JP2022063412A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エゼクタを備える燃料電池システムにおいて、燃料ガスによって燃料電池内を昇圧させるための時間を短期化する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給流路に循環させるための燃料ガス循環流路と、燃料ガス循環流路に配置され、第１回転方向に回転することによって燃料オフガスを燃料ガス供給流路に圧送するターボ型ポンプと、燃料ガス供給流路に配置され、燃料ガスとターボ型ポンプによって圧送される燃料オフガスとを合流させて燃料電池に供給するエゼクタと、ターボ型ポンプの回転を制御する制御部と、を備える。制御部は、燃料ガスによって燃料電池内を予め定められた圧力に昇圧させる場合に、ターボ型ポンプを第１回転方向とは逆向きの第２回転方向に回転させる。【選択図】図７

Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

特許文献１には、水素タンクから燃料電池に水素ガスを供給するための水素供給流路と、燃料電池から排出された水素オフガスを水素供給流路に戻すための水素循環流路とを備える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、水素供給流路には、水素タンクから供給される水素ガスと燃料電池から排出される水素オフガスとを合流させて合流後の混合ガスを燃料電池に供給するエゼクタが設けられており、水素循環流路には、燃料電池から排出された水素オフガスをエゼクタに送り出す水素ポンプが設けられている。

特開２００９－２８３１７１号公報

上記特許文献１に記載された燃料電池システムでは、エゼクタの発生させる負圧によって水素ポンプからエゼクタに水素オフガスを吸引することができるので、水素オフガスを水素供給流路に循環させるための水素ポンプの消費電力を低減することができる。しかしながら、水素ポンプがターボ型ポンプである場合には、水素ポンプの回転を停止させたとしてもエゼクタの発生させる負圧によって水素オフガスが水素ポンプ内の隙間を介して循環してしまう。そのため、例えば、低温環境下で燃料電池の発電を開始させる場合のように、水素タンクから水素ガスを供給することによって燃料電池内を所定の圧力に昇圧させる場合に、燃料電池内を昇圧させるための時間が長期化する。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給源から前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に循環させるための燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路に配置され、第１回転方向に回転することによって前記燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に圧送するターボ型ポンプと、前記燃料ガス供給流路に配置され、前記燃料ガスと前記ターボ型ポンプによって圧送される前記燃料オフガスとを合流させて前記燃料電池に供給するエゼクタと、前記ターボ型ポンプの回転を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料ガスによって前記燃料電池内を予め定められた圧力に昇圧させる場合に、前記ターボ型ポンプを前記第１回転方向とは逆向きの第２回転方向に回転させる。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料ガスによって燃料電池内を予め定められた圧力に昇圧させる場合には、ターボ型ポンプを第２回転方向に回転させるので、ターボ型ポンプを介して燃料電池からエゼクタに燃料オフガスが循環することを抑制できる。そのため、燃料電池内を圧力に昇圧させるための時間が長期化することを抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムは、前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力を取得するための圧力センサを備え、前記制御部は、前記ターボ型ポンプを前記第２回転方向に回転させる期間内において、前記圧力センサによって取得される前記燃料ガスの圧力の変化率が予め定められた第１変化率以下である場合、前記ターボ型ポンプの前記第２回転方向の回転速度を増加させてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、ターボ型ポンプの第２回転方向の回転速度が不足することを抑制できる。そのため、ターボ型ポンプを介して燃料電池からエゼクタに燃料オフガスが循環することを効果的に抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記ターボ型ポンプを前記第２回転方向に回転させる期間内において、前記燃料ガスが前記エゼクタから前記ターボ型ポンプに流入する逆流状態であると判断した場合、前記ターボ型ポンプの前記第２回転方向の回転速度を減少させてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料ガスがエゼクタからターボ型ポンプに流入することによる燃料電池への燃料ガスの供給量の減少に起因して、燃料電池内を昇圧させるための時間が長期化することを抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池システムは、前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力を取得するための圧力センサを備え、前記制御部は、前記圧力センサによって取得される前記燃料ガスの圧力の変化率が予め定められた第２変化率以下である場合に、前記逆流状態であると判断してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池内における燃料ガスの圧力の変化率を用いて、逆流状態であるか否かを判定できる。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池内の前記燃料ガスの濃度を用いて、前記逆流状態であるか否かを判断してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池内における燃料ガスの濃度を用いて、逆流状態であるか否かを判定できる。
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ターボ型ポンプは、回転するシャフトと、前記シャフトからの回転力によって回転する内周インペラと、前記内周インペラの外周に配置され、前記シャフトからの回転力によって回転する外周インペラと、を有し、前記内周インペラと前記外周インペラとのうちの一方は、ワンウェイクラッチを介して前記シャフトから回転力を受けてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、内周インペラと外周インペラとのうちの一方のみを第２回転方向に回転させることができる。そのため、ターボ型ポンプの消費電力を低減することができる。
本開示は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 第１実施形態のエゼクタの構成を示す断面図。 第１実施形態の燃料ポンプの構成を示す断面図。 第１実施形態のセル内高圧化制御の内容を示すフローチャート。 第１実施形態の燃料ポンプの逆回転モードの様子を示す説明図。 第１実施形態のセル内圧力の変化を模式的に示すタイムチャート。 第２実施形態のセル内高圧化制御の内容を示すフローチャート。 第２実施形態のセル内圧力の変化を模式的に示すタイムチャート。 第３実施形態の燃料ポンプの構成を示す断面図。 第３実施形態の燃料ポンプの逆回転モードの様子を示す説明図。 図９におけるＸＩ－ＸＩ線断面図。 第４実施形態の燃料ポンプの構成を示す断面図。 第５実施形態の燃料ポンプの構成を示す断面図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス給排部２００と、空気給排部３００と、制御部５００とを備えている。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の走行用モータに電力を供給するための発電装置として用いられる。なお、燃料電池システム１０は、住宅等に電力を供給するための定置型の発電装置として用いられてもよい。

本実施形態では、燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル１０１を積層したスタック構造を有している。各単セル１０１は、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟むように配置された一対のセパレータとを備えている。アノード極側の膜電極接合体とセパレータとの間には燃料ガスが供給され、カソード極側の膜電極接合体とセパレータとの間には空気が供給される。各単セル１０１は、燃料ガスと空気とを用いた電気化学反応によって発電する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素が用いられる。なお、燃料ガスとして、メタノールが用いられてもよい。燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池ではなく、固体酸化物形燃料電池でもよい。

燃料ガス給排部２００は、燃料電池１００に燃料ガスを供給し、燃料電池１００から燃料オフガスを排出させる。燃料オフガスには、燃料電池１００の発電で消費されなかった燃料ガス等が含まれる。本実施形態では、燃料ガス給排部２００は、燃料ガス供給流路２０１と、燃料ガス循環流路２０２と、燃料ガス排出流路２０３と、燃料タンク２１０と、主止弁２２０と、レギュレータ２３０と、インジェクタ２４０と、エゼクタ２５０と、圧力センサ２６０と、気液分離器２７０と、循環ポンプ２８０と、排気排水弁２９０とを備えている。

燃料タンク２１０は、燃料電池１００に供給される燃料ガスの供給源である。燃料タンク２１０には、燃料ガスが貯蔵されている。燃料ガス供給流路２０１は、燃料タンク２１０から燃料電池１００に燃料ガスを供給するための流路である。燃料ガス供給流路２０１は、燃料タンク２１０と燃料電池１００の燃料ガス供給口との間に設けられた配管によって構成されている。

燃料ガス供給流路２０１には、主止弁２２０と、レギュレータ２３０と、インジェクタ２４０と、エゼクタ２５０と、圧力センサ２６０とがこの順に設けられている。主止弁２２０は、燃料タンク２１０からの燃料ガスの供給の開始と停止とを切り替える。レギュレータ２３０は、燃料タンク２１０から供給された燃料ガスを減圧する。インジェクタ２４０は、レギュレータ２３０によって減圧された燃料ガスをエゼクタ２５０に向けて噴射する。エゼクタ２５０は、インジェクタ２４０から供給された燃料ガスと、後述する循環ポンプ２８０から供給された燃料オフガスとを合流させて燃料電池１００に供給する。圧力センサ２６０は、エゼクタ２５０と燃料電池１００の燃料ガス供給口との間の燃料ガス供給流路２０１内のガスの圧力を計測する。圧力センサ２６０によって計測された圧力の情報は、制御部５００に送信される。

燃料ガス循環流路２０２は、燃料電池１００から排出される燃料オフガスを燃料ガス供給流路２０１に循環させるための流路である。燃料ガス循環流路２０２は、燃料電池１００の燃料ガス排出口とエゼクタ２５０との間に設けられた配管によって構成されている。燃料ガス循環流路２０２には、気液分離器２７０と、循環ポンプ２８０とが設けられている。気液分離器２７０は、燃料電池１００から排出された燃料オフガスから水分を分離させる。循環ポンプ２８０は、気液分離器２７０によって水分を分離された燃料オフガスをエゼクタ２５０に圧送する。エゼクタ２５０に循環した燃料オフガスは、燃料電池１００の発電に再利用される。

燃料ガス排出流路２０３は、燃料オフガスや気液分離器２７０によって分離された水分を燃料電池システム１０の外部に排出するための流路である。燃料ガス排出流路２０３は、気液分離器２７０と後述する空気排出流路３０２との間に設けられた配管によって構成されている。燃料ガス排出流路２０３には、排気排水弁２９０が設けられている。排気排水弁２９０は、気液分離器２７０からの燃料オフガスや水分の排出の開始と停止とを切り替える。

空気給排部３００は、燃料電池１００に空気を供給し、燃料電池１００から空気オフガスを排出させる。空気オフガスには、窒素や、燃料電池１００の発電で消費されなかった酸素や、燃料電池１００の発電で生成された水分等が含まれる。空気給排部３００は、空気供給流路３０１と、空気排出流路３０２と、エアコンプレッサ３１０と、調圧弁３２０とを備えている。

空気供給流路３０１は、燃料電池１００に空気を供給するための流路である。空気供給流路３０１は、配管によって構成されている。空気供給流路３０１の一端は、大気に連通しており、空気供給流路３０１の他端は、燃料電池１００の空気供給口に接続されている。空気供給流路３０１には、エアコンプレッサ３１０が設けられている。エアコンプレッサ３１０は、燃料電池１００に空気を圧送する。

空気排出流路３０２は、空気オフガスを燃料電池システム１０の外部に排出するための流路である。空気排出流路３０２は、配管によって構成されている。空気排出流路３０２の一端は、燃料電池１００の空気排出口に接続されており、空気排出流路３０２の他端は、大気に連通している。空気排出流路３０２には、燃料ガス排出流路２０３が接続されている。燃料電池１００の空気排出口と燃料ガス排出流路２０３との接続部との間の空気排出流路３０２には、調圧弁３２０が設けられている。調圧弁３２０は、燃料電池１００内の空気の圧力を調節する。

制御部５００は、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを備えたコンピュータとして構成されている。制御部５００は、主止弁２２０、インジェクタ２４０、循環ポンプ２８０、排気排水弁２９０、エアコンプレッサ３１０、および、調圧弁３２０を制御することによって、燃料電池１００の発電を制御する。本実施形態では、制御部５００は、燃料電池１００の各単セル１０１内を燃料ガスによって予め定められた圧力に昇圧させる場合に、後述するセル内高圧化制御を実行する。

図２は、エゼクタ２５０の構成を示す断面図である。エゼクタ２５０は、箱状に構成されたボディ２５１と、ボディ２５１内に設けられた筒状のノズル２５２と、ボディ２５１に接続された筒状のディフューザ２５３とを備えている。

ボディ２５１には、インジェクタ２４０に連通する導入口２５５と、循環ポンプ２８０に連通する吸入口２５６と、吸入口２５６に連通する吸入室２５７とが設けられている。ノズル２５２は、導入口２５５と吸入室２５７とを連通させている。ディフューザ２５３の一端は、吸入室２５７に連通しており、ディフューザ２５３の他端には、燃料電池１００の燃料ガス供給口に連通する吐出口２５８が設けられている。

導入口２５５から導入された燃料ガスは、ノズル２５２からディフューザ２５３に向けて噴射される。ノズル２５２の内径は、導入口２５５の内径よりも小さいので、ノズル２５２に供給された燃料ガスは、ノズル２５２内で加速および減圧される。ノズル２５２内で加速された燃料ガスがノズル２５２から噴射されることによって、吸入室２５７に負圧が発生し、吸入口２５６から吸入室２５７に燃料オフガスが吸入される。吸入室２５７に吸入された燃料オフガスは、ノズル２５２から噴射された燃料ガスに合流して、ディフューザ２５３に供給される。ディフューザ２５３の内径は、ノズル２５２の内径よりも大きく、かつ、吐出口２５８に向かうほど拡径されているので、燃料ガスおよび燃料オフガスは、ディフューザ２５３内で減速および昇圧されて、吐出口２５８から吐出される。

図３は、循環ポンプ２８０の構成を示す断面図である。本実施形態では、循環ポンプ２８０は、ターボ型ポンプに分類される渦流ポンプである。循環ポンプ２８０は、ケーシング２８１と、ケーシング２８１内に収容されたインペラ２８２と、インペラ２８２に接続されたシャフト２８３とを備えている。循環ポンプ２８０は、動作モードとして、正回転モードと逆回転モードとを有している。正回転モードでは、図３に示すように、第１回転方向ＲＤ１にインペラ２８２が回転し、逆回転モードでは、第１回転方向ＲＤ１とは逆向きにインペラ２８２が回転する。

ケーシング２８１には、気液分離器２７０に連通する導入口２８５と、エゼクタ２５０の吸入口２５６に連通する吐出口２８６とが設けられている。インペラ２８２は、円盤状に構成されている。インペラ２８２は、放射状に設けられた複数のガイドベーン２８７と、ガイドベーン２８７同士の間に設けられた溝部２８８とを外周部に有している。シャフト２８３は、制御部５００の制御下で駆動されるモータに接続されている。モータの発生させる回転力によって、シャフト２８３は、インペラ２８２とともに回転する。

循環ポンプ２８０が正回転モードで運転される場合、導入口２８５からケーシング２８１内に燃料オフガスが導入される。ケーシング２８１内に導入された燃料オフガスは、渦を形成しながらインペラ２８２の溝部２８８とケーシング２８１との隙間を流れることによって繰り返し加圧されて、吐出口２８６から吐出される。循環ポンプ２８０が正回転モードで運転される際にインジェクタ２４０からエゼクタ２５０に燃料ガスが噴射されることによって、吐出口２８６から吐出された燃料オフガスは、エゼクタ２５０に吸引される。そのため、エゼクタ２５０を設けることによって、正回転モード時のモータの消費電力を低減できる。

図４は、セル内高圧化制御の内容を示すフローチャートである。この処理は、燃料ガスによって単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる場合に、制御部５００によって実行される。制御部５００は、例えば、低温環境下で燃料電池１００による発電を開始させる際に、燃料ガスによって単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる。圧力の目標値は、循環ポンプ２８０を第１回転方向ＲＤ１に回転させながら燃料電池１００の発電が実行される際の単セル１０１内の圧力よりも高い。なお、この処理が実行される間、排気排水弁２９０は、閉弁状態にされる。

まず、ステップＳ１１０にて、制御部５００は、インジェクタ２４０からの燃料ガスの噴射を開始する。本実施形態では、制御部５００は、この制御が実行される間、一定の噴射量でインジェクタ２４０から燃料ガスを噴射させる。燃料ガスの噴射量は、単セル１０１内の圧力の目標値、および、燃料電池１００の発電量の目標値に基づいて決定される。

次に、ステップＳ１２０にて、制御部５００は、循環ポンプ２８０の逆回転モードでの運転を開始させて、ステップＳ１３０にて、制御部５００は、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度の目標値を所定量増加させる。

その後、ステップＳ１４０にて、制御部５００は、単セル１０１内のガスの圧力の変化率であるセル内圧力変化率が予め定められた第１変化率を超えるか否かを判定する。第１変化率は、予め行われる試験によって決定できる。短期間で単セル１０１内を昇圧させるために、第１変化率が比較的高い値に決定されることが好ましい。本実施形態では、制御部５００は、圧力センサ２６０によって計測される圧力を、単セル１０１内の燃料ガスの圧力として用いる。制御部５００は、所定の時間間隔を空けて圧力センサ２６０によって圧力を複数回計測し、例えば、１秒間で計測された圧力の平均変化率を算出する。制御部５００は、算出された圧力の平均変化率が第１変化率を超える場合に、セル内圧力変化率が第１変化率を超えると判断する。

ステップＳ１４０でセル内圧力変化率が第１変化率を超えると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１３０に処理を戻して、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度の目標値を所定量増加させる。本実施形態では、制御部５００は、循環ポンプ２８０の回転速度を、前回の増加量と同じ量増加させる。他の実施形態では、制御部５００は、循環ポンプ２８０の回転速度を、前回の増加量よりも多い量増加させてもよいし、前回の増加量よりも少ない量増加させてもよい。

ステップＳ１４０でセル内圧力変化率が第１変化率を超えると判断されるまで、制御部５００は、ステップＳ１３０からステップＳ１４０までの処理を繰り返す。なお、所定時間が経過してもステップＳ１４０でセル内圧力変化率が第１変化率を超えると判断されない場合には、制御部５００は、エラーが発生したと判断して、循環ポンプ２８０の回転を停止させた後、この処理を終了してもよい。

ステップＳ１４０でセル内圧力変化率が第１変化率を超えると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ１５０にて、セル内高圧化制御を終了するか否かを判定する。例えば、圧力センサ２６０によって計測される圧力が上述した圧力の目標値を超えた場合に、制御部５００は、セル内高圧化制御を終了すると判断する。

ステップＳ１５０でセル内高圧化制御を終了すると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ１４０に処理を戻して、セル内圧力変化率が予め定められた第１変化率を超えるか否かを判定する。つまり、制御部５００は、セル内圧力変化率が第１変化率を超える状態が維持されているか否かを判定する。ステップＳ１５０でセル内高圧化制御を終了すると判断されるまで、制御部５００は、ステップＳ１４０からステップＳ１５０までの処理を繰り返す。

ステップＳ１５０でセル内高圧化制御を終了すると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ１６０にて、循環ポンプ２８０の回転を停止させ、その後、この処理を終了する。なお、所定時間が経過してもステップＳ１５０でセル内高圧化制御を終了すると判断されない場合には、制御部５００は、エラーが発生したと判断して、循環ポンプ２８０の回転を停止させた後、この処理を終了してもよい。

図５は、セル内高圧化制御において循環ポンプ２８０が逆回転モードで運転される様子を示す説明図である。インジェクタ２４０から燃料ガスが噴射されることによってエゼクタ２５０の吸入室２５７に負圧が発生する。単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる際に、循環ポンプ２８０を停止させた場合には、ケーシング２８１とインペラ２８２との隙間を介して燃料電池１００の燃料ガス排出口からエゼクタ２５０に向かう燃料オフガスの循環流が生じる。燃料オフガスの循環流が生じる場合、燃料電池１００の燃料ガス供給口から供給された燃料ガスを、単セル１０１内に封じ込めることが困難になり、単セル１０１内を燃料ガスによって昇圧させるための時間が長期化する。本実施形態では、図５に示すように、制御部５００は、単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる際に、セル内高圧化制御を実行することによって循環ポンプ２８０を逆回転モードで運転する。逆回転モードでは、第２回転方向ＲＤ２にインペラ２８２が回転する。インペラ２８２が第２回転方向ＲＤ２に回転することによって、燃料オフガスの循環流を停止あるいは低減させることができる。

図６は、セル内高圧化制御が実行される際のセル内圧力の変化を模式的に示すタイムチャートである。図６には、単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる際にセル内高圧化制御が実行された場合のセル内圧力Ｐ１、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔ、および、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度Ｎ１の推移が実線で表されており、単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる際に循環ポンプ２８０の回転を停止させた場合のセル内圧力Ｐ２、セル内圧力変化率ｄＰ２／ｄｔ、および、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度Ｎ２の推移が二点鎖線で表されている。単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる際にセル内高圧化制御が実行された場合には、燃料オフガスの循環流が停止あるいは低減されるので、循環ポンプ２８０の回転を停止させた場合に比べて、セル内圧力Ｐ１が短期間で増加する。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、インジェクタ２４０から噴射された燃料ガスによって燃料電池１００の単セル１０１内を予め定められた圧力の目標値まで昇圧させる場合に、制御部５００は、セル内高圧化制御を実行することによって、循環ポンプ２８０を第２回転方向ＲＤ２に回転させる。循環ポンプ２８０が第２回転方向ＲＤ２に回転することによって、インジェクタ２４０から燃料ガスが噴射される際にエゼクタ２５０が発生させる負圧による燃料オフガスの循環流を停止あるいは低減させることができる。そのため、単セル１０１内を昇圧させるための時間を短期化できる。

また、本実施形態では、制御部５００は、セル内高圧化制御において、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔが第１変化率を超えるまで循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度Ｎ１を増加させるので、燃料オフガスの循環流を停止あるいは低減させるための循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１が不足することを抑制できる。そのため、単セル１０１内を効果的に昇圧させることができる。特に、本実施形態では、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔとは無関係に循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１を制御する形態に比べて、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔを確実に増加させることができる。

Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態におけるセル内高圧化処理の内容を示すフローチャートである。第２実施形態では、セル内高圧化制御の処理の内容が第１実施形態と異なる。その他の構成については、特に説明しない限り、第１実施形態と同じである。

本実施形態では、セル内高圧化制御が開始されると、まず、ステップＳ２１０にて、制御部５００は、インジェクタ２４０からの燃料ガスの噴射を開始する。次に、ステップＳ１２０にて、制御部５００は、循環ポンプ２８０の逆回転モードでの運転を開始させて、ステップＳ２３０にて、制御部５００は、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度の目標値を所定量増加させる。

ステップＳ２４０にて、制御部５００は、セル内圧力変化率が予め定められた第１変化率を超えるか否かを判定する。ステップＳ２３０でセル内圧力変化率が予め定められた第１変化率を超えると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２３０に処理を戻して、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度の目標値を所定量増加させる。

ステップＳ２４０でセル内圧力変化率が予め定められた第１変化率を超えると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２５０にて、所定時間、処理を待機する。制御部５００は、例えば、１秒間、処理を待機する。循環ポンプ２８０の回転速度を変化させてから、圧力センサ２６０によって計測される圧力が変化するまでの間にはタイムラグが生じるので、処理を待機する時間の長さは、このタイムラグに応じて決定されることが好ましい。

ステップＳ２５０で処理を待機した後、ステップＳ２６０にて、制御部５００は、セル内圧力変化率が第１変化率よりも小さい第２変化率を超えているか否かを判定する。循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度が所定の回転速度を超えた場合には、インジェクタ２４０から噴射された燃料ガスがエゼクタ２５０の吸入口２５６から循環ポンプ２８０に流れる逆流状態が生じる。逆流状態では、エゼクタ２５０から燃料電池１００の燃料ガス供給口に供給される燃料ガスの供給量が低下するので、圧力センサ２６０によって計測される圧力が増加から減少に転じる。本実施形態では、制御部５００は、セル内圧力変化率が第１変化率を超えた後、減少に転じて、第２変化率以下になった場合に、逆流状態であると判断する。第２変化率は、予め行われる試験によって決定できる。

ステップＳ２６０でセル内圧力変化率が第２変化率を超えると判断されなかった場合、換言すれば、逆流状態であると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２６５にて、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度の目標値を減少させる。本実施形態では、制御部５００は、ステップＳ２６５における回転速度の目標値の減少量の絶対値がステップＳ２４０における回転速度の目標値の増加量の絶対値よりも小さくなるように、循環ポンプ２８０の回転速度の目標値を減少させる。ステップＳ２６５の後、制御部５００は、ステップＳ２５０に処理を戻す。

ステップＳ２６０でセル内圧力変化率が第２変化率を超えていると判断された場合、換言すれば、逆流状態であると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２７０にて、セル内高圧化制御を終了するか否かを判定する。ステップＳ２７０でセル内高圧化制御を終了すると判断されなかった場合、制御部５００は、ステップＳ２５０に処理を戻す。一方、ステップＳ２７０でセル内高圧化制御を終了すると判断された場合、制御部５００は、ステップＳ２６０にて、循環ポンプ２８０の回転を停止させ、その後、この処理を終了する。

図８は、セル内高圧化制御が実行される際のセル内圧力の変化を模式的に示すタイムチャートである。図８には、セル内高圧化制御が実行された場合のセル内圧力Ｐ１、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔ、および、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度Ｎ１の推移が実線で表されている。

タイミングｔ０からタイミングｔ１までの間、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔが第１変化率以下であるため、制御部５００は、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度Ｎ１を増加させる。タイミングｔ１にて、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔが第１変化率を超えるので、制御部５００は、循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１の増加を停止させる。循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１の変化とセル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔの変化との間にはタイムラグが生じるので、循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１の増加を停止させても、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔは、所定量増加する。

図８では、タイミングｔ１からタイミングｔ２までの間に逆流状態が生じることによって、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔが減少に転じて、タイミングｔ２にて、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔは、第２圧力変化率以下になる。セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔが第２変化率以下になった場合、制御部５００は、循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１を減少させる。循環ポンプ２８０の回転速度Ｎ１が減少することによって、逆流状態が解消して、セル内圧力変化率ｄＰ１／ｄｔが再び増加して、その後、第２変化率と第１変化率との間で推移する。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、セル内高圧化制御において、逆流状態であると判断された場合、制御部５００は、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度Ｎ１を減少させる。そのため、循環ポンプ２８０の第２回転方向ＲＤ２の回転速度が大き過ぎることに起因する逆流状態を解消して、単セル１０１内を効果的に昇圧させることができる。

Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態における循環ポンプ２８０ｃの構成を示す断面図である。図１０は、第３実施形態における循環ポンプ２８０ｃが逆回転モードで運転される様子を示す説明図である。図１１は、図９におけるＸＩ－ＸＩ線断面図である。第３実施形態では、循環ポンプ２８０ｃの構成が第１実施形態と異なる。その他の構成については、特に説明しない限り、第１実施形態と同じである。

図９に示すように、循環ポンプ２８０ｃは、ケーシング２８１内に収容された内周インペラ２８２Ａと外周インペラ２８２Ｂとを備えている。内周インペラ２８２Ａは、円盤状に構成されている。内周インペラ２８２Ａの外周部には、ガイドベーン２８７Ａと溝部２８８Ａとが設けられている。外周インペラ２８２Ｂは、円環状に構成されており、内周インペラ２８２Ａの外周に配置されている。外周インペラ２８２Ｂの外周部には、ガイドベーン２８７Ｂと溝部２８８Ｂとが設けられている。図１１に示すように、内周インペラ２８２Ａは、シャフト２８３に接続されており、外周インペラ２８２Ｂは、内周インペラ２８２Ａの外周部に設けられたワンウェイクラッチ２８９によって内周インペラ２８２Ａに接続されている。

本実施形態では、図４に示した第１実施形態のセル内高圧化制御と同じセル内高圧化制御、あるいは、図７に示した第２実施形態のセル内高圧化制御と同じセル内高圧化制御が実行される。図９に示すように、循環ポンプ２８０が正回転モードで運転された場合、ワンウェイクラッチ２８９は、第１回転方向ＲＤ１の回転力を外周インペラ２８２Ｂに伝達する。一方、図１０に示すように、循環ポンプ２８０が逆回転モードで運転された場合、ワンウェイクラッチ２８９は、第２回転方向ＲＤ２の回転力を外周インペラ２８２Ｂに伝達しない。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、循環ポンプ２８０ｃが正回転モードで運転される際には、内周インペラ２８２Ａと外周インペラ２８２Ｂとを一体として回転させることができる。そのため、回転速度が低い場合であっても、循環ポンプ２８０ｃを大容量かつ高揚程で運転することができる。さらに、循環ポンプ２８０ｃが逆回転モードで運転される場合には、外周インペラ２８２Ｂを回転させずに、内周インペラ２８２Ａを回転させることができる。そのため、インペラ２８２の慣性モーメントを小さくして、循環ポンプ２８０ｃが逆回転モードで運転される際の消費電力を低減できる。

Ｄ．第４実施形態：
図１２は、第４実施形態における循環ポンプ２８０ｄの構成を示す断面図である。図１２には、図１１に対応する循環ポンプ２８０ｄの断面が表されている。第４実施形態では、循環ポンプ２８０ｄの構成が第３実施形態と異なる。その他の構成については、特に説明しない限り、第３実施形態と同じである。

本実施形態では、循環ポンプ２８０ｄの外周インペラ２８２Ｂは、内周インペラ２８２Ａの外周に配置された円環状の部分と、円環状の部分の内周部に接続された円盤状の部分とを有している。本実施形態では、外周インペラ２８２Ｂがワンウェイクラッチ２８９を介して、内周インペラ２８２Ａではなく、シャフト２８３に接続されている。より具体的には、外周インペラ２８２Ｂの円盤状の部分の内周部とシャフト２８３とがワンウェイクラッチ２８９によって接続されている。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、循環ポンプ２８０ｄが正回転モードで運転される際には、内周インペラ２８２Ａと外周インペラ２８２Ｂとを一体として回転させることができ、循環ポンプ２８０ｄが逆回転モードで運転される場合には、外周インペラ２８２Ｂを回転させずに、内周インペラ２８２Ａを回転させることができる。

Ｅ．第５実施形態：
図１３は、第５実施形態における循環ポンプ２８０ｅの構成を示す断面図である。図１３には、図１１に対応する循環ポンプ２８０ｅの断面が表されている。第５実施形態では、循環ポンプ２８０ｅの構成が第３実施形態と異なる。その他の構成については、特に説明しない限り、第３実施形態と同じである。

本実施形態では、循環ポンプ２８０ｅの外周インペラ２８２Ｂは、内周インペラ２８２Ａの外周に配置された円環状の部分と、シャフト２８３の外周に配置された円盤状の部分に接続された円筒状の部分と、これらの部分同士を接続する円盤状の部分とを有している。本実施形態では、外周インペラ２８２Ｂがワンウェイクラッチ２８９を介して、内周インペラ２８２Ａではなく、シャフト２８３に接続されている。より具体的には、外周インペラ２８２Ｂの円筒状の部分の内周部とシャフト２８３とがワンウェイクラッチ２８９によって接続されている。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、循環ポンプ２８０ｅが正回転モードで運転される際には、内周インペラ２８２Ａと外周インペラ２８２Ｂとを一体として回転させることができ、循環ポンプ２８０ｅが逆回転モードで運転される場合には、外周インペラ２８２Ｂを回転させずに、内周インペラ２８２Ａを回転させることができる。

Ｆ．他の実施形態：
（Ｆ１）上述した各実施形態の燃料電池システム１０では、エゼクタ２５０と燃料電池１００の燃料ガス供給口との間の燃料ガス供給流路２０１に圧力センサ２６０が設けられている。これに対して、圧力センサ２６０は、燃料ガス供給流路２０１ではなく、燃料電池１００の燃料ガス排出口と気液分離器２７０との間の燃料ガス循環流路２０２に設けられてもよい。

（Ｆ２）上述した第２実施形態の燃料電池システム１０では、図７に示したセル内高圧化制御のステップＳ２６０において、制御部５００は、圧力センサ２６０によって計測される圧力を用いてセル内圧力変化率を算出し、算出されたセル内圧力変化率を用いて、逆流状態であるか否かを判定している。これに対して、図７に示したセル内高圧化制御のステップＳ２６０において、制御部５００は、単セル１０１内の燃料ガスの濃度を用いて逆流状態であるか否かを判定してもよい。例えば、燃料電池１００の燃料ガス排出口と気液分離器２７０との間の燃料ガス循環流路２０２に燃料ガスの濃度を計測する濃度センサが設けられてもよい。逆流状態が生じると、燃料ガス循環流路２０２に高濃度の燃料ガスが流入するので、濃度センサによって計測される燃料ガスの濃度が所定値を超えた場合に、制御部５００は、逆流状態であると判断してもよい。

（Ｆ３）上述した第２実施形態の燃料電池システム１０では、図７に示したセル内高圧化制御のステップＳ２６０において、制御部５００は、セル内圧力変化率を用いて、逆流状態であるか否かを判定している。これに対して、制御部５００は、燃料電池１００の燃料ガス供給口側の単セル１０１の発電量に対する燃料電池１００の燃料ガス排出口側の単セル１０１の発電量の比率が所定値を超えた場合に、制御部５００は、逆流状態であると判断してもよい。

（Ｆ４）上述した第２実施形態の燃料電池システム１０において、ステップＳ２４０でセル内圧力変化率を算出するための圧力を計測する圧力センサと、ステップＳ２６０でセル内圧力変化率を算出するための圧力を計測する圧力センサとが異なってもよい。

（Ｆ５）上述した第４実施形態の燃料電池システム１０の循環ポンプ２８０ｄ、および、第５実施形態の燃料電池システム１０の循環ポンプ２８０ｅでは、内周インペラ２８２Ａがシャフト２８３に直接接続されており、外周インペラ２８２Ｂがワンウェイクラッチ２８９を介してシャフト２８３に接続されている。これに対して、循環ポンプ２８０ｄあるいは循環ポンプ２８０ｅにおいて、内周インペラ２８２Ａがワンウェイクラッチ２８９を介してシャフト２８３に接続され、外周インペラ２８２Ｂがシャフト２８３に直接接続されてもよい。

（Ｆ６）上述した各実施形態の燃料電池システム１０において、インジェクタ２４０とエゼクタ２５０とが一体化されてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１０１…単セル、２００…燃料ガス給排部、２０１…燃料ガス供給流路、２０２…燃料ガス循環流路、２０３…燃料ガス排出流路、２１０…燃料タンク、２２０…主止弁、２３０…レギュレータ、２４０…インジェクタ、２５０…エゼクタ、２５１…ボディ、２５２…ノズル、２５３…ディフューザ、２５５…導入口、２５６…吸入口、２５７…吸入室、２５８…吐出口、２６０…圧力センサ、２７０…気液分離器、２８０…循環ポンプ、２８１…ケーシング、２８２…インペラ、２８３…シャフト、２８５…導入口、２８６…吐出口、２８７…ガイドベーン、２８８…溝部、２８９…ワンウェイクラッチ、２９０…排気排水弁、３００…空気給排部、３０１…空気供給流路、３０２…空気排出流路、３１０…エアコンプレッサ、３２０…調圧弁、５００…制御部

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   燃料ガス供給源から前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に循環させるための燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス循環流路に配置され、第１回転方向に回転することによって前記燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に圧送するターボ型ポンプと、
   前記燃料ガス供給流路に配置され、前記燃料ガスと前記ターボ型ポンプによって圧送される前記燃料オフガスとを合流させて前記燃料電池に供給するエゼクタと、
   前記ターボ型ポンプの回転を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料ガスによって前記燃料電池内を予め定められた圧力に昇圧させる場合に、前記ターボ型ポンプを前記第１回転方向とは逆向きの第２回転方向に回転させる、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力を取得するための圧力センサを備え、
   前記制御部は、前記ターボ型ポンプを前記第２回転方向に回転させる期間内において、前記圧力センサによって取得される前記燃料ガスの圧力の変化率が予め定められた第１変化率以下である場合、前記ターボ型ポンプの前記第２回転方向の回転速度を増加させる、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記ターボ型ポンプを前記第２回転方向に回転させる期間内において、前記燃料ガスが前記エゼクタから前記ターボ型ポンプに流入する逆流状態であると判断した場合、前記ターボ型ポンプの前記第２回転方向の回転速度を減少させる、燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内の前記燃料ガスの圧力を取得するための圧力センサを備え、
   前記制御部は、前記圧力センサによって取得される前記燃料ガスの圧力の変化率が予め定められた第２変化率以下である場合に、前記逆流状態であると判断する、燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池内の前記燃料ガスの濃度を用いて、前記逆流状態であるか否かを判断する、燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記ターボ型ポンプは、回転するシャフトと、前記シャフトからの回転力によって回転する内周インペラと、前記内周インペラの外周に配置され、前記シャフトからの回転力によって回転する外周インペラと、を有し、
   前記内周インペラと前記外周インペラとのうちの一方は、ワンウェイクラッチを介して前記シャフトから回転力を受ける、燃料電池システム。
7. 燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料ガス供給源からエゼクタを通じて燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、ターボ型ポンプを第１回転方向に回転させることによって前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記エゼクタに圧送し、前記燃料ガスと前記燃料オフガスとを前記エゼクタによって合流させて前記燃料電池に供給し、
   前記燃料ガスによって前記燃料電池内を予め定められた圧力まで昇圧させる場合に、前記燃料ガス供給源から前記エゼクタを通じて前記燃料電池に前記燃料ガスを供給しつつ、前記ターボ型ポンプを前記第１回転方向とは逆向きの第２回転方向に回転させる、
   燃料電池システムの制御方法。

Images