(57)【要約】【課題】燃料電池の出力が小さい場合に、希釈器に供給される排気酸素含有ガスが少なくなり、排気中の水素ガス濃度が高くなることを防ぐ。【解決手段】燃料電池１に水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを供給して発電させるとともに、燃料電池１から排出される排気水素含有ガスを排気酸素含有ガスで希釈するようにしてなる燃料電池システムＳに、排気水素含有ガスと排気酸素含有ガスとを混合する希釈器６と、排気水素含有ガスを希釈器６に案内する排気水素含有ガス排出路Ｐ２と、排気酸素含有ガスを大気中に排出する排気酸素含有ガス排出路Ｐ４と、排気酸素含有ガス排出路Ｐ４から分岐して希釈器６に連通する希釈用ガス供給路たる希釈用空気供給路Ｐ６とを備えるとともに、前記排気酸素含有ガス排出路Ｐ４の前記希釈用空気供給路Ｐ６との分岐よりも下流に、燃料電池内の酸素含有ガスの圧力をほぼ一定に保持する機能を有する調圧弁Ｂ２をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを供給して発電させるとともに、燃料電池から排出される排気水素含有ガスを排気酸素含有ガスで希釈するようにしてなる燃料電池システムであって、
排気水素含有ガスと排気酸素含有ガスとを混合する希釈器と、排気水素含有ガスを希釈器に案内する排気水素含有ガス排出路と、排気酸素含有ガスを大気中に排出する排気酸素含有ガス排出路と、排気酸素含有ガス排出路から分岐して希釈器に連通する希釈用ガス供給路とを備えているとともに、
前記排気酸素含有ガス排出路の前記希釈用ガス供給路との分岐よりも下流に、燃料電池内の酸素含有ガスの圧力を調整する調圧弁をさらに備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記希釈用ガス供給路が、排気水素含有ガスの圧力に抗する逆止弁を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
発電の終了以降に、調圧弁の開度を減少させる制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段が、燃料電池内の水素含有ガスの圧力の低下に応じて排出制御弁の開成時間を長くする制御をさらに行うことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
希釈された排気水素含有ガスを選択的に排出する希釈弁を希釈器の下流にさらに設けてなり、制御手段が燃料電池内の水素含有ガスの圧力の低下に応じて希釈弁の開成時間を長くする制御をさらに行うことを特徴とする請求項３又は４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として車両に搭載される燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車などの車両において、窒素化合物、炭化水素、一酸化炭素といった有害排気物質が少ないなどの理由から電気自動車が開発され、電気自動車のモータの電源として、内燃機関に比較してエネルギロスが少ない燃料電池が実用化され始めている。このような車両に搭載される燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料電池が安全に、かつ効率よく発電するために各種の制御を行っている。
【０００３】
この種の燃料電池システムにおける燃料電池は、負極活物質としての水素を、プラチナ（白金）などの触媒と接触させて電子と水素イオンに解離した後、この水素イオンを正極活物質としての酸素と反応させて水が得られるという反応機構に基づいている。すなわち、燃料電池では、水素から放出された電子の移動により起電力が生じるようになされている。それゆえ、このような原理に基づけば、化学的エネルギ変化を直接的に電気エネルギに変換できるため、燃料電池では、他の方式に比べて極めてエネルギ効率が高いものとなる。
【０００４】
このような燃料電池において、水素及び酸素の供給方法としては、水素ガスタンク等から水素含有ガスを供給するとともに、コンプレッサを介して空気中の酸素を導入する方法が考えられている。そして、余剰の水素含有ガス、すなわち排気水素含有ガスの排出方法としては、例えば、発電に寄与した以外の余剰の空気、すなわち排気酸素含有ガスと混合して水素濃度を低減させた状態で大気中に排出する方法が考えられている。このような燃料電池の一例として、例えば特許文献１に示されるものが挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２８９２３７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した構成のものでは、コンプレッサにより空気を燃料電池に供給し、そのままの圧力で排気酸素含有ガスを大気中に排出するようにしている。
そして、コンプレッサから供給される空気の量が、燃料電池の出力の増大につれて多くなるように構成している。また、排気水素含有ガスと混合するための排気酸素含有ガスは、特許文献１の図７に示されるように、圧力を調整する手段である調圧弁よりも下流から分岐して導入している。このような構成のものでは、燃料電池の出力が小さい場合、コンプレッサから供給される空気の量も少なくなり、排気水素含有ガスと混合する排気酸素含有ガスの流量も少なくなる。
【０００７】
しかして、排気酸素含有ガスの流量が少なくなると、排気水素含有ガス中の水素が十分に希釈されずに排出され、燃焼してしまう可能性が生じた。
【０００８】
本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸素含有ガスとを供給して発電させるとともに、燃料電池から排出される排気水素含有ガスを排気酸素含有ガスで希釈するようにしてなる燃料電池システムであって、排気水素含有ガスと排気酸素含有ガスとを混合する希釈器と、排気水素含有ガスを希釈器に案内する排気水素含有ガス排出路と、排気酸素含有ガスを大気中に排出する排気酸素含有ガス排出路と、排気酸素含有ガス排出路から分岐して希釈器に連通する希釈用ガス供給路とを備えているとともに、前記排気酸素含有ガス排出路の前記希釈用ガス供給路との分岐よりも下流に、燃料電池内の酸素含有ガスの圧力を調整する調圧弁をさらに備えていることを特徴とする。
【００１０】
このようなものであれば、排気酸素含有ガスの流量が少ない場合には調圧弁の開度を減少させて希釈用ガス供給路に導入される排気酸素含有ガスの割合を増加させ、逆に排気酸素含有ガスの流量が多い場合には調圧弁の開度を増加させて希釈用ガス供給路に導入される排気酸素含有ガスの割合を減少させることにより、希釈器に供給される排気酸素含有ガスの流量を燃料電池の出力に関らず一定にできる。すなわち、排気中の水素濃度を確実に低下させて安全性の向上を図ることができるようになる。
【００１１】
排気水素含有ガスの流量が急に増大した際に、希釈器を介して排気水素含有ガスが排気酸素含有ガス排出路に逆流して調圧弁から上流の圧力が急に上昇することや大気への排気中の水素濃度が急に上昇することを防ぐために望ましい態様として、前記希釈用ガス供給路が、排気水素含有ガスの圧力に抗する逆止弁を備えるものが挙げられる。
【００１２】
発電の終了以降、排気酸素含有ガスの流量が減少して燃料電池内に残る前記水素含有ガスの排出に時間がかかる不具合を解消するために望ましい態様として、発電の終了以降に、調圧弁の開度を減少させる制御手段をさらに備えているものが挙げられる。このようにすれば、調圧弁の開度を減少させることにより排気酸素含有ガスが希釈器に供給される割合を増加させ、希釈器に供給される排気酸素含有ガスの流量を確保することができるからである。
【００１３】
排気中の水素濃度を低く保ちつつ燃料電池内に残る前記水素含有ガスを早く排出できるようにするために望ましい構成として、制御手段が、燃料電池内の水素含有ガスの圧力の低下に応じて排出制御弁の開成時間を長くする制御をさらに行うものが挙げられる。排気水素含有ガスの圧力が低下すると、排気水素含有ガス中の水素の分圧もまた低下するので、排出制御弁の開成時間を長くしても希釈器内の水素濃度が急激に高くなりにくく排気中の水素濃度を低く保つことができ、流速の低下による排出効率の低下を補うことができるからである。
【００１４】
また、排気中の水素濃度を低く保ちつつ燃料電池内に残る前記水素含有ガスを迅速に排出できるようにするために望ましい構成として、希釈された排気水素含有ガスを選択的に排出する希釈弁を希釈器の下流にさらに設けてなり、制御手段が燃料電池内の水素含有ガスの圧力の低下に応じて希釈弁の開成時間を長くする制御をさらに行う制御手段を備えているものも挙げられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
本実施形態に係る燃料電池システムＳは、図１に示すように、車両、特に自動車に搭載されるもので、燃料電池１、発電に必要な水素含有ガスである水素ガスの貯蔵手段である水素ガスタンク２、酸素含有ガスである空気の供給手段であるコンプレッサ３、蓄電手段である二次電池４、発電に付随する各種制御を行う制御装置５、燃料電池１の温度を調節する温度制御装置ＴＣ等を備えている。この燃料電池システムＳは、車両を走行させるためのモータを含む走行装置Ｍや、燃料電池１を制御するための電磁弁、ファンモータ、さらに電動式のコンプレッサ３等の電気機器を負荷とするものである。また、この燃料電池システムＳでは、基本的には燃料電池１は負荷に追従して発電量を変更するのでなく、発電効率の最もよい発電量となるように定電力発電制御されるようにしている。
【００１７】
燃料電池１は、この分野で広く知られたものを用いることができ、例えば電解部としてのイオン交換膜に密着するようにして正極部と負極部とを配設したセルの複数を直列接続してスタックを形成し、そのスタックに対して水素ガスと空気とを所定の圧力で供給し得るように、ハウジング内に収納したものである。この燃料電池システムＳにおいては、前記水素ガスタンク２と燃料電池１とを連通する水素含有ガス供給路たる水素ガス供給路Ｐ１を設けていて、この水素ガス供給路Ｐ１を介して燃料電池１に水素を供給するようにしている。また、前記水素ガス供給路Ｐ１上には、水素ガス圧力を調整するレギュレータＲＧを設けていて、このレギュレータＲＧにより、水素の供給圧力をほぼ所定圧力に保つようにしている。さらに、前記水素ガス供給路Ｐ１上の前記レギュレータＲＧと燃料電池１との間には、燃料電池１に供給される水素ガスの圧力、すなわちスタック内の水素ガスの圧力を検出する水素圧力センサＳ１を設けている。燃料電池１内に供給された水素ガスは、各セルの負極部に案内される。
【００１８】
一方、空気はエアフィルタＡＦ及び前記コンプレッサ３を有する酸素含有ガス供給路たる空気供給路Ｐ３を介して燃料電池１内に供給される。すなわち、空気は、エアフィルタＡＦを介して供給手段であるコンプレッサ３に導かれ、コンプレッサ３により圧縮された後燃料電池１に導入される。また、本実施形態では、前記コンプレッサ３と燃料電池１との間に加湿モジュールＨを備えていて、空気に水分を含ませるようにしている。そして、燃料電池１内に供給された空気は、各セルの正極部に案内される。各セルの負極部に案内された水素は、各セルの正極部に案内された空気中の酸素と反応して発電する。この燃料電池１からの電流は、走行装置Ｍ等の負荷に供給される。
【００１９】
発電に寄与した以外の余剰の空気、すなわち排気酸素含有ガスは、循環することなく、発電により生成した水のほぼ全量とともに、排気酸素含有ガス排出路Ｐ４から排気管Ｐ５を介して燃料電池１外に排出される。この排気酸素含有ガス排出路Ｐ４には、排気酸素含有ガスの圧力を検出する空気圧力センサＳ２が備えられている。燃料電池１と排気酸素含有ガス排出路Ｐ４とは直接に連通しているので、燃料電池１内の空気の圧力と排気酸素含有ガス排出路Ｐ４内の排気酸素含有ガスの圧力とは等しい。すなわち、空気圧力センサＳ２は、排気酸素含有ガスの圧力を検出することにより燃料電池内の空気の圧力を検出していることになる。なお、前記空気圧力センサＳ２に替えて、燃料電池１内やコンプレッサ３と燃料電池１との間の部分における空気の圧力を測定するセンサを設けてもよい。
【００２０】
一方、反応せずに残った余剰の水素ガスである排気水素含有ガスは、燃料電池１からこの燃料電池１に連通して設けられている排気水素含有ガス排出路Ｐ２を介して排出される。この排気水素含有ガス排出路Ｐ２からは、排気水素含有ガスだけでなく、イオン交換膜を介して負極部にしみだし付着した水もまた排出される。この排気水素含有ガス排出路Ｐ２中には、電磁弁からなる排出制御弁Ｂ１が設けられている。そして、この排気水素含有ガス排出路Ｐ２は、希釈器６に接続していて、前記排出制御弁Ｂ１を通過した排気水素含有ガスは希釈器６に排出されるようにしている。さらに、排気酸素含有ガス排出路Ｐ４からは希釈用ガス供給路たる希釈用空気供給路Ｐ６が分岐していて、この希釈用空気供給路Ｐ６の他端も前記希釈器６に連通している。また、この希釈用空気供給路Ｐ６は、図１の要部を拡大して示した図である図２に示すように、排気酸素含有ガスとともに排出される水が希釈器６に導入されるのを抑えるべく、その排気酸素含有ガス排出路Ｐ４に連通する側の端部Ｐ６ａを下流側に向けて開口しているとともに、前記端部Ｐ６ａを排気酸素含有ガス排出路Ｐ４の管壁から離している。そして、前記希釈器６内で排気水素含有ガスと排気酸素含有ガスとが混合し、水素濃度が低下した排気水素含有ガスが、排気管Ｐ５を介して車外に排出される。
【００２１】
また、前記二次電池４は、燃料電池１により充電されるとともに、自動車が減速された場合や下り坂を走行した場合に、前記駆動用モータの回生運転による回生電流により充電される。車両は、この二次電池４からの電力により走行し、電力が不足した場合に燃料電池１から不足分が補充されるように構成している。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムＳの燃料電池１は、車両の走行中常時発電するのでなく、必要に応じて間欠的に発電する。
【００２２】
しかして本実施形態では、前記図１、及びこの図１の要部を拡大して示した図である図２に示すように、前記排気酸素含有ガス排出路Ｐ４の前記希釈用空気供給路Ｐ６との分岐よりも下流に、調圧弁Ｂ２を備えている。この調圧弁Ｂ２は、排気酸素含有ガスの圧力を調整することにより燃料電池１内の空気の圧力を調整する機能を有する。すなわち、前記圧力が上昇した場合には、その開度を増加させて、前記圧力を下降させるようにするとともに、前記圧力が下降した場合には、その開度を減少させて、前記圧力を上昇させる機能を有する。そして、前記希釈器６に導入される排気酸素含有ガスの流量をほぼ一定に保持するように機能する。
【００２３】
また、前記希釈器６の下流には、希釈された排気水素含有ガスを選択的に排出する希釈弁Ｂ３を設けている。前記排出制御弁Ｂ１及び前記希釈弁Ｂ３は、後述するように、制御装置５により制御されて開閉するようにしている。
【００２４】
さらに、前記図１及び図２に示すように、排気水素含有ガスの流量が急に増大した際に、希釈器６を介して排気水素含有ガスが排気酸素含有ガス排出路Ｐ４に逆流して調圧弁Ｂ２から上流の圧力が急に上昇することや大気への排気中の水素濃度が急に上昇することを防ぐべく、前記希釈用空気供給路Ｐ６には、希釈器６から排気水素含有ガスが排気酸素含有ガス排出路Ｐ４に逆流して調圧弁Ｂ２より上流の圧力が急に上昇することを防ぐ機能を有する逆止弁Ｂ４を設けている。
【００２５】
前記制御装置５は、ＣＰＵ５１、内部メモリ５２、入力インタフェース５３、出力インタフェース５４を少なくとも備えたマイクロコンピュータシステムを主体として構成され、前記走行装置Ｍへの通電を制御すべくコンバータ及びインバータ（ともに図示略）をも備えている。そして、図３に示すように、入力インタフェース５３には前記水素圧力センサＳ１、前記空気圧力センサＳ２、及び走行装置Ｍに備えられ、アクセルペダル、ブレーキペダル、及び通常の内燃機関により走行する自動車のイグニッションキースイッチに相当するキースイッチ（いずれも図示略）等の状態を検知する状況検知手段ＭＳ（図１では図示略）等が接続されていて、これらから入力される信号を受け付ける。一方、出力インタフェース５４には、前記排出制御弁Ｂ１、前記調圧弁Ｂ２、前記希釈弁Ｂ３、及び前記コンプレッサ３等が接続されていて、前記入力センサ５３が受け付けた信号に基づき、前記内部メモリ５２に格納されたプログラムに従いＣＰＵ５１等と協働してこれらの制御を行う。
【００２６】
以下に制御装置５が行う具体的な制御の例について述べる。まず、制御装置５は、前記コンプレッサ３の回転数を発電量に基づいた所定の回転数に保持した状態において、前記排気酸素含有ガス排出路Ｐ４のうち前記調圧弁Ｂ２より上流の部分の圧力をほぼ一定に保持すべく、前記空気圧力センサＳ２から出力される排気酸素含有ガス圧力信号に基づき、前記調圧弁Ｂ２の開度を変更するフィードバック制御を行う。具体的には、前記圧力が上昇した場合には、前記調圧弁Ｂ２の開度を増加させて、前記圧力を下降させる制御を行う。一方、前記圧力が下降した場合には、前記調圧弁Ｂ１の開度を減少させて、前記圧力を上昇させる制御を行う。すなわち、この制御装置５は、前記調圧弁Ｂ１に、前記排気酸素含有ガス排出路Ｐ４のうち前記調圧弁Ｂ２より上流の部分の圧力を調整し、燃料電池１の発電に適した圧力とするとともに、前記希釈器６に導入される排気酸素含有ガスの流量をほぼ一定に保持する機能を発揮させる制御を行っている。
【００２７】
さらに、前記制御装置５は、発電中に、燃料電池１内の負極部にしみだして付着した水を排気水素含有ガスとともに排出するパージと呼ばれる操作を行うべく、所定の周期において前記排出制御弁Ｂ１を予め設定した所定時間であるパージ時間だけ開成する制御も行う。すなわち、前記排出制御弁Ｂ１は、この制御装置５による制御を受けて前記所定の周期ごとに前記パージ時間だけ開成する。また、前記制御装置５は、パージを行う際に、希釈弁Ｂ３もまた前記所定の周期において予め設定した所定時間である希釈弁開成時間だけ開成する制御も行う。なお、前記排出制御弁Ｂ１及び前記希釈弁Ｂ３を開成するタイミング、前記パージ時間、及び前記希釈弁開成時間は、前記所定の周期ごとに排出制御弁Ｂ１及び希釈弁Ｂ３を開成するとともに、排気水素含有ガスを十分希釈してから排出するようにできれば、任意に設定してよい。
【００２８】
前記制御装置５は、その他、前記コンバータの出力側において検出する発電量及び前記空気圧力センサＳ２から出力される排気酸素含有ガス排出圧力信号に基づくコンプレッサ３の制御、燃料電池１内の温度を検出する図示しない温度センサが出力する信号に基づく前記温度制御装置ＴＣの制御等も行う。
【００２９】
加えて、前記制御装置５は、キースイッチがＯＦＦされた場合には、図示しない電磁弁によって水素ガスの供給を停止するとともに、燃料電池１内から水素ガス及び負極部に付着した水を排出するパージを行うための制御も行う。
【００３０】
本実施形態では、前記制御装置５が前記パージを行うための制御を行っている間は、コンプレッサ３は発電している場合と同様に作動させておくとともに、より迅速に燃料電池１内から水素ガス及び負極部に付着した水を排出すべく、排出制御弁Ｂ１、調圧弁Ｂ２、及び希釈弁Ｂ３の制御を行っている。
【００３１】
以下に、前記キースイッチがＯＦＦされた場合に制御装置５が排出制御弁Ｂ１、調圧弁Ｂ２、及び希釈弁Ｂ３に対して行う制御の詳細を図４、図５、及び図６を参照して述べる。なお、図４及び図５はフローチャート、図６は作用図である。また、図４にはステップＳＴ１〜ＳＴ９、図５にはステップＳＴ１０〜ＳＴ１４をそれぞれ示している。
【００３２】
まず、ステップＳＴ１では、制御装置５は、前記キースイッチがＯＦＦされたか否かを確認する。前記キースイッチがＯＦＦされていないならば、ステップＳＴ２に進む。前記キースイッチがＯＦＦされたならば、ステップＳＴ３に進む。
【００３３】
ステップＳＴ２では、調圧弁Ｂ２に対するフィードバック制御を行い希釈器６に導入する排気酸素含有ガスの流量をほぼ一定に調整するとともに所定間隔で排出制御弁Ｂ１及び希釈弁Ｂ３を所定時間開成して負極部に付着した水を排気水素含有ガスとともに排出する。その後、ステップＳＴ１に戻る。
【００３４】
ステップＳＴ３では、調圧弁Ｂ２の開度を減少させ、排気酸素含有ガスの圧力を上昇させるとともに希釈器６に導入する排気酸素含有ガスの流量を増加させる制御を行う。
【００３５】
それから、ステップＳＴ４において、空気圧力センサＳ２から入力される排気酸素含有ガスの圧力、すなわち燃料電池１内の空気の圧力が所定の値Ｐａに達しているか否かを判定する。前記圧力が所定の値Ｐａに達していなければ、前記圧力が所定の値Ｐａに達するまで待機して希釈器６に導入する排気酸素含有ガスの流量を確保する。一方、前記圧力が所定の値Ｐａに達していれば、ステップＳＴ５に進む。
【００３６】
ステップＳＴ５では、排気中の水素濃度が爆発を起こす低濃度側の限界濃度よりも十分低くなり、燃料電池１内の水素ガスの圧力が希釈弁Ｂ３による制御が不要になる所定値Ｐｂ以下であるか否かを判定する。上述したように水素ガスの供給が停止されたことにより、燃料電池１内の水素ガスの圧力が前記所定値Ｐｂ以下になった場合には、ステップＳＴ６に進む。一方、図６の時刻Ｔ１におけるように、燃料電池１内の水素ガスの圧力が前記所定値Ｐｂを超えている場合には、後述するステップＳＴ１０に進む。
【００３７】
ステップＳＴ６では、希釈弁Ｂ３を開成して、希釈器６内のガスを排出する。それから希釈時間ｔｄ後に、ステップＳＴ７に進む。
【００３８】
ステップＳＴ７では、排出制御弁Ｂ１を予め設定した最終パージ時間ｔｐ９だけ開成して、燃料電池１内の水素ガス、すなわち排気水素含有ガスを希釈器６に導入するとともに、この排気水素含有ガスを排気酸素含有ガスにより希釈して大気中に排出する。
【００３９】
ステップＳＴ８では、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下であるか否かを判定する。なお、この所定値Ｐｃは、ほぼ大気圧である。燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下であれば、ステップＳＴ９に進む。一方、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下でなければ、パージ間隔時間ｔｉ経過後、ステップＳＴ７に戻る。なお、上述したように、燃料電池１内の水素ガスの圧力は希釈弁Ｂ３による制御が不要になる程度に低くなっているので、希釈弁Ｂ３は開成したままの状態である。
【００４０】
ステップＳＴ９では、希釈弁Ｂ３を閉成し、パージを終了する。
【００４１】
ステップＳＴ１０では、排出制御弁Ｂ１と希釈弁Ｂ３とを同時に所定の第一次パージ時間ｔｐ１だけ開成して、排気水素含有ガスを負極部に付着した水とともに排出する。
【００４２】
その後、ステップＳＴ１１において、再び燃料電池１内の水素ガスの圧力が前記所定値Ｐｂ以下であるか否かを判定する。ここで、燃料電池１内の水素ガスの圧力が前記所定値Ｐｂ以下であれば、パージ間隔時間ｔｉ経過後、ステップＳＴ６に進む。一方、図６の時刻Ｔ２におけるように、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｂを超えている場合には、ステップＳＴ１２に進む。
【００４３】
ステップＳＴ１２では、排出制御弁Ｂ１の開成時間であるパージ時間ｔｐを、燃料電池１内の水素ガスの圧力をパラメータとする図示しない開成時間テーブルを参照して計算し、パージ間隔時間ｔｉ経過後にステップＳＴ１３に進む。なお、前記開成時間テーブルの詳細については後述する。
【００４４】
ステップＳＴ１３では、まず希釈弁Ｂ３を、次いでその希釈時間ｔｄ後に排出制御弁Ｂ１を開成して、排気水素含有ガスを負極部に付着した水とともに排出し、前記パージ時間ｔｐ後、排出制御弁Ｂ２及び希釈弁Ｂ３を同時に閉成する。
【００４５】
ステップＳＴ１４では、再び燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｂ以下であるか否かを判定する。図６の時刻Ｔ３におけるように、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｂ以下であれば、パージ間隔時間ｔｉ経過後、前記ステップＳＴ６に進む。一方、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｂを超えている場合には、前記ステップＳＴ１２に戻る。
【００４６】
前記ステップＳＴ１２に用いる開成時間テーブルは、上述したように燃料電池１内の水素ガスの圧力をパラメータとしてパージ時間ｔｐを設定したもので、制御装置５に備えている。この開成時間テーブルでは、代表的な燃料電池１内の水素ガスの圧力に対して開成時間が設定してあり、それ以外の燃料電池１内の水素ガスの圧力に対する開成時間は、補間計算により算出する。さらに、この開成時間テーブルでは、燃料電池１内の水素ガスの圧力が低い場合、圧力低下による排気水素含有ガスの流速の低下を補い、１回のパージで排出される排気水素含有ガスの量をなるべく減らさないようにすべく、パージ時間ｔｐを延長するように設定している。そして、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下である場合に前記最終パージ時間ｔｐ９となるようにしている。
【００４７】
また、前記ステップＳＴ１３において、希釈弁Ｂ３を開成してから希釈時間ｔｄ経過後に排出制御弁Ｂ１の開成を行い、希釈弁Ｂ３の閉成と排出制御弁Ｂ１の閉成とを同時に行うようにしているので、希釈弁Ｂ３の開成時間は希釈時間ｔｄと前記パージ時間ｔｐとの和である。すなわち、燃料電池１内の水素ガスの圧力低下に伴う排気水素含有ガス流速の低下によって増加する排気時間を相殺すべく希釈弁Ｂ３の開成時間も延長するようにしている。また、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｂ以下である場合においては、上述したようにステップＳＴ６〜ＳＴ８を行い、燃料電池１内の水素ガスの圧力低下による排気水素含有ガス流速の低下を補うとともに、希釈器６内に残る排気水素含有ガスを迅速に排出するようにすべく、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下となりパージが終了するまで希釈弁Ｂ３を開成するように設定している。
【００４８】
本発明の燃料電池システムは、以上に述べたように、排気水素含有ガスを、排気水素含有ガス排出路Ｐ２を介して希釈器６に案内しているとともに、排気酸素含有ガス排出路Ｐ４から希釈用空気供給路Ｐ６を分岐させて希釈器６に案内し、さらに排気酸素含有ガス排出路Ｐ４の希釈用空気供給路Ｐ６より下流側に調圧弁Ｂ２を設け、この調圧弁Ｂ２より上流の排気酸素含有ガスの圧力を調整するようにしている。従って、排気酸素含有ガスの圧力に基づきこの調圧弁Ｂ２をフィードバック制御することにより、希釈器６に供給される排気酸素含有ガスの流量を一定に保持できるので、発電量、すなわち排気酸素含有ガスの量に関らず排気水素含有ガスを確実に希釈でき、安全性の向上を図ることができる。
【００４９】
また、希釈用空気供給路Ｐ６が、排気水素含有ガスの圧力に抗する逆止弁Ｂ４を備えているので、パージ等により排気水素含有ガスの流量が急に増大した際に、希釈器６を介して排気水素含有ガスが排気酸素含有ガス排出路Ｐ４に逆流し、コンプレッサ３と調圧弁Ｂ２との間の圧力が急に上昇することや排気中の水素濃度が急に上昇することを防ぐことができる。
【００５０】
さらに、制御装置５が、発電の終了以降に、調圧弁Ｂ２の開度を減少させる制御を行うようにしているので、希釈器６に供給される排気酸素含有ガスの流量を増加させることができる。従って、燃料電池１内に残る水素ガスを排出する際に、これに対応して１回のパージで排気中の水素濃度が爆発を起こす低濃度側の限界濃度以下となる範囲でより多くの排気水素含有ガスを燃料電池１内から排出させるようにすることができ、発電の終了以降、燃料電池１内に残る水素ガスをより迅速に、かつ安全に排出できるようになる。さらに、負極部に付着した水を燃料電池１内に残る水素ガスともにより迅速に排出できるようになるので、次回の燃料電池１の起動をスムーズに行うことができる。
【００５１】
また、制御装置５は燃料電池１内の水素ガスの圧力低下に応じて排出制御弁の開成時間であるパージ時間ｔｐを延長する制御をさらに行うので、燃料電池１内の水素ガスの圧力低下による排気水素含有ガス流速の低下を補い、１回のパージで排出される排気水素含有ガスの量をなるべく減らさないようにでき、発電の終了以降、燃料電池１内に残る水素ガスをさらに迅速に排出できる。
【００５２】
加えて、希釈された排気水素含有ガスを選択的に排出する希釈弁Ｂ３を希釈器６の下流にさらに備えているので、排気水素含有ガスを十分希釈してから排出させるべく制御装置５によりこの希釈弁Ｂ３を開閉させ、希釈器６内部のガスを時間をかけて排出する制御を行い、排気水素含有ガスが十分に希釈されないまま大気中に排出されることを防ぐことができる。その一方で、制御装置５は、キースイッチがＯＦＦされた後には、燃料電池１内の水素ガスの圧力の低下に応じて希釈弁Ｂ３の開成時間を長くする制御をさらに行うので、燃料電池１内の水素ガスの圧力低下によって排気水素含有ガス流速が低下しても１回のパージで排出される排気水素含有ガスの量をほぼ一定に保ちつつ排出することができるとともに、希釈器６内に残る排気水素含有ガスを十分に希釈しつつ迅速に排出することもできる。
【００５３】
そして、本実施形態では、希釈用空気供給路Ｐ６の排気酸素含有ガス排出路Ｐ４に連通する端部Ｐ６ａが、下流側に向かって開口しているので、排気酸素含有ガスに含まれる水は希釈器６に導入されにくく、水が大量に希釈器６に導入されて希釈器６内からの水抜きが必要になる事態を起こしにくくできる。
【００５４】
なお、本発明は以上に述べた実施の形態に限られない。
【００５５】
例えば、希釈用ガス供給路の排気酸素含有ガス排出路に連通する端部は、必ずしも下流側に向けて開口させる必要はなく、例えば排気酸素含有ガスの流れと直交する方向に開口させるようにしてもよいし、前記端部を上流側に向けて開口するようにしてもよい。なお、前記端部を上流側に向けて開口させる場合、希釈器に水抜き機構を設けることが望ましい。
【００５６】
また、上述した実施形態では、排気水素含有ガスの排気酸素含有ガス排出路への逆流を防ぐべく希釈用ガス供給路に逆止弁を設けているが、排出制御弁の下流側に排気水素含有ガスの排出圧力を低下させる手段を別に設ける等の手段により、排気水素含有ガスの排気酸素含有ガス排出路への逆流のおそれを小さくしているものであれば、この逆止弁は必ずしも設けなくてもよい。
【００５７】
さらに、上述した実施形態では、排気中の水素濃度を制御し、水素濃度の高い排気が大気中に急に排出されるのを防ぐべく希釈弁を設けているが、希釈器に導入される排気水素含有ガスの量に対して希釈用ガス供給路を介して希釈器に導入される排気酸素含有ガスの量を十分多く設定している場合等、このような制御を必ずしも必要としないものであれば、この希釈弁は必ずしも設けなくてもよい。
【００５８】
また、上述した実施形態の燃料電池システムＳから希釈弁Ｂ３を省略した態様において、前記制御装置５が以下に述べる制御を行うようにしてもよい。
【００５９】
この態様においても、前記制御装置５は、キースイッチがＯＦＦにされた場合には図示しない電磁弁によって水素ガスの供給を停止し、燃料電池１内から水素ガス及び負極部に付着した水を排出するパージを行うための制御も行うとともに、前記制御装置５が前記パージを行うための制御を行っている間は、コンプレッサ３は発電している場合と同様に作動させておき、より迅速に燃料電池１内から水素ガス及び負極部に付着した水を排出すべく、排出制御弁Ｂ１及び調圧弁Ｂ２の制御は燃料電池１の発電中と異なる制御を行っている。
【００６０】
この態様において、前記制御装置５が排出制御弁Ｂ１及び調圧弁Ｂ２に対して行う制御の流れをフローチャートである図７、及び作用図である図８を参照しながら以下に示す。
【００６１】
ステップＳＴ１０１では、キースイッチがＯＦＦにされたか否かを確認する。キースイッチがＯＦＦにされていなければ、ステップＳＴ１０２に進む。キースイッチがＯＦＦにされていれば、ステップＳＴ１０３に進む。
【００６２】
ステップＳＴ１０２では、調圧弁Ｂ２に対するフィードバック制御を行い希釈器６に導入する排気酸素含有ガス流量をほぼ一定に調整するとともに、運転時パージ周期時間ｔｉ１１が経過するごとに排出制御弁Ｂ１を所定時間開成するパージ操作を行い、負極部に付着した水を排気水素含有ガスとともに排出し、ステップＳＴ１０１に戻る。
【００６３】
ステップＳＴ１０３では、まず、燃料電池内の空気の圧力の所定値Ｐａを燃料電池１内の水素の圧力をパラメータとする図示しない圧力所定値テーブルを用いて算出する。この圧力所定値テーブルの詳細については後述する。次いで、排気空気圧力センサＳ２から入力される排気酸素含有ガス圧力信号が示す燃料電池内の空気の圧力が、この所定値Ｐａに達しているか否かを判定する。前記圧力が所定の値Ｐａに達していればステップＳＴ１０４、前記圧力が所定の値Ｐａに達していなければステップＳＴ１０５に進む。
【００６４】
ステップＳＴ１０４では、調圧弁Ｂ２の開度を固定し、燃料電池内の空気の圧力並びに希釈器６に導入する排気酸素含有ガスの量を固定する。
【００６５】
一方、ステップＳＴ１０５では、調圧弁Ｂ２の開度を減少させる制御を行い、排気酸素含有ガスの圧力を増加させて希釈器６に導入する排気酸素含有ガスの量を増加させる。
【００６６】
ステップＳＴ１０６では、排出制御弁Ｂ１を所定時間開成するパージ操作を行い負極部に付着した水を排気水素含有ガスとともに排出する。図８に示すように、排出制御弁Ｂ１を開成する所定時間は、キースイッチがＯＦＦされる以前よりも短くしている。
【００６７】
そして、ステップＳＴ１０７で、燃料電池１内の水素ガスの圧力がほぼ大気圧である所定の値Ｐｃ以下であるか否かを判定する。燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下であれば、ステップＳＴ１０８に進む。一方、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下でなければ、排出制御弁Ｂ１の開成開始から所定の停止後パージ周期時間ｔｉ１２が経過するのを待ってステップＳＴ１０３に戻る。すなわち、燃料電池１内の水素ガスの圧力が所定値Ｐｃ以下になるまで、前記停止後パージ周期時間ｔｉ１２周期でパージを繰り返し行う。前記停止後パージ周期時間ｔｉ１２は、キースイッチがＯＦＦされる以前のパージ操作を行う周期である運転時パージ周期時間ｔｉ１１よりも短くしている。
【００６８】
ステップＳＴ１０８では、排出制御弁Ｂ１を閉成し、水素排気処理を終了する。この際、図８に示すように、燃料電池１内の水素の圧力がより低い場合には、排気酸素含有ガスの圧力の所定値Ｐａをより高くしてより多量の排気酸素含有ガスを希釈器６に導入するようにしている。
【００６９】
前記ステップＳＴ１０３において用いられる圧力所定値テーブルは、上述したように燃料電池１内の水素ガスの圧力をパラメータとして圧力所定値Ｐａを設定したもので、制御装置５に備えている。この圧力所定値テーブルでは、代表的な燃料電池１内の水素ガスの圧力に対して圧力所定値Ｐａが設定してあり、それ以外の燃料電池１内の水素ガスの圧力に対する圧力所定値は、補間計算により算出する。さらに、この圧力所定値テーブルでは、燃料電池１内の水素ガスの圧力が低い場合の排気水素含有ガス流速の低下を補うべく、燃料電池１内の水素ガスの圧力の低下につれて圧力所定値Ｐａを高い値に設定している。
【００７０】
なお、希釈弁を備える態様においても、上述したようにキースイッチがＯＦＦされる以前より発電停止信号を受け付けてから以後にパージ操作の間隔を短縮する制御を行うようにしてもよい。
【００７１】
このような制御を行うような態様であっても、先に説明した実施形態と同様に、コンプレッサ３は発電している場合と同様に作動させておくとともに、調圧弁Ｂ２の開度を減少させる制御を行うようにしているので、希釈器６に供給される排気酸素含有ガスの流量を増加させることができる。従って、燃料電池１内に残る水素ガスを排出する際に、これに対応して１回のパージで、排気中の水素濃度が高くきわめて燃焼しやすい状態になることを抑えつつより多くの燃料電池１内の水素ガスを排出させるようにすることができるので、発電の終了以降、燃料電池１内に残る水素ガスをより迅速に、かつ安全に排出できるようになる。
【００７２】
一方、発電の終了以降、排出制御弁Ｂ１を開成する所定時間を運転中よりも短くしているので、上述したように希釈器６に供給される排気酸素含有ガスの流量が増加することにより排気水素含有ガスが一気に大気中に排出されるようになるにもかかわらず、一回のパージによる水素排出量が多くなりすぎず、水素濃度が濃い排気が一気に排出されることを抑えることができる。その一方で、停止後パージ間隔時間ｔｉ１２も、運転時パージ間隔時間ｔｉ１１よりも短くしているので、一回のパージによる水素排出量が少なくなることにより燃料電池１内からの水素ガスの排出に要する時間が延長してしまう不具合の発生を抑えることができる。
【００７３】
そして、燃料電池１内の水素ガスの圧力の低下につれて圧力所定値Ｐａを高い値に設定しているので、逆に燃料電池１内の水素ガスの圧力が高い場合には圧力所定値Ｐａは低く、この点からも高い水素濃度の排気が一気に排出されることを抑えることができる。
【００７４】
加えて、本発明に係る燃料電池システムは、自動車だけでなく、鉄道に用いられる機関車等、他の車両に用いてももちろんよい。この場合、車両に備えた発電停止ボタンや鉄道運行システムから発せられた停止信号等によって燃料電池の発電停止を行う構成にするとよい。
【００７５】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００７６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００７７】
すなわち、本発明の燃料電池システムは、排気水素含有ガスと排気酸素含有ガスとを混合する希釈器と、排気水素含有ガスを希釈器に案内する排気水素含有ガス排出路と、排気酸素含有ガス排出路から分岐して前記希釈器と連通する希釈用ガス供給路を備えているとともに、排気酸素含有ガス排出路の希釈用ガス供給路より下流に燃料電池内の酸素含有ガスの圧力をほぼ一定に保持する機能を有する調圧弁をさらに備えている。従って、調圧弁の作用により前記希釈器に案内される排気酸素含有ガスの流量を発電量に関らず一定にできるので、排気水素含有ガスを確実に希釈して安全性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略図。
【図２】図１における要部を拡大した図。
【図３】同実施形態に係る燃料電池システムの制御装置の機能ブロックを示す図。
【図４】同実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が行う制御の流れを示すフローチャート。
【図５】同実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が行う制御の流れを示すフローチャート。
【図６】同実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が行う制御の作用図。
【図７】本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が行う制御の流れを示すフローチャート。
【図８】同実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が行う制御の作用図。
【符号の説明】
Ｓ…燃料電池システム
１…燃料電池
５…制御手段
６…希釈器
Ｐ２…排気水素含有ガス排出路
Ｐ４…排気酸素含有ガス排出路
Ｐ６…希釈用空気供給路（希釈用ガス供給路）
Ｂ１…排出制御弁
Ｂ２…調圧弁
Ｂ３…希釈弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005011654.tif 000008
【図７】
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【図８】
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