(57)【要約】  水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図る。  水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニット１１と、このセルユニット１１から排出された排水素含有ガスを、そのセルユニット１１に還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、上記セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段Ｃ１と、そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段Ｃ２とを有している。
2012036143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
上記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、
そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
所定の流量は、上記排水素含有ガスがセルユニットに還流されない流量であ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。
【請求項３】
水素含有ガスをセルユニットに送給するための供給源を有するとともに、
上記供給源からセルユニットに到る送給路に、送給される水素含有ガスの圧力を増減調整するための調圧部が配設されており、
ガス送給圧力変動手段は、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を上記調圧部を介して増減変動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
上記還流手段を介してセルユニットに還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する還流流量推定手段と、
推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいか否かを判定する還流流量判定手段と、
推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいと判定したときには、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
還流流量推定手段は、負荷、圧力及び温度に基づいて、還流流量を推定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。
【請求項６】
セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路が配設されているとともに、
その還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、遮断弁を介して還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するガス遮断手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスの逆流を防止するための逆止弁を配設していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁とを有するとともに、
セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段を設けていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路と、この還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
セルユニットの温度を測定するための温度センサを配設しているとともに、
上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、遮断弁によって還流を停止する還流停止手段を設けたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁と、セルユニットの温度を測定するための温度センサとを配設しているとともに、
上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段とを設けていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば固体高分子型セルを用いたセルユニットを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムとして、燃料循環式燃料電池システムとした名称において、特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された従来の燃料循環式燃料電池システムは、燃料である水素ガスと酸化剤である空気とが供給されて発電を行う燃料電池と、この燃料電池に上記水素ガスを供給するための燃料供給流路と、上記燃料電池から排出された未反応の燃料である排水素含有ガスを上記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ、上記水素ガスを循環させるための燃料循環流路と、上記排水素含有ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、上記水素ガスが流れる際に発生する負圧を利用して上記排水素含有ガスを吸入して、前記水素ガスに合流させるエゼクタとを備えたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３‐１５１５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示された燃料循環式燃料電池システムは、発電に必要な水素ガスの供給量が少ないときには、エゼクタノズル部における流速が減少し、これに伴ってベルヌーイ効果が小さくなって、排水素含有ガスが十分に循環できないことに着目し、水素ガスの供給が少ない低負荷状態においては、排水素含有ガスを取り込んで送出するための燃料ポンプを設けたものである。【０００５】
しかしながら、上記構成においては燃料ポンプを設けることに加えて、その燃料ポンプの制御を行なわなければならず、システムが複雑化するとともに小型化を図ることが難しい。【０００６】
そこで本発明は、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる燃料電池システムの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、上記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有している。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時の動作を示すフローチャートである。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。
【図３】（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】（Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
【図７】同上の第五の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１の概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１の起動時における動作を示すフローチャートである。
【００１１】
なお、図１及び以下に示す図３，５，６においては、水素含有ガスと酸素含有ガスのうち、水素含有ガスの流通系統についてのみ図示し、酸素含有ガスの流通系統についての図示を省略することにより簡略化している。
【００１２】
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、セルスタック１０の他、燃料タンク２０、調圧弁２１、エゼクタ２２、圧力センサ２３、温度センサ２８、窒素パージ弁２４、セパレートタンク３０、排水弁３１等とともに、コントロールユニットＣを有して構成されている。
【００１３】
セルスタック１０は、複数のセルユニット１１…を互いに間隙をもって重合してなるものであり、それら各セルユニット１１…内外に、水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行うようにしたものである。
本実施形態においては、「水素含有ガス」として「水素ガス」、また、「酸素含有ガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
【００１４】
セルユニット１１…は、アノードとカソードとを電解質の両側に配設した固体高分子型セルをセパレータ間に（いずれも図示しない）収容したものである。
【００１５】
燃料タンク２０は、セルスタック１０に送給するための所要量の水素ガスを貯蔵するものであり、その燃料タンク２０とセルスタック１０の受入部との間に送給パイプ２０ａが連結されている。
【００１６】
上記した調圧弁２１は、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を無段階に増減調整する機能を有するものであり、送給パイプ２０ａの中間部位に配設されているとともに、詳細を後述するコントロールユニットＣの出力側に接続されて、圧力を増減制御されるようにしている。
【００１７】
本実施形態においては、調圧弁２１が、水素ガスの供給源である燃料タンク２０からセルスタック１０の受入部、従ってまた、各セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を増減調整するための調圧部である。このような調圧部を設けることにより、アノードに送給される水素ガスの圧力を容易に増減調整できる。
【００１８】
セルスタック１０の排出部には、排出パイプ１０ａを介して後述するセパレートタンク３０が接続されているとともに、そのセパレータタンク３０とエゼクタ２２との間には還流路である還流パイプ３０ａが接続されている。
すなわち、セルスタック１０のアノードから排出される排水素含有ガスを、エゼクタ２２を介してセルスタック１０に還流させられるようにしている。
【００１９】
上記エゼクタ２２は、送給パイプ２０ａであって調圧弁２１の下流側に配置されている。
このエゼクタ２２は、送給パイプ２０ａを流通する水素ガスによる巻き込み作用により、セルスタック１０から排出された排水素含有ガスを、還流パイプ３０ａを通じてアノードに還流させる機能を有するものである。
なお、還流手段としてのエゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  ｂｌｏｗｅｒ、水素循環ポンプの略称、以下、「ＨＲＢ」とする）を設けて、エゼクタ２２の代わりに三方管を設けて還流手段としてもよい。
すなわち、エゼクタ２２のみが還流手段となり、また、ＨＲＢと三方管を合わせて還流手段ともなる。さらに、エゼクタ２２を設けるとともに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた構成にした還流手段としてもよい。
【００２０】
圧力センサ２３は、エゼクタ２２から排出された水素ガスの圧力を測定するものであり、送給パイプ２０ａであって上記エゼクタ２２の下流側に配置しているとともに、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
温度センサ２８は、セルスタック１０、従ってまた、セルユニット１１の温度を測定するためのものであり、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
【００２１】
セパレートタンク３０は、アノードから排出された排水素含有ガスに含まれる水ｗを分離して貯留するようになっており、セパレートタンク３０内に貯留した水ｗは、排水弁３１を通じて外部に排出されるようにしている。
なお、排水弁３１は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜に開閉制御されるようになっている。
窒素パージ弁２４は、セパレートタンク３０に滞留する窒素ガスを排出するためのものであり、コントロールユニットＣの出力側に接続されて開閉制御されるようになっている。
【００２２】
コントローラＣは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
（１）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する機能。この機能を「流量判定手段Ｃ１」という。
「流量が所定の流量より小さいか否かの判定」は、例えば最高出力の１０％以下の低負荷であるか否かによる。なお、最高出力の要求値で設計した一般的なエゼクタでは、１０％以下の低負荷（低流量域では還流できない）であることを実験的に確認している。
すなわち、「所定の流量」は、排水素含有ガスがセルユニット１１に還流されない流量である。換言すると、排水素含有ガスを還流パイプ３０ａを通じてセルユニット１１に還流させられない水素ガスの流量のことである。
【００２３】
（２）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させる機能。この機能を「ガス送給圧力変動手段Ｃ２」という。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁２１を介して、セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させているが、必ずしも間歇的でなくともよい。
なお、水素ガスの流量が所定の流量を超えるときには、その水素ガスの圧力を一定にした送給を行なわせている。
【００２４】
「間歇的に」とは、等間隔の他、不規則な間隔を含むものである。
また、圧力の増減変動の値は、固体高分子型セル中の不純物を排出できるように設定する。具体的には、水を排出させられる比較的高い圧力の値と、窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力の値との二つの値にすることができる。
【００２５】
例えば、通常の圧力変動を窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力値に設定し、その圧力変動を所定数繰り返した後に、水を排出させられる比較的高い圧力の値での圧力変動を行なうようにしてもよい。
【００２６】
すなわち、排水素含有ガスを還流させられない場合には、アノード圧を間歇的に増減変動させることにより、固体高分子型セル中の不純物（水、窒素等）を排出させている。これにより、その固体高分子型セルのアノード上流から下流までの水素ガス濃度を全体的に向上させることができ、これにより安定した発電を行わせることができる。
【００２７】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ１の起動時の動作について、図１（Ｂ）を参照して説明する。
ステップ１：図１（Ｂ）においては、「Ｓａ１」と略記する。以下、同様。
燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させてアノードに送給する。
【００２８】
ステップ２：負荷が所要値よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ１に戻る。
ステップ３：アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ２に戻る。
【００２９】
次に、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図１（Ａ）とともに図２を参照して説明する。図２は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２の起動時における動作を示すフローチャートである。
【００３０】
燃料電池システムＡ２のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したものと同等のものであるので、ここでは、相違点について説明する。
【００３１】
燃料電池システムＡ２は、上記した流量判定手段に替えて、後述する還流流量推定手段Ｃ３とともに、還流流量判定手段Ｃ４を設けた点が上記した燃料電池システムＡ１と相違している。
すなわち、本実施形態におけるコントローラＣは、所要のプログラムの実行により、還流流量推定手段Ｃ３と還流流量判定手段Ｃ４の各機能を発揮する。
【００３２】
（３）エゼクタ２２を介してセルユニット１１に還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する機能。この機能を「還流流量推定手段Ｃ３」という。
「温度」は、セルスタック１０の所要位置に配設した温度センサ２８によって測定している。
【００３３】
換言すると、窒素濃度は、温度・圧力・負荷とそれらのパラメータに応じた開度の窒素パージ弁２４から推定することができる。本実施形態においては、ある窒素濃度にするために窒素パージ弁２４の開度をコントロールしている。
すなわち、温度・圧力・負荷とそれらのパラメータに応じて窒素パージ弁２４を開閉する機能をコントロールユニットＣが有している。この機能を「窒素濃度調整手段」という。
【００３４】
負荷と温度から、一次流（燃料タンク２０からセルスタック１０に供給する水素ガス）の流速が求まるので、排水素含有ガスの体積流量を求めることができる。体積流量が求められれば、そのときの窒素濃度、水蒸気濃度から還流される排水素含有ガスの質量流量を算出することができる。また、水蒸気濃度は温度から推定することができる。
【００３５】
（４）推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいか否かを判定する機能。この機能を「還流流量判定手段Ｃ４」という。
この場合、推定した還流流量が所定の流量より小さいと判定したとき、ガス送給圧力変動手段Ｃ２は、アノードに送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させるようにしている。
なお、「所定の流量」については上記したとおりである。
【００３６】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ２の動作について、図２を参照して説明する。
ステップ１：図２においては、「Ｓｂ１」と略記する。以下、同様。
上述したようにして、アノードから排出される排水素含有ガスの還流流量を推定する。
【００３７】
ステップ２：排水素含有ガスの還流流量が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、排水素含有ガスの還流流量が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ４に進む。
ステップ３：アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ２に戻る。
ステップ４：燃料タンク２０から送給される水素ガスを間歇的にアノードに圧送して、ステップ１に戻る。
【００３８】
上記した実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・燃料電池システムＡ１において説明した負荷のみで判定する場合に比べて、より好ましい条件においてエゼクタ２２を使用することができる。
また、エゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けて還流手段とした場合やエゼクタ２２を設けるとともに還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けて還流手段とした場合にも同様である。
【００３９】
・間歇運転時は、アノードに作用する圧力がカソードに作用する圧力より平均的に高くなってしまい、カソードへの水素透過量が多くなり燃費が悪化してしまうが、エゼクタ２２をより好適に使うことにより、圧力を不必要に上げなくてよいので燃費を向上させることができる。
【００４０】
次に、発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムについて、図３（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図３（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その第三の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。
【００４１】
第三の実施形態に係る燃料電池システムＡ３のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したものに、遮断弁２５を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
なお、この実施形態においてもエゼクタ２２の代わりに、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けるとともにエゼクタ２２の代わりに三方管を設けてもよい。勿論、エゼクタ２２を設けるとともに還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた構成にした還流手段としてもよい。
【００４２】
遮断弁２５は還流パイプ３０ａを流通する排水素含有ガスを遮断するための所謂オン‐オフバルブであり、その還流パイプ３０ａに配設されている。
本実施形態においては、遮断弁２５が、排水素ガス（排水素含有ガス）のセルユニット１１への逆流を防止するための流通制御部である。この流通制御部は後述するように温度に応じて還流を実施、又は停止するためのものである。
【００４３】
すなわち、間歇運転の昇圧時に還流パイプ３０ａ側に圧力がかかり、排水素含有ガスがセルスタック１０に逆流することを防止するようにしたものであり、このような遮断弁２５を還流パイプ３０ａに配設することにより、より安定した発電を行なうことができる。
【００４４】
すなわち、本実施形態においてはコントロールユニットＣが次の機能を有している。
（５）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、遮断弁２５を介して還流路３０ａを流通する排水素含有ガスを遮断する機能。この機能を「ガス遮断手段Ｃ５」という。
【００４５】
（６）温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定する機能。この機能を「セル温度判定手段Ｃ６」という。
【００４６】
「氷点温度を含む所定の温度領域」は、カソードからの窒素透過量が増大して、デッドエンド運転が困難になり、かつ、エゼクタ２２の温度がセンサー類の誤差やエゼクタ２２の熱容量を加味しても、アイシングを起こさない上限温度である２０℃程度以下の温度領域である。
また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた場合でも、アイシングを起こさない上限温度である２０℃程度以下の温度領域である。
【００４７】
「アイシング」とは、セルスタック１０からの還流中の水蒸気が燃料タンク２０からの氷点下の供給水素で冷却され、エゼクタノズル部で凍結、閉塞させることである。
【００４８】
また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けた場合でも、「アイシング」とは、セルスタック１０からの還流中の水蒸気が燃料タンク２０からの氷点下の供給水素で冷却され、三方管で凍結、閉塞させることである。
【００４９】
（７）検出したセルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定したときには、流通制御部２５を介して水蒸気の還流を停止する機能。この機能を「還流停止手段Ｃ７」という。
【００５０】
なお、「氷点温度を含む所定の温度領域」は、上記したとおりである。
すなわち、本実施形態においては、流量判定手段Ｃ１、ガス送給圧力変動手段Ｃ２とともにガス遮断手段Ｃ５、セル温度判定手段Ｃ６、還流停止手段Ｃ７を有しているのである。
【００５１】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ３の動作について、図３（Ｂ）をも参照して説明する。
ステップ１：図３（Ｂ）においては、「Ｓｃ１」と略記する。以下、同様。
遮断弁２５を閉じ、かつ、燃料タンク２０から送給される水素ガスを間歇的にアノードに圧送する。
【００５２】
ステップ２：負荷が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定の流量よりも大きいと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ１に戻る。
ステップ３：遮断弁２５を開くとともに、アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ２に戻る。
【００５３】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ３の起動時における温度検知に基づく他例に係る動作について、図４を参照して説明する。図４は、燃料電池システムＡ３の起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
本実施形態における他例に係る動作は、温度検知に基づく動作である。
「温度検知」は、セルスタック１０の所要位置に配設した上記温度センサ２８によって検知したものである。
【００５４】
ステップ１：図４においては、「Ｓｄ１」と略記する。以下、同様。
セルスタック１０の温度を検知する。
ステップ２：セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か）を判定し、当該温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ３に進む。
【００５５】
ステップ３：遮断弁２５を開駆動させて、エゼクタ２２を介して排水素ガスを還流させる。
ステップ４：遮断弁２５を閉駆動させて、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する（還流を停止する）。
また、低温では膜のＮ２透過が非常に少ない領域では圧力の増減変動をさせなくてもよい。なお、「圧力の増減変動」には、脈動しない態様も含む。
【００５６】
本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・氷点下時の水蒸気の還流を停止し、エゼクタにおけるアイシングを防ぐことができる。
・低温時は窒素透過量が少ないので、デッドエンド運転をより容易に行なうことができる。また、氷点下でなくても、温度センサの配置によっては、エゼクタが氷点以下の場合があり、この場合にもアイシングを有効に防止することができる。
【００５７】
次に、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４の概略構成を示す説明図である。
【００５８】
第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したものに、逆止弁２６を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
【００５９】
逆止弁２６は、間歇運転の昇圧時に還流パイプ３０ａ側に圧力がかかって、排水素含有ガスがセルスタック１０に逆流するのを防止するためのものであり、上記還流パイプ３０ａに配設されている。このような逆止弁２６を配設することにより、より安定した発電を行なうことができる。
【００６０】
すなわち、本実施形態においては、逆止弁２６によって還流路３０ａを流通する排水素含有ガスの逆流を防ぐことによって、排水素含有ガスがセルスタック１０に逆流することを防止している。
【００６１】
次に、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムについて、図６（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図６（Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムＡ５の概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
【００６２】
第五の実施形態に係る燃料電池システムＡ５のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したものに、迂回路２７ａと三方弁２７を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
【００６３】
三方弁２７は、送給パイプ２０ａに配設したエゼクタ２２の上流側に設けられており、これとエゼクタ２２の下流側の送給パイプ２０ａ間に迂回路であるパイパスパイプ２７ａが配設されている。
【００６４】
なお、この実施形態においてもエゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けるとともに三方管を還流手段として設けてもよい。勿論、エゼクタ２２を設けるとともに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた構成にした還流手段としてもよい。
この三方弁２７は、コントロールユニットＣの出力側に接続され、適宜切り替え制御されるようになっている。
【００６５】
すなわち、本実施形態においてはコントロールユニットＣが次の機能を有している。
（８）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、三方弁２７を介してセルユニット１１に向けて送給される水素含有ガスを迂回路２７ａに切り替え送給する機能。この機能を「迂回送給手段Ｃ８」という。
【００６６】
すなわち、本実施形態においては、流量判定手段Ｃ１、ガス送給圧力変動手段Ｃ２とともに、迂回送給手段Ｃ８を有しているのである。
これにより、間歇運転の時には、エゼクタ２２をバイパスさせて、そのエゼクタ２２の圧損を回避することができ、より安定した間歇運転を行なうことができるようにしている。
【００６７】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ５の動作について、図６（Ｂ）をも参照して説明する。
ステップ１：図６（Ｂ）においては、「Ｓｅ１」と略記する。以下、同様。
水素ガスをパイパスパイプ２７ａに流通させるように三方弁２７を切り替えるとともに、水素ガスを間歇的にアノードに送給する。
【００６８】
ステップ２：負荷が所要の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷が所要値よりも大きいと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ１に戻る。
【００６９】
ステップ３：水素ガスをエゼクタ２２に流通させるように三方弁２７を切り替えて、アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させて、ステップ２に戻る。
【００７０】
本実施形態においては、コントロールユニットＣに次の機能を発揮させるようにしてもよい。
（９）上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定する機能。この機能を「セル温度判定手段Ｃ９」という。
「氷点温度を含む所定の温度領域」等の定義については、上述したとおりである。
【００７１】
（１０）セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する機能。この機能を「迂回送給手段Ｃ１０」という。
これにより、間歇運転の時には、エゼクタ２２をバイパスさせて、そのエゼクタ２２の圧損を回避することができ、より安定した間歇運転を行なうことができるようにしている。
【００７２】
上記した構成からなる燃料電池システムＡ５の起動時における他例に係る動作について、図７を参照して説明する。図７は、燃料電池システムＡ５の起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
【００７３】
本実施形態における他例に係る動作は、温度検知に基づく動作である。
「温度検知」は、セルスタック１０の所要位置に配設した温度センサ２８によって検知したものである。
【００７４】
ステップ１：図７においては、「Ｓｆ１」と略記する。以下、同様。
セルスタック１０、従ってまた、セルユニット１１の温度を検知する。
ステップ２：セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か）を判定し、セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ３に進む。
【００７５】
ステップ３：三方弁２７をエゼクタ２２側に切り替えてステップ１に戻る。
ステップ４：三方弁２７をパイパスパイプ２７ａ側に切り替えるとともに、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する（還流を停止する）。
また、低温では膜のＮ２透過が非常に少ない領域では圧力の増減変動をさせなくてもよい。なお、「圧力の増減変動」には、脈動しない態様も含む。
なお、図７においては、「水素ガスの圧力を間歇的に増減変動」させることを、「非循環デッドエンド運転」と記している。
【００７６】
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記した温度センサは、セルユニットの温度を測定するように配設したものを例示したが、その形態に限らず、上記セルユニットの温度を測定する温度センサとは別に、例えばエゼクタの温度を測定するための温度センサを配設してもよい。
【００７７】
以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それを任意に組み合わせることができるものである。
【符号の説明】
【００７８】
１１    セルユニット
２１    調圧部（調圧弁）
２２    エゼクタ
２５    遮断弁
２６    逆止弁
２７    三方弁
３０ａ  還流路（還流パイプ）
Ｃ１    流量判定手段
Ｃ２    ガス送給圧力変動手段
Ｃ３    還流流量推定手段
Ｃ４    還流流量判定手段
Ｃ５    ガス遮断手段
Ｃ６    迂回送給手段
Ｃ７    還流停止手段
Ｃ８    迂回送給手段
Ｃ９    セル温度判定手段
Ｃ１０  迂回送給手段
【図１】
2012036143.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年4月2日(2012.4.2)
【手続補正１】
【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】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
上記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、
そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を間歇的に増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
所定の流量は、上記排水素含有ガスがセルユニットに還流されない流量であ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。
【請求項３】
水素含有ガスをセルユニットに送給するための供給源を有するとともに、
上記供給源からセルユニットに到る送給路に、送給される水素含有ガスの圧力を増減調整するための調圧部が配設されており、
ガス送給圧力変動手段は、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を上記調圧部を介して間歇的に増減変動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
上記還流手段を介してセルユニットに還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する還流流量推定手段と、
推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいか否かを判定する還流流量判定手段と、
推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいと判定したときには、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を間歇的に増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
還流流量推定手段は、負荷、圧力及び温度に基づいて、還流流量を推定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。
【請求項６】
セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路が配設されているとともに、
その還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、遮断弁を介して還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するガス遮断手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスの逆流を防止するための逆止弁を配設していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁とを有するとともに、
セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段を設けていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路と、この還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
セルユニットの温度を測定するための温度センサを配設しているとともに、
上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、遮断弁によって還流を停止する還流停止手段を設けたことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁と、セルユニットの温度を測定するための温度センサとを配設しているとともに、
上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段とを設けていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
［０００５］
しかしながら、上記構成においては燃料ポンプを設けることに加えて、その燃料ポンプの制御を行なわなければならず、システムが複雑化するとともに小型化を図ることが難しい。
［０００６］
そこで本発明は、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる燃料電池システムの提供を目的としている。
課題を解決するための手段
［０００７］
上記課題を解決するための本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、上記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段と、そのセルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量よりも少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を間歇的に増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有している。
発明の効果
［０００８］
本発明によれば、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる。
また、排水素含有ガスを還流させられない場合には、アノード圧を間歇的に増減変動させることにより、固体高分子型セル中の不純物（水、窒素等）を排出させている。これにより、その固体高分子型セルのアノード上流から下流までの水素ガス濃度を全体的に向上させることができ、これにより安定した発電を行わせることができる。
図面の簡単な説明
［０００９］
［図１］（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時の動作を示すフローチャートである。
［図２］本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。
［図３］（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
【国際調査報告】
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