(57)【要約】【課題】燃料電池の始動時に燃料電池内に蓄積した不純物ガスを十分に排出し、且つ当該不純物ガスの排出による燃料ガスの無駄を低減できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池１の始動時に、前記ガス吸引手段３によって前記燃料電池１に燃料ガスの供給を停止した状態で前記燃料電池１のアノード側のガス排出口から燃料電池１内のガスの吸引を開始して、前記ガスの吸引を開始した後で且つ所定条件の成立後に当該ガスの吸引を継続しつつ前記燃料電池１へ燃料ガスの供給を開始する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記燃料電池のアノード側のガス排出口から燃料電池内のガスを吸引するガス吸引手段と、
前記燃料電池の始動時に、前記燃料供給手段による燃料ガスの供給を停止した状態で前記ガス吸引手段による燃料電池内のガスの吸引を開始して、前記ガスの吸引を開始した後で且つ所定条件の成立後に当該ガスの吸引を継続しつつ前記燃料供給手段による燃料ガスの供給を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス吸引手段によって吸引したガスを前記燃料電池のカソード側に供給する吸引ガス供給手段を更に備え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】
前記所定条件は、前記ガス吸引手段によって吸引するガスの圧力が所定圧以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記所定条件は、前記ガス吸引手段によるガスの吸引の開始からの所定時間の経過であることを特徴とする請求項１又は請求項２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、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応にて電力を得る燃料電池を有する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池のアノード（燃料）極に燃料ガスを供給し、カソード（酸素）極に酸化ガスを供給して、燃料電池の電解質を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。燃料電池システムは、起動時にカソード極とアノード極に十分な反応ガスを行き渡らせて、発電できる状態にする必要がある。
【０００３】
しかし、燃料電池の発電を停止した状態では、電解質等を介した空気の透過等によりカソード極に供給された空気中の窒素がアノード極側に蓄積する。アノード極の窒素濃度が高く水素濃度が低いと発電処理し難いため、燃料電池の起動時にアノード側に蓄積した窒素の排出処理を行うことがある。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料ガスの供給を開始した後、燃料電池のアノード極のオフガスが通るアノードオフガス通路から燃料電池のアノード側のガスを吸引する燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムによれば、アノードオフガス通路を介して燃料電池のアノード側に蓄積した窒素を排出することができる。
【０００５】
また、他の燃料電池システムとして、燃料電池の始動時に、燃料電池への燃料ガスの供給を開始する前に、アノード極に蓄積した窒素を排出するものがある（例えば、特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１７７６６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７８９０２号公報
【特許文献３】特開平８−１２４５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスの供給を開始した始動時にガスの吸引を行うため、供給した燃料ガスを吸引して、燃料ガスを無駄に排出するおそれがある。
【０００７】
これに対して、特許文献２、３に記載の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を停止した状態で窒素を吸引するため、水素ガスの無駄な排出を低減できる。しかし、燃料ガスの供給を停止した状態でガスの吸引を行うと、ガスの吸引に伴ってアノード側が低圧となる。よって、前記燃料電池システムではガスの吸引量に限界があり、十分に窒素等の不純物ガスを吸引出来ないおそれがある。
【０００８】
本発明は、前記種々の問題に鑑みて為されたものであり、燃料電池の始動時に、燃料電池のアノード側に蓄積した不純物ガスを排出する燃料電池システムにおいて、不純物ガスの排出による燃料ガスの無駄を低減しつつ、十分に不純物ガスを排出できる燃料電池システムを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池のアノード側のガス排出口から
燃料電池内のガスを吸引するガス吸引手段と、前記燃料電池の始動時に、前記燃料供給手段による燃料ガスの供給を停止した状態で前記ガス吸引手段による燃料電池内のガスの吸引を開始して、前記ガスの吸引を開始した後で且つ所定条件の成立後に当該ガスの吸引を継続しつつ前記燃料供給手段による燃料ガスの供給を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
前記ガス吸引手段は、燃料電池のアノード側のガス排出口から燃料電池内のガスを吸引するため、燃料電池のカソード側からアノード側に透過して蓄積された窒素等の不純物ガスを吸引することができる。
【００１１】
前記燃料電池システムは、まず燃料電池の始動時に、燃料供給手段による燃料ガスの供給を停止した状態で、ガス供給手段によってアノード側に蓄積した窒素等の不純物ガスを吸引する。そして、前記ガスの吸引を開始した後で且つ所定条件の成立後に、前記ガスの吸引とともに燃料電池への燃料ガスの供給を開始する。
【００１２】
前記所定条件とは、燃料電池のアノード側の不純物ガスの吸引がある程度完了したか否かを判定する条件である。この所定条件が成立したか否かは、前記ガス吸引手段によるガスの吸引を開始してからの経過時間、燃料電池システムのアノードオフガスが通る経路のガス圧力等によって判定することができる。
【００１３】
本発明は、前記所定条件の成立後に、前記ガス吸引手段による不純物ガスの吸引とともに、前記ガス供給手段による燃料ガスの供給を開始する。これにより、燃料電池のアノード側の圧力低下によって吸引する不純物ガス量の限界がなくなり、十分量の不純物ガスを燃料電池から排出することができる。
【００１４】
すなわち、本発明は、従来の燃料電池システムと比較して以下の優れた効果を有する。本発明は、燃料ガスの供給を停止した状態においてのガス吸引と比較すると、窒素等の不純物ガスを十分に燃料電池から吸引することができる。また、燃料ガスの供給を開始した後におけるガス吸引と比較すると、不純物ガスの吸引に伴って吸引される燃料ガス量が少なくなり、燃料ガスの無駄を低減することが可能となる。
【００１５】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の始動時に、燃料電池内に蓄積した窒素等の不純物ガスを排出することができ、当該不純物ガスの排出による燃料ガスの無駄を低減しつつ、十分量の不純物ガスを排出することができる。
【００１６】
なお、前記ガス吸引手段とは、燃料電池内のアノード側に蓄積した不純物ガスを燃料電池外に導けるものであればよく、例えば、アノードオフガスに含まれる燃料ガスを再び燃料電池に供給する循環系の燃料電池システムにおいて燃料ガスの供給に用いられるガスポンプ、燃料電池のカソード側に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段として用いられるエジェクタ等を適用することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記ガス吸引手段によって吸引したガスを燃料電池のカソード側に供給する吸引ガス供給手段を更に備えることを特徴とすることが望ましい。
【００１８】
前記ガス吸引手段によって吸引する燃料電池のアノード側に蓄積されたガスには、燃料電池の発電停止時に電解質膜を介してカソード側からアノード側に透過した窒素等の不純物ガスのみならず、燃料電池に供給された燃料ガスが含まれる。この吸引したガスをシステム外へ排出すると、高濃度の燃料ガスが排出される。従って、前記吸引ガス供給手段を更に備えることが望ましく、当該該吸引ガス供給手段によって吸引したガスに含まれる燃
料ガスを燃料電池のカソード側で処理させて、更に燃料ガスの濃度を低減することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の始動時に、燃料電池内のガスの吸引を開始した後で且つ所定条件の成立後に、燃料電池のアノード側に蓄積したガスの吸引を行いつつ燃料ガスの供給を開始するため、燃料電池のアノード側に蓄積した不純物ガスを十分に排出するとともに、当該不純物ガスの排出に伴う燃料ガスの無駄な排出を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池自動車の駆動動力源に適用した実施形態であり、燃料電池自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池を備えている。なお、本発明に係る燃料電池システム１０は、該燃料電池自動車以外にも適用可能であることは勿論である。
【００２１】
図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の構成図である。この燃料電池システム１０は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを得る燃料電池１を有しており、この燃料電池１のカソード側の経路には、燃料電池１のカソード極に空気（酸素）を供給するための空気供給通路２０と、燃料電池１から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路２１と、前記空気供給通路２０の最上流部に設けられた空気供給手段としての空気ポンプ２と、前記空気供給通路２０を流通する空気のエネルギを動力源として作動して後述するガス吸引通路内の流体を吸引するガス吸引手段としてのエジェクタ３と、が設けられている。
【００２２】
また、燃料電池１のアノード側の経路には、燃料電池１のアノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素供給通路３０と、燃料電池１から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路３１と、アノードオフガス通路３１上に設けられ、燃料電池１から排出されたアノードオフガスを一時的に貯留するアノードオフガスタンク４と、前記アノードオフガスタンク４と接続され、前記エジェクタ３によって燃料電池１のアノード側から吸引するガスが通るガス吸引通路３２と、前記水素供給通路３０の最上流部に設けられた燃料供給手段としての水素タンク５と、前記水素供給通路３０上に設けられ、水素供給通路３０を開閉する水素供給弁６と、が設けられている。
【００２３】
前記アノードオフガス通路３１とカソードオフガス通路２１の下流には、当該オフガスを希釈するための希釈器７が設けられ、燃料電池１から排出されたオフガスは希釈されて、燃料電池システム１０外へ排出される。
【００２４】
また、アノードオフガス通路３１のアノードオフガスタンク４の下流には、アノードオフガス通路３１を開閉するアノードオフガス開閉弁８が設けられ、前記ガス吸引通路３２には、ガス吸引通路３２を開閉する吸引ガス開閉弁９が設けられている。前記アノードオフガス開閉弁８と、吸引ガス開閉弁９と、を開閉することによって、アノードオフガスタンク４に貯留されたアノードオフガスをアノードオフガス通路３１又はガス吸引通路３２に導く。
【００２５】
また、アノードオフガス通路３１は、前記アノードオフガス開閉弁８の下流において、アノードオフガスを燃料電池１のカソード側に導くオフガス循環通路３３と、前記アノードオフガスを希釈器に導くオフガス排出通路３４と、に分岐しており、前記オフガス循環通路３３には、オフガス循環通路３３を開閉する循環ガス開閉弁１１が設けられている。
【００２６】
前記循環ガス開閉弁１１を開閉することにより、アノードオフガスタンク４からアノードオフガス通路３１に導かれたアノードオフガスを前記希釈器７を介してシステム外へ排出するか、エジェクタ３を介して燃料電池１のカソード側へ導くことができる。なお、以下説明する燃料電池の起動制御では、アノードオフガスを希釈器７又はエジェクタ３に導くため、前記循環ガス開閉弁１１は閉じている。
【００２７】
また、燃料電池システム１０は、各種装置の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）１２と、前記アノードオフガスタンク内の水素濃度を検出する水素濃度センサ１３を備えている。水素濃度センサ１３によって検出された水素濃度は、ＥＣＵ１２に入力される。ＥＣＵ１２は入力された値および各種装置の動作状況に基づいて、燃料電池１の起動、停止等、各種制御を行う。
【００２８】
次いで、このように構成された燃料電池システム１０における燃料電池１の起動制御を詳細に説明する。前記燃料電池の起動制御は、前記ＥＣＵ１２によって実行される。図２は、燃料電池の起動制御のフローチャートである。
【００２９】
ＥＣＵ１２は、燃料電池１の起動を受け付けると、燃料電池１に空気を供給するため空気ポンプ２を起動する（ステップ１０１）。次いで、ＥＣＵ１２は、前記水素濃度センサ１３によって、アノードオフガスタンク４内の水素ガスの濃度を検出する（ステップ１０２）。前記アノードオフガスタンク４は、燃料電池１のアノード側の排出口下流に設けられており、当該アノードオフガスタンク４内の水素ガスの濃度を検出することにより、燃料電池１内の水素ガス濃度を推定することができる。
【００３０】
次いで、ＥＣＵ１２は、ステップ１０２によって検出した水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判定する（ステップ１０３）。この所定濃度とは、当該濃度以上で発電処理が可能なであると判定できる水素濃度である。前記判定の結果、ステップ１０２によって検出した水素濃度が所定濃度以上の場合には、燃料電池１のアノード極に発電処理に十分な水素ガスが存するとして、水素供給弁６を開いて水素ガスを燃料電池１に供給し（ステップ１１１）、発電処理を開始して（ステップ１１２）、燃料電池１の起動処理を終了する。
【００３１】
一方、前記ステップ１０３の判定の結果、検出した水素濃度が所定濃度未満の場合には、燃料電池１のアノード側にカソード側から透過した窒素等の不純物ガスが滞留しているとして、当該不純物ガスの吸引処理を行う。
【００３２】
不純物ガスの吸引処理は、まず、アノードオフガスの流路を吸引処理用に切り替える（ステップ１０４）。具体的には、ガス吸引通路３２の吸引ガス開閉弁９を開き、アノードオフガス通路３１のアノードオフガス開閉弁８を閉じる。これにより、アノードオフガスタンク４の下流の流路は、ガス吸引通路３２となる。
【００３３】
次いで、前記エジェクタ３によって、ガス吸引通路３２を介して燃料電池１内のアノード側の不純物ガスを吸引する（ステップ１０５）。本実施の形態では、エジェクタ３によって、吸引した不純物ガスを空気供給通路２０に導き、当該空気供給通路２０を介して燃料電池１のカソード極に供給する。
【００３４】
前記エジェクタ３によって吸引するガスには、低い濃度であるが水素ガスが含まれている。この吸引したガスに含まれる水素ガスをカソード極に供給することにより、当該水素ガスを発電処理に供することができる。このように構成することにより、水素ガスを有効利用して、水素ガスの無駄な排出を低減することが可能となる。
【００３５】
ステップ１０５の不純物ガスの吸引開始から所定時間経過した後（ステップ１０６）、前記水素供給弁６を開き、燃料電池１への水素ガスの供給を開始する（ステップ１０７）。前記所定時間とは、前記エジェクタ３によって燃料電池１のアノード側のガスの吸引がある程度完了すると判定される時間であり、アノードオフガスタンクの容量、エジェクタの吸引能力等に基づいて適宜設定する。
【００３６】
前記燃料電池１への水素ガスの供給を行わない状態では、ガスの吸引に伴ってアノード側の圧力が低下して、エジェクタ３によってガスを吸引し難くなる。この水素ガスの供給を行わない状態でのガス吸引では、吸引できるガス量に限界があり、十分量の不純物ガスを吸引できないおそれがある。そのため、ガス吸引の開始から所定時間経過後に水素ガスの供給を開始することが望ましく、このように構成するにより、吸引するガス量の限界がなくなり、十分量の不純物ガスを吸引することができる。
【００３７】
また、水素ガスの供給を開始した後にガスの吸引を行うと、不純物ガスの吸引に伴う水素ガスの排出量が多くなり、水素ガスの無駄な排出を増大させる。本実施の形態では、水素ガスの供給を停止した状態で不純物ガスの吸引を開始して、所定時間不純物ガスの吸引を行った後に水素ガスの供給をする。このように構成することにより、不純物ガスの吸引に伴って排出される水素ガス量を低減し、水素ガスの無駄を低減することができる。
【００３８】
前記水素ガスの供給を開始した後、水素濃度センサ１３によってアノードオフガスタンク４内の水素濃度を検出する（ステップ１０８）。水素濃度を検出することによって、アノード極の不純物ガスの吸引が完了したか否か判断する。ＥＣＵ１２は、検出した水素濃度が所定濃度以上であるか判定して（ステップ１０９）、所定濃度未満であれば、ガス吸引を継続して、当該水素濃度が所定濃度以上と判定されるまで処理を繰り返す。
【００３９】
前記不純物ガスの吸引を行い、アノードオフガスタンク４内のガスの水素濃度が所定濃度以上と判定されると、発電処理を開始すべく、アノードオフガスの流路を発電処理用に切り替える（ステップ１１０）。具体的には、ガス吸引通路３２の吸引ガス開閉弁を閉めて、アノードオフガス通路３１のアノードオフガス開閉弁８を開ける。これにより、アノードオフガスタンク４の下流の流路は、アノードオフガス通路３１となる。アノードオフガスは、アノードオフガス通路３１を通って希釈器７に流入して、希釈器７によって希釈されてシステム外へ排出される。
【００４０】
前記アノードオフガスの流路を切り替えた後、前記水素供給弁６を開いて、燃料電池１のアノード極に発電処理を開始すべく水素ガスの供給を行い（ステップ１１１）、発電処理を開始して（ステップ１１２）、燃料電池１の起動制御を終了する。
【００４１】
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料電池１の始動時に、カソード側からアノード側に透過して、アノード側に蓄積した窒素等の不純物ガスを適宜に吸引して、発電処理を行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、不純物ガスの吸引の開始から所定時間経過することにより、不純物ガスの吸引がある程度完了したと判断したが、他の条件により不純物ガスの吸引がある程度完了したと判断してもよい。例えば、不純物ガスの排出を行う、水素供給通路２０の水素供給弁６以下の下流における圧力を検出して、当該圧力が所定圧力以下である場合には不純物ガスの吸引がある程度完了したと判定してもよい。
【００４３】
さらに、本発明は、前記エジェクタ３によって不純物ガスの吸引を行ったが、当該不純物ガスの吸引は、燃料電池のアノード側に滞留する不純物ガスを吸引できるものであれば
よく当該エジェクタ３に限定されない。
【００４４】
また、本発明は、吸引手段としてエジェクタ３を用いたため、不純物ガスの吸引処理を開始する前に空気ポンプ２を起動したが、空気のエネルギを動力源としない吸引手段を用いた場合には、不純物ガスを吸引する際に空気ポンプを起動する必要はなく、不純物ガスの吸引処理が完了して、水素ガスの供給を開始する際に空気ポンプ３を起動して空気の供給を開始するように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の起動制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池
２  空気ポンプ
３  エジェクタ
４  アノードオフガスタンク
５  水素タンク
６  水素供給弁
７  希釈器
８  アノードオフガス開閉弁
９  吸引ガス供給弁
１０  燃料電池システム
１１  循環ガス開閉弁
１２  ＥＣＵ
１３  水素濃度センサ
２０  空気供給通路
２１  カソードオフガス通路
３０  水素供給通路
３１  アノードオフガス通路
３２  吸引ガス通路
３３  循環ガス通路
３４  オフガス排出通路
【図１】
2007194031.tif 000003
【図２】
2007194031.tif 000004