JP4984322B2

JP4984322B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4984322B2
Application number: JP2007073214A
Authority: JP
Inventors: 典生山岸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008235020A

Description

本発明は、燃料電池への供給流路にインジェクタを設けた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池を備える。例えば特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給する供給流路に流量制御弁（インジェクタ）を配置し、インジェクタの開閉間隔及び開弁時間を制御する。このインジェクタの制御により、燃料電池への燃料ガスの供給流量が調整されている。
特開２００３−３０２５６３号公報

特許文献１では検討されていないが、燃料電池システムとして、燃料電池から燃料オフガス及び酸化オフガス（以下、総称して「反応オフガス」という。）を排出させ、その反応オフガスをポンプにより燃料電池に循環させるものもある。この燃料電池システムでは、反応オフガスを供給流路に戻す循環流路が設けられ、この循環流路にポンプが設けられる。

このようなポンプを利用した循環系を、特許文献１に記載の燃料電池システムに適用することは可能である。しかし、ポンプはその吐出に伴い脈動を発生させるので、この脈動が供給流路と循環流路との合流点を経由してインジェクタに伝播するおそれがある。そうなると、インジェクタの内部構造の耐久性が低下したり、インジェクタの開閉動作に支障を生じさせるおそれがある。

本発明は、反応オフガスを燃料電池に循環するものにおいて、インジェクタの耐久性を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応オフガスを供給流路との合流点に戻す循環流路と、供給流路に設けられて反応ガスを噴射するインジェクタと、循環流路に設けられて反応オフガスを圧送するポンプと、合流点を経由するポンプとインジェクタとの間に設けられ、ポンプからインジェクタに伝播される脈動を低減するバッファと、を備える。

この構成によれば、バッファが脈動を吸収することができるので、インジェクタは、ポンプの吐出に伴う脈動による繰り返し応力を受けることを抑制される。これにより、インジェクタの耐久性を高めることができる。また、ポンプによる脈動の影響が小さくなるので、インジェクタの誤作動も抑制される。

以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、反応オフガスを燃料電池に循環供給する場合に、インジェクタの耐久性を高めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムを例に説明する。

（第１の構成例）
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４、及び制御装置６を備える。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造を有する。燃料電池２は、酸素ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。また、この電気化学反応によって、燃料電池２の空気極側には水が生成される。燃料電池２への酸素ガス及び燃料ガスの供給及び排出は、酸素ガス配管系３及び燃料ガス配管系４によりなされる。

酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池２から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称されるものである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。

酸素ガス配管系３は、加湿器１１、供給流路１２、排出流路１３、排気流路１４、及びコンプレッサ１５を有する。コンプレッサ１５は、供給流路１２の上流端に設けられる。コンプレッサ１５により取り込まれた大気中の空気が、供給流路１２を流れて加湿器１１に圧送され、加湿器１１により加湿されて燃料電池２に供給される。酸素オフガスは、排出流路１３を流れて加湿器１１に導入された後、排気流路１４を流れて外部に排出される。

燃料ガス配管系４は、水素タンク２１、供給流路２２、循環流路２３、ポンプ２４及びインジェクタ２５を有する。
水素タンク２１は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源である。

供給流路２２は、水素タンク２１内の水素ガスを燃料電池２に供給する。供給流路２２は、主流流路２２ａ及び混合流路２２ｂからなる。主流流路２２ａは、供給流路２２と循環流路２４との合流点Ａよりも上流側に位置し、混合流路２２ｂは、合流点Ａよりも下流側に位置する。主流流路２２ａには、インジェクタ２５の上流側に、シャットバルブ３１及びレギュレータ３２が設けられる。シャットバルブ３１は、水素タンク２１の元弁として機能する。レギュレータ３２は、水素ガスを減圧する。

循環流路２３は、燃料電池２の水素ガス出口から排出された水素オフガスを供給流路２２に戻す。循環流路２３にはパージ路３５が分岐接続され、パージ弁３６が定期的に開弁される。これにより、燃料電池２に循環供給される水素ガスの水素濃度の低下を抑制できるようになっている。

ポンプ２４は、循環流路２３に介設され、合流点Ａに水素オフガスを圧送する。したがって、合流点Ａでは、水素タンク２１からの新たな水素ガスとポンプ２４からの水素オフガスとが合流し、この合流後の混合水素ガスが混合流路２２ｂを流れて燃料電池２に供給される。ポンプ２４は、各種のタイプで構成することができ、例えば容積型で構成される。例えば、ポンプ２４は、三相交流のモータ２４ａと、モータ２４ａの駆動軸に連結されたインペラを有するコンプレッサ部と、を備える。モータ２４ａの回転数、すなわちポンプ回転数は、制御装置６によって制御される。

インジェクタ２５は、主流流路２２ａに設けられ、水素ガスを合流点Ａに向けて噴射する。図示省略したが、インジェクタ２５は、水素ガスを噴射するノズル部と、ノズル部への水素ガスの供給を制御する弁部と、を有する。弁部は、制御装置６に電気的に接続される。弁部は、電磁駆動力で弁体を所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることにより、ノズル部への水素ガスの供給を調整可能な電磁駆動式の開閉弁（遮断弁）の構成を有する。弁部での開時間及び開度を変えることで、ノズル部への水素ガスの供給流量が制御され、二次側（燃料電池２）への水素ガスの流量及び圧力が高精度に調整される。

インジェクタ２５の制御方法としては、弁部に給電するパルス状励磁電流のデューティ比を変化させるデューティ制御を用いると好適である。ここで、デューティ比とは、パルス状励磁電流のＯＮ時間を、パルス状励磁電流のＯＮ時間とＯＦＦ時間とを加算したスイッチング周期で除したものである。なお、弁部での開度又は開時間は、二段階、多段階、連続的（無段階）、又はリニアに切替え可能である。

制御装置６は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ２４及びインジェクタ２５の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置６は、各種センサの検出信号が入力され、ポンプ２４やインジェクタ２５などの各構成要素に制御信号を出力する。

以上説明した燃料電池システム１では、ポンプ２４が水素オフガスを昇圧して吐出し、インジェクタ２５から噴射された水素ガスに合流させる。ところが、ポンプ２４の吐出によって、水素オフガスの脈動が発生すると、この脈動が合流点Ａを経由してインジェクタ２５の弁部に伝播して、弁部に繰り返し応力が作用してしまう。その結果、例えば弁体を支持する支持バネの寿命が短くなるおそれがある。また、弁体を弁座に付勢するバネの付勢力が斜めに作用して、弁体が摺動面をかじり、損傷するおそれもある。

そこで、第１の構成例としては、ポンプ２４による脈動を低減する手段として、制御装置６を活用している。この場合、制御装置６は、ポンプ２４による脈動によって、インジェクタ２５の弁部で共振が発生しないように、ポンプ２４の回転数を制御するとよい。具体的には、インジェクタ２５の弁部で共振が発生するポンプ回転数をスキップするように、制御装置６はポンプ２４のモータ２４ａを制御するとよい。こうすることで、脈動による影響が最も大きくなるインジェクタ２５での共振を回避できるので、インジェクタの耐久性を高めることができる。また、脈動を発生するポンプ２４の回転数を制御する方法であるので、脈動低減のために他の機械的構造を設けなくて済む。

次に、図２ないし図６を参照して、インジェクタ２５への水素オフガスの脈動の影響を小さくする他の構成例について述べる。

（第２の構成例）
図２に示すように、ポンプ２４による脈動を低減する手段として、この脈動の波ｆ₁と逆位相の波ｆ₂を印加する別のポンプ１００を用いてもよい。ポンプ１００は、例えば、ポンプ２４と全く同じ構造からなり、制御装置６に接続される。ポンプ１００が取り込んで圧縮する流体は水素ガスであり、ポンプ１００は合流点Ａに水素ガスを圧送する。ポンプ１００が水素ガスを送り込む位置は、インジェクタ２５から合流点Ａまでの間であれば、合流点Ａに限られない。なお、ポンプ１００が取り込む水素ガスは、主流流路２２ａ内又は循環流路２３内の水素ガスであり、ポンプ１００は燃料電池２に対しポンプ２４と並列に配置される。

ポンプ２４による脈動を低減する際、制御装置６は、波ｆ₁の位相と波ｆ₂の位相とが１８０度ずれるように、ポンプ１００のモータ１００ａの回転数をポンプ２４のモータ２４ａの回転数に同期させる。このとき、ポンプ２４及びポンプ１００の吐出圧は、同じになるようにする。ポンプ１００をこのように制御することで、ポンプ２４による脈動が打ち消される。これにより、ポンプ２４による脈動がインジェクタ２５に伝播することを抑制でき、インジェクタ２５の耐久性を高めることができる。

（第３の構成例）
図３に示すように、ポンプ１００に代えて、インジェクタ２００を用いてもよい。インジェクタ２００は、例えば、インジェクタ２５と全く同じ構造からなり、制御装置６に接続される。インジェクタ２００は、燃料電池２に対しインジェクタ２５と並列に配置される。

具体的には、分岐流路２２ｃがインジェクタ２５をバイパスするように主流流路２２ａに接続され、この分岐流路２２にインジェクタ２００が介設される。インジェクタ２００は、水素タンク２１からの水素ガスをインジェクタ２５の下流側に噴射する。この噴射された水素ガスは、インジェクタ２５から合流点Ａまでの間の流路部分２２ｄであれば、どの位置でインジェクタ２５からの水素ガスに合流してもよい。

ポンプ２４による脈動を低減する際、制御装置６は、波ｆ₁の位相と逆位相の波ｆ₂が流路部分２２ｄに印加されるように、インジェクタ２００を開閉駆動すればよい。このような方法であっても、ポンプ２４による脈動を打ち消すことができ、インジェクタ２５の耐久性を高めることができる。

（第４の構成例）
図４に示すように、インジェクタ２５とは別個のインジェクタ３００を、インジェクタ２５の上流に設けてもよい。インジェクタ３００は、例えば、インジェクタ２５と全く同じ構造からなり、制御装置６に接続される。インジェクタ３００は、燃料電池２に対しインジェクタ２５と直列に配置され、主流流路２２に介設される。

ポンプ２４による脈動を低減する際、制御装置６は、波ｆ₁の位相と同位相の波ｆ₃がインジェクタ２５の上流側に印加されるように、インジェクタ３００を開閉駆動すればよい。このような方法によれば、インジェクタ２５の弁部での脈動吸収を低減でき、インジェクタ２５の耐久性を高めることができる。また、インジェクタ２５から調圧弁３２へと向かう振動を抑制することもできる。

さらに、直列配置したインジェクタ２５，３００の両者の開閉タイミングをずらすように制御すれば、燃料電池２に供給される水素ガスの圧力変動幅を小さくできる。また、下流側のインジェクタ２５の噴射開始時及び噴射停止時を、上流側のインジェクタ３００の噴射開始時及び噴射停止時に対して各々先行させることにより、インジェクタ３００の噴射開始時からインジェクタ２５の噴射停止時までの時間を新たな最短噴射時間とすることもできる。

（第５の構成例（本発明））
図５に示すように、ポンプ２４による脈動を低減する手段として、バッファ４００を用
いてもよい。バッファ４００は、ポンプ２４と合流点Ａとの間の循環流路２３の部分に介
設される。バッファ４００は、ポンプ２４が圧送した水素オフガスを一時的に蓄えるもの
である。このように、バッファ４００を設けることで、ポンプ２４による脈動は一旦バッ
ファ４００で吸収されるように低減する。これにより、ポンプ２４による脈動圧が下がる
ので、大きな脈動圧がインジェクタ２５に伝播することを抑制できる。よって、インジェ
クタ２５の耐久性を高めることができる。

他の実施態様では、インジェクタ２５と合流点Ａとの間の主流流路２２ａに、バッファ４００を介設してもよい。このような構成であっても、上記同様に、インジェクタ２５に大きな脈動圧が伝播することを抑制できる。ただし、インジェクタ２５が高精度に流量を制御するものであることに鑑みれば、バッファ４００はインジェクタ２５の下流ではなく、ポンプ２４の下流に設けることが好ましい。

（第６の構成例）
図６は、図１に示す燃料電池システム１と同じ部品点数で、ポンプ２４による脈動がインジェクタ２５に影響することを緩和できる構成を示す図である。この構成では、合流点Ａを経由するポンプ２４とインジェクタ２５との間の流路の管路長が、互いに位相のずれた水素ガスと水素オフガスとが合流点Ａで合流するように調整される。

具体的には、インジェクタ２５から合流点Ａに至るまでの流路の管路長Ｌ₁、及びポンプ２４から合流点Ａに至るまでの管路長Ｌ₂の少なくとも一つが調整され、水素オフガスの脈動が水素ガスにより打ち消され得るようになっている。好ましくは、全体の管路長（＝Ｌ₁＋Ｌ₂）がインジェクタ２５の弁部の共振点から外れた長さに設定するとよい。こうすることで、脈動による影響が最も大きくなるインジェクタ２５の弁部での共振を回避でき、インジェクタ２５の耐久性を高めることができる。また、この構成例によれば、脈動低減のために他の機械的構造（上記のポンプ１００、インジェクタ２００，３００、及びバッファ４００など）を設けなくて済む。

本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用とすることもでき、コージェネレーションシステムに組み込むこともできる。

上記の各例では、燃料ガス配管系４にポンプ２４及びインジェクタ２５を設けた例について説明したが、もちろんこの内容を酸素ガス配管系３に適用することもできる。その場合には、排出流路１３を循環流路として構成し、酸素オフガスを供給流路１２に戻すようにすればよい。

第１の構成例に係る燃料電池システムを示す構成図である。第２の構成例に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。第３の構成例に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。第４の構成例に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。第５の構成例に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。第６の構成例に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、６：制御装置、２２：供給流路、２３：循環流路、２４：ポンプ、２５：インジェクタ、１００：ポンプ（脈動低減手段）、２００：インジェクタ（脈動低減手段）、３００：インジェクタ（脈動低減手段）、４００：バッファ（脈動低減手段）、Ａ：合流点

Claims

燃料電池に反応ガスを供給する供給流路と、
前記燃料電池から排出された反応オフガスを前記供給流路との合流点に戻す循環流路と、
前記供給流路に設けられ、前記反応ガスを噴射するインジェクタと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記循環流路に設けられ、前記反応オフガスを圧送するポンプと、
前記合流点を経由する前記ポンプと前記インジェクタとの間に設けられ、前記ポンプから前記インジェクタに伝播される脈動を低減するバッファと、を備えた、燃料電池システム。