JP4973105B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを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もので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。

従来より、燃料電池の水素極出口から排出される未反応水素を含む排気ガス（以下、オフガスという）を水素供給経路に再循環させる水素循環経路を備えた水素循環方式の燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、オフガス中の未反応水素は燃料電池の発電に使用されるが、空気極側から電解質膜を通過した窒素や水等の不活性物は水素循環供給経路に残留するため、水素極における水素分圧が低下し、燃料電池の発電効率が低下する。

これに対し、水素循環経路に接続され、水素循環経路から大気中に排出されるオフガスが流れるオフガス排出経路と、このオフガス排出経路に設けられ、オフガス排出経路の開閉を行うバルブとを備える燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムにおいては、不活性物の濃度が高くなった場合に、オフガス排出経路のバルブを開くことで、大気中にオフガスと共に不活性物を排出するようにしている。しかしながら、バルブを開いて不活性物を外部に放出する際に、同時に未反応水素も多く排出してしまうため、燃費が悪化するという問題がある。

これに対し、水素循環経路に電気化学的水素ポンプと、電気化学的水素ポンプを迂回するバイパス経路とを設け、オフガス排出経路を電気化学的水素ポンプの入口極側に接続する構成の燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムにおいて、電気化学的水素ポンプは、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されてなり、電解質膜に電流を流すことで入口極に供給されたオフガス中の水素を選択的に出口極へと移動させるものである。これにより、オフガスが流れる水素循環経路に蓄積される不活性物を選択的に外部に排出することで、燃費の悪化を抑制している。
特開２００２−９３４３６号公報 特開２００６−１９１２０号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、電気化学的水素ポンプに常に電圧を印加しているため、補機の消費電力が増大するという問題がある。また、燃料電池に供給する水素の圧力を所望の圧力に調整するために、電気化学的水素ポンプへの印加電圧を増加させる必要があるので、補機の消費電力がさらに増大してしまう。また、電気化学的水素ポンプを迂回するバイパス経路が設けられているため、水素循環経路内を流れるオフガス中の不活性物を排出しきれないという問題もある。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の水素極出口から排出される未反応水素を含む排気ガスを水素供給経路に再循環させる水素循環方式の燃料電池システムにおいて、補機の消費電力を抑制しつつ、不活性物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、燃料電池（１）の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（９）と、燃料ガス供給手段（９）から燃料電池（１）の燃料極に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路（８）と、燃料電池（１）の燃料極から排出される未反応水素を含む排気ガスを燃料電池（１）に再循環させるための燃料ガス循環経路（１０）と、燃料ガス循環経路（１０）内に設けられ、排気ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段（１７）と、燃料ガス循環経路（１０）内に設けられ、排気ガス中に存在する電気化学反応に使用されない不活性物を外部に排出させる不活性物排出手段（１２、３０）とを備え、不活性物排出手段（１２、３０）は、プロトン伝導性を有する電解質膜（１８ａ）を挟んで燃料ガス循環経路（１０）と対向して配置される水素回収室（１８ｂ）と、燃料ガス循環経路（１０）と外部との連通状態を制御する排出部（１９）とを有しており、水素濃度検出手段（１７）で検出した水素濃度が所定値を下回っている場合に、電解質膜（１８ａ）に電流を流すことで排気ガス中の水素を選択的に水素回収室（１８ｂ）へと移動させ、その後、燃料ガス循環経路（１０）と外部とを連通させるように排出部（１９）を作動させることで不活性物を外部へ排出する不活性物排出処理を行うように構成されていることを第１の特徴としている。

なお、本明細書中において、電解質膜（１８ａ）とは、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒が担持されたもののことをいう。

このように、排気ガス中の水素を選択的に水素回収室（１８ｂ）へと移動させた後、燃料ガス循環経路（１０）と外部とを連通させることで、排気ガス中の不活性物のみを外部へ排出することができるので、水素が無駄に排出されることを防止できる。これにより、不活性物濃度上昇による発電効率の低下を抑制するとともに、燃費を向上することができる。また、燃料ガス循環経路（１０）は分岐していない、すなわち不活性物排出手段（１２、３０）を迂回するバイパス経路等は設けられていないため、排気ガス中の不活性物をより確実に排出し、不活性物濃度上昇による発電効率の低下をより抑制することができる。

このとき、排気ガス中の水素濃度が低下した場合のみ、不活性物排出処理を行うようになっているため、不活性物排出手段（１２、３０）の消費電力を抑制することができる。したがって、補機の消費電力を抑制しつつ、不活性物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を図ることが可能となる。

また、本発明では、不活性物排出手段（１２、３０）は、不活性物排出処理を行った後、水素回収室（１８ｂ）と燃料ガス循環経路（１０）との水素濃度差によって発生した起電圧により、水素回収室（１８ｂ）内の水素を燃料ガス循環経路（１０）へと移動させる水素帰還処理を行うように構成されていることを第２の特徴としている。

これにより、不活性物を外部へ排出した後、水素回収室（１８ｂ）内の水素を燃料ガス循環経路（１０）へ戻すことができる。さらに、水素回収室（１８ｂ）と燃料ガス循環経路（１０）との水素濃度差によって発生した起電圧を利用することで、水素を燃料ガス循環経路（１０）へ戻すための動力（電力等）を外部から供給するのを不要とすることができるため、補機の消費電力をより抑制することが可能となる。

また、本発明では、不活性物排出手段（１２、３０）は、その上流側および下流側において排気ガスの流れを遮断する遮断機構（１３、１６）を有しており、不活性物排出処理を行う前に、排気ガスの流れを遮断するように遮断機構（１３、１６）を作動させることを第３の特徴としている。

これにより、不活性物排出手段（１２、３０）の上流側および下流側において排気ガスの流れが遮断された状態で不活性物排出処理を行うことができるため、水素が無駄に排出されることをより確実に防止できる。したがって、燃費をより向上させることが可能となる。

また、本発明では、水素回収室（１８ｂ）には、不活性ガスが充填されていることを第４の特徴としている。

水素回収室（１８ｂ）には、電解質膜（１８ａ）を透過したり、水素と化学反応を起こしたりする物質を充填することはできない。一方、水素回収室（１８ｂ）に何も充填しない、すなわち水素回収室（１８ｂ）を真空にすると、電解質膜（１８ａ）に負圧がかかり、電解質膜（１８ａ）が破壊されてしまう場合がある。これに対し、電解質膜（１８ａ）を透過せず、水素と化学反応しない不活性ガスを水素回収室（１８ｂ）に充填することで、電解質膜（１８ａ）が破壊されることを防止できる。

また、本発明では、水素濃度検出手段（１７）は、燃料ガス供給経路（８）における燃料ガス供給手段（９）近傍から燃料ガスが流入する基準水素室（１７ｂ）を有しており、基準水素室（１７ｂ）と燃料ガス循環経路（１０）との水素分圧比より、排気ガス中の水素濃度を検出するようになっていることを第５の特徴としている。

このように、基準水素室（１７ｂ）と燃料ガス循環経路（１０）との水素分圧比より直接排気ガス中の水素濃度を求めることができるため、水素濃度を正確に検出することができる。また、燃料ガス循環経路（１０）は分岐していない、すなわち水素濃度検出手段（１７）をバイパスする経路等は設けられていないので、排気ガス中の水素濃度をより正確に検出することができる。

また、本発明では、基準水素室（１７ｂ）と燃料ガス循環経路（１０）とは、プロトン伝導性を有する濃度検出用電解質膜（１７ａ）を挟んで対向するように配置されており、水素濃度検出手段（１７）は、基準水素室（１７ｂ）と燃料ガス循環経路（１０）との水素濃度差によって発生した起電圧を検出する起電圧検出手段（１７ｄ）を有しており、起電圧検出手段（１７ｄ）により検出された起電圧値から燃料ガス循環経路（１０）内の水素濃度を検出するようになっていることを第６の特徴としている。

なお、本明細書中において、濃度検出用電解質膜（１７ａ）とは、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒が担持されたもののことをいう。

このように、起電圧検出手段（１７ｄ）により検出された起電圧は、一般に知られるネルンストの式に基づき、一方の水素濃度が一定ならば他方の水素濃度に依存する。基準水素室（１７ｂ）内の水素濃度は一定なので、起電圧値から燃料ガス循環経路（１０）内の水素濃度を検出することができる。このとき、濃度検出用電解質膜（１７ａ）は水分を含んだ湿潤状態になっているため、濃度検出用電解質膜（１７ａ）に新たに水分が付着しても問題は生じない。したがって、水素濃度検出手段（１７）の耐水性を向上させることができる。

また、不活性物排出手段（１２、３０）は、水素濃度検出手段（１７）を有しており、不活性物排出手段（１２、３０）における水素濃度検出手段（１７）の上流側には、排気ガスを撹拌する撹拌部（１４）が設けられていることを第７の特徴としている。これにより、オフガス中の水素濃度をより正確に検出することが可能となる。

なお、上記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ものである。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、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。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、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燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。

本実施形態では燃料電池１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、電解質膜が水素極（アノード）と酸素極（カソード）で挟まれた構成となっている。燃料電池１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が発生する。

（水素極側） Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（酸素極側） ２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１は、車両走行用モータ、二次電池等の電力機器２に電力を供給するように構成されている。燃料電池システムには、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ３と、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサ４とが設けられている。

燃料電池１の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気経路５における燃料電池１の上流側には、空気圧送用の圧縮機６が設けられている。空気経路５における燃料電池１の下流側には、空気経路４を開閉して空気背圧を調整する空気背圧弁７が設けられている。

燃料電池１の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素経路（水素供給経路）８には、水素ガスが充填された水素ボンベ９が設けられている。水素経路８には、図示を省略しているが、水素ボンベ９を開閉する開閉弁、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ等が設けられている。

水素経路８における燃料電池１の下流側は、燃料電池１から排出される未反応水素を含むオフガス（排気ガス）を燃料電池１に再循環させるための水素循環経路１０となっている。水素循環経路１０には、オフガスを循環させるためのオフガス循環ポンプ１１が設けられている。

水素循環経路１０におけるオフガス循環ポンプ１１の上流側には、燃料電池１から排出されるオフガス中の水素濃度を検出するとともに、オフガス中に存在する燃料電池１０の電気化学反応に使用されない窒素や水蒸気（水）等の不活性物を外部に排出させる不活性物排出装置１２が設けられている。

続いて、不活性物排出装置１２の詳細な構成について説明する。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの不活性物排出装置１２を示す斜視図である。図２に示すように、不活性物排出装置１２は、その内部で水素循環経路１０に連通している。不活性物排出装置１２は、オフガス流れ上流側から、上流側シャット機構１３、撹拌部１４、パージ部１５および下流側シャット機構１６を備えており、各部材１３〜１６は互いに連結された状態で固定されている。

上流側シャット機構１３および下流側シャット機構１６は、不活性物排出装置１２の上流側および下流側においてオフガスの流れを遮断することができるように構成されている。２つのシャット機構１３、１６は、後述するパージ処理を行う時のみ不活性物排出装置１２の上流側および下流側をそれぞれシャットする常開式の構成になっている。

また、撹拌部１４は、長方形平板材を１８０°捻った形状のエレメントを有して構成されたいわゆるスタティックミキサである。このため、本実施形態ではオフガスを撹拌するための動力（電力等）を外部から供給するのを不要とすることができる。

図３は、本実施形態における不活性物排出装置１２のパージ部１５を示す模式図である。図２および図３に示すように、パージ部１５は、略円筒状の本体部１６と、オフガス中の水素濃度を検出する水素センサ部（水素濃度検出手段）１７と、オフガス中の水素のみを選択的に回収する水素回収部１８と、本体部１６と外部との連通状態を制御する排出部１９とを備えている。本実施形態では、水素センサ部１７および水素回収部１８は、本体部１６の鉛直方向上方側に設けられており、排出部１９は本体部１６の鉛直方向下方側に設けられている。

本体部１６は、水素循環経路１０と連通しており、オフガスが通過する流路を構成している。

水素センサ部１７は、プロトン（水素イオン）伝導性を有する電解質膜（濃度検出用電解質膜）１７ａを挟んで本体部１６と対向して配置される基準水素室１７ｂを有している。基準水素室１７ｂには、基準水素経路１７ｃの一端が接続されている。基準水素経路１７ｃの他端は、水素経路８における水素ボンベ９近傍に接続されており（図１参照）、水素ボンベ９から供給された水素が基準水素経路１７ｃを介して基準水素室１７ｂ内に流入するようになっている。また、水素経路８内の水素分圧は一定なので、基準水素室１７ｂ内の水素分圧は一定になっている。

電解質膜１７ａは、両面の水素濃度差に応じて起電力Ｖｓを生ずるものであり、いわゆる水素濃淡電池の働きをする。本実施形態では、本体部１６と基準水素室１７ｂとの水素濃度差に応じた起電力Ｖｓが生じ、その起電圧Ｖｓを起電圧センサ（起電圧検出手段）１７ｄで検出するようになっている。検出した起電圧Ｖｓは、一般に知られるネルンストの式に基づき、一方の水素濃度が一定ならば他方の水素濃度に依存する。したがって、本実施形態では基準水素室１７ｂ内の水素濃度が一定なので、起電圧Ｖｓから本体部１６内の水素濃度が求めることができる。なお、水素センサ部１７にて求められた水素濃度は、後述する制御部３０に水素濃度信号として出力される。

図４は、本実施形態における不活性物排出装置１２の水素回収部１８を示す模式図である。

図３および図４に示すように、水素回収部１８は、プロトン伝導性を有する電解質膜１８ａを挟んで本体部１６と対向して配置されるバッファ室（水素回収室）１８ｂを有している。バッファ室１８ｂには、不活性ガス（希ガス）であるアルゴンが充填されている。

電解質膜１８ａには、電解質膜１８ａに電力を供給する駆動回路１８ｃが電気的に接続されている。電解質膜１８ａと駆動回路１８ｃとを結ぶ電流経路上には、電解質膜１８ａと駆動回路１８ｃとの間を電気的に開閉可能な第１のスイッチＳＷ１が設けられている。また、電解質膜１８ａの両端を結ぶ電流経路上には、電解質膜１８ａの両端を電気的に開閉可能な第２のスイッチＳＷ２が設けられている。

図１および図２に戻り、不活性物排出装置１２の排出部１９には、不活性物排出装置１２内に存在する不活性物を大気中に排出する不活性物排出経路２０が接続されている。そして、排出部１９は、不活性物排出装置１２と不活性物排出経路２０との連通状態を制御できるように構成されている。通常、不活性物排出装置１２と不活性物排出経路２０とは、非連通状態になっている。また、不活性物排出経路２０には、不活性物排出経路２０の開閉を行う排出バルブ２１が設けられている。

図１に戻り、燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）３０が設けられている。制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部３０には、電力機器２からの電力要求信号、電流センサ３からの電流信号、電圧センサ４からの電圧信号、不活性物排出装置１２の水素センサ部１７からの水素濃度信号等が入力される。また、制御部３０は、圧縮機６、背圧弁７、オフガス循環ポンプ１１、不活性物排出装置１２、排出バルブ２１等に制御信号を出力するように構成されている。なお、不活性物排出装置１２および制御部３０が、本発明の不活性物排出手段に相当している。

また、制御部３０は、オフガス中の水素濃度に基づいて、オフガス中に存在する不活性物を外部に排出するパージ処理を行う。パージ処理は、不活性物排出装置１２の本体部１６に供給されるオフガスから水素のみをバッファ室１８ｂに回収する水素回収処理、不活性物排出装置１２と不活性物排出経路２０とを連通状態にする外部連通処理、バッファ室１８ｂに回収された水素を本体部１６へ戻す水素帰還処理という３つの処理を含んでいる。

まず、水素回収処理について図３および図４を参照して説明する。水素回収部１８の電解質膜１８ａと駆動回路１８ｃとを結ぶ電流経路上の第１のスイッチＳＷ１のみを閉じることで、駆動回路１８ｃの作動により電解質膜１８ａに電流が流れる。これにより、本体部１６に供給されるオフガス中の水素を選択的に電解質膜１８ａを透過させてバッファ室１８ｂへと移動させる。すなわち、本体部１６側では、オフガス中の水素が水素イオンと電子とに解離する反応が起き、水素イオンは電解質膜１８ａを通過し、電子は駆動回路１８ｃによって水素回収部１８外部を流され、それぞれバッファ室１８ｂ側へと移動する。そして、バッファ室１８ｂにおいて、電解質膜１８ａを通過した水素イオンと、駆動回路１８ｃにより水素回収部１８外部を流された電子とが結合して水素が生成される。これにより、本体部１６に供給されるオフガスから水素のみを回収することができる。

次に、外部連通処理について図３を参照して説明する。上述した水素回収処理を行った後、不活性物排出装置１２と不活性物排出経路２０とが連通状態となるように排出部１９を作動させるとともに、排出バルブ２１を開放する。そして、予め設定された所定時間が経過した後、不活性物排出装置１２と不活性物排出経路２０とが非連通状態となるように排出部１９を作動させるとともに、排出バルブ２１を閉塞する。これにより、本体部１６内に溜まっている不活性物（オフガスから水素を取り除いたもの）を大気中に排出することができる。なお、水素回収処理および外部連通処理が、本発明の不活性物排出処理に相当している。

次に、水素帰還処理について図３および図４を参照して説明する。上述した外部連通処理を行った後、第１のスイッチＳＷ１を開くとともに第２のスイッチＳＷ２を閉じ、電解質膜１８ａの両端部を短絡することで、バッファ室１８側の水素濃度α１が、本体部１６側の水素濃度α２よりも大きいため、この濃度差によってバッファ室１８と本体部１６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、バッファ室１８ｂ側の水素が、プロトン状態（Ｈ⁺）にて電解質膜１８ａを通り本体部１６側へ拡散移動する。これにより、バッファ室１８ｂに回収された水素を本体部１６に戻すことができる。

次に、本実施形態の燃料電池システムの水素濃度制御処理について図５に基づいて説明する。図５は、制御部３０がＲＯＭ等に格納されたプログラム１００にしたがって行う水素濃度制御処理を示すフローチャートである。

まず、燃料電池１の出力電流値Ｉが０か否かを判定する（Ｓ１１０）。この結果、燃料電池１の出力電流値Ｉが０である場合は（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、燃料電池１の出力が０、すなわち負荷がない（発電していない）と診断し、パージ処理を行うためのサブルーチン２００を呼び出す（Ｓ１７０）。このパージ処理によって、オフガス中に存在する不活性物が外部（大気中）に排出される。このサブルーチン２００の処理については、後述する。

一方、燃料電池１の出力電流値Ｉが０でない場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、燃料電池１の出力が０でない、すなわち負荷がある（発電している）と診断し水素センサ部１７でオフガス中の水素濃度を検出する（Ｓ１２０）。

次に、オフガス中の水素濃度が第１の閾値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１３０）。ここで、第１の閾値は、例えばオフガス中の水素濃度がこの値より高ければ、燃料電池１の水素極に水素が十分供給されているという値に設定される。この結果、オフガス中の水素濃度が第１の閾値を下回っていない場合は（Ｓ１３０：ＮＯ）、燃料電池１の水素極に水素が十分供給されていると診断し、ステップ１１０に戻る。

一方、オフガス中の水素濃度が第１の閾値を下回っている場合は（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、オフガス中の水素濃度が第１の閾値より小さい第２の閾値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１４０）。ここで、第２の閾値は、例えばオフガス中の水素濃度がこの値より低ければ、燃料電池１の水素極に供給される水素量が許容得できない範囲まで減少しているという値に設定される。なお、第２の閾値が、本発明の所定値に相当している。

この結果、オフガス中の水素濃度が第２の閾値を下回っていない場合は（Ｓ１４０：ＮＯ）、燃料電池１の水素極に供給される水素量が不足しているが許容できる範囲であると診断し、燃料電池１に供給する水素量を増加させる（Ｓ１５０）。具体的には、オフガス循環ポンプ１１の回転数を増加させる。これにより、燃料電池１の発電量を低下させることなく、燃料電池１の水素極に供給される水素量を増加することができる。

一方、オフガス中の水素濃度が第２の閾値を下回っている場合は（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、燃料電池１の水素極に供給される水素量が許容できない範囲まで減少していると診断し、燃料電池１の出力電流値Ｉが所定電流値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１６０）。この結果、燃料電池１の出力電流値Ｉが所定電流値を上回っている場合は（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、燃料電池１が高負荷状態であり、パージ処理を行うことで一時的に供給水素量が減少すると、発電に必要な水素量を確保することができなくなると診断し、ステップ１５０に進む。

一方、燃料電池１の出力電流値Ｉが所定電流値を上回っていない場合は（Ｓ１６０：ＮＯ）、燃料電池１が低負荷状態であると診断し、パージ処理を行うためのサブルーチン２００を呼び出す（Ｓ１７０）。このパージ処理によって、オフガス中に存在する不活性物が外部（大気中）に排出される。

ここで、ステップ１７０のパージ処理について詳しく説明する。ステップ１７０においては、図６に示すサブルーチン２００をこの順に１回実行するようになっている。なお、サブルーチン２００はプログラム１００の一部である。

まず、不活性物排出装置１２の上流側シャット機構１３および下流側シャット機構１６を閉じ（Ｓ２１０）、不活性物排出装置１２の上流側および下流側においてオフガスの流れを遮断する。

次に、上述した水素回収処理を行う、すなわち水素回収部１８の第１のスイッチＳＷ１のみを閉じ、電解質膜１８ａに電流を流す（Ｓ２２０）。これにより、本体部１６内のオフガスから水素のみを選択的にバッファ室１８ｂに移動させ、本体部１６内に不活性物のみを滞留させることができる。

次に、上述した外部連通処理を行う、すなわち本体部１６と外部とを所定時間連通させる（Ｓ２３０）。これにより、本体部１６内に滞留している不活性物を大気中に排出することができる。

次に、上述した水素帰還処理を行う、すなわち第１のスイッチＳＷ１を開くとともに第２のスイッチＳＷ２を閉じ、電解質膜１８ａの両端部を短絡する（Ｓ２４０）。これにより、バッファ室１８ｂに回収された水素を本体部１６に戻すことができる。

次に、不活性物排出装置１２の上流側シャット機構１３および下流側シャット機構１６を開け（Ｓ２５０）、不活性物排出装置１２内をオフガスが流れるようにする。

ステップ２５０の後、サブルーチン２００の処理が終了し、処理はステップ１１０の開始時点に戻る。

以上説明したように、オフガス中の水素を選択的に不活性物排出装置１２のバッファ室１８ｂへと移動させた後、本体部１６と外部とを連通させることで、オフガス中の不活性物のみを外部へ排出することができるので、水素が無駄に排出されることを防止できる。これにより、不活性物濃度上昇による発電効率の低下を抑制するとともに、燃費を向上することができる。

また、水素循環経路１０は分岐していない、すなわち不活性物排出装置１２を迂回するバイパス経路等は設けられていないため、オフガス中の不活性物をより確実に排出し、不活性物濃度上昇による発電効率の低下をより抑制することができる。

このとき、オフガス中の水素濃度が低下した場合のみ、不活性物排出処理を行うようになっているため、不活性物排出手装置１２の消費電力を抑制することができる。したがって、補機の消費電力を抑制しつつ、不活性物濃度上昇による発電効率の低下を抑制しながら燃費の向上を図ることが可能となる。

また、不活性物排出装置１２は、不活性物排出処理を行った後、バッファ室１８ｂと本体部１６との水素濃度差によって発生した起電圧により、バッファ室１８ｂ内の水素を本体部１６へと移動させる水素帰還処理を行うようになっている。このため、不活性物を外部へ排出した後に、バッファ室１８ｂ内の水素を本体部１６へ戻すことができる。このとき、バッファ室１８ｂと本体部１６との水素濃度差によって発生した起電圧を利用することで、水素を本体部１６へ戻すための動力（電力等）を外部から供給するのを不要とすることができる。これにより、補機の消費電力をより抑制することが可能となる。

また、不活性物装置１２に、その上流側および下流側においてオフガスの流れを遮断するシャット機構１３、１６を設けることで、不活性物排出装置１２の上流側および下流側においてオフガスの流れが遮断された状態で不活性物排出処理を行うことができる。このため、水素が無駄に排出されることをより確実に防止できるので、燃費をより向上させることが可能となる。

ところで、水素を回収するためのバッファ室１８ｂには、電解質膜１８ａを透過したり、水素と化学反応を起こしたりする物質を充填することはできない。一方、バッファ室１８ｂに何も充填しない、すなわちバッファ室１８ｂを真空にすると、電解質膜１８ａに負圧がかかり、電解質膜１８ａが破壊されてしまう場合がある。これに対し、電解質膜１８ａを透過せず、水素と化学反応しない不活性ガス（本実施形態ではアルゴン）をバッファ室１８ｂに充填することで、電解質膜１８ａが破壊されることを防止できる。

また、水素センサ部１７は、基準水素室１７ｂと本体部１６との水素濃度差によって発生した起電圧値からオフガス内の水素濃度を検出する構成になっている。このとき、電解質膜１７ａは水分を含んだ湿潤状態になっているため、電解質膜１７ａに新たに水分が付着しても問題は生じない。したがって、水素センサ部１７の耐水性を向上させることができる。また、水素循環経路１０は分岐していない、すなわち水素センサ部１７を迂回するバイパス経路等は設けられていないので、オフガス中の水素濃度をより正確に検出することができる。

また、不活性物排出装置１２における水素センサ部１７の上流側に、オフガスを撹拌する撹拌部１４を設けることで、オフガス中の水素濃度をより正確に検出することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、水素センサ部１７を、電解質膜１７ａを備え、濃淡電池の原理を利用する構成としたが、これに限らず、オフガス中の水素濃度を検出できれば任意の構成にすることができる。

また、上記実施形態では、水素センサ部１７を不活性物排出装置１２に設けたが、不活性物排出装置１２とは別に設けてもよい。

また、上記実施形態では、バッファ室１８ｂにアルゴンを充填したが、これに限らず、ネオン等の他の不活性ガスを充填することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示している。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの不活性物排出装置１２を示す斜視図である。 本発明の実施形態における不活性物排出装置１２のパージ部１５を示す模式図である。 本発明の実施形態における不活性物排出装置１２の水素回収部１８を示す模式図である。 本発明の実施形態における制御部３０がＲＯＭ等に格納されたプログラム１００にしたがって行う水素濃度制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態におけるパージ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、８…水素経路（燃料ガス供給経路）、９…水素ボンベ（燃料ガス供給手段）、１０…水素循環経路（燃料ガス循環経路）、１２…不活性物排出装置（不活性物排出手段）、１３、１６…シャット機構（遮断機構）、１４…撹拌部、１７…水素センサ部（水素濃度検出手段）、１７ａ…濃度検出用電解質膜、１７ｂ…基準水素室、１７ｄ…起電圧センサ（起電圧検出手段）、１８ａ…電解質膜、１８ｂ…バッファ室（水素回収室）、１９…排出部、３０…制御部（不活性物排出手段）。

Claims (5)

1. 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（９）と、
   前記燃料ガス供給手段（９）から前記燃料電池（１）の燃料極に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路（８）と、
   前記燃料電池（１）の燃料極から排出される未反応水素を含む排気ガスを前記燃料電池（１）に再循環させるための燃料ガス循環経路（１０）と、
   前記燃料ガス循環経路（１０）内に設けられ、前記排気ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段（１７）と、
   前記燃料ガス循環経路（１０）内に設けられ、前記排気ガス中に存在する前記電気化学反応に使用されない不活性物を外部に排出させる不活性物排出手段（１２、３０）とを備え、
   前記不活性物排出手段（１２、３０）は、
   プロトン伝導性を有する電解質膜（１８ａ）を挟んで前記燃料ガス循環経路（１０）と対向して配置される水素回収室（１８ｂ）と、前記燃料ガス循環経路（１０）と外部との連通状態を制御する排出部（１９）とを有しており、
   前記水素濃度検出手段（１７）で検出した水素濃度が所定値を下回っている場合に、前記電解質膜（１８ａ）に電流を流すことで前記排気ガス中の水素を選択的に前記水素回収室（１８ｂ）へと移動させ、その後、前記燃料ガス循環経路（１０）と外部とを連通させるように前記排出部（１９）を作動させることで前記不活性物を外部へ排出する不活性物排出処理を行うように構成されている燃料電池システムであって、
   前記不活性物排出手段（１２、３０）は、前記不活性物排出処理を行った後、前記水素回収室（１８ｂ）と前記燃料ガス循環経路（１０）との水素濃度差によって発生した起電圧により、前記水素回収室（１８ｂ）内の水素を前記燃料ガス循環経路（１０）へと移動させる水素帰還処理を行うように構成されており、
   前記不活性物排出手段（１２、３０）は、その上流側および下流側において前記排気ガスの流れを遮断する遮断機構（１３、１６）を有しており、前記不活性物排出処理を行う前に、前記排気ガスの流れを遮断するように前記遮断機構（１３、１６）を作動させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素回収室（１８ｂ）には、不活性ガスが充填されてい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. 前記水素濃度検出手段（１７）は、
   前記燃料ガス供給経路（８）における前記燃料ガス供給手段（９）近傍から燃料ガスが流入する基準水素室（１７ｂ）を有しており、
   前記基準水素室（１７ｂ）と前記燃料ガス循環経路（１０）との水素分圧比より、前記排気ガス中の水素濃度を検出するようになっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記基準水素室（１７ｂ）と前記燃料ガス循環経路（１０）とは、プロトン伝導性を有する濃度検出用電解質膜（１７ａ）を挟んで対向するように配置されており、
   前記水素濃度検出手段（１７）は、
   前記基準水素室（１７ｂ）と前記燃料ガス循環経路（１０）との水素濃度差によって発生した起電圧を検出する起電圧検出手段（１７ｄ）を有しており、
   前記起電圧検出手段（１７ｄ）により検出された起電圧値から前記燃料ガス循環経路（１０）内の水素濃度を検出す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. 前記不活性物排出手段（１２、３０）は、前記水素濃度検出手段（１７）を有しており、
   前記不活性物排出手段（１２、３０）における前記水素濃度検出手段（１７）の上流側には、前記排気ガスを撹拌する撹拌部（１４）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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