JP4967249B2

JP4967249B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4967249B2
Application number: JP2005126713A
Authority: JP
Inventors: 善仁菅野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006302832A

Description

本発明は、燃料ガスの循環路を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、同カソードに酸化剤ガスを供給することにより、それらの化学反応を利用して発電を行うものである。例えば、燃料ガスとしては水素ガスが利用され、酸化剤ガスとしては酸素又は空気が利用される。

このような燃料電池システムには、水素ガスを燃料電池へ供給し、その供給された水素ガスのうち発電に使用されなかった水素オフガスを循環させ再利用することで、燃費を向上させるというものがある。このような燃料電池システムの構成例を図３に示す。

図３に示すような燃料電池システムは、燃料電池スタック３０１、水素タンク３０２、水素循環ポンプ３０３、逆流防止弁３０４、パージ弁３０５等を備える。このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック３０１から排出された水素オフガスは、水素循環ポンプ３０３により循環路３０６を循環され、再度燃料電池スタック３０１のアノードに供給される。このとき、循環される水素オフガスには、水素以外の不純物ガスが含まれているため、循環されるうちに当該オフガス中の水素濃度が低下していく。このような場合に、パージ弁３０５が開かれることにより、この水素濃度が低下した水素オフガスが排気される。当該燃料電池システムは、このパージ弁３０５を制御しつつ、不足分の新たな水素ガスを水素タンク３０２から供給し、効率よく水素ガスを利用することにより、燃費の高い発電を実現している。

一方、上記構成において、通常、パージ弁３０５より下流は大気圧に近く、上流は燃料電池の安定運転等のためにそれよりも５０−１５０キロパスカル（ｋＰａ）程度高圧で制御されているために水素ガス供給路３０７付近とパージ弁３０５付近との間に差圧が生じる。これにより、上記燃料電池システムでは、水素循環ポンプ３０３が停止している場合や回転数が十分でない場合にパージ弁３０５が開かれると、水素タンク３０２から供給される水素ガスが循環路３０６方向へ逆流し（水素循環ポンプ３０３下流（図で示す上部）から上流（図で示す下部）へ逆流し）、パージ弁を通り排気されてしまうおそれがあることから、逆流防止弁３０４を設置している。なお、水素ガスの逆流を防ぐために、循環路に逆流防止弁を設けるシステム構成については、特許文献１により開示されている。

また、上記構成を備える燃料電池システムにおいて、水素循環ポンプの負荷から不純物濃度を推定してパージ弁を制御する技術が提案されている（特許文献２、３及び４参照）。また、水素循環路を有するシステムにおいて、始動時にパージ弁を開いて水素を供給し、水素置換を行う技術が提案されている（特許文献５参照）。
特開２００３−１７３８１０号公報特開２００４−１６５０９３号公報特開２００４−３４９０６８号公報特開２００４−２０７０３０号公報特開２００１−１９３１０７号公報

しかし、上記従来の燃料電池システムでは、循環される水素オフガスが逆流防止弁付近で滞留するため、当該水素オフガスに含まれる水分が逆流防止弁に付着し、凍結する場合
がある。これにより、逆流防止弁が塞がれ、循環路が閉塞してしまう等の問題が発生する。逆に、逆流防止弁を省いた場合には、上記のように新しい水素ガスの逆流が起こり、燃費を悪くしてしまう。

本発明の目的は、燃料ガスを循環させることにより燃費を向上させ、安定動作を実現する燃料電池システムを提供することにある。

本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明は、燃料ガスの循環路を有しており、この循環路に備えられた循環ポンプにより当該燃料ガスを循環させる燃料電池システムであって、この循環路から分岐する排気路に当該循環される燃料ガスを送出するパージ弁を当該循環ポンプの上流位置に有し、循環ポンプの回転数が所定回転数以下のときには、このパージ弁を開くことを禁止するというものである。

これにより、上記燃料電池システムでは、燃料電池に供給される純粋な燃料ガスが循環路に逆流し、排出路に送出されることを防止することができる。ひいては、純粋な燃料ガスの浪費を防ぐことができ、高燃費のシステムを実現することができる。更に、逆流防止のための他の機器を用いることなく、逆流防止を実現することができる。

また、上記燃料電池システムは、パージ弁を開く場合に、循環ポンプの回転数が所定回転数以上となるよう制御した後、パージ弁を開くようにしてもよい。

これにより、循環ポンプの回転数を制御することにより、パージ弁を開きたいときに開くことができる。

また、上記燃料電池システムは、パージ弁を開いた後、循環路に循環される燃料ガスが逆流しないよう循環ポンプの回転数を制御するようにしてもよい。

これにより、循環される燃料ガスの逆流を防止しつつ、循環ポンプの回転数によらず、即座にパージ弁の開閉を行うことが可能となる。

本発明によれば、高燃費で安定動作を実現する燃料電池システムを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

[実施形態]
図１は、本発明の実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池スタック１０１、水素タンク１０２、水素タンクシャットバルブ１０３、水素調圧バルブ１０４、水素循環ポンプ１０５、パージ弁１０６、及び電子制御ユニット（以降、ＥＣＵという）１０７を有している。

水素タンク１０２は、燃料ガスとなる水素ガスを燃料電池スタック１０１へ供給する。水素タンク１０２から供給された水素ガスは、水素タンクシャットバルブ１０３を通り、水素調圧バルブ１０４により所定圧力に調圧される。この調圧された水素ガスは、水素ガス供給路１１０を通り、燃料電池スタック１０１のアノードに供給される。

燃料電池スタック１０１は、アノードに供給された水素ガスとカソードに供給された酸化剤ガス（図示せず）を用いて発電する。供給された水素ガスのうち発電に供しなかった水素ガス（以降、水素オフガスという）は、燃料電池スタック１０１から水素ガス循環路１１１へ送出される。

水素循環ポンプ１０５は、回転駆動用のモータ等を備え、水素ガス循環路１１１に設けられている。水素循環ポンプ１０５は、燃料電池スタック１０１から送出された水素オフガスを再度燃料電池スタック１０１のアノードへ再供給するために、回転駆動モータにより当該水素オフガスを水素ガス供給路１１０方向へ送り出す。送り出された水素オフガスは、水素タンク１０２から供給される純粋な水素ガスと合流し、再度、燃料電池スタック１０１のアノードに供給される。

一方、水素ガス循環路１１１は、排出路１１２で分岐されている。そして、この排出路１１２には、パージ弁１０６が設けられている。パージ弁１０６は、水素オフガスの排気のために利用される排気弁である。すなわち、燃料電池スタック１０１から送出された水素オフガスは、パージ弁１０６が開かれると、排気経路１１２へ送出される。また、パージ弁１０６が閉じられている場合には、当該水素オフガスは、水素ガス循環路１１１を通り循環される。例えば、パージ弁１０６は、循環される水素オフガス中の水素濃度により制御され、当該水素濃度が低下してきたと判断された場合等に、パージ弁１０６が開かれ水素オフガスが排出路１１２へ送出される。

ＥＣＵ１０７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、入出力インタフェー
ス等を備え、このＣＰＵによって、メモリに記憶される制御プログラムを実行することで、各種制御を行う。

ＥＣＵ１０７は、外部の他の制御部からの信号等を受け、主に、水素循環ポンプ１０５のモータの回転数制御及びパージ弁１０６の開閉制御を行う。なおここでは、ＥＣＵ１０７の制御として、説明の便宜のため、水素循環ポンプ１０５及びパージ弁１０６の制御に絞って説明する。当然、ＥＣＵ１０７は、水素タンクシャットバルブ１０３、水素調圧バルブ１０４等、他の機器を制御するようにしてもよい。以下に、ＥＣＵ１０７の制御について説明する。

〔動作例〕
次に、本実施形態における燃料電池システムの動作例について、図２を用いて説明する。図２は、パージ弁の開動作時の本燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。なお、パージ弁制御としては、パージ弁を開いた後、所定時間後に閉じる処理がなされるが、以下の説明では、パージ弁の開動作について説明する。

ＥＣＵ１０７は、外部の他の制御機器よりパージ弁１０６を開くよう指示を受ける（Ｓ２０１）。例えば、この指示は、水素オフガスの水素濃度の検出センサを有する外部制御機器において、その検出された水素濃度が所定の濃度より低下したと判断された場合等に出力される。この制御は、当然にＥＣＵ１０７内部で行うようにしてもよい。

ＥＣＵ１０７は、この指示がパージ弁を開く旨の指示であると判断すると（Ｓ２０１；ＹＥＳ）、水素循環ポンプ１０５の回転数を所定回転数以上に設定する（Ｓ２０２）。これにより、水素循環ポンプ１０５は、回転数が設定された回転数以上になるよう制御される。

この所定回転数は、水素タンク１０２から供給される水素ガスが水素ガス循環路１１１方向へ逆流するのを防ぐために十分な回転数が予め決められ、ＥＣＵ１０７内のメモリ等
に記憶されるようにしてもよい。また、逆流を防止するために必要な回転数は、水素循環ポンプ１０５上下流の差圧、ガス温度、又は水素オフガスのガス組成等により変動するものであるため、それらの情報を各種センサ等で検出することにより、それらの情報を用いて都度算出されるようにしてもよい。また、この所定回転数は、燃料電池スタック１０１の発電効率を下げず十分な燃費を確保することができる程度に、ＥＣＵ１０７と燃料電池スタック１０１との間の連動制御により、都度決定されるようにしてもよい。

ＥＣＵ１０７は、その後、水素循環ポンプ１０５の回転数を監視する（Ｓ２０３）。そして、水素循環ポンプ１０５の回転数が設定された所定回転数以上となったと判断すると（Ｓ２０３；ＹＥＳ）、ＥＣＵ１０７は、パージ弁１０６を開く（Ｓ２０４）。一方、水素循環ポンプ１０５の回転数が設定された所定回転数に満たない場合には（Ｓ２０３；ＮＯ）、ＥＣＵ１０７は、所定回転数となるまで再度監視状態となる（Ｓ２０３）。

〈実施形態の作用効果〉
以上述べたように、本発明の実施形態の燃料電池システムは、水素循環路に循環される水素オフガスを排気路に送出すべくパージ弁を開く場合に、水素循環路に備えられた水素循環ポンプの回転数を所定回転数以上に設定し、実際に当該所定回転数になったことを確認した後、パージ弁を開く。

これにより、本燃料電池システムでは、水素タンク１０２から供給される純粋な水素ガスが水素循環路に逆流することを防止することができる。つまり、従来、水素循環路の水素循環ポンプの下流に設ける必要があった逆流防止弁を設けることもなく、純粋な水素ガスの浪費を防ぐことができ、高燃費のシステムを実現することができる。

更に、逆流防止弁を省くことが可能となったことにより、従来、循環される水素オフガスが逆流防止弁付近で滞留することで当該水素オフガスに含まれる水分が逆流防止弁に付着し、凍結する問題をも解消することができる。

〈変形例〉
本発明の上記実施形態では、水素循環ポンプ１０５の回転数が所定回転数になった後、パージ弁１０６が開かれるよう制御されるが、まず、パージ弁１０６を開き、その後、実際に水素タンク１０２からの水素ガスが逆流しないように水素循環ポンプ１０５の回転数を制御するようにしてもよい。この場合には、水素循環ポンプ１０５の下流にガスの流れ方向を測定するセンサ等の機器を備えるようにしてもよい。

これにより、水素循環ポンプの回転数によらず、即座にパージ弁１０６の開閉を行うことが可能となる。

また、本発明の実施形態では、上記制御をＥＣＵ１０７により行っているが、デジタル回路、またはアナログ回路によって実現するようにしてもよい。

以上述べた各構成は、必要に応じて可能な限り組み合わせることができる。

本発明の実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態としての燃料電池システムの動作例を示す図である。従来の燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１０１、３０１燃料電池スタック（ＦＣスタック）
１０２、３０２水素タンク
１０３水素タンクシャットバルブ
１０４水素調圧バルブ
１０５、３０３水素循環ポンプ
１０６、３０５パージ弁
１０７電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１１０水素ガス供給路
１１１水素ガス循環路
１１２排出路
３０４逆流防止弁

Claims

燃料ガスの循環路を有する燃料電池システムにおいて、
前記循環路に備えられた循環ポンプと、
前記燃料ガスの循環方向に対して前記循環ポンプの上流に位置し、前記循環路に循環される燃料ガスを排気路に送出するパージ弁と、
前記循環ポンプの回転数が所定回転数以下のときには、前記パージ弁を開くことを禁止する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記パージ弁を開く場合には、前記循環ポンプの回転数が所定回転数以上となるよう制御した後、前記パージ弁を開く、
燃料電池システム。