特開 2024-71000 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024071000

(43)【公開日】2024-05-24

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0444 20160101AFI20240517BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20240517BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240517BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240517BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240517BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0444

H01M8/04537

H01M8/04746

H01M8/10 101

H01M8/12 101

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022181683

(22)【出願日】2022-11-14

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】福間 一教

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA02

5H127AA03

5H127AA04

5H127AA06

5H127AA07

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA43

5H127BA57

5H127BA59

5H127BA60

5H127BB02

5H127BB10

5H127BB13

5H127BB18

5H127BB23

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DB14

5H127DB15

5H127DB34

5H127DB35

5H127DB53

5H127DC02

5H127DC22

5H127DC55

5H127EE23

(57)【要約】      （修正有）

【課題】運転中に正確に不純物濃度を求めることができ、不要なパージを減らすことで、燃料ガス又は酸化剤ガスの損失を抑制できる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１０は、燃料電池１６から排出されたガスを再び燃料電池１６に戻すガス循環経路１２、１４と、ガス循環経路１２、１４のガスの容積を増減させる容積調整部２３、２５と、燃料電池１６の電圧を検出する電圧センサ１７と、容積調整部２３、２５を制御してガスの容積を増加させる容積制御部２８ｂと、ガスの容積の増加による燃料電池１６の電圧変化から、ガスの不純物量を推定する推定部２８ａと、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給するガス循環経路と、
前記ガス循環経路の前記ガスの容積を増減させる容積調整部と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、
前記容積調整部を制御して前記ガスの容積を増加させる容積制御部と、
前記ガスの容積の増加による前記燃料電池の電圧変化から、前記ガスの不純物量を推定する推定部と、
を備える、燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス循環経路は、排出された前記ガスから水を除去する気液分離器を有し、
前記容積調整部は、前記気液分離器の内部の前記ガスの容積を調整する、燃料電池システム。

【請求項3】

請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記容積調整部は、前記気液分離器の水を排水する排水弁を有し、
前記容積制御部は、前記排水弁を制御して、前記ガスの容積を増加させる、燃料電池システム。

【請求項4】

請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記容積調整部は、前記気液分離器の容積を変動させるピストンと前記ピストンを駆動するアクチュエータとを有し、
前記容積制御部は、前記アクチュエータを制御して、前記ガスの容積を増加させる、燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出するパージ弁と、
前記ガスの前記不純物量が所定値を越えた場合に前記パージ弁を制御して前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出させるパージ制御部と、を有する、燃料電池システム。

【請求項6】

請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記パージ制御部は、前記ガスの前記不純物量に基づいて前記ガスのパージ量を調整する、燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１記載の燃料電池システムであって、前記ガスは水素ガスである、燃料電池システム。

【請求項8】

請求項１記載の燃料電池システムであって、前記ガスは酸素ガスである、燃料電池システム。

【請求項9】

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス循環経路は、前記燃料電池のカソード及びアノードにそれぞれ設けられ、
前記容積制御部は、前記カソードの前記ガス循環経路及び前記アノードの前記ガス循環経路の容積を異なる時間に増加させ、
前記推定部は、前記アノードの前記ガス循環経路に含まれる不純物量と前記カソードの前記ガス循環経路に含まれる不純物量とをそれぞれ推定する、燃料電池システム。

【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】

燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給するガスを循環させる場合がある。このような燃料電池システムで長期間の発電を行うと、循環するガスに徐々に不純物（ガス）が蓄積され、燃料電池の発電性能に悪影響を及ぼすことが知られている。このため、不純物がある程度蓄積された状態で不純物を外部に排出するパージ処理が行われる。

【0003】

特許文献１には、パージ処理を適切に行うために、燃料電池の電流密度と不純物が蓄積する速度との関係を予め求めておき、所定時間毎に燃料電池の電流密度を検出して、不純物の蓄積量を推定する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８－１４６８７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の方法では、パージ間隔が長くなると誤差が大きくなるという問題があり、さらなる改善の余地がある。

【0006】

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

以下の開示の一観点は、燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給するガス循環経路と、前記ガス循環経路の前記ガスの容積を増減させる容積調整部と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記容積調整部を制御して前記ガスの容積を増加させる容積制御部と、前記ガスの容積の増加による前記燃料電池の電圧変化から、前記ガスの不純物量を推定する推定部と、を備える、燃料電池システムにある。

【発明の効果】

【0008】

本発明の燃料電池システムによれば、運転中に正確に不純物濃度を求めることができ、不要なパージを減らすことで、燃料ガス又は酸化剤ガスの損失を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

【図2】図２Ａは、水素循環経路の水素ガスの容積を増加させる前の気液分離器の水位を示す図であり、図２Ｂは、水素循環経路の水素ガスの容積を増加させた後の気液分離器の水位を示す図である。

【図3】図３は、燃料電池のセル電圧と、燃料ガスの不純物濃度と、の関係を示すグラフである。

【図4】図４は、図１の制御部の動作を示すフローチャートである。

【図5】図５Ａは、実験例に係るセル電圧の測定結果を示すグラフであり、図５Ｂは実験例で求めた不純物濃度と電圧変化（ｄｖ）との関係を示すグラフである。

【図6】図６は、実施形態の変形例３に係る気液分離器の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（実施形態）
図１に示される実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスを循環させて発電に利用するシステムである。ここでは、燃料ガスとして水素を使用し、酸化剤ガスとして酸素（純酸素）を使用する例について説明する。燃料電池システム１０は、図示の構成例において、水素は水素循環経路１２から供給され、酸素は酸素循環経路１４から供給される構成となっている。このような燃料電池システム１０は、酸化剤ガスとして空気が供給されない環境でも動作できる。なお、燃料電池システム１０は、酸化剤ガスとして空気を取り込み、水素のみを水素循環経路１２で循環させる構成としてもよい。

【0011】

図１に示されるように、燃料電池システム１０は、水素循環経路１２と、酸素循環経路１４と、燃料電池１６と、水素タンク１８と、酸素タンク２０と、第１気液分離器２２と、第１容積調整部２３と、第２気液分離器２４と、第２容積調整部２５と、水タンク２６と、制御装置２８とを主に備える。

【0012】

燃料電池１６は、例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、又はアルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ）である。ここでは、燃料電池１６として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用する例に基づいて説明する。

【0013】

燃料電池１６は、高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ膜電極接合体を有する。膜電極接合体は、セパレータで挟まれて１つの発電セルを構成する。燃料電池１６は、発電セルを数十層～数百層積層した燃料電池スタックを含む。各発電セルのアノードには、水素が供給される。また、各発電セルのカソードには酸素が供給される。燃料電池１６は、水素と酸素との電気化学反応により、発電を行う。燃料電池１６の電力出力端子には、電圧センサ１７が接続されている。電圧センサ１７は、燃料電池１６の発電電圧を検出する。電圧センサ１７の検出値は、制御装置２８に入力される。なお、電圧センサ１７は、制御装置２８に備えられてもよい。

【0014】

燃料電池１６には、水素循環経路１２を通じて水素が供給され、酸素循環経路１４を通じて酸素が供給される。水素循環経路１２は、燃料電池１６から排出された水素を燃料電池１６に再び供給する経路である。水素循環経路１２は、アノード供給路３０と、アノード排出路３２と、アノード環流路３４と、を有する。アノード供給路３０は、燃料電池１６のアノードに水素を供給する流路である。特に限定されないが、アノード供給路３０には、熱交換器３６が配置されてもよい。熱交換器３６は、燃料電池１６に供給される水素の温度を所定温度に維持する。

【0015】

アノード排出路３２は、燃料電池１６のアノードから水素を排出する流路である。アノード排出路３２には、水素と電気化学反応で発生した水とが混合した流体が流れる。アノード排出路３２の末端部には、第１気液分離器２２が接続されている。

【0016】

第１気液分離器２２は、水素と液体状の水とを分離する。第１気液分離器２２は、重力を利用して水素と水とを分離する重力式の分離器であってもよい。また、第１気液分離器２２は、遠心力を利用して水素と水とを分離する遠心式の分離器であってもよい。水素は、第１気液分離器２２のガス回収部３８に集められ、分離された水は第１気液分離器２２の貯水部４０に集められる。

【0017】

ガス回収部３８に集められた水素は、アノード環流路３４を通じて第１気液分離器２２から排出される。一方、貯水部４０に貯留された水は、第１排水路４２を通じて水タンク２６に排水される。第１気液分離器２２の排水は、第１排水弁４４（第１容積調整部２３）によって行われる。

【0018】

第１気液分離器２２の内部の容積は、水素の容積と水の容積との和である。第１気液分離器２２の排水が行われると、水の排水量の分、水素の容積が増加する。すなわち、第１排水弁４４は、第１気液分離器２２の排水を通じて、水素の容積を調整する第１容積調整部２３を構成する。

【0019】

第１気液分離器２２は、水の排出量（水素の容積の増加量）を検出するために、第１水量センサ４８を備えてもよい。第１水量センサ４８の検出値は、制御装置２８の容積制御部２８ｂに入力される。なお、第１水量センサ４８は必須ではなく、第１水量センサ４８の代わりに、第１気液分離器２２の第１排水路４２に流量センサを設けてもよい。

【0020】

アノード環流路３４は、第１気液分離器２２から排出された水素をアノード供給路３０に戻す流路である。アノード環流路３４は、ポンプ５０を有してもよい。ポンプ５０は、水素循環経路１２の内部で水素を循環させる。アノード環流路３４を通過した水素は、アノード供給路３０を通じて燃料電池１６のアノードに供給される。水素循環経路１２には、水素補充路５２を通じて水素タンク１８が接続されている。

【0021】

水素タンク１８は、水素を圧縮状体で貯蔵する。水素タンク１８の水素は、水素補充路５２を通じて水素循環経路１２に供給される。水素補充路５２は、熱交換器３６の上流側のアノード供給路３０に接続される。水素補充路５２には、減圧弁５４が設けられている。減圧弁５４は、水素タンク１８の高圧状態の水素を減圧して水素循環経路１２に供給する。減圧弁５４は、水素循環経路１２の圧力を所定値に維持する。したがって、燃料電池１６による水素の消費にともなって水素循環経路１２の水素の量が減少すると、減圧弁５４は、水素タンク１８の水素を水素循環経路１２に供給して、水素循環経路１２の圧力を一定に維持する。また、第１気液分離器２２の排水が行われた場合にも、減圧弁５４は、水素タンク１８の水素を水素循環経路１２に供給して水素循環経路１２の圧力を一定に維持する。

【0022】

水素循環経路１２には、水素放出路５６と第１パージ弁５８とが接続されている。第１パージ弁５８は、水素放出路５６に設けられている。第１パージ弁５８は、パージ制御部２８ｃの制御によって動作し、水素循環経路１２の水素を外部に排出（パージ）する。

【0023】

酸素循環経路１４は、燃料電池１６から排出された酸素を再び燃料電池１６に供給する経路である。酸素循環経路１４は、カソード供給路６０と、カソード排出路６２と、第２気液分離器２４と、カソード環流路６４と、を有する。カソード供給路６０は、燃料電池１６のカソードに酸素を供給する流路である。カソード供給路６０は、熱交換器６６を有する。燃料電池１６に供給される酸素は、熱交換器６６によって所定温度に維持される。

【0024】

カソード排出路６２は、燃料電池１６から水を含んだ酸素を排出する。カソード排出路６２の下流には第２気液分離器２４が接続されている。第２気液分離器２４は、酸素から水を分離する。第２気液分離器２４で分離された酸素は、カソード環流路６４のポンプ８０を通じてカソード供給路６０に戻される。また、第２気液分離器２４で回収された水は、第２排水路７２を通じて水タンク２６に排水される。

【0025】

第２気液分離器２４は、第１気液分離器２２と同様に構成されており、ガス回収部６８と貯水部７０と、第２水量センサ７８とを有する。第２気液分離器２４は、排水を通じて、内部の酸素の容積を増加させることができる。第２気液分離器２４の排水は、制御装置２８の容積制御部２８ｂで制御された第２排水弁７４によって行われる。すなわち、第２排水弁７４は、酸素循環経路１４の酸素の容積を増減させる第２容積調整部２５を構成する。

【0026】

酸素タンク２０は、酸素補充路８２を通じて酸素循環経路１４に酸素を供給する。酸素補充路８２は、熱交換器６６の上流側のカソード供給路６０に接続される。酸素補充路８２には、減圧弁８４が設けられている。減圧弁８４は、酸素タンク２０の高圧状態の酸素を減圧して酸素循環経路１４に供給する。減圧弁８４は、酸素循環経路１４の圧力を所定値に維持する。すなわち、燃料電池１６による酸素の消費にともなって酸素循環経路１４の酸素の量が減少すると、減圧弁８４は、酸素タンク２０の酸素を酸素循環経路１４に供給し、酸素循環経路１４の圧力を一定に維持する。また、第２気液分離器２４の排水が行われた場合にも、減圧弁８４は、酸素循環経路１４に酸素を供給して酸素循環経路１４の圧力を一定に維持する。

【0027】

酸素循環経路１４には、酸素放出路８６と第２パージ弁８８とが接続されている。第２パージ弁８８は、酸素放出路８６に設けられている。第２パージ弁８８は、制御装置２８のパージ制御部２８ｃの制御によって動作し、酸素循環経路１４の酸素を外部に排出（パージ）する。

【0028】

制御装置２８は、例えば、演算部（処理部）２７と記憶部２９とを有する。演算部２７は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、すなわち、処理回路（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）によって構成され得る。

【0029】

演算部２７は、推定部２８ａと、容積制御部２８ｂと、パージ制御部２８ｃと、を有する。推定部２８ａと、容積制御部２８ｂと、パージ制御部２８ｃとは、記憶部２９に記憶されているプログラムが演算部２７によって実行されることによって実現され得る。

【0030】

推定部２８ａは、水素循環経路１２の水素の容積変化及び酸素循環経路１４の酸素の容積変化による、燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶ（電圧変化）から水素循環経路１２及び酸素循環経路１４の内部の不純物量を推定する。

【0031】

容積制御部２８ｂは、第１水量センサ４８の検出値に基づいて第１排水弁４４を制御して第１気液分離器２２の水を排水することで、第１気液分離器２２の水素（ガス）の容積を所定量増加させる。また、容積制御部２８ｂは、第２水量センサ７８の検出値に基づいて第２排水弁７４を制御して第２気液分離器２４の水を排水することで、第２気液分離器２４の酸素（ガス）の容積を所定量増加させる。

【0032】

パージ制御部２８ｃは、水素循環経路１２及び酸素循環経路１４の内部の不純物量が所定値を超えた場合に、第１パージ弁５８及び第２パージ弁８８を制御して、水素循環経路１２の水素及び酸素循環経路１４の酸素を外部に排出する。

【0033】

なお、推定部２８ａ、容積制御部２８ｂ及びパージ制御部２８ｃの少なくとも一部が、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の集積回路によって実現されるようにしてもよい。また、推定部２８ａ、容積制御部２８ｂ及びパージ制御部２８ｃの少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって構成されるようにしてもよい。

【0034】

記憶部２９は、不図示の揮発性メモリと、不図示の不揮発性メモリとによって構成され得る。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が挙げられ得る。この揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用され、処理又は演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ等が挙げられ得る。この不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用され、プログラム、テーブル、マップ、並びに近似関数及びそのパラメータ等を記憶する。記憶部２９の少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられていてもよい。

【0035】

燃料電池システム１０は、以上のように構成される。以下、燃料電池システム１０における水素循環経路１２及び酸素循環経路１４の不純物量の検出動作について説明する。燃料電池１６は、水素循環経路１２を構成する、燃料電池１６の内部のアノード部分と、アノード供給路３０と、アノード排出路３２と、アノード環流路３４とを含む経路内の不純物量が増加すると電圧（発電電圧）が低下する。また、燃料電池１６は、酸素循環経路１４を構成する、燃料電池１６の内部のカソード部分と、カソード供給路６０と、カソード排出路６２と、カソード環流路６４とを含む経路内の不純物量が増加すると電圧（発電電圧）が低下する。

【0036】

燃料電池１６の電圧は、例えば、上記の水素循環経路１２の不純物量（不純物ガスの容積）の増加によって図３に示されるように低下する。なお、図３は、燃料電池１６の出力電流値を一定とした条件での変化を示す。図示のように、燃料電池１６の電圧は、水素循環経路１２の不純物濃度に応じて変化する。そのため、水素循環経路１２の所定の不純物濃度の変化に対して、燃料電池１６は所定の電圧の変化量ｄＶ（Ｖ）を生じる。また、燃料電池１６の電圧は、上記の酸素循環経路１４の不純物量の増加に対しても、図３と同様に不純物濃度の増加に伴って低下する。燃料電池１６の電圧は、酸素循環経路１４の所定の不純物濃度の変化に対して、所定の電圧の変化量ｄＶ（Ｖ）を生じる。なお、燃料電池１６の電圧は、発電セルの劣化によっても低下するが、劣化が許容範囲内であれば、所定の不純物濃度の変化に対して、燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶ（Ｖ）は所定値をとる。

【0037】

ここで、水素循環経路１２の容積をＶａ（Ｌ）として考える。ここに不純物量（不純物ガスの容積）Ｍ（Ｌ）が蓄積しているとする。このとき、不純物濃度は、Ｄａ＝Ｍ／Ｖａとなる。

【0038】

次に、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１気液分離器２２の排水動作により、水素循環経路１２容積がＶｂに増加する場合を考える。なお、第１気液分離器２２の排水動作は、比較的短い時間で完了するため、実質的に不純物量Ｍは一定と見なせる。

【0039】

図３に示されるように、不純物濃度がＤａからＤｂに減少すると、燃料電池１６の電圧が変化する。電圧の値は、発電セルの劣化や、温度変化によって変化するが、電圧の変化量ｄＶは発電セルの劣化や温度変化の影響を比較的受けにくい。そこで、本実施形態では、電圧の変化量ｄＶに基づいて、不純物量の推定を行う。不純物濃度の変化に伴う燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶは、図３の直線の傾きをｋとし、不純物濃度の変化量を（Ｄａ－Ｄｂ）としたとき、以下の式（１）で表される。
ｄＶ＝ｋ（Ｄｂ－Ｄａ）＝ｋＭ（１／Ｖｂ－１／Ｖａ）
不純物濃度と燃料電池１６の電圧との関係を図３の直線の傾きｋと、排水動作前の容積Ｖａと排水動作後の容積Ｖｂの値を事前に求めておけば、電圧の変化量ｄＶから、不純物量Ｍが求められる。

【0040】

なお上述の関係式は、説明の便宜のために、不純物濃度Ｄに対して燃料電池１６の電圧が直線的に変化することを前提として簡略化したものである。本実施形態はこれに限定されない。不純物量Ｍと、容積Ｖと燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶとの関係を表す近似関数（又はテーブル）ｄＶ＝ｆ（Ｍ，Ｖ）を用いてもよい。この場合には、近似関数ｄＶ＝ｆ（Ｍ，Ｖ）に電圧の変化量ｄＶの測定値と、容積Ｖａ、Ｖｂの値とを代入して不純物量Ｍについて解くことで、不純物量Ｍが求められる。また、不純物濃度Ｄと電圧の変化量ｄＶの関係は、発電セルの劣化によっても変化する場合がある。この場合には、発電セルの劣化量Ｚを変数として含ませた近似関数ｄＶ＝ｆ（Ｍ，Ｖ，Ｚ）（又はテーブル）を用いることで、さらなる精度向上を図ってもよい。

【0041】

以上の説明は、水素循環経路１２を取り上げて説明したが、酸素循環経路１４についても、同じ方法で不純物量Ｍを推定できる。この場合には、酸素循環経路１４について、燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶの関係を表す式（１）のパラメータｋ、Ｖａ、Ｖｂを予め求めておく。そして、第２気液分離器２４の排水動作のタイミングで燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶを測定することで、酸素循環経路１４の不純物量Ｍを求めることができる。なお、酸素循環経路１４の不純物量Ｍの推定は、水素循環経路１２の不純物量Ｍの推定と時間をずらして行うことが好ましい。

【0042】

以下、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。

【0043】

図１に示されるように、燃料電池システム１０は、燃料電池１６のアノードに水素循環経路１２を通じて水素が供給され、燃料電池１６のカソードに酸素循環経路１４を通じて酸素が供給される。燃料電池１６は、水素と酸素とを反応させて電力を発生させる。酸素タンク２０から供給される酸素及び水素タンク１８から供給される水素には、微量ながら不純物が含まれる。長期間に亘って燃料電池１６を運転すると、水素に含まれる不純物が水素循環経路１２に蓄積される。また、酸素に含まれる不純物が、電解質膜を透過して、水素循環経路１２に蓄積される場合もある。同様に、酸素循環経路１４にも不純物が蓄積される。不純物の蓄積に伴って、燃料電池１６の電圧が低下する。

【0044】

不純物の蓄積による燃料電池１６の電圧低下を防ぐために、制御装置２８は、図４に示される不純物量Ｍの推定及びパージ処理を、水素循環経路１２と、酸素循環経路１４とについて、それぞれ行う。以下では、水素循環経路１２を例に不純物量Ｍを推定する処理を説明する。

【0045】

ステップＳ１０において、制御装置２８は、所定の出力電流における燃料電池１６の電圧（発電電圧）が所定値を下回ったか否かを判断する。ステップＳ１０において、燃料電池１６の電圧が所定値以上の場合（ＮＯ）には、制御装置２８は、不純物量Ｍの推定及びパージ処理は不要であると判断して、処理を終了する。一方、ステップＳ１０において、燃料電池１６の電圧が所定値未満の場合には、制御装置２８は、処理をステップＳ２０に進める。

【0046】

ステップＳ２０において、制御装置２８は、第１水量センサ４８の検出値から水素循環経路１２の水素の容積を求める。

【0047】

次に、ステップＳ３０において、制御装置２８の容積制御部２８ｂは、第１排水弁４４を制御して第１気液分離器２２の水を所定量だけ排水させる。これにより、水素循環経路１２の水素の容積が、容積Ｖａから容積Ｖｂに増加する。その後、処理はステップＳ４０に進む。

【0048】

次に、ステップＳ４０において、制御装置２８の推定部２８ａは、電圧センサ１７を通じて燃料電池１６の電圧を取得する。その後、推定部２８ａは、ステップＳ１０で取得した燃料電池１６の電圧と、容積を増加させた後の燃料電池１６の電圧との変化量ｄＶ（絶対値）を求める。

【0049】

次に、ステップＳ５０において、制御装置２８の推定部２８ａは、燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶと、予め求められた傾きｋと、ステップＳ２０で求めた容積Ｖａと、ステップＳ３０で求めた容積Ｖｂの値をｄＶ＝ｋＭ（１／Ｖｂ－１／Ｖａ）の関係式に代入し、Ｍについて解くことで、水素循環経路１２の不純物量Ｍを推定する。なお、ステップＳ５０の不純物量Ｍの推定は、予め求めた燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶと不純物量Ｍと容積Ｖａ、Ｖｂとの関係を表す近似関数を用いて行われてもよい。

【0050】

次に、ステップＳ６０において、制御装置２８は、ステップＳ５０で推定した不純物量Ｍが所定値を越えるか否かを判断する。不純物量Ｍが所定値以下である場合（ＮＯ）には、制御装置２８は、水素のパージは不要であると判断して、処理を終了する。一方、不純物量Ｍが所定値を超える場合（ＹＥＳ）には、制御装置２８は処理をステップＳ７０に進める。

【0051】

ステップＳ７０において、制御装置２８のパージ制御部２８ｃは、第１パージ弁５８を制御して水素循環経路１２の水素を外部に排出（パージ）する。なお、パージ制御部２８ｃは、ステップＳ５０で推定した不純物量Ｍに基づいて、第１パージ弁５８による開放時間又はパージ量を調整してもよい。以上により、水素循環経路１２についての不純物量Ｍの推定及びパージ処理が完了する。

【0052】

なお、酸素循環経路１４に対する不純物量Ｍの推定及びパージ処理は、上記の説明と同様の処理によって行われる。この場合、ステップＳ２０では、制御装置２８は、第２水量センサ７８の検出値から酸素循環経路１４の酸素の容積を求める。ステップＳ３０において、制御装置２８の容積制御部２８ｂは、第２排水弁７４を制御して第２気液分離器２４の水を所定量だけ排水させる。そして、ステップＳ５０において、制御装置２８の推定部２８ａは、燃料電池１６の電圧の変化量ｄＶと、予め求められた傾きｋと、ステップＳ２０で求めた容積Ｖａと、ステップＳ３０で求めた容積Ｖｂの値をｄＶ＝ｋＭ（１／Ｖｂ－１／Ｖａ）の関係式に代入し、Ｍについて解くことで、酸素循環経路１４の不純物量Ｍを推定する。ステップＳ６０で、制御装置２８が酸素循環経路１４の不純物量Ｍが所定値を超えると判断した場合には、ステップＳ７０において、制御装置２８のパージ制御部２８ｃは、第２パージ弁８８を制御して酸素循環経路１４の酸素を外部に排出（パージ）する。

【0053】

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１０は、不純物量Ｍが所定値以下の場合にパージを行わないことで、水素及び酸素の損失を低減できる。また、不純物の影響による燃料電池１６の電圧低下を、他の要因から切り分けて判断できるため、不純物量Ｍの推定値の誤差を抑制できる。

【0054】

（実験例）
本実験例は、図１に示す燃料電池システム１０を実際に動作させた。本実験例では、時間経過に伴う燃料電池１６の電圧変化を測定した。また、図５Ａの時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７、ｔ８において、水素循環経路１２の容積をそれぞれ１０％増加させる操作が行われた。容積を増加させる操作は、第１気液分離器２２の排水によって行われた。また、水素循環経路１２の不純物濃度Ｄを分析装置で測定した。

【0055】

燃料電池１６の電圧は、図５Ａに示されるように、実験開始から、時間に比例して減少する傾向を示した。また、水素循環経路１２の容積を増加させたタイミングで、電圧の変化（上昇）が発生した。

【0056】

次に、水素循環経路１２の容積の増加によって発生した電圧の変化量ｄＶと、不純物濃度Ｄとの関係を求めた。この結果は図５Ｂに示される。図示のように、不純物濃度Ｄの増加に応じて電圧の変化量ｄＶが増加する結果が得られた。この結果から、水素循環経路１２の容積の増加と、電圧の変化量ｄＶとから、不純物量Ｍを推定できることが確認できた。

【0057】

以下、本実施形態の燃料電池システム１０の変形例について説明する。

【0058】

（実施形態の変形例１）
図１の燃料電池システム１０は、酸素循環経路１４を有する場合を例に説明したが、本実施形態はこれに限定されない。燃料電池システム１０は、酸化剤ガスとして大気中から空気を取り込む構成としてもよい。この場合には、酸化剤ガスは循環せずにカソード排出路６２から大気中に排出され、燃料電池システム１０は、酸素循環経路１４を備えない。このような燃料電池システム１０の場合には、水素循環経路１２についてのみ、不純物量Ｍの推定と、水素のパージを行えばよい。

【0059】

（実施形態の変形例２）
図４は、不純物量Ｍの推定と同時にパージを実施する例を示すが、本実施形態はこのような態様に限定されない。制御装置２８は、複数回の不純物量Ｍの推定結果に基づいて、不純物量Ｍが所定値を超える時間を推定し、その時間にパージを行ってもよい。すなわち、制御装置２８のパージ制御部２８ｃは、不純物量Ｍと時間とのデータに基づいて、不純物量Ｍの時間に対する変化を表す近似関数Ｍ＝ｆ（ｔ）を求める。そして、パージ制御部２８ｃは、近似関数Ｍ＝ｆ（ｔ）から不純物量Ｍが所定値を超える時刻を求め、その時刻に水素循環経路１２又は酸素循環経路１４のパージ処理を行う。

【0060】

本変形例は、水素循環経路１２（酸素循環経路１４）のパージのタイミングが、第１気液分離器２２（第２気液分離器２４）の排水のタイミングに制約されないという利点を有する。本変形例は、最適なタイミングでのパージにより、水素及び酸素の損失をさらに抑制できる。

【0061】

（実施形態の変形例３）
図６に示されるように、本変形例は、図１の第１気液分離器２２の別の構成例である。本変形例の第１気液分離器２２Ａは、ガス回収部３８に設けられたピストン９０と、ピストン９０を駆動するアクチュエータ９２とを有する。ピストン９０は、ガス回収部３８の内壁に沿って移動し、ガス回収部３８の容積を減少又は増加させる。アクチュエータ９２は、容積制御部２８ｂ（図１参照）によって制御されることで、ピストン９０の位置を変化させる。なお、本変形例の第１気液分離器２２Ａは、ピストン９０に代えて蛇腹状の壁を有し、アクチュエータ９２で蛇腹を伸縮させることで、容積を減少又は増加させてもよい。

【0062】

本変形例では、第１気液分離器２２の排水に変えて、第１気液分離器２２Ａのアクチュエータ９２の動作により、水素循環経路１２の水素の容積を増加させることができる。本変形例の第１気液分離器２２Ａは、第１気液分離器２２Ａに十分な量の水が貯留されていない場合であっても、水素循環経路１２の水素の容積を増加させることができる。なお、本変形例は、第２気液分離器２４（図１参照）にも同様に適用できる。

【0063】

（実施形態の変形例４）
図１の例では、容積制御部２８ｂは、第１気液分離器２２及び第２気液分離器２４のガスの容積を変化させたが、本実施形態はこれに限定されない。本変形例では、容積制御部２８ｂは、第１気液分離器２２及び第２気液分離器２４と別に設けられたシリンダと、ピストンと、ピストンを駆動するアクチュエータと、で構成されてよい。

【0064】

（実施形態の変形例５）
本変形例は、図１の燃料電池システム１０を、水電解システムと組み合わせて、再生型燃料電池システムを構成する例について説明する。再生型燃料電池システムは、燃料電池システム１０の発電で生じた水を、水電解システムを利用して水素と酸素とを発生させ、再び燃料電池システム１０の発電に利用するシステムである。このような、再生型燃料電池システムは、例えば、太陽光発電システムや風力発電システム等の発電システムで発生した余剰電力の貯蔵に好適に用いられる。

【0065】

再生型燃料電池システムの水電解システムは、電気化学的に水を電気分解する水電解スタックと、電気化学的に水素を昇圧する水素昇圧スタックとを備える。水電解スタックは、例えば、アニオン（例えばＯＨ^-イオン）輸送型の電解質膜を備えた水電解セルを備える。なお、水電解スタックは、プロトン輸送型の電解質膜を備えた水電解セルを備えてもよい。上述の水電解スタックは、水タンク２６から供給された水を電気分解して、酸素と水素を発生させる。水電解スタックは、酸素タンク２０に接続されており、酸素タンク２０に高圧の酸素を供給する。

【0066】

また、水電解スタックで発生した水素は、水素昇圧スタックに供給される。水素昇圧スタックは、プロトン輸送型の電解質膜を有し、電気化学的に水素を昇圧して水素タンク１８に高圧の水素を供給する。

【0067】

上述の再生型燃料電池システムは、水電解システムと燃料電池システム１０との間で水素と酸素が循環し、繰り返し使用される。そのため、再生型燃料電池システムに使用される燃料電池システム１０の水素循環経路１２及び酸素循環経路１４には、不純物が蓄積されやすい傾向がある。さらに、水電解スタックでは、微量ながら一酸化炭素や二酸化炭素が発生する。水電解スタックで発生した一酸化炭素や二酸化炭素は、水素循環経路１２及び酸素循環経路１４に蓄積されやすい。

【0068】

図１の燃料電池システム１０は、上述のようにして水素循環経路１２及び酸素循環経路１４に蓄積された不純物をパージ処理によって排出できるため、再生型燃料電池システムに適用した場合に、再生型燃料電池システムの発電性能を長期間に亘って維持できるという利点がある。

【0069】

以上の開示は、以下のようにまとめられる。

【0070】

一観点は、燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給するガス循環経路と、前記ガス循環経路の前記ガスの容積を増減させる容積調整部と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記容積調整部を制御して前記ガスの容積を増加させる容積制御部と、前記ガスの容積の増加による前記燃料電池の電圧変化から、前記ガスの不純物量を推定する推定部と、を備える、燃料電池システムにある。

【0071】

上述の燃料電池システムは、ガスの容積を増加させることで、ガス中の不純物濃度を減少させ、その結果生じる燃料電池の電圧の変化量から不純物量を推定できる。そのため、燃料電池システムは、運転中に正確に不純物量を求めることができ、不要なパージを減らすことで、ガスの損失を抑制できる。

【0072】

上述の燃料電池システムであって、前記ガス循環経路は、排出された前記ガスから水を除去する気液分離器を有し、前記容積調整部は、前記気液分離器の内部の前記ガスの容積を調整してもよい。この燃料電池システムは、気液分離部をガス循環経路の容積の調整に用いるため、装置を小型化及び簡素化できる。

【0073】

上述の燃料電池システムであって、前記容積調整部は、前記気液分離器の水を排水する排水弁を有し、前記容積制御部は、前記排水弁を制御して、前記ガスの容積を増加させてもよい。この燃料電池システムは、構造的な改変を行わずに、ガス循環経路の容積の調整機能を実現できるため、装置を簡素化及び低コスト化できる。

【0074】

上述の燃料電池システムであって、前記容積調整部は、前記気液分離器の容積を変動させるピストンと前記ピストンを駆動するアクチュエータとを有し、前記容積制御部は、前記アクチュエータを制御して、前記ガスの容積を増加させてもよい。この燃料電池システムは、気液分離器の水量に関係なく、十分な量の容積変化を発生させることができるため、不純物量の推定を行う機会を増やすことができる。

【0075】

上述の燃料電池システムであって、前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出するパージ弁と、前記ガスの不純物量が所定値を越えた場合に前記パージ弁を制御して前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出させるパージ制御部と、を有してもよい。この燃料電池システムは、無駄なパージを減らすことで、水素の損失量を抑制できる。

【0076】

上述の燃料電池システムであって、前記パージ制御部は、前記ガスの不純物量に基づいて前記ガスのパージ量を調整してもよい。この燃料電池システムは、パージ量の抑制により、ガスの損失を抑制できる。

【0077】

上述の燃料電池システムであって、前記ガスは水素ガスでもよい。また、上述の燃料電池システムであって、前記ガスは酸素ガスでもよい。

【0078】

上述の燃料電池システムであって、前記ガス循環経路は、前記燃料電池のカソード及びアノードにそれぞれ設けられ、前記容積制御部は、前記カソードの前記ガス循環経路及び前記アノードの前記ガス循環経路の容積を異なる時間に増加させ、前記推定部は、前記アノードの前記ガス循環経路に含まれる不純物量と前記カソードの前記ガス循環経路に含まれる不純物量とをそれぞれ推定してもよい。この燃料電池システムは、アノードの循環経路に含まれる不純物量と、カソードの循環経路に含まれる不純物量と、をまとめて推定できるため、処理を迅速化できる。

【0079】

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0080】

１０…燃料電池システム １２…水素循環経路（ガス循環経路）
１４…酸素循環経路（ガス循環経路） １６…燃料電池
２２…第１気液分離器 ２４…第２気液分離器
２８…制御装置 ４６…容積調整部
５８…第１パージ弁 ８８…第２パージ弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2023-10-05

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

以下の開示の一観点は、燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給するガス循環経路と、前記ガス循環経路の前記ガスの容積を増減させる容積調整部と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記容積調整部を制御して前記ガスの容積を増加させる容積制御部と、前記ガスの容積の増加による前記燃料電池の電圧変化から、前記ガスの不純物量又は不純物濃度を推定する推定部と、を備える、燃料電池システムにある。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0053】

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１０は、不純物量Ｍが所定値以下の場合にパージを行わないことで、水素及び酸素の損失を低減できる。また、不純物の影響による燃料電池１６の電圧低下を、他の要因から切り分けて判断できるため、不純物量Ｍの推定値の誤差を抑制できる。なお、上記の方法において、不純物量Ｍを循環経路の容積Ｖで除した不純物濃度Ｄで、不純物量Ｍを置き換えても同様の結果が得られることは、自明なこととして理解されるであろう。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0070】

一観点は、燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給するガス循環経路と、前記ガス循環経路の前記ガスの容積を増減させる容積調整部と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、前記容積調整部を制御して前記ガスの容積を増加させる容積制御部と、前記ガスの容積の増加による前記燃料電池の電圧変化から、前記ガスの不純物量又は不純物濃度を推定する推定部と、を備える、燃料電池システムにある。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0071】

上述の燃料電池システムは、ガスの容積を増加させることで、ガス中の不純物濃度を減少させ、その結果生じる燃料電池の電圧の変化量から不純物量又は不純物濃度を推定できる。そのため、燃料電池システムは、運転中に正確に不純物量又は不純物濃度を求めることができ、不要なパージを減らすことで、ガスの損失を抑制できる。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0074】

上述の燃料電池システムであって、前記容積調整部は、前記気液分離器の容積を変動させるピストンと前記ピストンを駆動するアクチュエータとを有し、前記容積制御部は、前記アクチュエータを制御して、前記ガスの容積を増加させてもよい。この燃料電池システムは、気液分離器の水量に関係なく、十分な量の容積変化を発生させることができるため、不純物量又は不純物濃度の推定を行う機会を増やすことができる。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0075】

上述の燃料電池システムであって、前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出するパージ弁と、前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度が所定値を越えた場合に前記パージ弁を制御して前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出させるパージ制御部と、を有してもよい。この燃料電池システムは、無駄なパージを減らすことで、ガスの損失量を抑制できる。

【手続補正7】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0076】

上述の燃料電池システムであって、前記パージ制御部は、前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度に基づいて前記ガスのパージ量を調整してもよい。この燃料電池システムは、パージ量の抑制により、ガスの損失を抑制できる。

【手続補正8】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0078】

上述の燃料電池システムであって、前記ガス循環経路は、前記燃料電池のカソード及びアノードにそれぞれ設けられ、前記容積制御部は、前記カソードの前記ガス循環経路及び前記アノードの前記ガス循環経路の容積を異なる時間に増加させ、前記推定部は、前記アノードの前記ガス循環経路に含まれる前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度と前記カソードの前記ガス循環経路に含まれる前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度とをそれぞれ推定してもよい。この燃料電池システムは、アノードの循環経路に含まれるガスの不純物量又は不純物濃度と、カソードの循環経路に含まれるガスの不純物量又は不純物濃度と、をまとめて推定できるため、処理を迅速化できる。

【手続補正9】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池から排出されたガスを再び前記燃料電池に供給するガス循環経路と、
前記ガス循環経路の前記ガスの容積を増減させる容積調整部と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、
前記容積調整部を制御して前記ガスの容積を増加させる容積制御部と、
前記ガスの容積の増加による前記燃料電池の電圧変化から、前記ガスの不純物量又は不純物濃度を推定する推定部と、
を備える、燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス循環経路は、排出された前記ガスから水を除去する気液分離器を有し、
前記容積調整部は、前記気液分離器の内部の前記ガスの容積を調整する、燃料電池システム。

【請求項3】

請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記容積調整部は、前記気液分離器の水を排水する排水弁を有し、
前記容積制御部は、前記排水弁を制御して、前記ガスの容積を増加させる、燃料電池システム。

【請求項4】

請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記容積調整部は、前記気液分離器の容積を変動させるピストンと前記ピストンを駆動するアクチュエータとを有し、
前記容積制御部は、前記アクチュエータを制御して、前記ガスの容積を増加させる、燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出するパージ弁と、
前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度が所定値を越えた場合に前記パージ弁を制御して前記ガス循環経路の前記ガスを外部に排出させるパージ制御部と、を有する、燃料電池システム。

【請求項6】

請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記パージ制御部は、前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度に基づいて前記ガスのパージ量を調整する、燃料電池システム。

【請求項7】

請求項１記載の燃料電池システムであって、前記ガスは水素ガスである、燃料電池システム。

【請求項8】

請求項１記載の燃料電池システムであって、前記ガスは酸素ガスである、燃料電池システム。

【請求項9】

請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス循環経路は、前記燃料電池のカソード及びアノードにそれぞれ設けられ、
前記容積制御部は、前記カソードの前記ガス循環経路及び前記アノードの前記ガス循環経路の容積を異なる時間に増加させ、
前記推定部は、前記アノードの前記ガス循環経路に含まれる前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度と前記カソードの前記ガス循環経路に含まれる前記ガスの前記不純物量又は前記不純物濃度とをそれぞれ推定する、燃料電池システム。