(57)【要約】【課題】この発明は、アノードオフガスをカソードに導入する燃料電池システムに関し、エジェクタを利用してアノードオフガスの逆流を防止し、確実にアノードオフガスをカソードに導入することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１２と、アノードから排出されたアノードオフガスをカソードに導入するアノードオフガス流路２６と、カソードガスをカソードに導入するカソードガス流路１６と、内圧差を利用して、アノードオフガス流路２６内のアノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むガス取り込み手段と、アノードオフガス流路２６内の流体が逆流することを防止する逆流防止手段と、を備え、前記ガス取り込み手段は、カソードガス流路１６に絞りを加えるベンチュリと、ベンチュリ直下に連通するアノードオフガス流路２６と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図４
2007200606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスをカソードに導入するアノードオフガス流路と、
前記カソードガスをカソードに導入するカソードガス流路と、
内圧差を利用して、前記アノードオフガス流路内の前記アノードオフガスを前記カソードガス流路に取り込むガス取り込み手段と、
前記アノードオフガス流路内の流体が逆流することを防止する逆流防止手段と、を備え、
前記ガス取り込み手段は、前記カソードガス流路に絞りを加えるベンチュリと、
前記ベンチュリ直下に連通する前記アノードオフガス流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記逆流防止手段は、
前記アノードオフガス流路内の流体が逆流することを防止する逆止弁を備え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】
前記逆流防止手段は、シャットバルブと、
燃料電池の運転状態に基づいて、前記アノードオフガス流路内の流体が逆流することを判定する逆流判定手段と、
前記逆流判定手段の判定に基づいて、前記シャットバルブの開閉制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、アノードオフガスをカソードに導入する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００４−３１９３１８号公報には、燃料電池から排気されたアノードオフガスを、ポンプを駆動することによりカソードに導入する燃料電池システムが開示されている。このシステムは、具体的には、アノードオフガス用ポンプが、アノードオフガス流路に設置されている。そして、かかるポンプを駆動制御することにより、確実にアノードオフガスをカソードに導入することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１９３１８号公報
【特許文献２】特開２００４−１７８９０２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、アノードオフガスをカソードに導入するシステムとして、カソードガス流路にエジェクタを配置したシステムが考えられる。このようなシステムによれば、カソード流路を流れる吸入空気の巻き込み作用を利用して、エジェクタにより、アノードオフガスをカソードガス流路に吸引させることができる。しかしながら、燃料電池システムの運転状態によってはカソードガス流路の圧力がエジェクタ後の圧力よりも高くなることがある。このような場合においては、吸入空気がエジェクタを介して逆流し、アノードに流れ込む可能性があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、エジェクタを利用して、アノードオフガスの逆流を防止し、確実にアノードオフガスをカソードに導入することのできる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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに水素を含むアノードガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、発電を行う燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノードオフガスをカソードに導入するアノードオフガス流路と、
前記カソードガスをカソードに導入するカソードガス流路と、
内圧差を利用して、前記アノードオフガス流路内の前記アノードオフガスを前記カソードガス流路に取り込むガス取り込み手段と、
前記アノードオフガス流路内の流体が逆流することを防止する逆流防止手段と、を備え、
前記ガス取り込み手段は、前記カソードガス流路に絞りを加えるベンチュリと、
前記ベンチュリ直下に連通する前記アノードオフガス流路と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記逆流防止手段は、
前記アノードオフガス流路内の流体が逆流することを防止する逆止弁を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第１または２の発明において、
前記逆流防止手段は、シャットバルブと、
燃料電池の運転状態に基づいて、前記アノードオフガス流路内の流体が逆流することを判定する逆流判定手段と、
前記逆流判定手段の判定に基づいて、前記シャットバルブの開閉制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、カソードガス流路にはベンチュリ（絞り）が設けられている。このため、カソードガス流路に吸入空気が流れると、ベンチュリ直下において巻き込み作用が発生する。ここで、ベンチュリ直下にはアノードオフガス流路が連通している。このため、巻き込み作用を利用して、アノードオフガス流路内のガスをカソードガス流路に取り込むことができる。また、本発明によれば、アノードオフガス流路を流通するガスが逆流することを防止する逆流防止手段を備える。このため、逆流によりカソードガスがアノードに流入することを効果的に防止することができる。
【００１０】
第２の発明によれば、前記逆流防止手段は、前記アノードオフガス流路に逆止弁を備える。逆止弁は、流通する流体の流れを一方向に制限することができる。このため、アノードオフガス流路内部を流れるガスの逆流を制限することができる。したがって、逆流によりカソードガスがアノードに流入することを効果的に防止することができる。
【００１１】
第３の発明によれば、前記逆流防止手段は、前記アノードオフガス流路にシャットバルブを備える。そして、燃料電池の運転状態に基づいて、アノードオフガス流路内部を流れるガスが逆流するか否かを判定することができる。このため、前記判定に基づいて、前記シャットバルブの開閉制御を行うことにより、逆流によりカソードガスがアノードに流入することを効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施形態１にかかる燃料電池システム１０の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態において、燃料電池（ＦＣ）１２は固体高分子分離膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。この燃料電池１２は、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード、カソードの間には、水素ガスおよび空気（酸素ガス）の流路が形成されている。電解質膜は、例えばフッ素系の固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノードおよびカソードは、共に炭素繊維を織り成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池１２には、アノードガス流路１４及びカソードガス流路１６が導入されている。アノードガス流路１４は高圧の水素タンク１８と接続されており、水素タンク１８からアノードへ水素リッチなアノードガスが送られる。アノードガス流路１４には、アノードガスの圧力を調整する調圧弁２０が設けられている。
【００１５】
また、カソードガス流路１６はエアフィルタ２２及びポンプ２４と接続されており、ポンプ２４の駆動により、エアフィルタ２２から取り込まれた空気（カソードガス）がカソードへ送られる。
【００１６】
燃料電池１２のアノードでは、アノードガスが送り込まれると、このアノードガス中の水素から水素イオンを生成する（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）。一方、カソードでは、カソードガスが送り込まれると、このカソードガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１２内では電力が発生する。また、これと同時にカソードにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水（生成水）が生成される（（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ）。この水の大部分は、燃料電池１２内で発生する熱を吸収して水蒸気となり、カソードオフガス中に含まれて排出される。
【００１７】
燃料電池１２には、アノードオフガス流路２６およびカソードオフガス流路２８が接続されている。アノードで反応した後のガスは、アノードオフガスとして、アノードオフガス流路２６から排出される。一方、カソードで反応した後のガスは、カソードオフガスとして、カソードオフガス流路２８から排出される。カソードオフガス流路２８には、カソードオフガスの圧力を調整する調圧弁３０が設けられている。
【００１８】
また、ポンプ２４の下流には、エジェクタ３２が設置されている。エジェクタ３２には、上記アノードオフガス流路２６が配管されている。そして、アノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス流路２６からエジェクタ３２に導入され、エジェクタの巻き込み作用によりカソードガス流路１６に吸引される。
【００１９】
[実施の形態１の特徴]
次に、図２、および３を参照して、本実施の形態の特徴である、エジェクタ３２を用いたシステム構成について詳細に説明する。図２に示すように、エジェクタ３２は、カソードガス流路１６に介設されており、ガス流路内部に管内径が絞られた緩やかなくびれ部分（ベンチュリ）３４を有している。そして、アノードオフガス流路２６が、ベンチュリ３４の出口付近において連通するように配管されている。このような構成によれば、ベンチュリ３４を通過する空気の流速が速くなることによってアノードオフガス流路２６内のアノードオフガスが空気の巻き込み作用により連続的に吸引され、カソードへ導かれる。
【００２０】
図３は、エジェクタ３２の吸引量の、カソードガス流路１６を流れるカソードガス流量に対する依存性を説明するための図である。図３に示す関係は、カソードガス流量が多量であるほどエジェクタ３２の吸引量が多量となる傾向を示す。つまり、カソードガス流量が多いシステムの高負荷時ほど、アノードオフガスの処理能力が上がることとなる。ここで、燃料電池システムは、高負荷時であるほど多くのアノードオフガスが発生し易い。したがって、本実施の形態のシステムによれば、アノードオフガスの排出量に対応した処理能力を確保することができる。
【００２１】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、アノードから排出されるアノードオフガスを、エジェクタによりカソードに導入することができる。このため、コンプレッサ等の駆動源を必要とせず、簡素な構成にてアノードオフガス中に含まれる水素を処理することができる。したがって、本実施の形態のシステムによれば、構成部品の簡素化、および消費電力の低減を図ることができる。
【００２２】
ところで、上述した実施の形態１においては、燃料供給系統が非循環型の燃料電池システムにおいて本発明を実施することとしているが、燃料電池システム構成はこれに限られない。すなわち、水素利用率を向上させるために、アノードオフガス流路２６から分岐されている図示しない水素排出流路を、再びアノードガス流路１４に配管し、水素ガスを外気に放出せずに循環させる循環型の燃料電池システムにおいて本発明を実施することとしてもよい。
【００２３】
また、上述した実施の形態１においては、エジェクタ３２をカソードガス流路１６に設けることにより、アノードオフガス流路２６のアノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むこととしているが、アノードオフガスを取り込む手法はエジェクタに限られない。すなわち、カソードガス流路１６とアノードオフガス流路２６の圧力差を利用して、アノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むことができれば、他の手法を用いてもよい。
【００２４】
尚、上述した実施の形態１においては、エジェクタ３２が、前記第１の発明における「ガス取り込み手段」に相当している。
【００２５】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、実施の形態２に係る燃料電池システム５０の構成を示す模式図である。実施の形態２は、アノードオフガス流路上に逆流防止の機構を設けることで、アノードオフガスの逆流を防止するとともに、カソードガスがアノードに流入することを防止するものである。尚、図４に示す燃料電池システム５０において、図１に示す燃料電池システム１０と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２６】
図４に示すように、アノードオフガス流路２６には、逆止弁３６が設置されている。逆止弁３６は、流路を流れるガスの方向を一方向のみに制限することのできる弁である。本実施の形態においては、アノードオフガスが逆方向（エジェクタからアノード方向）に流れることを防止するように設置される。
【００２７】
[実施の形態２の特徴]
次に、本実施の形態の特徴である逆止弁３６を用いたシステム構成について詳細に説明する。通常、実施の形態２のシステムでは、アノードから排出されたアノードオフガスが、エジェクタ３２の巻き込み作用によって吸引されカソードへ供給される。ここで、エジェクタ３２の吸引力は、カソードガス流路１６を流れるカソードガスの流量、カソードガス流路１６、およびアノードオフガス流路２６の圧力等と相関を有する。このため、燃料電池システムの運転状態によってはカソードガス流路の圧力がエジェクタ後の圧力よりも高くなることがある。このような場合においては、吸入空気がエジェクタを介して逆流し、アノードに流れ込む可能性がある。カソードガスがアノードに流入すると、カソードガス中に含まれる酸素ガスが水素と反応することから、システムの効率低下、および燃料電池の劣化の原因となる。このため、本発明の実施の形態２においては、逆止弁３６をアノードオフガス流路に設置することとしている。これにより、アノードオフガス流路を流れるガスの逆流を制限することができる。
【００２８】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、逆止弁を用いることにより、エジェクタから導入されるアノードオフガスの逆流を効果的に防止することができる。このため、ポンプ等の駆動源を使用しなくとも、かかるガスの逆流を抑制し、アノードオフガスを確実にカソードに導入することができる。したがって、本実施の形態のシステムによれば、構成部品の簡素化、および消費電力の低減を図ることができる。
【００２９】
ところで、上述した実施の形態２においては、燃料供給系統が非循環型の燃料電池システムにおいて本発明を実施することとしているが、燃料電池システム構成はこれに限られない。すなわち、水素利用率を向上させるために、アノードオフガス流路２６から分岐されている図示しない水素排出流路を、再びアノードガス流路１４に配管し、水素ガスを外気に放出せずに循環させる循環型の燃料電池システムにおいて本発明を実施することとしてもよい。
【００３０】
また、上述した実施の形態２においては、エジェクタ３２をカソードガス流路１６に設けることにより、アノードオフガス流路２６のアノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むこととしているが、アノードオフガスを取り込む手法はエジェクタに限られない。すなわち、カソードガス流路１６とアノードオフガス流路２６の圧力差を利用して、アノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むことができれば、他の手法を用いてもよい。
【００３１】
尚、上述した実施の形態２においては、エジェクタ３２が、前記第１の発明における「ガス取り込み手段」に相当している。
【００３２】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
次に、図５、および６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態のシステムは、図５に示す燃料電池システム６０を用いて、制御部４０に、後述する図６に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。尚、図５に示す燃料電池システム６０において、図１に示す燃料電池システム１０と共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３３】
上述した実施の形態２では、逆流防止の機構として逆止弁を用いることにより、エジェクタを使用することで問題となるアノードオフガスの逆流を防止することとしている。これに対して、上記逆止弁に代えてシャットバルブを設け、システムの運転状態に応じて制御することとすれば、アノードオフガスの逆流を効果的に防止することが可能である。
【００３４】
図５は、本発明の実施形態３の構成を説明するための図を示す。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、図４に示す逆止弁３６に代えて、シャットバルブ３８を備えている。シャットバルブ３８は制御部４０に接続されており、供給エア流量、電気負荷、スロットル開度などの運転条件に応じて制御される。
【００３５】
つまり、前述のとおり、燃料電池システムの運転状態によっては、アノードオフガス流路２６の圧力よりもカソードガス流路１６の圧力が高くなる場合も想定される。このため、逆にシステムの運転状態からアノードオフガスが逆流する条件を特定することができれば、かかる条件成立の場合にシャットバルブ３８を閉弁制御することとし、逆流を効果的に防止することも可能である。
【００３６】
[実施の形態３の動作]
以下、本実施の形態のシステムがシャットバルブ３８の制御を行う手順を、具体的に説明する。図６は、上記制御を実現するために制御部４０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、先ず、燃料電池システムの運転条件が取得される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、供給エア流量、電気負荷、スロットル開度等が取得される。
【００３７】
次に、上記ステップ１００にて取得された運転条件に基づいて、アノードオフガスが逆流する条件が成立しているか否かが判断される（ステップ１０２）。制御部４０は、運転条件と、アノードオフガス逆流条件との関係を定めた適合マップを予め記憶している。ここでは、具体的には、運転条件に基づいて、上記マップからアノードオフガスが逆流するか否かが判断される。
【００３８】
上記ステップ１０２において、逆流条件が成立すると判断された場合には、制御部４０はシャットバルブ３８の閉弁処理を実行する（ステップ１０４）。一方、上記ステップ１０２にて、逆流条件が不成立と判断された場合には、制御部４０はシャットバルブ３８の開弁処理を実行する（ステップ１０６）。そして、シャットバルブ３８の開閉処理が実行されると、本ルーチンは終了する。
【００３９】
以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、シャットバルブをシステムの運転条件に基づいて制御することにより、エジェクタから導入されるアノードオフガスの逆流を効果的に防止することができる。このため、ポンプ等の駆動源を使用しなくとも、かかるガスの逆流を抑制し、アノードオフガスを確実にカソードに導入することができる。したがって、本実施の形態のシステムによれば、構成部品の簡素化、および消費電力の低減を図ることができる。また、シャットバルブの開閉制御を行うことにより、アノードオフガスの排出量、タイミング等を効果的に制御することも可能となる。
【００４０】
ところで、上述した実施の形態３においては、燃料供給系統が非循環型の燃料電池システムにおいて本発明を実施することとしているが、燃料電池システム構成はこれに限られない。すなわち、水素利用率を向上させるために、アノードオフガス流路２６から分岐されている図示しない水素排出流路を、再びアノードガス流路１４に配管し、水素ガスを外気に放出せずに循環させる循環型の燃料電池システムにおいて本発明を実施することとしてもよい。
【００４１】
また、上述した実施の形態３においては、エジェクタ３２をカソードガス流路１６に設けることにより、アノードオフガス流路２６のアノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むこととしているが、アノードオフガスを取り込む手法はエジェクタに限られない。すなわち、カソードガス流路１６とアノードオフガス流路２６の圧力差を利用して、アノードオフガスをカソードガス流路１６に取り込むことができれば、他の手法を用いてもよい。
【００４２】
尚、上述した実施の形態３においては、エジェクタ３２が、前記第１の発明における「ガス取り込み手段」に相当している。
【００４３】
また、上述した実施の形態３においては、制御部４０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第３の発明における「逆流判定手段」が、上記ステップ１０４、あるいは１０６の処理を実行することにより、前記第３の発明における「制御手段」がそれぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のエジェクタを説明するための図である。
【図３】エジェクタ吸引量の、カソードガス流量に対する依存性を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態２の構成を説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態３の構成を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１０、５０、６０  燃料電池（ＦＣ）システム
１２  燃料電池（ＦＣ）
１４  アノードガス流路
１６  カソードガス流路
１８  水素タンク
２０  調圧弁
２２  エアフィルタ
２４  ポンプ
２６  アノードオフガス流路
２８  カソードオフガス流路
３０  調圧弁
３２  エジェクタ
３６  逆止弁
３８  シャットバルブ
４０  制御部
【図１】
2007200606.tif 000003
【図２】
2007200606.tif 000004
【図３】
2007200606.tif 000005
【図４】
2007200606.tif 000006
【図５】
2007200606.tif 000007
【図６】
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