JP2006147150A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池を劣化させることなく、急激な高負荷出力の要求に応じた発電を確実に行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池ＦＣのアノード極の下流側流路には、ガス流通路２の圧力よりも低い圧力に設定可能なタンク２１が接続されている。燃料電池ＦＣに対して急激な高負荷出力が要求されたときに、第１開閉弁Ｖ１を開き、第２開閉弁Ｖ２および第３開閉弁Ｖ３を閉じることによって、タンク２１内に、アノードオフガス流路２ｂから水素が吸引されて蓄積される。これにより、ガス供給量調整手段１０に基づく制御によって、燃料電池ＦＣ内に供給される水素量を増大できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池で消費された分の反応ガスを供給する装置が搭載された燃料電池システムに関する。

車両用の燃料電池システムでは、発電が効率的に行われるように、燃料電池に対して燃料（水素）が必要量よりも多めに供給されている。つまり、ストイキ（供給量／消費量）が１．０より若干大きくなるように設定されている。このように、燃料の供給量が消費量よりも多めに設定されているため、通常発電時においては、供給された水素のすべてが消費されることはなく、その一部が燃料電池から未反応の状態で排出される。燃料電池から排出された未反応の水素は、燃料の無駄な使用を防止する等の理由で、燃料電池システムには、未反応の水素を再循環させる装置（エゼクタ）が設けられている。また、このエゼクタを設けて水素を再循環させることで、燃料電池で消費された分の量の燃料のみが新たに供給されるようになっている。このため、例えば、車両の加速時に燃料電池に対して急激な高出力が要求されて発電電流が増大したときには、この発電電流を取り出すのに必要な量の燃料を燃料電池に供給することができなくなり、ストイキ不足（例えば、ストイキが０．８や０．９）となって、所望の加速感を得ることができない問題があった。

そこで、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、エゼクタをバイパスして燃料電池に燃料を供給するバイパス経路を設けて、エゼクタを流通させることによって生じる圧力損失を低減することで、燃料電池に燃料を効率的に供給できるようにしている。
特開２００１−２１０３４２号公報（段落０００８，０００９、図１）

しかし、このような従来の燃料電池システムでは、たとえエゼクタをバイパスして燃料を供給するようにしたとしても、燃料電池で消費された分の燃料しか供給されないという条件は変わらないため、燃料電池に対して急激な高出力が要求されたときに必要な量の水素を燃料電池に迅速に供給することができず、ストイキ不足となって所望の加速感を得ることができないという不具合が生じる。また、燃料電池において燃料供給不足の状態で発電が継続されると、電極が腐食するなどして燃料電池が劣化するおそれもある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池を劣化させることなく、急激な高負荷出力の要求に応じた発電を確実に行う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する。

本発明は、反応ガスが流通するガス流通路が接続される燃料電池と、前記ガス流通路から減少した分の反応ガス量を前記ガス流通路に供給するガス供給量調整手段と、前記燃料電池の下流側に設けられ、前記ガス流通路から前記反応ガスを吸引するガス吸引手段と、前記燃料電池に対して急激な高負荷出力が要求されたときに前記ガス吸引手段により前記反応ガスを前記ガス流通路から吸引する制御手段とを備えることを特徴とする。

通常発電時には、発電により消費された分の反応ガスが燃料電池に供給されるが、燃料電池に対して急激な高負荷出力が要求されたときには、急激に反応ガスが消費されるので、反応ガスが不足する。この場合、燃料電池の下流側のガス流通路から強制的に反応ガスを吸引することで、燃料電池への反応ガスの供給量を増大させることが可能になる。なお、急激な高負荷出力とは、所定の範囲を超えて出力が高く変動したときを意味している。

例えば、前記ガス吸引手段は、前記燃料電池の発電時における前記ガス流通路の圧力よりも低い圧力に設定可能なタンクと、前記タンクと前記ガス流通路とを連通する連通路と、前記連通路を開閉する開閉弁とを備える。

この場合、タンク内の圧力がガス流通路の圧力よりも低く設定されているので、圧力の高低差によってガス流通路からタンクに向けて反応ガスが流れるようになる。その結果、ガス流通路の反応ガス量が減少するので、燃料電池に供給される反応ガス量を増大させることができる。また、圧力差のみを利用して吸引することができるので、ガス吸引手段を簡素に構成することができ、電力を消費することもない。

また、前記タンク内に蓄積された前記反応ガスを前記ガス流通路側に戻す放出手段を備える構成にしてもよい。

この構成によれば、タンク内に蓄積された反応ガスをガス流通路側に効率的に戻すことができるので、反応ガスが無駄に消費されるのをさらに低減できる。

本発明によれば、燃料電池に対して高負荷出力に対応した反応ガスを迅速に供給できるので、ストイキ不足を解消することができ、急激な高負荷出力の要求に対応することができる。しかも、反応ガスが不足した状態で発電が継続されることがないので、燃料電池を劣化させることもない。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は制御部での加速時および減速時の処理を示すフローチャートである。
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、ガス流通路２が接続される燃料電池ＦＣと、ガス供給量調整手段１０と、ガス吸引手段２０と、制御部（制御手段）３０とを備えて構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、プロトン導電性の固体高分子からなる電解質膜をアノード極（水素極）とカソード極（酸素極）とで挟持し、さらにその両側を導電性のセパレータで挟んだ構造の単セルが複数枚積層されて構成されている。また、燃料電池ＦＣは、そのアノード極に水素供給システム３から水素（反応ガス）が供給され、カソード極に空気供給システム４から空気（酸素）が供給されることで発電可能となっている。

前記ガス流通路２は、アノードガス流路２ａとアノードオフガス流路２ｂとで構成され、アノードガス流路２ａが燃料電池ＦＣのアノード極の上流側の流路と連通し、アノードオフガス流路２ｂがアノード極の下流側の流路と連通している。

前記水素供給システム３は、燃料電池ＦＣの上流側に設けられ、高純度の水素が高圧に充填された水素タンク３ａと、遮断弁３ｂと、レギュレータ（減圧弁）３ｃとを備えている。水素タンク３ａから供給された水素は、遮断弁３ｂおよびレギュレータ３ｃを介して、燃料電池ＦＣのアノード極に供給されるようになっている。

前記空気供給システム４は、エアポンプ４ａを備えており、このエアポンプ４ａが燃料電池ＦＣのカソード極の上流側に接続されるように構成されている。エアポンプ４ａは、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御部３０からの信号によりモータの回転速度が制御される。なお、燃料電池ＦＣに供給される空気は、図示しない冷却器により所定の温度に冷却された後に、図示しない加湿器により所定の湿度に加湿されるようになっている。また、燃料電池ＦＣから排出される空気（カソードオフガス）は、後記する希釈装置４０に送られる。

前記ガス供給量調整手段１０は、水素を循環させるとともにガス流通路２から減った分の水素を水素タンク３ａから供給するものであり、エゼクタ１１と循環路１２と第３開閉弁Ｖ３とで構成されている。燃料電池ＦＣのアノード極から排出された水素（アノードオフガス）は、循環路１２を介してエゼクタ１１に流入し、エゼクタ１１からアノード極に再び導入（再循環）される。

前記ガス吸引手段２０は、タンク２１と、このタンク２１とアノードオフガス流路２ｂ（ガス流通路２）とを連通する連通路２２と、この連通路２２の流路を開閉する第１開閉弁Ｖ１とを有している。タンク２１には、タンク内の圧力を検出するための圧力センサ２３が設けられている。

第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、前記連通路２２とアノードオフガス流路２ｂとの接続部Ｓ１より下流側にパージ弁Ｖａが設けられ、パージ弁Ｖａの下流側に希釈装置４０が接続されている。パージ弁Ｖａを開いて水素を燃料電池ＦＣのアノード極に供給することにより、アノード極内の水や、窒素などの不純物を水素とともに排出して、燃料電池ＦＣの発電効率の低下を防止するようにしている。希釈装置４０は、水素（アノードオフガス）等を燃料電池ＦＣのカソード極から排出される空気（酸素含有ガス）により希釈して大気中に放出する機能を有している。

また、第１実施形態の燃料電池システム１Ａには、第２開閉弁Ｖ２を有する排出路２４が設けられ、この排出路２４の一端がタンク２１に接続され、他端がパージ弁Ｖａと希釈装置４０との間に接続されている。希釈装置４０では、車両の外部と接続されて大気圧に開放されており、第２開閉弁Ｖ２を開くことにより、タンク２１内の圧力も大気圧に開放されるようになっている。前記ガス流通路２が、水素タンク３ａと接続されて高圧に設定されていることにより、タンク２１の圧力が、ガス流通路２の圧力よりも低く設定されるようになっている。

前記制御部３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やメモリなどで構成され、第１〜第３開閉弁Ｖ１〜Ｖ３、パージ弁Ｖａ、エアポンプ４ａ、遮断弁３ｂ、レギュレータ３ｃ、圧力センサ２３、燃料電池ＦＣに接続される外部負荷５０と接続されている。制御部３０からの制御信号により、第１〜第３開閉弁Ｖ１〜Ｖ３、パージ弁Ｖａ、遮断弁３ｂの各開閉動作が制御され、エアポンプ４ａの出力が制御され、レギュレータ３ｃの圧力が制御され、外部負荷５０に流れる発電電流（電力）が制御される。また、制御部３０は、圧力センサ２３によって検出された圧力値に基く信号を取得する。なお、外部負荷５０は、エアポンプ４ａのモータや、走行モータなどである。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの制御部３０での加速時および減速時の処理について図２を参照して説明する。なお、図２において、各ステップをＳと略記して説明する。

Ｓ１００における通常発電では、第１開閉弁Ｖ１、第２開閉弁Ｖ２およびパージ弁Ｖａがそれぞれ閉じられ、第３開閉弁Ｖ３が開かれており、ガス供給量調整手段１０によって燃料電池ＦＣに接続されるガス流通路２から減少した分の水素が、水素タンク３ａから新たに供給される。また、ガス供給量調整手段１０によって、燃料電池ＦＣで消費されずに排出された水素は、循環路１２を介してエゼクタ１１に戻されて、燃料電池ＦＣに再び送られる。この場合、燃料電池ＦＣでは、水素が不足して発電効率が損なわれないように、ストイキ（供給量／消費量）が１．０よりも若干多め（例えば、ストイキが１．２）の水素が供給される。

Ｓ１０１において、加速が開始されて、制御部３０から急激な高負荷出力が燃料電池ＦＣに要求されたとき、つまり、制御部３０が、出力が予め設定された範囲を超えて高く変動したと判断したときには、制御部３０により外部負荷５０に対して発電電流を増加させる制御が行われる。なお、加速開始の判断としては、図示しないアクセルペダルのスロットル開度の変化や車速の変化などに基づいて判断される。そして、Ｓ１０２において、第２開閉弁Ｖ２および第３開閉弁Ｖ３を閉じ、さらに、Ｓ１０３において、第１開閉弁Ｖ１を開くように制御する。この第１〜第３開閉弁Ｖ１〜Ｖ３の制御により、アノードオフガス流路２ｂ（ガス流通路２）を流れる水素が連通路２２を介してタンク２１に流れる。これは、前記したように、タンク２１内の圧力がアノードオフガス流路２ｂの圧力よりも低く設定されるように構成されているので、第１開閉弁Ｖ１を開くことにより、アノードオフガス流路２ｂの水素がタンク２１内に強制的に吸引されるようになる。

このように、タンク２１に水素が強制的に吸引されることで、燃料電池ＦＣの出口側、つまりアノードオフガス流路２ｂに存在する水素量が急激に減少するので、ガス供給量調整手段１０によってガス流通路２の水素が所定量となるまで、水素タンク３ａから燃料電池ＦＣのアノード極に水素が供給される。したがって、燃料電池ＦＣのアノード極に迅速に大量の水素が供給されるようになるので、燃料電池ＦＣから取り出す発電電流が増大したとしても、ストイキ不足になることがなく（水素供給不足になることがなく）、所望の加速感が得られるようになる。しかも、このようにストイキ不足となることがないので、燃料電池ＦＣの電極が腐食によって劣化するのも防止できる。また、水素を吸引させる手段として電力を消費することがないので、燃料電池システム１Ａの省電力化を図ることが可能になる。

また、加速後に減速が開始されたと判断されると、外部負荷５０を流れる発電電流を減少させる制御が行われる（Ｓ１０４）。なお、この減速開始の判断も、前記したように、スロットル開度の変化や車速の変化などに基づいて判断される。そして、制御部３０では、圧力センサ２３からタンク２１内の圧力Ｐを取得して（Ｓ１０５）、圧力Ｐが所定圧以下となったか否かを判断する（Ｓ１０６）。Ｓ１０６において、まだ圧力値が所定圧を超えている場合には（Ｎｏ）、所定圧に下がるまでＳ１０５の圧力Ｐの監視を続行し、圧力Ｐが所定圧以下となったと判断した場合に（Ｙｅｓ）、第１開閉弁Ｖ１を閉じる（Ｓ１０７）。

このように、第１開閉弁Ｖ１が閉じられるまでに、加速時にタンク２１に蓄積された水素によってタンク２１内の圧力が、アノードオフガス流路２ｂの圧力よりも高い状態にある場合に、タンク２１に吸引された水素が、連通路２２を介してアノードオフガス流路２ｂに戻される。このように、タンク２１に蓄積した水素をすべて希釈装置４０を介して排出するのではなく、その一部であっても燃料電池ＦＣ側に戻すことにより、水素を無駄に消費するのを防止することが可能になる。

第１開閉弁Ｖ１を閉じた（Ｓ１０７）後、第２開閉弁Ｖ２および第３開閉弁Ｖ３を開く（Ｓ１０８）。なお、このときの第２開閉弁Ｖ２の開動作は、規定外の濃度の水素が一気に希釈装置４０を介して系外に排出されないようにするために、弁の開度が徐々に拡大するように制御される。第２開閉弁Ｖ２を徐々に開くことにより、タンク２１内に残留している水素が、排出路２４を介して希釈装置４０に送られる。このとき、タンク２１内の圧力が、希釈装置４０の圧力（大気圧）となるまで続けられる。希釈装置４０に送られた水素は、前記した所定の希釈方法に基づいて希釈されて系外（車両外）に排出される。また、第３開閉弁Ｖ３を開くことにより、アノードオフガス流路２ｂに存在していた水素が、循環路１２を介してエゼクタ１１に送られ、燃料電池ＦＣに再び供給される。その後、Ｓ１００と同様に、通常発電に移行する（Ｓ１０９）。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図４は制御部での加速時および減速時の処理を示すフローチャートである。なお、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、前記燃料電池システム１Ａに、放出手段２５を新たに追加して構成したものとなっている。その他の構成については、第１実施形態と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態での放出手段２５は、ポンプ２７を備えた吸引吐出路２６により構成され、吸引吐出路２６の一端がタンク２１と第２開閉弁Ｖ２との間の排出路２４に接続され、他端がパージ弁Ｖａと接続部Ｓ１との間のアノードオフガス流路２ｂに接続されている。ポンプ２７は、図３中において実線矢印で示すように、タンク２１内に蓄積された水素を吸引して、アノードオフガス流路２ｂに戻すように駆動されるものである。なお、放出手段２５としては、ポンプ２７に限定されるものではなく、ピストンなどであってもよい。

次に、燃料電池システム１Ｂでの動作について図４を参照して説明する。なお、図４に示す加速時の制御については、第１実施形態での加速時の制御と同様であり、減速時の処理に、ポンプ２７を駆動する制御と停止する制御を追加したものである。したがって、以下では、減速時の処理についてのみ説明する。

すなわち、第１開閉弁Ｖ１が開弁して、第２開閉弁Ｖ２および第３開閉弁Ｖ３が閉弁した状態で、減速が開始されて燃料電池ＦＣから取り出す発電電流が減少するように制御されると（Ｓ１０４）、Ｓ２００において、ポンプ２７が駆動される。減速前の加速時の制御（Ｓ１０２〜Ｓ１０４）において、タンク２１内には水素が吸引されて蓄積されているので、ポンプ２７を駆動することによって、タンク２１内の水素が吸引される。ポンプ２７で吸引された水素は、第２開閉弁Ｖ２が閉じられているので、水素が吸引吐出路２６およびポンプ２７を通ってアノードオフガス流路２ｂへと戻される。そして、第１実施形態と同様にして、タンク２１内の圧力Ｐが所定圧以下となるまで圧力Ｐを計測して（Ｓ１０５，Ｓ１０６）、圧力Ｐが所定圧以下となったときに、ポンプ２７の駆動を停止して、第１開閉弁Ｖ１を閉じる（Ｓ１０７）。なお、Ｓ１０６での所定圧は、ポンプ２７で吸引していることにより、第１実施形態でのＳ１０６での所定圧よりも低く設定することが可能である。このように、タンク２１内の水素をポンプ２７で吸引することにより、タンク２１内の水素が空になるまでまたはほぼ空になるまでアノードオフガス流路２ｂに戻される。

その後、第２開閉弁Ｖ２および第３開閉弁Ｖ３を開く（Ｓ１０８）。第２開閉弁Ｖ２を開くことにより、タンク２１内の圧力が、希釈装置４０と同様に大気圧に開放される。また、第３開閉弁Ｖ３を開くことにより、ポンプ２７によってアノードオフガス流路２ｂに戻された水素が、循環路１２を介してエゼクタ１１に送られて、エゼクタ１１から燃料電池ＦＣのアノード極に再び送られる。

この第２実施形態においても、燃料電池ＦＣに対して急激な高負荷出力が要求されたとしても、この急激な高負荷出力に対応した水素を迅速に燃料電池ＦＣに供給して、ストイキ不足を生じることなく所望の加速感を得ることが可能になり、しかも燃料電池ＦＣの劣化を招くこともない。また、第２実施形態では、減速時にタンク２１に蓄積された水素を、ポンプ２７の吸引力を利用してアノードオフガス流路２ｂ（ガス流通路２）に効率的に戻すことができるので、第１実施形態と比べて水素を一層有効活用することができる。

本発明の燃料電池システムは、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、第１実施形態の燃料電池システム１Ａにおいて、第１開閉弁Ｖ１に代えてポンプ（コンプレッサ）を設けて、加速時の処理において、アノードオフガス流路２ｂからタンク２１に水素を強制的に吸引するようにしてもよい。

また、ガス供給量調整手段１０の循環路１２に設けられる第３開閉弁Ｖ３としては、開閉可能な弁に限定されるものではなく、燃料電池ＦＣの下流側から上流側にのみ流通させることができる逆止弁であってもよい。逆止弁とすることにより、制御部３０での制御が不要になるので、燃料電池システム１Ａの回路構成を簡単にできる。また、第１および第２実施形態では、アノード極側のみについて説明したが、カソード極側に適用してもよい。

また、本実施形態では、前記タンク２１に代えて、気密性を有する蛇腹（ベローズ）のような伸縮構造のものでもよい。このような構造の場合、吸引時にプランジャ等で蛇腹を伸ばす方向に動かし、吐出時に蛇腹を縮める方向に動かすことで、水素の吸引および吐出を行うことが可能になる。

また、前記実施形態では、車両を例に挙げて説明したが、これに限定されるものでなく、船舶や航空機などの乗り物用の燃料電池システムに適用してもよい。

第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムでの加速時および減速時の処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第２実施形態の燃料電池システムでの加速時および減速時の処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
２ ガス流通路
２ａ アノードガス流路
２ｂ アノードオフガス流路
１０ ガス供給量調整手段
１１ エゼクタ
１２ 循環路
２０ ガス吸引手段
２１ タンク
２２ 連通路
２３ 圧力センサ
２４ 排出路
２５ 放出手段
２６ 吸引吐出路
２７ ポンプ
３０ 制御部（制御手段）
４０ 希釈装置
５０ 外部負荷
ＦＣ 燃料電池
Ｖ１ 第１開閉弁
Ｖ２ 第２開閉弁
Ｖ３ 第３開閉弁

Claims (3)

1. 反応ガスが流通するガス流通路が接続される燃料電池と、前記ガス流通路から減少した分の反応ガス量を前記ガス流通路に供給するガス供給量調整手段と、前記燃料電池の下流側に設けられ、前記ガス流通路から前記反応ガスを吸引するガス吸引手段と、前記燃料電池に対して急激な高負荷出力が要求されたときに前記ガス吸引手段により前記反応ガスを前記ガス流通路から吸引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。
2. 前記ガス吸引手段は、前記燃料電池の発電時における前記ガス流通路の圧力よりも低い圧力に設定可能なタンクと、前記タンクと前記ガス流通路とを連通する連通路と、前記連通路を開閉する開閉弁とを備え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. 前記タンク内に蓄積された前記反応ガスを前記ガス流通路側に戻す放出手段を備え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。

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