(57)【要約】【課題】燃料ガスを常に充分に希釈してシステム外に排出することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈ボックス８を設ける。希釈ボックス８内に燃料ガスと酸化剤ガスの反応を促進させる触媒１６を設ける。温度センサＴ1，Ｔ2の検出値等に基づいて触媒１６の活性状態を判定する。触媒１６が活性状態の場合には、パージ弁１２を通して希釈ボックス８に導入される燃料ガスを増大させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈手段と、
前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの導入を操作する導入操作手段と、
この導入操作手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記希釈手段に、燃料ガスと酸化剤ガスの反応を促進させる触媒が設けられている燃料電池システムにおいて、
前記触媒の活性状態を判定する触媒状態判定手段を設け、
前記制御手段は、前記触媒状態判定手段が触媒活性状態と判定した場合に、前記希釈手段で触媒を用いずに希釈可能な量よりも多く燃料ガスを導入するように前記導入操作手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記触媒状態判定手段は、前記触媒の温度と、前記希釈手段に導入する酸化剤ガスの温度のうちの、いずれか一方が閾値を超える場合に、前記触媒が活性化しているものと判定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記触媒状態判定手段は、前記燃料電池が起動してからの前記導入操作手段を通過した燃料ガスの総量が所定値以上の場合に、前記触媒が活性化しているものと判定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記希釈手段は、触媒加熱用のヒータを備え、
前記制御手段は、前記希釈手段に対する燃料ガスの処理要求に対して処理能力が低い状況下で前記触媒状態判定手段が触媒活性状態でないと判定した場合には、前記ヒータを通電した後に前記導入操作手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記触媒状態判定手段は、前記ヒータの通電開始後に所定時間経過したときに触媒活性状態と判定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記希釈手段で触媒を用いずに希釈可能な燃料ガスの量は、前記希釈手段に供給される酸化剤ガスの流量を基にして求めることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムに関し、とりわけ、排出される燃料ガスを希釈する機能を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料電池のアノード極に水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、カソード極に空気等の酸化剤ガスが供給されるものがある。この燃料電池システムにおいては、燃料ガス中の水素がイオン化されて固体高分子電解質膜を介してカソード極に移動し、この間に生じた電子が外部回路に取り出される。
アノード極に接続される排出通路にはパージ弁が設けられており、このパージ弁が所定のタイミングで開くことにより、水素を消費したアノードオフガスが外部に排出される。このアノードオフガス中には、燃料電池で完全に消費できなかった燃料ガス（水素）が残存するため、通常は、希釈ボックスで空気等の酸化剤ガスによって希釈された後にシステム外部に排出される。
【０００３】
ところで、このような燃料電池システムにおいては、希釈ボックスで燃料ガスを充分に希釈することが重要になるが、アノードオフガスの燃料ガス濃度が燃料電池の運転状態等によって変動するため、燃料ガス濃度が一時的に高くなる場合等には、燃料ガスを充分に希釈し得るだけの酸化剤ガスの供給が間に合わない状況が考えられる。
【０００４】
このため、これに対処する燃料電池システムとして、希釈ボックスの内部に、燃料ガスと酸化剤ガスの反応を促進させるための触媒を設けたものが案出されている（例えば、特許文献１，２参照）。
この燃料電池システムでは、燃料電池から希釈ボックスに燃料ガスが導入されると、触媒を介した燃料ガスと酸化剤ガスの燃焼反応が起こり、このとき燃料ガスの一部が消費されるとともに、残余の燃料ガスが酸化剤ガスによって希釈される。
【特許文献１】特開２００６−４０８２８号公報
【特許文献２】特開２００６−３４４４７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
触媒は、通常、活性状態になって初めて反応促進機能を発揮するようになるが、上記従来の燃料電池システムにおいては、触媒の活性状態については充分な考慮がされていない。このため、希釈ボックス内の触媒が充分に活性化していない状態でパージ弁が開かれると、所望通りの希釈効果を得ることができなくなる。
【０００６】
そこでこの発明は、燃料ガスを常に充分に希釈してシステム外に排出することのできる燃料電池システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決する請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電を行う燃料電池（例えば、後述の実施形態における燃料電池１）と、この燃料電池のアノード極から排出された燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈手段（例えば、後述の実施形態における希釈ボックス８）と、前記アノード極から希釈手段への燃料ガスの導入を操作する導入操作手段（例えば、後述の実施形態におけるパージ弁１２）と、この導入操作手段を制御する制御手段（例えば、後述の実施形態における制御装置１３）と、を備え、前記希釈手段に、燃料ガスと酸化剤ガスの反応を促進させる触媒（例えば、後述の実施形態における触媒１６）が設けられている燃料電池システムにおいて、前記触媒の活性状態を判定する触媒状態判定手段（例えば、後述の実施形態における温度センサＴ1，Ｔ2）を設け、前記制御手段は、前記触媒状態判定手段が触媒活性状態と判定した場合に、前記希釈手段で触媒を用いずに希釈可能な量よりも多く燃料ガスを導入するように前記導入操作手段を制御することを特徴とする。
これにより、希釈手段中の触媒が活性状態判定手段によって監視され、触媒が活性状態で燃料ガスと酸化剤ガスの触媒燃焼が充分に可能なときには、希釈手段に対する燃料ガスの導入量を増大させるように導入操作手段が制御される。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒状態判定手段は、前記触媒の温度と、前記希釈手段に導入する酸化剤ガスの温度のうちの、いずれか一方が閾値を超える場合に、前記触媒が活性化しているものと判定することを特徴とする。
触媒や酸化剤ガスの温度が高い場合には触媒が活性化され、燃料ガスと酸化剤ガスの反応が充分に促進される。このため、触媒や酸化剤ガスの温度に注目することによって触媒の活性状態を把握することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒状態判定手段は、前記燃料電池が起動してからの前記導入操作手段を通過した燃料ガスの総量が所定値以上の場合に、前記触媒が活性化しているものと判定することを特徴とする。
燃料電池が運転を続けるとシステム全体が昇温され、それに伴って希釈手段に導入されるガスによって触媒部分の温度も上昇する。このため、導入操作手段を通過した燃料ガスの総量に注目することにより、触媒の活性状態を把握することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記希釈手段は、触媒加熱用のヒータ（例えば、後述の実施形態における図示しないヒータ）を備え、前記制御手段は、前記希釈手段に対する燃料ガスの処理要求に対して処理能力が低い状況下で前記触媒状態判定手段が触媒活性状態でないと判定した場合には、前記ヒータを通電した後に前記導入操作手段を制御することを特徴とする。
これにより、希釈手段の現在の処理能力よりも高い処理要求が有り、そのとき触媒が活性していない場合には、ヒータの通電のよって触媒が加熱され、触媒が活性状態になったところで希釈手段に燃料ガスが導入されることになる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒状態判定手段は、前記ヒータの通電開始後に所定時間経過したときに触媒活性状態と判定することを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記希釈手段で触媒を用いずに希釈可能な燃料ガスの量は、前記希釈手段に供給される酸化剤ガスの流量を基にして求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、希釈手段中の触媒の活性状態を活性状態判定手段によって常に監視し、触媒が活性状態で充分な触媒燃焼が可能なときに、希釈手段に対する燃料ガスの導入量を触媒を用いない場合の希釈可能量よりも増大させるため、燃料ガスを希釈手段の処理能力の範囲内で常に充分に希釈してシステム外に排出することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、触媒の温度と、希釈手段に導入される酸化剤ガスの温度のうちの、いずれか一方が閾値を超える場合に、触媒が活性化しているものと判定するため、触媒の活性状態を正確に把握して希釈手段に導入する燃料ガスの流量を適切に制御することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池が起動してからの導入操作手段を通過した燃料ガスの総量が所定値以上の場合に、触媒が活性化しているものと判定するため、触媒の活性状態を正確に把握して希釈手段に導入する燃料ガスの流量を適切に制御することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、希釈手段に対する燃料ガスの処理要求に対して処理能力が低下している状況下で触媒状態判定手段が触媒活性状態でないと判定した場合に、触媒をヒータによって加熱するため、触媒の活性化によって燃料ガスの希釈処理可能量を増大させることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、ヒータの通電開始後に所定時間経過したときに触媒状態判定手段が触媒活性状態と判定するため、触媒が充分に活性した状態で希釈手段での処理を実行することができる。これにより、燃料ガスの充分な希釈化が可能になる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、希釈手段に供給される酸化剤ガスの流量を基にして、触媒を用いずに希釈可能な燃料ガスの量を求めるため、流量センサ等の簡単な装置によって希釈可能な燃料ガスの量を正確に把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。最初に、各実施形態の共通する構成と制御について説明する。
なお、以下で説明する実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に搭載される態様である。
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池１は、複数の電池セル（以下「セル」と呼ぶ）が積層されて成り、各セルは、固体高分子電解質膜２（以下、「電解質膜２」と呼ぶ）の両側にアノード極３とカソード極４が設けられ、アノード極３とカソード極４の外側に反応ガスを供給するためのガス通路（図示せず）が設けられている。なお、図１においては、セル内部の構造を把握できるように一つのセルのイメージを模式的に示している。
【００２０】
燃料電池１は、アノード極３に水素ガスを主成分とする燃料ガスが供給されるとともに、カソード極４に酸素を含む空気（酸化剤ガス）が供給される。燃料電池１のアノード極３では、触媒反応によって水素イオンが発生し、その水素イオンが電解質膜２を透過してカソード極４まで移動する。カソード極４では、水素イオンが酸素と電気化学反応を起こすことで電力を発生する。
【００２１】
空気は、酸化剤供給手段であるエアコンプレッサ５からエア供給路６を通して燃料電池１のカソード極４に供給される。カソード極４に供給された空気は、該空気中の酸素が酸化剤として供された後、燃料電池１からエア排出路７を通って後述する希釈ボックス８（希釈手段）に供給される。
【００２２】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給手段である燃料タンク９から燃料ガス供給路１０を通して燃料電池１のアノード極３に供給され、該燃料ガス中の水素が燃料電池１での発電に供された後、オフガス排出路１１を通して希釈ボックス８に導入される。オフガス排出路１１には、電磁式の開閉弁から成るパージ弁１２（導入操作手段）が設けられており、このパージ弁１２の開閉操作によってオフガス排出路１１から希釈ボックス８へのオフガス（燃料ガスを含む）の導入を調整するようになっている。パージ弁１２は、エアコンプレッサ５や燃料タンク９側の図示しない制御弁とともに制御装置１３（制御手段）によって制御される。
【００２３】
エア供給路６には、エアコンプレッサ５から燃料電池１のカソード極４に供給される空気の流量を検出するための流量センサＧ1が設けられ、エア排出路７には、その内部を通過する空気（カソードオフガス）の温度を検出するための温度センサＴ1が設けられている。
燃料ガス供給路１０には、燃料タンク９から燃料電池１のアノード極３に供給される燃料ガスの圧力を検出するための圧力センサＰ1が設けられ、オフガス排出路１１には、その内部の温度を検出するための温度センサＴ3が設けられている。
【００２４】
また、希釈ボックス８には、オフガス排出路１１から導入された燃料ガス（アノードオフガス）を滞留させる滞留室１４が設けられ、この滞留室１４にエア排出路７が接続されるとともに、エア排出路７の空気によって希釈された燃料ガスをシステム外部に排出するための排出口１５が設けられている。また、希釈ボックス８の内部には、白金等の貴金属を担持した触媒１６が設けられている。この触媒１６は、燃料ガス（水素）と空気（酸素）の化学反応を促し、それによって燃料ガスを積極的に消費させる。
希釈ボックス８内には、触媒１６の温度を検出するための温度センサＴ２が設けられ、この温度センサＴ２が制御装置１３の入力側に接続されている。
【００２５】
ところで、制御装置１３は、圧力センサＰ1と温度センサＴ1，Ｔ2，Ｔ3の検出信号を基にして希釈ボックス８内の触媒１６が活性状態であるか否かを判定する機能を備えている。即ち、制御装置１３は、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの条件を満たす場合に、触媒１６が活性状態であるものと判定し、いずれの条件も満たさない場合に、触媒１６が非活性であるものと判定する。
（ａ）燃料電池１を起動してから希釈ボックス８に導入された燃料ガスの総量（総パージ量）が予め規定した所定値１を超える場合。
（ｂ）温度センサＴ1によって検出されるエア排出路７内の空気（酸化剤ガス）の温度が予め規定した所定値２を超える場合。
（ｃ）温度センサＴ2によって検出される触媒１６の温度が予め規定した所定値3を超える場合。
【００２６】
ここで、（ａ）の条件のうちの総パージ量は、パージ弁１２を開弁する毎に希釈ボックス８への燃料ガスの導入流量（パージ量）を求め、その導入流量を総て加算した値となる。また、パージ弁１２の開弁毎のパージ量は、圧力センサＰ1によって検出される燃料ガスの圧力と、温度センサＴ3によって検出されるオフガス排出路１１の温度からパージ燃料ガスの濃度を求め、さらに、その濃度と、パージ一回当たりの排出流量（希釈ボックス８への導入流量）を基にして求める。
（ａ）の条件から触媒１６の活性状態を判別できるのは、燃料電池１を起動してからある程度以上時間が経過し、総パージ量が所定値１（実験等によって求めた値）を超えるようであれば、システム全体が昇温されて希釈ボックス８内の触媒１６も活性化されるためである。
【００２７】
また、（ｂ），（ｃ）の条件は、エア排出路７内の空気温度と、触媒１６自体の温度がそれぞれ所定値２，３を超えるようであれば、希釈ボックス８内の触媒１６が熱によって活性化されるためである。
なお、この実施形態においては、圧力センサＰ1と温度センサＴ1，Ｔ2，Ｔ3と、制御手段１３の機能の一部が触媒状態判定手段を構成している。
【００２８】
また、制御装置１３は、前述のようにして触媒１６が活性状態であるものと判定した場合には、希釈ボックス８で触媒１６を用いずに希釈可能な最大燃料ガス量（以下、「通常時に希釈可能なパージ量」と呼ぶ）よりも多くの燃料ガスを希釈ボックス８に導入するようにパージ弁１２を開弁制御する。このときの燃料ガス量は、触媒１６を用いて希釈ボックス８で希釈可能な燃料ガス量とする。また、触媒１６が非活性状態であるものと判定した場合には、制御装置１３は、燃料ガス量が通常時に希釈可能なパージ量以下となるようにパージ弁１２を開弁制御する。
【００２９】
つづいて、この燃料電池システムにおける具体的な制御を、図２，図３のフローチャートに沿って説明する。
図２は、触媒１６が活性状態であるか否かを判定する判定フローを示すものである。
同図において、ステップＳ１０１においては、現在パージ処理中（パージ弁１２を開弁制御中）であるか否かを判定し、パージ処理中である場合には、ステップＳ１０２に進み、パージ処理中でない場合には、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０２においては、圧力センサＰ1と温度センサＴ3の検出値を基にして現在のパージ量Ｑxを算出し、つづくステップＳ１０４において、燃料電池の起動時からの総パージ量ＱTを求め、その後にステップＳ１０３に進む。
【００３０】
ステップＳ１０３においては、総パージ量ＱTが所定値１を超えるか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０５に進んで触媒１６が活性状態であるものと判定して処理を終え、ＮＯの場合には、ステップＳ１０６に進む。
ステップＳ１０６においては、温度センサＴ1の検出値（エア排出路７の温度）が所定値２を超えるか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０５に進んで触媒１６が活性状態であるものと判定して処理を終え、ＮＯの場合には、ステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０７においては、温度センサＴ2の検出値（触媒１６の温度）が所定値３を超えるか否かを判定し、ＹＥＳの場合には、ステップＳ１０５に進んで触媒１６が活性状態であるものと判定して処理を終え、ＮＯの場合には、ステップＳ１０８に進んで触媒１６が非活性状態であるものと判定して処理を終える。
【００３１】
すなわち、このフローにおいては、総パージ量ＱTと、エア排出路７の温度と、触媒１６の温度のうちのいずれかが対応する条件（上記の（ａ）〜（ｃ）の条件）を満たすときに触媒１６が活性状態であるものと判定し、それ以外のときには触媒１６が非活性状態であるものと判定する。
したがって、この燃料電池システムにおいては、簡単な構成でありながら、希釈ボックス８内の触媒１６の活性状態を正確に判定することができる。
【００３２】
図３は、第１の実施形態のパージ処理のフローを示すものである。
同図のステップＳ２０１においては、図２のフローにしたがって触媒１６が活性状態であるか否かを判定し、ここでＹＥＳの場合には、ステップＳ２０２に進み、ＮＯの場合には、ステップＳ２０３に進む。
触媒１６が非活性でステップＳ２０３に進んだ場合には、流量センサＧ1の検出値を基にして希釈可能なパージ量を算出した後に、ステップＳ２０４に進み、ステップＳ２０４において、通常時に希釈可能なパージ量Ｑaをパージ量上限値に設定する。
また、触媒１６が活性状態でステップＳ２０２に進んだ場合には、流量センサＧ1の検出値を基にして希釈可能なパージ量を算出した後に、ステップＳ２０５に進み、ステップＳ２０５において、通常時に希釈可能なパージ量Ｑaよりも大きい所定値４をパージ量上限値に設定する。
【００３３】
ステップＳ２０６においては、運転条件等によって決まる現在のパージ要求量がステップＳ２０４、若しくは、ステップＳ２０５で設定したパージ量上限値を上回るか否かを判定する。ここで、ＹＥＳの場合には、ステップＳ２０７に進んでパージを中止、若しくは、パージ量を制限して処理を終了する。また、ＮＯの場合には、ステップＳ２０８に進み、パージ要求量に応じたパージを実行して処理を終了する。
【００３４】
したがって、この第１の実施形態のパージ処理においては、希釈ボックス８内の触媒の活性状態に応じてパージ量上限値が変更されるため、触媒が活性状態で、希釈ボックス８の処理能力が高い場合には、大量の燃料ガスのパージを効率良く実行することができるとともに、触媒が非活性状態で、希釈ボックス８の処理能力が低い場合には、希釈ボックス８の処理能力を超えて大量の燃料ガスが導入されることによる希釈不良を抑制することができる。
【００３５】
また、この燃料電池システムにおいては、通常時に希釈可能なパージ量を希釈ボックス８に供給される空気量を基にして求めるため、流量センサＧ1を用いることによって通常時に希釈可能なパージ量を簡単に、かつ正確に把握することができる。
【００３６】
図４は、第２の実施形態のパージ処理のフローを示すものである。なお、この第２の実施形態の燃料電池システムは、基本的な構成は前述したものとほぼ同様であるが、図１に示す希釈ボックス８の内部に触媒を加熱するための図示しないヒータが設けられている点が異なっている。また、触媒の活性判断処理については第１の実施形態と同様であるが、パージ処理は後半部分のみが第１の実施形態のものと一部異なっている。このため、第１の実施形態と同一ステップには同一ステップ符号を付して重複する説明を一部省略するものとする。
【００３７】
ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６までの処理は第１の実施形態と同様であり、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０５において、触媒１６の活性状態に応じてパージ量上限値を設定するとともに、ステップＳ２０６において、パージ要求量がパージ量上限値を上回るか否かを判定する。ここでＹＥＳの場合には、ステップ３０１に進み、ＮＯの場合には、ステップ２０８に進んでそのままパージ要求量に応じたパージを実行する。
【００３８】
ステップＳ３０１においては、触媒１６の活性状態に応じて処理を振分け、触媒１６が既に活性状態である場合には、さらなるパージ量の増大（触媒燃焼による反応の促進）を期待することができないため、ステップＳ３０２に進んでパージを中止、若しくは、パージ量を制限して処理を終了する。
【００３９】
一方、触媒１６が非活性状態である場合には、ステップＳ３０３に進み、触媒加熱用のヒータを通電する。次のステップＳ３０４においては、ヒータによって触媒が加熱されるまでの間所定時間の経過を待ち、所定時間が経過した後に触媒１６が活性状態になったものとしてステップＳ２０２に戻る。この後、ステップＳ２０２以下の処理に進むことにより、パージ量上限値が通常時に希釈可能なパージ量Ｑaよりも大きい所定値４に設定され、より多量のパージが実行され易くなる。
【００４０】
この実施形態の燃料電池システムは基本的に第１の実施形態と同様の効果を得ることができるが、パージ要求量よりもパージ量上限値が低く、しかも、触媒１６が活性化されておらず触媒の活性によってパージ量上限値の増大（処理能力の増大）が望める状況のときには、ヒータによって触媒１６を強制的に加熱するため、燃料ガス濃度の増大を招くことなくパージ量をより増大させることができる。このため、燃料電池１の起動時等にもパージ量を増やすことによって電解質膜２の劣化を未然に防止することができる。
【００４１】
また、この燃料電池システムにおいては、ヒータの通電開始後に所定時間の経過を待って触媒が活性化されたものと判定するため、触媒が充分に活性化された状態で希釈ボックス８による希釈処理を実行することができる。したがって、燃料ガスの充分な希釈を期待することができる。
【００４２】
なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の実施形態の燃料電池システムの概略構成図。
【図２】この発明の実施形態の触媒活性判断処理の流れを示すフローチャート。
【図３】この発明の第１の実施形態のパージ処理の流れを示すフローチャート。
【図４】この発明の第２の実施形態のパージ処理の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池
８…希釈ボックス（希釈手段）
１２…パージ弁（導入操作手段）
１３…制御装置（制御手段、触媒状態判定手段）
１６…触媒
Ｔ1，Ｔ2…温度センサ（触媒状態判定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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