(57)【要約】【課題】  アノードオフガス中に含まれる水素を循環して利用する燃料電池システムにおいて、逆止弁を用いることなく、水素ガスが燃料電池に供給される前に無駄に排出されてしまうことを抑制する。【解決手段】  制御コンピュータは、流量計８０を用いてアノードオフガスの流量を検出し、その流量が基準値よりも小さければ、分岐部３８から水素循環管３３に燃料ガスが流れ込んで無駄に排出されてしまうことを抑制するため、循環ポンプ４０の上流側に位置する第１排出弁７１によってアノードオフガスの排出を行う。一方、検出した流量が基準値よりも大きければ分岐部３８から水素循環管３３に燃料ガスが流れ込まないと判断し、循環ポンプ４０の下流側に位置する第２排出弁７２によってアノードオフガスの排出を行う。【選択図】  図１
2006331966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続され、該燃料電池に水素ガスを供給する水素供給流路と、
前記燃料電池と前記水素供給流路とに接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記水素供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路中に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを加圧して前記水素供給流路に流す循環ポンプと、
前記循環流路中の前記燃料電池と前記循環ポンプとの間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第１の排出弁と、
前記循環流路中の前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第２の排出弁と、
前記循環流路中に流れるアノードオフガスの状態量に基づき、前記第１の排出弁または前記第２の排出弁のいずれかを選択し、該選択した排出弁を開閉させて前記アノードオフガスを外部に排出させる制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの流量を検出する流量検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記流量検出手段によって検出した流量に基づき、前記排出弁の選択を行う
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、
前記制御部は、前記流量検出手段によって検出した流量が所定の基準値よりも小さい場合に、前記第１の排出弁を選択し、前記流量が前記所定の基準値よりも大きい場合に、前記第２の排出弁を選択する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記流量検出手段は、前記アノードオフガスの圧力、前記アノードオフガスの温度、前記循環ポンプの駆動量、前記燃料電池の発電量、の少なくともいずれか一つに応じて前記アノードオフガスの流量を推定する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づき、前記排出弁の選択を行う
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記燃料電池との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記アノードオフガスが前記第１の排出弁または前記第２の排出弁を通じて排出される空間における圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも大きい場合に、前記第１の排出弁を選択し、前記差圧が前記所定の基準値よりも小さい場合に、前記第２の排出弁を選択する
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記アノードオフガスが前記第１の排出弁または前記第２の排出弁を通じて排出される空間の圧力とは、大気圧である
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記水素供給流路内の前記循環流路と結合する部分よりも上流における水素ガスの圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも小さい場合に、前記第１の排出弁を選択し、前記差圧が前記基準値よりも大きい場合に、前記第２の排出弁を選択する
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、アノードオフガス中に含まれる水素を循環して再利用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池が、電気自動車に搭載される電力源として注目されている。このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを燃料電池に循環させて供給することで、アノードオフガス中に含まれる残留水素を効率的に利用することが行われている（特許文献１乃至４参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２５号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５０９４号公報
【特許文献３】特開２００４−３１２３４号公報
【特許文献４】特開平６−２２３８５９号公報
【０００４】
例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素タンクから燃料電池に供給される水素ガスが、アノードオフガスを循環させる循環系に流れ込まないように、水素供給系と循環系との結合部分に逆止弁が設けられている。循環系には、定期的にアノードオフガスを外部に排出する排出弁が設けられているため、水素供給系から循環系に水素ガスが流れ込んだとすると、この排出弁から水素ガスが燃料電池に供給される前に排出されてしまう場合があるからである。
【０００５】
しかしながら、逆止弁を備える燃料電池システムでは、０℃以下の環境で放置された場合などに、逆止弁が凍結してアノードオフガスの循環が阻害されてしまうおそれがあった。また、通常、逆止弁は、その動作に電力が必要とされず、発熱することがないため、一旦凍結してしまうと自立的に解氷することは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような状況に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、アノードオフガス中に含まれる水素を循環して利用する燃料電池システムにおいて、逆止弁を用いることなく、水素ガスが燃料電池に供給される前に無駄に排出されてしまうことを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムを次のように構成した。すなわち、
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に接続され、該燃料電池に水素ガスを供給する水素供給流路と、
前記燃料電池と前記水素供給流路とに接続され、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記水素供給流路に流す循環流路と、
前記循環流路中に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを加圧して前記水素供給流路に流す循環ポンプと、
前記循環流路中の前記燃料電池と前記循環ポンプとの間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第１の排出弁と、
前記循環流路中の前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、前記循環流路内に流れる前記アノードオフガスを外部に排出する第２の排出弁と、
前記循環流路中に流れるアノードオフガスの状態量に基づき、前記第１の排出弁または前記第２の排出弁のいずれかを選択し、該選択した排出弁を開閉させて前記アノードオフガスを外部に排出させる制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、循環流路中に流れるアノードオフガスの状態量に基づき、循環ポンプの上流側（燃料電池側）に備えられた第１の排出弁と循環ポンプの下流側（水素供給流路側）に備えられた第２の排出弁とを使い分けてアノードオフガスを外部に排出する。そのため、アノードオフガスの状態量が、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込まない状態量であれば、循環ポンプの下流側の第２の排出弁からアノードオフガスを排出し、アノードオフガスの状態量が、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むおそれがある状態量であれば、循環ポンプの上流側の第１の排出弁からアノードオフガスを排出することで、水素ガスが、燃料電池に供給される前に無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。なお、アノードオフガスの状態量とは、水素ガスが水素供給流路から循環流路に流れ込み、排出弁から無駄に排出されるおそれがあることを推定可能なパラメータであって、例えば、アノードオフガスの流量や圧力等のことをいう。
【０００９】
上記構成の燃料電池システムにおいて、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの流量を検出する流量検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記流量検出手段によって検出した流量に基づき、前記排出弁の選択を行うものとしてもよい。
この場合には、前記制御部は、前記流量検出手段によって検出した流量が所定の基準値よりも小さい場合に、前記第１の排出弁を選択し、前記流量が前記所定の基準値よりも大きい場合に、前記第２の排出弁を選択するものとすることができる。
【００１０】
このような構成の燃料電池システムでは、アノードオフガスの流量が基準値よりも少ないために、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むおそれがある場合には、循環ポンプの上流に位置する第１の排出弁を用いてアノードオフガスを排出する。従って、循環ポンプの存在により、水素ガスが第１の排出弁まで到達することが抑制されるため、水素ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。更に、かかる構成では、アノードオフガスの流量が基準値よりも多く、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むことを抑制することが可能な場合には、循環ポンプの下流に位置する第２の排出弁を用いてアノードオフガスを排出することができる。従って、アノードオフガスの循環量の増加に伴い循環ポンプの吸い込み量が増加し、循環ポンプの上流側が負圧になって第１の排出弁からアノードオフガスを排出することが困難となる場合であっても、第２の排出弁からスムーズにアノードオフガスを排出することが可能になる。
【００１１】
なお、前記流量検出手段は、前記アノードオフガスの圧力、前記アノードオフガスの温度、前記循環ポンプの駆動量、前記燃料電池の発電量、の少なくともいずれか一つに応じて前記アノードオフガスの流量を推定するものとしてもよい。
【００１２】
このような構成であれば、アノードオフガスの流量を流量センサなどで直接検出しなくとも、排出弁の選択を行うことが可能になる。
【００１３】
上記構成の燃料電池システムにおいて、
更に、前記循環流路内を流れるアノードオフガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードオフガスの状態量として前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づき、前記排出弁の選択を行うものとしてもよい。
【００１４】
かかる構成において、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記燃料電池との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記アノードオフガスが前記第１の排出弁または前記第２の排出弁を通じて排出される空間における圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも大きい場合に、前記第１の排出弁を選択し、前記差圧が前記所定の基準値よりも小さい場合に、前記第２の排出弁を選択するものとすることができる。
【００１５】
このような構成の燃料電池システムによれば、循環ポンプの吸引力によってその上流側のアノードオフガスの圧力が低下した場合には、循環ポンプの上流側に位置する第１の排出弁ではなく、循環ポンプの下流側に位置する第２の排出弁からアノードオフガスを排出するため、スムーズにアノードオフガスを排出することができる。このような場合には、循環ポンプによってアノードオフガスの循環量が増加しているため、第２の排出弁からアノードオフガスを排出したとしても、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むことが妨げられることになり、水素ガスが無駄に排出されることを抑制することができる。更に、かかる構成では、循環ポンプの上流側の圧力が大きい場合には、循環ポンプの上流に位置する第１の排出弁を開閉させることにより、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。この場合において、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込んだとしても、循環ポンプによってその流れは妨げられることになるため、水素ガスが無駄に排出されることが抑制されることになる。
【００１６】
なお、前記アノードオフガスが前記第１の排出弁または前記第２の排出弁を通じて排出される空間の圧力とは、大気圧であるものとしてもよい。アノードオフガスは、最終的に大気中に排出されるからである。
【００１７】
このような構成であれば、大気圧を定数として扱うことができるため、前記空間の圧力を検出するためのセンサを別途設ける必要がなく、システムを簡略化することができる。
【００１８】
また、上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記圧力検出手段は、前記循環流路中の、前記循環ポンプと前記水素供給流路との間に設けられ、
前記制御部は、前記圧力検出手段によって検出した圧力から、前記水素供給流路内の前記循環流路と結合する部分よりも上流における水素ガスの圧力を差し引いた差圧が、所定の基準値よりも小さい場合に、前記第１の排出弁を選択し、前記差圧が前記基準値よりも大きい場合に、前記第２の排出弁を選択するものとすることができる。
【００１９】
このような構成の燃料電池システムによれば、循環流路内の圧力が水素供給流路内の圧力に比べて十分に大きければ、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込むことが抑制されるため、循環ポンプの下流側に位置する第２の排出弁を用いてアノードオフガスを排出することができる。更に、循環流路内の圧力が水素供給流路内の圧力に比べて低ければ、循環ポンプの上流側に位置する第１の排出弁を用いてアノードオフガスを排出するため、水素供給流路から循環流路に水素ガスが流れ込んだとしても、循環ポンプによってその流れが妨げられることになり、水素ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの構成：
（Ａ２）アノードオフガスの排出制御：
Ｂ．第２実施例：
（Ｂ１）燃料電池システムの構成：
（Ｂ２）アノードオフガスの排出制御：
Ｃ．第３実施例：
（Ｃ１）燃料電池システムの構成：
（Ｃ２）アノードオフガスの排出制御：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの構成：
図１は、第１実施例としての燃料電池システム１００ａの全体構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００ａは、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池１０や、高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に対して空気を供給するエアコンプレッサ３０、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスを循環させる循環ポンプ４０、燃料電池システム１００ａの動作を制御する制御コンピュータ６０などを備えている。燃料電池システム１００ａは、車両に搭載され、車軸駆動用のモータ５０等の負荷を動作させる電力源として用いられる。
【００２２】
燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。燃料電池１０の各単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力が生じる。
【００２３】
燃料電池１０のカソードには、空気供給配管３１とカソードオフガス排出管３６とが接続されている。燃料電池１０には、空気供給配管３１を通じて、エアコンプレッサ３０により圧縮された空気が酸化ガスとして供給される。この空気は、燃料電池１０内での電気化学反応によって酸素が消費された後、カソードオフガス排出管３６を通じて外部に排出される。こうしてカソードから排出されるガスをカソードオフガスという。
【００２４】
燃料電池１０のアノードには、水素供給配管３２と水素循環管３３とが接続されている。アノードには、水素供給配管３２を通じて、水素タンク２０から燃料ガスとしての水素が供給される。水素供給配管３２には、シャットバルブ３４と調圧バルブ３５とが備えられている。シャットバルブ３４は、水素タンク２０からの燃料ガスの供給を遮断するためのバルブである。一方、調圧バルブ３５は、水素タンク２０から供給される燃料ガスの圧力を、燃料電池１０による発電に適した圧力まで減圧するためのバルブである。
【００２５】
燃料電池１０内では、燃料ガス中の水素の一部が電気化学反応によって消費され、電気化学反応によって消費しきれなかった水素は、アノードオフガスとして燃料電池１０から水素循環管３３に排出される。水素循環管３３は、調圧バルブ３５と燃料電池１０との間に設けられた分岐部３８を介して水素供給配管３２に接続されている。この水素循環管３３を流れるアノードオフガス中には、水素以外にも、燃料電池１０内の電解質膜を通じてカソード側から透過してきた水分や窒素等が含まれる。
【００２６】
水素循環管３３に排出されたアノードオフガスは、水素循環管３３中に設けられた循環ポンプ４０によって加圧される。そして、加圧されたアノードオフガスは分岐部３８を通じて、再度、水素供給配管３２に供給される。つまり、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスは、燃料電池１０に循環して供給されることになる。上述したように、アノードオフガスには、燃料電池１０による電気化学反応で消費しきれなかった水素が含まれるため、アノードオフガスを燃料電池１０に循環して供給することにより、効率的に水素を利用することができる。
【００２７】
循環ポンプ４０によるアノードオフガスの循環量の調整は、制御コンピュータ６０によって制御される。詳しくは、制御コンピュータ６０は、モータ５０等の負荷に多くの電力が必要となるほど、循環ポンプ４０の駆動量を大きくすることで、アノードオフガスの循環量を増加させる。こうすることで、燃料電池１０に多くの水素が供給されることになり発電量が増加する。
【００２８】
水素循環管３３中の循環ポンプ４０の上流側（燃料電池１０側）には、第１排出弁７１が設けられ、下流側（水素供給配管３２側）には、第２排出弁７２が設けられている。水素循環管３３は、これらの排出弁７１，７２を介して、アノードオフガス排出配管７５に接続されている。本実施例では、水素循環管３３中の燃料電池１０と第１排出弁７１との間に、水素循環管３３内を流れるアノードオフガスの流量を検出する流量計８０が備えられている。
【００２９】
第１排出弁７１と第２排出弁７２の開閉は、制御コンピュータ６０によって制御される。本実施例では、制御コンピュータ６０は、流量計８０によって検出したアノードオフガスの流量に応じて、どちらの排出弁を用いてアノードオフガスを排出するかを選択する。そして、選択した排出弁を所定のタイミングで開閉することにより、水素循環管３３中のアノードオフガスを、アノードオフガス排出配管７５を通じて外部に排出する。上述したように、アノードオフガスには水分や窒素などが含まれるため、循環を繰り返すとこれらの濃度が高くなり水素分圧が低下する。そのため、第１排出弁７１もしくは第２排出弁７２を定期的に開弁して排出することで、これらの不純物を水素とともに外部に排出し、その濃度を低下させることができる。
【００３０】
制御コンピュータ６０は、ＣＰＵ６１とＲＡＭ６２とＲＯＭ６３と各種入出力ポートとを備えている。ＲＯＭ６３には、第１排出弁７１や第２排出弁７２の開閉制御を行うためのプログラムや、燃料電池システム１００全体の運転制御を行うためのプログラムが記録されている。ＣＰＵ６１は、これらのプログラムをＲＯＭ６３から読み出し、ＲＡＭ６２をワークエリアとして用いつつ実行する。この制御コンピュータ６０には、入出力ポートを介して、流量計８０や第１排出弁７１、第２排出弁７２、シャットバルブ３４、調圧バルブ３５、エアコンプレッサ３０、循環ポンプ４０などが接続されている。
【００３１】
（Ａ２）アノードオフガスの排出制御：
図２は、制御コンピュータ６０が燃料電池システム１００ａの動作中、常時実行するアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャートである。このアノードオフガス排出制御ルーチンは、水素循環管３３内を循環するアノードオフガスを、第１排出弁７１または第２排出弁７２を用いて外部に排出するために実行される。
【００３２】
このルーチンが実行されると、まず、制御コンピュータ６０は、流量計８０を用いて、水素循環管３３内を流れるアノードオフガスの流量Ｑ（ｌ／ｓ）を検出する（ステップＳ１００）。そして、この流量Ｑと、予め設定された基準値αとを比較して、流量Ｑが基準値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。基準値αは、例えば、燃料ガスが分岐部３８から水素循環管３３に流れ込むことを抑えることが可能なアノードオフガスの流量を実験的に求めて設定することができる。
【００３３】
上記ステップＳ１１０による判定の結果、流量Ｑが基準値α未満であれば（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、制御コンピュータ６０は、燃料ガスが分岐部３８から水素循環管３３に流れ込むおそれがあると判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として循環ポンプ４０の上流に位置する第１排出弁７１を選択し（ステップＳ１２０）、第２排出弁７２を閉弁状態にする（ステップＳ１３０）。一方、流量Ｑが基準値α以上であれば（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、制御コンピュータ６０は、燃料ガスが分岐部３８から水素循環管３３に流れ込まないと判断し、アノードオフガスの排出を行う排出弁として、循環ポンプ４０の下流に位置する第２排出弁７２を選択し（ステップＳ１４０）、第１排出弁を閉弁状態にする（ステップＳ１５０）。
【００３４】
次に、制御コンピュータ６０は、上記ステップＳ１２０もしくはステップＳ１４０で選択された排出弁をｔ１秒開弁し（ステップＳ１６０）、その後、この排出弁をｔ２秒閉弁する（ステップＳ１７０）。上述したように、アノードオフガスには、窒素や水分などの不純物が含まれる。そのため、アノードオフガス中の不純物を低減するためには、時間ｔ１を長く設定することが必要である。しかし、アノードオフガスの排出を行えば、不純物とともに水素も排出されることになるため、水素の無駄な排出を抑えるとともに安全上の観点から時間ｔ１は、できるだけ短く設定することが好ましい。従って、時間ｔ１およびｔ２は、この両者の要求を満たすことのできる時間を実験などによって求めて設定することができる。例えば、時間ｔ１は、数十〜数百ミリ秒の範囲で設定することができ、時間ｔ２は、数秒から数十秒の範囲内で設定することができる。なお、このｔ１、ｔ２は、固定の値としてもよいが、外気温や発電量などに応じてアノードオフガス中の不純物の量を推定し、推定された不純物の量に応じてデューティ比を調整するものとしてもよい。また、排出弁７１，７２が可変絞りを備える場合には、その開度を調整してアノードオフガスの排出量を調整するものとしてもよい。制御コンピュータ６０は、上述した一連の処理を繰り返し実行する。
【００３５】
以上のように構成した第１実施例の燃料電池システム１００ａでは、燃料電池システム１００ａの起動直後など、モータ５０等の負荷に要する電力が少なく、アノードオフガスの循環量が少ない場合には、循環ポンプ４０の下流側にある第２排出弁７２を閉じて、循環ポンプ４０よりも上流側に位置する第１排出弁７１からアノードオフガスを排出する。従って、アノードオフガスの循環量が少ないために燃料ガスが水素供給配管３２から水素循環管３３に流れ込んだとしても、その流れは、循環ポンプ４０によって妨げられることになり、燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することが可能になる。
【００３６】
更に、本実施例では、モータ５０等の負荷に多くの電力が必要となり、アノードオフガスの循環量が増した場合には、循環ポンプ４０の下流側に位置する第２排出弁７２からアノードオフガスの排出を行う。従って、アノードオフガスの循環量の増加に伴い循環ポンプ４０の吸い込み量が増加することで、循環ポンプ４０の上流側の圧力が低くなり、アノードオフガス排出配管７５内の圧力（大気圧）と水素循環管３３内の圧力との圧力差が十分にとれず、第１排出弁７１からアノードオフガスを排出することが困難となる場合であっても、第２排出弁７２からスムーズにアノードオフガスを排出することが可能になる。なお、アノードオフガスの循環量が多ければ、水素供給配管３２から水素循環管３３に燃料ガスが流れ込むことが妨げられるため、第２排出弁７２からアノードオフガスを排出したとしても、この第２排出弁７２から燃料ガスが無駄に排出されてしまうことが抑制されることになる。
【００３７】
以上で説明した第１実施例によれば、水素循環管３３内を流れるアノードオフガスの循環量に応じて、アノードオフガスを排出する排出弁を、第１排出弁７１と第２排出弁７２のいずれかに切り替えることにより、分岐部３８に逆止弁を設けなくとも、燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。
【００３８】
なお、本実施例では、流量計８０によって検出したアノードオフガスの流量に応じて、アノードオフガスの排出を行う排出弁を切り換えるものとしたが、流量計８０を用いることなく、制御コンピュータ６０が種々の状態量から水素循環管３３を流れるアノードオフガスの循環量を推測し、この推測値に基づき、排出弁の切り替えを行うものとすることもできる。
【００３９】
例えば、循環ポンプ４０が容積型ポンプであれば、このポンプの効率をγ、容器容量をＶｃ（Ｌ）、ポンプモータの回転数をＲ（ｒｐｍ）、ロータとモータの回転数比をＫ（＝ロータ回転数／モータ回転数）、循環ポンプ４０が吸引するアノードオフガスの温度と圧力をそれぞれ、Ｔ（℃）、Ｐ（ｋＰａ）とすると、下記の式（１）によって、アノードオフガスの流量Ｑ（ＮＬ／ｍｉｎ）を推測することができる。ただし、式（１）に基づき流量Ｑを推測する場合には、水素循環管３３中の循環ポンプ４０の上流に、アノードオフガスの温度を検出する温度センサと圧力を検出する圧力センサとを設けるものとする。
【００４０】
Ｑ＝（γ＊Ｖｃ＊Ｒ＊Ｋ＊Ｐ＊２７３）／（（２７３＋Ｔ）＊１０１．３）  ・・・（１）
【００４１】
なお、上記式（１）では、その一部の変数を所定の値に固定し、残りの変数を実測するものとしてもよい。こうすることにより、制御コンピュータ６０の処理負担を軽減することができる。
【００４２】
また、上記式（１）によって循環量を推測する以外にも、燃料電池１０から出力される電流値や、循環ポンプ４０の回転数あるいは循環ポンプ４０に印加する電圧を検出し、これらの値からアノードオフガスの循環量を所定のマップや関数に基づき推測するものとしてもよい。一般的に、上述した電流値や回転数、電圧が高くなれば、アノードオフガスの循環量も多くなる。なお、循環流量を推定することなく、電流値や回転数、電圧の実測値と、これらの値に対応する所定の基準値とを直接比較することにより、排出弁を切り換えるものとしてもよい。
【００４３】
Ｂ．第２実施例：
（Ｂ１）燃料電池システムの構成：
図３は、第２実施例としての燃料電池システム１００ｂの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００ｂは、上述した第１実施例の燃料電池システム１００ａとほぼ同様の構成であるが、流量計８０を備えていない点と、いくつかの圧力センサを備えている点で異なる。すなわち、本実施例の燃料電池システム１００ｂは、水素循環管３３中の循環ポンプ４０の上流部分に、かかる部分におけるアノードオフガスの圧力Ｐ１を検出する第１圧力センサ８１を設け、さらに、アノードオフガス排出配管７５中に、このアノードオフガス排出配管７５内の圧力を検出する第２圧力センサ８２を設け、これらの圧力センサ８１，８２によって検出された圧力に応じて、アノードオフガスを排出する排出弁７１，７２を切り換える。
【００４４】
（Ｂ２）アノードオフガスの排出制御：
図４は、第２実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンが実行されると、まず、制御コンピュータ６０は、第１圧力センサ８１を用いて、循環ポンプ４０の上流部分におけるアノードオフガスの圧力Ｐ１を検出し、更に、第２圧力センサ８２を用いて、アノードオフガス排出配管７５内の圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ２００）。そして、検出した圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）を求め、この差圧ΔＰが、基準値βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１０）。基準値βは、第１排出弁７１を介して水素循環管３３内のアノードオフガスがアノードオフガス排出配管７５にスムーズに排出することができる差圧を実験的に求めて設定することができる。
【００４５】
上記ステップＳ２１０による判定の結果、差圧ΔＰが基準値βよりも大きければ（ステップＳ２１０：Ｙｅｓ）、制御コンピュータ６０は、第１排出弁７１からアノードオフガス排出配管７５に対してアノードオフガスを排出できるだけの差圧が確保されていると判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第１排出弁７１を選択し（ステップＳ２２０）、第２排出弁７２を閉弁状態にする（ステップＳ２３０）。一方、差圧ΔＰが基準値β以下であれば（ステップＳ２１０：Ｎｏ）、制御コンピュータ６０は、第１排出弁７１からアノードオフガス排出配管７５に対してアノードオフガスを排出できるだけの差圧が確保されていないと判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第２排出弁７２を選択し（ステップＳ２４０）、第１排出弁７１を閉弁状態にする（ステップＳ２５０）。
【００４６】
次に、制御コンピュータ６０は、上記ステップＳ２２０もしくはステップＳ２４０で選択された排出弁をｔ１秒開弁し（ステップＳ２６０）、その後、この排出弁をｔ２秒閉弁する（ステップＳ２７０）。制御コンピュータ６０は、上述した一連の処理を繰り返し実行する。
【００４７】
以上のように構成した第２実施例の燃料電池システム１００ｂでは、循環ポンプ４０の吸引力によって循環ポンプ４０の上流側のアノードオフガスの圧力Ｐ１が低下した場合には、循環ポンプ４０の下流側に位置する第２排出弁７２からアノードオフガスを排出する。そのため、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。このような場合には、第２排出弁７２からアノードオフガスを排出したとしても、循環ポンプ４０によってアノードオフガスの循環量が増加しているため、水素供給配管３２から分岐部３８を通じて燃料ガスが流れ込むことが妨げられることになり、燃料ガスが無駄に排出されることが抑制されることになる。
【００４８】
更に、本実施例の燃料電池システム１００ｂでは、循環ポンプ４０の上流側のアノードオフガスの圧力Ｐ１が十分確保されている場合には、循環ポンプ４０の上流側に位置する第１排出弁７１を開閉させることで、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。この場合には、分岐部３８から水素循環管３３に燃料ガスが流れ込んだとしても、循環ポンプ４０によってその流れが妨げられることになるため、第１排出弁７１から燃料ガスが無駄に排出されることが抑制されることになる。
【００４９】
なお、上記第２実施例では、アノードオフガス排出配管７５に第２圧力センサ８２を設けるものとしたが、アノードオフガス排出配管７５は、大気と連通しているため、その内部は、大気圧と同じ圧力であると考えることができる。そのため、第２圧力センサ８２は省略するものとしてもよく、上記アノードオフガス排出制御ルーチンのステップＳ２００において、アノードオフガスの圧力Ｐ１のみを検出するものとしてもよい。この場合には、基準値βを、予め大気圧を加えた値に設定し、ステップＳ２１０において、その値と圧力Ｐ１とを比較するものとすることができる。
【００５０】
また、上記第２実施例では、第１圧力センサ８１と第２圧力センサ８２の２つの圧力センサを用いるものとしたが、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２の差圧を検出する差圧センサを用いるものとしてもよい。
【００５１】
Ｃ．第３実施例：
（Ｃ１）燃料電池システムの構成：
図５は、第３実施例としての燃料電池システム１００ｃの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００ｃは、上述した第２実施例の燃料電池システム１００ｂとほぼ同様の構成であるが、圧力センサを設けた位置が異なる。すなわち、本実施例の燃料電池システム１００ｃは、循環ポンプ４０の下流側のアノードオフガスの圧力を測定する第３圧力センサ８３と、水素供給配管３２の調圧バルブ３５よりも下流側でかつ分岐部３８の上流側の燃料ガスの圧力を測定する第４圧力センサ８４とを備え、これらの圧力センサによって検出された圧力に応じて、アノードオフガスを排出する排出弁７１，７２を切り換える。
【００５２】
（Ｃ２）アノードオフガスの排出制御：
図６は、第３実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンが実行されると、まず、制御コンピュータ６０は、第３圧力センサ８３を用いて循環ポンプ４０の下流側のアノードオフガスの圧力Ｐ３を検出し、更に、第４圧力センサ８４を用いて水素供給配管３２の調圧バルブ３５よりも下流側でかつ分岐部３８の上流側の燃料ガスの圧力Ｐ４を検出する（ステップＳ３００）。そして、検出した圧力Ｐ３と圧力Ｐ４の差圧ΔＰｃ（＝Ｐ３−Ｐ４）を求め。この差圧ΔＰｃが、所定の基準値βｃよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３１０）。基準値βｃは、例えば、第２排出弁７２がｔ１秒間開いたとしても、圧力Ｐ３が圧力Ｐ４以下とならない差圧を実験的に求めて設定することができる。
【００５３】
上記ステップＳ３１０による判定の結果、差圧ΔＰｃが基準値βｃよりも小さければ（ステップＳ３１０：Ｙｅｓ）、制御コンピュータ６０は、燃料ガスが分岐部３８から水素循環管３３に流れ込むおそれがあると判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第１排出弁７１を選択し（ステップＳ３２０）、第２排出弁７２を閉弁状態にする（ステップＳ３３０）。一方、差圧ΔＰｃが基準値βｃよりも大きければ（ステップＳ３１０：Ｎｏ）、制御コンピュータ６０は、燃料ガスが分岐部３８から水素循環管３３に流れ込まないと判断して、アノードオフガスの排出を行う排出弁として第２排出弁７２を選択し（ステップＳ３４０）、第１排出弁７１を閉弁状態にする（ステップＳ３５０）。
【００５４】
次に、制御コンピュータ６０は、上記ステップＳ３２０もしくはステップＳ３４０で選択された排出弁をｔ１秒開弁し（ステップＳ３６０）、その後、この排出弁をｔ２秒閉弁する（ステップＳ３７０）。制御コンピュータ６０は、上述した一連の処理を繰り返し実行する。
【００５５】
以上のように構成した第３実施例の燃料電池システム１００ｃでは、循環ポンプ４０によって加圧されたアノードオフガスの圧力Ｐ３と水素供給配管３２内の燃料ガスの圧力Ｐ４との差が少ない場合には、第１排出弁７１からアノードオフガスを排出する。こうすることにより、燃料ガスが水素循環管３３に流れ込んだとしても、その流れは循環ポンプ４０によって妨げられることになり、燃料ガスが無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。
【００５６】
更に、本実施例の燃料電池システム１００ｃでは、循環ポンプ４０によって加圧されたアノードオフガスの圧力Ｐ３が水素供給配管３２内の燃料ガスの圧力Ｐ４よりも十分高い場合には、第２排出弁７２からアノードオフガスを排出する。このような場合には、循環ポンプ４０の吸引力が大きいため、循環ポンプ４０の上流側の圧力が低くなり、第１排出弁７１からアノードオフガスを排出することが困難な場合がある。そこで、第２排出弁７２を用いてアノードオフガスを排出することにより、アノードオフガスをスムーズに排出することができる。なお、アノードオフガスの圧力Ｐ３が、燃料ガスの圧力Ｐ４よりも十分に高ければ、水素供給配管３２の分岐部３８から水素循環管３３に水素が流れ込むことが妨げられるため、第２排出弁７２を用いてアノードオフガスを排出しても、燃料ガスが無駄に排出されることはない。
【００５７】
なお、上記第３実施例では、第３圧力センサ８３と第４圧力センサ８４の２つの圧力センサを用いるものとしたが、圧力Ｐ３と圧力Ｐ４の差圧を検出する差圧センサを用いるものとしてもよい。
【００５８】
また、上記第３実施例では、第４圧力センサ８４によって燃料ガスの圧力を検出するものとしたが、通常、この圧力は、調圧バルブ３５に設定された圧力であると考えることができる。そのため、第４圧力センサ８４は省略するものとしてもよく、上記アノードオフガス排出制御ルーチンのステップＳ３００において、アノードオフガスの圧力Ｐ３のみを検出するものとしてもよい。この場合、ΔＰｃは、検出した圧力Ｐ３から調圧バルブ３５に設定された圧力を差し引いて求めることができる。
【００５９】
以上、本発明の種々の実施例について説明した。上述した各実施例によれば、水素循環管３３が水素供給配管３２に合流する部分に逆止弁を設けなくとも、燃料ガスが燃料電池１０に到達する前に無駄に排出されてしまうことを抑制することができる。なお、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】第１実施例としての燃料電池システム１００ａの全体構成を示す説明図。
【図２】アノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャート。
【図３】第２実施例としての燃料電池システム１００ｂの全体構成を示す説明図。
【図４】第２実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャート。
【図５】第３実施例としての燃料電池システム１００ｃの全体構成を示す説明図。
【図６】第３実施例におけるアノードオフガス排出制御ルーチンのフローチャート。
【符号の説明】
【００６１】
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ...燃料電池システム
１０...燃料電池
２０...水素タンク
３０...エアコンプレッサ
３１...空気供給配管
３２...水素供給配管
３３...水素循環管
３４...シャットバルブ
３５...調圧バルブ
３６...カソードオフガス排出管
３８...分岐部
４０...循環ポンプ
５０...モータ
６０...制御コンピュータ
６１...ＣＰＵ
６２...ＲＡＭ
６３...ＲＯＭ
７１...第１排出弁
７２...第２排出弁
７５...アノードオフガス排出配管
８０...流量計
８１...第１圧力センサ
８２...第２圧力センサ
８３...第３圧力センサ
８４...第４圧力センサ
【図１】
2006331966.tif 000003
【図２】
2006331966.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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