(57)【要約】【課題】  水素循環路からパージによる水素放出を無くすと共に、アノードオフガスから効率よく不純物を除去する。【解決手段】  アノードオフガスの循環経路は、アノード出口３ｂから、水素循環路１１、水素循環ポンプ１２、並列接続された水素分離装置１６及び可変オリフィス１５、水素循環路１７、水素供給路１０と水素循環路１０との合流点９、水素供給路１０、アノード入口３ａの順に形成される。コントローラ２４は、水素分離装置１６の入口出口の差圧が最適分離効率となるように、可変オリフィス１５によるバイパス流量を制御する。【選択図】  図１
2005346950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸化剤の電気化学反応により発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体のアノード入口に水素を供給する水素供給経路と、
前記燃料電池本体のアノード出口から排出されたアノードオフガスを前記水素供給経路へ戻すアノードオフガス循環経路と、
前記水素供給経路と前記アノードオフガス循環経路との合流点より上流の前記アノードオフガス循環経路上に配設され、アノードオフガスから水素を分離する水素分離装置と、
前記水素分離装置をバイパスするバイパス経路と、
該バイパス経路のガス流量を制御するバイパス流量制御手段と、
前記水素分離装置の入口と出口との差圧が最適分離効率となるように前記バイパス流量制御手段を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池本体が出力すべき目標電流を演算する目標電流演算手段と、
前記燃料電池本体が出力する出力電流を検出する電流検出手段と、
前記目標電流と前記出力電流との差に基づいて、前記バイパス流量制御手段を制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
通常、燃料電池の末端セル及び発電面の末端部まで反応ガスが行き渡るように、アノード及びカソードには、電気化学反応で消費される反応ガス量より多い量の水素や空気が供給される。アノード出口からは、アノードオフガスと呼ばれる余剰の水素ガスを含んだガスが排出される。アノードオフガスは、未反応の水素ガスを含んでいるので、新規に供給される水素と混合されて再度アノードに供給される。このように、アノードオフガスを循環させる機能を有する燃料電池では、電解質膜を介してカソードの空気から窒素やアルゴンという不活性ガスがアノードへリークし、アノード循環経路内に蓄積する。また、このアノード循環経路内には、燃料ガスとしての水素に含まれていた不純物ガスが蓄積することもある。
【０００４】
これらの不純物がアノード循環経路に蓄積する量は、燃料電池の運転時間の経過と共に増加し、アノードにおける水素分圧が低下するので発電性能が低下する。このため、運転時間中に時々、アノードオフガスを系外に排出して、アノード循環経路から不純物を除くパージと呼ばれる動作を行っている。しかしながら、パージ動作を行う際には、未反応の水素ガスも放出されるために、燃料電池の燃費性能が低下する。
【０００５】
この対策として、例えば、特許文献１によれば、水素供給源と燃料電池との間に、水素を選択的に透過させる水素透過膜を有する水素分離装置を配置し、再循環させたアノードオフガスと、供給ガス（水素リッチガス）の両方を同時に水素分離装置に供給し、水素透過膜を透過した水素を燃料電池へ供給する燃料電池システムが開示されている。
【０００６】
また、特許文献１によれば、燃料電池のアノード循環系に残存する水素濃度又は量を算出し、パージ中に残存水素を全て使い切るだけの負荷電流を燃料電池にかけることで、パージ時に排出される水素量を極力低減する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２４３０２０号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムによれば、アノードオフガスからの水素分離と供給ガスからの水素分離とを共用の水素分離装置で行っているため、アノードオフガスからの分離水素量は、単独でアノードオフガスから水素分離する場合よりも少なくなるため、水素分離効率は低下するという問題点があった。
【０００８】
また、パージ中に水素循環系の残存水素を使い切ることで水素の排出量を低減しようとすると、燃料電池の電解質膜や電極触媒が劣化する虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するため、水素及び酸化剤の電気化学反応により発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体のアノード入口に水素を供給する水素供給経路と、前記燃料電池本体のアノード出口から排出されたアノードオフガスを前記水素供給経路へ戻すアノードオフガス循環経路と、前記水素供給経路と前記アノードオフガス循環経路との合流点より上流の前記アノードオフガス循環経路上に配設され、アノードオフガスから水素を分離する水素分離装置と、前記水素分離装置をバイパスするバイパス経路と、該バイパス経路のガス流量を制御するバイパス流量制御手段と、前記水素分離装置の入口と出口との差圧が最適分離効率となるように前記バイパス流量制御手段を制御する制御装置と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水素循環路にアノードオフガス専用の水素分離装置を設けたので、燃料電池上流側に水素分離装置を設けて新規供給ガスとアノードオフガスの両方から一つの水素分離装置を共用して水素分離する場合よりも、アノードオフガスから分離できる水素量及び分離効率が向上するという効果がある。
【００１１】
また、パージ自体の必要がなく、パージ中に水素循環系の残存水素を使い切ることに由来する電解質膜や電極触媒の劣化の虞もない。
【発明の実施の形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム概略図である。図１において、燃料電池システム１は、アノード３及びカソード４を有する燃料電池本体２と、燃料電池本体２の出力電流を検出する電流計５と、燃料電池本体２が発電した電力を消費する負荷装置６と、水素供給源７と、水素供給源７から供給される水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁８と、水素調圧弁８とアノード３の入口３ａとを接続する水素供給路１０と、アノード３の出口３ｂと水素循環ポンプ１２の入口とを接続する水素循環路１１と、アノード出口３ｂから排出されたアノードオフガスを圧送する水素循環ポンプ１２と、水素循環ポンプ１２の下流で分岐する水素循環路１３，１４と、水素循環路１３上に配置された可変オリフィス１５と、水素循環路１４上に配置された水素分離装置１６と、水素循環路１３及び１４の下流で合流した水素循環路１７と、水素循環路１７が水素供給路１０に合流する合流点９と、水素分離装置１６から分離された不純物を排出する
排出路１８と、カソード４に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気コンプレッサ１９と、カソード４から排出される空気の圧力を調整する空気調圧弁２０と、アノード入口３ａの圧力を検出する圧力センサ２１と、水素分離装置１６の入口圧力を検出する圧力センサ２２と、水素分離装置１６の出口圧力を検出する圧力センサ２３と、燃料電池システム１を制御するコントローラ２４とを備えている。
【００１４】
燃料電池本体２は、例えば、固体高分子電解質を備えた固体高分子型燃料電池である。水素供給源７は、高圧水素タンク、水素吸蔵材料タンク、液化水素貯蔵装置等の水素貯蔵装置、または原燃料から改質した水素を生成する燃料改質装置である。
【００１５】
水素分離装置１６は、水素透過性金属膜、分子篩炭素膜等を使用して、水素を含むガスから水素ガスと水素以外の不純物ガスとを分離する装置である。水素透過性金属膜を用いた水素分離装置としては、特開２００３−３３４４１７号公報記載の「水素透過膜利用装置」が公知である。分子篩炭素膜を用いた水素分離装置としては、特開２００３−１６０３０８号公報記載の「分子篩炭素膜による水素の精製方法」を適用することができる。特に分子篩炭素膜は、室温乃至１５０〔℃〕程度の条件下で優れた水素分離特性を示すので、固体高分子型燃料電池のアノードオフガスから水素を分離する用途に好ましい。
【００１６】
可変オリフィス１５は、水素分離装置１６が配置された水素循環路１４と並列に配置されたバイパス路である水素循環路１３の流量を調整するバイパス流量制御手段であり、可変オリフィスに代えて開度調節可能な弁を用いてもよい。
【００１７】
コントローラ２４は、燃料電池システム１の全体を制御すると共に、負荷装置６からの要求負荷、電流計５による燃料電池出力電流、圧力計２１によるアノード供給圧力、圧力計２２及び２３による水素分離装置１６の入口出口間の差圧等を入力し、この要求負荷に応じた運転圧力に反応ガスを制御すると共に、可変オリフィス１５の開度を制御するものである。
【００１８】
尚、特に限定されないが本実施例では、コントローラ２４は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００１９】
次に、上記構成による本実施例の動作を説明する。水素供給源７より燃料電池本体２のアノード３へ水素が供給される。水素供給源７と燃料電池本体２との間には、供給する水素の圧力調整のための調圧弁８が設けられていて、コントローラ２４は、負荷に応じた要求水素供給量を満たすよう調圧弁８を制御して供給水素圧力調整を行う。
【００２０】
燃料電池本体２のアノード３においては、供給された水素が全て反応するということはなく、アノード触媒で反応しない未反応水素が、水蒸気、カソード４からアノード３へ透過してきた窒素、アルゴンなどの不純ガスと共に排出される。
【００２１】
アノード３の出口３ｂから排出される未反応水素、水蒸気、窒素などが混じったアノードオフガスは、未反応水素の再利用による燃料効率向上と、反応を促進させるために水素供給源７から供給されるドライ水素の加湿を行うこと、余剰水素を循環させることで安定した出力を得ることなどのために常時循環している。
【００２２】
アノードオフガスは、水素循環路１１を通過し水素循環ポンプ１２によって圧送されることで、水素循環路１７を介して水素供給路１０との合流点９で合流する。水素循環ポンプ１２の下流の水素循環路は、水素循環路１３，１４に分岐する。水素循環路１４には、水素分離装置１６が配置され、水素循環路１３には、水素分離装置１６をバイパスするバイパス流量制御手段としての可変オリフィス１５により流量が制御される。
【００２３】
水素分離装置１６では、アノードオフガスから水素が分離され、窒素、水蒸気などの不純ガスは、排出路１８から系外へ排出される。分離された水素は、水素循環路１７を介して水素供給路１０との合流点９に至る。可変オリフィス１５により流量が調整されたアノードオフガスも水素循環路１７を介して水素供給路１０との合流点９に至る。
【００２４】
燃料電池本体２の出力が大出力時に、水素分離装置１６の圧力損失などから、システムが要求するアノードオフガス循環流量を保持することができないことがある。それを回避するために、水素分離装置１６を設けた分離循環路１４と並列に、バイパス路の役割を果たす経路として可変オリフィス１５など流量調整が可能な装置を設けた水素循環路１３を設けている。
【００２５】
変動する燃料電池の負荷に応じたアノードオフガスの循環流量の確保と、水素分離装置１６に対する最適分離効率の維持の両立させるために、水素循環ポンプ１２，調圧弁８、可変オリフィス１５による水素分離装置１６の入口出口間の差圧の補正制御が行える構成になっている。
【００２６】
コントローラ２４は、水素循環ポンプ１２の吐出圧力と、可変オリフィス１５の開度とを制御して、水素分離装置１６の入口圧力と出口圧力との差圧、または水素分離装置の流量を、最適分離効率を達成できる差圧または流量へ調整を行う。しかし、燃料電池出力の大出力時には、水素循環路１３上の可変オリフィス１５の開度を開いて、たとえ水素分離装置１６の最適分離効率が達成できる差圧または流量からはずれても、燃料電池システムが要求するアノードオフガス循環流量の確保が可能である。
【００２７】
水素分離装置１６で分離された不純ガスは、水素を含まず、主成分は水蒸気、窒素、アルゴンなどの環境に対して無害なガスであるため、排出路１８から常時外部へ排出される。
【００２８】
本実施形態では、燃料電池の高負荷時、即ちアノードオフガスの循環流量が多い時に、水素分離装置の圧力損失によるアノードオフガス循環流量不足を水素循環路１３の可変オリフィス１５の開度を大きくすることにより回避しているのは、水素分離装置１６の分離性能（分離効率、圧力損失、使用流量域）を限定せずに適用可能であることを意味する。即ち、水素分離装置の分離性能が十分高ければ、高出力時に循環流量が増加したアノードオフガスを水素循環路１３によってバイパスしなくともシステムが要求する循環流量のアノードオフガスを水素分離装置１６に通過させることができることは言うまでもない。
【００２９】
次に、図３のフローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラ２４による制御を説明する。図３のフローチャートは、燃料電池起動開始の入口と、起動して暖機が完了した後に所定時間毎（例えば、１０〔ｍＳ〕毎）に呼び出される入口の二つの入口がある。
【００３０】
まず、燃料電池システムの起動が開始されると、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池本体２の暖機運転を開始する。これには、空気コンプレッサ１９及び水素循環ポンプ１２を起動すると共に、アノードの水素圧力及びカソードの空気圧力が所定の暖機運転圧力となるように、空気調圧弁２０及び水素調圧弁８を設定し、燃料電池本体２から暖機用の出力電流を取り出す。
【００３１】
次いでＳ１２で、燃料電池本体２の温度であるスタック温度Ｔｓを図１には図示しない温度センサで検出し、Ｓ１４でＴｓが所定の暖機温度Ｔ0 （例えば、固体高分子型燃料電池の場合、８０〔℃〕）を超えたか否かを判定する。Ｓ１４の判定でＴｓがＴ0 を超えていなければ、Ｓ１２に戻る。
【００３２】
Ｓ１４の判定で、ＴｓがＴ0 を超えていれば、暖機終了としてＳ１６へ進む。Ｓ１６では、負荷装置６からの要求負荷Ｗｒをコントローラ２４へ読み込み、Ｓ１８で要求負荷Ｗｒから燃料電池本体２が出力すべき目標電流Ｉｔを算出する。次いで、Ｓ２０で目標電流Ｉｔから目標運転圧力Ｐｔを算出する。これには、予め実験に基づいて作成された制御マップをコントローラ２４に記憶させておき、この制御マップを参照して、目標電流Ｉｔから目標運転圧力Ｐｔを算出する。
【００３３】
次いでＳ２２で、圧力センサ２１が検出するアノード入口圧力が目標運転圧力Ｐｔとなるように水素調圧弁８を制御し、Ｓ２４で、可変オリフィス１５の開度を水素分離装置１６が最適分離効率となる所定の差圧に設定する。このとき、水素分離装置１６の入口圧力を検出する圧力センサ２２と、同出口圧力を検出する圧力センサ２３との検出値の差を算出して水素分離装置１６の入口出口間の差圧値とし、この差圧値が予め設定された水素分離装置１６が最大分離効率となる所定値となるように可変オリフィス１５の開度、言い換えれば水素循環路１３によるアノードオフガスのバイパス流量を制御する。
【００３４】
次いで、Ｓ２６で圧力センサ２１が検出したアノード入口圧力Ｐ1 をコントローラ２４へ読み込み、Ｓ２８で目標運転圧力Ｐｔとアノード入口圧力Ｐ1 との偏差の絶対値が所定の誤差ε未満となったか否かを判定する。Ｓ２８の判定で、偏差の絶対値がε以上であれば、Ｓ２２へ戻り、制御誤差を更に縮小するための制御を続ける。
【００３５】
Ｓ２８の判定で、偏差の絶対値がε未満であれば、制御誤差範囲内として、Ｓ３０へ移る。Ｓ３０では、電流計５により燃料電池の出力電流Ｉｏを検出し、コントローラ２４へ読み込む。次いで、Ｓ３２で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、Ｓ１６以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
【００３６】
Ｓ３２の判定で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α以上であれば、水素循環経路内に過剰な不純物が蓄積し、水素分圧が低下したために出力電流Ｉｏと目標電流Ｉｔとの乖離が許容値を超えたとして、Ｓ３４へ進み、水素調圧弁８を目標運転圧力に調整し、Ｓ３６で可変オリフィス１５を調整して、水素分離装置１６の入口出口の差圧が水素分離装置１６の最大不純物分離流量となるように調整する。これにより、急速にアノードオフガス循環経路から不純物が除去されて、循環経路内の水素分圧が上昇することになる。
【００３７】
次いで、Ｓ３８で電流計５により燃料電池の出力電流Ｉｏを検出してコントローラ２４へ読み込み、Ｓ４０で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、Ｓ１６以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
【００３８】
Ｓ４０の判定で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α以上であれば、Ｓ３４へ戻り、運転圧力と出力電流がともに目標値を満足するように制御する。
【００３９】
以上説明した本実施例によれば、水素供給源から供給される水素とアノードオフガスとの混合ガスを水素分離装置に供給せず、アノードオフガスのみから水素分離装置で水素を分離するために、水素分離装置の水素分離膜を通過しうる水素はすべてアノードオフガス中に含まれていた水素となるため、未反応水素の回収率及び水素循環流量を向上できるという効果がある。
【００４０】
また本実施例によれば、水素分離装置１６をバイパスする水素循環路１３を設けて、この水素循環路１３上にバイパス流量を制御するバイパス流量制御手段としての可変オリフィス１５を設けたので、水素分離装置１６が最適分離効率となるアノードオフガス流量を水素分離装置１６に供給するとともに、システムが要求するアノードオフガス循環流量を確保することができる。
【実施例２】
【００４１】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム概略図である。図２において、燃料電池システム１は、アノード３及びカソード４を有する燃料電池本体２と、燃料電池本体２の出力電流を検出する電流計５と、燃料電池本体２が発電した電力を消費する負荷装置６と、水素供給源７と、水素供給源７から供給される水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁８と、水素調圧弁８から供給される新規水素を駆動流としてアノードオフガスを循環させる流体ポンプであるエゼクタ３１，３２と、エゼクタ３１及び３２の下流に設けられた合流点９ａと燃料電池本体２のアノード３の入口３ａとを接続する水素供給路１０と、アノード３の出口３ｂと水蒸気除去装置３３の入口とを接続する水素循環路１１と、水蒸気除去装置３３の出口から分岐する水素循環路３４，３５，３６と、水素循環路３４上に配置された水素循環ポンプ１２と、水素循環路３５上に配置された可変オリフィス１５と、水素循環路３６から２分岐する入口配管３７，３８に接続された水素分離装置１６と、水素分離装置１６から分離された不純物を排出する排出路１８と、水素循環ポンプ１２の出口側の水素循環路４１が水素供給路１０に合流する合流点９ｂと、可変オリフィス１５の下流とエゼクタ３２の吸込口とを接続する水素循環路４０と、水素分離装置１６で分離された水素の出口とエゼクタ３１の吸込口とを接続する水素循環路３９と、カソード４に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気コンプレッサ１９と、カソード４から排出される空気の圧力を調整する空気調圧弁２０と、アノード入口３ａの圧力を検出する圧力センサ２１と、水素分離装置１６の入口圧力を検出する圧力センサ２２と、水素分離装置１６の出口圧力を検出する圧力センサ２３と、燃料電池システム１を制御するコントローラ２４とを備えている。
【００４２】
本実施例と実施例１との相違点は、アノードオフガスから水蒸気を除去する水蒸気除去装置３３を備えること、水素循環経路に水素循環ポンプ１２以外に、大流量時に水素循環を行う流体ポンプであるエゼクタ３１，３２を備えていることである。上記相違する構成要素及びこれらに伴う管路以外の構成要素は、実施例１と同様であるので同様の構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４３】
水蒸気除去装置３３は、例えば、アノードオフガスを露点以下に冷却して、アノードオフガスから水蒸気を除去する凝縮器や、空気コンプレッサ１９から供給する空気とアノードオフガスとを透湿性中空糸膜等を介して水蒸気交換することにより、アノードオフガスから水蒸気を除去する装置が適用できる。
【００４４】
アノードオフガスから水蒸気除去装置により水蒸気を除去することにより、その下流に配置された水素分離装置１６の分離膜の目詰まりを防止することができるので、水素分離効率を上昇させることができる。
【００４５】
また、アノードオフガス循環のための駆動力として、外部動力を必要としない流体ポンプであるエゼクタ３１，３２を用いているので水素循環のための消費エネルギーを低減することができる。エゼクタ３１は、水素調圧弁８から供給される新規水素を駆動流としてノズルから吹き出し、吸込口から水素分離装置１６で分離された水素を吸い込んで、両者を混合したガスを排出口から水素供給路１０へ送り出すものである。エゼクタ３２は、水素調圧弁８から供給される新規水素を駆動流としてノズルから吹き出し、吸込口から可変オリフィス１５で流量調整されたアノードオフガスを吸い込んで、両者を混合したガスを排出口から水素供給路１０へ送り出すものである。
【００４６】
複数のエゼクタを直列に配置した場合、各エゼクタノズル断面は有限であり、流体も体積を持っているため通れる量には限界があるため、エゼクタノズル断面を通過することができる流量は限られている。このことから、どんなに差圧を大きくしてもどれか一つのエゼクタが大きなストイキ（総流量／駆動流量）を得ると、その他のエゼクタにおいて、エゼクタ入口流量が増減するなどの制限を受けてしまい、ノズルの循環分量が減少したり、流速低下により大きな負圧を作ることができなってしまい、ほとんどストイキを得ることができないなどの弊害が出るため、全体での循環流量は不足してしまう。
【００４７】
しかし本実施例のようにエゼクタ３１，３２を並列に配置することで、各経路のノズルを通過する流量は他のエゼクタノズル通過流量による制限を受けないため、すべてのエゼクタに最適なエゼクタ入口流量を流すことができ、各エゼクタのストイキを最適な値に保つことが可能となる。また複数のエゼクタを並列に配置したことによる一つあたりエゼクタの差圧低下（エゼクタを１つ並列に増やすということは、全体でのノズル断面積合計が１つ分だけ増加することになるため、流速が落ち、その結果差圧は低下する）は、上流側に配置された調圧弁を開くことでエゼクタ上流側の圧力を底上げできるため回避でき、常時最適なストイキを確保することが可能となる。
【００４８】
燃料電池本体２の出力が小さいとき、水素調圧弁８から供給される新規水素流によるエゼクタ３１，３２の駆動力が十分でないので、水素循環ポンプ１２を補助的に駆動し、所要のアノードオフガス循環量を得るようにしている。燃料電池出力がある程度以上となったら、エゼクタ３１，３２の循環機能を移し、水素循環ポンプ１２は停止させる。
【００４９】
このような構成によって、水素分離装置１６に対し常時最適な水素分離効率を維持し、燃料電池本体２の要求水素量の確保も同時に行うシステムを実現する。水素循環路３５に設けられた可変オリフィス１５はシステムに対し最適な分離効率を達成できるよう水素循環路３６と３５への流量配分を行う。
【００５０】
尚、水素循環路３９と４０とに、それぞれ図示しない開閉弁を設けて、燃料電池を起動した直後やアイドリング時に、開閉弁を閉じて水素の小流量時にエゼクタの吸い込みが不足して逆流するのを防止してもよい。
【００５１】
水素分離装置１６へ至る水素循環路３６は、水素分離装置１６の入口で循環路３７と循環路３８とに分岐しているが、このような構成によって水素分離装置１６内部のみにおいて流量を落とすことなく供給流速を降下させることができるため、水素分離装置内のアノードオフガス滞在時間が伸びた分、水素拡散量も増加し水素分離効率が向上する。この効果によるエゼクタの吸い込みを妨げる圧力損失は発生しない。
【００５２】
次に、図４のフローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラ２４による制御を説明する。図４のフローチャートは、燃料電池起動開始の入口と、起動して暖機が完了した後に所定時間毎（例えば、１０〔ｍＳ〕毎）に呼び出される入口の二つの入口がある。
【００５３】
まず、燃料電池システムの起動が開始されると、Ｓ５０において、燃料電池本体２の暖機運転を開始する。これには、空気コンプレッサ１９及び水素循環ポンプ１２を起動すると共に、アノードの水素圧力及びカソードの空気圧力が所定の暖機運転圧力となるように、空気調圧弁２０及び水素調圧弁８を設定し、燃料電池本体２から暖機用の出力電流を取り出す。
【００５４】
次いでＳ５２で、燃料電池本体２の温度であるスタック温度Ｔｓを図２には図示しない温度センサで検出し、Ｓ５４でＴｓが所定の暖機温度Ｔ0 （例えば、固体高分子型燃料電池の場合、８０〔℃〕）を超えたか否かを判定する。Ｓ５４の判定でＴｓがＴ0 を超えていなければ、Ｓ５２に戻る。
【００５５】
Ｓ５４の判定で、ＴｓがＴ0 を超えていれば、暖機終了としてＳ５６へ進む。Ｓ５６では、負荷装置６からの要求負荷Ｗｒをコントローラ２４へ読み込み、Ｓ５８で要求負荷Ｗｒから燃料電池本体２が出力すべき目標電流Ｉｔを算出する。次いで、Ｓ６０で目標電流Ｉｔから目標運転圧力Ｐｔを算出する。これには、予め実験に基づいて作成された制御マップをコントローラ２４に記憶させておき、この制御マップを参照して、目標電流Ｉｔから目標運転圧力Ｐｔを算出する。
【００５６】
次いで、Ｓ６２で、要求負荷Ｗｒが所定負荷Ｗ0 未満か否かを判定する。この所定負荷Ｗ0 は、エゼクタ３１，３２及び燃料電池本体２を含む水素循環路の流体力学的特性からエゼクタ３１，３２では、十分な水素循環特性を得られないと判断する水素流量に対応する負荷であり、例えば、燃料電池システムのシミュレーションから求めた値を実験データに基づいて補正したものである。
【００５７】
Ｓ６２の判定で、要求負荷Ｗｒが所定負荷Ｗ0 未満であれば、Ｓ６４へ進み、水素循環流量を補うために水素循環ポンプ１２を作動させる。Ｓ６２の判定で、要求負荷Ｗｒが所定負荷Ｗ0 以上であれば、エゼクタ３１，３２の吸い込みに必要な流量は十分確保されているとして、Ｓ６６へ進み、水素循環ポンプ１２を停止させる。
【００５８】
次いでＳ６８で、圧力センサ２１が検出するアノード入口圧力が目標運転圧力Ｐｔとなるように水素調圧弁８を制御し、Ｓ７０で、可変オリフィス１５の開度を水素分離装置１６が最適分離効率となる所定の差圧に設定する。このとき、水素分離装置１６の入口圧力を検出する圧力センサ２２と、同出口圧力を検出する圧力センサ２３との検出値の差を算出して水素分離装置１６の入口出口間の差圧値とし、この差圧値が予め設定された水素分離装置１６が最大分離効率となる所定値となるように可変オリフィス１５の開度、言い換えれば水素循環路１３によるアノードオフガスのバイパス流量を制御する。
【００５９】
次いで、Ｓ７２で圧力センサ２１が検出したアノード入口圧力Ｐ1 をコントローラ２４へ読み込み、Ｓ７４で目標運転圧力Ｐｔとアノード入口圧力Ｐ1 との偏差の絶対値が所定の誤差ε未満となったか否かを判定する。Ｓ２８の判定で、偏差の絶対値がε以上であれば、Ｓ６８へ戻り、制御誤差を更に縮小するための制御を続ける。
【００６０】
Ｓ７４の判定で、偏差の絶対値がε未満であれば、制御誤差範囲内として、Ｓ７６へ移る。Ｓ７６では、電流計５により燃料電池の出力電流Ｉｏを検出し、コントローラ２４へ読み込む。次いで、Ｓ７８で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、Ｓ５６以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
【００６１】
Ｓ７８の判定で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α以上であれば、水素循環経路内に過剰な不純物が蓄積し、水素分圧が低下したために出力電流Ｉｏと目標電流Ｉｔとの乖離が許容値を超えたとして、Ｓ８０へ進み、水素調圧弁８を目標運転圧力に調整し、Ｓ８２で可変オリフィス１５を調整して、水素分離装置１６の入口出口の差圧が水素分離装置１６の最大不純物分離流量となるように調整する。これにより、急速にアノードオフガス循環経路から不純物が除去されて、循環経路内の水素分圧が上昇することになる。
【００６２】
次いで、Ｓ８４で電流計５により燃料電池の出力電流Ｉｏを検出してコントローラ２４へ読み込み、Ｓ８６で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であるか否かを判定する。目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α未満であれば、メインルーチンへリターンする。以後、Ｓ５６以下の処理が所定時間毎に呼び出されて実行される。
【００６３】
Ｓ８６の判定で、目標電流Ｉｔと出力電流Ｉｏとの差が許容値α以上であれば、Ｓ８０へ戻り、運転圧力と出力電流がともに目標値を満足するように制御する。
【００６４】
以上、本発明の種々の実施例について説明をしてきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲においては種々の構成を採ることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】実施例１における制御を説明するフローチャートである。
【図４】実施例２における制御を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１…燃料電池システム
２…燃料電池本体
３…アノード
４…カソード
５…電流計
６…負荷装置
７…水素供給源
８…水素調圧弁
９…合流点
１０…水素供給路
１１…水素循環路
１２…水素循環ポンプ
１３、１４…水素循環路
１５…可変オリフィス
１６…水素分離装置
１８…排出経路
１９…空気コンプレッサ
２０…空気調圧弁
２１，２２，２３…圧力センサ
２４…コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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