JP2004235093A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】必要最低限の運転圧で燃料電池スタックの運転を行い、正味出力の低減を防止する。
【解決手段】燃料電池スタックの燃料極からの排出ガス温度と発電電力とをパラメータとして燃料電池スタックの適正運転圧を指定する循環成立圧力マップ（第１の運転圧力マップ）をコントローラのＲＯＭ 等に格納しておく。コントローラは、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタし、前記循環成立圧力マップに基づいて燃料電池スタックの適正運転圧を設定する。そして、燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作を制御する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックの燃料極から排出される排出ガスをエジェクタにより循環させて、排出ガス中の未反応水素を再利用する燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池スタックの加圧運転を効率的に行うための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池システムが注目を浴びている。燃料電池システムは、燃料となる水素ガス（水素リッチな改質ガスを含む）を燃料電池スタックの燃料極に、酸化剤となる空気を燃料電池スタックの空気極にそれぞれ供給して電気化学反応を生じさせ、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、ガスの流れ方向に向かってガス組成が変化するので、ガス組成変化に伴う活量係数の変化による影響を少なくするために、燃料電池スタックへ供給するガス流量は、消費電流と量論的に等しいガス消費量よりも幾分多めに設定するのが一般的である。このため、燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスには、未反応の燃料ガス（水素ガス）が含まれている。
【０００４】
このような未反応の水素ガスは、これを再利用しなければそのまま損失となってしまい、水素ガス利用効率の低下を招くことになる。そこで、燃料電池システムでは、燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスを循環させて新たに供給される水素ガスと混合し再利用することが一般的に行われている。ここで、燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスを循環、混合させる手段としては、駆動力の必要がないエジェクタが広く利用されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２２７１４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記エジェクタは、その機構上、供給ガス流の負圧を利用するため、吸入されるガスの質量流量には制限がある。また、吸入される側の燃料極からの排出ガスには生成水や加湿水の水蒸気が含まれており、これらの水蒸気量が多いと、その分、エジェクタに吸入される水素量が減少することになる。この燃料極からの排出ガスに含まれる水蒸気量は、燃料電池スタックの運転圧や運転温度に左右されるものである。
【０００７】
以上の点に鑑み、燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスに含まれる水素ガスを安定的に循環させて再利用するために、燃料電池スタックの運転圧を高めて燃料極からの排出ガスに含まれる水蒸気量を減らす運転方法（加圧運転）を採用する試みがなされている。しかしながら、燃料電池スタックの運転圧をあまり高く設定すると、その分、空気供給装置等の補機による消費電力が多くなり、正味出力が減少してしまうという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の有する課題に鑑みて提案されたものであり、必要最低限の運転圧で燃料電池スタックの運転を行い、空気供給装置等の補機による消費電力を最小限に抑えることができ、正味出力の低減を防止し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、空気極への空気の供給及び燃料極への水素ガスの供給により発電を行う燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの空気極入口に空気を加圧供給する空気供給装置と、燃料電池スタックの空気極の圧力を調整する空気調圧バルブと、燃料電池スタックの燃料極出口配管と燃料極入口配管と水素供給配管とを結ぶエジェクタと、このエジェクタの水素供給配管に水素ガスを供給する水素供給装置と、この水素供給装置とエジェクタとの間に設置される水素調圧バルブと、燃料電池スタックの燃料極出口配管にてエジェクタに戻る排出ガスの温度を測定する第１の温度センサと、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作をそれぞれ制御する制御手段とを備える。そして、制御手段が、燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスの温度と発電電力とをパラメータとして燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第１の運転圧力マップを有し、第１の温度センサによって測定される排出ガス温度と発電電力とから第１の運転圧力マップを参照して適正運転圧を設定し、燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作を制御することを特徴としている。
【００１０】
また、この燃料電池システムにおいては、制御手段が、発電電力をパラメータとして燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第２の運転圧力マップを更に有するようにして、第１運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と第２運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧とを比較して、何れか高い方の圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作を制御するようにしてもよい。
【００１１】
また、この燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの空気極出口温度を測定する第２の温度センサを更に備えるようにすると共に、制御手段が、燃料電池スタックの空気極出口温度をパラメータとして燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第３の運転圧力マップを更に有するようにして、第１運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と第２運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と第３の運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧とを比較して、最も高い圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作を制御するようにしてもよい。
【００１２】
また、本発明の他の燃料電池システムは、空気極への空気の供給及び燃料極への水素ガスの供給により発電を行う燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの空気極入口に空気を加圧供給する空気供給装置と、燃料電池スタックの空気極の圧力を調整する空気調圧バルブと、燃料電池スタックの燃料極出口配管と燃料極入口配管と水素供給配管とを結ぶエジェクタと、このエジェクタの水素供給配管に水素ガスを供給する水素供給装置と、この水素供給装置とエジェクタとの間に設置される水素調圧バルブと、燃料電池スタックの燃料極出口配管にてエジェクタに戻る排出ガスの温度を測定する第１の温度センサと、燃料電池スタックの空気極出口温度を測定する第２の温度センサと、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作をそれぞれ制御する制御手段とを備える。そして、制御手段が、燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスの温度と燃料電池スタックの空気極出口温度と発電電力とをパラメータとして燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第４の運転圧力マップを有し、第１の温度センサによって測定される排出ガス温度と第２の温度センサによって測定される空気極出口温度と発電電力とから第４の運転圧力マップを参照して適正運転圧を設定し、燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作を制御することを特徴としている。
【００１３】
以上のような本発明の燃料電池システムにおいては、燃料極排出ガス温度と発電電力、さらには空気極出口温度をパラメータとする運転圧力マップに基づいて、燃料電池スタックの運転圧がその運転状況に応じて最適な圧力となるように、空気供給装置、空気調圧バルブ及び水素調圧バルブの動作が制御される。これにより、例えば、エジェクタの循環成立性を満足させるのに必要な最低限の運転圧で燃料電池スタックを効率的に運転することが可能となる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池スタックの運転圧がその運転状況に応じて最適な圧力となるように設定され、過剰な運転圧での燃料電池スタックの運転が有効に抑制されるので、例えば、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置等の補機による消費電力を最小限に抑えることができ、正味出力の低減を有効に防止することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムの構成を図１に示す。この燃料電池システムは、空気極への空気の供給及び燃料曲への水素ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック１を備えている。
【００１７】
燃料電池スタック１は、水素ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。燃料極では、水素ガスが供給されるとその水素を水素イオンと電子とに解離させ、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１８】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１９】
燃料電池スタック１の空気極入口には、空気極に空気を供給する空気供給系が設けられている。この空気供給系は、流量計２と、フィルタ３と、空気供給装置としてのコンプレッサ４と、空気供給配管５とを有し、空気は、コンプレッサ４の駆動によって大気中から流量計２、フィルタ３を介して取り込まれ、コンプレッサ４で調圧された上で、空気供給配管５を通して燃料電池スタック１の空気極へと供給される。
【００２０】
また、燃料電池スタック１の空気極出口には、空気排気系が設けられている。この空気排気系は、空気排気配管６と、空気極の圧力を調整する空気調圧バルブ７とを有し、燃料電池スタック１の空気極出口と空気調圧バルブ７との間には、温度センサ８及び圧力センサ９が設けられている。燃料電池スタック１の空気極を通過した空気は、温度センサ８及び圧力センサ９を通過して、空気調圧バルブ７を介して大気中に排出される。
【００２１】
一方、燃料電池スタック１の燃料極入口には、燃料極に水素ガスを供給する水素供給系が設けられている。この水素供給系は、高圧水素タンク１０と、水素調圧バルブ１１と、水素供給配管１２と、エジェクタ１３と、燃料極入口配管１４とを有しており、高圧水素タンク１０から取り出された水素ガスが、水素調圧バルブ１１を通過した後、水素供給配管１２、エジェクタ１３、燃料極入口配管１４を通過して燃料電池スタック１の燃料極へと供給される。
【００２２】
本実施形態の燃料電池システムは、いわゆる水素循環型の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池スタック１での発電に使用されずに燃料電池スタック１から排出された排出ガスを循環させて再利用するための経路となる燃料極出口配管１５が、燃料電池スタック１の燃料極出口に接続されている。この燃料極出口配管１５は、エジェクタ１３に接続されており、燃料電池スタック１の燃料極出口配管１５と燃料極入口配管１４、さらには水素供給配管１２は、エジェクタ１３によって連結されている。エジェクタ１３では、燃料電池スタック１の燃料極を通過して未使用のまま排出された排出ガス（循環水素ガス）と、高圧水素タンク１０から新たに取り出された水素ガスとが混合される。そして、エジェクタ１３で混合された水素ガスが、燃料電池スタック１の燃料極へと供給される。
【００２３】
なお、燃料極出口配管１５には圧力センサ１６及び温度センサ１７が設けられており、燃料電池スタック１の燃料極から排出された排出ガスは、燃料極出口配管１５を通ってエジェクタ１３に至る間に、これら圧力センサ１６と温度センサ１７を通過することで、その圧力及び温度が検出されるようになっている。
【００２４】
前記燃料電池スタック１は、発電の際には電気化学反応に伴って発熱するが、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低いことから、これを冷却することが必要である。そこで、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１に冷却水を供給してこれを冷却する冷却水循環系が設けられている。
【００２５】
この冷却水循環系は、冷却水を循環させて燃料電池スタック１に供給するための冷却水流路１８及び冷却水循環ポンプ１９と、熱交換器（ラジエータ）２０とを有し、冷却水循環ポンプ１９によって冷却水に運動エネルギを与えて冷却水流路１８内を移動させ、この冷却水を燃料電池スタック１に供給することによってこれを冷却し、燃料電池スタック１の温度を最適な温度に維持する。また、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却水は、熱交換器２０で冷却されて燃料電池スタック１に供給される。
【００２６】
また、燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１で発電した電力を消費する負荷装置２１が接続されている。具体的には、負荷装置２１として例えばインバータが燃料電池スタック１に接続され、燃料電池スタック１で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータ等へ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システムを例えば車両に適用した場合には、車両走行の動力として使用されることになる。
【００２７】
さらに、本実施形態の燃料電池システムは、当該燃料電池システムの効率を高めるために最適な燃料電池スタック１の運転圧力（適正運転圧）を設定し、これに応じてコンプレッサ４や空気調圧バルブ７、水素調圧バルブ１１の動作を制御するコントローラ２２（制御手段）を備えている。このコントローラ２２は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。
【００２８】
ここで、コントローラ２２は、流量計２のセンシング値をモニタし、燃料電池スタック１の空気極に供給される空気の流量が、燃料電池スタック１の発電量に応じた空気要求量になるように、コンプレッサ４及び空気調圧バルブ４の動作を制御する。また、同時に、コントローラ２２は、圧力センサ９のセンシング値をモニタし、燃料電池スタック１の空気極に供給される空気の圧力、すなわち燃料電池スタック１の運転圧が、設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４及び空気調圧バルブ７の動作を制御する。同様に、コントローラ２２は、圧力センサ１６のセンシング値をモニタし、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素ガスの圧力、すなわち燃料電池スタック１の運転圧が、設定した適正運転圧になるように、水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００２９】
このとき、コントローラ２２は、温度センサ１７で検出される排出ガスの温度と燃料電池スタック１における発電電力とをパラメータとする第１の運転圧力マップに基づいて、燃料電池スタック１の運転圧が適正な運転圧力となるように調整する。本実施形態では、この第１運転圧力マップとして循環成立圧力マップを用いている。
【００３０】
この循環成立圧力マップを図２に示す。循環成立圧力マップは、燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス温度と、燃料スタック１の発電電力とをパラメータとして、エジェクタ１３の循環成立性を満足させる必要十分な運転圧である循環成立圧力Ｐ１（適正運転圧）を指定するものであり、コントローラ２２のＲＯＭ等に格納されている。この図２に示す循環成立圧力マップは、燃料電池スタック１の発電出力が同じであっても、排出ガス温度が高ければ飽和水蒸気圧力も高くなるために、エジェクタ１３による排出ガスの循環を成立させる圧力Ｐ１は高くする必要があり、排出ガス温度が低ければ逆にエジェクタ１３による排出ガスの循環を成立させる圧力Ｐ１は低くてもよいことを示している。また、燃料電池スタック１の発電電力が高いほど運転圧力を高める必要があることを示している。すなわち、第１の運転圧力マップである循環成立圧力マップによれば、発電電力が高いほど適正運転圧として高い圧力が指定され、且つ排出ガス温度が高いほど適正運転圧として高い圧力が指定されることになる。
【００３１】
コントローラ２２は、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタすることによって、循環成立圧力マップ（第１の運転圧力マップ）に基づいて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させる必要十分な運転圧力である循環成立圧力Ｐ１を求め、これを燃料電池スタック１の適正運転圧として設定する。そして、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４、空気調圧バルブ７及び水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００３２】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２２が、燃料電池スタック１の燃料極からの排気ガス温度と発電出力とをパラメータとして、エジェクタ１３の循環成立性を満足させる必要十分な運転圧である循環成立圧力Ｐ１を指定する循環成立圧力マップ（第１の運転圧力マップ）に基づいて、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とから燃料電池スタック１の適正運転圧を設定するようにしているので、燃料電池スタック１の排出ガス温度や発電出力といった運転状況に合わせて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させながら効率的な運転を行うのに最適な圧力が適正運転圧として設定されることになる。そして、コントローラ２２が、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４や空気調圧バルブ７、水素調圧バルブ１１の動作を制御するので、過剰な運転圧での燃料電池スタック１の運転が有効に抑制され、例えばコンプレッサ４等の補機による消費電力を最小限に抑えることができ、正味出力の低減を有効に防止することができる。
【００３３】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成は、先の第１の実施形態の燃料電池システムと同様である。先の第１の実施形態の燃料電池システムと異なる点は、コントローラ２２において燃料電池スタック１の適正運転圧を設定する際に、図２に示した循環成立圧力マップ（第１の運転圧力マップ）に加えて、図３に示すような効率最適化圧力マップ（第２の運転圧力マップ）を用いる点である。この効率最適化圧力マップは、燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示すものである。
【００３４】
すなわち、図３に示す効率最適化圧力マップは、燃料電池スタック１のＩ−Ｖカーブの圧力依存性とコンプレッサ４の消費電力の圧力依存性とを勘案して、発電電力をパラメータとして、システム効率を最適化する運転圧力である効率最適化圧力Ｐ２（適正運転圧）を指定するものであり、コントローラ２２のＲＯＭ等に格納されている。この図３に示す効率最適化圧力マップは、燃料電池スタック１の発電電力が高いほど運転圧力を高めた方が効率が良くなることを示している。すなわち、第２の運転圧力マップである効率最適化圧力マップによれば、発電電力が高いほど適正運転圧として高い圧力が指定されることになる。
【００３５】
コントローラ２２は、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタすることによって、図４に示すように、循環成立圧力マップＭ１（第１の運転圧力マップ）に基づいて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させる必要十分な運転圧力である循環成立圧力Ｐ１を求めると共に、効率最適化圧力マップＭ２に基づいて、システム効率を最適化する運転圧力である効率最適化圧力Ｐ２を求める。そして、コントローラ２２は、これら２つの圧力を比較演算し、何れか高い方の圧力Ｍａｘ（Ｐ１，Ｐ２）を燃料電池スタック１の適正運転圧として設定する。そして、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４、空気調圧バルブ７及び水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００３６】
図２に示した循環成立圧力マップは、エジェクタ１３による排出ガスの循環を成立させる最低限の圧力を適正運転圧として指定するものであり、図３に示した効率最適化圧力マップは、負荷に応じてシステム効率を最適化する圧力を適正運転圧として指定するものである。本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２２が、これらの運転圧力マップで指定される圧力のうちで何れか高い方の圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタック１をこの適正運転圧で運転することになるので、燃料電池スタック１は、エジェクタ３の循環成立性を満足させた上でシステム効率を最も高められる運転圧で運転されることになり、正味出力の低減を更に有効に防止することができる。
【００３７】
すなわち、先の第１の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転圧力が高められることによってコンプレッサ４の消費電力が増加しても燃料電池スタック１のＩ−Ｖカーブの改善があるために、差し引きで効果がある状況であっても、エジェクタ３の循環成立性を満足させる最低圧力でしか運転されないが、本実施形態の燃料電池システムでは、そのような状況においては、システム効率も考慮した圧力で燃料電池スタック１を運転することになり、より確実に正味出力の低減を防止することが可能となる。
【００３８】
また、循環成立圧力マップと効率最適化圧力マップとを個別の運転圧力マップとしておくことで、エジェクタ１３やコンプレッサ４の仕様変更等に伴うデータ変更を容易に行うことが可能となる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成も、先の第１の実施形態の燃料電池システムと同様である。先の第１の実施形態の燃料電池システムと異なる点は、コントローラ２２において燃料電池スタック１の適正運転圧を設定する際に、第１の運転圧力マップとして、図５に示すような運転圧力マップを用いる点である。この図５に示す運転圧力マップは、エジェクタ１３の循環成立性を満足させた上で燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示すものである。
【００４０】
すなわち、図５に示す運転圧力マップは、燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス温度と、燃料電池スタック１の発電電力とをパラメータとして、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つ燃料電池システムのシステム効率を最適化する運転圧力を適正運転圧として指定するものであり、コントローラ２２のＲＯＭ等に格納されている。この図５に示す運転圧力マップによれば、発電電力が高いほど適正運転圧として高い圧力が指定され、且つ排出ガス温度が高いほど適正運転圧として高い圧力が指定されることになる。
【００４１】
コントローラ２２は、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタすることによって、図５に示す運転圧力マップに基づいて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つシステム効率を最適化する運転圧力を求め、これを燃料電池スタック１の適正運転圧として設定する。そして、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４、空気調圧バルブ７及び水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２２が、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つシステム効率を最適化する運転圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタック１をこの適正運転圧で運転することになるので、先の第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、正味出力の低減を更に有効に防止することができる。また、コントローラ２２が参照する運転圧力マップが一つで済むため、コントローラ２２における制御ロジックが簡素なものとなり、メモリ容量も低下させることが可能となる。
【００４３】
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成も、先の第１の実施形態の燃料電池システムと同様である。先の第１の実施形態の燃料電池システムと異なる点は、コントローラ２２において燃料電池スタック１の適正運転圧を設定する際に、図２に示した循環成立圧力マップ（第１の運転圧力マップ）に加えて、図３に示した効率最適化圧力マップ（第２の運転圧力マップ）及び図６に示すような水収支成立圧力マップ（第３の運転圧力マップ）を用いる点である。この水収支成立圧力マップは、燃料電池スタック１の空気極からの排空気に含まれる水蒸気量が生成水量以下になるような水収支成立圧力を示すものである。
【００４４】
すなわち、図６に示す水収支成立圧力マップは、燃料電池スタック１の空気極からの排空気温度（空気極出口温度）をパラメータとして、排空気に含まれる水蒸気量が生成水量以下になるような水収支成立圧力Ｐ３（適正運転圧）を指定するものであり、コントローラ２２のＲＯＭ等に格納されている。この図６に示す水収支成立圧力マップは、燃料電池スタック１の空気極からの排空気温度が高いほど、水収支を成立させる圧力Ｐ３は高くなることを示している。すなわち、第３の運転圧力マップである水収支成立圧力マップによれば、排空気温度が高いほど適正運転圧として高い圧力が指定されることになる。
【００４５】
コントローラ２２は、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタすることによって、図７に示すように、循環成立圧力マップＭ１（第１の運転圧力マップ）に基づいて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させる必要十分な運転圧力である循環成立圧力Ｐ１を求めると共に、効率最適化圧力マップＭ２に基づいて、システム効率を最適化する運転圧力である効率最適化圧力Ｐ２を求める。また、温度センサ８のセンシング値をモニタすることによって、水収支成立圧力マップＭ３（第３の運転圧力マップ）に基づいて、水収支を成立させる必要十分な運転圧力である水収支成立圧力Ｐ３を求める。そして、コントローラ２２は、これら３つの圧力を比較演算し、最も高い圧力Ｍａｘ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を燃料電池スタック１の適正運転圧として設定する。そして、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４、空気調圧バルブ７及び水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００４６】
図２に示した循環成立圧力マップは、エジェクタ１３による排出ガスの循環を成立させる最低限の圧力を適正運転圧として指定するものであり、図３に示した効率最適化圧力マップは、負荷に応じてシステム効率を最適化する圧力を適正運転圧として指定するものである。また、図６に示した水収支成立圧力マップは、排空気温度に応じて水収支を成立させる最低限の圧力を適正運転圧として指定するものである。本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２２が、これら３つの運転圧力マップで指定される圧力のうちで最も高い圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタック１をこの適正運転圧で運転することになるので、燃料電池スタック１は、エジェクタ３の循環成立性を満足させ、水収支を成立させた上でシステム効率を最も高められる運転圧で運転されることになり、水不足による燃料電池スタック１の乾燥等を抑制しながら、正味出力の低減を有効に防止することができる。
【００４７】
すなわち、先の第１乃至第３の実施形態の燃料電池システムでは、例えば外気温が高く冷却水温度が高いことに起因して排空気温度が高くなり、水収支成立圧力がシステム効率優先圧力や循環成立圧力より高くなった場合であっても、第１の運転圧力マップから求められる循環成立圧力、或いは第２の運転圧力マップから求められるシステム効率優先圧力の何れかの圧力でしか運転されない。このため、燃料電池システムの外部に排出されることになる排空気に含まれる水分量が生成水量を上回り、システム内に水不足が生じて燃料電池スタック１の乾燥等の要因となることも想定される。
【００４８】
これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、水収支成立圧力も考慮した圧力で燃料電池スタック１を運転するようにしているので、システム内の水不足による燃料電池スタック１の乾燥等の問題を生じさせることなく、正味出力の低減を有効に防止することが可能となる。また、循環成立圧力マップ、効率最適化圧力マップ、水収支成立圧力マップをそれぞれ個別の運転圧力マップとしておくことで、エジェクタ１３やコンプレッサ４の仕様変更等に伴うデータ変更を容易に行うことが可能となる。
【００４９】
（第５の実施形態）
次に、本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成も、先の第１の実施形態の燃料電池システムと同様である。先の第１の実施形態の燃料電池システムと異なる点は、コントローラ２２において燃料電池スタック１の適正運転圧を設定する際に、第１の運転圧力マップとして図５に示した運転圧力マップを用い、更に図６に示した水収支成立圧力マップ（第３の運転圧力マップ）を用いる点である。
【００５０】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２２は、温度センサ１７のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタすることによって、図５に示す運転圧力マップに基づいて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つシステム効率を最適化する運転圧力を求める。また、温度センサ８のセンシング値をモニタすることによって、図６に示す水収支成立圧力マップに基づいて、水収支を成立させる必要十分な運転圧力である水収支成立圧力Ｐ３を求める。そして、コントローラ２２は、これら２つの圧力を比較演算し、何れか高い方の圧力を燃料電池スタック１の適正運転圧として設定する。そして、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４、空気調圧バルブ７及び水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００５１】
本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２２が、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つ水収支を成立させた上でシステム効率を最も高められる運転圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタック１をこの適正運転圧で運転することになるので、先の第４の実施形態の燃料電池システムと同様に、水不足による燃料電池スタック１の乾燥等を抑制しながら、正味出力の低減を有効に防止することができる。また、コントローラ２２が参照する運転圧力マップが２つで済むため、コントローラ２２における制御ロジックが簡素なものとなり、メモリ容量も低下させることが可能となる。
【００５２】
（第６の実施形態）
次に、本発明を適用した第６の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成も、先の第１の実施形態の燃料電池システムと同様である。先の第１の実施形態の燃料電池システムと異なる点は、コントローラ２２において燃料電池スタック１の適正運転圧を設定する際に、第１の運転圧力マップに代えて、図８に示すような運転圧力マップ（第４の運転圧力マップ）を用いる点である。この運転圧力マップは、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つ水収支を成立させた上で燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示すものである。
【００５３】
すなわち、図８に示す運転圧力マップは、燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス温度と、燃料電池スタック１の空気極からの排空気温度（空気極出口温度）と、燃料電池スタック１の発電電力とをパラメータとして、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つ水収支を成立させた上で燃料電池システムのシステム効率を最適化する運転圧力を適正運転圧として指定するものである。なお、この図８の運転圧力マップは、ある排空気温度（Ｘ℃）における運転圧力を示したマップであり、このような運転圧力マップが排空気温度毎に設定されて、コントローラ２２のＲＯＭ等に格納されている。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ２２は、温度センサ１７及び温度センサ８のセンシング値と負荷装置２１の出力とをモニタすることによって、図８に示す運転圧力マップに基づいて、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つ水収支を成立させた上でシステム効率を最適化する運転圧力を求め、これを燃料電池スタック１の適正運転圧として設定する。そして、燃料電池スタック１の運転圧が設定した適正運転圧となるように、コンプレッサ４、空気調圧バルブ７及び水素調圧バルブ１１の動作を制御する。
【００５５】
本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ２２が、エジェクタ１３の循環成立性を満足させ、且つ水収支を成立させた上でシステム効率を最も高められる運転圧力を適正運転圧として設定し、燃料電池スタック１をこの適正運転圧で運転することになるので、先の第４の実施形態の燃料電池システムや第５の実施形態の燃料電池システムと同様に、水不足による燃料電池スタック１の乾燥等を抑制しながら、正味出力の低減を有効に防止することができる。また、コントローラ２２が参照する運転圧力マップが１つで済むため、コントローラ２２における制御ロジックが更に簡素なものとなり、メモリ容量も更に低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１の運転圧力マップ（循環成立圧力マップ）を示す図である。
【図３】第２の運転圧力マップ（効率最適化圧力マップ）を示す図である。
【図４】２つの圧力を比較演算して適正運転圧を設定するプロセスを示す図である。
【図５】エジェクタの循環成立性を満足させた上で、燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示す運転圧力マップである。
【図６】第３運転圧力マップ（水収支成立圧力マップ）を示す図である。
【図７】３つの圧力を比較演算して適正運転圧を設定するプロセスを示す図である。
【図８】第４の運転圧力マップを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 流量計
４ コンプレッサ
７ 空気調圧バルブ
８ 温度センサ
１０ 高圧水素タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素供給配管
１３ エジェクタ
１４ 燃料極入口配管
１５ 燃料極出口配管
１７ 温度センサ
２１ 負荷装置
２２ コントローラ

Claims (13)

1. 空気極への空気の供給及び燃料極への水素ガスの供給により発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの空気極入口に空気を加圧供給する空気供給装置と、
   前記燃料電池スタックの空気極の圧力を調整する空気調圧バルブと、
   前記燃料電池スタックの燃料極出口配管と燃料極入口配管と水素供給配管とを結ぶエジェクタと、
   前記エジェクタの水素供給配管に水素ガスを供給する水素供給装置と、
   前記水素供給装置と前記エジェクタとの間に設置される水素調圧バルブと、
   前記燃料電池スタックの燃料極出口配管にて前記エジェクタに戻る排出ガスの温度を測定する第１の温度センサと、
   前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作をそれぞれ制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスの温度と発電電力とをパラメータとして前記燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第１の運転圧力マップを有し、前記第１の温度センサによって測定される排出ガス温度と発電電力とから前記第１の運転圧力マップを参照して適正運転圧を設定し、前記燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の運転圧力マップは、前記エジェクタの循環成立圧力を示す循環成立圧力マップであ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。
3. 前記第１の運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧は、発電電力が高いほど高い圧力で、且つ前記排出ガスの温度が高いほど高い圧力であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、発電電力をパラメータとして前記燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第２の運転圧力マップを更に有し、前記第１運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と前記第２運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧とを比較して、何れか高い方の圧力を適正運転圧として設定し、前記燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作を制御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。
5. 前記第２の運転圧力マップは、当該燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示す効率最適化圧力マップであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２の運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧は、発電電力が高いほど高い圧力であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックの空気極出口温度を測定する第２の温度センサを更に備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの空気極出口温度をパラメータとして前記燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第３の運転圧力マップを更に有し、前記第１運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と前記第２運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と前記第３の運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧とを比較して、最も高い圧力を適正運転圧として設定し、前記燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１の運転圧力マップは、前記エジェクタの循環成立性を満足させた上で当該燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示す運転圧力マップであ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。
9. 前記燃料電池スタックの空気極出口温度を測定する第２の温度センサを更に備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池スタックの空気極出口温度をパラメータとして前記燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第３の運転圧力マップを更に有し、前記第１運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧と前記第３の運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧とを比較して、何れか高い方の圧力を適正運転圧として設定し、前記燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第３の運転圧力マップは、前記燃料電池スタックからの排空気に含まれる水蒸気量が生成水量以下になる水収支成立圧力を示す水収支成立運転圧力マップであることを特徴とする請求項７又は９に記載の燃料電池システム。
11. 前記第３の運転圧力マップを参照することにより求められる適正運転圧は、前記燃料電池スタックの空気極出口温度が高いほど高い圧力であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 空気極への空気の供給及び燃料極への水素ガスの供給により発電を行う燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックの空気極入口に空気を加圧供給する空気供給装置と、
    前記燃料電池スタックの空気極の圧力を調整する空気調圧バルブと、
    前記燃料電池スタックの燃料極出口配管と燃料極入口配管と水素供給配管とを結ぶエジェクタと、
    前記エジェクタの水素供給配管に水素ガスを供給する水素供給装置と、
    前記水素供給装置と前記エジェクタとの間に設置される水素調圧バルブと、
    前記燃料電池スタックの燃料極出口配管にて前記エジェクタに戻る排出ガスの温度を測定する第１の温度センサと、
    前記燃料電池スタックの空気極出口温度を測定する第２の温度センサと、
    前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作をそれぞれ制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池スタックの燃料極からの排出ガスの温度と前記燃料電池スタックの空気極出口温度と発電電力とをパラメータとして前記燃料電池スタックの適正運転圧を指定する第４の運転圧力マップを有し、前記第１の温度センサによって測定される排出ガス温度と前記第２の温度センサによって測定される空気極出口温度と発電電力とから前記第４の運転圧力マップを参照して適正運転圧を設定し、前記燃料電池スタックの運転圧が設定した適正運転圧となるように、前記空気供給装置、前記空気調圧バルブ及び前記水素調圧バルブの動作を制御することを特徴とする燃料電池システム。
13. 前記第４の運転圧力マップは、前記燃料電池スタックからの排空気に含まれる水蒸気量が生成水量以下になる水収支成立性と前記エジェクタの循環成立性とを満たした上で当該燃料電池システムの総合効率が高くなる運転圧力を示す運転圧力マップであることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。

Images