JP2007200602A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のカソード出口配管に設置された水素リークセンサの結露を防止して信頼性を向上させることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２のカソード出口配管における水素濃度を検出する水素リークセンサ１０と、燃料電池スタック２に空気を供給するコンプレッサ７と、コンプレッサ７によって燃料電池スタック２に供給される空気を分岐して、この分岐した空気をカソード出口配管における水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気を供給する乾燥空気供給流路１１と、乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断する乾燥空気遮断弁１２を備え、ＥＣＵ３が乾燥空気供給流路１１を通じて供給される乾燥空気の流量を、燃料電池スタック２の運転状態に基づいて制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスと空気を供給して発電する燃料電池システムに係り、特にカソード出口配管に設置された水素リークセンサの結露を防止して信頼性を向上させた燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源として、燃料電池技術が注目されている。

燃料電池は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタックに供給し、電気化学反応を起こして化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。

このような燃料電池システムでは、燃料電池を構成している固体高分子電解質膜が部分的に含水量不足となって破損すると、固体高分子電解質膜を通り抜けた水素ガスがカソード側にリークして燃料電池のカソード排気に水素ガスが混入してしまう恐れがある。そこで、このような事態に対応するために、従来の燃料電池システムではカソード排気管の途中に水素リークセンサを設置してシステムの異常を検知するような対策が取られていた。

ところが、燃料電池のカソード排気は生成水・加湿水などを含有しているため、水素リークセンサのセンサ部が触媒反応型である場合は、センサ部が湿度の高いガスに晒されると、結露による影響で劣化を早めたり、精度が低下したりするという問題点があった。

そこで、従来の燃料電池システムでは水素リークセンサの結露を防止するために、水素リークセンサの上流位置にヒータを設けており、このような燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００４−６９４３６号公報（特許文献１）が開示されている。
特開２００４−６９４３６号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムのようにヒータのみで水素リークセンサの周辺雰囲気における湿度を低減させようとすると、ヒータに要求される発熱量が大きくなり、より多くの電力が必要になってしまうという問題点があった。

また、燃料電池システムの停止後は、カソード排気管内の温度が徐々に低下して結露しやすくなるため、システム停止後にはヒータでの加熱が必要になっていた。したがって、システム停止後にまで電力が必要になってしまうという問題点もあった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスである水素ガスをアノードに供給し、酸化剤ガスである空気をカソードに供給して電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード出口配管の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、前記カソード出口配管における前記水素濃度検出手段の上流に乾燥空気を供給する乾燥空気供給手段と、前記乾燥空気供給手段によって供給される乾燥空気の流量を、前記燃料電池の運転状態に基づいて制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、乾燥空気供給手段によって水素濃度検出手段の上流に乾燥空気を供給するので、燃料電池のカソード排気によって多湿な環境に晒される水素濃度検出手段の周辺雰囲気における湿度を低減させることができ、これによって水素検出手段のセンサ検出部に付着した液滴の蒸発を促す効果を期待できるので、水素濃度検出手段の信頼性を向上させることができる。

また、制御手段によって水素濃度検出手段に供給される乾燥空気の流量を燃料電池の運転状態に基づいて制御するので、燃料電池の発電によって生成される水の量に応じて乾燥空気を供給することができ、より確実に水素濃度検出手段周辺の湿度を低減させることができる。

［実施形態１］
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気とが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１を制御するＥＣＵ（Electric Control Unit）（制御手段）３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、燃料電池スタック２のアノードに供給される水素ガスの圧力を調整する水素調圧弁５と、燃料電池スタック２における反応で使用されない窒素などの不純物を排出するパージ弁６と、外気から吸入した空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給するコンプレッサ（空気供給手段）７と、燃料電池スタック２への空気の流通を遮断する空気遮断弁（空気遮断手段）８と、燃料電池スタック２のカソードにおける空気の圧力を調整する空気調圧弁（圧力調節手段）９と、燃料電池スタック２のカソード出口配管における水素濃度を検出する水素リークセンサ（水素濃度検出手段）１０と、コンプレッサ７によって燃料電池スタック２に供給される空気を分岐して、この分岐した空気をカソード出口配管における水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気として供給する乾燥空気供給流路１１と、乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断する乾燥空気遮断弁（乾燥空気遮断手段）１２とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
この燃料電池スタック２は、酸化剤極と燃料極とを対設させ、その間に固体高分子電解質膜を挟んで燃料電池構造体を構成し、この燃料電池構造体をセパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層させて構成されている。

また、燃料電池スタック２に水素ガスを供給する水素供給系では、水素タンク４から水素調圧弁５を通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給されている。通常、燃料電池スタック２で消費される水素量よりも多い水素量を燃料電池スタック２に供給することによって安定した発電を実現させている。そして、燃料電池スタック２から排出される余剰水素は、図示しない水素循環路配管を通じて水素循環ポンプにより燃料電池スタック２のアノード入口に戻されている。このように水素を再循環させることによって燃料電池スタック２の安定した発電を維持するとともに、発電効率を向上させている。また、アノード出口には、カソードから透過してきた窒素や、燃料の水素ガス中に含まれる不純物ガスなどを排出するためにパージ弁６を設け、パージ弁６の下流は空気調圧弁９と水素リークセンサ１０との間に合流されており、不純物ガスと一緒にパージ弁６から排出される水素はカソードからの排空気によって希釈され、可燃濃度より薄い状態となって排出されている。

一方、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック２に供給する空気供給系では、コンプレッサ７によって外気から吸入した空気が加圧され、燃料電池スタック２のカソードに供給されている。カソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値がＥＣＵ３にフィードバックされ、この検出値に基づいてＥＣＵ３がコンプレッサ７の回転数及び空気調圧弁９の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。

また、カソード出口配管における水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を供給するための乾燥空気供給手段として、コンプレッサ７と、コンプレッサ７の下流から分岐して、この分岐した空気をカソード出口配管における水素リークセンサ１０の上流まで乾燥空気をバイパスさせる乾燥空気供給流路１１と、乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断する乾燥空気遮断弁１２とを備えており、所定のタイミングで燃料電池スタック２を通過しない乾燥空気を水素リークセンサ１０の上流へ導くようにしている。

ＥＣＵ３は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータによって構成されている。ただし、ＥＣＵ３を複数のマイクロコンピュータによって構成することも可能であり、後述する乾燥空気供給処理の制御の他にも複数の制御を実行する装置として構成してもよい。

このＥＣＵ３は、水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度が高くて結露による影響で水素リークセンサ１０の精度が悪化する恐れがある場合や、水素リークセンサ１０のセンサ部が劣化する恐れがあると判断した場合に乾燥空気を水素リークセンサ１０の上流へ導くように制御している。これにより水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度を低下させ、水素リークセンサ１０の精度回復と劣化を防止することが可能となる。

さらに、乾燥空気供給流路１１への分岐部と燃料電池スタック２のカソード入口との間には、燃料電池スタック２へ供給される空気の流通を遮断する空気遮断弁８が設置されており、ＥＣＵ３は燃料電池スタック２への空気供給が不要と判断した場合には、空気調圧弁９と空気遮断弁８とを閉じて燃料電池スタック２を通過した多湿な空気が水素リークセンサ１０へ送られないようにしている。

また、ＥＣＵ３は図示していない各種センサや水素リークセンサ１０によって検出された検出値に基づいてコンプレッサ７の回転数や各弁の開閉をコントロールしており、特に乾燥空気供給流路１１によって供給される乾燥空気の流量を、燃料電池スタック２の運転状態に基づいて制御している。さらに、ＥＣＵ３は燃料電池スタック２の起動、発電、停止時にはシステム内の各アクチュエータをセンサ信号によってコントロールしている。

次に、本実施形態の燃料電池システム１によるシステム起動時における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず燃料電池システム１が起動されると、ＥＣＵ３が燃料電池スタック２の運転状態に基づいて燃料電池スタック２が空気供給を必要としているか否かを判断する（Ｓ２０１）。ここで、燃料電池スタック２への空気供給が必要なければ、空気遮断弁８と空気調圧弁９を遮断し、乾燥空気遮断弁１２を開放して所定流量の乾燥空気を水素リークセンサ１０の上流へコンプレッサ７から供給して（Ｓ２０２）、本実施形態の燃料電池システム１によるシステム起動時における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。

このように、燃料電池システム１の起動時に乾燥空気を水素リークセンサ１０に供給することによって、水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度を低下させ、水素リークセンサ１０のセンサ部に付着した液滴の蒸発を促し、水素リークセンサ１０の信頼性を回復させることができる。特に、燃料電池スタック２の発電前に乾燥空気を供給することにより、燃料電池スタック２の発電時に生成される水を多く含んだ多湿な排気の影響で、水素リークセンサ１０周辺の湿度が上昇してしまうことを防止できる。

一方、ステップＳ２０１において燃料電池スタック２が空気供給を必要としている場合には燃料電池スタック２の通常制御を行って（Ｓ２０３）、本実施形態の燃料電池システム１によるシステム起動時における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。ここで、ステップＳ２０３における燃料電池スタック２の通常制御とは、燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算した空気流量を、燃料電池スタック２のカソードへ供給するものである。

次に、本実施形態の燃料電池システム１によるシステム停止時における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３に示すように、まず燃料電池システム１の停止指令が入力されると、ＥＣＵ３が燃料電池スタック２の運転状態に基づいて燃料電池スタック２が空気供給を必要としているか否かを判断する（Ｓ３０１）。ここで、燃料電池スタック２への空気供給が必要なければ、空気遮断弁８と空気調圧弁９を遮断し、乾燥空気遮断弁１２を開放して所定流量の乾燥空気を水素リークセンサ１０の上流へコンプレッサ７から供給して（Ｓ３０２）、本実施形態の燃料電池システム１による水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。

このように、燃料電池システム１の停止時に乾燥空気を水素リークセンサ１０に供給することによって、水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度を低下させることができ、これによって燃料電池システム１の停止後に水素リークセンサ１０の周辺温度が徐々に低下して結露する露点温度が下がった場合でも水素リークセンサ１０への結露を防止することができる。

一方、ステップＳ３０１において燃料電池スタック２が空気供給を必要としている場合には燃料電池スタック２の通常制御を行って（Ｓ３０３）、本実施形態の燃料電池システム１による水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。ここで、ステップＳ３０３における燃料電池スタック２の通常制御とは、燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量に余剰率を乗算した空気流量を、燃料電池スタック２のカソードへ供給するものである。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による発電中における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。図４に示すように、まずコンプレッサ７から供給される空気供給総流量Ｑａ１と、乾燥空気供給流路１１を流れる乾燥空気実流量Ｑｂ１と、燃料電池スタック２の発電電流値Ａと、カソードの温度ＴとをＥＣＵ３が検出する（Ｓ４０１）。次に、燃料電池スタック２の発電電流値Ａに基づいて発電反応に必要とされる空気流量を求め、この空気流量に最小の余剰率を乗算して必要空気流量Ｑｍｉｎを算出する（Ｓ４０２）。

そして、燃料電池スタック２の発電電流値Ａと運転温度Ｔから燃料電池スタック２内の反応で生成される水の量を求め、この生成される水の量と、カソードへ供給される空気流量（Ｑａ１−Ｑｂ１）と、運転温度Ｔに対する飽和水蒸気量とに基づいてカソード排気の湿度環境を予測し、カソード排気の湿度が所定値以下となるように乾燥空気供給流路１１に流す乾燥空気目標流量Ｑｂ２を算出する（Ｓ４０３）。この算出方法としては、例えばカソード排気の湿度環境と乾燥空気目標流量Ｑｂ２との対応関係を予めマップに設定しておけばよい。

次に、空気供給総量Ｑａ１から乾燥空気目標流量Ｑｂ２を減算した流量が、必要空気流量Ｑｍｉｎより多くなるか否かを比較し（Ｓ４０４）、減算した流量が必要空気流量Ｑｍｉｎより多くなる場合には乾燥空気供給流路１１に流す乾燥空気実流量Ｑｂ１が乾燥空気目標流量Ｑｂ２となるように制御して（Ｓ４０５）、本実施形態の燃料電池システム１による発電中における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。乾燥空気供給流路１１を流れる乾燥空気の流量制御は、例えば、空気供給総量Ｑａ１と、乾燥空気実流量Ｑｂ１との関係を実験やシミュレーションを通じて予め取得しておき、この関係を規定するマップ或いは計算式を用いて、コンプレッサ７の負荷（すなわち、空気供給総量Ｑａ１）を調整することによって行う。また、乾燥空気供給流路１１の乾燥空気遮断弁１２を周期的に遮断させ、或いは、一定時間遮断させることにより、所定時間に流れる乾燥空気の流量の平均値が、乾燥空気目標流量Ｑａ２となるように制御を行ってもよい。なお、乾燥空気遮断弁１２の遮断周期、或いは、遮断時間は、空気供給総量Ｑａ１に対応する乾燥空気実流量Ｑｂ１からフィードフォワード制御する、或いは、乾燥空気供給流路１１に流量検出手段を設け、この検出結果からフィードバック制御する。

ただし、乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気を供給しているときには、ＥＣＵ３によって燃料電池スタック２に供給される空気流量を予測し、予測した空気流量が、発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算した空気流量に満たないと判断されたときには、乾燥空気遮断弁１２によって乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断するように制御する。

一方、ステップＳ４０４において減算した流量が、必要空気流量Ｑｍｉｎ以下となる場合には、空気供給総量Ｑａ１が必要空気流量Ｑｍｉｎと乾燥空気目標流量Ｑｂ２とを加算した流量になるようにコンプレッサ７の負荷を増加させて（Ｓ４０６）、本実施形態の燃料電池システム１による発電中における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を供給するので、燃料電池スタック２のカソード排気によって多湿な環境に晒される水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度を低減させることができ、これによって水素リークセンサ１０のセンサ検出部に付着した液滴の蒸発を促す効果を期待できるので、水素リークセンサ１０の信頼性を向上させることができる。

さらに、供給される乾燥空気の流量をＥＣＵ３が燃料電池スタック２の運転状態に基づいて制御するので、燃料電池スタック２の発電によって生成する水の量に応じて乾燥空気を供給することができ、より確実に水素リークセンサ１０周辺の湿度を低減させることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥空気供給手段として、燃料電池に空気を供給するコンプレッサ７と、コンプレッサ７から燃料電池スタック２に供給される空気を分岐して、この分岐した空気をカソード出口配管における水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気として供給する乾燥空気供給流路１１とを備えたので、水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気を流すために新たな装置を追加することなく、既存のコンプレッサ７によって乾燥空気を供給することができる。

また、乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断する乾燥空気遮断弁１２を備えたので、乾燥空気の供給が不要になったときに乾燥空気の供給を停止することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気を供給するときには、燃料電池スタック２に供給される空気流量が、燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算して求めた空気流量を満たすようにコンプレッサ７を調節するので、水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を流しても燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量が不足しないように空気流量を増量することができ、これによって発電に必要な空気流量を確保することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気を供給しているときに、燃料電池スタック２に供給される空気流量を予測し、予測した空気流量が発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算した空気流量に満たないと判断したときは、乾燥空気遮断弁１２によって乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断するので、燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量が不足することを防止できる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、コンプレッサ７によって供給される空気供給総量から乾燥空気目標流量を減算した流量が、必要空気流量よりも多い場合には、乾燥空気目標流量の乾燥空気を乾燥空気供給流路１１へ供給し、空気供給総量から乾燥空気目標流量を減算した流量が、必要空気流量よりも少ない場合には、必要空気流量と乾燥空気目標流量とを加算した流量が空気供給総量になるようにコンプレッサ７を調整して乾燥空気目標流量の乾燥空気を水素リークセンサ１０へ流すようにしたので、水素リークセンサ１０に乾燥空気を流しても燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量が不足することを防止でき、燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量を確保することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２の発電電流値と運転温度から燃料電池スタック２内の反応で生成される水の量を推定し、この推定された水の量と、燃料電池スタック２に供給される空気流量と、運転温度に対する飽和水蒸気量とに基づいて、カソード排気の湿度環境を予測して乾燥空気目標流量を算出するので、水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度を低減するために必要な流量の乾燥空気を供給することが可能となる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、システム起動時に乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を供給するので、燃料電池スタック２の起動時に生成される水を多く含んだ多湿な排気の影響で、水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度が上昇してしまうことを防止できる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、システム停止時に乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を供給するので、システムの停止後に水素リークセンサ１０の周辺雰囲気の温度が低下した場合でも、結露を抑制して水素リークセンサ１０の信頼性を向上させることができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック２のカソード入口へ供給される空気を遮断する空気遮断弁８と、燃料電池スタック２のカソード出口に設置されて燃料電池スタック２内の空気圧力を調節する空気調圧弁９を備え、燃料電池スタック２が空気の供給を必要としない場合には空気遮断弁８と空気調圧弁９を遮断して乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を供給するので、コンプレッサ７から供給される乾燥空気を確実に水素リークセンサ１０の上流へ供給することができ、これによって水素リークセンサ１０の周辺雰囲気における湿度をより確実に低減させることができる。

［実施形態２］
次に、本発明の実施形態２を図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態の燃料電池システムによる発電中における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を示すフローチャートである。尚、本実施形態の燃料電池システムの構成は実施形態１と同一なので、詳しい説明は省略する。

図５に示すように、まずコンプレッサ７から供給される空気供給総流量Ｑａ１と、乾燥空気供給流路１１を流れる乾燥空気実流量Ｑｂ１と、燃料電池スタック２の発電電流値Ａと、カソードの温度ＴとをＥＣＵ３が検出する（Ｓ５０１）。次に、燃料電池スタック２の発電電流値Ａに基づいて発電反応に必要とされる空気流量を求め、この空気流量に最小の余剰率を乗算して必要空気流量Ｑｍｉｎを算出する（Ｓ５０２）。

そして、燃料電池スタック２の発電電流値Ａと運転温度Ｔから燃料電池スタック２内の反応で生成される水の量を求め、この生成される水の量と、カソードへ供給される空気流量（Ｑａ１−Ｑｂ１）と、運転温度Ｔに対する飽和水蒸気量とに基づいてカソード排気の湿度環境を予測し、カソード排気の湿度が所定値以下となるように乾燥空気供給流路１１に流す乾燥空気目標流量Ｑｂ２を算出する（Ｓ５０３）。この算出方法としては、例えばカソード排気の湿度環境と乾燥空気目標流量Ｑｂ２との対応関係を予めマップに設定しておけばよい。

次に、空気供給総量Ｑａ１から乾燥空気目標流量Ｑｂ２を減算した流量が、必要空気流量Ｑｍｉｎより多くなるか否かを比較し（Ｓ５０４）、減算した流量が必要空気流量Ｑｍｉｎより多くなる場合には乾燥空気供給流路１１に流す乾燥空気実流量Ｑｂ１が乾燥空気目標流量Ｑｂ２となるように制御して（Ｓ５０５）、本実施形態の燃料電池システムによる発電中における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。

ただし、乾燥空気供給流路１１によって水素リークセンサ１０の上流へ乾燥空気を供給しているときには、燃料電池スタック２に供給される空気流量を予測し、予測した空気流量が、発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算した空気流量に満たないと判断されたときには、乾燥空気遮断弁１２によって乾燥空気供給流路１１による乾燥空気の供給を遮断するように制御する。

一方、ステップＳ５０４において減算した流量が、必要空気流量Ｑｍｉｎ以下となる場合には、乾燥空気遮断弁１２を閉じて乾燥空気供給流路１１への乾燥空気の供給を停止し、燃料電池スタック２の通常制御を行って（Ｓ５０６）、本実施形態の燃料電池システム１による発電中における水素リークセンサ１０への乾燥空気供給処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ７によって供給される空気供給総量から乾燥空気目標流量を減算した流量が必要空気流量よりも多い場合には、乾燥空気目標流量の乾燥空気を乾燥空気供給流路１１へ供給し、空気供給総量から乾燥空気目標流量を減算した流量が必要空気流量よりも少ない場合には、乾燥空気供給流路１１に乾燥空気を流さないようにしたので、燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量が供給されているときにのみ水素リークセンサ１０の上流に乾燥空気を供給することができ、これによって燃料電池スタック２の発電に必要な空気流量が不足してしまうことを防止できる。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムによるシステム起動時における水素リークセンサへの乾燥空気供給処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムによるシステム停止時における水素リークセンサへの乾燥空気供給処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態１に係る燃料電池システムによる発電中における水素リークセンサへの乾燥空気供給処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２に係る燃料電池システムによる発電中における水素リークセンサへの乾燥空気供給処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ ＥＣＵ（制御手段）
４ 水素タンク
５ 水素調圧弁
６ パージ弁
７ コンプレッサ（空気供給手段）
８ 空気遮断弁（空気遮断手段）
９ 空気調圧弁（圧力調節手段）
１０ 水素リークセンサ（水素濃度検出手段）
１１ 乾燥空気供給流路
１２ 乾燥空気遮断弁（乾燥空気遮断手段）

Claims (10)

1. 燃料ガスである水素ガスをアノードに供給し、酸化剤ガスである空気をカソードに供給して電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池のカソード出口配管の水素濃度を検出する水素濃度検出手段と、
   前記カソード出口配管における前記水素濃度検出手段の上流に乾燥空気を供給する乾燥空気供給手段と、
   前記乾燥空気供給手段によって供給される乾燥空気の流量を、前記燃料電池の運転状態に基づいて制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記乾燥空気供給手段は、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、
   前記空気供給手段によって前記燃料電池に供給される空気を分岐して、当該分岐した空気を前記カソード出口配管における前記水素濃度検出手段の上流へ乾燥空気として供給する乾燥空気供給流路と、
   前記乾燥空気供給流路による乾燥空気の供給を遮断する乾燥空気遮断手段と、
   を備え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。
3. 前記制御手段は、前記乾燥空気供給流路によって前記水素濃度検出手段の上流へ乾燥空気を供給するときに、前記燃料電池に供給される空気流量が、前記燃料電池の発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算して求めた空気流量を満たすように前記空気供給手段を調節す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. 前記制御手段は、前記乾燥空気供給流路によって前記水素濃度検出手段の上流へ乾燥空気を供給しているときに、前記燃料電池に供給される空気流量を予測し、予測した空気流量が、発電に必要な空気流量に所定の余剰率を乗算して求めた空気流量に満たないと判断したときには、前記乾燥空気遮断手段によって前記乾燥空気供給流路による乾燥空気の供給を遮断することを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、カソード排気の湿度を所定値以下にするために必要な前記乾燥空気供給流路への流量を乾燥空気目標流量として算出し、この乾燥空気目標流量を前記空気供給手段によって供給される空気供給総量から減算し、この減算した流量が前記燃料電池の発電に必要とされる空気流量に最小の余剰率を乗算して求めた必要空気流量よりも多い場合には、前記乾燥空気目標流量の乾燥空気を前記乾燥空気供給流路へ供給し、
   前記空気供給総量から前記乾燥空気目標流量を減算した流量が、前記必要空気流量よりも少ない場合には、前記必要空気流量と前記乾燥空気目標流量とを加算した流量が空気供給総量になるように前記空気供給手段を調整して前記乾燥空気供給流路に前記乾燥空気目標流量の乾燥空気を流すことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、カソード排気の湿度を所定値以下にするために必要な前記乾燥空気供給流路への流量を乾燥空気目標流量として算出し、この乾燥空気目標流量を前記空気供給手段によって供給される空気供給総量から減算し、この減算した流量が前記燃料電池の発電に必要とされる空気流量に最小の余剰率を乗算して求めた必要空気流量よりも多い場合には、前記乾燥空気目標流量の乾燥空気を前記乾燥空気供給流路へ供給し、
   前記空気供給総量から前記乾燥空気目標流量を減算した流量が、前記必要空気流量よりも少ない場合には、前記乾燥空気供給流路に乾燥空気を流さないことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流値と運転温度から前記燃料電池内の反応で生成される水の量を推定し、この推定された水の量と、前記燃料電池に供給される空気流量と、運転温度に対する飽和水蒸気量とに基づいて、カソード排気の湿度環境を予測して前記乾燥空気目標流量を算出することを特徴とする請求項５または請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、当該燃料電池システムの起動時に前記乾燥空気供給手段によって前記水素濃度検出手段の上流に乾燥空気を供給することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、当該燃料電池システムの停止時に前記乾燥空気供給手段によって前記水素濃度検出手段の上流に乾燥空気を供給することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池のカソード入口へ供給される空気を遮断する空気遮断手段と、
    前記燃料電池のカソード出口に設置されて前記燃料電池内の空気圧力を調節する圧力調節手段とを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池が空気の供給を必要としない場合には前記空気遮断手段と前記圧力調節手段を遮断して前記乾燥空気供給手段によって前記水素濃度検出手段の上流に乾燥空気を供給することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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