JP2002280027A

JP2002280027A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002280027A
Application number: JP2001078457A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Saito; 和男齋藤; Yasukazu Iwasaki; 靖和岩崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP3840908B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおけるフラッディングの
発生を防止し、フラッディング防止対策として、低負荷
時の燃料ストイキを増加したときの燃費悪化を抑制す
る。【解決手段】水回収運転状態を検出したときにアノー
ド循環流量を高流量方向に補正し、燃料電池に供給され
る燃料ガスのストイキを上昇させる。水回収運転に伴い
供給ガスの圧力が上がったとしてもフラッディングの発
生を抑制することができ、これにより燃料電池システム
の動作が安定するとともに、アノード、カソード極の圧
力バランスを常に均等に保つことができる。このとき、
アノード循環流量の増加補正だけでフラッディングが解
消されるので、無駄に燃料を消費することなく運転を継
続できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池自動車など
移動体への搭載に適した燃料電池システムの改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】燃料電池システムにお
いて燃料の消費を抑え、システムとしての効率を向上さ
せるため、燃料電池から排出される未反応ガスを再度循
環させる方式のものが種々提案されている。例えば、特
開平6-231786号公報に開示されたものでは、未反応ガス
の循環流量を単純に燃料電池の負荷のみに応じて変化さ
せるのではなく、循環ガスの密度により補正し、循環用
のブロアの過回転を防止するとともに常に安定した運転
を行うようにしている。また、特開平7-240220号公報の
ものでは、燃料電池の負荷変動による循環部の圧力変動
によって循環流量が変動しないように循環用圧縮機の入
口に設置された圧力調整弁により圧縮機入口圧力調整を
行い、安定した循環流量が得られるよう制御している。
また、特開平9-213353号公報のものでは、未反応ガス循
環用のポンプとしてエゼクタを用いた構成となってお
り、エゼクタを効率よく動作させるために循環部に流量
調整弁を設置し、燃料電池の負荷に応じて循環流量を補
正して、システムが効率よく動作するように制御してい
る。このように、従来の燃料電池システムにおいてはア
ノード極排ガスを負荷に応じて循環させることでシステ
ムとしての効率を高め、その制御方法を最適化すること
により安定動作の実現を目指している。

【０００３】ところで、例えば固体高分子型燃料電池の
場合、低負荷時には水の侵入によるガス流路の詰まり
（以下「フラッディング」という。）を避けるために、
中・高い負荷のストイキよりも大きなストイキ(その負
荷によって消費されるガス量に対する供給ガス量の割
合)でガス供給する必要がある。従来のものでは、初期
値として低負荷時の循環量や排出量は設定できるが、運
転中にフラッディングが発生した際の循環部に対する補
正は考慮されていない。仮にフラッディングが発生した
場合に供給ガス流量を変えずに負荷のみ下げる、あるい
は負荷を変えずにガス供給流量のみ増やす等により対応
した場合には、相対的に増加する未反応ガスを外部へ排
出しなければならなくなることから余分な燃料ガスが消
費され、システムの燃費を悪化させるという問題が生じ
る。

【０００４】また、固体高分子型燃料電池においては、
その供給ガスが適度に加湿されている必要があり、さら
に、燃料供給装置が炭化水素等の燃料を改質して水素リ
ッチな燃料ガスを提供する改質器である場合には、その
改質反応にも純水が必要となる。これらに用いる純水を
燃料電池のカソード極排ガスから回収することでシステ
ムとしての水利用の効率化を図れるが、低負荷時におい
ては供給ガスも低圧力で運転される場合が多く、運転に
必要な量の純水を確実に回収するためには所定の時間供
給ガスの圧力を上げてやる水回収運転を行う必要があ
り、それに応じて循環量も変えないとフラッディングが
発生しやすくなり、あるいはアノードとカソードとの間
に圧力差が生じて効率が低下するという問題が生じる。

【０００５】本発明はこのような従来の問題点に着目し
てなされたもので、燃料電池システムにおけるフラッデ
ィングの発生を防止すると共に、フラッディング防止対
策として低負荷時に燃料ストイキを増加させることによ
る燃費悪化を抑制することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、アノード
排ガスの一部を再度燃料電池のアノード極へ循環させる
循環装置と、前記循環装置によるアノード循環流量を制
御する制御装置とを備えた燃料電池システムを構成す
る。さらに、前記制御装置を、燃料電池の負荷を検出す
る負荷検出手段と、前記負荷に基づいてアノード循環流
量の基本値を設定する基本値設定手段と、カソード極か
らの水回収の実施状態を判定する水回収判定手段と、前
記アノード循環流量の基本値を補正する補正手段とを備
え、水回収実施時に前記基本値を高流量方向に補正する
ように構成する。

【０００７】第２の発明は、前記第１の発明の制御装置
を、燃料電池の運転温度を検出する温度検出装置を備
え、前記運転温度が低いときほどアノード循環流量を高
流量方向に補正するように構成する。

【０００８】第３の発明は、前記いずれかの発明の制御
装置を、ガス流路のフラッディングを検出するフラッデ
ィング検出手段を備え、フラッディング検出時には前記
基本値を高流量方向に補正するように構成する。

【０００９】第４の発明は、前記第３の発明の制御装置
を、燃料電池が低負荷運転され、かつフラッディングが
基準時間以上検出されなかったときに、アノード循環流
量の補正量を前記基本値を下限度に減少させるように構
成する。

【００１０】第５の発明は、前記第３または第４の発明
のフラッディング検出手段を、燃料電池のセル電圧を検
出し、当該セル電圧の変動状態が基準以上であるときに
フラディング発生を検出するように構成する。

【００１１】第６の発明は、前記第３または第４の発明
のフラッディング検出手段を、燃料電池の排ガスの圧力
を検出し、当該圧力の変動状態が基準以上であるときに
フラッディング発生を検出するように構成する。

【００１２】第７の発明は、前記いずれかの発明におい
て、前記循環装置と並列にブースタ回路を備え、フラッ
ディング検出時には前記ブースタ回路によりアノード循
環流量を増大させるように制御装置を構成した。

【００１３】第８の発明は、前記いずれかの発明の制御
装置を、アノード循環流量の補正量を初めは低く設定
し、フラッディングが検出される毎に所定の値ずつアノ
ード循環量を増加させ、常に循環流量を最小限とするよ
うに循環装置を制御するように構成する。

【００１４】

【作用・効果】前記第１の発明以下の各発明によれば、
水回収運転状態が検出されるとアノード循環流量が高流
量方向に補正され、燃料電池に供給される燃料ガスのス
トイキが上昇する。このため、水回収運転に伴い供給ガ
スの圧力が上がったとしてもフラッディングの発生を抑
制することができ、これにより燃料電池システムの動作
が安定するとともに、アノード、カソード極の圧力バラ
ンスを常に均等に保つことができる。

【００１５】第２の発明によれば、燃料電池の運転温度
が低いときにはアノード循環流量を増加補正するので、
低温で発生しやすい加湿蒸気の燃料電池内部での結露に
よるフラッディングを発生前に抑制することができる。

【００１６】第３の発明によれば、フラッディングが発
生したとしても、アノード循環流量の増加補正だけでフ
ラッディングが解消されるので、無駄に燃料を消費する
ことなく運転を継続できる。

【００１７】第４の発明によれば、低負荷でフラッディ
ングが発生していないときにはアノード循環流量が減じ
られるのでそれだけ循環装置の負担が軽減され、システ
ムの効率が向上する。

【００１８】第５の発明または第６の発明によれば、簡
潔かつ低コストの構成でありながら精度よくフラッディ
ングの発生を検出することができる。

【００１９】第７の発明によれば、ブースタにより急速
に循環流量を増量できるので、フラッディングが発生し
たとしてもこれをより短時間で解消することができる。

【００２０】第８の発明によれば、アノード循環流量が
常に下限値を目標に必要最小限となるように制御される
ので、システムの消費電力を抑えて効率をより高めるこ
とができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図面に基
づいて説明する。図１は本発明による燃料電池システム
の要部を示したものである。１００は燃料電池（燃料電
池スタック）、１０１は水素リッチな燃料ガスを燃料流
路１０２を介して燃料電池１００のアノード極側に供給
する燃料供給装置、１０３は燃料電池１００のアノード
排ガス流路１０４からのアノード排ガスの一部を前記燃
料流路１０２に循環させる循環流路、１０５は前記アノ
ード排ガスの排出流量を制御する制御弁、１０６は循環
流路１０３のアノード排ガスを燃料流路１０２に圧送す
る圧縮機である。図示しないが、燃料電池システムとし
てはこれらの他に、燃料電池１００に空気を供給する空
気供給装置、燃料電池１００を冷却するための冷却装
置、燃料電池１００の負荷や燃料電池１００に供給され
る各流体の温度、圧力、流量を検知する検出装置、前記
検出結果に基づいて制御弁１０５や圧縮機１０６を制御
する制御装置などが備えられる。

【００２２】また、図中の記号αは燃料供給装置１０１
から供給される水素ガスのストイキ、βは循環流量を含
めた燃料電池１００に実際に入る水素ストイキを意味し
ている。よって循環流量はβ−α、循環以外に外部への
排出される量はα−1である。

【００２３】この燃料電池システムの制御装置では、図
２に示したように負荷に対するストイキの特性が満足さ
れるように予め図３に示したように設定されたテーブル
から循環ガス圧力値（基本値）を求め、この圧力値が達
成されるように圧縮機１０６を駆動する。図４または図
５に、アノード排ガスをすべて循環させた場合の前記各
部流量（α，β，β−α）の関係の一例を示す。ただし
図６は１００％負荷での流量を１とした場合の前記各部
流量の関係を表している。

【００２４】ただし、低負荷で水回収が開始されると、
水回収時には供給ガスの圧力が高められるため、同じ質
量流量を供給する場合には燃料電池内での流速が落ちる
こととなるのでフラッディングが発生しやすくなる。そ
こで、例えば水回収に係る制御系からの情報に基づいて
水回収の開始を判定し、水回収時には循環流量を増量方
向に補正する。これは、例えば図６に例示した特性で水
素ストイキを増加させる補正にあたる。このとき、最初
に循環部の圧縮機１０６によって循環流量β一αのみ増
加させればよい。前記β−αの上限は循環流路１０３の
容量と圧縮機１０６の能力により決まるので、それ以上
のストイキにしたい場合には供給量αを増やす。また、
燃料電池１００から出てくる冷却媒体の温度が低い場合
にも、圧力を上げた場合と同様に循環流量β−αを増加
させる。これにより、供給ガスαに含まれる水蒸気が、
水蒸気温度より低い燃料電池の流路内で結露することに
よるフラッディングの発生が抑制される。

【００２５】一方、制御装置は、図示しないフラッディ
ング検出手段によりフラッディングを検出すると、圧縮
機１０６によって、実際のストイキβが例えば１０％増
加するように循環流量β一αを増加させる。そして初期
設定でストイキを増加させる必要のある低負荷域で運転
されている場合に、全くフラッディングが検知されない
場合、つまり安定して運転されている場合、所定時間経
過する毎に、循環流量β一αを下限値（最小でゼロ）ま
で所定量ずつ減少させる。

【００２６】なお、前記フラッディング検出手段として
は、例えば燃料電池１００の各セル電圧を検出し、その
ときの運転状態における平均セル電圧の８０％以下とな
るセル電圧が存在した場合、フラッディング発生と判断
し、循環流量β一αを増加させる。あるいは、フラッデ
ィング検出手段として、例えば燃料電池１００の排出ガ
スの圧力を検出し、図7に示すように、前記排出ガスの
圧力変動が所定の振幅以上または所定の周波数、例えば
0.1〜数Hzであるときにフラッディング発生と判定す
る。

【００２７】図８は前記制御装置による処理内容例を時
系列的に示したフローチャートである。この処理は、マ
イクロコンピュータ及びその周辺装置等からなる制御装
置により、常時または割り込み処理により周期的に実行
される。以下、順を追って説明する。Ｓ２０１：燃料電池の負荷を検出する。Ｓ２０２：負荷に応じて循環流量の基本値（初期値）を
求める。これは、例えば既述した通り図２または図３に
示したような特性に予め設定されたテーブルを参照して
基準圧力を検索することで求められる。Ｓ２０３：水回収の有無を判定する。水回収の制御が行
われていないときにはＳ２１６の処理に移る。Ｓ２０４：水回収時には前記基準圧力を増量方向に所定
量だけ補正する。この補正処理は、前記Ｓ２０２で設定
した値を操作して補正するほか、図６に示したように水
回収時の制御値を負荷に応じて与えるように予め設定さ
れたテーブルを検索することで実施するようにしてもよ
い。Ｓ２０５：フラッディングの発生を検出する。これは既
述したように燃料電池スタックのセル電圧の変動や排出
ガスの圧力変動状態から検出する。Ｓ２０６：前記検出結果に基づきフラッディングの有無
を判定し、フラッディング発生時はＳ２０７に、非発生
時はＳ２０８以降の処理に移る。Ｓ２０７：フラッディングが発生しているときには、前
記Ｓ２０２またはＳ２０４で設定した循環流量を増量方
向に例えば１０％補正する。Ｓ２０８：流量補正後、基準時間が経過しているときは
Ｓ２０９に、経過していないときにはＳ２１３以降の処
理に移る。Ｓ２０９〜Ｓ２１１：基準時間が経過しているときに
は、前記Ｓ２０４で設定した循環流量を、前記基本値を
下限として減少方向に補正する。Ｓ２１２：前記Ｓ２０７またはＳ２０９以降の処理で設
定した循環流量が達成されるように圧縮機１０６に制御
指令を発する。Ｓ２１３：燃料電池の負荷を検出する。Ｓ２１４：前記負荷に応じて循環流量の基本値を求め
る。Ｓ２１５：水回収運転が継続しているか判定を行い、水
回収の制御が行われている場合には前記Ｓ２０５の処理
に戻り、水回収の制御が終了している場合にはＳ２１６
の処理に移るＳ２１６：前記Ｓ２０２もしくはＳ２１４で求めた基本
値により循環流量が達成されるように圧縮機１０６に制
御指令を発する。

【００２８】以上の処理の繰り返しにより、この燃料電
池システムはフラッディングを起こさずに安定動作する
ぎりぎりのストイキで運転されることになり、圧縮機１
０６等の駆動電力は必要最小限に抑制される。燃料供給
装置が改質器である場合にも、改質器用の燃焼器へ供給
する未反応の排気ガスも必要最低限にできるため、燃料
消費が最小限に抑えられる。

【００２９】図９は本発明の第２の実施形態である。こ
れは循環流路１０３と並列に、第２の圧縮機１０７と常
閉の遮断弁１０８とを介装したブースタ回路１０９を形
成し、フラッディング発生を検出したときには遮断弁１
０８を開くと共に圧縮機１０７を駆動してアノード排ガ
スの循環流量を急速に増加させるようにしたものであ
る。ブースタ回路１０９を設けたことにより、フラッデ
ィング発生をより速やかに解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施形
態の要部概略構成図。

【図２】負荷と供給ガスのストイキ基本値との関係を示
す特性線図。

【図３】負荷とガス圧力の基本値との関係を示す特性線
図。

【図４】負荷に応じた各部流量の関係を示す第１の流量
特性線図。

【図５】負荷に応じた各部流量の関係を示す第２の流量
特性線図。

【図６】水回収運転時の負荷と目標ストイキ値の関係を
示す特性線図。

【図７】フラッディング発生時の排出ガス圧力の変動状
態の一例を表した説明図。

【図８】前記実施形態における制御装置の動作例を表す
流れ図。

【図９】本発明による燃料電池システムの第２の実施形
態の要部概略構成図。

【符号の説明】

１００燃料電池１０１燃料供給装置１０２燃料流路１０３循環流路１０４排ガス流路１０５制御弁１０６圧縮機１０７圧縮機１０８遮断弁１０９ブースタ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アノード排ガスの一部を再度燃料電池のア
ノード極へ循環させる循環装置と、前記循環装置による
アノード循環流量を制御する制御装置とを備えた燃料電
池システムであって、前記制御装置は、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手
段と、前記負荷に基づいてアノード循環流量の基本値を
設定する基本値設定手段と、カソード極からの水回収の
実施状態を判定する水回収判定手段と、前記アノード循
環流量の基本値を補正する補正手段とを備え、水回収実
施時に前記基本値を高流量方向に補正する燃料電池シス
テム。
【請求項２】請求項1の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、燃料電池の運転温度を検出する温度検
出装置を備え、前記運転温度が低いときほどアノード循
環流量を高流量方向に補正する燃料電池システム。
【請求項３】請求項１または請求項2に記載の燃料電池
システムにおいて、前記制御装置は、ガス流路のフラッディングを検出する
フラッディング検出手段を備え、フラッディング検出時
には前記基本値を高流量方向に補正する燃料電池システ
ム。
【請求項４】請求項3に記載の燃料電池システムにおい
て、前記制御装置は、燃料電池が低負荷運転され、かつフラ
ッディングが基準時間以上検出されなかったときに、ア
ノード循環流量の補正量を前記基本値を下限度に減少さ
せる燃料電池システム。
【請求項５】請求項3または請求項4に記載の燃料電池シ
ステムにおいて、前記フラッディング検出手段は、燃料電池のセル電圧を
検出し、当該セル電圧の変動状態が基準以上であるとき
にフラディング発生を検出する燃料電池システム。
【請求項６】請求項3または請求項4に記載の燃料電池シ
ステムにおいて、前記フラッディング検出手段は、燃料電池の排ガスの圧
力を検出し、当該圧力の変動状態が基準以上であるとき
にフラッディング発生を検出する燃料電池システム。
【請求項７】請求項３から請求項６のいずれかに記載の
燃料電池システムにおいて、循環装置と並列にブースタ回路を備え、フラッディング
検出時には前記ブースタ回路によりアノード循環流量を
増大させるように制御装置を構成した燃料電池システ
ム。
【請求項８】請求項３から請求項７のいずれかに記載の
燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記アノード循環流量の補正量を初め
は低く設定し、フラッディングが検出される毎に所定の
値ずつアノード循環流量を増大させ、常に循環流量を最
小限とするように循環装置を制御する燃料電池システ
ム。