(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時に、水素濃度の高いアノードオフガスがターボコンプレッサ内を逆流して流出してしまうことを抑制する。【解決手段】回転数検出センサＳ１が検出するターボコンプレッサ３０の回転数が第１の閾値未満であるか（ステップ２０４；ＮＯ）、又は、ガス流量検出センサＳ２が検出するカソードガスの流量が第２の閾値未満である（ステップ２０５；ＮＯ）ときには、制御装置５０は、ターボコンプレッサ３０が故障しているものと判定し（ステップ２１０）、燃料電池システム１０の起動を停止して、運転停止状態に遷移する（ステップ２０９）。【選択図】図２
2018170242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボコンプレッサと、
前記ターボコンプレッサから供給されるカソードガスを燃料電池に流すカソードガス供給管と、
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソードオフガス管と、
前記ターボコンプレッサの下流における前記カソードガス供給管から分岐し、前記燃料電池を迂回して、前記カソードオフガス管に接続するバイパス管と、
前記バイパス管に流れる前記カソードガスの流量を調整する制御弁と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノードオフガス管であって、前記バイパス管に接続するアノードオフガス管と、
前記ターボコンプレッサの回転数を検出する回転数検出センサと、
前記カソードガス供給管に流れる前記カソードガスの流量を検出するガス流量検出センサと、
前記ターボコンプレッサ及び前記制御弁を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記燃料電池システムの起動要求を受信すると、前記ターボコンプレッサを駆動するとともに前記制御弁を開き、
前記回転数検出センサが検出する前記回転数が第１の閾値以上であり、且つ前記ガス流量検出センサが検出する前記カソードガスの流量が第２の閾値以上であるときに、前記燃料電池システムの起動を開始し、前記バイパス管を通じて前記アノードオフガス管に前記カソードガスを流して前記アノードオフガスを希釈し、
前記回転数検出センサが検出する前記回転数が前記第１の閾値未満であるか、又は前記ガス流量検出センサが検出する前記カソードガスの流量が前記第２の閾値未満であるときに、前記燃料電池システムの起動を停止する、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】
燃料電池は、複数の単セルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各単セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。この種の車載電力源として、例えば、特開２０１６−１２２５４１号公報には、（i）ターボコンプレッサと、（ii）ターボコンプレッサから供給されるカソードガスを燃料電池に流すカソードガス供給管と、（iii）燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソードオフガス管と、（iv）ターボコンプレッサの下流におけるカソードガス供給管から分岐し、燃料電池を迂回して、カソードオフガス管に接続するバイパス管と、（v）バイパス管に流れるカソードガスの流量を調整する制御弁と、（vi）燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノードオフガス管であって、バイパス管に接続するアノードオフガス管を備える燃料電池システムが提案されている。このような構成によれば、燃料電池システムを起動するときに、ターボコンプレッサを駆動するとともに制御弁を開き、バイパス管を通じてアノードオフガス管にカソードガスを流してアノードオフガスを希釈することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１２２５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ターボコンプレッサは、ルーツ型コンプレッサとは異なり、その構造上、密閉されていないため、故障により動作できなくなると、水素濃度の高いアノードオフガスがアノードオフガス管からバイパス管及びカソードガス供給管を通じてターボコンプレッサ内を逆流し、ターボコンプレッサから流出してしまう虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑み、水素濃度の高いアノードオフガスがターボコンプレッサ内を逆流して流出してしまうことを抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムは、（i）ターボコンプレッサと、（ii）ターボコンプレッサから供給されるカソードガスを燃料電池に流すカソードガス供給管と、（iii）燃料電池から排出されるカソードオフガスを流すカソードオフガス管と、（iv）ターボコンプレッサの下流におけるカソードガス供給管から分岐し、燃料電池を迂回して、カソードオフガス管に接続するバイパス管と、（v）バイパス管に流れるカソードガスの流量を調整する制御弁と、（vi）燃料電池から排出されるアノードオフガスを流すアノードオフガス管であって、バイパス管に接続するアノードオフガス管と、（vii）ターボコンプレッサの回転数を検出する回転数検出センサと、（viii）カソードガス供給管に流れるカソードガスの流量を検出するガス流量検出センサと、（ix）ターボコンプレッサ及び制御弁を制御する制御装置を備える。制御装置は、燃料電池システムの起動要求を受信すると、ターボコンプレッサを駆動するとともに制御弁を開き、回転数検出センサが検出する回転数が第１の閾値以上であり、且つガス流量検出センサが検出するカソードガスの流量が第２の閾値以上であるときに、燃料電池システムの起動を開始し、バイパス管を通じてアノードオフガス管にカソードガスを流してアノードオフガスを希釈する。制御装置は、回転数検出センサが検出する回転数が第１の閾値未満であるか、又はガス流量検出センサが検出するカソードガスの流量が第２の閾値未満であるときに、燃料電池システムの起動を停止する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に関わる燃料電池システムによれば、水素濃度の高いアノードオフガスがターボコンプレッサ内を逆流して流出してしまうことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に関わる燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に関わる燃料電池システムの起動処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の実施形態に関わる燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車両の車載用発電システムとして機能するものであり、主に、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池２０と、燃料電池２０のカソード極にカソードガスを供給するターボコンプレッサ３０と、燃料電池２０のアノード極にアノードガスを供給するアノードガス供給装置４０と、燃料電池２０の発電を制御する制御装置５０とを備えている。燃料電池２０は、複数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成されたアノード極と、電解質膜の他方の面に形成されたカソード極と、アノード極及びカソード極を両側から挟み込む一対のセパレータとを備えている。アノード極では、（１）式の電気化学反応が生じ、カソード極では、（２）式の電気化学反応が生じる。
【００１０】
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-  …（１）
Ｈ+＋４ｅ-＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ  …（２）
【００１１】
なお、アノードガスは、燃料ガス（例えば、水素ガス）であり、カソードガスは酸化ガス（例えば、空気）である。また、アノードオフガスは、電気化学反応に供した後のアノードガスであり、カソードオフガスは、電気化学反応に供した後のカソードガスである。
【００１２】
燃料電池システム１０のカソードガス供給系には、カソードガス供給管３１、カソードオフガス管３２及びバイパス管３３が配管されている。カソードガス供給管３１は、ターボコンプレッサ３０から供給されるカソードガスを燃料電池２０のカソード極に流す。カソードオフガス管３２は、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスを外気へ流す。バイパス管３３は、ターボコンプレッサ３０の下流におけるカソードガス供給管３１から分岐し、燃料電池２０を迂回して、カソードオフガス管３２に接続する。バイパス管３３には、バイパス管３３に流れるカソードガスの流量を調整する制御弁３４が配設されている。カソードガス供給管３１には、燃料電池２０へのカソードガスの流入を選択的に遮断する遮断弁３５が配設されている。カソードオフガス管３２には、カソードガスの背圧を調整する調圧弁３６が配設されている。燃料電池システム１０のカソードガス供給系には、ターボコンプレッサ３０の回転数を検出する回転数検出センサＳ１と、カソードガス供給管３１に流れるカソードガスの流量を検出するガス流量検出センサＳ２とが更に配設されている。なお、制御弁３４、遮断弁３５、及び調圧弁３６は、電磁弁である。
【００１３】
燃料電池システム１０のアノードガス供給系には、アノードガス供給管４１、アノードオフガス管４２及び循環流路４３が配管されている。アノードガス供給管４１は、アノードガス供給装置４０から供給されるアノードガを燃料電池２０のアノード極に流す。アノードガス供給装置４０は、例えば、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンクである。アノードオフガス管４２は、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスを流す。アノードオフガス管４２は、バイパス管３３に接続している。アノードオフガスは、アノードオフガス管４２を通じて気液分離装置４５に導かれて水分が除去され、循環ポンプ４４により循環流路４３を通じてアノードガス供給管４１に戻される。循環流路４３を循環するアノードオフガスは、排気弁４６の開弁により、アノードオフガス管４２を通じて排出される。また、気液分離装置４５に貯留する水分は、排気弁４６の開弁により、アノードオフガス管４２を通じて排出される。なお、排気弁４６は、電磁弁である。
【００１４】
制御装置５０は、プロセッサ、記憶装置、及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットである。制御装置５０は、各種センサ類（例えば、回転数検出センサＳ１及びガス流量検出センサＳ２）から出力される信号を入力して燃料電池システム１０の運転状態を検出し、ターボコンプレッサ３０、燃料ガス供給装置４０、及び各種弁（例えば、制御弁３４、遮断弁３５、調圧弁３６、及び排気弁４６など）を駆動制御することにより、燃料電池２０の発電制御を行う。
【００１５】
次に、図２を参照しながら、燃料電池システム１０の起動処理について説明する。制御装置５０は、燃料電池システム１０の起動要求を受信すると（ステップ２０１；ＹＥＳ）、制御弁３４を開弁し（ステップ２０２）、ターボコンプレッサ３０を駆動する（ステップ２０３）。制御装置５０は、回転数検出センサＳ１が検出するターボコンプレッサ３０の回転数が第１の閾値以上であり（ステップ２０４；ＹＥＳ）、且つ、ガス流量検出センサＳ２が検出するカソードガスの流量が第２の閾値以上である（ステップ２０５；ＹＥＳ）ときには、起動処理を実行する（ステップ２０６）。ここで、第１及び第２の閾値は、それぞれ、ターボコンプレッサ３０が正常に動作しているか否かを判定する目安となる閾値である。ステップ２０６の起動処理では、制御装置５０は、燃料電池システム１０の起動を開始し、バイパス管３３を通じてアノードオフガス管４２にカソードガスを流してアノードオフガスを希釈する。
【００１６】
起動処理が完了すると、制御装置５０は、燃料電池２０の発電制御を行う（ステップ２０７）。この発電制御では、制御装置５０は、遮断弁３５を開弁するとともに、発電要求量に応じて調圧弁３６の弁開度を調整し、燃料電池２０へのカソードガスの供給量を調整する。更に、制御装置５０は、発電要求量に応じて燃料ガス供給装置３０から燃料電池２０へのアノードガスの供給量を調整する。そして、燃料電池システム１０の運転停止時が指示されると、制御装置５０は、燃料電池システム１０の運転を停止するための停止処理を行う（ステップ２０８）。次いで、燃料電池システム１０は、運転停止状態に遷移する（ステップ２０９）。
【００１７】
一方、回転数検出センサＳ１が検出するターボコンプレッサ３０の回転数が第１の閾値未満であるか（ステップ２０４；ＮＯ）、又は、ガス流量検出センサＳ２が検出するカソードガスの流量が第２の閾値未満である（ステップ２０５；ＮＯ）ときには、制御装置５０は、ターボコンプレッサ３０が故障しているものと判定し（ステップ２１０）、燃料電池システム１０の起動を停止（中断）して、運転停止状態に遷移する（ステップ２０９）。
【００１８】
このように、燃料電池システム１０の起動時において、ターボコンプレッサ３０が故障しているものと判定したときに、起動処理を停止して運転停止状態に遷移することにより、水素濃度の高いアノードオフガスがターボコンプレッサ３０内を逆流して流出してしまうことを抑制できる。
【００１９】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００２０】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池  ３０…ターボコンプレッサ  ３１…カソードガス供給管  ３２…カソードオフガス管  ３３…バイパス管  ３４…制御弁  ４０…燃料ガス供給装置  ４１…アノードガス供給管  ４２…アノードオフガス管  ４３…循環流路  ５０…制御装置  Ｓ１…回転数検出センサ  Ｓ２…ガス流量検出センサ
【図１】
2018170242.tif 000003
【図２】
2018170242.tif 000004