JP4098540B2

JP4098540B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4098540B2
Application number: JP2002076027A
Authority: JP
Inventors: 正芳杉野; 尽生石戸谷
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2003272683A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出されるガスを処理するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料ガスに含まれる水素ガスと酸化ガスに含まれる酸素ガスとを用いて、発電する。そして、燃料電池からは、使用済みの燃料ガス（燃料オフガス）と使用済みの酸化ガス（酸化オフガス）とが排出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料オフガスは、燃料電池における発電に寄与せずに排出された水素ガスを含んでいる。このため、燃料オフガスと酸化オフガスとの混合オフガスを大気中に放出する場合には、混合オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることが好ましい。これは、混合オフガス中の酸素ガス濃度が高い場合には、静電気などの火花に起因して、水素ガスと酸素ガスとの急激な反応が進行し得るためである。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムから排出される混合オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることのできる技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、外部の第１の負荷部に電力を供給する燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスが通る酸化ガス通路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通る燃料オフガス通路と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが通る酸化オフガス通路と、
前記燃料オフガス通路と前記酸化オフガス通路とが合流した合流オフガス通路と、
前記燃料オフガス通路に設けられ、前記合流オフガス通路内への前記燃料オフガスの流通を遮断するための遮断弁と、
前記燃料電池からの電力供給を選択的に受ける第２の負荷部と、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、
前記合流オフガス通路内への前記燃料オフガスの流通が遮断された状態で、前記燃料電池から前記第２の負荷部への電力供給を開始させ、その後、前記遮断弁を制御して前記燃料オフガスを前記合流オフガス通路内に流入させることを特徴とする。
【０００６】
本発明の燃料電池システムでは、運転停止の際に、燃料電池から第２の負荷部への電力供給が開始される。このとき、燃料電池内部において、酸化ガスに含まれる酸素ガスが消費される。そして、この後、燃料オフガスが合流オフガス通路内に流入し、燃料オフガスと酸化オフガスとが混合される。この構成を採用することにより、燃料電池から排出される酸化オフガス中の酸素ガスの濃度を低減させることができ、この結果、燃料電池システムから排出される混合オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることが可能となる。
【０００７】
上記の装置において、さらに、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を調整するためのアクチュエータを備え、
前記制御部は、さらに、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度に関係する評価値を求めるための評価値決定部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度以上であることを前記評価値が示す第１の場合には、前記燃料オフガスを前記合流オフガス通路内に流入させる前に、前記アクチュエータを制御して前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させ、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度が前記所定濃度よりも低いことを前記評価値が示す第２の場合には、前記遮断弁を制御して前記燃料オフガスを前記合流オフガス通路内に流入させることが好ましい。
【０００８】
このようにすれば、燃料オフガスを合流オフガス通路内に流入させたときに、混合オフガス中の酸素ガス濃度を所定濃度よりも確実に低くすることができる。
【０００９】
上記の装置において、
前記アクチュエータは、前記酸化ガスの流量を調整可能であり、
前記制御部は、前記第１の場合に、前記酸化ガスの流量を低減させるようにしてもよい。
【００１０】
あるいは、上記の装置において、
前記アクチュエータは、前記第２の負荷部に起因する負荷の大きさを調整可能であり、
前記制御部は、前記第１の場合に、前記第２の負荷部に供給される電力を増大させるようにしてもよい。
【００１１】
このようにすれば、第１の場合に、酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることができる。
【００１２】
上記の装置において、
前記評価値決定部は、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの流量を求めるための酸化ガス流量決定部と、
前記燃料電池から出力される電流を求めるための出力電流決定部と、
を含み、
前記制御部は、前記酸化ガス流量と前記出力電流とを用いて、前記評価値を算出するようにしてもよい。
【００１３】
こうすれば、酸化オフガス中の酸素ガス濃度に関係する評価値を比較的容易に求めることができる。
【００１４】
あるいは、上記の装置において、
前記評価値決定部は、
前記酸化オフガス通路に設けられ、前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を測定するための酸素ガス濃度測定部を含み、
前記制御部は、前記測定結果を前記評価値として用いるようにしてもよい。
【００１５】
こうすれば、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かの判断を比較的正確に行うことが可能となる。
【００１６】
上記の装置において、さらに、
前記合流オフガス通路に設けられ、前記燃料オフガスと前記酸化オフガスとを混合させるためのバッファタンクを備えるようにしてもよい。
【００１７】
こうすれば、燃料オフガスと酸化オフガスとをより均一に混合した後に、混合オフガスを大気中に放出することができる。
【００１８】
なお、本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した移動体などの装置、燃料電池システムにおけるオフガスの処理方法、その方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２０】
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部２００と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部３００と、各部の動作を制御するための制御ユニット６００と、を備えている。
【００２１】
燃料電池１００の上流側には、燃料電池に供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路１７２が設けられており、下流側には、燃料電池から排出された燃料オフガスが通る燃料オフガス通路１７４が設けられている。なお、燃料ガス通路１７２と燃料オフガス通路１７４との間には、還流通路１７３が設けられている。また、燃料電池１００の上流側には、燃料電池に供給される酸化ガスが通る酸化ガス通路１８２が設けられており、下流側には、燃料電池から排出された酸化オフガスが通る酸化オフガス通路１８４が設けられている。なお、燃料オフガス通路１７４と酸化オフガス通路１８４とは、下流側において合流し、合流オフガス通路１９４を形成する。
【００２２】
燃料電池１００（図１）は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。図２は、図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、燃料電池１００は、複数の単電池（単セル）１１０が積層されて形成されている。そして、各単セル間には、セパレータ１２０が配置されている。
【００２３】
単セル１１０は、電解質膜１１２と、アノード（水素極）１１４ａと、カソード（酸素極）１１４ｃと、を含んでおり、電解質膜１１２は、２つの電極１１４ａ，１１４ｃによって挟まれている。各セパレータ１２０は、隣接する一方の単セル内のアノード１１４ａに接するとともに、他方の単セル内のカソード１１４ｃに接するように、配置されている。セパレータ１２０の両面には、複数の溝が形成されており、アノード１１４ａとセパレータ１２０との間、および、カソード１１４ｃとセパレータ１２０との間には、それぞれ複数の小通路１２１，１２２が形成される。
【００２４】
図２に示すアノード側通路１２１には、燃料ガス供給部２００から水素ガスを含む燃料ガスが供給され、カソード側通路１２２には、酸化ガス供給部３００から酸素ガスを含む酸化ガスが供給される。そして、以下に示す電気化学反応が進行する。
【００２５】
【数１】

【数２】

【数３】

【００２６】
式（１）はアノード１１４ａにおける反応を示しており、式（２）はカソード１１４ｃにおける反応を示している。そして、全体では、式（３）に示す反応が進行する。なお、カソード１１４ｃにおいて生成される水（水蒸気）は、「生成水」とも呼ばれる。
【００２７】
燃料ガス供給部２００（図１）は、水素ガスを含む燃料ガスを燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０と、減圧器２１２と、流量制御弁２３０と、ポンプ２４０と、を備えている。
【００２８】
水素タンク２１０は、水素ガスを比較的高い圧力で貯蔵する。減圧器２１２は、水素タンクから供給された水素ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁２３０は、燃料電池システムの運転期間中には間欠的に開状態に設定され、運転停止期間中には閉状態に設定される。流量制御弁２３０が開状態に設定される場合には、燃料ガスは、燃料ガス通路１７２を介して、燃料電池１００に供給される。
【００２９】
燃料電池１００から排出された燃料オフガスは、燃料オフガス通路１７４および合流オフガス通路１９４を通って、大気中に放出される。燃料オフガス通路１７４には、合流オフガス通路１９４内への燃料オフガスの流通を遮断するための遮断弁２８０が設けられている。遮断弁２８０は、燃料電池システムの運転期間中には間欠的に開状態に設定され、運転停止期間中には開状態に設定される。
【００３０】
前述のように、燃料オフガス通路１７４と燃料ガス通路１７２との間の還流通路１７３には、ポンプ２４０が設けられている。ポンプ２４０は、燃料オフガス通路１７４内の燃料オフガスを、燃料ガスとして燃料ガス通路１７２内に戻す機能を有している。これにより、燃料ガスは、流量制御弁２３０と遮断弁２８０とで囲まれた環状通路内を還流する。このように燃料ガスを還流させることにより、燃料電池１００内部に単位時間当たりに供給される水素ガス流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を増大させることができ、この結果、燃料電池１００における反応効率を向上させることができる。しかしながら、燃料電池１００における電気化学反応が進むに連れて、環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量（ｍｏｌ）は低減する。また、燃料電池１００内部の電解質膜１１２（図２）を介して、カソード側通路１２２内の酸化ガスに含まれる窒素ガスや水蒸気（生成水）などがアノード側通路１２１内の燃料ガス中に侵入する。このため、燃料ガス中の水素ガス濃度（体積百分率）は次第に低下する。そこで、本実施例では、流量制御弁２３０と遮断弁２８０とを間欠的に開状態に設定して、水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池１００に供給すると同時に、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを燃料電池１００から排出する。
【００３１】
酸化ガス供給部３００（図１）は、ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を燃料電池１００に供給する。なお、酸化ガス通路１８２には、燃料電池１００に供給される酸化ガス（空気）の流量を求めるための流量計６１０が設けられている。
【００３２】
燃料電池１００から排出された酸化オフガスは、酸化オフガス通路１８４および合流オフガス通路１９４を通って、大気中に放出される。
【００３３】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１００から排出された燃料オフガスと酸化オフガスとは、合流オフガス通路１９４において混合された後に、大気中に放出されている。
【００３４】
燃料電池システムは、さらに、燃料電池１００に接続された電源ラインを備えている。電源ラインには、並列に第１の負荷部５１０と第２の負荷部５２０とが接続されている。また、第２の負荷部５２０への電源ラインには、スイッチ５３０が設けられている。なお、電源ラインには、燃料電池１００から出力される電流を測定するための電流計６２０が設けられている。
【００３５】
第１の負荷部５１０は、車両を走行させるための負荷や、車両の補機を動作させるための負荷などを含んでいる。図１では、これらの負荷が模式的に図示されている。また、第２の負荷部５２０は、供給された電力を蓄える機能を有する蓄電池である。スイッチ５３０がＯＦＦ状態に設定される場合には、燃料電池１００は、第１の負荷部５１０のみに電力を供給する。そして、スイッチ５３０がＯＮ状態に設定される場合には、燃料電池１００は、第１の負荷部５１０に電力を供給するとともに、第２の負荷部５２０に電力を供給する。すなわち、第２の負荷部５２０は、燃料電池１００からの電力供給を選択的に受ける。
【００３６】
制御ユニット６００（図１）は、燃料電池システムの各部の動作を制御する。特に、制御ユニット６００は、スイッチ５３０と流量計６１０と電流計６２０と遮断弁２８０とブロワ３１０とに接続されており、これらの各部と協力して、燃料電池システムの運転停止の際に、燃料電池１００から排出される酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させている。
【００３７】
図３は、燃料電池システムの運転停止の際における処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０１において、制御ユニット６００（図１）は、運転停止処理の開始を示す信号を受け取る。この信号は、例えば、ユーザが車両のキーシリンダに挿入されたキーを回転させることによって、生成される。運転停止処理開始信号を受け取ると、制御部６００は、遮断弁２８０を、直前の状態に関わらず閉状態に設定するとともに、スイッチ５３０をＯＮ状態に設定する。このとき、燃料電池１００から第２の負荷部５２０への電力供給が開始され、第２の負荷部（蓄電池）は、供給された電力を蓄える。なお、第２の負荷部５２０に蓄えられた電力は、例えば、燃料電池システムの次回の運転開始の際に利用される。
【００３８】
ところで、ステップＳ１０１において、燃料電池１００から第２の負荷部５２０への電力供給を開始するのは、酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させるためである。すなわち、酸化オフガス中の酸素ガス濃度は、燃料電池１００の電流負荷が大きい程、換言すれば、燃料電池１００の発電量が大きい程、低くなる。これは、燃料電池１００の発電量が大きい程、燃料電池内部において酸素ガスがより多くの消費されるためである。しかしながら、燃料電池システムの運転停止の際には、第１の負荷部５１０が必要とする電力量は比較的小さいため、燃料電池１００の発電量も小さくなる。そこで、本実施例では、スイッチ５３０をＯＮ状態に設定して、燃料電池１００と第２の負荷部５２０とを電気的に接続している。このとき、燃料電池１００の発電量は大きくなるため、酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることができる。
【００３９】
ステップＳ１０２では、制御ユニット６００は、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かを判断する。本実施例では、制御ユニット６００は、酸化オフガス中の酸素ガス濃度に関係する評価値を求め、この評価値を用いて、上記の判断を実行する。具体的には、燃料電池１００における酸素消費率を算出し、酸素消費率が所定値よりも大きいか否かを判断する。
【００４０】
ここで、酸素消費率は、以下のようにして算出される。すなわち、酸素消費率がγである場合には、燃料電池１００からの出力電流ｉ（Ｃ／ｓ）は、式（２）から分かるように、式（４）で表される。
【００４１】
【数４】

【００４２】
ここで、Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）は、ファラデー定数であり、１ｍｏｌ当たりの電荷量を示している。また、Ｖ（ｍｏｌ／ｓ）は、酸素ガスの反応速度を示している。
【００４３】
反応速度Ｖは、酸化ガス（空気）に含まれる酸素ガスの流量によって律速される。そして、酸化ガス（空気）中には、酸素ガスと窒素ガスとはほぼ１：４の比で含まれている。このため、反応速度Ｖは、酸化ガス（空気）の流量Ｑ_AI（ｍｏｌ／ｓ）を用いて式（５）で表される。
【００４４】
【数５】

【００４５】
式（４）と式（５）とを用いて、酸素消費率γは、式（６）で表される。
【００４６】
【数６】

【００４７】
式（６）から分かるように、酸素消費率γは、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量Ｑ_AIと燃料電池１００からの出力電流ｉとを用いて、求められる。
【００４８】
制御ユニット６００は、図３のステップＳ１０２ａ，Ｓ１０２ｂにおいて、酸化ガス通路１８２を通る酸化ガスの流量Ｑ_AIと、燃料電池１００からの出力電流ｉと、を求める。本実施例において、酸化ガス流量Ｑ_AIは、流量計６１０によって測定されている。なお、流量計６１０としては、例えば、熱線式流量計や、カルマン渦式流量計などを用いることができる。また、出力電流ｉは、電流計６２０によって測定されている。流量計６１０および電流計６２０の測定結果は、制御ユニット６００に与えられる。
【００４９】
制御ユニット６００は、ステップＳ１０２ｃにおいて、酸化ガス流量Ｑ_AIと出力電流ｉとを式（６）に適用して、酸素消費率γを算出する。
【００５０】
次に、ステップＳ１０２ｄ（図３）では、制御ユニット６００は、酸素消費率γが所定値より大きいか否かを判断する。
【００５１】
ところで、燃料オフガスと酸化オフガスとが混合された混合オフガスを大気中に放出する場合には、混合オフガス中の酸素ガス濃度（体積百分率）は、例えば、９％よりも低いことが好ましい。このような混合オフガスを大気中に放出すれば、仮に、静電気が発生したとしても、混合オフガスに含まれる水素ガスと酸素ガスとが急激に反応することを抑制することができる。
【００５２】
前述のように、酸化ガス（空気）中には、酸素ガスと窒素ガスとが、ほぼ１：４の比で存在している。また、燃料電池１００内部では、前述の式（２）から分かるように、酸素ガスが消費されて、生成水（水蒸気）が生成される。したがって、酸素消費率がγである場合には、燃料電池１００から排出される酸化オフガス中には、生成水（Ｈ₂Ｏ）と酸素ガス（Ｏ₂）と窒素ガス（Ｎ₂）とが、ほぼ２γ：（１−γ）：４の比で存在する。
【００５３】
酸化オフガス中の酸素ガス濃度は、生成水（水蒸気）が液体（すなわち、水）である場合に、最も大きくなる。この条件（すなわち、生成水は液体）の下で合流オフガス通路１９４内に酸化オフガスと燃料オフガスとが流入する場合には、混合オフガス中には、酸素ガス（Ｏ₂）と窒素ガス（Ｎ₂）と燃料オフガスとが式（７）に示す比で存在する。ここで、Ｑ_AOは酸化オフガスの流量を示しており、Ｑ_HOは燃料オフガスの流量を示している。
【００５４】
【数７】

【００５５】
このとき、混合オフガス中の酸素ガス濃度Ｄ（体積百分率）は、式（８）で表される。
【００５６】
【数８】

【００５７】
式（８）から分かるように、混合オフガス中の酸素ガス濃度Ｄは、Ｑ_HO＝０である場合に、最も大きくなる。この条件（すなわち、Ｑ_HO＝０）の下で酸素ガス濃度Ｄが９％よりも低い場合には、仮に、燃料オフガスが水素ガスのみを含んでいるとしても、混合オフガスに含まれる水素ガスと酸素ガスとの急激な反応を抑制することができる。換言すれば、式（９）に示すように、酸素消費率γが所定値（＝５５／９１（約０．６））よりも大きい場合には、上記の急激な反応を抑制することができる。
【００５８】
【数９】

【００５９】
ステップＳ１０２ｄ（図３）において、酸素消費率γが所定値（＝５５／９１）以下である場合には、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度（９％）以上であると判断され、ステップＳ１０３に進む。一方、酸素消費率γが所定値（＝５５／９１）よりも大きい場合には、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度（９％）よりも低いと判断され、ステップＳ１０４に進む。
【００６０】
ステップＳ１０３では、制御ユニット６００は、ブロワ３１０を制御して燃料電池１００に供給される酸化ガス流量Ｑ_AIを減少させる。式（６）から分かるように、酸素消費率γは、酸化ガス流量Ｑ_AIが小さい程、大きい。このため、制御ユニット６００は、酸化ガス流量Ｑ_AIを減少させることにより、酸素消費率γを大きくしている。
【００６１】
なお、ステップＳ１０２ｄにおいて、酸素消費率γが所定値（＝５５／９１）以下であると判断された場合には、ステップＳ１０３，Ｓ１０２の処理が繰り返し行われる。
【００６２】
ステップＳ１０４では、制御ユニット６００は、遮断弁２８０を開状態に設定して、燃料オフガスを排出させる。排出された燃料オフガスは、合流オフガス通路１９４において、酸素ガス濃度の比較的低い酸化オフガスと混合される。そして、混合オフガスは、大気中に放出される。
【００６３】
なお、本実施例では、酸化オフガスに含まれる生成水（水蒸気）が液体であり、かつ、燃料オフガス流量Ｑ_HOがゼロであるという最も厳しい条件下で、所定値が５５／９１に決定されている。したがって、実際には、所定値を５５／９１よりも小さな値に設定可能であると考えられる。
【００６４】
上記のようにして、制御ユニット６００は、燃料電池システムの運転停止の際に、評価値（酸素消費率）γを用いて、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かを判断する。そして、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度（９％）以上であることを評価値γが示す第１の場合には、制御ユニット６００は、燃料オフガスを合流オフガス通路１９４内に流入させる前に、ブロワ３１０を制御して酸化ガスの流量Ｑ_AIを低減させることによって、酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させる（ステップＳ１０３）。一方、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度（９％）よりも低いことを評価値γが示す第２の場合には、制御ユニット６００は、遮断弁２８０を制御して燃料オフガスを合流オフガス通路内に流入させる（ステップＳ１０４）。これにより、燃料オフガスを合流オフガス通路内に流入させたときに、混合オフガス中の酸素ガス濃度を所定濃度（９％）よりも確実に低くすることができる。なお、この説明からも分かるように、本実施例のブロワ３１０が、本発明における酸化ガスの流量を調整可能なアクチュエータに相当する。
【００６５】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムは、燃料オフガス通路１７４に設けられ、合流オフガス通路１９４内への燃料オフガスの流通を遮断するための遮断弁２８０と、燃料電池１００からの電力供給を選択的に受ける第２の負荷部５２０と、燃料電池システムを制御するための制御ユニット６００と、を備えている。そして、制御ユニット６００は、燃料電池システムの運転停止の際に、合流オフガス通路１９４内への燃料オフガスの流通が遮断された状態で、燃料電池１００から第２の負荷部５２０への電力供給を開始させ、その後、遮断弁２８０を制御して燃料オフガスを合流オフガス通路１９４内に流入させる。本実施例の構成を採用すれば、燃料電池システムの運転停止の際に、燃料電池から排出される酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることができ、この結果、燃料電池システムから排出される混合オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることが可能となる。これにより、静電気などの火花に起因して、混合オフガスに含まれる水素ガスと酸素ガスとが急激に反応することを抑制することができる。
【００６６】
また、本実施例の燃料電池システムでは、制御ユニット６００は、流量計６１０および電流計６２０の測定結果を用いて、酸化オフガス中の酸素ガス濃度に関係する酸素消費率γを算出する。そして、制御ユニット６００は、酸素消費率γを用いて、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かを判断する。この説明からも分かるように、本実施例の流量計６１０と電流計６２０とが、本発明における評価値γを求めるための評価値決定部に相当し、制御ユニット６００と流量計６１０と電流計６２０とが本発明における制御部に相当する。
【００６７】
なお、燃料電池システムの運転停止期間中には、燃料電池内部には、高圧の水素ガスが残留していないことが好ましい。このため、従来では、燃料電池システムの運転停止の際には、パージ処理が実行され、燃料電池内部は窒素ガスなどの不活性ガスで置換されていた。しかしながら、本実施例では、燃料電池システムの運転停止期間中には、燃料電池内部には水素ガスがあまり含まれておらず、また、燃料電池内部はほぼ大気圧となっている。このため、パージ処理を省略することができる。換言すれば、不活性ガスを貯蓄するボンベや、不活性ガスを生成するための装置などを省略することができる。
【００６８】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図４は、図１とほぼ同じであるが、バッファタンク４００が追加されている。
【００６９】
本実施例の構成を採用する場合にも、第１実施例と同様に、燃料電池システムから排出される混合オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることができる。また、本実施例では、合流オフガス通路１９４にバッファタンク４００が設けられているため、燃料オフガス通路１７４から排出された燃料オフガスと酸化オフガス通路１８４から排出された酸化オフガスとをより均一に混合した後に、混合オフガスを大気中に放出することができる。このため、静電気などの火花に起因する水素ガスと酸素ガスとの急激な反応を確実に抑制することが可能となる。
【００７０】
Ｃ．第３実施例：
図５は、第３実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図５は、図１とほぼ同じであるが、酸素センサ６３０が追加されている。酸素センサ６３０は、酸化オフガス通路１８４に設けられており、酸化オフガス中の酸素ガス濃度を測定する。なお、酸素センサ６３０の追加に伴い、図１に示す流量計６１０と電流計６２０とが省略されている。
【００７１】
本実施例では、制御ユニット６００は、図３のステップＳ１０２において、酸素センサ６３０から与えられる測定結果をそのまま用いて、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かを判断することができる。このため、図３のステップＳ１０２ａ〜１０２ｄの処理を省略することができる。換言すれば、制御ユニット６００は、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かを判断するために、酸素消費率γを用いずに済む。
【００７２】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、制御ユニット６００は、酸素センサ６３０の測定結果を、酸化オフガスに含まれる酸素ガスの濃度に関係する評価値として用いている。したがって、本実施例の構成を採用すれば、酸化オフガス中の酸素ガス濃度が所定濃度よりも低いか否かの判断を比較的正確に行うことが可能となる。なお、本実施例の酸素センサ６３０が本発明における評価値決定部に相当し、制御ユニット６００と酸素センサ６３０とが本発明における制御部に相当する。
【００７３】
Ｄ．第４実施例：
図６は、第４実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図６は、図１とほぼ同じであるが、第２の負荷部５２０Ｄが変更されている。すなわち、第１実施例では、第２の負荷部５２０は蓄電池を備えているが、本実施例では、第２の負荷部５２０Ｄは可変抵抗を備えている。また、第２の負荷部５２０Ｄには、可変抵抗の抵抗値を調整するための可動部（アクチュエータ）５２２Ｄが設けられている。制御ユニット６００は、可動部５２２Ｄを制御することによって、第２の負荷部５２０Ｄに起因する負荷の大きさ（すなわち、抵抗値）を調整することができる。
【００７４】
図７は、燃料電池システムの運転停止の際における処理手順を示すフローチャートである。図７は、図３とほぼ同じであるが、ステップＳ１０３Ｄが変更されている。
【００７５】
具体的には、第１実施例のステップＳ１０３では、制御ユニット６００は、ブロワ３１０を制御して燃料電池１００に供給される酸化ガス流量Ｑ_AIを減少させているが、本実施例のステップＳ１０３Ｄでは、制御ユニット６００は、第２の負荷部５２０Ｄの可動部５２２Ｄを制御して抵抗値を減少させ、この結果、燃料電池１００から出力される電流を増大させている。式（６）から分かるように、酸素消費率γは、出力電流ｉが大きい程、大きい。そこで、本実施例では、制御ユニット６００は、出力電流ｉを増大させることにより、酸素消費率γを大きくしている。
【００７６】
このように、第２の負荷部５２０Ｄに供給される電力を増大させても、酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることができる。したがって、第１実施例と同様に、燃料電池システムから排出される混合オフガス中の酸素ガス濃度を低減させることが可能となる。ただし、第１実施例の構成を採用する場合には、燃料電池から出力された電力を蓄えることができるため、電力を有効に利用することができるという利点がある。
【００７７】
なお、本実施例では、ステップＳ１０３Ｄにおいて、燃料電池１００からの出力電流ｉを増大させているが、これと共に、燃料電池１００に供給される酸化ガス流量Ｑ_AIを減少させるようにしてもよい。
【００７８】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７９】
（１）上記実施例では、燃料電池システムの運転停止の際に、燃料電池内部は不活性ガスを用いて置換されていないが、燃料電池内部から燃料オフガスが排出された後に、燃料電池内部を不活性ガスを用いて置換するようにしてもよい。
【００８０】
（２）上記実施例では、酸素ガス濃度を低減させるための処理（図３，図７）は、燃料電池システムの運転停止の際のみに実行されている。しかしながら、混合オフガス中の酸素ガス濃度が比較的大きくなる場合（例えば、車両が走行していない場合など）には、通常運転の際にも上記の処理を実行することが好ましい。
【００８１】
（３）第１，第２，第４実施例では、燃料電池１００に供給される酸化ガスの流量を測定する流量計６１０が用いられているが、省略可能である。すなわち、酸化ガス流量はブロワ３１０の動作と対応している。このため、酸化ガス流量は、例えば、ブロワ内の羽根車の回転数や、ブロワに供給される電力、制御ユニットからブロワに与えられる動作指令値などを用いて求めることも可能である。
【００８２】
また、第１，第２，第４実施例では、燃料電池１００から出力される電流を測定する電流計６２０が用いられているが、これに代えて、燃料電池の出力電圧を測定する電圧計を用いるようにしてもよい。このようにしても燃料電池から出力される電流を求めることができる。すなわち、燃料電池では、出力電流と出力電圧とは、一対一の対応関係にある。このため、燃料電池の出力特性が既知であれば、出力電圧から出力電流を求めることができる。
【００８３】
一般には、評価値決定部は、燃料電池に供給される酸化ガスの流量を求めるための酸化ガス流量決定部と、燃料電池から出力される電流を求めるための出力電流決定部と、を含み、制御部は、酸化ガス流量と出力電流とを用いて、評価値を算出すればよい。
【００８４】
（４）第１，第２，第４実施例の燃料電池システムでは、電流計６２０と流量計６１０とが設けられており、制御ユニット６００は、電流計６２０の測定結果と流量計６１０の測定結果とを用いて評価値を算出している。一方、第３実施例の燃料電池システムでは、酸素センサ６３０が設けられており、制御ユニット６００は、酸素センサ６３０の測定結果を評価値として用いている。
【００８５】
一般に、制御部は、酸化オフガスに含まれる酸素ガスの濃度に関係する評価値を求めるための評価値決定部を備えていればよい。
【００８６】
（５）第１〜第３実施例では、第２の負荷部５２０は、蓄電池を備えており、第４実施例では、第２の負荷部５２０Ｄは、負荷の大きさを調整可能な可変抵抗を備えている。第２の負荷部は、他の負荷を備えるようにしてもよい。例えば、第２の負荷部は、コンデンサを備えていてもよいし、モータを備えていてもよい。一般に、第２の負荷部としては、燃料電池システムの運転停止の際に、燃料電池からの電力供給を選択的に受けることができるものであればよい。
【００８７】
（６）上記実施例では、燃料電池システムは、水素ガスが貯蔵された水素タンク２１０を含む燃料ガス供給部２００を備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金などから水素ガスを得る燃料ガス供給部を備えるようにしてもよい。また、燃料ガス供給部は、アルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを改質して、水素ガスを含む燃料ガスを生成するようにしてもよい。
【００８８】
なお、燃料ガス供給部が炭化水素系化合物を改質することによって生成された燃料ガスを燃料電池１００に供給する場合には、上記の酸素消費率γの所定値を５５／９１よりも小さな値に設定可能である。
【００８９】
（７）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１に示す燃料電池１００の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３】燃料電池システムの運転停止の際における処理手順を示すフローチャートである。
【図４】第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図５】第３実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】第４実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図７】燃料電池システムの運転停止の際における処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００…燃料電池
１１０…単セル
１１２…電解質膜
１１４ａ…アノード（電極）
１１４ｃ…カソード（電極）
１２０…セパレータ
１２１…アノード側通路
１２２…カソード側通路
１７２…燃料ガス通路
１７３…還流通路
１７４…燃料オフガス通路
１８２…酸化ガス通路
１８４…酸化オフガス通路
１９４…合流オフガス通路
２００…燃料ガス供給部
２１０…水素タンク
２１２…減圧器
２３０…流量制御弁
２４０…ポンプ
２８０…遮断弁
３００…酸化ガス供給部
３１０…ブロワ（アクチュエータ）
４００…バッファタンク
５１０…第１の負荷部
５２０，５２０Ｄ…第２の負荷部
５２２Ｄ…可動部（アクチュエータ）
５３０…スイッチ
６００…制御ユニット
６１０…流量計
６２０…電流計
６３０…酸素センサ

Claims

外部の第１の負荷部に電力を供給する燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料ガスが通る燃料ガス通路と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスとしての空気が通る酸化ガス通路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスが通る燃料オフガス通路と、
前記燃料電池から排出される酸化オフガスが通る酸化オフガス通路と、
前記燃料オフガス通路と前記酸化オフガス通路とが合流した合流オフガス通路と、
前記燃料オフガス通路に設けられ、前記合流オフガス通路内への前記燃料オフガスの流通を遮断するための遮断弁と、
前記燃料電池からの電力供給を選択的に受ける第２の負荷部と、
前記燃料電池システムを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、
前記合流オフガス通路内への前記燃料オフガスの流通が遮断された状態で、前記燃料電池から前記第２の負荷部への電力供給を開始させ、その後、前記燃料オフガスを前記酸化オフガスと混合して混合オフガスを大気中に放出するために、前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度が前記混合オフガスに含まれる水素ガスと酸素ガスとの急激な反応を抑制可能な所定濃度よりも低いと判断する場合に、前記遮断弁を制御して前記燃料オフガスを前記合流オフガス通路内に流入させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を調整するためのアクチュエータを備え、
前記制御部は、さらに、
前記燃料電池における酸素消費率または前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を評価値として求めるための評価値決定部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転停止の際に、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度が前記所定濃度以上であることを前記評価値が示す第１の場合には、前記燃料オフガスを前記合流オフガス通路内に流入させる前に、前記アクチュエータを制御して前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を低減させ、
前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度が前記所定濃度よりも低いことを前記評価値が示す第２の場合には、前記遮断弁を制御して前記燃料オフガスを前記合流オフガス通路内に流入させる、燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記アクチュエータは、前記酸化ガスの流量を調整可能であり、
前記制御部は、前記第１の場合に、前記酸化ガスの流量を低減させる、燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記アクチュエータは、前記第２の負荷部に起因する負荷の大きさを調整可能であり、
前記制御部は、前記第１の場合に、前記第２の負荷部に供給される電力を増大させる、燃料電池システム。
請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記評価値決定部は、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの流量を求めるための酸化ガス流量決定部と、
前記燃料電池から出力される電流を求めるための出力電流決定部と、
を含み、
前記制御部は、前記酸化ガス流量と前記出力電流とを用いて、前記評価値としての前記酸素消費率を算出する、燃料電池システム。
請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記評価値決定部は、
前記酸化オフガス通路に設けられ、前記酸化オフガス中の酸素ガス濃度を測定するための酸素ガス濃度測定部を含み、
前記制御部は、前記測定結果を前記評価値として用いる、燃料電池システム。
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記合流オフガス通路に設けられ、前記燃料オフガスと前記酸化オフガスとを混合させるためのバッファタンクを備える、燃料電池システム。