(57)【要約】【課題】燃料流路内の不純物を、簡便な構成で効率よく排出して出力の低下を抑制することができ、小型化を図ることが可能となる燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるパージ方法を提供する。【解決手段】発電部を備えた燃料電池１０１と、燃料供給源１０２から供給される燃料ガスを燃料電池システム内に流通させる燃料流路と、を有する燃料電池システムであって、  前記燃料流路内の燃料ガス圧力を、通常運転圧力よりも高圧力に制御する圧力制御機構１０５と、前記圧力制御機構の高圧力による制御に基づいて作動し、燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する不純物排出機構１０４と、を有する構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部を備えた燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池システム内に流通させる燃料流路と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料流路内の燃料ガス圧力を、通常運転圧力よりも高圧力に制御する圧力制御機構と、
前記圧力制御機構の高圧力による制御に基づいて作動し、前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する不純物排出機構と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料供給源として、燃料容器を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力制御機構が、前記燃料と前記燃料電池との間に位置する前記燃料流路内に設けられた燃料の供給を制御する制御弁を備え、該制御弁によって前記燃料流路内の圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御弁が、前記燃料供給源と前記燃料電池との間に位置する前記燃料流路におけるバイパス流路に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力制御機構が、前記燃料容器内における燃料の圧力を制御する燃料圧力制御装置を備え、燃料圧力制御装置によって前記燃料流路内の圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記不純物排出機構が、排出部に所定の圧力で開く弁を備え、該所定の圧力で開く弁の制御によって前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
発電部を備えた燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池システム内に流通させる燃料流路と、を有し、前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する燃料電池システムにおけるパージ方法であって、
前記燃料流路内の燃料ガス圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御する段階と、前記高圧力による制御に基づいて不純物排出機構を作動させ、燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する段階と、
を有することを特徴とする燃料電池システムにおけるパージ方法。
【請求項８】
前記圧力を通常運転圧力よりも高圧力とする制御が、前記燃料供給源と前記燃料電池との間に位置する前記燃料流路内に設けられた燃料の供給装置を制御することによって行われることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムにおけるパージ方法。
【請求項９】
前記圧力を通常運転圧力よりも高圧力とする制御が、前記燃料供給源として燃料電池システムが有する燃料容器内における燃料ガスの圧力を制御することによって行われることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムにおけるパージ方法。
【請求項１０】
前記不純物の燃料電池外への排出が、所定の圧力で開く弁の制御によって行われることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の燃料電池システムにおけるパージ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるパージ方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来燃料電池は、様々なタイプのものが研究・開発されてきた。中でも、固体高分子型燃料電池は、運転温度が他のタイプの燃料電池に比べて低いこと、電解質が固体高分子膜であるために扱いやすいこと、等の理由により車載用や家庭用の発電装置として、広く研究開発が行なわれている。
固体高分子型燃料電池の一般的な構成を、図２を用いて説明する。電解質には固体高分子電解質膜を用い、該固体高分子電解質膜の両側に触媒電極層を備えた膜電極接合体２に対し、一方の触媒電極層（アノード４）に水素ガスなどの燃料を、もう一方の触媒電極層（カソード３）に空気などの酸化剤を供給することで発電が行なわれる。その際、生成物として水が発生する。アノード４、および、カソード３における反応式は、以下の通りである。
アノード：Ｈ2→２Ｈ+ ＋２ｅ-
カソード：１／２  Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2Ｏ
一組の膜電極接合体の理論電圧は１．２３Ｖ程度で、通常の運転状態においては、０．７Ｖ程度で使用されることが多い。そのため、より高い電圧が必要な場合や、高出力密度が必要な場合には、複数の燃料電池セルを積層し、各燃料電池セルを電気的に直列に接続した構成とする。図２においては、３層の燃料電池セルを用いた例を記載してある。このような積層構造は燃料電池スタックと呼ばれる。
【０００３】
同じく図２を用いて、一般的な燃料電池における燃料流路の構成を説明する。燃料流路とは、燃料供給源から供給された燃料が燃料電池システム内を流通する流路を指す。
すなわち、燃料供給源から第１のバルブ５を経て、燃料電池１へ燃料を導くための流路７、燃料電池中のアノード内に設けられた流路４、燃料電池から燃料電池内の燃料を外部へ排出するための排出機構までの流路８を含んだものを指す。本発明においては、特に、アノード内の流路をアノード流路、あるいは、単にアノードと呼ぶ。
カソード３には、酸化剤としての空気が不図示の空気取り入れ口を通して供給される。
【０００４】
燃料電池の発電中、固体高分子型燃料電池に使用される電解質膜は、空気を微量ながら透過するため、発電に伴い空気中の窒素や発生した水蒸気などの不純物ガスが徐々に燃料流路内に蓄積される。
特に、燃料利用率の高い、循環型やデッドエンド型の燃料電池においては、蓄積された不純物ガスにより、燃料電池の発電特性が低下する。
そこで、特許文献１においては、デッドエンド型の燃料電池において、燃料流路内にパージバルブを備え、発電中にパージ動作を行なうことにより、特性の低下を防いでいる。
また、特許文献２においては、デッドエンド型の小型燃料電池において、アクティブなパージバルブを使用せずに、ナイロン膜を燃料流路に設けることで、水蒸気を透過させ、燃料流路内の水蒸気の排出が行われる。これによって、発電特性の低下を防ぐ技術が開示されている。
【０００５】
燃料電池に使用される固体高分子電解質膜は、機械的強度を保ち、また、燃料が透過しないようにするために、通常５０〜１００μｍ程度の厚さのものが使用される。これらの固体高分子電解質膜の強度は３００〜５００ｋＰａ（３〜５ｋｇ／ｃｍ2）程度である。従って、差圧による膜の破断を防ぐためには、燃料電池のアノードとカソードとの差圧が、平常時には５０ｋＰａ（０．５ｋｇ／ｃｍ2）、非常時でも１００ｋＰａ（１ｋｇ／ｃｍ2）以下になるように制御することが好ましい。
【０００６】
そのため、従来においては、例えば特許文献３のように、燃料電池に使用する小型減圧弁に関する技術が提案されている。このような減圧弁を使用することで、アノード内の圧力を一定に保ちながら、燃料を供給することができる。
また、アノード内の圧力が上記圧力より高くなった場合、高分子電解質の破断を避けるため、アノードの圧力を下げる必要がある。
このようなことから、例えば、特許文献４においては、燃料電池のアノードにつながる燃料流路に安全弁を備え、流路内が設定圧力より高くなった場合に、燃料ガスを外部に排出することにより、システムの破損を防ぐ機構が提案されている。
【０００７】
一方、車載用や定地用などの大型の燃料電池においては、燃料や酸化剤はデッドエンド形式ではなく、発電に必要な流量よりも多くの燃料を流しつづける方式（フロー方式）が採られている。場合によっては、燃料利用率を向上させるため、余分な燃料を循環させて用いる場合もある。
フロー方式では、流量が多く、混入した不純物ガスも共に排出されるので、パージ動作は、始動時に行われる他、カソード流路内に滞留した水滴を除去するために行われる。特許文献５においては、ガス流路中に異物が堆積した際に、異物を排出するために、流路の圧力を高めることを開示している。
【特許文献１】特開２００４−１７１９６７号公報
【特許文献２】米国特許第６４２３４３７号明細書
【特許文献３】特開２００４−３１１９９号公報
【特許文献４】特開平１０−２８４０９８号公報
【特許文献５】特開２００６−８６００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来例における発電特性の低下を防ぐためのパージ方法では、燃料流路をパージする際に流路内の圧力が低いと、パージが十分に行なわれず、また、外部から空気が逆流して混入し、かえって発電特性を低下させる恐れがあった。
一方、上記したように特許文献３、特許文献４では、供給する燃料の圧力制御のために減圧弁を搭載し、あるいは燃料流路内の圧力の異常上昇防止のために安全弁を搭載するという試みがなされている。
しかし、これらのものにおいても、通常運転時には必要な圧力に設定されているものであり、パージの際に２次圧力を変動させる手段を有するものではないため、パージを十分に行なう上で、必ずしも満足の得られるものではなかった。
また、特許文献５の異物排出手段は、通常、燃料ガスをフローで供給しつづけるものである。このフロー方式の燃料電池では、流路出口が常に開いている状態であるため、通常運転時の流路内の圧力は流路抵抗によって決定される。また、効率のよいパージを行なうためには、圧力の上昇と短時間での放出による圧力変化が重要である。通常運転時のガスの効率よい供給のため、およびパージの際に流路内のガスを一気に放出するためには、流路抵抗が低く設定されていることが好ましい。その一方で、流路抵抗が低いと、パージの際に流路内の圧力を上昇させるために、より多くのガスを供給する必要があった。すなわち、フロー方式の燃料電池においては、通常運転時の発電性能を高めるためと、素早いガス置換のためには流路抵抗の低いことが求められ、効率よく流路の圧力を上げるためには流路抵抗が高いことが求められ、両者の両立が困難であった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、燃料流路内の不純物を、簡単な構成で効率よく排出して出力の低下を抑制することができ、小型化を図ることが可能となる燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるパージ方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるパージ方法を提供するものである。特に、デッドエンド型の燃料電池に適用することで、より効率よいパージを行うことができる。
本発明の燃料電池システムは、発電部を備えた燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池システム内に流通させる燃料流路と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料流路内の燃料ガス圧力を、通常運転圧力よりも高圧力に制御する圧力制御機構と、前記圧力制御機構の高圧力による制御に基づいて作動し、前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する不純物排出機構と、を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料供給源として、燃料容器を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記圧力制御機構が、前記燃料と前記燃料電池との間に位置する前記燃料流路内に設けられた燃料の供給を制御する制御弁を備え、該制御弁によって前記燃料流路内の圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記制御弁が、前記燃料供給源と前記燃料電池との間に位置する前記燃料流路におけるバイパス流路に設けられていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記圧力制御機構が、前記燃料容器内における燃料の圧力を制御する燃料圧力制御装置を備え、燃料圧力制御装置によって前記燃料流路内の圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記不純物排出機構が、排出部に所定の圧力で開く弁を備え、該所定の圧力で開く弁の制御によって前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおけるパージ方法は、発電部を備えた燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池システム内に流通させる燃料流路と、を有し、前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する燃料電池システムにおけるパージ方法であって、前記燃料流路内の燃料ガス圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御する段階と、
前記高圧力による制御に基づいて不純物排出機構を作動させ、燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する段階と、を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおけるパージ方法は、前記圧力を通常運転圧力よりも高圧力とする制御が、前記燃料供給源と前記燃料電池との間に位置する前記燃料流路内に設けられた燃料の供給装置を制御することによって行われることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおけるパージ方法は、前記圧力を通常運転圧力よりも高圧力とする制御が、前記燃料供給源として燃料電池システムが有する燃料容器内における燃料ガスの圧力を制御することによって行われることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムにおけるパージ方法は、前記不純物の燃料電池外への排出が、所定の圧力で開く弁の制御によって行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料流路内の不純物を、簡単な構成で効率よく排出して出力の低下を抑制することができ、小型化を図ることが可能となる燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるパージ方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の形態における発電部を備えた燃料電池と、燃料供給源から供給される燃料ガスを燃料電池システム内に流通させる燃料流路と、を有する燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるパージ方法について説明する。
図１に、本実施の形態の燃料電池システムの概略図を示す。
図１において、１０１は燃料電池、１０２は燃料容器、１０３は第１のバルブ、１０４は第２のバルブ、１０５は前記燃料流路内の燃料ガス圧力を、通常運転圧力よりも高圧力に制御する圧力制御機構（以下、圧力を高める機構と記す）である。
【００１３】
本発明の実施の形態において、燃料供給源としての燃料容器１０２には燃料が蓄えられており、燃料は燃料流路を通過して燃料電池１０１のアノードに供給される。
以下において燃料容器１０２が燃料電池システムに組み込まれている場合について説明するが、本発明はこれに限定されず、燃料供給源が燃料電池システムの外部にあり、燃料が固定配管等を通して燃料電池システムに供給される場合にも適用できる。
燃料には、例えば水素を用いることができ、水素吸蔵合金などを燃料容器１０２に充填しておけば、効率よく水素を蓄えることができる。
燃料容器にメタノール等の液体燃料を保持しておき、逐次改質することにより水素ガスを燃料電池に供給することも可能である。
燃料流路内には燃料容器１０２から燃料電池１０１への燃料の供給を制御する制御弁として第１のバルブ１０３が設けられ、また燃料を燃料流路外に排出する第２のバルブ１０４が設けられている。
さらに、燃料電池へのパージ命令に基づいて、制御弁を作動させ前記燃料流路内の圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御可能とする機構１０５が設けられている。このような機構１０５としては、外部からの指令に基づき設定圧力が調整可能であるレギュレータバルブが好適に用いられ得る。
高圧力による制御に基づいて作動し、前記燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する不純物排出機構として、その排出部に第２のバルブ１０４が設けられる。バルブ１０４に用いられるものとして、所定の圧力で開く構成の弁が適当である。そのような弁としては、一般にリリーフバルブと呼ばれるものが、構造も簡単であり、かつ小型化に適したものとして挙げられる。
流路内の圧力を、リリーフバルブの開放圧力を上回るように圧力を高めることにより、複雑な制御装置を必要とせずに、燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出可能とすることができる。
また、第２のバルブ１０４として通常の外部からの指令により開閉するバルブを設け、圧力センサと組み合わせた制御回路により燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出することも可能である。
酸化剤としては空気を空気取り入れ口から自然拡散によって取り込むことができる。発電された電力は出力端子を介して外部機器に供給される。
【００１４】
つぎに、本実施の形態における不純物排出方法について説明する。
本実施の形態における不純物排出方法は、前記燃料流路内の燃料ガス圧力を通常運転圧力よりも高圧力に制御する段階と、前記高圧力による制御に基づいて不純物排出機構を作動させ、燃料流路内の不純物を燃料電池外に排出する段階と、を有している。
図３に、本実施の形態における不純物排出方法を説明するためのフローチャートを示す。
燃料の供給に際して、まず、燃料電池の通常発電中は第１のバルブ１０３が開かれ、燃料電池１０１へと燃料が供給される。
一方、第２のバルブ１０４は閉じられている。ここで、燃料電池にパージ命令がくると、まず、燃料流路の圧力を高める機構１０５が動作し、燃料流路内の圧力は通常発電時よりも高くなる。
しかる後に第２のバルブ１０４が開かれる。
その後、第２のバルブ１０４が閉じられる。燃料電池にパージ命令を出すタイミングは、発電後所定の時間が経過することによっても良いし、燃料電池の電圧をモニタリングしておき、電圧が所定の値を下回った場合でも良い。あるいは、燃料流路内のガス濃度を測定しておき、不純物濃度が所定の値を上回るか、燃料濃度が所定の値を下回った場合でも良い。
【００１５】
また、第２のバルブ１０４が開かれた後、閉じられるタイミングは、所定の時間が経過することによって決定しても良いし、排出した燃料の累積流量が所定の値に達したと判断することで決定してもよい。また、燃料流路内の圧力が所定の値以下になった時点でもよいし、燃料電池の電圧が所定の値を上回った時点でもよい。あるいは、燃料流路内の不純物ガス濃度が所定の値を下回るか、燃料濃度が所定の値を上回った時点でも良い。
また、第２のバルブ１０４は、燃料流路中にあって、燃料電池１０１のアノードよりも、通常発電時の燃料の流れ方向下流にあると、効率よく不純物を排出できるので好ましい。
【００１６】
以上の本発明の不純物排出機構およびその方法は、燃料電池の発電特性の安定化、および、燃料電池システムの小型化を図ることができ、特に固体高分子電解質膜を用いた発電装置、デバイスに有用である。
【実施例】
【００１７】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。本実施例においては、上記した図１に示される実施形態の第１のバルブ１０３、および第２のバルブ１０４にそれぞれ、電磁弁が用いられる点を除いて、上記実施形態と基本的に同様の燃料電池システムによる。
本実施例において、図３のフローチャートに従い、パージ命令が発せられると、燃料流路内の圧力を高める機構１０５は、第１のバルブ１０３に通常発電時よりもバルブを大きく開く命令を出す。
これにより燃料流路内の圧力が通常発電時よりも高くなる。
次に、第２のバルブ１０４を開く命令を出し、排出動作を行なう。排出動作終了後、第１のバルブ１０３を通常の開度に戻し、第２のバルブ１０４を閉じる。
【００１８】
圧力を高める機構１０５によって、通常発電時に燃料を供給する第１のバルブ１０３を動作させることもできるが、図４に示すように構成してもよい。
すなわち、図４に示されるように、燃料容器１０２から燃料電池１０１へのバイパス流路、および、バイパス流路中に第３のバルブ１０６を設け、燃料流路内の圧力を高めるには第３のバルブ１０６を用いることも可能である。なお、図４において、上記した図１に示される燃料電池システムと共通の構成には、同一の符号が用いられている。
【００１９】
［実施例２］
実施例２においては、上記した図１に示される実施の形態における第１のバルブ１０３として、レギュレータを使用した構成例について説明する。
図５に、本実施例に用いられるレギュレータの構成の断面図を示す。
図５において、２０１は支持部、２０２はバルブ軸、２０３はダイヤフラム、２０４は弁体、２０５は出口流路である。
【００２０】
まず、本実施例のレギュレータの動作について説明する。
ダイヤフラム上面の圧力をＰ0、バルブ上流（弁体２０４の下方）の１次圧力をＰ1、バルブ下流（出口流路２０５）の圧力をＰ2とし、弁体の燃料容器側（下面）面積をＳ1、燃料極側の流路と接している部分の面積（Ｓ1からピストンの面積とシール部分の面積を差し引いた面積）をＳ1´、ダイヤフラム大気側（上面）面積をＳ2、燃料と接している部分（下面）の面積（Ｓ2からピストンの面積を差し引いた面積）をＳ2’する。このとき、圧力の釣り合いから、バルブが開く条件は、Ｐ1Ｓ1−Ｐ2Ｓ1’＜Ｐ0Ｓ2−Ｐ2Ｓ2’となる。
特に、ダイヤフラムや弁体の面積に対して、ピストンやシール面の面積が十分に小さい場合には、（Ｐ1−  Ｐ2）Ｓ1＜（  Ｐ0−  Ｐ2）Ｓ2とみなせる。
Ｐ2がこの条件の圧力より高いとバルブは閉じ、低いとバルブは開く。これによって、Ｐ2を一定に保つことができる。
弁体の面積やダイヤフラムの面積、バルブ軸の長さ、ダイヤフラムの厚さなどを調整することで、バルブが開閉する圧力や流量を最適に設計することができる。
【００２１】
つぎに、本実施例におけるレギュレータを燃料電池システムに搭載した場合の動作について説明する。
マイクロバルブの１次側は、燃料容器１０２とつながっている。出口流路２０５は、燃料電池１０１のアノードへとつながり、ダイヤフラム２０３の出口流路と反対面はカソード（外気）と接している。
発電が始まると、アノードにおいて燃料は消費され、燃料流路内の燃料の圧力は下がっていく。
ダイヤフラム２０３は、外気圧と燃料流路の圧力との差圧から、燃料流路側にたわみ、ダイヤフラム２０３にバルブ軸２０２で直結された弁体２０４は押し下げられ、バルブは開く。
これにより、燃料容器１０２から、アノードに燃料が供給される。発電を終了し、燃料流路の圧力が回復すると、ダイヤフラム２０３は上に押し上げられ、レギュレータは閉じる。
【００２２】
図６は、本実施例のレギュレータに、上記した実施の形態における圧力を高める機構１０５として、ピン２０６を使用した構成を示す断面図である。
燃料流路内の圧力を高めるためには、ピン２０６により、ダイヤフラム２０３を押し下げることにより、レギュレータの開度が大きくなり、流量が増加する。燃料流路内の圧力を元に戻すには、ピンを元の位置に戻せばよい。
【００２３】
また、図７は本実施例のレギュレータに、上記した実施の形態における圧力を高める機構１０５として、作動流体２０７を封入したチャンバをダイヤフラム２０３に隣接して設置した構成例を示す断面図である。
燃料流路内の圧力を高めるためには、作動流体２０７を押すことにより、ダイヤフラム２０３を押し下げ、レギュレータを開いて、流量を増加させる。
また、作動流体２０７を熱によって膨張、あるいは、気化させることにより、ダイヤフラム２０３を押し下げることも可能である。
このようにレギュレータを燃料供給用のバルブとして使用すると、通常動作時には、駆動にエネルギーを必要とせず、消費電力を小さくすることが可能な上、電磁弁などに比べて構造が単純なので、システムの小型化を図ることができる。
【００２４】
［実施例３］
実施例３においては、上記した図１に示される実施の形態における第２のバルブ１０４として、所定の圧力で開く弁であるリリーフバルブを使用した構成例について説明する。
図８に、本実施例のリリーフバルブの構成を示す。また、図９（ａ）、図９（ｂ）はリリーフバルブの上面図および下面図である。
図８及び図９において、３０１は基板、３０２は流体導入口、３０３は弁座、３０４はダイヤフラム、３０５は流路、３０６は流体導出口、３０７は蓋、３０８はシールである。
【００２５】
本実施例において、基板３０１は、流体導入口３０２および弁座３０３を有している。基板材料としては、ステンレスやアルミなどの金属材料のほか、アクリルなどのプラスチック材料が使用できる。
ダイヤフラム３０４は弾性材料からなり、中央に流路を有している。
ダイヤフラムの材料には、フッ素ゴムやシリコンゴム、ウレタンゴムなどのプラスチック材料や、ステンレス、りん青銅、ベリリウムなどの金属材料がある。
金属材料を使用する場合には、より小さな力で大きな変位を得るために、波型に整形しておくことも可能である。
ダイヤフラム３０４を基板３０１に設置したあと、導出口を有する蓋３０７によって、ダイヤフラム３０４を固定する。
このように組み立てられたリリーフバルブは、ネジ部によって流路に取り付けられる。
ネジ部には、シール３０８があり、流体がネジ部を通して外に漏れるのを防いでいる。
シール３０８には、シリコンゴムやフッ素ゴムなどが使用される。
【００２６】
ダイヤフラム３０４に金属材料を使用する場合、シール性を高めるために、弁座３０３と接する部分にシリコンゴムやフッ素ゴムなどゴム材料からなる部材を加えることもできる。
一方、ダイヤフラム３０４にゴム材料を使用する場合、弁座３０３と接する部分の裏側に金属などの固い材料で補強することも可能である。
例えば、本燃料電池システムに搭載するリリーフバルブとして、ダイヤフラム３０４の材料をシリコンゴム、直径５ｍｍ、厚さを０．８ｍｍ、流路３０５の直径を０．５ｍｍとし、弁座３０３によりダイヤフラム３０４に０．０７ｍｍの変位を与えておく。
この場合、リリーフバルブは、燃料流路内の圧力が３０ｋＰａＧを超えた場合に開き、５０ｋＰａＧ〜１００ｋＰａＧの範囲において、流量は２７０〜３９０ｓｃｃｍ程度なので、燃料電池を破損することなく、燃料流路内の圧力を開放することができる。
また、バルブ自体も９００ｋＰａＧ程度まで破損しないため、十分な強度を有する。
また、固有振動数は６７０ｋＨｚ程度となり、十分な応答速度を有する。
【００２７】
ここで、本リリーフバルブを搭載した場合の本発明の不純物排出方法について説明する。
まず、図３のフローチャートに従い、パージ命令が発せられると、燃料流路内の圧力を高める機構１０５は、第１のバルブ１０３に通常発電時よりもバルブを大きく開く命令を出す。
第１のバルブ１０３には実施例１のように電磁弁を用いてもよいし、実施例２のようにレギュレータを用いてもよい。
この際に燃料流路内が、リリーフバルブの開放圧力を上回るように圧力を高めることにより、リリーフバルブが開き、パージ動作が行なわれる。
パージ終了は、圧力を高める機構１０５が第１のバルブ１０３に対し、通常圧力に戻す命令を出すことにより、燃料流路内の圧力が低下し、リリーフバルブの開放圧力を下回ると、リリーフバルブは閉止し、パージ動作が終了する。
本実施例の構成によれば、特に、燃料流路内のガスを燃料電池外に排出する機構にリリーフバルブを使用することができ、システムの小型化を図ることが可能となる。
また、リリーフバルブのかわりに、所定の圧力で保持力を失うバルブを使用することができる。例えば、電磁弁は磁石の強さによって、また、静電駆動弁は静電気力の強さによって、保持力が設計されている。これらのバルブが保持力を失う圧力を、前記リリーフバルブを用いた場合の開放圧力に等しく設定しておくことで、通常運転中は、能動的な制御が可能であると共に、パージの際には前記リリーフバルブと同様の動作をさせることができる。
【００２８】
［実施例４］
実施例４においては、上記した図１に示される実施の形態における第１のバルブ１０３に、図８に示されるようなリリーフバルブを使用した構成例について説明する。
図１０に、本実施例の燃料電池システムの概要図を示す。なお、図１０において、上記した図１に示される燃料電池システムと共通の構成には、同一の符号が用いられている。
【００２９】
本実施例において、第２のバルブ１０４には、電磁弁などを使用してもよいし、実施例３と同様にリリーフバルブを使用しても良い。
また、本実施例では、燃料流路内の圧力を高める機構として、燃料容器１０２に対して働く、燃料圧力制御装置を構成する。すなわち、燃料容器における燃料の圧力を制御する燃料圧力制御装置を構成する。
【００３０】
ここでは第２のバルブ１０４にリリーフバルブを使用した場合の動作について説明する。
実施例３の場合とは、圧力設定が異なり、第２のバルブ１０４の設定圧力は、第１のバルブ１０３の設定圧力よりも低く設定されている。
さらに、燃料容器１０２の通常使用温度における圧力が導入口に供給された場合に、導出口の圧力が燃料電池の駆動に最適な圧力になるように調節されている。これにより、燃料容器１０２の圧力が通常範囲であれば、発電に最適な圧力の燃料がアノードに供給される。この際、第２のバルブ１０４は閉じている。
一方、燃料容器１０２の圧力が上昇した場合には、第１のバルブ１０３の下流にある燃料流路の圧力が上昇することにより、第２のバルブ１０４を構成するリリーフバルブが開くことにより、燃料流路内の圧力は開放される。
従って、燃料容器の圧力を高めることにより、パージ動作を行なうことができる。
【００３１】
つぎに、圧力を高める機構として、ヒーターを燃料容器に備えた構成例について説明する。
表１は水素吸蔵合金であるＬａＮｉ5の各温度における解離圧を示している。表からわかるように、温度が上がるに従い、水素解離圧が上昇する。
そこで、圧力を高める機構１０５として、図１１に示すようにヒーター４０１を燃料容器１０２に備え、パージ命令が発せられた場合には、ヒーター４０１にスイッチ４０２が入り、燃料容器内が温められて、内部の圧力が上昇する。
燃料容器１０２の圧力が上昇すると、第１のバルブ１０３は、燃料流路の圧力と燃料容器１０２の圧力の差が一定になるように動作するため、燃料流路の圧力も上昇する。
燃料流路の圧力が上昇し、第２のバルブ１０４の開放圧を上回ると、第２のバルブ１０４が開き、燃料流路内のガスは外に放出される。
また、ヒーターのスイッチを切ると、燃料容器の温度が低下し、タンク内の圧力が下がり、それに伴い、燃料流路内の圧力も下がるので、第２のバルブ１０４が閉止される。
【００３２】
［表１］
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【００３３】
圧力を高める機構としては、上記以外に、例えば図１２に示すように、タンク内の容積を可変にしておき、ピストン４０３を押すことによっても実現できる。また、通常温度での燃料容器内圧力が燃料電池１０１の破損圧力よりも低い場合には、第１のバルブ１０３を省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムを説明する概略図である。
【図２】従来における固体高分子型燃料電池の一般的な構成を説明する図。
【図３】本発明の実施形態における不純物排出方法を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の実施例１における燃料電池システムを説明する概略図である。
【図５】本発明の実施例２に用いられるレギュレータの構成の断面図である。
【図６】本発明の実施例２のレギュレータにおいて、圧力を高める機構としてピンを使用した構成例を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例２のレギュレータにおいて、圧力を高める機構として作動流体を封入したチャンバをダイヤフラムに隣接して設置した構成例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施例３の不純物排出機構において、第２のバルブとしてリリーフバルブを使用した構成例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例３におけるリリーフバルブを説明する図であり、（ａ）はリリーフバルブの上面図、（ｂ）はリリーフバルブの下面図である。
【図１０】本発明の実施例４における燃料電池システムを説明する概略図である。
【図１１】本発明の実施例４における圧力を高める機構として、ヒーターを燃料容器に備えた構成例を示す図である。
【図１２】本発明の実施例４における圧力を高める機構として、燃料容器内の容積を可変にした構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０１：燃料電池
１０２：燃料容器
１０３：第１のバルブ
１０４：第２のバルブ
１０５：圧力を高める機構
１０６：第３のバルブ
２０１：支持部
２０２：バルブ軸
２０３：ダイヤフラム
２０４：弁体
２０５：出口流路
２０６：ピン
２０７：作動流体
３０１：基板
３０２：流体導入口
３０３：弁座
３０４：ダイヤフラム
３０５：流路
３０６：流体導出口
３０７：蓋
３０８：シール
４０１：ヒーター
４０２：スイッチ
４０３：ピストン
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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