JP2005353395A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】無駄に放出する水素の量が少なく、燃費効率の高い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極が対設された燃料電池スタック１と、燃料極へ燃料ガスを供給し、酸化剤極へ酸化剤ガスを供給するガス供給部２、５と、燃料極の出口から排出された燃料ガスを燃料極の入口へ戻す燃料ガス循環部７と、燃料極の出口から入口へ接続された循環路の中のガスを外部へ排出するパージ弁１０と、燃料ガスの温度を測定する手段９と、燃料ガスの温度及びその上昇量に応じて、パージ弁１０から排出されるガス排出流量を制御する制御手段２０とを備え、制御手段２０は燃料ガスの温度の上昇量が正にある場合はガス排出流量を増やし、燃料ガスの温度の上昇量が負にある場合はガス排出流量を減らす。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の出口から排出された燃料ガスを燃料電池の入口へ戻す燃料ガス循環路を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する発電システムであり、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用することが出来、環境にもやさしい特性を有しているため、実用化に向けて技術開発が本格化している。

従来から、燃料電池から排出される燃料ガス中に含まれる電気化学的反応に寄与しなかった水素を有効利用するために、燃料電池の出口から排出された燃料ガスを燃料電池の入口へ戻す燃料ガス循環路を有する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

発電の際、燃料電池のカソード（酸化剤極）から電解質膜を通ってアノード（燃料極）へ窒素が拡散し、このため燃料極側の窒素濃度が増加する。これにより燃料ガス中の水素分圧が低下し、発電効率が悪化する。そこで、燃料ガス中の不純物成分（窒素など）や凝縮水を排出するために、パージ弁を開放して燃料ガス循環路中の燃料ガスの一部を放出している。
特開２００２−２３７３２２号公報（特に段落[0027]参照）

しかし、パージ弁を開放することにより、窒素が放出されるだけでなく水素も放出されてしまうため、パージ弁から排出されるガス排出流量を適切に制御しないと水素を有効利用できず燃費の悪化を招いてしまう。

本発明の特徴は、電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極が対設された燃料電池スタックと、燃料極へ燃料ガスを供給し、酸化剤極へ酸化剤ガスを供給するガス供給部と、燃料極の出口から排出された燃料ガスを燃料極の入口へ戻す燃料ガス循環部と、燃料極の出口から入口へ接続された循環路の中のガスを外部へ排出するパージ弁と、燃料ガスの温度を測定する手段と、燃料ガスの温度及びその上昇量に応じて、パージ弁から排出されるガス排出流量を制御する制御手段とを備える燃料電池システムであって、制御手段は、燃料ガスの温度の上昇量が正にある場合はガス排出流量を増やし、燃料ガスの温度の上昇量が負にある場合はガス排出流量を減らすことを要旨とする。

本発明によれば、無駄に放出する水素の量が少なく、燃費効率の高い燃料電池システムを提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極が対設された燃料電池スタック１と、燃料極へ水素を含有する燃料ガスを供給し、酸化剤極へ酸素を含有する酸化剤ガスを供給するガス供給部（２、５）と、燃料極の出口から排出された燃料ガスを燃料極の入口へ戻す燃料ガス循環部と、燃料極の出口から入口へ接続された循環路の中の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁１０と、循環路中の燃料ガスの温度を測定する手段（例えば、温度センサ９）と、燃料ガスの温度及び温度の上昇量に応じて、パージ弁１０から排出されるガス排出流量を制御する制御手段（以後、「コントロールユニット」と呼ぶ）２０とを備える。なお、ガス供給部（２、５）には、燃料極へ燃料ガスを供給する燃料貯蔵用タンク５と、酸化剤極へ空気を圧縮して供給するコンプレッサ２とが含まれる。

コントロールユニット２０は、燃料ガスの温度の上昇量が正にある場合、即ち燃料ガスの温度が上昇している時、パージ弁１０から排出されるガス排出流量を増やす。一方、燃料ガスの温度の上昇量が負にある場合、即ち燃料ガスの温度が下降している時、パージ弁１０から排出されるガス排出流量を減らす。また、コントロールユニット２０は、パージ弁１０の開時間Ｔopen及び閉時間Ｔcloseを制御信号ＣＴＬにより制御することにより、パージ弁１０から排出されるガス排出流量を制御する。ガス排出流量を増加するには、パージ弁１０の開時間Ｔopenを一定としてパージ弁１０の閉時間Ｔcloseを短くする。或いは、パージ弁１０の閉時間Ｔcloseを一定としてパージ弁１０の開時間Ｔopenを長くする。

なお、図１に示す燃料電池システムは、燃料電池スタック１が発電した電力を車両の駆動力として消費する車両用燃料電池システムであることが望ましい。即ち、車両のアクセル開度に応じて燃料電池スタック１の発電量が制御されることが好ましい。この場合、コントロールユニットは車両のアクセルペダルの変化量に応じてパージ弁１０から排出されるガス排出流量を補正する。

燃料電池スタック１には、燃料系１５、空気系１６及び水循環系１７の配管及び部材が接続されている。

燃料系１５の部材として、上流から、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する燃料貯蔵用タンク５と、燃料貯蔵用タンク５から供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料制御弁６と、燃料極の出口から排出された燃料ガスを燃料貯蔵用タンク５から供給される燃料ガスと混合する燃料ガス循環部としてのエゼクタ７と、燃料極の入口における燃料ガスの圧力を計測する燃料圧力センサ８と、燃料極の出口における燃料ガスの温度を計測する温度センサ９と、燃料ガス循環部に混入した窒素ガス等の不純ガスを排出するためのパージ弁１０とが設けられている。なお、燃料ガス循環部として、エゼクタ７を用いずに循環ポンプ等を用いても構わない。

空気系１６として、上流側に空気を圧送するコンプレッサ２と、燃料電池の入口における空気の圧力を計測する空気圧力センサ３とが設けられ、下流側に圧力調整用の空気制御弁４が設けられている。

水循環系１７として、電動ファンを備えたラジエータ１１と、駆動速度を無段階調節可能なポンプ１２とが設けられている。また、燃料電池スタック１の発電状態を検知するセンサ（図示省略）が設けられ、コントロールユニット２０は、発電状態に応じて、水素圧力及び空気圧力をそれぞれ制御信号ＣＴＬにより燃料制御弁６及び空気制御弁４で調整するとともに、空気流量をコンプレッサ２の回転数により調整する。

燃料貯蔵用タンク５から燃料極へ供給される水素とコンプレッサ２から酸化剤極へ供給される空気中の酸素とが燃料電池スタック１内で電気化学的に反応して直接発電する。発電の際に生じる熱は水循環系１７の冷却冷媒により冷却される。

燃料系１５においてエゼクタ７や循環ポンプなどを用いて燃料ガスを循環させることで、電気化学的反応に寄与しなかった燃料ガスを捨てることなく利用し、燃費を向上させている。しかし、燃料ガス中に空気極から窒素など水素より分子量の大きなものが混入し、また燃料ガス温度が上昇することで、燃料ガス中の水蒸気分圧が上がることで水素分圧が低下し、エゼクタ７などでの循環流量が低下する。そこで、パージ弁１０を開くことにより燃料系１５の窒素等の濃度を下げ水素分圧を上げている。

図２を参照して、図１の燃料電池システムの制御手順を説明する。

（イ）先ずＳ１段階において、燃料圧力センサ８を用いて燃料ガスの運転圧力Ｐを検出し、温度センサ９を用いて燃料ガス温度Ｔを検出し、車両のアクセル開度ＡＰＳを検出する。

（ロ）Ｓ２段階において、前回検出した燃料ガス温度Ｔold及びアクセル開度ＡＰＳoldと今回検出した燃料ガス温度Ｔ及びアクセル開度ＡＰＳとを比較し、燃料ガス温度の変化量△Ｔ、アクセル開度の変化量△ＡＰＳを算出する。

（ハ）Ｓ３段階において、パージ弁１０の開時間Ｔopen及び閉時間Ｔcloseを設定する。なお、燃料ガスの圧力が一定である場合、図４に示すように、燃料極の出口から排出された燃料ガスに含まれる不純ガスの上限濃度は、燃料ガス温度Ｔの上昇と共に低下する。また、図５に示すように、燃料ガス温度Ｔが上昇することで空気極からの窒素の透過量が多くなる。このため、ガス温度上昇に応じて窒素などの不純物ガスの放出量を多くしなければならないため、必要なパージ流量を多く設定することになる。なお、燃料ガス温度Ｔが上昇することは、同時に燃料電池スタック１の温度が上昇していることを意味する。燃料ガス温度Ｔは燃料電池の温度に拠って大きく変化する。

図４及び図５は燃料ガス温度Ｔが安定した状態での関係を示している。しかし、過渡などの状態、例えば燃料ガス温度が速いスピードで上昇或いは下降した場合などは、不純ガスの上限値が下がる速度にパージ流量が間に合わず、燃料ガスの循環不良を起こす可能性がある。このために、図６のようにアクセル開度の変化量△ＡＰＳと燃料ガス温度の変化量△Ｔに応じて、パージ流量を補正して循環不良を起こさないようにする。アクセル開度が大きく変化したときは燃料電池スタック１からの取り出し電力が増えることになり、燃料電池スタック１の発熱量が増え、それに共に燃料ガス温度Ｔが上昇するということが予測される。したがって、パージ流量を大きくして燃料ガス循環経路内の窒素等の不純ガス濃度を下げるように補正する。また燃料ガス温度Ｔが大きく上昇しているときも、パージ流量を大きくして燃料ガス循環経路内の窒素等の不純ガス濃度を下げるように補正を行う。図５及び図６から決まったパージ流量により図７の関係よりパージ弁の開時間Ｔopenを設定する。閉時間Ｔcloseについては、パージ周期αが一定（開時間＋閉時間＝α）とした場合には（１）式とする。

Ｔclose＝α−Ｔopen ・・・（１）

（ニ）Ｓ４段階において、パージ弁１０を制御する。制御詳細は図３のフローチャートを参照して説明する。

（ホ）Ｓ５段階において、今回検出した燃料ガス温度Ｔ、アクセル開度ＡＰＳを次回の検出値と比較する為に記憶装置内に格納しておく。

ここで、パージ弁１０は電源のオン／オフに従ってバルブを開閉するデューティー弁を用いる場合について説明する。即ち、開いた状態と閉じた状態の２つの状態のみを持つ場合について説明する。この場合、パージ流量を安価に制御できる。しかし本発明はこれに限定されるものではない。デューティー弁の代わりにソレノイドバルブのようなものを用いても構わない。ソレノイドバルブは、パージ流量を開度割合によって制御することができる。その場合、図７に示したグラフの代わりに図８に示したパージ弁１０の開度を示すグラフを用いる。

また、パージ弁１０の開時間または閉時間を一定として、閉時間または開時間を変化させることで必要なパージ流量を確保するようにしても構わない。

図３を参照して、図２のＳ４段階の詳細な処理手順を説明する。

（ａ）Ｓ４１段階において、フラグを確認し、パージ弁１０が開いているか閉じているかを判断する。パージ弁１０が開いていればＳ４２段階へ進み、パージ弁１０が閉じていればＳ４６段階へ進む。

（ｂ）Ｓ４２段階において、パージ弁１０の開時間Ｔopenとカウンタの値ｔ１とを比較する。開時間Ｔopenよりもカウンタの値ｔ１の方が大きければ（Ｓ４２段階でＹｅｓ）、開時間が終了したとしてＳ４３段階へ進む。開時間Ｔopenは燃料ガス温度などにより変化するため、例えばパージ弁が開いたときよりも燃料ガス温度が上昇していれば開時間Ｔopenは長くなり、逆に燃料ガス温度が下がっていれば開時間Ｔopenは短くなり必要に応じてパージ流量を修正することが可能となる。一方、開時間Ｔopenがカウンタの値ｔ１以上であれば（Ｓ４２段階でＮｏ）、Ｓ５０段階へ進む。

（ｃ）Ｓ４３において、開時間Ｔopenが終了したためパージ弁１０を閉じる。Ｓ４４段階において、フラグをパージ弁１０が閉じている状態（Ｆ_open＝０）に変更する。そして、Ｓ４５段階において、カウンタの値ｔ１をクリアする。

（ｄ）一方、パージ弁１０が閉じている時（Ｓ４１段階にてＮｏ）、Ｓ４６段階において、パージ弁１０の閉時間Ｔcloseとカウンタの値ｔ１とを比較する。閉時間Ｔcloseよりもカウンタの値ｔ１の方が大きければ（Ｓ４６段階でＹｅｓ）、閉時間が終了したとしてＳ４７段階へ進む。閉時間Ｔcloseは燃料ガス温度などにより変化するため、例えばパージ弁１０が閉じたときよりも燃料ガス温度が上昇していれば閉時間Ｔcloseは短くなり、逆に燃料ガス温度が下がっていれば閉時間Ｔcloseは長くなり必要に応じてパージ流量を修正することが可能となる。一方、閉時間Ｔcloseがカウンタの値ｔ１以上であれば（Ｓ４６段階でＮｏ）、Ｓ５０段階へ進む。

（ｅ）Ｓ４７段階において、閉時間Ｔcloseが終了したためパージ弁１０を開く。Ｓ４８段階において、フラグをパージ弁１０が開いている状態（Ｆ_open＝１）に変更する。そして、Ｓ４９段階において、カウンタの値ｔ１をクリアする。

（ｆ）Ｓ５０段階において、ロジックの周期βにあわせてタイマのカウントアップを行う。

図９に示すように、時間の経過と共に、燃料ガス温度が上昇した場合、許容される不純ガス濃度の値は小さくなっていく。許容される不純ガス濃度の減少に合わせて、パージ弁１０の閉時間Ｔcloseを一定に保ちつつ開時間Ｔopenを長くしていくことで必要なパージ流量を確保して不純ガス濃度を低減する。

以上説明したように、燃料ガス循環部及び循環路において許容出来る窒素濃度は、水素循環系の燃料ガスの温度や圧力により変化する。このために窒素濃度を燃料ガスの温度や圧力に応じて最適値に設定することで、より無駄に放出する水素を減らし、燃費の向上を図ることが可能となる。

また、燃料電池スタック１の温度や運転状態から、燃料電池スタック１の温度が昇温、降温しているか、システムの運転圧力が昇温、降温しているか、などを検知することによりパージ時間を可変させることで、窒素濃度を高濃度に保ち且つ、水素を循環できる窒素濃度を保ちつつ、パージ時の排出水素量を低減することが出来る為、燃費の向上を図ることが可能となる。

更に、燃料電池システムの温度が上昇した場合は循環路中に存在できる窒素濃度の許容値が低くなっていく為に、パージ流量を多くして循環路中の窒素濃度が循環を確保できる濃度以下になるように制御する。また、燃料電池システムの温度が下降している場合は循環路中に存在できる窒素濃度の許容値が高くなっていく為に、パージ流量を少なくして循環路中の窒素濃度高濃度になるように制御を行うことで、水素を循環できる窒素濃度を保つことが可能となる。

更に、燃料電池システムの運転条件と燃料ガス温度に応じて決まるパージ弁の所定開度値に対して、燃料ガス温度の上昇量が正側にある場合はパージ弁１０の開時間の補正量割合を大きくし、燃料ガス温度の上昇量が負側にある場合はパージ弁１０の開時間の補正量割合を小さくする。このことにより、燃料ガス温度の上昇時に循環路内の不純ガスの濃度を素早く低下させることが出来るため、燃料ガス循環性能が低下して燃料電池の効率低下や燃料ガス不足による燃料電池の劣化を防止することが出来る。

更に、燃料電池システムの温度変化時、特に温度上昇時に、温度変化率にあわせてパージ弁の制御を行う為に、通常時の循環路内の不純ガス濃度を高濃度にすることが出来る為に、不純ガスのパージ時の水素放出量を低減できる為、燃費向上を図ることができる。

更に、アクセルペダルの位置及び変化量により燃料電池スタック１の運転状態を予測することでパージ弁１０の開閉制御の補正を行い、循環路内の不純ガス濃度を制御する。運転状態の変化を予測することにより、燃料ガスの温度変化を予測することが可能となり、燃料ガス温度上昇時に循環路内の不純ガスにより燃料ガス循環性能が低下し、燃料電池の効率低下や、燃料ガス不足による燃料電池の劣化を防止することが出来る。

更に、パージ流量を増加させる場合には開時間Ｔopenを一定として閉時間Ｔcloseを短くすることにより、通常時にパージ弁１０の駆動頻度を低減することが出来、部品の寿命を向上することが出来る。

更に、ソレノイドバルブのようにパージ流量をパージ弁１０の開度割合で制御する場合は、高精度にパージ流量を制御できる。

（変形例）
図１０に示すように、実施の形態の変形例に係わる燃料電池システムは、複数の燃料ガス循環部及び循環路を持ったシステムである。図１に示した燃料電池システムとの相違点について以下に説明する。

燃料電池システムは、燃料ガス循環部として２つのエゼクタ７及びエゼクタ１４と、エゼクタ７及びエゼクタ１４に接続された２つの循環路と、２つの循環路を切り替える２つの三方弁１３ａ、１３ｂを備え、コントロールユニット２０は、燃料電池スタック１の運転状態などに応じて２つの循環路を切り替える。例えば、低出力時はエゼクタ７側で循環運転を行い、高出力時はエゼクタ１４側で循環運転を行う。なお、変形例では２系統の切り替えを行う場合について説明しているが、本発明はこれに限られず、３系統以上の切り替えであっても構わない。

図１０に示す燃料電池システムにおいては、それぞれの燃料ガス循環部及循環路について図７に示すマップが存在し、コントロールユニット２０は、今どちらの燃料ガス循環部及循環路を使用しているかによってマップの切り替えを行う。

その他の構成は、図１に示した燃料電池システムと同じであり説明を省略する。

このように、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料ガス循環部及循環路を切り替え、コントロールユニット２０が燃料ガス循環部及循環路の循環能力に応じて循環路内の不純ガス濃度を制御する。このことにより、循環性能の低いもの又は高いものそれぞれに合わせてパージ弁１０を制御して不純ガス濃度を適正に制御することが出来るため、高い循環性能を持つ燃料電池システムを実現することができる。また、不純ガス濃度が低い状態で運転することを防止できるため、不純ガスのパージ時の水素放出量を低減でき、燃費向上を図ることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、１つの実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。 図２のＳ４段階の詳細な処理手順を示すフローチャートである。 燃料極の出口から排出された燃料ガス中の不純物ガスの上限濃度と燃料ガス温度との関係を示すグラフである。 燃料ガス温度と必要なパージ流量との関係を示すグラフである。 アクセル開度の変化量△ＡＰＳと燃料ガス温度の変化量△Ｔに応じた、パージ流量の補正割合を示すグラフである。 燃料ガスの圧力と必要なパージ流量に応じた、パージ弁の開時間を示すグラフである。 燃料ガスの圧力と必要なパージ流量に応じた、パージ弁の開度割合を示すグラフである。 燃料ガス温度の変化による不純ガス濃度の変移を示すグラフである。 図１に示した実施の形態の変形例に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…コンプレッサ（ガス供給部の一例）
３…空気圧力センサ
４…空気制御弁
５…燃料貯蔵用タンク（ガス供給部の一例）
６…燃料制御弁
７、１４…燃料ガス循環部（エゼクタ）
８…燃料圧力センサ
９…温度センサ
１０…パージ弁
１１…ラジエータ
１２…ポンプ
１３ａ、１３ｂ…三方弁
１５…燃料系
１６…空気系
１７…水循環系
２０…制御手段（コントロールユニット）
ＡＰＳ、ＡＰＳold…アクセル開度
ＣＴＬ…制御信号
Ｔclose…閉時間
Ｔopen…開時間
Ｔ、Ｔold…燃料ガス温度

Claims (5)

1. 電解質膜を挟んで燃料極及び酸化剤極が対設された燃料電池スタックと、
   前記燃料極へ燃料ガスを供給し、前記酸化剤極へ酸化剤ガスを供給するガス供給部と、
   前記燃料極の出口から排出された前記燃料ガスを前記燃料極の入口へ戻す燃料ガス循環部と、
   前記燃料極の出口から入口へ接続された循環路の中のガスを外部へ排出するパージ弁と、
   前記燃料ガスの温度を測定する手段と、
   前記燃料ガスの温度及び前記温度の上昇量に応じて、前記パージ弁から排出されるガス排出流量を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記燃料ガスの温度の上昇量が正にある場合は前記ガス排出流量を増やし、前記燃料ガスの温度の上昇量が負にある場合は前記ガス排出流量を減らすことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池スタックが生成した電力は車両の駆動力として消費され、前記制御手段は前記車両のアクセルペダルの変化量に応じて前記ガス排出流量を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記パージ弁の開閉時間により前記ガス排出流量を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス排出流量を増加するには、前記パージ弁の開時間を一定として前記パージ弁の閉時間を短くすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記パージ弁の開度により前記ガス排出流量を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。

Images