(57)【要約】【課題】  燃料オフガスを循環させるための循環ポンプに異常が発生した場合にも、燃料電池の運転を継続可能とする。【解決手段】  燃料電池１と、燃料電池１に酸化剤ガスである空気や燃料ガスである水素を供給するための空気供給手段及び水素供給手段と、燃料電池１から排出された燃料オフガスを再び燃料電池１に供給するための循環経路６及び燃料循環ポンプ７とを備えた水素循環方式の燃料電池システムに、燃料循環ポンプ７の異常を検出する異常検出手段と、循環経路６を開閉する循環経路開閉手段としてのバルブ８とを設ける。そして、異常検出手段により燃料循環ポンプ７の異常を検出した場合に、燃料電池１からの燃料オフガスが燃料循環ポンプ７へ供給されないようにバルブ８により循環経路６を閉鎖し、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態として、いわゆるデッドエンド方式での運転を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを再び燃料電池に供給するための循環経路及び燃料循環ポンプと、
前記燃料循環ポンプの異常を検出する異常検出手段と、
前記循環経路を開閉する循環経路開閉手段とを備え、
前記異常検出手段により前記燃料循環ポンプの異常が検出された場合に、前記燃料電池からの燃料オフガスが前記燃料循環ポンプへ供給されないように前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの運転圧力が高くなるように、前記酸化剤ガス供給手段及び前記燃料ガス供給手段を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】
前記循環経路内の燃料オフガスを外部へ排出するパージ動作を行うパージ弁を更に備え、
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、パージ動作の頻度が高くなるように前記パージ弁の開閉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】
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、前記燃料電池の発電量を減少させるように出力制限を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に供給される燃料ガスを加湿するための加湿手段を更に備え、
前記循環経路開閉手段により前記循環経路を閉鎖して、前記燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とした場合に、前記燃料ガスへの加湿量が減少するように前記加湿手段を制御することを特徴とする請求項１乃至４の何れか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、燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させる燃料循環ポンプを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車等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等に対する対策として、クリーンな排気及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。燃料電池システムは、燃料となる水素及び酸化剤となる空気を燃料電池の水素極及び空気極に供給して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。
【０００３】
このような燃料電池システムの形態としては、燃料電池の高出力化及び水素の利用効率向上を実現するものとして、燃料電池で使用されなかった未使用の水素（燃料ガス）を循環させ、再度燃料電池へと供給して再利用する水素循環方式の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【０００４】
特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料電池から排出された燃料オフガスを、燃料循環ポンプの駆動によって循環経路を介してメインの経路に戻し、燃料供給源から新たに供給される燃料ガスと混合して再び燃料電池に供給するようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２８９２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水素循環方式の燃料電池システムでは、燃料オフガスを循環させるための燃料循環ポンプに異常が発生すると、燃料ガスの適切な供給ができなくなり、燃料電池の運転の継続が困難になるという問題がある。例えば、車載用の燃料電池システムを考えた場合、燃料循環ポンプの異常発生時に直ちに燃料電池システム全体がダウンしてしまい、車両が停止状態になってしまうのは大きな問題である。車両の突然の停止を回避するには、燃料循環ポンプの異常発生時にも燃料電池の運転を継続し得るような何らかの対策を講ずることが必要である。
【０００６】
本発明は、このような従来の燃料電池システムの有する欠点を解消べく創案されたものであって、燃料オフガスを循環させるための燃料循環ポンプに異常が発生した場合にも、燃料電池の運転を継続することが可能で、例えば車載用の燃料電池システムにおいて、車両の突然の停止を回避す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】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池から排出された燃料オフガスを再び燃料電池に供給するための循環経路及び燃料循環ポンプとを基本構成とし、このような燃料電池システムにおいて、前記目的を達成するために、燃料循環ポンプの異常を検出する異常検出手段と、循環経路を開閉する循環経路開閉手段とを設けるようにした。そして、異常検出手段により燃料循環ポンプの異常が検出された場合に、燃料電池からの燃料オフガスが燃料循環ポンプへ供給されないように循環経路開閉手段により循環経路を閉鎖して、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とするようにした。
【０００８】
以上のような本発明の燃料電池システムでは、燃料循環ポンプの異常が検出された場合には、循環経路が閉鎖されて、燃料ガスを供給する方式が循環方式から循環が行われないデッドエンド方式へと移行することになる。デッドエンド方式では、燃料電池への燃料ガス流入量は、燃料電池の発電で消費されただけの量と等しくなり、燃料循環ポンプに異常があっても、燃料電池の運転は継続される。
【０００９】
デッドエンド方式では、燃料ガスの利用率が１００％であり、このように燃料ガスの利用率が極めて高い状態での運転は、燃料電池の出力を低下させる原因となる。しかしながら、短時間の運転であれば問題はなく、例えば、車載用の燃料電池システムでは、デッドエンド方式での短時間の運転によって車両を安全な場所まで移動させることができる。さらに、適正な制御を行うことで、ある程度継続的な運転も可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料循環ポンプの異常を検出する異常検出手段と、燃料オフガスの循環経路を開閉する循環経路開閉手段とを設け、燃料循環ポンプの異常を検出した場合に、燃料電池からのオフガスが循環ポンプへ供給されないように循環経路を閉鎖し、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めた状態とするようにしているので、燃料循環ポンプに異常が生じた場合でも、いわゆるデッドエンド方式により燃料電池の運転を継続することが可能である。したがって、例えば車載用の燃料電池システムにおいて、車両の突然の停止を回避することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガスである水素及び酸化剤ガスである空気の供給により発電を行う燃料電池１を備えている。
【００１３】
燃料電池１は、水素が供給される燃料極と空気が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１４】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１５】
前記燃料電池１においては、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を燃料極や空気極に供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として水素供給手段及び空気供給手段が設けられている。
【００１６】
水素供給手段は、例えば、燃料ガスである水素を貯蔵する水素貯蔵手段２と、水素貯蔵手段２からの水素を任意の圧力に調整する圧力制御弁３と、燃料電池１に供給する水素の経路となる水素供給配管４とを有する。そして、水素供給源である水素貯蔵手段２から供給される水素が、圧力制御弁３で減圧され、水素供給配管４を通って燃料電池１の水素極に送り込まれるようになっている。また、水素供給配管４の燃料電池１の手前位置には加湿手段５が設けられており、燃料電池１に供給される水素が、この加湿手段５によって加湿されるようになっている。
【００１７】
本実施形態の燃料電池システムは、水素循環方式の燃料電池システムとして構成されており、燃料電池１で消費されずに燃料電池１から排出される水素（燃料電池１から排出される燃料オフガス）が循環されて、新たに水素貯蔵手段２から供給される水素と混合されて、再び燃料電池１の水素極に供給されるようになっている。そして、このための機構として、本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池１から排出された燃料オフガスを再び燃料電池１に供給するための循環経路６及び燃料循環ポンプ７が設けられている。
【００１８】
また、前記循環経路６の入口側付近には、循環経路６を開閉する循環経路開閉手段として、当該循環経路６を遮断しこれを閉鎖し得るバルブ８が設けられている。このバルブ８を閉じることにより、燃料電池１からの燃料オフガスが燃料循環ポンプ７へ供給されないように循環経路６が閉鎖され、オフガスは閉鎖された経路（燃料電池１）内に閉じ込められた状態となる。
【００１９】
バルブ８は、燃料循環ポンプ７に異常が発生したときに循環経路６を閉鎖するように作動する。ここで、燃料循環ポンプ７が異常であるか否かの判定は、例えば、燃料循環ポンプ７の回転数を検出して、所望の回転数となっていないことを検出することにより行えばよい。または、燃料循環ポンプ７の出入り口の水素圧力を検出し、出入り口の圧力差が所望に値になっていないことを検出することにより行ってもよく、あるいは、燃料循環ポンプ７の出口の水素圧力を検出し、該圧力が所望に値になっていないことを検出することにより行ってもよい。いずれにしても、採用する検出方法に応じて、燃料循環ポンプ７の異常を検出する異常検出手段を設けておけばよい。
【００２０】
さらに、燃料電池１の出口側には、前記循環経路６から分岐して水素排気配管９が設けられており、この水素排気配管９には、必要に応じて水素排気配管９を開放してパージ動作を行うためのパージ弁１０が設けられている。水素循環方式の燃料電池システムでは、水素の循環に伴って循環経路６内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、水素分圧が降下していくため、燃料電池１の効率が低下する。そこで、不純物濃度が高くなった場合や、燃料電池システム起動時には、パージ弁１０を開放して、循環経路６内のガスをパージすることで、循環経路６内から不純物を除去するようにしている。
【００２１】
一方、空気供給手段は、図示は省略するが、外気を吸入し燃料電池１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ、マイクロダストや硫黄分、コンプレッサから排出されるオイル等をトラップするフィルタ及び空気供給配管と、空気極排ガスを排出するための空気排気配管及び供給される空気の圧力を所望の圧力に制御する圧力制御弁等から構成されており、前記コンプレッサにより空気が空気供給配管に送り込まれ、燃料電池１の空気極に供給されるようになっている。また、燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気配管から排出されるようになっている。
【００２２】
以上が本実施形態の燃料電池システムの概略構成であるが、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料循環ポンプ７に異常が発生した場合に、燃料電池１への水素の供給方式を循環方式からデッドエンド方式へと移行させ、燃料電池１の運転を継続させるようにしている。このときの制御フローを図２に示す。
【００２３】
図２の制御フローは、通常運転中に実行されるプログラムジョブの中で、燃料循環ポンプ７の異常を検出し、異常と判定された場合に実行されるものである。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムでは、通常運転時には、水素を循環利用するため、バルブ８は開放、パージ弁１０は閉じた状態として、燃料電池１から排出される水素（燃料オフガス）を燃料循環ポンプ７によって循環させて、水素貯蔵手段２から新たに供給される水素と混合して、再び燃料電池１に供給するようにしている。また、循環経路６内の水素濃度が低下した場合等、必要に応じてパージ弁１０を開放して、パージ動作を行うような制御が適時実行される。
【００２５】
燃料循環ポンプ７の異常が判定されて、図２の制御フローが開始されると、燃料電池１の出口側の流路がバルブ８及びパージ弁１０で閉じられ、水素供給方式を循環方式から、循環が行われない、いわゆるデッドエンド方式へと切り替える切替え制御が行われる。
【００２６】
すなわち、ステップＳ１でバルブ８を閉じ、これにより燃料電池１から排出される水素は循環されず、バルブ８とパージ弁１０とで閉鎖された経路が構成される。この結果、燃料電池１への流入水素量は、燃料電池１の発電に消費されただけの量と等しくなり、水素の利用率は１００％となる。このような水素利用率が極めて高い状態での運転は、燃料電池１の出力特性を低下させる虞れがある。
【００２７】
例えば、燃料電池１内の水素流路の出口側末端に近い部分においては、そこでの水素の流速が入口端と比べて遅くなるので、流路内にできた凝縮水を移動させることが困難となり、その結果、反応面積が減ることになり、反応が悪くなる可能性がある。また、同じく水素流路の出口側末端においては、水素以外の成分の増加の影響を受け、水素分圧が低下して反応が悪くなる虞れもある。
【００２８】
後者のような水素分圧が低下した際の燃料電池１の特性の低下は、ある電流値以上の領域において顕著となり、その結果、燃料電池１の電圧が急激に低下する。そこで、燃料電池１の特性の急激な低下をできるだけ防止するために、燃料電池１の運転条件を変更し、また、燃料電池１の運転時の出力制限を行うように制御内容の切り替えを行う。その内容を以下に説明する。
【００２９】
先ず、ステップＳ２において、燃料電池１の運転圧力が循環方式での運転時より高められるように、燃料電池１の運転条件が設定され、これに応じて水素供給手段や空気供給手段の動作制御が実施される。これにより、燃料電池１の水素極に流入する水素の全圧が高まり、水素以外の成分割合が増加していても、水素分圧をできるだけ高い状態とし、拡散分極の影響を小さくすることが可能となる。
【００３０】
運転圧力の高め方としては、負荷に応じた可変圧運転がされているシステムであれば、通常運転時に低圧な運転を行っている領域において、その運転圧をある係数倍だけ上げる方法でも良く、あるいは、前記低圧な運転を行っている領域も含めて、システムが許容する最高運転圧一定で運転する方法でも良い。
【００３１】
次に、ステップＳ３において、パージを行うタイミングを判定するロジックの切り替えが設定され、以降、このロジックに基づいてパージが必要と判断されたときに、パージ弁１０を所定時間開放させる制御が行われる。これは、デッドエンド方式での運転は、水素を循環しながら運転する場合と比較して、ガス流路上に凝縮水が貯まり易く、あるいは、水素以外の成分の増加の影響を受け易いので、パージの頻度を多くすることで、これらによる燃料電池１の特性の悪化を防止することを狙いとしている。
【００３２】
ロジック切り替え後のパージ判定としては、循環方式の場合における定期的な頻度を基準に、予め実験等で求めた係数を乗じて求めてもよく、あるいは、燃料電池１の運転条件から水素経路内の窒素濃度を推定し、パージを行うと判定する基準値を通常の循環運転時に対して低くすることで頻度を高めるように設定してもよい。なお、水素経路内の窒素濃度の推定方法としては、電解質膜の諸元、運転圧力、運転温度から、空気極からの窒素のクロスオーバー量を算出し、水素経路内体積と比較して、その濃度を求める方法等を挙げることができる。
【００３３】
次いで、ステップＳ４において、燃料電池１の運転時に出力制限を行い、出力特性が急激に低下する領域で運転されないような制御に設定する。制限される出力値の算出方法としては、デッドエンド運転時の燃料電池１内の水素経路出口部付近の水素分圧を推定し、その推定された水素分圧からネルンストの式を用いて出力電圧を求め、出力電圧が急激に低下する前の電流値を最大電流値とする方法等を挙げることができる。水素分圧の推定方法としては、前述の窒素濃度を推定し、両ガス成分の比率から求めても良い。
【００３４】
さらに、ステップＳ５において、加湿手段５の加湿量を通常運転時より低減、あるいは加湿を停止するよう制御する。これにより、特に燃料電池１の水素流路の出口付近における過剰な加湿状態を回避し、大電流域でのフラッディング防止を図る。なお、前記加湿量の低減あるいは加湿の停止は、大電流域においてのみ、また時間を限定して行われるようにしてもよく、これにより、低負荷域等、フラッディングの虞れがない運転状態における加湿の不足を防止することが可能となる。
【００３５】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料となる水素ガスを循環する燃料循環ポンプ７に異常が生じた後にも、水素の供給方式を循環方式からデッドエンド方式へと切り替えることで、燃料電池１の運転を継続させることが可能である。また、水素の供給方式をデッドエンド方式に切り替えたときに、これに対応させるように運転圧力やパージ頻度、最大取り出し電流値、加湿制御等の切り替えを行うことで、燃料電池１の出力特性の低下を抑えることができ、ある程度継続的な運転も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料循環ポンプに異常が発生した場合に実行される制御フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池
２  水素貯蔵手段
５  加湿手段
６  循環経路
７  燃料循環ポンプ
８  バルブ
１０  パージ弁
【図１】
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【図２】
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