JP2008198575A - 燃料電池システム及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】圧力感知部への水分の付着を抑制できる燃料電池システム及びシステム。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２に反応ガスを供給する供給流路２２と、反応ガスに曝される圧力感知部１０２を有して反応ガスの圧力を検出する圧力センサＰ１と、燃料電池２から排出された反応オフガスを供給流路２２に循環させる循環流路２３と、を備える。圧力センサＰ１の上流側には、反応ガスを噴射するインジェクタ２５が設けられ、圧力センサＰ１が、インジェクタ２５による反応ガスの噴射によって負圧が発生する負圧発生エリア８４に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧力センサの圧力感知部が水分を含む流体に曝される燃料電池システム及びシステムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池を備える。燃料電池から排出される燃料オフガス及び酸化オフガス（以下、総称して「反応オフガス」という。）中には、燃料電池の発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。この未反応の反応ガスを発電に再利用すべく、エジェクタ又はポンプにより燃料オフガスを燃料電池に循環させる燃料電池システムが知られている。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、流量可変式のエジェクタを利用して、燃料オフガスの循環を行うものである。このエジェクタは、供給流路と循環流路との合流部に設けられる。エジェクタは、燃料ガスの噴射により循環流路内の燃料オフガスを吸引して、供給流路を介して燃料ガス及び燃料オフガスを燃料電池に供給する。供給流路の下流端に設けた圧力センサにより、エジェクタの吐出圧（燃料ガスの供給圧）が検出され、その検出結果に基づいてエジェクタが制御され、燃料オフガスの循環量が可変されるようになっている。
特開２００４−９５５２８号公報

ところで、燃料電池の発電反応により水が生成されるので、燃料オフガスには水分が含まれている。したがって、圧力センサの圧力感知部が燃料オフガスに曝される環境にあると、圧力感知部に水分が付着する可能性がある。上記した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、この水分の付着によって、システム稼働中に圧力感知部の感圧精度が低下するおそれがあった。また、寒冷時に、圧力感知部に水分が圧力感知部に付着したままシステムが停止すると、凍結した水分によって圧力検出ができなくなるおそれもあった。

本発明は、圧力感知部への水分の付着を抑制できる燃料電池システム及びシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、反応ガスに曝される圧力感知部を有して反応ガスの圧力を検出する圧力センサと、燃料電池から排出された反応オフガスを供給流路に循環させる循環流路と、を備える。さらに、燃料電池システムは、反応ガスを噴射するインジェクタを圧力センサの上流側に備える。そして、圧力センサが、インジェクタによる反応ガスの噴射によって負圧が発生する負圧発生エリアに接続される。

このような構成によれば、インジェクタの噴射によって発生する負圧が圧力感知部に作用する。これにより、燃料オフガス中の水分が圧力感知部に付着していたとしても、その水分が負圧によって吹き払われるようになる。よって、圧力感知部への水分の付着を抑制できる。しかも、その水分の付着を抑制するのに、インジェクタを有効に利用できる。

本発明の好ましい一態様によれば、インジェクタは、反応ガスを噴射するノズルを有しており、圧力センサは、ノズルの出口側内壁に沿って延長した線よりも外側に接続されるとよい。

こうすることで、圧力センサを負圧発生エリアに適切に接続できる。

本発明の好ましい一態様によれば、燃料電池システムは、インジェクタを制御する制御装置を更に備えるとよい。そして、制御装置は、システム停止後に水分の凍結のおそれがある場合には、システム停止後にインジェクタを一時的に駆動して反応ガスを噴射させるとよい。

この構成によれば、一時的な反応ガスの噴射により、システム停止後に圧力感知部で水分が凍結することを抑制できる。一方で、システム停止後に水分の凍結のおそれがない場合には、インジェクタを駆動しなくて済むため、燃料電池の発電に使用しない反応ガスの無駄な消費を抑制できる。

好ましくは、制御装置は、外気温又は燃料電池に循環供給される冷媒の温度に基づいて、システム停止後に水分の凍結のおそれがあるか否かを判断するとよい。

この構成によれば、水分凍結と関係のある情報（外気温又は冷媒温度）をもとに、システム停止後の水分凍結の有無を判断できるので、その判断の精度を高めることができる。なお、外気温又は冷媒温度の情報は、システム停止から所定時間後に計測されたものであってもよいし、あるいは、システム停止前に例えば制御装置によって予測されたものであってもよい。

上記目的を達成するための本発明のシステムは、ガス流路と、ガス流路を流れるガスに曝される圧力感知部を有してガス圧を検出する圧力センサと、ガス流路に接続されて水分を含む流体が流れる流体流路と、を備える。さらに、システムは、ガスを噴射するインジェクタを圧力センサの上流側に備える。そして、圧力センサが、インジェクタによるガスの噴射によって負圧が発生する負圧発生エリアに接続される。

以上説明した本発明の燃料電池システム及びシステムによれば、圧力感知部への水分の付着を抑制できる。

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システムについて、燃料電池システムを例に説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４、冷媒配管系５及び制御装置６を備える。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。また、この電気化学反応によって、燃料電池２の空気極側には水が生成される。燃料電池２への酸素ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸素ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。

酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池２から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。

酸素ガス配管系３は、加湿器１１、供給流路１２、排出流路１３、排気流路１４、及びコンプレッサ１５を有する。コンプレッサ１５は、供給流路１２の上流端に設けられる。コンプレッサ１５により取り込まれた大気中の空気（酸素ガス）が、供給流路１２を流れて加湿器１１に圧送され、加湿器１１により加湿されて燃料電池２に供給される。酸素オフガスは、排出流路１３を流れて加湿器１１に導入された後、排気流路１４を流れて外部に排出される。

燃料ガス配管系４は、水素タンク２１、供給流路２２、循環流路２３、ポンプ２４、インジェクタ２５及び圧力センサＰ１を有する。水素タンク２１は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源である。供給流路２２は、水素タンク２１内の水素ガスを燃料電池２に供給する。

供給流路２２は、主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂからなる。主流流路２２ａは、供給流路２２と循環流路２４との合流点Ａよりも上流側に位置し、混合流路２２ｂは、合流点Ａよりも下流側に位置する。主流流路２２ａには、インジェクタ２５及び圧力センサＰ１のほか、シャットバルブ３１及びレギュレータ３２が設けられる。シャットバルブ３１は、水素タンク２１の元弁として機能する。レギュレータ３２は、水素ガスを減圧する。

循環流路２３は、燃料電池２の水素ガス出口から排出された水素オフガスを供給流路２２に戻す。循環流路２３には、ポンプ２４のほか、気液分離器３５が介設される。気液分離器３５は、水素オフガスを液体と気体とに分離する。分離された液体は、燃料電池２の電気化学反応によって生じた水であり、排水弁３６を開放することで排水路３７を流れて外部に排出される。分離された水素オフガス中の気体は、ポンプ２４によって合流点Ａに圧送される。また、分離された水素オフガス中の気体は、パージ弁３８が定期的に開放されることで、パージ路３８の下流へと排気され得る。これにより、燃料電池２に循環供給される水素ガスの水素濃度の低下を抑制できるようになっている。

ポンプ２４は、合流点Ａに水素オフガスを圧送する。したがって、合流点Ａでは、水素タンク２１からの新たな水素ガスとポンプ２４からの水素オフガスとが合流し、この合流後の混合水素ガスが混合流路２２ｂを流れて燃料電池２に供給される。以下の説明では、水素タンク２１から供給される新たな水素ガスを「主流ガス」と称する場合がある。なお、本実施形態の供給流路２２及び循環流路２３は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「ガス流路」及び「流体流路」に相当する。

冷媒配管系５は、冷媒流路４１、冷却ポンプ４２、ラジエータ４３、バイパス流路４４及び切替え弁４５を有する。冷媒ポンプ４２は、冷媒流路４１内の冷媒（例えば冷却水）を燃料電池２内に供給する。ラジエータ４３は、燃料電池２から排出される冷媒を冷却する。切替え弁４５は、必要に応じて、ラジエータ４３とバイパス流路４４との間で冷却水の通流を切り替える。燃料電池２に循環供給される冷媒温度は、温度センサ４６によって検出され、燃料電池２から排出される冷媒温度は、温度センサ４７によって検出される。

制御装置６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、後述するインジェクタ２５の制御など、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。制御装置６は、圧力センサＰ１及び温度センサ４６，４７の検出信号のほか、燃料電池システム１がおかれる環境の外気温を検出する外気温センサ５１の検出信号などが入力される。そして、制御装置６は、インジェクタ２５などの各構成要素に制御信号を出力する。なお、制御装置６からコンプレッサ１５、ポンプ２４、シャットバルブ３１、排水弁３６、冷却ポンプ４２及び切替え弁４５への制御信号は、図１では省略した。

図２は、インジェクタ２５及び圧力センサＰ１まわりの構造を模式的に示す図である。
図２に示すように、インジェクタ２５は、ノズル８１及び開閉駆動部８２を有する。例えばノズル８１を内部に構成する筐体８３が主流流路２２ａの配管２２０に固定されることで、インジェクタ２５は主流流路２２ａ上に設けられる。

ノズル８１は、例えば末広ノズルからなり、主流流路２２ａと同軸上に位置する。ノズル８１は、主流ガスを噴射する。ノズル８１からの主流ガスの噴射により、ノズル８１の下流側周辺において水素オフガスを吸引するための負圧が発生する。この負圧が発生する負圧発生エリア８４は配管２２０内にあるが、その位置はノズル８１の軸線から離れている。具体的には、負圧発生エリア８４は、ノズル８１の出口側内壁に沿って延長した線Ｌ₁よりも外側に形成される。換言すれば、負圧発生エリア８４は、概して、線Ｌ₁、配管２２０の内壁及び筐体８３の外壁によって囲まれる空間に形成される。なお、この線Ｌ₁は、ノズル８１から噴射される主流ガスの流線の一つでもある。

開閉駆動部８２は、ノズル８１の上流側に位置し、ノズル８１への主流ガスの供給を制御する。開閉駆動部８２は、制御装置６に電気的に接続され、制御装置６からの出力信号により流路（すなわち、ノズル８１に連通する流路）の開閉を制御される。開閉駆動部８２は、例えば、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で、二次側であるノズル８１への主流ガスの流量や圧力を調整可能な電磁駆動式の開閉弁の構成を有する。開閉駆動部８２を制御することにより、ノズル８１への主流ガスの供給を遮断できると共に、ノズル８１に主流ガスを間欠的に供給できる。

詳細は図示しないが、開閉駆動部８２は、例えば、弁体及び弁座からなる主弁部分と、コイル、鉄心、及びプランジャを有するソレノイド部分と、で構成される。開閉駆動部８２は、コイルに給電する電流のオン・オフにより、基本的に「開」及び「閉」の２位置で用いられる。つまり、インジェクタ２５は、開閉駆動部８２での開時間及び開閉タイミングを変えることで、ノズル８１への主流ガスの供給流量を制御する。

この制御方法としては、開閉駆動部８２のコイルに給電するパルス状励磁電流のデューティ比を変化させるデューティ制御を用いると好適である。ここで、デューティ比とは、パルス状励磁電流のＯＮ時間を、パルス状励磁電流のＯＮ時間とＯＦＦ時間とを加算したスイッチング周期で除したものである。なお、開閉駆動部８２の開度（弁座の開度）又は開時間を、多段階、連続的（無段階）、又はリニアに切替え可能に構成してもよい。

圧力センサＰ１は、インジェクタ２５の下流側に位置し、ノズル８１から噴射された主流ガスの圧力を検出する。圧力センサＰ１は、接続部１０１及び圧力感知部１０２を有する。接続部１０１は、例えば外壁に形成したおねじを介して配管２２０の孔部にねじ込み接続され、これに気密に固定される。接続部１０１は、配管２２０内で開口する圧力導入口１０４を有し、圧力導入口１０４は、圧力感知部１０２に主流ガスを導く。そのため、圧力感知部１０２は、主流ガスに曝されるようになっている。

圧力感知部１０２は、例えば、主流ガスに接触するダイアフラムなどの受圧要素と、受圧要素で受けた変化を読み取る歪みゲージなどの変換要素と、を備える。そして、変換要素が制御装置６に接続されており、制御装置６は変換要素からの電気信号に基づいて主流ガス圧を測定する。制御装置６は、この測定された主流ガス圧をもとに燃料電池２の発電制御や、インジェクタ２５の駆動を制御することができる。なお、圧力センサＰ１としては、機械的センサのみならず、抵抗線又は圧電素子を受圧要素とする物理的センサであってもよい。

このような構成により、圧力センサＰ１は負圧発生エリア８４に接続される。より詳細には、圧力導入口１０４が負圧発生エリア８４の空間に直接的に連通するように圧力センサＰ１が設けられ、圧力感知部１０２の表面が負圧発生エリア８４の空間と直接的に連通する空間１０５に存在する。

したがって、水素オフガス中の水分が配管２２０内に流入し、圧力感知部１０２の表面に付着した場合であっても、この付着した水分はノズル８１からの噴射によって除去されるようになる。これは、圧力センサＰ１が負圧発生エリア８４に接続されているので、負圧発生エリア８４で発生した負圧が圧力感知部１０２の表面に作用し、その表面に付着した水分が吹き払われるようになるからである。吹き払われた水分は負圧の作用により配管２２０内に吸引され、最終的に主流ガスに含有されて合流点Ａと送られていく。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、インジェクタ２５と圧力センサＰ１との配置を上記のように工夫しているので、結果的に圧力感知部１０２に水分が付着することを抑制できる。したがって、圧力感知部１０２での精度を確保することができ、圧力センサＰ１の信頼性を高めることができる。

＜制御例＞
続いて、図３を参照して、燃料電池システム１の停止時の制御の一例を説明する。
例えば、燃料電池システム１が搭載された車両において、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦ操作（以下、「ＩＧ−ＯＦＦ」という。）すると（ステップＳ１）、燃料電池システム１の運転停止が指令される。この指令により、燃料電池２への反応ガスの供給が停止され、燃料電池システム１の運転が停止される（ステップＳ２）。

そして、所定時間経過後に、制御装置６が起動されて、外気温及び冷媒温度の少なくとも一方の検出値が読み取られる（ステップＳ３）。なお、この所定時間は、例えばリアルタイムクロック（ＲＴＣ）により計時すればよい。上述のとおり、外気温は外気温センサ５１によって検出され、冷媒温度は例えば温度センサ４７によって検出される。

外気温及び冷媒温度の少なくとも一方が所定温度を越えている場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御装置６は、システム運転停止時に水分の凍結のおそれがないと判断し、再び電源ＯＦＦとなる。これにより、一連のシステム停止時の制御が終了する。ここで、所定温度は、低温であればよく、例えば０℃である。

一方、外気温及び冷媒温度の少なくとも一方が所定温度以下である場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御装置６は、システム運転停止時に水分の凍結のおそれがあると判断する。この場合には、制御装置６は、シャットバルブ３１を開弁し、インジェクタ２５を一時的に駆動する（ステップＳ４）。これにより、インジェクタ２５から主流ガスが一時的に噴射される。その後、制御装置６は、シャットバルブ３１を閉弁し、再び電源ＯＦＦとなり、一連の停止時の制御が終了する。

以上説明した制御例の効果を以下に述べる。
システム稼働中に圧力感知部１０２に水分が付着しなくとも、システム運転停止後に配管２２０又は圧力センサＰ１内の水分が凝縮して、圧力感知部１０２に水分が付着する場合がある。この水分がシステム停止中に凍結しないのであれば、そのまま何もしなくとも、圧力センサＰ１の信頼性を低下させることはない。本制御例では、このような凍結のおそれがない場合にインジェクタ２５を駆動しないので、水素ガスの無駄な消費を抑制できる。

一方、水分が凍結するのであれば、次のシステム起動時に圧力感知部１０２が主流ガス圧を精度良く感知することが困難となる。本制御例によれば、システム運転停止時に水分の凍結のおそれがある場合に、一時的に主流ガスが噴射されるので、圧力感知部１０２に付着し得る水分を除去できる。よって、システム停止後に圧力感知部１０２での水分凍結を抑制でき、次のシステム起動時に主流ガス圧を安定して検出できる。

他の実施態様では、外気温又は冷媒温度の情報は、システム運転停止前に（ステップＳ1又はＳ２の前に）、制御装置６によって予測されたものであってもよい。この予測は、制御装置６が、外気温、数日以内の最低気温、暦、地理、地域、及び、天気予報の少なくとも一つに基づいて行えばよい。そして、ステップＳ３は、その予測された外気温又は冷媒温度をもとに実行されればよい。

＜変形例＞
図４に示すように、燃料電池システム１は、ポンプ２４に変えて、エジェクタ３００を用いてもよい。この場合、エジェクタ３００は、図１に示す合流点Ａに相当する箇所に設けられ、水素オフガスを燃料電池２に循環供給する。その他の構成は、図１と同様であるので説明を省略する。なお、図４では、燃料ガス配管系４を中心に示し、燃料電池システム１のその他の構成を省略した。

他の実施態様では、インジェクタ２５及び圧力センサＰ１は、混合流路２２ｂに配置されるものであってもよい。また、本発明は、酸素ガス配管系３にインジェクタ２５及び圧力センサＰ１を配置することを否定するものでもない。

また、インジェクタ２５及び圧力センサＰ１に関する構成は、燃料電池システム１のみならず、他のシステムにも適用できる。

本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用とすることもでき、コージェネレーションシステムに組み込むこともできる。

実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。 実施形態に係るインジェクタ及び圧力センサまわりの構造を模式的に示す図であり、インジェクタ、圧力センサ及び配管の一部を断面図とした図である。 実施形態に係る燃料電池システムの停止時の制御の一例を示すフローチャートである。 変形例に係る燃料電池システムについて、燃料ガス配管系を中心に示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、６：制御装置、２２：供給流路（ガス流路）、２３：循環流路（流体流路）、２５：インジェクタ、８１：ノズル、８４：負圧発生エリア、Ｐ１：圧力センサ、１０２：圧力感知部、Ｌ₁：延長線

Claims (5)

1. 燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、
   前記反応ガスに曝される圧力感知部を有し、当該反応ガスの圧力を検出する圧力センサと、
   前記燃料電池から排出された反応オフガスを前記供給流路に循環させる循環流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記圧力センサの上流側に、前記反応ガスを噴射するインジェクタを更に備え、
   前記圧力センサは、前記インジェクタによる反応ガスの噴射によって負圧が発生する負圧発生エリアに接続されている、燃料電池システム。
2. 前記インジェクタは、前記反応ガスを噴射するノズルを有しており、
   前記圧力センサは、前記ノズルの出口側内壁に沿って延長した線よりも外側に接続されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記インジェクタを制御する制御装置を更に備え、
   前記制御装置は、当該燃料電池システムの停止後に水分の凍結のおそれがある場合には、当該システム停止後に前記インジェクタを一時的に駆動して前記反応ガスを噴射させる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、外気温又は前記燃料電池に循環供給される冷媒の温度に基づいて、前記システム停止後に水分の凍結のおそれがあるか否かを判断する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. ガス流路と、
   前記ガス流路を流れるガスに曝される圧力感知部を有し、ガス圧を検出する圧力センサと、
   前記ガス流路に接続され、水分を含む流体が流れる流体流路と、
   を備えたシステムにおいて、
   前記圧力センサの上流側に、前記ガスを噴射するインジェクタを更に備え、
   前記圧力センサは、前記インジェクタによるガスの噴射によって負圧が発生する負圧発生エリアに接続されている、システム。

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