(57)【要約】【課題】エジェクタを備えた燃料電池システムの圧張り時において、燃料ガスの逆流を抑制することにより、燃料電池内に滞留した不純物の排出を促進する。【解決手段】燃料電池２に燃料ガスを供給するための供給流路２２と、燃料電池から燃料ガスを排出するための排出流路２３と、供給流路２２と排出流路２３との合流部に配置されたエジェクタ２４と、を備え、排出流路２３は、逆止弁３７が設けられた第１の流路２３ａと、開閉弁３８が設けられた第２の流路２３ｂと、を有するとともに、第１及び第２の流路の合流後流路が供給流路２２と合流するように構成され、エジェクタ２４で燃料ガスの循環を行う燃料電池システム１において、燃料電池始動の際における燃料電池２への燃料ガス供給圧上昇時に開閉弁３８の閉動作を実現させるように開閉弁３８を制御する弁制御手段５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための排出流路と、前記供給流路と前記排出流路との合流部に配置されたエジェクタと、を備え、前記排出流路は、ガス排出方向のみのガス流れを許容する逆止弁が設けられた第１の流路と、開閉自在な開閉弁が設けられた第２の流路と、を有するとともに、これら第１及び第２の流路の合流後流路が前記供給流路と合流するように構成され、前記エジェクタで燃料ガスの循環を行う燃料電池システムであって、
燃料電池始動の際における燃料電池への燃料ガス供給圧上昇時に前記開閉弁の閉動作を実現させるように前記開閉弁を制御する弁制御手段を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記弁制御手段は、発電時に前記開閉弁の開度を増大させて、前記燃料電池の燃料出口から前記エジェクタへの一方向の燃料オフガス流れを許容するものである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁を備え、
前記弁制御手段は、前記燃料電池への燃料ガスの供給圧力が所定値まで上昇した後であって発電開始前に、前記開閉弁の開度を低減させた上で前記排出弁を開放するように前記開閉弁及び前記排出弁の開閉動作を制御するものである、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
【請求項５】
燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための排出流路と、前記供給流路と前記排出流路との合流部に配置されたエジェクタと、を備え、前記排出流路は、ガス排出方向のみのガス流れを許容する逆止弁が設けられた第１の流路と、開閉自在な開閉弁が設けられた第２の流路と、を有するとともに、これら第１及び第２の流路の合流後流路が前記供給流路と合流するように構成され、前記エジェクタで燃料ガスの循環を行う燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池始動の際における燃料電池への燃料ガス供給圧上昇時に前記開閉弁を閉じる工程を含む燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法並びに移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出される燃料オフガス中に、発電に寄与しなかった燃料ガスが含まれ得る。このため、未反応の燃料ガスを再利用する目的で、エジェクタを用いて燃料オフガスを燃料ガスに合流させる技術が提案されている。エジェクタは、供給流路を介して燃料供給源から供給された燃料ガスを燃料電池側へ噴射することにより負圧を発生させ、かかる負圧により循環流路内の燃料オフガスを吸引して燃料ガスと燃料オフガスとを合流させる装置である。
【０００３】
近年においては、エジェクタに接続される循環流路に逆止弁と燃料循環用のポンプとを設けるとともに、これら逆止弁及びポンプを迂回するバイパス流路を設け、さらに、バイパス流路にシャットバルブを設けた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる燃料電池システムを採用すると、燃料循環用のポンプが運転不能である場合にシャットバルブを開放することにより、バイパス流路を介して燃料オフガスをエジェクタに循環させることが可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１５２５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムの運転を停止させると、時間が経過するに従って燃料電池のカソード電極からアノード電極へと窒素が透過し、アノード電極側に不純物が滞留する。このため、燃料電池システムの起動時に、燃料電池への燃料ガスの供給圧力を所定値まで上昇させる工程（以下「圧張り」という）を実施して、燃料電池内に滞留した不純物を発電前に排出するのが一般的である。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載されたような燃料電池システムにおいて起動時に圧張りを実施すると、循環流路（バイパス流路）を介して燃料ガスが燃料電池側に逆流し、燃料電池内に滞留した不純物の排出が妨げられてしまう、という問題が発生し得る。燃料電池システムの起動時においては、エジェクタ内における燃料ガスの流れがないため、循環流路から燃料オフガスを吸引するための負圧を充分に発生させることができないことに加え、循環流路のシャットバルブが開放されている場合があるためである。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エジェクタを備えた燃料電池システムの圧張り時において燃料ガスの逆流を抑制することにより、燃料電池内に滞留した不純物の排出を促進することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための排出流路と、供給流路と排出流路との合流部に配置されたエジェクタと、を備え、排出流路は、ガス排出方向のみのガス流れを許容する逆止弁が設けられた第１の流路と、開閉自在な開閉弁が設けられた第２の流路と、を有するとともに、これら第１及び第２の流路の合流後流路が供給流路と合流するように構成され、エジェクタで燃料ガスの循環を行う燃料電池システムであって、燃料電池始動の際における燃料電池への燃料ガス供給圧上昇時に開閉弁の閉動作を実現させるように開閉弁を制御する弁制御手段を備えるものである。
【０００８】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池に燃料ガスを供給するための供給流路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための排出流路と、供給流路と排出流路との合流部に配置されたエジェクタと、を備え、排出流路は、ガス排出方向のみのガス流れを許容する逆止弁が設けられた第１の流路と、開閉自在な開閉弁が設けられた第２の流路と、を有するとともに、これら第１及び第２の流路の合流後流路が供給流路と合流するように構成され、エジェクタで燃料ガスの循環を行う燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池始動の際における燃料電池への燃料ガス供給圧上昇時に開閉弁を閉じる工程を含むものである。
【０００９】
かかる構成及び方法よれば、燃料電池始動の際における燃料電池への燃料ガス供給圧上昇時（圧張り時）に、排出流路（第２の流路）に設けた開閉弁を閉じることができるため、燃料ガスがエジェクタ及び排出流路を介して燃料電池側に逆流することを抑制することができる。この結果、燃料電池内に滞留した不純物の排出を促進することができ、燃料電池が起動不能状態に陥ることを回避することが可能となる。
【００１０】
前記燃料電池システムにおいて、発電時に開閉弁の開度を増大させて、燃料電池の燃料出口からエジェクタへの一方向の燃料オフガス流れを許容する弁制御手段を採用することが好ましい。
【００１１】
このようにすることにより、圧張りが完了して発電を行う際に、燃料電池から第１の流路及び第２の流路の双方を経由してエジェクタへの燃料オフガスの流れを許容することができるので、燃料オフガスの循環を促進して発電効率を高めることが可能となる。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、排出流路内のガスを外部に排出するための排出弁を備えることができる。かかる場合において、燃料電池への燃料ガスの供給圧力が所定値まで上昇した後であって発電開始前に、開閉弁の開度を低減させた上で排出弁を開放するように開閉弁及び排出弁の開閉動作を制御する弁制御手段を採用することが好ましい。
【００１３】
かかる構成によれば、圧張り後の発電開始前に排出弁を開放してパージ（排出流路内の燃料オフガスに含まれる不純物を外部に排出する動作）を実施する際に、開閉弁の開度を低減させることができる。従って、パージ中に燃料ガスが排出流路を介して燃料電池側に逆流し排出弁から外部に排出されることを抑制することができるので、燃料消費率の低下を抑制することができる。また、パージ中における燃料ガスの燃料電池への逆流を抑制することができるので、燃料電池内に滞留した不純物の排出を促進することができ、燃料電池が起動不能状態に陥ることを回避することが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
【００１５】
かかる構成を採用すると、圧張り時における燃料ガスの逆流を抑制して燃料電池内に滞留した不純物の排出を促進することが可能な燃料電池システムを備えているため、起動時に安定的に確実に発電を行うことが可能となるとともに燃料消費率の向上が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、エジェクタを備えた燃料電池システムの圧張り時において、燃料ガスの逆流を抑制することができ、燃料電池内に滞留した不純物の排出を促進することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１８】
まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型のものを採用することができ、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系３と、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統合制御する制御部５と、を備えている。
【００１９】
酸化ガス配管系３は、加湿器１１により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池２に供給する空気供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを加湿器１１に導く空気排出流路１３と、加湿器１１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路１４と、が設けられている。空気供給流路１２には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１５が設けられている。
【００２０】
水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源となる水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路２２に戻すための循環流路２３と、水素供給流路２２と循環流路２３との接続部に設けられ、循環流路２３の水素オフガスを水素供給流路２２に還流させるエジェクタ２４と、を備えている。なお、水素タンク２１に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器を採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。
【００２１】
水素供給流路２２には、水素タンク２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３１、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３２、レギュレータ３２の出口近傍に配置された第１の圧力センサ３３、燃料電池２の燃料入口近傍に配置された第２の圧力センサ３４等が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより目標調圧値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３２を採用している。遮断弁３１及びレギュレータ３２の動作は制御部５により制御される。例えば、制御部５は、第１の圧力センサ３３で検出された水素ガスの圧力値が所定の目標調圧値になるようにレギュレータ３２を制御する。なお、レギュレータ３２の目標調圧値は、燃料電池２の電流値に応じて所定のマップに基づいて変更することができるようになっている。
【００２２】
循環流路２３には、気液分離器３５及び排気排水弁３６を介して、パージ流路２５が接続されている。気液分離器３５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３６は、制御部５０からの指令によって作動することにより、気液分離器３５で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。すなわち、排気排水弁３６は本発明における排出弁の一実施形態である。
【００２３】
また、循環流路２３は、逆止弁３７を有する主流路２３ａと、逆止弁３７を迂回するように主流路２３ａに設けられたバイパス流路２３ｂと、を有しており、バイパス流路２３ｂには開閉自在な遮断弁３８が設けられている。遮断弁３８は、制御部５０からの指令によって閉弁することにより、圧張り時やパージ時における水素ガスの逆流を抑制するものである。すなわち、遮断弁３８は本発明における開閉弁の一実施形態である。逆止弁３７は、水素タンク２１から供給された水素ガスが主流路２３ａを介して燃料電池２側へ逆流することを阻止する。主流路２３ａやバイパス流路２３ｂの内部の水素オフガスは、エジェクタ２４によって吸引される。循環流路２３は本発明における排出流路の一実施形態であり、主流路２３ａ及びバイパス流路２３ｂは、各々、本発明における第１の流路及び第２の流路として機能する。
【００２４】
エジェクタ２４は、水素タンク２１から水素供給流路２２を介して供給された新たな水素ガスを燃料電池２側へ噴射することにより負圧を発生させ、燃料電池２の燃料出口から循環流路２３へと排出された水素オフガスをこの負圧により吸引して、新たな水素ガスと水素オフガスとを合流させるものである。合流後の混合水素ガスは、燃料電池２に供給される。エジェクタ２４の開度は制御部５により制御される。例えば、制御部５は、供給流路２２の第２の圧力センサ３４で検出される水素ガスの圧力値が所定の目標値になるようにエジェクタ２４の開度を制御する。なお、水素ガスの圧力の目標値は、燃料電池２の電流値に応じて所定のマップに基づいて変更することができるようになっている。
【００２５】
制御部５は、車両に設けられたアクセル等の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。制御部５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２６】
具体的には、制御部５は、燃料電池システム１の起動時において燃料電池２への水素ガスの供給圧力を上昇させる際（圧張り時）に、遮断弁３８を制御して、遮断弁３８の閉動作を実現させる。このようにすることにより、圧張り時に水素タンク２１から燃料電池２へと供給される水素ガスがエジェクタ２４及びバイパス流路２３ｂを介して燃料電池２側へ逆流することを抑制して、燃料電池２内に滞留した不純物の排出を促進することができる。また、制御部５は、燃料電池２の発電時に遮断弁３８を開放して、燃料電池２の燃料出口からエジェクタ２４への一方向の水素オフガス流れを許容する。
【００２７】
また、制御部５は、燃料電池２への水素ガスの供給圧力が所定値まで上昇した後（圧張り後）であって発電開始前に、遮断弁３８を閉鎖したまま排気排水弁３６の開動作を実現させるように遮断弁３８及び排気排水弁３６を制御する。このようにすることにより、燃料電池２から循環流路２３内に排出された不純物を排気排水弁３６から外部に排出することができる。すなわち、制御部５は、本発明における弁制御手段の一実施形態としても機能する。
【００２８】
続いて、図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００２９】
まず、燃料電池システム１の制御部５は、循環流路２３のバイパス流路２３ｂに設けられた遮断弁３８（開閉弁）を閉鎖し（遮断弁閉鎖工程：Ｓ１）、この閉鎖状態を維持したまま、水素供給流路２２に設けられた遮断弁３１を開放して水素タンク２１から燃料電池２への水素ガスの供給を開始し、この水素ガスの供給圧力を所定値まで上昇させる（圧張り工程：Ｓ２）。圧張り工程Ｓ２が終了する前に遮断弁３８を開放すると、水素タンク２１から供給された水素ガスがエジェクタ２４及びバイパス流路２３ｂを介して燃料電池２側へ逆流してしまうため、圧張り時に遮断弁３８を閉鎖して水素ガスの逆流を抑制したものである。圧張り工程Ｓ２により、燃料電池２の内部に滞留した窒素等の不純物が循環流路２３へと排出される。
【００３０】
次いで、制御部５は、圧張り後であって発電開始前に、遮断弁３８を閉鎖したまま排気排水弁３６を所定時間開放する（発電前パージ工程：Ｓ３）。かかる発電前パージ工程Ｓ３により、燃料電池２から循環流路２３内に排出された窒素等の不純物を、排気排水弁３６を介して外部に排出（パージ）することができる。発電前パージ工程Ｓ３においては、遮断弁３８を閉鎖しているため、水素ガスの逆流を抑制することができる。
【００３１】
続いて、制御部５は、排気排水弁３６を閉鎖して発電前パージ工程Ｓ３を終了した後、水素タンク２１から水素供給流路２２を介して燃料電池２２の燃料極に水素ガスを供給するとともに、コンプレッサ１５から空気供給流路１２及び加湿器１１を介して燃料電池２の酸化極に加湿調整された空気を供給して、発電を行う（発電工程：Ｓ４）。次いで、制御部５は、遮断弁３８を開放する（遮断弁開放工程：Ｓ５）。かかる遮断弁開放工程Ｓ５により、燃料電池２からバイパス流路２３ｂを経由させてエジェクタ２４への水素オフガスの流れを許容することができる。この結果、主流路２３ａ及びバイパス流路２３ｂの双方を経由して水素オフガスがエジェクタ２４に流入するため、水素オフガスの循環流量が増大し、発電効率が高まることとなる。
【００３２】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の始動の際における燃料電池２への水素ガス供給圧上昇時（圧張り時）に、バイパス流路２３ｂに設けた遮断弁３８を閉じることができるため、水素ガスがエジェクタ２４及びバイパス流路２３ｂを介して燃料電池２側に逆流することを抑制することができる。この結果、燃料電池２内に滞留した不純物の排出を促進することができ、燃料電池２が起動不能状態に陥ることを回避することが可能となる。
【００３３】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、発電時に遮断弁３８を開放して、燃料電池２の燃料出口からエジェクタ２４への一方向の水素オフガス流れを許容することができる。従って、圧張りが完了して発電を行う際に、燃料電池２から主流路２３ａ（第１の流路）及びバイパス流路２３ｂ（第２の流路）の双方を経由してエジェクタ２４への水素オフガスの流れを許容することができるので、水素オフガスの循環を促進して発電効率を高めることが可能となる。なお、バイパス流路２３ｂに設けた遮断弁３８は、開放状態においては逆止弁３７おりも流路抵抗が少ない。従って、発電時においては、遮断弁３８を開放してバイパス流路２３ｂをも経由させて水素オフガスを循環させることにより、エジェクタ２４の循環効率を高めることが可能となる。
【００３４】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、圧張り後の発電開始前に排気排出弁３６を開放してパージ（循環流路２３内の水素オフガスに含まれる不純物を外部に排出する動作）を実施する際に、遮断弁３８を閉鎖することができる。従って、パージ中に水素ガスが循環流路２３を介して燃料電池２側に逆流し排気排出弁３６から外部に排出されることを抑制することができるので、燃料消費率の低下を抑制することができる。また、パージ中における水素ガスの燃料電池２への逆流を抑制することができるので、燃料電池２内に滞留した不純物の排出を促進することができ、燃料電池２が起動不能状態に陥ることを回避することが可能となる。
【００３５】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）においては、圧張り時及びパージ時における水素ガスの逆流を抑制して燃料電池２内に滞留した不純物の排出を促進することが可能な燃料電池システム１を備えているため、起動時に安定的に確実に発電を行うことが可能となるとともに燃料消費率の向上が可能となる。
【００３６】
なお、以上の実施形態においては、圧張り時やパージ時に遮断弁３８の閉動作を実現させた例を示したが、この際、遮断弁３８を全閉（開度が零の状態）とする必要はなく、圧張り時やパージ時における水素ガスの逆流を抑制することができる程度に遮断弁３８の開度を低減させればよい。また、以上の実施形態においては、発電時に遮断弁３８の開動作を実現させた例を示したが、この際、遮断弁３８を全開とする必要はなく、燃料電池２から循環流路２３を経由したエジェクタ２４への水素オフガスの流れを許容することができる程度に遮断弁３８の開度を増大させればよい。
【００３７】
また、以上の実施形態においては、発電を開始した後に遮断弁３８を開放（発電工程Ｓ４の後に遮断弁開放工程Ｓ５を実施）した例を示したが、燃料電池２の発電中に遮断弁３８が開放状態にあればよい。従って、例えば、発電開始と同時に遮断弁３８を開放（発電工程Ｓ４と遮断弁開放工程Ｓ５とを同時に実施）したり、遮断弁３８を開放した後に発電を開始（遮断弁開放工程Ｓ５の後に発電工程Ｓ４を実施）したりすることもできる。
【００３８】
また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３６を循環流路２３に設けた例を示したが、気液分離器３５で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内を流れる（不純物を含む）水素オフガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御部５で排気弁を制御することもできる。かかる場合における排気弁は、本発明における排出弁の一実施形態として機能する。
【００３９】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、５…制御部（弁制御手段）、２２…水素供給流路、２３…循環流路（排出流路）、２３ａ…主流路（第１の流路）、２３ｂ…バイパス流路（第２の流路）、２４…エジェクタ、３６…排気排水弁（排出弁）、３７…逆止弁、３８…遮断弁（開閉弁）。
【図１】
2008021537.tif 000003
【図２】
2008021537.tif 000004