(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、
流体の流れによるエネルギで駆動され、前記燃料ガス供給流路に設けられ前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むエゼクタと、
回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路または燃料ガス供給流路の前記エゼクタ下流側に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、
前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池を構成するセルの電圧を検出する電圧検出手段を備え、該電圧検出手段にて検出したセルの電圧に基づいて、前記排出弁の開閉を行う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】
前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段を備え、該負荷状態検出手段にて検出した負荷状態に応じて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、
流体の流れによるエネルギで駆動され、前記燃料ガス供給流路に設けられ前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むエゼクタと、
回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路または燃料ガス供給流路の前記エゼクタ下流側に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、
前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁と、
前記燃料電池、前記燃料ポンプおよび排出弁を司る制御装置と、を備え、
前記制御装置により、前記燃料電池の駆動期間中のうち少なくとも始動時に、前記排出弁を閉鎖しつつ前記燃料ポンプを駆動することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車等に用いられる燃料電池システムおよびその駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
【０００３】
燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス（以下、水素オフガスという）には未反応の水素ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃費が悪化してしまう。そこで、燃費向上のため、この水素オフガスを積極的に循環させ、新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に供給する燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、エゼクタ（エゼクタポンプ）を用いて水素オフガスを循環させ、該水素オフガスを再度燃料電池に供給する燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献２には、水素ガスの循環流路にポンプまたはコンプレッサを設けて、該ポンプやコンプレッサにより水素ガスをリサイクルさせる燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５８−３００７５号公報
【特許文献２】
特開平７−２４０２２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したエゼクタを用いる燃料電池システムにおいては、前記燃料電池の始動時に不具合がある。すなわち、前記エゼクタにより水素ガスを循環させるには、前記エゼクタの設けられた循環流路に水素ガスの流れが必要であるため、燃料電池の始動時などの水素ガスの流れのない場合においては、循環流路に強制的に水素ガスの流れを作り出す必要がある。この流れを作り出すために、水素ガス循環流路からのパージを行うと、循環流路から未反応の水素ガスが排出されてしまうため却って燃費が悪化してしまうという問題があった。
【０００７】
また、上述したポンプやコンプレッサを設ける燃料電池システムにおいては、水素ガスの循環中は前記ポンプやコンプレッサの運転を継続させる必要があるため、このポンプやコンプレッサの運転に必要な電力が継続して消費され、その分燃費が悪化してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスを有効利用することができ、燃費を向上できる燃料電池システムおよびその駆動方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明の請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路（例えば、後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２０）と、流体の流れによるエネルギで駆動され、前記燃料ガス供給流路に設けられ前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むエゼクタ（例えば、後述する実施の形態におけるエゼクタ６）と、回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路または燃料ガス供給流路の前記エゼクタ下流側に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプ（例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ７）と、前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁（例えば、後述する実施の形態における排出弁２５）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
この発明によれば、燃料電池始動時などの前記循環流路に流れのない場合においても、前記排出弁を閉じた状態で燃料ポンプを駆動することにより、オフガス中の未反応の燃料ガスを前記燃料電池に供給することができる。また、前記ポンプを駆動することにより循環流路に燃料ガスの流れを一旦作り出せば、前記エゼクタにより前記循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むことが可能となる。このように、前記ポンプは燃料ガスの流れを作り出せるものであれば十分であるため、サイズの小型化を図ることができ、前記ポンプの運転に必要な電力を低減させることができる。これにより、燃料電池の始動時などの前記循環流路に流れのない場合においても、燃料ガスを外部に放出することなく有効利用することができ、燃費を向上できる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記燃料電池を構成するセルの電圧を検出する電圧検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるセル電圧検出センサ２８）を備え、該電圧検出手段にて検出したセルの電圧に基づいて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
この発明によれば、前記電圧検出手段により検出したセルの電圧によりオフガス中の燃料濃度が推定され、該燃料濃度が所定値よりも高いと推定された場合には排出弁を閉じてオフガスを循環させるとともに、燃料濃度が所定値よりも低いと推定された場合には排出弁を開いてオフガスを排出することができる。これにより、オフガス中の燃料を有効利用できるとともに、オフガス中の燃料濃度が所定値より高い場合にのみ前記ポンプを駆動できるため、前記ポンプの駆動に必要な電力を低減でき、効率的な運転を行うことができる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記燃料ポンプの負荷状態を検出する負荷状態検出手段（例えば、後述する実施の形態におけるポンプ消費電流検出手段２７）を備え、該負荷状態検出手段にて検出した負荷状態に応じて、前記排出弁の開閉を行うことを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
この発明によれば、前記負荷状態検出手段により検出した燃料ポンプの負荷状態に応じて、燃料オフガス中の不純ガス（燃料ガス以外のガスであり、主に窒素ガス）の濃度を推定することができる。これにより、不純ガスの濃度が所定の濃度になった場合に排出弁を開くように制御することで、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることができ、このパージにより不純ガスがもたらす高い負荷状態を低減することができるため、燃料ポンプに対する保護を高めることができる。
【００１５】
また、請求項４に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻す燃料オフガス循環流路と、流体の流れによるエネルギで駆動され、前記燃料ガス供給流路に設けられ前記燃料オフガス循環流路の燃料オフガスを燃料ガス供給流路に送り込むエゼクタと、回転機により駆動され、前記燃料オフガス循環流路または燃料ガス供給流路の前記エゼクタ下流側に設けられて燃料オフガスを昇圧する燃料ポンプと、前記燃料オフガスを前記燃料オフガス循環流路から排出する排出弁と、前記燃料電池、前記燃料ポンプおよび排出弁を司る制御装置と、を備え、前記制御装置により、前記燃料電池の駆動期間中のうち少なくとも始動時に、前記排出弁を閉鎖しつつ前記燃料ポンプを駆動することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、エゼクタのみでは循環流路に流れがない少なくとも始動時において、前記排出弁を閉じた状態として燃料ポンプを駆動することにより、排出弁を開いて循環流路に流れを起こすことによる無駄な燃料排出を抑え、燃料を有効に利用することができる。この駆動方法を燃料電池システムが搭載された車両に用いれば、燃料の有効利用により燃費を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
初めに、この発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を図１の図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として例えば水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。なお、カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１８】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇圧され、燃料電池１のカソードに供給される。この空気は発電に供された後、燃料電池１のカソードから空気オフガスとして排出され、圧力制御弁３を介して排出される。
一方、高圧水素タンク４から供給される水素ガスは、圧力制御弁５およびエゼクタ６を備えた水素ガス供給流路１０を通り、圧力制御弁５で所定圧力に減圧されて燃料電池１のアノードに供給される。前記エゼクタ６は、流体（この場合は水素ガス）の流れによるエネルギで駆動される。
【００１９】
燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスが水素オフガスとして燃料電池１のアノードから水素オフガス循環流路２０に排出される。水素オフガス循環流路２０は、エゼクタ６の吸込側に接続されており、水素オフガス循環流路２０の途中には水素ポンプ７が設けられている。前記水素ポンプ７は、電動モータやタービン等の回転力を発生する回転機により駆動される。燃料電池１のカソードから排出された水素オフガスは、水素ポンプ７で昇圧されてエゼクタ６に流入するようにされており、これにより、水素オフガスは、高圧水素タンク４から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池１のアノードに供給されるようになっている。
【００２０】
また、前記水素オフガス循環流路２０は、前記水素ポンプ７の上流側で分岐しており、この分岐した分岐流路２９には排出弁２５が設けられている。この排出弁２５が閉じられると、水素オフガス循環流路２０の水素オフガスは上述したように水素ポンプ７を介して燃料電池１のアノードに供給される。一方、排出弁２５が開かれると、水素オフガス循環流路２０の水素オフガスは分岐流路２９から排出弁２５を介して燃料電池システムの外部にガス希釈装置（図示せず）を介して希釈された状態で排出される。
【００２１】
前記排出弁２５や前記水素ポンプ７、圧力制御弁３，５、コンプレッサ２はそれぞれＥＣＵ（Electric Control Unit）２６に接続されており、該ＥＣＵ２６によりこれらの機器は制御される。また、前記ＥＣＵ２６は、ポンプ消費電流検出センサ２７、セル電圧検出センサ２８にそれぞれ接続されている。前記ポンプ消費電流検出センサ２７は前記水素ポンプ７の駆動時における消費電流を検出するものであり、前記セル電圧検出センサ２８は前記燃料電池１を構成するセルの電圧を検出するものである。これらのセンサ２７，２８で検出された電流や電圧がＥＣＵ２６に送信される。
【００２２】
このように構成された燃料電池システムにおける始動時の制御について、図４〜図７を用いて説明する。
図４は図１に示した燃料電池システムの始動時における制御を示す工程図である。ステップＳ１０で、燃料電池１の発電指令が出されたことをＥＣＵ２６が検知すると、該ＥＣＵ２６は、ステップＳ１２で水素ポンプ７を制御して、水素ポンプ７を駆動する。また、このとき排出弁２５が開いていた場合には、ＥＣＵ２６は排出弁２５を閉じる制御を行う。これにより、水素オフガス循環流路２０中の水素オフガスは水素ポンプ７により昇圧されてエゼクタ６に流入し、水素ガス供給流路１０を通って燃料電池１のアノードに供給される。
また、ステップＳ１２の処理と並行して、ＥＣＵ２５は前記コンプレッサ２を作動させて、燃料電池１のカソードに空気を供給する。これにより、燃料電池１の各セルにて発電が開始される。
【００２３】
そして、ステップＳ１４で、所定時間経過したかどうかの判定を行い、判定結果がＮＯの場合にはこの処理を継続して行い、判定結果がＹＥＳの場合にはステップＳ１６の処理に進む。ステップＳ１６では、前記セル電圧検出センサ２８によりセル電圧Ｖ（Ｖ）の検出を行う。そして、ステップＳ１８で、検出したセル電圧Ｖが所定の電圧値Ｖ０（Ｖ）よりも大きいかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２０に進み、燃料電池１に接続された電子機器（図示せず）に対する電力供給を開始する。また、ステップＳ１８において、判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ１４に戻って上述した一連の処理を行う。
【００２４】
このように、前記循環流路２０に流れのない燃料電池１始動時においても、前記排出弁２５を閉じた状態で水素ポンプ７を駆動することにより、オフガス中の未反応の水素ガスを前記燃料電池１に供給することができる。また、前記ポンプ７を駆動することにより循環流路２０に水素ガスの流れを一旦作り出せば、前記エゼクタ６により前記循環流路２０の水素オフガスを水素ガス供給流路１０に送り込むことが可能となる。このように、前記ポンプ７は水素ガスの流れを作り出せるものであれば十分であるため、サイズの小型化を図ることができ、前記ポンプ７の運転に必要な電力を低減させることができる。これにより、燃料電池１の始動時などの前記循環流路２０に流れのない場合においても、水素ガスを外部に放出することなく有効利用することができ、燃費を向上できる。
【００２５】
図５は図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。なお、上述した図４における処理と同様の処理については、同一の番号を付している。図５において、ステップＳ１０〜ステップＳ１８までの処理、ステップＳ１８で判定結果がＹＥＳの場合が、図４に示した場合と同様であるため、説明を省略する。
【００２６】
ステップＳ１８の判定結果がＮＯの場合（セル電圧ＶがＶ０より小さい場合）には、ステップＳ２２に進み、排出弁２５を開く制御を行う。発電を開始してから所定時間経過しているにも拘わらずセル電圧Ｖが所定値Ｖ０より小さい場合には、排出弁２５を開くことにより前記オフガスを燃料電池システムの外部に排出する。この場合には、水素オフガス中の水素濃度が低いと考えられるためである。
【００２７】
そして、上述したステップＳ１６、ステップＳ１８と同様にして、ステップＳ２４、ステップＳ２６で、セルの電圧Ｖを検出し、この電圧Ｖが所定値Ｖ０より大きいかどうかの判定を行う。ステップＳ２６の判定結果がＮＯであれば、再度ステップＳ２４の処理に戻る。この場合には、水素濃度の低いオフガスが循環流路２０中に残っていると考えられるためである。また、ステップＳ２６の判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ２８に進み、排出弁２５を閉じる。この場合には、水素濃度の低いオフガスが循環流路２０中から十分排出されたと考えられるためである。そして、ステップＳ２８の後は、上述したステップＳ２０に進み、燃料電池１に接続された電子機器に対する電力供給を開始する。
【００２８】
このように、前記セル電圧検出センサ２８により検出したセル電圧Ｖによりオフガス中の水素濃度を推定することができ、推定された水素濃度に基づいて排出弁２５の開閉を行うため、オフガス中の水素を有効利用できるとともに、オフガス中の水素濃度が所定値より高い場合にのみ前記ポンプ７を駆動できるため、ポンプ７の駆動に必要な電力を低減でき、効率的な運転を行うことができる。
【００２９】
図６は図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。なお、上述した図４、図５における処理と同様の処理については、同一の番号を付している。図６において、ステップＳ１０〜ステップＳ１４までの処理は、図４に示した場合と同様であるため、説明を省略する。
【００３０】
ステップＳ１４で判定結果がＹＥＳの場合（所定時間経過したと判定された場合）には、ステップＳ３０で、オフガス中の窒素濃度を算出する。この窒素濃度の算出は、駆動中の水素ポンプ７の消費電流に基づいて行う。図７は図６の制御に使用される窒素濃度と水素ポンプ消費電流の関係を示すグラフである。同図に示したように、水素ポンプ７の回転数が一定の場合（例えば回転数ａ（ｒｐｍ））には、水素ポンプ７の消費電流はオフガス中の窒素濃度にほぼ比例する。これは、窒素は水素に比べて比重が大きいため、同じ回転数であっても、オフガス中の窒素濃度に応じて水素ポンプ７の回転に必要な仕事量が変化するためである。従って、回転数一定の場合における、水素ポンプ７の消費電流をポンプ消費電流検出センサ２７にて検出すれば、図６から窒素濃度Ｘを算出することができる。
【００３１】
上述のようにして算出した窒素濃度Ｘが、ステップＳ３２で、所定の設定値Ｘ０％より小さいかどうかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１６に進んでセルの電圧Ｖの検出を行う。この場合には、オフガス中に水素が十分あると考えられるためである。ステップＳ１６以降は、図５に示した処理と同様であるため説明を省略する。
また、ステップＳ３２で、判定結果がＮＯの場合には、ステップＳ２２に進んで排出弁２５を開く処理を行う。この場合には、窒素濃度が高くオフガス中に水素があまりないと考えられるためである。上述したステップＳ２２以降は、図５に示したの処理と同様であるため説明を省略する。
【００３２】
このように、前記負荷状態検出手段により検出した水素ポンプ７の負荷状態（この場合は消費電流）に応じて、水素オフガス中の不純ガス（水素ガス以外のガスであり、主に窒素ガス）の濃度を推定することができる。これにより、不純ガスの濃度が所定の濃度になった場合を水素ポンプ７の負荷状態から算出し、この場合に排出弁２５を開くように制御することで、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることができるとともに、このパージにより不純ガスがもたらす高い負荷状態を低減することができるため、水素ポンプ７に対する保護を高めることができる。
【００３３】
なお、燃料電池システムは、上述したものに限られず、例えば図２、図３に示したように構成してもよい。図２、図３は図１に示した燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。これらの図に示したように、水素ポンプ７をエゼクタ６の下流側の水素ガス供給流路に設けてもよいし、エゼクタ６の下流側で２０と１０とを接続するバイパス流路３０を設け、これに水素ポンプ７を設けてもよい。また、本実施の形態においては、燃料として水素を用いたが、これに限らず他の燃料を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池の始動時においても燃料ガスを外部に放出することなく有効利用することができ、燃費を向上できる。
請求項２に係る発明によれば、オフガス中の燃料を有効利用できるとともに、ポンプの駆動に必要な電力を低減できる効率的な運転を行うことができる。
請求項３に係る発明によれば、不純ガスの濃度の高いオフガスをパージすることができ、燃料ポンプに対する保護を高めることができる。
請求項４に係る発明によれば、排出弁を開いて循環流路に流れを起こすことによる無駄な燃料排出を抑え、燃料を有効に利用することができる。この駆動方法を燃料電池システムが搭載された車両に用いれば、燃料の有効利用により燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】  図１に示した燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。
【図３】  図１に示した燃料電池システムの変形例を示す概略構成図である。
【図４】  図１に示した燃料電池システムの始動時における制御を示す工程図である。
【図５】  図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。
【図６】  図１に示した燃料電池システムの始動時における他の制御を示す工程図である。
【図７】  図６の制御に使用される窒素濃度と水素ポンプ消費電流の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  燃料電池
６  エゼクタ
７  水素ポンプ
１０  水素ガス供給流路
２０  水素オフガス循環流路
【図１】
0003643102.tif 000002
【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】
0003643102.tif 000007
【図７】
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