JP2002093449A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、システム停止時に行うパージを現
実的な構成で効果的に行うことができる燃料電池システ
ムを提供することにある。 【解決手段】 バルブ操作により燃焼器１７内の圧力を
一時的に水素分離膜装置５の一次側圧力まで高めた後、
昇圧された高圧の燃焼排ガスをパージガスとして用い
て、水素分離膜装置５の一次側と二次側をパージする。
その際、燃焼器１７の排空気入口で排空気温度をモニタ
して、排空気温度が所定値以上になるまで燃焼器１７へ
の空気の供給を継続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、詳しくは、水素を燃料とする車両用燃料電池シ
ステムにおけるシステム停止時の残留水素処理技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の残留水素処理技術としては、例え
ば、特開平１１−２６００３号公報に開示されているも
のが知られている。

【０００３】これは、システム停止時において、最初、
残留水素と空気により発電された電力を放電抵抗で消費
して順次にスタック電圧を下げ、スタック電圧が一定値
以下になると窒素などの不活性ガスを用いて燃料極に残
った残留水素をパージしてスタック電圧を０Ｖにするよ
うにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の残留水素処理技術にあっては、不活性ガスを
用いてパージを行うため、システム内に不活性ガスを所
持しておかなければならず、実用性の点で以下のような
問題があった。

【０００５】すなわち、車両に搭載するための燃料電池
システムでは、実用性の見地から重量やコスト、レイア
ウトなどに厳しい制約があるため、不活性ガスの所持
は、重量面、コスト面、レイアウト面および補給面のい
ずれの観点からしても現実的ではなかった。

【０００６】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的としては、システム停止時に行うパージを現実
的な構成で効果的に行うことができる燃料電池システム
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、改質ガスから水素分離膜装置
で分離された水素ガスと、空気供給装置から供給される
空気とを用いて燃料電池スタックで発電させ、改質器で
改質された余剰の改質ガスと前記燃料電池スタックから
排出される余剰の空気とを燃焼器で燃焼させる燃料電池
システムにおいて、前記燃焼器の排ガスを前記水素分離
膜装置に導く排ガス供給経路を開閉する開閉手段と、シ
ステム停止時に、前記燃焼器からの排ガスを前記水素分
離膜装置に導くように前記開閉手段を制御する制御手段
とを有することを要旨とする。

【０００８】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、改質ガスから一酸化炭素変成器で一酸化炭素を
取り除いた水素ガスと、空気供給装置から供給される空
気とを用いて燃料電池スタックで発電させ、改質器で改
質された余剰の改質ガスと前記燃料電池スタックから排
出される余剰の空気とを燃焼器で燃焼させる燃料電池シ
ステムにおいて、前記燃焼器の排ガスを前記一酸化炭素
変成器に導く排ガス供給経路を開閉する開閉手段と、シ
ステム停止時に、前記燃焼器からの排ガスを前記一酸化
炭素変成器に導くように前記開閉手段を制御する制御手
段とを有することを要旨とする。

【０００９】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、改質ガスから水素分離膜装置で分離された水素
ガスと、空気供給装置から供給される空気とを用いて燃
料電池スタックで発電させ、改質器で改質された余剰の
改質ガスと前記燃料電池スタックから排出される余剰の
空気とを燃焼器で燃焼させる燃料電池システムにおい
て、前記燃焼器の排ガスを前記水素分離膜装置に導く第
１の排ガス供給経路を開閉する第１の開閉手段と、前記
水素分離膜装置から排出された排ガスを前記燃料電池ス
タックの燃料極に導く第２の排ガス供給経路を開閉する
第２の開閉手段と、システム停止時に、前記燃焼器から
の排ガスを前記水素分離膜装置に導くように前記第１の
開閉手段を制御するとともに、前記水素分離膜装置から
排出された排ガスを前記燃料電池スタックの燃料極に導
くように前記第２の開閉手段を制御する制御手段とを有
することを要旨とする。

【００１０】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記燃焼器内の圧力を上昇させる昇圧手段と、
前記燃焼器内の圧力を検出する圧力検出手段とを有し、
前記制御手段は、前記燃焼器内の圧力が所定値まで上昇
するように昇圧手段を制御することを要旨とする。

【００１１】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記燃焼器に供給される空気の温度を検出する
温度検出手段を有し、前記制御手段は、前記燃焼器に供
給される空気の温度が所定値以上である場合、前記空気
供給装置を停止させることを要旨とする。

【００１２】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、システ
ム停止時に、燃焼器からの排ガスを水素分離膜装置に導
くように排ガス供給経路を開閉するので、水素分離膜装
置から不必要な水素ガスをパージすることができる。

【００１３】請求項２記載の本発明によれば、システム
停止時に、燃焼器からの排ガスを一酸化炭素変成器に導
くように排ガス供給経路を開閉するので、水素分離膜装
置から不必要な水素ガスをパージすることができる。

【００１４】請求項３記載の本発明によれば、システム
停止時に、燃焼器からの排ガスを水素分離膜装置に導く
ように第１の排ガス供給経路を開閉するとともに、水素
分離膜装置から排出された排ガスを燃料電池スタックの
燃料極に導くように第２の排ガス供給経路を開閉するの
で、水素分離膜装置と燃料電池スタックの燃料極から不
必要な水素ガスをパージすることができる。

【００１５】請求項４記載の本発明によれば、燃焼器内
の圧力が所定値まで上昇するように昇圧するので、燃焼
器から昇圧された排ガスを用いて水素分離膜装置や燃料
電池スタックの燃料極から不必要な水素ガスを短時間で
効果的にパージすることができる。

【００１６】請求項５記載の本発明によれば、燃焼器に
供給される空気の温度が所定値以上である場合に空気供
給装置を停止させるので、水素分のない排ガスを燃焼器
で生成することができ、燃焼排ガスでパージを行ったと
しても水素分離膜装置の水素脆化を防止することができ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１８】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、この燃料電池システムは、燃料電池自動
車などの車両に特に好適なシステムである。

【００１９】図１において、メタノールや石油系の燃料
は、改質反応器１で、水素を多量に含む水素リッチガス
に改質された後、バルブ３を介して水素分離膜装置５に
送られ、この水素分離膜装置５を透過した純水素のみが
バルブ７を介して燃料電池スタック９の燃料極に供給さ
れる。燃料電池スタック９では、水素分離膜装置５を透
過して燃料極に供給される純水素と、空気供給装置（圧
縮機）１１から空気極に供給される空気中の酸素とを用
いて発電を行う。なお、バルブ３は、改質反応器１と水
素分離膜装置５を遮断するためのもので、通常は、開状
態に設定されている。また、改質反応器１で生成される
改質ガス（水素リッチガス）は、水素、メタン、一酸化
炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水蒸気からなる
混合ガスである。

【００２０】水素分離膜装置５を透過できなかった水素
や一酸化炭素などのガス（以下「残ガス」という）は、
絞り機構１３およびバルブ１５を介して燃焼器１７に供
給される。また、燃料器１７には、燃料電池スタック９
から排出される空気、すなわち、燃料電池スタック９で
酸素が消費されて酸素濃度の低下した排空気も、流量調
整弁１９およびバルブ２１を介して供給される。

【００２１】ここで、燃焼器１７に供給される残ガス
は、その圧力を圧力センサ２３で計測し、また、燃焼器
１７に供給される排空気は、その温度を温度センサ２５
で計測している。圧力センサ２３および温度センサ２５
は、当該燃料電池システムを制御するためのコントロー
ルユニット２７にそれぞれ接続されており、それぞれの
測定信号をコントロールユニット２７に出力する。な
お、後述するように、システム停止時に燃焼排ガスでパ
ージを行う際に、圧力センサ２３の測定値は、燃焼器１
７内の圧力に相当している。

【００２２】燃焼器１７は、水素分離膜装置５からの残
ガスと燃料電池スタック９からの排空気とを燃焼反応さ
せる。この燃焼反応によって発生する熱は、改質反応器
１および水素分離膜装置５を加熱するための熱源として
利用される。

【００２３】燃焼器１７の排ガス（燃焼排ガス）は、通
常は、バルブ２９を介して大気解放されるが、本実施の
形態では、分岐管３１およびバルブ３３を介して、水素
分離膜装置５の一次側（上流側または入口側）と二次側
（下流側または出口側）にそれぞれ供給される。

【００２４】詳しくは、分岐管３１は、バルブ３３の下
流においてさらに水素分離膜装置５の一次側と二次側に
分岐しており、このうち水素分離膜装置５の二次側に分
岐されている部分は、水素分離膜装置５の下流側に設け
られた後述する冷却器と前記バルブ７の間に接続されて
いる。

【００２５】水素分離膜装置５の二次側のガス、すなわ
ち、水素分離膜装置５を透過した純水素は、バルブ３５
を開くと大気解放される。また、水素分離膜装置５の一
次側のガス、すなわち、改質反応器１から水素分離膜装
置５の一次側に供給される水素リッチガスは、バルブ３
７を開くと大気解放される。

【００２６】一般に、水素分離膜装置５を透過する水素
の流量Ｑは、水素分離膜装置５の一次側水素分圧をＰ1
H、二次側水素分圧をＰ2Hとすると、Ｐ1Hの正の平方根
とＰ2Hの正の平方根の差に比例する。すなわち、 Ｑ∝（√Ｐ1H-√Ｐ2H） という関係がある。

【００２７】水素透過量を大きくするため、通常、Ｐ1H
は、大きい値（例えば、１ＭＰa ）に設定され、Ｐ2H
は、小さい値（例えば、０.２ＭＰa ）に設定される。
Ｐ2Hの値は、燃料電池を保護するため、燃料電池スタッ
ク９に供給される空気の圧力（空気圧）とほぼ等しいこ
とが求められており、従って、空気を供給する前記空気
供給装置（圧縮機）１１の駆動馬力を低減する点から
も、小さい値に設定される。

【００２８】水素分離膜装置５は、通常、パラジウム
（Ｐd ）またはパラジウム（Ｐd ）合金で構成されてお
り、２００℃以下の温度領域で水素濃度が高いと水素脆
化してしまうため、システム運転時は、３００〜４５０
℃程度に温度がコントロールされる。一方、システム停
止時は、２００℃以下に温度が低下する前に、パージに
より一次側も二次側も共に水素を除去しなければならな
い。なお、水素分離膜装置５を透過した二次側の純水素
は、水素分離膜装置５とほぼ同じ温度になっているた
め、冷却器３９で、燃料電池スタック９に供給可能な温
度（例えば、８０℃）になるまで冷却された後、バルブ
７および加湿器４１を介して燃料電池スタック９に供給
される。

【００２９】詳しくは、水素分離膜装置５は、図２に示
すよに、一次ガス（改質ガス）が流入する流入口５ａ、
改質ガスから分離された二次ガス（水素ガス）が流出す
る流出口５ｂ、改質ガスから分離された残ガスが流出す
る流出口５ｃ、システム停止時に燃焼器１７から排ガス
が流入する流入口５ｄ、システム停止時に燃焼器１７か
らの排ガスによりパージされた水素ガスなどが流出する
流出口５ｅがケース５ｋの外部に突出している。また、
ケース５ｋ内の中央部位には水素分離膜５ｍが突出する
一次ガス室５ｏと、ケース５ｋ内の上方部位には二次ガ
ス室５ｎが設けられ、ケース５ｋ内の下方部位には絞り
穴５ｐを介して残ガス室５ｑが設けられている。

【００３０】そして、システム運転時は、改質反応器１
からバルブ３を介して一酸化炭素を含む改質ガスが流入
口５ａから一次ガス室５ｏ内に流入し、水素分離膜５ｍ
を透過した純水素ガスが二次ガス室５ｎに通過して流出
口５ｂから流出する。この時、水素分離膜５ｍを透過で
きなかった一酸化炭素ガスは、一次ガス室５ｏから絞り
穴５ｐを通過して残ガス室５ｑに流入し、さらに、流出
口５ｃから残ガスとして流出する。

【００３１】一方、システム停止時は、燃焼器１７から
バルブ３３を介して排ガスが流入口５ｄから残ガス室５
ｑ内に流入し、絞り穴５ｐを通過してさらに一次ガス室
５ｏを通過して流入口５ａから流出する。同時に、燃焼
器１７からバルブ３３を介して排ガスが流出口５ｂから
二次ガス室５ｎ内に流入し、二次ガス室５ｎを通過して
流出口５ｅから流出する。

【００３２】燃料電池スタック９に供給された純水素の
うち燃料電池スタック９で消費しきれなかった分は、水
素の有効活用を図るため、循環ポンプ４３で燃料電池ス
タック９（の燃料極）の上流に戻され、再度、燃料電池
スタック９（の燃料極）に供給される。なお、循環ポン
プ４３を含む水素循環系に設けられたバルブ４５は、燃
料電池スタック９内に溜まった水を吹き飛ばす際に開け
るバルブである。

【００３３】上記の各バルブ３，７，１５，２１，２
９，３３，３５，３７，４５は、例えば、ソレノイドバ
ルブで構成されており、空気供給装置（圧縮機）１１、
流量調整弁１９および循環ポンプ４３と共にコントロー
ルユニット２７にそれぞれ接続されている。コントロー
ルユニット２７は、図示しないが、内部に制御プログラ
ムを記憶したＲＯＭと制御時のワークエリアとなるＲＡ
Ｍとを有しており、圧力センサ２３および温度センサ２
５からの測定信号に基づいてシステム停止時のパージを
制御し、各バルブ３，７，１５，２１，２９，３３，３
５，３７，４５、空気供給装置（圧縮機）１１、流量調
整弁１９および循環ポンプ４３に制御信号を出力する。

【００３４】システム停止前の通常運転時において、バ
ルブ３３、バルブ３５、バルブ３７、バルブ４５は、閉
状態にそれぞれ設定され、バルブ３、バルブ７、バルブ
１５、バルブ２１、バルブ２９は、開状態にそれぞれ設
定される。これにより、改質反応器１で生成された改質
ガス（水素リッチガス）は、途中で漏れることなくすべ
て水素分離膜装置５に導かれ、水素分離膜装置５を透過
した純水素のみが、冷却器３９、バルブ７および加湿器
４１を介して燃料電池スタック９に供給される。

【００３５】一方、水素分離膜装置５を透過できなかっ
た残ガスは、絞り機構１３およびバルブ１５を介して燃
焼器１７に導かれ、燃焼器１７で排空気と燃焼反応され
て排ガスとしてバルブ２９を介して大気解放される。

【００３６】次に、図３に示す制御フローチャートを参
照して、システム停止時のパージに関する燃料電池シス
テムの制御動作を説明する。なお、図２に示す制御フロ
ーチャートは、コントロールユニット２７のＲＯＭに制
御プログラムとして記憶されている。

【００３７】まず、ステップＳ１００では、コントロー
ルユニット２７は、システムが停止モードに入ると、燃
料の供給を停止するなどの通常の停止操作を行う。な
お、燃料の供給を停止しても、改質反応器１内に残って
いる燃料により改質反応が進行する。

【００３８】そして、ステップＳ１１０では、燃料電池
スタック９の出力の取出しを停止するとともに、循環ポ
ンプ４３を停止させる。燃料電池スタック９の出力の取
出しを停止することで、水素循環系内（特に燃料極）の
水素の圧力（水素圧）が上昇を始める。

【００３９】そして、ステップＳ１２０では、バルブ２
９を開状態から閉状態に切り替える。これにより、燃料
電池スタック９の空気極側の圧力（空気圧）も上昇を始
める。また、水素分離膜装置５を透過できなかった残ガ
スは、絞り機構１３およびバルブ１５を介して燃焼器１
７に供給されるが、バルブ２９は閉状態に切り替えられ
たため、燃焼器１７の排ガスは大気解放されることがな
く、その結果、燃焼器１７内の圧力が上昇する。

【００４０】そして、ステップＳ１３０では、燃焼器１
７の排空気入口に設けられた温度センサ２５から排空気
の温度Ｔを読み込む。

【００４１】そして、ステップＳ１４０では、温度セン
サ２５から読み込まれた排空気の温度Ｔが所定値Ｔ0
（例えば、１００℃）以上であるか否かを判断する。こ
の判断は、燃焼排ガスの空気供給ラインへの逆流の有無
を検知するために行われる。通常は、燃焼器１７内の圧
力上昇に伴って排空気の圧力（排空気圧）も上昇するた
め、燃焼器１７の排ガスが空気供給ラインに逆流するこ
とはなく、Ｔ＜Ｔ0 である。ここで、Ｔ0 の値につい
て、固体高分子膜型の燃料電池の場合、排空気の温度Ｔ
は、通常、８０℃程度であり、１００℃以上になること
はないので、例えば、Ｔ0 ＝１００℃とする。

【００４２】この判断の結果として排空気の温度Ｔが所
定値Ｔ0 以上である場合は（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、ステ
ップＳ１５０に進み、排空気の温度Ｔが所定値Ｔ0 未満
である場合は（Ｓ１４０：ＮＯ）、ステップＳ２５０に
進む。

【００４３】ステップＳ１５０では、Ｔ≧Ｔ0 の場合で
あり、空気供給装置（圧縮機）１１の吐出圧が燃焼器１
７内の圧力まで上昇しきれなくなり、燃焼排ガスの空気
供給ラインへの逆流を検知したことを示しているので、
バルブ２１を開状態から閉状態に切り替えて、燃焼器１
７の排ガスが空気供給ラインに逆流するのを防止する。

【００４４】そして、ステップＳ１６０では、空気供給
装置（圧縮機）１１を停止させる。すなわち、燃焼排ガ
スの空気供給ラインへの逆流が検知されるまで燃焼器１
７に空気（排空気）を供給し続けて、排ガス中に未燃焼
の水素が含まれないようにする。

【００４５】そして、ステップＳ１７０では、さらに、
バルブ７を開状態から閉状態に切り替えて、燃料電池ス
タック９の燃料極と空気極の差圧が大きくならないよう
にする。

【００４６】そして、ステップＳ１８０では、燃焼器１
７の残ガス入口に設けられた圧力センサ２３から燃焼器
１７内の圧力Ｐを読み込む。この場合、水素供給系の圧
力および燃焼器１７内の圧力が上昇しているため、圧力
センサ２３の測定値は、燃焼器１７内の圧力（ひいて
は、燃焼排ガスの圧力）に相当している。

【００４７】そして、ステップＳ１９０では、圧力セン
サ２３から読み込まれた燃焼器１７内の圧力Ｐが所定値
Ｐ0 として例えば１ＭＰa 以上であるか否かを判断す
る。この判断は、燃焼排ガスの圧力がパージに適した高
圧になったか否かを検知するために行われる。

【００４８】ここで、パージに適した高圧は、例えば、
水素分離膜装置５の一次側圧力である。よって、Ｐ0 の
値は、水素分離膜装置５の一次側圧力以上に設定される
必要があるが、上記のように、水素分離膜装置５の一次
側圧力は、例えば、１ＭＰa程度であるから、Ｐ0 ≧１
ＭＰa （例えば、Ｐ0 ＝１ＭＰa ）とする。

【００４９】この判断の結果、燃焼器１７内の圧力Ｐが
所定値Ｐ0 以上である場合は（Ｓ１９０：ＹＥＳ）、ス
テップＳ２１０に進み、燃焼器１７内の圧力Ｐが所定値
Ｐ0未満である場合は（Ｓ１９０：ＮＯ）、ステップＳ
２００に進む。

【００５０】ステップＳ２００では、Ｐ＜Ｐ0 の場合で
あり、燃焼器１７内の圧力上昇が不十分であると判断さ
れるので、所定時間（ΔＴ）の経過を待って、ステップ
Ｓ１８０に戻る。

【００５１】一方、ステップＳ２１０では、Ｐ≧Ｐ0 の
場合であり、燃焼器１７内の圧力上昇は十分であると判
断されるので、バルブ１５を開状態から閉状態に切り替
える。これにより、水素分離膜装置５の一次側の残ガス
（改質ガス）の燃焼器１７への流れが遮断される。

【００５２】そして、ステップＳ２２０では、バルブ３
を開状態から閉状態に切り替える。これにより、水素分
離膜装置５の一次側の改質ガスの改質反応器１への逆流
が防止される。

【００５３】そして、ステップＳ２３０では、バルブ３
５とバルブ３７の双方を閉状態から開状態に切り替え
て、水素分離膜装置５の一次側の改質ガス、二次側の純
水素をそれぞれ大気解放する。このとき、バルブ３は閉
状態に切り替えられているため、水素分離膜装置５の一
次側の改質ガスが改質反応器１に逆流することはない。

【００５４】そして、ステップＳ２４０では、バルブ３
３を閉状態から開状態に切り替えて、燃焼器１７内およ
びその周辺配管（分岐管３１を含む）内に蓄えられた高
圧の燃焼排ガスを水素分離膜装置５の一次側の流入口５
ｄと二次側の流出口５ｂの双方に導き、水素分離膜装置
５の一次側と二次側に残留している水素ガスを一気にパ
ージする。

【００５５】一方、ステップＳ２５０では、Ｔ＜Ｔ0 の
場合であり、燃焼器１７内の圧力上昇に伴って排空気圧
も上昇しており、燃焼排ガスが空気供給ラインに逆流し
ていないこと、すなわち、正常状態であることを示して
いるので、ただちに、燃焼器１７の残ガス入口に設けら
れた圧力センサ２３から燃焼器１７内の圧力Ｐを読み込
む（ステップＳ１８０参照）。

【００５６】そして、ステップＳ２６０では、圧力セン
サ２３から読み込まれた燃焼器１７内の圧力Ｐが所定値
Ｐ0 として例えば１ＭＰa 以上であるか否かを判断する
（ステップＳ１９０参照）。燃焼器１７内の圧力Ｐが所
定値Ｐ0 以上である場合は（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、ステ
ップＳ２８０に進み、燃焼器１７内の圧力Ｐが所定値Ｐ
0 未満である場合は（Ｓ２６０：ＮＯ）、ステップＳ２
７０に進む。

【００５７】ステップＳ２７０では、Ｐ＜Ｐ0 の場合で
あり、燃焼器１７内の圧力上昇が不十分であると判断さ
れるので、所定時間（ΔＴ）の経過を待って（ステップ
Ｓ２００参照）、ステップＳ２５０に戻る。

【００５８】一方、ステップＳ２８０では、Ｐ≧Ｐ0 の
場合であり、燃焼器１７内の圧力上昇は十分であると判
断されるので、燃焼排ガスによるパージを実行するため
に、バルブ２１、バルブ７およびバルブ１５を開状態か
ら閉状態にそれぞれ切り替えるとともに空気供給装置
（圧縮機）１１を停止させた後、ステップＳ２２０に進
む。そして、前述したとおり、ステップＳ２２０、ステ
ップＳ２３０およびステップＳ２４０を経ることで、水
素分離膜装置５の一次側と二次側が高圧の燃焼排ガスで
一気にパージされる。

【００５９】上記のように、Ｔ≧Ｔ0 の場合とＴ＜Ｔ0
の場合のいずれの場合においても、水素分離膜装置５の
一次側と二次側を燃焼器１７の排ガスでパージすること
になるが、水素分離膜装置５は低温状態で水素を嫌う
（水素脆化する）ため、燃焼排ガス中に未燃焼の水素が
残っていることは望ましくない。

【００６０】そこで、燃焼器１７内の圧力を上昇させる
ために燃焼器１７に水素リッチの改質ガスが供給されて
いる間、燃焼器１７に空気を送り込んで水素を燃焼させ
る必要がある。そのため、本実施の形態では、温度セン
サ２５で燃焼排ガスの空気供給ラインへの逆流を検知す
るまで、換言すれば、空気供給装置（圧縮機）１１の能
力の限界まで燃焼器１７への空気の供給を継続すること
で、未燃焼の水素をなくすようにしている。

【００６１】この結果、第１の実施の形態に関する効果
としては、システム停止時に、燃焼器からの排ガスを水
素分離膜装置に導くように排ガス供給経路を開閉するの
で、水素分離膜装置から不必要な水素ガスをパージする
ことができる。

【００６２】また、パージに燃焼排ガスを使用すること
で、システム内に窒素などの不活性ガスをボンベなどで
所持せずに済み、システム停止時に行うパージを現実的
な構成で行うことができる。

【００６３】さらに、バルブ操作により燃焼排ガスの圧
力を一時的に水素分離膜装置５の一次側圧力（システム
作動圧）まで高めた後、昇圧された高圧の燃焼排ガスを
パージガスとして使用することで、効果的（短時間）に
パージを完了することができ、システム停止時に行うパ
ージを効果的（短時間）に行うことができる。

【００６４】また、燃焼器１７の排空気入口で排空気温
度をモニタして、たとえ燃焼排ガスの圧力が高くなって
も排空気温度が所定値以上になるまで、つまり、空気供
給装置（圧縮機）１１の能力限界まで燃焼器１７に空気
を供給し続けることで、十分に水素濃度が低下した排ガ
スを燃焼器１７で生成することができ、燃焼排ガスでパ
ージを行ったとしても水素分離膜装置５の水素脆化を防
止することができる。

【００６５】（第２の実施の形態）図４は、本発明の第
２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００６６】第２の実施の形態は、一酸化炭素処理器と
して、水素分離膜装置に代えて、触媒を使って改質ガス
中の一酸化炭素を選択酸化させ、もって改質ガス中の一
酸化炭素濃度を減少させる一酸化炭素変成器を有するシ
ステムに対して、本発明を適用したものである。

【００６７】第２の実施の形態の特徴は、図３に示すよ
うに、改質反応器１で生成された改質ガスを一酸化炭素
変成器４７で処理して一酸化炭素を取り除いた後、バル
ブ７を介して燃料電池スタック９に供給するとともに、
燃料電池スタック９で消費さされなかった水素その他の
残ガスを、圧力をコントロールするための流量調整弁４
９およびバルブ５１を介して燃焼器１７に供給すること
にある。流量調整弁４９、バルブ５１、および燃料電池
スタック９から燃焼器１７に供給される残ガスの圧力を
検出する圧力センサ２３ａは、当該燃料電池システムを
制御するためのコントロールユニット２７ａに接続され
ている。また、本実施の形態では、燃焼器１７の排ガス
は、分岐管３１ａおよびバルブ３３を介して一酸化炭素
変成器４７に供給される。

【００６８】システム停止時のパージに関する燃料電池
システムの基本的な制御動作は、図２に示す制御フロー
チャートに従ってほぼ同様に説明することができるの
で、ここでは、その概要を説明するにとどめることとす
る。

【００６９】システム停止時には、第１の実施の形態の
場合と同様、まず、燃料電池スタック９の出力の取出し
を停止し、バルブ２９を開状態から閉状態に切り替え
る。このとき、燃料の供給を停止しても、改質反応器１
内に残っている燃料で改質反応が進行し、第１の実施の
形態の場合と同様に、水素供給系の圧力、燃焼器１７内
の圧力が上昇してくる。

【００７０】この圧力上昇を圧力センサ２３ａでモニタ
しながら、同時に温度センサ２５で燃焼排ガスの空気供
給ラインへの逆流の有無を検知する。そして、燃焼器１
７内の圧力が十分に上昇してＰ≧Ｐ0 になったら、バル
ブ２１、バルブ５１およびバルブ７を開状態から閉状態
にそれぞれ切り替える。

【００７１】そして、バルブ３を開状態から閉状態に切
り替え、バルブ３７を閉状態から開状態に切り替えた
後、最後にバルブ３３を閉状態から開状態に切り替え
て、高圧の燃焼排ガスで一酸化炭素変成器４７を一気に
パージする。

【００７２】この結果、第２の実施の形態に関する効果
は、システム停止時に、燃焼器からの排ガスを一酸化炭
素変成器に導くように排ガス供給経路を開閉するので、
一酸化炭素変成器から不必要な水素ガスをパージするこ
とができる。

【００７３】また、システム内に窒素などの不活性ガス
を例えばボンベなどで所持することなく、一酸化炭素変
成器４７を、水素分のない燃焼排ガスで効果的（短時
間）にパージすることができる。

【００７４】なお、本実施の形態では、一酸化炭素変成
器４７をパージする構成を示しているが、一酸化炭素変
成器４７に代えてまたはこれと共に改質反応器１をパー
ジする構成も容易に実現することができる。

【００７５】（第３の実施の形態）図５は、本発明の第
３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００７６】第３の実施の形態の特徴は、図５に示すよ
うに、水素分離膜装置５をパージした後のガスを燃料電
池スタック９の水素循環系に導入するための配管５３
（第２の排ガス供給経路）を設けて、第１の実施の形態
において水素分離膜装置５をパージした後のガスで燃料
電池スタック９をもパージすることにある。

【００７７】次に、図５に示す制御フローチャートに従
ってシステム停止時のパージに関する燃料電池システム
の制御動作を説明する。なお、図５に示す制御フローチ
ャートは、コントロールユニット２７ｂのＲＯＭに制御
プログラムとして記憶されている。

【００７８】本実施の形態では、図６に示す制御フロー
チャートのように、ステップＳ２３５を図２に示す制御
フローチャートに挿入している。

【００７９】ステップＳ１００〜Ｓ２３０は、図２に示
す制御フローチャートの各ステップと同様であるので、
その説明を省略する。

【００８０】そして、ステップＳ２３５では、バルブ４
５を閉状態から開状態に切り替えて、水素分離膜装置５
の一次側の改質ガスおよび二次側の純水素ならびに燃料
電池スタック９の水素循環系内の残水素をそれぞれ大気
解放する。

【００８１】そして、ステップＳ２４０で、開放弁３３
を閉状態から開状態に切り替える。これにより、水素分
離膜装置５の一次側と二次側をパージした高圧の燃焼排
ガスは、バルブ３５、バルブ３７および配管５３を介し
て燃料電池スタック９の水素循環系内に導かれ、この水
素循環系内をパージしながらバルブ４５を介して大気解
放される。

【００８２】このように、水素分離膜装置５のみならず
燃料電池スタック９をも燃焼排ガスでパージできるか否
かは、燃焼器１７内およびその周辺配管に封止される高
圧の燃焼排ガスの体積と、燃料電池スタック９の水素循
環系の容積との関係で決まる。すなわち、燃焼器１７内
およびその周辺配管に封止される高圧の燃焼排ガスの体
積で十分パージできるくらい燃料電池スタック９の水素
循環系の容積が小さい場合は、パージ可能であり、そう
でない場合（燃料電池スタック９の水素循環系の容積が
比較的大きい場合）は、一応パージはできるが、パージ
不十分となる。

【００８３】ステップＳ２５０〜Ｓ２８０は、図２に示
すフローチャートの各ステップと同様であるので、その
説明を省略する。

【００８４】この結果、第３の実施の形態に関する効果
は、システム停止時に、燃焼器からの排ガスを水素分離
膜装置に導くように第１の排ガス供給経路を開閉すると
ともに、水素分離膜装置から排出された排ガスを燃料電
池スタックの燃料極に導くように第２の排ガス供給経路
を開閉するので、水素分離膜装置と燃料電池スタックの
燃料極から不必要な水素ガスをパージすることができ
る。

【００８５】また、水素分離膜装置５のみならず燃料電
池スタック９をも、システム内に不活性ガスをボンベな
どで所持することなく、水素分のない燃焼排ガスで効果
的（短時間）にパージすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の燃料電池システム
に用いられる水素分離膜装置の内部構造を示す側面断面
図である。

【図３】第１の実施の形態の燃料電池システムの、シス
テム停止時のパージに関する制御動作を説明するための
制御フローチャートである。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図６】第３の実施の形態の燃料電池システムの、シス
テム停止時のパージに関する制御動作を説明するための
制御フローチャートである。

【符号の説明】

１ 改質反応器 ３，７，１５，２１，２９，３３，３５，３７，４５，
５１ バルブ ５ 水素分離膜装置 ９ 燃料電池スタック １１ 空気供給装置（圧縮機） １３ 絞り機構 １７ 燃焼器 １９，４９ 流量調整弁 ２３，２３ａ 圧力センサ ２５ 温度センサ ２７，２７ａ，２７ｂ コントロールユニット ３１，３１ａ 分岐管 ３９ 冷却器 ４１ 加湿器 ４３ 循環ポンプ ４７ 一酸化炭素変成器 ５３ 配管

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質ガスから水素分離膜装置で分離され
   た水素ガスと、空気供給装置から供給される空気とを用
   いて燃料電池スタックで発電させ、改質器で改質された
   余剰の改質ガスと前記燃料電池スタックから排出される
   余剰の空気とを燃焼器で燃焼させる燃料電池システムに
   おいて、 前記燃焼器の排ガスを前記水素分離膜装置に導く排ガス
   供給経路を開閉する開閉手段と、 システム停止時に、前記燃焼器からの排ガスを前記水素
   分離膜装置に導くように前記開閉手段を制御する制御手
   段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 改質ガスから一酸化炭素変成器で一酸化
   炭素を取り除いた水素ガスと、空気供給装置から供給さ
   れる空気とを用いて燃料電池スタックで発電させ、改質
   器で改質された余剰の改質ガスと前記燃料電池スタック
   から排出される余剰の空気とを燃焼器で燃焼させる燃料
   電池システムにおいて、 前記燃焼器の排ガスを前記一酸化炭素変成器に導く排ガ
   ス供給経路を開閉する開閉手段と、 システム停止時に、前記燃焼器からの排ガスを前記一酸
   化炭素変成器に導くように前記開閉手段を制御する制御
   手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 改質ガスから水素分離膜装置で分離され
   た水素ガスと、空気供給装置から供給される空気とを用
   いて燃料電池スタックで発電させ、改質器で改質された
   余剰の改質ガスと前記燃料電池スタックから排出される
   余剰の空気とを燃焼器で燃焼させる燃料電池システムに
   おいて、 前記燃焼器の排ガスを前記水素分離膜装置に導く排ガス
   供給経路を開閉する第１の開閉手段と、 前記水素分離膜装置から排出された排ガスを前記燃料電
   池スタックの燃料極に導く第２の排ガス供給経路を開閉
   する第２の開閉手段と、 システム停止時に、前記燃焼器からの排ガスを前記水素
   分離膜装置に導くように前記第１の開閉手段を制御する
   とともに、前記水素分離膜装置から排出された排ガスを
   前記燃料電池スタックの燃料極に導くように前記第２の
   開閉手段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。
4. 【請求項４】 前記燃焼器内の圧力を上昇させる昇圧手
   段と、 前記燃焼器内の圧力を検出する圧力検出手段とを有し、 前記制御手段は、 前記燃焼器内の圧力が所定値まで上昇するように昇圧手
   段を制御することを特徴とする請求項１乃至３項に記載
   の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記燃焼器に供給される空気の温度を検
   出する温度検出手段を有し、 前記制御手段は、 前記燃焼器に供給される空気の温度が所定値以上である
   場合、前記空気供給装置を停止させることを特徴とする
   請求項１乃至３項に記載の燃料電池システム。