(57)【要約】      （修正有）【課題】アノードオフガスから分離された不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制して水素利用効率を向上させ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、アノードオフガスを滞留させる滞留空間４１０１を形成するガス滞留容器４１０と、アノードオフガスをガス滞留容器４１０に導入するアノードオフガス導管４００と、アノードオフガスから水素との比重差により分離した不純物ガスをガス滞留容器４１０から導出する不純物ガス導管４０２と、不純物ガスの導出量を調整する排気バルブ４２０と、滞留空間４１０１の断面積を狭めるオリフィス部４１０４とを備える。【選択図】図２
2007328987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
水素の電気化学反応によって電力を生成する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスから、該アノードオフガスより水素濃度が低い不純物ガスを分離するガス分離部と
を備え、
前記ガス分離部は、
前記アノードオフガスを滞留させる滞留空間を形成するガス滞留容器と、
前記滞留空間に含まれる第１の空間部に連通し、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記ガス滞留容器に導入する導入管と、
前記滞留空間に含まれる第２の空間部であって前記不純物ガスを滞留させる前記第２の空間部に連通し、該不純物ガスを前記ガス滞留容器から導出する導出管と、
前記導出管に設けられ、前記導出される不純物ガスの導出量を調整する排気弁と、
前記ガス滞留容器の内部における前記第１の空間部と前記第２の空間部との間に設けられ、前記滞留空間の断面積を狭めるオリフィス板と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記第１の空間部は、前記滞留空間の上方部を含み、
前記第２の空間部は、前記滞留空間の下方部を含み、
前記オリフィス板は、前記ガス滞留容器の内部における前記上方部と前記下方部との間に設けられた燃料電池システム。
【請求項３】
複数の前記オリフィス板を、互いに間隔を空けて層状に配置した請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記複数のオリフィス板の各々は、前記滞留空間に連通する開口部を有し、
前記層状に配置され隣り合うオリフィス板がそれぞれ有する前記開口部を、互いにずれた位置に形成した請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガス分離部は、更に、
前記滞留空間における水素濃度を検知する水素濃度検知部と、
前記検知した水素濃度に基づいて前記排気弁を制御する水素濃度制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガス分離部は、更に、
水素とは異なる不純物についての前記滞留空間における濃度を示す不純物濃度を検知する不純物濃度検知部と、
前記検知した不純物濃度に基づいて前記排気弁を制御する不純物濃度制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガス分離部は、更に、
前記排気弁の動作態様を予め設定した動作マップを記憶するマップ記憶部と、
前記動作マップに基づいて前記排気弁を制御するマップ制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記ガス分離部は、更に、
前記滞留空間に含まれる第３の空間部であって前記不純物ガスと分離され前記アノードオフガスより水素濃度が高い不純物除去ガスを滞留させる前記第３の空間部に連通し、該不純物除去ガスを前記ガス滞留容器から導出する除去ガス導出管と、
前記ガス滞留容器の内部における前記第１の空間部と前記第３の空間部との間に設けられ、前記導入管と除去ガス導出管との間を遮蔽する遮蔽板と
を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関し、特に、燃料電池から排出されるアノードオフガスから水素ガスと不純物ガスとを分離する構成を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスを燃料電池のアノード側に供給すると共に、酸素を含有する酸化ガスを燃料電池のカソード側に供給する。燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けた燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応によって電気を生成する。電気の生成に利用されなかった一部の燃料ガスは、アノードオフガスとして燃料電池から排出される。アノードオフガスは、電気化学反応に利用されなかった水素ガスを含有すると共に、水素ガス以外の不純物ガスとして、電気化学反応によって生じた水蒸気や、酸化ガスに含まれていた窒素ガスなどを含有する。
【０００３】
従来、燃料電池システムにおける水素利用効率を向上させるために、アノードオフガスを容器に滞留させ、水素ガスと不純物ガスとの比重差を利用して容器の底部に不純物ガスを分離し滞留させ、容器の底部に溜まった不純物ガスを容器からシステム外部に排気する構成が提案されていた。次の特許文献１には、従来の燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５３５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、容器から不純物ガスを導出する際に、不純物ガスの導出に伴い容器に導入されるアノードオフガスによって容器内のガスが攪拌され、容器の上部に分離されていた水素ガスが、容器の底部に溜まっている不純物ガスと混ざり合い、水素ガスが不純物ガスと共に排気されてしまう虞があった。
【０００６】
本発明は、上記した課題を踏まえ、アノードオフガスから分離された不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制し、燃料電池システムにおける水素利用効率を向上させることが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】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、水素の電気化学反応によって電力を生成する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスから、該アノードオフガスより水素濃度が低い不純物ガスを分離するガス分離部とを備え、前記ガス分離部は、前記アノードオフガスを滞留させる滞留空間を形成するガス滞留容器と、前記滞留空間に含まれる第１の空間部に連通し、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記ガス滞留容器に導入する導入管と、前記滞留空間に含まれる第２の空間部であって前記不純物ガスを滞留させる前記第２の空間部に連通し、該不純物ガスを前記ガス滞留容器から導出する導出管と、前記導出管に設けられ、前記導出される不純物ガスの導出量を調整する排気弁と、前記ガス滞留容器の内部における前記第１の空間部と前記第２の空間部との間に設けられ、前記滞留空間の断面積を狭めるオリフィス板とを備えることを特徴とする。上述の燃料電池システムによれば、滞留空間の第１の空間部と第２の空間部とを仕切るオリフィス板を通過する気体に圧力損失が起こるため、ガス滞留容器から不純物ガスを導出する際に、ガス滞留容器に導入された水素ガスが、滞留空間の第２の空間部に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。その結果、不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制し、燃料電池システムにおける水素利用効率を向上させることができる。
【０００８】
上述の燃料電池システムは、次の形態を採ることもできる。例えば、前記第１の空間部は、前記滞留空間の上方部を含み、前記第２の空間部は、前記滞留空間の下方部を含み、前記オリフィス板は、前記ガス滞留容器の内部における前記上方部と前記下方部との間に設けられたとしても良い。これによって、滞留空間の上方部と下方部とを仕切るオリフィス板を通過する気体に圧力損失が起こるため、ガス滞留容器から不純物ガスを導出する際に、滞留空間の上方部に分離されていた水素ガスが、滞留空間の下方部に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。
【０００９】
また、複数の前記オリフィス板を、互いに間隔を空けて層状に配置しても良い。これによって、滞留空間の第１の空間部と第２の空間部との間を通過する気体に起こる圧力損失を増大させ、第１の空間部の水素ガスが第２の空間部の不純物ガスと攪拌されてしまうことをより一層抑制することができる。さらに、この形態の燃料電池システムにおいて、前記複数のオリフィス板の各々は、前記滞留空間に連通する開口部を有し、前記層状に配置され隣り合うオリフィス板がそれぞれ有する前記開口部を、互いにずれた位置に形成しても良い。これによって、積層されたオリフィス板による圧力損失を効率良く発生させることができる。
【００１０】
また、前記ガス分離部は、更に、前記滞留空間における水素濃度を検知する水素濃度検知部と、前記検知した水素濃度に基づいて前記排気弁を制御する水素濃度制御部とを備えても良い。この場合には、滞留空間における水素濃度の低下に基づいて、ガス滞留容器に不純物ガスが溜まった状態を判断することができる。さらに、この形態の燃料電池システムにおいて、前記水素濃度検知部は、前記滞留空間の前記オリフィス板よりも第１の空間部側における水素濃度を検知しても良い。これによって、不純物ガスがオリフィス板を超えて滞留空間に溜まった分離状態を判断することができ、その分離状態で不純物ガスを導出することにより水素ガスがオリフィス板を通過して導出管にまで至ることを防止することができる。
【００１１】
また、前記ガス分離部は、更に、水素とは異なる不純物についての前記滞留空間における濃度を示す不純物濃度を検知する不純物濃度検知部と、前記検知した不純物濃度に基づいて前記排気弁を制御する不純物濃度制御部とを備えても良い。この場合には、滞留空間における不純物濃度の増加に基づいて、ガス滞留容器に不純物ガスが溜まった状態を判断することができる。さらに、この形態の燃料電池システムにおいて、前記不純物濃度検知部は、前記滞留空間の前記オリフィス板よりも第１の空間部側における不純物濃度を検知しても良い。これによって、不純物ガスがオリフィス板を超えてガス滞留容器に溜まった分離状態を判断することができ、その分離状態で不純物ガスを導出することにより水素ガスがオリフィス板を通過して導出管にまで至ることを防止することができる。なお、不純物濃度検知部は、前記滞留空間における窒素濃度を検知する窒素濃度検知部を含むとしても良い。
【００１２】
また、前記ガス分離部は、更に、前記排気弁の動作態様を予め設定した動作マップを記憶するマップ記憶部と、前記動作マップに基づいて前記排気弁を制御するマップ制御部とを備えても良い。これによって、不純物ガスの導出を緻密に制御することができる。なお、動作マップは、燃料電池の運転状態，アノードオフガスの温度，不純物ガスの圧力，システム外気温の少なくとも一つに排気弁の開閉状態を対応付けたデータを含む。
【００１３】
また、前記排気弁を、前記ガス滞留容器と前記導出管との接続部より上方に配置しても良い。これによって、ガス滞留容器で結露した水滴が導出管を通じて排気弁に流れ込むことを防止することができる。その結果、結露した水滴による排気弁の凍結を回避することができる。なお、この形態の燃料電池システムにおいて、クランク状の導出管を設けても良いし、ガス滞留容器から排気弁に向かって上り勾配で導出管を設けても良いし、ガス滞留容器で結露した水滴の排気弁側へ流れを食い止める凸部を導出管の途中に設けても良い。
【００１４】
また、前記ガス分離部は、更に、前記滞留空間に含まれる第３の空間部であって前記不純物ガスと分離され前記アノードオフガスより水素濃度が高い不純物除去ガスを滞留させる前記第３の空間部に連通し、該不純物除去ガスを前記ガス滞留容器から導出する除去ガス導出管と、前記ガス滞留容器の内部における前記第１の空間部と前記第３の空間部との間に設けられ、前記導入管と除去ガス導出管との間を遮蔽する遮蔽板とを備えても良い。これによって、不純物除去ガスをアノードガスとして再利用する循環型の燃料電池システムにおいて、導入管から除去ガス導出管への直接的なアノードオフガスの流れが遮蔽板によって遮られるため、不純物が十分に分離されていないガスがアノードガスとして再利用されてしまうことを抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の形態は、燃料電池システムの形態に限るものではなく、例えば、燃料電池システムを制御する機能をコンピュータに実現させるためのプログラムや、そのプログラムをコンピュータ読み取り可能に記録した記録媒体、燃料電池システムにおいてアノードオフガスから不純物ガスを分離する方法、複数の気体が混合した混合気体から特定の気体を分離するシステムおよび方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。
【００１７】
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．燃料電池システム１０の構成：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、水素の電気化学反応によって電力を生成する燃料電池２０を備え、燃料電池２０によって生成された電力は、負荷部７０に給電される。本実施例では、燃料電池システム１０は、自動車に搭載されたシステムであり、負荷部７０は、その自動車を駆動する電動機を含む。
【００１８】
本実施例では、燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池を含み、複数の単セルを積層したスタック構造を有する。本実施例では、燃料電池２０に積層された単セルの各々は、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜を挟持した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、ＭＥＡ）と、水素を含有する燃料ガスをアノード電極に誘導するアノードセパレータと、酸素を含有する酸化ガスをカソード電極に誘導するカソードセパレータとを備える。燃料電池２０のアノード側に供給された燃料ガスは、電気化学反応の進行に伴って、水素濃度が低下すると共に、窒素ガスや水蒸気などの不純物の濃度が上昇し、アノードオフガスとして燃料電池２０から排出される。燃料ガス中の不純物濃度上昇は、電気化学反応の生成物が増加することや、含有水素が消費されることによって燃料ガス中に微量に元々存在する不純物が濃縮されること、酸化ガスに含有する不純物がカソード側からアノード側にリークすることなどによって起こる。
【００１９】
燃料電池システム１０は、いわゆるデッドエンド方式の燃料電池システムであり、燃料電池２０のアノード側に燃料ガスを供給するアノード供給部３０と、燃料電池２０のアノード側から排出されるアノードオフガスを処理するアノード排気部４０と、燃料電池２０のカソード側に酸化ガスを供給するカソード供給部５０と、燃料電池２０のカソード側から排出されるカソードオフガスを処理するカソード排気部６０とを備える。本実施例では、アノード供給部３０は、水素タンク３１０に貯蔵された高圧水素を燃料ガスとして燃料電池２０に供給する。本実施例では、アノード排気部４０は、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスから、そのアノードオフガスより水素濃度が低い不純物ガスを分離するガス分離部としても機能し、アノードオフガスから分離した不純物ガスを大気中へと排気する。本実施例では、カソード供給部５０は、大気中から取り込んだ空気を酸化ガスとして燃料電池２０に供給し、カソード排気部６０は、燃料電池２０から排出されたカソードオフガスを大気中へと排気する。
【００２０】
燃料電池システム１０のアノード供給部３０は、燃料ガスを水素タンク３１０から燃料電池２０に導入する流路を形成する燃料ガス導管３００を備える。本実施例では、アノード供給部３０の燃料ガス導管３００には、燃料ガスの供給の流れの上流から順に、弁の開閉によって水素タンク３１０からの燃料ガスの放出を調節するシャットバルブ３２２と、シャットバルブ３２２を通過した燃料ガスを減圧する減圧バルブ３２４と、減圧バルブ３２４によって減圧された燃料ガスを加熱する熱交換器３３０と、熱交換器３３０によって加熱された燃料ガスを減圧する減圧バルブ３２６と、燃料ガスの逆流を防止する逆止弁３４０と、弁の開閉によって燃料電池２０への燃料ガスの供給を調節するシャットバルブ３２８とが設けられている。本実施例では、燃料ガス導管３００における燃料ガスの圧力を検知する圧力センサ３８２，３８４が燃料ガス導管３００に設けられ、検知された圧力に応じて、各種バルブの制御が行われる。本実施例では、燃料ガス導管３００におけるシャットバルブ３２２と減圧バルブ３２４との間には圧力センサ３８２が設けられ、シャットバルブ３２８と燃料電池２０との間には圧力センサ３８４が設けられている。なお、燃料ガス導管３００における各種バルブおよび各種センサを、実施の形態に応じて適宜、燃料ガス導管３００に追加しても良いし、燃料ガス導管３００から除去しても良い。また、燃料ガスに含まれる水分を除去する気液分離器や、燃料ガスの温度を検知する温度センサなどの他の装置を、実施の形態に応じて適宜、燃料ガス導管３００に設けても良い。
【００２１】
燃料電池システム１０のアノード排気部４０は、アノードオフガスを燃料電池２０から導出する流路を形成するアノードオフガス導管４００と、アノードオフガス導管４００からのアノードオフガスを滞留させ水素と不純物との比重差によりアノードオフガスから不純物ガスを分離するガス滞留容器４１０と、ガス滞留容器４１０から不純物ガスを導出する流路を形成する不純物ガス導管４０２と、ガス滞留容器４１０から大気中へと導出される不純物ガスの導出量を調整する排気バルブ４２０と、ガス滞留容器４１０内の気体濃度を検知するガス濃度センサ４８６と、検知された気体濃度に基づいて排気バルブ４２０を制御する排気制御部４９０とを備える。本実施例では、ガス濃度センサ４８６は、水素濃度を検知するセンサを含む。
【００２２】
本実施例では、アノードオフガス導管４００には、アノードオフガス導管４００におけるアノードオフガスの温度を検出する温度センサ４８２と、アノードオフガスに含まれる水分を除去する気液分離器４４０とが設けられている。本実施例では、不純物ガス導管４０２には、不純物ガス導管４０２における不純物ガスの圧力を検知する圧力センサ４８４が設けられている。なお、各種バルブや各種センサなどの他の装置を、実施の形態に応じて適宜、アノードオフガス導管４００および不純物ガス導管４０２に設けても良い。
【００２３】
図２は、燃料電池システム１０におけるアノード排気部４０の詳細構成を示す説明図である。なお、図２では、説明の簡略化を目的として、図１で示した温度センサ４８２，気液分離器４４０，圧力センサ４８４についての図示は省略されている。
【００２４】
アノード排気部４０のガス滞留容器４１０は、アノードオフガスを滞留させる滞留空間４１０１を形成する。本実施例では、ガス滞留容器４１０は、円柱状の容器であり、その内部には、円柱状の滞留空間４１０１が形成される。ガス滞留容器４１０には、滞留空間４１０１の上方部４１０３にアノードオフガス導管４００を連通させる導入口４１０２と、滞留空間４１０１の下方部４１０６に不純物ガス導管４０２を連通させる導出口４１０８と、滞留空間４１０１の上方部４１０３と下方部４１０６との間における断面積を狭めるオリフィス部４１０４とが設けられている。
【００２５】
本実施例では、ガス滞留容器４１０の導入口４１０２および導出口４１０８は、ガス滞留容器４１０の円柱面に設けられているが、他の実施形態として、導入口４１０２は、ガス滞留容器４１０の上面に設けられても良いし、導出口４１０８は、ガス滞留容器４１０の底面に設けられても良い。
【００２６】
ガス滞留容器４１０のオリフィス部４１０４は、滞留空間４１０１の円形断面と同じ形状の三枚のオリフィス板４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃを備える。三枚のオリフィス板４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃは、互いに間隔を空けて層状に配置されている。
【００２７】
図３は、図２におけるＡ−Ａ線に沿ってガス滞留容器４１０を切断してオリフィス部４１０４を示す矢視断面図である。オリフィス板４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃの各々には、円形状に貫通した複数の開口部４１０５ａ，４１０５ｂ，４１０５ｃが形成されている。滞留空間４１０１の断面積は、オリフィス板４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃが配置された各部分で、複数の開口部４１０５ａ，４１０５ｂ，４１０５ｃの開口面積を合計した断面積に狭められる。オリフィス部４１０４の上方から一段目に位置するオリフィス板４１０４ａの開口部４１０５ａと、二段目に位置するオリフィス板４１０４ｂの開口部４１０５ｂとは、ガス滞留容器４１０の円柱軸方向から見た場合に、互いにずれた位置に配置されている。本実施例では、三段目に位置するオリフィス板４１０４ｃの開口部４１０５ｃは、一段目の開口部４１０５ａと同様に、二段目の４１０５ｂと互いにずれた位置に配置されている。
【００２８】
図２の説明に戻り、アノード排気部４０のガス濃度センサ４８６は、ガス滞留容器４１０の円柱面であって、オリフィス部４１０４の位置よりも上方に設けられている。アノード排気部４０の排気バルブ４２０は、ガス滞留容器４１０の導出口４１０８よりも上方に配置され、アノード排気部４０の不純物ガス導管４０２は、導出口４１０８から排気バルブ４２０へと向かう途中で上方へクランク状に曲折した形状を有する。
【００２９】
アノード排気部４０の排気制御部４９０は、ワンチップマイクロコンピュータであり、排気バルブ４２０を制御するための演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）４９０２と、ＣＰＵ４９０２の演算処理を規定したプログラムを予め記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）４９０４と、ＣＰＵ４９０２によって取り扱われるデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）４９０６と、ガス濃度センサ４８６および排気バルブ４２０に電気的に接続するインタフェース４９０８とを備える。本実施例では、排気制御部４９０は、ソフトウェアに基づいて動作するものとしたが、他の実施形態として、ハードウェアに基づいて動作するものとしても良い。
【００３０】
Ａ−２．燃料電池システム１０の動作：
図４は、燃料電池システム１０の排気制御部４９０によって実行される水素濃度制御処理を示すフローチャートである。本実施例では、排気制御部４９０は、燃料電池システム１０が起動すると、図４の水素濃度制御処理を定期的に実行する。
【００３１】
排気制御部４９０は、図４の水素濃度制御処理を開始すると、滞留空間４１０１における水素濃度ＣH2を示す水素濃度データをガス濃度センサ４８６から取得する（ステップＳ１１０）。その後、排気制御部４９０は、取得した水素濃度データに示された水素濃度ＣH2が、予め設定された水素濃度を示す排出閾値ＴH2よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１２０）。滞留空間４１０１に滞留するアノードオフガスから分離した不純物ガスが、オリフィス部４１０４を超えてガス濃度センサ４８６の位置付近にまで溜まると、ガス濃度センサ４８６によって検知される水素濃度ＣH2は減少する。
【００３２】
水素濃度ＣH2が排出閾値ＴH2よりも小さいと判断されると（ステップＳ１２０）、排気制御部４９０は、予め設定された期間の間、開弁信号を排気バルブ４２０に出力して排気バルブ４２０を開放する（ステップＳ１３０）。排気バルブ４２０が開弁すると（ステップＳ１３０）、ガス滞留容器４１０の不純物ガスは、不純物ガス導管４０２を通じて排気バルブ４２０から排気される。なお、本実施例では、排気バルブ４２０は、排気制御部４９０から開弁信号を受けていない場合には閉弁状態である。
【００３３】
以上説明した第１の実施例の燃料電池システム１０によれば、滞留空間４１０１の上方部４１０３と下方部４１０６とを仕切るオリフィス部４１０４を通過する気体に圧力損失が起こるため、ガス滞留容器４１０から不純物ガスを導出する際に（ステップＳ１３０）、滞留空間４１０１の上方部４１０３に分離されていた水素ガスが、滞留空間４１０１の下方部４１０６に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。その結果、不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制し、燃料電池システム１０における水素利用効率を向上させることができる。
【００３４】
また、オリフィス部４１０４は、互いに間隔を空けて層状に配置されたオリフィス板４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃを備えるため、滞留空間４１０１の上方部４１０３と下方部４１０６との間を通過する気体に起こる圧力損失を増大させ、上方部４１０３の水素ガスが下方部４１０６の不純物ガスと攪拌されてしまうことをより一層抑制することができる。さらに、オリフィス板４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃにそれぞれ設けられた開口部４１０５ａ，４１０５ｂ，４１０５ｃは、互いにずれた位置に形成されているため、オリフィス部４１０４における圧力損失を効率良く発生させることができる。
【００３５】
また、排気制御部４９０は、ガス濃度センサ４８６で検知された水素濃度ＣH2に基づいて排気バルブ４２０を制御することによって、滞留空間４１０１における水素濃度ＣH2の低下に基づいて、ガス滞留容器４１０に不純物ガスが溜まった状態を判断することができる。さらに、ガス濃度センサ４８６は、オリフィス部４１０４よりも上方に配置されているため、排気制御部４９０は、不純物ガスがオリフィス部４１０４を超えて滞留空間４１０１に溜まった分離状態を判断することができ、その分離状態で不純物ガスを導出することにより水素ガスがオリフィス板を通過して導出管にまで至ることを防止することができる。
【００３６】
また、排気バルブ４２０は、ガス滞留容器４１０の導出口４１０８より上方に配置されているため、ガス滞留容器４１０で結露した水滴が不純物ガス導管４０２を通じて排気バルブ４２０に流れ込むことを防止することができる。
【００３７】
Ｂ．第２の実施例：
第２の実施例における燃料電池システム１０の構成は、ガス濃度センサ４８６が窒素濃度を検知するセンサを含む点を除き、第１の実施例と同様である。
【００３８】
図５は、第２の実施例における燃料電池システム１０の排気制御部４９０によって実行される窒素濃度制御処理を示すフローチャートである。本実施例では、排気制御部４９０は、燃料電池システム１０が起動すると、図４の窒素濃度制御処理を定期的に実行する。
【００３９】
排気制御部４９０は、図４の窒素濃度制御処理を開始すると、滞留空間４１０１における窒素濃度ＣN2を示す窒素濃度データをガス濃度センサ４８６から取得する（ステップＳ２１０）。その後、排気制御部４９０は、取得した窒素濃度データに示された窒素濃度ＣN2が、予め設定された窒素濃度を示す排出閾値ＴN2よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ２２０）。滞留空間４１０１に滞留するアノードオフガスから分離した不純物ガスが、オリフィス部４１０４を超えてガス濃度センサ４８６の位置付近にまで溜まると、ガス濃度センサ４８６によって検知される窒素濃度ＣN2は増加する。
【００４０】
窒素濃度ＣN2が排出閾値ＴN2よりも大きいと判断されると（ステップＳ２２０）、排気制御部４９０は、予め設定された期間の間、開弁信号を排気バルブ４２０に出力して排気バルブ４２０を開放する（ステップＳ２３０）。排気バルブ４２０が開弁すると（ステップＳ２３０）、ガス滞留容器４１０の不純物ガスは、不純物ガス導管４０２を通じて排気バルブ４２０から排気される。なお、本実施例では、排気バルブ４２０は、排気制御部４９０から開弁信号を受けていない場合には閉弁状態である。
【００４１】
以上説明した第２の実施例の燃料電池システム１０によれば、第１の実施例と同様に、滞留空間４１０１の上方部４１０３に分離されていた水素ガスが、滞留空間４１０１の下方部４１０６に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。その結果、不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制し、燃料電池システム１０における水素利用効率を向上させることができる。また、排気制御部４９０は、ガス濃度センサ４８６で検知された窒素濃度ＣN2に基づいて排気バルブ４２０を制御することによって、滞留空間４１０１における窒素濃度ＣN2の増加に基づいて、ガス滞留容器４１０に不純物ガスが溜まった状態を判断することができる。さらに、ガス濃度センサ４８６は、オリフィス部４１０４よりも上方に配置されているため、排気制御部４９０は、不純物ガスがオリフィス部４１０４を超えて滞留空間４１０１に溜まった分離状態を判断することができ、その分離状態で不純物ガスを導出することにより水素ガスがオリフィス板を通過して導出管にまで至ることを防止することができる。
【００４２】
Ｃ．第３の実施例：
第３の実施例における燃料電池システム１０の構成は、排気制御部４９０に代えて排気制御部４９３を備える点を除き、第１の実施例と同様である。図６は、第３の実施例における燃料電池システム１０の排気制御部４９３を示す説明図である。第３の実施例の排気制御部４９３は、排気バルブ４２０を制御するための演算処理を実行するＣＰＵ４９３２と、ＣＰＵ４９３２の演算処理を規定したプログラムを予め記憶するＲＯＭ４９３４と、ＣＰＵ４９３２によって取り扱われるデータを一時的に記憶するＲＡＭ４９３６と、排気バルブ４２０に電気的に接続するインタフェース４９３６とを備えるワンチップマイクロコンピュータである。
【００４３】
第３の実施例では、排気制御部４９３のインタフェース４９３６は、燃料電池システム１０の各部を制御するシステム制御部２９０とも電気的に接続しており、排気制御部４９３は、燃料電池２０の動作状況を示すデータをシステム制御部２９０から取得する。第３の実施例では、排気制御部４９３のＲＯＭ４９３４は、燃料電池２０の動作状況に応じた排気バルブ４２０の動作態様を予め規定した動作マップ４９３５を記憶する。本実施例では、動作マップ４９３５には、燃料電池２０の動作状況として、燃料電池２０の発電量や、温度センサ４８２で検知されたアノードオフガスの温度，圧力センサ４８４で検知された不純物ガスの圧力などに応じた排気バルブ４２０の動作態様が予め規定されている。
【００４４】
図７は、第３の実施例における燃料電池システム１０の排気制御部４９３によって実行されるマップ制御処理を示すフローチャートである。本実施例では、排気制御部４９３は、燃料電池システム１０が起動すると、図７のマップ制御処理を定期的に実行する。
【００４５】
排気制御部４９３は、図７のマップ制御処理を開始すると、燃料電池２０の動作状況を示すデータをシステム制御部２９０から取得する（ステップＳ３１０）。その後、排気制御部４９３は、動作マップ４９３５に参照して（ステップＳ３２０）、取得したデータに示された動作状況において排気バルブ４２０の開放が必要であるか否かを判断する（ステップＳ３３０）。排気バルブ４２０の開放が必要である場合には、排気制御部４９３は、予め設定された期間の間、開弁信号を排気バルブ４２０に出力して排気バルブ４２０を開放する（ステップＳ３４０）。排気バルブ４２０が開弁すると（ステップＳ３４０）、ガス滞留容器４１０の不純物ガスは、不純物ガス導管４０２を通じて排気バルブ４２０から排気される。なお、本実施例では、排気バルブ４２０は、排気制御部４９３から開弁信号を受けていない場合には閉弁状態である。
【００４６】
以上説明した第３の実施例の燃料電池システム１０によれば、第１の実施例と同様に、滞留空間４１０１の上方部４１０３に分離されていた水素ガスが、滞留空間４１０１の下方部４１０６に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。その結果、不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制し、燃料電池システム１０における水素利用効率を向上させることができる。また、排気制御部４９３は、動作マップ４９３５に基づいて排気バルブ４２０を制御するため、不純物ガスの導出を緻密に制御することができる。
【００４７】
Ｄ．第４の実施例：
図８は、第４の実施例における燃料電池システム１４の概略構成を示す説明図である。第４の実施例における燃料電池システム１４の構成および動作は、第１の実施例のアノード排気部４０に代えてアノード排気部４４を備えるいわゆる循環方式の燃料電池システムである点を除き、第１の実施例と同様である。第３の実施例では、アノード排気部４４は、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスから、そのアノードオフガスより水素濃度が低い不純物ガスと、水素濃度が高い不純物除去ガスとに分離するガス分離部としても機能し、アノードオフガスから分離した不純物ガスを大気中へと排気すると共に、アノードオフガスから分離した不純物除去ガスを燃料ガス導管３００に循環させる。
【００４８】
燃料電池システム１４のアノード排気部４４の構成は、第１の実施例のガス滞留容器４１０に代えてガス滞留容器４１４を備える点、不純物除去ガスをガス滞留容器４１０から燃料ガス導管３００へと導く流路を形成する循環ガス導管４０４を備える点を除き、第１の実施例のアノード排気部４０と同様である。本実施例では、循環ガス導管４０４には、不純物除去ガスを加圧して燃料ガス導管３００に送り出す循環ポンプ４５０と、不純物除去ガスの温度を調整する熱交換器４３０とが設けられている。なお、各種バルブ，各種センサ，気液分離器などの他の装置を、実施の形態に応じて適宜、循環ガス導管４０４に設けても良い。
【００４９】
図９は、第４の実施例におけるアノード排気部４４の詳細構成を示す説明図である。なお、図９では、説明の簡略化を目的として、図８で示した温度センサ４８２，気液分離器４４０，圧力センサ４８４，循環ポンプ４５０，熱交換器４３０についての図示は省略されている。
【００５０】
第４の実施例におけるアノード排気部４４のガス滞留容器４１４は、ガス滞留容器４１４が形成する滞留空間４１４１の上方部４１４３に循環ガス導管４０４を連通させる導出口４１４８が設けられている点と、滞留空間４１４１の上方部４１４３にてアノードオフガス導管４００と循環ガス導管４０４との間を遮蔽する遮蔽板４１４２が設けられている点とを除き、第１の実施例のガス滞留容器４１０と同様である。
【００５１】
図１０は、図９におけるＢ−Ｂ線に沿ってガス滞留容器４１４を切断して遮蔽板４１４２を示す矢視断面図である。本実施例では、ガス滞留容器４１４の導出口４１４８は、ガス滞留容器４１４の円柱側面であって導入口４１０２に対向する位置に設けられている。本実施例では、遮蔽板４１４２は、ガス滞留容器４１４の上面から導入口４１０２および導出口４１４８の位置よりも長い縦長さと、滞留空間４１４１の直径と同じ横長さとを有する方形板であり、導入口４１０２と導出口４１４８とを結ぶ方向に直行する態様で、ガス滞留容器４１４の上面および円柱面に内接する。
【００５２】
以上説明した第４の実施例の燃料電池システム１４によれば、第１の実施例と同様に、滞留空間４１４１の上方部４１４３に分離されていた水素ガスが、滞留空間４１４１の下方部４１０６に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。その結果、不純物ガスと共に排気されてしまう水素ガスの量を抑制し、燃料電池システム１４における水素利用効率を向上させることができる。また、アノードオフガス導管４００から循環ガス導管４０４への直接的なアノードオフガスの流れが遮蔽板４１４２によって遮られるため、不純物が十分に分離されていないガスがアノードガスとして再利用されてしまうことを抑制することができる。
【００５３】
Ｅ．その他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、第２および第３の実施例における発明を、第４の実施例における循環型の燃料電池システム１４に適用しても良い。
【００５４】
また、本実施例では、排気バルブ４２０を開放する期間は、ソフトウェアに予め設定された期間であるが、他の実施形態として、燃料電池２０の動作状況や、ガス滞留容器４１０の温度などの燃料電池システム１０の状態に応じて設定された期間であっても良い。また、第３の実施例において、排気制御部４９３およびシステム制御部２９０は、一体のコンピュータとして構成されても良い。また、第４の実施例において、遮蔽板４１４２は、アノードオフガス導管４００から循環ガス導管４０４への直接的なアノードオフガスの流れを抑制可能な形状であれば良く、他の実施形態として、遮蔽板４１４２は、スリット板やオリフィス板であっても良い。
【００５５】
また、本実施例では、ガス滞留容器４１０，４１４を垂直方向に設置する形態について説明したが、他の実施形態として、ガス滞留容器４１０，４１４を水平や斜め方向に設置する形態に本願発明を適用しても良い。この形態では、アノードオフガスの分離は、不純物除去ガスを容器内の上流側（アノードオフガス導管４００側）に集め、不純物ガスを下流側（不純物ガス導管４０２側）に集めることによって行われ、オリフィス板は、容器内の上流側と下流側との間に設けられる。これによって、滞留空間の上流側と下流側とを仕切るオリフィス板を通過する気体に圧力損失が起こるため、ガス滞留容器から不純物ガスを導出する際に、ガス滞留容器に導入された水素ガスが、滞留空間の下流部に溜まっている不純物ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。
【００５６】
また、サイクロン方式によるアノードオフガスの遠心分離を行うシステムに本願発明を適用しても良い。この形態のシステムは、アノードオフガスを渦巻状に回転させ、その回転による遠心力を利用してアノードオフガスから不純物ガスを分離し、分離された不純物ガスはオリフィス板で仕切られた空間に集められる。これによって、遠心分離によって不純物ガスが集められる空間がオリフィス板で仕切られているため、集められた不純物ガスが水素ガスと攪拌されてしまうことを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム１０におけるアノード排気部４０の詳細構成を示す説明図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ線に沿ってガス滞留容器４１０を切断してオリフィス部４１０４を示す矢視断面図である。
【図４】燃料電池システム１０の排気制御部４９０によって実行される水素濃度制御処理を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施例における燃料電池システム１０の排気制御部４９０によって実行される窒素濃度制御処理を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施例における燃料電池システム１０の排気制御部４９３を示す説明図である。
【図７】第３の実施例における燃料電池システム１０の排気制御部４９３によって実行されるマップ制御処理を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施例における燃料電池システム１４の概略構成を示す説明図である。
【図９】第４の実施例におけるアノード排気部４４の詳細構成を示す説明図である。
【図１０】図９におけるＢ−Ｂ線に沿ってガス滞留容器４１４を切断して遮蔽板４１４２を示す矢視断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０，１４…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…アノード供給部
４０，４４…アノード排気部
５０…カソード供給部
６０…カソード排気部
７０…負荷部
２９０…システム制御部
３００…燃料ガス導管
３１０…水素タンク
３２２…シャットバルブ
３２４…減圧バルブ
３２６…減圧バルブ
３２８…シャットバルブ
３３０…熱交換器
３４０…逆止弁
３８２…圧力センサ
３８４…圧力センサ
４００…アノードオフガス導管
４０２…不純物ガス導管
４０４…循環ガス導管
４１０，４１４…ガス滞留容器
４１０１，４１４１…滞留空間
４１０２…導入口
４１０３，４１４３…上方部
４１０４…オリフィス部
４１０４ａ，４１０４ｂ，４１０４ｃ…オリフィス板
４１０５ａ，４１０５ｂ，４１０５ｃ…開口部
４１０６…下方部
４１０８…導出口
４１４２…遮蔽板
４１４８…導出口
４２０…排気バルブ
４３０…熱交換器
４４０…気液分離器
４５０…循環ポンプ
４８２…温度センサ
４８４…圧力センサ
４８６…ガス濃度センサ
４９０，４９３…排気制御部
４９０２，４９３２…ＣＰＵ
４９０４，４９３４…ＲＯＭ
４９０６，４９３６…ＲＡＭ
４９０８，４９３８…インタフェース
４９３５…動作マップ
【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】
2007328987.tif 000009
【図８】
2007328987.tif 000010
【図９】
2007328987.tif 000011
【図１０】
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