JP2004165093A - 燃料電池システムおよびその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水素ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池1と、前記燃料電池1に水素ガスを供給する水素ガス供給流路10と、前記燃料電池1から排出される水素オフガスを前記水素ガス供給流路10に戻す水素オフガス循環流路20と、前記水素オフガス循環流路20に設けられて水素オフガスを昇圧する水素ポンプ7と、前記水素ポンプ7の負荷状態を検出するポンプ消費電流検出センサ27と、前記水素ポンプ7の回転数を前記負荷状態に応じて制御するECU26と、を備える。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムおよびその駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス(例えば水素ガス)を供給し、カソードに酸化剤ガス(例えば酸素あるいは空気)を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【0003】
燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス(以下、水素オフガスという)には未反応の水素ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃費が悪化してしまう。そこで、燃費向上のため、この水素オフガスを積極的に循環させ、新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている。
【0004】
例えば、特許文献1には、エゼクタ(エゼクタポンプ)を用いて水素オフガスを循環させ、該水素オフガスを再度燃料電池に供給する燃料電池システムが開示されている。しかしながら、前記エゼクタにより水素ガスを循環させるには水素ガスの流れが必要であり、この流れを作り出すために水素ガス循環流路からのパージを行うと、循環流路から未反応の水素ガスが排出され、却って燃費が悪化してしまうという不具合を生じる。
一方、特許文献2には、水素ガスの循環流路にポンプまたはコンプレッサを設けて、該ポンプやコンプレッサにより水素ガスをリサイクルさせる燃料電池システムが開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開昭58−30075号公報
【特許文献2】
特開平7−240220号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カソードに供給された空気中の窒素等は、微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入するので、水素ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。この状態で上述したポンプやコンプレッサの運転を継続させると、このポンプやコンプレッサの回転数が一定に保持されていても、該ポンプやコンプレッサの運転に必要な電力が増大してゆき、これらの機器に対する負担が増大するとともに、燃費が悪化してしまうという問題があった。
【0007】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスの循環流路に設けられる燃料ポンプに対する保護を高めるとともに、燃費を向上できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項1に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池(例えば、後述する実施の形態における燃料電池1)と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路(例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路10)と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路(例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路20)と、回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプ(例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ7)と、前記燃料ポンプの負荷状態(例えば、後述する実施の形態におけるポンプ消費電流Y’)を検出する負荷状態検出手段(例えば、後述する実施の形態におけるポンプ消費電流検出センサ27)と、前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段(例えば、後述する実施の形態におけるECU26)と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【0009】
この発明によれば、燃料オフガス循環流路から燃料ガス供給流路に燃料オフガスを循環させる際に燃料ポンプの負荷状態が増大した場合であっても、前記制御手段により燃料ポンプの回転数を制御することにより、前記燃料ポンプの負荷状態を低減させることができ、燃料ポンプに対する保護を高めることができる。また、負荷状態を低減させることにより、燃料ポンプの運転に必要な電力を低減でき、その分燃費を向上させることができる。
【0010】
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁(例えば、後述する実施の形態における排出弁25)を備え、前記負荷状態から燃料オフガス中の不純ガス濃度を算出する算出手段(例えば、後述する実施の形態におけるECU26)を備え、該算出手段にて算出した不純ガス濃度に基づいて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする燃料電池システムである。
【0011】
この発明によれば、前記負荷状態検出手段により検出した燃料ポンプの負荷状態に応じて、燃料オフガス中の不純ガス(燃料ガス以外のガスであり、主に窒素ガス)の濃度を前記算出手段により算出することができる。これにより、不純ガスの濃度が前記算出した濃度になった場合に排出弁を開くように制御することができ、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることで、不純ガスがもたらす高い負荷状態を低減することができ、燃料ポンプに対する保護をさらに高めることができる。また、オフガス中の燃料濃度が所定値より高い場合にのみ前記ポンプを駆動できるため、ポンプの駆動に必要な電力を低減でき、効率的な運転を行うことができる。
【0012】
また、請求項3に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記負荷状態検出手段からの信号が所定の基準値より大きい場合に、該信号に基づいて前記回転機の回転数を制御することを特徴とする。
【0013】
この発明によれば、燃料ポンプの負荷状態が増加した場合に、回転機の回転数を抑制することで燃料ポンプの過負荷状態から抜け出すことができ、該ポンプの運転に必要な動力を低減できるので、その分だけ燃費を向上させることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
初めに、この発明に係る燃料電池システムの第1の実施の形態を図1の図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池1は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として例えば水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【0015】
空気はコンプレッサ2により所定圧力に昇圧され、燃料電池1のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池1のカソードから空気オフガスとして排出され、圧力制御弁3を介して排出される。
一方、高圧水素タンク4から供給される水素ガスは、圧力制御弁5およびエゼクタ6を備えた水素ガス供給流路10を通り、圧力制御弁5で所定圧力に減圧されて燃料電池1のアノードに供給される。
【0016】
燃料電池1に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池1のアノードから水素オフガス循環流路20に排出される。水素オフガス循環流路20は、エゼクタ6の吸込側に接続されており、水素オフガス循環流路20の途中には水素ポンプ7と逆止弁21が設けられている。前記水素ポンプ7は、電動モータやタービン等の回転力を発生する回転機により駆動される。燃料電池1のカソードから排出された水素オフガスは、水素ポンプ7で昇圧されてエゼクタ6に流入するようにされており、これにより、水素オフガスは、高圧水素タンク4から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池1のアノードに供給されるようになっている。
【0017】
また、前記水素オフガス循環流路20は、前記水素ポンプ7の上流側で分岐しており、この分岐した分岐流路29には排出弁25が設けられている。この排出弁25が閉じられると、水素オフガス循環流路20の水素オフガスは上述したように水素ポンプ7を介して燃料電池1のアノードに供給される。一方、排出弁25が開かれると、水素オフガス循環流路20の水素オフガスは分岐流路29から排出弁25を介して燃料電池システムの外部にガス希釈装置(図示せず)を介して希釈された状態で排出される。
【0018】
前記排出弁25や前記水素ポンプ7、圧力制御弁3,5、コンプレッサ2はそれぞれECU(Electric Control Unit)26に接続されており、該ECU26によりこれらの機器は制御される。また、前記ECU26は、ポンプ消費電流検出センサ27、ポンプ回転数検出センサ31に接続されている。前記ポンプ消費電流検出センサ27は前記水素ポンプ7の駆動時における消費電流を検出するものであり、ポンプ回転数検出センサ31は前記水素ポンプ7の回転数を検出するものである。これらのセンサ27、31で検出された電流、回転数がECU26に送信される。
【0019】
このように構成された燃料電池システムにおける始動時の制御について、図2〜図4を用いて説明する。
図2は図1に示した燃料電池システムの始動時における制御を示す工程図である。ステップS10で、燃料電池1の発電指令が出されたことをECU26が検知すると、該ECU26は、ステップS12で水素ポンプ7を制御して、水素ポンプ7を駆動する。また、このとき排出弁25が開いていた場合には、ECU26は排出弁25を閉じる制御を行う。これにより、水素オフガス循環流路20中の水素オフガスは水素ポンプ7により昇圧されてエゼクタ6に流入し、水素ガス供給流路10を通って燃料電池1のアノードに供給される。
また、ステップS12の処理と並行して、ECU26は前記コンプレッサ2を作動させて、燃料電池1のカソードに空気を供給する。これにより、燃料電池1の各セルにて発電が開始される。
【0020】
そして、ステップS14で、前記ポンプ消費電流検出センサ27によりポンプ消費電流値Y’を検出する。そして、ステップS16で、検出した電流値Y’が予め設定した基準値Y0よりも小さいかどうかを判定する。この判定結果がYESの場合には、ステップS20に進んで、水素ポンプ7の駆動を継続して行う。ステップS16の判定結果がNOの場合には、ステップS18で、水素ポンプのモータ回転数Xを所定数ΔXだけ低下させ、再度ステップS16に進み、検出した電流値Y’が基準値Y0よりも小さくなるまで上述した処理を繰り返す。このように、簡易な制御で水素ポンプ7の消費電流を所定の基準値Y0以内に保持させることができ、水素ポンプ7に過度な負担がかかることを防止して水素ポンプ7を駆動させることができるため、水素ポンプ7に対する保護を高めることができる。
【0021】
図3は図1に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。なお、上述した図2における処理と同様の処理については、同一の番号を付している。図2において、ステップS10〜ステップS14までの処理、ステップS16で判定結果がYESの場合は、図2に示した場合と同様であるため、説明を省略する。
【0022】
ステップS16の判定結果がNOの場合(検出電流値Y’が基準値Y0より大きい場合)には、ステップS22に進み、ポンプ駆動モータ回転数Xと消費電流値Yの関係式Y=AXの係数Aを算出する。
図5は図3の制御に使用される水素ポンプ7の回転数Xと水素ポンプ消費電流Yの関係を示すグラフである。同図に示したように、ポンプ7のモータ回転数Xとポンプ7の消費電流Yとは原点を通る比例関係にあると見なすことができる。このため、モータ回転数X’と消費電流値Y’を検出すれば、上述した係数Aを算出することができる。したがって、図5に示したように、ポンプ回転数検出センサ31にて検出した回転数X’とポンプ消費電流検出センサ27にて検出した電流Y’とから、係数Aを算出することができる。
【0023】
そして、ステップS24で、上述した関係式から、電流値Yが基準値Y0以下となる回転数X0を算出する。前記関係式の係数AがステップS22において算出されているので、基準値Y0に対応する回転数X0を一意的に算出することができる。そして、ステップS26で、ECU26は水素ポンプ7を制御して、算出した回転数X0までモータ回転数Xを低下させ、ステップS14の処理に戻って上述した一連の処理を行う。このように、ポンプ消費電流Yと回転数Xの関係式を算出することにより、ポンプ7の消費電流Yが基準値Y0以内になるように、回転数XをX0に迅速に制御することができるため、ポンプ7に対する保護をより高めることができる。
【0024】
図4は図1に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。なお、上述した図2、図3における処理と同様の処理については、同一の番号を付している。図4において、ステップS10〜ステップS14までの処理は、図2に示した場合と同様であるため、説明を省略する。
【0025】
ステップS14にてポンプ7の消費電流値Y’(A)を検出した後、ECU26は、ステップS28で、オフガス中の窒素濃度Z(ppm)を算出する。この窒素濃度Zの算出は、駆動中の水素ポンプ7の消費電流に基づいて行う。図6は窒素濃度Zと水素ポンプ消費電流Yの関係を示すグラフである。同図に示したように、水素ポンプ7の回転数Xが一定の場合(例えば回転数X1(rpm))には、水素ポンプ7の消費電流はオフガス中の窒素濃度にほぼ比例する。これは、窒素は水素に比べて比重が大きいため、同じ回転数X1であっても、オフガス中の窒素濃度Zに応じて水素ポンプ7の回転に必要な仕事量が変化するためである。従って、回転数X1の場合における、水素ポンプ7の消費電流Yをポンプ消費電流検出センサ27にて検出すれば、図6から窒素濃度Zを算出することができる。また、同様にして、回転数X1の場合における、所定の窒素濃度Z1に対応する消費電流Y1を算出することができる。なお、水素ポンプ7の回転数が変化した場合であっても(例えば、回転数X0やX2)、水素ポンプ7の消費電流Yが検出されれば、図6に示したように、ECU26にて窒素濃度Zを算出することができる。
【0026】
このように、ECU26で、所定の窒素濃度Z1に対応する消費電流の基準値Y1を算出した後、ステップS28で、検出電流値Y’が基準値Y1より小さいかどうかを判定する。この判定結果がYESの場合には、ステップS20に進んで水素ポンプ7の駆動を継続して行う。この場合には、オフガス中に水素が十分あると考えられるためである。
また、ステップS28の判定結果がNOの場合には、ステップS30に進んで排出弁25を開く処理を行う。この場合には、窒素濃度が高くオフガス中に水素があまりないと考えられるためである。また、ステップS30の後は、ステップS14に戻って、上述した一連の処理を行う。
【0027】
このように、前記ポンプ消費電流検出センサ27により検出した水素ポンプ7の負荷状態(この場合は消費電流)に応じて、水素オフガス中の不純ガス(水素ガス以外のガスであり、主に窒素ガス)の濃度ZをECU26により算出することができる。不純ガスの濃度Zが所定の濃度Z1になった場合を水素ポンプ7の消費電流Yから算出し、この場合に排出弁25を開くように制御することで、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることができるとともに、このパージにより不純ガスがもたらす高い負荷状態を低減することができるため、水素ポンプ7に対する保護を高めることができる。
【0028】
なお、本発明における燃料電池システムは、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途にも適用することができるのはもちろんである。また、燃料ガスとしては、水素ガス以外の他のガスを用いてもよい。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る発明によれば、燃料ガスの循環流路に設けられる燃料ポンプに対する保護を高めることができる。
請求項2に係る発明によれば、燃料ポンプに対する保護をさらに高めることができ、効率的な運転を行うことができる。
請求項3に係る発明によれば、燃料ポンプの運転に必要な動力を低減できるので、その分だけ燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図2】図1に示した燃料電池システムの始動時における制御を示す工程図である。
【図3】図1に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。
【図4】図1に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。
【図5】図3の制御に使用される水素ポンプの回転数Xと水素ポンプ消費電流Yの関係を示すグラフである。
【図6】図4の制御に使用される水素ポンプ消費電流Yと窒素濃度Zの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 燃料電池
7 水素ポンプ
10 水素ガス供給流路
20 水素オフガス循環流路
26 ECU
27 ポンプ消費電流検出センサ
Claims (3)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、
回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、
前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁を備え、
前記負荷状態から燃料オフガス中の不純ガス濃度を算出する算出手段を備え、
該算出手段にて算出した不純ガス濃度に基づいて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、
回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、
前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷状態検出手段からの信号が所定の基準値より大きい場合に、該信号に基づいて前記回転機の回転数を制御することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法。
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