JP4564347B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、アノードオフガスを一時的に排出する排出弁を備えた燃料電池システムに関するものである。
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給されるカソードガス中の酸素と、アノード極に供給されるアノードガス中の水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池を備える燃料電池システムとしては、燃料電池から排出される未反応のアノードガス(以下、「アノードオフガス」ともいう。)を再度燃料電池に戻すための循環路などを備えたシステムが知られている。
ところで、前記したような燃料電池システムでは、主にカソード極側において水素と酸素との電気化学反応によって水が精製され、この水は高分子電解質膜を介してアノード極内に入り込むという現象が生じている。そして、このような現象が生じると、燃料電池から排出されるアノードオフガスに水分が含まれることとなり、このような水分を含んだアノードオフガスが再度燃料電池に供給されることで燃料電池の発電性能が低下するといった問題が発生する。そのため、循環路には、その内部に溜まった水などの不純物を定期的に外部へ排出(パージ)させるための排出弁が設けられている(例えば、特許文献1参照)。また、このような燃料電池システムの分野では、不純物が効率よく排出されるように、排出弁は、排出量の大きいものが採用されていた。
特開2004−185969号公報
しかしながら、前記排出弁には次のような問題があった。例えば、車両の加速時や登坂時等のアノードガス供給量が多くなっている状態で排出弁が開弁されると、循環量の多くなっているアノードガスが一気に排出されるという懸念があった。そこで、このような事態を防止するための方策として、排出量の小さい排出弁を用いることが考えられるが、そうすると、アノードガスの循環量が少ない時、つまり、車両のアイドリング時や一定速度走行時に排出弁が開弁されても、内部に溜まった水が排出されなくなるという別の問題が生じる。この場合には、燃料電池内に水が残留しやすくなるため、アノードガスの反応効率が低下するおそれがあった。
そこで、本発明は、適切なパージを行うことができるとともに、アノードガスの排出量を最小限に抑えることができ、効率の良い燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、このアノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスを一時的に排出する、少なくとも排出量の設定が異なる複数の排出弁と、これらの複数の排出弁の開弁および閉弁を前記燃料電池へ供給される前記アノードガスの流量の大小に基づいて制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池へ供給される前記アノードガスの流量が大きい場合に、前記複数の排出弁のうち排出量が大きく設定された大排出量排出弁の開閉時間に対して、前記複数の排出弁のうち排出量が小さく設定された小排出量排出弁の開弁時間の割合を多く制御するとともに、前記燃料電池へ供給される前記アノードガスの流量が小さい場合に、前記小排出量排出弁の開閉時間に対して、前記大排出量排出弁の開弁時間の割合を多く制御することを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、アノードオフガス排出路には、少なくとも排出量の設定が異なる複数の排出弁が設けられており、これらの複数の排出弁の開弁および閉弁の制御が、制御装置により、燃料電池へ供給されるアノードガスの流量の大小に基づいて行われるので、アノードオフガスの排出量の大小に対応したパージを行うことができる。
しかも、制御装置は、燃料電池へ供給されるアノードガスの流量が大きい場合に、排出量が大きく設定された大排出量排出弁の開弁時間に対して、排出量が小さく設定された小排出量排出弁の開弁時間の割合を多く制御するようになっているので、アノードガスの供給量が多く、燃料電池から排出されるアノードオフガスの量が多い状態においても、アノードオフガスに含まれて排出されるアノードガスの量を制限しつつパージを行うことができる。
また、制御装置は、燃料電池へ供給されるアノードガスの流量が小さい場合に、小排出量排出弁の開弁時間に対して、大排出量排出弁の開弁時間の割合を多く制御するようになっているので、パージによりアノードオフガスに含まれて排出されるアノードガスの量を制限することができるとともに、適切なパージを行うことができる。
したがって、このような燃料電池システムによれば、パージによるアノードガスの排出量を最小限に抑えることができるとともに、適切なパージを行うことができるようになる。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記小排出量排出弁と前記大排出量排出弁との開弁時期をずらして制御することを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、小排出量排出弁と大排出量排出弁との開弁時期が重なることが回避されるようになり、小排出量排出弁と大排出量排出弁とが同時に開くことによってアノードオフガスが急激に排出されることを防止することができる。これにより、燃料消費量が低下するのを防止することができる。
さらに、請求項3に記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガス排出路は、前記燃料電池のアノードガス供給側に前記アノードオフガスを戻す循環路を有し、その循環路中に、前記アノードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段が設けられており、前記気液分離手段に前記小排出量排出弁が設けられていることを特徴とする。
この燃料電池システムによれば、アノードオフガス排出路に排出されたアノードオフガスを、燃料電池のアノードガス供給側に循環路を通じて戻すことができ、排出されたアノードオフガスを有効に利用することができる。
また、循環路中には、アノードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段が設けられているので、水分が分離された状態のアノードオフガスを燃料電池のアノードガス供給側に戻すことができる。
しかも、気液分離手段には、小排出量排出弁が設けられているので、この小排出量排出弁が開弁制御されることによって、水等の不純物の排出、およびパージを同時に行うことができる。
本発明によれば、適切なパージを行うことができるとともに、アノードガスの排出量を最小限に抑えることができ、効率の良い燃料電池システムが得られる。
次に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図1は、本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムSは、燃料電池1の発電電力によって駆動する図示しない燃料電池車両等に搭載されている。
燃料電池1は、プロトン導電性の固体高分子電解質膜を挟んで、一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するようになっている。アノード極の触媒電極上では、触媒反応により水素がイオン化され生成された水素イオンが適度に加湿された固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動する。そしてこの間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。また、カソード極には、電気化学反応により水が生成される。
この燃料電池1では、コンプレッサ2を備える空気供給系により酸化剤ガスとしてのカソードガスがカソード極に供給されるとともに、高圧の水素タンクHTを備える水素供給系により燃料としての水素がアノード極に供給されるようになっている。
空気供給系は、カソードガスを圧縮して供給するコンプレッサ2と、このコンプレッサ2からのカソードガスを燃料電池1に導く空気供給路3と、燃料電池1から排出されるカソードオフガス(空気)を排出するための空気排出路4と、を主に備えている。空気排出路4には、カソード極側の圧力(背圧)を制御する背圧弁4aが設けられており、端部が希釈器5に接続されている。
水素供給系は、水素タンクHT、水素供給路10、遮断弁11、レギュレータ12、エゼクタ13、循環路(アノードオフガス排出路)14、気液分離器(気液分離手段)15を主に備えている。そして、この水素供給系には、本発明の特徴的構成である大排出量排出弁としてのパージ用弁16および小排出量排出弁としてのドレイン弁17が設けられている。なお、アノードオフガス排出路には、後記するパージ用流路14aおよび排水用配管15aが含まれる。
水素タンクHTには、燃料ガスとしての水素が充填されており、この水素は、遮断弁11と水素タンクHT内に備えられた図示しない電磁弁とが開放されることで、水素供給路10を通って燃料電池1へ供給されるようになっている。レギュレータ12は、水素タンクHTから放出される高圧の水素ガス(アノードガス)を減圧して燃料電池1に供給させるための圧力調整弁である。エゼクタ13は、水素タンクHTからのアノードガスと燃料電池1で消費されなかった未反応のアノードオフガスを混合させ、これを燃料電池1に再供給してアノードガスを循環させている。
循環路14は、燃料電池1から排出されるアノードオフガスをエゼクタ13を介して再度燃料電池1に戻す流路であり、その適所には、気液分離器15が設けられている。
気液分離器15は、アノードオフガスに含まれる水を分離するものであって、排水用配管15aが接続されている。この排水用配管15aには、ドレイン弁17が接続されており、ドレイン弁17の端部は希釈器5に接続されている。そして、このドレイン弁17が後記するように間欠的に開弁されることによって、循環路14から気液分離器15を通じて排水用配管15aにアノードオフガスが排出され、気液分離器15で分離された水がアノードオフガスとともに希釈器5に向かって排出されることとなる。また、開弁時には、循環路14に存在する水や窒素ガス等の不純物もアノードオフガスとともに排出されるようになっており、ドレイン弁17は、排出弁としての役割を兼ね備えたものとなっている。
このような、ドレイン弁17は、後記するパージ用弁16に比べて排出量が小さく設定されたものを用いており、後記する制御装置6の制御によって、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量が大きい場合に間欠的に開弁あるいは閉弁制御されるようになっている。つまり、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量が大きく、循環路14を流れるアノードオフガスの循環量が多い状況下にあっても、ドレイン弁17は排出量が小さく設定されているので、開弁によって循環量の多くなっているアノードオフガスが一気に排出されることが防止されるとともに、循環路14に存在する水や窒素ガス等の不純物が良好に排出されることとなる。
循環路14からは、パージ用弁16が設けられたパージ用流路14aが分岐しており、このパージ用流路14aの端部は希釈器5に接続されている。
パージ用弁16は、前記したドレイン弁17に比べて排出量が大きく設定されたものを用いており、後記する制御装置6の制御によって、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量が小さい場合に間欠的に開弁あるいは閉弁制御されるようになっている。つまり、パージ用弁16は、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量が小さく、循環路14を流れるアノードオフガスの循環量が少ない状況下で開弁されるようになり、これによって、アノードオフガスが排出されることが防止(抑制)されるとともに、循環路14に存在する水や窒素ガス等の不純物が良好に排出されるようになる。
希釈器5は、排水用配管15aを通じて排出される水およびアノードオフガス、パージ用流路14aを通じて排出される水およびアノードオフガスを、空気排出路4を通じて排出されるカソードオフガス(空気)で希釈して大気中に放出するものである。
制御装置6は、燃料電池システムSの各機器、主にコンプレッサ2、遮断弁11、レギュレータ12、パージ用弁16およびドレイン弁17の制御を行っている。特に、この制御装置6は、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量を示す信号を入力し、その信号に基づいて後記する手順に従いパージ用弁16およびドレイン弁17の開弁時間を設定し、この開弁時間に基づいた開弁により、燃料電池1で生成された水の排出および不純物のパージが行われるように制御している。具体的に、制御装置6は、アノードガス流量の増減傾向に対応する、発電しているときの発電電流値を用いて、その発電電流値に対して、所定時間おき(例えば、何秒おき)に開弁を行うべく複数種類のパラメータを有している。なお、この開弁制御は、燃料電池1に設けられた図示しない水検出センサにより、燃料電池1内に水が検出された場合に行われるようになっている。
次に、本実施形態に係る燃料電池システムSにおけるパージ用弁16およびドレイン弁17の開弁動作について適宜図面を参照しながら説明する。参照する図面において、図2は開弁動作を説明するフローチャート、図3(a)〜(c)は開弁動作を説明するタイミングチャート、図4は開弁動作の説明図である。なお、以下では、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量の大きさに応じて開弁動作を3つのパターンに分けた例について説明する。
はじめに、図2において、ステップS1でイグニッションがONにされ、図1に示すように、水素タンクHTからのアノードガスが燃料電池1に供給されると共に、カソードガスがコンプレッサ2によって燃料電池1に供給されると、燃料電池1が発電を開始する。このとき制御装置6は、燃料電池1の発電電流値や、単セルの電圧値といった燃料電池1の運転状態を検出している。そして、燃料電池1から循環路14に排出されるアノードオフガス(未反応のアノードガスを含む)は、パージ用弁16およびドレイン弁17が閉じられている状態で、エゼクタ13を経由することによって、燃料電池1で循環使用される。また、燃料電池1から空気排出路4に排出されるカソードオフガスは、希釈器5を介して大気中に放出される。
その一方で、図2のステップS2において、燃料電池1の電流値(発電電流値)が予め設定された所定電流値(1)以上(流量大)であるか否かが制御装置6により判定され、所定電流値(1)以上である(Yes)ときには、ステップS3へ移り、所定電流値(1)未満である(No)ときには、ステップS4へ移る。ここで、所定電流値(1)は、図4に示すように、車両の加速時や登坂時に必要な電力を供給することができる燃料電池へ供給されるアノードガスの流量の大きい値(流量大と流量中との領域を分割する位置)に設定されている。
図2に戻り、ステップS2において、所定電流値(1)以上である(Yes)と判定されたときには、ステップS3で、パージ開弁要求が有るか否かが判定され、パージ開弁要求が有る(Yes)ときには、ステップS5へ移り、パージ開弁要求が無い(No)ときには、ステップS2に戻り、以下のステップを繰り返す。ここで、パージ開弁要求のフラグは、制御装置6により、燃料電池1内に水が検出されたときにオンとなる(以下同様)。パージ開弁要求が有る(Yes)ときには、ステップS5において、制御装置6により開弁制御Aが行われる。開弁制御Aとしては、例えば、図3(a)に示すように、ドレイン弁17が時間T1経過後に時間T2開弁されるという制御が挙げられる。ここで、開弁制御Aは、所定時間(所定パターン)繰り返し継続されるように設定することもできる。そして、図2に戻り、ステップS5において、開弁制御Aが終了されると、ステップS2に戻り、以下のステップが繰り返される。
一方、ステップS2において、所定電流値(1)未満である(No)と判定されたときには、ステップS4へ移り、燃料電池1の電流値(発電電流値)が予め設定された所定電流値(2)以上(流量中)であるか否かが制御装置6により判定され、所定電流値(2)以上である(Yes)ときには、ステップS6へ移り、所定電流値(2)未満である(No)ときには、ステップS7へ移る。ここで、所定電流値(2)は、図4に示すように、車両の通常走行時に必要な電力を供給することができる流量の大きい値と小さい値の間に位置する中間値(流量中と流量小との領域を分割する位置)に設定されている。
ステップS4において、所定電流値(2)以上である(Yes)と判定されたときには、ステップS6で、パージ開弁要求が有るか否かが判定され、パージ開弁要求が有る(Yes)ときには、ステップS8へ移り、パージ開弁要求が無い(No)ときには、ステップS2に戻り、以下のステップが繰り返される。パージ開弁要求が有る(Yes)ときには、ステップS8において、制御装置6により開弁制御Bが行われる。開弁制御Bは、図3(b)に示すように、ドレイン弁17とパージ用弁16とが連動して開弁あるいは閉弁制御される。開弁制御Bとしては、例えば、ドレイン弁17が時間T1経過後に時間T2開弁されるという制御が3回連続され、これに続けて、パージ用弁16が時間T3開弁されるという制御が挙げられる。つまり、この例では、ドレイン弁17とパージ用弁16とは開弁時期をずらして制御されることとなる。ここで、このような開弁制御Bは、所定時間(所定パターン)繰り返し継続されるように設定可能である。そして、開弁制御Bの終了後に、ステップS2に戻り、以下のステップが繰り返される。
ステップS4において、所定電流値(2)未満である(No)と判定されたときには、ステップS7へ移り、パージ開弁要求が有るか否かが判定され、パージ開弁要求が有る(Yes)ときには、ステップS9へ移り、パージ開弁要求が無い(No)ときには、ステップS10に移る。パージ開弁要求が有る(Yes)ときには、ステップS9において、制御装置6により開弁制御Cが行われる。開弁制御Cは、図3(c)に示すように、ドレイン弁17とパージ用弁16とが連動して開弁あるいは閉弁制御されるが、前記した開弁制御Bに比べて、パージ用弁16が開弁される割合が多くなっている。開弁制御Cとしては、例えば、ドレイン弁17が時間T1経過後に時間T2開弁されるという制御が2回連続され、これに続けて、パージ用弁16が時間T4開弁されるという制御が挙げられる。このような開弁制御Cにおいても、所定時間(所定パターン)繰り返し開弁が継続されるように設定可能である。そして、開弁制御Cの終了後に、ステップS2に戻り、以下のステップが繰り返される。
一方、ステップS7において、パージ開弁要求が無いと判定された場合には、ステップS10に移り、イグニッションがOFFで有るか否かが判定され、イグニッションがOFFで有る(Yes)ときには、開弁動作が終了され、OFFで無い(No)ときには、ステップS2に戻り、以下のステップが繰り返される。
なお、図3(a)〜(c)に示した開弁制御A〜Cについて、
ドレイン弁17の開弁時間/(ドレイン弁17の開弁時間+パージ用弁16の開弁時間)で表される割合を、具体的な数値に基づいて示すと、例えば、T1=5秒、T2=1秒、T3=3秒、T4=4秒であるときに、開弁制御Aによる割合を100%とすると、開弁制御Bによる割合が50%となり、開弁制御Cによる割合が約33%となる。
このような燃料電池システムSによれば、循環路14(パージ用流路14a含む)には、少なくとも排出量の設定が異なるパージ用弁16およびドレイン弁17が設けられており、これらのパージ用弁16およびドレイン弁17の開弁および閉弁の制御が、制御装置6により、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量の大小に基づいて行われるので、アノードオフガスの排出量の大小に対応したパージを行うことができる。
しかも、制御装置6は、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量が大きい場合に、パージ用弁16の開弁時間よりも排出量が小さく設定されたドレイン弁17の開弁時間の割合を多く制御するようになっているので、アノードガスの供給量が多く、排出されるアノードオフガスの量が多い状態においても、アノードオフガスに含まれてパージにより排出されるアノードガスの量を制限することができる。
また、制御装置6は、燃料電池1へ供給されるアノードガスの流量が小さい場合に、ドレイン弁17の開弁時間よりもパージ用弁16の開弁時間の割合を多く制御するようになっているので、アノードオフガスに含まれてパージにより排出されるアノードガスの量を制限することができるとともに、適切なパージを行うことができる。
したがって、このような燃料電池システムによれば、パージによるアノードガスの排出量を最小限に抑えることができるとともに、適切なパージを行うことができるようになる。
また、制御装置6によりパージ用弁16とドレイン弁17との開弁時期が重なることが回避されるように制御されるので、パージ用弁16とドレイン弁17とが同時に開くことによってアノードオフガスが急激に排出されることを防止することができる。これにより、燃料消費量が低下するのを防止することができる。
さらに、気液分離器15の排水用配管15aには、小排出量のドレイン弁17が設けられているので、このドレイン弁17が開弁制御されることによって、水等の不純物の排出およびパージを同時に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。前記実施形態では、パージ用弁16とドレイン弁17とからなる排出量の設定の異なる2つの排出弁を用いる構成としたが、これに限られることはなく、3つ以上の排出量の異なる排出弁を組み合わせて設けてもよい。
また、必ずしも循環路14を設ける必要はなく、アノードオフガスが排出されるアノードオフガス排出路に直列あるいは並列に複数の排出量の異なる排出弁を設けるようにしてもよい。
さらに、パージ用弁16およびドレイン弁17の開弁時間は適宜設定することができ、また、図4において一点差線で示すように、流量小から流量大の領域に至るまで、開弁時間と発電電流との関係がリニアに制御されるように構成することもできる。
さらに、パージ用弁16およびドレイン弁17の開弁要求が有るか否かの判断は、燃料電池1から排出されてくる水が有るか否かを検出することにより行うこともできる。
実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 開弁動作を説明するフローチャートである。 (a)〜(c)は開弁動作を説明するタイミングチャートである。 開弁動作の説明図である。
符号の説明
1 燃料電池
2 コンプレッサ
3 空気供給路
4 空気排出路
4a 背圧弁
5 希釈器
6 制御装置
12 レギュレータ
13 エゼクタ
14 循環路
14a パージ用流路
15 気液分離器
16 パージ用弁(大排出量排出弁)
17 ドレイン弁(小排出量排出弁)
HT 水素タンク
S 燃料電池システム

Claims (3)

  1. アノードガスおよびカソードガスが供給されて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出路と、
    このアノードオフガス排出路に設けられ、前記アノードオフガスを一時的に排出する、少なくとも排出量の設定が異なる複数の排出弁と、
    これらの複数の排出弁の開弁および閉弁を前記燃料電池へ供給される前記アノードガスの流量の大小に基づいて制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池へ供給される前記アノードガスの流量が大きい場合に、前記複数の排出弁のうち排出量が大きく設定された大排出量排出弁の開弁時間に対して、前記複数の排出弁のうち排出量が小さく設定された小排出量排出弁の開弁時間の割合を多く制御するとともに、前記燃料電池へ供給される前記アノードガスの流量が小さい場合に、前記小排出量排出弁の開弁時間に対して、前記大排出量排出弁の開弁時間の割合を多く制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記小排出量排出弁と前記大排出量排出弁との開弁時期をずらして制御す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. 前記アノードオフガス排出路は、前記燃料電池のアノードガス供給側に前記アノードオフガスを戻す循環路を有し、その循環路中に、前記アノードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離手段が設けられており、前記気液分離手段に前記小排出量排出弁が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
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