(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合希釈して排気する希釈器と、燃料電池と希釈器との間のアノードオフガス流路に設けられた開閉弁と、希釈器に対して排気方向下流側に設けられた排気遮断弁と、前記希釈器に対して前記排気方向の下流側に設けられ、前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスに含まれる水を回収して前記酸化剤ガスの加湿に利用する加湿器と、開閉弁が開放状態で動作不良になったときに排気遮断弁を閉弁する制御を実行する制御部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給するガス供給機をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス供給機の回転数を増加させる制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池および希釈器間のカソードオフガス流路に設けられたガス調圧弁をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス調圧弁の開度調節を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合希釈して排気する希釈器を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に与える影響が少ないことから、自動車または車両に燃料電池スタックの搭載が試行されている。燃料電池スタックは、例えば燃料電池のアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化剤ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって必要な電力を取り出すものである。
【０００３】
カソード側に供給された酸化剤ガスが燃料電池スタックから排出される際のカソードオフガスには、電気化学反応によって生じた反応生成水が含まれる。一方、アノード側に供給された燃料ガスが燃料電池スタックから排出される際のアノードオフガスにも、電解質膜を通過してきた反応生成水が含まれることになる。
【０００４】
アノードオフガスは、燃料電池スタックのアノードオフガス出口と希釈器とを接続する配管の途上に設けられたパージ弁を所定のタイミングで開弁することによって希釈器に送られる。カソードオフガスもまた、配管を介して燃料電池から希釈器に送られる。そして、希釈器内において、アノードオフガスは、カソードオフガスと混合されて希釈されてから、外部に排出される。このとき、カソードオフガスおよびアノードオフガスにそれぞれ含まれる反応生成水も一緒に排出される。
【０００５】
例えば、特許文献１には、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、燃料電池から排燃料ガス（アノードオフガス）を排出する排燃料ガスラインとに開閉弁をそれぞれ設け、燃料電池の作動停止時にこれらの開閉弁を閉じるようにした燃料電池システムが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２１６８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示される燃料電池システムでは、排燃料ガスを希釈して排出する希釈器を有していないこともあって、燃料電池作動時に排燃料ガスラインに設けた開閉弁が開放状態で故障した場合には、供給ライン上の開閉弁よりも下流側の燃料ガス流路（燃料電池内の流路を含む）に存在する高濃度の燃料ガスがそのままシステム外に排出されてしまうおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、アノードオフガスをカソードオフガスで希釈して排気する希釈器を有する燃料電池システムにおいて、アノードオフガスに含まれる高濃度燃料ガスがシステム外に排気されるのを防止できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、アノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から排出されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを混合希釈して排気する希釈器と、燃料電池と希釈器との間のアノードオフガス流路に設けられた開閉弁と、希釈器に対して排気方向下流側に設けられた排気遮断弁と、前記希釈器に対して前記排気方向の下流側に設けられ、前記アノードオフガスおよび前記カソードオフガスに含まれる水を回収して前記酸化剤ガスの加湿に利用する加湿器と、開閉弁が開放状態で動作不良になったときに排気遮断弁を閉弁する制御を実行する制御部と、を備えている。
【００１０】
この構成によれば、排気遮断弁を希釈器の排気方向下流側に設置し、開閉弁が開放状態で動作不良になったときに排気遮断弁を閉弁することで、高濃度の燃料ガスがそのままシステム外に排気されてしまうのを防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給するガス供給機をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス供給機の回転数を増加させる制御を実行することが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、排気遮断弁の閉弁によって希釈器内で昇圧したアノードオフガスがカソードオフガス流路を介して燃料電池に逆流してきたときに、ガス供給機の回転数増加によって燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを強制供給することで、逆流アノードオフガス中の高濃度燃料ガスに対して反応用の酸化剤ガスを提供することができる。
【００１３】
さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池および希釈器間のカソードオフガス流路に設けられたガス調圧弁をさらに備え、制御部は、排気遮断弁の閉弁後にガス調圧弁の開度調節を実行することが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、排気遮断弁の閉弁によって希釈器内で昇圧したアノードオフガスがカソードオフガス流路を介して燃料電池へ向かって逆流する際に、ガス調圧弁の開度調節を行うことにより逆流アノードオフガスに含まれる高濃度燃料ガスを、燃料電池に供給される反応用酸化剤ガスに見合った量に抑えることができる。その結果、逆流した高濃度燃料ガスが燃料電池内を吹き抜けて大気放出されてしまうのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料等は、本発明の理解を容易にするための一例であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池としての燃料電池スタック１２、パージ弁（開閉弁）１４、エア調圧弁（ガス調圧弁）１６、希釈器１８、エア遮断弁（排気遮断弁）２８、および制御部３８等を含んで構成されている。
【００１７】
燃料電池スタック１２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック１２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化剤ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電気化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。
【００１８】
燃料電池スタック１２のアノード側のガス入口には、燃料タンク２０からインジェクタ２２を介して水素ガスが供給されるようにしてある。インジェクタ２２は、燃料タンク２０からの水素ガスを適当な圧力と流量に調整して噴出する機能を有する。インジェクタ２２から燃料電池スタック１２まで延びる配管２４には、圧力計２６が接続されている。圧力計２６は、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力を検出するものである。
【００１９】
燃料電池スタック１２のアノード側出口は、アノードオフガス流路１５を介して希釈器１８に接続され、アノードオフガス流路１５にはパージ弁１４が設けられている。パージ弁１４は、制御部３８によって所定のタイミングで一時的に開状態に切り替え制御されるようにしてある。また、パージ弁１４が閉状態にあるとき、アノード側出口から排出されたアノードオフガスは、例えばポンプである循環昇圧器２７によって昇圧されて、燃料電池スタック１２のアノード側入口に戻されて再利用されるようにしてある。このように循環するうちに、アノードオフガスでは、燃料ガスである水素が電気化学反応で消費されることで濃度が低下する一方、カソード側から電解質膜を通過してきた電気化学反応生成水や窒素が含まれてくることになる。希釈器１８は、燃料電池スタック１２から排出されてきた水素および水等を含むアノードオフガスを、燃料電池スタック１２のカソード側出口から排出されたカソードオフガスと混合して希釈してから排気するものである。
【００２０】
希釈器１８は、排気方向下流側に設けられたエア遮断弁２８を介して加湿器３０に接続されている。希釈器１８とエア遮断弁２８間、または、エア遮断弁２８と加湿器３０間に、例えばゴムホース等の絶縁性配管で接続される部分を設けることで、燃料電池スタック１２および希釈器１８に対する電気的絶縁を採ることができる。エア遮断弁２８が開状態にあるとき、希釈器１８から排気された排ガスは、加湿器３０を通過する際に、加湿器３０に内蔵された多孔質体に生成水を受け渡した後、図示しない消音器（マフラとも称される。）を経由して外部に排出されることになる。
【００２１】
なお、本実施形態では、エア遮断弁２８は、希釈器１８と加湿器３０との間に配置されているが、これに限定されるものではなく、排気方向に関して加湿器３０の下流側に配置されてもよい。
【００２２】
また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２のカソード側に供給する酸化剤ガス、例えば酸素の供給源としての酸化剤ガス源３２を備えている。酸化剤ガス源３２は、実際には酸素を含んだ大気を用いることができる。酸化剤ガス源３２からの空気は、エアコンプレッサ（ガス供給機）３４で昇圧された後、加湿器３０を通過する際に適度に加湿されてから、燃料電池スタック１２のカソード側入口に供給されるようにしてある。酸化剤ガス源３２とエアコンプレッサ３４との間には、流量計３６が設置されている。流量計３６は、燃料電池スタック１２のカソード側に供給される空気量を検出するものである。
【００２３】
なお、図１に示される本実施形態では、燃料電池スタック１２に対して酸化剤ガス源３２およびエアコンプレッサ３４を燃料タンク２０と反対側に設けているが、これに限定されるものではなく、酸化剤ガス源３２およびエアコンプレッサ３４を燃料電池スタック１２に対して燃料タンク２０と同じ側に設置してもよい。このようにすれば、エアコンプレッサ３４から加湿器３０までのエア供給経路を短くできる利点がある。また、エアコンプレッサ３４に代えて、例えばポンプなどの他のガス供給機を用いてもよい。
【００２４】
燃料電池スタック１２のカソード側出口は、カソードオフガス流路１７を介して希釈器１８に接続され、カソードオフガス流路１７にはエア調圧弁１６が設けられている。エア調圧弁１６は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整して、燃料電池スタック１２への空気の流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。カソード側出口から排出されたカソードオフガスは、希釈器１８においてアノードオフガスに含まれる水素濃度が所定濃度以下になるように薄めるための希釈ガスとして利用される。また、カソードオフガスには、燃料電池スタック１２における電気化学反応によって生成された水蒸気や凝縮水が含まれている。
【００２５】
制御部３８は、燃料電池システム１０全体の制御を行うもので、具体的にはＣＰＵとメモリ等によって構成されることができる。また、制御部３８は、自動車全体の電気的制御をつかさどる電子制御ユニット（ＥＣＵ）の一部として構成されることができる。
【００２６】
制御部３８には、圧力計２６および流量計３６から各検出信号が入力されるようになっている。また、制御部３８からは、インジェクタ２２の弁開閉制御信号、パージ弁１４の開閉制御信号、エア調圧弁１６の開度調節信号、エア遮断弁２８の開閉制御信号、エアコンプレッサ３４の回転数制御信号等が出力されるようになっている。
【００２７】
次に、上述した構成からなる燃料電池システム１０の動作および制御について説明する。燃料電池スタック１２には、酸化剤ガス源３２からエアコンプレッサ３４によって昇圧された空気が加湿器３０で適度に加湿された後、カソード側入口に供給される。一方、燃料タンク２０から噴出した水素ガスは、インジェクタ２２によって適当な圧力および流量に調節された後に、燃料電池スタック１２のアノード側入口に供給される。燃料電池スタック１２では、それぞれ供給された空気中の酸素と水素とが電解質膜を介しての電気化学反応により発電して電力が出力される。
【００２８】
燃料電池スタック１２のカソード側出口から排出されたカソードオフガスは、電気化学反応により生成された水を含んだ空気であり、エア調圧弁１６を介して希釈器１８に流入する。一方、燃料電池スタック１２のアノード側出口から排出されたアノードオフガスは、未消費の水素と電気化学反応により生成された水等を含んだガスであり、パージ弁１４が閉状態にある間は、循環昇圧器２７によって昇圧されながらアノード側入口に再度供給されて循環する。そして、パージ弁１４が所定のタイミングで一時的に開状態に切り替えられると、アノードオフガスはパージ弁１４を介して希釈器１８に流入する。
【００２９】
希釈器１８において、アノードオフガスはカソードオフガスによって混合希釈されて排気される。アノードオフガスおよびカソードオフガスの混合気である排ガスは、エア遮断弁２８経由で加湿器３０に流入する。そこで排ガスに含まれる水は、内蔵された多孔質体に捕捉されて回収される。多孔質体に回収された水は、燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿に利用される。加湿器３０を通過した排ガスは、消音器を介して外部に排出される。
【００３０】
本実施の形態では、加湿器３０を希釈器１８の下流側に配置しているため、大きな加湿器３０を燃料電池スタック１２等の収容する燃料電池ケース（図示せず）に収容せずともよく、燃料電池ケースの高さ寸法を小さくすることができる。これにより、燃料電池ケースを車両床下部に省スペースで搭載するのに有利になる。
【００３１】
また、何らかの原因で加湿器３０内の多孔質体が乾燥してくると、排ガス中の水素が多孔質体を介してカソード側に供給される空気に混入するクロスリークが発生する可能性がある。その場合に、クロスリークした水素が空気と一緒に燃料電池スタック１２のカソード側に供給されると触媒反応によって水が生成され、その水がカソードオフガスに含まれて希釈器１８を介して加湿器３０に到達して回収されることで、加湿器３０の乾燥状態を応急的に軽減することができる。
【００３２】
図２は、制御部３８において実行される制御フローチャートである。まず、パージ弁１４の開故障、すなわち開弁状態で動作不良に陥っていないかを判定する（ステップＳ１）。この判定では、インジェクタ２２の開弁時間に対して圧力計２６による検出圧力が所定値Ｐに達しないときに、パージ弁１４が開故障したと判定される。
【００３３】
パージ弁１４の開故障と判定されたとき、上記所定値Ｐと圧力計２６による検出値との圧力差ΔＰ、および、希釈器１８の内容積等に基づいて、水素ガスの漏れ量が算出される。また、同時に、水素ガスの漏れ量に対して、これを排気可能な程度まで希釈するのに必要なエア量が求められ、そのエア量を燃料電池スタック１２のカソード側に供給するために必要となるエアコンプレッサ３４の回転数が目標値として設定される。
【００３４】
パージ弁１４が開故障したと判定されると、直ちにインジェクタ２２を閉弁して燃料電池スタック１２への水素ガス供給を停止するとともに、エア遮断弁２８を閉弁する（ステップＳ２）。
【００３５】
パージ弁１４が開故障したことで希釈器１８に流入した高濃度の水素ガスは、エア遮断弁２８が閉弁されて加湿器３０側に流れることができないことから、希釈器１８内で昇圧した状態になる。そのため、高濃度水素ガスは、希釈器１８からカソードオフガス流路１７およびエア調圧弁１６を介して燃料電池スタック１２のカソード側出口に向かって逆流することができる。そこで、エアコンプレッサ３４の回転数を増加させる制御を実行する（ステップＳ３）。これにより、燃料電池スタック１２のカソード側にエアを強制的に増加供給することで、逆流してきたアノードオフガス中の高濃度水素ガスに対して反応用の酸素を提供することができる。
【００３６】
さらに、カソード側に供給されるエア流量に見合う逆流水素ガス流量となるようエア調節弁１６の開度調節を行う（ステップＳ４）。これにより、逆流した高濃度水素ガスが燃料電池スタック１２内を吹き抜けてエアコンプレッサ３４を介して大気放出されるのを防止することができる。
【００３７】
それから、エアコンプレッサ３４の回転数が上記目標値になったか否かを判定し（ステップＳ５）、上記目標値に到達するまで上記ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返し実行する。そして、エアコンプレッサ３４の回転数が目標値に到達したと判定されると、エア遮断弁２８を開弁して（ステップＳ６）、反応生成水および希釈水素ガスを含んだ空気からなるカソードオフガスを希釈器１８および加湿器３０を介して外部に排出する。
【００３８】
上述したように本実施形態の燃料電池システム１０では、エア遮断弁２８を希釈器１８の排気方向下流側に設置し、パージ弁１４の開故障が判定された場合にエア遮断弁２８を閉弁することで、高濃度の水素ガスがそのままシステム外に排気されてしまうのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】制御部における処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４０】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池スタック、１４  パージ弁、１５  アノードオフガス流路、１６  エア調圧弁、１７  カソードオフガス流路、１８  希釈器、２０  燃料タンク、２２  インジェクタ、２４  配管、２６  圧力計、２７  循環昇圧器、２８  エア遮断弁、３０  加湿器、３２  酸化剤ガス源、３４  エアコンプレッサ、３６  流量計、３８  制御部。
【図１】
0005082790.tif 000002
【図２】
0005082790.tif 000003