JP2008204711A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】調圧装置の上流側の圧力上昇を抑制して良好な運転を継続させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力を調整するインジェクタ３５を備えた燃料電池システム１であって、インジェクタ３５の上流側の圧力が所定値以上となった際に、インジェクタ３５の下流側の圧力を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路に調圧装置を備えた燃料電池システムに関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための燃料供給流路が設けられており、この燃料供給流路に、上流側のガス状態を調整して下流側に供給する燃料供給手段として、燃料ガスの供給を高い応答性で適切に制御可能な弁機構などからなる調圧装置を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３２７５９７号公報

上記燃料電池システムにおいて、調圧装置（特許文献１では、供給弁３の一例であるインジェクタ）よりも上流側の圧力が上昇した場合には、この圧力上昇に伴い増大する下流側への水素供給量を抑えるために、調圧装置の閉弁時間は長くなるように制御される。したがって、例えば調圧装置の上流側に配設された減圧弁にシートリークが生じる等の異常発生時であっても、調圧装置の閉弁時間は長くなるように制御されるので、上流側におけるさらなる圧力上昇を招いてしまう。

調圧装置よりも上流側にリリーフ弁を備えた燃料電池システムにおいては、かかる上流側の圧力が所定の作動圧に達した場合にリリーフ弁が開放されるので、調圧装置よりも上流側におけるさらなる圧力上昇の抑制は可能である。しかしながら、リリーフ弁が開放されると燃料電池の運転を強制的に終了するように構成された燃料電池システムにあっては、運転継続が不可能となる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、調圧装置の上流側の圧力上昇を抑制して良好な運転を継続させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する調圧装置と、前記調圧装置の上流側圧力の増減に基づいて当該調圧装置を制御して下流側への燃料ガス供給量を調整する調圧装置制御部と、前記調圧装置の上流側の圧力が所定値以上になると、当該調圧装置の下流側の圧力を低下させる圧力制御部と、を備えるものである。

かかる構成によれば、調圧装置の上流側の圧力が所定値以上となった際に、調圧装置の下流側の圧力が強制的に低下させられるので、調圧装置による下流側への燃料ガス供給量を増加させ得て、調圧装置の上流側の圧力上昇を抑制することができる。つまり、調圧装置の上流側の圧力上昇を抑制して円滑に運転を継続させることができる。

前記圧力制御部が前記調圧装置の下流側における燃料ガス排出量を増加させることによって、前記調圧装置の下流側の圧力を低下させても良い。例えば、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給流路に戻す循環流路と、前記循環流路を流通する燃料オフガスを外部に排出するための排出弁と、を更に備えた燃料電池システムにおいては、前記圧力制御部が前記排出弁を開放することによって、前記燃料ガス排出量を増加させてもよい。

また、前記圧力制御部は、前記燃料電池における燃料ガス消費量を増加させることによって、前記調圧装置の下流側の圧力を低下させても良い。

前記調圧装置は、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させる電磁駆動式の開閉弁であっても良い。

本発明によれば、調圧装置の上流側の圧力上昇を抑制して円滑に運転を継続させることができる。

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電気化学反応により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。水素供給流路３１は、本発明における供給流路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（調圧装置）３５と、が設けられている。また、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と、所定の作動圧に達した際に開放されるリリーフ弁４４とが設けられている。

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。

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段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。このように、インジェクタ３５は、制御装置４からの制御信号によってガス噴射時間及びガス噴射時期が制御される結果、下流側における水素ガスの流量及び圧力を制御する。

例えば、インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

なお、インジェクタ３５の下流に供給されるガス圧力は、インジェクタ３５の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、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（排出弁）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、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフ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。

具体的には、制御装置４は、図２に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５の下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５の下流位置（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。

ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、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。

例えば、インジェクタ３５の上流側の圧力が上昇すると、当該上流側における水素ガスの静的流量が増加するので、制御装置４は、インジェクタ３５の下流側の圧力を目標圧力に制御するために、一次側圧力センサ４１の検出結果に基づいて、インジェクタ３５の噴射流量を抑制する方向に補正する。つまり、本実施形態における制御装置４は、本発明における調圧装置制御部の一形態に相当する。

この噴射流量を抑制する方向の補正は、例えば、インジェクタ３５の一駆動（一噴射）当たりの噴射時間（開弁時間）を変えずに駆動周期を長くする、駆動周期を変えずに一駆動当たりの噴射時間を短くする、一駆動当たりの噴射時間を短くして駆動周期も長くする等により可能である。

したがって、インジェクタ３５の上流側の圧力が上昇した場合には、インジェクタ３５への上流側からの水素供給量が増加するにもかかわらず、インジェクタ３５から下流側への水素供給量は減少するので、例えばレギュレータ３４にシートリーク等による内部漏れが発生すると、インジェクタ３５の上流側圧力は上昇し続ける一方となり、リリーフ弁４４の作動を誘発することになる。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１では、図３のフローチャートに示すように、所定の制御周期あるいはイベント発生毎に、インジェクタ３５の一次側圧力を一次側圧力センサ４１で検出し（ステップＳ１）、制御装置４は、その検出結果に基づいて、より具体的には、インジェクタ３５の上流側の圧力が所定値（予め設定されているインジェクタ３５の調圧上限値）以上であることを検知した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、気液分離器３６の排気排水弁３７を開放し（ステップＳ５）、循環流路３２内の水素ガスを排出流路３８へ排出させる。つまり、本実施形態における制御装置４は、本発明における圧力制御部の一形態に相当する。

このようにすると、燃料電池１０を介して循環流路３８に連通するインジェクタ３５の下流側の圧力が低下するので、制御装置４は、インジェクタ３５の下流側を目標圧力とすべく、二次側圧力センサ４３からの検出結果に基づいて、インジェクタ３５の駆動周期又は／及び一駆動当たりの噴射時間を変更し、インジェクタ３５の噴射流量を増加させる。かかる噴射流量の増加によって、インジェクタ３５の上流側での圧力上昇が抑えられる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、排気排水弁３７を開放するとともに、例えばコンプレッサ２４の回転数を上げて燃料電池１０への酸化ガス供給量を増加させる、ひいては燃料電池１０からの酸化オフガス排出量を増加させるので（ステップＳ７）、希釈器４０にて水素オフガス中の水素ガス濃度が酸化オフガスによって十分に希釈されたうえで排気されることになる。

このとき、コンプレッサ２４による酸化ガス供給量の増加に伴い、コンプレッサ２４の稼働量も増加するので、そのコンプレッサ２４の稼働に要する消費電力も増加する。これにより、燃料電池１０における発電量の要求値も増加するので、インジェクタ３５の下流側の目標圧力値も増加する。その結果、インジェクタ３５による噴射流量も、その目標圧力値とともに増加し、インジェクタ３５の上流側の圧力上昇がさらに抑制されることになる。

このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、インジェクタ３５の上流側の圧力が当該インジェクタ３５の調圧上限値以上となった際には、インジェクタ３５の下流側の圧力を低下させるように構成されているので、その下流側における圧力低下に伴い、インジェクタ３５による下流側への水素ガスの供給量が増加して、インジェクタ３５の上流側の圧力上昇を抑制することができる。

つまり、インジェクタ３５の上流側の圧力上昇を抑制し、リリーフ弁４４を不必要に作動させることなく円滑に運転を継続させることができる。なお、排気排水弁３７の開放による水素ガスの排出量（パージ量）の増加は、排気排水弁３７の開放間隔の短縮、排気排水弁３７の開放時間の増加あるいは排気排水弁３７の開度の増加のいずれかもしくはこれらの組合せによって容易に行うことができる。

また、上記実施形態では、ステップＳ５で排気排水弁３７を開放して水素ガスの排出量を増加させた形態について説明したが、このような形態に変えて或いは加えて、燃料電池１０の発電量を強制的に増加させて水素消費量を増加させても良い。この場合も、燃料電池１０での水素消費量の増加に伴いインジェクタ３５の下流側の圧力が低下するので、インジェクタ３５による噴射流量が増加し、インジェクタ３５の上流側の圧力上昇が抑えられる。

そして、かかる場合には、燃料電池１０にて余分に発電された電力は、バッテリーへの蓄電あるいは燃料電池１０の発電電力の増加に伴って消費電力が高まるコンプレッサ２４等の各種の補機の駆動電力として用いることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した制御装置による制御態様を説明するための制御ブロック図である。 図１に示した制御装置による一制御例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（供給流路）、３２…循環流路、３５…インジェクタ（調圧装置）、３７…排気排水弁（排出弁）。

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、
   前記供給流路の上流側のガス状態を調整して下流側に供給する調圧装置と、
   前記調圧装置の上流側圧力の増減に基づいて当該調圧装置を制御して下流側への燃料ガス供給量を調整する調圧装置制御部と、
   前記調圧装置の上流側の圧力が所定値以上になると、当該調圧装置の下流側の圧力を低下させる圧力制御部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記圧力制御部は、前記調圧装置の下流側におけるガス排出量を増加させることにより、前記調圧装置の下流側の圧力を低下させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給流路に戻す循環流路と、前記循環流路を流通する燃料オフガスを外部に排出するための排出弁と、を更に備え、
   前記圧力制御部は、前記排出弁を開放して前記ガス排出量を増加させることにより、前記調圧装置の下流側の圧力を低下させる請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記排出弁が開放された場合には、当該排出弁を通って外部へと放出される燃料オフガスに混合される酸化オフガス量を増加させる請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記圧力制御部は、前記燃料電池における燃料ガス消費量を増加させることにより、前記調圧装置の下流側の圧力を低下させる請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記調圧装置として、弁体を電磁駆動力で所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させる電磁駆動式の開閉弁を備えた請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システム。

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