JP4993241B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特にガス漏れ検出などに適する循環経路の形態を提供するものである。

従来、燃料電池システムにおける極間差圧の制御性向上を図るため、空気圧を信号圧として燃料ガスの圧力調整弁に供給することが行われていた。例えば、特開２００３−６８３３４号公報には、水素ガスが圧力調整弁で減圧され、水素ガス供給路を通って燃料電池のアノードに供給され、燃料電池から排出された水素オフガスを水素ポンプによって加圧してから圧力調整弁の下流側で水素ガス供給路に戻す循環経路が開示されている。当該システムでは、水素ガス供給路上の圧力調整弁が、カソード極側に空気を供給するコンプレッサによって加圧された空気を信号圧とすることによって弁開度が調整されていた（特許文献１）。
特開２００３−６８３３４号公報

ところで、上記従来の技術では、燃料電池の水素オフガスを水素ガス供給路に戻すために水素ポンプやエゼクタを利用しているが、例えば水素ポンプを利用する場合には、そのポンプ構造によっては吐出圧に変動（脈動）成分が含まれることがある。また、循環経路の構造や経路に接続する部品（例えば弁部品やセンサ）の存在によって、循環経路内に圧力変動（脈動）が発生する場合がある。このため、上記従来の技術では、圧力調整弁で減圧された水素供給圧は、循環経路からの循環水素ガスを合流させた場合には循環水素ガスの圧力変動の影響を受けることになる。その結果、燃料電池に供給される水素ガスの圧力が変動することになるので、発電制御が不安定になるおそれがあった。

そこで、本発明は燃料電池に供給される燃料ガスの供給圧を正確に制御可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、燃料ガス供給路に設けられ、燃料ガス供給源からの燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス供給路に戻す循環経路と、循環経路に前記燃料ガスを循環させる燃料ガスポンプと、システムを制御する制御手段と、を備え、循環経路は、圧力調整手段の上流側において燃料ガス供給路に燃料ガスを戻すように接続されており、制御手段は、循環経路において循環する燃料ガスを制御するための制御信号を燃料ガスポンプに出力し、圧力調整手段は、圧力調整手段の下流側における燃料ガスの圧力が圧力調整手段の上流側における燃料ガスの圧力変動を緩和するように構成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、燃料電池から排出された燃料ガスは循環経路経由で燃料ガス供給路に戻されるが、この循環経路は圧力調整手段の上流側に接続されている。このため、この循環経路中に圧力の変動（脈動）が発生していても圧力調整手段がその下流の圧力を安定させるので、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力に微細な変動が生じることがなくなる。

ここで「燃料ガス供給源」に限定はなく、高圧水素タンク、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等、種々のものが挙げられる。

「圧力調整手段」に限定はないが、下流側の圧力を所望の圧力に安定化させるもので、いわゆる調圧弁（レギュレータ）を利用することが可能である。

さらに本発明では、燃料電池のカソード極に供給される酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、酸化ガス供給路に設けられた酸化ガスをカソード極に加圧供給する酸化ガス供給手段と、燃料電池のカソード極に供給される酸化ガスの圧力を検出するカソード極側圧力検出手段と、燃料ガスのアノード極側に供給される燃料ガスの圧力を検出するアノード極側圧力検出手段と、をさらに備え、制御手段は、カソード極側圧力検出手段によって検出される酸化ガスの圧力とアノード極側圧力検出手段によって検出される燃料ガスの圧力との圧力差が、所定の範囲内になるように燃料ガス供給路と酸化ガス供給路とのうち少なくとも一方の前記燃料電池に対するガス供給圧を制御する。当該構成によれば、アノード極とカソード極との圧力差が所定の範囲内に限定されるように制御手段が燃料ガス供給路または酸化ガス供給路のガス供給圧を変更するので、燃料電池において生じる電解質膜（ＭＥＡ）の劣化やガスのクロスリークを抑制でき好ましい。

さらに本発明では、制御手段が酸化ガス供給手段または圧力調整手段の少なくとも一方を制御することによって、圧力差が所定の範囲内になるよう制御するように構成してもよい。当該構成によれば、制御手段が圧力手段の駆動や停止、圧力調整手段の調整量の増減を制御することによって、圧力差を所望の範囲内に制御する。

以上本発明によれば、循環経路中に圧力の変動（脈動）が発生していても圧力調整手段がその下流の圧力を安定させるので、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力に微細な変動が生じることを抑制し、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を正確に制御し、その結果として安定して発電させることが可能となる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムに本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。

図１に本燃料電池システムのシステム全体図を示す。図１に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック１０に燃料ガスである水素ガスを供給するための系統と、酸化ガスとしての空気を供給するための系統と、燃料電池スタック１０を冷却するための系統とを備えて構成されている。

燃料電池スタック１０は、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとを複数積層したスタック構造を備えている。ＭＥＡは高分子電解質膜をアノード極（燃料極）及びカソード極（空気極）の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、陰極であるアノード極側には燃料ガスである水素ガスが供給され、陽極であるカソード極側には酸素を含んだ酸化ガス（空気）が供給され、アノード極側では式（１）のような反応を、カソード極側では式（２）のような反応を生じさせて電子を循環させ電流を流すものである。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
このような燃料電池スタック１０に水素ガスを供給するための系統は、本発明の燃料ガス供給源に相当する水素タンク１１から燃料電池スタック１０に至る水素ガス供給路ＳＬ上に、元弁（タンク開閉弁またはタンク遮断弁）ＳＶ１、本発明の圧力調整手段に相当する調圧弁ＲＧ、及び燃料電池入口遮断弁ＳＶ２を備え、圧力センサｐ１が調圧弁ＲＧ上部の水素ガス供給路ＳＬの経路圧を、圧力センサｐ２が燃料電池スタック１０における水素ガス供給圧を計測可能になっている。

また、燃料電池スタック１０出口からの循環経路Ｒには、燃料電池出口遮断弁ＳＶ３、気液分離器１２及び気液分離器用遮断弁ＳＶ４、水素ポンプ１３、及び循環路遮断弁ＳＶ６を備えている。水素ポンプ１３の上流側では水素オフガスの排出経路が設けられており、排出経路上にパージ遮断弁ＳＶ５が設けられている。

水素タンク１１には高圧の水素ガスが充填されている。水素タンクとしては高圧水素タンクの他に、水素吸蔵合金を用いた水素タンク、改質ガスによる水素供給機構、液体水素タンク、液化燃料タンク等種々のものを適用可能である。元弁ＳＶ１は制御部２０の制御信号によって開閉が制御され、水素ガスを供給路に供給するか遮断するかが選択される。

調整弁ＲＧは、例えば公知の信号圧導入形のバイアス式調整弁またはダイヤフラム式調整弁（特開２００３−６８３３４号公報参照）であって、その信号圧室にカソード極側コンプレッサ２２下流の空気圧を導入することで、水素タンク１１からの高圧水素ガスをタンク内圧より低くなるように調整（減圧）する構造を備えている。

調圧弁ＲＧの調整量は、カソード極側のコンプレッサ２２の下流の圧力に基づいて定まるようになっている。すなわち制御部２０によるコンプレッサ２２の駆動、遮断弁ＳＶ８及びＳＶ９に対する操作により調整弁ＲＧの出口側の圧力が調整される。例えば、遮断弁ＳＶ８を開くことによって調圧弁ＲＧへの供給空気圧を上昇させ調整弁ＲＧの出口側圧力を上昇させ、遮断弁ＳＶ９を開くことによって調整弁ＲＧへの供給空気圧を下降させ調整弁ＲＧの出口側圧力を下降させる。燃料電池入口遮断弁ＳＶ２は、燃料電池の発電停止時等に制御部２０の制御信号に基づいて閉鎖される。

気液分離器１２は、通常運転時において燃料電池スタック１０の電気化学反応により発生する水分その他の不純物を水素オフガス中から除去し、遮断弁ＳＶ４を通じて外部に放出するものである。

パージ遮断弁ＳＶ５は、循環経路Ｒに接続されパージ時に開放される他、発電停止時に開放され循環経路Ｒ内の圧力を下げるようになっている。パージ遮断弁ＳＶ５から排出された水素オフガスは希釈器１４に供給され、空気オフガスによって希釈されるようになっている。

水素ポンプ１３は、制御部２０の制御信号に基づいて、水素オフガスを水素ガス供給路（燃料電池スタック１０入口側）に強制循環させる。

循環遮断弁ＳＶ６は、発電停止時に遮断されるが、燃料電池運転時は水素オフガスを燃料電池スタック１０に供給するために開放されるようになっている。なお、循環遮断弁ＳＶ６の代わりに逆止弁を設けるようにしてもよい。

燃料電池スタック１０に空気を供給するための系統としては、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、加湿器２３を備えている。エアクリーナ２１は、外気を浄化して燃料電システムに取り入れる。コンプレッサ２２は、取り入れられた空気を制御部２０の制御信号に基づいて加圧することによって燃料電池スタック１０に供給される空気量や空気圧を変更するようになっている。

加湿器２３は加圧された空気と空気オフガスと間で水分の交換を行って適度な湿度を加える。コンプレッサ２２により加圧された空気の一部は燃料系の調圧弁ＲＧ制御のために調圧弁ＲＧの信号圧室に供給され、遮断弁ＳＶ８−ＳＶ９間の区間の空気圧が調圧弁ＲＧのダイアフラムに印加されるようになっている。燃料電池スタック１０から排出された空気オフガスは希釈器１４に供給され、水素オフガスを希釈するようになっている。

燃料電池スタック１０の冷却系は、ラジエ−タ３１、冷却ファン３２、及び冷却ポンプ３３を備え、冷却水が燃料電池スタック１０内部に循環供給されるようになっている。

燃料電池スタック１０は単セルが直列あるいは並列接続されており、その陽極Ａと陰極Ｃとの間に所定の電圧（例えば５００Ｖ）を発生させる。コンバータ４０は、燃料電池スタック１０における電力供給の補助として設けられた二次電池４１と、燃料電池スタック１０との間に介挿されている。そして二次電池４１からの電圧を、燃料電池スタック１０に接続できるように電圧変換（昇圧）して、燃料電池スタック１０の補助電源として二次電池４１の電力を利用可能とする。逆に、燃料電池スタック１０や三相モータ４３、補機モータ４５からの電力が余剰になっている場合には、燃料電池スタック１０の電圧を電圧変換（降圧）して、二次電池４１に余剰電力を供給する。インバータ４２は直流電力を三相交流に変換し、三相モータ４２に供給する。三相モータ４２は例えば当該実施形態では車輪に連結されるものであり、電力の主たる消費源となっているが、負荷が軽い場合には回生電力をインバータ４２、コンバータ４０経由で二次電池４１に供給することができるようになっている。インバータ４４も直流電力を交流電力に変換し、補機モータ４５を駆動するようになっている。補機モータ４５は例えば図１における水素ポンプ１３やコンプレッサ２２、ファン３２、冷却水ポンプ３３等の駆動手段である。

制御部２０はＥＣＵ（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、当該システムを本発明の燃料ガスシステムとして動作させることが可能になっている。すなわち、後に説明する手順（図２）によって、制御部２０は、燃料電池スタック１０内のアノード極及びカソード極間に生ずる差圧を一定の範囲に抑えるように制御する。

なお、上記各遮断弁の構造には限定はないが、例えばパイロット式ソレノイドを利用した遮断弁を利用するものとする。このタイプの弁では下流を減圧しながら閉弁するとシール性が高まることが期待できるからである。このタイプのバルブでは、閉鎖時にはソレノイドへの電流供給が停止され残留磁束とスプリングの力のバランスによって定まる速度で閉弁する。このとき弁体のシールの強さはスプリングの付勢力に依存するが、もしここでバルブ下流の圧力が小さければ、弁体にこのバルブ前後の差圧分だけ力が強く加わりシールの確実性が向上するのである。

次に本実施形態における動作を図２のフローチャートを参照しながら説明する。当該燃料電池システムが運転状態である場合、当該フローチャートは電源が投入されている間、適当なインターバルで繰り返し実行される。

本発明では膜差圧判定を行う。ここで膜差圧判定とは、燃料電池の電解質膜両隣の電極であるアノード極側の水素ガス圧とカソード極側の空気圧との圧力差を判定することである。本発明に係る膜差圧判定を行うタイミング以外（Ｓ１：ＮＯ）では他の処理が実施され、当該膜差圧判定のタイミングになったら（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御部２０は燃料電池スタック１０のカソード極に加えられている空気とアノード極に加えられている水素ガスとの圧力をそれぞれ求める。すなわち、制御部２０は圧力センサｐ２からの検出信号を参照して水素ガス供給圧Ｐ２を特定する（Ｓ２）。同様に制御部２０は圧力センサｐ３からの検出信号も参照して空気圧Ｐ３を特定する（Ｓ３）。

なお、ここでは圧力センサによって経路内圧力を実測しているが、他の方法で空気または水素ガスの相当値を得るように構成してもよい。例えば、カソード極に供給される空気圧はコンプレッサ２２の回転数を密接な相関関係があるためコンプレッサの回転数や供給電力からデータテーブルや演算等を用いて圧力を推定することができる。また、アノード極に供給される水素ガスの圧力は、制御部２０が遮断弁ＳＶ８及びＳＶ９の開閉制御によって調整される調圧弁ＲＧによってほぼ決定される。したがって調圧弁ＲＧの調整量から水素ガスの圧力を推定するように構成してもよい。

燃料電池スタック１０のアノード極側の水素ガス供給圧Ｐ２及びカソード極側の空気圧Ｐ３が測定されたら、制御部２０は両者の差分を演算して差圧ΔＰを出力する（Ｓ４）。このときの差圧ΔＰは水素ガス供給圧Ｐ２と空気圧Ｐ３との大小関係によって正の値も負の値も取りうる。

次いで制御部２０はこの差圧ΔＰが所定の圧力範囲内±Ｐｒに入っているか否かを判定する（Ｓ５／Ｓ７）。この圧力範囲は、種々の条件によって設定することができるが、その燃料電池の動作状態として好ましいような差圧である。差圧が大きいと燃料電池の信頼性に影響を与える電解質膜の劣化や水素ガスのクロスリーク量が増大する傾向にあるが、この限界値が電解質膜毎に求められるので、この限界値から余裕を持った値に差圧の範囲を設定することができる。

まず差圧ΔＰが正の値、すなわちアノード極側の水素ガスの圧力の方が高く、カソード極側との差圧がＰｒを超える場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、差圧を縮小する必要がある。このため、制御部２０は遮断弁ＳＶ９を開閉して調圧弁ＲＧのダイアフラムに印加されている空気圧を減じて水素ガスの供給圧を減少させる（Ｓ６）。また、パージ遮断弁を開閉することによっても一時的にアノード極側の水素ガスの供給圧を減少させることができる。ただしパージされる水素オフガス量が多すぎる場合には希釈器１４で希釈させる空気も増やさなければならないので、パージ量は多すぎないように調整される。

なお、カソード極側の圧力を上昇させることでも差圧ΔＰが小さくなるので、出力維持等の観点から水素ガスの供給圧を減少できない場合には、コンプレッサ２２の回転数を上げて空気圧を上昇させるような制御信号を制御部２０は出力する。もちろん、アノード極側の水素ガスの供給圧減少と並行してカソード極側の圧力を上昇させれば、より早く差圧を縮小できる。

一方、差圧ΔＰが負の値、すなわちカソード極側の圧力の方が高く、アノード極側との差圧がＰｒを超えるような場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、上記ステップＳ５の場合とは反対の方法に差圧を解消する必要がある。カソード極側の圧力を減少させることによって差圧ΔＰを小さくすることができるので、制御部２０は、コンプレッサ２２の回転数を減少させるような制御信号を制御部２０が出力する（Ｓ８）。

なお、アノード極側の水素ガス供給圧を上昇させることでも差圧ΔＰを小さくできるので、コンプレッサ２２の回転数を変更する代わりに、遮断弁ＳＶ８を開閉して調圧弁ＲＧのダイアフラムに印加される空気圧を上昇させ、水素ガスの供給圧を上昇させてもよい（Ｓ９）。

もちろん、カソード極側の空気圧を減少させるのと並行してアノード極側の水素ガス供給圧を上昇させるよう制御し、より早く差圧を縮小するよう処理してもよい。

差圧ΔＰが所定の圧力範囲±Ｐｒ以内であった場合には（Ｓ５：ＮＯ；Ｓ７：ＮＯ）、制御部２０は燃料電池スタック１０の差圧制御が順調であるとして、他の処理に移行する。

以上の構成において、水素ポンプ１３が駆動された場合にはその出口圧力に脈動が発生し、各遮断弁が開放されているような場合にはその脈動が水素ガス供給路ＳＬにまで及ぶが、本実施形態によれば、循環経路Ｒが水素ガス供給路ＳＬに接続されている接続点が調圧弁ＲＧの上流側に位置しているので、調圧弁ＲＧがこの脈動を緩和するので、燃料電池スタック１０に供給する水素ガスの供給圧を極めて安定したものにすることができる。

また本実施形態によれば、このような安定した水素ガスの供給圧のもと、さらに燃料電池スタック１０のアノード極側とカソード極側との差圧が所定の範囲±Ｐｒ以下になるように制御されるので、クロスリークの発生を極力抑え、差圧が大きすぎることによる電解質膜の劣化を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されることなく、本発明の趣旨の範囲で種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施形態では、循環経路Ｒに水素ポンプ１３を設け、水素ポンプ１３の駆動により水素オフガスを水素ガス供給路ＳＬに循環させる例を示したが、これに限定されない。例えば、水素ポンプの代わりに、循環経路Ｒと水素ガス供給路ＳＬとの合流点に公知のエゼクタを設け、エゼクタの作用により水素オフガスを水素ガス供給路ＳＬに循環させる場合にも本発明を適用可能である。この構成を採用する場合、調整弁ＲＧの上流にエゼクタを設ける構成となる。

本実施形態に係る燃料電池システムのブロック図。 本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャート。

符号の説明

ｐ１〜ｐ３…圧力センサ、ＲＧ…調圧弁（レギュレータ）、ＳＬ…水素ガス供給路、ＳＶ１…元弁、ＳＶ２…燃料電池入口遮断弁、ＳＶ３…燃料電池出口遮断弁、ＳＶ４、ＳＶ８、ＳＶ９…遮断弁、ＳＶ５…パージ遮断弁、ＳＶ６…循環遮断弁、１０…燃料電池スタック、１１…高圧水素タンク、１２…気液分離器、１３…水素ポンプ、１４…希釈器、１５…回収タンク、２０…制御部、２１…エアクリーナ、２２…コンプレッサ、２３…加湿器、３１…ラジエタ、３２…ファン、３３…冷却水ポンプ、４０…コンバータ、４１…二次電池、４２・４４…インバータ、４３…三相モータ、４５…補機モータ

Claims (3)

1. 燃料ガス供給源から燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   前記燃料ガス供給路に設けられ、前記燃料ガス供給源からの燃料ガスの圧力を調整する圧力調整手段と、
   前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給路に戻す循環経路と、
   前記循環経路に前記燃料ガスを循環させる燃料ガスポンプと、
   システムを制御する制御手段と、を備え、
   前記循環経路は、前記圧力調整手段の上流側において前記燃料ガス供給路に燃料ガスを戻すように接続されており、
   前記制御手段は、前記循環経路において循環する前記燃料ガスを制御するための制御信号を前記燃料ガスポンプに出力し、
   前記圧力調整手段は、前記圧力調整手段の下流側における前記燃料ガスの圧力が前記圧力調整手段の上流側における前記燃料ガスの圧力変動を緩和するように構成されている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池のカソード極に供給される酸化ガスを供給する酸化ガス供給路と、
   前記酸化ガス供給路に設けられた酸化ガスをカソード極に加圧供給する酸化ガス供給手段と、
   前記燃料電池のカソード極に供給される酸化ガスの圧力を検出するカソード極側圧力検出手段と、
   前記燃料ガスのアノード極側に供給される燃料ガスの圧力を検出するアノード極側圧力検出手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記カソード極側圧力検出手段によって検出される酸化ガスの圧力と前記アノード極側圧力検出手段によって検出される燃料ガスの圧力との圧力差が所定の範囲内になるように、前記燃料ガス供給路と前記酸化ガス供給路とのうち少なくとも一方の前記燃料電池に対するガス供給圧を制御する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記酸化ガス供給手段または前記圧力調整手段の少なくとも一方を制御することによって、前記圧力差が所定の範囲内になるよう制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。

Images