JP3879409B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【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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