、ステップＳ１２で取得した燃料電池システム起動時の冷却水の水温と、図４の燃料電池システム起動時の冷却水の水温と所定駆動時間とのマップとから、所定駆動時間を決定し、暖気回転数での循環ポンプ５４の総駆動時間が所定駆動時間を経過したか否かを判断する。

なお、図４のように、燃料電池システム起動時の冷却水の水温が所定の温度Ｔ１以下の場合には、所定駆動時間が一定になるようにしてもよい。これは、循環ポンプ５４を暖機回転数で駆動させることによって上昇する循環ポンプ５４の温度は限界がある。このため、一定の駆動時間を超えて暖機回転数で循環ポンプ５４を駆動させても、循環ポンプ５４の温度上昇の点では効果が小さく、また、駆動音や消費電力の点からは、循環ポンプ５４の駆動時間を短くしたいことによるものである。

暖機回転数での循環ポンプ５４の総駆動時間が所定駆動時間を経過していない場合（ステップＳ２２でＮｏの場合）、制御装置３４は、ステップＳ１６に戻る。一方、暖機回転数での循環ポンプ５４の総駆動時間が所定駆動時間を経過している場合（ステップＳ２２でＹｅｓの場合）には、制御装置３４は、凝縮水の発生抑制処理を終了する。

以上のように、実施例１によれば、制御装置３４は、循環ポンプ５４の温度に相関する冷却水の水温が所定温度以下か否かを判断し、冷却水の水温が所定温度以下の場合であって、燃料電池１０に対する発電要求がない場合に暖機回転数で循環ポンプ５４を駆動させている。これにより、循環ポンプ５４の温度上昇を促進させることができ、循環ポンプ５４とアノードオフガスとの温度差による循環ポンプ５４内の凝縮水の発生を抑制できる。よって、凝縮水に起因する循環ポンプ５４の振動騒音を抑制できる。

また、実施例１によれば、制御装置３４は、暖機回転数での循環ポンプ５４の総駆動時間が所定駆動時間を超えるまで、燃料電池１０に対する発電要求がない場合に暖機回転数で循環ポンプ５４を駆動させている。これにより、循環ポンプ５４の温度を凝縮水の発生が抑制される温度まで上昇させることができる。また、図４のように、所定駆動時間は、燃料電池システム起動時の冷却水の水温が低いときは、高いときに比べて長くなるように設定している。これにより、循環ポンプ５４の駆動音や消費電力の増大を抑えつつ、循環ポンプ５４の温度を凝縮水の発生が抑制される温度まで上昇させることができる。

また、実施例１によれば、制御装置３４は、循環ポンプ５４に対して暖機運転を行うか否かを、燃料電池システム１００の起動時における冷却水の水温が所定温度以下か否かで判断している。燃料電池システム１００の起動時は、循環ポンプ５４の温度が低くて循環ポンプ５４内に凝縮水が発生し易いことが想定されるが、実施例１によれば、このような場合における循環ポンプ５４内の凝縮水の発生を抑制できる。

なお、実施例１では、制御装置３４は、循環ポンプ５４に対して暖機運転を行うか否かを、冷却水の水温に基づいて判断しているが、冷却水以外の循環ポンプ５４の温度に相関する温度に基づいて判断してもよい。また、循環ポンプ５４に温度検出のための温度センサを設けて、制御装置３４は、この温度センサによって検出された循環ポンプ５４の温度に基づいて判断してもよい。

なお、実施例１では、循環ポンプ５４に対する暖機回転数は１８００ｒｐｍである場合を例に示したが、これに限られず、暖機効果と駆動音とを考慮して決定されたその他の回転数の場合でもよい。例えば、循環ポンプ５４の回転数が２０００ｒｐｍよりも高くなると、循環ポンプ５４の駆動音が周囲に響くようになる恐れがある。一方、循環ポンプ５４の回転数が１８００ｒｐｍよりも低くなると、循環ポンプ５４を暖機する効果が小さくなる。なお、暖機回転数は一定回転数の場合が好ましい。これは、暖機回転数が変動すると、駆動音が変動することとなるため、ユーザに対して不快な思いをさせる恐れがあるためである。

なお、実施例１では、制御装置３４は、循環ポンプ５４に対して暖機運転を行うか否かを、燃料電池システム１００の起動時における冷却水の水温に基づいて判断しているが、燃料電池システム１００が起動された後の駆動中における冷却水の水温に基づいて判断してもよい。また、実施例１では、燃料ガス供給部がインジェクタ４８の場合を例に示したが、その他の物の場合であってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 燃料電池
１２ 燃料電池セル
１４ 電解質膜
１６ アノード
１８ カソード
２０ 膜電極接合体
３４ 制御装置
３６ 判断部
３８ 駆動制御部
４０ アノードガス供給流路
４８ インジェクタ
５０ アノードガス排出流路
５４ 循環ポンプ
６０ エアクリーナ
６２ エアコンプレッサ
６６ 加湿装置
６８ カソードガス供給流路
７０ カソードガス排出流路
８０ ウォーターポンプ
８４ ラジエーター
９０、９２ 温度センサ
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   アノード及びカソードで電解質膜を挟んだ膜電極接合体を備えた燃料電池と、
   前記燃料電池に対する発電要求に応じて、前記アノードにアノードガス供給流路を介してアノードガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記アノードから排出された排気ガスを前記アノードガス供給流路に循環させる循環ポンプと、
   前記燃料電池システムの起動時における前記循環ポンプの温度又は前記循環ポンプの温度に相関する温度が所定温度以下か否かを判断する判断部と、
   前記判断部で所定温度以下と判断された場合であって、前記燃料電池システムの起動後において前記燃料電池に対する発電要求がない場合に所定の回転数で前記循環ポンプを駆動させる駆動制御部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記駆動制御部は、前記所定の回転数での前記循環ポンプの総駆動時間が所定駆動時間を超えるまで、前記燃料電池に対する発電要求がない場合に前記所定の回転数で前記循環ポンプを駆動させる、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記所定駆動時間は、前記判断部で判断された際の前記循環ポンプの温度又は前記循環ポンプの温度に相関する温度が低いときに、高いときに比べて長い、請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記駆動制御部は、前記燃料電池に対する発電要求がない場合には前記所定の回転数で前記循環ポンプを駆動させ、前記燃料電池に対する発電要求がある場合には前記発電要求に応じた回転数で前記循環ポンプを駆動させる、請求項１から３のいずれか一項記載の燃料電池システム。
5. 前記判断部は、前記燃料電池システムの起動時における前記燃料電池に供給される冷却水の温度が所定温度以下か否かを判断する、請求項１から４のいずれか一項記載の燃料電池システム。

Images