JP2003077506A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池スタックの水素極からの排ガスを有
効利用することである。 【解決手段】 主燃料電池スタック１１の他に副燃料電
池スタック１２を設けて、副燃料電池スタック１２の水
素極１０２には主燃料電池スタック１１の水素極１０２
からの排ガスを供給する。空気極１０３から水素極１０
２への窒素や水分の滲み出しによる水素極１０２側の水
素濃度の低下で、主燃料電池スタック１１ではその電気
負荷４１に対して十分な給電を行い得ないほど発電能力
が低下しても、排出バルブ２４を開いて主燃料電池スタ
ック１１からの排ガスが排出路２２から外へ排出される
前に、前記排ガス中の未使用水素の一部を副燃料電池ス
タック１２で発電に有効に利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
関し、特に燃料ガスの利用効率の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは燃料電池自動車等に
搭載されるもので、図５に示すように、燃料電池スタッ
ク９１を本体として、この燃料極（図中、水素極）に供
給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンク９２や、未使
用の燃料ガスを含む燃料極からの排ガスを燃料極に戻す
ためのポンプ９３等が付設されたシステムである。燃料
電池スタック９１は、燃料ガスと、空気極に供給された
空気等の酸化ガスとが電池反応をして電力を生成する
が、電池反応が進むにつれて空気極から酸化ガス中の窒
素や加湿用の水分が電解質膜を通り燃料極側へと滲み出
してくる。

【０００３】このため、窒素や水蒸気の分圧が上昇して
排ガス中の未使用の燃料ガスの濃度が徐々に低下して、
発電能力が低下するので、燃料極からの排ガスを排出す
べく排出路９４が設けられており、これを開閉する排出
バルブ９５を時々開弁して、燃料極の窒素や水分を排出
し新たに燃料タンク９２から十分な燃料ガスを導入して
いる。燃料電池システムには、排出バルブ９５を制御対
象とする制御手段９６が設けられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排ガス
には未使用の燃料ガスを含んでいるので、排出した分、
燃料ガスの利用効率が低下し、エネルギーの無駄とな
る。

【０００５】本発明は前記実情に鑑みなされたもので、
燃料ガスの利用効率の高い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】請求項１記載の発明で
は、燃料ガスと酸化ガスとから電力を生成する燃料電池
スタックと、該燃料電池スタックに燃料ガスを供給する
供給手段と、燃料電池スタックの燃料極からの排ガスを
排出する排出路と、排出路を開閉する排出バルブと、該
排出バルブを制御対象として、前記燃料電池スタックの
発電能力が低下したとみなせる時期になると前記排出バ
ルブが開弁するように設定された制御手段とを有する燃
料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックを主た
る燃料電池スタックとして別の燃料電池スタックを具備
せしめて、これを副燃料電池スタックとするとともに、
該副燃料電池スタックの燃料極を、前記排出バルブより
も上流側で前記排出路の途中に設ける。

【０００７】副燃料電池スタックには高い発電能力を要
しない電気負荷を接続しておくことで、主燃料電池スタ
ックの電気負荷に対しては燃料ガスの量が不十分な排ガ
スであっても、副燃料電池スタックの電池反応に供すれ
ば、副燃料電池スタックに接続された電気負荷が適正な
作動をし得る程度に、副燃料電池スタックが給電を行い
得る。したがって、排出バルブを開弁するタイミング
を、主燃料電池スタックの発電能力が低下したとみなせ
る時期であって、従来よりも、排ガスがより燃料ガスの
量が少ない状態になるまで遅らせることで、排ガスを有
効に利用することができる。

【０００８】請求項２記載の発明では、請求項１の発明
の構成において、主燃料電池スタックと副燃料電池スタ
ックとの間で前記排出路の途中に設けられて、主燃料電
池スタックと副燃料電池スタックとの連通と遮断とを切
り換える切り換えバルブを具備せしめ、前記制御手段
を、前記排出バルブとともに切り換えバルブを制御対象
とする制御手段とするとともに、前記主燃料電池スタッ
クの発電能力が低下したとみなせる時期になると前記切
り換えバルブが開弁するように、かつ、前記排出バルブ
の開弁時期が、主燃料電池スタックの発電能力が回復し
た後再び低下したとみなせる時期となるように設定す
る。

【０００９】主燃料電池スタックからの排ガス中に燃料
ガスの量が十分存在している間は、切り換えバルブが閉
弁しており排ガスが副燃料電池スタックへと移動しない
ので、主燃料電池スタックへの燃料ガスの供給能力を上
げることなく、副燃料電池スタックを有しない構成と同
等に、主燃料電池スタックが十分に発電を行い得る。

【００１０】請求項３記載の発明では、請求項２の発明
の構成において、前記副燃料電池スタックとその電気負
荷との間を断接するスイッチ手段を具備せしめ、前記制
御手段を、前記排出バルブおよび前記切り換えバルブと
ともに前記スイッチ手段を制御対象とする制御手段とす
るとともに、前記切り換え弁が開弁するのと一緒に前記
スイッチ手段がオンするように、かつ、前記排出弁が開
弁するのと一緒に前記スイッチ手段がオフするように設
定する。

【００１１】切り換えバルブが主燃料電池スタックと副
燃料電池スタックとを遮断している状態でも、副燃料電
池スタックに電気負荷が接続されたままであれば、切り
換えバルブよりも下流側の排出路に僅かながら残存して
いる未使用の燃料ガスにより、副燃料電池スタックにお
いて電池反応が進行して電気負荷に給電がなされること
になる。燃料ガスの量が少ない状態で電池反応が進行す
ると、燃料電池スタックの電解質膜の劣化等の不具合が
生じる。本発明では、副燃料電池スタックと電気負荷と
が接続されるのが、主燃料電池スタックから副燃料電池
スタックに排ガスが供給される状態のときに限られるの
で、副燃料電池スタックの劣化を防止することができ
る。

【００１２】請求項４記載の発明では、請求項１ないし
３の発明の構成において、前記副燃料電池スタックに、
その電気負荷として、前記主燃料電池スタックにより充
電される二次電池を接続し、前記副燃料電池スタックと
前記二次電池とを、前記副燃料電池スタックから前記二
次電池への充電電流の方向を順方向とするダイオードに
より接続する。

【００１３】副燃料電池スタックに電流が逆流するのが
回避されるので、副燃料電池スタックの劣化を防止する
ことができる。

【００１４】請求項５記載の発明では、請求項１ないし
４の発明の構成において、前記主燃料電池スタックの出
力電圧を検出する電圧検出手段を具備せしめ、前記制御
手段を、前記電圧検出手段により検出された電圧が予め
設定したしきい値を下回ると、前記主燃料電池スタック
の発電能力が低下したとみなせる時期と判定するように
設定する。

【００１５】主燃料電池スタックへの燃料ガスの供給が
減ることにより主燃料電池スタックの起電圧が低下する
ので、これより、発電能力の低下を判断することができ
る。

【００１６】請求項６記載の発明では、請求項１ないし
４の発明の構成において、前記主燃料電池スタックの燃
料極における、前記酸化ガスと反応するガス成分の濃度
を検出する水素濃度検出手段を具備せしめ、前記制御手
段を、前記水素濃度検出手段により検出されたガス成分
濃度が予め設定したしきい値を下回ると、前記主燃料電
池スタックの発電能力が低下したとみなせる時期と判定
するように設定する。

【００１７】副燃料電池スタックでは、燃料極側に窒素
や水分が滲み出ることにより、相対的に未使用の燃料ガ
スの濃度が低下するので、これより、発電能力の低下を
判断することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１に、燃料電
池自動車に適用した本発明の第１実施形態になる燃料電
池システムを示す。本燃料電池システムは、主燃料電池
スタック１１と副燃料電池スタック１２との２つの燃料
電池スタックを備えている。

【００１９】主燃料電池スタック１１は、電解質膜の両
面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極
を成膜した電池セルが層間に導電性のセパレータを挟ん
で積層したもので、積層数に応じて出力電圧を取り出す
ことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜１
０１の両面に電極１０２，１０３が形成された電池セル
の構造のみを示している。一方の電極１０２が燃料極で
ある水素極１０２であり、他方の電極１０３が燃料極で
ある空気極１０３である。

【００２０】主燃料電池スタック１１は車両駆動用のモ
ータの給電源であり、３００Ｖ程度の直流の高電圧を発
生するようになっている。主燃料電池スタック１１の発
電電圧は、前記モータに指令トルク等に応じた電流を供
給するインバータ４１に出力するようになっている。ま
た、主燃料電池スタック１１の発電電圧は、ＤＣ−ＤＣ
コンバータ３１で１２Ｖ程度に降圧されて、車両に搭載
される種々の補機４２や、これらへの給電用の二次電池
であるバッテリ４３に出力するようになっている。

【００２１】主燃料電池スタック１１の水素供給口１１
１には、供給手段である燃料タンク２１から水素が供給
されるようになっており、水素が、前記電池セルの燃料
極１０２と前記セパレータとの間に形成された流路より
燃料極１０２に拡散していく。そして、未使用の水素を
含む排ガスが流路の最下流端の水素排出口１１２から排
出されるようになっている。水素排出口１１２は排出路
２２と接続されている。また、主燃料電池スタック１１
の空気極１０３には、空気供給口１１３から空気が供給
されて、空気が、前記電池セルの空気極１０３とセパレ
ータとの間に形成された流路より空気極１０３に拡散し
ていく。そして、未使用の空気が流路の最下流端の空気
排出口１１４から排出されるようになっている。

【００２２】副燃料電池スタック１２は、主燃料電池ス
タック１１のごとく電池セルとセパレータとが積層した
もので、各層の構造は主燃料電池スタック１１と同等で
ある。一方、積層数が主燃料電池スタック１１よりも少
なく、前記補機４２用の１２Ｖ程度の出力電圧を取り出
し得るようになっており、補機４２やバッテリ４３と接
続可能である。

【００２３】副燃料電池スタック１２と、補機４２やバ
ッテリ４３との接続配線の途中にはダイオード３２とス
イッチ手段であるスイッチ３３とが直列に設けてある。
ダイオード３２は副燃料電池スタック１２の空気極１０
３側をアノードとし、バッテリ４３の＋極側をカソード
として接続されており、副燃料電池スタック１２からバ
ッテリ４３への充電電流の方向が順方向となっている。
これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１やバッテリ４３
から副燃料電池スタック１２への電流の逆流が禁止され
て、副燃料電池スタック１２の劣化を防止することがで
きる。スイッチ３３はリレースイッチ等の電磁的に切り
換え可能なものが用いられる。

【００２４】副燃料電池スタック１２の水素供給口１２
１は排出路２２の上流側と接続され、主燃料電池スタッ
ク１１からの排ガスが水素極１０２に供給可能である。
水素排出口１２２は排出路２２の下流側と接続されてい
る。また、空気極１０３には、空気供給口１２３から空
気が供給されて、未使用の空気が空気排出口１２４から
排出される。

【００２５】排出路２２の途中には、２か所に電磁式の
二方弁２３，２４が設けてある。以下、副燃料電池スタ
ック１２よりも上流の二方弁を切り換えバルブ２３とい
い、副燃料電池スタック１２よりも下流の二方弁２４を
排出バルブ２４という。

【００２６】前記スイッチ３３、切り換えバルブ２３お
よび排出バルブ２４は燃料電池システム全体を制御する
制御手段である制御装置５１により作動状態が切り換え
られる。制御装置５１には、主燃料電池スタック１１の
出力電圧を検出する電圧検出手段である電圧センサ５２
の検出信号が入力している。

【００２７】制御装置５１はマイクロコンピュータや、
スイッチ３３等の駆動用の回路等で構成されたもので、
図２にマイクロコンピュータで実行される、スイッチ３
３、切り換えバルブ２３および排出バルブ２４の切り換
えの制御プログラムの要部を示す。

【００２８】ステップＳ１０１では、切り換えバルブ２
３および排出バルブ２４を閉弁する。この状態では主燃
料電池スタック１１のみが水素の供給を受け、発電を行
う。切り換えバルブ２３が閉弁状態であるから、発電を
行うのは主燃料電池スタック１１のみである。補機４２
やバッテリ４３には主燃料電池スタック１１からＤＣ−
ＤＣコンバータ３１を介して給電がなされる。ステップ
Ｓ１０２で主燃料電池スタック１１の出力電圧が予め設
定したしきい値よりも低下したか否かを判定する。

【００２９】ステップＳ１０２が否定判断されるとステ
ップＳ１０１に戻る。ここで、ステップＳ１０２におけ
るしきい値を、主燃料電池スタック１１の空気極１０３
からの窒素や水分の滲み出しが少なく、前記モータに適
正なトルクが印加されるようにモータを駆動することが
可能な下限の電圧値に設定しておく。

【００３０】ステップＳ１０２が肯定判断されると、ス
テップＳ１０３に進み、切り換えバルブ２３を開弁す
る。これにより、主燃料電池スタック１１から排出路２
２を通って副燃料電池スタック１２に排ガスが流入す
る。この排ガスには、主燃料電池スタック１１がモータ
の駆動を十分に行い得るほどではないが、ある程度の水
素を含んでいる。したがって、ステップＳ１０３に続い
てステップＳ１０４でスイッチ３３をオンすると、副燃
料電池スタック１２から補機４２やバッテリ４３に給電
がなされる。

【００３１】ここで、排ガスが主燃料電池スタック１１
から副燃料電池スタック１２に流下する一方、主燃料電
池スタック１１には燃料タンク２１から主燃料電池スタ
ック１１に新規に水素が供給され，主燃料電池スタック
１１の発電能力が回復してくる。前記ステップＳ１０４
に続くステップＳ１０５では、主燃料電池スタック１１
の出力電圧が回復したか否かを判定する。これは、例え
ば、主燃料電池スタック１１の空気極１０３からの窒素
や水分の滲み出しにが少なく、前記モータを駆動するこ
とが可能な下限の電圧値よりも高めに設定された別のし
きい値を越えたか否かで判断する。

【００３２】主燃料電池スタック１１の出力電圧が前記
しきい値を越えるまではステップＳ１０３〜ステップＳ
１０５が繰り返される。そして主燃料電池スタック１１
の出力電圧が前記しきい値を越えてステップＳ１０５が
肯定判断されるとステップＳ１０６に進み、切り換えバ
ルブ２３の開弁状態が継続される。

【００３３】前記のごとく主燃料電池スタック１１の発
電能力は回復してくるが、これは新規の水素の導入によ
るものであり、排出バルブ２４は閉弁状態のままで排ガ
ス中の窒素や水分は排出路２２の外へ排出されてはいな
い。したがって、主燃料電池スタック１１の発電能力は
回復した後、再び、低下する。ステップＳ１０６に続く
ステップＳ１０７では、主燃料電池スタック１１の出力
電圧が前記しきい値よりも低下したか否かを再び判定す
る。

【００３４】主燃料電池スタック１１の出力電圧が前記
しきい値を下回るまではステップＳ１０６，Ｓ１０７が
繰り返され、副燃料電池スタック１２から補機４２やバ
ッテリ４３への給電がなされる。

【００３５】そして、ステップＳ１０７が肯定判断され
ると、ステップＳ１０８でスイッチをオフし、副燃料電
池スタック１２を補機４２およびバッテリ４３から遮断
する。

【００３６】続くステップＳ１０９では、排出バルブ２
４を開弁する。これにより、主燃料電池スタック１１の
水素極１０２から排出バルブ２４に到る空間に残存する
排ガス中の窒素や水分はすべて排出路２２の外へ排出さ
れる。排出バルブ２４を開弁する期間は例えば一定と
し、予め設定しておく。

【００３７】最後に、ステップＳ１１０で、排出バルブ
２４を閉弁する。

【００３８】本フローが燃料電池システムの稼働中に繰
り返し実行される。

【００３９】本燃料電池システムによれば、前記モータ
の給電源となる主燃料電池スタック１１では未使用の燃
料ガスの量が、モータを適正に駆動するのに不十分であ
っても、副燃料電池スタック１２において有効に消費さ
れて電力を生成する。したがって、燃料ガスを有効利用
することができる。

【００４０】しかも、主燃料電池スタック１１の水素極
１０２側に窒素や水分がさほど滲み出ていない状態では
切り換えバルブ２３が閉弁しており、水素の供給対象が
主燃料電池スタック１１に限定される。したがって、主
燃料電池スタック１１の発電能力が十分ある状態での水
素の供給量を、副燃料電池スタック１２を追加して設け
たことで増加する必要はない。これにより、副燃料電池
スタック１２を有しない従来の燃料電池システム（図５
参照）と同等規模の水素供給系で足りる。

【００４１】また、主燃料電池スタック１１の発電能力
が低下したかを主燃料電池スタック１１の出力電圧によ
り客観的に求めているので、トルク指令の変化等により
水素の供給量が変動しても、適正なタイミングに切り換
えバルブ２３や排出バルブ２４を作動せしめることがで
きる。

【００４２】（第２実施形態）図３に本発明の第２実施
形態になる燃料電池システムの構成を示す。本燃料電池
システムは基本的な構成は第１実施形態のものと同じ
で、相違点としては、主燃料電池スタック１１の水素排
出口１１２の直下流で排出路２２の途中に、水素濃度を
検出する水素濃度検出手段であるガスセンサ５３を配設
したものである。ガスセンサ５３では実質的に水素極１
０２内における水素濃度を検出することができる。ガス
センサ５３の検出信号は制御装置５１Ａに入力してい
る。主燃料電池スタック１１の出力電圧を検出する電圧
センサは省略されている。

【００４３】制御装置５１Ａのマイクロコンピュータで
は、前掲図２のステップＳ１０２，Ｓ１０５，Ｓ１０７
において、検出電圧に代えて、ガスセンサ５３により検
出された水素濃度に基づいて、主燃料電池スタック１１
の発電能力が低下したか否かを判定する。発電能力の低
下が、水素極１０２への前記窒素や水分の滲み出しによ
り水素極１０２にこれらの成分割合が増大して、水素濃
度が低下することに基因するからである。

【００４４】（第３実施形態）図４に本発明の第３実施
形態になる燃料電池システムの構成を示す。第１実施形
態の構成から切り換えバルブを省略したものである。

【００４５】制御装置５１Ｂは、基本的に第１実施形態
と同じものであるが、本実施形態では、検出電圧が前記
しきい値を下回ると排出バルブ２４を開弁して、窒素や
水分の含有量が増えた主燃料電池スタック１１や副燃料
電池スタック１２内のガスを排出し新規の水素と入れ換
える。

【００４６】かかる構成でも、窒素や水分の含有量が増
えた主燃料電池スタック１１からの排ガスが副燃料電池
スタック１２で有効利用される。

【００４７】なお、前記各実施形態では、切り換えバル
ブ２３や排出バルブ２４の作動時期を電圧センサ５２や
ガスセンサ５３に基づいて決定しているが、主燃料電池
スタック１１の消費電力が一定しており、空気極１０３
から水素極１０２への窒素や水分の滲み出しが一定速度
でなされているのであれば、タイマから知られる経時時
間に基づいて制御してもよい。

【００４８】また、前記各実施形態は燃料電池自動車に
適用したものを示したが、本発明が他の用途に用いられ
る燃料電池システムにも適用できることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態になる燃料電池システム
の構成図である。

【図２】前記燃料電池システムの制御装置で実行される
制御内容を示すフローチャートである。

【図３】本発明の第２実施形態になる燃料電池システム
の構成図である。

【図４】本発明の第３実施形態になる燃料電池システム
の構成図である。

【図５】従来の燃料電池システムの代表例の構成図であ
る。

【符号の説明】

１１ 主燃料電池スタック １２ 副燃料電池スタック １０１ 電解質膜 １０２ 水素極（燃料極） １０３ 空気極 ２１ 燃料タンク ２２ 排出路 ２３ 切り換えバルブ ２４ 排出バルブ ３１ ＤＣ−ＤＣコンバータ ３２ ダイオード ３３ スイッチ（スイッチ手段） ４１ インバータ ４２ 補機（電気負荷） ４３ バッテリ（電気負荷、二次電池） ５１，５１Ａ，５１Ｂ 制御装置（制御手段） ５２ 電圧センサ（電圧検出手段） ５３ 水素センサ（水素濃度検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 哲郎 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 野々部 康宏 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA13 DD03 KK31 KK54 MM08 MM26

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスと酸化ガスとから電力を生成す
   る燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに燃料ガス
   を供給する供給手段と、燃料電池スタックの燃料極から
   の排ガスを排出する排出路と、排出路を開閉する排出バ
   ルブと、該排出バルブを制御対象として、前記燃料電池
   スタックの発電能力が低下したとみなせる時期になると
   前記排出バルブが開弁するように設定された制御手段と
   を有する燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池スタックを主たる燃料電池スタックとして
   別の燃料電池スタックを具備せしめて、これを副燃料電
   池スタックとするとともに、該副燃料電池スタックの燃
   料極を、前記排出バルブよりも上流側で前記排出路の途
   中に設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池システムにおい
   て、主燃料電池スタックと副燃料電池スタックとの間で
   前記排出路の途中に設けられて、主燃料電池スタックと
   副燃料電池スタックとの連通と遮断とを切り換える切り
   換えバルブを具備せしめ、 前記制御手段を、前記排出バルブとともに切り換えバル
   ブを制御対象とする制御手段とするとともに、前記主燃
   料電池スタックの発電能力が低下したとみなせる時期に
   なると前記切り換えバルブが開弁するように、かつ、前
   記排出バルブの開弁時期が、主燃料電池スタックの発電
   能力が回復した後再び低下したとみなせる時期となるよ
   うに設定した燃料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料電池システムにおい
   て、前記副燃料電池スタックとその電気負荷との間を断
   接するスイッチ手段を具備せしめ、 前記制御手段を、前記排出バルブおよび前記切り換えバ
   ルブとともに前記スイッチ手段を制御対象とする制御手
   段とするとともに、前記切り換えバルブが開弁するのと
   一緒に前記スイッチ手段がオンするように、かつ、前記
   排出バルブが開弁するのと一緒に前記スイッチ手段がオ
   フするように設定した燃料電池システム。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の燃料電
   池システムにおいて、前記副燃料電池スタックに、その
   電気負荷として、前記主燃料電池スタックにより充電さ
   れる二次電池を接続し、 前記副燃料電池スタックと前記二次電池とを、前記副燃
   料電池スタックから前記二次電池への充電電流の方向を
   順方向とするダイオードにより接続した燃料電池システ
   ム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電
   池システムにおいて、前記主燃料電池スタックの出力電
   圧を検出する電圧検出手段を具備せしめ、 前記制御手段を、前記電圧検出手段により検出された電
   圧が予め設定したしきい値を下回ると、前記主燃料電池
   スタックの発電能力が低下したとみなせる時期と判定す
   るように設定した燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電
   池システムにおいて、前記主燃料電池スタックの燃料極
   における、前記酸化ガスと反応するガス成分の濃度を検
   出する水素濃度検出手段を具備せしめ、 前記制御手段を、前記水素濃度検出手段により検出され
   たガス成分濃度が予め設定したしきい値を下回ると、前
   記主燃料電池スタックの発電能力が低下したとみなせる
   時期と判定するように設定した燃料電池システム。