JP5408405B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、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備えた燃料電池システムに関する。

近年、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エネルギ源とする燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムには、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路に、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料オフガス循環流路を介して戻すことで、燃料オフガスに含まれる燃料ガス成分を有効利用するものがある。この場合、燃料オフガス循環流路には燃料オフガスを吸引し吐出するポンプが設けられることになるが、その省電力化のために、燃料ガス供給流路の燃料ガス流によって燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢するエゼクタを設ける技術がある（例えば、特許文献１〜３参照）。
特開２００４−１３９８７７号公報 特開２００３−１５１５８８号公報 特開２００２−３５２８２５号公報

ところで、システムの小型化・軽量化のために上記したポンプについても小型化・軽量化する要望があるが、エゼクタによる助勢がない場合に対応できなくなってしまうため、小型化することはできない。

そこで、本発明は、燃料オフガス循環流路に設けられるポンプを小型化・軽量化可能な燃料電池システム、あるいは当該ポンプを省略可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、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と、燃料ガス供給手段を有して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、ポンプを有し該ポンプの加圧によって前記燃料電池からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、前記燃料ガス供給手段による燃料ガス流によって前記燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢するエゼクタと、を備え、前記燃料電池の発電が不要であり且つ前記ポンプを駆動する所定の処理時に、前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させるものである。

かかる構成によれば、燃料電池の発電が不要であり且つポンプを駆動する所定の処理時に、燃料ガス供給手段によってエゼクタに燃料ガス流を発生させるため、この燃料ガス流で燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢することができる。よって、燃料オフガス循環流路に設けられるポンプを小型化・軽量化可能となる。
また、本発明の燃料電池システムは、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と、燃料ガス供給手段を有して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、前記燃料ガス供給手段による燃料ガス流によって前記燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢するエゼクタと、を備え、前記燃料電池の発電が不要であり且つ燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す必要のある所定の処理時に、前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させてもよい。

以上の場合において、前記所定の処理時は、システム停止時における掃気処理時でも良い。

かかる構成によれば、通常は燃料ガス供給手段による燃料ガス供給の必要がないシステム停止時における掃気処理時に、燃料ガス供給手段によってエゼクタに燃料ガス流を発生させるため、ポンプを小型化・軽量化しても、燃料オフガス循環流路からの燃料オフガスを燃料ガス供給流路に良好に戻すことができる。

また、前記所定の処理時は、システム起動時における燃料ガス濃度均一化処理時であも良い。

かかる構成によれば、通常は燃料ガス供給手段による燃料ガス供給の必要がないシステム起動時における燃料ガス濃度均一化処理時に、燃料ガス供給手段によってエゼクタに燃料ガス流を発生させるため、ポンプを小型化・軽量化しても、燃料オフガス循環流路からの燃料オフガスを燃料ガス供給流路に良好に戻すことができる。

また、前記ポンプの回転数が所定値以上になってから前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させても良い。

かかる構成によれば、燃料電池における燃料ガスの入口側圧力が上限値に至るまでに大きな流量で比較的長時間掃気処理を行うことができる。

また、前記燃料電池における前記燃料ガスの入口側圧力が上限値に達した場合に、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスをパージしても良い。

また、前記燃料電池における前記燃料ガスの入口側圧力が上限値に達した場合に、前記燃料電池を発電させるのが良い。

前記燃料電池の発電によりインピーダンス計測を行っても良い。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料オフガス循環流路に設けられるポンプを小型化・軽量化可能、あるいは省略可能となる。

まず、本発明に係る燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源（燃料ガス供給手段）３０から水素供給路（燃料ガス供給流路）７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（燃料ガス供給手段）Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁（燃料ガス供給手段）Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁（燃料ガス供給手段）Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環路（燃料オフガス循環流路）７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプ（ポンプ）Ｈ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

加湿器Ａ２１は、コンプレッサＡ３から空気供給路７１を通じて燃料電池２０に供給される空気と、燃料電池２０から排気路７２を通じて外部に排出される空気オフガスとの間で水分交換を行って空気に水分を加える。加湿器Ａ２１は、加湿モジュールと、加湿モジュールを収容するケーシングとを備えている。

水素供給路７４と水素循環路７５との合流位置には、水素供給路７４の水素ガス流（燃料ガス流）によって水素循環路７５からの水素オフガス流（燃料オフガス流）を助勢するエゼクタ８０が設けられている。

このエゼクタ８０は、図２に概略的に示すように、水素供給路７４の水素供給源３０側に連通する主流管体８１と、この主流管体８１の外側を覆うように設けられて一側の主流管体８１との間部分が水素循環路７５に連通するとともに他側が水素供給路７４の燃料電池２０側に連通する副流管体８２とを有している。そして、水素供給路７４の水素供給源３０から遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１を介して主流管体８１に水素ガスを図２に矢印ａで示すように導入すると、この水素ガスが主流管体８１から副流管体８２内に吐出されることで、水素ガスの動圧と粘性によって、副流管体８２から水素循環路７５の水素オフガスを図２に矢印ｂで示すように吸引し、この水素オフガスと混ざって水素供給路７４の燃料電池２０側に流れる。

エゼクタ８０による水素ポンプＨ５０へのアシストは、図３のハッチングの範囲Ａであり、図３に実線ｃで示す必要な出力に対して、図３に破線ｄで示すように水素ポンプＨ５０のポンプモータの出力をそれほど高めなくても済むことになる。これにより、水素ポンプＨ５０の駆動時に、エゼクタ８０によるアシストが常にあれば水素ポンプＨ５０の小型化・軽量化が可能になる。

しかしながら、これまでの燃料電池システム１においては、燃料電池１０の発電が不要であれば、エゼクタ８０に水素ガスが流れることはなく、このように燃料電池１０の発電が不要である状態で水素ポンプＨ５０の駆動が必要な所定の処理時には、水素ポンプＨ５０の駆動力のみで必要な流量を得なければならず、フル負荷に近い状態でこの流量を発生し得る能力の水素ポンプＨ５０を用いなければならない。

このため、本燃料電池システム１において、制御部５０は、燃料電池２０の発電が不要であり且つ水素ポンプＨ５０を駆動する所定の処理時においても、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０の主流管体８１に水素ガス流を発生させるように、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１を制御する。

例えば、燃料電池システム１のシステム停止時における掃気処理時には、燃料電池２０の発電が不要の状況で、水素ポンプＨ５０を駆動して燃料電池２０を燃料オフガスで掃気することになるが、このとき、制御部５０は、イグニッションがＯＦＦされた図４に示す掃気処理開始の時点ｔ１から、図４の下側にＸ１で示すように水素ポンプＨ５０を上限回転数まで高めるように制御する。すると、水素ポンプＨ５０の回転数が経時的に上限回転数まで高まることになる。一方で制御部５０は、掃気処理開始後に、水素ポンプＨ５０の回転数が、上限回転数よりも低い所定値ｒ１以上になった時点ｔ２から、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０の主流管体８１に水素ガス流を発生させるように、遮断弁Ｈ１００を開き、水素調圧弁Ｈ９を所定の開度で開き、遮断弁Ｈ２１を開く。これにより、水素ポンプＨ５０が小型であっても燃料電池２０を所定流量で掃気できることになる。なお、掃気処理開始後に、水素ポンプＨ５０の回転数が上限回転数になったタイミングから、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０の主流管体８１に水素ガス流を発生させるようにしても良い。

ここで、上記により、燃料電池２０が発電していないにも拘わらず水素ガスを供給することになるため、水素ガスは消費されず、図４の上側にＸ２で示すように、時点ｔ２以降、水素供給路７４における燃料電池２０の水素供給口の圧力が徐々に上昇することになる。このため、制御部５０は、燃料電池２０における水素ガスの入口側圧力が図４に破線Ｘ３で示すように所定の上限値ｐ１に達した場合に（時点ｔ３）に、水素循環路７５の水素オフガスを排出制御弁Ｈ５１を開くことでパージ流路７６及び排気路７２を介して外部へ排出（パージ）する。

上記によって燃料電池２０における水素ガスの入口側圧力が所定の下限値まで下がると、エゼクタ８０によるアシスト効果が不足すると判断して、制御部５０は、排出制御弁Ｈ５１を閉じて水素オフガスの外部への排出を止める（時点ｔ４）。すると、再び水素ガスの入口側圧力が上昇する。制御部５０は、掃気処理中に上記を適宜繰り返して燃料電池２０における水素ガスの入口側圧力を上記した上限値と下限値との間に維持するように制御する。

なお、制御部５０は、燃料電池２０における水素ガスの入口側圧力が所定の上限値に達した場合に、上記のように水素オフガスを排出するのではなく、燃料電池２０を発電させて水素ガスを消費するようにしても良い。この場合、この燃料電池２０の発電による電力を、燃料電池２０のインピーダンス計測を行うことによって消費する。

ここで、以上においては、燃料電池２０の発電が不要であり且つ水素ポンプＨ５０を駆動する所定の処理時として、システム停止時における掃気処理時を説明したが、システム起動時における燃料ガス濃度均一化処理時も同様に、燃料電池２０の発電が不要の状況で、水素ポンプＨ５０を駆動して燃料電池２０に燃料オフガスを循環させることになる。このため、このシステム起動時における燃料ガス濃度均一化処理時に、制御部５０は、上記と同様に、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０の主流管体８１に水素ガス流を発生させることになる。

以上に述べた燃料電池システム１によれば、燃料電池２０の発電が不要であり且つ水素ポンプＨ５０を駆動する所定の処理時に、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０に水素ガス流を発生させるため、この水素ガス流で水素循環路７５からの水素オフガス流を助勢して燃料電池２０に送ることができる。よって、水素循環路７５に設けられる水素ポンプＨ５０を小型化・軽量化可能となる。

また、通常は水素ガスの供給の必要がないシステム停止時における掃気処理時に、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０に水素ガス流を発生させるため、水素ポンプＨ５０を小型化・軽量化しても、水素循環路７５からの水素オフガスを水素供給路７４に良好に戻すことができる。

また、通常は水素ガスの供給の必要がないシステム起動時における燃料ガス濃度均一化処理時に、水素供給路７４の水素供給源３０、遮断弁Ｈ１００、水素調圧弁Ｈ９及び遮断弁Ｈ２１によってエゼクタ８０に水素ガス流を発生させるため、水素ポンプＨ５０を小型化・軽量化しても、水素循環路７５からの水素オフガスを水素供給路７４に良好に戻すことができる。

また、ポンプの回転数が所定値以上になってからエゼクタ８０に水素ガス流を発生させるため、燃料電池２０における水素ガスの入口側圧力が上限値に至るまでに大きな流量で比較的長時間掃気処理を行うことができる。

また、燃料電池２０における燃料ガスの入口側圧力が上限値に達した場合に、水素循環路７５から水素オフガスをパージしたり、燃料電池１０を発電させたりして、入口側圧力を下げるため、水素オフガスの流量を確保できる。

この燃料電池２０を発電させる際に生じる電力を燃料電池２０のインピーダンス計測に用いることで、有効に利用しつつ消費することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、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と、燃料ガス供給手段を有して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、前記燃料ガス供給手段による燃料ガス流によって前記燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢するエゼクタと、を備え、前記燃料電池の発電が不要であり且つ燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す必要のある所定の処理時に、前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させる構成であってもよい。
かかる構成では、燃料オフガス循環流路にポンプを備えずとも、燃料電池の発電が不要であり且つ燃料オフガスを燃料ガス供給流路に戻す必要のある所定の処理時、例えば、システム停止時における前記掃気処理やシステム起動時における前記燃料ガス濃度均一化処理を適切に行うことができる。

本発明に係る燃料電池システムの全体構成を示したシステム構成図である。 エゼクタの構造を概略的に示す断面図である。 エゼクタによるポンプアシストを示す特性線図である。 本発明に係る燃料電池システムの制御内容の要部を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、３０…水素供給源（燃料ガス供給手段）、７４…水素供給路（燃料ガス供給流路）、７５…水素循環路（燃料オフガス循環流路）、８０…エゼクタ、Ｈ９…水素調圧弁（燃料ガス供給手段）、Ｈ２１…遮断弁（燃料ガス供給手段）、Ｈ５０…水素ポンプ（ポンプ）、Ｈ１００…遮断弁（燃料ガス供給手段）。

Claims (6)

1. 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と、
   燃料ガス供給手段を有して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
   ポンプを有し該ポンプの加圧によって前記燃料電池からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、
   前記燃料ガス供給手段による燃料ガス流によって前記燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢するエゼクタと、を備え、
   前記燃料電池の発電が不要であり且つ前記ポンプを駆動する所定の処理時に、前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させるものであって、
   前記所定の処理時は、システム停止時において、前記燃料電池の発電を行わない状態で前記燃料電池に対し前記燃料オフガスの供給を継続する掃気処理時である燃料電池システム。
2. 前記掃気処理時において前記ポンプの回転数を増加させ、前記ポンプの回転数が所定値以上になってから前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記掃気処理時において、前記燃料電池における前記燃料ガスの入口側圧力が上限値に達した場合に、前記燃料オフガス循環流路から燃料オフガスをパージする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気処理時において、前記燃料電池における前記燃料ガスの入口側圧力が上限値に達した場合に、前記燃料電池を発電させる請求項１乃至２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記掃気処理時において、前記燃料電池の発電による電力を用いることによりインピーダンス計測を行う請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 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と、
   燃料ガス供給手段を有して前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池からの燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、
   前記燃料ガス供給手段による燃料ガス流によって前記燃料オフガス循環流路からの燃料オフガス流を助勢するエゼクタと、を備え、
   前記燃料電池の発電が不要であり且つ燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す必要のある所定の処理時に、前記燃料ガス供給手段によって前記エゼクタに前記燃料ガス流を発生させるものであって、
   前記所定の処理時は、システム停止時において、前記燃料電池の発電を行わない状態で前記燃料電池に対し前記燃料オフガスの供給を継続する掃気処理時である燃料電池システム。

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