(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード排ガスの一部を再度燃料電池のアノード極へ循環させる循環装置と、前記循環装置によるアノード循環流量を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記制御装置は、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷に基づいてアノード循環流量の基本値を設定する基本値設定手段と、カソード極からの水回収の実施状態を判定する水回収判定手段と、前記アノード循環流量の基本値を補正する補正手段と、ガス流路のフラッディングを検出するフラッディング検出手段とを備え、
かつ前記制御装置は、燃料電池が低負荷運転される水回収実施時に前記基本値を高流量方向に補正すると共に、当該補正時にフラッディングが基準時間以上検出されなかったときに、アノード循環流量の基本値を減少方向に補正するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項1の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、燃料電池の運転温度を検出する温度検出装置を備え、前記運転温度が低いときほどアノード循環流量を高流量方向に補正する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記アノード循環流量補正後にフラッディング検出を行い、フラッディング発生を検出した時には前記基本値を高流量方向に補正する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
循環装置と並列にブースタ回路を備え、フラッディング検出時には前記ブースタ回路によりアノード循環流量を増大させるように制御装置を構成した燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記アノード循環流量の補正量を初めは低く設定し、フラッディングが検出される毎に所定の値ずつアノード循環流量を増大させ、常に循環流量を最小限とするように循環装置を制御する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池自動車など移動体への搭載に適した燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池システムにおいて燃料の消費を抑え、システムとしての効率を向上させるため、燃料電池から排出される未反応ガスを再度循環させる方式のものが種々提案されている。例えば、特開平6-231786号公報に開示されたものでは、未反応ガスの循環流量を単純に燃料電池の負荷のみに応じて変化させるのではなく、循環ガスの密度により補正し、循環用のブロアの過回転を防止するとともに常に安定した運転を行うようにしている。また、特開平7-240220号公報のものでは、燃料電池の負荷変動による循環部の圧力変動によって循環流量が変動しないように循環用圧縮機の入口に設置された圧力調整弁により圧縮機入口圧力調整を行い、安定した循環流量が得られるよう制御している。また、特開平9-213353号公報のものでは、未反応ガス循環用のポンプとしてエゼクタを用いた構成となっており、エゼクタを効率よく動作させるために循環部に流量調整弁を設置し、燃料電池の負荷に応じて循環流量を補正して、システムが効率よく動作するように制御している。このように、従来の燃料電池システムにおいてはアノード極排ガスを負荷に応じて循環させることでシステムとしての効率を高め、その制御方法を最適化することにより安定動作の実現を目指している。
【０００３】
ところで、例えば固体高分子型燃料電池の場合、低負荷時には水の侵入によるガス流路の詰まり（以下「フラッディング」という。）を避けるために、中・高い負荷のストイキよりも大きなストイキ(その負荷によって消費されるガス量に対する供給ガス量の割合)でガス供給する必要がある。従来のものでは、初期値として低負荷時の循環量や排出量は設定できるが、運転中にフラッディングが発生した際の循環部に対する補正は考慮されていない。仮にフラッディングが発生した場合に供給ガス流量を変えずに負荷のみ下げる、あるいは負荷を変えずにガス供給流量のみ増やす等により対応した場合には、相対的に増加する未反応ガスを外部へ排出しなければならなくなることから余分な燃料ガスが消費され、システムの燃費を悪化させるという問題が生じる。
【０００４】
また、固体高分子型燃料電池においては、その供給ガスが適度に加湿されている必要があり、さらに、燃料供給装置が炭化水素等の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを提供する改質器である場合には、その改質反応にも純水が必要となる。これらに用いる純水を燃料電池のカソード極排ガスから回収することでシステムとしての水利用の効率化を図れるが、低負荷時においては供給ガスも低圧力で運転される場合が多く、運転に必要な量の純水を確実に回収するためには所定の時間供給ガスの圧力を上げてやる水回収運転を行う必要があり、それに応じて循環量も変えないとフラッディングが発生しやすくなり、あるいはアノードとカソードとの間に圧力差が生じて効率が低下するという問題が生じる。
【０００５】
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けるフラッディングの発生を防止すると共に、フラッディング防止対策として低負荷時に燃料ストイキを増加させることによる燃費悪化を抑制することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、アノード排ガスの一部を再度燃料電池のアノード極へ循環させる循環装置と、前記循環装置によるアノード循環流量を制御する制御装置とを備えた燃料電池システムを構成する。さらに、前記制御装置を、燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、前記負荷に基づいてアノード循環流量の基本値を設定する基本値設定手段と、カソード極からの水回収の実施状態を判定する水回収判定手段と、前記アノード循環流量の基本値を補正する補正手段と、ガス流路のフラッディングを検出するフラッディング検出手段とを備えたものとし、かつ前記制御装置は、燃料電池が低負荷運転される水回収実施時に前記基本値を高流量方向に補正すると共に、当該補正時にフラッディングが基準時間以上検出されなかったときに、アノード循環流量の基本値を減少方向に補正するように構成する。
【０００７】
第２の発明は、前記第１の発明の制御装置を、燃料電池の運転温度を検出する温度検出装置を備え、前記運転温度が低いときほどアノード循環流量を高流量方向に補正するように構成する。
【０００８】
第３の発明は、前記いずれかの発明の制御装置を、前記アノード循環流量補正後にフラッディング検出を行い、フラッディング発生を検出した時には前記基本値を高流量方向に補正するように構成する。
【００１２】
第４の発明は、前記いずれかの発明において、循環装置と並列にブースタ回路を備え、フラッディング検出時には前記ブースタ回路によりアノード循環流量を増大させるように制御装置を構成した。
【００１３】
第５の発明は、前記いずれかの発明の制御装置を、前記アノード循環流量の補正量を初めは低く設定し、フラッディングが検出される毎に所定の値ずつアノード循環流量を増大させ、常に循環流量を最小限とするように循環装置を制御するように構成する。
【００１４】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明によれば、燃料電池の低負荷運転時に水回収運転状態が検出されるとアノード循環流量が高流量方向に補正され、燃料電池に供給される燃料ガスのストイキが上昇する。このため、水回収運転に伴い供給ガスの圧力が上がったとしてもフラッディングの発生を未然に抑制することができ、これにより燃料電池システムの動作が安定するとともに、アノード、カソード極の圧力バランスを常に均等に保つことができる。また、このようにしてアノード循環流量を高流量方向に補正した状態下で一定時間フラッディングが発生していないときには基本値の減少によりアノード循環流量が減じられるのでそれだけ循環装置の負担が軽減され、システムの効率が向上する。
【００１５】
第２の発明によれば、燃料電池の運転温度が低いときにはアノード循環流量を増加補正するので、低温で発生しやすい加湿蒸気の燃料電池内部での結露によるフラッディングを発生前に抑制することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、フラッディングが発生したとしても、アノード循環流量の増加補正だけでフラッディングが解消されるので、無駄に燃料を消費することなく運転を継続できる。
【００１９】
第４の発明によれば、ブースタにより急速に循環流量を増量できるので、フラッディングが発生したとしてもこれをより短時間で解消することができる。
【００２０】
第５の発明によれば、アノード循環流量が常に下限値を目標に必要最小限となるように制御されるので、システムの消費電力を抑えて効率をより高めることができる。
【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は本発明による燃料電池システムの要部を示したものである。１００は燃料電池（燃料電池スタック）、１０１は水素リッチな燃料ガスを燃料流路１０２を介して燃料電池１００のアノード極側に供給する燃料供給装置、１０３は燃料電池１００のアノード排ガス流路１０４からのアノード排ガスの一部を前記燃料流路１０２に循環させる循環流路、１０５は前記アノード排ガスの排出流量を制御する制御弁、１０６は循環流路１０３のアノード排ガスを燃料流路１０２に圧送する圧縮機である。図示しないが、燃料電池システムとしてはこれらの他に、燃料電池１００に空気を供給する空気供給装置、燃料電池１００を冷却するための冷却装置、燃料電池１００の負荷や燃料電池１００に供給される各流体の温度、圧力、流量を検知する検出装置、前記検出結果に基づいて制御弁１０５や圧縮機１０６を制御する制御装置などが備えられる。
【００２２】
また、図中の記号αは燃料供給装置１０１から供給される水素ガスのストイキ、βは循環流量を含めた燃料電池１００に実際に入る水素ストイキを意味している。よって循環流量はβ−α、循環以外に外部への排出される量はα−1である。
【００２３】
この燃料電池システムの制御装置では、図２に示したように負荷に対するストイキの特性が満足されるように予め図３に示したように設定されたテーブルから循環ガス圧力値（基本値）を求め、この圧力値が達成されるように圧縮機１０６を駆動する。図４または図５に、アノード排ガスをすべて循環させた場合の前記各部流量（α，β，β−α）の関係の一例を示す。ただし図６は１００％負荷での流量を１とした場合の前記各部流量の関係を表している。
【００２４】
ただし、低負荷で水回収が開始されると、水回収時には供給ガスの圧力が高められるため、同じ質量流量を供給する場合には燃料電池内での流速が落ちることとなるのでフラッディングが発生しやすくなる。そこで、例えば水回収に係る制御系からの情報に基づいて水回収の開始を判定し、水回収時には循環流量を増量方向に補正する。これは、例えば図６に例示した特性で水素ストイキを増加させる補正にあたる。このとき、最初に循環部の圧縮機１０６によって循環流量β一αのみ増加させればよい。前記β−αの上限は循環流路１０３の容量と圧縮機１０６の能力により決まるので、それ以上のストイキにしたい場合には供給量αを増やす。また、燃料電池１００から出てくる冷却媒体の温度が低い場合にも、圧力を上げた場合と同様に循環流量β−αを増加させる。これにより、供給ガスαに含まれる水蒸気が、水蒸気温度より低い燃料電池の流路内で結露することによるフラッディングの発生が抑制される。
【００２５】
一方、制御装置は、図示しないフラッディング検出手段によりフラッディングを検出すると、圧縮機１０６によって、実際のストイキβが例えば１０％増加するように循環流量β一αを増加させる。そして初期設定でストイキを増加させる必要のある低負荷域で運転されている場合に、全くフラッディングが検知されない場合、つまり安定して運転されている場合、所定時間経過する毎に、循環流量β一αを下限値（最小でゼロ）まで所定量ずつ減少させる。
【００２６】
なお、前記フラッディング検出手段としては、例えば燃料電池１００の各セル電圧を検出し、そのときの運転状態における平均セル電圧の８０％以下となるセル電圧が存在した場合、フラッディング発生と判断し、循環流量β一αを増加させる。あるいは、フラッディング検出手段として、例えば燃料電池１００の排出ガスの圧力を検出し、図7に示すように、前記排出ガスの圧力変動が所定の振幅以上または所定の周波数、例えば0.1〜数Hzであるときにフラッディング発生と判定する。
【００２７】
図８は前記制御装置による処理内容例を時系列的に示したフローチャートである。この処理は、マイクロコンピュータ及びその周辺装置等からなる制御装置により、常時または割り込み処理により周期的に実行される。以下、順を追って説明する。
Ｓ２０１：
燃料電池の負荷を検出する。
Ｓ２０２：
負荷に応じて循環流量の基本値（初期値）を求める。これは、例えば既述した通り図２または図３に示したような特性に予め設定されたテーブルを参照して基準圧力を検索することで求められる。
Ｓ２０３：
水回収の有無を判定する。水回収の制御が行われていないときにはＳ２１６の処理に移る。
Ｓ２０４：
水回収時には前記基準圧力を増量方向に所定量だけ補正する。この補正処理は、前記Ｓ２０２で設定した値を操作して補正するほか、図６に示したように水回収時の制御値を負荷に応じて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実施するようにしてもよい。
Ｓ２０５：
フラッディングの発生を検出する。これは既述したように燃料電池スタックのセル電圧の変動や排出ガスの圧力変動状態から検出する。
Ｓ２０６：
前記検出結果に基づきフラッディングの有無を判定し、フラッディング発生時はＳ２０７に、非発生時はＳ２０８以降の処理に移る。
Ｓ２０７：
フラッディングが発生しているときには、前記Ｓ２０２またはＳ２０４で設定した循環流量を増量方向に例えば１０％補正する。
Ｓ２０８：
流量補正後、基準時間が経過しているときはＳ２０９に、経過していないときにはＳ２１３以降の処理に移る。
Ｓ２０９〜Ｓ２１１：
基準時間が経過しているときには、前記Ｓ２０４で設定した循環流量を、前記基本値を下限として減少方向に補正する。
Ｓ２１２：
前記Ｓ２０７またはＳ２０９以降の処理で設定した循環流量が達成されるように圧縮機１０６に制御指令を発する。
Ｓ２１３：
燃料電池の負荷を検出する。
Ｓ２１４：
前記負荷に応じて循環流量の基本値を求める。
Ｓ２１５：
水回収運転が継続しているか判定を行い、水回収の制御が行われている場合には前記Ｓ２０５の処理に戻り、水回収の制御が終了している場合にはＳ２１６の処理に移る
Ｓ２１６：
前記Ｓ２０２もしくはＳ２１４で求めた基本値により循環流量が達成されるように圧縮機１０６に制御指令を発する。
【００２８】
以上の処理の繰り返しにより、この燃料電池システムはフラッディングを起こさずに安定動作するぎりぎりのストイキで運転されることになり、圧縮機１０６等の駆動電力は必要最小限に抑制される。燃料供給装置が改質器である場合にも、改質器用の燃焼器へ供給する未反応の排気ガスも必要最低限にできるため、燃料消費が最小限に抑えられる。
【００２９】
図９は本発明の第２の実施形態である。これは循環流路１０３と並列に、第２の圧縮機１０７と常閉の遮断弁１０８とを介装したブースタ回路１０９を形成し、フラッディング発生を検出したときには遮断弁１０８を開くと共に圧縮機１０７を駆動してアノード排ガスの循環流量を急速に増加させるようにしたものである。ブースタ回路１０９を設けたことにより、フラッディング発生をより速やかに解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態の要部概略構成図。
【図２】負荷と供給ガスのストイキ基本値との関係を示す特性線図。
【図３】負荷とガス圧力の基本値との関係を示す特性線図。
【図４】負荷に応じた各部流量の関係を示す第１の流量特性線図。
【図５】負荷に応じた各部流量の関係を示す第２の流量特性線図。
【図６】水回収運転時の負荷と目標ストイキ値の関係を示す特性線図。
【図７】フラッディング発生時の排出ガス圧力の変動状態の一例を表した説明図。
【図８】前記実施形態における制御装置の動作例を表す流れ図。
【図９】本発明による燃料電池システムの第２の実施形態の要部概略構成図。
【符号の説明】
１００    燃料電池
１０１    燃料供給装置
１０２    燃料流路
１０３    循環流路
１０４    排ガス流路
１０５    制御弁
１０６    圧縮機
１０７    圧縮機
１０８    遮断弁
１０９    ブースタ回路
【図１】
0003840908.tif 000002
【図２】
0003840908.tif 000003
【図３】
0003840908.tif 000004
【図４】
0003840908.tif 000005
【図５】
0003840908.tif 000006
【図６】
0003840908.tif 000007
【図７】
0003840908.tif 000008
【図８】
0003840908.tif 000009
【図９】
0003840908.tif 000010