(57)【要約】【課題】移動体の停止中又は低速走行中において、アノードオフガスに含まれる付臭剤が移動体外に排出されるのを低減できる燃料電池システムに関する技術を提供する【解決手段】移動体である車両１に搭載され、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード側から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス通路２２と、車両１の移動速度が所定の移動速度より低い場合、アノードオフガス通路２２におけるアノードオフガスの流通を遮断又はアノードオフガスの流量を低減する排気バルブ３０と、を備える。【選択図】図１
2008052995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に搭載される燃料電池システムであって、
水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池と、
一端が前記燃料電池に接続され、他端が外気と連通し、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス通路と、
前記移動体の移動速度が所定の移動速度より低い場合、前記アノードオフガス通路における前記アノードオフガスの流通を遮断又は前記アノードオフガスの流量を通常状態よりも低減するアノードオフガス流量調整手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池のアノード側に供給される水素ガスが流通する水素ガス供給通路と、
前記アノードオフガス流量調整手段が前記アノードオフガスの流通を遮断又は前記アノードオフガスの流量を低減する際に、前記水素ガス供給通路における前記水素ガスの圧力を上昇させる水素ガス圧力調整手段と、
を更に備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノードオフガス通路から分岐され、前記アノードオフガス通路を流通するアノードオフガスを循環ガスとして前記燃料電池に再度導くアノードオフガス循環通路と、
前記アノードオフガス流量調整手段が前記アノードオフガスの流通を遮断又は前記アノードオフガスの流量を低減する際に、前記循環ガスの循環流量を増加させる循環ガス流量調整手段と、
を更に備える請求項１又は請求項２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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する。燃料電池システムの燃料となる水素ガスは、無色無臭の気体である。そこで、無色無臭である水素ガスに付臭剤を添加して、水素ガスの漏洩を検知することが行われている。しかし、付臭剤は燃料電池内で消費されないので、燃料電池から排出される排気には付臭剤が含まれたままとなり、臭いを生じることがあった。
【０００３】
水素ガスに添加された付臭剤を除去する技術として、例えば特許文献１に開示の技術が知られている。特許文献１には、付臭剤を吸着する吸着媒と、吸着された付臭剤の分解を促進させる触媒とを含む付臭剤除去部に関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１３４２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムに付臭剤除去部を設けることで、排気に含まれる付臭剤を除去することができる。一方、車両等の移動体が所定の移動速度以上で走行している場合には、排気に含まれる付臭剤を例えば走行風のような移動体に対する移動体周囲の空気の流れによって希釈することができる。しかし、移動体が所定の移動速度以下で走行している場合、特に停止している場合では、走行風による希釈を行うことができない。したがって、移動体に対する移動体周囲の空気の流れによる希釈が望めない場合であっても、移動体の外部に排出される付臭剤を低減できる技術の開発が望まれていた。
【０００５】
本発明では、上記した問題に鑑み、移動体の停止中又は低速走行中において、移動体の外部に排出される付臭剤を低減できる燃料電池システムに関する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、上述した課題を解決するため以下の手段を採用した。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、移動体に搭載され、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池と、一端が前記燃料電池に接続され、他端が外気と連通し、前記燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス通路と、前記移動体の移動速度が所定の移動速度より低い場合、前記アノードオフガス通路における前記アノードオフガスの流通を遮断又は前記アノードオフガスの流量を通常状態よりも低減するアノードオフガス流量調整手段と、を備える。
【０００７】
燃料電池は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う。水素ガス（燃料ガス）に付臭剤を添加することで水素ガスの漏洩を検知することが可能となる。そして、この付臭剤が添加された水素ガスが燃料電池のアノード側に供給され、アノード側からはアノードオフガスが排出される。アノードオフガス通路は外気と連通しており、アノード側から排出されるアノードオフガスがアノードオフガス通路を流通して、最終的に燃料電池システムの外に排出される。燃料電池は、移動用の駆動源として移動体に搭載することができ、移動体には自動車、二輪車、鉄道用車両等の車両や、ロボットのように自ら移動可能なものも含まれる。
【０００８】
ここで、本発明に係る燃料電池システムは、移動体の移動速度に応じてアノードオフガスの流量を調整するアノードオフガス流量調整手段を備えることを特徴とする。アノードオフガス流量調整手段は、燃料電池システムが搭載される移動体の移動速度が所定の移動速度より低い場合、アノードオフガス通路におけるアノードオフガスの流量を通常状態よりも低減することができる。これにより、移動体の停止中又は低速走行中において、アノードオフガスの移動体の外部への排出量が低減され、アノードオフガスに含まれる付臭剤の移動体の外部への排出量も低減される。なお、通常状態より低減するとは、所定の移動速度以上で移動体が走行する際に排出されるアノードオフガスの流量よりも低減することを意味する。また、移動体の移動速度は、例えば移動体の移動速度を検知する速度検知手段により検知することができる。速度検知手段は、対地速度センサのように地面に対する移動体の移動速度を測定する装置であることが好ましい。
【０００９】
所定の移動速度とは、例えば走行風のような移動体に対する移動体周囲の空気の流れによる希釈が期待できない移動速度であり適宜設定することができる。また、所定の移動速度より低い場合とは、いわゆる低速走行中、若しくは移動体の停止中を意味する。例えば車両では、渋滞などの低速走行中は、走行風による付臭剤の希釈が期待できないが、アノードオフガスの流量を低減することで、アノードオフガスに含まれる付臭剤の排出量を低減でき、車両の外部の第三者が臭いを感じない程度とすることができる。また、停車中は、走行風による付臭剤の希釈をほとんど望めないが、アノードオフガスの流通を完全に遮断することで、付臭剤が車両の外部へ排出されることを防止することができる。
【００１０】
以上の構成を備える本発明に係る燃料電池システムによれば、移動体の停止中又は低速走行中において、アノードオフガスに含まれる付臭剤の移動体の外部への排出量を低減することが可能となる。すなわち、移動体の停止中や低速走行中といった移動体に対する移動体周囲の空気の流れによる希釈が十分に行えない場合であっても、付臭剤の移動体の外部への排出量を低減でき、その結果臭いの発生を低減することができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池のアノード側に供給される水素ガスが流通する水素ガス供給通路と、前記アノードオフガス流量調整手段が前記アノードオフガスの流通を遮断又は前記アノードオフガスの流量を低減する際に、前記水素ガス供給通路における前記水素ガスの圧力を上昇させる水素ガス圧力調整手段と、を更に備える構成とすることができる。
【００１２】
水素ガス圧力調整手段は、水素ガス供給通路における水素ガスの圧力を上昇させることができ、その結果燃料電池内の水素濃度が低下することを抑制することが可能となる。一般的に、燃料電池内のアノード側の水素濃度は時間の経過と共に徐々に低下するものである。これは、アノード側とカソード側との間に設けられた膜を窒素が透過してアノード側に侵入し、透過した窒素がアノード側で滞留するからである。そしてこのような現象は、アノードオフガス流量調整手段によりアノードオフガスの流通を遮断等する場合により顕著となることが想定される。アノードオフガスの流通を遮断等することでアノードオフガスの循環効率が低下し、透過する窒素が燃料電池内に徐々に蓄積されるからである。しかし、本発明に係る燃料電池システムによれば、アノード側の圧力を上昇させることで窒素の相対圧を抑制することができ、その結果燃料電池内の水素濃度の低下を抑制することが可能となる。
【００１３】
なお、水素ガス圧力調整手段により水素ガスの圧力を上昇させる場合において、この水素ガスの圧力は、カソード側に供給される酸化ガスの圧力よりも大きくすることが好ましい。水素ガスの圧力を酸化ガスの圧力よりも大きくすることで、燃料電池内のアノード側の圧力をカソード側の圧力より大きくすることができ、その結果窒素がカソード側からアノード側へ透過することをより効果的に抑制できるからである。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記アノードオフガス通路から分岐され、前記アノードオフガス通路を流通するアノードオフガスを循環ガスとして前記燃料電池に再度導くアノードオフガス循環通路と、前記アノードオフガス流量調整手段が前記アノードオフガスの流通を遮断又は前記アノードオフガスの流量を低減する際に、前記循環ガスの循環流量を増加させる循環ガス流量調整手段と、を更に備える構成とすることができる。
【００１５】
循環ガスの流量を循環ガス流量調整手段により増加することで、アノード側に滞留する窒素等を拡散することが可能となる。これにより、アノード側に窒素が滞留することで、水素ガス供給通路では十分な水素濃度があるにも関わらず、燃料電池内のアノード側では水素濃度が十分でないといった問題を解消することが可能となる。また、アノードオフガス循環通路を設けることで、効率的に発電することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、移動体の停止中又は低速走行中において、移動体の外部に排出される付臭剤を低減できる燃料電池システムに関する技術を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、第１の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１に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード側に供給される水素ガスが流通する水素ガス供給通路２１と、燃料電池１０のアノード側から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス通路２２と、燃料電池１０のカソード側に供給される酸化ガスを含む空気が流通する酸化ガス供給通路２４と、燃料電池１０のカソード側から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス通路２５と、アノードオフガスの流通を遮断又はアノードオフガスの流量を調整する排気バルブ３０と、車両１の各種装置の電子制御を行うＥＣＵ（electronic control unit）
５０と、車両１の速度を検知する速度センサ６０と、を備える。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、車両１に搭載され、燃料電池１０は車両１の駆動源として機能する。また、図中の矢印は、燃料電池システム内を流通するガスの流れを示す。
【００１９】
燃料電池１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池とすることができる。燃料電池１０は、水素ガス供給通路２１を介してアノード側に供給される水素ガスと酸化ガス供給通路２４を介して供給される酸化ガスとを電気化学反応させて発電する。
【００２０】
水素ガス供給通路２１は、一端が水素ガス供給装置（図示せず）に接続され、他端が燃料電池１０に接続され、水素ガス供給装置より供給される水素ガスを燃料電池１０に導く。また、水素ガス供給通路２１には、水素ガスの供給を遮断する遮断弁３１が設けられている。
【００２１】
アノードオフガス通路２２は、一端が燃料電池１０に接続され他端が車両１の外部へ解放され、燃料電池１０のアノード側から排出されるアノードオフガスを車両１の外へ導く。また、アノードオフガス通路２２には、上流から順に、排気バルブ３０と、希釈器３５と、が設けられている。また、排気バルブ３０には、排気バルブ３０の電子制御を行うＥＣＵ５０が接続されている。
【００２２】
ＥＣＵ５０は、排気バルブ３０と速度センサ６０とに電気的に接続され、速度センサ６０により検知した速度情報に基づいて、排気バルブ３０のバルブの開閉を制御するもので
あり、本発明のアノードオフガス流量調整手段に相当する。すなわち、ＥＣＵ５０は、燃料電池システムが搭載される車両１が停車中であると判断した場合、排気バルブ３０を完全に閉じることでアノードオフガスの流通を遮断する。また、ＥＣＵ５０は、車両１が低速走行中であると判断した場合、排気バルブ３０を所定割合閉じることでアノードオフガスの流量を低減する。
【００２３】
酸化ガス供給通路２４は、一端から取り込んだ空気を他端に接続された燃料電池１０に導く。また、酸化ガス供給通路２４は、コンプレッサ３６を有することで、取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１０に供給することができる。また、酸化ガス供給通路２４は、通路途中で分岐してバイパス通路２６が設けられ、バイパス通路２６の終端は希釈器３５に接続されている。
【００２４】
カソードオフガス通路２５は、一端が燃料電池１０に接続され、他端が希釈器３５に接続され、希釈器３５より下流側においてはアノードオフガス通路２２と合流している。また、カソードオフガス通路２５には、希釈器３５よりも上流側に背圧調整弁３７が設けられている。
【００２５】
次に、第１の実施形態に係る燃料電池システムによる、車両１外への付臭剤の排出量を低減する制御について説明する。なお、以下に説明する制御は、ＥＣＵ５０によって実行されるものである。図２は、車両１外に排出される付臭剤を低減する制御を示すフロー図である。
【００２６】
ステップＳ０１では、ＥＣＵ５０は、燃料電池１０の発電開始に伴い、速度センサ６０より速度情報を取得する。なお、速度情報とは、燃料電池システムが搭載される車両１の速度である。
【００２７】
ステップＳ０２では、ＥＣＵ５０は、車両１の速度が所定の速度を下回っているか否かを判断する。所定の速度は、移動体に対する移動体周囲の空気の流れ、例えば走行風による希釈が期待できない速度として適宜設定することができる。例えば、低速走行といわれる時速１５ｋｍを所定の速度と設定することできる。そして、ＥＣＵ５０は、車両１の速度が所定の速度を下回っていると判断した場合、ステップＳ０３に進む。一方、ＥＣＵ５０は、車両１の速度が所定の速度を下回っていると判断しなかった場合、再度ステップＳ０１の処理を実行する。
【００２８】
ステップＳ０３では、ＥＣＵ５０は、車両１が停車中であるか否か判断する。車両１が停車中であるか否かの判断は、例えばサイドブレーキのセンサから取得した情報や速度センサからの情報により判断することができる。そして、車両１が停車中であると判断した場合、ＥＣＵ５０は、排気バルブ３０を完全に遮断する（ステップＳ０４）。
【００２９】
一方、ＥＣＵ５０は、車両１が停車中であると判断しなかった場合、車両１の外部への付臭剤の排出量が通常状態よりも低減されるよう排気バルブ３０の閉じ方を調整する（ステップＳ０５）。このような調整は、例えば、走行風による希釈の程度を低速走行時の速度ごとに予め求め、排気バルブ３０の開閉割合をこの低速走行時の速度ごとに対応するように設定することで実現することができる。より具体的には、所定の速度以上、すなわち走行風によって付臭剤を十分に希釈できる場合の開閉割合を１００とし、低速走行時の速度１０ｋｍでは３０、速度１０ｋｍよりも更に走行風による希釈が望めない速度５ｋｍでは１０といったテーブルを予め設けることで、排気バルブ３０の開閉を容易に行うことができる。
【００３０】
以上説明した、第１の実施形態に係る燃料電池システムによれば、車両１の停車中や低
速走行中のように走行風による希釈が期待できない場合において、車両１外へ排出される付臭剤を低減することができる。
【実施例２】
【００３１】
次に第２の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図３は、第２の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。同図に示すように、第２の実施形態に係る燃料電池システムは、その構成が基本的には上述した第１の実施形態に係る燃料電池システムと同じである。そして、第２の実施形態に係る燃料電池システムは、アノードオフガス循環通路２３と、可変調圧弁３２と、循環装置３３と、を備える点で第１の実施形態に係る燃料電池システムとその構成が異なる。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システムと同一の構成要素については、同一の符号を付すことでその詳細な説明を省略する。
【００３２】
アノードオフガス循環通路２３は、アノードオフガス通路２２から分岐され、アノードオフガスの一部を循環ガスとして再度燃料電池１０に導く。なお、本実施形態においては、循環の形態としてアノードオフガス通路２２から分岐されたアノードオフガス循環通路２３を水素ガス供給通路２１に合流させる構成としたがこれに限定されるわけではない。アノードオフガス循環通路２３を水素ガス供給通路２１に合流させずに直接燃料電池１０に接続する構成としてもよい。
【００３３】
可変調圧弁３２は、水素ガス供給通路２１に設けられ、また、ＥＣＵ５０と電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、可変調圧弁３２を制御することで、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を調整する。したがって、ＥＣＵ５０は、アノードオフガス流量調整手段に加えて、本発明の水素ガス圧力調整手段にも相当する。なお、燃料電池１０内では、カソード側から窒素が透過し、この窒素がアノード側に滞留することでアノード側の水素濃度が時間の経過と共に徐々に低下する。そして、このような現象はアノードオフガスの流通が遮断される排気バルブ３０を完全に閉じるような場合においてより顕著となる。しかし、第２の実施形態に係る燃料電池システムでは、可変調圧弁３２により水素ガスの圧力を上昇させることで、窒素が膜を透過することを抑制できるので、アノード側の水素濃度の低下を抑制することができる。なお、上昇させる水素ガスの圧力は、カソード側に供給される酸化ガスの圧力よりも大きくすることが好ましい。
【００３４】
なお、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を従来よりも高めに設定することで、循環ガスにより発電する場合において、発電に必要とされる循環ガスの水素濃度が所定の値を下回るまでの時間を長くすることができる。図４は、圧力低下の比較を示すグラフである。より具体的には、循環ガスを用いて発電する場合において、可変調圧弁３２により水素ガスの圧力を上昇させた場合と、水素ガスの圧力を上昇させない場合の圧力低下を示すグラフである。縦軸は圧力、横軸は時間、実線Ｌ１は水素ガスの圧力を上昇した場合、点線Ｌ２は水素ガスの圧力を上昇しなかった場合を示す。同図に示すように、水素ガスの圧力は、燃料電池１０内の水素濃度と同じく時間の経過により低減する。しかし、点線Ｌ２が示すように、圧力上昇をしないで供給される水素ガスは、時間ｔ１で発電に必要とされる圧力を下回っているのに対し、実線Ｌ１が示すように、圧力上昇をした上で供給した水素ガスは、時間ｔ１ではまだ十分な圧力を保持している。すなわち、圧力上昇をした上で供給した水素ガスは、ｔ１において発電に必要な水素濃度を満たしていることがわかる。このように、本発明によれば、供給する水素ガスの圧力を上昇させることで、発電に必要な水素濃度を従来よりも長く維持することが可能となる。
【００３５】
図３に戻って燃料電池システムの構成について更に説明する。循環装置３３は、可変調圧弁３２よりも下流側に配置され、ＥＣＵ５０と電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、循環装置３３を制御することで、循環ガスとして再度燃料電池１０に供給される循環ガ
スの流量を調整する。したがって、ＥＣＵ５０は、本発明のアノードオフガス流量調整手段、水素ガス圧力調整手段に加えて、循環ガス流量調整手段にも相当する。循環ガスの流量、すなわち時間単位あたりに流れる循環ガス量を増加させることで、燃料電池１０内で滞留する窒素を拡散することができ、燃料電池１０内のアノード側の水素濃度の低下といった問題を解消することが可能となる。
【００３６】
次に、水素ガスの圧力制御及び循環ガスの流量制御を更に備える、第２の実施形態に係る燃料電池システムによる、車両１外への付臭剤の排出量を低減する制御について説明する。なお、以下に説明する制御は、ＥＣＵ５０によって実行されるものである。図５は、水素ガスの圧力制御及び循環ガスの流量制御をを更に備える、車両１外に排出される付臭剤を低減する制御を示すフロー図である。
【００３７】
ＥＣＵ５０は、第１の実施形態で説明したステップＳ０１からステップＳ０５の処理を実行する。次に、ＥＣＵ５０は、可変調圧弁３２により燃料電池１０に供給する水素ガスの圧力を上昇させる（ステップＳ０６）。更に、ＥＣＵ５０は、循環装置３３により循環ガスの流量を増加させる（ステップＳ０７）。
【００３８】
以上説明した第２の実施形態に係る燃料電池システムによれば、車両１の停車中や低速走行中のように走行風による希釈が期待できない場合において、付臭剤の車両１外への排出量を低減すると共に、燃料電池１０内の水素濃度の低下の抑制、及び燃料電池１０内に滞留する窒素を拡散することが可能となる。なお、第２の実施形態においては、水素ガスの圧力制御を行った後に循環ガスの流量制御を行うこととしたがこれに限定されるわけではない。循環ガスの流量制御を行った後に水素ガスの圧力制御を行ってもよく、またどちらか一方の制御のみを行うこととしてもよい。
【００３９】
また、本発明の好適な実施形態について第１の実施形態及び第２の実施形態を例として説明したが、本発明に係る燃料電池システムはこれらに限らず、可能な限りこれらの組合せを含むことができる。例えば、第２の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水素ガスの圧力制御及び循環ガスの流量制御は、燃料電池に水素濃度センサを設け、水素濃度センサで検知された水素濃度によって、水素ガスの圧力調整や循環ガスの流量調整を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の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】車両外に排出される付臭剤を低減する制御を示すフロー図である。
【図３】第２の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４】圧力低下の比較を示すグラフである。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池システムによる、車両外に排出される付臭剤を低減する制御を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・車両
１０・・・燃料電池
２１・・・水素ガス供給通路
２２・・・アノードオフガス通路
２３・・・アノードオフガス循環通路
２４・・・酸化ガス供給通路
２５・・・カソードオフガス通路
２６・・・バイパス通路
３０・・・排気バルブ
３１・・・遮断弁
３２・・・可変調圧弁
３３・・・循環装置
３５・・・希釈器
５０・・・ＥＣＵ
６０・・・速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008052995.tif 000006
【図５】
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