(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに備えられた循環流路と、
前記循環流路に流体を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを迂回するバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉する弁装置と、
前記循環流路の圧力変動を検出する圧力変動検出装置と、
前記圧力変動量が大きくなるのに応じて前記循環流路からバイパス流路への流量が多くなるように前記弁装置の開度を制御する制御装置
とを備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記弁装置を、前記バイパス流路のポンプ上流側を開閉する上流側制御弁と、ポンプ下流側を開閉する下流側制御弁とで構成し、
前記循環ポンプ下流側の圧力上昇時は、前記下流側制御弁を開いた後、上流側制御弁を開くようにした
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記弁装置を、前記バイパス流路のポンプ上流側を開閉する上流側制御弁と、ポンプ下流側を開閉する下流側制御弁とで構成し、
前記循環ポンプ下流側の圧力下降時は、前記上流側制御弁を開いた後、下流側制御弁を開くようにした
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧力変動検出装置は、前記循環ポンプの回転数に基づいて圧力変動を検出するように構成されている請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力変動検出装置は、前記循環ポンプ出口部の圧力を検出する圧力センサで構成されている請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパス流路に、ガス流路内の凝縮水を貯蔵する水タンクを接続した請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バイパス流路に、ガス流路内の凝縮水を分離する気液分離器を接続した請求項１から請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記循環流路は、燃料電池に冷却水を循環させる冷却水流路である請求項１から請求項７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記循環流路は、燃料電池の加湿装置に水を供給する加湿水供給流路である請求項１から請求項７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池に接続する冷却水循環流路と、
前記冷却水循環流路に冷却水を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを迂回するバイパス流路と、
前記バイパス流路を循環ポンプの上流側で開閉する上流側制御弁と、下流側で開閉する下流側制御弁からなる弁装置と、
前記循環流路の圧力変動を検出する圧力変動検出装置と、
前記圧力変動量が大きくなるのに応じて前記循環流路からバイパス流路への流量が多くなるように前記弁装置の開度を制御する制御装置
とを備えた燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池の加湿器と水タンクとを接続する加湿水循環流路と、
前記加湿水循環流路に加湿水を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを迂回するバイパス流路と、
前記バイパス流路を循環ポンプの上流側で開閉する上流側制御弁と、下流側で開閉する下流側制御弁からなる弁装置と、
前記循環流路の圧力変動を検出する圧力変動検出装置と、
前記圧力変動量が大きくなるのに応じて前記循環流路からバイパス流路への流量が多くなるように前記弁装置の開度を制御する制御装置
とを備えた燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池と加湿器と水タンクとを接続する水循環流路と、
前記水循環流路に水を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプを迂回するバイパス流路と、
前記バイパス流路を循環ポンプの上流側で開閉する上流側制御弁と、下流側で開閉する下流側制御弁からなる弁装置と、
前記循環流路の圧力変動を検出する圧力変動検出装置と、
前記圧力変動量が大きくなるのに応じて前記循環流路からバイパス流路への流量が多くなるように前記弁装置の開度を制御する制御装置
とを備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの冷却水供給やガス供給等に係わる循環系の圧力制御に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池の循環系の圧力制御に関する従来技術として、例えば特開平5-41232号公報に開示された燃料電池システムでは、循環系の圧力検出結果に基づいてポンプ回転数などを変化させることで圧力の補正を行うようにしている。しかしながら、このシステムでは冷却水経路が気水分離器などでガス供給ラインとつながっているために、冷却水と供給ガスそれぞれの圧力制御を行うことができず、したがって燃料電池を必ずしも効率よく運転することができない。
【０００３】
これに対して、特開平9-320627号公報に開示されたものでは、燃料電池とガス製造装置の冷却を行うためにポンプを介して冷却水を循環させる構成を備え、冷却水と供給ガスそれぞれの圧力制御を行うことが可能となっている。ただし、このシステムでは冷却水ラインにおいてポンプ回転数が変化したときなどに密閉経路内に急激な圧力変動が起こり、この圧力変動に原因して燃料電池自体や冷却水供給ラインの耐久性が損なわれるおそれがある。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池システムにおいて、冷却水等の循環系の供給圧力を適切に制御しつつポンプ回転数変化などによる急激な圧力変動を抑制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、燃料電池システムに備えられた循環流路と、前記循環流路に流体を循環させる循環ポンプと、前記循環ポンプを迂回するバイパス流路と、前記バイパス流路を開閉する弁装置と、前記循環流路の圧力変動を検出する圧力変動検出装置と、前記圧力変動量が大きくなるのに応じて前記循環流路からバイパス流路への流量が多くなるように前記弁装置の開度を制御する制御装置とを備えた。
【０００６】
第２の発明は、前記第１の発明の弁装置を、前記バイパス流路のポンプ上流側を開閉する上流側制御弁と、ポンプ下流側を開閉する下流側制御弁とで構成し、前記循環ポンプ下流側の圧力上昇時は、前記下流側制御弁を開いた後、上流側制御弁を開くようにした。
【０００７】
第３の発明は、前記第１の発明の弁装置を、前記バイパス流路のポンプ上流側を開閉する上流側制御弁と、ポンプ下流側を開閉する下流側制御弁とで構成し、前記循環ポンプ下流側の圧力下降時は、前記上流側制御弁を開いた後、下流側制御弁を開くようにした。
【０００８】
第４の発明は、前記第１〜第３の発明の圧力変動検出装置を、前記循環ポンプの回転数に基づいて圧力変動を検出するように構成した。
【０００９】
第５の発明は、前記第１〜第３の発明の圧力変動検出装置を、前記循環ポンプ出口部の圧力を検出する圧力センサで構成した。
【００１０】
第６の発明は、前記第１〜第５の発明のバイパス流路に、ガス流路内の凝縮水を貯蔵する水タンクを接続した。
【００１１】
第７の発明は、前記第１〜第５の発明のバイパス流路に、ガス流路内の凝縮水を分離する気液分離器を接続した。
【００１２】
第８の発明は、前記第１〜第７の発明の循環流路を、燃料電池に冷却水を循環させる冷却水流路とした。
【００１３】
第９の発明は、前記第１〜第７の発明の循環流路を、燃料電池の加湿装置に水を供給する加湿水供給流路とした。
【００１４】
【作用・効果】
第１の発明以下の各発明によれば、冷却水流路あるいは加湿水供給流路などの循環流路内での循環ポンプの起動、停止または過渡的な回転変化のときに生じる急激な圧力変動は、弁装置を開くことでバイパス流路から逃がすことができるので、循環流路または循環流路に接続する燃料電池等の機器類を保護することができる。
【００１５】
なお、循環流路としては冷却水流路と加湿水供給流路など複数のものを共通化した構成でもよく、当該共通化した循環流路にバイパス流路および弁装置を設けることにより、単一のバイパス流路および弁装置により複数の循環流路の保護を図ることができる。
【００１６】
前記弁装置は、第２〜第３の発明として示したようにバイパス流路の入口部と出口部にそれぞれ上流側制御弁、下流側制御弁を設けた構成とすることができ、この場合、圧力吸収装置をバイパス流路の途中に接続する構成とすることにより、制御弁を開いてバイパス流路に圧力を逃がすことによる圧力変動の緩和効果をより高めることができる。
【００１７】
前記圧力吸収装置として、第６の発明として示した燃料電池のガス配管内の凝縮水を貯蔵する水タンクまたは第７の発明として示した気液分離装置を適用することができ、これにより圧力吸収のために新規部品を設ける必要が無いのでシステムを簡素化でき、小型化、コストダウンを図ることができる。なお、圧力吸収装置として前記気液分離器と水タンクとを一体化した構成のものを適用することもでき、この場合は循環流路内の圧力変動を緩和する際のガス圧力と水圧力の差圧を小さくして燃料電池の制御性を改善することができる。
【００１８】
冷却水供給配管または加湿水供給配管内圧力を循環ポンプの回転変動により検出し、下流にある弁装置を制御することで、より簡素なシステムにおいて制御性の良い燃料電池システムを提供可能となる。
【００１９】
前記循環流路の圧力変動は、第４の発明として示したように循環ポンプの回転数から、または第５の発明として示したように循環ポンプ出口部に設けた圧力センサにより検出することができる。
【００２０】
第２の発明のように、圧力上昇時には下流側制御弁を開いたのちに上流側制御弁を開き、または第３の発明のように圧力下降時には上流側制御弁を開いたのちに下流側制御弁を開くことにより、循環ポンプの空回りによって生じる循環流路内の圧力抜けを防止しつつ、循環ポンプ前後の急激な圧力変動をより効果的に吸収することができる。
【００２１】
【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は燃料電池の冷却系に本発明を適用した実施形態のシステム構成を表している。燃料電池１にはそれぞれ空気流路１００、燃料流路２００、冷却水循環流路３００が接続されている。空気流路１００には、上流から供給流量を計測する空気流量計２、空気を圧送するコンプレッサ３、燃料電池入口空気圧力を計測する圧力センサ４が設けられ、燃料電池１下流には気液分離器５、圧力調整用の制御弁８が設けられ、気液分離器５で分離された水分は配管７を通り水タンク６に貯えられる。
【００２２】
燃料流路２００には、上流から燃料貯蔵用タンク９、燃料循環用のエゼクタポンプ１０、燃料電池入口燃料圧力を計測する圧力センサ１１が設けられている。燃料循環機構としては、エゼクタを用いず、コンプレッサを燃料循環路１４に設けることもできる。燃料電池１下流には気液分離器１２、圧力調整用の制御弁１３が設けられている。
【００２３】
冷却水循環流路３００には、電動ファンを備えたラジエータ１５、駆動速度を無段階調節可能な循環ポンプ１６が設けられている。流路３００にはポンプ１６を迂回すると共に水タンク6に連通するバイパス流路３０１が設けられ、バイパス流路の上流側端部と下流側端部にそれぞれ上流側制御弁１８、下流側制御弁１９が設けられ、各制御弁１８，１９手前には排水用バルブ１７が接続されている。
【００２４】
制御装置（図示せず）は、燃料電池１の発電状態に応じて、燃料ガス圧力、空気圧力をそれぞれ調圧弁８，１３で調整するとともに、空気流量をコンプレッサ３の回転数により調整し、さらに冷却系循環流路３００の圧力変動状態に応じて各制御弁１８，１９の開閉を制御する。
【００２５】
図２は加湿水系を有する燃料電池システムに本発明を適用した実施形態のシステム構成である。図１と異なるのは、冷却水循環流路３００の代わりに、加湿器２０と加湿水タンク２１とを備えた加湿水循環流路４００の循環ポンプ２０を迂回するようにバイパス流路４０１を形成し、その上流側端部と下流側端部にそれぞれ制御弁１８，１９を設けたことである。また、図３は冷却系と加湿系とで共通の循環流路５００を備えた燃料電池システムに本発明を適用した実施形態のシステム構成である。この実施形態ではラジエータ１５を有する循環流路５００により燃料電池１に冷却水を循環させると共に加湿器２０に水を供給するようにしている。循環流路５００に対するバイパス流路５０１および制御弁１８，１９等の構成は図１と同様である。図２または図３において図１と同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２６】
なお、前記各システムでは、空気系流路１００に設けた気液分離器５から水タンク６まで配管でつなぐ構造としているが、このようにする代わりに、気液分離器５と水タンク６を一体にする構造としてもよく、その結果、循環流路内の圧力変動の吸収を空気ラインに吸収させることで効率よく行うことができる。さらに、循環が冷却水流路に形成される場合には、燃料電池内部における空気ラインの圧力と冷却水の圧力との圧力差を解消させる方向で循環流路の圧力変動を吸収させることができる。
【００２７】
次に、前記各システム構成下でその制御装置により実行される制御弁開度制御につき図４に示した流れ図に沿って説明する。図４は制御装置を構成するマイクロコンピュータが周期的に実行する処理ルーチンを表しており、図中の符号Ｓは処理ステップを示している。この制御は冷却系流路の圧力変動をポンプ１６の回転数変動に代表させ、その回転数変動に基づいて各制御弁１８，１９の開閉を制御するようにした例である。以下、順を追って説明する。
Ｓ１：ポンプ１６の回転変動量Ｈを検出する。回転変動量Ｈは、例えば単位時間あたりの回転数変化として検出する。
Ｓ２：回転変動Ｈに応じて制御弁１８，１９の開閉を判断する。ここで、回転数上昇時のしきい値をα、回転数下降時のしきい値をβとするとき、α＞Ｈ＞βのときにはＳ６に進み、各制御弁１８，１９を閉ざした状態として今回の処理を終了する。ポンプ１６は一定条件で制御していても必ず回転のバラツキは出てしまうので、圧力に影響のでない程度の回転変動は取り除くように前記しきい値を設定している。α＞Ｈ＞β以外の条件のときにはＳ３に進む。
Ｓ３：回転変動が増加方向か減少方向かを判断する。Ｈ＞αの回転数上昇時にはＳ４の回転上昇時の弁制御処理へ、Ｈ＜βの回転数下降時にはＳ５の回転数下降時の弁制御処理へ進み、各々の処理の後に今回のルーチンを終了する。
【００２８】
図５と図６に、それぞれ前記回転数上昇時の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ルーチンを示す。回転数上昇時にはポンプ吐出側（下流側）に圧力上昇が起こるので、図５の処理によりただち下流側制御弁１９を開くと共に、図６の処理により所定時間遅らせて上流側制御弁１８を開く。
・図５  下流側制御弁１９の開度制御
Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。
Ｓ２：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定する。これは例えば図９に示したように回転変動量Ｈに応じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを検索することで設定する。回転変動量が大きいほど圧力変動が大きいと考えられるので、図９のように回転変動が大きいほど弁開度を大きく設定して、圧力吸収を適切に行うようにしている。
Ｓ３：前記Ｓ２で設定した開度となるように制御弁１９の開度を制御する。
・図６  上流側制御弁１８の開度制御
Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。
Ｓ２：ディレイ時間設定用のタイマ値Ｔをリセットする。
Ｓ３：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定する。これは例えば図１０に示したように回転変動量Ｈに応じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを検索することで設定する。回転変動量が大きいほど圧力変動が大きいと考えられるので、図１０のように回転変動が大きいほど弁開度を大きく設定して、圧力吸収を適切に行うようにしている。
Ｓ４：回転変動量Ｈに基づいてディレイ時間γを設定する。これは例えば図１１に示したように回転変動量Ｈに応じてディレイ時間γを与えるように予め設定されたテーブルを検索することで設定する。特性としては図１１のように回転変動が大であるほどディレイ時間が短くなるように設定されている。
Ｓ５〜Ｓ６：タイマ値Ｔの積算を、ディレイ時間γを超過するまで繰り返す。
Ｓ７：タイマ値Ｔがディレイ時間γを超えたらＳ３で設定した弁開度となるように制御弁１８の開度を制御する。
【００２９】
次に、図７と図８に、それぞれ前記回転数下降時の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ルーチンを示す。回転数下降時にはポンプ吐出側（下流側）に圧力低下が起こるので、図８の処理によりただちに上流側制御弁１８を開き、一方図８の処理により所定時間遅らせて下流側制御弁１９を開く。
・図７  下流側制御弁１９の開度制御
Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。
Ｓ２：ディレイ時間設定用のタイマ値Ｔをリセットする。
Ｓ３：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定する。これは例えば図１０に示したように回転変動量Ｈに応じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを検索することで設定する。
Ｓ４：回転変動量Ｈに基づいてディレイ時間γを設定する。これは例えば図１１に示したように回転変動量Ｈに応じてディレイ時間γを与えるように予め設定されたテーブルを検索することで設定する。
Ｓ５〜Ｓ６：タイマ値Ｔの積算を、ディレイ時間γを超過するまで繰り返す。
Ｓ７：タイマ値Ｔがディレイ時間γを超えたらＳ３で設定した弁開度となるように制御弁１９の開度を制御する。
・図８  上流側制御弁１８の開度制御
Ｓ１：回転変動量Ｈを読み込む。
Ｓ２：回転変動量Ｈに応じた制御弁開度データを設定する。これは例えば図９に示したように回転変動量Ｈに応じて弁開度を与えるように予め設定されたテーブルを検索することで設定する。
Ｓ３：前記Ｓ２で設定した開度となるように制御弁１９の開度を制御する。
【００３０】
この制御では既述したようにポンプ１６の回転変動で圧力変動を代表させているが、ポンプ１６の出口付近もしくは下流側制御弁１９の近傍に圧力センサ２３を設け、その検出値に基づいて制御を実行するようにすればより精度および制御性を高めることができる。このような圧力検出による制御ルーチンの例を図１２〜１５に示す。図１２と図１３は、それぞれ検出圧力上昇時の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ルーチン、図１４と図１５は、それぞれ検出圧力下降時の下流側制御弁１９、上流側制御弁１８の開度制御ルーチンである。制御ルーチンとしては、回転変動量Ｈに代えて単位時間における圧力偏差ΔＰを検出する点のみが異なるので各ステップの説明は省略する。
【００３１】
図１６〜図１８は前記制御ルーチンで使用するテーブルの特性を示したもので、図１６または図１７は圧力偏差ΔＰに応じて弁開度データを与えるテーブル、図１８は圧力偏差ΔＰに応じてディレイ時間データを与えるテーブルにそれぞれ相当する。
【００３２】
これまでに示した何れの実施形態においても、第１の制御ののち第２の制御を行うタイミングを所定時間経過後としているが、循環流路にそれぞれ上流側制御弁１８と下流側制御弁１９の近傍に圧力センサを設置し、第２の制御が行われる制御弁近傍の圧力変動検出値を前記タイミングとして指定して同様の制御を行った場合にも、制度の高い制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態のシステム構成図。
【図２】  本発明の第２の実施形態のシステム構成図。
【図３】  本発明の第３の実施形態のシステム構成図。
【図４】  制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。
【図５】  制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。
【図６】  制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。
【図７】  制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。
【図８】  制御動作に関する第１の実施形態の流れ図。
【図９】  循環ポンプの回転変動量と制御弁開度の関係を示す特性図。
【図１０】  循環ポンプの回転変動量と制御弁開度の関係を示す特性図。
【図１１】  循環ポンプの回転変動量とディレイ時間の関係を示す特性図。
【図１２】  制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。
【図１３】  制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。
【図１４】  制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。
【図１５】  制御動作に関する第２の実施形態の流れ図。
【図１６】  圧力偏差と制御弁開度の関係を示す特性図。
【図１７】  圧力偏差と制御弁開度の関係を示す特性図。
【図１８】  圧力偏差とディレイ時間の関係を示す特性図。
【符号の説明】
１    燃料電池
２    空気流量計
３    コンプレッサ
４    圧力センサ
５    気液分離器
６    水タンク
７    配管
８    圧力調整用制御弁
９    燃料貯蔵用タンク
１０    エゼクタポンプ
１１    圧力センサ
１２    気液分離器
１３    圧力調整用制御弁
１４    燃料循環路
１５    ラジエータ
１６    循環ポンプ
１７    排水用バルブ
１８    上流側制御弁
１９    下流側制御弁
【図１】
0003879423.tif 000002
【図２】
0003879423.tif 000003
【図３】
0003879423.tif 000004
【図４】
0003879423.tif 000005
【図５】
0003879423.tif 000006
【図６】
0003879423.tif 000007
【図７】
0003879423.tif 000008
【図８】
0003879423.tif 000009
【図９】
0003879423.tif 000010
【図１０】
0003879423.tif 000011
【図１１】
0003879423.tif 000012
【図１２】
0003879423.tif 000013
【図１３】
0003879423.tif 000014
【図１４】
0003879423.tif 000015
【図１５】
0003879423.tif 000016
【図１６】
0003879423.tif 000017
【図１７】
0003879423.tif 000018
【図１８】
0003879423.tif 000019