(57)【要約】【課題】  効率的な掃気処理を実行する燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】  酸化剤ガスの供給経路を介して燃料電池の酸素極側に酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガスを用いた該燃料電池の運転により該酸素極側で生成される水蒸気を含む排ガスを排気経路を介して排気する燃料電池システムであって、前記供給経路と前記排気経路とを接続する循環用経路を介して、前記排気経路側から前記供給経路側への循環方向へ前記排ガスを循環する循環制御手段と、前記循環用経路内のガスの流れを前記供給経路側から前記排気経路側への方向に反転する方向反転手段と、前記燃料電池の所定の運転タイミングで、前記方向反転手段を用いて前記ガスの流れを反転し、前記循環用経路の掃気を行なう掃気制御手段とを備えた燃料電池システムとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスの供給経路を介して燃料電池の酸素極側に酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガスを用いた該燃料電池の運転により該酸素極側で生成される水蒸気を含む排ガスを排気経路を介して排気する燃料電池システムであって、
前記供給経路と前記排気経路とを接続する循環用経路を介して、前記排気経路側から前記供給経路側への循環方向へ前記排ガスを循環する循環制御手段と、
前記循環用経路内のガスの流れを前記供給経路側から前記排気経路側への方向に反転する方向反転手段と、
前記燃料電池の所定の運転タイミングで、前記方向反転手段を用いて前記ガスの流れを反転し、前記循環用経路の掃気を行なう掃気制御手段と
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記方向反転手段は、前記排気経路と前記循環用経路との接続箇所よりも下流側の該排気経路上に設けられ、該循環用経路を流れる前記ガスを吸引する吸引手段である燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記循環制御手段は、前記循環用経路上に、前記循環方向へ流れる前記排ガスの流量を調整する流量調整弁を備え、
前記掃気制御手段は、前記流量調整弁の開弁量を低減し、前記吸引手段を制御して前記ガスを吸引し、前記循環用経路内の掃気を行なう燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記方向反転手段は、前記循環用経路上に設けられ、前記循環方向または反転方向に前記ガスを圧送する圧送手段である燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、更に、
外部から酸化剤ガスを吸気し、前記供給経路を介して前記燃料電池に供給する供給部を備え、
前記掃気制御手段は、前記圧送手段を用いた前記循環用経路の掃気に加え、前記供給部からの酸化剤ガスを、前記燃料電池を介して前記排気経路に流すことで酸化剤ガスの流れる経路の掃気を行なう燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、
外部から酸化剤ガスを吸気し、前記供給経路を介して前記燃料電池に供給する供給部を備え、
前記循環制御手段は、前記循環用経路上に、前記循環方向へ流れる前記排ガスの流量を調整する流量調整弁を備え、
前記方向反転手段は、前記流量調整弁よりも前記排気経路側である前記循環用経路上に、前記供給部から前記燃料電池へ向かう酸化剤ガスの一部または全部を送り込む経路を形成する掃気用経路と、該掃気用経路を開閉する掃気バルブとからなり、
前記掃気制御手段は、前記流量調整弁の開弁量を低減し、前記掃気バルブを開弁して前記酸化剤ガスを前記循環用経路に送り込み、該循環用経路の掃気を行なう燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記所定の運転タイミングは、少なくとも、前記燃料電池の発電開始前、発電停止後、該燃料電池の間欠運転における停止中の所定のタイミングのいずれかであ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、酸素極側から排出される排ガスを循環して使用する燃料電池システムに関し、詳しくは、酸化剤ガスの流れる経路内から水分を除去する掃気処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化剤ガス（例えば、空気）と燃料ガス（例えば、水素）との電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムでは、所定の発電効率を確保するため、燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する必要がある。従来から、燃料電池システムでは、電気化学反応により酸素極側で生成された水蒸気を含んだ排ガスを、酸化剤ガスの供給側へ循環させる循環路を備えたシステムが採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、従来から、システムの運転停止時などに、燃料電池システム、特に燃料電池内や酸化剤ガスの排気管に残存する水分を除去する掃気処理の技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。こうした技術によれば、システムに残存する水分を除去できるとされている。
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５００９３１号公報
【特許文献２】特開平８−１２４５８８号公報
【特許文献３】特開２００１−１８５１８１号公報
【特許文献４】特開２００３−１１５３１７号公報
【特許文献５】特開平９−２６６００２号公報
【特許文献６】特開２００３−１５７８７５号公報
【０００５】
酸化剤ガスの循環路を備えた燃料電池システムでは、システムの運転により、燃料電池内や酸化剤ガスの排気管と共に、循環路内にも水分が溜まり、各種機器に影響を与えるという問題があった。例えば、外気温の低下により循環路内の水分が凍結し、循環路を閉塞してしまうことがあった。こうした循環路内に対する効率の良い掃気方法の開示はなく、循環路を含めたシステム全体の効率的な掃気処理が困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、こうした問題を踏まえて、システム全体、特に循環路の効率的な掃気処理を実行する燃料電池システム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】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、酸化剤ガスの供給経路を介して燃料電池の酸素極側に酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガスを用いた該燃料電池の運転により該酸素極側で生成される水蒸気を含む排ガスを排気経路を介して排気する燃料電池システムであって、前記供給経路と前記排気経路とを接続する循環用経路を介して、前記排気経路側から前記供給経路側への循環方向へ前記排ガスを循環する循環制御手段と、前記循環用経路内のガスの流れを前記供給経路側から前記排気経路側への方向に反転する方向反転手段と、前記燃料電池の所定の運転タイミングで、前記方向反転手段を用いて前記ガスの流れを反転し、前記循環用経路の掃気を行なう掃気制御手段とを備えたことを要旨としている。
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、循環用経路内のガスの流れを循環方向から反転し、ガスと共に、循環用経路内の水分を排気経路側へ排出する。したがって、例えば、供給経路，燃料電池，排気経路の順に流体を流し、排気経路を流れる流体を循環用経路に導いて循環方向に流すことで水分を除去する場合に比べ、速やかに循環用経路内の水分を除去することができる。その結果、循環用経路を備えた燃料電池システムにおいて、システム全体の効率的な掃気処理を実行することができる。
【０００９】
上記の構成の燃料電池システムの方向反転手段は、前記排気経路と前記循環用経路との接続箇所よりも下流側の該排気経路上に設けられ、該循環用経路を流れる前記ガスを吸引する吸引手段であるものとしても良い。
【００１０】
かかる燃料電池システムによれば、循環用経路内のガスを接続箇所より下流側の排気経路から吸引し、循環用経路内の循環方向の流れを反転してガスと共に水分を除去することで掃気処理を行なう。こうした吸引手段としては、例えば、ポンプ、ブロワ、ファンなどの流体機器を想定することができる。かかる掃気処理専用の機器を配置するため、掃気処理に適した機器を選定することができ、システム全体として効率的な掃気処理を行なうことができる。
【００１１】
上記の構成を有する燃料電池システムの循環制御手段は、前記循環用経路上に、前記循環方向へ流れる前記排ガスの流量を調整する流量調整弁を備え、前記掃気制御手段は、前記流量調整弁の開弁量を低減し、前記吸引手段を制御して前記ガスを吸引し、前記循環用経路内の掃気を行なうものとしても良い。
【００１２】
かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の発電時には流量調整弁の開弁量を調整し、循環方向に流れる排ガスの流量を調整する。掃気処理を行なう時には、流量調整弁の開弁量を低減、あるいは、閉弁状態として、接続箇所より下流側の排気経路からガスを吸引する。この吸引によって、循環用経路内および排気経路内は負圧となり、特に排気経路内が負圧となることで燃料電池内の水分を吸引することが容易となる。なお、循環用経路の掃気の観点から、流量調整弁は循環用経路上の供給経路側の近傍に設けることが好ましいが、排気経路側の近傍であっても、流量調整弁内の排気経路側の流路を掃気することができる。
【００１３】
上記の構成を有する燃料電池システムの方向反転手段は、前記循環用経路上に設けられ、前記循環方向または反転方向に前記ガスを圧送する圧送手段であるものとしても良い。
【００１４】
かかる燃料電池システムによれば、循環用経路内のガスを反転方向に圧送し、圧送されるガスと共に水分を除去することで掃気を行なう。したがって、速やかに循環用経路の掃気処理を実行することができる。
【００１５】
上記の構成を有する燃料電池システムは、更に、外部から酸化剤ガスを吸気し、前記供給経路を介して前記燃料電池に供給する供給部を備え、前記掃気制御手段は、前記圧送手段を用いた前記循環用経路の掃気に加え、前記供給部からの酸化剤ガスを、前記燃料電池を介して前記排気経路に流すことで酸化剤ガスの流れる経路の掃気を行なうものとしても良い。
【００１６】
かかる燃料電池システムによれば、反転方向に流体を流すことで循環用経路の掃気を速やかに行なうと共に、システムの供給部からの酸化剤ガスを利用して、酸化剤ガスの流れる経路の掃気を行なう。つまり、圧送手段により循環用経路の掃気を実行し、供給部により酸化剤ガスの経路、例えば、供給経路や排気経路などの掃気を実行する。したがって、効率的にシステム全体の掃気処理を行なうことができる。
【００１７】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、更に、外部から酸化剤ガスを吸気し、前記供給経路を介して前記燃料電池に供給する供給部を備え、前記循環制御手段は、前記循環用経路上に、前記循環方向へ流れる前記排ガスの流量を調整する流量調整弁を備え、前記方向反転手段は、前記流量調整弁よりも前記排気経路側である前記循環用経路上に、前記供給部から前記燃料電池へ向かう酸化剤ガスの一部または全部を送り込む経路を形成する掃気用経路と、該掃気用経路を開閉する掃気バルブとからなり、前記掃気制御手段は、前記流量調整弁の開弁量を低減し、前記掃気バルブを開弁して前記酸化剤ガスを前記循環用経路に送り込み、該循環用経路の掃気を行なうものとすることができる。
【００１８】
かかる燃料電池システムによれば、掃気バルブを開弁することで、システムの供給部からの酸化剤ガスの一部または全部を循環用経路へ送り込む。つまり、供給部を利用して、反転方向に流体を流して循環用経路の掃気を行なう。例えば、酸化剤ガスの供給部としてエアコンプレッサなどを備えたシステムにおいては、既存の機器を利用して比較的簡易なシステム構成で掃気処理を行なうことができる。
【００１９】
上記の構成を有する燃料電池システムの所定の運転タイミングは、少なくとも、前記燃料電池の発電開始前、発電停止後、該燃料電池の間欠運転における停止中の所定のタイミングのいずれかであるものとすることができる。
【００２０】
かかる燃料電池システムによれば、燃料電池の発電開始前、発電停止後、該燃料電池の間欠運転における停止中のいずれかのタイミングで掃気処理を実行する。いずれのタイミングで掃気処理を実行しても、燃料電池、各経路等に発生した生成水や滞留した水分を排除することができる。こうしたタイミングを組み合わせて、掃気処理を実行するものとしても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１.システム構成：
Ａ−２．掃気処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．システム構成：
Ｂ−２．掃気処理：
Ｂ−３．希釈処理：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．システム構成：
Ｃ−２．掃気処理：
Ｄ．変形例：
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．システム構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。このシステムは、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池スタック２０を備えた燃料電池システム１０であり、燃料電池スタック２０による発電力を動力とする車両に搭載されている。
【００２３】
図示するように、燃料電池システム１０は、主に、燃料電池スタック２０，反応に用いる水素として水素ガスを供給する水素系統３０，反応に用いる酸素として空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ４８を中心とした空気系統４０，燃料電池スタック２０を冷却する冷却水を供給する冷却系統７０，反応後の排ガスを排出する排気系統８０，出力系統９０,制御ユニット１００などから構成されている。
【００２４】
燃料電池スタック２０は、水素極，電解質膜，酸素極，セパレータなどを備えた単セル２１を複数枚有し、この複数枚の単セル２１を積層し、両端からエンドプレート２８，２９で挟み込んで形成されている。エンドプレート２８は、燃料電池スタック２０内部に水素ガスや空気といった反応ガスや冷却水を供給する複数の入口ポートと、これらを外部へ排出する複数の出口ポートとを備え、これらのポートは、燃料電池スタック２０内部で各単セル２１と接続されている。すなわち、外部から供給される反応ガスや冷却水は、エンドプレート２８の複数の入口ポートを介して、各単セル２１に適切に供給される。
【００２５】
単セル２１のセパレータには、反応ガスの流路と、冷却水の流路とが設けてあり、エンドプレート２８を介して供給された反応ガス，冷却水は、この流路を介して単セル２１内に行き届く。各単セル２１は、供給された反応ガスの電気化学反応により発電する。燃料電池スタック２０は、こうした単セル２１を複数直列に接続することで、高い電圧を得ている。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜であるナフィオン（登録商標）を使用している。こうした電解質膜は、湿潤状態で良好に作用する。
【００２６】
水素系統３０は、主に、水素タンク３１，水素供給経路３２，水素循環経路３３，水素排出経路３５等から構成されている。水素供給経路３２は、高圧の水素ガスを貯留する水素タンク３１とエンドプレート２８の入口ポートとを接続する配管と、この配管上に設けられた図示しないバルブなどを備えている。水素タンク３１からの高圧の水素ガスは、配管上の図示しないバルブにより減圧され、入口ポート（つまり、燃料電池スタック２０）に供給され、電気化学反応に使用される。
【００２７】
水素循環経路３３は、エンドプレート２８の出口ポートと水素供給経路３２の配管とを接続する配管と、この配管上に設けられた循環ポンプ３４などを備えている。燃料電池スタック２０内で反応に使用された後の排ガスは、燃料電池スタック２０から水素循環経路３３の配管に流入し、循環ポンプ３４によって水素供給経路３２に供給される。こうした循環を行なうことで、電気化学反応に使用されずに排出された水素ガスを有効に利用している。
【００２８】
水素排出経路３５は、水素循環経路３３の配管と排気系統８０の希釈器８２とを接続する配管と、この配管により形成される経路の開閉を行なう開閉バルブ３６などを備えている。循環ポンプ３４により水素供給経路３２へ押し出される排ガスの一部（つまり、循環過程の水素ガスの一部）は、開閉バルブ３６の開弁タイミングで、希釈器８２へ流れ、希釈の後に排出される。なお、燃料電池スタック２０への水素ガスは、水素タンク３１からの供給に代えて、例えば、メタン、メタノール等を改質して水素を生成し、これを供給するものとしても良い。
【００２９】
空気系統４０は、主に、空気供給経路４５，空気排出経路５０，空気循環経路６０の３つの経路から構成されている。
【００３０】
空気供給経路４５は、一端を開口端として、他端をエンドプレート２８の入口ポートと接続する配管と、この配管上に設けられたエアクリーナ４６，エアフロメータ４７，エアコンプレッサ４８，インタークーラ４９などとを備えている。
【００３１】
エアコンプレッサ４８の駆動により外部から取り込んだ空気は、エアクリーナ４６で浄化され、エアフロメータ４７を経て、エアコンプレッサ４８で圧縮後、インタークーラ４９により冷却されて燃料電池スタック２０へ供給される。エアフロメータ４７は、外部から吸入される空気の流量を検出する。この空気の流量は、燃料電池スタック２０の運転を制御する制御ユニット１００に出力され、エアコンプレッサ４８の制御に利用されている。
【００３２】
エアコンプレッサ４８は、モータを駆動源としており、モータの回転数に応じた空気を吸気する。この吸気により、エアコンプレッサ４８上流の空気供給経路４５の配管内の圧力は負圧となる。
【００３３】
空気排出経路５０は、エンドプレート２８の出口ポートと排気系統８０の希釈器８２とを接続する配管と、この配管上に設けられた温度センサ５６，圧力センサ５７，調圧弁５１，圧力センサ５８，ブロワ５５などとを備えている。
【００３４】
燃料電池スタック２０から排出された排ガスは、調圧弁５１，ブロワ５５を経て、希釈器８２に供給され、排気系統８０のマフラ８１を経て外部へ排出される。調圧弁５１は、内部の弁の進退動作によりバルブ開度を調整可能であり、制御ユニット１００によるバルブ開度の調整によって、燃料電池スタック２０に供給する空気の圧力を調整している。なお、こうしたバルブ開度の制御は、弁の駆動用モータの回転角を制御することで行なわれている。
【００３５】
ブロワ５５は、モータを駆動原としており、モータの回転数に応じて、主に空気排出経路５０内の排ガスを吸引することができる。このブロワ５５は、燃料電池スタック２０内の電気化学反応によって酸素極側で発生し、空気系統４０の各種配管内に滞留した水分を除去する掃気処理に利用される。この掃気処理については、後に詳しく説明する。
【００３６】
なお、温度センサ５６，圧力センサ５７，５８は、空気排出経路５０を流れる排ガスとしての空気の温度、圧力をそれぞれ検出し、制御ユニット１００に検出値を出力している。こうした検出値は、各種バルブなどの制御に利用されている。
【００３７】
空気循環経路６０は、調圧弁５１とブロワ５５との間の空気排出経路５０の配管と、エアフロメータ４７とエアコンプレッサ４８との間の空気供給経路４５の配管とを接続する配管と、この配管上に設けられた循環バルブ６５などとを備えている。燃料電池スタック２０から排出された排ガスは、空気排出経路５０の調圧弁５１を経て、排気系統８０へ流出すると共に、その一部または全部は、空気循環経路６０に流入する。
【００３８】
循環バルブ６５は、制御ユニット１００によるバルブ開度の調整により、所定の流量の空気を空気供給経路４５に供給している。この所定流量の空気は、電気化学反応による水蒸気を含んで湿潤状態である空気（換言すると加湿された空気）である。したがって、この燃料電池システム１０では、空気を加湿する加湿モジュールを設けることなく、電解質膜に必要な加湿量を確保している。つまり、循環バルブ６５を直接制御して、空気の循環流量を調整することで、燃料電池スタック２０に供給される空気の加湿量の制御を行なっている。
【００３９】
冷却系統７０は、ラジエータ７１，ポンプ７２とこれらを接続する配管等とから構成されている。燃料電池スタック２０内部での電気化学反応は、発熱反応であるため、内部の温度は上昇する。この温度上昇を抑えるために燃料電池スタック２０に流入する冷却水は、ラジエータ７１にて冷却され、ポンプ７２により循環される。
【００４０】
排気系統８０は、希釈器８２，マフラ８１とこれらを接続する配管や、水素濃度センサ８３等を備え、燃料電池スタック２０から排出される排ガスを燃料電池システム１０の外部へ排出している。上述の水素系統３０および空気系統４０からの排ガスは、希釈器８２に導かれる。希釈器８２では、水素系統３０からの排ガスに含まれる水素ガスを空気で十分に薄め、これをマフラ８１を介して外部へ排出する。こうした水素ガスの希釈は、ブロワ５５を用いて希釈器８２内に取り込む空気の流量を制御することで行なわれている。
【００４１】
出力系統９０は、インバータ９１、車両の走行モータ９２、ＤＣ／ＤＣコンバータ９３、二次電池９４等から構成されている。燃料電池スタック２０に供給された水素ガスと空気との電気化学反応による電力は、インバータ９１を介して車両の走行モータ９２の駆動に使用され、例えば、定常走行時や減速時などに発生する余剰分はＤＣ/ＤＣコンバータ９３を介して二次電池９４に蓄電される。
【００４２】
制御ユニット１００は、こうした機器から構成される燃料電池システム１０の各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御している。具体的には、圧力センサ５７，５８，温度センサ５６，エアフロメータ４７，水素濃度センサ８３や、図示しないアクセルポジションセンサ，車速センサ等の各種センサからの圧力Ｐ１,Ｐ２、温度Ｔ、空気流量ｑ、水素濃度Ｓ、アクセル開度θ、車速Ｖ等を入力し、要求される出力（電力）を算出し、エアコンプレッサ４８，調圧弁５１，循環バルブ６５，ブロワ５５，循環ポンプ３４，ポンプ７２等を制御して燃料電池システム１０を運転する。
【００４３】
特に、上述のように加湿モジュールを設けていない本燃料電池システム１０においては、制御ユニット１００は、必要な加湿量の制御を行なっている。具体的には、燃料電池スタック２０の電流、電圧値などの出力（図示なし），温度センサ５６からの温度Ｔ，エアフロメータ４７からの流量ｑ，エアコンプレッサ４８のモータ回転数からの吸入量などの検出値と、予め設定された水分量のマップとから加湿量を算定し、算定された水分量に基づいて必要な加湿量に相当する排ガスの循環流量を決定し、循環バルブ６５のバルブ開度を決定している。例えば、要求量に対して加湿量が少ないと判断した時には、循環バルブ６５のバルブ開度を増加し、加湿量が多いと判断した時には、循環バルブ６５のバルブ開度を減少する制御を行なっている。
【００４４】
以上、説明した構成において、空気供給経路４５の配管は特許請求の範囲の「供給経路」に、空気排出経路５０の配管は「排気経路」に、空気循環経路６０の配管は「循環用経路」に、それぞれ該当する。なお、本実施例では、各種機器を配管で接続する構成について説明するが、ダクトなどにより機器を接続するものとしても良い。
【００４５】
こうした燃料電池システム１０では、システムの運転により生成水が発生し、燃料電池スタック２０内部と共に、空気系統４０の各種配管内、特に、空気排出経路５０や空気循環経路６０の配管内に水分が付着し、滞留する。以下、こうした滞留する水分を除去する掃気処理について説明する。
【００４６】
Ａ−２．掃気処理：
図２は、第１実施例の燃料電池システム１０における掃気処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック２０の発電停止後のタイミングで、制御ユニット１００にて実行される。
【００４７】
処理が開始されると、制御ユニット１００は、調圧弁５１に開弁を、循環バルブ６５に閉弁を、それぞれ指令する（ステップＳ２００）。こうした指令を受けて、調圧弁５１は全開、循環バルブ６５は全閉状態となる。なお、発電停止後のタイミングであるため、エアコンプレッサ４８は停止状態である。
【００４８】
制御ユニット１００は、バルブへの指令と共に、ブロワ５５のモータに始動の指令を出力する（ステップＳ２１０）。指令を受けたブロワ５５は、モータを回転して空気の吸引を始める。ブロワ５５は、空気排出経路５０と空気循環経路６０との合流点よりも下流に配置されているため、空気排出経路５０内のみならず、空気循環経路６０内の空気を吸引する。この吸引動作により、空気循環経路６０内を空気が循環方向とは逆方向に流れ、空気循環経路６０に滞留した水分を除去している。
【００４９】
ブロワ５５による吸引動作の過程において、循環バルブ６５は閉弁しているため、外部からエアクリーナ４６，エアフロメータ４７を介して新たに空気が流入することはない。ブロワ５５は、空気循環経路６０および空気排出経路５０内から所定量の空気，水分を吸引すると、開弁した調圧弁５１を介して、燃料電池スタック２０内部の空気，水分を吸引し、最終的には、空気供給経路４５の空気，水分を吸引する。
【００５０】
続いて、制御ユニット１００は、ブロワ５５による吸引動作を実行する所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２２０）。具体的には、ブロワ５５の始動と共に、経過時間をカウントし、予め設定した時間と比較している。
【００５１】
ステップＳ２２０で、設定した時間を経過していない（Ｎｏ）と判断した場合には、所定のタイミングで、この判断処理を繰り返す。なお、所定のタイミング毎にブロワ５５の駆動量を変更する処理を行なうものとしても良い。
【００５２】
他方、ステップＳ２２０で、設定した時間を経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、ブロワ５５のモータに停止の指令を出力し（ステップＳ２３０）、掃気処理を終了する。この指令を受けたブロワ５５は吸引動作を停止する。
【００５３】
以上、第１実施例の燃料電池システム１０における掃気処理によれば、空気排出経路５０と空気循環経路６０との合流点よりも下流側に設けたブロワ５５の吸引動作によって、空気循環経路６０内の空気、水分は、経路内を逆方向に流れる。逆方向に流れた空気、水分は、燃料電池スタック２０を通過することなく、空気排出経路５０から外部へ排出される。こうした掃気処理を実行することで、例えば、エアコンプレッサ４８の駆動により空気を循環させて空気循環経路６０内を掃気する場合に比べ、速やかに空気循環経路６０内の掃気を行なうことができる。その結果、空気循環経路６０、循環バルブ６５等に滞留した水分を除去し、例えばシステム停止中の外気温の低下による凍結等を防ぐことができる。
【００５４】
また、合流点よりも下流側から吸引を行なうことで、空気排出経路５０内の掃気も実行することができる。さらに、ブロワ５５による吸引動作中に循環バルブ６５を閉弁するため、空気排出経路５０内は負圧になり易く、燃料電池スタック２０内の水分も容易に排出することができる。
【００５５】
こうしたブロワ５５を備えない一般的な燃料電池システムでは、エアコンプレッサ４８の機能を掃気処理に兼用することが考えられる。この場合、エアコンプレッサ４８を効率の低い領域で駆動させる必要があり、システムの消費電力が増大する。これに対し、第１実施例の燃料電池システム１０では、掃気専用のブロワ５５を新たに備えているため、エアコンプレッサ４８を効率の悪い領域で駆動させる必要がなく、全体として消費電力を低減したシステムを構築することができる。
【００５６】
なお、こうした掃気処理は、燃料電池システム１０の起動時（発電開始前）に実行するものとしても良い。図３は、起動時の掃気処理における各アクチュエータの動作タイミングを示したタイミング図である。図示するように、燃料電池システム１０の停止期間中は、ブロワ５５，エアコンプレッサ４８は停止し、調圧弁５１，循環バルブ６５は開弁状態にある。
【００５７】
制御ユニット１００は、燃料電池システム１０を起動するタイミングで、循環バルブ６５を閉弁してブロワ５５を所定時間駆動し、掃気処理を行なう。この場合、調圧弁５１は全開状態のままである。掃気処理を終了すると共に、ブロワ５５を停止し、燃料電池スタック２０による発電を開始する。制御ユニット１００は、エアコンプレッサ４８を駆動し、調圧弁５１、循環バルブ６５を所定量開弁する。こうして燃料電池システム１０は、運転条件に応じた電力を出力する。
【００５８】
こうしたタイミングで各アクチュエータの動作を制御することで、発電開始前に掃気処理を実行することができ、燃料電池システム１０の性能の低下を抑制することができる。勿論、燃料電池システム１０の起動時のみに限らず、燃料電池スタック２０からの発電の間欠時に、掃気処理を実行するものとしても良い。
【００５９】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．システム構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。図示するように、この燃料電池システム１２は、主に、燃料電池スタック２０，水素系統３０，空気系統４１，冷却系統７０，排気系統８０，出力系統９０，制御ユニット１００などから構成されている。この燃料電池システム１２は、第１実施例の燃料電池システム１０とは、空気系統４１の機器の構成のみが異なる。したがって、空気系統４１以外の部分については、第１実施例と符号を同一とし、説明を省略する。
【００６０】
燃料電池システム１２における空気系統４１は、第１実施例と同様、空気供給経路４５，空気排出経路５０，空気循環経路６０の３つの経路から構成されている。このうち、空気循環経路６０上には、第１実施例の循環バルブ６５に代えてブロワ１１０が配置されている。このブロワ１１０は、空気循環経路６０内の空気を、空気排出経路５０側から空気供給経路４５側への循環方向や、逆方向（すなわち、双方向）に流すことができる。つまり、ブロワ１１０は、加湿空気を循環させる場合には循環方向に、掃気を行なう場合には逆方向に、それぞれ動作し、第１実施例の循環バルブ６５とブロワ５５との２つの機能を果たすことができる。したがって、第１実施例で示した吸引用のブロワ５５は、空気排出経路５０上に設けられていない。
【００６１】
以上の構成の燃料電池システム１２において、燃料電池スタック２０からの発電を行なう場合、制御ユニット１００は、エアコンプレッサ４８，調圧弁５１等のアクチュエータを起動して、燃料電池スタック２０に空気を供給すると共に、必要な加湿量に対する循環量を算定し、その循環量に応じた回転数でブロワ１１０を駆動する。こうして空気循環経路６０内を循環方向に空気が流れ、燃料電池スタック２０には加湿された空気が供給され、電気化学反応が良好に行なわれる。
【００６２】
他方、掃気処理を行なう場合には、制御ユニット１００は、以下に示すフローチャートに従ってブロワ１１０の動作を制御する。
【００６３】
Ｂ−２．掃気処理：
図５は、第２実施例の燃料電池システム１２における掃気処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１２の起動時または停止時、あるいは間欠時に、制御ユニット１００にて実行される。
【００６４】
処理が開始されると、制御ユニット１００は、調圧弁５１に開弁指令を出力する（ステップＳ５００）。この指令を受けて、調圧弁５１は全開状態となる。
【００６５】
続いて、制御ユニット１００は、エアコンプレッサ４８に始動指令を出力する（ステップＳ５１０）。この指令を受けて、エアコンプレッサ４８は回転し、外部から空気を吸引して、燃料電池スタック２０に空気を送り込む。送り込まれた空気は、燃料電池スタック２０、空気排出経路５０内を流れ、排気系統８０から排出される。この空気の流れの過程で、空気供給経路４５，燃料電池スタック２０，空気排出経路５０、それぞれの内部の水分が押し流され、除去される。
【００６６】
制御ユニット１００は、エアコンプレッサ４８によって掃気を実行する所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ５２０）。具体的には、エアコンプレッサ４８の始動と共に、経過時間をカウントしている。
【００６７】
ステップＳ５２０で、設定した時間を経過していない（Ｎｏ）と判断した場合には、所定のタイミングで、この判断処理を繰り返す。他方、ステップＳ５２０で、設定した時間を経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、エアコンプレッサ４８に停止指令を出力する（ステップＳ５３０）。この指令を受けて、エアコンプレッサ４８は停止する。なお、ここまでのステップでは、ブロワ１１０は停止した状態のままである。
【００６８】
続いて、制御ユニット１００は、ブロワ１１０に始動指令を出力する（ステップＳ５４０）。ここでは、通常の燃料電池システム１２の運転時とは異なり、ブロワ１１０に対して、循環方向とは逆方向に空気を流すように指令している。具体的には、ブロワ１１０のモータに、循環時の回転とは逆回転を行なう指令を出力している。
【００６９】
ブロワ１１０は、指令を受けて、空気循環経路６０内の空気を逆方向、つまり、空気供給経路４５側から空気排出経路５０側へ押し流し、空気循環経路６０内を掃気する。
【００７０】
制御ユニット１００は、ブロワ１１０によって掃気を実行する所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ５５０）。具体的には、ブロワ１１０の始動と共に、経過時間をカウントしている。
【００７１】
ステップＳ５５０で、設定した時間を経過していない（Ｎｏ）と判断した場合には、所定のタイミングで、この判断処理を繰り返す。他方、ステップＳ５５０で、設定した時間を経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、ブロワ１１０に停止指令を出力し（ステップＳ５６０）、一連の掃気処理を終了する。この指令を受けたブロワ１１０は回転を停止する。
【００７２】
以上、第２実施例の燃料電池システム１２における掃気処理によれば、双方向に空気の流れを調整することができるブロワ１１０の動作により、空気循環経路６０内の空気、水分は、配管内を逆方向に流れる。したがって、第１実施例と同様、空気循環経路６０内を速やかに掃気することができる。加えて、双方向のブロワ１１０によって、第１実施例の循環バルブ６５とブロワ５５との２つの機能を果たすことができるため、システム全体の部品点数を低減することができる。
【００７３】
こうした第２実施例の燃料電池システム１２では、ブロワ１１０の動作によって、外部から吸入した空気を、空気循環経路６０を介して空気排出経路５０、排気系統８０の希釈器８２へ送り出すことができる。この空気の流れ、すなわち、燃料電池スタック２０を通過しない空気の流れは、上述のように掃気処理に利用できることに加えて、水素ガスを多量の空気により薄める希釈処理に利用することができる。つまり、所定のタイミングで、ブロワ１１０により外部からの空気を多量に希釈器８２に供給することで、エアコンプレッサ４８を用いずに十分に水素ガスを希釈して排出することができる。以下に、この希釈処理について説明する。
【００７４】
Ｂ−３．希釈処理：
図６は、第２実施例の燃料電池システム１２における希釈処理のフローチャートである。水素系統３０における開閉バルブ３６は、通常は閉弁状態にあるが、回路内の圧抜きや窒素成分の排出のため、所定のタイミングで所定時間だけ開弁する。開弁と同時に、水素排出経路３５を介して、希釈器８２には高濃度の水素ガスが流入する。この希釈処理は、開閉バルブ３６の開弁タイミングで、制御ユニット１００にて実行される。
【００７５】
処理が開始されると、制御ユニット１００は、ブロワ１１０に始動指令を出力する（ステップＳ６００）。具体的には、ブロワ１１０のモータに、循環時の回転とは逆回転を行なう指令を出力している。ブロワ１１０は、指令を受けて所定回転数で回転を始め、外部から吸入した所定量の空気を、空気循環経路６０，空気排気経路５０を経由し、希釈器８２へ送り込む。
【００７６】
続いて、制御ユニット１００は、水素濃度センサ８３からの水素濃度Ｓを入力する（ステップＳ６１０）。開閉バルブ３６の開弁により希釈器８２に流入した水素ガスは、ブロワ１１０からの空気により希釈され、混合ガスとして下流のマフラ８１へ向かって流れる。水素濃度センサ８３は、この混合ガス中の水素濃度Ｓを検出し、制御ユニット１００に出力する。
【００７７】
水素濃度Ｓを入力した制御ユニット１００は、水素濃度Ｓが所定値α以下であるか否かを判断する（ステップＳ６２０）。ステップＳ６２０で、水素濃度Ｓが所定値α以下でないと判断した（Ｎｏ）場合には、ブロワ１１０に回転数増加の指令を出力し（ステップＳ６３０）、ステップＳ６１０に戻って、再度、水素濃度Ｓを入力する。ブロワ１１０は、指令を受けて所定のステップだけ回転数を増加して、希釈器８２へ送り出す空気量を増量する。
【００７８】
他方、ステップＳ６２０で、水素濃度Ｓが所定値α以下であると判断した（Ｙｅｓ）場合には、ブロワ１１０に停止指令を出力し（ステップＳ６４０）、一連の希釈処理を終了する。なお、開閉バルブ３６は、開弁時間が短く、ブロワ１１０の停止指令までには、閉弁している。したがって、ブロワ１１０停止後に、希釈器８２から高濃度の水素ガスが排出されることはない。
【００７９】
以上の希釈処理では、掃気処理に用いる双方向のブロワ１１０の動作によって、水素ガスを希釈する。つまり、発電のための空気はエアコンプレッサ４８により供給し、希釈のための空気はブロワ１１０により供給する。したがって、希釈のためにエアコンプレッサ４８を過度に駆動させることもなく、効率の良いシステムを構築することができる。また、ブロワ１１０により希釈器８２に供給する空気は、燃料電池スタック２０を通過しない乾燥したガスである。こうした乾燥ガスを排気系統８０へ送るため、排気の湿度が低下し、外部に排出された排気から白煙が出難い構成とすることができる。
【００８０】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．システム構成：
図７は、本発明の第３実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。図示するように、この燃料電池システム１５は、主に、燃料電池スタック２０，水素系統３０，空気系統４２，冷却系統７０，排気系統８０，出力系統９０，制御ユニット１００などから構成されている。この燃料電池システム１５は、第１実施例の燃料電池システム１０とは、空気系統４２の機器の構成のみが異なる。したがって、空気系統４２以外の部分については、第１実施例と符号を同一とし、説明を省略する。
【００８１】
燃料電池システム１５における空気系統４２は、第１実施例と同様の、空気供給経路４５，空気排出経路５０，空気循環経路６０の３つの経路と、掃気用経路１２０とから構成されている。
【００８２】
掃気用経路１２０は、インタークーラ４９と燃料電池スタック２０との間の空気供給経路４５と、循環バルブ６５よりも空気排出経路５０側の空気循環経路６０とを接続する配管であり、その配管上には掃気バルブ１２５を備えている。掃気バルブ１２５は、掃気用経路１２０を開閉するバルブであり、後述する掃気時のみ開弁する。この掃気バルブ１２５の動作により、エアコンプレッサ４８からの空気を掃気用経路１２０を介して空気循環経路６０に送り込み、掃気を行なうことができる。したがって、第１実施例で示した吸引用のブロワ５５は、空気排出経路５０上に設けられていない。
【００８３】
以上の構成の燃料電池システム１５において、燃料電池スタック２０からの発電を行なう場合、制御ユニット１００は、掃気バルブ１２５により掃気用経路１２０を閉じ、各種アクチュエータを起動して運転を行なう。他方、掃気処理を行なう場合には、制御ユニット１００は、以下に示すフローチャートに従って各種アクチュエータの動作を制御する。
【００８４】
Ｃ−２．掃気処理：
図８は、第３実施例の燃料電池システム１５における掃気処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１５の起動時または停止時、あるいは間欠時に、制御ユニット１００にて実行される。
【００８５】
処理が開始されると、制御ユニット１００は、調圧弁５１に開弁を、循環バルブ６５に閉弁を、それぞれ指令する（ステップＳ８００）。続いて、掃気バルブ１２５に閉弁を指令する（ステップＳ８１０）。こうした指令を受けて、調圧弁５１は全開、循環バルブ６５は全閉、掃気バルブ１２５は全閉状態となる。
【００８６】
制御ユニット１００は、エアコンプレッサ４８に始動指令を出力する（ステップＳ８３０）。この指令を受けて、エアコンプレッサ４８は回転し、外部から空気を吸引して、燃料電池スタック２０に空気を送り込む。送り込まれた空気は、燃料電池スタック２０、空気排出経路５０内を流れ、排気系統８０から排出される。このステップによって、空気供給経路４５，燃料電池スタック２０，空気排出経路５０の掃気が行なわれる。
【００８７】
制御ユニット１００は、エアコンプレッサ４８によって掃気を実行する所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ８３２０）。具体的には、エアコンプレッサ４８の始動と共に、経過時間をカウントしている。
【００８８】
ステップＳ８３０で、設定した時間を経過していない（Ｎｏ）と判断した場合には、所定のタイミングで、この判断処理を繰り返す。他方、ステップＳ８３０で、設定した時間を経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、掃気バルブ１２５に開弁指令を出力する（ステップＳ８４０）。この指令を受けて、掃気バルブ１２５は全開状態となり、空気供給経路４５と空気循環経路６０とを接続する掃気用経路１２０が連通する。エアコンプレッサ４８から供給され続ける空気は、燃料電池スタック２０側よりも圧力損失の少ない掃気用経路１２０内を流れ、空気循環経路６０内を掃気する。
【００８９】
制御ユニット１００は、掃気バルブ１２５の開弁による掃気を実行する所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ８５０）。具体的には、掃気バルブ１２５の開弁の指令と共に、経過時間をカウントしている。
【００９０】
ステップＳ８５０で、設定した時間を経過していない（Ｎｏ）と判断した場合には、所定のタイミングで、この判断処理を繰り返す。他方、ステップＳ８５０で、設定した時間を経過した（Ｙｅｓ）と判断した場合には、エアコンプレッサ４８に停止指令を出力し（ステップＳ８６０）、一連の掃気処理を終了する。この指令を受けたエアコンプレッサ４８は回転を停止する。
【００９１】
以上、第３実施例の燃料電池システム１５の掃気処理によれば、掃気用経路１２０および掃気バルブ１２５を設けて新たな経路を形成し、エアコンプレッサ４８による空気を、燃料電池スタック２０を介さずに空気循環経路６０に供給する。こうすることで、空気循環経路６０内を逆流させることができ、第１実施例と同様、空気循環経路６０を速やかに掃気することができる。加えて、比較的、簡易な構成で空気循環経路６０を掃気するシステムを構築することができる。
【００９２】
Ｄ．変形例：
第１実施例では、循環バルブ６５を閉弁して掃気処理を実行するものとしたが、所定時間の掃気処理の終了後に、循環バルブ６５を開弁してブロワ５５を駆動し、外部からの空気を吸引する処理を実行するものとしても良い。こうすることで、空気循環経路６０内を外部からの空気が流れ、より確実に水分除去を行なうことができる。また、掃気処理の際に循環バルブ６５を僅かに開弁状態としておくものとしても良い。この場合でも、外部からの空気は、空気循環経路６０には流入し難く、第１実施例と同様の効果を奏する。
【００９３】
さらに、第１実施例の燃料電池システム１０において、ブロワ５５を希釈処理に利用するものとしても良い。例えば、開閉バルブ３６の開弁タイミングに応じて、循環バルブ６５の開度を増加し、ブロワ５５を駆動して外部から空気を取り込み、希釈器８２へ供給する処理を行なうものとすれば良い。こうすることで、エアコンプレッサ４８に負荷をかけることなく、水素ガスの希釈を行なうことができる。
【００９４】
また、第２実施例における希釈処理では、水素ガスの希釈に必要な空気は双方向のブロワ１１０により供給するものとしたが、例えばエアコンプレッサ４８との共働によるものとしても良い。こうすることで水素濃度に応じて、効率よく希釈処理を実行することができる。
【００９５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、第２実施例における双方向のブロワ１１０の回転モータを回生モータを用いる構成とすることもできる。かかる構成において、ブロワ１１０前後の差圧が大きく、循環方向への流れができる場合には、回生モータで循環する流量を調整すると共に、流体のエネルギを利用して発電を行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施例の燃料電池システムにおける掃気処理のフローチャートである。
【図３】起動時の掃気処理における各アクチュエータの動作タイミングを示したタイミング図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】第２実施例の燃料電池システムにおける掃気処理のフローチャートである。
【図６】第２実施例の燃料電池システムにおける希釈処理のフローチャートである。
【図７】本発明の第３実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】第３実施例の燃料電池システムにおける掃気処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００９７】
１０...第１の燃料電池システム
１２...第２の燃料電池システム
１５...第３の燃料電池システム
２０...燃料電池スタック
２１...単セル
２８，２９...エンドプレート
３０...水素系統
３１...水素タンク
３２...水素供給経路
３３...水素循環経路
３４...循環ポンプ
３５...水素排出経路
３６...開閉バルブ
４０，４１，４２...空気系統
４５...空気供給経路
４６...エアクリーナ
４７...エアフロメータ
４８...エアコンプレッサ
４９...インタークーラ
５０...空気排出経路
５１...調圧弁
５５...ブロワ
５６...温度センサ
５７，５８...圧力センサ
６０...空気循環経路
６５...循環バルブ
７０...冷却系統
７１...ラジエータ
７２...ポンプ
８０...排気系統
８１...マフラ
８２...希釈器
８３...水素濃度センサ
９０...出力系統
９１...インバータ
９２...走行モータ
９３...ＤＣ／ＤＣコンバータ
９４...二次電池
１００...制御ユニット
１１０...ブロワ
１２０...掃気用経路
１２５...掃気バルブ
【図１】
2006080027.tif 000003
【図２】
2006080027.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006080027.tif 000007
【図６】
2006080027.tif 000008
【図７】
2006080027.tif 000009
【図８】
2006080027.tif 000010