WO2007142245A1

WO2007142245A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2007142245A1
Application number: PCT/JP2007/061394
Authority: WO
Inventors: Kenji Umayahara
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-12-13
Also published as: US20100159341A1; US8557464B2; JP2007329104A; CN101467294B; KR20090020684A; JP5168821B2; DE112007001372B4; CN101467294A; DE112007001372T5; KR101135658B1

Abstract

　本発明においては、ＦＣ入口目標圧力の初期設定（ステップＳ１）後、燃料電池のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になるまで、ＦＣ入口目標圧力を、この初期設定値に維持する（ステップＳ３：ＮＯ）。この初期設定値は、通常発電時にＦＣ電流に応じて設定されるＦＣ入口目標圧力よりも高圧に設定する。燃料電池１０のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になったならば（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ステップＳ５で検出したＦＣ電流と、燃料電池１０への要求出力に対応して設定されるＦＣ入口目標圧力との関係を表わすマップを用いて、ＦＣ入口目標圧力を求める（ステップＳ７）。

Description

明細書燃料電池システム

技術分野

本発明は、システム起動時に発電回復処理を行う燃料電池システムに関する。背景技術

燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をェネルギ源とした燃料電池システムとして、例えば特開 2 0 0 4— 1 6 5 0 5 8号公報には、システム起動後の暖機運転中に、燃料電池の出力電圧が低いと判定した場合であって、この出力電圧の低下が燃料電池内に残留する窒素に起因すると判定した場合に、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を増加させる、いわゆる発電回復処理を行う技術が開示されている。発明の開示

システム起動時に発電回復処理を行う燃料電池システムにおいては、システム起動後、通常運転（通常発電）に移行した直後は、アノードへの目標ガス供給圧力（以下、目標圧力）に対して実際の圧力（以下、実圧力）が高いため、アノード内の不純物（例えば、窒素）濃度が高いにもかかわらず、実圧力を目標圧力に合わせるべく、減圧処理を行うことになる。

この減圧処理中、アノードへのガス供給圧力を調圧する調圧弁よりも下流側に位置する燃料電池に対しては、新規の燃料ガスが供給されなくなるため、ァノ一ド内における燃料ガス濃度の低下、ひいては燃料電池の発電電圧（セル電圧）の低下を招き、円滑な通常運転への移行、あるいは正常な通常運転の維持に支障を来たす場合がある。本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、システム起動時に発電回復処理を行った後に発生し得る燃料電池の発電電圧の低下を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池のァノードに燃料ガスを供給するための燃料供給系と、前記燃料供給系に設けられて前記アノードへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記調整手段は、システム起動時においては、前記アノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下に低下するまで、燃料供給源から前記アノードへの新規の燃料ガス供給量を、通常発電時に前記燃料電池の発電電流に応じて設定される新規の燃料ガス供給量よりも、高く維持する。この構成によれば、システム起動時に、通常発電時よりも高圧の燃料ガスをアノードに供給する発電回復処理を行い、次いで、通常運転（通常発電）に移行した直後に、アノード入口側の実圧力を目標圧力に合わせるための減圧処理を行つたとしても、アノード内を含む燃料ガス供給系における不純物濃度が所定値以下に低められている、言い換えれば、燃料ガス濃度が所定濃度以上に高められているので、減圧処理に伴いアノードへの燃料ガス供給量がそれまでよりも低下する状態下にあっても、燃料電池の発電電圧（セル電圧）の低下は抑制される。

前記調整手段は、前記燃料供給系の上流側のガス状態を目標値に調整して下流側にガスを供給する可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置を前記目標値に応じて駆動制御する制御装置と、を備えると共に、システム起動時は、前記可変ガス供給装置による前記アノードへのガス供給量を通常発電時よりも増加させてもよい。

前記可変ガス供給装置は、システム起動時は通常発電時よりも高圧の燃料ガスを前記アノードに供給し、前記アノードに供給されるガス中の窒素濃度が所定値以下に低下するまで、前記アノードへのガス供給圧を通常発電時よりも高く維持してもよい。

前記燃料電池のアノード出口から排出された燃料オフガスを前記新規の燃料ガスと合流させてアノード入口に再供給するための循環流路と、前記循環流路に設けられて開弁時に前記燃料オフガスをシステム外へ放出させる開閉弁と、を備え、前記調整手段は、前記開閉弁の開弁に応じて前記アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させてもよい。

開閉弁が開弁して燃料オフガスの一部がシステム外へ放出されると、ァノ ―ドに供給される燃料供給源からの新規の燃料ガスと燃料オフガスとの混合ガスの不純物濃度が低くなる、言い換えれば、混合ガスの燃料ガス濃度が高くなるので、アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させても、発電電圧の低下は抑制される。よって、この構成によれば、アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させることにより、燃料電池の発電電圧の低下を抑制しつつ、燃費を向上させることができる。

前記可変ガス供給装置は、気体燃料（燃料ガス）を噴射する噴射孔を有する弁座と、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、このノズルポディに対して軸線方向に移動可能に収容保持された弁体と、を備え、前記弁体が電磁駆動力によつて所定の駆動周期で駆動されることによって前記噴射孔が開閉されるものであってもよい。

本発明によれば、システム起動時に発電回復処理を行った際に発生し得る燃料電池の発電電圧低下を抑制することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。図 2は、図 1に示したインジェクタの制御フローを説明するためのフローチャートである。

図 3は、図 2に示したフローチャートのステップ S 7の処理に用いられるマップの一例である。

図 4は、図 2に示したフローチャートのステップ S 9の処理に用いられるマップの一例である。

図 5は、図 2に示したフロ一チャートにより図 1に示したインジェク夕を制御した場合における燃料電池の入口側目標圧力と実圧力との関係を説明するための図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。まず、図 1を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム 1の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム 1は、図 1に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池 1 0を備えるとともに、燃料電池 1 0に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系 (燃料供給系） 2、燃料電池 1 0に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系 3、システム全体を統合制御する制御装置 4等を備えている。燃料電池 1 0は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している燃料電池 1 0により発生した電力は、 P C U (Power Control Unit) 1 1に供給される。 P C U 1 1は、燃料電池 1 0とトラクシヨンモータ 1 2との間に配置されるインバー夕や D C 一 D C コンバータ等を備えている。また、燃料電池 1 0には、発電中の電流を検出する電流センサ 1 3が取り付けられている。

酸化ガス配管系 2は、加湿器 2 0により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池 1 0に供給する空気供給流路 2 1と、燃料電池 1 0から排出された酸化オフガスを加湿器 2 0に導く空気排出流路 2 2と、加湿器 2 0から外部に酸化オフガスを導くための排気流路 2 3と、を備えている。空気供給流路 2 1には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器 2 0に圧送するコンプレッサ

2 4が設けられている。

水素ガス配管系 3は、高圧（例えば 7 0 M P a ) の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク（燃料供給源） 3 0と、水素タンク 3 0の水素ガスを燃料電池 1 0に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路 3 1と、燃料電池 1 0から排出された水素オフガスを水素供給流路 3 1に戻すための循環流路 3 2と、を備えている。水素ガス配管系 3は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。

なお、水素タンク 3 0に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。水素供給流路 3 1には、水素タンク 3 0からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁 3 3と、水素ガスの圧力を調整するレギユレ一夕 3 4と、ィンジェクタ（可変ガス供給装置） 3 5と、が設けられている。インジェクタ

3 5の上流側には、水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ 4 1及び温度センサ 4 2が設けられている。また、インジェクタ 3 5の下流側であって水素供給流路 3 1と循環流路 3 2との合流部の上流側には、水素供給流路 3 1内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ 4 3が設けられている。

レギユレ一夕 3 4は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギユレ一夕 3 4として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筐体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

本実施形態においては、図 1に示すように、インジェクタ 3 5の上流側にレギユレ一夕 3 4を 2個配置することにより、インジェク夕 3 5の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェク夕 3 5の機械的構造（弁体、筐体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。

また、インジェク夕 3 5の上流側圧力を低減させることができるので、ィンジェクタ 3 5の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェク夕 3 5の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェク夕 3 5の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、ィンジェクタ 3 5の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ 3 5は、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等のガス状態を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェク夕 3 5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。

本実施形態においては、インジェクタ 3 5の弁体は電磁駆動装置であるソレノィドにより駆動され、このソレノィ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、多段階、連続的（無段階)、又はリニアに切り替えることができるようになつている。そして、制御装置 4から出力される制御信号によってインジェクタ 3 5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。以上のとおり、インジェクタ 3 5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。

なお、インジェクタ 3 5の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェク夕 3 5の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ 3 5上流のガス圧力より減圧されるため、インジェク夕 3 5を調圧弁（減圧弁、レギユレ一夕）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェク夕 3 5の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

なお、本実施形態においては、図 1に示すように、水素供給流路 3 1と循環流路 3 2との合流部 A 1より上流側にィンジェクタ 3 5を配置している。また、図 1に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク 3 0を採用する場合には、各水素タンク 3 0から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部 A 2 ) よりも下流側にインジェク夕 3 5を配置するようにする。

循環流路 3 2には、気液分離器 3 6及び排気排水弁 3 7を介して、排出流路 3 8が接続されている。気液分離器 3 6は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁 3 7は、制御装置 4からの指令によって作動することにより、気液分離器 3 6で回収した水分と、循環流路 3 2内の不純物 (例えば、窒素）を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。

また、循環流路 3 2には、循環流路 3 2内の水素オフガスを加圧して水素供給流路 3 1側へ送り出す水素ポンプ 3 9が設けられている。なお、排出流路 3 8内のガスは、希釈器 4 0によって希釈されて排気流路 2 3内のガスと合流するようになっている。制御装置 4は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクシヨンモータ 1 2等の負荷装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクシヨンモータ 1 2のほかに、燃料電池 1 0を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ 2 4、水素ポンプ 3 9、冷却ポンプのモータ等)、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるァクチユエ一夕、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置 4は、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、 C P U、 R OM, R AM, H D D , 入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、 R OMに記録された各種制御プログラムを C P U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つている。

図 2は、システム起動時、より具体的には、例えばユーザ操作によるイダニッシヨン O Nの信号を制御装置 4が検知し、燃料電池 1 0への反応ガス供給を開始した時等に実行される、システム起動から通常発電（通常運転）に移行するまでのインジェク夕 3 5の制御フローである。

また、図 3は、図 2のステップ S 7の処理で用いられる、燃料電池 1 0の発電電流（以下、 F C電流）と燃料電池 1 0の入口側目標圧力（以下、 F C 入口目標圧力）との関係を示すマップであり、また、図 4は、図 2のステツプ S 9の処理で用いられる、 F C電流とインジェクタ 3 5の基本噴射時間（F Z F項）との関係を示すマップである。

図 2のフローチャートにおいては、まず、 F C入口目標圧力の初期設定がなされる（ステップ S 1 )。そして、燃料電池 1 0のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になるまで、 F C入口目標圧力は、この初期設定値に維持される（ステップ S 3 ： NO)。この初期設定値は、通常発電時に F C電流に応じて設定される F C入口目標圧力（燃料ガス供給量)、すなわち、図 3の圧力 P 1よりも高い所定の圧力 P 2に設定される。

これにより、本実施形態のシステム起動時においては、図 5に示すように、燃料電池 1 0のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が同図に一点鎖線で示す所定値以下に低下するまでの間は、同図に破線で示す F C入口目標圧

(水素タンク 3 0から燃料電池 1 0のアノードへの新規の水素ガス供給量）が、通常発電時に F C電流に応じて設定される F C入口目標圧力よりも、高く維持される。

よって、同図の実線で示すように、燃料電池 1 0のアノード入口側における実際の圧力（F C入口実圧力）は、燃料電池 1 0のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が同図に一点鎖線で示す所定値以下に低下するまでの間は、通常発電時よりも高く維持され、インジェクタ 3 5による燃料電池 1 0 のアノードへのガス供給量が通常発電時よりも増加することになる。

なお、ステップ S 3における判定は、例えば窒素センサ等の検出結果に基づいて行われるが、これに限らず、燃料電池 1 0のアノードに供給されるガス中の水素濃度を水素センサで直接検出し、その検出結果に基づいて不純物濃度が所定値以下になったことを判定してもよい。

燃料電池 1 0のアノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下になったならば（ステップ S 3 ： Y E S )、， F C電流を電流センサ 1 3で検出し (ステップ S 5 )、例えば図 3に示すマップ、つまり、ステップ S 5で検出した F C電流と、燃料電池 1 0への要求出力に対応して設定される F C入口目標圧力との関係を表わすマップを用いて、ステップ S 5で検出した F C電流から F C入口目標圧力を求める（ステップ S 7 )。

なお、図 3に示す F C電流と F C入口目標圧力とを関係付けたマップとして、燃料電池 1 0のアノード内の不純物濃度に応じた F C入口目標圧力マツプを複数持つことにより、ステップ S 7においては、 FC電流とアノード内の不純物濃度とに応じて FC入口目標圧力を決定するようにしてもよい。次に、制御装置 4は、例えば図 4に示すマップ、つまり、 FC電流とインジェク夕の基本噴射時間であるフィードフォワード項（以下、 FZF項）との関係を表わすマップを用いて、ステップ S 5で検出した FC電流からインジェク夕の基本噴射時間である FZF項を求める（ステップ S 9)。

次に、制御装置 4は、ステップ S 7で求めた FC入口目標圧力と、二次側圧力センサ 43で検出した現在の燃料電池 10の入口側圧力（以下、 FC入口圧力）との偏差（以下、 FC入口圧力偏差）を求め（ステップ S 11)、この FC入口圧力偏差を補正する（低減させる）ための補正値として、インジェク夕噴射時間のフィードバック項（以下、 FZB項）を求める（ステップ S 13)。

次に、制御装置 4は、ステップ S 9で求めたインジェクタ 35の基本噴射時間である FZF項に、ステップ S 13で求めた F/B項を、必要に応じて更なる補正値とともに加算することにより、インジェクタ 35の噴射時間（噴射量）を求める（ステップ S 15)。

そして、制御装置 4は、かかる噴射時間を実現させるための制御信号をィンジェクタ 35に出力することにより、インジェクタ 35の噴射時間及び噴射時期を制御し、燃料電池 10に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。以後、ステップ S 5〜S 15の処理は、所定周期で繰り返し実行される。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム 1においては、システム起動時に、通常運転（通常発電）時よりも高圧の水素ガスを燃料電池 10のアノードに供給する発電回復処理を行い、次いで、通常運転に移行した直後に、アノード入口側の FC入口実圧力を FC入口目標圧力に合わせるための減圧処理を行ったとしても、アノード内を含む水素ガス配管系 3における不純物濃度が所定値以下に低められている、言い換えれば、水素ガス濃度が所定濃度以上に高められているので、減圧処理に伴いアノードへの水素ガス供給量がそれまでよりも低下する状態下にあっても、通常運転移行時における燃料電池 1 0の発電電圧（セル電圧）の低下を抑制することができる。

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、制御装置 4は、排気排水弁 3 7を開弁させたら、それに応じて、燃料電池 1 0のアノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させるように、インジェクタ 3 5の開閉動作を制御してもよい。

つまり、排気排水弁 3 7が開弁して水素オフガスの一部がシステム外へ放出されると、燃料電池 1 0のアノードに供給される水素タンク 3 0からの新規の水素ガスと水素オフガスとの混合ガスの不純物濃度は低くなる、言い換えれば、混合ガスの水素ガス濃度は高くなるので、燃料電池 1 0のアノードへのガス供給量をそれまでのガス供給量よりも低下させても、発電電圧の低下は抑制される。

よって、上記実施形態において、排気排水弁 3 7の開弁に応じて、燃料電池 1 0のァノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させるように構成すれば、通常運転移行時における燃料電池 1 0の発電電圧の低下を抑制しつつ、燃費をも向上させることができる。

また、上記実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池と、前記燃料電池のアノードに燃料ガスを供給するための燃料供給系と、前記燃料供給系に設けられて前記アノードへのガス供給量を調整する調整手段と、を備えた燃料電池システムであって、

前記調整手段は、システム起動時においては、前記アノードに供給されるガス中の不純物濃度が所定値以下に低下するまで、燃料供給源から前記ァノ一ドへの新規の燃料ガス供給量を、通常発電時に前記燃料電池の発電電流に応じて設定される新規の燃料ガス供給量よりも、高く維持する燃料電池システム。

2 . 請求項 1に記載の燃料電池システムにおいて、

前記調整手段は、前記燃料供給系の上流側のガス状態を目標値に調整して下流側にガスを供給する可変ガス供給装置と、前記可変ガス供給装置を前記目標値に応じて駆動制御する制御装置と、を備えると共に、システム起動時は、前記可変ガス供給装置による前記アノードへのガス供給量を通常発電時よりも増加させる燃料電池システム。

3 . 請求項 2に記載の燃料電池システムにおいて、

前記可変ガス供給装置は、システム起動時は通常発電時よりも高圧の燃料ガスを前記アノードに供給し、前記アノードに供給されるガス中の窒素濃度が所定値以下に低下するまで、前記アノードへのガス供給圧を通常発電時よりも高く維持する燃料電池システム。

4 . 請求項 1または 2に記載の燃料電池システムにおいて、

前記燃料電池のァノード出口から排出された燃料オフガスを前記新規の燃料ガスと合流させてアノード入口に再供給するための循環流路と、前記循環流路に設けられて開弁時に前記燃料オフガスをシステム外へ放出させる開閉弁と、を備え、前記調整手段は、前記開閉弁の開弁に応じて前記アノードへのガス供給量をそれまでよりも低下させる燃料電池システム。

5 . 請求項 1から 4のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記可変ガス供給装置は、気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座と、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に移動可能に収容保持された弁体と、を備え、前記弁体が電磁駆動力によつて所定の駆動周期で駆動されることによつて前記噴射孔が開閉されるものである燃料電池システム。