JP3620437B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として使用され、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をする燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池への水素供給装置としては、例えば特開平９−２２７１４号公報に開示されたものが知られている。
【０００３】
この特開平９−２２７１４号公報には、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを循環させることでリサイクルし、外部から新たに供給する水素を多く含む水素リッチな燃料ガスに循環した水素ガスを混合させた上で燃料電池の燃料極に供給して発電を行うため、エゼクタポンプを採用していることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池への水素供給装置は、定置型燃料電池を対象とした使用を前提とする場合が多い。この水素供給装置では、車両走行用として使用しようとすると、例えばアクセルオフ後の再加速や急加速時などのときには瞬時に大容量の水素を供給する必要があり、水素循環エゼクタ内を極力少ない圧損で通過させるためには大口径のエゼクタノズルを使用する必要がある。
【０００５】
一方、水素循環エゼクタは、循環負圧を得るために、一定値以上の流体流速を得る必要があり、大口径のエゼクタノズルを採用した場合には、アイドル停止時や低速での定常走行時等の低流量循環時の水素循環性能を得ることが不可能になる場合がある。すなわち、従来の水素供給装置は、循環負圧を得るための一定値以上の流体流速を得ることが困難であり、車両用として要求される応答性が成立しないという可能性があるという問題があった。
【０００６】
更に、一般的に高負荷時には、水素ガスの流体圧が高い方が大きな電圧出力を得やすいため水素ガス圧を高くする傾向にあり、低負荷時には、コンプレッサによる駆動損失を最小限にするため水素ガス圧を低くする傾向にあることが多い。
【０００７】
このとき、低負荷運転から高負荷運転に応答性を良く切り換えるためには、定常消費流量と併せて水素ガス圧を上げるために必要な多大の過渡流量が必要であり、負荷応答性の確保が困難であるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料ガスを供給するためのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手段と、上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、上記気体ポンプの燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排出側との間に上記燃料電池に供給する流量を調整する流量調整弁が設けられ、上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの供給側から上記気体ポンプをバイパスし、当該気体ポンプの燃料ガス排出側に連通されて上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス副流路と、上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、上記燃料電池に供給する燃料ガスの目標圧力値と上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、上記燃料電池に供給している現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路の流量を制御すると共に、上記燃料ガス流路の燃料ガス流量を制御する流量制御手段とを備える。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手段と、上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、上記気体ポンプの燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排出側との間に上記燃料電池に供給する流量を調整する流量調整弁が設けられ、上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの供給側から上記気体ポンプをバイパスし、当該気体ポンプの燃料ガス排出側に連通されて上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス副流路と、上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、上記気体ポンプに供給される燃料ガスの圧力値と上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との差と、上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路の流量を制御すると共に、上記燃料ガス流路の燃料ガス流量を制御する流量制御手段とを備える。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、気体ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
また、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス副流路を気体ポンプの燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側との間に流量調整手段を設けるので、気体ポンプをバイパスして燃料電池に燃料ガスを供給することができる。
更にまた、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に供給する燃料ガスの目標圧力値と燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、燃料電池に供給している現在圧力値とに基づいて燃料ガス副流路の流量を制御するので、マスフローの大きさを考慮に入れて、バイパス弁の開閉を制御することができ、制御精度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の請求項２に係る燃料電池システムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、気体ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
また、本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス副流路を気体ポンプの燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側との間に流量調整手段を設けるので、気体ポンプをバイパスして燃料電池に燃料ガスを供給することができる。
更にまた、本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、気体ポンプに供給される燃料ガスの圧力値と燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて燃料ガス副流路の流量を制御するので、実際の気体ポンプの前後の圧損に応じた制御が可能となるとともに、マスフローの大きさを考慮に入れて流量調整手段の開閉を制御することが可能となるため、制御精度を更に向上させることができる。
【００１３】
本発明の請求項３に係る燃料電池システムよれば、上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路、及び上記燃料ガス副流路のいずれか一方に、燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段を設け、上記燃料ガス副流路の上記流量調整手段の流量調整タイミングと同期して、上記圧力調整手段の設定圧力値だけ増減させるので、大容量の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことができると共に、副流路の圧力（流量）変動に起因するレギュレータ圧力の過度変化分、即ち瞬時のレギュレータ圧の増減分を抑制、解消して、安定した流量制御を実現できる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、気体ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
更に、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、目標圧力値と現在圧力値との圧力差により流量調整弁の開閉を判断するので、燃料電池の水素ガスを供給する上流に圧力センサを設けるだけで構成することができ、システムを安価に構成することができる。
更にまた、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路に、燃料ガスの圧力を調整する圧力調整弁を設け、上記燃料ガス副流路の上記流量調整弁の流量調整タイミングと同期して、上記圧力調整弁の設定圧力値だけ増減させるので、大容量の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことができると共に、副流路の圧力（流量）変動に起因するレギュレータ圧力の過度変化分、即ち瞬時のレギュレータ圧の増減分を抑制、解消して、安定した流量制御を実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムに備えられる燃料電池は、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電するものである。
【００２５】
この燃料電池システムは、水素ガスとなる水素を貯蔵している燃料貯蔵ボンベ１、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスの圧力を調整するレギュレータバルブ２、レギュレータバルブ２及び燃料電池スタック６からの水素ガスを燃料電池スタック６に向かって排出するエゼクタポンプ３、レギュレータバルブ２からの水素ガスが供給されて燃料電池スタック６に導くバイパス弁４、燃料電池スタック６に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ５、燃料電池スタック６、これら各部を制御するシステムコントローラ７を備えて構成されている。
【００２６】
このような燃料電池システムでは、各部が水素ガスを伝達するガス伝導管で挿通されてなり、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスを燃料電池スタック６に導いて燃料電池スタック６を発電させるように構成されている。
【００２７】
また、燃料電池システムでは、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスをレギュレータバルブ２、エゼクタポンプ３、圧力センサ５を介して燃料電池スタック６に供給する供給流路１１、レギュレータバルブ２からの水素ガスをエゼクタポンプ３に供給せずにバイパス弁４に導くバイパス流路１２、燃料電池スタック６から排出された水素ガスをエゼクタポンプ３に循環するサイクル流路１３を構成している。
【００２８】
このような燃料電池システムでは、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスを燃料電池スタック６に供給するに際して、システムコントローラ７の制御により、供給流路１１又はバイパス流路１２のいずれかが選択される。
【００２９】
また、この燃料電池システムでは、図示しないが、燃料電池スタック６の酸化剤極に、酸化剤ガスとして空気を供給するためのコンプレッサ、燃料電池スタック６に純粋を循環させるための純粋タンク、純水流路等を備えて構成されている。
【００３０】
つぎに、このように構成された燃料電池システムにおけるシステムコントローラ７による処理手順について図２を参照して説明する。
【００３１】
図２によれば、先ず、システムコントローラ７は、外部からのシステム起動指令に従って、各部に制御信号を出力することで、以下の処理を実行スタートする（ステップＳ１）。
【００３２】
次に、システムコントローラ７は、燃料電池スタック６に供給している現水素ガス圧を示すセンサ信号を圧力センサ５から入力し、燃料電池スタック６に供給する目標とする目標水素ガス圧を得る（ステップＳ２）。このとき、システムコントローラ７は、内部に現在の水素ガス圧に対する目標水素ガス圧を保持しており、目標水素ガス圧値を読み出す。
【００３３】
次に、システムコントローラ７は、ステップＳ２で読み出した目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差を演算し、圧力差と所定圧力値Ａとの大小比較をし、圧力差が所定圧力値Ａよりも大きいか否かの判定をする（ステップＳ３）。システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ａよりも大きいと判定したときには目標水素ガス圧で水素ガスをエゼクタポンプ３で流したときの通過流量が過大であると判定して次のステップＳ４に進む。システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ａよりも大きくないと判定したときには目標水素ガス圧で水素ガスをエゼクタポンプ３で流したときの通過流量が過大ではないと判定してステップＳ２に戻る。
【００３４】
次に、システムコントローラ７は、バイパス弁４を開状態にし（ステップＳ４）、レギュレータバルブ２の開度を所定値Ｃだけ多くする（ステップＳ５）。これにより、システムコントローラ７は、バイパス弁４の開放と同時に燃料電池スタック６に供給する水素ガスを段階的に増加させる。
【００３５】
次に、システムコントローラ７は、再度圧力センサ５により現水素ガス圧を得て、目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差を演算し、圧力差と所定圧力値Ｂとの大小比較をし、圧力差が所定圧力値Ｂよりも小さいか否かの判定をする（ステップＳ６）。
【００３６】
システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ｂよりも小さくないと判定したときにはまだ燃料電池スタック６に供給する水素ガス圧の上昇が不十分であると判定して、一定時間ｔだけ待って再度ステップＳ６に戻る（ステップＳ７）。
【００３７】
システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ｂよりも小さいと判定したときには燃料電池スタック６に供給する水素ガス圧が十分に上昇したと判定してバイパス弁４を閉じる（ステップＳ８）。
【００３８】
次に、システムコントローラ７は、レギュレータバルブ２の開度を一定値Ｃだけ閉じ（ステップＳ９）、燃料電池システムの動作を停止するか否かの判定をして（ステップＳ１０）、燃料電池システムの動作を停止するときには処理を終了して、燃料電池システムの動作を停止しないときには再度ステップＳ２に戻る。
【００３９】
このような燃料電池システムによれば、バイパス流路１２にバイパス弁４を設け、燃料電池スタック６に多くの水素ガスを供給する必要があるときにはバイパス流路１２を介して燃料電池スタック６に大流量の水素ガスを供給することができるので、エゼクタポンプ３のノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池スタック６に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
【００４０】
また、この燃料電池システムによれば、目標水素ガス圧と現在水素ガス圧との差によりバイパス弁４の開閉を判断するので、燃料電池スタック６の水素ガスを供給する上流に圧力センサ５を設けるだけで構成することができ、システムを安価に構成することができる。
【００４１】
また、上述のステップＳ５及びステップＳ９で説明したように、システムコントローラ７は、バイパス弁４を開放するときにはレギュレータバルブ２による水素ガスの圧力値を所定値だけ上昇させるとともに、バイパス弁４を閉鎖するときにはレギュレータバルブ２による水素ガスの圧力値を所定値だけ下降させるように制御する。これにより、燃料電池システムでは、大容量の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことができる。
【００４２】
更に、上述の燃料電池システムにおいて、システムコントローラ７は、ステップＳ３において目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ａよりも小さいか否かを判定してバイパス弁４の開閉を制御し、ステップＳ６において目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ｂよりも小さいか否かを判定してバイパス弁４を閉じるか否かを制御しても良い。
【００４３】
これにより、燃料電池システムは、マスフローの大きさを考慮に入れて、バイパス弁４の開閉を制御することができるため、制御精度を向上させることができる。
【００４４】
更にまた、上述の燃料電池システムにおいて、システムコントローラ７は、ステップＳ３においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差が、所定値Ａよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４の開閉を制御し、ステップＳ６においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差が、所定値Ｂよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４を閉じるか否かを制御しても良い。
【００４５】
これにより、燃料電池システムは、エゼクタポンプ３の上流圧と現水素ガス圧の圧力差によって燃料電池スタック６への供給量を判断することができ、実際のエゼクタポンプ３の前後の圧損に応じた制御が可能となり、制御精度を向上させることができる。
【００４６】
更にまた、上述の燃料電池システムにおいて、システムコントローラ７は、ステップＳ３においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ａよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４の開閉を制御し、ステップＳ６においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ｂよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４を閉じるか否かを制御しても良い。
【００４７】
これにより、燃料電池システムは、エゼクタポンプ３の上流圧力と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積によって燃料電池スタック６への供給量を判断することができ、実際のエゼクタポンプ３の前後の圧損に応じた制御が可能となるとともに、マスフローの大きさを考慮に入れてバイパス弁４の開閉を制御することが可能となるため、制御精度を更に向上させることができる。
【００４８】
なお、上述した一例では、バイパス流路１２をレギュレータバルブ２の下流側から分岐した流路であるものを説明したが、これに限らず、図３に示すように、バイパス流路１２をレギュレータバルブ２の上流側から分岐させても良い。この場合、バイパス流路１２に設けたバイパス弁４は、開放時に一定の流路抵抗を有するオンオフ弁にすることにより、レギュレータバルブ２を設ける必要なくバイパス流路１２の流量制御を行うことができる。
【００４９】
更には、図４に示すように、エゼクタポンプ３を設けた主たる流路とバイパス流路とをそれぞれ燃料貯蔵ボンベ１から分離独立させた経路として、各経路に専用のレギュレータ２、レギュレータ２’を設けても良く、その分コスト増にはなるが、上記２つの流路でのそれぞれの流量範囲のダイナミックレンジに相応したレギュレータ圧の設定が可能となり、特にエゼクタポンプ３側に関して精度の良い流量制御を行うことができる。
【００５０】
また、上述した燃料電池システムでは、燃料電池スタック６に供給する水素ガス圧値を検出するとともに、目標水素ガス圧力値を燃料電池スタック６に供給するものとして規定しているが、これに限らず、燃料電池スタック６内部の水素ガス圧値、燃料電池スタック６から排出される水素ガス圧値としても良い。
【００５１】
更に、燃料電池システムでは、水素を貯蔵する機構として燃料貯蔵ボンベ１を備えた一例について説明したが、これに限らず、液体水素貯蔵タンクや、水素吸蔵合金を使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムの燃料電池スタックに水素ガスを供給するときのシステムコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料貯蔵ボンベ
２ レギュレータバルブ
２’ レギュレータバルブ
３ エゼクタポンプ
４ バイパス弁
５ 圧力センサ
６ 燃料電池スタック
７ システムコントローラ
１１ 供給流路
１２ バイパス流路
１３ サイクル流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等の駆動源として使用され、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気が供給されて発電をする燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池への水素供給装置としては、例えば特開平９−２２７１４号公報に開示されたものが知られている。
【０００３】
この特開平９−２２７１４号公報には、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを循環させることでリサイクルし、外部から新たに供給する水素を多く含む水素リッチな燃料ガスに循環した水素ガスを混合させた上で燃料電池の燃料極に供給して発電を行うため、エゼクタポンプを採用していることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池への水素供給装置は、定置型燃料電池を対象とした使用を前提とする場合が多い。この水素供給装置では、車両走行用として使用しようとすると、例えばアクセルオフ後の再加速や急加速時などのときには瞬時に大容量の水素を供給する必要があり、水素循環エゼクタ内を極力少ない圧損で通過させるためには大口径のエゼクタノズルを使用する必要がある。
【０００５】
一方、水素循環エゼクタは、循環負圧を得るために、一定値以上の流体流速を得る必要があり、大口径のエゼクタノズルを採用した場合には、アイドル停止時や低速での定常走行時等の低流量循環時の水素循環性能を得ることが不可能になる場合がある。すなわち、従来の水素供給装置は、循環負圧を得るための一定値以上の流体流速を得ることが困難であり、車両用として要求される応答性が成立しないという可能性があるという問題があった。
【０００６】
更に、一般的に高負荷時には、水素ガスの流体圧が高い方が大きな電圧出力を得やすいため水素ガス圧を高くする傾向にあり、低負荷時には、コンプレッサによる駆動損失を最小限にするため水素ガス圧を低くする傾向にあることが多い。
【０００７】
このとき、低負荷運転から高負荷運転に応答性を良く切り換えるためには、定常消費流量と併せて水素ガス圧を上げるために必要な多大の過渡流量が必要であり、負荷応答性の確保が困難であるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料ガスを供給するためのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手段と、上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、上記気体ポンプの燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排出側との間に上記燃料電池に供給する流量を調整する流量調整弁が設けられ、上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの供給側から上記気体ポンプをバイパスし、当該気体ポンプの燃料ガス排出側に連通されて上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス副流路と、上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、上記燃料電池に供給する燃料ガスの目標圧力値と上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、上記燃料電池に供給している現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路の流量を制御すると共に、上記燃料ガス流路の燃料ガス流量を制御する流量制御手段とを備える。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムは、上述の課題を解決するために、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手段と、上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、上記気体ポンプの燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排出側との間に上記燃料電池に供給する流量を調整する流量調整弁が設けられ、上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの供給側から上記気体ポンプをバイパスし、当該気体ポンプの燃料ガス排出側に連通されて上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス副流路と、上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、上記気体ポンプに供給される燃料ガスの圧力値と上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との差と、上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路の流量を制御すると共に、上記燃料ガス流路の燃料ガス流量を制御する流量制御手段とを備える。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、気体ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
また、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス副流路を気体ポンプの燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側との間に流量調整手段を設けるので、気体ポンプをバイパスして燃料電池に燃料ガスを供給することができる。
更にまた、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池に供給する燃料ガスの目標圧力値と燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、燃料電池に供給している現在圧力値とに基づいて燃料ガス副流路の流量を制御するので、マスフローの大きさを考慮に入れて、バイパス弁の開閉を制御することができ、制御精度を向上させることができる。
【００１２】
本発明の請求項２に係る燃料電池システムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、気体ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
また、本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス副流路を気体ポンプの燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、燃料ガス供給側と気体ポンプの燃料ガス排出側との間に流量調整手段を設けるので、気体ポンプをバイパスして燃料電池に燃料ガスを供給することができる。
更にまた、本発明の請求項２に係る燃料電池システムによれば、気体ポンプに供給される燃料ガスの圧力値と燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて燃料ガス副流路の流量を制御するので、実際の気体ポンプの前後の圧損に応じた制御が可能となるとともに、マスフローの大きさを考慮に入れて流量調整手段の開閉を制御することが可能となるため、制御精度を更に向上させることができる。
【００１３】
本発明の請求項３に係る燃料電池システムよれば、上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路、及び上記燃料ガス副流路のいずれか一方に、燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段を設け、上記燃料ガス副流路の上記流量調整手段の流量調整タイミングと同期して、上記圧力調整手段の設定圧力値だけ増減させるので、大容量の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことができると共に、副流路の圧力（流量）変動に起因するレギュレータ圧力の過度変化分、即ち瞬時のレギュレータ圧の増減分を抑制、解消して、安定した流量制御を実現できる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムよれば、燃料蓄積手段から燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、燃料ガス流路及び燃料ガス副流路の燃料ガス流量を制御するので、燃料電池に多くの水素ガスを供給する必要があるときには燃料ガス副流路を介して燃料電池に大流量の水素ガスを供給することができ、気体ポンプのノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
更に、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、目標圧力値と現在圧力値との圧力差により流量調整弁の開閉を判断するので、燃料電池の水素ガスを供給する上流に圧力センサを設けるだけで構成することができ、システムを安価に構成することができる。
更にまた、本発明の請求項１に係る燃料電池システムによれば、上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路に、燃料ガスの圧力を調整する圧力調整弁を設け、上記燃料ガス副流路の上記流量調整弁の流量調整タイミングと同期して、上記圧力調整弁の設定圧力値だけ増減させるので、大容量の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことができると共に、副流路の圧力（流量）変動に起因するレギュレータ圧力の過度変化分、即ち瞬時のレギュレータ圧の増減分を抑制、解消して、安定した流量制御を実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。この燃料電池システムに備えられる燃料電池は、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電するものである。
【００２５】
この燃料電池システムは、水素ガスとなる水素を貯蔵している燃料貯蔵ボンベ１、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスの圧力を調整するレギュレータバルブ２、レギュレータバルブ２及び燃料電池スタック６からの水素ガスを燃料電池スタック６に向かって排出するエゼクタポンプ３、レギュレータバルブ２からの水素ガスが供給されて燃料電池スタック６に導くバイパス弁４、燃料電池スタック６に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ５、燃料電池スタック６、これら各部を制御するシステムコントローラ７を備えて構成されている。
【００２６】
このような燃料電池システムでは、各部が水素ガスを伝達するガス伝導管で挿通されてなり、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスを燃料電池スタック６に導いて燃料電池スタック６を発電させるように構成されている。
【００２７】
また、燃料電池システムでは、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスをレギュレータバルブ２、エゼクタポンプ３、圧力センサ５を介して燃料電池スタック６に供給する供給流路１１、レギュレータバルブ２からの水素ガスをエゼクタポンプ３に供給せずにバイパス弁４に導くバイパス流路１２、燃料電池スタック６から排出された水素ガスをエゼクタポンプ３に循環するサイクル流路１３を構成している。
【００２８】
このような燃料電池システムでは、燃料貯蔵ボンベ１からの水素ガスを燃料電池スタック６に供給するに際して、システムコントローラ７の制御により、供給流路１１又はバイパス流路１２のいずれかが選択される。
【００２９】
また、この燃料電池システムでは、図示しないが、燃料電池スタック６の酸化剤極に、酸化剤ガスとして空気を供給するためのコンプレッサ、燃料電池スタック６に純粋を循環させるための純粋タンク、純水流路等を備えて構成されている。
【００３０】
つぎに、このように構成された燃料電池システムにおけるシステムコントローラ７による処理手順について図２を参照して説明する。
【００３１】
図２によれば、先ず、システムコントローラ７は、外部からのシステム起動指令に従って、各部に制御信号を出力することで、以下の処理を実行スタートする（ステップＳ１）。
【００３２】
次に、システムコントローラ７は、燃料電池スタック６に供給している現水素ガス圧を示すセンサ信号を圧力センサ５から入力し、燃料電池スタック６に供給する目標とする目標水素ガス圧を得る（ステップＳ２）。このとき、システムコントローラ７は、内部に現在の水素ガス圧に対する目標水素ガス圧を保持しており、目標水素ガス圧値を読み出す。
【００３３】
次に、システムコントローラ７は、ステップＳ２で読み出した目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差を演算し、圧力差と所定圧力値Ａとの大小比較をし、圧力差が所定圧力値Ａよりも大きいか否かの判定をする（ステップＳ３）。システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ａよりも大きいと判定したときには目標水素ガス圧で水素ガスをエゼクタポンプ３で流したときの通過流量が過大であると判定して次のステップＳ４に進む。システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ａよりも大きくないと判定したときには目標水素ガス圧で水素ガスをエゼクタポンプ３で流したときの通過流量が過大ではないと判定してステップＳ２に戻る。
【００３４】
次に、システムコントローラ７は、バイパス弁４を開状態にし（ステップＳ４）、レギュレータバルブ２の開度を所定値Ｃだけ多くする（ステップＳ５）。これにより、システムコントローラ７は、バイパス弁４の開放と同時に燃料電池スタック６に供給する水素ガスを段階的に増加させる。
【００３５】
次に、システムコントローラ７は、再度圧力センサ５により現水素ガス圧を得て、目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差を演算し、圧力差と所定圧力値Ｂとの大小比較をし、圧力差が所定圧力値Ｂよりも小さいか否かの判定をする（ステップＳ６）。
【００３６】
システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ｂよりも小さくないと判定したときにはまだ燃料電池スタック６に供給する水素ガス圧の上昇が不十分であると判定して、一定時間ｔだけ待って再度ステップＳ６に戻る（ステップＳ７）。
【００３７】
システムコントローラ７は、圧力差が所定圧力値Ｂよりも小さいと判定したときには燃料電池スタック６に供給する水素ガス圧が十分に上昇したと判定してバイパス弁４を閉じる（ステップＳ８）。
【００３８】
次に、システムコントローラ７は、レギュレータバルブ２の開度を一定値Ｃだけ閉じ（ステップＳ９）、燃料電池システムの動作を停止するか否かの判定をして（ステップＳ１０）、燃料電池システムの動作を停止するときには処理を終了して、燃料電池システムの動作を停止しないときには再度ステップＳ２に戻る。
【００３９】
このような燃料電池システムによれば、バイパス流路１２にバイパス弁４を設け、燃料電池スタック６に多くの水素ガスを供給する必要があるときにはバイパス流路１２を介して燃料電池スタック６に大流量の水素ガスを供給することができるので、エゼクタポンプ３のノズル径を過渡的な大流量時を考慮して大きくする必要がなく、応答性よく燃料電池スタック６に燃料ガスを供給することができるとともに、低流量時の水素ガスの循環性能も十分に確保することができる。
【００４０】
また、この燃料電池システムによれば、目標水素ガス圧と現在水素ガス圧との差によりバイパス弁４の開閉を判断するので、燃料電池スタック６の水素ガスを供給する上流に圧力センサ５を設けるだけで構成することができ、システムを安価に構成することができる。
【００４１】
また、上述のステップＳ５及びステップＳ９で説明したように、システムコントローラ７は、バイパス弁４を開放するときにはレギュレータバルブ２による水素ガスの圧力値を所定値だけ上昇させるとともに、バイパス弁４を閉鎖するときにはレギュレータバルブ２による水素ガスの圧力値を所定値だけ下降させるように制御する。これにより、燃料電池システムでは、大容量の供給、水素ガスの供給停止を応答性よく行うことができる。
【００４２】
更に、上述の燃料電池システムにおいて、システムコントローラ７は、ステップＳ３において目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ａよりも小さいか否かを判定してバイパス弁４の開閉を制御し、ステップＳ６において目標水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ｂよりも小さいか否かを判定してバイパス弁４を閉じるか否かを制御しても良い。
【００４３】
これにより、燃料電池システムは、マスフローの大きさを考慮に入れて、バイパス弁４の開閉を制御することができるため、制御精度を向上させることができる。
【００４４】
更にまた、上述の燃料電池システムにおいて、システムコントローラ７は、ステップＳ３においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差が、所定値Ａよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４の開閉を制御し、ステップＳ６においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差が、所定値Ｂよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４を閉じるか否かを制御しても良い。
【００４５】
これにより、燃料電池システムは、エゼクタポンプ３の上流圧と現水素ガス圧の圧力差によって燃料電池スタック６への供給量を判断することができ、実際のエゼクタポンプ３の前後の圧損に応じた制御が可能となり、制御精度を向上させることができる。
【００４６】
更にまた、上述の燃料電池システムにおいて、システムコントローラ７は、ステップＳ３においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ａよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４の開閉を制御し、ステップＳ６においてエゼクタポンプ３に供給される水素ガス圧と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積が所定値Ｂよりも大きいか否かを判定してバイパス弁４を閉じるか否かを制御しても良い。
【００４７】
これにより、燃料電池システムは、エゼクタポンプ３の上流圧力と現水素ガス圧との圧力差と、現水素ガス圧との積によって燃料電池スタック６への供給量を判断することができ、実際のエゼクタポンプ３の前後の圧損に応じた制御が可能となるとともに、マスフローの大きさを考慮に入れてバイパス弁４の開閉を制御することが可能となるため、制御精度を更に向上させることができる。
【００４８】
なお、上述した一例では、バイパス流路１２をレギュレータバルブ２の下流側から分岐した流路であるものを説明したが、これに限らず、図３に示すように、バイパス流路１２をレギュレータバルブ２の上流側から分岐させても良い。この場合、バイパス流路１２に設けたバイパス弁４は、開放時に一定の流路抵抗を有するオンオフ弁にすることにより、レギュレータバルブ２を設ける必要なくバイパス流路１２の流量制御を行うことができる。
【００４９】
更には、図４に示すように、エゼクタポンプ３を設けた主たる流路とバイパス流路とをそれぞれ燃料貯蔵ボンベ１から分離独立させた経路として、各経路に専用のレギュレータ２、レギュレータ２’を設けても良く、その分コスト増にはなるが、上記２つの流路でのそれぞれの流量範囲のダイナミックレンジに相応したレギュレータ圧の設定が可能となり、特にエゼクタポンプ３側に関して精度の良い流量制御を行うことができる。
【００５０】
また、上述した燃料電池システムでは、燃料電池スタック６に供給する水素ガス圧値を検出するとともに、目標水素ガス圧力値を燃料電池スタック６に供給するものとして規定しているが、これに限らず、燃料電池スタック６内部の水素ガス圧値、燃料電池スタック６から排出される水素ガス圧値としても良い。
【００５１】
更に、燃料電池システムでは、水素を貯蔵する機構として燃料貯蔵ボンベ１を備えた一例について説明したが、これに限らず、液体水素貯蔵タンクや、水素吸蔵合金を使用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムの燃料電池スタックに水素ガスを供給するときのシステムコントローラの処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料貯蔵ボンベ
２ レギュレータバルブ
２’ レギュレータバルブ
３ エゼクタポンプ
４ バイパス弁
５ 圧力センサ
６ 燃料電池スタック
７ システムコントローラ
１１ 供給流路
１２ バイパス流路
１３ サイクル流路
Claims (3)
- 電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手段と、
上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、
上記気体ポンプの燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排出側との間に上記燃料電池に供給する流量を調整する流量調整弁が設けられ、上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの供給側から上記気体ポンプをバイパスし、当該気体ポンプの燃料ガス排出側に連通されて上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス副流路と、
上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、上記燃料電池に供給する燃料ガスの目標圧力値と上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との圧力差と、上記燃料電池に供給している現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路の流量を制御すると共に、上記燃料ガス流路の燃料ガス流量を制御する流量制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスを蓄積する燃料蓄積手段と、
上記燃料蓄積手段から前記燃料電池に燃料ガスを供給するとともに、上記燃料電池から排出された燃料ガスの少なくとも一部を再度前記燃料電池の燃料極に供給する気体ポンプを有する燃料ガス流路と、
上記気体ポンプの燃料ガス供給側と上記気体ポンプの燃料ガス排出側とを連通してなり、上記燃料ガス供給側と上記燃料ガス排出側との間に上記燃料電池に供給する流量を調整する流量調整弁が設けられ、上記燃料蓄積手段から燃料ガスが供給されて、燃料ガスの供給側から上記気体ポンプをバイパスし、当該気体ポンプの燃料ガス排出側に連通されて上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス副流路と、
上記燃料蓄積手段から上記燃料電池に燃料ガスを供給するに際して、上記気体ポンプに供給される燃料ガスの圧力値と上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値との差と、上記燃料電池に供給している燃料ガスの現在圧力値とに基づいて上記燃料ガス副流路の流量を制御すると共に、上記燃料ガス流路の燃料ガス流量を制御する流量制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 上記気体ポンプと上記燃料蓄積手段を連通する流路、及び上記燃料ガス副流路の双方、又は上記気体ポンプと上記燃料電池蓄積手段を連通する流路に、燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段を設け、
上記燃料ガス副流路の上記流量調整手段の流量調整タイミングと同期して、上記圧力調整手段の設定圧力を所定値だけ増減させること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
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