(57)【要約】【課題】  燃費が改善された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、酸化ガス及び燃料ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を調整する調整部と、燃料電池から排出された燃料ガスを貯留するタンクと、燃料電池から排出された燃料ガスをタンクに導入するための第１導入路と、タンクに貯留された燃料ガスを燃料電池に導入するための第２導入路と、調整部を制御する制御部とを備え、制御部は、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を増加させることにより、燃料電池から排出された燃料ガスを、第１導入路を介してタンクに導入し、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を低下させることにより、タンクに貯留された燃料ガスを、第２導入路を介して燃料電池に導入する。【選択図】図２
2016157646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガス及び燃料ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する調整部と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを貯留するタンクと、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記タンクに導入するための第１導入路と、
前記タンクに貯留された前記燃料ガスを前記燃料電池に導入するための第２導入路と、
前記調整部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を増加させることにより、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを、前記第１導入路を介して前記タンクに導入し、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を低下させることにより、前記タンクに貯留された前記燃料ガスを、前記第２導入路を介して前記燃料電池に導入す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。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。
【０００３】
例えば特許文献１及び２には、燃料電池から排出されたオフガスを一時的にタンクに貯留し、燃料電池に逆流させることで、オフガス中の未消費の水素を燃料電池に再供給する点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９７９６６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１５４４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
オフガスには、空気中の窒素や化学反応で生成された水分などの不純物が含まれる。燃料電池内の排出路では、発電により不純物の濃度がタンク内より高くなるため、タンク内のオフガス中の水素濃度は、排出路に接続された出入口付近において最も低くなる。
【０００６】
したがって、水素濃度の低いオフガスがタンクから燃料電池に逆流することで、燃料電池内の水素濃度が低下するため、燃料電池では出力の低下や電解質膜の劣化が起こりやすい。これに対して、タンクからオフガスを頻繁にパージすれば、燃料電池内の水素濃度を高めることができるが、パージによって不純物と同時に未消費の水素まで外部に排出されるため、燃費が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃費が改善された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】
【０００８】
本明細書に記載の燃料電池システムは、酸化ガス及び燃料ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を調整する調整部と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを貯留するタンクと、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記タンクに導入するための第１導入路と、前記タンクに貯留された前記燃料ガスを前記燃料電池に導入するための第２導入路と、前記調整部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を増加させることにより、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを、前記第１導入路を介して前記タンクに導入し、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの圧力を低下させることにより、前記タンクに貯留された前記燃料ガスを、前記第２導入路を介して前記燃料電池に導入する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃費を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】比較例に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図３（ａ）】比較例に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。
【図３（ｂ）】実施例に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。
【図４】他の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図５】他の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、比較例に係る燃料電池システムを示す構成図である。燃料電池システムは、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータ（不図示）に電力を供給する。
【００１２】
燃料電池システムは、制御装置１０と、エアコンプレッサ１１と、空気供給路１２と、圧力センサ１３と、主止弁１４と、空気排出路１５と、水素ガスボンベ１６と、調圧弁１７と、水素ガス供給路１８と、燃料電池３とを備える。さらに、燃料電池システムは、水素ガス排出路４１と、バッファタンク４０と、パージ流路２３と、パージ弁２４とを備える。
【００１３】
制御装置１０は、制御部の一例であり、燃料電池システムの動作を制御する。制御装置１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。なお、制御装置１０は、プログラムで動作するものに限定されず、ハードウェアのみで動作するものであってもよい。
【００１４】
制御装置１０は、各種の指令や制御処理に従って制御信号Ｓ１〜Ｓ４をエアコンプレッサ１１、主止弁１４、調圧弁１７、及びパージ弁２４にそれぞれ出力する。また、制御装置１０には、圧力センサ１３が検出した圧力Ｐが入力される。
【００１５】
燃料電池３には、燃料ガスの一例である水素ガスを供給するための水素ガス供給路１８と、発電に使用した水素ガス、つまりオフガスを排出するための水素ガス排出路４１とが接続されている。水素ガス供給路１８には、水素ガスボンベ１６、主止弁１４、調圧弁１７、及び圧力センサ１３が、この順に接続されている。
【００１６】
水素ガスボンベ１６は、水素ガス（Ｈ２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素ガスボンベ１６から主止弁１４、調圧弁１７、及び圧力センサ１３を経由して燃料電池３のアノード側に導入される。
【００１７】
主止弁１４は、制御装置１０からの制御信号Ｓ２に基づいて開閉される。主止弁１４は、燃料電池３に水素ガスを供給する場合に開放され、水素ガスの供給を停止する場合に閉じられる。
【００１８】
水素ガスは、調圧弁１７を通過することで圧力が調整される。調圧弁１７は、調整部の一例であり、制御装置１０により制御される。調圧弁１７は、制御装置１０からの制御信号Ｓ３に基づいて弁の開度を調整することで、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力を調整する。
【００１９】
圧力センサ１３は、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐを検出する。圧力センサ１３は、検出した圧力Ｐを制御装置１０に通知する。
【００２０】
燃料電池３から排出された水素ガスは、水素ガス排出路４１に導かれる。水素ガス排出路４１は、バッファタンク４０に接続されており、バッファタンク４０は、燃料電池３から排出された水素ガスを貯留する。バッファタンク４０には、パージ流路２３を介してパージ弁２４が接続されている。
【００２１】
パージ弁２４は、制御装置１０からの制御信号Ｓ４に基づいて開閉される。制御装置１０は、周期的にパージ弁２４を開放することにより、バッファタンク４０内のオフガスを外部に排出する。
【００２２】
また、燃料電池３には、空気を供給するための空気供給路１２と、発電に使用した空気を排出するための空気排出路１５とが接続されている。空気供給路１２には、エアコンプレッサ１１が接続されている。
【００２３】
エアコンプレッサ１１は、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ２）を含む空気を取り込んで燃料電池３に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。エアコンプレッサ１１は、制御装置１０からの制御信号Ｓ１に従って空気を燃料電池３のカソード側に導入する。燃料電池３から排出された空気は、空気排出路１５に導かれる。
【００２４】
燃料電池３は、複数の燃料電池セル３０の積層体（スタック）として構成される。燃料電池３は、燃料ガスである水素ガスが供給されるアノード電極（燃料極）と、空気が供給されるカソード電極（空気極）とを備える。アノード電極及びカソード電極の間には電解質膜が挟持されており、アノード電極、電解質膜、及びカソード電極は、膜電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）を構成する。
【００２５】
水素及び酸素は、ＭＥＡにおいて化学反応することにより水と電気を生成する。このように、燃料電池３は、水素及び酸素が供給されることにより発電し、車両を駆動するモータに電流を出力する。
【００２６】
燃料電池セル３０は、ＭＥＡを挟んで互いに組み合わされたカソード側セパレータ３１及びアノード側セパレータ３２を有する。アノード側セパレータ３２の表面には、水素ガスをアノード電極に導くための水素ガス流路３５が形成され、カソード側セパレータ３１には、空気をカソード電極に導くための空気流路（不図示）が形成されている。
【００２７】
また、燃料電池３には、水素ガス供給路１８と接続されて各水素ガス流路３５の上流側と連通するアノード側入口マニホールド３３と、水素ガス排出路４１と接続されて各水素ガス流路３５の下流側と連通するアノード側出口マニホールド３４とが設けられている。アノード側入口マニホールド３３及びアノード側出口マニホールド３４は、各カソード側セパレータ３１及び各アノード側セパレータ３２に設けられた孔が組み合わせられることで形成される。なお、これと同様に、燃料電池３には、空気供給路１２と接続されて各空気流路の上流側と連通するカソード側入口マニホールド（不図示）と、空気排出路１５と接続されて各空気流路の下流側と連通するカソード側出口マニホールド（不図示）とが設けられている。
【００２８】
主止弁１４が開放された状態において、制御装置１０が調圧弁１７を開放すると、水素ガスは、矢印で示されるように、水素ガスボンベ１６から水素ガス供給路１８を通って燃料電池３に導入される。燃料電池３内において、水素ガスは、アノード側入口マニホールド３３を通って各アノード側セパレータ３２の水素ガス流路３５に流入し、アノード電極に到達する。ここで、水素ガスは、カソード側セパレータ３１の空気流路からカソード電極に到達した空気中の酸素と化学反応する。
【００２９】
化学反応で生成された水分及び空気中の窒素などの不純物の一部は、カソード電極から電解質膜を通ってアノード電極に移動し、水素ガス流路３５に流入する（矢印Ａ１参照）。化学反応に使用されなかった水素ガス（つまり未消費の水素ガス）及び不純物は、水素ガス流路３５を下流に向かって移動してアノード側出口マニホールド３４に導入される（矢印Ａ２参照）。未消費の水素ガス及び不純物は、オフガスとして、水素ガス排出路４１を介しバッファタンク４０に導入される。
【００３０】
また、制御装置１０は、圧力センサ１３により検出された水素ガスの圧力Ｐが所定値に達すると、調圧弁１７を閉じる。燃料電池３内の水素ガスの圧力は、水素ガスが化学反応で消費されるに伴って低下し、オフガスを貯留するバッファタンク４０内の圧力を下回る。このため、バッファタンク４０内のオフガスは、水素ガス排出路４１を介して燃料電池３内のアノード側出口マニホールド３４に逆流する。これにより、オフガス中の水素ガスが、発電に再利用される。
【００３１】
制御装置１０は、不純物の増加により燃料電池３内の水素ガスの濃度（水素濃度）が低下しないように、周期的にパージ弁２４を開放する。これにより、バッファタンク４０に貯留されたオフガスは、外部に排出される。なお、バッファタンク４０は、オフガス内の気体（水素、窒素など）と液体（水分など）を分離する機能を備えてもよい。
【００３２】
符号Ｇは、アノード側出口マニホールド３４及びバッファタンク４０の位置に対する水素濃度の関係の一例を示す。ここで、位置Ｐ１は、アノード側出口マニホールド３４上の位置を表し、位置Ｐ２は、バッファタンク４０内の位置を表す。
【００３３】
アノード側出口マニホールド３４では、発電により不純物の濃度がバッファタンク４０内より高くなる。特に、水素ガスボンベ１６から見て最も遠い燃料電池セル３０ｘには水素ガスが届きにくく、水素ガスの流量が他の燃料電池セル３０より少なくなるので、アノード側出口マニホールド３４上、水素濃度が最も低くなる。
【００３４】
このため、バッファタンク４０内のオフガス中の水素濃度は、アノード側出口マニホールド３４に接続された出入口４０ａ付近において最も低くなる。すなわち、バッファタンク４０内の水素濃度は、燃料電池３から見て最も近い位置が最も低く、最も遠い位置が最も高い。
【００３５】
したがって、水素濃度の低いオフガスがバッファタンク４０から燃料電池３に逆流することで、燃料電池３内の水素濃度が低下するため、燃料電池３では出力の低下や電解質膜の劣化が起こりやすい。これに対して、バッファタンク４０からオフガスを頻繁にパージすれば、燃料電池３内の水素濃度を高めることができるが、パージによって不純物と同時に未消費の水素まで外部に排出されるため、燃費が低下する。
【００３６】
そこで、実施例に係る燃料電池システムでは、燃料電池３から排出されたオフガスをバッファタンクに導入するための第１導入路と、バッファタンクに貯留されたオフガスを燃料電池３に導入するための第２導入路とが、個別に設けられている。この構成によると、バッファタンクから水素濃度の高いオフガスを、第２導入路を介して燃料電池３に導入できるので、燃料電池３内の水素濃度を比較例の場合より高めることで燃費を改善することができる。以下に実施例に係る燃料電池システムについて説明する。
【００３７】
図２は、実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。図２において、図１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
燃料電池システムは、制御装置１０と、エアコンプレッサ１１と、空気供給路１２と、圧力センサ１３と、主止弁１４と、空気排出路１５と、水素ガスボンベ１６と、調圧弁１７と、水素ガス供給路１８と、燃料電池３とを備える。さらに、燃料電池システムは、バッファタンク２０と、第１導入路２１と、第２導入路２２と、パージ流路２３と、パージ弁２４とを備える。
【００３９】
バッファタンク２０は、タンクの一例であり、燃料電池から排出された水素ガス、つまりオフガスを貯留する。バッファタンク２０は、第１導入路２１と接続された入口側格納領域２０２と、第２導入路２２と接続された出口側格納領域２０１と、入口側格納領域２０２及び出口側格納領域２０１を部分的に仕切る仕切板２００とを有する。
【００４０】
第１導入路２１は、燃料電池３から排出された水素ガス、つまりオフガスをバッファタンク２０に導入するための通路である。第１導入路２１の途中には、オフガスの移動方向をバッファタンク２０に向かう方向に規制するために逆止弁２１０が設けられている。第１導入路２１は、燃料電池３のアノード側出口マニホールド３４とバッファタンク２０の入口側格納領域２０２の間を接続し、オフガスをアノード側出口マニホールド３４から入口側格納領域２０２に移動させる。
【００４１】
第２導入路２２は、バッファタンク２０に貯留された水素ガス、つまりオフガスを燃料電池３に導入するための通路である。第２導入路２２の途中には、オフガスの移動方向を燃料電池３に向かう方向に規制するために逆止弁２２０が設けられている。第２導入路２２は、燃料電池３のアノード側出口マニホールド３４とバッファタンク２０の出口側格納領域２０１の間を接続し、オフガスを出口側格納領域２０１からアノード側出口マニホールド３４に移動させる。なお、第１導入路２１及び第２導入路２２には、逆止弁２１０，２２０に代えて、例えば電磁弁などを設けることでオフガスの移動方法を規制してもよい。
【００４２】
制御装置１０は、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐを増加させることにより、燃料電池３から排出された水素ガスを、第１導入路２１を介してバッファタンク２０に導入する。より具体的には、制御装置１０は、調圧弁１７に制御信号Ｓ１を出力することにより、調圧弁１７を開放する。
【００４３】
これにより、水素ガスボンベ１６から燃料電池３に水素ガスが導入されるため、水素ガス流路３５内の圧力が増加する。このため、オフガスは、アノード側出口マニホールド３４及び第１導入路２１を通ってバッファタンク２０の入口側格納領域２０２に移動する。
【００４４】
上述したように、アノード側出口マニホールド３４内の水素濃度は、バッファタンク２０より低い。このため、バッファタンク２０内の水素濃度の分布は、オフガスが流入する入口側格納領域２０２において最も低く、オフガスが流出する出口側格納領域２０１において最も高くなる。このような水素濃度分布は、バッファタンク２０内に仕切板２００を設けることで生じやすくなる。なお、仕切板２００は、例えば直方体のバッファタンク２０の中央付近に設けられるが、これに限定されない。
【００４５】
制御装置１０は、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐを低下させることにより、バッファタンク２０に貯留された水素ガスを、第２導入路２２を介して燃料電池３に導入する。より具体的には、制御装置１０は、圧力センサ１３により検出された圧力Ｐが所定値に達すると、調圧弁１７に制御信号Ｓ１を出力することにより、調圧弁１７を閉じる。
【００４６】
これにより、燃料電池３への水素ガスの供給が停止されるため、発電による水素ガスの消費によって、水素ガス流路３５内の圧力が低下する。このため、バッファタンク２０内のオフガスは、出口側格納領域２０１から第２導入路２２を通ってアノード側出口マニホールド３４に移動する。
【００４７】
ここで、出口側格納領域２０１付近は水素濃度が高いため、水素濃度の高いオフガスが燃料電池３に逆流することになる。したがって、燃料電池３内の水素濃度の低下は、比較例の場合より抑制される。
【００４８】
よって、バッファタンク２０内のオフガスのパージの頻度が、比較例の場合より少なくて済むので、燃費が改善される。以下に比較例と実施例の動作を比較して説明する。
【００４９】
図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。また、図３（ｂ）は、実施例に係る燃料電池システムの動作を示すタイムチャートである。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、横軸を時刻として、調圧弁１７の制御信号Ｓ３と、パージ弁２４の制御信号Ｓ４と、圧力センサ１３の圧力Ｐと、燃料電池３及びバッファタンク２０内の水素濃度とを示す。
【００５０】
水素濃度について、図３（ａ）には、バッファタンク４０内の出入口４０ａとは反対側の領域の値Ｎ１、出入口４０ａ付近の値Ｎ２、バッファタンク４０から見て最も近い燃料電池セル３０の値Ｎ３、及びバッファタンク４０から見て最も遠い燃料電池セル３０ｘの値Ｎ４が示されている。一方、図３（ｂ）には、バッファタンク２０内の出口側格納領域２０１の値Ｎ１’、入口側格納領域２０２の値Ｎ２’、バッファタンク２０から見て最も近い燃料電池セル３０の値Ｎ３’、及びバッファタンク２０から見て最も遠い燃料電池セル３０ｘの値Ｎ４’が示されている。
【００５１】
燃料電池システムの動作は、比較例及び実施例で共通であるが、パージ弁２４の開放の時間間隔ΔＴ，ΔＴ’が異なる（ΔＴ’＞ΔＴ）。以下に、時刻Ｔａ〜Ｔｈにおける制御装置１０の動作を説明する。
【００５２】
時刻Ｔａにおいて、制御装置１０は、調圧弁１７及びパージ弁２４を開放することにより、燃料電池３に水素ガスを供給するとともに、バッファタンク２０，４０内のオフガス（おもに不純物）を排出する。このため、燃料電池３及びバッファタンク２０，４０内の水素濃度は増加するが、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐは０のままである。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）中、「開」は、調圧弁１７及びパージ弁２４を開放するための制御信号Ｓ３，Ｓ４のレベルを示し、「閉」は、調圧弁１７及びパージ弁２４を閉じるための制御信号Ｓ３，Ｓ４のレベルを示す。
【００５３】
時刻Ｔｂにおいて、制御装置１０は、水素濃度が十分に増加したため、パージ弁２４を閉じる。このため、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐが増加する。
【００５４】
一方、調圧弁１７は開放されたままであるため、燃料電池３には発電の必要量以上の水素ガスが供給される。このため、水素濃度はほぼ一定であり、また、アノード側出口マニホールド３４には、未消費の水素ガス及び不純物を含むオフガスが流入する。アノード側出口マニホールド３４内のオフガスは、実施例の場合、第１導入路２１を介してバッファタンク２０の入口側格納領域２０２に移動し、比較例の場合、水素ガス排出路４１を介してバッファタンク４０に移動する。
【００５５】
時刻Ｔｃにおいて、制御装置１０は、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐが所定値Ｐｔｈに達したことを検出すると、水素ガスの供給量が発電の必要量より少なくなるように調圧弁１７を閉じる。このため、圧力Ｐは、水素ガスの消費に伴って低下する。なお、制御装置１０は、調圧弁１７を閉じる代わりに、調圧弁１７を絞ることで圧力Ｐを低下させてもよい。この場合、制御装置１０は、制御信号Ｓ３を正弦波状に変化させることで、調圧弁１７の開度を滑らか、かつ連続的に変化させてもよい。
【００５６】
これにより、バッファタンク２０，４０に貯留されたオフガスが、実施例の場合、出口側格納領域２０１から第２導入路２２を介してアノード側出口マニホールド３４に移動し、比較例の場合、出入口４０ａから水素ガス排出路４１を介してアノード側出口マニホールド３４に移動する。アノード側出口マニホールド３４に移動したオフガス中の水素ガスは、発電により消費されるため、燃料電池３内の水素濃度Ｎ３，Ｎ４，Ｎ３’，Ｎ４’は低下する。
【００５７】
時刻Ｔｄにおいて、制御装置１０は、圧力Ｐが所定の下限値（本例では０）に達したことを検出すると、燃料電池３に水素ガスを供給するために調圧弁１７を再び開放する。このため、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐが増加するとともに、燃料電池３内の水素濃度Ｎ３，Ｎ４，Ｎ３’，Ｎ４’が増加する。また、これに伴い、ガス流れにより不純物がバッファタンク２０，４０側に移動するため、バッファタンク２０，４０内の水素濃度Ｎ１，Ｎ２，Ｎ１’，Ｎ２’が低下する。
【００５８】
時刻Ｔｅにおいて、制御装置１０は、燃料電池３に供給される水素ガスの圧力Ｐが所定値Ｐｔｈに達したことを検出すると、水素ガスの供給量が発電の必要量より少なくなるように調圧弁１７を再び閉じる。これにより、バッファタンク２０，４０に貯留されたオフガスが、燃料電池３に逆流する。その後、制御装置１０は、時刻Ｔｄ，Ｔｅと同様に、調圧弁１７の開閉を繰り返す。
【００５９】
不純物の量は、パージ弁２４が開放されない限り、発電に伴って増加し続ける。このため、調圧弁１７が開閉されるたびに、燃料電池３内の水素濃度Ｎ３，Ｎ４，Ｎ３’，Ｎ４’の減少レートが増加するとともに、バッファタンク２０，４０内の水素濃度Ｎ１，Ｎ２，Ｎ１’，Ｎ２’が低下する。
【００６０】
時刻Ｔｆにおいて、制御装置１０は、水素濃度Ｎ１〜Ｎ４，Ｎ１’〜Ｎ４’が一定の程度低下すると、パージ弁２４を開放する。これにより、多くの不純物を含むオフガスがバッファタンク２０，４０から外部に排出されるため、水素濃度Ｎ１〜Ｎ４，Ｎ１’〜Ｎ４’が回復する。
【００６１】
時刻Ｔｇにおいて、制御装置１０は、水素濃度Ｎ１〜Ｎ４，Ｎ１’〜Ｎ４’が一定の程度増加すると、パージ弁２４を閉じる。このため、圧力Ｐは増加する。時刻Ｔｈにおいて、制御装置１０は、圧力Ｐが所定値Ｐｔｈに達したことを検出すると、調圧弁１７を閉じる。このようにして、燃料電池システムは動作する。
【００６２】
上記の動作において、制御装置１０は、例えば一定の時間間隔ΔＴ，ΔＴ’でパージ弁２４を開放する。パージ弁２４を開放するとき（時刻Ｔｆ参照）、上述したように、水素濃度について、比較例の場合、Ｎ１＞Ｎ２＞Ｎ３＞Ｎ４の関係が成立し、実施例の場合、Ｎ１’＞Ｎ２’＞Ｎ３’＞Ｎ４’の関係が成立する（図１の符号Ｇ参照）。
【００６３】
比較例の場合、調圧弁１７が閉じたとき、バッファタンク４０内において水素濃度が低い方（Ｎ２）の出入口４０ａ付近のオフガスが、燃料電池３に導入される。このため、水素濃度Ｎ１〜Ｎ４の低下速度が、実施例の場合より大きい。
【００６４】
一方、実施例の場合、調圧弁１７が閉じたとき、バッファタンク２０内において水素濃度が高い方（Ｎ１’）の出口側格納領域２０１のオフガスが、燃料電池３に導入される。このため、水素濃度Ｎ１〜Ｎ４の低下速度が、比較例の場合より小さい。
【００６５】
したがって、実施例の場合、パージ弁２４を開放する時間間隔ΔＴ’を、比較例の場合の時間間隔ΔＴより長く設定することが可能である。すなわち、実施例では、パージの頻度が低減される。よって、実施例に係る燃料電池システムによると、燃費が改善される。
【００６６】
図２に示された実施例において、第１導入路２１及び第２導入路２２は、燃料電池３を構成する複数の燃料電池セル３０のうち、水素ガスボンベ１６に最も近いもの（水素ガス供給路１８に直結されたもの）に接続されているが、これに限定されない。例えば、第２導入路２２は、水素ガスボンベ１６から最も遠い燃料電池セル３０ｘ、つまり、水素ガスボンベ１６から見て、最も奥の燃料電池セル３０に接続されてもよい。
【００６７】
図４は、他の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。図４において、図２と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図４において、空気の供給系の構成（図２の符号１１，１２，１５参照）の図示は省略されている。
【００６８】
燃料電池３とバッファタンク２０は、第１導入路２１ａ及び第２導入路２２ａを介して接続されている。第１導入路２１ａは、燃料電池３から排出されたオフガスをバッファタンク２０に導入するための通路である。第１導入路２１ａの途中には、オフガスの移動方向をバッファタンク２０に向かう方向に規制するために逆止弁２１０ａが設けられている。第１導入路２１ａは、水素ガスボンベ１６に最も近い燃料電池セル３０ｙとバッファタンク２０の入口側格納領域２０２の間を接続する。
【００６９】
一方、第２導入路２２ａは、バッファタンク２０に貯留されたオフガスを燃料電池３に導入するための通路である。第２導入路２２ａの途中には、オフガスの移動方向を燃料電池３に向かう方向に規制するために逆止弁２２０ａが設けられている。第２導入路２２ａは、水素ガスボンベ１６から最も遠い燃料電池セル３０ｘとバッファタンク２０の出口側格納領域２０１の間を接続する。
【００７０】
図１を参照して述べたように、水素濃度は、燃料電池セル３０ｘにおいて最も低くなる。このため、オフガスがバッファタンク２０から燃料電池セル３０ｘに導入されることにより、アノード側出口マニホールド３４内の水素濃度が均一になる。したがって、発電性能が向上する。
【００７１】
図２及び図４の実施例において、第２導入路２２，２２ａは、燃料電池３内のアノード側出口マニホールド３４に直接的に接続されているが、これに限定されず、燃料電池３内を経由して接続されてもよい。
【００７２】
図５は、他の実施例に係る燃料電池システムを示す構成図である。図５において、図２と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、図５において、空気の供給系の構成（図２の符号１１，１２，１５参照）の図示は省略されている。
【００７３】
燃料電池３ａは、アノード側出口マニホールド３４と平行に延びるバイパス通路３００を有する。バイパス通路３００は、各カソード側セパレータ３１ａ及び各アノード側セパレータ３２ａに設けられた貫通孔が組み合わせられることにより形成される。
【００７４】
第２導入路２２ｂは、バッファタンク２０に貯留されたオフガスを燃料電池３に導入するための通路であり、バイパス通路３００及び接続通路２２１を経由してアノード側出口マニホールド３４と連通する。第２導入路２２ｂは、バイパス通路３００の入口３００ａとバッファタンク２０の出口側格納領域２０１の間を接続する。バイパス通路３００の入口３００ａは、水素ガスボンベ１６から最も近い燃料電池セル３０ｙに設けられている。第２導入路２２ｂの途中には、オフガスの移動方向を燃料電池３に向かう方向に規制するために逆止弁２２０ｂが設けられている。
【００７５】
接続通路２２１は、燃料電池３ａの外部に配設され、バイパス通路３００の出口３００ｂとアノード側出口マニホールド３４の間を接続する。バイパス通路３００の出口３００ｂは、水素ガスボンベ１６から最も遠い燃料電池セル３０ｘに設けられ、その燃料電池セル３０ｘに設けられたアノード側出口マニホールド３４の通気孔３４ａと接続通路２２１を介して接続される。
【００７６】
本実施例によると、図４の実施例と同様に発電性能が向上するだけでなく、バイパス通路３００により第２導入路２２ｂの配設が容易となる。
【００７７】
これまで述べたように、実施例に係る燃料電池システムは、燃料電池３，３ａと、調圧弁１７と、バッファタンク２０と、第１導入路２１，２１ａと、第２導入路２２，２２ａ，２２ｂと、制御装置１０とを備える。燃料電池３，３ａは、空気及び水素ガスが供給されることにより発電する。
【００７８】
調圧弁１７は、燃料電池３，３ａに供給される水素ガスの圧力Ｐを調整する。バッファタンク２０は、燃料電池３，３ａから排出された水素ガスを貯留する。
【００７９】
第１導入路２１，２１ａは、燃料電池３，３ａから排出された水素ガスをバッファタンク２０に導入するための通路である。第２導入路２２，２２ａ，２２ｂは、バッファタンク２０に貯留された水素ガスを燃料電池３，３ａに導入するための通路である。制御装置１０は、調圧弁１７を制御する。
【００８０】
制御装置１０は、燃料電池３，３ａに供給される水素ガスの圧力を増加させることにより、燃料電池３，３ａから排出された水素ガスを、第１導入路２１，２１ａを介してバッファタンク２０に導入する。また、制御装置１０は、燃料電池３，３ａに供給される水素ガスの圧力Ｐを低下させることにより、バッファタンク２０に貯留された水素ガスを、第２導入路２２，２２ａ，２２ｂを介して燃料電池３，３ａに導入する。
【００８１】
上記の構成によると、燃料電池３，３ａから排出された水素ガスは、第１導入路２１，２１ａを介してバッファタンク２０に導入され、バッファタンク２０に貯留された水素ガスは、第２導入路２２，２２ａ，２２ｂを介して、燃料電池３，３ａに導入される。燃料電池３，３ａは、発電により水素ガスを消費するため、燃料電池３，３ａ内の水素濃度は、バッファタンク２０より低くなる。このため、バッファタンク２０内の水素濃度分布は、第１導入路２１，２１ａとの接続部分付近（入口側格納領域２０２）において最も低く、第２導入路２２，２２ａ，２２ｂとの接続部分付近（出口側格納領域２０１）において最も高くなる。
【００８２】
したがって、濃度の高い水素ガスがバッファタンク２０から燃料電池３に供給されるため、燃料電池３内の水素濃度の低下が抑制される。このため、バッファタンク２０内の水素ガスのパージの頻度が低減されるので、燃費が改善される。
【００８３】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【００８４】
３，３ａ     燃料電池
１０      制御装置
１３      圧力センサ
１７      調圧弁
２０      バッファタンク
２１，２１ａ     第１導入路
２２，２２ａ，２２ｂ    第２導入路
２４      パージ弁
【図１】
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【図２】
2016157646.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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