JP2005203143A

JP2005203143A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005203143A
Application number: JP2004005858A
Authority: JP
Inventors: Shinpei Miura; 晋平三浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28
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Abstract

【課題】本発明は燃料電池システムに関し、十分に水素濃度を回復しながらも不必要に水素を排出することのないよう、燃料オフガスの排出量を正確に制御できるようにする。
【解決手段】燃料ガス２中の窒素濃度を推定し、推定した窒素濃度に応じて、排出手段１４によって燃料オフガス通路８から外部に排出される燃料オフガスの排出量を制御する。窒素濃度は、例えば、燃料オフガスの排出中における燃料オフガス通路８内の圧力降下速度から推定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システム内から外部に排出される燃料オフガスの排出量の制御技術に関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触しカソードに空気などの酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。このような燃料電池によって電力を得る燃料電池システムでは、燃料である水素の無駄な消費を無くすことが省エネルギの観点において重要である。このため、従来の燃料電池システムでは、例えば特許文献１に記載されるように、燃料電池で使用された燃料ガスのオフガス（燃料オフガス）を再び燃料電池に循環させることで、燃料オフガスに残存している水素の有効利用が図られている。

ところが、アノードに供給される燃料ガスとカソードに流れる酸化ガスは電解質膜によって分離されているものの、一部の燃料ガスは電解質膜を透過してカソード側に漏れ出し、逆に一部の酸化ガスは電解質膜を透過してアノード側に漏れ出している。アノード側に漏れ出した酸化ガスは燃料オフガスに含まれて燃料電池に循環されるが、酸化ガスの主成分は不活性な窒素であるため、燃料ガスの循環系内に窒素が蓄積されていくことになり、燃料電池に供給される燃料ガス中の窒素濃度は次第に上昇していく。燃料ガス中の窒素濃度の上昇は水素濃度の減少を意味し、燃料電池の発電性能の低下を招いてしまう。

この点に関し特許文献１に記載の従来技術では、循環している燃料ガス中の不純物の濃度が許容できない濃度になったときには、燃料オフガスの通路に連通するバルブを所定時間開くようにしている。これによれば、循環系内に蓄積されていた窒素は燃料オフガスとともに循環系内から排出されるので、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素濃度の回復を図ることができる。
特開２００２−２８９２３７号公報特開２００２−８６９１号公報特開平２−８７４７９号公報

しかしながら、上記従来技術では、バルブの開時間が固定であるために循環系内の窒素の蓄積状況によっては十分に窒素を排出できず、水素濃度を十分に回復できない可能性がある。また、燃料オフガスの排出により窒素とともに水素も循環系内から排出されることになるが、上記従来技術のようにバルブの開時間を固定にすると、水素濃度が回復されているにもかかわらず必要以上に水素を排出してしまい燃費が悪化してしまう可能性もある。したがって、水素濃度回復のために燃料オフガスを循環系外に排出する場合には、十分に水素濃度を回復しながらも不必要に水素を排出することのないよう、燃料オフガスの排出量は正確に制御する必要がある。

また、電解質膜を透過した窒素によって燃料ガス中の水素濃度が低下するという問題は、上記のような燃料ガスを循環させながら運転する形式の燃料電池システムに限ったものではない。例えば特許文献２に記載されるような、アノードの燃料ガス流路の出口を閉鎖した状態で運転するアノードデッドエンド式の燃料電池システムにも共通する課題である。アノードデッドエンド式の燃料電池システムでは、アノードでの水素の消費に応じて燃料ガスの供給が行われるが、電解質膜を透過した窒素がアノードの燃料ガス流路内に蓄積されていくために、アノードにおける水素濃度は次第に低下していくことになる。したがって、このようなアノードデッドエンド式の燃料電池においても、アノードの燃料ガス流路内に蓄積された窒素を燃料オフガスとともにシステム外に排出し、且つ、そのときの排出量を正確に制御する技術は必要である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、十分に水素濃度を回復しながらも不必要に水素を排出することのないよう、燃料オフガスの排出量を正確に制御できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、水素を含む燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスの通路である燃料オフガス通路と、
前記燃料オフガス通路から前記燃料オフガスを外部に排出する排出手段と、
前記燃料電池内における前記燃料ガス中の窒素濃度を推定する窒素濃度推定手段と、
前記窒素濃度推定手段により推定された前記窒素濃度に応じて前記排出手段により排出される前記燃料オフガスの排出量を制御する排出量制御手段と、
を備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記窒素濃度推定手段は、前記燃料オフガス通路において検出される前記燃料オフガスに係わる物理量から前記窒素濃度を推定することを特徴としている。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記窒素濃度推定手段は、前記排出手段による前記燃料オフガスの排出中における前記燃料オフガス通路内の圧力降下速度から前記窒素濃度を推定することを特徴としている。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか一つの発明において、前記排出手段が前記燃料電池の停止時に作動される場合、前記排出量制御手段は、前記窒素濃度が高いほど前記燃料オフガスの排出量を減少させることを特徴としている。

また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか一つの発明において、前記燃料オフガス通路は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの通路である燃料ガス通路に接続されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、燃料オフガス通路から外部に排出される燃料オフガスの排出量が燃料電池内における燃料ガス中の窒素濃度に応じて制御されることで、燃料オフガスの排出量の最適化が可能になる。その結果、燃料オフガスを排出することにより水素濃度の回復を図る際、不必要に水素を排出することによる燃費の低下を抑制することができる。

また、燃料ガス中の窒素濃度は燃料電池内の位置によって変化するものの最終的な窒素濃度は燃料オフガスに係わる物理量に反映されるので、第２の発明によれば、燃料オフガス通路において検出される前記物理量から窒素濃度を推定することで、燃料電池内における燃料ガス中の窒素濃度を正確に推定することができる。

特に、第３の発明によれば、燃料オフガスの排出中における燃料オフガス通路内の圧力降下速度は窒素濃度に対応しているので、この圧力降下速度から窒素濃度を推定することで、燃料電池内における燃料ガス中の窒素濃度を正確に推定することができる。また、窒素濃度は水素濃度から推定することもできるが、圧力降下速度の測定に必要な圧力センサはガス濃度センサに比較して応答性が優れているので、本発明によればガス濃度センサの検出値を用いる場合に比較して、窒素濃度の変化に遅れることなく速やかに且つ正確に燃料オフガスの排出量を制御することができる。

また、燃料電池の停止時におけるカソードへの水素の透過を抑制するためには、燃料オフガスを排出してアノード内の水素分圧を低下させることが有効であるが、第４の発明によれば、燃料ガス中の窒素濃度が高いほど燃料オフガスの排出量が減少されることで、アノード内の水素分圧が小さい場合に不必要に水素が排出されることが防止され、燃費の低下が抑制される。

また、第５の発明のように燃料オフガス通路が燃料ガス通路に接続される場合には、燃料ガスの循環系が構成され、この循環系内に窒素が蓄積されていくことになるが、本発明によれば、燃料オフガスが循環系外に排出されることで水素濃度が回復され、しかもその排出量は燃料ガス中の窒素濃度に応じて制御されるので不必要に水素を排出することによる燃費の低下も抑制される。

以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の燃料電池システムは、例えば車両に搭載される車両用燃料電池システムに適用することができる。ただし、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。

［燃料電池システムの構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。この図に示すように、本燃料電池システムは、電力供給手段として燃料電池２を備えている。燃料電池２は、水素イオン透過性の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。

燃料電池２のアノード入口には燃料ガス通路４が接続されている。燃料ガス通路４の上流側には水素タンクや改質器などの図示しない燃料ガス供給装置が接続されており、燃料電池２は燃料ガス供給装置から燃料ガスの供給を受けるようになっている。燃料ガス通路４には調圧弁６が配置されており、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスは調圧弁６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。

また、燃料電池２には燃料ガスのオフガス（燃料オフガス）を排出するための燃料オフガス通路８が接続されている。燃料オフガス通路８の下流側は、図示しないエジェクタ等の混合装置を介して燃料ガス通路４における調圧弁６の下流側に接続されている。燃料オフガス通路８にはポンプ１０が配置されており、ポンプ１０によって駆動されることで燃料オフガスは燃料電池２から燃料オフガス通路８に引き出され、再び燃料ガス通路４に送り出される。これにより、本燃料電池システムでは、燃料電池２の運転時には燃料ガスは燃料ガス通路４と燃料オフガス通路８を通って循環する。

燃料オフガス通路８におけるポンプ１０の上流側には、燃料オフガスをその循環系の外部に排出するための排出通路１２が接続されている。排出通路１２にはパージ弁１４が配置されている。パージ弁１４は通常は閉じており、後述するＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０からの制御信号の入力によって必要に応じて開かれる。パージ弁１４としては、シャットオフ弁や流量調整弁など、燃料オフガスの排出量を制御することが可能な弁であればよい。本実施形態では、パージ弁１４としてシャットオフ弁が備えられているものとする。

なお、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための酸化ガス通路が接続され、カソード出口には酸化ガスのオフガスを排出するための酸化オフガス通路が接続されているが、これらについては本燃料電池システムの特徴部分ではないので図１中での表示は省略している。

このような燃料ガスが循環する形式の燃料電池システムでは、燃料電池２の運転に伴いカソード側の酸化ガスが電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。このため、循環系内には酸化ガスに含まれる窒素が蓄積されていき、燃料ガス中の窒素濃度は次第に上昇していく。そこで、本燃料電池システムでは、窒素濃度の上昇に伴う燃料電池２の発電性能の低下を防止するために、燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を推定し、推定した窒素濃度に応じてパージ弁１４の作動を制御している。以下、本実施形態にかかる窒素濃度の推定方法とパージ弁１４の制御方法について詳細に説明する。

［窒素濃度の推定方法の説明］
本燃料電池システムは、パージ弁１４を制御するための制御装置としてＥＣＵ２０を備えている。ＥＣＵ２０の入力側には、アノード出入口に配置されて燃料電池２の前後における燃料ガスの圧損を検出する一対の圧力センサ２２ａ，２２ｂ、燃料オフガス通路８のパージ弁１４近傍に配置されて燃料オフガス通路８内の圧力を検出する圧力センサ２４、燃料オフガス通路８に配置されて燃料オフガス中の水素濃度を検出する水素センサ２６、燃料オフガス通路８に配置されて燃料オフガス中の音速を検出する超音波センサ２８、及び燃料電池２の電圧を検出する電圧モニタ３０のうちの少なくとも一つが接続されている。

上記の各センサは燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を推定するための手段として用いられる。アノード出入口に配置された圧力センサ２２ａ，２２ｂであれば、水素と窒素の圧損の違いを利用して窒素濃度を推定することができる。水素と窒素では密度、粘度の違いによって圧損が４倍程度異なるため、燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度が上昇すると、燃料電池２の前後における圧力差は増加することになる。したがって、圧力センサ２２ａ，２２ｂにより燃料電池２の前後における圧力差を検出することで窒素濃度を推定することができる。

オフガス通路８に配置された圧力センサ２４を用いる場合も、水素と窒素の圧損の違いを利用して窒素濃度を推定することができる。水素と窒素の圧損の違いにより燃料オフガス中の窒素濃度が上昇すると、同一の弁開度におけるパージ弁１４の通過流量は減少するので、パージ弁１４が開いたときの燃料オフガス通路８内の圧力降下速度は低下することになる。したがって、パージ弁１４を開いたときの圧力センサ２４の出力変化を検出することで窒素濃度を推定することができる。

水素センサ２６を用いる場合には、水素センサ２６で検出される水素濃度から窒素濃度を算出することができる。燃料オフガス中の窒素濃度が上昇に応じて水素濃度が減少するので、水素濃度を検出することで窒素濃度を推定することができる。

超音波センサ２８を用いる場合には、燃料オフガスの成分の相違により燃料オフガス中の音速が異なることを利用して窒素濃度を推定する。燃料オフガス中の窒素濃度が上昇すると、それに応じて燃料オフガス中の音速も変化していく。したがって、燃料オフガス中の音速を検出することで窒素濃度を推定することができる。

なお、本燃料電池システムでは燃料ガスは循環しているので、水素センサ２６や超音波センサ２８を用いて窒素濃度を推定する方法であれば、燃料ガス通路４において水素濃度、或いは音速を検出することで燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を推定することも可能である。また、圧力センサ２４を用いて圧力降下速度から窒素濃度を推定する方法に関しても、燃料ガス通路４にパージ弁があればパージ弁を開いたときの圧力降下速度から窒素濃度を推定することも可能である。しかしながら、燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度の変化は、まず、燃料オフガス通路８内の窒素濃度の変化として現れ、燃料オフガスが燃料ガス通路４内に送り出されることで燃料ガス通路４内の窒素濃度の変化として現れる。したがって、上記のように燃料オフガス通路８内の燃料オフガスを検出対象とすることで、燃料ガス通路４内の燃料ガスを検出対象とする場合よりも、応答遅れなく燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を推定することができる。また、燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度は燃料電池２内の位置によって異なるものの（例えば、アノード入口よりもアノード出口の方が窒素濃度は高い）、最終的な窒素濃度は燃料オフガスに反映されるので、燃料オフガスを検出対象とすることで燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を正確に推定することができるという利点もある。

また、電圧モニタ３０を用いる場合には、電圧モニタ３０で検出される燃料電池２の電圧低下から、燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を推定することができる。燃料ガス中の窒素濃度が上昇すると、その分、燃料である水素濃度が減少するために燃料電池２の電圧は低下するからである。

以下では、窒素濃度推定手段として燃料オフガス通路８に圧力センサ２４が配置されており、ＥＣＵ２０は、前述した方法によって圧力センサ２４からの出力信号に基づき燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度を推定しているものとする。本方法によれば、燃料電池２の前後の圧力差により窒素濃度を推定する方法に比較してセンサが一つで済むという利点がある。また、圧力センサ２４を水素濃度センサ２６を用いる場合と比較して、圧力センサ２４は水素濃度センサ２６に比較して応答性が優れているので、水素濃度センサ２４の検出値を用いる場合に比較して、燃料ガス中の窒素濃度の変化に遅れることなく正確に窒素濃度を推定することができるという利点がある。また、他の方法による窒素濃度の推定はパージ弁１４の作動と独立して行われるのに対し、本方法による窒素濃度の推定はパージ弁１４の作動に連動して行われるという特徴がある。

［パージ弁の制御方法の説明］
図２はＥＣＵ２０が燃料電池２の運転中にパージ弁１４を制御する際の制御フローを示すフローチャートである。ＥＣＵ２０はパージ弁１４を一定の周期で作動させるようになっており、ステップ１００では、前回の作動からの経過時間が所定時間に達したか否の判定を行う。ステップ１００の判定において経過時間が所定時間に達した場合には、圧力センサ２４により現時点における燃料オフガス通路８内の圧力を検出し（ステップ１０２）、続いてパージ弁１４を開弁させる（ステップ１０４）。

図３はパージ弁１４の作動と燃料オフガス通路８内の圧力変化の関係を示すグラフである。ステップ１００の条件の成立によりパージ弁１４が開かれることで（時点ｔ₀）、燃料オフガス通路８内の燃料オフガスはパージ弁１４を介して外部に放出され、燃料オフガス通路８内の圧力は次第に低下していく。このときの燃料オフガス通路８内の圧力降下速度は、前述のように燃料オフガス中の窒素濃度によって変化する。窒素濃度が比較的低い場合には、図中、実線で示すように圧力降下速度は比較的速く、窒素濃度が比較的高い場合には、図中、破線で示すように圧力降下速度は比較的遅い。なお、パージ弁１４を開く前の燃料オフガス通路８内の圧力は、実際には燃料電池２の前後の圧損によって窒素濃度が高い場合と低い場合とでは差が生じているが、図３では説明を分かりやすくするために窒素濃度の高低によらず同じ圧力値で示している。

ＥＣＵ２０は、パージ弁１４を開いてから所定の微小時間Δｔが経過したか判定し（ステップ１０６）、所定微小時間Δｔの経過後（時点ｔ₁）、再び圧力センサ２４により燃料オフガス通路８内の圧力を検出する（ステップ１０８）。そして、微小時間Δｔ内での圧力降下値ΔＰを算出する（ステップ１１０）。窒素濃度によって圧力降下速度が異なるので、窒素濃度が比較的高い場合の圧力降下値ΔＰ_Hは、窒素濃度が比較的低い場合の圧力降下値ΔＰ_Lよりも小さくなる。

次に、ＥＣＵ２０は、ステップ１１０で求めた圧力降下値ΔＰを燃料ガス中の窒素濃度と相関する物理量として用い、圧力降下値ΔＰに応じたパージ弁１４の開時間Ｔを予め用意しておいたマップから決定する（ステップ１１２）。パージ弁１４の開時間Ｔは、窒素濃度が比較的高い場合の開時間Ｔ_Hのほうが、窒素濃度が比較的低い場合の開時間Ｔ_Lよりも長くなるように設定されている。ステップ１１４では、パージ弁１４を開いてからステップ１１２で決定された開時間Ｔが経過したか否かが判定され、開時間Ｔが経過した場合には、ステップ１１６においてＥＣＵ２０はパージ弁１４を閉弁させる（時点ｔ_2H或いは時点ｔ_2L）。パージ弁１４が閉じられることで、燃料オフガス通路８から外部への燃料オフガスの放出は停止する。燃料オフガスの放出の停止後は、調圧弁６を介して水素が補充されることで燃料オフガス通路８内の圧力は回復していく。

以上のように、ＥＣＵ２０は、燃料電池２内における燃料ガス中の窒素濃度が高いほど、パージ弁１４の開時間を長く設定するようにしている。これにより、窒素濃度が高いときには多くの燃料オフガスが排出されることになるので、循環系内に蓄積されていた窒素は十分に排出され、窒素の排出量に応じて水素が補充されることにより燃料ガス中の水素濃度は十分に回復される。逆に窒素濃度が低いときには燃料オフガスの排出量が制限されるので、必要以上に水素を排出してしまうことは防止される。したがって、本燃料電池システムによれば、燃料オフガスの排出量を最適化することができ、水素濃度の回復による発電性能の向上と、水素の不必要な排出を抑制することによる燃費の向上とを両立させることができる。

また、従来は、窒素濃度の上昇による電圧低下を考慮して調圧弁６の調圧値を高めに設定せざるを得なかったが、本燃料電池システムによれば、上記のように窒素濃度の上昇が抑制されるので、従来よりも調圧弁６の調圧値を低く設定することができる。これにより、燃料電池２の電解質膜に加わる圧力を低くすることができ、従来よりも電解質膜の耐久性を維持することが可能になる。

［燃料電池の停止時におけるパージ弁の制御方法の説明］
ＥＣＵ２０は、燃料電池２の停止時にもパージ弁１４を制御し、燃料オフガス通路８から外部に燃料オフガスを排出する。ただし、燃料電池２の停止時に燃料オフガスを排出する目的は燃料電池２の運転中のそれとは異なり、燃料電池２内における燃料ガス中の水素分圧を低下させることにある。窒素がカソード側からアノード側に漏出しているのと同様に、アノードを流れる水素も電解質膜を透過してカソード側に漏出している。水素のカソード側への漏出は燃料電池２の停止時にも起きているが、カソード側に漏出した水素はそのまま大気中に放出されるため好ましくない。そこで、燃料電池２の停止時におけるカソード側への水素の漏出を抑制する手段として、燃料オフガスを燃料オフガス通路８から外部に排出してアノード内の水素分圧を低下させるようにしているのである。

ＥＣＵ２０は、燃料電池２の停止時にパージ弁１４を作動させるに際し、燃料電池２の運転中と同様、パージ弁１４を開いたときの燃料オフガス通路８内の圧力降下速度（所定微小時間での圧力降下値）を検出している。そして、燃料電池２の運転中とは逆に、圧力降下速度が低いほど、すなわち、燃料ガス中の窒素濃度が高いほど、パージ弁１４を開いておく開時間を短くして燃料オフガスの排出量を減少させている。

燃料ガス中の窒素濃度が高い場合にはアノード内の水素分圧は低いので、燃料オフガスを大量に排出せずとも水素のカソード側への漏出は抑制することができる。逆に、燃料オフガスを大量に排出した場合には水素も不必要に排出されることになるため、燃費が低下してしまう。本燃料電池システムによれば、上記のように燃料ガス中の窒素濃度が高いほど燃料オフガスの排出量が減少されるようにパージ弁１４が制御されるので、アノード内の水素分圧が小さい場合に不必要に水素が排出されることが防止され、燃費の低下が抑制される。

［その他］
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上述の実施の形態では、センサを窒素濃度の推定手段として用いているが、センサを用いずに窒素濃度を推定することもできる。具体的には、パージ実行後の経過時間から窒素濃度を推定する方法である。窒素が電解質膜を透過する透過速度を略一定すると、パージ実行後、燃料ガス中の窒素濃度は再び一定の速度で上昇していくことになる。したがって、パージ実行後の窒素濃度の上昇速度を実験等により予め求めておくことで、パージ実行後の経過時間から現時点における窒素濃度を推定することができる。なお、窒素が電解質膜を透過する透過速度は燃料電池２の温度によって変化すると考えられるので、好ましくは温度をパラメータとして窒素濃度の上昇速度を設定する。

また、パージ弁１４を一定開時間、且つ一定周期で作動させ、そのときの理論水素消費量と実際の水素消費量との差を求めることで窒素濃度を推定することもできる。理論水素消費量は燃料電池２の発電電力から求めることができ、実際の水素消費量は調圧弁６の上流に流量計を設けることで計測することができる。理論水素消費量と実際の水素消費量との差は発電に利用されなかった水素量であり、パージ弁１４から外部に排出された水素量を意味している。パージ弁が一定開時間であれば、パージ弁１４から排出される水素量は燃料ガス中の水素濃度が低いほど、言い換えれば燃料ガス中の窒素濃度が高いほど少なくなる。したがって、理論水素消費量と実際の水素消費量との差が小さくなるほど、燃料ガス中の窒素濃度は高くなっていると言える。

また、上述の実施の形態では、パージ弁１４の開時間を変化させることで、燃料オフガスの排出量を制御しているが、パージ弁１４の作動周期を変えることで燃料オフガスの排出量を制御してもよい。同一の開時間であれば作動周期を短くすることで排出量を増大させることができる。

また、上述の実施の形態では、パージ弁１４としてシャットオフ弁を用いる場合について説明したが、パージ弁１４として流量調整弁を用いる場合には、弁の開度を変化させることで燃料オフガスの排出量を制御することも可能である。さらに、パージ弁１４がデューティ制御による電磁弁である場合には、パージ弁１４の作動中も燃料ガス中の窒素濃度の推定を連続して行い、パージ弁１４の作動中の窒素濃度の変化に応じて電磁弁のデューティ比をリアルタイムに変化させるようにしてもよい。これによれば、燃料オフガスの排出量をより正確に制御することができる。

また、上述の実施形態では、推定した燃料ガス中の窒素濃度に応じて燃料オフガスの排出量を制御しているが、燃料ガス供給装置からの燃料ガスの供給量を制御するようにしてもよい。図１に示す構成においては、ＥＣＵ２０により調圧弁６の調圧値を制御することで、燃料ガスの供給量を制御する。図４は本制御方法の概念を示す図であるが、調圧弁６の調圧値が一定の場合には、図４中のＡ，Ｂを比較して分かるように窒素分圧の上昇に応じて水素分圧は低下する。本制御方法では、図４中のＣに示すように調圧弁６の調圧値を高めることで、窒素分圧はそのままに水素分圧を高め、水素分圧を所望の圧力に維持するようにしている。図５は調圧弁６の調圧値の加算値と窒素濃度との関係を示すマップであり、窒素濃度が高くなるほど調圧値の加算値も高くなるように設定されている。このように水素分圧が一定値に維持されることで、燃料電池２の発電性能の低下を防止することができる。

また、上述の実施形態では、本発明を燃料ガスを循環させながら運転する形式の燃料電池システムに適用しているが、本発明はアノードデッドエンド式の燃料電池システムにも適用可能である。図６は本発明をアノードデッドエンド式の燃料電池システムに適用した場合の構成を示す概略図である。図６中、上述の実施の形態と同一の部位については同一の符号を付している。

アノードデッドエンド式の燃料電池システムでは、通常、パージ弁１４が閉じられた状態で燃料電池が作動されており、且つアノード出口付近では燃料ガスの流れは殆どない。このため、カソード側から透過した窒素がアノード出口側に滞留し、最終的に燃料オフガス通路８内に滞留することになる。したがって、アノードデッドエンド式の燃料電池システムでも、定期的にパージ弁１４を開いて燃料電池２のアノードに蓄積された窒素を外部に排出する必要がある。その際、燃料電池２内における燃料ス中の窒素濃度を推定し、図２に示すフローチャートに従いパージ弁１４を制御することで、上述の実施の形態と同様、燃料オフガスの排出量を最適化することができ、水素濃度の回復による発電性能の向上と、水素の不必要な排出を抑制することによる燃費の向上とを両立させることができる。

なお、アノードデッドエンド式の燃料電池システムにおいても、燃料ガス中の窒素濃度は燃料オフガス通路８において検出される燃料オフガスに係わる物理量から検出するのが望ましい。図６に示す構成では、オフガス通路８に配置された圧力センサ２４を用い、パージ弁１４を開いたときの圧力センサ２４の出力変化を検出することで窒素濃度を推定するようになっている。上述のように、カソード側から透過した窒素はアノード出口側に滞留し、最終的に燃料オフガス通路８内に滞留することから、燃料ガス通路４内よりも燃料オフガス通路８内のほうが窒素濃度が高くなる。したがって、燃料オフガスを検出対象とすることで燃料電池２内における燃料オフガス中の窒素濃度を正確に推定することができる。

本発明の実施の形態としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。本発明の実施の形態において実行されるパージ制御ルーチンのフローチャートである。図２のパージ制御ルーチンの実行時におけるパージ弁の作動と燃料オフガス通路内の圧力変化の関係を示すグラフである。変形例としての燃料ガスの調圧値の制御方法を説明するための概念図である。図４の変形例にかかる調圧弁の調圧値の加算値と窒素濃度との関係を示すマップである。別の変形例としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

２燃料電池
４燃料ガス通路
６調圧弁
８燃料オフガス通路
１０ポンプ
１２排出通路
１４パージ弁
２０ＥＣＵ
２２ａ，２２ｂ，２４圧力センサ
２６水素センサ
２８超音波センサ
３０電圧モニタ

Claims

水素を含む燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスの通路である燃料オフガス通路と、
前記燃料オフガス通路から前記燃料オフガスを外部に排出する排出手段と、
前記燃料電池内における前記燃料ガス中の窒素濃度を推定する窒素濃度推定手段と、
前記窒素濃度推定手段により推定された前記窒素濃度に応じて前記排出手段により排出される前記燃料オフガスの排出量を制御する排出量制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記窒素濃度推定手段は、前記燃料オフガス通路において検出される前記燃料オフガスに係わる物理量から前記窒素濃度を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記窒素濃度推定手段は、前記排出手段による前記燃料オフガスの排出中における前記燃料オフガス通路内の圧力降下速度から前記窒素濃度を推定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
前記排出手段が前記燃料電池の停止時に作動される場合、前記排出量制御手段は、前記窒素濃度が高いほど前記燃料オフガスの排出量を減少させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記燃料オフガス通路は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの通路である燃料ガス通路に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。