(57)【要約】【課題】アノード電極側からの排気処理を不要にするとともに、安定した発電動作を継続することができ、しかも、簡易な構成からなる安価な燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード電極２４側における循環供給路４０内の窒素ガスの濃度を窒素濃度検出部４２により検出し、その濃度に基づき、目標負荷電流設定部６０によって設定された目標負荷電流を得ることのできる必要ストイキとなるよう、循環供給路４０に配設されたポンプ３８の回転を制御してアノード電極２４に供給される水素ガスを調整する。【選択図】図１
2004327360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される窒素ガスを含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記アノード電極に循環供給する循環供給路と、
前記循環供給路に配設され、前記燃料ガスを循環させるポンプと、
前記循環供給路における前記燃料ガスの濃度、または、前記カソード電極から浸透した前記循環供給路における前記窒素ガスの濃度を検出する濃度検出部と、
前記濃度検出部によって検出された前記濃度に基づき、前記アノード電極に供給される前記燃料ガスが必要ストイキに設定されるよう、前記ポンプを駆動制御するポンプ制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、
前記燃料電池で発電する目標負荷電流を設定する目標負荷電流設定部を備え、
前記ポンプ制御部は、前記濃度に基づく前記目標負荷電流を得ることのできる前記必要ストイキに従って前記ポンプを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載のシステムにおいて、
前記循環供給路を循環するガスを外部に排出するためのバルブと、
前記バルブを開閉するバルブ制御部と、
を備え、前記バルブ制御部は、前記目標負荷電流が所定値以上の場合、前記バルブを開成して前記ガスの一部を排出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】
本発明は、アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される窒素ガスを含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体をセパレータで挟持して構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用される。
【０００３】
図４は、このような燃料電池スタック１を利用した燃料電池システム２の概略構成を示したものである（特許文献１参照）。燃料電池システム２において、酸化剤ガスであるエアは、燃料電池スタック１のカソード電極に供給される。また、燃料ガスである水素ガスは、圧力調整バルブ３に供給されるエアの圧力によって調整され、エゼクタ４を介して燃料電池スタック１のアノード電極に供給される。燃料電池スタック１では、供給された水素ガスとエアに含まれる酸素ガスとが反応し、電流が生成される。
【０００４】
この場合、アノード電極側の水素ガス供給路は、供給された水素ガスをバルブ５を介してエゼクタ４に帰還させる循環供給路を構成しており、燃料電池スタック１において反応に寄与しなかった水素ガスを循環させることで、水素ガスを有効に活用することができる。
【０００５】
一方、循環供給路には、外部に連通するバルブ６が配設されており、このバルブ６を開成することにより、循環供給路に溜まった不要ガスを外部に排出できるように構成されている。すなわち、燃料電池スタック１では、発電を継続していると、カソード電極に供給されたエアに含まれている窒素ガスの一部がアノード電極側に浸透し、水素ガスに混入するため、それによって発電効率の低下が生じる。そこで、バルブ６を必要に応じて開成することで、不要ガスを外部に排出するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アノード電極側から不要ガスを排出する際、未反応の水素ガスの一部も一緒に外部に排出されてしまうため、燃費が低下する問題が生じる。また、水素ガスが外部に排出されることになるため、この排出ガスを所定の濃度以下とする処理が必要である。従って、排出される水素ガスの量を最小限とするため、様々な動作テストを繰り返して最適な排出条件を決定しなければならない。また、排出される水素ガスの濃度を低下させるための手段、例えば、水素ガスを希釈する機構、あるいは、水素ガスを燃焼させる機構が必要となる。
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、アノード電極側からの排気処理を不要にするとともに、安定した発電動作を継続することができ、しかも、簡易な構成からなる安価な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される窒素ガスを含む酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記アノード電極に循環供給する循環供給路と、
前記循環供給路に配設され、前記燃料ガスを循環させるポンプと、
前記循環供給路における前記燃料ガスの濃度、または、前記カソード電極から浸透した前記循環供給路における前記窒素ガスの濃度を検出する濃度検出部と、
前記濃度検出部によって検出された前記濃度に基づき、前記アノード電極に供給される前記燃料ガスが必要ストイキに設定されるよう、前記ポンプを駆動制御するポンプ制御部と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１記載の本発明では、アノード電極側の循環供給路における燃料ガスの濃度、または、カソード電極から浸透した酸化剤ガスに含まれる窒素ガスの濃度を検出し、その濃度に応じてポンプを駆動制御して燃料ガスの供給量を調整することにより、燃料ガスを所望の目標負荷電流に応じた必要ストイキに維持して発電を継続することができる。この場合、循環供給路からガスを外部に排出することなく、必要ストイキを確保して安定した状態で発電が行われる。ここで、ストイキとは、反応に利用されるガスの供給量／消費量の値を指し、この値を必要な値としたものが必要ストイキである。
【００１１】
なお、燃料ガスの必要ストイキは、目標負荷電流設定部により設定される目標負荷電流と、濃度検出部により検出された燃料ガスまたは窒素ガスの濃度に基づいて決めることができる。
【００１２】
また、循環供給路にバルブを設け、目標負荷電流が所定値以上の場合には、このバルブを開成し、燃料ガスまたは窒素ガスの一部を外部に排出できるように構成してもよい。この場合、例えば、高い目標負荷電流が設定されたとき、ポンプを駆動して大量の燃料ガスをアノード電極に供給することなく、容易に必要ストイキを確保し、安定した発電状態を維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の燃料電池システム２０を示す。なお、図１において、二重線で示すラインは、ガスの流通路を表し、一重線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００１４】
燃料電池システム２０は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスであるエアとを反応させて発電を行う燃料電池スタック２２を備える。燃料電池スタック２２は、水素ガスが供給されるアノード電極２４と、エアが供給されるカソード電極２６と、電解質膜２８とを基本構成要素とする多数の燃料電池を積層して構成される。
【００１５】
水素ガスは、水素タンク３０からバルブ３２、レギュレータ３４および熱交換器３６を介してアノード電極２４の入口に供給される。アノード電極２４の入口および出口は、循環供給路４０によって連通されており、この循環供給路４０には、アノード電極２４の出口から排出された水素ガスをアノード電極２４の入口に循環供給させるポンプ３８と、カソード電極２６側から浸透したエアに含まれる窒素ガスの濃度を検出する窒素濃度検出部４２とが配設される。また、循環供給路４０には、バルブ制御部４３によって開閉制御されるバルブ４４を介して外部に連通する排出路４６が接続される。
【００１６】
バルブ３２は、燃料電池スタック２２による発電開始および発電終了の制御信号に従って開閉される。レギュレータ３４には、カソード電極２６に加えられるエアの圧力がエア導入路４７を介して背圧として供給され、この背圧によって水素ガスの圧力を調整する。熱交換器３６は、アノード電極２４に供給する水素ガスの温度を発電に最適な温度となるように調整する。ポンプ３８は、ポンプ制御部３９によって駆動制御され、アノード電極２４の出口から排出された未反応の水素ガスを循環供給路４０を介してアノード電極２４の入口に循環させる。
【００１７】
エアは、コンプレッサ４８、熱交換器５０および加湿器５２を介してカソード電極２６の入口に供給されるとともに、エア導入路４７を介してレギュレータ３４に背圧として供給される。カソード電極２６の出口は、加湿器５２を介して外部に連通する。
【００１８】
コンプレッサ４８は、コンプレッサ制御部４９により駆動制御され、エアを圧縮して熱交換器５０に供給する。熱交換器５０は、カソード電極２６に供給するエアの温度を発電に最適な温度となるように調整する。加湿器５２は、カソード電極２６から排出される排気ガスに含まれる水分によってエアの加湿を行う。
【００１９】
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２によって生成する目標負荷電流を設定する目標負荷電流設定部６０を有する。目標負荷電流設定部６０によって設定された目標負荷電流は、コンプレッサ制御部４９、ポンプ制御部３９およびバルブ制御部４３に供給される。コンプレッサ制御部４９は、目標負荷電流に従ってコンプレッサ４８を制御し、所定の圧力からなるエアをカソード電極２６に供給する。ポンプ制御部３９は、目標負荷電流と窒素濃度検出部４２によって検出された窒素濃度とに従ってポンプ３８を制御し、目標負荷電流に応じた所定の必要ストイキからなる水素ガスをアノード電極２４に供給する。バルブ制御部４３は、目標負荷電流に従ってバルブ４４を必要に応じて開閉制御し、排出路４６を介して循環供給路４０のガスを外部に排出する。
【００２０】
本実施形態の燃料電池システム２０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作について説明する。
【００２１】
目標負荷電流設定部６０は、燃料電池スタック２２で発電する目標負荷電流を設定し、ポンプ制御部３９、バルブ制御部４３およびコンプレッサ制御部４９に供給する。
【００２２】
コンプレッサ制御部４９は、目標負荷電流に応じた発電に必要なエアを燃料電池スタック２２に供給すべく、コンプレッサ４８を駆動する。コンプレッサ４８によって圧縮されたエアは、熱交換器５０によって所定の温度に調整され、加湿器５２を介してカソード電極２６の入口に供給される。
【００２３】
一方、水素タンク３０に圧縮状態で貯留されている水素ガスは、バルブ３２が開成されることでレギュレータ３４に供給される。レギュレータ３４には、カソード電極２６に加えられるエアがエア導入路４７を介して供給されている。従って、レギュレータ３４に供給された水素ガスは、目標負荷電流に応じて調整されたエアの圧力を背圧として圧力が調整され、熱交換器３６に供給される。熱交換器３６は、水素ガスを所定の温度に調整し、アノード電極２４の入口に供給する。
【００２４】
燃料電池スタック２２では、アノード電極２４に供給された水素ガスが触媒の作用下に水素イオンとなって電解質膜２８を介してカソード電極２６に移動する。この間、水素ガスから得られた電子が外部回路に取り出されることで電流が生成される。一方、カソード電極２６に供給されたエア中の酸素ガスは、電解質膜２８を介して供給される水素イオンおよび水素ガスから得られた電子と反応し、水が生成される。
【００２５】
カソード電極２６において生成された水および反応に寄与しなかったエアは、排気ガスとして加湿器５２を介して外部に排出される。このとき、加湿器５２は、カソード電極２６に供給されるエアを排気ガスに含まれる水によって加湿する。従って、燃料電池スタック２２を構成する電解質膜２８は、エア中に含まれる水によって適度に加湿される。また、エア中に含まれる水および反応によって生成された水は、アノード電極２４側に拡散し、水素ガスを加湿する。従って、電解質膜２８は、加湿された水素ガスによっても適度に加湿される。この結果、安定した発電状態が継続される。
【００２６】
さらに、バルブ制御部４３によりバルブ４４を閉成状態に設定しておくことにより、未反応の水素ガスは、ポンプ３８によって循環供給路４０を介してアノード電極２４に再供給される。従って、水素ガスが有効に消費され、発電が効率的に継続される。
【００２７】
ここで、燃料電池スタック２２には、加圧状態のエアが供給されており、エア中に含まれている発電に寄与しない窒素ガスの一部が外部に排出されることなく電解質膜２８を介して浸透し、アノード電極２４側の循環供給路４０内に徐々に蓄積される。燃料電池システム２０は、燃費を考慮したストイキの水素ガスがレギュレータ３４を介して供給されるように設計されているが、水素ガス中に混入する窒素ガスの濃度が増加すると、燃料電池スタック２２で水素ガスが消費されても、窒素ガスの分圧によって循環供給路４０内の圧力が低下しないため、必要ストイキの水素ガスを供給することができなくなってしまう。
【００２８】
そこで、本実施形態では、循環供給路４０内の窒素ガスの濃度を窒素濃度検出部４２によって検出し、目標負荷電流と窒素濃度とに応じて水素ガスの必要ストイキを確保するようにポンプ３８を駆動制御する。
【００２９】
図２は、ある目標負荷電流Ａｘを得るための循環供給路４０内の水素ガスの必要ストイキＳ（Ａｘ：Ｈ）と、循環供給路４０内の窒素濃度との関係を示す。この場合、窒素濃度が高くなると、点線で示すように、水素ガスの必要ストイキＳ（Ａｘ：Ｈ）も高くなる傾向がある。ポンプ制御部３９は、水素ガスの必要ストイキＳ（Ａｘ：Ｈ）に対応し、実線で示す水素ガスを含む窒素ガスの見かけの必要ストイキＳ（Ａｘ：Ｈ＋Ｎ）が得られるように、ポンプ３８の回転を制御する。
【００３０】
例えば、窒素濃度が増加して必要ストイキＳ（Ａｘ：Ｈ＋Ｎ）が高くなった場合には、ポンプ３８の回転数を増加させ、アノード電極２４の入口側の圧力を上昇させる一方、出口側の圧力を下降させ、この圧力差によってレギュレータ３４より必要な量の水素ガスをアノード電極２４に供給する。
【００３１】
なお、循環供給路４０内には、カソード電極２６側で生成された水が水蒸気として混在しており、また、エア中に含まれる窒素ガスの濃度が約８０％であるため、ポンプ３８によって制御される実制御範囲は、水蒸気の濃度以上であって、窒素ガスの上限濃度以下の範囲となる。
【００３２】
このように、検出した窒素ガスの濃度に従ってポンプ３８の回転を制御することにより、特に定置型発電のように、目標負荷電流が一定である場合には、循環供給路４０から排出路４６を介して水素ガスを含む窒素ガスを外部に排出することなく、所望の目標負荷電流を安定して得ることができる。この場合、水素ガスが外部に排出されないため、専用のガス希釈手段も不要となり、構成を簡易なものとしてコストダウンを図ることができる。なお、ポンプ３８および循環供給路４０は、循環供給路４０に含まれる窒素ガスの濃度が最大となる約８０％において、所望の流量を得ることができるように設計すると好適である。
【００３３】
一方、車載型燃料電池のように、目標負荷電流が変動するシステムに適用する場合には、例えば、始動暖機時やアイドリング時等の低負荷時において、水素ガスを含む窒素ガスを外部に排出しない、いわゆる、上述したパージレス制御を行い、高負荷時には、所定のタイミングでバルブ４４を開成し、排出路４６から水素ガスを含む窒素ガスを適宜外部に排出する、いわゆる、パージ制御を行うことが望ましい。
【００３４】
すなわち、目標負荷電流が高い場合には、大量のエアがカソード電極２６に供給されるため、それによって循環供給路４０内にも大量の窒素ガスが浸透する。また、アノード電極２４にも大量の水素ガスが供給される。このような状態で水素ガスの必要ストイキを確保するためには、ポンプ３８によるガスの循環能力を十分大きく設定しなければならないだけでなく、循環供給路４０を含むガス流路を大きく設定しなければならない。一方、ガス流路を大きく設定すると、低負荷時において、燃料電池スタック２２に供給される水素ガスの流速が低すぎて安定した発電が行えなくなるおそれがある。
【００３５】
図３は、目標負荷電流に応じてパージレス制御とパージ制御とを切り換えて行う場合の説明図である。この場合、循環供給路４０内の窒素ガスの濃度をＮａ（０〜５％）、Ｎｂ（５〜３０％）、Ｎｃ（３０〜５０％）、Ｎｄ（５０〜８０％）の各範囲に分割し、各範囲毎に、目標負荷電流設定部６０によって設定される目標負荷電流に対する水素ガスを含む窒素ガスの見かけの必要ストイキＳを設定する。なお、窒素ガスの濃度範囲を分割することなく、各濃度に応じて必要ストイキを設定するようにしてもよい。
【００３６】
目標負荷電流がＡ１〜Ａ２の範囲内の低負荷時において、バルブ制御部４３は、バルブ４４を閉成して排出路４６を閉塞し、コンプレッサ制御部４９は、目標負荷電流に従ってコンプレッサ４８を制御し、カソード電極２６にエアを供給するとともにアノード電極２４に水素ガスを供給する。この状態において、ポンプ制御部３９は、窒素濃度検出部４２によって検出された窒素ガスの濃度に基づき、必要ストイキの水素ガスがアノード電極２４に供給されるようにポンプ３８を制御する。この結果、水素ガスを外部に排出することなく、安定した発電を行うことができる。
【００３７】
一方、目標負荷電流がＡ２以上の高負荷時において、バルブ制御部４３は、所定のインターバルでバルブ４４を開成し、排出路４６を介して循環供給路４０内の窒素ガスを外部に排出する。この場合、窒素ガスが排出されることにより、循環供給路４０内の水素ガスの濃度が上昇するため、ポンプ３８を回転させて水素ガスを補給することなく、必要ストイキを確保した状態で所望の目標負荷電流を生成することができる。
【００３８】
なお、上述した実施形態では、窒素濃度検出部４２によって窒素ガスの濃度を検出してポンプ３８の回転を制御しているが、窒素濃度と水素濃度とは、図２に示すように、相補的な関係にあるため、水素濃度を検出してポンプ３８の回転を制御するようにしてもよい。
【００３９】
また、上述した実施形態では、窒素濃度検出部４２により循環供給路４０内の窒素濃度を検出し、その検出値に基づき必要ストイキの水素ガスが供給できるようにポンプ３８の回転を制御しているが、窒素濃度や水素濃度を検出することなく、必要ストイキを確保するようにポンプ３８を駆動制御することも可能である。
【００４０】
例えば、燃料電池システム２０の使用範囲において、目標負荷電流の値毎（例えば、０．１Ａ毎等）に循環供給路４０内の窒素濃度または水素濃度を設定して発電を行い、安定した発電状態での必要ストイキを得ることのできるポンプ３８の回転数と、そのときのレギュレータ３４の出口での水素ガスの圧力や流量、温度と、ポンプ３８の出口でのガスの圧力や流量、温度とを計測し、これらのデータを関連付けてポンプ制御部３９にデータテーブルとして記憶させておく。そして、実際の発電時においては、設定した目標負荷電流と、計測した各圧力や流量、温度とから前記データテーブルを用いて必要ストイキを得ることのできるポンプ３８の回転数を求め、ポンプ３８を駆動制御するようにすれば、特殊な窒素濃度検出部４２を配設することなく、一般的な圧力センサ、流量センサ、温度センサ等を用いて、安価な構成で必要ストイキを得ることのできる最適な制御を行うことが可能となる。
【００４１】
また、目標負荷電流が急激に変化するような過渡的な状況においても、上記の各条件毎にレギュレータ３４からの水素ガスの供給量や燃料電池スタック２２で消費される水素ガスの消費量の変化を予めデータとして計測し、安定した発電状態を得ることのできるデータテーブルを作成しておくことにより、さらに最適な制御を行うことが可能である。なお、水素ガスの供給量は、レギュレータ３４の出口での水素ガスの圧力、流量、温度から容易に推定することができる。また、水素ガスの燃料電池スタック２２での消費量は、得られた負荷電流の値から算出することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、循環供給路内の窒素ガスまたは水素ガスの濃度に基づき、アノード電極に対して燃料ガスを循環させることにより、燃料ガスの必要ストイキを確保し、燃料ガスを外部に排出することなく安定した発電動作を継続することができる。また、燃料ガスを外部に排出しない構成とすることにより、排出機構が不要となり、また、排出時において燃料ガスを希釈する希釈手段を省略することもできる。これにより、構成が簡易となり、極めて安価な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムにおける循環供給路での窒素濃度（水素濃度）と必要ストイキとの関係説明図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムにおける目標負荷電流と、窒素濃度に応じた必要ストイキとの関係説明図である。
【図４】従来技術に係る燃料電池システムの構成ブロック図である。
【符号の説明】
２０…燃料電池システム          ２２…燃料電池スタック
２４…アノード電極              ２６…カソード電極
２８…電解質膜                  ３０…水素タンク
３２、４４…バルブ              ３４…レギュレータ
３８…ポンプ                    ３９…ポンプ制御部
４０…循環供給路                ４２…窒素濃度検出部
４３…バルブ制御部              ４６…排出路
４８…コンプレッサ              ４９…コンプレッサ制御部
６０…目標負荷電流設定部
【図１】
2004327360.tif 000003
【図２】
2004327360.tif 000004
【図３】
2004327360.tif 000005
【図４】
2004327360.tif 000006