JP2005268178A

JP2005268178A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005268178A
Application number: JP2004082921A
Authority: JP
Inventors: Shiyouho Asai; 祥朋淺井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】燃料極圧力昇圧時に圧力の行き過ぎが生じた場合にはその圧力超過分を速やかに減圧し、燃料極の圧力が安定的に目標圧力に追従するように、燃料極の圧力制御を高精度に行えるようにする。
【解決手段】システムコントローラ４８が燃料電池の燃料極圧力を目標圧力に追従させる際に、水素供給弁２４だけでなくパージ弁３１や遮断弁３３の開度制御も行う。具体的には、システムコントローラ４８に圧力行き過ぎ量判定手段５４を設けて、燃料極圧力昇圧時に圧力の行き過ぎが生じたかどうかを判定し、圧力の行き過ぎが生じた場合には、その行き過ぎ量に応じて、水素供給弁２４の開度を小さくすると共にパージ弁３１や遮断弁３３の開度を大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池の燃料極圧力を適正に制御するための技術に関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に水素を含む燃料ガス、酸化剤極に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、燃料電池での電気化学反応により発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムは、クリーンな排気や高エネルギ効率を実現できることから、例えば、燃料電池車両の駆動動力源等の用途に大きな期待が寄せられている。

ところで、以上のような燃料電池システムでは、運転効率を向上させるために、各種条件に応じた最適な圧力を目標圧力として設定し、燃料電池の燃料極や酸化剤極の圧力がこの目標圧力に追従するように圧力制御を行っているのが一般的である。このような圧力制御は、通常、燃料極側では燃料供給経路中に配設された圧力調整弁の開度調整によって行われるが、例えば燃料電池内部の液水や窒素等の不純物を排出するための燃料パージ動作等を行った場合には、圧力調整弁の応答遅れ等によって、燃料極側の圧力が過渡的に大きく変動してしまうことが懸念される。そこで、このような燃料極側の圧力変動を抑制するための技術が、従来より種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１には、燃料電池の燃料極入口に繋がる燃料供給経路中に、圧力調整弁と並列に開閉弁等の他の弁を配設し、燃料パージ動作を行う際にはパージ弁の開放と共に燃料供給経路中の開閉弁等を開放し、燃料供給経路中の圧力調整弁では開度調整を継続することで、燃料パージ動作に伴う燃料極の圧力変動を抑制するという技術が開示されている。
特開２００２−２４６０４５号公報

しかしながら、上述した特許文献１にて開示される技術では、燃料パージ動作時において燃料極側の圧力減圧が予測される場合には、燃料供給経路中の開閉弁等を開放すると共に圧力調整弁で開度調整を継続することで燃料極の圧力変動を効果的に抑制できるが、燃料極圧力昇圧時における圧力の行き過ぎについては考慮されていないため、このような圧力の行き過ぎが生じた場合に適切な対応を図ることが困難である。

すなわち、燃料極圧力を短時間で目標圧力まで昇圧しようとする場合には、システムの動特性を超えた制御が要求されて、燃料極圧力が目標圧力を超えて上昇してしまう場合がある。このような圧力の行き過ぎは、圧力調整弁の開度と燃料ガスの流量との非線形性の影響や、外乱の影響等によっても生じうるものである。そして、このように燃料極側に圧力の行き過ぎが生じた場合には、その圧力超過分を減圧して目標圧力に維持する必要があるが、上述した特許文献１にて開示される技術では、圧力超過分の減圧を短時間で行うことが困難である。

燃料極側の圧力超過分を減圧する方法としては、燃料供給経路中の圧力調整弁を閉じて、圧力超過分に対応する流量の燃料ガスを燃料電池での発電によって消費する方法が考えられるが、このような方法では燃料極側の圧力超過分を減圧するまでに時間がかかり、その間、燃料極側の圧力過剰な状態が維持されることになる。そして、このような燃料極側の圧力過剰は燃料極側と酸化剤極側との差圧となって現れ、その影響によって燃料電池が損傷を受けるといった問題が懸念される。

本発明は、以上のような実情に鑑みて創案されたものであって、燃料極圧力昇圧時に圧力の行き過ぎが生じた場合にはその圧力超過分を速やかに減圧し、燃料極の圧力が安定的に目標圧力に追従するように、燃料極の圧力制御を高精度に行えるようにした燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料タンクと燃料電池の燃料極入口とを結ぶ燃料供給経路中に開度可変の第１の制御弁を配設すると共に、燃料電池の燃料極出口側の燃料排出経路中にも開度可変の第２の制御弁を配設するようにしている。また、燃料供給経路中又は燃料排出経路中の少なくとも一方に圧力検出装置を配設し、燃料電池の燃料極圧力を目標圧力に追従させる際には、システム制御装置が圧力検出装置の出力に基づいて第１の制御弁の開度と第２の制御弁の開度とを制御するようにしている。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の燃料極圧力を目標圧力に追従させる際に、圧力検出装置の出力に基づいて燃料供給経路中に配設された第１の制御弁の開度と燃料排出経路中に配設されれた第２の制御弁の開度とをそれぞれ制御するようにしているので、燃料極圧力上昇時に圧力行き過ぎが生じた場合には、その圧力に応じて第１の制御弁の開度を小さくすると共に第２の制御弁の開度を大きくすることで、圧力超過分を速やかに減圧することができる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な一構成例を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池１０に燃料ガスである水素ガス及び酸化剤ガスである空気を供給して、燃料電池１０で電気化学反応を生じさせ、発電電力を得る発電システムである。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０の発電単位である単位セルは、燃料極（アノード）１１及び酸化剤極（カソード）１２と、これら燃料極１１及び酸化剤極１２の間に挟持される電解質膜１３と、前記燃料極１１及び酸化剤極１２に対してセパレータ１４，１５を介して積層される純水極１６，１７、セパレータ１８を介して積層される冷却水流路１９とから構成されている。そして、この燃料電池１０の電解質膜１３としては固体高分子膜が用いられ、セパレータ１４，１５には多孔質プレート、セパレータ１８にはソリッドプレート等が用いられている。

以上の燃料電池１０では、各単位セルの燃料極１１に燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極１２に酸化剤ガスである空気が供給されることで、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。

アノード（燃料極）：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ（２）
燃料電池１０の各単位セルにおける燃料極１１への燃料ガスの供給は、水素タンク２０を有する水素供給系により行われる。水素タンク２０には燃料ガスである水素ガスが高圧の状態で貯留されており、この水素タンク２０から水素タンク元弁２１を介して供給される高圧水素ガスが、水素タンク２０と燃料電池１の燃料極１１入口とを結ぶ水素供給経路２２を通過する過程で、減圧弁２３で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁（第１の制御弁）２４で燃料電池１０の燃料極１１での水素圧力が所望の圧力（目標圧力）になるように制御され、燃料電池１０の燃料極１１に供給される。

また、水素供給系には、燃料電池１０の燃料極１１で消費されずに燃料極１１出口から排出された水素ガスを燃料極１１入口側へと環流させるために、水素循環経路２５、エゼクタ２６、水素循環ポンプ２７が設置されている。ここで、水素循環ポンプ２７は、エゼクタ２６が作動しない領域を補うものである。また、エゼクタポンプ２６、水素循環ポンプ２７の前段には開閉弁２８，２９がそれぞれ設置されており、エゼクタポンプ２６や水素循環ポンプ２７への水素ガスの供給は、これら開閉弁２８，２９の動作によって制御できるようになっている。

さらに、燃料電池１０の燃料極１１出口には水素排出経路３０が接続されており、この水素排出経路３０中にパージ弁（第２の制御弁）３１が設置されている。なお、前記水素循環経路２５は、水素排出経路３０のパージ弁３１設置位置よりも前段でこの水素排出経路３０から分岐するように設けられている。

水素排出経路３０中に設けられたパージ弁３１は、燃料ガスである水素ガスを排出するための弁であり、基本的には、水素循環機能を確保するために水素系内に蓄積した窒素を水素ガスと共に排出する目的と、セル電圧を回復させるためにガス流路に詰まった水詰まりを水素ガスと共に吹き飛ばす目的とで使用される。また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、このパージ弁３１が、燃料電池１の燃料極１１圧力昇圧時に圧力行き過ぎが生じた場合に、その圧力超過分を減圧する目的でも使用される。

水素排出経路３０のパージ弁３１設置位置よりも後段には、希釈ブロア３２が設置されており、パージ弁３０を介して排出される水素ガスは、この希釈ブロア３２により可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈されて、外部に排出される。

また、水素排出経路３０の下流側には、パージ弁３１や希釈ブロア３２が設置された経路と並列に別経路が設けられ、この経路に遮断弁（第２の制御弁）３３及び燃焼装置３４が設置されている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、水素排出経路３０がその下流側において、希釈ブロア３２に繋がる第１の経路３０ａと、燃焼装置３４に繋がる第２の経路３０ｂとに分岐されており、第１の経路３０ａ中にパージ弁３１、第２の経路３０ｂ中に遮断弁３３がそれぞれ設置されている。なお、燃焼装置３４は遮断弁３３を介して排出される水素ガスを燃焼処理するものである。また、この遮断弁３３も、基本的には燃焼装置３４への水素ガスの供給を切り替えるものであるが、本実施形態の燃料電池システムでは、この遮断弁３３が、燃料電池１の燃料極１１圧力昇圧時に圧力行き過ぎが生じた場合に、その圧力超過分を減圧する目的でも使用される。

燃料電池１０の各単位セルにおける酸化剤極１２への空気の供給は、空気供給源としてコンプレッサ３５を有する空気供給系により行われる。すなわち、空気供給系では、コンプレッサ３５の駆動により外部から取り込まれた空気が、燃料電池１０の酸化剤極１２へと圧送される。このとき、燃料電池１０の酸化剤極１２の空気圧は、酸化剤極１２の出口側に設けられた空気調圧弁３６を駆動することによって、目標圧力になるように制御される。

燃料電池１０の各単位セルにおける純水極１６，１７への純水の供給は、純水タンク３７及び純水ポンプ３８を有する純水供給系により行われる。すなわち、純水ポンプ３８の駆動によって純水タンク３７に貯留された純水が純水供給経路３９を循環し、燃料電池１の純水極１６，１７へと供給される。また、純水供給経路３９には、燃料電池１０の純水極１６，１７の入口側及び出口側の双方にシャット弁４０，４１が設置されている。これらシャット弁４０，４１は、システムの起動、停止時に、純水の循環供給を行わずに燃料極１１に水素ガスを供給する制御を行う場合に、純水供給経路３９を燃料電池１０の前後で遮断することで、純水供給系へ水素ガスがリークすることを防止する機能を有している。

なお、この純水供給系では、低温時の純水凍結による燃料電池１への負担軽減を考慮して、システム停止時にには、燃料電池１０の純水極１６，１７内や純水供給経路３９内に滞留する純水を純水タンク３７へと積極的に回収させるようにしている。また、燃料電池１０の酸化剤極１２から排出される排空気中の水分（燃料電池１０での発電反応によって生じる生成水）も、純水供給系の純水タンク３７へと回収させるようにしている。

以上の各供給系において、燃料ガスである水素ガスの目標圧力や、酸化剤ガスである空気の目標圧力、加湿剤である純水の目標圧力は、燃料電池１０での発電効率や水収支を考慮して設定されると共に、燃料電池１０の電解質膜１３やセパレータ１４，１５に歪みを生じないように所定の差圧に管理される。

燃料電池１０の各単位セルにおける冷却水流路１９への冷却水の供給は、冷却水ポンプ４２を有する冷却水供給系により行われる。すなわち、冷却水ポンプ４２の駆動により冷却水が冷却水供給経路４３を循環し、燃料電池１０の冷却水流路１９へと供給される。冷却水供給経路４３には三方弁４４及びラジエータ４５が設けられており、三方弁４４を駆動することで、冷却水の流路をラジエータ４５方向とラジエータバイパス方向とで切り替え、あるいは分流できるようになっている。ラジエータ４５には、ラジエータファン４６が設けられており、ラジエータ４５へ風を通過させて冷却水を冷却する。冷却水の温度は、前記三方弁４４とラジエータファン４６の駆動によって調整される。

また、燃料電池１０にはパワーマネージャ４７が接続されており、このパワーマネージャ４７によって燃料電池１０から電力を取り出して、例えば燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータ等の負荷（図示しない）へ電力を供給する。

また、本実施形態の燃料電池システムには、当該燃料電池システム全体の動作を制御するためのシステムコントローラ４８や、燃料電池１０の電圧を検出する電圧センサ４９、燃料電池１０の燃料極１１側における圧力を検出する圧力センサ５０、燃料電池１０の酸化剤極１２側の圧力を検出する圧力センサ５１、燃料電池１０の冷却水流路１９に供給される冷却水温度を検出する温度センサ５２等の各種センサが設けられている。そして、システムコントローラ４８が、これら各種センサからの出力に基づいて燃料電池システム内の各部における動作状態を把握し、燃料電池システムに要求される発電電力を実現できる最適な動作状態となるように、各弁の開閉動作や開度の制御、各アクチュエータの動作制御等を行う。

ここで、特に本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ４８が、燃料電池１０の燃料極１１側の圧力を目標圧力に追従させる際に、圧力センサ５０の出力に基づいて、水素供給弁２４だけでなくパージ弁３１や遮断弁３３の開度も制御するようにしている。具体的には、例えば燃料電池１０の燃料極１１側の圧力を目標圧力にまで昇圧させるときに、燃料極１１側の圧力が目標圧力を超えて行き過ぎが生じた場合には、圧力センサ５０の出力から判定した圧力行き過ぎ量に応じて、水素供給弁２４の開度を小さくすると共にパージ弁３１や遮断弁３３の開度を大きくすることで、圧力超過分を速やかに減圧するようにしている。

また、システムコントローラ４８は、燃料電池１０の燃料極１１側圧力昇圧時に圧力行き過ぎが生じた場合には、以上のような水素供給弁２４やパージ弁３１、遮断弁３３の開度制御と並行して、圧力行き過ぎ量に応じてパワーマネージャ４７による燃料電池１０からの電流取り出し量、すなわち燃料電池１０での発電量を大きくする制御を行い、燃料電池１０で水素ガスを積極的に消費させることで圧力超過分を減圧するようにしている。

以下、このような本実施形態の燃料電池システムに特徴的なシステムコントローラ４８の制御について、具体例を挙げながら詳しく説明する。

システムコントローラ４８は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することで、燃料電池システム内の各部の動作を制御する。そして、特に本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ４８に燃料電池１０の燃料極１１側の圧力を制御するための機能として、図２に示すように、水素供給制御手段５３と圧力行き過ぎ量判定手段５４とが実現されるようになっている。

水素供給制御手段５３では、圧力センサ５０によって検出される燃料電池１０の燃料極１１側の圧力をモニタリングしながら、この燃料極１１側の圧力が目標圧力に追従するように、水素供給弁２４に開度指令を出力して、水素供給弁２４の開度を制御する。これにより、水素供給経路２２の流路断面積が調整されて、燃料極１１側の圧力が調整されることになる。なお、燃料極１１側の目標圧力は、燃料電池システムに要求される発電電力に基づき、燃料電池１０での発電効率を考慮して最適な圧力に設定される。

以上のような燃料極１１側の圧力制御を行う際、特に、燃料極１０側の圧力を短時間で目標圧力まで昇圧しようとする場合には、システムの動特性を超えた制御が要求されて、燃料極１０側の圧力が目標圧力を超えて上昇してしまう場合がある。また、水素供給弁２４の開度と水素ガス流量との非線形性の影響や、外乱の影響等によっても、以上のような圧力の行き過ぎが生じる場合がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ４８に実現される圧力行き過ぎ量判定手段５４で以上のような圧力の行き過ぎを判定し、その圧力超過分を速やかに減圧する制御を行っている。

具体的には、圧力行き過ぎ量判定手段５４は、燃料極１１側圧力昇圧時に、水素供給制御手段５３からの開度指令に応じて水素供給弁２４の開度制御が行われている間、圧力センサ５０によって検出される燃料電池１０の燃料極１１側の圧力をモニタリングして、この燃料極１１側の圧力が目標圧力を超えたかどうかを判定し、超えた場合にはその行き過ぎ量を判定する。そして、圧力の行き過ぎが生じている場合には、その行き過ぎ量に応じて水素供給弁２４の開度を減少させるように、水素供給制御手段５３に水素供給弁２４の開度補正を指示する。これにより、燃料電池１０の燃料極１１へと新たに供給される水素ガスの流量が減少し、圧力行き過ぎ量の更なる増加が抑制されることになる。

また、圧力行き過ぎ判定手段５４は、燃料極１１側に圧力行き過ぎが生じていると判定した場合には、その行き過ぎ量に応じてパージ弁３１や遮断弁３３の開度を大きくするように、パージ弁３１や遮断弁３３に開度指令を出力して、これらパージ弁３１や遮断弁３３の開度を制御する。これにより、燃料極１１側の水素ガスがパージ弁３１や遮断弁３３を介して積極的に排出され、燃料極１１側の圧力超過分が速やかに減圧されることになる。なお、これらパージ弁３１及び遮断弁３３の開度制御は、双方の開度制御を同時に行うようにしてもよいが、パージ弁３１の開度制御を前提として排出される水素ガス量が希釈ブロア３２の排水素希釈能力上限を超える場合に遮断弁３３を開放する、或いは遮断弁３３の開度制御を前提として排出される水素ガス量が燃焼装置３４の燃焼能力上限を超える場合にパージ弁３１を開放するといったように、相補的に開度制御を行うようにしてもよい。

また、圧力行き過ぎ判定手段５４は、燃料極１１側に圧力行き過ぎが生じていると判定した場合には、その行き過ぎ量に応じて燃料電池１０での発電量を大きくするように、パワーマネージャ４７に対して電流取り出し指令を出力し、パワーマネージャ４７による燃料電池１０からの電流取り出しを制御する。これにより、燃料電池１０の燃料極１１において水素ガスが積極的に消費されて、燃料極１１側の圧力超過分が減圧されることになる。

図３は、以上のような本実施形態の燃料電池システムにおけるシステムコントローラ４８で実行される燃料極１１側圧力昇圧時における制御内容の一例（実施例）を、従来一般的に行われていた制御例（比較例）と対比させながら示すタイミングチャートである。なお、この図３では、実施例の制御内容を実線で示し、比較例の制御内容を破線で示している。

燃料電池１０の燃料極１１側の目標圧力がＰ０［ｋＰａ］からＰ１［ｋＰａ］に変更され、燃料極１１側圧力をＰ０［ｋＰａ］からＰ１［ｋＰａ］まで時間Ｔ［ｓｅｃ］で昇圧させる場合、実施例でも比較例でも、先ず、パージ弁３１や遮断弁３３を閉じた状態で水素供給弁２４の開度を大きくして、燃料電池１０の燃料極１１へと供給される水素ガス流量を増加させる。その結果、燃料極１１側圧力が徐々に昇圧されて、目標圧力Ｐ１に到達する。

このとき、燃料電池１０の燃料極１１側圧力が目標圧力Ｐ１を超えて上昇してしまう圧力の行き過ぎが生じることがあるが、比較例では、このような圧力の行き過ぎが生じたときに、水素供給弁２４の開度を減少させた状態で燃料電池１０での発電を継続させて燃料極１１側の水素ガスを徐々に消費させることで、その行き過ぎ量に応じた圧力を減圧させるようにしているため、減圧に時間がかかり、圧力の行き過ぎ量も大きくなる傾向にある。このため、燃料極１１側圧力を目標圧力Ｐ１に安定的に維持することが難しく、酸化剤極１２側との差圧が大きくなることの影響による燃料電池１０の損傷等も懸念される。

これに対して、実施例では、燃料極１１側圧力に行き過ぎが生じた場合には、その行き過ぎ量に応じて、水素供給弁２４の開度を小さくすると共にパージ弁３１や遮断弁３３の開度を大きくして、燃料極１１側の水素ガスを積極的に排出させるようにしている。また、燃料電池１０からの取り出し電流を一時的に増加させて、燃料極１１で水素ガスを積極的に消費させるようにしている。その結果、行き過ぎ量に応じた圧力を速やかに減圧してその行き過ぎ量も小さく抑えることができ、燃料極１１側圧力を目標圧力Ｐ１に安定的に追従させることが可能となる。

図４は、燃料電池１０の燃料極１１側圧力を目標圧力に追従させる際に、システムコントローラ４８で実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。

燃料電池１０の燃料極１１側圧力を目標圧力に追従させる際、システムコントローラ４８は、先ず、ステップＳ１において、燃料電池システムに要求される発電電力から求まる目標圧力と、圧力センサ５０によって検出される実際の燃料極１１側圧力とを読み込んで、目標圧力に対する燃料極１１側の実際の圧力の偏差を減少させるように、水素供給弁２４に開度指令を出力して水素供給弁２４の開度を制御する。

このような水素供給弁２４の開度制御を行っている間、システムコントローラ４８は圧力センサ５０の出力を常時モニタリングして、燃料極１１側圧力昇圧時に実際の圧力が目標圧力を超えて上昇する圧力行き過ぎが生じたかどうかを判定し（ステップＳ２）、圧力行き過ぎが生じている場合には、その行き過ぎ量を判定する（ステップＳ３）。

そして、ステップＳ２で圧力行き過ぎが生じていると判定した場合には、ステップＳ４において、ステップＳ３で判定した行き過ぎ量に応じて、水素供給弁２４に対して開度指令を出力して水素供給弁２４の開度を小さくする。また、ステップＳ５において、ステップＳ３で判定した行き過ぎ量に応じて、パワーマネージャ４７に対して電流取り出し指令を出力してパワーマネージャ４７による燃料電池１０からの電流取り出し量を増加させる。更に、ステップＳ６において、ステップＳ３で判定した行き過ぎ量に応じて、パージ弁３１に開度指令を出力してパージ弁３１の開度を大きくする。

次に、ステップＳ７において、パージ弁３１の開放によって排出される水素ガスの流量が希釈ブロア３２の排水素希釈能力上限を超えるかどうかを判断し、超える場合にはパージ弁３１の開度増加を抑えると共に、ステップＳ８において、遮断弁３３に対して開度指令を出力して遮断弁３３の開度を大きくし、希釈ブロア３２で希釈できない排水素ガスを燃焼装置３４で燃焼処理することで対応する。

以上の処理を行っている間も、システムコントローラ４８は圧力センサ５０の出力を常時モニタリングして、燃料極１１側の行き過ぎ量に応じた圧力が減圧されたかどうかを判定し（ステップＳ９）、行き過ぎ量に応じた圧力が減圧されるまで、ステップＳ３以降の処理を繰り返し行う。そして、燃料極１１側の圧力行き過ぎ量に応じた圧力が減圧された段階で、一連の処理を終了する。

なお、以上の例では、燃料電池１０の燃料極１１側圧力昇圧時に圧力行き過ぎが生じた場合に、燃料極１１から水素ガスを排出する制御として、パージ弁３１の開度を大きくことを前提として、パージ弁３１を介して排出される水素ガス量が希釈ブロア３２の排水素希釈能力上限を超える場合に遮断弁３３の開度制御を行うようにしているが、これとは逆に、遮断弁３３の開度制御を前提として、遮断弁３３を介して排出される水素ガス量が燃焼装置３４の燃焼能力上限を超える場合にパージ弁３１の開度制御を行うようにしてもよいし、また、パージ弁３１の開度制御と遮断弁３３の開度制御とを同時に行うようにしてもよい。

また、以上の例では、燃料電池１０の燃料極１１側圧力昇圧時に圧力行き過ぎが生じた場合に、燃料極１１に供給される水素ガス量を低減させる制御として、水素供給弁２４の開度を小さくする制御を行うようにしているが、このような水素供給弁２４の開度制御と並行して、水素循環経路２５のエゼクタ２６前段に設けられた開閉弁２８や、水素循環ポンプ２７の前段に設けられた開閉弁２９の開閉制御も行うようにしてもよい。この場合、例えば、燃料極１１の圧力行き過ぎ量が第１の所定値未満の場合には、開閉弁２８，２９を共に開放した状態で水素供給弁２４の開度制御を行い、圧力行き過ぎ量が第１の所定値以上で且つ第１の所定値よりも大きい第２の所定値未満の場合には、開閉弁２９のみを閉じた状態で水素供給弁２４の開度制御を行い、圧力行き過ぎ量が第２の所定値以上の場合には、開閉弁２８，２９を共に閉じた状態で水素供給弁２４の開度制御を行うようにすれば、圧力行き過ぎ量に応じて、水素循環経路２５を通って燃料電池１０の燃料極１１へと環流する水素ガスの流量を低減させた状態で水素供給弁２４の開度制御を行うことができ、圧力行き過ぎ量に応じた圧力を更に速やかに減圧することができる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１０の燃料極１１側の圧力を目標圧力に追従させる制御を行う際に、燃料極１１側圧力に行き過ぎが生じた場合には、その行き過ぎ量に応じて、水素供給弁２４の開度を小さくして新たな水素ガス供給量を低減させると共に、パージ弁３１や遮断弁３３の開度を大きくして燃料極１１側の水素ガスを積極的に排出させるようにしており、さらに、燃料電池１０からの取り出し電流を一時的に増加させて、燃料極１１で水素ガスを積極的に消費させるようにしているので、燃料極１１側の圧力超過分を速やかに減圧して、燃料極１１側の圧力を目標圧力に安定的に追従させることができる。

本発明を適用した燃料電池システムの一構成例を示すシステム構成図である。前記燃料電池システムが備えるシステムコントローラの機能を説明する機能ブロック図である。前記システムコントローラで実行される燃料極側圧力昇圧時における制御内容の一例を、従来一般的に行われていた制御例と対比させながら示すタイミングチャートである。燃料電池の燃料極側圧力を目標圧力に追従させる際に、前記システムコントローラで実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池
２０水素タンク
２３水素供給経路
２４水素供給弁
２５水素循環経路
３０水素排出経路
３１パージ弁
３２希釈ブロア
３３遮断弁
３４燃焼装置
４８システムコントローラ

Claims

燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が挟持されて構成され、前記燃料極に燃料ガスが供給されると共に前記酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスが貯留される燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料電池の燃料極入口とを結ぶ燃料供給経路と、
開度可変に構成され、前記燃料供給経路中に配設された第１の制御弁と、
前記燃料電池の燃料極出口側に設けられた燃料排出経路と、
開度可変に構成され、前記燃料排出経路中に配設された第２の制御弁と、
前記燃料供給経路中又は前記燃料排出経路中の少なくとも何れか一方に配設された圧力検出装置と、
システム全体の動作を制御するシステム制御手段とを備え、
前記システム制御手段が、前記燃料電池の燃料極圧力を目標圧力に追従させる際に、前記圧力検出装置の出力に基づいて、前記第１の制御弁の開度及び前記第２の制御弁の開度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記システム制御手段は、前記燃料電池の燃料極圧力昇圧時に前記圧力検出装置の出力が前記目標圧力を超えた場合には、前記圧力検出装置の出力が大きいほど、前記第１の制御弁の開度を小さく且つ前記第２の制御弁の開度を大きく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。
前記システム制御手段は、前記燃料電池の燃料極圧力昇圧時に前記圧力検出装置の出力が前記目標圧力を超えた場合には、前記圧力検出装置の出力が大きいほど、前記燃料電池での発電量を大きくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の燃料極出口から排出された燃料ガスの濃度を希釈させる希釈装置と、
前記燃料電池の燃料極出口から排出された燃料ガスを燃焼処理する燃焼装置とを更に備え、
前記燃料排出経路がその下流側において前記希釈装置に繋がる第１の経路と前記燃焼装置に繋がる第２の経路とに分岐されていると共に、前記第１の経路と前記第２の経路との双方に、前記第２の制御弁がそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
前記燃料排出経路から分岐され、前記燃料電池の燃料極出口から排出された燃料ガスを燃料極入口側へと環流させる燃料循環経路を更に備え、
前記システム制御手段は、前記燃料電池の燃料極圧力昇圧時に前記圧力検出装置の出力が前記目標圧力を超えた場合には、前記圧力検出装置の出力が大きいほど、前記燃料循環経路を通って前記燃料電池の燃料極入口側へと環流する燃料ガスの流量を低減させることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。