(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時に、大気中に排気される水素を低減したり、排気ガス中の水素濃度を低減したりする燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムに、燃料電池システムの起動時、カソード１１の水素濃度が所定値以上か否かを判断する判断部を備える。判断は圧力センサ５１の値変化に基づいて行なう。水素濃度が所定値以上の場合には、配管３５より排気されるカソードオフガスの量をコンプレッサ４１や調圧バルブ２７の制御により抑制する抑制手段を備えたり、配管３５中の水素を希釈する希釈機構（バイパス６３など）を備えたりする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードに供給される酸素と、アノードに供給される水素の反応により、電気エネルギを生成する燃料電池システムであって、
前記カソードに酸素を供給する供給系と、
カソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
前記燃料電池システムの起動時、前記カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する判断部と、
前記水素濃度が所定値以上の場合には、前記排気管より排気されるカソードオフガスの量を抑制する抑制手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記抑制手段は、カソードに供給する酸素の量を抑制することによりカソードオフガスの量を抑制する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記供給系には、酸素を供給するポンプが備えられており、
前記抑制手段は、単位時間あたりの流量を低減させるようにポンプの運転を制御する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記制御は、ポンプを間欠的に運転させる制御である燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記排気管にはバルブが備えられており、
前記抑制手段は、前記バルブの開度を抑制する制御を行なうことにより、カソードオフガスの量を抑制する燃料電池システム。
【請求項６】
カソードに供給される酸素と、アノードに供給される水素の反応により、電気エネルギを生成する燃料電池システムであって、
前記カソードに酸素を供給する供給系と、
カソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
前記燃料電池システムの起動時、前記カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する判断部と、
前記水素濃度が所定値以上の場合には、前記排気管中の水素を希釈する希釈機構と
を備えた燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記希釈機構は、カソードオフガス中に希釈用の流体を導入する機構である燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記希釈機構は、前記希釈時に前記供給系と前記排気管を連通するバイパス流路である燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１または６記載の燃料電池システムであって、
前記アノードには圧力センサが備えられており、
前記判断部は、アノードの圧力に基づいて判断する燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記判断部は、燃料電池システムのアノードにおける前回停止時の圧力と起動時の圧力との差異または比に基づいて判断する燃料電池システム。
【請求項１１】
カソードに供給される酸素と、アノードに供給される水素の反応により、電気エネルギを生成する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記カソードに酸素を供給する供給系と、
カソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
を備え、
前記燃料電池システムの起動時、前記カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する工程と、
前記水素濃度が所定値以上の場合には、前記排気管より排気されるカソードオフガスの量を抑制する工程と
を備えた燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
カソードに供給される酸素と、アノードに供給される水素の反応により、電気エネルギを生成する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記カソードに酸素を供給する供給系と、
カソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
を備え、
前記燃料電池システムの起動時、前記カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する工程と、
前記水素濃度が所定値以上の場合には、前記排気管中の水素を希釈する工程と
を備えた燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの起動制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池システムでは水素と酸素を用いて発電を行なうが、燃料電池システムを停止すると、水素がアノード側に残留した。アノード側に残存した水素は、運転停止中に、電解質膜を介してカソード側に透過する。カソード側には、カソードオフガス（空気，水など）を大気中に排気する排気管がつながっているため、燃料電池システムの起動時に、カソード側に透過した水素が排気管から排気され、高濃度の水素が大気中に放出されることは、環境上好ましくない。
【０００３】
この放出を防止するため、例えば特開２００１−３４５１１４号公報で、出力電圧が０Ｖになるまで放電し、残存水素を消費するといった防止システムが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４５１１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の防止システムは、燃料電池システムが異常停止した場合には動かないため、結局水素が残存してしまい、多量の残存水素が大気中に排気される可能性があった。
【０００６】
本発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池システムが異常停止した際にも、起動時に大気中に排気される水素を低減したり、排気ガス中の水素濃度を低減したりする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決する本発明の燃料電池システムは、
カソードに供給される酸素と、アノードに供給される水素の反応により、電気エネルギを生成する燃料電池システムであって、
前記カソードに酸素を供給する供給系と、
カソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
前記燃料電池システムの起動時、前記カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する判断部と、
前記水素濃度が所定値以上の場合には、前記排気管より排気されるカソードオフガスの量を抑制する抑制手段と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、水素が所定の濃度以上に含まれたカソードオフガスを排気することを抑制するため、大気中に多量の水素を排気することを抑制することが可能となる。水素は排出直後に拡散するので、カソードオフガスを少しずつ排出することで、水素濃度の低いカソードオフガスを排出していることになる。
【０００９】
前記抑制手段は、カソードに供給する酸素の量を抑制することによりカソードオフガスの量を抑制するものとしてもよい。
【００１０】
カソードに供給する酸素の量を減らせば、結果的にカソードオフガスも減らすことができるので、大気中に水素を排気することを抑制することが可能となる。
【００１１】
前記供給系には、酸素を供給するポンプが備えられており、
前記抑制手段は、単位時間あたりの流量を低減させるようにポンプの運転を制御するものとしてもよい。
【００１２】
ポンプの運転を制御するだけで、カソードに供給する酸素量を抑制することが可能となるため、簡便に大気中に水素を排気することを抑制することが可能となる。
【００１３】
ポンプが供給する酸素の流量が少なくなるように、流量を小さく設定して運転しても良いし、流量を増やしたり減らしたりしながら、単位時間当たりの流量が減るように運転しても良い。
【００１４】
前記制御は、ポンプを間欠的に運転させる制御としてもよい。
【００１５】
間欠的に運転させることでも、単位時間あたりの流量を低減させることができる。ポンプは、定格流量よりも低い低流量で運転すると非効率的であるが、間欠運転では効率的な運転が可能となる。
【００１６】
前記排気管にはバルブが備えられており、
前記抑制手段は、前記バルブの開度を抑制する制御を行なうことにより、カソードオフガスの量を抑制するものとしてもよい。
【００１７】
バルブを閉めれば、閉めた分だけ排気管の流量が減るので、カソードオフガスの量を抑制することが可能となり、結果的に大気中に水素を排気することを抑制することが可能となる。また、構成としても簡便である。
【００１８】
バルブの開度は、結果的に排気管の流量が減っていれば良く、任意に制御可能である。バルブを少し閉めて流量を一定に減らしても良いし、バルブを開けたり閉めたりしながら、単位時間当たりの流量が減るようにしても良い。
【００１９】
一方、上記課題の少なくとも一部を解決する本発明の燃料電池システムは、
カソードに供給される酸素と、アノードに供給される水素の反応により、電気エネルギを生成する燃料電池システムであって、
前記カソードに酸素を供給する供給系と、
カソードオフガスを大気中に排気する排気管と、
前記燃料電池システムの起動時、前記カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する判断部と、
前記水素濃度が所定値以上の場合には、前記排気管中の水素を希釈する希釈機構と
を備える構成としてもよい。
【００２０】
本発明によれば、排気する水素を希釈して排気ガス中の水素濃度を小さくするため、環境上問題のない水素濃度で排気することが可能となる。
【００２１】
前記希釈機構は、カソードオフガス中に希釈用の流体を導入するものとしてもよい。
【００２２】
希釈用の流体を導入すれば、水素濃度を小さくすることができる。排気管に導入経路を設ければ、希釈用の流体を導入することが可能となる。
【００２３】
希釈用の流体としては、環境上無害な流体であることが望ましい。例えば、空気自体や窒素，酸素などである。希釈用に外気を取り込んでも良い。
【００２４】
前記希釈機構は、前記希釈時に前記供給系と前記排気管を連通するバイパス流路であるものとしてもよい。
【００２５】
供給系には少なくとも酸素が流れているので、バイパス流路を設けることで酸素を排気管中に導入することができる。新たに導入経路を引く必要もなく、簡便に目的を達成できる。
【００２６】
更に、前記アノードには圧力センサが備えられており、
前記判断部は、アノードの圧力に基づいて判断する構成としても良い。
【００２７】
このように構成すると、アノードの圧力に基づいて、アノード側からカソード側に透過した水素の量を推定することで、カソードの水素濃度が所定値以上か否か判断できる。圧力センサをアノードに備えるだけでよく、装置構成としても簡単である。
【００２８】
もちろん、直接カソードにおいて水素濃度を測定しても良いし、圧力など水素濃度を推定可能とするような様々な要素を測定しても良い。測定場所も、アノードやカソードに限らず、カソードの水素濃度を推定可能であれば、どこで測定しても構わない。
【００２９】
前記判断部は、燃料電池システムのアノードにおける前回停止時の圧力と起動時の圧力との差異または比に基づいて判断するものとしてもよい。
【００３０】
燃料電池システムの停止中は、アノードへの水素の供給は止められるため、アノードの停止時の水素量と起動時の水素量の差が、カソードへ透過した水素量であるといえる。よって、アノードの圧力差を求めることで簡単にカソードへ透過した水素量を推定できる。
【００３１】
圧力差に限らず、水素濃度差や水素の分圧差を求める構成としても差し支えない。
【００３２】
本発明において、上述した種々の特徴は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成に限らず、燃料電池システムの運転を制御する制御装置、制御方法など種々の態様で構成することができる。いずれの態様においても、上述した各特徴を適宜、適用可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について以下の順序で説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．透過水素量の推測：
Ｃ．排気低減処理：
Ｄ．排気希釈処理：
Ｅ．変形例：
【００３４】
Ａ．装置構成：
図１は実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者がアクセルを操作すると、アクセル開度センサによって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。
【００３５】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００３６】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと称する）は、配管３６およびマフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧は、配管３６に設けられた圧力センサ５３で検出され、調圧バルブ２７の開度によって制御される。
【００３７】
バイパス流路６３は、配管３５と配管３６を結んでおり、バルブ６１とバルブ６２を備えている。配管３５を流れる空気の方が、カソードオフガスより高圧であるため、バルブ６１とバルブ６２を開けば、配管３５の空気の一部を直接配管３６に送り込むことができる。
【００３８】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３２を介して水素タンク２０に貯蔵された高圧水素から水素が供給される。水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００３９】
水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、高圧バルブ２３、低圧バルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと称する）は、配管３３に流出する。アノードの出口には、圧力センサ５１およびバルブ２５が設けられており、アノードへの供給圧力および量の制御に利用される。
【００４０】
配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続される。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３３にはアノードオフガスを加圧するためのポンプ４５が設けられている。
【００４１】
排出管３４に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。
【００４２】
アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通り、希釈器４４で空気によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点からも環境上の観点からも好ましい。
【００４３】
燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。
【００４４】
燃料電池システムの運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット１００に入出力される信号の一例を破線で示した。入力としては、例えば、圧力センサ５１の検出信号が挙げられる。出力としては、例えば、調圧バルブ２７、コンプレッサ４１、バルブ６１、バルブ６２が挙げられる。
【００４５】
Ｂ．透過水素量の推測：
燃料電池スタック１０では、アノードに供給された水素が電解質膜を透過してカソードに移動する。本実施例では、燃料電池システムが異常停止してから起動するまでの間にアノードからカソードへどれだけの水素が透過したかによって、起動時に配管３６から排気するカソードオフガスの量を制御する。カソードに多量の水素が存在すると、起動時にはカソードオフガス中に多量の水素が含まれる可能性が高くなる。そのようなカソードオフガスが排気されると環境上好ましくないため、カソードオフガスの量を低減させるのである。
【００４６】
アノードからカソードへどれだけの水素が透過したかの判断は、アノードの出口圧力を計測する圧力センサ５１の時間変化によって推測する。図２はアノードの出口圧力の時間変化を示す説明図である。図の上方には、燃料電池スタック１０を模式的に示した。先に説明した通り、燃料電池スタック１０は、カソード１１とアノード１２が電解質膜１３を挟んで配置された構造となっている。燃料電池スタック１０の運転を停止すると、アノード１２からカソード１１へ電解質膜を水素が透過する。また、カソード１１からアノード１２へは窒素が電解質膜を透過する。水素の方が窒素よりも透過しやすいため、アノード１２の圧力は、図の下方に示す通り、運転停止直後から低下する。経過時間Ｔｂにおいて圧力が最低値となった後は、窒素の透過によって徐々に圧力は増加する。最低値となる経過時間Ｔｂは、燃料電池スタック１０ごとで相違するが、概ね３０分程度である。この図では、燃料電池スタック１０の起動時には、出口圧力は最低値より少し増加している。
【００４７】
つまり、アノード出口における燃料電池スタックの運転停止時圧力はＰｆｉｎであり、運転開始時圧力はＰｓｔであるが、その差である「ｄＰ＝Ｐｆｉｎ―Ｐｓｔ」を求めると、アノードからカソードへどれだけの水素が透過したかの推測ができる。
【００４８】
Ｃ．排気低減処理：
図３は排気低減処理のフローチャートである。運転者が燃料電池システムの起動操作を行った際に、制御ユニット１００が実行する処理である。この処理に先立って、別途用意された制御処理において、燃料電池システムの運転を停止する際に、アノードの出口圧力Ｐｆｉｎが検出され、制御ユニット１００のメモリ内に記憶されているものとする。
【００４９】
この処理が開始されると、制御ユニット１００は、上述のアノード出口圧力Ｐｆｉｎを読み込む（ステップＳ１２）。次に、アノードの出口圧力Ｐｓｔを検出する（ステップＳ１６）。
【００５０】
「Ｐｆｉｎ―Ｐｓｔ」が所定値よりも大きい場合（ステップＳ１８）、制御ユニット１００は、コンプレッサ４１を間欠運転させる（ステップＳ２０）。コンプレッサ４１を間欠運転させれば、カソードへの空気供給量が減り、ひいてはカソードオフガスの排気量を減らすことができる。
【００５１】
図は、間欠運転を示す説明図である。横軸が時間、縦軸がコンプレッサ４１の出力である。間欠運転では、コンプレッサ４１をｄｔ１の間動かし、ｄｔ２の間止める処理が適当回数繰り返される。つまり、コンプレッサの出力をＰｗｕｐにする処理と、Ｐｗｄｏｗｎにする処理が繰り返される。１０回ほど繰り返すことがシステム上望ましい。間欠運転により、コンプレッサ４１の平均出力はＰｗａｖとなり、空気の供給量を抑制することができる。
【００５２】
カソードへの空気供給量を減らすには、間欠運転に限らず、コンプレッサ４１の平均出力がＰｗａｖに近い値になるようにコンプレッサ４１を動かせばよい。例えば、ｄｔ１，ｄｔ２も適宜変更可能であるし、Ｐｗｄｏｗｎも、０［Ｗ］である必要はない。
【００５３】
更に、カソードオフガスの排気量を減らすには、コンプレッサ４１の間欠運転に限らず、調圧バルブ２７を開閉することでも可能である。調圧バルブ２７を閉めれば、配管３５を流れるカソードオフガスの量は減る。調圧バルブ２７を閉めたりゆるめたりする処理も、上記したコンプレッサ４１の運転と同じく、配管３５内の流量をカソードオフガスの排気量が減少する方向で適当に保てれば、様々に実現可能である。
【００５４】
以上で説明した実施例の燃料電池システムによれば、水素が多量に含まれる可能性のあるカソードオフガスを排気することを抑制することで、水素の大気中への排気を抑制することが可能となる。
【００５５】
Ｄ．排気希釈処理：
一方、燃料電池システムが異常停止してから起動するまでの間にアノードからカソードへ透過した水素量が多ければ、起動時に配管３６から排気するカソードオフガスを希釈するという方法もある。カソードオフガスを希釈すれば、カソードオフガスの水素濃度を減らすことができる。
【００５６】
ここでは、カソードオフガスを希釈するのに、コンプレッサ４１で圧縮された圧縮空気を用いる。圧縮空気は、バルブ６１とバルブ６２を開けば、バイパス６３により配管３６に送り込まれるため、カソードオフガスを希釈できる。
【００５７】
図４は排気希釈処理のフローチャートである。「Ｐｆｉｎ−Ｐｓｔ」が所定値以上ならば（ステップＳ２６）、所定時間バルブ６１とバルブ６２を開く（ステップＳ２８）。そして、所定時間経過後バルブ６１とバルブ６２を閉める（ステップＳ３０）。
【００５８】
この処理によりカソードオフガスを希釈することができるが、この処理に限らずカソードオフガスを希釈することは可能である。例えば、バルブ６１とバルブ６２の開閉を繰り返すことでもカソードオフガスを希釈することができる。
【００５９】
ここで説明した燃料電池システムによれば、水素が多量に含まれる可能性のあるカソードオフガスを希釈することで、水素が高濃度のカソードオフガスを大気中へ排気することを防ぐことができる。希釈用の流体は空気である必要はなく、また、別途希釈器や希釈用の配管を設けても良い。
【００６０】
Ｅ．変形例：
水素濃度は、実施例で用いた圧力センサ５１で検出されるアノードの出口圧力に依らず種々のパラメータによって推定可能である。例えば、燃料電池スタック１０の運転停止からの経過時間をタイマで計測し、この経過時間に基づいて水素濃度を推定してもよい。また、濃度センサによって、水素濃度を直接計測してもよい。
【００６１】
また、アノードの出口圧力Ｐｆｉｎの読込（ステップＳ１２，Ｓ２２）と、アノードの出口圧力Ｐｓｔの検出（ステップＳ１６，２４）の順序は逆であっても構わない。
【００６２】
更に、図３の処理，図４の処理のいずれか一方だけを用いてもよいし、双方を段階的に使用しても良い。例えば、カソードオフガスの水素が高濃度である段階では図４の処理を行ない、中濃度になったら図３の処理を行なうように切り換えても良い。
【００６３】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、上述の制御処理は、ソフトウェアに依らず、ハードウェア的に実現しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【図２】アノードの出口圧力の時間変化を示す説明図である。
【図３】排気低減処理のフローチャートである。
【図４】排気希釈処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック
１１…カソード
１２…アノード
１３…電解質膜
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…高圧バルブ
２４…低圧バルブ
２５…バルブ
２６…排出バルブ
２７…調圧バルブ
２８…逆止弁
３２、３３、３５〜３７…配管
３４…排出管
３８…ラジエータ
４０…フィルタ
４１…コンプレッサ
４２…加湿器
４３…マフラ
４４…希釈器
４５、４６…ポンプ
５１、５３…圧力センサ
６１、６２…バルブ
６３…バイパス
１００…制御ユニット
Ｐｆｉｎ、Ｐｓｔ…アノード出口圧力
Ｔｂ…経過時間
【図１】
2004172027.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004172027.tif 000005
【図４】
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