(57)【要約】【課題】簡素な構成で希釈を促進できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０から排出される水素オフガスが流入して滞留する滞留室２３１、および、燃料電池１０から滞留室２３１を通って外部に至るエア排出路４２を有し、エア排出路４２に設けられた貫通孔４２１から滞留室２３１内に滞留する水素オフガスを吸引し、希釈して外部に排出する希釈装置２３と、エア供給路４１から分岐されて内圧をカソード信号圧として供給するエア分岐路４１１と、エア分岐路４１１内のエアを放出することでカソード信号圧を調整するリリーフ弁４１２と、水素供給路４３に設けられエア分岐路４１１から供給されたカソード信号圧に基づいて水素供給路４３を流通する水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４３１と、リリーフ弁４１２から放出されたエアを滞留室２３１に導入するオフガス導入路４１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスとカソードガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
アノードガス供給路を介して前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
カソードガス供給路を介して前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流入して滞留する滞留室、および、前記燃料電池から前記滞留室を通って外部に至るカソードオフガス配管を有し、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが前記カソードオフガス配管内を流通することで、前記カソードオフガス配管に設けられた孔部から、前記滞留室内に滞留するアノードオフガスを吸引し、希釈して外部に排出する希釈手段と、
前記カソードガス供給路から分岐されて、内圧をカソード信号圧として供給するカソード信号圧供給路と、
当該カソード信号圧供給路内のカソードガスを放出することで、前記カソード信号圧を調整するカソード信号圧調整手段と、
前記アノードガス供給路に設けられ、前記カソード信号圧供給路から供給されたカソード信号圧に基づいて、前記アノードガス供給路を流通するアノードガスの圧力を調整するアノードガスレギュレータと、を備える燃料電池システムであって、
前記カソード信号圧調整手段から放出されたカソードガスを前記滞留室に導入するオフガス導入路をさらに備えることを特徴とす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、
前記燃料電池で要求されるアノードガスの圧力に基づいて、前記カソード信号圧調整手段の放出ガス量を決定する放出ガス量決定手段と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガス量を検出するアノードオフガス量検出手段と、
前記アノードオフガス量検出手段で検出されたアノードオフガス量が所定量以上である場合には、前記放出ガス量決定手段で決定された放出ガス量を補正する放出ガス量補正手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記放出ガス量補正手段により放出ガス量を補正する場合に、前記カソードガス供給手段のカソードガス供給量を補正するカソードガス供給量補正手段をさらに備え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関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のカソード電極側には、エア供給路を介して、エアポンプからエアが供給される。燃料電池のアノード電極側には、水素供給路を介して、水素タンクから水素ガスが供給される。
また、燃料電池のカソード電極側には、エア排出路が接続され、このエア排出路の途中には、希釈装置が設けられている。燃料電池のアノード電極側には、水素排出路が接続され、この水素排出路は、上述の希釈装置に接続される。
【０００５】
以上の燃料電池システムでは、水素タンクにより、燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、エアポンプにより、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。
燃料電池から排出された水素オフガスは、水素排出路を介して、希釈装置に流入する。また、燃料電池から排出されたエアオフガスは、エア排出路を介して、希釈装置を通り、外部に排出される。希釈装置内に滞留した水素オフガスは、希釈装置を通るエアオフガスに吸引されて、希釈されて外部に排出される。
【０００６】
ここで、水素オフガスの排出を促進するため、以下のような手法が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、エア供給路を途中で分岐してバイパス路とし、このバイパス路を希釈装置に接続する。さらに、このバイパス路にバイパス弁を設ける。
このバイパス弁の開度を調整することで、希釈装置に流入する水素オフガスをエア排出路側に押し出して、水素オフガスの希釈をアシストする。
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−３２１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の手法では、希釈のアシストを行うためだけに、エア供給路を分岐してバイパス路を設けたので、システムが複雑化する、という問題があった。
【０００９】
本発明は、簡素な構成で希釈を促進できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、アノードガスとカソードガスとを反応させて発電を行う燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、アノードガス供給路（例えば、後述の水素供給路４３）を介して前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給手段（例えば、後述の水素タンク２２）と、カソードガス供給路（例えば、後述のエア供給路４１）を介して前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、後述のエアポンプ２１）と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流入して滞留する滞留室（例えば、後述の滞留室２３１）、および、前記燃料電池から前記滞留室を通って外部に至るカソードオフガス配管（例えば、後述のエア排出路４２）を有し、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが前記カソードオフガス配管内を流通することで、前記カソードオフガス配管に設けられた孔部（例えば、後述の貫通孔４２１）から、前記滞留室内に滞留するアノードオフガスを吸引し、希釈して外部に排出する希釈手段（例えば、後述の希釈装置２３）と、前記カソードガス供給路から分岐されて、内圧をカソード信号圧として供給するカソード信号圧供給路（例えば、後述のエア分岐路４１１）と、当該カソード信号圧供給路内のカソードガスを放出することで、前記カソード信号圧を調整するカソード信号圧調整手段（例えば、後述のリリーフ弁４１２）と、前記アノードガス供給路に設けられ、前記カソード信号圧供給路から供給されたカソード信号圧に基づいて、前記アノードガス供給路を流通するアノードガスの圧力を調整するアノードガスレギュレータ（例えば、後述のレギュレータ４３１）と、を備える燃料電池システムであって、前記カソード信号圧調整手段から放出されたカソードガスを前記滞留室に導入するオフガス導入路（例えば、後述のオフガス導入路４１３）をさらに備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、オフガス導入路を介して、カソード信号圧調整手段から放出されたカソードガスを滞留室に導入したので、このカソードガスは、滞留室に滞留するアノードオフガスと混合しつつ、カソードオフガス配管に設けられた孔部に向かってアノードオフガスを押し出して、希釈をアシストする。よって、希釈をアシストするための専用の設備が不要となるので、システムを簡素にできる。
【００１２】
ところで、カソード信号圧調整手段でカソード信号圧供給路内のカソードガスを放出すると、このカソードガスの放出音が騒音となる。この騒音は、排出口近傍に膨張室を設けることで低減することが判明している。
この発明によれば、滞留室が膨張室の機能を果たすことになり、カソード信号圧調整手段の騒音を低減できる。
【００１３】
この場合、前記燃料電池で要求されるアノードガスの圧力に基づいて、前記カソード信号圧調整手段の放出ガス量を決定する放出ガス量決定手段（例えば、後述の放出ガス量決定部３１）と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガス量を検出するアノードオフガス量検出手段（例えば、後述の流量センサ４４２）と、前記アノードオフガス量検出手段で検出されたアノードオフガス量が所定量以上である場合には、前記放出ガス量決定手段で決定された放出ガス量を補正する放出ガス量補正手段（例えば、後述の放出ガス量補正部３２）と、を備えることが好ましい。
【００１４】
この発明によれば、燃料電池で要求されるアノードガスの圧力に基づいて、カソード信号圧調整手段の放出ガス量を決定するが、アノードオフガス量検出手段で検出されたアノードオフガス量が所定量以上である場合には、この決定された放出ガス量を補正する。よって、アノードオフガスの排出量が多い場合でも、アノードオフガスを確実に希釈できる。
【００１５】
この場合、前記放出ガス量補正手段により放出ガス量を補正する場合に、前記カソードガス供給手段のカソードガス供給量を補正するカソードガス供給量補正手段（例えば、後述のカソードガス供給量補正部３３）をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
カソード信号圧調整手段の放出ガス量を増加させると、アノードガスレギュレータに供給するカソード信号圧が低下し、アノードガス供給路から燃料電池に供給されるアノードガスの圧力も低下する。
しかしながら、この発明によれば、放出ガス量決定手段で決定された放出ガス量を補正する場合に、カソードガス供給手段のカソードガス供給量を補正したので、カソード信号圧が低下するのを防止して、燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を確保できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、オフガス導入路を介して、カソード信号圧調整手段から放出されたカソードガスを滞留室に導入したので、このカソードガスは、滞留室に滞留するアノードオフガスと混合しつつ、カソードオフガス配管に設けられた孔部に向かってアノードオフガスを押し出して、希釈をアシストする。よって、希釈をアシストするための専用の設備が不要となるので、システムを簡素にできる。また、滞留室が膨張室の機能を果たすことになり、カソード信号圧調整手段の騒音を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、自動車に搭載され、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０および供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０と、を有する。
【００１９】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側にカソードガスとしての酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。
【００２０】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するカソードガス供給手段としてのエアポンプ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給するアノードガス供給手段としての水素タンク２２と、燃料電池１０から排出された水素ガスを希釈する希釈手段としての希釈装置２３と、を含んで構成される。
【００２１】
エアポンプ２１は、カソードガス供給路としてのエア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
エア供給路４１は途中で分岐されており、この分岐した部分は、カソード信号圧供給路としてのエア分岐路４１１となっている。このエア分岐路４１１は、内圧をカソード信号圧として供給する。
【００２２】
エア分岐路４１１には、このエア分岐路４１１内のエアを放出することで、カソード信号圧を調整するカソード信号圧調整手段としてのリリーフ弁４１２が設けられている。リリーフ弁４１２のエア放出口には、オフガス導入路４１３が接続され、オフガス導入路４１３は、上述の希釈装置２３に接続されている。
【００２３】
燃料電池１０のカソード電極側には、上述の希釈装置２３を通って外部に至るカソードオフガス配管としてのエア排出路４２が接続される。燃料電池１０から排出されたエアオフガスは、このエア排出路４２を介して外部に排出される。
【００２４】
水素タンク２２は、アノードガス供給路としての水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。
水素供給路４３には、この水素供給路４３を通る水素ガスの圧力を調整するアノードガスレギュレータとしてのレギュレータ４３１が設けられ、このレギュレータ４３１には、上述のエア分岐路４１１が接続される。
レギュレータ４３１は、エア分岐路４１１から供給されたカソード信号圧に基づいて、水素供給路４３を流通する水素ガスの圧力を調整する。具体的には、カソード信号圧が高くなるに従って、レギュレータ４３１の弁の開度が大きくなり、その結果、水素ガスの圧力は上昇する。
【００２５】
燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路４４が接続され、この水素排出路４４は、上述の希釈装置２３に接続される。燃料電池１０から排出された水素オフガスは、この水素排出路４４を介して、希釈装置２３に流入する。
【００２６】
この水素排出路４４には、パージ弁４４１が設けられている。また、水素排出路４４のうちパージ弁４４１よりもアノード電極側では、水素排出路４４が分岐されて水素還流路４５となり、この水素還流路４５は、水素供給路４３に接続されている。水素排出路４４のうちパージ弁４４１より希釈装置２３側には、燃料電池１０から排出される水素オフガス量つまり水素パージ量を検出するアノードオフガス量検出手段としての流量センサ４４２が設けられている。
なお、本実施形態では、流量センサ４４２により水素パージ量を検出したが、これに限らず、パージ弁４４１の開放時間に基づいて水素パージ量を推定してもよい。
【００２７】
図２は、制御装置３０ブロック図である。
制御装置３０は、供給装置２０を制御して、燃料電池１０を発電させるほか、放出ガス量決定手段としての放出ガス量決定部３１、放出ガス量補正手段としての放出ガス量補正部３２と、カソードガス供給量補正手段としてのカソードガス供給量補正部３３と、を備える。
【００２８】
放出ガス量決定部３１は、燃料電池１０で要求される水素ガスの圧力を算出し、この算出した水素ガスの圧力に基づいて、リリーフ弁４１２の放出ガス量を決定する。
放出ガス量補正部３２は、流量センサ４４２で検出された水素オフガス量が所定量以上である場合には、放出ガス量決定部３１で決定された放出ガス量を増量して、放出ガス量を補正する。
カソードガス供給量補正部３３は、放出ガス量補正部３２により放出ガス量を補正する場合に、エアポンプ２１のエア供給量を補正する。具体的には、エアポンプ２１の回転数を上昇させて、エア供給量を増量する。
【００２９】
燃料電池１０を発電させる手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁４４１を閉じておき、エアポンプ２１を駆動することにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。同時に、水素タンク２２から、水素供給路４３を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。
ここで、リリーフ弁４１２からエアを適宜放出することにより、エア分岐路４１１から供給するカソード信号圧を変化させて、レギュレータ４３１の開度を調整する。これにより、燃料電池１０に対する水素ガスの供給量を調整する。
【００３０】
燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路４４およびエア排出路４２に流入する。
エア排出路４２に流れたエアオフガスは、希釈装置２３を通って、外部に排出される。一方、水素排出路４４に流れた水素オフガスは、パージ弁４４１が閉じているため、水素還流路４５を通って水素供給路４３に還流されて、再利用される。
【００３１】
その後、パージ弁４４１を適当な開度で開くことにより、希釈装置２３において、水素オフガスをエアオフガスで希釈して、外部に排出する。
【００３２】
図３は、希釈装置２３の概略構成を示す図である。
希釈装置２３は、箱状であり、この希釈装置２３の内部は、仕切部材２３２で部分的に仕切られて、滞留室２３１となっている。この滞留室２３１には、燃料電池１０から排出される水素ガスが流入して滞留する。
エア排出路４２は、希釈装置２３の滞留室２３１の一端側（図３中下側）の空間を貫通しており、このエア排出路４２のうち滞留室２３１の内部には、孔部としての貫通孔４２１が形成されている。すなわち、エア排出路４２は、燃料電池１０から滞留室２３１を通って外部に延びている。
【００３３】
水素排出路４４は、滞留室２３１の他端側（図３中上側）の空間に接続されている。
オフガス導入路４１３は、滞留室２３１の他端側の空間に、水素排出路４４の近傍に位置するように接続されている。
【００３４】
この希釈装置２３によれば、燃料電池１０から排出されたエアオフガスがエア排出路４２を流通することで、エア排出路４２に設けられた貫通孔４２１から、滞留室２３１内に滞留する水素オフガスを吸引し、希釈して外部に排出する。
このとき、リリーフ弁４１２から放出されたエアがオフガス導入路４１３を介して滞留室２３１に導入され、この導入されたエアは、滞留室２３１に滞留する水素オフガスと混合しつつ、エア排出路４２に設けられた貫通孔４２１に向かって水素オフガスを押し出して、希釈をアシストする。
【００３５】
以上の燃料電池システム１のリリーフ弁の制御について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
ＳＴ１では、燃料電池１０で要求される水素ガスの圧力を算出する。
ＳＴ２では、ＳＴ１で算出した水素ガスの圧力が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＳＴ１０に移り、この判定がＮＯの場合には、ＳＴ３に移る。
ＳＴ１０では、ＳＴ１で算出した水素ガスの圧力が所定値以上であるため、レギュレータ４３１に供給されるカソード信号圧を上昇させる必要がある。よって、リリーフ弁４１２の開放を禁止する。
【００３６】
ＳＴ３では、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力がＳＴ１で算出した圧力になるように、リリーフ弁４１２の放出ガス量を決定する。
ＳＴ４では、流量センサ４４２により、燃料電池１０から排出される水素パージ量を検出する。
【００３７】
ＳＴ５では、ＳＴ４で検出した水素パージ量が所定値以上であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＳＴ６に移り、この判定がＮＯの場合には、ＳＴ９に移る。
ＳＴ６では、検出した水素パージ量が所定値以上であるので、水素オフガスの希釈を促進する必要がある。そこで、リリーフ弁４１２の放出ガス量を増量して、オフガス導入路４１３を介して希釈装置２３に供給されるエアを増量する。
【００３８】
ＳＴ７では、リリーフ弁４１２の放出ガス量の補正により希釈が可能であるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、ＳＴ９に移り、この判定がＮＯの場合には、ＳＴ８に移る。
ＳＴ８では、さらに希釈を促進するため、エアポンプ２１の回転数を上昇させることでエア供給量を増量する。
ＳＴ９では、ＳＴ１〜ＳＴ８のフローで決定した量のエアをリリーフ弁４１２から放出する。具体的には、リリーフ弁４１２の単位時間当たりの放出ガス量は一定であるため、リリーフ弁４１２の開放時間を調整することで、エアの放出量を制御する。
【００３９】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）オフガス導入路４１３を介して、リリーフ弁４１２から放出されたエアを滞留室２３１に導入したので、このエアは、滞留室２３１に滞留する水素オフガスと混合しつつ、エア排出路４２に設けられた貫通孔４２１に向かって水素オフガスを押し出して、希釈をアシストする。よって、希釈をアシストするための専用の設備が不要となるので、システムを簡素にできる。
また、滞留室２３１が膨張室の機能を果たすことになり、リリーフ弁４１２の騒音を低減できる。
【００４０】
（２）燃料電池１０で要求される水素ガスの圧力に基づいて、リリーフ弁４１２の放出ガス量を決定するが、流量センサ４４２で検出された水素オフガス量が所定量以上である場合には、この決定された放出ガス量を補正する。よって、水素オフガスの排出量が多い場合でも、水素オフガスを確実に希釈できる。
【００４１】
（３）放出ガス量決定部３１で決定された放出ガス量を補正する場合に、エアポンプ２１のエア供給量を補正したので、カソード信号圧が低下するのを防止して、燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を確保できる。
【００４２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムの希釈手段の概略構成を示す図である。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池システムの動作のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池
２１    エアポンプ（カソードガス供給手段）
２２    水素タンク（アノードガス供給手段）
２３    希釈装置（希釈手段）
３１    放出ガス量決定部（放出ガス量決定手段）
３２    放出ガス量補正部（放出ガス量補正手段）
３３    カソードガス供給量補正部（カソードガス供給量補正手段）
４１    エア供給路（カソードガス供給路）
４２    エア排出路（カソードオフガス配管）
４３    水素供給路（アノードガス供給路）
２３１  滞留室
４１１  エア分岐路（カソード信号圧供給路）
４１２  リリーフ弁（カソード信号圧調整手段）
４１３  オフガス導入路
４２１  貫通孔（孔部）
４３１  レギュレータ（アノードガスレギュレータ）
４４２  流量センサ（アノードオフガス量検出手段）
【図１】
2009129691.tif 000003
【図２】
2009129691.tif 000004
【図３】
2009129691.tif 000005
【図４】
2009129691.tif 000006