JP4642432B2

JP4642432B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4642432B2
Application number: JP2004312298A
Authority: JP
Inventors: 保紀小谷; 知樹小林; 稔魚嶋; 千大和氣; 義一村上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: US20060088742A1; JP2006127830A; US7399543B2

Description

本発明は、燃料電池のアノード極への供給圧力を調整するレギュレータを有する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムの一例としては、酸化剤ガスを燃料電池のカソード極に供給するとともに、燃料ガスを燃料電池のアノード極に供給して、これらのガスの電気化学反応により発電出力を得るシステムが知られている。
ところで、燃料電池で発電をさせる際に、アノード極とカソード極との圧力の差分（極間差圧）を一定以内の範囲に保持する必要がある。そこで、燃料電池のカソード入口圧力（基準圧）に対する燃料電池のアノード供給圧力の差圧が一定以内の範囲に保持されるように、信号圧として印加される酸化剤ガスの圧力に基づいて前記アノード供給圧力を調整するレギュレータを有するシステムがある。例えば、特許文献１には、アノード極に印加する圧力をレギュレータを介して自動的に調整可能とするために、カソード極に印加する圧力をエアインジェクタで制御する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−３７３６８２号公報

しかしながら、前記レギュレータに信号圧を印加する酸化剤ガスには、燃料電池システムの外気（エア）を導入する手法が一般的であり、燃料電池の運転時間や外部環境によっては、レギュレータに信号圧を印加するエアが流通する信号圧ラインやエアインジェクタに結露水が発生してしまう。この結露水が信号圧ラインやエアインジェクタに残留した状態で燃料電池システムを停止させてしまうと、氷点下等の低温環境下で上述の結露水が凍結してしまい、燃料電池システムを低温環境下で始動させる際に信号圧の微調整を行うことができないという問題がある。
本発明は、信号圧ラインにおける残留水の凍結を防止して、低温環境下で始動させる際に信号圧の微調整を行う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。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ３）と、前記燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施の形態における水素タンク２）と、前記燃料電池の運転状態に応じて前記カソード極の圧力を調整するカソード圧力調整手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ２５）と、前記酸化剤ガス供給手段から供給されるエア圧力を信号圧として印加され、この信号圧に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータとを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電停止時または停止後に、前記カソード極、前記アノード極、および前記レギュレータに信号圧を印加するエアが流通する信号圧ラインを掃気ガスにより掃気する掃気手段（例えば、実施の形態における掃気ガス供給手段１９）と、前記掃気手段から供給された前記掃気ガスを冷却するインタークーラ（例えば、実施形態におけるインタークーラ１１）と、前記インタークーラをバイパスするバイパス流路（例えば、実施形態におけるバイパス流路１２）と、を有し、前記信号圧ラインを掃気する前記掃気手段の前記掃気ガスの温度は、前記バイパス流路を流通させることにより前記燃料電池の発電停止直前の前記カソード極の温度に比べて高い温度にすることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の運転時間や外部環境によって前記信号圧ラインに結露水が発生したときに、前記燃料電池の発電停止時または停止後に前記掃気手段により前記信号圧ラインを掃気することで、前記信号圧ラインから結露水を外部に排出できるため、氷点下時においても前記信号圧ラインの凍結を防ぐことができる。これにより、低温環境下で始動する場合であっても、前記信号圧ラインを介して前記レギュレータに信号圧を精度よく伝達することが可能となる。
また、前記掃気ガスの温度を前記カソード極の温度に比べて高い温度で掃気することで、前記掃気ガスの相対湿度を低くすることができるので、より多量の水分を前記掃気ガス中に取り込むことができ、前記信号圧ラインや前記圧力調整手段に発生した結露水の排出性を向上することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記信号圧ラインには、前記レギュレータに印加する信号圧を調整可能な圧力調整手段が設けられていることを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池の発電停止時または停止後に前記掃気手段により前記信号圧ラインを掃気することで、前記信号圧ラインやこれに設けられた圧力調整手段から結露水を外部に排出できるため、氷点下時においても前記信号圧ラインや圧力調整手段の凍結を防ぐことができる。これにより、低温環境下で始動する場合であっても、前記信号圧ラインを介して前記レギュレータに信号圧を精度よく伝達することが可能となり、前記圧力調整手段により信号圧を精度よく調整することが可能となる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記掃気手段の掃気ガスの圧力を前記燃料電池の発電停止直前の前記カソード極の圧力に比べて高い圧力にすることを特徴とする。
この発明によれば、前記掃気ガスの圧力を前記カソード極の圧力に比べて高い圧力で掃気することで、前記信号圧ラインや前記圧力調整手段に発生した結露水の排出性を向上することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記燃料電池の掃気が必要かどうかを判定する掃気判定手段をさらに備え、該掃気判定手段は、外気温が所定温度以下の場合に掃気が必要であると判定し、前記掃気を行うことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のものであって、前記掃気手段の掃気ガスは、前記酸化剤ガスであることを特徴とする。
この発明によれば、掃気ガスに酸化剤ガスを用いることで、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と前記掃気手段とを共用化することができるため、システムに必要な部品点数の増加を防ぐことができ、システム全体としてコンパクトな構成とすることができる。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のものであって、前記信号圧ラインは、酸化剤ガス供給流路における前記インタークーラよりも下流側で接続されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路との接続箇所よりも下流側に信号圧ライン開閉弁を備えていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、低温環境下で始動する場合であっても、前記信号圧ラインを介して前記レギュレータに信号圧を精度よく伝達することが可能となる。
また、前記信号圧ラインや前記圧力調整手段に発生した結露水の排出性を向上することができる。
請求項２に係る発明によれば、低温環境下で始動する場合であっても、前記信号圧ラインを介して前記レギュレータに信号圧を精度よく伝達することが可能となり、前記圧力調整手段により信号圧を精度よく調整することが可能となる。

請求項３に係る発明によれば、前記信号圧ラインや前記圧力調整手段に発生した結露水の排出性を向上することができる。
請求項４に係る発明によれば、掃気に必要なエネルギーを必要最小限に抑制することができる。
請求項５に係る発明によれば、システムに必要な部品点数の増加を防ぐことができ、システム全体としてコンパクトな構成とすることができる。
請求項６に係る発明によれば、信号圧ライン開閉弁を開閉作動させることで、信号圧ラインへの酸化剤ガスの流通を許容または遮断させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムについて実施の形態を説明する。
図１は、この発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。燃料電池１は、固体高分子電解質膜の両側にアノード極とカソード極が設けられ各電極の外側に反応ガスを供給するためのガス通路が設けられてなるセルを多数積層して構成されている。
この燃料電池１は、アノード極に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード極に酸化剤ガスとしてのエアが供給されて発電を行う。

水素は高圧水素タンク２から水素供給流路４に供給され、遮断弁５を通った後にレギュレータ６により減圧された後、エゼクタ７を通り、燃料電池１のアノード極に供給される。この水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして排出され、循環流路８を通ってエゼクタ７に吸引され、前記高圧水素タンク２から供給される水素ガスと合流し再び燃料電池１に供給され循環するようになっている。
なお、循環流路８は電磁駆動式のパージ弁（図示せず）を介して水素オフガス排出流路９に接続されている。

一方、エアはコンプレッサ３によって加圧されてエア供給流路１０に供給され、インタークーラ（Ｉ／Ｃ）１１を介して冷却された後に、燃料電池１のカソード極に供給される。このエア中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１からエアオフガスとしてエアオフガス排出流路１４から排出される。
また、エア供給流路１０には、インタークーラ１１をバイパスするバイパス流路１２が接続されている。バイパス流路１２にはバイパス流路開閉弁１３が設けられ、該バイパス流路開閉弁１３を開閉作動させることで、バイパス流路１２へのエアの流通を許容または遮断させることができる。

また、エア供給流路１０には、インタークーラ１１やバイパス流路１２の下流側で信号圧ライン２２が接続されている。信号圧ライン２２には、エア供給流路１０との接続箇所近傍に信号圧ライン開閉弁２３が設けられ、該信号圧ライン開閉弁２３を開閉作動させることで、信号圧ライン２２へのエアの流通を許容または遮断させることができる。
信号圧ライン２２は、前記信号圧ライン開閉弁２３の下流側でレギュレータ６に接続されている。

レギュレータ６は、例えばエア式の比例圧力制御弁（図示せず）からなり、コンプレッサ３から信号圧ライン２２に供給されるエアの圧力を信号圧として入力され、レギュレータ６出口の水素圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように減圧制御する。本実施の形態においては、大気圧を基準として、信号圧の所定倍（例えば３倍）の圧力をレギュレータ６出口の圧力となるように制御している。
また、信号圧ライン２２には、レギュレータ６の下流側でエアインジェクタ２４が設けられている。このエアインジェクタ２４の開度を調整することで、レギュレータ６に入力する信号圧を調整することができる。

また、水素供給流路４とエア供給流路１０とは供給側合流流路１５を介して接続されている。供給側合流流路１５には開閉弁（エア導入弁）１７が設けられ、開閉弁１７の開閉作動により供給側合流流路１５へのガス（この場合はエア）の流通を許容または遮断させることができる。
また、水素オフガス排出流路９とエアオフガス排出流路１４とは、排出側合流流路１６を介して接続されている。排出側合流流路１６には開閉弁（エア排出弁）１８が設けられ、開閉弁１８の開閉作動により排出側合流流路１６へのガス（この場合はエア）の流通を許容または遮断させることができる。

ＥＣＵ２５は、燃料電池１に要求されている出力（以下、要求出力）に応じて、エアコンプレッサ３を駆動して所定量のエアを燃料電池１に供給し、さらに、遮断弁５やそれぞれの開閉弁１３、２１、１７、１８の開閉作動、エアインジェクタ２４の開度調整などの制御を行う。

上記のように構成された燃料電池システムの動作について説明する。図２は図１に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。また、図３は、図１に示す燃料電池システムの水素遮断弁５、エア導入弁１７、エア排出弁１８、エアコンプレッサ吐出流量、カソード作動圧（カソード極に流入するガス圧力）、カソード流量（カソード極に流入するガス流量）、アノード流量（アノード極に流入するガス流量）、インタークーラーバイパス流量（バイパス流路１２の流量）、掃気エア温度、エアインジェクタ２４のそれぞれの時間に対する変化を示すグラフ図である。

まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチがＯＮからＯＦＦに切り換わって（ＩＧ−ＯＦＦ）、運転停止信号が入力される（時刻ｔ１）。ステップＳ１２で、水素供給流路４の遮断弁５が閉じられて、燃料電池１のアノード極への水素の供給を停止させる（発電停止）。

ステップＳ１４で、エアコンプレッサ３の回転数を増大させてエア供給流路１４に供給するエアの圧力を上昇させる。そして、このエアをエア供給流路１４を介して燃料電池１のカソード極に供給して、燃料電池１のカソード極の掃気処理を行う。本実施の形態では、掃気ガスにエアを用いており、エアコンプレッサ３を掃気手段として機能させている。これにより、システムに必要な部品点数の増加を防ぐことができ、システム全体としてコンパクトな構成とすることができる。

ステップＳ１６で、エア導入弁１７を開き、エアコンプレッサ３から供給されるエアを供給側合流流路１５を介して水素供給流路４に導入する（時刻ｔ２）。そして、水素供給流路４からエアを燃料電池１のアノード極に供給する。これにより、燃料電池１のアノード極の掃気処理を行う。ステップＳ１８で、エア排出弁１８を開き、水素オフガス排出流路９から排出側合流流路１６を介してエアオフガス排出流路１４に排出し、掃気済みのエアを外部に排出する（時刻ｔ３）。このように、エアによりカソード極のみならずアノード極の掃気処理も併せて行うことができるので、水素を消費することなく、掃気処理を行うことができる。

ステップＳ２０で、インタークーラバイパス弁（バイパス流路開閉弁）１３を開き、バイパス流路１２にエアを流通させる。その結果、エアを冷却するインタークーラ１１を通るエア流量が減少するため、燃料電池１のカソード極に供給されるエアの温度を高くすることができる。これにより、エアの相対湿度を低くすることができるので、より多量の水分をエア中に取り込むことができる。

そして、ステップＳ２２で、信号圧ライン２２の掃気処理が必要か否かの判定を行い、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２８に進む。本実施の形態では、前記掃気処理の必要か否かの判定は、外気温が所定温度以下か否かにより行う。所定温度としては、０度であってもよいが、季節や日時、場所等を加味して設定することができる。例えば、日中にステップＳ２２の判定を行った場合には、その季節の夜間の気温等を考慮して、所定温度を０度よりも高い温度に設定してもよい。

ステップＳ２４では、エアインジェクタ２４を開き、信号圧ライン２２にエアを流通させる（時刻ｔ４）。このときに、タイマー（図示せず）により計測処理を開始する。そして、ステップＳ２６では、タイマーでの計測時間ＴＭが所定時間ＴＭＩＮＪ以上か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ２８に進む。また、この判定結果がＮＯであれば、ステップＳ３０に進み、タイマーをインクリメントして、ステップＳ２６の処理に戻る。

ステップＳ２８では、エアインジェクタ２４を閉じて、信号圧ライン２２やエアインジェクタ２４の掃気処理を終了する（時刻ｔ５）。このときに、ステップＳ３２でエア導入弁１７を閉じ、ステップＳ３４でエア排出弁１８を閉じて、アノード極へのエアの供給を停止する。そして、エアコンプレッサ３を停止して、本フローチャートの処理を終了する。

以下、本発明の第２の実施の形態について、図４、図５を用いて説明する。図４は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムのブロック図である。図５は図４に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。以下、前述の実施の形態と同様の構成や処理内容については同一の符号を付してその説明を適宜省略する。

図４に示すように、本実施の形態における燃料電池システムは掃気ガス供給手段１９を備えている。掃気ガス供給手段１９は掃気ガス供給流路２０を介して信号圧ライン２２に接続されている。掃気ガス供給流路２０は、信号圧ライン開閉弁２３の下流側であってレギュレータ６の上流側の部位で、信号圧ライン２２に接続されている。また、掃気ガス供給流路２０には掃気ガス供給流路開閉弁（掃気弁）２１が設けられ、該開閉弁２１を開閉作動することで掃気ガス供給流路２０への掃気ガスの流通を許容または遮断させることができる。ここで、掃気ガスとしては、窒素等の不活性ガスを用いてもよいし、エアであってもよい。

そして、本実施の形態における燃料電池システムの動作は、図５に示すように、ステップＳ１２で、水素遮断弁５を閉じた後、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、掃気弁２１を開いて、掃気ガス供給手段１９から掃気ガス供給流路２０に掃気ガスを供給する。ついで、ステップＳ４４で、信号圧ライン開閉弁２３を開いて、エア供給流路１０に掃気ガスを供給する。これ以降の処理は、図２に示すものと同様であるので省略する。このように、本実施の形態においては、掃気ガス供給手段１９の掃気ガスにより燃料電池１のアノード極やカソード極、そして、信号圧ライン２２やエアインジェクタ２４の掃気を行っている。

以上説明したように、上述した第１および第２の実施の形態においては、燃料電池１の運転時間や外部環境によって前記信号圧ライン２２やエアインジェクタ２４に結露水が発生したときに該結露水を外部に排出できるため、氷点下時においても前記信号圧ライン２２やエアインジェクタ２４の凍結を防ぐことができる。これにより、低温環境下で始動する場合であっても、前記信号圧ライン２２を介して前記レギュレータ６に信号圧を精度よく伝達することが可能となり、エアインジェクタ２４によって信号圧を精度よく調整することが可能となる。
また、信号圧ライン２２やエアインジェクタ２４を掃気するエアの圧力を前記カソード極の圧力に比べて高い圧力で掃気し、エアの温度を前記カソード極の温度に比べて高い温度で掃気することで、結露水の排出性を向上することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、上述の実施の形態では、アノード極とカソード極との掃気処理を別々に行ったが、同時に行ってもよい。また、エアインジェクタ２４や信号圧ライン２２の掃気処理は、アノード極やカソード極の掃気処理と並行して行ってもよい。また、掃気ガスとしてエアを用いる場合、アノード極やカソード極の掃気処理を開始する際にバイパス流路開閉弁１３を開いてもよい。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムのブロック図である。図１に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。図１に示す燃料電池システムの水素遮断弁、エア導入弁、エア排出弁、エアコンプレッサ吐出流量、カソード作動圧、カソード流量、アノード流量、インタークーラーバイパス流路、掃気エア温度、エアインジェクタのそれぞれの時間に対する変化を示すグラフ図である。本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムのブロック図である。図４に示す燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
２…水素タンク（燃料ガス供給手段）
３…エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
６…レギュレータ
１９…掃気ガス供給手段
２２…信号圧ライン
２４…エアインジェクタ
２５…ＥＣＵ（カソード圧力調整手段）

Claims

燃料電池のカソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池の運転状態に応じて前記カソード極の圧力を調整するカソード圧力調整手段と、
前記酸化剤ガス供給手段から供給されるエア圧力を信号圧として印加され、この信号圧に基づいて前記アノード極への供給圧力を調整するレギュレータとを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電停止時または停止後に、前記カソード極、前記アノード極、および前記レギュレータに信号圧を印加するエアが流通する信号圧ラインを掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
前記掃気手段から供給された前記掃気ガスを冷却するインタークーラと、
前記インタークーラをバイパスするバイパス流路と、を有し、
前記信号圧ラインを掃気する前記掃気手段の前記掃気ガスの温度は、前記バイパス流路を流通させることにより前記燃料電池の発電停止直前の前記カソード極の温度に比べて高い温度にすることを特徴とする燃料電池システム。
前記信号圧ラインには、前記レギュレータに印加する信号圧を調整可能な圧力調整手段が設けられてい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。
前記掃気手段の掃気ガスの圧力を前記燃料電池の発電停止直前の前記カソード極の圧力に比べて高い圧力にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の掃気が必要かどうかを判定する掃気判定手段をさらに備え、該掃気判定手段は、外気温が所定温度以下の場合に掃気が必要であると判定し、前記掃気を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記掃気手段の掃気ガスは、前記酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記信号圧ラインは、酸化剤ガス供給流路における前記インタークーラよりも下流側で接続されるとともに、前記酸化剤ガス供給流路との接続箇所よりも下流側に信号圧ライン開閉弁を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。