(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される加圧された空気が通過する、前記燃料電池に対する空気入口側の空気供給通路に、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記空気供給通路内の空気を外部に放出する空気放出手段を設けるとともに、前記燃料電池に供給される調圧された燃料が通過する、前記燃料電池に対する燃料入口側の燃料供給通路に、前記燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記燃料供給通路内の燃料を外部に放出する燃料放出手段を設け、前記空気放出手段は、前記空気供給通路中の空気を冷却する冷却手段の下流で、かつ前記空気供給通路中の空気を加湿する加湿器の上流に配置されていることを特徴とする燃料電池システムの保護装置。
【請求項２】
燃料電池に供給される加圧された空気が通過する、前記燃料電池に対する空気入口側の空気供給通路に、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記空気供給通路内の空気を外部に放出する空気放出手段を設けるとともに、前記燃料電池に供給される調圧された燃料が通過する、前記燃料電池に対する燃料入口側の燃料供給通路に、前記燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記燃料供給通路内の燃料を外部に放出する燃料放出手段を設け、前記燃料放出手段は、前記燃料電池における燃料出口と前記燃料供給通路とが互いに接続される燃料再循環通路と、前記燃料供給通路との接続部より下流で、かつ前記燃料供給通路中の燃料を加湿する加湿器の上流に配置されていることを特徴とする燃料電池システムの保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池に空気と燃料とを供給して化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池システムの保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の燃料電池システムの保護装置としては、例えば特開平１０−２８４０９８号公報に記載されたものがある。これは、燃料電池の燃料極から排出される燃料を再循環回路を通してエゼクタに導き、この再循環した燃料を、外部よりエゼクタに導入される原燃料と混合して燃料極に供給するよう構成してある。再循環回路には、逆止め弁と絞りとを直列に備えたガス放出配管を接続するとともに、ガス放出配管と並列に、圧力計の測定信号により開閉する遮断弁を備えたバイパス配管を接続している。バイパス配管は、ガス放出配管で放出される際のガス圧よりさらに高い所定値以上のガス圧になると、遮断弁が開いて再循環回路内のガスが外部へ放出される。
【０００３】
これにより、燃料電池における特に燃料極側を窒素パージする際に、燃料極側の圧力と空気極側との圧力差を所定値以内に抑えて燃料電池本体の損傷を回避しようとしている。
【０００４】
また、特開平７−１９２７４３号公報には、燃料電池における燃料極の燃料排出口に接続される燃料排出管を、燃料供給管に設けてあるポンプの上流側に接続するとともに、前記燃料排出管に大気圧をリファレンス圧とするリリーフ弁を設け、燃料電池内の燃料の圧力を制御する構成が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した各公報に記載された従来装置では、もっぱら燃料側の過加圧に対処するものであり、空気側の過加圧については対処しておらず、このため空気供給系の構成要素の故障などにより、空気供給系が異常加圧されると、燃料電池内で燃料と空気との差圧が許容値を超え、燃料電池を損傷させることになる。
【０００６】
また、燃料の放出圧としては、燃料電池としての最大要求能力を考慮したものではなく、このため、燃料電池の最大要求能力を発揮する以前に燃料を放出することが考えられ、燃料電池としての能力を最大限に発揮できないという問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は、燃料電池システムとしての能力を最大限に発揮しつつ、燃料電池の損傷を防止することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料電池に供給される加圧された空気が通過する、前記燃料電池に対する空気入口側の空気供給通路に、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記空気供給通路内の空気を外部に放出する空気放出手段を設けるとともに、前記燃料電池に供給される調圧された燃料が通過する、前記燃料電池に対する燃料入口側の燃料供給通路に、前記燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記燃料供給通路内の燃料を外部に放出する燃料放出手段を設け、前記空気放出手段は、前記空気供給通路中の空気を冷却する冷却手段の下流で、かつ前記空気供給通路中の空気を加湿する加湿器の上流に配置されている構成としてある。
【０００９】
請求項２の発明は、燃料電池に供給される加圧された空気が通過する、前記燃料電池に対する空気入口側の空気供給通路に、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記空気供給通路内の空気を外部に放出する空気放出手段を設けるとともに、前記燃料電池に供給される調圧された燃料が通過する、前記燃料電池に対する燃料入口側の燃料供給通路に、前記燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で、前記燃料供給通路内の燃料を外部に放出する燃料放出手段を設け、前記燃料放出手段は、前記燃料電池における燃料出口と前記燃料供給通路とが互いに接続される燃料再循環通路と、前記燃料供給通路との接続部より下流で、かつ前記燃料供給通路中の燃料を加湿する加湿器の上流に配置されている構成としてある。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料電池に対する空気入口側の空気供給通路に設けた空気放出手段が、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で空気を外部に放出するとともに、燃料電池に対する燃料入口側の燃料供給通路に設けた燃料放出手段が、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で燃料を外部に放出するので、空気供給側および燃料供給側に過加圧が生じても、燃料電池システムとしての能力を最大限に発揮しつつ、燃料電池の損傷を防止することができる。
また、空気放出手段は、空気供給通路中の空気を冷却する冷却手段の下流で、かつ空気供給通路中の空気を加湿する加湿器の上流に配置されているので、空気放出手段から外部への放出空気が比較的低温に維持されており、空気放出口近傍の部品などへの損傷を回避することができるとともに、加湿器の損傷をも防止することができる。また、冷却手段に詰まりなどが発生して圧力損失が増加した場合であっても、その下流に空気放出手段が設置されているので、空気放出手段は、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で確実に空気を放出することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、燃料電池に対する空気入口側の空気供給通路に設けた空気放出手段が、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で空気を外部に放出するとともに、燃料電池に対する燃料入口側の燃料供給通路に設けた燃料放出手段が、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で燃料を外部に放出するので、空気供給側および燃料供給側に過加圧が生じても、燃料電池システムとしての能力を最大限に発揮しつつ、燃料電池の損傷を防止することができる。
また、燃料放出手段は、燃料電池における燃料出口と燃料供給通路とが互いに接続される燃料再循環通路と、燃料供給通路との接続部より下流で、かつ燃料供給通路中の燃料を加湿する加湿器の上流に配置されているので、燃料を再循環させて燃料電池に供給する際にも、燃料供給通路に設けた燃料放出手段が、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で燃料を外部に放出し、燃料供給側に過加圧が生じても、燃料電池システムとしての能力を最大限に発揮しつつ、燃料電池や加湿器の損傷を防止することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２３】
図１は、この発明の実施の一形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。燃料としての水素が貯蔵される高圧の水素タンク１と、燃料電池３の水素極３ａの燃料入口３ａｉとは、燃料供給通路５により接続されている。燃料供給通路５には、水素タンク１側から、減圧弁７，圧力制御弁９，循環器１１、燃料リリーフ弁１３および加湿器１５が順次設けられている。
【００２４】
減圧弁７は、水素タンク１から供給される水素を所定の圧力まで減圧する。圧力制御弁９は、減圧弁７によって減圧された水素の圧力を、マイクロコンピュータなどからなる図示しないコントロールユニットによって制御されて燃料電池システムの運転条件に対応した所望の圧力に制御する。循環器１１は、燃料電池３における水素極３ａの燃料出口３ａｏに一端が接続された燃料再循環通路１７の他端が接続され、燃料電池３で発電に寄与できずに余剰となった水素を、燃料再循環通路１７を経て燃料供給通路５に戻す。
【００２５】
燃料リリーフ弁１３は、燃料電池システムとして加湿器１５と燃料電池３とを考慮した最大要求圧力以上でかつ、加湿器１５および燃料電池３が損傷しないことが保証される最大許容圧力以下の圧力でリリーフし燃料を外部に放出する燃料放出手段を構成している。加湿器１５は、燃料電池３に供給される水素および後述する空気に対して所望の湿度（ほとんど相対湿度１００％）に加湿する。
【００２６】
一方、燃料電池３の空気極３ｂの空気入口３ｂｉと、コンプレッサ１９とは空気供給通路２１により接続されている。空気供給通路２１には、コンプレッサ１９側から、アフタクーラ２３，フィルタ２５、空気リリーフ弁２７および前記した加湿器１５が順次設けられている。
【００２７】
アフタクーラ２３は、コンプレッサ１９で加圧された空気を所定の温度まで冷却する冷却手段を構成している。フィルタ２５は、冷却された空気中のダストを除去する。空気リリーフ弁２７は、燃料電池システムとして加湿器１５と燃料電池３とを考慮した最大要求圧力以上でかつ、加湿器１５および燃料電池３が損傷しないことが保証される最大許容圧力以下の圧力でリリーフし空気を外部に排出する空気放出手段を構成している。
【００２８】
燃料電池３における空気極３ｂの空気出口３ｂｏに一端が接続された空気排出管２８の他端には、コンデンサ２９が接続されている。コンデンサ２９には、冷却水入口通路３１と冷却水出口通路３３とがそれぞれ接続され、図示しない冷却系から冷却水がコンデンサ２９に供給される。このコンデンサ２９では、空気極３ｂで反応により生成された純水（蒸気分と液分）中の蒸気分と、空気極３ｂで空気消費に伴って余剰となった蒸気分が、冷却水によって冷却／凝縮されることにより液水化され、セパレータ３５に導入される。
【００２９】
セパレータ３５では、凝縮された水が空気と分離され、空気は、空気排出通路３７に設けられて前記した図示しないコントロールユニットにより制御される圧力調整弁３９により、運転条件に応じた所望の圧力に調整されるとともに、燃料電池３内での水素極３ａと空気極３ｂとの圧力差が所定の範囲になるよう調整される。一方セパレータ３５で空気と分離された水は、純水タンク４１に回収される。
【００３０】
純水タンク４１と加湿器１５とは、純水ポンプ４３を備えた加湿水供給通路４５と加湿水回収通路４７とでそれぞれ接続されている。さらに、加湿器１５と燃料電池３とは、冷却水供給通路４９と冷却水回収通路５１とでそれぞれ接続されている。すなわち、純水タンク４１内の純水は、純水ポンプ４３により汲み出され、加湿器１５に達することで水素および空気を加湿し、さらに燃料電池３に達して燃料電池３を冷却した後、加湿器１５を経て純水タンク４１に戻される。
【００３１】
上記した構成によれば、空気供給系におけるコンプレッサ１９およびコンプレッサ１９を駆動するモータや圧力調整弁３９ならびにこれらを制御する図示しないコントロールユニットに異常が発生して空気供給通路２１内の空気圧力が上昇し、この空気圧力が、前記した燃料電池システムとして最大要求圧力以上でかつ最大許容圧力以下となったときには、空気リリーフ弁２７がリリーフして空気を外部に放出する。これにより、燃料電池システムとしてその性能を最大限に発揮しつつ、燃料電池３や加湿器１５の損傷を防止できる。
【００３２】
また、空気リリーフ弁２７がアフタクーラ２３の下流に配置されているので、空気リリーフ弁２７からの外部への放出空気が比較的低温に維持されており、空気放出口近傍の部品などへの損傷を回避することができる。さらに、アフタクーラ２３やフィルタ２５に詰まりなどが発生して圧力損失が増加した場合であっても、その下流に空気リリーフ弁２７が設置されているので、空気リリーフ弁２７は、燃料電池システムとして最大要求圧力以上かつ最大許容圧力以下の圧力で確実にリリーフして空気を放出することができる。
【００３３】
燃料供給系についても、減圧弁７および圧力制御弁９や、圧力制御弁９を制御する図示しないコントロールユニットに異常が発生した場合には、燃料供給通路５内の水素圧力が上昇し、この水素圧力が前記した燃料電池システムとして最大要求圧力以上でかつ最大許容圧力以下となったときには、燃料リリーフ弁１３がリリーフして燃料を外部に放出する。これにより、燃料電池システムとしてその性能を最大限に発揮しつつ、燃料電池３や加湿器１５の損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
３  燃料電池
３ａｏ  燃料出口
５  燃料供給通路
１３  燃料リリーフ弁（燃料放出手段）
１５  加湿器
１７  燃料再循環通路
２１  空気供給通路
２３  アフタクーラ（冷却手段）
２７  空気リリーフ弁（空気放出手段）
【図１】
0003633472.tif 000002