説明

燃料電池の燃料供給装置

【課題】燃料ガス温度に変化が生じた場合の、燃料電池に供給される燃料ガスの過不足を低減する。
【解決手段】燃料タンク1と、燃料タンク1から燃料電池2に燃料ガスを供給する供給流路3と、供給流路3を流れる燃料ガスの温度を検出する温度センサ9と、供給流路3に設けた圧力調整弁4と、燃料電池2から排出されるオフガスを供給流路3に戻すオフガス循環流路5と、供給流路3とオフガス循環流路5との合流部に設けられたエゼクタ装置6と、燃料電池2に対する発電要求量に基づいて、圧力調整弁4の開度とエゼクタ装置6のノズル開度を制御することで燃料ガスとオフガスの供給量を制御する制御装置7と、を備える燃料電池の燃料供給装置において、制御装置7が、燃料ガスの温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて燃料電池2に供給される燃料ガスが少なくなるようにエゼクタ装置6のノズル開度を制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アノードオフガスを燃料電池に供給するための循環流路を有する燃料電池に関し、特にアノードオフガス循環量を可変制御し得る燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池のアノード極から排出されるアノードオフガスを、水素供給流路に再度循環させるアノードオフガス循環流路を備える燃料電池装置が知られている。そして、特許文献1には、アノード極に供給する燃料ガスとしての圧縮水素によって駆動され、アノードオフガスを燃料電池入口の供給水素流路に循環させるエゼクタ装置を備える構成が開示されている。この構成では、エゼクタ装置に供給される水素圧力とノズル開度とを制御することで、アノードオフガスの循環流量を可変に制御することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2005−129312号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
一般に、燃料電池においては圧縮水素タンクから減圧装置を介してアノード極に水素が供給される。そして、水素の温度は、圧縮水素タンクへの充填直後は圧縮によって高温となり、運転停止時には保管温度に依存する。また、連続運転により圧縮水素タンク内の水素量が少なくなると、タンク内の圧力が低下するので、水素は膨張して温度が低下する。
【0005】
このように、供給水素に温度変化が生じた場合、水素の物性として音速に変化が生じる。このため、ノズル噴流を音速領域で使用するエゼクタでは、温度の変化に応じて燃料電池に供給する供給水素量が変化し、それに伴い循環流量も変化する。このような循環流量の変化によって、要求される発電量に対して燃料電池への水素供給量が多くなると、燃料電池の燃費の低下を招くおそれがある。一方、要求される発電量に対して燃料電池への水素供給量が少なくなると、燃料電池の性能低下を招くおそれがある。
【0006】
そこで、本発明では、燃料ガス温度に変化が生じても、燃料電池に供給される燃料ガスの過不足を低減することができる燃料電池用の燃料供給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】
【0007】
本発明の燃料電池の燃料供給装置は、圧縮された高圧の燃料ガスを蓄える燃料タンクから燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給流路と、供給流路を流れる燃料ガスの温度を検出する温度センサと、供給流路を流れる燃料ガスの圧力を制御する圧力調整弁と、を備える。そして、燃料電池から排出される燃料電池で消費されなかった燃料ガスを含むオフガスを供給流路に戻すオフガス循環流路を備える。供給流路とオフガス循環流路との合流部には、燃料ガスがノズル部分を通過する際の噴流吸引効果でオフガス循環流路からオフガスを吸引して供給流路に合流させるエゼクタ装置を備える。さらに、燃料電池に対する発電要求量に基づいて、圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することで燃料ガスとオフガスの供給量を制御する制御装置を備える。この制御装置は、燃料ガスの温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて燃料電池に供給される燃料ガスが少なくなるようにエゼクタ装置のノズル開度を制御する。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、燃料ガスの温度が上昇して、エゼクタ装置のノズルを通過する燃料ガスの体積流量が増大した場合には、燃料ガスが少なくなるようにノズル開度が制御されるので、水素の過剰供給を防止できる。
【0009】
また、ノズルを通過する燃料ガスの体積流量が増大すると、エゼクタ装置を介するオフガスの循環量も増大するが、燃料ガスが少なくなるようにノズル開度が制御することにより、オフガスの循環量の増加も抑制できる。
【0010】
したがって、燃料ガスの温度が変化した場合にも、燃料電池への燃料ガス供給量及びオフガスの循環量の変化を抑制して、燃料電池に供給される燃料ガスの過不足を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第1実施形態を適用する燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】供給水素温度と供給水素流量及び循環流量との関係を示す図である。
【図3】エゼクタポンプ開度と供給水素流量及び循環流量との関係を示す図である。
【図4】エゼクタポンプ開度と供給水素圧力及び循環流量との関係を示す図である。
【図5】コントロールユニットが実行する制御ルーチンを説明するためのフローチャートである(第1実施形態)。
【図6】第2実施形態を適用する燃料電池システムの概略構成図である。
【図7】コントロールユニットが実行する制御ルーチンを説明するためのフローチャートである(第2実施形態)。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0013】
図1は第1実施形態の燃料電池システムの概略図である。燃料電池2は、水素供給流路3と、空気供給流路10と、オフガス循環流路5と、を備える。ここでは、車両の駆動源としてこの燃料電池システムを用いる。
【0014】
水素供給流路3は、燃料電池2のアノード極に水素を供給するための流路であって、高圧の水素が充填された圧縮水素タンク1と燃料電池2のアノード極とを連結し、供給水素を減圧するための圧力調整弁4と、オフガスを循環させるためのエゼクタポンプ6とを備える。圧縮水素タンク1と圧力調整弁4の間には、圧力センサ8及び温度センサ9を設ける。圧力調整弁4とエゼクタポンプ6の間には圧力センサ81を設け、エゼクタポンプ6と燃料電池2の間には圧力センサ82を設ける。
【0015】
空気供給流路10は、燃料電池2のカソード極に空気を供給するための流路である。
【0016】
オフガス循環流路5は、燃料電池2に供給された水素のうち反応に使用されない水素と、燃料電池2を透過した窒素等のガスとからなるオフガスを水素供給流路3に循環させるための流路である。このため、燃料電池2とエゼクタポンプ6とを連通している。オフガス循環流路5にはオフガスに含まれる不純物を系外に排出するためのパージ弁11が設けられている。オフガスの一部はパージ弁11で排出されるが、残りのオフガスは、エゼクタポンプ6によって吸引され、エゼクタポンプ6内で供給水素と混合され、再び燃料電池2に供給される。この再び燃料電池2に供給されるオフガス量を循環流量qとする。
【0017】
エゼクタポンプ6は、圧縮水素タンク1から供給されて水素供給流路3を高速で流れる水素の圧力エネルギにより駆動され、オフガス循環流路5を流れるオフガスを吸引する。
【0018】
コントロールユニット7は、燃料電池システムの要求負荷に応じた、供給水素の圧力、供給水素量、及びオフガスの循環量等を設定する。このために、圧力調整弁4よりも圧縮水素タンク1側(以下、上流側という)の温度センサ9が検知した供給水素の温度である高圧供給水素温度T0と、圧力調整弁4より上流側の圧力センサ8が検知した供給水素の圧力である供給水素圧力P0(以下、高圧供給水素圧力P0という)と、圧力調整弁4よりも燃料電池2側(以下、下流側という)かつエゼクタポンプ6より上流側の圧力センサ81で検知した供給水素の圧力である供給水素圧力Pと、がコントロールユニット7に読み込まれる。
【0019】
ここで、高圧供給水素温度T0から、エゼクタポンプ開度Dと、圧力調整弁4の開度(以下、圧力調整弁開度という)を決定する方法の概念を説明する。
【0020】
図2は、供給水素圧力Pとエゼクタポンプ開度Dを一定と仮定した場合の、エゼクタポンプ6に供給される水素温度(以下、供給水素温度T)に対する供給水素量Q及び循環流量qの関係を示す。
【0021】
気体の音速は絶対温度の平方根に比例するため、供給水素温度Tが上昇すると音速状態でエゼクタポンプ6のノズル部分6aを通過する流速が増加する。したがってエゼクタポンプ開度Dが一定の場合には供給水素量Qが増加する。この供給水素量Qの増加に伴い、エゼクタポンプ6に供給されるエネルギが増えるため、循環流量qも増加する。但し、この効果はエゼクタポンプ6内部を供給水素が音速で通過する場合にのみ成立する。
【0022】
なお、供給水素温度Tは、圧縮水素タンク1の下流側に熱交換器等を設けることで一定温度に制御することが可能であるが、部品点数増加やコスト増大の観点からは望ましくないので、供給水素温度Tの能動的な制御は行わない。
【0023】
図3は、供給水素圧力Pと供給水素温度Tを一定と仮定した場合の、エゼクタポンプ開度Dに対する供給水素量Q及び循環流量qの関係を示す。
【0024】
図示するように、エゼクタポンプ開度Dが大きくなると、エゼクタポンプ6を通過する供給水素の流路面積が増大するため、供給水素量Qが増える。これにより、上述した供給水素温度Tが上昇したときと同様に循環流量qも増える。
【0025】
これらの関係を用いてエゼクタポンプ開度Dを決める場合、供給水素圧力Pは一定とすると、供給水素温度Tが高くなるほど、供給水素量Q及び循環流量qが増え、それぞれを一定に保持するためにはエゼクタポンプ開度Dを小さくする必要がある。逆に、供給水素温度Tが低いほど、供給水素量Q及び循環流量qが減るため、エゼクタポンプ開度Dを大きくする必要がある。
【0026】
ここでは、供給水素圧力Pを一定としていたため、供給水素温度Tとエゼクタポンプ開度Dに対して、供給水素量Qと循環流量qが同時に増減している。しかし、図4に示すようなエゼクタポンプ開度Dと供給水素圧力Pと循環流量qとの関係から、供給水素量Qと循環流量qを独立して制御することも可能である。例えば、循環流量qを増やす場合には、エゼクタポンプ開度Dを小さくし、かつ供給水素圧力Pを上昇させることにより、循環流量qのみを変化させることができる。
【0027】
図5は、コントロールユニット7が実行する、エゼクタポンプ開度D及び圧力調整弁開度を決定する制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。この制御ルーチンは、燃料電池システムの運転中に一定間隔、例えば10ミリ秒、で実行する。以下、ステップに従って説明する。
【0028】
ステップS101では、燃料電池2に要求される負荷(以下、要求負荷という)を読み込む。要求負荷は、例えば車両運転者のアクセル操作、車速等に基づいて算出できるので、別ルーチンで算出した要求負荷を読み込んでもよいし、ステップS101でアクセル操作量等を読み込んで算出するようにしてもよい。
【0029】
ステップS102では、要求負荷に基づいて、燃料電池2の発電に必要となる供給水素量Qを算出する。
【0030】
ステップS103では、その要求負荷及び供給水素量Qである状況に応じた循環流量qを算出する。循環流量qは、実際にはシステムの構造や制御方法にも依存するが、ここでは、循環流量qを要求負荷及び供給水素量Qに割り付けたマップを検索して循環流量qを算出するものとする。
【0031】
ステップS104では高圧水素圧力P0を読み込み、ステップS105では高圧水素温度T0を読み込む。
【0032】
ステップS106では、これらをもとに、供給水素量Qを実現するのに必要な圧力調整弁開度を決定する。例えば、供給水素量Qを満足するために必要な供給水素圧力Pを水素供給系の仕様に基づいて算出し、これと高圧水素圧力P0から、オリフィスの関係式を用いて圧力調整弁開度を算出する。高圧水素温度T0を読み込むのは、圧力調整弁4を通過する水素の流速が音速に達した場合は、高圧水素温度T0も供給水素圧力Pに影響するためである。
【0033】
ステップS107では、圧力調整弁開度をステップS106で決定した開度に制御した後の、供給水素圧力Pを読み込む。
【0034】
ステップS108では、高圧供給水素圧力P0、供給水素圧力P、及び高圧水素温度T0から供給水素温度Tを算出する。
【0035】
ステップS109では、ステップS108で算出した供給水素温度Tと供給水素圧力Pに基づいて、供給水素量Qを実現するためのエゼクタポンプ開度DをステップS106と同様の手法により算出する。
【0036】
ここでは、高圧水素温度T0が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて供給水素量Qが少なくなるようなエゼクタポンプ開度Dとなるようにする。これは、供給水素温度T0が高い場合には水素の音速が上昇して水素供給量が過剰になるおそれがあり、供給水素温度T0が低い場合には水素の音速が低下して水素供給量が不足するおそれがあるためである。
【0037】
ステップS110では、圧力計82の検出値および燃料電池システムの運転状況を読み込み、これが規定範囲内にあるか否かを判定する。規定範囲は、ステップS102で算出した供給水素量Qを基準として、燃料電池2の運転に支障をきたさない範囲に設定する。つまり、ステップS102で供給水素量Qを算出したときに、規定範囲も決まる。供給水素量Qが規定範囲内のときはステップS111へ進み、そうでないときはステップS104に戻る。
【0038】
ステップS111では、循環流量qについて、ステップS110と同様に規定範囲内にあるか否かを判定する。規定範囲内のときは処理を終了し、そうでない場合はステップS107に戻る。
【0039】
供給水素量Q及び循環流量qは、圧力調整弁開度及びエゼクタポンプ開度Dに大きく依存し、圧力調整弁開度は高圧水素圧力P0と高圧水素温度T0により決定され、エゼクタポンプ開度Dは供給水素圧力Pと供給水素温度Tにより決定される。そして高圧水素圧力P0等のいずれかの値に変化が生じると、他の値とのバランスが崩れ、供給水素量Q及び循環流量qにも変化が生じる。このため、圧力調整弁開度及びエゼクタポンプ開度の見直しを行うフィードバックループ制御(ステップS1110、ステップS111)を実行する。
【0040】
なお、ステップS108では、供給水素温度Tを計算により求めているが、圧力調整弁4とエゼクタポンプ6の間の水素温度を検出する温度センサを設けて、供給水素温度Tを直接検出するようにしてもよい。直接検出することで、より高い精度でエゼクタポンプ開度Dを設定することができる。
【0041】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
【0042】
(1)コントロールユニット7が、水素の温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて燃料電池2に供給される水素が少なくなるようにエゼクタポンプ6のノズル開度を制御するので、水素の温度変化による燃料電池2への水素供給量の変化を抑制することができる。
【0043】
(2)温度センサ9が、圧縮水素タンク1と圧力調整弁4との間に配置される。従来の燃料電池システムにおいても、この位置には圧縮水素タンク1から流入した水素の温度を検出するために温度センサが設けられていた。すなわち、本実施形態のために新たな温度センサを追加する必要がない。
【0044】
(3)圧力調整弁4とエゼクタポンプ6の間に第2の温度センサを備えることで、より高い精度でエゼクタポンプ開度Dを設定することができる。
【0045】
第2実施形態について説明する。
【0046】
図6は本実施形態の燃料電池システムの概略図である。図1に示したシステムと基本的に同様であるが、本実施形態はオフガス循環流路5の燃料電池2とパージ弁11との間に、循環するオフガスの温度(以下、循環流温度という)を検出する温度センサ91を備える点が異なる。
【0047】
そして、本実施形態では、エゼクタポンプ6のノズル部分6aでのアイシング(以下、ノズルアイシングという)が発生するか否かを判断し、発生すると判断した場合にノズルアイシング回避のための運転を行う。
【0048】
ここでいうノズルアイシングとは、燃料電池2の運転中に、供給水素の温度がエゼクタポンプ6のノズル部分6aを通過する際の膨張によって低下し、これによりノズル部分6a先端の温度も低下して、オフガスに含まれる水蒸気がノズル部分6aに凝縮し、凍結することをいう。ノズルアイシングが発生すると、エゼクタポンプ6内部の圧力損失が増大し、またはノズル部分6aが閉塞されて、循環流量が減る。
【0049】
次に、ノズルアイシングの回避方法について説明する。
【0050】
ノズルアイシングは、圧縮水素タンク1から供給される水素とオフガス循環流路5から供給される循環ガスとの混合ガスが氷点下である場合に発生する。混合ガスが氷点下か否かは、エゼクタポンプ6のノズル部分6aを通過する供給水素温度T、供給水素量Q、循環流温度Tr、及び循環流量qから算出する圧縮水素タンク1から供給される水素と循環ガスのエンタルピーに基づいて判断できる。
【0051】
つまり、ノズルアイシングが発生するか否かは、供給水素温度T、供給水素量Q、循環流温度Tr、及び循環流量qのバランスにより決まる。なお、オフガスの湿度にも依存をするが、ここでは湿度を一定として説明を行う。
【0052】
定性的には、供給水素温度Tが低く、供給水素量Qが多いほどノズル部分6aは低温になるので、ノズルアイシングが発生し易い。このとき、オフガスの循環流量qを多くして、オフガスからノズル部分6aへの熱伝達量を増やすことで、ノズルアイシングの発生を抑制できる。
【0053】
また、供給水素温度T、供給水素量Q、循環流温度Tr、及び循環流量qのバランスから考えて、どうしてもノズルアイシングを回避できないときには、循環流量qを減らしてノズル部分6a周辺に供給される水蒸気量を低減することで、ノズルアイシングの進行を遅らせる。
【0054】
図7は、上記のノズルアイシング回避のための運転を含む制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。
【0055】
ステップS201からステップS208は、図5のステップS101からステップS108と同様なので説明を省略する。
【0056】
ステップS209では、温度センサ91で検出する循環流温度Trを読み込む。
【0057】
ステップS210では、供給水素温度T、供給水素量Q、循環流温度Tr、及び循環流量qに基づいて、ノズルアイシングが発生するか否かを判断する。発生すると判断した場合は、ステップS212に進み、発生しないと判断した場合はステップS211に進む。
【0058】
ステップS211は図5のステップS109と同様であり、その後のステップS213、ステップS214は、図5のステップS110、ステップS111と同様である。
【0059】
ステップS212では、ノズルアイシング回避のための運転条件を算出し、ステップS206に戻る。ノズルアイシングを回避するための運転条件は、具体的には循環流量qである。循環流量qを増やすことでノズルアイシングを回避できる場合には、回避のために必要な循環流量qを設定する。循環流量qを増やしてもノズルアイシングを回避できない場合には、ノズルアイシングの発生を遅らせるような循環流量qを設定する。
【0060】
なお、ステップS208では供給水素温度Tを計算により求めているが、圧力調整弁4とエゼクタポンプ6の間の水素温度を検出する温度センサを設けて、供給水素温度Tを直接検出するようにしてもよい。直接検出することで、より高い精度でエゼクタポンプ開度Dを設定することができる。
【0061】
以上のように本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。
【0062】
(4)コントロールユニット7は、循環流量qを制御することでノズルアイシング回避可能と判定した場合には、循環流量qが増加するように圧力調整弁4の開度とエゼクタポンプ開度Dを制御する。これにより、オフガスからノズル部分6aへの熱伝達量を増やして、ノズルアイシングの発生を抑制することができる。
【0063】
(5)コントロールユニット7は、循環流量qの制御でノズルアイシング回避不可能と判定した場合に、循環流量qが減少するように圧力調整弁4の開度とエゼクタポンプ開度Dのノズル開度を制御する。これにより、ノズル部分6a周辺に供給される水蒸気量を低減させて、ノズルアイシングの進行を遅らせることができる。
【0064】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【符号の説明】
【0065】
1 圧縮水素タンク
2 燃料電池
3 水素供給流路
4 圧力調整弁
5 オフガス循環流路
6 エゼクタポンプ
7 コントロールユニット
8 圧力センサ
9 温度センサ
10 空気供給流路
11 パージ弁
81 圧力センサ
82 圧力センサ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧縮された高圧の燃料ガスを蓄える燃料タンクと、
この燃料タンクから燃料電池に前記燃料ガスを供給する供給流路と、
この供給流路を流れる燃料ガスの温度を検出する温度センサと、
前記供給流路を流れる燃料ガスの圧力を前記燃料タンク内の圧力より減圧するための圧力調整弁と、
前記燃料電池から排出される前記燃料電池で消費されなかった燃料ガスを含むオフガスを前記供給流路に戻すオフガス循環流路と、
前記供給流路と前記オフガス循環流路との合流部に設けられ、前記燃料ガスがノズル部分を通過する際の噴流吸引効果で前記オフガス循環流路から前記オフガスを吸引して前記供給流路に合流させるエゼクタ装置と、
前記燃料電池に対する発電要求量に基づいて、前記圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することで前記燃料ガスと前記オフガスの供給量を制御する制御装置と、
を備える燃料電池の燃料供給装置において、
前記制御装置が、前記燃料ガスの温度が相対的に高い場合には、相対的に低い場合に比べて前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが少なくなるように前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することを特徴とする燃料電池の燃料供給装置。
【請求項2】
前記温度センサが、前記燃料タンクと前記圧力調整弁との間に配置されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【請求項3】
前記オフガスの温度を検知する手段と、
ノズルアイシングが発生するか否かを判定するアイシング発生判定手段と、
ノズルアイシングが発生すると判定された場合に、前記オフガスの流量制御でノズルアイシングを回避できるか否かを前記オフガスの温度に基づいて判定する回避判定手段と、
をさらに有し、
前記制御装置は、前記回避判定手段がノズルアイシング回避可能と判定した場合に、前記オフガスの循環量が増加するように前記圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【請求項4】
前記制御装置は、前記回避判定手段がノズルアイシング回避不可能と判定した場合に、前記オフガスの循環量が減少するように前記圧力調整弁の開度と前記エゼクタ装置のノズル開度を制御することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池の燃料供給装置。
【請求項5】
前記圧力調整弁と前記エゼクタ装置の間の前記燃料ガスの温度を検出する第2温度センサを備えることを特徴とする請求項2から4のいずれか一つに記載の燃料電池の燃料供給装置。

【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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