JP2004139877A

JP2004139877A - 燃料電池の燃料循環制御装置

Info

Publication number: JP2004139877A
Application number: JP2002304437A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yamazaki; 山崎　努
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】燃費の悪化を招くことなく、燃料電池の発電状態を回復させる。
【解決手段】燃料電池１の発電状態を燃料電池出力検出装置２５が検出し、発電状態が悪化している場合に、エゼクタ９の循環路入口９ａの圧力を、エゼクタ循環性能が向上する方向に変動させる。循環路入口９ａの圧力の変動は、圧力調整弁７の開度を調整して燃料電池１に供給する水素量を制御して行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に供給する燃料ガスを駆動流として、燃料電池の燃料極出口から排出した燃料ガスを、循環路入口から導入して燃料電池に循環させるエゼクタを有する燃料電池の燃料循環制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエゼクタを有する燃料電池の燃料循環制御装置としては、例えば特許文献１に記載のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２４３４１７号公報
【０００４】
これは、燃料電池の発電状態が悪化した場合に、パージ弁を開き燃料電池内の水滴などの不純物を大気中に放出することで、燃料電池の発電状態を回復させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池の燃料循環制御装置では、不純物を放出する際に、パージ弁を通して水素も放出されることになり、燃費が著しく悪化する。
【０００６】
そこで、この発明は、燃費の悪化を招くことなく、燃料電池の発電状態を回復させることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、燃料電池に供給する燃料ガスを駆動流として、前記燃料電池の燃料極出口から排出した燃料ガスを、循環路入口から導入して前記燃料電池に循環させるエゼクタを有する燃料電池の燃料循環制御装置において、前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、この発電状態検出手段が前記燃料電池の発電状態の悪化を検出したときに、前記エゼクタの循環路入口圧を、エゼクタの循環性能が高まる方向に変動させる循環路入口圧制御手段とを有する構成としてある。
【０００８】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池の発電状態が悪化した場合に、エゼクタの循環路入口圧を、エゼクタの循環性能が高まる方向に変動させるようにしたので、燃費の悪化を招くことなく、燃料電池の発電状態を回復させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、この発明の実施の一形態に係わる燃料電池の燃料循環制御装置の全体構成図である。燃料電池１の燃料極入口１ａと、燃料ガスとしての高圧水素を貯蔵する水素ボンベ３とを接続する水素供給配管５には、水素ボンベ３側から圧力調整弁７，エゼクタ９，第１の圧力センサ１１をそれぞれ設けてある。
【００１１】
また、燃料電池１の燃料極出口１ｂと、前記エゼクタ９の循環路入口９ａとを接続する水素循環配管１３には、第２の圧力センサ１５を設けている。さらに、水素循環配管１３に接続する水素排出配管１７には、開弁時に燃料電池１からの排出燃料ガスを大気へ放出するパージ弁１９を設けてある。
【００１２】
前記した圧力調整弁７は、水素ボンベ３からの高圧水素の圧力と流量を調整するもので、圧力調整弁制御装置２１によって開度制御される。圧力調整弁制御装置２１は、燃料電池１の出力要求から求まる水素流量あるいは水素圧力に設定するための圧力調整弁７の開度指令値を決定する。
【００１３】
エゼクタ９は、燃料電池１の燃料極出口１ｂから排出する水素を、燃料電池１に供給する水素を駆動流として循環路入口９ａから導入して燃料電池１に循環させる。
【００１４】
第１の圧力センサ１１は燃料電池１の作動圧力を、第２の圧力センサ１５は循環路入口９ａの圧力を、それぞれ検出し、この各検出信号を、循環路入口圧制御手段としての燃料電池システム制御装置２３が取り込む。
【００１５】
また、燃料電池１には、燃料電池１の出力を検出する発電状態検出手段としての燃料電池出力検出装置２５を設けてあり、前記した燃料電池システム制御装置２３が、この燃料電池出力検出装置２５の検出信号を取り込み、前記した圧力調整弁制御装置２１を制御する。
【００１６】
前記したエゼクタ９の循環性能は、その仕様によりさまざまであるが、例えばノズル径などの仕様を決定すれば、循環路入口９ａの入口圧（以下、Ｐｏｓ圧）を変動させた場合の循環性能特性は、図２に示すようになる。ここで、実線がＰｏｓ圧低、破線がＰｏｓ圧中、一点鎖線がＰｏｓ圧高をそれぞれ示している。
【００１７】
図２中で横軸は燃料電池１の出力であり、縦軸はエゼクタ９の循環比ｒである。ここで循環比ｒは、以下に示す式のように、水素ボンベ３からエゼクタ９への水素の供給量Ｑｉｎに対するエゼクタ循環路入口９ａに循環する水素の循環量Ｑｒの比としており、エゼクタの循環性能を示している。
【００１８】
ｒ　＝　Ｑｒ／Ｑｉｎ
図２中で出力の上限値が第１の所定値Ｐ_Ａとなる制御範囲Ａでは、Ｐｏｓ圧を低下させた方が循環性能（循環比ｒ）は高くなる。一方、出力の下限値が第２の所定値Ｐ_Ｂ（Ｐ_Ａ＜Ｐ_Ｂ）となる制御範囲Ｂでは、Ｐｏｓ圧を上昇させた方が循環性能（循環比）は高くなる。制御範囲Ａと制御範囲Ｂとの間の領域では、Ｐｏｓ圧に拘わらず循環比ｒの変化が少ないので、循環性能の改善策は実施しないようにする。
【００１９】
次に、作用を説明する。
【００２０】
燃料電池１を起動すると、必要とする出力要求から燃料電池１の発電量が決まり、燃料電池作動圧を決定する。この燃料電池作動圧を第１の圧力センサ１１が検出し、前記決定した作動圧を維持できるように、圧力調整弁制御装置２１が圧力調整弁７の開度指令を出力する。
【００２１】
燃料電池１の負荷が変化するにつれて、燃料電池１の発電量、同作動圧が変化し、その度に圧力調整弁制御装置２１が圧力調整弁７に開度指令を出力する。
【００２２】
ここで、燃料電池１が発電を続けるうちに、燃料電池出力検出装置２５が、燃料電池１の出力が低下して、燃料電池１の発電状態の悪化を検出した場合（要求出力＞検出出力の場合）に、燃料電池１の発電状態を回復させるために、燃料電池１の作動圧を変動させる。
【００２３】
燃料電池１の作動圧を変動させる方法として、作動圧を上昇させる場合には燃料電池１での必要量より多い燃料ガスを一時的に供給し、逆に低下させる場合には、少ない燃料ガスを一時的に供給する。
【００２４】
図３は、燃料電池１の起動後、その出力が低下したときの制御動作を示すフローチャートである。
【００２５】
まず、燃料電池出力検出装置２５が検出した燃料電池１の出力が所定値より低いか否かを、次式で判別する（ステップ１０１）。このとき、パージ弁１９は閉じている。
【００２６】
燃料電池１の要求出力−同検出出力＞Ｐｃ
ここで、燃料電池１の出力が所定値より低いと判断した場合には、現在の燃料電池１の発電出力が、図２に示す特性図のどの範囲にあるかを判別する（ステップ１０３）。
【００２７】
ここで、現在の燃料電池１の出力Ｐが、以下に示す式（１）を満たせば制御範囲Ａ（ステップ１０５）、式（１）を満たさず、式（２）を満たせば制御範囲Ｂ（ステップ１０７）、式（１），（２）のいずれも満たさない場合には、その他の制御範囲（制御範囲ＡとＢとの間の領域）と判別する（ステップ１０９）。
【００２８】
（１）Ｐ＜Ｐ_Ａ
（２）Ｐ＞Ｐ_Ｂ
制御範囲Ａと判別した場合には、水素ボンベ３から供給する水素の供給量を一時的に低下させ、燃料電池１の作動圧を低下させることで、Ｐｏｓ圧を低下させ、エゼクタ循環比ｒを高める（ステップ１１１）。
【００２９】
一方制御範囲Ｂと判別した場合には、水素ボンベ３から供給する水素の供給量を一時的に増加させ、燃料電池１の作動圧を上昇させることで、Ｐｏｓ圧を上昇させ、エゼクタ循環比ｒを高める（ステップ１１３）。
【００３０】
上記した制御範囲Ａ，Ｂいずれの場合も、燃料電池１の発電出力が所定値に戻って発電状態が回復した場合には、Ｐｏｓ圧を初期設定値に戻して通常の制御に移行する（ステップ１１５）。このとき、パージ弁１９は閉じている。
【００３１】
Ｐｏｓ圧を変動させる圧力刻みΔＰは、燃料電池システムの仕様、性能を考慮して決定すべき値である。
【００３２】
上記したフローを何度か繰り返してＰｏｓ圧を変動させる際に、Ｐｏｓ圧の変動幅が許容範囲を超えた場合には（ステップ１１７，１１９）、パージ弁１９を開き（ステップ１２１）、水素を大気に放出する。
【００３３】
その他の制御範囲と判別した場合も、パージ弁１９を開いて水素を大気に放出する。
【００３４】
以上のように本実施形態では、燃料電池１の発電状態が悪化した場合には、まずエゼクタ９の循環性能が高まる方向に、エゼクタ９の循環路入口圧を変動させるので、水素の大気放出を伴わずに発電状態の回復を行うことができ、燃費悪化を抑制できる。
【００３５】
発電状態が改善されたら、エゼクタ循環路入口圧を元の圧力すなわち初期設定値に戻して通常制御に移行するので、燃料電池１にとって極力効率のよい圧力で運転をさせることが可能である。
【００３６】
パージ弁１９を開くことによる燃料ガス（水素）の大気への放出は、圧力変動によりエゼクタ循環性能を向上させてもなお発電状態が回復しない場合に限り行うので、燃費の悪化を必要最小限度に抑制できる。
【００３７】
また、エゼクタ循環性能の向上を燃料電池１の出力から判断できるので、循環性能判断のための特別な構成を追加する必要はなく、従来どおりのハード構成で実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態に係わる燃料電池の燃料循環制御装置の全体構成図である。
【図２】燃料電池の出力とエゼクタの循環比との相関を、エゼクタ循環路入口圧の違いにより示した特性図である。
【図３】燃料電池の出力が低下したときの制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池
１ａ　燃料極入口
１ｂ　燃料極出口
９　エゼクタ
９ａ　エゼクタの循環路入口
１９　パージ弁
２３　燃料電池システム制御装置（循環路入口圧制御手段）
２５　燃料電池出力検出装置（発電状態検出手段）
Ｐ_Ａ第１の所定値
Ｐ_Ｂ第２の所定値

Claims

燃料電池に供給する燃料ガスを駆動流として、前記燃料電池の燃料極出口から排出した燃料ガスを、循環路入口から導入して前記燃料電池に循環させるエゼクタを有する燃料電池の燃料循環制御装置において、前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、この発電状態検出手段が前記燃料電池の発電状態の悪化を検出したときに、前記エゼクタの循環路入口圧を、エゼクタの循環性能が高まる方向に変動させる循環路入口圧制御手段とを有することを特徴とする燃料電池の燃料循環制御装置。
前記循環路入口圧制御手段は、前記燃料電池の発電状態が改善された後に、前記エゼクタの循環路入口圧を、初期設定値に戻すよう制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の燃料循環制御装置。
前記燃料電池の燃料極出口から排出する燃料ガスを、開状態で大気開放とするパージ弁を設け、前記エゼクタの循環路入口圧を、エゼクタの循環性能が高まる方向に変動させた後に、前記パージ弁を開くことを特徴とする請求項１の燃料電池システムの燃料循環制御装置。
前記エゼクタの循環路入口圧を、あらかじめ設定した許容範囲内で変動させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池の燃料循環制御装置。
前記発電状態検出手段が検出した燃料電池の出力が第１の所定値未満のときに、前記循環路入口圧を低下させ、前記出力が前記第１の所定値より大きい第２の所定値を超えるときに、前記循環路入口圧を増加させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池の燃料循環制御装置。