(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料流路および空気流路を有する燃料電池と、
前記燃料流路に接続され、前記燃料流路に供給される液体燃料が流通する燃料供給路と、
前記空気流路に接続され、前記空気流路に供給される空気が流通する空気供給路と、
前記燃料供給路に介装され、前記燃料流路に向けて液体燃料を送る燃料供給ポンプと、
前記空気供給路に接続され、前記空気流路に向けて空気を送るエアコンプレッサと、
前記燃料流路内の液体燃料中に気泡を含有させる気泡含有手段と、
前記燃料供給ポンプ、前記気泡含有手段および前記エアコンプレッサを制御して、前記燃料供給ポンプを始動させず前記エアコンプレッサを始動させ、前記燃料流路に新たに液体燃料を供給することなしに、前記燃料流路内に残存する液体燃料を使用して発電することにより発生するガスを、気泡として前記燃料流路内の液体燃料中に含有させた後に、前記燃料供給ポンプを始動させる制御手段とを含む、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。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー化および環境対策の観点から、自動車用や家庭用の発電装置として、燃料電池システムが非常に注目を集めている。
【０００３】
燃料電池は、たとえば、固体高分子膜をアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）で挟み込んだ構造の膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。燃料電池には、燃料供給口および燃料排出口が形成されている。燃料供給口および燃料排出口には、それぞれ燃料循環ラインの一端および他端が接続されている。燃料循環ラインの途中部には、ポンプが介装されている。このポンプが駆動されると、燃料循環ラインを燃料が燃料電池の燃料供給口に向けて流れる。また、燃料電池には、空気供給口および空気排出口が形成されている。空気供給口には、エアコンプレッサから延びる空気供給ラインが接続されている。ポンプが駆動されて、燃料循環ラインから燃料供給口を介してアノードに燃料が供給されるとともに、エアコンプレッサが駆動されて、空気供給ラインから空気供給口を介してカソードに空気が供給されると、電気化学反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。未反応の燃料および空気は、それぞれ燃料排出口および空気排出口を介して燃料電池から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３７５３０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような燃料電池システムでは、燃料電池で大電流を発生させるためには、ポンプ（ポンプモータ）を２０００〜３０００ｒｐｍの高回転数で回転させる必要があるが、ポンプの回転数がその高回転数まで上昇するのには、長い時間および大きな電力を要する。
【０００６】
本発明の目的は、ポンプの始動時に、ポンプの回転数が所定の回転数まで上昇するのに要する時間および電力を低減することができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料流路を有する燃料電池と、前記燃料流路に接続され、前記燃料流路に供給される液体燃料が流通する燃料供給路と、前記燃料供給路に介装され、前記燃料流路に向けて燃料を送るポンプと、前記燃料流路内の液体燃料中に気泡を含有させる気泡含有手段と、前記ポンプおよび前記気泡含有手段を制御して、前記燃料流路内の液体燃料中に気泡を含有させた後に、前記ポンプを始動させる制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
燃料電池の燃料流路には、燃料供給路が接続されている。燃料供給路には、ポンプが介装されている。このポンプの働きにより、燃料供給路内の液体燃料が燃料流路に向けて送られ、燃料供給路および燃料流路を液体燃料が流れる。
【０００９】
この燃料電池システムでは、ポンプの始動に先立ち、気泡含有手段が制御されて、燃料流路内の液体燃料が気泡を含有した状態にされる。燃料流路内の液体燃料が気泡を含有することにより、燃料流路内における液体燃料の密度が減少する。そのため、ポンプの始動時に、燃料流路を流れる液体燃料が受ける抵抗（管路抵抗）を下げることができる。その結果、ポンプの始動時に、ポンプにかかる負荷を低減することができるので、ポンプの回転数が所定の回転数まで上昇するのに要する時間および電力を低減することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ポンプの始動に先立ち、燃料流路内の液体燃料が気泡を含有することにより、ポンプの始動時に、ポンプにかかる負荷を低減することができる。その結果、ポンプの回転数が所定の回転数まで上昇するのに要する時間および電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一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】図２は、図１に示される電子制御ユニットにより実行される発電制御のフローチャートである。
【図３】図３は、発電制御時の発電指令、発電電流、ポンプ回転数およびポンプ消費電力のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一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。
【００１４】
燃料電池システム１は、たとえば、自動車に搭載されて、走行用モータＭに供給される駆動電流を発生する。
【００１５】
燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３を１つのセルとして、複数の膜／電極接合体３がセパレータ４を挟んで積層された、いわゆるセルスタック構造を有している。
【００１６】
膜／電極接合体３は、固体高分子膜５と、固体高分子膜５の一方側および他方側にそれぞれ接合されたアノード（燃料極）６およびカソード（酸素極）７とを備えている。固体高分子膜５は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有している。
【００１７】
セパレータ４におけるアノード６と対向する面には、液体燃料が流通する燃料流路８が形成されている。一方、セパレータ４におけるカソード７と対向する面には、空気が流通する空気流路９が形成されている。燃料流路８および空気流路９は、たとえば、葛折り状に屈曲している。
【００１８】
燃料流路８の一端および他端は、それぞれ燃料供給口および燃料排出口をなしている。燃料電池２は、燃料排出口が燃料供給口よりも高い位置に配置されるように設けられている。燃料供給口および燃料排出口には、それぞれ燃料循環路１０の一端および他端が接続されている。燃料流路８には、燃料循環路１０から燃料供給口を介して、液体燃料の一例である水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）が供給される。
【００１９】
空気流路９の一端および他端は、それぞれ空気供給口および空気排出口をなしている。空気供給口および空気排出口には、それぞれ空気供給路１１および空気排出路１２が接続されている。空気流路９には、空気供給路１１から空気供給口を介して、空気が供給される。
【００２０】
燃料流路８中の水加ヒドラジンは、アノード６での反応に使われる。すなわち、アノード６において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、後述の負極配線３２および正極配線３３を介して、カソード７に移動する。一方、空気流路９中の空気に含まれる酸素および水は、カソード７での反応に使われる。すなわち、カソード７では、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、固体高分子膜５を透過して、アノード６に移動する。
【００２１】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−    ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−    ・・・（２）
この結果、アノード６とカソード７との間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【００２２】
燃料循環路１０の途中部には、気液分離器１３が介裝されている。これにより、燃料循環路１０は、燃料流路８の燃料排出口と気液分離器１３との間の燃料排出路１４および気液分離器１３と燃料流路８の燃料供給口との間の燃料供給路１５に分割されている。
【００２３】
アノード６での反応により生成される窒素ガスおよび水は、未反応の水加ヒドラジンとともに、燃料流路８から燃料排出路１４に排出される。そして、燃料排出路１４を流れる水加ヒドラジンおよび窒素ガスは、気液分離器１３内に流入し、気液分離器１３内で互いに分離（気液分離）される。そして、水加ヒドラジンは、気液分離器１３から燃料供給路１５に流出し（燃料循環路１０に戻され）、窒素ガスは、気液分離器１３からガス放出管１６を通して大気に放出される。ガス放出管１６には、窒素ガスの放出およびその停止を切り替えるためのガス放出バルブ１７が介裝されている。
【００２４】
燃料供給路１５（燃料循環路１０における気液分離器１３と燃料流路８の燃料供給口との間の部分）には、燃料供給ポンプ１８が介裝されている。燃料供給ポンプ１８が駆動されると、燃料供給ポンプ１８の作用により、燃料供給路１５中の水加ヒドラジンが燃料流路８の燃料供給口に向けて送られる。これにより、燃料流路８および燃料循環路１０を水加ヒドラジンが流れる（循環する）。
【００２５】
また、燃料供給路１５には、気液分離器１３と燃料供給ポンプ１８との間において、燃料タンク１９から延びる燃料補給管２０が接続されている。燃料タンク１９には、水加ヒドラジンが貯留されている。燃料補給管２０の途中部には、燃料補給バルブ２１が介装されている。燃料補給バルブ２１が開かれると、燃料タンク１９から燃料補給管２０を通して燃料供給路１５に水加ヒドラジンが供給される。
【００２６】
燃料補給ポンプ２１は、たとえば、燃料循環路１０を流れる水加ヒドラジンの濃度が所定の下限濃度より低下すると駆動される。そして、燃料補給管２０から燃料循環路１０に水加ヒドラジンが供給されることにより、燃料循環路１０を流れる水加ヒドラジンの濃度が所定の上限濃度に達すると、燃料補給ポンプ２１の駆動が停止される。
【００２７】
空気供給路１１は、エアコンプレッサ２２から延び、その先端が空気流路９に接続されている。エアコンプレッサ２２が駆動されると、エアコンプレッサ２２の作用により、空気が空気供給路１１を空気流路９に向けて流れ、空気供給路１１から空気流路９に空気が供給される。
【００２８】
また、燃料電池２には、冷却水流路（図示せず）が形成されている。冷却水流路には、冷却水循環路２３が接続されている。冷却水循環路２３には、冷却水ポンプ２４およびラジエータ２５が介裝されている。冷却水ポンプ２４が駆動されると、冷却水ポンプ２４の作用により、冷却水が冷却水循環路２３を冷却水流路に向けて流れる。そして、冷却水は、冷却水循環路２３から冷却水流路に供給され、冷却水流路を流れ、冷却水流路から冷却水循環路２３に排出される。これにより、冷却水流路および冷却水循環路２３を冷却水が循環し、燃料電池２が冷却される。
【００２９】
また、燃料電池システム１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を備えている。燃料電池２のアノード６およびカソード７は、それぞれ負極配線３２および正極配線３３を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１に接続されている。燃料電池２で発生する直流電力（直流電流×直流電圧）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、燃料電池２から入力される直流電圧を変圧する機能と、燃料電池２から入力される直流電力のインバータ３４および／または車載バッテリ（図示せず）への出力およびその停止を切り替える機能とを有している。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３１からインバータ３４に直流電力が入力されると、インバータ３４により、直流電流が三相交流電流に変換されて、走行用モータＭに駆動電流として供給される。
【００３１】
そして、燃料電池システム１は、ＣＰＵおよびメモリなどを含む構成の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）４１を備えている。電子制御ユニット４１には、燃料電池２から出力される直流電流の電流値を検出する電流センサ４２が接続されている。電子制御ユニット４１は、メモリに格納されたプログラムに従って、ガス放出バルブ１７および燃料補給バルブ２１の開閉および燃料供給ポンプ１８、エアコンプレッサ２２および冷却水ポンプ２４の駆動を制御し、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１およびインバータ３４に含まれるスイッチング素子（ダイオードなど）のオン／オフを制御する。
【００３２】
図２は、図１に示される電子制御ユニットにより実行される発電制御のフローチャートである。
【００３３】
たとえば、自動車のイグニッションスイッチがオンにされると、イグニッションスイッチから電子制御ユニット４１にイグニッションスイッチのオンに応じた信号が入力される。これに応答して、電子制御ユニット４１は、以下に説明するステップＳ２〜Ｓ５の処理を実行する。
【００３４】
まず、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１が制御されて、燃料電池２とＤＣ／ＤＣコンバータ３１とが負極配線３２および正極配線３３を介して導通される。また、エアコンプレッサ２２が駆動され、空気供給路１１から空気流路９に空気が供給される。このとき、燃料供給ポンプ１８の駆動は停止されており、燃料循環路１０（燃料供給路１５）から燃料流路８への水加ヒドラジンの供給は行われない。これにより、燃料電池２において、燃料流路８内に残存している水加ヒドラジンを使った電気化学反応が生じ、１０Ａ程度の低電流が発生する（ステップＳ２：低電流発電）。
【００３５】
その後、電流センサ４２の出力が監視されて、燃料電池２から１０Ａ以上の電流が一定時間（たとえば、５ｓｅｃ）継続して出力されたか否かが繰り返し調べられる（ステップＳ３）。
【００３６】
燃料電池２における電気化学反応では、前記の反応式（１）に示されるように、アノード６で窒素ガスが発生する。そのため、１０Ａ以上の電流を発生させる電気化学反応が一定時間にわたって生じると、燃料流路８内の水加ヒドラジンが窒素ガスの気泡を含有した状態となる。
【００３７】
燃料電池２から１０Ａ以上の電流が一定時間継続して出力されると（ステップＳ３のＹＥＳ）、燃料供給ポンプ１８が始動され（ステップＳ４）、燃料供給ポンプ１８の回転数（ポンプモータの回転数）が０ｒｐｍから所定の回転数まで上げられる。
【００３８】
なお、所定の回転数は、燃料電池２で発生させるべき電流値に応じて設定される。たとえば、燃料電池２で１００Ａの電流を発生させる場合、燃料流路８内を水加ヒドラジンを１０〜２０ｌ／ｍｉｎの流量で流す必要があり、所定の回転数は、２０００〜３０００ｒｐｍの範囲内（一例として、３０００ｒｐｍ）に設定される。
【００３９】
また、燃料供給ポンプ１８の始動とともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１およびインバータ３４が制御されて、燃料電池２で発生した直流電流が走行用モータＭに駆動電流として供給される（ステップＳ５：電流供給）。
【００４０】
以上のように、燃料電池システム１では、燃料供給ポンプ１８の始動に先立ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１が制御されて、燃料電池２で燃料流路８内に残存している水加ヒドラジンを使用した発電が行われ、この発電に伴って発生する窒素ガスの気泡を燃料流路８内の水加ヒドラジンが含有した状態とされる。
【００４１】
燃料流路８内の水加ヒドラジンが気泡を含有することにより、燃料流路８内における水加ヒドラジンの密度が減少する。そのため、燃料供給ポンプ１８の始動時に、燃料流路８を流れる水加ヒドラジンが受ける抵抗（管路抵抗）を下げることができる。その結果、燃料供給ポンプ１８の始動時に、燃料供給ポンプ１８にかかる負荷を低減することができるので、燃料供給ポンプ１８の回転数が所定の回転数まで上昇するのに要する時間および電力を低減することができる。
【００４２】
図３は、発電制御時の発電指令、発電電流、ポンプ回転数およびポンプ消費電力のタイミングチャートである。
【００４３】
図３に実線で示されるように、発電制御が開始（図２に示されるステップＳ２が実行）される時刻Ｔ１から燃料供給ポンプ１８が始動される時刻Ｔ２までの間、燃料供給ポンプ１８の回転数は、零のままである。したがって、その間における燃料供給ポンプ１８の消費電力量は、零である。また、燃料供給ポンプ１８の始動時における燃料流路８の管路抵抗が小さいので、燃料供給ポンプ１８の始動後は、燃料供給ポンプ１８の回転数が急峻に上昇し、これに伴って、燃料電池２の発電電流値が急峻に上昇する。
【００４４】
一方、図３に破線で示されるように、発電制御の開始直後から燃料供給ポンプ１８が始動される場合、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、燃料供給ポンプ１８の回転数が比較的緩やかに上昇し、これに伴って、燃料供給ポンプ１８の消費電力量が比較的緩やかに上昇する。
【００４５】
よって、図３に示されるタイミングチャートから、燃料供給ポンプ１８の始動に先立ち、燃料流路８内の水加ヒドラジンが気泡を含有することにより、燃料供給ポンプ１８の回転数が所定の回転数まで上昇するのに要する時間および電力を低減できることが容易に理解される。
【００４６】
また、燃料流路８の燃料排出口が燃料供給口よりも高い位置に配置されるように、燃料電池２が設けられている。これにより、水加ヒドラジン中の気泡が燃料排出口に向けて浮上するので、燃料供給ポンプ１８の始動時に、燃料供給ポンプ１８にかかる負荷を一層低減することができる。
【００４７】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００４８】
前述の実施形態では、燃料供給ポンプ１８の始動に先立ち、燃料電池２で燃料流路８内に残存している水加ヒドラジンを使用した発電が行われることにより、燃料流路８内の水加ヒドラジンが気泡を含有する場合を取り上げた。これに代えて、燃料供給ポンプ１８と燃料流路８の燃料供給口との間の燃料供給路１５に気泡供給装置が分岐接続されて、燃料供給ポンプ１８の始動に先立ち、燃料供給路１５に窒素ガスなどの気体（気泡）が供給されることにより、燃料流路８内の水加ヒドラジンに気泡が混入されてもよい。なお、気泡供給装置は、燃料電池２の発電中に発生した窒素ガスを貯留するタンクを備え、このタンクから燃料供給路１５に窒素ガスを供給するものであってもよい。
【００４９】
また、燃料電池２から１０Ａ以上の電流が一定時間継続して出力されると、燃料供給ポンプ１８が始動されるとしたが、「１０Ａ」の数値は、単なる具体例に過ぎず、燃料電池２の発電能力に応じて適宜変更されてもよい。また、発電制御の開始から予め定める時間が経過した時点で、燃料流路８内の水加ヒドラジンが気泡を含有していると推定して、燃料供給ポンプ１８が始動されてもよい。
【００５０】
また、液体燃料の一例として、水加ヒドラジンを挙げたが、液体燃料としては、水加ヒドラジンなどのヒドラジン類以外に、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）を例示することができる。
【００５１】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
８    燃料流路
１０  燃料循環路
１４  燃料排出路
１５  燃料供給路
１８  燃料供給ポンプ（ポンプ）
３１  ＤＣ／ＤＣコンバータ（気泡発生手段）
４１  電子制御ユニット（制御手段）
【図１】
0005667836.tif 000002
【図２】
0005667836.tif 000003
【図３】
0005667836.tif 000004