(57)【要約】【課題】  燃料ガスの供給圧力を下げることなく、セルの自己発熱量を増大させることが可能な新規な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  窒素回収器３５に貯蔵された窒素を空気流路２０を通る空気中に注入することにより、燃料電池１０に供給される空気の酸素分圧が下がり、セルのＩＲ損が増えるため、セルの自己発熱量が増大する。したがって、例えば燃料電池１０の温度が低い時に酸素分圧を下げる制御を行うことにより、燃料電池１０の暖気を促進することができる。【選択図】        図１
2005158423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電池システムにおいて、
前記酸化ガスの酸素分圧を変化させる酸素分圧調整手段（３５）と、前記燃料電池（１０）の運転状態に基づいて前記酸素分圧調整手段（３５）を制御する制御手段（５０）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】
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）内の水分が設定値以上のときに、前記酸化ガスの酸素分圧を定常運転時よりも低く制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の温度が設定温度以下のときに、前記酸化ガスの酸素分圧を定常運転時よりも低く制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の発電運転を終了させる際に、前記酸化ガスの酸素分圧を定常運転時よりも低く制御した状態で前記燃料電池（１０）の発電運転を所定の間継続させた後、前記燃料電池（１０）の発電運転を終了させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池（１０）に前記燃料ガスを供給する水素供給器（３１）と、前記水素供給器（３１）から前記燃料電池（１０）に供給される前記燃料ガスが通過する水素供給経路（３０ａ）と、前記燃料電池（１０）から排出される未反応の水素を含む排出ガスを前記水素供給経路（３０ａ）に循環させる水素循環経路（３０ｂ）とを備え、
前記酸素分圧調整手段は、前記水素循環経路（３０ｂ）を通る排出ガス中に含まれる窒素を回収する窒素回収器（３５）を備え、前記窒素回収器（３５）内の窒素を前記酸化ガス中に供給して前記酸化ガスの酸素分圧を低下させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段（５０）は、前記燃料電池（１０）の発電状態が良いときにのみ、前記酸化ガスの酸素分圧を低くする制御を許可することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、低温起動時には水素を含む燃料ガスの供給圧力を定常運転時よりも下げて発電効率を低下させ、これにより燃料電池のセルの自己発熱量を増大させて燃料電池の暖気を促進させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、本発明者は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムは、セルの自己発熱量を増大させ得る点に着目し、セル内の水分が過剰になった際に、セルの自己発熱量を増大させてセルを速やかに乾燥させることを検討した。
【０００４】
しかしながら、セルの自己発熱量を増大させるために燃料ガスの供給圧力を下げると、酸素を含む酸化ガス側からの透過水が燃料ガス側に行き易くなるため、燃料ガス側の水分過剰状態が更に進行してしまうという問題が発生する。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、燃料ガスの供給圧力を下げることなく、セルの自己発熱量を増大させることが可能な新規な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を備える燃料電池システムにおいて、酸化ガスの酸素分圧を変化させる酸素分圧調整手段（３５）と、燃料電池（１０）の運転状態に基づいて酸素分圧調整手段（３５）を制御する制御手段（５０）とを備えることを特徴とする。
【０００７】
これによると、酸化ガスの酸素分圧を下げることにより、セルのＩＲ損が増えるため、セルの自己発熱量を増大させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）内の水分が設定値以上のときに、酸化ガスの酸素分圧を定常運転時よりも低く制御することを特徴とする。
【０００９】
これによると、燃料電池内の水分が多くなるとセルの自己発熱量を増大させて、セルを速やかに乾燥させることができる。また、酸化ガスの酸素分圧を低くする際に酸化ガスの供給圧力が上がると、酸化ガス側からの透過水が燃料ガス側に行き易くなって燃料ガス側の水分過剰状態が更に進行してしまうが、酸化ガスの供給圧力を上げることなく酸化ガスの酸素分圧を低くすることにより、上記のような燃料ガス側の水分過剰状態が更に進行するのを回避することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の温度が設定温度以下のときに、酸化ガスの酸素分圧を定常運転時よりも低く制御することを特徴とする。
【００１１】
これによると、燃料電池内の温度が低いときにはセルの自己発熱量を増大させて、燃料電池の暖気を促進することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の発電運転を終了させる際に、酸化ガスの酸素分圧を定常運転時よりも低く制御した状態で燃料電池（１０）の発電運転を所定の間継続させた後、燃料電池（１０）の発電運転を終了させることを特徴とする。
【００１３】
これによると、発電運転を所定の間継続させることによりセルを乾燥させることができるため、運転停止中におけるセル内での凍結を防止して、燃料電池の低温起動性を高めることができる。また、発電運転を所定の間継続させるとき、セルの自己発熱量を増大させるため、セルを速やかに乾燥させることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する水素供給器（３１）と、水素供給器（３１）から燃料電池（１０）に供給される燃料ガスが通過する水素供給経路（３０ａ）と、燃料電池（１０）から排出される未反応の水素を含む排出ガスを水素供給経路（３０ａ）に循環させる水素循環経路（３０ｂ）とを備え、酸素分圧調整手段（３５）は、水素循環経路（３０ｂ）を通る排出ガス中に含まれる窒素を回収する窒素回収器（３５）を備え、窒素回収器（３５）内の窒素を酸化ガス中に供給して酸化ガスの酸素分圧を低下させることを特徴とする。
【００１５】
ところで、燃料電池から排出される未反応の排出水素を水素供給経路に戻すようにした従来の水素循環方式の燃料電池システムにおいては、循環する燃料ガス中の窒素を水素循環系外に排出する際に水素も同時に排出されてしまう。これに対し、請求項５に記載の発明では、窒素回収器によって窒素を回収するため、水素を水素循環系外に排出することなく窒素を水素循環系から除去することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、制御手段（５０）は、燃料電池（１０）の発電状態が良いときにのみ、酸化ガスの酸素分圧を低くする制御を許可することを特徴とする。
【００１７】
酸化ガスの酸素分圧を低くすると発電状態が悪くなる傾向になるため、請求項６に記載の発明のようにすることにより、燃料電池を安定して作動させることができる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や二次電池１２等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の駆動力を発生する電動モータが電気負荷１１に相当する。また、二次電池１２は、燃料電池１０から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものである。
【００２１】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２２】
（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池１０には、燃料電池１０の温度に応じた電気信号を出力する温度センサ１０ａが設けられている。また、燃料電池１０には、セル内の局所を流れる電流に応じた電気信号を出力する発電状態センサ１０ｂが設けられている。この発電状態センサ１０ｂは、ホール素子による電流方式、電圧方式、静電容量式など、方式は問わない。
【００２３】
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２４】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気供給器２１が設けられている。空気供給器２１は、エアコンプレッサ、ブロア等を用いることができる。空気流路２０における空気供給器２１と燃料電池１０との間には、空気流路２０を通る空気中に酸素や窒素を混入させるための第１混合器２２、空気への加湿を行う加湿器２３が設けられている。空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０から排出される空気の湿度に応じた電気信号を出力する湿度センサ２４が設けられている。
【００２５】
空気流路２０は、空気供給器２１と第１混合器２２との間から分岐して第１混合器２２に接続される酸素経路２５を備えている。酸素経路２５には、酸素経路２５を通る空気から酸素を分離してその酸素を貯蔵する酸素回収器２６が設けられている。そして、酸素回収器２６に貯蔵された酸素が、酸素経路２５を介して第１混合器２２に導かれるようになっている。
【００２６】
酸素経路２５内で酸素回収器２６の上流側に、酸素経路２５を開閉する第１酸素弁２７が配置されており、酸素経路２５内で酸素回収器２６の下流側に、酸素経路２５を開閉する第２酸素弁２８が配置されている。そして、第１酸素弁２７が開弁中に、酸素回収器２６にて酸素の分離および貯蔵が行われ、第２酸素弁２８が開弁中に、酸素回収器２６に貯蔵された酸素が第１混合器２２に導かれる。
【００２７】
水素流路３０は、燃料電池１０に水素ガスを導く水素供給経路３０ａと、燃料電池１０から排出される未反応の排出水素を水素供給経路３０ａに戻す水素循環経路３０ｂとを有する。水素供給経路３０ａの最上流部には、水素が充填された水素ボンベ等の水素供給器３１が設けられている。水素供給経路３０ａには、第２混合器３２（詳細後述）、水素への加湿を行う加湿器３３、水素供給経路３０ａを開閉する第１水素弁３４が設けられている。
【００２８】
水素循環経路３０ｂの下流端が接続された第２混合器３２は、水素供給経路３０ａを通る水素中に、後述する窒素回収器３５にて窒素が除去された状態のガスを混入させるためのものであり、ポンプ、イゼクタ等を用いることができる。加湿器３３は、バブラ式、インジェクション式、循環式等を用いることができる。
【００２９】
水素循環経路３０ｂには、水素ガス中に含まれる窒素を分離してその窒素を貯蔵する窒素回収器３５が設けられている。水素循環経路３０ｂ内で窒素回収器３５の上流側に、水素循環経路３０ｂを開閉する第２水素弁３６が配置されており、水素循環経路３０ｂ内で窒素回収器３５の下流側に、水素循環経路３０ｂを開閉する第３水素弁３７が配置されている。
【００３０】
窒素回収器３５は、芳香族ポリイミドのガス分離中空糸膜にて窒素の分離を行うことができ、希土類−鉄系金属間化合物にて窒素の貯蔵を行うことができる。窒素回収器３５内の窒素貯蔵量は、貯蔵器の重量、温度、圧力、実流量などに基づいて検出することができる。なお、窒素回収器３５は、本発明の酸素分圧調整手段に相当する。
【００３１】
窒素回収器３５と空気流路２０の第１混合器２２との間は、窒素流路４０により接続されている。そして、窒素回収器３５に貯蔵された窒素が、窒素流路４０を介して第１混合器２２に導かれるようになっている。窒素流路４０には、窒素流路４０を開閉する窒素弁４１が設けられている。
【００３２】
そして、第２水素弁３６が開弁中に、窒素回収器３５にて窒素の分離および貯蔵が行われ、第３水素弁３７が開弁中に、窒素回収器３５にて窒素が除去された状態のガスが第２混合器３２に導かれ、窒素弁４１が開弁中に、窒素回収器３５に貯蔵された窒素が第２混合器３２に導かれる。
【００３３】
制御部（ＥＣＵ）５０は、本発明の制御手段に相当し、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部５０には、各センサ１０ａ、１０ｂ、２４からの信号が入力されるとともに、図示しない車両のキースイッチの位置に応じたキースイッチ信号が入力される。因みに、キースイッチがオン位置にあるときは燃料電池１０の発電運転が許可され、キースイッチがオフ位置にあるときは燃料電池１０の発電運転が停止される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、空気供給器２１、加湿器２３、３３、各弁２７、２８、３４、３６、３７、４１に制御信号を出力する。
【００３４】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を、図１〜図３に基づいて説明する。なお、図２、図３は制御部５０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【００３５】
キースイッチがオン位置にセットされると、制御部５０は図２、図３の制御処理を開始し、まず燃料電池システムの運転を開始させる（Ｓ１０１）。具体的には、空気供給器２１を作動させて燃料電池１０に空気を供給し、第１水素弁３４を開弁させて燃料電池１０に水素を供給して、燃料電池１０の発電運転を開始させる。また、第２水素弁３６を開弁させる。なお、本例では、燃料電池システムの運転中は、第２水素弁３６を常時開弁させて、窒素回収器３５による窒素回収を常時行わせる。
【００３６】
次に、温度センサ１０ａの信号に基づいて燃料電池１０の温度が低温閾値（例えば、５０℃）以下か否かを判定する（Ｓ２０１）。Ｓ２０１が肯定であれば、発電状態センサ１０ｂの信号に基づいて燃料電池１０の発電状態を検知し（Ｓ２０２）、燃料電池１０の発電状態が閾値以下か否かを判定する（Ｓ２０３）。Ｓ２０３が肯定であれば、窒素弁４１を閉弁させて、空気流路２０を通る空気中への窒素注入を停止させる（Ｓ２０４）。
【００３７】
Ｓ２０３が否定で、且つ窒素回収器３５に窒素が貯蔵されている場合は（Ｓ２０５が肯定）、窒素弁４１を開弁させて、空気流路２０を通る空気中への窒素注入を開始させる（Ｓ２０６）。なお、Ｓ２０５が否定の場合は窒素注入を停止させる（Ｓ２０４）。
【００３８】
上記の窒素注入により、燃料電池１０に供給される空気の酸素分圧が下がり、セルのＩＲ損が増えるため、セルの自己発熱量が増大する。したがって、燃料電池１０の暖気を促進することができる。また、酸素分圧を低くすると発電状態が悪くなる傾向になるが、燃料電池１０の発電状態が良いときにのみ酸素分圧を低くする制御を行うようにしているため、燃料電池１０を安定して作動させることができる。
【００３９】
次に、燃料電池１０の温度が低温閾値を超えた場合（Ｓ２０１が否定）、すなわち、燃料電池１０の暖気運転が完了した場合は、発電状態センサ１０ｂの信号に基づいてセル内の水分が過剰であるか否かを判定する（Ｓ３０１）。具体的には、発電状態センサ１０ｂにて検出したセル内の局所電流が所定電流以下であれば、セル内の水分が過剰であると判定する。
【００４０】
そして、Ｓ３０１が肯定で、且つ窒素回収器３５に窒素が貯蔵されている場合は（Ｓ３０２が肯定）、窒素弁４１を開弁させて、空気流路２０を通る空気中への窒素注入を開始させる（Ｓ３０３）。なお、Ｓ３０１およびＳ３０２のいずれかが否定の場合は窒素注入を停止させる（Ｓ３０４）。
【００４１】
上記の窒素注入により、燃料電池１０に供給される空気の酸素分圧が、定常運転時よりも下がる。そして、酸素分圧が下がるとセルのＩＲ損が増えるため、セルの自己発熱量が増大する。したがって、セルを速やかに乾燥させることができる。因みに、本明細書における「定常運転時」は、燃料電池１０の暖気運転が完了し、かつセル内の水分が適正な範囲に維持されている状態を意味する。
【００４２】
なお、酸素分圧を低くする際に単に窒素注入のみを行うと、燃料電池１０に供給される空気の供給圧力が上がってしまい、空気極側からの透過水が水素極側に行き易くなって水素極側の水分過剰状態が更に進行してしまう。そこで、窒素注入時には、空気供給器２１の作動を調整して、空気の供給圧力を上げることなく酸素分圧を低くするのが望ましく、それにより、上記のような水素極側の水分過剰状態が更に進行するのを回避することができる。
【００４３】
Ｓ３０３またはＳ３０４の処理後、電力回生中か否かを判定する（Ｓ４０１）。Ｓ４０１が肯定であれば、第１酸素弁２７を開弁させて、酸素回収器２６による酸素の分離および貯蔵を開始させる（Ｓ４０２）。Ｓ４０１が否定であれば、第１酸素弁２７を閉弁させて、酸素回収器２６による酸素の分離および貯蔵を停止させる（Ｓ４０３）。なお、燃料電池１０の発電状態が悪くなった際には、第２酸素弁２８を開弁させて、酸素回収器２６に貯蔵された高純度の酸素を燃料電池１０に供給するのが望ましい。
【００４４】
Ｓ２０４、Ｓ２０６、Ｓ４０２またはＳ４０３の処理後、キースイッチがオフ位置にセットされたか否かを判定し（Ｓ５０１）、肯定の場合は、「キーオフ時処理」を実行する（Ｓ６０）。
【００４５】
次に、図３に基づいて、「キーオフ時処理」について説明する。キースイッチがオフ位置にセットされた場合、燃料電池１０の空気極にパージエアを供給する（Ｓ６０１）。
【００４６】
次に、窒素回収器３５に窒素が貯蔵されている場合は（Ｓ６０２が肯定）、窒素弁４１を開弁させて、空気流路２０を通る空気中への窒素注入を開始させる（Ｓ６０３）。これにより、燃料電池１０に供給される空気の酸素分圧が下がり、セルのＩＲ損が増えるため、セルの自己発熱量が増大する。したがって、セルを速やかに乾燥させることができ、運転停止中におけるセル内での水分の凍結を防止して、燃料電池１０の低温起動性を高めることができる。
【００４７】
次に、湿度センサ２４の信号に基づいて燃料電池１０の湿度が閾値以下か否かを判定する（Ｓ６０４）。Ｓ６０４が肯定であれば、燃料電池システムの運転を停止させる（Ｓ６０５）。具体的には、空気供給器２１を停止させて燃料電池１０への空気供給を停止し、第１水素弁３４を閉弁させて燃料電池１０への水素供給を停止して、燃料電池１０の発電運転を終了させる。
【００４８】
一方、Ｓ６０２が否定の場合は窒素注入を停止させ（Ｓ６０６）、キースイッチがオフされてから所定時間（例えば、３０秒）が経過した時点で（Ｓ６０７が肯定）、燃料電池システムの運転を停止させる（Ｓ６０５）。また、Ｓ６０４が否定の場合も、キースイッチがオフされてから所定時間（例えば、３０秒）が経過した時点で（Ｓ６０７が肯定）、燃料電池システムの運転を停止させる（Ｓ６０５）。
【００４９】
以上述べたように、本実施形態によると、窒素注入により燃料電池１０に供給される空気の酸素分圧を下げることにより、セルのＩＲ損を増やして、セルの自己発熱量を増大させることができる。
【００５０】
そして、セル内の水分が過剰であるときに供給空気の酸素分圧を下げることにより、セルの自己発熱量を増大させて、セルを速やかに乾燥させることができる。
【００５１】
また、低温起動時のように燃料電池１０の温度が低いときに、供給空気の酸素分圧を下げることにより、セルの自己発熱量を増大させて、燃料電池１０の暖気を促進することができる。
【００５２】
また、燃料電池１０の発電運転を終了させる際に、供給空気の酸素分圧を下げて発電運転を所定の間継続させることにより、セルを速やかに乾燥させることができ、運転停止中におけるセル内での水分の凍結を防止して、燃料電池１０の低温起動性を高めることができる。
【００５３】
また、酸素分圧を低くすると発電状態が悪くなる傾向になるが、燃料電池１０の発電状態が良いときにのみ酸素分圧を低くする制御を行うようにしているため、燃料電池１０を安定して作動させることができる。
【００５４】
また、従来のように水素供給圧力を下げる場合よりも、供給空気の酸素分圧を下げる方が、発電効率を大きく変えられる。
【００５５】
また、燃料電池１０から排出される未反応の排出水素を水素供給経路３０ａに戻すようにした、従来の水素循環方式の燃料電池システムにおいては、循環するガス中の窒素を水素循環系外に排出する際に水素も同時に排出されてしまう。これに対し、本実施形態では、窒素回収器３５によって窒素を回収するため、水素を水素循環系外に排出することなく窒素を水素循環系から除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】図１の制御部５０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【図３】図１の制御部５０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…燃料電池、３５…窒素回収器（酸素分圧調整手段）、５０…制御部（制御手段）。
【図１】
2005158423.tif 000003
【図２】
2005158423.tif 000004
【図３】
2005158423.tif 000005