(57)【要約】    【課題】  システムの体格を大きくすることなく、各種制御弁を効率よく暖機することが可能な燃料電池システムを提供する。    【解決手段】  燃料電池１０と、燃料電池１０に水素を供給する水素供給系２０と、燃料電池１０から排出された水素を流通して再び燃料電池１０に供給する水素循環系３０と、前記水素の少なくとも一部を加熱する加熱装置５０と、加熱装置５０により加熱された水素を、水素循環系３０に設けられた制御弁３２及び３３に導くバイパス配管４０と、を備えてなる燃料電池システム１である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系と、
前記燃料電池から排出された反応ガスを流通する排ガス流通系と、
前記反応ガスの少なくとも一部を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置により加熱された反応ガスを、前記ガス供給系及び排ガス流通系の少なくとも一方に設けられた制御弁内の可動部に、反応ガス流路に設けられたシステム構成要素をバイパスして導くバイパス路と、
を備えてなる燃料電池システム。
【請求項２】
前記排ガス流通系が、前記燃料電池から排出された反応ガスを循環させて再び当該燃料電池に供給するガス循環系であり、前記バイパス路は、前記加熱装置により加熱された反応ガスを、前記ガス循環系に設けられた制御弁内の可動部に導く請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱装置に、ガス供給系から供給される反応ガスを導入する請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス路は、前記ガス供給系のガス流路から分岐されてなり、前記加熱装置を当該バイパス路に配設した請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応ガスが燃料ガスであり、前記ガス供給系が、燃料ガス供給源と、当該燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを流通させるガス流路と、当該ガス流路上に設けられた少なくとも一つの調圧弁と、を備え、前記加熱装置に、最下流側に配設された調圧弁よりも上流側から供給される燃料ガスを導入する請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記反応ガスが酸化ガスであり、前記ガス供給系が、酸化ガス供給源と、当該酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを流通させるガス流路と、当該ガス流路上に設けられたコンプレッサと、を備え、前記加熱装置に、当該コンプレッサよりも下流側から供給される酸化ガスを導入する請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記システム構成要素が、スタック、制御弁、レギュレータである請求項１ないし請求項６のいずれか一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かかり、特に、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系及びガス循環系を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、一般的な固体高分子型燃料電池として、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という）と、前記燃料極に燃料ガス（水素）を、酸化剤極に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層した構成のものがある。
【０００３】
このような燃料電池には、通常、燃料電池に燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系と、燃料電池から排出される未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する水素循環系が接続されており、水素循環系には、水素の供給状態を制御する電磁バルブが配設され、これらによって燃料電池システムを構成している。
【０００４】
しかしながら、このような燃料電池システムでは、燃料電池の発電時に、酸化剤極（カソード）側に生成水が発生し、この生成水が電解質膜を逆拡散して水素極（アノード）側に到達し、水素循環系の配管内やバルブを循環する。そして、低温時に、バルブに付着した生成水が凍結してバルブが作動しなくなるという虞があった。そこで、近年では、前記バルブが凍結することを防止するため、バルブを加熱することが行われている。
【０００５】
このような燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池に断熱圧縮した酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出される排出反応ガスのガス流路上に設けられた制御弁と、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とを熱交換することで前記制御弁を加熱する制御弁加熱手段と、を備えた燃料電池システムも紹介されている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８９号公報
【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、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料ガス供給系の各種制御弁を暖機ボックス内に収納し、この暖機ボックス内にエアコンプレッサにて断熱圧縮した高温の空気を導入することにより前記制御弁を外側から加熱している。このため、前記暖機ボックスを設けるためのスペースを確保する必要がある。特に、多数の制御弁を加熱する場合、暖機ボックスの体格を大きくする必要があると共に、高温の空気を得るために行う断熱圧縮に必要なエネルギー消費も増大する。
【０００７】
本発明は、このような従来の燃料電池システムを改良することを課題とするものであり、システムの体格を大きくすることなく、各種制御弁を効率よく暖機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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系と、前記燃料電池から排出された反応ガスを流通する排ガス流通系と、前記反応ガスの少なくとも一部を加熱する加熱装置と、前記加熱装置により加熱された反応ガスを、前記ガス供給系及び排ガス流通系の少なくとも一方に設けられた制御弁内の可動部に、反応ガス流路に設けられたシステム構成要素をバイパスして導くバイパス路と、を備えてなる燃料電池システムを提供するものである。
【０００９】
この構成を備えた燃料電池システムでは、ガス供給系及び／または排ガス流通系のガス流路上に設けられた制御弁内の可動部を、加熱装置により加熱された反応ガスにより直接暖機することができる。したがって、従来のように、制御弁を外側から暖機する暖機ボックス等を設ける必要がないため、燃料電池システムの体格を大きくすることなく、制御弁を効率よく暖機することができる。また、暖機に使用した後の反応ガスも、燃料電池に供給し、通常の反応ガスとして使用することができるため、無駄がない。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池システムは、前記排ガス流通系を、前記燃料電池から排出された反応ガスを循環させて再び当該燃料電池に供給するガス循環系から構成し、前記バイパス路は、前記加熱装置により加熱された反応ガスを、前記ガス循環系に設けられた制御弁内の可動部に導く構成とすることができる。
【００１１】
また、本発明にかかる燃料電池システムは、前記加熱装置に、ガス供給系から供給される反応ガスを導入することができる。このようにすることで、前記利点に加え、反応ガスの圧力差によって反応ガスに流れを生じさせることができるため、加熱装置で加熱された反応ガスを下流側へ送るためのポンプ等を設ける必要がない。したがって、さらに小型化を達成することができる。
【００１２】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、前記バイパス路を、前記ガス供給系のガス流路から分岐させて構成してもよく、そしてこのバイパス路に前記加熱装置を配設することもできる。
【００１３】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムは、前記反応ガスが燃料ガスであり、前記ガス供給系が、燃料ガス供給源と、当該燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを流通させるガス流路と、当該ガス流路上に設けられた少なくとも一つの調圧弁を備え、前記加熱装置に、最下流側に配設された調圧弁よりも上流側から供給される燃料ガスを導入する構成とすることもできる。
【００１４】
さらにまた、本発明にかかる燃料電池システムは、前記反応ガスが酸化ガスであり、前記ガス供給系が、酸化ガス供給源と、当該酸化ガス供給源から供給される酸化ガスを流通させるガス流路と、当該ガス流路上に設けられたコンプレッサと、を備え、前記加熱装置に、当該コンプレッサよりも下流側から供給される酸化ガスを導入する構成とすることもできる。
【００１５】
また、前記システム構成要素としては、スタック、制御弁、レギュレータ等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかる燃料電池システムは、ガス循環系のガス流路上に設けられた制御弁を、加熱装置により加熱された反応ガスによって暖機する構成を備えている。したがって、制御弁を収納して暖機する暖機ボックス等を別途設ける必要がないため、燃料電池システムの小型化が達成されると共に、制御弁を効率よく暖機することができる。さらに、暖機に使用した後の反応ガスも、通常の反応ガスとして使用することができるため、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池システムの概略図、図２は、図１に示す燃料電池システムのガス循環系に配設された制御弁の断面図である。
【００１９】
図１に示すように、実施例１にかかる燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素を供給する水素供給系２０と、燃料電池１０から排出された未反応の水素を循環させて再び燃料電池１０に供給する水素循環系３０と、を備えている。
【００２０】
水素供給系２０は、水素を貯蔵する高圧タンク２１及び２２と、高圧タンク２１に接続された配管２３と、高圧タンク２２に接続された配管２４と、配管２３及び２４が合流した配管２５と、配管２３に配設され、高圧タンク２１から供給される水素の圧力を調整する調圧弁２６と、配管２４に配設され、高圧タンク２２から供給される水素の圧力を調整する調圧弁２７と、配管２５に配設され、ここを流通する水素の圧力を調整する調圧弁２８と、を備えて構成されている。そして、配管２５は、調整弁２８よりも下流側が、後に詳述する配管３１と合流点Ａにおいて合流するよう構成されている。
【００２１】
水素循環系３０は、燃料電池１０から排出された未反応の水素が排出されると共に、この水素を再び燃料電池１０に供給する配管３１と、配管３１の燃料電池１０から排出される水素の出側近傍に設けられた制御弁３２と、配管３１の燃料電池１０に供給される水素の入側近傍に設けられた制御弁３３と、を備えて構成されている。この配管３１は、合流点Ａにおいて、水素供給系２０の配管２５と合流する構成となっている。
【００２２】
配管３１は、特に図２に示すように、その内部が水素流路４６となっており、後に詳述する制御弁３２及び３３が設けられる位置に、制御弁３３及び３４の内部と連通する開口部２９が形成されている。この配管３１の開口部２９が形成された位置には、制御弁３３及び３４の主弁３６と当接して水素流路４６を閉鎖する閉鎖部４７と、主弁３６を支持する支持部４８が形成されている。
【００２３】
制御弁３２及び３３は、ケース３４の略中央部に、図２でいう上下方向に移動可能に設けられた可動アセンブリ３５と、可動アセンブリ３５の先端（図２でいう下端）に設けられた主弁３６を備え、ボンネット３７によって配管３１の開口部２９を閉鎖している。この制御弁３２及び３３は、電磁バルブであり、電磁石３８とスプリング３９により主弁３６を可動させている。具体的には、主弁３６を配管３１側（図２でいう下側）に移動させることにより、主弁３６の下面が閉鎖部４７に当接して水素流路４６を閉鎖すると共に、支持部４８によって支持される。一方、主弁３６を配管３１から離れる方向（図２でいう上側）に移動させることにより、閉鎖部４７と主弁３６の下面との間に空間を形成し、水素流路４６内を水素が流通するようにしている。
【００２４】
配管３１とボンネット３７との固定部分には、主弁３６から延びるダイアフラム部４９が配設されており、この主弁３６によって水素流路４６と空間２９は遮断されている。制御弁３２の支持部４８と主弁３６との間に形成された空間４３（空間２９に連通している）には、配管４１の下流側先端が連通した状態で配設されている。同様に、制御弁３３の支持部４８と主弁３６との間に形成された空間４３（空間２９に連通している）には、配管４２の下流側先端が連通した状態で配設されている。この構成により、この空間４３には、後に詳述するが、配管４１及び４２を流通する高温の水素が供給され、この水素により、主弁３６は直接暖機されることになる。なお、図２に示す符号４４は、Ｏリングである。
【００２５】
一方、水素供給系２０の配管２５の調圧弁２８よりも上流側には、配管２５に連通するバイパス配管４０が接続されている。このバイパス配管４０は、下流側が２つに分岐されており、一方の分岐配管４１が制御弁３２に、他方の分岐配管４２が制御弁３３に各々接続されている。バイパス配管４０には、バイパス配管４０内を流通する水素を加熱する加熱装置５０が配設されている。なお、このバイパス配管４０は、燃料電池システム１の構成要素である燃料電池１０のスタック、制御弁、レギュレータ（調整弁等）をバイパスしている。
【００２６】
加熱装置５０としては、例えば、耐圧性、シール性に優れた密閉した容器の周りにニクロム線を配した、電熱により水素を暖めるような構成の装置等が挙げられる。
【００２７】
バイパス配管４０の加熱装置５０が配設された位置よりも下流側には、分配弁４５が設けられている。この分配弁４５は電磁バルブからなり、分配弁４５を開くことで、加熱装置５０を経て送られてくる水素を分岐配管４１及び４２を介して制御弁３２及び３３に供給し、閉じることで供給を停止する。
【００２８】
この構成を備えた燃料電池システム１において、燃料電池１０による発電を行う場合、先ず、高圧タンク２１及び２２から供給された水素が調圧弁２６及び２７により調圧され、配管２３及び２４を流通して配管２５に合流する。次に、配管２５を流通する水素は、調圧弁２８に供給されるものと、バイパス配管４０に供給されるものとに分配される。調圧弁２８に供給された水素は、ここでさらに調圧されて、合流点Ａを経て配管３１を流通し、制御弁３３を介して燃料電池１０の水素入口（図示せず）から水素供給路（図示せず）に供給される。一方、バイパス配管４０に供給された水素は、加熱装置５０で所望の温度に加熱される。なお、この時点では、分配弁４５は、閉じた状態となっている。
【００２９】
これと同時に、燃料電池１０の空気供給路（図示せず）には、図示しない空気供給源から空気が供給される。
【００３０】
燃料電池１０内の水素供給路に水素が、空気供給路に空気が各々供給されると、燃料電池１０を構成している各単セル（図示せず）内において、以下の電気化学反応が効率よく行われる。すなわち、
アノード電極側では、    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード電極側では、    （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、    Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ  
【００３１】
この電気反応に使用されなかった水素は、燃料電池１０の水素排出口（図示せず）から配管３１に排気され、制御弁３２を通過して再び合流点Ａを経て燃料電池１０へと循環する。一方、この電気反応に使用されなかった空気は、燃料電池１０の空気排出口（図示せず）から排気される。
【００３２】
この燃料電池１０の発電時には、カソード電極側に生成水が発生し、この生成水が電解質膜を逆拡散してアノード電極側に到達し、水素循環系３０の配管３１内や制御弁３２及び３３を循環する。そして、低温時に、制御弁３２及び３３に付着した生成水が凍結して制御弁３２及び３３が作動しなくなる可能性がある。そこで、例えば、制御弁３２及び３３内の温度をモニタしたり、主弁３６の開閉作業にかかる負荷等をモニタする等して、分配弁４５の開閉を制御し、制御弁３２及び３３が凍結する前に、分配弁４５を開けて、加熱装置５０により加熱された水素を制御弁３２及び３３の空間４３に供給する。
【００３３】
この時、配管２５の調圧弁２８よりも上流側を流通する水素は、調圧弁２８よりも下流側を流通する水素よりも圧力が高いため、反応ガスの圧力差によって、バイパス配管４０に水素の流れを生じさせることができる。したがって、水素をバイパス配管４０や、加熱装置５０へ送るためのポンプ等を設ける必要がない。したがって、小型化を達成することができる。
【００３４】
空間４３に供給された高温の水素は、制御弁３２及び３３の主弁２６（可動部）を直接暖機して、制御弁３２及び３３が凍結することを効率よく防止することができる。また、空間４３に供給された高温の水素は、主弁２６が配管３１から離れる方向に移動して、閉鎖部４７と主弁２６の下面との間に空間が形成された際に、この空間から水素流路４６に供給され、水素流路４６を流通する水素と共に、燃料電池１０内に供給される。したがって、暖機用に使用した水素も燃料ガスとして使用することができ、経済的である。
【００３５】
なお、実施例１では、２つの高圧タンク２１及び２２を配設した場合について説明したが、これに限らず、高圧タンクの配設は所望により決定することができる。また、高圧タンクを配設する他、ポンプ等を利用して燃料電池１０に水素を供給してもよい。
【００３６】
また、実施例１では、水素循環系３０に２つの制御弁３２及び３３を配設した場合について説明したが、これに限らず、制御弁の配設数は所望により決定することができる。この場合、制御弁の設置数に応じて、バイパス配管４０の下流側を分岐させればよい。
【００３７】
さらにまた、実施例１では、水素循環系３０に配設された制御弁３２及び３３内の主弁２６（可動部）に、加熱装置５０にて加熱された水素ガスを導いた場合について説明したが、これに限らず、水素供給系２０の所望位置に配置された任意の弁（制御弁や調整弁等）の可動部に、加熱装置５０にて加熱された水素ガスを導いてもよい。
【００３８】
そしてまた、実施例１では、制御弁３２及び３３の空間４３に、バイパス配管４０の分岐配管４１及び４２をそれぞれ連通配置し、空間４３に加熱された水素を導入する構成とした場合について説明したが、これに限らず、制御弁３２及び３３の近傍（直前）で、一つの制御弁３２（３３）に対し、バイパス配管４０の下流側を複数本に分岐させ、制御弁３２（３３）のダイアフラム４９位置付近に配置させてもよい。
【００３９】
また、実施例１では、配管２５の調圧弁２８よりも上流側にバイパス配管４０を接続した場合について説明したが、これに限らず、バイパス配管４０は、例えば、配管２３及び２４の調圧弁２６及び２７よりも上流側に、それぞれ接続させてもよい。また、バイパス配管４０は、合流点Ａと調圧弁２８との間に接続してもよい。
【実施例２】
【００４０】
次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
図３は、本発明の実施例２にかかる燃料電池システムの概略図である。図３に示すように、実施例２にかかる燃料電池システム２と、実施例１にかかる燃料電池システム１との異なる点は、水素供給系２０の代わりに、空気供給系６０を設け、水素循環系３０の代わりに空気排出系７０を設けた点である。
【００４２】
図３に示すように、空気供給系６０は、図示しない空気供給源に接続されたエアコンプレッサ６１と、エアコンプレッサ６１から送り出された空気を燃料電池１０に供給する配管６２を備えて構成されている。
【００４３】
空気排出系７０は、燃料電池１０の空気排出口（図示せず）に接続され、ここから排出される空気を外部に排出させる配管６４と、配管６４の空気流通路に設けられた制御弁３２及び３３を備えて構成されている。
【００４４】
配管６２には、バイパス配管４０が接続されており、このバイパス配管４０の一方の分岐配管４１が制御弁３２に、他方の分岐配管４２が制御弁３３に各々接続されている。バイパス配管４０には、バイパス配管４０内を流通する空気を加熱する加熱装置５０が配設されている。
【００４５】
この構成を備えた燃料電池システム２は、燃料電池１０が、実施例１で説明したように発電を行う際に、加熱装置５０によって加熱された空気が、必要に応じて制御弁３２及び３３に導かれ、これらの弁を暖機する。また、電気反応に使用されなかった空気は、燃料電池１０の空気排出口（図示せず）から排気される。
【００４６】
なお、実施例２では、燃料電池１０から排出された空気を外部に排出する空気排出系７０を備えた場合について説明したが、これに限らず、燃料電池１０から排出された空気（あるいは、他の酸化ガス）を循環させて再び燃料電池１０に供給する空気循環系（酸化ガス循環系）を備えても良い。
【００４７】
そしてまた、実施例１で説明した水素供給系２０及び水素循環系３０と、実施例２で説明した空気供給系６０及び空気排出系７０（あるいは、酸化ガス循環系）を組み合わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例１にかかる燃料電池システムの概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムのガス循環系に配設された制御弁の断面図である。
【図３】本発明の実施例２にかかる燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、２    燃料電池システム
１０    燃料電池
２０    水素供給系
３０    水素循環系
３２、３３    制御弁
３６    主弁
４０    バイパス配管
４１、４２    分岐配管
４５    分配弁
５０    加熱装置
６０    空気供給系
７０    空気排出系
【図１】
2005276764.tif 000003
【図２】
2005276764.tif 000004
【図３】
2005276764.tif 000005