(57)【要約】【課題】本発明の課題は、燃料循環系内の掃気に際して残留する水、燃料ガス等を完全に排出することが可能であり、性能および耐久性の向上を図れ、最適な制御を行える燃料電池システムを提供することにある。【解決手段】本発明に関わる燃料電池システム１は、酸化剤導入路Ｏ１と排出弁ｂ１との間に設けられ酸化剤導入路Ｏ１側から排出弁ｂ１側へのガスの逆流を防止する逆流制御弁ｂ４と、酸化剤導入弁ｂ９を開弁制御して燃料ガス循環路Ｈ１、Ｈ２、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３に酸化剤ガスを導入するとともに、逆流制御弁ｂ４および排出弁ｂ１を開弁制御して酸化剤ガスにより燃料ガス循環路Ｈ１、Ｈ２、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３内を掃気して排出弁ｂ１から排出する掃気モードを制御する掃気制御手段９とを備えている。  【選択図】図１
2008282576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に送られた燃料ガスを燃料ガス再循環装置により循環させる燃料ガス循環路と、前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記燃料ガス再循環装置との間に配置された前記燃料ガス循環路内の不純物を含む前記燃料ガスを排出する排出弁と、前記燃料電池の燃料ガス導入口と前記燃料ガス再循環装置との間に配設され前記酸化剤ガスを前記燃料ガス循環路に供給可能である酸化剤ガス導入路と、前記燃料ガス循環路に前記酸化剤ガスの導入を可能とする酸化剤導入弁とが設けられた燃料電池システムであって、
前記酸化剤導入路と前記排出弁との間に設けられ前記酸化剤導入路側から前記排出弁側へのガスの逆流を防止する逆流制御弁と、
前記酸化剤導入弁を開弁制御して前記燃料ガス循環路に酸化剤ガスを導入するとともに、前記逆流制御弁および前記排出弁を開弁制御して前記酸化剤ガスにより前記燃料ガス循環路内を掃気して前記排出弁から排出する掃気モードを制御する掃気制御手段とを
備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記逆流制御弁は、無通電時に開弁し、通電時に閉弁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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、掃気時に燃料ガスの循環流路内に残留する水、燃料ガス等を排出できる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで一方側に空気中の酸素が供給されるカソード電極を区画するとともに他方側に燃料ガスの水素が供給されるアノード電極を区画したセルを、多数直列に積層したスタック構造で構成されている。そして、燃料電池は、各セルの水素と酸素との電気化学反応によってそれぞれ発電し、各セルを直列に接続したスタックの発電の電気エネルギーを負荷に供給している。なお、燃費を改善する等の理由により、燃料電池のスタックから排出した水素をスタック直前の燃料ガス供給流路に導く燃料ガス循環流路を、スタックのアノード電極出口からエゼクタを介して該燃料ガス供給流路に接続している。そして、燃料電池のスタックから排出した水素(以下、排水素と称す)を、この燃料ガス循環流路およびエゼクタを介してスタック直前の燃料ガス供給路に導き、循環している。
【０００３】
一方、燃料電池の運転停止時には、掃気ガスの空気をスタック近傍の系内に供給して、運転時に発生した系内の生成水、残燃料ガス、窒素等の不純物を燃料ガス循環流路の排出弁を通して系外に排出する掃気処理が行われる。この際、残燃料ガス、不純物等が排出弁から排出されることなく、エゼクタを介してスタック内へ逆流することを防止するため、エゼクタと燃料ガス循環流路の排出弁間には、機械式の逆止弁が設置されている。
この逆止弁は、燃料電池の運転時には、逆止弁を境として、燃料ガス循環流路の逆止弁上流の排出弁側の燃料ガスの圧力が高いとともに逆止弁下流のエゼクタ側の燃料ガスの圧力が低いため、逆止弁は開く。一方、燃料電池の運転が停止された掃気処理に際しての排出弁の開弁作動時には、逆止弁を境として、燃料ガス循環流路の逆止弁上流の排出弁側の掃気ガスの圧力が低いとともに逆止弁下流のエゼクタ側の掃気ガスの圧力が高いため、逆止弁は閉じられ、スタック内等を掃気処理した後の掃気ガスが逆流することが防止されている。
なお、本願に係る文献公知発明として、下記の特許文献がある。
【特許文献１】特開２００６−１４７１６０号公報(段落番号００２３、００３４、図１参照)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記の構成においては、掃気処理時にスタック近傍の系内を掃気ガスの空気で掃気しても、掃気処理時には逆止弁を境として、燃料ガス循環流路の逆止弁上流の排出弁側の掃気ガスの圧力が低いとともに逆止弁下流のエゼクタ側の掃気ガスの圧力が高い。従って、逆止弁は閉じており、エゼクタと燃料ガス循環流路の逆止弁との間の流路には、掃気処理時においても、掃気ガスが流れることなく掃気処理を行うことができない。そのため、このエゼクタと燃料ガス循環流路の逆止弁との間の流路内には水や水素等が残留してしまい、この残留水の凍結によって配管の閉塞が起こったり、また、残留水素がスタック内に自然拡散して、電極中の触媒の金属の一部がイオン化して固体高分子電解質膜内に移動する現象が発生し、固体高分子電解質膜内においてイオン化した金属と酸素および水素との化学反応によってＯＨラジカルが発生し固体高分子電解質膜を分解する場合がある。従って、配管の閉塞、或いは、燃料電池の電極中の触媒および固体高分子電解質膜の劣化に起因する燃料電池本体の耐久性の悪化等により、燃料電池システムの性能低下の可能性がある。
【０００５】
本発明は前記実状に鑑み、燃料循環系内の掃気に際して残留する水、燃料ガス等を完全に排出することが可能であり、性能および耐久性の向上を図れ、最適な制御を行える燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成すべく、本発明に関わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池と、燃料電池に送られた燃料ガスを燃料ガス再循環装置により循環させる燃料ガス循環路と、燃料電池の燃料ガス排出口と燃料ガス再循環装置との間に配置された燃料ガス循環路内の不純物を含む燃料ガスを排出する排出弁と、燃料電池の燃料ガス導入口と燃料ガス再循環装置との間に配設され酸化剤ガスを燃料ガス循環路に供給可能である酸化剤ガス導入路と、燃料ガス循環路に酸化剤ガスの導入を可能とする酸化剤導入弁とが設けられた燃料電池システムであって、酸化剤導入路と排出弁との間に設けられ酸化剤導入路側から排出弁側へのガスの逆流を防止する逆流制御弁と、酸化剤導入弁を開弁制御して燃料ガス循環路に酸化剤ガスを導入するとともに、逆流制御弁および排出弁を開弁制御して酸化剤ガスにより燃料ガス循環路内を掃気して排出弁から排出する掃気モードを制御する掃気制御手段とを備えている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の請求項１に関わる燃料電池システムは、燃料ガス循環路内に残留する水、水素、および不純物を確実に排出可能であり、残留水の凍結による配管の閉塞、および残留する水素、不純物等による燃料電池の品質の劣化を防止して性能および耐久性の向上を図れる。
本発明の請求項２に関わる燃料電池システムは、逆流制御弁を動作状態の頻度、継続時間が長い開弁時に無通電とし、動作状態の頻度、継続時間が短い閉弁時に通電する構成としたので、消費電力の最小化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本発明を適用した実施形態の燃料電池システム１は、車両に搭載されるものであり、その全体構成を表す概念図の図１に示すように、走行モータ等の外部負荷に電気エネルギーを供給する燃料電池２と、該燃料電池２のスタック２Ｓ(後記)のカソード電極(酸素極)２ｃに酸化剤ガスの空気中の酸素を供給する空気供給装置３と、燃料電池２のスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに燃料ガスの水素を供給する水素供給装置４と、燃料電池２から排出された水素をエゼクタ(燃料ガス再循環装置)５を介してスタック２Ｓ直前の水素供給路Ｈ１に供給する循環部６と、掃気処理時に空気供給装置３から供給される掃気ガスの空気をアノード電極(水素極)２ｂに導く掃気ＩＮ弁ｂ９と、外部負荷回路、両供給装置３、４、掃気ＩＮ弁(酸化剤導入弁)ｂ９、および循環部６等を統括的に制御する制御装置(掃気制御手段)９とを備え構成されている。なお、図１は、燃料電池システムの全体構成および通常運転時の燃料ガスの水素と酸化剤ガスの流れを矢印で示した概念図である。
【０００９】
燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード電極２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）の両面を導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだセルが、多数、例えばセルが２００枚直列に積層されたスタック２Ｓの構造に形成されている。前記セパレータには水素の通路、空気の通路、冷却水の通路が形成されており、空気供給装置３、水素供給装置４および冷却水循環装置(図示せず)からそれぞれ供給される空気、水素、水が混合しないように通流されている。
【００１０】
この燃料電池２は、水素供給装置４からアノード電極２ｂに水素が供給されるとともに空気供給装置３からカソード電極２ｃに空気中の酸素が供給され、負荷から電流が要求されることにより供給された水素と酸素との電気化学反応が進行し水素及び酸素が消費され、燃料電池２から負荷へ電流が取り出される。なお、燃料電池２から電流が取り出されない場合または発電に使用されなかった場合、供給された水素及び酸素は消費されることなく、そのまま燃料電池２から、排水素、排空気として排出される。また、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された水素を、循環部６を用いてエゼクタ５を介してスタック２Ｓ直前の水素供給路(燃料ガス循環路)Ｈ１、Ｈ２に循環して再使用している。
なお、燃料電池システム１においては、燃料電池２の発電停止中のスタック２Ｓの近傍の配管中の残留水素による触媒の分離、固体高分子電解質膜の分解に起因する燃料電池２の性能低下、配管内の残留水の凍結による閉塞等を防止することを目的に、燃料電池２の発電停止中にスタック２Ｓおよびその近傍の水素供給路内の残留水素を希釈ボックスに排出したり、残留水等を排出する掃気処理が行われている。
【００１１】
図１に示すように、循環部６は、スタック２Ｓの水素排出口２ｄから排出される水素(以下、排水素と称す)の循環流路の配管に配設され排水素に含まれる水分を冷却して凝縮水として分離するためのキャッチタンクＣＴと、キャッチタンクＣＴ内の凝縮水の水量が所定量となった場合に排水を行うドレーン弁(排出弁)ｂ１と、キャッチタンクＣＴに接続される配管に配設され掃気ガス等を排出するための掃気ＯＵＴ弁ｂ２と、掃気ＯＵＴ弁ｂ２が接続された配管に配設され燃料電池２の発電性能が低下した場合にスタック２Ｓ内の水素濃度を高めるためのパージ処理時に開制御されるパージ弁ｂ３と、パージ弁ｂ３とエゼクタ５とを接続する配管に配設される逆流制御弁ｂ４とを備え構成されている。
【００１２】
この逆流制御弁ｂ４は、動作状態の頻度、継続時間等から開弁状態が長く閉弁状態が短いことからノーマルオープン構造の電磁弁を採用しており、継続時間が長い通常運転時には通電しなくとも開弁状態となる一方、継続時間が短いカソード電極２ｃおよびその近傍の系内を掃気するカソード掃気時には通電して閉弁し、消費電力の最小化を図っている
【００１３】
≪通常運転時≫
次に、燃料電池システム１の通常運転時の水素循環流路の水素等の流れおよび水素循環流路等に配設される各弁の開閉動作について、図１、図５、図６を用いて説明する。なお、水素循環流路とは、エゼクタ５からスタック２Ｓ、循環部６を介してエゼクタ５に至る配管をいい、水素循環流路等の各弁とは、ドレーン弁ｂ１、掃気ＯＵＴ弁ｂ２、パージ弁ｂ３および逆流制御弁ｂ４に加え、掃気ＩＮ弁ｂ９をいう。また、図１は、燃料電池２の通常運転時の循環部６、スタック２Ｓ、エゼクタ５、掃気ＩＮ弁ｂ９、およびこれらの配管構成における燃料ガスの水素、酸化剤ガスの空気の流れ等を矢印で示している。また、図５は、各モードにおける掃気ＩＮ弁ｂ９、ドレーン弁ｂ１、掃気ＯＵＴ弁ｂ２、パージ弁ｂ３、および逆流制御弁ｂ４の開閉動作を表した流れ図であり、図６は、そのタイムチャートである。
【００１４】
図５に示すように、制御装置９において、通常運転と判断された場合(図５のＳ１)には、図５のＳ２、図６に示すように、通常運転中の水素の循環を行うために逆流制御弁ｂ４に通電されることなく開弁され、また、掃気処理でないことから掃気ＩＮ弁ｂ９、掃気ＯＵＴ弁ｂ２は閉弁され、また、ドレーン弁ｂ１、パージ弁ｂ３は原則、閉弁される。なお、ドレーン弁ｂ１はキャッチタンクＣＴ内の凝縮水のドレーン時には適宜開弁されるとともに、パージ弁ｂ３はパージ処理時に開弁される。
通常運転中は、図１に示すように、水素供給装置４から燃料ガスの水素が、水素供給流路の配管を通してエゼクタ５を介して水素供給路Ｈ１、Ｈ２に送られ、燃料ガス導入口２ｅからスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに供給される一方、空気供給装置３から酸化剤ガスの空気の酸素が空気供給流路の配管を通してスタック２Ｓのカソード電極(酸素極)２ｃに供給され、水素と酸素との電気化学反応が進行し、負荷へと電流が取り出される。この際、発電に使用されなかった水素は、スタック２Ｓの水素排出口(燃料ガス排出口)２ｄから排水素として排出され、循環流路(燃料ガス循環路)Ｊ１の配管を通ってキャッチタンクＣＴ内に送られ、排水素に含まれる水分が凝縮してキャッチタンクＣＴ内に凝縮水として貯留される。なお、キャッチタンクＣＴ内の凝縮水は、所定の水量になると適宜、ドレーン弁ｂ１が開弁され、車外に排水される。
【００１５】
水分が除去された排水素は、キャッチタンクＣＴから循環流路(燃料ガス循環路)Ｊ２の配管を通って無通電状態で開弁された逆流制御弁ｂ４を介して循環流路(燃料ガス循環路)Ｊ３の配管を通ってエゼクタ５に送られ、水素供給装置４から新たに供給される燃料ガスの水素と合流され、水素供給路Ｈ１の配管を通して、スタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに供給されている。ここで、図１に示すように、逆流制御弁ｂ４とエゼクタ５間の循環流路Ｊ３内には、通常運転中に流通する排水素に含まれキャッチタンクＣＴで凝縮され得なかった水分が凝縮して水が溜まり、また、運転停止後に水素、窒素などの不純物が残留する(図１中、太線で示すＪ３)。
【００１６】
図２〜図４は、循環部６の詳細構成、スタック２Ｓ、エゼクタ５、掃気ＩＮ弁ｂ９、およびこれらの配管構成および燃料ガスの水素等の流れを示した概念図である。
≪パージ処理およびドレーン弁作動時≫
次に、燃料電池システム１におけるパージ処理およびドレーン弁ｂ１作動時の水素循環流路の水素の流れと水素循環流路等に配設される各弁の開閉動作について、図２を用いて説明する。なお、パージ処理とは、運転始動時および通常運転中に発電性能低下の起因となる不純物等を排出して水素濃度を高めるために行われる処理であり、ドレーン弁ｂ１作動時とは、通常運転中にキャッチタンクＣＴ内の凝縮水が所定量溜まった場合に排水するためにドレーン弁ｂ１を開弁作動する場合をいう。なお、図２において、パージ処理およびドレーン弁ｂ１作動時の水素循環流路における燃料ガスの水素の流れ等を矢印で示している。
パージ処理においては、燃料ガスの水素が供給され不純物等が排出されるため掃気ＩＮ弁ｂ９、掃気ＯＵＴ弁ｂ２は閉じられ、パージ弁ｂ３は適宜開制御される。また、逆流制御弁ｂ４は、通電され閉弁されており、不純物等がスタック２Ｓ内に循環することを防止するとともに、矢印ａ22(図２参照)のような流れを作り不純物等をパージ弁ｂ３から排出することに寄与している。
【００１７】
パージ処理時には、図２に示すように、水素供給装置４から燃料ガスの水素が、水素供給流路の配管を通してエゼクタ５を介して水素供給路Ｈ１、Ｈ２に送られ、燃料ガス導入口２ｅからスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに供給される。そして、スタック２Ｓのアノード電極(水素極)２bから排出された不純物等を含む水素は、循環流路Ｊ１の配管を通ってキャッチタンクＣＴ内に送られ冷却され、水分が凝縮してキャッチタンクＣＴ内に凝縮水として貯留される。なお、キャッチタンクＣＴ内の凝縮水は、所定の水量になると適宜、ドレーン弁ｂ１が開弁され、矢印ａ２１に示すように車外に排水される。
【００１８】
キャッチタンクＣＴにおいて水分が除去された不純物等を含む水素は、キャッチタンクＣＴから循環流路Ｊ２の配管を通って、開制御されたパージ弁ｂ３から排出される。この際、前記したように、逆流制御弁ｂ４は閉弁されており、不純物等を含む水素がエゼクタ５を介してスタック２Ｓに循環されることが防止され、逆流制御弁ｂ４に達した不純物等を含む水素は、循環流路Ｊ２を矢印ａ22に示すように逆流しパージ弁ｂ３から矢印ａ23に示すように排出される。このように、逆流制御弁ｂ４が閉弁されるため、パージ処理時にスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂから排出された不純物等を含む水素が、循環流路Ｊ２を通って逆流制御弁ｂ４で堰き止められ、逆流制御弁ｂ４とエゼクタ５間の循環流路Ｊ３に通流されることが防止され、また、スタック２Ｓには水素供給装置４からの水素のみが供給されることになる。また、水素供給装置４から供給される水素は、閉弁した逆流制御弁ｂ４で堰き止められ、逆流制御弁ｂ4上流の循環流路Ｊ２に通流することはない。従って、逆流制御弁ｂ４とエゼクタ５間の循環流路Ｊ３は通流されることはないため、循環流路Ｊ３内には留まった凝縮水、水素、不純物 (図２中、太線で示す)等が排出されることなく残存する。
【００１９】
≪カソード掃気処理≫
次に、燃料電池システム１におけるスタック２Ｓのカソード電極(酸素極)２ｃおよびその近傍の系内の掃気を行うカソード掃気処理時の水素循環流路の掃気ガスの空気の流れと水素循環流路等に配設される各弁の開閉動作について、図３、図５、図６を用いて説明する。なお、図３は、燃料電池システム１のカソード掃気処理時の循環部６、スタック２Ｓ、エゼクタ５、掃気ＩＮ弁ｂ９、およびこれらの配管構成における掃気ガスの空気の流れおよびドレーン弁ｂ１から排出される残留水、残水素等の流れを矢印で示している。
【００２０】
制御装置９において、図５のＳ３に示すように、カソード掃気処理を行うと判断された場合、図５のＳ４、図６に示すように、掃気ガスの空気をカソード系内のみならずアノード系内に送るため掃気ＩＮ弁ｂ９を開弁する。また、残水素を少量ずつ放出するため、排出弁のうち流路径の一番小さいドレーン弁ｂ１を開制御し、これ以外の排出弁である流路径の一番大きい掃気ＯＵＴ弁ｂ２および流路径が掃気ＯＵＴ弁ｂ２より小さくドレーン弁ｂ１より大きいパージ弁ｂ３は閉弁される。また、掃気ガスの空気の循環流路Ｊ３内の通流を可能とするため、逆流制御弁ｂ４への通電は行われず開弁されている。
【００２１】
カソード掃気処理においては、図３に示すように、空気供給装置３から送られる掃気ガスの空気が、スタック２Ｓのカソード電極(酸素極)２ｃに供給され、カソード電極(酸素極)２ｃおよびその近傍のカソード系内が掃気される。また、掃気ガスの空気が、開弁された掃気ＩＮ弁ｂ９を介して、スタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂおよびその近傍のアノード系内に送られ、循環流路Ｊ３等に残存する水素、凝縮水等の排出が流路径の一番小さいドレーン弁ｂ１を介して少量ずつ行われる。
すなわち、図３に示すように、掃気ＩＮ弁ｂ９を介して送られた一方の掃気ガスの空気は、矢印ａ31に示すように配管(酸化剤ガス導入路)Ｏ１、配管Ｈ２を通して燃料ガス導入口２ｅからスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに送られ、スタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂを掃気後、スタック２Ｓから排出され循環流路Ｊ1を通ってキャッチタンクＣＴに送られ、開弁されたドレーン弁ｂ１から排出される。また、掃気ＩＮ弁ｂ９を介して送られた他方の掃気ガスの空気は、配管Ｏ１、Ｈ１を通して矢印ａ32に示すようにエゼクタ５に送られ、エゼクタ５を介して循環流路Ｊ３を矢印ａ33に示すように通流することによって、循環流路Ｊ３に残る凝縮水、水素、および不純物等を循環流路Ｊ３から排出し、開弁された逆流制御弁ｂ４を介して循環流路Ｊ２を矢印ａ34に示すように流れ、キャッチタンクＣＴを通って開弁されたドレーン弁ｂ１から矢印に示すように車外に排出される。
【００２２】
ここで、掃気流量が少ないカソード掃気時に、流路径の一番小さいドレン弁ｂ１で残水素等を少しずつ放出してアノード系のエゼクタ５近傍の掃気を済ますことにより、アノード系内の残水素を低濃度で放出することが可能であり、高濃度の水素を放出することを回避できる。
なお、前記のカソード掃気処理では、アノード系内の残水素等をキャッチタンクＣＴのドレーン弁ｂ１から排出する場合を例示して説明したが、排出弁である掃気ＯＵＴ弁ｂ2、パージ弁ｂ３で排出することも可能であることは言うまでもない。
【００２３】
≪アノード掃気処理≫
次に、燃料電池システム１におけるスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂおよびその近傍の掃気を行うアノード掃気処理時の水素循環流路の掃気ガスの空気の流れと水素循環流路等に配設された各弁の開閉動作について、図４、図５、図６を用いて説明する。なお、図４は、燃料電池システム１のアノード掃気処理時の循環部６、スタック２Ｓ、エゼクタ５、掃気ＩＮ弁ｂ９、およびこれらの配管構成における掃気ガスの空気の流れ、およびドレーン弁ｂ１、掃気ＯＵＴ弁ｂ２、パージ弁ｂ３から排出される残水素、残流水、不純物等の流れを矢印で示している。
前記の図５のＳ４に示すカソード掃気処理に続いて、図５のＳ５に示すアノード掃気処理が行われる。図５、図６に示すように、アノード掃気処理においては、掃気ガスの空気を送るために掃気ＩＮ弁ｂ１は開制御されるとともに、流量が大きいアノード掃気の掃気ガスおよび残留水、残水素等を排出するため、排出弁であるドレーン弁ｂ１、掃気ＯＵＴ弁ｂ２、およびパージ弁ｂ３が開制御される。なお、逆流制御弁ｂ４、エゼクタ５間の循環流路Ｊ３内はカソード掃気処理時に既に掃気されているため、逆流制御弁ｂ４は通電され閉弁されている。
【００２４】
図４に示すように、掃気ガスの空気は、開弁された掃気ＩＮ弁ｂ９を介して、配管Ｏ１、Ｈ２を矢印ａ41に示すように通って、燃料ガス導入口２ｅからスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに送られ、アノード電極(水素極)２ｂを掃気後、循環流路Ｊ1の配管を通ってキャッチタンクＣＴに送られ、開弁されたドレーン弁ｂ１から、残水素、不純物等とともに排出される。また、キャッチタンクＣＴを通過した掃気後の掃気ガス、不純物等は、矢印ａ42に示すように、循環流路Ｊ2の配管を通って掃気ＯＵＴ弁ｂ２から排出される。また、掃気ＯＵＴ弁ｂ２から排出されなかった掃気後のガス、不純物等は、循環流路Ｊ2の配管を通って逆流制御弁ｂ４に至るが、逆流制御弁ｂ４は閉弁されているため、矢印ａ43に示すように循環流路Ｊ2の配管を逆流して、開弁されたパージ弁ｂ３から排出される。以上がアノード掃気処理である。
【００２５】
前記構成によれば、掃気流量が少ないカソード掃気処理時に、流路径の一番小さいドレーン弁ｂ１で、残水素等を少しずつ放出し、アノード側のエゼクタ５近傍の配管の掃気を終了するとともに、大流量を必要とするアノード掃気処理時は、逆流制御弁ｂ４を閉じて、アノード系内を掃気する。このように、必要な流量に従って、流量が少ないカソード掃気時に逆流制御弁ｂ４、エゼクタ５間の循環流路Ｊ３内の掃気を行うとともに、大流量のアノード掃気処理を短時間で行うので、スタック２Ｓ全体の掃気を短時間で完了することができる。
また、燃料電池システム１の系内において排出が困難であった逆流制御弁ｂ４、エゼクタ５間の循環流路Ｊ３に残留する凝縮水、水素、不純物等を系外に排出できるので、配管の凍結による閉塞、および、残留水素等によるスタック２Ｓ内の触媒の分離、固体高分子電解質膜２ａの分解等の品質の劣化を防止でき、燃料電池２の性能および耐久性の向上が図れる。
また、逆流制御弁ｂ４は、動作状態の頻度、継続時間から開弁状態が長く閉弁状態が短いため、ノーマルオープン構造の電磁弁を採用し、継続時間が長い通常運転時には通電しなくとも開弁状態となり、動作時間の少ないカソード掃気時等に通電して閉鎖状態とするので、消費電力の最小化が可能であり、運転コストが減少し燃費向上を図れる。
【００２６】
なお、前記実施形態においては、逆流制御弁ｂ４、エゼクタ５間の循環流路Ｊ３内の掃気をカソード掃気とともに行う場合を例示して説明したが、酸化剤ガスである空気の流量をエアポンプで調整してアノード系を掃気するアノード掃気処理を２段階とし、小流量で循環流路Ｊ３内の掃気を行い、大流量でアノード系内の掃気を行えば、循環流路Ｊ３内の掃気を必ずしもカソード掃気とともに行う必要は無い。
また、請求項１における排出弁とは、前記実施形態においては、パージ弁ｂ３、掃気ＯＵＴ弁ｂ2、ドレン弁ｂ１等を意味するが、これに限定されず請求項１で規定した排出弁を別途、設けても良いことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に関わる燃料電池システムの全体構成および通常運転中の燃料ガスの水素と酸化剤ガスの流れを矢印で示した概念図。
【図２】実施形態の循環部、スタック、エゼクタ、掃気ＩＮ弁、これらの配管構成、およびパージ処理時とドレーン弁作動時の燃料ガスの水素の流れ等を示した図。
【図３】実施形態の循環部、スタック、エゼクタ、掃気ＩＮ弁、これらの配管構成、およびカソード掃気処理時の掃気ガスの空気の流れおよびドレーンされる流れを矢印で示した図。
【図４】実施形態の循環部、スタック、エゼクタ、掃気ＩＮ弁、これらの配管構成、およびアノード掃気処理時の掃気ガスの空気の流れ、および残水素、残流水、不純物等が排出される流れを矢印で示した図。
【図５】掃気ＩＮ弁、ドレーン弁、逆流制御弁、パージ弁、および掃気ＯＵＴ弁の各モードの弁の開閉動作を表した流れ図。
【図６】掃気ＩＮ弁、ドレーン弁、逆流制御弁、パージ弁、および掃気ＯＵＴ弁の各モードの弁の開閉動作を表したタイムチャート。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ｄ  水素排出口(燃料ガス排出口)
２ｅ  燃料ガス導入口
５  エゼクタ(燃料ガス再循環装置)
９  制御装置(掃気制御手段)
ｂ１  ドレーン弁(排出弁)
ｂ４  逆流制御弁
ｂ９  掃気ＩＮ弁(酸化剤導入弁)
Ｈ１、Ｈ２  水素供給路(燃料ガス循環路)
Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３  循環流路(燃料ガス循環路)
Ｏ１  配管(酸化剤ガス導入路)
【図１】
2008282576.tif 000003
【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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