(57)【要約】【課題】燃料電池を高負荷で運転し、パージを行う際に、高濃度の水素を排出する可能性が少ない燃料電池システムを提供する。【解決手段】少なくとも燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガス供給流路８を通して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２と、燃料電池１から排出される燃料ガスを外部に放出するパージ流路９と、パージ流路９から燃料ガス供給流路８とを結び燃料電池１から排出される燃料ガスを再度燃料電池１に供給する手段を備える循環流路１０を備える燃料電池システムにおいて、循環流路１０と循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に燃料ガスの流量を調整可能な手段、即ち流量調整手段を夫々備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス供給流路を通して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池から排出される燃料ガスを外部に放出するパージ流路と、前記パージ流路から前記燃料ガス供給流路とを結び前記燃料電池から排出される燃料ガスを再度前記燃料電池に供給する手段を備える循環流路を備える燃料電池システムにおいて、前記循環流路との分岐点より前記燃料ガス流路下流の前記パージ流路に前記燃料電池から排出される燃料ガスを外部に放出するとき、即ちパージ時は常に開いている開閉弁を取付け、前記循環流路には開度をパージ時の運転状況に応じて調整可能な手段、即ち流量調整手段を取付けることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１の燃料電池システムにおいて、前記流量調整手段の開度を連続的に調整可能とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１の燃料電池システムにおいて、パージ時に前記燃料電池の運転負荷或いは前記燃料電池に供給する燃料ガス量に応じて、前記流量調整手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３の燃料電池システムにおいて、パージ時に前記燃料電池の運転負荷が小さい又は前記燃料電池に供給する燃料ガス量が少ないとき、前記流量調整手段を閉じることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に空気供給流路を通して空気を供給する空気供給装置と、前記燃料電池から排出される空気を外部に放出する排出空気流路と、前記パージ流路と前記排出空気流路につながれ前記燃料電池から排出される燃料ガスと空気を混合し燃焼することができる燃焼器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器に流入する燃料ガス量が所定値を超えないように、前記流量調整手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６の燃料電池システムにおいて、パージ時の、前記燃料電池の運転圧、前記燃料電池の温度、パージをしている時間により求められる前記燃料電池から排出される燃料ガス量に基づいて、前記流量制御手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器に流入する燃料ガスの濃度が所定値を超えないように、前記流量調整手段を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５の燃料電池システムにおいて、燃料電池システム起動時に、前記燃焼器に燃料ガスを送るとき、前記開閉弁を開き、前記流量調整手段を所定速度で閉じることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９の燃料電池システムにおいて、前記流量調整手段を前記燃焼器内の温度が所定温度になったとき、所定速度で開くことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０の燃料電池システムにおいて、前記流量調整手段の閉じる速度を開く速度より早くすることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術範囲】
本発明は、燃料電池システムのパージ制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のパージ制御は、制御部からのパージ指令により、燃料電池を高負荷で運転するとき及び燃料ガスの流量の大小にかかわらず、燃料電池へ再度供給する循環流路中の弁を完全に閉じるように制御し、燃料電池から排出される燃料ガスを全て外部に放出している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９３４３８号公報（第２―４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、燃料電池を高負荷で運転する場合、パージを行う際、燃料ガス流路の燃料電池より下流で燃料電池から排出される空気と燃料ガスを混合しても、高濃度の水素を排出するという問題点がある。
【０００５】
【課題を解決しようとする手段】
上記の課題を解決するため本発明は、少なくとも燃料電池１と、燃料電池１に燃料ガス供給流路８を通して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２と、燃料電池１から排出される燃料ガスを外部に放出するパージ流路９と、パージ流路９から燃料ガス供給流路８とを結び燃料電池１から排出される燃料ガスを再度燃料電池１に供給する手段を備える循環流路１０を備える燃料電池システムにおいて、循環流路１０と循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に燃料ガスの流量を調整可能な手段、即ち流量調整手段を夫々備える。
【０００６】
【発明の効果】
本発明は、循環流路１０と循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に燃料ガスの流量を調整可能な手段、即ち流量調整手段を設けることで、高濃度の水素を排出する可能性が少ない。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第一実施形態）
まず、本実施形態の構成を、図１を用いて説明する。
本実施形態は、燃料極と空気極及び電解質膜を有する燃料電池１、燃料ガス供給装置２、空気供給装置３、循環装置４、燃料ガス供給流路８、パージ流路９、循環流路１０、空気供給流路１１、排出空気流路１２、流量調整手段Ａ，Ｂ（ここでは、流量調整手段Ａの開度を調整可能な開閉制御弁５、流量調整手段Ｂを全開或いは全閉のみできる開閉弁６とする）、制御部７を備える。
【０００８】
燃料ガス供給流路８は、燃料ガス供給装置２と燃料電池１を結び、循環装置４が取付けられている。
パージ流路９は、一端が燃料電池１につながれ、他端は外部まで伸びている。
循環流路１０は、パージ流路９から分岐し、循環装置４を介して燃料ガス供給流路８とを結ぶ。
【０００９】
空気供給流路１１は、空気供給装置３と燃料電池１を結ぶ。
排出空気流路１２は、一端が燃料電池１につながれ、他端は外部まで伸びている。
開閉制御弁５は、循環流路１０に取付ける。
開閉弁６は、循環流路１０との分岐点より燃料ガス流路下流のパージ流路９に取付ける。
【００１０】
制御部７は、燃料電池１へ供給する燃料ガスの流量や空気の流量、燃料電池１の運転負荷（電流、電圧、温度、圧力、パージしている時間等を含む）を制御或いは把握でき、循環流路１０及びパージ流路９に取付けられた開閉制御弁５或いは開閉弁６の調節が可能である。
【００１１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料ガス供給装置２から燃料ガス供給流路８を通して燃料電池１の燃料極側に燃料ガスを供給する。
また、空気供給装置３から空気供給配管を通して燃料電池１の空気極側に空気を供給する。
燃料電池１に供給された燃料ガスと空気により、化学反応を起こし燃料電池１を発電する。
この際、空気極側から電解質膜を透過して燃料極側に窒素ガス等が流入する。
【００１２】
燃料電池１から排出される燃料ガスは、通常開閉弁６は閉じられており、循環装置４によりパージ流路９から循環流路１０に送られ、燃料ガス供給装置２から供給される燃料ガスと混合され、再度燃料電池１に供給される。
【００１３】
この際、燃料極側に流入した窒素等が燃料ガスの分圧を低くし、同じ負荷電流値でも燃料電池１の出力電圧が小さくなり、燃料電池１の効率が低下するということが起こる。この状況を、制御部７が検知し、一時的に燃料電池１に供給する燃料ガス量を増やし、循環路内を流れる窒素等を含んだ燃料ガスを外部に放出する、パージということを行う。
【００１４】
また、燃料電池１内に水詰りが起きた時も、同様な現象が起こり、同様にパージを行う。
パージ時は、開閉弁６は常に開にする。
また、燃料電池１から排出される空気は、排出空気流路１２を流れ、外部に放出される。
【００１５】
以下に、本実施形態に係るシステムフローチャートを、図３を用いて説明する。このシステムフローチャートは、パージ指令毎に設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００１６】
ステップ２００では、システムフローチャートを開始する。
ステップ２０１では，パージ指令があるか確認する。指令がでていない場合、ステップ２０６に進む。
ステップ２０２では、開閉弁６が開であるか確認する。開閉弁６が開の場合、ステップ２０４に進む。
ステップ２０３では、開閉弁６を開にする。
【００１７】
ステップ２０４では、燃料電池１の運転負荷と燃料電池１に供給する燃料ガス量を検出する。
ステップ２０５では，開閉制御弁５を、運転負荷、或いは供給燃料ガス量に応じて調整する。ステップ２０７に進む。
ステップ２０６では、開閉弁６．を閉にして、開閉制御弁５を開にする。
ステップ２０７では、このシステムフローチャートを終了する。
【００１８】
以下に，パージを行う際の開閉制御弁５の制御方法（ステップ２０５）について詳しく説明する。
基本的には、燃料電池１に供給する燃料ガス量に応じて開閉制御弁５の開度を調整する。
【００１９】
例えば、図４に示すように、３０ＮＬ／ｍｉｎ以下での全閉時を０とし、１９００ＮＬ／ｍｉｎ以上での全開時を１００として、開閉制御弁５の開度と燃料電池１に供給する燃料ガス量の比例関係を求める。その求められた傾きより、供給する燃料ガス量から開閉制御弁５の開度を決める。
また、上記に係わらず、燃料電池１の運転負荷が極めて大きい時は開閉制御弁５を全閉にし、運転負荷が極めて小さい時は開放制御５を全開にする。
【００２０】
燃料電池１の運転負荷が小さい又は燃料電池１に供給する燃料ガス量が所定値（例えば、３０ＮＬ／ｍｉｎ）以下以外の場合では、循環流路１０から流れる燃料ガスと、燃料ガス供給装置２から供給される燃料ガスが合流し、燃料電池１に供給する燃料ガス量が燃料電池１の発電効率がよく（例えば、通常運転時ではＳＲ（利用率）＝１、燃料電池１の運転負荷が大きい又は燃料電池１に供給する燃料ガス量が所定値（例えば、１９００ＮＬ／ｍｉｎ）以上ではＳＲ（利用率）＝５）なるように、燃料ガス供給装置２から供給する燃料ガス量を決定する。
【００２１】
このように本実施形態では、
燃料電池１の運転負荷や燃料電池１に供給する燃料ガス量の変化に応じて、開閉制御弁５の開度を調整することで、効率の高い燃料電池システムの運転が可能である。
【００２２】
また、低負荷時のパージ時は、燃料電池１に対する不純物（窒素等）の割合が大きく、循環させると再び燃料電池１に不純物が溜まってしまうので、パージを頻繁に行わなくてはならず、燃料ガスを必要以上に捨ててしまうことになる。したがって、燃料電池１から排出される燃料ガスを循環させず、全て外部に放出することにより、効率よく燃料電池１内にある不純物を除去することができる。
【００２３】
また、高負荷時のパージ時は、開閉制御弁５の開度を調整することでパージ流路９と循環流路１０の双方に燃料ガスが流れるので、排出される燃料ガス濃度を従来より低くすることが可能である。
【００２４】
また、ＳＲを保った条件で運転できるので、効率の高い燃料電池システムの運転が可能となる。
また、燃料電池１の運転負荷の大小に用いられている所定値や、パージ時の燃料ガス供給量は、使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００２５】
（第二実施形態）
まず、本実施形態の構成を、図２を用いて説明する。
基本的な構成は、第一実施形態と同じである。異なる点は、燃焼器１３、燃焼排ガス流路１４を備える点である。
【００２６】
燃焼器１３は、一端を燃料電池１につながれたパージ流路９及び排出空気流路１２の他端とつながれている。
燃焼排ガス流路１４は、一端が燃焼器１３につながれ、他端は外部まで伸びている。
【００２７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
第一実施形態でパージ時に外部に放出されていた燃料ガス及び空気を燃焼器１３により、燃料ガス及び空気を混合して燃焼する。
また、予め燃焼器１３内の燃焼触媒の容量から燃焼器１３の処理可能な最大の燃料ガス量を求める。
【００２８】
制御部７からパージ指令が出た時、制御部７によりパージ指令が出た時の燃料電池１の運転圧、運転温度、パージしている時間より、パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出する。求められた燃料ガス量と、燃焼器１３の処理可能な最大の燃料ガス量より、開閉制御弁５の開度を調整する。
パージ時は、開放弁を常に開にする。
【００２９】
以下に、本実施形態にかかるシステムフローチャートを、図５を用いて説明する。このシステムフローチャートは、パージ指令毎に設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。ステップ３００〜３０３及び３０６，３０７は、ステップ２００〜２０３及び２０６，２０７と同様の内容なので説明を省略し、ステップ３０４，３０５を説明する。
【００３０】
ステップ３０４では，燃料電池１の運転圧、燃料電池１の温度，パージをしている時間を検出する。
ステップ３０５では，運転圧，燃料電池１の温度、パージ時間より，パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出し、その値に基づき開放制御弁５を調整する。
【００３１】
また、燃料電池１の運転圧、運転温度、パージしている時間より、パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出する変わりに、燃料電池１出口の燃料ガス側にフローメータを取付けた場合、或いは燃焼触媒の処理可能な最大燃料ガス濃度を予め求め、燃料電池１出口の燃料ガス側に燃料ガス濃度センサを取付けた場合は、以下のような図６で示すシステムフローチャートでも同様の効果を得る。ステップ４００〜４０３及び４０６，４０７は、ステップ２００〜２０３及び２０６，２０７と同様の内容なので説明を省略し、ステップ４０４，４０５を説明する。
【００３２】
ステップ４０４では，燃料電池１から排出される燃料ガス量、或いは燃料ガス濃度を検出する。
ステップ４０５では、燃料ガス量、或いは燃料ガス濃度に応じて、開閉制御弁５を調整する。
【００３３】
以下に，パージを行う際の開閉制御弁５の制御方法（ステップ３０５，４０５）について詳しく説明する。
制御部７により算出された燃料電池１より排出される燃料ガス量が、燃焼器１３の処理可能な最大の燃料ガス量の、例えば９０％に達していると判断した時、開閉制御弁５を開く。
【００３４】
この際、パージ時に燃焼器に流入する燃料ガス及び空気を、燃焼器が効率的に燃焼できる混合割合  （例えば、燃料ガスの占める割合が２０％〜４０％）になるように、燃料電池１に供給する空気量を調整する。
【００３５】
このように本実施形態では、
燃焼触媒の容量から、燃焼触媒が処理可能な最大燃料ガス量を把握しておくことにより、燃焼器１３の過加熱を防止することができる。
また、制御部７によりパージ指令が出た時の燃料電池１の運転圧、運転温度、パージ間隔より、パージ時に燃料電池１から排出される燃料ガス量を算出し、燃焼触媒が処理可能な最大燃料ガス量を超えない燃料ガス量を燃焼器１３に送ることで、燃焼器１３が過加熱を起こすことを確実に防止できる。
【００３６】
また、パージ時に燃料電池１に供給する空気量を調整することで、燃焼器１３で常に効率よく燃焼を行うことができる。
また、開閉制御弁５を開くタイミングとして用いられるパージ時の燃料電池１より排出される燃料ガス量と燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の割合や、燃料ガスと空気の混合割合は、燃焼触媒の性能や使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００３７】
（第三実施形態）
まず、本実施形態の構成を説明する。
本実施形態の構成は、第二実施形態と同じである。
次に、本実施形態の作用について説明する。
パージ時は、開閉弁６を常に開にする。
【００３８】
以下に、本実施形態にかかるシステムフローチャートを、図７を用いて説明する。このシステムフローチャートは、パージ指令毎に設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。ステップ５００〜５０３及び５０６，５０７は、ステップ２００〜２０３及び２０６，２０７と同様の内容なので説明を省略し、ステップ５０４，５０５を説明する。
【００３９】
ステップ５０４では、燃料電池１の運転負荷と燃料電池１に供給する燃料ガス量を検出する。
ステップ５０５では，開閉制御弁５を、運転負荷や供給燃料ガス量に応じて調整する。
【００４０】
以下に，パージを行う際の開閉制御弁５の制御方法（ステップ５０５）について詳しく説明する。
基本的には、燃料電池１に供給する燃料ガス量に応じて開閉制御弁５の開度を調整する。
【００４１】
例えば、図４に示すように、３０ＮＬ／ｍｉｎ以下での全閉時を０とし、１９００ＮＬ／ｍｉｎ以上での全開時を１００として、開閉制御弁５の開度と燃料電池１に供給する燃料ガス量の比例関係を求める。その求められた傾きより、供給する燃料ガス量から開閉制御弁５の開度を決める。
【００４２】
また、上記に係わらず、燃料電池１の運転負荷を監視し、パージ流路９を流れ燃焼器１３に流入する燃料ガスが燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の、例えば９０％以上になるような運転負荷になった場合、燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の９０％以下になるように、開閉制御弁５の開度を決定する。
【００４３】
このように本実施形態では、
燃料電池１に供給する燃料ガス量の変化に伴い、開閉制御弁５の開度を調整することで、燃焼器１３の過加熱を防止することができる。
【００４４】
また、通常運転時（３０ＮＬ／ｍｉｎから１９００ＮＬ／ｍｉｎまでの供給燃料ガス量のとき）にパージを行う際、供給する燃料ガス量から開閉制御弁５の開度を決めることにより、燃焼器１３に必要以上の燃料ガスを送ることなく、燃料ガスを循環できるので、効率の良い燃料電池システムを提供できる。
【００４５】
また、燃料電池１の運転負荷で開閉制御弁５を制御することで、燃料ガス流量による制御が故障した場合でも、燃焼器１３に燃焼器１３の処理可能な最大燃料ガス量の流入を防ぎ、燃焼器１３の過加熱を防止できる。
【００４６】
また、パージ時燃焼器１３に流入する燃料ガス量、燃料電池１の運転負荷の大小に用いられている所定値、燃料電池１に供給する燃料ガス量の所定値は、燃焼触媒の性能や使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００４７】
（第四実施形態）
まず、本実施形態の構成を説明する。
本実施形態の構成は、第二実施形態と同じである。
次に、本実施形態の作用について説明する。
以下に、本実施形態に係わるシステムフローチャートを、図８を用いて説明する。このシステムフローチャートは燃料電池システム起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００４８】
ステップ１００では、システムフローチャートを開始する。
ステップ１０１では、フラグが３か確認する。フラグが３の時は、ステップ１１５に進む。
ステップ１０２では、フラグが２か確認する。フラグが２の時は、ステップ１１２に進む。
ステップ１０３では、フラグが１か確認する。フラグが１の時は、ステップ１０９に進む。
【００４９】
ステップ１０４では、燃料電池１に燃料ガスと空気を供給する。
ステップ１０５では、燃料電池１を発電する。
ステップ１０６では、開閉弁６及び開閉制御弁５を開にする。
ステップ１０７では、開閉制御弁５を第一の一定速度（例えば、全閉までの時間を１０ｓ）で閉にする。
【００５０】
ステップ１０８では、フラグを１にする。
ステップ１０９では、燃焼器１３内の温度が５００℃以上になっているかを確認する。５００℃以上になっていない場合は、ステップ１１５に進む。
ステップ１１０では、開閉制御弁５を第二の一定速度（例えば、全開までの時間を５ｓ）で開にする。
【００５１】
ステップ１１１では、フラグを２にする。
ステップ１１２では、開閉制御弁５が全開になっているかを確認する。全開でない場合は、ステップ１１５に進む。
ステップ１１３では、開閉弁６を閉にする。
ステップ１１４では、フラグを３にする。
ステップ１１５では、このシステムフローチャートを終了する。
【００５２】
このように本実施形態では、
燃料電池１の運転開始時に、開閉弁６を開き開閉制御弁５を閉じることで、循環する燃料ガス量が減り燃焼器１３への燃料ガス量が増えるので、燃焼触媒が早急に効率よく水素を燃やせる温度に到達することができる。
【００５３】
また、開閉制御弁５を一定速で開閉するので、燃焼器１３へ流入する燃料ガスを急増或いは急減させることなく、燃焼器１３の急加熱或いは急冷却を防ぎ、燃焼器１３への負担を低減できる。
【００５４】
また、開閉制御弁５  の全閉までにかかる時間を全開までにかかる時間より短いことで、無駄に燃料ガスを燃焼器１３に送ることなく、燃料ガスを効率的に使用できる。
【００５５】
また、本実施形態では、燃焼触媒が早急に効率よく水素を燃やせる温度、開閉制御弁５の全開又は全閉するまでの速度は、燃焼触媒の性能や使用する燃料電池システムにより決めることができる。
【００５６】
また、第一実施形態で用いられているＳＲを保つように燃料ガス供給装置から供給する燃料ガス量を決定する実施形態は、第二実施形態及び第三実施形態にも適用できる。
【００５７】
また、第四実施形態は第二実施形態及び第三実施形態と組合せることが可能である。
また、第二実施形態で用いられている燃焼器が効率の良く燃焼が行えるように供給空気量を調整する実施形態は、第三実施形態及び第四実施形態にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかわる第一実施形態の構成図である。
【図２】本発明にかかわる第二実施形態から第四実施形態の構成図である。
【図３】本発明にかかわる第一実施形態のシステムフローチャートである。
【図４】本発明にかかわる第一実施形態の開度と供給燃料ガス量の関係である。
【図５】本発明にかかわる第二実施形態のシステムフローチャートである。
【図６】本発明にかかわる第二実施形態のシステムフローチャートである。
【図７】本発明にかかわる第三実施形態のシステムスルーチャートである。
【図８】本発明にかかわる第四実施形態のシステムフローチャートである。
【符号の説明】
１      燃料電池
２      燃料ガス供給装置
３      空気供給装置
４      循環装置
５      開閉制御弁
６      開閉弁
７      制御部
８      燃料ガス供給流路
９      空気供給流路
１０    循環流路
１１    パージ流路
１２    排出空気流路
１３    燃焼器
１４    燃焼排ガス流路
【図１】
2004259583.tif 000003
【図２】
2004259583.tif 000004
【図３】
2004259583.tif 000005
【図４】
2004259583.tif 000006
【図５】
2004259583.tif 000007
【図６】
2004259583.tif 000008
【図７】
2004259583.tif 000009
【図８】
2004259583.tif 000010