(57)【要約】【課題】  システム始動の際に外部に排出される単位時間当たりの燃料ガス量を抑制しつつ、迅速かつ安全に燃料ガス濃度を高めることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１０の燃料ガス循環系１２０に不純ガス貯蔵容器６０を設ける。不純ガス貯蔵容器６０は燃料ガス循環系１２０の一部と連通管６１を介して接続されている。制御部５０は、システム始動の際、燃料電池２０に燃料ガスを供給することにより、当該システム始動前に燃料電池２０に残留していた残留ガスを不純ガス貯蔵容器６０に貯蔵する。【選択図】  図１
2006120543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する燃料電池と、
前記燃料ガスを燃料電池に循環させるための燃料ガス循環系と、
前記燃料ガス循環系に設けられた燃料ガス貯蔵手段と、
システム始動の際、前記燃料電池に燃料ガスを供給することにより、当該システム始動前に前記燃料電池に残留する残留ガスを前記燃料ガス貯蔵手段に導入する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池から出力される燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス排出系と、前記燃料ガス排出系に設けられた燃料ガス排出手段とをさらに備え、
前記燃料ガス排出系は、前記燃料ガス循環系の分岐点から分岐し、
前記燃料ガス貯蔵手段は、前記循環系における前記燃料電池の燃料ガス出口と前記分岐点との間に設けられてい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】
前記燃料電池から出力される燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス排出系と、前記燃料ガス排出系に設けられた燃料ガス排出手段とをさらに備え、
前記燃料ガス排出系は、前記燃料ガス循環系の分岐点から分岐し、
前記燃料ガス貯蔵手段は、前記排出系における前記分岐点と前記燃料ガス排出手段との間に設けられてい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４】
前記燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料ガス供給系と、前記燃料ガス供給系から前記燃料ガス循環系への燃料ガスの流れを抑制する抑制手段とをさらに備え、
前記燃料ガス循環系は、合流点において前記燃料ガス供給系と合流し、
前記抑制手段は、前記燃料ガス循環系における前記燃料ガス貯蔵手段と前記合流点との間に設けられてい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５】
前記抑制手段は、逆止弁であり、前記制御手段によって前記燃料ガス貯蔵手段に前記残留ガスが導入されている期間はストップ弁として機能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】
前記燃料ガス貯蔵手段は、前記システム始動前に前記燃料電池に残留する残留ガスを、該システム始動時の圧力下において収容できるだけの容積を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池から出力される燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス排出系と、
前記燃料ガス排出系に設けられた燃料ガス排出手段と、
前記燃料ガス排出系における前記燃料電池の燃料ガス出口と前記燃料ガス排出手段との間に設けられた燃料ガス貯蔵手段と、
システム始動の際、前記燃料電池に燃料ガスを供給することにより、当該システム始動前に前記燃料電池に残留する残留ガスを前記燃料ガス貯蔵手段に導入する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する燃料電池と、
前記燃料ガスを燃料電池に循環させるための燃料ガス循環系と、
前記燃料ガス循環系の一部と連通管を介して接続された燃料ガス貯蔵手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス循環系と前記連通管との接続点を基準とした場合、前記燃料ガス循環系の上流側から下流側への流体抵抗は、前記燃料ガス循環系の上流側から連通管への流体抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料ガス循環系と前記連通管との接続点を基準とした場合、前記燃料ガス循環系の上流側の流れの方向と下流側の流れの方向は同一である一方、前記燃料ガス循環系の流れの方向と前記連通管の流れの方向は交差することを特徴とする請求項８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、燃料電池システムの制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代における環境対応自動車として燃料である水素ガス（燃料ガス）と酸化ガスを化学反応させて電気を起こし、発電した電気を動力源として走行する燃料電池自動車の開発が進められている。この燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムでは、燃料電池から出力された水素ガスを循環系（燃料ガス循環系）を介して燃料電池の水素極側に循環させることにより、燃料となる水素ガスの利用効率（すなわち燃費）の向上を図っている。
【０００３】
ところで、該燃料電池システムを長時間停止した場合には、停止後の時間の経過に伴って窒素や残留水などの不純物が循環系に混入するといった不具合が生じる。
【０００４】
このような不具合を解消するために、システム始動時に予め排出系（燃料ガス排出系）に設けられたパージ弁（燃料ガス排出手段）を開弁し、燃料電池のスタック内に残留する残留ガスを外部に排出しつつ、燃料電池に水素ガスを供給することで水素濃度を高める方法が提案されている(例えば、特許文献１参照)。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７９０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、システム始動の際、速やかに水素濃度を高めるために水素ガスの供給量を増やすと、これに伴って外部に排出される水素ガスも増え、水素ガスが無駄に消費されてしまうという問題がある。また、安全性の観点から時間当たりの水素ガスの排出量に限界があり、単純に水素ガスの供給量を増やすことができないという問題もある。
【０００７】
本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、システム始動の際に外部に排出される単位時間当たりの燃料ガス量を抑制しつつ、迅速かつ安全に燃料ガス濃度を高めることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する燃料電池と、前記燃料ガスを燃料電池に循環させるための燃料ガス循環系と、前記燃料ガス循環系に設けられた燃料ガス貯蔵手段と、システム始動の際、前記燃料電池に燃料ガスを供給することにより、当該システム始動前に前記燃料電池に残留する残留ガスを前記燃料ガス貯蔵手段に導入する制御手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、システム始動の際、燃料電池に燃料ガスを供給することで該燃料電池に残留していた残留ガスを不純ガス貯蔵容器などの燃料ガス貯蔵手段に導入する。このように、システム始動前に燃料電池に残留していた残留ガスを一時に外部に排出するのではなく、いったん不純ガス貯蔵容器などの燃料ガス貯蔵手段に蓄積し、徐々に外部に排出してゆくことで、外部に排出する単位時間当たりの燃料ガス量を抑制しつつ、迅速かつ安全に燃料ガス濃度を高めることが可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池から出力される燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス排出系と、前記燃料ガス排出系に設けられた燃料ガス排出手段と、前記燃料ガス排出系における前記燃料電池の燃料ガス出口と前記燃料ガス排出手段との間に設けられた燃料ガス貯蔵手段と、システム始動の際、前記燃料電池に燃料ガスを供給することにより、当該システム始動前に前記燃料電池に残留する残留ガスを前記燃料ガス貯蔵手段に導入する制御手段とを具備する態様であっても良い。
【００１１】
また、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する燃料電池と、前記燃料ガスを燃料電池に循環させるための燃料ガス循環系と、前記燃料ガス循環系の一部と連通管を介して接続された燃料ガス貯蔵手段とを具備する態様であっても良い。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、システム始動の際に外部に排出される単位時間当たりの燃料ガス量を抑制しつつ、迅速かつ安全に燃料ガス濃度を高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０の概略構成を示している。以下に示す本実施形態では、燃料電池システム１０を燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）の車載発電システムとして用いる場合を想定するが、各種移動体（例えば、船舶や飛行機など）に搭載される発電システムや定置用発電システムとして用いても良い。
【００１５】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、燃料ガス供給系１１０と、燃料ガス循環系１２０と、燃料ガス排出系１３０と、酸化ガス供給系１４０と、酸化ガス排出系１５０とを備えている。
燃料電池（セルスタック）２０は、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００１６】
燃料ガス供給系１１０は、燃料ガス供給源（高圧水素タンクなど）８０から供給される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけて水素供給バルブ７０、レギュレータ３０が各々配設されている。
水素供給バルブ７０は、燃料電池２０へ供給される燃料ガス量を制御するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。このような電磁弁として、例えば、オンオフ弁、或いはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。
【００１７】
レギュレータ３０は、燃料ガス供給源８０から出力される高圧の燃料ガスを、設定圧力（例えば、大気圧＋数ｋＰａ）まで減圧する。
【００１８】
燃料ガス循環系１２０は、未反応燃料ガスを燃料電池２０に還流（循環）させるためのガス流路であり、合流点Ｐ１において燃料ガス供給系１１０と合流している。この燃料ガス循環系１２０のガス流路には上流から下流にかけて不純ガス貯蔵容器（燃料ガス貯蔵手段）６０、水素ポンプ（燃料ポンプ）４０、及び逆止弁（抑制手段）Ｈ４５が各々配設されている。不純ガス貯蔵容器６０は、当該システム始動前に燃料電池２０に残留していた残留ガス（窒素や水などの不純物を含む燃料ガス）を貯蔵する手段であり、該残留ガスをシステム始動時の圧力下において収容できるだけの容積を有している。この不純ガス貯蔵容器６０は、燃料ガス循環系１２０の一部と連通管６１を介して接続され、該連通管６１の径は燃料ガス循環系１２０を形成するガス管の径よりも大きく設定されている（詳細は後述）。このように、燃料ガス循環系１２０に不純ガス貯蔵容器６０を直接設けるのではなく、燃料ガス循環系１２０に連通管６１を介して間接的に設けることにより、残留ガスが押し込まれた不純ガス貯蔵容器６０に未反応燃料ガスが混入してしまうのを抑えることが可能となる。
【００１９】
水素ポンプ４０は燃料電池２０から出力される未反応燃料ガスを適度に加圧し、燃料ガス供給路３１に帰環させる。逆止弁Ｈ４５は燃料ガス出口Ｐ２から合流点Ｐ１へ向かう燃料ガスの流れ（図１に示す実線矢印参照）のみを許容し、これとは逆の流れを抑制する（詳細は後述）。
【００２０】
燃料ガス排出系１３０は、燃料電池２０から排出された水素オフガスをシステム外（外部）に排出するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブ（パージ弁）Ｈ５０が配設されている。
【００２１】
一方、酸化ガス供給系１４０は、エアコンプレッサ（図示略）等から供給される酸化ガスとしての空気を燃料電池２０のカソード極に導くためのガス流路であり、酸化ガス排出系１５０は、燃料電池２０の電気反応に供した後の酸素オフガスをシステム外に排気するためのガス流路である。
【００２２】
制御部２００はＲＯＭやハードディスクなどのメモリに内臓されている各種制御プログラムを実行することにより、燃料システム１０の各部を中枢的に制御する。また、制御部２００は各センサから供給されるセンサ信号に基づいて燃料電池２０の発電を制御するとともに、当該システム始動の際には以下に示す処理を実行する。
【００２３】
制御部（制御手段）２００は、システム停止後に外部等から再始動すべき旨の指示を受け取ると、水素供給バルブ７０を開いて燃料電池２０に燃料ガスの供給を開始する。供給された燃料ガスはレギュレータ３０で設定されている圧力になるまで燃料ガス循環系１２０に流れ込む。上述したように、燃料ガス循環系１２０に設けた逆止弁Ｈ４５は燃料ガス出口Ｐ２から合流点Ｐ１へ向かう燃料ガスの流れＲ０（図１参照）のみを許容し、これとは逆の流れを抑制する。そして、システム始動直後の燃料ガスの供給を開始した時点においては、逆止弁の上流側（図中右側）の圧力は下流側（図中左側）の圧力よりも低いため、この期間、逆止弁Ｈ４５は実質的にストップ弁として機能する。
【００２４】
上記の如く燃料電池２０に供給された燃料ガスは、該燃料電池２０を介して燃料ガス循環系１２０に全て流れ込み、始動前に燃料電池２０に残留していた残留ガスは不純ガス貯蔵容器６０に押し込まれてゆく。ここで、連通管６１の径は燃料ガス循環系１２０を形成するガス管の径よりも小さく設定されているため、図１に示す接続点Ｐ３からみて、燃料ガス循環系１２０の上流側から下流側に向かう流れＲ１の抵抗（以下、第１流体抵抗）は、燃料ガス循環系１２０の上流側から連通管６１に向かう流れＲ２の抵抗（以下、第２流体抵抗）よりも小さくなる。このため、いったん不純ガス貯蔵容器６０に残留ガスが押し込まれた後においては、燃料ガス循環系１２０に未反応燃料ガスが流れたとしても、該未反応燃料ガスが不純ガス貯蔵容器６０に混入してしまうのを抑えることが可能となる。なお、連通管６１の径をガス管の径よりも小さく設定する代わりに連通管６１に弁などを設けることで、上記第１流体抵抗が上記第２流体抵抗よりも小さくなるようにしても良い。
【００２５】
このように、システム始動の際に燃料電池２０に燃料ガスを供給することで、燃料電池２０に残留していた残留ガスは不純ガス貯蔵容器６０に押し込まれ、燃料電池２０、燃料ガス循環系１２０は高濃度の燃料ガスで満たされる。この結果、システム始動直後の急負荷や高負荷に対しても安定して電力を供給することができる。
【００２６】
その後、制御部２００は水素ポンプ４０の運転を開始するとともに、燃料電池２０の発電を開始する。これに伴い、不純ガス貯蔵容器６０に蓄積された残留ガスは燃料ガス循環系１２０に徐々に拡散してゆく。燃料ガス循環系１２０に拡散された残留ガスは、燃料電池２０の燃料ガス出口Ｐ２から出力される水素オフガスとともに、パージ弁Ｈ５０を介して徐々に外部に排出される。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、システム始動の際、燃料電池に燃料ガスを供給することで該燃料電池に残留していた残留ガスを不純ガス貯蔵容器に蓄積し、システム始動後に徐々に外部に排出してゆく。このため、従来のシステムに比べて外部に排出する単位時間当たりのガス量を抑えつつ、速やかに燃料ガス濃度を抑えることが可能となる。
【００２８】
Ｂ．応用例
図２〜図５は、応用例に係る燃料電池システム１０ａ〜１０ｃの構成を示す図である。なお、各図に示す構成要素について図１と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００２９】
（１）上述した本実施形態では、燃料ガス循環系１２０の一部に連通管６１を介して不純ガス貯蔵容器６０を設けたが、図２に示すように燃料ガス排出系１３０に不純ガス貯蔵容器６０を設けても良い。具体的には、燃料ガス循環系１２０から燃料ガス排出系１３０が分岐した分岐点Ｐ４とパージ弁Ｈ５０との間に不純ガス貯蔵容器６０を設ける。これにより、システム始動前に燃料電池２０に残留した残留ガスを効率的に外部に排出することができる。
【００３０】
（２）なお、燃料ガス循環系１２０の一部に連通管６１を介して不純ガス貯蔵容器６０を設ける代わりに、図３に示すように燃料ガス循環系１２０の途中に不純ガス貯蔵容器６０を設けても良い。
【００３１】
（３）また、上述した本実施形態では、図１に示す接続点Ｐ３からみて、燃料ガス循環系１２０の上流側の流れの方向と下流側の流れの方向が同一であり、かつ、燃料ガス循環系１２０の流れの方向と連通管６１の流れの方向が交差する位置に不純ガス貯蔵容器６０を設けたが、例えば図４に示すように、燃料ガス循環系１２０の上流側の流れの方向と下流側の流れの方向が同一とならない位置に不純ガス貯蔵容器６０を設けても良い。
【００３２】
（４）なお、本発明は燃料ガス循環系を有する燃料電池システムだけでなく、図５に示すような燃料ガス循環系を有していない燃料電池システム１０ｄにも適用可能である。
【００３３】
（５）また、上記残留ガスに水が含まれることを考慮し、不純ガス貯蔵容器６０に気液分離器を設け、残留ガスに含まれる気体、液体を別々に排出するようにしても良い。
【００３４】
（６）また、逆止弁Ｈ４５は、燃料ガス出口Ｐ２から合流点Ｐ１に至るガス流路において合流点Ｐ１に近い位置に設けるのが好ましく、不純ガス貯蔵容器６０は、燃料ガス出口Ｐ２から逆止弁Ｈ４５に至るガス流路において逆止弁Ｈ４５に近い位置に設けるのが好ましい。
【００３５】
（７）また、上述した本実施形態では、水素ポンプ４０と合流地点Ｐ１の間に逆止弁Ｈ４５を設けたが、逆止弁Ｈ４５を設ける代わりに、回転停止時に燃料ガスを封止する封止機能（抑制手段）を水素ポンプ４０に持たせても良い。これにより、システム始動の際、効率的に不純ガス貯蔵容器６０に残留ガスを貯蓄することができるとともに、図１に太矢印で示すような燃料ガスの流れ（すなわち、燃料ガス供給系１１０から水素ポンプ４０に向かう流れ）を抑制することができる。
【００３６】
（８）なお、水素ポンプ４０を設ける位置は燃料電池システム１０の設計等に応じて適宜変更可能である。また、水素ポンプ４０の代わりにエジェクタ等によって燃料ガスを循環させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】応用例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】応用例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】応用例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】応用例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、１０ａ〜１０ｄ…燃料電池システム、２０…燃料電池、３０…エジェクタ、４０…水素ポンプ、Ｈ４５…逆止弁、Ｈ５０…パージ弁、６０…不純ガス貯蔵容器、６１…連通管、７０…水素供給バルブ、８０…燃料ガス供給源、１１０…燃料ガス供給系、１２０…燃料循環系、１３０…燃料ガス排出系、１４０…酸化ガス供給系、１５０…酸化ガス排出系、Ｐ１…合流点、Ｐ２…燃料ガス出口、Ｐ３…接続点、Ｐ４…分岐点、２００…制御部。
【図１】
2006120543.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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