JP2005019331A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの無駄な消費を無くし、確実にガスパージを行うことができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】この燃料電池（１）には、排出ガスを再循環するために循環流路（１３）が設けられている。循環流路（１３）の途中には、大気側に開放されたガスパージ流路（１７）が分岐接続されており、ガスパージ流路（１７）には、その流路（１７）を開閉して大気側に排出する排出ガスの量を調節するパージ流路弁（２１）が配置されている。また、循環流路（１３）のうち、分岐点（１９）から混合点（１５）までの循環主流路（２３）には、その流路（２３）を開閉して再循環する排出ガスの量を調節する循環流路弁（２５）が配置されている。更に、混合流路（２９）には電流検知式センサ（３１）が配置され、この電流検知式センサ（３１）の出力に基づいて、パージ流路弁（２１）及び循環流路弁（２５）の開閉状態が制御されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される排出ガスを再循環する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率でクリーンなエネルギー源として、燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、自動車用や家庭用等のエネルギー源として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が期待されている。
【０００３】
この燃料電池を用いたシステムにおいては、燃料ガスとして、純水素ガスだけでなく、天然ガス、メタノール等を改質して得られる改質ガスの使用が考えられる。また、これらの燃料ガスの使用効率を向上させるための一般的な手段としては、燃料極側の排出ガス（消費されなかった排水素）を燃料として再循環する方法が挙げられる。
【０００４】
この種の技術として、例えば特許文献１には、排出ガス循環流路の途中に、大気側に開放したガスパージ流路を分岐配管し、再循環する排出ガスの一部をガスパージ流路を通じて系外に放出する技術が開示されている。この技術は、再循環によって燃料ガス中の不純物が濃縮されることによる発電効率の低下を抑制し、燃料電池を長期間安定した性能で運転できるようにするものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２２７１４号公報 （第２頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、ガスパージ流路を利用した排出ガスのパージを、どのタイミングにおいてどの様に行うか等について何等記載がなく、燃料ガスである水素を無駄に消費してしまう恐れがある。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、燃料ガスの無駄な消費を無くし、確実にガスパージを行う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。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを再循環し、新たに供給された燃料ガスと混合させた後に、前記燃料電池の燃料極側に供給するとともに、前記再循環する排出ガスの一部又は全部を前記再循環の系外に放出するパージを行う燃料電池システムにおいて、前記排出ガスの再循環を行う循環流路内に配置され、循環流路内のガスの成分（例えば水素濃度やその他の不純物の濃度）によって生じる電流を検知する電流検知式センサと、前記電流検知式センサの検知内容に対応した出力に基づいて、前記燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスの再循環の状態及び／又はパージの状態の制御を行う制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムを要旨とする。
【０００９】
本発明では、排出ガスの再循環の経路（循環流路）に配置された電流検知式センサの出力（例えば水素濃度に応じた出力、或いは水素及び水蒸気以外の他のガスに応じた出力）に応じて、排出ガスの再循環の状態やパージの状態の制御の両方又は一方の制御を行うので、燃料電池の燃料極側に供給する燃料ガス中の（燃料電池の作動に不要な）不純物が、再循環により濃縮されることを防止できる。
【００１０】
例えば、燃料極から排出される排出ガス中に、燃料ガスとして必要なガス（例えば水素）以外の不要なガス成分（窒素等の不純物）が増加した場合には、例えば排出ガスを系外に放出するパージを開始したり、そのパージ量（ガスパージ流量）を増加する等の制御を行うことにより、燃料ガス中の不純物が濃縮されることを防止できる。
【００１１】
また、例えば、燃料極から排出される排出ガス中に、不純物が増加した場合には、例えば排出ガスの再循環を禁止したり、その再循環する排出ガス量（再循環ガス流量）を減少する等の制御を行うことにより、燃料ガス中の不純物が濃縮されることを防止できる。
【００１２】
尚、再循環の状態及びパージの状態の制御を共に行うことが一層好ましい。
また、前記電流検知式センサは、ガス組成（例えば水素濃度）に起因する電流を検出するものであるが、その検出した電流値を電圧に変換して電圧出力とするものも、当然本発明の範囲である。
【００１３】
（２）請求項２の発明は、前記燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを再循環して、新たに供給された燃料ガスと混合させた後に、前記燃料電池の燃料極側に供給する循環流路（即ち、燃料電池の燃料極の出口側から該燃料極の入口側に至る循環流路）と、前記循環流路の前記燃料ガスの混合前における途中にて、前記再循環する排出ガスの一部又は全部を前記再循環の系外に放出するために分岐させたガスパージ流路と、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を要旨とする。
【００１４】
本発明は、排出ガスの再循環を行う流路と排出ガスのパージを行う流路を例示したものである。
従って、前記電流検知式センサの出力に応じて、例えば排出ガス中に不純物が増加した場合には、例えばガスパージ流路による排出ガスのパージを開始したり、そのパージ流量を増加する制御を行うことができ、また、 例えば循環流路による排出ガスの再循環を禁止したり、その再循環する排出ガス量を低減する制御を行うことができる。
【００１５】
尚、ガスパージ流路及び循環流路に対する制御を共に行うことが一層好ましい。
（３）請求項３の発明は、前記電流検知式センサを、前記循環流路における新たな燃料ガスとの混合点から前記燃料電池の燃料極側の入口との間の混合流路に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００１６】
本発明は、電流検知式センサの配置を例示したものである。本発明では、電流検知式センサは、循環流路の新たな燃料ガスとの混合点から燃料電池の燃料極側の入口との間の混合流路に配置されているので、燃料極に流入する燃料ガスの状態を正確に把握することができる。
【００１７】
従って、このセンサ出力に基づいて、例えば排出ガスの再循環の制御（再循環の許可や禁止、或いは再循環の排出ガス量の制御）を行うことにより、燃料ガス中の水素濃度や燃料ガスの流量が変化した場合でも、燃料電池に（その組成や流量が）安定した燃料ガスを供給することができる。
【００１８】
（４）請求項４の発明は、前記電流検知式センサを、前記循環流路における前記燃料電池の燃料極側の排出ガスの出口と前記ガスパージ流路の分岐点との間の排出流路に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００１９】
本発明は、電流検知式センサの配置を例示したものである。本発明では、電流検知式センサは、燃料電池の燃料極側の排出ガスの出口とガスパージ流路の分岐点との間の排出流路に配置されているので、燃料極から排出される排出ガスの状態を正確に把握することができる。
【００２０】
つまり、排出ガス中では、燃料電池に供給された燃料ガスに比べて、水素濃度は燃料電池で消費された分だけ低減している。また、水素濃度を検出することは排出ガス中の不純物を検出することを意味するので、この様な排出ガス中で水素濃度を検出することにより、排出ガス中の不純物濃度を精度良く検出することができる。よって、このセンサ出力に基づいて、精度の良い再循環やパージの制御を行うことができる。
【００２１】
また、本発明では、不純物濃度が増加した状態をすぐに検出できるため、不純物が増加した排出ガスが燃料電池に到達する前に、再循環やパージの制御を行うことができ、一層好適な制御が可能である。
（５）請求項５の発明は、第１の前記電流検知式センサを、前記循環流路の新たな燃料ガスとの混合点から前記燃料電池の燃料極側の入口との間の混合流路に配置するとともに、第２の前記電流検知式センサを、前記燃料電池の燃料極側の排出ガスの出口と前記ガスパージ流路の分岐点との間の排出流路に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００２２】
本発明は、電流検知式センサの配置を例示したものである。本発明では、（前記請求項３に対応する）第１の電流検知式センサを混合流路に配置するとともに、（前記請求項４に対応する）第２の電流検知式センサを排出流路に配置したものである。
【００２３】
これにより、燃料電池の入口と出口におけるガス組成（例えば水素濃度）を検知することができるため、精度良く且つタイミング良く、再循環やパージの制御を行うことができる。
（６）請求項６の発明は、前記電流検知式センサは、プロトンによって生成する電流を検知するセンサであ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を要旨とする。
【００２４】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。本発明は、プロトンによって生成する電流を検知するセンサであるので、排出ガスや燃料ガス（例えば新規の燃料ガスに排出ガスが混合された混合ガス）中の水素濃度（従って不純物濃度）に応じた出力を得ることができる。
【００２５】
（７）請求項７の発明は、前記電流検知式センサは、水を伴ってプロトンを伝導する伝導体を用いたセンサであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムを要旨とする。
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。本発明は、水を伴って伝導するプロトンによって生成する電流を検知するセンサであるので、排出ガスや燃料ガス中の水素濃度（従って不純物濃度）に応じた出力を得ることができる。
【００２６】
（８）請求項８の発明は、前記電流検知式センサは、前記ガスの成分が、水素及び水蒸気から構成される純ガスの場合と、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガスの場合とで、所定以上の大きな出力差を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００２７】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。本発明では、電流検知式センサは、ガス成分が純ガスの場合と不純ガスの場合とで大きな出力差を有するので、例えば燃料ガス（ここでは再循環され排出ガスが混合された混合ガス）中に、窒素等の不純物が存在した場合には、センサ出力が大きく変化する（例えば大きく低下する）ため、的確に純ガス以外の不純物の混入を検知できる。
【００２８】
尚、所定の以上の大きな出力差としては、例えば１０ｍＡ以上の出力差が挙げられる。
（９）請求項９の発明は、前記電流検知式センサは、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガス中の水素濃度に対応した出力を発生することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００２９】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。本発明では、電流検知式センサは、不純ガス中の水素濃度に対応した（例えば比例した）出力を発生するので、検出した水素濃度（従って不純物濃度）に対応して、的確に再循環やパージの制御を行うことができる。
【００３０】
（１０）請求項１０の発明は、前記電流検知式センサは、高分子電解質からなりプロトンを伝導するプロトン伝導層と、被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、前記測定室内にて前記プロトン伝導層の表面に接する第１電極と、前記測定室外にて前記プロトン伝導層の表面に接する第２電極と、を有し、前記被測定ガス（ここでは燃料ガス又は排出ガス）雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流（例えば限界電流）に対応して出力するセンサであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００３１】
本発明は、電流検知式センサを例示したものである。このセンサは、水を伴ってプロトンを伝導するいわゆるプロトン伝導層を利用したセンサであり、排出ガスや燃料ガス中の水素濃度に応じた出力を得ることができる。従って、本発明の電流検知式センサを用いることにより、排出ガスや燃料ガス中の水素濃度（従って不純物濃度）に応じた出力を得ることができる。
【００３２】
このセンサにおいては、混合ガスが水素と水蒸気の場合、全てのガスを汲み出すことになり、測定室内の圧力が下がり、圧力拡散に基づいた電流出力が得られる。一方、混合ガスが水素、水蒸気とそれ以外のガスから構成された場合、それ以外のガスは汲み出されないので、測定室内は汲み残したガス成分で満たされることになり、圧力拡散は生じず濃度拡散に基づく電流出力が得られることになる。しかも、測定室に導入されるガス分子の量は、濃度拡散に比べて圧力拡散の方がはるかに大きくなる。
【００３３】
この様な理由で、電流検知式センサが水素と水蒸気から構成される混合ガスと、水素、水蒸気とそれ以外のガスから構成される混合ガスに対して大きな出力差を持ちことになる。即ち、混合ガス中に窒素等のガスが存在すると、電流検知式センサの出力が極端に下がる。従って、その出力差を利用して、上述した流路の切り換えや、流量の調整を行うことができる。
【００３４】
（１１）請求項１１の発明は、前記電流検知式センサは、更に、前記プロトン伝導層に接して前記測定室外に設けられた参照電極を有し、前記第１電極と前記参照電極との間の電位差が一定となるように、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加す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を要旨とする。
【００３５】
本発明は、参照電極を用いた電流検知式センサを例示したものである。
本発明では、第１電極と参照電極との間の電位差が一定になるように、第１電極と第２電極との間に（例えば限界電流を得るための十分な）電圧を印加することにより解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンをプロトン伝導層を介して第１電極側から第２電極側へ汲み出すことにより生じる限界電流に基づいて、水素ガスの濃度を求める。
【００３６】
本発明のガスセンサは、前記請求項１０の発明と同様な効果を奏するとともに、参照電極を備えているので、ガス濃度の測定精度が高いという利点を有している。
（１２）請求項１２の発明は、前記制御手段は、前記電流検知式センサの出力に基づいて、前記燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスの排出流路を、前記循環流路又は前記ガスパージ流路に切り替えることを特徴とする請求項２〜１１のいずれかに記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００３７】
本発明は、制御手段を例示したものである。本発明では、電流検知式センサの出力に基づいて、燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスの排出流路を、再循環を行う循環流路（詳しくはガスパージ流路と分岐して燃料極側に排出ガスを循環させる循環主流路）又はパージを行うガスパージ流路に切り替えるので、再循環を行う場合とパージを行う場合とを明確に区別した制御を行うことができる。
【００３８】
（１３）請求項１３の発明は、前記制御手段は、前記電流検知式センサの出力に基づいて、前記燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスに対して、再循環する再循環ガス流量及び／又はパージするパージガス流量を調整することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池システムを要旨とする。
【００３９】
本発明は、制御手段を例示したものである。本発明では、電流検知式センサの出力に基づいて、例えば流路を開閉する制御弁の開度等を調節することにより、再循環ガス流量及びパージガス流量の両方又は一方を調整するので、一層精密に再循環やパージの制御を行うことができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池システムの実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
本実施例では、燃料電池システムとして、排出ガスの再循環及びパージを行う燃料電池システムを例に挙げる。
【００４１】
ａ）まず、本実施例の燃料電池システムについて、図１に基づいて説明する。図１に示す様に、本実施例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１として、燃料ガスが供給される燃料極３と（コンプレッサ４により）空気が供給される空気極５とを備えた周知の固体高分子型燃料電池が用いられている。
【００４２】
この燃料電池１には、例えば水素及び水蒸気からなる新規の燃料ガスを燃料極３に供給するために、燃料極３のガス入口７側に接続された燃料ガス供給路９が設けられている。また、排出ガスを再循環するために、燃料極３のガス出口１１側からガス入口７側に至る循環流路１３が設けられている。
【００４３】
前記循環流路１３は、燃料ガス供給路９に対して、混合点１５にて合流しており、混合点１５の下流側の混合流路２９では、新規の燃料ガスと排出ガスとが混合されて燃料極３に供給される。
また、循環流路１３の途中には、大気側に開放されたガスパージ流路１７が、分岐点１９にて分岐接続されており、ガスパージ流路１７には、その流路１７を開閉して大気側に排出する排出ガスの量（パージガス流量）を調節するパージ流路弁２１が配置されている。
【００４４】
更に、循環流路１３のうち、分岐点１９から混合点１５までの循環主流路２３には、その流路２３を開閉して再循環する排出ガスの量（再循環ガス流量）を調節する循環流路弁２５が配置されている。
尚、排出ガスが循環する循環流路１３のうち、ガス出口１１から分岐点１９までの流路を排出流路２７、分岐点１９から混合点１５までの流路を循環主流路２３、混合点１５からガス入口７までの流路を混合流路２９と称する。従って、循環流路１３と燃料ガス供給路９とは、混合流路２９を共有している。
【００４５】
特に本実施例では、混合流路２９に電流検知式センサ３１を配置し、この電流検知式センサ３１の出力に基づいて、例えば電子制御装置（ＥＣＵ）３３にて、パージ流路弁２１及び循環流路弁２５の開閉タイミングや開閉の程度等の開閉の状態を制御している。
【００４６】
この電流検知式センサ３１は、後述する様に、燃料ガス（詳しくは排出ガスが含まれる混合ガス）中に含まれる水素の濃度を検知するセンサであり、水素の濃度に応じてその出力が変化するものである。
従って、この電流検知式センサ３１を、燃料ガスに含まれる水素（及び出力に影響しない水蒸気）以外の不純物（例えば窒素ガス：Ｎ_２）の濃度を検知するセンサとして用いることができ、その場合は、不純物のガス濃度に応じてその出力が変化するということができる。
【００４７】
ｂ）次に、前記電流検知式センサ３１について、図２に基づいて説明する。尚、図２は、電流検知式センサ３１の長手方向の要部断面図である。
▲１▼図２に示す様に、前記電流検知式センサ３１は、いわゆる水素ガス濃度（水素濃度）を検知する水素ガスセンサと同様な構成を有しており、プロトン伝導層４１の一方の面（同図の上面）に、第１電極４３が設けられ、プロトン伝導層４１の他方の面（同図の下面）に、第１電極４３と対向するように第２電極４５が設けられ、それらは、第１支持体４７及び第２支持体４８からなる支持体４９中に支持されている。
【００４８】
つまり、プロトン伝導層４１は、第１支持体４７及び第２支持体４８に狭持され、第１電極４３は、第１支持体４７に覆われるとともにその第１凹部５０内に配置され、第２電極４５は、第２支持体４８に覆われるとともにその第２凹部５１内に配置されている。
【００４９】
前記プロトン伝導層４１は、高分子電解質からなり、一方の面側から他方の面側に、例えば第１電極４３側から第２電極４５側に、水を伴ってプロトン（Ｈ^＋）を移動させることができるものである。そのプロトン伝導層４１の材料としては、比較的低温（例えば１５０℃以下）で作動するものが良く、例えばフッ素樹脂である「Ｎａｆｉｏｎ１１７」（デュポン社の商標）等を採用できる。
【００５０】
前記第１電極４３及び第２電極４５は、例えばカーボンを主成分とする弾性を有する多孔質電極であり、第１電極４３及び第２電極４５には、プロトン伝導層４１に接する側にＰｔ等の触媒層（図示せず）が塗布により形成されている。
また、第１電極４３及び第２電極４５は、それぞれリード部（図示せず）を介して回路に接続されており、電源（電池）５３によって、第１電極４３及び第２電極４５間に電圧を印加して、電流計５７によって、第１電極４３及び第２電極４５間に流れる電流を測定できるようになっている。
【００５１】
前記支持体４９は、例えばアルミナを主成分とするセラミックスからなる絶縁体であり、このうち、第１支持体４７には、周囲雰囲気と第１凹部５０（従って第１電極４３）とを連通する拡散律速部５９が設けられている。この拡散律速部５９は、被測定ガスである燃料ガス（従って含まれる水素ガス）を第１電極４３側に導入するとともに、その拡散を律速する小さい孔である。一方、第２支持体４８には、周囲雰囲気と第２凹部５１（従って第２電極４５）に連通する空孔であるガス排出部６１が設けられている。
【００５２】
ｃ）次に、前記電流検知式センサ３１の動作について説明する。
前記電流検知式センサ３１を燃料ガスにさらすと、周囲雰囲気から拡散律速部５９を通って第１電極４３に到達した水素は、プロトン伝導層４１を介して、第１電極４３と第２電極４５との間に、水素ガスの濃度（詳しくは両電極４３、４５側における水素濃度の差）に応じた起電力を生じさせる。
【００５３】
そこで、電源５３により、第１電極４３と第２電極４５との間に電圧を印加する。その結果、第１電極４３上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、プロトン伝導層４１を介して第２電極４５へ汲み出され、再び水素となって（センサ外の）被測定ガス雰囲気に拡散する。
【００５４】
その時、第１電極４３と第２電極４５との間に流れる電流値（前記電圧を印加した場合に、ある値まで上昇して上限となる限界電流）は、図３にガス組成（体積％）に応じたセンサ出力を示す様に、燃料ガスが水素と水蒸気とから構成される場合には、水素と水蒸気と不純物とから構成される場合と比べて、大きな出力となる。また、燃料ガスが、水素と水蒸気と不純物とから構成される場合には、水素濃度に比例した値となる。
【００５５】
従って、このセンサ出力から、燃料ガスの状態（成分等）を求めることが可能になる。例えばセンサ出力が所定値１より低下した場合には、不純物が増加したとみなすことができる。
尚、この所定値１とは、燃料ガスとして（水蒸気を添加した）純水素を用いたガスの場合の判定値であり、所定値１より小さな所定値２とは、燃料ガスとして不純物が含まれる可能性が高い改質ガスの判定値である。
【００５６】
ｄ）次に、前記センサ出力を用いてＥＣＵ３３にて行われる燃料電池システムの制御の手法を図４に基づいて説明する。
▲１▼判定値として所定値１を用いる場合。
この所定値１は、センサ出力の急変を検出するために、センサ出力が急変する値より僅かに高めに設定されているので、燃料ガスとして（水蒸気を添加した）純水素を用いる場合に好適である。
【００５７】
ここでは、センサ出力が所定値１以下の場合は、循環主流路１３に配置された循環流路弁２５を閉じ、ガスパージ流路１７に配置されたパージ流路弁２１を開けることにより、燃料電池１の燃料極３から排出された排出ガスを、排出流路２７及びガスパージ流路１７を介して、系外に排出（パージ）する。
【００５８】
一方、センサ出力が所定値１より高い場合は、循環主流路１３に配置された循環流路弁２５を開き、ガスパージ流路１７に配置されたパージ流路弁２１を閉じることにより、燃料電池１の燃料極３から排出された排出ガスを再循環する。
具体的には、図４のフローチャートに示す様に、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、電流検知式センサ３１のセンサ出力が、所定値１以下か所定値１より高いかを判定し、所定値１以下の場合には、ステップ１１０に進み、一方所定値１より高い場合には、ステップ１４０に進む。
【００５９】
ステップ１１０では、センサ出力が所定値１以下と低いので、水素濃度が低下した状態であり、よって、不純物が増加したとみなして、パージが必要と判定する。
続くステップ１２０では、排出ガスを大気に放出するために、パージ流路弁２１を開く制御を行う。
【００６０】
続くステップ１３０では、排出ガスの再循環を禁止するために、循環流路弁２５を閉じる制御を行い、前記ステップ１００に戻る。
そして、上述した処理は、センサ出力が所定値１より高くなるまで繰り返される。
【００６１】
一方、前記ステップ１４０では、センサ出力が所定値１より高いので、水素濃度が高く、よって、不純物が少ない（又は減少した）したとみなして、パージが不要と判定する。
続くステップ１５０では、排出ガスの大気への放出を禁止するために、パージ流路弁２１を閉じる制御を行う。
【００６２】
続くステップ１６０では、排出ガスの再循環を許可するために、循環流路弁２５を開く制御を行い、一旦本処理を終了する。これにより、燃料ガスの再循環を行う運転状態となる。
従って、上述した制御により、例えば（水蒸気を添加した）純水素を供給する場合において、排出ガス中に不純物が増加した場合に、的確に排出ガスをパージすることができる。
【００６３】
▲２▼判定値として所定値２を用いる場合
この所定値２は、所定値１より低く設定されており、センサ出力の変化が緩やかな領域用であり、燃料ガスとして（不純物が含まれる）改質ガスを用いる場合に好適である。
【００６４】
ここでは、センサ出力が所定値２以下の場合（水素濃度が所定値２に対応した値より低い場合）は、前記▲１▼と同様に、循環流路弁２５を閉じて、パージ流路弁２１を開けることにより、燃料電池１の燃料極３から排出された排出ガスをパージする。
【００６５】
一方、センサ出力が所定値２より高い場合は、循環流路弁２５を開いて、パージ流路弁２１を閉じることにより、燃料電池１の燃料極３から排出された排出ガスを再循環する。
従って、上述した制御により、例えば改質ガスを供給する場合において、排出ガス中に不純物が増加した場合に、的確に排出ガスをパージすることができる。
【００６６】
ｅ）次に、本実施例の効果について説明する。
この様に本実施例では、電流検知式センサ３１のセンサ出力に応じて、排出ガス中の不純物が少ない場合には、排出ガスの再循環を許可し、不純物が多くなった場合には排出ガスのパージを行うので、燃料ガスの無駄な消費を無くし、適切なタイミングで確実にガスパージを行うことができるという顕著な効果を奏する。
【００６７】
また、本実施例では、燃料極３に燃料ガスを供給する混合流路２９に電流検知式センサ３１を配置しているので、燃料ガスのガス組成（特に水素濃度）及びガス流量が変化した場合でも、燃料電池に安定したガス供給を行う制御を実施することができる。
【００６８】
更に、本実施例では、ガスパージの判定値として、燃料ガスとして純水素を用いる場合には、大きな値である所定値１を採用し、不純物の量が多いと考えられる改質ガスの場合には、所定位置１より小さな値である所定値２を採用するので、燃料ガスの種類に応じて、適切なタイミングで再循環とパージとの切り替えを実施することができる。
【００６９】
その上、本実施例では、水素ガスの有無に応じて、センサ出力が大きく変化するので、その点からも制御のタイミングを確実に捉えることができるという利点がある。
尚、本実施例では、パージ流路弁２１及び循環流路弁２５の開閉制御を行う際に、各弁を全閉や全開に制御するのではなく、センサ出力に応じて、その開度を調節してもよい。例えば不純物の量が所定量より非常に多い場合（例えば不純物の量が所定量の２倍以上）には、パージ流路弁２１を全開にすればよいが、それほど多くない場合（例えば不純物の量が所定量の２倍未満）には、半開等に調節してもよい。
【００７０】
尚、パージされた排出ガスは加湿器等の加熱用バーナの燃料として用いても良い。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００７１】
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、電流検知式センサの配置が異なる。
ａ）図５に示す様に、本実施例の燃料電池システムにおいては、前記実施例１と同様に、空気極７１と燃料極７３とを備えた燃料電池７５が用いられるとともに、ガスの流路として、（排出流路７７、循環主流路７９、混合流路８１からなる）循環流路８３と、循環流路８３から分岐したガスパージ流路８５と、（混合流路８１を含む）燃料ガス供給路８７とを備えている。
【００７２】
また、ガスパージ流路８５にはパージ流路弁８９が配置され、循環主流路７９には循環流路弁９１が配置されている。
特に本実施例では、排出流路７７に、前記実施例１と同様な電流検知式センサ９３が配置され、このセンサ出力が例えばＥＣＵ９５に入力される。従って、ＥＣＵ９５では、センサ出力に応じて、前記実施例１と同様に、パージ流路弁８９及び循環流路弁９１の制御を行う。
【００７３】
ｂ）本実施例では、燃料極７３から排出される排出ガスの組成によって変化するセンサ出力に応じて、パージ流路弁８９及び循環流路弁９１の制御を行うので、前記実施例１と同様に、燃料ガスの無駄な消費を無くし、適切なタイミングで確実にガスパージを行うことができる。
【００７４】
特に本実施例では、排出流路７７に電流検知式センサ９３を配置しているので、例えば不純物濃度が増加した排出ガスが循環されて燃料電池に到達する前に、パージ制御を行うことができる。よって、不純物の循環を抑制することができ、燃料電池の動作にとって好適である。
【００７５】
また、排出ガス中では、燃料電池７５に供給される燃料ガスに比べ、水素濃度が燃料電池７５にて消費される分だけ低下しているが、この様な排出ガス中で水素濃度を検知することは、排出ガス中の不純物濃度を検知することになる。従って、この様な位置（排出流路７７）に電流検知式センサ９３を配置することにより、不純物濃度を精度良く検知でき、よって、それに基づいて精度の良い制御を行うことができる。
（実施例３）
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００７６】
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１、２とは、電流検知式センサの配置が異なる。
ａ）まず、本実施例の燃料電池システムについて、図６に基づいて説明する。
図６に示す様に、本実施例の燃料電池システムにおいては、前記実施例１と同様に、空気極１０１と燃料極１０３とを備えた燃料電池１０５が用いられるとともに、ガスの流路として、（排出流路１０７、循環主流路１０９、混合流路１１１からなる）循環流路１１３と、循環流路１１３から分岐したガスパージ流路１１５と、（混合流路１１１を含む）燃料ガス供給路１１７とを備えている。
【００７７】
また、ガスパージ流路１１５にはパージ流路弁１１９が配置され、循環主流路１０９には循環流路弁１２１が配置されている。
特に本実施例では、排出流路１０７及び混合流路１１１に、それぞれ前記実施例１と同様な第１電流検知式センサ１２３及び第２電流検知式センサ１２５が配置され、両センサ出力が例えばＥＣＵ１２７に入力される。従って、ＥＣＵ１２７では、両センサ出力に応じて、パージ流路弁１１９及び循環流路弁１２１の制御を行う。
【００７８】
ｂ）次に、本実施例の燃料電池システムにおける制御について、図７に基づいて説明する。
図７のフローチャートに示す様に、まず、ステップ２００では、燃料極１０３の出口側の第１の電流検知式センサ１２３のセンサ出力が、所定値（例えば所定値１）以下か所定値より高いかを判定し、所定値以下の場合には、ステップ２１０に進み、一方所定値より高い場合には、ステップ２４０に進む。
【００７９】
ステップ２１０では、センサ出力が所定値以下であるので、不純物が増加したとみなして、パージが必要と判定する。
続くステップ２２０では、排出ガスを大気に放出するために、パージ流路弁１１９を開く制御を行う。
【００８０】
続くステップ２３０では、排出ガスの再循環を禁止するために、循環流路弁１２１を閉じる制御を行い、前記ステップ２００に戻る。
一方、前記ステップ２４０でも、前記ステップ２００と同様に、燃料極１０３の入口側の第２の電流検知式センサ１２５のセンサ出力が、所定値以下か所定値より高いかを判定し、所定値以下の場合には、ステップ２５０に進み、一方所定値より高い場合には、ステップ２８０に進む。
【００８１】
ステップ２５０では、センサ出力が所定値以下であるので、不純物が増加したとみなして、パージが必要と判定する。
続くステップ２６０では、排出ガスを大気に放出するために、パージ流路弁１１９を開く制御を行う。
【００８２】
続くステップ２７０では、排出ガスの再循環を禁止するために、循環流路弁１２１を閉じる制御を行い、前記ステップ２００に戻る。
また、前記ステップ２８０では、センサ出力が所定値より高いので、不純物が少ない（又は減少した）したとみなして、パージが不要と判定する。
【００８３】
続くステップ２９０では、排出ガスの大気への放出を禁止するために、パージ流路弁１１９を閉じる制御を行う。
続くステップ３００では、排出ガスの再循環を許可するために、循環流路弁１２１を開く制御を行い、一旦本処理を終了する。
【００８４】
ｃ）この様に、本実施例では、燃料極１０３の出口側及び入口側に、それぞれ第１及び第２の電流検知式センサ１２３、１２５を配置しているので、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、ガス組成の検知精度が高く、一層タイミングの良い制御ができるという利点がある。
（実施例４）
次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００８５】
本実施例の燃料電池システムは、前記実施例１とは、使用する電流検知式センサの構成が異なり、更に参照電極を備えたものである。
ａ）まず、本実施例に用いる電流検知式センサの構成について、図８に基づいて説明する。尚、図８は、電流検知式センサの長手方向の断面図である。
【００８６】
図８に示す様に、本実施例における電流検知式センサ１３１は、プロトン伝導層１３３の一方の面（同図の上面）に、第１電極１３５が設けられ、プロトン伝導層１３３の他方の面（同図の下面）に、第１電極１３５と対向するように、第２電極１３７及び参照電極１３９が設けられ、それらは、第１支持体１４１及び第２支持体１４３からなる支持体１４５中に支持されている。
【００８７】
つまり、プロトン伝導層１３３は、第１支持体１４１及び第２支持体１４３に狭持され、第１電極１３５は、第１支持体１４１に覆われるとともにその第１凹部１４７内に配置され、第２電極１３７は、第２支持体１４３に覆われるとともにその第２凹部１４９内に配置され、参照電極１３９は、第２支持体１４３に覆われるとともにその第３凹部１５１内に配置されている。
【００８８】
前記第１電極１３５、第２電極１３７、参照電極１３９は、それぞれリード部（図示せず）を介して回路に接続されており、電源（電池）１５３によって、第１電極１３５及び第２電極１３７間に電圧を印加したり、電圧計１５５によって、第１電極１３５及び参照電極１３９間の電圧を測定したり、電流計１５７によって、第１電極１３５及び第２電極１３７間に流れる電流を測定できるようになっている。
【００８９】
このうち、参照電極１３９は、第１電極１３５及び参照電極１３９間の電圧を一定に保つことにより、被測定ガス中の水素濃度（従って不純物の濃度）を測定する際に、温度や湿度などの外乱の影響を小さくするために用いられるものである。
【００９０】
尚、好ましくは、参照電極１３９での水素濃度をより安定化させるために、参照電極１３９を自己生成基準極とするのが良い。
また、前記第１支持体１４１には、周囲雰囲気と第１凹部１４７とを連通する細孔である拡散律速部１５９が設けられている。
【００９１】
一方、第２支持体１４３には、周囲雰囲気と第２凹部１４９に連通する空孔であるガス排出部１６１が設けられている。
ｂ）次に、本実施例における電流検知式センサ１３１の動作を説明する。
電流検知式ガスセンサ１３１を燃料ガスにさらすと、周囲雰囲気から拡散律速部１５９を通って第１電極１３５に到達した水素は、プロトン伝導層１３３を介して、第１電極１３５と参照電極１３９との間に、水素ガスの濃度（詳しくは両電極１３５、１３９側における水素濃度の差）に応じた起電力を生じさせる。
【００９２】
そこで、第１電極１３５と参照電極１３９との間の電位差が一定になるように、電源１５３により、第１電極１３５と第２電極１３７との間に適切な電圧を印加する。
例えば、第１電極１３５と第２電極１３７との間に印加する電圧を、被測定ガス中の水素濃度が高い場合には高くし、水素濃度が低い場合には低くするといったように、それぞれの濃度において、最適な電圧に可変しながら、第１電極１３５上の水素濃度を一定に制御する。また、被測定ガス中の温度等の変化により、第１電極１３５と第２電極１３７との間の抵抗が上昇した場合も、印加電圧を適宜変更することにより、同様に、第１電極１３５上の水素濃度を一定に制御する。
【００９３】
その結果、第１電極１３５上で水素はプロトンに解離され、プロトンは、（水を伴って）プロトン伝導層１３３を介して第２電極１３７側へ汲み出され、再び水素となって被測定ガス雰囲気に拡散する。
その時、第１電極１３５と第２電極１３７との間に流れる電流値（前記電圧を印加した場合に、ある値まで上昇して上限となる限界電流）は、水素濃度（従って不純物のガス濃度）に比例するため、その電流値を測定することにより、不純物のガス濃度の測定が可能になる。
【００９４】
特に、第１電極１３５と参照電極１３９との間の電位差を最適な値に設定しておけば、温度等が大きく変化する雰囲気に対しても、第１電極１３５上の水素濃度を常に最適値に調節できるので、（参照電極１３９がない場合に比べて）一層精度の高い水素濃度の測定が可能である。
【００９５】
尚、本発明は前記実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば前記実施例では、電流値を検出するセンサを例に挙げたが、これは、電流を電圧に変換するセンサと実質的に同一のものである。
【００９６】
また、前記実施例では、燃料電池システムを制御するものとして、電子制御装置（ＥＣＵ）を例に挙げたが、これに限らず、例えばマイクロプロセッサを搭載した運転制御装置を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の燃料電池システムを示す説明図である。
【図２】実施例１における電流検知式センサを破断して示す説明図である。
【図３】実施例１における不純物濃度とセンサ出力との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１における制御処理を示すフローチャートである。
【図５】実施例２の燃料電池システムを示す説明図である。
【図６】実施例３の燃料電池システムを示す説明図である。
【図７】実施例３における制御処理を示すフローチャートである。
【図８】実施例４における電流検知式センサを破断して示す説明図である。
【符号の説明】
１、７５、１０５…燃料電池
３、７３、１０３…燃料極
９、８７、１１７…燃料ガス供給路
１３、８３、１１３…循環流路
１７、８５、１１５…ガスパージ流路
２１、８９、１１９…パージ流路弁
２３、７９、１０９…循環主流路
２５、９１、１２１…循環流路弁
２７、７７、１０７…排出流路
２９、８１、１１１…混合流路
３１、９３…電流検知式センサ
３３、９５、１２７…電子制御装置（ＥＣＵ）
４１、１３３…プロトン伝導層
４３、１３５…第１電極
４５、１３７…第２電極
１２３…第１電流検知式センサ
１２５…第２電流検知式センサ
１３９…参照電極

Claims (13)

1. 燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを再循環し、新たに供給された燃料ガスと混合させた後に、前記燃料電池の燃料極側に供給するとともに、前記再循環する排出ガスの一部又は全部を前記再循環の系外に放出するパージを行う燃料電池システムにおいて、
   前記排出ガスの再循環を行う循環流路内に配置され、循環流路内のガスの成分によって生じる電流を検知する電流検知式センサと、
   前記電流検知式センサの検知内容に対応した出力に基づいて、前記燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスの再循環の状態及び／又はパージの状態の制御を行う制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の燃料極側から排出される排出ガスを再循環し、新たに供給された燃料ガスと混合させた後に、前記燃料電池の燃料極側に供給する循環流路と、
   前記循環流路の前記燃料ガスの混合前における途中にて、前記再循環する排出ガスの一部又は全部を前記再循環の系外に放出するために分岐させたガスパージ流路と、
   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。
3. 前記電流検知式センサを、前記循環流路における新たな燃料ガスとの混合点から前記燃料電池の燃料極側の入口との間の混合流路に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電流検知式センサを、前記循環流路における前記燃料電池の燃料極側の排出ガスの出口と前記ガスパージ流路の分岐点との間の排出流路に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 第１の前記電流検知式センサを、前記循環流路の新たな燃料ガスとの混合点から前記燃料電池の燃料極側の入口との間の混合流路に配置するとともに、第２の前記電流検知式センサを、前記燃料電池の燃料極側の排出ガスの出口と前記ガスパージ流路の分岐点との間の排出流路に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
6. 前記電流検知式センサは、プロトンによって生成する電流を検知するセンサであ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。
7. 前記電流検知式センサは、水を伴ってプロトンを伝導する伝導体を用いたセンサであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記電流検知式センサは、前記ガスの成分が、水素及び水蒸気から構成される純ガスの場合と、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガスの場合とで、所定以上の大きな出力差を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記電流検知式センサは、水素、水蒸気、及びその他のガスから構成される不純ガス中の水素濃度に対応した出力を発生することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記電流検知式センサは、
    高分子電解質からなりプロトンを伝導するプロトン伝導層と、
    被測定ガスの拡散を律速する拡散律速部と、
    前記拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気に連通する測定室と、
    前記測定室内にて前記プロトン伝導層の表面に接する第１電極と、
    前記測定室外にて前記プロトン伝導層の表面に接する第２電極と、
    を有し、
    前記被測定ガス雰囲気側から前記拡散律速部を介して前記測定室に導入された被測定ガス中の水素ガスを、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、解離又は分解もしくは反応させ、それによって発生したプロトンを、前記プロトン伝導層を介して前記第１電極から前記第２電極へ汲み出すことにより生じる電流に対応して出力するセンサであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
11. 前記電流検知式センサは、
    更に、前記プロトン伝導層に接して前記測定室外に設けられた参照電極を有し、前記第１電極と前記参照電極との間の電位差が一定となるように、前記第１電極と前記第２電極との間に所定の電圧を印加す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。
12. 前記制御手段は、前記電流検知式センサの出力に基づいて、前記燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスの排出流路を、前記循環流路又は前記ガスパージ流路に切り替えることを特徴とする請求項２〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記制御手段は、前記電流検知式センサの出力に基づいて、前記燃料電池の燃料極側から排出された排出ガスに対して、再循環する再循環ガス流量及び／又はパージするパージガス流量を調整することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。

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