(57)【要約】【課題】  燃料電池負荷に応じた燃料ガス供給量の確保が難しい場合であっても、システム外部に排出する燃料ガス量を抑制しつつ、所望の発電量を得る。【解決手段】  燃料電池のアノード極とカソード極との極間差圧が所定範囲内に維持されるように燃料電池への燃料ガス供給圧が制御される燃料電池システムにおいて、燃料電池への燃料ガス供給量が前記負荷に応じた要求ガス量に満たないと判断された場合（ステップＳ９：ＮＯ）、例えば燃料ガス中の窒素濃度が所定値以上となった場合には、遮断弁Ｈ３，Ｈ３Ａの開閉状態を切り替えることにより、燃料電池２０への燃料ガス供給圧を上昇させる（ステップＳ１１）。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧を制御する制御手段と、燃料電池の負荷に応じて酸化剤ガス供給圧を決定する手段と、燃料極と酸化剤極との極間差圧が所定範囲内に維持されるように燃料ガス供給圧を制御する手段と、燃料電池に供給する燃料ガス流量を制御する手段とを備えた燃料電池システムであって、
燃料ガス供給量が要求ガス量に満たないと判断された場合に、通常運転時と比較して前記所定範囲を拡大し、前記制御手段で制御される燃料ガス供給圧を上昇させる燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガス中の不純物濃度が所定値以上となった場合に、燃料ガス供給量が要求ガス量に満たないと判断される請求項１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し、特に、起動時等のように要求ガス量に対する燃料ガス供給量の確保が難しい場合においても、所望の発電量を得ることのできる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）の両側に燃料極と酸化剤極とを備え、燃料極側に例えば水素ガス等の燃料ガスを供給する一方で、酸化剤極側に例えば空気等の酸化剤ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化剤ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池を備えた燃料電池システムの開発が進められている。
【０００３】
この種燃料電池システムにおいては、電解質膜の破損防止や長寿命化等のために、燃料極側の燃料ガス供給圧と、酸化剤極側の酸化剤ガス供給圧との差圧（以下、極間差圧）を所定値以下に制御する必要がある。そこで、かかる極間差圧を小さくするように、燃料電池負荷に応じて決まる酸化剤ガス供給圧に応じて、燃料ガス供給圧を調整する水素レギュレータの設定圧を変化させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−０６８３３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種燃料電池システムには、燃費向上のため、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料供給系に合流させて循環させるものもある。しかしながら、このオフガス循環に伴い燃料ガス中の不純物濃度が上昇するため、上記特許文献１に記載された技術のように酸化剤ガスの供給圧に応じて燃料ガスの供給圧を決めるシステムでは、電気負荷に応じた燃料ガス供給量を確保することが困難になる。一方、所定のタイミングで燃料オフガスをシステム外部へパージ（排出）すれば、不純物濃度は低減するものの、燃料ガスを余分に排出することになるため、燃費が悪化してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池負荷に応じた燃料ガス供給量の確保が難しい場合であっても、システム外部に排出する燃料ガス量を抑制しつつ、所望の発電量を得ることのできる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧を制御する制御手段と、燃料電池の負荷に応じて酸化剤ガス供給圧を決定する手段と、燃料極と酸化剤極との極間差圧が所定範囲内に維持されるように燃料ガス供給圧を制御する手段と、燃料電池に供給する燃料ガス流量を制御する手段とを備えた燃料電池システムであって、燃料ガス供給量が要求ガス量に満たないと判断された場合に、通常運転時と比較して前記所定範囲を拡大し、前記制御手段で制御される燃料ガス供給圧を上昇させる。
【０００７】
かかる構成とすることにより、燃料電池負荷に応じた燃料ガス供給量の確保が困難な場合には、極間差圧制御に優先して燃料ガス供給圧を上昇させることによる燃料ガス流量制御が行われるので、燃料オフガスを外部に排出する所謂パージ処理を行わずに、所望の燃料ガス供給量を確保することが可能となる。
【０００８】
本発明は、燃料ガス中の不純物濃度が所定値以上となった場合に、燃料ガス供給量が要求ガス量に満たないと判断される構成であってもよい。
【０００９】
このような構成によれば、燃料ガス供給量が要求ガス量を満たしているかどうかの判断を簡便かつ精度良く行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば起動時や間欠運転復帰時等の過渡的な状態のように、燃料電池負荷に応じた燃料ガス供給量の確保が困難な場合には、極間差圧制御に優先して燃料ガス供給圧を上昇させることによる燃料ガス流量制御が行われるので、外部に排出する燃料ガス量を抑制して燃費を向上させつつ、所望の発電量を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池車両の車載発電システムの他に、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１２】
酸化ガスとしての空気（外気）は空気供給路７１を介して燃料電池２０のカソード極（酸化剤極）に供給される。空気供給路７１には空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、空気供給圧を検出する圧力センサＰ４及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３はモータＭ１によって駆動される。
【００１３】
モータＭ１は後述の制御部（燃料電池の負荷に応じて酸化剤ガス供給圧を決定する手段、燃料極と酸化剤極との極間差圧が所定範囲内に維持されるように燃料ガス供給圧を制御する手段）５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。
【００１４】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、燃料電池２０のカソード側出口圧力を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は燃料電池２０への供給空気の圧力を設定する調圧器として機能する。圧力センサＰ４及びＰ１の図示しない検出信号は制御部５０に送られる。
【００１５】
制御部５０は、燃料電池２０の負荷に応じて該燃料電池２０への酸化剤ガス供給圧（空気供給圧）を決定し、コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４を調整することによって、燃料電池２０への空気供給圧や供給空気流量を制御する。
【００１６】
燃料ガスとしての水素ガスは、複数（本実施の形態では２つ）の水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０のアノード極（燃料極）に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１７】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する電磁弁Ｈ１，Ｈ１Ａ、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を高圧から中圧に減圧する減圧弁Ｈ２，Ｈ２Ａ、減圧弁Ｈ２の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ６、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する電磁弁（制御手段の一部）Ｈ３，Ｈ３Ａ、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を中圧から低圧に減圧する減圧弁（制御手段の一部）Ｈ４，Ｈ４Ａ、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する電磁弁Ｈ５、燃料電池２０のアノード側入口圧力を検出する圧力センサＰ５、及び水素ガス中の窒素濃度（不純物濃度）を検出する窒素センサ（図示略）が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６及び窒素センサの図示しない検出信号は制御部５０に供給される。
【００１８】
燃料供給路７４において、電磁弁Ｈ３及びその下流に配設された減圧弁Ｈ４と、電磁弁Ｈ３Ａ及びその下流に配設された減圧弁Ｈ４Ａとは互いに並列回路をなしており、電磁弁Ｈ３，Ｈ３Ａの開閉制御により、水素供給源３０からの水素ガスはいずれか一方の減圧弁Ｈ４，Ｈ４Ａを選択的に通過することとなる。減圧弁Ｈ４Ａは減圧弁Ｈ４よりも設定圧が高めに設定されている。通常運転時は減圧弁Ｈ４を使用するが、減圧弁Ｈ４Ａを使用することにより、燃料電池２０への水素ガス供給圧を上昇させることが可能となっている。
【００１９】
つまり、本実施形態の燃料電池システム１０においては、電磁弁Ｈ３及びその下流に配設された減圧弁Ｈ４と、電磁弁Ｈ３Ａ及びその下流に配設された減圧弁Ｈ４Ａとにより、燃料電池２０に供給する燃料ガスの供給圧を制御する制御手段が構成される。なお、本明細書の「水素ガス」は、ガス成分の如何によらず、燃料供給路７４を流通するガスのことをいう。
【００２０】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の減圧弁Ｈ４の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と循環路７５を連通／遮断するＦＣ出口弁Ｈ６、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプ（燃料電池に供給する燃料ガス流量を制御する手段）Ｈ５０、水素ポンプＨ５０の一次圧及び二次圧をそれぞれ検出する圧力センサＰ１０，Ｐ１１、及び逆止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２１】
温度センサＴ３１の図示しない検出信号は制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆止弁Ｈ５２は燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。電磁弁からなる各弁Ｈ１，Ｈ３，Ｈ５，Ｈ６，Ｈ５１は制御部５０からの信号で駆動される。
【００２２】
水素循環路７５は、パージ弁Ｈ５１を介してパージ流路７６によって排気路７２に接続されている。パージ弁Ｈ５１は電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増してセル電圧が低下する、といった不具合を防止することができる。
【００２３】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水された冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータＣ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２にはモータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２４】
燃料電池２０は、電解質膜の両側にアノード極とカソード極とを備えた燃料電池セル（単位セル）を所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２５】
制御部５０は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、図示しない車両のアクセル開度信号などの要求負荷や燃料電池システム１０の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。具体的には、コンプレッサＡ３を駆動するモータＭ１の回転数を調整して燃料電池２０への空気供給量を調整するとともに、水素ポンプＨ５０を駆動するモータＭ２の回転数を調整して燃料電池２０への燃料ガス供給量を調整する。
【００２６】
また、通常運転時においては、制御部５０は燃料電池２０のアノード極への水素ガス供給圧とカソード極への空気供給圧との差圧（以下、極間差圧）が所定範囲内に維持されるように、水素ポンプＨ５０の回転数を制御する。この極間差圧制御は、圧力センサＰ５で検出された燃料電池２０のアノード側入口圧力と、圧力センサＰ１で検出された燃料電池２０のカソード側出口圧力と圧損とから推定したカソード側入口圧力とに基づき行われる。
【００２７】
ただし、制御部５０は、燃料電池２０への水素ガス供給量が燃料電池負荷に応じた要求ガス量に満たないと判断した場合には、極間差圧制御に優先して水素ガス供給圧を上昇させることによる水素ガス流量制御を行う。具体的には、それまで開放状態にあった遮断弁Ｈ３を閉鎖する一方で、それまで閉鎖状態にあった遮断弁Ｈ３Ａを開放し、水素供給源３０からの水素ガスが減圧弁Ｈ４Ａ側を通過するように回路の切り替えを行う。このとき、上記極間差圧の所定範囲は一時的に拡大される。
【００２８】
かかる切替後は、減圧弁Ｈ４Ａの設定圧が減圧弁Ｈ４の設定圧よりも高いため、燃料電池２０への水素ガス供給圧が一時的に上昇する。その結果、起動時や間欠運転からの復帰時等のように、水素ガス中の不純物濃度（例えば、窒素濃度）が所定値以上であるために、燃料電池負荷に応じた要求ガス量の確保が難しい場合であっても、水素オフガスを外部に排出する所謂パージ処理を行わずに、所望量の水素ガスを燃料電池２０に供給することが可能となる。
【００２９】
次に、図２を参照しながら、制御部５０による水素ガス供給圧制御について説明する。
【００３０】
なお、このルーチンが最初に呼びされたときは、遮断弁Ｈ３は開放状態、遮断弁Ｈ３Ａは閉鎖状態に制御されており、水素供給源３０からの水素ガスは減圧弁Ｈ４側を通過して燃料電池２０に供給されるものとする。
【００３１】
まず、ステップＳ１において、燃料供給路７４の燃料電池２０寄りに設けられた窒素センサ（図示略）により、燃料電池２０に供給される水素ガス中の窒素濃度（不純物濃度）が測定される。
【００３２】
続くステップＳ３〜Ｓ５では、燃料電池システム１０への要求パワーに基づき補機への指示動作量を演算する。ここでは、補機動作量として、水素ポンプＨ５０の回転数を例にとって説明する。まず、ステップＳ３では、アクセルセンサで検出したアクセル開度に基づき燃料電池２０への要求パワーを演算し、該要求パワーに基づく水素ポンプＨ５０への指示回転数を演算する。
【００３３】
次いで、ステップＳ５では、燃料電池２０への水素ガス供給量は同一ガス流量でもガス成分によって異なるため、ステップＳ１で計測した水素ガス中の窒素濃度から水素濃度を逆算し、該水素濃度に基づきステップＳ３で求めた水素ポンプＨ５０の指示回転数を濃度補正する。そして、かかる濃度補正後の指示回転数が水素ポンプＨ５０に指示（ステップＳ７）されることにより、燃料電池２０への水素ガス供給量が制御される。
【００３４】
続くステップＳ９では、燃料電池２０への水素ガス供給量が燃料電池負荷に応じた要求ガス量を満たしているかの判断を行う。本実施の形態では、ステップＳ１で計測した窒素濃度が所定値以上であるかの判断を行い、計測された窒素濃度が所定値以上の場合は、燃料電池２０への水素ガス供給量が燃料電池負荷に応じた要求ガス量を満たさない（ステップＳ９：ＮＯ）と判断し、ステップＳ１１に進む。
【００３５】
一方、ステップＳ１で計測された窒素濃度が所定値未満の場合は、燃料電池２０への水素ガス供給量が燃料電池負荷に応じた要求ガス量を満たす（ステップＳ９：ＹＥＳ）と判断し、ステップＳ１３に進む。
【００３６】
ステップＳ１１では、それまで開放状態にあった遮断弁Ｈ３を閉鎖する、あるいはそれまでの閉鎖状態を維持する一方で、それまで閉鎖状態にあった遮断弁Ｈ３Ａを開放する、あるいはそれまでの開放状態を維持することにより、水素供給源３０からの水素ガスが減圧弁Ｈ４Ａ側を通過するように回路の切り替えを行う。減圧弁Ｈ４Ａの設定圧は減圧弁Ｈ４の設定圧よりも高いため、かかる切替後は、燃料電池２０への水素ガス供給圧が上昇し、燃料電池２０への水素ガス供給量も増加する。
【００３７】
よって、起動時や間欠運転からの復帰時等のように、水素ガス中の不純物濃度（例えば、窒素濃度）が所定値以上であるために、燃料電池負荷に応じた要求ガス量の確保が難しい場合であっても、水素オフガスを外部に排出する所謂パージ処理を行わずに、所望量の水素ガスを燃料電池２０に供給することが可能となり、燃費の向上と、発電量確保とを両立させることができる。
【００３８】
なお、減圧弁Ｈ４Ａへの切替後においても、燃料電池２０への水素ガス供給量が要求ガス量に満たない場合には、出力制限をかける。これにより、電解質膜の破損防止及び長寿命化を図ることができる。また、発電に必要な水素ガス供給量を確保するに際し、水素ポンプＨ５０の回転数流量で足りない分のみを水素ガス供給圧の上昇により補うので、水素ガス供給圧の上昇ひいては極間差圧の拡大が有効に抑制される。
【００３９】
ステップＳ１３では、それまで閉鎖状態にあった遮断弁Ｈ３を開放する、あるいはそれまでの開放状態を維持する一方で、それまで開放状態にあった遮断弁Ｈ３Ａを閉鎖する、あるいはそれまでの閉鎖状態を維持することにより、水素供給源３０からの水素ガスが減圧弁Ｈ４側を通過するように回路の切り替えを行う。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。
【００４１】
例えば、上記実施の形態では、燃料電池２０に供給される水素ガス中の窒素濃度を窒素センサで測定し（図２のステップＳ１）、この窒素濃度が所定値以上であるかを判断することにより、燃料電池２０への水素ガス供給量が要求ガス量を満たしているかの判断を行ったが、これに代えて、水素ガス中の水素濃度を水素センサにより直接測定したり、Ｏ2センサやＣＯ2センサにより測定された酸素濃度や二酸化炭素濃度、あるいは温度による飽和水蒸気圧から水素濃度を逆算し、水素濃度が所定濃度以下の場合に水素ガス供給量が要求ガス量を満たしていないと判断してもよい。
【００４２】
また、上記実施の形態では、水素ガス供給量が要求ガス量を満たしていないと判断された場合に、電磁弁Ｈ３，Ｈ３Ａの開閉を制御し、水素ガスを通過させる減圧弁４Ａ，Ｈ４Ａを選択することにより水素ガス供給圧を上昇させていたが、これに限らず、電磁弁Ｈ３Ａと減圧弁Ｈ４Ａとからなる回路を備えずに、減圧弁Ｈ４の設定圧を制御部５０からの制御信号により逐次制御することが可能なものに置き換えてもよい。なお、かかる構成においては、電磁弁Ｈ３を省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図。
【図２】図１に示す制御部が実行する水素供給圧制御を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池システム  ２０…燃料電池  ５０…制御部（燃料電池の負荷に応じて酸化剤ガス供給圧を決定する手段、燃料極と酸化剤極との極間差圧が所定範囲内に維持されるように燃料ガス供給圧を制御する手段）  Ｈ３、Ｈ３Ａ…電磁弁（制御手段の一部）  Ｈ４、Ｈ４Ａ…減圧弁（制御手段の一部）  Ｈ５０…水素ポンプ（燃料電池に供給する燃料ガス流量を制御する手段）
【図１】
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【図２】
2006294295.tif 000004