(57)【要約】【課題】排気水素濃度を良好に低減しつつ、円滑に運転を開始させることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化ガス及び燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出された燃料ガスのオフガス中における水素を吸収する水素吸蔵物質６１を有する希釈器１０とを備えた燃料電池システムにおいて、希釈器１０の下流側に開閉弁Ｆ１を設け、この開閉弁Ｆ１の弁開度を制御することにより、希釈器１０内の圧力を調整し、排出するオフガス中の水素濃度を調整する。【選択図】図２
2008016217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスのオフガス中の水素濃度を低減する排出濃度低減器と、
前記排出濃度低減器の内圧を調整する弁と、
前記弁の弁開度を制御する制御部と、を備えると共に、
前記排出濃度低減器が水素吸蔵物質を有してなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の始動時に、前記燃料ガスのオフガス量が増加されるとともに、前記弁の弁開度が制御されて前記排出濃度低減器の内圧が高められる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出濃度低減器内の圧力を検出する圧力センサを備え、
前記制御部は、前記圧力センサからの検出信号に基づいて前記弁の弁開度を制御する請求項１または請求項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、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、燃料電池から排出された水素オフガス中の水素濃度を低減して外部に放出する希釈器を備えたものがあり、希釈器としては、その内部に、水素と反応して水素化合物を生成する水素吸蔵合金を触媒として備えたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開平７−２６３００７号公報
【特許文献２】特開２０００−６７８９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池システムは、その運転停止後に、燃料電池を構成するスタックのアノード側に、窒素や水などの混入物が残留する。このため、始動時には、これらの混入物が放出されるまで出力を制限する必要がある。この出力制限を始動後早い段階で解除するためには、混入物を迅速に放出することが望ましいが、排気水素濃度の制限により、水素オフガスは徐々に排出せざるを得ないのが現状である。
【０００４】
また、空気オフガスの流量を増加させて水素オフガスと混合させることにより、排出水素濃度を下げることもできるが、空気を引き込むコンプレッサの性能上及びこのコンプレッサから発生する騒音上、空気オフガスの流量増加にも限度がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、排気水素濃度を良好に低減しつつ、円滑に運転を開始させることが可能な燃料電池システムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料ガスのオフガス中の水素濃度を低減する排出濃度低減器と、前記排出濃度低減器の内圧を調整する弁と、前記弁の弁開度を制御する制御部と、を備えると共に、前記排出濃度低減器が水素吸蔵物質を有してなる。
【０００７】
この構成によれば、燃料電池の運転状態に応じて弁の弁開度を制御して排出濃度低減器内の圧力を調整し、排出濃度低減器内の水素吸蔵物質による水素の吸収量を調整することができる。
【０００８】
前記燃料電池の始動時に、前記燃料ガスのオフガス量が増加されるとともに、前記弁の弁開度が制御されて前記排出濃度低減器の内圧が高められるようにしても良い。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池の始動時に、燃料ガスのオフガス量を増やして内部に残留する混入物を迅速に放出したとしても、排出濃度低減器の圧力が高められて水素吸蔵物質での水素の吸着量が増加することにより、排出濃度低減器から排出されるオフガスの水素濃度を抑えることができる。
【００１０】
前記排出濃度低減器内の圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御部は、前記圧力センサからの検出信号に基づいて前記弁の弁開度を制御しても良い。
【００１１】
この構成によれば、排出濃度低減器内の圧力に基づいて弁開度を制御することにより、水素吸蔵物質における水素の吸収効率を良好にすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、排気水素濃度を良好に低減しつつ、円滑に運転を開始させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一の実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１４】
図１に示される燃料電池システム１において、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の空気供給口に供給される。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、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、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部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。
【００１５】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、加湿器Ａ２１の熱交換器、及び希釈器（排気水素濃度低減器）１０が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１６】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。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】
水素供給路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遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００１８】
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（燃料ガスのオフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００１９】
遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。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、水素供給路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。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２０】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって希釈器１０の上流側における排気路７２に接続されている。排出制御弁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、水素オフガスは希釈器１０に導入された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２１】
希釈器１０は、図２に示すように、排気路７２が接続されたケース６０を有しており、このケース６０内には、水素吸蔵合金を含む水素吸蔵物質６１が設けられている。この水素吸蔵物質６１に含まれる水素吸蔵合金は、水素と反応して水素化物を生成するものであり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｐｄ，Ｖ，Ｔａや、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ等を母材とする合金がある。
【００２２】
この水素化物は、一定の熱力学的条件で、温度・圧力の変化によって、例えば次式にて表されるように、吸熱・廃熱を伴いながら形成と解離を行う。式中、Ｍは水素吸蔵合金、ＭＨは水素化物である。
【数１】
2008016217.tif 000003
【００２３】
そして、この希釈器１０では、排気路７２から送り込まれる水素オフガスと空気オフガスとの混合ガスが送り込まれて内部を通過する過程で、水素吸蔵物質６１に水素が反応し、その後、下流側つまり外部へと排気される。また、ケース６０には、その内部の空間Ｓの圧力を検出する圧力センサ６２が設けられており、この圧力センサ６２の検出信号は制御部５０に出力される。
【００２４】
排気路７２には、希釈器１０の下流側に、電磁弁からなる開閉弁（弁）Ｆ１が設けられており、この開閉弁Ｆ１は、希釈器１０の下流側における排気路７２を開閉する。この開閉弁Ｆ１も、制御部５０からの信号で弁体の開閉（弁開度）が制御される。
【００２５】
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、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、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。
【００２６】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単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、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、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に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段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。
【００２７】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１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。
【００２８】
上記の希釈器１０を備えた燃料電池システム１では、システム停止後、燃料電池２０を構成するスタックのアノード（水素）側に、窒素や水などの混入物が残留するため、始動時には、これらの混入物が放出されるまで、出力を制限する必要がある。始動後早い段階で出力制限を解除するためには、排出制御弁Ｈ５１を開いて水素オフガスの排出量を増やして混入物を迅速に放出することが望ましいが、排気水素濃度の制限により、水素オフガスは徐々に排出せざるを得ない。
【００２９】
また、空気オフガスの流量を増加させることにより、排出水素濃度を下げることもできるが、コンプレッサＡ３の性能上及びコンプレッサＡ３が発生する騒音上、空気オフガスの流量増加にも限度がある。
【００３０】
本実施形態における燃料電池システム１では、始動時に、水素オフガスの排出量を通常始動時よりも増やして、言い換えれば、水素ガスの供給量を通常始動時よりも増やして燃料電池２０のスタック内における混入物を迅速に放出する一方で、開閉弁Ｆ１によって希釈器１０の下流側における排気路２７の流路面積を小さくすることにより、外部へのオフガスの排出量を減少させる。
【００３１】
これにより、希釈器１０では、その圧力が高められて水素吸蔵物質６１での水素の吸着量が増加し、希釈器１０から排出される水素濃度が所定値以下に抑えられる。なお、開閉弁Ｆ１の弁開度は、希釈器１０内が所定圧となるように、制御部５０が圧力センサ６２からの検出信号に基づいて制御される。
【００３２】
燃料電池２０のスタック内における混入物が放出されると、水素オフガスの排出量が通常値に戻されるとともに、開閉弁Ｆ１による希釈器１０の下流側における排気路２７の流路面積の制限が解除され、オフガスの排出量が通常値に戻される。
【００３３】
以上、説明したように、本実施形態によれば、希釈器１０の下流側に開閉弁Ｆ１を設け、この開閉弁Ｆ１の弁開度を燃料電池２０の運転状態に応じて制御して希釈器１０内の圧力を調整することにより、希釈器１０内の水素吸蔵物質６１による水素の吸収量を良好に調整することができる。
【００３４】
特に、燃料電池２０の始動時に、水素オフガス量を通常値よりも増やして燃料電池２０のスタック内部に残留する混入物の迅速な放出を実施したとしても、希釈器１０の圧力を高めて水素吸蔵物質６１での水素の吸着量を増加させることにより、希釈器１０から排出されるオフガスの水素濃度を抑えることができる。
【００３５】
つまり、本実施形態の燃料電池システム１によれば、排気水素濃度を良好に低減かつ希釈しつつ、円滑に運転を開始させることができる。しかも、希釈器１０の内部の圧力を検出する圧力センサ６２を設け、この圧力センサ６２からの検出信号に基づいて開閉弁Ｆ１の弁開度を制御することにより、水素吸蔵物質６１における水素の吸収効率を良好にすることができる。
【００３６】
なお、コンプレッサＡ３として、高回転でも静かなものを用いることにより、騒音を抑えつつ空気オフガスの排出量を増加させてオフガス中における水素濃度をさらに低減させることができる。また、水素吸蔵物質６１以外に、水素を酸化反応させる触媒あるいは水素を燃焼させる燃焼器を設けることにより、排出するオフガスの水素濃度をさらに低減させることができる。
【００３７】
また、希釈器１０にて、圧力制御のみならず温度制御も行って水素吸蔵物質６１による水素の吸収量を制御し、排出するオフガスの水素濃度を調整しても良い。
【００３８】
なお、燃料電池２０のスタックを構成するセルに、カソード（空気）側からアノード（水素）側への窒素や水などの混入物が透過しづらい電解質膜を用いた場合には、始動時に混入物を放出させるための水素オフガスの排出量を抑えることが可能になるので、排出するオフガスの水素濃度をさらに良好に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】希釈器の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料電池システム、１０…希釈器（排気水素濃度低減器）、２０…燃料電池、６１…水素吸蔵物質、６２…圧力センサ、Ｆ１…開閉弁（弁）。
【図１】
2008016217.tif 000004
【図２】
2008016217.tif 000005