(57)【要約】【課題】  燃料ガスの循環系に異常が発生して、燃料ガスを循環できなくなった場合でも、燃料電池への燃料ガスの供給量を確保し、発電出力の低下ならびにシステムの運転停止を回避することを課題とする。【解決手段】  燃料電池５から排出された燃料ガスを、循環用配管６を介して燃料電池５へ再度供給して循環させる循環系に異常が発生して、燃料ガスが燃料電池５に再度供給されず循環しないことを制御手段で検出した場合には、水素排出弁７により燃料電池５から排出された燃料ガスを循環用配管６外に排出するように構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電状態に応じて定まる所定流量の酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の発電状態に応じて定まる所定流量の燃料ガスを、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料電池へ再度供給して循環させる燃料ガス循環手段と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス循環手段の外に排出する排出手段と
を有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス循環手段に異常が発生して、前記燃料ガス循環手段を介して燃料ガスが前記燃料電池に再度供給されず循環しないことを検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により前記燃料ガス循環手段に異常を検出した場合には、前記排出手段により前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス循環手段の外に排出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記異常検出手段により前記燃料ガス循環手段に異常を検出し、前記排出手段により前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス循環手段の外に排出した場合に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの量を増加する
ことを特徴とした請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記異常検出手段により前記燃料ガス循環手段に異常を検出し、前記排出手段により前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス循環手段の外に排出している間も、前記燃料電池の出力に応じて燃料ガスの供給圧力を制御する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出手段は、複数の排出弁を有し、
前記燃料電池の出力に応じて前記複数の排出弁の開閉を制御する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記異常検出手段により前記燃料ガス循環手段に異常を検出した場合には、その旨を警報する警報手段
を有することを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項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、燃料電池から排出された排出燃料と原燃料を混合し、この混合燃料を燃料電池に供給して循環させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化剤となる空気が供給されるカソード電極（酸化剤極）との間に配置した構成となっている。燃料極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。一方、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、燃料極で発電に使用されなかった水素を再循環させて、原燃料の水素と混合し、この混合燃料を燃料極に供給するようにしたものが、例えば以下に示す文献に記載されている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池の燃料極から排出された余剰の水素を排出側水分離器、流路遮断弁を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するようにしている。これにより、燃料ガスの水素を無駄に排出することなく効率よく使用することができる。
【特許文献１】特開２００２−２３１２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上説明したように、燃料電池から排出された燃料ガスの水素を循環させる従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出された余剰水素を循環させる水素循環系に故障等が発生して、燃料ガスの水素を循環できなくなった場合には、燃料電池に対して適切な水素供給量（反応に用いられる量＋効率よく発電させるためなどに必要な余分な供給量）が確保できなくなる。このため、燃料電池内部の通路に水が滞留して水つまりなどが生じる。これにより、燃料電池に発電に必要な水素が十分に供給されず、燃料電池の出力が低下し、ついには発電できない状態に至ってしまう。この結果、燃料電池システムを停止しなくてはならない状態となるといった懸念があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料ガスの循環系に異常が発生して、燃料ガスを循環できなくなった場合でも、燃料電池への燃料ガスの供給量を確保し、発電出力の低下ならびにシステムの運転停止を回避した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて、燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電状態に応じて定まる所定流量の酸化剤ガスを、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池の発電状態に応じて定まる所定流量の燃料ガスを、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料電池へ再度供給して循環させる燃料ガス循環手段と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス循環手段の外に排出する排出手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス循環手段に異常が発生して、前記燃料ガス循環手段を介して燃料ガスが前記燃料電池に再度供給されず循環しないことを検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により前記燃料ガス循環手段に異常を検出した場合には、前記排出手段により前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料ガス循環手段の外に排出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料ガス循環手段の異常を検出した場合には、燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス循環手段の外に排出して、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量を確保するようにしたので、燃料ガスが循環されなくなった場合であっても、燃料電池の急な出力低下や、燃料電池システムの停止を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムにおいて、燃料電池５には燃料系、空気系の配管が接続されている。燃料系は、上流側から燃料の水素を貯蔵する燃料貯蔵用タンク１、燃料貯蔵用タンク１から流出した水素の圧力を調整する圧力調整用の制御弁２、燃料電池５から排出されて循環された水素を制御弁２を介して与えられる原燃料の水素と混合する燃料循環用のエゼクタ３、燃料電池５の入口側の燃料圧力を計測する圧力センサ４が設けられる。なお、燃料循環機構としては、エゼクタ３に代えて、コンプレッサを燃料循環路に設けてもよい。
【００１１】
燃料電池５の下流には、燃料電池５から排出された水素をエゼクタ３に導いて循環させる循環用配管６と、燃料電池５と水素燃焼器８との間に燃料電池５から排出された水素を水素燃焼器８側に排出する第１の水素排出弁７とが設けられている。
【００１２】
空気系は、上流側から酸化剤の空気を燃料電池５に圧送するコンプレッサ９、燃料電池５の入口側の空気圧力を計測する圧力センサ１０、燃料電池５に供給される空気の圧力を調整する圧力調整用の制御弁１１が設けられている。また、燃料電池５の下流には、燃料電池５から第１の水素排出弁７を介して排出された水素と燃料電池５から制御弁１１を介して排出された空気を導入して水素を燃焼させ、燃料電池５から排出された水素を未燃ガスのまま排出させないための水素燃焼器８が設けられている。
【００１３】
また、図１には図示されていないが、図１ならびに後述する図４に示す燃料電池システムは、燃料電池システムの運転動作を制御する制御中枢となる制御手段を備えている。この制御手段は、プログラムに基づいて各種動作処理を制御実行するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により構成され、燃料電池システムの制御中枢として機能し、圧力センサ４、１０で計測された圧力を入力し、制御弁２、１１、燃料電池５、第１の水素排出弁７、コンプレッサ９、水素燃焼器８の制御を含めて、この実施例１、ならびに後述する本発明の実施例２、実施例３で行われる種々の処理を、予め用意されて記憶装置等に格納されたプログラムに基づいて制御して実行する。
【００１４】
次に、図２に示す制御フローチャートを参照して、この実施例１の動作を説明する。
【００１５】
図２において、ステップＳ２１では、水素の循環が行われているか否か、即ち燃料電池システムの動作に異常がないか否かの検出を制御手段で行う。この検出方法としては、例えば、（１）循環用配管６の途中に流量センサ（図示せず）を配置し、流量センサの計測結果により水素循環の有無を検出する。（２）エゼクタ３の循環水素入り口側に圧力センサ（図示せず）を配置し、この圧力センサで計測された圧力と、燃料電池５の入口側に設けられた圧力センサ４で計測された圧力を比較し、両圧力差が少ない場合等は水素が循環用配管６を循環していないと判断できる、等があるが、検出方法は上記に限ったものではない。
【００１６】
なお、実施例１では、水素の循環手段としてエゼクタ３を一例にしているが、回転式の循環ポンプを使用した場合などは、ポンプの回転を計測する回転センサや、ポンプの断線診断などによっても水素循環の有無を検出することができる。
【００１７】
上記検出方法により水素循環が行われていないと判断した場合には、ステップＳ２２に進み、循環していると判断した場合には制御フローを終了する。
【００１８】
次に、ステップＳ２２において、燃料電池５から取り出せる電力を制限する。これは第１の水素排出弁７から排出される水素量に応じて、燃料電池５に供給（通過）できる水素量が決まるために、取り出せる電力量を制限して燃料電池５を通過する水素が不足しないようにする。
【００１９】
例えば、燃料電池５での水素利用率を６７％程度、第１の水素排出弁７からの水素排出量が５０ＮＬ／ｍｉｎ程度とした場合には、燃料電池５で消費する水素量１００ＮＬ／ｍｉｎ程度までの電力を取り出すことが可能となる。また、第１の水素排出弁７からの水素排出量は、燃料系の加湿状態や、空気系から燃料系に透過された窒素の濃度などにより変化するため、これらを考慮して水素排出量を計算する。
【００２０】
次に、ステップＳ２３において、第１の水素排出弁７を開き、燃料電池５から排出された水素が水素燃焼器８へ流れるようにする。
【００２１】
次に、ステップＳ２４において、水素の循環系に故障等が発生して、水素の循環が行われていないこと、あるいはた燃料電池５の出力が制限されていることを、燃料電池システムの外部に知らせるために、フェールランプの点灯、ブザー音などによる警告を行う。
【００２２】
以上説明したように、上記実施例１においては、燃料ガスの水素の循環手段の異常を検出した場合には、第１の水素排出弁７を開き、燃料電池５に供給される燃料ガスの供給流量を確保するようにしたので、発電出力の急な低下やシステム停止を回避することができる。また、この実施例１の燃料電池システムを搭載した車両においては、走行時に燃料電池システムを停止させずに、車両を安全な場所または修理できる場所まで走行することが可能となる。
【実施例２】
【００２３】
次に、図３に示すフローチャートを参照して、本発明の実施例２の動作を説明する。
【００２４】
図３において、ステップＳ３１では、水素の循環が行われているか否かの検出を制御手段で行う。検出の手法は、実施例１の手法と同様である。
【００２５】
次に、ステップＳ３２において、燃料電池５の取り出せる電力を制限する。
【００２６】
次に、ステップＳ３３において、この燃料電池システムが車両に搭載された場合に、アクセル開度、アクセルの開度変化率等に基づいて、運転者がどの程度の発電出力を要求しているかの検出を制御手段で行う。アクセル開度が大きい場合や、アクセルの開度変化率が大きい場合は、高出力を必要としていると判断する。
【００２７】
次に、ステップＳ３４において、制御手段により水素の供給圧力と空気の供給量の設定を行う。水素の供給圧力は、燃料電池５の要求出力が大きいほど高く設定するようにする。これは、第１の水素排出弁７からの水素排出量が第１の水素排出弁７の近傍の水素圧力で決まり、発電出力が大きい＝燃料電池５に供給する水素が多い→余分に流さなければならない水素量も多くなるので、燃料電池５の要求出力が大きい場合ほど、水素圧力を高く設定する。
【００２８】
しかし、常に高い水素圧力を保つと、無駄に排出してしまう水素量が多くなるため、出力が低くてもよい場合には、水素圧力を低めに設定して、無駄に排出される水素を低減するようにする。
【００２９】
続いて、空気の供給量を設定する。燃料電池５に供給される空気量は、基本的には燃料電池５で発電に必要な量と、発電効率や燃料電池５内での水つまりなどを起こさないための過剰分を計算して供給する必要がある。さらに考慮しなければならないことは、この燃料電池システムは、燃料電池５から排出された水素を水素燃焼器８で燃焼させて排出するシステムとなっているため、水素を燃焼させるために必要な空気量を確保する必要がある。そのため、水素燃焼用の空気量と発電効率や水つまり防止のための過剰分空気量とを比較して、多い方を選択し、それに発電に必要な空気量を加算した空気量を空気の供給量として設定する。すなわち、
供給空気量＝発電反応に必要な量＋ｍａｘ（水素燃焼器８で必要な量、発電効率や水つまり防止に必要な量）となる。
【００３０】
水素燃焼器８で必要な空気量は、水素燃焼器８での燃焼温度によっても影響される。これは、λ（水素燃焼器８での空気過剰率）が低い（例えば１や２）などで供給した場合に、燃焼温度がかなり高温になるため、水素燃焼器８の耐熱温度以上になってしまうことが考えられる。このため、制御したい燃焼ガス温度に応じて水素燃焼器８での必要ガス量が計算される。
【００３１】
なお、水素燃焼器８を有さず、排出された水素を燃料電池５から排出された空気で未燃濃度まで希釈して排出するシステムでは、水素を希釈するために必要な空気量を確保する必要がある。このため、水素を希釈するための空気量と発電効率や水つまり防止のための過剰分の空気量とを比較して、多い方を選択し、それに発電に必要な空気量を加算した空気量を空気の供給量として設定する。すなわち、
供給空気量＝発電反応に必要な量＋ｍａｘ（排出水素の希釈に必要な量、発電効率や水つまり防止に必要な量）となる。
【００３２】
次に、ステップＳ３５において、第１の水素排出弁７を開き、燃料電池５から排出された水素が水素燃焼器８へ流れるようにする。
【００３３】
次に、ステップＳ３６において、水素の循環系に故障等が発生して、水素の循環が行われていないこと、あるいはた燃料電池５の出力が制限されていることを、燃料電池システムの外部に知らせるために、フェールランプの点灯、ブザー音などによる警告を行う。
【００３４】
以上説明したように、この実施例２においては、先の実施例１と同様の効果が得られるのに加えて、燃料電池５の発電出力に応じて水素供給圧力を制御するようにしたので、水素の循環システムに故障等が発生した場合に、第１の水素排出弁７を開いた場合の排出水素量を低減することができる。これにより、水素の循環系の異常時に燃費の悪化を抑制することができる。
【００３５】
また、第１の水素排出弁７による水素排出量に応じて、供給空気量を制御することにより水素燃焼器８を適正に使用することができる。さらに、水素燃焼器８を用いないシステムにおいても、外部に可燃水素ガスを排出することを防止することができる。
【実施例３】
【００３６】
図４はこの発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４において、この実施例３の燃料電池システムの特徴とするところは、図１に示す実施例１の燃料電池システムに比べて、図１に示す循環用配管６から水素燃焼器８の上流へ水素を排出する水素排出用配管１２を設け、この水素排出用配管１２に水素の排出を制御する第２の水素排出弁１３を設けたことにあり、他は実施例１の図１と同様である。
【００３７】
次に、図５に示す制御フローチャートを参照して、この実施例３の動作を説明する。
【００３８】
図５において、ステップＳ５１では、水素の循環が行われているか否かの検出を行う。検出の手法は、先の実施例１の手法と同等である。
【００３９】
次に、ステップＳ５２において、燃料電池５の取り出せる電力を制限する。
【００４０】
次に、ステップＳ５３において、この燃料電池システムが車両に搭載された場合に、アクセル開度、アクセルの開度変化率等に基づいて、運転者がどの程度の発電出力を要求しているかの検出を制御手段で行う。アクセル開度が大きい場合や、アクセルの開度変化率が大きい場合は、高出力を必要としていると判断する。
【００４１】
次に、ステップＳ５４において、要求出力が所定値以下であるか否かを判断する。先の実施例２では、水素供給圧力を制御して、要求出力に応じるように制御していたが、このような制御では、水素供給圧力によって対応できる制御範囲はあまり広くない。このため、この実施例３では要求出力に応じて水素を排出する弁の数を変更する。すなわち、低出力時は１つの弁（第１の水素排出弁７）で対応し、高出力時は２つの弁（第１の水素排出弁７と第２の水素排出弁１３）を使用することにより水素供給量を確保するようにしている。このため、要求出力が所定値以下であると判断した場合には、ステップＳ５５に進み、１つの水素排出弁（第１の水素排出弁７）を使った制御を行い、要求出力が所定値以上の場合には、ステップＳ５７に進み、２つの水素排出弁（第１の水素排出弁７、第２の水素排出弁１３）を使った制御を行う。
【００４２】
次に、ステップＳ５５において、水素の供給圧力と空気供給量の設定を行う。設定方法は、先の実施例２の方法と同様である。
【００４３】
次に、ステップＳ５６において、第１の水素排出弁７を開き、第１の水素排出弁７を介して燃料電池５から排出された水素が水素燃焼器８へ流れるようにする。
【００４４】
次に、ステップＳ５７において、水素の供給圧力と空気供給量の設定を行う。設定方法は、先の実施例２の方法と同様である。第１の水素排出弁７と第２の水素排出弁１３の２つの水素排出弁を使用して高出力まで対応するため、供給空気量は第１の水素排出弁７と第２の水素排出弁１３からの水素排出量を考慮した量とする。
【００４５】
ステップＳ５８において、第１の水素排出弁７と第２の水素排出弁１３を開き、第１の水素排出弁７を介して燃料電池５から排出された水素が水素燃焼器８へ流れ、第２の水素排出弁１３を介して循環用配管６から水素燃焼器８へ水素が流れるようにする。
【００４６】
次に、ステップＳ５９において、水素の循環系に故障等が発生して、水素の循環が行われていないこと、あるいはた燃料電池５の出力が制限されていることを、燃料電池システムの外部に知らせるために、フェールランプの点灯、ブザー音などによる警告を行う。
【００４７】
なお、上記実施例３においては、第１の水素排出弁７と第２の水素排出弁１３が同じサイズのバルブであると想定している。しかし、両弁の排出量が、第１の水素排出弁７＜第２の水素排出弁１３となるように設定した場合には、発電出力に応じて最初は第１の水素排出弁７を使い、その後第２の水素排出弁１３を使い、発電出力が最も必要な場合に第１の水素排出弁７と第２の水素排出弁１３の両方を使うように制御にしてもよい。また、水素排出弁の数は２つに限らず、それぞれの第１の水素排出弁７、第２の水素排出弁１３と同様に機能する、３つ以上の複数個であってもよい。
【００４８】
さらに、先の実施例２で説明したと同様に、燃料電池５から排出された水素を、燃料電池５から排出された空気で未燃濃度まで希釈して排出するシステムとしてもよい。また、本実施例３では、水素燃焼器８の上流側手前に水素排出用配管１２を接続したが、水素排出用配管１２と同様に機能する配管を水素燃焼器８の下流側に接続し、この配管を介して排出される水素を、水素燃焼器８の排気により希釈して未燃水素として外部に排出するようにしてもよい。
【００４９】
以上説明したように、この実施例３においては、先の実施例１ならびに実施例２と同様の効果が得られるのに加えて、燃料電池５の出力に応じて第１の水素排出弁７、第２の水素排出弁１３の開閉を組み合わせるようにして水素の排出を制御するようにしたので、水素の循環系に異常が発生して水素が循環されない場合であっても、先の実施例２に比べて燃料電池５の出力可能領域を広く確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料貯蔵用タンク
２，１１…制御弁
３…エゼクタ
４，１０…圧力センサ
５…燃料電池
６…循環用配管
７…第１の水素排出弁
８…水素燃焼器
９…コンプレッサ
１２…水素排出用配管
１３…第２の水素排出弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005056790.tif 000006
【図５】
2005056790.tif 000007