JP2006236618A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 不純物と同時に排出される燃料ガスの量を適切に抑制することが可能な技術を提供する。
【解決手段】 第２ＦＣ１０６は、配管１０４内のアノードオフガスに含まれる水素ガスによって発電を行い、電磁弁１０８は、この第２ＦＣ１０６の発電電力に応じた力で配管１０４を閉鎖する。このため、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が低く、窒素濃度が高いほど、当該アノードオフガスのシステム系外への排出量が増加し、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が高く、窒素濃度が低いほど、当該アノードオフガスのシステム系外への排出量が減少し、燃料ガスである水素の排出をできるだけ抑制しつつ、不純物である窒素の排出を行うことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両等の移動体に搭載された燃料電池から該移動体の各部へ電力を供給する燃料電池システムに関する。

近年、環境への配慮や燃費の向上を図るべく、燃料電池を搭載した車両が開発されている。このような燃料電池から車両の各部へ電力を供給する燃料電池システムでは、燃料電池は、カソード（空気極）に接触する空気中の酸素とアノード（水素極）に接触する水素とを反応させることによって発電を行う。

燃料電池の発電中において、カソードからアノードへ窒素が透過することにより、当該アノードの窒素濃度が上昇して水素が酸素と反応することが妨げられ、電圧低下等の性能低下が生じる場合がある。このような性能低下を防止すべく、アノード側から不純物である窒素を排出させる技術が提案されている。例えば、アノード側の排出ガス（以下、アノードオフガスという）を排出する際に、バルブを周期的に開閉させることにより、アノードオフガス中の窒素を燃料電池システムの系外へ排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、アノード側からは窒素のみならず燃料ガスである水素も同時に排出される。そこで、水素の排出量を可能な限り低減させつつ、窒素を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献２および３参照）。すなわち、特許文献２記載の技術では、水素循環系を有する燃料電池システムにおいて、パージ弁通過流量に応じてパージ弁を制御している。また、特許文献３記載の技術では、水素循環系を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転条件から水素系内の窒素濃度を算出し、算出された窒素濃度が一定になるようにパージ弁開度を調整している。
特開２００２−２８９２３７号公報 特開２００４−１７９０００号公報 特開２００４−１８５９７４号公報

しかしながら、単純にパージ弁の通過流量からパージ弁開度を制御したのでは、実際の水素系内の不純物である窒素濃度に応じた制御を実現することはできない。また、燃料電池の運転条件から水素系内の窒素濃度を算出する方法では、必ずしも正確にかつ応答性よく窒素濃度を検出することはできない。したがって、これらの技術では、アノードオフガス排出に際し、不純物と同時に排出される燃料ガスの量を適切に抑制するはできていない。

本発明は、不純物と同時に排出される燃料ガスの量を適切に抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明の燃料電池システムは、第１の燃料電池と、前記第１の燃料電池から排出されるアノードオフガスが通流するアノードオフガス経路と、前記第１の燃料電池から排出されるアノードオフガスに含まれる燃料ガスにより発電する第２の燃料電池と、前記アノードオフガス経路とシステム系外との連通部に設けられ、前記第２の燃料電池の発電量に応じて前記第１の燃
料電池から前記アノードオフガス経路を介してシステム系外へ排出されるアノードオフガスの流量を制御する流量制御手段とを備えることを特徴とする。

このような構成とすることで、排出ガスであるアノードオフガスに含まれる燃料ガスの濃度が高いほど、換言すれば、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が低いほど、第２の燃料電池の発電量が大きくなり、アノードオフガスに含まれる燃料ガスの濃度が低いほど、換言すれば、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が高いほど、第２の燃料電池の発電量が小さくなる。したがって、流量制御手段が第２の燃料電池の発電量に応じてアノードオフガスの流量を調整することによって、燃料ガスの排出をできるだけ抑制しつつ、不純物の排出を行うことが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記第２の燃料電池が、前記アノードオフガス経路に接続配置されている構成としても良い。

このような構成とすることで、アノードオフガスを第２の燃料電池に供給するための分配路を設ける必要がなく、システム構成を簡略化することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記第２の燃料電池のアノード表面の少なくとも一部が前記アノードオフガス経路の内部に露出して配置され、前記第２の燃料電池のカソード表面の少なくとも一部が前記アノードオフガス経路外の大気中に露出して配置される構成としても良い。

このような構成とすることで、アノードオフガス経路外の空気を、第２の燃料電池の発電に必要な酸化剤ガスとして用いることが可能となり、別途、酸化剤ガスの供給手段を設ける必要がない。

上記燃料電池システムにおいて、
前記流量制御手段は、前記第２の燃料電池における発電電力に応じて作動する駆動弁であり、通電により閉鎖方向の力が作用する構成としても良い。

この構成により、駆動弁の開度は、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度に応じて適切に設定される。

本発明によれば、第１の燃料電池の他、さらに第２の燃料電池を使用することで、不純物と同時に排出される燃料ガスの量を適切に抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されるものではない。

図１に本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図を示す。図１に示す燃料電池システム１００−１は、例えば車両内に構成され、当該車両の各部に電力を供給するものであり、第１燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）１０２、配管１０４（本発明のアノードオフガス経路に相当）、複数の第２燃料電池１０６、電磁弁１０８（本発明の流量制御手段に相当）を備える。

第１ＦＣ１０２は、図示しないカソード（空気極）に接触する空気中の酸化剤ガスとしての酸素と、図示しないアノード（水素極）に接触する燃料ガスとしての水素とを反応さ
せることによって発電を行う。配管１０４は、第１ＦＣ１０２に接続され、当該第１ＦＣ１０２の発電において、アノードから排出されるアノードオフガスが通流する。アノードオフガスは、第１ＦＣ１０２のアノード側から排出されるガスであり、アノードで消費されなかった水素とカソードからアノードへ透過した窒素とを含む。

第２ＦＣ１０６は、配管１０４の途中に接続配置されている。図２は、図１のＸ−Ｘ´線断面図である。同図に示すように、複数の第２ＦＣ１０６は、直列に接続され、配管１０４の側面に形成された開口部分に、当該配管１０４を取り囲むように配置されている。また、第２ＦＣ１０６は、カソードが外側、アノードが内側となるように配置され、カソードは外の空気（外気）と接触し、アノードは配管１０４を通流するアノードオフガスと接触する。

すなわち、第２ＦＣ１０６の各セルは、配管１０４の壁材の一部を構成し、アノード表面の少なくとも一部が内壁となり、配管１０４の内部に露出している。また、第２ＦＣ１０６の各セルのカソード表面の少なくとも一部が外壁となって大気中に露出している。このため、第２ＦＣ１０６は、カソードに接触する外気に含まれる酸化剤ガスとしての酸素と、アノードに接触する燃料ガスとしての水素とを反応させることによって発電を行うことができる。

電磁弁１０８は、配管１０４において、第２ＦＣ１０６よりも通流方向の下流側に配置され、配管１０４の開閉を行う。この電磁弁１０８は、コイル１１２、支持棒１１４、可動子１１６、バネ１１８を備える。コイル１１２は、支持棒１１４の周囲に巻きつけられる。また、可動子１１６は支持棒１１４の下端に接続され、バネ１１８は支持棒１１４の上端に設置されている。

なお、本実施形態では、図１の上下方向を燃料電池の上下方向（鉛直方向）として説明するが、この電磁弁１０８（支持棒１１４、可動子１１６）の位置関係は、図１の上下方向（鉛直方向）に限定されるわけではない。

バネ１１８は、支持棒１１４および可動子１１６を電磁弁１０８の開弁方向に付勢する。コイル１１２は、第２ＦＣ１０６と電気的接続が図られており、当該第２ＦＣ１０６の発電電力に応じた電磁力を発生する。この電磁力は、バネ１１８の付勢力に抗して支持棒１１４に接続された可動子１１６を電磁弁１０８の閉弁方向に押し下げて、配管１０４を閉鎖する力として作用する。

電磁弁１０８が開放されたときに、配管１０４を通流するアノードオフガスは、燃料電池システム系外に排出される。例えば、燃料電池システム１００−１がいわゆる循環型である場合には、循環経路を構成する配管１０４内のアノードオフガスが排出されることにより、不純物濃度を低下させ、水素濃度を上昇させる。これにより、アノード上流（燃料ガス入口側）に環流される水素濃度が上昇する。また、例えば、燃料電池システム１００−１が、燃料電池供給した燃料ガスを燃料電池内部に留めることにより燃料ガスの利用効率を高めるデッドエンド式の燃料電池システムである場合には、電磁弁１０８の開放により、アノード側のオフガスが排出される。これにより、アノードに接触する通路内（燃料電池セル内）の不純物濃度を低下させ、水素濃度を上昇させる。

次に、フローチャートを参照しつつ、燃料電池システム１００−１の動作を説明する。図３は、燃料電池システム１００−１の動作を示すフローチャートである。

当初、配管１０４が電磁弁１０８によって閉鎖されている場合、あるいは、わずかに開放されている場合、第１ＦＣ１０２の発電によって当該第１ＦＣ１０２のアノード側から
排出される窒素は、多くが配管１０４内に滞留する。したがって、当該配管１０４内の水素濃度が低下する、換言すれば、窒素濃度が上昇する（Ｓ１０１）。この場合、図４（ａ）に示すように第２ＦＣ１０６における発電に用いられる燃料ガスとしての水素濃度が減少することになるため、図４（ｂ）に示すように第２ＦＣ１０６の電圧が低下し、発電電圧も低下する（Ｓ１０２）。

第２ＦＣ１０６の発電電圧が低下すると、電磁弁１０８のコイル１１２が発生する電磁力が低下する。このため、閉弁方向に可動子１１６を押し下げる力が低下し、この力とバネ１１８による開弁方向に可動子１１６を押し上げる力とが釣り合うまで当該バネ１１８が縮退して、可動子１１６が上昇する（Ｓ１０４）。これにより、図４（ｃ）に示すように、電磁弁１０８の開度が大きくなり、システム系外（燃料電池システム１００−１の外部）へのアノードオフガスの排出量が増加する（Ｓ１０５）。したがって、配管１０４内の窒素濃度が高く、水素濃度が低い場合には、電磁弁１０８の開度が大きくなって多量のアノードオフガスがシステム系外に排出されることになる。

このようにアノードオフガスの排出量が増加すると、第１ＦＣ１０２の発電によって当該第１ＦＣ１０２のアノード側から排出される窒素は、多くが配管１０４内に滞留することなくシステム系外に排出することになるため、配管１０４内の水素濃度が上昇する、換言すれば、窒素濃度が低下する（Ｓ１０６）。

この場合、第２ＦＣ１０６における発電に用いられる燃料ガスとしての水素濃度が上昇することになるため、当該第２ＦＣ１０６の電圧が上昇し、発電電圧も上昇する（Ｓ１０７）。

第２ＦＣ１０６の発電電圧が上昇すると、電磁弁１０８のコイル１１２が発生する電磁力が上昇する。このため、可動子１１６を閉弁方向に押し下げる力が上昇し（Ｓ１０８）、この力とバネ１１８による可動子１１６を開弁方向に押し上げる力とが釣り合うまで当該バネ１１８が伸張して、可動子１１６が下降する（Ｓ１０９）。これにより、電磁弁１０８の開度が小さくなり、システム系外へのアノードオフガスの排出量が減少する。さらには、電磁弁１０８が閉弁状態になる。したがって、配管１０４内の窒素濃度が低く、水素濃度が高い場合には、少量のアノードオフガスのみがシステム系外に排出され、さらには、アノードオフガスの排出が遮断されることになる。

このように本実施形態の燃料電池システム１００−１では、第２ＦＣ１０６は、配管１０４内のアノードオフガスに含まれる水素ガスによって発電を行い、電磁弁１０８は、この第２ＦＣ１０６の発電電力に応じた力で配管１０４を閉鎖する。したがって、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が低く、窒素濃度が高いほど、当該アノードオフガスのシステム系外への排出量が増加し、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が高く、窒素濃度が低いほど、当該アノードオフガスのシステム系外への排出量が減少する。したがって、燃料ガスである水素の排出をできるだけ抑制しつつ、不純物である窒素の排出を行うことが可能となる。この場合、第２ＦＣ１０６の発電量は概ねアノードオフガス内の水素ガス濃度を反映したものとなり、電磁弁１０８を開放すべきタイミングを適正に検知できる。また、本実施形態の燃料電池システム１００−１では、第２ＦＣ１０６の発電電力により電磁弁１０８を駆動するため構成が単純になる。

また、燃料電池システム１００−１では、第２ＦＣ１０６が配管１０４の途中に接続配置されているため、アノードオフガスに含まれる水素を第２ＦＣ１０６に供給するための分配路を設ける必要がなく、システム構成を簡略化することができる。また、燃料電池システム１００−１では、第２ＦＣ１０６のカソードが配管１０４の外部に露出する構成であるため、第２ＦＣ１０６は、外気内の酸素を酸化剤ガスとして用いることが可能となり
、別途、酸化剤ガスの供給手段を設ける必要がない。また、第２ＦＣ１０６の単セルが配管１０４の壁部を構成し、アノードが内壁となりカソードが外壁となる構成であるため、配管１０４内の水素ガス濃度を応答性よく検知できる。

次に、第２の実施形態について説明する。図５に本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成図を示す。図５に示す燃料電池システム１００−２は、図１に示す燃料電池システム１００−１と比較すると、第２ＦＣ１０６と電磁弁１０８とがリレー回路１３０および電源１３２を介して電気的に接続されているとともに、配管１０４において、電磁弁１０８よりも通流方向の下流側に電磁弁１２０が配置されている。

リレー回路１３０は、第２ＦＣ１０６の発電電力に応じて閉状態となる。リレー回路１３０が閉状態となると、電源１３２からの電力が電磁弁１０８のコイル１１２に供給されて、電磁弁１０８の可動子１１６を下降させることが可能となる。したがって、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が高いにもかかわらず、第２ＦＣ１０６の発電能力が低い場合には、本実施形態のように、リレー回路１３０と電源１３２とを介在させ、第２ＦＣ１０６の発電時に電源１３２からコイル１１２に電力が供給されるようにすることで、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度に応じて、可動子１１６を下降させるための十分な電力を供給させることが可能となる。

一方、電磁弁１２０は、電磁弁１０８と同様、コイル１２２、支持棒１２４、可動子１２６、バネ１２８を備える。この電磁弁１２０では、バネ１２８は、支持棒１２４および可動子１２６を閉弁方向に付勢する。したがって、車両が停止中の場合、換言すれば、燃料電池システム１００が未稼動の場合に、バネ１２８の付勢力により可動子１２６が下降して配管１０４を閉鎖する。一方、第１ＦＣ１０２が運転中は、外部電源（図示せず）または第１ＦＣ１０６からコイル１２２に電力が供給され、可動子１２６が開弁方向に上昇して配管１０４を開放する。

次に、第３の実施形態について説明する。図６に本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成図を示す。図６に示す燃料電池システム１００−３は、図１に示す燃料電池システム１００−１と比較すると、第２ＦＣ１０６と電磁弁１０８との間に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１４０が介在する。

ＥＣＵ１４０は、第２ＦＣ１０６の発電電力を検知し、その発電電力の大きさに応じた電力を電磁弁１０８のコイル１１２に供給し、可動子１１６が稼働する。したがって、第２ＦＣ１０６の発電電力の大きさに応じて、換言すれば、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が低く、窒素濃度が高いほど、当該アノードオフガスのシステム系外への排出量が増加し、アノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度が高く、窒素濃度が低いほど、当該アノードオフガスのシステム系外への排出量が減少する。

排出ガスであるアノードオフガスに含まれる燃料ガスの濃度が高いほど、換言すれば、アノードオフガスに含まれる不純物の濃度が低いほど、アノードオフガスの流量が少なくなるため、燃料ガスの効率的な使用が可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１００−１の構成図である。 図１のＸ−Ｘ´線断面図である。 燃料電池システム１００の動作を示すフローチャートである。 水素濃度および窒素濃度、第２ＦＣ１０６の電圧、電磁弁１０８の開閉の対応関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００−２の構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システム１００−３の構成図である。

符号の説明

１００−１、１００−２、１００−３ 燃料電池システム
１０２ 第１ＦＣ
１０４ 配管
１０６ 第２ＦＣ
１０８、１２０ 電磁弁
１１２、１２２ コイル
１１４、１２４ 支持棒
１１６、１２６ 可動子
１１８、１２８ バネ
１３０ リレー回路
１３２ 電源
１４０ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 第１の燃料電池と、
   前記第１の燃料電池から排出されるアノードオフガスが通流するアノードオフガス経路と、
   前記第１の燃料電池から排出されるアノードオフガスに含まれる燃料ガスにより発電する第２の燃料電池と、
   前記アノードオフガス経路とシステム系外との連通部に設けられ、前記第２の燃料電池の発電量に応じて前記第１の燃料電池から前記アノードオフガス経路を介してシステム系外へ排出されるアノードオフガスの流量を制御する流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。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２の燃料電池は、前記アノードオフガス経路に接続配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２の燃料電池のアノード表面の少なくとも一部が前記アノードオフガス経路の内部に露出して配置され、
   前記第２の燃料電池のカソード表面の少なくとも一部が前記アノードオフガス経路外の大気中に露出して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流量制御手段は、前記第２の燃料電池における発電電力に応じて作動する駆動弁であり、通電により閉鎖方向の力が作用することを特徴とする燃料電池システム。

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