(57)【要約】【課題】加湿水の凍結によるインジェクタの破損等の問題を有効に防止できるようにする。【解決手段】インジェクタ４に加湿水を供給するための加湿水供給ライン５に、酸化剤ガス供給ライン２から分岐する酸化剤ガス導入ライン９を接続する。そして、コントロールユニット２１は、燃料電池本体１の運転停止時に、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと酸化剤ガスを導入させ、この酸化剤ガスを利用して、インジェクタ４内に残留する加湿水を排出する。【選択図】      図１
2004296352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを基に発電する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給ラインと、
前記燃料ガス供給ラインに加湿水を噴霧して燃料ガスを加湿するインジェクタと、
前記インジェクタに加湿水を供給する加湿水供給ラインと、
前記酸化剤ガス供給ラインから分岐して前記加湿水供給ラインに酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入ラインと、
前記燃料電池本体の運転が停止したときに、前記酸化剤ガス導入ラインから前記加湿水供給ラインに導入される酸化剤ガスを利用して、前記インジェクタ内の加湿水を排出させる制御手段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】
前記酸化剤ガス導入ラインには、酸化剤ガスの流れを調整するための酸化剤ガス遮断弁が設けられ、
前記加湿水供給ラインには、加湿水を貯留する加湿水タンクと、加湿水を前記インジェクタに送出するための加圧ポンプとが設けられるとともに、前記インジェクタの後段であって前記加湿水タンクの前段に位置して前記加湿水タンクに戻す加湿水の流れを調整するための第１の加湿水遮断弁が設けられ、
前記制御手段は、前記酸化剤ガス遮断弁の動作を制御することで、前記酸化剤ガス導入ラインから前記加湿水供給ラインへの酸化剤ガスの導入量を調整するとともに、前記加圧ポンプ及び前記第１の加湿水遮断弁の動作を制御することで、前記加湿水供給ラインにおける加湿水の流れを調整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】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転停止を検知したときに、前記酸化剤ガス遮断弁を所定時間開放して所定量の酸化剤ガスを前記加湿水供給ラインへ導入させた後、前記酸化剤ガス遮断弁を閉じるとともに前記加圧ポンプを作動させて、前記加湿水供給ラインへ導入された酸化剤ガスによって前記インジェクタ内の加湿水を前記燃料ガス供給ライン側へと押し出して排出させ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４】
前記制御手段は、前記加湿水供給ラインへ導入された酸化剤ガスによって前記インジェクタ内の加湿水を前記燃料ガスライン側へと押し出して排出させた後、前記第１の加湿水遮断弁を閉じるとともに前記酸化剤ガス遮断弁を開放し、前記加湿水供給ラインへ新たに導入された酸化剤ガスによって、前記加圧ポンプの作動により前記加湿水タンクから吸い上げられた加湿水を前記加湿水タンクに戻すことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿水供給ラインには、前記加圧ポンプの後段であって前記インジェクタの前段に位置して第２の加湿水遮断弁が設けられ、
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転停止を検知したときに、前記第１の加湿水遮断弁及び第２の加湿水遮断弁を閉じるとともに前記酸化剤ガス遮断弁を開放して酸化剤ガスを前記加湿水供給ラインへ導入させ、酸化剤ガスの圧力を燃料ガスの圧力よりも高めて前記加湿水供給ライン内の圧力を前記燃料ガス供給ライン内の圧力よりも高めることで、前記インジェクタ内の加湿水を前記燃料ガス供給ライン側へと押し出して排出させ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】
前記制御手段は、前記インジェクタ内の加湿水を前記燃料ガス供給ライン側へと押し出して排出させた後、前記第１の加湿水遮断弁及び第２の加湿水遮断弁を開放して前記加湿水供給ライン内に残留する加湿水を前記加湿水タンクに戻すことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池本体の運転停止を検知したときに、前記酸化剤ガス遮断弁を所定時間開放して所定量の酸化剤ガスを前記加湿水供給ラインへ導入させた後、前記酸化剤ガス遮断弁を閉じるとともに前記燃料ガスの圧力を上昇させて、この燃料ガス供給ラインの圧力を前記加湿水供給ライン内の圧力よりも高めることで、前記インジェクタ内の加湿水を前記加湿水供給ライン側へと押し出して排出させ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８】
前記制御手段は、前記インジェクタ内の加湿水を前記加湿水供給ライン側へと押し出して排出させた後、前記第１の加湿水遮断弁を閉じるとともに前記酸化剤ガス遮断弁を開放し、前記加湿水供給ラインへ新たに導入された酸化剤ガスによって、前記加湿水供給ライン内に残留する加湿水を前記加湿水タンクに戻すことを特徴とする請求項７に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、燃料電池本体に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池システムに関するものであり、特に、インジェクタを用いて燃料ガスの加湿を行う燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池本体の燃料極に水素ガス等の燃料ガス、酸化剤極に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給して、燃料電池本体において燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池本体としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池本体が知られている。この固体高分子タイプの燃料電池本体は、燃料極と酸化剤極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。この固体高分子タイプの燃料電池本体では、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子膜を酸化剤極に向かって移動することになる。
【０００４】
ところで、固体高分子膜をイオン伝導体として機能させるためには、この固体高分子膜にある程度の水分を含ませておく必要がある。このため、このような固体高分子タイプの燃料電池本体を用いた燃料電池システムでは、燃料ガス或いは酸化剤ガスを加湿装置により加湿した状態で燃料電池本体に供給することで、燃料電池本体の固体高分子膜を加湿することが一般に行われている。加湿装置としては、例えば、インジェクタによりガス配管に加湿水を噴霧して燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する方式のものが提案されている。
【０００５】
以上のような加湿装置を備える燃料電池システムにおいては、氷点下での使用を可能にするためには、加湿水の凍結を防止するための何らかの対策を講じる必要がある。そこで、外気温度が氷点下になっていることを検出したら、ヒータにより加湿水を解凍して保温するようにした技術（例えば、特許文献１参照。）が提案されており、この構成によれば、極低温時であっても加湿水を凍結させることなく燃料ガスや酸化剤ガスを適切に加湿することができ、燃料電池本体を正常に動作させることが可能になる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２５６９８９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の構成では、燃料電池システムを停止させている間に氷点下状態が続くと、インジェクタ内部に残留した加湿水が回収されることなく凍結、膨張して、インジェクタの破損を招く可能性がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、加湿水の凍結によるインジェクタの破損等を有効に防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体と、燃料ガス供給ラインと、酸化剤ガス供給ラインと、インジェクタと、加湿水供給ラインと、酸化剤ガス導入ラインと、制御手段とを備える。
【００１０】
燃料電池本体は、燃料ガスと酸化剤ガスとを基に発電するものであり、この燃料電池本体には、燃料ガス供給ラインから燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給ラインから酸化剤ガスが供給される。また、燃料ガスは、インジェクタから燃料ガス供給ラインに加湿水が噴霧されることで、加湿された状態で燃料電池本体へと供給される。
【００１１】
インジェクタへの加湿水の供給は、加湿水供給ラインによって行われる。この加湿水供給ラインには、酸化剤ガス供給ラインから分岐する酸化剤ガス導入ラインが接続されており、酸化剤ガス導入ラインから加湿水供給ラインへと酸化剤ガスを導入できるようになっている。そして、本発明の燃料電池システムでは、制御手段が、燃料電池本体の運転が停止したときに、酸化剤ガス導入ラインから加湿水供給ラインに導入される酸化剤ガスを利用して、インジェクタ内の加湿水を排出させる制御を行うようにしている。
【００１２】
以上のような燃料電池システムでは、燃料電池本体の運転が停止したときには、酸化剤ガス導入ラインから加湿水供給ラインへと導入された酸化剤ガスを利用して、インジェクタ内の加湿水が確実に排出されるので、システム停止中に氷点下の状態が続いたとしても、内部の加湿水の凍結によってインジェクタが破損するといった問題は未然に回避されることになる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池本体の運転が停止したときにインジェクタの内部に残留する加湿水を確実に排出させるようにしているので、システム停止中に氷点下の状態が続いた場合でも、内部の水の凍結によるインジェクタの破損等の問題を未然に回避することができ、システム再起動時にはインジェクタを正常に動作させて燃料ガスを適切に加湿し、燃料電池本体を円滑に運転させることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、発電手段として固体高分子タイプの燃料電池本体１を備えている。
【００１６】
燃料電池本体１は、水素を含む燃料ガスが供給される燃料極と、空気等の酸化剤ガスが供給される酸化剤極とが、電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されてスタック構造とされたものであり、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。この燃料電池本体１の各発電セルでは、燃料極に供給された燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された酸化剤ガス中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１７】
固体高分子タイプの燃料電池１では、各発電セルの電解質として、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、固体高分子電解質膜が用いられている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１８】
燃料電池本体１の酸化剤極側の入口及び出口には、各発電セルの酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給配管２ａと、燃料電池本体１から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排気配管２ｂとがそれぞれ接続され、これら酸化剤ガス供給配管２ａと酸化剤ガス排気配管２ｂとにより、酸化剤ガス供給ライン２が構成されている。
【００１９】
一方、燃料電池本体１の燃料極側の入口及び出口には、各発電セルの燃料極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給配管３ａと、燃料電池本体１から燃料ガスを排出するための燃料ガス排気配管３ｂとがそれぞれ接続され、また、燃料電池本体１から排出された燃料ガスを循環させて燃料ガス供給側へと環流させる燃料ガス循環配管３ｃが設けられ、これら燃料ガス供給配管３ａと燃料ガス排気配管３ｂと燃料ガス循環配管３ｃとにより、燃料ガス供給ライン３が構成されている。
【００２０】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガスライン３の配管内に加湿水を噴霧して燃料電池本体１に供給する燃料ガスを加湿するためのインジェクタ４が設けられており、このインジェクタ４に、燃料ガス加湿用の加湿水を供給するための加湿水供給ライン５が接続されている。
【００２１】
加湿水供給ライン５は、加湿水循環配管５ａと、この加湿水循環配管５ａから分岐してインジェクタ４に接続される分岐配管５ｂとから構成される。加湿水循環配管５ａには、加湿水を貯留する加湿水タンク６と、インジェクタ４に供給する加湿水を加圧しつつ送出する加圧ポンプ７とが設けられている。また、加湿水循環配管５ａの分岐配管５ｂへの分岐位置の後段、すなわちインジェクタ４の後段であって加湿水タンク６の前段となる位置には、加湿水タンク６に戻す加湿水の流れを調整するための第１の加湿水遮断弁８が設けられている。
【００２２】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体１の動作時には、第１の加湿水遮断弁８を閉じた状態で加圧ポンプ７が作動される。これにより、加湿水タンク６に貯留された加湿水が汲み上げられて、加湿水循環配管５ａ及び分岐配管５ｂを通ってインジェクタ４に供給される。そして、インジェクタ４から燃料ガス供給ライン３に加湿水が噴霧されることによって、燃料ガスが加湿された状態で燃料電池本体１に供給され、燃料電池本体１の固体高分子電解質膜に水分が供給されることになる。
【００２３】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、加湿水供給ライン５へ酸化剤ガスを導入するための酸化剤ガス導入ライン９が設けられている。この酸化剤ガス導入ライン９は、酸化剤ガス供給ライン２の酸化剤ガス供給配管２ａから分岐され、加湿水供給ライン５の分岐配管５ｂに接続されている。そして、この酸化剤ガス導入ライン９の中途部には、当該酸化剤ガス導入ライン９における酸化剤ガスの流れを調整するための酸化剤ガス遮断弁１０が設けられている。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体１の動作停止時には、酸化剤ガス遮断弁１０が開放されて、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５に酸化剤ガスが導入される。そして、この加湿水供給ライン５に導入された酸化剤ガスを利用して、インジェクタ４内に残留する加湿水が排出されるようになっている。
【００２５】
本実施形態の燃料電池システムにおける各部の動作は、コントロールユニット（制御手段）１１によって制御される。具体的には、コントロールユニット１１は、例えば図２に示すように、酸化剤ガス導入ライン９の中途部に設けられた酸化剤ガス遮断弁１０の動作を制御することで、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと導入される酸化剤ガスの導入量を調整するとともに、加湿水供給ライン５の加湿水循環配管５ａに設けられた加圧ポンプ７及び第１の加湿水遮断弁８の動作を制御することで、加湿水供給ライン５における加湿水の流れを調整する。そして、特に、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントロールユニット１１が、燃料電池本体１の運転停止時に、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５に導入される酸化剤ガスを利用して、インジェクタ４内の加湿水を排出させる制御を行うようにしている。
【００２６】
ここで、燃料電池本体１の停止時にインジェクタ４内の加湿水を排出させるコントロールユニット１１による制御の一例について、図３のフローチャート及び図４のタイミングチャートを参照して具体的に説明する。
【００２７】
これら図３及び図４に示す加湿水排出制御は、基本的に燃料電池本体１の運転停止時にのみコントロールユニット１１で実行される処理であり、燃料電池本体１の運転停止を指令するスイッチ信号が入力された場合や、燃料電池本体１において異常を検出して燃料電池本体１の運転を停止する判断がなされた場合等に開始されるものである。
【００２８】
コントロールユニット１１は、燃料電池本体１の運転停止を検知したら、先ず、ステップＳ１において、加圧ポンプ７の作動を停止させる。次に、ステップＳ２において、酸化剤ガス遮断弁１０を開放して酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入を開始させるとともに、酸化剤ガス遮断弁１０を次に閉じるタイミングを判断するために、タイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００２９】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ３において、カウントを開始してから第１の所定時間Ｔ１が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ１以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ１に満たない間は、ステップＳ４においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ１以上となった段階で、次のステップＳ５に移行する。
【００３０】
ここで、第１の所定時間Ｔ１は、酸化剤ガス遮断弁１０の開放によって酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入が開始されてから、加湿水供給ライン５に導入された酸化剤ガスが加圧ポンプ７にまで到達する前までの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。
【００３１】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ５において、酸化剤ガス遮断弁１０を閉じて酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入を一旦停止させるとともに、加圧ポンプ７を作動させる。また、加圧ポンプ７を次に停止するタイミングを判断するために、タイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００３２】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ６において、カウントを開始してから第２の所定時間Ｔ２が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ２以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ２に満たない間は、ステップＳ７においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ２以上となった段階で、次のステップＳ８に移行する。
【００３３】
ここで、第２の所定時間Ｔ２は、加圧ポンプ７を作動させてから、この加圧ポンプ７の作動によって酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと導入された酸化剤ガスがインジェクタ４側へと送出され、インジェクタ４から燃料ガス供給ライン３へと吐出されるまでの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。このように、第２の所定時間Ｔ２だけ加圧ポンプ７を作動させて、加湿水供給ライン５に導入された酸化剤ガスをインジェクタ４から吐出させることにより、インジェクタ４内に残留する加湿水及びインジェクタ４直前の分岐配管５ｂ内に残留する加湿水が、酸化剤ガスにより押し出されてインジェクタ４から燃料ガス供給ライン３に排出されることになる。
【００３４】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ８において、加圧ポンプ７の作動を停止させるとともに、第１の加湿水遮断弁８を閉じ、酸化剤ガス遮断弁１０を開放する。また、第１の加湿水遮断弁８を次に開放するタイミングを判断するために、再びタイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００３５】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ９において、カウントを開始してから第３の所定時間Ｔ３が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ３以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ３に満たない間は、ステップＳ１０においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ３以上となった段階で、次のステップＳ１１に移行する。
【００３６】
ここで、第３の所定時間Ｔ３は、酸化剤ガス遮断弁１０の開放によって加湿水供給ライン５へ新たに酸化剤ガスが導入されてから、加圧ポンプ７の作動により吸い上げられた加湿水がこの新たに導入された酸化剤ガスによって加湿水タンク６側へと押し戻されて加湿水タンク６に回収されるまでの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。
【００３７】
最後に、コントロールユニット１１は、ステップＳ１１において、第１の加湿水遮断弁８を開放して、この第１の加湿水遮断弁８付近に残留している加湿水を加湿水タンク６に回収させる。以上の制御により、インジェクタ４及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水全てが燃料ガス供給ライン３或いは加湿水タンク６へと排出され、加湿水排出制御が終了する。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１の運転停止時に、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと酸化剤ガスを導入し、この酸化剤ガスを利用してインジェクタ４内及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水を排出するようにしているので、システム停止中に氷点下の状態が続くような場合であっても、内部の水の凍結によるインジェクタ４の破損等の問題を未然に回避することができ、システム再起動時にはインジェクタ４を正常に動作させて燃料ガスを適切に加湿し、燃料電池本体１を円滑に運転させることが可能となる。
【００３９】
また、加湿水供給ライン５に設けられた加圧ポンプ７及び第１の加湿水遮断弁８、並びに酸化剤ガス遮断弁１０の動作制御だけで、インジェクタ４内及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水を排出するようにしているので、例えば酸化剤ガス供給ライン２や燃料ガス供給ライン３に異常が発生したことに伴って燃料電池本体１の運転が停止された場合であっても、インジェクタ４内及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水を確実に排出することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムの要部構成を図５に示す。本実施形態の燃料電池システムでは、加湿水供給ライン５に、加湿水循環配管５ａの加圧ポンプ７後段であって分岐配管５ｂへの分岐位置の前段、すなわちインジェクタ４の前段に位置して、第２の加湿水遮断弁２１が設けられている。その他の構成は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については詳細な説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分について説明する。
【００４１】
第２の加湿水遮断弁２１は、コントロールユニット１１によって動作制御されるものであり、第１の加湿水遮断弁８とともに開閉状態が切り替えられることによって、加湿水供給ライン５における加湿水の流れを調整する機能を有する。
【００４２】
ここで、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体１の停止時にインジェクタ４内の加湿水を排出させるコントロールユニット１１による制御の一例について、図６のフローチャート及び図７のタイミングチャートを参照して具体的に説明する。
【００４３】
これら図６及び図７に示す加湿水排出制御は、第１の実施形態と同様に、基本的に燃料電池本体１の運転停止時にのみコントロールユニット１１で実行される処理であり、燃料電池本体１の運転停止を指令するスイッチ信号が入力された場合や、燃料電池本体１において異常を検出して燃料電池本体１の運転を停止する判断がなされた場合等に開始されるものである。
【００４４】
コントロールユニット１１は、燃料電池本体１の運転停止を検知したら、先ず、ステップＳ２１において、加圧ポンプ７の作動を停止させ、ステップＳ２２において、酸化剤ガス遮断弁１０を開放して酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入を開始させるとともに、第１の加湿水遮断弁８及び第２の加湿水遮断弁２１を閉じる。
【００４５】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ２３において、酸化剤ガス供給ライン２における酸化剤ガスの圧力を燃料ガス供給ライン３における燃料ガスの圧力よりも高める。通常の運転時においては、酸化剤ガス供給ライン２における酸化剤ガスの圧力と燃料ガス供給ライン３における燃料ガスの圧力とは、ほぼ等しい圧力に制御されるが、ここでは、加湿水供給ライン５に導入された酸化剤ガスによってインジェクタ４内に残留する加湿水を燃料ガス供給ライン３側に排出させるために、一時的に酸化剤ガスと燃料ガスとに圧力差を持たせるようにしている。このような制御は、例えば、酸化剤ガス供給ライン２に設けられたコンプレッサの回転数を上げることで実現される。
【００４６】
また、このとき、コントロールユニット１１は、酸化剤ガスと燃料ガスとに圧力差を持たせた状態を終了させるタイミングを判断するために、タイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００４７】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ２４において、カウントを開始してから第４の所定時間Ｔ４が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ４以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ４に満たない間は、ステップＳ２５においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ４以上となった段階で、次のステップＳ２６に移行する。
【００４８】
ここで、第４の所定時間Ｔ４は、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと導入された酸化剤ガスが、加湿水供給ライン５の分岐配管５ｂを通ってインジェクタ４に達し、インジェクタ４内に残留した加湿水を燃料ガス供給ライン３側へと押し出すまでの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。
【００４９】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ２６において、例えば酸化剤ガス供給ライン２に設けられたコンプレッサの回転数を下げることによって、酸化剤ガスの圧力を燃料ガスの圧力とほぼ等しくなるまで低下させるとともに、第１の加湿水遮断弁８及び第２の加湿水遮断弁２１を開放する。これにより、加湿水供給ライン５の加湿水循環配管５ａ内に残留している加湿水が加湿水タンク６に回収される。以上の制御により、インジェクタ４及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水全てが燃料ガス供給ライン３或いは加湿水タンク６へと排出され、加湿水排出制御が終了する。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１の運転停止時に、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと酸化剤ガスを導入し、この酸化剤ガスと燃料ガスとの圧力差を利用してインジェクタ４内に残留した加湿水を燃料ガス供給ライン３側へと排出するようにしているので、システム停止中に氷点下の状態が続くような場合であっても、内部の水の凍結によるインジェクタ４の破損等の問題を未然に回避することができ、システム再起動時にはインジェクタ４を正常に動作させて燃料ガスを適切に加湿し、燃料電池本体１を円滑に運転させることが可能となる。
【００５１】
また、加圧ポンプ７の作動を停止させた後、酸化剤ガスの圧力制御と第１の加湿水遮断弁８及び第２の加湿水遮断弁２１の開閉制御だけでインジェクタ４内に残留した加湿水を排出するようにしているので、例えば加圧ポンプ７に異常が発生したことに伴って燃料電池本体１の運転が停止された場合であっても、インジェクタ４内及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水を確実に排出することができる。
【００５２】
（第３の実施の形態）
本実施形態の燃料電池システムは、基本構成を上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様とし、燃料電池本体１の停止時にコントロールユニット１１によって実行される加湿水排出制御の制御内容が、上述した第１の実施形態の燃料電池システムとは異なるものである。
【００５３】
以下、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体１の停止時にインジェクタ４内の加湿水を排出させるコントロールユニット１１による制御の一例について、図８のフローチャート及び図９のタイミングチャートを参照して具体的に説明する。
【００５４】
これら図８及び図９に示す加湿水排出制御は、第１の実施形態と同様に、基本的に燃料電池本体１の運転停止時にのみコントロールユニット１１で実行される処理であり、燃料電池本体１の運転停止を指令するスイッチ信号が入力された場合や、燃料電池本体１において異常を検出して燃料電池本体１の運転を停止する判断がなされた場合等に開始されるものである。
【００５５】
コントロールユニット１１は、燃料電池本体１の運転停止を検知したら、先ず、ステップＳ３１において、加圧ポンプ７の作動を停止させる。次に、ステップＳ３２において、酸化剤ガス遮断弁１０を開放して酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入を開始させるとともに、第１の加湿水遮断弁８を閉じる。そして、酸化剤ガス遮断弁１０を次に閉じるタイミングを判断するために、タイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００５６】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ３３において、カウントを開始してから第５の所定時間Ｔ５が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ５以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ５に満たない間は、ステップＳ３４においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ５以上となった段階で、次のステップＳ３５に移行する。
【００５７】
ここで、第５の所定時間Ｔ５は、酸化剤ガス遮断弁１０の開放によって酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入が開始されてから、加湿水供給ライン５に導入された酸化剤ガスが加圧ポンプ７にまで到達する前までの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。
【００５８】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ３５において、酸化剤ガス遮断弁１０を閉じて酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５への酸化剤ガスの導入を一旦停止させるとともに、燃料ガス供給ライン３における燃料ガスの圧力を上昇させて、燃料ガス供給ライン３内の圧力を加湿水供給ライン５内の圧力よりも高める。このような制御は、例えば、燃料ガス供給ライン３に設けられたプレッシャレギュレータの動作を制御することで実現される。
【００５９】
また、このとき、コントロールユニット１１は、燃料ガス供給ライン３内の圧力を加湿水供給ライン５内の圧力よりも高めた状態を終了させるタイミングを判断するために、タイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００６０】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ３６において、カウントを開始してから第６の所定時間Ｔ６が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ６以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ６に満たない間は、ステップＳ３７においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ６以上となった段階で、次のステップＳ３８に移行する。
【００６１】
ここで、第６の所定時間Ｔ６は、燃料ガス供給ライン３内と加湿水供給ライン５内との圧力差によってインジェクタ４内に残留した加湿水が加湿水供給ライン５内に逆流し、加湿水供給ライン５の酸化剤ガス導入ライン９が接続された位置を越えて加湿水循環配管５ｂ側へと移動するまでの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。
【００６２】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ３８において、燃料ガス供給ライン３における燃料ガスの圧力を低下させて元の圧力に戻すとともに、酸化剤ガス遮断弁１０を開放する。また、第１の加湿水遮断弁８を次に開放するタイミングを判断するために、再びタイマ値ＴＩＭ＿１を初期値０にセットしてカウントを開始する。
【００６３】
次に、コントロールユニット１１は、ステップＳ３９において、カウントを開始してから第７の所定時間Ｔ７が経過したか否か、すなわちタイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ７以上となったかどうかを判断する。そして、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ７に満たない間は、ステップＳ４０においてタイマ値ＴＩＭ＿１をインクリメントしてカウントを継続し、タイマ値ＴＩＭ＿１がＴＩＭ＿Ｔ７以上となった段階で、次のステップＳ４１に移行する。
【００６４】
ここで、第７の所定時間Ｔ７は、酸化剤ガス遮断弁１０の開放により加湿水供給ライン５へ新たに導入された酸化剤ガスによって、加湿水循環配管５ｂ側へと逆流した加湿水が加湿水タンク６側へと押し出されて加湿水タンク６に回収されるまでの時間として、予め実験等によって求めた値に設定される。
【００６５】
最後に、コントロールユニット１１は、ステップＳ４１において、第１の加湿水遮断弁８を開放して、この第１の加湿水遮断弁８付近に残留している加湿水を加湿水タンク６に回収させる。以上の制御により、インジェクタ４及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水全てが加湿水タンク６へと排出され、加湿水排出制御が終了する。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１の運転停止時に、酸化剤ガス導入ライン９から加湿水供給ライン５へと酸化剤ガスを導入するとともに燃料ガスの圧力を高め、この酸化剤ガスと燃料ガスとの圧力差を利用してインジェクタ４内に残留した加湿水を加湿水供給ライン５側へと逆流させて加湿水タンク６に回収するようにしているので、システム停止中に氷点下の状態が続くような場合であっても、内部の水の凍結によるインジェクタ４の破損等の問題を未然に回避することができ、システム再起動時にはインジェクタ４を正常に動作させて燃料ガスを適切に加湿し、燃料電池本体１を円滑に運転させることが可能となる。
【００６７】
また、インジェクタ４内及び加湿水供給ライン５内に残留した加湿水は、燃料ガス供給ライン３側に排出されることなく、全て加湿水タンク６に回収されるので、加湿水の節約を図ることができるとともに、燃料ガス供給ライン３内における加湿水の凍結防止を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムにおける制御系の概略構成図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池システムの加湿水排出制御を説明するフローチャートである。
【図４】第１の実施形態の燃料電池システムの加湿水排出制御を説明するタイミングチャートである。
【図５】第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態の燃料電池システムの加湿水排出制御を説明するフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の燃料電池システムの加湿水排出制御を説明するタイミングチャートである。
【図８】第３の実施形態の燃料電池システムの加湿水排出制御を説明するフローチャートである。
【図９】第３の実施形態の燃料電池システムの加湿水排出制御を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池本体
２  酸化剤ガス供給ライン
３  燃料ガス供給ライン
４  インジェクタ
５  加湿水供給ライン
７  加圧ポンプ
８  第１の加湿水遮断弁
９  酸化剤ガス導入ライン
１０  酸化剤ガス遮断弁
１１  コントロールユニット
２１  第２の加湿水遮断弁
【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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