(57)【要約】【課題】  燃料電池起動時に燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する際、置換時間が長くなることを防止することを目的とする。【解決手段】  電解質膜１を燃料極２と酸化剤極３とにより挟持し、燃料極２に燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極３に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池４を備えた燃料電池システム１００において、燃料ガス流路５に設けられ、燃料ガスの流量を調整する流量調節弁７と、燃料極２の上流と下流との差圧を測定する差圧計９と、差圧を基に燃料ガスの流量を制御する制御手段１４とを備える。制御手段１４は、燃料電池４起動時に燃料ガス流路５内を燃料ガスへ置換する際、燃料ガス流路５内の状態を層流域に保つように燃料ガスの流量を制御する。【選択図】  図１
2006351226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と酸化剤極とにより挟持し、前記燃料極に燃料ガスを供給すると共に、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料ガス流路に設けられ、前記燃料ガスの流量を調整する流量調節手段と、
前記燃料極の上流と下流との差圧を測定する差圧測定手段と、
前記差圧を基に前記燃料ガスの流量を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、燃料電池起動時に燃料ガス流路内を燃料ガスへ置換する際、前記燃料ガス流路内の状態を層流域に保つように燃料ガスの流量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】
前記制御手段は、前記差圧から算出されるレイノルズ数が臨界レイノルズ数を超えないように燃料ガスの流量を制御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】
前記制御手段は、前記置換の際、燃料ガス流路内のガス流速が臨界レイノルズ数に対応する流速となるように、前記燃料ガスの流量を制御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４】
前記燃料ガス流路には前記燃料ガスを加湿する加湿器が設けられ、
前記置換の際、前記燃料ガスは前記加湿器をバイパスすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一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関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の運転を停止する際、燃料ガス流路内に存在する燃料ガスを不活性ガスに置換する場合がある。また、不活性ガスに置換しない場合でも、燃料ガス流路内に酸化剤ガス（空気）が漏れ込み自然に酸化剤ガスに置換される。したがって、運転停止状態にある燃料電池を起動する際には、燃料ガス流路内に存在する不活性ガスや酸化ガスを燃料ガスに置換する操作が必要となる。
【０００３】
固体高分子型燃料電池システムの起動時に燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する手段として、引用文献１には、吸引装置とバルブの開閉とを組み合わせた制御装置が開示されている。これは、燃料ガス流路出口側に吸引装置を設け、この吸引装置によって燃料ガス流路内に存在する酸化ガスを吸引し排出した後、燃料ガス流路内に燃料ガスを導入するものである。
【特許文献１】特開平８−１２４５８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池起動時に燃料ガス流路内の酸化剤ガスを燃料ガスに置換する際、吸引装置の駆動のみを制御し、燃料ガス流路内の流速を考慮せずに置換時間を短縮する目的で燃料ガスの流速を高めていくと、燃料ガスの流速が臨界レイノルズ数を越えてしまう場合がある。この場合、燃料ガスの状態は層流域から乱流域に遷移し、燃料ガスと酸化ガスの界面がなくなり燃料ガスと酸化ガスとが混合する。この状態では、置換時間が燃料ガスの流速と燃料ガス流路長とから算出される時間が経過しても、燃料ガスの一部は燃料ガス流路の末端部に達するが、燃料ガス流路の内部には酸化ガスが一部残留してしまい完全には置換されない。この結果、燃料ガス流路内を燃料ガスに完全に置換するには、燃料ガスの流速と燃料ガス流路長とから算出される置換時間よりも長い時間を要し、これにより、酸化剤側電極の劣化が促進する可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池起動時に燃料ガス流路内を燃料ガスに置換する際、置換時間が長くなることを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極とにより挟持し、燃料極に燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス流路に設けられ、燃料ガスの流量を調整する流量調節手段と、前記燃料極の上流と下流との差圧を測定する差圧測定手段と、差圧を基に前記燃料ガスの流量を制御する制御手段とを備える。制御手段は、燃料電池起動時に燃料ガス流路内を燃料ガスへ置換する際、燃料ガス流路内の状態を層流域に保つように燃料ガスの流量を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池起動時に燃料ガス流路内を燃料ガスへ置換する際、燃料ガス流路内の状態が層流域に保たれるため、燃料電池停止時に導入されたガスと置換の際に燃料ガス流路内に導入される燃料ガスとの混合を防止することができる。したがって、燃料ガス流路内の燃料ガスへの置換がスムーズに行われ、置換時間が長くなることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図１を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００を示す構成図である。
【０００９】
燃料電池システム１００は、電解質膜１を燃料極２と酸化剤極３とにより挟持した燃料電池セル４と、燃料ガスの通路である燃料ガス流路５と、酸化剤ガスの通路である酸化剤流路６と、図示しない燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスの流量を調節する流量調節手段としての燃料ガス流量調節弁７と、図示しない酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの流量を調節する酸化剤ガス流量調節弁８と、燃料極２の上流と下流との差圧を測定する差圧測定手段としての差圧計９と、燃料極２へ燃料ガスの供給及び供給停止を行う開閉弁である燃料極入口弁１０及び燃料極出口弁１１と、酸化剤極３へ酸化剤ガスの供給及び供給停止を行う開閉弁である酸化剤極入口弁１２及び酸化剤極出口弁１３と、燃料電池システム１００の全体処理を制御する制御手段としての制御装置１４とを備える。
【００１０】
また、燃料電池システム１００は、上記構成の他に、燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器２０と、酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器２１と、流量調節弁７，８の開閉に伴う圧力変動を抑制するために燃料ガス流量調節弁７下流に設けられた燃料ガス圧力緩衝器２２及び酸化剤ガス流量調節弁８下流に設けられた酸化剤ガス圧力緩衝器２３と、燃料極２と酸化剤極３とに接続された負荷装置２４と、燃料電池セル４の電圧を測定する電圧計２５とを備える。
【００１１】
燃料電池セル４は、固体高分子型燃料電池であり、燃料極に供給される水素を主成分とする燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸素を主成分とする酸化剤ガスとが電気化学的反応を行って発電するものである。
【００１２】
燃料ガス流路５は、燃料極２の上流に接続された燃料ガス供給流路５ａと、燃料極２の下流に接続された燃料ガス排出流路５ｂとからなる。また、酸化剤流路６は、酸化剤極３の上流に接続された酸化剤ガス供給流路６ａと、酸化剤極３の下流に接続された酸化剤ガス排出流路６ｂとからなる。したがって、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給流路５ａを介して燃料極に供給され、酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路６ａを介して酸化剤極３に供給される。
【００１３】
差圧計９は、燃料極２の上流の圧力と下流の圧力との圧力差を計測するものである。燃料極２の上流の圧力は、燃料ガス供給流路５ａに設けられた第一の圧力計９ａによって計測され、下流の圧力は、燃料ガス排出流路５ａに設けられた第二の圧力計９ｂによって計測される。
【００１４】
燃料ガス流量調節弁７は、燃料ガス供給流路５ａに設けられ、燃料極２に供給される燃料ガスの流量を制御する。酸化剤ガス流量調節弁８は、酸化剤ガス供給流路６ａに設けられ、酸化剤極３に供給される燃料ガスの流量を制御する。
【００１５】
燃料極入口弁１０は燃料ガス供給流路５ａに設けられ、燃料極出口弁１１は燃料ガス排出流路５ｂに設けられる。また、酸化剤極入口弁１２は酸化剤ガス供給流路６ａに設けられ、酸化剤極出口弁１３は酸化剤ガス排出流路６ｂに設けられる。これらの弁は、燃料電池起動時に全開となり停止時には全閉となる。
【００１６】
制御装置１４は、燃料電池セル４の負荷、又は燃料ガスの消費量等の運転状態に応じて各部の動作を制御するものであり、燃料電池システム１００全体の処理動作を制御するＣＰＵ（図示せず）、ＣＰＵの処理動作に必要な制御プログラムや臨界レイノルズ数等が記憶されるＲＯＭ（図示せず）、及び差圧計９によって計測されたデータ等が記憶されるＲＡＭ（図示せず）等で構成される。ＣＰＵの具体的な処理としては、燃料電池起動時に燃料ガス流路５内を燃料ガスへ置換する際、差圧計９によって計測される差圧に基づいてレイノルズ数を算出し、そのレイノルズ数が臨界レイノルズ数を超えないように燃料ガス流量調節弁７の弁開度、すなわち燃料ガス流量を制御する。つまり、燃料ガスの流れの状態を層流域に保つように燃料ガスの流量を制御する。
【００１７】
燃料ガス加湿器２０は、燃料ガス供給流路５ａの燃料ガス流量調節弁７下流に設けられ、燃料ガスは、燃料電池起動時の燃料ガス流路５内の燃料ガスへの置換時には燃料ガス加湿器２０をバイパスし、通常運転時には燃料ガス加湿器２０を通して燃料極２に供給される。したがって、燃料ガスが燃料ガス加湿器２０をバイパスすることができるように、燃料ガス供給流路５ａに燃料ガス加湿器バイパス弁２６が設けられ、燃料ガス加湿器２０の入口には燃料ガス加湿器入口弁２７、燃料ガス加湿器２０の出口には燃料ガス加湿器出口弁２８が設けられている。なお、燃料電池システム１００を車両用の燃料電池として使用する場合には、燃料ガス加湿器２０を用いず他の手段で燃料ガスを加湿するようにしてもよい。
【００１８】
以上のように構成される燃料電池システム１００において、制御装置１４によって燃料電池起動時に燃料ガス流路内に存在する酸化剤ガスや不活性ガス等を燃料ガス置換する手順を、図２を参照して説明する。図２は、その置換の手順を説明するフローチャートである。
【００１９】
燃料電池システム１００の停止状態では、燃料ガス流路５内は酸化剤ガスである空気にて置換されている状態である。この状態から以下の燃料ガスへの置換操作を行う。
【００２０】
まず、燃料ガス流路５内を燃料ガスに置換するにあたって、燃料ガスを受入れるために燃料ガス流路５系統の弁操作を行う（ステップ１）。具体的には、燃料極入口弁１０及び燃料極出口弁１１を開とする。また、燃料ガスを乾燥した状態で燃料電池セル４に導入するため、燃料ガス加湿器２０をバイパスするよう燃料ガス加湿器バイパス弁２６を開とし、燃料ガス加湿器入口弁２７及び燃料ガス加湿器出口弁２８を閉とする。
【００２１】
燃料ガス流量調節弁７を開操作し、燃料ガス流路５内に燃料ガスを導入する（ステップ２）。
【００２２】
燃料ガス流路内は空気が充満している状態であるため、燃料ガス流量調節弁７を開操作し、燃料ガスが燃料ガス流路５内に導入した直後から燃料ガス流路５内には空気の流れが生じ燃料極２の上流と下流には圧力差ΔＰが生じる。第一の圧力計９ａと第二の圧力計９ｂとが読み取った圧力から差圧計９によって燃料極２の上流と下流との差圧ΔＰが測定される（ステップ３）。
【００２３】
ＣＰＵにて、差圧ΔＰから燃料ガス流路５内の空気流速Ｖが算出される。そして、その空気流速Ｖからレイノルズ数Ｒｅが算出される（ステップ４）。具体的には、ガス流速Ｖは、ガス密度をρとして以下の式（ａ）によって算出される。また、レイノルズ数Ｒｅは、空気の動粘度をν、燃料ガス流路の管内径をＤとして以下の式（ｂ）によって算出される。    
Ｖ＝(２ΔＰ/ρ)^(１/２)  ・・・  （ａ）
Ｒｅ＝Ｖ・Ｄ／ν  ・・・  （ｂ）
【００２４】
例えば、燃料ガス導入直後の燃料極２における圧力差ΔＰが1.0 kPa、また、燃料ガス流路内の空気の密度ρが1.205 kg/m3（燃料極内温度：20 ℃、燃料極内圧力：101.3 kPa）である場合、燃料ガス流路５内の空気流速Ｖは、以下のように算出される。
Ｖ＝((2*1.0*10^3)/(9.8*1.205))^(1/2) = 13 m/s
また、Ｖ＝13 m/sの状態におけるレイノルズ数Ｒｅは、空気の動粘度νが15.12 mm2/s、燃料ガス流路の管内径Ｄが1 mmである場合、以下のように算出される。
Ｒｅ＝(13*0.001)/(15.29*10^(-6)) ＝ 850
【００２５】
次に、ＣＰＵでは、算出されたレイノルズ数ＲｅとＲＯＭに記憶されている臨界レイノルズ数（この条件下では2320とする。）とを比較し、レイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数を超えないように燃料ガス流量を制御する（ステップ５）。超えている場合には、燃料ガス流路５内のガス流れは乱流となり、燃料ガスと空気とが混合した状態となるため、空気から燃料ガスへの置換がスムーズに行われなくなる。したがって、この場合、燃料ガス流路５内の流れを層流にするため、レイノルズ数Ｒｅが臨界レイノルズ数以下となるように燃料ガス流量調整弁７の弁開度を絞り、燃料ガス流量を減少させることによって燃料極２における差圧ΔＰを減少させる。上記計算例のＶ＝13 m/sの状態では、燃料ガス流路内の流れは層流状態である。
【００２６】
層流状態を維持し、かつ置換時間を最短とするためには、差圧計９によって計測される差圧ΔＰから算出される燃料ガス流路５内の空気流速Ｖが臨界レイノルズ数に対応する流速となるように、燃料ガス流量調整弁７の開度を調整し、燃料ガスの流量を制御するようにすればよい。つまり、燃料ガス流路５内の空気のレイノルズ数Ｒｅを臨界レイノルズ数2320に極力近づけるようにすればよい。流速とレイノルズ数は比例関係を有することから、上記計算例では、流速Ｖは35.4 m/sまで高めることができる。すなわち、燃料極２における差圧ΔＰを5.36 kPaまで高めるよう燃料ガス流量調整弁７の開度を制御する。
【００２７】
臨界レイノルズ数となる流速と燃料ガス流路５の長さとから算出される所定時間が経過した時点で、燃料ガス流路５内の燃料ガスへの置換が完了する（ステップ６）。
【００２８】
置換完了後は、酸化剤ガス側の各弁を開け、酸化剤ガスを酸化剤ガス加湿器２１に通し求める加湿状態となったところで、設定流量となるよう酸化剤ガス流量調整弁８を調整し、燃料電池セル４の電圧計２５によりセル電圧を測定し発電を開始する。
【００２９】
以上のように、本実施の形態によれば、燃料電池起動時に燃料ガス流路５内を燃料ガスへ置換する際、燃料ガス流路５内の空気のレイノルズ数Ｒｅは臨界レイノルズ数を超えないように制御されるため、燃料ガス流路５内の流れを層流域に維持することができる。したがって、燃料ガス流路５内にて、空気と燃料ガスの混合が防止され、燃料ガスへの置換がスムーズに行われるため、置換時間が長くなることを防止することができる。
【００３０】
また、燃料ガス流路５の管内径、燃料ガス流路５内の空気の動粘度が定まれば、臨界レイノルズ数に対応する燃料ガス流路５内の空気流速が決まり、さらに、燃料ガス流路５内の空気の密度、温度、圧力が定まれば、その空気流速になるための燃料極２の上流と下流との差圧ΔＰが決まる。したがって、この差圧ΔＰとなるように、燃料ガスの流量を燃料ガス流量調節弁７によって制御すれば、燃料ガス流路５内の空気のレイノルズ数Ｒｅを臨界レイノルズ数2320に極力近づけることができ、燃料ガス流路５内の流れを層流状態に維持し、かつ置換時間を最短とすることが可能となる。
【００３１】
また、燃料電池起動時に燃料ガス流路５内を燃料ガスへ置換する際には、燃料ガスは燃料ガス加湿装置２０をバイパスして導入されるため、燃料ガス流路５内に導入される燃料ガスは乾燥したガスとなる。これにより、燃料ガス流路５内に存在する水分の影響が抑えられ、燃料極２における圧力損失の算出精度が向上し、これに伴うレイノルズ数Ｒｅの算出精度も向上するため、精度の良い制御を行うことが可能となる。
【００３２】
また、燃料電池システム１００は、燃料ガス流量調整弁７の開閉に伴う燃料ガス流路５内の圧力変動を抑制する燃料ガス圧力緩衝器２２を備えるため、精度の良い制御を行うことが可能となる。
【００３３】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００を示す構成図である。
【図２】燃料電池起動時において燃料ガス流路内を燃料ガスへ置換する操作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１００  燃料電池システム
１  電解質膜
２  燃料極
３  酸化剤極
４  燃料電池セル
５  燃料ガス流路
５ａ  燃料ガス供給流路
５ｂ  燃料ガス排出流路
６  酸化剤ガス流路
６ａ  酸化剤ガス供給流路
６ｂ  酸化剤ガス排出流路
７  燃料ガス流量調節弁
８  酸化剤ガス流量調節弁
９  差圧計
９ａ  第一の圧力計
９ｂ  第二の圧力計
１０  燃料極入口弁
１１  燃料極出口弁
１２  酸化剤極入口弁
１３  酸化剤極出口弁
１４  制御装置
２０  燃料ガス加湿器
２１  酸化剤ガス加湿器
２２  燃料ガス圧力緩衝器
２３  酸化剤ガス圧力緩衝器
２４  負荷装置
２５  電圧計
２６  燃料ガス加湿器バイパス弁
２７  燃料ガス加湿器入口弁
２８  燃料ガス加湿器出口弁
【図１】
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【図２】
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