(57)【要約】【課題】  水素置換の際に残留窒素量を低減させることができるとともに水素の排出を抑制できる低コストな燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る燃料電池システム（１００）は、水素ガスを燃料電池のアノードに供給する水素ガス供給手段（１０）と、エアを燃料電池のカソードに供給するエア供給手段（１５）と、アノードからの排出ガスを排気する排気弁（３０）と、排出ガスの流速を検出する流速検出手段（５０）と、排気弁の開閉制御を行う制御手段（６０）と、を備え、制御手段は、流速検出手段の検出結果に基づいて、排気弁を閉に制御することを特徴とするものである。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを燃料電池のアノードに供給する水素ガス供給手段と、
エアを前記燃料電池のカソードに供給するエア供給手段と、
前記アノードからの排出ガスを排気する排気弁と、
前記排出ガスの流速を検出する流速検出手段と、
前記排気弁の開閉制御を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記流速検出手段の検出結果に基づいて、前記排気弁を閉に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記流速検出手段の検出結果に基づいて前記排出ガスの加速度を得る加速度取得手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記加速度取得手段が検出する加速度が所定値以上になった場合に前記排気弁を閉に制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素ガスがアノードに供給され、エアがカソードに供給される燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池のアノードからの排出ガスの流速に基づいて、前記排出ガスを排気するための排気弁を閉に制御する制御ステップを含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
前記制御ステップは、前記排出ガスの流速に基づいて前記排出ガスの加速度を取得する取得ステップと、
前記加速度が所定値以上になった場合に前記排気弁を閉に制御するステップと、を含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池システムは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池システムにおいては、水素ガスが燃料電池のアノードに供給され、エアが燃料電池のカソードに供給される。それにより、発電が行われる。このような燃料電池システムにおいて、従来、燃料電池のアノードからの排出ガスを燃料電池スタックの入り口側に戻して使用する水素再循環機構が採用されている（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
水素再循環機構を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの電解質膜を通して、エア中の窒素ガスがカソードからアノードに拡散するおそれがある。この場合、再循環される排出ガスに窒素ガスが含有されるようになる。そして、排出ガスの再循環に伴って、排出ガス中の窒素ガス量は増加する。その結果、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、燃料電池内の窒素ガスを水素ガスによって置換する技術が開発されている。
【０００５】
特許文献１においては、パージ弁（シャットバルブ）を通過するガスの通過量に基づいて燃料電池内の窒素ガスが水素ガスによって置換された時期を判断する燃料電池システムが開示されている。この技術は、窒素ガス濃度の減少に伴ってパージ弁を通過するガスの流量が増加することに着目して開発されたものである。特許文献１に係る技術によれば、コントローラは、パージ弁を通過するガスの流量が所定値よりも多くなった場合に、燃料電池内の窒素ガスが水素ガスによって置換されたと判断して、パージ弁を閉状態とする。それにより、水素再循環が実行される。
【０００６】
特許文献２においては、排出ガスの流れにより音を発する排出ガス音源をパージ弁の下流に備える燃料電池システムの制御装置が開示されている。この技術によれば、制御装置は、排出ガス音源により発せられた音に対応する周波数に基づいて、排出ガス中の窒素ガス濃度を推定する。制御装置は、推定された排出ガス中の窒素ガス濃度が所定値以下となった場合に、燃料電池内の窒素ガスが水素ガスによって置換されたと判断して、パージ弁を閉状態とする。それにより、水素再循環が実行される。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１７９０００号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、水素循環機構を備えない燃料電池システム（以下、水素循環レスシステムと称する。）が開発されている。水素循環レスシステムにおいては、燃料電池の発電時において、アノードからの排出ガスを排気する排気弁（シャットバルブ）は、閉に制御される。
【０００９】
ここで、水素循環レスシステムにおいても、電解質膜を通じて、エア中の窒素ガスがカソードからアノードに拡散することがある。そこで、発電開始前に排気弁を開に制御して、燃料電池内の窒素ガスを水素によって置換する水素置換が実行される。水素置換を的確に実行するためには、水素置換実行時における窒素ガスの排出状態を的確に把握して、排気弁の開閉時期を判断する必要がある。
【００１０】
特許文献１に関する技術を応用した場合には、窒素ガスとともに水素ガスが排出されるおそれがある。また、特許文献２に関する技術を応用した場合には、汎用性に欠け、コストがかかるといった問題がある。
【００１１】
本発明は、水素置換の際に残留窒素量を低減させることができるとともに水素の排出を抑制できる低コストな燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法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】
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、水素ガスを燃料電池のアノードに供給する水素ガス供給手段と、エアを燃料電池のカソードに供給するエア供給手段と、アノードからの排出ガスを排気する排気弁と、排出ガスの流速を検出する流速検出手段と、排気弁の開閉制御を行う制御手段と、を備え、制御手段は、流速検出手段の検出結果に基づいて、排気弁を閉に制御することを特徴とするものである。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムによれば、排出ガスの流速を検出することによって、不純ガスの排出状態を精度よく得ることができる。この場合、残留窒素量を精度よく低減することができる。それにより、発電効率低下を抑制することができる。また、水素の排出量を抑制することができる。それにより、高濃度水素の排出を抑制することができる。また、配管に流速検出手段（流速計）を設置するという簡易な構成によって本発明の効果が得られることから、汎用性と低コストとを両立させることができる。
【００１４】
上記構成において、流速検出手段の検出結果に基づいて排出ガスの加速度を得る加速度取得手段をさらに備え、制御手段は、加速度取得手段が検出する加速度が所定値以上になった場合に排気弁を閉に制御してもよい。この構成によれば、不純ガスの排出状態を精度よく得ることができる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、水素ガスがアノードに供給され、エアがカソードに供給される燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池のアノードからの排出ガスの流速に基づいて、排出ガスを排気するための排気弁を閉に制御する制御ステップを含むことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの制御方法によれば、排出ガスの流速を検出することによって、不純ガスの排出状態を精度よく得ることができる。この場合、残留窒素量を精度よく低減することができる。それにより、発電効率低下を抑制することができる。また、水素の排出量を抑制することができる。それにより、高濃度水素の排出を抑制することができる。また、配管に流量計を設置するという簡易な構成によって本発明の効果が得られることから、汎用性と低コストとを両立させることができる。
【００１７】
上記構成において、制御ステップは、排出ガスの流速に基づいて排出ガスの加速度を取得する取得ステップと、加速度が所定値以上になった場合に排気弁を閉に制御するステップと、を含んでいてもよい。この構成によれば、不純ガスの排出状態を精度よく得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、水素置換の際に残留窒素量を低減させることができるとともに水素の排出を抑制できる低コストな燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は、燃料電池システム１００の模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、水素ガス供給手段１０と、エア供給手段１５と、燃料電池スタック２０と、各種流路と、シャットバルブ（ＳＶ）３０と、流速計５０と、制御手段６０と、を備える。なお、各種流路とは、水素ガス供給流路４０、エア供給流路４２、アノードオフガス排出流路４４およびカソードオフガス排出流路４６をいう。ここで、アノードオフガスとはアノードからの排出ガスのことをいい、カソードオフガスとはカソードからの排出ガスのことをいう。
【００２１】
水素ガス供給手段１０は、水素ガス供給流路４０を介して燃料電池スタック２０の水素ガス供給口に接続されている。水素ガス供給手段１０は、制御手段６０の指示を受けて、所定の圧力の水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する。エア供給手段１５は、エア供給流路４２を介して燃料電池スタック２０のエア供給口に接続されている。エア供給手段１５は、制御手段６０の指示を受けて、所定の圧力のエアを燃料電池スタック２０に供給する。燃料電池スタック２０の水素ガス排出口には、アノードオフガス排出流路４４が接続されている。燃料電池スタック２０のエア排出口には、カソードオフガス排出流路４６が接続されている。
【００２２】
燃料電池スタック２０は、図示しない１または２以上の燃料電池（単セル）が積層された構造を有する。各燃料電池は、電解質膜（図示せず）と、電解質膜を挟持するように配置されたアノード（図示せず）およびカソード（図示せず）と、を備える。
【００２３】
燃料電池スタック２０の水素ガス供給口に供給された水素ガスは、燃料電池スタック２０内のマニホールド（図示せず）を介して、各燃料電池のアノードに供給される。また、燃料電池スタック２０のエア供給口に供給されたエアは、燃料電池スタック２０内のマニホールド（図示せず）を介して、各燃料電池のカソードに供給される。それにより、発電が行われる。
【００２４】
なお、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池の種類は、水素と酸素との化学反応により発電を行う燃料電池であれば、特に限定されない。本実施例においては、燃料電池スタック２０を構成する燃料電池は、固体高分子型である。
【００２５】
シャットバルブ３０は、アノードオフガス排出流路４４に介挿されている。シャットバルブ３０は、制御手段６０の指示により閉と開とを切替えるストップバルブである。シャットバルブ３０は、燃料電池の発電時には、制御手段６０によって閉に制御される。それにより、燃料電池に供給された水素が発電によって効率よく消費される。アノードにおいてカソードから透過してきた窒素等の不純ガス濃度が高くなった場合、制御手段６０によってシャットバルブ３０は開に制御される。それにより、アノードに滞留する不純ガスが排出される。その結果、発電効率低下を抑制することができる。すなわち、シャットバルブ３０は、排気弁としての機能を有する。
【００２６】
流速計５０は、アノードオフガス排出流路４４において、シャットバルブ３０よりも上流側に配置されている。流速計５０は、アノードオフガスの流速を検出して、検出結果を制御手段６０に伝える。流速計５０は、アノードオフガスの流速を検出できるものであれば特に限定されない。本実施例においては、流速計５０として、例えば最大で５０ｍ／ｓ程度のガス流速を測定できる流速計が用いられる。
【００２７】
制御手段６０は、水素ガス供給手段１０、エア供給手段１５およびシャットバルブ３０の開閉制御を統括的に制御するマイクロコンピュータである。制御手段６０は、不揮発記憶部としてのＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２と、揮発記録部としてのＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６４と、演算部としてのＣＰＵ（中央演算処理装置）６６と、時間計測部としてのタイマ６８と、を備えている。制御手段６０の動作の詳細については後述する。
【００２８】
ここで、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照しつつ、アノードに滞留する窒素ガス等の不純ガスを水素ガスによって置換する場合について考える。この水素置換は、燃料電池スタック２０の起動時等に行われる。図２（ａ）に示すように、シャットバルブ３０が開の状態で水素ガスがアノードに供給されると、アノードに滞留していた不純ガスが徐々に排出される。しかしながら、シャットバルブ３０を閉に制御する時期が早すぎると、エンドセル側に不純ガスが残留する場合がある。この場合、水素欠がセル面内に発生し、異常電位に起因して発電電圧が低下するおそれがある。
【００２９】
不純ガスが水素ガスによって置換されると、水素欠が抑制され、発電電圧低下が抑制される。しかしながら、シャットバルブ３０を閉に制御する時期が遅すぎると、図２（ｂ）に示すように水素ガスが排出されるおそれがある。この場合、水素の可燃限界である４ｖｏｌ％以上の高濃度水素が排出されるおそれがある。したがって、シャットバルブ３０を閉に制御する時期を適切に決定する必要がある。
【００３０】
そこで、本実施例においては、アノードから排出されるアノードオフガスの流速変化に着目した。図３は、不純ガスを水素ガスで置換する場合における、アノードオフガスの流速のシミュレーション結果である。このシミュレーションにおいては、不純ガスとして窒素ガスを用いた。縦軸はアノードオフガスの流速を示し、横軸はシャットバルブ３０が開の状態で水素ガス供給を開始してからの経過時間を示す。
【００３１】
図３に示すように、アノードに水素ガスが供給されると、アノードオフガスの流速が徐々に大きくなってほぼ一定値を示す。主としてアノードに滞留している窒素ガスが排出されるからである。この場合、アノードオフガスの加速度は、ほぼゼロである。さらに水素ガスがアノードに供給されると、アノードオフガスの流速が急激に大きくなる。この場合、アノードオフガスの加速度が大きくなる。これは、窒素ガスに加えて水素ガスも排出されるようになるからである。ガス流速が大きくなるのは、窒素ガスの粘性に比較して水素ガスの粘性が小さいからである。さらに水素ガスがアノードに供給されると、アノードオフガスの流速がほぼ一定値を示す。窒素ガスの排出に代わって、主として水素ガスが排出されるようになるからである。したがって、アノードオフガスの加速度は、再度ほぼゼロになる。
【００３２】
このように、窒素ガスが水素ガスに置換されていくと、アノードオフガスの流速が大きくなる。また、アノードオフガスの流速の加速度は、水素ガスの排出に伴って一旦大きくなって再度ゼロに戻る。本実施例においては、一例として、アノードオフガスの加速度が所定値（以下、しきい値Ｘと称する。）以上になった場合にシャットバルブ３０を閉に制御する。
【００３３】
この場合、残留窒素量を低減することができる。それにより、発電効率低下を抑制することができる。また、水素の排出量を抑制することができる。それにより、高濃度水素の排出を抑制することができる。また、配管に流速計５０を設置するという簡易な構成によって効果が得られることから、汎用性と低コストとを両立させることができる。さらに、流速計５０は軽量かつコンパクトであるため、配管内のガス流れに影響がなく、装置の大型化を抑制することができる。
【００３４】
なお、水素ガスの濃度を検出する水素センサを用いてアノードオフガス中の水素ガスの濃度を測定し、その測定結果に基づいてシャットバルブ３０の開閉時期を判断する方法が考えられる。しかしながら、水素センサは、アノードオフガスに含まれる微量水素の影響で誤動作するおそれがある。この場合、十分に窒素ガスが置換される前にシャットバルブ３０が閉じられてしまうおそれがある。
【００３５】
図４は、シャットバルブ３０を開に制御して各燃料電池のアノードに水素ガスを供給する場合のアノードオフガスの加速度に関するマップの一例である。図４の縦軸はアノードオフガスの加速度を示し、横軸は水素ガスの最高圧（以下、起動最高圧と称する。）を示す。なお、起動最高圧は絶対圧で表示されている。
【００３６】
図４においては、起動最高圧が２００ｋＰａ．ａ（ａはａｂｓｏｌｕｔｅ）、２５０ｋＰａ．ａおよび３００ｋＰａ．ａに達するまでに１．５ｓ、１．０ｓおよび０．５ｓ要する場合の曲線が示されている。曲線２１０は、それぞれの起動最高圧に達するまでに１．５ｓ要する場合のアノードオフガスの加速度を示す曲線である。曲線２１２は、それぞれの起動最高圧に達するまでに１．０ｓ要する場合のアノードオフガスの加速度を示す曲線である。曲線２１４は、それぞれの起動最高圧に達するまでに０．５ｓ要する場合のアノードオフガスの加速度を示す曲線である。図４から得られる加速度をしきい値Ｘに設定することができる。
【００３７】
図４のマップは、あらかじめＲＯＭ６２またはＲＡＭ６４に記憶させておく。例えば、制御手段６０は、起動最高圧が２５０ｋＰａ．ａでありかつ起動最高圧に達するのに要する時間が１．０ｓの場合（曲線２１２）、アノードオフガスの加速度が４０ｍ／ｓ２以上になるとシャットバルブ３０を閉に制御する。
【００３８】
図５は、制御手段６０の動作の一例を示すフローチャートである。具体的には、図５は、燃料電池スタック２０の起動時における、制御手段６０の水素置換処理の実行開始から実行終了までの動作の一例を示すフローチャートである。
【００３９】
まず、制御手段６０は、水素置換の実行を開始する（ステップＳ１）。具体的には、制御手段６０は、シャットバルブ３０を閉から開に切替え、燃料電池スタック２０に水素ガスが供給されるように水素ガス供給手段１０を制御する。なお、本実施例において制御手段６０は、起動最高圧が２５０ｋＰａ．ａで、起動最高圧に達するのに要する時間が１．０ｓとなるように、水素ガス供給手段１０を制御する。
【００４０】
次いで、制御手段６０は、流速計５０の検出結果を読み込み、アノードオフガスの流速に基づいてアノードオフガスの加速度を演算する（ステップＳ２）。例えば、制御手段６０は、１００ｍｓごとに流速計５０の検出結果を読み込み、アノードオフガスの加速度を演算する。なお、加速度の演算は、制御手段６０のＣＰＵ６６が実行する。また、時間は、制御手段６０のタイマ６８により取得される。
【００４１】
次に、制御手段６０は、演算された加速度の値がしきい値Ｘ以上であるか否かを判断する（ステップＳ３）。具体的には、制御手段６０は、演算された加速度の値がマップから読み込んだアノードオフガスの加速度の値（図４の曲線２１２において起動最高圧２５０ｋＰａ．ａの場合の加速度：４０ｍ／ｓ２）以上であるか否かを判断する。
【００４２】
ステップＳ３において、加速度がしきい値Ｘ以上であると判断されなかった場合には、制御手段６０は、再度ステップＳ２を実行する。ステップＳ３において、加速度がしきい値Ｘ以上であると判断された場合には、制御手段６０は、シャットバルブ３０を開から閉に切替える（ステップＳ４）。その後、制御手段６０はフローチャートの実行を終了する。
【００４３】
以上のように、図５のフローチャートに従った制御により、低コストで窒素ガスの残留および水素ガスの排出を抑制することができる。
【００４４】
なお、本実施例においては、制御手段６０は、アノードオフガスの加速度がしきい値Ｘ以上になった場合にシャットバルブ３０を閉に制御するが、これに限られない。例えば、図３に示すように、アノードオフガスの流速が所定値以上になった場合に、窒素ガスの排出がほぼ終了したと判断することができるからである。したがって、例えば、制御手段６０は、あらかじめシャットバルブ３０を閉に制御するためのアノードオフガスの流速に関する所定のしきい値を記憶しておき、アノードオフガスの流速が所定のしきい値以上になった場合に、シャットバルブ３０を閉に制御してもよい。このように、制御手段６０は、アノードオフガスの流速に基づいて、シャットバルブ３０を閉に制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】図２（ａ）は、シャットバルブを閉に制御するタイミングが早すぎる場合の燃料電池スタックの模式図である。図２（ｂ）は、シャットバルブを閉に制御するタイミングが遅すぎる場合の燃料電池スタックの模式図である。
【図３】図３は、不純ガスを水素ガスで置換する場合における、アノードオフガスの流速のシミュレーション結果である。
【図４】図４は、シャットバルブを開に制御して各燃料電池のアノードに水素ガスを供給する場合のアノードオフガスの加速度に関するマップの一例である。
【図５】図５は、制御手段の動作の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１０  水素ガス供給手段
１５  エア供給手段
２０  燃料電池スタック
３０  シャットバルブ
４０  水素ガス供給流路
４２  エア供給流路
４４  アノードオフガス排出流路
４６  カソードオフガス排出流路
５０  流速計
６０  制御手段
１００  燃料電池システム
２１０，２１２，２１４  曲線
【図１】
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【図２】
2009170199.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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