(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、発電効率の低下を抑制すること。【解決手段】燃料電池システムであって、燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出マニホールドと、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールドと、を有する燃料電池と、燃料オフガス排出マニホールドと酸化ガス供給マニホールドとを連結するバイパス流路と、バイパス流路上に設けられ、バイパス流路中のガスの流れを遮断可能なバイパス遮断弁と、燃料電池の掃気処理時において、パイパス遮断弁を開弁する制御部と、を備える。【選択図】図２
2010113960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出マニホールドと、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールドと、を有する燃料電池と、
前記燃料オフガス排出マニホールドと前記酸化ガス供給マニホールドとを連結するバイパス流路と、
前記バイパス流路上に設けられ、前記バイパス流路中のガスの流れを遮断可能なバイパス遮断弁と、
前記燃料電池の掃気処理時において、前記パイパス遮断弁を開弁する制御部と、
を備えることを特徴と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、燃料電池は、燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出マニホールドと、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールドと、を有している（下記特許文献参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８１８１１号公報
【特許文献２】特開２００５−３１７４４４号公報
【特許文献３】特開２００２−１５１１１３号公報
【特許文献４】特開２００４−２８８５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記燃料電池システムでは、発電終了後、燃料オフガス排出マニホールド内に水が滞留するおそれがあった。その結果、例えば、燃料電池が、氷点下におかれた場合など、燃料オフガス排出マニホールド内に滞留した水が氷結し、次回の燃料電池システム起動時において、燃料オフガス排出マニホールドで大きな圧力損失が生じ、発電効率が低下するおそれがあった。また、例えば、燃料電池が、傾斜して配置される場合など、燃料オフガス排出マニホールド内の水が排出されず、次回の燃料電池システム起動時において、燃料オフガス排出マニホールドで大きな圧力損失が生じ、発電効率が低下するおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、発電効率の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池システムであって、燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出マニホールドと、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールドと、を有する燃料電池と、前記燃料オフガス排出マニホールドと前記酸化ガス供給マニホールドとを連結するバイパス流路と、前記バイパス流路上に設けられ、前記バイパス流路中のガスの流れを遮断可能なバイパス遮断弁と、前記燃料電池の掃気処理時において、前記パイパス遮断弁を開弁する制御部と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、発電効率の低下を抑制することができる。
【０００９】
なお、本発明は、上記した装置発明の態様に限ることなく、方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００１０】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成；
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池システム１０００の概略構成図を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素遮断弁２００と、水素タンク２１０と、レギュレータ弁２２０と、ブロワ２３０と、制御回路４００と、バイパス遮断弁５００と、を備えている。図１において、図に示すように、ｘ方向、ｙ方向、および、ｚ方向を定義する。
【００１２】
本実施例の燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、複数の燃料電池セルＣＬと、エンドプレートＥＰと、テンションプレートＴＳと、インシュレータＩＳと、ターミナルＴＭと、を備えている。複数の燃料電池セルＣＬは、インシュレータＩＳおよびターミナルＴＭを挟んで、２枚のエンドプレートＥＰによって挟持される。すなわち、燃料電池１００は、燃料電池セルＣＬが、複数個積層されたスタック構造である。また、燃料電池１００は、テンションプレートＴＳがボルトＢＴによって各エンドプレートＥＰに結合され、各燃料電池セルＣＬを、各部材を積層する方向（以下では、積層方向とも呼ぶ）に所定の力で締結する構造となっている。積層方向に直交する方向であって、燃料電池セルＣＬに沿った方向を面方向とも呼ぶ。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池１００は、後述する水素供給流路２０４から導入される水素を各燃料電池セルＣＬに供給するための水素供給マニホールドＨＩと、各燃料電池セルＣＬから排出される水素オフガスを収集し、後述する水素オフガス排出流路２０６へ導入するための水素排出マニホールドＨＯと、後述する空気供給流路２３４から導入される空気を各燃料電池セルＣＬに供給するための空気供給マニホールドＡＩと、各燃料電池セルＣＬから排出される空気オフガスを収集し、空気オフガス排出流路２３６へ導出する空気排出マニホールドＡＯと、を備えている。
【００１４】
水素タンク２１０は、高圧の水素を貯蔵するためのタンクである。水素遮断弁２００は、水素タンク２１０に取り付けられる。水素タンク２１０に貯蔵される水素は、水素遮断弁２００が開弁されると、水素供給流路２０４を介して、燃料電池１００（水素供給マニホールドＨＩ）に燃料ガスとして供給される。レギュレータ弁２２０は、水素供給流路２０４上に設けられ、燃料電池１００に供給する水素の圧力を調整する。
【００１５】
燃料電池１００で、電気化学反応に供された後の水素オフガスは、水素オフガス排出流路２０６を介して、燃料電池１００の外部に排出される。
【００１６】
ブロワ２３０は、酸化ガスとしての空気を、空気供給流路２３４を介して、燃料電池１００（空気供給マニホールドＡＩ）に供給する。燃料電池１００で、電気化学反応に供された後の空気オフガスは、空気オフガス排出流路２３６を介して、燃料電池１００の外部に排出される。
【００１７】
図２は、燃料電池１００の拡大斜視図である。図２に示すように、燃料電池１００において、空気供給マニホールドＡＩと水素排出マニホールドＨＯとは、バイパス流路５１０で接続されている。空気供給マニホールドＡＩは、空気供給流路２３４と接続される端部とは反対側の端部がバイパス流路５１０と接続する。水素排出マニホールドＨＯは、水素オフガス排出流路２０６と接続される端部とは反対側の端部がバイパス流路５１０と接続する。図１では、説明を分かり易くするために、バイパス流路５１０は、ｙ方向にずれて記載されているが、実際は、図２に示すように、ｚ平面に沿って配置される。
【００１８】
ブロワ２３０が駆動され、バイパス遮断弁５００が開弁された状態では、ブロワ２３０から供給される空気は、空気供給マニホールドＡＩから各燃料電池セルＣＬに供給されると共に、バイパス流路５１０を通って水素排出マニホールドＨＯに導入される。
【００１９】
図３は、燃料電池１００における水素排出マニホールドＨＯの拡大図である。図３に示すように、水素排出マニホールドＨＯは、断面積が、バイパス流路５１０の断面積および水素オフガス排出流路２０６の平均断面積より小さくなるよう形成されている。
【００２０】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。制御回路４００は、水素遮断弁２００、ブロワ２３０、バイパス遮断弁５００等と電気通信線（図示せず）を介して接続され、駆動信号を出力し、これらの制御を行う。制御回路４００は、後述の掃気処理を実行する。
【００２１】
ところで、本実施例の燃料電池システム１０００は、システムの駆動終了時であって、燃料電池１００の発電終了時において、燃料電池セルＣＬ内の水を排出するための掃気処理を行う。
【００２２】
Ａ２．掃気処理：
図４は、燃料電池システム１０００が行う掃気処理のフローチャートである。この掃気処理において、ブロワ２３０は、駆動が継続されている。制御回路４００は、まず、バイパス遮断弁５００を開弁する（ステップＳ１０）。
【００２３】
制御回路４００は、バイパス遮断弁５００を開弁後、所定時間経過していない場合には、待機する（ステップＳ２０：Ｎｏ）。
【００２４】
制御回路４００は、バイパス遮断弁５００を開弁後、所定時間経過すると（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、バイパス遮断弁５００を閉弁する（ステップＳ３０）。このようにすれば、ブロワ２３０から供給される空気は、空気供給マニホールドＡＩから各燃料電池セルＣＬに導入される。従って、各燃料電池セルＣＬ内に滞留する水を、空気排出マニホールドＡＯを介して燃料電池１００の外部に排出することができる。言い換えれば、各燃料電池セルＣＬ内を掃気することができる。
【００２５】
制御回路４００は、バイパス遮断弁５００の開弁回数が３回となっていない場合には（ステップＳ４０：Ｎｏ）、ステップＳ１０の処理にリターンする。
【００２６】
制御回路４００は、バイパス遮断弁５００の開弁回数が３回となった場合には（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）、ブロワ２３０の駆動を停止させ（ステップＳ５０）、この掃気処理を終了する。
【００２７】
図５は、掃気処理において、バイパス流路５１０および各燃料電池セルＣＬにおける空気流量の変化を時系列に示した図である。図４に示すように、掃気処理開始から、バイパス遮断弁５００の開閉で、バイパス流路５１０および各燃料電池セルＣＬの空気流量が時系列に変化していることがわかる。すなわち、バイパス遮断弁５００を開弁した場合には、バイパス流路５１０の空気流量が増加し、バイパス遮断弁５００を閉弁した場合には、各燃料電池セルＣＬの空気流量が増加する。
【００２８】
ところで、燃料電池システムにおいて、水素の供給量は、空気の供給量と比較して、少ない場合が多く、そのため、水素排出マニホールドの水素オフガス流通量も比較的少なく、水素排出マニホールド内に水が滞留するおそれがあった。その結果、例えば、燃料電池が、氷点下におかれた場合など、水素排出マニホールド内に滞留した水が氷結し、次回の燃料電池システム起動時において、水素排出マニホールドで大きな圧力損失が生じ、発電効率が低下するおそれがあった。
【００２９】
一方、本実施例の燃料電池システム１０００では、空気供給マニホールドＡＩと水素排出マニホールドＨＯとをバイパス流路５１０で接続し、掃気処理時において、バイパス遮断弁５００を開弁するようにしている。このようにすれば、ブロワ２３０から供給される空気は、バイパス流路５１０を通って水素排出マニホールドＨＯに導入される。従って、水素排出マニホールドＨＯに滞留する水を燃料電池１００の外部に排出することができる。言い換えれば、水素排出マニホールドＨＯ内を掃気することができる。その結果、燃料電池が、氷点下におかれた場合であっても、水素排出マニホールドＨＯ内で氷が生じることを抑制することができ、次回の燃料電池システム１０００の起動時において、水素排出マニホールドＨＯで大きな圧力損失が生じ、発電効率が低下することを抑制することができる。
【００３０】
本実施例の燃料電池システム１０００では、水素排出マニホールドＨＯは、断面積が、バイパス流路５１０の断面積および水素オフガス排出流路２０６の断面積より小さくなるよう形成されている。このようにすれば、掃気処理時に、バイパス遮断弁５００を開弁し、空気を水素排出マニホールドＨＯに流す場合において、各燃料電池セルＣＬ内の水および水素オフガスを、水素排出マニホールドＨＯを通る空気によるベンチュリー効果（エジェクタ効果）によって、水素排出マニホールドＨＯへ導出することができる。言い換えれば、水素排出マニホールドＨＯを流れる空気が、各燃料電池セルＣＬに流入することを抑制することができる。
【００３１】
本実施例の燃料電池システム１０００では、掃気処理時において、バイパス遮断弁５００の開弁および閉弁を繰り返し、すなわち、水素排出マニホールドＨＯおよび各燃料電池セルＣＬ内の掃気を順番に行うようにしている。このようにすれば、燃料電池１００内の掃気を効率的に行うことができる。
【００３２】
燃料電池システムにおいて、燃料電池が、傾斜して配置される場合があり、その場合、水素オフガスの流れでは、水素排出マニホールド内の水が排出されず、水素排出マニホール内に水が滞留するおそれがあった。その結果、例えば、次回の燃料電池システム起動時において、水素排出マニホールドで大きな圧力損失が生じ、発電効率が低下するおそれがあった。
【００３３】
一方、本実施例の燃料電池システム１０００では、空気供給マニホールドＡＩと水素排出マニホールドＨＯとをバイパス流路５１０で接続し、掃気処理時において、バイパス遮断弁５００を開弁するようにしている。このようにすれば、ブロワ２３０から供給される空気は、バイパス流路５１０を通って水素排出マニホールドＨＯに導入される。従って、水素排出マニホールドＨＯに滞留する水を燃料電池１００の外部に排出することができる。言い換えれば、水素排出マニホールドＨＯ内を掃気することができる。その結果、燃料電池が傾斜して配置される場合であっても、水素排出マニホールドＨＯ内に水が滞留することを抑制することができ、次回の燃料電池システム１０００の起動時において、水素排出マニホールドＨＯで大きな圧力損失が生じ、発電効率が低下することを抑制することができる。
【００３４】
本実施例において、水素排出マニホールドＨＯは、特許請求の範囲における燃料オフガス排出マニホールドに該当し、空気供給マニホールドＡＩは、特許請求の範囲における酸化ガス供給マニホールドに該当する。
【００３５】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３６】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池としているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池１００は、固体酸化物型燃料電池など、他の種類の燃料電池であってもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池システム１０００の概略構成図を示す説明図である。
【図２】燃料電池１００の拡大斜視図である。
【図３】燃料電池１００における水素排出マニホールドＨＯの拡大図である。
【図４】燃料電池システム１０００が行う掃気処理のフローチャートである。
【図５】掃気処理においてバイパス流路５１０および各燃料電池セルＣＬにおける空気流量の変化を時系列に示した図である。
【符号の説明】
【００３８】
１００…燃料電池
２００…水素遮断弁
２０４…水素供給流路
２０６…水素オフガス排出流路
２１０…水素タンク
２２０…レギュレータ弁
２３０…ブロワ
２３４…空気供給流路
２３６…空気オフガス排出流路
４００…制御回路
５００…バイパス遮断弁
５１０…バイパス流路
１０００…燃料電池システム
ＡＩ…空気供給マニホールド
ＨＩ…水素供給マニホールド
ＣＬ…燃料電池セル
ＴＭ…ターミナル
ＡＯ…空気排出マニホールド
ＨＯ…水素排出マニホールド
ＥＰ…エンドプレート
ＴＳ…テンションプレート
ＩＳ…インシュレータ
ＢＴ…ボルト
【図１】
2010113960.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010113960.tif 000006
【図５】
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