(57)【要約】【課題】この発明は、アノード排出ガスの水素濃度抑制の要求を満たすべくシステム内における水素処理方式について改善を施した燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０の実発電量が予測発電量を下回っている場合には、バルブ２８が開放され、その結果、水素出口配管２６内のアノード排出ガスが水素貯蔵器３０内に導入される。本実施形態にかかる燃料電池システムを搭載した車両の停止が認められた後（具体的には、イグニッションＯＦＦなどの車両停止信号や車両停止要求信号、燃料電池の発電終了信号その他の各種信号をＥＣＵ５０が取得したとき以後）、ＥＣＵ５０は、バルブ２８を開放させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに接続し、前記アノードに水素を供給する水素供給系と、
前記燃料電池の前記アノードの出口と連通するアノード排気系と、
前記アノード排気系に連通し、内部に水素を貯蔵可能な水素貯蔵部と、
前記アノード排気系と前記水素貯蔵部との間に設けられたバルブと、
前記アノード排気系への許容量を越える水素排出が認められ又は認められるおそれがある所定条件が成立した場合に、前記バルブを開放する制御手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記水素貯蔵部に貯蔵した水素を前記燃料電池に再供給する再供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムが、前記アノード排気系に排出されたガスを前記燃料電池に循環させずに前記燃料電池の発電を行う運転モードであるデッドエンド運転モードで、前記燃料電池の発電を行うことができるシステムであり、
前記制御手段は、前記デッドエンド運転モードで前記燃料電池を発電させている場合に、前記燃料電池の前記アノードへの水素供給量に対し前記燃料電池の発電量が少ないときに、前記バルブを開放することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素貯蔵部は、内部に前記アノード排気系のガスを閉じ込めることのできる貯蔵器であり、
前記再供給手段は、前記燃料電池の発電停止後、前記燃料電池内部の水素消費により前記アノードの圧力が前記水素貯蔵器内のガスの圧力よりも低くなった後に、前記バルブを開放する手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素貯蔵部が、水素貯蔵合金を備えたものであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段が、前記燃料電池の前記アノードへの水素供給量に対して前記燃料電池の実発電量が不足していると認められる場合に前記バルブを開放するバルブ開放制御手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムに対する要求出力を取得する取得手段と、
前記要求出力に基づいて、前記燃料電池が発電すべき必要出力を計算する計算手段と、
前記燃料電池の発電量を計測する発電量計測手段と、
を備え、
前記水素供給系は、前記計算手段の計算した前記必要出力に基づいて、前記アノードに水素を供給し、
前記バルブ開放制御手段は、
前記水素供給系の供給水素量に基づいて、前記燃料電池の前記アノードへの水素供給量に応じた発電量である水素量相当発電量を算出する手段と、
前記水素量相当発電量と前記発電量計測手段で計測した前記発電量との比較に基づいて、前記バルブを開放するか否かを決定する開放決定手段と、
を含むことを特徴とする請求項５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】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００７−０１２３３５号公報に開示されているように、燃料電池のアノード排出ガス（アノードオフガス）を貯蔵（貯留）する貯蔵部を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は水素と酸素の供給を受けて発電する。このとき、供給された水素の一部がアノードの下流に排出されてしまった場合、高濃度水素のシステム外部への放出（大気放出）が問題となる。
【０００３】
この点、上記従来の燃料電池システムは、水素を含む排出ガス（具体的にはパージガス）を貯留室内に貯留しつつ、空気等の希釈ガスを用いてこの水素を希釈する構成を備えている。希釈を行うことで、高濃度水素ガスのシステム外放出を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０１２３３５号公報
【特許文献２】特開２００９−１９９７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アノード排出ガスの水素濃度を抑制するためには、燃料電池へ供給する水素量を少量にして発電を行うことが考えられる。しかしながら、これとは逆に、種々の理由から水素供給量を増量したい場合もある。具体的には、例えば、車両搭載用燃料電池システムにおいて、ラジエータを小型化すべく燃料電池スタック高温性能向上を図る観点から、水素流量を増加させる方向性が検討されている。水素流量の増加に伴い、アノード排出ガスの水素濃度を抑制したいという要求に反して、燃料電池内での未反応水素量や排出ガス中の水素量が増大してしまうことが懸念される。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アノード排出ガスの水素濃度抑制の要求を満たすべくシステム内における水素処理方式について改善を施した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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに接続し、前記アノードに水素を供給する水素供給系と、
前記燃料電池の前記アノードの出口と連通するアノード排気系と、
前記アノード排気系に連通し、内部に水素を貯蔵可能な水素貯蔵部と、
前記アノード排気系と前記水素貯蔵部との間に設けられたバルブと、
前記アノード排気系への許容量を越える水素排出が認められ又は認められるおそれがある所定条件が成立した場合に、前記バルブを開放する制御手段と、
前記燃料電池の発電停止後、前記水素貯蔵部に貯蔵した水素を前記燃料電池に再供給する再供給手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池システムが、前記アノード排気系に排出されたガスを前記燃料電池に循環させずに前記燃料電池の発電を行う運転モードであるデッドエンド運転モードで、前記燃料電池の発電を行うことができるシステムであり、
前記制御手段は、前記デッドエンド運転モードで前記燃料電池を発電させている場合に、前記燃料電池の前記アノードへの水素供給量に対し前記燃料電池の発電量が少ないときに、前記バルブを開放することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記水素貯蔵部は、内部に前記アノード排気系のガスを閉じ込めることのできる貯蔵器であり、
前記再供給手段は、前記燃料電池の発電停止後、前記燃料電池内部の水素消費により前記アノードの圧力が前記水素貯蔵器内のガスの圧力よりも低くなった後に、前記バルブを開放する手段を含むことを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１または第２の発明において、
前記水素貯蔵部が、水素貯蔵合金を備えたものであることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至４の発明のいずれか１つにおいて、
前記制御手段が、前記燃料電池の前記アノードへの水素供給量に対して前記燃料電池の実発電量が不足していると認められる場合に前記バルブを開放するバルブ開放制御手段を含むことを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、
前記燃料電池システムに対する要求出力を取得する取得手段と、
前記要求出力に基づいて、前記燃料電池が発電すべき必要出力を計算する計算手段と、
前記燃料電池の発電量を計測する発電量計測手段と、
を備え、
前記水素供給系は、前記計算手段の計算した前記必要出力に基づいて、前記アノードに水素を供給し、
前記バルブ開放制御手段は、
前記水素供給系の供給水素量に基づいて、前記燃料電池の前記アノードへの水素供給量に応じた発電量である水素量相当発電量を算出する手段と、
前記水素量相当発電量と前記発電量計測手段で計測した前記発電量との比較に基づいて、前記バルブを開放するか否かを決定する開放決定手段と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、アノード排出ガス内の水素量が許容量を越えるほどに多い場合に、水素貯蔵部へとアノード排出ガスを導入することができる。また、第１の発明によれば、燃料電池の停止後には、貯蔵した水素を燃料電池内部へと戻すことができる。これにより、燃料電池システム停止時の水素不足に伴う不具合を抑制するために、システム外への水素排出抑制の観点から水素貯蔵部で貯蔵した水素を、有効活用することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、非循環系であるため高水素濃度のアノードオフガスを燃料電池に循環させられないデッドエンド運転モードにおいて、システム外への水素放出抑制とともに貯蔵水素の有効活用を図ることができる。
【００１５】
第３の発明によれば、燃料電池停止後の水素消費がなされる場合にこれに伴ってアノード圧が低下する点を利用して、水素貯蔵器内の水素を燃料電池内部へと再供給することができる。
【００１６】
第５の発明によれば、燃料電池の発電量を判断指標として利用することにより、水素貯蔵を行うべき時期に合わせて、的確にバルブを開放することができる。
【００１７】
第６の発明によれば、開放決定手段によって水素貯蔵器において水素を貯蔵すべきタイミングをより正確に特定および決定し、その決定に基づいて、バルブの開閉を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態にかかる燃料電池システムの通常発電中にＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システムは、車両等の移動体用に好適に用いられることができる。本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、多数の単位セルが積層されることにより構成された積層体である。本実施形態においては、燃料電池スタック１０が固体高分子膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であるものとして説明を行う。
【００２０】
燃料電池スタック１０の個々の単位セルは、その内部に、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも称す）を備えている。この電解質膜の両面には、電極触媒層、ガス拡散層がそれぞれ積層されている。さらに、その上には、集電板としても機能するセパレータが個々の単位セル間を仕切るために設けられている。このような積層体である単位セルは、一方の面におけるアノード電極触媒層に水素の供給を受け、他方の面におけるカソード電極触媒層に空気の供給を受けることによって、水素と酸素の電気化学的反応により発電する。多数の単位セルのアノードの入口は、内部に設けられたマニホールド等によって燃料電池スタック１０の１つの（或いはいくつかの）アノード入口にまとめられる。一方、多数の単位セルのアノードの出口は、内部に設けられたマニホールド等によって燃料電池スタック１０の１つの（或いはいくつかの）アノード出口にまとめられる。なお、このような方式の燃料電池スタックの構成は既に公知であるため、これ以上の説明は省略する。
【００２１】
図１には、燃料電池スタック１０の周辺構成のうち、水素側の構成つまりアノード周辺のシステム構成を示している。燃料電池スタック１０のアノード入口には、水素供給系の一部を担う水素入口配管２２が連通している。水素入口配管２２の端部である燃料供給口２４は、図示しない水素供給源（具体的には、例えば高圧の水素を貯留した水素タンクなど）に連通している。また、図示しないが、水素入口配管２２上もしくは水素供給源から燃料電池スタック１０のアノード入口までの間のガス供給経路には、燃料電池スタック１０への水素供給量を調節するための各種構成（例えば、水素流量の制御用の弁、必要に応じてシャットバルブ等も）が設けられている。
【００２２】
燃料電池スタック１０のアノード出口には、水素出口配管２６が連通している。水素出口配管２６は、気液分離器３２および水素ポンプ３４を途中に備え、最終的に水素入口配管２２に連通している。このように、本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料電池スタック１０のアノード出口から排出されたガスを再び燃料電池スタック１０のアノード出口へと再供給（還流）することのできるシステムである。気液分離器３２は、車外排出用の排出路３６と連通している。排出路３６を介して、水素出口配管２６内のガスが車外へ排出される。排出路３６は例えば図示しない希釈器等と接続されてもよい。
【００２３】
水素出口配管２６は、バルブ２８を介して、水素貯蔵器３０に連通している。バルブ２８を開くことにより、水素貯蔵器３０が水素出口配管２６と連通する。本実施形態では、通常、水素貯蔵器３０の内部の圧力は水素出口配管２６内の圧力に対して負圧であるものとする。バルブ２８の開放時には、圧力差を利用して水素貯蔵器３０内にアノード排出ガスを導入して、水素を貯留することができる。
【００２４】
本実施形態にかかる燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、バルブ２８や水素ポンプ３４などのシステム機器と接続し、それらの機器を制御する。また、図示しないが、燃料電池スタック１０にはその発電量を計測するための構成（具体的には、例えば、電流計やセル電圧モニタなど）が取り付けられており、ＥＣＵ５０はこれらの計測機器とも接続している。また、ＥＣＵ５０は、ユーザからの入力（要求出力）を取得できるように構成されている。より具体的には、例えば、ＥＣＵ５０は、車両搭載用燃料電池システムにおける、アクセルペダル等の要求出力取得機器と接続されている。
【００２５】
［実施の形態の動作］
以下、図２に示す制御フローチャートも参照しつつ、実施の形態の燃料電池システムの動作について説明する。
【００２６】
（水素貯蔵制御）
図２は、本実施形態にかかる燃料電池システムの通常発電中にＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２に示すルーチンでは、先ず、ユーザ入力の取得が行われる（ステップＳ１００）。このステップでは、ユーザの入力に応じて、ＥＣＵ５０が前述した要求出力取得機器の出力値を取得する。
【００２７】
次に、ステップＳ１００で取得した値に基づいて、ユーザが燃料電池システムに対して現在要求している出力が計算される（ステップＳ１０２）。このステップでは、ユーザ入力に基づいて、燃料電池システムにおける必要出力値が計算される。
【００２８】
次に、ガス供給および電圧印加が実行される（ステップＳ１０４）。このステップでは、上記ステップＳ１０２で計算された必要出力値に応じた流量で燃料電池スタック１０に対し水素ガスを供給するように、ＥＣＵ５０が水素供給系における弁の開度を制御する。この開度制御は、具体的には、燃料電池スタック１０に対し、必要出力値に応じて計算されたストイキ比の水素ガス導入量が流入するようになされる。
【００２９】
次に、出力値の判定が行われる（ステップＳ１０６）。このステップでは、燃料電池スタック１０の現在の出力（実発電量）が、上記ステップＳ１０４での水素供給で実現しようとしていた出力（予測発電量）を下回っているか否かが判定される。
【００３０】
ステップＳ１０６において実発電量が予測発電量を下回っていない場合には、通常発電が継続される（ステップＳ１０８）。すなわち、この場合には、燃料電池スタック１０に供給している水素量に概ねつり合った出力が得られており、余剰水素排出を問題視しなくとも良い状況にあると考えられる。その後、今回のルーチンが終了する。
【００３１】
一方、ステップＳ１０６において実発電量が予測発電量を下回っている場合には、バルブ２８が開放され（ステップＳ１１０）、その結果、水素出口配管２６内のアノード排出ガスが水素貯蔵器３０内に導入される（ステップＳ１１２）。すなわち、この場合には、余剰の水素ガスがアノード排気ガスとして水素出口配管２６に流出している。その結果、水素出口配管２６内のガスの水素濃度は高く、このような状況下では排出路３６を介した車外への水素放出が問題視される。そこで、このステップにおいては、バルブ２８を開くことによって、水素貯蔵器３０により、そのような水素放出を抑制することができる。その後、今回のルーチンが終了する。
【００３２】
（燃料電池システム運転停止時）
本実施形態にかかる燃料電池システムの停止の際は、燃料電池スタック１０の発電停止に応じて、水素貯蔵器３０に貯蔵した水素を燃料電池スタック１０のアノードへと供給する。具体的には、本実施形態にかかる燃料電池システムを搭載した車両の停止が認められた後（具体的には、イグニッションＯＦＦなどの車両停止信号や車両停止要求信号、燃料電池の発電終了信号その他の各種信号をＥＣＵ５０が取得したとき以後）、ＥＣＵ５０は、バルブ２８を開放させる。これにより、水素貯蔵器３０内の水素ガスをアノードに放出することができる。
【００３３】
燃料電池システムの停止後、燃料電池スタックのアノード内に残存した水素が消費され、内部電池が形成されることが知られている。内部電池反応はカーボン酸化反応を含むため、燃料電池の耐久性低下が問題となる。この点、本実施形態にかかる燃料電池システムによれば、貯蔵した水素を発電停止後の燃料電池スタック１０のアノードに供給することによって、そのような弊害を抑制することができる。
【００３４】
なお、車両停止後、燃料電池スタック１０内の水素は消費され、６０（ｋＰａ Ａｂｓ）程度まで、アノードの圧力が低下する。この点、ＥＣＵ５０は、水素貯蔵器３０内と燃料電池スタック１０内の圧力差を利用して水素を燃料電池スタック１０内に放出できる程度まで圧力低下が認められた後に、バルブ２８を開放することが好ましい。
【００３５】
［実施の形態の変形例］
実施の形態では、水素貯蔵器３０を用いて、燃料電池スタック１０下流の余剰水素を貯蔵した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。水素貯蔵合金を用いて構成された水素貯蔵部を用いて、内部に水素を吸着させるなどして水素を貯蔵しても良い。この場合、車両停止後の水素放出にあたっては、水素貯蔵合金に対しヒータ加熱や冷却水ラインの熱を利用した加熱を行って、所望に水素を放出することができる。
【００３６】
実施の形態では、燃料電池スタック１０のアノード排出ガスを循環させるタイプの燃料電池システムを前提とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。
アノード排気系に排出されたガスを燃料電池スタック１０に循環させずに発電を行う運転モード（「デッドエンド運転モード」とも称す）で発電を行う燃料電池システムであってもよい。また、アノード排出ガスを循環させる運転と循環させない運転（デッドエンドモード）とを両方とも実行可能（切換可能）なタイプの燃料電池システムでもよい。また、デッドエンド運転モードは、より詳細には、アノード出口側を閉鎖した状態で発電するもの（完全デッドエンド）と、アノード出口側の下流において微小流量（たとえば、クロスリークに伴うアノード内の発電非関与ガス（不純物質ガス）のみを排出できる程度の流量）でガスを排出しつつ発電するものとが含まれる。
これらの場合、ＥＣＵ５０は、デッドエンド運転モードで燃料電池スタック１０を発電させている場合に、アノードへの水素供給量に対し燃料電池スタック１０の発電量が少ないときに、バルブ２８を開放する。
【００３７】
実施の形態では、ＥＣＵ５０が、燃料電池スタック１０の発電量が予測発電量を下回っている場合に、バルブ２８を開放した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、各種の変形が可能である。システム仕様や理論値より、燃料電池スタック１０への水素供給量に応じた発電量（水素量相当発電量）は特定できる。この水素量相当発電量に対し実際の燃料電池スタック１０の発電量が少なかったかどうかを、現時点の発電状態又は過去の運転履歴等に基づき比較判定し、バルブ２８を開放するか否かの決定の基礎とすることができる。また、発電量が予測発電量に対して単に下回っているだけでなく所定値以上に下回っている場合に、バルブ２８を開放するようにしてもよい。水素貯蔵器３０への水素貯蔵が必要な場合は、アノード排気系における水素量が僅かでも認められる場合や、或いは、微量の水素排出ならば即座のバルブ２８開放は必要ないが無視できない程に多い場合など、個々のシステムに応じて異なる。アノード排気系への余剰水素排出が問題視されるような各種状況を判定し、必要に応じて、バルブ２８を開放すればよい。
【符号の説明】
【００３８】
１０  燃料電池スタック
２２  水素入口配管
２４  燃料供給口
２６  水素出口配管
２８  バルブ
３０  水素貯蔵器
３２  気液分離器
３４  水素ポンプ
３６  排出路
【図１】
2011171171.tif 000003
【図２】
2011171171.tif 000004