(57)【要約】【課題】燃料電池システムからの排出ガスの水素濃度および水素排出量を抑制する。【解決手段】水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池１を備えた燃料電池システムにおいて、所定条件で燃料電池１から水素を排出する排出弁６と、排出弁６から排出される水素の濃度を低減する水素濃度低減装置１０と、水素濃度低減装置１０で処理されたガスの瞬間水素濃度を検出する水素センサ４５と、水素濃度低減装置１０で処理されたガスの時間当たりの平均水素濃度を算出する平均水素濃度算出手段と、を備え、水素センサ４５で検出された瞬間水素濃度が第１の閾値を越えた場合、または、前記平均水素濃度算出手段により算出された平均水素濃度が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を越えた場合に、排出弁６による燃料電池１からの水素の排出を禁止する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
所定条件で燃料電池から水素を排出する水素排出手段と、
前記水素排出手段から排出される水素の濃度を低減する水素濃度低減処理手段と、
前記水素濃度低減処理手段で処理されたガスの瞬間水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
前記水素濃度低減処理手段で処理されたガスの時間当たりの平均水素濃度を算出する平均水素濃度算出手段と、
を備え、前記水素濃度検出手段で検出された瞬間水素濃度が第１の閾値を越えた場合、または、前記平均水素濃度算出手段により算出された平均水素濃度が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を越えた場合に、前記水素排出手段による燃料電池からの水素の排出を禁止することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池から排出される水素の濃度を低減する水素濃度低減処理手段を備えた燃料電池システム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）、水が溜まるとアノードへの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、水素ガス循環流路からガス排出を行い、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して、燃料電池の発電を安定的に継続させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、水素ガス循環流路からのガス排出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、排出されたガス（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水素濃度低減装置である。
【０００５】
この水素濃度低減装置を備えた燃料電池システムでは、水素濃度低減装置から排出されるガスの水素濃度の瞬間値を水素センサで検出し、水素濃度の瞬間値が所定の閾値以下となるように、水素ガス循環流路からのガス排出の制御を行っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素濃度低減装置から排出されるガスの水素濃度の瞬間値が前記閾値以下であっても、この閾値に近い状態が長い時間続くときには、水素排出量が多くなっているので、やはり、水素ガス循環流路からのガスの排出を行わない方が好ましい。
そこで、この発明は、燃料電池システムからの水素排出濃度の上昇を抑制することができ、且つ、水素の排出量の増大を抑制することができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００８】
【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、水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池（例えば、この実施の形態における燃料電池１）を備えた燃料電池システムにおいて、所定条件で燃料電池から水素を排出する水素排出手段（例えば、この実施の形態における排出弁６）と、前記水素排出手段から排出される水素の濃度を低減する水素濃度低減処理手段（例えば、この実施の形態における水素濃度低減装置１０）と、前記水素濃度低減処理手段で処理されたガスの瞬間水素濃度を検出する水素濃度検出手段（例えば、この実施の形態における水素センサ４５）と、前記水素濃度低減処理手段で処理されたガスの時間当たりの平均水素濃度を算出する平均水素濃度算出手段（例えば、この実施の形態におけるステップＳ２０２）と、を備え、前記水素濃度検出手段で検出された瞬間水素濃度が第１の閾値を越えた場合、または、前記平均水素濃度算出手段により算出された平均水素濃度が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を越えた場合に、前記水素排出手段による燃料電池からの水素の排出を禁止することを特徴とする。
このように構成することにより、水素濃度検出手段で検出された瞬間水素濃度が第１の閾値を越えたときだけでなく、平均水素濃度算出手段により算出された平均水素濃度が第１の閾値よりも低く設定された第２の閾値を越えたときにも、燃料電池からの水素の排出を禁止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの態様である。
図１は水素濃度低減処理手段を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
【００１０】
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。
【００１１】
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、水素濃度低減装置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。
【００１２】
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、排出弁（水素排出手段）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は水素濃度低減装置（水素濃度低減処理手段）１０に接続されている。
【００１３】
水素濃度低減装置１０は密閉されたボックス構造をなし、排出管３６を備えている。この水素濃度低減装置１０には、空気排出流路３２を通って燃料電池１から排出された排出空気が常に流入するとともに、排出弁６が開かれたときに、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を通って流入する。そして、水素濃度低減装置１０内で水素ガスは排出空気によって希釈され、水素濃度が低減されたガスが排出管３６から排出ガスとして排出される。
【００１４】
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瞬間的な水素濃度（以下、瞬間水素濃度という）を検出する水素センサ（水素濃度検出手段）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。
【００１５】
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排出弁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排出し、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。
このように定期的に水素ガス循環流路３４からのガス排出を行っていても、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。そこで、この燃料電池システムでは、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、発電状態が悪化していると判定したときにも、排出弁６を開いて水素ガス循環流路３４からガスを排出するようにしている。
しかしながら、例え定期的なガス排出の時期が来たからといっても、あるいは、燃料電池１の発電状態が悪いからといっても、水素濃度低減装置１０から排出されるガスの水素濃度が高い場合には、水素ガス循環流路３４からのガスの排出を許可するべきではない。
【００１６】
そこで、この燃料電池システムでは、水素センサ４５で検出される排出ガスの瞬間水素濃度Ｈが所定の閾値（第１の閾値）Ｈ１を越えたときには、水素ガス循環流路３４からのガスの排出を禁止することにした。
また、この燃料電池システムでは、水素センサ４５で検出された瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１を越えたときだけでなく、排気管３６から排出される排出ガスの時間当たりの平均水素濃度Ｈａｖｅを算出して、この平均水素濃度Ｈａｖｅが所定の閾値（第２の閾値）Ｈ２を越えたときには、水素ガス循環流路３４からのガスの排出を禁止することにした。
また、瞬間水素濃度Ｈの閾値Ｈ１は前記平均水素濃度の閾値Ｈ２よりも大きく設定した。これにより、図４に示すように、瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１を越えていないときであっても、平均水素濃度Ｈａｖｅが閾値Ｈ２を越えたときには、水素ガス循環流路３４からのガスの排出を禁止することができるようにした。
そして、瞬間水素濃度Ｈが所定の閾値Ｈ１以下であり、且つ、平均水素濃度Ｈａｖｅが所定の閾値Ｈ２以下のときに限って、水素ガス循環流路３４からのガスの排出を許可することにした。
【００１７】
これにより、排気管３６から排出されるガスの瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１よりも高いときは水素の排出を禁止することで燃料電池システムから排出されるガスの水素濃度が高まるのを抑制することができる。さらに、排気管３６から排出されるガスの瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１よりも低いが、例えば閾値Ｈ２よりも高い状態が続くときには、平均水素濃度Ｈａｖｅが閾値Ｈ２よりも高くなるので、そのときも水素の排出を禁止することで燃料電池システムから排出される水素の量が増大するのを抑制することができる。
【００１８】
次に、この燃料電池システムにおける燃料電池１からの水素排出制御について、図２および図３のフローチャートに従って説明する。
図２に示すフローチャートは水素排出制御ルーチンを示し、図３に示すフローチャートは水素排出許可判定処理ルーチンを示しており、これらルーチンは、ＥＣＵ４０によって一定時間毎に実行される。
【００１９】
初めに、水素排出制御について図２の水素排出制御ルーチンに従って説明する。
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、その中で一番低いセル電圧（以下、最低セル電圧という）が所定電圧Ｖ１より小さいか否かを判定する。
この最低セル電圧が所定電圧Ｖ１以上である場合には、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より小さい場合には、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。
【００２０】
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Ｓ１０２に進み、所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、発電状態が良好な場合に定期的に排出弁６を開いてガスの排出を行うときの周期となる。
したがって、ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（所定時間経過していない）である場合は、ステップＳ１０３に進んで、排出弁６を閉じた状態に保持することで水素ガス循環流路３４からのガス排出をせずに、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２１】
一方、ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（最低セル電圧＜Ｖ１）である場合、あるいは、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過した）である場合は、ステップＳ１０４に進み、水素排出許可判定の結果が「許可」か否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（不許可）である場合は、ステップＳ１０３に進んで、排出弁６を閉じた状態に保持することで水素ガス循環流路３４からのガス排出をせずに、本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（許可）である場合は、ステップＳ１０５に進んで、排出弁６を開いて水素ガス循環流路３４からガス排出を行い、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２２】
次に、水素排出許可判定処理について図３の水素排出許可判定処理ルーチンに従って説明する。
まず、ステップＳ２０１において、水素センサ４５で検出された瞬間水素濃度Ｈを読み込む。
次に、ステップＳ２０２に進み、平均水素濃度Ｈａｖｅを算出する。平均水素濃度の算出方法については後述する。なお、この実施の形態においては、ＥＣＵ４０がこのステップＳ２０２の処理を実行することにより平均水素濃度算出手段が実現される。
次にステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０１で読み込んだ瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１を越えているか否か判定する。
【００２３】
ステップＳ２０３における判定結果が「ＮＯ」（Ｈ≦Ｈ１）である場合は、ステップＳ２０４に進み、ステップＳ２０２で算出された平均水素濃度Ｈａｖｅが閾値Ｈ２を越えているか否かを判定する。
ステップＳ２０４における判定結果が「ＮＯ」（Ｈａｖｅ≦Ｈ２）である場合は、ステップＳ２０５に進んで、水素ガス循環流路３４からガスを排出するのを許可して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
一方、ステップＳ２０３における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｈ＞Ｈ１）である場合、あるいは、ステップＳ２０４における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｈａｖｅ＞Ｈ２）である場合には、ステップＳ２０６に進み、水素ガス循環流路３４からガスを排出するのを禁止（不許可）して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００２４】
すなわち、平均水素濃度Ｈａｖｅが閾値Ｈ２よりも高いということは、瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１よりも低いが少なくとも閾値Ｈ２よりも大きい状態が所定時間以上継続しているか、閾値Ｈ２よりも大きい状態が閾値Ｈ２よりも少ない状態よりも多く発生しているということである。この実施の形態では、平均水素濃度Ｈａｖｅを検出して閾値Ｈ２と比較しているので、瞬間水素濃度Ｈが閾値Ｈ１を越えていない場合でも、時間当たりの水素排出量が多くなっているということを検出し、水素の排出量を抑えることができる。
【００２５】
ステップＳ２０２における平均水素濃度Ｈａｖｅは以下の手順で算出する。
水素センサ４５で検出される瞬間水素濃度Ｈに排出空気流量Ｑ１を乗じて、瞬間水素排出量ＱＨを算出し（ＱＨ＝Ｈ×Ｑ１）、さらに、この瞬間水素排出量ＱＨを積算して排出水素積算値ＶＨを算出する。また、排出空気流量Ｑ１を積算して、排出空気流量積算値ＶＡを算出する。そして、排出水素積算値ＶＨを排出空気流量積算値ＶＡで除して平均水素濃度Ｈａｖｅを算出する。
【００２６】
なお、排出空気流量Ｑ１は、空気供給流路３１に流量センサを設置して検出してもよいし、あるいは、燃料電池１への空気供給量指令値に基づいて算出してもよい。
また、水素ガス供給流路３３または水素ガス循環流路３４に水素ガス圧力を検出する圧力センサを設置し、排出弁６が開いているときの瞬間水素排出量ＱＨを、前記圧力センサで検出した水素ガス圧力に基づいて算出し、排出弁６が閉じているときの瞬間水素排出量ＱＨは「０」として、瞬間水素排出量ＱＨを積算することで排出水素積算値ＶＨを算出することも可能である。
また、水素濃度低減装置１０から排出される排出ガスの水素濃度を水素センサ４５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１の運転状態から予測することも可能である。
また、排出弁６を複数備える燃料電池システムの場合には、総ての排出弁６から排出される瞬間水素排出量ＱＨを積算して排出水素積算値ＶＨを求める。
なお、水素濃度低減処理手段は、燃料電池から排出される水素ガスの濃度を低減することができる機能を有していればその構造に特に限定はなく、前述した水素濃度低減装置に代えて燃焼装置を採用することも可能である。
【００２７】
【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、水素濃度検出手段で検出された瞬間水素濃度が第１の閾値を越えたときだけでなく、平均水素濃度算出手段により算出された平均水素濃度が第１の閾値よりも低く設定された第２の閾値を越えたときにも、燃料電池からの水素の排出を禁止することができるので、燃料電池システムから排出されるガスの水素濃度が高まるのを抑制することができるとともに、ガスの瞬間水素濃度が第１の閾値を越えていない場合であっても、第１の閾値に近い状態が長い時間続くときにも燃料電池システムからの水素の排出を禁止することができ、時間当たりの水素の排出量も抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの一実施の形態における構成図である。
【図２】前記実施の形態における燃料電池からの水素排出制御を示すフローチャートである。
【図３】前記実施の形態における水素排出許可判定処理を示すフローチャートである。
【図４】水素濃度低減装置から排出されるガスの瞬間水素濃度と平均水素濃度の時間的変化の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
６  排出弁（水素排出手段）
１０  水素濃度低減装置（水素濃度低減処理手段）
４５  水素センサ（水素濃度検出手段）
Ｓ２０２  平均水素濃度算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004178845.tif 000006