JP3636068B2 - 燃料電池制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池を制御する燃料電池制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電解質として高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池が知られている。この固体高分子電解質型の燃料電池は、液体電解質を用いた燃料電池に比べて電解質の流出等が生じないといった利点を有し、例えば、自動車の動力源としての実用化に大きな期待が寄せられている。
【０００３】
ところで、この固体高分子電解質型の燃料電池において電解質として用いられる高分子膜は、ある程度の水分を含有させた状態でないとイオン伝導体として機能しないことが知られている。そこで、このような固体高分子電解質型の燃料電池を適切に稼働させるために、例えば特開平７−２６３０１０号公報にて開示されるように、燃料となる水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池スタックに供給することで、高分子膜に水分を供給することが一般に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように高分子膜に水分を供給しながら固体高分子電解質型の燃料電池を稼働させている場合に、例えば低ストイキ比で稼働させるような条件の下では供給した水分が過剰になる場合があり、その結果、燃料電池スタック内部に余分な水分が溜まって、いくつかのセルで発電量が低下し、適切な稼働状態が保てない場合があることが分かってきた。
【０００５】
このような場合には、燃料電池スタックに供給された水素ガスのうちで発電に寄与しない余剰分の水素ガスを大きな瞬時流量で燃料電池スタックから排出して、この水素ガスと共に燃料電池スタック内部における水分を除去する、いわゆるパージ処理を行うことが非常に有効である。
【０００６】
このようなパージ処理を行う方法としては、例えば、燃料電池スタックの運転圧を高めることで燃料電池スタックから排出される水素ガスの瞬時流量を増大させることが考えられる。しかしながら、このように燃料電池スタックの運転圧を高めることで、燃料電池スタック内部における水分を除去するのに十分な水素ガスの瞬時流量を得ようとすると、消費電力の大幅な増加を招くことになり、この固体高分子電解質型の燃料電池を自動車の動力源として用いることを想定すると好ましくない。
【０００７】
また、適切なパージ処理を実現する目的で、この固体高分子電解質型の燃料電池を制御する制御装置の構造を複雑なものとし、制御装置全体を大型なものとしてしまうことも、この固体高分子電解質型の燃料電池を自動車の動力源として用いる上では好ましくない。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、簡素な構造で消費電力の大幅な増加を招くことなく適切にパージ処理を行って、固体高分子電解質型の燃料電池を適切に稼働させることができる燃料電池制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、固体高分子電解質型の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給装置と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタックの後段側に配設され、前記燃料電池スタックから水素を吸引するための水素吸引ポンプと、前記燃料電池スタックと前記水素吸引ポンプとの間に配設され、開度が制御可能とされた水素用制御バルブと、当該燃料電池制御装置の動作を制御する制御手段とを備える燃料電池制御装置であり、前記制御手段が、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に、前記水素用制御バルブの開度を小さくしてこの水素用制御バルブの圧力損失を増加させることで、前記水素用制御バルブを通過する水素の流量を大きく変化させることなくこの水素用制御バルブの後段側における圧力を低下させ、その後、前記水素用制御バルブを開放することによって、前記燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量を増大させて、前記燃料電池スタック内部における水分をパージすることを特徴とするものである。
【００１０】
この請求項１に記載の燃料電池制御装置では、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に水素用制御バルブの開度を小さくすることにより、水素用制御バルブを通過する水素の流量が大きく変化することなく、この水素用制御バルブの後段側における圧力が低下することになる。そして、水素用制御バルブの後段側における圧力が低下した後に、制御手段が水素用制御バルブを開放することにより、燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量が増大することになる。これにより、燃料電池スタック内部における水分がパージされ、燃料電池スタック内部から除去されることになる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池制御装置において、前記燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部を燃焼させて熱エネルギーに変換する燃焼器を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
この請求項２に記載の燃料電池制御装置では、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が燃焼器により燃焼されて熱エネルギーに変換されることになる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池制御装置において、前記水素用制御バルブと前記水素吸引ポンプとの間に、前記燃料電池スタックから排出された水素を一時的に蓄える水素タンクが配設されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この請求項３に記載の燃料電池制御装置では、水素用制御バルブと水素吸引ポンプとの間に水素タンクが配設されることで、水素用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されることになる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池制御装置において、前記燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部を再度前記燃料電池スタックに供給して水素を循環させる水素循環流路を備え、この水素循環流路中に前記水素用制御バルブ及び前記水素吸引ポンプが配設されていることを特徴とするものである。
【００１６】
この請求項４に記載の燃料電池制御装置では、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が水素循環流路を通って再度燃料電池スタックに供給され、再利用されることになる。このとき、燃料電池スタック内部から除去された水分も水素と共に再度燃料電池スタックに供給されて、再利用されることになる。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池制御装置において、前記水素循環流路中に配設された水素用制御バルブと並列となるように、前記燃焼器の前段に配設され、開度が制御可能とされた第２の水素用制御バルブを備え、前記制御手段が、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素用制御バルブの開度を小さくすると共に前記第２の水素用制御バルブの開度を大きくし、その後、前記水素制御バルブを開放すると共に前記第２の水素用制御バルブの開度を小さくすることを特徴とするものである。
【００１８】
この請求項５に記載の燃料電池制御装置では、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に水素用制御バルブの開度を小さくすることにより、水素用制御バルブを通過する水素の流量が大きく変化すことなく、この水素用制御バルブの後段側における圧力が低下することになる。このとき、制御手段は第２の水素用制御バルブの開度を大きくするので、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が燃焼器へと供給されることになる。そして、水素用制御バルブの後段側における圧力が低下した後に、制御手段が水素用制御バルブを開放すると共に第２の制御バルブの開度を小さくすることにより、燃料電池スタック内部から排出されて水素循環流路に向かう水素の瞬時流量が増大することになる。これにより、燃料電池スタック内部における水分がパージされると共に、燃焼器に供給された水素に変わる新たな水素が水素循環流路を通過することになる。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池制御装置において、前記燃料電池スタックの後段側に配設され、前記燃料電池スタックから空気を吸引するための空気吸引ポンプと、前記燃料電池スタックと前記空気吸引ポンプとの間に配設され、開度が制御可能とされた空気用制御バルブとを備え、前記制御手段が、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素吸引ポンプの吸引力に加えて前記空気吸引ポンプの吸引力も通常稼働時より増大させると共に、前記水素用制御バルブの開度に加えて前記空気用制御バルブの開度も小さくし、その後、前記水素用制御バルブを開放すると共に前記空気用制御バルブも開放することを特徴とするものである。
【００２０】
この請求項６に記載の燃料電池制御装置では、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に水素用制御バルブの開度を小さくすることにより、水素用制御バルブを通過する水素の流量が大きく変化することなく、この水素用制御バルブの後段側における圧力が低下することになる。このとき、制御手段は空気吸引ポンプの吸引力も通常稼働時よりも増大させると共に空気用制御バルブの開度も小さくするので、水素側と空気側との圧力の均衡が保たれることになる。そして、水素用制御バルブの後段側における圧力が低下した後に、制御手段が水素用制御バルブを開放することにより、燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量が増大することになる。このとき、制御手段は空気用制御バルブも開放するので、水素側と空気側との圧力の均衡を保った状態で、燃料電池スタック内部における水分がパージされ、燃料電池スタック内部から除去されることになる。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池制御装置において、前記空気用制御バルブと前記空気吸引ポンプとの間に、前記燃料電池スタックから排出された空気を一時的に蓄える空気タンクが配設されていることを特徴とするものである。
【００２２】
この請求項７に記載の燃料電池制御装置では、空気用制御バルブと空気吸引ポンプとの間に空気タンクが配設されることで、空気用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されることになる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１に記載の燃料電池制御装置によれば、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力及び水素用制御バルブの開度を制御することで燃料電池スタック内部における水分をパージするようにしているので、簡素な構造で燃料電池スタック内部における水分を適切にパージすることができると共に、例えば燃料電池スタックの運転圧を高めてパージを行う場合に問題となるような消費電力の大幅な増加を招くことなく、燃料電池スタック内部における水分のパージを適切に行って、固体高分子電解質型の燃料電池を適切に稼働させることができる。
【００２４】
また、請求項２に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が燃焼器により燃焼されて熱エネルギーに変換されるので、燃料電池スタックから排出された水素を有効利用して、熱エネルギーが必要とされる部分に熱エネルギーを供給することができる。
【００２５】
また、請求項３に記載の燃料電池制御装置によれば、水素用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されるので、制御手段が水素用制御バルブを開放したときに燃料電池スタック内部から十分な量の水素を排出することができ、燃料電池スタック内部における水分のパージを極めて良好に行うことができる。
【００２６】
また、請求項４に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が水素循環流路を通って再度燃料電池スタックに供給されるので、燃料電池スタックから排出された水素を再利用して水素の利用効率を高め、水素供給装置から燃料電池スタックに供給する水素量を低減させることができる。また、請求項４に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタック内部から除去された水分も水素と共に再度燃料電池スタックに供給されるので、水の利用効率も高めることができる。
【００２７】
また、請求項５に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタック内部における水分をパージすると同時に、新たな水素を循環流路によって循環させることができるので、循環流路中のＣＯ濃度を低減させることができる。
【００２８】
また、請求項６に記載の燃料電池制御装置によれば、水素側と空気側との圧力の均衡を保った状態で、燃料電池スタック内部における水分をパージすることができるので、水素側と空気側との圧力差に起因して燃料電池スタック内部の高分子膜の機能が低下するといった不都合を有効に抑制することができる。
【００２９】
また、請求項７に記載の燃料電池制御装置によれば、空気用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されるので、水素用制御バルブと水素吸引ポンプとの間に水素タンクを配設して水素用制御バルブの後段側の低圧となる部分の容積を確保した場合でも、これら水素側と空気側との圧力の均衡を保った状態で、高分子膜の機能低下等を生じさせることなく、燃料電池スタック内部における水分を適切にパージすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
第１の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の一構成例を図１に示す。この図１に示す燃料電池制御装置は、電解質として高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に対して燃料となる水素ガスを供給する水素供給装置２と、燃料電池スタック１に対して酸化剤となる空気を供給する空気供給装置３と、燃料電池スタック１に供給された水素ガスのうちで発電に寄与しない余剰分の水素ガスを燃焼して熱エネルギーに変換する燃焼器４と、当該燃料電池制御装置を構成する各部の制御を行う制御ユニット５とを備えている。
【００３２】
水素供給装置２は、例えば、改質装置６とＣＯ除去装置７とを有しており、改質装置６により水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガス中のＣＯガスをＣＯ除去装置７により除去して、水素ガスとして出力するようになっている。そして、ＣＯ除去装置７から出力された水素ガスが、水素供給流路を通って燃料電池スタック１に供給されることになる。また、ＣＯ除去装置７により除去されたＣＯガスは、燃焼器４に供給されることになる。なお、水素供給装置２としては、以上のものに代えて水素ボンベ等を用いることもできる。また、ＣＯ除去装置７に代えて水素分離膜を用いるようにしてもよい。
【００３３】
水素供給装置２と燃料電池スタック１との間の水素供給流路中には、水素供給装置２からの水素ガスの流量を調整するための流量調整バルブ８と、この流量調整バルブ８により流量が調整された水素ガスを加湿するための加湿装置９とがそれぞれ配設されている。したがって、燃料電池スタック１には、加湿装置９により加湿された水素ガスが供給されることになり、これにより、燃料電池スタック１の電解質として用いられる高分子膜に水分が供給され、この高分子膜がイオン伝導体として機能することになる。なお、高分子膜に水分を供給する方法としては、以上のように水素供給流路中に加湿装置９を設ける例に限らず、例えば、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水を利用して水素ガスや空気を加湿して、高分子膜に水分を供給する方法等の他の方法も適用可能である。
【００３４】
空気供給装置３は、例えば、エアコンプレッサと脱イオンフィルタとを有しており、エアコンプレッサにより圧縮した空気を脱イオンフィルタを通過させて浄化した後に燃料電池スタック１に供給するようになっている。
【００３５】
燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１内の各燃料電池セルの電圧をモニタリングするためのセル電圧モニタ１０が接続されている。燃料電池スタック１は、このセル電圧モニタ１０により各燃料電池セルの電圧がモニタリングされることによって、その発電状態が常時監視されるようになっている。
【００３６】
燃焼器４は、燃料電池スタック１の後段に配設されており、燃料電池スタック１に供給された水素ガスのうちで発電に寄与しない余剰分の水素ガスが、水素排出流路を介して供給されると共に、燃料電池スタック１から排出された空気が空気排出流路を介して供給されるようになっている。この燃焼器４は、供給された発電に寄与しない余剰分の水素ガスを燃焼して熱エネルギーに変換する。そして、この熱エネルギーを、水素供給装置２の改質装置６やその他の熱エネルギーを必要とする装置に供給する。
【００３７】
燃料電池スタック１と燃焼器４との間の水素排出流路中には、制御ユニット５によって開度が制御される水素用制御バルブ１１と、制御ユニット５によって吸引力が制御される水素吸引ポンプ１２とがそれぞれ配設されている。これら水素用制御バルブ１１や水素吸引ポンプ１２は、水素排出流路を通過する水素ガスの流量や水素排出流路内の圧力を調整する機能を有しており、本発明を適用した燃料電池制御装置では、詳細を後述するように、これら水素用制御バルブ１１の開度や水素吸引ポンプ１２の吸引力を制御することによって、燃料電池スタック１内の水分を適切にパージできるようになっている。
【００３８】
制御ユニット５は、例えば、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御用プログラムを実行することで、水素用制御バルブ１１の開度の制御や水素吸引ポンプ１２の吸引力の制御をはじめとして、燃料電池制御装置を構成する各部の制御を行う。
【００３９】
以上のように構成される燃料電池制御装置は、水素供給装置２から出力され加湿装置９により加湿された水素ガスと、空気供給装置３からの空気とを燃料電池スタック１に供給することによって、燃料電池スタック１にて電力を発生させ、発電に寄与しない余剰分の水素は燃焼器４により燃焼して熱エネルギーを得るようにしている。このとき、例えば、燃料電池スタック１を低ストイキ比で稼働させるような条件の下では、燃料電池スタック１内の水分が過剰となって、燃料電池スタック１の内部に余分な水分が溜まる場合がある。このように燃料電池スタック１の内部に溜まった水分を放置しておくと、発電量の低下を招くことになる。そこで、本発明を適用した燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部に水分が溜まった場合には、水分パージを行って、この燃料電池スタック１内部における水分を除去するようにしている。
【００４０】
ここで、本発明を適用した燃料電池制御装置により燃料電池スタック１内部における水分をパージする処理について、図２のフローチャート及び図３のタイムチャートを参照して説明する。
【００４１】
図２に示すように、パージシーケンスがスタートすると、先ず、ステップ１−１（Ｓ１−１）において、セル電圧モニタ１０により燃料電池スタック１内の燃料電池セルの電圧低下が検出される。この燃料電池セルの電圧低下を示す情報は、制御ユニット５に供給される。制御ユニット５は、セル電圧モニタ１０から燃料電池セルの電圧低下を示す情報が供給されることにより、燃料電池スタック１にパージが必要なフラッティングが生じている可能性があることを検知する。そして、制御ユニット５は、燃料電池スタック１を保護するために、流量調整バルブ８等を制御して、ストイキ比を一時的に低下させる処理を行う。
【００４２】
次に、ステップ１−２（Ｓ１−２）において、制御ユニット５が、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させる処理を行う。これにより、パージシーケンス中における燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比低下が抑制されることになる。このとき、図１中のＰ１における圧力、すなわち水素用制御バルブ１１の前段側における圧力は、図３（ｔ０〜ｔ１）に示すように、水素吸引ポンプ１２の吸引力の増加分だけ低下することになる。
【００４３】
次に、ステップ１−３（Ｓ１−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、水素吸引ポンプ１２の吸引力の増大に伴う燃料極側のストイキ比増加によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、制御ユニット５は、ステップ１−４（Ｓ１−４）においてパージは不要と判断して、ステップ１−５（Ｓ１−５）において水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻す処理を行う。このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻した際に燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比を再び増加させる必要があるため、制御ユニット５は、ステップ１−６（Ｓ１−６）において燃料極側のストイキ比を増加させるように制御目標を変更した上で、ステップ１−７（Ｓ１−７）において通常の稼働を継続させる処理を行う。
【００４４】
一方、ステップ１−３（Ｓ１−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における水分が過剰となっていると判断し、ステップ１−８（Ｓ１−８）において水素用制御バルブ１１の開度を小さくして、この水素用制御バルブ１１の圧力損失を増加させる処理を行う。これにより、図１中のＰ２における圧力、すなわち、水素用制御バルブ１１の後段側における圧力が、図４（ｔ１〜ｔ２）に示すように低下して、水素用制御バルブ１１の後段に低圧領域が形成されることになる。
【００４５】
このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力がそのままの状態となっていると、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの流量低下を招くことになるので、制御ユニット５は、ステップ１−９（Ｓ１−９）において、水素用制御バルブ１１の圧力損失増加に相当する分だけ、水素吸引ポンプ１２の吸引力を更に増大させる処理を行う。これにより、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力が、図４（ｔ１〜ｔ２）に示すようにほぼ一定に保たれ、水素用制御バルブ１１を通過する水素ガスの流量が大きく変化すことなく、この水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力が低下することになる。
【００４６】
次に、ステップ１−１０（Ｓ１−１０）において、水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力低下が検出され、水素用制御バルブ１１の後段に十分な低圧領域が形成されていることが確認されると、制御ユニット５は、ステップ１−１１（Ｓ１−１１）において、水素用制御バルブ１１を開放すると共に水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時と同程度にまで低下させる処理を行う。これにより、ステップ１−１２（Ｓ１−１２）において、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量が増大して、この水素ガスと共に燃料電池スタック１内部の水分が排出され、水分のパージが行われることになる。このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力は通常稼働時と同程度とされているので、一度に大量の水素ガスが燃焼器４に供給されるといった不都合が有効に抑制される。
【００４７】
以上のように、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量を増大させて水分のパージを行った後には、図３（ｔ３）に示すように、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時よりも若干低下することになる。そこで、ステップ１−１３（Ｓ１−１３）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力と水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力とがほぼ等しくなっていることが検出され、水分のパージが完了したことが確認されると、制御ユニット５は、ステップ１−１４（Ｓ１−１４）において、流量調整バルブ８等を制御して水素供給装置２から燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量を増加させる処理を行う。これにより、ステップ１−１５（Ｓ１−１５）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が、図３（ｔ４）に示すように、通常稼働時における設定値（Ｐｏｐ）とほぼ等しい値にまで速やかに回復することになる。
【００４８】
水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時における設定値とほぼ等しい値にまで回復したら、次に、ステップ１−１６（Ｓ１−１６）において、以上のようなパージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、以上のようなパージ処理によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、ステップ１−１７（Ｓ１−１７）においてパージシーケンスを終了させて、通常の稼働に復帰する処理を行う。
【００４９】
一方、ステップ１−１６（Ｓ１−１６）において、パージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における余分な水分が完全に除去されていないと判断し、再度ステップ１−８（Ｓ１−８）に戻って、一連のパージ処理を繰り返し行うようにする。
【００５０】
本発明を適用した燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部に余分な水分が溜まった場合には、以上のようなパージ処理を行って、この余分な水分を燃料電池スタック１の外部に排出するようにしている。したがって、この燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタック１の内部に余分な水分が溜まっていることに起因する燃料電池セルの電圧値低下を有効に抑制して、燃料電池スタック１の適切な稼働状態を保つことができる。
【００５１】
また、本発明を適用した燃料電池制御装置では、上述したように、制御ユニット５による水素用制御バルブ１１の開度の制御と水素吸引ポンプ１２の吸引力の制御とにより水分のパージを行うようにしているので、水分パージを行うために当該燃料電池制御装置の構造を複雑なものとすることなく、極めて簡素な構造で適切に水分パージを行うことができる。
【００５２】
また、この燃料電池制御装置では、水分のパージを行うために燃料電池スタック１の運転圧を高める必要がないので、燃料電池スタック１の運転圧を高める場合に問題となる消費電力の大幅な増加を招くこともない。詳述すると、この燃料電池制御装置では、水素吸引ポンプ１２が、燃料電池スタック１に供給された水素ガスのうちで発電に寄与せずにこの燃料電池スタック１から排出される余剰分の水素ガスに対して仕事をするようになっており、燃料電池スタック１の燃料極側におけるストイキ比が小さい状態では水素吸引ポンプ１２の仕事量は少なく、このように少ない仕事量で水分のパージを適切に行うことができるので、燃料電池スタック１の運転圧を高めて水分のパージを行う場合に比べて、消費電力を大幅に低減させることができる。
【００５３】
また、この燃料電池制御装置では、発電に寄与せずに燃料電池スタック１から排出された余剰分の水素ガスを燃焼器４により燃焼して熱エネルギーに変換し、水素供給装置２の改質装置６等の熱エネルギーが必要とされる部分に供給するようにしているので、燃料電池スタック１から排出された余剰分の水素ガスを有効利用して、燃料電池スタック１を効率的に稼働させることが可能となる。
【００５４】
第２の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の他の構成例を図４に示す。この図４に示す燃料電池制御装置は、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを一時的に蓄える水素タンク１３が設けられていることを特徴とするものである。その他の部分及び動作については、図１に示した燃料電池制御装置と同様であるので、ここでは特徴的な部分についてのみ説明する。
【００５５】
この図４に示す燃料電池制御装置は、図１に示した燃料電池制御装置と同様のパージシーケンスによって燃料電池スタック１内部における水分をパージすることができる。このとき、図４に示す燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられているので、水素用制御バルブ１１の開度を小さくしたときに、水素用制御バルブ１１の後段に大容量の低圧領域が形成されることになる。すなわち、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられることによって、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２間の水素排出流路の容積に加えて、水素タンク１３の容積が低圧領域として確保される。
【００５６】
したがって、この燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１を開放して燃料電池スタック１内部の水分をパージする際に、大流量の水素ガスを燃料電池スタック１から排出させることができ、水分のパージを極めて良好に行うことができる。
【００５７】
また、この燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられて低圧領域の容積が大きくされたことで、水素用制御バルブ１１を開放した際に低圧領域に流入する水素ガスの速度エネルギーがこの低圧領域にて吸収されることになり、水素ガスが瞬時に大流量で燃焼器４に供給される不都合が抑制される。
【００５８】
したがって、この燃料電池制御装置では、燃焼器４に瞬時に大流量の水素ガスが供給された場合に問題となる燃焼器４の過昇温等を有効に抑制し、燃焼器４の機能低下を未然に防止することができる。
【００５９】
第３の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の更に他の構成例を図５に示す。この図５に示す燃料電池制御装置は、燃料電池スタック１後段の水素排出流路に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを再度燃料電池スタック１に供給して、水素ガスを循環させるための水素循環流路が設けられており、この水素循環流路中に水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２とが配設されていることを特徴とするものである。その他の部分及び動作については、図１に示した燃料電池制御装置とほぼ同様であるので、ここでは特徴的な部分についてのみ説明する。
【００６０】
この図５に示す燃料電池制御装置では、燃焼器４の前段の水素排出流路中に、燃焼器４に供給する水素ガスの流量を調整するための第２の水素用制御バルブ１４が設けられているが、この第２の水素用制御バルブ１４は閉じた状態或いは開度を小さくした状態とされており、燃料電池スタック１から排出された水素ガスの全部又は多くの部分が水素循環流路中を循環するようになされている。
【００６１】
この図５に示す燃料電池制御装置は、図１に示した燃料電池制御装置と同様のパージシーケンスによって燃料電池スタック１内部における水分をパージすることができる。このとき、図５に示す燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１から排出された水素ガスが水素循環流路を通って再度燃料電池スタック１に供給されることになるので、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを有効に再利用して水素の利用効率を高め、水素供給装置２から燃料電池スタック１に供給する水素量を低減させることができる。なお、この燃料電池制御装置では、水素循環流路により循環する水素ガスの流量が、燃料極側のストイキ比の変動や燃焼器４に供給される水素ガスの流量等に応じて変化することになるので、この循環する水素ガスの流量変化に応じて、制御ユニット５が流量調整バルブ８を制御して、水素供給装置２から燃料電池スタック１に新たに供給される水素ガスの流量を変化させることが望ましい。
【００６２】
また、この燃料電池制御装置では、水分パージによって燃料電池スタック１から排出された水分も水素ガスと共に水素循環流路を通り、加湿装置９を介して再度燃料電池スタック１に供給されることになるので、燃料電池スタック１から排出された水分も有効に再利用して、水の利用効率も高めることができる。なお、燃料電池スタック１から水分パージによって排出される水分は液体水分であるので、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの温度が低く、この水素ガスの熱により液体水分を気化することができない場合には、水素循環流路中に蒸発器を設けてこの蒸発器により液体水分を気化させ、或いは凝縮器等にこの液体水分を回収した後に再度燃料電池スタック１に供給することが望ましい。
【００６３】
また、この燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１を、図５中の破線で示すように、燃焼器４へ向かう水素排出流路と燃料電池スタック１へ向かう水素循環流路とが分岐する位置よりも前段側に配設するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００６４】
第４の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の更に他の構成例を図６に示す。この図６に示す燃料電池制御装置は、基本構成を図５に示した燃料電池制御装置と同様としながら、燃料電池スタック１の内部における水分をパージする際には、水素循環流路中に配設された水素用制御バルブ１１と並列となるように燃焼器４の前段の水素排出流路中に配設された第２の水素用制御バルブ１４の開度が、制御ユニット５により制御されるようになっている。なお、この図６に示す燃料電池制御装置も、通常稼働時においては、図５に示した燃料電池制御装置と同様に、第２の水素用制御バルブ１４は閉じた状態或いは開度を小さくした状態とされており、燃料電池スタック１から排出された水素ガスの全部又は多くの部分が水素循環流路中を循環するようになされている。
【００６５】
また、この図６に示す燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部における水分をパージすると同時に、水素循環流路を通って循環する水素ガスに含有するＣＯ濃度を低下できるようになっており、燃料電池スタック１の前段には、ＣＯ濃度を検出するためのＣＯセンサが接続されている。
【００６６】
この図６に示す燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部における水分をパージする際の処理が、上述した第１乃至第３の実施の形態とは若干異なっている。以下、この図６に示す燃料電池制御装置により燃料電池スタック１の内部における水分をパージする処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００６７】
この燃料電池制御装置において、パージシーケンスがスタートすると、先ず、ステップ２−１（Ｓ２−１）において、セル電圧モニタ１０により燃料電池スタック１内の燃料電池セルの電圧低下が検出され、その情報が制御ユニット５に供給され、燃料電池スタック１にパージが必要なフラッティングが生じている可能性があることが検知される。そして、制御ユニット５により流量調整バルブ８等が制御され、ストイキ比を一時的に低下させる処理が行われる。
【００６８】
次に、ステップ２−２（Ｓ２−２）において、制御ユニット５により、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させる処理が行われる。これにより、パージシーケンス中における燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比低下が抑制されることになる。
【００６９】
次に、ステップ２−３（Ｓ２−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、水素吸引ポンプ１２の吸引力の増大に伴う燃料極側のストイキ比増加によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、制御ユニット５は、ステップ２−４（Ｓ２−４）においてパージは不要と判断して、ステップ２−５（Ｓ２−５）において水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻す処理を行う。このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻した際に燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比を再び増加させる必要があるため、制御ユニット５は、ステップ２−６（Ｓ２−６）において燃料極側のストイキ比を増加させるように制御目標を変更した上で、ステップ２−７（Ｓ２−７）において通常の稼働を継続させる処理を行う。
【００７０】
一方、ステップ２−３（Ｓ２−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における水分が過剰となっていると判断し、ステップ２−８（Ｓ２−８）において水素用制御バルブ１１の開度を小さくして、この水素用制御バルブ１１の圧力損失を増加させる処理を行う。
【００７１】
このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力がそのままの状態となっていると、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの流量低下を招くことになるので、制御ユニット５は、ステップ２−９（Ｓ２−９）において、水素用制御バルブ１１の圧力損失増加に相当する分だけ、水素吸引ポンプ１２の吸引力を更に増大させる処理を行う。これにより、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力がほぼ一定に保たれ、水素用制御バルブ１１を通過する水素ガスの流量が大きく変化すことなく、この水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力が低下することになる。
【００７２】
次に、ステップ２−１０（Ｓ２−１０）において、制御ユニット５により第２の水素用制御バルブ１４の開度が大きくされる。これにより、水素循環流路中の水素ガスが第２の水素用制御バルブ１４を通過して燃焼器４に供給されることになる。このとき、水素吸引ポンプ１２及び水素供給装置２から供給される水素ガスの流量は変化しないので、燃料電池スタック１を流れる水素ガスの流量も変化しない。これに対して、燃焼器４に供給される水素ガスの流量は増加することになるが、水素用制御バルブ１１の開度を小さくする処理や水素吸引ポンプ１２の吸引力を増大させる処理、第２の水素用制御バルブの開度を大きくする処理をゆっくりと行うことで、燃焼器４に瞬時に大流量の水素ガスが供給されることを防止して、燃焼器４の過昇温等を有効に抑制することができる。
【００７３】
次に、ステップ２−１１（Ｓ２−１１）において、水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力低下が検出され、水素用制御バルブ１１の後段に十分な低圧領域が形成されていることが確認されると、制御ユニット５は、ステップ２−１２（Ｓ２−１２）において、水素用制御バルブ１１を開放すると共に水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時と同程度にまで低下させる処理を行う。更に、このとき、制御ユニット５は、第２の水素用制御バルブ１４の開度を小さくする処理も行う。これにより、ステップ２−１３（Ｓ２−１３）において、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量が増大して、この水素ガスと共に燃料電池スタック１内部の水分が排出され、水分のパージが行われることになり、また、燃焼器４側の水素排出流路から水素循環流路へと水素ガスが逆流することが防止される。
【００７４】
以上のように、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量を増大させて水分のパージを行った後には、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時よりも若干低下することになるので、ステップ２−１４（Ｓ２−１４）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力と水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力とがほぼ等しくなっていることが検出され、水分のパージが完了したことが確認されると、制御ユニット５は、ステップ２−１５（Ｓ２−１５）において、流量調整バルブ８等を制御して水素供給装置２から燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量を増加させる処理を行う。これにより、ステップ２−１６（Ｓ２−１６）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時における設定値とほぼ等しい値にまで速やかに回復すると共に、燃焼器４に供給された水素ガスに代わり新たに水素供給装置２から供給された水素ガスが、水素循環流路中に流入して循環することになる。
【００７５】
水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時における設定値とほぼ等しい値にまで回復したら、次に、ステップ２−１７（Ｓ２−１７）において、以上のようなパージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、以上のようなパージ処理によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、ステップ２−１８（Ｓ２−１８）においてパージシーケンスを終了させて、通常の稼働に復帰する処理を行う。
【００７６】
一方、ステップ２−１７（Ｓ２−１７）において、パージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における余分な水分が完全に除去されていないと判断し、再度ステップ２−８（Ｓ２−８）に戻って、一連のパージ処理を繰り返し行うようにする。
【００７７】
この燃料電池制御装置では、以上のようなパージシーケンスによって燃料電池スタック１の内部に溜まった余分な水分をパージすることにより、水分パージを行うと同時に、水素循環流路により循環する水素ガスに含有するＣＯ濃度を低下させることが可能となっている。詳述すると、この燃料電池制御装置では、通常稼働中に燃料電池スタック１から排出された水素ガスが水素循環流路を通って循環しているため、水素循環流路を通る水素ガスに含有するＣＯ濃度が徐々に高くなっていくことになる。このとき、上述したパージシーケンスによって燃料電池スタック１内部における水分のパージが行われると、第２の水素用制御バルブ１４の開度が大きくされることによって、ＣＯ濃度の高い水素ガスが第２の水素用制御バルブ１４を介して燃焼器４へと供給されることになり、また、第２の水素用制御バルブ１４の開度が小さくされ、水素供給装置２から供給される水素ガスの流量が増加されることによって、燃焼器４に供給されたＣＯ濃度の高い水素ガスに代わり新たに水素供給装置２から供給された水素ガス、すなわち、ＣＯ濃度の低い水素ガスが水素循環流路中に流入することになる。したがって、パージシーケンスが終了して通常の稼働状態に復帰したときには、水素循環流路により循環する水素ガスのＣＯ濃度が低下することになる。
【００７８】
なお、この燃料電池制御装置では、水素循環流路により循環する水素ガスのＣＯ濃度をＣＯセンサ１５により検出して、このＣＯセンサ１５により検出された値が所定の基準値を上回る場合には、燃料電池スタック１内の水分をパージする必要がない場合でも上述した一連の処理を行って、循環する水素ガスのＣＯ濃度の低減を優先的に行うこともできる。この場合には、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量を増大させる必要がないので、水素用制御バルブ１１を開放する動作を必ずしも瞬時に行う必要はない。
【００７９】
第５の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の更に他の構成例を図８に示す。この図８に示す燃料電池制御装置は、基本構成を図１に示した燃料電池制御装置と同様とし、水素排出流路中に水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２とがそれぞれ設けられていることに加えて、空気排出流路中に、水素用制御バルブ１１と同様に制御ユニット５によって開度が制御される空気用制御バルブ１６と、水素吸引ポンプ１２と同様に制御ユニット５によって吸引力が制御される空気吸引ポンプ１７とがそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
【００８０】
この図８に示す燃料電池制御装置では、空気排出流路中に空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７とが設けられて、空気排出側の構造が水素排出側と同等の構造とされているので、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うようにすれば、水素側と空気側とで大きな圧力差を生じさせることなく、燃料電池スタック１内部の水分を適切にパージすることができる。
【００８１】
詳述すると、燃料電池スタック１内部における水分のパージを行う際に、水素側と空気側とで大きな圧力差が生じると燃料電池スタック１の電解質として用いている高分子膜の機能が低下してしまう場合がある。しかしながら、この図８に示す燃料電池制御装置では、空気排出流路中に空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７とが設けられて、空気排出側の構造が水素排出側と同等の構造とされているので、図２に示したようなパージシーケンスにおいて、水素用制御バルブ１１の開度を制御するのと同時に、空気用制御バルブ１６に対しても同様に開度の制御を行い、また、水素吸引ポンプ１２の吸引力を制御するのと同時に、空気吸引ポンプ１７に対しても同様の吸引力の制御を行うことによって、水素側の圧力と空気側の圧力とを常にほぼ同等に保ちながら燃料電池スタック１内部における水分のパージを行うことができ、水素側と空気側との圧力差に起因する高分子膜の機能低下等を生じさせることなく、適切な水分パージを行うことができる。
【００８２】
また、この図８に示す燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うことにより、燃料電池スタック１から排出された水素ガスと空気とを燃焼器４に対して同配分で供給することができるので、燃焼器４の過昇温等を有効に抑制し、燃焼器４の機能低下を未然に防止することができる。
【００８３】
第６の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の他の構成例を図９に示す。この図９に示す燃料電池制御装置は、基本構成を図８に示した燃料電池制御装置と同様とし、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを一時的に蓄える水素タンク１３が設けられていると共に、空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７との間に、燃料電池スタック１から排出された空気を一時的に蓄える空気タンク１８が設けられていることを特徴とするものである。
【００８４】
この図９に示す燃料電池制御装置は、空気排出流路中に空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７とが設けられていることに加えて、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３、空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７との間に空気タンク１８がそれぞれ設けられており、図８に示した燃料電池制御装置と同様に、空気排出側と水素排出側とが同等の構造とされているので、第５の実施の形態と同様のパージシーケンスによって、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うことにより、水素側と空気側との間に高分子膜の機能低下等の要因となる大きな圧力差を生じさせることなく、燃料電池スタック１内部の水分を適切にパージすることができる。
【００８５】
また、この図９に示す燃料電池制御装置では、図４に示した燃料電池制御装置と同様に、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられているので、水素用制御バルブ１１の開度を小さくしたときに、水素用制御バルブ１１の後段に大容量の低圧領域が形成されることになり、水素用制御バルブ１１を開放して燃料電池スタック１内部の水分をパージする際に、大流量の水素ガスを燃料電池スタック１から排出させることができ、水分のパージを極めて良好に行うことができる。
【００８６】
更に、この図９に示す燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うことにより、燃料電池スタック１から排出された水素ガスと空気とを燃焼器４に対して同配分で供給することができるので、燃焼器４の過昇温等を有効に抑制し、燃焼器４の機能低下を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】上記第１の実施の形態のパージシーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図３】上記第１の実施の形態のパージシーケンスを説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図７】上記第４の実施の形態のパージシーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第５の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素供給装置
３ 空気供給装置
４ 燃焼器
５ 制御ユニット
１１ 水素用制御バルブ
１２ 水素吸引ポンプ
１３ 水素タンク
１４ 第２の水素用制御バルブ
１６ 空気用制御バルブ
１７ 空気吸引ポンプ
１８ 空気タンク
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型の燃料電池を制御する燃料電池制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電解質として高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池が知られている。この固体高分子電解質型の燃料電池は、液体電解質を用いた燃料電池に比べて電解質の流出等が生じないといった利点を有し、例えば、自動車の動力源としての実用化に大きな期待が寄せられている。
【０００３】
ところで、この固体高分子電解質型の燃料電池において電解質として用いられる高分子膜は、ある程度の水分を含有させた状態でないとイオン伝導体として機能しないことが知られている。そこで、このような固体高分子電解質型の燃料電池を適切に稼働させるために、例えば特開平７−２６３０１０号公報にて開示されるように、燃料となる水素ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池スタックに供給することで、高分子膜に水分を供給することが一般に行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように高分子膜に水分を供給しながら固体高分子電解質型の燃料電池を稼働させている場合に、例えば低ストイキ比で稼働させるような条件の下では供給した水分が過剰になる場合があり、その結果、燃料電池スタック内部に余分な水分が溜まって、いくつかのセルで発電量が低下し、適切な稼働状態が保てない場合があることが分かってきた。
【０００５】
このような場合には、燃料電池スタックに供給された水素ガスのうちで発電に寄与しない余剰分の水素ガスを大きな瞬時流量で燃料電池スタックから排出して、この水素ガスと共に燃料電池スタック内部における水分を除去する、いわゆるパージ処理を行うことが非常に有効である。
【０００６】
このようなパージ処理を行う方法としては、例えば、燃料電池スタックの運転圧を高めることで燃料電池スタックから排出される水素ガスの瞬時流量を増大させることが考えられる。しかしながら、このように燃料電池スタックの運転圧を高めることで、燃料電池スタック内部における水分を除去するのに十分な水素ガスの瞬時流量を得ようとすると、消費電力の大幅な増加を招くことになり、この固体高分子電解質型の燃料電池を自動車の動力源として用いることを想定すると好ましくない。
【０００７】
また、適切なパージ処理を実現する目的で、この固体高分子電解質型の燃料電池を制御する制御装置の構造を複雑なものとし、制御装置全体を大型なものとしてしまうことも、この固体高分子電解質型の燃料電池を自動車の動力源として用いる上では好ましくない。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、簡素な構造で消費電力の大幅な増加を招くことなく適切にパージ処理を行って、固体高分子電解質型の燃料電池を適切に稼働させることができる燃料電池制御装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、固体高分子電解質型の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給装置と、前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池スタックの後段側に配設され、前記燃料電池スタックから水素を吸引するための水素吸引ポンプと、前記燃料電池スタックと前記水素吸引ポンプとの間に配設され、開度が制御可能とされた水素用制御バルブと、当該燃料電池制御装置の動作を制御する制御手段とを備える燃料電池制御装置であり、前記制御手段が、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に、前記水素用制御バルブの開度を小さくしてこの水素用制御バルブの圧力損失を増加させることで、前記水素用制御バルブを通過する水素の流量を大きく変化させることなくこの水素用制御バルブの後段側における圧力を低下させ、その後、前記水素用制御バルブを開放することによって、前記燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量を増大させて、前記燃料電池スタック内部における水分をパージすることを特徴とするものである。
【００１０】
この請求項１に記載の燃料電池制御装置では、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に水素用制御バルブの開度を小さくすることにより、水素用制御バルブを通過する水素の流量が大きく変化することなく、この水素用制御バルブの後段側における圧力が低下することになる。そして、水素用制御バルブの後段側における圧力が低下した後に、制御手段が水素用制御バルブを開放することにより、燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量が増大することになる。これにより、燃料電池スタック内部における水分がパージされ、燃料電池スタック内部から除去されることになる。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池制御装置において、前記燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部を燃焼させて熱エネルギーに変換する燃焼器を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
この請求項２に記載の燃料電池制御装置では、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が燃焼器により燃焼されて熱エネルギーに変換されることになる。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池制御装置において、前記水素用制御バルブと前記水素吸引ポンプとの間に、前記燃料電池スタックから排出された水素を一時的に蓄える水素タンクが配設されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この請求項３に記載の燃料電池制御装置では、水素用制御バルブと水素吸引ポンプとの間に水素タンクが配設されることで、水素用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されることになる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池制御装置において、前記燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部を再度前記燃料電池スタックに供給して水素を循環させる水素循環流路を備え、この水素循環流路中に前記水素用制御バルブ及び前記水素吸引ポンプが配設されていることを特徴とするものである。
【００１６】
この請求項４に記載の燃料電池制御装置では、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が水素循環流路を通って再度燃料電池スタックに供給され、再利用されることになる。このとき、燃料電池スタック内部から除去された水分も水素と共に再度燃料電池スタックに供給されて、再利用されることになる。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池制御装置において、前記水素循環流路中に配設された水素用制御バルブと並列となるように、前記燃焼器の前段に配設され、開度が制御可能とされた第２の水素用制御バルブを備え、前記制御手段が、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素用制御バルブの開度を小さくすると共に前記第２の水素用制御バルブの開度を大きくし、その後、前記水素制御バルブを開放すると共に前記第２の水素用制御バルブの開度を小さくすることを特徴とするものである。
【００１８】
この請求項５に記載の燃料電池制御装置では、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に水素用制御バルブの開度を小さくすることにより、水素用制御バルブを通過する水素の流量が大きく変化すことなく、この水素用制御バルブの後段側における圧力が低下することになる。このとき、制御手段は第２の水素用制御バルブの開度を大きくするので、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が燃焼器へと供給されることになる。そして、水素用制御バルブの後段側における圧力が低下した後に、制御手段が水素用制御バルブを開放すると共に第２の制御バルブの開度を小さくすることにより、燃料電池スタック内部から排出されて水素循環流路に向かう水素の瞬時流量が増大することになる。これにより、燃料電池スタック内部における水分がパージされると共に、燃焼器に供給された水素に変わる新たな水素が水素循環流路を通過することになる。
【００１９】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池制御装置において、前記燃料電池スタックの後段側に配設され、前記燃料電池スタックから空気を吸引するための空気吸引ポンプと、前記燃料電池スタックと前記空気吸引ポンプとの間に配設され、開度が制御可能とされた空気用制御バルブとを備え、前記制御手段が、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素吸引ポンプの吸引力に加えて前記空気吸引ポンプの吸引力も通常稼働時より増大させると共に、前記水素用制御バルブの開度に加えて前記空気用制御バルブの開度も小さくし、その後、前記水素用制御バルブを開放すると共に前記空気用制御バルブも開放することを特徴とするものである。
【００２０】
この請求項６に記載の燃料電池制御装置では、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に水素用制御バルブの開度を小さくすることにより、水素用制御バルブを通過する水素の流量が大きく変化することなく、この水素用制御バルブの後段側における圧力が低下することになる。このとき、制御手段は空気吸引ポンプの吸引力も通常稼働時よりも増大させると共に空気用制御バルブの開度も小さくするので、水素側と空気側との圧力の均衡が保たれることになる。そして、水素用制御バルブの後段側における圧力が低下した後に、制御手段が水素用制御バルブを開放することにより、燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量が増大することになる。このとき、制御手段は空気用制御バルブも開放するので、水素側と空気側との圧力の均衡を保った状態で、燃料電池スタック内部における水分がパージされ、燃料電池スタック内部から除去されることになる。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池制御装置において、前記空気用制御バルブと前記空気吸引ポンプとの間に、前記燃料電池スタックから排出された空気を一時的に蓄える空気タンクが配設されていることを特徴とするものである。
【００２２】
この請求項７に記載の燃料電池制御装置では、空気用制御バルブと空気吸引ポンプとの間に空気タンクが配設されることで、空気用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されることになる。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１に記載の燃料電池制御装置によれば、制御手段が水素吸引ポンプの吸引力及び水素用制御バルブの開度を制御することで燃料電池スタック内部における水分をパージするようにしているので、簡素な構造で燃料電池スタック内部における水分を適切にパージすることができると共に、例えば燃料電池スタックの運転圧を高めてパージを行う場合に問題となるような消費電力の大幅な増加を招くことなく、燃料電池スタック内部における水分のパージを適切に行って、固体高分子電解質型の燃料電池を適切に稼働させることができる。
【００２４】
また、請求項２に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が燃焼器により燃焼されて熱エネルギーに変換されるので、燃料電池スタックから排出された水素を有効利用して、熱エネルギーが必要とされる部分に熱エネルギーを供給することができる。
【００２５】
また、請求項３に記載の燃料電池制御装置によれば、水素用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されるので、制御手段が水素用制御バルブを開放したときに燃料電池スタック内部から十分な量の水素を排出することができ、燃料電池スタック内部における水分のパージを極めて良好に行うことができる。
【００２６】
また、請求項４に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部が水素循環流路を通って再度燃料電池スタックに供給されるので、燃料電池スタックから排出された水素を再利用して水素の利用効率を高め、水素供給装置から燃料電池スタックに供給する水素量を低減させることができる。また、請求項４に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタック内部から除去された水分も水素と共に再度燃料電池スタックに供給されるので、水の利用効率も高めることができる。
【００２７】
また、請求項５に記載の燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタック内部における水分をパージすると同時に、新たな水素を循環流路によって循環させることができるので、循環流路中のＣＯ濃度を低減させることができる。
【００２８】
また、請求項６に記載の燃料電池制御装置によれば、水素側と空気側との圧力の均衡を保った状態で、燃料電池スタック内部における水分をパージすることができるので、水素側と空気側との圧力差に起因して燃料電池スタック内部の高分子膜の機能が低下するといった不都合を有効に抑制することができる。
【００２９】
また、請求項７に記載の燃料電池制御装置によれば、空気用制御バルブの後段側の低圧となる部分に十分な容積が確保されるので、水素用制御バルブと水素吸引ポンプとの間に水素タンクを配設して水素用制御バルブの後段側の低圧となる部分の容積を確保した場合でも、これら水素側と空気側との圧力の均衡を保った状態で、高分子膜の機能低下等を生じさせることなく、燃料電池スタック内部における水分を適切にパージすることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
第１の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の一構成例を図１に示す。この図１に示す燃料電池制御装置は、電解質として高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に対して燃料となる水素ガスを供給する水素供給装置２と、燃料電池スタック１に対して酸化剤となる空気を供給する空気供給装置３と、燃料電池スタック１に供給された水素ガスのうちで発電に寄与しない余剰分の水素ガスを燃焼して熱エネルギーに変換する燃焼器４と、当該燃料電池制御装置を構成する各部の制御を行う制御ユニット５とを備えている。
【００３２】
水素供給装置２は、例えば、改質装置６とＣＯ除去装置７とを有しており、改質装置６により水素を含む改質ガスを発生させ、この改質ガス中のＣＯガスをＣＯ除去装置７により除去して、水素ガスとして出力するようになっている。そして、ＣＯ除去装置７から出力された水素ガスが、水素供給流路を通って燃料電池スタック１に供給されることになる。また、ＣＯ除去装置７により除去されたＣＯガスは、燃焼器４に供給されることになる。なお、水素供給装置２としては、以上のものに代えて水素ボンベ等を用いることもできる。また、ＣＯ除去装置７に代えて水素分離膜を用いるようにしてもよい。
【００３３】
水素供給装置２と燃料電池スタック１との間の水素供給流路中には、水素供給装置２からの水素ガスの流量を調整するための流量調整バルブ８と、この流量調整バルブ８により流量が調整された水素ガスを加湿するための加湿装置９とがそれぞれ配設されている。したがって、燃料電池スタック１には、加湿装置９により加湿された水素ガスが供給されることになり、これにより、燃料電池スタック１の電解質として用いられる高分子膜に水分が供給され、この高分子膜がイオン伝導体として機能することになる。なお、高分子膜に水分を供給する方法としては、以上のように水素供給流路中に加湿装置９を設ける例に限らず、例えば、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水を利用して水素ガスや空気を加湿して、高分子膜に水分を供給する方法等の他の方法も適用可能である。
【００３４】
空気供給装置３は、例えば、エアコンプレッサと脱イオンフィルタとを有しており、エアコンプレッサにより圧縮した空気を脱イオンフィルタを通過させて浄化した後に燃料電池スタック１に供給するようになっている。
【００３５】
燃料電池スタック１には、当該燃料電池スタック１内の各燃料電池セルの電圧をモニタリングするためのセル電圧モニタ１０が接続されている。燃料電池スタック１は、このセル電圧モニタ１０により各燃料電池セルの電圧がモニタリングされることによって、その発電状態が常時監視されるようになっている。
【００３６】
燃焼器４は、燃料電池スタック１の後段に配設されており、燃料電池スタック１に供給された水素ガスのうちで発電に寄与しない余剰分の水素ガスが、水素排出流路を介して供給されると共に、燃料電池スタック１から排出された空気が空気排出流路を介して供給されるようになっている。この燃焼器４は、供給された発電に寄与しない余剰分の水素ガスを燃焼して熱エネルギーに変換する。そして、この熱エネルギーを、水素供給装置２の改質装置６やその他の熱エネルギーを必要とする装置に供給する。
【００３７】
燃料電池スタック１と燃焼器４との間の水素排出流路中には、制御ユニット５によって開度が制御される水素用制御バルブ１１と、制御ユニット５によって吸引力が制御される水素吸引ポンプ１２とがそれぞれ配設されている。これら水素用制御バルブ１１や水素吸引ポンプ１２は、水素排出流路を通過する水素ガスの流量や水素排出流路内の圧力を調整する機能を有しており、本発明を適用した燃料電池制御装置では、詳細を後述するように、これら水素用制御バルブ１１の開度や水素吸引ポンプ１２の吸引力を制御することによって、燃料電池スタック１内の水分を適切にパージできるようになっている。
【００３８】
制御ユニット５は、例えば、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御用プログラムを実行することで、水素用制御バルブ１１の開度の制御や水素吸引ポンプ１２の吸引力の制御をはじめとして、燃料電池制御装置を構成する各部の制御を行う。
【００３９】
以上のように構成される燃料電池制御装置は、水素供給装置２から出力され加湿装置９により加湿された水素ガスと、空気供給装置３からの空気とを燃料電池スタック１に供給することによって、燃料電池スタック１にて電力を発生させ、発電に寄与しない余剰分の水素は燃焼器４により燃焼して熱エネルギーを得るようにしている。このとき、例えば、燃料電池スタック１を低ストイキ比で稼働させるような条件の下では、燃料電池スタック１内の水分が過剰となって、燃料電池スタック１の内部に余分な水分が溜まる場合がある。このように燃料電池スタック１の内部に溜まった水分を放置しておくと、発電量の低下を招くことになる。そこで、本発明を適用した燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部に水分が溜まった場合には、水分パージを行って、この燃料電池スタック１内部における水分を除去するようにしている。
【００４０】
ここで、本発明を適用した燃料電池制御装置により燃料電池スタック１内部における水分をパージする処理について、図２のフローチャート及び図３のタイムチャートを参照して説明する。
【００４１】
図２に示すように、パージシーケンスがスタートすると、先ず、ステップ１−１（Ｓ１−１）において、セル電圧モニタ１０により燃料電池スタック１内の燃料電池セルの電圧低下が検出される。この燃料電池セルの電圧低下を示す情報は、制御ユニット５に供給される。制御ユニット５は、セル電圧モニタ１０から燃料電池セルの電圧低下を示す情報が供給されることにより、燃料電池スタック１にパージが必要なフラッティングが生じている可能性があることを検知する。そして、制御ユニット５は、燃料電池スタック１を保護するために、流量調整バルブ８等を制御して、ストイキ比を一時的に低下させる処理を行う。
【００４２】
次に、ステップ１−２（Ｓ１−２）において、制御ユニット５が、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させる処理を行う。これにより、パージシーケンス中における燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比低下が抑制されることになる。このとき、図１中のＰ１における圧力、すなわち水素用制御バルブ１１の前段側における圧力は、図３（ｔ０〜ｔ１）に示すように、水素吸引ポンプ１２の吸引力の増加分だけ低下することになる。
【００４３】
次に、ステップ１−３（Ｓ１−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、水素吸引ポンプ１２の吸引力の増大に伴う燃料極側のストイキ比増加によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、制御ユニット５は、ステップ１−４（Ｓ１−４）においてパージは不要と判断して、ステップ１−５（Ｓ１−５）において水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻す処理を行う。このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻した際に燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比を再び増加させる必要があるため、制御ユニット５は、ステップ１−６（Ｓ１−６）において燃料極側のストイキ比を増加させるように制御目標を変更した上で、ステップ１−７（Ｓ１−７）において通常の稼働を継続させる処理を行う。
【００４４】
一方、ステップ１−３（Ｓ１−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における水分が過剰となっていると判断し、ステップ１−８（Ｓ１−８）において水素用制御バルブ１１の開度を小さくして、この水素用制御バルブ１１の圧力損失を増加させる処理を行う。これにより、図１中のＰ２における圧力、すなわち、水素用制御バルブ１１の後段側における圧力が、図４（ｔ１〜ｔ２）に示すように低下して、水素用制御バルブ１１の後段に低圧領域が形成されることになる。
【００４５】
このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力がそのままの状態となっていると、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの流量低下を招くことになるので、制御ユニット５は、ステップ１−９（Ｓ１−９）において、水素用制御バルブ１１の圧力損失増加に相当する分だけ、水素吸引ポンプ１２の吸引力を更に増大させる処理を行う。これにより、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力が、図４（ｔ１〜ｔ２）に示すようにほぼ一定に保たれ、水素用制御バルブ１１を通過する水素ガスの流量が大きく変化すことなく、この水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力が低下することになる。
【００４６】
次に、ステップ１−１０（Ｓ１−１０）において、水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力低下が検出され、水素用制御バルブ１１の後段に十分な低圧領域が形成されていることが確認されると、制御ユニット５は、ステップ１−１１（Ｓ１−１１）において、水素用制御バルブ１１を開放すると共に水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時と同程度にまで低下させる処理を行う。これにより、ステップ１−１２（Ｓ１−１２）において、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量が増大して、この水素ガスと共に燃料電池スタック１内部の水分が排出され、水分のパージが行われることになる。このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力は通常稼働時と同程度とされているので、一度に大量の水素ガスが燃焼器４に供給されるといった不都合が有効に抑制される。
【００４７】
以上のように、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量を増大させて水分のパージを行った後には、図３（ｔ３）に示すように、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時よりも若干低下することになる。そこで、ステップ１−１３（Ｓ１−１３）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力と水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力とがほぼ等しくなっていることが検出され、水分のパージが完了したことが確認されると、制御ユニット５は、ステップ１−１４（Ｓ１−１４）において、流量調整バルブ８等を制御して水素供給装置２から燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量を増加させる処理を行う。これにより、ステップ１−１５（Ｓ１−１５）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が、図３（ｔ４）に示すように、通常稼働時における設定値（Ｐｏｐ）とほぼ等しい値にまで速やかに回復することになる。
【００４８】
水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時における設定値とほぼ等しい値にまで回復したら、次に、ステップ１−１６（Ｓ１−１６）において、以上のようなパージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、以上のようなパージ処理によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、ステップ１−１７（Ｓ１−１７）においてパージシーケンスを終了させて、通常の稼働に復帰する処理を行う。
【００４９】
一方、ステップ１−１６（Ｓ１−１６）において、パージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における余分な水分が完全に除去されていないと判断し、再度ステップ１−８（Ｓ１−８）に戻って、一連のパージ処理を繰り返し行うようにする。
【００５０】
本発明を適用した燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部に余分な水分が溜まった場合には、以上のようなパージ処理を行って、この余分な水分を燃料電池スタック１の外部に排出するようにしている。したがって、この燃料電池制御装置によれば、燃料電池スタック１の内部に余分な水分が溜まっていることに起因する燃料電池セルの電圧値低下を有効に抑制して、燃料電池スタック１の適切な稼働状態を保つことができる。
【００５１】
また、本発明を適用した燃料電池制御装置では、上述したように、制御ユニット５による水素用制御バルブ１１の開度の制御と水素吸引ポンプ１２の吸引力の制御とにより水分のパージを行うようにしているので、水分パージを行うために当該燃料電池制御装置の構造を複雑なものとすることなく、極めて簡素な構造で適切に水分パージを行うことができる。
【００５２】
また、この燃料電池制御装置では、水分のパージを行うために燃料電池スタック１の運転圧を高める必要がないので、燃料電池スタック１の運転圧を高める場合に問題となる消費電力の大幅な増加を招くこともない。詳述すると、この燃料電池制御装置では、水素吸引ポンプ１２が、燃料電池スタック１に供給された水素ガスのうちで発電に寄与せずにこの燃料電池スタック１から排出される余剰分の水素ガスに対して仕事をするようになっており、燃料電池スタック１の燃料極側におけるストイキ比が小さい状態では水素吸引ポンプ１２の仕事量は少なく、このように少ない仕事量で水分のパージを適切に行うことができるので、燃料電池スタック１の運転圧を高めて水分のパージを行う場合に比べて、消費電力を大幅に低減させることができる。
【００５３】
また、この燃料電池制御装置では、発電に寄与せずに燃料電池スタック１から排出された余剰分の水素ガスを燃焼器４により燃焼して熱エネルギーに変換し、水素供給装置２の改質装置６等の熱エネルギーが必要とされる部分に供給するようにしているので、燃料電池スタック１から排出された余剰分の水素ガスを有効利用して、燃料電池スタック１を効率的に稼働させることが可能となる。
【００５４】
第２の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の他の構成例を図４に示す。この図４に示す燃料電池制御装置は、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを一時的に蓄える水素タンク１３が設けられていることを特徴とするものである。その他の部分及び動作については、図１に示した燃料電池制御装置と同様であるので、ここでは特徴的な部分についてのみ説明する。
【００５５】
この図４に示す燃料電池制御装置は、図１に示した燃料電池制御装置と同様のパージシーケンスによって燃料電池スタック１内部における水分をパージすることができる。このとき、図４に示す燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられているので、水素用制御バルブ１１の開度を小さくしたときに、水素用制御バルブ１１の後段に大容量の低圧領域が形成されることになる。すなわち、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられることによって、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２間の水素排出流路の容積に加えて、水素タンク１３の容積が低圧領域として確保される。
【００５６】
したがって、この燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１を開放して燃料電池スタック１内部の水分をパージする際に、大流量の水素ガスを燃料電池スタック１から排出させることができ、水分のパージを極めて良好に行うことができる。
【００５７】
また、この燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられて低圧領域の容積が大きくされたことで、水素用制御バルブ１１を開放した際に低圧領域に流入する水素ガスの速度エネルギーがこの低圧領域にて吸収されることになり、水素ガスが瞬時に大流量で燃焼器４に供給される不都合が抑制される。
【００５８】
したがって、この燃料電池制御装置では、燃焼器４に瞬時に大流量の水素ガスが供給された場合に問題となる燃焼器４の過昇温等を有効に抑制し、燃焼器４の機能低下を未然に防止することができる。
【００５９】
第３の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の更に他の構成例を図５に示す。この図５に示す燃料電池制御装置は、燃料電池スタック１後段の水素排出流路に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを再度燃料電池スタック１に供給して、水素ガスを循環させるための水素循環流路が設けられており、この水素循環流路中に水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２とが配設されていることを特徴とするものである。その他の部分及び動作については、図１に示した燃料電池制御装置とほぼ同様であるので、ここでは特徴的な部分についてのみ説明する。
【００６０】
この図５に示す燃料電池制御装置では、燃焼器４の前段の水素排出流路中に、燃焼器４に供給する水素ガスの流量を調整するための第２の水素用制御バルブ１４が設けられているが、この第２の水素用制御バルブ１４は閉じた状態或いは開度を小さくした状態とされており、燃料電池スタック１から排出された水素ガスの全部又は多くの部分が水素循環流路中を循環するようになされている。
【００６１】
この図５に示す燃料電池制御装置は、図１に示した燃料電池制御装置と同様のパージシーケンスによって燃料電池スタック１内部における水分をパージすることができる。このとき、図５に示す燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１から排出された水素ガスが水素循環流路を通って再度燃料電池スタック１に供給されることになるので、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを有効に再利用して水素の利用効率を高め、水素供給装置２から燃料電池スタック１に供給する水素量を低減させることができる。なお、この燃料電池制御装置では、水素循環流路により循環する水素ガスの流量が、燃料極側のストイキ比の変動や燃焼器４に供給される水素ガスの流量等に応じて変化することになるので、この循環する水素ガスの流量変化に応じて、制御ユニット５が流量調整バルブ８を制御して、水素供給装置２から燃料電池スタック１に新たに供給される水素ガスの流量を変化させることが望ましい。
【００６２】
また、この燃料電池制御装置では、水分パージによって燃料電池スタック１から排出された水分も水素ガスと共に水素循環流路を通り、加湿装置９を介して再度燃料電池スタック１に供給されることになるので、燃料電池スタック１から排出された水分も有効に再利用して、水の利用効率も高めることができる。なお、燃料電池スタック１から水分パージによって排出される水分は液体水分であるので、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの温度が低く、この水素ガスの熱により液体水分を気化することができない場合には、水素循環流路中に蒸発器を設けてこの蒸発器により液体水分を気化させ、或いは凝縮器等にこの液体水分を回収した後に再度燃料電池スタック１に供給することが望ましい。
【００６３】
また、この燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１を、図５中の破線で示すように、燃焼器４へ向かう水素排出流路と燃料電池スタック１へ向かう水素循環流路とが分岐する位置よりも前段側に配設するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００６４】
第４の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の更に他の構成例を図６に示す。この図６に示す燃料電池制御装置は、基本構成を図５に示した燃料電池制御装置と同様としながら、燃料電池スタック１の内部における水分をパージする際には、水素循環流路中に配設された水素用制御バルブ１１と並列となるように燃焼器４の前段の水素排出流路中に配設された第２の水素用制御バルブ１４の開度が、制御ユニット５により制御されるようになっている。なお、この図６に示す燃料電池制御装置も、通常稼働時においては、図５に示した燃料電池制御装置と同様に、第２の水素用制御バルブ１４は閉じた状態或いは開度を小さくした状態とされており、燃料電池スタック１から排出された水素ガスの全部又は多くの部分が水素循環流路中を循環するようになされている。
【００６５】
また、この図６に示す燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部における水分をパージすると同時に、水素循環流路を通って循環する水素ガスに含有するＣＯ濃度を低下できるようになっており、燃料電池スタック１の前段には、ＣＯ濃度を検出するためのＣＯセンサが接続されている。
【００６６】
この図６に示す燃料電池制御装置では、燃料電池スタック１の内部における水分をパージする際の処理が、上述した第１乃至第３の実施の形態とは若干異なっている。以下、この図６に示す燃料電池制御装置により燃料電池スタック１の内部における水分をパージする処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。
【００６７】
この燃料電池制御装置において、パージシーケンスがスタートすると、先ず、ステップ２−１（Ｓ２−１）において、セル電圧モニタ１０により燃料電池スタック１内の燃料電池セルの電圧低下が検出され、その情報が制御ユニット５に供給され、燃料電池スタック１にパージが必要なフラッティングが生じている可能性があることが検知される。そして、制御ユニット５により流量調整バルブ８等が制御され、ストイキ比を一時的に低下させる処理が行われる。
【００６８】
次に、ステップ２−２（Ｓ２−２）において、制御ユニット５により、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させる処理が行われる。これにより、パージシーケンス中における燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比低下が抑制されることになる。
【００６９】
次に、ステップ２−３（Ｓ２−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、水素吸引ポンプ１２の吸引力の増大に伴う燃料極側のストイキ比増加によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、制御ユニット５は、ステップ２−４（Ｓ２−４）においてパージは不要と判断して、ステップ２−５（Ｓ２−５）において水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻す処理を行う。このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力を元に戻した際に燃料電池スタック１の燃料極側のストイキ比を再び増加させる必要があるため、制御ユニット５は、ステップ２−６（Ｓ２−６）において燃料極側のストイキ比を増加させるように制御目標を変更した上で、ステップ２−７（Ｓ２−７）において通常の稼働を継続させる処理を行う。
【００７０】
一方、ステップ２−３（Ｓ２−３）において、水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時よりも増大させた後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における水分が過剰となっていると判断し、ステップ２−８（Ｓ２−８）において水素用制御バルブ１１の開度を小さくして、この水素用制御バルブ１１の圧力損失を増加させる処理を行う。
【００７１】
このとき、水素吸引ポンプ１２の吸引力がそのままの状態となっていると、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの流量低下を招くことになるので、制御ユニット５は、ステップ２−９（Ｓ２−９）において、水素用制御バルブ１１の圧力損失増加に相当する分だけ、水素吸引ポンプ１２の吸引力を更に増大させる処理を行う。これにより、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力がほぼ一定に保たれ、水素用制御バルブ１１を通過する水素ガスの流量が大きく変化すことなく、この水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力が低下することになる。
【００７２】
次に、ステップ２−１０（Ｓ２−１０）において、制御ユニット５により第２の水素用制御バルブ１４の開度が大きくされる。これにより、水素循環流路中の水素ガスが第２の水素用制御バルブ１４を通過して燃焼器４に供給されることになる。このとき、水素吸引ポンプ１２及び水素供給装置２から供給される水素ガスの流量は変化しないので、燃料電池スタック１を流れる水素ガスの流量も変化しない。これに対して、燃焼器４に供給される水素ガスの流量は増加することになるが、水素用制御バルブ１１の開度を小さくする処理や水素吸引ポンプ１２の吸引力を増大させる処理、第２の水素用制御バルブの開度を大きくする処理をゆっくりと行うことで、燃焼器４に瞬時に大流量の水素ガスが供給されることを防止して、燃焼器４の過昇温等を有効に抑制することができる。
【００７３】
次に、ステップ２−１１（Ｓ２−１１）において、水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力低下が検出され、水素用制御バルブ１１の後段に十分な低圧領域が形成されていることが確認されると、制御ユニット５は、ステップ２−１２（Ｓ２−１２）において、水素用制御バルブ１１を開放すると共に水素吸引ポンプ１２の吸引力を通常稼働時と同程度にまで低下させる処理を行う。更に、このとき、制御ユニット５は、第２の水素用制御バルブ１４の開度を小さくする処理も行う。これにより、ステップ２−１３（Ｓ２−１３）において、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量が増大して、この水素ガスと共に燃料電池スタック１内部の水分が排出され、水分のパージが行われることになり、また、燃焼器４側の水素排出流路から水素循環流路へと水素ガスが逆流することが防止される。
【００７４】
以上のように、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量を増大させて水分のパージを行った後には、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時よりも若干低下することになるので、ステップ２−１４（Ｓ２−１４）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）における圧力と水素用制御バルブ１１の後段側（Ｐ２）における圧力とがほぼ等しくなっていることが検出され、水分のパージが完了したことが確認されると、制御ユニット５は、ステップ２−１５（Ｓ２−１５）において、流量調整バルブ８等を制御して水素供給装置２から燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量を増加させる処理を行う。これにより、ステップ２−１６（Ｓ２−１６）において、水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時における設定値とほぼ等しい値にまで速やかに回復すると共に、燃焼器４に供給された水素ガスに代わり新たに水素供給装置２から供給された水素ガスが、水素循環流路中に流入して循環することになる。
【００７５】
水素用制御バルブ１１の前段側（Ｐ１）及び後段側（Ｐ２）の圧力が通常稼働時における設定値とほぼ等しい値にまで回復したら、次に、ステップ２−１７（Ｓ２−１７）において、以上のようなパージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも大きくなっているか否かが、制御ユニット５により判定される。そして、以上のようなパージ処理によって燃料電池セルの電圧値が回復し、基準電圧値よりも大きくなっている場合には、ステップ２−１８（Ｓ２−１８）においてパージシーケンスを終了させて、通常の稼働に復帰する処理を行う。
【００７６】
一方、ステップ２−１７（Ｓ２−１７）において、パージ処理を行った後の燃料電池セルの電圧値が、予め設定された基準電圧値よりも小さいと判定された場合には、制御ユニット５は、燃料電池スタック１内部における余分な水分が完全に除去されていないと判断し、再度ステップ２−８（Ｓ２−８）に戻って、一連のパージ処理を繰り返し行うようにする。
【００７７】
この燃料電池制御装置では、以上のようなパージシーケンスによって燃料電池スタック１の内部に溜まった余分な水分をパージすることにより、水分パージを行うと同時に、水素循環流路により循環する水素ガスに含有するＣＯ濃度を低下させることが可能となっている。詳述すると、この燃料電池制御装置では、通常稼働中に燃料電池スタック１から排出された水素ガスが水素循環流路を通って循環しているため、水素循環流路を通る水素ガスに含有するＣＯ濃度が徐々に高くなっていくことになる。このとき、上述したパージシーケンスによって燃料電池スタック１内部における水分のパージが行われると、第２の水素用制御バルブ１４の開度が大きくされることによって、ＣＯ濃度の高い水素ガスが第２の水素用制御バルブ１４を介して燃焼器４へと供給されることになり、また、第２の水素用制御バルブ１４の開度が小さくされ、水素供給装置２から供給される水素ガスの流量が増加されることによって、燃焼器４に供給されたＣＯ濃度の高い水素ガスに代わり新たに水素供給装置２から供給された水素ガス、すなわち、ＣＯ濃度の低い水素ガスが水素循環流路中に流入することになる。したがって、パージシーケンスが終了して通常の稼働状態に復帰したときには、水素循環流路により循環する水素ガスのＣＯ濃度が低下することになる。
【００７８】
なお、この燃料電池制御装置では、水素循環流路により循環する水素ガスのＣＯ濃度をＣＯセンサ１５により検出して、このＣＯセンサ１５により検出された値が所定の基準値を上回る場合には、燃料電池スタック１内の水分をパージする必要がない場合でも上述した一連の処理を行って、循環する水素ガスのＣＯ濃度の低減を優先的に行うこともできる。この場合には、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの瞬時流量を増大させる必要がないので、水素用制御バルブ１１を開放する動作を必ずしも瞬時に行う必要はない。
【００７９】
第５の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の更に他の構成例を図８に示す。この図８に示す燃料電池制御装置は、基本構成を図１に示した燃料電池制御装置と同様とし、水素排出流路中に水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２とがそれぞれ設けられていることに加えて、空気排出流路中に、水素用制御バルブ１１と同様に制御ユニット５によって開度が制御される空気用制御バルブ１６と、水素吸引ポンプ１２と同様に制御ユニット５によって吸引力が制御される空気吸引ポンプ１７とがそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
【００８０】
この図８に示す燃料電池制御装置では、空気排出流路中に空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７とが設けられて、空気排出側の構造が水素排出側と同等の構造とされているので、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うようにすれば、水素側と空気側とで大きな圧力差を生じさせることなく、燃料電池スタック１内部の水分を適切にパージすることができる。
【００８１】
詳述すると、燃料電池スタック１内部における水分のパージを行う際に、水素側と空気側とで大きな圧力差が生じると燃料電池スタック１の電解質として用いている高分子膜の機能が低下してしまう場合がある。しかしながら、この図８に示す燃料電池制御装置では、空気排出流路中に空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７とが設けられて、空気排出側の構造が水素排出側と同等の構造とされているので、図２に示したようなパージシーケンスにおいて、水素用制御バルブ１１の開度を制御するのと同時に、空気用制御バルブ１６に対しても同様に開度の制御を行い、また、水素吸引ポンプ１２の吸引力を制御するのと同時に、空気吸引ポンプ１７に対しても同様の吸引力の制御を行うことによって、水素側の圧力と空気側の圧力とを常にほぼ同等に保ちながら燃料電池スタック１内部における水分のパージを行うことができ、水素側と空気側との圧力差に起因する高分子膜の機能低下等を生じさせることなく、適切な水分パージを行うことができる。
【００８２】
また、この図８に示す燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うことにより、燃料電池スタック１から排出された水素ガスと空気とを燃焼器４に対して同配分で供給することができるので、燃焼器４の過昇温等を有効に抑制し、燃焼器４の機能低下を未然に防止することができる。
【００８３】
第６の実施の形態
本発明を適用した燃料電池制御装置の他の構成例を図９に示す。この図９に示す燃料電池制御装置は、基本構成を図８に示した燃料電池制御装置と同様とし、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを一時的に蓄える水素タンク１３が設けられていると共に、空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７との間に、燃料電池スタック１から排出された空気を一時的に蓄える空気タンク１８が設けられていることを特徴とするものである。
【００８４】
この図９に示す燃料電池制御装置は、空気排出流路中に空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７とが設けられていることに加えて、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３、空気用制御バルブ１６と空気吸引ポンプ１７との間に空気タンク１８がそれぞれ設けられており、図８に示した燃料電池制御装置と同様に、空気排出側と水素排出側とが同等の構造とされているので、第５の実施の形態と同様のパージシーケンスによって、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うことにより、水素側と空気側との間に高分子膜の機能低下等の要因となる大きな圧力差を生じさせることなく、燃料電池スタック１内部の水分を適切にパージすることができる。
【００８５】
また、この図９に示す燃料電池制御装置では、図４に示した燃料電池制御装置と同様に、水素用制御バルブ１１と水素吸引ポンプ１２との間に水素タンク１３が設けられているので、水素用制御バルブ１１の開度を小さくしたときに、水素用制御バルブ１１の後段に大容量の低圧領域が形成されることになり、水素用制御バルブ１１を開放して燃料電池スタック１内部の水分をパージする際に、大流量の水素ガスを燃料電池スタック１から排出させることができ、水分のパージを極めて良好に行うことができる。
【００８６】
更に、この図９に示す燃料電池制御装置では、水素用制御バルブ１１及び水素吸引ポンプ１２の制御と空気制御バルブ１６及び空気吸引ポンプ１７の制御とを同時進行で行うことにより、燃料電池スタック１から排出された水素ガスと空気とを燃焼器４に対して同配分で供給することができるので、燃焼器４の過昇温等を有効に抑制し、燃焼器４の機能低下を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】上記第１の実施の形態のパージシーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図３】上記第１の実施の形態のパージシーケンスを説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図７】上記第４の実施の形態のパージシーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第５の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素供給装置
３ 空気供給装置
４ 燃焼器
５ 制御ユニット
１１ 水素用制御バルブ
１２ 水素吸引ポンプ
１３ 水素タンク
１４ 第２の水素用制御バルブ
１６ 空気用制御バルブ
１７ 空気吸引ポンプ
１８ 空気タンク
Claims (7)
- 固体高分子電解質型の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに水素を供給する水素供給装置と、
前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給装置と、
前記燃料電池スタックの後段側に配設され、前記燃料電池スタックから水素を吸引するための水素吸引ポンプと、
前記燃料電池スタックと前記水素吸引ポンプとの間に配設され、開度が制御可能とされた水素用制御バルブと、
当該燃料電池制御装置の動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素吸引ポンプの吸引力を通常稼働時よりも増大させると共に、前記水素用制御バルブの開度を小さくしてこの水素用制御バルブの圧力損失を増加させることで、前記水素用制御バルブを通過する水素の流量を大きく変化させることなくこの水素用制御バルブの後段側における圧力を低下させ、その後、前記水素用制御バルブを開放することによって、前記燃料電池スタック内部から排出される水素の瞬時流量を増大させて、前記燃料電池スタック内部における水分をパージすることを特徴とする燃料電池制御装置。 - 前記燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部を燃焼させて熱エネルギーに変換する燃焼器を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
- 前記水素用制御バルブと前記水素吸引ポンプとの間に、前記燃料電池スタックから排出された水素を一時的に蓄える水素タンクが配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池制御装置。
- 前記燃料電池スタックから排出された水素の少なくとも一部を再度前記燃料電池スタックに供給して水素を循環させる水素循環流路を備え、この水素循環流路中に前記水素用制御バルブ及び前記水素吸引ポンプが配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池制御装置。
- 前記水素循環流路中に配設された水素用制御バルブと並列となるように、前記燃焼器の前段に配設され、開度が制御可能とされた第２の水素用制御バルブを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素用制御バルブの開度を小さくすると共に前記第２の水素用制御バルブの開度を大きくし、その後、前記水素制御バルブを開放すると共に前記第２の水素用制御バルブの開度を小さくすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御装置。 - 前記燃料電池スタックの後段側に配設され、前記燃料電池スタックから空気を吸引するための空気吸引ポンプと、
前記燃料電池スタックと前記空気吸引ポンプとの間に配設され、開度が制御可能とされた空気用制御バルブとを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタック内部における水分が過剰となっていると判断したときに、前記水素吸引ポンプの吸引力に加えて前記空気吸引ポンプの吸引力も通常稼働時より増大させると共に、前記水素用制御バルブの開度に加えて前記空気用制御バルブの開度も小さくし、その後、前記水素用制御バルブを開放すると共に前記空気用制御バルブも開放することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池制御装置。 - 前記空気用制御バルブと前記空気吸引ポンプとの間に、前記燃料電池スタックから排出された空気を一時的に蓄える空気タンクが配設されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池制御装置。
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