JP2006134695A - 燃料電池システム及びその制御装置、制御方法並びにコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおいて、反応ガスの環流に起因する混合ガスの相変化を抑制して燃料電子システムの性能低下を低減する技術を提供する。
【解決手段】 本発明は、燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスと燃料電池から環流されたオフガスとが混合された混合ガスを燃料電池に供給することが可能なガス供給部と、混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、ガス供給部を制御する制御部と、を備える。制御部は、状態量計測部を用いて特定の状態量を計測するとともに、計測された特定の状態量に応じて、ガス供給部を制御してオフガスの環流量を制限することを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。

従来から、反応ガスの利用効率を高めるために、燃料電池から排出されたオフガスを環流させて再利用することが提案されている（特許文献１）。さらに、このような環流に関する技術として、たとえば環流用ブロアの起動や停止に起因する極間差圧を抑制する技術（特許文献２）やポンプの共用によって燃料電池システムをコンパクト化する技術（特許文献３）、環流によって起動時の暖機を促進する技術（特許文献４）といった技術も開示されている。

特開２００１−２６６９２２号公報 特開平１０−４０９３９号公報 特開２００２−２１６８１２号公報 特開２００２−５６８７１号公報

しかし、このような環流は、特に燃料電池システムの起動時において、環流されたオフガスの混合に起因する凝縮や凍結といった相変化によって供給路の閉塞やフラッディングといった問題を生じさせる可能性があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、反応ガスの環流に起因する混合ガスの相変化を抑制して燃料電子システムの性能低下を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
反応ガスと、前記燃料電池から環流されたオフガスと、が混合された混合ガスを前記燃料電池に供給することが可能なガス供給部と、
前記混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、
前記ガス供給部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記状態量計測部を用いて前記特定の状態量を計測するとともに、前記計測された特定の状態量に応じて、前記ガス供給部を制御して前記オフガスの環流量を制限することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量が計測されるとともに、この計測された特定の状態量に応じてオフガスの環流量が制限されるので、反応ガスの環流に起因する混合ガス中の水分の相変化に起因する閉塞を抑制して燃料電子システムの性能低下を低減することができる。

ここで、環流量の制限は、広く環流の停止を含む意味を有する。また、混合ガスに含まれる水分の相変化（凝縮や凍結）と相関関係を有する特定の状態量としては、後述する水素ガス温度やオフガス温度だけでなく、外気温度やオフガスの湿度、燃料電池の冷却水温度といった種々の状態量が利用可能である。

上記燃料電池システムにおいて、前記特定の状態量は、前記オフガスの温度であるオフガス温度を含み、
前記状態量計測部は、前記オフガス温度を計測し、
前記制御部は、前記オフガス温度が低いほど、前記制限を大きくするようにしても良いし、
あるいは、前記特定の状態量は、前記反応ガスの温度である反応ガス温度を含み、
前記状態量計測部は、前記反応ガス温度を計測し、
前記制御部は、前記反応ガス温度が低いほど、前記制限を大きくするようにしても良いし、
あるいは、前記オフガス温度と前記反応ガス温度の双方を測定するようにしても良い。

このように、オフガス温度と反応ガス温度の少なくとも一方を測定すれば相変化を予測することができる。ただし、双方を測定すれば、水の凍結や凝集を高い可能性で予測できるので、精度の高い制御を実現することができる。なお、相変化の予測は、たとえば後述するマップや計算式といった相変化情報を用いて行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記ガス供給部は、エゼクタを用いて前記混合を行うようにしても良い。この構成では、エゼクタを使用して混合を行う場合において、エゼクタ内部において発生し得る凝集や凍結に起因する流路の閉塞を効果的に抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記ガス供給部は、水素ガスを供給する水素タンクを備えるとともに、前記水素タンクから供給された水素ガスと前記燃料電池から環流されたアノードオフガスとを混合して、前記燃料電池に供給するようにしても良い。

アノード側供給路では、高圧の水素タンクから供給された低温の水素によって凍結する可能性が高いので、本発明をアノード側に適用すると顕著な効果を奏する。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池であるようにしても良い。

固体高分子型の燃料電池は、作動温度も供給される反応ガスの温度も低いので、相変化が発生しやすく、本発明の効果が顕著となる。

本発明は、上述の燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御装置や制御方法、コンピュータプログラムといった種々の態様として構成することもできる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．変形例：

Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、混合ガス循環系統２０と、空気供給系統３０と、水素ガス供給系統４０と、水素ガス温度計測部Ｔ１と、オフガス温度計測部Ｔ２と、制御部５０とを備える。制御部５０は、空気供給系統３０、水素ガス供給系統４０、および混合ガス循環系統２０を制御するとともに、水素ガス温度計測部Ｔ１およびオフガス温度計測部Ｔ２を用いて水素ガスやアノードオフガスの温度を計測することができる。

燃料電池１０は、図示しない燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。図示しない燃料電池セルの各々は、燃料電池内空気流路３５と燃料電池内水素流路２５とを内部に備える。

空気供給系統３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統３０は、外気を吸入するブロワ３１と、吸入された空気を加湿する加湿器３９と、この加湿された空気を燃料電池内空気流路３５に供給する加湿空気供給配管３４と、燃料電池内空気流路３５から排気するための排気管３６とを備える。

水素ガス供給系統４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク４２と、混合ガス循環系統２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ４１とを備える。水素バルブ４１は、混合ガス循環系統２０への水素の供給量を調整するレギュレータとして機能している。

混合ガス循環系統２０は、エゼクタ６０と、混合ガス供給配管２４と、排ガス配管２６と、気液分離部２９と、パージ弁２８とを備える。エゼクタ６０は、水素ガス供給系統４０から供給される水素ガスと、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスとを混合させる。混合ガス供給配管２４は、水素ガスとアノードオフガスの混合ガスを燃料電池内水素流路２５に供給する。排ガス配管２６は、燃料電池内水素流路２５から排出された混合ガスを気液分離部２９に供給する。気液分離部２９は、アノードオフガスから水を分離してパージ弁２８に供給する。パージ弁２８は、アノードオフガスの一部を混合ガス循環系統２０から外部に排出するための弁である。

水素ガス温度計測部Ｔ１は、水素ガス供給系統４０から供給される水素ガスの温度計測に用いられる。オフガス温度計測部Ｔ２は、アノードオフガスの温度計測に用いられる。なお、本実施例では、水素ガス供給系統４０と混合ガス循環系統２０とが、特許請求の範囲における「ガス供給部」に相当し、水素ガスが特許請求の範囲における「反応ガス」に相当する。

図２は、本発明の実施例におけるエゼクタ６０の内部構造を示す説明図である。エゼクタ６０は、アノードオフガス吸気ポート６１Ｐｉｎと混合ガス排気ポート６１Ｐｏｕｔとを有するハウジング６１と、水素ガス吸気ポート６２Ｐとノズル開口部６２Ｎとを有するノズル部６２と、ノズル開口部６２Ｎの開口量を調整するニードル６３と、ニードル６３を付勢するスプリング６４と、ニードル６３を駆動するアクチュエータ７０とを備えている。

エゼクタ６０は、水素ガス供給系統４０から供給された水素ガスと、気液分離部２９から供給されたアノードオフガスとを混合する。この混合は、ノズル開口部６２Ｎから高速に吐出される水素ガスの高速流の中に、気液分離部２９から供給されたアノードオフガスが吸い込まれることによって行われる。この吸引は、ノズル開口部６２Ｎから高速に吐出された水素ガスの圧力ポテンシャルエネルギの低下に起因して生ずる。この圧力ポテンシャルエネルギの低下は、水素ガス流の運動エネルギの増大と、流れ場におけるエネルギ保存の法則（ベルヌーイの定理）によるものである。

エゼクタ６０は、水素バルブ４１で流量調整がなされた水素ガスの流速を操作することによって負圧を調整し、これによりアノードオフガスの吸引量を調節する。水素ガスの流速の調整は、アクチュエータ７０でニードル６３を駆動して、ノズル開口部６２Ｎの開口量を調節することによって実現される。エゼクタ６０は、ノズル開口部６２Ｎの開口量を全開状態とすると、水素ガスの流速低下によって負圧が消滅しアノードオフガスの吸引量がゼロになるように構成されている。

図３は、制御部５０が格納するエゼクタ制御用マップＭの内容を示す説明図である。このマップＭにおいて、縦軸と横軸は、それぞれエゼクタ６０に供給されるアノードオフガスの温度と水素ガスの温度とを示している。本実施例では、エゼクタ６０の制御則は、マップＭにおいて、水素ガス温度計測部Ｔ１の計測値とオフガス温度計測部Ｔ２の計測値とに対応する点が、点Ｈｔｈ、点Ａｔｈ、および点Ｃｔｈの３点で囲まれる凍結領域（ハッチングされた領域）に入った場合には、ノズル開口部６２Ｎの開口量を全開状態とするように定められている。

凍結領域とは、エゼクタ６０の内部や燃料電池内水素流路２５といった混合ガス循環系統２０の内部で水の凍結が生じて閉塞状態が生ずる可能性がある温度領域である。この温度領域は、性能試験や運用試験その他の試験データに基づいて設定することが可能である。

このような制御則が設定されているのは、混合ガス循環系統２０の内部における水の凍結を抑制するためである。このような水の凍結は、エゼクタ６０の内部において、低温の水素ガスと、水分を含むアノードオフガスとが混合されることによって生ずる。水素ガスが低温なのは、水素タンク４２中の高圧水素ガスが膨張過程を経てエゼクタ６０に供給されるからであり、アノードオフガスが水分を含むのは、気液分離部２９では水が完全に分離される訳ではないからである。

このように、本実施例では、エゼクタ６０に供給されるアノードオフガスの温度と水素ガスの温度とに応じて、これらの温度が凍結領域に入った場合には、エゼクタ６０のノズル開口部６２Ｎの開口量を全開状態としてアノードオフガスの吸引量がゼロになるように構成されている。この結果、混合が生じないこととなるので、混合ガス循環系統２０の内部で発生する凍結に起因する閉塞状態の発生可能性を抑制することができる。

Ｂ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｂ−１．上記実施例では、アノードオフガスの温度および水素ガスの温度が凍結領域に入った場合には、混合を停止するように構成されているが、必ずしも完全に停止させる必要はなく、アノードオフガスの環流量を少なくするように構成しても良い。こうすれば、環流による好ましい効果（たとえば水素ガスの利用効率の増大）を過度に低減させることなく、アノード側の流路におけ閉塞を抑制することができる。

Ｂ−２．上記実施例では、アノードオフガスと水素ガスの混合をエゼクタを用いて行っているが、図４に示される変形例のようにアノード側流路内部のアノードオフガスを循環ポンプ７１によって強制的に環流させるような構成にも本発明は適用可能である。この場合には、アノードオフガスの温度および水素ガスの温度が凍結領域に入った場合には、循環ポンプ７１を停止させて混合しないように制御すればよい。さらに、図１の実施例において、たとえばエゼクタ６０と気液分離部９０の間に遮断弁や調整弁を設けて環流を制限するように構成しても良い。

Ｂ−３．上記実施例では、アノード側流路内部の凍結に起因する閉塞を抑制しているが、水の凍結だけでなく凝縮もフラッディングや閉塞の要因となって燃料電池システムの性能低下の要因となるので、凍結に限らず凝縮も含む気体から液体への水分の相変化を抑制するように構成しても良い。

Ｂ−４．上記実施例では、水素ガス温度とアノードオフガス温度とが混合ガスに含まれる水分の相変化（凝縮や凍結）と相関関係を有する特定の状態量として用いられているが、水素ガス温度とアノードオフガス温度の一方だけでも相変化の発生予測は可能である。さらに、水素ガス温度やアノードオフガス温度だけでなく、外気温度やオフガスの湿度、燃料電池の冷却水温度といった種々の状態量も、混合ガスに含まれる水分の相変化（凝縮や凍結）と相関関係を有する特定の状態量として利用可能である。

ただし、この相変化は、水素ガスとアノードオフガスの混合によって生ずるので、水素ガス温度とアノードオフガス温度とを特定の状態量として用いれば相変化の発生を精度良く推定することができるという利点がある。

Ｂ−５．上記実施例では、アノード側の流路に対して本発明が適用されているが、カソード側の流路に対して本発明を適用しても良いし、双方の流路に適用しても良い。たとえば寒冷地においては、カソード側の流路で凍結が発生する可能性があるからである。ただし、高圧の水素タンクから供給される低温の水素によってアノード側で凍結する可能性が高いので、本発明をアノード側に適用すると顕著な効果を奏する。

本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。 本発明の実施例におけるエゼクタ６０の内部構造を示す説明図。 制御部５０が格納するエゼクタ制御用マップＭの内容を示す説明図。 本発明の変形例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…混合ガス循環系統
２４…混合ガス供給配管
２５…燃料電池内水素流路
２６…排ガス配管
２８…パージ弁
２９…気液分離部
３０…空気供給系統
３１…ブロワ
３４…加湿空気供給配管
３５…燃料電池内空気流路
３６…排気管
３９…加湿器
４０…水素ガス供給系統
４１…水素バルブ
４２…水素タンク
５０…制御部
６０…エゼクタ
６１…ハウジング
６１Ｐｉｎ…アノードオフガス吸気ポート
６２…ノズル部
６２Ｎ…ノズル開口部
６２Ｐ…水素ガス吸気ポート
６３…ニードル
６４…スプリング
７０…アクチュエータ
７１…循環ポンプ
１００…燃料電池システム
Ｔ１…水素ガス温度計測部
Ｔ２…オフガス温度計測部

Claims (9)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   反応ガスと、前記燃料電池から環流されたオフガスと、が混合された混合ガスを前記燃料電池に供給することが可能なガス供給部と、
   前記混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、
   前記ガス供給部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記状態量計測部を用いて前記特定の状態量を計測するとともに、前記計測された特定の状態量に応じて、前記ガス供給部を制御して前記オフガスの環流量を制限することを特徴とする、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記特定の状態量は、前記オフガスの温度であるオフガス温度を含み、
   前記状態量計測部は、前記オフガス温度を計測し、
   前記制御部は、前記オフガス温度が低いほど、前記制限を大きくする、燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
   前記特定の状態量は、前記反応ガスの温度である反応ガス温度を含み、
   前記状態量計測部は、前記反応ガス温度を計測し、
   前記制御部は、前記反応ガス温度が低いほど、前記制限を大きくする、燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス供給部は、エゼクタを用いて前記混合を行う、燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス供給部は、水素ガスを供給する水素タンクを備えるとともに、前記水素タンクから供給された水素ガスと前記燃料電池から環流されたアノードオフガスとを混合して、前記燃料電池に供給する、燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、固体高分子型の燃料電池である、燃料電池システム。
7. 燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスと前記燃料電池から環流されたオフガスとが混合された混合ガスを前記燃料電池に供給することが可能なガス供給部と、前記混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、を備え、
   前記制御装置は、
   （ａ）前記状態量計測部を用いて前記特定の状態量を計測する機能と、
   （ｂ）前記計測された特定の状態量に応じて、前記ガス供給部を制御して前記オフガスの環流量を制限する機能と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池システムの制御装置。
8. 燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）燃料電池と、反応ガスと前記燃料電池から環流されたオフガスとが混合された混合ガスを前記燃料電池に供給することが可能なガス供給部と、前記混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、を準備する工程と、
   （ｂ）前記状態量計測部を用いて前記特定の状態量を計測する工程と、
   （ｃ）前記計測された特定の状態量に応じて、前記ガス供給部を制御して前記オフガスの環流量を制限する工程と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
9. 燃料電池システムの制御をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
   前記燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスと前記燃料電池から環流されたオフガスとが混合された混合ガスを前記燃料電池に供給することが可能なガス供給部と、前記混合ガスに含まれる水分の相変化と相関関係を有する特定の状態量を計測する状態量計測部と、を備え、
   前記コンピュータプログラムは、
   前記状態量計測部を用いて前記特定の状態量を計測する機能と、
   前記計測された特定の状態量に応じて、前記ガス供給部を制御して前記オフガスの環流量を制限する機能と、
   を前記コンピュータに実現させるプログラムを備えることを特徴とする、コンピュータプログラム。

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