JP3666446B2

JP3666446B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3666446B2
Application number: JP2001355810A
Authority: JP
Inventors: 努山崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: JP2003157875A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関する、特に燃料循環装置を有する燃料電池システムの起動に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおける燃料電池からのオフガスの循環手段としては、特開平１０−５５８１４号に示されたようなものがある。これでは、燃料電池で発電に用いられなかった余剰の未反応のオフガスと、新たに供給される燃料ガスとの混合循環をエゼクタにより行うことで効率のよい発電を行っている。
【０００３】
また、燃料電池システムの停止時には、燃料ガスの供給を停止し、燃料ガス配管中の燃料ガスを大気中に放出して、燃料ガス配管中を空気や窒素ガスなどの不活性ガスで充満させる方法が知られている。そのため、燃料電池システムの起動時には、燃料ガス配管中を燃料ガスに置換する必要があり、大気開放弁（以下、パージ弁）を開けた状態で燃料ガスを流して燃料ガス中の不活性ガスを燃料ガスで置換する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような燃料循環装置においては、燃料ガス配管内に空気、または窒素等の不活性ガスが充満されている停止状態から運転を再開する時に、燃料ガス配管中に水素以外のガスが居残ると、燃料電池の性能を著しく低下させてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで本発明では、燃料ガス配管内に充満した水素以外のガスを短時間で燃料ガスに置換することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路と、燃料ガスを駆動流として前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスを循環路から前記燃料供給路へと循環させるエゼクタと、オフガスを前記燃料電池からシステム外部に放出するために設けられたパージラインと、を備え、起動時の燃料ガスの供給量を、燃料ガスが前記エゼクタから前記循環路を逆流して前記燃料電池に向かって流れる範囲に設定して、前記循環路内のガスを前記パージラインより排出する。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、起動から所定時間後に、燃料ガスの供給量を前記燃料電池の燃料極のオフガスが前記燃料電池から前記エゼクタに向かって前記循環路を流れるように増量する。
【０００８】
第３の発明は、第２の発明において、燃料電池への燃料ガスの供給量を調整する調整弁を備え、前記所定時間を、燃料ガスの積算流量が、調整弁から燃料電池の排出口までの燃料ガスが流れる流路と前記循環路の容積に等しくなる時間以上に設定した。
【０００９】
第４の発明は、第１の発明において、前記循環路にガス濃度センサを設置し、前記循環路を流れるガスの濃度から前記循環路に水素ガスが充満したことを判断してから、燃料ガスの供給量を前記燃料電池の燃料極のオフガスが前記燃料電池から前記エゼクタに向かって前記循環路を流れるように増量する。
【００１０】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記エゼクタに供給される燃料ガスの供給量と前記エゼクタへ循環されるオフガス流量の比である循環比が、前記燃料電池の入口までの前記燃料ガスが流れる流路と前記循環路の容積比と一致するように起動時に供給する燃料ガスの供給量を決定する。
【００１１】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、起動時に燃料ガスの供給量を燃料ガスがエゼクタから燃料電池に向かって循環路を逆流する範囲に設定することで、循環路と燃料供給路に充満していたガスが共にエゼクタからパージラインに向かって流れるので、短時間で確実に配管内の空気などをパージすることができる。
【００１２】
第２の発明によれば、起動から所定時間後に、燃料ガスの供給量を燃料電池の燃料極のオフガスが燃料電池からエゼクタに向かって循環路を流れるように設定することで、ガスパージ後に適格に発電に必要な燃料ガス、または燃料ガスとオフガスの混合ガスを燃料電池に供給するができる。
【００１３】
第３の発明によれば、所定時間を、燃料ガスの積算流量が調整弁から燃料電池排出口までの燃料ガスが流れる流路と循環路の容積に等しくなる時間以上に設定することで、効率よく燃料ガス以外のガスを燃料ガスに置換してから発電を開始することができる。
【００１４】
第４の発明によれば、循環路を流れるガスの濃度により燃料ガスが充満したことを判断することで、確実にまた短時間で燃料ガス以外のガスをパージすることができるので、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【００１５】
第５の発明によれば、循環比が燃料電池の入口までの燃料ガスが流れる流路と循環路の容積比と一致するように起動時に供給する燃料ガスの供給量を決定することで、循環路内の燃料ガス置換が燃料供給路内の燃料ガス置換とほぼ同時に完了するため、効率のよい燃料ガス置換が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態における燃料電池システムの反応ガス供給系の構成を図１に示す。本燃料電池システムは水素ガスと酸素ガスを用いた電気化学反応により発電を行うシステムであり、ここでは水素ボンベ１から供給される水素ガスとシステム外部より供給される空気中の酸素との間に生じる反応により発電を行う。
【００１７】
燃料電池システム運転時では、高圧環境下で蓄えられている水素ボンベ１から圧力調整弁２により流量・圧力を調整された水素ガスが、燃料供給路３５を通り燃料電池３に供給される。圧力調整弁２の開度は、コントロールユニット１０内の圧力調整弁駆動装置５により制御する。燃料供給路３５には、燃料電池３からの未反応のオフガスを燃料供給路３５に吸引するためのエゼクタ２３を設置する。
【００１８】
エゼクタ２３では、供給された水素ガスの流れにより後述する循環路３１のオフガスを吸引して、それらが混合することにより混合燃料ガスを生成する。生成された混合燃料ガスは加湿器２１に供給され、発電に必要な水分を充分に吸収してから燃料電池３の燃料極に供給される。燃料電池３に供給された混合燃料ガスは、システム外部から空気供給路３２を介して燃料電池３の空気極に供給された空気中の酸素ガスと反応することにより発電を行う。
【００１９】
反応後に燃料電池３の燃料極より排出された余剰の未反応ガスであるオフガスは、燃料電池３の燃料極の排出口とエゼクタ２３とを連結する循環路３１を通り、再びエゼクタ２３を介して駆動流となる水素ガスに吸入され、混合燃料ガスとして発電に利用される。
【００２０】
燃料供給路３５に吸入されるオフガスの循環量と水素ボンベ１からの水素ガス供給量は、燃料電池システムの負荷や循環するオフガスの排出量よりコントロールユニット１０において算出される。その結果により、燃料電池３の燃料極と図示しない燃焼器とを連結するオフガス流路（パージライン）３３に配置されたパージ弁８の開度や圧力調整弁２を制御することにより混合燃料ガスの濃度流量を調整して発電量を制御する。
【００２１】
このような燃料電池システムにおいて、運転停止時には燃料供給路３５や循環路３１、燃料電池３の燃料極の燃料ガスは、窒素や空気によりシステム外部にパージされて、不活性ガスで、ここでは空気で置換されることによりシステムの安定化が図られる。そのため、ここではシステム外部からの空気をエゼクタ２３の上流側から燃料供給路３５に供給する不活性ガス供給路３４を配置する。不活性ガス供給路３４には不活性ガス調整弁９を配置し、コントロールユニット１０からの指令により空気の流量を制御する。燃料ガスパージ時には、この不活性ガス調整弁９およびパージ弁８を全開、圧力調整弁２を全閉として、エゼクタ２３、加湿器２１、燃料電池３の燃料極およびこれらをつなぐ燃料供給路３５と循環路３１に空気を流通させ、燃料ガスを除去する。
【００２２】
このような燃料電池システムを起動するときには、エゼクタ２３、加湿器２１、燃料電池３の燃料極および燃料供給路３５と循環路３１に充満した空気を除去して、再び燃料ガスを充満させる必要がある。このとき水素ガス以外のガスが、エゼクタ２３、加湿器２１、燃料電池３の燃料極および燃料供給路３５と循環路３１に存在すると、燃料電池３は規定の出力を発揮できないため、水素ガスにより不活性ガスである空気をパージしてから発電を開始する必要がある。
【００２３】
ここで、水素ボンベ１から供給された水素ガスの流れを燃料循環の駆動流とした燃料電池システムの循環装置であるエゼクタ２３の循環性能を図２に示す。ここでは、循環路３１を燃料電池３の排出口からエゼクタ２３に向かう流れを正の循環方向として、その時の循環量をプラスで表している。
【００２４】
循環路３１を流れてエゼクタ２３から燃料供給路３５に供給されるオフガスの循環量Ｑ_rと、エゼクタ１２に水素ボンベ１から供給される水素ガス供給量Ｑ_inとの比であるエゼクタの循環比ｒ(=循環量Ｑ_r／水素ガス供給量Ｑ_in)は、ある時点までは供給量Ｑ_inに伴って増加する傾向を示す。しかしながら、水素ガス供給量Ｑ_inが少ない時には、循環比ｒはマイナスを示す。これは、水素ガス供給量Ｑ_inが小さい時には、エゼクタ２３でのオフガス吸引力が弱く、一部の水素ガスがエゼクタ２３の吸引口から循環路３１の方向に流れる、つまり循環方向に対して水素ガスが逆流するので、水素ガスはエゼクタ２３から燃料供給路３５を通り燃料電池２３の入口へ向かうと同時に、エゼクタ２３から循環路３１を流れて燃料電池３へ向かうためである。
【００２５】
本実施形態ではこのエゼクタ逆循環特性を利用して、短時間で確実に不活性ガスである空気をパージする。燃料電池システムが起動したら、水素ボンベ１からエゼクタ２３への水素ガス供給流量Ｑ_inを、一部の水素ガスがエゼクタ２３から循環路３１を通り燃料電池３に向かう逆流循環領域（図２斜線部）の流量になるように、圧力調整弁２の開度を圧力調整弁駆動装置５により調整する。パージ弁８は全開として、オフガス流路３３を不活性ガスである空気の排出路とする。また、起動からの時間をコントロールユニット１０に設置したタイマー６により積算しておき、設定時間が経過したら燃料電池システムの運転を開始する。
【００２６】
次に、タイマー６により積算される起動時から燃料電池システムの運転を開始するまでの不活性ガスのパージに要する時間を求める。
【００２７】
まず、パージに必要な水素ガスの総量であるＶ_Hを求める。これは、圧力調整弁２から燃料電池３の燃料ガス排出口までの容積の合計Ｖ_Hと等しくする。つまり、エゼクタ２３・加湿器２１・燃料電池３の燃料極についての燃料ガス容積と圧力調整弁２からエゼクタ２３、加湿器２１を介して燃料電池３に至るまでの燃料供給路３５と、循環路３１とを形成する燃料ガス配管の容積の合計Ｖ_Hをパージに必要な水素ガスの総量とする。このとき、水素ボンベ１からエゼクタ２３に供給される単位時間あたりの流量を水素置換流量Ｑ_inとするので、パージに掛かるパージ時間ｔ_hは次のように求められる。
【００２８】
【式１】

そこで、図２のようなマップから、循環比ｒがマイナスになる、つまり燃料ガスがエゼクタ２３から循環路３１を介して燃料電池３の燃料極へ逆流する範囲で単位時間当たりの水素置換流量Ｑ_inを適当に決めてパージ時間ｔ_hを決定する。
【００２９】
以上のようにして、パージ時間ｔ_hの間、エゼクタ２３が逆循環方向に供給量Ｑ_inを流すことにより、燃料ガス配管内を水素で置換することができる。実際には、式（１）で算出されるパージ時間ｔ_hより多少長い時間をパージに必要な時間として、完全に水素置換を行う。また、パージ時間を最小にするために、水素置換流量Ｑ_inはエゼクタの循環性能から循環しない領域の可能な限り多い流量とするほうが好ましい。
【００３０】
あるいは、循環比ｒを燃料電池３からエゼクタ２３入口までの循環路３１の容積をＶ_R、エゼクタ２３から燃料電池入口までの燃料供給路３５の一部と加湿器２１の燃料ガスが供給される空間の容積の合計をＶ_Sとして、ｒ＝−Ｖ_R／Ｖ_Sとすれば、循環路３１内の水素置換が燃料供給路３５側の水素置換とほぼ同時に完了するため、効率のよい水素置換が可能となる。
【００３１】
次に、コントロールユニット１０における具体的な制御方法を図３のフローチャートに示す。
【００３２】
まずステップＳ１−１において、圧力調整弁２を上述の方法で求めた水素置換流量Ｑ_inとなるように設定し、燃料を流す。このとき循環路３１内を燃料ガスがエゼクタ２３から燃料電池３に向かって流れる境界量をアイドル流量Ｑ_Oとすると、流量Ｑ_inはアイドル流量Ｑ_Oよりも少なくなるように設定する。次にステップＳ１−２においてコントロールユニット１０のタイマー６をリセットする。ステップＳ１−３においてタイマー６をスタートして、パージに費やしている時間を計る。
【００３３】
次にステップＳ１−４に進み、タイマー６によりカウントした時間を計測する。その結果、ステップＳ１−５において、上述の方法で求めたパージ時間ｔ_hを超えたかどうかを判断する。まだ、パージ時間ｔ_hを過ぎていなければ。ステップＳ１−４に戻り再びタイマー６を計測し、計測結果がパージ時間ｔ_hを超えるまで繰り返す。タイマー６の積算時間がパージ時間ｔ_hを超えたらステップＳ１−６において、圧力調整弁２をアイドル流量Ｑ_Oまたはそれ以上の流量に設定して通常制御を開始する。
【００３４】
このように制御することで、燃料電池システム起動時に燃料ガスの配管内に充満した水素以外のガスを短時間で水素ガスに置換することができる。
【００３５】
次に、第２の実施形態における燃料電池システムの構成を図４に示す。
【００３６】
第２の実施形態では、タイマー６を設けずに、循環路３１にガスの濃度センサ７を設置して、起動制御から通常制御への切り替えを循環路３１中のガスの濃度により行う。ここでは水素濃度センサ７を用いて水素ガス濃度により制御の切り替えを行う。第１の実施形態と同様に燃料電池システムの起動時には、エゼクタ２３への供給流量をエゼクタ２３から循環路３１を介して燃料電池３に流れる流量の範囲、つまり図２におけるエゼクタ逆循環域となる斜線部の流量が流れるように圧力調整弁２の開度を、圧力調整弁駆動装置５により調整する。
【００３７】
循環路３１に設けた水素濃度センサ７の値が所定の濃度になるまで、エゼクタ２３への水素ガス供給量Ｑ_inをアイドル流量Ｑ_O以下に維持し、水素濃度センサ７により測定した水素ガス濃度が所定以上になった場合には、水素ガス供給量Ｑ_inを増加して通常運転に切り替える。
【００３８】
次にこのような制御を行う際にコントロールユニット１０で行われる制御を図５のフローチャートを用いて説明する。
【００３９】
ステップＳ２−１において、第１の実施形態と同様に圧力調整弁２を水素置換流量Ｑ_in（Ｑ_in＜Ｑ_O）の流量に設定する。次にステップＳ２−２において濃度センサ７で循環路を流れるガスの水素濃度を測定する。その結果、ステップＳ２−３において、水素置換が完全ではなくて発電を始めることのできる水素濃度に達していなければ、ステップＳ２−２に戻り再び水素ガス濃度を測定する。これを繰り返し、水素置換が充分に進み循環路３１のガスが所定濃度を超えたら、ステップＳ２−４に進み圧力調整弁２をアイドル流量Ｑ_Oまたはそれ以上に設定して通常制御を開始する。
【００４０】
このように制御することで、発電に必要な水素濃度になったことを確かめてから発電を開始できるとともに、必要時間以上にパージ時間ｔ_hをとらないので、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。なお、ここでは水素ガス濃度を検知したが、不活性ガスを検知することで水素置換の判断を行ってもよい。
【００４１】
このように、本発明は上記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した技術的思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】エゼクタの燃料ガス供給量に対する循環比を示す図である。
【図３】第１の実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】第２の実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２圧力調整弁
３燃料電池
６タイマー
７ (水素)濃度センサ
８パージ弁
２３エゼクタ
３１循環路
３３オフガス流路（パージライン）
３５燃料供給路

Claims

燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給路と、
燃料ガスを駆動流として前記燃料電池の燃料極から排出されたオフガスを循環路から前記燃料供給路へと循環させるエゼクタと、
オフガスを前記燃料電池からシステム外部に放出するために設けられたパージラインと、を備え、
起動時の燃料ガスの供給量を、燃料ガスが前記エゼクタから前記循環路を逆流して前記燃料電池に向かって流れる範囲に設定して、前記循環路内のガスを前記パージラインより排出することを特徴とする燃料電池システム。
起動から所定時間後に、燃料ガスの供給量を前記燃料電池の燃料極のオフガスが前記燃料電池から前記エゼクタに向かって前記循環路を流れるように増量する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池への前記燃料ガスの供給量を調整する調整弁を備え、
前記所定時間を、燃料ガスの積算流量が、前記調整弁から前記燃料電池の排出口までの前記燃料ガスが流れる流路と前記循環路の容積に等しくなる時間以上に設定した請求項２に記載の燃料電池システム。
前記循環路にガス濃度センサを設置し、前記循環路を流れるガスの濃度から前記循環路に水素ガスが充満したことを判断してから、燃料ガスの供給量を前記燃料電池の燃料極のオフガスが前記燃料電池から前記エゼクタに向かって前記循環路を流れるように増量する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記エゼクタに供給される燃料ガスの供給量と前記エゼクタへ循環されるオフガス流量の比である循環比が、前記エゼクタから前記燃料電池の入口までの前記燃料ガスが流れる流路と前記循環路の容積比と一致するように起動時に供給する燃料ガスの供給量を決定する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。