JP2007280933A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単セルを積層した燃料電池において、水素置換が完了するタイミング等を検出して、水素ガスの無駄な排出を抑制することを技術的課題とする。
【解決手段】複数積層された単セル１ａと、単セル１ａの両側に配置された第一と第二のエンドプレート１ｂ，１ｃと、単セル１ａの積層に沿って設けられたガス供給通路１ｄ及びガス排出通路１ｅと、を有し、第一のエンドプレート１ｂにガス供給通路１ｄとガス排出通路１ｅの流路となる開口部１ｆ，１ｇが形成された燃料電池１と、ガス排出通路１ｅ上の第二のエンドプレート１ｃ近傍に配置された水素濃度センサ４と、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池１に水素ガスの供給が行われるとき、水素濃度センサ４によって検出された水素濃度に基づいて、燃料電池１による発電処理が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸化ガスとを供給して、電解質膜を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。このような燃料電池として、前記電解質膜と、当該電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極と、からなる単セルを複数積層した燃料電池がある。

前記燃料電池システムは、燃料電池の停止時にカソード極からアノード極に窒素ガス等が透過するため、燃料電池の起動前にアノード極に水素ガスを供給して、アノード極側を水素ガスに置換する処理が行われることがある（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池から排出されるオフガスの水素濃度を検出し、当該水素濃度に基づいて、燃料電池起動時の水素置換が完了したか否かを判定する。
特開２００４−１３９９８４号公報 特開２００４−１８５９７４号公報 特開２００２−３１３３９６号公報 特開２００４−１７９０６１号公報 特開２００３−３０３６１３号公報

前記燃料電池システムによれば、オフガスに基づいて水素置換が完了したか否かを判定して、水素ガスに置換した状態で発電処理を開始することができる。しかし、単セルを複数積層し、当該単セルの積層に沿って水素供給通路が配置された燃料電池では、水素供給通路の入口側の単セルと入口側から最も離れた単セルとでは水素ガスが供給されるタイミングが異なる。入口から最も離れた単セルにおいて水素置換が完了していない場合であっても、入口側の単セルで水素置換が完了することがある。よって、オフガスに基づいて全ての単セルにおいて水素置換が完了するタイミングを検出することは困難であり、水素置換が完了しても更に水素ガスを過度に供給したり、逆に水素ガスの供給が不十分な状態で発電処理を開始したりすることが考えられる。

また、他の燃料電池システムとして、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃料電池に再循環させて、アノードオフガスに含まれる水素ガスを再度燃料電池の発電処理に供して、システム外へ排出する水素ガス量を低減するものがある（例えば、特許文献２参照）。さらに、他の燃料電池システムとして、燃料電池の発電処理中にアノードオフガスの排出を停止し、燃料電池に供給された水素ガスをより多く発電処理で消費させ、排出する水素ガス量を低減するシステムがある。

これらの燃料電池システムは、電解質膜を介してカソード側からアノード側に窒素ガスが透過するため、アノード側の窒素濃度が増加し水素濃度が減少して、発電効率が低下することがある。このような問題の対策として、再循環させる水素ガスやアノードオフガスをシステム外へ排出する排出弁を設け、排出弁を定期的に開放し水素系内の窒素ガスを排出することが考えられる。

しかし、前記排出弁を開放すると、窒素ガスと同時に水素も排出されるため、必要以上
に排出弁を開くと、却って燃料電池システムの発電効率が悪化する。よって、水素ガスの排出を抑制して窒素ガスを排出することが望まれる。しかし、特にアノードオフガスの排出を停止した状態では、アノードオフガスの排出口付近ではオフガスの流れがないため、各単セル内の水素濃度を検出することは困難であり、水素ガスを無駄に排出することがある。

本発明は、前記種々の問題に鑑みてなされたものであり、複数の単セルを積層した燃料電池において、水素置換が完了するタイミング等を検出して、水素ガスの無駄な排出を抑制することを技術的課題とする。

上記課題を解決すべく、本発明は水素ガスの濃度を検出する位置に着目した。本発明は、複数の積層された単セルと、前記積層された単セルの両側に配置された第一と第二のエンドプレートと、前記単セルの積層に沿って設けられ、各単セルにガスを供給するガス供給通路と、前記ガス供給通路と平行して設けられ、各単セルから排出されるガスが通るガス排出通路と、を有し、前記第一のエンドプレート側に、前記ガス供給通路の供給口と前記ガス排出通路の排出口とが形成された燃料電池と、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、前記第二のエンドプレート近傍のガス排出通路に配置され、前記単セルから排出されるガスの水素濃度を検出する水素濃度センサと、前記燃料電池を起動すべく前記水素供給手段によって水素ガスの供給を開始した後に、前記水素濃度センサによって水素濃度を検出し、検出した濃度が所定濃度以上の際に燃料電池の発電処理を開始する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムは、単セルに供給する水素ガスが通るガス供給通路の供給口と単セルから排出されるガスが通るガス排出通路の排出口とが第一のエンドプレート側に形成されており、供給された水素ガスは第一のエンドプレートの近傍の単セルから供給される。一方、第二のエンドプレート近傍の単セルは、第一のエンドプレートの近傍の単セルに比較して水素ガスの供給が遅れる。しかし、燃料電池の起動時は、全ての単セルにおいて水素ガスが供給された状態で発電を開始することが望ましい。

本発明に係る燃料電池システムは、水素ガスの供給がもっとも遅れる第二のエンドプレートの近傍の単セルのガス排出通路に水素センサを設けており、この水素濃度センサによって検出する水素濃度に基づいて燃料電池の発電処理を開始する。よって、全ての単セルにおいて水素置換が完了したタイミングで発電処理を開始でき、水素ガスの無駄な排出を抑制することができる。

なお、前記所定濃度とは、発電処理が可能な程度に窒素ガスの排出が完了した（水素置換が完了した）と判断される水素濃度であり、燃料電池の構造等によって適宜に設定することが望ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムは、複数の積層された単セルと、前記積層された単セルの両側に配置された第一と第二のエンドプレートと、前記単セルの積層に沿って設けられ、各単セルにガスを供給するガス供給通路と、前記ガス供給通路と平行して設けられ、各単セルから排出されるガスが通るガス排出通路と、を有し、前記第一のエンドプレート側に、前記ガス供給通路の供給口とガス排出通路の排出口とが形成された燃料電池と、前記第二のエンドプレート近傍のガス排出通路に配置され、前記単セルから排出されるガスの水素濃度を検出する水素濃度センサと、前記ガス排出通路を介して燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路と、前記オフガス通路に設けられ、オフガスの流量を調整するオフガス流量調整手段と、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記オフガス流量調整手段によるオフガスの排出流量を制御する制御手段と、
を備える。

前記オフガス流量調整手段とは、燃料電池から排出されるオフガスの流量を調整する手段であり、燃料電池内に滞留した窒素ガスをシステム外へ排出すべくオフガスの流量を調整する。具体的には、燃料電池の発電処理中にオフガスの排出を停止するシステムや、オフガスを燃料電池に再循環させて発電処理に供するシステムにおいて適用され、水素ガスの排出を抑制しつつ燃料電池内に滞留する窒素ガスを排出するようにオフガスの排出流量を調整する。

このような燃料電池システムは、水素ガスの排出を抑制しつつ燃料電池内に滞留する窒素ガスを排出するために、各単セルの水素濃度を把握することが望ましいがオフガスの排出を停止した状態では、オフガスの排出口付近、すなわち第一のエンドプレート付近ではオフガスの流れが少なく、単セル内の水素濃度を検出することは困難である。

しかし、本発明は、窒素ガスが蓄積する第二のエンドプレート近傍の単セルのガス排出通路に水素濃度センサが設けられており、窒素の影響を反映した単セル内の水素濃度を検出することが可能となる。この水素濃度センサによって検出される水素濃度に基づいて、前記オフガス流量調整手段によってオフガスの排出流量を制御する。これにより、燃料電池内に滞留する窒素ガスを適量排出するとともに、水素ガスの無駄な排出を抑制することができる。

更に、上記課題を解決すべく、本発明に係る燃料電池システムを次のように捉えることも可能である。即ち、本発明に係る燃料電池システムは、複数の積層された単セルと、前記積層された単セルの両側に配置された第一と第二のエンドプレートと、前記単セルの積層に沿って設けられ、各単セルにガスを供給するガス供給通路と、前記各単セルから排出されるガスが通るガス排出通路と、を有し、前記第一のエンドプレート側に、前記ガス供給通路の供給口と前記ガス排出通路の排出口とが形成された燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、更に、前記ガス供給通路を介して前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、前記ガス排出通路に配置され、前記単セルから排出されるガスの水素濃度を検出する水素濃度センサと、前記水素供給手段によって水素ガスの供給が行われるとき、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記燃料電池による発電処理を制御する発電制御手段と、を備える。

本発明に係る燃料電池システムは、単セルに供給する水素ガスが通るガス供給通路の供給口と単セルから排出されるガスが通るガス排出通路の排出口とが第一のエンドプレート側に形成されている。従って、この第一のエンドプレートと第二のエンドプレートで複数の積層セルが挟まれることで、いわゆる燃料電池のスタックが形成されることになる。そして、このスタック内に形成されるガス排出通路に水素濃度センサが配置されることで、燃料電池を構成する各セルへの水素供給を確実に検知することが可能となる。更に、その水素濃度検出結果に基づいて燃料電池の発電処理を制御することで、燃料電池の制御タイミングをより適正なものとし、水素ガスの無駄な排出を抑制し得る。付言すれば、水素濃度センサが燃料電池のスタック内に配置されるため、燃料電池システム内で行われる種々の処理によって水素濃度センサの位置が水素ガスの存在しない場所となることを可及的に避けることとなり、発電制御手段による発電処理の制御が妨げられにくくなる。

尚、上記燃料電池システムにおいては、前記水素濃度センサは、前記第二のエンドプレート近傍の前記ガス排出通路に配置されるようにしてもよい。ここに水素濃度センサを配置することで、積層された単セルの最奥部までの水素ガスの存在の検知をより確実に行うことが可能となる。

ここで、上記の燃料電池システムにおいて、上述した発電処理の開始制御やオフガスの排出流量制御を適用してもよい。即ち、前記発電制御手段は、前記燃料電池を起動すべく前記水素供給手段によって水素ガスの供給を開始した後に、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度が所定濃度以上の際に燃料電池の発電処理を開始するようにしてもよい。また、上記燃料電池システムが、前記ガス排出通路を介して燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路と、前記オフガス通路に設けられ、オフガスの流量を調整するオフガス流量調整手段と、を更に備える場合、前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記オフガス流量調整手段によるオフガスの排出流量を制御するようにしてもよい。尚、このオフガス通路は、燃料電池を構成する上記スタックの外部に設けられる通路であり、上記ガス排出通路とは明確に異なる通路である。

また、上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が、前記オフガス流量調整手段によって前記オフガス通路を経てオフガスが外部に排出されない状態であって、且つ前記ガス排出通路の排出口から排出されたオフガスが、再び前記ガス供給通路の供給口からの水素ガスとして該燃料電池に再循環されない状態で、発電を行うことが可能である場合、前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記オフガス通路を経てオフガスが外部に排出されない状態を維持、又は解除するようにしてもよい。水素濃度センサはガス排出通路に配置されているため、オフガス通路の流れにかかわらず、燃料電池の積層された単セルから排出される水素ガスの検出を行うことが可能である。従って、上記のようにオフガスが燃料電池外へ排出されない状態で該燃料電池で発電を行う場合であっても、本発明に係る水素濃度センサは積層された単セルからの水素ガスを検出できるため、その検出結果に基づいてオフガスの排出状態を制御することで、オフガス中に含まれる水素ガスを無駄に外部に放出するのを抑制できる。

また、上記燃料電池システムにおいて、前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度が所定の下限濃度以下であるときは、前記オフガス流量調整手段によってオフガスの排出流量を基準排出流量より増加させるようにしてもよい。この所定の下限濃度とは、燃料電池の発電処理が好適に行い得る水素濃度である。また、基準排出流量とは燃料電池の発電処理を行うにあたり好ましい発電を行い得るオフガスの排出流量であって、必ずしも一定の値ではなく、燃料電池の運転条件や周囲環境条件等の様々な要因によって変動し得るものである。従って、発電制御手段は、水素濃度が所定の下限濃度以下となった場合は、オフガスの排出流量を増加させることで、燃料電池に滞留している水素ガス以外のガスを燃料電池外へ排出し、改めて燃料電池の発電効率を上昇させるようにする。

また、上記燃料電池システムにおいて、前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度が所定の上限濃度以上であるときは、前記オフガス流量調整手段によってオフガスの排出流量を基準排出流量より減少し、又はオフガスの排出を禁止するようにしてもよい。この所定の上限濃度とは、燃料電池の発電処理には十分な水素ガスが供給され、且つこの状態で水素ガスをオフガスとして排出すると水素が無駄に排出されると判断される値である。また、基準排出流量は、上記の通りである。従って、発電制御手段は、水素濃度が所定の上限濃度以上となった場合は、オフガスの流量を抑制することで水素ガスが無駄に排出されるのを回避する。

ここで、本発明に係る燃料電池システムを、別の側面から捉えることが可能である。即ち、該燃料電池システムは、複数の積層された単セルと、前記積層された単セルの両側に配置された第一と第二のエンドプレートと、前記単セルの積層に沿って設けられ、各単セルにガスを供給するガス供給通路と、前記各単セルから排出されるガスが通るガス排出通路と、を有し、前記第一のエンドプレート側に、前記ガス供給通路の供給口と前記ガス排
出通路の排出口とが形成された燃料電池を備えるものであって、更に、前記ガス供給通路を介して前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、前記複数の単セルのうち一の単セルから排出されるガスの、前記ガス排出通路内における水素濃度を検出する第一水素濃度検出手段と、前記一の単セルとは異なる他の単セルに供給されるガスの、前記ガス供給通路内における水素濃度を検出する第二水素濃度検出手段と、前記水素供給手段による所定の水素供給が行われた後に、前記第一水素濃度検出手段によって水素が検出された第一タイミングと前記第二水素濃度検出手段によって水素が検出された第二タイミングとの時間差に基づいて、前記燃料電池による発電処理を制御する発電制御手段と、を備える。

本発明に係る燃料電池システムの特徴点は、燃料電池のスタック内のガス排出通路側とガス供給通路側に、対応する単セルが異なる二つの水素濃度検出手段が設けられ、この二つの水素濃度検出手段による検出タイミングの時間差に基づいて燃料電池の発電処理が発電制御手段によって実行される点である。二つの水素濃度検出手段が燃料電池のスタック内に設けられることで、上述したように燃料電池に対する水素ガスの供給状況を、燃料電池からのオフガスの排出状況にかかわらず、より確実に検知することが可能である。即ち、上記第一タイミングは、対応する一の単セルに水素ガスが十分に供給されたタイミングと関連するものであり、上記第二タイミングは、対応する他の単セルに水素ガスが供給され始めたタイミングと関連するものである。従って、この第一タイミングと第二タイミングとの時間差は、燃料電池内の積層された単セルにおける水素の供給状況を正確に反映するパラメータとなり得る。

そこで、この時間差に基づいて発電制御手段が燃料電池の発電処理を制御することで、水素ガスの無駄な排出を抑制しながら、効率の良い発電処理が可能となる。尚、この発電制御手段による発電処理の制御としては、上述までの発電開始時期の制御やオフガスの排出流量の制御等が挙げられる。

前記第二水素濃度検出手段は、前記第一のエンドプレート近傍の前記ガス供給通路に配置されるようにしてもよいく、前記第一水素濃度検出手段は、前記第二のエンドプレート近傍の前記ガス排出通路に配置されるようにしてもよい。このように各水素濃度検出手段を配置することで、燃料電池のスタック内の水素ガスの供給状況をより正確に検知することが可能となる。また、前記他の単セルは、前記一の単セルより、前記ガス供給通路における水素供給の流れでの上流側に位置する単セルとなるようにすることでも、より正確な水素ガスの供給状況を検知し得る。

ここで、上記燃料電池システムにおいて、前記第一水素濃度検出手段および前記第二水素濃度検出手段は、各々が対応する単セルにおいて水素ガスが供給されることで生じる電圧の変化に基づいて、各々が対応する単セルに関する水素ガスの濃度を検出する場合、前記発電制御手段は、前記一の単セルで生じた電圧が所定の基準電圧に到達したタイミングと前記他の単セルで生じた電圧が所定の基準電圧に到達したタイミングとの時間差に基づいて、前記燃料電池による発電処理を制御するようにしてもよい。改めてガス排出通路やガス供給通路に水素濃度センサを設けることなく、各単セルにおける電圧変化を利用することで、燃料電池システムの構成要素を可及的に少なくすることができる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、複数の単セルを積層した燃料電池において、水素置換が完了するタイミングや、窒素ガスの排出が完了するタイミング等を的確に検出することができ、水素ガスの無駄な排出を抑制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詳細に説明する。

図１は、実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システム１０は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池１と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１に水素ガスを供給する水素供給装置としての高圧水素タンク２と、前記高圧水素タンク２の開放弁６と、前記高圧水素タンク２から放出された水素ガスの圧力を調整する調圧弁７と、前記燃料電池１に供給する空気が通る酸化ガス供給通路２４と、前記酸化ガス供給通路２４上に設けられ、燃料電池１に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ８と、前記高圧水素タンク２から燃料電池１に供給される水素ガスが通る水素供給通路２１と、前記燃料電池１のアノード側から排出されるアノードオフガスが通るアノードオフガス通路２２と、前記燃料電池１内に設けられた水素濃度センサ４と、前記アノードオフガス通路２２上に設けられ、アノードオフガスの排出流量を調整するオフガス流量調整手段としての排出弁９と、前記燃料電池１のカソード側から排出されるカソードオフガスの調圧弁３と、前記高圧水素タンク２による水素ガスの供給等各種制御を行うＥＣＵ５と、を備えている。

また、図２は、燃料電池の構成図である。燃料電池１は、複数積層された単セル１ａと、前記単セル１ａの両側に配置された第一と第二のエンドプレート１ｂ，１ｃと、前記単セル１ａの積層に沿って設けられ、各単セル１ａにガスを供給するガス供給通路１ｄと、前記ガス供給通路１ｄと平行して設けられ、各単セル１ａから排出されるガスが通るガス排出通路１ｅと、を有し、第一のエンドプレート１ｂには、前記ガス供給通路１ｄの供給口１ｆとガス排出通路１ｅの排出口１ｇとが形成されている。

前記燃料電池１は、前記高圧水素タンク２から供給される水素ガスと、酸化ガス通路２４から供給される酸化ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを得る。前記燃料電池１のアノード（燃料極）側からは、発電に供されなかった残留水素ガス、燃料電池１の電解質膜を介して透過した窒素ガス等を含んだアノードオフガスがアノードオフガス通路２２を介して排出される。

前記アノードオフガス通路２２は、燃料電池１のガス排出通路１ｅと連通しており、各単セル１ａから排出されたオフガスが通る。前記アノードオフガス通路２２に設けられた排出弁９を開閉操作することにより、アノードオフガスの排出流量を制御することができる。本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、アノードオフガスの排出を停止した状態（排出弁９を閉じた状態）で燃料電池１の発電処理を行い、燃料電池１から排出する水素ガス量を低減するシステムである。

前記水素濃度センサ４は、前記燃料電池１のガス排出通路１ｅ上の第二のエンドプレート１ｃ近傍に配置され、単セル１ａから排出されるガスの水素濃度を検出する。この水素濃度センサ４によって検出された水素濃度は、ＥＣＵ５に入力される。ＥＣＵ５は、検出された水素濃度に基づいて、燃料電池１の起動時における水素ガスの供給制御、および燃料電池１の発電処理中におけるアノードオフガスの排出流量の制御を行う。

以下、フローチャートに基づいて、各制御について詳細に説明する。当該制御は前記ＥＣＵ５によって実行されるルーチンである。まず、図３に示すフローチャ―トに基づいて、燃料電池１の起動時における水素ガスの供給制御を説明する。

燃料電池の起動時において、発電処理を開始すべく高圧水素タンク２から水素ガスの供給を開始する（ステップ１０１）。燃料電池１に供給された水素ガスは、燃料電池１のガス供給通路１ｄを介して各単セル１ａに供給される。次いで、ＥＣＵ５は、アノードオフ
ガス通路２２の排出弁９を開く（ステップ１０２）。各単セル１ａでは、水素ガスの供給に伴って、発電停止中にクロスリークした窒素ガスがガス排出通路１ｅを介して燃料電池１から排出される。

次いで、ＥＣＵ５は、水素濃度センサ４によって水素濃度を検出する（ステップ１０３）。水素濃度センサ４は、ガス供給通路１ｄの供給口１ｆから最も遠い第二のエンドプレート１ｃ近傍の単セル１ａのガス排出通路１ｅ上に設けられている。第二のエンドプレート１ｃ近傍の単セル１ａは供給口１ｆから最も離れているため、複数の単セル１ａのうち最も水素置換が遅くなると考えられる。よって、この位置で水素濃度を検出することにより、全ての単セル１ａで水素置換が完了したか否かを判定することができる。

ＥＣＵ５は、検出した水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判定する（ステップ１０４）。前記所定濃度とは、水素置換が完了したと判定される水素濃度である。ステップ１０４の判定の結果、検出した水素濃度が所定濃度未満の場合には、水素置換が完了してないとしてアノードオフガスの排出を継続し、所定時間経過後、再度水素濃度を検出する（ステップ１０３）。一方、ステップ１０４の判定の結果、検出した水素濃度が所定濃度以上と判定された場合には、水素置換が完了したと判定して排出弁９を閉じる（ステップ１０５）。以下、発電処理を行う。

前記処理によれば、水素置換が最も遅いタイミングとなる単セル１ａにおいて水素置換が完了したか否かを的確に把握することができるため、全ての単セルで水素置換が完了したタイミングでオフガスの排出を停止することができ、水素ガスの無駄な排出を抑制することが可能となる。

次いで、図４に示すフローチャートに基づいて、発電処理時におけるアノードオフガスの排出流量の制御について説明する。当該制御は、前記ＥＣＵ５によって実行され、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、前記排出弁９を閉じた状態（アノードオフガスを排出しない状態）で燃料電池１の発電処理を行い、窒素ガスが透過して水素ガスの濃度が所定濃度以下に低下した際に排出弁９を開き、アノード側に透過した窒素ガスをシステム外へ排出するシステムである。

まず、ＥＣＵ５は、前記排出弁９が閉じている状態で発電処理を行い、排出弁９を閉じている時間が所定時間以上であるか否かを判定する（ステップ２０１）。当該所定時間とは、燃料電池の温度等に基づいて予め設定する時間であり、当該時間以上排出弁９を閉じていると判定された場合には、排出弁９を開放しアノードオフガスを排出する（ステップ２０２）。これにより、クロスリークした窒素ガスが燃料電池１外に排出される。

次いで、ＥＣＵ５は、水素濃度センサ４によって水素濃度を検出する（ステップ２０３）。水素濃度センサ４によって水素濃度を検出することで、クロスリークした窒素ガスの排出が完了したか否かを判定することができ、アノードオフガスの排出を停止するタイミング（排出弁を閉じるタイミング）を検知することができる。ＥＣＵ５は、検出した水素濃度が所定濃度以上であるか否かを判定する（ステップ２０４）。前記所定濃度とは、窒素ガスの排出が完了したか否かを判定する濃度である。

ステップ２０４の判定の結果、検出した水素濃度が所定濃度未満の場合には、窒素ガスの排出が完了してないとしてアノードオフガスの排出を継続し、所定時間経過後、再度水素濃度を検出する（ステップ２０３）。一方、ステップ２０４の判定の結果、検出した水素濃度が所定濃度以上と判定された場合には、窒素ガスの排出が完了したと判定して排出
弁を閉じる（ステップ２０５）。以下、前記処理を繰り返す。

この処理によれば、クロスリークした窒素ガスが蓄積される供給口１ｆから最も遠い単セル１ａの窒素ガスの排出状態を把握することができるため、窒素ガスの排出が完了したか否かを把握して適したタイミングで排出弁９を閉じ、水素ガスの無駄な排出を抑制することができる。

なお、前記アノードオフガスの排出制御では、排出弁９を開閉してアノードオフガスの排出をＯＮ／ＯＦＦすることによって、アノードオフガスの排出流量を制御したが、他の実施形態としてアノードオフガスの排出を連続的に行い、燃料電池１内の水素濃度に基づいて排出流量を増減させて、アノードオフガスの排出流量を制御してもよい。

以下、図５に示すフローチャートに基づいて、他の実施形態に係るアノードオフガスの排出制御を説明する。この制御も前記ＥＣＵ５によって実行され、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

前記燃料電池１の発電処理中において、ＥＣＵ５は、水素濃度センサ４によって水素濃度を検出する（ステップ３０１）。この発電処理中はアノードオフガスを一定流量で排出しており、当該排出による窒素ガスの排出状況を把握するためである。

次いで、ＥＣＵ５は、検出した水素濃度が上限濃度以上であるか否かを判定する（ステップ３０２）。前記上限濃度とは、発電処理に十分と判断される水素濃度であり、かつ当該濃度以上である場合にアノーオフガスの排出を継続すると水素ガスが無駄に排出されると判断される濃度である。

ステップ３０２の判定の結果、検出した水素濃度が上限濃度以上であると判定した場合には、水素ガスの無駄な排出を抑制するため、前記排出弁９を調節してアノードオフガスの排出流量を減少させる（ステップ３０３）。これにより、アノードオフガスに含まれる水素ガスの排出量を低減して、水素ガスの無駄な排出を減らすことができる。

一方、ステップ３０２の判定の結果、検出した水素濃度が上限濃度未満であると判定した場合には、水素濃度が下限濃度以下であるか否かを判定する（ステップ３０４）。前記下限濃度とは、発電処理には低いと判断される水素濃度であり、当該下限濃度以下と判定された場合には、前記排出弁９を調節してアノードオフガスの排出流量を増加させる（ステップ３０５）。また、ステップ３０４の判定の結果、検出した水素濃度が下限濃度より高い場合には、アノードオフガスの排出流量を調整せずに処理を終了する。

このように、水素濃度に基づいてアノードオフガスの排出流量を制御することにより、水素ガスの無駄な排出を抑制しつつアノードオフガスを連続的に排出して発電処理を行うことができる。

以上のように本実施の形態によれば、起動時や発電処理中等における水素ガスの無駄な排出を抑制することが可能となる。尚、本実施の形態は、アノードオフガスの排出を停止した状態で発電処理を行う燃料電池システムであるが、本発明は、前記実施形態に限られずアノードオフガスを燃料電池に再循環させる燃料電池システム、及びアノードオフガスを再循環させず一定流量で排出しつつ発電処理を行う燃料電池システムにおいても適用することが可能である。

本発明に係る燃料電池システムの第二の実施例について、図６〜８に基づいて説明する
。図６は、本実施例における燃料電池１等の構成を示す図である。実施例１における構成要素と同一のものについては同一の参照番号を付すことで、その詳細な説明は省略する。

実施例１に示した燃料電池１と同様に、図６に示す燃料電池１は複数の単セル１ａが積層されて形成された燃料電池であり、水素供給通路２１とガス供給通路１ｄとの連結部位である供給口１ｆおよびアノードオフガス通路２２とガス排出通路１ｅとの連結部位である排出口１ｇは、第一のエンドプレート１ｂ側に設けられている。ここで、燃料電池１内の単セル１ａについては、１スタック中に２００枚の単セルが積層されており、第一のエンドプレート１ｂ側から第二のエンドプレート１ｃ側に向かって順に単セル１ａ＿００１、１ａ＿００２、・・・、１ａ＿２００と参照番号を付すとともに、１番セル、２番セル、・・・、２００番セルとも称する。尚、図６中には、単セル１ａ＿００１、１ａ＿０１０、１ａ＿１００、１ａ＿１５０、１ａ＿２００が例示されている。

また、燃料電池１にはガス排出通路１ｅ内に水素濃度センサ４ａが、ガス供給通路１ｄ内に水素濃度センサ４ｂが設けられている。そして、この水素濃度センサ４ａは単セル１ａ＿２００から排出される水素ガスの濃度を検出することが可能な位置に配置され、水素濃度センサ４ｂは単セル１ａ＿００１に供給される水素ガスの濃度を検出することが可能な位置に配置される。具体的には、水素濃度センサ４ａは、ガス排出通路１ｅの最奥部に配置され、水素濃度センサ４ｂは、ガス供給通路１ｄの入口部に配置されている。

このように構成される燃料電池１を有する燃料電池システムにおいて、図７および図８に示す発電制御が行われる。この発電制御はＥＣＵ５によって実行される制御である。先ず、図７に示す発電制御について説明する。この発電制御は、燃料電池１において発電を開始する際に実行される制御であるので、該発電制御開始時においてはまだ燃料電池１は実質的に発電停止の状態にある。従って、水素濃度センサ４ａ、４ｂによって水素ガスの存在が検出されている場合には、本制御は実行されない。

ステップ４０１では、開放弁６が開かれて高圧水素タンク２から燃料電池１への水素ガス供給が開始される。それと同時に排出弁９も開弁され、発電停止中にクロスリークした窒素ガスがガス排出通路１ｅを介して燃料電池１から排出される。この点については、上述した実施例１と同様である。ステップ４０１の処理が終了すると、ステップ４０２へ進む。

ステップ４０２では、燃料電池１の積層された単セル１ａで構成されるスタック温度ＴＳおよび本発明に係る燃料電池システムの外気温度ＴＡが検出される。具体的には、図５には示されない温度センサによって両温度ＴＳおよびＴＡが検出され、ＥＣＵ５がその値を取得する。ステップ４０２の処理が終了すると、ステップ４０３へ進む。

ステップ４０３では、ステップ４０２で取得されたスタック温度ＴＳと外気温度ＴＡに基づいて、燃料電池１の始動時における排出弁９の閉弁時間Ｔ０が算出される。具体的には、ＥＣＵ５が、スタック温度ＴＳと外気温度ＴＡをパラメータとしてＥＣＵ５内に格納されているマップにアクセスし、両温度に基づいて決定された最適な閉弁時間Ｔ０を算出する。この閉弁時間Ｔ０は、水素ガスを供給することで発電停止中にクロスリークした窒素ガスを燃料電池１内から排出し、燃料電池１の発電効率を良好な状態に戻すのに必要な時間であるとともに、それに際し水素ガスが無駄に燃料電池１の外部に排出されるのを回避するために、排出弁９を閉弁すべきと判断される時間である。また、水素ガスや窒素ガス等の気体は、それらが曝される温度によって膨張・縮小し燃料電池１内での各気体の挙動に影響が及ぶため、このことを考慮して閉弁時間Ｔ０は、スタック温度ＴＳと外気温度ＴＡとに関連付けられてＥＣＵ５内にマップ状態で格納されている。尚、このマップ内の閉弁時間Ｔ０は、後述するステップ４１０において補正、更新される。ステップ４０３の
処理が終了すると、ステップ４０４へ進む。

ステップ４０４では、水素ガス供給側の水素濃度センサ４ｂによる水素ガスの検出が行われ、それをトリガーとしてステップ４０５において、排出弁９の閉弁時期を決定する閉弁用タイマーのカウントが開始される。その後、ステップ４０６へ進む。

ステップ４０６では、ステップ４０５で開始された閉弁用タイマーによるカウント時間が、ステップ４０３で算出された閉弁時間Ｔ０を経過したか否かが判定される。ここで経過したと判定されるとステップ４０７へ進み、経過していないと判定されるとステップ４０６の処理が再び行われる。

ステップ４０７では、閉弁時間Ｔ０の経過に従い排出弁９が閉弁され、その後ステップ４０８において燃料電池１での発電が開始される。この発電開始状態においては、閉弁時間Ｔ０が経過したことにより、燃料電池１の各単セル１ａにおいてはクロスリークしていた窒素ガスが排出され、効率的な発電が期待される。しかし、様々な要因によって閉弁時間Ｔ０の長さが短すぎる結果となっていれば、燃料電池１の発電効率が回復していない状態での発電開始となり好ましくない。一方で、閉弁時間Ｔ０の長さが長すぎる結果となっている場合は、発電効率は十分に回復しているが、発電に供されない水素ガスが無駄に燃料電池１から排出されてしまい好ましくない。そこで、本実施例に係る発電制御においては、この閉弁時間Ｔ０がより適切な長さとなるべく、ステップ４０９およびステップ４１０で補正が行われる。

ステップ４０９では、上述したステップ４０５からステップ４０８の処理の間に、水素ガス排出側の水素濃度センサ４ａによる水素ガスの検出が行われたとき、ＥＣＵ５がその水素ガス検出時間Ｔ１を取得する。この検出時間Ｔ１は、閉弁用タイマーがカウントを開始した時刻を基準とした時間であり、従って、二つの水素濃度センサ４ａ、４ｂによる水素ガスの検出タイミングの時間差に相当するものである。尚、この期間内に水素濃度センサ４ａによる水素ガスの検出が行われなかったときは、一時的に“検出無し”を意味する信号をＥＣＵ５が取得する。ステップ４０９の処理が終了すると、ステップ４１０へ進む。

ステップ４１０では、ステップ４０９で検出された検出時間Ｔ１に基づいて、閉弁時間Ｔ０の補正が行われる。具体的には、先ず検出時間Ｔ１が検出された場合について考えると、この場合は閉弁時間Ｔ０が最適値より長いため、始動時に水素ガスが無駄に排出されている可能性がある。そこで、以下の式１に従って、排出弁９が本来閉弁すべきタイミングであった時期と実際に閉弁された時期とのズレΔＳが算出される。
ΔＳ ＝ （Ｔ０＋ΔＴ）−Ｔ１ ・・・（式１）
ここでΔＴは、上記したステップ４０７においてＥＣＵ５から排出弁９に対して閉弁信号が出されたタイミングと、実際に排出弁９が閉弁したタイミングとのズレであり、これは排出弁９内の閉弁機構が稼動するのに要する時間等が要因で生じる。

そして、このΔＳに基づいて、以下の式２に従って、新たな閉弁時間Ｔ０が補正、算出される。
（新しいＴ０） ＝ Ｔ０−Ｂ×ΔＳ （Ｂ＜１．０） ・・・・（式２）
ここでＢは補正係数であり、１より小さい値で、本実施例では０．９程度とする。この式２により、排出弁９の閉弁時期のズレΔＳが考慮された新たな閉弁時間Ｔ０が算出される。そして、この算出された新たな閉弁時間Ｔ０は、上述したマップ内で、スタック温度ＴＳと外気温度ＴＡとに関連付けられて更新される。この際、本制御で利用したスタック温度ＴＳと外気温度ＴＡに対応する箇所の閉弁時間のみを更新してもよく、またそれ以外のスタック温度や外気温度に対応する閉弁時間に対しても、それに対応する各温度との温
度差を考慮して各閉弁時間を更新してもよい。

次に、検出時間Ｔ１が検出されなかった場合について考えると、この場合は閉弁時間Ｔ０が最適値より短いため、燃料電池１内に滞留している窒素ガスを十分に排出できていない可能性がある。そこで、以下の式３に従って、仮想的な検出時間Ｔ１０が算出される。
Ｔ１０ ＝ Ａ×Ｔ０＋ΔＴ （Ａ＞１．０） ・・・・（式３）
ΔＴは上記の通り、排出弁の閉弁タイミングのズレであり、Ａは仮想的な検出時間を算出するための検出係数であり、１より大きい値で、本実施例では１．１〜１．２程度の値である。この式３に従って算出された仮想検出時間Ｔ１０を、更に上記式１のＴ１に代入し、式２を考慮することで、新たな閉弁時間Ｔ０が算出される。この場合も、上記同様、ＥＣＵ５内のマップが更新される。

本制御によると、より適正な閉弁時間が算出されることになるので、燃料電池１の始動時における水素ガスの無駄な排出の抑制と、燃料電池１の発電効率の回復の両立を図ることが可能となる。

次に、図８に示す発電制御について説明する。この発電制御は、図７に示す発電制御と同様に、燃料電池１において発電を開始する際に実行される制御であるので、該発電制御開始時においてはまだ燃料電池１は実質的に発電停止の状態にある。従って、水素濃度センサ４ａ、４ｂによって水素ガスの存在が検出されている場合には、本制御は実行されない。また、本制御が実行される図６に示す燃料電池１においては、単セル１ａ＿００１と単セル１ａ＿２００には、電圧計が接続されており、各単セルにおいて生じる起電力をＥＣＵ５が検出することが可能な状態となっている。

ステップ５０１では、上記ステップ４０１と同様に、水素ガスの供給とともに排出弁９が開弁される。その後、ステップ５０２に進み、１番セル１ａ＿００１における０ＣＶが検出される。これは、ステップ５０１によって燃料電池１に水素ガスが供給されることで、供給口１ｆに隣接する１番セル１ａ＿００１において局部的に発電反応が生じることに起因する。ステップ５０２の処理が終了すると、ステップ５０３へ進む。

ステップ５０３では、２００番セル１ａ＿２００における０ＣＶが検出される。これは、ステップ５０１で供給開始された水素ガスが、燃料電池１の最奥部に位置する２００番セル１ａ＿２００に到達し、そこで局部的に発電反応が生じることに起因する。ステップ５０３の処理が終了すると、ステップ５０４へ進む。

ステップ５０４では、ステップ５０２での１番セルの０ＣＶ検出タイミングとステップ５０３での２００番セルの０ＣＶ検出タイミングとの時間差ＴＤより、以下に示す式４に従って排出弁９の閉弁タイミングを決定する閉弁時間Ｔ２が算出される。
Ｔ２ ＝ Ｃ×ＴＤ ・・・・（式４）
上記Ｃは、閉弁時間Ｔ２を算出するための係数であり、この閉弁時間Ｔ２は、２００番セルからの排出ガス中における水素ガスの存在が検出されてから、燃料電池１の始動のために必要な水素ガス供給を継続する必要がある時間であるから、燃料電池１の大きさや２００番セルの配置等を考慮して適宜設定される。本実施例においては、２００番セルは、燃料電池１の最奥部に位置する単セルであるから、２００番セルでの水素ガスの存在が確認されると、燃料電池１においては始動のために十分に水素ガスが供給されたと判断してもよく、従ってこの係数Ｃの値は比較的小さい値を設定し得る。ステップ５０４の処理が終了すると、ステップ５０５へ進む。

ステップ５０５では、ステップ５０３での２００番セル検出から閉弁時間Ｔ２が経過したか否かが判定される。ここで、経過したと判定されるとステップ５０６へ進み、経過し
ていないと判定されると再度ステップ５０５の処理が行われる。そして、ステップ５０６では、閉弁時間Ｔ２の経過に従い排出弁９が閉弁され、その後ステップ５０７において燃料電池１での発電が開始される。この発電開始状態においては、閉弁時間Ｔ２が経過したことにより、燃料電池１の各単セル１ａにおいてはクロスリークしていた窒素ガスが排出され、効率的な発電が期待される。更に、本制御では、図７に示す制御のように水素濃度センサを利用しないため、燃料電池システムの構築コストを低減することが可能となる。

また、本実施例では１番セルと２００番セルにおける０ＣＶ検出を水素ガスの存在の検出として利用しているが、必ずしもこのように燃料電池１の最前部と最奥部に位置する二つの単セルにおける０ＣＶを利用する必要はない。例えば、１５０番セルと２００番セル、１０番セルと１００番セル、１０番セルと１５０番セルのように、異なった二つの単セルであれば、本発明に係る燃料電池システムの技術的思想を十分に包含し得る。尚、このような場合、二つの単セルにおける０ＣＶ検出のタイミング差ＴＤに基づいて、適正な閉弁時間Ｔ２が算出されるように係数Ｃの値は適宜設定する必要がある。例えば、１０番セルと１００番セルの０ＣＶ検出のタイミング差を利用するような場合には、水素ガスが１００番セルから更に最奥部の２００番セルに到達するまである程度の時間を要すると考えられるので、そのような場合には上述した係数Ｃの値よりも大きな値を設定する。

また、二つの単セルを選択する場合には、０ＣＶ検出のタイミング差ＴＤが比較的大きくなる単セルであるほうが好ましい。これは、各単セルの０ＣＶ検出のタイミングは、気体である水素ガスの流れに大きく影響されるところであり、外気温度やスタック温度が同じ条件下でもタイミング差ＴＤの値には多少のばらつきが生じ得る。そこで、このばらつきの影響を可及的に少なくするためにも、タイミング差ＴＤが０．１秒以上となる二つの単セルが選択されるのが好ましい。

実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。 実施の形態に係る燃料電池の構成図である。 燃料電池の発電処理時における水素ガスの供給制御を示すフローチャートである。 発電処理時におけるアノードオフガスの排出流量の制御を示すフローチャートである。 発電処理時におけるアノードオフガスの排出流量の制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係る燃料電池の第二の構成図である。 燃料電池の発電開始時における発電制御のフローチャートである。 燃料電池の発電開始時における発電制御のフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ 単セル
１ｂ 第一のエンドプレート
１ｃ 第二のエンドプレート
１ｄ ガス供給通路
１ｅ ガス排出通路
１ｆ，１ｇ 開口部
２ 高圧水素タンク
３ 調圧弁
４ 水素濃度センサ
４ａ，４ｂ 水素濃度センサ
５ ＥＣＵ
６ 開放弁
７ 調圧弁
８ エアコンプレッサ
９ 排出弁
２１ 水素供給通路
２２ アノードオフガス通路
２４ 酸化ガス供給通路

Claims (12)

1. 複数の積層された単セルと、前記積層された単セルの両側に配置された第一と第二のエンドプレートと、前記単セルの積層に沿って設けられ、各単セルにガスを供給するガス供給通路と、前記各単セルから排出されるガスが通るガス排出通路と、を有し、前記第一のエンドプレート側に、前記ガス供給通路の供給口と前記ガス排出通路の排出口とが形成された燃料電池と、
   前記ガス供給通路を介して前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、
   前記ガス排出通路に配置され、前記単セルから排出されるガスの水素濃度を検出する水素濃度センサと、
   前記水素供給手段によって水素ガスの供給が行われるとき、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記燃料電池による発電処理を制御する発電制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素濃度センサは、前記第二のエンドプレート近傍の前記ガス排出通路に配置され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. 前記発電制御手段は、前記燃料電池を起動すべく前記水素供給手段によって水素ガスの供給を開始した後に、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度が所定濃度以上の際に燃料電池の発電処理を開始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. 前記ガス排出通路を介して燃料電池から排出されるオフガスが通るオフガス通路と、
   前記オフガス通路に設けられ、オフガスの流量を調整するオフガス流量調整手段と、を更に備え、
   前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記オフガス流量調整手段によるオフガスの排出流量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。
5. 前記燃料電池は、前記オフガス流量調整手段によって前記オフガス通路を経てオフガスが外部に排出されない状態であって、且つ前記ガス排出通路の排出口から排出されたオフガスが、再び前記ガス供給通路の供給口からの水素ガスとして該燃料電池に再循環されない状態で、発電を行うことが可能であって、
   前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度に基づいて、前記オフガス通路を経てオフガスが外部に排出されない状態を維持、又は解除することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度が所定の下限濃度以下であるときは、前記オフガス流量調整手段によってオフガスの排出流量を基準排出流量より増加させることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記発電制御手段は、前記水素濃度センサによって検出された水素濃度が所定の上限濃度以上であるときは、前記オフガス流量調整手段によってオフガスの排出流量を基準排出流量より減少し、又はオフガスの排出を禁止することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 複数の積層された単セルと、前記積層された単セルの両側に配置された第一と第二のエンドプレートと、前記単セルの積層に沿って設けられ、各単セルにガスを供給するガス供給通路と、前記各単セルから排出されるガスが通るガス排出通路と、を有し、前記第一の
   エンドプレート側に、前記ガス供給通路の供給口と前記ガス排出通路の排出口とが形成された燃料電池と、
   前記ガス供給通路を介して前記燃料電池に水素ガスを供給する水素供給手段と、
   前記複数の単セルのうち一の単セルから排出されるガスの、前記ガス排出通路内における水素濃度を検出する第一水素濃度検出手段と、
   前記一の単セルとは異なる他の単セルに供給されるガスの、前記ガス供給通路内における水素濃度を検出する第二水素濃度検出手段と、
   前記水素供給手段による所定の水素供給が行われた後に、前記第一水素濃度検出手段によって水素が検出された第一タイミングと前記第二水素濃度検出手段によって水素が検出された第二タイミングとの時間差に基づいて、前記燃料電池による発電処理を制御する発電制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記第二水素濃度検出手段は、前記第一のエンドプレート近傍の前記ガス供給通路に配置されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第一水素濃度検出手段は、前記第二のエンドプレート近傍の前記ガス排出通路に配置されることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記他の単セルは、前記一の単セルより、前記ガス供給通路における水素供給の流れでの上流側に位置する単セルであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 前記第一水素濃度検出手段および前記第二水素濃度検出手段は、各々が対応する単セルにおいて水素ガスが供給されることで生じる電圧の変化に基づいて、各々が対応する単セルに関する水素ガスの濃度を検出し、
    前記発電制御手段は、前記一の単セルで生じた電圧が所定の基準電圧に到達したタイミングと前記他の単セルで生じた電圧が所定の基準電圧に到達したタイミングとの時間差に基づいて、前記燃料電池による発電処理を制御することを特徴とする請求項８から請求項１１の何れかに記載の燃料電池システム。

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