(57)【要約】【課題】不必要な燃料ガスの排出を抑制する。【解決手段】燃料ガスと水とを分離する気液分離器１３と、燃料ガスが流れる方向を変更できる循環ポンプ１５と、循環ポンプ１５の動作を制御する制御部１６と、を備える燃料ガス循環部３と、流路を空気が流れる空気部４と、燃料ガス循環部３の流路と、空気部４の流路が配置された燃料電池スタック２と、を備え、制御部１６は、燃料ガス循環部３の流路において、燃料電池スタック２への入口と出口間の圧損が所定値未満、または、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値以上であれば、燃料電池スタック２内で燃料ガスと空気が対向流となるように循環ポンプ１５を動作させ、燃料電池スタック２への入口と出口間の圧損が所定値以上、かつ、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値未満であれば、燃料電池スタック２内で燃料ガスと空気が並行流となるように前記循環ポンプ１５を動作させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路に流れる燃料ガスと水とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器を通過する燃料ガスが流路を流れる方向を変更可能である循環ポンプと、
前記循環ポンプの動作状態を制御する制御部と、を備える燃料ガス循環部と、
流路を空気が流れる空気部と、
前記燃料ガス循環部の流路の一部と、前記空気部の流路の一部が配置された燃料電池スタックと、を備え、
前記制御部は、
前記燃料ガス循環部の流路において、前記燃料電池スタックへの入口と出口間の圧損が所定値未満、または、前記燃料電池スタックの内部抵抗が所定値以上であれば、前記燃料電池スタック内において前記燃料ガス循環部の流路を流れる燃料ガスと前記空気部の流路を流れる空気が対向流となるように前記循環ポンプを動作させ、
前記燃料ガス循環部の流路において、前記燃料電池スタックへの入口と出口間の圧損が所定値以上、かつ、前記燃料電池スタックの内部抵抗が所定値未満であれば、前記燃料電池スタック内において、前記燃料ガス循環部の流路を流れる燃料ガスと前記空気部の流路を流れる空気が並行流となるように前記循環ポンプを動作させる
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、特開２０１５−１２２２８５号公報がある。この公報に記載された燃料電池システムは、燃料ガスと酸素ガスを、セル内で対向流として流し、加湿器レスで稼動するものが記載されている。
【０００３】
この種の燃料電池システムでは、燃料ガス循環部を設け、更に、燃料ガス循環部に循環ポンプと気液分離器を設ける。そして、燃料ガス循環部側の水管理は、循環ポンプの回転数の強弱により実行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２２２８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムのように、燃料ガス循環部側の水管理を循環ポンプの回転数の強弱によって行うと、燃料ガスの流路内の余分な液水は、ガス流に乗って燃料ガス流路から排出され、気液分離器に水が不必要に溜まりやすくなる。気液分離器では、溜められた液水量が一定値以上になると循環ポンプに吸い上げられ、再び燃料ガス流路に戻ってしまうため、液水量が一定値以下であるようにシャット弁の開放を行い、液水を排水する必要がある。
【０００６】
ここで、シャット弁を開放することにより気液分離器内の液水は排出できるが、同時に、燃料ガスとして用いる未使用の水素も排出してしまうことになるため、燃費悪化の要因となる。そのため、シャット弁の開放の機会は少ないほうが良い。
本発明は、不必要な燃料ガスの排出を抑制する燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる燃料電池システムは、流路に流れる燃料ガスと水とを分離する気液分離器と、前記気液分離器を通過する燃料ガスが流路を流れる方向を変更可能である循環ポンプと、前記循環ポンプの動作状態を制御する制御部と、を備える燃料ガス循環部と、流路を空気が流れる空気部と、前記燃料ガス循環部の流路の一部と、前記空気部の流路の一部が配置された燃料電池スタックと、を備え、前記制御部は、前記燃料ガス循環部の流路において、前記燃料電池スタックへの入口と出口間の圧損が所定値未満、または、前記燃料電池スタックの内部抵抗が所定値以上であれば、前記燃料電池スタック内において前記燃料ガス循環部の流路を流れる燃料ガスと前記空気部の流路を流れる空気が対向流となるように前記循環ポンプを動作させ、前記燃料ガス循環部の流路において、前記燃料電池スタックへの入口と出口間の圧損が所定値以上、かつ、前記燃料電池スタックの内部抵抗が所定値未満であれば、前記燃料電池スタック内において、前記燃料ガス循環部の流路を流れる燃料ガスと前記空気部の流路を流れる空気が並行流となるように前記循環ポンプを動作させる。
これにより、燃料ガス循環部における燃料電池スタックからの出口の乾燥を抑制するとともに、気液分離器に溜まる液水を抑制できる。
【発明の効果】
【０００８】
これにより、不必要な燃料ガスの排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】順流制御された状態の燃料電池システムを示す図である。
【図３】逆流制御された状態の燃料電池システムを示す図である。
【図４】順流制御と逆流制御を切り替えるフローを示す図である。
【図５】センサを用いない状態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】１つのセンサを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】１つのセンサを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】１つのセンサを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図９】２つのセンサを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】２つのセンサを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１１】２つのセンサを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス循環部３と、燃料電池スタック２に空気を供給する空気部４とを備える。なお、燃料ガス循環部３と、空気部４の間に燃料電池スタック２が挟まれるように配置されているものとして説明する。
【００１１】
燃料電池スタック２は、例えば、第１のセパレーター、アノード、電解質膜、カソード、第２のセパレーターを並べたセルを、直列に積層して結合した構造体である。燃料電池スタック２には、燃料ガス循環部３の流路の一部と、空気部４の空気流路の一部が通過するように形成されている。後述するように、燃料電池スタック２内では、燃料ガス循環部３の循環ポンプ１５が順流制御の状態で動作し、燃料ガス循環部３に燃料ガスが順流に流れる状態において、燃料ガスと、空気部４で流れる空気ガスとが、互いに対向方向に流れている。
【００１２】
また、燃料電池スタック２は、燃料電池内部の電気抵抗を計測する電気抵抗センサ１０を備える。なお燃料電池スタック２では、始動要求された後に燃料ガスと空気が供給され、発電を行う。なお、電気抵抗センサ１０は、後述する制御部１６に測定結果を出力する。
【００１３】
燃料ガス循環部３は、燃料ガス流路を有している。燃料ガス循環部３は、燃料ガス供給用のインジェクタ１１と、燃料電池スタック２で発電に利用し切れなかった燃料ガスを循環させる燃料ガス循環器（図示せず）と、燃料ガスと水を分離する気液分離器１３と、気液分離器１３により分離された水を排出するシャット弁１４と、燃料ガス循環部３内を流れる燃料ガスの流れの方向を変更させる循環ポンプ１５と、循環ポンプ１５の動作を制御する制御部１６と、燃料ガス循環部３において燃料電池スタック２に燃料ガスが供給される入口の圧力を測定する第１の圧力センサ１７と、燃料電池スタック２に供給された燃料ガスの出口の圧力を測定する第２の圧力センサ１８と、を備える。なお、燃料ガスには、水素を用いるものとして説明する。
【００１４】
以下では、燃料ガス循環部３の流路において燃料ガスを順方向に流す場合に、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する入口側の流路を第１の流路３ａ、第１の流路３ａから燃料ガスが供給される燃料電池スタック２内の流路を第２の流路３ｂ、第２の流路３ｂから燃料ガス供給される燃料電池スタック２の出口側の流路を第３の流路３ｃ、燃料電池スタック２の外であって第１の流路３ａと第３の流路３ｃとを繋ぐ流路を第４の流路３ｄとして説明する。
【００１５】
なお図１に示しているように、燃料ガス循環部３では、第１の流路３ａの端部と第２の流路３ｂの端部が接続されており、第２の流路３ｂの端部と第３の流路３ｃの端部が接続されており、第３の流路３ｃの端部と第４の流路３ｄの端部が気液分離器１３を解して接続されており、第４の流路３ｄの端部と第１の流路３ａの端部が接続されていることで、燃料ガスが循環可能であるように形成されている。なお例えば、図１に示しているように、第１の流路３ａは、第３の流路３ｃより上方に配置されている。
【００１６】
インジェクタ１１は、燃料ガス循環部３の第１の流路３ａに対して、外部から燃料ガスの供給を行う。インジェクタ１１を介して供給された燃料ガスは、後述するように循環ポンプ１５により順流制御されている場合には第１の流路３ａを介して第２の流路３ｂへ流れ、逆流制御されている場合には第４の流路３ｄに流れる。
【００１７】
気液分離器１３は、第３の流路３ｃと第４の流路３ｄの接続部に設けられている。気液分離器１３は、燃料電池スタック２で発電により生じた液水が、流路を流れて燃料ガスとともに到達した場合に、燃料ガスと液水とを分離する。
【００１８】
シャット弁１４は、気液分離器１３に連結して設けられている。シャット弁１４は通常は閉状態であり、開状態した場合には気液分離器１３に溜まった液水を外部に排出することができる。
【００１９】
循環ポンプ１５は、第４の流路３ｄに配置されている。循環ポンプ１５が動作することにより、燃料ガス循環部３の流路内の燃料ガスに流れを発生させる。なお、循環ポンプ１５は、制御部１６の制御に応じて動作し、通常時には燃料ガスを順流で流し、所定の条件を満たした場合には逆流させる。
【００２０】
ここで、循環ポンプ１５によって燃料ガスの流れが順流であるように制御されている場合には、燃料ガスは、第１の流路３ａから第２の流路３ｂ、第３の流路３ｃ、第４の流路３ｄの順に通り、第１の流路３ａに戻るように循環する。一方、循環ポンプ１５によって燃料ガスの流れが逆流であるように制御されている場合には、燃料ガスは、第１の流路３ａから第４の流路３ｄ、第３の流路３ｃ、第２の流路３ｂの順に通り、第１の流路３ａに戻るように循環する。
【００２１】
制御部１６は、電気抵抗センサ１０と、第１の圧力センサ１７と、第２の圧力センサ１８の夫々で測定された測定結果に応じて燃料電池システム１の状態を判定し、循環ポンプ１５に制御信号を出力して、動作の制御を行う。また制御部１６では、循環ポンプ１５の動作制御後に経過した時間の判定を行う。
【００２２】
より具体的には、制御部１６では、第１の圧力センサ１７と第２の圧力センサ１８から入力された測定値に基づいて、燃料ガス循環部３における圧損があらかじめ設定した閾値未満であるか否かを判定する。ここで圧損とは、燃料ガス循環部３において、燃料電池スタック２の入口と出口間の圧損であり、第１の圧力センサ１７と第２の圧力センサ１８の測定結果から算出できる。また制御部１６では、電気抵抗センサ１０から入力された測定値に基づいて、燃料電池スタック２の内部抵抗が、あらかじめ設定した閾値以上であるか否かを判定する。
【００２３】
例えば後述するように、制御部１６では、燃料ガス循環部３の圧損が閾値未満、または、燃料電池スタック２の内部抵抗が閾値以上であれば、循環ポンプ１５を順流制御する。逆に、制御部１６は、燃料ガス循環部３の圧損が閾値以上であり、かつ、燃料電池スタック２の内部抵抗が閾値より小さい場合は、循環ポンプ１５を逆流制御する。さらに、制御部１６では、これらの順流または逆流の制御開始から、あらかじめ定めた所定の時間を経過したか否かの判定を行う。
【００２４】
第１の圧力センサ１７は、第１の流路３ａに接続している。第１の圧力センサ１７は、循環ポンプ１５が順流制御されている状態において、燃料ガスが、第１の流路３ａから、燃料電池スタック２内である第２の流路３ｂに入る際の圧力を計測する。第１の圧力センサ１７は、計測値を、制御部１６に出力する。
【００２５】
第２の圧力センサ１８は、第３の流路３ｃに接続している。第２の圧力センサ１８は、循環ポンプ１５が順流制御されている状態において、燃料ガスが、第２の流路３ｂから、第３の流路３ｃに出た際の圧力を計測する。第２の圧力センサ１８は、計測値を、制御部１６に出力する。
【００２６】
空気部４は空気が流れる流路を有している。空気部４の流路の一部は、燃料電池スタック２の内部を通過するように配置されている。より具体的には、空気部４は、燃料電池スタック２に空気を送る入口側の第１の流路４ａと、燃料電池スタック２内の第２の流路４ｂと、燃料電池スタック２から空気が排出される出口側の第３の流路４ｃと、を有する。
【００２７】
また、空気部４は、流路内の空気の流れを制御するエアコンプレッサ１９を備える。典型的には、エアコンプレッサ１９は、第１の流路４ａに配置されている。なお、エアコンプレッサ１９を用いて発生させる空気の流れの方向は、所定の一方向でよい。
【００２８】
ここで、燃料電池システム１では、以下のような特徴がある。
【００２９】
燃料電池システム１において、発電を行った際に生成される生成水は、主に、空気部４に発生する。
【００３０】
燃料ガス循環部３及び空気部４のいずれにおいても、燃料電池スタック２に対して、流路の出口側が、入口側に比べて濡れ状態となる。例えば図２、図３に示すように、空気部４では、第１の流路４ａ側が乾いた状態であり、第３の流路４ｃ側が濡れ状態である。ここで図２に示すように、燃料ガス循環部３は順流制御の状態では、第１の流路３ａ側が乾いた状態であり、第３の流路３ｃ側が濡れ状態である。また図３に示すように、燃料ガス循環部３は逆流制御の状態では、第３の流路３ｃ側が乾いた状態であり、第１の流路３ａ側が濡れ状態である。
【００３１】
なお、燃料ガス循環部３と空気部４の配置関係において、燃料ガス循環部３の第１の流路３ａ側と空気部４の第３の流路４ｃ側が近接して対向しており、燃料ガス循環部３の第３の流路３ｃ側と空気部４の第１の流路４ａ側が近接して対向している。ここで、空気部４から燃料ガス循環部３への水分の移動は、このように近接して対向する箇所同士で主に発生する。
【００３２】
ここで、空気部４では第３の流路４ｃ側が濡れ状態であるので、第３の流路４ｃ側の生成水が、燃料ガス循環部３の第１の流路３ａ側に移動する。このとき、燃料ガス循環部３の第１の流路３ａ側が乾いた状態であれば、空気部４の第３の流路４ｃ側からの生成水の移動がしやすい状態であるため、水の移動量が増加する。逆に、燃料ガス循環部３の第１の流路３ａ側が濡れ状態であれば、空気部４の第３の流路４ｃ側からの生成水の移動がしにくい状態であるため、水の移動量が減少する。
【００３３】
次に図４を用いて、燃料電池システム１において、燃料ガス循環部３内の燃料ガスの流れを変更しながら動作させる際の動作フローを説明する。
【００３４】
制御部１６は、例えば作業者によって、始動要求がなされたか否かを判定する（ステップＳ１）。始動要求がなされている場合には（ステップＳ１でＹｅｓ）、ステップＳ２に進む。始動要求がなされていなければ（ステップＳ１でＮｏ）、処理を終了する。
【００３５】
制御部１６は、燃料ガス循環部３の燃料ガス流路の圧損が所定の閾値未満であるか、または、燃料電池スタック２における内部抵抗が閾値より大きいかを判定する（ステップＳ２）。圧損が所定の閾値未満か、内部抵抗が閾値以上といういずれかの条件を満たす場合には（ステップＳ２でＹｅｓ）、ステップＳ３に進む。いずれの条件も満たさない場合には（ステップＳ２でＮｏ）、ステップＳ１１に進む。
【００３６】
ステップＳ２で条件を満たす場合には、制御部１６は、燃料ガス循環部３において燃料ガスが順流で流れるように、循環ポンプ１５を動作制御する（ステップＳ３）。その後、ステップＳ４に進む。
【００３７】
制御部１６は、循環ポンプ１５の動作制御を開始してから、所定の時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ４）。所定の時間が経過していれば（ステップＳ４でＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。所定の時間が経過していなければ（ステップＳ４でＮｏ）、ステップＳ３に戻り、循環ポンプ１５の動作制御を継続する。
【００３８】
ステップＳ２で条件を満たさない場合には、制御部１６は、燃料ガス循環部３において燃料ガスが逆流で流れるように、循環ポンプ１５を動作制御する（ステップＳ１１）。その後、ステップＳ１２に進む。
【００３９】
制御部１６は、循環ポンプ１５の動作制御を開始してから、所定の時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１２）。所定の時間が経過していれば（ステップＳ１１でＹｅｓ）、ステップＳ５に進む。所定の時間が経過していなければ（ステップＳ１２でＮｏ）、ステップＳ１１に戻り、循環ポンプ１５の動作制御を継続する。
【００４０】
制御部１６は、循環ポンプ１５の動作制御を開始してから所定の時間の経過後に、停止要求がなされたか否かを判定する（ステップＳ５）。制御部１６により、停止要求がなされたと判定された場合には（ステップＳ５でＹｅｓ）、処理を停止する。制御部１６により、停止要求がなされていないと判定した場合には（ステップＳ５でＮｏ）、ステップＳ２に戻り、順流制御と逆流制御のいずれを行うかの再判定を行い、動作を繰り返す。
【００４１】
このようにして、制御部１６が、循環ポンプ１５の制御状態を順流制御の状態とすることで、燃料ガス循環部３では第１の流路３ａ側が乾いた状態なるため、空気部４から燃料ガス循環部３への水の移動量は増加する。また制御部１６が、循環ポンプ１５の制御状態を逆流制御の状態とすることにより、燃料ガス循環部３では第１の流路３ａ側が濡れ状態なるため、空気部４から燃料ガス循環部３への水の移動量は減少する。
【００４２】
したがって、循環ポンプ１５の制御状態を順流制御の状態と、逆流制御の状態で交互に繰り返すことで、空気部４から燃料ガス循環部３への水の移動量を制御し、燃料電池スタック２内の水状態を適切に保つことができる。これにより、気液分離器１３に溜められている液水量を適切に減らすことができるため、シャット弁１４を開放して水を排出する機会を低減させ、水とともに未使用の燃料ガスが排出されることを抑制できる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００４４】
例えば図５に示すように、燃料電池システム１は、電気抵抗センサ１０と、第１の圧力センサ１７と、第２の圧力センサ１８を用いないこととしてもよい。この場合、制御部１６では、燃料電池システム１の状態を推定して、循環ポンプ１５の動作を制御することができる。
【００４５】
また燃料電池システム１は、電気抵抗センサ１０と、第１の圧力センサ１７と、第２の圧力センサ１８のうち、いずれか１つのセンサ、又はいずれか２つのセンサの組み合わせで用いることとしてもよい。図６、図７、図８は、センサを１つ用いた構成の燃料電池システム１の例であり、図９、図１０、図１１は、センサを２つ用いた構成の例である。これらの場合、制御部１６では、用いられたセンサからの入力値と、用いられなかったセンサから入力される値の推定値から、燃料電池システム１の状態を推定して、循環ポンプ１５の動作を制御することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１            燃料電池システム
２            燃料電池スタック
３            燃料ガス循環部
３ａ            第１の流路
３ｂ            第２の流路
３ｃ            第３の流路
３ｄ            第４の流路
４            空気部
４ａ            第１の流路
４ｂ            第２の流路
４ｃ            第３の流路
１０            電気抵抗センサ
１１            インジェクタ
１３            気液分離器
１４            シャット弁
１５            循環ポンプ
１６            制御部
１７            第１の圧力センサ
１８            第２の圧力センサ
１９            エアコンプレッサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020095881.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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