JP2008282778A - 燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握できるようにする。
【解決手段】不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置４４と、当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置４５と、不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池２内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部７ａと、を備え、燃料電池２の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池２内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止する。燃料電池２の残水量は、全体重量から当該燃料電池２のスタック重量と算出した不凍液の重量とを引くことによって求めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける制御の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子電解質型燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。

このような燃料電池においては、生成水や凝縮水がセパレータ内の流路等に残っていると低温時に凍結して場合によっては電解質膜やセパレータ、配管、弁などを破損してしまうことがある。さらには、凍結した水がガス流路を塞いでしまうと、次回の起動時にガス供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しなくなるという問題も起こりうる。そこで、例えば運転終了の際には乾燥した空気を送り込む等して燃料電池内に水分が残らないようにするいわゆる掃気処理を実施し、燃料電池内の水分量を最適にするようにしている。

このような掃気処理を実施するにあたっては、燃料電池の含水量をできるだけ正確に把握することが望まれる。従来、含水量を把握するための技術としては、掃気時に燃料電池スタックの重量を歪みゲージにより検出し、燃料電池内の水分量が適切になったと判断したら掃気を停止させるものがある。また、ガスの圧力と温度に応じて燃料電池内のガス重量分を補正するといったものもある（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１５８２７４号公報

しかしながら、燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合、燃料電池内の水分量を正確に把握することが困難な場合がある。

そこで、本発明は、燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握できるようにした燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討をし、新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池用の冷却媒体としての不凍液と、を含む燃料電池システムにおいて、不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置と、当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置と、不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部と、を備え、燃料電池の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止するというものである。

また、本発明は、冷却媒体として不凍液が用いられている燃料電池に対して実施される当該燃料電池の運転停止後の掃気処理方法であって、当該掃気処理の開始後、不凍液の温度と濃度とを計測し、当該不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池内における当該不凍液の重量を算出し、燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止するというものである。

燃料電池を冷却するための媒体には、氷点下環境での運転も考慮して不凍液が用いられることがある。ただし、不凍液の重量は温度、濃度によって変化することから、燃料電池内の水分量を重量のみで管理しようとすると誤差（ずれ）が生じることがある。この点に着目した本発明者は、これら温度や濃度といったパラメータを利用して燃料電池内の残水量を把握する技術に想到するに至った。すなわち、本発明においては、これらパラメータを利用して不凍液の重量を算出し、この算出結果から燃料電池内の残水量が求められるようにしている。このように温度や濃度といったパラメータを考慮することにより、不凍液自体の重量分を補正して残水量をより正確に管理することが可能となる。燃料電池内の残水量は例えば
燃料電池の残水量＝全体重量−（スタック重量＋不凍液重量）
という式で求めることができる。

本発明によれば、燃料電池の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握することが可能となる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３に本発明にかかる燃料電池システム、および燃料電池の掃気処理方法の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池用の冷却媒体としての不凍液と、を含んだ構成のシステムである。また本実施形態の燃料電池システム１は、不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置と、当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置と、不凍液の温度および濃度の計測結果から燃料電池内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部７ａとを備え、燃料電池２の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池２内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止するものとなっている。

以下においては、まず燃料電池システム１の全体構成について説明し、その後、この燃料電池２を掃気処理するための構成とその制御内容について説明する。

図１、図２に燃料電池車両に搭載されている燃料電池システム１の概略構成を示す。なお、ここでは燃料電池車両（Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして適用可能なシステムの一例を示すが、かかる燃料電池システム１は各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても利用することが可能である。

本実施形態における燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池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に冷媒を供給して当該燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム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燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。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を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極およ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た構造となっている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が発生する。この燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。

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空気供給流路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気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により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。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。また、排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、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、水素供給源としての燃料タンク２１と、燃料タンク２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路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）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

燃料タンク２１は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実施形態における燃料電池車両に複数搭載されているものであり、例えば３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、燃料タンク２１から水素供給流路２２へと水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧され、燃料電池２に供給される。なお、本実施形態ではこのような燃料タンク２１を水素供給源としているが、この他、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、によって水素供給源を構成することも可能である。

水素供給流路２２には、燃料タンク２１からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。さらに、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力および温度を検出する圧力センサおよび温度センサ（図示省略）が設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に関する情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。

レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。例えば本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階、多段階、または無段階に切り替えることができるようになっている。さらに、制御部７から出力される制御信号によって、インジェクタ２８のガス噴射時間およびガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。このように、インジェクタ２８は、弁（弁体および弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

本実施形態においては、このようなインジェクタ２８を、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側に配置している（図１参照）。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の燃料タンク２１が用いられている場合には、これら燃料タンク２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側に当該インジェクタ２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０および排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７の指令を受けて作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。この排気排水弁３１を開放すると、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）および下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３２および下流側圧力センサ３３が設けられている。

また、特に詳しく図示していないが、排気排水弁３１および排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、希釈器（図示省略）によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、モータ（図示省略）の駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路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、燃料電池２から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ４４と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ（図示省略）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。温度センサ４４で検出された冷媒の温度（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）は、後述するパージ制御に用いられる。

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、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。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また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。このような高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１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。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。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は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。

このような制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。

続いて、燃料電池２の冷却に不凍液が利用されている場合に当該燃料電池の水分量をより正確に把握できるようにするための構成および制御について説明する（図２、図３参照）。

燃料電池２においては、発電の際の化学反応により水分および熱が発生するが、このとき当該燃料電池２の高い発電効率を実現するには運転中は適正温度（例えば８０℃程度）に維持されている必要がある。本実施形態においては上述した冷媒配管系５を利用し、燃料電池２で発生した熱を系外に放出して冷却する。

ここで、本実施形態の冷媒配管系５において使用されている冷却媒体には、低温時に凍結するのを抑えるべく溶剤を添加した不凍液、またはこのような不凍液を含む液体が用いられている。不凍液の一例としては例えばエチレングリコールなどの氷点降下剤あるいはこれを含む冷却水などを用いることができる。

ここで、冷媒配管系５に設けられている上述した温度センサ４４は、不凍液の温度を計測可能な不凍液温度計測装置として機能する（図１、図２参照）。また、冷媒配管系５の例えば冷媒タンク４６にはさらに濃度センサ４５が設けられている（図２参照）。この濃度センサ４５は不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置として機能する。

演算処理部７ａは、これら温度センサ４４や濃度センサ４５による不凍液の温度および濃度の計測結果から、燃料電池２内における当該不凍液の重量を算出する。演算処理部７ａは例えば制御部７に内蔵されているＣＰＵで構成されている。

次に、フローチャートを用いて本実施形態における燃料電池２の運転停止後の早期処理方法の内容について説明する（図３参照）。

燃料電池システム１の不凍液の温度および濃度は、上述した温度センサ４４および濃度センサ４５により随時計測される（ステップＳ１１、ステップＳ１２）。また、演算処理部７ａが温度および濃度の計測結果から当該不凍液の重量を算出する（ステップＳ１３）。

一方で、燃料電池２の運転が停止したら（ステップＳ１）、掃気処理を開始する（ステップＳ２）。この際、上述した不凍液の重量算出結果を利用して燃料電池３内における残水量を計算する（ステップＳ３）。一般に、不凍液の重量は温度、濃度によって変化することから燃料電池２内の水分量を重量のみで把握・管理しようとすると誤差が生じうるが、本実施形態においてはこれら温度や濃度といったパラメータを考慮して不凍液の重量を算出しているため、温度変化や濃度変化に伴う影響を補正してより精度よく燃料電池２内の残水量を算出することができる。

続いて、計算して得られた残水量が所定量よりも少なくなったかどうかを判定する（ステップＳ４）。いまだ所定量よりも多ければ掃気処理を継続し（ステップＳ４でＮｏ）、所定量よりも少なくなっていれば（ステップＳ４でＹｅｓ）、掃気処理を停止する（ステップＳ５）。燃料電池内の残水量は例えば
燃料電池の残水量＝全体重量−（スタック重量＋不凍液重量）
という式で求めることができる。また、所定量はある目標値として予め設定されているものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池２の冷却に不凍液が利用されている燃料電池システム１において、掃気時の残水量を重量により管理している場合に、当該残水量の管理を最適化することが可能である。すなわち、燃料電池２の含水量を重量から算出する場合に、不凍液の温度および濃度に応じて重量を補正することから、燃料電池２の運転停止時の温度に関係なく掃気時の残水量をより正確に把握し、掃気処理の終了判断を精度よく行うことができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。 本実施形態における燃料電池システムの主要部の構成を概略的に示す図である。 掃気処理の流れの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、７ａ…演算処理部、４４…温度センサ（不凍液温度計測装置）、４５…濃度センサ（不凍液濃度計測装置）

Claims (4)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池用の冷却媒体としての不凍液と、を含む燃料電池システムにおいて、
   前記不凍液の温度を計測する不凍液温度計測装置と、
   当該不凍液の濃度を計測する不凍液濃度計測装置と、
   前記不凍液の温度および濃度の計測結果から前記燃料電池内における当該不凍液の重量を算出する演算処理部と、
   を備え、前記燃料電池の運転停止後に掃気処理を開始し、該燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の残水量を、全体重量から当該燃料電池のスタック重量と前記算出した不凍液の重量とを引いて求めることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 冷却媒体として不凍液が用いられている燃料電池に対して実施される当該燃料電池の運転停止後の掃気処理方法であって、
   当該掃気処理の開始後、前記不凍液の温度と濃度とを計測し、
   当該不凍液の温度および濃度の計測結果から前記燃料電池内における当該不凍液の重量を算出し、
   前記燃料電池内の残水量が所定量よりも少なくなったら当該掃気処理を停止する
   ことを特徴とする燃料電池の掃気処理方法。
4. 前記燃料電池の残水量を、全体重量から当該燃料電池のスタック重量と前記算出した不凍液の重量とを引いて求めることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の掃気処理方法。

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