(57)【要約】【課題】本発明の課題は、排出する水素量に応じて空気流量を適正に制御し、システムから排出されるガスの水素濃度を許容範囲に抑制することが可能な燃料電池システムおよびその空気流量制御方法を提供することにある。【解決手段】本発明に関わる燃料電池システム１は、水素と空気を導入し化学反応させて発電する燃料電池２と、燃料電池２から排出された水素を燃料電池２から排出された空気で希釈する希釈器５と、燃料電池２の要求負荷を満たす電力を発電するために必要な空気の量を算出する負荷要求空気量算出手段１０と、希釈器５内の水素を所定濃度に希釈するために必要な排ガスが得られる燃料電池２へ導入する空気の量を算出する希釈用空気量算出手段１０と、負荷要求空気量算出手段１０により求められた空気量と、希釈用空気量算出手段１０により求められた空気量のうち多いほうの空気量を燃料電池２へ供給する空気供給制御手段１０、Ｃとを有している。【選択図】図４
2008300165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気を導入し化学反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された水素を前記燃料電池から排出された空気で希釈する希釈器と、
前記燃料電池の要求負荷を満たす電力を発電するために必要な前記空気の量を算出する負荷要求空気量算出手段と、
前記希釈器内の水素を所定濃度に希釈するために必要な排ガスが得られる前記燃料電池へ導入する空気の量を算出する希釈用空気量算出手段と、
前記負荷要求空気量算出手段により求められた空気量と、前記希釈用空気量算出手段により求められた空気量のうち多いほうの空気量を前記燃料電池へ供給する空気供給制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
空気を前記希釈器へ導くとともに前記希釈器内のガスを押し出す位置に接続されたバイパス流路をさらに備え、
前記燃料電池から排出された空気は、前記希釈器内から押し出されたガスと合流し、
前記希釈用空気量算出手段は、前記バイパス流路から前記希釈器へ導入される空気の量に基づいて、前記必要な空気の量を算出する
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】
前記希釈用空気量算出手段は、前記希釈器内の残留水素量に基づいて、前記必要な空気の量を算出する
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】
前記空気供給制御手段は、前記燃料電池の要求負荷が減少した場合に、前記負荷要求空気量算出手段により求められた空気量と前記希釈用空気量算出手段により求められた空気量のうち多いほうの空気量を前記燃料電池へ供給する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
水素と空気を燃料電池に導入し化学反応させて発電する工程と、
前記燃料電池から排出された希釈器内の水素を前記燃料電池から排出された空気で希釈する工程と、
前記燃料電池の要求負荷を満たす電力を発電するために必要な前記空気の量を算出する要求空気量算出工程と、
前記燃料電池から排出された水素を所定濃度に希釈するために必要な排ガスが得られる前記燃料電池へ導入する空気の量を算出する希釈用空気量算出工程と、
前記要求空気量算出工程により求められた空気量と前記希釈用空気量算出工程により求められた空気量のうち多いほうの空気量を前記燃料電池へ供給する空気供給工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの空気流量制御方法。
【請求項６】
導入された空気で前記希釈器内のガスを前記希釈器から押し出す工程と、
前記燃料電池から排出された空気が前記希釈器内から押し出されたガスと合流する工程とをさらに有し、
前記希釈用空気量算出工程は、前記導入された空気の量に基づいて前記希釈するために必要な空気の量を算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの空気流量制御方法。
【請求項７】
前記希釈用空気量算出工程は、前記希釈器内の残留水素量に基づいて前記希釈するために必要な空気の量を算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの空気流量制御方法。
【請求項８】
前記空気供給工程は、前記燃料電池の要求負荷が減少した場合に、前記要求空気量算出工程により求められた空気量と前記希釈用空気量算出工程により求められた空気量のうち多いほうの空気量を前記燃料電池へ供給する
ことを特徴とする請求項５から請求項７のうちの何れか一項に記載の燃料電池システムの空気流量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素を化学反応させて発電し負荷に電流を供給する燃料電池システムおよびその空気流量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの乗り物や家庭や工場等に広く用いられる燃料電池は、水素と酸素との化学反応によって発電するため、燃料電池の運転中のパージ、ドレイン等によって排出される水素量は高負荷になるほど多くなり、水素と反応する酸素を含む空気流量も多くなる。
図９(ａ)は、燃料電池の負荷と空気流量との関係を表した図であり、横軸に燃料電池の負荷をとるとともに縦軸に燃料電池に供給する空気流量をとっている。また、図９(ｂ)は、燃料電池の負荷と燃料電池からの水素排出量との関係を表した図であり、横軸に燃料電池の負荷をとるとともに縦軸に水素排出量をとっている。
従来、図９(ａ)に示すように、低負荷での空気流量の場合においても、水素濃度が上昇しないように、図９(ｂ)に示すように、高負荷での1回あたりの水素排出量ｈを設定して、希釈する空気量を制御している。
【０００３】
或いは、排出する水素を貯留する希釈器の容量を、水素の濃度を所定の低濃度にするために、ある程度大きく確保することによって一時的に希釈器内に溜め込める量を多くし、負荷減少時においても水素濃度が上昇しないようにしている。
例えば、不純物を含む水素のパージを行う前は、該水素を排出するための希釈器内を空気が１００％満たしているため、水素溜め込みスペースである希釈器の容量を大きくすることで排出する水素の濃度を下げることができる。
図１０は、希釈器１０１廻りの構成を示す概念的断面図である。
図１０に示すように、中空の空間を有する希釈器１０１には、燃料電池から排出された水素(以下、排水素と称す)が、パージ弁或いはドレイン弁が開弁され水素排出配管１０２を通して、矢印ｃに示すように流れ込む。そして、希釈器１０１内の排水素は、空気排出配管１０３を矢印ａの如く流れ車外に排出される空気(以下、排空気と称す)によって、空気排出配管１０３に穿設された水素排出口１０３ｄから矢印Ａのように吸い込まれ、矢印ｂに示すように、排空気とともに車外に排出されている。ここで、希釈器１０１内の排水素はバイパス配管１０４を通して矢印ｄに示すように供給される希釈兼押し出し用空気によって、水素排出口１０３ｄから空気排出配管１０３への排出が促進されている（特許文献１参照）。
【０００４】
前記したように、希釈器１０１の容量を大きくすることによって、結果として流れ込む排水素の希釈器１０１内での濃度を低下させて、最終的な排空気と混合させるポイントＡ(図１０参照)での水素排出量を低下(平準化)させることができ、空気排出配管１０３内を流れる排空気の流量が低下しても、最終的な水素排出口１０３ｄ内の排水素の濃度の上昇を抑えることができる。
一方、特許文献２においては、排出する水素を希釈して排気する希釈器を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池からの排出空気を希釈器に導く希釈用ガス供給路と排気酸素含有ガス排出路に分岐し、この排気酸素含有ガス排出路に圧力調圧弁を備え、排気酸素含有ガスの流量が少ない場合には、調圧弁の開度を少なくして、希釈用ガス供給路に導入する排気酸素含有ガスの量を増加させている(特許文献２の図１参照)。
【特許文献１】特開２００６−１５５９７号公報（段落００２８〜００３３、００４２、００４４、図１、図２等）
【特許文献２】特開２００５−１１６５４号公報（段落０００７、００１０、図１、図２等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１においては、負荷による空気流量の増減を考慮して1回あたりのパージ量をパージ弁の開弁時間を短縮してパージ量を減らすことによって、排出する水素の流量を減少させている。そして、排空気の流量が少ない場合にも排出する水素濃度が上昇しないように設定している。しかしながら、この場合には1回当たりのパージの効果が少なく、結果として有効に発電に使用される水素量が減少し、水素排出量が増加するという問題が生じる。
また、排水素を貯留する希釈器１０１の容量を大きくすることで水素濃度の上昇を抑える方策があるが、この場合、重量が増加し燃費悪化の起因となるとともに、希釈器１０１の材料コストが上昇し、コストが高騰するという不都合がある。
一方、特許文献２においては、燃料電池から排出される空気の量が少ない時、どんなに調圧弁の開度を調整しても排出された空気量以上の空気量を希釈器へは導入できず、例えば、高負荷の状態で水素が排出された後、短時間に低負荷になった場合は、高負荷での排出された水素量が多いことから、排水素を希釈するために必要な空気量を確保できない恐れがある。
【０００６】
前記の如く、燃料電池の負荷の高低による空気流量、水素排出量の違いによって高負荷から低負荷に負荷が急激に減少した場合、高負荷でのパージ直後の負荷減少の際にシステムから水素を排出するまでの時間に対して、排空気量が短時間で減少し、このタイムラグにより水素濃度が許容範囲を超えて上昇するという解決すべき技術課題がある。
本発明は上記実状に鑑み、排出する水素量に応じて空気流量を適正に制御し、システムから排出されるガスの水素濃度を許容範囲内に抑制することが可能な燃料電池システムおよびその空気流量制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明に関わる燃料電池システムは、水素と空気を導入し化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された水素を燃料電池から排出された空気で希釈する希釈器と、燃料電池の要求負荷を満たす電力を発電するために必要な空気の量を算出する負荷要求空気量算出手段と、希釈器内の水素を所定濃度に希釈するために必要な排ガスが得られる燃料電池へ導入する空気の量を算出する希釈用空気量算出手段と、負荷要求空気量算出手段により求められた空気量と、希釈用空気量算出手段により求められた空気量のうち多いほうの空気量を燃料電池へ供給する空気供給制御手段とを有している。
【０００８】
本発明に関わる燃料電池システムの空気流量制御方法は、水素と空気を燃料電池に導入し化学反応させて発電する工程と、燃料電池から排出された希釈器内の水素を燃料電池から排出された空気で希釈する工程と、燃料電池の要求負荷を満たす電力を発電するために必要な空気の量を算出する要求空気量算出工程と、燃料電池から排出された水素を所定濃度に希釈するために必要な排ガスが得られる燃料電池へ導入する空気の量を算出する希釈用空気量算出工程と、要求空気量算出工程により求められた空気量と希釈用空気量算出工程により求められた空気量のうち多いほうの空気量を燃料電池へ供給する空気供給工程とを有している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１に関わる燃料電池システムまたは請求項５に関わる燃料電池システムの空気流量制御方法によれば、常に水素を希釈するのに必要な空気流量を確保するため、排出する水素量の許容範囲を超える上昇を抑えることができる。
【００１０】
本発明の請求項２に関わる燃料電池システムまたは請求項６に関わる燃料電池システムの空気流量制御方法によれば、希釈器内のガスを押し出すことにより、短期間に水素の希釈を完了できる。また、押し出す空気の量に応じて水素を希釈する空気の量を決定することにより、押し出される水素の量に対応して、確実に水素の希釈が可能となる。
【００１１】
本発明の請求項３に関わる燃料電池システムまたは請求項７に関わる燃料電池システムの空気流量制御方法によれば、残留水素量に基づいて水素を希釈するために必要な空気の量を算出することにより、水素の希釈が必要な時にのみ、確実に水素の希釈が可能となる。
【００１２】
本発明の請求項４に関わる燃料電池システムまたは請求項８に関わる燃料電池システムの空気流量制御方法によれば、燃料電池が高負荷の際に水素パージされた直後、燃料電池の負荷が減少して負荷に基づいた空気量が減少しても、確実に排出する水素量の許容範囲を超える上昇を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜燃料電池システム１の構成概要＞＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１を示す構成図である。
図１に示すように、本発明を適用した燃料電池システム１の燃料電池２は、車両(図示せず)に搭載されたものであり、アノード電極２ｂに水素タンクＨＴ内の燃料ガスの水素が水素供給配管Ｈ１を通して供給されるとともに、カソード電極２ｃにコンプレッサ(空気供給制御手段)Ｃから空気が空気供給配管Ｏ1を通して供給され、水素と空気中の酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電し、走行モータ等の負荷(図示せず)へ電流が取り出されている。
供給された水素および酸素は、燃料電池２の発電によって消費され、発電に用いられない場合には消費されることなく、そのまま燃料電池２から排出されている。なお、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された水素を、循環配管Ｊを通して後記の燃料電池２Ｓ直前の水素供給配管Ｈ１に、エゼクタ３を介して循環し使用している。  なお、循環配管Ｊに配設され燃料電池２から排出された高温の水素に含まれる水蒸気を凝縮し貯留するキャッチタンクと、該キャッチタンク内の水を排出するドレイン弁、および燃料電池２への空気の供給配管Ｏ1等に配設される加湿器は、簡単のために省略している。
【００１４】
この燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード電極２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）の両面を導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだセルが、多数、例えば、２００枚直列に積層された構造に形成されている。前記各セルの両セパレータにはそれぞれ水素の通路、空気の通路、および冷却水の通路が形成されており、供給される空気、水素、および冷却水循環装置(図示せず)から供給される水が、それぞれ混合しないように通流されている。
前記燃料ガスの供給源の水素タンクＨＴとエゼクタ３間の水素供給配管Ｈ１には、水素タンクＨＴからの水素の供給を開閉弁して制御する遮断弁７が配設されている。また、循環配管Ｊには、後記の水素パージ制御時に排出された高濃度の水素を希釈器５に排出するための水素排出配管Ｈ2が連結され、この水素排出配管Ｈ2には開閉弁制御される水素パージ弁６が配設されている。
【００１５】
＜＜燃料電池システム１の細部構成およびシステム１から排出される水素の希釈＞＞
ところで、燃料電池２の発電前に、燃料電池２内に窒素、残留水等の不純物が存在すると、発電のための化学反応が阻害され発電効率が低下する。また、燃料電池２の運転中に発電能力が低下する場合があるが、これは燃料電池２内の窒素、残留水等の不純物が起因していると考えられる。
そこで、燃料電池２の発電前および燃料電池２の発電性能が低下した場合に、燃料電池２のアノード電極２ｂ側に水素を供給して前記不純物を該水素とともに排出する水素パージ制御が行われている。この水素パージ制御時には、循環配管Ｊ、水素排出配管Ｈ2に接続する水素パージ弁６を開弁し、水素排出配管Ｈ2を通して、図２に示すように、不純物を水素とともに発電系外の希釈器５に排出している。
【００１６】
この際、高濃度の水素が不純物とともに希釈器５内に排出される。なお、この排出された水素を以後、排水素と称する。こうして、希釈器５内に排出された高濃度の排水素は、後記するように、希釈器５内および希釈器５から排出されて通流する空気排出配管Ｏ2において車外に排出するのに適した低濃度の水素に希釈された後、車外に排出されている。
一方、コンプレッサＣにより圧縮された空気は、Ｔ字型継ぎ手等の分岐配管Ｂ0によって、燃料電池２の発電に使用するために空気供給配管Ｏ1を通して燃料電池２のカソード電極２ｃ側に供給される発電用の空気と、バイパス配管(バイパス流路)Ｂ1を通して希釈器５に導入される水素希釈用の空気とに分岐されている。なお、バイパス配管Ｂ1を通して希釈器５に導入される水素希釈用の空気は、希釈器５に排出された高濃度の排水素を低濃度の水素に希釈して車外に押し出す役割を担っている。
【００１７】
図２は、希釈器５およびその近傍の配管内の様子を示す概念的断面図である。
図１、図２に示すように、バイパス配管Ｂ1を通して希釈器５に送られる水素希釈用の空気は、希釈器５内において水素排出配管Ｈ2を通して送られた高濃度の排水素を希釈するとともに、この希釈された排水素を後記の水素排出口Ｏ2aから押し出している。ここで、バイパス配管Ｂ1には、開閉制御される希釈弁８が配設されている。なお、このバイパス配管Ｂ1を通して希釈器５に送られる水素希釈用空気を、以下、導入空気と称する。
空気供給配管Ｏ1を通して、燃料電池２のカソード電極２ｃ側に供給された発電用の空気は、燃料電池２内の各セルで発電に使用され、各セル内を通流したものの発電に使用されなかった空気は、燃料電池２から排出された後、空気排出配管Ｏ2を通して、図２に示すように、サイレンサ(図示せず)を介して車外に排出されている。なお、空気排出配管Ｏ2には、背圧弁９が配設されている。また、燃料電池２のカソード電極２ｃ側から排出された空気を排空気と称する。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池２のカソード電極２ｃから排出された排空気は、空気排出配管Ｏ2を流れ、図２に示すように、空気排出配管Ｏ2に穿設され希釈器５内空間に開口する水素排出口Ｏ2aから、希釈器５内の希釈された排水素を吸い込み、さらに低濃度に希釈しつつ、サイレンサを介して、排水素とともに車外に排出されている。ここで、空気排出配管Ｏ2は、希釈器５内を挿通して設置されており、この挿通箇所の空気排出挿通配管Ｏ21に前記の通り水素排出口Ｏ2aが穿設されている。なお、空気排出配管Ｏ2は、希釈器５内を挿通することなく、水素排出口Ｏ2aの形成箇所近傍で希釈器５に近接して設置することも可能である。
【００１９】
図２に示すように、希釈器５内には、希釈用の流路５ｒが形成されており、水素パージ制御時に希釈器５に水素排出配管Ｈ2を通して送られた高濃度の排水素は、バイパス配管Ｂ1を通して希釈器５に送られる導入空気によって、流路５ｒ内を破線の矢印で示すように流れつつ低濃度に希釈されるとともに水素排出口Ｏ2aへ押し出されている。
なお、前記した燃料電池システム１の各機器は、制御装置(負荷要求空気量算出手段、希釈用空気量算出手段、空気供給制御手段)１０によって統括的に制御されている。
【００２０】
＜＜未希釈水素の発生＞＞
次に、従来、問題であった車外へ排出される水素が適正濃度以上の未希釈濃度の水素となるケースについて説明する。
ここで、通常空気流量とは、燃料電池２の発電量に基づき燃料電池２に空気が供給された場合、燃料電池２の発電量に比例した量の空気が燃料電池２に供給され、発電に用いられることなく燃料電池２から排出され希釈器５内の空気排出挿通配管Ｏ21(図２参照)を流れる排空気流量、すなわち排ガス流量をいう。また、必要空気流量とは、希釈器５内の排水素をその濃度に対応して適正な濃度の水素、すなわち適正な量の水素に希釈して外部に排出するための空気排出挿通配管Ｏ21(図２参照)を流れる排空気流量、すなわち排ガス流量をいう。
【００２１】
図３は、燃料電池２の負荷が高負荷の状態で水素が排出された後、短時間に低負荷になった場合を示しており、燃料電池２で発電される電流(図３中、ＦＣ電流と略記する)と、水素パージ弁６の開弁、閉弁と、空気排出挿通配管Ｏ21(図２参照)を流れる通常空気流量と、空気排出挿通配管Ｏ21(図２参照)を流れる必要空気流量との時間経過に対する変化を表したものである。なお、横軸に時間ｔをとり、縦軸にＦＣ電流、水素パージ弁６の開弁、閉弁制御、通常空気流量、必要空気流量をとっている。
図３に示すように、燃料電池２が高負荷で発電されている状態で、水素パージ弁６が開弁され(図３中の時刻ｔ１)、その直後、短時間のうちに低負荷になり、発電量が短時間のうちに低下した場合、コンプレッサＣから供給される空気量は、燃料電池２の発電量に比例した量の空気が供給されるので、図３中の時刻ｔ１後、ＦＣ電流の低下に伴ってコンプレッサＣが、制御装置１０によって低回転制御され、通常空気流量もＦＣ電流とともに低下する。
【００２２】
一方、希釈器５内の排水素をその濃度に対応して適正な濃度に希釈して車外に排出するための空気排出挿通配管Ｏ21を流れる必要空気流量は、水素パージ弁６の開弁(図３中の時刻ｔ１)によって希釈器５内に排水素が突如、排出されるため、図３中の時刻ｔ１後、急峻に増加する。
そして、時間経過に伴って、図３中の時刻ｔ２に至り、希釈器５内の排水素濃度に対応した必要空気量が、通常空気流量を超える。すなわち、希釈器５内の排水素濃度に対応した排空気流量より少ない排空気流量が、空気排出挿通配管Ｏ21を排ガスとして流れているため、許容範囲を超えた適正量以上の水素が車外に排出されることになる。
その後、時間経過に伴い、水素パージ弁６の開弁により希釈器５内に排出された排水素も、図２に示すように、希釈器５内から排出されるので、希釈器５内の排水素濃度も低下し、必要空気量も時間経過に伴い減少する。そして、ある時点(図３中の時刻ｔ３)で、排水素を適正濃度に希釈するための必要空気量が、通常空気流量を下回る。
【００２３】
上記プロセスにおいて、水素パージ制御時の水素パージ弁６の開弁後の時刻ｔ２から時刻ｔ３の間、希釈器５内の排水素の濃度に対応した必要空気量が、発電に基づいた、例えば、発電に必要な酸素量に比例する酸素量を供給された場合に空気排出挿通配管Ｏ21を流れる通常空気流量を上回るため、車外に適正濃度以上の水素、すなわち許容範囲を超えた量の水素が排出されてしまう。
このように、燃料電池２の負荷の高低による空気流量、水素排出量の違いにより、高負荷から低負荷に負荷を減少させた場合に高負荷でのパージ直後の負荷減少時、燃料電池システム１から高濃度の水素を希釈して排出を完了するまでの時間に対して、燃料電池２から排出され水素を希釈する排空気量が短時間で減少してしまうため、これらの時間のズレ、すなわちタイムラグにより希釈されることなく高濃度の水素が排出されることが想定される。
そこで、本実施形態においては、排出された水素を許容範囲内の濃度に希釈する排空気流量を確保し、システム１から排出されるガスの水素濃度を許容範囲内に抑え、適正濃度以上の水素が排出されることを防止している。
【００２４】
＜＜排水素の希釈空気流量制御＞＞
次に、排水素の希釈空気流量制御について、図４を用いて説明する。なお、図４は、希釈空気流量制御の制御フローである。
希釈空気流量制御は、制御装置１０において制御プログラムを実行し、制御装置１０から燃料電池システム１内の各機器に制御信号等を出力するとともに、各機器の信号を制御装置１０に入力することにより行われる。
本制御の特徴は、燃料電池２の負荷に基づいて決定される空気量、例えば、発電に用いられる空気量に比例する空気量を固定的に燃料電池２に供給した場合に燃料電池２から排出される通常空気量と、希釈器５内の水素を希釈して許容範囲内の適正な濃度にして外部に排出するために必要な空気量の必要空気量を比較し、多いほうの排空気量を水素の希釈に用いることで、排出ガスの水素濃度を適正値にコントロールし、排出ガスの水素濃度要件を遵守している。
【００２５】
以下、図４を参照しつつ、希釈空気流量制御について説明する。
図４のＳ１において、例えば、乗車中の運転者がアクセルを踏み込んでいた際に急に踏み込みを緩めた場合など、燃料電池２の負荷の要求低下があるか否かが、制御装置１０において判断される。なお、このＳ１のステップは、省略することも可能である。燃料電池２の負荷の要求低下がある場合は、図４のＳ２において、制御装置１０により、燃料電池２の負荷に応じた目標空気流量Ａ１を算出する。目標空気流量Ａ１とは、下記の空気量をいう。
すなわち、図１に示すように、燃料電池２の負荷に基づいてコンプレッサＣから空気、例えば、発電に必要な空気に比例する量の空気が空気供給配管Ｏ1を通して燃料電池２のカソード電極２ｃに供給され発電される。この燃料電池２へ供給される空気量を、目標空気流量Ａ１とする。この目標空気流量Ａ１の空気が燃料電池２に導入され発電に使用された後、一部発電に使用されなかった空気が、空気排出配管Ｏ2を通過して希釈器５内の空気排出挿通配管Ｏ21を流れ、水素排出口Ｏ2aから排水素を吸い込み希釈し、空気排出挿通配管Ｏ21から外部に排出される。この場合の希釈器５内の空気排出挿通配管Ｏ21を流れる空気量が前記の通常空気流量である。
【００２６】
この目標空気流量Ａ１は、図５に示すように、燃料電池２の電流増加に従って増加する関係にある。なお、図５は、燃料電池２の電流に対する目標空気流量Ａ１を表したグラフであり、横軸に燃料電池２の電流をとり、縦軸に目標空気流量Ａ１をとっている。
続いて、図４のＳ３において、制御装置１０により、必要空気流量からの目標空気流量Ａ２の算出(図６参照)が行われる。なお、図６は、必要空気流量からの目標空気流量Ａ２算出のフローである。以下、図６を用いて、図４のＳ３で行われる必要空気流量からの目標空気流量Ａ２算出について説明する。
【００２７】
図６のＳ31において、燃料電池２の運転中に水素パージ弁６の開弁によって排出された希釈器５内の排水素量の算出が行われる。
例えば、予め、所定温度における水素パージ弁６の上流側の圧力と下流側の圧力との差に基づいて、実験的に得た単位時間当たりの排水素量のマップを制御装置１０の記憶装置に記憶している。そして、水素パージ弁６上流側の圧力が、水素パージ弁６の上流側の燃料電池２のアノード電極２ｂ近傍の配管に配設された圧力センサにより測定されるとともに、水素パージ弁６の下流側の圧力が、水素パージ弁６の下流側の配管に配設された圧力センサよって測定され、また、燃料電池２出口の循環配管Ｊに配設した温度センサで温度が測定されている。
【００２８】
そして、制御装置１０において、水素パージ制御時に測定されたこれらの圧力値から、マップより得た単位時間当たりの排水素量に水素パージ弁６の開弁時間をかけて、水素パージ制御によって希釈器５内に排出された排水素量を算出する。或いは、水素パージ制御が行われてから希釈器５内に水素の排出が行われる排水素量を、実験によって、燃料電池２の発電状態等の種々の条件下で測定して時間により予めマップ等に設定して制御装置１０の記憶装置に記憶しておき、制御装置１０において、水素パージ弁６の開弁時間によって水素パージ制御による希釈器５内の排水素量を推定することも可能である。
【００２９】
前記の如く、排出された排水素量の算出は、圧力、温度等から求めた単位時間あたりの水素排出量を積算することによって算出する方法、或いは、簡易的に水素パージ制御をしたときの燃料電池２の負荷によって、予め設定しておく方法等がある。なお、水素パージ弁６から排出された排水素が希釈器５から排出されるまでの配管遅れは考慮して算出する。
また、水素パージ量に応じて希釈に必要な排空気流量積算値が予め設定してある場合には、排空気流量積算値の残量によって希釈器内の水素量を推定する方法もある。
続いて、図６のＳ32において、図６のＳ31で求めた希釈器５内の排水素量と、図２に示すように、希釈器５内へバイパス配管Ｂ1を通して、送られる導入空気量から、希釈器５の水素排出口Ｏ2aから排出される単位時間当りの排水素量を算出する。なお、導入空気量は、コンプレッサＣの回転速度、分岐配管Ｂ0で分岐される配管径等を用いて求められる。
【００３０】
続いて、図６のＳ33において、図６のＳ32で求めた希釈器５の水素排出口Ｏ2aから排出される単位時間当りの排水素量から、図２に示す空気排出挿通配管Ｏ21を流れる理論上の質量流量である必要空気流量を、予め設定した排出可能な適正な水素濃度または水素量になるように算出する。
図７は、希釈器５から排出される排水素量と質量流量である必要空気流量との関係を表した図であり、横軸に希釈器５から排出される排水素量をとり、縦軸に必要空気流量をとっている。
【００３１】
図７に示すように、排出可能な水素濃度にするためには、希釈器５から排出される排水素量が増加するに従って、必要空気流量が増加する関係にある。
続いて、図６のＳ34において、Ｓ33で求めた理論上の必要空気流量に、図２に示す空気排出挿通配管Ｏ21を流れる必要空気流量となる排空気の温度、図２に示す水素排出口Ｏ2aの圧力、大気圧等に基づく補正係数をかけて、実際の質量流量の必要空気流量を算出する。
なお、この補正係数は、予め、実験的に求めて設定されており、図２に示す空気排出挿通配管Ｏ21を流れる必要空気流量となる排空気すなわち、排ガスの温度が高くなるほど大きく、水素排出口Ｏ2aの圧力と大気圧の差圧が大きいほど大きく、また、大気圧が大きいほど小さくなるように設定される傾向にある。
なお、図２に示す空気排出挿通配管Ｏ21を流れる排空気の温度は、燃料電池２のカソード電極２ｃの出口近傍に設けた温度センサから求められ、また、図２に示す水素排出口Ｏ2aの圧力は、燃料電池２のアノード電極２ｂの出口近傍の循環配管Ｊ内に設置した圧力センサで測定した圧力と大気圧とを基に求められる。
【００３２】
そして、図２に示す空気排出挿通配管Ｏ21を流れる排ガスである必要空気流量が得られるような燃料電池２に導入される空気量を目標空気流量Ａ２とする。なお、必要空気流量からの目標空気流量Ａ２を求めるには、理論および実験からのデータ等により制御装置１０により行われる。
以上が、図６に示す必要空気流量からの目標空気流量Ａ２算出、すなわち、図４のＳ３における目標空気流量Ａ２の算出の流れである。
【００３３】
続いて、図４のＳ４に移行する。そして、図４のＳ４において、制御装置１０により、図４のＳ２で求めた通常空気流量の排ガスを得る目標空気流量Ａ１と、図４のＳ３において排水素濃度から求めた許容範囲の排出水素量となる排ガスの必要空気流量を得るために燃料電池２に導入する目標空気流量Ａ２とを比較する。
目標空気流量Ａ１が、排水素濃度に対応した必要空気流量からの目標空気流量Ａ２より大きい場合には(Ｓ４、Ｙｅｓ)、図４のＳ５において、目標空気流量Ａ１を燃料電池２に供給する空気量とする。一方、目標空気流量Ａ１より排水素濃度に対応した必要空気流量からの目標空気流量Ａ２が大きい場合には(Ｓ４、Ｎｏ)、図４のＳ６において、目標空気流量Ａ２を燃料電池２に供給する空気量とする。こうして、通常運転時の排ガスの目標空気流量Ａ１と希釈に必要な必要空気流量の排ガスからの目標空気流量Ａ２の多いほうを算出し、燃料電池２に供給する空気量とする。
以上が排水素の希釈空気流量制御であり、こうして設定した目標空気流量のＡ１またはＡ２が燃料電池２に供給されるように、コンプレッサＣの運転を制御装置１０により制御する。
【００３４】
＜＜水素パージ制御＞＞
次に、水素パージ制御について、図８を用いて説明する。なお、図８は、水素パージ制御の流れを示す図である。
この水素パージ制御は、制御装置１０に格納された制御プログラムを実行し、制御装置１０から燃料電池システム１の水素パージ弁６等の機器へ制御信号等が出力されるとともに、燃料電池システム１の機器から制御装置１０に信号が入力されることにより行われる。
図８のＳ１において、制御装置１０において、水素パージ弁６の開弁要求があるか否か判断される。水素パージ弁６の開弁要求がない場合(Ｓ１、Ｎｏ)、水素パージ制御は行わない。一方、水素パージ弁６の開弁要求がある場合(Ｓ１、Ｙｅｓ)、図８のＳ２において、制御装置１０の制御信号が送信され、水素パージ弁６が開弁される。続いて、図８のＳ３において、水素パージ弁６の開弁による水素排出量の算出が行われる。この算出は、図６のＳ１で説明したことと同様であり、下記のように行われる。
【００３５】
すなわち、所定温度における水素パージ弁６の上流側の圧力と下流側の圧力との差に基づいて、実験的に得た単位時間当たりの排水素量のマップを制御装置１０の記憶装置に記憶しておく。そして、水素パージ弁６上流側の圧力が、水素パージ弁６の上流側の燃料電池２のアノード電極２ｂ近傍の配管に配設された圧力センサにより測定されるとともに、水素パージ弁６の下流側の圧力が、水素パージ弁６の下流側の配管に配設された圧力センサよって測定され、また、燃料電池２出口の循環配管Ｊに配設した温度センサで温度が測定されている。
そして、制御装置１０において、水素パージ制御時に測定されたこれらの圧力値から、マップより得た単位時間当たりの排水素量に水素パージ弁６の開弁時間をかけて、水素パージ制御によって希釈器５内に排出された排水素量を算出する。或いは、水素パージ制御が行われてから希釈器５内に水素の排出が行われる排水素量を、実験によって、燃料電池２の発電状態等の種々の条件下で測定して時間により予めマップ等に設定し制御装置１０の記憶装置に記憶しておき、制御装置１０において、水素パージ弁６の開弁時間によって水素パージ制御による希釈器５内の排水素量を推定することも可能である。
【００３６】
続いて、図８のＳ４において、制御装置１０によって、水素パージ弁６の開弁による積算排出量が、予め、実験等で得た所定の水素の要求排出量であるか否か判断される。水素パージ弁６の開弁による積算排出量が、所定の要求排出量以上の場合(Ｓ４、Ｙｅｓ)、図８のＳ５において、水素パージ弁６が閉弁される。一方、水素パージ弁６の開弁による積算排出量が、所定の要求排出量未満の場合(Ｓ４、Ｎｏ)、図８のＳ３に移行する。以上が、水素パージ制御である。
前記構成によれば、高負荷で水素パージされた直後に燃料電池２の負荷が減少し、排出する空気流量が低下した場合においても排出する水素の希釈に必要な排空気流量、すなわち排ガス流量を確保することで、排水素量の上昇を抑えることができる。
また、排空気流量、すなわち排ガス流量を増加することによって水素濃度上昇を回避し、水素パージ効率の向上及び希釈器５の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例に関わる燃料電池システムを示す構成図。
【図２】実施例の希釈器およびその近傍の空気排出配管内の様子を示す概念的断面図。
【図３】実施例の燃料電池で発電される電流と水素パージ弁の開弁、閉弁動作と希釈器内の空気排出配管を流れる排空気流量と希釈器内の排水素の濃度から求めた希釈器内の空気排出配管を流れる必要空気流量との時間経過に対する変化を表した図。
【図４】実施例の希釈空気流量制御の制御フローを示す図。
【図５】実施例の燃料電池の電流に対する目標空気流量を表した図。
【図６】実施例の必要空気流量からの目標空気流量Ａ２算出フローを示す図。
【図７】実施例の希釈器から排出される水素量と必要空気流量との関係を表した図。
【図８】実施例の水素パージ制御フローを示す図。
【図９】(ａ)および(ｂ)は、従来の燃料電池の負荷と空気流量との関係を表した図、および従来の燃料電池の負荷と水素排出量との関係を表した図。
【図１０】従来の希釈器廻りの構成を示す概念的断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…燃料電池システム
２…燃料電池
５…希釈器
１０…制御装置(負荷要求空気量算出手段、希釈用空気量算出手段、空気供給制御手段)
Ｂ1…バイパス配管(バイパス流路)
Ｃ…コンプレッサ(空気供給制御手段)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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