JP2002151116A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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Abstract
な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よ
く燃料電池に燃料ガスを供給する。 【解決手段】 燃料電池スタック6と、燃料電池スタッ
ク6の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料貯蔵タ
ンク1と、燃料電池スタック6に燃料ガスを供給すると
ともに、燃料電池スタック6から排出された燃料ガスの
少なくとも一部を再度燃料電池スタック6の燃料極に供
給するエゼクタポンプ3を有する供給流路11と、燃料
貯蔵タンク1から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの圧
力を調整して燃料電池スタック6に供給する流量を調整
するバイパス弁4を有する燃料ガス副流路12と、燃料
ガスを供給するに際して、燃料ガス流路11及び燃料ガ
ス副流路12の燃料ガス流量を制御するシステムコント
ローラ7とを備える。
Description
駆動源として使用され、燃料ガスとして水素ガス、酸化
剤ガスとして空気が供給されて発電をする燃料電池に燃
料ガスを供給する燃料電池システムに関する。
は、例えば特開平9−22714号公報に開示されたも
のが知られている。
料電池スタックから排出された燃料ガスを循環させるこ
とでリサイクルし、外部から新たに供給する水素を多く
含む水素リッチな燃料ガスに循環した水素ガスを混合さ
せた上で燃料電池の燃料極に供給して発電を行うため、
エゼクタポンプを採用していることが開示されている。
来の燃料電池への水素供給装置は、定置型燃料電池を対
象とした使用を前提とする場合が多い。この水素供給装
置では、車両走行用として使用しようとすると、例えば
アクセルオフ後の再加速や急加速時などのときには瞬時
に大容量の水素を供給する必要があり、水素循環エゼク
タ内を極力少ない圧損で通過させるためには大口径のエ
ゼクタノズルを使用する必要がある。
るために、一定値以上の流体流速を得る必要があり、大
口径のエゼクタノズルを採用した場合には、アイドル停
止時や低速での定常走行時等の低流量循環時の水素循環
性能を得ることが不可能になる場合がある。すなわち、
従来の水素供給装置は、循環負圧を得るための一定値以
上の流体流速を得ることが困難であり、車両用として要
求される応答性が成立しないという可能性があるという
問題があった。
流体圧が高い方が大きな電圧出力を得やすいため水素ガ
ス圧を高くする傾向にあり、低負荷時には、コンプレッ
サによる駆動損失を最小限にするため水素ガス圧を低く
する傾向にあることが多い。
答性を良く切り換えるためには、定常消費流量と併せて
水素ガス圧を上げるために必要な多大の過渡流量が必要
であり、負荷応答性の確保が困難であるという問題があ
った。
提案されたものであり、燃料ガスを供給するためのノズ
ル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がな
く、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することがで
きる燃料電池システムを提供するものである。
ステムは、上述の課題を解決するために、電解質膜を、
酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤
極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側
に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料
電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手
段と、上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを
供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガ
スの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給
する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、上記燃料蓄積
手段から燃料ガスが供給されて、上記燃料電池に供給す
る流量を調整する流量調整手段を有する燃料ガス副流路
と、上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供
給するに際して、上記燃料ガス流路及び燃料ガス副流路
の燃料ガス流量を制御する流量制御手段とを備える。
いて、上記燃料ガス副流路は、上記気体ポンプの燃料ガ
ス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通し
てなり、燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排
出側との間に上記流量調整手段を設けることが望まし
い。
いて、上記流量調整手段は、上記燃料電池に供給する燃
料ガスの目標圧力値と、上記燃料電池に供給している燃
料ガスの現在圧力値との圧力差に基づいて上記燃料ガス
副流路の流量を制御しても良い。
において、上記流量調整手段は、上記燃料電池に供給す
る燃料ガスの目標圧力値と上記燃料電池に供給している
燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、上記燃料電池に供
給している現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路
の流量を制御しても良い。
において、上記流量調整手段は、上記気体ポンプに供給
される燃料ガスの圧力値と、上記燃料電池に供給してい
る燃料ガスの現在圧力値との圧力差に基づいて上記燃料
ガス副流路の流量を制御しても良い。
において、上記流量調整手段は、上記気体ポンプに供給
される燃料ガスの圧力値と上記燃料電池に供給している
燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、上記燃料電池に供
給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて上記燃料
ガス副流路の流量を制御しても良い。
において、上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通す
る流路、及び上記燃料ガス副流路の双方、又は上記気体
ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路に、燃料ガス
の圧力を調整する圧力調整手段を設け、上記燃料ガス副
流路の上記流量調整手段の流量調整タイミングと同期し
て、上記圧力調整手段の設定圧力を所定値だけ増減させ
ることが望ましい。
ムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給
するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料
ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを
供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃
料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、空気
ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きく
する必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給
することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環
性能も十分に確保することができる。
ステムによれば、燃料ガス副流路を気体ポンプの燃料ガ
ス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してな
り、燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側との
間に流量調整手段を設けるので、気体ポンプをバイパス
して燃料電池に燃料ガスを供給することができる。
ステムによれば、目標圧力値と現在圧力値との圧力差に
より流量調整手段の開閉を判断するので、燃料電池の水
素ガスを供給する上流に圧力センサを設けるだけで構成
することができ、システムを安価に構成することができ
る。
池システムによれば、燃料電池に供給する燃料ガスの目
標圧力値と燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力
値との圧力差と、燃料電池に供給している現在圧力値と
に基づいて燃料ガス副流路の流量を制御するので、マス
フローの大きさを考慮に入れて、バイパス弁4の開閉を
制御することができ、制御精度を向上させることができ
る。
池システムによれば、気体ポンプに供給される燃料ガス
の圧力値と、燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧
力値との圧力差に基づいて燃料ガス副流路の流量を制御
するので、実際の気体ポンプの前後の圧損に応じた制御
が可能となり、制御精度を向上させることができる。
池システムによれば、気体ポンプに供給される燃料ガス
の圧力値と燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力
値との圧力差と、燃料電池に供給している燃料ガスの現
在圧力値とに基づいて燃料ガス副流路の流量を制御する
ので、実際の気体ポンプの前後の圧損に応じた制御が可
能となるとともに、マスフローの大きさを考慮に入れて
流量調整手段の開閉を制御することが可能となるため、
制御精度を更に向上させることができる。
池システムによれば、上記気体ポンプと上記燃料蓄積手
段を連通する流路、及び上記燃料ガス副流路の双方、又
は上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路
に、燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段を設け、上
記燃料ガス副流路の上記流量調整手段の流量調整タイミ
ングと同期して、上記圧力調整手段の設定圧力を所定値
だけ増減させるので、大容量の供給、水素ガスの供給停
止を応答性よく行うことができると共に、副流路の圧力
(流量)変動に起因するレギュレータ圧の過渡変化分、
即ち瞬時のレギュレータ圧の増減分を抑制、解消して、
安定した流量制御を実現できる。
て図面を参照して説明する。
れた燃料電池システムに適用される。この燃料電池シス
テムに備えられる燃料電池は、電解質膜を、酸化剤極と
燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化
剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガス
が供給されて発電するものである。
水素を貯蔵している燃料貯蔵ボンベ1、燃料貯蔵ボンベ
1からの水素ガスの圧力を調整するレギュレータバルブ
2、レギュレータバルブ2及び燃料電池スタック6から
の水素ガスを燃料電池スタック6に向かって排出するエ
ゼクタポンプ3、レギュレータバルブ2からの水素ガス
が供給されて燃料電池スタック6に導くバイパス弁4、
燃料電池スタック6に供給される水素ガスの圧力を検出
する圧力センサ5、燃料電池スタック6、これら各部を
制御するシステムコントローラ7を備えて構成されてい
る。
水素ガスを伝達するガス伝導管で挿通されてなり、燃料
貯蔵ボンベ1からの水素ガスを燃料電池スタック6に導
いて燃料電池スタック6を発電させるように構成されて
いる。
ンベ1からの水素ガスをレギュレータバルブ2、エゼク
タポンプ3、圧力センサ5を介して燃料電池スタック6
に供給する供給流路11、レギュレータバルブ2からの
水素ガスをエゼクタポンプ3に供給せずにバイパス弁4
に導くバイパス流路12、燃料電池スタック6から排出
された水素ガスをエゼクタポンプ3に循環するサイクル
流路13を構成している。
蔵ボンベ1からの水素ガスを燃料電池スタック6に供給
するに際して、システムコントローラ7の制御により、
供給流路11又はバイパス流路12のいずれかが選択さ
れる。
ないが、燃料電池スタック6の酸化剤極に、酸化剤ガス
として空気を供給するためのコンプレッサ、燃料電池ス
タック6に純粋を循環させるための純粋タンク、純水流
路等を備えて構成されている。
ステムにおけるシステムコントローラ7による処理手順
について図2を参照して説明する。
ラ7は、外部からのシステム起動指令に従って、各部に
制御信号を出力することで、以下の処理を実行スタート
する(ステップS1)。
池スタック6に供給している現水素ガス圧を示すセンサ
信号を圧力センサ5から入力し、燃料電池スタック6に
供給する目標とする目標水素ガス圧を得る(ステップS
2)。このとき、システムコントローラ7は、内部に現
在の水素ガス圧に対する目標水素ガス圧を保持してお
り、目標水素ガス圧値を読み出す。
プS2で読み出した目標水素ガス圧と現水素ガス圧との
圧力差を演算し、圧力差と所定圧力値Aとの大小比較を
し、圧力差が所定圧力値Aよりも大きいか否かの判定を
する(ステップS3)。システムコントローラ7は、圧
力差が所定圧力値Aよりも大きいと判定したときには目
標水素ガス圧で水素ガスをエゼクタポンプ3で流したと
きの通過流量が過大であると判定して次のステップS4
に進む。システムコントローラ7は、圧力差が所定圧力
値Aよりも大きくないと判定したときには目標水素ガス
圧で水素ガスをエゼクタポンプ3で流したときの通過流
量が過大ではないと判定してステップS2に戻る。
ス弁4を開状態にし(ステップS4)、レギュレータバ
ルブ2の開度を所定値Cだけ多くする(ステップS
5)。これにより、システムコントローラ7は、バイパ
ス弁4の開放と同時に燃料電池スタック6に供給する水
素ガスを段階的に増加させる。
力センサ5により現水素ガス圧を得て、目標水素ガス圧
と現水素ガス圧との圧力差を演算し、圧力差と所定圧力
値Bとの大小比較をし、圧力差が所定圧力値Bよりも小
さいか否かの判定をする(ステップS6)。
圧力値Bよりも小さくないと判定したときにはまだ燃料
電池スタック6に供給する水素ガス圧の上昇が不十分で
あると判定して、一定時間tだけ待って再度ステップS
6に戻る(ステップS7)。
圧力値Bよりも小さいと判定したときには燃料電池スタ
ック6に供給する水素ガス圧が十分に上昇したと判定し
てバイパス弁4を閉じる(ステップS8)。
レータバルブ2の開度を一定値Cだけ閉じ(ステップS
9)、燃料電池システムの動作を停止するか否かの判定
をして(ステップS10)、燃料電池システムの動作を
停止するときには処理を終了して、燃料電池システムの
動作を停止しないときには再度ステップS2に戻る。
イパス流路12にバイパス弁4を設け、燃料電池スタッ
ク6に多くの水素ガスを供給する必要があるときにはバ
イパス流路12を介して燃料電池スタック6に大流量の
水素ガスを供給することができるので、エゼクタポンプ
3のノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする
必要がなく、応答性よく燃料電池スタック6に燃料ガス
を供給することができるとともに、低流量時の水素ガス
の循環性能も十分に確保することができる。
標水素ガス圧と現在水素ガス圧との差によりバイパス弁
4の開閉を判断するので、燃料電池スタック6の水素ガ
スを供給する上流に圧力センサ5を設けるだけで構成す
ることができ、システムを安価に構成することができ
る。
9で説明したように、システムコントローラ7は、バイ
パス弁4を開放するときにはレギュレータバルブ2によ
る水素ガスの圧力値を所定値だけ上昇させるとともに、
バイパス弁4を閉鎖するときにはレギュレータバルブ2
による水素ガスの圧力値を所定値だけ下降させるように
制御する。これにより、燃料電池システムでは、大容量
の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことがで
きる。
システムコントローラ7は、ステップS3において目標
水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧
との積が所定値Aよりも小さいか否かを判定してバイパ
ス弁4の開閉を制御し、ステップS6において目標水素
ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との
積が所定値Bよりも小さいか否かを判定してバイパス弁
4を閉じるか否かを制御しても良い。
ローの大きさを考慮に入れて、バイパス弁4の開閉を制
御することができるため、制御精度を向上させることが
できる。
て、システムコントローラ7は、ステップS3において
エゼクタポンプ3に供給される水素ガス圧と現水素ガス
圧との圧力差が、所定値Aよりも大きいか否かを判定し
てバイパス弁4の開閉を制御し、ステップS6において
エゼクタポンプ3に供給される水素ガス圧と現水素ガス
圧との圧力差が、所定値Bよりも大きいか否かを判定し
てバイパス弁4を閉じるか否かを制御しても良い。
タポンプ3の上流圧と現水素ガス圧の圧力差によって燃
料電池スタック6への供給量を判断することができ、実
際のエゼクタポンプ3の前後の圧損に応じた制御が可能
となり、制御精度を向上させることができる。
て、システムコントローラ7は、ステップS3において
エゼクタポンプ3に供給される水素ガス圧と現水素ガス
圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Aよりも
大きいか否かを判定してバイパス弁4の開閉を制御し、
ステップS6においてエゼクタポンプ3に供給される水
素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧と
の積が所定値Bよりも大きいか否かを判定してバイパス
弁4を閉じるか否かを制御しても良い。
タポンプ3の上流圧力と現水素ガス圧との圧力差と、現
水素ガス圧との積によって燃料電池スタック6への供給
量を判断することができ、実際のエゼクタポンプ3の前
後の圧損に応じた制御が可能となるとともに、マスフロ
ーの大きさを考慮に入れてバイパス弁4の開閉を制御す
ることが可能となるため、制御精度を更に向上させるこ
とができる。
2をレギュレータバルブ2の下流側から分岐した流路で
あるものを説明したが、これに限らず、図3に示すよう
に、バイパス流路12をレギュレータバルブ2の上流側
から分岐させても良い。この場合、バイパス流路12に
設けたバイパス弁4は、開放時に一定の流路抵抗を有す
るオンオフ弁にすることにより、レギュレータバルブ2
を設ける必要なくバイパス流路12の流量制御を行うこ
とができる。
プ3を設けた主たる流路とバイパス流路とをそれぞれ燃
料貯蔵ボンベ1から分離独立させた経路として、各経路
に専用のレギュレータ2、レギュレータ2’を設けても
良く、その分コスト増にはなるが、上記2つの流路での
それぞれの流量範囲のダイナミックレンジに相応したレ
ギュレータ圧の設定が可能となり、特にエゼクタポンプ
3側に関して精度の良い流量制御を行うことができる。
料電池スタック6に供給する水素ガス圧値を検出すると
ともに、目標水素ガス圧力値を燃料電池スタック6に供
給するものとして規定しているが、これに限らず、燃料
電池スタック6内部の水素ガス圧値、燃料電池スタック
6から排出される水素ガス圧値としても良い。
する機構として燃料貯蔵ボンベ1を備えた一例について
説明したが、これに限らず、液体水素貯蔵タンクや、水
素吸蔵合金を使用しても良い。
ある。
スタックに水素ガスを供給するときのシステムコントロ
ーラの処理手順を示すフローチャートである。
図である。
図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより
挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給さ
れるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発
電する燃料電池と、 上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃
料蓄積手段と、 上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給す
るとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少
なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気
体ポンプを有する燃料ガス流路と、 上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、上記燃料
電池に供給する流量を調整する流量調整手段を有する燃
料ガス副流路と、 上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給す
るに際して、上記燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃
料ガス流量を制御する流量制御手段とを備えることを特
徴とする燃料電池システム。 - 【請求項2】 上記燃料ガス副流路は、上記気体ポンプ
の燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側と
を連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排
出側との間に上記流量調整手段を設けることを特徴とす
る請求項1記載の燃料電池システム。 - 【請求項3】 上記流量調整手段は、上記燃料電池に供
給する燃料ガスの目標圧力値と、上記燃料電池に供給し
ている燃料ガスの現在圧力値との圧力差に基づいて上記
燃料ガス副流路の流量を制御することを特徴とする請求
項1記載の燃料電池システム。 - 【請求項4】 上記流量調整手段は、上記燃料電池に供
給する燃料ガスの目標圧力値と上記燃料電池に供給して
いる燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、上記燃料電池
に供給している現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副
流路の流量を制御することを特徴とする請求項1記載の
燃料電池システム。 - 【請求項5】 上記流量調整手段は、上記気体ポンプに
供給される燃料ガスの圧力値と、上記燃料電池に供給し
ている燃料ガスの現在圧力値との圧力差とに基づいて上
記燃料ガス副流路の流量を制御することを特徴とする請
求項1記載の燃料電池システム。 - 【請求項6】 上記流量調整手段は、上記気体ポンプに
供給される燃料ガスの圧力値と上記燃料電池に供給して
いる燃料ガスの現在圧力値との差と、上記燃料電池に供
給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて上記燃料
ガス副流路の流量を制御することを特徴とする請求項1
記載の燃料電池システム。 - 【請求項7】 上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連
通する流路、及び上記燃料ガス副流路の双方、又は上記
気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路に、燃料
ガスの圧力を調整する圧力調整手段を設け、 上記燃料ガス副流路の上記流量調整手段の流量調整タイ
ミングと同期して、上記圧力調整手段の設定圧力を所定
値だけ増減させることを特徴とする請求項1記載の燃料
電池システム。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000342338A JP3620437B2 (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 燃料電池システム |
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---|---|
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ID=18816919
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---|---|---|---|
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