JP2006351324A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池から電気化学反応後の水素および空気を排出する排出部とを備える燃料電池システムにおいて、水素の大気中への排出量を極力低減し、水素の有効利用を図る。
【解決手段】 水素および空気が供給され当該供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０から電気化学反応後の水素および空気を排出する排出部４０とを備える燃料電池システムにおいて、排出部４０に設けられ、電圧の印加による水素のポンピング作用により排出部中のガスから水素のみを分離する水素ポンピング部５０と、水素ポンピング部５０にて分離された水素を燃料電池１０の水素供給経路３０へ戻す戻し経路５５と、水素ポンピング部５０に印加する電圧を制御する制御部６０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来より、この種の一般的な燃料電池システムとしては、供給経路より供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池と、この燃料電池から電気化学反応後の水素および空気を排出する排出部とを備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

図７は、従来の燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。このように、燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０に空気を供給する空気供給経路２０および水素を供給する水素供給経路３０と、燃料電池１０から反応後の空気および水素を排出する排出部４０とを備えている。

図７において、コンプレッサなどにより空気供給経路２０から燃料電池１０のカソード側に空気が供給されるとともに、水素ポンプ３１により水素供給経路３０から燃料電池１０のアノード側に水素が供給される。すると、燃料電池１０内にて水素と空気中の酸素とが反応し発電がなされる。

燃料電池１０のカソード側からは、酸素が消費されて窒素が主成分となった排出空気が排出部４０へ排出され、この排出空気は気液分離器２３を通りマフラー２４を介して大気中へ排出される。

一方、燃料電池１０のアノード側からは、発電運転で消費されなかった水素が排出部４０へ排出される。このとき、通常運転時には、排出部４０における水素放出バルブ３４は閉じられており、排出水素は、水素ポンプ３１を介して再び水素供給経路３０へ循環され、再利用される。

そして、次第に、この排出水素にも窒素などの不純物が混合し、燃料電池１０の出力電圧が低下してくると、水素放出バルブ３４を開けて、排出水素を大気中へ放出する。このとき、排出水素は、希釈器５００にて希釈用空気によって爆発限界（体積濃度４％）以下に希釈されて大気中に放出される。
特開２００２−２０８４２２号公報

上記したように、従来の燃料電池システムにおいては、排出部４０から排出水素を大気中へ放出するために希釈用空気が必要であり、この希釈用空気の量は排出ガス中の水素濃度に比例して多くなる。

ここで、燃料電池１０のアノード側だけでなく、希釈用空気として用いられるカソード側からの排出空気中にも水素が混合する場合がある。このカソード側の排出空気への水素の混合については、次の図８に示されるような要因が挙げられる。１つには、図８（ａ）に示されるように、燃料電池１０が濃淡電池として作用する場合である。

燃料電池１０は、アノードとカソードとによりプロトン伝導性を有する高分子電解質膜５３を挟んでなる基本構成となっているが、水素が供給されるアノード側の水素濃度α１が、カソード側の水素濃度α２よりも大きい場合、この濃度差によってアノードとカソードとの間に起電力が発生する。

そして、この起電力が推進力となって、アノード側の水素が、プロトン状態（Ｈ⁺）にて電解質膜５３を通りカソード側へ拡散移動する。そのため、カソード側に水素が発生し、カソード側からの排出空気中に水素が混合する。

また、図８（ｂ）に示されるように、クロスリークによる場合がある。これは、アノード側の圧力Ｐ１とカソード側の圧力Ｐ２との圧力差によってアノードおよびカソードのどちらか一方から他方へ、水素がそのまま電解質膜５３の分子間を透過するものである。

たとえば、車両搭載された燃料電池システムにおいて、車両停止時などに水素供給経路３０における水素の供給を停止すると、アノード側である水素供給経路３０の圧力Ｐ１が、カソード側である空気供給経路２０の圧力Ｐ２よりも大きくなる。すると、アノード側の水素が、そのまま電解質膜５３を通りカソード側へ移動することにより、カソード側からの排出空気中に水素が混合する。

さらには、図８には示さないが、電解質膜５３にピンホールが存在する場合も、アノード側の水素が、そのまま電解質膜５３を通りカソード側へ移動することにより、カソード側からの排出空気中に水素が混合する。

このように、濃淡電池、クロスリーク、ピンホールといった要因により、希釈用空気として用いられるカソード側の排出空気への水素の混合が生じる。その場合、大気中へ排出する水素を希釈するために空気供給経路２０から必要以上の空気を取り込まなければならず、そのための消費電力の増加などが問題になる。

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたものであり、水素および空気が供給され当該供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池から電気化学反応後の水素および空気を排出する排出部と、を備える燃料電池システムにおいて、水素の大気中への排出量を極力低減し、水素の有効利用を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池（１０）と、反応後の水素および空気を排出する排出部（４０）とを備える燃料電池システムにおいて、排出部（４０）に、電圧の印加による水素のポンピング作用により排出部（４０）中のガスから水素のみを分離する水素ポンピング部（５０）が設けられ、水素ポンピング部（５０）にて分離された水素を燃料電池（１０）の水素供給経路（３０）へ戻す戻し経路（５５）が設けられ、水素ポンピング部（５０）に印加する電圧を制御する制御部（６０）が設けられていることを第１の特徴とする。

それによれば、排出部（４０）には、燃料電池（１０）から反応後の水素や空気などのガスが流れるが、制御部（６０）によって水素ポンピング部（５０）に電圧を印加することにより、この排出部（４０）中のガスから実質的に水素のみを分離することができる。分離された水素は、戻し経路（５５）を介して燃料電池（１０）の水素供給経路（３０）へ戻されるため、再利用でき、希釈用空気が実質的に不要となる。

このように、本発明によれば、燃料電池システムにおいて、排出部（４０）に排出された水素を再利用できるため、水素の大気中への排出量を極力低減し、水素の有効利用を図ることができる。

ここで、具体的には、水素ポンピング部（５０）としては、プロトン伝導膜（５３）と、このプロトン伝導膜（５３）を挟む第１の電極（５１）および第２の電極（５２）とを備え、両電極（５１、５２）に電圧を印加することにより、第１の電極（５１）に接した水素をプロトンと電子に分離させ、当該プロトンをプロトン伝導膜（５３）を通して第２の電極（５２）に移動させて再度水素に戻すものとすることができる。

また、本発明は、上記第１の特徴を有する燃料電池システムにおいて、水素ポンピング部（５０）に供給される排出部（４０）中のガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段（７０）を備え、制御部（６０）は、水素濃度検出手段（７０）にて求められた水素濃度に基づき、水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うことを第２の特徴とする。

それによれば、排出部（４０）中のガスの水素濃度に応じて、水素ポンピング部（５０）による適切な水素分離が可能になる。

また、本発明は、上記第１の特徴または第２の特徴を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の温度を検出する電池温度検出手段（７２）を備え、制御部（６０）は、電池温度検出手段（７２）にて求められた燃料電池（１０）の温度に基づき、水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うことを第３の特徴とする。

さらに、本発明は、上記第１から第３の特徴を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の電圧を検出する電池電圧検出手段（７１）を備え、制御部（６０）は、電池電圧検出手段（７１）にて求められた燃料電池（１０）の電圧に基づき、水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うことを第４の特徴とする。

これら第３および第４の特徴点は、一般に上述した濃淡電池の反応が、燃料電池の低温低効率発電時に発生しやすいことに鑑みたものである。上述した濃淡電池の反応は、燃料電池が低温であるほど、または、出力が低いほど顕著になるため、燃料電池（１０）の温度や電圧に基づき、水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うようにすれば、適切な水素分離が可能となる。

また、本発明は、上記水素濃度検出手段（７０）を備えるという第２の特徴を有する燃料電池システムにおいて、当該水素濃度検出手段は、排出部（４０）に設けられ被水防止構造を有する水素濃度センサ（７０）であることを第５の特徴とする。

排出部（４０）中のガスに含まれる水によって水素濃度センサ（７０）が被水した場合、この被水した状態でたとえば０℃以下の温度となったとき、センサが凍結して作動不能となる恐れがある。

その点、被水防止構造を有するものとすれば、水素濃度センサ（７０）が被水せず、また、０℃以下の凍結によるセンサの作動不能を回避し、０℃以下の低温始動時に水素の検出を可能にすることができる。ここで、具体的な被水防止構造としては、バイメタル式や機械式のものを採用できる。

また、本発明は、上記第１の特徴を有する燃料電池システムにおいて、制御部（６０）は、水素ポンピング部（５０）の濃淡電位を検出し、この検出された濃淡電位に基づき、水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うものであることを第６の特徴とする。

水素ポンピング部（５０）の濃淡電位を検出すれば、検出された濃淡電位から水素ポンピング部（５０）周囲のガスの水素濃度すなわち水素ポンピング部（５０）に供給される排出部（４０）中のガスの水素濃度を推定することができる。そのため、上記したような水素濃度検出手段を不要としつつ、水素ポンピング部（５０）による適切な水素分離が可能になる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

［構成等］
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。本燃料電池システムは、たとえば燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

本燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０に空気を供給する空気供給経路２０および水素を供給する水素供給経路３０と、燃料電池１０から反応後の空気および水素を排出する排出部４０とを備えている。

燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するもので、この燃料電池１０は、図示しない車両走行用の電動モータ（負荷）や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。

本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。このような燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
また、燃料電池システムにおける燃料ガスの供給部として、燃料電池１０の酸素極であるアノード電極１１（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気供給経路２０と、燃料電池１０の水素極であるカソード電極１２（負極）側に水素を供給するための水素供給経路３０とが設けられている。

空気供給経路２０には、図示しない空気供給用のコンプレッサなどからなる空気ポンプが設けられており、燃料電池１０の通常運転時には空気が導入される。また、水素供給経路３０には水素供給用の水素ポンプ３１が設けられており、この水素ポンプ３１によって通常運転時には図示しない水素供給装置より水素が供給される。

なお、発電ロスを抑制すべく、燃料電池１０の内部抵抗を下げるために、燃料電池１０内の電解質膜を水分を含んだ状態にしておく必要がある。このため、通常運転時において燃料電池１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、燃料電池１０内部は湿潤状態で作動することとなる。

また、排出部４０は、排出経路２１、２２、水素循環経路３２、水素排出経路３３、水素放出バルブ３４、気液分離器２３、マフラー２４を備えて構成されている。なお、図１に示される各経路は、配管等の接続により互いに連結されて構成されている。

排出経路２１、２２は、燃料電池１０のカソード電極１１側から、酸素が消費されて窒素が主成分となった排出空気が排出される経路であり、後述する水素ポンピング部５０の上流側に位置するポンピング部上流側排出経路２１と、下流側に位置するポンピング部下流側排出経路２２とからなる。

ポンピング部下流側排出経路２２には、気液分離器２３が介在設定されており、この気液分離器２３によって排出ガス中の水分は分離される。そして、図示しないが、ここで分離された水は、回収され、上述したように燃料電池１０へ供給される空気や水素を加湿するために用いられるようになっている。

また、ポンピング部下流側排出経路２２において、気液分離器２３の下流にはマフラー２４が設けられているが、このマフラー２４は排気における騒音低減の役割を果たすものである。

水素循環経路３２および水素排出経路３３は、燃料電池１０のアノード電極１２側から発電運転で消費されなかった水素が排出される経路である。水素放出バルブ３４は、これら水素循環経路３２と水素排出経路３３との間に介在設定され、閉状態ではこれら両経路３２、３３を遮断し、開状態ではこれら両経路３２、３３を連通する。

水素放出バルブ３４が閉まっているとき、燃料電池１０のアノード電極１２側から排出された水素は、水素循環経路３２を介して水素ポンプ３１によって水素供給経路３０へ戻されるようになっている。

一方、水素放出バルブ３４が開いているとき、燃料電池１０のアノード電極１２側から排出された水素は、水素循環経路３２から水素排出経路３３を通り、水素排出経路３３と接続されているポンピング部上流側排出経路２１へ流れ込むようになっている。

また、本燃料電池システムにおいては、排出部４０においてポンピング部上流側排出経路２１とポンピング部下流側排出経路２２との間に、上記水素ポンピング部５０が介在設定されている。この水素ポンピング部５０は、電圧の印加による水素のポンピング作用によりポンピング部上流側排出経路２１中のガスから水素のみを分離するものである。

また、本燃料電池システムは、水素ポンピング部５０への電圧の印加を行うための制御部６０を備えている。この制御部６０は、たとえば車両のＥＣＵなどからなるものであり、水素ポンピング部５０に印加する電圧を制御可能となっている。

さらに、水素ポンピング部５０にて分離された水素を燃料電池１０の水素供給経路３０へ戻す戻し経路５５が設けられている。この戻し経路５５は、水素ポンピング部５０からの水素を水素ポンプ３１を介して水素供給経路３０に導入できるようになっている。

ここで、図２は、図１中の水素ポンピング部５０の概略断面構成を示す図である。本実施形態の水素ポンピング部５０は、具体的には、図２に示されるように、プロトン伝導膜５３と、このプロトン伝導膜５３を挟む第１の電極５１および第２の電極５２とを備えたものである。

そして、水素ポンピング部５０は、制御部６０によって両電極５１、５２間に電圧Ｖｐが印加されることで作動するようになっている。この電圧Ｖｐの印加により、ポンピング部上流側排出経路２１にて第１の電極５１に接したガス中の水素（Ｈ₂）は、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分離し、当該プロトンはプロトン伝導膜５３を通して第２の電極５２に移動し、そこで再度水素に戻る。

そして、水素が除去されたポンピング部上流側排出経路２１のガスは、図２中の矢印Ａに示されるように、ポンピング部下流側排出経路２２へ流れていく。一方、第２の電極５２に発生した水素は、図２中の矢印Ｂに示されるように、戻し経路５５を流れ水素供給経路３０へと戻されていく。

また、水素ポンピング部５０における両電極５１、５２間に電圧Ｖｐが印加されないとき、すなわち非作動時には、水素ポンピング部５０による水素分離はなされず、水素を含むポンピング部上流側排出経路２１のガスは、そのまま、図２中の矢印Ａに示されるように、ポンピング部下流側排出経路２２へ流れていく。

ここで、両電極５１、５２間に印加される電圧Ｖｐと両電極間５１、５２に流れる電流すなわちポンピング電圧とポンピング電流との一般的な関係を図３に示す。図３に示されるように、ポンピング電圧を大きくすると、ポンピング電流もほぼ比例して大きくなっていく。

ここで、ポンピング電流は水素移動量に比例する。詳しくは、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-、の反応により水素分離がなされるため、水素移動量とポンピング電流との関係は、次の関係式で表される。

水素移動量［ｇ］／秒＝ポンピング電流［Ａ］／（２×９６５００）［Ｃ］×２［ｇ］
つまり、ポンピング電圧を大きくするにつれて、水素ポンピング部５０による水素分離が促進されることになる。

このようなプロトン伝導膜５３を第１および第２の電極５１、５２にて挟んでなる水素ポンピング部５０は、上記した固体高分子電解質型燃料電池における一般的なセル構成と同様の構成とすることができる。

具体的には、プロトン伝導膜５３は、フッ素系イオン交換樹脂などのイオン導電性を有する高分子電解質膜により構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。

また、第１の電極５１および第２の電極５２は、燃料電池におけるアノード電極およびカソード電極と同様に、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とにより構成されたものにできる。詳しくは、第１の電極５１および第２の電極５２ともに、高分子電解質膜であるプロトン伝導膜５３側から順に触媒層と拡散層とが積層されたものにできる。

拡散層は、たとえば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロスなどにより形成されている。

そして、触媒層は、この拡散層の表面に、触媒としての白金または白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金または白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させてペースト化し、これを印刷する方法などによって行なえる。

また、本燃料電池システムにおいては、ポンピング部上流側排出経路２１内において水素排出経路３３との接続部と、水素ポンピング部５０との間の部位に、水素濃度センサ７０が設けられている。

この水素濃度センサ７０は、水素ポンピング部５０に供給される排出部４０中のガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段として構成されている。この水素濃度センサ７０は、燃料電池システムの分野において通常用いられる構成のものにでき、たとえば、触媒による水素の燃焼反応を利用して水素濃度を検出するものにできる。

そして、この水素濃度センサ７０からの信号は、制御部６０に送られるようになっており、制御部６０は、水素濃度センサ７０にて求められた水素濃度に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うようになっている。

また、本燃料電池システムは、燃料電池１０の電圧（出力電位）を検出する電池電圧検出手段としての電圧センサ７１および燃料電池１０の温度を検出する電池温度検出手段としての温度センサ７２を備えている。これら各センサ７１、７２としては、燃料電池１０の電圧や温度に対応した信号を出力する一般的なものを採用することができる。

そして、これら電圧センサ７１、温度センサ７２からの信号は、それぞれ制御部６０に送られるようになっており、制御部６０は、それぞれのセンサ７１、７２にて求められた燃料電池１０の電圧や温度に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うようになっている。

このように制御部６０は、各センサ７０〜７２からの信号を受けて水素ポンピング部５０の印加電圧（ポンピング電圧）Ｖｐを制御する。また、制御部６０は、それ以外にも、上記負荷や２次電池に関する制御や、各種ポンプやバルブの制御など、燃料電池システム全般の各種制御を行うように構成されている。

ここで、上記各センサ７０〜７２からの信号が制御部６０に入力されるが、水素濃度とポンピング電圧、燃料電池１０の電圧とポンピング電圧、燃料電池１０の温度とポンピング電圧との関係を、それぞれおおよそ直線的な比例関係にあるものとし、制御部６０は、得られた上記信号によって、水素濃度、燃料電池１０の電圧、燃料電池１０の温度に対して一義的にポンピング電圧を決定する。

たとえば、水素濃度とポンピング電圧とでは、水素濃度が大きくなるほどポンピング電圧を比例的に大きくする。ただし、水素濃度が非常に小さくセンサの不感帯となった場合には、ポンピング電圧も０とする。

また、燃料電池１０の電圧とポンピング電圧とでは、燃料電池１０の電圧が低くなるほどポンピング電圧を比例的に大きくする。また、燃料電池１０の温度とポンピング電圧とでは、燃料電池１０の温度が低くなるほどポンピング電圧を比例的に大きくする。これらの場合も、ある程度、燃料電池１０の電圧や温度が高くなった場合には、しきい値を設けておき、そのしき値以上になったらポンピング電圧を０にする。

本実施形態では、水素濃度信号、燃料電池１０の電圧信号および温度信号の３つの信号が、制御部６０に入ってくるが、ポンピング電圧の決定は、これら３つの信号のすべてを同時に考慮するのではなく、たとえば、本実施形態においては、排出部４０中のガスの水素濃度を知る上で最も直接的な水素濃度信号に基づいてポンピング電圧を決定する。

そして、水素濃度センサ７０が故障するなどにより水素濃度信号が制御部に入ってこない場合には、燃料電池１０の電圧信号に基づいて本ピング電圧を決定する。さらに、水素濃度信号、燃料電池１０の電圧信号の両方が入ってこない場合には、燃料電池１０の温度信号に基づいて本ピング電圧を決定する。

このように水素濃度信号を優先し、次に燃料電池１０の電圧信号、その次に燃料電池１０の温度信号を採用するものとしているが、その優先順は、適宜変更してもよい。

［作動等］
かかる燃料電池システムは、車両のイグニッションスイッチをＯＮすると運転を開始する。まず、各種ポンプが作動し、空気供給経路２０および水素供給経路３０からそれぞれ空気および水素が燃料電池１０のカソード電極１１側およびアノード電極１２側へ供給され、燃料電池１０において発電が行われる。

このとき、燃料電池１０の発電が通常の状態で行われているときは、水素放出バルブ３４は閉状態であり、燃料電池１０のアノード電極１２側から排出された水素は、水素循環経路３２、水素供給経路３０を介して再び燃料電池１０内に循環供給され、燃料ガスとして再利用される。

そして、燃料電池１０の発電が続き水素ガスが循環している間は、水素以外の不純物、たとえばカソード電極１１からの高分子電解質膜を透過してきた窒素などが消費されずに残留していき、循環ガス中の不純物濃度が徐々に増大する。そのため、燃料電池１０の電圧が低下する。

この燃料電池１０の電圧低下が電圧センサ７１で検知されると、その信号が制御部６０へ送られ、制御部６０は水素放出バルブ３４を開状態とする。すると、燃料電池１０のアノード電極１２側から排出された水素は、水素循環経路３２から水素排出経路３３を通り、ポンピング部上流側排出経路２１へ流れ込む。

一方、ポンピング部上流側排出経路２１における水素ポンピング部５０の近傍にて、水素濃度センサ７０による水素濃度のモニタがなされており、この水素濃度センサ７０からの信号が制御部６０に送られている。また、これと並行して電圧センサ７１、温度センサ７２による燃料電池１０の電圧、温度がモニタされており、これらの電圧信号、温度信号がそれぞれ制御部６０に送られている。

そして、制御部６０は、これら各信号にて求められた水素濃度や燃料電池１０の電圧、温度に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うことで、排出部４０中のガスの水素濃度や燃料電池１０の電圧、温度に応じて、水素ポンピング部５０による適切な水素分離を可能としている。

上述したように、燃料電池１０における濃淡電池の反応やクロスリーク、ピンホールの発生により、燃料電池１０のカソード電極１１側からポンピング部上流側排出経路２１へ排出されるガス中にも、水素が入り込み、排出部４０中のガスにおける水素濃度が上昇する。

また、燃料電池１０のアノード電極１２側から排出された水素を、水素循環経路３２から水素排出経路３３を介してポンピング部上流側排出経路２１へ排出した場合には、さらに排出部４０中のガスにおける水素濃度が大きくなる。

このような排出部４０中のガスにおける水素濃度の上昇を検知して、制御部６０により水素ポンピング部５０を作動させる。それにより、上記図２に示したように、排出部４０中のガスに含まれる水素が分離され、戻し経路５５から水素ポンプ３１を介して水素供給経路３０へ戻される。そして、戻された水素は、燃料電池１０の燃料ガスとして再利用される。

なお、上述したように、水素ポンピング部５０の作動時には、水素が除去されたポンピング部上流側排出経路２１のガスは、ポンピング部下流側排出経路２２へ流れ、気液分離器２３にて処理され、マフラー２４から大気中へ排出される。また、水素ポンピング部５０の非作動時には、そのまま大気中へ排出しても問題ないレベルの含有水素量を持ったガスが、同じように排気される。

［効果等］
ところで、本実施形態によれば、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池１０と、反応後の水素および空気を排出する排出部４０とを備える燃料電池システムにおいて、排出部４０に、電圧の印加による水素のポンピング作用により排出部４０中のガスから水素のみを分離する水素ポンピング部５０が設けられ、水素ポンピング部５０にて分離された水素を燃料電池１０の水素供給経路３０へ戻す戻し経路５５が設けられ、水素ポンピング部５０に印加する電圧を制御する制御部６０が設けられていることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

それによれば、水素ポンピング部５０により、排出部４０中のガスから実質的に水素のみを分離することができ、分離された水素は、戻し経路５５を介して水素供給経路３０へ戻されるため、再利用できる。そのため、希釈用空気が実質的に不要となり、そもそも、従来のような希釈器も不要となる。

このように、本実施形態によれば、燃料電池システムにおいて、反応後のガスを排出するための排出部４０に排出された水素を再利用できるため、水素の大気中への排出量を極力低減し、水素の有効利用を図ることができる。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水素ポンピング部５０に供給される排出部４０中のガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段としての水素濃度センサ７０を備え、制御部６０は、水素濃度センサ７０にて求められた水素濃度に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うことも特徴のひとつである。

たとえば、水素濃度センサ７０により求められる水素濃度が大きいほど、排出部４０中のガスの水素濃度が大きいことであるから、制御部６０によって水素ポンピング部５０に印加する電圧を大きくして水素の分離を促進するようにする。

また、水素濃度センサ７０により求められる水素濃度が比較的小さい場合は、制御部６０によって水素ポンピング部５０に印加する電圧を小さくしたり、また、当該水素濃度が問題ないほど小さなレベルである場合は、水素ポンピング部５０に電圧を印加しないようにすることで、消費電力等の低減にもつながる。つまり、本実施形態によれば、排出部４０中のガスの水素濃度に応じて、水素ポンピング部５０による適切な水素分離が可能になる。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１０の温度を検出する電池温度検出手段としての温度センサ７２を備え、制御部６０は、温度センサ７２にて求められた燃料電池１０の温度に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うようにしたことも特徴のひとつである。

さらに、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１０の電圧を検出する電池電圧検出手段としての電圧センサ７１を備え、制御部６０は、電圧センサ７１にて求められた燃料電池１０の電圧に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うようにしたことも特徴のひとつである。

上述した濃淡電池の反応（図８参照）は、燃料電池が低温であるほど、または、出力が低いほど顕著になる。つまり、燃料電池１０の発電が低温で行われるほど、また、出力が低く低効率の発電であるほど、濃淡電池の濃度差が大きくなるため、カソード電極１１側へ水素が発生し、排出経路２１中のガスの水素濃度が大きくなりやすい。

そこで、温度センサ７２にて求められる燃料電池１０の温度が低いほど、または、電圧センサ７１にて求められる燃料電池１０の電圧が低いほど、これらの信号を受けて制御部６０は、水素ポンピング部５０への印加電圧を大きくし、水素分離を促進させればよい。逆に、燃料電池１０の温度や電圧が高い場合には、水素ポンピング部５０への印加電圧を小さく、水素分離を抑えることで消費電力の低減等につながる。

また、上記図７に示されるような従来の構成の場合、車両のイグニッションスイッチＯＦＦ時は、燃料電池を含めた水素の流通経路が空気に置換され、発電開始時に水素を燃料電池１０の各セルに改めて配分する必要があるが、本実施形態の構成の場合、水素ポンピング部５０をイグニッションスイッチＯＦＦ時も作動状態にしておくと、燃料電池１０に対して副次的に水素の循環流が生じるため、各セルへの水素の配分が均一化され、発電始動性の向上が期待できる。

［変形例］
次に、本実施形態の燃料電池システムにおける種々の変形例について、各図を参照して述べる。

上述したように、燃料電池システムの運転時において燃料電池１０には加湿された空気および水素が供給され、また、カソード電極１１側の電気化学反応では水が発生する。そのため、ポンピング部上流側排出経路２１内に設けられている水素濃度センサ７０は、ポンピング部上流側排出経路２１内を流れるガスに含まれる水分により被水し、作動不能となる恐れがある。

たとえば、水素濃度センサ７０が被水し、その状態で０℃以下の温度となったとき、センサが凍結して作動不能となりやすい。そこで、水素濃度センサ７０を排出部４０に設ける場合、被水防止構造とすることが好ましい。

図４は、バイメタル式の被水防止構造を有する水素濃度センサ７０の例を示す概略図であり、図５は、機械式の被水防止構造を有する水素濃度センサ７０の例を示す概略図である。

図４に示される例では、水素濃度センサ７０における被水防止構造は、水素濃度センサ７０を被覆するバイメタルよりなる被覆部材７０ｂを備えるものであって、この被覆部材７０ｂ自身の温度変化による変形により、被覆部材７０ｂの開閉が行われるようになっている。

具体的には、水素濃度センサ７０はたとえば筒状のケース７０ａに収納されており、そのケース７０ａにおけるガスの進行方向に開口した開口部に、バイメタルよりなる被覆部材７０ｂが溶接や接着などにより接続されている。

なお、バイメタルとは、一般的に知られているように、線膨張係数の異なる２種類の金属板を貼り合わせたもので、温度の変化とともに、反り、湾曲といった変形が生じるものである。

ここで、排出部４０内、本例ではポンピング部上流側排出経路２１内に設けられた水素濃度センサ７０は、水を含んだガスにさらされやすいが、たとえば０℃程度の低温時では、飽和蒸気圧が非常に小さく当該ガス中に含まれる水はほとんどないため、被水の可能性が小さく、水素濃度センサ７０はガスにさらされてもよい。

そして、上記したように燃料電池１０における濃淡電池の反応は、むしろ０℃程度の低温で発生しやすいため、水素濃度センサ７０によるガスの水素濃度検出は、低温時でこそ必要となり、高温時ではさほど必要はない。

そのため、本例では、被覆部材７０ｂは、図４中の破線に示されるように、被水の可能性が小さく且つ水素検出の必要性が大きい低温時には、水素濃度センサ７０を被覆した開状態となっており、被水の可能性が高く且つ水素検出の必要性が小さい高温時には、熱により変形して図４中の実線に示されるように閉状態となる。

高温時における被覆部材７０ｂの閉状態では、水を含んだガスから水素濃度センサ７０が遮蔽されているため、水素濃度検出はできないが、水素濃度センサ７０は被水しない。また、低温時における被覆部材７０ｂの開状態では、被水の心配はなく、適切に水素濃度検出を行える。

図５に示される例では、水素濃度センサ７０における被水防止構造は、水素濃度センサを被覆する被覆部材としてのスライド窓７０ｃを備えるものであって、制御部６０からの信号により、スライド窓７０ｃの開閉が機械的に行われるようになっている。

具体的には、水素濃度センサ７０はケース７０ａに収納されており、そのケース７０ａにおけるガスの進行方向に面した端面には、ガスを導入するためのガス導入孔７０ｄおよびこのガス導入孔７０ｄを開閉するスライド窓７０ｃが設けられている。スライド窓７０ｃは、図５中の上下にスライド可能に取り付けられたもので、図示の状態はスライド窓７０ｃの開状態である。

このスライド窓７０ｃは、駆動部７０ｅによりスライドするようになっている。たとえば、スライド窓７０ｃは、電動式のシャッターのごとく構成されたものにできる。

駆動部７０ｅは、たとえばスプリング式のアクチュエータであり、制御部６０により作動制御されるようになっている。また、ポンピング部上流側排出経路２１内のガスの温度を検出するためのガス温度センサ７０ｆが設けられている。

このガス温度センサ７０ｆからの信号は制御部６０に送られるようになっており、制御部６０は、この信号すなわちポンピング部上流側排出経路２１内のガスの温度に基づいて、駆動部７０ｅを制御するようになっている。

つまり、被水の可能性が高く且つ水素検出の必要性が小さい高温時には、制御部６０は、駆動部７０ｅを介してスライド窓７０ｃを閉状態としてガス導入孔７０ｄを閉じることにより、水を含んだガスから水素濃度センサ７０を遮蔽する。そのため、水素濃度センサ７０は被水しない。

そして、被水の可能性が小さく且つ水素検出の必要性が大きい高温時には、制御部６０は、駆動部７０ｅを介してスライド窓７０ｃを開状態としてガス導入孔７０ｄを開放することにより、水素濃度検出を可能とする。

これら図４、図５に示されるような被水防止構造を有するものとすれば、水素濃度センサ７０が被水せず、また、０℃以下の凍結によるセンサの作動不能を回避し、０℃以下の低温始動時に水素の検出を可能にすることができる。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、制御部６０は、水素ポンピング部５０の濃淡電位を検出し、この検出された濃淡電位に基づき、水素ポンピング部５０に印加する電圧の制御を行うものとしてもよい。

図６は、水素ポンピング部５０の濃淡電位を検出する場合の要部構成を示す図である。水素ポンピング部５０の両電極５１、５２間の濃淡電位を測定するための濃淡電位センサ５４が設けられている。この濃淡電位センサ５４としては通常の電圧計などを採用することができる。

そして、この濃淡電位センサ５４からの信号は制御部６０に送られるようになっており、制御部６０は、この信号から求められる水素ポンピング部５０の濃淡電位に基づいて、水素ポンピング部５０に印加する電圧を制御するようになっている。

ここで、水素ポンピング部５０の濃淡電位が求められれば、濃淡電池において両電極側の濃度比を用いて表した一般的な濃淡電位（起電力）の式から、濃淡電池としての水素ポンピング部５０の両電極側の濃度比が求められる。この濃度比すなわち濃淡電位が大きいほど、水素ポンピング部５０に供給されるポンピング部上流側排出経路２１中のガスの水素濃度が大きいことになる。

すなわち、この図６に示される例では、検出された濃淡電位から水素ポンピング部５０に供給される排出部４０中のガスの水素濃度を推定することができる。そのため、上記したような水素濃度検出手段を不要としつつ、水素ポンピング部５０による適切な水素分離が可能になる。

（他の実施形態）
なお、水素ポンピング部としては、上記図２に示されるようなプロトン伝導膜５３を第１の電極５１および第２の電極５２で挟んでなる構成に限定されず、電圧の印加による水素のポンピング作用により排出部４０中のガスから水素のみを分離できるものであるならば、それ以外のものでもよい。

また、水素濃度検出手段は、上記した水素濃度センサ７０に限定されるものではなく、水素ポンピング部５０に供給される排出部４０中のガスの水素濃度を検出するものならばかまわない。

また、電池温度検出手段、電池電圧検出手段は、上記温度センサ７２、上記電圧センサ７１に限定されるものではなく、それぞれ、燃料電池１０の温度を検出可能なもの、燃料電池１０の出力電圧を検出可能なものであればかまわない。

また、図１に示される燃料電池システムでは、水素濃度検出手段７０、電池温度検出手段７２、電池電圧検出手段７１の３つにより制御部６０を介した水素ポンピング部５０の印加電圧制御を行っていたが、これら３つの手段のうちいずれか１つのみを備えたものであってもよい。

以上、本発明は、水素および空気が供給され当該供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池と、燃料電池から電気化学反応後の水素および空気を排出する排出部とを備える燃料電池システムにおいて、排出部に設けられ、電圧の印加による水素のポンピング作用により排出部中のガスから水素のみを分離する水素ポンピング部と、水素ポンピング部にて分離された水素を燃料電池の水素供給経路へ戻す戻し経路と、水素ポンピング部に印加する電圧を制御する制御部とを備えることを要部とするものであり、その他の部分は適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。 図１中の水素ポンピング部の概略断面図である。 ポンピング電圧とポンピング電流との一般的な関係を示す図である。 バイメタル式の被水防止構造を有する水素濃度センサの例を示す概略図である。 機械式の被水防止構造を有する水素濃度センサの例を示す概略図である。 水素ポンピング部の濃淡電位を検出する場合の要部構成を示す図である。 従来の一般的な燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。 （ａ）は燃料電池が濃淡電池として作用する場合を示す図であり、（ｂ）は燃料電池におけるクロスリークの発生メカニズムを示す図である。

符号の説明

１０…燃料電池、４０…排出部、５０…水素ポンピング部、５１…第１の電極、
５２…第２の電極、５３…プロトン伝導膜、５５…戻し経路、６０…制御部、
７０水素濃度検出手段としての水素濃度センサ、
７０ｂ…バイメタルよりなる被覆部材、７０ｃ…被覆部材としてのスライド窓、
７１…電池電圧検出手段としての電圧センサ、
７２…電池温度検出手段としての温度センサ。

Claims (9)

1. 水素および空気が供給され当該供給された水素と空気中の酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）から前記電気化学反応後の水素および空気を排出する排出部（４０）と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記排出部（４０）には、電圧の印加による水素のポンピング作用により前記排出部（４０）中のガスから水素のみを分離する水素ポンピング部（５０）が設けられており、
   前記水素ポンピング部（５０）にて分離された水素を前記燃料電池（１０）の水素供給経路（３０）へ戻す戻し経路（５５）が設けられており、
   前記水素ポンピング部（５０）に印加する電圧を制御する制御部（６０）が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素ポンピング部（５０）に供給される前記排出部（４０）中のガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段（７０）を備え、
   前記制御部（６０）は、前記水素濃度検出手段（７０）にて求められた前記水素濃度に基づき、前記水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素濃度検出手段は、前記排出部（４０）に設けられ被水防止構造を有する水素濃度センサ（７０）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記水素濃度センサ（７０）における前記被水防止構造は、前記水素濃度センサ（７０）を被覆するバイメタルよりなる被覆部材（７０ｂ）を備えるものであって、
   前記被覆部材（７０ｂ）自身の温度変化による変形により、前記被覆部材（７０ｂ）の開閉が行われるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記水素濃度センサ（７０）における前記被水防止構造は、前記水素濃度センサを被覆する被覆部材（７０ｃ）を備えるものであって、
   前記制御部（６０）からの信号により、前記被覆部材（７０ｃ）の開閉が機械的に行われるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池（１０）の温度を検出する電池温度検出手段（７２）を備え、
   前記制御部（６０）は、前記電池温度検出手段（７２）にて求められた前記燃料電池（１０）の温度に基づき、前記水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池（１０）の電圧を検出する電池電圧検出手段（７１）を備え、
   前記制御部（６０）は、前記電池電圧検出手段（７１）にて求められた前記燃料電池（１０）の電圧に基づき、前記水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記水素ポンピング部（５０）は、プロトン伝導膜（５３）と、このプロトン伝導膜（５３）を挟む第１の電極（５１）および第２の電極（５２）とを備えるものであり、
   前記両電極（５１、５２）に電圧を印加することにより、前記第１の電極（５１）に接した水素をプロトンと電子に分離させ、当該プロトンを前記プロトン伝導膜（５３）を通して前記第２の電極（５２）に移動させて再度水素に戻すものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記制御部（６０）は、前記水素ポンピング部（５０）の濃淡電位を検出し、検出された濃淡電位に基づき、前記水素ポンピング部（５０）に印加する電圧の制御を行うものであ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。
   

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