(57)【要約】【課題】燃料電池の燃料極出口から排出される排燃料ガスを燃料電池に再循環させる燃料ガス循環方式の燃料電池システムにおいて、動力を必要とすることなく、様々な状況下で排燃料ガスを再循環可能にする。【解決手段】空気と水素とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池１と、燃料電池１の空気極から排出される排出空気の圧力エネルギを利用して、燃料電池１の水素極から排出されるオフガスを燃料電池１に再循環させるターボコンプレッサ８とを備える。【選択図】図１
2008210539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の酸化剤極から排出される排酸化剤ガスの圧力エネルギを利用して、前記燃料電池（１）の燃料極から排出される排燃料ガスを前記燃料電池（１）に再循環させる燃料ガス循環手段（８）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス循環手段（８）は、前記排酸化剤ガスの圧力で作動するタービン（８２）と、前記タービン（８２）で駆動されるコンプレッサ（８１）とを有しており、前記排燃料ガスを前記コンプレッサ（８１）で前記燃料電池（１）へ供給して、循環させ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池の水素極出口から排出される未反応水素を含む排気ガス（以下、オフガスという）を水素供給経路に再循環させる水素循環経路を備えた水素循環方式の燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムにおいて水素を循環させるためには、一般的に電動水素ポンプが用いられており、補機損失が生じ、システム全体としての出力が低下するという問題があった。
【０００３】
ところで、燃料電池の電気化学反応に用いられる水素は、一般的に高圧の水素が充填された高圧水素タンクからの水素ガスによって供給される。このとき、供給圧力を持つ水素ガスをわざわざ減圧して燃料電池に供給しており、供給水素ガスの保有する圧力が利用・回収されることはなく、エネルギ的な無駄が生じているという問題があった。
【０００４】
上記各問題に対し、水素ガスの供給圧力で作動するタービンと、タービンで駆動されるコンプレッサとを備えるターボコンプレッサを設け、このコンプレッサによりオフガスを再循環させる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、供給水素ガスの保有圧力を利用して、オフガスを再循環させることができる。
【特許文献１】特開平８−２０３５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素の消費量が少ない場合（例えば、アイドリング時や初期始動時等）には、供給水素の保有する圧力エネルギが小さくなるため、タービンを回転させることができず、オフガスを再循環させることができないという問題がある。
【０００６】
また、水素循環経路を高圧化した場合、水素供給経路と水素循環経路の差圧が小さくなるため、タービンを回転させることができなくなり、オフガスを再循環させることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の燃料極出口から排出される排燃料ガスを燃料電池に再循環させる燃料ガス循環方式の燃料電池システムにおいて、動力を必要とすることなく、様々な状況下で排燃料ガスを再循環可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、燃料電池（１）の酸化剤極から排出される排酸化剤ガスの圧力エネルギを利用して、燃料電池（１）の燃料極から排出される排燃料ガスを燃料電池（１）に再循環させる燃料ガス循環手段（８）とを備えることを特徴としている。
【０００９】
これによれば、従来の電動水素ポンプを使用することなく、排燃料ガスの循環利用ができるため、システム全体の出力を向上させることができる。さらに、排燃料ガスを循環させるために排酸化剤ガスの圧力エネルギを利用するので、燃料ガスの供給状態に関わらず、どのような状況下でも排燃料ガスを循環利用することができる。したがって、動力を必要とすることなく、様々な状況下で排燃料ガスを再循環することが可能となる。
【００１０】
また、上記燃料電池システムにおいて、燃料ガス循環手段（８）は、排酸化剤ガスの圧力で作動するタービン（８２）と、タービン（８２）で駆動されるコンプレッサ（８１）とを有しており、排燃料ガスをコンプレッサ（８１）で燃料電池（１）へ供給して、循環させてもよい。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態を図１および図２に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１３】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。
【００１４】
本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が水素極（アノード）と酸素極（カソード）で挟まれた構成となっている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００１５】
（水素極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１は、車両走行用モータ、二次電池等の電力機器２に電力を供給するように構成されている。燃料電池システムには、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ３と、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ４とが設けられている。
【００１６】
燃料電池１の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気経路５における燃料電池１の上流側には、上流側から、空気流量を測定するエアフローメータ５１と、空気圧送用の圧縮機５２と、空気への加湿を行う加湿器５３とが設けられている。また、空気経路５における燃料電池１の下流側には、空気経路５を開閉して空気背圧を調整する背圧弁５４が設けられている。
【００１７】
燃料電池１の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素経路６には、水素ガスが充填された高圧水素タンク６１が設けられている。水素経路６は、図示を省略しているが、高圧水素タンク６１を開閉する開閉弁、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ等が設けられている。
【００１８】
水素経路６における燃料電池１の下流側は、燃料電池１から排出される未反応水素を含むオフガス（排燃料ガス）を燃料電池１に再循環させるための水素循環経路７となっている。
【００１９】
また、燃料電池システムには、オフガスを循環させるためのターボコンプレッサ８が設けられている。なお、ターボコンプレッサ８が、本発明の燃料ガス循環手段に相当している。
【００２０】
ターボコンプレッサ８は、水素循環経路７に配置されたコンプレッサ８１と、空気経路５における燃料電池１の下流側であって背圧弁５４より上流側に配置されたタービン８２とを有している。また、コンプレッサ８１とタービン８２はタービン軸８３を介して連結されている。そして、燃料電池１から排出された排出空気（排酸化剤ガス）の圧力エネルギを利用してタービン８２を駆動するとともに、タービン軸８３を介してコンプレッサ８１を駆動し、水素循環経路７に導入されるオフガスをコンプレッサ８１で加圧している。これにより、燃料電池１から排出されるオフガスを燃料電池１に再循環させることができる。また、本実施形態では、ターボコンプレッサ８は、後述する制御部１００の制御信号に基づいてコンプレッサ８１とタービン８２の回転数比を変化可能に構成されている。
【００２１】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部１００には、電力機器２からの電力要求信号、電流センサ３からの電流信号、電圧センサ４からの電圧信号、エアフローメータ５１からの空気流量信号等が入力される。また、制御部１００は、圧縮機５２、加湿器５３、背圧弁５４、ターボコンプレッサ８等に制御信号を出力するように構成されている。
【００２２】
次に、本実施形態の燃料電池システムの水素循環制御について説明する。図２は、制御部１００のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水素循環制御を示すフローチャートである。
【００２３】
本制御は、イグニッションスイッチがオンになったときに実行される。まず、圧縮機５２を作動させる（Ｓ１００）。
【００２４】
次に、燃料電池１の出力を検出する（Ｓ１１０）。本実施形態では、電流センサ３および電圧センサ４から直接出力を検出するようになっている。
【００２５】
次に、ＲＯＭから燃料電池１の出力と水素の目標循環量とが関連づけられたマップを読み出して、ステップ１１０で検出された燃料電池１の出力から水素の目標循環量を決定する（Ｓ１２０）。
【００２６】
次に、水素の循環量がステップ１２０において決定された目標循環量になるように、コンプレッサ８１の回転数を制御する（Ｓ１３０）。本実施形態では、背圧弁５４の開度を一定にして、ターボコンプレッサ８におけるコンプレッサ８１とタービン８２の回転数比を変化させることにより、コンプレッサ８１の回転数を制御している。
【００２７】
ステップ１３０の後、処理はステップ１１０に戻る。
【００２８】
以上説明したように、水素循環経路７に配置されたコンプレッサ８１と、空気経路５における燃料電池１の下流側に配置されたタービン８２とを有するターボコンプレッサ８を設けることで、排出空気の圧力エネルギを利用して、オフガスを再循環させることができる。これにより、従来の電動水素ポンプを使用することなく、オフガスの循環利用ができるため、システム全体の出力を向上させることができる。さらに、オフガスを循環させるために排出空気の圧力エネルギを利用するので、水素供給状態に関わらず、どのような状況下でもオフガスを循環利用することができる。したがって、動力を必要とすることなく、様々な状況下でオフガスを再循環することが可能となる。
【００２９】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、ターボコンプレッサ８を、制御部１００の制御信号に基づいてコンプレッサ８１とタービン８２の回転数比を変化可能に構成した例について説明したが、これに限らず、コンプレッサ８１とタービン８２の回転数比が固定されていてもよい。
【００３０】
この場合には、背圧弁５４の開度によってコンプレッサ８１の回転数を制御することで、水素循環量を制御すればよい。すなわち、背圧弁５４の開度を小さくして、燃料電池１の空気背圧を上昇させることで、タービン８２の回転数が減少し、コンプレッサ８１の回転数が減少するため、水素循環量を減少させることができる。一方、背圧弁５４の開度を大きくして、燃料電池１の空気背圧を低下させることで、タービン８２の回転数が増加し、コンプレッサ８１の回転数が増加するため、水素循環量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示している。
【図２】本発明の実施形態に係る制御部１００のＣＰＵがＲＯＭ等に格納された制御プログラムにしたがって行う水素循環制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池、８…ターボコンプレッサ（燃料ガス循環手段）、８１…コンプレッサ、８２…タービン。
【図１】
2008210539.tif 000003
【図２】
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