(57)【要約】    【課題】  燃料電池内の生成水を効率良く排出することができ、なおかつ、消費電力の低減を実現させることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。    【解決手段】  燃料電池１０と、水素ガスを供給するための水素供給源２１と、燃料電池１０と水素供給源２１とを接続する水素供給流路２０と、水素供給流路２０内の水素ガスの流通及び遮断を実現させる開閉動作を行う電磁制御弁２２と、電磁制御弁２２の動作を制御する制御装置６０と、を備える燃料電池システム１である。制御装置６０は、電磁制御弁２２の閉動作を実現させて水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させ、還流流路圧力計３３で計測された圧力（電磁制御弁２２の下流側の圧力）が所定値以下となった場合に電磁制御弁２２の開動作を実現させる。    【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、反応ガスを前記燃料電池に対して供給するためのガス供給源と、前記燃料電池と前記ガス供給源とを接続する供給流路と、前記供給流路内の反応ガスの流通及び遮断を実現させる開閉動作を行う開閉弁と、前記開閉弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
前記開閉弁の閉動作を実現させて前記ガス供給源から前記燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止させた状態で前記燃料電池に発電反応を行わせ、前記開閉弁の下流側の圧力を低下させた後に前記開閉弁の開動作を実現させる燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス供給源は、アノードガスを前記燃料電池に対して供給するためのアノードガス供給源であり、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記供給流路に還流させるための還流流路と、
前記還流流路内のアノードオフガスを前記供給流路に強制的に戻す強制循環手段と、
前記還流流路内のアノードオフガスの圧力を計測する還流流路圧力計と、を備え、
前記制御装置は、
前記還流流路圧力計で計測された圧力が所定値以下となった場合に前記開閉弁の開動作を実現させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記強制循環手段は、
循環ポンプ又はエジェクタである請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出される反応オフガスを外部に排出するための排出流路と、
前記排出流路内の反応オフガスの圧力を計測する排出流路圧力計と、を備え、
前記制御装置は、
前記排出流路圧力計で計測された圧力が所定値以下となった場合に前記開閉弁の開動作を実現させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と、反応ガスを前記燃料電池に対して供給するためのガス供給源と、前記燃料電池と前記ガス供給源とを接続する供給流路と、前記供給流路内の反応ガスの流通及び遮断を実現させる開閉動作を行う開閉弁と、前記開閉弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記開閉弁の閉動作を実現させて前記ガス供給源から前記燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止させた状態で前記燃料電池に発電反応を行わせる第１の工程と、
前記開閉弁の下流側の圧力を低下させた後に前記開閉弁の開動作を実現させる第２の工程と、
を含む燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、水素ガス等のアノードガスと空気等のカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池システムにおいては、電気化学反応により生成された水分（生成水）が燃料電池内に溜まる場合があり、かかる場合には、発電能力が低下して適切な稼動状態が維持できないことがある。
【０００３】
このため、近年においては、燃料電池の水素排出用の流路に水素吸引ポンプを設けるとともに、燃料電池と水素吸引ポンプとの間に弁を設け、弁の開度を小さくして弁下流側の圧力を低下させた後に弁を開放することにより、燃料電池から排出される水素オフガスの瞬時流量を増大させて生成水を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−３０７７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の技術を採用すると、生成水排出のために水素吸引ポンプを採用する必要があるため消費電力が大きい。また、水素吸引ポンプが燃料電池の発電電力により駆動されるもの（補機）である場合には、発電電力の一部が水素吸引ポンプの駆動用エネルギとして消費されることとなり効率が悪い。
【０００５】
本発明は、燃料電池内の生成水を効率良く排出することができ、なおかつ、消費電力の低減を実現させることができる燃料電池システム及びその運転方法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】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガスを燃料電池に対して供給するためのガス供給源と、燃料電池とガス供給源とを接続する供給流路と、供給流路内の反応ガスの流通及び遮断を実現させる開閉動作を行う開閉弁と、開閉弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、開閉弁の閉動作を実現させてガス供給源から燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止させた状態で燃料電池に発電反応を行わせ、開閉弁の下流側の圧力を低下させた後に開閉弁の開動作を実現させるものである。
【０００７】
かかる構成によれば、開閉弁を閉じてガス供給源から燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止させ、燃料電池内の発電反応（電気化学反応）で開閉弁の下流側の圧力を低下させることにより、供給流路内に圧力勾配を生じさせる。そして、開閉弁の下流側の圧力が（例えば所定値以下まで）低下した後に開閉弁を開くことにより、前記した圧力勾配に起因して付勢された反応ガスを燃料電池に供給することができる。従って、水素吸引ポンプ等を用いることなく燃料電池内の生成水を効率良く排出することができ、消費電力の低減を実現させることができる。
【０００８】
前記燃料電池システムにおいて、アノードガスを燃料電池に対して供給するためのアノードガス供給源をガス供給源として採用することができる。そして、燃料電池から排出されるアノードオフガスを供給流路に還流させるための還流流路と、還流流路内のアノードオフガスを供給流路に強制的に戻す強制循環手段と、還流流路内のアノードオフガスの圧力を計測する還流流路圧力計と、を備え、制御装置は、還流流路圧力計で計測された圧力が所定値以下となった場合に開閉弁の開動作を実現させるように構成することもできる。ここで、前記強制循環手段として、循環ポンプ又はエジェクタを採用することができる。
【０００９】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される反応オフガスを外部に排出するための排出流路と、排出流路内の反応オフガスの圧力を計測する排出流路圧力計と、を備え、制御装置は、排出流路圧力計で計測された圧力が所定値以下となった場合に開閉弁の開動作を実現させるように構成することもできる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池と、反応ガスを前記燃料電池に対して供給するためのガス供給源と、燃料電池とガス供給源とを接続する供給流路と、供給流路内の反応ガスの流通及び遮断を実現させる開閉動作を行う開閉弁と、開閉弁の動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、開閉弁の閉動作を実現させてガス供給源から燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止させた状態で燃料電池に発電反応を行わせる第１の工程と、開閉弁の下流側の圧力を低下させた後に開閉弁の開動作を実現させる第２の工程と、を含むものである。
【００１１】
かかる方法によれば、開閉弁を閉じてガス供給源から燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止させた状態で燃料電池に発電を行わせ、燃料電池の発電時における電気化学反応で開閉弁の下流側の圧力を低下させることにより、供給流路内に圧力勾配を生じさせる。そして、開閉弁の下流側の圧力を（例えば所定値以下まで）低下させた後に開閉弁を開くことにより、前記した圧力勾配に起因して付勢されたアノードガスを燃料電池に供給することができる。従って、燃料電池内の生成水を効率良く排出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池内の生成水を効率良く排出することができるとともに、消費電力の低減を実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。以下の各実施形態に係る燃料電池システムは、車載に好適な固体高分子電解質型の燃料電池を備えており、燃料電池内の生成水を効率良く排出する機能を有するものである。
【００１４】
＜第１実施形態＞
まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。
【００１５】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、複数の燃料電池セル（単電池）を複数積層してなる燃料電池１０、燃料電池１０の水素極に水素ガス（アノードガス）を供給するための水素供給流路２０、燃料電池１０の水素極から排出されるガス（アノードオフガス）を水素供給流路２０に還流させるための還流流路３０、燃料電池１０の酸素極に空気（カソードガス）を供給するための空気供給流路４０、燃料電池１０の酸素極内の空気（カソードオフガス）を排出するための空気排出流路５０、燃料電池１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却路、還流流路圧力計３３等の各種センサ、各種センサからの情報を受けてシステム全体を統合制御する制御装置６０等を備えて構成されている。なお、冷却路については、図示を省略している。
【００１６】
燃料電池１０は、空気供給流路２０を介して空気供給口に供給される空気と、水素供給流路３０を介して水素供給口に供給される水素ガスと、を用いて、電気化学反応によって発電する装置である。燃料電池１０が発電された電力は、図示してい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、車両の駆動モータを駆動するインバータと、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を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。また、本実施形態においては、燃料電池１０を構成する各単電池の電圧を監視する図示していないセル電圧モニタを設け、かかるセル電圧モニタにより各単電池の発電状態が常時監視されるようになっている。
【００１７】
水素供給流路２０は、燃料電池１０を構成する単電池の水素極の入口側に連通しており、図１に示すように、水素供給源２１から供給される水素ガスを、水素供給口を介して燃料電池１０に流すものである。水素供給源２１は、本発明におけるガス供給源及びアノードガス供給源として機能するものであり、燃料電池１０に対して水素ガスを供給する。水素供給源２１としては、高圧水素タンク、燃料改質器、水素吸蔵合金等を採用することができる。また、水素供給流路２０には、この流路内の水素ガスの流通及び遮断を実現させる開閉動作を行う開閉弁としての電磁制御弁２２が設けられている。電磁制御弁２２の開閉動作は、制御装置６０によって制御される。
【００１８】
還流流路３０は、燃料電池１０を構成する単電池の水素極の出口側に連通しており、燃料電池１０で消費されなかった水素ガス（水素オフガス）を、水素排出口を介して排出させて水素供給流路２０に還流させるものである。還流流路３０には、水素オフガスを加圧して強制的に水素供給流路２０に戻す強制循環手段としての水素ポンプ３１、水素供給流路２０から還流流路３０への水素ガスの逆流を阻止する逆止弁３２、還流流路３０内の圧力を計測する還流流路圧力計３３等が設けられている。還流流路圧力計３３で計測された圧力は制御装置６０に伝送されて生成水排出制御に用いられる。また、還流流路３０は、排出流路７０を介して空気排出流路５０に接続される。排出流路７０にはパージ弁７１が設けられている。パージ弁７１は電磁式の遮断弁であり、制御装置６０からの指令によって作動して水素オフガスを外部に排出（パージ）する。
【００１９】
空気供給流路４０には、空気を圧縮（加圧）するコンプレッサ４１、空気に所要の水分を加える加湿器４２、空気から微粒子を除去する図示していないエアフィルタ等が設けられている。また、空気排出流路５０には、加湿器４２の熱交換器や図示していない圧力調整弁等が設けられている。燃料電池１０から排出される空気は、この空気排出流路５０を経て外部に放出される。
【００２０】
制御装置６０は、図示してい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１の各種センサ（還流流路圧力計３３、温度計、流量計、セル電圧モニタ等）から制御情報を受け取り、電磁制御弁２２やコンプレッサ４１等の各種電子機器の動作を制御する。具体的には、制御装置６０は、燃料電池１０内に生成水が溜まることにより発電性能が低下したと判定した場合に、電磁制御弁２２の閉動作を実現させて水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させる。そして、燃料電池１０内の電気化学反応により電磁制御弁２２の下流側の圧力が低下して、還流流路圧力計３３で計測された圧力が所定値以下となった場合に、電磁制御弁２２の開動作を実現させる。
【００２１】
なお、制御装置６０は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２２】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の燃料電池１０内に溜まった生成水を排出する方法について説明する。
【００２３】
燃料電池システム１の制御装置６０は、セル電圧モニタから送出される情報に基づいて、燃料電池１０の各単電池の電圧低下が生じているか否かを判定し、電圧低下が生じていると判定した場合には、以下の生成水排出制御を行う。
【００２４】
まず、制御装置６０は、電磁制御弁２２の閉動作を実現させることにより、水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させた状態で燃料電池１０に発電を行わせる（第１の工程）。かかる工程により、水素供給源２１による水素ガスの供給圧力を一時的に高めることができる。また、燃料電池１０の発電時における電気化学反応により電磁制御弁２２の下流側の圧力を低下させて水素供給流路２０内に圧力勾配を生じさせることができる。
【００２５】
次いで、制御装置６０は、還流流路圧力計３３で計測された圧力が所定値以下となった場合に、電磁制御弁２２の開動作を実現させる（第２の工程）。かかる工程により、第１の工程で生成された水素供給流路２０内の圧力勾配に起因して付勢された水素ガスを燃料電池１０に供給することができ、このように付勢された水素ガスにより燃料電池１０内の生成水を効率良く排出することができる。
【００２６】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、電磁制御弁２２を閉じて水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させ、燃料電池１０内の電気化学反応で電磁制御弁２２の下流側の圧力を低下させることにより、水素供給流路２０内に圧力勾配を生じさせる。そして、電磁制御弁２２の下流側の圧力（還流流路圧力計３３で計測される圧力）が所定値以下となった場合に電磁制御弁２２を開くことにより、前記した圧力勾配に起因して付勢された水素ガスを燃料電池１０に供給することができる。従って、燃料電池１０内の生成水を効率良く排出することができる。また、生成水を排出するために水素ポンプ３１を作動させる必要がないので、消費電力の低減を実現させることができる。
【００２７】
＜第２実施形態＞
次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１の還流流路３０を廃止して排出流路７０を燃料電池１０に直接接続するとともに排出流路７０に圧力計を設け、かつ、制御装置の制御動作を変更したものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、図２に示すように、燃料電池１０の水素排出口に排出流路７０を接続したものであり、燃料電池１０で消費されなかった水素ガス（水素オフガス）は排出流路７０を経由して外部に流出するようになっている。排出流路７０には、この流路内の圧力を計測する排出流路圧力計７２が設けられており、この排出流路圧力計７２で計測された圧力は制御装置６０Ａに伝送されて、生成水排出制御に用いられるようになっている。
【００２９】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの制御装置６０Ａは、燃料電池１０内に生成水が溜まることにより発電性能が低下したと判断した場合に、電磁制御弁２２の閉動作を実現させて水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させる。そして、燃料電池１０内の電気化学反応により電磁制御弁２２の下流側の圧力を低下させ、排出流路圧力計７２で計測された圧力が所定値以下となった場合に、電磁制御弁２２の開動作を実現させる。
【００３０】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの燃料電池１０内に溜まった生成水を排出する方法について説明する。
【００３１】
燃料電池システム１Ａの制御装置６０Ａは、セル電圧モニタから送出される情報に基づいて、燃料電池１０の各単電池の電圧低下が生じているか否かを判定し、電圧低下が生じていると判定した場合には、以下の生成水排出制御を行う。
【００３２】
まず、制御装置６０Ａは、電磁制御弁２２の閉動作を実現させることにより、水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させた状態で燃料電池１０に発電を行わせる（第１の工程）。かかる工程により、水素供給源２１による水素ガスの供給圧力を一時的に高めることができる。また、燃料電池１０の発電時における電気化学反応により電磁制御弁２２の下流側の圧力を低下させて水素供給流路２０内に圧力勾配を生じさせることができる。
【００３３】
次いで、制御装置６０Ａは、排出流路圧力計７２で計測された圧力が所定値以下となった場合に、電磁制御弁２２の開動作を実現させる（第２の工程）。かかる工程により、第１の工程で生成された水素供給流路２０内の圧力勾配に起因して付勢された水素ガスを燃料電池１０に供給することができ、このように付勢された水素ガスにより燃料電池１０内の生成水を効率良く排出することができる。
【００３４】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいては、電磁制御弁２２を閉じて水素供給源２１から燃料電池１０への水素ガスの供給を一時的に停止させ、燃料電池１０内の電気化学反応で電磁制御弁２２の下流側の圧力を低下させることにより、水素供給流路２０内に圧力勾配を生じさせる。そして、電磁制御弁２２の下流側の圧力（排出流路圧力計７２で計測される圧力）が所定値以下となった場合に電磁制御弁２２を開くことにより、前記した圧力勾配に起因して付勢された水素ガスを燃料電池１０に供給することができる。従って、燃料電池１０内の生成水を効率良く排出することができる。また、生成水を排出するために水素ポンプを設ける必要がないので、消費電力の低減を実現させることができる。
【００３５】
なお、第１実施形態においては、還流流路３０内の水素オフガスを水素供給流路２０に強制的に戻す強制循環手段として水素ポンプ３１を採用した例を示したが、水素ポンプ３１に代えてエジェクタやブロアを採用することもできる。
【００３６】
また、以上の各実施形態においては、セル電圧モニタにより燃料電池１０の発電能力のモニタリングを行い、発電能力が低下した場合に電磁制御弁２２の動作を制御して生成水排出制御を行った例を示したが、システムの運転中に一定時間毎に電磁制御弁２２の動作を制御して、燃料電池１０の発電能力に関係なく断続的に生成水排出制御を行うこともできる。
【００３７】
また、以上の各実施形態においては、制御装置６０、６０Ａにより電磁制御弁２２の閉動作を実現させて水素ガスを一時的に遮断しているが、閉動作の態様（閉動作の速度や閉状態における弁開度等）は、水素供給源２１の加圧能力、水素供給流路２０の流路断面の面積、水素供給流路２０の流路容積、燃料電池１０の発電能力、等に応じて適宜決定することができる。
【００３８】
また、以上の各実施形態においては、還流流路３０又は排出流路７０に圧力計を設けた例を示したが、圧力計の位置はこれに限られるものではなく、電磁制御弁２２（開閉弁）の下流側であればよい。
【００３９】
また、以上の各実施形態においては、アノードガス系の構成に本発明を適用した（水素供給源２１をガス供給源として機能させ、水素供給流路２０に設けた電磁制御弁２２の下流側の圧力に基づいて電磁制御弁２２の開閉動作を制御することにより生成水の排出を実現させた）例を示したが、カソードガス系の構成に本発明を適用することもできる。例えば、コンプレッサ４１をガス供給源として機能させるとともに、空気供給流路４０に開閉弁を設け、開閉弁を閉じてコンプレッサ４１から燃料電池１０への空気の供給を一時的に停止させた状態で燃料電池１０に発電反応を行わせ、開閉弁の下流側の圧力を低下させた後に開閉弁を開いて、生成水の排出を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に説明するための説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを概略的に説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・１Ａ…燃料電池システム、１０…燃料電池、２０…水素供給流路、２１…水素供給源（ガス供給源）、３０…還流流路、３１…水素ポンプ（強制循環手段）、３３…還流流路圧力計、６０・６０Ａ…制御装置、７０…排出流路、７２…排出流路圧力計
【図１】
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【図２】
2007048479.tif 000004