(57)【要約】【課題】燃料ガスの循環流路に設けられる燃料ポンプに対する保護を高めることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池１と、前記燃料電池１に水素ガスを供給する水素ガス供給流路１０と、前記燃料電池１から排出される水素オフガスを前記水素ガス供給流路１０に戻す水素オフガス循環流路２０と、前記水素オフガス循環流路２０に設けられて水素オフガスを昇圧する水素ポンプ７と、前記水素ポンプ７の負荷状態を検出するポンプ消費電流検出センサ２７と、前記水素ポンプ７の回転数を前記負荷状態に応じて制御するＥＣＵ２６と、を備える。【選択図】      図１
2004165093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
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、
前記燃料電池から排出される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、
回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、
前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁を備え、
前記負荷状態から燃料オフガス中の不純ガス濃度を算出する算出手段を備え、
該算出手段にて算出した不純ガス濃度に基づいて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
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、
前記燃料電池から排出される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、
回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、
前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記負荷状態検出手段からの信号が所定の基準値より大きい場合に、該信号に基づいて前記回転機の回転数を制御することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムおよびその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス（以下、水素オフガスという）には未反応の水素ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃費が悪化してしまう。そこで、燃費向上のため、この水素オフガスを積極的に循環させ、新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、エゼクタ（エゼクタポンプ）を用いて水素オフガスを循環させ、該水素オフガスを再度燃料電池に供給する燃料電池システムが開示されている。しかしながら、前記エゼクタにより水素ガスを循環させるには水素ガスの流れが必要であり、この流れを作り出すために水素ガス循環流路からのパージを行うと、循環流路から未反応の水素ガスが排出され、却って燃費が悪化してしまうという不具合を生じる。
一方、特許文献２には、水素ガスの循環流路にポンプまたはコンプレッサを設けて、該ポンプやコンプレッサにより水素ガスをリサイクルさせる燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５８−３００７５号公報
【特許文献２】
特開平７−２４０２２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カソードに供給された空気中の窒素等は、微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入するので、水素ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。この状態で上述したポンプやコンプレッサの運転を継続させると、このポンプやコンプレッサの回転数が一定に保持されていても、該ポンプやコンプレッサの運転に必要な電力が増大してゆき、これらの機器に対する負担が増大するとともに、燃費が悪化してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスの循環流路に設けられる燃料ポンプに対する保護を高めるとともに、燃費を向上できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）と、前記燃料電池から排出される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（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２０）と、回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプ（例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ７）と、前記燃料ポンプの負荷状態（例えば、後述する実施の形態におけるポンプ消費電流Ｙ’）を検出する負荷状態検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるポンプ消費電流検出センサ２７）と、前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ２６）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
この発明によれば、燃料オフガス循環流路から燃料ガス供給流路に燃料オフガスを循環させる際に燃料ポンプの負荷状態が増大した場合であっても、前記制御手段により燃料ポンプの回転数を制御することにより、前記燃料ポンプの負荷状態を低減させることができ、燃料ポンプに対する保護を高めることができる。また、負荷状態を低減させることにより、燃料ポンプの運転に必要な電力を低減でき、その分燃費を向上させることができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁（例えば、後述する実施の形態における排出弁２５）を備え、前記負荷状態から燃料オフガス中の不純ガス濃度を算出する算出手段（例えば、後述する実施の形態におけるＥＣＵ２６）を備え、該算出手段にて算出した不純ガス濃度に基づいて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
この発明によれば、前記負荷状態検出手段により検出した燃料ポンプの負荷状態に応じて、燃料オフガス中の不純ガス（燃料ガス以外のガスであり、主に窒素ガス）の濃度を前記算出手段により算出することができる。これにより、不純ガスの濃度が前記算出した濃度になった場合に排出弁を開くように制御することができ、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることで、不純ガスがもたらす高い負荷状態を低減することができ、燃料ポンプに対する保護をさらに高めることができる。また、オフガス中の燃料濃度が所定値より高い場合にのみ前記ポンプを駆動できるため、ポンプの駆動に必要な電力を低減でき、効率的な運転を行うことができる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、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、前記燃料電池から排出される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、回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記燃料ポンプの回転数を前記負荷状態に応じて制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記負荷状態検出手段からの信号が所定の基準値より大きい場合に、該信号に基づいて前記回転機の回転数を制御することを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、燃料ポンプの負荷状態が増加した場合に、回転機の回転数を抑制することで燃料ポンプの過負荷状態から抜け出すことができ、該ポンプの運転に必要な動力を低減できるので、その分だけ燃費を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
初めに、この発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として例えば水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１５】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧され、燃料電池１のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池１のカソードから空気オフガスとして排出され、圧力制御弁３を介して排出される。
一方、高圧水素タンク４から供給される水素ガスは、圧力制御弁５およびエゼクタ６を備えた水素ガス供給流路１０を通り、圧力制御弁５で所定圧力に減圧されて燃料電池１のアノードに供給される。
【００１６】
燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池１のアノードから水素オフガス循環流路２０に排出される。水素オフガス循環流路２０は、エゼクタ６の吸込側に接続されており、水素オフガス循環流路２０の途中には水素ポンプ７と逆止弁２１が設けられている。前記水素ポンプ７は、電動モータやタービン等の回転力を発生する回転機により駆動される。燃料電池１のカソードから排出された水素オフガスは、水素ポンプ７で昇圧されてエゼクタ６に流入するようにされており、これにより、水素オフガスは、高圧水素タンク４から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池１のアノードに供給されるようになっている。
【００１７】
また、前記水素オフガス循環流路２０は、前記水素ポンプ７の上流側で分岐しており、この分岐した分岐流路２９には排出弁２５が設けられている。この排出弁２５が閉じられると、水素オフガス循環流路２０の水素オフガスは上述したように水素ポンプ７を介して燃料電池１のアノードに供給される。一方、排出弁２５が開かれると、水素オフガス循環流路２０の水素オフガスは分岐流路２９から排出弁２５を介して燃料電池システムの外部にガス希釈装置（図示せず）を介して希釈された状態で排出される。
【００１８】
前記排出弁２５や前記水素ポンプ７、圧力制御弁３，５、コンプレッサ２はそれぞれＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２６に接続されており、該ＥＣＵ２６によりこれらの機器は制御される。また、前記ＥＣＵ２６は、ポンプ消費電流検出センサ２７、ポンプ回転数検出センサ３１に接続されている。前記ポンプ消費電流検出センサ２７は前記水素ポンプ７の駆動時における消費電流を検出するものであり、ポンプ回転数検出センサ３１は前記水素ポンプ７の回転数を検出するものである。これらのセンサ２７、３１で検出された電流、回転数がＥＣＵ２６に送信される。
【００１９】
このように構成された燃料電池システムにおける始動時の制御について、図２〜図４を用いて説明する。
図２は図１に示した燃料電池システムの始動時における制御を示す工程図である。ステップＳ１０で、燃料電池１の発電指令が出されたことをＥＣＵ２６が検知すると、該ＥＣＵ２６は、ステップＳ１２で水素ポンプ７を制御して、水素ポンプ７を駆動する。また、このとき排出弁２５が開いていた場合には、ＥＣＵ２６は排出弁２５を閉じる制御を行う。これにより、水素オフガス循環流路２０中の水素オフガスは水素ポンプ７により昇圧されてエゼクタ６に流入し、水素ガス供給流路１０を通って燃料電池１のアノードに供給される。
また、ステップＳ１２の処理と並行して、ＥＣＵ２６は前記コンプレッサ２を作動させて、燃料電池１のカソードに空気を供給する。これにより、燃料電池１の各セルにて発電が開始される。
【００２０】
そして、ステップＳ１４で、前記ポンプ消費電流検出センサ２７によりポンプ消費電流値Ｙ’を検出する。そして、ステップＳ１６で、検出した電流値Ｙ’が予め設定した基準値Ｙ０よりも小さいかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２０に進んで、水素ポンプ７の駆動を継続して行う。ステップＳ１６の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１８で、水素ポンプのモータ回転数Ｘを所定数ΔＸだけ低下させ、再度ステップＳ１６に進み、検出した電流値Ｙ’が基準値Ｙ０よりも小さくなるまで上述した処理を繰り返す。このように、簡易な制御で水素ポンプ７の消費電流を所定の基準値Ｙ０以内に保持させることができ、水素ポンプ７に過度な負担がかかることを防止して水素ポンプ７を駆動させることができるため、水素ポンプ７に対する保護を高めることができる。
【００２１】
図３は図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。なお、上述した図２における処理と同様の処理については、同一の番号を付している。図２において、ステップＳ１０〜ステップＳ１４までの処理、ステップＳ１６で判定結果がＹＥＳの場合は、図２に示した場合と同様であるため、説明を省略する。
【００２２】
ステップＳ１６の判定結果がＮＯの場合（検出電流値Ｙ’が基準値Ｙ０より大きい場合）には、ステップＳ２２に進み、ポンプ駆動モータ回転数Ｘと消費電流値Ｙの関係式Ｙ＝ＡＸの係数Ａを算出する。
図５は図３の制御に使用される水素ポンプ７の回転数Ｘと水素ポンプ消費電流Ｙの関係を示すグラフである。同図に示したように、ポンプ７のモータ回転数Ｘとポンプ７の消費電流Ｙとは原点を通る比例関係にあると見なすことができる。このため、モータ回転数Ｘ’と消費電流値Ｙ’を検出すれば、上述した係数Ａを算出することができる。したがって、図５に示したように、ポンプ回転数検出センサ３１にて検出した回転数Ｘ’とポンプ消費電流検出センサ２７にて検出した電流Ｙ’とから、係数Ａを算出することができる。
【００２３】
そして、ステップＳ２４で、上述した関係式から、電流値Ｙが基準値Ｙ０以下となる回転数Ｘ０を算出する。前記関係式の係数ＡがステップＳ２２において算出されているので、基準値Ｙ０に対応する回転数Ｘ０を一意的に算出することができる。そして、ステップＳ２６で、ＥＣＵ２６は水素ポンプ７を制御して、算出した回転数Ｘ０までモータ回転数Ｘを低下させ、ステップＳ１４の処理に戻って上述した一連の処理を行う。このように、ポンプ消費電流Ｙと回転数Ｘの関係式を算出することにより、ポンプ７の消費電流Ｙが基準値Ｙ０以内になるように、回転数ＸをＸ０に迅速に制御することができるため、ポンプ７に対する保護をより高めることができる。
【００２４】
図４は図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。なお、上述した図２、図３における処理と同様の処理については、同一の番号を付している。図４において、ステップＳ１０〜ステップＳ１４までの処理は、図２に示した場合と同様であるため、説明を省略する。
【００２５】
ステップＳ１４にてポンプ７の消費電流値Ｙ’（Ａ）を検出した後、ＥＣＵ２６は、ステップＳ２８で、オフガス中の窒素濃度Ｚ（ｐｐｍ）を算出する。この窒素濃度Ｚの算出は、駆動中の水素ポンプ７の消費電流に基づいて行う。図６は窒素濃度Ｚと水素ポンプ消費電流Ｙの関係を示すグラフである。同図に示したように、水素ポンプ７の回転数Ｘが一定の場合（例えば回転数Ｘ１（ｒｐｍ））には、水素ポンプ７の消費電流はオフガス中の窒素濃度にほぼ比例する。これは、窒素は水素に比べて比重が大きいため、同じ回転数Ｘ１であっても、オフガス中の窒素濃度Ｚに応じて水素ポンプ７の回転に必要な仕事量が変化するためである。従って、回転数Ｘ１の場合における、水素ポンプ７の消費電流Ｙをポンプ消費電流検出センサ２７にて検出すれば、図６から窒素濃度Ｚを算出することができる。また、同様にして、回転数Ｘ１の場合における、所定の窒素濃度Ｚ１に対応する消費電流Ｙ１を算出することができる。なお、水素ポンプ７の回転数が変化した場合であっても（例えば、回転数Ｘ０やＸ２）、水素ポンプ７の消費電流Ｙが検出されれば、図６に示したように、ＥＣＵ２６にて窒素濃度Ｚを算出することができる。
【００２６】
このように、ＥＣＵ２６で、所定の窒素濃度Ｚ１に対応する消費電流の基準値Ｙ１を算出した後、ステップＳ２８で、検出電流値Ｙ’が基準値Ｙ１より小さいかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２０に進んで水素ポンプ７の駆動を継続して行う。この場合には、オフガス中に水素が十分あると考えられるためである。
また、ステップＳ２８の判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ３０に進んで排出弁２５を開く処理を行う。この場合には、窒素濃度が高くオフガス中に水素があまりないと考えられるためである。また、ステップＳ３０の後は、ステップＳ１４に戻って、上述した一連の処理を行う。
【００２７】
このように、前記ポンプ消費電流検出センサ２７により検出した水素ポンプ７の負荷状態（この場合は消費電流）に応じて、水素オフガス中の不純ガス（水素ガス以外のガスであり、主に窒素ガス）の濃度ＺをＥＣＵ２６により算出することができる。不純ガスの濃度Ｚが所定の濃度Ｚ１になった場合を水素ポンプ７の消費電流Ｙから算出し、この場合に排出弁２５を開くように制御することで、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることができるとともに、このパージにより不純ガスがもたらす高い負荷状態を低減することができるため、水素ポンプ７に対する保護を高めることができる。
【００２８】
なお、本発明における燃料電池システムは、上述した実施の形態のみに限られるものではない。また、前記燃料電池システムは、燃料電池自動車に好適に用いることができるが、他の用途にも適用することができるのはもちろんである。また、燃料ガスとしては、水素ガス以外の他のガスを用いてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、燃料ガスの循環流路に設けられる燃料ポンプに対する保護を高めることができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料ポンプに対する保護をさらに高めることができ、効率的な運転を行うことができる。
請求項３に係る発明によれば、燃料ポンプの運転に必要な動力を低減できるので、その分だけ燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの始動時における制御を示す工程図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。
【図４】図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。
【図５】図３の制御に使用される水素ポンプの回転数Ｘと水素ポンプ消費電流Ｙの関係を示すグラフである。
【図６】図４の制御に使用される水素ポンプ消費電流Ｙと窒素濃度Ｚの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  燃料電池
７  水素ポンプ
１０  水素ガス供給流路
２０  水素オフガス循環流路
２６  ＥＣＵ
２７  ポンプ消費電流検出センサ
【図１】
2004165093.tif 000003
【図２】
2004165093.tif 000004
【図３】
2004165093.tif 000005
【図４】
2004165093.tif 000006
【図５】
2004165093.tif 000007
【図６】
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