JP5083274B2 - 燃料電池の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、アノードオフガスを燃料電池に供給するための循環流路を有する燃料電池に関し、特にアノードオフガス循環量を可変制御し得る燃料電池装置に関する。

燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを、水素供給流路に再度循環させるアノードオフガス循環流路を備える燃料電池装置が知られている。そして、特許文献１には、アノード極に供給する燃料ガスとしての圧縮水素によって駆動され、アノードオフガスを燃料電池入口の供給水素流路に循環させるエゼクタ装置を備える構成が開示されている。この構成では、エゼクタ装置に供給される水素圧力とノズル開度とを制御することで、アノードオフガスの循環流量を可変に制御することが可能である。

特開２００５−１２９３１２号公報

一般に、燃料電池においては圧縮水素タンクから減圧装置を介してアノード極に水素が供給される。そして、水素の温度は、圧縮水素タンクへの充填直後は圧縮によって高温となり、運転停止時には保管温度に依存する。また、連続運転により圧縮水素タンク内の水素量が少なくなると、タンク内の圧力が低下するので、水素は膨張して温度が低下する。

このように、供給水素に温度変化が生じた場合、水素の物性として音速に変化が生じる。このため、ノズル噴流を音速領域で使用するエゼクタでは、温度の変化に応じて燃料電池に供給する供給水素量が変化し、それに伴い循環流量も変化する。このような循環流量の変化によって、要求される発電量に対して燃料電池への水素供給量が多くなると、燃料電池の燃費の低下を招くおそれがある。一方、要求される発電量に対して燃料電池への水素供給量が少なくなると、燃料電池の性能低下を招くおそれがある。

そこで、本発明では、燃料ガス温度に変化が生じても、燃料電池に供給される燃料ガスの過不足を低減することができる燃料電池用の燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池の燃料供給装置は、圧縮された高圧の燃料ガスを蓄える燃料タンクから燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給流路と、供給流路を流れる燃料ガスの温度を検出する温度センサと、供給流路を流れる燃料ガスの圧力を制御する圧力調整弁と、を備える。そして、燃料電池から排出される燃料電池で消費されなかった燃料ガスを含むオフガスを供給流路に戻すオフガス循環流路を備える。供給流路とオフガス循環流路との合流部には、燃料ガスがノズル部分を通過する際の噴流吸引効果でオフガス循環流路からオフガスを吸引して供給流路に合流させるエゼクタ装置を備える。さらに、圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することで燃料ガスとオフガスの供給量を制御する制御装置を備える。この制御装置は、燃料電池に対する発電要求量に応じて燃料ガス及びオフガスの供給量を設定し、圧力調整弁の開度を燃料ガスの供給量を実現するのに必要な開度に制御し、エゼクタ装置のノズル開度を燃料ガスの温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて燃料電池に供給される燃料ガスが少なくなるような開度となるように制御する。

本発明によれば、燃料ガスの温度が上昇して、エゼクタ装置のノズルを通過する燃料ガスの体積流量が増大した場合には、燃料ガスが少なくなるようにノズル開度が制御されるので、水素の過剰供給を防止できる。

また、ノズルを通過する燃料ガスの体積流量が増大すると、エゼクタ装置を介するオフガスの循環量も増大するが、燃料ガスが少なくなるようにノズル開度が制御することにより、オフガスの循環量の増加も抑制できる。

したがって、燃料ガスの温度が変化した場合にも、燃料電池への燃料ガス供給量及びオフガスの循環量の変化を抑制して、燃料電池に供給される燃料ガスの過不足を抑制することができる。

第１実施形態を適用する燃料電池システムの概略構成図である。 供給水素温度と供給水素流量及び循環流量との関係を示す図である。 エゼクタポンプ開度と供給水素流量及び循環流量との関係を示す図である。 エゼクタポンプ開度と供給水素圧力及び循環流量との関係を示す図である。 コントロールユニットが実行する制御ルーチンを説明するためのフローチャートである（第１実施形態）。 第２実施形態を適用する燃料電池システムの概略構成図である。 コントロールユニットが実行する制御ルーチンを説明するためのフローチャートである（第２実施形態）。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態の燃料電池システムの概略図である。燃料電池２は、水素供給流路３と、空気供給流路１０と、オフガス循環流路５と、を備える。ここでは、車両の駆動源としてこの燃料電池システムを用いる。

水素供給流路３は、燃料電池２のアノード極に水素を供給するための流路であって、高圧の水素が充填された圧縮水素タンク１と燃料電池２のアノード極とを連結し、供給水素を減圧するための圧力調整弁４と、オフガスを循環させるためのエゼクタポンプ６とを備える。圧縮水素タンク１と圧力調整弁４の間には、圧力センサ８及び温度センサ９を設ける。圧力調整弁４とエゼクタポンプ６の間には圧力センサ８１を設け、エゼクタポンプ６と燃料電池２の間には圧力センサ８２を設ける。

空気供給流路１０は、燃料電池２のカソード極に空気を供給するための流路である。

オフガス循環流路５は、燃料電池２に供給された水素のうち反応に使用されない水素と、燃料電池２を透過した窒素等のガスとからなるオフガスを水素供給流路３に循環させるための流路である。このため、燃料電池２とエゼクタポンプ６とを連通している。オフガス循環流路５にはオフガスに含まれる不純物を系外に排出するためのパージ弁１１が設けられている。オフガスの一部はパージ弁１１で排出されるが、残りのオフガスは、エゼクタポンプ６によって吸引され、エゼクタポンプ６内で供給水素と混合され、再び燃料電池２に供給される。この再び燃料電池２に供給されるオフガス量を循環流量ｑとする。

エゼクタポンプ６は、圧縮水素タンク１から供給されて水素供給流路３を高速で流れる水素の圧力エネルギにより駆動され、オフガス循環流路５を流れるオフガスを吸引する。

コントロールユニット７は、燃料電池システムの要求負荷に応じた、供給水素の圧力、供給水素量、及びオフガスの循環量等を設定する。このために、圧力調整弁４よりも圧縮水素タンク１側（以下、上流側という）の温度センサ９が検知した供給水素の温度である高圧供給水素温度Ｔ０と、圧力調整弁４より上流側の圧力センサ８が検知した供給水素の圧力である供給水素圧力Ｐ０（以下、高圧供給水素圧力Ｐ０という）と、圧力調整弁４よりも燃料電池２側（以下、下流側という）かつエゼクタポンプ６より上流側の圧力センサ８１で検知した供給水素の圧力である供給水素圧力Ｐと、がコントロールユニット７に読み込まれる。

ここで、高圧供給水素温度Ｔ０から、エゼクタポンプ開度Ｄと、圧力調整弁４の開度（以下、圧力調整弁開度という）を決定する方法の概念を説明する。

図２は、供給水素圧力Ｐとエゼクタポンプ開度Ｄを一定と仮定した場合の、エゼクタポンプ６に供給される水素温度（以下、供給水素温度Ｔ）に対する供給水素量Ｑ及び循環流量ｑの関係を示す。

気体の音速は絶対温度の平方根に比例するため、供給水素温度Ｔが上昇すると音速状態でエゼクタポンプ６のノズル部分６ａを通過する流速が増加する。したがってエゼクタポンプ開度Ｄが一定の場合には供給水素量Ｑが増加する。この供給水素量Ｑの増加に伴い、エゼクタポンプ６に供給されるエネルギが増えるため、循環流量ｑも増加する。但し、この効果はエゼクタポンプ６内部を供給水素が音速で通過する場合にのみ成立する。

なお、供給水素温度Ｔは、圧縮水素タンク１の下流側に熱交換器等を設けることで一定温度に制御することが可能であるが、部品点数増加やコスト増大の観点からは望ましくないので、供給水素温度Ｔの能動的な制御は行わない。

図３は、供給水素圧力Ｐと供給水素温度Ｔを一定と仮定した場合の、エゼクタポンプ開度Ｄに対する供給水素量Ｑ及び循環流量ｑの関係を示す。

図示するように、エゼクタポンプ開度Ｄが大きくなると、エゼクタポンプ６を通過する供給水素の流路面積が増大するため、供給水素量Ｑが増える。これにより、上述した供給水素温度Ｔが上昇したときと同様に循環流量ｑも増える。

これらの関係を用いてエゼクタポンプ開度Ｄを決める場合、供給水素圧力Ｐは一定とすると、供給水素温度Ｔが高くなるほど、供給水素量Ｑ及び循環流量ｑが増え、それぞれを一定に保持するためにはエゼクタポンプ開度Ｄを小さくする必要がある。逆に、供給水素温度Ｔが低いほど、供給水素量Ｑ及び循環流量ｑが減るため、エゼクタポンプ開度Ｄを大きくする必要がある。

ここでは、供給水素圧力Ｐを一定としていたため、供給水素温度Ｔとエゼクタポンプ開度Ｄに対して、供給水素量Ｑと循環流量ｑが同時に増減している。しかし、図４に示すようなエゼクタポンプ開度Ｄと供給水素圧力Ｐと循環流量ｑとの関係から、供給水素量Ｑと循環流量ｑを独立して制御することも可能である。例えば、循環流量ｑを増やす場合には、エゼクタポンプ開度Ｄを小さくし、かつ供給水素圧力Ｐを上昇させることにより、循環流量ｑのみを変化させることができる。

図５は、コントロールユニット７が実行する、エゼクタポンプ開度Ｄ及び圧力調整弁開度を決定する制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。この制御ルーチンは、燃料電池システムの運転中に一定間隔、例えば１０ミリ秒、で実行する。以下、ステップに従って説明する。

ステップＳ１０１では、燃料電池２に要求される負荷（以下、要求負荷という）を読み込む。要求負荷は、例えば車両運転者のアクセル操作、車速等に基づいて算出できるので、別ルーチンで算出した要求負荷を読み込んでもよいし、ステップＳ１０１でアクセル操作量等を読み込んで算出するようにしてもよい。

ステップＳ１０２では、要求負荷に基づいて、燃料電池２の発電に必要となる供給水素量Ｑを算出する。

ステップＳ１０３では、その要求負荷及び供給水素量Ｑである状況に応じた循環流量ｑを算出する。循環流量ｑは、実際にはシステムの構造や制御方法にも依存するが、ここでは、循環流量ｑを要求負荷及び供給水素量Ｑに割り付けたマップを検索して循環流量ｑを算出するものとする。

ステップＳ１０４では高圧水素圧力Ｐ０を読み込み、ステップＳ１０５では高圧水素温度Ｔ０を読み込む。

ステップＳ１０６では、これらをもとに、供給水素量Ｑを実現するのに必要な圧力調整弁開度を決定する。例えば、供給水素量Ｑを満足するために必要な供給水素圧力Ｐを水素供給系の仕様に基づいて算出し、これと高圧水素圧力Ｐ０から、オリフィスの関係式を用いて圧力調整弁開度を算出する。高圧水素温度Ｔ０を読み込むのは、圧力調整弁４を通過する水素の流速が音速に達した場合は、高圧水素温度Ｔ０も供給水素圧力Ｐに影響するためである。

ステップＳ１０７では、圧力調整弁開度をステップＳ１０６で決定した開度に制御した後の、供給水素圧力Ｐを読み込む。

ステップＳ１０８では、高圧供給水素圧力Ｐ０、供給水素圧力Ｐ、及び高圧水素温度Ｔ０から供給水素温度Ｔを算出する。

ステップＳ１０９では、ステップＳ１０８で算出した供給水素温度Ｔと供給水素圧力Ｐに基づいて、供給水素量Ｑを実現するためのエゼクタポンプ開度ＤをステップＳ１０６と同様の手法により算出する。

ここでは、高圧水素温度Ｔ０が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて供給水素量Ｑが少なくなるようなエゼクタポンプ開度Ｄとなるようにする。これは、供給水素温度Ｔ０が高い場合には水素の音速が上昇して水素供給量が過剰になるおそれがあり、供給水素温度Ｔ０が低い場合には水素の音速が低下して水素供給量が不足するおそれがあるためである。

ステップＳ１１０では、圧力計８２の検出値および燃料電池システムの運転状況を読み込み、これが規定範囲内にあるか否かを判定する。規定範囲は、ステップＳ１０２で算出した供給水素量Ｑを基準として、燃料電池２の運転に支障をきたさない範囲に設定する。つまり、ステップＳ１０２で供給水素量Ｑを算出したときに、規定範囲も決まる。供給水素量Ｑが規定範囲内のときはステップＳ１１１へ進み、そうでないときはステップＳ１０４に戻る。

ステップＳ１１１では、循環流量ｑについて、ステップＳ１１０と同様に規定範囲内にあるか否かを判定する。規定範囲内のときは処理を終了し、そうでない場合はステップＳ１０７に戻る。

供給水素量Ｑ及び循環流量ｑは、圧力調整弁開度及びエゼクタポンプ開度Ｄに大きく依存し、圧力調整弁開度は高圧水素圧力Ｐ０と高圧水素温度Ｔ０により決定され、エゼクタポンプ開度Ｄは供給水素圧力Ｐと供給水素温度Ｔにより決定される。そして高圧水素圧力Ｐ０等のいずれかの値に変化が生じると、他の値とのバランスが崩れ、供給水素量Ｑ及び循環流量ｑにも変化が生じる。このため、圧力調整弁開度及びエゼクタポンプ開度の見直しを行うフィードバックループ制御（ステップＳ１１１０、ステップＳ１１１）を実行する。

なお、ステップＳ１０８では、供給水素温度Ｔを計算により求めているが、圧力調整弁４とエゼクタポンプ６の間の水素温度を検出する温度センサを設けて、供給水素温度Ｔを直接検出するようにしてもよい。直接検出することで、より高い精度でエゼクタポンプ開度Ｄを設定することができる。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）コントロールユニット７が、水素の温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて燃料電池２に供給される水素が少なくなるようにエゼクタポンプ６のノズル開度を制御するので、水素の温度変化による燃料電池２への水素供給量の変化を抑制することができる。

（２）温度センサ９が、圧縮水素タンク１と圧力調整弁４との間に配置される。従来の燃料電池システムにおいても、この位置には圧縮水素タンク１から流入した水素の温度を検出するために温度センサが設けられていた。すなわち、本実施形態のために新たな温度センサを追加する必要がない。

（３）圧力調整弁４とエゼクタポンプ６の間に第２の温度センサを備えることで、より高い精度でエゼクタポンプ開度Ｄを設定することができる。

第２実施形態について説明する。

図６は本実施形態の燃料電池システムの概略図である。図１に示したシステムと基本的に同様であるが、本実施形態はオフガス循環流路５の燃料電池２とパージ弁１１との間に、循環するオフガスの温度（以下、循環流温度という）を検出する温度センサ９１を備える点が異なる。

そして、本実施形態では、エゼクタポンプ６のノズル部分６ａでのアイシング（以下、ノズルアイシングという）が発生するか否かを判断し、発生すると判断した場合にノズルアイシング回避のための運転を行う。

ここでいうノズルアイシングとは、燃料電池２の運転中に、供給水素の温度がエゼクタポンプ６のノズル部分６ａを通過する際の膨張によって低下し、これによりノズル部分６ａ先端の温度も低下して、オフガスに含まれる水蒸気がノズル部分６ａに凝縮し、凍結することをいう。ノズルアイシングが発生すると、エゼクタポンプ６内部の圧力損失が増大し、またはノズル部分６ａが閉塞されて、循環流量が減る。

次に、ノズルアイシングの回避方法について説明する。

ノズルアイシングは、圧縮水素タンク１から供給される水素とオフガス循環流路５から供給される循環ガスとの混合ガスが氷点下である場合に発生する。混合ガスが氷点下か否かは、エゼクタポンプ６のノズル部分６ａを通過する供給水素温度Ｔ、供給水素量Ｑ、循環流温度Ｔｒ、及び循環流量ｑから算出する圧縮水素タンク１から供給される水素と循環ガスのエンタルピーに基づいて判断できる。

つまり、ノズルアイシングが発生するか否かは、供給水素温度Ｔ、供給水素量Ｑ、循環流温度Ｔｒ、及び循環流量ｑのバランスにより決まる。なお、オフガスの湿度にも依存をするが、ここでは湿度を一定として説明を行う。

定性的には、供給水素温度Ｔが低く、供給水素量Ｑが多いほどノズル部分６ａは低温になるので、ノズルアイシングが発生し易い。このとき、オフガスの循環流量ｑを多くして、オフガスからノズル部分６ａへの熱伝達量を増やすことで、ノズルアイシングの発生を抑制できる。

また、供給水素温度Ｔ、供給水素量Ｑ、循環流温度Ｔｒ、及び循環流量ｑのバランスから考えて、どうしてもノズルアイシングを回避できないときには、循環流量ｑを減らしてノズル部分６ａ周辺に供給される水蒸気量を低減することで、ノズルアイシングの進行を遅らせる。

図７は、上記のノズルアイシング回避のための運転を含む制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。

ステップＳ２０１からステップＳ２０８は、図５のステップＳ１０１からステップＳ１０８と同様なので説明を省略する。

ステップＳ２０９では、温度センサ９１で検出する循環流温度Ｔｒを読み込む。

ステップＳ２１０では、供給水素温度Ｔ、供給水素量Ｑ、循環流温度Ｔｒ、及び循環流量ｑに基づいて、ノズルアイシングが発生するか否かを判断する。発生すると判断した場合は、ステップＳ２１２に進み、発生しないと判断した場合はステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２１１は図５のステップＳ１０９と同様であり、その後のステップＳ２１３、ステップＳ２１４は、図５のステップＳ１１０、ステップＳ１１１と同様である。

ステップＳ２１２では、ノズルアイシング回避のための運転条件を算出し、ステップＳ２０６に戻る。ノズルアイシングを回避するための運転条件は、具体的には循環流量ｑである。循環流量ｑを増やすことでノズルアイシングを回避できる場合には、回避のために必要な循環流量ｑを設定する。循環流量ｑを増やしてもノズルアイシングを回避できない場合には、ノズルアイシングの発生を遅らせるような循環流量ｑを設定する。

なお、ステップＳ２０８では供給水素温度Ｔを計算により求めているが、圧力調整弁４とエゼクタポンプ６の間の水素温度を検出する温度センサを設けて、供給水素温度Ｔを直接検出するようにしてもよい。直接検出することで、より高い精度でエゼクタポンプ開度Ｄを設定することができる。

以上のように本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。

（４）コントロールユニット７は、循環流量ｑを制御することでノズルアイシング回避可能と判定した場合には、循環流量ｑが増加するように圧力調整弁４の開度とエゼクタポンプ開度Ｄを制御する。これにより、オフガスからノズル部分６ａへの熱伝達量を増やして、ノズルアイシングの発生を抑制することができる。

（５）コントロールユニット７は、循環流量ｑの制御でノズルアイシング回避不可能と判定した場合に、循環流量ｑが減少するように圧力調整弁４の開度とエゼクタポンプ開度Ｄのノズル開度を制御する。これにより、ノズル部分６ａ周辺に供給される水蒸気量を低減させて、ノズルアイシングの進行を遅らせることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 圧縮水素タンク
２ 燃料電池
３ 水素供給流路
４ 圧力調整弁
５ オフガス循環流路
６ エゼクタポンプ
７ コントロールユニット
８ 圧力センサ
９ 温度センサ
１０ 空気供給流路
１１ パージ弁
８１ 圧力センサ
８２ 圧力センサ

Claims (5)

1. 圧縮された高圧の燃料ガスを蓄える燃料タンクと、
   この燃料タンクから燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給流路と、
   この供給流路を流れる燃料ガスの温度を検出する温度センサと、
   前記供給流路を流れる燃料ガスの圧力を前記燃料タンク内の圧力より減圧するための圧力調整弁と、
   前記燃料電池から排出される前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを含むオフガスを前記供給流路に戻すオフガス循環流路と、
   前記供給流路と前記オフガス循環流路との合流部に設けられ、前記燃料ガスがノズル部分を通過する際の噴流吸引効果で前記オフガス循環流路から前記オフガスを吸引して前記供給流路に合流させるエゼクタ装置と、
   前記圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することで前記燃料ガスと前記オフガスの供給量を制御する制御装置と、
   を備える燃料電池の燃料供給装置において、
   前記制御装置が、前記燃料電池に対する発電要求量に応じて前記燃料ガス及び前記オフガスの供給量を設定し、前記圧力調整弁の開度を前記燃料ガスの供給量を実現するのに必要な開度に制御し、前記エゼクタ装置のノズル開度を前記燃料ガスの温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが少なくなるような開度となるように制御することを特徴とする燃料電池の燃料供給装置。
2. 前記温度センサが、前記燃料タンクと前記圧力調整弁との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
3. 前記オフガスの温度を検知する手段と、
   ノズルアイシングが発生するか否かを判定するアイシング発生判定手段と、
   ノズルアイシングが発生すると判定された場合に、前記オフガスの流量制御でノズルアイシングを回避できるか否かを前記オフガスの温度に基づいて判定する回避判定手段と、
   をさらに有し、
   前記制御装置は、前記回避判定手段がノズルアイシング回避可能と判定した場合に、前記オフガスの循環量が増加するように前記圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の燃料供給装置。
4. 前記制御装置は、前記回避判定手段がノズルアイシング回避不可能と判定した場合に、前記オフガスの循環量が減少するように前記圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の燃料供給装置。
5. 前記圧力調整弁と前記エゼクタ装置の間の前記燃料ガスの温度を検出する第２温度センサを備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池の燃料供給装置。

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