(57)【要約】【課題】燃料電池による発電効率を低下させることなく、排気ガスの水素濃度を基準値以下として外部に排出することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】制御装置３６は、燃料電池システム１０の停止直前での水素排出バルブ開弁時間Ｔ１と、水素排出バルブ３２の閉弁後の水素排出後経過時間Ｔ２とをパラメータとする水素排出判定マップを用いて、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１が長く、水素排出後経過時間Ｔ２が短い場合、水素希釈装置３４に残留する水素ガスＨ２の濃度が高いと判定し、水素ガスＨ２の排出を所定時間禁止する。一方、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１が短く、あるいは、水素排出後経過時間Ｔ２が長い場合には、水素希釈装置３４に残留する水素ガスＨ２の濃度が低いと判定し、燃料電池スタック１６の起動に伴う水素ガスＨ２の排出を許容する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池からの排気ガスの排出制御を行う排出制御装置と、前記排気ガスに含まれる水素の濃度を希釈する水素希釈装置とを備える燃料電池システムにおいて、
前記排出制御装置は、
前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排気ガスの排出制御時間と、前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排気ガスの排出制御終了から前記燃料電池システムの停止時までの経過時間とを計時する計時部と、
計時された前記排出制御時間を記憶する排出制御時間記憶部と、
計時された前記経過時間を記憶する経過時間記憶部と、
前記排出制御時間および前記経過時間に基づき、前記排気ガスの排出制御の要否を判定する判定部と、
を備え、前記排出制御時間が第１所定時間以上であり、且つ、前記経過時間が第２所定時間以下であるとき、前記燃料電池システムの再起動後の第３所定時間内における前記排気ガスの排出制御を禁止す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、
前記アノード電極から排出される前記排気ガスを前記アノード電極の供給側に循環させる循環ループを有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水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池からの排気ガスの排出制御を行う排出制御装置と、前記排気ガスに含まれる水素の濃度を希釈する水素希釈装置とを備える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、セパレータによって挟持することにより構成されている。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ている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、エア等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
このように構成される燃料電池において、電気エネルギを効率的に生成するためには、カソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に溜まった水や窒素ガスを発電電流に応じた所定の間隔で外部に排出する必要がある。このとき、これらの排出物には、電気エネルギの生成に寄与しなかった未反応の水素ガスが混入している。水素ガスは、有毒ガスではないものの、可燃性ガスであるため、所定濃度以下に希釈して排出する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に記載された従来技術では、燃料電池の起動および停止が短期間に繰り返し行われる場合、水素処理部での水素ガスの酸化処理が十分に遂行されず、排出される水素ガスの濃度が高まり易いことに鑑み、所定時間内における燃料電池の起動指令の割合、あるいは、所定期間内における燃料電池の起動指令の回数が所定以上となったとき、燃料電池の起動を禁止することにより、残留する水素ガスの濃度が所定値以下となるまで待機させるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１９８０７５号公報（段落［００１０］〜［００１３］、図１、図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来技術では、残留する水素ガスの濃度が高い場合、燃料電池が長期間起動できない状態になってしまうため、その間、電気エネルギを生成できないことになる。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池による発電効率を低下させることなく、排気ガスの水素濃度を基準値以下として外部に排出することのできる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】
本発明の燃料電池システムでは、アノード電極に供給される水素含有ガスとカソード電極に供給される酸素含有ガスとを反応させることで電気エネルギを生成する燃料電池と、前記燃料電池からの排気ガスの排出制御を行う排出制御装置と、前記排気ガスに含まれる水素の濃度を希釈する水素希釈装置とを備える燃料電池システムにおいて、
前記排出制御装置は、
前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排気ガスの排出制御時間と、前記燃料電池システムの停止直前における前記排出制御装置による前記排気ガスの排出制御終了から前記燃料電池システムの停止時までの経過時間とを計時する計時部と、
計時された前記排出制御時間を記憶する排出制御時間記憶部と、
計時された前記経過時間を記憶する経過時間記憶部と、
前記排出制御時間および前記経過時間に基づき、前記排気ガスの排出制御の要否を判定する判定部と、
を備え、前記排出制御時間が第１所定時間以上であり、且つ、前記経過時間が第２所定時間以下であるとき、前記燃料電池システムの再起動後の第３所定時間内における前記排気ガスの排出制御を禁止することを特徴とする。
【００１０】
この場合、排出制御装置は、燃料電池システムの停止直前での排気ガスの排出制御時間と、排気ガスの排出制御終了から燃料電池システムの停止時までの経過時間とを計時して記憶しておき、燃料電池システムの再起動時において、前記排出制御時間が長く、且つ、前記経過時間が短い場合、燃料電池から排出される水素ガスの濃度が高く、高濃度の水素ガスが水素希釈装置内に残留しているものと判断し、排気ガスの排出を所定期間禁止する。一方、前記排出制御時間が短く、あるいは、前記経過時間が長い場合には、燃料電池から排出される水素ガスの濃度が低く、あるいは、水素ガスが十分に排出されているものと判断し、燃料電池の再起動後の排気ガスの排出を許容する。
【００１１】
なお、アノード電極から排出される排気ガスをアノード電極の供給側に循環させる循環ループを設けることにより、排気ガスに含まれる水素を有効に利用して電気エネルギを生成することができる。
【００１２】
【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１０を示す。なお、図１において、実線で示すラインは、ガスの流通路を表し、点線で示すラインは、電気的な信号線を表すものとする。
【００１３】
燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素ガスＨ２が供給されるアノード電極１２と、酸化剤ガスであるエアが供給されるカソード電極１４とを有し、これらが電解質膜１５を介して結合される燃料電池を複数個積層した燃料電池スタック１６を備える。なお、アノード電極１２およびカソード電極１４は、出力端子１８、２０より所定電圧の直流を出力する。
【００１４】
アノード電極１２の入力側には、水素供給装置２２より水素供給バルブ２４を介して水素ガスＨ２が供給される。カソード電極１４には、エア供給装置２６よりエア供給バルブ２８を介してエアが供給される。また、アノード電極１２の出力側は、水素排出バルブ３２を介して水素希釈装置３４に接続されるとともに、循環ループを介してアノード電極１２の入力側に接続される。カソード電極１４の出力側は、水素希釈装置３４に接続される。
【００１５】
水素希釈装置３４は、例えば、未反応状態でアノード電極１２から排出された水素ガスＨ２を、カソード電極１４から排出された排気エアと混合することにより、水素ガスＨ２を所定濃度以下の排気ガスとして外部に排出する。
【００１６】
燃料電池スタック１６を除く燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置３６によって制御される。なお、図１では、水素排出バルブ３２の制御を要部とする構成のみを示す。制御装置３６は、主制御部３８（計時部、判定部）と、主制御部３８からの指令に基づいて水素排出バルブ３２を制御する水素排出バルブ制御部４０と、水素排出バルブ３２を開弁させている時間（排出制御時間、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１）を記憶する水素排出バルブ開弁時間記憶部４２（排出制御時間記憶部）と、水素排出バルブ３２を閉弁してから燃料電池システム１０を停止させるまでの経過時間（経過時間、水素排出後経過時間Ｔ２）を記憶する水素排出後経過時間記憶部４４（経過時間記憶部）と、水素排出バルブ３２の開閉の要否を判定するための水素排出判定マップを記憶する水素排出判定マップ記憶部４６とを備える。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システム１０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。
【００１８】
先ず、システム起動フラグがＯＮに設定され、燃料電池システム１０が起動されると、制御装置３６は、水素供給装置２２を駆動し、所定量の水素ガスＨ２を水素供給バルブ２４を介してアノード電極１２に供給する。また、制御装置３６は、エア供給装置２６を駆動し、所定量のエアをエア供給バルブ２８を介してカソード電極１４に供給する。燃料電池スタック１６は、供給された水素ガスＨ２とエアに含まれる酸素ガスとを反応させ、電気エネルギを生成する。なお、アノード電極１２から出力された未反応の水素ガスＨ２は、循環ループを介してアノード電極１２に循環されるため、水素ガスＨ２が発電に効率的に再利用されることになる。
【００１９】
ここで、制御装置３６は、発電効率を維持するため、水素排出バルブ３２を制御し、電気エネルギの生成に伴って発生する水と、反応に寄与しない窒素ガスとを発電電流に応じた所定時間間隔でアノード電極１２から外部に排出する処理を行う。このとき、未反応の水素ガスＨ２の一部が水や窒素ガスを含む排気エアとともに排出される。そのため、水素希釈装置３４は、アノード電極１２から排出された水素ガスＨ２をカソード電極１４から排出された排気エアによって所定濃度以下に希釈して外部に排出する。
【００２０】
図２は、燃料電池スタック１６によって発電された発電電流、発電に伴ってカソード電極１４から排出される排気エア流量、制御装置３６による水素排出バルブ３２の開閉許可指令を行う排出フラグ、水素希釈装置３４によって希釈されて外部に排出される排出水素濃度、および、燃料電池システム１０のシステム起動フラグの対応関係を表す。
【００２１】
この場合、燃料電池スタック１６によって生成される発電電流は、水素供給装置２２から供給する水素ガスＨ２の流量と、エア供給装置２６から供給するエアの流量とに依存する。従って、カソード電極１４から排出される排気エアの流量も発電電流に依存する。水素希釈装置３４は、アノード電極１２から排出される水素ガスＨ２をカソード電極１４から排出される排気ガスによって希釈して排出するため、外部に排出される排出水素濃度は、排気エア流量に依存して変動する。
【００２２】
そこで、制御装置３６の主制御部３８は、排出水素濃度が許容上限値である閾値ＴＨ以下となるよう、例えば、水素希釈装置３４での排出水素濃度に基づき、水素排出バルブ制御部４０に対して、水素排出バルブ開弁許可指令としての水素排出フラグを設定する。水素排出バルブ制御部４０は、水素排出フラグに従って水素排出バルブ３２を制御し、水素希釈装置３４を介して水素ガスＨ２を外部に排出する。
【００２３】
ところで、システム起動フラグがＯＦＦに設定され、燃料電池システム１０が停止されると、制御装置３６は、燃料電池スタック１６に対する水素ガスＨ２およびエアの供給を停止する。このとき、水素希釈装置３４に対する排気エアの供給も停止されるため、水素希釈装置３４には、所定濃度の水素ガスＨ２が残留することになる。この場合、高い濃度の水素ガスＨ２が水素希釈装置３４に残留した状態で燃料電池システム１０が再起動され、水素排出フラグがＯＮとなって水素排出バルブ３２が開弁されてしまうと、燃料電池スタック１６のアノード電極１２から排出された水素ガスＨ２が水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ２に加算されるため、許容上限値である閾値ＴＨ以上の濃度の水素ガスＨ２が外部に排出されてしまうおそれがある（図２の点線参照）。
【００２４】
制御装置３６は、このような不具合が生じることのないよう、図３に示すフローチャートに従って水素排出バルブ３２の制御を行う。
【００２５】
主制御部３８は、燃料電池システム１０の起動中において、排出フラグがＯＮとなり水素排出バルブ３２が開弁されたことを検出すると（ステップＳ１）、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１（第１所定時間）の計時を開始する（ステップＳ２）。次いで、排出フラグがＯＦＦになったことを検出すると（ステップＳ３）、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１の計時を終了するとともに（ステップＳ４）、水素排出後経過時間Ｔ２（第２所定時間）の計時を開始する（ステップＳ５）。計時の終了した水素排出バルブ開弁時間Ｔ１は、水素排出バルブ開弁時間記憶部４２に記憶される（ステップＳ６）。
【００２６】
主制御部３８は、システム起動フラグを確認し（ステップＳ７）、ＯＮ状態を維持しており、排出フラグが再びＯＮになった場合には（ステップＳ１）、再度水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２の計時を０から開始する（ステップＳ２〜Ｓ７）。
【００２７】
一方、システム起動フラグがＯＦＦになったことを検出すると（ステップＳ７）、水素排出後経過時間Ｔ２の計時を終了し（ステップＳ８）、水素排出後経過時間Ｔ２を水素排出後経過時間記憶部４４に記憶させる（ステップＳ９）。
【００２８】
次に、システム起動フラグがＯＮとなり燃料電池システム１０が再起動されたとき（ステップＳ１０）、主制御部３８は、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２をパラメータとして、水素ガスＨ２の排出の要否判定を行う（ステップＳ１１）。
【００２９】
すなわち、主制御部３８は、水素排出バルブ開弁時間記憶部４２に記憶された水素排出バルブ開弁時間Ｔ１と、水素排出後経過時間記憶部４４に記憶された水素排出後経過時間Ｔ２とを読み出すとともに、水素排出判定マップ記憶部４６に記憶された水素排出判定マップを読み出す。この場合、水素排出判定マップは、図４に示すように、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２をパラメータとし、水素排出ＯＫ領域にあるか水素排出ＮＧ領域にあるかを判定するマップである。
【００３０】
そこで、主制御部３８は、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１および水素排出後経過時間Ｔ２が水素排出判定マップの水素排出ＯＫの領域にあるか、水素排出ＮＧの領域にあるかを判定する。
【００３１】
この場合、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１が短いと、燃料電池システム１０の起動中での水や排気エア等の排出量が少ないため、水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ２の量も少ない。また、水素排出後経過時間Ｔ２が長いと、水素希釈装置３４に残留する水素ガスＨ２が排気エアによって希釈され、外部に十分に排出されている。従って、水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ２の濃度は十分に低く、水素排出ＯＫの領域にあるものと判定される。
【００３２】
一方、水素排出バルブ開弁時間Ｔ１が長く、且つ、水素排出後経過時間Ｔ２が短い場合には、水素希釈装置３４に残留している水素ガスＨ２の濃度が高く、水素排出ＮＧの領域にあるものと判定される。
【００３３】
ステップＳ１１において水素排出ＯＫと判定された場合、主制御部３８は、水素排出バルブ制御部４０に対して水素排出バルブ開弁許可指令を出力する（ステップＳ１２）。水素排出バルブ制御部４０は、水素排出バルブ開弁許可指令に基づき水素排出バルブ３２を開弁し、水素ガスＨ２を水素希釈装置３４を介して外部に排出する。
【００３４】
また、ステップＳ１１において水素排出ＮＧと判定された場合、主制御部３８は、水素排出バルブ制御部４０に対して水素排出バルブ開弁禁止指令を出力する（ステップＳ１３）。従って、水素排出バルブ３２は、所定時間閉弁状態を維持する。この間、燃料電池スタック１６は、発電動作を遂行して電気エネルギを生成するとともに、カソード電極１４から排出された排気エアが水素希釈装置３４に供給されることで、残留する水素ガスＨ２が希釈されて外部に排出される。
【００３５】
次いで、所定禁止時間Ｔ３（第３所定時間）が経過した後（ステップＳ１４）、主制御部３８は、水素排出バルブ制御部４０に対して水素排出バルブ開弁許可指令を出力し（ステップＳ１２）、水素ガスＨ２が水素希釈装置３４を介して外部に排出される。この場合、水素希釈装置３４に残留する水素ガスＨ２は、十分に希釈されているため、許容上限値である閾値ＴＨ以下の状態で排出される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの再起動時において、直前の停止時における排気ガスの排出制御時間と排出停止までの経過時間とから、排気ガスの排出の要否を判定し、排気される水素ガスの濃度が所定値以上であると判定した場合には、燃料電池を起動させた状態で水素ガスの排出を一時停止させるようにしているため、燃料電池による発電効率を低下させることなく、排気ガスの水素濃度を基準値以下として外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の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】図１に示す燃料電池システムにおける各物理量と排出フラグとのタイミングの説明図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける制御装置の処理フローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムにおける制御装置に設定される水素排出判定マップの説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム              １２…アノード電極
１４…カソード電極                  １６…燃料電池スタック
２２…水素供給装置                  ２４…水素供給バルブ
２６…エア供給装置                  ２８…エア供給バルブ
３２…水素排出バルブ                ３４…水素希釈装置
３６…制御装置                      ３８…主制御部
４０…水素排出バルブ制御部          ４２…水素排出バルブ開弁時間記憶部
４４…水素排出後経過時間記憶部      ４６…水素排出判定マップ記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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