JP2005056702A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 給気手段による給気量が少ない場合であっても、水素ガスの濃度を低減させて安全性を向上した状態で燃料極排ガスを大気中に排出することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 給気量を変更調整自在な給気手段１５にて燃料電池１の酸素極に給気されて酸素極排ガス用通路２１を通して排出される酸素極排ガスと、燃料極から燃料極排ガス用通路２０を通して排出される燃料極排ガスとを混合させて排出させ、燃料極排ガス用通路２０を閉状態と開状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段２２を、間欠的に開状態にする状態で、且つ、単位時間当たりに燃料極排ガス用通路２０を開状態にする時間を給気手段１５による給気量が大側に変更されるほど長くする状態で開閉作動を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、給気量を変更調整自在な給気手段にて燃料電池に給気されて燃料電池の酸素極から酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスと、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスとを混合させて大気中に排出させるように構成した燃料電池システムに関する。

上記構成の燃料電池システムとして、例えば、車両に搭載されて使用されるような燃料電池システムにおいては、酸素極排ガスは前記酸素極排ガス用通路を通して連続的に排出されるが、燃料極排ガスは燃料極排ガス用通路を通して間欠的に排出させる構成となっている。そして、前記燃料極から排出される燃料極排ガスは、燃料極にて発電反応に用いられた後に排出されるものであるが、未だ高濃度の水素ガスを含むものであるので、燃料極排ガスを大気中に排出する場合には水素濃度を低下させて安全性を考慮した状態で大気中に排出する必要がある。そこで、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスと、燃料電池の酸素極から酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスとを混合させて希釈させることにより、水素濃度を低下させて大気中に排出させるようにしている。

ちなみに、上記したように燃料電池の燃料極から燃料極排ガスを排出させるのは、主に、燃料電池が発電運転を実行するに伴って燃料極の水素濃度が低下してくるので燃料極の水素を入れ替えるために行われるものであるが、それ以外にも燃料極にて発生した水分を外部に排出させる働きもある。

前記給気手段による給気量は燃料電池の発電出力の大きさに応じて適宜変更調整されることになるので、給気量の変更に伴って酸素極排ガスの排出量も同様にして変化することになる。これに対して、間欠的に排気される燃料極排ガスの量は同じ又は略同じ量であるため、上記したように酸素極排ガスと燃料極排ガスとが混合された混合気をそのまま大気中に排出させる構成とした場合には、給気手段による給気量が小さく酸素極排ガスの排出量が少ないときには、燃料極排ガス中の水素濃度を充分に希釈させることができず、水素濃度が低下されない状態で大気中に排出されるおそれがある。

そこで、従来では、間欠的に排出させる燃料極排ガスを酸素極排ガスにて希釈させて大気中に排出させるための構成として、次のような４つのガス排出構成のうちのいずれかを用いるようにしたものがあった。
すなわち、第１のガス排出構成として、燃料電池の発電出力の大きさに応じて適宜変更調整される給気手段の給気量が所定値を上回ると、そのときに排出用の設定時間が経過する間だけ燃料極排ガスを排出させて、その燃料極排ガスを酸素極排ガスとを混合させて大気中に排出させる構成とする。
第２のガス排出構成として、設定周期毎に排出用の設定時間が経過する間だけ燃料極排ガスを排出させ、その排出タイミングにて給気手段による給気量を大側の給気量に強制的に変更させることにより酸素極排ガスの量を多くして燃料極排ガスを酸素極排ガスとを混合させて大気中に排出させる構成とする。
第３のガス排出構成として、設定周期毎に排出用の設定時間が経過する間だけ燃料極排ガス用通路を短い周期で開閉させて分散させた状態で燃料極排ガスを排出させ、この燃料極排ガスと酸素極排ガスとを混合させて大気中に排出させる構成とする。ちなみに、この構成では、酸素極排ガスの排出量は給気手段の給気量の変動に応じて変動することになる。
第４のガス排出構成として、設定周期毎に排出用の設定時間が経過する間だけ前記燃料極排ガス用通路を通して燃料極排ガスを排出させる構成として、その燃料極排ガスと酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスから分岐される分岐酸素極排ガスとを混合させる混合室を設けて、この混合室にて燃料極排ガスと分岐酸素極排ガスと混合させて、その混合室で混合された混合気をそのまま大気中に排出させる構成とする。
そして、これらの４つのガス排出構成のうちのいずれかを用いるようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００２−２８９２３７号公報

上記従来構成における４つのガス排出構成のうち第１のガス排出構成によれば、燃料極排ガスを排出させるときには、給気手段の出力が所定値を上回っているから、燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスに対して酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスの量が充分多くなっており、燃料極排ガス中の水素濃度を充分に希釈させた状態で燃料極排ガスを大気中に排出させることが可能となるが、このような構成においては、給気手段の給気量が定期的に所定値を上回るように燃料電池の運転状態が変更調整される場合には問題ないが、給気手段の給気量が所定値よりも低い状態が長い時間にわたり継続するような場合には、燃料電池において電気化学反応によって発生する水分を適正に排出させることができないので実使用上では採用することができないものであった。

前記第２のガス排出構成であれば、設定周期毎に燃料極排ガス及び発生した水分の排出を行うことができるが、燃料極排ガスを排出させるときに、例えば燃料電池の発電出力が小側に変更調整されて給気手段による給気量が少ない状態となっているような場合には、燃料電池に対して必要とされる給気量は小であるにもかかわらず、給気手段による給気量を大側に強制的に変更させる処理が必要となる。従って、燃料極排ガスを間欠的に排出させるために必要となる燃料極ガス路開閉手段としての上記したような開閉弁を開閉作動させる処理に加えて、給気手段による給気量を大側に強制的に変更させるという処理が必要となって、全体として制御すべき処理内容が多くなり制御構成が複雑になる不利があった。又、給気手段は、例えば電動モータにて駆動されるコンプレッサ等の大型の装置にて構成されるものであり、このような大型の装置である給気手段を不必要に大側の給気量に変更調整すると、給気手段を駆動するための電力消費量が必要以上に大となって、それだけ無駄な電力消費が多くなるという不利もある。

前記第３のガス排出構成であれば、設定周期毎に燃料極排ガス及び発生した水分の排出を行うことができるが、燃料極排ガス用通路を短い周期で開閉させて分散させた状態で燃料極排ガスを排出させるようにしても、酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスの量が常に多くなっているとは限らず、燃料極排ガスを排出させるときに酸素極排ガスの量が少なければ、燃料極排ガス中の水素濃度が充分に希釈されない状態で大気中に排出されてしまうおそれがある。

前記第４のガス排出構成のように、設定周期毎に排出される燃料極排ガスと酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスから分岐される分岐酸素極排ガスとを混合室にて混合させて、その混合室で混合された混合気をそのまま大気中に排出させる構成とした場合には、設定周期毎に燃料極排ガス及び発生した水分の排出を行うことができるが、混合室に供給される前記燃料極排ガスと前記分岐酸素極排ガスとは混合室を通過してそのまま大気中に排出させる構成であるから、混合がうまく行われずに水素濃度が希釈されない状態で大気中に排出されるおそれがあった。特に、給気手段による給気量が少なく酸素極排ガスの量が少ない場合には、混合室内での前記燃料極排ガスと前記分岐酸素極排ガスとの混合が促進され難いものであり、水素濃度を低下させた状態で燃料極排ガスを大気中に排出することができないものとなるおそれがあった。

本発明はかかる点に着目してなされたものであり、その目的は、制御構成を簡素なものにして無駄な電力消費が発生するのを抑制しながら、給気手段による給気量の変動にかかわらず水素濃度を低下させて安全性を向上した状態で燃料極排ガスを大気中に排出することが可能となる燃料電池システムを提供する点にある。

本願発明の燃料電池システムは、給気量を変更調整自在な給気手段にて燃料電池の酸素極に給気されて酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスと、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスとを混合させて大気中に排出させるように構成したものであって、
その第１特徴構成は、
前記燃料極排ガス用通路を閉状態と開状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段と、その燃料極ガス路開閉手段の開閉作動を制御する制御手段とが備えられ、
前記制御手段は、前記燃料極排ガス用通路を間欠的に開状態にする状態で、且つ、単位時間当たりに前記燃料極排ガス用通路を開状態にする時間を前記給気手段による給気量が大側に変更されるほど長くする状態で、前記燃料極ガス路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている点にある。

すなわち、上述の如く燃料極ガス路開閉手段の開閉作動が制御されることによって、燃料極排ガス用通路は間欠的に開状態になり、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して燃料極排ガスが間欠的に排出されるが、そのとき、給気手段による給気量が大側に変更されるほど単位時間当たりにおける燃料極排ガス用通路が開状態になる時間が長くなるのである。

給気手段による給気量が大側に変更されると、単位時間当たりにおける燃料極ガス路が開状態になる時間が長くなるから、それだけ単位時間当たりに排出される燃料極排ガスの排出量は多くなるが、そのとき酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスの排出量も多くなっているから、このように多めの酸素極排ガスと混合することで燃料極排ガスが充分に希釈されて大気中に排出されることになる。

又、給気手段による給気量が小側に変更されると、それに伴って酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスの排出量も少なくなっているが、そのときは、上述したように単位時間当たりにおける燃料極排ガス用通路が開状態になる時間が短くなるから、それだけ単位時間当たりに排出される燃料極排ガスの排出量は少ない状態となっているので、酸素極排ガスと混合することで燃料極排ガスを充分に希釈させた状態で大気中に排出させることが可能となる。

上記したような燃料極ガス路開閉手段は、燃料極排ガス用通路を閉状態と開状態とに切り換えるものであり、例えば、燃料極排ガスの流量を変更調整することが可能な複雑な構成のものではなく電磁操作式の開閉弁等の簡素な構成のもので対応できる。そして、制御手段は、このような構成の燃料極ガス路開閉手段を開閉作動させる操作を行うだけの簡単な制御によって対応することが可能であり、切り換えに伴って発生する電力消費も少ないもので済ませることができる。

従って、構成を簡素なものにして無駄な電力消費が発生するのを抑制しながら、給気手段による給気量の変動にかかわらず、水素濃度を低下させて安全性を向上した状態で燃料極排ガスを大気中に排出することが可能となる燃料電池システムを提供できるに至った。

本願発明の燃料電池システムは、給気量を変更調整自在な給気手段にて燃料電池の酸素極に給気されて酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスと、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスとを混合させて大気中に排出させるように構成したものであって、
その第２特徴構成は、
前記燃料極排ガス用通路を閉状態と開状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段と、
前記燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスと前記酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスから分岐される分岐酸素極排ガスとを混合させる混合室と、
その混合室にて混合された混合気を大気中に排出させる混合気排気路を閉状態と開状態とに切り換え自在な混合気路開閉手段と、
前記燃料極ガス路開閉手段及び前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御する制御手段とが備えられ、
前記制御手段は、
前記燃料極排ガス用通路を間欠的に開状態にするように前記燃料極ガス路開閉手段の開閉作動を制御し、且つ、
前記燃料極排ガス用通路を閉状態にする待機期間中において、前記混合気排気路をその待機期間中のうちの一部の期間では閉状態にする形態で開状態にするように、前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている点にある。

すなわち、前記燃料極排ガス用通路が間欠的に開状態になり、燃料極排ガスは間欠的に排出されて混合室に供給されるが、その燃料極排ガス用通路が閉状態にある待機期間中において、その待機期間中のうちの一部の期間では混合気排気路が閉状態になり、その一部の期間以外の期間では開状態に切り換わることになる。前記待機期間中は燃料極排ガスが混合室に排出されていない状態であるが、その待機期間中において、混合気排気路が閉状態に切り換えられることで、燃料極排ガスと前記分岐酸素極排ガスとが混合した混合気が大気中に排出されることを阻止する状態となる。

そのとき、既に混合室内に供給されている燃料極排ガスは混合室内に供給されている分岐酸素極排ガスと共に混合室内にて滞留しながら混合され、しかも、酸素極排ガスは連続して供給される状態が継続しているので、このとき、給気手段による給気量が大側に変更されているときだけでなく、給気手段による給気量が少ない状態に変更調整されている場合であっても、燃料極排ガスは混合室内に滞留している多くの分岐酸素極排ガスと混合されることによって充分に希釈される。

そして、その後、混合気排気路が開状態に切り換えられると、混合気排気路を通して混合気が大気中に排出されることになるので、上述したように混合室で滞留しながら分岐酸素極排ガスと混合されることによって燃料極排ガスが充分に希釈されて水素濃度が低下した状態の混合気が混合気排気路を通して大気中に排出されることになる。

前記燃料極ガス路開閉手段は燃料極排ガス用通路を閉状態と開状態とに切り換えるものであり、前記混合気路開閉手段は混合気排気路を閉状態と開状態とに切り換えるものであり、これらは、例えば、燃料極排ガスや混合気の流量を変更調整することが可能な複雑な構成のものではなく電磁操作式の開閉弁等の簡素な構成のもので対応できる。又、制御手段は、このような構成の燃料極ガス路開閉手段や混合気路開閉手段を開閉作動させる操作を行うだけの簡単な制御によって対応することが可能であり、切り換えに伴って発生する電力消費も少ないもので済ませることができる。

従って、構成を簡素なものにして無駄な電力消費が発生するのを抑制しながら、給気手段による給気量の変動にかかわらず水素濃度を低下させて安全性を向上した状態で燃料極排ガスを大気中に排出することが可能となる燃料電池システムを提供できるに至った。

本願発明の燃料電池システムの第３特徴構成は、第２特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記燃料極ガス路を開状態にする間は、前記混合気排気路を開状態に維持させるように、前記燃料極ガス路開閉手段及び前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている点にある。

すなわち、燃料極排ガス用通路が開状態であり混合室に向けて燃料極排ガスが排出されている間は混合気排気路が開状態を維持しており、混合室内の混合気が混合気排気路を通して排気される状態となるから、燃料極排ガス用通路を通して混合室に向けて燃料極排ガスが排出されるときの背圧が高くなって燃料極排ガスが流入し難い状態になるといった不利がなく、燃料極排ガスが混合室内に流入し易くなり、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して燃料極排ガス並びに燃料電池から排出される水分を排出させることを適切に行い易いものとなる。

本願発明の燃料電池システムの第４特徴構成は、第２特徴構成又は第３特徴構成に加えて、前記制御手段が、前記燃料極排ガス用通路を閉状態にする待機期間中において、単位時間当たりに前記混合気排気路を開状態にする時間を前記給気手段による給気量が小側に変更されるほど短くする状態で、前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている点にある。

すなわち、給気手段による給気量が小側に変更されるほど、単位時間当たりにおける混合気排気路が開状態になる時間が短くなって大気中に排出される混合気の量が少なくなるのである。つまり、給気手段による給気量が大きくなると、酸素極排ガス用通路を通して混合室に流入する酸素極排ガスの排出量が多くなって混合室内に流入する分岐酸素極排ガスの量も多くなる。そうすると、混合室の圧力が高くなり混合室内へ燃料極排ガスが流入し難い状態になるおそれがあるが、このとき、単位時間当たりにおける混合気排気路が開状態になる時間が長くなるから、単位時間当たりにおける酸素極排ガスの排出量を多くすることで混合室の圧力が高くなることを回避させ易いものとなり、燃料極排ガスは多めの分岐酸素極排ガスと混合室内で混合されることで充分に希釈された状態で大気中に排出させることができる。

又、給気手段による給気量が小側に変更されると、それに伴って酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスの排出量も少なくなるが、そのとき、上述したように単位時間当たりにおける混合気排気路が開状態になる時間が短くなり、それだけ単位時間当たりにおける混合気の排気量は少ない状態となっているので、混合室内に滞留している分岐酸素極排ガスの量も多くなり、燃料極排ガスは充分に希釈されることになる。

このようにして、給気手段による給気量の変動に対応させて適切な開閉状態となるように混合気路開閉手段の作動を制御するようにしたので、酸素極排ガスや燃料極排ガスの混合室内への流入を良好に行わせながら、燃料極排ガスを充分に希釈させた状態で燃料極排ガスを大気中に排出させることが可能なものとなった。

〔第１実施形態〕
以下、図面に基づいて本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を燃料電池搭載車に適用した場合について説明する。
図１に示すように、燃料電池搭載車は、走行駆動用の電動モータＭを駆動源として車体Ｂを走行させる電気自動車として構成し、前記電動モータＭに電力を供給するための燃料電池１及びそれを発電作動させるための付属設備を備える燃料電池システムＳが搭載されている。前記燃料電池１は、周知であるので詳述はしないが、例えば、固体高分子膜を電解質層とするセルの複数を積層状態に設けたスタックを構成し、各セルの燃料極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、各セルの酸素極に酸素含有ガスとしての空気を供給して、水素と酸素との電気化学的な反応により発電を行う構成となっている。ちなみに、各セルは、前記電解質層の両面に前記燃料極と前記酸素極とを振り分け配置して構成されるものである。

又、このような燃料電池１とは別に２次電池として充電可能なバッテリー２も搭載されており、燃料電池１の発電が停止してもこのバッテリー２の電力により走行可能であり、バッテリー２の充電状態が十分であれば燃料電池１の発電を停止させることで水素ガスの消費量を抑制するようにしたり、車体走行中にブレーキ操作によって減速するときに電動モータＭから発生する回生電力をバッテリー２に充電することができるように構成されている。

前記走行駆動用の電動モータＭの作動を制御するためのモータ制御部３を設けてあり、このモータ制御部３は、アクセルペダル４の踏み込み量の情報及び車速の検出情報等に基づいて目標走行駆動力を求め、その目標走行駆動力を出力するように走行駆動用の電動モータＭの作動を制御する構成となっている。

次に、前記燃料電池システムＳにおける燃料電池１を発電作動させるための付属設備について説明する。
図２に示すように、前記付属設備は、燃料電池１に燃料ガスとして水素を供給するための燃料ガス供給設備６、燃料電池１に空気を供給するため空気供給設備７、燃料電池１排出される燃料極排ガスや酸素極排ガス及び電気化学反応により発生した水を外部に排出させるための排気設備８、燃料電池１を冷却するための冷却設備９、各部の動作を電気的に制御するための燃料電池制御部１０の夫々を備えて構成されている。

前記燃料ガス供給設備６について説明する。図２に示すように、前記燃料電池１に供給するための水素ガスを高圧状態で充填した状態で貯蔵する水素ボンベ１１を備え、この水素ボンベ１１から水素ガス供給路１２を通して水素ガスを燃料電池１に供給するように構成すると共に、その水素ガス供給路１２には、レギュレータ１３、電磁遮断弁１４を設けてあり、これら水素ボンベ１１、水素ガス供給路１２、レギュレータ１３及び電磁遮断弁１４等により前記燃料ガス供給設備６が構成されている。尚、前記水素ボンベ１１内の水素貯蔵量が減ったときには水素ガスを充填する必要があるが、水素ガスの充填作業は図示しない充填用の供給路を通して行う。

次に、前記空気供給設備７について説明する。図２に示すように、電動モータにて駆動される給気手段としてのコンプレッサ１５が設けられ、このコンプレッサ１５によってエアークリーナ１６及び吸気路１７を通して車体外部から空気を吸引するとともに、酸素含有ガスとしての空気を空気供給路１８を通して燃料電池１の酸素極に供給するように構成してあり、それらコンプレッサ１５、エアークリーナ１６、吸気路１７、及び、空気供給路１８等により前記空気供給設備７が構成されている。尚、この空気供給設備７から供給される空気は加湿器１９にて加湿された後に燃料電池１の酸素極に供給される。前記コンプレッサ１５は駆動用の電動モータの回転速度を変更することで燃料電池の酸素極に給気する空気の給気量を変更調整自在に構成されている。

次に前記排気設備８について説明する。図２に示すように、燃料電池１の燃料極から排出される燃料極排ガスを導く燃料極排ガス用通路２０、及び、燃料電池１の酸素極から排出される酸素極排ガスを導く酸素極排ガス用通路２１が設けられ、燃料極排ガス用通路２０には、その燃料極排ガス用通路２０を開状態と閉状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段としての電磁操作式の燃料極ガス路開閉弁２２が設けられ、酸素極排ガス用通路２１には、コンプレッサ１５により送られてくる空気が勢いよく排気されることで発生する騒音を低減させるためのマフラー２３が備えられている。

そして、前記燃料極排ガス用通路２０は酸素極排ガス用通路２１におけるマフラー２３の排気流動方向下手側に合流接続されており、燃料極排ガス用通路２０と酸素極排ガス用通路２１とが接続される箇所にて燃料極排ガスと酸素極排ガスとが混合して排気口２４から大気中に排出される構成となっている。

前記冷却設備９について説明すると、図２に示すように、燃料電池１の内部を冷却するための冷却水を燃料電池１と放熱用のラジエータ３１とにわたって循環させるように冷却水循環路３２が設けられ、この冷却水循環路３２には、冷却水を強制的に循環通流させる循環ポンプ３３を設けられ、これら冷却水循環路３２、ラジエータ３１及び循環ポンプ３３等により冷却設備９が構成されている。

尚、詳述はしないが、上記したような気体や液体を通流させるための各設備には、配管内の圧力や温度などの各種の情報を検出するための各種のセンサ類が設けられている。

前記燃料電池１の出力端子と電動モータＭなどの負荷とが電気的に接続される構成となっており、マイクロコンピュータを備えて構成された制御手段の一例としての燃料電池制御部１０が、燃料電池１での発電電圧の検出情報、並びに、各設備に備えられる各種のセンサ類の検出情報に基づいて、コンプレッサ１５、循環ポンプ３３、燃料極ガス路開閉弁２２、及び、その他の弁等、燃料電池システムＳ全体の運転作動を制御するように構成されている。

又、この燃料電池搭載車においては、燃料電池１の発電出力が大中小の３段階に切り換えられる構成となっており、コンプレッサ１５により燃料電池１の酸素極に供給される空気の給気量もその発電出力の変化に応じて３段階に切り換えられる構成となっている。
つまり、燃料電池制御部１０は、例えば、アクセルペダル４の踏み込み量の情報及び車速の検出情報等から求める目標走行駆動力やバッテリー２の充電状態等に基づいて燃料電池の発電出力を大中小のいずれかに変更調整するように構成され、それに伴ってコンプレッサ１５における回転速度を大中小のいずれかに変更調整する構成となっている。

そして、燃料電池制御部１０は、燃料極排ガス用通路２０を間欠的に開状態にする状態で、且つ、単位時間当たりに燃料極排ガス用通路２０を開状態にする時間を前記コンプレッサ１５による給気量が大側に変更されるほど長くする状態で、燃料極ガス路開閉弁２２の開閉作動を制御するように構成されている。
具体的には、図３及び図４に示すように、繰り返し周期用の設定時間Ｔｈ（例えば、数秒〜１０数秒程度）が経過する毎に開作動時間が経過する間だけ燃料極ガス路開閉弁２２を開作動状態に切り換えて燃料極排ガス用通路２０を開状態に切り換え、燃料電池１の燃料極から燃料極排ガス用通路２０を通して燃料極排ガスを排出させ、その開作動時間が経過した後は繰り返し周期用の設定時間Ｔｈが経過するまで、燃料極ガス路開閉弁２２を閉状態にする閉作動状態に切り換えるという動作を繰り返し実行するようになっており、コンプレッサ１５の回転速度が「小」のときは前記開作動時間が最も短い時間Ｔｓ１となり、コンプレッサ１５の回転速度が「中」のときは開作動時間が中間の時間Ｔｓ２となり、コンプレッサ１５の回転速度が「大」のときは開作動時間が最も長い時間Ｔｓ３となるように燃料極ガス路開閉弁２２の開閉作動を制御するように構成されている。

このようにコンプレッサ１５による給気量が大側に変更されると、単位時間当たりに排出される燃料極排ガスの排出量は多くなるが、そのときコンプレッサ１５による給気量が大側になっており酸素極排ガスの排出量も多くなっているから、このように多めの酸素極排ガスと混合することで燃料極排ガスが充分に希釈されて大気中に排出されることになる。又、コンプレッサ１５による給気量が小側に変更されると、それに伴って酸素極排ガスの排出量も少なくなるが、上述したように単位時間当たりにおける燃料極ガス路開閉弁２２が開状態になる時間が短くなるから、それだけ単位時間当たりに排出される燃料極排ガスの排出量は少ない状態となっているので、酸素極排ガスと混合することで燃料極排ガスが充分に希釈された状態で大気中に排出させることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態について説明する。
この第２実施形態は、前記排気設備８の構成並びに前記燃料電池制御部１０の制御構成が異なるが、その他の構成は第１実施形態と同じであるから、異なる構成についてのみ説明し、同じ構成については説明は省略する。

先ず、排気設備８について説明する。図５に示すように、燃料極排ガス用通路としての燃料極排ガス用通路２０、酸素極排ガス用通路としての酸素極排ガス用通路２１、及び、燃料極排ガス用通路２０を開放させる開状態と遮断する閉状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段としての電磁操作式の燃料極ガス路開閉弁２２とが備えられる点は、第１実施形態の場合と同じであるが、この第２実施形態では、酸素極排ガス用通路２１に接続された分岐路２５を通して分岐供給される分岐酸素極排ガスと、燃料極排ガス用通路２０を通して排出される燃料極排ガスとを混合させる混合室の一例としてのディフューザー２６と、そのディフューザー２６にて混合された混合気を大気中に排出させる混合気排気路２７を閉状態と開状態とに切り換え自在な混合気路開閉手段としての電磁操作式の混合気路開閉弁２８が設けられている点が第１実施形態と異なっている。

そして、前記分岐路２５は酸素極排ガス用通路２１におけるマフラー２３の酸素流動方向上手側に接続され、前記混合気排気路２７が酸素極排ガス用通路２１におけるマフラー２３の酸素流動方向下手側に合流接続されている。従って、混合気排気路２７と酸素極排ガス用通路２１とが接続される箇所にて混合気と酸素極排ガスとが混合して更に希釈されて排気口２４から大気中に排出される構成となっている。

図６に示すように、前記ディフューザー２６は、前記燃料極排ガス用通路２０や前記分岐路２５等の通常の配管よりも大径に設けられた円筒大径状の筒状体２９と、その筒状体２９の内部に先端側部分が突出する状態で配設された円筒状の流出管３０とを備えて構成され、筒状体２９の通路入り口部分には分岐路２５が連通する状態で接続され、流出管３０には燃料極排ガス用通路２０が接続され、筒状体２９の通路出口部分には混合気排気路２７が連通する状態で接続されている。そして、酸素極排ガス用通路２１を通流する酸素極排ガスを分岐路２５を通して分岐した分岐酸素極排ガスを筒状体２９内に供給すると共に、燃料極排ガス用通路２０を通流する燃料極排ガスを流出管３０にて筒状体２９内に供給し、それら分岐酸素極排ガスと燃料極排ガスとを筒状体２９内で混合して、その混合気を混合気排気路２７及びその混合気排気路２７が連通接続される排気口２４を通して大気中に排出するように構成されている。

又、この燃料電池搭載車においては、第１実施形態の場合と同様に、燃料電池１の発電出力が大中小の３段階に切り換えられる構成となっており、燃料電池１の酸素極に供給される空気の給気量もその発電出力の変化に応じて３段階に切り換えられ、それに伴ってコンプレッサ１５における回転速度を大中小のいずれかに変更調整する構成となっている。

そして、制御手段としての燃料電池制御部１０が、燃料極排ガス用通路２０を間欠的に開状態にするように燃料極ガス路開閉弁２２の開閉作動を制御し、且つ、燃料極排ガス用通路２０を閉状態にする待機期間中において、混合気排気路２７をその待機期間中のうちの一部の期間では閉状態にする形態で開状態にするように、前記混合気路開閉弁２８の開閉作動を制御するように構成されている。又、燃料電池制御部１０は、燃料極排ガス用通路２０を閉状態にする待機期間中において、単位時間当たりに混合気排気路２７を開状態にする時間をコンプレッサ１５による給気量が小側に変更されるほど短くする状態で、混合気路開閉弁２８の開閉作動を制御するように構成されている。

先ず、燃料極ガス路開閉弁２２の開閉作動制御について説明する。
図７に示すように、繰り返し周期用の設定時間Ｔ１（例えば、数秒〜１０数秒程度）が経過する毎に開作動用設定時間Ｔｏｎ（例えば、数百ｍｓ〜１秒程度）が経過する間だけ、燃料極排ガス用通路２０を開状態にする開作動状態に切り換えて、燃料電池１の燃料極から燃料極排ガス用通路２０を通して燃料極排ガスをディフューザー２６に向けて排出させ、開作動用設定時間Ｔｏｎが終了して次の繰り返し周期用の設定時間Ｔ１が経過するまで、燃料極排ガス用通路２０を閉状態にする閉作動状態に切り換えるという開閉動作を繰り返し実行する。
尚、上記したような繰り返し周期用の設定時間Ｔ１や開作動用設定時間Ｔｏｎの具体的な時間は例示であって、このような時間に限定されるものではなく、適宜変更して実施してもよい。

次に、混合気路開閉弁２８の開閉作動制御について説明する。
図７に示すように、燃料極ガス路開閉弁２２が開状態に切り換えられて燃料極排ガス用通路２０を通してディフューザー２６に向けて燃料極排ガスが排出されている間は混合気路開閉弁２８の開状態を維持し、燃料極ガス路開閉弁２２が閉状態に切り換わるとほぼ同時に混合気路開閉弁２８を閉状態に切り換える。そして、１回目の閉用の設定時間が経過するまで閉状態を維持したのち、１回目の開用の設定時間（図７ではＴ２２）が経過するまで開状態を維持し、更に、２回目の閉用の設定時間が経過するまで閉状態を維持した後に、燃料極ガス路開閉弁２２が開状態に切り換わるタイミングよりも２回目の開用の設定時間（図７に示す例では前記Ｔ２２と略同じ時間）だけ前の時点で混合気路開閉弁２８を開状態に切り換える動作を実行する。以降、このような動作を、燃料極ガス路開閉弁２２の開状態への切り換え動作に伴って繰り返し実行するように開閉作動が制御される。

そして、図８、図９に示すように、コンプレッサ１５の回転速度が「小」のときは前記１回目の開用の設定時間が最も短い時間Ｔ２１となり、コンプレッサ１５の回転速度が「中」のときは前記１回目の開用の設定時間が中間の時間Ｔ２２となり、コンプレッサ１５の回転速度が「大」のときは前記１回目の開用の設定時間が最も長い時間Ｔ２３となるように混合気路開閉弁２８の開閉作動を制御するように構成されている。

このように燃料極ガス路開閉弁２２及び混合気路開閉弁２８を開閉作動させることで、燃料電池１の酸素極から酸素極排ガス用通路２１を通して排出され分岐路２５を通して分岐した分岐酸素極排ガスと、燃料電池１の燃料極から燃料極排ガス用通路２０を通して設定時間Ｔ１毎に排出される燃料極排ガスとがディフューザー２６にて混合されて水素ガスが希釈され、その混合された混合気が排気路２６を通して導かれてマフラー２３を通過したあとの酸素極排ガスと合流して更に混合して水素ガスが希釈されて酸素極排ガス用通路２６及び排気口２４を通して大気中に排出されることになる。

大気中に排出される排気ガスの中に含まれる水素ガスの濃度は、図７に示すように、一時的に高濃度になるのではなく、酸素極排ガスにより希釈されながら低濃度の状態で少しづつ大気中に排出されることになる。ちなみに、この図７に示すものは、コンプレッサ１５の回転速度が「中」に調整されて、混合気路開閉弁２８の前記１回目の開用の設定時間が中間の時間Ｔ２２に設定されている状態を例示するものである。この図から判るように、第１燃料極ガス路開閉弁２２が閉じて燃料極排ガスが供給されていない状態で混合気路開閉弁２８を閉じることによって、ディフューザー２６内に残っている燃料極排ガスが、引き続いて供給される分岐酸素極排ガスと混合されることによって更に希釈されるので、次に混合気路開閉弁２８が開くときには混合気に含まれる水素の濃度は更に低下することになる。

しかも、コンプレッサ１５の回転速度が「小」になりコンプレッサ１５による給気量が少なく酸素極排ガスの量が少ない場合であっても、燃料極ガス路開閉弁２２が閉じ状態となっているときにおける混合気路開閉弁２８の前記１回目の開用の設定時間を前記中間の時間Ｔ２２よりも短い時間Ｔ２１とすることで、ディフューザー２６内での酸素極排ガスと燃料極排ガスとの混合を充分に行い水素ガスを希釈させて水素濃度を低下させた状態で大気中に排出させることができる。又、コンプレッサ１５の回転速度が「大」であってコンプレッサ１５による給気量が多く酸素極排ガスの量が多い場合には、混合気路開閉弁２８の前記１回目の開用の設定時間を前記中間の時間Ｔ２２よりも長い時間Ｔ２３にして排出させるので、多くの酸素極排ガスと燃料極排ガスとを混合させることで水素ガスを充分に希釈させた混合気を排気させることができる。

〔別実施形態〕
以下、別実施形態を列記する。

（１）上記第１実施形態では、給気手段としてのコンプレッサ１５による給気量が大側に変更されるほど単位時間当たりにおける開状態になる時間が長くなる状態で、前記燃料極ガス路開閉弁２２の開閉作動を制御する構成として、繰り返し周期用の設定時間Ｔｈが経過する毎に前記燃料極ガス路開閉弁２２が開状態となる開作動時間の長さをコンプレッサ１５の回転速度の変動に応じて変更調整する構成としたが、このような構成に限らず、次のように構成するものでもよい。

例えば、図１０に示すように、前記燃料極ガス路開閉弁２２が開状態となる開作動時間Ｔｓの長さを一定とし、コンプレッサ１５による給気量が大側に変更されるほど単位時間当たりにおける開状態になる時間が長くなる状態で、繰り返し周期用の設定時間Ｔｈを変更調整する構成としてもよい。つまり、図１０に示す例では、コンプレッサ１５の回転速度が「小」であれば、繰り返し周期用の設定時間が最も長い値Ｔｈ１となり、コンプレッサ１５の回転速度が「中」であれば、繰り返し周期用の設定時間が中間の値Ｔｈ２となり、コンプレッサ１５の回転速度が「大」であれば、繰り返し周期用の設定時間が最も短い値Ｔｈ３となる。

又、別の構成として、繰り返し周期用の設定時間Ｔｈを変更調整することと、前記燃料極ガス路開閉弁２２が開状態となる開作動時間の長さを変更調整することとを併用して、前記燃料極ガス路開閉弁２２の開閉作動を制御するように構成するものでもよい。

（２）上記第２実施形態では、燃料極ガス路開閉手段としての燃料極ガス路開閉弁２２が閉作動状態にある待機期間の途中における混合気路開閉弁２８の前記１回目の開用の設定時間（Ｔ２１〜Ｔ２３）をコンプレッサ１５による給気量の変動に応じて変更させる構成としたが、このような構成に代えて、次のように構成してもよい。
例えば、上記第２実施形態における燃料極ガス路開閉弁２２が閉作動状態にある待機期間の途中における混合気路開閉弁２８の前記１回目の開用の設定時間だけでなく、前記２回目の開用の設定時間も合わせて、コンプレッサ１５による給気量の変動に応じて変更させるようにしてもよい。

又、燃料極ガス路開閉弁２２が閉作動状態にある待機期間の途中における混合気路開閉弁２８の開用の設定時間を予め定めた値で一定にしておき、前記待機期間中に混合気路開閉弁２８が開作動状態に切り換わる回数を増加又は減少させることで、単位時間当たりにおける開状態になる時間を変更させるように構成してもよい。例えば図１１（イ）、（ロ）には、前記待機期間中において、混合気路開閉弁２８の開用の設定時間を予め定めた値で一定にしておき、開作動状態に切り換わる回数を３回にした場合と、４回にした場合とを例示している。

更に別の構成として、前記待機期間中に混合気路開閉弁２８が開状態に切り換わる回数を増加又は減少させることと、混合気路開閉弁２８を開状態に切り換えてその開状態を維持する前記開用の設定時間を変更させることとを併用して、混合気路開閉弁２８の開閉作動を制御するように構成するものでもよい。

（３）上記第２実施形態では、前記燃料極排ガス用通路２０を閉状態にする待機期間中において、単位時間当たりに混合気排気路を開状態にする時間をコンプレッサ１５による給気量が小側に変更されるほど短くする状態で、混合気路開閉弁２８の開閉作動を制御する構成としたが、このような構成に代えて、前記待機期間中のうちの一部の期間で混合気排気路２７を閉状態にするように、且つ、コンプレッサ１５による給気量の変動にかかわらず、単位時間当たりに混合気排気路を開状態にする時間を一定にさせた状態で混合気排気路２７を開閉作動制御する構成としてもよい。

（４）上記第２実施形態では、混合室としてのディフューザー２６が、円筒大径状の筒状体と、その筒状体の内部に先端側部分が突出する状態で配設された円筒状の流出管とを備えて構成されるものを例示したが、このような構成に限らず、例えば断面が矩形形状となるように構成してもよい。要するに、給気手段にて燃料電池に給気されて燃料電池の酸素極から酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスと、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して設定時間毎に排出される燃料極排ガスとを混合させる混合用の空間を有するものであればよく、混合室の形状は種々変更して実施することができる。

（５）上記各実施形態では、給気手段としてのコンプレッサによる給気量の調整が大中小の３段階に切り換えられる構成を例示したが、このような構成に限らず、大小の２段階、又は、４段階以上に段階的に切り換わるものでもよく、又、無段階に切り換わる構成としてもよい。そして、このように給気量が無段階に切り換わる構成とした場合において、例えば、図１２に示すように、コンプレッサの回転速度すなわち給気量の変化に伴って前記開状態になる時間が無段階に変化する状態で前記燃料極ガス路開閉手段あるいは混合気路開閉手段の開閉作動を制御する構成としてもよい。

（６）上記各実施形態では、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして供給する水素含有ガスとして純水素ガスを例示したが、このような構成に限らず、例えば、天然ガスやアルコール等の炭化水素系の原燃料を水蒸気を用いて水素ガスを含有する改質ガスに改質処理して、その改質ガスを水素含有ガスとして用いることができる。この場合は、原燃料を貯留するボンベ等の貯留部、及び、原燃料を水蒸気を用いて改質ガスに改質処理する改質装置を車体に搭載することになる。

第１実施形態の燃料電池搭載車の概略構成を示す側面図 第１実施形態の燃料電池システムの構成図 第１実施形態の弁開閉動作のタイミングチャート 第１実施形態の開時間の切り換えを示す図 第２実施形態の燃料電池システムの構成図 第２実施形態のディフューザーの構成を示す図 第２実施形態の弁開閉動作のタイミングチャート 第２実施形態の弁開閉動作のタイミングチャート 第２実施形態の開時間の切り換えを示す図 別実施形態の弁開閉動作のタイミングチャート 別実施形態の弁開閉動作のタイミングチャート 別実施形態の開時間の切り換えを示す図

符号の説明

１０ 制御手段
１５ 給気手段
２０ 燃料極排ガス用通路
２１ 酸素極排ガス用通路
２２ 燃料極ガス路開閉手段
２６ 混合室
２７ 混合気排気路
２８ 混合気路開閉手段

Claims (4)

1. 給気量を変更調整自在な給気手段にて燃料電池の酸素極に給気されて酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスと、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスとを混合させて大気中に排出させるように構成した燃料電池システムであって、
   前記燃料極排ガス用通路を閉状態と開状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段と、その燃料極ガス路開閉手段の開閉作動を制御する制御手段とが備えられ、
   前記制御手段は、前記燃料極排ガス用通路を間欠的に開状態にする状態で、且つ、単位時間当たりに前記燃料極排ガス用通路を開状態にする時間を前記給気手段による給気量が大側に変更されるほど長くする状態で、前記燃料極ガス路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている燃料電池システム。
2. 給気量を変更調整自在な給気手段にて燃料電池の酸素極に給気されて酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスと、燃料電池の燃料極から燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスとを混合させて大気中に排出させるように構成した燃料電池システムであって、
   前記燃料極排ガス用通路を閉状態と開状態とに切り換え自在な燃料極ガス路開閉手段と、
   前記燃料極排ガス用通路を通して排出される燃料極排ガスと前記酸素極排ガス用通路を通して排出される酸素極排ガスから分岐される分岐酸素極排ガスとを混合させる混合室と、
   その混合室にて混合された混合気を大気中に排出させる混合気排気路を閉状態と開状態とに切り換え自在な混合気路開閉手段と、
   前記燃料極ガス路開閉手段及び前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御する制御手段とが備えられ、
   前記制御手段は、
   前記燃料極排ガス用通路を間欠的に開状態にするように前記燃料極ガス路開閉手段の開閉作動を制御し、且つ、
   前記燃料極排ガス用通路を閉状態にする待機期間中において、前記混合気排気路をその待機期間中のうちの一部の期間では閉状態にする形態で開状態にするように、前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている燃料電池システム。
3. 前記制御手段が、
   前記燃料極排ガス用通路を開状態にする間は、前記混合気排気路を開状態に維持させるように、前記燃料極ガス路開閉手段及び前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段が、
   前記燃料極排ガス用通路を閉状態にする待機期間中において、単位時間当たりに前記混合気排気路を開状態にする時間を、前記給気手段による給気量が小側に変更されるほど短くする状態で、前記混合気路開閉手段の開閉作動を制御するように構成されている請求項２又は３記載の燃料電池システム。

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