(57)【要約】【課題】オフガス燃焼部におけるオフガスの燃焼反応の効率を高めることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０から排出された水素オフガス及び空気オフガスを燃焼させるオフガス燃焼部１０と、オフガス燃焼部１０を暖機する触媒ヒータとを備えた燃料電池システム１００に、エア弁Ａ２２及び水素弁Ｈ５１の弁開の時期を制御することにより、触媒ヒータの通電以降に空気オフガスの排出を開始させるとともに、空気オフガスの排出開始後における所定時間経過後に水素オフガスの排出を開始させる制御部５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムであって、
前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始させるとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始させる制御部を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記オフガス燃焼部を流れるガスの流量を検出する流量検出部が設けられ、
前記制御部は、前記流量検出部の検出結果から前記酸化オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記酸化オフガスの前記燃料オフガスとの混合箇所までの配管の容積に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始するとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始する燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から排出されるオフガスを燃焼させてから外部に放出するオフガス燃焼部を備えた燃料電池システムには、オフガス燃焼部を加熱するとともに、このオフガス燃焼部に水素オフガス（燃料オフガス）と酸化剤としての空気オフガス（酸化オフガス）とを供給するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−９５２５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のようなオフガス燃焼部を備えた燃料電池システムでは、パージ開始直後における排出される水素オフガス及び空気オフガスの流量が不安定であることより、オフガス燃焼部へ混合されて送り込まれる水素オフガス及び空気オフガスの空燃比が低下したりオフガス燃焼部が冷却されたりすることにより、オフガス燃焼部における燃焼反応の効率が低下してしまうことがある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、オフガス燃焼部におけるオフガスの燃焼反応の効率を高めることが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムであって、前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始させるとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始させる制御部を備えている。
【０００６】
この構成によれば、酸化オフガスの流量が安定してから燃料オフガスを混合させて好ましい混合状態にてオフガス燃焼部へ送り込んで、これら燃料オフガス及び酸化オフガスの混合気を燃焼反応に好適な空燃比とすることができ、しかもヒータの冷却による加熱効果の低下を抑制することができる。これにより、オフガス燃焼部において高い反応率にて燃焼反応を生じさせることができ、オフガス燃焼部から排出される排気ガス中における燃料濃度を極力低減させることができる。
【０００７】
本発明においては、前記オフガス燃焼部を流れるガスの流量を検出する流量検出部が設けられ、前記制御部は、前記流量検出部の検出結果から前記酸化オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御するものでもよい。
【０００８】
前記制御部は、前記酸化オフガスの前記燃料オフガスとの混合箇所までの配管の容積に基づいて、前記燃料オフガスの排出開始の時期を制御するものでもよい。
【０００９】
さらに、本発明は、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを酸化オフガスと共に燃焼させるオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部を暖機するヒータと、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記ヒータの通電以降に前記酸化オフガスの排出を開始するとともに、前記酸化オフガスの排出開始後における所定時間経過後に前記燃料オフガスの排出を開始する制御方法としても提供することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システム及びその制御方法によれば、オフガス燃焼部におけるオフガスの燃焼反応の効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法の一の実施形態を説明する。
【００１２】
以下、この燃料電池システム及びその制御方法を燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１３】
図１に示される燃料電池システム１００において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。
【００１４】
コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。
【００１５】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、加湿器Ａ２１の熱交換器、エア弁Ａ２２及びオフガス燃焼部１０が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。
【００１６】
また、エア弁Ａ２２は後述するパージ流路７６と排気路７２との合流点Ｊの近傍における上流側に設けられている。このエア弁Ａ２２は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、空気オフガスが所定のタイミングにて排出（パージ）される。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。
【００１７】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１８】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１９】
水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００２０】
水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。
【００２１】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通・遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２２】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２３】
水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、水素供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２４】
水素循環路７５は、パージ流路７６によってオフガス燃焼部１０の上流側における排気路７２に接続されており、パージ流路７６における排気路７２との合流点Ｊの近傍における上流側には、水素弁Ｈ５１が設けられている。水素弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動する。
【００２５】
そして、この水素弁Ｈ５１とともにエア弁Ａ２２が制御部５０からの指令により作動することにより、水素オフガスと空気オフガスとが合流点Ｊにて混合されてオフガス燃焼部１０に導入され、このオフガス燃焼部１０にて燃焼反応に供されて外部に排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２６】
オフガス燃焼部１０は、燃焼触媒を備えた触媒ヒータを有しており、触媒ヒータへの通電が制御部５０によって制御される。そして、このオフガス燃焼部１０では、排気路７２から送り込まれる水素オフガスと空気オフバスとの混合ガスが触媒ヒータに供給され、この触媒ヒータによって加温され、触媒を通過する過程で触媒反応によって燃焼して下流側へ排気される。
【００２７】
また、排気路７２には、オフガス燃焼部１０の下流側に、流量検出センサ（流量検出部）Ｓ１及び水素センサＳ２が設けられており、流量検出センサＳ１によって排気ガスの流量が検出され、水素センサＳ２によって排気ガス中における水素濃度が検出され、それぞれの検出結果が制御部５０へ送信される。
【００２８】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２９】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池やキャパシタ等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３０】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１００の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００３１】
ところで、上記のオフガス燃焼部１０を備えた燃料電池システム１００では、水素オフガスのパージ流路７６と排気路７２との配管長さに基づく容積、配管内の圧力、排出される水素オフガス及び空気オフガスの流量、さらには、水素オフガスと空気オフガスとの拡散速度の違いから、これら水素オフガスと空気オフガスとが混合される混合点Ｊに到達するまでに時間差が生じる。
【００３２】
しかも、これら水素オフガス及び空気オフガスが排出されてから流量が安定するまでにある程度の時間を要し、特に、図２に示すように、空気オフガスは流量Ａが安定するまでに流量が大きく変動する変動領域アが存在する。
【００３３】
このため、水素オフガスを排出する時期を、図２における水素オフガスの排出時期Ｔａのように、空気オフガスの排出と同時にすると、燃焼反応に好適な空燃比とならず、オフガス燃焼部１０における燃焼反応効率が低下し、図２における水素濃度Ｈａのように、未反応水素量が多くなり、許容水素濃度値イを大きく越えてしまう。
【００３４】
また、水素オフガスの排出時期を、空気オフガスの排出時よりも遅らせても、図２における水素オフガスの排出時期Ｔｂのように、空気オフガスの排出直後に生じる流量の変動領域アにて排出を開始すると、やはり燃焼反応に好適な空燃比とならず、オフガス燃焼部１０における燃焼反応効率が低下し、図２における水素濃度Ｈｂのように、未反応水素量を十分に抑えることができない。
【００３５】
これに対して、水素オフガスの排出開始の時期を、図２における水素オフガスの排出時期Ｔｃのように、空気オフガスの排出後における流量の変動領域アを越えた時点とすると、水素オフガスと空気オフガスの流量が互いに安定し、混合点Ｊにて好ましい混合状態にて混合されてオフガス燃焼部１０へ送り込まれる。
【００３６】
これにより、オフガス燃焼部１０では、水素オフガスと空気オフガスとが燃焼反応に好適な空燃比とされ、触媒ヒータの加熱効果が下がることもなく、触媒が１００％に近い反応率にて燃焼反応を生じさせる。その結果、図２における水素濃度Ｈｃのように、オフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における排気水素濃度が０％近くにされる。
【００３７】
一方、図２における水素オフガスの排出時期Ｔｄのように、空気オフガスの排出後、しばらくしてから水素オフガスを排出した場合は、空気オフガスの流量は安定しているが、先に送り込まれる空気オフガスによってオフガス燃焼部１０の触媒が冷却されてしまい、触媒ヒータによる加熱効果が低下し、この場合も、図２における水素濃度Ｈｄのように、未反応水素量が多少増加してしまう。そして、この未反応水素量は、水素オフガスの排出時期が遅くなるにしたがって増加する。
【００３８】
上記のことから、上記燃料電池システム１００では、表１に示すように、制御部５０が、エア弁Ａ２２及び水素弁Ｈ５１の弁開時期を次のように制御している。
【表１】
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【００３９】
まず、オフガス燃焼部１０の触媒ヒータの通電と同時の時期Ｔａにてエア弁Ａ２２を弁開させ、この時期Ｔａを基準とする。ここで、触媒ヒータを通電した後にエア弁Ａ２２を弁開させても良いが、触媒ヒータの通電と同時にエア弁Ａ２２を弁開させることにより、触媒ヒータへの無駄な通電がなくされ、電力消費を極力少なくできる。
【００４０】
次いで、制御部５０は、基準としたエア弁Ａ２２の弁開の時期Ｔａから所定時間後の時期Ｔｃと時期Ｔｄとの間にて水素弁Ｈ５１を弁開させる。この水素弁Ｈ５１を弁開させる時期Ｔｃは、空気オフガスの排出後における流量の変動領域アを越えた時点であり、さらに触媒ヒータの加熱効果が高いために、水素オフガスと空気オフガスとが燃焼反応に好適な空燃比とされてオフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における排気水素濃度が０％近くにされる時点である。
【００４１】
そして、制御部５０は、オフガス燃焼部１０の下流側に設けた流量検出センサＳ１の検出結果から空気オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、空気オフガスの流量が安定した時点を、この時期Ｔｃとする。
【００４２】
また、水素弁５１を弁開させる時期Ｔｄは、時期Ｔｃから、オフガス燃焼部１０からの排気ガス中の排気水素濃度を許容水素濃度値イよりも十分に小さく抑えることが可能な許容遅れ時間の経過時点である。
【００４３】
そして、制御部５０によってエア弁Ａ２２及び水素弁Ｈ５１が上記のように制御されることにより、水素オフガスと空気オフガスの流量が互いに安定し、混合点Ｊにて好ましい混合状態にて混合されてオフガス燃焼部１０へ送り込まれ、水素オフガスと空気オフガスとが燃焼反応に好適な空燃比とされる。
【００４４】
これにより、空気オフガスによって触媒ヒータが冷却されて加熱効果が低下するようなこともなく、触媒が高い反応率にて燃焼反応を生じさせる。したがって、オフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における排気水素濃度が極力低減される。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、空気オフガスの流量が安定してから水素オフガスを混合させて好ましい混合状態にてオフガス燃焼部１０へ送り込んで、これら水素オフガス及び空気オフガスの混合気を燃焼反応に好適な空燃比とすることができ、しかも触媒ヒータの冷却による加熱効果の低下を抑制することができる。
【００４６】
これにより、オフガス燃焼部１０において極めて高い反応率にて燃焼反応を生じさせることができ、オフガス燃焼部１０から排出される排気ガス中における燃料濃度を極力低減させることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、オフガス燃焼部１０の下流側に設けた流量検出センサＳ１の検出結果から空気オフガスの排出開始後における流量の変化量を求め、この流量の変化量に基づいて、空気オフガスの流量が安定した時点を、水素オフガスの排出開始の時期Ｔｃとしたが、本発明は上記例に限定されない。
【００４８】
つまり、空気オフガスの水素オフガスとの混合点Ｊまでの排気路７２の容積に基づいて、オフガス燃焼部１０における空気オフガスの流量が安定するまでの時間を予め求めておき、その時間に基づいて水素弁Ｈ５１の弁開の時期を制御するようにしても良い。
【００４９】
具体的には、エア弁Ａ２２の弁開後に、予め求めた空気オフガスの流量が安定するまでの時間の経過時点を弁開時期Ｔｃとする。そして、制御部５０は、この弁開時期Ｔｃから許容遅れ時間の経過時点を弁開時期Ｔｄとし、時期ＴｃからＴｄの間にて水素弁Ｈ５１を弁開させる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図。
【図２】オフガスの排出時期、流量及び排出水素濃度の関係を示す特性線図。
【符号の説明】
【００５１】
１０…オフガス燃焼部、２０…燃料電池、５０…制御部、１００…燃料電池システム、Ｓ１…流量検出センサ（流量検出部）。
【図１】
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【図２】
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