(57)【要約】【課題】水素ガスの滞留を防止するために、燃料電池本体の排出ガスをバッファタンクに充填して放出する燃料電池システムを得ること。【解決手段】水素タンク３と、燃料電池本体１０と、水素タンク３と燃料電池本体１０との間に配設される水素ガス循環路２０とを備えてなる燃料電池システム１であって、水素ガス循環路２０と水素タンク３との間に水素供給バルブＶ１が備えられ、水素ガス循環路２０にはバッファタンク３０を備え、燃料電池本体１０の水素ガス排出口１０ｃとバッファタンク３０との間に出口バルブＶ２を備え、燃料電池本体１０の水素ガス供給口１０ａとバッファタンク３０との間に循環バルブＶ３を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備えてなる燃料電池システムであって、
前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、
前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池本体において水素極側の圧力を測定するＦＣ圧力センサと、該ＦＣセンサの出力に基づき前記第１〜第３のバルブの開閉を制御する制御装置が更に備えられ、
前記制御装置は、前記第１及び第２のバルブを開放すると共に、第３のバルブを閉塞して水素ガスを供給し、前記ＦＣ圧力センサの出力が第１の閾値を超えると、前記第１及び第２のバルブを閉塞すると共に、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、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】
前記燃料電池本体において水素極側の圧力を測定するＦＣ圧力センサと、該ＦＣセンサの出力に基づき前記第１〜第３のバルブの開閉を制御する制御装置が更に備えられ、
前記制御装置は、前記第１〜第３のバルブが全て閉塞されているとき、前記ＦＣ圧力センサの出力が第２の閾値を下回ると、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、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４】
前記制御装置は前記第３のバルブを間欠的に開閉し、前記バッファタンクから前記燃料電池本体へ水素ガスを脈流として供給する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記バッファタンクは前記燃料電池本体より下流側に配置されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記燃料電池本体の運転停止時に、前記バッファタンクを負圧状態にして前記第２のバルブと第３のバルブを閉塞し、前記燃料電池本体の起動時に前記第１のバルブが開かれて前記水素ガス源から水素ガスが前記燃料電池本体へ供給されたとき、前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内に滞留していたガスを前記バッファタンクへ引き込む、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バッファタンクと前記第３のバルブとの間に減圧ポンプを備えた排出路が分岐され、該排出路と前記水素ガス循環路との間には第４のバルブが介在され、前記第３のバルブと前記燃料電池本体の間に外気導入路が分岐され、該外気導入路と前記水素ガス循環路との間には第５のバルブが介在され、
前記制御装置は、前記燃料電池本体の運転停止時に、前記第１のバルブと前記第３のバルブを閉塞し、かつ前記第２、第４及び第５のバルブを開放し、前記減圧ポンプを動作させて、前記燃料電池本体及び前記水素ガス循環路内の水素ガスを空気に置き換え、
その後、前記減圧ポンプを動作させた状態で前記第２のバルブを閉塞し、前記バッファタンクを負圧の状態として前記第４のバルブを閉塞し、
前記燃料電池本体の起動時に、前記制御装置は、前記第１のバルブを開いて前記水素ガス源から水素ガスを前記燃料電池本体へ供給すると共に前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内の空気を前記バッファタンク内へ引き込ませる、ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに燃料電池システム。
【請求項８】
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記第１及び第２のバルブが開放されていると共に、第３のバルブが閉塞されているとき、前記ＦＣ圧力センサの出力が第１の閾値を超えると、前記第１及び第２のバルブを閉塞すると共に、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
【請求項９】
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記第１〜第３のバルブが全て閉塞されているとき、前記燃料電池本体の圧力が第１の閾値を下回ると、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
【請求項１０】
前記第３のバルブを間欠的に開閉し、前記バッファタンクから前記燃料電池本体へ前記水素ガスを脈流として供給する、ことを特徴とする請求項９に記載の水素ガスの供給方法。
【請求項１１】
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記燃料電池本体の運転停止時に、前記バッファタンクを負圧状態にして前記第２のバルブと第３のバルブを閉塞し、前記燃料電池本体の起動時に前記第１のバルブが開かれて前記水素ガス源から水素ガスが前記燃料電池本体へ供給されたとき、前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内に滞留していたガスを前記バッファタンクへ引き込む、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
【請求項１２】
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備え、
更に、前記バッファタンクと前記第３のバルブとの間に減圧ポンプを備えた排出路が分岐され、該排出路と前記水素ガス循環路との間には第４のバルブが介在され、前記第３のバルブと前記燃料電池本体の間に外気導入路が分岐され、該外気導入路と前記水素ガス循環路との間には第５のバルブが介在される燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記燃料電池本体の運転停止時に、前記第１のバルブと前記第３のバルブを閉塞し、かつ前記第２、第４及び第５のバルブを開放し、前記減圧ポンプを動作させて、前記燃料電池本体及び前記水素ガス循環路内の水素ガスを空気に置き換え、
その後、前記減圧ポンプを動作させた状態で前記第２のバルブを閉塞し、前記バッファタンクを負圧の状態として前記第４のバルブを閉塞し、
前記燃料電池本体の起動時に、前記第１のバルブを開いて前記水素ガス源から水素ガスを前記燃料電池本体へ供給すると共に前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内の空気を前記バッファタンク内へ引き込ませる、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び水素ガス供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んだ両側で燃料ガス或いは酸化ガスがイオン化し、そのイオンが電解質膜を透過して電気化学的な反応を生じて発電が生じる。
一方、燃料電池の電解質膜の水素供給が不足すると、上記発電反応が進まず、燃料電池の出力低下を生じる。さらに、電解質膜の水素が不足する部位では、電極の電位が上昇して触媒劣化を引き起こす原因ともなる。このような水素が不足する部位は、空気極から透過したガスや、発電反応により生じた生成水などが水素ガス流路内に滞留することによって生じる。
【０００３】
かかる水素ガスの滞留を防止するために、下記特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池本体の水素ガス供給口と水素ガス排出口を連結した循環回路を形成しており、この循環回路に循環ポンプを設け、水素ガス容器から水素ガスが新に供給されていない状態でも、水素ガスを適宜循環させることで、燃料室内に気流が発生するようにしている。
【特許文献１】特開平７−２４０２２０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は、循環回路と、燃料電池本体を通過した排出ガスを循環させる循環ポンプを設ける必要があり、構成の大型化を招くとともに、ポンプの駆動するために消費電力が増加するという課題があった。 
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、燃料電池本体内の水素ガスの滞留を防止すると共に、燃料電池本体の排出ガスをバッファタンクに充填して放出する簡易な燃料電池システム及び燃料ガス供給方法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】
【０００５】
上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、本発明者は、水素ガスの滞留を防止するために、水素ガスの循環路にバッファタンクを設けて、燃料電池本体からの排出ガスをバッファタンクに充填してから放出することにより燃料電池本体にガスを流すことにより、燃料電池本体に気流を流すことに気づき、本発明に想到した。
即ち、本発明の第１の局面は次のように規定される。
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備えてなる燃料電池システムであって、
前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、
前記水素ガス循環路にはバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、ことを特徴とする燃料電池システム。
【０００６】
このように規定される第１の局面の燃料電池システムによれば、第１から第３のバルブを開閉することにより、燃料電池本体からの排出ガスを、水素ガス循環路に設けたバッファタンクに充填してから放出することにより燃料電池本体にガスを流す。
これにより、第１から第３のバルブを開閉操作するのみで、循環ポンプを用いずにバッファタンクに充填した水素ガスを放出して燃料電池本体に流すという循環が可能になる。したがって、第１から第３のバルブを簡易な開閉操作により、燃料電池本体への水素ガスの滞留を防止できる。
【０００７】
本発明の第２の局面は次のように規定されることが好ましい。
即ち、第１の局面に規定の発明において、前記燃料電池本体において水素極側の圧力を測定するＦＣ圧力センサと、該ＦＣセンサの出力に基づき前記第１〜第３のバルブの開閉を制御する制御装置が更に備えられ、
前記制御装置は、前記第１及び第２のバルブが開放されていると共に、第３のバルブが閉塞されているとき、前記ＦＣ圧力センサの出力が第１の閾値を超えると、前記第１及び第２のバルブを閉塞すると共に、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、ことを特徴とする燃料電池システム。
このように規定される第２の局面の燃料電池システムによれば、第１及び第２のバルブを開放すると共に、第３のバルブを閉塞して燃料電池本体に水素ガスを供給して発電しつつ、燃料電池本体から排出されたガスをバッファタンクに充填する。この状態で燃料電池本体の水素極側のガス圧とバッファタンクのガス圧は等しい状態である。ＦＣ圧力センサで測定された水素極の圧力が第１の閾値を超えると、バッファタンク内にも充分な水素ガスが充填されたものとみなして、第１及び第２のバルブを閉じると共に、第３のバルブを開く。これにより、燃料電池反応に伴い水素極内の水素が消費されて水素極内の圧力が低下すると、バッファタンクに充填された水素ガスが水素極へ放出される。このように、第２の局面の発明によれば、水素ガス循環路に何ら循環ポンプを配置しなくても水素ガスの循環が可能となる。
水素極の圧力が所定の圧力を下回ると、バッファタンクの水素ガスが消費されたものとみなして、第１及び第２のバルブを開放し、第３のバルブを閉塞する。
【０００８】
本発明の第３の局面は次のように規定されることが好ましい。
即ち、第１の局面に規定の発明において、前記燃料電池本体において水素極側の圧力を測定するＦＣ圧力センサと、該ＦＣセンサの出力に基づき前記第１〜第３のバルブの開閉を制御する制御装置が更に備えられ、
前記制御装置は、前記第１〜第３のバルブが全て閉塞されているとき、前記ＦＣ圧力センサの出力が第２の閾値を下回ると、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体に供給する、ことを特徴とする燃料電池システム。
このように規定される第３の局面の燃料電池システムによれば、制御装置は第１〜第３のバルブが全て閉塞されているとき燃料電池本体において電池反応が進行するとその水素極の水素が消費されてその圧力が低下する。水素極内の圧力が第２の閾値を下回ると、水素極の水素ガス量が不十分になったとみなして、第３のバルブを開放してバッファタンク内の水素ガスを燃料電池本体の水素極へ供給する。ここに、バッファタンク内の水素ガスは水素極を一旦通過しているので加湿されている。このように、第３の局面の発明によれば、水素ガス循環路に何ら循環ポンプを配置しなくても水素ガスの循環が可能となる。
水素極の圧力が所定の圧力を下回ると、バッファタンクの水素ガスが消費されたものとみなして、第１及び第２のバルブを開放し、第３のバルブを閉塞する。
【０００９】
本発明の第４の局面は次のように規定される。
即ち、第３の局面に規定の発明において、制御装置は第３のバルブを間欠的に開閉し、前記バッファタンクから前記燃料電池本体へ水素ガスを脈流として供給する、ことを特徴とする燃料電池システム。
このように規定される第４の局面の燃料電池システムによれば、制御装置は第３のバルブを間欠的に開閉して水素ガスを燃料電池本体へ脈流として供給する。したがって、燃料電池本体に脈流の水素ガスが流れるので、水素極に滞留することがある不純物（水等）を効果的に排出させることができ、水素極内内における部分的な水素ガスの滞留を抑制できる。
【００１０】
本発明の第５の局面は次のように規定される。
即ち、第１から第４のいずれかの局面に規定の発明において、バッファタンクは前記燃料電池本体より下流側に配置されている、ことが好ましい。
このように規定される第５の局面の燃料電池システムによれば、燃料電池本体の水素極を通過して加湿された水素ガスがバッファタンクに貯蔵される。この加湿された水素ガスを燃料電池本体へ供給することにより、電極電解質のドライアップを防止できる。よって、燃料電池本体の出力が安定する。
【００１１】
本発明の第６の局面は次のように規定される。
即ち、第１〜第５のいずれかの局面に規定の発明において、燃料電池本体の運転停止時に、制御装置はバッファタンクを負圧状態にして第２のバルブと第３のバルブを閉塞し、前記燃料電池本体の起動時に前記第１のバルブが開かれて前記水素ガス源から水素ガスが前記燃料電池本体へ供給されたとき、前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内に滞留していたガスを前記バッファタンクへ引き込む、ことが好ましい。
このように規定される第６の局面の燃料電池システムによれば、停止時にバッファタンクを負圧状態に維持しておいて、起動時に第１のバルブを開いて水素ガス源から水素ガスを燃料電池本体へ供給されたとき、第２のバルブを開いて燃料電池本体内に滞留していたガスを負圧状態のバッファタンクへ引き込む。起動時には、バッファタンクの入口と出口との圧力差が大きくなっているので、燃料電池本体内に滞留していたガスを瞬時に、バッファタンクに充填できる。したがって、起動時の燃料電池本体内のガスを、速やかにバッファタンクを利用して除去できると共に、水素ガスを燃料電池本体に迅速に供給できる。
【００１２】
本発明の第７の局面は次のように規定される。
即ち、第１〜第６のいずれかの局面に規定の発明において、前記バッファタンクと前記第３のバルブとの間に減圧ポンプを備えた排出路が分岐され、該排出路と前記水素ガス循環路との間には第４のバルブが介在され、前記第３のバルブと前記燃料電池本体の間に外気導入路が分岐され、該外気導入路と前記水素ガス循環路との間には第５のバルブが介在され、
前記燃料電池本体の運転停止時に、前記制御装置は、前記第１のバルブと前記第３のバルブを閉塞し、かつ前記第２、第４及び第５のバルブを開放し、前記減圧ポンプを動作させて、前記燃料電池本体及び前記水素ガス循環路内の水素ガスを空気に置き換え、
その後、前記減圧ポンプを動作させた状態で前記第２のバルブを閉塞し、前記バッファタンクを負圧の状態として前記第４のバルブを閉塞し、
前記燃料電池本体の起動時に、前記制御装置は、前記第１のバルブを開いて前記水素ガス源から水素ガスを前記燃料電池本体へ供給すると共に前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内の空気を前記バッファタンク内へ引き込ませる、ことが好ましい。
このように規定される第７の局面の燃料電池システムによれば、燃料電池本体の運転停止時に、制御装置は、第１及び第３のバルブを閉塞し、かつ第２、第４及び第５のバルブを開放し、減圧ポンプを動作して、燃料電池本体及び水素ガス循環路内の水素ガスを空気に置き換える。これにより、バッファタンクを減圧状態にしながら外気を導入するので、燃料電池本体及び水素ガス循環路内の水素ガスを空気に迅速に置き換えできる。
その後、減圧ポンプを動作した状態で第２のバルブを閉塞し、バッファタンクを負圧の状態として第４のバルブを閉塞し（同時に、減圧ポンプは停止）、該負圧状態を維持した後、燃料電池本体の起動時に、制御装置は、第１のバルブを開いて水素ガス源から水素ガスを燃料電池本体へ供給すると共に、第２のバルブを開いて燃料電池本体内の空気を負圧状態のバッファタンク内へ引き込ませる。これにより、燃料電池本体の起動時のガス置換が迅速にできる。
【００１３】
本発明の第８の局面は次のように規定される。
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記第１及び第２のバルブが開放されていると共に、第３のバルブが閉塞されているとき、前記ＦＣ圧力センサの出力が第１の閾値を超えると、前記第１及び第２のバルブを閉塞すると共に、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
このように規定される第８の局面の水素ガスの供給方法によれば、第２の局面の発明と同様に、水素ガス循環路に何ら循環ポンプを配置しなくても水素ガスの循環が可能となる。
【００１４】
本発明の第９の局面は次のように規定される。
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記第１〜第３のバルブが全て閉塞されているとき、前記燃料電池本体の圧力が第１の閾値を下回ると、前記第３のバルブを開放して前記バッファタンクの水素ガスを前記燃料電池本体へ供給する、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
このように規定される第９の局面の水素ガスの供給方法によれば、第３の局面の発明と同様に、水素ガス循環路に何ら循環ポンプを配置しなくても水素ガスの循環が可能となる。
【００１５】
本発明の第１０の局面は次のように規定されることが好ましい。
即ち、第９の局面の発明において、前記第３のバルブを間欠的に開閉し、前記バッファタンクから前記燃料電池本体へ前記水素ガスを脈流として供給する、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
このように規定される第１０の局面の水素ガスの供給方法によれば、第３のバルブを間欠的に開閉し、前記バッファタンクから前記燃料電池本体へ水素ガスを脈流として供給する。これにより、燃料電池本体でも脈流の水素ガスが流れるので、水素極に滞留することがある不純物（水等）を効果的に排出させることができ、水素極内内における部分的な水素ガスの滞留を抑制できる。
【００１６】
本発明の第１１の局面は次のように規定される。
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備える、燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記燃料電池本体の運転停止時に、前記バッファタンクを負圧状態にして前記第２のバルブと第３のバルブを閉塞し、前記燃料電池本体の起動時に前記第１のバルブが開かれて前記水素ガス源から水素ガスが前記燃料電池本体へ供給されたとき、前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内に滞留していたガスを前記バッファタンクへ引き込む、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
このように規定される第１１の局面の水素ガスの供給方法によれば、停止時にバッファタンクを負圧状態に維持しておいて、起動時に第１のバルブを開いて水素ガス源から水素ガスを燃料電池本体へ供給されたとき、第２のバルブを開いて燃料電池本体内に滞留していたガスを負圧状態のバッファタンクへ引き込む。
さらに、起動時には、バッファタンクの入り口と出口との圧力差が大きくなっているので、燃料電池本体内に滞留していた空気ガスを瞬時に、バッファタンクに充填できる。したがって、起動時の燃料電池本体内の空気ガスを、速やかにバッファタンクを利用して除去できるので、水素ガスを燃料電池本体に迅速に供給できる。
【００１７】
本発明の第１２の局面は次のように規定される。
水素ガス源と、燃料電池本体と、前記水素ガス源と前記燃料電池本体との間に配設される水素ガス循環路とを備え、前記水素ガス循環路と前記水素ガス源との間に第１のバルブが備えられ、前記水素ガス循環路はバッファタンクを備え、前記燃料電池本体の水素ガス排出口と前記バッファタンクとの間に第２のバルブを備え、前記燃料電池本体の水素ガス供給口と前記バッファタンクとの間に第３のバルブを備え、
更に、前記バッファタンクと前記第３のバルブとの間に減圧ポンプを備えた排出路が分岐され、該排出路と前記水素ガス循環路との間には第４のバルブが介在され、前記第３のバルブと前記燃料電池本体の間に外気導入路が分岐され、該外気導入路と前記水素ガス循環路との間には第５のバルブが介在される燃料電池システムにおける水素ガスの供給方法であって、
前記燃料電池本体の運転停止時に、前記第１のバルブと前記第３のバルブを閉塞し、かつ前記第２、第４及び第５のバルブを開放し、前記減圧ポンプを動作させて、前記燃料電池本体及び前記水素ガス循環路内の水素ガスを空気に置き換え、
その後、前記減圧ポンプを動作させた状態で前記第２のバルブを閉塞し、前記バッファタンクを負圧の状態として前記第４のバルブを閉塞し、
前記燃料電池本体の起動時に、前記第１のバルブを開いて前記水素ガス源から水素ガスを前記燃料電池本体へ供給すると共に前記第２のバルブを開いて前記燃料電池本体内の空気を前記バッファタンク内へ引き込ませる、ことを特徴とする水素ガスの供給方法。
このように規定される第１２の局面の水素ガスの供給方法によれば、燃料電池本体の運転停止時に、第１のバルブと第３のバルブを閉塞し、かつ第２、第４及び第５のバルブを開放し、減圧ポンプを動作させて、燃料電池本体及び水素ガス循環路内の水素ガスを空気に置き換える。これにより、バッファタンクを減圧状態にしつつ、外気を導入するので、燃料電池本体及び水素ガス循環路内の水素ガスを空気に迅速に置き換えできる。
その後、減圧ポンプを動作させた状態で第２のバルブを閉塞し、バッファタンクを負圧の状態として第４のバルブを閉塞し（同時に減圧ポンプと停止させる）、該負圧状態を維持しながら、燃料電池本体の起動時に、制御装置は、第１のバルブを開いて水素ガス源から水素ガスを燃料電池本体へ供給すると共に、第２のバルブを開いて燃料電池本体内の空気を負圧状態のバッファタンク内へ引き込ませる。これにより、燃料電池本体の起動時のガス置換が迅速にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１.
本発明の一実施の形態を図１によって説明する。図１は一実施の形態による燃料電池システムの全体図である。
図１において、燃料電池システム１は、水素ガス源としての水素タンク３と、燃料電池本体１０と、水素ガス循環路２０と、水素ガス循環路２０に設けられたバッファタンク３０と、制御装置１００とを有している。燃料電池本体１０には、空気系と冷却系とが接続されており、出力電圧を検出する電圧検出器１３を有している。水素ガス循環路２０は、水素ガス供給路２２と、充填路(燃料排出路)２４と、放出路２６と、から成っている。水素タンク３には、第１のバルブＶ１としての水素供給バルブＶ１を介して水素ガス導入路７が水素ガス循環路２０の端部に接続されており、つまり水素タンク３と水素ガス循環路２０との間に水素供給バルブＶ１が備えられ、水素供給バルブＶ１の開閉により水素ガスを発生遮断するように形成されている。
燃料電池本体１０の水素ガス排出口１０ｃとバッファタンク３０との間に第２のバルブＶ２としての出口バルブＶ２を備え、出口バルブＶ２の一端に水素ガス排出口１０ｃが連結され、他端がバッファタンク３０の供給口３０ａに連結されている。燃料電池本体１０の水素ガス供給口１０ａとバッファタンク３０との間で、水素ガス循環路２０の端部には、即ち放出路２６には、第３のバルブＶ３としての循環バルブＶ３を備えている。
【００１９】
水素ガス供給路２２は、水素供給バルブＶ１を通して供給された水素ガスを燃料電池本体１０に供給するために水素ガス供給口１０ａに接続されており、充填路２４は、燃料電池本体１０の水素ガス排出口１０ｃが出口バルブＶ２を介してバッファタンク３０の供給口３０ａに接続されており、放出路２６は、バッファタンク３０の放出口３０ｃから循環バルブＶ３を介して水素ガス供給路２２の一端に接続されている。
すなわち、水素供給バルブＶ１,出口バルブＶ２が開放されておれば、水素供給バルブＶ１を通過した水素ガスは、水素ガス供給路２２を通過して燃料電池本体１０を介して出口バルブＶ２を有する充填路２４を通過し、バッファタンク３０を介して循環バルブＶ３を有する放出路２６を通過し、燃料電池本体１０というように、循環路を流れる。この循環路を水素ガス循環路２０という。
【００２０】
水素ガス循環路２０には、燃料電池本体１０において水素極側の圧力を測定して第１圧力検出信号Ｐ１を発生するＦＣ圧力センサ１１と、バッファタンク３０の入力側の圧力を測定して第２圧力検出信号Ｐ２を発生するバッファタンク圧力センサ３２と、を備えている。
そして、バッファタンク３０の放出口３０ｃと循環バルブＶ３との間に分岐された排出路２８が形成されており、排出路２８には、第４のバルブＶ４としての減圧バルブＶ４が分岐され、減圧バルブＶ４を介して減圧ポンプ５２が接続されている。減圧ポンプ５２は、バッファタンク３０及び燃料電池本体１０の水素ガスを吸引して排出するように動作するように形成されている。さらに、燃料電池本体１０の水素ガス供給口１０ａと循環バルブＶ３との間に外気導入路２９が分岐され、該外気導入路２９には、第５のバルブＶ５としての外気導入バルブＶ５が設けられて水素ガス循環路２０に外気を導入するように形成されている。
また、排出路２８には、第６のバルブＶ６としてのパージバルブＶ６が接続され、パージバルブＶ６は、燃料電池システム１が起動する時と、通常運転時にバッファタンク３０内に溜まった不純物（水や窒素）の排出動作（間欠的に開閉する）を行う時以外は、閉塞されている。
なお、各バルブＶ１〜Ｖ６は、例えば電磁弁で構成され、制御信号に基づいて電気的に開閉制御可能に構成されている。
【００２１】
制御装置１００は、第１記憶部１０２と第１制御部１０４とを有しており、ＣＰＵなどの集積回路により構成され、ＦＣ圧力センサ１１からの第１圧力検出信号(第１圧力検出値）Ｐ１と、バッファタンク圧力センサ３２からの第２圧力検出信号(第２圧力検出値）Ｐ２とが入力される。第１記憶部１０２は、圧力値としての第１閾値から第４閾値と、大気圧値とを記憶をしており、第１制御部１０４は、図２から図５のフローチャートに対応するプログラムが実行されるように形成され、第１から第６制御信号によりリレー回路等を介して各バルブＶ１〜Ｖ６を開閉制御するように形成されている。
【００２２】
上記のように構成された燃料電池システムの水素ガスの循環動作を図１から図３を参照して説明する。
＜水素ガスの循環＞
まず、すべてのバルブＶ1〜Ｖ６が閉塞した状態において、制御装置１００は、時間ｔ0で第１及び第２制御信号により水素供給バルブＶ１，出口バルブＶ２を開放すると共に、第３制御信号により循環バルブＶ３を閉塞すると(ステップＳ１０１)、水素タンク３から供給される水素ガスは水素供給バルブＶ１を介して水素ガス供給路２２を通過して燃料電池本体１０に流れ、燃料電池本体１０から排出された排出ガスは、出口バルブＶ２を介して充填路２４を通過し、図３の（ｃ）に示すように、バッファタンク３０に短時間で大きくパルス状に充填する。これにより、瞬間的に燃料電池本体１０から排出ガスの高流速が流れる。
【００２３】
このようにして、バッファタンク３０に排出ガスが充填されると、図３（ｂ）に示すように、バッファタンク３０の供給口３０ａ側の圧力が僅かに高くなると共に、燃料電池本体１０の水素極側の圧力も高くなる。制御装置１００は、第１記憶部１０２から第１閾値を読み出し該第１閾値とバッファタンク圧力センサ３２の第２圧力検出信号Ｐ２とを比較して第２圧力検出信号Ｐ２が第１閾値を超えるか否かを判断し(ステップＳ１０３)、時間ｔ1で超えると、第１及び第２制御信号により水素供給バルブＶ１，出口バルブＶ２を閉塞して水素タンク３からの水素ガスの供給を停止し、燃料電池本体１０からの排出ガスも遮断すると共に、第３制御信号により循環バルブＶ３を開放する(ステップＳ１０５)。
これにより、バッファタンク３０に充填された水素ガスが放出路２６を介して燃料電池本体１０に流れる。この放出される水素ガスは、図３（ｃ）に示すように、バッファタンク３０の上記充填量よりも低く、上記充填時間よりも長い、ほぼ一定値が燃料電池本体１０に流れる。バッファタンク３０に充填された水素ガスが除々に放出されるから、図３（ｂ）に示すように、バッファタンク３０の入力側の圧力が時間とともに、直線的に低くなり、同時に、燃料電池本体１０の水素ガス供給口１０ａの圧力も低くなる。
【００２４】
制御装置１００は、第１記憶部１０２の第２閾値とＦＣ圧力センサ１１からの第１圧力検出信号Ｐ１とを比較して第１圧力検出信号Ｐ１が第２閾値より小さくなるか否かを判断し(ステップＳ１０７)、Ｐ１＜第2閾値となると（ｔ２）、バッファタンク３０の水素ガスが減少し、水素極の水素量が不十分になったとみなし、ステップＳ１０１へ戻る。このとき、第１のバルブの間欠的な開閉により水素ガス循環路２０をより燃料電池本体１０へ水素ガスを脈流の状態で供給することができる。
【００２５】
このような燃料電池システム１は、水素供給バルブＶ１、出口バルブＶ２、循環バルブＶ３を開閉するのみで、供給された水素ガスと燃料電池本体１０の発電に伴って排出された排出ガスを、バッファタンク３０に充填し、該バッファタンク３０から水素ガスを放出して燃料電池本体１０に流すという循環が可能になる。したがって、上記各バルブＶ１〜Ｖ３の開閉により、燃料電池本体１０へ水素ガスの循環ができるので、燃料電池本体１０の水素ガスの滞留を防止できる。
また、バッファタンク３０に短時間で大きくパルス状に排出ガスが充填されるので、瞬間的に燃料電池本体１０から排出ガスの高流速が流れる。これにより、燃料電池本体１０の水素極室内に滞留する水などの不純物排出性が高くなる。
さらに、燃料電池本体１０から排出された水分を含んだ加湿水素ガスをバッファタンク３０に充填し、バッファタンク３０から加湿水素ガスを放出して燃料電池本体１０に供給する。これにより、燃料電池本体１０の電極電解質のドライアップを防止できる。
【００２６】
なお、第１圧力検出信号Ｐ１と第２圧力検出信号Ｐ２とはほぼ等しいので、上記ステップＳ１０３において、第２圧力検出信号Ｐ２と第１閾値を比較しても良く、上記ステップＳ１０７において、第１圧力検出信号Ｐ１と第２閾値を比較しても良い。
また、ステップＳ１０３，ステップＳ１０７は、共に一定時間後に次のステップに移行しても良い。このような構成にすることにより、ＦＣ圧力センサ１１及びバッファタンク圧力センサ３２を省略できる。
【００２７】
上記のように構成された燃料電池システムの停止動作を図１及び図４を参照して説明する。
＜停止処理＞
まず、制御装置１００は、第１から第５制御信号を各バルブＶ１〜Ｖ５に与えて、水素供給バルブＶ１，循環バルブＶ３を閉塞すると共に、出口バルブＶ２、減圧バルブＶ４、外気導入バルブＶ５を開放する(ステップＳ２０１）。水素供給バルブＶ１，循環バルブＶ３の閉塞により、水素ガス導入路７を遮断する。同時に、出口バルブＶ２、減圧バルブＶ４、外気導入バルブＶ５の開放により、燃料電池本体１０、出口バルブＶ２を介して、外気をバッファタンク３０に導入する。
【００２８】
次に、水素供給バルブＶ１，循環バルブＶ３を閉塞し、減圧バルブＶ４を開放した状態で、制御装置１００は、第２及び第５制御信号を与えて、出口バルブＶ２，外気導入バルブＶ５を開放から閉塞すると共に、減圧ポンプ５２をオン動作にする(ステップＳ２０３）。
バッファタンク３０への外気導入を遮断した状態で、減圧ポンプ５２のオン動作によりバッファタンク３０を排気して負圧状態になる。
【００２９】
制御装置１００は、第２圧力検出信号Ｐ２を取り込み、当該信号Ｐ２が第３閾値を下回るか否かを判断し(ステップＳ２０５）、下回ると、減圧バルブＶ４を開放から閉塞すると共に、減圧ポンプ５２をオフする(ステップＳ２０７）。出口バルブＶ２，循環バルブＶ３を閉塞した状態で、第４制御信号により減圧バルブＶ４を開放から閉塞することにより、減圧ポンプ５２をオフ(停止)するので、バッファタンク３０を負圧状態に維持して停止できる。
なお、上記ステップＳ２０５の代わりに、一定時間後に、上記ステップＳ２０７を実行しても良い。
【００３０】
このように、燃料電池本体１０の運転停止時に、制御装置１００は、水素供給バルブＶ１，循環バルブＶ３を閉塞し、かつ出口バルブＶ２、減圧バルブＶ４、外気導入バルブＶ５を開放し、減圧ポンプ５２を動作して、燃料電池本体１０及び水素ガス循環路２０内の水素ガスを空気に置き換える。これにより、バッファタンク３０を減圧状態にしながら外気を導入するので、燃料電池本体１０及び水素ガス循環路内２０の水素ガスを空気に迅速に置き換えできる。
その後、減圧ポンプ５２をオン動作した状態で出口バルブＶ２を閉塞してから、減圧ポンプ５２をオフにすると共に、減圧バルブＶ４を閉塞してバッファタンク３０を負圧状態に維持した状態で、次の起動に備えることができる。
また、上記ステップＳ２０５において、第２圧力検出信号Ｐ２が第３閾値を下回った後に減圧ポンプ５２をオフにすると共に、減圧バルブＶ４を閉塞することが好ましい。バッファタンク３０内の圧力値を所望の値にできるからである。
【００３１】
上記のように構成された燃料電池システムの起動動作を図１及び図５を参照して説明する。
＜起動処理＞
まず、停止状態において、すべてのバルブＶ１〜Ｖ６が閉塞した状態で（ステップＳ３０１）、制御装置１００は、第２制御信号により出口バルブＶ２を閉塞から開放する(ステップＳ３０３）。該開放により、燃料電池本体１０とバッファタンク３０の入力側が連通する。制御装置１００は、第１圧力検出信号Ｐ1と第２圧力検出信号Ｐ２との圧力差が第４閾値を下回る否か判断し(ステップＳ３０５）、下回ると、第１制御信号により水素供給バルブＶ１を閉塞から開放する(ステップＳ３０７）。これにより、バッファタンク３０は負圧の状態から水素ガスと燃料電池本体１０のガスを速やかに吸引する。
【００３２】
制御装置１００は、第２圧力検出信号Ｐ２が大気圧力値を超えるか否かを判断し(ステップＳ３０９）、大気圧力値を超えると、パージバルブＶ６を閉塞から開放する(ステップＳ３１１）。バッファタンク３０内のガスを速やかにパージバルブＶ６より外部に放出する。
なお、上記ステップＳ３０９の代わりに、一定時間後に、上記ステップＳ３１１を実行しても良い。
【００３３】
燃料電池システム１の起動時に、制御装置１００は、水素供給バルブＶ１を開いて水素タンク３から水素ガスを燃料電池本体１０へ供給すると共に、出口バルブＶ２を開いて燃料電池本体１０内の空気を負圧状態のバッファタンク３０内へ引き込ませる。これにより、燃料電池本体１０の起動時のガス置換が迅速にできる。
その後、燃料電池本体の動作が安定したら（ステップＳ３１３）、パージバルブＶ６を閉塞し（ステップＳ３１５）、ステップＳ１０１の循環動作を実行する。
【００３４】
実施形態２.  
本発明の他の実施形態を図６によって説明する。図６は他の実施形態による燃料電池システム２００の全体図で、図６中、図1と同一符号は、同一部分を示し、適宜説明を省略する。
図６において、制御装置３００は、上記実施形態１の第１記憶部の記憶内容に加えて、第５閾値を記憶した第２記憶部３０２と、上記実施形態１の図２のフローチャートに代えて、図７のフローチャートを実行する第２制御部３０４とを備えている。
【００３５】
上記のように構成された燃料電池システム２００の水素ガスの循環動作を図６から図８を参照して説明する。
制御装置３００は、実施形態１と同様にステップＳ１０１，Ｓ１０３を実行すると、時間ｔ1で超えると、循環バルブＶ３が閉塞状態で、第１及び第２制御信号により水素供給バルブＶ１，出口バルブＶ２を開放から閉塞して水素タンク３からの水素ガスの供給を停止する(ステップＳ４０５)。この状態で、水素ガスの供給が遮断されるので、第１圧力検出信号Ｐ1は除々に直線的に低くなる。
一方、バッファタンク３０は、出口バルブＶ２，循環バルブＶ３の閉塞により入力側と出力側ともに遮断されているので、ほぼ一定の圧力値を継続するので、第２圧力検出信号Ｐ２がほぼ一定値となる。
【００３６】
次に、制御装置３００は、第２記憶部３０２の第２閾値とＦＣ圧力センサ１１からの第１圧力検出信号Ｐ１とを比較して第１圧力検出信号Ｐ１が第２閾値を下回るか否かを判断し(ステップＳ４０７)、時間ｔ2で下回ると、第３制御信号により循環バルブＶ３を閉塞から開放する(ステップＳ４０９)。これにより、つまり、第１圧力検出信号と第２圧力信号との差が大きくなると、燃料電池本体１０の水素ガス供給口１０ａと水素ガス排出口１０ｃとの圧力差が生じることになるから、図８（ｃ）に示すようにバッファタンク３０に充填された水素ガスが放出路２６を介して燃料電池本体１０に急峻に流れる。この放出される水素ガスは、バッファタンク３０の上記充填量よりも僅かに低く、略ノギス状の波形が燃料電池本体１０に流れる。
【００３７】
バッファタンク３０に充填された水素ガスが瞬間的に放出されるから、図８（ｂ）に示すように燃料電池本体１０の水素ガス供給口１０ａ側の圧力が瞬間的に高くなり、除々に低くなる。一方、バッファタンク３０の供給口３０ａ側の圧力は、瞬間的に低下して第１圧力検出信号Ｐ１とほぼ同様になる。次に、制御装置１００は、第２圧力検出信号Ｐ２と第１圧力検出信号Ｐ１との圧力差が第５閾値を下回る否か判断し(ステップＳ４１１）、下回ると、上記ステップＳ１０１に移行して水素ガス循環路２０を用いて燃料電池本体１０を介してバッファタンク３０に水素ガスを充填して放出するという水素ガスの循環の一周期が終了する。
なお、ステップＳ１０３，ステップＳ４０７は、共に一定時間後に次のステップに移行しても良い。
【００３８】
このように、制御装置３００は、水素供給バルブＶ１、出口バルブＶ２、循環バルブＶ３３が全て閉塞されているとき、ＦＣ圧力センサからの第１圧力検出信号Ｐ１が第１の閾値を下回ると、循環バルブＶ３を開放する。
これにより、燃料電池本体１０において水素極側の圧力が低下した状態で、水素極より高圧であるバッファタンクの水素ガスを燃料電池本体１０へ上記実施形態１に比較して急速に放出するので、燃料電池本体内に滞留する水等の不純物の排出性が高くなる。このとき、第３のバルブＶ３を間欠的に開閉することにより、水素ガスの供給が脈流となり、不純物の排出性が更に向上する。なお、第３のバルブＶ３は１秒間に１〜５回程度開閉するか、または第１圧力検出信号Ｐ１、第２圧力検出信号Ｐ２の圧力差に応じて複数回に分けて開閉することが好ましい。
【００３９】
参考例  
上記実施形態１及び２では、バッファタンク３０を燃料電池本体１０より下流側、すなわち、つまり水素ガス排出口１０ｃの後に配置したが、上流側に配置した本発明の参考例を図９によって説明する。図９中、図1と同一符号は、同一部分を示し、適宜説明を省略する。
図９において、燃料電池システム４００は、水素供給バルブＶ１の他端から燃料電本体１０の供給口１０ａとの間にバッファタンク４３０が配置されている。つまり、燃料電池本体１０から見て水素ガスの流れの上流側には、バッファタンク４３０が配置されている。
図９のように燃料電池システム４００を構成することにより、バッファタンク４３０内の水素ガスが消費された後、水素供給バルブＶ１、Ｖ２を開いて水素ガスを供給することで、燃料電池本体１０に供給する水素ガスを脈動させることができる。図６に示したシステムにおいても同様に、バッファタンクを水素供給バルブＶ１の他端から燃料電池本体１０の供給口１０ａとの間に配置することもできる。
【００４０】
本発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの全体図である。
【図２】図１に示す燃料電池のシステムの水素ガスの循環動作を説明するフローチャート。
【図３】図１に示す燃料電池システムの水素ガスの循環動作を説明するタイムチャート。
【図４】図１に示す燃料電池のシステムの停止動作を説明するフローチャート。
【図５】図１に示す燃料電池のシステムの起動動作を説明するフローチャート。
【図６】本発明の他の実施形態による燃料電池システムの全体図である。
【図７】図６に示す燃料電池のシステムの水素ガスの循環動作を説明するフローチャート。
【図８】図６に示す燃料電池システムの水素ガスの循環動作を説明するタイムチャート。
【図９】本発明の他の実施形態による燃料電池システムの全体図である。
【符号の説明】
【００４２】
１、２００、４００  燃料電池システム、３  水素タンク、  １０  燃料電池本体、１１  ＦＣ圧力センサ、  ２０  水素ガス循環路、２８  排出路、２９  外気導入路、３０  バッファタンク、５２  減圧ポンプ、１００，３００  制御装置、Ｖ１  水素供給バルブ(第１のバルブ)、Ｖ２  出口バルブ(第２のバルブ)、Ｖ３  循環バルブ(第３のバルブ)、Ｖ４  減圧バルブ(第４のバルブ）、  Ｖ５  外気導入バルブ(第５のバルブ)。
【図１】
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【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】
2010044911.tif 000009
【図８】
2010044911.tif 000010
【図９】
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