(57)【要約】【課題】燃料電池システムに関し、窒素の蓄積に起因する発電性能の低下の防止と燃費の向上とを両立させる。【解決手段】燃料電池２の電流値を電流計２２で計測し、得られた電流値を所定の参照値と比較する。電流値はアノードガス流路での水素の流速を示す指標値であり、アノードガス流路での窒素の拡散速度を電流値に換算したものが前記の参照値である。電流値が参照値以上の値のときには循環ポンプ１２を運転する。一方、電流値が参照値よりも小さい値のときには循環ポンプ１２を停止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたオフガスを再び前記アノードガス流路の入口側に循環させる循環ポンプとを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の負荷状態を判定する判定手段と、
前記循環ポンプの運転を制御する制御手段であって、前記燃料電池が所定の高負荷域で発電しているときには前記循環ポンプを運転し、前記燃料電池が前記所定負荷域よりも低負荷域で発電しているときには前記循環ポンプを停止させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたオフガスを再び前記アノードガス流路の入口側に循環させる循環ポンプとを備える燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス流路でのガス流速に関連する物理量を計測する計測手段と、
前記計測手段の計測値からガス流速を示す指標値を計算し、前記指標値と前記アノードガス流路での不純物質の拡散速度に対応する参照値とを比較する比較手段と、
前記循環ポンプの運転を制御する制御手段であって、前記指標値が前記参照値以上の値のときには前記循環ポンプを運転し、前記指標値が前記参照値よりも小さい値のときには前記循環ポンプを停止させる制御手段と、
を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、燃料電池のアノードガス流路から排出されたオフガスを再びアノードガス流路の入口側に循環させる循環ポンプを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料である水素の無駄を無くすことが省エネルギの観点において重要である。このため、従来の燃料電池システムでは、例えば特開２００６−１３４８０６号公報に開示されるように、燃料電池のアノードガス流路から排出されたオフガスを循環ポンプによって再び燃料電池に循環させることで、オフガスに残存している水素の有効利用が図られている。
【０００３】
ところで、アノードガス流路を流れる燃料ガスとカソードガス流路を流れる空気とは膜電極接合体（ＭＥＡ）によって分離されているものの、一部の空気は膜電極接合体を透過してアノードガス流路に漏れ出している。空気の主成分は不活性ガスである窒素であり、発電反応には寄与しない不純物質である。この窒素が膜電極接合体の表面を覆ってしまうと電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位が膜電極接合体を劣化させてしまうおそれもある。
【０００４】
この点に関し、上記の従来の燃料電池システムでは、循環ポンプによって燃料ガスを循環させているので、アノードガス流路内にはその入口から出口に向けたガスの流れが強制的に作られている。これによれば、窒素がアノードガス流路の一部に蓄積してしまい膜電極接合体の表面を覆ってしまうことは防止される。
【特許文献１】特開２００６−１３４８０６号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５３２号公報
【特許文献３】特表２００２−５００４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の従来の燃料電池システムは、循環ポンプを運転するための動力が別途必要とされる。循環ポンプによる動力損失は、燃料電池システム全体としての燃費性能を悪化させている。その一方で発電性能の維持という観点からは、アノードガス流路内に窒素が蓄積されることは好ましくはない。前述のように出力電圧の低下や膜電極接合体の劣化を生じさせてしまうからである。つまり、従来の燃料電池システムにとっては、窒素の蓄積に起因する発電性能の低下の防止と燃費の向上とは背反する要求であり、これら二つの要求を同時に満たすことは容易ではなかった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、窒素の蓄積に起因する発電性能の低下の防止と燃費の向上とを両立させることの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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたオフガスを再び前記アノードガス流路の入口側に循環させる循環ポンプとを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の負荷状態を判定する判定手段と、
前記循環ポンプの運転を制御する制御手段であって、前記燃料電池が所定の高負荷域で発電しているときには前記循環ポンプを運転し、前記燃料電池が前記所定負荷域よりも低負荷域で発電しているときには前記循環ポンプを停止させる制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
また、第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたオフガスを再び前記アノードガス流路の入口側に循環させる循環ポンプとを備える燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス流路でのガス流速に関連する物理量を計測する計測手段と、
前記計測手段の計測値からガス流速を示す指標値を計算し、前記指標値と前記アノードガス流路での不純物質の拡散速度に対応する参照値とを比較する比較手段と、
前記循環ポンプの運転を制御する制御手段であって、前記指標値が前記参照値以上の値のときには前記循環ポンプを運転し、前記指標値が前記参照値よりも小さい値のときには前記循環ポンプを停止させる制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、アノードガス流路の一部に不純物質が溜まり得る状況か否かを燃料電池の負荷状態によって判定する。そして、不純物質が溜まり得る所定の高負荷域よりも低負荷域で発電しているときには循環ポンプを停止させることで、動力損失による燃費の悪化を防止できる。一方、燃料電池が高負荷域で発電しているときには循環ポンプを運転することで、アノードガス流路の一部に不純物質が蓄積されてしまうのを防止することができる。
【００１０】
第２の発明によれば、アノードガス流路での不純物質の拡散速度に対応する参照値と、アノードガス流路でのガスの流速に関連する物理量から計算される指標値との比較によれば、アノードガス流路の下流側端部に不純物質が溜まり得る状況か否かを正確に判定することができる。したがって、その比較に基づいて循環ポンプの運転と停止とを切り替えることで、発電性能の低下の防止と動力損失の軽減による燃費の向上とを高次元で両立することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。通常、燃料電池２は、複数の単位燃料電池を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。単位燃料電池は、図示は省略するが、膜電極接合体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位燃料電池は、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。
【００１３】
燃料電池２には、燃料ガスとしての水素を供給するための水素供給管６が接続されている。水素は高圧水素タンク等の水素供給源４に蓄えられている。水素供給管６の途中には、調圧弁８が配置されている。水素は調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された水素は、燃料電池２内に形成された供給マニホールド（図示略）によって各単位燃料電池のアノードに分配される。各単位電池のアノードを通過したガス（アノードガス）は、燃料電池２内に形成された排出マニホールドに集められて排気管１０に排出される。
【００１４】
排気管１０には循環ポンプ１２が配置されている。ここで用いる循環ポンプ１２は、電気モータによって駆動される回転型のポンプである。循環ポンプ１２を回転させることで、燃料電池２から排出されたアノードガスは水素供給管６に送り込まれ、再び燃料電池２に供給されることとなる。排気管１０における循環ポンプ１２の上流には、排気弁１４が接続されている。排気弁１４は閉状態をその基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合にのみ開くように制御されている。
【００１５】
図２は、燃料電池２を構成する単位燃料電池の内部構造と、そこで起きている現象を模式的に示す図である。図２では、本発明の特徴に特に係る部分を示し、集電体やマニホールド等、本発明の特徴以外の部分については図示は省略している。以下、図１とあわせて図２も参照して説明する。
【００１６】
図２に示すように、単位燃料電池内では膜電極接合体３０の各面に沿ってガス流路３２，３４が形成されている。アノードガス流路３２には水素が供給され、カソードガス流路３４には空気が供給されている。なお、これらガス流路３２，３４の形状や構成には限定はない。例えば、集電体（セパレータ）の表面に溝を形成し、その溝をガス流路３２，３４としてもよい。また、集電体と膜電極接合体３０との間に導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってガス流路３２，３４を形成してもよい。
【００１７】
カソードガス流路３４に供給される空気には、発電に使用される酸素（O2）のほかに窒素（N2）が含まれている。窒素は不活性ガスであって発電には供されず、そのままカソードガス流路３４から系外に排気される。しかし、一部の窒素は、図２中に矢印で模式的に示すように膜電極接合体３０を透過してアノードガス流路３２に侵入してしまう。このとき窒素をアノードガス流路３２側に移動させる駆動力となるのは、カソードガス流路３４とアノードガス流路３２との間での窒素の分圧差である。膜電極接合体３０を透過した窒素（N2）は、アノードガス流路３２内の水素（H2）の流れによって、図２中に矢印で模式的に示すようにアノードガス流路３２の下流へと流されていく。
【００１８】
なお、空気には窒素以外にも水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物質が含まれている。しかし、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば微小であるので、ここでは不純物質として窒素にのみ着目するものとする。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。
【００１９】
本実施の形態の燃料電池システムは、循環ポンプ１２によってアノードガスを循環させることによって水素の有効利用を図ることができる。ただし、循環ポンプ１２を回転させるためには別途動力が必要であり、その分の動力損失によって燃費が悪化してしまう。しかし、循環ポンプ１２は回転させない場合には、アノードガス中の不純物質である窒素は、図２中に模式的に示すように、アノードガス流路３２の出口付近に次第に蓄積されていく。窒素が膜電極接合体３０の表面を覆ってしまうと触媒における発電反応が阻害され、電圧の低下や異常電位による膜電極接合体３０の劣化を招いてしまう。
【００２０】
図３は、循環ポンプ１２を停止させて燃料電池２を運転した時のアノードガス流路３２内の水素濃度分布を示す図である。水素濃度の100%に対する差が窒素濃度を表している。アノードガス流路３２の出口付近に窒素が蓄積されると、水素濃度分布は図３中に実線で示すようになる。このような状況では、循環ポンプ１２を回転させてアノードガス流路３２内から窒素を排出し、窒素が一部に蓄積されないようにアノードガスを循環させるのが望ましい。
【００２１】
これに対し、水素濃度分布が図３中に点線で示すようになっている場合、つまり、窒素がアノードガス流路３２中に分散しているような状況では、膜電極接合体３０の表面が窒素によって覆われることがなく、電圧の低下や異常電位による膜電極接合体３０の劣化が起きることはない。したがって、このような状況では、循環ポンプ１２を回転させる必要はない。循環ポンプ１２を回転させるかどうかは、窒素がアノードガス流路３２の出口付近に蓄積され得る状況なのか、それとも、窒素がアノードガス流路３２内に分散している状況なのかによって判断する必要がある。
【００２２】
窒素がアノードガス流路３２の出口付近に蓄積されるか否かは、アノードガス流路３２内での窒素の流れによって決まる。図２中に矢印で模式的に示すように、窒素がアノードガス流路３２を下流方向に流れている場合には、必然的に窒素が出口付近に蓄積され得る状況となる。アノードガス流路３２内の窒素の流れの大きさは、アノードガス流路３２内の窒素の拡散速度と、アノードガス流路３２内の水素の流速とによって決まる。水素の流速が窒素の拡散速度よりも大きければ、膜電極接合体３０を透過してきた窒素はアノードガス流路３２の上流に拡散することなく下流へ流されていくことになる。その結果、図３中に実線で示すような水素濃度分布ができることになる。一方、水素の流速が窒素の拡散速度よりも小さければ、アノードガス流路３２の上流まで窒素が拡散していき、図３中に点線で示すような水素濃度分布ができることになる。
【００２３】
本実施の形態の燃料電池システムでは、アノードガス流路３２内の水素の流速を直接測定するのではなく、水素の流速に関連する物理量として燃料電池２の電流値を計測している。アノードガス流路３２に流入する水素の流速は、燃料電池２の電流値の関数として表すことができる。燃料電池２の電流値は、燃料電池２に取り付けられた電流計２２によって計測される。また、アノードガス流路３２内の窒素の拡散速度は、予め電流値に換算されて参照値として記憶されている。
【００２４】
本実施の形態の燃料電池システムでは、循環ポンプ１２の動作の制御は制御装置２０によって行われる。制御装置２０には電流計２２からの計測信号が入力されている。制御装置２０は、電流計２２で計測された電流値をメモリに記憶されている参照値と比較することで、アノードガス流路３２の出口付近に窒素が溜まり得る状況か否かを正確に判定し、その判定結果に基づいて循環ポンプ１２の運転を制御している。以下、制御装置２０によって実施される循環ポンプ１２の運転の制御のためのルーチンについて、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００２５】
図４に示すルーチンの最初のステップＳ２では、現在の燃料電池２の電流値（ＦＣ電流）が計測される。次のステップＳ４では、ステップＳ２で計測された現在の電流値とメモリに記憶されている参照値とが比較され、現在の電流値が参照値よりも小さいか否か判定される。
【００２６】
ステップＳ４の判定の結果、現在の電流値が参照値よりも小さい場合には、循環ポンプ１２は停止される（ステップＳ６）。これにより循環ポンプ１２の動力損失による燃費の悪化を防止することができる。
【００２７】
一方、現在の電流値が参照値よりも大きい場合には、ステップＳ４からステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、循環ポンプ１２は運転され、その回転によってアノードガスが循環される。これにより、アノードガス流路３２の出口付近に窒素が蓄積されるのを防止することができる。
【００２８】
ステップＳ８では、ステップＳ６或いはステップＳ１０で制御された循環ポンプ１２の動作状態に応じて調圧弁８の開度が制御される（ステップＳ８）。
【００２９】
上記のルーチンによれば、アノードガス流路内の水素の流速に関連する電流値と、アノードガス流路３２内の窒素の拡散速度に関連する参照値とが比較される。この比較によれば、アノードガス流路３２の出口付近に窒素が溜まり得る状況か否かを正確に判定することができる。この比較結果に基づいて循環ポンプ１２の運転を制御することで、燃料電池２の発電性能の低下の防止と動力損失の軽減による燃費の向上とを高次元で両立することが可能になる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００３１】
循環ポンプ１２の回転／停止の切り替え判定に用いる情報は、燃料電池２の負荷状態が反映されている情報であるならば、必ずしも電流値でなくてもよい。例えば、燃料電池２から取り出す電力の目標値や、調圧弁８の実際開度或いは目標開度には、燃料電池２の負荷状態が反映されている。燃料電池２が高負荷域で運転されている場合には低負荷域で運転されている場合に比較して水素の消費量が大きくなることから、必然的にアノードガス流路３２内の水素の流速も大きくなる。したがって、燃料電池２が所定の高負荷域で運転されているときには循環ポンプ１２を回転させ、燃料電池２が所定負荷域よりも低負荷域で運転されているときには循環ポンプ１２を停止すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】単位燃料電池の内部の構造とそこで起きている現象を模式的に示す図である。
【図３】アノードガス流路内の水素濃度の分布と電流値との関係について示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において実施される循環ポンプの動作の制御のためのルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
２  燃料電池
４  水素供給源
６  水素供給管
８  調圧弁
１０  排気管
１２  循環ポンプ
１４  排気弁
２０  制御装置
２２  電流計
３０  膜電極接合体
３２  アノードガス流路
３４  カソードガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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