JP2007317363A - 燃料電池システムの排ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から未処理のまま排出される水素量を抑制する。
【解決手段】燃料電池２０から排出された水素ガスを希釈する希釈器３０と、燃料電池２０のカソードに空気を供給してカソードオフガスを換気するエアコンプレッサ３６と、を含み、希釈器３０で希釈された水素ガスを燃料電池２０からのカソードオフガスと混合して大気に排出する燃料電池システムの排出ガス処理装置６０において、燃料電池２０の起動と停止が所定時間内に所定回数繰り返されたことを検知する連続起動検知手段４１と、連続起動検知手段４１によって検出された起動と停止の履歴に基づいて排出ガス処理の条件を決定し、燃料電池から希釈器３０へ排出される水素ガスを通常より少ない量に制限する水素排出制限手段４２と、通常より多い空気量によって希釈器３０内の水素を換気する換気量増加手段４３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの排出ガス処理装置に関し、特に希釈器で希釈された水素ガスを燃料電池からのカソードオフガスと混合して大気に排出する燃料電池システムの排出ガス処理装置に関する。

電気自動車に用いられる燃料電池は、アノード側に供給された水素とカソード側に供給された酸素との電気化学反応によって発電する。さらに、水素の利用効率を上げて燃費を良くするためにアノード配管系に水素の循環系を有している。循環系において、再循環を長時間続けていると水素中の不純物、例えば窒素の濃度が高まり、発電の効率を悪くすることがある。そこで、発電に使用されたガスは、燃料電池システム内の流路を流れ外部に排出される。

アノード側から排出されるガス（アノードオフガス）中には、発電で消費されなかった水素が残留している場合がある。水素は可燃性ガスであるため、特許文献１に示されるように、アノードオフガスは燃焼又は酸化触媒による酸化処理を施した上で排出される。このような酸化触媒を用いることにより、燃料電池が起動され、運転が継続されていれば暖機が進むにつれて未処理の水素の排出を低減させることが可能となる。

水素は可燃ガスであるが有毒ガスではないため、未処理のまま水素が排出されたとしても高濃度にならなければほとんど実害はない。しかし、燃料電池の起動時には、酸化触媒の暖機が完了しておらず、酸化処理により処理しきれない水素が排出され濃度が上昇する場合があった。

このような問題を解決するために、特許文献２には、酸化処理で処理しきれない水素を希釈器で希釈し、希釈器内に滞留する水素の濃度をセンサにより監視しながら水素濃度の低い排出ガスを大気に排出する技術が開示されている。

また、特許文献３には、短時間に燃料電池の起動と停止が繰り返され、燃料電池を含むシステム全体の暖機が完了していない場合において、起動及び停止の頻度を起動履歴に基づいて判断し、所定条件下で燃料電池の起動を禁止する技術が開示されている。

特開２００２−２８９２３７号公報 特開２００４−１７９１０２号公報 特開２００２−１９８０７５号公報

しかし、特許文献２に示される技術では、希釈器へ空気供給を行い希釈器内の水素を排出処理する時間を希釈器内の残留水素濃度に応じて長くすることで、水素の濃度を低減することは可能であるが、短時間に燃料電池の起動と停止が繰り返された場合、燃料ガスとなる水素を無駄に排出するという問題がある。

また、特許文献３に示される技術では、燃料電池の起動と停止を繰り返し行うと水素の濃度が上昇して燃料電池が起動停止制御装置により起動されず、起動時間の長時間化という問題がある。

本発明の目的は、以上のような問題を解決することができる燃料電池システムの排出ガス処理装置を提供することにある。

本発明に係る燃料電池システムの排ガス処理装置は、燃料電池のアノードに供給された水素ガスをパージするアノードパージバルブと、アノードパージバルブによりパージされた水素ガスを希釈する希釈手段と、を含み、希釈手段で希釈された水素ガスを大気に排出する燃料電池システムの排出ガス処理装置において、燃料電池の起動と停止が所定時間内に所定回数繰り返されたことを検知する連続起動検知手段と、連続起動検知手段によって検出された起動と停止の履歴に基づいて排出ガス処理の条件を決定することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムの排出ガス処理装置において、連続起動検知手段により連続起動を検知した場合には、燃料電池から希釈手段へパージされる水素ガスを通常より少ない量に制限する水素排出制限手段を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムの排出ガス処理装置において、さらに、前記アノードバルブからパージされた水素ガスを希釈する希釈ガスを、前記希釈手段に供給する希釈ガス供給手段を備え、連続起動検知手段により連続起動を検知した場合には、前記希釈ガス供給手段により通常より多い希釈ガス量を前記希釈手段に供給することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムの排ガス処理装置は、燃料電池のアノードに供給された水素ガスをパージするアノードパージバルブと、アノードパージバルブによりパージされた水素ガスを希釈する希釈手段と、を含み、希釈手段で希釈された水素ガスを大気に排出する燃料電池システムの排出ガス処理装置において、燃料電池の起動と停止が所定時間内に所定回数繰り返されたことを検知する連続起動検知手段と、連続起動検知手段により連続起動を検知した場合には、燃料電池から希釈手段へパージされる水素ガスを通常より少ない量に制限する水素排出制限手段と、を有することを特徴とする。

本発明を用いることにより、燃料電池の起動と停止を繰り返し行う場合であっても燃料ガスとなる水素の無駄な放出を抑制することが可能となる。

また、燃料電池の起動と停止を繰り返し行う場合であっても、放出される燃料ガス中の水素濃度を抑制しつつ、起動禁止による起動時間の長時間化とならず、起動応答性を確保することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、燃料電池システム１００の概要が示されており、この燃料電池システムに組み込まれている排ガス処理装置６０も示されている。燃料電池システム１００は、燃料電池２０のアノード２１に供給された水素ガスをパージするアノードパージバルブ１５と、アノードパージバルブ１５からパージされた水素ガスを希釈する希釈器３０と、燃料電池のカソード２３に空気を供給してカソードオフガスを換気する希釈ガス供給手段と、これらを制御する制御装置４０を含み、希釈器３０で希釈された水素ガスを燃料電池２０からのカソードオフガスと混合（希釈手段）して大気に排出する。

燃料電池２０はフッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などの高分子電解質膜２２と、その両面にアノード２１及びカソード２３と、の膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面には図示しないリブ付きセパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード２１及びカソード２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード２１では酸化反応が生じ、カソード２３では還元反応が生じ、燃料電池全体として起電反応が生じる。

なお、図１に示す燃料電池２０の説明において、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６などで構成される単セルを構造模式的に示しているが、実際には、上述したリブ付きセパレータを介して複数の単セルが直列に接続されたスタック構造となっている。

燃料電池２０を含む燃料電池システムには、水素供給系統と空気供給系統との２系統が設けられている。以下に、水素供給系統と空気供給系統について説明する。

図１に示すように、水素供給系統には三つの流路が設けられている。一つ目の流路はアノードガスチャンネル２５に水素を供給するための水素ガス流路２０１であり、二つ目はアノードガスチャンネル２５から排気されるアノードオフガスを水素ガス流路に還流させるための循環流路２０２であり、三つ目は循環流路２０２に分岐配管されているアノードオフガス排気流路２０３である。

次に、水素供給系統の各機器について示す。水素供給系統の水素ガス流路２０１には、水素供給装置１０からの高圧水素ガスの圧力調整を行う調圧弁１１と、水素ガスの供給・停止を制御する水素供給バルブ１２と、が配設されている。循環流路２０２には水素循環ポンプ１３が配設されており、アノードガスチャンネル２５を通過する際に圧力損失を受けた水素ガスを含むアノードオフガス（水素オフガス）を圧縮して適切なガス圧まで昇圧し、水素ガス流路２０１に還流させている。

水素供給系統の循環流路２０２には、循環水素に含まれる水素以外の成分濃度、例えば、窒素や水蒸気の濃度が高くなった時点でアノードオフガスを車外に排出するアノードオフガス排気流路２０３が配管されている。さらに、アノードオフガス排気流路２０３は希釈器３０に配管されている。この水素オフガスのパージ量はアノードパージバルブ１５で調整され、希釈器３０へ導入される。

次に、空気供給系統を図１を用いて示す。空気供給系統には四つの流路が設けられている。一つ目の流路はカソードガスチャンネル２６に空気中の酸素を供給するための空気供給流路２０４であり、二つ目はカソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガス流路２０５であり、三つ目はカソードオフガス流路２０５から分岐配管され希釈器３０に希釈エアとしてのカソードオフガスを導入する導入流路２０６であり、四つ目は希釈器で希釈された希釈ガスをカソードオフガス流路２０５に排気するために合流配管された希釈ガス排気流路２０７である。

空気供給系統の空気供給流路２０４には、エアコンプレッサ３６と、加湿器３３と、が配設されている。また、カソードオフガス流路２０５には空気供給流路２０４に接続されている加湿器３３と、マフラー３７と、が配設されている。

次に、ガスの流れを図１を用いて示す。吸気口から取り込まれた空気は、エアコンプレッサ３６で加圧された後に加湿器３３にて適度に加湿され、燃料電池２０のカソードガスチャンネル２６に流れ込む。また、カソードガスチャンネル２６から排出されるカソードオフガスは燃料電池２０の起電反応で生じた生成水によって高湿潤状態となっている。

加湿器３３では、高湿潤状態のカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の空気との間で水分交換が行われ、カソードオフガスの一方はマフラー３７を通過して車外に排出される。また、カソードオフガスの他方は、希釈ガスを導入する導入流路２０６を流れ、希釈器３０に流れ込む。

希釈器３０は、水素供給系統と空気供給系統とに接続され、アノードオフガス排気流路２０３からの水素オフガスを導入流路２０６からの希釈ガスにより希釈する。

次に、排気ガス処理装置６０として機能する構成について図１を用いて示す。排気ガス処理装置６０はエアコンプレッサ３６と、アノードパージバルブ１５と、希釈器３０と、これらを制御する制御装置４０と、を含み、制御装置４０にはイグニッションスイッチのＯＮ・ＯＦＦを検出する信号線と、各機器を制御するための制御線と、が接続されている。

さらに、制御装置４０は、本発明に係る特徴的な制御手段である連続起動検知手段４１と水素排出制限手段４２と換気量増加手段４３とを有している。これらは、プログラムとして制御装置４０のＲＯＭに記憶されている。

図２には、制御装置４０が実行する排気ガス処理の流れが示されている。本実施形態の排気ガス処理は操作者等が起動停止を繰り返した場合においても対応可能な処理であり、制御装置４０のメイン処理から一定期間ごとに実行される起動制御ルーチンで処理される。

また、図３は制御装置４０の処理による水素濃度の変化を示し、図３には、横軸に時間、縦軸に水素濃度と、エアコンプレッサ３６の回転状態及びイグニションスイッチのＯＮ／ＯＦＦタイミング等が示されている。本実施形態では、起動制御ルーチンで上述した三つの制御手段を実装した。以下、図２と図３を用いて処理の流れを示す。

最初に起動制御ルーチンが起動されると、図２に示される信号入力（ステップ１０）において、制御装置４０はイグニッションスイッチの状態を検知する。もし、イグニッションが“ＯＮ”であれば、ステップＳ１２を実行して連続起動の計時を開始し、ＩＧフラグをセット（ステップＳ１３）し、エアコンプレッサを低回転で作動（ステップＳ１４）させた後に起動制御ルーチンからメイン処理プログラムに戻る。

制御装置４０は、イグニッションが“ＯＮ”されると、図示しないメイン処理の燃料電池起動処理を実行する。例えば、燃料電池起動処理は、燃料電池起動のために水素循環バルブを“開”にして水素供給装置からアノードガスチャンネルに水素ガスを供給し、パルス駆動によりアノードパージバルブ１５を数回“開”状態にして水素供給系統の水素ガス濃度を調整する。

続いて、イグニッションスイッチが“ＯＦＦ”されると、制御装置４０は図示しないメイン処理の燃料電池停止処理を実行する。例えば、燃料電池停止処理は、燃料電池の発電を停止させるために、水素循環バルブを“閉”にして水素供給装置からアノードガスチャンネルに供給される水素ガスを停止させ、パルス駆動によりアノードパージバルブ１５を数回“開”状態にして水素供給系統の水素濃度を低減させる。このような燃料電池の起動と停止が行われると、図３に示すように水素濃度は上昇するが、エアコンプレッサ３６から供給される希釈ガスにより除々に水素濃度は低下する。

次にメイン処理が起動制御ルーチンを実行すると、制御装置４０は信号入力（ステップＳ１０）によりイグニッションスイッチＯＦＦを検出し、ステップＳ１１において、“ＯＦＦ”と判定する。制御装置４０はステップＳ１５を実行して連続起動回数を記録するＣｓｔをカウントアップし、ＩＧフラグをクリアする（ステップＳ１６）。次に、制御装置４０はステップＳ１７においてＣｓｔが規定回数以下（例えば、４回）であるかを判定する。この状態では、連続起動回数ｎ＝１であるため、規定回数以下“Ｙｅｓ”と判断して、水素パージ許可（ステップＳ１８）とエアコンプレッサ低回転終了時間となったかどうかを判定する（ステップＳ１９）。この状態では、“Ｎｏ”と判定して制御装置４０はエアコンプレッサ低回転と判定し、そのまま起動処理ルーチンからメイン処理に戻る。

同様に、燃料電池の起動処理と停止処理が連続して発生した場合には連続起動回数ｎが“２，３，４・・”と増加する。例えば、Ｃｓｔの規定回数が“４”、Ｔｓｔの規定時間が“５分”として初期設定されている場合において、起動停止回数がさらに増加すると次に示す状態となる。例えば、連続起動回数を示すＣｓｔ変数が“５”になると、制御装置４０はイグニッションスイッチＯＦＦ時にステップＳ１０からＳ１６を処理し、ステップ１７のＣｓｔ回数判定にて規定回数を超えることになり、“Ｎｏ”と判断してステップＳ２１へ移る。

すると、制御装置４０はステップＳ２１の連続起動時間Ｔｓｔの判定を実行し、Ｔｓｔが規定時間内であるかを判定する。ここで、Ｔｓｔが例えば５分を経過した場合、“Ｙｅｓ”と判定され、水素パージ停止（ステップＳ２２）となり、エアコンプレッサ高回転（ステップＳ２３）が実行され、図３に示すようにエアコンプレッサ３６の回転数が高回転となる。次に、制御装置４０はエアコンプレッサ高回転終了時間になったかを判定し（ステップＳ２４）、“Ｎｏ”であれば起動処理ルーチンからメイン処理プログラムに戻る。

このように、制御装置４０がエアコンプレッサを高回転（例えば３０００ｒｐｍ）で運転させると、水素濃度の減少が早まる。また、コンプレッサの高回転終了時間（例えば１０分）となると、制御装置４０はステップＳ２４にてエアコンプレッサ高回転終了と判断し、エアコンプレッサを低回転（例えば１０００ｒｐｍ）で運転させる。

以上、上述したように、本実施形態の起動制御ルーチンでは、燃料電池の連続起動回数Ｃｓｔと連続起動時間Ｔｓｔにより連続起動を検知する連続起動検知手段と、連続起動を検知した場合に水素オフガスの排出を制限する水素排出制限手段と、エアコンプレッサ３６の回転数を低回転から高回転にすると共に、回転終了時間を制御する換気量増加手段と、を実現した。

このような本実施形態を用いることにより、燃料電池の起動と停止を繰り返し行う場合であっても無駄な燃料ガスである水素の放出を抑制することができる。また、燃料電池の起動と停止を繰り返し行う場合であっても、放出される燃料ガス中の水素濃度を抑制しつつ、起動禁止による起動時間の長時間化とならず、起動応答性を確保することが可能となる。

なお、本実施形態に係る燃料電池システムの排気ガス処理装置は、連続起動検知手段に基づいて、二つの制御手段である水素ガス制限手段と、換気量増加手段と、を同時に制御したが、これに限るものではなく少なくとも一つの手段を用いてもよい。さらに、本実施形態では主に排ガス処理における制御装置の処理について述べたが、制御装置はこの処理に限らず車両の制御も行うことはいうまでもない。また、本実施形態は、乗用車型の電気自動車などに限らずバスやトラックに使用することもできる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体概要図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの排ガス処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が行う制御を説明する作用図である。

符号の説明

１０ 水素供給装置、１１ 調圧弁、１２ 水素供給バルブ、１３ 水素循環ポンプ、１５ アノードパージバルブ、２０ 燃料電池、２１ アノード、２２ 高分子電解質膜、２３ カソード、２４ 膜・電極接合体、２５ アノードガスチャンネル、２６ カソードガスチャンネル、３０ 希釈器、３３ 加湿器、３６ エアコンプレッサ、３７ マフラー、４０ 制御装置、４１ 連続起動検知手段、４２ 水素排出制限手段、４３ 換気量増加手段、６０ 排気ガス処理装置、１００ 燃料電池システム、２０１ 水素ガス流路、２０２ 循環流路、２０３ アノードオフガス排気流路、２０４ 空気供給流路、２０５ カソードオフガス流路、２０６ 導入流路、２０７ 希釈ガス排気流路。

Claims (4)

1. 燃料電池のアノードに供給された水素ガスをパージするアノードパージバルブと、アノードパージバルブによりパージされた水素ガスを希釈する希釈手段と、を含み、希釈手段で希釈された水素ガスを大気に排出する燃料電池システムの排出ガス処理装置において、
   燃料電池の起動と停止が所定時間内に所定回数繰り返されたことを検知する連続起動検知手段と、
   連続起動検知手段によって検出された起動と停止の履歴に基づいて排出ガス処理の条件を決定することを特徴とする燃料電池システムの排ガス処理装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムの排出ガス処理装置において、
   連続起動検知手段により連続起動を検知した場合には、燃料電池から希釈手段へパージされる水素ガスを通常より少ない量に制限する水素排出制限手段を有することを特徴とする燃料電池システムの排ガス処理装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムの排ガス処理装置において、
   さらに、前記アノードバルブからパージされた水素ガスを希釈する希釈ガスを前記希釈手段に供給する希釈ガス供給手段を備え、連続起動検知手段により連続起動を検知した場合には、前記希釈ガス供給手段により通常より多い希釈ガス量を前記希釈手段に供給することを特徴とする燃料電池システムの排ガス処理装置。
4. 燃料電池のアノードに供給された水素ガスをパージするアノードパージバルブと、アノードパージバルブによりパージされた水素ガスを希釈する希釈手段と、を含み、希釈手段で希釈された水素ガスを大気に排出する燃料電池システムの排出ガス処理装置において、
   燃料電池の起動と停止が所定時間内に所定回数繰り返されたことを検知する連続起動検知手段と、
   連続起動検知手段により連続起動を検知した場合には、燃料電池から希釈手段へパージされる水素ガスを通常より少ない量に制限する水素排出制限手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの排ガス処理装置。

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