JP3879409B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料極から排出される未反応ガスと外部より新たに供給される原燃料ガスとを混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られ、環境汚染物質の排出がないため環境的に優れている等のメリットを有する。
【０００３】
近年、このような燃料電池の一方式として、電解質に従来のリン酸水溶液に代えて固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化を可能とし、且つ、取扱が困難な酸水溶液を不要とした固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００４】
この固体高分子型燃料電池においては、水素と酸素はそれぞれ燃料極と空気極に供給され、固体高分子膜を挟んで反応する。
【０００５】
また、燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減すること、並びに、水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極から排出される未反応ガス（以下排出ガスと呼ぶ）を再循環させ、エゼクタ循環装置で、外部から新たに供給される水素の濃い原燃料ガスと混合させて、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式の燃料電池システムが、特開平９−２２７７１４号公報や特開平９−２１３３５３号公報等において各種提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のエゼクタ循環装置を利用して排出ガスを燃料電池本体に再循環させる燃料電池システムでは、エゼクタ循環装置の入口ガス圧力を１段の圧力調整器によって制御しているので、次のような問題点があった。
【０００７】
即ち、この種の圧力調整器としては、一般的に開口面積可変絞り型の圧力調整弁を使用することが多いが、この種の圧力調整弁は、上流圧が高いと、絞り面積の変化に対するガス流量の変化が大きくなり、制御性が悪化してしまう傾向がある。このため、前記のシステムを自動車用の燃料電池システムのような要求負荷範囲が広い場合に適用した場合、アイドル負荷から最大負荷までの全域にわたって燃料ガスの圧力および流量を精度良く制御できないという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明は、広い運転負荷範囲にわたり、燃料ガスの流量及び圧力を安定して精度良く制御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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスと新たに供給される水素濃度の高い原燃料ガスとを混合するエゼクタ循環装置と、前記エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記エゼクタ循環装置に前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路上に直列に配され、前記燃料電池本体の運転状況に応じてそれぞれの下流側の圧力を独立に調整可能である少なくとも２つの圧力調整器と、前記少なくとも２つの圧力調整器の間に配され、前記圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を要求時に所定値まで低下させるリリーフ手段を備えたことを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以下の場合は、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器を制御することで所定の一定値に保持すると共に、最下流の圧力調整器の弁開度を負荷の変化に伴って増減させる一方、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以上の場合は、最下流の圧力調整器の弁開度を略一定に制御すると共に、負荷の変化に伴って、最下流の圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器の弁開度を増減させることで制御する制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整器は、直列に接続された２つの圧力調整器からなり、そのうち上流側に配された圧力調整器を制御圧力の異なる２つの並列に配された機械式圧力調整弁により構成し、前記２つの機械式圧力調整弁のうちの制御圧力の高い機械式圧力調整弁の上流で且つ原燃料ガス供給源から前記２つの機械式圧力調整弁へ連通する配管の分岐部の下流に、要求負荷が所定値を超えない場合は流路を遮断し所定値を超えた場合に流路を開く遮断弁を備えたことを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスと新たに供給される水素濃度の高い原燃料ガスとを混合するエゼクタ循環装置と、前記エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記エゼクタ循環装置に前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路上に直列に配され、前記燃料電池本体の運転状況に応じてそれぞれの下流側の圧力を独立に調整可能である少なくとも２つの圧力調整器と、前記少なくとも２つの圧力調整器の間に配され、前記圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部と、を備えたので、運転状況に応じて燃料ガスの多段減圧を行うことができるようになり、最下流側圧力調整器の下流に位置するエゼクタ循環装置の入口ガス圧を広い圧力範囲に亘って精度良く安定的に制御することができるという効果を奏する。
【００１５】
従って、広い運転負荷領域に対応してエゼクタ循環装置のガス流量を安定的に制御できるようになり、それにより、エゼクタ循環装置の吸引口から吸い込んで燃料電池本体に再循環させる排出ガスの量も広い運転負荷域で所定値以上を維持することができるので、固体高分子膜型燃料電池の場合における、燃料極に水滴が溜まって発電効率が低下するなどの問題を回避できるという効果も奏する。
【００１６】
さらに、前記少なくとも２つの圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部を前記圧力調整器の間に備えたので、この容積部のバッファ機能により、容積部よりも上流側の圧力調整器の応答性・制御性に対する要求を低下させることができるという効果を奏する。つまり、上流側圧力調整器の応答性や制御性に対する要求を緩めることができ、コストの低減を図ることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を要求時に所定値まで低下させるリリーフ手段を備えたことにより、要求負荷が急減した場合に、最下流に位置する圧力調整器の上流圧を速やかに低減させて、低負荷域での燃料ガス量の制御性を良好に保つことができるという効果がある。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加えて、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以下の場合は、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器を制御することで所定の一定値に保持すると共に、最下流の圧力調整器の弁開度を負荷の変化に伴って増減させる一方、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以上の場合は、最下流の圧力調整器の弁開度を略一定に制御すると共に、負荷の変化に伴って、最下流の圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器の弁開度を増減させることで制御する制御手段を備えたことにより、要求負荷に応じて制御対象の圧力調整器が絞り込まれるため、制御が簡単となるという効果を奏する。また、圧力調整器の開口面積を、負荷の増減に応じて単調に制御するだけでよくなるため、制御の安定性が向上する。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３の発明の効果に加えて、前記圧力調整器は、直列に接続された２つの圧力調整器からなり、そのうち上流側に配された圧力調整器を制御圧力の異なる２つの並列に配された機械式圧力調整弁により構成し、前記２つの機械式圧力調整弁のうちの制御圧力の高い機械式圧力調整弁の上流で且つ原燃料ガス供給源から前記２つの機械式圧力調整弁へ連通する配管の分岐部の下流に、要求負荷が所定値を超えない場合は流路を遮断し所定値を超えた場合に流路を開く遮断弁を備えたことにより、要求負荷に応じて下流側圧力調整器に供給される圧力を２段階に変更することができるという効果がある。
【００２０】
即ち、燃料電池本体に要求される負荷が所定値を超えない状態では、遮断弁が閉じるので、下流側圧力調整器の上流圧を、低圧側の機械式圧力調整弁によって定まる低い圧力に自動的に調整する一方、要求負荷が所定値を超えた場合には、遮断弁が開いて高圧側の機械式圧力調整弁による調圧機能が働き、下流側圧力調整器の上流圧を高い圧力に自動的に調整することで、下流側圧力調整器の上流圧を測定した上で上流側圧力調整器の制御に反映させるフィードバック制御を行う必要がなくなり、制御ロジックが簡略化できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を示す全体構成図である。同図において、燃料電池本体（燃料電池スタック）１は、燃料極２と空気極１０とを有する。実際は、これに冷却水の配管が組み込まれるが、本図ではガス系のみを示す。燃料極２と空気極１０とは、固体高分子膜（図示略）を隔ててスタック中で接合されており、燃料極２で電離した水素イオンが水分を媒体として高分子膜中を空気極１０へ移動し、空気極１０では水素イオンと外部負荷を移動した電子と酸素とが結合して水を生成する。
【００２２】
本図示例では、燃料の水素ガスを直接保有する方式を示し、水素貯蔵タンク４の中には水素ガスが圧縮されて高圧状態で貯蔵されている。水素ガスは、水素貯蔵タンク４から直列に配された２つの圧力調整器５ｂ、５ａを介して減圧され、燃料電池本体１を含む循環管路に送られる。エゼクタ循環装置６は、水素貯蔵タンク４から送られてくる水素濃度の高い原燃料ガスと、燃料電池本体１の燃料極２を通過した後の排出ガスとを混合して下流に流すものである。エゼクタ循環装置６を通過した混合ガスは、加湿器３を通過することにより略飽和状態まで加湿された上で、燃料電池本体１に流入する。燃料電池本体１の燃料極２で水素を消費した後の排出ガスは、水回収装置７で水分を回収された上で、エゼクタ循環装置６へ送られて、再循環させられる。
【００２３】
図１において、１８ａは水素貯蔵タンク４からエゼクタ循環装置６の入口６ａに原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路、１８ｂはエゼクタ循環装置６で混合された燃料ガスをエゼクタ循環装置６の出口６ｂから加湿器３を介して燃料電池本体１に供給する燃料ガス流路、１８ｃは燃料電池本体１の燃料極２からの排出ガスをエゼクタ循環装置６の吸引口（サクション口）６ｃへ導く排出ガス流路で、これら流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃは配管で構成されている。
【００２４】
そして、圧力調整器５ａ、５ｂは原燃料ガス流路１８ａの途中に直列に配され、下流側圧力調整器５ａと上流側圧力調整器５ｂとの間には、２つの圧力調整器５ａ、５ｂの間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部１２が配設されている。
【００２５】
燃料電池本体１の電力出力要求が急に小さくなった場合には、循環管路中の水素が燃料電池本体１で消費しきれなくなるので、そのときは、燃料電池本体１の下流に設けたパージ弁８を開き、外部へ放出する。ただし、水素を大気へ直接放出するのは好ましくないので、後に説明する余剰空気と共に反応器１４で反応させて水蒸気として放出するようにしている。
【００２６】
燃料電池本体１の燃料極２への供給水素圧力制御は圧力制御弁５ａ、５ｂにて行うが、その際、燃料極２付近の圧力を検出する方法を用いることが多いので、本図示例では、圧力センサ１７を燃料電池本体１の入口に設置している。
【００２７】
一方、燃料電池本体１の空気極１０へ空気を送り込む空気供給ラインには、まず、大気を取り込んで圧縮する圧縮機１１が最上流に設置されている。圧縮機１１で圧縮された空気についても、水素と同様に、加湿器３を通して略飽和状態まで加湿した上で、燃料電池本体１に流入させるようにしている。そして、燃料電池本体１の空気極１０で空気中の酸素分を消費して余った空気ガスは、燃料電池本体１内で反応してできた水分を含んでいるから、水回収装置１５を通過させた上で圧力制御バルブ１６を介して大気へ放出するようになっている。この場合、空気圧力は、要求負荷に応じた圧力となるように圧力制御バルブ１６により制御される。
【００２８】
また、燃料電池本体１の空気極１０の出口と圧力調整バルブ１６の間には空気ラインの分岐部が設けられ、分岐ラインは空気パージ弁１３を介して反応器１４に接続されている。そして、水素循環系に配したパージ弁８が開いて燃料ガスを循環系外に排出した場合に、空気パージ弁１３を開いて、燃料ガスの反応に必要な空気を反応器１４に供給できるようになっている。
【００２９】
なお、図示はしないが、水回収装置７、１５にて回収された水は、加圧ポンプにより加湿器３に供給されて再利用されるようになっている。
【００３０】
図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける水素供給循環系のみの構成を示す図である。
燃料電池本体１の燃料極２への供給水素圧力は、燃料電池本体１の上流に配した圧力センサ１７の出力値を参照しながら、要求負荷に応じて予め定めた所定値となるように下流側圧力調整器５ａにて制御する。
【００３１】
また、上流側圧力調整器５ｂと下流側圧力調整器５ａの間の流路には、上流側圧力調整器５ｂにおける圧力制御性の要求を低下させるための容積部１２及び圧力測定のための圧力センサ１９が設けられており、容積部１２の圧力を、圧力センサ１９の出力値を参照しながら、要求負荷に応じて予め定めた所定値となるように上流側圧力調整器５ａにて制御する。
【００３２】
さらに容積部１２には、要求負荷が急減した場合に、容積部１２の圧力を予め定められた低圧状態に速やかに低下させるためのリリーフ弁２０が接続されており、このリリーフ弁２０は、圧力センサ１９の測定値により開閉制御されるようになっている。
【００３３】
図３はエゼクタ循環装置６の構造を示した断面図である。図３に示すように、エゼクタ循環装置６の入口６ａから注入された原燃料ガス流は、吸引口（サクション口）６ｃとの合流部の前で絞られて流速が増す。この後、吸引口６ｃとの合流部で一度流路が広くなることにより、吸引口６ｃに対して負圧を発生する。この負圧と、エゼクタ入口６ａからの原燃料ガスの流れによって、吸引口６ｃから再循環ガスが吸引され、エゼクタ循環装置６内部で混合流が発生する。混合されたガス流は、圧力損失を最小限にするために徐々に広がっていき、出口６ｂから出ていく。
【００３４】
図４はエゼクタ循環装置６の特性図で、エゼクタ循環装置６の入口６ａのガス圧力をＰ１、入口６ａのガス流量をＱ１、吸引口６ｃから吸引される再循環ガスの流量をＱ２とした場合のこれらの関係を示している。図４（ａ）は、入口ガス流量Ｑ１に対する吸引ガス流量Ｑ２の関係を示した図である。流量は標準状態における体積流量として示してある。
【００３５】
燃料電池の発電効率を向上させるためには、入口ガス流量Ｑ１に対するサクション側からの吸引ガス流量Ｑ２の比率をある値（例えば１：０．３）になるように設計するのが好ましい。しかしながら、前述のとおりエゼクタ循環装置６は、エゼクタ入口６ａからのガス流速に応じて発生する負圧と引きずりによって、サクション側からのガス吸引を生じる原理のものであるから、入口ガス流量Ｑ１が少なくなる低負荷域では、サクション側からの流量が確保できなくなる最低許容入口ガス流量Ｑ１Ｌが存在する。従ってエゼクタ循環装置６は、車両の要求より定まる最低負荷時の吸入ガス流量が最低許容入口ガス流量Ｑ１Ｌとなるように設計する必要がある。
【００３６】
図４（ｂ）は、横軸を入口ガス流量Ｑ１とし、縦軸をエゼクタ入口６ａのガス圧力Ｐ１とした場合の特性を示したものである。負荷の上昇、即ち、要求される入口ガス流量Ｑ１の増加に伴い、エゼクタ内流路の圧力損失が発達していくため、入口６ａにおいて急激に大きな圧力が要求される。よって、エゼクタ循環装置６の入口圧力Ｐ１は、負荷に応じてＰ１ＬからＰ１Ｈまで適宜制御する必要が生じることとなる。
【００３７】
図５は、内部の絞り面積を電気的に調整可能な構成をもつ圧力調整器によるエゼクタ入口６ａのガス圧力Ｐ１の制御可能範囲を例示した特性図である。この特性図では、横軸を入口ガス流量Ｑ１とし、縦軸をエゼクタ入口の圧力Ｐ１及び圧力調整器の上流圧Ｐ０としている。実現可能な圧力調整器の絞り面積の可変幅は、最小面積時のもれ流量、絞り面積分解能と、最大絞り面積がトレードオフの関係にある。
【００３８】
電気自動車のような要求負荷がアイドルから定格（全負荷）まで数十倍となるような広い領域に対応させようとして、例えば、圧力調整器の上流圧Ｐ０を、アイドル時のガス流量Ｑ１Ｌに対応した最小絞り面積時に得られる圧力Ｐ０Ｌ（一定値）に固定すると、圧力調整器の絞り面積可変時のＱ１とＰ１の取り得る範囲は、図５中の斜線領域（Ａ）となってしまい、高負荷域の要求流量を供給できなくなってしまう。逆に、圧力調整器の上流圧Ｐ０を、定格時のガス流量Ｑ１Ｈに対応した最大絞り面積時に得られる圧力Ｐ０Ｈ（一定値）に固定すると、図５中の白抜き領域（Ｂ）となってしまい、低負荷時の要求流量が制御できなくなってしまう。
【００３９】
逆にいえば、この図５に示す関係から、要求負荷、即ち、要求流量Ｑ１及びエゼクタ入口圧力Ｐ１に応じた、適切な圧力調整器の上流圧Ｐ０を与えることができれば、広範囲な流量域において、適切な制御が可能になるということが分かる。
【００４０】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、図２に示すように、燃料電池本体１を含む燃料ガス循環系の圧力調整を行う圧力調整器５ａの上流に、その上流圧Ｐ０を可変制御するためのもう一つの圧力調整器５ｂを直列に設けている。もちろん、圧力調整器５ｂのさらに上流側にも、圧力調整器を設けることも可能であり、少なくとも２つ以上の圧力調整器を設けることを必須条件としている。
【００４１】
このように２つの圧力調整器５ａ、５ｂを設けるものの、燃料電池本体１に供給する燃料ガスの最終的な制御は下流側圧力調整器５ａが受け持っている。このため、低負荷時用に新たに付加した上流側圧力調整器５ｂに要求される制御性や応答性は、特に厳密さを要求されない。また、下流側圧力調整器５ａと上流側圧力調整器５ｂとの間には、水素循環系が持つ全容積のおよそ１／１０から１／２の容積を有する容積部１２を介挿しているので、上流側圧力調整器５ｂの制御性をさらに低下させることが可能である。
【００４２】
次に、図２の構成における制御の内容を説明する。この場合の制御は、図示しない制御手段によって行われる。図６は、その制御の流れを示すフローチャートであり、このフローチャートを用いて説明する。このフローチャートは、諸々の車両条件から与えられた燃料電池の発電電力目標値tPWRを実現するために、どのように圧力調整器の下流圧tPrsHej（エゼクタ入口ガス圧）を制御するかを示している。
【００４３】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）７０では、燃料電池の発電電力目標値tPWRから燃料電池の燃料極２における燃料ガス圧力目標値tPrsHを演算する。演算値は、図の右側に示すようなテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値、即ち負荷が大きくなればなるほど、燃料極での燃料ガス圧力が大きくなるように設定されている。
【００４４】
次に、Ｓ７１では、Ｓ７０で得られた燃料極での燃料ガス圧力目標値tPrsHを実現するために必要な、エゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejを演算する。圧力目標値tPrsHejは、下流側圧力調整器５ａから燃料電池本体までの燃料ガス流路中の圧力損失を流量に応じて予め計算しておき、その圧力損失を、目標とする燃料電池の燃料極ガス圧力に加えた値として演算する必要があり、図のように予め計算してテーブル値として参照する形式になっている。
【００４５】
次に、Ｓ７２では、圧力目標値tPrsHejと予め決められた切り替え圧力値（閾値）tPrsHej0の大小関係を比較して、上流側圧力調整器５ｂの下流圧を低圧側の一定値に固定したままの制御が可能な範囲か否かを判定する。圧力目標値tPrsHejが切り替え圧力値（閾値）tPrsHej0より小であればＳ７３へ進み、それ以外の場合はＳ８０へ進む。
【００４６】
Ｓ７３では、上流側圧力調整器５ｂの下流圧力目標値tPrsUPを、予め定めた一定値tPrsUP0に設定する。ついで、Ｓ７４にて、燃料負荷に応じた燃料ガス流量が得られるように、基本となる上流側圧力調整器５ｂの絞り面積tArUPBを燃料電池の発電目標値tPWRに応じて演算する。この演算値も、図の右側のテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値、即ち供給燃料ガス量が増えるに従い、絞り面積が増加するように設定されている。
【００４７】
Ｓ７５では、圧力センサ１９で測定した実際の上流側圧力調整器５ｂの下流圧と、Ｓ７３で定めた目標値tPrsUPとの乖離を考慮し、車両の加減速要求から定まる補正項αを加えて、上流側圧力調整器５ｂの下流圧が目標値となるように、最終的な絞り面積tArUPを算出する。Ｓ７６では、Ｓ７５で演算した絞り面積tArUPの情報を上流側圧力調整器５ｂの制御装置（図示略）に出力する。
【００４８】
ついで、Ｓ７７にて、上流側圧力調整器５ｂの下流圧が一定（＝tPrsUP0）の条件下で、エゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejに対する下流側圧力調整器５ａの基本となる絞り面積tArLPBの算出を行う。図の右側のテーブルに示すように、下流側圧力調整器５ａの絞り面積tArLPBは、エゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejと共に増加するが、tPrsHejがtPrsHej0となる状態では、tArLPBはほぼ機構的に可能な最大値tArLPBmaxとなるように定められている。
【００４９】
Ｓ７８では、圧力センサ１７で測定した実際のエゼクタ上流での圧力とＳ７３で定めた目標値tPrsHejとの乖離を考慮し、車両の加減速要求から定まる補正項βを加えて、エゼクタ上流での圧力が目標値となるように最終的な絞り面積tArLPを算出する。Ｓ７９では、Ｓ７８で演算した絞り面積tArLPの情報を下流側圧力調整器５ａの制御装置（図示略）に出力して、下流側圧力調整器５ａの制御フローを終了する。
【００５０】
一方、Ｓ７２にて、圧力目標値tPrsHejが予め設定された切り替え圧力値（閾値）tPrsHej0以上であると判断したときは、Ｓ８０に進み、下流側圧力調整器５ａの絞り面積を、機構的に可能な最大値tArLPmax（一定値）となるように固定し、Ｓ８１にて、そのデータを圧力調整器５ａの制御装置に出力する。
【００５１】
ついで、Ｓ８２にてエゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejに対する上流側圧力調整器５ｂの下流圧tPrsUPを、図の右側にあるテーブルから算出する。Ｓ８３では上流側圧力調整器５ｂの基本となる絞り面積tArUPBを、燃料電池の発電電力目標値tPWRに応じてマップより算出する。このとき、下流側圧力調整器５ａの絞り面積tArLPは一定であるため、負荷に対応した要求絞り面積が一義的に決定できる。
【００５２】
Ｓ８４で圧力センサ１９で測定した実際の上流側圧力調整器５ｂの下流圧力と、Ｓ８２で定めた目標値tPrsUPとの乖離を考慮し、車両の加減速要求から定まる補正項αを加えて、上流側圧力調整器５ｂの下流圧力が目標値となるように最終的な絞り面積tArUPを算出し、Ｓ８５にてtArUPの情報を上流側圧力調整器５ｂの制御装置に出力して、圧力調整器の制御フローを終了する。
【００５３】
また、要求負荷が急激に低下した場合には、上流側圧力調整器５ｂの下流圧力tPrsUPは、上流側圧力調整器５ａの絞り面積を最低値としても、燃料電池によって燃料ガスが消費されないと、速やかに低下しない。また、tPrsUPがtPrsUP0より高い状態で低負荷運転を続けると、下流側圧力調整器５ａの制御領域を超えるため、燃料極２の圧力が次第に上昇する。
【００５４】
そこで、図２の例では、このような状況で燃料極２の圧力が許容圧力に至る前に、圧力を所定値まで下げられるようにリリーフ弁２０を容積部１２に接続している。このように構成した場合、リリーフ弁２０を開くことで、燃料極２の圧力が許容圧力に至る前に、tPrsUPをtPrsUP0に速やかに低下させることができて、前記の状態に至るのを回避できる。
【００５５】
以上説明してきた構成とすることで、広い負荷範囲に対応して、供給ガス流量及びエゼクタ循環装置６の上流圧力が高精度で制御可能となる。また、各圧力調整器５ａ、５ｂは、各々個別の圧力目標値をもつため、複雑な制御ロジックが不要となる。また、定常状態における各圧力調整器５ａ、５ｂの絞り面積は、要求負荷の増減に追従して一義的に増減するため、安定的な制御が可能となる。
【００５６】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態について説明する。図７は本実施形態における水素供給系の構成のみを示している。
上記第１実施形態では、下流側の圧力調整器５ａの上流側に、下流側圧力調整器５ａの上流圧を調整することのできる上流側圧力調整器５ｂを設け、この上流側圧力調整器５ｂの下流圧（下流側圧力調整器５ａの上流圧に等しい）を、容積部１２に設けた圧力センサ１９の検出値に基づいて制御するようにした場合を示した。この第２実施形態では、その上流側圧力調整器５ｂに代えて、制御圧力の異なる２つの機械式圧力調整弁５ｃ、５ｄを並列に配すると共に、これら２つの機械式圧力調整弁５ｃ、５ｄのうち制御圧力の高い機械式圧力調整弁５ｃの上流で、且つ、原燃料ガス供給源からこれら２つの機械式圧力調整弁５ｃ、５ｄへ連通する配管の分岐部の下流に遮断弁２１を配し、それにより、第１実施形態で使用していた圧力センサ１９を省略している。それ以外の容積部１２以降の下流側の構成は、第１実施形態のシステムと同じである。
【００５７】
第２実施形態では、燃料電池に要求される負荷が小さい状態では、前記遮断弁２１が閉状態に制御され、それにより、下流側圧力調整器５ａの上流圧が、低圧側の機械式圧力調整弁５ｄの制御圧力である第１の所定圧力に自動的に調整される。このとき、高圧側の機械式圧力調整弁５ｃは下流圧力が前記第１の所定圧力より高い第２の所定圧力である制御圧力に至らないために開状態で保持される。
【００５８】
一方、要求負荷が所定値を超えた場合は、前記遮断弁２１が開状態に制御されることで、高圧側の機械式圧力調整弁５ｃによる調圧機能が働き、下流側圧力調整器５ａの上流圧が、第２の所定圧力に自動的に調整される。このとき、低圧側の機械式圧力調整弁５ｄは、下流圧が過大となるために閉状態で保持される。
【００５９】
ついで、要求負荷が下がり、下流側圧力調整器５ａの上流圧力に低圧が要求されると、遮断弁２１が再び閉状態に制御されるが、低圧側の機械式圧力調整弁５ｄは閉状態のまま、下流側圧力調整器５ａの上流圧力が第１の所定圧力まで低下するまで保持されるため、不要な開閉作動を回避できる。
【００６０】
なお、このとき、容積部１２に接続されたリリーフ弁２０は、第１実施形態と同様に機能させることが可能である。
【００６１】
図８は、第２実施形態における制御フローを簡単に示したものである。要求負荷に対するエゼクタ上流の目標圧力tPrsHejを求め、上流側圧力調整器の下流圧を切り替えるか否かを判定するＳ７２までは、第１実施形態の制御フローと同様である。
【００６２】
Ｓ７２にて、エゼクタ上流の目標圧力tPrsHejが切り替え圧力の閾値であるtPrsHej0より低いと判断した場合はＳ９０へ進む。Ｓ９０では上流側圧力調整器の下流圧力tPrsUPを低圧側の機械式圧力調整弁５ｄによる第１の所定圧力である調整圧tPrsUPLとし、Ｓ９１にて遮断弁２１が閉制御されるように弁制御機構（図示略）に出力する。
【００６３】
Ｓ９２において、tPrsUPがtPrsUPLに等しい場合に適応するテーブルを用いて、基本となる下流側圧力調整器５ａの絞り弁開度（絞り面積）tArLPBを算出する。以降のＳ９３、９４におけるフローは第１実施形態のＳ７８、７９と同様であり、目標下流側圧力調整器の絞り弁開度tArLPの算出及び弁制御機構への出力をそれぞれ行う。
【００６４】
一方、Ｓ７２にて、tPrsEejが切り替え圧力であるtPrsHej0以上と判定した場合は、Ｓ９５へ進む。Ｓ９５では上流側圧力調整器の下流圧力tPrsUPを高圧側の機械式圧力調整弁５ｃによる第２の所定圧力である調整圧tPrsUPHとし、Ｓ９６にて遮断弁２１が開制御されるように弁制御機構に出力する。
【００６５】
Ｓ９７では、tPrsUPがtPrsUPHの場合に適応するテーブルを用いて、基本となる下流側圧力調整器５ａの絞り弁開度tArLPBを算出する。以降、Ｓ９３へ進み、目標下流側圧力調整器の絞り弁開度tArLPの算出及び弁制御機構への出力をそれぞれ行う。
【００６６】
この第２実施形態では、必要となる弁機構が増えるものの、第１実施形態のシステムにおいて容積部１２に設けていた圧力センサ１９の測定出力を制御に用いる必要がなくなり制御が簡単になるという利点が得られる。また、これに加えて、エゼクタ上流の圧力の目標圧への制御が、下流側圧力調整器５ａの絞り面積を制御することだけで可能となるから、制御ロジックの簡略化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の全体構成図である。
【図２】図１の要部のみを取り出して示す構成図である。
【図３】同実施形態に使用するエゼクタ循環装置の構成を示す断面図である。
【図４】同実施形態に使用するエゼクタ循環装置の特性図である。
【図５】一般的な圧力制御機構によるエゼクタ入口のガス圧力Ｐ１の制御可能範囲を示す特性図である。
【図６】図２の構成における制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の要部のみを取り出して示す構成図である。
【図８】図７の構成における制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
２ 燃料極
５ａ，５ｂ 圧力調整器
５ｃ，５ｄ 機械式圧力調整弁
６ エゼクタ循環装置
１０ 空気極
１２ 容積部
１８ｂ 燃料ガス流路
１８ａ 原燃料ガス流路
２０ リリーフ弁（リリーフ手段）
２１ 遮断弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料極から排出される未反応ガスと外部より新たに供給される原燃料ガスとを混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られ、環境汚染物質の排出がないため環境的に優れている等のメリットを有する。
【０００３】
近年、このような燃料電池の一方式として、電解質に従来のリン酸水溶液に代えて固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化を可能とし、且つ、取扱が困難な酸水溶液を不要とした固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００４】
この固体高分子型燃料電池においては、水素と酸素はそれぞれ燃料極と空気極に供給され、固体高分子膜を挟んで反応する。
【０００５】
また、燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減すること、並びに、水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極から排出される未反応ガス（以下排出ガスと呼ぶ）を再循環させ、エゼクタ循環装置で、外部から新たに供給される水素の濃い原燃料ガスと混合させて、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式の燃料電池システムが、特開平９−２２７７１４号公報や特開平９−２１３３５３号公報等において各種提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のエゼクタ循環装置を利用して排出ガスを燃料電池本体に再循環させる燃料電池システムでは、エゼクタ循環装置の入口ガス圧力を１段の圧力調整器によって制御しているので、次のような問題点があった。
【０００７】
即ち、この種の圧力調整器としては、一般的に開口面積可変絞り型の圧力調整弁を使用することが多いが、この種の圧力調整弁は、上流圧が高いと、絞り面積の変化に対するガス流量の変化が大きくなり、制御性が悪化してしまう傾向がある。このため、前記のシステムを自動車用の燃料電池システムのような要求負荷範囲が広い場合に適用した場合、アイドル負荷から最大負荷までの全域にわたって燃料ガスの圧力および流量を精度良く制御できないという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明は、広い運転負荷範囲にわたり、燃料ガスの流量及び圧力を安定して精度良く制御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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスと新たに供給される水素濃度の高い原燃料ガスとを混合するエゼクタ循環装置と、前記エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記エゼクタ循環装置に前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路上に直列に配され、前記燃料電池本体の運転状況に応じてそれぞれの下流側の圧力を独立に調整可能である少なくとも２つの圧力調整器と、前記少なくとも２つの圧力調整器の間に配され、前記圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を要求時に所定値まで低下させるリリーフ手段を備えたことを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以下の場合は、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器を制御することで所定の一定値に保持すると共に、最下流の圧力調整器の弁開度を負荷の変化に伴って増減させる一方、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以上の場合は、最下流の圧力調整器の弁開度を略一定に制御すると共に、負荷の変化に伴って、最下流の圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器の弁開度を増減させることで制御する制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整器は、直列に接続された２つの圧力調整器からなり、そのうち上流側に配された圧力調整器を制御圧力の異なる２つの並列に配された機械式圧力調整弁により構成し、前記２つの機械式圧力調整弁のうちの制御圧力の高い機械式圧力調整弁の上流で且つ原燃料ガス供給源から前記２つの機械式圧力調整弁へ連通する配管の分岐部の下流に、要求負荷が所定値を超えない場合は流路を遮断し所定値を超えた場合に流路を開く遮断弁を備えたことを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスと新たに供給される水素濃度の高い原燃料ガスとを混合するエゼクタ循環装置と、前記エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、前記エゼクタ循環装置に前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路上に直列に配され、前記燃料電池本体の運転状況に応じてそれぞれの下流側の圧力を独立に調整可能である少なくとも２つの圧力調整器と、前記少なくとも２つの圧力調整器の間に配され、前記圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部と、を備えたので、運転状況に応じて燃料ガスの多段減圧を行うことができるようになり、最下流側圧力調整器の下流に位置するエゼクタ循環装置の入口ガス圧を広い圧力範囲に亘って精度良く安定的に制御することができるという効果を奏する。
【００１５】
従って、広い運転負荷領域に対応してエゼクタ循環装置のガス流量を安定的に制御できるようになり、それにより、エゼクタ循環装置の吸引口から吸い込んで燃料電池本体に再循環させる排出ガスの量も広い運転負荷域で所定値以上を維持することができるので、固体高分子膜型燃料電池の場合における、燃料極に水滴が溜まって発電効率が低下するなどの問題を回避できるという効果も奏する。
【００１６】
さらに、前記少なくとも２つの圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部を前記圧力調整器の間に備えたので、この容積部のバッファ機能により、容積部よりも上流側の圧力調整器の応答性・制御性に対する要求を低下させることができるという効果を奏する。つまり、上流側圧力調整器の応答性や制御性に対する要求を緩めることができ、コストの低減を図ることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を要求時に所定値まで低下させるリリーフ手段を備えたことにより、要求負荷が急減した場合に、最下流に位置する圧力調整器の上流圧を速やかに低減させて、低負荷域での燃料ガス量の制御性を良好に保つことができるという効果がある。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２の発明の効果に加えて、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以下の場合は、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器を制御することで所定の一定値に保持すると共に、最下流の圧力調整器の弁開度を負荷の変化に伴って増減させる一方、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以上の場合は、最下流の圧力調整器の弁開度を略一定に制御すると共に、負荷の変化に伴って、最下流の圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器の弁開度を増減させることで制御する制御手段を備えたことにより、要求負荷に応じて制御対象の圧力調整器が絞り込まれるため、制御が簡単となるという効果を奏する。また、圧力調整器の開口面積を、負荷の増減に応じて単調に制御するだけでよくなるため、制御の安定性が向上する。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３の発明の効果に加えて、前記圧力調整器は、直列に接続された２つの圧力調整器からなり、そのうち上流側に配された圧力調整器を制御圧力の異なる２つの並列に配された機械式圧力調整弁により構成し、前記２つの機械式圧力調整弁のうちの制御圧力の高い機械式圧力調整弁の上流で且つ原燃料ガス供給源から前記２つの機械式圧力調整弁へ連通する配管の分岐部の下流に、要求負荷が所定値を超えない場合は流路を遮断し所定値を超えた場合に流路を開く遮断弁を備えたことにより、要求負荷に応じて下流側圧力調整器に供給される圧力を２段階に変更することができるという効果がある。
【００２０】
即ち、燃料電池本体に要求される負荷が所定値を超えない状態では、遮断弁が閉じるので、下流側圧力調整器の上流圧を、低圧側の機械式圧力調整弁によって定まる低い圧力に自動的に調整する一方、要求負荷が所定値を超えた場合には、遮断弁が開いて高圧側の機械式圧力調整弁による調圧機能が働き、下流側圧力調整器の上流圧を高い圧力に自動的に調整することで、下流側圧力調整器の上流圧を測定した上で上流側圧力調整器の制御に反映させるフィードバック制御を行う必要がなくなり、制御ロジックが簡略化できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を示す全体構成図である。同図において、燃料電池本体（燃料電池スタック）１は、燃料極２と空気極１０とを有する。実際は、これに冷却水の配管が組み込まれるが、本図ではガス系のみを示す。燃料極２と空気極１０とは、固体高分子膜（図示略）を隔ててスタック中で接合されており、燃料極２で電離した水素イオンが水分を媒体として高分子膜中を空気極１０へ移動し、空気極１０では水素イオンと外部負荷を移動した電子と酸素とが結合して水を生成する。
【００２２】
本図示例では、燃料の水素ガスを直接保有する方式を示し、水素貯蔵タンク４の中には水素ガスが圧縮されて高圧状態で貯蔵されている。水素ガスは、水素貯蔵タンク４から直列に配された２つの圧力調整器５ｂ、５ａを介して減圧され、燃料電池本体１を含む循環管路に送られる。エゼクタ循環装置６は、水素貯蔵タンク４から送られてくる水素濃度の高い原燃料ガスと、燃料電池本体１の燃料極２を通過した後の排出ガスとを混合して下流に流すものである。エゼクタ循環装置６を通過した混合ガスは、加湿器３を通過することにより略飽和状態まで加湿された上で、燃料電池本体１に流入する。燃料電池本体１の燃料極２で水素を消費した後の排出ガスは、水回収装置７で水分を回収された上で、エゼクタ循環装置６へ送られて、再循環させられる。
【００２３】
図１において、１８ａは水素貯蔵タンク４からエゼクタ循環装置６の入口６ａに原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路、１８ｂはエゼクタ循環装置６で混合された燃料ガスをエゼクタ循環装置６の出口６ｂから加湿器３を介して燃料電池本体１に供給する燃料ガス流路、１８ｃは燃料電池本体１の燃料極２からの排出ガスをエゼクタ循環装置６の吸引口（サクション口）６ｃへ導く排出ガス流路で、これら流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃは配管で構成されている。
【００２４】
そして、圧力調整器５ａ、５ｂは原燃料ガス流路１８ａの途中に直列に配され、下流側圧力調整器５ａと上流側圧力調整器５ｂとの間には、２つの圧力調整器５ａ、５ｂの間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部１２が配設されている。
【００２５】
燃料電池本体１の電力出力要求が急に小さくなった場合には、循環管路中の水素が燃料電池本体１で消費しきれなくなるので、そのときは、燃料電池本体１の下流に設けたパージ弁８を開き、外部へ放出する。ただし、水素を大気へ直接放出するのは好ましくないので、後に説明する余剰空気と共に反応器１４で反応させて水蒸気として放出するようにしている。
【００２６】
燃料電池本体１の燃料極２への供給水素圧力制御は圧力制御弁５ａ、５ｂにて行うが、その際、燃料極２付近の圧力を検出する方法を用いることが多いので、本図示例では、圧力センサ１７を燃料電池本体１の入口に設置している。
【００２７】
一方、燃料電池本体１の空気極１０へ空気を送り込む空気供給ラインには、まず、大気を取り込んで圧縮する圧縮機１１が最上流に設置されている。圧縮機１１で圧縮された空気についても、水素と同様に、加湿器３を通して略飽和状態まで加湿した上で、燃料電池本体１に流入させるようにしている。そして、燃料電池本体１の空気極１０で空気中の酸素分を消費して余った空気ガスは、燃料電池本体１内で反応してできた水分を含んでいるから、水回収装置１５を通過させた上で圧力制御バルブ１６を介して大気へ放出するようになっている。この場合、空気圧力は、要求負荷に応じた圧力となるように圧力制御バルブ１６により制御される。
【００２８】
また、燃料電池本体１の空気極１０の出口と圧力調整バルブ１６の間には空気ラインの分岐部が設けられ、分岐ラインは空気パージ弁１３を介して反応器１４に接続されている。そして、水素循環系に配したパージ弁８が開いて燃料ガスを循環系外に排出した場合に、空気パージ弁１３を開いて、燃料ガスの反応に必要な空気を反応器１４に供給できるようになっている。
【００２９】
なお、図示はしないが、水回収装置７、１５にて回収された水は、加圧ポンプにより加湿器３に供給されて再利用されるようになっている。
【００３０】
図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける水素供給循環系のみの構成を示す図である。
燃料電池本体１の燃料極２への供給水素圧力は、燃料電池本体１の上流に配した圧力センサ１７の出力値を参照しながら、要求負荷に応じて予め定めた所定値となるように下流側圧力調整器５ａにて制御する。
【００３１】
また、上流側圧力調整器５ｂと下流側圧力調整器５ａの間の流路には、上流側圧力調整器５ｂにおける圧力制御性の要求を低下させるための容積部１２及び圧力測定のための圧力センサ１９が設けられており、容積部１２の圧力を、圧力センサ１９の出力値を参照しながら、要求負荷に応じて予め定めた所定値となるように上流側圧力調整器５ａにて制御する。
【００３２】
さらに容積部１２には、要求負荷が急減した場合に、容積部１２の圧力を予め定められた低圧状態に速やかに低下させるためのリリーフ弁２０が接続されており、このリリーフ弁２０は、圧力センサ１９の測定値により開閉制御されるようになっている。
【００３３】
図３はエゼクタ循環装置６の構造を示した断面図である。図３に示すように、エゼクタ循環装置６の入口６ａから注入された原燃料ガス流は、吸引口（サクション口）６ｃとの合流部の前で絞られて流速が増す。この後、吸引口６ｃとの合流部で一度流路が広くなることにより、吸引口６ｃに対して負圧を発生する。この負圧と、エゼクタ入口６ａからの原燃料ガスの流れによって、吸引口６ｃから再循環ガスが吸引され、エゼクタ循環装置６内部で混合流が発生する。混合されたガス流は、圧力損失を最小限にするために徐々に広がっていき、出口６ｂから出ていく。
【００３４】
図４はエゼクタ循環装置６の特性図で、エゼクタ循環装置６の入口６ａのガス圧力をＰ１、入口６ａのガス流量をＱ１、吸引口６ｃから吸引される再循環ガスの流量をＱ２とした場合のこれらの関係を示している。図４（ａ）は、入口ガス流量Ｑ１に対する吸引ガス流量Ｑ２の関係を示した図である。流量は標準状態における体積流量として示してある。
【００３５】
燃料電池の発電効率を向上させるためには、入口ガス流量Ｑ１に対するサクション側からの吸引ガス流量Ｑ２の比率をある値（例えば１：０．３）になるように設計するのが好ましい。しかしながら、前述のとおりエゼクタ循環装置６は、エゼクタ入口６ａからのガス流速に応じて発生する負圧と引きずりによって、サクション側からのガス吸引を生じる原理のものであるから、入口ガス流量Ｑ１が少なくなる低負荷域では、サクション側からの流量が確保できなくなる最低許容入口ガス流量Ｑ１Ｌが存在する。従ってエゼクタ循環装置６は、車両の要求より定まる最低負荷時の吸入ガス流量が最低許容入口ガス流量Ｑ１Ｌとなるように設計する必要がある。
【００３６】
図４（ｂ）は、横軸を入口ガス流量Ｑ１とし、縦軸をエゼクタ入口６ａのガス圧力Ｐ１とした場合の特性を示したものである。負荷の上昇、即ち、要求される入口ガス流量Ｑ１の増加に伴い、エゼクタ内流路の圧力損失が発達していくため、入口６ａにおいて急激に大きな圧力が要求される。よって、エゼクタ循環装置６の入口圧力Ｐ１は、負荷に応じてＰ１ＬからＰ１Ｈまで適宜制御する必要が生じることとなる。
【００３７】
図５は、内部の絞り面積を電気的に調整可能な構成をもつ圧力調整器によるエゼクタ入口６ａのガス圧力Ｐ１の制御可能範囲を例示した特性図である。この特性図では、横軸を入口ガス流量Ｑ１とし、縦軸をエゼクタ入口の圧力Ｐ１及び圧力調整器の上流圧Ｐ０としている。実現可能な圧力調整器の絞り面積の可変幅は、最小面積時のもれ流量、絞り面積分解能と、最大絞り面積がトレードオフの関係にある。
【００３８】
電気自動車のような要求負荷がアイドルから定格（全負荷）まで数十倍となるような広い領域に対応させようとして、例えば、圧力調整器の上流圧Ｐ０を、アイドル時のガス流量Ｑ１Ｌに対応した最小絞り面積時に得られる圧力Ｐ０Ｌ（一定値）に固定すると、圧力調整器の絞り面積可変時のＱ１とＰ１の取り得る範囲は、図５中の斜線領域（Ａ）となってしまい、高負荷域の要求流量を供給できなくなってしまう。逆に、圧力調整器の上流圧Ｐ０を、定格時のガス流量Ｑ１Ｈに対応した最大絞り面積時に得られる圧力Ｐ０Ｈ（一定値）に固定すると、図５中の白抜き領域（Ｂ）となってしまい、低負荷時の要求流量が制御できなくなってしまう。
【００３９】
逆にいえば、この図５に示す関係から、要求負荷、即ち、要求流量Ｑ１及びエゼクタ入口圧力Ｐ１に応じた、適切な圧力調整器の上流圧Ｐ０を与えることができれば、広範囲な流量域において、適切な制御が可能になるということが分かる。
【００４０】
そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、図２に示すように、燃料電池本体１を含む燃料ガス循環系の圧力調整を行う圧力調整器５ａの上流に、その上流圧Ｐ０を可変制御するためのもう一つの圧力調整器５ｂを直列に設けている。もちろん、圧力調整器５ｂのさらに上流側にも、圧力調整器を設けることも可能であり、少なくとも２つ以上の圧力調整器を設けることを必須条件としている。
【００４１】
このように２つの圧力調整器５ａ、５ｂを設けるものの、燃料電池本体１に供給する燃料ガスの最終的な制御は下流側圧力調整器５ａが受け持っている。このため、低負荷時用に新たに付加した上流側圧力調整器５ｂに要求される制御性や応答性は、特に厳密さを要求されない。また、下流側圧力調整器５ａと上流側圧力調整器５ｂとの間には、水素循環系が持つ全容積のおよそ１／１０から１／２の容積を有する容積部１２を介挿しているので、上流側圧力調整器５ｂの制御性をさらに低下させることが可能である。
【００４２】
次に、図２の構成における制御の内容を説明する。この場合の制御は、図示しない制御手段によって行われる。図６は、その制御の流れを示すフローチャートであり、このフローチャートを用いて説明する。このフローチャートは、諸々の車両条件から与えられた燃料電池の発電電力目標値tPWRを実現するために、どのように圧力調整器の下流圧tPrsHej（エゼクタ入口ガス圧）を制御するかを示している。
【００４３】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）７０では、燃料電池の発電電力目標値tPWRから燃料電池の燃料極２における燃料ガス圧力目標値tPrsHを演算する。演算値は、図の右側に示すようなテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値、即ち負荷が大きくなればなるほど、燃料極での燃料ガス圧力が大きくなるように設定されている。
【００４４】
次に、Ｓ７１では、Ｓ７０で得られた燃料極での燃料ガス圧力目標値tPrsHを実現するために必要な、エゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejを演算する。圧力目標値tPrsHejは、下流側圧力調整器５ａから燃料電池本体までの燃料ガス流路中の圧力損失を流量に応じて予め計算しておき、その圧力損失を、目標とする燃料電池の燃料極ガス圧力に加えた値として演算する必要があり、図のように予め計算してテーブル値として参照する形式になっている。
【００４５】
次に、Ｓ７２では、圧力目標値tPrsHejと予め決められた切り替え圧力値（閾値）tPrsHej0の大小関係を比較して、上流側圧力調整器５ｂの下流圧を低圧側の一定値に固定したままの制御が可能な範囲か否かを判定する。圧力目標値tPrsHejが切り替え圧力値（閾値）tPrsHej0より小であればＳ７３へ進み、それ以外の場合はＳ８０へ進む。
【００４６】
Ｓ７３では、上流側圧力調整器５ｂの下流圧力目標値tPrsUPを、予め定めた一定値tPrsUP0に設定する。ついで、Ｓ７４にて、燃料負荷に応じた燃料ガス流量が得られるように、基本となる上流側圧力調整器５ｂの絞り面積tArUPBを燃料電池の発電目標値tPWRに応じて演算する。この演算値も、図の右側のテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値、即ち供給燃料ガス量が増えるに従い、絞り面積が増加するように設定されている。
【００４７】
Ｓ７５では、圧力センサ１９で測定した実際の上流側圧力調整器５ｂの下流圧と、Ｓ７３で定めた目標値tPrsUPとの乖離を考慮し、車両の加減速要求から定まる補正項αを加えて、上流側圧力調整器５ｂの下流圧が目標値となるように、最終的な絞り面積tArUPを算出する。Ｓ７６では、Ｓ７５で演算した絞り面積tArUPの情報を上流側圧力調整器５ｂの制御装置（図示略）に出力する。
【００４８】
ついで、Ｓ７７にて、上流側圧力調整器５ｂの下流圧が一定（＝tPrsUP0）の条件下で、エゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejに対する下流側圧力調整器５ａの基本となる絞り面積tArLPBの算出を行う。図の右側のテーブルに示すように、下流側圧力調整器５ａの絞り面積tArLPBは、エゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejと共に増加するが、tPrsHejがtPrsHej0となる状態では、tArLPBはほぼ機構的に可能な最大値tArLPBmaxとなるように定められている。
【００４９】
Ｓ７８では、圧力センサ１７で測定した実際のエゼクタ上流での圧力とＳ７３で定めた目標値tPrsHejとの乖離を考慮し、車両の加減速要求から定まる補正項βを加えて、エゼクタ上流での圧力が目標値となるように最終的な絞り面積tArLPを算出する。Ｓ７９では、Ｓ７８で演算した絞り面積tArLPの情報を下流側圧力調整器５ａの制御装置（図示略）に出力して、下流側圧力調整器５ａの制御フローを終了する。
【００５０】
一方、Ｓ７２にて、圧力目標値tPrsHejが予め設定された切り替え圧力値（閾値）tPrsHej0以上であると判断したときは、Ｓ８０に進み、下流側圧力調整器５ａの絞り面積を、機構的に可能な最大値tArLPmax（一定値）となるように固定し、Ｓ８１にて、そのデータを圧力調整器５ａの制御装置に出力する。
【００５１】
ついで、Ｓ８２にてエゼクタ上流での圧力目標値tPrsHejに対する上流側圧力調整器５ｂの下流圧tPrsUPを、図の右側にあるテーブルから算出する。Ｓ８３では上流側圧力調整器５ｂの基本となる絞り面積tArUPBを、燃料電池の発電電力目標値tPWRに応じてマップより算出する。このとき、下流側圧力調整器５ａの絞り面積tArLPは一定であるため、負荷に対応した要求絞り面積が一義的に決定できる。
【００５２】
Ｓ８４で圧力センサ１９で測定した実際の上流側圧力調整器５ｂの下流圧力と、Ｓ８２で定めた目標値tPrsUPとの乖離を考慮し、車両の加減速要求から定まる補正項αを加えて、上流側圧力調整器５ｂの下流圧力が目標値となるように最終的な絞り面積tArUPを算出し、Ｓ８５にてtArUPの情報を上流側圧力調整器５ｂの制御装置に出力して、圧力調整器の制御フローを終了する。
【００５３】
また、要求負荷が急激に低下した場合には、上流側圧力調整器５ｂの下流圧力tPrsUPは、上流側圧力調整器５ａの絞り面積を最低値としても、燃料電池によって燃料ガスが消費されないと、速やかに低下しない。また、tPrsUPがtPrsUP0より高い状態で低負荷運転を続けると、下流側圧力調整器５ａの制御領域を超えるため、燃料極２の圧力が次第に上昇する。
【００５４】
そこで、図２の例では、このような状況で燃料極２の圧力が許容圧力に至る前に、圧力を所定値まで下げられるようにリリーフ弁２０を容積部１２に接続している。このように構成した場合、リリーフ弁２０を開くことで、燃料極２の圧力が許容圧力に至る前に、tPrsUPをtPrsUP0に速やかに低下させることができて、前記の状態に至るのを回避できる。
【００５５】
以上説明してきた構成とすることで、広い負荷範囲に対応して、供給ガス流量及びエゼクタ循環装置６の上流圧力が高精度で制御可能となる。また、各圧力調整器５ａ、５ｂは、各々個別の圧力目標値をもつため、複雑な制御ロジックが不要となる。また、定常状態における各圧力調整器５ａ、５ｂの絞り面積は、要求負荷の増減に追従して一義的に増減するため、安定的な制御が可能となる。
【００５６】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態について説明する。図７は本実施形態における水素供給系の構成のみを示している。
上記第１実施形態では、下流側の圧力調整器５ａの上流側に、下流側圧力調整器５ａの上流圧を調整することのできる上流側圧力調整器５ｂを設け、この上流側圧力調整器５ｂの下流圧（下流側圧力調整器５ａの上流圧に等しい）を、容積部１２に設けた圧力センサ１９の検出値に基づいて制御するようにした場合を示した。この第２実施形態では、その上流側圧力調整器５ｂに代えて、制御圧力の異なる２つの機械式圧力調整弁５ｃ、５ｄを並列に配すると共に、これら２つの機械式圧力調整弁５ｃ、５ｄのうち制御圧力の高い機械式圧力調整弁５ｃの上流で、且つ、原燃料ガス供給源からこれら２つの機械式圧力調整弁５ｃ、５ｄへ連通する配管の分岐部の下流に遮断弁２１を配し、それにより、第１実施形態で使用していた圧力センサ１９を省略している。それ以外の容積部１２以降の下流側の構成は、第１実施形態のシステムと同じである。
【００５７】
第２実施形態では、燃料電池に要求される負荷が小さい状態では、前記遮断弁２１が閉状態に制御され、それにより、下流側圧力調整器５ａの上流圧が、低圧側の機械式圧力調整弁５ｄの制御圧力である第１の所定圧力に自動的に調整される。このとき、高圧側の機械式圧力調整弁５ｃは下流圧力が前記第１の所定圧力より高い第２の所定圧力である制御圧力に至らないために開状態で保持される。
【００５８】
一方、要求負荷が所定値を超えた場合は、前記遮断弁２１が開状態に制御されることで、高圧側の機械式圧力調整弁５ｃによる調圧機能が働き、下流側圧力調整器５ａの上流圧が、第２の所定圧力に自動的に調整される。このとき、低圧側の機械式圧力調整弁５ｄは、下流圧が過大となるために閉状態で保持される。
【００５９】
ついで、要求負荷が下がり、下流側圧力調整器５ａの上流圧力に低圧が要求されると、遮断弁２１が再び閉状態に制御されるが、低圧側の機械式圧力調整弁５ｄは閉状態のまま、下流側圧力調整器５ａの上流圧力が第１の所定圧力まで低下するまで保持されるため、不要な開閉作動を回避できる。
【００６０】
なお、このとき、容積部１２に接続されたリリーフ弁２０は、第１実施形態と同様に機能させることが可能である。
【００６１】
図８は、第２実施形態における制御フローを簡単に示したものである。要求負荷に対するエゼクタ上流の目標圧力tPrsHejを求め、上流側圧力調整器の下流圧を切り替えるか否かを判定するＳ７２までは、第１実施形態の制御フローと同様である。
【００６２】
Ｓ７２にて、エゼクタ上流の目標圧力tPrsHejが切り替え圧力の閾値であるtPrsHej0より低いと判断した場合はＳ９０へ進む。Ｓ９０では上流側圧力調整器の下流圧力tPrsUPを低圧側の機械式圧力調整弁５ｄによる第１の所定圧力である調整圧tPrsUPLとし、Ｓ９１にて遮断弁２１が閉制御されるように弁制御機構（図示略）に出力する。
【００６３】
Ｓ９２において、tPrsUPがtPrsUPLに等しい場合に適応するテーブルを用いて、基本となる下流側圧力調整器５ａの絞り弁開度（絞り面積）tArLPBを算出する。以降のＳ９３、９４におけるフローは第１実施形態のＳ７８、７９と同様であり、目標下流側圧力調整器の絞り弁開度tArLPの算出及び弁制御機構への出力をそれぞれ行う。
【００６４】
一方、Ｓ７２にて、tPrsEejが切り替え圧力であるtPrsHej0以上と判定した場合は、Ｓ９５へ進む。Ｓ９５では上流側圧力調整器の下流圧力tPrsUPを高圧側の機械式圧力調整弁５ｃによる第２の所定圧力である調整圧tPrsUPHとし、Ｓ９６にて遮断弁２１が開制御されるように弁制御機構に出力する。
【００６５】
Ｓ９７では、tPrsUPがtPrsUPHの場合に適応するテーブルを用いて、基本となる下流側圧力調整器５ａの絞り弁開度tArLPBを算出する。以降、Ｓ９３へ進み、目標下流側圧力調整器の絞り弁開度tArLPの算出及び弁制御機構への出力をそれぞれ行う。
【００６６】
この第２実施形態では、必要となる弁機構が増えるものの、第１実施形態のシステムにおいて容積部１２に設けていた圧力センサ１９の測定出力を制御に用いる必要がなくなり制御が簡単になるという利点が得られる。また、これに加えて、エゼクタ上流の圧力の目標圧への制御が、下流側圧力調整器５ａの絞り面積を制御することだけで可能となるから、制御ロジックの簡略化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の全体構成図である。
【図２】図１の要部のみを取り出して示す構成図である。
【図３】同実施形態に使用するエゼクタ循環装置の構成を示す断面図である。
【図４】同実施形態に使用するエゼクタ循環装置の特性図である。
【図５】一般的な圧力制御機構によるエゼクタ入口のガス圧力Ｐ１の制御可能範囲を示す特性図である。
【図６】図２の構成における制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の要部のみを取り出して示す構成図である。
【図８】図７の構成における制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池本体
２ 燃料極
５ａ，５ｂ 圧力調整器
５ｃ，５ｄ 機械式圧力調整弁
６ エゼクタ循環装置
１０ 空気極
１２ 容積部
１８ｂ 燃料ガス流路
１８ａ 原燃料ガス流路
２０ リリーフ弁（リリーフ手段）
２１ 遮断弁
Claims (4)
- 燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、
前記燃料極から排出される排出ガスと新たに供給される水素濃度の高い原燃料ガスとを混合するエゼクタ循環装置と、
前記エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、
前記エゼクタ循環装置に前記原燃料ガスを供給する原燃料ガス流路上に直列に配され、前記燃料電池本体の運転状況に応じてそれぞれの下流側の圧力を独立に調整可能である少なくとも２つの圧力調整器と、
前記少なくとも２つの圧力調整器の間に配され、前記圧力調整器の間を連通する配管径よりも流路断面積の大きい容積部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を要求時に所定値まで低下させるリリーフ手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以下の場合は、前記圧力調整器のうちの最下流に位置する圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器を制御することで所定の一定値に保持すると共に、最下流の圧力調整器の弁開度を負荷の変化に伴って増減させる一方、前記燃料電池本体に要求される負荷が所定値以上の場合は、最下流の圧力調整器の弁開度を略一定に制御すると共に、負荷の変化に伴って、最下流の圧力調整器の上流圧を、それよりも上流側の圧力調整器の弁開度を増減させることで制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記圧力調整器は、直列に接続された２つの圧力調整器からなり、そのうち上流側に配された圧力調整器を制御圧力の異なる２つの並列に配された機械式圧力調整弁により構成し、前記２つの機械式圧力調整弁のうちの制御圧力の高い機械式圧力調整弁の上流で且つ原燃料ガス供給源から前記２つの機械式圧力調整弁へ連通する配管の分岐部の下流に、要求負荷が所定値を超えない場合は流路を遮断し所定値を超えた場合に流路を開く遮断弁を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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