(57)【要約】【課題】燃料電池自体が昇温していなくても生成水を排出する排出弁を昇温させる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の燃料ガス供給口と接続され、燃料電池に燃料ガスを導くガス供給流路と、燃料電池の燃料オフガス排出口と接続され、燃料電池から燃料オフガスを燃料電池の外部に導くガス排出流路と、ガス供給流路とガス排出流路とを接続するガス還流流路と、ガス還流流路に設けられ、ガス還流流路内の流体を圧送する圧送機と、ガス排出流路において、ガス還流流路が接続する位置よりも下流側に設けられている排出弁と、燃料電池システムの起動時において、外気温が予め定められた基準温度以上の場合には、圧送機に流体を燃料ガス供給口に向かって圧送させ、外気温が基準温度未満の場合には、圧送機に流体を排出弁に向かって圧送させる制御部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の燃料ガス供給口と接続され、前記燃料電池に燃料ガスを導くガス供給流路と、
前記燃料電池の燃料オフガス排出口と接続され、前記燃料電池から燃料オフガスを前記燃料電池の外部に導くガス排出流路と、
前記ガス供給流路と前記ガス排出流路とを接続するガス還流流路と、
前記ガス還流流路に設けられ、前記ガス還流流路内の流体を圧送する圧送機と、
前記ガス排出流路において、前記ガス還流流路が接続する位置よりも下流側に設けられている排出弁と、
前記燃料電池システムの起動時において、外気温が予め定められた基準温度以上の場合には、前記圧送機に前記流体を前記燃料ガス供給口に向かって圧送させ、外気温が前記基準温度未満の場合には、前記圧送機に前記流体を前記排出弁に向かって圧送させる制御部と、
を備え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】
燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電による生成水を排出する排出弁の凍結を抑制するために、燃料電池の発電による熱を利用して生成水を昇温させた後、昇温された生成水を用いて排出弁を昇温させる技術が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１８１３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術では、燃料電池の発熱量を利用して生成水を昇温させるので、燃料電池自体が昇温するまで排出弁を昇温させることができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の燃料ガス供給口と接続され、前記燃料電池に燃料ガスを導くガス供給流路と、前記燃料電池の燃料オフガス排出口と接続され、前記燃料電池から燃料オフガスを前記燃料電池の外部に導くガス排出流路と、前記ガス供給流路と前記ガス排出流路とを接続するガス還流流路と、前記ガス還流流路に設けられ、前記ガス還流流路内の流体を圧送する圧送機と、前記ガス排出流路において、前記ガス還流流路が接続する位置よりも下流側に設けられている排出弁と、前記燃料電池システムの起動時において、外気温が予め定められた基準温度以上の場合には、前記圧送機に前記流体を前記燃料ガス供給口に向かって圧送させ、外気温が前記基準温度未満の場合には、前記圧送機に前記流体を前記排出弁に向かって圧送させる制御部と、を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、外気温が基準温度未満の場合、圧送機に圧送されて断熱圧縮により昇温した流体を排出弁に供給できるので、燃料電池自体が発電により昇温していなくても、排出弁を昇温させることができる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】圧送機に対する通常回転制御及び逆回転制御を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態におけ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、例えば、動力源として車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給循環系２００と、制御部４００と、図示しない冷却系や、酸化ガス供給排出系等とを備える。燃料電池システム１０には、燃料電池システム１０がおかれる環境の温度を測定する外気温センサ３１０と、燃料電池システム１０の内部の温度を測定する温度センサ３２０とが設置されている。
【００１０】
燃料電池１００は、図示しない複数の単セルが積層されることによって構成されている。燃料電池１００としては、例えば固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガスとを利用して、電気化学反応により発電する。燃料ガスとしては、例えば水素を採用可能であり、酸化ガスとしては、例えば空気を採用可能である。
【００１１】
燃料ガス供給循環系２００は、燃料ガスタンク２１０と、ガス供給流路２２０と、ガス排出流路２３０と、ガス還流流路２４０と、を備える。燃料ガスタンク２１０は、燃料ガスを貯蔵する。ガス供給流路２２０の一端は、燃料ガスタンク２１０と接続しており、他端は、燃料電池１００の燃料ガス供給口１１０と接続している。ガス供給流路２２０は、燃料ガスタンク２１０内の燃料ガスを燃料電池１００に導く。ガス供給流路２２０には、インジェクタ２２５が設けられている。インジェクタ２２５は、制御部４００からの制御信号に応じて、燃料ガスを燃料電池１００の燃料ガス供給口１１０に向かって噴射する。
【００１２】
ガス排出流路２３０の一端は、燃料電池１００の燃料オフガス排出口１２０と接続しており、他端は、大気に開放されている。ガス排出流路２３０の他端は、図示しない酸化ガス排出流路と接続されてもよい。ガス排出流路２３０は、燃料電池１００から燃料オフガスを燃料電池１００の外部に導く。燃料オフガスには、燃料電池１００の発電に利用されなかった燃料ガスと、燃料電池１００の発電により生成された生成水等が含まれている。ガス排出流路２３０には、燃料電池１００側から気液分離器２５０と排出弁２３５とが設けられている。気液分離器２５０は、燃料オフガスから生成水を分離する。排出弁２３５は、制御部４００からの制御信号に応じて開弁し、分離された生成水を排出する。気液分離器２５０には、ガス還流流路２４０の一端が接続されている。ガス還流流路２４０の他端は、ガス供給流路２２０と接続している。すなわち、ガス還流流路２４０は、ガス供給流路２２０とガス排出流路２３０とを接続している。ガス還流流路２４０には、圧送機２４５が設けられている。圧送機２４５は、制御部４００からの制御信号に応じて、ガス還流流路２４０内の流体を圧送する。圧送機２４５は、通常回転の場合には、ガス還流流路２４０内の流体を燃料電池１００の燃料ガス供給口１１０に向かって圧送し、逆回転の場合には、ガス還流流路２４０内の流体を排出弁２３５に向かって圧送する。圧送機２４５としては、例えばガスポンプを採用可能である。
【００１３】
ここで、燃料ガスタンク２１０内の燃料ガスは、ガス供給流路２２０に導かれて、インジェクタ２２５により駆動されて燃料電池１００に供給され、燃料電池１００の内部で酸化ガスと反応した後、燃料オフガスとしてガス排出流路２３０に排出され、気液分離器２５０により燃料オフガスに含まれる生成水が分離される。分離された生成水は、排出弁２３５を介して燃料ガス供給循環系２００の外部に排出される。生成水が分離された燃料オフガスは、ガス還流流路２４０に流れ込む。圧送機２４５が通常回転の場合には、燃料オフガスは、矢印Ａ１の方向に圧送され、ガス供給流路２２０の下流側を介して燃料電池１００の燃料ガス供給口１１０に再度に供給される。圧送機２４５が逆回転の場合には、燃料オフガスは、矢印Ａ２の方向に圧送され、気液分離器２５０を介して排出弁２３５に供給される。なお、圧送機２４５が逆回転の場合、例えば燃料電池システム１０が起動した直後にガス還流流路２４０内に燃料オフガスがない場合には、圧送機２４５の圧送によりガス供給流路２２０内の燃料ガスがガス還流流路２４０を介して排出弁２３５に供給される。
【００１４】
なお、ガス還流流路２４０が気液分離器２５０を介してガス排出流路２３０と接続しているので、排出弁２３５は、ガス排出流路２３０において、ガス還流流路２４０が接続する位置よりも下流側に設けられていると言える。また、気液分離器２５０は、省略されてもよい。この場合には、ガス還流流路２４０は、ガス排出流路２３０と直接に接続してもよい。
【００１５】
制御部４００は、ＣＰＵと、メモリと、インターフェースと、を備えるＥＣＵである。制御部４００は、利用者の要求や、燃料電池システム１０内の各センサの測定値等に応じて、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することにより、燃料電池システム１０の各部の動作を制御する。例えば、制御部４００は、燃料電池システム１０の起動時に、外気温センサ３１０の測定値に応じて、圧送機２４５を通常回転させ、又は逆回転させる。
【００１６】
図２は、制御部４００が圧送機２４５に対する通常回転制御及び逆回転制御の処理の詳細を示すフローチャートである。図２に示す処理は、燃料電池システム１０の起動時に実行される。燃料電池システム１０の起動時は、例えば燃料電池システム１０が搭載される車両のイグニッションスイッチがＯＮ操作される時である。
【００１７】
ステップＳ１２０において、制御部４００は、外気温センサ３１０から取得する外気温の測定値が基準温度未満であるか否かを判定する。「基準温度」とは、排出弁２３５に流れる生成水が凍結する上限温度である。基準温度は、例えば−９℃〜０℃の範囲内に設定可能である。制御部４００は、外気温が基準温度未満であると判定した場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０において、制御部４００は、圧送機２４５に対して逆回転制御を行う。具体的には、制御部４００は、圧送機２４５にガス還流流路２４０内の流体を排出弁２３５に向かって圧送させる。圧送機２４５によって圧送された流体は、断熱圧縮により昇温する。この結果、排出弁２３５は、昇温した流体の熱量を得て昇温する。こうすれば、排出弁２３５に流れる生成水の凍結を抑制でき、排出弁２３５の開弁不良を抑制できる。また、燃料電池１００自体が発電により昇温していなくても、排出弁２３５を昇温させることができる。
【００１８】
ここで、本発明の発明者は、式（１）を用いて、圧送機２４５が逆回転の場合に排出弁２３５に供給される流体の温度の計算例を挙げた。なお、この例では、燃料電池システム１０の内部の温度は、外気温と同一である。すなわち、圧送機２４５が逆回転する前の各流路２２０，２３０，２４０内の流体の温度は、外気温と同一である。この例では、外気温は、−１０℃である。
【数１】
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Ｔｏ：圧送機２４５の吐出側の流体の温度（排出弁２３５に供給される流体の温度）[Ｋ]
Ｐｏ：圧送機２４５の吐出側の流体の圧力[ｋＰａ]
Ｐｉ：圧送機２４５の吸入側の流体の圧力[ｋＰａ]
γ：比熱比
Ｔｉ：圧送機２４５の吸入側の流体の温度[Ｋ]
式（１）において、Ｐｏに１５０ｋＰａを代入し、Ｐｉに１２０ｋＰａを、γに１．４を、Ｔｉに２６３Ｋ（−１０℃）を代入した結果、Ｔｏは２８０Ｋ（７℃）となる。すなわち、外気温が−１０℃の場合、圧送機２４５を逆回転させると、排出弁２３５に供給される流体の温度は７℃となる。従って、排出弁２３５は昇温する。
【００１９】
ステップＳ１４０において、制御部４００は、温度センサ３２０から取得する燃料電池システム１０の内部の温度が基準温度以上であるか否かを判定する。制御部４００は、燃料電池システム１０の内部の温度が基準温度以上であると判定した場合（ステップＳ１４０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１５０に移行し、圧送機２４５に対して通常回転制御を行う。具体的には、制御部４００は、圧送機２４５にガス還流流路２４０内の流体を燃料電池１００の燃料ガス供給口１１０に向かって圧送させる。燃料電池システム１０の起動後、燃料電池１００が発電により発熱するので、燃料電池システム１０は徐々に昇温する。燃料電池システム１０の内部の温度が基準温度以上となれば、排出弁２３５の温度は基準温度以上となる可能性が高いので、継続して圧送機２４５を逆回転させて排出弁２３５を昇温させなくてもよい。一方、制御部４００は、燃料電池システム１０の内部の温度が基準温度未満であると判定した場合（ステップＳ１４０、Ｎｏ）には、ステップＳ１３０に戻り、継続して圧送機２４５を逆回転させて排出弁２３５を昇温させる。
【００２０】
ステップＳ１２０に戻り、制御部４００は、外気温が基準温度以上であると判定した場合（ステップＳ１２０、Ｎｏ）には、ステップＳ１５０に移行し、圧送機２４５に対して通常回転制御を行う。この場合には、外気温が基準温度以上であるので、排出弁２３５の温度は基準温度以上である可能性が高いため、圧送機２４５を逆回転させて排出弁２３５を昇温させなくてもよい。制御部４００は、ステップＳ１５０を実行した後、処理を終了する。
【００２１】
以上説明したように、一実施形態では、制御部４００は、外気温が基準温度以上の場合には、圧送機２４５にガス還流流路２４０内の流体を燃料電池１００の燃料ガス供給口１１０に向かって圧送させ、外気温が基準温度未満の場合には、圧送機２４５にガス還流流路２４０内の流体を排出弁２３５に向かって圧送させる。こうすれば、外気温が基準温度未満の場合、圧送機２４５に圧送されて断熱圧縮により昇温した流体を排出弁２３５に供給できるので、燃料電池１００自体が発電により昇温していなくても、排出弁２３５を昇温させることができる。
【００２２】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料ガス供給口
１２０…燃料オフガス排出口
２００…燃料ガス供給循環系
２１０…燃料ガスタンク
２２０…ガス供給流路
２２５…インジェクタ
２３０…ガス排出流路
２３５…排出弁
２４０…ガス還流流路
２４５…圧送機
２５０…気液分離器
３１０…外気温センサ
３２０…温度センサ
４００…制御部
【図１】
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【図２】
2019153507.tif 000005