JP6562308B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池を搭載した燃料電池車両において、燃料電池の運転終了後に燃料電池内部を掃気（「パージ」とも呼ぶ）するパージ処理を実行することにより、燃料電池内部の水分量を低減させ、その後、低温環境下においても良好な始動性を確保する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２１１１６３号公報

ところで、ユーザが車両の充填口リッドを開いて燃料ガスである水素を水素タンクへ充填している最中にパージ処理が実行されると、ユーザに違和感を与えるおそれがある。このため、充填口リッドの開状態でのパージ処理の実行を禁止することが想定されるが、この場合、充填口リッドが閉め忘れられているときなどでは、必要なパージ処理が実行されず、その後、燃料電池を始動する際の始動性が低下するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池のパージ処理を的確に行い、良好な始動性を確保できる燃料電池システムを提供する。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、該燃料電池へ供給される燃料ガスが充填されるタンクと、該タンクへの燃料ガスの充填が行われる充填口と、該充填口を覆う開閉可能な充填口リッドと、該充填口リッドの開閉状態を検知するリッド開閉センサと、前記燃料電池の運転終了後に前記燃料電池のガス流路を掃気するパージ処理の実行を制御するパージ制御部と、を有する燃料電池システムであって、
前記パージ制御部は、
前記燃料電池の運転終了後における所定タイミングで前記パージ処理の可否を判断するパージ可否判断部と、前記パージ可否判断部でパージ処理可と判断された場合に、前記パージ処理を実行させるパージ実行部と、を有し、
前記パージ可否判断部は、
前記所定タイミングにおいて、前記リッド開閉センサからの検知信号に基づいて、
前記充填口リッドが閉状態であるとき、または前記充填口リッドの開状態の持続時間が所定時間を越えているときに、パージ処理可と判断し、
前記充填口リッドの開状態の持続時間が所定時間未満であるときに、パージ処理不可と判断する。

この構成の燃料電池システムによれば、ユーザが充填口リッドを開いて充填口から燃料ガスをタンクへ充填している最中にパージ処理が実行されるのを抑制できる。これにより、燃料ガスの充填中にパージ処理が実行されることによるユーザへの違和感を抑えることができる。また、充填口リッドが開いた状態であっても、その開状態の持続時間が所定時間を越えたときは、パージ処理を実行する。これにより、例えば、充填口リッドが閉め忘れられている場合には、パージ処理を実行し、低温環境下においても、その後に燃料電池を始動する際の良好な始動性を確保できる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のパージ処理を的確に行い、良好な始動性を確保できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 車両に設けられた充填口部分の概略斜視図である。 パージ制御部によるパージ実行可否判定処理を説明するフローチャートである。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。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は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０とを備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、発電体である複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。

燃料電池１０の電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。また、電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子によって構成することができる。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部２０は、以下に説明する各構成部を制御して、燃料電池１０に出力要求に応じた電力を発電させる発電制御部としての機能を備える。また、制御部２０は、パージ制御部２１としての機能を備える。

パージ制御部２１は、燃料電池１０の運転終了後に、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池１０に残留する水分や、燃料電池システム１００の配管・バルブ等に付着している水分を低減させるための掃気処理（パージ処理）を実行する。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。

エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。

開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御されている。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。

アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと送り出される。

このように、この燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転中には、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中には、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。

アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０が送信する。

冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、バイパス配管７１ｃとで構成される。

上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の出口マニホールドとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドとラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。

ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。

２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。以下では、上流側配管７１ａの冷媒温度計測部７６ａを「出口側温度計測部７６ａ」とも呼び、下流側配管７１ｂの冷媒温度計測部７６ｂを「入口側温度計測部７６ｂ」とも呼ぶ。

制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂのそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出し、その運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。また、パージ制御部２１は、出口側温度計測部７６ａの計測値を、パージ処理の実行可否の判定に用いる。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池車両外部の気温（外気温）を計測可能な外気温センサ８０を備える。外気温センサ８０は、測定結果を制御部２０に送信する。なお、パージ制御部２１は、外気温センサ８０の測定温度を、パージ処理の実行可否の判定に用いる。

また、燃料電池システム１００は、図示や詳細な説明は省略するが、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。二次電池は、燃料電池１０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池１０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や燃料電池１０の出力電圧を制御することができる。なお、上述した燃料電池システム１００の各構成部は、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池１０の運転終了後においても駆動することが可能である。

図２は、車両に設けられた充填口部分の概略斜視図である。
図２に示すように、燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両は、充填口９１を備えている。この充填口９１は、水素ステーションの充填ノズル（図示略）が接続可能とされている。そして、この充填口９１に充填ノズルを接合させた状態で、水素タンク５２へ水素が充填される。燃料電池車両には、充填口９１を覆う充填口リッド９２が回動可能に設けられている。充填口９１は、充填口リッド９２が開かれることで露出され、充填ノズルの接続が可能とされる。また、充填口９１の近傍には、充填口リッド９２の開閉状態を検知するリッド開閉センサ９３が設けられている。リッド開閉センサ９３の検知信号は、制御部２０のパージ制御部２１に送信される。

ここで、燃料電池１０の各単セル１１は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜を備えている。そのため、燃料電池１０の運転中には、燃料電池１０の内部は湿潤状態に保持されることが望ましい。しかし、燃料電池１０の運転終了後に、燃料電池１０の内部や、その接続配管の内部に多量の水分が残留していると、その水分は、氷点下などの低温環境下において凍結してしまう。そうした残留水分の凍結は、燃料電池１０の内部やその接続配管における反応ガスの流路の閉塞などの不具合を引き起こし、燃料電池１０の始動性を低下させる原因となる。

そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転を終了させて車両を停車させた後に、パージ制御部２１が、燃料電池１０の内部やその接続配管における反応ガスの流路を掃気するパージ処理（パーキングパージ）を実行する。なお、本明細書において、「燃料電池１０の運転終了後」とは、運転者が、車両の運転を停止させた後の状態（いわゆるイグニションキーがオフの状態）を意味しており、燃料電池１０が運転者からの要求に応じた電力の出力を停止している状態を意味する。

パージ制御部２１は、出口側温度計測部７６ａの計測値、外気温センサ８０の測定温度に基づいてパージ処理の要否を判断し、必要に応じてパージ処理を実行する。パージ処理では、パージ制御部２１が、アノードガス循環排出部６０（図１）の水素循環用ポンプ６４を駆動させ、燃料電池１０に残留している水素を含むガスをパージガスとして循環させる。そして、所定のタイミングで排水弁６６を開き、気液分離部６２において分離された液水を排水する。このように、燃料電池１０のアノード側のガスを循環させるパージ処理を実行することにより、燃料電池１０やその接続配管等に残留していた水分量と、燃料電池１０や水素用の配管５１，６１，６３に残留していた水素量とを低減させることができる。これにより、燃料電池システム１００内における残留水の凍結を抑制し、システム始動時における良好な始動性を得ることができる。

ところで、燃料電池１０の運転終了後にユーザが車両の充填口リッド９２を開いて燃料ガスである水素を充填口９１から充填している最中にパージ処理が実行され、燃料電池システム１００の水素循環用ポンプ６４が駆動されると、ユーザに違和感を与えるおそれがある。このため、パージ制御部２１では、充填口リッド９２のリード開閉センサ９３からの検知信号に基づいて、開状態でのパージ処理の実行を禁止することが想定されるが、この場合、充填口リッド９２が閉め忘れているときなどでは、必要なパージ処理が実行されず、その後、燃料電池１０を始動する際の始動性が低下するおそれがある。

このため、本実施形態では、パージ制御部２１に、燃料電池１０の運転終了後における所定タイミングでパージ処理の可否を判断するパージ可否判断部２２と、パージ可否判断部２２でパージ処理可と判断された場合にパージ処理を実行させるパージ実行部２３とを備え、以下のパージ実行可否判定処理を行う。

図３は、パージ制御部によるパージ実行可否判定処理を説明するフローチャートである。

パージ可否判断部２２は、燃料電池システム１００の運転終了後、所定タイミング毎に起動する（ステップＳ０１）。制御部２０には、タイマーが内蔵されており、制御部２０は、タイマーによって定期的に起動する。パージ可否判断部２２は、この制御部２０が定期的に起動（Ｗａｋｅ−ｕｐ）する所定間隔でパージ処理の判断を行うべく起動する。

パージ可否判断部２２は、リッド開閉センサ９３からの検知信号に基づいて、充填口リッド９２の開閉状態を判定する（ステップＳ０２）。

パージ可否判断部２２は、充填口リッド９２が閉じられていると判定すると（ステップＳ０２：Ｎｏ）、リッド閉め忘れフラグをＯＦＦに設定する（ステップＳ０３）。

パージ可否判断部２２は、充填口リッド９２が開かれていると判定すると（ステップＳ０２：Ｙｅｓ）、充填口リッド９２が開いた状態の開持続時間（Ｔｃｏｕｎｔ）を計測する（ステップＳ０４）。この開持続時間（Ｔｃｏｕｎｔ）は、タイマーによって制御部２０が定期的に起動するごとに、その起動間隔時間（Ｗａｋｅ−ｕｐ間隔）が加算された時間（Ｔｃｏｕｎｔ＝Ｔｃｏｕｎｔ＋Ｗａｋｅ−ｕｐ間隔）となる。そして、この開持続時間（Ｔｃｏｕｎｔ）が予め設定された所定時間（閾値）を越えているかを判定する（ステップＳ０５）。この所定時間は、ユーザによう水素タンク５２への燃料ガスの充填に十分に必要な時間（約１時間程度）である。

パージ可否判断部２２は、開持続時間が所定時間（閾値）を越えていると判定すると（ステップＳ０５：Ｙｅｓ）、リッド閉め忘れフラグをＯＮに設定する（ステップＳ０６）。なお、パージ可否判断部２２は、開持続時間が所定時間（閾値）を越えていないと判定すると（ステップＳ０５：Ｎｏ）、リッド閉め忘れフラグをＯＦＦに設定する（ステップＳ０３）。

パージ可否判断部２２は、パージ実行部２３からパージ処理の実行要求の有無を判定する（ステップＳ０７）。そして、パージ実行部２３からパージ処理の実行要求が有ると判定した場合は（ステップＳ０７：Ｙｅｓ）、リッド開閉センサ９３からの検知信号に基づいて、充填口リッド９２の開閉状態を判定する（ステップＳ０８）。なお、パージ可否判断部２２は、パージ実行部２３からパージ処理の実行要求が無いと判定した場合は（ステップＳ０８：Ｎｏ）、パージ実行要否判定処理を終了する。

パージ可否判断部２２は、充填口リッド９２が開かれていると判定すると（ステップＳ０８：Ｙｅｓ）、リッド閉め忘れフラグがＯＮであるか否かを判定する（ステップＳ０９）。

そして、リッド閉め忘れフラグ判定（ステップＳ０９）において、リッド閉め忘れフラグがＯＮである場合は（ステップＳ０９：Ｙｅｓ）、パージ可否判断部２２がパージ処理可と判断する。これにより、パージ実行部２３によるパージ処理が実行される（ステップＳ１０）。つまり、充填口リッド９２が閉め忘れられるなどにより、燃料ガスの充填に十分に必要な所定時間を越えてもなお開状態が持続しているような場合には、パージ処理が実行される。これにより、低温環境下においても、その後の始動時に凍結等の不具合なく良好な始動性が確保される。

これに対して、リッド閉め忘れフラグ判定（ステップＳ０９）において、リッド閉め忘れフラグがＯＦＦである場合は（ステップＳ０９：Ｎｏ）、パージ可否判断部２２がパージ処理不可と判断する。この場合、パージ実行部２３によるパージ処理が実行されることなく、パージ実行要否判定処理を終了する。つまり、充填口リッド９２が開かれていても、充填口リッド９２の開状態が燃料ガスの充填に十分に必要な所定時間に達していない場合には、パージ処理が実行されることはない。これにより、ユーザによる燃料ガスの充填中におけるパージ処理の実行が抑制される。

なお、パージ可否判断部２２は、充填口リッド９２が閉じられていると判定した場合は（ステップＳ０８：Ｎｏ）、パージ可否判断部２２がパージ処理可と判断する。これにより、パージ実行部２３によるパージ処理が実行される（ステップＳ１０）。したがって、低温環境下においても、その後の始動時に凍結等の不具合なく良好な始動性が確保される。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、ユーザが充填口リッド９２を開いて充填口９１から燃料ガスを水素タンク５２へ充填している最中にパージ処理が実行されるのを抑制できる。これにより、燃料ガスの充填中にパージ処理が実行されることによるユーザへの違和感を抑えることができる。また、充填口リッド９２が開いた状態であっても、その開いた状態の開持続時間が所定時間を越えたときは、パージ処理を実行する。これにより、例えば、充填口リッド９２が閉め忘れて開状態が持続した場合には、パージ処理を実行し、低温環境下においても、その後に燃料電池１０を始動する際の良好な始動性を確保できる。

１０ 燃料電池
２１ パージ制御部
２２ パージ可否判断部
２３ パージ実行部
５２ 水素タンク（タンク）
９１ 充填口
９２ 充填口リッド
９３ リッド開閉センサ
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池と、該燃料電池へ供給される燃料ガスが充填されるタンクと、該タンクへの燃料ガスの充填が行われる充填口と、該充填口を覆う開閉可能な充填口リッドと、該充填口リッドの開閉状態を検知するリッド開閉センサと、前記燃料電池の運転終了後に前記燃料電池のガス流路を掃気するパージ処理の実行を制御するパージ制御部と、を有する燃料電池システムであって、
   前記パージ制御部は、
   前記燃料電池の運転終了後における所定タイミングで前記パージ処理の可否を判断するパージ可否判断部と、前記パージ可否判断部でパージ処理可と判断された場合に、前記パージ処理を実行させるパージ実行部と、を有し、
   前記パージ可否判断部は、
   前記所定タイミングにおいて、前記リッド開閉センサからの検知信号に基づいて、
   前記充填口リッドが閉状態であるとき、または前記充填口リッドの開状態の持続時間が所定時間を越えているときに、パージ処理可と判断し、
   前記充填口リッドの開状態の持続時間が所定時間未満であるときに、パージ処理不可と判断する
   燃料電池システム。

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