(57)【要約】【課題】パージ処理の際に未反応燃料ガスの排出を抑制することを課題とする。【解決手段】燃料電池１の水素循環流路１４から触媒燃焼器４に通じるガス排出流路１６とは別に、燃焼燃料供給流路となる配管８を設け、システムの運転中に水素循環流路１４から小流量の水素ガスを触媒燃焼器４に供給して反応させ、触媒燃焼器４を暖機して乾燥させるように構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと空気供給装置から供給される空気により発電する燃料電池システムにおいて、
燃料電池で未使用の燃料ガスを、前記燃料電池の下流から上流に循環させる循環流路と、
前記循環流路内のガスを排出するガス排出流路と、
前記循環流路から前記ガス排出流路に排出されるガスを排出／遮断制御する開閉弁と、
前記ガス排出流路の下流に設けられ、前記ガス排出流路を介して前記循環流路から排出されたガスを燃焼させて排出する燃焼器と、
前記燃料電池システムの運転時に、所定の流量の燃料ガスを前記燃焼器に供給する燃焼燃料供給流路と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムの運転時に、前記燃焼器を乾燥状態にさせる所定の流量の燃料ガスが前記燃焼器に供給される
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼燃料供給流路は、前記循環流路内のガスを前記燃焼器に供給する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼燃料供給流路は、前記燃料電池を介することなく前記燃料ガス供給装置から直接前記燃焼器に燃料ガスを供給する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システム運転中に、前記燃焼燃料供給流路から前記燃焼器に燃料ガスを連続的に供給する。
ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス排出流路から与えられるガスと空気とを混合し、混合したガスを前記燃焼器に与える第１ミキサと、
前記燃焼燃料供給流路から与えられるガスと空気とを混合し、混合したガスを前記燃焼器に与え、前記第１ミキサよりも小容量の第２ミキサを備えた
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃焼器に前記燃料電池の排空気を供給する排空気供給流路を設けた
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池を介することなく前記空気供給装置から前記燃焼器に空気を供給する燃焼空気供給流路を設けた
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記循環流路から前記燃焼燃料供給流路を経て前記燃焼器へ至る経路中に、前記燃焼器に与えられるガスに含まれる水分を除去する水回収手段を設けた
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池を介することなく前記空気供給装置から前記燃焼器に空気を供給する燃焼空気供給流路を設け、前記燃焼空気供給流路は、前記第２ミキサを介して前記燃焼器に空気を供給する
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムの起動時に、前記燃焼空気供給流路を介して前記第２ミキサに空気を供給する
ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池で未使用の水素を、燃料電池に供給される水素と混合して再循環させる水素循環系を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された発明では、水素タンクに貯えられている水素は、燃料調圧弁により所定の圧力に調圧された後、エゼクタポンプにより燃料電池より排出され循環してきた水素と混合され、供給側水分離器に送られる。供給側水分離器を出た水素は加湿器を通り、燃料電池の燃料極に燃料入口から供給される。燃料極の燃料出口から出た水素と水蒸気の混合ガスは、排出側水分離器を通り流路遮断弁へ流れていく。
【０００３】
その後水素は、流路遮断弁からエゼクタポンプへ供給され、エゼクタポンプにより、燃料調圧弁を経て供給される原燃料ガスと混合され、燃料電池側に循環される。このようにして、燃料電池に供給されて未使用の水素は循環されていた。
【０００４】
また、このような水素循環系を備えた燃料電池システムでは、排出側水分離器下流の配管を流れるガスは、パージ分岐部でパージ配管に分岐して流れ、パージガス遮断弁を経てパージガス触媒燃焼器に供給され、酸化処理されて外部に排出されていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、水素循環系を備えた従来の燃料電池システムにおいては、水素循環系を流れる不純ガスを排出するパージ処理により、大量の燃料ガスが触媒燃焼器に供給されるのは、間欠的であった。このため、パージ処理を行わない間に、湿潤空気で触媒表面が湿ってしまうことがあった。また、触媒燃焼器に供給されるガス中には、水分が多量に含まれているため、間欠的なパージ処理では、触媒燃焼器内の燃焼触媒表面に液水が付着していた。
【０００７】
これらにより、パージ処理を行った時に不純ガスが着火せず、触媒反応ができなくなり、未反応燃料ガスがシステム外部へ排出されるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、パージ処理の際に未反応燃料ガスの排出を抑制する燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと空気供給装置から供給される空気により発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池で未使用の燃料ガスを、前記燃料電池の下流から上流に循環させる循環流路と、前記循環流路内のガスを排出するガス排出流路と、前記循環流路から前記ガス排出流路に排出されるガスを排出／遮断制御する開閉弁と、ガス排出流路の下流に設けられ、前記ガス排出流路を介して前記循環流路から排出されたガスを燃焼させて排出する燃焼器と、前記燃料電池システムの運転時に、前記燃焼器を乾燥状態にさせる所定の流量の燃料ガスを前記燃焼器に供給する燃焼燃料供給流路とを有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガスの循環流路から燃焼器に通じるガス排出流路とは別に、燃焼燃料供給流路を設け、システムの運転中に小流量の水素ガスを燃焼器に供給して反応させるようにしたので、燃焼器を暖機し、燃焼器を乾燥させておくことができる。これにより、循環流路のパージ処理を行う際に、燃焼器が速やかに着火状態となり、未反応の燃料ガスが外部に排出されることを抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１、燃料電池１に空気を供給する空気供給装置２、燃料電池１に水素を供給する水素供給装置３、触媒燃焼器４、主ミキサ５、小流量ミキサ６、ならびにマイクロコンピュータ等により構成されてプログラムに基づいて燃料電池システム全体の動作処理を制御するコントローラ（図示せず）を備えて構成されている。
【００１３】
料電池１は、水素供給装置３から供給される水素と、空気供給装置２から供給される空気を用いて発電を行う。燃料電池１には、燃料電池１で未使用の水素が、燃料電池１の下流から再度供給水素と混合して再循環するように、水素循環流路１４が設けられている。燃料電池１から水素循環流路１４に排出されて循環された未使用の水素は、エゼクタ１５により水素供給装置３から排出された水素と混合されて再度燃料電池１に供給される。なお、エゼクタ１５に代えてポンプを用いてもよい。
【００１４】
空気供給装置２から燃料電池１に供給される空気は、圧力調整弁１１により、適当な圧力になるよう調整されるて燃料電池１に供給される。
【００１５】
水素循環流路１４には、水素循環流路１４内に蓄積される水素以外のガスを水素循環流路１４外に排出するパージ処理を行うためのガス排出流路１６が連結されている。ガス排出流路１６は、水素循環流路１４と主ミキサ１５とを連結し、水素循環経路１４のガスを主ミキサ５に排出する排出路となる。ガス排出流路１６には、開閉弁１０が設けられている。開閉弁１０は、通常時は閉じられており、水素循環流路１４のパージ処理時を含めて、水素循環流路１４内の水素分圧低下時や、水つまり発生時など必要に応じて開放される。
【００１６】
燃料電池１から排出される排空気は、第１ミキサとなる主ミキサ５に供給され、開閉弁１０ならびにガス排出流路１６を介して水素循環流路１４から排出されたガスと混合され、混合ガスが触媒燃焼器４に供給される。触媒燃焼器４に供給された混合ガスは、触媒燃焼器４により、触媒反応が行われ、混合ガス中の水素が酸化処理される。
【００１７】
さらに、水素循環流路１４には、水素循環流路１４内のガスを常時触媒燃焼器４に放出して、燃焼燃料供給流路となる配管８が設けられている。配管８は、水素循環流路１４と気水分離器７とを連結し、水素循環流路１４内のガスを気水分離器７に放出する。配管８には、放出ガスの流量を制御する絞り等を行う流量調整装置９が設けられている。流量調整装置９の下流には、水回収手段となる気水分離器７が設けられている。気水分離器７は、水素循環流路１４から配管８を介して放出された放出ガス中の液水を排除して、触媒燃焼器４に直接液水が入らないようにする。
【００１８】
気水分離器７には、主ミキサ５に含まれて第２ミキサとなる小流量ミキサ６が連結されている。小流量ミキサ６は、配管８を介して水素循環流路１４から放出された放出ガスと、燃料電池１から排出されて主ミキサ５に供給される排空気の一部とが供給され、放出ガスと排空気とを混合し、混合ガスを触媒燃焼器４の燃焼触媒の一部分に供給する。
【００１９】
このような構成において、システムの通常動作時には、水素循環流路１４内を循環する水素ガスの一部が、配管８に放出される、配管８に放出された水素ガスの流量は、流量調整装置９で調整される。水素ガスの流量は、触媒燃料器４における燃焼触媒の前面（図１にＡで示す）全体が、燃焼触媒の耐熱温度より低く、かつ燃料電池１から排出される排空気の温度より常時高くなるように調整される。
【００２０】
流量が調整された小流量の水素ガスは、ガスに含まれる液水が気水分離器７で排除され、小流量ミキサ６に供給される。小流量ミキサ６に供給された小流量の水素ガスは、小流量ミキサ６で燃料電池１から排出された排空気と混合され、排空気と混合された水素ガスは、触媒燃焼器４の燃焼触媒の一部に供給される。
【００２１】
このように、燃焼触媒の耐熱温度よりも低く、かつ燃料電池１から排出される排空気の温度より常時高くなるように流量が調整された小流量の水素ガスが、常時触媒燃料器４の燃焼触媒に供給されている。これにより、触媒燃焼器４の燃焼触媒が常時乾燥している状態を保つことができる。この結果、水素循環流路１４のパージ処理を行う際に、開閉弁１０が開放されて、水素循環流路１４のガスがガス排出流路１６を介して主ミキサ５に排出され、主ミキサ５で空気と混合されて触媒燃焼器４の燃焼触媒に与えられた時に、触媒燃焼器４が速やかに着火状態となり、直ちに触媒反応が生じて水素ガスの酸化作用が行われる。したがって、未反応の燃料ガスが外部に排出されることを抑制することができる。
【００２２】
また、配管８から触媒燃焼器４に供給される水素ガスは小流量なので、この小流量の水素ガスを排空気全量と混合すると水素濃度が低くなり過ぎ、燃焼触媒で燃焼できなくなることが考えられる。そこで本実施形態では、小流量のガスに適した小流量ミキサ６を備えることで、配管８から供給される水素ガスを小流量にしても、この小流量の水素ガスを燃焼させるのに適した空気と混合することが可能となり、確実に燃焼させることができる。さらに、常時燃焼する水素を小流量に抑えられるので、撚費の悪化が小さくて済む。
【００２３】
また、燃焼燃料供給流路として配管８を介して水素循環流路１４内のガスを触媒燃焼器４に供給するようにしたので、水素循環流路１４内の凝縮水が少しずつではあるが外部へ放出されつづける。これにより、水素循環流路１４内で水詰まりが発生しにくくなり、また開閉弁１０を開いた際に排出される水量を低下させることができる。
【００２４】
さらに、気水分離器７は、小流量のガスしか流さない配管８に連結されているので、排出ガス流量が大きい開閉弁１０の下流に気水分離器７を設ける場合に比べて、気水分離器７の容量を小型にすることが可能となる。このため、車両等のスペースが限られた場所に搭載する場合に有利である。
【００２５】
なお、配管８を設けずに、常時開閉弁１０を微小開度を保って開放状態にしておくことにより、ガス排出流路１６を介して常時小流量の排ガスを触媒燃焼器４に供給しておくことも考えられる。しかし、この時の開閉弁１０の微小開度は、パージ処理に必要な開度とは大きく異なるため、一つの弁で何れの開度も精度よく制御させることは難しい。そこで、本実施形態では、ガス排出流路１６とは別に配管８を設けたので、開閉弁１０の制御性を損なわせることもない。
【００２６】
なおまた、配管８は水素循環流路１４から分岐させているが、ガス排出流路１６の開閉弁１０の上流から分岐させるようにしてもよい。
【００２７】
図２は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。この第２の実施形態の特徴とするところは、図１に示す構成に対して、空気供給装置２と小流量ミキサ６とを連結し、空気供給装置２から燃料電池１を通さずに、直接小流量ミキサ６に空気を供給する燃焼空気供給流路となる空気供給配管１２、ならびに開閉弁１３を設けたことにある。他の構成は、図１に示す実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００２８】
燃料電池システムの起動時に、図３のフローチャートに示す手順にしたがって、空気供給配管１２を介して空気供給装置３から小流量ミキサ６に空気を供給することにより、小流量ミキサ６の下流の燃焼触媒を乾燥させる。
【００２９】
図３において、システム起動時には（ステップＳ３０）、開閉弁１３を開放し（ステップＳ３１）、燃料電池１の排空気の出口に設けられた圧力調整弁１１を閉止する（ステップＳ３２）。このような状態で、空気供給装置２を起動し、空気供給流路１２ならびに開閉弁１３を介して小流量ミキサ６に空気の供給を開始する（ステップＳ３３）。空気の供給が開始された後、所定時間経過されたか否かを判断し（ステップＳ３４）、所定時間が経過すると、水素供給装置３が起動されて燃料電池１に水素の供給が開始される（ステップＳ３５）。
【００３０】
空気供給流路１２ならびに小流量ミキサ６を介して空気供給装置２から触媒燃焼器４の燃焼触媒に乾燥した空気が供給されることで、燃焼触媒の温度が上昇する（ステップＳ３６）。このようにして、燃焼触媒の暖機が終了すると（ステップＳ３７）、圧力調整弁１１を開放し、開閉弁１３を閉止し（ステップＳ３８）、燃焼電池１で発電が開始される。
【００３１】
なお、小流量ミキサ６の下流の触媒燃焼器４の燃焼触媒が乾燥したか否かは、空気を供給した後の所定時間（図３のステップＳ３４の処理）により把握することができる。この所定時間は、予め実験等で確認した値として設定するようにすればよい。また、燃焼触媒が排水素ガスを処理可能な温度にまで上昇したか否かは、図示しない温度センサにより計測される温度に基づいて判断でき、これにより、触媒燃焼器４の暖機終了を判断することができる。
【００３２】
燃料電池１の排空気は湿潤空気であるため、燃焼電池システムの停止後は、触媒燃焼器４内に水分が残り、触媒燃焼器４の温度が低下すると共に触媒表面にこの水分が付着する。そのため、システムの起動時には、この触媒表面の水分を除去しないと、触媒反応を発生させることができない。
【００３３】
しかし、本実施例形態では、燃料電池１をバイパスして小流量ミキサ６に空気を供給する空気供給配管１２を設けたので、乾燥、昇温した空気を燃焼触媒に導入することができる。これにより、燃焼触媒の前面（図２にＡで示す）を乾燥させることができる。
【００３４】
ここで、燃焼触媒全体を乾燥させるようとすると、多量の空気を燃焼触媒に供給する必要がある。この場合には、空気供給装置２で消費する電力が大きくなり、空気供給装置２に電力を供給する２次バッテリー等の電源の容量を大きくする必要が生じる。
【００３５】
しかし、本実施形態では、システムの起動時に小流量ミキサ６の下流のみの一部の燃焼触媒を乾燥させるようにしている。このため、小流量の空気の供給で済み、空気を供給するために必要な電力が低減され、２次バッテリー等の電源を小型にできる。さらに、空気供給配管１２も小流量の空気に応じて小径にでき、車両等に搭載する場合もスペースが少なくて済む。
【００３６】
図４は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。この第３の実施形態の特徴とするところは、図２に示す構成に対して、開閉弁１３に代えて、空気供給配管１２の下流に空気の流量を調整する絞り等の空気流量調整装置１７を設けたことにある。また、配管８に代えて、水素供給装置３と小流量ミキサ６とを連結し、水素供給装置３から小流量ミキサ６に直接水素を供給する燃焼燃料供給路となる配管１８を設けたことにある。なお、小流量ミキサ６は、主ミキサ５に供給される燃料電池１の排空気と水素循環流路１４内の水素ガスが流入しない構造とする。他の構成は、図２に示す実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００３７】
このような構成において、燃料電池システムの起動時及び運転中には、常時空気供給配管１７を介して空気供給装置２から小流量ミキサ６に、空気流量調整装置１７で流量が調整された空気が供給される。また、燃料電池システムの起動時及び運転中には、常時配管１８を介して水素供給装置３から小流量ミキサ６に、流量調整装置９で流量が調整された水素が供給される。
【００３８】
このような第３の実施形態においては、空気供給装置２及び水素供給装置３から、小流量ミキサ６に対して直接空気及び水素を、常時流入させている。このため、燃料電池１の停止後も、小流量ミキサ６の下流の燃焼触媒の表面を、乾燥した状態で保持できる。したがって、システムの起動時に燃焼触媒を乾燥させるために必要となる時間が不要となり、システムの起動時間を短縮できると共に、システム起動時の消費電力を低減することができる。
【００３９】
また、燃料電池システムの運転中も燃料電池１の排空気、ならびに水素循環流路１４からの排水素ガスを小流量ミキサ６に供給していない。このため、配管や燃料電池１内で凝縮して溜まっていた液水が、触媒燃焼器４に突入した場合においても、突入した部分の燃焼触媒は失火することは防止される。これにより、燃焼触媒の前面（図４にＡで示す）の領域を昇温することができ、燃焼触媒の前面の領域を再度乾燥させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの処理動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…空気供給装置
３…水素供給装置
４…触媒燃焼器
５…主ミキサ
６…小流量ミキサ
７…気水分離器
８，１８…配管
９…流量調整装置
１０，１３…開閉弁
１１…圧力調整弁
１２…空気供給配管
１４…水素循環流路
１５…エジェクタ
１６…ガス排出流路
１７…空気流量調整装置
【図１】
2004241183.tif 000003
【図２】
2004241183.tif 000004
【図３】
2004241183.tif 000005
【図４】
2004241183.tif 000006