(57)【要約】【課題】パージ水素希釈装置から排出される流体の水素濃度を確実に所定の濃度以下にする。【解決手段】燃料電池１からの水素パージ時に燃料電池１から排出される水素を流入させる水素入口１３ａと、燃料電池１から排出される空気を流入させる空気入口１２ａと、水素入口１３ａから流入させた水素を空気入口１２ａから流入させた空気で希釈したガスを流出させる希釈ガス出口１２ｂと、を有する希釈ボックス１１を備えた燃料電池１のパージ水素希釈装置１０において、希釈ガス出口１２ｂから排出されるガスの水素濃度と燃料電池１の最低セル電圧に応じて、水素入口１３ａから流入する水素と空気入口１２ａから流入する空気の流量を制御する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からの水素パージ時に前記燃料電池から排出される水素を流入させる水素入口と、前記燃料電池から排出される空気を流入させる空気入口と、前記水素入口から流入させた水素を前記空気入口から流入させた空気で希釈したガスを流出させる希釈ガス出口と、を有する希釈ボックスを備えた燃料電池のパージ水素希釈装置において、
前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度と前記燃料電池の発電電圧に応じて、前記水素入口から流入する水素と前記空気入口から流入する空気の流量を制御することを特徴とする燃料電池のパージ水素希釈装置。
【請求項２】
前記発電電圧が所定電圧以下で、且つ、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度が第１の水素濃度以上で第２の水素濃度以下のときには、前記燃料電池からの水素パージを許可し、前記空気入口から流入する空気の流量を通常時よりも増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のパージ水素希釈装置。
【請求項３】
前記発電電圧が前記所定電圧以下で、且つ、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度が前記第２の水素濃度を越えるときには、前記燃料電池からの水素パージを禁止し、前記空気入口から流入する空気の流量を通常時よりも増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のパージ水素希釈装置。
【請求項４】
前記発電電圧が前記所定電圧を越え、且つ、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度が前記第２の水素濃度を越えるときには、前記燃料電池からの水素パージを禁止し、前記空気入口から流入する空気の流量を通常時と同じにすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池のパージ水素希釈装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池からパージされる水素を希釈して排出するパージ水素希釈装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、一般に、燃料の利用率を上げて燃費を向上させるために、消費されずに燃料電池から排出される未反応の水素をリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給している。
【０００３】
また、この燃料電池では固体高分子電解質膜の乾燥を防止して発電状態を良好に保つために、反応ガス（水素ガスと酸化剤ガスのいずれか一方あるいは両方）に水分を供給している。さらに、この燃料電池では発電に伴って水が生成される。このため、燃料電池のアノード側に水が溜まる場合があるが（フラッディング）、水が溜まると水素ガスの供給が阻害され、発電が不安定になる場合がある。
また、カソードに供給された空気中の窒素は微量ながら固体高分子電解質膜をアノード側に透過して水素ガスに混入するので、水素ガスのリサイクル利用により窒素の濃度が上昇すると発電が不安定になる場合がある。
【０００４】
このように燃料電池の発電が不安定になった場合の従来の回復方法としては、反応ガス流量を増加させる方法（例えば、特許文献１参照）や、反応ガスへの加湿を停止する方法（例えば、特許文献２参照）がある。
また、別の方法として、水素ガス循環流路からパージを行い、アノードに溜まった水や、水素ガスに混入した窒素を排出する排出して、燃料電池の発電を安定的に継続させる方法があるが、水素ガス循環流路からのパージは水素ガスも同時に排出されるので、そのまま大気に放出するのは好ましくない。
そこで、パージされた水素をカソードから排出される空気（以下、排出空気という）と混合することで水素濃度を低減してから大気に排出することが考えられている。この水素濃度を低減する装置がパージ水素希釈装置である。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６４−６３２７３号公報
【特許文献２】
特開平５−４７３９６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記パージ水素希釈装置は設置スペース等の関係から設計上の限界がある。特に、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムにおいては搭載スペースの制約が大きい。また、水素を希釈するために用いられる前記排出空気の流量は燃料電池の運転状態（出力）によって一意的に決定されるものである。したがって、パージ水素希釈装置には自ずと希釈限界がある。
そこで、この発明は、排出ガスの水素濃度を確実に所定の濃度以下に制御可能なパージ水素希釈装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池１）からの水素パージ時に前記燃料電池から排出される水素を流入させる水素入口（例えば、後述する実施の形態における水素入口１３ａ，１５ａ）と、前記燃料電池から排出される空気を流入させる空気入口（例えば、後述する実施の形態における空気入口１２ａ，１６ａ）と、前記水素入口から流入させた水素を前記空気入口から流入させた空気で希釈したガスを流出させる希釈ガス出口（例えば、後述する実施の形態における希釈ガス出口１２ｂ，１６ｂ）と、を有する希釈ボックス（例えば、後述する実施の形態における希釈ボックス１１）を備えた燃料電池のパージ水素希釈装置（例えば、後述する実施の形態におけるパージ水素希釈装置１０）において、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度と前記燃料電池の発電電圧（例えば、後述する実施の形態における最低セル電圧）に応じて、前記水素入口から流入する水素と前記空気入口から流入する空気の流量を制御することを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池の発電状態の良好化を図りつつ、希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を所定濃度以下に制御可能となる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記発電電圧が所定電圧（例えば、後述する実施の形態における所定電圧Ｖ１）以下で、且つ、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度が第１の水素濃度（例えば、後述する実施の形態における第１の水素濃度Ｈ１）以上で第２の水素濃度（例えば、後述する実施の形態における第２の水素濃度値Ｈ２）以下のときには、前記燃料電池からの水素パージを許可し、前記空気入口から流入する空気の流量を通常時よりも増加させることを特徴とする。
このように構成することにより、水素パージにより燃料電池内に溜まっている発電性能を低下させる成分（水分や窒素等）を排出することができ、また、空気流量の増加により希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を低下させることができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記発電電圧が前記所定電圧以下で、且つ、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度が前記第２の水素濃度を越えるときには、前記燃料電池からの水素パージを禁止し、前記空気入口から流入する空気の流量を通常時よりも増加させることを特徴とする。
このように構成することにより、希釈ボックスに新たに水素がパージされるを阻止することができ、且つ、希釈ボックスに流入する空気流量を増加させることができるので、希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を早急に低下させることができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項２または請求項３に記載の発明において、前記発電電圧が前記所定電圧を越え、且つ、前記希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度が前記第２の水素濃度を越えるときには、前記燃料電池からの水素パージを禁止し、前記空気入口から流入する空気の流量を通常時と同じにすることを特徴とする。
このように構成することにより、希釈ボックスに新たに水素がパージされるを阻止することができるので、希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を低下させることができる。なお、発電電圧が所定電圧を超えているので発電状態は良好であると考えられ、したがって、水素パージを禁止してもしばらくの間は良好な発電状態を維持可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池のパージ水素希釈装置の実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池のパージ水素希釈装置の態様である。
図１は、パージ水素希釈装置を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料として水素ガスを供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
【００１２】
空気はコンプレッサ２により所定圧力に加圧され、空気供給流路３１を通って燃料電池１のカソードに供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路３２に排出され、パージ水素希釈装置１０に導入される。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気として区別する。
【００１３】
一方、水素タンク４から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路３３を通って燃料電池１のアノードに供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共にアノードから水素ガス循環流路３４に排出され、さらにエゼクタ５を介して水素ガス供給流路３３に合流せしめられる。つまり、燃料電池１から排出された水素ガスは、水素タンク４から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノードに供給される。なお、エゼクタ５の代わりに水素ポンプを用いることも可能である。
水素ガス循環流路３４からは、パージ弁６を備えた水素ガス排出流路３５が分岐しており、水素ガス排出流路３５はパージ水素希釈装置１０に接続されている。
【００１４】
パージ水素希釈装置１０は、密閉された希釈ボックス１１と、この希釈ボックス１１を貫通する空気管１２と、一端が希釈ボックス１１の壁面を貫通し他端が希釈ボックス１１内で開口する水素管１３と、から構成されている。
希釈ボックス１１の壁面を貫通する水素管１３の前記一端は水素入口１３ａとされ、水素入口１３ａには水素ガス排出流路３５が接続されている。したがって、パージ弁６が開かれると、燃料電池１から排出された水素ガスが、水素ガス循環流路３４および水素ガス排出流路３５を通って水素管１３に流入し、さらに水素管１３の先端１３ｂから希釈ボックス１１内に排出され、希釈ボックス１１内を滞留する。
【００１５】
また、空気管１２の一端は希釈ボックス１１の空気入口１２ａとされ、空気入口１２ａには空気排出流路３２が接続されている。また、空気管１２の他端は希釈ボックス１１の希釈ガス出口１２ｂとされ、希釈ガス出口１２ｂには排気管３６が接続されている。したがって、燃料電池１から排出空気が排出されている時には、空気管１２には常に排出空気が流通し、排気管３６から排出される。また、希釈ボックス１１の内部に配された空気管１２には多数の孔１２ｃが設けられている。
このパージ水素希釈装置１０において、希釈ボックス１１の内部に滞留する水素ガスは、空気管１２内の空気の流れによって生じる負圧により孔１２ｃから空気管１２内に徐々に吸引され、その結果、水素ガスは空気によって希釈され、希釈されたガスが排気管３６から排出ガスとして排出される。
【００１６】
燃料電池１には、燃料電池１を構成する各セルのセル電圧を検出するセル電圧センサ４４が設けられ、排気管３６には、排気管３６を流通する排出ガスの水素濃度を検出する水素センサ４５が設けられており、これらセンサ４４，４５の出力信号がＥＣＵ４０に入力される。
【００１７】
このように構成された燃料電池システムの通常の運転状態においては、燃料電池１の運転中は一定時間毎にパージ弁６を所定時間だけ開くことにより、水素ガス循環流路３４を流れるガスを間欠的にパージし（以下、これを「通常時の水素パージ」と称す）、発電性能を低下させる要因となり得るアノード側の水分やガス中の窒素を排出し、常に良好な発電状態を維持できるように管理している。
このように通常時の水素パージを行っていても、何らかの理由により燃料電池１のアノード側に水分が溜まったり、水素の循環利用により窒素濃度が高まって発電状態が悪化することも予想される。
また、前述したようにパージ水素希釈装置１０には希釈限界があるため、燃料電池１の運転状態によっては排気管３６から排出される排出ガスの水素濃度が管理上の上限濃度を越える虞もある。
そこで、このパージ水素希釈装置１０では、燃料電池１の発電電圧に基づいて発電状態の良否を判定し、排出ガスの水素濃度と発電状態に応じて希釈ボックス１１に流入する水素ガスおよび空気の流量を制御し、これによって良好な発電状態の維持と排出ガス水素濃度の適正な管理を行うようにしている。以下、具体的な流量制御方法を説明する。
【００１８】
図２は、この実施の形態におけるパージ水素希釈装置のガス流量制御用マップである。
発電状態の良否判定の基となる発電電圧には、セル電圧センサ４４で検出された各セルの電圧値の中から最低電圧値（以下、最低セル電圧という）を採用する。
この最低セル電圧が所定電圧Ｖ１を越えている場合には、燃料電池１の発電状態は良好であり、燃料電池１のアノード側に水分が溜まっていたり、水素ガス循環流路３４を流れるガス中の窒素濃度が高まるなどしていないと判定する。一方、最低セル電圧が所定電圧Ｖ１以下の場合には、燃料電池１のアノード側に水分が溜まっていたり、水素ガス循環流路３４を流れるガス中の窒素濃度が高まるなどの原因により、燃料電池１の発電状態が悪化していると判定する。
【００１９】
また、排出ガスの水素濃度には、実際の管理上の上限濃度Ｈｈｉｇｈよりも低い濃度において、第１の水素濃度Ｈ１と、第２の水素濃度Ｈ２の二つの閾値を設定する（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈｈｉｇｈ）。
そして、排出ガスの水素濃度と最低セル電圧に応じて次の四つの領域を設定する。
（１）Ａ領域
図２におけるＡ領域は、排出ガスの水素濃度が第２の水素濃度Ｈ２以下であって最低セル電圧が所定電圧Ｖ１を越えている場合、および、最低セル電圧が所定電圧Ｖ１以下であって排出ガスの水素濃度が第１の水素濃度Ｈ１より低い場合である。
このＡ領域では、通常時の水素パージの実行を許可し、また、燃料電池１に供給する空気流量も燃料電池１の出力に応じて予め設定された所定流量（以下、通常空気流量と称す）で燃料電池１を運転する。
【００２０】
（２）Ｂ領域
図２におけるＢ領域は、最低セル電圧が所定電圧Ｖ１以下で、且つ、排出ガスの水素濃度が第１の水素濃度Ｈ１以上で第２の水素濃度値Ｈ２以下の場合である。
このＢ領域では、燃料電池１の発電状態が悪化してきており水素パージが必要であるので、水素パージを許可する。水素パージの実行により燃料電池１の発電状態を良好な状態に引き上げることができる。また、排出ガスの水素濃度が若干悪化してきているので、燃料電池１に供給する空気流量を通常空気流量よりも増加させて燃料電池１を運転する。これによりパージ水素希釈装置１０に流入する空気流量を増大させることができ、排出ガスの水素濃度を早急に低下させることができる。
【００２１】
（３）Ｃ領域
図２におけるＣ領域は、最低セル電圧が所定電圧Ｖ１以下で、且つ、排出ガスの水素濃度が第２の水素濃度Ｈ２を越えている場合である。
このＣ領域では、燃料電池１の発電状態が悪化してきており本来ならば水素パージが必要であるが、排出ガスの水素濃度も大分悪化してきているので、まずは、排出ガスの水素濃度を低下させるために、水素パージを禁止することでパージ水素希釈装置１０への新たな水素の流入を阻止し、さらに、燃料電池１に供給する空気流量を通常空気流量よりも増加させてパージ水素希釈装置１０に流入する空気流量を増加させ、排出ガスの水素濃度を早急に低下させて、水素パージの早急な再開を図る。このようにして排出ガスの水素濃度を低下させると、Ｃ領域からＢ領域に移行するので、水素パージが許可されるようになり、水素パージの再開により燃料電池１を良好な発電状態に回復することができる。
【００２２】
（４）Ｄ領域
図２におけるＤ領域は、最低セル電圧が所定電圧Ｖ１を越えており、且つ、排出ガスの水素濃度が第２の水素濃度Ｈ２を越えている場合である。
このＤ領域では、排出ガスの水素濃度が大分悪化してきているので、まずは、排出ガスの水素濃度を低下させるために、水素パージを禁止することでパージ水素希釈装置１０への新たな水素の流入を阻止する。ただし、燃料電池１の発電状態は良好であるので、水素のパージを禁止してもしばらくの間は良好な発電状態を維持可能である。つまり、水素パージ再開の要求はＣ領域のときに比べるとそれほど高くない。それゆえ、このＤ領域では、燃料電池１に供給する空気流量を増加させずに、通常空気流量で燃料電池１を運転する。これによりコンプレッサ２の消費電力を抑制することができる。このようにして排出ガスの水素濃度を低下させると、Ｄ領域からＡ領域に移行するので、水素パージが許可されるようになり、水素パージの実行により燃料電池１を良好な発電状態に回復することができる。
【００２３】
次に、この実施の形態におけるパージ水素希釈装置のガス流量制御について、図３のフローチャートに従って説明する。
図３に示すフローチャートは、ガス流量制御ルーチンを示すものであり、このガス流量制御ルーチンは、ＥＣＵ４０によって一定時間毎に実行される。
まず、ステップＳ１０１において、セル電圧センサ４４で検出された各セル電圧を読み込み、その中の最低セル電圧が所定電圧Ｖ１以下か否かを判定する。
Ｓ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（最低セル電圧≦Ｖ１）である場合は、ステップＳ１０２に進み、水素センサ４５で検出された排出ガスの水素濃度が第２の水素濃度値Ｈ２よりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（排出ガスの水素濃度≦Ｈ２）である場合は、ステップＳ１０３に進み、水素センサ４５で検出された排出ガスの水素濃度が第１の水素濃度値Ｈ１以上か否かを判定する。
ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」（排出ガスの水素濃度＜Ｈ１）である場合は、Ａ領域に該当するのでステップＳ１０４に進んで、水素パージを許可するとともに、燃料電池１を通常空気流量で運転して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２４】
一方、ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」（排出ガスの水素濃度≧Ｈ１）である場合は、Ｂ領域に該当するのでステップＳ１０５に進み、水素パージを許可するとともに、空気流量を通常空気流量よりも増加させて燃料電池１を運転し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
また、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（排出ガスの水素濃度＞Ｈ２）である場合は、Ｃ領域に該当するのでステップＳ１０６に進み、水素パージを禁止するとともに、空気流量を通常空気流量よりも増加させて燃料電池１を運転し、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２５】
また、ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（最低セル電圧＞Ｖ１）である場合は、ステップＳ１０７に進み、水素センサ４５で検出された排出ガスの水素濃度が第２の水素濃度値Ｈ２よりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（排出ガスの水素濃度≦Ｈ２）である場合は、Ａ領域に該当するのでステップＳ１０４に進んで、水素パージを許可するとともに、燃料電池１を通常空気流量で運転して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（排出ガスの水素濃度＞Ｈ２）である場合は、Ｄ領域に該当するのでステップＳ１０８に進んで、水素パージを禁止するとともに、燃料電池１を通常空気流量で運転して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２６】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では希釈ガス出口から排出される排出ガスの水素濃度を水素センサによって検出しているが、排出ガスの水素濃度を燃料電池の運転状態から予測し、予測された水素濃度と発電電圧に応じて希釈ボックスに流入する水素と空気の流量を制御するようにしてもよい。
【００２７】
また、パージ水素希釈装置の構造は前述した実施の形態に限るものではない。例えば、図４に示すように、希釈ボックス１１の内部が隔壁１４によって滞留室１５と希釈室１６の二室に区画され、滞留室１５と希釈室１６がパンチングメタルのような多孔体からなる通流部１７によって連通され、滞留室１５の水素入口１５ａに水素ガス排出流路３５が接続され、希釈室１６の空気入口１６ａに空気排出流路３２が接続され、希釈室１６の希釈ガス出口１６ｂに排気管３６が接続されて、パージ水素希釈装置１０が構成されていてもよい。
このパージ水素希釈装置１０においては、燃料電池１から排出された排出空気が希釈室１６に流入し、希釈室１６を流通して排気管３６に排出される。また、パージ弁６が開かれている間に、燃料電池１から排出された水素ガスが滞留室１５に流入し、滞留する。滞留室１５に滞留する水素ガスは通流部１７を介して希釈室１６へと徐々に吸い込まれていき、希釈室１６において排出空気と混合され希釈されて排気管３６から排出される。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池の発電状態の良好化を図りつつ、希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を所定濃度以下に制御することができるという優れた効果が奏される。
請求項２に係る発明によれば、水素パージにより燃料電池内に溜まっている発電性能を低下させる成分（水分や窒素等）を排出することができるので、発電状態を良好な状態に回復させることができる。また、空気流量の増加により希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を低下させることができ、水素濃度を所定濃度以下に保持することができる。
【００２９】
請求項３に係る発明によれば、希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を早急に低下させることができるので、水素パージを早急に再開することができるようになり、結果的に、燃料電池の発電状態を早急に良好な状態に回復させることができる。
請求項４に係る発明によれば、空気流量を増大させることなく希釈ガス出口から排出されるガスの水素濃度を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池のパージ水素希釈装置を備えた燃料電池システムの第１の実施の形態における概略構成図である。
【図２】前記実施の形態におけるパージ水素希釈装置のガス流量制御用マップの一例である。
【図３】前記実施の形態におけるガス流量制御を示すフローチャートである。
【図４】他の実施の形態におけるパージ水素希釈装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
１０　パージ水素希釈装置
１１　希釈ボックス
１２ａ，１６ａ　空気入口
１２ｂ，１６ｂ　希釈ガス出口
１３ａ，１５ａ　水素入口
Ｖ１　所定電圧
Ｈ１　第１の水素濃度
Ｈ２　第２の水素濃度
【図１】
2004127621.tif 000003
【図２】
2004127621.tif 000004
【図３】
2004127621.tif 000005
【図４】
2004127621.tif 000006