JP2016046159A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】希釈器を大型化することなく水素ガスを十分に希釈する。
【解決手段】燃料電池システムＡは、燃料電池スタック１０と、アノードオフガス通路３６と、アノードオフガス通路に連結された希釈器６０と、アノードオフガス通路と希釈器との間に配置され、アノードオフガス通路を間欠的に希釈器に連通するパージ制御弁３８と、希釈器に希釈ガス供給路６４を介して連結された希釈ガス供給器６５と、希釈器内に配置された水素吸蔵合金６８と、を備える。希釈器内においてアノードオフガスが希釈ガスと合流する前に水素吸蔵合金に接触すると共に希釈ガスがアノードオフガスと合流する前に水素吸蔵合金に接触するように、アノードオフガス及び希釈ガスが希釈器に導入される。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関する。

水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、燃料電池スタック内に形成された空気通路の出口に連結されたカソードオフガス通路と、アノードオフガス通路及びカソードオフガス通路にそれぞれ連結され、アノードオフガス中に含まれる水素ガスをカソードオフガスにより希釈するための希釈器と、アノードオフガス通路と希釈器との間に配置され、アノードオフガス通路を間欠的に希釈器に連通するパージ制御弁と、を備えた燃料電池システムが公知である（例えば特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、パージ制御弁の閉弁中に燃料電池スタックからアノードオフガス通路にアノードオフガスが順次送り込まれて蓄えられ、次いでパージ制御弁が開弁されるとこのアノードオフガスがアノードオフガス通路から希釈器に送り込まれる。

特開２００８−２３５０５１号公報

特許文献１において、アノードオフガス通路内に蓄えられるアノードオフガス中の水素ガス濃度は、燃料電池スタックの運転状態に応じて変動する。このため、アノードオフガス通路から希釈器に送り込まれるアノードオフガス中の水素ガス濃度がかなり高い場合もある。水素は空気との混合体において４から７４％程度の広い濃度範囲で爆発しうるので、大気中に放出する前に水素ガスを十分に希釈する必要がある。ところが、高濃度の水素ガスが希釈器に送り込まれると、この水素ガスを十分に希釈するのに必要なカソードオフガスが不足するおそれがあり、すなわち水素ガスを十分に希釈できないおそれがある。この点、希釈器の容積を大きくすれば希釈器内に多量のカソードオフガスを存在させることができるので、水素ガスを十分に希釈できると考えられる。しかしながら、大容積の希釈器を設置するための空間を確保するのは容易ではない。

本発明の一観点によれば、水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路に連結され、アノードオフガス中に含まれる水素ガスを希釈ガスにより希釈するための希釈器と、前記アノードオフガス通路と前記希釈器との間に配置され、前記アノードオフガス通路を間欠的に前記希釈器に連通するパージ制御弁と、前記希釈器に希釈ガス供給路を介して連結され、前記希釈器に前記希釈ガスを供給するための希釈ガス供給器と、前記希釈器内に配置された水素吸蔵合金と、を備え、前記希釈器内において前記アノードオフガスが前記希釈ガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触すると共に前記希釈ガスが前記アノードオフガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触するように、前記アノードオフガス及び前記希釈ガスが前記希釈器に導入される、燃料電池システムが提供される。

本発明の別の観点によれば、水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路に連結され、アノードオフガス中に含まれる水素ガスを希釈ガスにより希釈するための希釈器と、前記アノードオフガス通路と前記希釈器との間に配置され、前記アノードオフガス通路を間欠的に前記希釈器に連通するパージ制御弁と、前記希釈器に希釈ガス供給路を介して連結され、前記希釈器に前記希釈ガスを供給する希釈ガス供給器と、前記希釈器内に配置された水素吸蔵合金と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記希釈器内において前記アノードオフガスを前記希釈ガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触させると共に前記希釈ガスを前記アノードオフガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触させる、燃料電池システムの制御方法が提供される。

希釈器を大型化することなく水素ガスを十分に希釈することができる。

燃料電池システムの全体図である。 パージ制御弁の開閉動作及び水素ガス濃度ＣＨを説明するタイムチャートである。 パージ時間ｄｔｐの一例を示す線図である。 希釈ガス量ＱＤの一例を示す線図である。 燃料電池システム制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。 希釈ガス供給器の別の実施例を示す燃料電池システムの全体図である。 図６に示される実施例におけるパージ制御弁の開閉動作及び希釈ガス量ＱＤを説明するタイムチャートである。 図６に示される実施例における燃料電池システム制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。 希釈ガス供給器の更に別の実施例を示す燃料電池システムの全体図である。 希釈ガス供給器の更に別の実施例を示す燃料電池システムの全体図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。

燃料電池単セルのアノード極及びカソード極はそれぞれ直列に電気的に接続され、燃料電池スタック１０の電極を構成する。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。なお、図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。

また、燃料電池単セル内には、アノード極に水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に酸素ガスないし酸素を供給する空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路、空気流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列又は並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給路３１が連結され、水素ガス供給路３１は水素ガス源３２に連結される。本発明による実施例では水素ガス源３２は水素タンクから形成される。水素ガス供給路３１内には上流側から順に、電磁式の遮断弁３３と、水素ガス供給路３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素ガス源３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガス供給器、例えば水素ガスインジェクタ３５と、が配置される。図示しない別の実施例では、複数の水素ガスインジェクタが設けられ、これら水素ガスインジェクタは水素ガス供給路３１内に互いに並列に配置される。一方、水素ガス通路３０の出口にはアノードオフガス通路３６が連結され、アノードオフガス通路３６内には一定の容積を有するバッファタンク３７が配置される。このアノードオフガス通路３６は電磁式のパージ制御弁３８に連結される。遮断弁３３が開弁されかつ水素ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給路３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス通路３６内及びバッファタンク３７内に流入する。パージ制御弁３８が閉弁されているときにはアノードオフガスはアノードオフガス通路３６内及びバッファタンク３７内に蓄えられる。このアノードオフガスには水素ガスの他、窒素ガス、水蒸気などの不純分が含まれる。

また、空気通路４０の入口には空気供給路４１が連結され、空気供給路４１は空気源４２に連結される。本発明による実施例では空気源４２は大気から形成される。空気供給路４１内には上流側から順に、エアクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス通路４６が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給路４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス通路４６内に流入する。カソードオフガス通路４６内にはカソードオフガス通路４６内を流れるカソードオフガスの量を制御するカソードオフガス制御弁４７が配置される。

更に図１を参照すると、冷却水通路５０の入口には冷却水循環路５１の一端が連結され、冷却水循環路５１の出口には冷却水循環路５１の他端が連結される。冷却水循環路５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ（図示しない）と、ラジエータ（図示しない）とが配置される。冷却水ポンプが駆動されると、冷却水ポンプから吐出された冷却水は冷却水循環路５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水循環路５１内に流入し、ラジエータを介して冷却水ポンプに戻る。

図１に示される燃料電池システムＡは更に、アノードオフガス中に含まれる水素ガスを希釈ガスにより希釈するための希釈器６０を備える。この希釈器６０はアノードオフガス流入部６１と希釈ガス流入部６２とを有する。アノードオフガス流入部６１にはアノードオフガス供給路６３を介して上述のパージ制御弁３８が連結される。なお、アノードオフガス流入部６１は希釈器６０内に延長された管の形をなしている。一方、希釈ガス流入部６２には希釈ガス供給路６４を介して希釈ガス供給器６５が連結される。図１に示される燃料電池システムＡでは、希釈ガス供給器６５はコンプレッサ４４、空気供給路４１、空気通路４０、及びカソードオフガス通路４６から構成され、カソードオフガス通路４６が希釈ガス供給路６４に連結される。すなわち、図１に示される燃料電池システムＡでは、希釈ガスが燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスから構成される。更に、希釈器６０には単一の流出部６６が設けられており、この流出部６６には排出路６７が連結される。図１に示される燃料電池システムＡでは、希釈ガス流入部６２と流出部６６とがほぼ対面するように位置決めされており、希釈ガス流入部６２と流出部６６と結ぶ直線に対し直交するようにアノードオフガスが希釈器６０内に流入する。

パージ制御弁３８が開弁されると、アノードオフガス通路３６が希釈器６０に連通され、したがってアノードオフガス通路３６内及びバッファタンク３７内に蓄えられているアノードオフガスがアノードオフガス供給路６３を介して希釈器６０内に送り込まれる。また、コンプレッサ４４が作動されると、このときカソードオフガス通路４６内に流入するカソードオフガスが希釈ガスとして希釈器６０内に供給される。その結果、アノードオフガスと希釈ガスとが合流し、したがって希釈ガスによりアノードオフガスに含まれている水素ガスが希釈される。希釈された水素ガスは排出路６７を介して大気に排出される。

希釈器６０内には水素吸蔵合金６８が配置される。この水素吸蔵合金６８は、希釈器６０内の水素ガス濃度が高くなると水素ガスを吸蔵し、希釈器６０内の水素濃度が低くなると吸蔵している水素ガスを放出する性質を有する。図１に示されるように、水素吸蔵合金６８は希釈器６０内において、アノードオフガス流入部６１と希釈ガス流入部６２との両方に隣接するように配置される。また、アノードオフガス流入部６１と希釈ガス流入部６２とは互いに離間している。その結果、希釈器６０内においてアノードオフガスが希釈ガスと合流する前に水素吸蔵合金６８に接触し、希釈ガスがアノードオフガスと合流する前に水素吸蔵合金６８に接触するように、アノードオフガス及び希釈ガスが希釈器６０に導入される。

更に、希釈器６０には、水素吸蔵合金６８内に吸蔵されている水素ガスの量である水素ガス吸蔵量を検出する水素ガス吸蔵量検出器６９が取り付けられる。一般に、水素吸蔵合金内に水素ガスが吸蔵されると水素吸蔵合金の格子が膨張して水素吸蔵合金に歪みが生じ、水素ガス吸蔵量が多くなるにつれてこの歪みが大きくなる。そこで、一例では、水素ガス吸蔵量検出器６９は水素吸蔵合金６８の歪み量を歪みセンサにより検出し、それにより水素ガス吸蔵量を検出している。また、一般に、水素吸蔵合金内に水素ガスが吸蔵されると熱が発生し、水素吸蔵合金から水素ガスが放出されると熱が吸収される。そこで、別の例では、水素吸蔵合金６８から発生する熱量及び水素吸蔵合金６８に吸収される熱量を温度センサにより検出し、発生熱量及び吸収熱量を積算することにより水素ガス吸蔵量を検出している。

電子制御ユニット７０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス７１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）７２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７４、入力ポート７５及び出力ポート７６を具備する。上述した水素ガス吸蔵量検出器６９の出力信号は対応するＡＤ変換器７７を介して入力ポート７５に入力される。一方、出力ポート７６は対応する駆動回路７８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガスインジェクタ３５、パージ制御弁３８、コンプレッサ４４、及びカソードオフガス制御弁４７に電気的に接続される。

燃料電池スタック１０の作動時には、遮断弁３３及び水素ガスインジェクタ３５が開弁され、水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が駆動され、空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池スタック１０において電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。

この場合、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に供給される空気量は、燃料電池スタック１０での発生電気エネルギ量を要求電気エネルギ量にするのに必要な空気量に過剰分を加算したものに設定される。その結果、燃料電池スタック１０からカソードオフガスが継続的に流出し、このカソードオフガスは希釈ガスとして希釈器６０に継続的に供給される。

一方、燃料電池スタック１０の作動時において、パージ制御弁３８は間欠的に開弁される。すなわち、図２に示されるように、パージ制御弁３８はインターバルＩＮＴが経過するごとにパージ時間ｄｔｐだけ開弁される。その結果、アノードオフガス通路３６が希釈器６０に間欠的に連通され、アノードオフガス通路３６内及びバッファタンク３７内のアノードオフガスが希釈器６０に間欠的に供給される。このとき希釈器６０に供給されたアノードオフガス中の水素ガスは希釈ガスにより希釈され、希釈されたガスは排出路６７を介して大気に排出される。このようにして、不純分を含むアノードオフガスが燃料電池システムＡ外に排出され、したがって不純分により燃料電池スタック１０の発電性能が低下するのが阻止される。

図２において、破線は、希釈器６０内に水素吸蔵合金が配置されていない場合の、希釈器６０から排出されるガス中の水素ガス濃度ＣＨを示している。この場合、パージ制御弁３８が開弁されると水素ガス濃度ＣＨは急激に上昇する。このため、水素ガス濃度ＣＨを限界濃度（例えば４％）以下に維持するために、多量の希釈ガスが必要となる。希釈ガスを増量するためには、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に供給される空気量を増量すればよい。ところが燃料電池スタック１０に過度に多量の空気が供給されると、カソード極が過度に乾燥し、燃料電池スタック１０の発電能力が低下するおそれがある。あるいは、過度に多量の空気を供給すべくコンプレッサ４４を駆動するのに必要なエネルギ量が過度に多くなってしまう。

これに対し、図１に示される燃料電池システムＡでは、希釈器６０内に水素吸蔵合金６８が配置されている。その結果、パージ制御弁３８が開弁されたときに希釈器６０に供給されたアノードオフガス中の水素ガスの一部が水素吸蔵合金６８内に吸蔵される。したがって、図２に実線で示されるように、パージ制御弁３８が開弁されたときの水素ガス濃度ＣＨの上昇が抑制される。このため、水素ガス濃度ＣＨを限界濃度以下に維持するために必要な希釈ガス量を抑制することができる。

ここで、水素吸蔵合金の水素ガス吸蔵速度は水素吸蔵合金に接触するガス中の水素ガス濃度が高くなるにつれて高くなる。図１に示される燃料電池システムＡでは、上述したように、希釈器６０内においてアノードオフガスは希釈ガスと合流する前に水素吸蔵合金６８に接触する。すなわち、アノードオフガスは希釈ガスにより希釈される前に、水素吸蔵合金６８に接触する。その結果、希釈器６０において水素ガスが水素吸蔵合金６８に良好に吸蔵される。したがって、水素ガス濃度ＣＨが更に抑制される。すなわち、希釈器６０を大型化することなく水素ガスを十分に希釈することができる。

次いで、パージ制御弁３８が閉弁されると、希釈器６０へのアノードオフガスの供給が停止され、水素吸蔵合金６８には希釈ガスのみが接触する。その結果、水素吸蔵合金６８の表面に接触する希釈ガス中の水素濃度（ほぼゼロ）と、希釈ガスが接触する水素吸蔵合金６８の表面の水素濃度との差により、水素吸蔵合金６８に吸蔵されている水素ガスが水素吸蔵合金６８から放出される。この場合、水素吸蔵合金６８からは水素ガスが少しずつ放出されるので、多量の希釈ガスを要しない。

上述したように、図１に示される燃料電池システムＡでは、パージ制御弁３８から供給された水素ガスの一部が水素吸蔵合金６８に吸蔵されることにより、水素ガス濃度ＣＨが抑制される。ところが、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵能力には限界があり、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵量が多くなるにつれて水素吸蔵合金６８に新たに吸蔵される水素ガスの量が少なくなる。したがって、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵量が多いときには、パージ制御弁３８が開弁されても、パージ制御弁３８から供給されるアノードオフガス中の水素ガスを良好に水素吸蔵合金６８内に吸蔵することができないおそれがある。この場合、希釈器６０から排出されるガス中の水素ガス濃度ＣＨが一時的に高くなるおそれがある。

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵量ＱＨＳを検出し、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときには水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少ないときに比べて、単位時間当たりに希釈器６０に供給されるアノードオフガス量が少なくなるように、パージ制御弁３８の開閉動作が制御される。具体的には、図３に示されるように、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときには水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少ないときに比べて、パージ時間ｄｔｐが短く設定される。すなわち、図３に示される例では、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが第１のしきい量ＱＨＳ１よりも多いときにはパージ時間ｄｔｐはゼロに設定され、すなわちパージ制御弁３８は閉弁状態に保持される。また、パージ時間ｄｔｐは、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが第１のしきい量ＱＨＳ１よりも少なく第２のしきい量ＱＨＳ２（＜ＱＨＳ１）よりも多いときには水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少なくなるにつれて長く設定され、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが第２のしきい量ＱＨＳ２よりも少ないときには比較的長い一定値に設定される。このようにすると、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときに水素ガス濃度ＣＨが過度に高くなるのが抑制され、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少ないときにパージ制御弁３８からのアノードオフガスの放出作用が確実に行われる。

したがって、概念的に表現すると、検出された水素ガス吸蔵量ＱＨＳに基づいてパージ制御弁３８の開閉動作がパージ制御器により制御されるということになる。

一方、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときには、水素ガス吸蔵量ＱＨＳをできるだけ速やかに減少させ、それにより水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵能力を回復するのが好ましい。この点、希釈ガス量を増大させると、水素吸蔵合金６８からの水素ガスの放出速度が高められる。そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときには水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少ないときに比べて、希釈ガス量が増大される。具体的には、図４に示されるように、希釈ガス量ＱＤは、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが第１のしきい量ＱＨＳ１よりも多いときには比較的多い一定量ＱＤＬに設定され、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが第２のしきい量ＱＨＳ２よりも少ないときには比較的少ない一定値ＱＤＳに設定され、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが第１のしきい量ＱＨＳ１よりも少なく第２のしきい量ＱＨＳ２よりも多いときには中間的な一定量ＱＤＭ（ＱＤＳ＜ＱＤＭ＜ＱＤＬ）に設定される。このようにすると、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときに水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵能力が速やかに回復されると共に、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少ないときに過剰の希釈ガスが供給されるのが阻止される。なお、図１に示される燃料電池システムＡにおける希釈ガス量ＱＤの制御は、燃料電池スタック１０に供給される空気量を、燃料電池スタック１０での発生電気エネルギ量を要求電気エネルギ量にするのに必要な空気量以上に保持しながら、コンプレッサ４４から吐出される空気量を制御することにより行われる。

したがって、概念的に表現すると、検出された水素ガス吸蔵量ＱＨＳに基づいて希釈ガス供給器６５から希釈器６０に供給される希釈ガスの量が希釈ガス制御器により制御されるということになる。

図５は上述した燃料電池システム制御を実行するルーチンを示している。このルーチンはあらかじめ定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。
図５を参照すると、ステップ１００では水素ガス吸蔵量検出器６９により検出された水素ガス吸蔵量ＱＨＳが読み込まれる。続くステップ１０１では希釈ガス量ＱＤが図４のマップから算出される。続くステップ１０２では希釈器６０に供給される希釈ガス量がＱＤとなるようにコンプレッサ４４が制御される。続くステップ１０３では、パージ制御弁３８の前回の開弁動作からインターバルＩＮＴが経過したか否かが判別される。インターバルＩＮＴが経過していないときには処理サイクルを終了する。インターバルＩＮＴが経過したときには次いでステップ１０４に進み、パージ時間ｄｔｐが図３のマップから算出される。続くステップ１０５ではパージ制御弁３８がパージ時間ｄｔｐだけ開弁するように制御される。

上述した実施例では、単位時間当たりに希釈器６０に供給されるアノードオフガス量を制御するために、パージ時間ｄｔｐが制御される。図示しない別の実施例では、単位時間当たりに希釈器６０に供給されるアノードオフガス量を制御するために、インターバルＩＮＴが制御される。具体的には、水素ガス吸蔵量ＱＨＳが多いときには水素ガス吸蔵量ＱＨＳが少ないときに比べて、インターバルＩＮＴが長く設定される。

図６は希釈ガス供給器６５の別の実施例を示している。図１に示される実施例との相違点を説明すると、図６に示される実施例では、希釈ガス供給路６４から希釈器バイパス通路８０が分岐しており、この希釈器バイパス通路８０は希釈器６０を迂回して排出路６７に連結される。また、希釈ガス供給路６４から希釈器６０内に供給される希釈ガスの量及び希釈器バイパス通路８０内に供給される希釈ガスの量を制御する希釈器バイパス制御弁８１が設けられる。図６に示される実施例では、希釈器バイパス制御弁８１は希釈器バイパス通路８０の入口に配置された、電磁式の三方弁から構成される。この場合、希釈器バイパス通路８０内に供給される希釈ガスの量が減少されると希釈器６０に供給される希釈ガスの量が増大され、希釈器バイパス通路８０内に供給される希釈ガスの量が増大されると希釈器６０に供給される希釈ガスの量が減少される。

図１に示される実施例では、燃料電池スタック１０が作動されている限り、燃料電池スタック１０から流出するカソードオフガスが希釈ガスとして継続的に希釈器６０に供給される。ところが、上述したように、水素吸蔵合金の水素ガス吸蔵速度は水素吸蔵合金に接触するガス中の水素ガス濃度が高くなるにつれて高くなる。したがって、パージ制御弁３８が開弁されて水素ガスが希釈器６０に供給されるときに希釈器６０に供給される希釈ガスの量が少なければ、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵速度が更に高められ、すなわち水素ガスが水素吸蔵合金６８により確実に吸蔵される。

そこで図６に示される実施例では、パージ制御弁３８が開弁されているとき、すなわちパージ制御弁３８からアノードオフガスが希釈器６０に供給されているときに、希釈器６０に供給される希釈ガス量を一時的に減少させるようにしている。すなわち、図７に示されるように、パージ制御弁３８が開弁されると希釈器６０に供給される希釈ガス量ＱＤが減少され、パージ制御弁３８が閉弁されると希釈ガス量ＱＤの減少作用が終了される。図７に示される例では、希釈ガス量ＱＤがゼロまで減少され、すなわち希釈器６０への希釈ガスの供給が一時的に停止される。このようにすると、水素吸蔵合金６８の水素ガス吸蔵速度がより高められ、水素ガス濃度ＣＨをより確実に低く維持することができる。

仮に水素ガスが水素吸蔵合金６８により良好に吸蔵されず排出路６７内に排出されたとしても、この水素ガスは希釈器バイパス通路８０から排出路６７内に流入する希釈ガスによって希釈される。

図７に示される例では、パージ制御弁３８の開弁タイミングと、希釈ガス量ＱＤの減少作用の開始タイミングとがほぼ一致しており、パージ制御弁３８の閉弁タイミングと、希釈ガス量ＱＤの減少作用の終了タイミングとがほぼ一致している。すなわち、希釈ガス量ＱＤの減少制御がパージ制御弁３８の開弁制御に同期して行われる。図示しない別の実施例では、開弁タイミングと開始タイミングとは互いにオフセットされており、閉弁タイミングと終了タイミングとは互いにオフセットされている。すなわち、希釈ガス量ＱＤの減少制御がパージ制御弁３８の開弁制御に対し非同期に行われる。

また、図６に示される実施例では、パージ制御弁３８の閉弁時に、図４に示されるマップにより算出された希釈ガス量ＱＤになるように、希釈器６０に供給される希釈ガス量が制御される。この場合の希釈ガス量の制御は、希釈器バイパス制御弁８１及びコンプレッサ４４の一方又は両方を制御することにより行われる。

図８は図６に示される実施例における燃料電池システム制御を実行するルーチンを示している。図５のルーチンとの相違点を説明すると、ステップ１０２では、希釈器６０に供給される希釈ガス量がＱＤとなるように、希釈器バイパス制御弁８１及びコンプレッサ４４の一方又は両方が制御される。また、ステップ１０４に続いてステップ１０５ａに進み、パージ制御弁３８がパージ時間ｄｔｐだけ開弁するように制御されると共に、パージ制御弁３８の開弁中に希釈器６０への希釈ガス量ＱＤが減少される。

図９は希釈ガス供給器６５の更に別の実施例を示している。図１に示される実施例又は図６に示される実施例との相違点を説明すると、図９に示される実施例では、コンプレッサ４４下流の空気供給路４１と、カソードオフガス制御弁４７下流のカソードオフガス通路４６とがスタックバイパス通路９０を介して互いに連結される。また、燃料電池スタック１０に供給される空気量及びスタックバイパス通路９０内に供給される空気量をそれぞれ制御するスタックバイパス制御弁９１が設けられる。図９に示される実施例では、スタックバイパス制御弁９１はスタックバイパス通路９０の入口に配置された、電磁式の三方弁から構成される。その上で、図９に示される実施例では、希釈ガス供給器６５は、コンプレッサ４４、空気供給路４１、空気通路４０、カソードオフガス通路４６、スタックバイパス通路９０、及びスタックバイパス制御弁９１から構成され、カソードオフガス通路４６が希釈ガス供給路６４に連結される。すなわち、燃料電池スタック１０からカソードオフガス通路４６内に流入するカソードオフガスと、スタックバイパス通路９０内に送り込まれた空気との一方又は両方から希釈ガスが構成される。更に、図９に示される実施例では、希釈ガス量を制御するために、コンプレッサ４４から吐出される空気量及びスタックバイパス制御弁９１によりスタックバイパス通路９０内に送り込まれる空気量の一方又は両方が制御される。図示しない別の実施例では、カソードオフガス通路４６が希釈ガス供給路６４から分離され、スタックバイパス通路９０が希釈ガス供給路６４に連結される。

図１０は希釈ガス供給器６５の更に別の実施例を示している。図１に示される実施例又は図６に示される実施例との相違点を説明すると、図１０に示される実施例では、希釈ガス供給器６５は追加のコンプレッサ４４ａから構成され、追加のコンプレッサ４４ａの出口が希釈ガス供給路６４に連結される。追加のコンプレッサ４４ａの入口は大気に連結される。すなわち、図１０に示される実施例では、希釈ガスが追加のコンプレッサ４４ａから吐出された空気から構成される。この場合、追加のコンプレッサ４４ａが作動されると、追加のコンプレッサ４４ａから吐出された空気が希釈ガスとして希釈器６０内に供給される。また、図１０に示される実施例では、希釈ガス量を制御するために、追加のコンプレッサ４４ａから吐出される空気量が制御される。

これまで述べてきた本発明による実施例では、水素ガス供給路３１とアノードオフガス通路３６とが互いに分離されており、したがって燃料電池スタック１０には水素タンク３２からの水素ガスのみが供給される。図示しない別の実施例では、バッファタンク３７が気液分離器から構成され、気液分離器の液体排出路が希釈器６０に連結される。一方、気液分離器の気体排出路は水素循環ポンプを介して、水素ガスインジェクタ３５上流の水素ガス供給路３１に連結される。その結果、水素ガスを含むアノードオフガスの気体成分が気体排出路を介して水素ガス供給路３１に送られる。この場合、燃料電池スタック１０には水素タンク３２からの水素ガスと、水素ガス戻し通路からの水素ガスとが供給されることになる。

Ａ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
３６ アノードオフガス通路
３８ パージ制御弁
４６ カソードオフガス通路
６０ 希釈器
６４ 希釈ガス供給路
６５ 希釈ガス供給器
６８ 水素吸蔵合金

Claims (8)

1. 水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、
   前記アノードオフガス通路に連結され、アノードオフガス中に含まれる水素ガスを希釈ガスにより希釈するための希釈器と、
   前記アノードオフガス通路と前記希釈器との間に配置され、前記アノードオフガス通路を間欠的に前記希釈器に連通するパージ制御弁と、
   前記希釈器に希釈ガス供給路を介して連結され、前記希釈器に前記希釈ガスを供給するための希釈ガス供給器と、
   前記希釈器内に配置された水素吸蔵合金と、
   を備え、
   前記希釈器内において前記アノードオフガスが前記希釈ガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触すると共に前記希釈ガスが前記アノードオフガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触するように、前記アノードオフガス及び前記希釈ガスが前記希釈器に導入される、
   燃料電池システム。
2. 前記水素吸蔵合金に吸蔵されている水素ガスの量を検出する検出器と、検出された水素ガスの量に基づいて前記パージ制御弁の開閉動作を制御するパージ制御器と、を更に備えた、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記水素吸蔵合金に吸蔵されている水素ガスの量を検出する検出器と、検出された水素ガスの量に基づいて前記希釈ガス供給器から前記希釈器に供給される前記希釈ガスの量を制御する希釈ガス制御器と、を更に備えた、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記希釈ガス供給路から分岐した希釈器バイパス通路と、前記希釈ガス供給路から前記希釈器内に供給される希釈ガスの量及び前記希釈器バイパス通路内に供給される希釈ガスの量を制御する希釈器バイパス制御弁と、を更に備え、前記希釈器内に供給される前記希釈ガスの量を制御するために前記希釈器バイパス制御弁が制御される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 水素ガスと酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内に形成された水素ガス通路の出口に連結されたアノードオフガス通路と、
   前記アノードオフガス通路に連結され、アノードオフガス中に含まれる水素ガスを希釈ガスにより希釈するための希釈器と、
   前記アノードオフガス通路と前記希釈器との間に配置され、前記アノードオフガス通路を間欠的に前記希釈器に連通するパージ制御弁と、
   前記希釈器に希釈ガス供給路を介して連結され、前記希釈器に前記希釈ガスを供給する希釈ガス供給器と、
   前記希釈器内に配置された水素吸蔵合金と、
   を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
   前記希釈器内において前記アノードオフガスを前記希釈ガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触させると共に前記希釈ガスを前記アノードオフガスと合流する前に前記水素吸蔵合金に接触させる、
   燃料電池システムの制御方法。
6. 前記水素吸蔵合金に吸蔵されている水素ガスの量を検出器により検出し、検出された水素ガスの量に基づいて前記パージ制御弁の開閉動作をパージ制御器により制御する、請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。
7. 前記水素吸蔵合金に吸蔵されている水素ガスの量を検出器により検出し、検出された水素ガスの量に基づいて前記希釈ガス供給器から前記希釈器に供給される前記希釈ガスの量を希釈ガス制御器により制御する、請求項５又は６に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記燃料電池システムが、前記希釈ガス供給路から分岐した希釈器バイパス通路と、前記希釈ガス供給路から前記希釈器内に供給される希釈ガスの量及び前記希釈器バイパス通路内に供給される希釈ガスの量を制御する希釈器バイパス制御弁と、を更に備えており、前記希釈器内に供給される前記希釈ガスの量を制御するために前記希釈器バイパス制御弁を制御する、請求項５から７までのいずれか一項に記載の燃料電池システムの制御方法。

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