(57)【要約】【課題】  パージ時の水素ガスの放出量を低下し、燃料電池の燃費性能を向上させる。【解決手段】  水素循環配管１４は、水素極出口から排出された未反応水素ガスを水素供給量流路へ循環させる。水素極水詰まり又は不純物ガスが水素循環経路内に蓄積した場合、第１開閉弁３５を開いて、水素極排ガスを水素排出配管３１を介してタンク３０へ排出する。タンク３０の内部には、排ガスから水素を分離する水素分離膜６０が設けられている。圧力センサ４０は、水素極出口圧力Ｐ０を検出し、圧力センサ４１はタンク３０の内圧Ｐ１を検出する。第１開閉弁３５を開く時に、図示しないコントローラは、第１流量制御手段であるポンプ３４を駆動して、水素極出口圧力Ｐ０と、タンク３０の内圧Ｐ１との差圧を一定に保ちながらタンク３０から水素を水素循環経路へ戻す。水ポンプ５２は、タンク３０から加湿用の水を水配管５１を介して加湿器５０へ供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水素極出口から排出される排ガスを水素供給流路に循環させる水素循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、
水素排出配管を介して前記水素循環流路に接続されたタンクと、
前記水素排出配管を開閉する第１開閉弁と、
前記タンクと前記水素供給流路とを連結する水素戻り配管と、
前記水素戻り配管の流量を調整する第１流量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１流量制御手段はポンプであり、
前記タンク内の気体を前記水素供給通路に戻す際に、前記ポンプは前記タンク内の圧力を前記水素供給流路の圧力より低い圧力になるように前記タンク内の気体を吸い込み前記水素循環流路に吐出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３】
水素循環流路の圧力と前記タンク内の圧力との差圧が一定になるように、前記ポンプを運転制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
所定時間毎または、燃料電池の全体電圧または一部の電圧が低下した場合に、前記ポンプを駆動させて前記水素循環流路の圧力と前記タンク内の圧力との間に所定の差圧を発生させ、その後第１開閉弁を開放することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流量制御手段は、前記水素戻り配管に設けられた第２開閉弁であり、
運転圧の高い運転時に第１開閉弁を開いて前記水素循環流路から前記タンクへ排ガスを排出し、
運転圧の低い運転時に第２開閉弁を開いてタンク内圧により前記タンクから前記水素供給流路に気体を流入させ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６】
前記タンクと燃料電池の空気排出配管とを接続する配管と、
前記配管の流量を制御する第２流量制御手段とを備え、
第１開閉弁の開放後に第２流量制御手段を制御して前記タンク内の気体を空気排出配管へ排出することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の一部のセル電圧の低下を検出した場合には、
第１開閉弁の開放後に第１流量制御手段を制御してタンク内の気体を水素供給流路へ戻す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８】
前記タンクは水素分離膜を備え、
前記水素循環流路から前記タンク内に排出されたガス成分を分離して、水素濃度の高まったガスを水素供給流路に吐出することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記タンクに接続する水配管と水ポンプとを備え、前記タンクから前記水配管を通して供給される水を、燃料電池に供給する水素及び空気の少なくとも何れか一方の加湿に用いることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特にパージ機能を改善して燃費性能を向上させた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子膜は、通常、加湿された状態でないと充分に水素イオン導電性を発揮しないため、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガスまたは双方を加湿している。しかしながら運転状態によっては加湿水や生成水が燃料電池スタック内で凝縮し、反応ガス通路に水詰まりが発生することがある。
【０００４】
また、酸化剤ガスとして空気を用いる燃料電池では、空気中に含まれる窒素が固体高分子膜を透過して、水素循環経路内に蓄積し、水素極における水素ガス分圧を下げるので運転効率が低下する。上記のような水詰まりや窒素ガスの蓄積が生じた場合には、一般にパージと呼ばれる操作を行って、水詰まりや窒素ガス蓄積の解消を行っている。
【０００５】
従来の燃料電池におけるパージ動作の例としては、例えば特許文献１記載の燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおいては、燃料電池内のフラッティング防止のため、水素循環通路に設けたパージ弁を開放することにより、水素極排ガスを系外に放出している。
【特許文献１】特開２００２−２４６０４５号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、水素循環系よりパージ弁を開放することにより、余剰水素を系外に放出するため、未反応水素の放出量が増加し、システム効率が悪化するという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するため、本発明は、燃料電池の水素極出口から排出される排ガスを水素供給流路に循環させる水素循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、水素排出配管を介して前記水素循環流路に接続されたタンクと、前記水素排出配管を開閉する第１開閉弁と、前記タンクと前記水素供給流路とを連結する水素戻り配管と、前記水素戻り配管の流量を調整する第１流量制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の水素極出口から排出される排ガスを水素供給流路に循環させる水素循環流路を備えた燃料電池システムにおいて、水素排出配管を介して前記水素循環流路に接続されたタンクと、前記水素排出配管を開閉する第１開閉弁と、前記タンクと前記水素供給流路とを連結する水素戻り配管と、前記水素戻り配管の流量を調整する第１流量制御手段とを備えたので、第１開閉弁の開弁により、燃料電池内部の水詰まり解消もしくは、水素循環流路に蓄積する窒素を循環流路外に放出するパージを行い、排出した水素をタンクに貯め、流量制御手段で調整しながら水素流路内に戻すことができるため、無駄に水素を外部に排出することが無いので、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【０００９】
また、流量制御手段と第１開閉弁によりタンク内の圧力を制御できるので、タンク内の圧力を水素循環流路より低くすることで大気解放時と同様、水除去性能や窒素放出性能等のパージ性能も悪化させることは無い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施例は、燃料電池車両に適用した場合、燃料電池システムの効率を高め車両の燃費性能を向上させることができる。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する構成図である。図１において、燃料電池システムは、水素と空気を用いて発電する燃料電池（スタック）１と、コンプレッサ等の空気供給装置２と、空気を加湿する加湿器７と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク３と、水素循環装置としてのエゼクタ４と、エゼクタ４から送られる水素を加湿して燃料電池１へ供給する加湿器５０と、水素極出口から排出された排ガスを水素極入口側へ戻す水素循環配管１４と、水素循環配管１４に水素排出配管３１を介して接続されたタンク３０と、水素排出配管３１を開閉する第１開閉弁３５と、タンク３０から水素を水素極入口側へ戻す経路である水素戻り配管３３と、水素戻り配管３３を介してタンク３０から水素極入口側へガスを圧送する水素ポンプ３４とを備えている。
【００１２】
タンク３０の内部には、水素分離膜６０を備えている。水素分離膜６０は、水素排出配管３１からタンク３０へ送られた排ガスから水素を分離し、水素濃度が高められたガスを水素戻り配管３３を介して水素極入口側へ戻すことができる。
【００１３】
また、タンク３０と加湿器５０とを接続する水配管５１と、水配管５１を介してタンク３０の水を加湿器５０へ送る水ポンプ５２とを備えている。
【００１４】
また図示しないが、燃料電池１の各セルまたは一定数のセルが直列接続されたセル群毎の電圧を検出するセル電圧検出器が設けられており、その検出信号は図示しないコントローラに伝送され、パージが必要か否かの判定に利用されるようになっている。
【００１５】
さらに、燃料電池１の水素極出口には、圧力センサ４０，タンク３０には、圧力センサ４１をそれぞれ備えている。上記コントローラは、これら圧力センサ４０，４１の検出値を用いて、タンク３０から水素分離膜６０で分離された水素ガスを燃料電池１へ再循環させるポンプ３４の制御を行うとともに、第１開閉弁３５の開閉タイミングを制御する。
【００１６】
図１の燃料電池システムの作用は、以下の通りである。  
図示しないエアフィルタ等で塵埃が除去された空気は、空気供給装置２で圧縮され、空気配管２２を介して加湿器７へ送られる。加湿器７で加湿された空気は、燃料電池１の空気極入口に供給される。燃料電池１の空気極出口には、空気調圧弁１１が設けられ、空気調圧弁１１の開度と空気供給装置２の駆動力とにより燃料電池１の空気極圧力が調整される。空気調圧弁１１は、空気排出配管１２を介して系外へ排空気を排出する。
【００１７】
高圧水素タンク３の水素ガスは、開閉弁６，高圧水素ガスを一定の中圧まで圧力調整する第１調圧弁１６、及び第２調圧弁１７を介して運転圧力に調整されて、エゼクタ４のノズルに供給される。エゼクタ４は、ノズルに供給される新規水素ガスを駆動流として、吸込口に接続された水素循環配管１４からの排ガスを吸い込み、新規水素ガスと排ガスの混合ガスをディフューザから吐出する。この混合ガスは、加湿器５０で加湿されて、燃料電池１の水素極へ供給される。
【００１８】
燃料電池１の水素極で使用されなかった水素は、水素極出口から排ガスとして排出され、水素循環配管１４を介してエゼクタ４の吸込口に戻る。そして、エゼクタ４で新規水素と混合され、再度加湿器５０を経て燃料電池１の水素極に供給される。
【００１９】
燃料電池１の内部の水素流路、または燃料電池１に水素を供給する水素流路に水が溜まると、反応が阻害されるため、一時的に燃料電池を通過する水素流量を増加させることにより、燃料電池内の水を除去するパージ（水パージ）を行う必要がある。
【００２０】
本実施例では、前回のパージからの一定時間経過時、または燃料電池１の総電圧または一部のセル電圧が低下した際にタンク３０に対してパージする。このとき、第１開閉弁３５を開放し、水素排出配管３１よりタンク３０に水素を流出させることで、パージ動作を行うことができる。
【００２１】
タンク３０の内部には、水素分離膜６０が設けられているので、第１開閉弁３５を介して排出された水素極排ガスから水素濃度の高いガスが分離され、ポンプ３４を介して加湿器５０の入口側へ戻され、再使用される。
【００２２】
この際、タンク３０内の圧力を圧力センサ４１で測定し、この圧力が水素循環流路に設けた圧力センサ４０により測定される圧力に対して、常に一定圧力低くなるようにポンプ３４を稼動させる。この圧力差は、燃料電池の水パージに必要な水素流量が得られるように、実験的に設定される。
【００２３】
こうして、タンク３０に排出された水素は、ポンプ３４により、再度燃料電池に供給され発電に用いることができる。これにより無駄に排気する水素が無くなりシステム効率が向上する。
【００２４】
尚、本実施例では水パージによりタンク３０に回収した水を加湿器５０へ供給することとしたが、これに限らず空気用の加湿器７へ回収水を供給してもよい。
【００２５】
次に、図４のフローチャートを参照して、本実施例におけるパージ制御動作を説明する。図４のフローチャートは、例えば、１秒毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。尚、コントローラは、例えばソフトウェアタイマとして、前回のパージからの経過時間を測定するパージタイマＴｐを備えているものとする。
【００２６】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、コントローラはパージタイマＴｐを読み出し、Ｓ１２でパージタイマＴｐの値が所定値Ｔ１を超えているか否かを判定する。Ｓ１２の判定で、ＴｐがＴ１を超えていれば、前回のパージから所定時間経過したとして、パージ動作を行うために、Ｓ１８へ進む。
【００２７】
Ｓ１２の判定で、ＴｐがＴ１以下ならば、Ｓ１４へ移り、コントローラは、セル電圧検出器が検出したセル電圧を読み込む。次いで、Ｓ１６でコントローラは、セル電圧が低下したか否かを判定する。セル電圧の低下が無ければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。
【００２８】
Ｓ１６の判定で、セル電圧が燃料電池１全体でほぼ一様に規定値より低下した場合、窒素ガスの蓄積等が考えられ、パージが必要となる。燃料電池１の内部に水詰まりが生じた場合には、セル電圧の低下は一様ではなく、水詰まりが生じたセルまたはそのセルを含むセル群の電圧が低下するのでパージを行うことになる。
【００２９】
Ｓ１６の判定で、セル電圧の低下が認められた場合、Ｓ１８へ移り、コントローラはポンプ３４の駆動を開始する。次いで、Ｓ２０で、コントローラは、圧力センサ４０，４１から圧力検出値を読み込む。次いでＳ２２で、コントローラは、圧力センサ４０が検出した水素極出口の圧力Ｐ０から、圧力センサ４１が検出したタンク３０の内圧Ｐ１を減じた値が所定圧力Ｐａを超えているか否かを判定する。所定圧力を超えていなければＳ２０へ戻る。
【００３０】
Ｓ２２で、Ｐ０−Ｐ１がＰａを超えれば、Ｓ２４へ移り、第１開閉弁３５を開いて、水素極出口（或いは水素循環経路）から水素排出配管３１を介して排ガスをタンク３０へ導入する。
【００３１】
次いで、Ｓ２６でコントローラは、圧力センサ４０，４１から圧力検出値を読み込む。次いでＳ２８で、コントローラは、圧力センサ４０が検出した水素極出口の圧力Ｐ０から、圧力センサ４１が検出したタンク３０の内圧Ｐ１を減じた値が所定圧力Ｐａを超えているか否かを判定する。この圧力差の所定値Ｐａは、燃料電池の水パージに必要な水素流量が得られるように、予め実験的に求めて、コントローラに定数として設定されている。
【００３２】
Ｓ２８の判定で、所定圧力Ｐａを超えていれば、Ｓ３０へ進み、所定圧力Ｐａを超えていなければＳ３２へ進む。Ｓ３０では、コントローラは、ポンプ３４の駆動力を一定値だけ低下させてＳ３４へ移る。Ｓ３２では、コントローラは、ポンプ３４の駆動力を一定値だけ増加させてＳ３４へ移る。
【００３３】
Ｓ３４では、コントローラは、Ｓ２４で第１開閉弁３５を開いてから所定時間経過したか否かを判定する。所定時間経過していなければ、Ｓ２６へ戻る。Ｓ２６からＳ３４までのループにより、Ｐ０−Ｐ１が所定圧力差Ｐａに維持されパージが行われる。
【００３４】
Ｓ３４の判定で所定時間経過していれば、Ｓ３６へ進む。この所定時間は、燃料電池の水パージに必要な時間を予め実験的に求めて、コントローラに定数として設定されている。
【００３５】
Ｓ３６ではポンプ３４を停止し、Ｓ３８では、第１開閉弁３５を閉じて、Ｓ４０でパージタイマＴｐをリセットして、パージ処理を終了し、メインルーチンへ戻る。
【００３６】
以上のように本実施例によれば、第１開閉弁３５の開弁によりパージを行い、排出した水素をタンク３０に貯め、ポンプ３４により水素流路内に戻すことができるため、パージの際に無駄に水素を外部に排出することが無いので、効率の高いシステムにできる。
【００３７】
また、ポンプ３４と第１開閉弁３５によりタンク内の圧力を制御できるので、タンク３０内の圧力を水素循環流路より低くしてから第１開閉弁３５を開放することで大気解放時と同様の水除去性能を得ることができる。
【００３８】
また、水素循環流路とタンク内圧の差圧を常に一定にしておくので、運転圧を変更しても、パージに必要な圧力差を確保し、急なパージ要求にも応答よく制御できる。  
また、運転圧が高い時には、その分タンク圧を高くすることで無駄にポンプ揚程を上げる必要が無く、効率を高くできる。
【００３９】
なお、本実施例では、ポンプ３４がダイヤフラムポンプのように運転停止時には、水素ガスが逆流しないものとしてパージ時のみポンプ３４を駆動していたが、運転停止時に逆流するようなポンプを用いる場合、燃料電池運転中はポンプの運転を継続するか、或いは別途ポンプと直列に開閉弁を設けてもよい。
【００４０】
また、水素タンク内に水素分離膜６０を備えるので窒素パージで排出された水素の純度を上げて水素循環流路に戻すことで、水素循環流路内の水素濃度を高めることができることで発電効率が高まる共に、エゼクタ等の水素循環装置の負荷を軽減し、水素循環率を高めることができる。
【００４１】
また、燃料電池の水素極は、燃料消費率が高いと燃料電池下流で凝縮水が発生する。この水分はパージ時にタンクに排出されるため、この水分を加湿に利用することで、パージと共に排気に捨てる水分が無くなり、水収支が改善する。
【実施例２】
【００４２】
次に実施例２について説明する。図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する構成図である。
【００４３】
図２において、燃料電池システムは、水素と空気を用いて発電する燃料電池（スタック）１と、コンプレッサ等の空気供給装置２と、空気を加湿する加湿器７と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク３と、水素循環装置としてのエゼクタ４と、水素極出口から排出された排ガスを水素極入口側へ戻す水素循環配管１４と、水素循環配管１４に水素排出配管３１を介して接続されたタンク３０と、水素排出配管３１を開閉する第１開閉弁３５と、タンク３０から水素を水素極入口側へ戻す経路である水素戻り配管３３と、水素戻り配管３３を介してタンク３０から水素極入口側へガスを圧送する水素ポンプ３４とを備えている。
【００４４】
また図示しないが、燃料電池１の各セルまたは一定数のセルが直列接続されたセル群毎の電圧を検出するセル電圧検出器が設けられており、その検出信号は図示しないコントローラに伝送され、パージが必要か否かの判定に利用されるようになっている。
【００４５】
さらに、燃料電池１の水素極出口には、圧力センサ４０，タンク３０には、圧力センサ４１、燃料電池１の水素極入口には、圧力センサ４２をそれぞれ備えている。上記コントローラは、これら圧力センサ４０，４１、４２の検出値を用いて、タンク３０から水素ガスを燃料電池１へ再循環させる第２開閉弁３７の制御を行うとともに、第１開閉弁３５の開閉タイミングを制御する。  
その他の構成要素は、実施例１の図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４６】
実施例２では、圧力センサ４０で検知した燃料電池下流の圧力が、タンク３０の内圧より高い場合に、第１開閉弁３５を開放することでパージを行うことを可能とし、圧力センサ４１で検知するタンク３０の内圧力が圧力センサ４２で検知する燃料電池入口圧力より高くなる場合に、第２開閉弁３７を開放して、タンク３０内の水素を燃料電池上流に戻す。
【００４７】
次に、第２実施例の作用について説明する。  
パージの必要が生じた場合には、第２調圧弁１７、空気供給装置２及び空気調圧弁１１を制御して、燃料電池１の運転圧を上昇させるよう制御し、燃料電池下流の圧力をタンク３０の内圧より上昇させることでパージを行い、その後、運転圧を下げて、第２開閉弁３７でタンク内圧を低下させるよう制御する。
【００４８】
次に、図５のフローチャートを参照して、本実施例におけるパージ制御動作を説明する。図５のフローチャートは、例えば、１秒毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。尚、コントローラは、例えばソフトウェアタイマとして、前回のパージからの経過時間を測定するパージタイマＴｐを備えているものとする。
【００４９】
まず、Ｓ１０からＳ１６の処理は、図４に示した実施例１と同様であるので、説明を省略する。  
Ｓ１６の判定で、セル電圧が低下したと判定された場合、Ｓ５０へ移り、コントローラは、第２調圧弁１７、空気供給装置２及び空気調圧弁１１を制御して、燃料電池１の運転圧力を上昇させる。次いで、Ｓ５２で、コントローラは、圧力センサ４０，４１から圧力検出値を読み込む。次いでＳ５４で、コントローラは、圧力センサ４０が検出した水素極出口の圧力Ｐ０が圧力センサ４１が検出したタンク３０の内圧Ｐ１を超えているか否かを判定する。超えていなければＳ５０へ戻る。
【００５０】
Ｓ５４の判定で、Ｐ０がＰ１を超えていれば、Ｓ５６へ移り、第１開閉弁３５を開いて、水素極出口（或いは水素循環経路）から水素排出配管３１を介して排ガスをタンク３０へ導入する。
【００５１】
次いで、Ｓ５８でコントローラは、Ｓ５６で第１開閉弁３５を開いてから所定時間経過したか否かを判定する。所定時間経過していなければ、Ｓ５８へ戻る。Ｓ５８のセルフループにより、水素循環経路からタンク３０へパージが行われる。
【００５２】
Ｓ５８の判定で所定時間経過していれば、Ｓ６０へ進む。この所定時間は、燃料電池の水パージに必要な時間を予め実験的に求めて、コントローラに定数として設定されている。
【００５３】
Ｓ６０では、コントローラは第１開閉弁３５を閉じ、Ｓ６２では、コントローラは、第２調圧弁１７、空気供給装置２及び空気調圧弁１１を制御して、燃料電池１の運転圧力を低下させる。次いで、Ｓ６４で、コントローラは、圧力センサ４１，４２から圧力検出値を読み込む。次いでＳ６６で、コントローラは、圧力センサ４１が検出したタンク３０の内圧Ｐ１が圧力センサ４２が検出した燃料電池水素極入口の圧力Ｐ２を超えているか否かを判定する。Ｓ６６の判定で、Ｐ１がＰ２を超えていれば、Ｓ６８へ進み、第２開閉弁３７を開き、Ｓ６４へ戻る。
【００５４】
Ｓ６６の判定でＰ１がＰ２を超えていなければ、Ｓ７０へ進み、第２開閉弁３７を閉じる。次いで、パージタイマＴｐをリセットしてパージ処理を終了し、メインルーチンへ戻る。
【００５５】
以上のように本実施例では、第１実施例で用いた水素ポンプを用いることなく、運転圧変化を利用して、パージを行い、またタンク内に排出されたパージ水素を水素循環流路に戻すことができる。
【実施例３】
【００５６】
次に実施例３について説明する。図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明する構成図である。
【００５７】
図３において、燃料電池システムは、水素と空気を用いて発電する燃料電池（スタック）１と、コンプレッサ等の空気供給装置２と、空気を加湿する加湿器７と、水素を高圧で貯蔵する高圧水素タンク３と、水素循環装置としてのエゼクタ４と、水素極出口から排出された排ガスを水素極入口側へ戻す水素循環配管１４と、水素循環配管１４に水素排出配管３１を介して接続されたタンク３０と、水素排出配管３１を開閉する第１開閉弁３５と、タンク３０から水素を水素極入口側へ戻す経路である水素戻り配管３３と、水素戻り配管３３を介してタンク３０から水素極入口側へガスを圧送する水素ポンプ３４とを備えている。
【００５８】
また、タンク３０と空気排出配管１２とを第２流量制御手段である第３開閉弁３８及びオリフィス３９で接続し、第１開閉弁３５の開放後に第３開放弁３８を制御してタンク３０に排出した気体を空気は移出配管１２へ排出できるようになっている。
【００５９】
また図示しないが、燃料電池１の各セルまたは一定数のセルが直列接続されたセル群毎の電圧を検出するセル電圧検出器が設けられており、その検出信号は図示しないコントローラに伝送され、パージが必要か否かの判定に利用されるようになっている。
【００６０】
さらに、燃料電池１の水素極出口には、圧力センサ４０，タンク３０には、圧力センサ４１をそれぞれ備えている。上記コントローラは、これら圧力センサ４０，４１の検出値を用いて、タンク３０から水素ガスを燃料電池１へ再循環させるポンプ３４の制御を行うとともに、第１開閉弁３５及び第３開閉弁３８の開閉タイミングを制御する。
【００６１】
その他の構成要素は、実施例１の図１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００６２】
次に、実施例３の作用について説明する。  
タンク３０は、空気排出配管１２と連通する配管７０と、第２流量制御手段として開閉弁３８及びオリフィス（絞り）３９を備え、水素循環流路１４からタンク３０に放出された水素・窒素・水分をオリフィス３９を介して、空気排出配管１２に流出する。
【００６３】
オリフィス３９は、空気排出配管１２に流れる燃料電池１の空気極排空気で、タンク３０から排出される水素を安全上設定される所定濃度以下に希釈できる流量以下になるようにサイズが設定される。
【００６４】
燃料電池の水素極には、燃料電池の空気極より電解質膜を通じて窒素が透過してくるため、水素循環流路には窒素が蓄積して、水素の濃度が低くなり発電効率が低下するばかりか、エゼクタ４で得られる水素循環流量も低下し、さらに燃料電池の発電効率が低下する。
【００６５】
このため、窒素濃度が発電効率を大きく下げないうちに、窒素を水素循環流路外に排出する必要がある。このため、窒素濃度が燃料電池性能に影響を与えるほど高くなった際には、水素循環流路から窒素を排出する必要があるが、窒素排出と同時に水素も排出するため、水素循環流路から排空気流路に直接排出すると、低負荷では燃料電池の排空気流量が小さくなるため、水素が可燃範囲の濃度になってしまう。
【００６６】
本実施例では、水素循環流路から一旦タンク３０に、燃料電池１の水素・窒素・水分を含む水素極排気を排出し、その後タンク３０に放出された水素をオリフィス３９で流量を制限して、序々に空気排出配管に流出することで、排空気で希釈しながら可燃範囲以下の濃度で捨てることができる。
【００６７】
なお、窒素の蓄積は燃料電池の運転時間にほぼ比例すること、及び窒素蓄積時には燃料電池のセル電圧が全体的に低下することを利用して、所定時間毎又は電圧低下時に上記制御を行う。
【００６８】
また、図示しない燃料電池のセル電圧検出器により、一部のセル電圧が低下したことを検出した場合、すなわち燃料電池の水素極流路に水詰まりを生じた場合には、第１開閉弁３５を開放して、燃料電池内流路の水抜きを行った後、タンク３０に流入した水素リッチなガスは、ポンプ３４を用いて水素循環流路に再流入させる。
【００６９】
これにより、短時間に水素リッチガスをタンクに排出するので、燃料電池内の水飛ばしを行うことができる。また、この場合にタンク３０に流入したガスは、Ｎ２濃度が未だ許容濃度以下であるため、ポンプ３４で水素循環流路に戻すことで、水素を無駄に系外に排出することがなく、システムのエネルギ効率を高めることができる。
【００７０】
また、タンクに設置した圧力センサ４１で検知するタンク内圧が、所定の圧力より低い時は、配管圧損のため空気排出配管内が、タンク３０の内圧より高くなる可能性があるため、空気が空気排出配管１２からタンク３０に流入しないように第３開閉弁３８を閉じる。上記所定圧力は、事前に推定もしくは、実験により明らかにした運転条件での空気排出配管内圧力とする。
【００７１】
次に、図６のフローチャートを参照して、本実施例におけるパージ制御動作を説明する。図６のフローチャートは、例えば、１秒毎にコントローラのメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。尚、コントローラは、例えばソフトウェアタイマとして、前回のパージからの経過時間を測定するパージタイマＴｐを備えているものとする。
【００７２】
まず、Ｓ１０からＳ１６までは、図１に示した実施例１と同様である。Ｓ１６の判定で、セル電圧が低下したと判断された場合、Ｓ８０へ移り、コントローラは第１開閉弁３５を開く。これにより水素極または水素循環経路から排水素ガスがタンク３０へ流出を始める。
【００７３】
次いで、Ｓ８２で、コントローラは、一部セルのみの電圧低下か否かを判定する。一部セルのみの電圧低下であれば、Ｓ１００へ移る。全セルの電圧低下であれば、窒素等の蓄積のため水素分圧が下がったのでガスパージが必要としてＳ８４へ移る。
【００７４】
Ｓ８４では、コントローラは、第３開閉弁３８を開く。これによりタンク３０から、第３開閉弁３８，オリフィス３９を介して、窒素を含んだ水素が空気排出配管に放出される。次いで、Ｓ８６でコントローラは、圧力センサ４１から圧力検出値を読み込む。次いでＳ８８で、コントローラは、圧力センサ４１が検出したタンク３０の内圧Ｐ１が所定圧力Ｐｂを超えているか否かを判定する。所定圧力Ｐｂを超えていれば、Ｓ９２へ進む。所定圧力Ｐｂを超えていなければＳ９０へ進む。この所定圧力Ｐｂは、事前に推定もしくは、実験により明らかにした運転条件での空気排出配管内圧力とし、予めコントローラに記憶させておく。
【００７５】
Ｓ９０で、は、Ｓ８４からの経過時間が所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過していなければ、Ｓ８６へ戻る。所定時間経過していれば、Ｓ９２へ進み、コントローラは、第３開閉弁３８を閉じて、Ｓ１０６へ進む。
【００７６】
一方、Ｓ１００では、一部セルのみの電圧低下であるので、水詰まりを解消する水パージを行うため、ポンプ３４の駆動を開始する。次いで、Ｓ１０２で所定時間経過したか否かを判定し、所定時間経過していなければ、Ｓ１０２でセルフループする。Ｓ１０２で所定時間経過していれば、Ｓ１０４へ進み、ポンプ３４を停止し、Ｓ１０６で第１開閉弁３５を閉じて、Ｓ１０８でパージタイマＴｐをリセットして、パージ動作を終了し、メインルーチンへ戻る。
【００７７】
以上説明した本実施例によれば、短時間に水素循環経路から排水素ガスをタンク３０に排出するので、燃料電池内の水飛ばしを効率的に行うことができる。また、セル電圧低下が全セルなのか一部セルなのかを判定して、タンク内のガスを系外へ排出するか水素循環経路へ戻すかを制御しているので、水素を無駄に系外に排出することがなく、システムのエネルギ効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】実施例１の動作を説明するフローチャートである。
【図５】実施例２の動作を説明するフローチャートである。
【図６】実施例３の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１：燃料電池
２：空気供給装置
３：高圧水素タンク
４：エゼクタ
７：加湿装置
１１：空気調圧弁
１２：空気排出配管
１４：水素循環流路
１６：第１調圧弁
１７：第２調圧弁
２２：空気配管
３０：タンク
３１：水素排出配管
３３：水素戻り配管
３４：ポンプ
３５：第１開閉弁
３７：第２開閉弁
３８：第３開閉弁
３９：オリフィス
４０：圧力センサ
４１：圧力センサ
４２：圧力センサ
５０：加湿器
５１：水配管
５２：水ポンプ
６０：水素分離膜
７０：排水素配管
【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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