JP6912210B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜の両面に電極（アノード電極、カソード電極）を配置した燃料電池セルを複数積層して成るスタック構造（燃料電池スタック）を有する。燃料電池は、燃料ガス（例えば水素ガス）及び酸化ガス（例えば空気）の供給を受けて電気化学反応により発電する。

上記燃料電池を備えた燃料電池システムは、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系（水素供給系）と、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系とを備える。燃料ガス供給系は、通常、燃料電池に水素ガスを供給するインジェクタと、燃料電池の水素ガス入口及び水素ガス出口を結び、燃料電池から排出された水素及び窒素を含む循環ガスを循環させるための循環ガス流路と、循環ガス流路に設けられる循環ポンプとを有する（下記特許文献１）。

特開２０１６−０９６０５４号公報

この種の燃料電池システムでは、燃料電池に要求される負荷に必要な燃料供給流量に基づいてインジェクタ及び循環ポンプの駆動を制御している。この制御においては、インジェクタを駆動して水素を供給することにより、循環ガス流路内の水素ガス濃度が均一に混合されることを想定して循環ポンプを駆動させている。ところが、このようにインジェクタ及び循環ポンプの駆動を制御する場合、燃料電池に供給される燃料ガス濃度（水素ガス濃度）が不均一な状態が継続することがあり、不均一な状態が継続すると燃料電池が劣化するおそれがある。

そこで、本発明は、燃料電池に供給される水素ガスの濃度が不均一になることを抑え、燃料電池の劣化を抑制す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。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に水素ガスを供給するインジェクタと、燃料電池の水素ガス入口及び水素ガス出口を結び、水素ガス出口から排出された水素ガス及び窒素を含む循環ガスを水素ガス入口に循環させる循環ガス流路と、循環ガス流路を流通する循環ガスを圧送する循環ポンプと、燃料電池に要求される負荷に必要な水素ガス供給量を算出し、算出した水素ガス供給量に基づき、インジェクタの駆動により供給される水素供給流量及び循環ポンプの駆動により圧送される循環ガスの循環流量を算出する制御部と、を備え、制御部は、水素ガス供給量に基づき算出された循環流量が水素供給流量以上に増加するようにインジェクタ及び循環ポンプの駆動を制御する。

かかる構成によれば、燃料電池に要求される負荷に必要な水素ガス供給量が制御部によって算出され、算出された水素ガス供給量に基づき、循環ポンプによって圧送される循環ガスの循環流量が、インジェクタにより供給される水素供給流量以上に増加するように、インジェクタ及び循環ポンプの駆動が制御される。このように、燃料電池に要求される負荷に必要な水素ガス供給量を供給する際に、循環流量を増加することにより、水素ガスが循環ガスと速やかに混合されるため、燃料電池に供給される水素ガスの濃度が不均一になることが抑制される。その結果、燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池に供給される水素ガスの濃度が不均一になることを抑え、燃料電池の劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。

本実施形態における燃料電池システムの水素供給系を示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムの変形例を示す図である。 図１及び図２に示す燃料電池システムにおいて行われる水素供給制御を示すフローチャートである。 水素供給流量制御及び循環流量制御について説明するための図である。 水素供給制御における水素分圧を示す図である。 従来の水素供給制御における水素分圧を示す図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、本実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、燃料電池システムの燃料ガス供給系を示す概略構成図である。図１では、燃料ガス供給系の構成のみを示し、酸化ガス供給系や冷却系等の構成の図示を省略しているが、本実施形態における燃料電池システムは、以下に説明する構成以外の構成を含むことができる。本実施形態における燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）等に搭載されるものであり、そのような燃料電池車両の車載電源システムとして機能する。

図１に示す燃料電池システムの燃料ガス供給系１００は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０１に供給するための系である。燃料電池１０１は、複数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を複数積層してなる燃料電池スタックを含んで構成されている。燃料電池１０１は、アノード電極に燃料ガス（水素）、カソード電極に酸化ガス（空気又は酸素）の供給を受けて電気化学反応により電力を発電する。

燃料ガス供給系１００は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての燃料供給部１０２と、燃料供給部１０２の水素ガスを燃料電池１０１に供給するための燃料供給流路１０８と、燃料電池１０１から排出された燃料オフガス（水素及び窒素を含む循環ガス）を燃料供給流路１０８に戻すための循環ガス流路１０６と、ＥＣＵ１５０（制御部）と、を備える。

燃料供給流路１０８には、インジェクタ１０３（燃料ガス供給弁）が設けられる。インジェクタ１０３は、燃料供給部１０２から供給される燃料ガスのガス流量やガス圧を調整可能な機能を有する装置であれば良いが、例えば、弁体を電磁駆動力で直接的に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ガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁として構成される。インジェクタ１０３は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。インジェクタ１０３の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。ＥＣＵ１５０から出力される制御信号によってインジェクタ１０３のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ１０３は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ１０３は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ１０３のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０１側）に供給されるガス流量を調整する。

インジェクタ１０３から燃料電池スタックの水素ガス入口（以下、水素ガス入口１１１と称する）に供給された燃料ガスは、燃料電池１０１の内部で起電反応に供された後、燃料オフガス（水素ガス及び窒素を含む循環ガス）として燃料電池スタックの水素ガス出口（以下、水素ガス出口１２１と称する）から排出される。こうして水素ガス出口１２１から排出された燃料オフガスの一部は、循環ポンプ１０４の作動により循環ガス流路１０６を通って還流され、インジェクタ１０３から供給される燃料ガスと共に燃料電池１０１に再供給される。このように、水素ガス出口１２１から排出される燃料オフガスを加圧して燃料供給流路１０８側へ送り出す循環ポンプ１０４が循環ガス流路１０６に設けられている。

なお、循環ガス流路１０６には、気液分離器１０５を介して排出流路１０９が接続されている。燃料オフガスは、電気化学反応により生成された生成水の影響などを受け、過剰な水分を含んでいることがあるため、気液分離器１０５により燃料オフガス中の過剰な水分が回収される。水分を回収された燃料オフガスは循環ポンプ１０４によって圧送されて燃料電池１０１に再度供給される。なお、気液分離器１０５には、排出流路１０９を介して排気排水弁１０７が接続されている。気液分離器１０５に溜まった水分は、ＥＣＵ１５０からの指令によって排気排水弁１０７が開かれることで、気液分離器１０５から排出される。

ＥＣＵ１５０（制御部）は、システム内の各種機器の動作を制御するものであり、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。本実施形態では、ＥＣＵ１５０は、例えば、燃料電池１０１に要求される負荷に必要な水素ガス供給量を算出し、算出した水素ガス供給量に基づき、インジェクタ１０３の駆動により供給される水素ガスの水素供給流量及び循環ポンプ１０４の駆動により圧送される循環ガスの循環流量を算出する。またＥＣＵ１５０は、燃料電池１０１に要求される負荷を満たす水素ガス供給量に基づいて算出した水素供給流量以上に循環流量が増加されるように、インジェクタ１０３及び循環ポンプ１０４の駆動を制御する。

変形例として、循環ポンプ１０４以外に、例えばエジェクタ１１４（図２参照）等を水素の循環機構として用いても良い。エジェクタ１１４は、図２に示すように、燃料供給流路１０８における循環ガス流路１０６との合流部に設けられている。エジェクタ１１４は、燃料供給部１０２から供給された燃料ガスの流れを駆動流として、燃料電池１０１から排出された燃料オフガスを循環ガス流路１０６内から吸い込み、当該燃料電池オフガスを再度燃料電池１０１に循環する循環手段である。このようにエジェクタ１１４を設けることによっても燃料オフガスを再度燃料電池１０１へ循環供給させることができ、電気化学反応に使用されずに燃料電池１０１から排出された水素を有効に利用することができる。なお、図２においてエジェクタ１１４以外の構成は図１と同様の構成であるため、その詳細な説明は省略する。以下では、循環ポンプ１０４の制御例を説明するが、エジェクタ１１４によっても同様の機能を担うことができる。

続いて、図３及び図４を参照しながらＥＣＵ１５０で実行される制御処理について説明する。図３は、ＥＣＵ１５０で実行される水素供給制御（アノード加圧制御）について説明するためのフローチャートである。図４は、水素供給流量及び循環流量について説明するための図である。なお、図４に示す水素供給流量は、インジェクタにより供給される水素供給流量を示し、循環流量は、循環ポンプにより圧送される循環ガスの流量を示す。

例えば負荷変動時や起動時において、燃料電池に要求される負荷（目標負荷）から必要な水素分圧と昇圧所要時間（図４のアノード圧力に示す目標圧力参照）を算出し（図３のステップＳ１１０）、その後、燃料の昇圧量とその昇圧時間から燃料供給量を計算する。

次いで、燃料電池に要求される負荷を満たす燃料供給量に基づき、インジェクタにより供給される水素ガスの流量（水素供給流量）、循環ポンプにより圧送される循環ガスの流量（循環流量）を計算する（図３のステップＳ１２０、ステップＳ１３０）。本実施形態では、循環流量が水素供給流量以上となるように設定され、好適には、下記式（１）に示す燃料供給流量（Ｑinj）と循環流量（Ｑcir）の関係より決定される。下記式（１）に示すように、循環流量（Ｑcir）は、燃料供給流量（Ｑinj）の整数倍となるように設定されることが好適である。
Ｑcir＝ｎ×Ｑinj （ｎ＝１、２、３・・・） ・・・（１）

上記式（１）に関係に基づき設定される燃料供給流量及び循環流量を満たすようにインジェクタ１０３及び循環ポンプ１０４（図１等）の駆動を制御する（図３のステップＳ１４０）。例えば図４に示すように、燃料電池に要求される負荷から必要な水素分圧及び昇圧所要時間が算出された場合に、循環流量及び燃料供給流量が時間の経過と共に増加するように、インジェクタ１０３及び循環ポンプ１０４の駆動を制御する。

以上のように、燃料供給流量及び循環流量を制御したときの燃料ガス濃度について検証した結果を図５及び図６に示す。図５は、燃料供給流量（Ｑinj）を循環流量（Ｑcir）の１倍としたときの水素ガス入口、水素ガス出口、及び、循環ガス流路の水素分圧を説明するための図である。図６は、燃料供給流量（Ｑinj）を循環流量（Ｑcir）の５倍としたときの水素ガス入口、水素ガス出口、及び、循環ガス流路の水素分圧を説明するための図である。なお、図５及び図６に示すＧｉは、水素ガス入口１１１（図１等）の水素分圧推移を示し、Ｇｅは、水素ガス出口１２１（図１等）の水素分圧推移を示し、Ｇｃは、循環ガス流路１０６（図１等）の水素分圧推移を示す。

図６に示すように、燃料供給流量（Ｑinj）を循環流量（Ｑcir）の５倍としたとき、水素ガス入口の水素分圧Ｇｉ、水素ガス出口の水素分圧Ｇｅ、及び、循環ガス流路の水素分圧Ｇｃは、それぞれ上昇と減少を繰り返して脈動し、時間ｔ１で水素分圧が均一となる。従来では、このような水素分圧の脈動を想定していない。詳細には、従来では、インジェクタからの水素供給により、循環系内の水素ガス濃度が速やかに均一となることを想定して必要な燃料を要求している（言い換えれば、循環ガス流路を流れる循環ガスの流量に関係なくインジェクタにより燃料供給をしている）ものであるが、このような要求に基づき水素を供給すると水素分圧が脈動し、燃料電池に供給される水素ガスの濃度が不均一となり、燃料電池が劣化するおそれがある。

そこで本実施形態では、インジェクタ１０３（図１等）から燃料ガスを供給する際に、循環ポンプ１０４によって圧送される循環ガスの循環流量を増加させる。例として、循環流量（Ｑcir）を増加させて、循環流量（Ｑcir）を燃料供給流量（Ｑinj）の１倍とした結果を図５に示す。図５に示すように、循環流量（Ｑcir）を燃料供給流量（Ｑinj）の１倍としたとき、水素ガス入口の水素分圧Ｇｉ、水素ガス出口の水素分圧Ｇｅ、及び、循環ガス流路の水素分圧Ｇｃが脈動する時間（図５に示す時間ｔ２）を、従来の脈動時間（図６に示す時間ｔ１）と比較して短縮することができる（ｔ２はｔ１の３分の１以下）。このように、インジェクタ１０３から燃料ガスを供給する際に、循環ポンプ１０４によって圧送される循環ガスの循環流量を増加させることにより、循環ガス流路１０６内を流れる循環ガスと燃料ガスとが速やかに混合されるため、水素ガス濃度が不均一となる時間を短縮することができる。その結果、燃料電池の劣化を抑制することができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１００…燃料ガス供給系
１０１…燃料電池
１０２…燃料供給部
１０３…インジェクタ
１０４…循環ポンプ
１０５…気液分離器
１０６…循環ガス流路
１０７…排気排水弁
１０８…燃料供給流路
１０９…排出流路
１１１…水素ガス入口
１２１…水素ガス出口
１５０…ＥＣＵ（制御部）

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に水素ガスを供給するインジェクタと、
   前記燃料電池の水素ガス入口及び水素ガス出口を結び、前記水素ガス出口から排出された水素ガス及び窒素を含む循環ガスを前記水素ガス入口に循環させる循環ガス流路と、
   前記循環ガス流路を流通する前記循環ガスを圧送する循環ポンプと、
   前記燃料電池に要求される負荷に必要な水素ガス供給量を算出し、算出した水素ガス供給量に基づき、前記インジェクタの駆動により供給される水素供給流量及び前記循環ポンプの駆動により圧送される循環ガスの循環流量を算出する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水素ガス供給量に基づき算出された前記循環流量が前記水素供給流量に対して予め設定された１以上の比率に従って増加するように前記インジェクタ及び前記循環ポンプの駆動を制御する、燃料電池システム。

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