(57)【要約】【課題】排出弁における氷の噛み込みによるガス漏れを抑制できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】反応ガス供給流路２２を介して供給される反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２と、前記燃料電池２から排出された反応オフガスを含む流体を前記反応ガス供給流路２２に戻す循環流路２３と、前記循環流路２３を流通する流体を外部に排出するための排出弁３１と、前記排出弁３１を駆動制御する制御部７と、を備えた燃料電池システム１において、前記制御部７は、前記燃料電池２の温度が前記流体に含まれる液体の氷点を超え、かつ前記排出弁３１の温度が前記氷点以下の場合に、前記排出弁３１による流体排出動作を制限する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス供給流路を介して供給される反応ガス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反応オフガスを含む流体を前記反応ガス供給流路に戻す循環流路と、前記循環流路を流通する流体を外部に排出するための排出弁と、前記排出弁を駆動制御する制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の温度が前記流体に含まれる液体の氷点を超え、かつ前記排出弁の温度が前記氷点以下の場合に、前記排出弁による流体排出動作を制限する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記流体排出動作の制限は、当該流体排出動作を禁止することである燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液体は、前記燃料電池の電気化学反応に伴い生成される水である燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガス供給流路を介して供給される反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、この燃料電池から排出された反応オフガスを含む流体を前記反応ガス供給流路に戻す循環流路と、この循環流路を流通する流体を外部に排出するための排出弁と、を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池システムにおいては、燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路に、燃料電池の発電に伴って窒素や一酸化炭素等の不純物が経時的に蓄積する。そこで、このような不純物を外部に排出（パージ）するために、循環流路に接続した排出流路に排出弁を設け、この排出弁の開閉制御を行うことにより、循環流路内のガスを一定時間毎に排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７８９０１号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７１６６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、燃料電池の電気化学反応に伴い生成された水（以下、生成水）は、排出流路に設けられた排出弁を定期的に開くことによって、循環流路内のガスと共に燃料電池システムの外部に排出される。このとき、外気温度が低くても、燃料電池の温度が０℃以上であれば、燃料電池からは生成水が液滴で排出される。
【０００４】
しかしながら、この液滴状の生成水が排出弁に付着して、そのときの排出弁の温度が氷点（０℃）以下であると、生成水が排出弁内で凍結してしまう。かかる場合には、排出弁を開放状態から閉鎖状態へと移行させる際に、弁体と弁座との間に氷が挟まって当該閉鎖状態への移行が困難あるいは不可能となる結果、開放状態のまま閉鎖しない排出弁からガス漏れが発生する虞がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、排出弁で氷が噛み込むことによる外部へのガス漏れを抑制することができる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、反応ガス供給流路を介して供給される反応ガス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反応オフガスを含む流体を前記反応ガス供給流路に戻す循環流路と、前記循環流路を流通する流体を外部に排出するための排出弁と、前記排出弁を駆動制御する制御部と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の温度が前記流体に含まれる液体の氷点を超え、かつ前記排出弁の温度が前記氷点以下の場合に、前記排出弁による流体排出動作を制限するものである。
【０００７】
上記燃料電池システムにおいて、前記流体排出動作の制限は、例えば当該流体排出動作を禁止することである。また、前記液体は、例えば前記燃料電池の電気化学反応に伴い生成される水である。
【０００８】
このような構成によれば、燃料電池から反応オフガスと共に生成水等の液体が排出され、かつこの燃料電池から排出された液体が排出弁内で凍結する可能性がある場合には、排出弁による流体排出動作が禁止されることになる。これにより、排出弁内での凍結が抑制される結果、排出弁内で氷が噛み込むことによる外部へのガス漏れが抑制される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、排出弁内で氷が噛み込むことによる外部へのガス漏れを抑制することが可能となり、燃料電池システムの信頼性向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載することができるが、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。
【００１１】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
【００１２】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。
【００１３】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、後述する希釈器３４において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し（図１の「Ｂ」参照）、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
【００１４】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路（反応ガス供給流路）２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。
【００１５】
燃料供給源である水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。
【００１６】
水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。また、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。
【００１７】
レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
【００１８】
インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。具体的には、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。
【００１９】
また、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ２８を配置している。なお、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素供給源２１を採用する場合には、各水素供給源２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ２８を配置するようにする。
【００２０】
循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁（排出弁）３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７からの指令によって作動する例えば電磁式の開閉弁であり、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。
【００２１】
排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）及び下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３２及び下流側圧力センサ３３が設けられている。
【００２２】
排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、希釈器３４において排気流路１２内の酸化オフガス（空気）と合流して希釈されるようになっている。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。
【００２３】
制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することにより、後述するパージ制御など種々の処理や制御を行う。
【００２４】
具体的には、ガス系統３，４や冷媒系統５に用いられる圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号が入力され、各構成要素（コンプレッサ１４、インジェクタ２８、水素ポンプ２４、及び排気排水弁３１など）に制御信号を出力する。
【００２５】
以下、制御部７によるパージ制御（排気排水弁３１の開閉制御）について詳細に説明する。本実施形態の制御部７は、燃料電池２及び排気排水弁３１の温度に基づいて、排気排水弁３１によるパージ動作（排出弁による流体排出動作）を禁止する（所定の制限を加える）ものであるが、まずは、所定の制限を加えていない通常のパージ動作について説明する。
【００２６】
すなわち、制御部７は、燃料電池２の発電電流値に基づいて、目標パージ量（排気排水弁３１からの水素オフガスの目標排出量）を算出する。例えば、発電電流値と目標パージ量との関係を表す特定のマップを用いて、制御部７の演算周期毎に目標圧力値及び目標パージ量を算出することが可能である。
【００２７】
次いで、制御部７は、インジェクタ２８からのガス供給状態の変化に基づいて、排気排水弁３１からの水素オフガスの総排出量（パージ量）を算出し、算出したパージ量が所定の目標パージ量以上であるか否かを判定する。そして、制御部７は、算出したパージ量が目標パージ量未満である場合には排気排水弁３１を開放し、算出したパージ量が目標パージ量以上である場合には排気排水弁３１を閉鎖する。
【００２８】
次に、所定条件下で排気排水弁３１のパージ動作に所定の制限を加える方法について説明する。
【００２９】
燃料電池２に酸化ガスおよび水素ガスが供給されて発電を行っている状態では、この発電に伴い、燃料電池２内に水（生成水）が生成されていると共に燃料電池２自体の温度も上昇するので、たとえ外気温度が氷点下の場合でも、燃料電池２の温度が上昇して０℃以上になっていれば、燃料電池２からは生成水が排出される。したがって、排気排水弁３１を開放すれば、燃料電池２から排出された生成水は、開放状態の排気排水弁３１を通過して外部に排出されることになる。
【００３０】
しかしながら、このときの排気排水弁３１の温度が０℃以下であると、排気排水弁３１に付着した生成水が凍結してしまうので、排気排水弁３１を開放状態から閉鎖状態へと移行させる際に、弁体と弁座との間に氷が挟まって当該閉鎖状態への移行が困難あるいは不可能となる。その結果、開放状態のまま閉鎖しない排気排水弁３１から水素オフガス漏れを発生する虞がある。
【００３１】
そこで、本実施形態においては、図２の（ａ）および（ｂ）に示したように、燃料電池２の温度が上昇して０℃を超えた時点から、排気排水弁３１の温度が０℃を超える時点まで（つまり、図２の符号Ａで示した時間帯）は、排気排水弁３１によるパージ動作を制御部７が禁止する。
【００３２】
なお、燃料電池２の温度は、冷却配管系５を流通する冷媒の温度から推定してもよいし、温度センサ等で燃料電池２の温度を直接計測してもよい。また、排気排水弁３１の温度は、排気排水流路２５やその内部を流通する水素オフガスの温度から推定してもよいし、温度センサ等で排気排水弁３１の温度を直接計測してもよい。
【００３３】
そして、本実施形態では、図２（ｃ）に示すように、燃料電池２の温度が０℃を超えた場合（ｔ１時点）であっても、その後も、燃料電池２および排気排水弁３１の温度状態が排気排水弁３１の弁体と弁座との間に氷を噛み込む可能性がある場合、すなわち燃料電池２の温度が０℃より高く排気排水弁３１の温度が０℃以下の場合には、パージ動作を禁止することとしている。
【００３４】
なお、図２に示す例では、パージ動作を禁止する時間帯Ａの初期に、排気排水弁３１が開放状態となっている時間帯がわずかに存在するが、これはパージ動作を禁止する前に制御部７から開弁指令を受けて開放状態にあった排気排水弁３１が、その後に閉弁指令を受けて閉鎖するまでの状態を示している。
【００３５】
その後、上昇した燃料電池２の温度が、循環流路２３を画成する配管および該配管上に配設された気液分離器３０等を含む配管類を介して排気排水弁３１に伝熱し、当該排気排水弁３１の温度が０℃を超えると（ｔ２時点）、排気排水弁３１の弁体と弁座との間に氷を噛み込む虞がなくなるため、制御部７は、パージ動作の禁止を解除して通常のパージ制御に戻す。
【００３６】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池２から生成水が排出され、かつこの生成水が排気排水弁３１で凍結する可能性がある場合には、パージ動作を禁止することとしているので、排気排水弁３１の凍結を効果的に抑制することができる。したがって、低温時に排気排水弁３１の弁体と弁座との間に氷が噛み込むことによる外部への水素漏れを抑制し得て、燃料電池システム１の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を概略的に示したシステム構成図である。
【図２】（ａ）は燃料電池の温度、（ｂ）は排気排水弁の温度、（ｃ）は排気排水弁に対する開閉指令の状態を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、７…制御部、２２…水素供給流路（反応ガス供給流路）、２３…循環流路、３３…排気排水弁（排出弁）
【図１】
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【図２】
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