(57)【要約】【課題】  外部に排出する水素の拡散を促進するために設計上の制限を課すことなく、燃料電池に供給される燃料ガス圧の過剰上昇を防止する。【解決手段】  燃料電池システム１０は、燃料電池２２に対して水素を含有する燃料ガスを供給する第１の水素流路６０と、第１の水素流路６０に接続される第２の水素流路６６と、第２の水素流路６６に設けられ、第２の水素流路６６内の圧力が第１の基準値を超えるときに開弁する第１のリリーフバルブ６９と、第２の水素流路６６の下流側に接続され、第１のリリーフバルブ６９を介して排出された水素の濃度を、外部への排出に先立って低減する水素濃度低減部と、を備える。【選択図】  図１
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【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、
前記燃料電池に対して水素を含有する燃料ガスを供給する第１の流路と、
前記第１の流路に接続される第２の流路と、
前記第２の流路あるいは前記第２の流路と前記第１の流路との接続部に設けられ、該第２の流路内の圧力が第１の基準値を超えるときに開弁する第１のリリーフバルブと、
前記第２の流路の下流側に接続され、前記第１のリリーフバルブを介して前記第１の流路から排出された水素の濃度を、外部への排出に先立って低減する水素濃度低減部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する圧力調整部を備え、
前記第２の流路は、前記圧力調整部の配置位置よりも下流側において前記第１の流路に接続される
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
水素を貯蔵すると共に前記第１の流路に接続する水素貯蔵部と、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態となるシャットバルブと
を備え
前記第２の流路は、前記シャットバルブよりも下流側で前記第１の流路に対して接続する
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池のカソードとを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導く酸化ガス流路と
を備え、
前記水素濃度低減部は、前記カソードから排出されるカソード排ガスを外部に導くカソード排ガス流路に設けられると共に、該カソード排ガス流路の断面積よりも大きな断面積を有し、前記第２の流路の下流側が接続される希釈器である
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池による発電を行なう際に、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス量制御部であって、前記第１のリリーフバルブが開弁するときには、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を、前記燃料電池における発電量に基づいて設定される値よりも増大させる酸化ガス量制御部を備える
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池のカソードとを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導く酸化ガス流路と、
前記カソードから排出されるカソード排ガスを外部に導くカソード排ガス流路に設けられると共に、該カソード排ガス流路の断面積よりも大きな断面積を有する希釈器と、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
前記第２の流路から分岐して前記希釈器に接続する第１の分岐路と、
前記第２の流路から分岐して前記酸化ガス流路に接続する第２の分岐路と、
前記第２の流路を、前記第１の分岐路あるいは前記第２の分岐路のいずれかと択一的に連通させる切り替え部と、
前記燃料電池温度取得部が取得した前記燃料電池の温度が基準値以上のときには、前記切り替え部を駆動して前記第２の流路と前記第２の分岐路とを連通させ、前記燃料電池の温度が基準値を下回るときには、前記切り替え部を駆動して前記第２の流路と前記第１の分岐路とを連通させる切り替え制御部と
を備え、
前記第２の流路が前記第１の分岐路に連通するときには、前記希釈器が前記水素濃度低減部として働き、前記第２の流路が前記第２の分岐路に連通するときには、前記燃料電池が備えるカソード触媒が前記水素濃度低減部として働く
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池による発電を行なう際に、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス量制御部であって、前記第１のリリーフバルブが開弁すると共に前記第２の流路が前記第１の分岐路に連通されるときには、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を、前記燃料電池における発電量に基づいて設定される値よりも増大させる酸化ガス量制御部を備える
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池とを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導入する酸化ガス流路と
を備え、
前記第２の流路は、さらに前記酸化ガス流路に接続されており、
前記水素濃度低減部は、前記燃料電池が備えるカソード触媒である
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし８いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の流路を介して前記第２の流路に連通するように、前記第１の流路に接続されると共に、前記第２の流路よりも流路の配管径が大きく形成された第３の流路と、
前記第３の流路あるいは前記第３の流路と前記第１の流路との接続部に設けられ、該第３の流路内の圧力が、前記第１の基準値よりも大きな第２の基準値を超えるときに開弁する第２のリリーフバルブと
を備える燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
水素を貯蔵すると共に前記第１の流路に接続する水素貯蔵部と、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態になると共に、前記第１の流路における前記第２の流路との接続部よりも下流側に設けられた第１のシャットバルブと、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態になると共に、前記第１の流路における前記第２の流路との接続部よりも上流側に設けられた第２のシャットバルブと
を備え、
前記第２の流路は、前記第１の流路における前記第１のシャットバルブの配置位置よりも下流側に対してさらに接続され、
前記水素濃度低減部は、前記燃料電池システムの停止時に前記第１のリリーフバルブが開弁したときに、前記リリーフバルブを介して水素が流入し、該流入した水素がアノード側流路からカソード側流路へと電解質層を介して透過する前記燃料電池である
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の流路に対して、前記第１のシャットバルブと前記第２のシャットバルブとの間で接続され、前記第１の流路を介して前記第２の流路と連通すると共に、前記第２の流路よりも流路の配管径が大きく形成された第３の流路と、
前記第３の流路あるいは前記第３の流路と前記第１の流路との接続部に設けられ、該第３の流路内の圧力が、前記第１の基準値よりも大きな第２の基準値を超えるときに開弁する第２のリリーフバルブと
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いて発電を行なう際には、アノードに対して水素を含有する燃料ガスを供給するが、このような燃料ガスの供給部においては、一般に、種々の安全対策が施されている。特に、高圧の水素含有ガス供給源（例えば水素タンク）から燃料ガスを供給すると共に、圧力を適宜低下させた後に燃料ガスを燃料電池に供給するシステムにおいては、この燃料ガスの圧力調節に関わる機構に問題が生じた場合のための対策が重要である。過剰な圧力の燃料ガスが供給されると、下流側の配管やバルブ、あるいは燃料電池が損傷を受ける可能性があるためである。このような対策の一つとして、燃料電池に水素ガスを供給する供給路に、所定圧で開弁するリリーフバルブを設け、水素ガスの圧力が所定値を超えるときには、リリーフバルブから水素ガスを流路外に排出する構成が知られている（例えば、特開２００２−２１６８１２号公報）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１６８１２号公報
【特許文献２】特開２００４−５５２８７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、このようなリリーフバルブを設けて水素含有ガスを外部に排出する場合には、可燃性ガスである水素が外部に排出される際の濃度ができる限り低く抑えられるように、リリーフバルブを含む水素ガスの排出部全体の形状を設定する必要があった。すなわち、外部に排出される水素が拡散しやすいように、リリーフバルブに接続される流路の配管長さや、リリーフバルブおよびリリーフバルブに接続される流路の配設位置、あるいは、外部へ水素ガスを排出する排出口の向きなどの全体形状を、排出水素の拡散を促す形状となるように設定する必要があった。特に、燃料電池システムを車両などの移動体の駆動用電源として用いる場合には、燃料電池システムの搭載スペースに限りがあるため、水素の排出に関わる配管などの形状が制限される可能性があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、外部に排出する水素の拡散を促進するために設計上の制限を課すことなく、燃料電池に供給される燃料ガス圧の過剰上昇を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に対して水素を含有する燃料ガスを供給する第１の流路と、
前記第１の流路に接続される第２の流路と、
前記第２の流路あるいは前記第２の流路と前記第１の流路との接続部に設けられ、該第２の流路内の圧力が第１の基準値を超えるときに開弁する第１のリリーフバルブと、
前記第２の流路の下流側に接続され、前記第１のリリーフバルブを介して前記第１の流路から排出された水素の濃度を、外部への排出に先立って低減する水素濃度低減部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、第１の流路内の圧力が第１の基準値を超えて上昇するときには第１のリリーフバルブが開弁するため、第１の流路において第２の流路との接続部よりも下流側に対して許容範囲を超える圧力のガスが供給されることがない。このように第１のリリーフバルブを介して第１の流路から外部へと水素を排出する際に、水素濃度低減部によって水素濃度が低減されるため、外部に排出されるガス中の水素濃度の上昇を抑制することができる。また、このように水素濃度低減部を用いることにより、水素濃度を予め低減させること無く外部に排出する場合のように、ガスの排出に際して水素の拡散を促進する必要がないため、外部に排出する水素の拡散を促進するために課される設計上の制限を抑制することができる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する圧力調整部を備え、
前記第２の流路は、前記圧力調整部の配置位置よりも下流側において前記第１の流路に接続されることとしても良い。
【０００９】
このような構成とすれば、圧力調整部に発生した不具合に起因して第１の流路の下流側に過剰な圧力が加えられることを防止することができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
水素を貯蔵すると共に前記第１の流路に接続する水素貯蔵部と、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態となるシャットバルブと
を備え
前記第２の流路は、前記シャットバルブよりも下流側で前記第１の流路に対して接続することとしても良い。
【００１１】
このような構成とすれば、燃料電池システムの停止時にシャットバルブが閉状態となっているときに、シャットバルブから下流側へと水素が漏れ出して、第１の流路内でシャットバルブの下流側における圧力が上昇する場合であっても、許容範囲を超える圧力上昇を防止することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池のカソードとを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導く酸化ガス流路と
を備え、
前記水素濃度低減部は、前記カソードから排出されるカソード排ガスを外部に導くカソード排ガス流路に設けられると共に、該カソード排ガス流路の断面積よりも大きな断面積を有し、前記第２の流路の下流側が接続される希釈器であることとしても良い。
【００１３】
このような構成とすれば、第１のリリーフバルブを経由して排出される水素の濃度を、希釈器においてカソード排ガスを用いることによって低減させることができる。
【００１４】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池による発電を行なう際に、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス量制御部であって、前記第１のリリーフバルブが開弁するときには、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を、前記燃料電池における発電量に基づいて設定される値よりも増大させる酸化ガス量制御部を備えることとしても良い。
【００１５】
このような構成とすれば、第１のリリーフバルブを経由した水素が希釈器に流入する際にはカソード排ガス量が増加するため、水素を排出する際の濃度を低減する効果を高めることができる。
【００１６】
あるいは、本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池のカソードとを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導く酸化ガス流路と、
前記カソードから排出されるカソード排ガスを外部に導くカソード排ガス流路に設けられると共に、該カソード排ガス流路の断面積よりも大きな断面積を有する希釈器と、
前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
前記第２の流路から分岐して前記希釈器に接続する第１の分岐路と、
前記第２の流路から分岐して前記酸化ガス流路に接続する第２の分岐路と、
前記第２の流路が前記第１の分岐路と連通する状態と、前記第２の流路が前記第２の分岐路と連通する状態とを、排他的に切り替える切り替え部と、
前記燃料電池温度取得部が取得した前記燃料電池の温度が基準値以上のときには、前記切り替え部を駆動して前記第２の流路と前記第２の分岐路とを連通させ、前記燃料電池の温度が基準値を下回るときには、前記切り替え部を駆動して前記第２の流路と前記第１の分岐路とを連通させる切り替え制御部と
を備え、
前記第２の流路が前記第１の分岐路に連通するときには、前記希釈器が前記水素濃度低減部として働き、前記第２の流路が前記第２の分岐路に連通するときには、前記燃料電池が備えるカソード触媒が前記水素濃度低減部として働くこととしても良い。
【００１７】
このような構成とすれば、燃料電池の温度が基準値以上の時には、第１のリリーフバルブを経由して排出される水素の濃度をカソード触媒によって低減させることができ、燃料電池の温度が基準値を下回るときには、上記排出される水素の濃度を希釈器においてカソード排ガスを用いて低減させることができる。このように、燃料電池の温度が低いときにはカソード触媒とは異なる水素濃度低減部を用いるため、燃料電池の温度が変化しても、水素濃度低減の効率の低下を抑制することができる。
【００１８】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池による発電を行なう際に、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を制御する酸化ガス量制御部であって、前記第１のリリーフバルブが開弁すると共に前記第２の流路が前記第１の分岐路に連通されるときには、前記酸化ガス供給部からの酸化ガス供給量を、前記燃料電池における発電量に基づいて設定される値よりも増大させる酸化ガス量制御部を備えることとしても良い。
【００１９】
このような構成とすれば、第１のリリーフバルブを経由した水素が希釈器に流入する際にはカソード排ガス量が増加するため、水素を排出する際の濃度を低減する効果を高めることができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記酸化ガス供給部と前記燃料電池とを接続し、前記燃料電池のカソードに対して前記酸化ガスを導入する酸化ガス流路と
を備え、
前記第２の流路は、さらに前記酸化ガス流路に接続されており、
前記水素濃度低減部は、前記燃料電池が備えるカソード触媒であることとしても良い。
【００２１】
このような構成とすれば、第１のリリーフバルブを経由して排出される水素をカソード触媒上で酸化させることによって、水素濃度を低減させることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記第１の流路を介して前記第２の流路に連通するように、前記第１の流路に接続されると共に、前記第２の流路よりも流路の配管径が大きく形成された第３の流路と、
前記第３の流路あるいは前記第３の流路と前記第１の流路との接続部に設けられ、該第３の流路内の圧力が、前記第１の基準値よりも大きな第２の基準値を超えるときに開弁する第２のリリーフバルブと
を備えることとしても良い。
【００２３】
このような構成とすれば、第１のリリーフバルブが開弁した後に第１の流路における圧力が上昇し続ける場合であっても、第２のリリーフバルブが開弁して第３の流路からより多くのガスが排出されるため、第１の流路における圧力上昇を抑制することができる。また、第２の流路が第３の流路に比べて配管径が小さく、第２の流路は第３の流路に比べて流れるガス量が少ないため、第２の流路に接続する水素濃度低減部に供給されるガスの圧力を抑制し、過剰なガス圧に起因する水素濃度低減部の損傷を防止することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
水素を貯蔵すると共に前記第１の流路に接続する水素貯蔵部と、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態になると共に、前記第１の流路における前記第２の流路との接続部よりも下流側に設けられた第１のシャットバルブと、
前記第１の流路に設けられ、前記燃料電池システムの停止時には閉状態になると共に、前記第１の流路における前記第２の流路との接続部よりも上流側に設けられた第２のシャットバルブと
を備え、
前記第２の流路は、前記第１の流路における前記第１のシャットバルブの配置位置よりも下流側に対してさらに接続され、
前記水素濃度低減部は、前記燃料電池システムの停止時に前記第１のリリーフバルブが開弁したときに、前記リリーフバルブを介して水素が流入し、該流入した水素がアノード側流路からカソード側流路へと電解質層を介して透過する前記燃料電池であることとしても良い。
【００２５】
このような構成とすれば、燃料電池システムの停止時に第１および第２のシャットバルブが閉状態となっているときに、第２のシャットバルブから下流側へと水素が漏れ出して、第２のシャットバルブよりも下流側における圧力が上昇する場合であっても、第１のシャットバルブあるいはさらに下流側に対して、過剰な圧力が加えられることを防止することができる。その際に、第１のリリーフバルブを経由して排出される水素を、燃料電池において電解質層を介してアノード側流路からカソード側流路へと透過させることによって、外部に排出される水素濃度を低減させることができる。
【００２６】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記第１の流路に対して、前記第１のシャットバルブと前記第２のシャットバルブとの間で接続され、前記第１の流路を介して前記第２の流路と連通すると共に、前記第２の流路よりも流路の配管径が大きく形成された第３の流路と、
前記第３の流路あるいは前記第３の流路と前記第１の流路との接続部に設けられ、該第３の流路内の圧力が、前記第１の基準値よりも大きな第２の基準値を超えるときに開弁する第２のリリーフバルブと
を備えることとしても良い。
【００２７】
このような構成とすれば、第１のリリーフバルブが開弁した後に第１の流路における圧力が上昇し続ける場合であっても、第２のリリーフバルブが開弁して第３の流路からより多くのガスが排出されるため、第１の流路における圧力上昇を抑制することができる。
【００２８】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムを駆動用電源として搭載する移動体などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、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．システムの全体構成：
Ｂ．水素ガス圧過剰上昇防止の動作：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．変形例：
【００３０】
Ａ．システムの全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０における燃料電池の発電に関わる部分の構成の概略を表わすブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０は、車両に搭載され、車両の駆動用電源として用いられる。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。ここで、水素タンク２３は、第１の流路６０によって燃料電池２２のアノードと接続されており、水素タンク２３に貯蔵される水素が、燃料ガスとして燃料電池２２のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ２４は、酸化ガス供給路６７によって燃料電池２２のカソードに接続されており、エアコンプレッサ２４によって取り込まれた空気が、酸化ガスとして燃料電池２２のカソードに供給される。燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池２２は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。以下に、燃料電池システム１０を構成する各部および燃料電池システム１０におけるガスの流れについて、さらに説明する。
【００３１】
水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素タンク２３に接続された第１の水素流路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整（減圧）されて、燃料ガスとして燃料電池２２を構成する各単セルのアノードに供給される。なお、図１の燃料電池システム１０では、第１の水素流路６０において圧力調整弁が一つしか設けられていないが、水素タンク２３内の水素圧力や、燃料電池２２に水素を供給する際の望ましい圧力に応じて、複数の圧力調整弁を適宜設ければよい。この場合には、図１の圧力調整弁６２は、最も下流側、すなわち、燃料電池２２に最も近い位置に配設された圧力調整弁に対応する。
【００３２】
燃料電池２２のアノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び第１の水素流路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素は、第１の水素流路６０の一部とアノード排ガス路６３と燃料電池２２内の流路とから成る流路（以下、循環流路と呼ぶ）内を循環して再度電気化学反応に供される。負荷要求に応じた電気化学反応が進行可能となるように、循環流路内の圧力は圧力調整弁６２によって調節され、電気化学反応の進行に伴って、圧力調整弁６２を介して水素タンク２３から循環流路へと水素が補充される。循環流路内でアノード排ガスを循環させるために、アノード排ガス路６３には水素ポンプ６５が設けられている。なお、第１の水素流路６０には、圧力調整弁６２の上流側に、シャットバルブ６１が設けられている。このシャットバルブ６１は、燃料電池２２における発電を停止する際に閉じられて、水素タンク２３から燃料電池２２への水素ガス供給を遮断する。
【００３３】
さらに、第１の水素流路６０における圧力調整弁６２よりも下流側には、第１の水素流路６０と連通する流路である第２の水素流路６６が接続されている。この第２の水素流路６６には、予め設定された第１の圧力で開弁すると共に、予め設定された第２の圧力で閉弁する第１のリリーフバルブ６９が設けられている。また、第２の水素流路６６は、さらに、燃料電池２２へと酸化ガスを供給する酸化ガス供給路６７に接続されている。第１のリリーフバルブ６９を介した第１の水素流路６０からの水素ガス排出の動作については、後に詳しく説明する。
【００３４】
また、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じるが、生じた水は、燃料電池２２の電解質膜を介して、アノード側に供給される燃料ガス内にも導入される。気液分離器２７は、このようなアノード排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させて、アノード排ガスから除去する。この気液分離器２７には、バルブ２７ａが設けられており、バルブ２７ａを開状態とすることで、気液分離器２７内で凝縮された水が、バルブ２７ａに接続する排ガス排出路６４を介して外部に排出される。なお、バルブ２７ａが開状態になると、上記凝縮水と共に、アノード排ガス路６３内を流れるアノード排ガスの一部も外部に排出される。燃料電池２２の運転時には、アノード側を流れるガスにおいては、既述したように電解質膜を介して、カソード側から水が導入されると共に、カソードに供給される空気中の窒素なども導入される。従って、燃料電池による発電を継続していると、循環流路内を循環する水素含有ガスでは窒素などの不純物濃度が上昇するが、所定のタイミングでバルブ２７ａを開状態にして循環する水素含有ガスの一部を外部に排出することで、水素含有ガス中の不純物濃度の上昇を抑えている。ここで、排ガス排出路６４は、排ガス排出路６４よりも断面積が大きい容器である希釈器２６に接続されている。この希釈器２６は、アノード排ガスを外部に排出する際に、排出に先立って、アノード排ガス中の水素を後述するカソード排ガスによって希釈するために設けられている。
【００３５】
エアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。エアコンプレッサ２４が空気を圧縮する際には、エアクリーナ２８を介して外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。ここで、酸化ガス供給路６７には、既述したように第２の水素流路６６が接続されている。そのため、第１のリリーフバルブ６９を介して第２の水素流路６６から酸化ガス供給路６７へと水素が流入すると、流入した水素は、酸化ガスである空気と共に燃料電池２２のカソードへと供給される。また、本実施例では、酸化ガス供給路６７およびカソード排ガス路６８は、加湿モジュール２５を経由している。加湿モジュール２５では、水蒸気透過性の膜によって酸化ガス供給路６７とカソード排ガス路６８とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。さらに、カソード排ガス路６８は、カソード排ガスを外部に導くのに先立って、既述した希釈器２６を経由している。そのため、カソード排ガスは、希釈器２６において、排ガス排出路６４を介して流入するアノード排ガスと混合されてこれを希釈し、その後、外部に排出される。
【００３６】
さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部７０は、燃料電池システム１０が備える各種センサの検出信号や、燃料電池２２に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、制御部７０は、燃料電池システム１０が備える圧力調整弁６２、エアコンプレッサ２４、水素ポンプ６５、あるいはバルブ６１，２７ａのような燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。
【００３７】
Ｂ．水素ガス圧過剰上昇防止の動作：
図２は、第１の水素流路６０内の水素圧が許容範囲を超えて上昇する時に燃料電池システム１０で行なわれる動作である圧力上昇時処理を表わす説明図である。なお、この図２に示した圧力上昇時処理は、制御部７０によって積極的に行なわれる制御を表わすものではなく、燃料電池システム１０において進行する動作を説明するものである。
【００３８】
燃料電池２２の発電中に、第１の水素流路６０において、例えば圧力調整弁６２に不具合が生じると、水素タンク２３から放出される水素ガスが、充分に降圧されることなく圧力調整弁６２を通過するようになり、第１の水素流路６０内の水素圧が上昇する（ステップＳ１００）。このように水素圧が上昇して、圧力調整弁６２よりも下流の第１の水素流路６０内の圧力が、第１のリリーフバルブ６９の開弁圧として設定された圧力（第１の圧力）を超えると、第１のリリーフバルブ６９が開弁する（ステップＳ１１０）。ここで、第１のリリーフバルブ６９の開弁圧としては、燃料電池システム１０の正常な動作時に第１の水素流路６０内の圧力が変動する範囲を超えた圧力であって、第１の水素流路６０内の圧力調節における異常発生時に相当する圧力が設定されている。このような開弁圧としては、燃料電池２２が許容できる水素圧、および、水素圧が正常範囲であるときに水素が流れる配管であって第１の水素流路６０と第２の水素流路６６との接続部位よりも下流側の配管やこの配管に設けられる部品が許容できる水素圧よりも低い圧力が設定されている。
【００３９】
第１のリリーフバルブ６９が開弁することで、第１の水素流路６０内の水素が酸化ガス供給路６７内に流入し（ステップＳ１２０）、この水素は、酸化ガスと共に燃料電池２２のカソードに供給される。カソードに供給された水素は、カソード触媒上で、酸化ガス中の酸素を利用して酸化される（ステップＳ１３０）。上記のように燃料電池２２は発電中であるため、カソード触媒上では電気化学反応が進行しているが、カソードに対して酸素と共に水素が供給されると、カソード触媒上では、電気化学反応と共に、水素の酸化反応、すなわち水素と酸素とから水を生じる反応が進行する。このように、電気化学反応および水素の酸化反応で生じた水蒸気を含有するガスは、カソード触媒からカソード排ガス路６８および希釈器２６をさらに経由して、燃料電池システム１０の外部（大気中）に排出される。このように、第１のリリーフバルブ６９から酸化ガス供給路６７内に流入した水素の少なくとも一部はカソード触媒上で進行する酸化反応で消費されるため、カソード触媒は、水素濃度低減部として機能する。
【００４０】
なお、第１のリリーフバルブ６９の開弁を検出した場合には、制御部７０によって、燃料電池２２の発電を停止すればよい。すなわち、シャットバルブ６１を閉じて水素ガスの供給を停止すると共に、エアコンプレッサ２４を停止させて酸化ガスの供給を停止し、さらなる水素の流出を防止すると共に、不具合発生状態での発電を停止すればよい。既述したように、本実施例では、燃料電池システム１０を車両駆動用電源として用いているが、燃料電池２２と共に例えば２次電池を車両駆動用電源として搭載しておくことで、このような発電停止時にも必要な車両走行を行なうことが可能となる。
【００４１】
ここで、第１のリリーフバルブ６９の開弁は、例えば、燃料電池システム１０の第１の水素流路６０における圧力調整弁６２よりも下流側に圧力センサを設けることにより、検出することができる。すなわち、第１の水素流路６０における圧力調整弁６２よりも下流側の圧力が、第１のリリーフバルブ６９において設定された開弁圧に達したときには、第１のリリーフバルブ６９が開弁したと判断することができる。また、第２の水素流路６６において第１のリリーフバルブ６９よりも上流側に圧力センサを設ける場合にも同様に判断することができる。あるいは、第２の水素流路６６において、第１のリリーフバルブ６９よりも下流側に圧力センサを設け、所定の基準値を上回る急激な圧力上昇があったときに、第１のリリーフバルブ６９が開弁したと判断しても良い。また、上記いずれかの圧力センサに代えてガス流量を検出する流量計を設け、ガス流量に基づいて同様の判断をすることも可能である。なお、燃料電池システムでは、通常は圧力調整弁６２の下流に圧力センサを設けて第１の水素流路６０内の圧力を監視するため、この圧力センサの検出信号を用いる場合には、第１のリリーフバルブ６９の開弁を判断するために、別途センサを設ける必要がない。
【００４２】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム１０によれば、第１の水素流路６０内の圧力が所定の設定圧を超えて上昇したときには第１のリリーフバルブ６９が開弁するため、燃料電池２２に対して許容範囲を超える圧力のガスが供給されることがない。このように第１のリリーフバルブ６９を介して水素を外部に排出する際に、水素の少なくとも一部はカソード触媒上で消費されるため、外部に排出されるガス中の水素濃度の上昇を抑制することができる。また、このようにカソード触媒を水素濃度低減部として用いることにより、水素ガスを予め消費すること無く外部に排出する場合のように、ガスの排出に際して水素の拡散を促進する必要がないため、外部に排出する水素の拡散を促進するために課される設計上の制限を抑制することができる。
【００４３】
なお、第１のリリーフバルブ６９を開弁することにより第１の水素流路６０から水素を排出する動作は、燃料電池２２の発電中だけでなく、燃料電池システム１０の停止中であっても行なわれる可能性がある。このような場合であっても、カソード触媒は、発電時と同様に、水素濃度低減部として機能することができる。システム停止時におけるカソード触媒による水素濃度低減の動作を、以下に説明する。
【００４４】
燃料電池システム１０の停止中には、シャットバルブ６１および圧力調整弁６２が閉じられて水素タンク２３からの水素供給が停止されるが、例えば経時的な劣化によって、これらのバルブから微量の水素漏れが生じる場合が考えられる。システム停止時間が長時間であり、このような水素漏れが継続して進行すると、水素タンク２３内には高圧の水素が貯蔵されているため、シャットバルブ６１および圧力調整弁６２の下流側において第１の水素流路６０内の圧力が次第に高まる。このような場合に、第１の水素流路６０内の圧力が第１のリリーフバルブ６９の開弁圧を超えると、第１のリリーフバルブ６９が開弁して、第１の水素流路６０内の水素が酸化ガス供給路６７内に流入する。ただし、このとき、水素の漏れ量が微量であれば、第１のリリーフバルブ６９が開弁することで第１の水素流路６０内の圧力は急激に低下するため、第１のリリーフバルブ６９は閉弁する。
【００４５】
ここで、燃料電池システム１０の停止中には、エアコンプレッサ２４も停止しているため、酸化ガスが積極的に酸化ガス供給路６７内に送り込まれることはないが、酸化ガス供給路６７は大気開放されており、内部には大気圧の空気が満ちている。そのため、第１のリリーフバルブ６９を介して流入した水素は、酸化ガス供給路６７内で空気と混合されつつ拡散し、次第に燃料電池２２のカソードへと到達する。このようなシステム停止時には、発電時に比べて燃料電池２２の温度が低下しており、したがって、カソード触媒の温度も発電時に比べて低く、活性も低い状態となっている。しかしながら、温度が低下した状態であっても、水素の酸化反応は、ゆっくりとではあるが進行する。そのため、カソード触媒上において、流入した水素の消費が緩やかに進行し、酸化ガス供給路６７およびこれに連通する燃料電池２２内の酸化ガスの流路内における水素濃度は次第に低下する。ここで、次回起動時に、エアコンプレッサ２４の駆動と共に希釈器２６を経由したカソード排ガスの放出が開始される時には、酸化ガス供給路６７内に流入した水素はカソード触媒上で消費されているため、外部に排出されるガス中の水素濃度を抑制することができる。
【００４６】
Ｃ．第２実施例：
図３は、第２実施例の燃料電池システム１１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム１１０は、第１実施例の燃料電池システム１０と同様に、車両の駆動用電源として用いられており、燃料電池システム１０と類似する構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００４７】
燃料電池システム１１０は、燃料電池システム１０の第２の水素流路６６に代えて、第２の水素流路１６６を備えている。第２の水素流路１６６は、第２の水素流路６６と同様に、循環流路の一部である第１の水素流路６０に接続されているが、他の端部は、酸化ガス供給路６７ではなく希釈器２６へと接続されている。また、第２の水素流路１６６には、第２の水素流路６６と同様に、第１のリリーフバルブ６９が設けられている。
【００４８】
図４は、第１の水素流路６０内の水素圧が許容範囲を超えて上昇する時に燃料電池システム１１０で行なわれる動作である圧力上昇時処理を表わす説明図である。この図４に示す圧力上昇時処理は、燃料電池システム１０において進行する動作を、制御部７０によって積極的に行なわれる制御を交えて表わすものである。
【００４９】
第２実施例においても、第１実施例と同様に、例えば圧力調整弁６２での不具合発生に起因して第１の水素流路６０内の圧力が所定値以上に上昇すると（ステップＳ２００）、第１のリリーフバルブ６９が開弁する（ステップＳ２１０）。そして、第１のリリーフバルブ６９が開弁することで、第１の水素流路６０内の水素が、第２の水素流路１６６を介して希釈器２６へと流入する（ステップＳ２２０）。
【００５０】
このように第１のリリーフバルブ６９が開弁すると、本実施例では、第１のリリーフバルブ６９の開弁が制御部７０によって検知される（ステップＳ２３０）。第１のリリーフバルブ６９の開弁は、既述したように、第１の水素流路６０における圧力調整弁６２よりも下流側、あるいは第２の水素流路６６に、圧力センサあるいは流量計を設けることで、検出可能となる。第１のリリーフバルブ６９の開弁を検知すると、制御部７０は、エアコンプレッサ２４の駆動量を増加させる（ステップＳ２４０）。ここで、燃料電池２２の発電中には、負荷要求（例えば、車速及びアクセル開度に基づいて設定される車両走行のための負荷要求）に応じて、所望の電力を得るために充分な量として設定される所定量の酸化ガスがカソードに供給されるように、エアコンプレッサ２４が駆動されている。ステップＳ２４０では、例えば、このような負荷要求に応じて設定される酸化ガス供給量に比べて、予め定めた所定量だけ供給酸化ガス量が増加するように、エアコンプレッサ２４の駆動量を増加させればよい。上記予め定めた所定量とは、第１のリリーフバルブ６９が開弁して水素ガスが希釈器２６に流入したときに、希釈器２６から外部に排出されるガス中の水素濃度を充分に低くすることができる量として設定されるものである。あるいは、ステップＳ２４０では、エアコンプレッサ２４の駆動可能量として設定されている範囲の最大値となるように、エアコンプレッサ２４の駆動量を増加させても良い。
【００５１】
第１のリリーフバルブ６９の開弁によって、第２の水素流路１６６を介して希釈器２６に水素が流入すると、この水素は、エアコンプレッサ２４から燃料電池２２内を経由して供給される空気によって希釈され、燃料電池システム１１０の外部（大気中）に排出される（ステップＳ２５０）。このように、本実施例では、カソード排ガス路６８よりも流路断面積が大きく形成されると共に空気が流通する希釈器２６が、水素濃度低減部として機能する。燃料電池２２の発電中は、エアコンプレッサ２４から空気が供給されているため、エアコンプレッサ２４の駆動量を特に増加させない場合であっても、希釈器２６は水素濃度低減部として機能することができる。しかしながら、第２実施例のようにエアコンプレッサ２４の駆動量を増加させることで、外部に排出されるガス中の水素濃度を低減する効果を高めることができる。なお、第１のリリーフバルブ６９の開弁の検出に伴って燃料電池２２の発電を停止する制御を行なう際には、エアコンプレッサ２４において、希釈器２６内に導入された水素を希釈するための充分な駆動量および駆動時間を確保した後に、エアコンプレッサ２４を停止すればよい。
【００５２】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システム１１０によれば、第１の水素流路６０内の圧力が予め設定された開弁圧を超えて上昇するときには第１のリリーフバルブ６９が開弁するため、燃料電池２２に対して許容範囲を超える圧力のガスが供給されることがない。このように第１のリリーフバルブ６９を介して水素を外部に排出する際に、希釈器２６において水素濃度を低減させているため、外部に排出されるガス中の水素濃度の上昇を抑制することができる。また、このように希釈器２６を水素濃度低減部として用いることにより、水素ガスを予め希釈すること無く外部に排出する場合のように、配管から大気中へと放出する際に水素の拡散を促進する必要がないため、外部に排出する水素の拡散を促進するために課される設計上の制限を抑制することができる。
【００５３】
なお、第１実施例と同様に、第１のリリーフバルブ６９を開弁することにより第１の水素流路６０から水素を排出する動作は、燃料電池２２の発電中だけでなく、燃料電池システム１１０の停止中であっても行なわれる可能性がある。このような場合であっても、希釈器２６は、発電時と同様に水素濃度低減部として機能することができる。システム停止時における希釈器２６による水素濃度低減の動作を、以下に説明する。
【００５４】
燃料電池システム１１０の停止中に、シャットバルブ６１および圧力調整弁６２からの水素漏れが生じると、第１の水素流路６０内の圧力が次第に上昇して第１のリリーフバルブ６９が開弁する。これにより、第１の水素流路６０内の水素が第２の水素流路１６６を介して希釈器２６へと流入する。ここで、燃料電池システム１１０の停止中には、エアコンプレッサ２４が停止しているため、酸化ガスが積極的に希釈器２６内に送り込まれることはない。しかしながら希釈器２６は、カソード排ガス路６８さらには第２の水素流路１６６よりも流路断面積が大きく形成され、内部に空気が滞留している容器である。したがって、希釈器２６内の空間で、希釈器２６内に滞留する空気によって、上記流入した水素は希釈される。システム停止時において、水素の漏れ量が微量であるならば、第１のリリーフバルブ６９が開弁して第１の水素流路６０内の圧力が低下すると第１のリリーフバルブ６９は閉弁するため、流入する水素量は限られている。したがって、第１のリリーフバルブ６９の開弁により流入した水素は、希釈器２６内で効果的に希釈される。次回にシステムが起動されるときには、希釈器２６内で水素濃度が低減されているため、エアコンプレッサ２４が駆動されて希釈器２６を経由したカソード排ガスが外部に排出されても、外部に排出されるガス中の水素濃度を抑制することができる。
【００５５】
Ｄ．第３実施例：
図５は、第３実施例の燃料電池システム２１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム２１０は、燃料電池システム１０および燃料電池システム１１０と類似する構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５６】
燃料電池システム２１０は、燃料電池システム１０の第２の水素流路６６と同様に、第１の水素流路６０から酸化ガス供給路６７へと水素を導くガス流路と、燃料電池システム１１０の第２の水素流路１６６と同様に、第１の水素流路６０から希釈器２６へと水素を導くガス流路とを備えている。具体的には、燃料電池システム２１０は、第１の水素流路６０に接続されると共に第１のリリーフバルブ６９を設けた第２の水素流路２６６を備えている。この第２の水素流路２６６は、酸化ガス供給路６７に接続される第１分岐路８０と、希釈器２６に接続される第２分岐路８２とに分岐している。第２の水素流路２６６が第１分岐路８０および第２分岐路８２に分岐する分岐点には、流路切り替え弁８４が設けられている。この流路切り替え弁８４は、制御部７０によって駆動されて、第２の水素流路２６６の下流側を、第１分岐路８０あるいは第２分岐路８２のいずれかと、択一的に連通させる。また、第１の水素流路６０において、燃料電池２２との接続部近傍には、第１の水素流路６０内の圧力を検出する圧力センサ８６が設けられている。さらに、燃料電池システム２１０では、カソード排ガス路６８において、燃料電池２２との接続部近傍に温度センサ８８が設けられている。燃料電池２２内を通過して燃料電池２２から排出される酸化ガスは、燃料電池２２の内部温度と略同一の温度となっているため、上記温度センサ８８を用いることで、燃料電池２２の内部温度を知ることができる。圧力センサ８６および温度センサ８８の検出信号は、制御部７０へと入力される。
【００５７】
ここで、制御部７０は、温度センサ８８が検出した燃料電池の温度に応じて流路切り替え弁８４を駆動して、第２の水素流路２６６を、第２分岐路８２と第１分岐路８０とのいずれかと連通させる切り替え制御部として機能する。以下に、燃料電池システム２１０において、第１の水素流路６０内の水素圧が許容範囲を超えて上昇する時に制御部７０によって行なわれる制御について説明する。
【００５８】
図６は、燃料電池システム２１０の稼働中に、制御部７０のＣＰＵにおいて実行される圧力上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが起動されると、制御部７０は、圧力センサ８６から検出信号を取得して、第１のリリーフバルブ６９が開弁したか否かを判断する（ステップＳ３００）。すなわち、圧力センサ８６が検出した圧力が、基準値に達したか否かを判断する。ここで、ステップＳ３００での判断に用いる基準値とは、第１のリリーフバルブ６９の開弁圧に相当する値であり、予め制御部７０に記憶されている。第１実施例と同様に、例えば圧力調整弁６２での不具合発生に起因して第１の水素流路６０内の圧力が所定値以上に上昇すると（図２のステップＳ１００）、第１のリリーフバルブ６９が開弁する（ステップＳ１１０）。このような開弁の際には、圧力センサ８６の検出値が急激に上昇して上記基準値に達し、制御部７０は、第１のリリーフバルブ６９が開弁したと判断する。なお、制御部７０は、リリーフバルブ６９が開弁したと判断するまで、圧力センサ８６からの検出信号の取得を繰り返し行なう。
【００５９】
ステップＳ３００においてリリーフバルブ６９の開弁が判断されると、制御部７０は、温度センサ８８の検出信号を取得することによって燃料電池の内部温度を得る（ステップＳ３１０）。燃料電池温度を取得すると、制御部７０は、この燃料電池温度が基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ３２０）。ステップＳ３２０での判断に用いる基準値は、燃料電池が備えるカソード触媒の温度が充分に高いと判断できる温度として予め設定し、制御部７０内に記憶した値である。
【００６０】
ステップＳ３２０において燃料電池温度が基準値以上であると判断すると、制御部７０は、流路切り替え弁８４に駆動信号を出力して、水素の流路を第１分岐路８０側、すなわち酸化ガス供給路６７側へと切り替え（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。これにより、第１のリリーフバルブ６９を通過した水素は、酸化ガス供給路６７を流れる酸化ガスと共に燃料電池２２のカソードへと供給され、カソード触媒上で酸化される。
【００６１】
ステップＳ３２０において燃料電池温度が基準値に満たないと判断すると、制御部７０は、流路切り替え弁８４に駆動信号を出力して、水素の流路を第２分岐路８２側、すなわち希釈器２６側へと切り替える（ステップＳ３４０）。また、このとき制御部７０は、第２実施例のステップＳ２４０と同様にエアコンプレッサ２４の駆動量を増加させて（ステップＳ３５０）、本ルーチンを終了する。これにより、第１のリリーフバルブ６９を通過した水素は、希釈器２６内へと流入し、流量が増加されたカソード排ガスによって希釈され、外部へと排出される。
【００６２】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池システム２１０によれば、第１および第２実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、第３実施例では、燃料電池の内部温度に基づいて、カソード触媒と希釈器２６とのいずれを水素濃度低減部として用いるかを切り替えるため、燃料電池温度が基準値に満たないときには、水素濃度低減のために希釈器２６を優先して用いることになる。カソード触媒は、燃料電池における通常の運転温度範囲では、温度が高いほど酸化反応を促進する活性が高くなるため、このような制御を行なうことで、カソード触媒における活性が比較的低いときにはカソード触媒を用いることなく、希釈器２６を用いてより確実に水素濃度を低減することができる。また、カソード触媒による水素濃度低減効果が充分に期待できる触媒高温時にはカソード触媒を用いることで、希釈器２６を水素濃度低減部として用いることに伴うエアコンプレッサ２４における電力消費量の増加を抑え、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【００６３】
なお、ステップＳ３２０で用いる流路切り替えのための基準値は、用いる触媒の種類に応じて、適宜設定すればよい。このような基準値は、例えば、水素濃度低減部としてカソード触媒を用いた方が希釈器２６を用いる場合よりも水素濃度低減効果が高いと考えられる温度として設定することができる。あるいは、希釈器２６よりもカソード触媒の方が水素濃度低減効果が低くなる温度であっても、カソード触媒を水素濃度低減部として用いたときの排出ガス中の水素濃度が許容範囲であれば、基準温度をより低く設定し、エアコンプレッサ２４の駆動量増加による効率低下を抑えても良い。
【００６４】
また、第３実施例では、ステップＳ３３０およびステップＳ３４０のいずれにおいても、制御部７０は流路切り替え弁８４へと駆動信号を出力しているが、通常はいずれか一方に切り替えた状態としておけばよい。そして、ステップＳ３２０における判断結果により異なる切り替え状態とすべき場合は、流路切り替え弁８４を駆動して流路の切り替えを行なえば良い。あるいは、第１のリリーフバルブ６９の開弁を検出してから流路切り替え弁８４を切り替えるのではなく、第１のリリーフバルブ６９が閉じているときにも、燃料電池２２の発電中には温度に応じて流路切り替え弁８４の切り替え動作を行なっても良い。この場合には、第１のリリーフバルブ６９の開弁時には、流路切り替え弁８４の切り替えのための判断を行なう必要がない。
【００６５】
あるいは、第３実施例では、燃料電池温度（カソード触媒温度）を判断するためにカソード排ガスの温度を検出しているが、異なる値に基づいて燃料電池温度を判断しても良い。カソード排ガス温度以外であっても、燃料電池２２の運転温度の調節のために燃料電池２２内を通過させる冷却水の出口温度など、燃料電池２２の温度を反映する値であればよい。また、ステップＳ３００で制御部７０が第１のリリーフバルブ６９の開弁を判断するための情報としては、圧力センサ８６の検出信号以外の情報、例えば、既述したように異なる位置に設けた圧力センサからの検出信号や流量計からの検出信号を用いても良い。
【００６６】
なお、第１および第２実施例と同様に、第１のリリーフバルブ６９を開弁することにより第１の水素流路６０から水素を排出する動作は、燃料電池２２の発電中だけでなく、燃料電池システム１１０の停止中であっても行なわれる可能性がある。このような場合であっても、カソード触媒あるいは希釈器２６は、発電時と同様に水素濃度低減部として機能することができる。この場合には、燃料電池システムの停止時に、流路切り替え弁８４を、酸化ガス供給路６７側あるいは希釈器２６側へと切り替えておけばよい。酸化ガス供給路６７側へと切り替えた場合には、第１実施例と同様に、カソード触媒によって排出された水素はゆっくりと消費されて希釈される、また、希釈器２６側へと切り替えた場合には、第２実施例と同様に、希釈器２６内で内部に滞留する空気によって水素が希釈される。
【００６７】
Ｅ．第４実施例：
図７は、第４実施例の燃料電池システム３１０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池システム３１０は、燃料電池システム１０と類似する構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略し、異なる部分について、以下に説明する。
【００６８】
燃料電池システム３１０では、第１の水素流路６０において、第１実施例と同様にシャットバルブ６１および圧力調整弁６２が設けられている。そして、これらシャットバルブ６１および圧力調整弁６２よりも上流側に圧力調整弁９４が設けられ、さらに上流にシャットバルブ９６が設けられている。本実施例では、このように複数の圧力調整弁を備えることにより、燃料電池２２への水素供給に先立って、水素タンク２３に貯蔵される高圧の水素ガスを順次減圧している。また、シャットバルブ９６は、燃料電池２２における発電を停止する際に閉じられて、第１の水素流路６０における水素タンク２３との接続部近傍において水素ガスの流通を遮断する。
【００６９】
燃料電池システム３１０には、圧力調整弁６２および圧力調整弁９４の間において第１の水素流路６０に接続される第２の水素流路３６６が設けられている。第２の水素流路３６６は、第１実施例と同様の第１のリリーフバルブ６９を備えており、第２の水素流路３６６の下流側は、第１の水素流路６０に対してシャットバルブ６１の配置位置よりも下流側において接続されている。すなわち、第１のリリーフバルブ６９が開弁したときには、第１のリリーフバルブ６９を経由した水素は循環流路内に流入し、循環流路内を循環する水素と共に、燃料電池２２内のアノード側流路へと供給される。したがって、第１のリリーフバルブ６９が開弁したときには、循環流路内における圧力が上昇する。そのため、本実施例では、負荷要求が最大であって循環流路内の水素の圧力が高まっている場合に第１のリリーフバルブ６９が開弁した場合であっても、循環流路内あるいは燃料電池２２内部の燃料ガスの流路内のガス圧がそれぞれの許容範囲内となるように、第２の水素流路３６６の配管径が充分に小さく設定されている。
【００７０】
また、第１の水素流路６０には、圧力調整弁６２および圧力調整弁９４の間であって、第２の水素流路３６６との接続部よりも上流において、第３の水素流路９０が接続されている。この第３の水素流路９０には、第２のリリーフバルブ９２が設けられている。ここで、第２のリリーフバルブ９２は、第１のリリーフバルブ６９に比べて開弁圧がより高く設定されている。また、第３の水素流路９０は、第２の水素流路３６６に比べて配管径が大きく形成されている。
【００７１】
燃料電池２２の発電中に第１のリリーフバルブ６９が開弁したときには、第１のリリーフバルブ６９を経由した水素は水素が循環している循環水素内に流入するため、高濃度のガスが外部に排出されることはないが、この場合には特別な水素濃度の低減の動作が進行するわけではない。本実施例では、特に、燃料電池システム３１０の停止中に第１のリリーフバルブ６９が開弁した場合に、第１のリリーフバルブ６９を経由した水素が流入する燃料電池２２が、水素濃度低減部として機能する。この、燃料電池システム３１０の停止中の動作について以下に説明する。
【００７２】
図８は、燃料電池システム３１０の停止時であって、第１の水素流路６０内の水素圧が許容範囲を超えて上昇する時に、燃料電池システム３１０で行なわれる動作である圧力上昇時処理を表わす説明図である。なお、この図８に示した圧力上昇時処理は、図２と同様に、制御部７０によって積極的に行なわれる制御を表わすものではなく、燃料電池システム１０において進行する動作を説明するものである。
【００７３】
ここで、燃料電池システム３１０が停止する際には、燃料電池２２の発電停止に伴ってエアコンプレッサ２４が停止されるため、燃料電池２２内の酸化ガスの流路内は、略大気圧となる。また、燃料電池システム３１０における水素が流通する流路では、４つ流路調整弁６２，９４、およびシャットバルブ６１，９６が閉じられて、循環流路は閉じられた空間となる。この循環流路内には発電停止前の発電量に応じた圧力の水素が滞留している。燃料電池システム３１０が停止されてこのような状態になると、燃料電池２２内では、燃料ガスの流路と酸化ガスの流路との間の水素分圧差に従って、アノード側からカソード側へと電解質層を介して水素が透過する。これにより、燃料電池２２内の燃料ガスの流路における水素濃度は次第に低下して、電解質層を介してアノード側流路とカソード側流路の水素分圧は略同一となる。
【００７４】
燃料電池システム３１０が停止して上記のような状態となっているときに、第１の水素流路６０において、例えば圧力調整弁９４およびシャットバルブ９６の経時的な劣化によってこれらのバルブから水素漏れが生じると、第１の水素流路６０内の圧力が次第に上昇する（ステップＳ４００）。このように水素圧が上昇して、第１の水素流路６０内の圧力が第１のリリーフバルブ６９の開弁圧として設定された圧力を超えると、第１のリリーフバルブ６９が開弁する（ステップＳ４１０）。第１のリリーフバルブ６９が開弁することで、第１の水素流路６０内の水素が第１の水素流路６０の、より下流側に流入し、この水素は、燃料電池２２内の燃料ガスの流路へとさらに流れ込む（ステップＳ４２０）。ここで、圧力調整弁９４およびシャットバルブ９６からの水素の漏れ量が微量である場合には、第１のリリーフバルブ６９が開弁して第１の水素流路６０内の圧力が低下すると、第１のリリーフバルブ６９は閉弁する。
【００７５】
燃料電池システム３１０の停止時に、上記のように燃料電池２２内の燃料ガスの流路内に水素が流入すると、この水素は、電解質層を介してアノード側からカソード側へと次第に透過する（ステップＳ４３０）。透過した水素は、燃料電池２２内の酸化ガスの流路およびこれに連通するカソード排ガスの流路内に拡散する。したがって、燃料電池２２内の酸化ガスの流路およびこれに連通するカソード排ガスの流路では、第１のリリーフバルブ６９を介して第１の水素流路６０から排出された水素の濃度が、より低減された状態となる。次回に燃料電池システム３１０が起動されたときには、上記酸化ガスおよびカソード排ガスの流路内で希釈された水素は、エアコンプレッサ２４の起動に伴って大気中に放出される。このように、水素を透過させる電解質層および透過した水素が拡散する酸化ガスの流路を備える燃料電池２２は、水素濃度低減部として機能する。
【００７６】
なお、第１の水素流路６０内における圧力上昇の速度が速く、第１のリリーフバルブ６９を開弁しても第１の水素流路６０の圧力が上昇し続ける場合には、その後、第２のリリーフバルブ９２が開弁する。また、通常の発電時において、第１のリリーフバルブ６９が開弁した後も、第１の水素流路６０内の圧力が上昇し続ける場合にも、その後、第２のリリーフバルブ９２が開弁する。
【００７７】
以上のように構成された第４実施例の燃料電池システム３１０によれば、燃料電池システムの停止中に、第１の水素流路６０における第２の水素流路３６６および第３の水素流路９０との接続部よりも下流側に対して、許容範囲を超える圧力のガス供給を防止することができると共に、外部に排出される水素濃度の上昇を抑制することができる。また、燃料電池２２を水素濃度低減部として用いることにより、外部に排出する水素の拡散を促進するために課される設計上の制限を抑制することができる。
【００７８】
ここで、第３の水素流路９０は、第２の水素流路３６６を経由した水素が導かれる燃料電池２２とは異なる他の水素濃度低減部、例えば、第１ないし第３実施例のいずれかと同様の水素濃度低減部へと接続することができる。この場合には、第３の水素流路９０が接続される他の水素濃度低減部としては、第３の水素流路９０が接続される燃料電池２２よりも許容できるガス圧が高い水素濃度低減部を用いることが望ましい。
【００７９】
あるいは、第３の水素流路９０を大気開放しても良い。本実施例の燃料電池システム３１０では、水素圧上昇の程度が比較的小さいときには第１のリリーフバルブ６９のみが開弁し、水素圧上昇の程度がより大きいときには、両方のリリーフバルブが開弁することになる。したがって、システムの停止中であって第１の水素流路６０における水素圧上昇の程度が比較的小さい場合には、第３の水素流路９０が大気開放されるか否かに関わらず、水素濃度低減部である燃料電池２２によって、排出水素の濃度を低減することができる。なお、配管径のより大きい第３の水素流路９０を大気開放する場合には、水素濃度低減部として用いることができる既述した各部における許容可能な圧力を超える圧力の水素が第２のリリーフバルブ９２を経由して排出される場合にも、上記各部を損傷することなく、上記水素圧上昇に対応することが可能になる。
【００８０】
Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８１】
Ｆ１．変形例１：
第１ないし第３実施例では、第１のリリーフバルブ６９を備える第２の水素流路は、第１の水素流路６０において、循環流路の一部を構成する領域に接続されているが、異なる構成としても良い。すなわち、燃料ガスを供給する燃料ガス供給部である水素タンク２３と燃料電池２２のアノードとを接続する第１の水素流路６０における他の位置に接続されることとしても良い。例えば、第４実施例と同様に、第１の水素流路６０が複数の流量調整弁を有する場合には、これらの複数の流量調整弁の間のいずれかの場所において、第２の水素流路が接続されることとしても良い。高圧の水素ガスを減圧して燃料電池２２に供給する際に、第１の水素流路６０の途中に接続される第２の水素流路を設けることで、第２の水素流路の接続部よりも下流側に対する望ましくない高圧ガスの供給を防止することが可能となる。
【００８２】
また、第１ないし第３実施例のように、燃料電池２２に対して供給されるガス圧の過剰な上昇を防止するために第２の水素流路および第１のリリーフバルブ６９を設ける場合には、第２の水素流路は、循環流路において燃料電池２２よりも下流側、すなわちアノード排ガス路６３に接続されることとしても良い。
【００８３】
あるいは、第１のリリーフバルブ６９は、第２の水素流路に設ける代わりに、第２の水素流路と第１の水素流路６０との接続部に設けても良い。第２のリリーフバルブ９２も同様に、第３の水素流路９０に設ける代わりに、第３の水素流路９０と第１の水素流路６０との接続部に設けることができる。
【００８４】
Ｆ２．変形例２：
また、第４実施例において、第２の水素流路３６６が接続する水素濃度低減部として、燃料電池２２に代えて、第１ないし第３実施例のいずれかの水素濃度低減部を用いても良い。この場合にも、第４実施例と同様に、第２のリリーフバルブ９２の開弁圧を第１のリリーフバルブ６９よりも高く設定し、第２の水素流路３６６の配管径を第３の水素流路９０の配管径よりも小さくすることで、上記水素濃度低減部に対する許容範囲を超える圧力のガスの供給を防止可能となる。なお、このとき、第３の水素流路９０は、第２の水素流路３６６が接続する水素濃度低減部よりも許容圧力が高い他の水素濃度低減部に接続するか、外部へと開放すればよい。
【００８５】
Ｆ３．変形例３：
第１ないし第４実施例で用いた水素濃度低減部に代えて、さらに他の水素濃度低減部を用いても良い。例えば、リリーフバルブを設けた水素流路の下流を大気開放し、この水素流路の下流側開口部近傍に、水素濃度低減部として、制御部７０によって駆動されるファンを設けても良い。既述した圧力センサあるいは流量計を用いてリリーフバルブの開弁を検知し、リリーフバルブが開弁したときには上記ファンを駆動すればよい。このようにして外部の空気を取り込むことによって、リリーフバルブを介して排出される水素を、外部への排出の際に希釈することができる。水素濃度低減部として用いる上記ファンは、燃料電池２２以外の電源（例えば２次電池）を電源とすることが望ましく、これにより、燃料電池システムの停止時にも水素濃度低減部として用いることが可能となる。
【００８６】
Ｆ４．変形例４：
第１ないし第４実施例では、予め設定した所定の開弁圧となったときに自動的に開弁するリリーフバルブを用いているが、異なるバルブを用いても良い。例えば、上記リリーフバルブに代えて、制御部７０によって開閉駆動されるバルブを設け、このバルブの上流側における圧力あるいはガス流量を検知することによって、このバルブの開閉制御を行なっても良い。
【００８７】
Ｆ５．変形例５：
さらに、実施例とは異なる構成の燃料電池システムにおいて本発明を適用しても良い。例えば、第１ないし第４実施例の燃料電池システムでは、燃料電池２２に供給される水素ガスは循環流路内を循環しているが、アノード排ガス路６３を設けず、燃料電池からアノード排ガスを排出させない構成（いわゆるデッドエンド型）としても良い。上記構成では、水素の循環は行なわれないが、発電で消費された水素量に対応する量の水素が新たに燃料電池内に供給される。したがって、燃料電池に新たに供給される水素量の調節において不具合が生じて圧力超過を起こす際に、本発明を適用することができる。
【００８８】
あるいは、純度の高い水素を貯蔵する水素タンクを備える構成に代えて、改質器を設け、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスを、燃料ガスとして燃料電池に供給しても良い。この場合にも、燃料電池に供給される燃料ガス圧が過剰となった時には、シャットバルブを介して排出される水素を所定の水素濃度低減部に導くことで、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
また、燃料電池システムを、実施例のように移動体の駆動用電源とする他、定置型の発電装置として用いる場合であっても、本発明を適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】第１実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。
【図２】第１の水素流路内の圧力上昇時に行なわれる動作を表わす説明図である。
【図３】第２実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。
【図４】第１の水素流路内の圧力上昇時に行なわれる動作を表わす説明図である。
【図５】第３実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。
【図６】圧力上昇判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】第４の実施例の燃料電池システムの概略構成を表わすブロック図である。
【図８】第１の水素流路内の圧力上昇時に行なわれる動作を表わす説明図である。
【符号の説明】
【００９１】
１０，１１０，２１０，３１０…燃料電池システム
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…加湿モジュール
２６…希釈器
２７…気液分離器
２７ａ…バルブ
２８…エアクリーナ
６０…第１の水素流路
６１，９６…シャットバルブ
６２，９４…流路調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６６，１６６，２６６，３６６…第２の水素流路
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
６９…第１のリリーフバルブ
７０…制御部
８０…第１分岐路
８２…第２分岐路
８４…流路切り替え弁
８６…圧力センサ
８８…温度センサ
９０…第３の水素流路
９２…第２のリリーフバルブ
【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】
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【図８】
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