JP7435506B2 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP7435506B2
JP7435506B2 JP2021038186A JP2021038186A JP7435506B2 JP 7435506 B2 JP7435506 B2 JP 7435506B2 JP 2021038186 A JP2021038186 A JP 2021038186A JP 2021038186 A JP2021038186 A JP 2021038186A JP 7435506 B2 JP7435506 B2 JP 7435506B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
injector
fuel cell
fuel
gas
control unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021038186A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2022138350A (ja
Inventor
勇喜 笠原
雅之 伊藤
諭 安藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2021038186A priority Critical patent/JP7435506B2/ja
Priority to KR1020220028625A priority patent/KR20220127163A/ko
Priority to CN202210223594.7A priority patent/CN115084582A/zh
Priority to US17/654,119 priority patent/US11799098B2/en
Priority to DE102022105485.3A priority patent/DE102022105485A1/de
Publication of JP2022138350A publication Critical patent/JP2022138350A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7435506B2 publication Critical patent/JP7435506B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04582—Current of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、１つの単セル又は複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ、以下単に拡散層と記載する場合がある）が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素（Ｈ２）が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力の向上を図る燃料電池システムが開示されている。
特許文献２では、燃料電池の発電性能の低下を抑制した燃料電池システムが開示されている。
特許文献３では、簡単な制御によって燃料オフガスを燃料電池に安定して循環させることができ、状況に応じて燃料電池の排水効率を高めたりインジェクタの作動時の雑音及び振動を抑制したりすることができる燃料電池システムが開示されている。
特許文献４では、適切に燃料ガスを供給できる燃料電池システムが開示されている。
特開２０１１－１７９３３３号公報 特開２０２０－１２３４５８号公報 特開２０１９－１６９２６４号公報 特開２０１４－１２３５５５号公報
燃料電池システムの燃料ガス系において、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力の向上を図ることが重要である。
燃料電池の発電量が大きい場合、インジェクタが閉弁中の循環流路内の圧力が急激に低下し、圧力センサの圧力検出値のばらつき、信号伝達遅延等の影響により、設定した圧力範囲の下限値を下回り、その結果、燃料電池内に水素欠が発生し、燃料電池の触媒を劣化させる虞がある。
上記特許文献１の構成において、第１インジェクタと第２インジェクタとは交互に噴射するものであり、且つ、それぞれ供給する燃料の噴射量は同じであり、燃料電池が高負荷発電を実施しているときに、インジェクタ停止中の循環流路内の圧力が急激に低下するという課題は解決できない。そのため、燃料電池内で部分燃料ガス欠が発生し、燃料電池の触媒を劣化させる虞がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内での部分燃料ガス欠の発生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主目的とする。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流値を検出する電流センサと、
燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記燃料電池の燃料ガス入口とを接続し、且つ、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして前記燃料電池の燃料ガス入口に戻して循環させることを可能にする循環流路と、
前記循環流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料ガス供給部と前記エジェクタとを接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも上流に配置されるインジェクタ集合部と、
前記循環流路の前記エジェクタよりも上流に配置される気液分離器と、
前記循環流路の前記気液分離器から分岐し、且つ、前記燃料オフガスを前記燃料電池システムの外部に排出することを可能にする燃料オフガス排出流路と、
前記循環流路に配置される圧力センサと、
制御部と、を備え、
前記インジェクタ集合部は、第１インジェクタ及び第２インジェクタを並列に有し、
前記第２インジェクタは、前記第１インジェクタよりも単位時間当たりの前記燃料ガスの噴射量が小さく、
前記制御部は、前記出力電流値に応じて、前記燃料電池への前記燃料ガスの圧力が所定の範囲内に維持されるように、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタからなる群より選ばれる少なくとも一種のインジェクタをデューティ比制御して駆動させ、
前記制御部は、前記出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいか否か判定し、
前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、少なくとも前記第１インジェクタの閉弁中に前記第２インジェクタを開弁するように前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させる。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、前記第１インジェクタの閉弁後に前記第２インジェクタを開弁し、前記第１インジェクタの開弁後に前記第２インジェクタを閉弁するように前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、前記第２インジェクタを常に開弁する制御を行ってもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値以下であると判定した場合に、前記出力電流値が所定の第１閾値よりも小さい所定の前記第２閾値以下であるか否か判定し、
前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第２閾値以下であると判定した場合に、前記第１インジェクタを常に閉弁し、且つ、前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、
前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第２閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第２インジェクタを常に閉弁し、且つ、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させてもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池内での部分燃料ガス欠の発生を抑制することができる。
図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 図２は、燃料電池が一定の中負荷電流で発電している時の、第１インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐとの関係の一例を示す図である。 図３は、従来技術における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の一例を示す図である。 図４は、本開示における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタ開閉弁状態と、第２インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の一例を示す図である。 図５は、本開示における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタ開閉弁状態と、第２インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の別の一例を示す図である。 図６は、本開示における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタ開閉弁状態と、第２インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の別の一例を示す図である。 図７は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流値を検出する電流センサと、
燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記燃料電池の燃料ガス入口とを接続し、且つ、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして前記燃料電池の燃料ガス入口に戻して循環させることを可能にする循環流路と、
前記循環流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料ガス供給部と前記エジェクタとを接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも上流に配置されるインジェクタ集合部と、
前記循環流路の前記エジェクタよりも上流に配置される気液分離器と、
前記循環流路の前記気液分離器から分岐し、且つ、前記燃料オフガスを前記燃料電池システムの外部に排出することを可能にする燃料オフガス排出流路と、
前記循環流路に配置される圧力センサと、
制御部と、を備え、
前記インジェクタ集合部は、第１インジェクタ及び第２インジェクタを並列に有し、
前記第２インジェクタは、前記第１インジェクタよりも単位時間当たりの前記燃料ガスの噴射量が小さく、
前記制御部は、前記出力電流値に応じて、前記燃料電池への前記燃料ガスの圧力が所定の範囲内に維持されるように、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタからなる群より選ばれる少なくとも一種のインジェクタをデューティ比制御して駆動させ、
前記制御部は、前記出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいか否か判定し、
前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、少なくとも前記第１インジェクタの閉弁中に前記第２インジェクタを開弁するように前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させる。
第１インジェクタと、第１インジェクタよりも単位時間当たりの噴射量が小さい第２インジェクタと、循環流路と、を燃料ガス系として備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電量が大きく、第１インジェクタ停止中に循環流路の圧力が急激に低下し、部分燃料ガス欠が生じる恐れがある。本開示によれば、燃料電池の発電量が大きく、第１インジェクタが閉弁中で循環流路内の圧力低下が大きい場合に、第２インジェクタを用い、循環流路内の圧力低下を緩やかにする。すなわち、第１インジェクタの噴射停止中に、第２インジェクタから燃料ガスを噴射し、循環流路の急激な圧力低下を抑制する。本開示により、循環流路内の圧力が急激に低下する場合でも、設定した圧力範囲の下限値を下回ることを低減でき、その結果燃料電池内で燃料ガス欠の発生を抑制し、燃料電池の触媒の劣化を抑制することができる。
図１は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図１に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料ガス系として、燃料ガス供給流路１１と、循環流路１２と、燃料オフガス排出流路１３と、燃料ガス供給部２１と、主止弁２２と、調圧弁２３と、第１インジェクタ２４と、第２インジェクタ２５と、エジェクタ２６と、気液分離器２７と、排気排水弁２８と、圧力センサ２９と、電流センサ３０と、制御部４０と、を備える。なお、図１では、燃料ガス系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、冷却系等の図示は省略する。
圧力センサ２９は、燃料ガスの圧力を検出する。圧力センサ２９は、制御部４０と電気的に接続され、検出した燃料ガスの圧力を制御部４０に与える。
電流センサ３０は、燃料電池の出力電流値を検出する。電流センサ３０は、制御部４０と電気的に接続され、検出した燃料電池の出力電流値を制御部４０に与える。
調圧弁２３は、制御部４０と電気的に接続され、第１インジェクタ２４と、第２インジェクタ２５にかかる圧力を例えば１ＭＰａ程度になるように減圧する。
気液分離器２７は、循環流路１２の燃料オフガス排出流路１３との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、循環流路１２に燃料ガスを循環ガスとして戻す。
制御部４０は、排気排水弁２８と電気的に接続され、必要に応じて排気排水弁２８を開き、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路１３から外部へ排出する。
エジェクタ２６は、循環流路１２の燃料ガス供給流路１１との合流部に配置されている。
第１インジェクタ２４及び第２インジェクタ２５は、燃料ガス供給流路１１のエジェクタ２６よりも上流に備える。
制御部５０は、第１インジェクタ２４及び第２インジェクタ２５と電気的に接続され、燃料電池１０の出力電流値に応じて、第１インジェクタ２４、第２インジェクタ２５の駆動／休止を切り替える。第２インジェクタ２５は第１インジェクタ２４よりも単位時間当たりの燃料ガス噴射量が少ない。
制御部５０は、燃料電池１０の出力電流値が小さいときには、第２インジェクタ２５のみから燃料ガスを供給し、出力電流値が中程度の時には、第１インジェクタ２４のみから燃料ガスを供給し、出力電流値が大きいときには、第１インジェクタ２４、第２インジェクタ２５の両方から燃料ガスを供給する。
図１は、燃料電池１０で使用されなかった燃料オフガスを、エジェクタ２６により再循環させているが、エジェクタ２６の代わりに循環ポンプを備えていてもよい。また、燃料電池システム１００は、循環流路１２のエジェクタ２６よりも上流に循環ポンプを備えていてもよい。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源として電動機を有する車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池を備える。
燃料電池は、単セルを１つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～３００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。２枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料ガス供給部と、燃料ガス供給流路と、循環流路と、エジェクタと、インジェクタ集合部と、気液分離器と、燃料オフガス排出流路と、制御部と、電流センサと、圧力センサと、を備える。
燃料ガス供給部は、燃料ガスを燃料電池に供給する。具体的には燃料ガス供給部は、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口と燃料電池の燃料ガス入口とを接続する。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出された燃料ガスである燃料オフガスを循環ガスとして燃料電池の燃料ガス入口に戻して循環させることを可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
循環流路には、エジェクタが配置される。
エジェクタは、例えば、循環流路上の燃料ガス供給流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
循環ポンプは、循環流路のエジェクタよりも上流に配置されていてもよい。循環ポンプは、エジェクタの代わりに循環流路の燃料ガス供給流路との合流部に配置してもよい。循環ポンプは、燃料オフガスを循環ガスとして循環させる推進力となってもよい。循環ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部とエジェクタとを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスのエジェクタへの供給を可能にする。
インジェクタ集合部は、燃料ガス供給流路のエジェクタよりも上流に配置される。
インジェクタ集合部は、第１インジェクタ及び第２インジェクタを並列に有する。
第２インジェクタは、第１インジェクタよりも単位時間当たりの燃料ガスの噴射量が小さい。第１インジェクタ及び第２インジェクタは、従来公知のインジェクタを適宜採用することができる。
調圧弁は、燃料ガス供給流路のインジェクタ集合部よりも上流に配置されていてもよい。調圧弁は、制御部と電気的に接続され、第１インジェクタと、第２インジェクタにかかる圧力を減圧する。
気液分離器（アノード気液分離器）は、循環流路のエジェクタよりも上流に配置される。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路と循環流路との分岐点に配置されていてもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路の排気排水弁よりも上流に配置されていてもよい。
気液分離器は、燃料ガス出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料ガスを循環ガスとして循環流路に戻してもよいし、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路の排気排水弁を開弁して外部に排出してもよい。また、気液分離器により、余分な水分が循環流路に流れることを抑制することができるため、当該水分による循環ポンプ等の凍結の発生を抑制することができる。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から気液分離器を介して分岐する。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを燃料電池システムの外部に排出することを可能にする。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路には、排気排水弁（燃料オフガス排出弁）が配置されてもよい。排気排水弁は、燃料オフガス排出流路の気液分離器よりも下流に配置される。
排気排水弁は、燃料オフガス及び水分等を外部（系外）へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
排気排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排気排水弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、排気排水弁の開度を調整することにより、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力（アノード圧力）を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
電流センサは、燃料電池の出力電流値を検出する。電流センサは、制御部と電気的に接続され、検出した燃料電池の出力電流値を制御部に与える。
電流センサは、従来公知の電流計等を用いることができる。
圧力センサは、循環流路に配置される。圧力センサは、検出精度向上の観点から、循環流路のエジェクタよりも下流である、エジェクタと燃料電池との間の領域に配置されていてもよい。
圧力センサは、燃料ガスの圧力を検出する。圧力センサは、制御部と電気的に接続され、検出した燃料ガスの圧力を制御部に与える。
圧力センサは、従来公知の圧力計等を用いることができる。
燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス系として、酸化剤ガス供給部を備えていてもよく、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよく、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも１つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整してもよい。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部を備えていてもよく、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、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ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
制御部は、出力電流値に応じて、燃料電池への燃料ガスの圧力が所定の範囲内に維持されるように、第１インジェクタ及び第２インジェクタからなる群より選ばれる少なくとも一種のインジェクタのデューティ比を制御する。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいか否か判定する。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいと判定した場合に、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、少なくとも第１インジェクタの閉弁中に第２インジェクタを開弁するように第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させる。
インジェクタのデューティ比とは、インジェクタの弁の開閉の周期的な制御において、インジェクタの弁が開いた時点を始期として、弁が閉じた後、再度弁が開くまでの時間を１周期とし、１周期の時間に対する弁が開いている時間の割合を意味する。
本開示においてデューティ比制御とは、デューティ比が０％を超え、１００％未満の任意の値になるように制御することを意味する。デューティ比が０％の状態は、制御部からの駆動指令がなく、インジェクタが閉弁して停止している状態のため、デューティ比を制御している状態ではない。デューティ比が１００％の状態は、インジェクタが常に開弁して駆動している状態のため、デューティ比を制御している状態ではない。制御するデューティ比は、燃料電池への燃料ガスの圧力が所定の範囲内に維持され、且つ、０％を超え、１００％未満であれば特に限定されず、出力電流値に応じて適宜設定することができる。燃料ガスの圧力は圧力センサで検出された値を制御部がモニタリングすることにより、制御部は、燃料ガスの圧力が所定の範囲内に維持されるようにデューティ比を制御することができる。
出力電流値の所定の第１閾値は、例えば、燃料電池が高負荷電流で発電している時の燃料電池の出力電流値であってもよい。具体的な出力電流値は、燃料電池の性能に応じて適宜設定すればよい。
燃料ガスの所定の範囲内の圧力の下限値は、経験則により部分燃料ガス欠が発生し難い圧力を適宜設定してもよい。燃料ガスの所定の範囲内の圧力の上限値は、経験則により電解質膜の劣化が起こりにくい圧力を適宜設定してもよい。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいと判定した場合に、第１実施形態として、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、第１インジェクタの閉弁と同時に第２インジェクタを開弁し、第１インジェクタの開弁と同時に第２インジェクタを閉弁するように第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させてもよい。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいと判定した場合に、第２実施形態として、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、第１インジェクタの閉弁後に第２インジェクタを開弁し、第１インジェクタの開弁後に第２インジェクタを閉弁するように第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させてもよい。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいと判定した場合に、第３実施形態として、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、第２インジェクタを常に開弁（デューティ比１００％）する制御を行ってもよい。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値以下であると判定した場合に、出力電流値が所定の第１閾値よりも小さい所定の第２閾値以下であるか否か判定する。
制御部は、出力電流値が所定の第２閾値以下であると判定した場合に、第１インジェクタを常に閉弁し、且つ、第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させてもよい。これにより燃費を向上させることができる。
一方、制御部は、出力電流値が所定の第２閾値よりも大きいと判定した場合に、第２インジェクタを常に閉弁し、且つ、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させてもよい。これにより、例えば、燃料電池の通常運転時は第１インジェクタのみで燃料ガスを燃料電池に供給してもよい。
出力電流値の所定の第２閾値は、例えば、燃料電池が中負荷電流で発電している時の燃料電池の出力電流値であってもよい。具体的な出力電流値は、燃料電池の性能に応じて適宜設定すればよい。すなわち、燃料電池が中負荷電流で発電している時は、第２インジェクタを停止（常に閉弁、デューティ比０％）し、第１インジェクタから燃料ガスを周期的に噴射（デューティ比制御）し、燃料電池が中負荷電流未満で発電している時は、第１インジェクタを停止（常に閉弁、デューティ比０％）し、第２インジェクタから周期的に燃料ガスを噴射（デューティ比制御）する。
図２は、燃料電池が一定の中負荷電流で発電している時の、第１インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐとの関係の一例を示す図である。
燃料電池は一定の負荷電流で発電しているため、燃料電池内では単位時間当たり一定量の燃料ガスを消費している。循環流路内圧力Ｐが下限値ＰＬに到達すると、制御部（ＥＣＵ）は第１インジェクタを開弁させる。第１インジェクタが開弁時に噴射する燃料ガスの量は、燃料電池が消費する燃料ガスの量よりも多い。従って、第１インジェクタの開弁中は、循環流路内圧力Ｐが上昇する。循環流路内圧力Ｐが上限値ＰＵに到達すると、ＥＣＵは第１インジェクタを閉弁させる。第１インジェクタの閉弁中は、燃料電池が発電により燃料ガスを消費することにより、循環流路内圧力Ｐが低下する。これを繰り返すことにより、循環流路内圧力Ｐは、下限値ＰＬ以上、上限値ＰＵ以下の範囲内に維持される。
図３は、従来技術における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の一例を示す図である。
燃料電池は一定の高負荷電流で発電しているため、中負荷時と比較すると、単位時間当たりに燃料電池内で消費される燃料ガスの量が多い。一方、第１インジェクタは、開弁時間により燃料ガス噴射量を制御するものであり、開弁中に噴射する単位時間当たりの燃料ガスの量は一定である。従って、第１インジェクタが開弁中の圧力上昇の傾きは小さくなり、第１インジェクタが閉弁中の圧力低下の傾きが大きくなる。
第１インジェクタは、循環流路内圧力Ｐが下限値ＰＬに到達すると再び開弁するが、圧力低下の傾きが大きい場合、第１インジェクタの応答の遅延や、圧力センサの信号の遅延、検出値のばらつき等により、下限値ＰＬを下回りやすくなる。
＜第１実施形態＞
図４は、本開示における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタ開閉弁状態と、第２インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の一例を示す図である。
本開示の第１実施形態では、第１インジェクタの閉弁中に第２インジェクタを開弁させて燃料電池に燃料ガスを供給することにより、第１インジェクタの閉弁中の圧力低下の傾きを小さくする。
なお、第２インジェクタの単位時間当たりの燃料ガス噴射量は、燃料電池が高負荷時に消費する燃料の量よりも少ない。従って、第２インジェクタが開弁して燃料ガスを噴射している期間も、循環流路内圧力Ｐは徐々に低下する。つまり、第１インジェクタの閉弁中の圧力低下速度が、図３に示す比較例よりも緩やかになっている。
したがって、循環流路内圧力が下限値ＰＬを下回りにくくなり、燃料電池内で部分燃料ガス欠の発生や触媒の劣化を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
図５は、本開示における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタ開閉弁状態と、第２インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の別の一例を示す図である。
第１実施形態では、第２インジェクタの開弁時期が第１インジェクタの閉弁時期と一致していたが、ずれていても良い。
図５に示すタイムチャートでは、第２実施形態においても、第２インジェクタは、第１インジェクタの閉弁中に第１インジェクタが開弁するまで開弁している。しかし、第１インジェクタが閉弁した後に第２インジェクタが開弁し、第１インジェクタが開弁した後に第２インジェクタが閉弁している。
第１実施形態のように、第１インジェクタの開弁と第２インジェクタの閉弁の時期が同じになるよう、開閉弁制御を行おうとしたときに、第１インジェクタの応答遅れが第２インジェクタの応答遅れよりも大きい場合に、循環流路内圧力Ｐが下限値近傍で両方の弁を閉じている時間帯が発生し、圧力低下の傾きが大きくなる恐れがある。第２実施形態のように、ＥＣＵが、第１インジェクタが開弁したことを確認してから第２インジェクタを閉弁するようにすれば、圧力低下の傾きが大きくなることを抑制できる。
なお、第１インジェクタの閉弁直後に第２インジェクタも閉弁している時間も存在し、循環流路内圧力Ｐの傾きが大きくなっているが、下限値ＰＬからは十分に離れているため、圧力Ｐが下限値ＰＬを下回って燃料電池の燃料ガス欠が発生する可能性は低い。また、圧力が高すぎる状態が長くなると電解質膜が劣化しやすくなるが、第２実施形態では、まず一気に圧力を落とし、その後緩やかに圧力を落としているため、圧力が高すぎる状態を速やかに解消することができ、電解質膜の劣化を抑制することができる。
＜第３実施形態＞
図６は、本開示における燃料電池が一定の高負荷電流で発電している時の、第１インジェクタ開閉弁状態と、第２インジェクタの開閉弁状態と、循環流路内圧力Ｐと、の関係の別の一例を示す図である。
第３実施形態では、第２インジェクタは、燃料電池が高負荷電流で発電しているときに、第１インジェクタの開弁状態に関わらず常に開弁している。第３実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態と比較して燃費が悪くなるが、第３実施形態の場合にも、第１インジェクタの閉弁中に第２インジェクが開弁して燃料ガスを供給することにより、第１インジェクタが閉弁中に循環流路内圧力Ｐが急激に低下することを抑制している。
図７は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
制御部は、電流センサが検出した燃料電池の出力電流値を検知する。
制御部は、検知した出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいか否か判定する。
制御部は、出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいと判定した場合に、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、少なくとも第１インジェクタの閉弁中に第２インジェクタを開弁するように第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、制御を終了する。
一方、制御部は、出力電流値が所定の第１閾値以下であると判定した場合に、出力電流値が所定の第１閾値よりも小さい所定の第２閾値以下であるか否か判定する。
制御部は、出力電流値が所定の第２閾値以下であると判定した場合に、第１インジェクタを常に閉弁し、且つ、第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、制御を終了する。
一方、制御部は、出力電流値が所定の第２閾値よりも大きいと判定した場合に、第２インジェクタを常に閉弁し、且つ、第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、制御を終了する。
１０：燃料電池（スタック）
１１：燃料ガス供給流路
１２：循環流路
１３：燃料オフガス排出流路
２１：燃料ガス供給部（水素タンク）
２２：主止弁
２３：調圧弁
２４：第１インジェクタ
２５：第２インジェクタ
２６：エジェクタ
２７：気液分離器
２８：排気排水弁
２９：圧力センサ
３０：電流センサ
４０：制御部（ＥＣＵ）
１００：燃料電池システム

Claims (4)

  1. 燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムは、燃料電池と、
    前記燃料電池の出力電流値を検出する電流センサと、
    燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
    前記燃料電池の燃料ガス出口と前記燃料電池の燃料ガス入口とを接続し、且つ、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして前記燃料電池の燃料ガス入口に戻して循環させることを可能にする循環流路と、
    前記循環流路に配置されるエジェクタと、
    前記燃料ガス供給部と前記エジェクタとを接続する燃料ガス供給流路と、
    前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも上流に配置されるインジェクタ集合部と、
    前記循環流路の前記エジェクタよりも上流に配置される気液分離器と、
    前記循環流路の前記気液分離器から分岐し、且つ、前記燃料オフガスを前記燃料電池システムの外部に排出することを可能にする燃料オフガス排出流路と、
    前記循環流路に配置される圧力センサと、
    制御部と、を備え、
    前記インジェクタ集合部は、第１インジェクタ及び第２インジェクタを並列に有し、
    前記第２インジェクタは、前記第１インジェクタよりも単位時間当たりの前記燃料ガスの噴射量が小さく、
    前記制御部は、前記出力電流値に応じて、前記燃料電池への前記燃料ガスの圧力が所定の範囲内に維持されるように、前記第１インジェクタ及び前記第２インジェクタからなる群より選ばれる少なくとも一種のインジェクタをデューティ比制御して駆動させ、
    前記制御部は、前記出力電流値が所定の第１閾値よりも大きいか否か判定し、
    前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、少なくとも前記第１インジェクタの閉弁中に前記第２インジェクタを開弁するように前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、前記第１インジェクタの閉弁後に前記第２インジェクタを開弁し、前記第１インジェクタの開弁後に前記第２インジェクタを閉弁するように前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、且つ、前記第２インジェクタを常に開弁する制御を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第１閾値以下であると判定した場合に、前記出力電流値が所定の前記第１閾値よりも小さい所定の第２閾値以下であるか否か判定し、
    前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第２閾値以下であると判定した場合に、前記第１インジェクタを常に閉弁し、且つ、前記第２インジェクタをデューティ比制御して駆動させ、
    前記制御部は、前記出力電流値が所定の前記第２閾値よりも大きいと判定した場合に、前記第２インジェクタを常に閉弁し、且つ、前記第１インジェクタをデューティ比制御して駆動させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
JP2021038186A 2021-03-10 2021-03-10 燃料電池システム Active JP7435506B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021038186A JP7435506B2 (ja) 2021-03-10 2021-03-10 燃料電池システム
KR1020220028625A KR20220127163A (ko) 2021-03-10 2022-03-07 연료 전지 시스템
CN202210223594.7A CN115084582A (zh) 2021-03-10 2022-03-07 燃料电池系统
US17/654,119 US11799098B2 (en) 2021-03-10 2022-03-09 Fuel cell system
DE102022105485.3A DE102022105485A1 (de) 2021-03-10 2022-03-09 Brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021038186A JP7435506B2 (ja) 2021-03-10 2021-03-10 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022138350A JP2022138350A (ja) 2022-09-26
JP7435506B2 true JP7435506B2 (ja) 2024-02-21

Family

ID=83005369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021038186A Active JP7435506B2 (ja) 2021-03-10 2021-03-10 燃料電池システム

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11799098B2 (ja)
JP (1) JP7435506B2 (ja)
KR (1) KR20220127163A (ja)
CN (1) CN115084582A (ja)
DE (1) DE102022105485A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022132019A1 (de) 2022-12-02 2024-06-13 Hoerbiger Antriebstechnik Holding Gmbh Wasserstoff-Brennstoffzellensystem

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011179333A (ja) 2010-02-26 2011-09-15 Honda Motor Co Ltd 燃料循環装置
JP2014007060A (ja) 2012-06-25 2014-01-16 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2014107107A (ja) 2012-11-27 2014-06-09 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2014123555A (ja) 2012-11-21 2014-07-03 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2018060757A (ja) 2016-10-07 2018-04-12 日産自動車株式会社 エゼクタ、燃料供給装置および燃料電池システム
JP2019169264A (ja) 2018-03-22 2019-10-03 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP2020033931A (ja) 2018-08-29 2020-03-05 株式会社デンソー エジェクタ装置およびエジェクタ
CN110957508A (zh) 2019-11-27 2020-04-03 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池供氢控制系统及控制方法
JP2020123458A (ja) 2019-01-29 2020-08-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20210063493A1 (en) 2019-09-04 2021-03-04 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for monitoring a fuel cell

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011179333A (ja) 2010-02-26 2011-09-15 Honda Motor Co Ltd 燃料循環装置
JP2014007060A (ja) 2012-06-25 2014-01-16 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2014123555A (ja) 2012-11-21 2014-07-03 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2014107107A (ja) 2012-11-27 2014-06-09 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2018060757A (ja) 2016-10-07 2018-04-12 日産自動車株式会社 エゼクタ、燃料供給装置および燃料電池システム
JP2019169264A (ja) 2018-03-22 2019-10-03 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP2020033931A (ja) 2018-08-29 2020-03-05 株式会社デンソー エジェクタ装置およびエジェクタ
JP2020123458A (ja) 2019-01-29 2020-08-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US20210063493A1 (en) 2019-09-04 2021-03-04 GM Global Technology Operations LLC Method and apparatus for monitoring a fuel cell
CN110957508A (zh) 2019-11-27 2020-04-03 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池供氢控制系统及控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022105485A1 (de) 2022-09-15
US11799098B2 (en) 2023-10-24
CN115084582A (zh) 2022-09-20
US20220293974A1 (en) 2022-09-15
JP2022138350A (ja) 2022-09-26
KR20220127163A (ko) 2022-09-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20220124104A (ko) 연료 전지 시스템
JP7435506B2 (ja) 燃料電池システム
CN113851677B (zh) 燃料电池系统
CN113555584B (zh) 燃料电池系统
JP7380609B2 (ja) 燃料電池システム
CN113707917B (en) Fuel cell system
CN113696792B (zh) 燃料电池系统
CN113707914B (zh) 燃料电池系统
JP7367612B2 (ja) 燃料電池システム
JP7439794B2 (ja) 燃料電池システム
JP7298541B2 (ja) 燃料電池システム
US11688865B2 (en) Fuel cell system
JP2022165012A (ja) 燃料電池システム
JP2022134843A (ja) 燃料電池システム
JP2023044073A (ja) 複合燃料電池システム
JP2021182513A (ja) 燃料電池システム
CN114976105A (zh) 燃料电池系统

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230223

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20231031

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231107

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231221

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240109

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240122

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 7435506

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151