(57)【要約】【課題】オフガス燃焼部での吸水と開閉弁の凍結を抑制す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から排出された燃料ガスのオフガスを触媒により燃焼させるオフガス燃焼部１０とを備えた燃料電池システム１００において、排気路７２におけるオフガス燃焼部１０の上流側及び下流側に、それぞれ開閉弁Ｆ１，Ｆ２を設ける。外気温に基づいて、制御部５０がそれぞれの開閉弁Ｆ１，Ｆ２の開閉を制御する。【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燃焼させるオフガス燃焼部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記オフガス燃焼部の下流側に開閉弁が設けられた燃料電池システム。
【請求項２】
前記オフガス燃焼部の上流側にも開閉弁が設けられた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記オフガス燃焼部は、前記燃料オフガスを触媒によって燃焼させる請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記開閉弁の少なくとも一方の開閉を制御する制御部を備えた請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、外気温に基づいて前記開閉弁の制御を行う請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、オフガスを含む排ガスの温度に基づいて前記開閉弁の制御を行う請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記触媒の気温に基づいて前記開閉弁の制御を行う請求項４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、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から排出された燃料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器を備えた燃料電池システムでは、オフガス燃焼器内でガス中の水蒸気が凝縮して触媒表面が覆われることによる触媒反応の阻害を抑えるため、系内のエアパージを行っているが、システム停止後に、外気から水蒸気が系内に入り込むと、その水蒸気によって触媒表面が吸水してしまう。
【０００３】
ここで、システム停止後に、外気から系内への水蒸気の侵入を防ぐため、外気に繋がる配管に遮断弁を設け、パージ後に遮断弁によって外気と系内とを遮断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２８２１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、オフガス燃焼部の下流に開閉弁が設けられていないため、長時間放置することにより触媒が吸水し、起動時に起動不良を起こしたり、多量の未反応水素オフガスを放出する場合がある。さらに、凍結温度以下まで低下した場合には遮断弁が凍結して動作不良を起こすことにより、起動不良になる場合もある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、オフガス燃焼部での吸水と開閉弁の凍結を抑制することが可能な燃料電池システム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】
【０００６】
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燃焼させるオフガス燃焼部と、を備えた燃料電池システムであって、前記オフガス燃焼部の下流側に開閉弁が設けられている。
【０００７】
この構成によれば、例えば、システム停止時に、開閉弁を閉状態とすることにより、オフガス燃焼部内への水蒸気の侵入を抑制することができ、オフガス燃焼部が吸水することによる効率低下を抑えることができる。したがって、低温起動時にオフガス燃焼部から未反応のまま排出されるオフガスを減少させることができる。
【０００８】
また、凍結温度以下となった時点にて開閉弁を開状態とすることにより、システム起動時における開閉弁の凍結による作動不良などの不具合を抑制することができる。しかも、温度が低いことから、放置中にオフガス燃焼部へ侵入する水蒸気の量を十分に低く抑えることができ、起動時に不具合なくオフガスを燃焼させることができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記オフガス燃焼部の上流側にも開閉弁が設けられていてもよい。
この構成によれば、例えば酸化ガスを燃料電池に供給するためのコンプレッサやブロア等、オフガス燃焼部の上流側から侵入する外気による当該オフガス燃焼部の吸水をより好適に抑制することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記オフガス燃焼部は、前記燃料オフガスを触媒によって燃焼させるものでもよい。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、前記開閉弁の少なくとも一方の開閉を制御する制御部を備えてもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、外気温に基づいて前記開閉弁の制御を行うものでもよい。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、オフガスを含む排ガスの温度に基づいて前記開閉弁の制御を行うものでもよい。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記触媒の気温に基づいて前記開閉弁の制御を行うものでもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、オフガス燃焼部での吸水を抑制しつつ、開閉弁の凍結を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システム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。
【００１６】
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。
【００１７】
コンプレッサＡ３は、モータ（補機）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。
【００１８】
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、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。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、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に接続されている。排出制御弁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ことにより、水素オフガスはオフガス燃焼部１０に導入された空気オフガスとの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。
【００２７】
オフガス燃焼部１０は、燃焼触媒を備えた触媒ヒータが設けられており、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ガ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。
【００２８】
排気路７２には、オフガス燃焼部１０の上流側及び下流側に、例えば電磁弁からなる開閉弁Ｆ１，Ｆ２が設けられており、これら開閉弁Ｆ１，Ｆ２は、オフガス燃焼部１０の上流側及び下流側における排気路７２をそれぞれ閉鎖する。これら開閉弁Ｆ１，Ｆ２も、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
上記のオフガス燃焼部１０を備えた燃料電池システムでは、システム停止後、時間が経過すると、オフガス燃焼部１０に外気あるいは排気路７２内のオフガスが混入し、これら外気あるいはオフガスに含まれている水分が触媒に吸水されてしまう。そして、この状態にて低温となると、触媒表面に氷膜が形成され、この状態にて運転を開始すると、触媒によるオフガスの燃焼反応が低下してしまう。
【００３３】
また、図２に示すように、ガス中の未反応水素量は、オフガス燃焼部１０の触媒における吸水量が増えるにしたがって増加する。つまり、触媒が吸水することにより、オフガスの燃焼反応が低下して排気水素濃度が高くなってしまう。このことより、排気路７２から排気するオフガス中における排気水素濃度を所定濃度Ａに抑えるためには、この排気水素濃度と触媒の吸水量との関係から、触媒における吸水量をＢ以下とする必要がある。
【００３４】
ここで、図３に示すように、オフガス中における水分量は、同じ湿度でも、低温では低く、温度が高くなるにしたがって次第に多くなる。また、図４に示すように、触媒の吸水量は、低温Ｇでは、システム停止後における放置時間が長くなってもほとんど増加しないが、ある程度高い温度Ｅ、Ｆ（ただし、Ｅ＞Ｆ＞Ｇ）では、放置時間が長くなるにしたがって増加する。
【００３５】
しかし、このような吸水量が増加する温度Ｅ，Ｆでも、システム停止後に、オフガス燃焼部１０の上流側及び下流側の開閉弁Ｆ１，Ｆ２を閉鎖してオフガス燃焼部１０を密閉すれば、オフガス燃焼部１０に水分を含む外気あるいは排気路７２内のオフガスは混入しないので、吸水量の増加が抑えられ、許容吸水量Ｂ以下とすることができる。
【００３６】
一方、システム停止時において、系内の温度が例えば、凍結温度である０℃以下となると開閉弁Ｆ１，Ｆ２が凍結し、作動不良を起こすことが考えられる。ここで、開閉弁Ｆ１，Ｆ２が閉状態である場合に作動不良が生じると、排気路７２が閉塞した状態となり、システムの運転ができなくなる。
【００３７】
なお、開閉弁Ｆ１，Ｆ２が開状態である場合に作動不良が生じると、排気路７２が開放した状態となるが、この場合は、システムの運転は何ら支障なく開始することができる。しかも、このとき、オフガスの温度は低温であることより、かりに湿度が１００％であっても水分量は十分に低くなるため（図３）、触媒の吸水量も許容吸水量Ｂよりも十分に低く抑えられることになり、触媒ヒータによってオフガスの燃焼反応を生じさせることが可能である。
【００３８】
以上のことから、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、外気温を検出する図示しない温度センサからの検出信号に基づいて、開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを次のように制御している。
【表１】
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【００３９】
（１）オフガス燃焼部１０における触媒ヒータがＯＮのとき
このときは、燃料電池システム１００の運転にともないオフガス燃焼部１０の触媒にてオフガスの燃焼反応を生じさせて排気路７２から外部へ排気を行うため、各開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮにして開放する。
【００４０】
（２）オフガス燃焼部１０における触媒ヒータがＯＦＦのとき
このときは、燃料電池システム１００の運転停止にともないオフガス燃焼部１０を作動停止させているため、開閉弁Ｆ１，Ｆ２は、外気温を検出する温度センサからの検出信号に基づく通電のＯＮ・ＯＦＦ制御により、開閉される。
【００４１】
ここで、外気温が０℃以上である場合は、それぞれの開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＦＦにして全閉とし、オフガス燃焼部１０の上流側及び下流側が閉鎖される。これにより、オフガス燃焼部１０内の触媒は、外気あるいは排気路７２内のオフガスに対して密閉された状態とされ、外気あるいはオフガス内の水蒸気の吸水が抑制される。
【００４２】
これに対して、外気温が０℃以下である場合は、それぞれの開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮにして全開とし、オフガス燃焼部１０の上流側及び下流側が開放される。これにより、開閉弁Ｆ１，Ｆ２が凍結したとしても、排気路７２は開放された状態が確保されるので、燃料電池システム１００の運転開始にて生じるオフガスを外部へ円滑に排気させることができる。
【００４３】
また、このとき、前述したように、オフガス燃焼部１０内の触媒の周囲のオフガスの温度も低温であることより、触媒の吸水量が許容吸水量Ｂよりも十分に低く抑えられているので、触媒ヒータをＯＮした際に、不具合なくオフガスの燃焼反応を触媒にて生じさせることができる。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、システム停止後のオフガス燃焼部１０の触媒への吸水による燃焼反応の低下及び開閉弁Ｆ１，Ｆ２の凍結による作動不良による不具合が抑制されるので、低温起動時にオフガス燃焼部１０から未反応のまま排出されるオフガス中の水素濃度を低下させることができ、しかも、円滑に起動させることができる。
【００４５】
なお、上記実施形態では、外気温を検出する温度センサからの検出信号に基づいて、開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮ・ＯＦＦさせるタイミングを制御したが、開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮ・ＯＦＦさせるタイミングは、外気温に基づくものに限定されない。
【００４６】
例えば、オフガス燃焼部１０へ流れ込むオフガスの温度を検出する温度センサを設け、この温度センサからの検出信号に基づいて開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮ・ＯＦＦさせるタイミングを制御しても良く、あるいは、オフガス燃焼部１０の触媒の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサからの検出信号に基づいて開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮ・ＯＦＦさせるタイミングを制御しても良い。
【００４７】
また、制御部５０が開閉弁Ｆ１，Ｆ２への通電をＯＮ・ＯＦＦさせるタイミングの基準となる温度としては、０℃に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【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である。
【図２】触媒の吸水量とオフガスの排気水素濃度との関係を示すグラフ図である。
【図３】オフガスの温度とオフガスに含まれる水分量との関係を示すグラフ図である。
【図４】放置時間と触媒の吸水量との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４９】
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、Ｆ１，Ｆ２…開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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