JP3815368B2

JP3815368B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3815368B2
Application number: JP2002122547A
Authority: JP
Inventors: 元治西尾; 万三郎阿部; 靖葛西
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: JP2003317775A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガス再循環用のエゼクタを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を含んだ燃料ガスを燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境性に優れている。
【０００３】
また、近年、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化が可能であり、酸水溶液が不要な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用いた燃料電池の方式として注目されている。
【０００４】
燃料電池において、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを再循環して、外部から新たに供給される水素の濃い燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案されている。
【０００５】
燃料電池の発電効率は、再循環させる排出燃料ガス量と、新たに外部から供給される燃料ガス量を、ある一定の比率以上に保つことで向上することが知られている。二つの流れを混合させる循環装置として、供給燃料ガスの流速による負圧と引きずり込みを利用するエゼクタが用いられる。
【０００６】
燃料電池システムにおける燃料ガスの循環装置としては、特開平９−２２７１４号公報記載の燃料電池システムが知られている。この従来技術によれば、水素供給路に設けられたエゼクタと、水素極の排出口とエゼクタとを通過させる循環路を有し、供給水素によるエゼクタ効果により排出ガスを再度燃料電池に循環させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に燃料電池では、水素極に水が過多状態となると発電効率が低下する水詰まり状態が生じることがある。この水詰まりを解消するために、循環路を大気開放するパージラインが設けられているが、水除去時に、水素も同時に大気に放出することになり燃費の低下を招くという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、水詰まり状態解消時の燃費の低下を抑制することがてきる燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、新規に供給する水素ガスを駆動流として水素極の排ガスを再循環させるエゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、エゼクタへの水素供給量を検出する水素供給量検出手段と、燃料電池の水詰まりを検出する水詰まり検出手段と、該水詰まり検出手段が水詰まりを検出したときに、前記水素供給量検出手段が検出した水素供給量が前記エゼクタの循環率（循環量／供給量）が最大となる水素供給量を超えていれば水素供給量が減少するように発電電力を減少させ、前記水素供給量検出手段が検出した水素供給量が前記エゼクタの循環率が最大となる水素供給量未満であれば水素供給量が増加するように発電電力を増加させる発電電力変更手段と、燃料電池と協動して負荷に電力を供給する一方、燃料電池の発電電力で充電される２次電池と、該２次電池の充電状態を検出または推定する充電状態検出手段と、を備え、該充電状態検出手段が検出した充電状態が充電不可能状態であれば、前記発電電力変更手段は、発電電力の増加を抑制し、該充電状態検出手段が検出した充電状態が放電不可能状態であれば、前記発電電力変更手段は、発電電力の減少を抑制することを要旨とする。
【００１４】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素極の排ガスを大気へ放出するパージ弁を備え、前記発電電力変更手段による前記発電電力の増加又は減少の抑制時には前記パージ弁を開けることを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水詰まり時に発電電力を増加または減少してエゼクタ循環率を向上させることにより、燃料電池のスタックを通過する水素余剰率が増えるので、これにより水をスタックから除去することができる。
【００１６】
水素余剰率を増やしても、増加した水素は循環していずれは消費されるので、大気開放のように無駄になることはなく、燃費低下を抑制することができる。
【００１７】
また、エゼクタ循環率が供給量の増加に伴いある供給量までは増加し、エゼクタ循環率が最大となる供給量を超えて増加させるとエゼクタ循環率は低下することを利用して、現在のエゼクタへの水素供給量がエゼクタ循環率が最大となる水素供給量以上か以下かを判定することで、発電量を増加させるべきか減少させるべきかを容易に判別できる。
【００１９】
さらに、２次電池の充電状態が充電不可能状態であれば、発電電力の増加を抑制し、充電状態が放電不可能状態であれば、発電電力の減少を抑制するので、負荷に対する電力供給への影響を抑制できる。
【００２２】
請求項２記載の発明によれば、発電電力の増加又は減少による水詰まり解消ができない場合でも、パージ弁を開くことにより水詰まり解消ができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る発電制御装置を備えた燃料電池システムの一実施形態を示す構成図であり、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【００２４】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給する水素及び空気を加湿する加湿器２と、空気を圧縮して加湿器２へ送るコンプレッサ３と、空気の圧力及び流量を制御するスロットル４と、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンク５と、高圧水素の流量を制御する可変バルブ６と、水素系の通路を大気開放して燃料電池内部の水を外部に排出するパージ弁７と、新規水素と排出ガスとを混合して加湿器２へ供給するエゼクタ８と、燃料電池から排出される未使用水素を含む排出ガスをエゼクタ８へ還流するための循環路９と、燃料電池から出力を取り出す駆動ユニット１０と、車両を駆動する一方減速時に回生電力を発生するモータ１１と、余剰電力を貯蔵する一方電力不足時に放電するバッテリ（２次電池）１２と、燃料電池へ流入する空気流量を検出する空気流量センサ１３と、燃料電池入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ１４と、燃料電池へ流入する水素流量を検出する水素流量センサ１５と、燃料電池入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ１６と、各センサの信号を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ１７とを備えている。
【００２５】
また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１の各セル毎、または直列接続された所定数の複数セル毎にセル電圧またはセル群電圧を検出するセル電圧センサ１ａを備え、セル電圧センサ１ａの検出値は、コントローラ１７へ入力されている。コントローラ１７は、セル電圧センサ１ａの検出値に基づいて、燃料電池スタック１の水詰まりを判断するプログラムを備えており、水詰まり検出手段を兼ねている。
【００２６】
バッテリ１２は、その電圧及び電流を検出するバッテリ電圧センサ１２ａ、バッテリ電流センサ１２ｂを備え、これらの検出値は、コントローラ１７へ入力されている。コントローラ１７は、バッテリ１２の電圧、電流に基づいてバッテリ１２の充電状態（ＳＯＣ）を検出するプログラムを備えており、充電状態検出手段を兼ねている。
【００２７】
次に、上記構成による燃料電池システムの動作を説明する。
コンプレッサ３は空気を圧縮して加湿器２へ送り、加湿器２は図示しない純水系から供給される純水を用いて空気を加湿し、加湿された空気が燃料電池スタック１の酸化剤極へ送り込まれる。
【００２８】
一方、高圧水素タンク５からは高圧水素が可変バルブ６へ送られ、可変バルブ６は水素圧力を減圧するとともに水素流量を制御してエゼクタ８へ送る。エゼクタ８は、可変バルブ６からの新規水素ガスと燃料極出口から排出され循環路９により戻される環流水素ガスとを混合、合流させ、加湿器２へ送る。加湿器２は空気と同様に純水で水素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック１の燃料極へ送り込まれる。
【００２９】
燃料電池スタック１では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流（電圧）を駆動ユニット１０へ供給する。
【００３０】
燃料電池スタック１で反応に使用した残りの空気は燃料電池外へ排出され、スロットル４で圧力制御が行われた後、大気へ排出される。また、反応に使用した残りの水素は燃料電池外へ排出されるが、循環路９を介してエゼクタ８によって加湿器２上流へ環流されて発電に再利用する。
【００３１】
燃料電池に供給される反応ガスの状態検出センサとして、空気流量センサ１３、空気圧力センサ１４、水素流量センサ１５、及び水素圧力センサ１６を備え、これらの検出値はコントローラ１７へ読み込まれる。
【００３２】
コントローラ１７では、各センサから読み込んだ各検出値が、その時の目標発電量から決まる所定の目標値になるように、コンプレッサ３，スロットル４，可変バルブ６，を制御するとともに、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック１から駆動ユニット１０へ取出す出力（電流値）を指令し制御を行う。
【００３３】
バッテリ１２を負荷への電力供給に用いるか発電電力の余剰電力吸収に用いるかは駆動ユニット１０により制御される。
【００３４】
ここで、可変バルブ６からエゼクタ８への供給水素流量をＱ１、燃料電池スタック１へ供給された水素のうち発電により消費される量をＱ２、燃料電池スタック１へ供給された水素のうち発電に消費されずに循環路９によりエゼクタ８に戻る分が循環流量でありこれをＱ４、パージ弁からの排出流量をＱ３とすると、次に示す式（１）〜式（３）の関係となる。
【００３５】
【数１】
スタック供給流量＝消費流量＋循環流量＋排出流量 …（１）
Ｑ１＋Ｑ４＝Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４ …（２）
Ｑ１＝Ｑ２＋Ｑ３ …（３）
そして、パージ弁７を閉じている間は、Ｑ３＝０なので、式（４）となる。
【数２】
Ｑ１＝Ｑ２ …（４）
また、発電電力とＱ２は略比例関係に有るので、発電電力とＱ１も略比例関係に有る。
【００３６】
また、パージ弁７を開くことによってもＱ１を増やすことができる。
またエゼクタ８の循環率ｒはＱ４／Ｑ１で表すことができ、この値は図２に示すように、Ｑ１の増加に伴いある供給量Ｑ１max までは増加しエゼクタ循環率ｒが最大ｒmaxとなり、Ｑ１max を越えてＱ１を増加させるとエゼクタ循環率ｒは低下する。
【００３７】
なお、上述のようにパージ弁７が閉じている間は、発電電力ＷとＱ１が略比例関係に有るので、ｒとＱ１との関係も同様に表すことができる。エゼクタ循環率ｒが最大ｒmaxとなる発電電力をＷmax とする。
【００３８】
コントローラ１７は、各流量センサ１３，１５、圧力センサ１４，１６の信号を受け、スロットル４、パージ弁７、可変バルブ６、コンプレッサ３の動作を制御するとともに発電電力の変更を行う。またコントローラ１７は、水詰まり検出手段、発電電力変更手段の役割を兼ねる。
【００３９】
また上述のように、発電電力とエゼクタへの水素供給量Ｑ１が略比例関係にあることを利用して、水素流量センサ１５を設けることなく、コントローラ１７が水素供給量Ｑ１を検出する水素供給量検出手段の役割を兼ねてもよい。
【００４０】
図３は、本実施形態におけるコントローラ１７の制御内容を説明するフローチャートである。図３のルーチンは、一定周期毎、例えば０．１秒毎にコントローラ１７により実行されるものとする。
【００４１】
まずステップＳ１０において、要求発電量Ｗｒを算出する。例えば燃料電池システムを車両の動力源として用いる場合には、アクセルペダル踏込み量、車速などに応じて決定する。
【００４２】
次いで、ステップＳ１２で、燃料電池スタック１のセル電圧センサ１ａの検出値などの基づいて水詰まりの発生を検出する。水詰まりが発生していなければ、何もせずにリターンする。
【００４３】
ステップＳ１２の水詰まりの発生検出は、具体的には、セル電圧センサ１ａは、燃料電池スタック１の各セル毎、または直列接続された所定数の複数セル毎にセル電圧またはセル群電圧を検出して、これらの検出値をコントローラ１７が入力する。コントローラ１７は、検出値の平均値と、各検出値の平均値からの変移、または分散を算出し、変移または分散が一定以上大きければ水詰まりが発生したと判断する。
【００４４】
尚、燃料電池スタック出口にも圧力センサを備えて、入口と出口との圧力差と流量から水詰まりを判断することもできる。
【００４５】
ステップＳ１２で水詰まりが発生していると判定されると、ステップＳ１４へ進み、水素流量センサ１５、水素圧力センサ１６の検出値から水素供給量Ｑ１を検出し、ステップＳ１６で、バッテリ１２の充電状態を検出する。
【００４６】
次いで、ステップＳ１８で、エゼクタの循環率ｒを向上させるには、発電量Ｗ（水素供給量Ｑ１）を増加させるべきか、減少させるべきかを判定する。
【００４７】
図４に示すように、現在の水素供給量Ｃがエゼクタ循環率ｒが最大ｒmax となる水素供給量Ｑ１max より大きければ、発電量Ｗを減少、すなわち水素供給量をＣからＤの方向へ減少させるべきと判定する。
【００４８】
図５に示すように、現在の水素供給量ＡがＱ１max より小さければ、発電量Ｗを増加、すなわち水素供給量をＡからＢの方向へ増加させるべきと判定する。
【００４９】
水素供給量Ｑ１がＱ１max と等しければ、発電量Ｗを変更してもエゼクタ循環率ｒを向上させることができないので、この場合にはステップＳ２４へ進む。
【００５０】
なお、ステップＳ１８の判定には、適度なヒステリシスを設けても良い。
【００５１】
また、上述のようにＷとＷmax との比較により判定することもＱ１とＱ１max との比較により判定することと等価である。
【００５２】
ステップＳ１８の判定結果が発電量Ｗの増加方向であれば、ステップＳ２０へ移り、バッテリ充電状態に基づいて、バッテリ１２が充電可能か否かを判定する。例えば、バッテリー充電量９０％未満であれば、充電可能と判断する。
【００５３】
ステップＳ２０の判定結果がバッテリ充電可能であれば、ステップＳ２２へ移り、水素供給量Ｑ１を増加して、発電量Ｗを増加させ、エゼクタ８の循環率ｒを向上させて水詰まりを解消すると共に、発電量の増加分でバッテリ１２を充電するように制御する。
【００５４】
ステップＳ２０の判定結果がバッテリ充電不可能であれば、ステップＳ２４へ移り、パージ弁７を開いて水素供給量Ｑ１を増加させて、水詰まりを解消する。
【００５５】
ステップＳ１８の判定結果が発電量Ｗの減少方向であれば、ステップＳ２６へ移り、バッテリ充電状態に基づいて、バッテリ１２が放電可能か否かを判定する。例えば、バッテリー充電量が５０％以上であれば、バッテリ放電可能と判断する。
【００５６】
ステップＳ２６の判定結果がバッテリ放電可能であれば、ステップＳ２８へ移り、水素供給量Ｑ１を減少して、発電量Ｗを減少させ、エゼクタ８の循環率ｒを向上させて水詰まりを解消すると共に、発電量の減少分をバッテリ１２から放電するように制御する。
【００５７】
ステップＳ２６の判定結果がバッテリ放電不可能であれば、ステップＳ２４へ移り、パージ弁７を開いて水素供給量Ｑ１を増加させて、水詰まりを解消する。
【００５８】
ここで、発電量Ｗ（水素供給量Ｑ１）の変化量について考察する。
例１：変化量を一定値とすると、制御は簡単になる。
例２：バッテリ充電率に応じて可能な限りＷmax （Ｑ１max ）に近づけると、制御は複雑になるが、水詰まり除去効果が最大となる。
【００５９】
水詰まりが発生し、パージが必要になった場合の各流量を図６に比較例としてパージ弁を用いた場合、図７に本発明で水素供給量Ｑ１を減少させて対応した場合の例を示す。
【００６０】
比較例ではパージ弁を開くことにより水素供給量Ｑ１を増加させて反応に使用されない余剰分の流量ΔＱを確保して水を除去する作用を得ている。しかしこのとき排出流量Ｑ３が増加して燃費が悪化する。
【００６１】
本発明では水素供給量Ｑ１は減るが循環率ｒが増加することで、ある程度の余剰流量ΔＱを確保して水を除去できる。しかも排出流量Ｑ３の増加を伴わないので燃費悪化は抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成を示す構成図である。
【図２】エゼクタへの供給水素流量Ｑ１に対する循環率ｒ＝Ｑ４／Ｑ１の特性を示す図である。
【図３】実施形態における制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】供給流量（スタック出力）を減少して循環率を増加させる例を示す図である。
【図５】供給流量（スタック出力）を増加して循環率を増加させる例を示す図である。
【図６】パージ弁を開いて水詰まりを除去する比較例の動作を説明する図である。
【図７】実施形態による水詰まり除去の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…加湿器
３…コンプレッサ
４…スロットル
５…高圧水素タンク
６…可変バルブ
７…パージ弁
８…エゼクタ
９…循環路
１０…駆動ユニット
１１…モータ
１２…バッテリ（２次電池）
１３…空気流量センサ
１４…空気圧力センサ
１５…水素流量センサ
１６…水素圧力センサ
１７…コントローラ（水詰まり検出手段、発電電力変更手段）

Claims

新規に供給する水素ガスを駆動流として水素極の排ガスを再循環させるエゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、
エゼクタへの水素供給量を検出する水素供給量検出手段と、
燃料電池の水詰まりを検出する水詰まり検出手段と、
該水詰まり検出手段が水詰まりを検出したときに、前記水素供給量検出手段が検出した水素供給量が前記エゼクタの循環率（循環量／供給量）が最大となる水素供給量を超えていれば水素供給量が減少するように発電電力を減少させ、前記水素供給量検出手段が検出した水素供給量が前記エゼクタの循環率が最大となる水素供給量未満であれば水素供給量が増加するように発電電力を増加させる発電電力変更手段と、
燃料電池と協動して負荷に電力を供給する一方、燃料電池の発電電力で充電される２次電池と、
該２次電池の充電状態を検出または推定する充電状態検出手段と、を備え、
該充電状態検出手段が検出した充電状態が充電不可能状態であれば、前記発電電力変更手段は、発電電力の増加を抑制し、該充電状態検出手段が検出した充電状態が放電不可能状態であれば、前記発電電力変更手段は、発電電力の減少を抑制することを特徴とする燃料電池システム。
前記水素極の排ガスを大気へ放出するパージ弁を備え、
前記発電電力変更手段による前記発電電力の増加又は減少の抑制時には前記パージ弁を開けることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。