JP4908833B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の発電にリサイクル利用された燃料ガスのオフガスをパージ弁を開弁することで外部に適宜排出し、前記燃料電池の発電安定性を向上させる燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池システムにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

このような燃料電池システムでは、一般に、燃料の利用率を上げて燃費を向上させるために、燃料電池の燃料排出口から消費されずに排出される未反応の水素を含有するガス、いわゆるオフガスを燃料供給口にもどして循環させ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給することで燃料ガスをリサイクル利用している（特許文献１）。

特開平９−２２７１４号公報（段落［０００２］、要約）

燃料電池の発電時において、燃料電池のアノード電極側には、カソード電極側から電解質膜を通じて水が逆拡散し、あるいは燃料ガスの高湿化等を原因として水が貯留される。水が貯留すると燃料ガスのアノード電極への供給が阻害され、発電安定性が損なわれる。

また、カソード電極側に供給された空気中の窒素も、電解質膜を通じて微量ながらアノード電極側に透過して燃料ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電安定性が損なわれる。

この発電安定性を向上させるために、上記特許文献１には、燃料ガスをリサイクルする循環流路と大気との間にパージ弁を設け、このパージ弁を開弁することで、前記水を排出するとともに、窒素濃度が上昇したオフガスを大気に排出することで、発電安定性が維持されると開示されている。

このようにパージ弁を開弁して、発電安定性を維持する燃料電池システムにおいては、パージ弁が実際に開弁されているパージ時間を所定のパージ設定時間にできるだけ正確に一致させることが望まれている。すなわち、実際のパージ時間がパージ設定時間より短い場合には、発電安定性が十分に回復しない場合があり、その一方、実際のパージ時間がパージ設定時間より長い場合には、燃料ガスの利用効率が悪くなる。

ところで、図５Ａに示すように、時点ｔ０〜ｔ２までのパージ設定時間Ｔ１のパージ指令がパージ弁に供給されたときのパージ時間（パージ弁が開いている時間）は、図５Ｂに示すように、使用するパージ弁に固有の開弁時むだ時間Ｔｄａと閉弁時むだ時間Ｔｄｂとが存在し、実際のパージ時間Ｔは、時点ｔ１〜ｔ４の間のパージ時間Ｔとなり、パージ指令に対して遅延するがパージ指令のパージ設定時間Ｔ１とパージ時間Ｔ＝Ｔ１とは等しい時間になる。

しかしながら、図５Ｃに示すように、時点ｔ０〜ｔ２間のパージ設定時間Ｔ１のパージ指令が供給された後、閉弁時むだ時間Ｔｄｂの経過予定時点ｔ４が到来する前の時点ｔ２〜ｔ４の間で、再びパージ設定時間Ｔ１のパージ指令が供給される場合もあるが、この場合には、図５Ｄに示すように、パージ時間ＴがＴ＝２Ｔ１にはならず、パージ時間Ｔがパージ設定時間Ｔ１の２倍を上回る時間（Ｔ＞２Ｔ１）となる場合があることが判明した。

実際上、パージ弁が閉まりきらないうちにパージ指令が再度供給されると、図５Ａ、図５Ｂに示した正常に動作している場合の開弁時むだ時間Ｔｄａも保証されなくなる。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、パージ弁に対するパージ指令のパージ設定時間に対して、実際のパージ時間を正確に一致させることを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

この項では、理解の容易化のために添付図面中の一例の符号の一部を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料供給口（２０）から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給口（２４）から供給される酸化剤ガスとにより発電する燃料電池（１４）と、前記燃料電池の燃料排出口（２２）から排出される発電に利用されたオフガスと、新たな燃料ガスとを混合して前記燃料電池の燃料供給口に供給する燃料ガス供給手段（４８）と、前記燃料排出口（２２）に連通し、前記オフガスを大気にパージするパージ弁（３０）と、を備える燃料電池システム（１０）において、以下の特徴（１）〜（３）を備える。

（１）閉弁指令を受けた後、前記パージ弁の閉弁時むだ時間経過後に前記パージ弁の閉弁が完了したと判定するパージ弁第１閉弁完了判定手段（５０：Ｓ６；ＹＥＳ）と、開弁指令を受けた後、前記パージ弁第１閉弁完了判定手段からの閉弁完了通知を受けるまで、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁第１開弁禁止手段（５０：Ｓ６；ＮＯ）と、を備えることを特徴とする。

この特徴（１）を有する発明によれば、閉弁指令を受けた後、前記パージ弁の閉弁時むだ時間経過後に前記パージ弁の閉弁が完了したと判定するパージ弁閉弁判定手段からの閉弁完了通知を受けるまで、パージ弁第１開弁禁止手段によりパージ弁の開弁を禁止するようにしているで、パージ弁をパージ設定時間分開弁させた後、再びパージ設定時間を設定して開弁させるというように、パージ弁を連続して開弁するような場合でも、パージ設定時間に対して、実際のパージ時間を正確に一致させることができる。結果、適正なパージが可能となり、燃料電池の発電安定性の十分な回復を燃料ガスの利用効率を低下させることなく実現できる。

（２）上記特徴（１）を有する発明において、前記パージ弁の閉弁時むだ時間中開弁禁止を除く予め設定されたパージ禁止条件（５０：Ｓ６ａ）が成立した場合には、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁第２開弁禁止手段（５０：Ｓ６ａ；ＮＯ）と、前記パージ弁第２開弁禁止手段により前記パージ弁の開弁が禁止された場合には、前記パージ弁第１閉弁完了判定手段により前記パージ弁の閉弁が完了したと判定されたときであっても前記パージ弁の閉弁が完了していないとして、前記パージ弁の閉弁完了をさらに判定するパージ弁第２閉弁完了判定手段（５０：Ｓ６ａ；ＹＥＳ）と、を備えることを特徴とする。

（３）上記特徴（２）を有する発明において、前記パージ弁第２開弁禁止手段は、前記オフガスの圧力と大気圧との差圧に応じ、前記大気圧がオフガスの圧力を上回りそうなときには、前記パージ弁の開弁を禁止することで、燃料電池内に空気が混入されるような不具合を未然に防止することができる。

この発明によれば、閉弁指令を受けた後、パージ弁の閉弁時むだ時間が経過するまで次の開弁を禁止するようにしているので、パージ弁をパージ設定時間分開弁させた後、再びパージ設定時間を設定してパージさせるというように、パージを連続的に行うような場合、パージ弁に対するパージ設定時間に対して、実際のパージ時間を正確に一致させることができる。結果、適正なパージが可能となり、燃料電池の発電安定性の十分な回復を燃料ガスの利用効率を低下させることなく実現できる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、燃料電池車両等に搭載されるこの発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０の概略構成図である。

この燃料電池システム１０は、燃料電池１４を有し、燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。

燃料電池１４には、この燃料電池１４に燃料ガス、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスであるオフガスを排出するための水素排出口２２と、燃料電池１４に、酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口２４と、未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。

水素供給口２０には、水素供給流路２８が連通される。この水素供給流路２８には、エゼクタ４８が設けられている。このエゼクタ４８は、高圧水素を貯留する水素タンク４２から水素供給弁４４を通じて供給される高圧の水素ガスを、水素供給流路２８及び水素供給口２０を通じて燃料電池１４に供給するとともに、燃料電池１４の水素排出口２２から排出されるオフガスを水素排出口２２に連通する水素循環流路４６から吸引して燃料電池１４に再供給する。

すなわち、この実施形態において、エゼクタ４８は、燃料電池１４の水素排出口２２から排出される発電に利用されたオフガスと新鮮な水素ガスとを混合し水素供給口２０を介して燃料電池１４に供給する、水素ガスのリサイクル利用を可能とする燃料ガス供給手段として機能する。なお、エゼクタ４８の代わりに水素ポンプを用いることもできる。

水素排出口２２に連通する水素循環流路４６には、アノード電極に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に混入した窒素ガスを含む水素ガスを水素パージ流路３２を通じて大気に排出して発電安定性を確保するため適宜開放されるパージ弁３０が設けられる。

水素排出口２２の近傍には、オフガスの圧力Ｐを検出する圧力センサ３８が設けられている。

一方、空気供給口２４には、空気供給流路３４が連通され、この空気供給流路３４には、大気からの空気を圧縮して燃料電池１４に酸化剤ガスととしての加圧空気を供給するエアコンプレッサ３６が接続される。

空気排出口２６は、空気排出流路４０を通じて大気に連通している。

燃料電池システム１０には、さらに、制御装置５０が設けられ、この制御装置５０により、燃料電池システム１０の発電動作、パージ弁３０の開閉制御動作、エアコンプレッサ３６の制御動作等が行われる。

制御装置５０は、コンピュータ（ＥＣＵ）により構成され、圧力センサＰ等の各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置５０は、第１閉弁完了判定手段、第１開弁禁止手段、第２開弁禁止手段、第２閉弁完了判定手段、計時手段（カウンタ・タイマ、特に、閉弁待ちタイマ）等として機能する。

なお、図１において、二重線は、配管を示し、実線は信号線を示している。

燃料電池システム１０の発電運転時には、水素タンク４２から供給される燃料ガスが、エゼクタ４８を介し水素供給流路２８を通じて燃料電池１４の水素供給口２０に供給される。

水素供給口２０に供給された燃料ガスは、アノード電極に供給されアノード電極に沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスであるオフガスは、水素排出口２２から排出されて水素循環流路４６に送られる。

水素循環流路４６に排出されたオフガスは、エゼクタ４８の吸引作用下に、水素供給流路２８の途上に戻された後、新鮮な水素ガスと混合されて再度燃料電池１４内に水素ガスとして供給される。この水素ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。

一方、空気は、コンプレッサ１０２から加圧空気として供給され、空気供給流路３４を通じて空気供給口２４からカソード電極に供給されカソード電極に沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口２６から空気排出流路４０を通じて大気に排出される。

これにより、各燃料電池セルでは、アノード電極に供給される燃料ガスである水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。

燃料電池１４の発電中に、アノード電極側には、カソード電極側から電解質膜を通じて水が逆拡散し、あるいは水素ガスの高湿化等を原因として水が貯留される。水が貯留すると燃料ガスのアノード電極への供給が阻害され、発電安定性が損なわれる。また、カソード電極側に供給された空気中の窒素も、電解質膜を通じて微量ながらアノード電極側に透過し、水素ガスに混入するので、燃料ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電安定性が損なわれる。

発電安定性が損なわれる前に、発電安定性を維持向上させるために、水素循環流路４６に連通するパージ弁３０を、所定時間Ｔ１ずつ開弁し、前記水を排出するとともに窒素濃度が上昇したオフガスを大気に排出するパージ処理が行われる。

基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０の発電運転中におけるパージ弁３０の開弁・閉弁制御について、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。

ステップＳ１において、制御装置５０内の閉弁待ちタイマ（内容後述）の残計時時間がゼロ値でない場合には、単位時間Δｔ分計時して、後述するプリセット時間である開弁待ちタイマ設定時間Ｔｆから残計時時間を減らす（残計時時間＝Ｔｆ−ｎΔｔ：ｎは、ステップＳ１の実行回数）。

この実施形態において、開弁待ちタイマの設定時間（プリセット時間）は、図３Ａに示すように、時点ｔ１０の開弁指令から時点ｔ１２の閉弁指令までのパージ設定時間Ｔ１からなるパージ指令中、閉弁指令の時点ｔ１２から、図３Ｂの実際のパージ時間Ｔ１の終了時点ｔ３までの時間、すなわち閉弁時むだ時間Ｔｄｂ＝ｔ１３−ｔ１２に若干の余裕を見込んだ時間（閉弁時むだ時間待ち時間）Ｔｆ（Ｔｆ≧Ｔｄｂ＝ｔ１３−ｔ１２）としている。

なお、閉弁時むだ時間Ｔｄｂは、パージ弁３０の単体仕様から決定され、閉弁指令の発生時点ｔ１２からパージ弁３０が完全に閉弁状態になる時点ｔ１３までの時間である。

次いで、ステップＳ２において、パージ直後かどうかが判断される。このパージ直後の判断は、パージ指令の前回値が開弁指令（例えば、時点ｔ１０）で、今回値が閉弁指令である時点（例えば、時点ｔ１２）であるかどうかで判断される。

ステップＳ２のパージ直後の判断が成立した時点（ここでは、時点ｔ１２）で、パージ弁３０の開弁を所定時間禁止するために、ステップＳ３において、開弁待ちタイマの設定時間を、閉弁時むだ時間待ち時間Ｔｆに設定（プリセット）する。

ステップＳ３で閉弁時待ちタイマに閉弁時むだ時間待ち時間Ｔｆを設定したとき、またはステップＳ２の判断が非成立でパージ直後でなかった場合、ステップＳ４において、パージ弁３０の開弁指令（パージ指令）があるかどうかが判断される。

開弁指令（パージ指令）がない場合には、ステップＳ５において、パージ弁３０を閉弁し、閉弁している場合には閉弁状態を維持し、再びステップＳ１にもどる。

その一方、ステップＳ４において、開弁指令（パージ指令）があった場合、ステップＳ６で閉弁待ちタイマの残計時時間Ｔｆ−ｎΔｔがゼロ値になっているかどうかが判断される。

残計時時間Ｔｆ−ｎΔｔがゼロ値になっていない場合には、ステップＳ５においてパージ弁３０の閉弁が維持されて開弁が禁止され、ステップＳ１で閉弁待ちタイマの次の計時を行う。このようにして、ステップＳ６で開弁待ちタイマの残計時時間Ｔｆ−ｎΔｔがゼロ値になったとき、ステップＳ７でパージ弁３０の開弁禁止を解除し、時点ｔ１４で今回のパージ指令の開弁指令をパージ弁３０に送る。

このように、前回のパージ指令の閉弁指令時点ｔ１２（図３Ｅ）で、パージ弁３０の閉弁時むだ時間Ｔｄｂを考慮した閉弁時むだ時間待ち時間Ｔｆを設け、この間に今回のパージ指令の開弁指令が発生した場合には開弁を禁止し、開弁時むだ時間待ち時間Ｔｆの経過時点ｔ１４で今回のパージ指令に対応してパージ弁３０に開弁指令を送るようにしているので、燃料電池システム１０におけるパージ指令のパージ設定時間（Ｔ１＋Ｔ２）と（図３Ｅ）、実際のパージ時間（Ｔ１＋Ｔ２）とを一致させることができる（図３Ｆ）。

以上説明したように上述した実施形態に係る燃料電池システム１０は、水素供給口２０から供給される水素ガスと空気供給口２４から供給される酸化剤ガスとにより発電する燃料電池１４と、燃料電池１４の水素排出口２２から排出される発電に利用されたオフガスを水素循環流路４６を通じて燃料電池１４の水素供給口２０側に供給するとともに前記オフガスと新鮮な燃料ガスとを混合して燃料電池１４の水素供給口２０に供給するエゼクタ４８と、水素排出口２２に連通し、オフガスを大気にパージするパージ弁３０とを備える。

そして、閉弁指令（Ｓ５：時点ｔ１２）を受けた後、制御装置５０内の閉弁待ちタイマ（第１閉弁完了判定手段）が、閉弁時むだ時間待ち時間Ｔｆをダウン計時し、残計時時間Ｔｆ−ｎΔｔがゼロ値となるパージ弁３０の閉弁時むだ時間Ｔｄｂの経過後の時点ｔ１４にパージ弁３０の閉弁が完了したと判定する（みなす）。さらに、制御装置５０（第１開弁禁止手段）は、開弁指令を受けた後（ステップＳ４：ＹＥＳ）、閉弁待ちタイマからの計時完了通知（閉弁完了通知）を受けるまで、パージ弁３０の開弁を禁止する。

このため、時点ｔ１０〜ｔ１２の前回のパージ指令（図３Ｅ）によりパージ弁３０をパージ設定時間Ｔ１分開弁させた後（時点ｔ１１〜ｔ１３）、再び、時点ｔ１４〜ｔ１６の今回のパージ指令によりパージ設定時間Ｔ１を設定して開弁させるというように、パージ弁３０を連続して開弁するような場合、パージ弁３０に対するパージ指令のパージ設定時間２×Ｔ１（図３Ｅ）に対して、実際のパージ時間２×Ｔ１（図３Ｆ）を正確に一致させることができる。

すなわち、図３Ｅに示す前回のパージ指令の閉弁指令（時点ｔ１２）が出力された後、時点ｔ１２〜ｔ４４の間で今回のパージ指令の開弁指令が出力されても、開弁時むだ時間待ち時間Ｔｆ分開弁を禁止してパージ指令を保持し、この禁止時間経過後の時点ｔ１４に、今回のパージ指令の開弁指令をパージ弁３０に送るように制御してるので、適正なパージが可能となり、燃料電池１４の発電安定性の十分な回復を燃料ガスの利用効率を低下させることなく実現できる。

このようにして、この実施形態によれば、パージ弁３０の閉弁指令後、弁が完全に閉まりきるまで次回の開弁許可を与えないようにしているので、パージ弁３０の閉弁時むだ時間Ｔｄｂの影響が排除でき、パージ弁３０の制御精度が向上する。

ただし、閉弁待ちタイマの計時終了があった場合においても、図４のフローチャートに示すように、パージ弁３０に開弁指令を与えるステップＳ７の前に、予め設定されたパージ禁止条件のステップＳ６ａを設ける。このパージ禁止条件が成立した場合には、パージ弁３０の開弁を禁止する第２開弁禁止手段（Ｓ６ａ：ＮＯ）と、この第２開弁禁止手段（Ｓ６ａ：ＮＯ）によりパージ弁３０の開弁が禁止された場合に、パージ弁３０の閉弁完了を判定する第２閉弁完了判定手段（Ｓ６ａ：ＹＥＳ）を備えるとさらに好ましい。

この場合には、ステップＳ６ａの判断において、圧力センサ３８により検出されるオフガスの圧力Ｐと、大気圧Ｐａとの差圧（Ｐ−Ｐａ）が負の場合、あるいは極端に少ない場合には、ステップＳ５において、パージ弁３０の開弁を禁止するようにしているので、例えば大気圧Ｐａがオフガスの圧力Ｐを上回りそうなときには、パージ弁３０の開弁が禁止され燃料電池１４内に空気が混入されるような不具合を未然に防止することができる。

この発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 パージ弁の開閉制御の動作説明に供されるフローチャートである。 パージ弁の開閉制御の動作説明に供されるタイムチャートである。 他の実施形態に係るパージ弁の開閉制御の動作説明に供されるフローチャートである。 従来技術に係る課題の説明に供されるタイムチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム １４…燃料電池
２０…水素供給口 ２２…水素排出口
２４…空気供給口 ２６…空気排出口
２８…水素供給流路 ３０…パージ弁
３２…水素パージ流路 ３４…空気供給流路
３６…エアコンプレッサ ３８…圧力センサ
４０…空気排出流路 ４６…水素循環流路
４８…エゼクタ ５０…制御装置

Claims (3)

1. 燃料供給口から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給口から供給される酸化剤ガスとにより発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料排出口から排出される発電に利用されたオフガスと新鮮な燃料ガスとを混合して前記燃料電池の燃料供給口に供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料排出口に連通し、前記オフガスを大気にパージするパージ弁と、を備える燃料電池システムにおいて、
   閉弁指令を受けた後、前記パージ弁の閉弁時むだ時間経過後に前記パージ弁の閉弁が完了したと判定するパージ弁第１閉弁完了判定手段と、
   開弁指令を受けた後、前記パージ弁第１閉弁完了判定手段からの閉弁完了通知を受けるまで、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁第１開弁禁止手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記パージ弁の閉弁時むだ時間中開弁禁止を除く予め設定されたパージ禁止条件が成立した場合には、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁第２開弁禁止手段と、
   前記パージ弁第２開弁禁止手段により前記パージ弁の開弁が禁止された場合には、前記パージ弁第１閉弁完了判定手段により前記パージ弁の閉弁が完了したと判定されたときであっても前記パージ弁の閉弁が完了していないとして、前記パージ弁の閉弁完了をさらに判定するパージ弁第２閉弁完了判定手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記パージ弁第２開弁禁止手段は、前記オフガスの圧力と大気圧との差圧に応じ、前記大気圧が前記オフガスの圧力を上回りそうなときには、前記パージ弁の開弁を禁止する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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