JP4858746B2 - 燃料電池システムとその運転停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に、オフガス流路に設置された弁の制御に関する。

燃料電池システムとして、例えば固体高分子電解質型燃料電池を用いたものは、膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとからなるセルを積層して構成されている。アノード側電極に水素（燃料ガス）が供給され、カソード側電極に酸素（酸化ガス）が供給されることで、電気化学反応による発電反応が行われ、この発電反応に伴い、水が生成される。

そこで、運転停止後に燃料電池を含むガス流通系内に生成水が残留することを防止するため、特許文献１においては、以下のように生成水を排出している。すなわち、燃料電池の運転停止時において、カソード側の排出通路を閉弁し、エアコンプレッサで空気を加圧した後、所定圧になった時点で開弁することで生成水を排出している。
特開２００２‐３０５０１７号公報

しかしながら、弁の上流を加圧した状態で急に排出通路を開弁すると、エア配管や燃料電池内の圧力が急激に開放されるため、排出通路から大気へ生成水が勢いよく排出されてしまい、特に車両に搭載した燃料電池システムにおいては周囲に水が掛かる（飛水）という問題がある。また、生成水の排出とともに騒音が発生するという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、燃料電池の運転停止時における飛水や騒音を抑制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。

本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された反応オフガスが流通するオフガス流路と、該オフガス流路に設置された弁と、該弁の開度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、前記燃料電池と前記オフガス流路を含むガス流通系の掃気運転で所定開度に閉弁された前記弁を開弁する際に該弁の上流と下流との差圧が所定値以上である場合は、該弁を目標開度まで徐々に開くことを特徴とする。

ここで掃気運転とは、燃料電池やオフガス流路を含むガス流通系に残存する反応ガスや生成水を排出するため、弁を所定開度（全閉を含む）に閉弁してその上流を加圧した後、該上流が所定圧になった時点で当該弁を開くことにより、反応ガスや生成水を排出するものである。

この構成によれば、弁が緩やかに開弁されることで、掃気運転時における急激な圧力開放の際に生ずるオフガス流路からの飛水や騒音を抑制することができる。換言すると、この構成によれば、弁が現状開度から目標開度に到達するまでの弁開速度が所定速度以上である場合には、弁開度が目標開度になるまでの時間を遅延させる、つまり、弁開速度に上限を設けることによって、オフガス流路からの飛水や騒音を抑制することができる。

前記制御部は、前記弁の上流と下流の差圧に応じて、該弁の開度指令値を設定してもよい。

弁の上流と下流の差圧が大きいほど、弁を開いたときに急激に圧力開放される。したがって、例えば前記差圧が大きいほど弁の時間当たりの開度面積変化量を小さくする 。これによれば、適切に飛水や騒音を抑制することができる。

前記制御部は、前記燃料電池の運転を停止させる際に、前記弁を目標開度まで徐々に開くようにしてもよい。

この構成によれば、燃料電池を停止させる際において、弁を所定の開度状態から例えば全開状態とするときに弁を徐々に開くので、開弁前の高圧状態から急激に低圧となる場合に生ずる飛水や騒音を抑制することができる。

前記弁は、カソード側のオフガス流路に設置されていてもよい。

生成水はカソード側で発生するため、アノード側よりもカソード側のオフガス流路に多く存在するところ、この構成によれば、カソード側のオフガス流路からオフガスが排気される際に生ずる飛水や騒音を抑制することができる。

前記オフガス流路には、前記弁よりも下流にマフラが設けられていてよい。

オフガス流路にマフラが設けられていると該マフラに生成水が溜まり、弁を急激に開弁したときにマフラから飛水しやすくなるところ、この構成によれば、このような飛水の発生を抑制することができる。

前記制御部は、前記マフラの消音特性と、前記弁の上流と下流の差圧とに応じて、前記弁の開度指令値を設定してもよい。

弁の上流及び下流における差圧が大きいほど、弁開度を上げたときに急激に圧力開放されて騒音が発生しやすくなるところ、この構成によれば、発生し得る騒音がマフラの消音性能内に入るように、弁の開度指令値を制御することが可能となる。

本発明の燃料電池システムの運転停止方法は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された反応オフガスが流通するオフガス流路と、該オフガス流路に設置された弁と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、前記燃料電池と前記オフガス流路を含むガス流通系の掃気運転を行う掃気工程を備え、前記掃気運転で所定開度に閉弁された前記弁を開弁する際に該弁の上流と下流との差圧が所定値以上である場合は、該弁を目標開度まで徐々に開くことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池から排出される反応オフガスの急激な圧力開放を禁止し、生成水の周囲への飛散や、急激な圧力開放による騒音の発生を抑制することができる。

次に、本発明に係る燃料電池システムとその運転停止方法の一実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、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。

図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、および、空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。モータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。

燃料電池２０から排出される空気オフガス（反応オフガス）は、排気路（オフガス流路）７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁（弁）Ａ４、加湿器Ａ２１の熱交換器、及び排気により発生する騒音を消音するためのマフラＡ２２が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。

圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度（開度面積）を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。

水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。

遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御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及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。

本実施形態においては、燃料電池２０の運転を停止させる際、排気路７２に設置された圧力調整弁Ａ４が制御部５０によって以下のように制御される。

図２（ａ）は、運転終了時に掃気運転を行う際の目標空気圧力、より具体的には、燃料電池２０の空気オフガス出口における目標圧力を示すタイムチャートである。また、図２（ｂ）は、目標圧力に対応して圧力調整弁Ａ４に与えられる開度指令値を示すタイムチャートである。ここで、掃気運転とは、燃料電池２０を含む酸化ガス流通系に残存する生成水等を排出するため、圧力調整弁Ａ４を閉弁してその上流を加圧した後、所定圧になった時点で当該圧力調整弁Ａ４を開くことにより、生成水を排出するものである。

従来においては、図２（ａ）のように、運転終了時に目標圧力を所定の高圧状態から大気圧にすべく、それに対応して図２（ｂ）の破線で示したように、圧力調整弁Ａ４の開度を１００％（全開）まで急変させている。このため、空気オフガスが急激に圧力開放され、マフラＡ２２等に堆積した生成水が周囲に飛散したり、騒音が発生したりしていた。

本実施形態においては、目標圧力を急激に変化（減少）させた場合であっても、図２（ｂ）の実線に示したように、徐々に開度指令値を上げることで、圧力調整弁Ａ４を緩やかに開いている。これにより、空気オフガスの急激な圧力開放を禁止し、飛水や騒音を抑制する。詳細には、制御部５０が図３のフローにしたがって以下のような制御を行う。

まず、ステップＳＴ１にて掃気運転を開始する。この掃気運転では、排気路７２に設置された圧力調整弁Ａ４を所定開度（例えば、開度０％の全閉）に閉弁し、その上流を加圧する。このとき、圧力調整弁Ａ４の下流端はマフラＡ２２を介して大気開放されているため、圧力調整弁Ａ４の上流と下流との差圧は、圧力センサＰ１で検出される上流圧と大気圧との差圧となる。

その後、従来であれば、圧力センサＰ１にて検出される圧力調整弁Ａ４の上流圧が所定圧に達したこと、あるいは掃気運転開始から所定時間が経過したことを契機に、圧力調整弁Ａ４の開度を目標開度（例えば、開度１００％の全開）にして生成水の排出を促すところ、本実施形態では、以下の処理を行う。

まず、ステップＳＴ３において、圧力調整弁Ａ４への開度指令値を所定の目標開度に設定する。その後、直ちに該開度指令値を圧力調整弁Ａ４に送るのではなく、その前に、該圧力調整弁Ａ４がステップＳＴ１の所定開度からステップＳＴ３で設定した目標開度に移行するまでの開弁速度（以下、調圧弁開速度）を演算し（ステップＳＴ５）、この調圧弁開速度が、マフラＡ２２の構造や昇温特性等に応じて予め設定されている所定の飛水・騒音危険速度以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ７）。

ステップＳＴ７の判定結果が肯定的である場合、つまり、調圧弁開速度が飛水や騒音危険速度以上であれば（ステップＳＴ５：ＹＥＳ）、ステップＳＴ９において、圧力調整弁Ａ４に対する開度指令値を徐々に目標開度にまで上昇させる所謂なまし処理を行い、圧力調整弁Ａ４を目標開度になるまで徐々に開く。

すなわち、調圧弁開速度を飛水・騒音危険速度以下に制限する処理を行い、圧力調整弁Ａ４が目標開度に到達するまでの時間を遅延させることで、圧力調整弁Ａ４の開度が短時間で急変しないようにする。ステップＳＴ９でのなまし処理中、制御部５０から圧力調整弁Ａ４への開度指令値は、図２（ｂ）の実線で示すように、所定の勾配で緩やかにリニアに変化する。

一方、ステップＳＴ７の判定結果が否定的である場合、つまり、調圧弁開速度が飛水や騒音危険速度未満であれば（ステップＳＴ７：ＮＯ）、ステップＳＴ３で設定した開度指令値を圧力調整弁Ａ４に送り、該圧力調整弁Ａ４を目標開度となるように開弁する。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムにおいては、その運転停止時に実施される掃気運転の際に、上記のごとく圧力調整弁Ａ４を制御することによって、空気オフガスの急激な圧力開放を禁止し、マフラＡ２２等に堆積した生成水の周囲への飛散、および、急激な圧力開放による騒音発生を抑制することができる。

なお、圧力調整弁Ａ４に対する開度指令値は、図２（ｂ）のようにリニアに上昇させるだけではなく、例えば図４の符号ａ，ｂに示すように開度指令値の上昇速度（上昇率）を曲線的（例えば、指数関数的）に変化させてもよい。符号ａの曲線では、開度指令値の上昇速度を時間経過に伴い次第に減少させている一方、符号ｂの曲線では、増加させている。さらに、図５に示したように、微増・微減を周期的に繰返しつつ徐々に開度指令値を上昇させるようにしてもよい。

また、圧力調整弁Ａ４の上流と下流の差圧が大きいほど、該圧力調整弁Ａ４の弁開度を目標開度に移行する際に急激に圧力開放されやすくなるので、当該差圧が大きいほど圧力調整弁Ａ４の時間当たりの開度面積変化量を小さくしてもよい。

また、圧力調整弁Ａ４の弁開度が急激に目標開度に到達しないように制限した上で、上記開弁パターンを組み合わせることも可能である。さらに、目標開度に到達するまで、圧力調整弁Ａ４の開度が全体として緩やかに上昇するものであれば、図５に示す波型パターンの山の部分のように、一時的に開度を急激に上昇させてもよい。

上記の開度上昇速度のパターン選択、上昇速度の大小及び飛水・騒音危険速度は、圧力調整弁Ａ４の上流圧の状態（圧力センサＰ１により測定される圧力）に応じて決めることができる。圧力調整弁Ａ４の上流圧と下流圧（大気圧）の差圧が大きい場合には、騒音が発生しやすくなるからである。

また、発生する騒音がマフラＡ２２の消音特性に入るように、マフラＡ２２の構造または消音性能に応じて開度上昇速度のパターン選択、上昇速度の大小及び飛水・騒音危険速度を定めることができる。これにより、マフラＡ２２に応じて適切な騒音抑制を実現することが可能である。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態においては、図６の実線で示すように、燃料電池２０の運転終了時に、圧力調整弁Ａ４の上限開度を全開状態（開度１００％）に対して例えば８０％以下の範囲におさまるように、圧力センサＰ１によって検出される圧力調整弁Ａ４の上流圧力と大気圧との差圧に基づいて設定する。

詳細には、制御部５０が図７に示したフローにしたがって以下のような制御を行う。まず、ステップＳＴ１１にて掃気運転を開始する。この掃気運転では、上記のとおり、排気路７２に設置された圧力調整弁Ａ４の開度を所定開度（例えば、開度０％の全閉）に閉弁にしてその上流を加圧する。

その後、従来であれば、圧力センサＰ１にて検出される圧力調整弁Ａ４の上流圧力が所定圧に達したこと、あるいは掃気運転開始から所定時間が経過したことを契機に、圧力調整弁Ａ４の開度を目標開度（例えば、開度１００％の全開）にして生成水の排出を促すところ、本実施形態では、圧力調整弁Ａ４に対する開度指令値の上限を制限する。

開度指令値の上限は、圧力センサＰ１によって検出される圧力調整弁Ａ４の上流圧力と大気圧との差圧に基づいて設定され、例えば開度８０％以下に設定される。そして、制限された開度指令値が圧力調整弁Ａ４に送られ、圧力調整弁Ａ４が開弁する。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムにおいても、その運転停止時に実施される掃気運転の際に、上記のごとく圧力調整弁Ａ４の上限開度が所定の開度に制限されるため、空気オフガスの急激な圧力開放を禁止し、マフラＡ２２等に堆積した生成水の周囲への飛散、および、急激な圧力開放による騒音発生を抑制することができる。

なお、掃気運転は運転停止時のみにその実行が限定されるものではなく、燃料電池２０の運転中であっても必要に応じて、例えば、アイドリング時、低速走行時、又は回生制動時等のように低負荷運転時に燃料電池２０の発電を一時休止し、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段から供給される電力で走行する運転モード（間欠運転）に入ったときに、実行してもよい。

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。 （ａ）は燃料電池の運転終了時に掃気運転を行う際の目標空気圧力、（ｂ）は目標圧力に対応して圧力調整弁に与えられる開度指令値を示した図である。 燃料電池の運転停止時における圧力調整弁の制御フローである。 開度指令値を制限する他の例について示した図である。 開度指令値を制限する他の例について示した図である。 他の実施形態における開度指令値の制限について示した図である。 燃料電池の運転停止時における圧力調整弁の制御フローである。

符号の説明

２０…燃料電池、５０…制御部、７１…空気供給路（ガス流通系の一部）、７２…排気路（オフガス流路、ガス流通系の一部）、Ａ３…コンプレッサ、Ａ４…圧力調整弁（弁）、Ａ２２…マフラ、Ｐ１〜Ｐ９…圧力センサ

Claims (7)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された反応オフガスが流通するオフガス流路と、該オフガス流路に設置された弁と、該弁の開度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、前記燃料電池と前記オフガス流路を含むガス流通系の掃気運転で所定開度に閉弁された前記弁を開弁する際に該弁の上流と下流との差圧が所定値以上である場合は、該弁を目標開度まで徐々に開くことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記弁の上流と下流の差圧に応じて、該弁の開度指令値を設定す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. 前記制御部は、前記燃料電池の運転を停止させる際に、前記弁を目標開度まで徐々に開くことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記弁は、カソード側のオフガス流路に設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記オフガス流路には、前記弁よりも下流にマフラが設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記マフラの消音特性と、前記弁の上流と下流の差圧とに応じて、前記弁の開度指令値を設定することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池から排出された反応オフガスが流通するオフガス流路と、該オフガス流路に設置された弁と、を備えた燃料電池システムの運転停止方法であって、
   前記燃料電池と前記オフガス流路を含むガス流通系の掃気運転を行う掃気工程を備え、
   前記掃気運転で所定開度に閉弁された前記弁を開弁する際に該弁の上流と下流との差圧が所定値以上である場合は、該弁を目標開度まで徐々に開くことを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。