(57)【要約】【課題】燃料電池の排ガスの循環流路での凝縮水の発生を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる循環流路部品を有し、前記排ガスに含まれる前記反応ガスを、前記循環流路部品を通じて前記燃料電池に循環させるガス循環部と、前記循環流路部品の入口側での前記排ガスの温度を表す入口ガス温度と前記循環流路部品の出口側での前記排ガスの温度を表す出口ガス温度とを検出する温度検出部と、前記燃料電池に発電させて、前記循環流路部品を昇温させる暖機運転を実行する制御部とを備える。前記制御部は、前記出口ガス温度と前記入口ガス温度との差の絶対値が予め定められた閾値温度以下の場合に前記暖機運転を終了させる。【選択図】図１
2020149776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記反応ガスを前記燃料電池に供給するガス供給部と、
前記燃料電池から排出される排ガスが流れる循環流路部品を有し、前記排ガスに含まれる前記反応ガスを、前記循環流路部品を通じて前記燃料電池に循環させるガス循環部と、
前記循環流路部品の入口側での前記排ガスの温度を表す入口ガス温度と、前記循環流路部品の出口側での前記排ガスの温度を表す出口ガス温度と、を検出する温度検出部と、
前記燃料電池に発電させて、前記循環流路部品を昇温させる暖機運転を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記暖機運転の開始後に、前記出口ガス温度と前記入口ガス温度との差の絶対値が予め定められた閾値温度以下の場合に前記暖機運転を終了させる、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池システムには、固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）から排出される排ガス中に残留している反応ガスを燃料電池に循環させて発電に利用するものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１９９５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の排ガス中には、通常、燃料電池内で生成された多量の水分が含まれる。そのため、排ガスを燃料電池に循環させる燃料電池システムでは、例えば、氷点下などの低温環境下において、排ガスの循環流路を構成する部品内において排ガス中の水分が凝縮した凝縮水が多量に発生してしまう場合があった。こうした凝縮水が多量に発生すると、排ガスの循環流路の閉塞が引き起こされ、燃料電池の発電効率が低下したり、燃料電池の掃気処理の実行が困難になってしまったりするという問題があった。また、燃料電池システムの運転停止時の掃気処理が十分に行えない場合には、システム内に残留していた水分が凍結してしまい、燃料電池の起動が困難になるという問題があった。
【０００５】
上記の特許文献１の技術では、排ガス中の水素を燃料電池に循環させるための水素ポンプの温度が閾値より低い場合に、水素ポンプを駆動するモータの発熱量を増大させる暖機運転によって、水素ポンプ内での排ガス中の水分の凝縮及び凍結を抑制している。しかしながら、水素ポンプ自体の温度を計測していると、水素ポンプ内の温度分布によっては、局所的に低温化している部位の温度が、計測結果に十分に反映されない可能性がある。そのため、その局所的な低温化している部位において、排ガス中の水分の凝縮や、そうした凝縮水の凍結が生じてしまうおそれがある。こうした問題は、水素ポンプに限らず、燃料電池の排ガスが流通する部品に共通する。
【０００６】
また、排ガス中に含まれる水分の凝縮が発生する条件は、排ガスが流通する部品の温度だけではなく、燃料電池の温度や、排ガスの流量、外気温にも影響される。そのため、凍結防止の対象部品自体の温度を計測するのみでは、その部品内での排ガスの温度変化を十分に把握できず、当該部品内での排ガス中の水分の凝縮や、凝縮水の凍結を十分に抑制できない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の技術は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
この形態では、燃料電池システムが提供される。この形態の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記反応ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池から排出される排ガスが流れる循環流路部品を有し、前記排ガスに含まれる前記反応ガスを、前記循環流路部品を通じて前記燃料電池に循環させるガス循環部と、前記循環流路部品の入口側での前記排ガスの温度を表す入口ガス温度と前記循環流路部品の出口側での前記排ガスの温度を表す出口ガス温度とを検出する温度検出部と、前記燃料電池に発電させて、前記循環流路部品を昇温させる暖機運転を実行する制御部と、を備える。前記制御部は、前記暖機運転の開始後に、前記出口ガス温度と前記入口ガス温度との差の絶対値が予め定められた閾値温度以下の場合に前記暖機運転を終了させる。
この形態の燃料電池システムによれば、循環流路部品を通過する前後での排ガスの温度変化量に基づいて、暖機運転により循環流路部品が昇温されたか否かが判定される。よって、循環流路部品内における排ガスの流路全体の温度状態を適切に判定することができ、循環流路部品内における排ガスの流路が所望の温度まで昇温されないまま暖機運転が終了してしまうことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの概略図。
【図２】第１実施形態の暖機処理のフローを示す説明図。
【図３】第２実施形態における燃料電池システムの概略図。
【図４】第２実施形態の暖機処理のフローを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
１．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、車両に搭載される。燃料電池システム１００は、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池１０を備える。燃料電池システム１００は、燃料電池１０が発電する電力を、燃料電池システム１００に接続されている外部負荷や、燃料電池システム１００を構成する補機類に供給する。
【００１１】
燃料電池１０は、例えば、固体高分子形燃料電池によって構成され、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータと、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。
【００１２】
燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転を制御する制御部２０を備える。制御部２０は、少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）によって構成される。制御部２０は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって燃料電池システム１００を制御するための種々の機能を発揮する。制御部２０の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。
【００１３】
制御部２０は、後述するガス供給部３０、ガス循環部４０、及び、ガス給排部５０を制御して、燃料電池１０の発電を制御する。また、後述するように、制御部２０は、低温環境下において、予め定められた条件が満たされたときに、燃料電池システム１００の構成部品を暖機するための暖機処理を実行する。なお、制御部２０は、例えば、反応ガスの温度や圧力、外気温、循環ポンプ４４やコンプレッサ５２の回転数など、燃料電池システム１００の運転制御に必要な情報を、燃料電池システム１００に設けられている図示されていないセンサ類から取得する。
【００１４】
燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池１０に対する反応ガスの供給制御を行うための構成部として、ガス供給部３０と、ガス循環部４０と、ガス給排部５０とを備える。ガス供給部３０は、燃料電池１０のアノードに燃料ガスを供給する。ガス供給部３０は、高圧の燃料ガスを貯蔵するタンク３１と、タンク３１と燃料電池１０のアノード入口とを接続する燃料ガス配管３２と、主止弁３３と、レギュレータ３４と、供給装置３５と、を備える。主止弁３３とレギュレータ３４と供給装置３５は、燃料ガス配管３２に、タンク３１側である上流側からこの順で設けられている。主止弁３３は、制御部２０の制御下において開閉する電磁弁によって構成される。主止弁３３は、タンク３１からの燃料ガスの流出を制御する。レギュレータ３４は、減圧弁であり、供給装置３５の上流側における燃料ガス配管３２内の圧力を調整する。供給装置３５は、制御部２０の制御下において、周期的に開閉して燃料電池１０に燃料ガスを送り出す。供給装置３５は、例えば、設定された駆動周期で開閉する電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。
【００１５】
ガス循環部４０は、燃料電池１０のアノードから排出される排ガスに含まれる燃料ガスを燃料電池１０に循環させる機能と、排ガスに含まれる排水を燃料電池システム１００の外部に排出させる機能と、を有する。ガス循環部４０は、排ガス配管４１と、気液分離部４２と、循環配管４３と、循環ポンプ４４と、排水配管４５と、排水弁４６と、を備える。排ガス配管４１は、燃料電池１０のアノード出口と気液分離部４２の入口とに接続されており、アノードで発電に用いられることのなかった燃料ガスと排水とを含むアノード側の排ガスを気液分離部４２へと導く。気液分離部４２は、排ガス配管４１を通じて流入した排ガスから気体成分と液体成分とを分離し、液体成分を排水として、液水の状態で貯留する。気液分離部４２の出口の１つは、循環配管４３に接続されている。循環配管４３は、気液分離部４２のその出口と燃料ガス配管３２の供給装置３５より下流側の部位とを接続する。循環配管４３には、循環ポンプ４４が設けられている。気液分離部４２は、排ガスから分離した気体成分を循環配管４３へと導く。循環ポンプ４４は、制御部２０の制御下において駆動し、循環配管４３へと導かれた燃料ガスを含む気体成分を燃料ガス配管３２へと送り出す。気液分離部４２には、排水が貯留されている貯留部に、もう１つの出口が設けられており、その出口には排水配管４５が接続されている。排水配管４５には、制御部２０の制御下において開閉する排水弁４６が設けられている。制御部２０は、通常、排水弁４６を閉じておき、予め設定された所定のタイミングで排水弁４６を開くことによって、気液分離部４２に貯留されている排水を、排水配管４５を通じて燃料電池システム１００の外部へと排出する。
【００１６】
ガス給排部５０は、酸化剤ガスを燃料電池１０のカソードに供給する機能と、燃料電池１０のカソードから排出される排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出させる機能と、を有する。第１実施形態では、外気に含まれる酸素が、酸化剤ガスとして燃料電池１０に供給される。ガス給排部５０は、供給配管５１と、コンプレッサ５２と、開閉弁５３と、排ガス配管５６と、調圧弁５８と、を備える。供給配管５１は、一端が外気に連通しており、他端が燃料電池１０のカソード入口に接続されている。コンプレッサ５２は、制御部２０の制御下において、供給配管５１の一端から取り込まれた外気を圧縮して、供給配管５１の他端側に設けられた開閉弁５３の方へと送り出す。開閉弁５３は、通常は閉じた状態であり、コンプレッサ５２から送り出された圧縮ガスの圧力によって開弁し、燃料電池１０のカソードへの圧縮ガスの流入を許容する。排ガス配管５６は、カソード出口に接続されており、燃料電池１０のカソードから排出された排ガスを燃料電池システム１００の外部へと導く。調圧弁５８は、排ガス配管５６に設けられており、制御部２０の制御下において、燃料電池１０のカソード側の背圧を調整する。
【００１７】
燃料電池システム１００は、さらに、温度検出部６０を備える。温度検出部６０は、ガス循環部４０において、燃料電池１０に循環させる排ガスが流通する循環流路部品ＲＰの入口側での排ガスの温度を表す入口ガス温度Ｔｉｎと、循環流路部品ＲＰの出口側での排ガスの温度を表す出口ガス温度Ｔｏｕｔとを検出する。第１実施形態では、循環流路部品ＲＰは、気液分離部４２である。なお、循環流路部品ＲＰは、気液分離部４２でなくともよく、他の実施形態では、例えば、排ガス配管４１や循環配管４３における特定の部位であってもよい。
【００１８】
第１実施形態では、温度検出部６０は、制御部２０から取得する情報を用いて、入口ガス温度Ｔｉｎと出口ガス温度Ｔｏｕｔとを推定値として算出する。温度検出部６０は、その推定値を算出するための情報として、制御部２０から、燃料電池１０の温度と、外気温と、排ガスの流量と、を取得する。燃料電池１０の温度および外気温は、例えば、制御部２０が、図示されていない温度センサから取得したものである。また、排ガスの流量は、制御部２０が循環ポンプ４４の回転数に基づいて算出したものである。制御部２０は、排ガスの流量を、排ガス配管４１や循環配管４３に設けられた図示されていない流量計から取得してもよい。
【００１９】
温度検出部６０は、燃料電池１０の温度と外気温と排ガスの流量とに対して入口ガス温度Ｔｉｎが一意に定まるマップや数式を予め記憶しており、それを用いて、入口ガス温度Ｔｉｎを取得する。このマップや数式は、燃料電池１０と循環流路部品ＲＰとの間の排ガス流路を構成する部品の比熱など、燃料電池１０と循環流路部品ＲＰとの間の排ガス流路での熱伝達特性が反映されたものである。また、温度検出部６０は、取得した入口ガス温度Ｔｉｎと外気温と排ガスの流量とに対して出口ガス温度Ｔｏｕｔが一意に定まるマップや数式を予め記憶しており、それを用いて出口ガス温度Ｔｏｕｔを取得する。このマップや数式は、循環流路部品ＲＰの比熱など、循環流路部品ＲＰが構成する排ガス流路での熱伝達特性が反映されたものである。なお、他の実施形態では、温度検出部６０は、循環流路部品ＲＰの入口と出口のそれぞれに設けられた温度センサの計測値を入口ガス温度Ｔｉｎ及び出口ガス温度Ｔｏｕｔとして取得してもよい。
【００２０】
図２は、第１実施形態における暖機処理のフローを示す説明図である。燃料電池システム１００では、暖機処理は、ガス循環部４０の循環流路部品ＲＰにおいて排ガス中の水分が凝縮して凍結することによって排ガスの流路が閉塞してしまうことを予防するために実行される。制御部２０は、例えば、氷点下などの低温環境下において、燃料電池１０が起動された場合や、燃料電池１０の掃気処理の実行を開始するタイミングが到達した場合に、この暖機処理を実行する。なお、掃気処理の実行を開始するタイミングとしては、例えば、燃料電池システム１００の運転終了時がある。
【００２１】
ステップＳ１０では、循環流路部品ＲＰを昇温させるための暖機運転を開始する。制御部２０は、暖機運転として、燃料電池１０に発電させて循環流路部品ＲＰに排ガスを流入させる状態を保ったまま待機するアイドリングをおこなう。なお、暖機運転では、燃料ガスに対する酸化剤ガスの供給量の比率を、通常の運転時より低減させて、燃料電池１０の単位時間あたりの発熱量を増大させる低効率発電が実行されてもよい。また、暖機運転では、循環流路部品ＲＰを昇温させるためのヒータが駆動されるものとしてもよい。
【００２２】
ステップＳ２０では、制御部２０は、温度検出部６０から現在の入口ガス温度Ｔｉｎと出口ガス温度Ｔｏｕｔとを取得する。ステップＳ３０では、制御部２０は、出口ガス温度Ｔｏｕｔから入口ガス温度Ｔｉｎを減算した差の絶対値が、予め実験的に定められた閾値温度α℃以下であるか否かを判定する。閾値温度α℃は、循環流路部品ＲＰを通過する際における排ガスの温度低下量の許容値に相当し、例えば、０〜５℃程度の値としてもよい。
【００２３】
制御部２０は、出口ガス温度Ｔｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値が閾値温度α℃より高い場合には、そのまま暖機運転を継続し、所定の制御周期で、ステップＳ２０〜Ｓ３０の処理を繰り返す。出口ガス温度Ｔｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値が閾値温度α℃より高い場合には、循環流路部品ＲＰの温度が十分に高まっておらず、循環流路部品ＲＰと排ガスとの間の熱交換量が大きいままであることが見込まれるためである。
【００２４】
一方、制御部２０は、出口ガス温度Ｔｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値が閾値温度α℃以下である場合には、暖機処理を終了し、次の制御フェーズへと移行する。暖機処理が、例えば、燃料電池１０の起動時に実行されたものであれば、制御部２０は、次の制御フェーズとして、燃料電池１０の通常の運転制御を開始する。また、暖機処理が、掃気処理の前に、その準備処理として実行されたものであれば、制御部２０は、次の制御フェーズとして、掃気処理の実行を開始する。出口ガス温度Ｔｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値が閾値温度α℃以下であれば、循環流路部品ＲＰの温度が十分に高まって、循環流路部品ＲＰと排ガスとの間の熱交換量が小さくなっていることが見込まれる。そのため、次の制御フェーズとして、燃料電池１０の通常の運転制御や掃気処理を開始して、燃料電池１０からの排ガスの流量が増加したとしても、循環流路部品ＲＰ内で排ガス中の水分が許容量を超えて凝縮することが抑制される。
【００２５】
以上のように、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、循環流路部品ＲＰの入口と出口とでの排ガスの温度差によって、暖機運転によって循環流路部品ＲＰ内での排ガスの熱交換量が十分に低減されるまで循環流路部品ＲＰが昇温されたか否かが判定される。そのため、循環流路部品ＲＰ内の排ガスの流路全体での温度状態を反映させた循環流路部品ＲＰの温度判定が可能であり、循環流路部品ＲＰ内における排ガスの流路が所望の温度まで昇温されないまま暖機運転が終了してしまうことを抑制できる。また、循環流路部品ＲＰ内の排ガスの流路全体での温度状態を判定できるため、循環流路部品ＲＰの一部位にのみ温度センサを設けて判定する場合よりも誤判定が抑制される。よって、暖機が不十分となり、暖機処理の後に実行される燃料電池１０の通常の運転や掃気処理などにおいて、循環流路部品ＲＰ内での凝縮する水分によって排ガスの流路が閉塞してしまうことが抑制される。また、排ガスの流路の閉塞が抑制されることにより、掃気処理を効果的に実行することができるため、燃料電池システム１００内に残留する水分の凍結によって、燃料電池１０の起動が困難になることが抑制される。
【００２６】
２．第２実施形態：
図３は、第２実施形態における燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図である。第２実施形態の燃料電池システム１００Ａの構成は、以下に説明する点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００とほぼ同じである。燃料電池システム１００Ａでは、温度検出部６０によって入口ガス温度Ｔｉｎおよび出口ガス温度Ｔｏｕｔが検出される対象である循環流路部品ＲＰが循環ポンプ４４である。燃料電池システム１００Ａでは、循環ポンプ４４の入口と出口のそれぞれに排ガスの温度を検出する温度センサ６１，６２が設けられており、温度検出部６０は、入口側温度センサ６１の実測値を入口ガス温度Ｔｉｎとして取得し、出口側温度センサ６２の実測値を出口ガス温度Ｔｏｕｔとして取得する。
【００２７】
図４は、第２実施形態の燃料電池システム１００において実行される暖機処理のフローを示す説明図である。第２実施形態の暖機処理は、循環流路部品ＲＰである循環ポンプ４４を昇温させるために実行され、ステップＳ２３，Ｓ２５の処理が追加されている点と、ステップＳ３０での判定に代えて、ステップＳ３５での判定が実行される点以外は、第１実施形態の暖機処理とほぼ同じである。
【００２８】
ステップＳ２３では、制御部２０は、循環ポンプ４４での断熱圧縮による排ガスの昇温量を表す断熱圧縮昇温量ΔＴを取得する。制御部２０は、例えば、循環ポンプ４４の回転数と断熱圧縮昇温量ΔＴとの一意の関係が規定されている予め準備されたマップを用いて、現在の循環ポンプ４４の回転数に対する断熱圧縮昇温量ΔＴを取得する。
【００２９】
ステップＳ２５では、制御部２０は、断熱圧縮昇温量ΔＴを用いて、ステップＳ２０で取得されている循環ポンプ４４の出口ガス温度Ｔｏｕｔを補正した補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔを算出する。具体的には、制御部２０は、出口ガス温度Ｔｏｕｔから断熱圧縮昇温量ΔＴを減算して補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔを算出する。
【００３０】
ステップＳ３５では、制御部２０は、補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔから入口ガス温度Ｔｉｎを減算した差の絶対値が、予め実験的に定められた閾値温度β℃以下であるか否かを判定する。制御部２０は、補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値が閾値温度β℃より高い場合には、そのまま暖機運転を継続し、所定の制御周期で、ステップＳ２０〜Ｓ３５の処理を繰り返す。一方、制御部２０は、補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値が閾値温度β℃以下である場合には、暖機処理を終了し、次の制御フェーズへと移行する。閾値温度β℃は、循環ポンプ４４を通過する際に、循環ポンプ４４に吸収される排ガスの熱量に相当する温度の許容量に相当し、例えば、０〜５℃程度の値としてもよい。
【００３１】
出口ガス温度Ｔｏｕｔは、入口ガス温度Ｔｉｎから、排ガスと循環ポンプ４４との間の熱交換による排ガスの温度低下量を減じ、循環ポンプ４４による排ガスの断熱圧縮による昇温量を加算した値に相当する。よって、出口ガス温度Ｔｏｕｔから断熱圧縮昇温量ΔＴを差し引いた補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値は、循環ポンプ４４での断熱圧縮の影響が除かれた、排ガスと循環ポンプ４４との間の熱交換による排ガスの温度低下量を表す値となる。ステップＳ３５では、そうした補正後出口ガス温度ＴＣｏｕｔと入口ガス温度Ｔｉｎとの差の絶対値を用いているため、循環ポンプ４４の温度状態を、より正確に判定することができる。よって、循環ポンプ４４での断熱圧縮による排ガスの昇温によって実際には低温状態にある循環ポンプ４４が十分に昇温されていると誤判定されてしまうことが抑制される。
【００３２】
その他に、第２実施形態の燃料電池システム１００Ａによれば、第１実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
【００３３】
３．他の実施形態：
上記の第２実施形態の燃料電池システム１００Ａにおいて、第１実施形態と同様なフローで暖機処理が実行されてもよい。この場合には、閾値温度α℃としては、循環ポンプ４４での断熱圧縮による昇温量を反映させた値が用いられることが望ましい。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料電池、１１…単セル、２０…制御部、３０…ガス供給部、３１…タンク、３２…燃料ガス配管、３３…主止弁、３４…レギュレータ、３５…供給装置、４０…ガス循環部、４１…排ガス配管、４２…気液分離部、４３…循環配管、４４…循環ポンプ、４５…排水配管、４６…排水弁、５０…ガス給排部、５１…供給配管、５２…コンプレッサ、５３…開閉弁、５６…排ガス配管、５８…調圧弁、６０…温度検出部、６１…入口側温度センサ、６２…出口側温度センサ、１００…燃料電池システム、１００Ａ…燃料電池システム、ＲＰ…循環流路部品
【図１】
2020149776.tif 000003
【図２】
2020149776.tif 000004
【図３】
2020149776.tif 000005
【図４】
2020149776.tif 000006