燃料電池システム
【課題】燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプ２６は、入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知する第一の電流検知部３０であって、検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が前記電気化学水素ポンプ２６において濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する第一電流検知部３０と、入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知する第二の電流検知部３１であって、検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が不純物の排出を停止する第二電流検知部３１と、入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する電圧検知部であって、検知した電圧降下がない場合に、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する電圧検知部との内、少なくとも一つを有する。
【解決手段】燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプ２６は、入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知する第一の電流検知部３０であって、検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が前記電気化学水素ポンプ２６において濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する第一電流検知部３０と、入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知する第二の電流検知部３１であって、検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が不純物の排出を停止する第二電流検知部３１と、入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する電圧検知部であって、検知した電圧降下がない場合に、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する電圧検知部との内、少なくとも一つを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気を発生させる燃料電池システムは、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであるため、環境に対する影響が極めて小さい。そのため、燃料電池は、発電用、低公害の自動車用電源等の様々な用途に期待されている。
【０００３】
この燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード電極）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード電極）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、これら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを燃料電池内において電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード電極から排出されるオフガスには、発電に使用されなかった水素が多く含まれており、このオフガスを循環経路において循環させて再利用することで、水素の利用効率を高めるようにした燃料電池システムが提案されている。
【０００５】
また、この燃料電池システムにおいては、アノードオフガスの循環を繰り返す中で、燃料電池のカソード電極からアノード電極側へと電解質膜を透過してきた窒素ガスや、燃料ガス中に含まれる不純物等が循環経路に徐々に蓄積されていき、水素分圧低下によって燃料電池の発電効率が低下していく。そこで、このような燃料電池の発電効率の低下を防止するために、アノードオフガスが流れる循環経路に電気化学水素ポンプを設置する燃料電池システムが開発されている（特許文献１から３を参照）。電気化学水素ポンプは、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されており、電流を流すことで入口極に供給された循環経路を循環するアノードオフガス中の水素を出口極へと移動させ、アノードオフガス中の不純物は入口極側に蓄積され、入口極側の不純物濃度が高まったときに入口極側に接続された開閉弁を操作することによって、不純物を循環経路の外部に濃縮排出することが可能である。尚、開閉弁は、電気化学水素ポンプへの印加電圧、該電気化学水素ポンプの電解質膜を流れる電流量、若しくは該電気化学水素ポンプの入口極と出口極との差圧に基づいて操作される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１９１２０号公報
【特許文献２】特開２００６−１９１２４号公報
【特許文献３】特開２００５−３４６９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池システムは、燃料電池のカソード電極からアノード電極側へと電解質膜を透過してきた窒素ガスが、スタックの温度、湿度、及び圧力等、運転状態に大きく依存する為、窒素濃度が一定ではない。その結果、循環経路に設けられたバルブの周期的な制御において、透過してきた窒素ガスの濃度が高く、アノード電極に供給される水素濃度が低い場合は、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇し、燃費悪化を引き起こすと同時に、印加電圧によっては水の電気分解の反応が進み、電解質膜の触媒の劣化等を引き起こす
。一方、透過してきた窒素ガスの濃度が低く、アノード電極に供給される水素濃度が高い場合は、オフガス中の水素濃度が増加し、排出水素の低減が不十分となり、水素の利用効率が低減し、燃費悪化に繋がる。
【０００８】
また、燃料電池システムにおいて、電気化学水素ポンプを利用して窒素ガス等を含む不純物を濃縮排出する場合は、出口極へ移動した水素の容積分、電気化学水素ポンプの入口極にオフガスが流入する。その結果、電気化学水素ポンプの入口極に流入するアノードオフガスの窒素濃度が低い場合は、該入口極の窒素が増加する速度は遅くなり、該入口極に流入するアノードオフガスの窒素濃度が高い場合は、該入口極の窒素が増加する速度は速くなる。従って、入口極のアノードオフガスの濃度は一定ではない為、電気化学水素ポンプへの印加電圧による制御において、水素濃度が低い場合には、印加電圧が急激に上昇し、燃費悪化を引き起こす。
【０００９】
また、電気化学水素ポンプの電解質膜は、水素が存在する部分で反応が進む。水素の不足する領域では電流が流れず、水素が存在する領域に電流が集中する。このため反応領域の減少と反比例で局所反応量が増加し、印加電圧の急上昇を引き起こす。また、電流は反応が進むにつれて、入口極のガス流入部から最も遠い場所であり、水素が不足する場所から減少を始め、入口極ガス流入部近傍だけが反応するにいたると印加電圧が急激に上昇し、燃費悪化を引き起こす。
【００１０】
そこで、本発明は、燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、入口極を流れるアノードオフガスの上流側の電流、下流側の電流、若しくは入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下に基づき、不純物の蓄積若しくは蓄積された不純物の排出を制御する点を工夫した。これにより、燃料電池システムは、燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供することが可能である。
【００１２】
詳細には、水素を含む燃料ガスが燃料電池での電気化学反応のためにアノード電極側へ供給され、且つ該燃料電池からのアノードオフガスの一部又は全部が再び電気化学反応のために該燃料電池のアノード電極側に循環させるための循環経路と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流入する入口極と、該入口極と対向して設けられ、該入口極からの水素を前記循環経路によって前記アノード電極側へ供給する出口極と、該入口極と該出口極の間に設けられ、該入口極からの水素を該出口極へ透過する電解質膜と、を有する電気化学水素ポンプであって、該入口極と該出口極との間に電流が流れることで、該入口極を流れるアノードオフガスに含まれる水素を選択的に透過させ、該アノードオフガス中の不純物を濃縮し、該燃料電池から排出されるアノードオフガスの一部又は全部が供給されるように前記循環経路に接続される電気化学水素ポンプと、前記電気化学水素ポンプによる水素透過の結果、該電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を前記燃料電池システム外に前記入口極の下流側から排出する排出部と、を備える燃料電池システムであって、前記電気化学水素ポンプは、前記入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知する第一の電流検知部であって、検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する第一電流検知部と、前記入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知する第二の電流検知部であって、検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が不純物の排出を停止する第二電流検知部と、前記入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する電圧検知部であって、検知した電圧降下がない場合に、前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する電圧検知
部との内、少なくとも一つを有する。
【００１３】
不純物を蓄積する際、下流側から不純物が蓄積されることから、入口極の上流側に不純物が蓄積されている場合は、既に下流側も不純物が蓄積されており、下流側の電流も小さい。従って、第一電流検知部が、入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知することにより、不純物が上流側まで蓄積されたか否か検知することが可能である。具体的に説明すると、入口極の上流側に水素が存在する場合は、電解質膜でのプロトン剥離現象が起こるため、第一電流検知部はある一定以上の電流値を検知する。一方、入口極における上流側に不純物が蓄積され、水素が少ない場合は、プロトン剥離現象が起こり難いため、第一電流検知部が検知する電流値は小さい。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、第一電流検知部が入口極の上流側の電流を検知することにより、不純物が上流側まで蓄積され、電気化学水素ポンプのアノードオフガス中の不純物の濃縮終了を検知することが可能である。また、本発明に係る燃料電池システムは、第一電流検知部が検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出することにより、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【００１４】
不純物を排出する際、入口極の下流側から排出部によって不純物が排出され、入口極の上流側からアノードオフガスが流れ込むため、入口極の下流側に水素が存在し、入口極の下流側がある一定以上の電流を検知している場合は、入口極の上流側にも水素が存在し、入口極の上流側もある一定以上の電流を検知する。従って、第二電流検知部が、入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知することにより、排出部によって不純物が排出されたか否かを検知することが可能である。具体的に説明すると、入口極の上流側と同様に、入口極の下流側に水素が存在する場合は、電解質膜でのプロトン剥離現象が起こるため、第二電流検知部はある一定以上の電流値を検知する。一方、入口極における下流側に不純物が蓄積され、水素が少ない場合は、プロトン剥離現象が起こり難いため、第二電流検知部が検知する電流値は小さい。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、第二電流検知部が入口極の下流側の電流を検知することにより、排出部による不純物の排出終了を検知することが可能である。また、本発明に係る燃料電池システムは、第二電流検知部が検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出することを停止することにより、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【００１５】
更に、電圧検知部が、入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知することにより、不純物が蓄積されたか否かを検知することが可能である。具体的に説明すると、入口極に水素が多く存在する部分は、電解質膜でのプロトン剥離現象が起こり、電子が入口極から出口極へ流れる。一方、入口極に水素が少なく存在する部分は、電子が入口極から出口極へ流れにくい。その結果、入口極の上流側と下流側とで存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こるため、入口極に水素が存在するか否かを検知することが可能である。従って、電圧検知部が検知した電圧降下がある場合は、電圧検知部が検知した入口極の部分は水素が存在する。一方、電圧検知部が検知した電圧降下がない場合は、電圧検知部が検知した入口極の部分は水素が少なく、電気化学水素ポンプのアノードオフガス中の不純物の濃縮終了を検知することが可能である。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、電圧検知部が検知した電圧降下がない場合に、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出することにより、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすること
が可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの概略構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの電子の移動を表す概略構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの電気化学水素ポンプにおける、入口極の上流から下流までの水素濃度を表すグラフである。
【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの電気化学水素ポンプにおける、入口極の上流から下流までの水素濃度を表すグラフである。
【図６】本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの電子の移動を表す概略構成図である。
【図７】本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの電子の移動を表す概略構成図である。
【図８】本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける、入口極の上流から下流までの水素濃度と電圧を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００について、図面に基づいて説明する。以下に示す実施例は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
＜燃料電池システムの構成＞
本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００の各構成について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、移動体である車両の駆動装置である駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）６に対して電力を供給する供給源として、船舶やロボット等の車両以外の移動体での電力供給源として、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対する電力供給源として採用が可能である。
【００２０】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。この燃料電池システム１００は、セル部５が積層された固体高分子型の燃料電池１を有し、燃料としての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１のアノード電極に水素供給路１８を介して燃料を供給する高圧水素タンク９が設けられている。この高圧水素タンク９には、その内圧を調整するための調整弁１０が設けられ、また高圧水素タンク９から水素供給路１８への供給は、供給バルブ１１の開閉に従って行われる。
【００２１】
そして、燃料電池１のアノード電極に供給された水素は、後述するカソード電極への供給酸化剤との電気化学反応に供されることで、該燃料電池での発電が行われる。その後、燃料電池１のアノード電極から排出されるアノードオフガスは、オフガス排出路１４に送り込まれ、気液分離ユニット２によって、アノードオフガスを液体と気体とに分離する。気液分離ユニット２によって分離された液体は、排液路２５を通って排液バルブ２４により調節されて外部へ排水される。また、気液分離ユニット２によって分離された気体は、このアノードオフガスには供給された水素であって燃料電池１での電気化学反応に供される使用されなかった水素が含まれている。この水素が含まれているアノードオフガスを効
率的に使用するために、バイパス路１７が、気液分離ユニット２によって分離された気体が流れるオフガス排出路１４から水素供給路１８に向かって分岐して設けられる。また、バイパス路１７を設けることによって、オフガス排出路１４から排出されたアノードオフガスを、バイパス路１７及び燃料供給路１８を介してアノード電極に循環する循環経路３が形成される。このバイパス路１７にはポンプ１６が設置されており、これによりバイパス路１７を流れる水素を含むアノードオフガスの流量が調整される。更に、循環経路３を流れるアノードオフガスの不純物を取り除くために、電気化学水素ポンプ２６が循環経路３に接続される。尚、不純物は、燃料電池１のカソード電極からアノード電極側へと電解質膜を透過してきた窒素ガスや、燃料ガス中に含まれる不純物等である。電気化学水素ポンプ２６は、電流が流れることで、気液分離ユニット２によって気体に分離されたアノードオフガスに含まれる水素を選択的にバイパス路１７に透過させ、不純物を透過させないことにより、アノードオフガス中の不純物を濃縮する。電気化学水素ポンプ２６によって濃縮されたアノードオフガス中の不純物は、排気バルブ２０（排出部）により調節されて外部へ排気される。電気化学水素ポンプ２６の構成の説明は、後述する。
【００２２】
次に、燃料電池１のカソード電極には、酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ１２が設けられている。コンプレッサ１２によって圧縮空気が空気供給路１３を介して、燃料電池１へ供給される。そして、上記供給された水素とこの圧縮空気中の酸素が燃料電池１の電解質膜を介して電気化学反応を起こすことで、発電が行われる。以下に、その電気化学反応の反応式を示す。
（アノード電極）：２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-
（カソード電極）：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
【００２３】
このようにカソード電極側では、発電のための電気化学反応において水が生成され、これを以下では単に「生成水」と呼ぶ。カソード電極からのオフガスは、オフガス排出路２１に送り込まれ、その一部は減圧装置１５を経て外部に排気される。また、このカソード電極側のオフガスには、上記生成水が含まれる。尚、上述したように、カソード電極に供給された空気中の窒素ガスが、アノード電極へと電解質膜を透過してしまう。そして、この窒素ガスが、アノードオフガスの不純物の一部となる。
【００２４】
このように構成される燃料電池システム１００には、システム全体の運転制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）８が備えられている。ＥＣＵ８は、図示しない出力要求受付部（燃料電池システム１００が車両に搭載される場合には、アクセルペダルの開度を検知する開度センサがこれに相当する。）が受け付けた出力要求に基づいて、燃料電池出力を制御するべく、コンプレッサ１２による圧縮空気の供給や、高圧水素タンク９からの水素の供給が制御される。そして、ＥＣＵ８は、電気化学水素ポンプ２６に設けられた第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１からデータを取得し、排気バルブ２０を制御することにより、電気化学水素ポンプ２６による不純物の濃縮や、濃縮された不純物の排気を調整する。尚、ＥＣＵ８によってプログラムが実行されることで、上記制御が行われる。
【００２５】
電気化学水素ポンプ２６の構成について説明する。図２は、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６の概略構成図である。図３は、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６の電子の移動を表す概略構成図である。電気化学水素ポンプ２６は、図２及び図３に示すように、入口極２７、電解質膜２８、出口極２９、第一電流検知部３０、及び第二電流検知部３１を有する。電気化学水素ポンプ２６は、燃料電池１から排出され、気液分離ユニット２によって気体に分離されたアノードオフガスの一部又は全部が供給されるように循環経路３に接続される。
【００２６】
先ず、入口極２７について説明する。入口極２７は、気液分離ユニット２によって気体と液体とに分離された気体のアノードオフガスが流入する電極である。また、入口極２７
に流入したアノードオフガス中の水素は、図２及び図３に示すように、入口極２７上で水素イオンと電子に分かれるプロトン剥離現象が起こる。出口極２９は、電解質膜２８を挟んで入口極２７と対向して設けられ、電解質膜２８を透過した水素イオンが電子を受け取り、水素ガスを生成し、その水素ガスを循環経路３によってアノード電極側へ供給する。次に、第一電流検知部３０は、入口極２７においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知することが可能である。第二電流検知部３１は、入口極２７においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知することが可能である。第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１によって検知した電流は、ＥＣＵ８に送信される。そして、ＥＣＵ８は、電気化学水素ポンプ２６に設けられた第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１からデータを取得し、排気バルブ２０を制御することにより、電気化学水素ポンプ２６によるアノードオフガス中の不純物の濃縮と、濃縮された不純物の排気を調整する。
【００２７】
次に、ＥＣＵ８によって行われる排気バルブ２０の制御について、図４に基づいて説明する。図４は、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６における、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表すグラフである。先ず、図４の（ａ）は、電気化学水素ポンプ２６から排気バルブ２０によって不純物の排出が完了し、不純物の濃縮を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。具体的に説明すると、入口極２７に水素が存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こる。従って、入口極２７の下流側に水素が存在する場合は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象により、第二電流検知部３１が電流を検知する。尚、入口極２７の下流側から排気バルブ２０によって不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込むため、入口極２７の上流側には既に水素が存在し、第一電流検知部３０は電流を検知する。以上により、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、電気化学水素ポンプ２６の第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１が電流を検知した場合、排気バルブ２による不純物の排出が完了したことを示し、ＥＣＵ８によって、開いていた排気バルブ２０が閉じられる。そして、電気化学水素ポンプ２６は、不純物の濃縮を開始する。
【００２８】
次に、図４の（ｂ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物を濃縮している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。上述したように、入口極２７に水素が存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こり、電流が流れるが、入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくいため、電流が流れない。従って、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側は水素が少なく、入口極２７の下流側の電流を検知する第二電流検知部３１は、電流を検知しない。一方、入口極２７の上流側は水素が存在するため、入口極２７の上流側の電流を検知する第一電流検知部３０は、電流を検知する。尚、排気バルブ２は閉じた状態を維持している。
【００２９】
次に、図４の（ｃ）は、電気化学水素ポンプ２６が不純物の濃縮を完了し、不純物の排出を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こらないため、電流が流れない。従って、入口極２７の下流側から蓄積された不純物が、入口極２７の上流側まで蓄積された際は、入口極２７の上流側も水素が少ない。従って、入口極２７の下流側の電流を検知する第二電流検知部３１だけでなく、入口極２７の上流側の電流を検知する第一電流検知部３０も、電流を検知しない。以上により、電気化学水素ポンプ２６は、ＥＣＵ８によって、閉じた状態の排気バルブ２が開けられる。
【００３０】
次に、図４の（ｄ）は、不純物を濃縮した電気化学水素ポンプ２６が、排気バルブ２によって不純物を排出している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こり、電流が
流れるが、入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こらないため、電流が流れない。従って、入口極２７の下流側から不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込むため、入口極２７の上流側は水素が存在し、入口極２７の上流側の電流を検知する第一電流検知部３０は、電流を検知する。一方、入口極２７の下流側は、不純物が蓄積されており水素が少ないため、入口極２７の下流側の電流を検知する第二電流検知部３１は、電流を検知しない。尚、排気バルブ２は開いた状態を維持している。
【００３１】
以上により、図４の（ａ）から図４の（ｄ）を繰り返すことによって、ＥＣＵ８によって排気バルブ２０の制御が行われる。その結果、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【実施例２】
【００３２】
図５は、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６における、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。以下、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００と異なる点を中心に説明する。
【００３３】
本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、入口極２７における不純物の濃縮の完了を検知したい部位の電流を検知するために、第一電流検知部３０を有し、第二電流検知部３１を有しない。第一電流検知部３０は、入口極２７の上流側の電流を検知することにする。
【００３４】
先ず、図５の（ａ）は、電気化学水素ポンプ２６から排気バルブ２０によって不純物の排出が完了した際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７における不純物の排出が完了することによって、入口極２７がアノードオフガスに入れ替えられ、入口極２７の上流から下流まで水素濃度が高い状態になる。尚、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、電気化学水素ポンプ２６への印加電圧と予め設定した閾値とに基づき、入口極２７における不純物の排出の完了を判定する。
【００３５】
図５の（ｂ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。不純物を濃縮するために、ＥＣＵ８によって、開いていた排気バルブ２０が閉じられる。そして、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側の水素濃度が低下している。
【００３６】
図５の（ｃ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物を濃縮している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。上述したように、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側から中流に向かって水素濃度が低下している。
【００３７】
図５の（ｄ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮が完了し、不純物の排出を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくいため、電流が流れない。従って、第一電流検知部３０が検知する入口極２７の電流が０になった場合は、入口極２７の下流側から第一電流検知部３０が検知する入口極２７まで水素濃度が０であることを示し、不純物がある程度蓄積された事を示す。以上により、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、第一電流検知部３０が検知する電流が０となった場合は、不純物の濃縮が完了したことを示し、ＥＣＵ８によって、閉まっていた排気バルブ２０が開けられ、不純物の排出が開始される。そして、図５の（ａ）から図５の（ｄ）
を繰りかえすことによって、ＥＣＵ８による排気バルブ２０の制御が行われる。
【００３８】
以上により、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、効率よく不純物を排出することが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【実施例３】
【００３９】
本発明の実施例３に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、入口極２７における不純物の排出の完了を検知したい部位の電流を検知するために、第二電流検知部３１を有し、第一電流検知部３０を有しない。第二電流検知部３１は、入口極２７の下流側の電流を検知することにする。
【００４０】
本発明の実施例３に係る燃料電池システム１００は、電気化学水素ポンプ２６への印加電圧と予め設定した閾値とに基づき、入口極２７における不純物の濃縮の完了を判定する。入口極２７における不純物の濃縮が完了したら、閉じられた排気バルブ２０が、ＥＣＵ８によって開けられ、不純物の排出が開始される。尚、入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくいため、電流が流れない。従って、不純物の濃縮が完了した際、入口極２７の下流側は水素が少ないため、第二電流検知部３１が検知する入口極２７の電流は０である。
【００４１】
また、不純物の排出が開始される際、入口極２７の下流側から不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込まれる。従って、入口極２７の上流側から下流側へ徐々に水素濃度が高くなるため、入口極２７の下流側に水素が存在する場合は、入口極２７の上流側から下流側まで水素が存在する状態である。以上により、第二電流検知部３１が検知した入口極２７の下流側の電流が第二の所定値以上である場合、入口極２７の下流に水素が存在することから、入口極２７の上流から下流まで水素が存在し、入口極２７に蓄積された不純物の排出が完了したことを示す。そして、不純物の排出が完了したら、開けられた排気バルブ２０が、ＥＣＵ８によって閉じられ、不純物の濃縮が開始される。
【００４２】
以上により、本発明の実施例３に係る燃料電池システム１００は、入口極２７における水素の存在を直接検知することにより、水素排出量の精度を上げ、水素の排出を防ぎ、効率よく不純物の排出の完了を検知することが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【実施例４】
【００４３】
図６及び図７は、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６の電子の移動を表す概略構成図である。図８は、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における、入口極２７の上流から下流までの水素濃度と電圧を表す。水素濃度は実線で表され、電圧は破線で表される。
【００４４】
本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、第一電流検知部３０と第二電流検知部３１の代わりに、電圧検知部３２を有する。電圧検知部３２は、図６及び図７に示すように、入口極２７の中流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する。尚、電圧検知部３２は、入口極２７の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知することができれば、何処に設けられてもよい。
【００４５】
図８の（ａ）は、電気化学水素ポンプ２６から排気バルブ２０によって不純物の排出が完了した際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度と、電圧を表す。入口極２７に
おける不純物の排出が完了することによって、入口極２７がアノードオフガスに入れ換えられ、入口極２７の上流から下流まで水素濃度が高い状態である。また、入口極２７に水素が多く存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こり、電子が入口極２７から出口極２９へ流れる。一方、入口極２７に水素が少なく存在する部分は、電子が入口極２７から出口極２９へ流れにくい。従って、入口極２７の上流側と下流側とで存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こるため、入口極２７に水素が存在するか否かを検知することが可能である。
【００４６】
図８の（ｂ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度と、電圧を表す。不純物を濃縮するために、開いていた排気バルブ２０が閉じられる。そして、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側の水素濃度が低下している。尚、入口極２７の中流側と下流側の間で存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こり、電圧検知部３２が電圧を検知する。
【００４７】
図８の（ｃ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物を濃縮している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。上述したように、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側から中流にかけて水素濃度が低下している。尚、入口極２７の中流側と下流側の間で存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こり、電圧検知部３２が電圧を検知する。
【００４８】
図８の（ｄ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮が完了し、不純物の排出を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくい。従って、入口極２７の中流から下流側に水素が少ない場合はプロトン剥離現象が起こらないため、電圧検知部３２が電圧を検知する入口極２７の中流から下流が出口極２９へ電子が流れず、電圧降下が起こらず、電圧検知部３２が電圧を検知しない。また、入口極２７の中流から下流側に水素が少ない場合は、不純物がある程度蓄積された事を示す。以上により、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００は、電圧検知部３２が検知する電圧降下がない場合は、不純物の濃縮が完了したことを示し、ＥＣＵ８によって、閉まっていた排気バルブ２０が開けられ、不純物の排出が開始される。そして、図８の（ａ）から図８の（ｄ）を繰りかえすことによって、ＥＣＵ８による排気バルブ２０の制御が行われる。
【００４９】
ここで、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、図７に示すように、集電部位を設ける場所が、入口極２７の下流側よりも上流側の方が望ましい。電気化学水素ポンプ２６は、入口極２７の下流側から排気バルブ２０によって不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込む。その結果、入口極２７の下流側よりも上流側の方が、水素濃度が存在し易く、プロトン剥離現象が起こりやすい。従って、集電部位が入口極２７の上流側の方が、電子が流れやすいため、集電部位に適している。
【符号の説明】
【００５０】
１００・・・燃料電池システム
１・・・燃料電池
２・・・気液分離ユニット
３・・・循環経路
５・・・セル部
６・・・駆動モータ
８・・・ＥＣＵ
９・・・燃料タンク部
１０・・・調整弁
１１・・・供給バルブ
１２・・・コンプレッサ
１３・・・空気供給路
１４・・・オフガス排出路
１５・・・減圧装置
１６・・・ポンプ
１７・・・バイパス路
１８・・・燃料供給路
２０・・・排気バルブ
２１・・・オフガス排出路
２４・・・排液バルブ
２５・・・排液路
２６・・・電気化学水素ポンプ
２７・・・入口極
２８・・・電解質膜
２９・・・出口極
３０・・・第一電流検知部
３１・・・第二電流検知部
３２・・・電圧検知部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気を発生させる燃料電池システムは、発電効率が高く、排出されるガスがクリーンであるため、環境に対する影響が極めて小さい。そのため、燃料電池は、発電用、低公害の自動車用電源等の様々な用途に期待されている。
【０００３】
この燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード電極）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード電極）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、これら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを燃料電池内において電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【０００４】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノード電極から排出されるオフガスには、発電に使用されなかった水素が多く含まれており、このオフガスを循環経路において循環させて再利用することで、水素の利用効率を高めるようにした燃料電池システムが提案されている。
【０００５】
また、この燃料電池システムにおいては、アノードオフガスの循環を繰り返す中で、燃料電池のカソード電極からアノード電極側へと電解質膜を透過してきた窒素ガスや、燃料ガス中に含まれる不純物等が循環経路に徐々に蓄積されていき、水素分圧低下によって燃料電池の発電効率が低下していく。そこで、このような燃料電池の発電効率の低下を防止するために、アノードオフガスが流れる循環経路に電気化学水素ポンプを設置する燃料電池システムが開発されている（特許文献１から３を参照）。電気化学水素ポンプは、電解質膜を挟んで入口極と出口極とが対設されており、電流を流すことで入口極に供給された循環経路を循環するアノードオフガス中の水素を出口極へと移動させ、アノードオフガス中の不純物は入口極側に蓄積され、入口極側の不純物濃度が高まったときに入口極側に接続された開閉弁を操作することによって、不純物を循環経路の外部に濃縮排出することが可能である。尚、開閉弁は、電気化学水素ポンプへの印加電圧、該電気化学水素ポンプの電解質膜を流れる電流量、若しくは該電気化学水素ポンプの入口極と出口極との差圧に基づいて操作される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１９１２０号公報
【特許文献２】特開２００６−１９１２４号公報
【特許文献３】特開２００５−３４６９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池システムは、燃料電池のカソード電極からアノード電極側へと電解質膜を透過してきた窒素ガスが、スタックの温度、湿度、及び圧力等、運転状態に大きく依存する為、窒素濃度が一定ではない。その結果、循環経路に設けられたバルブの周期的な制御において、透過してきた窒素ガスの濃度が高く、アノード電極に供給される水素濃度が低い場合は、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇し、燃費悪化を引き起こすと同時に、印加電圧によっては水の電気分解の反応が進み、電解質膜の触媒の劣化等を引き起こす
。一方、透過してきた窒素ガスの濃度が低く、アノード電極に供給される水素濃度が高い場合は、オフガス中の水素濃度が増加し、排出水素の低減が不十分となり、水素の利用効率が低減し、燃費悪化に繋がる。
【０００８】
また、燃料電池システムにおいて、電気化学水素ポンプを利用して窒素ガス等を含む不純物を濃縮排出する場合は、出口極へ移動した水素の容積分、電気化学水素ポンプの入口極にオフガスが流入する。その結果、電気化学水素ポンプの入口極に流入するアノードオフガスの窒素濃度が低い場合は、該入口極の窒素が増加する速度は遅くなり、該入口極に流入するアノードオフガスの窒素濃度が高い場合は、該入口極の窒素が増加する速度は速くなる。従って、入口極のアノードオフガスの濃度は一定ではない為、電気化学水素ポンプへの印加電圧による制御において、水素濃度が低い場合には、印加電圧が急激に上昇し、燃費悪化を引き起こす。
【０００９】
また、電気化学水素ポンプの電解質膜は、水素が存在する部分で反応が進む。水素の不足する領域では電流が流れず、水素が存在する領域に電流が集中する。このため反応領域の減少と反比例で局所反応量が増加し、印加電圧の急上昇を引き起こす。また、電流は反応が進むにつれて、入口極のガス流入部から最も遠い場所であり、水素が不足する場所から減少を始め、入口極ガス流入部近傍だけが反応するにいたると印加電圧が急激に上昇し、燃費悪化を引き起こす。
【００１０】
そこで、本発明は、燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために、入口極を流れるアノードオフガスの上流側の電流、下流側の電流、若しくは入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下に基づき、不純物の蓄積若しくは蓄積された不純物の排出を制御する点を工夫した。これにより、燃料電池システムは、燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供することが可能である。
【００１２】
詳細には、水素を含む燃料ガスが燃料電池での電気化学反応のためにアノード電極側へ供給され、且つ該燃料電池からのアノードオフガスの一部又は全部が再び電気化学反応のために該燃料電池のアノード電極側に循環させるための循環経路と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流入する入口極と、該入口極と対向して設けられ、該入口極からの水素を前記循環経路によって前記アノード電極側へ供給する出口極と、該入口極と該出口極の間に設けられ、該入口極からの水素を該出口極へ透過する電解質膜と、を有する電気化学水素ポンプであって、該入口極と該出口極との間に電流が流れることで、該入口極を流れるアノードオフガスに含まれる水素を選択的に透過させ、該アノードオフガス中の不純物を濃縮し、該燃料電池から排出されるアノードオフガスの一部又は全部が供給されるように前記循環経路に接続される電気化学水素ポンプと、前記電気化学水素ポンプによる水素透過の結果、該電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を前記燃料電池システム外に前記入口極の下流側から排出する排出部と、を備える燃料電池システムであって、前記電気化学水素ポンプは、前記入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知する第一の電流検知部であって、検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する第一電流検知部と、前記入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知する第二の電流検知部であって、検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が不純物の排出を停止する第二電流検知部と、前記入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する電圧検知部であって、検知した電圧降下がない場合に、前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する電圧検知
部との内、少なくとも一つを有する。
【００１３】
不純物を蓄積する際、下流側から不純物が蓄積されることから、入口極の上流側に不純物が蓄積されている場合は、既に下流側も不純物が蓄積されており、下流側の電流も小さい。従って、第一電流検知部が、入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知することにより、不純物が上流側まで蓄積されたか否か検知することが可能である。具体的に説明すると、入口極の上流側に水素が存在する場合は、電解質膜でのプロトン剥離現象が起こるため、第一電流検知部はある一定以上の電流値を検知する。一方、入口極における上流側に不純物が蓄積され、水素が少ない場合は、プロトン剥離現象が起こり難いため、第一電流検知部が検知する電流値は小さい。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、第一電流検知部が入口極の上流側の電流を検知することにより、不純物が上流側まで蓄積され、電気化学水素ポンプのアノードオフガス中の不純物の濃縮終了を検知することが可能である。また、本発明に係る燃料電池システムは、第一電流検知部が検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出することにより、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【００１４】
不純物を排出する際、入口極の下流側から排出部によって不純物が排出され、入口極の上流側からアノードオフガスが流れ込むため、入口極の下流側に水素が存在し、入口極の下流側がある一定以上の電流を検知している場合は、入口極の上流側にも水素が存在し、入口極の上流側もある一定以上の電流を検知する。従って、第二電流検知部が、入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知することにより、排出部によって不純物が排出されたか否かを検知することが可能である。具体的に説明すると、入口極の上流側と同様に、入口極の下流側に水素が存在する場合は、電解質膜でのプロトン剥離現象が起こるため、第二電流検知部はある一定以上の電流値を検知する。一方、入口極における下流側に不純物が蓄積され、水素が少ない場合は、プロトン剥離現象が起こり難いため、第二電流検知部が検知する電流値は小さい。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、第二電流検知部が入口極の下流側の電流を検知することにより、排出部による不純物の排出終了を検知することが可能である。また、本発明に係る燃料電池システムは、第二電流検知部が検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出することを停止することにより、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【００１５】
更に、電圧検知部が、入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知することにより、不純物が蓄積されたか否かを検知することが可能である。具体的に説明すると、入口極に水素が多く存在する部分は、電解質膜でのプロトン剥離現象が起こり、電子が入口極から出口極へ流れる。一方、入口極に水素が少なく存在する部分は、電子が入口極から出口極へ流れにくい。その結果、入口極の上流側と下流側とで存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こるため、入口極に水素が存在するか否かを検知することが可能である。従って、電圧検知部が検知した電圧降下がある場合は、電圧検知部が検知した入口極の部分は水素が存在する。一方、電圧検知部が検知した電圧降下がない場合は、電圧検知部が検知した入口極の部分は水素が少なく、電気化学水素ポンプのアノードオフガス中の不純物の濃縮終了を検知することが可能である。以上により、本発明に係る燃料電池システムは、電圧検知部が検知した電圧降下がない場合に、電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出することにより、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすること
が可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃費悪化や不具合につながらない安定した燃料電池システムを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの概略構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの電子の移動を表す概略構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの電気化学水素ポンプにおける、入口極の上流から下流までの水素濃度を表すグラフである。
【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの電気化学水素ポンプにおける、入口極の上流から下流までの水素濃度を表すグラフである。
【図６】本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの電子の移動を表す概略構成図である。
【図７】本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける電気化学水素ポンプの電子の移動を表す概略構成図である。
【図８】本発明の実施例４に係る燃料電池システムにおける、入口極の上流から下流までの水素濃度と電圧を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００について、図面に基づいて説明する。以下に示す実施例は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
＜燃料電池システムの構成＞
本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００の各構成について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１００は、移動体である車両の駆動装置である駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）６に対して電力を供給する供給源として、船舶やロボット等の車両以外の移動体での電力供給源として、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対する電力供給源として採用が可能である。
【００２０】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。この燃料電池システム１００は、セル部５が積層された固体高分子型の燃料電池１を有し、燃料としての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１のアノード電極に水素供給路１８を介して燃料を供給する高圧水素タンク９が設けられている。この高圧水素タンク９には、その内圧を調整するための調整弁１０が設けられ、また高圧水素タンク９から水素供給路１８への供給は、供給バルブ１１の開閉に従って行われる。
【００２１】
そして、燃料電池１のアノード電極に供給された水素は、後述するカソード電極への供給酸化剤との電気化学反応に供されることで、該燃料電池での発電が行われる。その後、燃料電池１のアノード電極から排出されるアノードオフガスは、オフガス排出路１４に送り込まれ、気液分離ユニット２によって、アノードオフガスを液体と気体とに分離する。気液分離ユニット２によって分離された液体は、排液路２５を通って排液バルブ２４により調節されて外部へ排水される。また、気液分離ユニット２によって分離された気体は、このアノードオフガスには供給された水素であって燃料電池１での電気化学反応に供される使用されなかった水素が含まれている。この水素が含まれているアノードオフガスを効
率的に使用するために、バイパス路１７が、気液分離ユニット２によって分離された気体が流れるオフガス排出路１４から水素供給路１８に向かって分岐して設けられる。また、バイパス路１７を設けることによって、オフガス排出路１４から排出されたアノードオフガスを、バイパス路１７及び燃料供給路１８を介してアノード電極に循環する循環経路３が形成される。このバイパス路１７にはポンプ１６が設置されており、これによりバイパス路１７を流れる水素を含むアノードオフガスの流量が調整される。更に、循環経路３を流れるアノードオフガスの不純物を取り除くために、電気化学水素ポンプ２６が循環経路３に接続される。尚、不純物は、燃料電池１のカソード電極からアノード電極側へと電解質膜を透過してきた窒素ガスや、燃料ガス中に含まれる不純物等である。電気化学水素ポンプ２６は、電流が流れることで、気液分離ユニット２によって気体に分離されたアノードオフガスに含まれる水素を選択的にバイパス路１７に透過させ、不純物を透過させないことにより、アノードオフガス中の不純物を濃縮する。電気化学水素ポンプ２６によって濃縮されたアノードオフガス中の不純物は、排気バルブ２０（排出部）により調節されて外部へ排気される。電気化学水素ポンプ２６の構成の説明は、後述する。
【００２２】
次に、燃料電池１のカソード電極には、酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ１２が設けられている。コンプレッサ１２によって圧縮空気が空気供給路１３を介して、燃料電池１へ供給される。そして、上記供給された水素とこの圧縮空気中の酸素が燃料電池１の電解質膜を介して電気化学反応を起こすことで、発電が行われる。以下に、その電気化学反応の反応式を示す。
（アノード電極）：２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-
（カソード電極）：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
【００２３】
このようにカソード電極側では、発電のための電気化学反応において水が生成され、これを以下では単に「生成水」と呼ぶ。カソード電極からのオフガスは、オフガス排出路２１に送り込まれ、その一部は減圧装置１５を経て外部に排気される。また、このカソード電極側のオフガスには、上記生成水が含まれる。尚、上述したように、カソード電極に供給された空気中の窒素ガスが、アノード電極へと電解質膜を透過してしまう。そして、この窒素ガスが、アノードオフガスの不純物の一部となる。
【００２４】
このように構成される燃料電池システム１００には、システム全体の運転制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）８が備えられている。ＥＣＵ８は、図示しない出力要求受付部（燃料電池システム１００が車両に搭載される場合には、アクセルペダルの開度を検知する開度センサがこれに相当する。）が受け付けた出力要求に基づいて、燃料電池出力を制御するべく、コンプレッサ１２による圧縮空気の供給や、高圧水素タンク９からの水素の供給が制御される。そして、ＥＣＵ８は、電気化学水素ポンプ２６に設けられた第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１からデータを取得し、排気バルブ２０を制御することにより、電気化学水素ポンプ２６による不純物の濃縮や、濃縮された不純物の排気を調整する。尚、ＥＣＵ８によってプログラムが実行されることで、上記制御が行われる。
【００２５】
電気化学水素ポンプ２６の構成について説明する。図２は、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６の概略構成図である。図３は、本発明の実施例に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６の電子の移動を表す概略構成図である。電気化学水素ポンプ２６は、図２及び図３に示すように、入口極２７、電解質膜２８、出口極２９、第一電流検知部３０、及び第二電流検知部３１を有する。電気化学水素ポンプ２６は、燃料電池１から排出され、気液分離ユニット２によって気体に分離されたアノードオフガスの一部又は全部が供給されるように循環経路３に接続される。
【００２６】
先ず、入口極２７について説明する。入口極２７は、気液分離ユニット２によって気体と液体とに分離された気体のアノードオフガスが流入する電極である。また、入口極２７
に流入したアノードオフガス中の水素は、図２及び図３に示すように、入口極２７上で水素イオンと電子に分かれるプロトン剥離現象が起こる。出口極２９は、電解質膜２８を挟んで入口極２７と対向して設けられ、電解質膜２８を透過した水素イオンが電子を受け取り、水素ガスを生成し、その水素ガスを循環経路３によってアノード電極側へ供給する。次に、第一電流検知部３０は、入口極２７においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知することが可能である。第二電流検知部３１は、入口極２７においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知することが可能である。第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１によって検知した電流は、ＥＣＵ８に送信される。そして、ＥＣＵ８は、電気化学水素ポンプ２６に設けられた第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１からデータを取得し、排気バルブ２０を制御することにより、電気化学水素ポンプ２６によるアノードオフガス中の不純物の濃縮と、濃縮された不純物の排気を調整する。
【００２７】
次に、ＥＣＵ８によって行われる排気バルブ２０の制御について、図４に基づいて説明する。図４は、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６における、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表すグラフである。先ず、図４の（ａ）は、電気化学水素ポンプ２６から排気バルブ２０によって不純物の排出が完了し、不純物の濃縮を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。具体的に説明すると、入口極２７に水素が存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こる。従って、入口極２７の下流側に水素が存在する場合は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象により、第二電流検知部３１が電流を検知する。尚、入口極２７の下流側から排気バルブ２０によって不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込むため、入口極２７の上流側には既に水素が存在し、第一電流検知部３０は電流を検知する。以上により、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、電気化学水素ポンプ２６の第一電流検知部３０及び第二電流検知部３１が電流を検知した場合、排気バルブ２による不純物の排出が完了したことを示し、ＥＣＵ８によって、開いていた排気バルブ２０が閉じられる。そして、電気化学水素ポンプ２６は、不純物の濃縮を開始する。
【００２８】
次に、図４の（ｂ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物を濃縮している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。上述したように、入口極２７に水素が存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こり、電流が流れるが、入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくいため、電流が流れない。従って、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側は水素が少なく、入口極２７の下流側の電流を検知する第二電流検知部３１は、電流を検知しない。一方、入口極２７の上流側は水素が存在するため、入口極２７の上流側の電流を検知する第一電流検知部３０は、電流を検知する。尚、排気バルブ２は閉じた状態を維持している。
【００２９】
次に、図４の（ｃ）は、電気化学水素ポンプ２６が不純物の濃縮を完了し、不純物の排出を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こらないため、電流が流れない。従って、入口極２７の下流側から蓄積された不純物が、入口極２７の上流側まで蓄積された際は、入口極２７の上流側も水素が少ない。従って、入口極２７の下流側の電流を検知する第二電流検知部３１だけでなく、入口極２７の上流側の電流を検知する第一電流検知部３０も、電流を検知しない。以上により、電気化学水素ポンプ２６は、ＥＣＵ８によって、閉じた状態の排気バルブ２が開けられる。
【００３０】
次に、図４の（ｄ）は、不純物を濃縮した電気化学水素ポンプ２６が、排気バルブ２によって不純物を排出している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こり、電流が
流れるが、入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こらないため、電流が流れない。従って、入口極２７の下流側から不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込むため、入口極２７の上流側は水素が存在し、入口極２７の上流側の電流を検知する第一電流検知部３０は、電流を検知する。一方、入口極２７の下流側は、不純物が蓄積されており水素が少ないため、入口極２７の下流側の電流を検知する第二電流検知部３１は、電流を検知しない。尚、排気バルブ２は開いた状態を維持している。
【００３１】
以上により、図４の（ａ）から図４の（ｄ）を繰り返すことによって、ＥＣＵ８によって排気バルブ２０の制御が行われる。その結果、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００は、効率よく循環経路を循環するアノードオフガスを入れ替えることが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【実施例２】
【００３２】
図５は、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００の電気化学水素ポンプ２６における、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。以下、本発明の実施例１に係る燃料電池システム１００と異なる点を中心に説明する。
【００３３】
本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、入口極２７における不純物の濃縮の完了を検知したい部位の電流を検知するために、第一電流検知部３０を有し、第二電流検知部３１を有しない。第一電流検知部３０は、入口極２７の上流側の電流を検知することにする。
【００３４】
先ず、図５の（ａ）は、電気化学水素ポンプ２６から排気バルブ２０によって不純物の排出が完了した際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７における不純物の排出が完了することによって、入口極２７がアノードオフガスに入れ替えられ、入口極２７の上流から下流まで水素濃度が高い状態になる。尚、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、電気化学水素ポンプ２６への印加電圧と予め設定した閾値とに基づき、入口極２７における不純物の排出の完了を判定する。
【００３５】
図５の（ｂ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。不純物を濃縮するために、ＥＣＵ８によって、開いていた排気バルブ２０が閉じられる。そして、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側の水素濃度が低下している。
【００３６】
図５の（ｃ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物を濃縮している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。上述したように、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側から中流に向かって水素濃度が低下している。
【００３７】
図５の（ｄ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮が完了し、不純物の排出を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくいため、電流が流れない。従って、第一電流検知部３０が検知する入口極２７の電流が０になった場合は、入口極２７の下流側から第一電流検知部３０が検知する入口極２７まで水素濃度が０であることを示し、不純物がある程度蓄積された事を示す。以上により、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、第一電流検知部３０が検知する電流が０となった場合は、不純物の濃縮が完了したことを示し、ＥＣＵ８によって、閉まっていた排気バルブ２０が開けられ、不純物の排出が開始される。そして、図５の（ａ）から図５の（ｄ）
を繰りかえすことによって、ＥＣＵ８による排気バルブ２０の制御が行われる。
【００３８】
以上により、本発明の実施例２に係る燃料電池システム１００は、効率よく不純物を排出することが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【実施例３】
【００３９】
本発明の実施例３に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、入口極２７における不純物の排出の完了を検知したい部位の電流を検知するために、第二電流検知部３１を有し、第一電流検知部３０を有しない。第二電流検知部３１は、入口極２７の下流側の電流を検知することにする。
【００４０】
本発明の実施例３に係る燃料電池システム１００は、電気化学水素ポンプ２６への印加電圧と予め設定した閾値とに基づき、入口極２７における不純物の濃縮の完了を判定する。入口極２７における不純物の濃縮が完了したら、閉じられた排気バルブ２０が、ＥＣＵ８によって開けられ、不純物の排出が開始される。尚、入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくいため、電流が流れない。従って、不純物の濃縮が完了した際、入口極２７の下流側は水素が少ないため、第二電流検知部３１が検知する入口極２７の電流は０である。
【００４１】
また、不純物の排出が開始される際、入口極２７の下流側から不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込まれる。従って、入口極２７の上流側から下流側へ徐々に水素濃度が高くなるため、入口極２７の下流側に水素が存在する場合は、入口極２７の上流側から下流側まで水素が存在する状態である。以上により、第二電流検知部３１が検知した入口極２７の下流側の電流が第二の所定値以上である場合、入口極２７の下流に水素が存在することから、入口極２７の上流から下流まで水素が存在し、入口極２７に蓄積された不純物の排出が完了したことを示す。そして、不純物の排出が完了したら、開けられた排気バルブ２０が、ＥＣＵ８によって閉じられ、不純物の濃縮が開始される。
【００４２】
以上により、本発明の実施例３に係る燃料電池システム１００は、入口極２７における水素の存在を直接検知することにより、水素排出量の精度を上げ、水素の排出を防ぎ、効率よく不純物の排出の完了を検知することが可能であり、電気化学水素ポンプへの印加電圧が急激に上昇すること防止し、燃費悪化や不具合につながらなくすることが可能である。
【実施例４】
【００４３】
図６及び図７は、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６の電子の移動を表す概略構成図である。図８は、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における、入口極２７の上流から下流までの水素濃度と電圧を表す。水素濃度は実線で表され、電圧は破線で表される。
【００４４】
本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、第一電流検知部３０と第二電流検知部３１の代わりに、電圧検知部３２を有する。電圧検知部３２は、図６及び図７に示すように、入口極２７の中流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する。尚、電圧検知部３２は、入口極２７の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知することができれば、何処に設けられてもよい。
【００４５】
図８の（ａ）は、電気化学水素ポンプ２６から排気バルブ２０によって不純物の排出が完了した際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度と、電圧を表す。入口極２７に
おける不純物の排出が完了することによって、入口極２７がアノードオフガスに入れ換えられ、入口極２７の上流から下流まで水素濃度が高い状態である。また、入口極２７に水素が多く存在する部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こり、電子が入口極２７から出口極２９へ流れる。一方、入口極２７に水素が少なく存在する部分は、電子が入口極２７から出口極２９へ流れにくい。従って、入口極２７の上流側と下流側とで存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こるため、入口極２７に水素が存在するか否かを検知することが可能である。
【００４６】
図８の（ｂ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度と、電圧を表す。不純物を濃縮するために、開いていた排気バルブ２０が閉じられる。そして、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側の水素濃度が低下している。尚、入口極２７の中流側と下流側の間で存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こり、電圧検知部３２が電圧を検知する。
【００４７】
図８の（ｃ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物を濃縮している際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。上述したように、入口極２７の下流側から不純物が蓄積されるため、入口極２７の下流側から中流にかけて水素濃度が低下している。尚、入口極２７の中流側と下流側の間で存在する水素の量が異なることにより電位差が生じ、電圧降下が起こり、電圧検知部３２が電圧を検知する。
【００４８】
図８の（ｄ）は、電気化学水素ポンプ２６がアノードガス中の不純物の濃縮が完了し、不純物の排出を開始する際の、入口極２７の上流から下流までの水素濃度を表す。入口極２７に水素が少ない部分は、電解質膜２８でのプロトン剥離現象が起こりにくい。従って、入口極２７の中流から下流側に水素が少ない場合はプロトン剥離現象が起こらないため、電圧検知部３２が電圧を検知する入口極２７の中流から下流が出口極２９へ電子が流れず、電圧降下が起こらず、電圧検知部３２が電圧を検知しない。また、入口極２７の中流から下流側に水素が少ない場合は、不純物がある程度蓄積された事を示す。以上により、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００は、電圧検知部３２が検知する電圧降下がない場合は、不純物の濃縮が完了したことを示し、ＥＣＵ８によって、閉まっていた排気バルブ２０が開けられ、不純物の排出が開始される。そして、図８の（ａ）から図８の（ｄ）を繰りかえすことによって、ＥＣＵ８による排気バルブ２０の制御が行われる。
【００４９】
ここで、本発明の実施例４に係る燃料電池システム１００における電気化学水素ポンプ２６は、図７に示すように、集電部位を設ける場所が、入口極２７の下流側よりも上流側の方が望ましい。電気化学水素ポンプ２６は、入口極２７の下流側から排気バルブ２０によって不純物が排出され、入口極２７の上流側からアノードオフガスが流れ込む。その結果、入口極２７の下流側よりも上流側の方が、水素濃度が存在し易く、プロトン剥離現象が起こりやすい。従って、集電部位が入口極２７の上流側の方が、電子が流れやすいため、集電部位に適している。
【符号の説明】
【００５０】
１００・・・燃料電池システム
１・・・燃料電池
２・・・気液分離ユニット
３・・・循環経路
５・・・セル部
６・・・駆動モータ
８・・・ＥＣＵ
９・・・燃料タンク部
１０・・・調整弁
１１・・・供給バルブ
１２・・・コンプレッサ
１３・・・空気供給路
１４・・・オフガス排出路
１５・・・減圧装置
１６・・・ポンプ
１７・・・バイパス路
１８・・・燃料供給路
２０・・・排気バルブ
２１・・・オフガス排出路
２４・・・排液バルブ
２５・・・排液路
２６・・・電気化学水素ポンプ
２７・・・入口極
２８・・・電解質膜
２９・・・出口極
３０・・・第一電流検知部
３１・・・第二電流検知部
３２・・・電圧検知部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスが燃料電池での電気化学反応のためにアノード電極側へ供給され、且つ該燃料電池からのアノードオフガスの一部又は全部が再び電気化学反応のために該燃料電池のアノード電極側に循環させるための循環経路と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流入する入口極と、該入口極と対向して設けられ、該入口極からの水素を前記循環経路によって前記アノード電極側へ供給する出口極と、該入口極と該出口極の間に設けられ、該入口極からの水素を該出口極へ透過する電解質膜と、を有する電気化学水素ポンプであって、該入口極と該出口極との間に電流が流れることで、該入口極を流れるアノードオフガスに含まれる水素を選択的に透過させ、該アノードオフガス中の不純物を濃縮し、該燃料電池から排出されるアノードオフガスの一部又は全部が供給されるように前記循環経路に接続される電気化学水素ポンプと、
前記電気化学水素ポンプによる水素透過の結果、該電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を前記燃料電池システム外に前記入口極の下流側から排出する排出部と、を備える燃料電池システムであって、
前記電気化学水素ポンプは、
前記入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知する第一の電流検知部であって、検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する第一電流検知部と、
前記入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知する第二の電流検知部であって、検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が不純物の排出を停止する第二電流検知部と、
前記入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する電圧検知部であって、検知した電圧降下がない場合に、前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する電圧検知部との内、少なくとも一つを有する、
燃料電池システム。
【請求項１】
水素を含む燃料ガスが燃料電池での電気化学反応のためにアノード電極側へ供給され、且つ該燃料電池からのアノードオフガスの一部又は全部が再び電気化学反応のために該燃料電池のアノード電極側に循環させるための循環経路と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流入する入口極と、該入口極と対向して設けられ、該入口極からの水素を前記循環経路によって前記アノード電極側へ供給する出口極と、該入口極と該出口極の間に設けられ、該入口極からの水素を該出口極へ透過する電解質膜と、を有する電気化学水素ポンプであって、該入口極と該出口極との間に電流が流れることで、該入口極を流れるアノードオフガスに含まれる水素を選択的に透過させ、該アノードオフガス中の不純物を濃縮し、該燃料電池から排出されるアノードオフガスの一部又は全部が供給されるように前記循環経路に接続される電気化学水素ポンプと、
前記電気化学水素ポンプによる水素透過の結果、該電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を前記燃料電池システム外に前記入口極の下流側から排出する排出部と、を備える燃料電池システムであって、
前記電気化学水素ポンプは、
前記入口極においてアノードオフガスが流れる上流側の電流を検知する第一の電流検知部であって、検知した電流が第一の所定値を下回った場合に、排出部が前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する第一電流検知部と、
前記入口極においてアノードオフガスが流れる下流側の電流を検知する第二の電流検知部であって、検知した電流が第二の所定値を上回った場合に、排出部が不純物の排出を停止する第二電流検知部と、
前記入口極の上流側と下流側の間に生じる電圧降下を検知する電圧検知部であって、検知した電圧降下がない場合に、前記電気化学水素ポンプにおいて濃縮された不純物を燃料電池システム外に排出する電圧検知部との内、少なくとも一つを有する、
燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２７２２５３（Ｐ２０１０−２７２２５３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２１４１６（Ｐ２００９−１２１４１６）
【出願日】平成２１年５月１９日（２００９．５．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１９日（２００９．５．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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