(57)【要約】【課題】燃料オフガスに含まれる水素の濃度を効率よく低下させる。【解決手段】制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が所定温度以下であるか否か、水素オフガスに含まれる水分量が所定水分量以上であるか否か、水素オフガス流路４２の排出弁４５が開弁されたか否かを判定する。この判定に含まれるいずれかの要件に対してＹＥＳが成立する場合に、制御部５は、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。【選択図】図１
2009117044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する複数のコンプレッサと、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器と、を備え、
前記複数のコンプレッサは、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための流路上に直列に設けられ、
前記触媒燃焼器は、前記複数のコンプレッサ間に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記触媒燃焼器内の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサにより検出される温度が、所定の温度以下である場合に、前記複数のコンプレッサのうち、少なくとも前記触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される前記酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、
をさらに備え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】
前記所定の温度は、前記触媒が前記燃料と反応することができなくなる温度であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料オフガスに含まれる水分量を算出する水分量算出手段と、
前記水分量算出手段により算出される前記水分量が、所定の水分量以上である場合に、前記複数のコンプレッサのうち、少なくとも前記触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される前記酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、
をさらに備え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５】
前記所定の水分量は、前記触媒が前記燃料と反応することができなくなる水分量であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料オフガスから水分を回収する気液分離器を、さらに備え、
前記触媒燃焼器は、前記気液分離器から排出される前記燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記気液分離器によって回収された水分を、前記触媒燃焼器の下流側、かつ、いずれかの前記コンプレッサの上流側に流入させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【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。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いる燃料電池システムの開発が行われている。このような燃料電池システムでは、安定して発電を行わせるために、燃料電池のアノード極から、窒素、水素等の不純物を適宜排出させる必要がある。しかしながら、アノード極から排出される水素オフガスには、未反応の水素が含まれてしまうため、水素オフガスを外部に排出する際には水素を可燃限界以下に希釈する必要がある。従来、水素を可燃限界以下に希釈させるために、各種の水素低濃度化処理が行われている。例えば、下記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素オフガスに含まれる水素の濃度を低下させるために、触媒燃焼器を用いた水素低濃度化処理が行われている。
【特許文献１】特開２００５−１７４７５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、触媒燃焼器を用いた水素低濃度化処理では、触媒燃焼器の湿度が高くなりすぎると、触媒の表面に水分が付着してしまい、触媒が水素と反応できなくなる。これにより、触媒燃焼器で燃料オフガスに含まれる水素の濃度を低下させることができなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、燃料オフガスに含まれる燃料の濃度を効率よく低下させることが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】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、酸化ガスを燃料電池に供給する複数のコンプレッサと、燃料電池から排出される燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させる触媒燃焼器と、を備え、上記複数のコンプレッサは、酸化ガスを燃料電池に供給するための流路上に直列に設けられ、上記触媒燃焼器は、複数のコンプレッサ間に設けられることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、触媒燃焼器の上流側に設けられるコンプレッサから送り込まれる酸化ガスで触媒燃焼器内の触媒を乾燥させることができるため、燃料と触媒の反応を促進させることができる。また、触媒燃焼器の下流側に設けられるコンプレッサにより、燃料電池に供給される酸化ガスの圧力を高めることができるため、酸化ガスの逆流を防止することができる。
【０００７】
上記燃料電池システムにおいて、上記触媒燃焼器内の温度を検出する温度センサと、温度センサにより検出される温度が、所定の温度以下である場合に、複数のコンプレッサのうち、少なくとも触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、をさらに備えることができる。
【０００８】
これにより、温度センサにより検出された温度が所定の温度以下になった場合には、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増すことができるため、触媒燃焼器内の温度が低下して触媒が水で覆われた場合であっても、コンプレッサから供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、上記所定の温度は、触媒が燃料と反応することができなくなる温度に設定することができる。
【００１０】
これにより、触媒燃焼器内の温度が、触媒が燃料と反応することができなくなる温度以下になったときに、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料オフガスに含まれる水分量を算出する水分量算出手段と、水分量算出手段により算出される水分量が、所定の水分量以上である場合に、複数のコンプレッサのうち、少なくとも触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させる流量制御手段と、をさらに備えることができる。
【００１２】
これにより、燃料オフガスに含まれる水分量が所定の水分量以上になった場合には、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増すことができるため、燃料オフガスに含まれる水分量が増加して触媒が水で覆われた場合であっても、コンプレッサから供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、上記所定の水分量は、触媒が燃料と反応することができなくなる水分量に設定することができる。
【００１４】
これにより、燃料オフガスに含まれる水分量が、触媒が燃料と反応することができなくなる水分量以上になったときに、触媒燃焼器の上流側に設けられたコンプレッサから供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。
【００１５】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料オフガスから水分を回収する気液分離器を、さらに備え、触媒燃焼器は、気液分離器から排出される燃料オフガスに含まれる燃料を、触媒を用いて燃焼させることができる。
【００１６】
このようにすることで、水分が回収された後の乾燥した燃料オフガスを触媒燃焼器に流入させることができる。
【００１７】
上記燃料電池システムにおいて、上記気液分離器によって回収された水分を、触媒燃焼器の下流側、かつ、いずれかのコンプレッサの上流側に流入させることができる。
【００１８】
このようにすることで、加湿モジュールを備えることなく、酸化ガスを最適に加湿させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料オフガスに含まれる燃料の濃度を効率よく低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００２１】
本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池から排出される燃料オフガスを、複数のコンプレッサ間に配置されたコンバスタ（触媒燃焼器）に流入させることで、コンバスタに含まれる触媒を乾燥させ、触媒と燃料との反応を促進させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。
【００２２】
まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
【００２３】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。
【００２４】
燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡと、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶとが設けられている。
【００２５】
酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出する第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２と、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２の間に配置されたコンバスタ３３と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３４と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３５とを有する。
【００２６】
コンバスタ３３を第一コンプレッサ３１と第二コンプレッサ３２との間に配置することで、以下のような効果が得られる。まず、コンバスタ３３の上流側に第一コンプレッサ３１を設けることで、第一コンプレッサ３１からコンバスタ３３に送り込まれる酸化ガスでコンバスタ３３内の触媒を乾燥させることができ、触媒の反応を促進させることができる。また、コンバスタ３３の下流側に第二コンプレッサ３２を設けることで、空気供給流路３４から燃料電池２に供給される酸化ガスの圧力を容易に高めることができるため、酸化ガスの逆流を防止することができる。
【００２７】
なお、コンプレッサは、上述した二つのコンプレッサに限定されることはなく、三つ以上のコンプレッサを設けることとしてもよい。この場合に、コンバスタ３３は、燃料電池２の上流側において、これら複数のコンバスタのうちのいずれかのコンバスタ間に設けることとすればよい。
【００２８】
空気供給流路３４および空気排出流路３５には、第二コンプレッサ３２から圧送された酸化ガスを、燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３６（加湿モジュール）が設けられている。この加湿器３６で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。また、コンバスタ３３には、コンバスタ３３内の温度を検出する温度センサＴが設けられている。さらに、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２のそれぞれの下流側には、空気供給流路３４の圧力を検出する圧力センサＰ１およびＰ２がそれぞれ設けられている。
【００２９】
水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスをコンバスタ３３に流入させるための水素オフガス流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。
【００３０】
水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４とが設けられている。
【００３１】
水素オフガス流路４２には、気液分離器４６および排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収し、乾燥した水素オフガスをコンバスタ３３に流出する。排気排水弁４７は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分を排出流路４８に排出する。水素オフガス流路４２には、燃料電池２からの水素オフガスの排出を遮断または許容する排出弁４５が設けられている。また、気液分離器４６の下流側には、水素オフガス流路４２の圧力を検出する圧力センサＰ３が設けられている。
【００３２】
制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量をセンサによって検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えば、コンプレッサのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００３３】
制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が、所定の温度以下である場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。所定の温度としては、例えば、触媒が水素と反応することができなくなる温度が該当する。これは、コンバスタ３３の温度が所定の温度以下になると、同じ水分量であっても温度が高いときに比べて触媒が水で覆われやすくなり、水素との反応が鈍くなってしまうため、そのような状況に陥ると想定される場合には、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させて、触媒を乾燥させることとしたものである。
【００３４】
制御部５は、酸化ガスの流量を増加させた後に、温度センサＴにより検出された温度が、所定の流量増加解除温度よりも高くなった場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す。なお、所定の流量増加解除温度は、上述した所定の温度よりも高い温度に設定することが好ましい。
【００３５】
制御部５は、水素オフガスに含まれる水分量を算出し、算出した水分量が、所定の水分量以上である場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。所定の水分量としては、例えば、触媒が水素と反応することができなくなる水分量が該当する。水素オフガスに含まれる水分量は、例えば、燃料電池２の発電量に対応する水素の化学反応量を用いることで算出することができる。これは、水分量が所定の水分量以上になると、触媒が水で覆われてしまい水素との反応が鈍くなってしまうため、そのような状況に陥ると想定される場合には、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させて触媒を乾燥させることとしたものである。
【００３６】
制御部５は、酸化ガスの流量を増加させた後に、水素オフガスに含まれる水分量を算出し、算出した水分量が、所定の流量増加解除水分量未満になった場合に、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す。なお、所定の流量増加解除水分量は、上述した所定の水分量よりも少量に設定することが好ましい。
【００３７】
制御部５は、水素オフガスが排出される際に、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる。水素オフガスは、水素オフガス流路４２の排出弁４５が開かれているときに排出される。これは、水素オフガスが排出されると、燃料電池２での発電に必要な酸素量が減少するため、水素オフガスが排出されているときに第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２から供給される酸化ガスの流量を増加させることとしたものである。
【００３８】
制御部５は、酸化ガスの流量を増加させた後に、水素オフガス流路４２の排出弁４５が閉じられた場合に、第一コンプレッサ３１および第二コンプレッサ３２から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す。
【００３９】
制御部５は、各圧力センサＰ１〜Ｐ３によって検出される圧力が、Ｐ１の圧力＜Ｐ３の圧力＜Ｐ２の圧力となるように酸化ガスおよび水素オフガスの流量を制御する。
【００４０】
ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１〜Ｐ３、温度センサＴ、電流センサＡおよび電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、第一コンプレッサ３１、第二コンプレッサ３２、主止弁４３、排出弁４５および排気排水弁４７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００４１】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰ１〜Ｐ３や温度センサＴ等における各種の検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における酸化ガスおよび水素オフガスの流量を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００４２】
次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システムにおける酸化ガス流量制御処理について説明する。この酸化ガス流量制御処理は、イグニッションキーをＯＮにしてからＯＦＦにするまでの間に繰り返し行われる。
【００４３】
最初に、制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が所定温度以下であるか否か、水素オフガスに含まれる水分量が所定水分量以上であるか否か、水素オフガス流路４２の排出弁４５が開弁されたか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定に含まれる全ての要件に対してＮＯが成立する場合（ステップＳ１；ＮＯ）には、ステップＳ１の処理を繰り返す。
【００４４】
一方、ステップＳ１の判定に含まれるいずれかの要件に対してＹＥＳが成立する場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）に、制御部５は、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量よりも増加させる（ステップＳ２）。なお、このステップＳ２において、第二コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量についても、通常時に供給される流量より増加させることとしてもよい。
【００４５】
続いて、制御部５は、温度センサＴにより検出された温度が所定の流量増加解除温度よりも高いか否か、水素オフガスに含まれる水分量が所定の流量増加解除水分量未満であるか否か、水素オフガス流路４２の排出弁４５が閉弁されているか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定に含まれる全ての要件に対してＮＯが成立する場合（ステップＳ３；ＮＯ）には、ステップＳ３の処理を繰り返す。
【００４６】
一方、ステップＳ３の判定に含まれるいずれかの要件に対してＹＥＳが成立する場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）に、制御部５は、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を、通常時に供給される流量に戻す（ステップＳ４）。
【００４７】
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、コンバスタ３３の上流側に設けられる第一コンプレッサ３１から送り込まれる酸化ガスでコンバスタ３３内の触媒を乾燥させることができるため、水素と触媒の反応を促進させることができる。それゆえに、水素オフガスに含まれる水素の濃度を効率よく低下させることができる。
【００４８】
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、コンバスタ３３の下流側に設けられる第二コンプレッサ３２により、燃料電池２に供給される酸化ガスの圧力を高めることができるため、酸化ガスの逆流を防止することができる。
【００４９】
また、温度センサＴにより検出された温度が所定の温度以下になった場合には、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増やすことができるため、コンバスタ３３内の温度が低下して触媒が水で覆われた場合であっても、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。
【００５０】
さらに、上記所定の温度を、触媒が水素と反応することができなくなる温度に設定することで、コンバスタ３３内の温度が、触媒が水素と反応することができなくなる温度以下になったときに、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。
【００５１】
また、水素オフガスに含まれる水分量が所定の水分量以上になった場合には、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増やすことができるため、水素オフガスに含まれる水分量が増加して触媒が水で覆われた場合であっても、第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスで触媒を乾燥させることができる。
【００５２】
さらに、上記所定の水分量を、触媒が水素と反応することができなくなる水分量に設定することで、水素オフガスに含まれる水分量が、触媒が水素と反応することができなくなる水分量以上になったときに、コンバスタ３３の上流側に設けられた第一コンプレッサ３１から供給される酸化ガスの流量を増加させることができる。
【００５３】
また、本実施形態における燃料電池システム１によれば、気液分離器から排出される水素オフガスをコンバスタ３３に流入させることができるため、水分が回収された後の乾燥した水素オフガスをコンバスタ３３に流入させることができる。
【００５４】
なお、上述した実施形態では、燃料電池システム１の酸化ガス配管系３に加湿器３６を設けているが、必ずしも加湿器を設ける必要はない。図３を参照して、加湿器を設けない場合の燃料電池システムの構成について説明する。同図に示すように、本変形例における燃料電池システムが、上述した実施形態における燃料電池システムと異なる点は、変形例における燃料電池システム１は、気液分離器４６で回収された水分を第二コンプレッサ３２の上流側に流入させる水分供給流路４９をさらに備える点と、加湿器を備えていない点である。これにより、コンバスタ３３から排出された酸化ガスを、水分供給流路４９から供給される水分で加湿したうえで、第二コンプレッサ３２に流入させることができる。したがって、加湿器３６を設けることなく、最適に加湿された酸化ガスを燃料電池２に供給させることが可能となる。
【００５５】
また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムにおける酸化ガス流量制御処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】変形例における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…第一コンプレッサ、３２…第二コンプレッサ、３３…コンバスタ、３４…空気供給流路、３５…空気排出流路、３６…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…水素オフガス流路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…排出弁、４６…気液分離器、４７…排気排水弁、４８…排出流路、４９…水分供給流路、Ｐ１〜Ｐ３…圧力センサ、Ｔ…温度センサ、Ａ…電流センサ、Ｖ…電圧センサ。
【図１】
2009117044.tif 000003
【図２】
2009117044.tif 000004
【図３】
2009117044.tif 000005