特許 6246501 燃料電池システムの脈動運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6246501

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】燃料電池システムの脈動運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20171204BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20171204BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 A

   H01M8/04 H

【請求項の数】7

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-121737(P2013-121737)

(22)【出願日】2013年6月10日

(65)【公開番号】特開2014-120466(P2014-120466A)

(43)【公開日】2014年6月30日

【審査請求日】2016年6月7日

(31)【優先権主張番号】10-2012-0146001

(32)【優先日】2012年12月14日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】キム、ジェ、フン

(72)【発明者】

【氏名】ファン、ヨン、シン

【審査官】 武市 匡紘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１１９３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１１０２１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１９９７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／００４７８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−３０２５７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１５７３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６０５８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料極出口に連結された水素パージ弁の開放周期の間、燃料電池の燃料極に供給される燃料に対する脈動運転圧力の大きさ及び周期を調節する脈動制御を実施して燃料極内の水排出と燃料極の燃料利用率を最適に維持させ、
前記脈動制御は、Ｎ回の脈動区間と、Ｎ回の脈動区間の間において一定運転圧力で行われる非脈動区間とを繰り返し実施することを特徴とする燃料電池システムの脈動運転方法。

【請求項2】

前記脈動制御は、前記燃料電池システムの現在出力が基準出力以下の場合に実施され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の脈動運転方法。

【請求項3】

前記燃料電池システムの現在出力が基準出力以下であれば、前記脈動制御のために、水素パージ弁の開放周期を増加させる制御と、水素パージ弁の開放時間を短縮させる制御と、燃料再循環のための再循環装置の回転数の縮小制御とを更に行う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の脈動運転方法。

【請求項4】

前記脈動制御は、前記燃料電池システムの最大出力の４０％以下のみで実施される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の脈動運転方法。

【請求項5】

前記脈動制御は、水素パージ弁の燃料パージの後、閉鎖時点からその次のパージ時の開放前までの開放周期の間に実施され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の脈動運転方法。

【請求項6】

前記脈動制御時の総脈動維持時間は、水素パージ弁の開放周期の約５０％以下を維持することを特徴とする請求項１または５に記載の燃料電池システムの脈動運転方法。

【請求項7】

前記脈動制御は、燃料電池の低出力区間で実施し、中出力及び高出力区間では実施しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの脈動運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムの脈動運転方法に関するものであり、より詳細には、燃料電池の燃料極内に残存する水を円滑に排出させると共に燃料利用率を極大化させる燃料電池システムの脈動運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

通常、燃料電池システムは、電気エネルギーを発生させる燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システムと、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である酸素を供給する空気供給システムと、燃料電池スタックの反応熱をシステムの外部に除去して燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水管理システムと、を含んで構成される。

【0003】

燃料電池システムの構成において、燃料供給システムの構成及び動作を図１ａを参照して説明すると、燃料タンクから水素供給ライン１８に沿って供給された燃料が燃料電池の燃料極入口１４を介して燃料電池の燃料極１２（ａｎｏｄｅ）に入った後、電気生成のための反応を終了し、一部の未反応水素は燃料極出口１６を介して排出される。

【0004】

この際、前記燃料電池の燃料極の運転圧力は、図１ｂに示すように、燃料電池の運転時間を問わず一定の圧力で維持される。

【0005】

また、前記燃料極出口１６を介して排出された未反応水素の一部は、再循環装置２０（例えば、再循環ブロワーモータ）の駆動により燃料極入口１４に再循環され、残りの水素は水と共に水素パージ弁２２を通過して外部に排出される。

【0006】

このように燃料電池の燃料極出口１６側に再循環装置２０を連結して燃料電池の燃料極１２で使用して残った未反応水素を再び燃料極入口１４に再循環させて燃料極の水排出のための用途などで再使用している。

【0007】

一方、燃料電池の燃料極内のチャンネルには電気生成のための反応で水が生成されて残存し、この残存する水は燃料電池の燃料極を構成する触媒層の腐食を引き起こすおそれがあるため、円滑に排出させることが好ましい。

【0008】

そのために、図２ａに示すように、水素供給ラインの任意の位置に、燃料極に供給される燃料運転圧力を流動させるための別途の脈動発生装置２４が設置されている。

【0009】

前記再循環装置２０の作動により未反応水素が燃料電池の燃料極１２に再び供給される場合、前記脈動発生装置２４の脈動作動力により燃料極１２内に供給された水素は脈動による流動の流れ力を発生させるが、この際、流動の流れ力により燃料極１２の内部に残存する水が動いて燃料極出口１６側に排出除去されることで、燃料電池システムの運転安定性を向上させることができる。

【0010】

より詳細には、燃料（水素）が燃料電池の燃料極１２に供給される前に脈動発生装置２４で上限値と下限値を用いて繰り返し調節する脈動流動圧力（図２ｂ参照）、すなわち、水素供給圧力を発生させることにより、燃料極１２内に入る水素には脈動による流動の流れ力が発生され、この流動の流れ力により燃料電池の燃料極１２のチャンネル内部に残存している水が動いて燃料極出口１６側に排出除去されることで、燃料電池システムの運転安定性を向上させ、水排出のための水素パージ弁のパージ周期も長く延ばすことができる。

【0011】

このように、前記脈動発生装置を用いることにより、図３ａに示すように、脈動発生装置を適用しなかった既存の場合と比較して、燃料極のチャンネル内部に残存する水排出速度を２倍以上増加させて燃料極のフラッディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）現象を抑制でき、それによって、燃料電池システムの運転安定性を向上させることができる。

【0012】

しかしながら、脈動発生装置の過大な脈動により、次のような問題もある。

【0013】

第１に、脈動発生装置の過大な脈動により、燃料極内の水を過剰排出して燃料極のチャンネルの水分が減少しすぎる問題がある。

【0014】

具体的には、脈動発生装置による脈動の連続的な発生により、燃料極のチャンネル内部の水が過剰排出され、かえって燃料極チャンネルの水分が減少しすぎるため、空気極から燃料極側に液滴（ｌｉｑｕｉｄ Ｈ_２Ｏ）の移動量が増加して空気極の水分も減少することになって、燃料極及び空気極を含む燃料電池全体に対して乾燥（ｄｒｙ）現象が発生し、燃料電池の性能及び耐久性が減少する問題がある。

【0015】

第２に、燃料極の運転圧力が脈動圧力により持続的に維持されるため、燃料極に高い運転圧力区間が発生し、燃料極から空気極にクロスオーバーされる燃料量が増加するなどの原因により、図３ｂに示すように、燃料（水素）の消費量が脈動発生装置を適用しなかった従来の場合に比べて２．５％増加して燃料利用率が低減し、燃料利用率が低減しただけに燃料電池システムの効率が低下する問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明は、上記のような点を考慮して案出したものであり、燃料電池の燃料極に供給される水素に対する脈動運転圧力の大きさ及び周期を調節する脈動制御を実施して燃料極内に残存する水を円滑に排出させると共に燃料極の燃料利用率を極大化させ、燃料電池システムの運転安全性をさらに向上させる燃料電池システムの脈動運転方法を提供することにその目的がある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明は、燃料極出口に連結された水素パージ弁の開放周期の間、燃料電池の燃料極に供給される燃料に対する脈動運転圧力の大きさ及び周期を調節する脈動制御を実施して燃料極内の水排出と燃料極の燃料利用率を最適に維持させる燃料電池システムの脈動運転方法を提供する。

【0018】

本発明による前記脈動制御は、前記燃料電池システムの現在出力が基準出力以下の場合に実施されることを特徴とする。

【0019】

好ましくは、前記燃料電池システムの現在出力が基準出力以下であれば、前記脈動制御のために、水素パージ弁の開放周期を増加させる制御と、水素パージ弁の開放時間を短縮させる制御と、燃料再循環のための再循環装置の回転数の縮小制御が先行されることを特徴とする。

【0020】

さらに好ましくは、前記脈動制御は、前記燃料電池システムの最大出力の４０％以下のみで実施されることを特徴とする。

【0021】

特に、前記脈動制御は、Ｎ回の脈動区間と、Ｎ回の脈動区間の間において一定運転圧力で行われる非脈動区間とを繰り返し実施することを特徴とする。

【0022】

また、前記脈動制御は、水素パージ弁の燃料パージの後、閉鎖時点からその次のパージ時の開放前までの開放周期の間に実施されることを特徴とする。

【0023】

さらに、前記脈動制御時の総脈動維持時間は、水素パージ弁の開放周期の約５０％以下を維持することを特徴とする。

【0024】

好ましくは、前記脈動制御は、燃料電池の低出力区間で実施し、中出力及び高出力区間では実施しないことを特徴とする。

【発明の効果】

【0025】

本発明は、次のような効果を提供する。

【0026】

本発明によれば、燃料電池の燃料極に供給される水素に対する脈動運転圧力の大きさ及び周期を調節する脈動制御を実施するが、水素パージ弁の開放周期の間にＮ回の脈動運転圧力区間と、一定運転圧力で行われる非脈動区間とを繰り返し実施するなどの制御を行うことにより、燃料極内に残存する水を円滑に排出させるだけでなく、燃料極の燃料利用率を極大化させることができる。

【0027】

特に、従来の燃料極の脈動運転方法に比べて燃料（水素）使用量の減少による燃料電池の燃料利用率（＝燃料電池の燃費）を向上させ、それによって燃料電池システムの運転安全性をさらに向上させることができる。

【0028】

また、従来の過大な脈動により燃料が空気極に移動するクロスオーバー量の増加現象及び燃料極の乾燥現象などを防止することができる。

【0029】

また、脈動流動の最適化による燃料排出周期及び燃料排出弁の開放時間を最適化して燃料使用量の減少及び燃料利用率（燃費）の増加を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1a】燃料電池システムの燃料供給システムの構成を示す概略図である。

【図1b】図１ａの燃料供給システムの燃料供給のための運転圧力を示すグラフである。

【図2a】燃料電池システムの燃料供給システムに脈動発生装置が構成された一例を示す概略図である。

【図2b】図２ａの脈動発生装置による脈動運転圧力を示すグラフである。

【図3a】脈動発生装置の脈動運転圧力による水排出の速度及び燃料（水素）の消費量を示すグラフである。

【図3b】脈動発生装置の脈動運転圧力による水排出の速度及び燃料（水素）の消費量を示すグラフである。

【図4a】燃料供給システムに脈動発生装置が構成された他の例を示す概略図である。

【図4b】燃料供給システムに脈動発生装置が構成された他の例を示す概略図である。

【図4c】燃料供給システムに脈動発生装置が構成された他の例を示す概略図である。

【図5】本発明による燃料電池システムの脈動運転方法の一実施例を示す概略図である。

【図6】本発明による燃料電池システムの脈動運転方法の他の実施例を示す概略図である。

【図7】本発明による燃料電池システムの脈動運転方法を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

【0032】

図２ａ及び図４ａを参照すると、燃料電池の燃料極入口１４に連結された水素供給ライン１８と燃料極出口１６に連結された水素排出ライン２６とが再循環ライン２８に連結されており、再循環ライン２８には、燃料極出口１６から排出された未反応水素を円滑な水排出のために燃料極入口１４を介して燃料極１２内に再循環させる再循環装置２０が装着されている。

【0033】

燃料極に供給される燃料運転圧力を流動させるための別途の脈動発生装置２４が、図２ａに示すように、水素供給ライン１８の任意の位置に設置されるか、図４ａに示すように、水素排出ライン２６の任意の位置に設置される。

【0034】

したがって、水素タンクから新たな水素が燃料電池の燃料極１２に供給されるか、または、再循環装置２０の作動により未反応水素が燃料電池の燃料極１２に再び供給されるとき、前記脈動発生装置２４の脈動作動力により、燃料極１２内に供給された水素は脈動による流動の流れ力を発生させるが、この際、流動の流れ力により、燃料極１２の内部に残存する水が動いて燃料極出口１６側に容易に排出されることができる。

【0035】

図４ｂ及び図４ｃを参照すると、再循環ライン２８に再循環装置２０が装着されておらず、別途の脈動発生装置２４が水素供給ライン１８または水素排出ライン２６の任意の位置に設置されている。

【0036】

この際、前記再循環装置２０は、未反応水素を水排出のための流動流体となるように燃料極に再循環させる役割をするため、別途の脈動発生装置２４が設置される場合には設置しなくても良い。

【0037】

すなわち、水素タンクからの新たな水素が脈動発生装置２４の脈動圧力により燃料極に入って水排出を円滑に行うので、再循環装置２０を省略しても良い。

【0038】

ここで、上記のように再循環装置が設置されたか否かを問わず、水素供給ラインまたは水素排出ラインの任意の位置に設置された脈動発生装置を基盤とする本発明の脈動制御方法を図４から図６を参照して説明する。

【0039】

上述したように、前記再循環装置２０の作動により未反応水素または燃料タンクからの新たな水素が水素供給ライン１８に沿って燃料電池の燃料極１２に供給されるとき、前記脈動発生装置２４で脈動圧力を発生させる脈動制御を実施することにより、燃料極１２内に供給された水素は脈動圧力による流動の流れ力を発生させる。

【0040】

本発明によれば、前記脈動発生装置の脈動制御は、燃料電池の燃料極内に残存する水を円滑に排出させると共に燃料の利用率を極大化させる水準に調節されて実施される。

【0041】

すなわち、本発明の脈動制御は、燃料極出口に連結された水素パージ弁の開放周期の間、燃料電池の燃料極に供給される燃料に対する脈動運転圧力の大きさ及び周期を調節する脈動制御を実施するが、燃料極内の水排出と燃料極の燃料利用率を最適に維持させる水準に実施する点に特徴がある。

【0042】

ここで、前記水素パージ弁の開放周期は、水素パージ弁が開放されて水と共に水素が排出された後、再び閉鎖時点からその次のパージ時の開放前までの開放周期をいう。

【0043】

本発明の脈動制御に対する好ましい実施例として、図５に示すように、水素パージ弁の開放周期の間、脈動発生装置の脈動作動によるＮ回の脈動区間と、脈動発生装置の脈動が作動しないことにより一定運転圧力で行われる非脈動区間とが繰り返される。

【0044】

この際、前記Ｎ回の脈動区間では、脈動発生装置で上限値と下限値の脈動圧力を繰り返し提供することにより、燃料（水素）が燃料電池の燃料極に供給される前に燃料極内に入る水素に対して脈動による流動の流れ力が発生し、この流動の流れ力により燃料電池の燃料極のチャンネル内部に残存している過量の水のみが燃料極出口に容易に排出除去され、それによって円滑な水排出性能を維持して燃料電池システムの運転安定性を向上させることができる。

【0045】

また、既存のように燃料極運転圧力が持続的な脈動圧力により維持されて燃料利用率が低下する点とは異なり、脈動流動の最適化による燃料排出周期及び燃料排出弁の開放時間を最適化して燃料使用量の減少及び燃料利用率（燃費）の増加を図ることができる。

【0046】

この際、前記Ｎ回の脈動区間による脈動圧力の維持時間は水素パージ弁の開放周期の約５０％以下に維持されることにより、既存のように過大な脈動により燃料極内の水が過剰排出されて乾燥現象が発生することはなくなる。

【0047】

このような本発明の脈動制御は、燃料電池システムの現在出力が基準出力以下の場合にのみ実施する。

【0048】

より詳細には、本発明の脈動制御を図６に示すように、燃料電池システムの最大出力の４０％以下の低出力区間のみで実施し、最大出力の４０％以上の中出力及び高出力区間では実施しないことが好ましい。

【0049】

本発明の脈動制御を燃料電池システムの最大出力の４０％以下の低出力区間のみで実施する理由は、燃料電池システムの最大出力の４０％以上の中出力及び高出力領域では燃料（水素）供給流量の増加により水（ｌｉｑｕｉｄ Ｈ_２Ｏ）を円滑に除去できるため、水排出のための脈動圧力運転が不要であるからであり、また、燃料電池システムの最大出力の４０％以上の中／高出力領域では脈動流動の適用時に燃料極圧力が高すぎて燃料電池システムの不安定性を誘発する原因となるからである。

【0050】

一方、本発明の脈動制御により、水素パージ弁の開放周期を従来と比べて増加でき、水素パージ弁の開放時間を短縮でき、また、燃料再循環のための再循環装置の回転数の縮小制御が行われる。

【0051】

すなわち、既存には燃料極に対する持続的な脈動圧力が提供されることにより、未反応水素と共に水が過剰排出され、水の過剰排出により水素パージ弁の開放周期を短縮しなければならなかったが、本発明では脈動圧力の大きさ及び周期を調節することにより、未反応水素及び水排出のための水素パージ弁の開放周期を長く延ばしながらも開放時間を短縮させることができる。

【0052】

また、本発明の脈動制御により、燃料極での燃料利用率が増加すると共に燃料消費量が減少することにより、燃料極での未反応水素量を減少させることができ、それによって再循環のための水素量も減少するようになるため、再循環装置の回転数を縮小させて再循環装置の耐久性を向上させることができる。

【符号の説明】

【0053】

１２ 燃料極
１４ 燃料極入口
１６ 燃料極出口
１８ 水素供給ライン
２０ 再循環装置
２２ 水素パージ弁
２４ 脈動発生装置
２６ 水素排出ライン
２８ 再循環ライン

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【図5】

【図6】

【図7】