JP5177475B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスの循環系を備えた燃料電池システムに関し、特に、循環系内の燃料オフガスあるいは生成水を含む流体を外部に排出するための排出弁を備えた燃料電池システムに関する。

現在、反応ガスとして、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。例えば特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスを循環ポンプによって燃料電池に循環供給する循環系を備えている。

循環系内の燃料オフガスには、燃料電池の電気化学反応により生成された生成水が含まれている。循環系には、燃料オフガスと生成水とを分離する気液分離器が設けられており、気液分離器には、分離された生成水を外部に排出する排出弁が接続されている。排出弁は、排水弁として機能するのみならず、排気弁としても機能しており、循環系内の水素濃度の低下を防ぐために燃料オフガス中の不純物を燃料オフガスとともに外部に排出する。排出弁は、シャットバルブ等からなり、制御装置によって燃料電池システムの運転中に開閉を制御される。
特開２００５−３０２７０８号公報（段落００４０〜００４２）

ところで、排出弁の開閉時には、弁体と弁座との衝突等により所定の作動音（打音）が生じる。特に、弁体が弁座に突き当たる閉弁時に作動音が生じる。燃料電池システムが一定以上の負荷で運転している通常運転状態では、エアコンプレッサや循環ポンプ等の機器がある程度以上の回転数で稼動している。このため、排出弁の作動音は、これら機器の作動音に打ち消され、騒音として認識されにくい。

しかしながら、燃料電池システムの運転負荷が小さい状態、例えば、コンプレッサや循環ポンプの負荷が小さく、低回転で稼動しているアイドル状態では、これら機器の作動音は比較的小さい。そのため、機器の作動音に対して排出弁の開閉に伴う作動音が相対的に大きくなり、排出弁の開閉音が主要な騒音源になるおそれがあった。

本発明は、排出弁の開閉による騒音を抑制できる燃料電池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、燃料電池から排出される燃料オフガスを当該燃料電池に循環供給する循環系と、循環系内の流体を外部に排出する排出弁と、排出弁の開閉を制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、燃料電池システムが通常運転状態の時には排出弁の開閉を許可し、燃料電池システムが通常運転状態よりも作動音が小さい第１の運転状態の時には排出弁の開閉を禁止する。

かかる構成によれば、排出弁の開閉音以外の作動音が小さい時は、排出弁の開閉が行われない。よって、排出弁に消音構造を設けなくとも、排出弁の開閉に伴う騒音を抑制できる。一方で、通常運転状態の時は、排出弁の開閉が許可されるので、流体（例えば、不純物あるいは水分を含む燃料オフガス、又は、生成水）を排出でき、燃料電池に適した燃料オフガスを循環供給できる。

本発明の一態様によれば、第１の運転状態は、燃料電池システムのアイドル状態であるとよい。

このようにすれば、作動音が相対的に小さいアイドル状態のときに、排出弁の開閉による騒音を抑制できる。また、燃料電池の出力が小さいアイドル状態では、通常運転状態に比べると燃料オフガス中の燃料濃度が高くなくてよいので、排出弁を開弁しなくとも、燃料電池の出力への影響も抑制できる。

本発明の一態様によれば、制御装置は、アイドル状態から通常運転状態に移行後に初めて排出弁を開弁する際、通常の開弁時よりも流体が多く排出するように排出弁を開弁するとよい。

このようにすれば、アイドル状態中に排出されずに溜まった不純物又は水分を、通常運転状態への移行後に速やかに循環系から外部に排出できる。

本発明の一態様によれば、制御装置は、アイドル状態から通常運転状態に移行後に初めて排出弁を開弁する際、通常の開弁時よりも排出弁の開弁時間が長くなるように排出弁を開弁するとよい。

このようにすれば、通常運転状態への移行後に、通常の開弁時よりも流体を多く排出することができる。よって、アイドル状態中に排出されずに溜まった不純物又は水分を、通常運転状態への移行後に速やかに外部に排出できる。

本発明の一態様によれば、循環系は、燃料オフガスから水分を分離して貯留する気液分離器を有し、排出弁は、開弁時に、気液分離器に貯留された水分を燃料オフガスと共に外部に排出するとよい。

上記目的を達成するための本発明の別の燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料電池に循環供給する循環系と、循環系内の流体を外部に排出する排出弁と、排出弁の開閉を制御する制御装置と、を備える。そして、排出弁は、循環系内と外部とを連通する流路と、弁座と、弁座に当接して流路を閉鎖し且つ弁座から離間して流路を開放する弁体と、弁座に対し弁体を所定のストロークで移動させる駆動部と、を有する。制御装置は、燃料電池システムが通常運転状態よりも作動音が小さい第１の運転状態の時には、通常運転状態の時よりも短いストロークで弁体を移動させるように、駆動部を制御する。

かかる構成によれば、作動音が相対的に小さい第１の運転状態の時は、弁体のストロークが通常運転状態よりも短いため、弁体の運動エネルギーが小さい。よって、弁体と弁座との衝突音を低減でき、排出弁の開閉による騒音を抑制できる。

本発明の燃料電池システムによれば、排出弁の開閉による騒音を抑制できる。

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燃料電池システムについて説明する。

図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムである。なお、燃料電池システム１は、船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、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等に適用可能である。

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、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、多数の単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。この生成水の一部は、単セルの電解質膜を通過して、燃料極側にも移動し得る。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。燃料ガスは、水素を含むガスである。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。また、燃料オフガスを水素オフガスと称することにする。

酸素ガス配管系３は、加湿器３０、供給流路３１、排出流路３２、排気流路３３、及びコンプレッサ３４を有する。コンプレッサ３４は、供給流路３１の上流端に設けられる。コンプレッサ３４により取り込まれた大気中の空気（酸素ガス）が、供給流路３１を流れて加湿器３０に圧送され、加湿器３０により加湿されて燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出された酸素オフガスは、排出流路３２を流れて加湿器３０に導入された後、排気流路３３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４０、供給流路４１及び循環流路４２を有する。
水素タンク４０は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した水素供給源である。なお、水素タンク４０に代えて、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、を水素供給源として採用することもできる。また、水素タンク４０に代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。

供給流路４１は、水素タンク４０内の水素ガスを燃料電池２に供給するための流路であり、合流点Ａを境として主流流路４１ａと混合流路４１ｂとからなる。主流流路４１ａには、シャットバルブ４３、レギュレータ４４、及びインジェクタ４５が設けられる。シャットバルブ４３は、水素タンク４０の元弁として機能し、水素タンク４０から燃料電池２側への水素ガスの供給を遮断または許容する。レギュレータ４４は、例えば機械式の減圧弁であり、水素ガスのガス圧を予め設定した二次圧に減圧する。インジェクタ４５は、電磁駆動式の開閉弁であり、混合流路４１ｂ側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整する。

循環流路４２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４１に戻すための戻り配管である。循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して合流点Ａに圧送する水素ポンプ４６が設けられる。合流点Ａでは、水素タンク４０からの新たな水素ガスと水素ポンプ４６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４１ｂを流れて燃料電池２に供給される。これにより、水素オフガス内の残存水素が燃料電池２の発電に再び供される。

循環流路４２は、水素ポンプ４６の上流側に設けられた気液分離器４７及び排気排水弁４８を介して、排出流路４９に接続される。循環流路４２を流れる水素オフガスには、水素オフガスの量に比べると微量ではあるが、電解質膜から燃料極側へと透過した生成水の水分及び窒素ガスが含まれる。気液分離器４７は、水素オフガス中の液体（水分）と気体（水素オフガス）とを分離し、分離した水分を一時的に貯留する。貯留された水分は、排気排水弁４８から排出流路４９に放出され、外部に排出される。また、水分回収後の水素オフガスの一部も、排気排水弁４８から排出流路４９に放出され、外部に排出される。

このように、排気排水弁４８は、循環系５０内を流れる流体として水分を外部に排出する排水弁として機能するのみならず、不純物を含む水素オフガスを外部に排出する排気弁として機能する。排気排水弁４８が開弁することで、気液分離器４７に溜まった生成水を排出できると共に、水素オフガス中の水素濃度を上げることができる。なお、排気排水弁４８の具体的な構造及び制御例については後述する。

なお、排出流路４９の下流端は、そのまま大気開放されてもよいが、図示省略した希釈器や排気流路３３に接続してもよい。また、循環系５０とは、循環流路４２、混合流路４１及び燃料電池２内のガス流路を順番に連ねた系統であり、水素オフガスを燃料電池２に再び循環供給するものである。

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、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、後述する排気排水弁４８の開閉制御など、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、車両に設けられた加速操作装置（アクセルペダル等）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等の電力を消費する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１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置は、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要なコンプレッサ３４、水素ポンプ４６、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（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、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。

制御装置６には、燃料電池２の発電量を検出する電流センサ２ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報、等が入力される。制御装置６は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ３４、シャットバルブ４３、及びインジェクタ４５等を駆動制御して、燃料電池２に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給すると共に、排気排水弁４８を制御して循環系５０でのパージ動作を行う。

図２は、排気排水弁４８の断面図である。
排気排水弁４８（排出弁）は、電磁駆動式の開閉弁であり、制御装置６からの制御信号によって作動し、循環系５０内の流体を排出流路４９に間欠放出する。排気排水弁４８は、アングル弁構造からなり、バルブボディ６１、弁座６１ｄ、弁体６２及びダイアフラム６３を有する。

バルブボディ６１内には、流入路６１ａ、流出路６１ｂ、並びに、流入路６１ａと流出路６１ｂとを接続する弁室６１ｃが形成される。流入路６１ａは気液分離器４７を介して循環流路４２に連通し、流出路６１ｂは排出流路４９を介して外部に連通する。つまり、流入路６１ａ、流出路６１ｂ及び弁室６１ｃが、循環系５０内と外部とを連通する流路６１ｅとして機能する。弁座６１ｄは、弁室６１ｃの底面に形成され、流出路６１ｂに連通する開口を有する。

弁体６２は、弁室６１ｃ内に配設され、軸線Ｘ−Ｘ方向に所定のストロークで進退動可能に設けられる。弁体６２は、弁座６１ｄ側の端部に、シールゴム６２ａを有する。弁体６２は、その進退動範囲の一端側の位置（図２に示す閉鎖位置）で、シールゴム６２ａが弁座６１ｄに当接して、弁座６１ｄの開口を閉鎖する。これにより、流路６１ｅが閉鎖される。一方、シールゴム６２ａが弁座６１ｄから離間する位置まで弁体６２が移動すると、弁座６１ｄの開口が開放され、流路６１ｅを開放する。なお、シールゴム６２ａは、例えばＥＰＤＭからなるが、省略してもよい。

ダイアフラム６３は、弁体６２の外面と弁室６１ｃの縁部との間に配設され、弁体６２の移動に追従するように構成される。ダイアフラム６３によって、弁室６１ｃ内とハウジング６９内とが気密に隔てられる。これにより、プランジャ６４とスリーブ６７との間の隙間に、弁室６１ｃ側からの流体が浸入することが防止される。

プランジャ６４は、先端に弁体６２が固定され、スリーブ６７の内周面に沿って軸線Ｘ−Ｘ方向に摺動する。プランジャ６４は、スプリング６４ａにより、センタコア６８から遠ざかる方向に付勢される。なお、スプリング６４ａの付勢力は、閉弁時にダイアフラム６３が一次圧を受圧しても開弁しないような大きさに設定される。プランジャ６４、コイル６５及び鉄心６６は、ハウジング６９に収容され、弁体６２を軸線Ｘ−Ｘ方向に所定のストロークで往復移動させるためのソレノイド型アクチュエータの駆動部を構成する。この駆動部のコイル６５への給電が、制御装置６によって制御される。

コイル６５に給電する電流のオン・オフにより、排気排水弁４８は基本的に「開」及び「閉」の２位置で用いられる。具体的には、コイル６５への給電がオンになると、鉄心６６が磁化され、プランジャ６４がスプリング６４ａに抗して移動し、弁体６２が弁座６１ｄから離間する。これにより、排気排水弁４８が開弁し、排出流路４９への流体の排出が許容される。一方、コイル６５への給電がオフのときには、スプリング６４ａの付勢力によって、弁体６２が弁座６１ｄに当接する。これにより、排気排水弁４８が閉弁し、排出流路４９への流体の排出が遮断される。なお、排気排水弁４８の開時間及び開閉タイミングを変えることで、流体の排出量及び排出タイミングが制御される。

このような構成からなる排気排水弁４８は、開閉時に、所定の作動音を生ずる。作動音の主要な音源は、閉弁時に、シールゴム６２ａが弁座６１ｄに当接する際の衝突音（打音）である。この衝突音の大きさは、「開」位置から「閉」位置までの弁体６２のストロークに応じた大きさ、つまり弁体６２の開放位置における位置エネルギーに基づく速度に応じた大きさである。なお、開弁時に弁体６２やプランジャ６４等がストッパに衝突して位置を規制される場合にも、排気排水弁４８は作動音を生ずる。

ここで、燃料電池システム１の運転中では、排気排水弁４８以外にも、コンプレッサ３４及び水素ポンプ４６等の機器から作動音が発生する。これら機器が要求発電量に応じてある程度以上の負荷で稼動している時、すなわち燃料電池システム１が通常運転状態にある時には、排気排水弁４８の作動音はこれら機器の作動音に比べて小さいため、騒音源として問題になることはない。なお、通常運転状態は、燃料電池２の発電量が例えば１５Ａを超えている状態である。

ところが、燃料電池システム１の運転状態において、燃料電池２の要求発電量（例えば１５Ａ以下）が小さく、コンプレッサ３４及び水素ポンプ４６等の負荷が小さい時もある。このような運転状態は、燃料電池システム１がアイドル状態のときであり、車両でいえばアクセルペダルの操作量がない状態である。アイドル状態では、コンプレッサ３４及び水素ポンプ４６等の機器のモータは低回転で稼動し、その作動音は通常運転状態の時よりも小さくなる。そのため、アイドル状態で排気排水弁４８を開閉すると、その開閉に伴う作動音が燃料電池システム１全体の作動音の主要な騒音源となってしまう。

本実施形態では、このような作動音に着目し、排気排水弁４８の開閉を次のように制御している。先ず、燃料電池システム１が通常運転状態の時には、制御装置６は、排気排水弁４８の開閉を許可し、排気排水弁４８を開閉するパージ動作を所定の周期で行う。これにより、水素オフガス中の水素濃度を上げたり、気液分離器４７に溜まった生成水を排出できる。一方、燃料電池システム１がアイドル状態の時には、制御装置６は、排気排水弁４８の開閉を禁止し、パージ動作を行わない。これにより、排気排水弁４８の作動音が発生しないので、燃料電池システム１全体として作動音を低減できる。

ここで、燃料電池システム１が通常運転状態であるか、あるいはアイドル状態であるかの判断は、例えば、電流センサ２ａの検出情報をもとに行えばよい。もっとも、燃料電池２の発電量を監視する代わりに、コンプレッサ３４や水素ポンプ４６等のモータの回転数を直接的に監視したり、アクセルペダルの開度を監視したりするなど、他の方法で燃料電池システム１の運転状態を判断してもよい。

また、燃料電池システム１がアイドル状態から通常運転状態に移行した場合、制御装置６は、排気排水弁４８のパージ動作を再開する。この移行後に初めて排気排水弁４８を開弁する際、制御装置６は、通常の開弁時よりも流体（水素オフガス又は貯留された生成水）の排出量が多くなるように排気排水弁４８を開弁するとよい。その方法として、例えば、通常運転状態時における通常の開弁時よりも開弁時間が長くなるように排気排水弁４８の開時間を長くする。こうすることで、通常の開弁時よりも多く生成水及び水素オフガスを排出できるので、アイドル状態中に排出されずに溜まった生成水や水素オフガス中の不純物を速やかに排出できる。

なお、開時間を長くするのは通常運転状態に移行した直後の１回の開弁動作のみならず、通常運転状態に移行した直後の所定期間のみ（複数回の開弁動作）でもよい。その所定期間は、アイドル状態中に溜まった水分量に応じて、開時間を長くするように可変してもよい。また、１回の開弁動作における開時間を長くする代わりに、閉時間を短くして単位時間あたりの開時間の比率を上昇させることにより、流体の単位時間あたりの排出量を多くしてもよい。

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、通常運転状態よりも作動音が小さい運転状態（アイドル状態）にある時には、排気排水弁４８の開閉を禁止する。よって、排気排水弁４８に消音構造を設けなくとも、排気排水弁４８の開閉に基づく騒音を抑制できる。また、アイドル状態では、通常運転状態に比べると水素オフガス中の水素濃度が高くなくてよいので、排気排水弁４８を開弁しなくとも、燃料電池２の出力への影響も抑制できる。さらに、通常運転状態の時は、排気排水弁４８の開閉が行われるので、循環系５０内の水素オフガスを燃料電池２の発電に適した状態にできる。

＜変形例＞
以下、上記実施形態の変形例について説明する。上記実施形態と同様の部分は説明を省略し、異なる部分のみ説明する。

＜第１の変形例＞
アイドル状態のときに排気排水弁４８の開閉を禁止するのではなく、これを許容してもよい。この場合には、弁体６２のストロークを変える制御を行うことで、排気排水弁４８の作動音を低減すればよい。この制御方法としては、排気排水弁４８のコイル６５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オン時間を、パルス状励磁電流のオン時間とオフ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。デューティ制御により、弁体６２のストロークを、多段階あるいは連続的（無段階）に切替えることが可能となる。

したがって、制御装置６は、アイドル状態の時には、弁体６２のストロークを通常運転状態の時よりも短くなるように、排気排水弁４８を開閉制御する。これにより、弁座６１ｄと衝突する時の弁体６２の運動エネルギーが通常運転状態よりも小さくなるので、通常運転状態よりも衝突音が小さくなる。よって、本変形例によれば、アイドル状態のときに、上記実施形態と同様にシステム全体として騒音を抑制できることはもちろんのこと、水分及び水素オフガス中の不純物も排出できる。

なお、アイドル状態中の弁体６２のストロークは、弁体６２と弁座６１ｄとの衝突音が、低回転状態にあるコンプレッサ３４及び水素ポンプ４６等の作動音に比べて同程度あるいは小さくなり、騒音源として問題にならない程度の大きさに設定するとよい。

＜第２の変形例＞
排気排水弁４８として、ソレノイドを駆動部とする電磁弁に代えて、ステップモータを駆動部とする電動弁を用いてもよい。ステップモータを用いて、通常運転状態よりもアイドル状態のときに、弁体６２のストロークの長さが長くなるように制御しても、第１の変形例と同様の作用効果を奏することができる。

＜第３の変形例＞
排気排水弁４８が、排気及び排水の一方のみを行うものであってもよい。例えば、気液分離器４７で分離した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路４２内の水素オフガスを不純物ともに外部に排出する排気弁とを別々に設けた場合には、このそれぞれについて、排気排水弁４８と同様の開閉制御を行えばよい。つまり、燃料電池システム１がアイドル状態にある時は、排水弁及び排気弁の開閉を禁止したり、弁体のストロークを短くしたりすればよい。こうすることで、排水弁及び排気弁の開閉に伴う騒音を抑制できる。なお、このような構成の場合には、排水弁は排気排水弁４８と同じ様な態様で気液分離器４７に接続される。一方、排気弁は、循環流路４２に分岐接続したパージ路に介設される。

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。 実施形態に係る排出弁の断面図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、６：制御装置、４２：循環流路、４７：気液分離器、４８：排気排水弁（排出弁）、５０：循環系、６１ｃ：弁室、６１ｄ：弁座、６１ｅ：流路、６２：弁体、６４：プランジャ、６５：コイル（駆動部の一部）、６６：鉄心

Claims (1)

1. 燃料電池から排出される燃料オフガスを当該燃料電池に循環供給する循環系と、
   前記循環系内の流体を外部に排出する排出弁と、
   前記排出弁の開閉を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記排出弁は、
   弁座と、
   前記循環系内と外部とを連通する流路と、
   前記弁座に当接して前記流路を閉鎖し且つ前記弁座から離間して前記流路を開放する弁体と、
   前記弁座に対し前記弁体を所定のストロークで移動させる駆動部と、を有し、
   前記制御装置は、当該燃料電池システムが通常運転状態よりも前記排出弁以外の機器の作動音が小さい第１の運転状態の時には、前記通常運転状態の時よりも短いストロークで前記弁体を移動させるように、前記駆動部を制御する、燃料電池システム。