JP2007329104A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム起動時に発電回復処理を行った際に発生し得る燃料電池の発電電圧低下を抑制する。
【解決手段】ＦＣ入口目標圧力の初期設定（ステップＳ１）後、燃料電池のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になるまで、ＦＣ入口目標圧力を、この初期設定値に維持する（ステップＳ３：ＮＯ）。この初期設定値は、通常発電時にＦＣ電流に応じて設定されるＦＣ入口目標圧力よりも高圧に設定する。燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になったならば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ５で検出したＦＣ電流と、燃料電池１０への要求出力に対応して設定されるＦＣ入口目標圧力との関係を表わすマップを用いて、ＦＣ入口目標圧力を求める（ステップＳ７）。
【選択図】図２

Description

本発明は、システム起動時に発電回復処理を行う燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムとして、例えば下記特許文献１には、システム起動後の暖機運転中に、燃料電池の出力電圧が低いと判定した場合であって、この出力電圧の低下が燃料電池内に残留する窒素に起因すると判定した場合に、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を増加させる、いわゆる発電回復処理を行う技術が開示されている。
特開２００４−１６５０５８号公報

システム起動時に発電回復処理を行う燃料電池システムにおいては、システム起動後、通常運転（通常発電）に移行した直後は、アノードへの目標ガス供給圧力（以下、目標圧力）に対して実際の圧力（以下、実圧力）が高いため、アノード内の不純物（例えば、窒素）濃度が高いにもかかわらず、実圧力を目標圧力に合わせるべく、減圧処理を行うことになる。

この減圧処理中、アノードへのガス供給圧力を調圧する調圧弁よりも下流側に位置する燃料電池に対しては、新規の燃料ガスが供給されなくなるため、アノード内における燃料ガス濃度の低下、ひいては燃料電池の発電電圧（セル電圧）の低下を招き、円滑な通常運転への移行、あるいは正常な通常運転の維持に支障を来たす場合がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、システム起動時に発電回復処理を行った後に発生し得る燃料電池の発電電圧の低下を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料供給系と、前記燃料供給系に設けられて前記アノードへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記調整手段は、システム起動時においては、前記アノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下に低下するまで、燃料供給源から前記アノードへの新規の燃料ガス供給量を、通常発電時に前記燃料電池の発電電流に応じて設定される新規の燃料ガス供給量よりも、高く維持する。

この構成によれば、システム起動時に、通常発電時よりも高圧の燃料ガスをアノードに供給する発電回復処理を行い、次いで、通常運転（通常発電）に移行した直後に、アノード入口側の実圧力を目標圧力に合わせるための減圧処理を行ったとしても、アノード内を含む燃料ガス供給系における不純物濃度が所定値以下に低められている、言い換えれば、燃料ガス濃度が所定濃度以上に高められているので、減圧処理に伴いアノードへの燃料ガス供給量がそれまでよりも低下する状態下にあっても、燃料電池の発電電圧（セル電圧）の低下は抑制される。

前記調整手段は、前記燃料供給系の上流側のガス状態を目標値に調整して下流側にガスを供給する可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置を前記目標値に応じて駆動制御する制御装置と、を備えると共に、システム起動時は、前記可変ガス供給装置による前記アノードへのガス供給量を通常発電時よりも増加させてもよい。

前記可変ガス供給装置は、システム起動時は通常発電時よりも高圧の燃料ガスを前記アノードに供給し、前記アノードに供給されるガス中の窒素濃度が所定値以下に低下するまで、前記アノードへのガス供給圧を通常発電時よりも高く維持してもよい。

前記燃料電池のアノード出口から排出された燃料オフガスを前記新規の燃料ガスと合流させてアノード入口に再供給するための循環流路と、前記循環流路に設けられて開弁時に前記燃料オフガスをシステム外へ放出させる開閉弁と、を備え、前記調整手段は、前記開閉弁の開弁に応じて前記アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させてもよい。

開閉弁が開弁して燃料オフガスの一部がシステム外へ放出されると、アノードに供給される燃料供給源からの新規の燃料ガスと燃料オフガスとの混合ガスの不純物濃度が低くなる、言い換えれば、混合ガスの燃料ガス濃度が高くなるので、アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させても、発電電圧の低下は抑制される。よって、この構成によれば、アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させることにより、燃料電池の発電電圧の低下を抑制しつつ、燃費を向上させることができる。

本発明によれば、システム起動時に発電回復処理を行った際に発生し得る燃料電池の発電電圧低下を抑制することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系（燃料供給系）２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク（燃料供給源）３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。水素ガス配管系３は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。

なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ（可変ガス供給装置）３５と、が設けられている。インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。

また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧等のガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。

本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階、多段階、連続的（無段階）、又はリニアに切り替えることができるようになっている。そして、制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。

以上のとおり、インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物（例えば、窒素）を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。

また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排出流路３８内のガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内のガスと合流するようになっている。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

図２は、システム起動時、より具体的には、例えばユーザ操作によるイグニッションＯＮの信号を制御装置４が検知し、燃料電池１０への反応ガス供給を開始した時等に実行される、システム起動から通常発電（通常運転）に移行するまでのインジェクタ３５の制御フローである。

また、図３は、図２のステップＳ７の処理で用いられる、燃料電池１０の発電電流（以下、ＦＣ電流）と燃料電池１０の入口側目標圧力（以下、ＦＣ入口目標圧力）との関係を示すマップであり、また、図４は、図２のステップＳ９の処理で用いられる、ＦＣ電流とインジェクタ３５の基本噴射時間（Ｆ／Ｆ項）との関係を示すマップである。

図２のフローチャートにおいては、まず、ＦＣ入口目標圧力の初期設定がなされる（ステップＳ１）。そして、燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になるまで、ＦＣ入口目標圧力は、この初期設定値に維持される（ステップＳ３：ＮＯ）。この初期設定値は、通常発電時にＦＣ電流に応じて設定されるＦＣ入口目標圧力（燃料ガス供給量）、すなわち、図３の圧力Ｐ１よりも高い所定の圧力Ｐ２に設定される。

これにより、本実施形態のシステム起動時においては、図５に示すように、燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が同図に一点鎖線で示す所定値以下に低下するまでの間は、同図に破線で示すＦＣ入口目標圧（水素タンク３０から燃料電池１０のアノードへの新規の水素ガス供給量）が、通常発電時にＦＣ電流に応じて設定されるＦＣ入口目標圧力よりも、高く維持される。

よって、同図の実線で示すように、燃料電池１０のアノード入口側における実際の圧力（ＦＣ入口実圧力）は、燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が同図に一点鎖線で示す所定値以下に低下するまでの間は、通常発電時よりも高く維持され、インジェクタ３５による燃料電池１０のアノードへのガス供給量が通常発電時よりも増加することになる。

なお、ステップＳ３における判定は、例えば窒素センサ等の検出結果に基づいて行われるが、これに限らず、燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の水素濃度を水素センサで直接検出し、その検出結果に基づいて不純物濃度が所定値以下になったことを判定してもよい。

燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になったならば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ＦＣ電流を電流センサ１３で検出し（ステップＳ５）、例えば図３に示すマップ、つまり、ステップＳ５で検出したＦＣ電流と、燃料電池１０への要求出力に対応して設定されるＦＣ入口目標圧力との関係を表わすマップを用いて、ステップＳ５で検出したＦＣ電流からＦＣ入口目標圧力を求める（ステップＳ７）。

なお、図３に示すＦＣ電流とＦＣ入口目標圧力とを関係付けたマップとして、燃料電池１０のアノード内の不純物濃度に応じたＦＣ入口目標圧力マップを複数持つことにより、ステップＳ７においては、ＦＣ電流とアノード内の不純物濃度とに応じてＦＣ入口目標圧力を決定するようにしてもよい。

次に、制御装置４は、例えば図４に示すマップ、つまり、ＦＣ電流とインジェクタの基本噴射時間であるフィードフォワード項（以下、Ｆ／Ｆ項）との関係を表わすマップを用いて、ステップＳ５で検出したＦＣ電流からインジェクタの基本噴射時間であるＦ／Ｆ項を求める（ステップＳ９）。

次に、制御装置４は、ステップＳ７で求めたＦＣ入口目標圧力と、二次側圧力センサ４３で検出した現在の燃料電池１０の入口側圧力（以下、ＦＣ入口圧力）との偏差（以下、ＦＣ入口圧力偏差）を求め（ステップＳ１１）、このＦＣ入口圧力偏差を補正する（低減させる）ための補正値として、インジェクタ噴射時間のフィードバック項（以下、Ｆ／Ｂ項）を求める（ステップＳ１３）。

次に、制御装置４は、ステップＳ９で求めたインジェクタ３５の基本噴射時間であるＦ／Ｆ項に、ステップＳ１３で求めたＦ／Ｂ項を、必要に応じて更なる補正値とともに加算することにより、インジェクタ３５の噴射時間（噴射量）を求める（ステップＳ１５）。

そして、制御装置４は、かかる噴射時間を実現させるための制御信号をインジェクタ３５に出力することにより、インジェクタ３５の噴射時間及び噴射時期を制御し、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。以後、ステップＳ５〜Ｓ１５の処理は、所定周期で繰り返し実行される。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、システム起動時に、通常運転（通常発電）時よりも高圧の水素ガスを燃料電池１０のアノードに供給する発電回復処理を行い、次いで、通常運転に移行した直後に、アノード入口側のＦＣ入口実圧力をＦＣ入口目標圧力に合わせるための減圧処理を行ったとしても、アノード内を含む水素ガス配管系３における不純物濃度が所定値以下に低められている、言い換えれば、水素ガス濃度が所定濃度以上に高められているので、減圧処理に伴いアノードへの水素ガス供給量がそれまでよりも低下する状態下にあっても、通常運転移行時における燃料電池１０の発電電圧（セル電圧）の低下を抑制することができる。

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、制御装置４は、排気排水弁３７を開弁させたら、それに応じて、燃料電池１０のアノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させるように、インジェクタ３５の開閉動作を制御してもよい。

つまり、排気排水弁３７が開弁して水素オフガスの一部がシステム外へ放出されると、燃料電池１０のアノードに供給される水素タンク３０からの新規の水素ガスと水素オフガスとの混合ガスの不純物濃度は低くなる、言い換えれば、混合ガスの水素ガス濃度は高くなるので、燃料電池１０のアノードへのガス供給量をそれまでのガス供給量よりも低下させても、発電電圧の低下は抑制される。

よって、上記実施形態において、排気排水弁３７の開弁に応じて、燃料電池１０のアノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させるように構成すれば、通常運転移行時における燃料電池１０の発電電圧の低下を抑制しつつ、燃費をも向上させることができる。

また、上記実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示したインジェクタの制御フローを説明するためのフローチャートである。 図２に示したフローチャートのステップＳ７の処理に用いられるマップの一例である。 図２に示したフローチャートのステップＳ９の処理に用いられるマップの一例である。 図２に示したフローチャートにより図１に示したインジェクタを制御した場合における燃料電池の入口側目標圧力と実圧力との関係を説明するための図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…水素ガス配管系（燃料供給系）、４…制御装置（調整手段の一部）、１０…燃料電池、３０…水素タンク（燃料供給源）、３２…循環流路、３５…インジェクタ（可変ガス供給装置、調整手段の一部）、３７…排気排水弁（開閉弁）

Claims (4)

1. 燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料供給系と、前記燃料供給系に設けられて前記アノードへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記調整手段は、システム起動時においては、前記アノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下に低下するまで、燃料供給源から前記アノードへの新規の燃料ガス供給量を、通常発電時に前記燃料電池の発電電流に応じて設定される新規の燃料ガス供給量よりも、高く維持する燃料電池システム。
2. 前記調整手段は、前記燃料供給系の上流側のガス状態を目標値に調整して下流側にガスを供給する可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置を前記目標値に応じて駆動制御する制御装置と、を備えると共に、システム起動時は、前記可変ガス供給装置による前記アノードへのガス供給量を通常発電時よりも増加させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記可変ガス供給装置は、システム起動時は通常発電時よりも高圧の燃料ガスを前記アノードに供給し、前記アノードに供給されるガス中の窒素濃度が所定値以下に低下するまで、前記アノードへのガス供給圧を通常発電時よりも高く維持する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池のアノード出口から排出された燃料オフガスを前記新規の燃料ガスと合流させてアノード入口に再供給するための循環流路と、前記循環流路に設けられて開弁時に前記燃料オフガスをシステム外へ放出させる開閉弁と、を備え、
   前記調整手段は、前記開閉弁の開弁に応じて前記アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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