(57)【要約】【課題】燃料電池システムについて、パージの際に排出する水素の量を一定化する。【解決手段】システム１０の起動時に、水素吸蔵ボンベ１２の内圧を計測して、その内圧の計測値に比例するように、パージ弁１５ａの開弁開始から閉弁するまでの時間を制御することにした。ボンベ１２の内圧が高いときは、パージ弁１５ａの開弁状態の維持時間を短く調節し、内圧が低いときは、パージ弁１５ａの開弁状態の維持時間を長く調節することで、パージ弁１５ａから不純ガスとともに排出される水素の量を、ほぼ一定化することが可能となった。排出水素量を一定量に制御できれば、その量を必要最小限の量とすることも可能となるため、無駄が省かれ、低コスト化が図られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極１１ａおよび酸素極１１ｂを有する燃料電池１１と、
水素ボンベ１２と、
この水素ボンベ１２から放出された水素を前記燃料電池１１の水素極１１ａへと供給可能な供給路１３と、
前記燃料電池１１の水素極１１ａから排出された水素が流通する排出路１４と、
前記供給路１３を開閉可能な給止弁１３ａと、
前記排出路１４にあって開弁時に排出路１４を系外に開放する開閉可能なパージ弁１５ａと、
前記水素ボンベ１２の内圧を計測可能な圧力計１２ａと、
前記給止弁１３ａおよびパージ弁１５ａを開閉制御可能な制御部１６と、を備え、
前記制御部１６は、システム起動時に前記給止弁１３ａおよび前記パージ弁１５ａの開弁を開始し、かつ前記パージ弁１５ａの開弁開始から前記圧力計１２ａの計測値に基づく所定時間経過後に、前記パージ弁１５ａを閉弁する燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力計１２ａの計測値に基づく所定時間は、前記圧力計１２ａの計測値の大きさに反比例する長さの時間である請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素ボンベ１２は、水素を吸蔵および放出する水素吸蔵ボンベである請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システム１０の起動時における制御方法であって、
燃料電池１１の水素極１１ａへと水素を供給するための、水素ボンベ１２の内圧を計測するステップと、
前記燃料電池１１への前記水素ボンベ１２からの水素の供給を開始するステップと、
前記燃料電池１１へと供給された水素および燃料電池に滞留した不純ガスの排出を開始するステップと、
前記水素ボンベ１２の内圧の計測値に反比例して、前記水素および不純ガスの排出開始から排出停止までの時間を制御するステップと、を含む制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、システム起動時に、定量の水素で水素極に滞留する不純ガスのパージをおこなうことが可能な燃料電池システムに関する。
また、この発明は、システム起動時に、定量の水素で水素極に滞留する不純ガスのパージをおこなう燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池（燃料電池スタック）の水素極（アノード）に水素ボンベから燃料となる水素を供給し、この水素と酸素極（カソード）に供給された大気中等の酸素とを化学反応させ、電気エネルギーを取り出すしくみとなっており、環境に対する負荷の小ささから近年脚光を浴びている。
【０００３】
ここで水素極には、上記化学反応を促進するために白金等の触媒が担持されているが、この水素極に供給される水素が不純物を含んでいると、この触媒の劣化を早めてしまう。
そのため、燃料となる水素には高純度のものを用いる必要がある。
【０００４】
ところが、高純度の水素を用いた場合であっても、燃料電池システムを長時間停止した際には、外気が徐々に水素極へと侵入し、不純ガスとして滞留するため、触媒が劣化する問題があった。
【０００５】
そこで、燃料電池システムを起動させる際に、水素を水素極へと比較的短期に多量に投入して、滞留している不純ガスをこの水素とともに水素極から追い出す試みが従来なされている。
そして、この不純ガスの排出作業は、一般にパージ（ｐｕｒｇｅ）と称されている。
【０００６】
特許文献1には、パージの具体的な制御の例が示されている。
ここでは、まず燃料電池システムの起動時に、水素ボンベから水素極への水素の供給圧力を圧力計で計測している。
そして、この計測した圧力に基づいて、水素ボンベに対して水素極の上流側にある給止弁の開弁開始から、水素極の下流側にあるパージ弁の開弁開始までの、時間的な間隔を制御する。
換言すれば、水素ボンベから水素極への水素の供給の開始から、水素極に滞留していた不純ガス（および水素極に供給された水素）の排出の開始までのタイムスパンを制御することになる。
【０００７】
このようにすれば、給止弁の開放開始から所定の時間が経過し、十分に水素の供給圧力が上昇したのを確認した後にパージ弁を開弁できる。
そのため、不純ガスが配管を逆流することが防止され、パージを円滑に行うことができる。
【特許文献１】特開２００７−１２８９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献1においては、パージ弁の開弁状態の維持時間、すなわちパージ弁の開弁開始から閉弁までの時間を、ボンベからの水素の供給圧力等の外的要因に合わせて変動させるような制御がなされていない。
ここで、パージ弁の開放維持時間の長さが、あらかじめ定められた一定時間であるならば、パージの際に不純ガスとともに排出される水素の量は、水素の供給圧力に応じて変動することになる。
【０００９】
すなわち、水素の供給圧力が高いと水素排出量は多くなり、水素の供給圧力が低いと水素排出量は少なくなるため、水素排出量の制御が困難となる。
とくに水素ボンベとして、水素を吸蔵および放出する性質を有する水素吸蔵合金の性質を利用した水素吸蔵ボンベを選択した場合、ボンベの水素放出量は温度によって大きく変動するため、水素の供給圧力を調整しにくく、したがってパージの際の排出水素の量の制御は困難を極める。
【００１０】
ところで、パージの際に排出される水素は、未利用であって、燃料電池システムの発電に何ら寄与することはない。
そのため、必要最小限の量の水素でパージをおこなうことが、無駄が少なく、効率やコストの点から望ましい。
このような必要最小限の量の水素でパージを行なう前提条件として、パージの際の排出水素の量を水素供給圧の変動に影響されることなく、常時ほぼ一定量に維持する制御の実現が要請される。
【００１１】
そこでこの発明の解決すべき課題は、燃料電池システムについて、パージの際に排出する水素の量を一定化し、ひいては水素の量を必要最小限化を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記した課題を解決するためこの発明は、燃料電池システムの起動時に、水素ボンベの内圧を計測して、その内圧の計測値に基づいてパージ弁の開弁開始から閉弁するまでの時間を制御することにしたのである。
【００１３】
具体的には、水素極および酸素極を有する燃料電池と、水素ボンベと、この水素ボンベから放出された水素を前記燃料電池の水素極へと供給可能な供給路と、前記燃料電池の水素極から排出された水素が流通する排出路と、前記供給路を開閉可能な給止弁と、前記排出路にあって開弁時に排出路を系外に開放する開閉可能なパージ弁と、前記水素ボンベの内圧を計測可能な圧力計と、前記給止弁およびパージ弁を開閉制御可能な制御部と、を備える燃料電池システムについて、以下の構成を採用したのである。
すなわち、前記制御部は、システム起動時に前記給止弁および前記パージ弁の開弁を開始し、かつ前記パージ弁の開弁開始から前記圧力計の計測値に基づく所定時間経過後に、前記パージ弁を閉弁することとしたのである。
【００１４】
前記水素ボンベとしては、水素吸蔵ボンベが好ましい。
水素吸蔵ボンベとは、水素を吸蔵および放出する性質を有する水素吸蔵材料の特質を利用したボンベであり、必ずしも全体が水素吸蔵材料で形成されていることを意味しない。
水素吸蔵材料には、金属材料と非金属材料があり、金属材料の例としては、ＡＢ２型、ＡＢ5型、Ｔｉ‐Ｆｅ系、Ｖ系（バナジウム基合金は水素と効率よく反応するため、特に好ましい。）、Ｍｇ系（マグネシウム基合金は水素を多量に吸蔵するため、特に好ましい。）、Ｐｄ系などの水素吸蔵合金が挙げられる。
非金属材料の例としては、カーボンナノチューブなどの炭素系材料が挙げられる。
【００１５】
さらに、前記圧力計の計測値に基づく所定時間を、前記圧力計の計測値の大きさに反比例する長さの時間としたのである。
【００１６】
燃料電池システムの水素ボンベの内圧と、水素ボンベから燃料電池の水素極への水素の供給圧はほぼ等しい。
したがって、上記の構成を採用すれば、水素ボンベの内圧が相対的に高いとき、すなわち水素の供給圧が相対的に高いときには、パージ弁の開弁状態の維持時間を相対的に短く調節できる。
また、水素ボンベの内圧が相対的に低いとき、すなわち水素の供給圧が相対的に低いときには、パージ弁の開弁状態の維持時間を相対的に長く調節できる。
これによって、パージ弁から不純ガスとともに排出される水素の量を、水素供給圧の高低にかかわらず、ほぼ一定化することが可能となる。
このようにして、パージの際に排出する水素の量を一定量に制御できるならば、その一定量を不純ガスを燃料電池システムの系外に追い出すのに必要最小限の量とすることもできる。
そのため、無駄が少なくなり、コスト的にも改善される。
【００１７】
この発明を方法の観点から考察すると、燃料電池システムの起動時における制御方法であって、燃料電池の水素極へと水素を供給するための水素ボンベの内圧を計測するステップと、前記燃料電池への前記水素ボンベからの水素の供給を開始するステップと、前記燃料電池へと供給された水素および燃料電池に滞留した不純ガスの排出を開始するステップと、前記ボンベの内圧の計測値に反比例して、前記水素および不純ガスの排出開始から排出停止までの時間を制御するステップと、を含む制御方法であることが理解される。
【００１８】
ここで不純ガスとは、燃料電池システムを停止している間に、システムの系外から侵入する外気等を意味する。
【発明の効果】
【００１９】
燃料電池システムの起動時に、水素ボンベの内圧を計測して、その内圧の計測値の大小に反比例して、パージ弁の開弁状態の維持時間の長短を制御するようにしたので、パージの際に排出する水素の量をほぼ一定量とすることが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１に示す実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１（以下、スタック１１と略す。）と、このスタック１１に水素燃料を供給するための水素吸蔵ボンベ１２（以下、ボンベ１２と略す。）と、を備える。
【００２１】
スタック１１は水素極１１ａと酸素極１１ｂとを備え、それぞれの極１１ａ、１１ｂに水素、空気が供給されることで水素と空気中の酸素が化学反応して電気エネルギーを取り出せるようになっている。
そして、それぞれの極１１ａ、１１ｂには、水素と酸素の化学反応を促進させるために、白金等の触媒が担持されている。
ちなみに、スタック１１の酸素極１１ｂは、適宜空気（外気）を取り込み可能に構成されている。
【００２２】
また、ボンベ１２は水素吸蔵合金等の水素吸蔵材が内蔵されるなどして、水素を吸蔵および放出する性質を有している。
このようにボンベ１２は、水素吸蔵材の性質を利用しているため、外気温が相対的に高い場合には、その内圧が高くなり、外気温が相対的に低い場合には、その内圧が低くなる。
【００２３】
さらに、スタック１１の水素極１１ａとボンベ１２との間には、流体が流通可能な供給路１３が配管されている。
この供給路１３の中途には、ボンベ１２を上流側、スタック１１を下流側として順に、電磁弁であって供給路１３内を開閉する上流側の給止弁１３ａと、下流側の減圧弁１３ｂとが設けられている。
また、ボンベ１２には圧力計１２ａが付属し、ボンベ１２の内圧が計測できるようになっている。
ここで給止弁１３ａを開弁すると、ボンベ１２の内圧により供給路１３へと水素が供給されることになる。
このように供給路１３への水素の供給は、ボンベ１２の内圧に依存するため、水素供給圧はボンベ内圧にほぼ等しいことになる。
【００２４】
さらにスタック１１の下流側には、水素極１１ａから排出された流体が流通可能な排出路１４が配管され、この排出路１４には電磁弁である開閉可能なパージ弁１５ａが付属している。
このパージ弁１５ａを開弁すると排出路１４は系外に開放されることになる。
また、排出路１４のパージ弁１５ａより上流側には逆止弁１４ａが設けられ、流体が水素極１１ａ側に逆流するのを防止している。
【００２５】
ここで前記圧力計１２ａの計測値に基づく信号は、制御部１６（ＥＣＵ：電子制御ユニット）に入力され、これに基づいて制御部１６は給止弁１３ａ、パージ弁１５ａに信号を出力し、これら弁１３ａ、１５ａの開閉制御をおこなう。
【００２６】
なお、上記実施形態において、減圧弁１３ｂ、逆止弁１４ａは適宜省略可能である。
【００２７】
燃料電池システム１０の構成は以上のようであり、その具体的な制御の例を図２に示す。
図２では、圧力計１２ａをＰで、給止弁１３ａをＶ１で、パージ弁１５ａをＶ２で表している。
【００２８】
まずステップＳ１で燃料電池システム１０の起動と同時に、圧力計１２ａでボンベ１２の内圧を計測する。
つぎにステップＳ２で制御部１６は、給止弁１３ａの開弁を開始する。
これにより、ボンベ１２から供給路１３を通じてスタック１１の水素極１１ａへと水素が供給され、スタック１１に滞留する不純ガス（これが水素極１１ａの触媒の劣化を早める。）は水素に追い出されて排出路１４を流れる。
ここで、スタック１１の水素極１１ａへと供給される供給圧が高すぎるとスタック１１が破損する恐れがあるため、供給路１３上の減圧弁１３ｂによって水素の供給圧を適圧へと下げている。
【００２９】
さらにステップＳ３で給止弁１３ａの開弁開始から所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。
所定時間Ｔ１が経過していなければＳ２に戻る。
【００３０】
所定時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ４で制御部１６は、パージ弁１５ａの開弁を開始する。
これにより、排出路１４に滞留する不純ガスおよび水素の、系外への排出が開始される。
【００３１】
ところで、前記所定時間Ｔ１、すなわち給止弁１３ａの開弁開始とパージ弁１５ａの開弁開始とのタイムスパンは、あらかじめ定められた一定時間でもよいし、前記圧力計１２ａの計測値に基づいて変化させてもよい。
たとえば、圧力計１２ａの計測値が相対的に低いとき、換言すれば水素の供給圧が相対的に低いときは、タイムスパンを相対的に大きくなるように制御し、圧力計１２ａの計測値が相対的に高いとき、換言すれば水素の供給圧が相対的に高いときは、タイムスパンを相対的に小さくなるように制御することが考えられる。
【００３２】
またステップＳ５で制御部１６は、パージ弁１５ａの開弁開始から所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。
所定時間Ｔ２が経過していなければＳ４に戻る。
【００３３】
所定時間Ｔ２が経過すると、ステップ６で制御部は、パージ弁１５ａを閉弁する。
【００３４】
ここで、所定時間Ｔ２は、ステップＳ１で計測した圧力計１２ａの計測値に反比例するように、求められる。
すなわち、制御部１６は、図3のように圧力計１２ａの計測値をＰとしたとき、Ｔ２＝ｋ／Ｐ（ｋは定数）となるように制御する。
【００３５】
パージ弁１５ａの開弁中は、排出路１４に滞留する水素および不純ガスが系外に排出され続ける。
そして、所定時間が経過して、不純ガスがほぼ完全に系外に排出されると、パージ弁１５ａが閉弁する。
以後システム起動中は、発電により発生する生成水を排出する場合を除き、パージ弁１５ａは閉じられたままとなる。
【００３６】
このように実施形態の制御では、圧力計１２ａの計測値に反比例するように、パージ弁１５ａの開弁状態の維持時間、すなわち開弁開始から閉弁までの時間Ｔ２を決定している。
そのため、パージ弁１５ａから不純ガスとともに排出される水素の量を、ボンベ１２内圧（およびこれとほぼ同じになる供給路１３の水素供給圧）の高低にかかわらず、ほぼ一定量に維持することが可能となる。
【００３７】
そして、この制御が可能となれば、パージの際の水素の排出量と、パージ後にシステム１０内に残存する不純ガスの量との関係を計測する実験等を繰り返すことにより、その一定量を、パージ弁１５ａから不純ガスをほぼ完全に追い出すのに必要最小限の量とすることも容易となる。
したがって、簡単な制御で、パージ弁１５ａから排出する未利用水素の量を減らして、水素の有効利用を図り、もってコスト削減を図ることができる。
この燃料システムの用途は特に限定されないが、たとえば自動車などの移動車両の電源として利用される。
【００３８】
以上の実施形態では、水素極１１ａへの水素の供給を水素吸蔵ボンベ１２によりおこなったが、他の種類の水素ボンベによりおこなってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】燃料電池システムのシステム構成図
【図２】燃料電池システムの制御の例を示す流れ図
【図３】圧力計の計測値とパージ弁の開弁状態の維持時間との関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００４０】
１０  実施形態の燃料電池システム
１１  燃料電池スタック
１１ａ  水素極
１１ｂ  酸素極
１２  水素吸蔵ボンベ
１２ａ  圧力計
１３  供給路
１３ａ  給止弁
１３ｂ  減圧弁
１４  排出路
１４ａ  逆止弁
１５ａ  パージ弁
１６  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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