(57)【要約】【課題】燃料ガス供給路から供給される燃料ガスに不純物ガスが混入する場合であっても、燃料ガスを効率的に発電に用いることができる燃料電池を提供する。【解決手段】一側面にアノード電極２１が形成され、他側面にカソード電極２２が形成された膜電極接合体２３を複数備えた燃料電池スタック２と、前記膜電極接合体２３に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路Ｒ６を含む燃料電池であって、前記燃料ガス供給路Ｒ６を通流する燃料ガスに作用する遠心力の方向とは反対側の方向に、前記燃料ガス供給路Ｒ６に沿ってアノード電極２１が配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一側面にアノード電極が形成され、他側面にカソード電極が形成された膜電極接合体を複数備えた燃料電池スタックと、前記膜電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路を含む燃料電池であって、
前記燃料ガス供給路を通流する燃料ガスに作用する遠心力の方向とは反対側の方向に、前記燃料ガス供給路に沿ってアノード電極が配置されている燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガス供給路のうち、アノード電極の対向部に、アノード電極から遠ざかる凸状部が形成され、当該凸状部に不純物ガスを排気する排気弁を備えた排気路が接続されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
走行用のモータに給電する請求項１または２記載の燃料電池と、前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に備えた循環ポンプを制御して発電量を調整する制御部を含む発電システムであって、
前記循環ポンプの回転数を所定回転数より高く制御する場合に、前記燃料ガス供給路または燃料ガス供給管に備えた排気弁を開放して、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気する発電システム。
【請求項４】
前記燃料ガス供給路または燃料ガス供給管にガスセンサを設けて、当該ガスセンサに基づいて不純物ガス濃度が高いと判断される場合に、前記排気弁を開放して、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気する請求項３記載の発電システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックによる発電量を検知し、前記循環ポンプの回転数に基づいて想定される基準発電量よりも低い場合に、前記排気弁を開放して、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気する請求項３または４記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池による発電電力で走行用モータを駆動して動力を得る車両が実用化されつつある。
【０００３】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、燃料電池スタックは、水素を含む燃料ガスが供給されるアノード電極１００と、酸素を含む酸化ガスが供給されるカソード電極２００と、アノード電極１００及びカソード電極２００に挟まれた高分子電解質膜３００を備えた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly）と、燃料ガスをアノード電極に誘導するアノードセパレータと、酸化ガスをカソード電極に誘導するカソードセパレータを備えた燃料電池セルが複数積層されている。
【０００４】
燃料ガスタンク４００からインジェクタ５００を介して供給された水素ガスが、電極に設けた触媒の作用によりアノード電極１００で水素イオンと電子に分解され、高分子電解質膜３００を移動した水素イオンが、カソード電極２００に供給された酸素と反応して水が生成され、アノード電極１００で発生した電子が負荷回路６００に供給される。
【０００５】
カソード電極２００には、エアコンプレッサを介して空気が供給されている。さらに、アノード電極１００で発電に寄与しなかった水素ガスを再利用するため、燃料電池スタックから排気された水素ガスを燃料電池スタックに循環供給する環状の燃料ガス循環路７００が設けられている。
【０００６】
ところで、燃料電池スタックから排気された水素ガスには、高分子電解質膜３００を通り抜けた微量の窒素ガス等の不純物ガスが含まれるため、燃料ガス循環路７００を循環する過程で燃料ガスに含まれる不純物ガスの濃度が高くなると、発電効率が低下するという問題があった。
【０００７】
特許文献１には、アノードオフガスから分離された不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制して水素利用効率を向上させる燃料電池システムを提供することを目的として、アノードオフガスを滞留させる滞留空間を形成するガス滞留容器と、アノードオフガスをガス滞留容器に導入するアノードオフガス導管と、アノードオフガスから水素との比重差により分離した不純物ガスをガス滞留容器から導出する不純物ガス導管と、不純物ガスの導出量を調整する排気バルブと、滞留空間の断面積を狭めるオリフィス部を備えた燃料電池システムが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−３２８９８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載されたような不純物ガス除去装置を備えることにより、燃料ガス循環路７００を循環する水素ガスにより効率的に発電できる燃料電池を構成することができるが、大きな設置スペースが必要になるばかりか部品コストが嵩むという問題がある。
【０００９】
そこで、従来は、燃料ガス循環路７００に排気弁８００を備えた排気路を取り付け、定期的に燃料ガス循環路７００内のガスを排気していたが、水素ガスも同時に排気されるため、燃料ガスの有効利用という観点で更なる改良の余地があった。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、燃料ガス供給路から供給される燃料ガスに不純物ガスが混入する場合であっても、燃料ガスを効率的に発電に用いることができる燃料電池及び発電システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明による燃料電池の特徴構成は、一側面にアノード電極が形成され、他側面にカソード電極が形成された膜電極接合体を複数備えた燃料電池スタックと、前記膜電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路を含む燃料電池であって、前記燃料ガス供給路を通流する燃料ガスに作用する遠心力の方向とは反対側の方向に、前記燃料ガス供給路に沿ってアノード電極が配置されている点にある。
【００１２】
上述の構成によれば、燃料ガス供給管を介して燃料ガス供給路に供給されるガスに窒素ガス等の不純物ガスが混入しても、燃料ガス供給路を流れる分子量の小さな水素ガス等の燃料ガスに比べて分子量の大きな窒素ガスに大きな遠心力が作用する。従って、アノード電極を、燃料ガスに作用する遠心力の方向とは反対側の方向に、燃料ガス供給路に沿って配置することにより、アノード電極付近に流れる燃料ガスの濃度が高くなり、不純物ガスが含まれる場合であっても、発電効率の低下を招くことなく効率的に発電できるようになる。
【００１３】
また、本発明による発電システムの特徴構成は、走行用のモータに給電する上述の燃料電池と、前記燃料ガス供給路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に備えた循環ポンプを制御して発電量を調整する制御部を含む発電システムであって、前記循環ポンプの回転数を所定回転数より高く制御する場合に、前記燃料ガス供給路または燃料ガス供給管に備えた排気弁を開放して、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気する点にある。
【００１４】
上述の構成によれば、循環ポンプの回転数が所定回転数より高いときに、燃料ガス供給路を流れる不純物ガスの濃度が高くなる傾向があり、そのような場合に排気弁を開放することにより、効率的に不純物ガスを排気することができるようになる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明した通り、本発明によれば、燃料ガス供給路から供給される燃料ガスに不純物ガスが混入する場合であっても、燃料ガスを効率的に発電に用いることができる燃料電池及び発電システムを提供することができるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明による燃料電池及び発電システムが組み込まれた車両について説明する。
【００１７】
図２に示すように、燃料電池を動力源とする車両１には、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスである水素ガスを供給する燃料ガス供給機構３と、燃料電池スタック２に酸化ガスとしての酸素ガスを含む空気を供給する空気供給機構４と、燃料ガス供給機構３及び空気供給機構４を制御して燃料電池スタック２の発電量を制御する燃料電池制御部ＦＣ−ＥＣＵ（Fuel cell-Electronic Control Unit）と、燃料電池スタック２による発電電力が供給される三相同期式電動機で構成される走行用モータ６等が搭載されている。
【００１８】
尚、本実施形態では、燃料ガスとして水素ガスを用いているが、酸素ガスと反応して発電できるものであればその他のものであってもよい。
【００１９】
また、本実施形態では、燃料電池スタック２に、燃料ガスと反応させるため、酸素ガスを含む空気を供給しているが、酸素ガスを含んでいるのであれば空気以外のガスを供給してもよいし、酸素ガスそのものを供給してもよい。
【００２０】
従って、燃料電池スタック２に酸素ガスを供給するための酸素供給源は、空気供給源、例えば空気供給機構４であってもよいし、酸素ガスそのものの供給源、例えば酸素ガスが充填されたタンクであってもよい。
【００２１】
燃料ガス供給機構３は、一端が燃料ガスタンク２０に接続され、他端が燃料電池スタック２に接続された燃料ガス供給管Ｒ１に、燃料ガスを供給するか遮断する安全弁としての燃料供給弁３１と、燃料ガスの供給量を調整するインジェクタ３２を備えるとともに、燃料ガスタンク２０から供給され、燃料電池スタック２から排気された燃料ガスを、燃料電池スタック２に循環供給する再供給管Ｒ２を備えて構成されている。
【００２２】
再供給管Ｒ２には、燃料ガスの循環流量を調整する循環ポンプＰが配置され、再供給管Ｒ２または後述する燃料電池スタック２の燃料供給経路には、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気する排気弁３３を備えた排気路Ｒ８と、不純物ガス濃度を検知するガスセンサ３４を備えている。
【００２３】
尚、ガスセンサ３４には窒素ガスセンサを使用することができるが、水素ガスセンサを使用して、水素ガス濃度を検知することにより窒素ガスの濃度を推定するように構成してもよく、窒素ガスセンサと水素ガスセンサの双方を設けてもよい。
【００２４】
空気供給機構４は、一端がエアフィルタ４１を介して外気と連通し、他端が燃料電池スタック２に接続された酸化ガス供給管Ｒ３と、一端が燃料電池スタック２に接続され、他端がマフラー４３を介して外気と連通した排気管Ｒ４を備えて構成されている。
【００２５】
酸化ガス供給管Ｒ３にエアコンプレッサ４２が設けられ、エアコンプレッサ４２により吸引された外気が酸化ガスとして燃料電池スタック２に供給される。
【００２６】
上述した燃料電池スタック２と、燃料ガス供給機構３と、空気供給機構４と、ＦＣ−ＥＣＵにより発電システムが構成されている。
【００２７】
燃料電池スタック２で発電された電力は、リレーＲＹ１、昇圧コンバータ６１、インバータ６２を介して走行用モータ６に供給され、走行用モータ６の回転力がギア機構６５を介して駆動輪６６に伝達される。
【００２８】
また、回生制動された走行用モータ６による発電電力がインバータ６２、昇降圧コンバータ６３、リレーＲＹ２を介して蓄電器６４に充電される。
【００２９】
蓄電器６４に蓄えられた電力は、燃料電池スタック２の故障時等、燃料電池による電力が利用できない場合に、リレーＲＹ２、昇降圧コンバータ６３、インバータ６２を介して走行用モータ６に供給される。
【００３０】
当該車両１には、上述したＦＣ−ＥＣＵの他に、車両システムを統括して制御するシステム制御部ＨＶ−ＥＣＵ（Hybrid vehicle-Electronic Control Unit）や、ＨＶ−ＥＣＵの指令に基づいて走行用モータ６を制御するモータ制御部ＭＯＴ−ＥＣＵ(Motor-Electronic Control Unit）等の複数の電子制御装置が搭載され、各電子制御装置はＣＡＮ（Controller Area Network）によりネットワーク接続されている。
【００３１】
各電子制御装置には、ＣＰＵと、ＣＰＵの実行プログラムや制御データが格納されたＲＯＭと、ＣＰＵのワーキングエリアとして使用されるＲＡＭと、入出力周辺回路を備えている。図３にはＦＣ−ＥＣＵの回路ブロック構成図が示されている。
【００３２】
ＨＶ−ＥＣＵは、ＦＣ−ＥＣＵやＭＯＴ−ＥＣＵを管理し、ドライバの運転操作に基づいて、各ＥＣＵに制御指令を出力し、車両の走行状態を制御する。例えば、ドライバによってアクセルペダルが踏み込まれると、アクセルペダルの踏込み量に応じた走行を可能にするために、ＦＣ−ＥＣＵに燃料電池スタック２の発電量に関する制御指令を発し、ＭＯＴ−ＥＣＵに走行用モータ６のトルク指令を発する。
【００３３】
ＦＣ−ＥＣＵは、ＨＶ−ＥＣＵから発電量に関する制御指令を受信すると、インジェクタ３２を制御して燃料ガスの供給量を調整するとともに、循環ポンプＰの回転数やエアコンプレッサ４２を制御して、燃料電池スタック２による発電量を制御する。尚、図３には示されていないが、ＦＣ−ＥＣＵには、燃料電池スタック２の電圧及び電流を検知するセンサからの信号が入力されている。
【００３４】
また、ＦＣ−ＥＣＵは、再供給管Ｒ２または後述の燃料ガス供給路に設けたガスセンサ３４の出力に基づいて、再供給管Ｒ２を介して燃料電池スタック２に循環供給される燃料ガスに含まれる不純物ガスの濃度が、所定の許容ガス濃度よりも高いと判断される場合に、排気弁３３を開放して、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気する。許容ガス濃度の具体的な値は、実験等に基づいて予め決定されＲＯＭに格納されている。
【００３５】
尚、ＦＣ−ＥＣＵは、不純物ガスの濃度に基づいて排気弁３３を開放する必要があると判断した場合であっても、循環ポンプＰの回転数が所定回転数より高くなるように制御しているときに限り、排気弁３３を開放して燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気することがより好ましい。所定回転数も実験等に基づいて予め決定されＲＯＭに格納されている。
【００３６】
許容ガス濃度、所定回転数は、ＨＶ−ＥＣＵから出力される発電量に関する制御指令に応じて複数段階に設定されており、燃料ガスの供給量に対する発電効率が低下し、正常な走行の妨げとなる場合に、不純物ガスを排気して発電効率を回復させるための指標である。
【００３７】
ＦＣ−ＥＣＵは、上述した不純物ガスの濃度にかかわらず、燃料電池スタック２による発電量を検知し、循環ポンプＰの回転数に基づいて想定される基準発電量よりも低い場合に、排気弁３３を開放して、燃料ガスに含まれる不純物ガスを排気するようにも構成されている。
【００３８】
図４に示すように、燃料電池は、円筒状に形成された燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の外周にらせん状に配管された燃料ガス供給路Ｒ６と、燃料電池スタック２の内周部に空気を供給する円筒状の吸気路Ｒ７を備えている。
【００３９】
詳述すると、一側面にアノード電極２１が形成され、他側面にカソード電極２２が形成された膜電極接合体２３でなる複数の燃料電池セル２０が、メッシュ状に形成された円筒状の支持部８に沿って配列固定されている。
【００４０】
アノード電極２１が円筒状の支持部８の外側を向き、カソード電極２２が円筒状の支持部８に接するように配列され、以て、吸気路Ｒ７に供給される空気がカソード電極２２に供給され、燃料ガス供給管Ｒ１から供給された燃料ガスが、燃料ガス供給路Ｒ６を介してアノード電極２１に供給されるように構成されている。
【００４１】
図５に示すように、燃料ガス供給路Ｒ６は、燃料電池セル２０のアノード電極２１との間に僅かな間隙Ｓが形成されるように、アノード電極２１に沿って配置されたらせん形状の管壁２５とアノード電極２１との間に形成され、管壁２３の幅方向中央部に外側に湾曲した凸状部２４を備えている。
【００４２】
つまり、燃料ガス供給路Ｒ６には、アノード電極の対向部でアノード電極２１から遠ざかる凸状部２４が形成されている。
【００４３】
燃料ガス供給管Ｒ１から供給され、燃料ガス供給路Ｒ６に流入した燃料ガスは、らせん状の燃料ガス供給路Ｒ６に沿って通流する間に遠心力により、管面２３方向への力が作用する。
【００４４】
カソード電極２２に供給された空気に含まれる窒素ガスの一部が、膜電極接合体２３の高分子膜を通過して燃料ガス供給路Ｒ６の燃料ガスに混入しても、水素ガスより分子量が大きな窒素ガスの方が遠心力による作用を強く受けるため、窒素ガスの大半が凸状部２４に移動し、アノード電極２１に接する機会が少なくなるため、アノード電極２１には良好に水素ガスが供給されるようになる。
【００４５】
つまり、燃料電池は、一側面にアノード電極２０が形成され、他側面にカソード電極２１が形成された膜電極接合体２２を複数備えた燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路Ｒ６を含み、燃料ガスに作用する遠心力の方向とは反対側の方向に、燃料ガス供給路Ｒ６に沿ってアノード電極２１が配置されている。
【００４６】
尚、燃料電池スタック２は必ずしも円筒状に形成される必要はなく、少なくとも膜電極接合体２２とそれに沿う燃料ガス供給路Ｒ６の一部が湾曲形成され、当該湾曲部で燃料ガスに遠心力が作用するような構成であればよい。
【００４７】
図６及び図７に示すように、当該凸状部２４のうち燃料ガスの流化方向に沿って下流側に、ガスセンサ３４と、不純物ガスを排気する排気弁３３を備えた排気路Ｒ８が設けられている。
【００４８】
遠心力によって凸状部２４に移動した分子量の大きな不純物ガスが、当該排気路Ｒ８を介して排気管Ｒ４に排気されるように構成されているのである。
【００４９】
上述したＦＣ−ＥＣＵによって、ガスセンサ３４により検知された不純物ガスの濃度に基づいて、排気弁３３が開放されると、凸状部２４に移動した不純物ガスが凸状部２４から排気路３３に効果的に排気されるのである。循環ポンプＰの回転数が所定回転数より高ときには、それだけ不純物ガスに対して作用する遠心力が大きくなるので、不純物ガスがさらに効果的に排気される。
【００５０】
尚、排気路３３の取付位置は、凸状部２４のうち燃料ガスの流化方向に沿って上流側、つまり、燃料ガス供給管Ｒ１との接合部よりやや下流側であってもよい。また、排気路３３を再供給管Ｒ２に取り付けてもよい。
【００５１】
尚、燃料電池を構成する燃料電池スタック２は、円筒状に形成されるものに限るものではない。少なくとも、燃料ガスに作用する遠心力の方向とは反対側の方向に、燃料ガス循環路Ｒ６に沿ってアノード電極が配置されていればよい。
【００５２】
例えば、図１に示すような燃料電池スタックにも本発明を適用することができる。詳述すると、図８に示すように、一側面にアノード電極２１が形成され、他側面にカソード電極２２が形成された膜電極接合体２３を湾曲姿勢となるようにケーシングに積層配置し、各膜電極接合体２３の両面にカソードセパレータ及びアノードセパレータを配置することによっても実現できる。
【００５３】
この場合、アノード電極２１は、湾曲姿勢となる膜電極接合体２３の凸側に配置される必要がある。
【００５４】
以下、ＦＣ−ＥＣＵによる発電量制御及び不純物ガスのパージ制御を、図９及び図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００５５】
ＨＶ−ＥＣＵから発電量に関する制御指令を受信すると（ＳＡ１）、ＲＯＭに格納された発電量と対応付けられたテーブル情報からインジェクタ３２の制御量及び循環ポンプＰの制御量を読み出して、インジェクタ３２及び循環ポンプＰの回転数、さらにはエアコンプレッサ４２を調整する（ＳＡ２，ＳＡ３）。
【００５６】
さらに、電流センサ及び電圧センサの出力値を検知し（ＳＡ４）、制御指令に対応した発電量が得られているか否かを判断し（ＳＡ５）、発電量に過不足があれば、インジェクタ３２及び循環ポンプＰの回転数をフィードバック制御する。
【００５７】
例えば、制御指令に対応した発電量と電流センサ及び電圧センサの出力値に基づく発電量の差分に基づいて、インジェクタ３２及び循環ポンプＰの操作量をＰＩ制御するのである。
【００５８】
このようなフィードバック制御を所定時間継続しても、制御指令に対応した発電量に満たない場合には（ＳＡ６）、排気弁フラグをセットする（ＳＡ７）。
【００５９】
図１０に示すように、ＦＣ−ＥＣＵは、所定時間間隔でガスセンサ３４の出力を検知し（ＳＢ１）、窒素ガス濃度が所定の許容ガス濃度より濃くなり（ＳＢ２）、循環ポンプＰの回転数が所定回転数より高くなると（ＳＢ３）、パージ処理、つまり、排気弁３３を所定時間開放した後に閉弁する（ＳＢ６，ＳＢ７，ＳＢ８）。
【００６０】
窒素ガス濃度が所定の許容ガス濃度より薄く（ＳＢ２）、循環ポンプＰの回転数が所定回転数より低い場合には（ＳＢ３）、排気弁フラグがセットされているかを判断し、排気弁フラグがセットされていれば（ＳＢ４）、排気弁フラグをリセットして（ＳＢ５）、ステップＳＢ６，ＳＢ７，ＳＢ８の処理を実行する。
【００６１】
ステップＳＢ４で排気弁フラグがセットされていなければ、そのままパージ処理を終了する。
【００６２】
尚、上述した実施形態は本発明の一例に過ぎず、本発明の作用効果を奏する範囲において各ブロックの具体的構成等を適宜変更設計できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】（ａ）は従来の燃料電池スタックの構造の説明図、（ｂ）は従来の燃料電池スタックを用いた発電システムの説明図
【図２】本発明の燃料電池を搭載した車両の機能ブロック構成図
【図３】ＦＣ−ＥＣＵの回路ブロック構成図
【図４】本発明の燃料電池の説明図
【図５】燃料ガス供給路の説明図
【図６】排気路が設けられた本発明の燃料電池の説明図
【図７】燃料ガス供給路及び排気路の説明図
【図８】図１に示す燃料電池スタックに本発明を適用する場合の説明図
【図９】ＦＣ−ＥＣＵによる発電量制御について説明するためのフローチャート
【図１０】不純物ガスのパージ制御について説明するためのフローチャート
【符号の説明】
【００６４】
２：燃料電池スタック
６：走行用モータ
２１：アノード電極
２２：カソード電極
２３：膜電極接合体
２４：凸状部
３３：排気弁
３４：ガスセンサ
Ｐ：循環ポンプ
Ｒ１：燃料ガス供給管
Ｒ６：燃料ガス供給路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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