(57)【要約】【課題】運転中に水素流路に空気が流入するのを回避すると共に、空気流路に水素が流入するのも回避して無駄に消費する水素をなくすことができ、高効率を達成することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、第１空気供給配管Ｌ３から、水素供給配管Ｌ１における１次水素調圧弁４と２次水素調圧弁５との間にかけて、逆止弁１１が設けられた第２空気供給配管Ｌ４を備える。この燃料電池システムにおいては、運転中は、１次水素調圧弁４と２次水素調圧弁５との間に接続された第２空気供給配管Ｌ４と、水素供給配管Ｌ１との合流部１２の圧力が、必ず空気供給圧力よりも高くなり、空気が水素流路に流入することはなくなる一方で、逆止弁１１が設けられているので、水素が第２空気供給配管Ｌ４を逆流して空気流路に流入することも防止される。【選択図】      図１
2004311241.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用いて発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給配管を有する燃料ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給配管に設けられ、前記燃料ガスの圧力を調整する１次調圧弁と、
前記燃料ガス供給配管における前記１次調圧弁よりも下流側に設けられ、前記燃料電池の燃料ガス入口における前記燃料ガス圧力を調整する２次調圧弁と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記１次調圧弁と前記２次調圧弁との間の前記燃料ガス供給配管に接続され、前記酸化剤ガス供給手段から供給される前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給配管に供給する酸化剤ガス供給配管と、
前記酸化剤ガス供給配管に設けられ、少なくとも前記燃料ガス供給配管から前記酸化剤ガス供給手段側へのガスを遮断する逆止弁と、
前記１次調圧弁又は前記２次調圧弁を制御して、前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガス供給配管を介して、前記燃料ガス供給配管に酸化剤ガスを供給させる制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給配管に供給しない場合には、前記２次調圧弁の上流圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも高くし、前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給配管に供給する場合には、前記２次調圧弁の上流圧力を前記酸化剤ガスの圧力よりも低くするように、前記１次調圧弁又は前記２次調圧弁のうち少なくとも一方の開度を制御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】
前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスを加湿する加湿手段を更に備え、
前記酸化剤ガス供給配管は、前記加湿手段の上流の前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する配管から分岐されて構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出される余剰分の燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に循環させる燃料ガス循環配管と、
前記燃料ガス循環配管と前記燃料ガス供給配管とを接続するエゼクタと、
前記燃料ガス供給配管からの燃料ガスを、少なくとも前記エゼクタからバイパスするエゼクタバイパス配管と、
前記エゼクタバイパス配管に設けられ、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスを供給又は遮断するためのバイパス弁とを備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス供給配管に前記酸化剤ガスを導入する場合に、前記バイパス弁を開放し、前記エゼクタバイパス配管を介して前記燃料電池に前記酸化剤ガスを導入させることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記エゼクタバイパス配管は、前記エゼクタと共に前記２次調圧弁もバイパスするように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤ガス供給配管は、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する配管から分岐して構成され、
前記酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する配管との分岐点と、前記燃料電池との間に、前記酸化剤ガスの圧力を調整するための酸化剤ガス調圧弁を備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス供給配管に前記酸化剤ガスを供給する場合に、前記分岐点における前記酸化剤ガスの圧力が、前記燃料ガスの圧力よりも高くなるように前記酸化剤ガス調圧弁を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する配管に設けられ、前記酸化剤ガス供給手段から供給される前記酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、
前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記加湿手段からバイパスして前記燃料電池に供給する加湿バイパス配管と、
前記加湿バイパス配管に設けられ、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスを供給又は遮断するための開閉弁と
を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤ガス供給配管における前記逆止弁と直列に設けられ、前記酸化剤ガス供給手段からの前記酸化剤ガスを供給又は遮断する酸化剤ガス開閉弁を更に備え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９】
前記酸化剤ガス開閉弁は、前記逆止弁よりも上流に設けられることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池から排出される余剰分の燃料ガスを前記燃料ガス供給配管へと戻して循環させる燃料ガス循環配管と、
前記燃料ガス循環配管内の燃料ガスを循環させる燃料ガスポンプと
を更に備え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１１】
前記燃料ガス供給配管は、前記酸化剤ガス供給配管との合流部から下流における配管径が、前記酸化剤ガス供給配管との合流部から上流における配管径よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか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、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給すると共に、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。
【０００３】
このような燃料電池を用いた燃料電池システムにおいては、燃料極の近傍に存在している水分によって反応ガスの拡散が阻害されたり、電解質膜の電気伝導率が低下したりする問題がある。そこで、これに対応するために、従来の燃料電池システムでは、運転停止時に水素流路に設けた切り替え弁によって流路を切り替えて、水素流路に空気を導入することにより、燃料極の水分を除去するものがある（特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２４６０５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、水素流路に空気を導入する切り替え弁に洩れが生じた場合には、運転中に水素流路に空気が流入してしまい、発電効率の低下を招来するという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、運転中に水素流路に空気が流入するのを回避すると共に、空気流路に水素が流入するのも回避して無駄に消費する水素をなくすことができ、水素の使用効率を高くすることができる燃料電池システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給配管を有する燃料ガス供給手段と、前記燃料ガス供給配管に設けられ、前記燃料ガスの圧力を調整する１次調圧弁と、前記燃料ガス供給配管における前記１次調圧弁よりも下流側に設けられ、前記燃料電池の燃料ガス入口における前記燃料ガス圧力を調整する２次調圧弁と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前記１次調圧弁と前記２次調圧弁との間の前記燃料ガス供給配管に接続され、前記酸化剤ガス供給手段から供給される前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給配管に供給する酸化剤ガス供給配管と、前記酸化剤ガス供給配管に設けられ、少なくとも前記燃料ガス供給配管から前記酸化剤ガス供給手段側へのガスを遮断する逆止弁とを設けた構成の燃料電池システムに適用される。
【０００８】
このような燃料電池システムでは、制御手段により、１次調圧弁又は２次調圧弁を制御して、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガス供給配管を介して、燃料ガス供給配管に酸化剤ガスを供給させることにより、燃料ガス供給配管のガスを空気に置換することにより、上述の課題を解決する。
【０００９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムによれば、１次調圧弁と２次調圧弁との間の燃料ガス供給配管に、逆止弁が設けられた酸化剤ガス供給配管を接続し、制御手段によって１次調圧弁又は２次調圧弁のうち少なくとも一方の開度を制御することにより、酸化剤ガスが燃料ガス供給配管に流入することがなくなる一方で、燃料ガスが酸化剤ガス供給配管を逆流することも防止される。したがって、この燃料電池システムによれば、無駄に消費する燃料ガスがなくなり、燃料ガスの使用効率を高くすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した第１実施形態〜第５実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
以下の実施形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータに必要とされる電力値に応じて、燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システムについて説明したものである。
【００１２】
［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１３】
［燃料電池システムの構成］
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように、当該燃料電池システムの主電源であって、発電反応を発生させるための水素を多量に含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとが供給されることによって発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質を挟んで、酸化剤ガスが供給される空気極と燃料ガスが供給される水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層することによって構成されている。すなわち、この燃料電池スタック１による発電は、水素極にて水素が電子を放出してイオン化し、生成された水素イオン（Ｈ＋）が高分子電解質を通過して空気極に到達し、この水素イオンが空気極にて酸素と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生成することによって行われる。
【００１４】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水を供給する水素供給系として、燃料電池スタック１の運転圧よりも高圧にして燃料ガスとしての水素を貯蔵する高圧水素タンク２を備える。この高圧水素タンク２に貯蔵された水素は、高圧水素タンク２と接続された水素供給配管Ｌ１によって燃料電池スタック１に導入される。
【００１５】
この水素供給配管Ｌ１には、開閉することによって高圧水素タンク２からの水素を供給又は遮断するための水素開閉弁３、水素の圧力を調整するための１次水素調圧弁４、この１次水素調圧弁４よりも下流に設けられて燃料電池スタック１の入り口における水素の圧力を調整するための２次水素調圧弁５、エゼクタ６が設けられている。そして、水素は、水素開閉弁３、１次水素調圧弁４及び２次水素調圧弁５の開閉がコントローラ１３により制御されることにより、水素開閉弁３、１次水素調圧弁４、２次水素調圧弁５及びエゼクタ６を介して燃料電池スタック１に導入される。ここで、水素は、通常、例えば駆動モータ等の負荷に必要とされる電力に応じた圧力（運転圧）よりも高い圧力で燃料電池スタック１に供給される。
【００１６】
更に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の水素出口側に、燃料電池スタック１による発電で未使用であったために当該燃料電池スタック１から排出される余剰分の水素を、当該燃料電池スタック１の下流から再度水素供給配管Ｌ１へと戻す水素循環流路Ｌ２を備える。この水素循環流路Ｌ２は、燃料電池スタック１からの水素をエゼクタ６に供給して、水素供給配管Ｌ１からの水素と混合させて燃料電池スタック１に供給する。
【００１７】
また、この水素循環流路Ｌ２には、時間経過と共にガス中に蓄積される窒素等の水素以外の不純物ガスを外部へと排出するために、水素循環流路Ｌ２から分岐した配管に開閉弁７が設けられる。この開閉弁７は、必要に応じて、コントローラ１３によって開閉制御されることで、燃料電池スタック１や水素循環流路Ｌ２内に蓄積した不純物ガスを外部に放出する。
【００１８】
更にまた、燃料電池システムは、空気供給系として、例えばコンプレッサモータによって駆動されて外気を取り込むエアコンプレッサといった空気供給装置８を備える。この空気供給装置８によって取り込まれた空気は、空気供給装置８と接続された第１空気供給配管Ｌ３によって燃料電池スタック１に導入される。
【００１９】
この第１空気供給配管Ｌ３には、空気を加湿する加湿装置９が設けられ、空気供給装置８からの空気を加湿して燃料電池スタック１に供給する。また、燃料電池スタック１から排出された空気は、空気調圧弁１０を介して外部に放出される。この空気調圧弁１０は、燃料電池スタック１の発電時においてコントローラ１３によりその開度が調整されることにより、燃料電池スタック１内の空気圧力を調整する。
【００２０】
また、燃料電池システムは、加湿装置９の上流側の第１空気供給配管Ｌ３に一方端が接続され、他方端が１次水素調圧弁４と２次水素調圧弁５との間の水素供給配管Ｌ１に接続された第２空気供給配管Ｌ４を備える。この第２空気供給配管Ｌ４は、空気供給装置８から第１空気供給配管Ｌ３に送られた空気を水素供給配管Ｌ１に供給する。また、この第２空気供給配管Ｌ４には、水素供給配管Ｌ１から第１空気供給配管Ｌ３側に水素や空気を逆流させないための逆止弁１１が設けられている。
【００２１】
このような水素供給系及び空気供給系を備える燃料電池システムにおいて、水水素供給配管Ｌ１は、第２空気供給配管Ｌ４との合流部１２から水素下流（燃料電池スタック１側）における配管径が、合流部１２から水素上流（高圧水素タンク２側）における配管径よりも大きくなるように構成されている。
【００２２】
更にまた、燃料電池システムは、上述した各部の動作を制御して燃料電池スタック１の発電反応を制御するコントローラ１３を備える。このコントローラ１３は、例えば図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶部に、燃料電池システムを起動して負荷装置に対して電力供給を行う一連の処理手順を記述した燃料電池制御プログラムを格納し、当該燃料電池制御プログラムを図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等によって実行することにより、各部を制御する。
【００２３】
このコントローラ１３では、燃料電池スタック１の発電をさせるときには、例えば図示しない水素圧力センサや空気圧力センサからのセンサ信号を読み込んで、水素開閉弁３、１次水素調圧弁４及び２次水素調圧弁５の開度を調整すると共に、空気供給装置８の回転数や空気調圧弁１０の開度を調整する。
【００２４】
このような各部を備える燃料電池システムにおいては、当該燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタック１の水素系内部の水分を除去し、流路が凍結によって閉塞するのを防止する必要がある。これを達成するために、燃料電池システムにおいては、通常、空気流路と水素流路とに乾燥したガスを流入させるが、乾燥した水素を用いて水素流路から水分を除去すると、このために用いた水素を無駄に廃棄することになる。
【００２５】
そこで、この燃料電池システムにおいては、水素供給配管Ｌ１や水素循環流路Ｌ２を含む水素流路に乾燥した空気を導入し、コントローラ１３により、水素流路の水分除去を行う停止制御処理を実行する。
【００２６】
［燃料電池システムによる停止制御処理］
つぎに、上述した燃料電池システムによる停止制御処理の処理手順について図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２７】
先ず、コントローラ１３では、ステップＳ１にて燃料電池システムの停止指令が入力されることにより、ステップＳ２において、水素供給配管Ｌ１における水素開閉弁３を閉塞するように制御して、高圧水素タンク２から燃料電池スタック１への水素供給を遮断する。なお、コントローラ１３では、当該燃料電池システムが停止された場合であっても、水素流路内部に空気をパージするために、空気供給装置８を停止させずに空気供給を継続させる。
【００２８】
次のステップＳ３においては、コントローラ１３により、水素供給配管Ｌ１における１次水素調圧弁４の開度を最小にする制御をして、ステップＳ４に処理を進める。
【００２９】
ステップＳ４においては、コントローラ１３により、開閉弁７を開放する制御をし、水素循環流路Ｌ２及び燃料電池スタック１内のガスを外部へと排出させて、ステップＳ５に処理を進める。
【００３０】
ステップＳ５においては、コントローラ１３により、燃料電池スタック１の入り口にて空気極及び水素極に流れるガス圧の差圧が、燃料電池スタック１を構成する電解質の耐圧等によって決定される許容差圧以下となるように、空気供給装置８の回転数を所定回転数に設定して駆動量を制御し、ステップＳ６において、空気調圧弁１０を所定の開度に設定する。これにより、コントローラ１３では、第１空気供給配管Ｌ３の空気圧力を、第１空気供給配管Ｌ３から第２空気供給配管Ｌ４を介して水素供給配管Ｌ１に空気を導入することができる圧力値とする。
【００３１】
すなわち、コントローラ１３では、水素開閉弁３を閉塞させた後、開閉弁７を開放させることにより、水素循環流路Ｌ２内部におけるガス外部に排出させ、１次水素調圧弁４の下流側の水素圧力を低下させることにより、当該合流部１２での水素圧力よりも、第２空気供給配管Ｌ４における空気圧力を高くする。
【００３２】
これにより、燃料電池システムにおいては、逆止弁１１の第１空気供給配管Ｌ３側の圧力と、逆止弁１１の水素供給配管Ｌ１側の圧力とが、逆止弁１１が動作する圧力差となることにより、空気供給装置８から逆止弁１１を介して水素循環流路Ｌ２に空気を導入することが可能な状態となる。そして、燃料電池システムでは、水素供給配管Ｌ１に空気を導入することにより、水素供給配管Ｌ１、燃料電池スタック１、及び水素循環流路Ｌ２内のガスを、開閉弁７を介して外部に掃気する。
【００３３】
また、この燃料電池システムにおいては、合流部１２の高圧水素タンク２側の配管径よりも、合流部１２の燃料電池スタック１側の配管径の方が大きく構成されているので、第２空気供給配管Ｌ４から水素供給配管Ｌ１に供給された空気を燃料電池スタック１側に導入することが可能となる。
【００３４】
次のステップＳ７においては、コントローラ１３により、ステップＳ６にて空気調圧弁１０の開度を所定開度にして第２空気供給配管Ｌ４から水素供給配管Ｌ１に空気を導入し始めてからの経過時間が、水素供給配管Ｌ１、燃料電池スタック１及び水素循環流路Ｌ２内を空気で置換できるように設定された所定時間を超過したか否かを判定する。ここで、所定時間とは、予め燃料電池システムの製造時に、第２空気供給配管Ｌ４、水素供給配管Ｌ１、水素循環流路Ｌ２の容量や、ステップＳ５にて設定する空気供給装置８の回転数、ステップＳ６にて設定する空気調圧弁１０の開度により予め設定された時間である。
【００３５】
そして、コントローラ１３は、経過時間が所定時間を超過していないと判定した場合には、空気供給装置８及び空気調圧弁１０の動作を継続する一方で、経過時間が所定時間を超過したと判定した場合には、ステップＳ８へと処理を移行し、空気供給装置８の運転を停止する制御をする。
【００３６】
次のステップＳ９においては、コントローラ１３により、水素供給配管Ｌ１における２次水素調圧弁５の開度を最小値に設定する制御をする。
【００３７】
次のステップＳ１０においては、コントローラ１３により、開閉弁７を閉塞する制御をし、ステップＳ１１において、一連のシステム停止シーケンスを完了して処理を終了する。
【００３８】
燃料電池システムは、このような一連の停止制御処理を行うことにより、水素供給配管Ｌ１、燃料電池スタック１及び水素循環流路Ｌ２内に乾燥した空気を供給し、水素供給配管Ｌ１、燃料電池スタック１及び水素循環流路Ｌ２内の水分を開閉弁７を介して排出して、除去することができる。
【００３９】
このように、燃料電池システムにおいては、水素供給配管Ｌ１に乾燥した空気を導入して水素供給配管Ｌ１、水素循環流路Ｌ２の水分除去を行うために第２空気供給配管Ｌ４を設けた構成とした場合、燃料電池スタック１の通常運転中に空気が水素供給配管Ｌ１にリークするのを防止すると共に、水素が第１空気供給配管Ｌ３にリークするのを防止する必要がある。これに対し、燃料電池システムでは、第２空気供給配管Ｌ４を１次水素調圧弁４と２次水素調圧弁５との間に接続し、エゼクタ６における図示しないノズルを介して、燃料電池スタック１が最大出力を発揮するのに必要な水素流量を流入させるために、燃料電池スタック１の水素入口における圧力に対して合流部１２での圧力を十分高い値とするように１次水素調圧弁４を制御する。
【００４０】
また、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１を構成する電解質膜の耐圧性を考慮すると、燃料電池スタック１の入口において、空気圧力を水素圧力とほぼ同じか、或いはそれ以下の圧力に調整することになるので、運転中は、第２空気供給配管Ｌ４と水素供給配管Ｌ１との合流部１２の水素圧力が、必ず空気供給圧力よりも高くなり、第２空気供給配管Ｌ４の空気が水素供給配管Ｌ１に流入することはない。
【００４１】
更に、燃料電池システムにおいては、通常運転時において、第２空気供給配管Ｌ４に逆止弁１１が設けられているので、水素が第２空気供給配管Ｌ４を逆流して空気流路に流入することも防止される。
【００４２】
なお、燃料電池システムにおいては、１次水素調圧弁４を設けずに水素開閉弁３を開度調整が可能な調圧弁にして、１次水素調圧弁４と同様に動作させても良い。
【００４３】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第１実施形態に係る燃料電池システムにおいては、１次水素調圧弁４と２次水素調圧弁５との間に、逆止弁１１が設けられた第２空気供給配管Ｌ４を接続し、コントローラ１３によって１次水素調圧弁４又は２次水素調圧弁５のうち少なくとも一方の開度を制御することにより、運転中は、空気が水素流路に流入することがなくなる一方で、水素が第２空気供給配管Ｌ４を逆流して空気流路に流入することも防止される。したがって、この燃料電池システムにおいては、無駄に消費する水素がなくなり、水素の使用効率を高くすることができる。
【００４４】
また、燃料電池システムにおいては、第２空気供給配管Ｌ４に逆止弁１１が設けられているので、２次水素調圧弁５の上流圧力により、水素流路への空気導入タイミングが自動的に制御される。このため、燃料電池システムにおいては、第１空気供給配管Ｌ３及び第２空気供給配管Ｌ４に開閉弁を備えなくても、停止時に限り水素供給配管Ｌ１空気を導入することができる。
【００４５】
更に、この燃料電池システムにおいては、空気を水素流路に供給しない場合には、２次水素調圧弁５の上流圧力を空気の圧力よりも高く維持する一方で、空気を水素供給配管Ｌ１に供給する場合には、２次水素調圧弁５の上流圧力を空気の圧力よりも低くなるように、１次水素調圧弁４又は２次水素調圧弁５のうち少なくとも一方の開度を制御することにより、無駄に消費する水素を確実になくすことができ、水素の使用効率を高くすることが可能となる。
【００４６】
更に、この燃料電池システムにおいては、第２空気供給配管Ｌ４が、加湿装置９の上流から分岐されているので、加湿装置９の乾燥を待たずに、早急に水素供給配管Ｌ１に乾燥した空気を供給することができる。
【００４７】
更にまた、燃料電池システムにおいては、水素供給配管Ｌ１として、第２空気供給配管Ｌ４との合流部１２から下流における配管径が、上流の配管径よりも大きくなるように形成されているものを用いることにより、配管が細く限られたスペースであっても容易にレイアウトすることができると共に、合流部１２から下流では空気流入時の配管圧力損失を小さく抑えることができ、燃料電池スタック１の入り口における空気流路と水素流路との入り口圧力を、燃料電池スタック１の許容する差圧以下に抑えながら、大量の空気を水素流路に流入することができる。
【００４８】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、第２実施形態の説明では、上述の第１実施形態と同様の部分については同一の符号及びステップ番号を付することにより、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
［燃料電池システムの構成］
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すように、水素供給配管Ｌ１における２次水素調圧弁５及びエゼクタ６をバイパスするバイパス配管Ｌ１１を備えると共に、このバイパス配管Ｌ１１にバイパス弁２１を設け、水素供給配管Ｌ１に空気を導入する際に、バイパス弁２１を開放し、バイパス配管Ｌ１１を介して燃料電池スタック１に空気を導入する。また、バイパス配管Ｌ１１に設けられたバイパス弁２１は、燃料電池スタック１に対して、高圧水素タンク２からの水素を供給又は遮断する。
【００５０】
また、燃料電池システムは、第２空気供給配管Ｌ４に設けられた逆止弁１１と直列であって、当該逆止弁１１よりも上流側（第１空気供給配管Ｌ３）に、開閉することによって空気供給装置８から水素供給配管Ｌ１への空気を供給又は遮断するための空気開閉弁２２を備える。
【００５１】
なお、バイパス配管Ｌ１１は、２次水素調圧弁５及びエゼクタ６をバイパスする場合のみならず、少なくともエゼクタ６のみをバイパスするようにしても良い。
【００５２】
また、水素供給配管Ｌ１は、第１実施形態と同様に、第２空気供給配管Ｌ４との合流部１２から下流における配管径が、上流の配管径よりも大きくなるように形成されている。
【００５３】
このような燃料電池システムは、当該燃料電池システムの停止指令があると、コントローラ１３の制御により、図４に示すような停止制御処理を実行して、水素供給配管Ｌ１に空気を供給する。
【００５４】
すなわち、コントローラ１３では、ステップＳ１〜ステップＳ３によって水素開閉弁３を閉状態、１次水素調圧弁４を最小開度にした後のステップＳ２１において、燃料電池スタック１における水素極に空気導入が必要であるか否かを判定する。ここで、コントローラ１３は、例えばシステム停止後すぐにリスタートすることがわかっている場合等のように、水素極への空気導入が必要でないと判定した場合には、ステップＳ２２へと処理を移行し、水素極に対する空気導入を行わずにそのまま空気供給装置８の運転を停止し、ステップＳ２３において、処理を終了する。
【００５５】
なお、このステップＳ２１における判定は、運転者の手動入力で行うようにしても良く、または、所定のナビゲーション情報等に基づいて自動的に判断するようにしてもよい。
【００５６】
一方、コントローラ１３は、水素極への空気導入が必要であると判定した場合には、ステップＳ４にて開閉弁７を開状態にし、ステップＳ２４において、第２空気供給配管Ｌ４における空気開閉弁２２を開放すると共に、ステップＳ２５において、バイパス弁２１を開放する。
【００５７】
そして、コントローラ１３は、第１実施形態と同様に、空気供給装置８の回転数及び空気調圧弁１０の開度を制御することにより（ステップＳ５、ステップＳ６）、空気開閉弁２２及び逆止弁１１を介して水素供給配管Ｌ１に空気を供給開始し、バイパス配管Ｌ１１のバイパス弁２１、燃料電池スタック１及び水素循環流路Ｌ２を介して開閉弁７からガスを排出する。すなわち、燃料電池システムにおいては、開閉弁７が開放された後、空気開閉弁２２及びバイパス弁２１が開放されることにより、空気供給装置８が所定回転数になると直ちに多量の空気が導入できるようにする。
【００５８】
そして、コントローラ１３では、第１実施形態と同様に空気を水素供給配管Ｌ１に供給開始してから所定時間が経過した場合に、空気供給装置８を停止させ（ステップＳ８）、更にバイパス弁２１及び空気開閉弁２２を閉状態にして（ステップＳ２６、ステップＳ２７）、ステップＳ９〜ステップＳ１１の処理をして処理を終了する。
【００５９】
燃料電池システムは、このような一連の停止制御処理を実行するにより、水素供給配管Ｌ１に対して乾燥した空気を供給し、水分を除去することができる。
【００６０】
［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、水素循環流路Ｌ２と水素供給配管Ｌ１とを接続するエゼクタ６を少なくともバイパスするバイパス配管Ｌ１１及びバイパス弁２１を備え、水素供給配管Ｌ１に対して空気を導入する際に、バイパス弁２１を開放し、バイパス配管Ｌ１１を介して燃料電池スタック１に空気を導入させることにより、エゼクタ６のノズルオリフィス径に起因して空気流量が制限されることがなく、大量の空気を水素供給配管Ｌ１に導入することができ、速やかに空気によって水素を掃気することができる。
【００６１】
また、この燃料電池システムによれば、バイパス配管Ｌ１１を、エゼクタ６と共に２次水素調圧弁５もバイパスするものとすることにより、２次水素調圧弁５の圧力損失に起因して空気流量が制限されることもなく、大量の空気を水素供給配管Ｌ１に導入することができ、速やかに空気によって水素を掃気することができる。
【００６２】
このように、燃料電池システムにおいては、空気開閉弁２２を設けることにより、水素供給配管Ｌ１に空気を導入するタイミングを自在に制御することができ、例えば、停止後に短時間でリスタートすることが予めわかっている場合等には、水素供給配管Ｌ１に空気を導入しない停止制御処理を行う。この場合、燃料電池システムにおいては、停止時には水素極に水素が残存した状態となるので、リスタート時には迅速に燃料電池スタック１を起動することが可能となる。
【００６３】
さらにまた、この燃料電池システムによれば、空気開閉弁２２が、逆止弁１１よりも上流側（第１空気供給配管Ｌ３）に設けられているので、空気開閉弁２２を常時空気にのみ晒すことができ、水素が水素供給配管Ｌ１から第１空気供給配管Ｌ３にリークさせないために空気開閉弁２２に特別な構成を施す必要がなくなる。
【００６４】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、この第３実施形態の説明では、上述の実施形態と同様の部分については同一の符号を付することによってその詳細な説明を省略するものとする。
【００６５】
この第３実施形態に係る燃料電池システムは、図５に示すように、第１空気供給配管Ｌ３と第２空気供給配管Ｌ４との分岐点と、燃料電池スタック１との間に、空気調圧弁３１を備え、水素供給配管Ｌ１に空気を供給する際に、燃料電池スタック１の入口にて、分岐点における空気圧力が高くなるように、空気調圧弁３１を制御するものである。
【００６６】
このような燃料電池システムは、第２実施形態において図４に示した停止制御処理を行うことにより、水素供給配管Ｌ１に乾燥した空気を供給し、水分を除去する。このとき、燃料電池システムにおいては、水素供給配管Ｌ１に空気を供給する際に、燃料電池スタック１のガス入口にて、水素圧力と空気圧力との圧力差が、燃料電池スタック１を構成する電解質の耐圧力以下となるように、コントローラ１３より、空気調圧弁３１によって空気極の入口圧力を調整させる。すなわち、燃料電池システムにおいては、水素供給配管Ｌ１に空気を供給する際には、燃料電池スタック１のガス入口にて、第１空気供給配管Ｌ３と第２空気供給配管Ｌ４との分岐点における空気圧力が高くなるように、コントローラ１３によって空気調圧弁３１を制御する。
【００６７】
これにより、燃料電池システムにおいては、水素供給配管Ｌ１に空気を供給する場合に、燃料電池スタック１のガス入口にて、水素圧力と空気圧力との圧力差を、電解質の耐圧以下に調整することができる。そのため、燃料電池システムによれば、この許容差圧以下となるように空気流量を制限する必要がなく、大きな流量の空気を水素供給配管Ｌ１に供給することができる。したがって、燃料電池システムによれば、停止時の水分除去を短時間に終了することが可能となる。
【００６８】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、この第４実施形態の説明では、上述の実施形態と同様の部分については同一の符号を付することによってその詳細な説明を省略するものとする。
【００６９】
この第４実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、加湿装置９をバイパスするバイパス配管Ｌ１２を第１空気供給配管Ｌ３に設けると共に、このバイパス配管Ｌ１２に開閉弁４１を設けた点で、上述した実施形態とは異なる。
【００７０】
このような燃料電池システムは、上述の図４に示した停止制御処理を実行することにより、水素供給配管Ｌ１に乾燥した空気を供給し、水分を除去する。
【００７１】
ここで、燃料電池システムにおいては、上述の停止制御処理におけるステップＳ５において、水素供給配管Ｌ１に空気を供給するとき、コントローラ１３の制御により、開閉弁４１を開放し、バイパス配管Ｌ１１を介して燃料電池スタック１に乾燥した空気を導入する。
【００７２】
これは、以下のような理由に基づくものである。
【００７３】
すなわち、燃料電池システムにおいては、加湿装置９として、当該加湿装置９の圧力損失が、第１空気供給配管Ｌ３から水素供給配管Ｌ１までの空気流路圧力損失と比較して大きいものを備える場合には、空気圧力と水素圧力とのガス圧差を、燃料電池スタック１の許容圧力差以内に抑えるために、開閉弁７の開放時に第１空気供給配管Ｌ３を介して燃料電池スタック１に流入させる空気流量を小さくする必要がある。
【００７４】
これに対して、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、加湿装置９をバイパスするバイパス配管Ｌ１２及び開閉弁４１を介して燃料電池スタック１に空気を導入することができるので、加湿装置９の圧力損失がない状態にて燃料電池スタック１に空気を供給することができ、燃料電池スタック１の空気極に供給する空気流量を大きくすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、水素供給配管Ｌ１に供給する空気流量を大きくすることができ、更に短時間で停止時の水分除去を完了することができる。
【００７５】
また、この燃料電池システムによれば、より速やかに空気の低湿度の空気を燃料電池スタック１に供給することにより、燃料電池スタック１内の空気流路の水分除去を短時間に終了することが可能となる。
【００７６】
［第５実施形態］
つぎに、第５実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、この第５実施形態の説明では、上述の実施形態と同様の部分については同一の符号を付することによってその詳細な説明を省略するものとする。
【００７７】
上述の燃料電池システムは、水素供給配管Ｌ１と水素循環流路Ｌ２との合流点にエゼクタ６を備えていたが、この第５実施形態に係る燃料電池システムは、エゼクタ６を省略した点で、上述した燃料電池システムとは異なるものである。
【００７８】
燃料電池システムは、図７に示すように、上述の実施形態に係る燃料電池システムにおいて備えられていたエゼクタ６を設ける代わりに、水素循環流路Ｌ２内のガスを循環させる燃料ガスポンプである水素ポンプ５１を備える。なお、水素供給配管Ｌ１は、第１実施形態乃至第４実施形態に係る燃料電池システムと同様に、第２空気供給配管Ｌ４との合流部１２から下流における配管径が、上流よりも大きくなるように形成されている。
【００７９】
このような燃料電池システムは、図２に示した停止制御処理を実行することにより、燃料電池スタック１に乾燥した空気を供給し、水分を除去する。
【００８０】
これに対し、停止制御処理時以外の燃料電池スタック１の通常運転時においては、コントローラ１３では、水素ポンプ５１によって水素循環流路Ｌ２内の水素を循環させる。これにより、燃料電池システムでは、２次水素調圧弁５により、第２空気供給配管Ｌ４内の空気圧力に対して、当該２次水素調圧弁５の上流の圧力を常に高く維持することができる。すなわち、この燃料電池システムにおいては、第１実施形態乃至第４実施形態に係るエゼクタ６を用いた燃料電池システムと同様の効果を得ることができる。
【００８１】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムの停止時に行う一連のシステム停止シーケンスを示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムの停止時に行う一連のシステム停止シーケンスを示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用した第５実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  高圧水素タンク
３  水素開閉弁
４  １次水素調圧弁
５  ２次水素調圧弁
６  エゼクタ
７  開閉弁
８  空気供給装置
９  加湿装置
１０，３１  空気調圧弁
１１  逆止弁
１２  合流部
１３  コントローラ
２１  バイパス弁
２２  空気開閉弁
４１  開閉弁
５１  水素ポンプ
Ｌ１  水素供給配管
Ｌ２  水素循環流路
Ｌ３  第１空気供給配管
Ｌ４  第２空気供給配管
Ｌ１１，Ｌ１２  バイパス配管
【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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