JP4254213B2

JP4254213B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4254213B2
Application number: JP2002344380A
Authority: JP
Inventors: 哲也上原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: WO2004049489A3; WO2004049489A2; US7985507B2; CN1781205A; JP2004179000A; US20060051632A1; EP1642351A2; CN1781205B; KR20050010955A; EP1642351B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される水素を再循環させて使用する燃料電池において、水素ガス循環系から窒素を効率よく排出する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、水素を燃料として用いる固体高分子型燃料電池では、燃料電池スタックから排出された余剰水素を燃料電池スタックの入口側に供給することにより、燃料電池スタックで消費するよりも多い水素を燃料電池スタックに供給し、安定した発電が可能となる。この種の従来技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載された従来技術では、エゼクタの副流導入官には燃料電池の燃料排出口から排出された排出燃料が逆止弁を介して導入され、燃料電池から排出された排出燃料はエゼクタを介して循環させられている。すなわち、エゼクタを用いて燃料電池から排出された余剰水素を、燃料電池の入口側に循環させることにより、余剰水素を捨てることなく消費するより多い水素を燃料電池に供給し、高効率な燃料電池システムを構築している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２６６９２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような、水素を循環させる燃料電池システムにおいて、酸化剤として空気を用いる場合には、燃料電池スタックの膜を通して、空気中の窒素がカソードからアノードに拡散する。このため、水素中の窒素濃度が増加する。
【０００６】
水素中の窒素濃度が増加すると、水素分圧の低下を引き起こし、発電効率を悪化させる。さらに、水素を循環させるイジェクタの循環量が低下し、安定した発電が維持できなくなるという問題があった。
【０００７】
このような問題に対処するためには、水素循環路中から循環水素を大気に放出するパージ弁を設け、このパージ弁を定期的に開放して水素系内の窒素を排出することが考えられる。しかし、パージ弁を開放すると、窒素と同時に水素も排出されるため、必要以上にパージ弁を開放し続けると、燃料電池システムの効率が悪化する。
【０００８】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水素系内に拡散した窒素を排出するとともに、同時に排出される水素量を最小限に抑制し、燃料電池システムの運転効率を改善することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、電解質膜をはさんで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガス、燃料の水素ガスを供給するガス供給手段と、前記燃料電池から排出される水素ガスを、前記燃料電池の入口に戻す再循環手段と、前記燃料電池から排出される水素ガスの排出路と、前記燃料電池に供給される水素ガスの供給路とを連結する再循環路から、窒素を含む水素ガスを排出するパージ弁と、前記パージ弁の開放時に、前記パージ弁を通過するガスの通過流量を検出する検出手段とを有し、前記パージ弁の開放時に、前記検出手段により検出された前記パージ弁の単位時間あたりの通過流量が、外部に排出されるべき水素ガスの量を考慮して決定された所定値を超えた場合には、前記パージ弁を閉じることを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、パージ弁の開放時に、パージ弁を通過するガスの通過流量が所定値を超えた場合には、パージ弁を閉じるようにしたので、水素ガス供給系から水素ガスに含まれる窒素を充分に放出し、かつ排出される水素量を抑制することができる。これにより、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態の燃料電池システムは、水素を燃料として発電する燃料電池スタック１、燃料の水素を貯蔵する水素タンク２、水素を循環させるイジェクタ６、燃料電池スタック１から排出された水素に含まれる窒素を水素ととも大気中に放出するパージ弁８を備えて構成されている。
【００１３】
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、複数これを積層して構成される。燃料としては、水素、酸化剤としては空気を用いる。水素タンク２に貯蔵される水素ガスは、絞り量を可変できる水素調圧弁３を介して燃料電池スタック１に供給される。水素調圧弁３は、通常運転時は、圧力センサ４で検知した燃料電池スタック１への水素供給圧が適正になるように、図示しないコントローラで制御される。
【００１４】
水素調圧弁３と燃料電池スタック１の間の水素配管５には、イジェクタ６が設けられている。燃料電池スタック１から排出される余剰水素は、水素戻り配管７からイジェクタ６の吸入口に戻され、イジェクタ６で水素を循環させる。これにより、燃料電池スタック１の安定した発電を維持するとともに、反応効率を上げている。パージ弁８は、通常運転時は閉じられており、水素系内の空気極から拡散してきた窒素の濃度が上昇した場合に、窒素を外部に排出するための弁である。
【００１５】
イジェクタ６の上流には、イジェクタ６の上流の水素の圧力を検出する圧力センサ２０と、水素の温度を検出する温度センサ２２が設けられている。また、パージ弁８の入口部近傍の水素温度を検知するために、パージ弁８の入口部近傍には、温度センサ２１が設けられている。この温度センサ２１は、後述するパージ終了を判定する流量しきい値を、水素温度によって定めるために使用される。
【００１６】
なお、コンプレッサ９から供給路１０を通して燃料電池スタック１に供給された空気は、空気調圧弁として作動させる可変絞り弁１１を介して排出される。
【００１７】
また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水通路１２には、放熱のためラジエータ１３が設けられ、冷却水が冷却水ポンプ１４で循環される。
【００１８】
次に、この第１の実施形態の制御動作を図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００１９】
図２において、ステップＳ１では、現在パージ弁８が開いているかどうかを確認し、開いている場合はステップＳ２に進む。ステップＳ２では、パージ弁８の通過流量が所定値以上であるか否かを判定する。判定結果において、通過量が所定値以上であればステップＳ３へ進む。一方、通過量が所定値より少なければ、そのままパージ弁８を開け続ける。ステップＳ３では、パージ弁８を閉じる。
【００２０】
一方、ステップＳ１でパージ弁８が閉じていた場合には、ステップＳ４でパージ弁８を開く時期か否かを判断し、開く時期に達していれば、ステップＳ５でパージ弁８を開く。なお、本発明は、パージ弁８を閉じる時期の判定方法に関するものであり、パージ弁８を開く時期の判断方法に関しては、例えば燃料電池スタック１のセル電圧の低下から判断するなどの他、様々な方法を採用することが可能である。
【００２１】
図３に、上記第１の実施形態における、水素温度、圧力が一定の場合に、水素系内の窒素濃度とイジェクタ６の循環水素流量との関係を示す。図３において、窒素濃度が上がると、水素により大きな分子量の窒素が混合し、かつ水素分圧が下がる。これにより、イジェクタ６の循環水素流量が低下する。そこで、パージ弁８を開放してパージを行い、水素系内の窒素濃度を下げる必要がある。
【００２２】
図４に、上記第１の実施形態における、水素温度、圧力が一定の場合に、水素系内の窒素濃度と単位時間あたりのパージ流量の関係を示す。図４に示す関係から分かるように、窒素濃度の減少に伴い、パージ流量は増加するので、パージ流量が所定値より増えた状態で、十分窒素濃度が低下したと判断できる。
【００２３】
したがって、図２のフローチャートを参照して説明したように、パージ弁８の通過流量が所定値以上であればパージ弁８を閉じることで、適切な時期にパージ弁８を閉じることができる。これにより、水素系系内の窒素濃度を低下させ、かつ無駄に水素を放出することを抑制できる。
【００２４】
図５に、等窒素濃度、圧力における、燃料電池スタック１の出口水素温度に対するパージ流量を示す。燃料電池スタック１の出口、すなわちパージ弁８の入口は、固体高分子型燃料電池の燃料電池スタック１の場合には、水蒸気が飽和した、あるいは飽和に近い状態となっている。このため、温度センサ２１で検出されたパージ弁８の入口近傍の温度が上がると、飽和水蒸気圧が上昇し、燃料電池スタック１の出口近傍の水素ガスの平均分子量が増加し、かつ水素分圧が下がる。これにより、図５に示すように、パージ水素流量が減少する。
【００２５】
したがって、水素温度が高いほど、パージ弁８を閉じるときのパージ流量のしきい値（図２におけるステップＳ２の所定値）を低く設定する。これにより、水素温度にかかわらず水素系内の窒素濃度が同等でパージ弁８を閉じることができる。
【００２６】
図６に、等窒素濃度、温度における、燃料電池スタック１の入口水素圧力に対するパージ流量を示す。図６において、水素圧力が低いほど、等窒素濃度でのパージ流量は減少する。したがって、水素圧力が低いほど、パージ弁８を閉じるときのパージ流量のしきい値（図２におけるステップＳ２の所定値）を低く設定する。これにより、水素圧力にかかわらず水素系内の窒素濃度が同等でパージ弁８を閉じることができる。
【００２７】
次に、パージ流量の検出方法の一例を説明する。
【００２８】
上記燃料電池システムに供給される水素流量と、パージ以外で消費される水素流量を求め、その差からパージ水素流量を求める。
【００２９】
まず、燃料電池システムに供給される水素流量の求め方について説明する。
【００３０】
一般に、水素調圧弁３を通過する水素流量は、チョーク状態にある場合は、水素の上流圧と温度から算出し、非チョーク状態にある場合は、上流圧ならびに下流圧と上流温度から算出することができる。この第１の実施形態では、イジェクタ６のノズルが水素流量を決定する絞りとなるため、圧力センサ２０と圧力センサ４で検出できるイジェクタ６の上下流圧を用いて、供給水素流量を算出できる。
【００３１】
一方、供給水素温度の変化が大きい場合には、温度センサ２２で検出された水素の温度値を用いて、供給水素流量を補正することにより、より高精度で供給水素流量を算出することができる。
【００３２】
次に、パージ以外の消費水素流量の求め方について説明する。
【００３３】
燃料電池スタック１での消費水素量は、燃料電池スタック１の出力電流に比例する。従って、図示しない電流計を設け、この電流計で燃料電池スタック１の出力電流を検出することにより、パージ以外の消費水素流量が算出できる。
【００３４】
以上説明したように、上記第１の実施形態によれば、窒素排出不足により発電が不安定になることを防止しつつ、過剰なパージで窒素とともに無駄に水素を排出することを抑制できる。これにより、安定した運転が可能であるとともに、効率の高い燃料電池システムが可能となる。また、パージ弁８を通過するガスの温度を検出する温度センサ２１を設け、パージ弁８の開閉制御を行うしきい値の所定値を、ガス温度が高いほど少なく設定するようにしている。これにより、ガス温度にかかわらず排出水素量を適正に抑制し、より効率の高い燃料電池システムが可能となる。
【００３５】
また、水素供給通路内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４を設け、上記所定値をガス圧力が低いほど少なく設定するようにしている。これにより、ガス圧力にかかわらず排出水素量を適切に抑制でき、より効率の高い燃料電池システムが可能となる。また、燃料電池システムへの水素ガス供給量とパージ弁８から排出される以外の水素の消費量との差から、パージ弁８を通過する通過流量を求めるようにしている。これにより、通常は使い道の無いパージ弁８の通過流量を直接的に測定するセンサを用いることなく、通常制御時においても用いられる圧力センサ４，２０ならびに温度センサ２２を用いて、パージ弁８の通過流量を正確に求めることができ、コストアップを抑制できる。
【００３６】
また、イジェクタ６に供給される水素ガスの供給圧、または供給圧とイジェクタ６の吐出圧とから、燃料電池システムへの供給水素ガス流量を算出している。これにより、水素ガスの流量を検出する流量センサを有しないシステムにも適用でき、コストアップを抑制できる。また、イジェクタ６の水素ガス供給圧、または供給圧ならびに吐出圧と、イジェクタ６の上流水素ガス温度とに基づいて、燃料電池システムへの供給水素ガス流量を算出するようにしている。これにより、水素ガスの流量を検出する流量センサを用いることなく、正確に水素ガス流量を求めることができる。
【００３７】
また、電流計で検出された燃料電池スタック１の出力電流に基づいて、水素ガス消費量を算出するようにしている。これにより、通常制御に用いる電流計を用いて水素ガス消費量を正確に算出することができ、コストアップを抑制できる。
【００３８】
図７は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す第２の実施形態の燃料電池システムの特徴とするところは、図１に示す第１の実施形態に比べて、水素調圧弁３の上流に水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２４を設け、この圧力センサ２４ならびに圧力センサ２０で検出された水素調圧弁３の上下流圧に基づいて、水素の供給流量を算出するようにしたことにある。なお、図７において、図１と同符号のものは同一機能を有するものである。
【００３９】
図７において、水素調圧弁３の開度が、例えば水素調圧弁３の開閉を制御するコントローラ（図示せず）において検出されると、イジェクタ６の上下流圧から流量を求める場合と全く同様に、水素流量を求めることができる。すなわち、水素調圧弁３の開度ならびに水素調圧弁３の上下流圧に基づいて、供給水素流量を算出できる。
【００４０】
水素調圧弁３がチョーク状態にある場合（開度が小さい場合）には、上流圧のみ、一方非チョーク状態にある場合には、上下流圧から流量を算出する。また、この第２の実施形態では、水素温度は、燃料電池スタック１の冷却水通路１２に設けられた温度センサ２３で検出した冷却水温度を用いた。燃料電池スタック１内では、水素と冷却水は熱交換を行うため、冷却水温度で水素温度を推測することが可能である。また、水素ガス温度よりも水温の方が応答良く検出できるため、例えば負荷変動が早く温度の変化速度が速い場合には、直接水素温度を測定するよりも精度が向上する。
【００４１】
なお、先の第１の実施形態と同様に、水素調圧弁３に供給される水素の温度が変化する場合には、水素調圧弁３の上流の水素温度を検出する温度センサ（図示せず）を設け、この温度センサで検出された水素温度に基づいて、供給水素流量を補正することにより、より高精度で供給水素流量を算出することができる。
【００４２】
以上説明したように、この第２の実施形態によれば、燃料電池システムに水素ガスを供給する供給通路の水素調圧弁３の開度と、水素調圧弁３の上流圧、または上下流圧とに基づいて、燃料電池システムへの供給水素ガス流量を算出するようにしている。これにより、水素ガスの流量を検出する流量センサを有しないシステムであっても、排出水素量を抑制し効率の高い燃料電池システムが可能となる。また、水素流量の算出に、水素ガスの温度も加味することで、より正確に供給水素流量を算出できる。
【００４３】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
【００４４】
この第３の実施形態の特徴とするところは、燃料電池スタック１で消費される消費水素流量の算出に改良を加えたことにあり、他は先の第１又は第２の実施形態と同様である。
【００４５】
例えば、車両用の燃料電池システム等において、負荷変動の速度が速く、かつ負荷によって燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を変えるような場合がある。例えば水素の圧力を上げる場合には、燃料電池スタック１おける発電で消費されるよりも多量の水素を供給し、逆に水素の圧力を下げる場合には、少量の水素を供給することになる。したがって、燃料電池スタック１の発電による消費量だけしか考慮しない場合には、水素圧力が変化する過渡期間のパージ流量を正確に算出できなくなる。
【００４６】
ここで、水素系の圧力を上げる、または下げるために、水素系に供給される水素量は、圧力の変化量に対して比例する。すなわち、供給水素量は、
燃料電池スタック１の発電消費量＋定数×圧力変化量
で表される。ここで、上記定数は、燃料電池システムの水素系容積によって決まる。したがって、図１又は図７に示す圧力センサ４で検出された水素の圧力の変化率を求める手段を設け、この手段により求められた水素圧力の変化率に基づいて、水素供給量を算出する。これにより、水素圧力が変化する過渡期間も含めて水素供給量が算出可能となる。
【００４７】
以上説明したように、上記第３の実施形態によれば、水素圧力が変化するような場合でも、正確に水素供給量を算出することが可能となる。これにより、より高精度にパージ流量が算出でき、パージ弁８を閉じる時の水素系内の窒素濃度を、より高精度に制御することが可能となる。
【００４８】
なお、上記第１〜第３のすべての実施形態においては、水素を循環させるためにイジェクタ６を用いた場合について説明したが、例えばポンプやブロアを用いて循環させる場合でも、同様に本発明を適用することができる。
【００４９】
ポンプやブロアを用いた場合でも、イジェクタ６を用いた場合と同様に、窒素濃度が上昇すると水素分圧が低下するため、燃料電池スタック１への水素供給量が不足するようになる。したがって、ポンプやブロアを用いた場合においても、上記第２の実施形態と同様に、水素調圧弁３の開度と上下流圧とに基づいて水素供給量を算出し、全く同様にパージ弁８を閉じる最適時期を求めることができる。
【００５０】
また、パージ弁８を閉じる水素流量のしきい値を求めるために検出される水素圧力の検出位置は、燃料電池スタック１の入口として説明してきたが、燃料電池スタック１の出口側でも構わないことはいうまでもない。なお、燃料電池スタック１の水素圧損が大きい場合には、出口側の圧力を用いた方が精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る制御動作を示すフローチャートである。
【図３】水素温度、圧力が一定時における、水素系内の窒素濃度とイジェクタの循環水素流量との関係を示す図である。
【図４】水素温度、圧力が一定時における、水素系内の窒素濃度と単位時間あたりのパージ流量の関係を示す図である。
【図５】等窒素濃度、圧力における、燃料電池スタック１の出口水素温度とパージ流量との関係を示す図である。
【図６】等窒素濃度、温度における、燃料電池スタック１の入口水素圧力にとパージ流量との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…水素タンク
３…水素調圧弁
４，２０，２４…圧力センサ
５…水素配管
６…イジェクタ
７…水素戻り配管
８…パージ弁
９…コンプレッサ
１０…供給路
１１…可変絞り弁
１２…冷却水通路
１３…ラジエータ
１４…冷却水ポンプ
２１，２２，２３…温度センサ

Claims

電解質膜をはさんで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガス、燃料の水素ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池から排出される水素ガスを、前記燃料電池の入口に戻す再循環手段と、
前記燃料電池から排出される水素ガスの排出路と、前記燃料電池に供給される水素ガスの供給路とを連結する再循環路から、窒素を含む水素ガスを排出するパージ弁と、
前記パージ弁の開放時に、前記パージ弁を通過するガスの通過流量を検出する検出手段とを有し、
前記パージ弁の開放時に、前記検出手段により検出された前記パージ弁の単位時間あたりの通過流量が、外部に排出されるべき水素ガスの量を考慮して決定された所定値を超えた場合には、前記パージ弁を閉じる
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記パージ弁を通過するガスの温度を検出する温度検出手段を有し、
前記温度検出手段により検出されたガスの温度が高くなるほど、前記パージ弁を閉じる際の前記通過流量の所定値を小さく設定する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記水素ガスの供給路内における水素ガスの圧力を検出する圧力検出手段を有し、
前記圧力検出手段により検出された水素ガスの圧力が低くなるほど、前記パージ弁を閉じる際の前記通過流量の所定値を小さく設定する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に供給される水素ガスの供給量を検出する供給量検出手段と、
前記燃料電池で消費される水素ガスのうち、前記パージ弁から排出される水素ガス以外の水素ガスの消費量を検出する消費量検出手段とを有し、
前記供給量検出手段により検出された水素ガスの供給量と、前記消費量検出手段により検出された消費量との差に基づいて、前記パージ弁を通過するガスの通過流量を求める
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記再循環手段は、イジェクタで構成され、
前記供給量検出手段は、前記イジェクタに供給される水素ガスの供給圧力、あるいは前記供給圧力と前記イジェクタから吐出される水素ガスの吐出圧力とを検出する圧力検出手段を有し、前記供給圧力、もしくは前記供給圧力と前記吐出圧力とに基づいて、供給量を算出する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記イジェクタの上流の水素ガスの温度を検出する温度検出手段を有し、
前記供給量算出手段は、前記供給圧力、もしくは前記供給圧力ならびに前記吐出圧力と、前記温度検出手段により検出された水素ガスの温度に基づいて、供給量を算出する
ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に供給される水素ガスの圧力を調圧する水素調圧弁を有し、
前記供給量検出手段は、
前記水素調圧弁の開度を検出する開度検出手段と、
前記水素調圧弁の上流の水素ガスの圧力、もしくは上流と下流の水素ガスの圧力を検出する圧力検出手段とを有し、
前記開度検出手段により検出された前記水素調圧弁の開度、ならびに前記圧力検出手段により検出された前記水素調圧弁の上流における水素ガスの圧力又は前記水素調圧弁の上流と下流における水素ガスの圧力に基づいて、供給量を算出する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記水素調圧弁の上流における水素ガスの温度を検出する温度検出手段を有し、
前記供給量算出手段は、前記開度検出手段により検出された前記水素調圧弁の開度、前記圧力検出手段により検出された前記水素調圧弁の上流における水素ガスの圧力又は前記水素調圧弁の上流と下流における水素ガスの圧力、ならびに前記温度検出手段により検出された水素ガスの温度に基づいて、供給量を算出することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
前記消費量検出手段は、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段を有し、
前記電流検出手段により検出された出力電流に基づいて、水素ガスの消費量を算出する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記消費量検出手段は、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の入口または出口の水素ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段により検出された圧力の圧力変化率を検出する圧力変化率検出手段とを有し、
前記電流検出手段により検出された出力電流と、前記圧力変化率検出手段により検出された圧力変化率とに基づいて、水素ガスの消費量を算出する
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。