(57)【要約】【課題】  発電に燃料電池から排出されるオフガスを再利用する燃料電池システムにおいて、気液分離器によって回収された生成水がオフガスとともに燃料電池に還流することによるフラッディングを抑制する。【解決手段】  燃料電池システム１００は、アノードオフガスを循環させて再利用するシステムであり、アノードオフガスを循環させるための配管上に気液分離器４０を備えている。制御ユニット７０は、水位検出器４４によって、気液分離器４０に貯留された生成水の水位を検出し、検出された水位に基づいて、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量を推定する。そして、制御ユニット７０は、還流量が所定値以上であると推定したときに、燃料電池１０の出力を低下させたり、気液分離器４０に貯留された生成水を排出し、さらに、燃料電池１０への水素の供給量を増大させてアノード近傍に滞留している生成水を排出させたりする。【選択図】  図１
2007059221.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、
燃料電池と、
前記燃料電池に所定の反応ガスを供給する供給部と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料電池に循環させる循環配管と、
前記循環配管上に配置され、前記オフガスに含まれる水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に貯留された水分の貯留量を検出する貯留量検出部と、
前記貯留量検出部によって検出された貯留量に基づいて、前記気液分離器から前記オフガスとともに前記循環配管を通って前記燃料電池に還流する水分の還流量を推定する推定部と、
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、さらに、
前記気液分離器に流れる前記オフガスの流量を検出する流量検出部を備え、
前記推定部は、さらに、前記流量検出部によって検出された流量に基づいて、前記燃料電池に還流する水分量を推定する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記推定部によって推定された還流量が所定値以上であるときに、前記燃料電池の出力を、要求出力よりも低下させる出力制御部を備える、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離器は、前記貯留した水分を排出するための排出弁を備えており、
さらに、
前記推定部によって推定された還流量が所定値以上であるときに、前記排出弁を開弁して前記貯留量を減少させるとともに、前記燃料電池に供給される反応ガスを増加させるように、前記排出弁、および、前記供給部を制御する制御部を備える、
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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、燃料電池において、燃料ガスとしての水素ガスの利用効率を向上させるために、燃料電池のアノード（水素極）から排出されるアノードオフガスを、再度アノードに循環させて、アノードオフガスに残留する水素ガスを再利用する燃料電池システムがある。
【０００３】
燃料電池のカソード（酸素極）では、発電時のカソード反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、カソードオフガスとともに排出される一方、アノード側にもしみ出し、アノードオフガスとともに排出される。また、生成水が燃料電池の電解質膜近傍で過剰になると、フラッディングが発生し、燃料電池の発電性能が低下する。このため、上記アノードオフガスを再循環させて利用する燃料電池システムでは、アノードオフガスに含まれる生成水を回収するために、アノードオフガスを循環させるための循環配管に、水分回収装置（気液分離器）が設置される（例えば、下記特許文献１参照）。そして、下記特許文献１には、水分回収装置の排出弁を、水位センサの出力に応じて開閉制御することが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４６０５９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、上記特許文献１に記載された技術では、水分回収装置によって回収され、貯留されている生成水がアノードオフガスとともに循環配管を通って燃料電池に還流して、フラッディングが発生することは考慮されていなかった。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、発電に燃料電池から排出されるオフガスを再利用する燃料電池システムにおいて、水分回収装置（気液分離器）によって回収された生成水がオフガスとともに燃料電池に還流することによるフラッディングを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に所定の反応ガスを供給する供給部と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料電池に循環させる循環配管と、
前記循環配管上に配置され、前記オフガスに含まれる水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に貯留された水分の貯留量を検出する貯留量検出部と、
前記貯留量検出部によって検出された貯留量に基づいて、前記気液分離器から前記オフガスとともに前記循環配管を通って前記燃料電池に還流する水分の還流量を推定する推定部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
ここで、「反応ガス」とは、燃料ガスと、酸化剤ガスとの双方を含み得る。また、「オフガス」は、アノードオフガスと、カソードオフガスとの双方を含み得る。貯留量検出部としては、例えば、水位検出器を用いることができる。
【０００９】
本願発明者は、実験により、気液分離器に貯留されている水分の貯留量と、気液分離器から燃料電池に還流する水分の還流量との間には相関関係があり、気液分離器に貯留されている水分が多いほど、気液分離器から燃料電池に還流する水分の還流量が多くなることを見出した。本発明では、推定部によって、気液分離器に貯留された水分（生成水）の貯留量に基づいて、上記還流量を推定することができる。したがって、その推定結果に基づいて、フラッディングを抑制するための種々の制御を行うようにすることができる。つまり、発電に燃料電池から排出されるオフガスを再利用する燃料電池システムにおいて、気液分離器によって回収された生成水が燃料電池に還流することによるフラッディングを抑制することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記気液分離器に流れる前記オフガスの流量を検出する流量検出部を備え、
前記推定部は、さらに、前記流量検出部によって検出された流量に基づいて、前記燃料電池に還流する水分量を推定するようにしてもよい。
【００１１】
気液分離器から燃料電池に還流する水分の還流量は、気液分離器に流れるオフガスの流量に応じて変動する。つまり、オフガスの流量が多いほど、上記還流量が多くなる。本発明では、オフガスの流量を考慮して上記還流量を推定するので、上記還流量をより精度よく推定することができる。
【００１２】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、
前記推定部によって推定された還流量が所定値以上であるときに、前記燃料電池の出力を、要求出力よりも低下させる出力制御部を備えるようにしてもよい。
【００１３】
こうすることによって、上記還流量が所定値以上であると推定されたときに、生成水の生成量を減少させることができるので、上記還流量の増大を抑制し、フラッディングを抑制することができる。
【００１４】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記気液分離器は、前記貯留した水分を排出するための排出弁を備えており、
さらに、
前記推定部によって推定された還流量が所定値以上であるときに、前記排出弁を開弁して前記貯留量を減少させるとともに、前記燃料電池に供給される反応ガスを増加させるように、前記排出弁、および、前記供給部を制御する制御部を備えるようにしてもよい。
【００１５】
こうすることによって、上記還流量が所定値以上であると推定されたときに、気液分離器に貯留されている水分の貯留量を減少させることによって、上記還流量を減少させ、フラッディングを抑制することができる。また、反応ガスの供給量を増加させることによって、アノード、カソードの近傍に滞留している生成水を排出し、フラッディングを抑制することができる。
【００１６】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００１７】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．運転制御処理：
Ｃ．変形例：
【００１９】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と、酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２０】
燃料電池１０のカソードには、配管５０を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。この配管５０には、エアコンプレッサ５２、および、図示しない加湿器が設置されており、これらを駆動することによって、空気は、圧縮され、加湿されてカソードに供給される。
【００２１】
燃料電池１０のカソードから排出されたカソードオフガスは、配管６０を介して、外部に排出される。
【００２２】
燃料電池１０のアノードには、水素タンク２０から、燃料ガスとしての水素が、シャットバルブ２１や、減圧弁２２等によって供給量が調整され、配管２３を介して供給される。水素タンク２０、シャットバルブ２１、減圧弁２２、配管２３は、本発明における供給部に相当する。
【００２３】
燃料電池１０のアノードから排出されるアノードオフガスは、配管３０を介して、気液分離器４０に供給され、気液分離器４０において、凝縮した生成水が除去される。そして、この生成水は、気液分離器４０内に貯留される。なお、気液分離器４０には、排出配管４２が接続されており、排出配管４２上に配設された排出弁４３を開弁することによって、気液分離器４０内に貯留した生成水を外部に排出することができる。気液分離器４０によって回収した水は、燃料電池システム１００内で再利用するようにしてもよい。また、気液分離器４０には、気液分離器４０に貯留された生成水の貯留量を検出するための水位検出器４４が設置されている。
【００２４】
気液分離器４０を通過したアノードオフガスは、配管３２、水素ポンプ３４を通って、配管２３に循環する。こうすることによって、アノードオフガスを循環させ、アノードオフガスに含まれる燃料電池１０で未消費の水素を再利用することができる。配管３０，３２は、本発明における循環配管に相当する。
【００２５】
また、配管３２には、配管３６が接続されており、配管３６上に配設されたバルブ３８を開弁することによって、アノードオフガスを外部に排出することができる。
【００２６】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット７０によって制御される。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。制御ユニット７０は、例えば、後述するように、気液分離器４０に貯留された生成水の貯留量に基づいて、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量を推定し、その推定結果に基づいて、出力制御や、各種バルブの開閉制御や、反応ガスの供給量の制御等、燃料電池１０におけるフラッディングを抑制するための制御を行う。制御ユニット７０は、本発明における推定部、出力制御部、制御部に相当する。
【００２７】
Ｂ．運転制御処理：
図２は、運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット７０のＣＰＵが、燃料電池１０による発電中に、燃料電池１０におけるフラッディングを抑制するために実行する処理である。
【００２８】
まず、ＣＰＵは、水位検出器４４によって、気液分離器４０に貯留された生成水の水位、すなわち、貯留量を検出する（ステップＳ１００）。そして、ＣＰＵは、検出された水位に基づいて、気液分離器４０から配管３２を通ってアノードオフガスとともに燃料電池１０に還流する水分の還流量を推定する（ステップＳ１１０）。気液分離器４０の貯留されている生成水の水位が高いほど、気液分離器４０から燃料電池１０に還流する水分の還流量は多くなる。本実施例では、気液分離器４０の貯留されている生成水の水位と、気液分離器４０から燃料電池１０に還流する水分の還流量との相関関係を記したマップが、予め制御ユニット７０のＲＯＭに記録されており、ＣＰＵは、これを参照して、上記還流量を推定するものとした。
【００２９】
次に、ＣＰＵは、推定した水分の還流量が所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。この所定値は、任意に設定可能である。また、この所定値は、固定値であってもよいし、燃料電池１０への要求出力に応じて変動する値であってもよい。推定した還流量が所定値未満である場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１００に戻る。
【００３０】
一方、推定した還流量が所定値以上である場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、燃料電池１０による発電量、すなわち、燃料電池１０の出力を要求出力よりも低下させる（ステップＳ１３０）。燃料電池１０による発電量を低下させることによって、生成水の生成量を減少させることができるので、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量の増大を抑制し、フラッディングを抑制することができる。
【００３１】
さらに、ＣＰＵは、気液分離器４０の排出弁４３を開弁して（ステップＳ１４０）、気液分離器４０に貯留された生成水を排出する。気液分離器４０に貯留された生成水を減少させることによって、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量を減少させ、フラッディングを抑制することができる。
【００３２】
次に、ＣＰＵは、再度、水位検出器４４によって、気液分離器４０に貯留されている生成水の水位を検出し（ステップＳ１５０）、その水位が所定値以下になったか否かを判断する（ステップＳ１６０）。そして、検出された水位が所定値以下になったら（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、排出弁４３を閉弁して生成水の排出を停止し（ステップＳ１７０）、燃料電池１０への水素の供給量を増大させる（ステップＳ１８０）。このときの水素の供給量は、燃料電池１０のアノードの近傍に滞留している生成水を排出可能な値が設定されている。燃料電池１０への水素の供給量を増大させることによって、燃料電池１０のアノードの近傍に滞留している生成水を排出し、フラッディングを抑制することができる。
【００３３】
そして、ＣＰＵは、タイマを参照し、燃料電池１０への水素の供給量を増大させてから所定時間が経過したか否かを判断し（ステップＳ１９０）、所定時間が経過したら（ステップＳ１９０：ＹＥＳ）、水素の供給量を通常の供給量に戻し、処理を終了する。
【００３４】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１００によれば、気液分離器４０に貯留された生成水の貯留量に基づいて、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量を推定し、その推定結果に基づいて、フラッディングを抑制するための種々の制御を行うことができる。つまり、発電に燃料電池から排出されるオフガスを再利用する燃料電池システムにおいて、気液分離器４０によって回収された生成水が燃料電池１０に還流することによるフラッディングを抑制することができる。
【００３５】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００３６】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池１０のアノード側に、アノードオフガスを再循環させるための配管、および、アノードオフガスに含まれる生成水を回収する気液分離器４０を設置するものとしたが、これに限られない。燃料電池１０のカソード側に、カソードオフガスを再循環させるための配管、および、カソードオフガスに含まれる生成水を回収する気液分離器設置するようにしてもよい。また、これらを、アノード側、および、カソード側の双方に設置するものとしてもよい。
【００３７】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、気液分離器４０に貯留された生成水の水位に基づいて、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量を推定するものとしたが、これに限られない。気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量は、気液分離器４０に流れるアノードオフガスが多いほど多くなる傾向にある。したがって、配管３０等にアノードオフガスの流量を測定する流量計を設置し、さらに、気液分離器４０に流れるアノードオフガスの流量を考慮して、還流量を推定するようにしてもよい。こうすることによって、気液分離器４０から燃料電池１０への水分の還流量を、より精度よく推定することができる。
【００３８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、図２に示した運転制御処理のステップＳ１３０において、燃料電池１０による発電量を低下させたが、これを行わなくてもよい。
【００３９】
また、上記実施例では、ステップＳ１６０において、燃料電池１０への水素の供給量を増大させるものとしたが、これを、ステップＳ１３０において、気液分離器４０の排出弁４３を開弁して、気液分離器４０に貯留された生成水を排出する処理と並行して行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１００...燃料電池システム
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２１...シャットバルブ
２２...減圧弁
２３...配管
３０，３２，３６...配管
３４...水素ポンプ
３８...バルブ
４０...気液分離器
４２...排出配管
４３...排出弁
４４...水位検出器
５０...配管
５２...エアコンプレッサ
６０...配管
７０...制御ユニット
【図１】
2007059221.tif 000003
【図２】
2007059221.tif 000004