JP2005228491A

JP2005228491A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2005228491A
Application number: JP2004033257A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: DE112005000324B4; WO2005076393A2; JP4779301B2; WO2005076393A8; DE112005000324T5; CN100444449C; CN1914760A; US8153321B2; WO2005076393A3; US20070154751A1

Abstract

【課題】燃料電池スタック内において不純物が一箇所に蓄積するのを防止して、燃料の利用効率向上が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、アノード極に水素を供給する２つの供給路を備える、水素の流量を制御するバルブが、それぞれの供給路に設けてある。更に、アノード極から排気を排出する排気路が供給路上に設けてあり、この排気路上にもバルブが設けてある。上記の燃料電池システムでは、排気路に設けたバルブが閉であるときに、供給路に設けたバルブを制御して２つの供給路を通過する水素の流量比が時間的に変化するようにする。これにより、アノード極内の水素の最下流位置を変化させることができる。
【効果】燃料電池スタック内の窒素などの不純物を拡散させることができる。これにより、不純物の排出のための水素パージ量を減らすことができ、燃料の利用効率向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料ガスの利用効率向上に関する。

燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、アノード極（即ち、水素極又は燃料極）とカソード極（即ち、酸素極）から構成される燃料電池スタックを本体として、アノード極に供給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンクや、未使用の燃料ガスを含む排ガスを元のアノード極に戻すためのポンプ等が付設されたシステムである。燃料電池スタックでは、水素と空気に含まれる酸素が反応して電力が生成される。

ここで、燃料電池システムでは、電池反応が進むにつれてカソード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アノード極側へと滲み出してくる。このため、窒素や水蒸気（以下、これらを合わせて「不純物」とも呼ぶ）の分圧が上昇して排気中の未使用の燃料量ガスの濃度が低下して、燃料電池スタックの発電能力が低下してしまう。

そこで、例えば特許文献１には、燃料電池スタックの発電能力が低下したと判断された時に、アノード極側の排気路に配設された開閉バルブを開き（即ち、「水素パージ」）、未使用のガスと不純物を含んだガスを下流側に設けた副燃料電池スタックに供給するという技術が記載されている。また、特許文献２には、燃料電池スタックの出力電圧が低下すると判断される場合に、排出口に設けた遮断弁を開とすることにより、燃料電池スタック内の燃料ガスが供給される供給路に存在する不純物を外部に放出するという技術が記載されている。その他にも、特許文献３には、供給口と排出口を複数有する燃料電池システムにおいて、面内での燃料ガスの拡散のために複数の供給口から燃料を供給するという技術が記載されている。

しかしながら、上記の燃料電池システムでは、燃料電池スタック内において不純物が一箇所に蓄積してしまい、燃料電池スタック全体での発電効率が低下する場合があった。まう、このような発電効率の低下を防ぐために、水素パージ量が増加してしまう場合があった。

特開２００３−７７５０６号公報特開平９−３１２１６７号公報特開平１１−１４４７５３号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池スタック内において不純物が一箇所に蓄積するのを防止して、燃料の利用効率向上が可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の１つの観点では、アノード極とカソード極が配設され、供給される燃料ガスから電力を生成する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、前記アノード極に前記燃料ガスを供給する第１の供給路及び第２の供給路と、前記アノード極から排気を排出する排気路と、前記第１の供給路を通過する燃料ガスの流量、及び前記第２の供給路を通過する燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、前記排気路を開閉する開閉手段と、を有し、前記第２の供給路は、前記燃料スタックの入口より下流で前記開閉手段より上流に備えられ、前記流量制御手段は、前記排気路が閉であるときに、前記第１の供給路を通過する流量と前記第２の供給路を通過する流量との流量比が変化するように制御することを特徴とする。

上記の燃料電池システムは、燃料電池自動車などに搭載される。燃料電池スタックはアノード極とカソード極から構成され、アノード極に供給する水素などの燃料ガスとカソード極に供給する空気（即ち、酸素）にて電力を生成する。上記の燃料電池システムでは、アノード極に燃料ガスを供給する２つの供給路（第１の供給路と第２の供給路）を備える。また、２つの供給路を通過する燃料ガスの流量を制御する流量制御手段も備える。更に、アノード極より排気を排出する排気路を備え、この排気路上には例えばバルブなどの開閉手段が設けてある。第２の供給路は、燃料スタックの入口より下流で開閉手段より上流に備えられている。上記の燃料電池システムでは、排気路に設けた開閉手段が閉であるときに、上述の供給路に設けた流量制御手段は、第１供給路と第２の供給路の流量比が時間的に変化するように制御を行う。これにより、アノード極に２つの供給路が配設される場所（以下、「供給口」と呼ぶ）の間で、アノード極内の燃料ガスの最下流位置を変化させることができる。よって、窒素などの不純物を、供給口の間で拡散させることができる。したがって、不純物の排出のための水素パージ量を減らすことができ、燃料の利用効率向上を図ることができる。また、燃料ガスの最下流位置を変化させることにより不純物の拡散だけでなく、結露水の拡散も行われる。これにより、アノード極内でフラッディングを防止することができる。更に、この結露水を燃料電池スタック内の加湿水として効果的に利用することができる。これにより、燃料電池スタックのドライアウトを防止することもできる。

上記の燃料電池システムの一態様では、前記流量制御手段は、前記開閉手段が開のときは、前記燃料電池スタック内の燃料ガスの最下流位置が、前記排気路が配設されている位置となるように流量を制御する。排気路に設けた開閉手段を開とすると、アノード極内の不純物は未使用の水素と共に排出される。上記の燃料電池システムでは、不純物の排出時には、アノード極内の水素の最下流位置が、排気路が配設されている位置となるように流量を制御する。これにより、効果的に不純物を排出することができる。

上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記流量制御手段は、通過する燃料ガスの流量が、間欠的に変化するように制御する。例えば、水素を供給するバルブの開閉を間欠的に制御する。好ましくは、前記流量制御手段は、前記第１の供給路と前記第２の供給路に燃料ガスの供給を開始する時間をずらす。これにより、燃料ガスの流れに脈動を生じさせてアノード極内の最下流位置を細かく制御することができ、不純物を効果的に拡散させることができる。

上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記燃料電池スタックの状態に基づいて、前記燃料電池スタックに供給すべき前記燃料ガスの流量を算出する流量算出手段を備え、前記流量制御手段は、前記第１の供給路と前記第２の供給路から前記アノード極に供給される前記燃料ガスの流量の合計が前記流量算出手段により算出された流量となるように前記燃料ガスの流量を制御する。これにより、必要な流量の水素を燃料電池スタックに供給し、必要な発電量を確保することができる。

上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記第２の供給路は、前記燃料スタックと前記開閉手段との間の前記排気路にバイパスされている。これにより、アノード極内の水素の最下流位置を燃料電池スタックのほぼ全体にわたって広範囲に移動させることができる。よって、アノード極内の不純物も広範囲に拡散し、水素パージ量を更に削減することができる。更に、アノード極の面内の発電分布をより均一化することができるので、燃料電池スタックの耐久性も向上させることができる。このとき、好ましくは、第２の供給路に設けたバルブから第２の供給路と排気路の接点までの流路の容積が小さくなるように構成される。これにより、排出される未使用の水素の量を増加させることなく、排出する不純物の量を増加させることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の１つの実施形態に係る燃料電池システムを示す構成概略図である。

図１において燃料電池システム１００は、主に、燃料電池スタック１０と、燃料タンク２０と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）４０と、バルブ２２、２３、２４と、水素供給路３０、３２と、水素供給口３１、３３と、水素排気路３４と、空気供給路３６と、空気供給口３７と、空気排出口３８と、空気排気路３９と、を備えている。燃料電池システム１００は、燃料電池自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）などに搭載される。

燃料電池スタック１０は、電解質膜１６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を、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた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１６面にカソード極（空気極）１２と、アノード極（燃料極）１４が形成された電池セルの構造のみを示している。

燃料電池スタック１０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。燃料電池スタック１０の発電電圧は、モータに指令トルク等に応じた電流を供給する図示しないインバータなどに出力されるようになっている。また、燃料電池スタック１０の発電電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータで降圧されて、車両に搭載される種々の補機や、これらへの給電用の二次電池であるバッテリに出力されるようになっている。

本実施形態においては、燃料電池スタック１０には、水素供給口３１、３３の２箇所から燃料ガス（以下、単に「水素」と呼ぶ）が供給されるようになっている。燃料タンク２０より供給される水素は、水素供給路３０を通過する水素と水素供給路３２を通過する水素とに分割されて、水素供給口３１、３３からそれぞれアノード極１４へ供給される。水素供給路３０は第１の供給路として機能し、水素供給路３２は第２の供給路として機能する。

水素供給路３０、３２には、それぞれ通過する水素の流量を制御する流量制御弁であるバルブ２２とバルブ２３が設けられている。バルブ２２、２３は、電磁式の２方弁であり、それぞれＥＣＵ４０からの制御信号（制御パルス信号など）Ｓ１１、Ｓ１２により制御される（以下、この制御を「流量制御」とも呼ぶ）。バルブ２２、２３は、電磁弁のソレノイドコイルへ通電される制御パルスのデューティ比により、弁の開閉が行われる。よって、上記の制御信号Ｓ１１、Ｓ１２に基づいて、バルブ２２及びバルブ２３を通過する水素の流量が制御される。なお、制御信号Ｓ１１、Ｓ１２については、詳細は後述する。

なお、バルブ２２、２３は、ステップモータ等のモータにて構成された、開度量の調節が可能な装置としてもよい。この場合、ＥＣＵ４０は、バルブ２２、２３が設定されるべき開度量に対応した制御信号Ｓ１１、Ｓ１２を、バルブ２２とバルブ２３へ入力することとなる。

バルブ２３と水素供給口３３の間の水素供給路３２には、水素排気路３４が接続されている。更に、水素排気路３４上にはバルブ３４が設けられている。バルブ３４は、ＥＣＵ４０から供給される制御信号Ｓ１３によって制御される。これにより、バルブ３４の開閉、又は開度量の調節が行われる。バルブ３４の開閉、又は開度量の調節が行われることにより、水素排気路３４を通過するガス（即ち、未使用の水素や、前述した不純物などを含むガスであり、以下単に「排気」とも呼ぶ）の流量が制御される。バルブ３４が閉であるときは水素排気路３４には排気は通過しないが、バルブ３４が開であるときはアノード極１４から排出される排気が水素排気路３４より排出されるようになっている。

空気は、矢印５８で示すように空気供給路３６を通過して、空気供給口３７よりカソード極１２に供給される。そして、カソード極１２から排出される空気は、空気排出口３８から矢印５９で示すように空気排気路３９を通過して排出される。

ＥＣＵ４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ＥＣＵ４０は、前述したように、バルブ２２、２３、２４に制御信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３を供給することで、弁の開閉、又は開度量の調節を行う。この際には、ＥＣＵ４０は、車両の運転状態や現在のバルブの状態などに基づいて制御信号Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３を決定する。ＥＣＵ４０が行う具体的な流量制御については、詳細は後述する。

次に、上記のバルブ２２、２３、２４を制御して通過する流量を変化させたときの、燃料電池スタック１０内のガスの流れ等について、図２乃至５を用いて説明する。

図２は、バルブ２２、２３、２４を制御したときの水素供給路３０、３２、及び水素排気路３４のガスの流れについて示した図である。

図２（ａ）は、バルブ２２とバルブ２３を開とし、バルブ２４を閉としたときの水素の流れを示した図である。ここで、バルブ２２に対する制御パルスのデューティ比は、バルブ２３に対する制御パルスのデューティ比よりも大きいものとする。即ち、バルブ２２を通過する燃料ガスの流量の方が、バルブ２３を通過する燃料ガスの流量より大きいものとする。図示のように、燃料タンク２０より供給される水素（符号５０で示す）は、水素供給路３０を通過する矢印５１で示す水素と、水素供給路３２を通過する矢印５２で示す水素に分割され、それぞれ水素供給口３１と水素供給口３３からアノード極１４内に流れ込む。したがって、アノード極１４内では、矢印５３と矢印５４で示す双方向の流れが生じている。この場合には、水素排気路３４にはガスは流れない。

図２（ｂ）は、バルブ２２を開とし、バルブ２３を閉とし、バルブ２４を開としたときの水素の流れを示した図である。図示のように、燃料タンク２０より供給された水素（矢印５０で示す）は、バルブ２２のみを通過する。そして、アノード極１４内では、矢印５３で示す一方向の流れが生じている。燃料電池スタック１０にて反応に使用されなかった水素やアノード極１４内の窒素等の不純物（即ち、排気）は、矢印５５で示すように水素供給口３３より排出される。そして、この排気は、矢印５６で示すように水素排気路３４を通過して排出される。本実施形態に係る燃料電池システム１００では、水素排気路３４が、バルブ２４が開のときの水素の最下流位置となる場所に設けられている。これにより、アノード極１４内の不純物を、効率よく排出することができる。なお、図２（ｂ）ではバルブ２３を閉とした例を示したが、バルブ２３を開としていても、上記したように水素排気路３４からガスを排出することができる。

次に、図２の切断線Ｘ−Ｘ’に沿ったアノード極１４の断面図を示す図３を用いて、アノード極１４内の水素の流れについて詳しく説明する。

図３（ａ）は、バルブ２２をデューティ比３０％で制御し、バルブ２３をデューティ比１０％で制御した場合を示す。アノード極１４の紙面の上に記載した数字は、水素の量（言い換えると、水素の流速）を示す。図示のように、バルブ２２から供給される水素（矢印５３で示す）と、バルブ２３から供給される水素（矢印５４で示す）は、アノード極１４にて反応に使用された結果、符号６０に示す位置にて水素の量が０になる。この位置は、水素の流速が０となる最下流位置である。

図３（ｂ）は、バルブ２２をデューティ比１０％で制御し、バルブ２３をデューティ比３０％で制御した場合を示す。図示のように、最下流位置６０は、図３（ａ）に示したものよりも紙面の右に移動することがわかる。

図４も、図２に示した切断線Ｘ−Ｘ’に沿ったアノード極１４の断面図である。図４を用いて、アノード極１４内の不純物の状態などについて説明する。

図４（ａ）は、一般的に用いられている燃料電池システムに関して、アノード極１４内の不純物が蓄積する様子を示した図である。この場合、アノード極１４には、バルブ２２のみから水素を供給する（矢印５１で示す）。よって、アノード極１４内には一方向の水素の流れが生じる。これにより、水素の最下流位置は、アノード極１４の端部に固定される。これにより、図示のように、不純物６２は最下流位置に蓄積してしまう。

図４（ｂ）は、本実施形態に係る燃料電池システム１００に関して、アノード極１４内の不純物が蓄積する様子を示した図である。本実施形態に係る燃料電池システム１００においては、アノード極１４に２方向から水素を供給する。更に、図３を用いて説明したように、バルブ２２とバルブ２３のデューティ比を制御することにより、アノード極１４内の水素の最下流位置６０を変化させることができる。したがって、不純物６３は一箇所に固定されずに、図４（ｂ）に示すようにアノード極１４の略全体に拡散される。

なお、本実施形態に係る燃料電池システムでは、上記した不純物の拡散だけでなく、同時に結露水の拡散も行うことができる。これにより、アノード極１４内でフラッディングを防止することができる。更に、この結露水を燃料電池スタック１０内の加湿水として効果的に利用することができる。これにより、燃料電池スタック１０のドライアウトを防止することもできる。

図５に、アノード極１４内の不純物の濃度と燃料電池スタック１０の出力電圧の関係について示す。不純物濃度に対する燃料電池スタック１０の出力電圧の関係は、概ね特性曲線Ａ１で示すような関係がある。図示のように、不純物がある一定の濃度に達すると、燃料電池スタック１０の出力電圧が極端に減少することがわかる。

図５の特性を考慮に入れて、再度、図４について説明を行う。

図４（ａ）に示したように不純物６２が一箇所に蓄積されてしまうと、その箇所の出力電圧が極度に低下してしまうことがわかる。よって、燃料電池スタック１０全体の出力性能も大きく低下してしまう場合がある。そこで、一般的には適度に水素パージを行って、燃料電池スタック１０全体の出力性能の低下を防止している。

一方、図４（ｂ）に示したように不純物６３を拡散すると、単位体積あたりの不純物濃度は低い。そのため、燃料電池スタック１０全体の出力性能が著しく低下してしまうような状態には達しにくい。これにより、アノード極１４内の不純物６３を排出するために、ガスの排出（本実施形態の場合、バルブ２４を開にして行う）を行う回数を減らすことができる。即ち、水素のパージ量を減らすことができる。また、アノード極１４の面内の発電分布をより均一化することができるので、燃料電池スタック１０の耐久性も向上させることができる。

なお、上記した燃料電池システム１００では、バルブ２３とバルブ２４の間の流路の容積が小さくなるように構成されることが好ましい。即ち、バルブ２３とバルブ２４の流路間の距離が短くなるように構成することが好ましい。これは、水素のパージ時に、排出される水素の量が同一である場合で比較したとき、上記の流路容積が少ない方が不純物をより多く排出できるからである。言い換えれば、バルブ２３とバルブ２４との間の流路は、水素パージ時にバルブ２４を開として不純物を排出する際、不純物溜まりとなる部分であるので、この流路容積を小さくすることにより、不純物を確実に排出することが可能となる。

また、バルブ２２とバルブ２３の各々の通過可能最大流量は、燃料電池スタック１０が要求する最大流量の半分以上であるか、又はこれらの合計値が要求する最大流量以上であることが好ましい。このように各バルブを構成することにより、要求に見合った発電量が確保される。

なお、上記の実施形態では、燃料電池システムにおいて、バルブ２２とバルブ２３に入力する制御信号Ｓ１１とＳ１２のデューティ比を変えて流量制御を行っている。これに加えて、制御信号Ｓ１１とＳ１２に位相差を付与することによって、バルブ２２とバルブ２３を通過してアノード極１４へ流入する水素の流れに脈動を生じさせることができる。図６は、ＥＣＵ４０がバルブ２２とバルブ２３へ供給する制御信号Ｓ１１とＳ１２の具体例である。なお、図６においては説明の便宜上、バルブ２２と２３のデューティ比が等しい場合について示している。図６において、上図にバルブ２２への制御信号Ｓ１１を示し、下図にバルブ２３への制御信号Ｓ１２を示す。図示のように、制御信号Ｓ１１と制御信号Ｓ１２の間には、位相差ｐが付与されている。このような流量制御によって、アノード極１４内に水素の流れの脈動を生じさせることができる。これによって、アノード極１４内の不純物の拡散、フラッディング及びドライアウトの防止を、更に効果的に実現することができる。

なお、前述のように、バルブ２２、２３が開度量の調節が可能な装置である場合は、ＥＣＵ４０は、バルブ２２、２３の開度量を調節することによって、アノード極１４内で不純物が拡散されるように流量制御を行ってもよい。

［流量制御処理］
次に、本実施形態に係る流量制御処理について説明する。なお、流量制御処理は、ＥＣＵ４０が主体となって行う。また、流量制御処理は、燃料電池スタック１０の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。

図７は、本実施形態に係る流量制御処理を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１では、ＥＣＵ４０は、アノード極１４に供給すべき水素の流量を算出する。ＥＣＵ４０は、燃料電池スタック１０の現在の発電量などに基づいて、供給すべき水素の流量を算出する。即ち、ＥＣＵ４０は、アノード極１４に供給すべき燃料ガスの流量を算出する流量算出手段として機能する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ＥＣＵ４０は、バルブ２２とバルブ２３を通過すべき水素の流量のタイムチャートを示す運転マップを呼び出す。ＥＣＵ２０内のメモリなどには、予め数種類の運転マップが記憶されている。ＥＣＵ２０は、ステップＳ１１にて算出された供給すべき水素の量に基づいて、これらの中から最適な運転マップを呼び出す。

図８に、運転マップの具体例を示す。曲線Ｃ１はバルブ２２を通過すべき水素の流量を示し、曲線Ｃ２はバルブ２３を通過すべき水素の流量を示すものとする。この運転マップは、当該フローを再度実行したときにアノード極１４に供給すべき水素の量が同じである場合は、前回用いた波形を繰り返して用いることができる。即ち、バルブ２２とバルブ２３を通過する水素の流量は周期的に変化することになる。なお、任意の時刻Ｔにおける、バルブ２２を通過すべき水素の流量ｑ１とバルブ２３を通過すべき水素の流量ｑ２とを加算した流量は、ステップＳ１１にて算出されたアノード極１４に供給すべき水素の流量に一致する。

図７に戻って、流量制御処理について説明する。以上のようなステップＳ１２の処理が終了すると、処理はステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、ＥＣＵ４０は、現状におけるバルブ２２とバルブ２３の状態を読み込む。例えば、ＥＣＵ４０は、現状のバルブ２２とバルブ２３の開閉状態を読み込む。即ち、バルブ２２とバルブ２３が開であるのか、又は閉であるのかを取得する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１３にて取得した現状のバルブ２２とバルブ２３の状態に基づいて、ステップＳ１２にて呼び出した運転マップ上の運転開始位置を決定する。そして、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、ＥＣＵ４０は、ステップＳ１２にて呼び出した運転マップに示される流量に従って、ステップＳ１４で決定された運転開始位置からバルブ２２とバルブ２３の制御を実行する。

以上のように、ＥＣＵ４０が、予め用意された運転マップに従ってバルブ２２とバルブ２３を通過すべき水素の流量を制御することにより、アノード極１４内の不純物を効果的に拡散させることができる。これにより、水素パージ量を削減することができるため、燃料電池スタック１０の利用効率が向上する。

［変形例］
以下では、前述した燃料電池システム１００の構成に関する変形例について示す。

図９は、本発明の変形例に係る燃料電池システム１０２の構成概略を示すブロック図である。燃料電池システム１０２は、基本的な構成は燃料電池システム１００と同様である。また、アノード極１４に２箇所の供給口から水素を供給する点でも同様であるが、アノード極１４に水素を供給する水素供給系におけるバルブの配置や構成要素などが異なる。よって、以下では主に、燃料電池システム１０２の水素供給系について説明する。燃料電池システム１０２の水素供給系は、バルブ７２、７３、７４、７５、７６と、ポンプ７７、７８と、流路８０、８１、８２、８３、８４と、から構成される。バルブ７１は調圧弁であり、バルブ７２、７３、７４は二方弁であり、バルブ７５、７７は逆止弁である。バルブ７２は流路８０上に設けられ、バルブ７３は流路８１上に設けられ、バルブ７４は流路８４上に設けられる。流路８０と流路８１は、流路８２、８３にてバイパスされている。流路８２には逆止弁７５とポンプ７８が設けられ、流路８３にはポンプ７７と逆止弁７６が設けられている。

図１に示した燃料電池システム１００においては、流量調整機能を有するバルブ２２及び２３によりアノード極１４へ供給される水素流量を調整している。これに対し、図９の例では、バルブ７２及び７３は流量調整機能を有しない開閉弁である。バルブ７２、ポンプ７８及び逆止弁７５の組み合わせにより水素供給口３１からアノード極１４への水素流量が制御され、バルブ７３、ポンプ７７及び逆止弁７６の組み合わせにより水素供給口３３からアノード極１４への水素流量が制御される。即ち、ポンプ７７及び７８の出力を制御することにより水素の流量が制御される。なお、上記のバルブとポンプは、図示しないＥＣＵによって制御される。

図１０は、本発明の他の変形例に係る燃料電池システム１０３の構成概略を示すブロック図である。この変形例でも、アノード極１４に水素を供給する水素供給系におけるバルブの配置や構成要素などが、前述した燃料電池システム１００とは異なる。よって、以下では主に、燃料電池システム１０３の水素供給系について説明する。燃料電池システム１０３の水素供給系は、バルブ８６、８７、８８、８９と、ポンプ９０と、流路９１、９２、９３、９４と、から構成される。バルブ８６は調圧弁であり、バルブ８７は二方弁であり、バルブ８８、８９は三方弁である。バルブ８６、８８は流路９１に設けられ、バルブ８７、８９は流路９２に設けられている。流路９１と流路９２は、バルブ８８とバルブ８９を介して流路９３にてバイパスされ、更にポンプが設けられた流路９４にてバイパスされている。

図１に示した燃料電池システム１００においては、流量調整機能を有するバルブ２２及び２３によりアノード極１４へ供給される水素流量を調整している。これに対し、図９の例では、三方弁であるバルブ８８、８９及びポンプ９０により、図中の矢印のようにアノード極１４への水素流量が制御される。即ち、ポンプ９０の出力及びバルブ８８及び８９の開閉方向を制御することにより水素の流量が制御される。なお、上記のバルブとポンプは、図示しないＥＣＵによって制御される。

以上のように、変形例に係る燃料電池システム１０２及び燃料電池システム１０３によっても、アノード極１４内に２箇所から水素を供給し、この供給する水素の流量を制御することでアノード極１４内の不純物を拡散させることができる。したがって、水素パージ量の削減が可能となり、燃料の利用効率向上に繋がる。また、燃料電池スタック１０内のフラッディング及びドライアウトを防止することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。バルブを制御した時の、流路内の水素の流れを示す図である。バルブを制御した時の、アノード極内の水素の流れを示す図であるアノード極内の不純物の状態などについて示した図である。アノード極内の不純物濃度と燃料電池スタックの出力電圧の関係を示す図である。バルブを制御する制御信号の一例について示す図である。本発明の実施形態に係る流量制御処理を示すフローチャートである。流量制御処理に用いる運転マップの一例を示す図である。本発明の変形例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の他の変形例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０燃料電池スタック
１２カソード極
１４アノード極
２０燃料タンク
２２、２３、２４バルブ
３０、３２水素供給路
３１、３３水素供給口
３４水素排気路
４０ＥＣＵ（Engine Control Unit）
１００、１０２、１０３燃料電池システム

Claims

アノード極とカソード極が配設され、供給される燃料ガスから電力を生成する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
前記アノード極に前記燃料ガスを供給する第１の供給路及び第２の供給路と、
前記アノード極から排気を排出する排気路と、
前記第１の供給路を通過する燃料ガスの流量、及び前記第２の供給路を通過する燃料ガスの流量を制御する流量制御手段と、
前記排気路を開閉する開閉手段と、を有し、
前記第２の供給路は、前記燃料スタックの入口より下流で前記開閉手段より上流に備えられ、
前記流量制御手段は、前記排気路が閉であるときに、前記第１の供給路を通過する流量と前記第２の供給路を通過する流量との流量比が変化するように制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記流量制御手段は、前記開閉手段が開のときは、前記燃料電池スタック内の燃料ガスの最下流位置が、前記排気路が配設されている位置となるように流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記流量制御手段は、通過する燃料ガスの流量が、間欠的に変化するように制御する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。
前記流量制御手段は、前記第１の供給路と前記第２の供給路に燃料ガスの供給を開始する時間をずらすことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの状態に基づいて、前記燃料電池スタックに供給すべき前記燃料ガスの流量を算出する流量算出手段を備え、
前記流量制御手段は、前記第１の供給路と前記第２の供給路から前記アノード極に供給される前記燃料ガスの流量の合計が前記流量算出手段により算出された流量となるように前記燃料ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１及至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記第２の供給路は、前記燃料電池スタックと前記開閉手段との間の前記排気路に接続されていることを特徴とする請求項１及至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。