(57)【要約】【課題】  排燃料ガスと排空気とを混合して希釈するための容積を削減し、小型軽量な排燃料ガス処理を提供する。【解決手段】  排燃料ガスを循環させる燃料ガス循環装置１２の下流から、パージ弁１３および逆止弁１４を経て排燃料ガスを流すパージ流路１５と、排空気流路９とは、合流部１６で合流する。合流部１６は、湿度交換装置８の下流、かつ空気圧調整弁１０の上流に配置される。合流部１６で排空気と合流した排燃料ガスは、空気圧調整弁１０が作る乱流により十分撹拌されて、希釈される。【選択図】    図１
2006210021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス入口と空気入口と燃料ガス出口と空気出口とを有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の空気出口下流に配され燃料電池本体の空気極の圧力を調整する絞りと、前記燃料電池本体の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを排空気に混合して排出する燃料ガス排出手段とを有する燃料電池システムにおいて、
燃料ガスを排空気に合流させる合流部を前記燃料電池本体の空気出口より下流かつ前記絞りより上流に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記絞りは、絞り量を調整することのできる空気圧調整弁であ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】
前記絞りまたは前記空気圧調整弁の駆動装置として、ブラシレスモータを備えた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】
前記空気出口と前記絞りとの間に排空気中の水分を低減する除湿手段を設け、前記合流部は前記除湿手段の下流であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池本体の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを前記燃料電池本体の燃料ガス入口へ循環させる燃料ガス循環流路と、前記燃料ガス循環流路内の燃料ガスを圧送する燃料ガス循環装置と、を備え、
前記燃料ガス循環装置の出口から前記合流部へ向けて燃料ガスを排出することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスを排空気流路まで導くパージ流路を備え、
該パージガス流路途中に逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料ガスを排空気流路まで導くパージ流路を備え、
該パージ流路は排空気流路に対して鉛直上方から水平方向までの何れかの角度で合流することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記絞りのハウジングに前記合流部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池本体の燃料極の圧力を制御する燃料極圧力制御手段を備え、
前記燃料ガス排出手段により燃料ガスを排出するときに、燃料極の圧力を空気極の圧力よりも高くなるように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
空気流量が所定値以下の場合のみ燃料極の圧力を空気極の圧力よりも高くすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料極の圧力を空気極の圧力よりも高くする場合は、燃料極側の圧力を常用運転条件よりも高く設定することを特徴とする請求項９または請求項１０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】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料ガス排出方法を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムの燃料ガス排出方法としては、例えば特許文献１記載の技術がある。この従来例では、燃料電池システムから大気中へ水素ガスを放出する際、燃料電池から排出される排空気と水素ガスとを希釈ボックスにて混合・希釈して排出している。そそして希釈後の水素濃度と燃料電池のセル電圧に応じて希釈ボックスへ流入する放出水素量、排空気量を調整することで、燃料電池の運転状態を良好に保ちつつ、水素濃度を低くして排出することが可能となるとしている。
【特許文献１】特開２００４−１２７６２１（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の燃料電池システムの燃料ガス排出方法では、水素と空気の攪拌を促進するための希釈ボックスが必要な構成となっており、システムの小型化ができずに搭載スペースの少ない乗用車への適用が困難であるという問題点があった。
【０００４】
また、例えば希釈ボックスの密閉性が良好でないと低濃度になりきれなかった水素が漏れるなどの不良も発生する可能性があり、希釈ボックスが大きいほど漏れが懸念される部位が多くなるのでその可能性も高くなる。
【０００５】
希釈ボックスを特に設けない構成としても問題点は同じと考えることができる。例えば排空気配管に水素排出配管を直接接合した場合、大気に排出されるまでには排空気配管内で充分に薄い濃度まで希釈されなければならないが、短い区間では混ざりきらない場合もあり、その場合は水素配管接合点を排空気排出口から充分上流に設けなければならないというレイアウト上の問題点があった。
【０００６】
言い換えると、水素配管接合点から排空気排出口までの距離を長く取らなければならないので、配管の長さを長く取る必要がありレイアウト上不利であることと質量が大きくなるという問題点があった。さらに、低濃度になりきれない水素が存在する配管が長いと、石はねなどの外来要因で配管が損傷しないようにレイアウト上の処置やガードなどの追加が必要となるという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガス入口と空気入口と燃料ガス出口と空気出口とを有する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の空気出口下流に配され燃料電池本体の空気極の圧力を調整する絞りと、前記燃料電池本体の燃料ガス出口から排出された燃料ガスを排空気に混合して排出する燃料ガス排出手段とを有する燃料電池システムにおいて、燃料ガスを排空気に合流させる合流部を前記燃料電池本体の空気出口より下流かつ前記絞りより上流に設けたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池本体から排出された燃料ガスを排空気に合流させる合流部を前記燃料電池本体の空気出口より下流かつ空気絞りより上流に設けたため、絞りにより発生する管内流体の乱れにより燃料ガスと空気との攪拌を促進することができ、水素希釈のための容積の低減が可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例１のシステム構成図である。燃料電池本体（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）２は、空気入口３と、空気出口４と、燃料ガス入口５と、燃料ガス出口６とを備えている。
【００１１】
燃料電池スタック２の内部には、図示しない固体高分子型電解質膜（陽イオン交換膜）を挟んで対向する燃料極及び空気極、空気流路、燃料流路、熱媒体流路、出力電極などが設けられている。燃料電池スタック２は、供給された燃料ガス及び空気の電気化学反応により電気エネルギを取り出すことができる。
【００１２】
コンプレッサ７は、燃料電池スタック２の空気極に空気を送り込むために使用される。湿度交換装置８は、燃料電池スタック２の空気出口４から排出された排空気中の水分を低減する除湿手段であると共に、この水分を用いてコンプレッサ７で圧縮された空気を加湿して燃料電池スタック２の空気入口３へ送る加湿手段である。湿度交換装置８は、例えば水蒸気透過性の中空糸膜を用いて構成される。
【００１３】
燃料電池スタック２の空気出口４から排出された排空気は、湿度交換装置８で除湿され、排空気流路９へ排出される。排空気流路９には、絞り量が調整可能な空気圧力調整弁１０が設けられ、燃料電池スタック２の空気極の圧力を調整するのに用いられる。
【００１４】
また、空気圧力調整弁１０は図示しない電気的なアクチュエータを備えていてもかまわない。その場合は機械的な電流の断続を行わず、可燃性雰囲気に対して無害なブラシレスモータを採用することが好ましい。
【００１５】
燃料タンク１１は、本従来例では高圧式の燃料タンクとしている。ここから排出された燃料ガスは燃料電池スタック２へ燃料ガス入口５から導かれ、余剰の燃料ガスが燃料ガス出口６から排出され、燃料ガス循環装置１２へ導かれる。燃料ガス循環装置１２はポンプなどを用いた昇圧装置であり、昇圧された燃料ガスは再度燃料ガス入口５へ導かれて再利用される。燃料ガス循環装置１２の下流には、パージ弁１３が設けられている。パージ弁１３は、燃料ガスを排出する際に開弁させる。
【００１６】
このように燃料ガス循環装置１２出口から不要となった燃料ガスを排出する構成としているので、燃料ガス循環装置の出口圧力は、燃料電池スタック２の燃料ガス出口６よりも圧力が高くなっており、すなわち燃料電池スタック２の空気出口４よりも高圧となっている。従って燃料ガスは確実に排空気流路９へ導くことができる。
【００１７】
逆止弁１４は、パージ弁１３から排出された燃料ガスが排空気流路９へ導かれる場合は自動的に開弁するが、運転圧力を急激に変更する場合などに運転圧力のオーバーシュートやアンダーシュートが発生したとしても、排空気が燃料ガス系へ逆流する場合は自動的に閉弁する構成となっている。逆止弁１４を通り抜けた排出燃料ガスはパージ流路１５を経て合流部１６で排空気流路９へ合流する。この合流部１６は、燃料電池スタック２の空気出口４の下流に配置された湿度交換装置（除湿手段）８の下流、かつ空気圧調整弁１０の上流に設けられている。この構成により、排燃料ガスは、空気圧力調整弁１０で起こる排空気の乱れにより良好に攪拌されて大気中に排出されることができる。
【００１８】
また排燃料ガスと排空気との合流部１６は湿度交換装置８（除湿手段）の下流に配置する構成としている。陽イオン交換膜（ＰＥＭ）を用いた燃料電池では一般的に空気極と燃料極の運転圧力は膜の強度の問題から概略同圧力とされる。したがって燃料電池の燃料ガス出口と空気出口との圧力はほぼ同圧であるため、排燃料ガスは排空気流路へ流入しない場合がある。しかしながら、除湿手段の下流であれば除湿手段の圧損分だけ、その下流は圧力が低くなるため燃料ガスを確実に排空気流路側へ流入させることができる。
【００１９】
さらに合流部１６の構成を詳細に説明する。図２が合流部１６の断面図である。図２（ａ）は排空気流路９に対してパージ流路１５が鉛直下向きに合流している実施例である。図２（ｂ）は略水平に合流している実施例である。図２（ｃ）は斜め上方より合流している実施例であるが、図２（ａ），（ｂ）と異なるのは、パージ流路１５が排空気流路９の中心を向いていないことである。図２（ａ）〜（ｃ）の何れのパージ流路１５も排空気流路９に対して鉛直上方から水平までの角度で合流しており、このような構成とすることでパージ流路１５に液水が溜まることがなく、良好なパージが可能となる。
【００２０】
次に、パージ流路１５が排空気流路９に合流する合流部１６の排空気流路流れ方向位置に関して詳細に説明する。図３が排空気流路９の流れ方向の断面であり、特に空気圧力調整弁１０の周囲について図示したものである。本実施例では空気圧力調整弁１０のハウジングに合流部１６を設けている。本構成とすることで、合流部１６から空気圧力調整弁１０までの区間に継ぎ目がなくなるので、燃料ガスが攪拌される空気圧力調整弁下流まで燃料ガスが外部へ漏れる可能性を低減でき、安全性を向上することができる。
【実施例２】
【００２１】
図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する構成図である。実施例２は、本発明を燃料電池車両に適用した実施例である。図４において、図１に示した実施例１と同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。実施例１との相違は、符号２１から２６の構成要素が追加されていることである。
【００２２】
図４において、空気圧力センサ２１は、燃料電池スタック２の空気極入口の圧力を計測するセンサである。燃料ガス圧力センサ２２は、燃料電池スタック２の燃料極入口の圧力を計測するセンサである。燃料ガス圧力調整弁２３は、燃料タンク１１から供給する燃料ガスの圧力を調整する弁である。アクセルペダルセンサ２５は、運転者のアクセルペダル踏込量を検出するセンサである。セル電圧センサ２６は、燃料電池スタック２の各セルの電圧を計測する電圧計である。コントロールユニット２４は、燃料電池システム１全体ををコントロールするとともに、パージ弁１３を開いて燃料ガスを系外へ排出する際に、燃料極の圧力を空気極の圧力よりも高くなうように制御する制御手段である。
【００２３】
コントローラ２４は、通常運転時には、アクセルペダルセンサ２５の検出値に基づいて燃料電池スタック２の負荷（言い換えれば発電すべき電力）を算出し、この負荷から燃料極圧力及び空気極圧力である運転圧力を決定する。そして、この運転圧力になるように空気圧力センサ２１のフィードバックに基づきコンプレッサ７及び空気圧力調整弁１０をコントロールし、燃料ガス圧力センサ２２のフィードバックに基づき燃料ガス圧力調整弁２３を制御する。
【００２４】
図５は、本実施例のコントロールユニット２４による制御の流れを示す制御ブロック図である。先ず燃料ガス排出判断手段３１により燃料ガスを排出するか否かを判断する。次いで燃料極増圧許可手段３２により燃料極の運転圧力を増圧すべきか否かを判定する。増圧すべきと判断された場合は、次の燃料極増圧手段３３により燃料極の運転圧力を増圧し、最後に燃料ガス排出手段３４を制御して燃料ガスを排空気流路へ排出する。
【００２５】
図６は、図５に示した制御ブロック図の燃料ガス排出判断手段３１の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。先ずＳ１にてセル電圧センサ２６の出力であるセル電圧ＣＶを読み込み、Ｓ２でその値が所定値ＳＬＣＶを下回るか否かを判定する。下回っている場合はＳ３で燃料ガス排出を許可すべくフラグＦＬＧＦＰを１とし、下回っていない場合はＳ４にて燃料ガス排出を禁止すべくフラグＦＬＧＦＰを０として本フローを終了する。
【００２６】
図７は、図５に示した制御ブロック図の燃料極増圧許可手段３２の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ１１でフラグＦＬＧＦＰを読み込み、Ｓ１２でその値を判定する。ＦＬＧＦＰ＝０の場合すなわち燃料ガス排出が不許可の場合は何もせずにこのまま本フローを終了する。ＦＬＧＦＰ＝１の場合すなわち燃料ガス排出が許可されている場合はＳ１３にてアクセルペダルセンサ２５からの信号に応じて決定された燃料電池の負荷ＬＤを読み込む。Ｓ１４にてその負荷ＬＤが所定値ＳＬＬＤを下回るかを判定し、下回っていればＳ１５にて燃料極の圧力を増圧すべくフラグＦＬＰＲＥＳＳを１とし、下回っていなければＳ１６で燃料極の圧力を増圧しないようにフラグＦＬＰＲＥＳＳを０とする。
【００２７】
本実施例では負荷ＬＤによって燃料電池スタック２が要求する空気量が一義的に決まると仮定して負荷ＬＤによって燃料極を増圧するかしないかを決定した。すなわち負荷ＬＤが高い場合は必要空気量が多いはずであり、その場合は空気圧力調整弁１０直上流でも充分圧力が低くなっているため、燃料極を増圧しなくても良好な燃料ガス排出が可能である。しかし負荷ＬＤが低い場合は、必要空気量が少ないので空気圧力調整弁１０の直上流でも圧力は運転圧とほぼ同等であり、差圧がつき難く良好な燃料ガス排出ができなくなる場合があるので燃料極の圧力を増圧する。これにより確実に排燃料ガスと排空気との差圧を確保でき、絞り上流であっても確実に燃料ガスを排空気流路へ導くことができる。
【００２８】
本実施例ではこのように負荷に応じて空気流量を予測して燃料極の圧力を制御したが、実流空気流量を計測するなどして、その結果に応じて制御しても良い。
【００２９】
図８は、図５に示した制御ブロック図の燃料極増圧手段３３の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。まずＳ２１でフラグＦＬＧＦＰとＦＬＧＰＲＥＳＳおよび現時点での燃料極目標運転圧力ＴＧＰＲＥＳＳを読み込む。Ｓ２２でＦＬＧＦＰが１か否かすなわち燃料ガス排出が許可されているか否かを判定する。Ｓ２２の判定で不許可（ＦＬＧＦＰ＝０）であればＳ２５で燃料ガス制御圧力ＰＲＥＳＳを燃料極目標運転圧力ＴＧＰＲＥＳＳとする。これで燃料ガス排出が不許可の状態では燃料極の増圧は行わないこととなる。許可されていれば（ＦＬＧＦＰ＝１）Ｓ２３へ進み、ＦＬＰＲＥＳＳが１か否かすなわち燃料極の圧力の増圧が許可されているか否かを判定する。
【００３０】
Ｓ２３の判定で不許可（ＦＬＰＲＥＳＳ＝０）であれば、Ｓ２５で燃料ガス制御圧力ＰＲＥＳＳを燃料極目標運転圧力ＴＧＰＲＥＳＳとする。Ｓ２３で許可（ＦＬＰＲＥＳＳ＝１）されていれば、Ｓ２４で燃料極目標運転圧力ＴＧＰＲＥＳＳに所定差圧ＤＰを加えたものを燃料ガス制御圧力ＰＲＥＳＳとする。次いでＳ２６で燃料ガス制御圧力ＰＲＥＳＳを目標として従来から良く知られているＰＩＤ制御などにより、燃料ガス圧力センサ２２の値をフィードバックして燃料ガス圧力調整弁２３を制御することにより運転圧力をコントロールする。
【００３１】
図９は、図５に示した制御ブロック図の燃料ガス排出手段３４の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ３１でフラグＦＬＧＦＰを読み込み、Ｓ３２でＦＬＧＦＰが１か否かすなわち燃料ガス排出が許可されているか否かを判定する。不許可（ＦＬＧＦＰ＝０）であればこのまま本フローを終了し燃料ガスを排出しない。許可されていれば（ＦＬＧＦＰ＝１）Ｓ３３へ進みタイマＴＭＦＰをスタートさせ、Ｓ３４でタイマの値が所定時間ＳＬＴＭＦＰを下回っているか否かを判定する。
【００３２】
Ｓ３４の判定で下回っていれば、まだパージが不十分であると判断してパージ弁１３を開弁して再度Ｓ３４へ戻り、Ｓ３４でタイマの値が所定時間ＳＬＴＭＦＰ以上となるまで燃料ガス排出が継続される。タイマの値が所定時間ＳＬＴＭＦＰ以上となったらＳ３６へ進みパージ弁１３が閉弁され、Ｓ３７でＦＬＧＦＰおよびＴＭＦＰをゼロに初期化して本フローを終了する。
【００３３】
本構成をとることで、空気流量の少ない差圧のつき難い条件でのみ燃料極の運転圧力を上げて燃料ガス排出を行うことで、燃料電池スタック２のイオン伝導膜を劣化させることなく良好に空気圧力調整弁１０の上流に燃料ガスを排出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１における排空気と排燃料ガスとの合流部を説明する断面図である。
【図３】実施例１における排空気と排燃料ガスとの合流部の位置を説明する排空気流れ方向の断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明するシステム構成図である。
【図５】実施例２における制御の流れを説明する制御ブロック図である。
【図６】実施例２における燃料ガス排出判断手段の動作を説明するフローチャートである。
【図７】実施例２における燃料極増圧許可手段の動作を説明するフローチャートである。
【図８】実施例２における燃料極増圧手段の動作を説明するフローチャートである。
【図９】実施例２における燃料ガス排出手段の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック（燃料電池本体）
３：空気入口
４：空気出口
５：燃料ガス入口
６：燃料ガス出口
７：コンプレッサ
８：湿度交換装置（除湿手段）
９：排空気流路
１０：空気圧力調整弁（絞り）
１１：燃料タンク
１２：燃料ガス循環装置
１３：パージ弁
１４：逆止弁
１５：パージ流路
１６：合流部
【図１】
2006210021.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006210021.tif 000006
【図５】
2006210021.tif 000007
【図６】
2006210021.tif 000008
【図７】
2006210021.tif 000009
【図８】
2006210021.tif 000010
【図９】
2006210021.tif 000011