(57)【要約】【課題】高効率かつ簡素なガス循環式燃料電池システムを構築することができる技術を提供する。【解決手段】燃料電池８の出力電流を電流検出回路１６を用いて検出し、その検出結果に基づいて流量調節器１４を用いて燃料電池８に供給する燃料の流量を燃料電池入口６における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、循環経路１０，１１に第１逆止弁２経由で燃料を貯蔵し、燃料電池入口６における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に流量調節器１４を介した燃料供給を停止もしくは燃料電池８が消費する流量以下に制御し、循環経路１０，１１に貯蔵された燃料を、第２逆止弁３経由で燃料電池８に循環させ、循環経路１０，１１に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する燃料電池入口６における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、燃料電池８への燃料供給を流量調節器１４を用いて再開させる。【選択図】図２
2011023228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料の流量を調節する流量調節器と、
前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出回路とを有し、
前記電流検出回路を用いて前記燃料電池の出力電流を検出し、その検出結果に基づいて前記流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する燃料の流量を前記燃料電池の入口における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、前記循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記燃料電池の入口における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記流量調節器を介した燃料供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記循環経路に貯蔵された燃料を、前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記循環経路に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の入口における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記流量調節器を用いて前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料の流量を調節する流量調節器と、
前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する燃料の流量を前記燃料電池の入口における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、前記循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記燃料電池の入口における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記流量調節器を介した燃料供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記循環経路に貯蔵された燃料を、前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記循環経路に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の入口における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記流量調節器を用いて前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤の流量を調節する流量調節器と、
前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出回路とを有し、
前記電流検出回路を用いて前記燃料電池の出力電流を検出し、その検出結果に基づいて前記流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する酸化剤の流量を前記燃料電池の入口における酸化剤の圧力が上昇するよう制御することにより、前記循環経路に前記第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記燃料電池の入口における酸化剤の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記流量調節器を介した酸化剤供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記循環経路に貯蔵された酸化剤が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の入口における酸化剤の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記流量調節器を用いて前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤の流量を調節する流量調節器と、
前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
前記流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する酸化剤の流量を前記燃料電池の入口における酸化剤の圧力が上昇するよう制御することにより、前記循環経路に前記第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記燃料電池の入口における酸化剤の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記流量調節器を介した酸化剤供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記循環経路に貯蔵された酸化剤が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の入口における酸化剤の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記流量調節器を用いて前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料の流量を調節する第１流量調節器と、
前記燃料電池の第１出口に接続された第１逆止弁と、
前記燃料電池の第１入口に接続された第２逆止弁と、
前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた第１循環経路と、
前記燃料電池に供給される酸化剤の流量を調節する第２流量調節器と、
前記燃料電池の第２出口に接続された第３逆止弁と、
前記燃料電池の第２入口に接続された第４逆止弁と、
前記第３逆止弁と前記第４逆止弁との間に設けられた第２循環経路と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出回路とを有し、
前記電流検出回路を用いて前記燃料電池の出力電流を検出し、その検出結果に基づいて前記第１流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する燃料の流量を前記燃料電池の第１入口における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、前記第１循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記燃料電池の第１入口における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記第１流量調節器を介した燃料供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記第１循環経路に貯蔵された燃料を、前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記第１循環経路に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の第１入口における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記第１流量調節器を用いて前記燃料電池への燃料供給を再開させ、
前記電流検出回路を用いて前記燃料電池の出力電流を検出し、その検出結果に基づいて前記第２流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する酸化剤の流量を前記燃料電池の第２入口における酸化剤の圧力が上昇するよう制御することにより、前記第２循環経路に前記第３逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記燃料電池の第２入口における酸化剤の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記第２流量調節器を介した酸化剤供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記第２循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第４逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記第２循環経路に貯蔵された酸化剤が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の第２入口における酸化剤の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記第２流量調節器を用いて前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される燃料の流量を調節する第１流量調節器と、
前記燃料電池の第１出口に接続された第１逆止弁と、
前記燃料電池の第１入口に接続された第２逆止弁と、
前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた第１循環経路とを有し、
前記燃料電池に供給される酸化剤の流量を調節する第１流量調節器と、
前記燃料電池の第２出口に接続された第３逆止弁と、
前記燃料電池の第２入口に接続された第４逆止弁と、
前記第３逆止弁と前記第４逆止弁との間に設けられた第２循環経路とを有し、
前記第１流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する燃料の流量を前記燃料電池の第１入口における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、前記第１循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記燃料電池の第１入口における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記第１流量調節器を介した燃料供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記第１循環経路に貯蔵された燃料を、前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記第１循環経路に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の第１入口における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記第１流量調節器を用いて前記燃料電池への燃料供給を再開させ、
前記第２流量調節器を用いて前記燃料電池に供給する酸化剤の流量を前記燃料電池の第２入口における酸化剤の圧力が上昇するよう制御することにより、前記第２循環経路に前記第３逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記燃料電池の第２入口における酸化剤の圧力が任意の上限設定値に達した時に前記第２流量調節器を介した酸化剤供給を停止もしくは前記燃料電池が消費する流量以下に制御し、前記第２循環経路に貯蔵された酸化剤を、前記第４逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記第２循環経路に貯蔵された酸化剤が消費されていくにつれて低下する前記燃料電池の第２入口における酸化剤の圧力が任意の下限設定値に達した時に、前記第２流量調節器を用いて前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴と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、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池出口から排出される未反応分の燃料および酸化剤ガスを燃料電池入口に再供給、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素と酸素から水を生成する電気化学反応を利用したエネルギー変換デバイスである。燃料電池から電気を取り出すために水素と酸素（空気）がそれぞれ供給されるが、一般的に、水素および酸素は燃料電池が消費する量よりも過剰に供給されている。これは、燃料電池反応により生成される水の除去、供給ガス量不足による燃料電池の損傷ならびに電力の出力低下を防止するためである。しかしながら、未反応分のガスをそのまま系外に排気してしまうと、その排気分のガスが持つエネルギーを有効に活用できなくなってしまう。そのため、燃料電池システムのエネルギー効率は低下してしまう。未反応分のガスのエネルギーを有効に活用するために、ポンプやエジェクタなどを用いて燃料電池出口から排出されるガスを燃料電池入口に再供給する、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムが多数考案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０９５５２８号公報
【特許文献２】特開２００３−１７８７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ポンプを用いて循環を行う場合、ガスを循環するためにポンプ自体が燃料電池の発電電力の一部を消費してしまうため、システムとしての効率は低下してしまう。また、ポンプは可動部を有するため、振動ならびに騒音の発生源となる。従来の熱機関による発電装置と比較した場合の燃料電池の利点として、高効率、静寂、可動部を有しない、等が挙げられるが、ポンプを燃料電池システムのコンポーネントの一つとして採用することは、燃料電池の利点を定性的に相殺することになってしまう。
【０００５】
エジェクタは、電力を消費することなくガスを循環することが可能であるが、主な短所として動作範囲が比較的狭いことが挙げられる。可動ニードルを具備することにより広範囲で動作可能なエジェクタや、複数個のエジェクタを用いることでシステムとしての動作範囲を拡大する方式などが提案されている（例えば、特許文献１〜２等）。しかし、これらの方法は、エジェクタ本来の狭範囲の特性を制御やシステム構成でカバーしているものであるため、制御やシステムが複雑化してしまう。
【０００６】
以上のように、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築するには、従来とは異なる循環システムが望まれる。
【０００７】
例えば、ポンプやエジェクタを用いることなく、燃料電池のガス消費による負圧発生を利用した図１に示すような循環システムが提案されている（例えば、本出願人による特許出願：特願２００９−０４９２０１号）。図１に示すように、燃料電池システムは、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ７と、水素ボンベ７の高圧水素を減圧して燃料電池８に供給する圧力調整器１と、燃料電池８の圧力を検出する圧力センサ５と、圧力センサ５の検出結果に基づいて燃料電池８の圧力を圧力調整器１を用いて制御する制御装置９と、燃料電池出口から排出されるガスが通過する第１逆止弁２と、燃料電池出口から排出されたガスが燃料電池入口６へ循環されるための循環経路１０および循環経路１１と、燃料電池出口から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器４と、循環経路１１を経由したガスが通過する第２逆止弁３により構成されている。ここで、循環経路１０と循環経路１１は、ある内容積を有する配管である。以上は燃料極側の構成について示したものであるが、酸素極側についても同様の構成を用いることが可能である。
【０００８】
しかし、このシステムでは燃料電池の運転圧力を圧力調整器を用いて制御することにより循環を実現しており、電気的に制御可能な圧力調整器が必要であった。一方、燃料電池システムにおける供給ガスの制御は流量調節器で行われることが多く、前記図１の燃料電池システムにおいても圧力調整器でなく流量調節器でも制御可能なシステムである方が望ましい。
【０００９】
そこで、本発明の１つの目的は、高効率かつ簡素なガス循環式燃料電池システムを構築することができる技術を提供することにある。本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願において開示される実施例のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１１】
本発明の循環式燃料電池システムの第１の実施形態は、燃料電池の出力電流を電流検出回路を用いて検出し、その検出結果に基づいて流量調節器を用いて燃料電池に供給する燃料の流量を燃料電池入口における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、燃料電池入口における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に流量調節器を介した燃料供給を停止もしくは燃料電池が消費する流量以下に制御し、循環経路に貯蔵された燃料を、第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、循環経路に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する燃料電池入口における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、燃料電池への燃料供給を流量調節器を用いて再開させるように機能することを特徴とする。
【００１２】
本発明の循環式燃料電池システムの第２の実施形態は、流量調節器を用いて燃料電池に供給する燃料の流量を燃料電池入口における燃料の圧力が上昇するよう制御することにより、燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、燃料電池入口における燃料の圧力が任意の上限設定値に達した時に流量調節器を介した燃料供給を停止もしくは燃料電池が消費する流量以下に制御し、循環経路に貯蔵された燃料を、第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、循環経路に貯蔵された燃料が消費されていくにつれて低下する燃料電池入口における燃料の圧力が任意の下限設定値に達した時に、燃料電池への燃料供給を流量調節器を用いて再開させるように機能することを特徴とする。
【００１３】
本発明の循環式燃料電池システムの第３の実施形態は、燃料電池の出力電流を電流検出回路を用いて検出し、その検出結果に基づいて流量調節器を用いて燃料電池に供給する酸化剤の流量を燃料電池入口における酸化剤の圧力が上昇するよう制御することにより、燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、燃料電池入口における酸化剤の圧力が任意の上限設定値に達した時に流量調節器を介した酸化剤の供給を停止もしくは燃料電池が消費する流量以下に制御し、循環経路に貯蔵された酸化剤を、第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、循環経路に貯蔵された酸化剤が消費されていくにつれて低下する燃料電池入口における酸化剤の圧力が任意の下限設定値に達した時に、燃料電池への酸化剤供給を流量調節器を用いて再開させるように機能することを特徴とする。
【００１４】
本発明の循環式燃料電池システムの第４の実施形態は、流量調節器を用いて燃料電池に供給する酸化剤の流量を燃料電池入口における酸化剤の圧力が上昇するよう制御することにより、燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、燃料電池入口における酸化剤の圧力が任意の上限設定値に達した時に流量調節器を介した酸化剤の供給を停止もしくは燃料電池が消費する流量以下に制御し、循環経路に貯蔵された酸化剤を、第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、循環経路に貯蔵された酸化剤が消費されていくにつれて低下する燃料電池入口における酸化剤の圧力が任意の下限設定値に達した時に、燃料電池への酸化剤供給を流量調節器を用いて再開させるように機能することを特徴とする。
【００１５】
本発明の循環式燃料電池システムの第５の実施形態は、前記いずれかの燃料循環システム（前記第１及び第２の実施形態）と、前記いずれかの酸化剤循環システム（前記第３及び第４の実施形態）を用い、燃料と酸化剤をともに循環させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ポンプやエジェクタを用いることなくガスを循環させることが可能であるため、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築できると同時に、圧力調整器の代わりに流量調節器を用いることが可能なため、柔軟なシステム設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の前提として検討した、ポンプやエジェクタを必要としない燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、流量調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図３】図２に示した燃料電池システムにおいて、期間IIにてガス供給を停止した際における、流量調節器制御信号、燃料電池圧力、流量調節器流量、第１逆止弁流量、第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。
【図４】図３の期間Ｉにおけるガスの流れを示す図である。
【図５】図３の期間IIにおけるガスの流れを示す図である。
【図６】図２に示した燃料電池システムにおいて、期間IIにてガス供給量を燃料電池の消費量以下に設定した際における、流量調節器制御信号、燃料電池圧力、流量調節器流量、第１逆止弁流量、第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。
【図７】図６の期間IIにおけるガスの流れを示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態による、電流検出回路を用いずに、圧力センサの検出結果のみに基づき流量調節器を制御し、ガスを循環させる燃料電池システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１９】
図２は本発明の一実施の形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。まず、図２により、本実施の形態による燃料電池システムの構成の一例を説明する。
【００２０】
なお、本実施の形態において、燃料電池は、水素、メタンガスなどの燃料が供給される水素極と、酸素、空気などの酸化剤が供給される酸素極とから構成されるが、図２では水素極側のみについて示している。したがって、酸素極側にも、図２と同様な構成をとることが可能である。その場合、水素の代わりに酸素又は空気が供給される。
【００２１】
図２に示すように、本実施の形態による燃料電池システムは、例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池８と、燃料電池８から電力が供給される負荷１５と、燃料電池の出力電流（又は電源電流）を検出する電流検出回路１６と、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ７と、水素ボンベ７の水素を燃料電池８に調節して供給する流量調節器１４と、燃料電池８の入口（燃料電池入口６）の圧力を検出する圧力センサ５と、電流検出回路１６と圧力センサ５の検出結果に基づいて流量調節器１４を制御する制御装置９と、燃料電池８の出口（燃料電池出口１２）から排出されるガス（未反応分の燃料ガス）が通過する第１逆止弁２と、燃料電池出口１２から排出されたガスが燃料電池入口６へ循環されるための循環経路１０および循環経路１１と、燃料電池出口１２から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器４と、循環経路１１を経由したガスが通過する第２逆止弁３などから構成されている。ここで、循環経路１０と循環経路１１は、ある内容積を有する配管である。
【００２２】
流量調節器１４は水素ボンベ７と燃料電池入口６との間に接続され、圧力センサ５は燃料電池入口６に接続され、第１逆止弁２は燃料電池出口１２と循環経路１０との間に接続され、気液分離器４は循環経路１０と循環経路１１との間に接続され、第２逆止弁３は循環経路１１と燃料電池入口６との間に接続されている。また、第１逆止弁２は、逆流防止用の弁であり、燃料電池出口１２から循環経路１０の方向へのみガスが流れるようになっている。また、第２逆止弁３も同様に、逆流防止用の弁であり、循環経路１１から燃料電池入口６の方向へのみガスが流れるようになっている。燃料電池８は負荷１５に対して電力を供給し、燃料電池８が出力する電流は電流検出回路１６によって計測される。電流検出回路１６はシャント抵抗や電流センサ等を用いて電流を計測する。
【００２３】
なお、図２では、燃料用のガスとして水素の例を説明したが、水素ボンベ７の代わりに、メタンガスなどの他の燃料ガスを用いてもよい。
【００２４】
図３に、図２の燃料電池システムの動作時における制御装置９から出力される流量調節器１４用の制御信号（流量制御信号）、燃料電池圧力、流量調節器１４を介したガスの流量（流量調節器流量）、第１逆止弁２を通過するガスの流量（第１逆止弁流量）、第２逆止弁３を通過するガスの流量（第２逆止弁流量）の時間的変化をそれぞれ示す。なお、図３において、燃料電池圧力は、圧力センサ５で検出される燃料電池８の入口における圧力であるが、燃料電池内の燃料ガスの圧力とほぼ等しい。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態による燃料電池システムが動作して燃料電池８が発電している時は、期間Ｉと期間IIが交互に繰り返される。図４に期間Ｉにおけるガスの流れ方を示し、図５に期間IIにおけるガスの流れ方を示す。
【００２６】
期間Ｉにおいて、制御装置９からの信号に応じた量の燃料が流量調節器１４経由で燃料電池８へと供給される。一般的に、燃料電池が消費するガス量は燃料電池が出力する電流と比例するため、出力電流相当よりも過剰量の燃料を供給した場合、未反応分の燃料は燃料電池の出口から排出されることになる。期間Ｉにおいて、燃料電池８の燃料消費量よりも過剰量の燃料を供給するよう、電流検出回路１６の検出結果をもとに制御装置９が流量調節器１４に制御信号を出力し、流量調節器１４経由で燃料を燃料電池８に供給する。例えば、電流検出回路１６で検出された出力電流が高い場合、制御装置９から出力される流量制御信号のレベルを上げることにより、流量調節器１４を介したガス供給流量を増やす。また逆に、電流検出回路１６で検出された出力電流が低い場合、制御装置９から出力される流量制御信号のレベルを下げることにより、流量調節器１４を介したガス供給流量を減らす。このとき図４に示すように、ガスの流れ方は、流量調節器１４→燃料電池入口６→燃料電池８→燃料電池出口１２→第１逆止弁２→循環経路１０→気液分離器４→循環経路１１、となる。燃料電池８の燃料消費量（すなわち、出力電流に対応）、ならびに流量調節器１４を介した供給燃料流量が一定の場合、図３に示すように第１逆止弁２に流れるガス流量も一定となり、燃料電池８の圧力は直線的に増加する。循環経路１１における圧力は、燃料電池８や第１逆止弁２や気液分離器４や配管の圧力損失分だけ燃料電池入口６の圧力よりも低いため、第２逆止弁３は閉の状態となる。その結果、ガスは第２逆止弁３を流れない。流量調節器１４を介した燃料供給により燃料電池８の圧力が上昇していき、圧力センサ５により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定された上限圧力に到達すると、制御装置９は制御信号の出力を完全に停止する、もしくは燃料電池８の消費燃料量相当よりも低い信号レベルにすることで、期間IIへと移行する。
【００２７】
期間IIの動作について、まず、制御装置９からの制御信号（流量制御信号）の出力を完全に停止する場合について述べる。制御装置９からの制御信号の出力が停止される（すなわち、ゼロ・レベルになる）と流量調節器１４を経由したガス供給は止まるが、燃料電池８はガスを消費し続けるため、燃料電池８の圧力は循環経路１０や循環経路１１に対して負圧となる。その場合、燃料電池システムにおけるガスの流れ方は図５（図３における期間II）のように変化する。循環経路１０と循環経路１１は内容積を有しているため、期間IIの間は、循環経路１０と循環経路１１に蓄えられたガスが、循環経路１０→気液分離器４→循環経路１１→第２逆止弁３→燃料電池入口６→燃料電池８、の順に流れることになる。このとき、燃料電池８におけるガス消費量が一定であれば、第２逆止弁３に流れるガス流量は一定となる。燃料電池出口１２における圧力は、気液分離器４や第２逆止弁３や燃料電池８や配管の圧力損失分だけ循環経路１０の圧力よりも低いため、第１逆止弁２は閉の状態となる。その結果、ガスは第１逆止弁２を流れない。そして、流量調節器１４を経由したガス供給が止まっているため、燃料電池８の圧力が低下していき、圧力センサ５により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定した下限圧力に到達すると、制御装置９は制御信号の出力を再開する。
【００２８】
次に、期間IIの動作について、制御装置９からの制御信号の出力を完全に停止しない場合について述べる。図６に、期間IIにおいて、制御装置９からの制御信号が燃料電池８の消費燃料量相当よりも低い信号レベルに設定される場合における、制御装置９から出力される流量調節器１４用の制御信号（流量制御信号）、燃料電池圧力、流量調節器１４を介したガスの流量（流量調節器流量）、第１逆止弁２を通過するガスの流量（第１逆止弁流量）、第２逆止弁３を通過するガスの流量（第２逆止弁流量）の時間的変化をそれぞれ示す。また、このときの期間IIにおけるガスの流れ方を図７に示す。循環経路１０，１１を介したガスの流れは図５の場合と同様であるが、流量調節器１４を介したガス供給が継続されている点が異なる。しかし、流量調節器１４を介したガス供給量は燃料電池８が消費する量よりも少ないため、燃料電池は循環経路１０と循環経路１１に蓄えられたガスを消費して圧力は低下してゆく。ただし、図５の場合と比べて流量調節器１４を介したガス供給が存在する分、図６に示すように圧力低下の勾配は緩やかである。圧力が低下し、圧力センサ５により検知される燃料電池圧力が、あらかじめ設定した下限圧力に到達すると、制御装置９は制御信号の出力を燃料電池８の消費燃料量相当よりも高い信号レベルに増加させる（期間Ｉ）。
【００２９】
期間Ｉにおいて循環経路１０と循環経路１１に蓄えられていたガスは燃料電池８から排気されたガスに相当し、期間IIにおいてはそのガスが再び燃料電池に供給されるため、期間Ｉと期間IIを通じてガスは循環されたことになる。また、図４〜図７からも分かるように、循環経路を流れるガスの流れは一方通行であり、循環されるガスに含まれる水は気液分離器４にて除去される。
【００３０】
燃料電池圧力の上昇／下降速度、逆止弁に流れるガス流量、循環経路の内容積には相関がある（燃料電池入口６と燃料電池出口１２の配管内容積は十分小さいものとする）。具体的には、期間Ｉにおいて、燃料電池８のガス消費量が一定の場合、燃料電池からの排出ガス流量つまり第１逆止弁２のガス流量が大きければ大きいほど、また循環経路１０と循環経路１１の内容積が小さければ小さいほど、圧力上昇の勾配は急になる。期間IIにおいて流量調節器１４を介したガス供給を停止する図５の構成の場合、第２逆止弁３のガス流量は燃料電池８のガス消費量と同一であり、循環経路１０と循環経路１１の内容積が大きければ大きいほど、燃料電池圧力の低下速度は遅くなる。期間IIにおいて流量調節器を介したガス供給を消費燃料量相当よりも低く設定する図７の構成の場合、流量調節器１４を介して供給されるガス流量と第２逆止弁３を流れるガス流量との和が燃料電池８のガス消費量と同一となる。図７の場合においても同様に、循環経路１０と循環経路１１の内容積が大きければ大きいほど、燃料電池圧力の低下速度は遅くなる。
【００３１】
期間Ｉの長さは、燃料電池８のガス消費量と、循環経路１０，１１の内容積と、流量調節器１４を介したガス供給流量により決定されるので、燃料電池８のガス消費量、燃料電池圧力の上下限値が一定の場合、流量調節器１４を介したガス供給流量を制御することにより燃料電池の圧力上昇勾配を変化させ、期間Ｉの長さを調節することが可能である。例えば、制御装置９から出力される流量制御信号のレベルを上げることにより、流量調節器１４を介したガス供給流量を増やし、燃料電池の圧力上昇勾配を増加させ、期間Ｉの長さを短くすることが可能である。また、逆に、制御装置９から出力される流量制御信号のレベルを下げることにより、流量調節器１４を介したガス供給流量を減らし、燃料電池の圧力上昇勾配を減少させ、期間Ｉの長さを長くすることが可能である。
【００３２】
期間IIの長さは、燃料電池８のガス消費量、流量調節器１４を介したガス供給流量、循環経路１０，１１の内容積により決定され、流量調節器１４を介したガス供給流量を制御することで調節可能である。ただし、期間IIが取り得る最短時間は流量調節器１４を介したガス供給流量を完全に停止した場合、つまり図３に示すような動作時であり、それよりも短くすることはできない。また、燃料電池圧力の上下限値を調節することにより、期間Ｉと期間IIの長さをともに調節することも可能である。
【００３３】
以上、簡単のため、燃料電池のガス消費量が一定で第１逆止弁２の流量も一定であり、期間Ｉにおける圧力上昇は直線的であるとして説明を行ってきたが、燃料電池のガス消費量が変動するなどして第１逆止弁２の流量が一定でない場合においても本発明の燃料電池システムは動作可能である。ただし、その場合は燃料電池の圧力上昇の勾配は一定ではなくなる。
【００３４】
また、本実施の形態では、燃料電池の水素極側について説明を行ってきたが、空気や酸素等の酸化剤が供給される酸素極側に対しても同様の原理で構成して動作させることが可能である。
【００３５】
また、上記実施の形態では、圧力センサ５で検出された燃料電池圧力に基づいて、制御装置９が流量調節器１４への制御信号出力を変化させる、いわゆるフィードバック制御の構成例を示した。しかし、あらかじめ燃料電池システムの特性を評価し、その特性に基づいて制御信号の波形やタイミングを設定し、流量調節器１４への制御信号出力を変化させるようにしてもよい。この場合は、圧力センサ５を不要とすることができる。
【００３６】
また、上記実施の形態では、電流検出回路１６で検出された電流値に基づいて、制御装置９が流量調節器１４への制御信号出力を変化させる、いわゆるフィードバック制御の構成例を示した。しかし、図８に示すような構成において、検出された電流値を用いずに圧力センサ５で検出した圧力値のみに基づいて制御することも可能である。本発明のシステムが動作するためには期間Ｉの間に燃料電池圧力が上昇して循環経路１０，１１にガスを貯蔵する必要があるが、燃料電池の圧力が上昇するよう圧力センサ５の検出結果に基づいて流量調節器１４を制御してガスを供給してやればよい。
【００３７】
最も単純な方法として、あらかじめ想定される最大消費ガス量よりも常に多くのガスを期間Ｉに供給するよう制御装置９を制御することが考えられる。すなわち、期間Ｉにおける流量調節器を介した供給ガス流量は消費ガス量よりも必ず多いため、燃料電池からは未反応分のガスが排出され、循環経路へと蓄積されることで燃料電池の圧力は上昇する。
【００３８】
その他、燃料電池圧力（Ｐ）が上昇する際の時間（Ｔ）微分であるΔＰ／ΔＴを演算などで求めて、ΔＰ／ΔＴが正の値となるよう流量調節器１４を介したガス流量を制御する、等の方法もある。すなわち、ΔＰ／ΔＴが正の値であるということは、循環経路１０，１１にガスが貯蔵されている過程であるということを意味している。
【００３９】
以上の場合、流量調節器１４を介したガス供給流量は電流検出回路１６の検出結果に基づいて制御されるわけではないので、電流検出回路１６は不要となる（図８参照）。
【００４０】
したがって、本発明における燃料電池システムによれば、ポンプやエジェクタを用いることなくガスを循環させることが可能となるため、高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築することができる。また、ポンプやエジェクタを用いないため、静寂・無振動である。また、可動部品を必要としないため（流量調節器を除く）、信頼性が高い。また、消費電力が少なく、燃料電池の発電電力を最大限に活用できる（高効率）。また、圧力調整器の代わりに、流量調節器を用いて燃料電池に供給するガス流量ならびに燃料電池の圧力を制御することでガス循環機構を実現できるため、構成機器の選定などの観点からシステムを柔軟に設計することが可能となる。また、流量調節器は、圧力調整器と比較して、汎用的、低価格であるため、低コスト化が可能となる。
【００４１】
以上、本発明における実施形態を具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、移動体用燃料電池システム、定置用燃料電池システムなど、ガスを循環させる必要性のある燃料電池システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１…圧力調整器、２…第１逆止弁、３…第２逆止弁、４…気液分離器、５…圧力センサ、６…燃料電池入口、７…水素ボンベ、８…燃料電池、９…制御装置、１０，１１…循環経路、１２…燃料電池出口、１４…流量調節器、１５…負荷、１６…電流検出回路。
【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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