(57)【要約】【課題】良好な発電効率にて運転することができ、しかも、十分な掃気性を確保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】燃料電池から排出される空気オフガスを外部に排出する空気排出用配管２５に、正逆回転可能なファン３４を備えた背圧制御ファン３１を設ける。空気排出用配管２５よりも大径に形成された大径流路部３２の略中央にファン３４を配置し、大径流路部３２と空気排出用配管２５とを、大径流路部３２へ向かって次第に拡径するテーパ部３５ａ、３５ｂによって連結する。運転時にファン３４を正回転させることにより、空気排出用配管２５の上流側に背圧を付与するとともに、運転停止時にファン３４を逆回転させることにより、空気排出用配管２５の上流側から下流側へ空気オフガスを引き込む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排出ガスを外部に排出する排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記排出路に、正逆回転可能なファンを有する背圧制御ファンが設けられている燃料電池システム。
【請求項２】
前記ファンは、前記排出路の一部がその上流側部分よりも大径に形成されてなる大径流路部に配置されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記上流側部分と前記大径流路部とが、前記排出ガスの排出方向に沿って次第に拡径するテーパ部を介して連結されている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
運転時に前記ファンを正回転させることにより、前記排出路の上流側に背圧を付与するとともに、
運転停止時に前記ファンを逆回転させることにより、前記排出路の上流側から下流側へ排出ガスを引き込む制御装置を備えた請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記燃料電池における発電量の増減に応じて前記ファンの回転数を調整する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ファンは、前記燃料電池から排出された酸化オフガスを排出する排出路に設けられている請求項１から５のいずれか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、背圧の制御が可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。この種の燃料電池システムでは、燃料電池における良好な発電効率を得るために、反応ガスの背圧を制御することが重要である。
【０００３】
このため、燃料電池からの酸化ガスのオフガス（排出ガス）の排気管にバタフライ弁を備えた背圧制御弁を設け、この背圧制御弁における開度を調整することにより、燃料電池内を流れる酸化ガスの流量や圧力を調整することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３１３３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムでは、次回の始動時における良好な発電効率の確保及び低温時における残留水の凍結抑制のために、運転停止時に燃料電池内を十分に掃気して、余剰なガスや生成された水分を排出させておくことが必要である。しかしながら、上記の背圧制御弁を設けた構成であると、背圧制御弁によって燃料電池内の酸化ガスの流量・圧力を調整することはできるが、この背圧制御弁が圧力損失となり、掃気を十分に行うことが困難であった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、良好な発電効率にて運転することができ、しかも、十分な掃気性を確保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している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排出ガスを外部に排出する排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記排出路に、正逆回転可能なファンを有する背圧制御ファンが設けられたものである。
【０００７】
この構成によれば、運転時に背圧制御ファンのファンを正回転させることにより、燃料電池のガス流路内に背圧を付与し、発電効率を向上させることができ、また、運転停止時にファンを逆回転させることにより、燃料電池のガス流路内の不要ガス及び生成水を迅速かつ良好に除去し、次の運転の開始時における始動性能の向上を図ることができる。
【０００８】
また、燃料電池内の水分を良好に排出するので、低温時における凍結による不具合を抑えることができる。
【０００９】
前記ファンは、前記排出路の一部がその上流側部分よりも大径に形成されてなる大径流路部に配置されていてもよい。この場合においては更に、前記上流側部分と前記大径流路部とが、前記排出ガスの排出方向に沿って次第に拡径するテーパ部を介して連結されていてもよい。
【００１０】
以上の構成によれば、排出ガスの流路面積を十分に確保することができ、ファンを配置することによる圧力損失を極力抑えることができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、運転時に前記ファンを正回転させることにより、前記排出路の上流側に背圧を付与するとともに、運転停止時に前記ファンを逆回転させることにより、前記排出路の上流側から下流側へ排出ガスを引き込む制御装置を備えていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、制御装置によってファンの回転を正逆回転させることにより、発電効率の向上及び排気ガス、生成水の排出を良好に行うことができる。
【００１３】
前記制御装置は、前記燃料電池における発電量の増減に応じて前記ファンの回転数を調整するようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、ファンの回転数を調整することにより、背圧を調節して発電量に応じた背圧を燃料電池のガス流路に付与することができ、さらなる発電効率の向上を図ることができる。
【００１５】
前記ファンは、前記燃料電池から排出された酸化オフガスを排出する排出路に設けられていてもよいし、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを排出する排出路に設けられていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池システムによれば、良好な発電効率にて運転することができ、しかも、十分な掃気性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００１８】
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成の概要について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２を中心として構成され、燃料電池２に燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスを供給するため水素供給源３、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給するためのコンプレッサ４、空気に所要の水分を加える加湿装置５、システム全体を統合制御する図示されていない制御装置等を備えて構成されている。
【００１９】
燃料電池２は、単電池（燃料電池セル）を所要数積層した燃料電池スタックを備えている。燃料電池２には、発電された電力を蓄える図示されていない蓄電池や、発電された電力及び／又は蓄電池に蓄えられた電力によって駆動する図示されていないモータ等が接続されている。水素供給源３としては、例えば高圧水素タンクを採用することができ、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を採用することもできる。
【００２０】
燃料電池２の水素供給口には水素供給用配管２１が接続されており、この水素供給用配管２１を介して燃料ガスとしての水素ガスが水素供給源３から供給される。水素供給用配管２１には、水素供給源３から水素ガスを供給し又は供給を停止する遮断弁、燃料電池２への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁、燃料電池２の水素供給口と水素供給用配管２１との間を開閉する遮断弁等が設けられている。なお、各種弁については図示を省略している。
【００２１】
燃料電池２の水素排出口には水素循環用配管２４が接続されており、燃料電池２で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（排出ガス、燃料オフガス）として水素循環用配管２４に排出されて水素供給用配管２１に戻される。水素循環用配管２４には、燃料電池２と水素循環用配管２４とを連通させ又は遮断する遮断弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２４ａ、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２４ｂ等が設けられている。
【００２２】
水素オフガスは、水素供給用配管２１で水素ガスと合流し、燃料電池２に供給されて再利用される。また、水素循環用配管２４は、パージ弁及びパージ用配管２７を介して空気排出用配管（排出路）２５に接続される。なお、遮断弁及びパージ弁については図示を省略している。
【００２３】
燃料電池２の空気供給口には空気供給用配管２２が接続されており、この空気供給用配管２２を介して酸化ガス（反応ガス）としての空気（外気）が供給される。空気供給用配管２２には、空気を加圧するコンプレッサ４、空気に所要の水分を加える加湿装置５、空気から微粒子を除去するエアフィルタ６等が設けられている。コンプレッサ４は、燃料電池２に空気を供給するためのガス供給手段である。
【００２４】
また、燃料電池２の空気排出口には空気排出用配管（排出路）２５が接続されており、この空気排出用配管２５を介して空気オフガス（排出ガス、酸化オフガス）が外部に放出される。そして、この空気排出用配管２５には、背圧制御ファン３１が設けられている。
【００２５】
燃料電池２の冷却水供給口には冷却水供給用配管２３が接続されており、この冷却水供給用配管２３を介して燃料電池２に冷却水が供給される。また、燃料電池２の冷却水排出口には冷却水排出用配管２６が接続されており、この冷却水排出用配管２６を介して燃料電池２から冷却水が外部に排出される。
【００２６】
冷却水排出用配管２６と冷却水供給用配管２３とは冷却ファン２６ａを有するラジエータ２６ｂを介して接続されている。冷却水供給用配管２３には、燃料電池２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサや冷却水を加圧して循環させるポンプ２３ａ等が設けられている。
【００２７】
次に、空気排出用配管２５に設けられた背圧制御ファン３１について説明する。図２に示すように、背圧制御ファン３１は、空気排出用配管２５の一部がその上流側部分２５ａよりも大径に形成されてなる大径流路部３２の内部に設けられており、この大径流路部３２の中心に、駆動モータ３３によって正逆回転可能なファン３４が配置されている。
【００２８】
空気排出用配管２５における前記上流側部分２５ａと大径流路部３２との間は、大径流路部３２側へ向かって、つまり、白抜き矢印で示す空気オフガスの排出方向に沿って、次第に拡径するテーパ部３５ａが設けられている。一方、空気排出用配管２５における大径流路部３２とその下流側部分２５ｂとの間は、空気オフガスの排出方向に沿って次第に縮径するテーパ部３５ｂが設けられている。
【００２９】
そして、燃料電池２側である上流側からの空気オフガスが背圧制御ファン３１を通過して下流側へ流される。また、この背圧制御ファン３１は、その駆動モータ３３が図示略の制御装置によって、その駆動が制御され、また、その回転数は、インバータなどを用いた周波数制御により可変可能とされている。なお、制御装置は、空気排出用配管２５の圧力に基づいて、フィードバック制御される。
【００３０】
次に、背圧制御ファン３１における空気オフガスの流れについて説明する。
【００３１】
（停止時）
図３に示すように、背圧制御ファン３１の駆動モータ３３が停止してファン３４が停止した状態では、空気排出用配管２５内を流れる空気オフガス（白抜き矢印参照）は、停止されているファン３４の間を通り、下流側へ流される。また、空気オフガスの一部は、上流側のテーパ部３５ａの内面に沿って大径流路部３２の内面へ導かれ、さらに、この大径流路部３２から下流側のテーパ部３５ｂの内面に沿って下流側の空気排出用配管２５へ流される。
【００３２】
これにより、空気オフガスは、背圧制御ファン３１におけるファン３４による圧力損失を極力受けることなく、下流側へ流される。
【００３３】
（正回転時）
図４に示すように、背圧制御ファン３１の駆動モータ３３が駆動してファン３４が正回転した状態では、白抜き矢印で示す空気オフガスの一部が、上流側のテーパ部３５ａの内面に沿って大径流路部３２の内面へ導かれ、さらに、この大径流路部３２から下流側のテーパ部３５ｂの内面に沿って下流側の空気排出用配管２５へ流される。しかし、中央付近では、空気排出用配管２５内を流れる空気オフガスが、正回転されているファン３４によって上流側（矢線方向）へ押し戻される。
【００３４】
これにより、空気オフガスは、背圧制御ファン３１にて、その流量が抑制され、上流側に背圧が付与される。
【００３５】
（逆回転時）
図５に示すように、背圧制御ファン３１の駆動モータ３３が駆動してファン３４が逆回転した状態では、空気オフガス（白抜き矢印）の一部が、上流側のテーパ部３５ａの内面に沿って大径流路部３２の内面へ導かれ、さらに、この大径流路部３２から下流側のテーパ部３５ｂの内面に沿って下流側の空気排出用配管２５へ流される。また、中央付近では、空気排出用配管２５内を流れる空気オフガスが、逆回転されているファン３４によって下流側（矢線方向）へ引き込まれる。
【００３６】
これにより、空気排出用配管２５を流れる空気オフガスは、背圧制御ファン３１にて、その流量が増加される。
【００３７】
そして、上記の背圧制御ファン３１を備えた燃料電池システム１では、発電時に、制御装置が背圧制御ファン３１の駆動モータ３３を制御することにより、ファン３４を正回転させ、また、その回転数を調整する。これにより、空気排出用配管２５の上流側に背圧が付与されて燃料電池２の内部のガス流路内の圧力が高められ、また、ファン３４の回転数の調整によって燃料電池２内を流れる空気の流量及び圧力が調整される。
【００３８】
したがって、運転中に、発電量の変更が行われたとしても、制御装置は、その発電の指令に応じて背圧制御ファン３１のファン３４の回転数を調整するので、良好な効率にて発電させることができ、例えば、急激に発電量が増加したとしても、燃料電池２におけるガス欠を抑制することができる。
【００３９】
また、運転停止時には、制御装置が背圧制御ファン３１の駆動モータ３３を制御することにより、ファン３４を逆回転させて、空気排出用配管２５内を流れる空気オフガスを、逆回転されているファン３４によって下流側へ引き込む。これにより、燃料電池２内におけるガス流路内は、上流側のコンプレッサ４による加圧掃気に加え、背圧制御ファン３１による吸引掃気が行われることにより、残留ガス及び生成水が迅速に排出される。
【００４０】
これにより、燃料電池２のガス流路内における水分及び空気オフガスを良好に排出することにより、始動時において燃料電池２のスタックを構成する燃料電池セルの触媒面に対する効率的なガスの供給が可能となり、始動性能の向上を図ることができる。また、燃料電池２内の水分を良好に排出するので、低温時における凍結による不具合を抑えることができる。
【００４１】
さらに、空気排出用配管２５の上流側部分２５ａよりも大径に形成された大径流路部３２の略中央にファン３４を配置し、大径流路部３２とその上流側部分２５ａとの間及び大径流路部３２とその下流側部分２５ｂとの間を、大径流路部３２へ向かって次第に拡径するテーパ部３５ａ，３５ｂを介して連結したので、オフガスの流路面積を十分に確保することができ、ファン３４を配置したことによる圧力損失を極力抑えることができる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、空気排出用配管２５に背圧制御ファン３１を設け、燃料電池２のガス流路における空気の背圧を制御する場合を例にとって説明したが、例えば、水素循環用配管２４における水素ポンプ２４ｂの上流側に、背圧制御ファン３１を備えた配管を接続し、背圧制御ファン３１によって燃料電池２のガス流路における水素ガスの背圧を制御しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】背圧制御ファンの構造を説明する断面図である。
【図３】背圧制御ファンにおける停止時の空気オフガスの流れを示す断面図である。
【図４】背圧制御ファンにおける正回転時の空気オフガスの流れを示す断面図である。
【図５】背圧制御ファンにおける逆回転時の空気オフガスの流れを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２５…空気排出用配管（排出路）、３２…大径流路部、３４…ファン、３５ａ，３５ｂ…テーパ部。
【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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