(57)【要約】【課題】  融点を下げるための添加剤が不要であり、種々の原因による排出路の詰まりに対処可能な燃料電池システムとその運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池１０に空気を供給する供給配管１３と、燃料電池１０から排出される空気オフガスを排出する排出配管１４とを有するものであって、排出配管１４および供給配管１３を連通する連通配管３０と、この連通配管３０において供給配管１３から排出配管１４へのガスの流れを制限する一方、排出配管１４から供給配管１３へのガスの流れを許容するリリーフ弁３２とを設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有する燃料電池システムであって、
前記排出路および前記供給路を連通する連通路と、
該連通路において前記供給路から前記排出路へのガスの流れを制限する一方、前記排出路から前記供給路へのガスの流れを許容する弁と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記弁は、前記排出路内の圧力が所定値を超えた場合にのみ前記排出路から前記供給路へのガスの流れを許容することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有する燃料電池システムであって、
前記排出路および前記供給路を連通する連通路と、
該連通路を開閉する電磁弁と、
前記電磁弁の開閉状態を制御する制御手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記排出路には消音器が設けられており、
前記連通路は前記排出路における前記消音器よりも上流側に連通していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記供給路には不純物除去部が設けられており、
前記連通路は前記供給路における前記不純物除去部よりも上流側に連通していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有する燃料電池システムであって、
前記排出路から分岐して外部に開口する分岐排出路と、
該分岐排出路において外部から前記排出路へのガスの流れは制限する一方、前記排出路から外部へのガスの流れを許容する弁と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記弁は、前記排出路内の圧力が所定値を超えた場合のみ前記排出路から前記分岐排出路を介しての外部へのガスの流れを許容することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記排出路には消音器が設けられており、
前記分岐排出路は前記排出路における前記消音器よりも上流側から分岐していることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記排出路内のガス圧が所定圧力以上になると、該排出路からその外部へ前記反応オフガスの一部を排気することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項１０】
前記排出路から外部へ排気された前記反応オフガスの少なくとも一部を前記供給路に供給することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムとその運転方法に関し、特に、その流路の凍結対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいては、電気化学反応によって生成水が生じることになるが、この生成水は、例えば燃料電池の運転を停止した時に、反応オフガスの排出路の温度が低下して排出路内の飽和水蒸気圧が低下するにつれ排出路内で凝縮することになる。このように凝縮した生成水が排出路内に残留した状態のままでシステムを放置すると、外気温が氷点下となって排出路が冷却された場合には、生成水の凍結により排出路が狭められたり、閉塞されてしまう可能性がある。
【０００３】
このため、このような生成水の凍結による排出路の詰まりを抑制すべく、凝縮水の融点を下げるための添加剤として例えば改質用のメタノールを凝縮水に添加する技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２２３２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように、凝縮水の融点を下げるためにメタノール等の添加剤を凝縮水に添加するものであると、当然のことながらメタノール等の添加剤が無駄に消費されることになってしまう。また、排出路の詰まりの原因は必ずしも生成水の凍結であるとは限らないが、このような生成水の凍結以外の原因による詰まりには対処できなくなってしまう。かかる生成水の凍結以外の原因としては、例えば排出口を介して外部から異物が排出路に入った場合等が挙げられる。
【０００５】
そこで、本発明は、融点を下げるための添加剤が不要であり、種々の原因による排出路の詰まりに対処可能な燃料電池システムとその運転方法の提供を目的とする。
【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、燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有するものであって、前記排出路および前記供給路を連通する連通路と、該連通路において前記供給路から前記排出路へのガスの流れを制限する一方、前記排出路から前記供給路へのガスの流れを許容する弁とを有することを特徴としている。
【０００７】
この構成によれば、供給路と排出路とを連通する連通路において供給路から排出路へのガスの流れを制限する一方、排出路から供給路へのガスの流れを許容する弁が設けられているため、排出路に詰まりが生じると、この弁によって排出路から供給路へ反応オフガスを流すことになる。その結果、運転状態を維持することが可能となる。これにより、添加剤等を使用する必要がなくなり、また、生成水の凍結以外の原因による詰まりにも対処可能となる。
【０００８】
この場合、前記弁は、前記排出路内の圧力が所定値を超えた場合にのみ前記排出路から前記供給路へのガスの流れを許容するのが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、排出路内の圧力が所定値を超えた場合、つまり排出路側に詰まりが生じた場合にのみ排出路から供給路へのガスの流れを許容するため、正常時に運転効率を下げてしまうことがない。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有するものであって、前記排出路および前記供給路を連通する連通路と、該連通路を開閉する電磁弁と、前記電磁弁の開閉状態を制御する制御手段とを有する構成としても良い。
【００１１】
この構成によれば、制御手段が、例えば外気温や排出路の圧力に応じて、排出路に詰まりが生じると判断できる状況では、供給路と排出路とを連通する連通路に設けられた電磁弁を開いて排出路から供給路へ連通路を介して反応オフガスを流すことになる。その結果、運転状態を維持することが可能となる。これによっても、添加剤等を使用する必要がなくなり、また、生成水の凍結以外の原因による詰まりにも対処可能となる。
【００１２】
さらに、前記排出路に消音器が設けられている場合に、前記連通路は前記排出路における前記消音器よりも上流側に連通しているのが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、燃料電池システムは反応オフガスの流量が非常に多く、かつ合成樹脂製の消音器が用いられることから、排出路に詰まりが生じた場合に消音器に高い圧力がかかって破損等を生じてしまうことを防止できる。
【００１４】
加えて、前記供給路に不純物除去部が設けられている場合に、前記連通路は前記供給路における前記不純物除去部よりも上流側に連通しているのが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、排出路から連通路を介して供給路に流れる反応オフガスにダストや燃料電池およびそれに連通する配管要素からの剥離物等が混入している場合にそれを除去することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有するものであって、前記排出路から分岐して外部に開口する分岐排出路と、該分岐排出路において外部から前記排出路へのガスの流れは制限する一方、前記排出路から外部へのガスの流れを許容する弁とを有する構成としても良い。
【００１７】
この構成によれば、排出路から分岐して外部に開口する分岐排出路において外部から排出路へのガスの流れを制限する一方、排出路から外部へのガスの流れを許容する弁が設けられているため、排出路に詰まりが生じると、この弁によって排出路から分岐排出路を介して外部へ反応オフガスを流すことになる。その結果、運転状態を維持することが可能となる。これによっても、添加剤等を使用する必要がなくなり、また、生成水の凍結以外の原因による詰まりにも対処可能となる。
【００１８】
この場合も、前記弁は、前記排出路内の圧力が所定値を超えた場合のみ前記排出路から前記分岐排出路を介しての外部へのガスの流れを許容するのが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、排出路内の圧力が所定値を超えた場合、つまり排出路側に詰まりが生じた場合にのみ排出路から分岐排出路を介しての外部へのガスの流れを許容するため、正常時には分岐排出路を介してのガスの排出を規制できる。
【００２０】
また、この場合も、前記排出路に消音器が設けられている場合に、前記分岐排出路は前記排出路における前記消音器よりも上流側から分岐しているのが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、特に合成樹脂製の消音器を用いた場合に、消音器に高い圧力がかかって破損等を生じてしまうことを防止できる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池に反応ガスを供給する供給路と、前記燃料電池から排出される反応オフガスを排出する排出路とを有する燃料電池システムの運転方法であって、前記排出路内のガス圧が所定圧力以上になると、該排出路からその外部へ前記反応オフガスの一部を排気することを特徴としている。
【００２３】
この場合、前記排出路から外部へ排気された前記反応オフガスの少なくとも一部を前記供給路に供給することが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、融点を下げるための添加剤が不要となり、種々の原因による排出路の詰まりに対処可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
まず、本発明を実施するための好適な第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。以下、本発明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，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。
【００２６】
図１に本燃料電池システムの要部のシステム構成図を示す。この図に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１０に燃料ガスである水素ガスを供給する配管１１、燃料電池１０を通過後の水素オフガスを案内する配管１２、酸化ガス（反応ガス）としての空気を供給する供給配管（供給路）１３および燃料電池１０を通過後の空気オフガスを排出する排出配管（排出路）１４と、燃料電池１０を冷却するための図示略の冷却系配管を備えて構成されている。
【００２７】
燃料電池１０は、図示は略すが、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。
【００２８】
燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給するための供給配管１３には、外部に開口する吸込口２０と燃料電池１０との間位置にエアクリーナ（不純物除去部）２１が設けられており、このエアクリーナ２１と燃料電池１０との間位置にエアコンプレッサ２２が設けられている。これにより、エアコンプレッサ２２が駆動されると、供給配管１３は、空気を吸込口２０から吸い込みエアクリーナ２１でダスト等を捕捉した後に燃料電池１０に導入する。
【００２９】
ここで、供給配管１３は、吸込口２０が車体２４の外に臨んで設けられているが、少なくともエアクリーナ２１よりも燃料電池１０側は、外気の影響を受けにくい車体２４内に設けられている。
【００３０】
また、燃料電池１０を通過した空気を排出するための排出配管１４には、外部に開口する排出口２６と燃料電池１０との間に空気オフガスの排出音を抑えるための合成樹脂製のマフラ（消音器）２７が設けられている。ここで、排出配管１４は排出口２６およびマフラ２７が車体２４の外に臨んで設けられているが、マフラ２７よりも燃料電池１０側は、外気の影響を受けにくい車体２４内に設けられている。
【００３１】
そして、第１実施形態においては、酸化ガス供給側の供給配管１３と排出配管１４とを連通する連通配管（連通路）３０が設けられている。この連通配管３０は、一端側が供給配管１３におけるエアクリーナ２１よりも上流側に連通しており、他端側が排出配管１４におけるマフラ２７よりも上流側に連通している。この連通配管３０も外気の影響を受けにくい車体２４内に設けられている。
【００３２】
この連通配管３０には、連通配管３０を介しての供給配管１３から排出配管１４へのガスの流れを制限する一方、連通配管３０を介しての排出配管１４から供給配管１３へのガスの流れを許容するリリーフ弁（弁）３２が設けられている。このリリーフ弁３２は、排出配管１４内の圧力が予め設定された所定値を超えた場合にのみ開弁して排出配管１４から供給配管１３へのガスの流れを許容する。
【００３３】
リリーフ弁３２は、図示略のスプリングの付勢力で閉弁するもので、その上流側（排出配管１４側）と下流側（供給配管１３側）との圧力差が、上流側が下流側よりもスプリングの付勢力に基づく所定値を超えて高くなると機械的に開弁する。そして、連通配管３０のリリーフ弁３２よりも供給配管１３側が吸込口２０に連通して基本的に常に大気圧となっているため、リリーフ弁３２は排出配管１４内の圧力が予め設定された所定値を超えた場合にのみ開弁することになる。
【００３４】
なお、上記した所定値は、正常運転時に排出配管１４内の圧力がマフラ２７による排気抵抗によって若干上昇しても、リリーフ弁３２が閉弁状態を維持するように設定されている。
【００３５】
上記構成とすることにより、マフラ２７あるいは排出口２６が雪や燃料電池１０の生成水の凍結等の何らかの外部要因で閉塞されてしまうと、排出配管１４内の圧力が上昇することになり、この圧力が所定値を超えた時点でリリーフ弁３２が開弁する。これにより、空気オフガスが連通配管３０を介して供給配管１３側に流れ、エアクリーナ２１でダスト等が除去された状態で燃料電池１０に、外気と混合された状態で導入されるので、燃料電池１０は発電を継続することになる。
【００３６】
以上に述べた第１実施形態によれば、酸化ガス供給側の供給配管１３と排出配管１４とを連通する連通配管３０において供給配管１３から排出配管１４へのガスの流れを制限する一方、排出配管１４から供給配管１３へのガスの流れを許容するリリーフ弁３２が設けられているため、排出配管１４に詰まりが生じて急激な圧力上昇が生じても、連通配管３０およびリリーフ弁３２によって排出配管１４から供給配管１３へ瞬時に空気オフガスを流して圧力を逃がすことができる。
【００３７】
その結果、運転状態を維持することが可能となり、移動体の路肩等への回避走行が可能となり、さらには近隣のメンテナンス工場への走行等も可能となる。これにより、添加剤等を使用する必要がなくなり、また、生成水の凍結以外の原因（例えば雪）による詰まりにも対処可能となる。
【００３８】
また、リリーフ弁３２は、排出配管１４内の圧力が所定値を超えた場合、つまり排出配管１４側に詰まりが生じた場合にのみ排出配管１４から供給配管１３へのガスの流れを許容するため、正常時に排出配管１４内の圧力がマフラ２７による排気抵抗によって上昇しても、リリーフ弁３２は開弁することがなく、運転効率を下げてしまうことがない。
【００３９】
さらに、燃料電池システムは空気オフガスの流量が非常に多く、かつ耐圧の低い合成樹脂製のマフラ２７が用いられることから、詰まりを生じるとマフラ２７に高い圧力がかかって破損等を生じてしまうことになるが、上記のように、連通配管３０は排出配管１４におけるマフラ２７よりも上流側に連通しているため、マフラ２７に高い圧力がかかって破損等を生じてしまうことを防止できる。
【００４０】
加えて、連通配管３０は供給配管１３におけるエアクリーナ２１よりも上流側に連通しているため、排出配管１４から連通配管３０を介して供給配管１３に流れる空気オフガスにダストや燃料電池およびそれに連通する配管要素からの剥離物等が混入している場合にそれを除去してから空気オフガスを燃料電池１０側に流すことができる。
【００４１】
次に、本発明を実施するための好適な第２実施形態について、図２を参照しながら第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付しその説明は略す。
【００４２】
第２実施形態においては、第１実施形態の連通配管３０が設けられておらず、排出配管１４から分岐して外部に開口する分岐排出配管（分岐排出路）３４が設けられ、この分岐排出配管３４において外部から排出配管１４へのガスの流れは制限する一方、排出配管１４から外部へのガスの流れを許容する第１実施形態と同様のリリーフ弁３２が、分岐排出配管３４の排出配管１４と外部に開口する分岐排出口３５との間に設けられている。
【００４３】
ここで、分岐排出配管３４は排出配管１４におけるマフラ２７よりも上流側、つまりマフラ２７と燃料電池１０との間から分岐している。
【００４４】
第２実施形態のリリーフ弁３２も、上記したように第１実施形態と同様のものである。つまり、このリリーフ弁３２は、排出配管１４内の圧力が予め設定された所定値を超えた場合にのみ開弁して排出配管１４から分岐排出配管３４を介しての外部へのガスの流れを許容するもので、その上流側（排出配管１４側）と下流側（外気側）との圧力差が、上流側が下流側よりもスプリングの付勢力に基づく所定値を超えて高くなると機械的に開弁する。
【００４５】
そして、分岐排出配管３４のリリーフ弁３２よりも下流側の分岐排出口３５が大気に開口して常に大気圧となっているため、リリーフ弁３２は排出配管１４内の圧力が予め設定された所定値を超えた場合にのみ開弁することになる。
【００４６】
なお、この場合も、上記した所定値は、正常運転時に排出配管１４内の圧力がマフラ２７による排気抵抗によって若干上昇しても、リリーフ弁３２が閉弁状態を維持するように設定されている。
【００４７】
そして、上記構成とすることにより、マフラ２７あるいは排出配管１４の排出口２６が雪や燃料電池１０の生成水の凍結等の何らかの外部要因で閉塞されてしまうと、排出配管１４内の圧力が上昇することになり、この圧力が所定値を超えた時点でリリーフ弁３２が開弁する。これにより、空気オフガスが分岐排出配管３４を介して外部に排出されるので、燃料電池１０は通常の発電状態を継続することができる。
【００４８】
以上に述べた第２実施形態によれば、酸化ガス供給側の排出配管１４から分岐する分岐排出配管３４において外部から排出配管１４へのガスの流れを制限する一方、排出配管１４から外部へのガスの流れを許容するリリーフ弁３２が設けられているため、排出配管１４に詰まりが生じて急激な圧力上昇が生じても、分岐排出配管３４およびリリーフ弁３２によって排出配管１４から外部へ瞬時に空気オフガスを流して圧力を逃がすことができる。
【００４９】
その結果、運転状態を維持することが可能となり、移動体の走行が通常通り可能となる。これにより、添加剤等を使用する必要がなくなり、また、生成水の凍結以外の原因（例えば雪）による詰まりにも対処可能となる。
【００５０】
また、リリーフ弁３２は、排出配管１４内の圧力が所定値を超えた場合、つまり排出配管１４側に詰まりが生じた場合にのみ排出配管１４から分岐排出配管３４へのガスの流れを許容するため、正常時に排出配管１４内の圧力がマフラ２７による排気抵抗によって上昇しても、リリーフ弁３２は開弁することがなく、分岐排出配管３４を介してのガスの排出を規制できる。
【００５１】
さらに、分岐排出配管３４が排出配管１４におけるマフラ２７よりも上流側から分岐しているため、マフラ２７に高い圧力がかかって破損等を生じてしまうことを防止できる。
【００５２】
次に、本発明を実施するための好適な第３実施形態について、図３を参照しながら第１実施形態との相違部分を中心に説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付しその説明は略す。
【００５３】
第３実施形態においては、連通配管３０に、第１実施形態の機械式のリリーフ弁３２が設けられておらず、代わりに電磁開閉式の電磁弁３７が設けられており、さらに、外気温を検出する外気温センサ３８が設けられている。そして、この外気温センサ３８の検出結果、つまり外気温に基づいてＥＣＵ（制御手段）３９が電磁弁３７の開閉状態を制御する。
【００５４】
つまり、ＥＣＵ３９は、通常は電磁弁３７を閉状態とし、外気温センサ３８の検出結果から燃料電池１０の生成水が凍結する温度条件下にあることが検出されると、電磁弁３７を開くのである。
【００５５】
以上に述べた第３実施形態によれば、ＥＣＵ３９が、外気温センサ３８の検出結果、つまり外気温に応じて、外気温が低くマフラ２７あるいは排出口２６が燃料電池１０の生成水の凍結で閉塞されてしまう可能性があると判断できる状況では、供給配管１３と排出配管１４とを連通する連通配管３０に設けられた電磁弁３７を開いて排出配管１４から供給配管１３へ連通配管３０を介して空気オフガスを流すことになる。
【００５６】
その結果、運転状態を維持することが可能となる。これによっても、添加剤等を使用する必要がなくなり、また、生成水の凍結以外の例えば雪の詰まり等にも対処可能となる。なお、この構成の場合は、外気温が低く例えばエアクリーナ２１に凍結が生じる可能性がある場合に、温度の比較的高い空気オフガスを連通配管３０を介してエアクリーナ２１に流すことでこの凍結を防ぐこともできる。
【００５７】
第３実施形態において、排出配管１４に圧力センサを設けて、ＥＣＵ３９が圧力センサで検出される圧力が所定値を超えると電磁弁３７を開くようにしても良い。さらには、外気温センサ３８および圧力センサの両方の検出結果から電磁弁３７の開閉を制御しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０…燃料電池、１３…供給配管（供給路）、１４…排出配管（排出路）、２１…エアクリーナ（不純物除去部）、２７…マフラ（消音器）、３０…連通配管（連通路）、３２…リリーフ弁（弁）、３４…分岐排出配管（分岐排出路）、３７…電磁弁、３９…ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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