JP4506102B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質型燃料電池において、燃料ガス、例えば水素中に混入した不純物の影響を防止する技術としては、水素流路中の不純物を排出（パージ）することによって除去する技術（特許文献１参照）、及び燃料ガス中に微量の酸素を混入させてアノードのＣＯ被毒を防止する技術（特許文献２参照）がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２４３４１７号公報
【特許文献２】
特開２００１−６７０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１の技術では、水素流路のパージを行うと、本来発電のために消費されるべき燃料ガスが一緒に放出されてしまい、また、特許文献２の酸素を混入してＣＯ被毒を防止する技術では、混入された酸素によってＣＯだけでなく水素も一部酸素と反応し、失われてしまう。即ち、上記技術を燃料電池の発電効率向上のために多用すると、逆に発電効率を低下させる原因になる恐れがあるため、パージ、酸素混入は適切なタイミングで行う必要がある。
【０００５】
したがって、本発明は、パージ時期および酸素供給時期を適切に判断し、燃料電池の発電効率の低下を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池から排出された水素を循環する循環流路を備える燃料電池システムにおいて、水素中の不純物ガスのガス分圧と、水素中の水蒸気分圧とから水素分圧を演算し、この水素分圧の低下及び排出された水素による燃料電離の発電効率の低下分のエネルギー損失の合計値の前回放出終了時からの時間平均値が最小となった時に、循環流路内の不純物ガスをシステム外に放出することを特徴とする。
【０００７】
また、水素中の不純物ガスのガス分圧と、水素中の水蒸気分圧とから水素分圧を演算する手段と、この演算された水素分圧に基づき循環流路内の不純物ガスをシステム外に放出する放出手段と、リターン流路に空気を導入する空気導入手段とを備える。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、循環流路内の水素分圧を水蒸気分圧、不純物ガス分圧に基づいて演算し、この水素分圧に応じて不純物ガスをシステム外に放出するため、不純物ガスの放出時期を最適化して無駄な水素放出を防ぐことができる。
【０００９】
また、燃料電池から排出された水素を燃料電池に水素を供給する供給流路に導くリターン流路に空気を導入するため、水素と水蒸気と一酸化炭素からなる燃料電池から排出されるガスの流量が小さいため、新たに導入する空気と混合し易く、一酸化炭素の酸化が促進できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【００１１】
燃料電池１は、例えばコンプレッサからなる空気供給装置２から供給される空気と、水素を貯蔵した高圧タンク３から供給される水素とを使用して発電を行うもので、燃料電池１に水素を供給するために高圧タンク３と燃料電池１とを接続する供給流路４と、燃料電池１から排出された水素を供給流路４に戻すリターン流路５とを形成する。供給流路４には燃料電池１に供給される水素流量を制御する制御弁６を設置する。さらに、リターン流路５から分岐して燃料電池１から排出された排水素の外部への放出（パージ）を行うパージ流路７と、パージ流路７に設置されてパージを制御するパージ弁８とが設置される。
【００１２】
燃料電池１から排出された水素を供給流路４に戻すリターン流路５が設置されることで水素が循環するよう構成される。供給流路４とリターン流路５との分岐にはエジェクタ９が設置され、供給流路４内を流通する水素内に排水素を混入する。
【００１３】
燃料電池１には燃料電池１内の温度を検出するための温度センサ１０が設置され、このセンサ１０の出力信号をコントローラ１１に送信する。コントローラ１１は、入力された燃料電池１の温度に基づいて制御弁６やパージ弁８を制御する。
【００１４】
燃料電池１から排出される排水素中には、水素のほかに
１．カソードから電解質膜を透過してアノードに流入する窒素等のガス、
２．カソードに供給された水素中に含まれる水素以外の一酸化炭素（以下、ＣＯと示す）等のガス成分
が存在しており、供給される水素中にこれら水素以外のガス（不純物ガス）が混入して水素分圧が低下することで、図２に示すように燃料電池１の出力電流が低下し、燃料電池１の発電効率の低下を招くことになる。
【００１５】
燃料電池１の運転時間が長くなると不純物ガスが増加し、図３に示すように水素分圧が徐々に低下し、図３で実線で示した水素分圧低下による損失の時間平均値の傾きが徐々に大きくなる。
【００１６】
一方、流路内の不純物ガスを外部に放出（パージ）するときに不純物ガスと一緒に外部に放出される水素のエネルギは、ガス放出終了時の水素濃度を同じに制御した場合にはガス放出時からの経過時間に関わらずほぼ一定であり、放出される水素のエネルギの時間平均値は徐々に小さくなる。
【００１７】
したがって、水素分圧の低下に伴うエネルギー損失と、外部に放出される水素が有する放出エネルギー損失との合計の時間平均値は、図３に示すようにある経過時間ｔｐから増加傾向に転じる（点Ａで示す。）。そこで、合計損失の時間平均値が最小となる経過時間ｔｐでパージを実施し、不純物ガスを外部に放出する。
【００１８】
次に図４に示すフローチャートを用いてパージ開始判定制御を説明する。この制御はコントローラ１１により、一定間隔で実施される。
【００１９】
まずステップ１で、パージ指令フラグを判定し、フラグｆｐが１であればパージ中であるため、後述のステップ１２に進み、フラグｆｐが０であればパージ停止中であり、ステップ２に進む。
【００２０】
ステップ２では、前回のパージ終了からの経過時間ｔnを前回のパージ開始判定制御の終了時間ｔn-1にこの制御の実施間隔Δｔを加算して演算する。
【００２１】
続くステップ３では、エジェクタ９から流出し、燃料電池１を通過してエジェクタ９に流入するガス中の窒素分圧を演算する。なお、供給流路４と燃料電池１内の水素が流通する流路およびリターン流路５とを循環流路と以下、称する。
【００２２】
時間ｔn-1から時間ｔnまでの間に燃料電池１のカソードからアノードに透過して流入する透過窒素ガス量は、燃料電池１を構成する電解質膜の運転状態でのガス透過係数をＫとすると、次式で示される。
透過窒素ガス量＝Ｋ×膜面積÷膜厚さ×（アノードとカソード間の窒素ガス分圧差）×時間Δｔ
ここで、膜面圧と膜厚さは固定値であるため、総透過窒素ガス量は
総透過窒素ガス量＝∫透過窒素ガス量
∝∫（アノードとカソード間の窒素ガス分圧差）×時間Δｔ
により演算することができる。
【００２３】
燃料電池１の運転圧がほぼ一定とすると、カソードのガス、例えば窒素の分圧は一定であり、アソード側流路内の窒素分圧は徐々に増加することになる。この窒素分圧ＰＮｎの増加分は、下式で演算することができる。
窒素分圧ＰＮｎ＝運転圧力×循環流路内の窒素の常圧下での体積
／（循環流路内容積×運転圧力／常圧）
なお、循環流路内の窒素の常圧下での体積は、総透過窒素ガス量から演算することができる。
【００２４】
ステップ４では、温度センサ１０を用いて燃料電池１の運転温度ＴＣＳＡ１を検出する。続くステップ５で、図５に示すようなテーブルを用いて、燃料電池１の運転温度ＴＣＳＡ１から循環流路内の水蒸気分圧ＰＷＳｎを読み取る。
【００２５】
ステップ６では、ステップ３で演算した窒素ガス分圧ＰＮｎと、ステップ５で演算した水蒸気分圧ＰＷＳｎから水素分圧ＰＨ２ｎを下式より演算する。
ＰＨ２ｎ＝運転圧力−（ＰＮｎ＋ＰＷＳｎ）
ステップ７では、水素分圧低下による燃料電池の効率低下分の時間平均値ＥＤＨ２ｎを演算する。時間平均値ＥＤＨ２ｎは、図６に示すような水素分圧ＰＨ２ｎとの関係から求めることができる。
【００２６】
続くステップ８では、パージによる燃料電池１の効率低下分の時間平均値ＥＤＰｎを図７に示すテーブルを用いて経過時間ｔｎとの関係から求める。ステップ９では、燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値をＥＤｎを時間平均値ＥＤＨ２ｎとＥＤＰｎとの和として演算する。
【００２７】
ステップ１０で、燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値ＥＤｎの変化が増加傾向にあるかどうかを判定し、増加傾向にあればステップ１１に進み、減少傾向または不変であれば制御を終了する。
【００２８】
ステップ１１では時間平均値ＥＤｎが増加傾向に切り換わったため、パージを実施するパージ指令フラグｆｐを立てて（ｆｐ＝１）、時間ｔｎをリセットする。コントローラ１１はパージ指令フラグｆｐ＝１を受けて、パージ弁８を開放してパージを行う。
【００２９】
ステップ１に戻り、パージ実施中と判定された場合にはこれまで説明したステップは実施されず、ステップ１２に進み、ステップ１２でパージ終了後の窒素分圧ＰＮｎおよび燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値をＥＤｎを演算するため、ＰＮｎを＃ＰＮに、ＥＤｎを＃ＥＤＰと＃ＥＤＨ２との和に初期化するとともに時間ｔｎをリセットする。ここで、＃ＰＮは０ないし０に近い値とし、＃ＥＤＰと＃ＥＤＨ２は、それぞれｔｎ＝０のときのＥＤＰｎとＥＤＨ２ｎの値である。
【００３０】
次に本実施形態の効果を以下に説明する。
１．循環流路内に水素以外の不純物ガスが混入した場合、水素分圧の低下により燃料電池１の出力電圧が低下する。しかし、燃料電池１の出力電圧は、燃料電池１内の圧力及び運転温度により変化するため、運転条件の変化が頻繁な運転を行う場合には、水素分圧の低下による出力電圧の低下分を分割するのは、困難である。これに対し、窒素透過量と水蒸気分圧から水素分圧を算出し、この水素分圧の低下から生じる損失を、予め試験等で確認した燃料電池の特性から演算することにより、燃料電池１の運転条件の変化に関わらず、燃料電池１の発電効率の低下を抑制するパージ開始時期を容易に最適化することができる。
２．水素分圧の低下による損失と系外への水素の放出によるエネルギの損失の時間平均値が最小となるような時間に、具体的には、燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値ＥＤｎが増加傾向に転じた時間にリターン流路５内に体積した不純物ガスを、流路外へ放出（パージ）する。このため、発電効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
３．燃料電池１に供給される水素量に応じて窒素等不純物ガスの濃度（および分圧）を演算し、循環流路内の不純物ガス濃度（分圧）として用いるため、精度よく水素分圧の低下を演算することができる。
４．水素を水素流路内に供給した経過時間（ｔn−ｔn-1）とこの時間中に供給された水素量から、不純物（窒素）ガス量を演算して、不純物ガスによる水素分圧低下分のエネルギー損失を演算するため、不純物ガスの蓄積量を正確に計算でき、エネルギー損失演算の精度が向上し、効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
【００３１】
図８は、第２実施形態の構成を示す構成図である。第１実施形態と同じ構成については、説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００３２】
リターン流路４に接続し、空気供給装置２からの空気の導入する空気流路１２を設け、この空気流路１２にリターン流路５に導入する空気量を制御する空気供給弁１３を設ける。この空気供給弁１３はコントローラ１１によって制御される。さらにこの空気の供給箇所から下流側のリターン流路５にＣＯを選択的に酸化する触媒１４を設置し、リターン流路５中を流通するガス内のＣＯを二酸化炭素（以下、ＣＯ２と示す。）に酸化する。
【００３３】
さらに第１実施形態のエジェクタ９に代えて循環流路内の水素を循環させるためのポンプ１５がリターン流路５に設置され、このポンプ１５もまたコントローラ１１により運転が制御される。
【００３４】
ＣＯは燃料電池１を構成する触媒を被毒するため、燃料電池１に供給する水素中に許容濃度以上のＣＯが含まれる場合には、燃料電池１の発電効率が低下する。発電効率の低下を防止するためには水素中のＣＯ濃度を許容濃度以下に抑制する必要があり、そのためリターン流路５に空気を供給して水素中のＣＯをＣＯ２へ酸化させ、ＣＯ濃度を低減する。
【００３５】
循環流路内を流通するガスは、
１．カソードから電解質膜を透過してアノードに流入する窒素等のガス、
２．アノードに供給される水素に含まれる水素以外のガス成分（ＣＯ）
３．アノードに供給される水素にＣＯが含まれている場合に、これを除去するためにアノードに供給される空気に含まれる窒素と、ＣＯを酸化して生成するＣＯ２
等がある。
【００３６】
そこで、循環流路内の水素分圧ＰＨ２ｎの演算に、導入した空気に含まれる窒素とＣＯを酸化して生成するＣＯ２の量も加味して演算する。
【００３７】
以下、図９から図１１のフローチャートを用いて本実施形態の制御内容を説明する。この制御はコントローラ１１により、一定間隔で実施される。
【００３８】
図９に示すフローチャートは、パージ開始時期を判定するフローチャートである。
【００３９】
まずステップ２１からステップ２３は、図４のフローチャートのステップ１からステップ３と同じ制御を実施するため、説明は省略する。
【００４０】
ステップ２４において、循環流路中のＣＯを酸化したために発生し、循環流路内に存在しているＣＯ２の分圧ＰＣＯ２ｎを演算する。後述する図１１のステップ５３により演算された循環流路内のＣＯ量を用いて、窒素分圧を循環流路内の窒素ガス量から演算する第一実施形態の方法（ステップ３）と同様にしてＣＯ２分圧ＰＣＯ２ｎを演算する。
【００４１】
ステップ２５とステップ２６は、図４のフローチャートのステップ４とステップ５の制御内容と同様である。
【００４２】
ステップ２７において、水素分圧ＰＨ２ｎは、
ＰＨ２ｎ＝運転圧力−（ＰＮｎ＋ＰＷＳｎ＋ＰＣＯ２ｎ）
で得られる。ここで第一実施形態と異なり、窒素分圧ＰＮｎと水蒸気分圧ＰＷＳｎにＣＯ２分圧ＰＣＯ２ｎも考慮して演算する。なお、循環流路内にはＣＯも含まれているが、触媒１４の作用によりＣＯは所定濃度以下に抑えられているので、窒素、水蒸気、ＣＯ２に比べると微量のため、水素分圧ＰＨ２ｎを演算する際には無視する。
【００４３】
ステップ２８からステップ３２は図４のフローチャートのステップ７からステップ１１までの制御内容と同じである。
【００４４】
一方、ステップ２１でフラグｆｐ＝１と判定された場合はステップ３３の制御を行う。ステップ３３は図４のフローチャートのステップ１２と同様の制御を行うが、ステップ１２の制御に加え、後述する図１０、図１１で演算される循環流路内のＣＯ量ＭＣＯｎとＣＯ２分圧ＰＣＯ２ｎをそれぞれ＃ＭＣＯ、＃ＰＣＯ２にリセットすると共に、ＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏを０とする。＃ＭＣＯ、＃ＰＣＯ２は、例えば０または０近傍の正の値に設定する。
【００４５】
第２実施形態では図９に示したパージ開始判定フローチャートとともに、循環流路内のＣＯを所定濃度以下に低減するために循環流路内に空気を導入する制御を行う。この空気導入制御の詳細を図１０、図１１を用いて説明する。
【００４６】
図１０に示すフローチャートは、循環流路内のＣＯを空気導入によって除去するか否かを循環流路内のＣＯ濃度に基づいて判定するフローチャートである。
【００４７】
ステップ４１において、図９で設定したパージ指令フラグｆｐがｆｐ＝１か否かを判定する。ｆｐ＝１の場合はパージ実施中で循環流路内のＣＯは外部へ放出されるため、循環流路内に空気を導入する必要がなく、制御を終了する。ｆｐ＝０の場合はステップ４２に進み、ＣＯ除去の可否判定を行う。
【００４８】
ステップ４２では、循環流路内のＣＯ濃度ＤＣＯｎを演算する。具体的には、まず図１２のテーブルを参照し、燃料電池１の負荷に基づいて高圧水素タンク３から循環流路への新たに供給される水素供給量ΔＭＨ２を求める。高圧水素タンク３内の水素中に含まれている不純物成分としてのＣＯは、一定量含まれているため、水素供給量ΔＭＨ２が分かれば循環流路内に新たに導入されたＣＯ量ＭＣＯｎが下式から演算できる。
ＭＣＯｎ＝ＭＣＯｎ-1＋Ａ×ΔＭＨ２
ここで、ＭＣＯｎ-1は前回フローチャート実行時のＭＣＯｎの前回値、Ａは新規導入された水素中のＣＯ濃度で、本実施形態では定数とする。次に演算されたＭＣＯｎに基づき、ＣＯ濃度ＤＣＯｎを演算する。本実施形態では、水素流路内には、ＣＯのほか水素、窒素、水蒸気、ＣＯ２が主に含まれているため、ＣＯ濃度ＤＣＯｎはＣＯ量ＭＣＯｎを循環流路内の物質の総量で除して演算する。循環流路内の水素量は図９で求められた水素分圧から求められ、水蒸気量も同様に水蒸気分圧ＰＷＳｎから求められる。窒素量、ＣＯ２量ＭＣＯ２ｎはそれぞれ図９のステップ３、図１１のステップ５３で演算された値を用いる。
【００４９】
ステップ４３ではＣＯ濃度ＤＣＯｎが閾値＃ＳＨＤＣＯを超えたか否かを判定する。この閾値は燃料電池１がＣＯ被毒により性能低下する濃度よりも十分低い値に設定されている。ＤＣＯｎが閾値を超えている場合はＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏに１をセットし（ステップ４５）、超えていない場合は０をセットして（ステップ４４）制御を終了する。
【００５０】
図１１は図１０で設定されたＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏの結果に基づき、循環流路内への空気導入によるＣＯ除去を制御するフローチャートである。
【００５１】
まずステップ５１では、ＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏの値を判定する。ｆｄｃｏ＝１の場合はＣＯ除去を行うため、ステップ５２へ進む。一方、ｆｄｃｏ＝０の場合は循環流路内への空気導入は行わないため、ステップ５６で空気供給弁１３を閉じてポンプ１５を回転数減少補正を行わない通常運転とし、ステップ５７で循環流路内のＣＯ２量を前回フローチャート実行時と同じ値としてフローチャートを終了する。
【００５２】
ステップ５２で空気供給弁１３を開く。空気供給弁１３は本実施形態では全開と全閉の二段階としたが、開度を可変制御してもよい。さらにポンプ１５の回転数を減少補正し、水素循環率（速度）を一時的に低下させ、燃料電池１から排出されるガス中のＣＯ量を増加させる。
【００５３】
続くステップ５３では循環流路内に空気を導入したため、ＣＯの酸化によりＣＯ２が生成されるので、循環流路内のＣＯ２量ＭＣＯ２ｎを
ＭＣＯ２ｎ＝ＭＣＯ２ｎ-1＋δＭＣＯ２
として演算する。ＣＯ２の増量分δＭＣＯ２は、空気供給弁１３の開度が一定のため、一定の値に設定している。空気供給弁１３の開度を可変とした場合は、予め作成されたマップ、テーブル等を参照することにより、空気供給弁１３開度からＣＯ２増量分を求めても良い。
【００５４】
ステップ５４では、図１０のステップ４２で演算されたＣＯ量ＭＣＯｎにＣＯ除去分の補正を減じて新たにＭＣＯｎを得る。
ＭＣＯｎ＝ＭＣＯｎ−δＭＣＯ
空気供給弁１３の開度が可変制御されているときには、弁開度に応じてＣＯ減少量を変化させる。
【００５５】
ステップ５５では、図９で演算された循環流路内の窒素分圧ＰＮｎを補正する。これは、ＣＯ除去処理のため導入された空気により循環流路内の窒素が増加しているためである。具体的には、空気供給弁１３を開くことにより導入された空気量から循環流路内に導入された窒素量が演算できるので、これを図９で得られている循環流路内の窒素量に加え、この合計の窒素量から図９のステップ３と同様の手法で窒素分圧ＰＮｎを再計算し、制御を終了する。
【００５６】
次に第２実施形態の効果を説明する。
１．燃料電池１のアノード出口と上流側供給流路とを接続するリターン流路５に空気を導入するため、燃料電池入口に比べ、総ガス流量が小さく局部的にＣＯ濃度が高いため、導入する空気とＣＯとが混合し易く、ＣＯの酸化を促進できる。
２．触媒１４によりリターン流路５内のＣＯを酸化できるため、供給水素と混合する前のＣＯ濃度の高い状態で酸化反応を行える。効率よく酸化反応を促進し、水素循環系に導入する空気を少なくすることができ、水素分圧が低下するのを抑えることができる。
３．触媒１４は、図１３に示すように、空間速度ＳＶが小さいほど転換率を高くすることができ、同じ転換率を得るための触媒体積が小さくて済む。このため、ＣＯを酸化するための触媒１４は、燃料電池下流のリターン流路５に設置することで、触媒１４を小型にすることができる。
４．また、図１１のステップ５２において、空気導入をする際にポンプ１５の回転数を減少させることにより水素循環率を一時的に低下させ、燃料電池１出口のＣＯ濃度を一時的に高める。これにより、燃料電池出口のガス流量を小さくするため、供給された空気と水素中のＣＯの混合を促進し、ＣＯの酸化に必要な空気流量を少なくし、循環流路内の空気導入に伴う水素濃度低下を抑えられるため、水素分圧低下に伴う損失を小さくできる。
５．一酸化炭素を酸化して生成する二酸化炭素を、循環流路に蓄積される不純物ガスとして演算に加えるため、水素分圧の低下をより正確に演算することができるため、より効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
６．一酸化炭素を酸化するために導入する空気に含まれる窒素を、循環流路に蓄積される不純物ガスとして演算に加えるため、水素分圧の低下をより正確に演算することができ、より効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
７．供給された総水素量から、循環流路内に供給された一酸化炭素濃度を演算し、演算したＣＯ濃度が閾値を越えている時に空気を循環流路に所定量導入するため、一酸化炭素濃度の演算が容易にできるため、正確に空気の導入時期を決定することができる。
【００５７】
図１４に、第３実施形態の構成を示す。この実施形態は、第２実施形態の構成に対して、水素高圧タンク３にＩＣ等の記録装置１６に備えた点が異なる。記録装置１６には水素高圧タンク３に蓄積する水素中のＣＯ濃度をデータとして記録しておく。記録装置１６内のデータは、水素補給時に給水素施設（水素高圧タンク３）との通信により得ることができる。
【００５８】
なお、記録装置１６はＣＯ濃度のデータだけでなく、水素高圧タンク３内に他の不活性ガス等からなる不純物が含まれている場合には、これら不純物の濃度データも記録することができる。
【００５９】
燃料電池システムにこの水素高圧タンク３を接続後に、この記録装置１６のガス濃度データを燃料電池システムのコントローラ１１に送り、循環流路内のＣＯ等の濃度演算に用いる。即ち図１０のステップ４２において一酸化炭素量ＭＣＯｎ演算の際の係数Ａのデータとして用いる。
【００６０】
この実施形態の効果を説明すると、タンク毎に濃度の異なるＣＯ濃度等の不純物ガス濃度を、車両への燃料充填前に外部の精度の高い計測装置で計測した値を予め記録装置１６に記録して用いることができるため、車両にガス濃度センサを用いることなく、正確な循環流路中のガス濃度を演算できる。
【００６１】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】不純物ガスによる出力低下を説明する図である。
【図３】燃料電池の運転時間とエネルギー損失の関係を示す図である。
【図４】パージ開始判定制御を説明するフローチャートである。
【図５】燃料電池温度と水蒸気分圧の関係を示すテーブルである。
【図６】水素分圧と時間平均値との関係を示すテーブルである。
【図７】経過時間と燃料電池の効率低下分の時間平均値との関係を示すテーブルである。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図９】パージ開始判定制御を説明するフローチャートである。
【図１０】ＣＯ除去判定制御を説明するフローチャートである。
【図１１】空気導入によるＣＯ除去制御を説明するフローチャートである。
【図１２】燃料電池負荷と水素供給量との関係を示すテーブルである。
【図１３】空間速度と転換率の関係を示すテーブルである。
【図１４】第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 空気供給装置
３ 高圧タンク
４ 供給流路
５ リターン流路
６ 制御弁
７ パージ流路
８ パージ弁
９ エジェクタ
１０ 温度センサ
１１ コントローラ
１２ 空気流路
１３ 空気供給弁
１４ 触媒
１５ ポンプ
１６ 記憶装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質型燃料電池において、燃料ガス、例えば水素中に混入した不純物の影響を防止する技術としては、水素流路中の不純物を排出（パージ）することによって除去する技術（特許文献１参照）、及び燃料ガス中に微量の酸素を混入させてアノードのＣＯ被毒を防止する技術（特許文献２参照）がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２４３４１７号公報
【特許文献２】
特開２００１−６７０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献１の技術では、水素流路のパージを行うと、本来発電のために消費されるべき燃料ガスが一緒に放出されてしまい、また、特許文献２の酸素を混入してＣＯ被毒を防止する技術では、混入された酸素によってＣＯだけでなく水素も一部酸素と反応し、失われてしまう。即ち、上記技術を燃料電池の発電効率向上のために多用すると、逆に発電効率を低下させる原因になる恐れがあるため、パージ、酸素混入は適切なタイミングで行う必要がある。
【０００５】
したがって、本発明は、パージ時期および酸素供給時期を適切に判断し、燃料電池の発電効率の低下を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池から排出された水素を循環する循環流路を備える燃料電池システムにおいて、水素中の不純物ガスのガス分圧と、水素中の水蒸気分圧とから水素分圧を演算し、この水素分圧の低下及び排出された水素による燃料電離の発電効率の低下分のエネルギー損失の合計値の前回放出終了時からの時間平均値が最小となった時に、循環流路内の不純物ガスをシステム外に放出することを特徴とする。
【０００７】
また、水素中の不純物ガスのガス分圧と、水素中の水蒸気分圧とから水素分圧を演算する手段と、この演算された水素分圧に基づき循環流路内の不純物ガスをシステム外に放出する放出手段と、リターン流路に空気を導入する空気導入手段とを備える。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、循環流路内の水素分圧を水蒸気分圧、不純物ガス分圧に基づいて演算し、この水素分圧に応じて不純物ガスをシステム外に放出するため、不純物ガスの放出時期を最適化して無駄な水素放出を防ぐことができる。
【０００９】
また、燃料電池から排出された水素を燃料電池に水素を供給する供給流路に導くリターン流路に空気を導入するため、水素と水蒸気と一酸化炭素からなる燃料電池から排出されるガスの流量が小さいため、新たに導入する空気と混合し易く、一酸化炭素の酸化が促進できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【００１１】
燃料電池１は、例えばコンプレッサからなる空気供給装置２から供給される空気と、水素を貯蔵した高圧タンク３から供給される水素とを使用して発電を行うもので、燃料電池１に水素を供給するために高圧タンク３と燃料電池１とを接続する供給流路４と、燃料電池１から排出された水素を供給流路４に戻すリターン流路５とを形成する。供給流路４には燃料電池１に供給される水素流量を制御する制御弁６を設置する。さらに、リターン流路５から分岐して燃料電池１から排出された排水素の外部への放出（パージ）を行うパージ流路７と、パージ流路７に設置されてパージを制御するパージ弁８とが設置される。
【００１２】
燃料電池１から排出された水素を供給流路４に戻すリターン流路５が設置されることで水素が循環するよう構成される。供給流路４とリターン流路５との分岐にはエジェクタ９が設置され、供給流路４内を流通する水素内に排水素を混入する。
【００１３】
燃料電池１には燃料電池１内の温度を検出するための温度センサ１０が設置され、このセンサ１０の出力信号をコントローラ１１に送信する。コントローラ１１は、入力された燃料電池１の温度に基づいて制御弁６やパージ弁８を制御する。
【００１４】
燃料電池１から排出される排水素中には、水素のほかに
１．カソードから電解質膜を透過してアノードに流入する窒素等のガス、
２．カソードに供給された水素中に含まれる水素以外の一酸化炭素（以下、ＣＯと示す）等のガス成分
が存在しており、供給される水素中にこれら水素以外のガス（不純物ガス）が混入して水素分圧が低下することで、図２に示すように燃料電池１の出力電流が低下し、燃料電池１の発電効率の低下を招くことになる。
【００１５】
燃料電池１の運転時間が長くなると不純物ガスが増加し、図３に示すように水素分圧が徐々に低下し、図３で実線で示した水素分圧低下による損失の時間平均値の傾きが徐々に大きくなる。
【００１６】
一方、流路内の不純物ガスを外部に放出（パージ）するときに不純物ガスと一緒に外部に放出される水素のエネルギは、ガス放出終了時の水素濃度を同じに制御した場合にはガス放出時からの経過時間に関わらずほぼ一定であり、放出される水素のエネルギの時間平均値は徐々に小さくなる。
【００１７】
したがって、水素分圧の低下に伴うエネルギー損失と、外部に放出される水素が有する放出エネルギー損失との合計の時間平均値は、図３に示すようにある経過時間ｔｐから増加傾向に転じる（点Ａで示す。）。そこで、合計損失の時間平均値が最小となる経過時間ｔｐでパージを実施し、不純物ガスを外部に放出する。
【００１８】
次に図４に示すフローチャートを用いてパージ開始判定制御を説明する。この制御はコントローラ１１により、一定間隔で実施される。
【００１９】
まずステップ１で、パージ指令フラグを判定し、フラグｆｐが１であればパージ中であるため、後述のステップ１２に進み、フラグｆｐが０であればパージ停止中であり、ステップ２に進む。
【００２０】
ステップ２では、前回のパージ終了からの経過時間ｔnを前回のパージ開始判定制御の終了時間ｔn-1にこの制御の実施間隔Δｔを加算して演算する。
【００２１】
続くステップ３では、エジェクタ９から流出し、燃料電池１を通過してエジェクタ９に流入するガス中の窒素分圧を演算する。なお、供給流路４と燃料電池１内の水素が流通する流路およびリターン流路５とを循環流路と以下、称する。
【００２２】
時間ｔn-1から時間ｔnまでの間に燃料電池１のカソードからアノードに透過して流入する透過窒素ガス量は、燃料電池１を構成する電解質膜の運転状態でのガス透過係数をＫとすると、次式で示される。
透過窒素ガス量＝Ｋ×膜面積÷膜厚さ×（アノードとカソード間の窒素ガス分圧差）×時間Δｔ
ここで、膜面圧と膜厚さは固定値であるため、総透過窒素ガス量は
総透過窒素ガス量＝∫透過窒素ガス量
∝∫（アノードとカソード間の窒素ガス分圧差）×時間Δｔ
により演算することができる。
【００２３】
燃料電池１の運転圧がほぼ一定とすると、カソードのガス、例えば窒素の分圧は一定であり、アソード側流路内の窒素分圧は徐々に増加することになる。この窒素分圧ＰＮｎの増加分は、下式で演算することができる。
窒素分圧ＰＮｎ＝運転圧力×循環流路内の窒素の常圧下での体積
／（循環流路内容積×運転圧力／常圧）
なお、循環流路内の窒素の常圧下での体積は、総透過窒素ガス量から演算することができる。
【００２４】
ステップ４では、温度センサ１０を用いて燃料電池１の運転温度ＴＣＳＡ１を検出する。続くステップ５で、図５に示すようなテーブルを用いて、燃料電池１の運転温度ＴＣＳＡ１から循環流路内の水蒸気分圧ＰＷＳｎを読み取る。
【００２５】
ステップ６では、ステップ３で演算した窒素ガス分圧ＰＮｎと、ステップ５で演算した水蒸気分圧ＰＷＳｎから水素分圧ＰＨ２ｎを下式より演算する。
ＰＨ２ｎ＝運転圧力−（ＰＮｎ＋ＰＷＳｎ）
ステップ７では、水素分圧低下による燃料電池の効率低下分の時間平均値ＥＤＨ２ｎを演算する。時間平均値ＥＤＨ２ｎは、図６に示すような水素分圧ＰＨ２ｎとの関係から求めることができる。
【００２６】
続くステップ８では、パージによる燃料電池１の効率低下分の時間平均値ＥＤＰｎを図７に示すテーブルを用いて経過時間ｔｎとの関係から求める。ステップ９では、燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値をＥＤｎを時間平均値ＥＤＨ２ｎとＥＤＰｎとの和として演算する。
【００２７】
ステップ１０で、燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値ＥＤｎの変化が増加傾向にあるかどうかを判定し、増加傾向にあればステップ１１に進み、減少傾向または不変であれば制御を終了する。
【００２８】
ステップ１１では時間平均値ＥＤｎが増加傾向に切り換わったため、パージを実施するパージ指令フラグｆｐを立てて（ｆｐ＝１）、時間ｔｎをリセットする。コントローラ１１はパージ指令フラグｆｐ＝１を受けて、パージ弁８を開放してパージを行う。
【００２９】
ステップ１に戻り、パージ実施中と判定された場合にはこれまで説明したステップは実施されず、ステップ１２に進み、ステップ１２でパージ終了後の窒素分圧ＰＮｎおよび燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値をＥＤｎを演算するため、ＰＮｎを＃ＰＮに、ＥＤｎを＃ＥＤＰと＃ＥＤＨ２との和に初期化するとともに時間ｔｎをリセットする。ここで、＃ＰＮは０ないし０に近い値とし、＃ＥＤＰと＃ＥＤＨ２は、それぞれｔｎ＝０のときのＥＤＰｎとＥＤＨ２ｎの値である。
【００３０】
次に本実施形態の効果を以下に説明する。
１．循環流路内に水素以外の不純物ガスが混入した場合、水素分圧の低下により燃料電池１の出力電圧が低下する。しかし、燃料電池１の出力電圧は、燃料電池１内の圧力及び運転温度により変化するため、運転条件の変化が頻繁な運転を行う場合には、水素分圧の低下による出力電圧の低下分を分割するのは、困難である。これに対し、窒素透過量と水蒸気分圧から水素分圧を算出し、この水素分圧の低下から生じる損失を、予め試験等で確認した燃料電池の特性から演算することにより、燃料電池１の運転条件の変化に関わらず、燃料電池１の発電効率の低下を抑制するパージ開始時期を容易に最適化することができる。
２．水素分圧の低下による損失と系外への水素の放出によるエネルギの損失の時間平均値が最小となるような時間に、具体的には、燃料電池１の総エネルギー損失の時間平均値ＥＤｎが増加傾向に転じた時間にリターン流路５内に体積した不純物ガスを、流路外へ放出（パージ）する。このため、発電効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
３．燃料電池１に供給される水素量に応じて窒素等不純物ガスの濃度（および分圧）を演算し、循環流路内の不純物ガス濃度（分圧）として用いるため、精度よく水素分圧の低下を演算することができる。
４．水素を水素流路内に供給した経過時間（ｔn−ｔn-1）とこの時間中に供給された水素量から、不純物（窒素）ガス量を演算して、不純物ガスによる水素分圧低下分のエネルギー損失を演算するため、不純物ガスの蓄積量を正確に計算でき、エネルギー損失演算の精度が向上し、効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
【００３１】
図８は、第２実施形態の構成を示す構成図である。第１実施形態と同じ構成については、説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
【００３２】
リターン流路４に接続し、空気供給装置２からの空気の導入する空気流路１２を設け、この空気流路１２にリターン流路５に導入する空気量を制御する空気供給弁１３を設ける。この空気供給弁１３はコントローラ１１によって制御される。さらにこの空気の供給箇所から下流側のリターン流路５にＣＯを選択的に酸化する触媒１４を設置し、リターン流路５中を流通するガス内のＣＯを二酸化炭素（以下、ＣＯ２と示す。）に酸化する。
【００３３】
さらに第１実施形態のエジェクタ９に代えて循環流路内の水素を循環させるためのポンプ１５がリターン流路５に設置され、このポンプ１５もまたコントローラ１１により運転が制御される。
【００３４】
ＣＯは燃料電池１を構成する触媒を被毒するため、燃料電池１に供給する水素中に許容濃度以上のＣＯが含まれる場合には、燃料電池１の発電効率が低下する。発電効率の低下を防止するためには水素中のＣＯ濃度を許容濃度以下に抑制する必要があり、そのためリターン流路５に空気を供給して水素中のＣＯをＣＯ２へ酸化させ、ＣＯ濃度を低減する。
【００３５】
循環流路内を流通するガスは、
１．カソードから電解質膜を透過してアノードに流入する窒素等のガス、
２．アノードに供給される水素に含まれる水素以外のガス成分（ＣＯ）
３．アノードに供給される水素にＣＯが含まれている場合に、これを除去するためにアノードに供給される空気に含まれる窒素と、ＣＯを酸化して生成するＣＯ２
等がある。
【００３６】
そこで、循環流路内の水素分圧ＰＨ２ｎの演算に、導入した空気に含まれる窒素とＣＯを酸化して生成するＣＯ２の量も加味して演算する。
【００３７】
以下、図９から図１１のフローチャートを用いて本実施形態の制御内容を説明する。この制御はコントローラ１１により、一定間隔で実施される。
【００３８】
図９に示すフローチャートは、パージ開始時期を判定するフローチャートである。
【００３９】
まずステップ２１からステップ２３は、図４のフローチャートのステップ１からステップ３と同じ制御を実施するため、説明は省略する。
【００４０】
ステップ２４において、循環流路中のＣＯを酸化したために発生し、循環流路内に存在しているＣＯ２の分圧ＰＣＯ２ｎを演算する。後述する図１１のステップ５３により演算された循環流路内のＣＯ量を用いて、窒素分圧を循環流路内の窒素ガス量から演算する第一実施形態の方法（ステップ３）と同様にしてＣＯ２分圧ＰＣＯ２ｎを演算する。
【００４１】
ステップ２５とステップ２６は、図４のフローチャートのステップ４とステップ５の制御内容と同様である。
【００４２】
ステップ２７において、水素分圧ＰＨ２ｎは、
ＰＨ２ｎ＝運転圧力−（ＰＮｎ＋ＰＷＳｎ＋ＰＣＯ２ｎ）
で得られる。ここで第一実施形態と異なり、窒素分圧ＰＮｎと水蒸気分圧ＰＷＳｎにＣＯ２分圧ＰＣＯ２ｎも考慮して演算する。なお、循環流路内にはＣＯも含まれているが、触媒１４の作用によりＣＯは所定濃度以下に抑えられているので、窒素、水蒸気、ＣＯ２に比べると微量のため、水素分圧ＰＨ２ｎを演算する際には無視する。
【００４３】
ステップ２８からステップ３２は図４のフローチャートのステップ７からステップ１１までの制御内容と同じである。
【００４４】
一方、ステップ２１でフラグｆｐ＝１と判定された場合はステップ３３の制御を行う。ステップ３３は図４のフローチャートのステップ１２と同様の制御を行うが、ステップ１２の制御に加え、後述する図１０、図１１で演算される循環流路内のＣＯ量ＭＣＯｎとＣＯ２分圧ＰＣＯ２ｎをそれぞれ＃ＭＣＯ、＃ＰＣＯ２にリセットすると共に、ＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏを０とする。＃ＭＣＯ、＃ＰＣＯ２は、例えば０または０近傍の正の値に設定する。
【００４５】
第２実施形態では図９に示したパージ開始判定フローチャートとともに、循環流路内のＣＯを所定濃度以下に低減するために循環流路内に空気を導入する制御を行う。この空気導入制御の詳細を図１０、図１１を用いて説明する。
【００４６】
図１０に示すフローチャートは、循環流路内のＣＯを空気導入によって除去するか否かを循環流路内のＣＯ濃度に基づいて判定するフローチャートである。
【００４７】
ステップ４１において、図９で設定したパージ指令フラグｆｐがｆｐ＝１か否かを判定する。ｆｐ＝１の場合はパージ実施中で循環流路内のＣＯは外部へ放出されるため、循環流路内に空気を導入する必要がなく、制御を終了する。ｆｐ＝０の場合はステップ４２に進み、ＣＯ除去の可否判定を行う。
【００４８】
ステップ４２では、循環流路内のＣＯ濃度ＤＣＯｎを演算する。具体的には、まず図１２のテーブルを参照し、燃料電池１の負荷に基づいて高圧水素タンク３から循環流路への新たに供給される水素供給量ΔＭＨ２を求める。高圧水素タンク３内の水素中に含まれている不純物成分としてのＣＯは、一定量含まれているため、水素供給量ΔＭＨ２が分かれば循環流路内に新たに導入されたＣＯ量ＭＣＯｎが下式から演算できる。
ＭＣＯｎ＝ＭＣＯｎ-1＋Ａ×ΔＭＨ２
ここで、ＭＣＯｎ-1は前回フローチャート実行時のＭＣＯｎの前回値、Ａは新規導入された水素中のＣＯ濃度で、本実施形態では定数とする。次に演算されたＭＣＯｎに基づき、ＣＯ濃度ＤＣＯｎを演算する。本実施形態では、水素流路内には、ＣＯのほか水素、窒素、水蒸気、ＣＯ２が主に含まれているため、ＣＯ濃度ＤＣＯｎはＣＯ量ＭＣＯｎを循環流路内の物質の総量で除して演算する。循環流路内の水素量は図９で求められた水素分圧から求められ、水蒸気量も同様に水蒸気分圧ＰＷＳｎから求められる。窒素量、ＣＯ２量ＭＣＯ２ｎはそれぞれ図９のステップ３、図１１のステップ５３で演算された値を用いる。
【００４９】
ステップ４３ではＣＯ濃度ＤＣＯｎが閾値＃ＳＨＤＣＯを超えたか否かを判定する。この閾値は燃料電池１がＣＯ被毒により性能低下する濃度よりも十分低い値に設定されている。ＤＣＯｎが閾値を超えている場合はＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏに１をセットし（ステップ４５）、超えていない場合は０をセットして（ステップ４４）制御を終了する。
【００５０】
図１１は図１０で設定されたＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏの結果に基づき、循環流路内への空気導入によるＣＯ除去を制御するフローチャートである。
【００５１】
まずステップ５１では、ＣＯ除去指令フラグｆｄｃｏの値を判定する。ｆｄｃｏ＝１の場合はＣＯ除去を行うため、ステップ５２へ進む。一方、ｆｄｃｏ＝０の場合は循環流路内への空気導入は行わないため、ステップ５６で空気供給弁１３を閉じてポンプ１５を回転数減少補正を行わない通常運転とし、ステップ５７で循環流路内のＣＯ２量を前回フローチャート実行時と同じ値としてフローチャートを終了する。
【００５２】
ステップ５２で空気供給弁１３を開く。空気供給弁１３は本実施形態では全開と全閉の二段階としたが、開度を可変制御してもよい。さらにポンプ１５の回転数を減少補正し、水素循環率（速度）を一時的に低下させ、燃料電池１から排出されるガス中のＣＯ量を増加させる。
【００５３】
続くステップ５３では循環流路内に空気を導入したため、ＣＯの酸化によりＣＯ２が生成されるので、循環流路内のＣＯ２量ＭＣＯ２ｎを
ＭＣＯ２ｎ＝ＭＣＯ２ｎ-1＋δＭＣＯ２
として演算する。ＣＯ２の増量分δＭＣＯ２は、空気供給弁１３の開度が一定のため、一定の値に設定している。空気供給弁１３の開度を可変とした場合は、予め作成されたマップ、テーブル等を参照することにより、空気供給弁１３開度からＣＯ２増量分を求めても良い。
【００５４】
ステップ５４では、図１０のステップ４２で演算されたＣＯ量ＭＣＯｎにＣＯ除去分の補正を減じて新たにＭＣＯｎを得る。
ＭＣＯｎ＝ＭＣＯｎ−δＭＣＯ
空気供給弁１３の開度が可変制御されているときには、弁開度に応じてＣＯ減少量を変化させる。
【００５５】
ステップ５５では、図９で演算された循環流路内の窒素分圧ＰＮｎを補正する。これは、ＣＯ除去処理のため導入された空気により循環流路内の窒素が増加しているためである。具体的には、空気供給弁１３を開くことにより導入された空気量から循環流路内に導入された窒素量が演算できるので、これを図９で得られている循環流路内の窒素量に加え、この合計の窒素量から図９のステップ３と同様の手法で窒素分圧ＰＮｎを再計算し、制御を終了する。
【００５６】
次に第２実施形態の効果を説明する。
１．燃料電池１のアノード出口と上流側供給流路とを接続するリターン流路５に空気を導入するため、燃料電池入口に比べ、総ガス流量が小さく局部的にＣＯ濃度が高いため、導入する空気とＣＯとが混合し易く、ＣＯの酸化を促進できる。
２．触媒１４によりリターン流路５内のＣＯを酸化できるため、供給水素と混合する前のＣＯ濃度の高い状態で酸化反応を行える。効率よく酸化反応を促進し、水素循環系に導入する空気を少なくすることができ、水素分圧が低下するのを抑えることができる。
３．触媒１４は、図１３に示すように、空間速度ＳＶが小さいほど転換率を高くすることができ、同じ転換率を得るための触媒体積が小さくて済む。このため、ＣＯを酸化するための触媒１４は、燃料電池下流のリターン流路５に設置することで、触媒１４を小型にすることができる。
４．また、図１１のステップ５２において、空気導入をする際にポンプ１５の回転数を減少させることにより水素循環率を一時的に低下させ、燃料電池１出口のＣＯ濃度を一時的に高める。これにより、燃料電池出口のガス流量を小さくするため、供給された空気と水素中のＣＯの混合を促進し、ＣＯの酸化に必要な空気流量を少なくし、循環流路内の空気導入に伴う水素濃度低下を抑えられるため、水素分圧低下に伴う損失を小さくできる。
５．一酸化炭素を酸化して生成する二酸化炭素を、循環流路に蓄積される不純物ガスとして演算に加えるため、水素分圧の低下をより正確に演算することができるため、より効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
６．一酸化炭素を酸化するために導入する空気に含まれる窒素を、循環流路に蓄積される不純物ガスとして演算に加えるため、水素分圧の低下をより正確に演算することができ、より効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
７．供給された総水素量から、循環流路内に供給された一酸化炭素濃度を演算し、演算したＣＯ濃度が閾値を越えている時に空気を循環流路に所定量導入するため、一酸化炭素濃度の演算が容易にできるため、正確に空気の導入時期を決定することができる。
【００５７】
図１４に、第３実施形態の構成を示す。この実施形態は、第２実施形態の構成に対して、水素高圧タンク３にＩＣ等の記録装置１６に備えた点が異なる。記録装置１６には水素高圧タンク３に蓄積する水素中のＣＯ濃度をデータとして記録しておく。記録装置１６内のデータは、水素補給時に給水素施設（水素高圧タンク３）との通信により得ることができる。
【００５８】
なお、記録装置１６はＣＯ濃度のデータだけでなく、水素高圧タンク３内に他の不活性ガス等からなる不純物が含まれている場合には、これら不純物の濃度データも記録することができる。
【００５９】
燃料電池システムにこの水素高圧タンク３を接続後に、この記録装置１６のガス濃度データを燃料電池システムのコントローラ１１に送り、循環流路内のＣＯ等の濃度演算に用いる。即ち図１０のステップ４２において一酸化炭素量ＭＣＯｎ演算の際の係数Ａのデータとして用いる。
【００６０】
この実施形態の効果を説明すると、タンク毎に濃度の異なるＣＯ濃度等の不純物ガス濃度を、車両への燃料充填前に外部の精度の高い計測装置で計測した値を予め記録装置１６に記録して用いることができるため、車両にガス濃度センサを用いることなく、正確な循環流路中のガス濃度を演算できる。
【００６１】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】不純物ガスによる出力低下を説明する図である。
【図３】燃料電池の運転時間とエネルギー損失の関係を示す図である。
【図４】パージ開始判定制御を説明するフローチャートである。
【図５】燃料電池温度と水蒸気分圧の関係を示すテーブルである。
【図６】水素分圧と時間平均値との関係を示すテーブルである。
【図７】経過時間と燃料電池の効率低下分の時間平均値との関係を示すテーブルである。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図９】パージ開始判定制御を説明するフローチャートである。
【図１０】ＣＯ除去判定制御を説明するフローチャートである。
【図１１】空気導入によるＣＯ除去制御を説明するフローチャートである。
【図１２】燃料電池負荷と水素供給量との関係を示すテーブルである。
【図１３】空間速度と転換率の関係を示すテーブルである。
【図１４】第３の実施形態の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 空気供給装置
３ 高圧タンク
４ 供給流路
５ リターン流路
６ 制御弁
７ パージ流路
８ パージ弁
９ エジェクタ
１０ 温度センサ
１１ コントローラ
１２ 空気流路
１３ 空気供給弁
１４ 触媒
１５ ポンプ
１６ 記憶装置
Claims (15)
- 燃料電池での発電のための水素が流通する燃料電池内の流路と、
燃料電池に水素を供給する流路と、
燃料電池から排出された水素を前記供給流路に導くリターン流路と、
からなる循環流路を備える燃料電池システムにおいて、
前記循環流路内を流通する水素に蓄積される不純物ガスのガス分圧と、前記燃料電池の温度から演算される水素中の水蒸気分圧とから水素分圧を演算し、この水素分圧の低下に伴う燃料電池システムの発電効率の低下によるエネルギー損失を演算すると共に、放出された水素による燃料電池の発電効率の低下分のエネルギー損失を演算し、演算したエネルギー損失の合計値の前回放出終了時からの時間平均値が最小となった時に、前記循環流路内の不純物ガスをシステム外に放出することを特徴とする燃料電池制御方法。 - 前記燃料電池に供給される水素中の不純物ガス濃度を演算し、前記循環流路内の不純物ガス濃度としてこの演算された水素中の不純物ガス濃度を用い、
前記循環流路内の不純物ガス濃度は、前記循環流路内を流通する水素に蓄積される不純物ガスのガス分圧に代わって代用されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御方法。 - タンク内に貯蔵された水素を補充した時のタンク内の不純物ガス濃度を記録し、この記録された不純物ガス濃度を用いて、前記循環流路内の不純物ガス濃度を演算することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池制御方法。
- 燃料電池に供給される水素中の一酸化炭素を酸化するための酸素を前記循環流路に導入し、一酸化炭素を酸化して生成された二酸化炭素量に基づき二酸化炭素分圧を演算し、演算された二酸化炭素分圧を不純物ガスのガス分圧に加えて前記水素中の総不純物ガス分圧を演算し、総不純物ガス分圧と、前記燃料電池の温度から演算される水蒸気分圧とから水素分圧を演算することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御方法。
- 前記循環流路に導入された空気に含まれる窒素を前記循環流路に蓄積される不純物ガスとして前記総不純物ガス分圧に加えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御方法。
- 前回の不純物ガス放出からの経過時間と前記循環流路内に供給した水素の総量から、前記循環流路内の一酸化炭素濃度を演算し、演算した一酸化炭素濃度値が所定値を越えた場合に、前記循環流路内に酸素を所定量導入することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御方法。
- 前記リターン流路に前記一酸化炭素を酸化するための空気を導入することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御方法。
- 前記循環流路の空気導入位置より下流に、水素中の一酸化炭素を酸化する酸化触媒を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御方法。
- 前記空気導入時に水素循環率を低下させて前記燃料電池から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を高めることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池制御方法。
- 燃料電池での発電のための水素が流通する燃料電池内の流路と、
燃料電池に水素を供給する流路と、
燃料電池から排出された水素を前記供給流路に導くリターン流路と、
からなる循環流路を備える燃料電池システムにおいて、
前記循環流路内を流通する水素に蓄積される不純物ガスのガス分圧と、前記燃料電池の温度から演算される水素中の水蒸気分圧とから水素分圧を演算する手段と、
この演算された水素分圧の低下に伴う燃料電池システムの発電効率の低下によるエネルギー損失を演算すると共に、放出された水素による燃料電池の発電効率の低下分のエネルギー損失を演算し、演算したエネルギー損失の合計値の前回放出終了時からの時間平均値が最小となった時に、前記循環流路内の不純物ガスをシステム外に放出する放出手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記リターン流路に空気を導入する空気導入手段を備え、
前記循環流路の空気導入位置より下流に、水素中の一酸化炭素を酸化する酸化触媒を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池に供給される水素を前記循環流路内で循環させる循環手段を備え、
この循環手段は、空気導入時に水素循環率を低下させて前記燃料電池から排出されるガス中の一酸化炭素濃度を高めることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。 - 前回の不純物ガス放出からの経過時間と前記循環流路内に供給した水素の総量から、前記循環流路内の一酸化炭素濃度を演算する手段を備え、
前記空気導入手段は、演算した一酸化炭素濃度値が所定値を越えた場合に、前記循環流路内に酸素を所定量導入することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池に供給される水素中の不純物ガス濃度を演算する手段を備え、
演算され不純物ガス濃度演算値を前記循環流路内の不純物ガス濃度として用い、
前記循環流路内の不純物ガス濃度は、前記循環流路内を流通する水素に蓄積される不純物ガスのガス分圧に代わって代用されることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。 - タンク内に貯蔵された水素を補充した時のタンク内の不純物ガス濃度を記録し、この記録された不純物ガス濃度を用いて、前記循環流路内の不純物ガス濃度を演算することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
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