(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ水素を供給する水素供給源と、
前記燃料電池から排出される余剰水素を、水素戻しラインを介して前記水素供給源からの水素と混合し、前記燃料電池に再供給する水素環流手段と、
前記燃料電池から排出される余剰水素を該燃料電池の外部に排出するパージ手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記水素戻しラインに、開閉制御可能弁を設け、
前記燃料電池の通常発電時は前記開閉制御可能弁を開き、水素パージ実施時は前記開閉制御可能弁を閉じるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記パージ手段は、弁開度をリニアに制御することのできるリニア弁であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記余剰水素を排出する水素パージの要否を判定し、
前記判定が要のときには、前記パージ手段を開くとともに、前記開閉制御可能弁を閉にし、
前記判定が否のときには、前記パージ手段を閉じるとともに、前記開閉制御弁を開にすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に水素及び酸素を供給して発電を行う燃料電池システムに係わり、特に、発電電圧の低下を招く生成水等の確実なパージの実施、及び水素の無駄防止に有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に、固体電解質型の燃料電池システムの一従来例を示す。
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の水素極に水素を供給すると共に酸素極にエアを供給し、水素と酸素を反応させて発電を行う。
通常運転時において、水素極から排出された余剰水素は、水素戻しライン２を介してエゼクタ３にて水素供給系４へと吸い上げられている。
【０００３】
このように、余剰水素を循環再利用していると、運転時間の経過に伴い、循環水素中の不純物が濃縮されたり、燃料電池スタック１の水素極ガス通路に生成水が滞留する等して、発電電圧の低下を招く。
このため、不純物や生成水等を系外に放出すべく、図５に示すようにパージ弁５を開き、水素供給源からの新規水素のみによるパージを実施していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、運転状態によっては、この水素パージ中に水素戻しライン２の圧力が一時的に高くなる場合があり、かかる場合には、パージライン６へ流れるはずが水素戻しライン２へ流れて再循環してしまい、充分な水素パージが行えない。
また、水素パージ中に新規水素がインジェクタ３から水素戻しライン２へと逆流し、そのままパージライン６から外部に放出されることがあり、このように新規水素がパージに用いられずに直接放出されると、水素が無駄に消費される。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素パージ中における余剰水素の再循環を防止し、確実な水素パージを実施することにある。
また、本発明の他の目的は、水素パージ中における新規水素の外部放出を防止し、確実な水素パージを実施すると共に、水素の無駄な消費を防止することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。請求項１に記載した発明は、燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池スタック１１）へ水素を供給する水素供給源（例えば、実施の形態における高圧水素タンク）と、前記燃料電池から排出される余剰水素を、水素戻しライン（例えば、実施の形態における水素戻しライン３１ａ）を介して前記水素供給源からの水素と混合し、前記燃料電池に再供給する水素環流手段（例えば、実施の形態におけるエゼクタ１４）と、前記燃料電池から排出される余剰水素を該燃料電池の外部に排出するパージ手段（例えば、実施の形態におけるパージライン３１ｂ、パージ弁３４）とを備えた燃料電池システムにおいて、前記水素戻しラインに、開閉制御可能弁（例えば、実施の形態における逆止弁３３）を設け、前記燃料電池の通常発電時は前記開閉制御可能弁を開き、水素パージ実施時は前記開閉制御可能弁を閉じるように制御する制御手段（例えば、実施の形態における制御部３６）を備えたことを特徴とする。
【０００７】
このような構成によれば、水素戻しラインは水素環流方向の流れのみが許容されるので、水素パージ中に、水素供給源からの新規水素が水素戻しラインを逆流してパージラインから外部に放出されることを防止できる。また、通常発電中は、燃料電池から排出された余剰水素が水素戻しラインを介して再循環する際の圧損が少なくなる。他方、水素パージ中は、水素供給源からの新規水素が水素戻しラインに逆流することなくその全量が燃料電池に供給され、しかも、燃料電池から排出された余剰水素が水素戻しラインに流入して再循環することもない。 
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した燃料電池システムにおいて、前記パージ手段は、弁開度をリニアに制御することのできるリニア弁であることを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法において、前記余剰水素を排出する水素パージの要否を判定し、前記判定が要のときには、前記パージ手段を開くとともに、前記開閉制御可能弁を閉にし、前記判定が否のときには、前記パージ手段を閉じるとともに、前記開閉制御弁を開にすることを特徴とする。
【０００９】
このような構成によれば、通常発電中は、燃料電池から排出された余剰水素が水素戻しラインを介して再循環する際の圧損が少なくなる。
他方、水素パージ中は、水素供給源からの新規水素が水素戻しラインに逆流することなくその全量が燃料電池に供給され、しかも、燃料電池から排出された余剰水素が水素戻しラインに流入して再循環することもない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る燃料電池システムの要部を示すシステム構成図でり、符号１１は燃料電池スタックを示している。
燃料電池スタック１１の水素極には、燃料ガスとしての水素が図示せぬ高圧水素タンク（水素供給源）から相当圧に落として供給される。
【００１１】
この水素供給系１２には、第１の水素圧調整器１３，エゼクタ１４，加湿器１５，及び水素圧力センサ１６が順に設けられている。
また、第１の水素圧調整器１３と加湿器１５との間には、エゼクタ１４を迂回させるバイパスライン１７が接続されており、このバイパスライン１７には第２の水素圧調整器１８が設けられている。
【００１２】
第１の水素圧調整器１３は、水素極へ供給する水素と、酸素極へ供給するエアとの圧力バランスを維持することによって両極に挟持された固体電解質膜の破損を防止するため、エア供給系２１に設けられた加湿器２２の上流側で分岐して水素供給系１２に供給されるエアの圧力によって調整される。
バイパスライン１７は、エゼクタ１４では要求流量を賄えない場合に、エゼクタ１４をバイパスさせて要求流量を確保する目的で設けられている。
【００１３】
加湿器１５は、固体電解質膜のイオン伝導度を高めて発電電圧の向上を図るため、燃料電池スタック１１に供給される水素を加湿することによって固体電解質膜を加湿する目的で設けられている。
第２の水素圧調整器１８も、第１の水素圧調整器１３と同様、エア供給系２１に設けられた加湿器２２の上流側で分岐して水素供給系１２に供給されるエアの圧力によって調整される。
【００１４】
他方、燃料電池スタック１１の酸素極には、酸化ガスとしての吸気エアが供給される。
このエア供給系２１には、加湿器１５と同様の目的で酸素極への供給エアを加湿する加湿器２２と、エア圧力センサ２３の他に、図示せぬフィルタ，スーパーチャージャ，熱交換器等が加湿器２２の上流側に設けられている。
【００１５】
燃料電池スタック１１の水素極出口側には、そこから排出される発電に供しなかった余剰水素を水素供給系１２に戻して循環再利用するための水素戻しライン３１ａが設けられている。
この水素戻しライン３１ａには、除湿器３２が設けられると共に、燃料電池スタック１１から排出された余剰水素を水素供給系１２に戻すことなくそのまま外部に放出するためのパージライン（パージ手段）３１ｂが接続されている。
【００１６】
水素戻しライン３１ａには、制御部（制御手段）３６からの制御信号を受けて開閉制御される逆止弁（逆流防止弁）３３が設けられ、また、パージライン３１ｂには、制御部３６からの制御信号を受けて開閉制御されるパージ弁３４が設けられている。
逆止弁３３には、開閉のみを切り替えるＯＮ／ＯＦＦ弁が用いられ、パージ弁３４には、ＯＮ／ＯＦＦ弁、又は弁開度をリニアに制御することのできるリニア弁が用いられる。
【００１７】
次に、図１及び図２を用いて、通常運転中及び水素パージ中のシステム動作について説明する。
通常運転中は、図１に示すように、制御部３６からの制御信号によって逆止弁３３は開状態、パージ弁３４は全閉状態に制御されている。
【００１８】
高圧水素タンクより供給される新規水素は、第１の水素圧調整器１３によって、酸素極側との圧力バランスに配慮された所定の圧力に調整されてエゼクタ１４に送り込まれる。
エゼクタ１４では、ベンチュリ効果によって、燃料電池スタック１１から排出された余剰水素が水素戻しライン３１ａを通って吸い上げられ、新規水素に合流して混合する。
【００１９】
エゼクタ１４を出た水素は、加湿器１５で加湿されて水素極に供給される。
燃料電池スタック１１では、水素極に供給された水素と、酸素極に供給されたエア中の酸素とが反応することによって発電が行われる。
発電に使用されずに水素極から排出された余剰水素は、除湿器３２で除湿された後、水素戻しラインを３１ａを通って水素供給系１２に吸い上げられ、新規水素と混合して循環再利用される。
【００２０】
この通常発電中は、逆止弁３３が電気的に開状態に制御されているため、電池スタック１１から排出された余剰水素が水素戻しライン３１を介して再循環する際の圧損は少ない。
【００２１】
水素パージ中は、図２に示すように、制御部３６からの制御信号によって逆止弁３３は閉状態、パージ弁３４は全開状態に制御されている。
なお、水素パージの実施時期については、後ほど図３のフローチャートを用いて説明する。
【００２２】
高圧水素タンクからの新規水素は、第１の水素圧調整器１３によって所定の圧力に調整されてエゼクタ１４に入る。
このとき、逆止弁３３は閉状態であるから、新規水素が水素戻しライン３１ａに逆流してパージライン３１ｂから外部に放出されたり、水素極を出た余剰水素が水素戻しライン３１ａを通って水素供給系１２に吸い上げられることはない。
【００２３】
エゼクタ１４を出た新規水素は、加湿器１５で加湿されて燃料電池スタック１１の水素極に供給される。
そして、新規水素が供給されることによって、水素極から排出された生成水や不純物等は、パージ弁３４が全開状態に制御されたパージライン３１ｂを通って外部に放出される。
【００２４】
以上より、水素パージ中は、燃料電池スタック１１の水素極から生成水や水素中の不純物等を完全にパージすることができると共に、新規水素が無駄に消費されることも防止することができる。
なお、この水素パージ中においても、燃料電池スタック１１では、水素極に供給された新規水素と、酸素極に供給されたエア中の酸素とが反応して発電が行われている。
【００２５】
次に、図３のフローチャートを用いて、制御部３６によって制御される逆止弁３３及びパージ弁３４の制御フローについて説明する。
まず、ステップＳ１において、水素パージの要否が判定される。
水素パージの要否は、例えば、燃料電池スタック１１を構成している積層セルのセル電圧が所定電圧まで低下したかどうかにより判定される。
【００２６】
本実施の形態では、全積層セルのうち１つでも所定電圧以下になれば、水素パージを実施する。
なお、セル電圧は、各セルに接続されたセル電圧検出端子からの全検出電圧が制御部３６に入力されることによって監視されている。
【００２７】
ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり、セル電圧が所定電圧まで低下して水素パージが必要である場合は、パージ弁３４を全開にすると共に（ステップＳ２）、逆止弁を閉にし（ステップＳ３）、処理を終了する。
これにより、逆止弁３３及びパージ弁３４の開度は図２に示した状態になるので、水素パージ中に余剰水素が再循環したり、新規水素が外部に放出されることがなくなり、確実な水素パージが実施されると共に、新規水素の無駄な消費が防止される。
【００２８】
これに対し、ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり、セル電圧が所定電圧まで低下しておらず、水素パージが不要である場合は、パージ弁３４を全閉にすると共に（ステップＳ１１）、逆止弁３３を開にし（ステップＳ１２）、処理を終了する。
これは、余剰水素が再循環する通常運転中の状態である（図１）。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、逆止弁３３として電気的に開閉制御可能な弁を用いているが、余剰水素を燃料電池スタック１１の出口から水素戻しライン３１ａの余剰水素環流方向にのみ通過させる、例えば図４に示したワンウェイバルブのような機械的に開閉動作する逆止弁４１を用いても、水素パージ中に高圧水素タンクからの新規水素が水素戻しライン３１ａを逆流してパージライン３１ｂから外部に放出されることを防止できる。
【００３０】
この種の逆止弁４１は、弁体４１ａがバネ４１ｂの伸縮によって作動して開閉するものであるから、弁体４１ａの作動圧（バネ４１ｂの弾発力）は、余剰水素が環流する際の抵抗にならない範囲で設定される。
【００３１】
また、パージ弁３４として、上記実施の形態の逆止弁３３のような開閉のみを切り替えるＯＮ／ＯＦＦ弁を用いずに、弁開度がリニアに制御可能なリニア弁を用いた場合には、ステップＳ１１において、当該パージ弁の弁開度をリニアに制御することによってパージ流量を制御し、パージライン３１ｂからの水素放出量を抑制することができる。
【００３２】
上記実施の形態では、図３のステップＳ１において、水素パージの要否をセル電圧によって判定しているが、セル電圧とは無関係に所定時間毎に水素パージを実施してもよい。
もとより、セル電圧が所定電圧まで下がった時、又は前回の水素パージから所定時間経過した時のいずれかを満たした場合に水素パージを実施してもよい。
【００３３】
上記実施の形態では、水素供給源として高圧水素タンクを用いているが、これに限らず例えば、メタノール等の炭化水素を改質して水素リッチな改質ガスを供給するような水素供給源であっても構わない。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得る。
（１）請求項１に記載した発明によれば、水素戻しラインは水素環流方向の流れのみが許容されるので、水素パージ中に、水素供給源からの新規水素が水素戻しラインを逆流してパージラインから外部に放出されることがなくなり、水素の無駄な消費をなくすことができると共に、確実な水素パージを実施することができる。
【００３５】
（２）また、請求項１に記載した発明によれば、通常発電中は、燃料電池から排出された余剰水素が水素戻しラインを介して再循環する際の圧損を少なくすることができる。また、水素パージ中は、水素供給源からの新規水素が水素戻しラインに逆流することなくその全量が燃料電池に供給され、しかも、燃料電池から排出された余剰水素が水素戻しラインに流入して再循環することもないので、水素の無駄な消費をなくすことができると共に、より確実な水素パージを実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの要部を示したシステム構成図であり、特に、通常運転中の状態を示した図である。
【図２】同燃料電池システムにおける水素パージ中の状態を示した図である。
【図３】同燃料電池システムに設けられた逆止弁及びパージ弁の制御フローを示したフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムの要部を示したシステム構成図であり、特に、通常運転中の状態を示した図である。
【図５】燃料電池システムの一従来例に係るシステム構成図であり、特に、通常運転中の状態を示した図である。
【図６】同燃料電池システムにおける水素パージ中の状態を示した図である。
【符号の説明】
１１  燃料電池スタック（燃料電池）
１２  水素供給系
３１ａ  水素戻しライン
３１ｂ  パージライン（パージ手段）
３３、４１  逆止弁
３６  制御部（制御手段）
【図１】
0003634253.tif 000002
【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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