JP2002289225A

JP2002289225A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2002289225A
Application number: JP2001086645A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Ito; 泰之伊藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP3879423B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、冷却水等の循環
系の供給圧力を適切に制御しつつポンプ回転数変化など
による急激な圧力変動を抑制し、システムの耐久性低下
を防止する。【解決手段】燃料電池の冷却水循環流路３００に流体
を循環させる循環ポンプ１６と、前記ポンプを迂回する
バイパス流路３０１と、前記バイパス流路を開閉する制
御弁１８，１９と、前記循環流路の圧力変動を検出する
圧力変動検出装置と、前記圧力変動量に応じて前記制御
弁の開度を制御する制御装置とを備える。圧力変動量が
大の時には制御弁を開いてバイパス流路に圧力を逃す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
の冷却水供給やガス供給等に係わる循環系の圧力制御に
関する。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】燃料電池の循環系の圧
力制御に関する従来技術として、例えば特開平5-41232
号公報に開示された燃料電池システムでは、循環系の圧
力検出結果に基づいてポンプ回転数などを変化させるこ
とで圧力の補正を行うようにしている。しかしながら、
このシステムでは冷却水経路が気水分離器などでガス供
給ラインとつながっているために、冷却水と供給ガスそ
れぞれの圧力制御を行うことができず、したがって燃料
電池を必ずしも効率よく運転することができない。

【０００３】これに対して、特開平9-320627号公報に開
示されたものでは、燃料電池とガス製造装置の冷却を行
うためにポンプを介して冷却水を循環させる構成を備
え、冷却水と供給ガスそれぞれの圧力制御を行うことが
可能となっている。ただし、このシステムでは冷却水ラ
インにおいてポンプ回転数が変化したときなどに密閉経
路内に急激な圧力変動が起こり、この圧力変動に原因し
て燃料電池自体や冷却水供給ラインの耐久性が損なわれ
るおそれがある。

【０００４】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いて、冷却
水等の循環系の供給圧力を適切に制御しつつポンプ回転
数変化などによる急激な圧力変動を抑制することを目的
としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料電池
システムに備えられた循環流路に流体を循環させる循環
装置と、前記循環装置を迂回するバイパス流路と、前記
バイパス流路を開閉する弁装置と、前記循環流路の圧力
変動を検出する圧力変動検出装置と、前記圧力変動量に
応じて前記弁装置の開度を制御する制御装置とを備え
た。

【０００６】第２の発明は、前記第１の発明の循環流路
を燃料電池に冷却水を循環させる冷却水流路で構成し
た。

【０００７】第３の発明は、前記第１の発明の循環流路
を燃料電池の加湿装置に水を供給する加湿水供給流路で
構成した。

【０００８】第４の発明は、前記第１の発明の弁装置と
して、バイパス流路の上流側端部を開閉する上流側制御
弁と、下流側端部を開閉する下流側制御弁とを設けた。

【０００９】第５の発明は、前記第４の発明において、
上流側制御弁と下流側制御弁との間のバイパス流路の途
中に圧力吸収装置を接続した。

【００１０】第６の発明は、前記第５の発明の圧力吸収
装置として燃料電池のガス流路内の凝縮水を貯蔵する水
タンクを接続した。

【００１１】第７の発明は、前記第５の発明の圧力吸収
装置として燃料電池のガス路内の凝縮水を分離する気液
分離器を接続した燃料電池システム。

【００１２】第８の発明は、前記第１から第７の発明に
おいて、循環装置として循環ポンプを備えると共に、圧
力変動検出装置を、前記循環ポンプの回転数に基づいて
圧力変動を検出するように構成した。

【００１３】第９の発明は、前記第１から第７の発明に
おいて、循環装置として循環ポンプを備えると共に、圧
力変動検出装置を、前記循環ポンプ出口部の圧力を検出
する圧力センサで構成した。

【００１４】第１０の発明は、前記第４の発明の制御装
置を、第１の制御として上流側制御弁または下流側制御
弁のいずれか一方の開度を制御したのち、第２の制御と
して他方の開度を制御するように構成した。

【００１５】第１１の発明は、前記第１０の発明におい
て、第１の制御から所定時間経過後に、第２の制御を行
うように制御装置を構成した。

【００１６】第１２の発明は、前記第１０の発明におい
て、第２の制御を行う制御弁付近の圧力変動量に基づい
て第２の制御を開始するように制御装置を構成した。

【００１７】

【作用・効果】第１〜第３の発明によれば、冷却水流路
あるいは加湿水供給流路などの循環流路内での循環装置
（ポンプなど）の起動、停止または過渡的な回転変化の
ときに生じる急激な圧力変動は、弁装置を開くことでバ
イパス流路から逃がすことができるので、循環流路また
は循環流路に接続する燃料電池等の機器類を保護するこ
とができる。

【００１８】なお、循環流路としては冷却水流路と加湿
水供給流路など複数のものを共通化した構成でもよく、
当該共通化した循環流路にバイパス流路および弁装置を
設けることにより、単一のバイパス流路および弁装置に
より複数の循環流路の保護を図ることができる。

【００１９】前記開閉弁は、第４の発明として示したよ
うにバイパス流路の入口部と出口部にそれぞれ上流側制
御弁、下流側制御弁を設けた構成とすることができ、こ
の場合、第５の発明として示したように、圧力吸収装置
をバイパス流路の途中に接続する構成とすることによ
り、制御弁を開いてバイパス流路に圧力を逃がすことに
よる圧力変動の緩和効果をより高めることができる。

【００２０】前記圧力吸収装置として、第６の発明とし
て示した燃料電池のガス配管内の凝縮水を貯蔵する水タ
ンクまたは第７の発明として示した気液分離装置を適用
することができ、これにより圧力吸収のために新規部品
を設ける必要が無いのでシステムを簡素化でき、小型
化、コストダウンを図ることができる。なお、圧力吸収
装置として前記気液分離器と水タンクとを一体化した構
成のものを適用することもでき、この場合は循環流路内
の圧力変動を緩和する際のガス圧力と水圧力の差圧を小
さくして燃料電池の制御性を改善することができる。

【００２１】請求項7の発明によれば、冷却水供給装置
または加湿水供給装置内の循環装置は循環ポンプであ
り、冷却水供給配管または加湿水供給配管内圧力をポン
プの回転変動により検出し、下流にある開閉弁を制御す
ることとしたことで、より簡素なシステムにおいて制御
性の良い燃料電池システムを提供可能となった。

【００２２】前記循環流路の圧力変動は、第８の発明と
して示したように循環ポンプの回転数から、または第９
の発明として示したように循環ポンプ出口部に設けた圧
力センサにより検出することができる。

【００２３】第１０の発明によれば、圧力変動時に第１
の制御として上流側制御弁または下流側制御弁の一方を
開いてから第２の制御として他方を開くようにしたこと
から、循環ポンプの空回りによって生じる循環流路内の
圧力抜けを防止しつつ、循環ポンプ前後の急激な圧力変
動をより効果的に吸収することができる。

【００２４】第２の制御を行うタイミングを、第１１の
発明のように所定時間の経過もしくは第１２の発明のよ
うに第２の制御を行う制御弁近傍の圧力変動に基づくも
のとしたことから、第２の制御を行うタイミングをより
適切に決定して圧力変動を効果的に緩和しつつ燃料電池
システムの制御性を高めることができる。

【００２５】

【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は燃料電池の冷却系に本発明を適
用した実施形態のシステム構成を表している。燃料電池
１にはそれぞれ空気流路１００、燃料流路２００、冷却
水循環流路３００が接続されている。空気流路１００に
は、上流から供給流量を計測する空気流量計２、空気を
圧送するコンプレッサ３、燃料電池入口空気圧力を計測
する圧力センサ４が設けられ、燃料電池１下流には気液
分離器５、圧力調整用の制御弁８が設けられ、気液分離
器５で分離された水分は配管７を通り水タンク６に貯え
られる。

【００２６】燃料流路２００には、上流から燃料貯蔵用
タンク９、燃料循環用のエゼクタポンプ１０、燃料電池
入口燃料圧力を計測する圧力センサ１１が設けられてい
る。燃料循環機構としては、エゼクタを用いず、コンプ
レッサを燃料循環路１４に設けることもできる。燃料電
池１下流には気液分離器１２、圧力調整用の制御弁１３
が設けられている。

【００２７】冷却水循環流路３００には、電動ファンを
備えたラジエータ１５、駆動速度を無段階調節可能な循
環ポンプ１６が設けられている。流路３００にはポンプ
１６を迂回すると共に水タンク6に連通するバイパス流
路３０１が設けられ、バイパス流路の上流側端部と下流
側端部にそれぞれ上流側制御弁１８、下流側制御弁１９
が設けられ、各制御弁１８，１９手前には排水用バルブ
１７が接続されている。

【００２８】制御装置（図示せず）は、燃料電池１の発
電状態に応じて、燃料ガス圧力、空気圧力をそれぞれ調
圧弁８，１３で調整するとともに、空気流量をコンプレ
ッサ３の回転数により調整し、さらに冷却系循環流路３
００の圧力変動状態に応じて各制御弁１８，１９の開閉
を制御する。

【００２９】図２は加湿水系を有する燃料電池システム
に本発明を適用した実施形態のシステム構成である。図
１と異なるのは、冷却水循環流路３００の代わりに、加
湿器２０と加湿水タンク２１とを備えた加湿水循環流路
４００の循環ポンプ２０を迂回するようにバイパス流路
４０１を形成し、その上流側端部と下流側端部にそれぞ
れ制御弁１８，１９を設けたことである。また、図３は
冷却系と加湿系とで共通の循環流路５００を備えた燃料
電池システムに本発明を適用した実施形態のシステム構
成である。この実施形態ではラジエータ１５を有する循
環流路５００により燃料電池１に冷却水を循環させると
共に加湿器２０に水を供給するようにしている。循環流
路５００に対するバイパス流路５０１および制御弁１
８，１９等の構成は図１と同様である。図２または図３
において図１と同一の部分には同一の符号を付してその
説明を省略する。

【００３０】なお、前記各システムでは、空気系流路１
００に設けた気液分離器５から水タンク６まで配管でつ
なぐ構造としているが、このようにする代わりに、気液
分離器５と水タンク６を一体にする構造としてもよく、
その結果、循環流路内の圧力変動の吸収を空気ラインに
吸収させることで効率よく行うことができる。さらに、
循環が冷却水流路に形成される場合には、燃料電池内部
における空気ラインの圧力と冷却水の圧力との圧力差を
解消させる方向で循環流路の圧力変動を吸収させること
ができる。

【００３１】次に、前記各システム構成下でその制御装
置により実行される制御弁開度制御につき図４に示した
流れ図に沿って説明する。図４は制御装置を構成するマ
イクロコンピュータが周期的に実行する処理ルーチンを
表しており、図中の符号Ｓは処理ステップを示してい
る。この制御は冷却系流路の圧力変動をポンプ１６の回
転数変動に代表させ、その回転数変動に基づいて各制御
弁１８，１９の開閉を制御するようにした例である。以
下、順を追って説明する。Ｓ１：ポンプ１６の回転変動量Ｈを検出する。回転変動
量Ｈは、例えば単位時間あたりの回転数変化として検出
する。Ｓ２：回転変動Ｈに応じて制御弁１８，１９の開閉を判
断する。ここで、回転数上昇時のしきい値をα、回転数
下降時のしきい値をβとするとき、α＞Ｈ＞βのときに
はＳ６に進み、各制御弁１８，１９を閉ざした状態とし
て今回の処理を終了する。ポンプ１６は一定条件で制御
していても必ず回転のバラツキは出てしまうので、圧力
に影響のでない程度の回転変動は取り除くように前記し
きい値を設定している。α＞Ｈ＞β以外の条件のときに
はＳ３に進む。Ｓ３：回転変動が増加方向か減少方向かを判断する。Ｈ
＞αの回転数上昇時にはＳ４の回転上昇時の弁制御処理
へ、Ｈ＜βの回転数下降時にはＳ５の回転数下降時の弁
制御処理へ進み、各々の処理の後に今回のルーチンを終
了する。

【００３２】図５と図６に、それぞれ前記回転数上昇時
の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ルー
チンを示す。回転数上昇時にはポンプ吐出側（下流側）
に圧力上昇が起こるので、図５の処理によりただち下流
側制御弁１９を開くと共に、図６の処理により所定時間
遅らせて上流側制御弁１８を開く。・図５下流側制御弁１９の開度制御Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。Ｓ２：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定す
る。これは例えば図９に示したように回転変動量Ｈに応
じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを検
索することで設定する。回転変動量が大きいほど圧力変
動が大きいと考えられるので、図９のように回転変動が
大きいほど弁開度を大きく設定して、圧力吸収を適切に
行うようにしている。Ｓ３：前記Ｓ２で設定した開度となるように制御弁１９
の開度を制御する。・図６上流側制御弁１８の開度制御Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。Ｓ２：ディレイ時間設定用のタイマ値Ｔをリセットす
る。Ｓ３：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定す
る。これは例えば図１０に示したように回転変動量Ｈに
応じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを
検索することで設定する。回転変動量が大きいほど圧力
変動が大きいと考えられるので、図１０のように回転変
動が大きいほど弁開度を大きく設定して、圧力吸収を適
切に行うようにしている。Ｓ４：回転変動量Ｈに基づいてディレイ時間γを設定す
る。これは例えば図１１に示したように回転変動量Ｈに
応じてディレイ時間γを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設定する。特性としては図１１
のように回転変動が大であるほどディレイ時間が短くな
るように設定されている。Ｓ５〜Ｓ６：タイマ値Ｔの積算を、ディレイ時間γを超
過するまで繰り返す。Ｓ７：タイマ値Ｔがディレイ時間γを超えたらＳ３で設
定した弁開度となるように制御弁１８の開度を制御す
る。

【００３３】次に、図７と図８に、それぞれ前記回転数
下降時の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制
御ルーチンを示す。回転数下降時にはポンプ吐出側（下
流側）に圧力低下が起こるので、図８の処理によりただ
ちに上流側制御弁１８を開き、一方図８の処理により所
定時間遅らせて下流側制御弁１９を開く。・図７下流側制御弁１９の開度制御Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。Ｓ２：ディレイ時間設定用のタイマ値Ｔをリセットす
る。Ｓ３：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定す
る。これは例えば図１０に示したように回転変動量Ｈに
応じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを
検索することで設定する。Ｓ４：回転変動量Ｈに基づいてディレイ時間γを設定す
る。これは例えば図１１に示したように回転変動量Ｈに
応じてディレイ時間γを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設定する。Ｓ５〜Ｓ６：タイマ値Ｔの積算を、ディレイ時間γを超
過するまで繰り返す。Ｓ７：タイマ値Ｔがディレイ時間γを超えたらＳ３で設
定した弁開度となるように制御弁１９の開度を制御す
る。・図８上流側制御弁１８の開度制御Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。Ｓ２：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定す
る。これは例えば図９に示したように回転変動量Ｈに応
じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを検
索することで設定する。Ｓ３：前記Ｓ２で設定した開度となるように制御弁１９
の開度を制御する。

【００３４】この制御では既述したようにポンプ１６の
回転変動で圧力変動を代表させているが、ポンプ１６の
出口付近もしくは下流側制御弁１９の近傍に圧力センサ
２３を設け、その検出値に基づいて制御を実行するよう
にすればより精度および制御性を高めることができる。
このような圧力検出による制御ルーチンの例を図１２〜
１５に示す。図１２と図１３は、それぞれ検出圧力上昇
時の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ル
ーチン、図１４と図１５は、それぞれ検出圧力下降時の
下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ルーチ
ンである。制御ルーチンとしては、回転変動量Ｈに代え
て単位時間における圧力偏差ΔＰを検出する点のみが異
なるので各ステップの説明は省略する。

【００３５】図１６〜図１８は前記制御ルーチンで使用
するテーブルの特性を示したもので、図１６または図１
７は圧力偏差ΔＰに応じて弁開度データを与えるテーブ
ル、図１８は圧力偏差ΔＰに応じてディレイ時間データ
を与えるテーブルにそれぞれ相当する。

【００３６】これまでに示した何れの実施形態において
も、第１の制御ののち第２の制御を行うタイミングを所
定時間経過後としているが、循環流路にそれぞれ上流側
制御弁１８と下流側制御弁１９の近傍に圧力センサを設
置し、第２の制御が行われる制御弁近傍の圧力変動検出
値を前記タイミングとして指定して同様の制御を行った
場合にも、制度の高い制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のシステム構成図。

【図２】本発明の第２の実施形態のシステム構成図。

【図３】本発明の第３の実施形態のシステム構成図。

【図４】制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。

【図５】制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。

【図６】制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。

【図７】制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。

【図８】制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。

【図９】循環ポンプの回転変動量と制御弁開度の関係を
示す特性図。

【図１０】循環ポンプの回転変動量と制御弁開度の関係
を示す特性図。

【図１１】循環ポンプの回転変動量とディレイ時間の関
係を示す特性図。

【図１２】制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。

【図１３】制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。

【図１４】制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。

【図１５】制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。

【図１６】圧力偏差と制御弁開度の関係を示す特性図。

【図１７】圧力偏差と制御弁開度の関係を示す特性図。

【図１８】圧力偏差とディレイ時間の関係を示す特性
図。

【符号の説明】

１燃料電池２空気流量計３コンプレッサ４圧力センサ５気液分離器６水タンク７配管８圧力調整用制御弁９燃料貯蔵用タンク１０エゼクタポンプ１１圧力センサ１２気液分離器１３圧力調整用制御弁１４燃料循環路１５ラジエータ１６循環ポンプ１７排水用バルブ１８上流側制御弁（上流側制御弁）１９下流側制御弁（下流側制御弁）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池システムに備えられた循環流路に
流体を循環させる循環装置と、前記循環装置を迂回するバイパス流路と、前記バイパス流路を開閉する弁装置と、前記循環流路の圧力変動を検出する圧力変動検出装置
と、前記圧力変動量に応じて前記弁装置の開度を制御する制
御装置とを備えた燃料電池システム。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
て、前記循環流路は燃料電池に冷却水を循環させる冷却水流
路である燃料電池システム。
【請求項３】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
て、前記循環流路は燃料電池の加湿装置に水を供給する加湿
水供給流路である燃料電池システム。
【請求項４】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
て、前記弁装置はバイパス流路の上流側端部を開閉する上流
側制御弁と、下流側端部を開閉する下流側制御弁とから
なる燃料電池システム。
【請求項５】請求項４に記載の燃料電池システムにおい
て、前記上流側制御弁と下流側制御弁との間のバイパス流路
の途中に圧力吸収装置を接続した燃料電池システム。
【請求項６】請求項５に記載の燃料電池システムにおい
て、前記圧力吸収装置としてガス流路内の凝縮水を貯蔵する
水タンクを接続した燃料電池システム。
【請求項７】請求項５に記載の燃料電池システムにおい
て、前記圧力吸収装置としてガス流路内の凝縮水を分離する
気液分離器を接続した燃料電池システム。
【請求項８】請求項１から請求項７に記載の燃料電池シ
ステムにおいて、前記循環装置として循環ポンプを備えると共に、前記圧
力変動検出装置は、前記循環ポンプの回転数に基づいて
圧力変動を検出するように構成されている燃料電池シス
テム。
【請求項９】請求項１から請求項７に記載の燃料電池シ
ステムにおいて、前記循環装置として循環ポンプを備えると共に、前記圧
力変動検出装置は、前記循環ポンプ出口部の圧力を検出
する圧力センサで構成されている燃料電池システム。
【請求項１０】請求項４に記載の燃料電池システムにお
いて、前記制御装置は第１の制御として上流側制御弁または下
流側制御弁のいずれか一方の開度を制御したのち第２の
制御として他方の開度を制御するように構成されている
燃料電池システム。
【請求項１１】請求項１０に記載の燃料電池システムに
おいて、前記制御装置は、第１の制御から所定時間経過後に、第
２の制御を行うように構成されている燃料電池システ
ム。
【請求項１２】請求項１０に記載の燃料電池システムに
おいて、前記制御装置は、第２の制御を行う制御弁付近の圧力変
動量に基づいて第２の制御を開始するように構成されて
いる燃料電池システム。