(57)【要約】【課題】  システムの複雑化を伴うことなく、安定した発電を継続して行うことができるとともに、燃費を向上することができる燃料電池システムの排出弁制御装置を提供する。【解決手段】  反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２から排出される未反応ガスを燃料電池２に再供給する循環経路２１と、循環経路２１に設けられた循環ポンプ１５と、循環経路２１に設けた排出弁１３、１４とを備えた燃料電池システム１に適用され、循環ポンプ１５の負荷変化に基づいて排出弁１３、１４を開く制御を行う排出弁制御手段３０を備えた。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから排出される未反応ガスを前記燃料電池スタックに再供給する反応ガス循環経路と、
前記反応ガス循環経路に設けられた循環ポンプと、
前記反応ガス循環経路に設けた排出弁とを備えた燃料電池システムに適用され、
前記循環ポンプの負荷変化に基づいて前記排出弁を開く制御を行う排出弁制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの排出弁制御装置。
【請求項２】
前記排出弁は、前記反応ガスを前記反応ガス循環経路から放出する反応ガスパージ弁であ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の排出弁制御装置。
【請求項３】
前記反応ガス循環経路の、前記燃料電池スタックの排出口から前記循環ポンプとの間に水を溜める水溜まり部を設け、
前記排出弁は、前記水溜まり部の水を排出する排水弁であ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の排出弁制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、未反応ガスを燃料電池スタックに再供給する反応ガス循環経路を備えた燃料電池システムに適用される燃料電池システムの排出弁制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（水素、酸素を含む空気）を電気化学反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが開発されている。この燃料電池システムとしては、反応ガス（特に水素）の有効利用を図るために、一旦発電に供された水素を再度燃料電池に供給する循環経路を備えたものが知られている。
【０００３】
ところで、燃料電池は発電の際に水を生成するため、循環経路を備えた燃料電池システムで発電を継続すると循環経路に水が滞留していく。また、反応に寄与しない不純ガス（例えば窒素）も循環経路中に増大していくため、発電を安定して行うことが困難になる。従って、循環経路を備えた燃料電池システムでは、発電を安定して行うために、循環経路から水や不純ガスを排出する制御を行う必要がある。
【０００４】
この種の技術として、例えば、燃料電池の出力低下が発生したときに、循環経路内に不純ガスや残留水が滞留していると推定して、循環経路から不純ガスや残留水の排出処理を行う技術が検討されている（後述する図１１の説明参照）。
また、他の技術として、循環経路中に濃度センサを設けて、検出された濃度に応じて循環経路の排出処理を行う技術が提案されている。
また、さらに他の技術として、特許文献１には、原則として一定時間毎に（定期的に）循環経路から水素や残留水を排出して、出力の変動によらずに発電の安定化を図る技術が提案されている。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の技術には、以下のような問題がある。
まず、燃料電池の出力低下が発生した後に排出処理を行う場合には、燃料電池に要求される出力を迅速に得ることが困難になるばかりでなく、燃料電池の出力低下を伴う虞があるという問題がある。
また、濃度センサにより検出された濃度に応じて排出処理を行う場合には、濃度センサの特性上、水分や不純ガスの影響を受けやすく、検出精度の信頼性が損なわれるとともに、燃料電池システムの内部に濃度センサを組み込む必要があり、システムが複雑化してしまうという問題がある。
また、定期的に排出処理を行う場合には、反応ガスの排出が必要ない場合であっても一定時間毎に強制的に排出されてしまうため、利用可能な反応ガスが未利用のまま排出されてしまうこともあり、燃費を低下させてしまうという問題がある。
本発明は、システムの複雑化を伴うことなく、安定した発電を継続して行うことができるとともに、燃費を向上することができる燃料電池システムの排出弁制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック２）と、前記燃料電池スタックから排出される未反応ガスを前記燃料電池スタックに再供給する反応ガス循環経路（例えば、実施の形態における循環経路２１）と、前記反応ガス循環経路に設けられた循環ポンプ（例えば、実施の形態における循環ポンプ１５）と、前記反応ガス循環経路に設けた排出弁（例えば、実施の形態における排水弁１３、水素パージ弁１４）とを備えた燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）に適用され、前記循環ポンプの負荷変化に基づいて前記排出弁を開く制御を行う排出弁制御手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ３０）を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、前記燃料電池スタックに反応ガスを供給して発電を開始して、前記反応ガス循環経路を介して未反応ガスを前記燃料電池スタックに再供給させて発電を継続させたときに、発電により生じた生成水や残存する不純ガスの増大に伴い前記循環ポンプの負荷が変化する点を前記排出弁の制御に利用できる。すなわち、反応ガスと不純ガスとではその密度や粘性が異なるため、反応ガス中における不純ガスの割合が増大すると、前記循環ポンプの負荷（例えば消費電力や電流、トルク等）が変動する。また、残留水が前記循環ポンプに混入した場合でも同様に前記循環ポンプの負荷が変動する。従って、前記循環ポンプの負荷変化に基づいて前記排出弁を開く制御を行うことで、前記残留水や不純ガスを発電に影響を及ぼす前に排出することができるので、燃料電池システムを安定した状態で発電を行わせることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記排出弁は、前記反応ガスを前記反応ガス循環経路から放出する反応ガスパージ弁であることを特徴とする。
この発明によれば、前記循環ポンプの負荷変化に基づいて前記反応ガスパージ弁を開くことで不純ガスを排出することができるとともに、不純ガスの混入度合いが少なく利用可能な反応ガスを未利用のまま排出することを防止できるため、燃費を向上することができるとともに、燃料電池システムの安定化に寄与することができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記反応ガス循環経路の、前記燃料電池スタックの排出口から前記循環ポンプとの間に水を溜める水溜まり部を設け、前記排出弁は、前記水溜まり部の水を排出する排水弁であることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記循環ポンプに水が流入したときには負荷変動が生じるため、これを検知したときには前記水溜まり部には十分な量の水が貯留されたと判定できるので、循環ポンプの負荷変化に基づいて前記排水弁を開くことで前記水溜まり部に貯留された水を前記反応ガス循環経路から排出することができる。さらに、前記水溜まり部へ水が溜まっていない状態で前記排水弁を開いてしまい、反応ガスが未利用のまま排出されることを防止できる。また、水位センサといったデバイスは必要なくなる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、前記循環ポンプの負荷変化に基づいて前記排出弁を開く制御を行うことで、前記残留水や不純ガスを発電に影響を及ぼす前に排出することができるので、燃料電池システムを安定した状態で発電を行わせることができる。
請求項２に係る発明によれば、燃費を向上することができるとともに、燃料電池システムの安定化に寄与することができる。
請求項３に係る発明によれば、水溜まり部に十分な量の水が貯留されたときにのみ前記排水弁を開いて排水することができ、反応ガスが未利用のまま排出されることを防止することができる。また、水位センサといったデバイスは必要なくなるため、部品点数の削減になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの排出弁制御装置を図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムについての態様である。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システム１の概略構成図である。
燃料電池（燃料電池スタック）２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極とカソード極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る。アノード極に燃料として水素を供給し、カソード極に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノード極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極まで移動して、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。カソード極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極側に逆拡散するため、アノード極側にも生成水が存在する。
【００１４】
空気はコンプレッサ３により所定圧力に加圧され、空気供給経路５を通って燃料電池２のカソード極に供給される。空気供給経路５には加湿器４が設けられており、固体ポリマーイオン交換膜の乾燥を防止するよう加湿された空気を燃料電池２に供給するように構成されている。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソード極側の生成水等の残留水と共に空気排出経路６に排出される。
【００１５】
一方、水素タンク等の水素供給手段１０から供給される水素は、遮断弁、レギュレータ（いずれも図示せず）を介して水素供給経路１６を通って燃料電池２のアノード極に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、アノード極側の生成水等の残留水と共にアノード極から水素循環経路２１に排出され、この排出された水素は循環ポンプ１５により圧送され、さらにエゼクタ１１を介して水素供給経路１６に合流する。つまり、燃料電池２から排出された水素は、水素供給手段１０から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池２のアノード極に供給される。なお、本実施の形態においては、エゼクタ５と循環ポンプ１５とを併用しているが、循環ポンプ１５のみを用いることも可能である。
【００１６】
水素循環経路２１には、燃料電池２の発電により生じた生成水等の残留水を貯留する貯水タンク１２が介装されている。そして、この貯水タンク１２から排水弁１３を備えた排水経路１８が分岐しており、排水弁１３を開弁することにより貯水タンク１２に貯留した水（結露水）を排水経路１８から排水する。また、貯水タンク１２と循環ポンプ１５の間の循環経路２１には、水素パージ弁１４を備えた水素排出経路１９が分岐しており、水素パージ弁１４を開弁することにより、不純ガスや生成水の一部を水素排出経路１９から排出する。なお、水素排出経路１９にはパージ水素希釈器（図示せず）が設けられ、これにより水素排出経路１９から排出される水素等のガス濃度を低下させる。
【００１７】
さらに、貯水タンク１２には循環経路２１の圧力を検出する圧力センサ３１が設けられ、ている。また、循環ポンプ１５には、循環ポンプ１５の回転数を検出する回転数センサ３２と、循環ポンプ１５の負荷である消費電流を検出する電流センサ３３とが設けられている。これらセンサ３１〜３３の出力信号や、コンプレッサ３の回転数の信号がＥＣＵ３０に入力される。
【００１８】
このように構成された燃料電池システム１における排出弁（排水弁１３、水素パージ弁１４）の制御内容について説明する。図２は図１に示す燃料電池システム１における水素パージ弁１４の制御処理を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、ステップＳ０２で、ＥＣＵ３０は、外部から入力される発電要求（例えば、アクセルペダルの踏込量）に基づいて、燃料電池２の発電電流指令値Ｉ１を検出する。ステップＳ０４で、マップ１（図５参照）により電流指令値Ｉ１に対応する循環ポンプ１５の負荷閾値Ａを算出する。
【００１９】
図５に示すように、発電電流が増加すると、燃料電池２に供給すべき反応ガス（水素、酸素を含む空気）の量も増大するので、循環ポンプ１５の負荷（消費電力、電流）は増大する。また、水素中に不純ガス（例えば窒素）が含まれていない場合（ラインＬ０）に比べて、水素中に不純ガスが混入している場合（ラインＬ１）には、循環ポンプ１５の負荷は大きく増大する。不純ガスは水素に比べて密度も粘性も大きいため、発電電流が同一の場合に不純ガスが混入すると循環ポンプ１５に必要とされる仕事量が増大するからである。本実施の形態のように、循環経路２１を備えた燃料電池システム１では、発電を継続していくと、反応ガスである水素や酸素が発電により消費されていく一方で、空気中に残存する窒素等の不純ガスが、固体高分子電解質膜を介してカソード極からアノード極に逆拡散する。このため、水素パージ弁１４や排水弁１３を閉じたままで発電を継続すると、循環経路２１中の不純ガスの濃度が増大していくことになる。また、生成水も同様にして循環経路２１中に増大していく。ここで、本実施の形態においては、ラインＬ１を、水素中の不純ガスが発電電圧に影響を与えるか否かの境界線上に設定している。これについては、図１０、図１１を用いて再度後述する。
【００２０】
ステップＳ０６で、マップ２（図６参照）により発電電流Ｉ１に対する循環ポンプ１５の回転数Ｎｐを算出する。すなわち、燃料電池２に要求された発電電流を得るために供給すべき水素の量に基づいて、循環ポンプ１５の回転数Ｎｐを算出する。同図に示すように、発電電流値と循環ポンプ１５の回転数とは反比例の関係となり、発電電流値が大きくなるほど、循環ポンプ１５の回転数は低下するような設定にしている。
【００２１】
ステップＳ１０で、循環ポンプ１５の負荷状態の検出を行う。本実施の形態においては、循環ポンプ１５に設けられた電流センサ３３で検出される電流値Ｉｐにより、循環ポンプ１５の負荷状態を検出する。このように、本実施の形態では、負荷状態として電流を用いているので、積算や演算等の処理を行うことなく検出値をそのまま負荷状態の判定に利用することができる。なお、負荷状態としては電流に限らず、例えばトルクや消費電力を用いてもよい。
【００２２】
ステップＳ１２で、負荷状態の検出値Ｉｐが、ステップＳ０４で算出した閾値Ａよりも大き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Ｓ１４に進み、判定結果がＮＯの場合には再度ステップＳ１２の処理を繰り返す。ステップＳ１４では、循環経路２１中に不純ガスが混入していると判定できるので、水素パージ弁１４を開いて水素放出処理を行う。そして、一定時間経過した後に、水素パージ弁１４を閉じて、一旦処理を終了する。なお、この水素パージ弁１４を閉じる処理は、検出値Ｉｐが閾値Ａ以下になったときに行うようにしてもよい。
【００２３】
このように、循環ポンプ１５の負荷変化に基づいて水素パージ弁１４を開く制御を行うことで、前記残留水や不純ガスを発電に影響を及ぼす前に排出することができるので、燃料電池システム１を安定した状態で発電を行わせることができる。また、不純ガスの混入度合いが少なく利用可能な水素を未利用のまま排出することを防止できるため、燃費を向上することができるとともに、燃料電池システム１の安定化に寄与することができる。さらに、大きなシステム変更を伴う濃度センサを用いることなく水素パージ弁１４の制御を行うことができるので、燃料電池システム１の複雑化を防止することができる。
【００２４】
また、水素パージ弁１４の他の制御処理について図３を用いて説明する。なお、図２と同様の処理については同一のステップ番号を付して、その説明を適宜省略する。
まず、ステップＳ０２の発電電流指令値Ｉ１を検出した後、ステップＳ２０で電流指令値Ｉ１に対する循環ポンプ１５の消費電力Ｗ０の算出を行う。ここで算出した消費電力Ｗ０は、水素中に不純ガスが含まれていないラインＬ０に基づいて設定している。
【００２５】
ステップＳ２２で、算出した消費電力Ｗ０に対応するマップ３（図７参照）を選択して、閾値Ｂを設定する。図７は一定消費電力下での循環ポンプ回転数と循環経路２１内の負荷変化との関係を示すグラフ図（マップ３）である。同図に示すように、消費電力Ｗが一定（この場合はＷ０）の場合には、循環ポンプ１５の回転数Ｎは、循環経路２１の負荷（圧損、ガス密度）が増大するにつれて低下してしまう。上述したように、循環経路２１の負荷が増大すると、循環ポンプ１５の仕事量が増大するためである。循環ポンプ１５の回転数Ｎｐが一定値よりも低下すると燃料電池２に供給できる水素の量や発電電圧にも影響するため、このときの一定値を閾値Ｂとして設定する。
【００２６】
そして、ステップＳ０８で循環ポンプ１５に発電電流指令値に基づいた回転数指令を行った後、ステップＳ２４で回転数センサ３２により循環ポンプ１５の回転数Ｎｐを検出する。ステップＳ２６で、回転数の検出値Ｎｐが閾値Ｂより小さいかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであれば循環経路２１中に不純ガスが混入していると判定できるのでステップＳ１４に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２６の処理を再度行う。そして、ステップＳ１４で水素放出処理を行って、一旦処理を終了する。
このように制御を行った場合にも、図２に示したものと同様に、システム１の複雑化を伴うことなく、安定した発電を継続して行うことができるとともに、燃費を向上することができる。
【００２７】
図４は図１に示す燃料電池システム１における排水弁制御処理を示すフローチャートである。まず、ステップＳ３０で、圧力センサ３１により循環経路２１の圧力Ｐ１を検出する。ステップＳ３２で、検出された圧力Ｐに基づいてマップ４から排水弁１３の開弁時間Ｔａを算出する（図８参照）。同図に示すように、循環流路の圧力Ｐは、排水能力に略比例するので、検出された圧力Ｐが大きい程、排水弁１３の開弁時間Ｔａも大きく設定している。ここで、貯水タンクの体積を計測することができれば、圧力Ｐから排水レートを算出し、タンク体積と排水レートから開弁時間を算出してもよい。
【００２８】
ステップＳ３４で、循環ポンプ１５の負荷変化の閾値Ｃをマップ５から算出する（図９参照）。図９は水素ポンプ負荷変化と時間との関係を示すグラフ図（マップ５）である。同図に示すように、循環ポンプ１５内に残留水が流入したときには、循環ポンプ１５の負荷変化が大きく増大するため、このときの閾値Ｃを設定する。
そして、ステップＳ３６で、循環ポンプ１５の負荷（この場合は電流センサ３３の電流Ｉｐ）を検出する。ステップＳ３８で、検出された循環ポンプ１５の負荷Ｉｐが閾値Ｃよりも大きいかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ４０に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ３６の処理に戻る。
【００２９】
ステップＳ４０では、貯水タンク１２中に十分に水が貯留されたと判定できるので、排水弁１３を開いて排水処理を行う。ステップＳ４２で、タイマー（図示せず）で排水弁１３の開弁時間Ｔの計測を開始して、ステップＳ４４で、開弁時間ＴがステップＳ３２で求めた開弁時間Ｔａより大きいかどうかを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ４６に進み、判定結果がＮＯであれば再度ステップＳ４４の判定を繰り返す。ステップＳ４６では排水弁１３を閉じて、一旦処理を終了する。
【００３０】
このように、循環ポンプ１５の負荷変化に基づいて前記排水弁１３を開くことで、貯水タンク１２に貯留された水を前記循環経路２１から排出することができる。さらに、貯水タンク１２へ水が溜まっていない状態で排水弁１３を開いてしまい、水素が未利用のまま排出されることを防止できる。また、貯水タンク１２の水位センサーといった特別なデバイスを用いなくとも、前記循環ポンプ１５の負荷変化に基づいて、貯水タンク１２の排水制御を行うことができる。
【００３１】
図１０、図１１はそれぞれ、比較例と本実施の形態とにおける燃料電池２の電圧、水素ストイキ、アノード系内（循環経路２１内）の圧損ガス密度、循環経路２１内の水素濃度、循環ポンプ１５への負荷についての時間に対する特性を示すグラフ図である。まず、図１１に示した場合（比較例）のように、燃料電池２の電圧が一定値まで低下してからパージ制御を行う場合には、燃料電池２の電圧低下に伴ってストイキ（還流率）や水素濃度も大幅に低下する。さらに、循環経路２１中の圧損や循環ポンプ１５への負荷は増大してしまうため、燃料電池システム１の効率を大きく低下させることになる。
【００３２】
これに対して、本発明の実施の形態では、閾値Ａを設定するラインＬ１（図５参照）を、水素中の不純ガスが発電電圧に影響を与えるか否かの境界線上に設定しているため、燃料電池２の電圧が低下する前にパージ制御を行うことができる。従って、図１０に示したように、ストイキの低下や水素濃度の低下を抑えることができる一方で、循環経路２１中の圧損や循環ポンプ１５への負荷の増大を抑制することができるので、燃料電池システム１の効率を高めることができる。
【００３３】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、燃料電池システムの適用対象は車両には限られない。また、実施の形態では、水素を循環させる場合について説明したが、他の反応ガス（例えば、純酸素）を循環させる場合にも本発明を適用することができ、それぞれの反応ガスについて本発明を適用してもよい。以上、本発明はマップにより、各値を求めていたが、適宜にマップを設定、もしくは、所定の算出により求めてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明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。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける水素パージ弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける水素パージ弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける排水弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図５】発電電流と循環ポンプ負荷との関係を示すグラフ図（マップ１）である。
【図６】発電電流と循環ポンプ回転数との関係を示すグラフ図（マップ２）である。
【図７】一定消費電力下での循環ポンプ回転数と循環経路内の負荷変化との関係を示すグラフ図（マップ３）である。
【図８】圧力と排水弁開弁時間との関係を示すグラフ図（マップ４）である。
【図９】水素ポンプ負荷変化と時間との関係を示すグラフ図（マップ５）である。
【図１０】本実施の形態における燃料電池電圧、水素ストイキ、アノード系内圧損ガス密度、水素濃度、水素ポンプへの負荷についての時間に対する特性を示すグラフ図である。
【図１１】比較例における燃料電池電圧、水素ストイキ、アノード系内圧損ガス密度、水素濃度、水素ポンプへの負荷についての時間に対する特性を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料電池システム
２  燃料電池（燃料電池スタック）
１２  貯水タンク（水溜まり部）
１３  排水弁（排出弁）
１４  水素パージ弁（排出弁）
１５  循環ポンプ
２１  循環経路
３０  ＥＣＵ（排出弁制御手段）
【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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