(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の燃料極から排出されるガスを燃料供給通路に戻す循環通路と、この循環通路からのガスを燃料供給通路に導入するイジェクタとを備えた燃料電池システムにおいて、
前記イジェクタを迂回して燃料ガスを燃料極に供給するバイパス通路と、
このバイパス通路の開度を加減する開度調節手段と、
このバイパス通路の流量を制限する絞り手段と、
燃料電池の運転状態に応じて前記開度調節手段を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段を、前記燃料電池の発電状態を検出する負荷検出手段を備え、前記バイパス通路の開度を、燃料電池が高負荷状態の時に増やし、低負荷状態の時に減じるように前記開度調節手段を制御する構成とした請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段を、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、前記バイパス通路の開度を、前記燃料ガス流量が所定値より多いときは増やし、少ないときは減らすように前記開度調節手段を制御する構成とした請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段を、イジェクタ上流の燃料供給通路の圧力を検出する圧力検出手段を備え、バイパス通路の開度を減じているときに前記圧力が第一の所定値よりも高くなったときにはバイパス通路の開度を増やし、バイパス通路の開度を増大しているときに前記圧力が第２の所定値よりも低くなったときにはバイパス通路の開度を減じるように、前記開度調節手段を制御する構成とした請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記イジェクタと絞り手段は、燃料供給通路とバイパス通路の各々に同等の水素を供給したときに略同等の圧損を発生するように設定した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記開度調節手段は、バイパス通路のガス流量を連続可変的に調節する可変絞り弁で構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段を、イジェクタ上流の燃料供給通路の圧力を検出する圧力検出手段を備え、燃料ガス圧力が所定値となるように前記可変絞り弁を制御するように構成した請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに関し、特にその燃料利用効率を高めるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池の燃料極の排気をイジェクタを用いて供給燃料ガスに循環させる燃料電池システムが、特開平10−284098号公報に開示されている。燃料ガスとして水素を用い、加湿して供給する固体高分子型燃料電池においては、燃料電池の反応に用いられる水素ガス量よりも多量の水素を供給することが一般的である。これは、燃料電池単体としては、より高い効率が得られること、また加湿水の凝縮により燃料電池のセル内に水が詰まることを防止するためである。この場合、燃料極からは反応に使われなかった余剰分の水素ガスが排出されるが、この排出ガスをイジェクタにより循環させて再度燃料電池に供給することにより無駄燃料を無くし、システム効率を向上させている。
【０００３】
ところで、このような燃料電池システムを、例えば車両の動力源として用いる場合には車両の運転状態に応じて発生させるべき電力は変化する。変化する全運転領域にてイジェクタで水素を循環させたいが、例えば低負荷で十分な循環を確保できるイジェクタでは、高負荷域でイジェクタの圧損が大きくなり、イジェクタ上流圧が非常に高くなり、それだけ上流側の部品の耐圧も高くする必要があり、メンテナンスやコストの点から好ましくない。仮に高負荷でイジェクタ圧損が過大とならないような設定にすると、低負荷域で循環が確保できなくなってしまい燃料の利用効率を高めるという本来の目的を達成できなくなる。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたもので、低負荷から高負荷にいたる全運転領域で良好な燃料循環を確保し、燃料を効率よく使うとともにメンテナンスの容易な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池の燃料極から排出されるガスを燃料供給通路に戻す循環通路と、この循環通路からのガスを燃料供給通路に導入するイジェクタとを備えた燃料電池システムにおいて、前記イジェクタを迂回して燃料ガスを燃料極に供給するバイパス通路と、このバイパス通路の開度を加減する開度調節手段と、このバイパス通路の流量を制限する絞り手段と、燃料電池の運転状態に応じて前記開度調節手段を制御する制御手段とを備えた。
【０００６】
第２の発明は、前記制御手段を、前記燃料電池の発電状態を検出する負荷検出手段を備え、前記バイパス通路の開度を、燃料電池が高負荷状態の時に増やし、低負荷状態の時に減じるように前記開度調節手段を制御する構成とした。
【０００７】
第３の発明は、前記制御手段を、燃料電池に供給する燃料ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、前記バイパス通路の開度を、前記燃料ガス流量が所定値より多いときは増やし、少ないときは減らすように前記開度調節手段を制御する構成とした。
【０００８】
第４の発明は、前記制御手段を、イジェクタ上流の供給通路の圧力を検出する圧力検出手段を備え、バイパス通路の開度を減じているときに前記圧力が第一の所定値よりも高くなったときにはバイパス通路の開度を増やし、バイパス通路の開度を増大しているときに前記圧力が第２の所定値よりも低くなったときにはバイパス通路の開度を減じるように、前記開度調節手段を制御する構成とした。
【０００９】
第５の発明は、前記イジェクタと絞り手段を、燃料供給通路とバイパス通路の各々に同等の水素を供給したときに略同等の圧損を発生するように設定した。
【００１０】
第６の発明は、前記開度調節手段を、バイパス通路のガス流量を連続可変的に調節する可変絞り弁で構成した。
【００１１】
第７の発明は、前記第６の発明の制御手段を、イジェクタ上流の供給通路の圧力を検出する圧力検出手段を備え、燃料ガス圧力が所定値となるように前記可変絞り弁を制御するように構成した。
【００１２】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明によれば、燃料供給通路にイジェクタを迂回するバイパス通路を設けてその開度を加減することによりイジェクタからのガス流量を調節できるようにしたので、イジェクタ上流の燃料供給通路の圧力が過大になることを防止し、燃料電池の負荷状態によらず高効率を確保できると共に、前記通路でのリーク等の不都合の恐れが少なくメンテナンス性のよい燃料電池システムがえられる。
【００１３】
より具体的には、第２〜第４の発明として示したように、燃料電池の負荷状態、燃料ガス流量、循環通路圧力に基づいてバイパス通路の開度を加減することにより、燃料電池の運転状態によらず過不足のない排ガス循環量を確保して高効率を達成することができる。
【００１４】
また、バイパス通路には流量を制限する絞り手段を設けたので、バイパス通路が全開の状態にあってもイジェクタへの燃料供給通路の流量を所要量確保することができ、これにより循環通路を介しての排出ガスの循環利用を確実に行わせることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に本発明による燃料電池システムの第１の実施形態を示す。１は燃料電池（燃料電池スタック）であり、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した構造体をセパレータで挟持したものを複数積層した構造を有している。２は加湿器であり、燃料ガス、酸化剤ガスは、それぞれ半透膜を介して純水と隣接し、半透膜を通過させた水分子により加湿を行う。この場合、前記燃料としては水素、酸化剤としては空気を用いる。３は水素タンクであり、この水素タンク３に貯えられた水素ガスは燃料供給通路４とその途中に介装された調圧弁５を介して加湿器２および燃料電池１の燃料極に供給される。前記調圧弁５の作動は、加湿器２の下流にて水素ガスの圧力を検出する圧力センサ６からの信号に基づき、コントローラ７により制御される。
【００１６】
８は循環通路であり、燃料電池１の燃料極から排出される排ガスの一部または全部を排ガス通路９からイジェクタ１０を経て加湿器２の入口側に導入し、燃料電池１に循環させる。１１は前記イジェクタ１０を迂回するように燃料供給通路４に設けられたバイパス通路であり、その途中には前記コントローラ７の指令に応じて開閉する電磁式のバイパス弁１２と、絞り手段としてのオリフィス１３とが開度調節手段として介装されている。また、燃料電池１の排ガス通路９には、循環通路８との分岐部よりも下流側にコントローラ７の指令に応じて開閉するパージ弁１４が介装されている。１５は酸化剤としての空気を加湿器２を経て燃料電池１の空気極へと供給する空気供給通路である。
【００１７】
燃料電池１にはその負荷状態を出力電流値から検出する負荷センサ１６が設けられている。燃料電池１に供給する水素量は、燃料電池負荷が低くすなわち取り出し電流が少ない時に少なく、負荷が高くすなわち取り出し電流が多い場合に多くなる。コントローラ７は、前記負荷センサ１６の出力に基づいてバイパス弁１２およびパージ弁１４を駆動して排ガスの循環を制御する。コントローラ７はＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータとして構成されており、図２の流れ図に示したような手順により前記循環制御を実行する。
【００１８】
図２は、前述の通りコントローラ７によりに実行される循環制御の処理ルーチンを表しており、一定周期で繰り返し実行される（以下の各流れ図についても同様）。なお、図２以降に示す各流れ図および以下の説明において符号Ｓを付して示した数字は処理ステップ番号を表している。
【００１９】
この制御では、排ガス循環制御の初期設定としてパージ弁１４を閉ざし、排ガスが排ガス通路９からバイパス通路１１へと流れるようにしておく。この状態でまず、まずＳ１にて負荷センサ１６からの信号に基づき燃料電池１の運転負荷を検出し、これが予め定めた所定値以上か否かを判定する。所定値以上であればＳ２にてバイパス弁１２を開き、所定値未満であればＳ３にてバイパス弁１２を閉ざしたのち、それぞれ今回の処理を終了する。
【００２０】
図３は前記制御下でのバイパス弁１２の開閉状態と、イジェクタ１０の特性について示したものである。図中の循環比とは、水素調圧弁５を通過する水素流量に対する、イジェクタ１０で循環される水素流量の比であり、この値が大きいほど多量の水素が循環されていることを示す。なお、本図は、イジェクタ１０として低負荷すなわち水素流量が少ない場合でも十分な循環が確保できるものを用い、バイパス通路１１のオリフィス１３とイジェクタ１０を各々同等の水素を供給した場合に略同等の圧損を発生するように設定した条件下での特性を示している。
【００２１】
バイパス弁１２を閉じている場合（図中のバイパス閉)）では、非常に低流量から循環比が確保できるが、水素供給量が増加するとイジェクタ圧損が非常に大きくなり、イジェクタ上流圧が高くなってしまう。これに対し、バイパス弁１２を開いている場合（図中のバイパス開）では、供給水素の略半分をイジェクタ側に供給することになるため、循環を開始し十分な循環比が得られる最低水素流量は増大するが、オリフィス１３によるバイパス通路１１での流量制限作用により燃料供給通路４側への必要最小限の循環を確保しつつ、高流量域ではイジェクタ圧損を大幅に低減してイジェクタ上流圧を低くすることができる。
【００２２】
図４は本発明の第２の実施形態である。構成上は図１に対して供給水素流量を検知するための流量センサ１７を設けた点で異なる。固体高分子型燃料電池では、高負荷域にて供給する水素、空気の圧力が高い方が一般に効率が向上する。低負荷域では、供給ガス圧の影響は小さく、また、空気を高圧にするのに必要な仕事を考慮すると、低圧の方がシステム効率を良くできる。このため、低負荷では供給水素、空気の圧力を低く、高負荷では高くすることが望ましい。このような場合、負荷の過渡変化がある場合、過渡状態では燃料電池の負荷と水素供給量の対応がとれなくなる。例えば、負荷を上げる場合は、燃料電池での消費水素が増える分に加え、システム内の水素経路の圧力を上げるために水素を供給しなければならない。逆に負荷を下げる場合は、燃料電池での消費水素が減る分に加え、圧力を下げるために水素の供給量をより減らすことになる。
【００２３】
そこで本実施形態では、図5に示すように、直接水素流量を検知した結果に基づいてバイパス通路の開閉弁を制御するようにしている。すなわち、Ｓ１にて流量センサ１７により検出した水素流量が予め定めた所定値以上か否かを判定し、所定値以上であればＳ２にてバイパス弁１２を開き、所定値未満であればＳ３にてバイパス弁１２を閉ざす。このような制御により、より適切にバイパス通路１１の開度が制御でき、イジェクタ上流圧が過大にならないようにしながら、同時に全運転領域で十分な循環比を確保することができる。
【００２４】
図６は本発明の第３の実施形態である。構成上は図１に対してイジェクタ上流の燃料供給通路４の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ１８を設けた点で異なる。水素供給量とイジェクタ上流圧との関係は、バイパス弁１２を開けた状態と閉じた状態の各々について一意に決まるため、イジェクタ上流圧とバイパス弁１２の開閉状態がわかれば、供給水素流量がわかることになり、過渡状態も含めバイパス弁１２を適切に開閉制御できる。
【００２５】
図７はこのような制御の手順を示したもので、Ｓ１でバイパス弁１２が閉じていた場合はＳ２に進み、イジェクタ上流圧が第１の所定値以上の場合は水素供給量が多いと判断し、Ｓ４でバイパス弁１２を開けるようにする。また、Ｓ１でバイパス弁１２が開いている場合はＳ５に進み、イジェクタ上流圧が第２の所低値以下の場合は、水素供給量が少ないと判断して、Ｓ７でバイパス弁１２を閉じるようにする。前記第一、第二の所定値はバイパス弁１２の閉弁時にイジェクタ上流圧が過大とならないような値に設定されている。このようにすることにより、第2の実施形態と同様な効果が得られ、イジェクタ上流圧が過大にならないようにしながら、同時に全運転領域で十分な循環比を確保することができるようになった。
【００２６】
なお、以上の各実施形態では、イジェクタ１０を迂回するバイパス通路１１に、バイパス弁１２に加えて絞り手段としてオリフィス１３を設けているが、オリフィス１３を設ける代わりに、全開時の開口面積が小さいバイパス弁１２のみを適用し、あるいはバイパス通路１１の管径を調整して絞りの機能を併せ持つようにしてもよい。
【００２７】
図８に本発明の第４の実施形態を示す。この実施形態は、バイパス通路１１に設ける開度調節手段としてその開度を連続可変的に制御可能な可変絞り弁２０を設けた点で前記の各実施形態と異なる。
【００２８】
図９はこの実施形態の制御手順を示した流れ図である。Ｓ１で負荷センサ１６からの信号により燃料電池負荷を読み込み、次いでＳ２にて図１０に示したように予め設定されたテーブルを参照して可変絞り弁２０の開度を決定し、Ｓ３にて当該開度となるように可変絞り弁２０を制御する。前記負荷検出に代えて、図１１に示したように水素供給量を検出する流量センサ１７を設けて可変絞り弁２０の開度を制御するようにしてもよい。この場合の流れ図を図１２に、燃料流量に対して可変絞り弁２０の開度を与えるテーブルを図１３にそれぞれ示す。
【００２９】
前記制御により、図１４に示すように水素流量（負荷）が所定値未満の運転領域では可変絞り弁２０は閉ざされ、所定値以上の運転領域では水素供給量の増加に伴い可変絞り弁２０の開度が増大する。このようにして、高負荷領域では図示したようにイジェクタ入口圧を上限値として設定した＃Ｐｍａｘのレベルで略一定とすることができ、これによりイジェクタ上流圧を水素もれや部品耐圧上の信頼性を確保できる限界値付近に維持しつつ、最大の水素量をイジェクタ１０に供給して高負荷域での水素循環比を可能な限り高くすることができる。
【００３０】
図１５に本発明の第６の実施形態を示す。この実施形態では、イジェクタ上流の圧力を検出する圧力センサ１８を設け、イジェクタ上流圧が所定値を超えない範囲で、可変絞り弁２０のバルブ開度が最小となるように制御することにより、イジェクタ上流圧が過大になることを回避しつつ、全運転領域で十分な循環比を確保する。このような制御を実行するための手順を図１６に示す。
【００３１】
図１６の処理では、まずＳ１にて圧力センサ１８を介して供給燃料ガス圧Ｐｎを読み込み、次いでＳ２にて燃料ガス圧の上限値＃Ｐｍａｘと前記Ｐｎとの差分ΔＰｎを算出する。Ｓ３では可変絞り弁２０の開度補正量ΔＤｎを前記ΔＰｎと所定の係数Ｋを用いて算出し、Ｓ４ではこれを開度の前回値Ｄｎ-1に加えて開度制御値Ｄｎを求める。Ｓ５では前記Ｄｎの正負を判定し、Ｄｎ＞０であればＳ６にてＤｎに基づいて可変絞り弁２０の開度を制御する。Ｓ５の判定にてＤｎ≦０のときはＤｎ＝０として可変絞り弁２０を全閉させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成図。
【図２】前記第１の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図３】前記第１の実施形態における水素供給量と循環比およびイジェクタ上流圧との関係を示す特性線図。
【図４】本発明の第２の実施形態の概略構成図。
【図５】前記第２の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図６】本発明の第３の実施形態の概略構成図。
【図７】前記第３の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図８】本発明の第４の実施形態の概略構成図。
【図９】前記第４の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図１０】図９の処理で用いるバルブ開度テーブルの特性線図。
【図１１】本発明の第５の実施形態の概略構成図。
【図１２】前記第５の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【図１３】図１２の処理で用いるバルブ開度テーブルの特性線図。
【図１４】前記第４または第５の実施形態における水素供給量とバルブ開度、循環比およびイジェクタ上流圧との関係を示す特性線図。
【図１５】本発明の第６の実施形態の概略構成図。
【図１６】前記第６の実施形態の制御内容を表す流れ図。
【符号の説明】
１    燃料電池（燃料電池スタック）
２    加湿器
３    水素タンク
４    燃料供給通路
５    調圧弁
６    圧力センサ
７    コントローラ
８    循環通路
９    排ガス通路
１０    イジェクタ
１１    バイパス通路
１２    バイパス弁
１３    絞り
１４    パージ弁
１５    空気供給通路
１６    負荷センサ
１７    流量センサ
１８    圧力センサ
２０    可変絞り弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003671898.tif 000014
【図１４】
0003671898.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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