(57)【要約】【課題】運転停止中にアノードからカソードへ透過した水素を含むアノードオフガスが系外へ排出されることを防止する。【解決手段】燃料電池システムの起動時に、空気圧力調整弁１５を閉止、カソードオフガス循環路開閉弁２１を開き、流路切替弁２３によりカソードオフガス導入配管２２とカソード２とスタックケース２０と間を連通させる。空気供給装置５から空気をカソード２へ、水素供給装置４から水素をアノード１へ供給すると、水素を含むカソードオフガスは、カソードへ循環し、カソード触媒により水素が消費され水素濃度が低下する。【選択図】図４
2009021077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのカソードへ酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給配管と、前記燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスをシステム外に排出する排出配管と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードオフガスをカソードへ循環可能にするカソードオフガス循環手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記カソードオフガス循環手段は、循環路内にカソードオフガスを導入および排出可能な収納容器を備えた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】
前記収納容器は、前記燃料電池スタックを収納するスタックケース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】
前記カソードオフガス循環手段は、
前記空気供給配管と前記収納容器との間、および前記排出配管に設置されてカソード圧力を調整する空気圧力調整弁の上流の前記排出配管と前記収納容器との間で循環路を形成する循環配管と、
該循環配管の開度を調整可能な開閉弁と、
該循環配管内にガスを循環させるガス駆動装置と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス駆動装置は、前記カソードへ酸化剤として空気を供給する空気供給装置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】
前記ガス駆動装置は、前記カソードへ酸化剤として空気を供給する空気供給装置とは別体で設置するガス供給装置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７】
カソードオフガスを循環させる際に、外気を導入してカソードオフガス循環路内を循環路内の圧力損失以上に加圧することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
カソードオフガスの収納容器入口に設ける開閉弁の開度を調整することにより、収納容器を加圧区間から除外することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソード内の燃料濃度を推定するカソード燃料濃度推定手段と、
システム起動時に、前記カソード燃料濃度推定手段により推定されたカソード内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを循環手段に循環させるか否かを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項４乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記収納容器内の燃料濃度を推定する収納容器燃料濃度推定手段と、
該収納容器燃料濃度推定手段により推定された収納容器内の燃料濃度に応じて、カソードオフガスを循環手段に循環させるか否かを制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記カソード燃料濃度推定手段および前記収納容器燃料推定手段は、システム停止からの経過時間を測定または推定する手段、あるいは直接的ないし間接的に燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置、あるいは直接的ないしは間接的に燃料以外のガス濃度を測定するガス濃度測定装置であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
カソードオフガス内の燃料濃度を推定するカソードオフガス内燃料濃度推定手段と、
該カソードオフガス内燃料濃度推定手段により推定されたカソード入口または出口のカソードオフガス中の燃料濃度に応じて、カソードオフガス循環を停止し、カソードオフガスを排出配管よりシステム外に排気するよう制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記カソードオフガス内燃料濃度推定手段は、循環開始からの経過時間および経過時間を測定または推定する手段、あるいは循環流量積算値および循環流量を推定可能な手段、あるいは直接的ないし間接的に燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置、あるいは直接的ないしは間接的に燃料以外のガス濃度を測定するガス濃度測定装置であることを特徴とする請求項１２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係り、特に燃料電池起動時に燃料ガスのシステム外への排出を抑制することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より燃料電池本体を収容するケースを設け、運転停止時にケースの開口部を閉止して燃料電池本体を密閉するシール構造が知られている。例えば、リン酸電解質と空気極と燃料極とを備えたリン酸型燃料電池のシール構造において、空気極に空気を供給するための送風機と、燃料電池本体を覆うケースと、このケースと燃料電池本体との間に形成された送風通路の入口部と出口部とを開閉するための電磁弁を備えた燃料電池のシール構造が周知である（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−１６２８４８号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来技術においては、送風機から空気極およびケースに空気を供給、排出する構成となっているため、燃料電池の運転停止時に燃料極に残存する燃料が燃料極から空気極に透過、および燃料電池のシール部を介して燃料が燃料電池内部からケースに透過して、空気極およびケース内が共に高濃度の燃料雰囲気となる可能性があり、次回起動時に空気極およびケース内の高濃度燃料ガスがそのままシステム外に排出される虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのカソードへ酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給配管と、前記燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスをシステム外に排出する排出配管と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記カソードオフガスをカソードへ循環可能にするカソードオフガス循環手段を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、カソードオフガスをカソードへ循環可能にするカソードオフガス循環手段を備えたことにより、システム停止中にアノードからカソードに電解質膜を介して燃料が透過する場合でも、次回起動時に燃料を含んだカソードオフガスをカソードに循環させて、燃料を酸化処理できるため、万一起動時のカソード中の燃料濃度が高い場合でも、排出燃料濃度を抑制しつつ起動時間を遅延化させることなくシステム起動が行えるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両の好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【０００７】
次に、図１から図６を参照して本発明の実施例１を説明する。図１は、実施例１の燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システム５０は、システムコントローラ７により運転状態が制御されている。システムコントローラ７は、例えば、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成される。
【０００８】
アノード（燃料極）１とカソード（酸化剤極）２とを有する燃料電池スタック３は、例えば固体高分子型の燃料電池である。水素供給装置４は、燃料ガスとしての水素を水素供給配管１１を介してアノード１に供給する。この水素供給配管１１の圧力は、アノード圧力推定手段としての圧力センサ２９ｂにより測定され、圧力測定信号はシステムコントローラ７へ送られる。
【０００９】
また、空気供給装置５から酸化剤ガスとしての空気を空気供給配管１４を介してカソード２に供給する。空気供給装置５の上流には、その空気量を測定するためのエアフローセンサ２７が設けられ、空気供給装置５の下流には、供給空気の圧力を測定する圧力センサ２９ａが設けられている。エアフローセンサ２７の測定信号、圧力センサ２９ａの測定信号は、システムコントローラ７へ送られる。
【００１０】
燃料電池スタック３は水素と空気中の酸素を反応させて発電する。その際アノード１からは消費されずに残ったアノードオフガスが、またカソード２からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した生成水を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。
【００１１】
アノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６とアノードオフガス循環配管１２により、水素供給配管１１に全量循環されて供給水素と混合されてアノードガスを形成して再度アノード１へと供給される。しかし、カソード２からアノード１へ透過してくる窒素や、発電に伴って生成される水分などによりアノード１に供給するガス中の水素濃度が所定範囲よりも小さいとシステムコントローラ７が判断する場合は、パージ弁１９を開いてアノードオフガス排出配管１３からアノードオフガスの排出を行い、水素の濃度を高めるよう制御されている。
【００１２】
カソードオフガスは、カソード圧力を調整するカソード圧力調整弁１５によりカソードの背圧を調整してカソードオフガス排出配管１６から外部に排気される。
【００１３】
燃料電池スタック３は、スタックケース２０に収納されている。システムの通常運転中は、スタックケース２０へ換気用の空気を供給するために、スタックケース換気供給配管２６とスタックケース換気ブロア２５が設けられている。また、カソードオフガスを循環するために、スタックケース換気ブロア２５上流のスタックケース換気供給配管２６から分岐して、エアフローセンサ２７の下流かつ空気供給装置５の上流へ接続するカソードオフガス循環配管３１と、このカソードオフガス循環配管３１を開閉するカソードオフガス循環路開閉弁２１が設けられている。
【００１４】
また、スタックケース２０には、スタックケース換気排出配管２４が接続され、システム通常運転中のスタックケース換気を排出可能となっている。スタックケース換気排出配管２４には、三方弁を用いた流路切替弁２３が設けられている。流路切替弁２３は、スタックケース２０内のガスをスタックケース換気排出配管２４を介して系外へ放出する流路と、カソード圧力調整弁１５上流のカソードオフガス排出配管１６から分岐したカソードオフガス導入配管２２からスタックケース２０へカソードオフガスを導入する流路とを切り替え可能となっている。
【００１５】
カソードオフガス導入配管２２と、流路切替弁２３と、スタックケース換気排出配管２４と、スタックケース２０と、スタックケース換気供給配管２６と、カソードオフガス循環配管３１と、空気供給配管１４とは、カソード２へカソードオフガスを循環可能とするカソードオフガス循環手段である。
【００１６】
次に作用を説明する。燃料電池システムの運転停止時には、アノード内には水素、カソード内には空気（発電によりカソード内の空気中の酸素が一部ないしは全量消費された状態も含む）が残存した状態で停止される。そして停止後には時間の経過とともに燃料電池の電解質膜を介して水素がカソードに、空気がアノードにそれぞれ透過する。このため、アノード及びカソードのそれぞれにおいて、水素と酸素とが反応して消費される。この濃度勾配によるクロスリークと、透過先での反応による消費とが並行して進行する。
【００１７】
また、燃料電池スタック３のアノード１およびカソード内２の水素および空気は、同様にシステム停止後の時間経過とともに燃料電池スタック３のセル間のシール部よりスタックケース２０内に透過し、最終的には燃料電池スタック３内のアノード１およびカソード２とスタックケース２０との間において、水素および空気の分圧がそれぞれ等しくなる状態で平衡する。
【００１８】
その際、アノード１はカソード２およびスタックケース２０に水素が透過することにより、またカソード２はスタックケース２０への透過およびカソード配管およびカソードオフガス配管１６からアノード１より透過した水素が拡散することにより、またスタックケース２０はスタックケース換気供給配管２６およびスタックケース換気排出配管２４からスタック内から透過した水素が拡散することにより、それぞれ水素濃度が低減するため、システム停止時からの経過時間に応じて平衡状態での水素濃度も低下する。
【００１９】
このため、システム停止後の経過時間に伴う濃度変化は、図２に示すような、アノード水素濃度Ｃｈａ（一点鎖線）、カソード水素濃度Ｃｈｃ（実線）、スタックケース水素濃度Ｃｈｓ（破線）となる。
【００２０】
図２において、アノード水素濃度Ｃｈａは、系内で水素濃度が最も高くその時間変化は単調減少である。カソード水素濃度Ｃｈｃは、システム停止から暫くは増加する。これはアノードからカソードへリークする水素量が、カソード内の酸素と水素との反応量と、空気供給配管及びカソードオフガス排気配管からの水素拡散量と、カソードからスタックケースへのリーク水素量との和より多いためである。その後、アノード水素濃度Ｃｈａが減少し、アノードとカソード間の濃度勾配が低下してアノードからカソードへの水素透過量が減少するため、カソード水素濃度Ｃｈｃはピークをつけた後、低下に転じる。スタックケース水素濃度Ｃｈｓは、同様にピークをつけるが、そのピーク値は、燃料電池スタックのセル間シール材の水素透過速度および燃料電池スタックの電解質膜の水素透過速度の違いに拠って異なるが、アノード水素濃度Ｃｈａ、あるいはカソード水素濃度Ｃｈｃのピーク値より小さい。
【００２１】
ここで、カソード水素濃度Ｃｈｃがシステム運転上定めた水素濃度の基準濃度（例えば、水素燃焼下限濃度４％（以降、ＬＦＬ〔単位：％〕と称する。））を超えている期間をＴａｘからＴａｙまで、スタックケース水素濃度Ｃｈｓが同基準濃度を超えている期間をＴｃｘからＴｃｙまでとする。
【００２２】
次回のシステム起動に際して、カソード２あるいはスタックケース２０の水素濃度が上記基準濃度値を超える可能性がある場合は、カソードオフガスあるいはスタックケース換気がシステム外にそのまま排出されないように制御する必要がある。
【００２３】
特にカソード２の水素濃度が高い場合は、発電を行うに際しては空気を供給することが必須であるので、カソード２から基準濃度値以上の水素濃度のカソードオフガスがシステム外に排出される以前に、基準濃度値以下の水素濃度となるよう処理する必要がある。本実施例では、水素濃度の高いカソードオフガスをスタックケース２０を介してカソード２へ循環させ、カソード触媒により水素を酸化させることにより、水素濃度の高いカソードオフガスの系外へ排出を防止している。
【００２４】
次に、図３，図４の制御フローチャートを参照して、本実施例におけるシステムコントローラ７が実行する燃料電池システム起動時の制御を説明する。尚、図４に記載したステップ（以下、ステップをＳと略す）４０〜Ｓ４４の処理は、実施例１，２，４，５の間で共通の処理ステップである。
【００２５】
最初に、図３のＳ１０において、燃料電池システムの運転／停止を制御する運転スイッチを操作者が運転側へ切り替えた（運転ＳＷ−ＯＮ）時点（時刻ｔ０）でシステムコントローラ７がシステム起動を開始する。
【００２６】
次いで、Ｓ１２において、前回のシステム停止時からの経過時間Ｔｒを算出する。前回のシステム停止時に、システムコントローラ７にシステム停止日時を記憶させておき、起動日時との時間差により経過時間Ｔｒを演算する、あるいはシステムコントローラ７にタイマー（図示せず）を内蔵させておくことにより、前回停止時から起動時までの時間を読み出すことにより経過時間Ｔｒを求める。
【００２７】
次いで、Ｓ１４において、経過時間Ｔｒに基づいて、カソード内の水素濃度がＬＦＬを超えている可能性の有無を判断する。その際、経過時間Ｔｒが、システム停止後からカソード水素濃度ＣｈｃがＬＦＬを超えている可能性があると判断できる基準時間Ｔａｘと、その後ＬＦＬまで低下したと判断可能な基準時間Ｔａｙとの間であるか否かを判断する。
【００２８】
基準時間Ｔａｘ≦経過時間Ｔｒ≦基準時間Ｔａｙ  …（１）
Ｓ１４の判定で、式（１）の関係が成り立つ場合は、Ｓ１６へ移行する。式（１）が成り立たない場合はＳ４０へ移行する。
【００２９】
Ｓ１６では、スタックケース内の水素濃度がＬＦＬを超えている可能性の有無を判断する。その際、経過時間Ｔｒが、システム停止後からスタックケース水素濃度ＣｈｓがＬＦＬを超えている可能性があると判断できる基準時間Ｔｃｘと、その後ＬＦＬを下回っていると判断可能な基準時間Ｔｃｙとの間であるか否かを判断する。  
基準時間Ｔｃｘ≦経過時間Ｔｒ≦基準時間Ｔｃｙ  …（２）
Ｓ１６の判定で式（２）の関係が成り立つ場合は、Ｓ１８へ移行する。
【００３０】
Ｓ１４およびＳ１６において、判定値として使用する基準時間Ｔａｘ、Ｔａｙ、Ｔｃｘ、Ｔｃｙは、例えば燃料電池システム停止後のカソード、スタックケース内水素濃度の実験的な計測により求めて、システムコントローラ７に記憶させておくものとする（図２参照）。
【００３１】
Ｓ１８では、空気圧力調整弁１５を閉止、カソードオフガス循環路開閉弁２１を開、流路切替弁２３を空気圧力調整弁１５上流側に切り替え、カソードオフガスをシステム外に排出せずにカソード２へ循環可能となる通路を確保する。
【００３２】
次いで、Ｓ２０では、アノード１に水素供給装置４から水素、カソード２に空気供給装置５から空気をそれぞれ供給を開始する。空気供給装置５からカソード２へ空気供給を開始すると、図５に示すように、カソードオフガスは、カソードオフガス導入配管２２、流路切替弁２３、スタックケース２０、スタックケース換気ブロア２５、スタックケース換気供給配管２６、カソードオフガス循環配管３１、カソードオフガス循環路開閉弁２１、空気供給装置５、空気供給配管１４、カソード２という経路で、カソードオフガスがカソード２へ循環される。
【００３３】
この時点では発電は行わないため、水素供給装置４は、圧力センサ２９ｂで推定されるアノード圧力が設定圧力に達した時点で水素供給を一旦停止する。一方、空気供給装置５から空気を供給開始した際にカソード２から排出されたカソードオブガスは空気圧力調整弁１５の上流から流路切替弁２３、スタックケース２０、スタックケース換気ブロア２５、スタックケース換気供給配管２６、カソードオフガス循環配管３１を介して、空気供給装置５上流に循環させる。空気供給装置５の駆動時は空気供給装置上流は負圧となるため、循環するカソードオフガスおよび外気を吸い込んでカソード２に供給し、さらにカソードオフガスとして循環させる。
【００３４】
この際、システム停止時にアノード１から電解質膜を介してカソード２に透過する水素
、および燃料電池スタック３を構成する燃料電池セル（図示せず）群をシールするスタックシール（図示せず）を介してスタックケース２０内にリークする水素は、空気供給装置５から供給される空気、およびスタックケース２０に滞留する空気と混合された後に、空気供給装置５によりカソード２に循環されることにより、あるいはこの循環を繰り返すことにより、カソード内の触媒により酸化処理されてカソードオフガス中の水素濃度が低減する。
【００３５】
この際、アノード１からカソード２およびスタックケース２０へ透過する水素は、もともとアノード１内に滞留していた水素であり、その量自体は比較的少量である。従って、この水素が全量酸化処理された場合でも総発熱量は少なく、燃料電池スタック３の熱容量で十分吸収可能である。このため、水素を含んだカソードオフガスをカソード２に循環させても、燃料電池スタック３の温度上昇は極めて僅かであり、熱的影響は十分小さい。
【００３６】
次いで、Ｓ２２では、空気供給開始からの経過時間Ｔがカソードオフガス内の水素をＬＦＬ以下に低減するための基準時間Ｔｓを経過したかを式（３）で判断し、経過していなければ、Ｓ２２を繰り返して待機する。  
Ｔ  ≧  Ｔｓ    …（３）
ここで基準時間Ｔｓは、予め実験的あるいは設計的に、カソードオフガス循環時にカソードオフガス内の水素を十分低減できる時間に設定しておく。式（３）が成立した時点で、Ｓ２４へ移行する。
【００３７】
Ｓ２４では、空気圧力調整弁１５の開度調整、流路切替弁２３の空気圧力調整弁下流側への切り替え、およびカソードオフガス循環路開閉弁２１の閉止を行い、カソードオフガスの循環を停止する。
【００３８】
次いで、Ｓ２６では、スタックケース換気ブロア２５の駆動を行って、スタックケース換気供給配管２６を介して外気をスタックケース２０に供給する。スタックケースから排出される換気空気は、スタックケース換気排出配管２４を介して空気圧力調整弁１５下流のカソードオフガス排出配管１６に合流してシステム外に排出される。
【００３９】
次いで、Ｓ２８では、燃料電池スタック３の発電（負荷電流の取り出し）を開始し、所定運転条件に移行した時点で通常運転に移行する。
【００４０】
また、Ｓ１４にて式（１）が成立しない場合は、カソード内の水素濃度がＬＦＬ未満と推定できるので、Ｓ４０に移行する。  
Ｓ４０では、空気圧力調整弁１５の開度調整を開始し、カソードオフガス循環路開閉弁２１を閉止し、流路切替弁２３を空気圧力調圧弁１５の下流側に開口するように切り替え、カソードオフガスを系外へ排出させる配管構成とする。カソード２内の水素濃度はＬＦＬ未満のため、カソードオフガスを循環させる必要はなく、一方スタックケース２０内の水素濃度がＬＦＬ以上の場合でも、空気供給装置５による空気供給量に対してスタックケース換気流量を比較的低流量に設定することにより、カソードオフガスで希釈してＬＦＬ未満として排気することが可能にできる。
【００４１】
次いで、Ｓ４２では、水素供給装置４を駆動させてアノード１に水素を、空気供給装置５を駆動させてカソード２に空気を供給開始する。  
次いで、Ｓ４４に移行して、スタックケース換気ブロア２５の運転を開始した後に、Ｓ２８に移行して、発電開始および通常運転に移行する。
【００４２】
また、Ｓ１６にて式（２）が成立しない場合は、Ｓ３０に移行する。  
Ｓ３０では、空気圧力調整弁１５の開度調整を開始し、カソードオフガス循環路開閉弁２１を閉止し、流路切替弁２３を空気圧力調圧弁１５の下流側に開口するように切り替え、カソードオフガスを系外へ排出させる配管構成とした後に、Ｓ３２へ移行する。
【００４３】
Ｓ３２では、スタックケース換気ブロア２５の運転を開始する。これにより、新鮮な外気がスタックケース換気供給配管２６を介してスタックケース２０へ送り込まれる。これにより、スタックケース内の水素濃度がＬＦＬ未満と推定される空気が、流路切替弁２３、スタックケース換気排出配管２４、及び空気圧力調整弁１５下流のカソードオフガス排出配管１６を介して系外へ排出される。
【００４４】
次いで、Ｓ３４では、スタックケース換気ブロア運転開始からの経過時間Ｔｂが、スタックケース内の換気が十分に行えたと判断可能な基準時間Ｔｂｓを経過したか否かを式（４）で判断する。  
Ｔｂ  ≧  Ｔｂｓ      …（４）
式（４）が成立する場合は、スタックケース２０から排出される空気は、水素を含まないものと見なせるので、Ｓ３６に移行する。式（４）が成立しない場合はスタックケース内の換気を継続しながら、Ｓ３４を繰り返して、経過時間Ｔｂが基準時間Ｔｂｓに達するまで待機する。
【００４５】
Ｓ３６では、スタックケース換気ブロア２６の流量を調整する。この流量調整は、次にＬＦＬより水素濃度が高いカソードオフガスを排出する際に、スタックケース換気によりカソードオフガスを希釈して、ＬＦＬより水素濃度が低い排気となるように流量調整している。
【００４６】
次いで、Ｓ３８では、水素供給装置４を駆動させてアノード１に水素を、空気供給装置５を駆動させてカソード２に空気を供給開始し、Ｓ２８へ移行して、発電開始、通常運転を開始する。
【００４７】
本実施例では、Ｓ３８で空気をカソード２に供給するに先立ち、Ｓ３６でカソード２に含まれる水素をＬＦＬ未満に希釈可能なスタックケース換気流量に調整する。この際、スタックケース２０内の水素濃度はＬＦＬ未満のため、少なくともスタックケース換気ブロア２５によりスタックケース内を掃気した後に、カソード２に空気を供給開始することにより、殆ど水素を含まないスタックケース換気によりカソードオフガスを希釈してカソードオフガス中の水素濃度を低減させることができる。
【００４８】
以上説明した本実施例によれば、カソードオフガスをカソードへ循環可能にするカソードオフガス循環手段を備えたことにより、システム停止中にアノードからカソードに電解質膜を介して燃料が透過する場合でも、次回起動時に燃料を含んだカソードオフガスをカソードに循環させて、燃料を酸化処理できるため、万一起動時のカソード中の燃料濃度が高い場合でも、排出燃料濃度を抑制しつつ起動時間を遅延化させることなくシステム起動が行えるという効果がある。
【００４９】
また本実施例によれば、カソードオフガス循環手段は、循環路内にカソードオフガスを導入および排出可能な収納容器を備えたことにより、燃料高濃度なカソードオフガスを収納容器で希釈した後にカソードに循環させて、スタックへの熱的ダメージを低減しつつ、カソードで酸化処理することができ、万一起動時のカソード中の燃料濃度が高い場合でも、収納容器内のガスにより燃料濃度を比較的低減して燃料の酸化反応温度を低減させることによりスタックへの熱的負荷を低減し、且つ排出燃料濃度を抑制しつつ起動時間を遅延化させることなくシステム起動が行えるという効果がある。
【００５０】
また本実施例によれば、カソードオフガスを導入排出可能な収納容器は、燃料電池スタックを収納するスタックケースとすることにより、システムの大型化が回避することができるという効果がある。
【００５１】
また本実施例によれば、アノードオフガス循環時のガス駆動装置は、燃料電池スタックでの発電に用いる空気を供給する空気供給装置を共用することにより、部品点数増加を極力防止することができるという効果がある。
【００５２】
さらに本実施例によれば、カソードオフガスを循環させる際に、外気を導入してカソードオフガス循環路内を循環路内の圧力損失以上に加圧することにより、循環路内に存在する酸素で不足する場合でも、外気を導入して十分な酸素を確保して、カソードオフガス中の燃料をカソードで酸化処理できるという効果がある。
【実施例２】
【００５３】
次に、図７のシステム構成図、図８及び図４の制御フローチャートを参照して、本発明の実施例２を説明する。本実施例の構成上の特徴は、図１の実施例１に対して、カソードオフガス循環路開閉弁２１を流量調整弁で構成した点である。その他の構成は、実施例１と同様である。カソードオフガス循環路開閉弁２１を流量調整弁とすることにより、カソードオフガス循環路の圧力損失を増大させることができ、カソードオフガスを循環させる際に空気供給装置５の空気供給圧を実施例１に対して比較的大きくするように制御することができる。これによりカソードオフガス循環時に比較的多くの外気を取り込めるため、カソード２での水素の酸化反応を促進して、より確実にカソードオフガスおよびスタックケース２０内に滞留する水素の濃度を低減することができる。
【００５４】
次に、図８及び図４に示す制御フローチャートでは、実施例１に対して、Ｓ５０において、カソードオフガス循環路開閉弁２１の開度調整を行って、カソードオフガス循環経路の圧力損失を増加させるステップのみ異なり、その他のステップは実施例１と同じである。一方この時アノード圧力もカソード圧力と略同等となる圧力に設定することにより、アノードとカソードの圧力差による電解質膜への応力負荷の増加を低減することができる。
【００５５】
本実施例によれば、カソードオフガス循環手段は、空気供給配管と収納容器との間、および排出配管に設置されてカソード圧力を調整する空気圧力調整弁の上流の排出配管と収納容器との間で循環路を形成する循環配管と、循環配管を開度調整可能な開閉弁、および循環配管内にガスを循環させるガス駆動装置とから構成することにより、空気圧力調整弁の上流の排出配管部を共用しつつ収納容器に接続して循環路を形成するため、部品点数の増加を極力防止することができるという効果がある。
【実施例３】
【００５６】
次に、図９のシステム構成図、図１０及び図１１の制御フローチャートを参照して、本発明の実施例３を説明する。本実施例の構成上の特徴は、実施例１の三方弁を用いた流路切替弁２３に代えて、カソードオフガス導入配管２２上にカソードオフガス導入配管開度調整弁３２を設置し、カソードオフガス導入配管２２上のカソードオフガス導入配管２２とスタックケース換気排出配管２４の合流部下流にスタックケース換気排出配管開閉弁３３を設置した構成としたことである。その他の構成は、実施例１と同様である。
【００５７】
本実施例の構成によれば、カソードオフガスを循環させる際に、カソードオフガス導入配管開度調整弁３２でカソードオフガス導入配管開度を調整することにより、空気供給装置５からカソード下流の範囲のカソードオフガス循環路の圧力を増大させつつカソードオフガスを循環させることができる。このため、スタックケース２０の耐圧を過度に大きく設計できない場合でも、実施例２と同様にカソードオフガス循環時に比較的多くの外気を取り込めるため、カソード２での水素の酸化反応を促進して、より確実にカソードオフガスおよびスタックケース２０内に滞留する水素の濃度を低減することができる。
【００５８】
次に、図１０及び図１１に示す制御フローチャートでは、実施例１に対して、Ｓ６０においてカソードオフガス導入配管開度開度調整弁３２の開度調整、およびスタックケース換気排出配管開閉弁３３の閉止を行うステップと、Ｓ６２とＳ６４において、カソードオフガス導入配管開度調整弁３２の閉止、およびスタックケース換気排出配管開閉弁３３を開状態にするステップのみ異なり、その他のステップは実施例１と同じである。また、実施例２同様、アノード圧力もカソード圧力と略同等となる圧力に設定することにより、カソードオフガス循環時のアノード１とカソード２の圧力差による電解質膜への応力負荷の増加を低減することができる。
【００５９】
本実施例によれば、カソードオフガス循環手段は、空気供給配管と収納容器との間、および排出配管に設置されてカソード圧力を調整する空気圧力調整弁の上流の排出配管と収納容器との間で循環路を形成する循環配管と、循環配管を開度調整可能な開閉弁、および循環配管内にガスを循環させるガス駆動装置とから構成することにより、空気圧力調整弁の上流の排出配管部を共用しつつ収納容器に接続して循環路を形成するため、部品点数の増加を極力防止することができるという効果がある。
【００６０】
また本実施例によれば、カソードオフガスの収納容器入口に設ける開閉弁の開度を調整して、収納容器を加圧区間から除外することにより、収納容器の耐圧が比較的低い場合でも収納容器に過大な圧力がかからないようにしつつ、必要な酸素を確保してカソードオフガス中の燃料をカソードで酸化処理できるという効果がある。
【実施例４】
【００６１】
次に、図１２のシステム構成図、図１３及び図４の制御フローチャートを参照して、本発明の実施例４を説明する。本実施例と実施例１との構成上の相違は、実施例１に対して、空気供給装置５の上流に空気供給配管開閉弁３４を追加した点である。
【００６２】
本実施例の特徴は、カソードオフガスの循環を、空気供給装置５以外のガス駆動装置を用いて行う実施例であり、ここではスタックケース換気ブロア２５によりカソードオフガスを循環させている。
【００６３】
カソードオフガスを循環させる場合、空気供給配管開閉弁３４を閉状態、カソードオフガス循環路開閉弁２１を開状態、流路切替弁２３をカソードオフガス導入配管２２側に開状態とすることにより、カソードおよびスタックケースを含む循環経路を形成する。その後、スタックケース換気ブロア２５を駆動して、スタックケース換気供給配管２６から空気をスタックケース２０へ導入し、スタックケース２０からカソード２に空気を逆流させ、さらに空気供給装置５およびカソードオフガス循環配管２６を経由して、カソード２から逆流排出させたカソードオフガスを循環させる。
【００６４】
この際、スタック換気ブロア２５の上流は負圧となるため、循環するカソードオフガスおよび外気を吸い込んでカソード２に供給し、さらにカソードオフガスとして循環させる。
【００６５】
図１３及び図４において、Ｓ１０〜Ｓ１６、Ｓ２２、Ｓ２８、Ｓ３０〜Ｓ３８、Ｓ４０〜Ｓ４４は、実施例１と同様である。Ｓ７０、Ｓ７２、Ｓ７４、Ｓ７６の各ステップのみ実施例１と異なる。
【００６６】
Ｓ７０において空気供給配管開閉弁３４を閉止するステップを追加して、カソードオフガス循環経路を形成する。Ｓ７２において、スタックケース換気ブロア２５の運転を開始して、カソードオフガス循環経路内でカソードオフガスを逆流循環させる。Ｓ７４において、空気供給配管開閉弁３４を開状態とするステップを追加して、カソードオフガス循環経路を開放する。Ｓ７６において、水素供給装置４および空気供給装置５によりそれぞれ水素および空気を供給開始して発電可能な運転状態とする。
【００６７】
本実施例は、実施例１の燃料電池システムの全運転領域の空気流量を供給可能な空気供給装置５を用いてカソードオフガス循環を行う場合と比較して、スタックケース換気のような限られた運転領域で用いるブロアの方が、消費電力や騒音レベルが低い場合に適用されうる。
【００６８】
本実施例によれば、アノードオフガス循環時のガス駆動装置として、空気供給装置とは別体で設置するガス供給装置であるスタックケース換気ブロアとしたことにより、空気供給装置を駆動する際の消費電力や騒音レベルが比較的高い場合でも、空気供給装置と比較してカソードオフガス循環に比較的適したスタックケース換気ブロアを用いて消費電力および騒音レベルを低くすることができるという効果がある。
【実施例５】
【００６９】
次に、図１４のシステム構成図、図１５及び図４の制御フローチャートを参照して、本発明の実施例５を説明する。
【００７０】
本実施例は、実施例１に対して、カソードおよびスタックケース内の水素濃度推定手段として、水素を直接的、ないしは間接的に推定可能な水素センサを追加した実施例である。その他の構成は、実施例１と同様である。
【００７１】
図１４において、カソード出口部の水素濃度を推定する水素センサ２８ａと、スタックケース２０にスタックケース内の水素濃度を推定する水素センサ２８ｂとをそれぞれ設置して、カソード２およびスタックケース２０内の水素濃度を推定することにより、実施例１よりも実際の状況に即した水素濃度を推定可能にすると同時に、カソードオフガス循環中のカソードオフガスの水素濃度をＬＦＬ未満とできた時点でカソードオフガス循環を停止させて通常運転に移行できるため、システム起動時間を短縮することができる。
【００７２】
次に、図１５及び図４に示す制御フローチャートを参照して、本実施例の動作を説明する。図１５及び図４において、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２４〜Ｓ２８、Ｓ３０、Ｓ３２、Ｓ３６〜Ｓ４４は、実施例１と同様である。Ｓ９０〜９６の各ステップのみ実施例１と異なる。
【００７３】
図１５において、Ｓ１０，Ｓ１２のステップは、実施例１と同じである。次いでＳ９０では、カソード内水素濃度Ｄａを水素センサ２８ａで推定し、次式（５）が成立する場合は、Ｓ９２に移行し、成立しない場合は、Ｓ４０に移行する。ここで、Ｓ４０以降のステップは、実施例１と同様である。  
Ｄａ≧ＬＦＬ    …（５）
【００７４】
Ｓ９２では、スタックケース内水素濃度Ｄｃを水素センサ２８ｂで推定し、次式（６）が成立する場合は、Ｓ１８に移行する。  
Ｄｃ≧ＬＦＬ    …（６）
Ｓ１８、およびＳ２０は、実施例１と同じである。
【００７５】
次いで、Ｓ９４では、カソード内水素濃度ＤａがＬＦＬより低下したか否かを判定するために、次式（７）が成立するか否かを判定する。式（７）が満たされない場合には、Ｓ９４を繰り返して待機する。式（７）を満たす場合は、循環させているカソードオフガス内の水素濃度がシステム外に排出しても安全であると判断して、Ｓ２４に移行してカソードオフガス循環を停止する。  
Ｄａ＜ＬＦＬ    …（７）
【００７６】
Ｓ２４以降は、実施例１のＳ２４以降と同じである。
【００７７】
また、Ｓ９２で式（６）が成立しない場合は、Ｓ３０に移行する。Ｓ３０およびＳ３２は、実施例１と同じである。Ｓ３２の次にＳ９６へ移行する。
【００７８】
Ｓ９６では、スタックケース内の水素濃度Ｄｃが十分に低下できたと判断可能な水素濃度Ｄｃｓに低下したか否かを式（８）で判断する。  
Ｄｃ  ＜  Ｄｃｓ      …（８）
式（８）が成立しない場合はスタックケース内の換気を継続しながら、Ｓ９６を繰り返して式（８）が成立するまで待機する。式（８）が成立する場合は、Ｓ３６に移行し、以降、実施例１と同様の処理を行う。
【００７９】
本実施例によれば、カソード内燃料濃度推定手段および収納容器内燃料推定手段として、直接的に燃料濃度を測定する燃料濃度測定装置としたことにより、運転停止中のアノードからカソードまたは収納容器への水素の透過特性に変化が生じても、正確にカソードおよび収納容器内の燃料濃度を測定して、カソードオフガスを循環するか否かを判断することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】停止後の経過時間と、アノード、カソード、スタックケースの各水素濃度の関係例を示す図である。
【図３】実施例１の動作を説明する制御フローチャートである。
【図４】実施例１のフローチャートである。
【図５】実施例１におけるカソードオフガス循環時のガス流経路を説明する図である。
【図６】実施例１における通常運転時のガス流経路を説明する図である。
【図７】実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図８】実施例２の動作を説明する制御フローチャートである。
【図９】実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【図１０】実施例３の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１１】実施例３の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１２】実施例４の構成を説明するシステム構成図である。
【図１３】実施例４の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１４】実施例５の構成を説明するシステム構成図である。
【図１５】実施例５の動作を説明する制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００８１】
１  アノード
２  カソード
３  燃料電池スタック
４  水素供給装置
５  空気供給装置
６  アノードオフガス循環装置
７  システムコントローラ
９  カソードマニホールド
１０  アノードマニホールド
１１  水素供給配管
１２  アノードオフガス循環配管
１３  アノードオフガス排出配管
１４  空気供給配管
１５  空気圧力調整弁
１６  カソードオフガス排出配管
１９  パージ弁
２０  スタックケース
２１  カソードオフガス循環路開閉弁
２２  カソードオフガス導入配管
２３  流路切替弁
２４  スタックケース換気排出配管
２５  スタックケース換気ブロア
２６  スタックケース換気供給配管
２７  エアフローセンサ
２８  水素センサ
２９  圧力センサ
３１  カソードオフガス循環配管
３２  カソードオフガス導入配管開度調整弁
３３  スタックケース換気排出配管開閉弁
３４  空気供給配管開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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