JP2006228680A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は燃料電池システムに関し、パージ弁から漏れた水素が希釈されないまま外部に排出されることを防止できるようにする。
【解決手段】 パージ弁１６を通って排出されるアノードオフガスは、希釈用ガス供給手段２２によって供給される希釈用ガスとともに希釈器２８へ導入する。パージ弁１６の漏れが検知されたときには、希釈用ガス供給手段２２による希釈器２８への希釈用ガスの供給の停止を禁止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アノードオフガスを希釈器へ排出するパージ弁を備えた燃料電池システムに係り、詳しくは、パージ弁に漏れが発生した場合の燃料電池システムの制御に関する。

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アノードガスが接触しカソードに空気などの酸素を含むカソード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。水素の有効利用が可能な燃料電池システムの形式としては、循環型システムとデッドエンド型システムが知られている。循環型システムは、燃料電池で使用されたアノードガスのオフガス（アノードオフガス）を再び燃料電池に循環させることで、アノードオフガスに残存している水素の有効利用を図ったシステムである。デッドエンド型システムは、燃料電池のアノード側出口を閉鎖した状態で運転し、アノードでの水素の消費に応じてアノードガスの供給を行うようにしたシステムである。

ところが、アノードに供給されるアノードガスとカソードに流れるカソードガスは電解質膜によって分離されているものの、一部のカソード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。カソードガスの主成分は不活性な窒素であるため、上記の循環型システムやデッドエンド型システムでは、燃料電池の運転に伴いアノードガス中の窒素濃度が上昇していくことになる。アノード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。このため、従来の燃料電池システムは、アノードオフガスを外部に排出するためのパージ弁を備えている。このパージ弁を適宜に作動させ、ガス通路内に蓄積されていた窒素をアノードオフガスとともに排出することで、燃料電池に供給されるアノードガス中の水素濃度を回復することができる。

パージ弁を備えた燃料電池システムでは、パージ弁の故障に対する対策が必要となる。例えば、パージ弁が開いたまま閉じなくなる開故障が生じた場合には、水素がパージ弁を通ってシステム外に排出され続けることになってしまう。特許文献１には、循環型システムにおいてパージ弁の開故障が生じたときのシステムの制御方法について開示されている。特許文献１に記載された制御方法によれば、パージ弁の開故障が検知された場合には、燃料電池の出力を制限することで水素の流量を減らし、パージ弁からの水素の漏れ量を抑制するとともに、アノードガスの循環通路を閉じることでパージ弁からガス通路内への空気の侵入を防止している。
特開２００３−９２１２５号公報 特開平８−３２９９６５号公報 特開２００４−１２７６２１号公報

通常、パージ弁を備えた燃料電池システムでは、水素を希釈するための希釈器がパージ弁の下流に備えられている。希釈器には、カソードオフガスが希釈用ガスとして供給されており、パージ弁を通った水素は希釈用ガスによって十分に希釈されてから外部へ排出される。ところが、希釈器への希釈用ガスの供給量は、パージ弁の正常時における希釈器内への水素の導入量にバランスするように設定されているため、パージ弁の開故障によって水素の漏れが発生している場合には、希釈用ガスの不足によって水素が十分に希釈されないまま排出されてしまう可能性がある。特許文献１に記載された技術によれば、水素の漏れ量を抑制することができるものの、希釈用ガスの供給量の制御は通常通りに行われるため、漏れた水素が希釈されないまま排出される可能性を否定することはできない。

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、パージ弁から漏れた水素が希釈されないまま外部に排出されることを防止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、燃料電池システムであって、
水素を含むアノード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アノードオフガスの通路であるアノードオフガス通路と、
前記アノードオフガス通路からアノードオフガスを排出するパージ弁と、
前記パージ弁を通って排出されたアノードオフガスが導入される希釈器と、
前記希釈器へ希釈用ガスを供給する希釈用ガス供給手段と、
前記パージ弁の漏れを検知する漏れ検知手段と、
前記漏れ検知手段により前記パージ弁の漏れが検知されたときには、前記希釈用ガス供給手段による希釈用ガスの供給の停止を禁止する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、前記希釈用ガス供給手段は、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段であり、
前記希釈用ガスは、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスであり、
前記制御手段は、前記漏れ検知手段により前記パージ弁の漏れが検知されたときには、前記カソードガス供給手段の運転の停止を禁止することを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、前記カソードガス供給手段は、前記燃料電池の運転に連動して作動するように構成され、
前記制御手段は、前記漏れ検知手段により前記パージ弁の漏れが検知されたときには、前記燃料電池の運転を間欠的に停止する間欠運転を禁止することを特徴としている。

第１の発明によれば、パージ弁の漏れが検知されたときには、希釈用ガスが希釈器へ常に供給されることになるので、パージ弁から漏れた水素が希釈されないまま外部に排出されるとは防止される。

第２の発明によれば、パージ弁の漏れが検知されたときには、燃料電池の運転状態にかかわらずカソードガス供給手段の運転は続行されるので、パージ弁から漏れた水素をカソードオフガスによって希釈し続けることができる。

第３の発明によれば、パージ弁の漏れが検知されたときには、燃料電池の間欠運転が禁止されてカソードガス供給手段の連続運転は続行されるので、カソードオフガスの希釈器への供給が停止することがない。また、燃料電池は連続的に発電し続けることになるので、カソードガス供給手段を駆動するための電力を確保し続けることができる。

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。

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、複数枚の単セルが積層されて構成されている。各単セルは、固体高分子電解質膜等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、アノードへの水素を含むアノードガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含むカソード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、アノードガス通路４が接続されている。アノードガス通路４の上流側には水素タンクや改質器などの図示しないアノードガス供給装置が接続されており、燃料電池２はアノードガス供給装置からアノードガスの供給を受けるようになっている。アノードガス通路４にはレギュレータ６が配置されており、アノードガス供給装置から供給されるアノードガスはレギュレータ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、燃料ガス通路４におけるレギュレータ６の上流側には、アノードガス供給装置から燃料電池２へのアノードガスの供給を遮断するための入口弁１０が配置されている。

燃料電池２のアノード出口には、アノードからのオフガス（アノードオフガス）を排出するためのアノードオフガス通路８が接続されている。アノードオフガス通路８の下流端は、アノードガス通路４におけるレギュレータ６の下流側に接続されている。アノードオフガス通路８にはポンプ１２が配置されており、ポンプ１２によって駆動されることでアノードオフガスは燃料電池２からアノードオフガス通路８に引き出され、再びアノードガス通路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の運転時にはアノードガスはアノードガス通路４とアノードオフガス通路８を通って循環する。

一方、燃料電池２のカソード入口には、カソードガスを供給するためのカソードガス通路２０が接続されている。本燃料電池システムではカソードガスとして空気を用いている。カソードガス通路２０の入口には、カソードガス供給手段としてのエアコンプレッサ２２が配置され、エアコンプレッサ２２により大気中の空気が取り込まれてカソードガス通路２０に圧送される。燃料電池２のカソード出口には、カソードからのオフガス（カソードオフガス）を排出するためのカソードオフガス通路２４が接続されている。

燃料電池２の運転状態は、制御装置３０によって制御されている。制御装置３０の出力側には、レギュレータ６，入口弁１０，ポンプ１２，エアコンプレッサ２２等の機器が接続されている。制御装置３０は、これらの機器の作動量を調整することで、モータ側からの要求電力量に応じた電力を燃料電池２に発電させている。燃料電池２の運転方法としては、常時、燃料電池２による発電を常時行う連続運転と、燃料電池２による発電を間欠的に停止する間欠運転とがある。モータ側から要求される電力量が小さい場合には、燃料電池２による発電を間欠的に停止することで、水素の消費を抑制して燃費を向上させることができる。制御装置３０は、モータ側からの要求電力量に応じて燃料電池２の間欠運転を行っている。間欠運転により燃料電池２の発電が一時的に停止される場合、アノードガスを循環させるためのポンプ１２の運転は停止され、カソードガスを供給するためのエアコンプレッサ２２の運転も停止される。

ところで、本燃料電池システムのようにアノードガスが循環する循環型システムでは、燃料電池２の運転に伴いアノードガス中の窒素濃度は次第に上昇していく。アノードガス中の窒素濃度を減少させて水素濃度の回復をはかるためには、循環系内に蓄積されている窒素を外部に放出する必要がある。このため、アノードオフガス通路８には、アノードオフガスを循環系内から排出するためのアノードオフガス排出通路１４が接続されている。アノードオフガス排出通路１４は、その下流端を希釈器２８に接続され、途中にはパージ弁１６が配置されている。パージ弁１６は通常は閉じており、制御装置３０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１６が開かれることで、アノードガスの循環系内に蓄積されていた窒素等の不純物はアノードオフガスとともに循環系外へ排出される。これにより、燃料電池２へ供給されるアノードガス中の水素濃度が回復する。なお、パージ弁１６としては、シャットオフバルブや流量調整バルブなど排出状態を制御することが可能な弁であればよい。

希釈器２８は、カソードオフガス通路２４の途中に設けられている。アノードオフガス排出通路１４を通って排出されたアノードオフガスは、希釈器２８内でカソードオフガスと混合する。アノードオフガス中には、不純物である窒素等の他、燃料電池２で消費されなかった水素も多く含まれている。アノードオフガス中の水素は高濃度であるが、カソードオフガスと混合することによって十分に希釈される。希釈された水素は、カソードオフガスとともにシステム外へ排出される。

制御装置３０は、前回のパージ弁１６の作動から一定時間が経過したとき、或いは、循環系内の水素濃度の低下が認められたとき、パージ弁１６を作動させている。ただし、パージ弁１６を作動させるのは、燃料電池２の運転中のみであり、燃料電池２の発電停止時には作動させない。発電停止中はエアコンプレッサ２２の運転が停止するため、希釈器２８に希釈用のカソードオフガスを供給することができないからである。

しかし、何等かの原因でパージ弁１６に開故障が生じた場合、制御装置３０からの制御信号の有無にかかわらず、パージ弁１６からは常時アノードオフガスが漏れ出ることになる。燃料電池２が発電している場合には、エアコンプレッサ２２の作動によって希釈器２８内にカソードオフガスが供給されるため、漏れ出たアノードオフガスはカソードオフガスで希釈されてからシステム外へ排出される。しかし、燃料電池２の運転停止時、例えば、間欠運転によって燃料電池２が一時的に停止している場合には、エアコンプレッサ２２の停止に伴い希釈器２８内へのカソードオフガスの供給も停止する。このため、希釈器２８内にはアノードオフガスのみが流れ込むことになって希釈器２８内のガスの水素濃度は上昇し、この水素濃度の高いガスが希釈器２８からシステム外へ排出されるおそれが生じる。

水素は可燃物であるため、高い水素濃度のガスをそのままシステム外へ放出することは防止したい。対策としては、希釈器２８の下流にさらに弁を設けることや、別の後処理装置を希釈器２８の下流に設けることが考えられるが、装置の複雑化やコストの増大を招くことになる。そこで、本燃料電池システムでは、パージ弁１６の開故障に対する対策として、制御装置３０による次のような制御を行っている。

図２及び図３は、パージ弁１６の開故障対策として制御装置３０により実行される制御の内容をフローチャートで示したものである。図２は、燃料電池システムの起動時や、再起動時に一度だけ実行される初期化ルーチンを示している。このルーチンの実行により、燃料電池２の間欠運転を禁止するＦＣ間欠禁止フラグがオフにされる（ステップ１００）。

図３に示すルーチンは、制御装置３０に電力が投入されている間、一定の周期（例えば１６ｍｓｅｃ周期）で繰り返し実行される燃料電池２の運転制御ルーチンである。本ルーチンの最初のステップ１０２では、パージ弁１６からの水素の漏れ量が算出される。水素漏れ量を求めることで、パージ弁１６が開故障しているか否か判断することができる。水素漏れ量は、燃料電池２の発電量から換算される水素消費量と、実際の水素消費量との差を求めることで算出することができる。実際の水素消費量（アノードガス消費量）は、入口弁１０の上流に流量計３２を配置することで計測することができる。

次のステップ１０４では、ステップ１０２で算出された水素漏れ量が基準値を超えていないか判定される。発電量から換算される水素消費量にも、流量計３２によって計測される実際の水素消費量にもそれぞれ誤差が含まれているので、基準値はこれらの誤差を勘案して設定されている。発電量から換算される水素消費量が、実際の水素消費量よりも誤差の範囲を超えて大きければ、パージ弁１６の開故障によって水素が循環系外に漏れていると判断することができる。

ステップ１０４の判定の結果、水素漏れ量が基準値以下の場合には、パージ弁１６は正常であると判断することができる。この場合、ＦＣ間欠禁止フラグのオフ設定は保持され、燃料電池２の間欠運転が許可される。これにより、モータ側からの要求電力量が小さい場合には、燃料電池２による発電は間欠的に停止され、その間、エアコンプレッサ２２の運転も停止される。エアコンプレッサ２２の運転停止中は、希釈器２８へカソードオフガスを供給することができないため、パージ弁１６の作動も禁止される。

一方、ステップ１０４の判定の結果、水素漏れ量が基準値を超えている場合には、ＦＣ間欠禁止フラグがオンにされ、燃料電池２の間欠運転は禁止される（ステップ１０６）。間欠運転が禁止されることで、モータ側からの要求電力量が小さい場合であっても燃料電池２による発電は連続して行なわれ、エアコンプレッサ２２も停止することなく連続して運転される。

以上の運転制御ルーチンが実行されることにより、パージ弁１６の開故障によって水素が循環系内から漏れ出ているときには、燃料電池２の間欠運転が禁止されてエアコンプレッサ２２の連続運転は続行される。これにより、カソードオフガスの希釈器２８への供給が停止することはなく、パージ弁から漏れた水素が希釈されないままシステム外に排出されることは防止される。

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、パージ弁１６の開故障を発電量から換算される水素消費量と実際の水素消費量との差によって判定しているが、他の方法によって判定してもよい。例えば、燃料電池２の発電停止中、入口弁１０を閉じてその下流における圧力降下量を計測すればよい。パージ弁１６の開故障によってアノードガスが漏れている場合には、循環系内の圧力は降下する。したがって、上記のように圧力降下量を計測することで、パージ弁１６の開故障を判定することができる。

また、上述の実施の形態では、パージ弁１６の開故障時、燃料電池２の間欠運転を禁止しているが、燃料電池２の発電は間欠的に停止してエアコンプレッサ２２のみ運転を続けるようにしてもよい。また、燃料電池２の運転を完全に停止する際には、循環系内に残存しているアノードガスがそのままの水素濃度でシステム外へ漏れ出すのを防止するため、発電停止後の暫くの間、エアコンプレッサ２２の運転を続行するのが望ましい。

また、上述の実施の形態では、アノードオフガスを希釈するための希釈用ガスとしてカソードオフガスを供給しているが、他のガスを希釈用ガスとして用いてもよい。例えば、カソードオフガス通路２４とは別系統の希釈用ガス通路を希釈器２８に接続し、エアポンプによって希釈器２８内に空気を供給するようにしてもよい。パージ弁１６が開故障したときには、エアポンプを連続運転して希釈器３０へ空気を送るようにする。この場合は、燃料電池２の間欠運転は可能であり、エアコンプレッサ２２の運転を停止することもできる。

また、上述の実施の形態では、本発明をアノード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、本発明は所謂デッドエンド型の燃料電池システムにも適用可能である。デッドエンド型システムにおいても、アノードオフガスを排出するためのパージ弁とアノードオフガスを希釈するための希釈器が備えられている。したがって、本発明を適用することで、パージ弁から漏れた水素が希釈器で希釈されないまま、システム外に排出されることを防止することができる。

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初期化ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態において実行される燃料電池の運転制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

２ 燃料電池
４ アノードガス通路
６ レギュレータ
８ アノードオフガス通路
１０ 入口弁
１２ ポンプ
１４ アノードオフガス排出通路
１６ パージ弁
２０ カソードガス通路
２２ エアコンプレッサ
２４ カソードオフガス通路
２８ 希釈器
３０ 制御装置
３２ 流量計

Claims (3)

1. 水素を含むアノード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アノードオフガスの通路であるアノードオフガス通路と、
   前記アノードオフガス通路からアノードオフガスを排出するパージ弁と、
   前記パージ弁を通って排出されたアノードオフガスが導入される希釈器と、
   前記希釈器へ希釈用ガスを供給する希釈用ガス供給手段と、
   前記パージ弁の漏れを検知する漏れ検知手段と、
   前記漏れ検知手段により前記パージ弁の漏れが検知されたときには、前記希釈用ガス供給手段による希釈用ガスの供給の停止を禁止する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記希釈用ガス供給手段は、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給手段であり、
   前記希釈用ガスは、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスであり、
   前記制御手段は、前記漏れ検知手段により前記パージ弁の漏れが検知されたときには、前記カソードガス供給手段の運転の停止を禁止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。
3. 前記カソードガス供給手段は、前記燃料電池の運転に連動して作動するように構成され、
   前記制御手段は、前記漏れ検知手段により前記パージ弁の漏れが検知されたときには、前記燃料電池の運転を間欠的に停止する間欠運転を禁止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。
   

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