(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、前記燃料電池から排出されたガスを前記供給流路へと導く循環流路と、前記燃料電池から排出されたガスを前記供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を備え、前記供給流路と前記循環流路との合流部が、前記開閉弁の下流側に配置されてなる燃料電池システムであって、
前記燃料電池の低温環境下の運転中において前記開閉弁下流側の前記供給流路内の温度が氷点を下回る場合に、前記開閉弁による前記合流部への燃料ガスの噴射時期と、前記循環ポンプによる前記合流部へのガスの吐出時期と、を同期させる同期制御を実施する制御手段を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記開閉弁は、インジェクタである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、所定の負荷装置からの要求発電量が所定の閾値以上のときに前記インジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する定常制御を実施する一方、前記要求発電量が所定の閾値を下回るときに前記インジェクタを前記駆動周期よりも長い駆動周期で駆動制御する騒音抑制制御を実施するものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記燃料電池の低温環境下の運転中において前記インジェクタ下流側の前記供給流路内の温度が氷点を下回る場合には、前記要求発電量が所定の閾値を下回る場合であっても前記騒音抑制制御を実施せずに前記同期制御を実施するものである、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと流すための供給流路と、前記供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、前記燃料電池から排出されたガスを前記供給流路へと導く循環流路と、前記燃料電池から排出されたガスを前記供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を備え、前記供給流路と前記循環流路との合流部が、前記開閉弁の下流側に配置されてなる燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の低温環境下の運転中において前記開閉弁下流側の前記供給流路内の温度が氷点を下回る場合に、前記開閉弁による前記合流部への燃料ガスの噴射時期と、前記循環ポンプによる前記合流部へのガスの吐出時期と、を同期させる同期制御工程を備える、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記開閉弁は、インジェクタである、
請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
所定の負荷装置からの要求発電量が所定の閾値以上のときに前記インジェクタを所定の駆動周期で駆動制御する定常制御工程と、
前記要求発電量が所定の閾値を下回るときに前記インジェクタを前記駆動周期よりも長い駆動周期で駆動制御する騒音抑制制御工程と、を備える、
請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記燃料電池の低温環境下の運転中において前記インジェクタ下流側の前記供給流路内の温度が氷点を下回る場合には、前記要求発電量が所定の閾値を下回る場合であっても前記騒音抑制制御工程を実施せずに前記同期制御工程を実施する、
請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、水素タンク等の燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路が設けられている。現在においては、燃料電池システムの供給流路にインジェクタ等の電磁駆動式の開閉弁を配置し、この開閉弁の作動状態を制御することにより供給流路内の燃料ガスの供給圧力を調整する技術が提案されている。
【０００３】
ところで、近年においては、燃料電池から排出されたガスに含まれる燃料ガスを供給流路に循環させて再利用するための循環流路と、この循環流路内のガスを供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を設けた燃料循環型の燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献１参照)。このような燃料循環型の燃料電池システムにおいては、供給流路内を流れるガスと循環流路内を流れるガスとの合流圧の影響を抑制すること等を目的として、供給流路と循環流路との合流部を開閉弁の下流側に配置することが多い。
【特許文献１】特開２００７−３５４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記したような従来の燃料循環型の燃料電池システムにおいては、低温環境下（例えば氷点下）で供給流路と循環流路との合流部に存在する水分が上流側（開閉弁側）に逆流し、この逆流した水分が開閉弁下流部で凍結し、供給流路が閉塞されてしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、供給流路内の燃料ガスの供給圧力を調整する開閉弁と、循環流路内のガスを供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を備える燃料電池システムにおいて、低温環境下における供給流路の閉塞を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、燃料電池から排出されたガスを供給流路へと導く循環流路と、燃料電池から排出されたガスを供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を備え、供給流路と循環流路との合流部が、開閉弁の下流側に配置されてなる燃料電池システムであって、低温環境下において、開閉弁による合流部への燃料ガスの噴射時期と、循環ポンプによる合流部へのガスの吐出時期と、を同期させる制御手段を備えるものである。
【０００７】
また、本発明に係る制御方法は、燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと流すための供給流路と、供給流路の上流側におけるガス状態を調整して下流側に供給する開閉弁と、燃料電池から排出されたガスを供給流路へと導く循環流路と、燃料電池から排出されたガスを供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を備え、供給流路と循環流路との合流部が、開閉弁の下流側に配置されてなる燃料電池システムの制御方法であって、低温環境下において、開閉弁による合流部への燃料ガスの噴射時期と、循環ポンプによる合流部へのガスの吐出時期と、を同期させる工程を備えるものである。
【０００８】
かかる構成及び方法を採用すると、低温環境下において、開閉弁による合流部への燃料ガスの噴射時期と、循環ポンプによる合流部へのガスの吐出時期と、を同期させることができるので、例えば氷点下において、供給流路と循環流路との合流部に存在する水分が上流側（開閉弁側）に逆流して開閉弁下流部で凍結することを抑制することができる。従って、低温環境下において、供給流路の閉塞を抑制して燃料電池の発電状態を安定させることができる。ここで、「低温環境下」とは、供給流路や合流部に存在する水分が凍結するような環境下（例えば、供給流路の開閉弁下流部における温度が氷点を下回るような環境下）を意味する。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、開閉弁としてインジェクタを採用することができる。インジェクタとは、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス状態（ガス流量やガス圧力）を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。所定の制御部がインジェクタの弁体を駆動して燃料ガスの噴射時期や噴射時間を制御することにより、燃料ガスの流量や圧力を精度良く制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、供給流路内の燃料ガスの供給圧力を調整する開閉弁と、循環流路内のガスを供給流路へと強制的に送る循環ポンプと、を備える燃料電池システムにおいて、低温環境下における供給流路の閉塞を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１２】
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１３】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２を備え、燃料電池２に、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給しかつ燃料電池２から酸化オフガスを排出するための酸化ガス系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給しかつ燃料オフガスとしての水素オフガスを水素ガスとともに燃料電池２に循環させる燃料ガス系４と、が接続されている。燃料ガス系４は、水素オフガスを燃料ガス系４から排出可能な排気排水弁２９を有し、排気排水弁２９から排出される水素オフガスが希釈部５において酸化ガス系３から排出される酸化オフガス（空気）と混合されて外部に排出可能となっている。そして、システム全体が制御部６により統括制御されている。
【００１４】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、固体高分子電解質膜の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。アノード側のセパレータの流路に燃料ガスが供給されるとともに、カソード側のセパレータの流路に酸化ガスが供給されることで、燃料電池２は電力を発生する。
【００１５】
燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池２の運転中はその出力に応じて燃料電池システム１内に熱が供給される。従って、低温環境下であっても、燃料電池２の運転中は各配管系へ燃料電池２内で昇温されたオフガス等が供給されることによりシステム内の部品が昇温する。よって、燃料電池２の運転中は、通常は凍結が回避される。なお、燃料電池システム１には図示しない冷媒配管系が設けられている。そして、この冷媒配管系を用いて燃料電池２の内部に冷媒を循環させることにより、燃料電池２の内部の温度が適度に維持される。
【００１６】
酸化ガス系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１は、酸化ガスとしての空気を取り込むエアコンプレッサ１４と、エアコンプレッサ１４により圧送される空気を加湿する加湿器１５と、を備えている。排気流路１２は、背圧調整弁１６を備えるとともに加湿器１５に接続されており、排気流路１２を流れる酸化オフガスが、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、希釈部５に移送される。
【００１７】
燃料ガス系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路２２に戻すための循環流路２３と、を備えている。なお、水素タンク２１に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００１８】
水素供給流路２２には、水素タンク２１からの水素ガスの供給を許容又は遮断する遮断弁２４と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２５と、インジェクタ２６と、が設けられている。また、インジェクタ２６の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａの上流側には、水素供給流路２２内の温度を検出する温度センサ２７が設けられている。温度センサ２７で検出されたインジェクタ２６下流側における水素供給流路２２内の温度に係る情報は、制御部６に伝送されて、水素循環系の制御に用いられる。
【００１９】
レギュレータ２５は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２５として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
【００２０】
インジェクタ２６は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａより上流側にインジェクタ２６を配置している。インジェクタ２６は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、ノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２６の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御部６から出力される制御信号によってインジェクタ２６のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ２６は、弁（弁座及び弁体）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００２１】
インジェクタ２６は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ２６のガス流路に設けられた弁の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池２側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ２６の弁の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２６下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２６上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２６を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、インジェクタ２６は、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにその上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁としても機能する。
【００２２】
循環流路２３は、燃料電池２から排出されるガス及び水分を流通させる流路である。循環流路２３には、気液分離器２８及び排気排水弁２９を介して、不純物流路３０が接続されている。気液分離器２８は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁２９は、制御部６からの指令によって作動することにより、気液分離器２８で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出するものである。排気排水弁２９及び不純物流路３０を介して排出される水素オフガスは、希釈器５で排気流路１２内の酸化オフガスと合流して希釈されるようになっている。また、循環流路２３には、循環流路２３内の水素オフガスを加圧して水素供給流路２２側へと強制的に送り出す循環ポンプ３１が設けられている。循環ポンプ３１の動作は、制御部６により制御される。
【００２３】
制御部６は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータのほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばエアコンプレッサ１４のモータや循環ポンプ３１のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００２４】
制御部６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、種々の処理や制御を行う。
【００２５】
具体的には、制御部６は、温度センサ２７を用いて、燃料電池２の運転時におけるインジェクタ２６下流側の水素供給流路２２内の温度を検出する。そして、制御部６は、温度センサ２７で検出した温度が氷点（１気圧下で摂氏零度）以上である場合には、要求される電力量を燃料電池２で発電するために各種機器を制御することにより、酸化ガスの調整や水素ガスの調整を行って定常運転を実施する。酸化ガスの調整は、酸化ガス系３におけるエアコンプレッサ１４の回転数の制御や燃料電池２から排出される酸化オフガスの背圧の調整等により実現される。水素ガスの調整は、燃料ガス系４における遮断弁２４やインジェクタ２６の制御、循環ポンプ３１の回転数の制御、排気排水弁２９の制御等により実現される。
【００２６】
ところで、燃料電池システム１の水素循環流路２２と循環流路２３との合流部Ａ内には、図２に示すように、気液分離器２８で分離仕切れずに循環ポンプ３１によって循環流路２３を経由して強制的に合流部Ａに送られた水分Ｗや、合流部Ａにおいて結露により発生した水分Ｗが残存する。低温環境下における燃料電池システム１の運転中には、このように合流部Ａ内に残存した水分Ｗが水素供給流路２２の上流側（インジェクタ２６側）に移動し、インジェクタ２６の下流部で凍結する場合がある。特に、負荷装置からの要求発電量が少ない運転を実施しているとき（低負荷時）に発生し易い不規則な作動音の発生を抑制する目的で、インジェクタ２６の駆動周期を長くするような場合には、インジェクタ２６によるガス噴射停止時に循環ポンプ３１によるガス吐出が実施される機会が多くなる。このようにインジェクタ２６の噴射停止時に循環ポンプ３１の吐出が実施されると、合流部Ａ内に残存した水分Ｗが循環ポンプ３１の吐出圧によりインジェクタ２６側に移動し、移動した水分Ｗが水素供給流路２２内で凍結する可能性が高まる。
【００２７】
そこで、制御部６は、温度センサ２７で検出した温度が氷点を下回る場合において、図２に示すように、インジェクタ２６による合流部Ａへの水素ガスＧSの噴射時期と、循環ポンプ３１による合流部ＡへのガスＧCの吐出時期と、を同期させる。これにより、合流部Ａ内に残存した水分Ｗの逆流を抑制し、インジェクタ２６の下流部における水分の凍結に起因する水素供給流路２２の閉塞を抑制する。すなわち、制御部６は、本発明における制御手段として機能する。
【００２８】
次に、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。
【００２９】
まず、制御部６は、燃料電池２の運転中に、温度センサ２７を用いて、インジェクタ２６下流側の水素供給流路２２内の温度Ｔを検出し（温度検出工程：Ｓ１）、検出した温度Ｔが氷点Ｔ0を下回るか否かを判定する（温度判定工程：Ｓ２）。そして、制御部６は、温度判定工程Ｓ２において、検出した温度Ｔが氷点Ｔ0以上であると判定した場合に、要求される電力量を燃料電池２で発電するために各種機器を制御することにより、酸化ガスの調整や水素ガスの調整を行って定常運転を続行する（定常制御工程：Ｓ３）。なお、定常制御工程Ｓ３において、制御部６は、低負荷時（負荷が所定の閾値を下回る時）におけるインジェクタ２６の駆動周期を、通常負荷時（負荷が所定の閾値以上の時）における駆動周期よりも長くして、不規則な作動音の発生を抑制するようにしている。
【００３０】
一方、制御部６は、温度判定工程Ｓ２において、検出した温度Ｔが氷点Ｔ0を下回るものと判定した場合に、インジェクタ２６による合流部Ａへの水素ガスの噴射時期と、循環ポンプ３１による合流部Ａへのガスの吐出時期と、を同期させる（同期制御工程：Ｓ４）。制御部６は、同期制御工程Ｓ４において、定常制御工程Ｓ３のような騒音抑制制御（低負荷時におけるインジェクタ２６の駆動周期を通常負荷時における駆動周期よりも長くすること）を実施せず、合流部Ａ内に残存した水分Ｗの逆流を抑制することを優先する。制御部６は、これら工程群を、燃料電池２の運転中に繰り返し実施する。
【００３１】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、低温環境下において、インジェクタ２６による合流部Ａへの水素ガスの噴射時期と、循環ポンプ３１による合流部Ａへのガスの吐出時期と、を同期させることができるので、合流部Ａに存在する水分が上流側に逆流してインジェクタ２６下流部で凍結することを抑制することができる。従って、低温環境下において、水素供給流路２２の閉塞を抑制して燃料電池２の発電状態を安定させることができる。
【００３２】
なお、以上の実施形態においては、水素供給流路２２に設けた温度センサ２７で検出した温度（インジェクタ２６下流側の水素供給流路２２内の温度）が氷点（１気圧下で摂氏零度）を下回った場合に、所定の低温環境下にあると判断して、インジェクタ２６と循環ポンプ３１との同期制御を実施した例を示したが、低温環境の判定はこれに限られるものではない。例えば、外気温を検出する外気温センサを採用し、この外気温センサで検出した外気温が所定温度を下回った場合に、所定の低温環境下にあると判断して、インジェクタ２６と循環ポンプ３１との同期制御を実施することにしてもよい。
【００３３】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの水素供給流路と循環流路との合流部付近の拡大図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御部（制御手段）、２１…水素タンク（燃料供給源）、２２…水素供給流路、２３…循環流路、２６…インジェクタ（開閉弁）、３１…循環ポンプ、Ａ…合流部。
【図１】
0005170529.tif 000002
【図２】
0005170529.tif 000003
【図３】
0005170529.tif 000004