(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池本体から排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給通路へ循環させる燃料循環配管と、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを一時的に外気に排出するパージ弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁の排出動作時の開口面積より大きい排出動作時の開口面積を有し、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁を備え、
燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給手段から一定の流量で燃料極に燃料ガスを供給しつつ、排燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料極内部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給通路に可変絞り弁を備え、
前記燃料ガス置換時に、前記可変絞り弁の開度を一定と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】
前記燃料ガス供給通路の流量を制御する可変絞り弁と、
前記可変絞り弁と燃料電池本体との間に配設されたイジェクタと、
燃料電池本体から排出された排燃料ガスを前記イジェクタの吸入口に戻す燃料循環配管と、
前記イジェクタ上流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、
前記燃料ガス置換時に、前記イジェクタ上流の燃料ガス圧力が所定値となるように、前記可変絞り弁開度を調整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４】
前記イジェクタ下流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記燃料ガス置換時に、前記イジェクタ上流の燃料ガス圧力の所定値をイジェクタ下流の燃料ガス圧力に応じて決めることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス置換を所定時間経過したら終了させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池本体の燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段を備え、
該燃料ガス濃度検出手段が検出した燃料ガス濃度に基づいて、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス排出弁上流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段を備え、
該圧力検出手段が検出した圧力に基づいて、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス排出弁上流の燃料ガス圧力を検出する圧力検出手段を備え、
該圧力検出手段が所定の圧力低下を検出した時から所定時間経過後に、前記燃料ガス置換を終了させることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特に、起動時間を短縮することができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、燃料電池システムの起動方法として、特許第２７３５３９６号に記載されたものがある。
この従来例では、起動時は、燃料と空気を供給し、燃料電池の出力電圧を監視し、この出力電圧値が電圧許容下限値を超えた時点で、電力負荷を取り出すようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の出力電圧が上昇した状態であっても、電力負荷を取り出すと問題が起こる場合がある。
例えば、燃料電池システムを長時間運転せずに放置した場合を考える。放置状態では、燃料電池の燃料極及び燃料配管内の燃料ガスは、システム外に徐々に拡散したり、徐々に燃料電池内で空気中の酸素と反応して失われるため、燃料極及び燃料配管内は空気、または窒素が充満した状態となる。
【０００４】
ここで、燃料電池システムを起動するために、燃料極、空気極にそれぞれ燃料ガス、空気を供給すると、燃料極または燃料通路内の空気が燃料ガスに十分置き換わっていなくても、すぐに燃料電池の出力電圧は立ち上がる。しかし、ここですぐに負荷を取り出すと、燃料通路または燃料極内の燃料ガス濃度が不充分なため、急激な電圧降下が発生し、負荷を安定して取り出せないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、長時間放置後であっても確実にかつ短時間で起動できる燃料電池システムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が対設された燃料電池本体と、燃料電池本体に燃料ガス供給通路を介して燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池本体から排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給通路へ循環させる燃料循環配管と、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池運転中に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを一時的に外気に排出するパージ弁と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージ弁の排出動作時の開口面積より大きい排出動作時の開口面積を有し、前記燃料循環配管と外気との間を開閉することにより燃料電池の起動時に燃料電池本体から排出された排燃料ガスを外気へ排出する燃料ガス排出弁を備え、燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給手段から一定の流量で燃料極に燃料ガスを供給しつつ、排燃料ガスを前記燃料ガス排出弁から排出することにより、前記燃料ガス供給通路および燃料極内部を燃料ガスで置換する燃料ガス置換を行うことを要旨とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス通路および燃料電池の燃料極が確実に燃料ガスで置換され、長時間放置の後であっても確実に短時間で起動できるという効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。同図において、燃料電池本体である燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、複数これを積層したものである。燃料極に供給する燃料ガスとしては水素、酸化剤極に供給する酸化剤としては空気を用いる。
【０００９】
水素タンク２（燃料ガス供給手段）の水素ガスは、可変絞り弁３を介して燃料電池スタック１に供給される。可変絞り弁３は、通常運転時は、燃料電池スタック１への水素供給圧が適正になるように、コントローラ１５で制御される。
【００１０】
なお、本実施形態では、水素タンク２と可変絞り弁３との間に、圧力レギュレータ１２を設け、水素タンク２の残圧に関わらず、可変絞り弁３に一定圧力の水素ガスを供給するように制御している。
【００１１】
可変絞り弁３と燃料電池スタック１の間の水素配管４（燃料ガス供給通路）には、イジェクタ５が設けられる。燃料電池スタック１から排出される排燃料ガスである余剰水素は、燃料循環配管である水素戻り配管６を介してイジェクタ５の吸入口に戻され、通常運転時は、イジェクタ５で水素を循環させることにより、燃料電池スタック１の反応効率を上げている。
【００１２】
開閉弁を用いたパージ弁７は、通常運転時に、例えば燃料電池スタック内の水素通路が水で閉塞された場合等に、一時的に水素ラインをパージするためのパージ手段である。
【００１３】
開閉弁を用いた水素置換バルブ８は、起動時に水素ラインを水素で置換するための燃料ガス排出手段であり、パージ弁７より大きな開口面積に設定している。コンプレッサ９は、空気を圧縮して燃料電池スタック１の酸化剤極の入口に供給し、酸化剤極の出口に設けられた空気圧調整弁１１により酸化剤極の空気圧が調整される。燃料電池スタック１への空気の供給及び空気圧の制御は、コントローラ１５がコンプレッサ９及び空気圧調整弁１１を制御することにより行われる。
【００１４】
次に、上記構成による燃料電池システムの起動手順の概要を、図２のフローチャートに基づいて説明する。
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１１で起動操作を開始すると、燃料極及び燃料配管内ガスの置換開始の指示が出る。次いで、Ｓ１２で水素置換バルブ８を開き、続いてＳ１３で略一定流量（例えば１００Ｌ／分  程度）でシステムに水素を供給して、水素配管４，燃料極内部及び水素戻り配管６からなる水素ライン内を新規に供給した水素で置き換える水素置換（燃料ガス置換）を行う。
【００１５】
本実施形態では、一定流量で水素を供給するために、水素置換時の可変絞り弁３の開度を一定にするようにした。可変絞り弁３の上流／下流の圧力比が１．９以上であれば、可変絞り弁３はチョーク状態となる。従って、圧力レギュレータ１２の設定圧を十分高くすれば、可変絞り弁３の下流圧に影響されず、開度が一定なら流量が一定となるのである。
【００１６】
Ｓ１４で、所定時間（例えば１０秒程度）が経過したことをもって水素ラインが十分置換されたことを判定し、水素置換を終了、すなわち可変絞り弁３を閉じて、水素の供給を止める。前記所定時間は、予め上記の置換流量で十分な置換ができる必要最小限の時間を実験的に求め、この必要最小限の時間にある程度の余裕度を加えて、その時間だけ置換するようにするのである。
【００１７】
Ｓ１５で水素置換バルブ８を閉じ、Ｓ１６では、通常運転操作に基づき空気、水素を供給し、電力負荷取り出しを開始する。
【００１８】
なお、本実施形態では、パージ弁７とは別に、パージ弁７より開口面積の大きい水素置換バルブ８を設けた。従来のパージ弁７とは別個に水素置換バルブ８を設けた理由は、パージ弁７は燃料消費率を悪化させないために、必要最小限の開口面積としたいが、そうすると、起動時の水素置換で、大きな流量を流そうとした時に圧損が大きくなってしまうためである。
【００１９】
もちろん、一つの開閉弁をパージ弁７兼水素置換バルブとして用いても構わない。この場合、バルブ開口面積を大きくすると、通常運転中にパージする時のパージ流量が不必要に多くなり、燃料消費が増える。
【００２０】
これとは逆に、バルブ開口面積を小さくすると、起動時に水素置換流量を大きくしようとすると、バルブの圧損により燃料電池スタックにかかる圧力が高くなってしまい、燃料電池スタックにダメージを与えてしまうおそれがあり、水素置換流量を小さくせざるをえなくなり、必要な置換時間が長くなり、起動時間が延びてしまう。
【００２１】
ただし、バルブ一つとすることにより、低コスト化が可能であり、燃料消費率、起動時間、コストのバランスで、バルブを一つにするか二つにするか選択すべきである。
【００２２】
なお、以上イジェクタで水素を循環させるシステムについて説明してきたが、外部動力による水素循環ポンプを用いて水素を循環させるシステム、水素を循環させないシステムにおいても本発明を適用可能であることは言うまでもない。
【００２３】
以上説明したように本実施形態によれば、起動時に燃料ガス供給通路及び燃料極内部を確実に必要十分な水素置換を行うため、長期間放置後であっても、確実な起動が短時間で可能となるという効果がある。
【００２４】
特に、燃料ガスの供給流量を略一定とすることで、所定時間が経過したことをもって十分置換されたと判定できるので、簡単な制御により上記効果を得ることが出来る。
【００２５】
また、可変絞り弁の開度を一定とすることで燃料ガスの供給流量が略一定となるので制御構成がより簡単なものになる。
【００２６】
〔第２実施形態〕
図３は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図である。本実施形態と第１実施形態との相違は、可変絞り弁３とイジェクタ５との間に、イジェクタ入口圧を検知する圧力センサ１３を設けたことと、燃料電池スタック１に供給する水素圧を検知するための圧力センサ１４を設けたことである。その他の構成は、図１と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００２７】
本実施形態では、起動時の水素置換において、圧力センサ１３が検出するイジェクタ入口圧が一定（例えば０．５バール程度）となるように、可変絞り弁３の開度をコントローラ１５が調整するようにした。
【００２８】
イジェクタ５は、その入口側のノズルにより流路が絞られるため、水素を流すと圧損が発生する。従って、水素置換時のイジェクタ入口圧を高く、置換時にイジェクタ５がチョークする値に設定すれば、イジェクタ５の上流圧を一定にすることにより、水素置換時の供給水素流量を一定に出来るのである。
【００２９】
次に、本実施形態における水素置換手順を図４のフローチャートで説明する。まず、Ｓ２１で置換開始の指示が出ると、Ｓ２２で水素置換バルブ８を開け、Ｓ２３で圧力センサ１３が検出するイジェクタ５の入口圧が所定の値となるように可変絞り弁３の開度を調整しながら水素を供給する。水素供給、すなわち実際の置換時間が所定時間となったら、Ｓ２４で可変絞り弁３を閉じて水素供給を終了し、Ｓ２５で水素置換バルブ８を閉じて、一連の置換作用を終了する。
【００３０】
なお、イジェクタ５のノズルの大きさ、水素置換流量等によっては、水素置換時にイジェクタ５をチョーク状態とできない場合がある。
【００３１】
イジェクタの大きさは、燃料電池スタックの特性により決まる、通常運転時にイジェクタで循環させたい水素量によって決められるべきである。
【００３２】
また、水素置換流量は、多すぎると排出される水素量が多くなり、排出水素を燃焼させる図示しない燃焼器が大型化したり、燃費が悪化するため、極端に多くすることはできない。
【００３３】
例えば、ノズル面積の大きなイジェクタを用い、水素置換流量を少ない設定にした場合は、置換時にイジェクタをチョーク状態で維持できなくなるのである。
【００３４】
このような場合は、図５に示すように、燃料電池スタック１の入口圧に応じて、水素要求流量が所定の一定値となるイジェクタ入口圧を予めコントローラ１５に記憶させておき、その圧力となるように可変絞り弁３を調整すれば、全く同様の効果を得ることができるのである。
【００３５】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、起動時に確実に必要十分な水素置換を行うため、長期間放置後であっても、確実な起動が可能となったのである。
【００３６】
特に、既存のイジェクタを用い、イジェクタがチョークする特性を利用して、イジェクタ上流の燃料ガス圧力が所定値となるように、可変絞り弁開度を調整することにより、簡単かつ確実に燃料ガスの供給流量を略一定とすることができる。
【００３７】
また、イジェクタ上流の燃料ガス圧力をイジェクタ下流の燃料ガス圧力に応じて決めるので、イジェクタ下流の燃料ガス圧力が変動しても簡単かつ確実に燃料ガスの供給流量を略一定とすることができる。
【００３８】
〔第３実施形態〕
本実施形態の構成は、図３に示した第２実施形態と同様である。
図６には、水素置換時の燃料電池スタック入口圧の推移を示す。図６の実線は、起動前に燃料電池システムの水素ラインが、完全に空気で満たされており、置換に最も時間を要する場合である。
【００３９】
水素供給を始めると、いったん燃料電池スタック入口圧が上昇し、置換が進むにつれて圧力は低下し、水素ラインが完全に水素で満たされると、圧力は一定（Ｐ０）（例えば３ｋＰａ）となる。
【００４０】
これは、空気は水素に対して分子量が大きく、一定流量で置換した場合、水素置換バルブを通過する時の圧力が水素に対して大きいためである。すなわち、置換流量一定の場合、イジェクタ下流圧で、水素ラインにどの程度空気が残存しているかが判定できるのである。
【００４１】
本実施形態では、イジェクタ下流圧として燃料電池スタック入口圧を用いたのである。
【００４２】
また、同図の破線は、起動前に燃料電池システムの水素ラインに、水素が残存していた場合の一例である。水素ラインが空気で満たされている実線の場合は、置換をｔ１時間行う必要があるのに対し、水素が残存している破線の場合は、ｔ２（ｔ２＜ｔ１）でよいことがわかる。
【００４３】
本実施形態では、この特性を利用し、水素置換時に燃料電池スタックの入口圧が所定値（Ｐ０）を下回った時点で置換を終了するようにした。
すなわち、イジェクタ入口圧を検知する圧力センサ１３が燃料ガス濃度を検出する手段の役割もかねて燃料電池スタックの入口圧が所定値（Ｐ０）を下回ったことを燃料極内、燃料ガス通路の水素濃度が所定値以上（発電に必要な最低限の濃度以上）となったとみなしている。
【００４４】
次に、本実施形態における起動時の水素置換を図７のフローチャートに基づいて説明する。
【００４５】
まずＳ３１で置換開始の指示が出ると、Ｓ３２で水素置換バルブ８を開け、Ｓ３３で圧力センサ１３が検出するイジェクタ入口圧が所定値となるように可変絞り弁３の開度を調整しながら水素を供給する。Ｓ３４で圧力センサ１４が検出する燃料電池スタック１の入口圧が所定値以下か判定し、所定値以上の場合はそのまま水素供給を続けるように、所定値以下の場合はＳ３５で可変絞り弁３を閉じて水素供給を終了し、Ｓ３６で水素置換バルブ８を閉じて、一連の置換作業を終了する。
【００４６】
こうすることにより、燃料電池システムの水素ライン内の水素残存量（濃度）に応じて、必要最小限の置換時間とすることが可能となり、置換により失われる水素量を最小に抑え、起動時間を短縮しつつ、確実な起動が可能となったのである。
【００４７】
また、燃料ガス排出手段である水素置換バルブ８上流のガス圧力値で水素ライン内の水素残存量（濃度）を判別することができるようになり、水素濃度専用のセンサを用いる必要も無い。
【００４８】
また、燃料ガスの供給流量を略一定としておくことで、燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガスの増加に伴い燃料ガス排出手段上流の圧力が所定値以下となったことが判定しやすくなる。本発明を適用しない場合、燃料ガスの供給流量が略一定でなくなり、燃料ガス排出手段上流の圧力が所定値以下となっても燃料極内、または燃料ガス通路内の燃料ガスの増加に伴うものか、燃料ガス供給流量の変動に伴うものか判別が困難となり、制御が不確実となる。
【００４９】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック入口圧を検出する圧力センサ１４を用いたが、圧力センサの位置は、イジェクタより下流であれば、例えば燃料電池スタック下流でもよいことは言うまでもない。
【００５０】
本来は、水素置換バルブ入口圧を使うのが理想的であるが、燃料電池スタックの圧損が十分小さければ、上記のように燃料電池スタック入口圧で代用できるのである。
【００５１】
なお、イジェクタ入口圧を一定にすることにより置換流量を一定とするようにしたが、可変絞り弁開度を一定にして、置換流量を一定となるようにしてもよい。
【００５２】
〔第４実施形態〕
本実施形態の構成は、図３に示した第２実施形態と同様である。
上記の第３実施形態では、水素ライン内が空気で満たされている場合に、置換時の燃料電池スタック入口圧力が例えば最大４０ｋＰａまで上がる水素置換流量、水素置換バルブの設定にした場合に、十分置換された後の状態では、圧力が約３ｋＰａとなる。このような最大圧力４０ｋＰａに耐えて、かつ低圧力を精度よく検知するためには高価な圧力センサが必要となる。
【００５３】
圧力センサの精度が低い場合は、十分に置換されていないのに置換終了判定してしまったり、センサ指示値上は圧力がＰ０まで落ちずに、置換が終了しなくなる不具合が予測される。
【００５４】
そこで、本実施形態では、判定圧力を図６のＰ０よりもやや高いＰ１（例えば６ｋＰａ）とし、そのかわりに、燃料電池スタック入口圧がＰ１以下となった後も、所定時間（例えば３秒程度）水素供給を続けるようにした。
【００５５】
図８は、本実施形態の水素置換動作を説明するフローチャートである。図７の第３実施形態との相違は、Ｓ４５で、スタック入口圧力が所定値（Ｐ１）以下となった後に、さらに所定時間水素を供給し続け、置換を続けることである。
【００５６】
こうすることにより、安価で精度の低い圧力センサを用いつつ、確実に必要十分な置換を行ない、安定して起動することが可能となったのである。
【００５７】
なお、イジェクタ入口圧を一定にすることにより置換流量を一定とするようにしたが、可変絞り弁開度を一定にして、置換流量を一定となるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明する構成図である。
【図２】第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明する構成図である。
【図４】第２実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図５】燃料電池スタック入口圧力に対する水素流量が所定値となるイジェクタ入口圧力を示す図である。
【図６】第３実施形態における水素置換時の燃料電池スタック入口圧力の時間変化を示す図である。
【図７】第３実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図８】第４実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…水素タンク
３…可変絞り弁
４…水素配管
５…イジェクタ
６…水素戻り配管
７…パージ弁
８…水素置換バルブ
９…コンプレッサ
１０…空気配管
１１…空気圧調整弁
１２…圧力レギュレータ
１３…圧力センサ
１４…圧力センサ
１５…コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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