(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもって放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
を備え、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させ、
前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されている、車載用燃料電池システム。
【請求項２】
水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
前記燃料電池の排出口と前記第１の流路との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第３の流路と、
前記第３の流路中に配置され、前記燃料電池から排出される前記水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去する気液分離部と、
を備え、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させ、
前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されている、車載用燃料電池システム。
【請求項３】
水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
前記燃料電池の排出口と前記第１の流路との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第３の流路と、
前記第１の流路中における前記第３の流路との接続部と前記燃料電池の供給口との間に配置され、前記水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去する気液分離部と、
を備え、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させ、
前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されている、車載用燃料電池システム。
【請求項４】
貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもって放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に配置され、前記第１の流路を流れる前記水素ガスの温度を上げる昇温部と、
を備え、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させ、
前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されている、車載用燃料電池システム。
【請求項５】
水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
前記燃料電池の排出口と前記第１の流路との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第３の流路と、
前記第３の流路中に配置され、前記第３の流路を流れる前記水素ガスを前記第１の流路に向かって流し、前記水素ガスを循環させるポンプと、
前記水素ガス供給部及び前記ポンプを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時において、前記水素ガス供給部より前記水素ガスを送出させると共に、前記ポンプを駆動させて、前記水素ガスが流れるべき流路内に流れを起こし、該流路内に存在する不純物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化し、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させ、
前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されている、車載用燃料電池システム。
【請求項６】
水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、前記燃料電池の排出口と前記第１の流路との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第３の流路と、前記第３の流路中に配置され、前記第３の流路を流れる前記水素ガスを前記第１の流路に向かって流し、前記水素ガスを循環させるポンプと、を用意する工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムの始動時において、前記水素ガス供給部より前記水素ガスを送出させる工程と、
（ｃ）前記ポンプを駆動させて、前記水素ガスが流れるべき流路内に流れを起こし、該流路内に存在する不純物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化する工程と、
（ｄ）前記第２の流路の排出口を、排出する前記水素ガスが路面に向かうように配置して、前記リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に前記リリーフバルブを開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させる工程と
を備える車載用燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
貯蔵された水素ガスを放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、
該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する流路と、
該流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記流路中において、前記減圧部と前記燃料電池との間の特定箇所における前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記流路から外部に排出させるリリーフバルブと、
前記リリーフバルブを通じて排出される水素ガスが路面に向かうように配置された排出口と
を備える車載用燃料電池システム。
【請求項８】
車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
貯蔵された水素ガスを放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、
該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、
前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する流路と、
該流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記流路中における前記減圧部と前記燃料電池との間に配置され、前記流路を流れる前記水素ガスの温度を上げる昇温部と、
前記流路中において、前記減圧部と前記燃料電池との間の特定箇所における前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記流路から外部に排出させるリリーフバルブと、
前記リリーフバルブを通じて排出される水素ガスが路面に向かうように配置された排出口と
を備える車載用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両に搭載するのに好適な車載用燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧水素ガスタンクや水素吸蔵合金タンクなどからの水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池は、エネルギ効率が高いので、電気自動車などの動力源として有望である。
【０００３】
しかしながら、このような燃料電池を車両の動力源として用いる場合、燃料電池は勿論のこと、上記した高圧水素ガスタンクもしくは水素吸蔵合金タンクなどの水素ガス供給源や、これら水素ガス供給源から燃料電池に水素ガスを送りこむための水素ガス流路などを含む燃料電池システムを、車両に搭載する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１９２７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池システムを車両に搭載する場合、できる限り省スペースで、できる限り軽重量で搭載できることが好ましい。また、可燃性の高い水素ガスを扱うため、高い安全性を確保する必要もある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記した課題を解決し、車両に省スペース，軽重量で搭載することができ、しかも、高い安全性を確保することができる車載用燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
本発明の形態の１つは、貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもって放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
を備え、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させ、
前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されていることを特徴とする。
本発明の第１適用例の燃料電池システムは、貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもって放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に位置する特定箇所から、前記車両の外部に向かって延びる第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、開閉によりガスを流したり止めたりすることが可能なリリーフバルブと、
を備え、
前記リリーフバルブは、該リリーフバルブより前記特定箇所側の流路内に存在する前記水素ガスの圧力が、基準圧力を上回った場合に開いて、前記水素ガスを前記第１の流路から前記第２の流路を介して外部に排出させることを要旨とする。
【００１８】
このように、第１適用例の車載用燃料電池システムでは、水素ガスの圧力が基準圧力を上回った場合に、リリーフバルブが開いて、その圧力の高い水素ガスを外部に排出させる。
【００１９】
従って、第１適用例の車載用燃料電池システムによれば、減圧部が故障するなどの異常が生じ、水素ガスの圧力が異常に高くなったとしても、直ちにその水素ガスは外部に排出されるため、燃料電池に不具合が生じる恐れがなく、高い安全性を確保することができる。
【００２０】
本発明の第１適用例の燃料電池システムにおいて、前記第２の流路の排出口は、排出する前記水素ガスが路面に向かうように、配置されていることが好ましい。
【００２１】
このように配置することにより、排出した水素ガスが車両内の一定の場所に溜まることがなく、さらに高い安全性を得ることができる。
【００２２】
本発明の第２適用例の車載用燃料電池システムは、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、前記燃料電池から排出される前記水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去する気液分離部と、
を備えることを要旨とする。
【００２３】
燃料電池から排出される水素オフガスは、ウェットで、かなり多くの水分を含んでいる。そこで、第２適用例の車載用燃料電池システムでは、第２の流路中に配置された気液分離部によって、この水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去するようにしている。
【００２４】
従って、第２適用例の車載用燃料電池システムによれば、水素ガスが循環して燃料電池に供給された際に、含まれる水分が気液混合体として供給されることがなく、燃料電池の発電動作に支障をきたす恐れがない。
【００２５】
本発明の第３適用例の車載用燃料電池システムは、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の流路と、
前記第１の流路中における前記特定箇所と前記燃料電池の供給口との間に配置され、前記水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去する気液分離部と、
を備えることを要旨とする。
【００２６】
第１の流路内を流れる水素ガスの温度が低い場合、循環により、その水素ガスと、第２の流路から戻された水素ガスとが混合されると、水素ガスに含まれていた水分が凝縮してしまい、気液混合体になって燃料電池に供給される恐れがある。そこで、第３適用例の車載用燃料電池システムでは、第１の流路中の特定箇所より燃料電池側、即ち、水素ガス同士が混合される部分に配置された気液分離部によって、水素ガスに含まれる水分を、液体と気体とに分離して、液体のみを除去するようにしている。
【００２７】
従って、第３適用例の車載用燃料電池システムによれば、水素ガスが燃料電池に供給される際に、含まれる水分が気液混合体として供給されることがなく、燃料電池の発電動作に支障をきたす恐れがない。
【００２８】
本発明の第４適用例の車載用燃料電池システムは、貯蔵された水素ガスを所定の圧力でもって放出することが可能な水素ガス貯蔵部と、該水素ガス貯蔵部から放出された前記水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス貯蔵部の放出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
該第１の流路中に配置され、前記水素ガス貯蔵部から放出される前記水素ガスの圧力を低減する少なくとも１つの減圧部と、
前記第１の流路中における前記減圧部と前記燃料電池の供給口との間に配置され、前記第１の流路を流れる前記水素ガスの温度を上げる昇温部と、
を備えることを要旨とする。
【００２９】
減圧部によって水素ガスの圧力を低減すると、水素ガスが急膨張して、温度が急激に低下する場合がある。そこで、第４適用例の車載用燃料電池システムでは、第１の流路中における減圧部よりも燃料電池側に配置された昇温部によって、水素ガスの温度を上げるようにしている。
【００３０】
従って、第４適用例の車載用燃料電池システムによれば、水素ガスが適正な温度で燃料電池に供給されるため、燃料電池内の温度を下げることがなく、燃料電池において、適正な反応温度で電気化学反応を起こさせることができる。
【００３１】
本発明の第５適用例の車載用燃料電池システムは、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムであって、
前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、
前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の流路と、
前記第２の流路中に配置され、前記第２の流路を流れる前記水素ガスを前記特定箇所に向かって流し、前記水素ガスを循環させるポンプと、
前記水素ガス供給部及び前記ポンプを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時において、前記水素ガス供給部より前記水素ガスを送出させると共に、前記ポンプを駆動させて、前記水素ガスが流れるべき流路内に流れを起こし、該流路内に存在する不純物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化することを要旨とする。
【００３２】
また、本発明の第６適用例の制御方法は、水素ガスを供給するための水素ガス供給部と、該水素ガス供給部から送出される前記水素ガスの供給を受けて電力を発生すると共に、残った前記水素ガスを排出する燃料電池と、を備え、車両に搭載される車載用燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記水素ガス供給部の送出口と前記燃料電池の供給口との間をつなぐと共に、前記水素ガス供給部から送出される前記水素ガスを流して、前記燃料電池に供給する第１の流路と、前記燃料電池の排出口と前記第１の流路中における特定箇所との間をつなぐと共に、前記燃料電池から排出される前記水素ガスを流して、前記第１の流路に戻す第２の流路と、前記第２の流路中に配置され、前記第２の流路を流れる前記水素ガスを前記特定箇所に向かって流し、前記水素ガスを循環させるポンプと、を用意する工程と、
（ｂ）前記燃料電池システムの始動時において、前記水素ガス供給部より前記水素ガスを送出させる工程と、
（ｃ）前記ポンプを駆動させて、前記水素ガスが流れるべき流路内に流れを起こし、該流路内に存在する不純物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化する工程と、
を備えることを要旨とする。
【００３３】
燃料電池システムの始動時には、燃料電池内の水素ガス流路内は窒素などの不純物が含まれる場合がある。このため、水素ガス流路に水素ガスを単に流すだけでは、燃料電池の出力電圧はなかなか所望の電圧まで上がらない。そこで、第５適用例の車載用燃料電池システムまたは第６適用例の制御方法では、燃料電池システムの始動時において、水素ガス供給部より水素ガスを送出させるとともに、前記ポンプを駆動させて、水素ガスが流れるべき流路内に流れを起こし、その流路内に存在する窒素などの不純物と送出した前記水素ガスとを攪拌して均一化するようにしている。
【００３４】
このように、残留している窒素などの不純物と送出した水素ガスとを均一化することにより、燃料電池の出力電圧は直ちに所望の電圧まで立ち上がり、負荷などへ供給することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１で用いられる気液分離器の一具体例を示す断面図である。
【図３】図１の燃料電池システムの始動時における制御部５０の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。
【図５】図４の燃料電池システムの始動時における制御部５０の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．第１の実施例の構成：
Ａ−２．第１の実施例の動作：
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ−１．第２の実施例の構成：
Ｂ−２．第２の実施例の動作：
Ｃ．変形例：
【００３７】
Ａ．第１の実施例：
Ａ−１．第１の実施例の構成：
図１は本発明の第１の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。本実施例の燃料電池システムは、自動車などの車両に搭載されるものであって、主として、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池１００と、その燃料電池１００に水素ガスを供給する水素吸蔵合金タンク２００と、を備えている。
【００３８】
このうち、燃料電池１００は、水素を含んだ水素ガスの他、酸素を含んだ酸化ガス（例えば、空気）の供給を受けて、水素極と酸素極において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させている。
【００３９】
即ち、水素極に水素ガスが、酸素極に酸化ガスがそれぞれ供給されると、水素極側では式（１）の反応が、酸素極側では式（２）の反応がそれぞれ起こり、燃料電池全体としては、式（３）の反応が行なわれる。
【００４０】
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                             …（１）
２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ            …（２）
Ｈ2  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                     …（３）
このような燃料電池１００を車両の動力源として用いる場合、燃料電池１００から発生された電力によって電動機（図示せず）を駆動し、その発生トルクを車軸（図示せず）に伝達して、車両の推進力を得る。
【００４１】
また、燃料電池１００は、複数の単セルが積層されたスタック構造となっており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極（図示せず）である水素極及び酸素極と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極と酸素極との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された水素ガスが、酸素極との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。
【００４２】
一方、水素吸蔵合金タンク２００は、内部に水素吸蔵合金（図示せず）を備えている。一般に、水素吸蔵合金は、加熱すると、吸熱反応を生じて水素を放出し、冷やすと、放熱反応を生じて水素を吸蔵する性質がある。従って、水素吸蔵合金から水素を取り出す際には、図示せざる熱交換システムによって、水素吸蔵合金タンク２００内の水素吸蔵合金を加熱する。
【００４３】
なお、水素吸蔵合金は、不純物が存在すると、劣化するため、水素吸蔵合金タンク２００内には高純度の水素が蓄えられている。
【００４４】
その他、本実施例の燃料電池システムは、図１に示すように、システム内で水素ガスを流通させるための水素ガス流路と、酸化ガスを流通させるための酸化ガス流路と、制御部５０を備えている。
【００４５】
このうち、水素ガス流路は、水素吸蔵合金タンク２００の放出口から燃料電池１００の供給口に至る本流流路４０１と、燃料電池１００の排出口から後述するポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、本流流路４０１から分岐して循環流路４０３に至るバイパス流路４０５と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４０７と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０９と、を備えている。
【００４６】
本流流路４０１には、水素吸蔵合金タンク２００の放出口にシャットバルブ２０２が配置されており、流路途中に圧力センサ４００とシャットバルブ４０２と減圧バルブ４０４が配置されており、燃料電池１００の供給口にシャットバルブ１０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃料電池１００の排出口にシャットバルブ１０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４０６，シャットバルブ４０８及びポンプ４１０がそれぞれ配置されている。さらに、バイパス流路４０５にはシャットバルブ４１２が、排出流路４０７にはシャットバルブ４１４が、リリーフ流路４０９にはリリーフバルブ４１６が、それぞれ配置されている。
【００４７】
一方、酸化ガス流路は、燃料電池１００に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路５０１と、燃料電池１００から排出された酸素オフガスを排出するための酸素オフガス排出流路５０３と、を備えている。
【００４８】
酸化ガス供給流路５０１には、エアクリーナ５０２と、コンプレッサ５０４と、加湿器５０６と、が配置されている。また、酸素オフガス排出流路５０３には、気液分離器５０８と、コンバスタ５１０と、が配されている。
【００４９】
また、制御部５０は、圧力センサ４００からの検出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０４，２０２，４０２，４０８，４１２，４１４と、ポンプ４１０と、コンプレッサ５０４と、をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくするために、制御線等は省略されている。
【００５０】
Ａ−２．第１の実施例の動作：
それではまず、酸化ガスの流れについて簡単に説明する。制御部５０によってコンプレッサ５０４を駆動することにより、大気中の空気が酸化ガスとして取り込まれ、エアクリーナ５０２によって浄化された後、酸化ガス供給流路５０１を通り、加湿器５０６を介して燃料電池１００に供給される。供給された酸化ガスは、燃料電池１００内において、上述した電気化学反応に使用された後、酸素オフガスとして排出される。排出された酸素オフガスは、酸素オフガス排出流路５０３を通り、後述する気液分離器５０８やコンバスタ５１０を介して、車両外部の大気中に排出される。
【００５１】
次に、水素ガスの流れについて詳細に説明する。制御部５０によって、水素吸蔵合金タンク２００のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，１０４とは、それぞれ、燃料電池システムの運転時には基本的に開いているが、停止時には閉じている。
【００５２】
また、通常運転時には、制御部５０によって、これらの他、本流流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８はそれぞれ開いているが、バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は閉じている。なお、リリーフバルブ４１６は、後述するように、圧力異常時などの場合以外は閉じている。また、圧力センサ４００は、水素吸蔵合金タンク２００から放出される水素ガスの圧力を検出している。
【００５３】
通常運転時、前述したとおり、熱交換システムにより水素吸蔵合金タンク２００内の水素ガス吸蔵合金を加熱して、水素ガスを放出させ、放出された水素ガスは、本流流路４０１を通って燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内において上述した電気化学反応に使用された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池１００に供給される。このとき、循環流路４０３の途中に設けられているポンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０３を通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に送り出される。こうして、通常運転時、水素ガスは、本流流路４０１及び循環流路４０３を通って循環している。
【００５４】
このように、水素オフガスを本流流路４０１に戻して水素ガスを循環させることにより、燃料電池１００で使用される水素量は同じであっても、燃料電池１００に供給される水素ガスの見かけの流量が多くなり、流速も速くなるため、燃料電池１００に対する水素の供給という観点からは有利となって、燃料電池１００の出力電圧も上がる。
【００５５】
また、燃料電池１００内では、酸化ガスに含まれる窒素などの不純物が酸素極側から電解質膜を透過して水素極側に漏れ出してくる。従って、仮に、水素ガスを循環させないとすると、燃料電池１００内の後段部において、水素極にその不純物が溜まり、その範囲が時間と共に拡大していく。これにより、燃料電池１００は発電動作に支障を来し、出力電圧が落ちてしまう恐れがある。しかし、上述したように、水素ガスを循環するようにしていれば、その不純物が、水素ガス流路全体で均一化するため、上記のような不具合を解消することができる。
【００５６】
なお、ポンプ４１０は、制御部５０によって、その駆動が制御されており、燃料電池１００の発生した電力の消費量に応じて、循環流路４０３を流れる水素オフガスの流速を変化させている。
【００５７】
また、水素吸蔵合金タンク２００から放出された水素ガスの圧力は、最大１ＭＰａを超えない高圧であるため、このまま水素ガスを燃料電池１００に供給すると、圧力が高すぎて、燃料電池１００に不具合が生じてしまう。そのため、本流流路４０１の途中に設けた減圧バルブ４０４によって、水素ガスの圧力を１ＭＰａから、燃料電池１００に適正なおよそ０．２〜０．３ＭＰａ程度まで減圧してから、燃料電池１００に供給するようにしている。
【００５８】
また、前述したように、燃料電池１００内の酸素極側では、式（２）に従って水（Ｈ2Ｏ）が生成され、その水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を通して水素極側に入ってくる。従って、燃料電池１００から排出される水素オフガスは、ウェットで、かなり多くの水分を含んでいる。従って、この水素オフガスをこのままポンプ４１０を介して本流流路４０１に送り出してやると、含まれている水分は、十分に蒸気化されずに気液混合体になって、水素と共に燃料電池１００に供給され、燃料電池１００の単セル内において張り付いて、水素ガス流路を塞いでしまう恐れがある。水分が単セル内の水素ガス流路を塞いで、水素ガスの流れを止めると、その単セルの出力電圧は落ちるため、燃料電池１００全体の発電量も落ちてしまう。
【００５９】
そのため、循環流路４０３の途中に気液分離器４０６を設け、この気液分離器４０６によって、水素オフガスに含まれる水分を気液分離し、液体分を除去して、気体（水蒸気）分のみを他の気体と共にポンプ４１０に送るようにしている。これにより、水素ガスに含まれる水分は気体分のみとなり、燃料電池１００には、水分が気液混合体として供給されることがなく、発電動作に支障をきたす恐れがなくなる。
【００６０】
図２は図１で用いられる気液分離器の一具体例を示す断面図である。多くの水分を含んだ水素オフガスは、流入口６０２よりシリンダ６０４内に流入する。流入した水素オフガスはシリンダ６０４内の内壁に沿って螺旋状に回りながら下降する。このとき、含まれていた水分は凝縮し、液体分は液滴としてシリンダ６０４の内壁に付着し、それを伝って下に落ち、液だまり６０８に集められる。一方、気体（水蒸気）分は他の気体と共に、ガス流路６１０を通って流出口６０６より流出する。こうして、水分を液体分と気体分とに気液分離することが可能となる。
【００６１】
また、液だまり９０８に集められた水は、レベルセンサ（図示せず）などによって、所定の量になったことが検出されたら、オートドレイン機構（図示せず）によって、自動的にコック６１２を開いて外部に放出される。
【００６２】
また、前述したように、水素ガス中に含まれる不純物を均一化させるために、水素ガスを循環させている。しかし、このように水素ガスを均一化させたとしても、燃料電池１００内において、酸素極側から水素極側には不純物が常時漏れ出してくるため、長時間経てば、均一化された水素ガス中の不純物の濃度は次第に上がり、それに連れて水素の濃度が下がるため、燃料電池１００の発電動作に悪影響を及ぼす恐れがある。
【００６３】
そのため、循環流路４０３から分岐した排出流路４０７に、シャットバルブ４１４を設け、制御部５０によって、このシャットバルブ４１４を定期的に開いて、循環している不純物を含む水素ガスを排出することにより、不純物を含んだ水素ガスを、水素吸蔵合金タンク２００からの純粋な水素ガスに置き換えるようにしている。これにより、水素ガス中の不純物の濃度は下がり、逆に水素の濃度は上がるため、燃料電池１００の発電を適切に行うことができる。
【００６４】
また、前述したように、燃料電池１００内では、酸素極側から水素極側へ水蒸気も漏れ出してくるため、温度によっては、その水蒸気が凝縮して単セル内で張り付き、水素ガスの流れを止めてしまう恐れもある。しかし、上記したように、シャットバルブ４１４を開いて、水素ガスを排出すると、その圧力差で水素ガスに急激な流れが生じるため、その勢いで凝縮していた水分を吹き飛ばすこともできる。
【００６５】
なお、燃料電池１００の発電動作中にシャットバルブ４１４を開けたとしても、燃料電池１００の出力電圧は一瞬下がるだけで、大きな電圧低下にはならないため問題はない。シャットバルブ４１４の開放時間としては、１ｓｅｃ以下が好ましく、例えば、５００ｍｓｅｃ程度がより好ましい。
【００６６】
シャットバルブ４１４から排出された水素ガスは、排出流路４０７を通って、酸素オフガス排出流路５０３に送り込まれ、酸素オフガス排出流路５０３を流れる酸素オフガスと混合される。混合されたガスは、気液分離器５０８を介してコンバスタ５１０に流入する。コンバスタ５１０は、白金触媒５１２を備えており、燃焼によって、混合ガスに含まれる水素を酸素と反応させて、水素をさらに低減させる。その後、コンバスタ５１０を流出した混合ガスは大気中に排出される。
【００６７】
以上が、通常運転時における水素ガスの流れである。次に、低温始動時における水素ガスの流れについて説明する。
【００６８】
一般に、水素吸蔵合金は、温度が高いほど、放出する水素の圧力は高くなり、温度が低いほど、放出する水素の圧力は低くなる。そのため、水素吸蔵合金タンクは低温になればなるほど、水素が放出されにくくなる。従って、低温始動時には、水素吸蔵合金タンクをヒータなどで急速に暖めて、水素が放出されやすくする必要がある。しかし、このように、ヒータを使って暖める方法では、多大な電気エネルギが必要となるため、車載用の燃料電池システムとしては不適切である。
【００６９】
そこで、本実施例では、低温始動時には、ヒータなどで暖める代わりに、ポンプ４１０によって、水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスを引き出すようにしている。
【００７０】
図３は図１の燃料電池システムの始動時における制御部５０の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【００７１】
燃料電池システムの始動時、制御部５０は、まず、図３に示すように、水素吸蔵合金タンク２００のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２及び１０４を、閉じた状態から開く（ステップＳ１０２）。次に、制御部５０は、圧力センサ４００によって検出された水素ガスの圧力を入力し（ステップＳ１０４）、その圧力が予め設定された基準圧力を上回っているか否かを判定する（ステップＳ１０６）。
【００７２】
そして、周囲温度が適温で、水素吸蔵合金タンク２００から十分な圧力の水素ガスが放出されており、その圧力が基準圧力を上回っていれば、前述した通常運転時の運転に移るために、制御部５０は、本流流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８をそれぞれ開き、バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４をそれぞれ閉じると共に（ステップＳ１１４）、ポンプ４１０を標準回転で駆動して（ステップＳ１１６）、前述したとおりの水素ガスの循環を行わせる。
【００７３】
しかし、周囲温度が低温で、水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスが放出されにくく、その圧力が基準圧力を下回っていれば、低温始動時の運転に移り、制御部５０は、本流流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４をそれぞれ閉じ、バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２を開く（ステップＳ１０８）。そして、さらに、制御部５０は、ポンプ４１０を高回転数で駆動する（ステップＳ１１０）。それによって、例え、水素吸蔵合金タンク２００の温度が低くて、放出される水素ガスの圧力が低くても、水素吸蔵合金タンク２００からは、吸蔵されていた水素ガスが十分に引き出される。引き出された水素ガスは、本流流路４０１からバイパス流路４０５に入り、そのあと、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻り、燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内で電気化学反応に供された後、水素オフガスとなって、循環流路４０３に排出される。なお、水素オフガス中に含まれる不純物の濃度は、時間が経つに連れて上がるので、その不純物を除去するために、時々、シャットバルブ４１４を開いて、排出流路４０７から水素オフガスを放出する。
【００７４】
制御部５０は、水素吸蔵合金タンク２００から放出される水素ガスの圧力が基準圧力を上回るまで、その状態で待機する（ステップＳ１１２）。しかし、燃料電池システムが始動して、しばらくすると、図示せざる熱交換システムも十分働くようになって、水素吸蔵合金タンク２００内の水素吸蔵合金も加熱されるため、温度が上がり、水素吸蔵合金タンク２００から十分な圧力を有する水素ガスが放出されるようになる。すると、その圧力は基準圧力を上回り、制御部５０は、本流流路４０１のシャットバルブ４０２と、循環流路４０３のシャットバルブ４０８をそれぞれ開き、バイパス流路４０５のシャットバルブ４１２と、排出流路４０７のシャットバルブ４１４をそれぞれ閉じ（ステップＳ１１４）、ポンプ４１０を標準回転で駆動して（ステップＳ１１６）、前述した通常運転時の運転に移る。
【００７５】
このように、低温始動時には、ポンプ４１０を用いることによって、多大な電気エネルギを必要とすることなく、水素吸蔵合金タンク２００に吸蔵されている水素を取り出すことができる。
【００７６】
また、本実施例では、通常運転時に水素ガスを循環させるために用いるポンプ４１０を、低温始動時に水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスを引き出すために、共用しているため、ポンプを搭載するスペースを節約できると共に、重量の軽減を図ることができる。
【００７７】
また、ポンプ４１０としては、水素ガスを循環させる場合と、水素ガスを引き出す場合とで、その回転の速さを変えることにより、流速を変えることができるポンプを用いる必要がある。即ち、水素ガスを循環させる場合は、圧縮比（ポンプの吐出圧／ポンプの吸込圧）が低いために、動力は低くて済むが、水素ガスを引き出す場合には、圧縮比が高くなり、必要となる動力は高くなる。
【００７８】
以上が、低温始動時における水素ガスの流れである。次に、停止時における作用について説明する。
【００７９】
前述したとおり、燃料電池１００内では、酸素極側から電解質膜を介して水素極側に窒素や水蒸気などの不純物が漏れ出しており、通常運転時に循環している水素ガス中にはそのような不純物がある程度含まれている。その後、燃料電池システムの運転を停止すると、水素吸蔵合金タンク２００の運転も停止して、水素吸蔵合金タンク２００内の温度は低下する。すると、温度によっては、水素吸蔵合金タンク２００内の圧力も低下して負圧となる場合があり、本流流路４０１やバイパス流路４０５から水素吸蔵合金タンク２００の放出口に向かって逆向きの水素ガスの流れが生じる。従って、本流流路４０１に設けられたシャットバルブ４０２やバイパス流路４０５に設けられたシャットバルブ４１２として、通常のシャットバルブを用いたのでは、上記した逆向きの流れに対して完全にはシャットできないので、これらシャットバルブ４０２，４１２よりも燃料電池１００側の水素ガス流路中に残っている水素ガスが、シャットバルブ４０２，４１２を介して、水素吸蔵合金タンク２００側の水素ガス流路に漏れ出し、それら水素ガスは水素吸蔵合金タンク２００内に流れ込む。そして、その水素ガスには、窒素や水蒸気などの不純物も含まれているため、それら不純物も一緒に水素吸蔵合金タンク２００内に流れ込むことになり、それら不純物によって水素吸蔵合金タンク２００内の水素吸蔵合金が冒される恐れがある。
【００８０】
そこで、本実施例では、シャットバルブ４０２，４１２として、逆流防止機能付きのシャットバルブを用いるようにしている。従って、燃料電池システムの運転停止時に、水素吸蔵合金タンク２００に向かって逆向きの水素ガスの流れが生じたとしても、このような逆流防止機能付きシャットバルブを用いることにより、シャットバルブ４０２，４１２を介して水素吸蔵合金タンク２００側の水素ガス流路に、不純物を含んだ水素ガスが漏れ出すことがなくなるため、水素吸蔵合金タンク２００内の水素ガス吸蔵合金を保護することが可能となる。
【００８１】
以上が、停止時における作用である。次に、異常時における作用について説明する。
【００８２】
まず、減圧バルブ４０４が故障するなどの異常が生じた場合には、燃料電池１００に供給される水素ガスの圧力が異常に高くなり、燃料電池１００に不具合が生じる恐れがある。そのため、本実施例では、本流流路４０１から分岐したリリーフ流路４０９の途中に、リリーフバルブ４１６を設け、減圧バルブ４０４から燃料電池１００に至る本流流路４０１中の水素ガスの圧力が所定値以上に上がった場合に、リリーフバルブ４１６が開き、車両外の大気中に水素ガスを排出する。このとき、水素ガスの排出口は、排出した水素ガスが一定の場所に溜まらないようにするために、路面に向かって水素ガスが排出されるような位置に設けられていることが好ましい。このような位置に設けることにより、排出した水素は拡散しやすくなるからである。
【００８３】
次に、車両衝突が起きたり、制御系の故障が生じたりした場合には、最悪の場合、水素漏れなどを起こす恐れがある。そのため、本実施例では、衝突の振動や、制御系の故障などを感知した場合には、制御部５０によって、水素吸蔵合金タンク２００のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，１０４が自動的に閉じ、水素ガスの供給を断ち、水素ガスが漏れるのを防ぐようにしている。
【００８４】
Ｂ．第２の実施例：
Ｂ−１．第２の実施例の構成：
図４は本発明の第２の実施例としての車載用燃料電池システムを示す構成図である。第１の実施例の燃料電池システムでは、水素ガスの供給源として、水素吸蔵合金タンク２００を用いるようにしたが、本実施例の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金タンク２００に代えて、高圧水素ガスタンク３００を用いるようにしている。
【００８５】
この高圧水素ガスタンク３００は、内部に高圧の水素ガスを充填しており、根本に取り付けられたシャットバルブ３０２を開くと、およそ２０〜３５ＭＰａの圧力を有する水素ガスが放出される。
【００８６】
なお、燃料電池１００は、第１の実施例と同一の構成であるので、説明は省略する。
【００８７】
この他、本実施例の燃料電池システムは、図４に示すように、水素ガス流路と、酸化ガス流路と、制御部５０を備えているが、酸化ガス流路は、第１の実施例と同一の構成であるので、説明は省略する。
【００８８】
水素ガス流路は、高圧水素ガスタンク３００の放出口から燃料電池１００の供給口に至る本流流路４０１と、燃料電池１００の排出口からポンプ４１０を介して本流流路４０１に戻る循環流路４０３と、循環している水素ガス中の不純物を排出するための排出流路４０７と、圧力異常時に水素ガスを排出するためのリリーフ流路４０９と、を備えている。本実施例では、水素ガスの供給源として高圧水素ガスタンク３００を用いているため、温度に関係なく、高圧の水素ガスを放出することができる。従って、水素吸蔵合金タンク２００の場合のように、低温始動時に水素ガスを引き出す必要がないため、バイパス流路４０５は設けられていない。
【００８９】
本流流路４０１には、高圧水素ガスタンク３００の放出口にシャットバルブ２０２が配置されており、流路途中に減圧バルブ４１８，熱交換器４２０，減圧バルブ４２２及び気液分離器４２４がそれぞれ配置されており、燃料電池１００の供給口にシャットバルブ１０２が配置されている。また、循環流路４０３には、燃料電池１００の排出口にシャットバルブ１０４が配置されており、流路途中に、気液分離器４０６，ポンプ４１０及び逆止弁４２６がそれぞれ配置されている。なお、排出流路４０７にシャットバルブ４１４が、リリーフ流路４０９にリリーフバルブ４１６が配置されている点は、第１の実施例の場合と同様である。
【００９０】
制御部５０は、圧力センサ４００からの検出結果を入力すると共に、各バルブ１０２，１０４，３０２，４１４と、ポンプ４１０と、コンプレッサ５０４と、をそれぞれ制御する。なお、図面を見やすくするために、制御線等は省略されている。
【００９１】
Ｂ−２．第２の実施例の動作：
それでは、水素ガスの流れについて詳細に説明する。なお、酸化ガスの流れについては、第１の実施例の場合と同様であるので、説明は省略する。
【００９２】
制御部５０によって、高圧水素ガスタンク３００のシャットバルブ３０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２，１０４とは、それぞれ、燃料電池システムの運転時には基本的に開いているが、停止時には閉じている。
【００９３】
また、通常運転時は、制御部５０によって、その他、排出流路４０７のシャットバルブ４１４は閉じている。なお、リリーフバルブ４１６は、第１の実施例の場合と同様に、圧力異常時などの場合以外は閉じている。
【００９４】
通常運転時、前述したとおり、制御部５０がシャットバルブ３０２を開くと、高圧水素ガスタンク３００からは水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、本流流路４０１を通って燃料電池１００に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１００内において前述の電気化学反応に使用された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路４０３を通って本流流路４０１に戻され、再び、燃料電池１００に供給される。このとき、第１の実施例の場合と同様に、循環流路４０３の途中に設けられているポンプ４１０が駆動することによって、循環流路４０３を通る水素オフガスは勢いをつけて本流流路４０１に送り出される。こうして、通常運転時、水素ガスは、本流流路４０１及び循環流路４０３を通って循環している。なお、循環流路４０３中において、本流流路４０１との接続点と、ポンプ４１０と、の間には、循環している水素オフガスが逆流しないようにするために、逆止弁４２６が設けられている。
【００９５】
また、高圧水素ガスタンク３００から放出された水素ガスの圧力は、前述したとおりおよそ２０〜３５ＭＰａであり、第１の実施例における水素吸蔵合金タンク２００の場合と比較しても、遙かに高いため、この高圧の水素ガスを直接、燃料電池１００に供給すると、圧力が高すぎて、燃料電池１００が壊れてしまう。そのため、本実施例では、第１の実施例の場合より減圧の段数を増やし、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２の２つ減圧バルブを、本流流路４０１の途中に設けて、高圧の水素ガスを２段階で減圧するようにしている。即ち、具体的には、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、およそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧し、さらに２次減圧用の減圧バルブ４２２によって、およそ０．８〜１ＭＰａからおよそ０．２〜０．３ＭＰａに減圧する。
【００９６】
また、このように、１次減圧用の減圧バルブ４１８によって、高圧の水素ガスをおよそ２０〜３５ＭＰａからおよそ０．８〜１ＭＰａに減圧するため、水素ガスはおよそ５０倍に急膨張して、温度が急激に下がることになる。このような温度低下した水素ガスをそのまま燃料電池１００に供給すると、燃料電池１００内の温度も低下し、十分な触媒活性が得られないため、電気化学反応が進まず、発電に支障をきたす。そこで、本実施例では、膨張によって温度低下した水素ガスをある程度暖めて、適正な温度で燃料電池１００に供給するために、１次減圧用の減圧バルブ４１８と２次減圧用の減圧バルブ４２２との間に熱交換器４２０を配置している。この熱交換器４２０には、図示していないが、燃料電池１００によって暖められた冷却水が供給されており、その暖められた冷却水と温度低下した水素ガスとの間で熱交換が行われるようになっている。こうして、温度低下した水素ガスはこの熱交換器４２０を通過することによって、ほぼ適正な程度の温度となり、燃料電池１００に供給することができる。従って、燃料電池１００内では、十分な反応温度が得られるため、電気化学反応が進み、適正な発電動作を行うことができる。
【００９７】
また、このように、本流流路４０１を流れる水素ガスは比較的温度が低いため、循環流路４０３を循環し本流流路４０１に戻された水素オフガスと混合されると、水素オフガスに含まれていた水分が凝縮してしまい、気液混合体になって燃料電池１００に供給される恐れがある。そこで、本実施例では、本流流路４０１と循環流路４０３との接続点と、燃料電池１００の供給口と、の間に、気液分離器４２４を設けて、この気液分離器４２４によって、混合された水素ガスに含まれる水分を気液分離し、液体分を除去して、気体（水蒸気）分のみを他の気体と共に燃料電池１００に供給するようにしている。これにより、燃料電池１００は発電動作に支障をきたす恐れがなくなる。
【００９８】
以上が、通常運転時における水素ガスの流れである。次に、始動時における制御について説明する。
【００９９】
燃料電池システムが運転を停止すると、燃料電池１００内では、酸素極側から電解質膜を介して水素極側に窒素等の不純物が透過して拡散するため、最終的には、酸化ガス流路は勿論のこと、水素ガス流路も窒素等の不純物を含むことになる。従って、燃料電池システムの始動時には、水素ガス流路内に存在する不純物を抜いて、水素ガスで満たし、短時間で、燃料電池１００が適正な発電をできる状態にする必要がある。
【０１００】
始動時に水素ガス流路内に存在する不純物を抜く方法としては、例えば、水素ガスを流入する前に、水素ガス流路内に不活性ガスなどのパージガスを流して不純物を押し出す方法が考えられるが、このような方法では、パージガスを流すために、車両内に不活性ガスボンベを積まなければならないので、その分、余分なスペースが必要となると共に、重量も重くなってしまう。
【０１０１】
そこで、パージガスを流さずに、直接、水素ガス流路内に水素ガスを流して不純物を押し出す方法が考えられる。しかし、このような方法では、水素ガスが不純物を押し出して、燃料電池の出力電圧が所望の電圧になるまでにかなりの時間がかかり、その間、押し出された不純物を抜くために、燃料電池から排出されるガスを外部に捨てると、そのガスには、高濃度の水素が含まれている場合があり、問題があった。
【０１０２】
そこで、本実施例では、始動時には、水素ガス流路内に水素ガスを流入するだけでなく、水素ガスを循環させるためのポンプ４１０を駆動して、水素ガス流路内に強制的な流れを起こし、水素ガス流路内に存在する不純物と流入した水素ガスとを攪拌して均一化するようにしている。
【０１０３】
図５は図４の燃料電池システムの始動時における制御部５０の制御内容の一例を示すフローチャートである。
【０１０４】
燃料電池システムの始動時、制御部５０は、まず、図５に示すように、水素吸蔵合金タンク２００のシャットバルブ２０２と、燃料電池１００のシャットバルブ１０２及び１０４を、閉じた状態から開く（ステップＳ２０２）。すると、高圧水素ガスタンク３００から水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、本流流路４０１内を流れる。次に、制御部５０は、ポンプ４１０を標準回転で駆動して、循環流路４０３内に強制的に流れを起こして、水素ガス流路内に存在する不純物を移動させ、それら不純物と流入した水素ガスとを循環させて攪拌すると、両者は早期に均一化する。
【０１０５】
例えば、水素ガス流路内に存在する不純物が大気圧（０．１ＭＰａ）であるとすると、水素ガスを２気圧（０，２ＭＰａ）に減圧して流すことにより、大気圧と２気圧なので、不純物と水素ガスがほぼ５０％ずつの状態になり、この状態で循環させて攪拌し、不純物と水素ガスを均一化させる。
【０１０６】
このように、不純物と水素ガスを均一化させると、燃料電池１００内の各水素電極には等しく水素が供給されるため、燃料電池１００は、直ちに、開放端電圧が立ち上がる。この立ち上がりを、制御部５０が、電圧センサ（図示せず）からの検出結果に基づいて感知すると（ステップＳ２０６）、「発電ＯＫ」として、制御部５０は、燃料電池１００に負荷（図示せず）を接続させる（ステップＳ２０８）。その後、制御部５０は、シャットバルブ４１４の開け（ステップＳ２１０）、循環しているガス（均一化している不純物と水素ガス）を徐々に排出する。高圧水素ガスタンク３００から引き続き水素ガスが流入しているので、循環しているガスは徐々に水素濃度を上げていく。
【０１０７】
その後、制御部５０は、所定時間経過したら（ステップＳ２１２）、水素ガス流路内に存在していた不純物はある程度抜け、循環している水素ガスの水素濃度が十分になったとして、シャットバルブ４１４を閉じる（ステップＳ２１４）。そして、通常運転状態となる。
【０１０８】
このように、燃料電池システムの始動時には、水素ガス流路内に水素ガスを流入すると共に、ポンプ４１０を駆動して、短時間で、燃料電池１００の出力電圧を所望の電圧に上げることができる。また、パージガスを必要としないため、パージガス用のボンベなどが不要であり、省スペース化、軽量化を図ることができる。さらに、高濃度の水素ガスを排出することもないので、高い安全性を確保することもできる。
【０１０９】
なお、本実施例において、排出流路４０７に設けられたシャットバルブ４１４やリリーフ流路４０９に設けられたリリーフバルブ４１６の作用は、第１の実施例の場合と同様であるので、説明は省略する。
【０１１０】
Ｃ．変形例：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【０１１１】
上記した第１及び第２の実施例では、循環流路４０３に気液分離器４０６を設けていたが、このような構成は、水素ガスの供給源として、水素吸蔵合金タンク２００や高圧水素ガスタンク３００の代わりに、原燃料を改質して水素ガスを生成する改質器などを用いた燃料電池システムにおいても、適用することができる。
【０１１２】
また、上記した第２の実施例では、本流流路４０１に気液分離器４２４を設けていたが、このような構成は、第１の実施例の燃料電池システムにおいても、適用することができ、また、水素ガス供給源として改質器などを用いた燃料電池システムにおいても、適用することができる。
【０１１３】
また、上記した第２の実施例では、減圧バルブ４１８と４２２の間に、熱交換器４２０を設けていたが、減圧バルブ４２２の下流側に設けるようにしても良い。また、第１の実施例の燃料電池システムにおいても、減圧バルブ４０４を使用しているので、必要があれば、この減圧バルブ４０４の下流側にこのような熱交換器を設けるようにしても良い。
【０１１４】
また、上記した第２の実施例では、燃料電池システムの始動時に、図５に示しような制御を行なっていたが、このような制御は、第１の実施例の燃料電池システムにおいても、適用することができ、また、水素ガス供給源として改質器などを用いた燃料電池システムにおいても、適用することができる。但し、第１の実施例の燃料電池システムに適用する場合、低温始動時であれば、まず、ポンプ４１０によって水素吸蔵合金タンク２００から水素ガスを引き出した後、シャットバルブ４０２，４０８，４１２の開閉状態を切り替えて、ポンプ４１０によって残存している不純物と引き出した水素ガスを循環させ、均一化するようにする。
【符号の説明】
【０１１５】
５０…制御部
１００…燃料電池
１０２…シャットバルブ
１０４…シャットバルブ
２００…水素吸蔵合金タンク
２０２…シャットバルブ
３００…高圧水素ガスタンク
３０２…シャットバルブ
４００…圧力センサ
４０１…本流流路
４０２…シャットバルブ
４０３…循環流路
４０４…減圧バルブ
４０４…減圧バルブ
４０５…バイパス流路
４０６…気液分離器
４０７…排出流路
４０８…シャットバルブ
４０９…リリーフ流路
４１０…ポンプ
４１２…シャットバルブ
４１４…シャットバルブ
４１６…リリーフバルブ
４１８…減圧バルブ
４２０…熱交換器
４２２…減圧バルブ
４２４…気液分離器
４２６…逆止弁
５０１…酸化ガス供給流路
５０２…エアクリーナ
５０３…酸素オフガス排出流路
５０４…コンプレッサ
５０６…加湿器
５０８…気液分離器
５１０…コンバスタ
５１２…白金触媒
６０２…流入口
６０４…シリンダ
６０６…流出口
６１０…ガス流路
６１２…コック
【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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