JP5921465B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、電気自動車等の電源として使用される燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載される燃料電池システムが知られている。このシステムは、電気自動車の電源として使用される燃料電池に水素ガスを燃料として供給する水素供給流路と、燃料電池から排出される水素オフガスを水素供給流路へ循環させる第１水素循環流路と、水素供給流路と第１水素循環流路との間に設けられたエゼクタと、第１水素循環流路と並列に配置され、燃料電池から排出される水素オフガスを水素供給流路へ循環させる第２水素循環流路と、第２水素循環流路に設けられる水素ポンプとを備える。この構成によれば、通常は水素供給流路を流れる水素ガスによってエゼクタを作動させてエゼクタに負圧を発生させることにより、燃料電池から排出される水素オフガスを第１水素循環流路とエゼクタを介して水素供給流路へ循環させるようになっている。一方、燃料電池に急な出力が要求されるときなどには、水素ポンプを駆動させ、第２水素循環流路と水素ポンプを介して水素オフガスを水素供給流路へ速やかに循環させるようになっている。ここで、エゼクタは、ある程度以上の水素ガスが流れることで負圧を発生させて第１水素循環流路を介して水素オフガスを吸引することができる。そのため、水素ガスの流れ始めにはエゼクタでの負圧の発生が不足して第１水素循環流路を介しての水素オフガスの循環の開始が遅れる傾向にある。水素ポンプは、このエゼクタの応答遅れを補うようになっている。また、水素ポンプと共にエゼクタを活用することにより、水素ポンプを大型化させないようにしている。

特許第３５８８７７６号公報

ところが、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素ポンプを用いた第２水素循環流路を介しての水素オフガスの循環から、エゼクタを用いた第１水素循環流路を介しての水素オフガスの循環へ切り替えるときに、単に切り替えと同時に水素ポンプを停止しただけでは、エゼクタに応答遅れがあることから、水素オフガスの循環流量が一時的に不足するおそれがあった。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料ポンプを用いた第２燃料循環流路を介しての燃料オフガスの循環から、エゼクタを用いた第１燃料循環流路を介しての燃料オフガスの循環へ切り替えるときにエゼクタの応答遅れによる燃料オフガスの循環流量不足を防止することを可能とした燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料供給流路へ循環させるための第１燃料循環流路と、燃料供給流路と第１燃料循環流路との間に設けられたエゼクタと、エゼクタを迂回するように第１燃料循環流路と並列に配置され、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料供給流路へ循環させる第２燃料循環流路と、第２燃料循環流路に設けられて燃料オフガスを圧送するための燃料ポンプとを備えた燃料電池システムにおいて、エゼクタにおける燃料ガスの流速を調節するための燃料流速調節手段と、少なくとも燃料ポンプと燃料流速調節手段を制御する制御手段とを備え、制御手段は、主として燃料ポンプを駆動させて燃料オフガスを第２燃料循環流路及び燃料ポンプを介して燃料供給流路へ循環させる第１制御モードと、エゼクタを機能させて燃料オフガスを第１燃料循環流路及びエゼクタを介して燃料供給流路へ循環させる第２制御モードとを含み、第１の制御モードから第２制御モードへ切り替えるときに、燃料流速調節手段を制御することによりエゼクタにおける燃料ガスの流速を確保した上で燃料ポンプを停止させることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、制御手段により、主として燃料ポンプを駆動させて燃料オフガスを第２燃料循環流路及び燃料ポンプを介して燃料供給流路へ循環させる第１制御モードから、エゼクタを機能させて燃料オフガスを第１燃料循環流路及びエゼクタを介して燃料供給流路へ循環させる第２制御モードへ切り替えられる。このとき、制御手段により、燃料流速調節手段が制御されることにより、エゼクタにおける燃料ガスの流速が確保された上で燃料ポンプが停止される。従って、燃料ポンプの停止によって第２燃料循環流路を介しての燃料オフガスの循環が停止されるときには、エゼクタにおける燃料ガスの流速が確保されることでエゼクタが有効に機能し、第１燃料循環流路を介しての燃料オフガスの循環が有効に始まっているので、燃料供給流路への燃料オフガスの循環流量が一時的に落ち込むことがない。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料流速調節手段は、エゼクタより上流の燃料供給流路における燃料ガスの圧力を調節する圧力調節弁であることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、エゼクタより上流の燃料供給流路における燃料ガスの圧力が圧力調節弁により調節されることにより、エゼクタにおける燃料ガスの流速が調節され、エゼクタで発生する負圧が調節され、第１燃料循環流路及びエゼクタを介しての燃料オフガスの循環流量が調節される。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、燃料流速調節手段は、エゼクタに設けられて開口面積を可変とした可変ノズルであることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、エゼクタに設けられた可変ノズルの開口面積が調節されることにより、エゼクタにおける燃料ガスの流速が調節され、エゼクタで発生する負圧が調節され、第１燃料循環流路及びエゼクタを介しての燃料オフガスの循環流量が調節される。

上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、制御手段は、燃料電池に供給される燃料ガスと燃料オフガスとの圧力が所定値以上となったとき、又は、燃料電池の出力が所定値以上となったときに第１制御モードから第２制御モードへ切り替えることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、制御手段では、燃料電池に供給される燃料ガスと燃料オフガスとの圧力が所定値以上となったとき、又は、燃料電池の出力が所定値以上となったときに第１制御モードから第２制御モードへ切り替えられる。従って、燃料電池に供給される燃料ガスと燃料オフガスとの圧力が所定値未満、又は、燃料電池の出力が所定値未満のときだけ燃料ポンプが駆動されることになり、燃料ポンプにより循環させる燃料オフガスの循環流量が比較的少なくて済む。

上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、第２燃料循環流路の出口がエゼクタより下流の燃料供給流路に接続されており、その出口より下流の燃料供給流路における燃料ガスと燃料オフガスとの圧力を検出するための燃料圧力検出手段が設けられ、燃料圧力検出手段にはヒータが設けられたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の作用に加え、第２燃料循環流路の出口より下流の燃料供給流路における燃料ガスと燃料オフガスとの圧力が燃料検出手段により検出され、モニタ可能となる。また、圧力検出手段を必要に応じてヒータにより加熱可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、燃料ポンプを用いた第２燃料循環流路を介しての燃料オフガスの循環から、エゼクタを用いた第１燃料循環流路を介しての燃料オフガスの循環へと切り替えるときに、エゼクタの応答遅れにより燃料オフガスの循環流量が不足することを防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、エゼクタにおける燃料ガスの流速を調節する専用手段を設ける必要がなく、構成を簡略化することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、第１燃料循環流路及びエゼクタを介しての燃料オフガスの循環流量の調節を応答性よく行うことができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、燃料ポンプにより多くの燃料オフガスを循環させる必要がなく、燃料ポンプを小型することができ、燃料ポンプの消費電力を少なくすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の効果に加え、燃料供給圧力の制御に必要な燃料圧力検出手段の凍結を防止することができ、凍結による燃料圧力検出手段の機能不全を回避することができる。

第１実施形態に係り、燃料電池システムを示す概略構成図。 同実施形態に係り、水素供給流量制御のための制御プログラムを示すフローチャート。 同実施形態に係り、ＦＣ電流値と水素循環流量との関係を示すグラフ。 同実施形態に係り、ＦＣ電流値と水素ポンプ回転速度との関係を示すグラフ。 同実施形態に係り、ＦＣ電流値と水素供給圧力との関係を示すグラフ。 同実施形態に係り、水素供給流量制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。 第２実施形態に係り、 燃料電池システムを示す概略構成図。 同実施形態に係り、水素供給流量制御のための制御プログラムを示すフローチャート。 同実施形態に係り、水素供給流量制御に関する各種パラメータの挙動の一例を示すタイムチャート。 別の実施形態に係り、水素供給流量制御のための制御プログラムを示すフローチャート。

＜第１実施形態＞
以下、本発明における燃料電池システムを具体化した第１実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、電動自動車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給するために使用される。燃料電池システムは、燃料電池（ＦＣ）１を備える。燃料電池１は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（エア）の供給を受けて発電を行うようになっている。燃料電池１で発電した電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータに供給されるようになっている。この駆動用モータは、別途の指令に基づいて制御されるようになっている。

燃料電池１のアノード側には、燃料電池１に水素ガスを供給するための本発明の燃料供給流路としての水素供給流路２と、燃料電池１から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を水素供給流路２へ循環させるための本発明の第１燃料循環流路としての第１水素循環流路３と、水素供給流路２と第１水素循環流路３との間に設けられたエゼクタ４と、エゼクタ４を迂回するように第１水素循環流路３と並列に配置され、燃料電池１から排出される水素オフガスを水素供給通路２へ循環させるための本発明の第２燃料循環流路としての第２水素循環流路５と、第２水素循環流路５に設けられて水素オフガスを圧送するための本発明の燃料ポンプとしての水素ポンプ６とが設けられる。水素供給流路２には、水素タンク８から水素ガスが流れるようになっている。

エゼクタ４より上流の水素供給流路２には、インジェクタ９が設けられる。このインジェクタ９は、電磁弁により構成され、エゼクタ４より上流の水素供給通路２における水素ガスの圧力（エゼクタ上流水素圧力）Ｐ０を調節するようになっている。インジェクタ９は、デューティ制御によって水素ガスの噴射圧力を調節するようになっている。インジェクタ９は、本発明の燃料流速調節手段及び圧力調節弁に相当する。

第１水素循環流路３には、逆止弁１０が設けられる。この逆止弁１０は、エゼクタ４からの水素ガスの逆流を防止するようになっている。第２水素循環流路５の出口５ａは、エゼクタ４より下流の水素供給流路２に接続される。第２水素循環流路５には、逆止弁７が設けられる。この逆止弁７は、水素供給通路２からの水素ガスの逆流を防止するようになっている。

第２水素循環流路５より上流の第１水素循環流路３には、気液分離器１１が設けられる。この気液分離器１１は、水素オフガスから水分を分離し、水素オフガスのみをエゼクタ４及び水素ポンプ６へ向けて流し、水分を排出流路１２を介して外部へ排出するようになっている。排出流路１２には、電磁弁により構成される排気排水弁１３が設けられる。

エゼクタ４と燃料電池１との間の水素供給流路２には、本発明の燃料圧力検出手段としての第１水素圧力センサ２１が設けられる。この第１水素圧力センサ２１は、第２水素循環流路５の出口５ａより下流の水素供給流路２において燃料電池１に供給される水素ガスと水素オフガスとの圧力の総和（水素供給圧力）Ｐ１を検出するようになっている。この実施形態で、第１水素圧力センサ２１には、ヒータ２２が設けられる。このヒータ２２は、例えば、電熱器で構成することができ、あるいは、燃料電池１の発熱を冷却するための冷却媒体を循環させる熱交換器で構成することもできる。

インジェクタ９とエゼクタ４との間の水素供給流路２には、第２水素圧力センサ２３が設けられる。この第２水素圧力センサ２３は、エゼクタ４の上流側における水素ガスの圧力（エゼクタ上流水素圧力）Ｐ０を検出するようになっている。

一方、燃料電池１のカソード側には、燃料電池１に酸化剤ガスとしてのエアを供給するためのエア供給流路１４と、燃料電池１から排出されるエアオフガスを排出するためのエア排出流路１５とが設けられる。エア供給流路１４には、燃料電池１に対するエアの供給量を調節するためのエアポンプ１６が設けられる。エアポンプ１６より下流のエア供給流路１４には、エア圧力センサ２４が設けられる。このエア圧力センサ２４は、燃料電池１へ供給されるエアの圧力を検出するようになっている。また、エア排出流路１５には、電磁弁により構成される切換弁１７が設けられる。

上記構成において、水素タンク８の水素ガスは、水素供給流路２及びエゼクタ４を介して燃料電池１へ供給されるようになっている。燃料電池１に供給された水素ガスは、同電池１にて発電に使用された後、同電池１から水素オフガスとして第１水素循環流路３又は第２水素循環流路５へ排出されるようになっている。水素オフガスには、燃料電池１の内部の生成水などの水分が含まれる。燃料電池１から第１水素循環流路３へ排出される水素オフガスは、気液分離器１１にて水分と分離された後、第１水素循環流路３、逆止弁１０及びエゼクタ４を介して水素供給流路２へ循環可能となっている。このとき、水素オフガスは、エゼクタ４を流れる水素ガスによってエゼクタ４に負圧が発生することで、その負圧により吸引されて水素供給流路２へ循環され、水素ガスに合流する。また、燃料電池１から第１水素循環流路３へ排出される水素オフガスは、気液分離器１１にて水分と分離された後、第２水素循環流路５、水素ポンプ６及び逆止弁７を介して水素供給流路２へ循環可能となっている。このとき、水素オフガスは、水素ポンプ６を駆動させることにより、第２水素循環流路５を介して水素供給流路２へ循環され、水素ガスに合流する。第１水素循環流路３により水素オフガスを循環させるか、第２水素循環流路５により水素オフガスを循環させるかは、水素ポンプ６とインジェクタ９を制御することで使い分けることができる。

この燃料電池システムは、コントローラ３０を更に備える。コントローラ３０は、第１水素圧力センサ２１、第２水素圧力センサ２３及びエア圧力センサ２４の検出信号をそれぞれ入力するようになっている。コントローラ３０は、燃料電池１の発電に係る電圧値及び電流値をそれぞれ入力するようになっている。また、コントローラ３０は、電気自動車の運転操作に係る指令値として、運転席に設けられたアクセルセンサ３１からアクセルペダル３２の操作量に相当するアクセル開度を入力するようになっている。コントローラ３０は、中央処理装置（ＣＰＵ）及びメモリを備え、燃料電池１へ供給される水素流量及びエア流量を制御するために、メモリに記憶された所定の制御プログラムに基づいてインジェクタ９、排気排水弁１３、水素ポンプ６、エアポンプ１６及び切換弁１７等を制御するようになっている。すなわち、コントローラ３０は、燃料電池１に供給される水素流量を制御するために、各水素圧力センサ２１，２３の検出信号等に基づいてインジェクタ９及び水素ポンプ６を制御するようになっている。また、コントローラ３０は、排出流路１２からの排気排水を調節するために排気排水弁１３を制御するようになっている。一方、コントローラ３０は、燃料電池１へ供給されるエアの流量（エア流量）を調節するために、エア圧力センサ２４の検出信号等に基づいてエアポンプ１６を制御するようになっている。また、コントローラ３０は、エア排出流路１５からのエアオフガスの排出流量を調節するために切換弁１７を制御するようになっている。

次に、燃料電池１に対する水素供給流量を制御するための制御プログラムについて説明する。図２に、この制御プログラムをフローチャートにより示す。

処理がこのルーチンへ移行すると、ステップ１００で、コントローラ３０は、電気自動車の急加速要求であるか、すなわち、燃料電池１の出力増が指令されたか否かを判断する。コントローラ３０は、アクセルセンサ３１により検出されるアクセル開度ＡＣＣに基づいてこの判断を行う。コントローラ３０は、この判断結果が否定となる場合、その後の処理を終了し、この判断結果が肯定となる場合、処理をステップ１１０へ移行する。

ステップ１１０で、コントローラ３０は、第１水素圧力センサ２１により検出される水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上か否かを判断する。コントローラ３０は、この判断結果が否定となる場合、処理をステップ１２０へ移行し、この判断が肯定となる場合、処理をステップ１４０へ移行する。

ステップ１２０では、コントローラ３０は、水素ポンプ６を駆動する。次に、ステップ１３０で、コントローラ３０は、インジェクタ９を第１のデューティ比で開弁する。この第１のデューティ比は、インジェクタ９の開度として比較的小さい値に相当する。その後、コントローラ３０は、処理をステップ１１０へ戻し、ステップ１１０〜ステップ１３０の処理を繰り返す。

一方、ステップ１１０から移行してステップ１４０では、コントローラ３０は、水素ポンプを停止する。

次に、ステップ１５０で、コントローラ３０は、第１水素圧力センサ２１により検出される水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂ（Ｐｂ＞Ｐａ）以上か否かを判断する。コントローラ３０は、この判断結果が否定となる場合、処理をステップ１６０へ移行し、この判断結果が肯定となる場合、その後の処理を終了する。

ステップ１６０では、コントローラ３０は、インジェクタ９を第２のデューティ比で開弁する。この第２のデューティ比は、インジェクタ９の開度として第１のデューティ比よりも大きい値に相当する。その後、コントローラ３０は、処理をステップ１５０へ戻し、ステップ１５０及びステップ１６０の処理を繰り返す。

図３に、この燃料電池システムによる、燃料電池１の電流値（ＦＣ電流値）と水素オフガスの循環量（水素循環流量）との関係をグラフにより示す。このグラフより、水素循環流量は、ＦＣ電流値が増えるに連れて比例的に増えることがわかる。ここで、ＦＣ電流値が第１の所定値Ａ１を超える以前は、主として水素ポンプ６により水素オフガスを循環させる第１制御モードＭ１となり、ＦＣ電流値が第１の所定値Ａ１を超えると、エゼクタ４により水素オフガスを循環させる第２制御モードＭ２となる。図３に円で囲んで示すように、第１制御モードＭ１と第２制御モードＭ２との切り替わり点では、水素循環流量に変動がないことがわかる。

図４に、この燃料電池システムによる、ＦＣ電流値と水素ポンプ６の回転速度（水素ポンプ回転速度）との関係をグラフにより示す。このグラフより、水素ポンプ回転速度は、第１制御モードＭ１にてＦＣ電流値が第１の所定値Ａ１を超える以前は、比較的急峻に立ち上がり、第２制御モードＭ２にてＦＣ電流値が第１の所定値Ａ１を超えると、急峻に立ち下がることがわかる。図４に円で囲んで示すように、第１制御モードＭ１と第２制御モードＭ２との切り替わり点を境に、水素ポンプ回転速度が大きく変動することがわかる。

図５に、この燃料電池システムによる、ＦＣ電流値と水素供給圧力Ｐ１との関係をグラフにより示す。このグラフより、水素供給圧力Ｐ１は、ＦＣ電流値が増えるに連れて概ね比例的に増えることがわかる。図５に円で囲んで示すように、第１制御モードＭ１と第２制御モードＭ２との切り替わり点を境に、水素供給圧力Ｐ１が若干変動することがわかる。すなわち、第１制御モードＭ１よりも第２制御モードＭ２の方が、水素供給圧力の増加が若干急になることがわかる。

ここで、図６に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。燃料電池１の停止状態から、時刻ｔ１にて、図６（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がる。すると、図６（ｄ）に示すように水素ポンプ６の回転速度がゼロから所定値Ｎへ向けて比較的急峻に立ち上がり、同図（ｅ）に示すようにインジェクタ９の開度信号が第１の開度Ｂで第１のデューティ比により開弁される。これに伴い、図６（ｆ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１がゼロから増加し始め、同図（ｇ）に示すように水素循環流量が増加し始める。

その後、時刻ｔ２にて、図６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａに達すると、同図（ｄ）に示すように水素ポンプ６の回転速度がゼロへ向けて急峻に立ち下がり、同図（ｅ）に示すようにインジェクタ９の開度信号が第１の開度Ｂのまま第１のデューティ比よりも大きい第２のデューティ比となる。これに伴い、図６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が、第１の所定値Ｐａから緩やかに増加し始め、同図（ｇ）に示すように水素循環流量が変わらずに増加を続ける。

そして、時刻ｔ３にて、図６（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂに達すると、同図（ｇ）に示すように水素循環流量が上げ止まる。このように、燃料電池１に出力要求があった場合は、図６（ｇ）に示すように、水素供給流路２に対する水素循環流量をスムーズに増加させて確保することができる。

電気自動車の急加速時等には、燃料電池１で急速発電を行う必要があることから、燃料電池１へ相当量の水素ガスを応答性良く供給する必要がある。ここで、燃料電池１から排出される水素オフガスを応答性よく水素供給流路２へ循環させるためには、水素ポンプ６を優先的に駆動させて第２水素循環流路５及び水素ポンプ６を介して水素オフガスを循環させるのが有効となる。しかし、水素ポンプ６のみを使用したのでは、水素オフガスの全流量域を満足させるために水素ポンプ６が大型化してしまう。一方、水素供給流路２に所定量以上の水素ガスが流れれば、エゼクタ４を有効に機能させて、すなわちエゼクタ４で有効な負圧を発生させて、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介して水素オフガスを水素供給流路２へ循環させることができる。また、水素ポンプ６を用いた第２水素循環流路５を介しての水素オフガスの循環から、エゼクタ４を用いた第１水素循環流路３を介しての水素オフガスの循環へ切り替えるときには、エゼクタ４の応答遅れによる水素オフガスの循環流量不足を防止する必要がある。

そこで、上記制御によれば、コントローラ３０は、主として水素ポンプ６を駆動させて水素オフガスを第２水素循環流路５及び水素ポンプ６を介して水素供給流路２へ循環させる第１制御モードＭ１と、エゼクタ４を機能させて水素オフガスを第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介して水素供給流路２へ循環させる第２制御モードＭ２とを含み、第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えるときに、インジェクタ９を制御することによりエゼクタ４における水素ガスの流速を確保した上で水素ポンプ６を停止させるようになっている。

詳しくは、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されたとき、初めに水素ポンプ６を駆動させると共にインジェクタ９を小さめの開度に相当する第１デューティ比で開弁する。これにより、水素ガスを水素供給流路２及びエゼクタ４を介して燃料電池１へ供給すると共に、水素ポンプ６を駆動させて第２水素循環流路５を介して水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる。その後、コントローラ３０は、水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａとなって第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えるときに、インジェクタ９を制御してエゼクタ４における水素ガスの流速を確保した上で水素ポンプ６を停止させるようになっている。

また、上記制御によれば、コントローラ３０は、水素供給流量の低流量域では、第１制御モードＭ１により、主として水素ポンプ６を用いて第２水素循環流路５を介して水素オフガスを水素供給流路２へ循環させ、水素供給流量の中高流量域では、第２制御モードＭ２により、エゼクタ４を用いて第１水素循環流路３を介して水素オフガスを水素供給流路２へ循環させるようになっている。そして、コントローラ３０は、第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替わるときには、インジェクタ９を制御することでエゼクタ上流水素圧力Ｐ０が通常よりも高くなるように水素ガスをエゼクタ４へ流すようになっている。

以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１では、水素ガスとエアの供給を受けて発電が行われる。このとき、燃料電池１の内部で生成水を含む水分が発生し、その水分を含む水素オフガスが燃料電池１から排出される。燃料電池１から排出されて第１水素循環流路３へ流れる水素オフガスは、水素ポンプ６が停止している状態では、水素供給流路２を流れる水素ガスによりエゼクタ４で負圧が発生することでエゼクタ４に吸引されて水素供給流路２へ循環され、更に燃料電池１へと循環される。また、燃料電池１から排出されて第１水素循環流路３へ流れる水素オフガスは、水素ポンプ６が駆動している状態では、水素ポンプ６により吸引・圧送されることで第２水素循環流路５を介して水素供給流路２へ循環され、更に燃料電池１へと循環される。

ここで、コントローラ３０により、主として水素ポンプ６を駆動させて水素オフガスを第２水素循環流路５及び水素ポンプ６を介して水素供給流路２へ循環させる第１制御モードＭ１から、エゼクタ４を機能させて水素オフガスを第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介して水素供給流路２へ循環させる第２制御モードＭ２へ切り替えられる。このとき、コントローラ３０により、インジェクタ９が制御されることにより、エゼクタ４における水素ガスの流速が確保された上で水素ポンプが停止される。従って、水素ポンプ６の停止によって第２水素循環流路５を介しての水素オフガスの循環が停止されるときには、エゼクタ４における水素ガスの流速が確保されることでエゼクタ４が有効に機能し、第１水素循環流路３を介しての水素オフガスの循環が有効に始まっているので、水素供給流路２への循環が一時的に落ち込むことがない。このため、水素ポンプ６を用いた第２水素循環流路５を介しての水素オフガスの循環から、エゼクタ４を用いた第１水素循環流路３を介しての水素オフガスの循環へと切り替えるときに、エゼクタ４の応答遅れにより水素オフガスの循環流量が不足することを防止することができる。

この実施形態では、エゼクタ４より上流の水素供給流路２におけるエゼクタ上流水素圧力Ｐ０がインジェクタ９により調節されることにより、エゼクタ４における水素ガスの流速が調節され、エゼクタ４で発生する負圧が調節され、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環流量が調節される。このため、エゼクタ４における水素ガスの流速を調節する専用手段を設ける必要がなく、燃料電池システムの構成を簡略化することができる。

この実施形態によれば、コントローラ３０では、燃料電池１に対する水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上となったときに第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えられる。従って、水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ未満のときだけ水素ポンプ６が駆動されることになり、水素ポンプ６により循環させる水素オフガスの流量が比較的少なくて済む。このため、水素ポンプ６により多くの水素オフガスを循環させる必要がなく、水素ポンプ６を小型することができ、水素ポンプ６の消費電力を少なくすることができる。

この実施形態では、第２水素循環流路５の出口５ａより下流の水素供給流路２における水素供給圧力Ｐ１が第１水素圧力センサ２１により検出され、モニタ可能となる。また、第１水素圧力センサ２１を必要に応じてヒータ２２により加熱可能となる。このため、水素供給圧力Ｐ１の制御に必要な第１水素圧力センサ２１の凍結を防止することができ、凍結による第１水素圧力センサ２１の機能不全を回避することができる。

この実施形態では、燃料電池１の出力増が指令されたときに水素ポンプ６が駆動されるので、水素オフガスが第２水素循環流路５及び水素ポンプ６を介して水素供給流路２へ速やかに循環され、その分だけ燃料電池１に多くの水素ガスが供給される。このため、燃料電池１に対する水素ガス供給の応答性を更に向上させることができる。

この実施形態では、第１水素循環流路３に気液分離器１１が設けられるので、同流路３又は第２水素循環流路５を介して水素供給流路２へ循環される水素オフガスに含まれる水分を低減することができる。このため、水素供給流路２へ循環された水素オフガスが、同流路２を流れる低温の水素ガスと合流したときのアイシングによる水分の氷結を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明における燃料電池システムを具体化した第２実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下の説明において前記第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。

図７に、この実施形態の燃料電池システムを概略構成図により示す。この実施形態では、エゼクタ４に、水素ガスの流路の開口面積を可変とした可変ノズル４ａが設けられ、その可変ノズル４ａがコントローラ３０により制御される点で第１実施形態と構成が異なる。

可変ノズル４ａは、電磁弁より構成され、エゼクタ４における水素ガスの流速を調節するために開度可変となっている。この実施形態で、可変ノズル４ａは、本発明の燃料流速調節手段に相当する。

また、この実施形態では、燃料電池１に対する水素供給流量を制御するための制御プログラムの処理内容の点で第１実施形態と構成が異なる。図８に、この実施形態の制御プログラムをフローチャートにより示す。図８に示すフローチャートは、ステップ１６５、ステップ１７０及びステップ１８０の処理内容の点で図２のフローチャートと異なる。

図８に示すように、この実施形態では、ステップ１１０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１２０及びステップ１３０の処理を実行すると共に、ステップ１７０で、エゼクタ４の可変ノズル４ａを第１の開度Ａに開弁する。

一方、ステップ１５０の判断結果が否定となる場合、コントローラ３０は、ステップ１６５で、インジェクタ９を第１のデューティ比で開弁すると共に、ステップ１８０で、エゼクタ４の可変ノズル４ａを第２の開度Ｃ（Ｃ＞Ａ）に開弁する。

ここで、図９に、上記制御に関する各種パラメータの挙動の一例をタイムチャートにより示す。燃料電池１の停止状態から、時刻ｔ１にて、図９（ａ）に示すようにアクセル開度ＡＣＣがゼロから立ち上がり、同図（ｂ）に示すようにＦＣ要求出力がゼロから立ち上がる。すると、図９（ｄ）に示すように水素ポンプ６の回転速度がゼロから所定値Ｎへ向けて比較的急峻に立ち上がり、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号がゼロから第１の開度Ａへ立ち上がり、同図（ｆ）に示すようにインジェクタ９の開度信号が第１の開度Ｂで第１のデューティ比により開弁される。これに伴い、図９（ｇ）に示すように燃料電池１に対する水素供給流量がゼロから立ち上がり、同図（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が増加し始め、同図（ｈ）に示すように水素循環流量がゼロから増加し始める。

その後、時刻ｔ２にて、図９（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａに達すると、同図（ｄ）に示すように水素ポンプ６の回転速度がゼロへ向けて急峻に立ち下がり、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａから増加し始め、同図（ｆ）に示すようにインジェクタ９の開度信号が第１の開度Ｂと第１のデューティ比のまま開弁される。これに伴い、図９（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が、第１の所定値Ｐａから緩やかに増加し始め、同図（ｈ）に示すように水素循環流量が変わらずに増加を続ける。

そして、時刻ｔ３にて、図９（ｃ）に示すように水素供給圧力Ｐ１が第２の所定値Ｐｂに達すると、同図（ｅ）に示すように可変ノズル４ａの開度信号が第１の開度Ａよりも大きい第２の開度Ｃで上げ止まり、同図（ｈ）に示すように水素循環流量が上げ止まる。このように、燃料電池１に出力要求があった場合は、図９（ｈ）に示すように、水素供給流路２に対する水素循環流量をスムーズに増加させて確保することができる。

上記制御によれば、コントローラ３０は、第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えるときに、可変ノズル４ａを制御することによりエゼクタ４における水素ガスの流速を確保した上で水素ポンプ６を停止するようになっている。

詳しくは、コントローラ３０は、燃料電池１の出力増が指令されたとき、初めに水素ポンプ６を駆動させ、インジェクタ９を小さめの開度に相当する第１デューティ比で開弁すると共に、エゼクタ４の可変ノズル４ａを比較的小さめ第１の開度Ａで開弁する。これにより、水素ガスを水素供給流路２及びエゼクタ４を介して燃料電池１へ供給すると共に、水素ポンプ６を駆動させて第２水素循環流路５を介して水素オフガスを水素供給流路２へ循環させる。その後、コントローラ３０は、水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａとなって第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えるときに、可変ノズル４ａを制御してエゼクタ４における水素ガスの流速を確保した上で水素ポンプ６を停止させるのである。

以上説明したようにこの実施形態の燃料電池システムによれば、前記第１実施形態と同等の作用効果を得ることができる。それに加え、この実施形態では、エゼクタ４に設けられた可変ノズル４ａの開口面積が調節されることにより、エゼクタ４における水素ガスの流速が調節され、エゼクタ４で発生する負圧が調節され、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環流量が調節される。このため、第１水素循環流路３及びエゼクタ４を介しての水素オフガスの循環流量の調節を応答性よく行うことができる。

なお、この発明は前記各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

例えば、前記各実施形態では、燃料電池１に対する水素供給圧力Ｐ１が第１の所定値Ｐａ以上となったときに第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えるように構成した。これに対し、燃料電池１の出力が所定値以上となったときに第１制御モードＭ１から第２制御モードＭ２へ切り替えるように構成することもできる。例えば、図２のフローチャートにおけるステップ１１０及びステップ１５０の処理に代えて、図１０のフローチャートにおけるステップ１１５及びステップ１５５の処理を実行するように構成する。すなわち、コントローラ３０が、ステップ１１５で、燃料電池１の出力であるＦＣ電流値Ａｆｃが第１の所定値Ａ１以上である否かを判断し、ステップ１５５では、ＦＣ電流値Ａｆｃが第１の所定値Ａ１よりも大きい第２の所定値Ａ２以上であるか否かを判断するように構成することができる。図１０は、水素供給流量制御のための制御プログラムをフローチャートにより示す。

この発明は、電気自動車等の電源として利用することができる。

１ 燃料電池
２ 水素供給流路（燃料供給流路）
３ 第１水素循環流路（第１燃料循環流路）
４ エゼクタ
４ａ 可変ノズル（燃料流速調節手段）
５ 第２水素循環流路（第１燃料循環流路）
５ａ 出口
６ 水素ポンプ（燃料ポンプ）
９ インジェクタ（燃料流速調節手段、圧力調節弁）
２１ 第１水素圧力センサ（燃料圧力検出手段）
２２ ヒータ
３０ コントローラ（制御手段）
Ｐ１ 水素供給圧力
Ｐａ 第１の所定値（所定値）
Ａｆｃ ＦＣ電流値（出力）
Ａ１ 第１の所定値（所定値）
Ｍ１ 第１制御モード
Ｍ２ 第２制御モード

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路へ循環させるための第１燃料循環流路と、
   前記燃料供給流路と前記第１燃料循環流路との間に設けられたエゼクタと、
   前記エゼクタを迂回するように前記第１燃料循環流路と並列に配置され、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料供給流路へ循環させる第２燃料循環流路と、
   前記第２燃料循環流路に設けられて前記燃料オフガスを圧送するための燃料ポンプと
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速を調節するための燃料流速調節手段と、
   少なくとも前記燃料ポンプと前記燃料流速調節手段を制御する制御手段と
   を備え、前記制御手段は、主として前記燃料ポンプを駆動させて前記燃料オフガスを前記第２燃料循環流路及び前記燃料ポンプを介して前記燃料供給流路へ循環させる第１制御モードと、前記エゼクタを機能させて前記燃料オフガスを前記第１燃料循環流路及び前記エゼクタを介して前記燃料供給流路へ循環させる第２制御モードとを含み、前記第１制御モードから前記第２制御モードへ切り替えるときに、前記燃料流速調節手段を制御することにより前記エゼクタにおける前記燃料ガスの流速を確保した上で前記燃料ポンプを停止させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料流速調節手段は、前記エゼクタより上流の前記燃料供給流路における前記燃料ガスの圧力を調節する圧力調節弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料流速調節手段は、前記エゼクタに設けられて開口面積を可変とした可変ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスと前記燃料オフガスとの圧力が所定値以上となったとき、又は、前記燃料電池の出力が所定値以上となったときに前記第１制御モードから前記第２制御モードへ切り替えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記第２燃料循環流路の出口が前記エゼクタより下流の前記燃料供給流路に接続されており、前記出口より下流の前記燃料供給流路における前記燃料ガスと前記燃料オフガスとの圧力を検出するための燃料圧力検出手段が設けられ、前記燃料圧力検出手段にはヒータが設けられたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。

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