JP2020095862A

JP2020095862A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2020095862A
Application number: JP2018233167A
Authority: JP
Inventors: 高橋　靖; Yasushi Takahashi; 靖高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2020-06-18

Abstract

【課題】酸化剤ガスの加湿状態を安定化することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に供給される酸化剤ガスが流れる供給路と、燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、水分を透過する透過膜を有し、供給路を流れる酸化剤ガスに、排出路を流れるオフガス中の水分を、透過膜を介して加える加湿器と、供給路を流れる前記酸化剤ガスに加湿器を迂回させる迂回路と、加湿器及び迂回路にそれぞれ流れる酸化剤ガスの量を調整する調整手段と、燃料電池の加湿状態に応じて、加湿器及び迂回路のうち、加前記加湿器への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、または前記迂回路への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、調整手段を制御する制御装置とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池に酸化剤ガスを供給するための供給路に、酸化剤ガスを加湿する加湿器、及び加湿器を迂回するバイパス流路が接続された構成の燃料電池システムがある（例えば特許文献１）。加湿器は、燃料電池に供給される酸化剤ガスに、燃料電池から排出された酸化剤ガス（以下、「オフガス」と表記）中の水分を、中空糸膜などの透過膜を介して加えることにより加湿を行う。

特開２００９−１４０６２１号公報

加湿器には、供給路、及びオフガスが流れる排出路が接続されている。オフガスの温度及び水分量は、燃料電池の発電状態に応じて変動する。このため、オフガスの温度及び水分量の変動に応じて、凝縮した水分が透過膜に詰まったり、逆に透過膜の詰まりが解消することにより加湿器の圧力損失が変動する。

したがって、供給路を流れる酸化剤ガスの一部をバイパス流路に分流させる場合、その分流比は、加湿器の圧力損失の変動の影響により目標値からずれるため、加湿器を経由する酸化剤ガスの流量の制御が困難となり、酸化剤ガスの加湿状態が安定しないおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、酸化剤ガスの加湿状態を安定化することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが流れる供給路と、前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、水分を透過する透過膜を有し、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに、前記排出路を流れる前記オフガス中の水分を、前記透過膜を介して加える加湿器と、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに前記加湿器を迂回させる迂回路と、前記加湿器及び前記迂回路にそれぞれ流れる前記酸化剤ガスの量を調整する調整手段と、前記燃料電池の加湿状態に応じて、前記加湿器及び前記迂回路のうち、前記加湿器への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、または前記迂回路への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、前記調整手段を制御する制御装置とを有する。

本発明によれば、酸化剤ガスの加湿状態を安定化することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。加湿器の一例を示す斜視図である。比較例における酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。実施例において、加湿器のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。実施例において、バイパス流路のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。ＥＣＵ（Electric Control Unit）の処理の一例を示すフローチャートである。

（燃料電池システムの構成）
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、一例として燃料電池車に搭載される。

燃料電池システムは、ＥＣＵ１、燃料電池スタック（ＦＣ）２、エアコンプレッサ３０、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）３１、加湿器３２、タンク３３、及びインジェクタ３４を有する。また、燃料電池システムは、三方弁４０、調圧弁４１、温度センサ５０，５２、フローメータ５１、カソード供給路２０、バイパス流路２１、カソード排出路２２、アノード供給路２３、アノード排出路２４、及び冷却水路２５を有する。

燃料電池スタック２は、固体高分子形の複数の単セル（１個の燃料電池）の積層体であり、酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化剤ガスは例えば空気である。

燃料電池スタック２は、流体が流れる配管であるカソード供給路２０、カソード排出路２２、アノード供給路２３、アノード排出路２４、及び冷却水路２５に接続されている。カソード供給路２０には、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスが流れる。カソード排出路２２には、燃料電池スタック２から排出されたオフガスが流れる。なお、カソード供給路２０は供給路の一例であり、カソード排出路２２は排出路の一例である。

アノード供給路２３には、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスが流れる。アノード供給路２３には、上流側から下流側に向かう方向に沿って、タンク３３及びインジェクタ３４が接続されている。タンク３３は燃料ガスを蓄圧し、インジェクタ３４は、タンク３３からの燃料ガスを燃料電池スタック２に向けて噴射する。ＥＣＵ１は、インジェクタ３４が噴射する燃料ガスの量（以下、「噴射量」と表記）を制御する。

アノード排出路２４には、燃料電池スタック２から排出された燃料ガスが流れる。なお、アノード排出路２４を流れる燃料ガスは、不図示の再循環系により燃料電池スタック２に再循環される。

燃料電池スタック２は、発電により発熱するため、発電に適切な温度に維持されるように、冷却水路２５を循環する冷却水により冷却される。冷却水路２５には、燃料電池スタック２の冷却水の出口付近の温度を検出する温度センサ５２が設けられている。ＥＣＵ１は、温度センサ５２から冷却水の温度を取得する。また、冷却水路２５には、燃料電池スタック２により昇温した冷却水を冷却するラジエータ（不図示）、及び冷却水を送出するポンプ（不図示）などが設けられている。

カソード供給路２０には、上流側から下流側に向かう方向に沿って、エアコンプレッサ３０、インタークーラ３１、温度センサ５０、フローメータ５１、三方弁４０、及び加湿器３２が接続されている。エアコンプレッサ３０は、カソード供給路２０を流れる酸化剤ガスをモータ（不図示）の回転により圧縮する。ＥＣＵ１は、エアコンプレッサ３０のモータの回転数を制御する。圧縮された酸化剤ガスはインタークーラ３１に導入される。

インタークーラ３１は、圧縮により昇温した酸化剤ガスを熱交換により冷却する。温度センサ５０は、インタークーラ３１の出口側の酸化剤ガスの温度を検出する。ＥＣＵ１は、温度センサ５０から酸化剤ガスの温度を取得する。また、フローメータ５１は、インタークーラ３１の出口側の酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を検出する。ＥＣＵ１は、フローメータ５１から酸化剤ガスの流量を取得する。酸化剤ガスはインタークーラ３１から三方弁４０に流れる。

三方弁４０には、酸化剤ガスが流れる配管であるバイパス流路２１の上流側の端部が接続されている。また、三方弁４０は、カソード供給路２０の下流側において加湿器３２と接続されている。バイパス流路２１の下流側の端部は、加湿器３２の下流側のカソード供給路２０に接続されている。これにより、バイパス流路２１は、カソード供給路２０を流れる酸化剤ガスに加湿器３２を迂回させる。なお、バイパス流路２１は迂回路の一例である。

三方弁４０は、加湿器３２側の開度により加湿器３２に流れる酸化剤ガスの量を調整し、バイパス流路２１側の開度によりバイパス流路２１に流れる酸化剤ガスの量を調整する。ＥＣＵ１は各開度を制御する。このため、三方弁４０は、加湿器３２及びバイパス流路２１にそれぞれ流れる酸化剤ガスの分流比を各開度により調整することができる。なお、三方弁４０は調整手段の一例である。

加湿器３２は、三方弁４０から流れ込んだ酸化剤ガスを加湿する。加湿された酸化剤ガスは燃料電池スタック２に流れる。一方、バイパス流路２１を流れる酸化剤ガスは、加湿器３２を迂回するため、加湿されずにカソード供給路２０に流れ、さらに燃料電池スタック２に流れる。

カソード排出路２２には、上流側から下流側に向かう方向に沿って、加湿器３２及び調圧弁４１が接続されている。加湿器３２は、カソード排出路２２を流れるオフガス中の水分により加湿を行う。

調圧弁４１は、加湿器３２の出口側の酸化剤ガスの単位時間当たりの流量を調整する。ＥＣＵ１は、調圧弁４１の開度を調整することにより酸化剤ガスの背圧を制御する。

ＥＣＵ１は燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）回路を含み、ＣＰＵを駆動するソフトウェアに従って動作する。

ＥＣＵ１は、温度センサ５０，５２及びフローメータ５１から検出結果を取得し、燃料電池システムの動作の制御に用いる。また、ＥＣＵ１は、インジェクタ３４の噴射量、エアコンプレッサ３０のモータの回転数、三方弁４０の各開度、及び調圧弁４１の開度を制御する。なお、ＥＣＵ１は制御装置の一例である。

（加湿器の構成）
次に加湿器３２の構成例を説明する。

図２は、加湿器３２の一例を示す斜視図である。加湿器３２は、例えば、直方体形状の金属製のスペーサ３２０、及び、水分を透過する多孔質の透過膜により形成されたスタック部材３２１を有する。

加湿器３２は、複数のスタック部材３２１が積層された積層体である。スタック部材３２１は四角い筒型の部材であり、その内側には、オフガスから水分を吸収するための吸湿流路３２１ａが設けられている。吸湿流路３２１ａはカソード排出路２２と連通しており、オフガスは吸湿流路３２１ａを方向Ｄｂに流れる。また、スタック部材３２１は、一例として３個のスペーサ３２０を介して隣のスタック部材３２１に積層される。

スペーサ３２０は、長手方向がオフガスの流れる方向Ｄｂと直交するように、スタック部材３２１の上面及び下面にそれぞれ接着されている。スペーサ３２０は、例えば一定の間隔をおいてスタック部材３２１の上面及び下面に配置されている。隣り合うスペーサ３２０同士及びスタック部材３２１同士の間隔により画定される空間は、酸化剤ガスを加湿するための加湿流路３２０ａとして機能する。加湿流路３２０ａはカソード供給路２０と連通しており、酸化剤ガスは加湿流路３２０ａを方向Ｄａに流れる。これにより、酸化剤ガスとオフガスは、加湿器３２内部を互いに直交する方向Ｄｂ，Ｄａに流れる。

吸湿流路３２１ａを流れるオフガス中の水分は、スタック部材３２１の透過膜を介して加湿流路３２０ａに移動する。これにより、加湿流路３２０ａを流れる酸化剤ガスに水分が加えられる。

この構成によると、加湿器３２のサイズを小型化しつつ、加湿流路３２０ａ及び吸湿流路３２１ａを高密度で集積することができるため、オフガス及び酸化剤ガスと接触する透過膜の面積を容易に増加させることが可能となる。このため、加湿器３２は、例えば燃料電池車などに要求される高効率な加湿を実現することができる。

再び図１を参照すると、オフガスの温度及び水分量は、燃料電池スタック２の発電状態に応じて変動する。このため、オフガスの温度及び水分量の変動に応じて、凝縮した水分が透過膜に詰まったり、逆に透過膜の詰まりが解消することにより加湿器３２の圧力損失が変動する。

したがって、三方弁４０がカソード供給路２０を流れる酸化剤ガスの一部をバイパス流路２１に分流させる場合、その分流比は、加湿器３２の圧力損失の変動の影響により目標値からずれるため、加湿器３２を経由する酸化剤ガスの流量の制御が困難となり、酸化剤ガスの加湿状態が安定しないおそれがある。

図３は、比較例における酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。符号Ｇ１は、時刻に対する酸化剤ガスの湿度の変化を示す。ここで、酸化剤ガスの湿度は、加湿器３２の下流側の燃料電池スタック２の入口における値である。また、符号Ｇ２は、時刻に対する三方弁４０の加湿器３２側の開度の変化を示し、符号Ｇ３は、時刻に対する三方弁４０のバイパス流路２１側の開度の変化を示す。

ＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度及びバイパス流路２１側の開度をそれぞれ１００（％）に設定する。つまり、三方弁４０の各開度は全開状態に設定される。このため、酸化剤ガスは、加湿器３２の圧力損失が一定であれば、三方弁４０から加湿器３２及びバイパス流路２１に均等な量で分流される。

しかし、実際には上述したように、分流比は、加湿器３２の圧力損失の変動の影響により変化するため、加湿器３２に流れる酸化剤ガスの量も変化する。このため、符号Ｇ１に示されるように、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスの湿度が変動する。

（三方弁４０の開度の制御）
そこで、実施例のＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度及びバイパス流路２１側の開度のうち、一方の開度を０（％）に設定し、他方の開度を１００（％）に設定する。これにより、加湿器への酸化剤ガスの流れが遮断され、またはバイパス流路２１への酸化剤ガスの流れが遮断される。このため、酸化剤ガスは、三方弁４０から加湿器３２及びバイパス流路２１に分流されることはない。

したがって、加湿器３２には、加湿器３２側の開度が１００（％）である場合、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが流れ込み、加湿器３２側の開度が０（％）である場合、酸化剤ガスが全く流れ込まない。前者の場合、加湿器３２を流れる酸化剤ガスの量は、エアコンプレッサ３０が送出する酸化剤ガスの全体量であるため、加湿器３２の圧力損失の変動によらずに一定となる。これにより、酸化剤ガスの湿度を実質的に一定とすることが可能である。

再び図１を参照すると、符号Ｒａは、加湿器３２側の開度が１００（％）であり、バイパス流路２１側の開度が０（％）である場合の酸化剤ガスの経路を示し、符号Ｒｂは、加湿器３２側の開度が０（％）であり、バイパス流路２１側の開度が１００（％）である場合の酸化剤ガスの経路を示す。

経路Ｒａの場合、加湿器３２及びバイパス流路２１のうち、加湿器３２のみに酸化剤ガスが流れ、経路Ｒｂの場合、加湿器３２及びバイパス流路２１のうちバイパス流路２１のみに酸化剤ガスが流れる。つまり、経路Ｒａの場合、バイパス流路２１への酸化剤ガスの流れが遮断され、経路Ｒｂの場合、加湿器３２への酸化剤ガスの流れが遮断される。

図４は、実施例において、加湿器３２のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。符号Ｇ１１は、時刻に対する酸化剤ガスの湿度の変化を示す。また、符号Ｇ１２は、時刻に対する三方弁４０の加湿器３２側の開度の変化を示し、符号Ｇ１３は、時刻に対する三方弁４０のバイパス流路２１側の開度の変化を示す。

ＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度を１００（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を０（％）に設定する。つまり、加湿器３２側の開度は全開状態に設定され、バイパス流路２１側の開度は全閉状態に設定される。このとき、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが加湿器３２に流れるため、上述したように、酸化剤ガスの湿度は、加湿器３２の圧力損失の変動によらず、実質的に一定に維持される。

図５は、実施例において、バイパス流路２１のみに酸化剤ガスが流れる場合の酸化剤ガスの湿度変化の例を示す図である。符号Ｇ２１は、時刻に対する酸化剤ガスの湿度の変化を示す。また、符号Ｇ２２は、時刻に対する三方弁４０の加湿器３２側の開度の変化を示し、符号Ｇ２３は、時刻に対する三方弁４０のバイパス流路２１側の開度の変化を示す。

ＥＣＵ１は、三方弁４０の加湿器３２側の開度を０（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を１００（％）に設定する。つまり、加湿器３２側の開度は全閉状態に設定され、バイパス流路２１側の開度は全開状態に設定される。このとき、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが加湿器３２を迂回するため、酸化剤ガスの湿度は、加湿器３２の圧力損失の変動によらず、例えばエアコンプレッサ３０に取り込まれる外気の湿度に実質的に維持される。

このように、ＥＣＵ１は、加湿器３２及びバイパス流路２１のうち、加湿器３２のみに酸化剤ガスが流れるように、または加湿器３２及びバイパス流路２１のうちバイパス流路２１のみに酸化剤ガスが流れるように三方弁４０を制御する。このため、酸化剤ガスの湿度に対する加湿器３２の圧力損失の影響が抑制される。

（ＥＣＵ１の処理）
図６は、ＥＣＵ１の処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電開始の要求の有無を判定する（ステップＳｔ１）。ＥＣＵ１は、例えば燃料電池車のイグニッションスイッチがオンされたことを示す信号を受信したとき、発電開始の要求を受けたと判定する。発電開始の要求が無い場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、再びステップＳｔ１の処理が実行される。

ＥＣＵ１は、発電開始の要求が有る場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、燃料電池スタック２の発電の開始処理を実行する（ステップＳｔ２）。このとき、ＥＣＵ１は、例えばエアコンプレッサ３０のモータの回転数とインジェクタ３４の噴射量を、未発電時より増加させる。これにより、燃料電池スタック２には、要求される電力（以下、「要求電力」と表記）に応じた量の燃料ガス及び酸化剤ガスが供給される。なお、このときの三方弁４０の各開度は、例えば始動時の燃料電池スタック２の運転状態に応じて適宜に設定される。

次にＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態を検出する（ステップＳｔ３）。このとき、ＥＣＵ１は、温度センサ５０，５２及びフローメータ５１から検出結果を取得する。また、ＥＣＵ１は、要求電力に従って発電したときの燃料電池スタック２の出力電流から、発電で生成される水分量を算出し、温度センサ５２から取得した冷却水の温度から燃料電池スタック２の温度を算出する。

ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の水分量及び温度から加湿状態を判定する。例えば、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の水分量及び温度から加湿器３２の入口側のオフガスの温度及び湿度を推定する。また、ＥＣＵ１は、温度センサ５０が検出した酸化剤ガスの温度と、フローメータ５１が検出した酸化剤ガスの流量とから加湿器３２の入口側の酸化剤ガスの湿度を推定する。

このとき、酸化剤ガスが加湿器３２を流れる場合（つまり経路Ｒａの場合）、ＥＣＵ１は、さらに加湿器３２の設計値に基づく加湿能力値に基づいて、酸化剤ガスの湿度を推定する。これにより、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態を検出する。なお、湿度の推定処理には、例えばメモリ内に保持されたマップデータなどが用いられる。

次にＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態に基づき、加湿器３２による酸化剤ガスの加湿が必要であるか否かを判定する（ステップＳｔ４）。ＥＣＵ１は、例えば燃料電池スタック２が乾燥状態である場合、燃料電池スタック２の発電性能が低下するため、加湿が必要であると判定し（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、三方弁４０に対し、加湿器３２側の開度を１００（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を０（％）に設定する（ステップＳｔ５）。この場合、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスが加湿器３２を流れて加湿されるため、燃料電池スタック２の乾燥状態が解消される。

また、ＥＣＵ１は、例えば燃料電池スタック２が湿潤状態である場合、燃料電池スタック２の発電性能が十分に高いため、加湿が不要であると判定し（ステップＳｔ４のＮｏ）、三方弁４０に対し、加湿器３２側の開度を０（％）に設定し、バイパス流路２１側の開度を１００（％）に設定する（ステップＳｔ６）。この場合、カソード供給路２０を流れる全ての酸化剤ガスがバイパス流路２１を流れて加湿されない。

次にＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の発電停止の要求の有無を判定する（ステップＳｔ７）。ＥＣＵ１は、例えば燃料電池車のイグニッションスイッチがオフされたことを示す信号を受信したとき、発電停止の要求を受けたと判定する。発電停止の要求が無い場合（ステップＳｔ７のＮｏ）、再びステップＳｔ３以降の各処理が実行される。

また、ＥＣＵ１は、発電停止の要求が有る場合（ステップＳｔ７のＹｅｓ）、燃料電池スタック２の発電の停止処理を実行する（ステップＳｔ８）。このとき、ＥＣＵ１は、例えばエアコンプレッサ３０のモータの回転数とインジェクタ３４の噴射量を発電時より低下させる。このようにして、ＥＣＵ１は処理を実行する。

このように、ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の加湿状態に応じて、加湿器３２及びバイパス流路２１のうち、加湿器３２への酸化剤ガスの流れが遮断されるように、またはバイパス流路２１への酸化剤ガスの流れが遮断されるように、三方弁４０を制御する。

このため、カソード供給路２０を流れる酸化剤ガスは、加湿器３２及びバイパス流路２１に分流されないので、加湿器３２も流れる酸化剤ガスの量が加湿器３２の圧力損失の変動により変化することが抑制される。したがって、酸化剤ガスの加湿状態を安定化することが可能となる。

なお、本例では、加湿器３２及びバイパス流路２１にそれぞれ流れる酸化剤ガスの量の調整手段として、三方弁４０を挙げたが、これに限定されない。例えば、三方弁４０に代えて、バイパス流路２１に制御弁を設け、さらに、バイパス流路２１とカソード供給路２０の分岐点と加湿器３２の間に別の制御弁を設け、各制御弁の開度により酸化剤ガスの流量を三方弁４０と同様に調整することも可能である。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、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内において種々変形実施可能である。

１ＥＣＵ（制御装置）
２燃料電池システム（燃料電池）
２０カソード供給路（供給路）
２１バイパス流路（迂回路）
２２カソード排出路（排出路）
３２加湿器
４０三方弁（調整手段）
３２１スタック部材（透過膜）

Claims

酸化剤ガス及び燃料ガスの化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスが流れる供給路と、
前記燃料電池から排出されたオフガスが流れる排出路と、
水分を透過する透過膜を有し、前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに、前記排出路を流れる前記オフガス中の水分を、前記透過膜を介して加える加湿器と、
前記供給路を流れる前記酸化剤ガスに前記加湿器を迂回させる迂回路と、
前記加湿器及び前記迂回路にそれぞれ流れる前記酸化剤ガスの量を調整する調整手段と、
前記燃料電池の加湿状態に応じて、前記加湿器及び前記迂回路のうち、前記加湿器への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、または前記迂回路への前記酸化剤ガスの流れが遮断されるように、前記調整手段を制御する制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。