JP2004178897A

JP2004178897A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004178897A
Application number: JP2002342216A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Ueda; 健一郎上田; Giichi Murakami; 義一村上; Junji Uehara; 順司上原; Masanori Hayashi; 正規林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-26
Also published as: JP3939633B2

Abstract

【課題】燃料電池システムを提供する。
【解決手段】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１と、前記燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路４と、前記燃料電池１から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路４に戻す燃料オフガス循環流路７と、前記燃料ガス供給流路４に設けられ前記燃料オフガス循環流路７の燃料オフガスを燃料ガス供給流路４に送り込むエゼクタ９と、前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路７から排出する排出弁８と、前記排出弁８を開く循環流路内ガス排出時に、前記エゼクタ９の流量を所定値よりも大きくする制御手段１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２１３３５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように水素オフガスの循環を繰り返すと、オフガス内の不純物濃度が上昇して出力低下の虞があるため、燃料電池に供給する水素ガスの量を一時的に増加させて、前記オフガスを燃料電池システム外部に排出する循環流路内ガス排出を行うことが一般的である。
しかしながら、前記循環流路内ガス排出時には、供給される水素ガスの量が増加することによりエゼクタでの圧力損失が大きくなってしまい、アノード側での水素圧力が低下してしまう。これにより、アノードとカソードガス圧力の差（極間差圧）が変動し、燃料電池の性能を維持する上で好ましくない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、反応ガスの循環流路内ガス排出による極間差圧の変動を抑制でき、燃料電池の信頼性を維持することが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システム２）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６）と、前記燃料ガス供給流路に設けられ前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むエゼクタ（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ９）と、前記燃料オフガス循環流路内のガスを排出する排出弁（例えば、後述する実施の形態における排出弁８）と、前記排出弁を開く循環流路内ガス排出時に、前記エゼクタの流量を前記排出弁が閉じているときよりも大きくする制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ１１）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、前記循環流路内ガス排出時に燃料ガスの流量が増加した場合においても、前記エゼクタの流量を前記排出弁が閉じているときよりも大きくすることにより、エゼクタでの圧力損失を低減でき、アノード側での水素圧力の低下を抑えることができるため、アノードとカソードガス圧力の差（極間差圧）の変動を抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。この場合には、前記極間差圧の変動を防いで、燃料電池の信頼性をさらに高めることができる。
【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、前記エゼクタの流量を所定値よりも大きくする制御を、前記循環流路内ガス排出後も所定時間継続することを特徴とする。
この発明によれば、循環流路内ガス排出終了後においても、エゼクタに供給されるガスの流量変動に伴うエゼクタでの圧力損失を低減することができるため、循環流路内ガス排出終了後においても極間差圧の変動を抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、記エゼクタは、径の異なる複数のノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル１２ａ〜１２ｂ）と、これらのノズルを切り換えて前記燃料ガス供給流路に接続する切換手段（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ切換弁１０）を備え、前記排出弁を開く循環流路内ガス排出時に、前記複数のノズルのうち最大の径のノズル（例えば、後述する実施の形態におけるノズル１２ａ）に切り換える。
【００１２】
この発明によれば、前記エゼクタの流量を所定値よりも大きくする制御を、前記最大の径のノズルに切り換えることにより行うため、前記エゼクタでの圧力損失を最大限抑えることができ、極間差圧の変動を最大限抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のものであって、前記制御手段は、循環流路内ガス排出中かどうかを判断する手段と、循環流路内ガス排出中の場合には、エゼクタのノズル径を最大に切り換える手段と、循環流路内ガス排出終了後所定時間経過するまではエゼクタのノズル径を最大に維持する手段と、循環流路内ガス排出終了後所定時間経過後はエゼクタのノズル径を循環流路内ガス排出前の状態に戻す手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、循環流路内ガス排出中や処理後において、エゼクタでの圧力損失を低減でき、燃料ガスのアノード側での水素圧力の低下を抑えることができるため、極間差圧の変動を抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
【００１５】
【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実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、本発明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。
前記燃料電池システムが備える燃料電池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る。
【００１６】
前記燃料電池１には、燃料である水素ガスを供給する水素ガス供給システム２と、酸化剤ガスであるエアを供給するエア供給システム３とが接続されている。水素ガス供給システム２は、例えば高圧で水素を保持する高圧水素タンクを備え、水素ガス供給流路４を介して燃料電池１のアノードに水素を供給する。エア供給システム３は、例えばエアコンプレッサを備えており、エア供給流路５を介して燃料電池１のカソードに酸化剤である空気（エア）を供給する。
【００１７】
これらのシステム２，３から反応ガス（水素、エア）が燃料電池１に供給されると、アノードの反応面（図示せず）に供給された水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソードの方に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。燃料電池１には走行モータなどの負荷（図示せず）が接続されており、該負荷に燃料電池１からの出力（発電電力）が供給される。
【００１８】
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７に排出される。水素オフガス循環流路７は、前記水素ガス供給流路４に設けられたエゼクタ９の吸込側に接続されている。
前記エゼクタ９は、流体の流れ（この場合は水素ガス）によるエネルギで駆動されるものであり、前記水素オフガス循環流路７の水素オフガスを水素ガス供給流路４に送り込む。
【００１９】
これにより、水素オフガスは、水素ガス供給システム２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。
【００２０】
また、前記エゼクタ９は、径の異なる複数のノズル１２ａ〜１２ｃを備えている。本実施の形態においては、径の大きさが、ノズル１２ａ、ノズル１２ｂ、ノズル１２ｃの順に小さくなっており、ノズル１２ａの径が最も大きく設定されている。また、ノズル１２ａ〜１２ｃはスライド部材１３に一体的に設けられ、スライド部材１３がスライドすることにより、ノズル１２ａ〜１２ｃのいずれかが水素ガス供給流路４に接続される。そして、前記エゼクタ９の上流側に設けられたエゼクタ切換弁１０により、水素ガス供給流路４に接続されるノズル１２ａ〜１２ｃが切り換えられる。これにより、エゼクタ９に供給されるガス（この場合は水素ガス）の流量が制御される。
【００２１】
また、前記水素オフガス循環流路７は、水素オフガス排出流路６に接続しており、この分岐した水素オフガス排出流路６には排出弁８が設けられている。この排出弁８が閉じられると、水素オフガス循環流路７の水素オフガスはエゼクタ９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８が開かれると、前記水素オフガスは水素オフガス排出流路６から排出弁８を介して燃料電池システムの外部に排出される。
【００２２】
前記水素ガス供給システム２、エア供給システム３、排出弁８、エゼクタ切換弁１０のそれぞれには、制御装置（ＥＣＵ）１１が接続されている。この制御装置１１は、負荷の作動に必要な電力を算出して、この算出した電力に基づいて水素ガス供給システム２、エア供給システム３にそれぞれ制御信号を送信する。これにより、水素ガス供給システム２，エア供給システム３から供給される反応ガスの量が調整され、燃料電池１での発電量が制御される。
【００２３】
また、制御装置１１は、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスの水素濃度を検出するセンサ（図示せず）を備え、検出された水素濃度に応じて排出弁８を開くとともに、供給する水素の流量を増加させて不純物を排出する循環流路内ガス排出を行う。加えて、この循環流路内ガス排出に基づいて、前記エゼクタ９のノズル１２ａ〜１２ｃを切り換える制御を行う。これについて図２を用いて説明する。
【００２４】
図２は、図１に示した燃料電池システムにおけるエゼクタ９の切換制御処理を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１２に示したように、循環流路内ガス排出中かどうかを判定し、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ１４に進む。ここで、排出弁８が開いているときが循環流路内ガス排出中であり、排出弁８を閉じているときが循環流路内ガス排出を行っていないときである。
【００２５】
ステップＳ２０では、タイマーＴＭに所定値ＴＭ１を設定する。この所定値ＴＭ１は、例えば、循環流路内ガス排出により増加したガス流量が、要求出力に応じて制御される通常のガス流量に移行するまでの時間である。
ステップＳ２２で、エゼクタ９のノズル径を最大に切換・保持を行う。すなわち、エゼクタ９のノズル径が最大でない場合には最大に切り換える。また、ノズル径がすでに最大の場合にはその状態を維持する。この場合には、水素ガス供給流路４に接続されるノズルをノズル１２ａに切換・保持することにより行う。そして、一連の処理を終了する。
【００２６】
このようにしたため、前記循環流路内ガス排出時に水素ガスの流量が増加した場合においても、前記エゼクタ９のノズル径を最大に切り換えて、流量を所定値よりも大きくすることにより、エゼクタ９での圧力損失を低減でき、アノード側での水素圧力の低下を抑えることができるため、アノードとカソードガス圧力の差（極間差圧）の変動を抑制して、燃料電池１の性能を維持することができる。
【００２７】
また、循環流路内ガス排出中でないと判定されたステップＳ１４ではタイマーＴＭが０かどうかの判定を行い、判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯの場合にはステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８の場合にはタイマーＴＭの値を所定値αで減算し、ステップＳ２２の処理に進み、その後一連の処理を終了する。
【００２８】
ステップＳ１６の場合には、エゼクタ９のノズル径を通常状態（循環流路内ガス排出以外の状態）に切換・保持を行う。すなわち、エゼクタ９のノズル径が最大に切り換えられていた場合には、要求出力に応じたノズル径（例えばノズル１２ｂ、１２ｃ）に切り換える。また、ノズル径がすでに通常状態の場合にはその状態を維持する。そして、一連の処理を終了する。
【００２９】
このように、循環流路内ガス排出終了後においても、エゼクタ９に供給されるガスの流量変動に伴うエゼクタ９での圧力損失を低減することができるため、循環流路内ガス排出終了後においても極間差圧の変動を抑制して、燃料電池１の性能を維持することができる。
【００３０】
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。例えば、上述した実施の形態においては、エゼクタ７は径の異なる複数のノズル１２ａ〜１２ｂを備えたスライド式のものを用いたが、ノズルに絞り機構を備えてノズル径を調整できる電磁弁であってもよい。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。
【００３１】
【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、エゼクタでの圧力損失を低減でき、燃料ガスのアノード側での水素圧力の低下を抑えることができるため、アノードとカソードガス圧力の差（極間差圧）の変動を抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
【００３２】
請求項２に係る発明によれば、循環流路内ガス排出終了後においても極間差圧の変動を抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
請求項３に係る発明によれば、前記エゼクタでの圧力損失を最大限抑えることができ、極間差圧の変動を最大限抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
請求項４に係る発明によれば、循環流路内ガス排出中や処理後において、極間差圧の変動を抑制して、燃料電池の性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明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におけるエゼクタの切換制御処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池
２水素ガス供給システム
３エア供給システム
８排出弁
９エゼクタ
１０エゼクタ切換弁
１１ＥＣＵ

Claims

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、
前記燃料ガス供給流路に設けられ前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むエゼクタと、
前記燃料オフガス循環流路内のガスを排出する排出弁と、
前記排出弁を開く循環流路内ガス排出時に、前記エゼクタの流量を前記排出弁が閉じているときよりも大きくする制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記エゼクタの流量を所定値よりも大きくする制御を、前記循環流路内ガス排出後も所定時間継続す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。
前記エゼクタは、径の異なる複数のノズルと、これらのノズルを切り換えて前記燃料ガス供給流路に接続する切換手段を備え、
前記エゼクタの流量を所定値よりも大きくする制御を、前記複数のノズルのうち最大の径のノズルに切り換えることにより行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、循環流路内ガス排出中かどうかを判断する手段と、
循環流路内ガス排出中の場合には、エゼクタのノズル径を最大に切り換える手段と、
循環流路内ガス排出終了後所定時間経過するまではエゼクタのノズル径を最大に維持する手段と、
循環流路内ガス排出終了後所定時間経過後はエゼクタのノズル径を切り換え前の状態に戻す手段と、を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。