JP2008041549A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】加湿器の上流と下流の少なくとも一方に設けられた弁に異常が発生した場合においても燃料電池の運転を行うことが可能な燃料電池システムおよび燃料電池車両を提供すること。
【解決手段】酸化ガスを用いて発電を行なう燃料電池２と、該燃料電池２に対して酸化ガスを供給する供給路（反応ガス流路）１１と、供給路１１に設けられ、供給路１１により導かれるガス流を開閉する供給弁（弁）７２と、供給弁７２をバイパスして設けられたバイパス供給管（バイパス流路）７１と、バイパス供給管７１に設けられたバイパス弁７３と、供給弁７２の閉固着を監視するとともに、供給弁７２の閉固着が検出された場合に、バイパス弁７３を開弁することで、酸化ガスを、供給弁７２をバイパスして導くバイパス運転を行なう制御部７と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿器とその下流又は／及び上流に設けられた弁とを備えた燃料電池システム及び燃料電池車両に係り、特に、前記弁が例えば凍結等により閉固着した場合の継続運転を可能にする技術に関する。

酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される酸化ガスは、適度に加湿されていることが発電効率を向上させる上で望ましい。そのため、燃料電池に供給する酸化ガスを加湿する加湿器を設け、例えば大気から導入された低湿潤状態の酸化ガス（エア）と、燃料電池から排出される高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行わせ、燃料電池に供給される酸化ガスを適度に加湿する技術が知られている。
特開２００５−２５１５７６号公報

しかしながら、燃料電池と加湿器との間を連結する酸化ガス供給路に例えばエア封止のための入口バルブが設けられている場合において、この入口バルブに水分が付着し、この水分が外気温の低下等が原因で凍結してしまうと、当該入口バルブが全閉状態のまま開かなくなる、いわゆる閉固着（異常）を起こす場合がある。

そして、入口バルブが閉固着してしまうと、酸化ガスを燃料電池に供給することができなくなり、燃料電池システムの運転が停止してしまう、という問題がある。また、入口バルブが閉固着する原因としては、凍結の場合のほか、酸化ガスに含まれる異物による詰まりの場合もあり、かかる場合にも同様の問題が生じる。

上記事情に鑑み、本発明は、加湿器の上流と下流の少なくとも一方に設けられた弁に異常が発生した場合においても運転を継続することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池車両を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、前記燃料電池から反応オフガスを排出する反応オフガス排出流路と、少なくとも前記反応ガス供給流路に設けられた加湿器と、前記加湿器の上流と下流の少なくとも一方に設けられた弁と、前記加湿器および前記弁をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、前記バイパス弁の開度を調整して前記バイパス流路の流量を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、少なくとも前記弁の異常検出時に前記バイパス弁を開くものである。

弁に発生し得る異常の一例である閉固着は、弁体が流路を閉じたまま開かない状態のことをいい、例えば氷結や異物の詰まりが原因で発生する。弁が閉固着すると、燃料電池への反応ガス供給が遮断されて運転を継続することができなくなるため、本発明では、制御部がバイパス弁を開き、燃料電池への反応ガス供給を確保する。これにより、燃料電池の運転を継続することが可能となる。

制御部は、例えば、反応ガス供給流路あるいは反応オフガス供給流路に設けられた圧力センサを監視し、この監視圧力に基づいて閉固着を検出することができる。

前記加湿器は、前記燃料電池に供給される反応ガスを当該燃料電池から排出された反応オフガスにて加湿するものであって、前記反応ガス供給流路と前記反応オフガス排出流路とに跨って設けられているものでもよい。

本発明は、加湿器をバイパスさせる結果、無加湿の反応ガスが燃料電池に供給されることになるため、その対策として、以下のように構成しておくことが好ましい。

すなわち、前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合には、前記燃料電池の出力をそれまでよりも下げる、あるいは、前記燃料電池の制御温度をそれまでよりも下げる。

これらの構成によれば、燃料電池の発電に伴う温度上昇が抑えられるので、燃料電池内の飽和蒸気圧が下がり、燃料電池からの水分持ち去り量が低減する。

また、前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合には、前記燃料電池に対する反応ガス供給量をそれまでよりも下げる、あるいは、前記燃料電池に対する反応ガス供給圧をそれまでよりも上昇させる。

これらの構成によれば、反応オフガスと共に燃料電池から持ち去られる水分量を減少させることができる。

さらに、前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合は、ユーザに対して所定の通知を行なうように構成してもよい。この所定の通知は、画像表示装置や、いわゆるインパネ内のインジケータ、または音声ガイダンス等により行うことができる。

そして、上記の構成からなる燃料電池システムを備えた燃料電池車両によれば、加湿器の下流又は/及び上流に設けられた弁に閉固着等の異常が発生した場合であっても、制御部がバイパス弁を開くことにより、燃料電池への反応ガス供給が確保されるので、車両の運転を継続することができる。

本発明によれば、弁に例えば閉固着等の異常が発生した場合であっても、制御部がバイパス弁を開くことにより、燃料電池への反応ガス供給が確保されるので、燃料電池による発電を継続することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガス（反応ガス）が供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガス（反応ガス）が供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路（反応ガス流路）１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるバイパス路７１と、を有している。供給路１１の下流端は酸化ガス流路２ａの上流端に連通し、排出路１２の上流端は酸化ガス流路２ａの下流端に連通している。また、酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

供給路１１には、エアクリーナ１３を介して酸化ガス（外気）を取り込むコンプレッサ１４（圧縮機）と、コンプレッサ１４によって燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

供給路１１の加湿器１５上流側には供給空気圧を検出する圧力センサＰ１が設けられ、供給路１１の加湿器１５下流側には、供給路１１を開閉する供給弁（弁）７２が設けられている。また、排出路１２には、燃料電池２から排出された酸化オフガスの圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられている。供給路１１には、加湿器１５及び供給弁７２をバイパスするようバイパス供給管（バイパス流路）７１が設けられており、バイパス供給管７１には空気の流路を開閉するバイパス弁７３が取り付けられている。

したがって、コンプレッサ１４からの空気は、供給弁７２を開成すると共にバイパス弁７３を閉成することにより、加湿器１５で加湿されて燃料電池２に供給される一方で、供給弁７２を閉成すると共にバイパス弁７３を開成することにより、加湿器１５をバイパスして燃料電池２に供給される。

燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６によって調圧される。背圧調整弁１６は、例えばステップモータで駆動する弁であり、制御部７に電気的に接続されている。背圧調整弁１６の弁開度は、制御部７によって、全開、半開及び全閉を含む任意の範囲で調整可能に構成されている。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられている。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結されている。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するバイパス運転など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる圧力センサ（Ｐ１，Ｐ２）及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、背圧調整弁１６及びバイパス弁など）に制御信号を出力する。圧力センサＰ１，Ｐ２の図示しない検出信号は、制御部７に送られる。制御部７は、コンプレッサ１４のモータ回転数及び供給弁７２の開度面積を調整することによって、燃料電池２への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

供給弁７２は、加湿器１５を通過した水分を含んだ酸化ガスが通るため、凍結により弁体が閉じたまま開かない状態、いわゆる閉固着が発生することがある。閉固着が発生すると、運転を継続することができなくなるため、制御部７は、燃料電池２の運転中に以下の制御を行う。

具体的には、まず、前記供給弁７２の閉固着を、供給路１１に設けられた圧力センサＰ１により定期的に監視する。制御部７は、この圧力センサＰ１により検出された酸化ガスの圧力が適正範囲内となっていない場合に、供給弁７２が閉固着したと判定する。

制御部７は、供給弁７２の閉固着を検出すると、バイパス供給管７１に設けられたバイパス弁７３を開き、無加湿ではあるが酸化ガスの前記燃料電池２への供給を確保する、無加湿運転（バイパス運転）を行う。この無加湿運転中、燃料電池２に供給される酸化ガスは無加湿となるため、燃料電池２内（特に、固体高分子電解質膜）の湿潤度が下がりすぎないように、制御部７は続けて以下の制御を行う。

前記制御部７は、燃料電池２の出力を、前記無加湿運転の開始前（無加湿運転ではない状態）よりも低く制限する。なお、閉固着検出時における燃料電池２の出力が所定の閾値よりも低い場合には、必ずしも出力を下げる必要はなく、その後も当該出力が当該閾値以下となるように制限されていればよい。

また、このような燃料電池２の出力制限に代えてあるいは加えて、冷媒配管系５による燃料電池２の制御温度を、前記無加湿運転の開始前よりも下げるように構成してもよい。この場合にも、閉固着検出時における燃料電池２の制御温度が所定の閾値よりも低い場合には、必ずしも制御温度を下げる必要はなく、その後も当該制御温度が当該閾値以下となるように制限されていればよい。

以上説明した燃料電池２の出力制限あるいは温度制限を実施することにより、燃料電池２の発電に伴う温度上昇が抑えられる。これにより、燃料電池２内の飽和蒸気圧が下がり、燃料電池２からの水分持ち去り量が抑制されるので、無加湿運転によって生じうる電解質膜の劣化等の不具合を有効に回避することが可能となる。

また、制御部７は、無加湿運転時に、燃料電池２に対する酸化ガス供給量（エアストイキ）を無加湿運転の開始前よりも下げるように構成してもよい。この場合にも、閉固着検出時における燃料電池２の酸化ガス供給量が所定の閾値よりも低い場合には、必ずしも酸化ガス供給量を下げる必要はなく、その後も当該酸化ガス供給量が当該閾値以下となるように制限されていればよい。これにより、酸化ガスにより燃料電池２から持ち去られる水分量を減少させることができる。

さらにまた、制御部７は、無加湿運転時に、例えば背圧調整弁１６を制御する等して、燃料電池２に対する酸化ガス供給圧を前記無加湿運転の開始前よりも上昇させることで、水分の持ち去り量を減少させてもよい。この場合にも、閉固着検出時における燃料電池２の酸化ガス供給圧が所定の閾値よりも高い場合には、必ずしも酸化ガス供給圧を上昇させる必要はなく、その後も当該酸化ガス供給圧が当該閾値以上となるように制御されていればよい。

さらに、制御部７は、供給弁７２の閉固着を検出した場合に、ユーザ（運転者）に対して所定の通知を発してもよい。この所定の通知は、画像表示装置や、いわゆるインパネ内のインジケータ、または音声ガイダンス等により行うことができる。この通知には、上記のような低出力運転等の運転状況情報を含めることができる。

以上のように、本実施形態においては車両走行中に供給弁７２が閉固着した場合であっても、燃料電池２への酸化ガス供給の継続、ひいては、燃料電池２による発電の継続が可能であるため、燃料電池車両の走行を続けることができる。また、かかる場合には、ユーザに対して無加湿運転状態であることの通知が行なわれるため、ユーザは、速やかに車両をリンプホームさせる等の対処を行なうことができる。

なお、バイパス弁７３を例えば供給路１１よりも重力方向上方に配置することで、バイパス弁７３への水の流入を防止してもよい。これにより、バイパス弁７３の凍結をさらに効果的に防止することができる。また、供給弁７２の凍結による閉固着を検出する方法として、上記の他に、供給弁７２に内蔵されたリミットスイッチにより弁体の移動量を検出し、この検出結果に基づいて閉固着の有無を検出してもよい。

また、本発明は、図２に示したように、供給弁７２が加湿器１５の上流側に設けられた燃料電池システム２００に対して適用することも可能である。さらに、上記実施形態においては酸化ガスの供給側について説明したが、供給弁７２が閉固着した場合に該供給弁７２をバイパスさせることは、酸化ガスの排気側、並びに燃料ガスの供給側及び排気側についても適用することができる。

例えば、図３に示す燃料電池システム２０１のように、背圧調整弁１６と加湿器１５との間の位置で排出路１２から分岐し、加湿器１５及び加湿器１５の下流側に設けられた排気弁（弁）７５をバイパスして、排出路１２に合流するバイパス供給管７４を設けてもよい。そして、バイパス供給管７４にバイパス弁７６を設ける。

制御部７は、上記実施形態と同様、排気弁７５の固着を監視して排気弁７５が閉固着した場合には、バイパス弁７６を開いてバイパス運転を行なう。その他の構成及び作用効果は上記実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。このように構成することにより、酸化オフガスを導く排出路１２に設けられた排気弁７５が閉固着した場合であっても、燃料電池システム１の運転を継続することができる。

さらに、図４に示す燃料電池システム２０２のように、排気弁７５を加湿器１５の上流側に設け、バイパス供給管７４が背圧調整弁１６と排気弁７５との間から分岐する構成であってもよい。さらにまた、図示は省略するが、加湿器１５の供給側と排気側の双方にそれぞれバイパス供給管７１とバイパス供給管７４とを設けた構成であってもよい。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの変形例を概略的に示したシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの変形例を概略的に示したシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの変形例を概略的に示したシステム構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム，２…燃料電池，３…酸化ガス配管系，１１…供給路（反応ガス流路），７１…バイパス供給管（バイパス流路），７２…供給弁（弁），７３…バイパス弁，７４…バイパス供給管（バイパス流路），７５…排気弁（弁），７６…バイパス弁，Ｐ１…圧力センサ，Ｐ２…圧力センサ

Claims (9)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、前記燃料電池から反応オフガスを排出する反応オフガス排出流路と、少なくとも前記反応ガス供給流路に設けられた加湿器と、前記加湿器の上流と下流の少なくとも一方に設けられた弁と、前記加湿器および前記弁をバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、前記バイパス弁の開度を調整して前記バイパス流路の流量を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御部は、少なくとも前記弁の異常検出時に前記バイパス弁を開く燃料電池システム。
2. 前記弁の異常が、弁体が流路を閉じたまま開かない閉固着である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記加湿器は、前記燃料電池に供給される反応ガスを当該燃料電池から排出された反応オフガスにて加湿するものであって、前記反応ガス供給流路と前記反応オフガス排出流路とに跨って設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合には、前記燃料電池の出力をそれまでよりも下げる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合には、前記燃料電池の制御温度をそれまでよりも下げる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合には、前記燃料電池に対する反応ガス供給量をそれまでよりも下げる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合には、前記燃料電池に対する反応ガス供給圧をそれまでよりも上昇させる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記弁の異常検出に起因して前記バイパス弁を開いた場合は、ユーザに対して所定の通知を行なう請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両。

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