(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出口を有するアノード排ガス非循環型の燃料電池と、
前記燃料電池のアノード排ガス排出口に接続されているアノード排ガス排出管と、
前記アノード排ガス排出管上に配置されていると共に、前記アノード排ガス排出管を連通または非連通状態に切り換える連通機構と、
前記アノード排ガス排出管上において、前記燃料電池と前記連通機構との間に配置されていると共に前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを貯留するためのアノード排ガス貯留部であって、少なくとも前記アノード排ガス排出管よりも大きな横断面開口面積を有する中空容器であるアノード排ガス貯留部と、
前記アノード排ガス貯留部内の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、
前記燃料電池の通常運転されている時には、前記連通機構を非連通状態に切り換える制御部であって、前記水素検出器により検出された水素濃度が第１の所定水素濃度よりも低い場合には、前記燃料電池が通常運転されていても、前記連通機構を連通状態に切り換える制御部とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記第１の所定水素濃度よりも低くなった水素濃度が、前記第１の所定水素濃度よりも高い第２の所定水素濃度よりも高くなった場合には、前記連通機構を非連通状態に切り換える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムはさらに、
前記燃料電池に対して一定圧力にて燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池（例えば、特許文献１参照）では、燃料電池の運転時間の経過と共に、燃料電池内に残留する窒素、水分といった不純物によって、電極触媒が被覆される。この結果、電極触媒における起電反応が阻害され、出力電圧が低下するという問題を有していた。
【０００３】
この問題に対して、従来の燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池では、出力電圧が所定の基準電圧以下となった場合に、燃料電池内（アノード側）の不純物を含むアノード排ガスを燃料電池外に排出することによって出力電圧の回復が図られていた。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１２１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池では、特に燃料電池スタックの各セル末端では燃料ガスの流れ・拡散がほとんどなく、不純物が滞留し易いために、十分な発電が行われ難い。この結果、燃料電池の出力電圧は頻繁に低下し、燃料電池内に滞留する不純物の排出頻度を高めなければ必要な出力電圧を得ることができないという問題がある。かかる場合には、不純物の排出と共に、燃料電池内の燃料ガスも排出されるため、燃料電池の燃費性能が低下するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、燃料電池の燃費性能の向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出口を有するアノード排ガス非循環型の燃料電池と、前記燃料電池のアノード排ガス排出口に接続されているアノード排ガス排出管と、前記アノード排ガス排出管上に配置されていると共に、前記アノード排ガス排出管を連通または非連通状態に切り換える連通機構と、前記アノード排ガス排出管上において、前記燃料電池と前記連通機構との間に配置されていると共に前記燃料電池から排出されたアノード排ガスを貯留するためのアノード排ガス貯留部であって、少なくとも前記アノード排ガス排出管よりも大きな横断面開口面積を有する中空容器であるアノード排ガス貯留部と、前記アノード排ガス貯留部内の水素濃度を検出する水素濃度検出器と、前記燃料電池の通常運転されている時には、前記連通機構を非連通状態に切り換える制御部であって、前記水素検出器により検出された水素濃度が第１の所定水素濃度よりも低い場合には、前記燃料電池が通常運転されていても、前記連通機構を連通状態に切り換える制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムによれば、アノード排ガス排出管上において、燃料電池と連通機構との間に配置されていると共に燃料電池から排出されたアノード排ガスを貯留するためのアノード排ガス貯留部と、燃料電池の通常運転されている時には、連通機構を非連通状態に切り換える制御部とを備えるので、アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、燃料電池の燃費性能の向上を図ることができる。
【０００９】
また、上記構成を備えることにより、本来、燃料電池末端部に滞留するアノード排ガス中の不純物をアノード排ガス貯留部に貯めることができるので、アノード排ガス中の不純物に起因する燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、上記構成を備えることにより、アノード排ガス貯留部に貯まったアノード排ガス中の不純物を燃料電池外部に排出することができる。この結果、燃料電池末端部に滞留するアノード排ガス中の不純物のアノード排ガス滞留部への移動を促すことができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１の所定水素濃度よりも低くなった水素濃度が前記第１の所定水素濃度よりも高い第２の所定水素濃度よりも高くなった場合には、前記連通機構を非連通状態に切り換えても良い。この構成を備えることにより、燃料電池外部へ排出される水素量を低減することが可能となり、燃料電池の燃費性能の向上を図ることができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池に対して一定圧力にて燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備えても良い。この構成を備えることによって、燃料電池に対して常に所定量の燃料ガスを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池システムについて図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
【００１６】
図１を参照して本実施例に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。図１は本実施例に係る燃料電池システムの一構成例を模式的に示す説明図である。
【００１７】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０、高圧水素タンク３０、高圧水素タンク遮断弁４０、バッファ５０、制御回路６０、アノード排ガス遮断弁６２を備えている。
【００１８】
燃料電池２０は、例えば、複数の単セルがスタック状に積層されてなる。各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するアノードセパレータとカソードセパレータとを備えている。膜電極接合体は、例えば、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に形成された触媒層および拡散層（電極）を備えている。燃料電池２０によって発電された電力は、電気モータ等の負荷６３に給電される。
【００１９】
燃料電池２０は、各単セルに対して燃料ガスを供給するための燃料ガス流路２１（燃料ガスマニホールド）、各単セルに対して酸化ガスを供給するための酸化ガス流路２２（酸化ガスマニホールド）を備えている。燃料ガス流路２１に供給された燃料ガスは、各単セル内に形成されているセル内燃料ガス流路（図示しない）に供給される。燃料ガス流路２１の上流端には、高圧水素タンクから供給された燃料ガスを燃料ガス流路２１へと導入するための燃料ガス導入部２１１が備えられ、燃料ガス流路２１の下流端には、燃料ガス流路２１を流れる燃料ガスを燃料電池２０外部へ排出するための燃料ガス排出部２１２が備えられている。酸化ガス流路２２の上流端には、酸化ガスを酸化ガス流路２２へと導入するための酸化ガス導入部２２１が備えられ、酸化ガス流路２２の下流端には、酸化ガス流路２２を流れる酸化ガスを燃料電池２０外部へ排出するための酸化ガス排出部２２２が備えられている。
【００２０】
高圧水素タンク３０は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する。高圧水素タンク３０は、燃料ガス供給管３１を介して燃料電池２０の燃料ガス導入部２１１と連通されている。本実施例では、燃料ガス供給源として、高圧水素タンク３０を用いているが、この他にも、水素吸蔵合金を利用した水素タンク、水素リッチガスを貯蔵する水素リッチガス貯蔵器または水素リッチガスを生成する水素リッチガス生成器を燃料ガス供給源として用いても良い。
【００２１】
燃料ガス供給管３１には、高圧水素タンク遮断弁４０および水素調圧弁４１が配置されている。高圧水素タンク遮断弁４０は、高圧水素タンク３０と燃料ガス供給管３１とを連通・非連通状態とする。水素調圧弁４１は、燃料ガスの圧力を高圧から所定圧力まで減圧し、所定圧力にて燃料ガスを燃料電池２０に供給する。したがって、本実施例では、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量は、燃料電池２０における消費量に見合った成り行き量となる。
【００２２】
バッファ５０（アノード排ガス貯留部）は、燃料電池２０の燃料ガス排出部２１２と接続されているアノード排ガス排出管５１上に備えられている。バッファ５０は、アノード排ガス排出管５１の横断面積よりも大きな横断面積を有する、所定容量の容器であり、燃料電池２０の燃料ガス排出部２１２から排出されたアノード排ガスを一時的に貯蔵する。すなわち、本実施例に係る燃料電池システム１０では、燃料電池２０内部の不純物ＩＭは、燃料電池２０の末端領域（下流領域）ＤＳではなく、バッファ５０に蓄積される。詳細に説明すると、燃料電池２０（燃料ガス流路２１）において生成された不純物ＩＭは、燃料電池２０の燃料ガス流路２１を流動する燃料ガスによって燃料ガス流路２１の末端領域ＤＳへと移動させられる。燃料電池２０の燃料ガス流路２１の末端領域ＤＳに到達した不純物ＩＭは、燃料ガス流路２１を末端領域ＤＳへと流動する燃料ガスによって燃料電池２０の上流側への移動、並びに濃度拡散が規制されるため、逐次、バッファ５０へと濃度拡散によって移動する。なお、バッファ５０は、不純物ＩＭの濃度拡散によるバッファ５０への移動をより確実なものとするため、また、バッファ５０内に存在する水素の逆拡散による燃料電池２０への移動をより確実なものとするため、燃料電池２０の燃料ガス排出部２１２にできる限り近接配置されていることが好ましい。
【００２３】
バッファ５０には、バッファ５０内部の水素濃度を検出するための水素濃度センサ６１が備えられている。水素濃度センサ６１によって、バッファ５０内部の水素濃度を検出することによって、相対的にバッファ５０内部の不純物濃度（窒素濃度）を検出することができる。すなわち、燃料電池２０の運転開始当初、バッファ５０内部の水素濃度は高く、不純物ＩＭの発生および蓄積に伴って、水素濃度センサ６１によって検出される水素濃度は低下する。
【００２４】
バッファ５０の下流側における、アノード排ガス排出管５１には、アノード排ガス遮断弁６２が備えられている。アノード排ガス遮断弁６２は、制御回路６０からの制御信号に従って、バッファ５０（燃料電池２０）と大気とを連通または非連通状態のいずれかの状態に切り換える。
【００２５】
本実施例に係る燃料電池２０は、アノード排ガス排出管５１を備えることによって、アノード排ガスを内部に止めて運転するアノード排ガス非循環型の燃料電池として機能する。本実施例に係る燃料電池２０においては、燃料ガス排出部２１２から排出されるアノード排ガスは、再度、燃料ガス導入部２１１に投入されない。具体的には、アノード排ガス遮断弁６２が非連通（閉弁）状態とされることによって、燃料電池２０は、アノード排ガスを内部に止めた状態にて運転される。また、アノード排ガス遮断弁６２が連通（開弁）状態とされることにより、アノード排ガスと共にバッファ５０（燃料電池２０）内部に滞留する不純物ＩＭを燃料電池システム１０の外部に排出することができる。なお、アノード排ガスとは、起電反応に用いられた、水分、窒素といった不純物ＩＭを含む燃料ガスを意味する。なお、燃料電池２０の末端領域（下流領域）とは、不純物ＩＭが滞留する、燃料電池２０における燃料ガス排出部２１２近傍の領域を意味する。
【００２６】
制御回路６０は、燃料電池システム１０の動作を制御するための制御手段であり、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備える。制御回路６０は、水素濃度センサ６１、アノード排ガス遮断弁６２と信号線を介して接続されている。
【００２７】
本実施例に係る燃料電池システム１０の動作について簡単に説明する。燃料電池２０の燃料ガス導入部２１１に対しては、高圧水素タンク３０から所定圧力にて燃料ガスが供給されている。したがって、起電反応に伴い燃料電池２０において燃料ガスが消費され、燃料電池２０の燃料ガス流路２１の圧力（燃料ガス供給管３０内の圧力によって判断しても良い）が所定圧力を下回ると、水素調圧弁４１の作用によって燃料電池２０内の圧力が所定圧力に到達するまで新たな燃料ガスが供給される。言い換えれば、燃料電池２０にて消費された量に相当する量の新たな燃料ガスが、高圧水素タンク３０から燃料電池２０の燃料ガス導入部２１１へと供給される。
【００２８】
燃料電池２０の燃料ガス流路２１には、酸化ガス流路２２１から水、窒素を含む不純物ＩＭが濃度拡散によって固体電解質膜を透過してくる。燃料電池２０の燃料ガス流路２１に透過した不純物ＩＭは、供給される燃料ガスに押されて燃料ガス流路２１の下流領域ＤＳへと移動する。燃料ガス流路２１の下流領域ＤＳに移動させられた不純物ＩＭは、濃度拡散によってバッファ５０内部へと蓄積される。バッファ５０内部に蓄積された不純物ＩＭは、以下の手順によってバッファ５０外部、すなわち、燃料電池システム１０の外部に排出される。
【００２９】
図２〜図６を参照して本実施例に係る燃料電池システム１０における、不純物ＩＭの排出動作について説明する。図２は本実施例の燃料電池２０におけるアノード排ガス排出処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図３〜図５は本実施例に係る燃料電池システム１０における不純物ＩＭの蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。図６は本実施例のバッファ内部における水素濃度および不純物濃度の時間変化を模式的に示す説明図である。
【００３０】
制御回路６０は、図２に示す処理ルーチンを所定時間間隔にて繰り返し実行する。制御回路６０は、アノード排ガス遮断弁６２を閉状態（非連通状態）にて燃料電池２０の運転を開始する。制御回路６０は、本処理ルーチンを開始すると、水素濃度センサ６１を介して、バッファ５０内部の水素濃度Ｄhを取得する（ステップＳ１００）。制御回路６０は、取得した水素濃度Ｄhが開弁基準濃度Ｄhrefo未満であるか否かを判定し（ステップＳ１１０）、Ｄh＜Ｄhrefoでないと判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、アノード排ガス遮断弁６２に対して閉弁指示を送って（ステップＳ１４０）、本処理ルーチンを終了する。水素濃度Ｄh≧Ｄhrefoの場合には、例えば、バッファ５０内部は、図３に示す状況にある。すなわち、バッファ５０内部は未だ不純物ＩＭによって満たされておらず、さらに不純物ＩＭを蓄積することができる状態にある。
【００３１】
制御回路６０は、Ｄh＜Ｄhrefoであると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、アノード排ガス遮断弁６２に対して開弁指示を送る（ステップＳ１２０）。この場合には、例えば、バッファ５０内部は、図４に示す状況にある。すなわち、バッファ５０内部は、ほぼ不純物ＩＭによって満たされており、さらなる不純物ＩＭを蓄積することができない状態にある。この状態では、濃度拡散による、燃料電池２０の下流領域ＤＳからバッファ５０への不純物ＩＭの移動を期待することができず、燃料電池２０の発電性能の低下を招くおそれがある。
【００３２】
制御回路６０は、水素濃度センサ６１により検出される水素濃度Ｄhが閉弁基準濃度Ｄhrefs以上となるまで待機し（ステップＳ１３０：Ｎｏ）、水素濃度Ｄh≧Ｄhrefsであると判定した場合には（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、アノード排ガス遮断弁６２に対して閉弁指示を送って（ステップＳ１４０）、本処理ルーチンを終了する。
【００３３】
水素濃度Ｄh≧Ｄhrefsの場合には、例えば、バッファ５０内部は、図５に示す状況にある。すなわち、バッファ５０内に滞留していた不純物ＩＭは、アノード排ガス排出管５１を介して燃料電池システム１０の外部へと排出され、バッファ５０内部は水素によって満たされる。
【００３４】
本実施例における、バッファ５０内の水素濃度（不純物濃度）は、たとえば、図６に示すように変動する。すなわち、燃料電池２０の運転当初は、バッファ５０内には水素で満たされており、燃料電池２０の運転時間の経過と共にバッファ５０内における不純物ＩＭの濃度が増加する（水素濃度が低下する）。水素濃度Ｄhが開弁基準濃度Ｄhrefo未満となり、アノード排ガス遮断弁６２が開弁されると、バッファ５０内の水素濃度は急速に増加し（不純物濃度は急速に減少し）、燃料電池２０の運転当初のレベルまで回復する。すなわち、バッファ５０内に蓄積されていた不純物ＩＭは、バッファ５０から排出される。バッファ５０内の水素濃度の急速な増加は、アノード排ガス遮断弁６２の開弁に伴い、燃料電池２０に供給された燃料ガスがバッファ５０へと流動することによりもたらされる。
【００３５】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システム１０は、燃料電池２０の燃料ガス排出部２１２と連通されているアノード排ガス排出管５１にバッファ５０を備えている。したがって、本実施例に係る燃料電池システム１０においては、燃料電池２０の末端領域ＤＳ近傍に存在する不純物ＩＭが、濃度拡散によってバッファ５０へと導かれ、燃料電池２０（燃料ガス流路２１）から不純物が除去される。この結果、不純物に起因する、燃料ガス流路２１における燃料ガスの拡散性の低下を解消することが可能となり、また、滞留する不純物によるアノード電極の被覆を防止することができる。よって、不純物の影響を受けることなく、燃料電池２０の出力電圧を常に略一定値に維持することが可能となり、安定した出力電圧を出力させることができる。さらに、燃料電池２０の末端領域ＤＳにおける各単セルの発電効率をさらに高めることができると共に、燃料電池２０としてさらに安定した電力を供給することができる。
【００３６】
また、本実施例に係る燃料電池システム１０によれば、バッファ５０を備えることによって、アノード排ガス遮断弁６２の閉弁（非連通）期間Ｔ１（図６参照）を長くすることができる。すなわち、従来、遮断弁を開弁することによって燃料電池２０外部に排出されていた不純物ＩＭを、アノード排ガス遮断弁６２の開弁を伴うことなくバッファ５０に一時的に蓄積しておくことが可能となる。したがって、アノード排ガス遮断弁６２の閉弁期間Ｔ１を、従来例における遮断弁の閉弁期間よりも十分に長く取ることが可能となり、アノード排ガス遮断弁６２の開弁回数を低減することができる。この結果、燃料電池２０から排出される燃料ガス量を低減することが可能となり、燃料電池２０の運転効率を向上させることができる。
【００３７】
さらに、バッファ５０は、アノード排ガス排出管５１よりも横断面積が大きく、所定の内容量を有するので、不純物ＩＭはバッファ５０内部にて拡散することができる。この結果、水素濃度センサ６２によって水素（不純物ＩＭ）の平均濃度を検出することが可能となり、より正確な水素濃度管理を行うことができる。すなわち、不純物ＩＭがバッファ５０において局所的に存在する事態を低減することが可能となり、局所的に存在する不純物に起因する検出水素濃度の急激な低下、水素濃度の急激な低下に伴うアノード排ガス遮断弁６２の開弁といった、本来は不要な不純物ＩＭの排出処理を回避することができる。この結果、燃料電池２０の運転効率を向上させることができる。
【００３８】
・その他の実施例：
上記実施例では、固体高分子電解質膜を備える燃料電池２０を例によって説明したが、この他にも、金属製、非金属性の分離膜を備える燃料電池２０を用いても良い。例えば、燃料電池２０の耐圧性が分離膜によって規定される場合には、分離膜として、機械的強度の高いものを用いることにより、開弁判定値を大きく取ることが可能となり、アノード排ガス遮断弁６２の開弁回数を低減することができる。
【００３９】
上記実施例では、単セルがスタック状に積層された燃料電池を例にとって説明したが、本発明は、単セル型の燃料電池においても適用可能である。例えば、燃料ガス供給孔から供給された燃料ガスがセル内燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出孔からセル外（燃料ガス排出マニホールド）に排出される単セルにおいても、燃料ガス排出孔近傍における不純物の滞留が問題となる。かかる場合、従来例では、燃料ガス排出孔近傍においては不純物が電極を覆うことにより発電が妨げられ、また、不純物により燃料ガスの拡散が妨げられていた。これに対して、上記実施例と同様にして、単セル内に必要流量よりも多い供給流量にて燃料ガスを供給することにより、燃料ガス排出孔近傍に滞留する不純物を除去することが可能となり、発電領域の偏り、燃料ガスの拡散不良を解消することができる。
【００４０】
上記実施例では、酸化ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、例えば、外部の気体ポンプによってそれぞれ供給され得る。
【００４１】
以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池システムを説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムの一構成例を模式的に示す説明図である。
【図２】本実施例の燃料電池におけるアノード排ガス排出処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】本実施例に係る燃料電池システムにおける不純物の蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】本実施例に係る燃料電池システムにおける不純物の蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。
【図５】本実施例に係る燃料電池システムにおける不純物の蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。
【図６】本実施例のバッファ内部における水素濃度および不純物濃度の時間変化を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…燃料ガス流路
２１１…燃料ガス導入部
２１２…燃料ガス排出部
２２…酸化ガス流路
２２１…酸化ガス導入部
２２２…酸化ガス排出部
３０…高圧水素タンク
３１…燃料ガス供給管
４０…高圧水素ガス遮断弁
４１…水素調圧弁
５０…バッファ
５１…アノード排ガス排出管
６０…制御回路
６１…水素濃度センサ
６２…アノード排ガス遮断弁
６３…負荷
【図１】
0004631292.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004631292.tif 000006
【図６】
0004631292.tif 000007