JP5034358B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、付臭除去手段を備えた燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池システムにおいて水素ガスの漏洩を感知可能とする技術として、付臭された燃料ガスを用いた燃料電池システムがある。さらに、付臭された燃料ガスを用いた燃料電池システムとして、従来は燃料電池へ燃料ガスが通る燃料ガス通路に設けられていた付臭剤除去部を、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に設けることで、燃料ガスの漏洩を感知可能な範囲を拡大させた燃料電池システムがある（特許文献１を参照）。
特開２００４−１３４２７３号公報

ここで、燃料電池から燃料オフガス通路への燃料オフガスの排出を制御するパージ弁等の排出制御手段に着目すると、燃料電池システムの不具合により燃料オフガスの排出を停止しているはずの状態で燃料オフガスが漏れ出ていることを、付臭剤の臭いによって感知することは出来ない。他の部分から漏れが発生していない以上、排出制御手段から漏れる燃料オフガスは、燃料電池システム外に排出される時点で既に付臭剤が除去されているからである。

本発明は、上記した問題に鑑み、排出制御手段からの意図されないガス漏れを、臭いにより感知可能な燃料電池システムを提供すること、を課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、燃料オフガスの排出開始に連動して燃料オフガスからの付臭の除去を促進し、燃料オフガスの排出停止に連動して付臭の除去を抑制することで、排出制御手段からの意図されないガス漏れを、臭いにより感知することを可能にした。

詳細には、本発明は、付臭された燃料ガスを使用する燃料電池と、前記燃料電池からの燃料オフガスを通す燃料オフガス通路と、前記燃料オフガス通路に設けられ、前記燃料オフガスの排出を制御する排出制御手段と、前記燃料オフガス通路上の前記排出制御手段よりも下流側に設けられ、前記排出された燃料オフガスから付臭を除去する付臭除去手段と、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を開始する制御を行うのに連動して前記付臭除去手段による前記排出された燃料オフガスからの付臭の除去を促進し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行うのに連動して前記付臭除去手段による付臭の除去を抑制する付臭除去制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、付臭除去手段は、燃料オフガス通路の燃料電池側を上流とすると、排出制御手段よりも下流側に設けられる。

本発明に拠れば、排出制御手段が燃料オフガスの排出を停止する制御を行うのに連動して付臭除去手段による付臭の除去を抑制することで、排出が停止されているはずの状態で意図されないガス漏れが発生している場合、これを臭いによって感知することが可能となる。また、排出制御手段が燃料オフガスの排出を開始する制御を行うのに連動して付臭除
去手段による排出された燃料オフガスからの付臭の除去を促進するため、意図的に燃料オフガスが排出されている場合に臭いが燃料電池システム外に漏れることはない。

また、本発明において、前記付臭除去制御手段は、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行ってから所定の時間だけ経過したタイミングで前記付臭除去手段による付臭の除去を抑制すること、を特徴としてもよい。

仮に、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行った直後に付臭の除去を抑制した場合、付臭の除去されていない燃料オフガスが燃料電池システム外に排出されてしまう可能性がある。このため、本発明では、燃料オフガスの排出を停止する制御を行ってから所定の時間だけ経過したタイミングで付臭除去手段による付臭の除去を抑制することで、付臭の除去されていない燃料オフガスが燃料電池システム外に排出されてしまうことを防止する。

また、本発明において、前記付臭除去制御手段は、前記燃料オフガスを、前記付臭除去手段から迂回させる分岐通路と、前記分岐通路に設けられ、前記分岐通路の開閉を制御する分岐弁と、を有し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を開始する制御を行うのに連動して前記分岐弁を閉弁し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行うのに連動して前記分岐弁を開弁することによって、前記付臭除去手段による前記排出された燃料オフガスからの付臭の除去の促進及び抑制を制御すること、を特徴としてもよい。

本発明に拠れば、付臭の除去を抑制する場合には分岐通路を開くことで、付臭の除去されないガスが流れる通路を確保し、付臭の除去を抑制することが可能となる。

また、本発明において、前記付臭除去制御手段は、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を開始する制御を行うことで排出された燃料オフガスが、前記分岐弁に到達するのに必要な時間が経過する前に前記分岐弁を閉弁し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行ってから、前記燃料オフガス通路及び前記分岐通路内の残留燃料オフガスの付臭が除去されるのに必要な時間だけ経過したタイミングで前記分岐弁を開弁すること、を特徴としてもよい。

燃料オフガスの排出を開始する場合、排出された燃料オフガスが通路を通って分岐弁に到達するまでに分岐弁を閉弁する必要がある。また、燃料オフガスの排出を停止する場合、通路内に存在する燃料オフガスの付臭が除去されずに燃料システム外に排出されることを防止するため、通路内の残留燃料オフガスの付臭が除去されるのに必要な時間だけ経過したタイミングで分岐弁を開弁する必要がある。このとき、燃料オフガスが通路を通って分岐弁に到達するまでにかかる時間、及び通路内の残留燃料オフガスの付臭が除去されるのに必要な時間は、通路の長さ等によって変化するため、実施の形態によって適宜最適な値を使用することが好ましい。

本発明によって、排出制御手段からの意図されないガス漏れを、臭いにより感知可能な燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態における燃料電池システムの構成の概略を示した図である。燃料電池システムは、燃料電池１０と、付臭された燃料ガスを貯蔵するガスタンク２１と、燃料
ガス通路２２と、循環通路２５と、燃料オフガス通路３０と、付臭剤除去部４０と、空気ブロワ５１と、酸化ガス通路５２と、酸化オフガス通路５３と、バイパス通路３２と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）９０と、を備える。燃料電池システムは、ガスタンク２１より燃料ガス通路２２を通って供給される燃料ガスと空気ブロワ５１より酸化ガス通路５２を通って供給される酸化ガスとによる電気化学反応を燃料電池１０内で進行させることで、発電を行う。

燃料ガス通路２２には、減圧弁２３及び流量制御弁２４が設けられている。ガスタンク２１から燃料電池１０に供給される燃料ガスは、減圧弁２３によって所定の圧力に減圧され、流量制御弁２４によって流量を調整されて、燃料ガス通路２２を通って燃料電池１０に供給される。燃料電池１０内を通過した燃料ガスは、循環通路２５へ排出される。

循環通路２５には、循環ポンプ２６が設けられている。循環ポンプ２６によって、燃料電池１０から排出された燃料ガスを燃料ガス通路２２に戻し、燃料電池１０に単位時間当たりに供給される水素ガス流量を増やすことが可能となる。

燃料オフガス通路３０には、パージ弁３１が設けられている。燃料ガスは、循環によってガス内の水素ガス濃度が低下するため、パージ弁３１を制御することによって、水素ガス濃度の低い燃料オフガスを循環通路２５から燃料オフガス通路３０に排出し、流量制御弁２４を制御することによって、ガスタンク２１から水素ガス濃度の高い燃料ガスを供給する。

付臭剤除去部４０は、燃料オフガス通路３０の下流に設けられており、燃料オフガス通路３０から入る燃料オフガスから付臭剤を除去する。付臭剤除去部４０には、吸着媒（図示は省略する）が設けられており、付臭剤除去部４０内を通るガスに含まれる付臭剤が吸着媒に吸着されることで、付臭剤が除去される。

バイパス通路３２は、付臭剤除去部４０の入口と出口付近の燃料オフガス通路３０を繋ぐガス通路である。バイパス通路３２にはバイパス弁３３が設けられ、バイパス弁３３が開弁している状態で、燃料オフガスの一部は付臭剤除去部４０を迂回する。

ＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、燃料電池システム全体の各要素を制御する。パージ弁３１、減圧弁２３、流量制御弁２４及びバイパス弁３３は、ＥＣＵ９０によって開閉制御される。

次に、図２から図４を用いて、燃料電池システムの制御の流れを説明する。以下に示された制御は、燃料電池システムを構成する各部がＥＣＵ９０によって制御されることで行われる。

図２は、本実施形態におけるパージ弁開弁処理の制御の流れを示した図である。先述の通り、燃料電池システムは、発電に使用される燃料ガス内の水素ガス濃度を調整する等の目的のため、パージ弁３１の開閉制御を行う。本フローチャートに示された制御は、ＥＣＵ９０が循環通路２５内の水素ガス濃度の低下を検知した場合等、循環通路２５内から燃料ガスを排出する必要があると判断された場合に、ＥＣＵ９０によって開始される。

Ｓ１０１では、バイパス弁３３が閉弁される。付臭された燃料ガスが燃料システム外に排出されないようにするために、パージ弁３１が開弁される前にバイパス弁３３を閉弁する必要があるためである。ＥＣＵ９０は、バイパス弁３３を制御し、閉弁する。その後、処理はＳ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、所定時間の経過が監視される。ＥＣＵ９０は、バイパス弁３３を閉弁後、所定時間（例えば１００ｍｓｅｃ）の経過を監視する。その後、処理はＳ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、パージ弁３１が開弁される。ＥＣＵ９０は、パージ弁３１を制御し、開弁する。その後、本フローチャートに示された処理は終了する。

なお、Ｓ１０２の処理は、パージ弁３１から排出された付臭された燃料ガスが燃料システム外に排出されないための処理であり、所定時間の経過の監視は行わないこととしてもよい。また、本実施形態では、バイパス弁３３の閉弁後にパージ弁３１を開弁することとしているが、バイパス弁３３の閉弁とパージ弁３１の開弁は同時でもよいし、はじめにパージ弁３１を開弁後、排出された燃料オフガスが燃料オフガス通路３０を通ってバイパス弁３３に到達するまでに必要な時間が経過する前に、バイパス弁３３を閉弁することとしてもよい。パージ弁３１が開弁されたことによって排出された燃料オフガスが燃料オフガス通路３０を通ってバイパス弁３３に到達するまでにバイパス弁３３が閉弁されれば、付臭された燃料オフガスが燃料電池システム外に排出されることはないからである。

図３は、本実施形態におけるパージ弁閉弁処理の制御の流れを示した図である。本フローチャートに示された制御は、循環通路２５内からの燃料ガスの排出を停止する場合や、燃料電池システムが停止するためにパージ弁３１を閉弁する必要がある場合等に、ＥＣＵ９０によって開始される。

Ｓ２０１では、パージ弁３１が閉弁される。パージ弁３１が閉弁されると、燃料オフガスの付臭剤除去部４０及びバイパス通路３２側への排出が止まる。ＥＣＵ９０は、パージ弁３１を制御し、閉弁する。その後、処理はＳ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、所定時間の経過が監視される。ＥＣＵ９０は、パージ弁３１の閉弁後、所定時間（例えば１００ｍｓｅｃ）の経過を監視する。この所定時間には、パージ弁３１が閉弁されてから、燃料オフガス通路３０内にある燃料オフガスに含まれる付臭剤が付臭剤除去部４０で十分に除去されるまでにかかる時間が予め設定されている。即ち、パージ弁３１から先の燃料オフガス通路３０の長さ等の要因によって、この所定時間は変化する。所定時間が経過した後、処理はＳ２０３へ進む。

Ｓ２０３では、バイパス弁３３が開弁される。ＥＣＵ９０は、バイパス弁３３を制御し、開弁する。Ｓ２０２で経過が監視された所定時間内に、Ｓ２０１でパージ弁３１が閉弁された時点で燃料オフガス通路３０内に残っていた燃料オフガスの付臭剤は除去されているため、付臭された燃料オフガスが燃料システム外に排出されることはない。その後、本フローチャートに示された処理は終了する。

図４は、本実施形態において、燃料電池システムの稼働中にパージ弁開弁処理及びパージ弁閉弁処理が行われた場合のパージ弁３１及びバイパス弁３３の状態の遷移を示した図である。横軸が時間の経過を示し、縦軸がパージ弁３１及びバイパス弁３３の状態を示す。パージ弁３１が開弁される場合、パージ弁３１の開弁前にバイパス弁３３が閉弁される。パージ弁３１が閉弁される場合、パージ弁３１の閉弁後、燃料オフガス通路３０内の燃料オフガスの付臭剤が除去されるだけの時間を待ってバイパス弁３３が開弁される。

本実施形態に拠れば、パージ弁３１が閉弁しているときにバイパス弁３３を開弁することで、パージ弁３１から意図されないガス漏れが発生している場合に、これを付臭剤の臭いによって感知することが可能となる。パージ弁３１が開弁している状態ではバイパス弁３３は閉弁しているため、パージ弁３１に不具合が発生していない場合に付臭剤の臭いが
燃料電池システム外に漏れることはない。また、本発明は、燃料システムが運転状態にあるときのみならず、燃料システムが停止状態にある場合でも、パージ弁３１からの意図されないガス漏れを感知可能とするものである。

なお、本発明を実施する場合において、付臭の除去を抑制する方法は、本実施形態に示したバイパス通路３２及びバイパス弁３３でなくてもよい。例えば、付臭剤除去部４０の入口付近で分岐し、燃料オフガス通路に戻らない分岐オフガス通路及びこの分岐オフガス通路の開閉を制御する分岐弁を設けてもよいし、付臭剤除去部４０自体の除去機能を制御する方法を採用することとしてもよい。ここで、分岐オフガス通路を採用する場合は、燃料オフガス通路及び分岐オフガス通路の両方に水素の希釈器を設けることが好ましい。

実施形態における燃料電池システムの構成の概略を示した図である。 実施形態におけるパージ弁開弁処理の制御の流れを示した図である。 実施形態におけるパージ弁閉弁処理の制御の流れを示した図である。 実施形態において、燃料電池システムの稼働中にパージ弁開弁処理及びパージ弁閉弁処理が行われた場合のパージ弁及びバイパス弁の状態の遷移を示した図である。

符号の説明

１０ 燃料電池
２１ ガスタンク
２２ 燃料ガス通路
２３ 減圧弁
２４ 流量制御弁
２５ 循環通路
２６ 循環ポンプ
３０ 燃料オフガス通路
３１ パージ弁
３２ バイパス通路
３３ バイパス弁
４０ 付臭剤除去部
５１ 空気ブロワ
５２ 酸化ガス通路
５３ 酸化オフガス通路
９０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 付臭された燃料ガスを使用する燃料電池と、
   前記燃料電池からの燃料オフガスを通す燃料オフガス通路と、
   前記燃料オフガス通路に設けられ、前記燃料オフガスの排出を制御する排出制御手段と、
   前記燃料オフガス通路上の前記排出制御手段よりも下流側に設けられ、前記排出された燃料オフガスから付臭を除去する付臭除去手段と、
   前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を開始する制御を行うのに連動して前記付臭除去手段による前記排出された燃料オフガスからの付臭の除去を促進し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行うのに連動して前記付臭除去手段による付臭の除去を抑制する付臭除去制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記付臭除去制御手段は、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行ってから所定の時間だけ経過したタイミングで前記付臭除去手段による付臭の除去を抑制すること、
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記付臭除去制御手段は、
   前記燃料オフガスを、前記付臭除去手段から迂回させる分岐通路と、
   前記分岐通路に設けられ、前記分岐通路の開閉を制御する分岐弁と、
   を有し、
   前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を開始する制御を行うのに連動して前記分岐弁を閉弁し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行うのに連動して前記分岐弁を開弁することによって、前記付臭除去手段による前記排出された燃料オフガスからの付臭の除去の促進及び抑制を制御すること、
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記付臭除去制御手段は、
   前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を開始する制御を行うことで排出された燃料オフガスが、前記分岐弁に到達するのに必要な時間が経過する前に前記分岐弁を閉弁し、前記排出制御手段が前記燃料オフガスの排出を停止する制御を行ってから、前記燃料オフガス通路及び前記分岐通路内の残留燃料オフガスの付臭が除去されるのに必要な時間だけ経過したタイミングで前記分岐弁を開弁すること、
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
   

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