(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（２００）と、
前記燃料電池（２００）に水素を供給する水素供給手段（１００）と、
前記燃料電池（２００）の水素消費量に応じて前記水素供給手段（１００）からの水素の供給を断続的に行うように調整する水素供給調整手段（５０５、５０６）と、
前記燃料電池（２００）に酸素を供給する酸素供給手段（４００）と、
前記水素の断続的供給に応じて前記酸素供給手段（４００）からの酸素の供給を断続的に行うように調整する酸素供給調整手段（５０７、５０８）と、
前記燃料電池（２００）内に存在する水素量を検出する残留水素量検出手段（６０１）とを備え、
前記水素供給調整手段は、前記燃料電池（２００）の水素流入通路（５０５ａ）に設けられ、前記水素流入通路を開閉する第１水素バルブ（５０５）と、前記燃料電池（２００）の水素排気通路（５０６ａ）に設けられ、前記水素排気通路を開閉する第２水素バルブ（５０６）であり、
前記酸素供給調整手段は、前記燃料電池（２００）の酸素流入通路（５０７ａ）に設けられ、前記酸素流入通路を開閉する第１酸素バルブ（５０７）と、前記燃料電池（２００）の酸素排気通路（５０８ａ）に設けられ、前記酸素排気通路を開閉する第２酸素バルブ（５０８）であり、
前記第１水素バルブ（５０５）、前記第２水素バルブ（５０６）、前記第１酸素バルブ（５０７）、前記第２酸素バルブ（５０８）の開閉制御を行う制御手段（６００）を備え、
前記制御手段（６００）は、
前記第１水素バルブ（５０５）および前記第２水素バルブ（５０６）を前記水素検出手段（６０１）により検出された水素量に基づいて開閉し、
前記第１酸素バルブ（５０７）を前記第１水素バルブ（５０５）の開閉に応じて開閉し、第２酸素バルブ（５０８）を前記第２水素バルブ（５０６）の開閉に応じて開閉し、
前記第２水素バルブ（５０６）を前記第１水素バルブ（５０５）が開放するより早く開放し、かつ、前記第１水素バルブ（５０５）が閉鎖するより早く閉鎖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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、前述のごとく、水素と酸素とを化学反応させて電力を発生させるものであるので、高分子膜を挟んで形成された水素経路と空気経路に、必要電力量に応じて水素と酸素（空気）とを供給する必要がある。このため、必要以上の水素を燃料電池に供給しても排気（水蒸気や二酸化炭素等）と共に未反応の水素が放出されてしまう。
【０００３】
ところで、理論上、供給する水素と酸素との比は２：１であるが、実際の化学反応では全ての水素が酸素と結びつくことができず、少なからず未反応水素が発生してしまうので、一般的に、実際に燃料電池に供給する水素量は、未反応水素量を考慮して理論値より多めに設定されている。このため、燃料電池から排出される未反応水素量を減少させることが難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、燃料電池から排出される未反応水素量を減少させるために、燃料電池に水素を供給する水素通路にバルブを設け、この水素バルブの開閉により燃料電池内に水素リッチガスを滞留させて水素を充分に反応させ、未反応水素量を減少させることが考えられる。
【０００５】
ところが、水素バルブを閉じた場合には、燃料電池における水素消費に伴って水素濃度が低下し、燃料電池内の水素経路の水素圧が低下する。一方、燃料電池内の空気経路側には空気が供給され続けるため、燃料電池内の高分子膜にかかる水素経路側と空気経路側の差圧が高くなる。そして、水素バルブを開いて、水素経路側に新たに水素を供給したときに高分子膜にかかる差圧が元に戻る。従って、水素バルブの開閉により燃料電池に水素を断続的に供給することで、高分子膜に対して繰り返し応力が発生することとなり、耐久性の面から好ましくない結果となる。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池から排出される未反応水素量を減少させるとともに、高分子膜にかかる応力の発生を抑制することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池（２００）と、燃料電池（２００）に水素を供給する水素供給手段（１００）と、燃料電池（２００）の水素消費量に応じて水素供給手段（１００）による水素の供給を断続的に行うように調整する水素供給調整手段（５０５、５０６）と、燃料電池（２００）に酸素を供給する酸素供給手段（４００）と、水素の断続的供給に応じて酸素供給手段（４００）からの酸素の供給を断続的に行うように調整する酸素供給調整手段（５０７、５０８）と、燃料電池（２００）内に存在する水素量を検出する残留水素量検出手段（６０１）とを備え、
水素供給調整手段は、燃料電池（２００）の水素流入通路（５０５ａ）に設けられ、水素流入通路を開閉する第１水素バルブ（５０５）と、燃料電池（２００）の水素排気通路（５０６ａ）に設けられ、水素排気通路を開閉する第２水素バルブ（５０６）であり、
酸素供給調整手段は、燃料電池（２００）の酸素流入通路（５０７ａ）に設けられ、酸素流入通路を開閉する第１酸素バルブ（５０７）と、燃料電池（２００）の酸素排気通路（５０８ａ）に設けられ、酸素排気通路を開閉する第２酸素バルブ（５０８）であり、
第１水素バルブ（５０５）、第２水素バルブ（５０６）、第１酸素バルブ（５０７）、第２酸素バルブ（５０８）の開閉制御を行う制御手段（６００）を備え、
制御手段（６００）は、第１水素バルブ（５０５）および第２水素バルブ（５０６）を水素検出手段（６０１）により検出された水素量に基づいて開閉し、第１酸素バルブ（５０７）を第１水素バルブ（５０５）の開閉に応じて開閉し、第２酸素バルブ（５０８）を第２水素バルブ（５０６）の開閉に応じて開閉し、第２水素バルブ（５０６）を第１水素バルブ（５０５）が開放するより早く開放し、かつ、第１水素バルブ（５０５）が閉鎖するより早く閉鎖することを特徴としている。
【０００８】
これにより、燃料電池（２００）内の水素濃度が高い場合には、水素バルブ（５０５、５０６）を閉じて燃料電池（２００）内に水素リッチガスを滞留させることで水素を充分に反応させることができる。これにより、燃料電池（２００）から排出される未反応水素量を減少させることができる。
【０００９】
また、水素の断続的供給に応じて、空気（酸素）の供給を断続的に行うことで、燃料電池（２００）内の水素濃度の変化と、空気（酸素）濃度の変化を同様にすることができ、燃料電池（２００）内の高分子膜にかかる水素経路と空気経路との差圧を一定に保つことができる。これにより、燃料電池（２００）に水素を断続的に供給しても、高分子膜に対する応力発生を防止することができ、高分子膜の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る燃料電池システムを電気自動車（以下、車両と略す。）に適用したものである。
【００１４】
図１は、本実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。図１に示すように本実施形態の燃料電池システムは、一点鎖線で囲まれた水素製造装置（水素供給手段）１００と燃料電池（ＦＣスタック）２００とを備えている。
【００１５】
水素製造装置１００は、水とメタノールとの混合溶液（以下、メタノール混合溶液）から水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造（生成）して、後述するＦＣスタック２００に水素リッチガスを供給する水素製造装置である。この水素製造装置１００は、メタノール混合溶液を蒸発させる水素製造用燃料蒸発器（以下、蒸発器）１１０、及び蒸発器１１０にて蒸発（気化）したメタノール蒸気と水蒸気とを化学反応させて、水素と二酸化炭素と少量の一酸化炭素とに改質する水素製造用燃料改質器（以下、改質器）１２０等を有して構成されている。
【００１６】
なお、蒸発器１１０には、車両に搭載されてメタノール混合溶液を貯蔵するメタノール混合溶液タンク１３０から、第１ポンプ１３１によりメタノール混合溶液が送られるように構成されている。
【００１７】
ＦＣスタック２００は、水素製造装置１００にて製造された水素リッチガスと空気（酸素）とを化学反応させて発電する。本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣスタック２００にて発電された電力によって、走行用電動モータＭを駆動させるように構成されている。なお、ＦＣスタック２００中の電極触媒は一酸化炭素により触媒機能が低下し易いので、本実施形態では、改質器１２０にて発生する一酸化炭素を酸化させて二酸化炭素に変化させる一酸化炭素低減器１４０を水素製造装置１００に設けている。
【００１８】
ＦＣスタック２００に送風される空気は、空気加湿器２２１により加湿される。ＦＣスタック２００から排出される排気（水蒸気及び空気等）は、除湿器２２２により冷却され、水分が除去回収される。そして、除湿器２２２にて分離除去された水分は、凝縮水戻り通路２２３を経由して空気加湿器２２１に戻され、ＦＣスタック２００に送風される空気の加湿に再利用される。
【００１９】
図２は、ＦＣスタック２００の概略構成を示している。ＦＣスタック２００は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位であるセルを複数積層したスタック構造となっている。図２に示すように、ＦＣスタック２００の各セルは、高分子膜２０３を挟んで負極側と正極側とが分離されており、負極側には水素経路２０１が形成され、正極側には空気経路２０２が形成されている。これにより、負極側には水素リッチガスが供給され、正極側に空気（酸素）が供給される。このため、正極側からは水蒸気を多く含む排気が排出され、負極側からは未反応水素ガス及び二酸化炭素等が排出される。
【００２０】
図１に示すように、蒸発器１１０を加熱する加熱用燃料（本実施形態では、メタノール）は、車両に搭載されたメタノール燃料タンク３００に貯蔵されている。メタノール燃料タンク３００に貯蔵されたメタノール（燃料）は、第２ポンプ３１０により、蒸発器１１０に送られる。第２ポンプ３１０から吐出されたメタノールの一部は、メタノール戻し通路３１２を介してメタノール燃料タンク３００に戻されるように構成されている。メタノール戻し通路３１２は、燃料戻り弁３１１により開閉される。
【００２１】
エアポンプ（酸素供給手段）４００により外気を吸入し、水素製造装置１００（蒸発器１１０及び改質器１２０）及びＦＣスタック２００に送風され、水素製造装置１００で発生した燃焼排気ガス、及びＦＣスタック２００で発生した排気は、排気通路４１１〜４１４を流通して大気中に放出される。
【００２２】
エアポンプ４００から吐出される送風空気は、第１空気分配バルブ５０１により、水素製造装置１００及びＦＣスタック２００に分配されるとともに、その分配量が調節される。第１空気分配バルブ５０１により水素製造装置１００側に分配された空気は、第２、３空気分配バルブ５０２、５０３によって蒸発器１１０、改質器１２０及び一酸化炭素低減器１４０に分配されるとともに、その分配量が調節される。
【００２３】
メタノール燃料タンク３００から供給されるメタノールは、メタノールバルブ５０４により、蒸発器１１０、改質器１２０に供給されるとともに、その供給量が調節される。
【００２４】
水素製造装置１００から供給される水素リッチガスは、水素流入通路５０５ａを介してＦＣスタック２００（負極側）に供給され、水素流入通路５０５ａは第１水素バルブ５０５により開閉される。ＦＣスタック２００の水素排気通路５０６ａは、第２水素バルブ５０６により開閉される。なお、本実施形態では、負極側の水素排気通路５０６ａからの排気も排気通路４１４と同様に大気中に放出される。
【００２５】
エアポンプ４００から吐出され、第１空気分配バルブ５０１によりＦＣスタック２００側に分配された送風空気は、空気流入通路（酸素流入通路）５０７ａを介してＦＣスタック２００（正極側）に供給される。空気流入通路５０７ａは、第１空気バルブ（第１酸素バルブ）５０７により開閉される。ＦＣスタック２００の正極側の空気排気通路（酸素排気通路）５０８ａは、第２空気バルブ（第２酸素バルブ）５０８により開閉される。
【００２６】
図３は、燃料電池システムの制御ブロック図である。図１および図３に示すように、本実施形態の燃料電池システムには、ＦＣスタック２００（負極側）に存在する水素濃度（水素量）を検出する水素センサ（残留水素量検出手段）６０１が設けられている。図３に示すように、水素センサ６０１の検出信号は、燃料電池システム全体を制御するＦＣシステム制御装置（以下、ＦＣＣＵ）６００に入力される。そして、第１〜３空気分配バルブ５０１〜５０３、メタノールバルブ５０４、第１、第２水素バルブ５０５、５０６、第１、第２空気バルブ５０７、５０８は、水素センサ６０１の検出信号及びＦＣスタック２００の温度や走行用電動モータの負荷等の運転状態検出するセンサ群Ｓの検出信号に基づいてＦＣＣＵ６００により制御される。
【００２７】
次に、本実施形態における燃料電池システムの第１水素バルブ５０５の作動について図４に基づいて説明する。図４は、水素センサ６０１が検出した水素量（ＦＣスタック内の残留水素濃度）と、第１、第２水素バルブ５０５、５０６の開閉タイミングと、ＦＣスタック内の残留空気濃度と、第１、第２空気バルブ５０７、５０８の開閉タイミングの関係を示すグラフである。
【００２８】
図４に示すように、ＦＣスタック２００内の残留水素濃度が第１所定濃度（所定残留水素濃度）ｄ１以下となったときに、水素流入側の第１水素バルブ５０５を開いてＦＣスタック２００の負極側に水素を供給する。これにより、水素供給設備１００から水素流入通路５０５ａを介してＦＣスタック２００に水素リッチガスが供給され、ＦＣスタック２００内の水素濃度が上昇する。このとき、第１水素バルブ５０５と同時に空気流入側の第１空気バルブ５０７も開き、ＦＣスタック２００の正極側に空気（酸素）が供給され、水素濃度と同様にＦＣスタック２００内の空気濃度が上昇する。
【００２９】
次に、ＦＣスタック２００内の水素濃度が第１所定濃度ｄ１より大きい第２所定濃度ｄ２以上となったときに、第１水素バルブ５０５を閉じてＦＣスタック２００への水素供給を停止する。このとき、第１水素バルブ５０５と同時に第１空気バルブ５０７も閉じて、ＦＣスタック２００への空気供給を停止する。ＦＣスタック２００内では、水素と酸素との化学反応により発電するとともに、水素および空気（酸素）が消費され、水素濃度とともに空気濃度が低下する。これに伴い、ＦＣスタック２００の発電量は徐々に低下する。
【００３０】
次に、ＦＣスタック２００内の水素濃度が第１所定濃度ｄ１以下となったときに、第１水素バルブ５０５を開いて、水素供給装置１００から新たな水素リッチガスをＦＣスタック２００に供給する。同時に、第１空気バルブ５０７を開いて、新たな空気をＦＣスタック２００に供給する。
【００３１】
一方、水素排気側の第２水素バルブ５０６は、第１水素バルブ５０５が開く時（タイミング）より早く開き、かつ、第１水素バルブ５０５が閉じる時（タイミング）より早く閉じるように作動する。空気排気側の第２空気バルブも、第２水素バルブ５０８と同じタイミングで作動する。これにより、第１水素バルブ５０５と第２水素バルブ５０６、第１空気バルブ５０７と第２空気バルブ５０８が共に開いている時間が発生し、新たに供給される水素および空気により、ＦＣスタック２００内の負極側および正極側に存在する残留ガスを速やかに排出することができる。
【００３２】
以降、図４に示すように、ＦＣスタック２００内における水素の消費に応じて第１、第２水素バルブ５０５、５０６と、第１、第２空気バルブ５０７、５０８の開閉を繰り返し、ＦＣスタック２００に断続的に水素および空気（酸素）を供給する。
【００３３】
以上、本実施形態の燃料電池システムによれば、ＦＣスタック２００での水素消費量に応じて、水素通路に設けた水素バルブ５０５、５０６を開閉することで、ＦＣスタック２００に水素リッチガスを断続的（間欠的）に供給できる。これにより、ＦＣスタック２００内の水素濃度が高い場合には、水素バルブ５０５、５０６を閉じてＦＣスタック２００内に水素リッチガスを滞留させて水素を充分に反応させ、ＦＣスタック２００内の水素濃度が低くなった場合には、水素バルブ５０５、５０６を開いてＦＣスタック２００内から残留ガスを排出するとともに、新たな水素リッチガスを供給する。これにより、ＦＣスタック２００から排出される未反応水素量を減少させることができる。
【００３４】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、空気通路に第１、第２空気バルブ５０７、５０８を設け、水素バルブ５０５、５０６と同じタイミングで開閉させているので、図４に示すように、ＦＣスタック２００内の水素経路２０１における水素濃度の変化と、空気経路２０２における空気濃度の変化を同様にすることができる。これにより、ＦＣスタック２００内の高分子膜２０３にかかる水素経路２０１と空気経路２０２との差圧を一定に保つことができる。従って、ＦＣスタック２００に水素を断続的に供給しても、水素経路２０１と空気経路２０２との差圧による高分子膜２０３に対する応力発生を防止することができ、高分子膜２０３の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、水素バルブ５０５、５０６と空気バルブ５０７、５０８を、ＦＣスタック２００の流入側と排気側にそれぞれ２個ずつ設けたが、これに限らず、流入側の第１水素バルブ５０５と第１空気バルブ５０７を省略することもできる。この場合には、水素センサ６０１により検出したＦＣスタック２００内の水素濃度に基づいて、水素排気側の第２水素バルブ５０６を開閉して、ＦＣスタック２００への水素の供給・排気を行い、同様に空気排気側の第２空気バルブ５０８を開閉して、ＦＣスタック２００への空気（酸素）の供給・排気を行う。
【００３６】
上記実施形態では、残留水素濃度検出手段として水素センサ６０１を用い、この水素センサ６０１によりＦＣスタック２００内の水素濃度を直接検出したが、これに限らず、ＦＣスタック２００内の水素濃度に関連する物理量に基づいて、ＦＣスタック２００内の水素濃度を間接的に検出してもよい。
【００３７】
例えば、ＦＣスタック２００にて消費される水素量は、ＦＣスタック２００から出力される電流量に比例することから、残留水素濃度検出手段として電流検出器（電流検出手段）を用い、ＦＣスタック２００から出力される電力量（電流量）を検出することにより、ＦＣスタック２００内の残留水素濃度（残留水素量）を間接的に検出するように構成してもよい。また、残留水素濃度検出手段として圧力センサ（圧力検出手段）を用い、ＦＣスタック２００（負極側）内のガス圧力を検出することにより、ＦＣスタック２００内の残留水素濃度（残留水素量）を間接的に検出するように構成してもよい。
【００３８】
また、上記実施形態では、電気自動車に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、家庭用等据え置き型の燃料電池システムにも適用することができる。
【００３９】
また、上記実施形態では、水素供給手段として炭化水素系の燃料を改質して水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造する水素製造器１００を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、水素供給手段として純水素ガスを供給することができる高圧水素タンクや水素吸蔵合金を用いた水素タンク等を使用しても良い。
【００４０】
なお、この場合、ＦＣスタック２００に供給される水素中に水素以外の不純物が含まれていないので、二酸化炭素等がＦＣスタック２００に残留しない。したがって、第２水素バルブ５０６を閉じてから第１水素バルブ５０５を閉じても良い。
【００４１】
因みに、電気自動車用の燃料電池システムでは、加圧して水素をＦＣスタック２００に供給するが、家庭用等据え置き型の燃料電池システムでは、加圧せずに水素をＦＣスタック２００に供給する場合がある。この場合は、第１水素バルブ５０５を開いてから第２水素バルブ５０６を開くことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】ＦＣスタックの模式図である。
【図３】上記実施形態に係る燃料電池システムの制御ブロック図である。
【図４】ＦＣスタック内の水素濃度、水素バルブ５０５、５０６の開閉タイミング、ＦＣスタック内の空気濃度、空気バルブ５０７、５０８の開閉タイミングの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…水素製造装置（水素供給手段）、２００…ＦＣスタック（燃料電池）、５０５…第１水素バルブ、５０６…第２水素バルブ。５０７…第１空気バルブ、５０８…第２空気バルブ。
【図１】
0004887561.tif 000002
【図２】
0004887561.tif 000003
【図３】
0004887561.tif 000004
【図４】
0004887561.tif 000005