JP2005129305A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムから排出されたアノードオフガスを燃料電池に還流させる水素循環ポンプのコンプレッサ効率を高める。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム（１０）は、燃料電池（２０）から排出されるアノードオフガスを燃料電池（２０）に還流させるコンプレッサ（５２）と、カソードオフガスから回収した動力でコンプレッサ（５２）を回転駆動するタービン（５１）と、カソードオフガスをタービン（５１）に供給する酸素オフガス流路（３２）のタービン上流側から分岐する分岐流路（３４）を流れるカソードオフガスの分岐流量を調整する流量制御弁（Ａ２）と、カソードオフガスのガス状態量を検出するガス状態量検出手段（Ｔ１，Ｐ１，Ｔ２）と、カソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁（Ａ２）の開閉制御を行う制御部（７０）を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃料電池に還流させる循環ポンプを備えた燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電力発電を行う燃料電池システムをオンボード発電機として搭載する燃料電池車両においては、燃費向上を図るため、燃料電池から排出されたアノードオフガス（水素オフガス）をアノード極に還流させて再使用する構成が知られている。例えば、特開２００３−３１２４４号公報には、カソードオフガス（酸素オフガス）を作動媒体として利用してタービンを駆動し、このタービンの動力を水素循環用のコンプレッサに伝達することによって、アノードオフガスをアノード極に還流させる構成が開示されている。
特開２００３−３１２４４号公報

しかし、タービンの吸入容積よりも吐出容積の方が大きい場合、タービンはカソードオフガスを断熱膨張させるエキスパンダとして機能するため、カソードオフガスのガス状態量（例えば、温度、流量などのガス状態量）によっては、タービンの作動を阻害し、水素循環用のコンプレッサ効率を著しく低下させる場合がある。例えば、燃料電池では電池反応により水分が生成されるが、この水分が水滴又は水蒸気として低温のカソードオフガスに含まれていると、タービンの断熱膨張作用によりガス温度が露点を下回り、水分が凍結してタービンを停止させる要因になる。また、カソードオフガスの流量が多い場合には、タービンの背圧が大きいためにカソードオフガスは断熱膨張が出来なくなり、タービンと同軸結合されているコンプレッサの負荷が増大し、コンプレッサ効率が低下する。

一方、アノード極に還流させるアノードオフガスの水素濃度は適正値に維持する必要があり、従来ではアノードオフガスに含まれる成分のうち水素以外の成分濃度が高くなった時点で定期的に水素排気弁を開いてアノードオフガスをシステム外に排出している。アノードオフガスをシステム外に排出するには、アノードオフガスを希釈化又は酸化反応等によって無害化する必要があり、アノードオフガスを安定して無害化できる装置の開発が望まれている。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、カソードオフガスの状態量に関わらず水素循環用のコンプレッサ効率を高めるための燃料電池システムを提案することを課題とする。また、本発明はアノードオフガスを安定して無害化できる装置を備えた燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノードガスチャンネルから排出されるアノードオフガスをアノードガスチャンネルに還流させるコンプレッサと、燃料電池のカソードガスチャンネルから排出されるカソードオフガスから回収した動力でコンプレッサを回転駆動するタービンと、カソードオフガスをタービンに供給するためのカソードオフガス流路のタービン上流側から分岐する分岐流路を流れるカソードオフガスの分岐流量を調整する流量制御弁と、カソードオフガスのガス状態量を検出するガス状態量検出手段と、ガス状態量検出手段が検出したカソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁の開閉制御を行う制御部を備える。かかる構成によれば、カソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁の開閉制御を行うことにより、タービンに流入するカソードオフガスの流量を調整でき、コンプレッサ効率を高く維持できる。ここで、ガス状態量検出手段が検出するガス状態量はガスの温度、圧力、流量、流速、又はこれらに準じた物理パラメータ値とする。

本発明の燃料電池システムにおいて、ガス状態量検出手段が検出するガス状態量はカソードオフガスの温度に関係する物理量であることが好ましい。制御部はカソードオフガスの温度が低い程、流量制御弁の弁開度が大きくなるように開閉制御することで、カソードオフガスに含まれている水分の凍結を効果的に抑制できる。

本発明の燃料電池システムにおいて、ガス状態量検出手段が検出するガス状態量はカソードオフガスの流量に関係する物理量であることが好ましい。ガス流量に関係する物理量として、ガス圧が含まれる。制御部はカソードオフガスの流量が大きい程、流量制御弁の弁開度が大きくなるように開閉制御することで、タービン吐出側の圧力損失を低減してコンプレッサ効率を高めることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、カソードオフガス流路のタービン下流側に背圧制御弁を更に備えることが望ましい。例えば、制御部はカソードオフガスの流量に応じて背圧制御弁の弁開度を制御することにより、タービン吐出側の背圧調整を通じて断熱膨張率を加減できる。つまり、タービン流入エア流量が少ない場合には、タービン吐出側に背圧を立てることで、吐出容積を小さくし、断熱膨張率を下げることで、断熱膨張時のカソードオフガスの温度低下量を低減できる。

本発明の燃料電池システムにおいて、制御部はカソードガスチャンネルから水分を除去する際に流量制御弁の弁開度が大きくなるように開閉制御する。これにより、排水効率を高めることができる。

本発明の燃料電池システムは燃料電池のアノードガスチャンネルから排出されるアノードオフガスをアノードガスチャンネルに還流させるコンプレッサと、燃料電池のカソードガスチャンネルから排出されるカソードオフガスから回収した動力でコンプレッサを回転駆動するタービンと、アノードオフガスを無害化する無害化装置と、カソードオフガスをタービンに供給するためのカソードオフガス流路のタービン上流側から無害化装置に分岐連通する分岐流路を備え、分岐流路はカソードオフガスの一部を無害化装置に供給する。タービンは圧力調整弁として機能するため、分岐流路を介して一定流量のエアを無害化装置に供給することが可能となり、無害化機能の安定化を実現できる。

本発明によればカソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁の開閉制御を行うことにより、タービンに流入するカソードオフガスの流量を調整でき、コンプレッサ効率を高く維持できる。また、本発明によればタービンは圧力調整弁として機能するため、分岐流路を介して一定流量のエアを無害化装置に供給することが可能となり、無害化機能の安定化を実現できる。

［発明の実施形態１］
以下、各図を参照して本発明の好適な第１実施形態について説明する。
図１は第１実施形態に関わる燃料電池システム１０の主要構成図である。同システム１０は反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池（セルスタック）２０を備えている。燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２では（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。燃料電池２０が発電した電力は電力負荷９０に供給される。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
尚、同図では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５、及びカソードガスチャンネル２６から成る単セルの構造を模式的に図示しているが、実際には上述したリブ付セパレータを介して複数の単セルが直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統にはアノードガスチャンネル２５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードガスチャンネル２５から排出されるアノードオフガスを燃料ガス流路４１に還流させるための水素オフガス循環流路４２が配管されている。燃料ガス流路４１には水素供給装置８１からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁Ａ４と、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータＡ５が配設されている。水素オフガス循環流路４２には循環ポンプ５０が配設されており、アノードガスチャンネル２５を通過する際に圧力損失を受けて低圧までに降圧されたアノードオフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧し、燃料ガス流路４１に還流させている。循環ポンプ５０は、酸素オフガス流路（カソードオフガス流路）３２を流れるカソードオフガス（作動媒体）の圧力エネルギーを機械エネルギーに変換するタービン（膨張機）５１と、水素オフガス循環流路４２を流れるアノードオフガスを圧縮するコンプレッサ（圧縮機）５２と、タービン５１の動力をコンプレッサ５２に伝達する動力伝達機構５３を備えている。動力伝達機構５３としては、タービン５１の駆動軸（ドライブ側）と、コンプレッサ５２の被駆動軸（ドリブン側）を同軸に構成して動力伝達効率を高めるのが望ましい。

水素オフガス循環流路４２にはアノードオフガスに含まれる水素以外の成分濃度が高くなった時点でアノードオフガスの一部をシステム外に排気するための排気通路４３が分岐配管されており、アノードオフガスの排出量を水素排気弁Ａ３によって調整できるように構成されている。排気通路４３を流れるアノードオフガスは無害化装置６０によって無害化された後、排ガスとしてシステム外に排出される。無害化装置６０としては、アノードオフガスを稀釈して無害化する希釈器や、酸化触媒によって酸化処理を施す反応器などが好適である。タービン５１の上流側における酸素オフガス流路３２にはタービン５１を迂回して無害化装置６０に連通し、さらに、酸素オフガス流路３２の下流に再合流する分岐流路３３が分岐配管されており、一定流量のエアを無害化装置６０に供給できるように構成されている。タービン５１は作動媒体（ここでは、カソードオフガス）の圧力が所定値に達しないと駆動されないため、酸素オフガス流路３２のガス圧をほぼ一定値に保つ圧力調整弁として機能し、エアコンプレッサ８３から燃料電池２０に供給されるエア流量が小さい場合でも、分岐流路３３から無害化装置６０に一定流量のエアを供給できる。これにより、無害装置６０における水素オフガスの希釈作用を安定化できる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統にはカソードガスチャンネル２６に酸化ガスを供給するための酸化ガス流路３１と、カソードガスチャンネル２６から排出されるカソードオフガスを排気するための酸素オフガス流路３２が配管されている。酸化ガス流路３１には大気から取り込んだエアに含まれる粉塵等を濾過するためのエアフィルタ８２と、モータＭによって駆動されるエアコンプレッサ８３と、エアコンプレッサ８３によって圧縮されたエアを適度に湿潤するための加湿器８４が配設されている。加湿器８４では燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。燃料電池２０と加湿器８４との間の酸素オフガス流路３２には電池反応によって生成された凝縮水を排水するための遮断弁Ａ１が配設されている。酸素オフガス流路３２には上述した分岐流路３３の他に、タービン５１を迂回して酸素オフガス流路３２の上流と下流を連通する分岐流路３４が分岐配管されている。分岐流路３４には弁開度を調整することによりカソードオフガスの分岐流量を制御できる流量制御弁Ａ２が配設されており、タービン５１へ供給されるカソードオフガスの流量・圧力を調整できるように構成されている。

尚、分岐流路３４は必ずしもタービン５１を迂回して酸素オフガス流路３２のタービン下流に再合流している必要はなく、酸素オフガス流路３２とは別系統のオフガス排出系統（図示せず）を通じてカソードオフガスをシステム外に排出してもよい。同図に示すように、分岐流路３４がタービン５１を迂回することによりバイパス流路を構成している場合は、流量制御弁Ａ２はバイパス弁と別称することも可能である。

酸素オフガス流路３２には、カソードオフガスのガス状態量を検出するガス状態量検出手段として、タービン５１上流側を流れるカソードオフガスの温度及びガス圧を検出する温度センサＴ１及び圧力センサＰ１と、タービン５１の下流側を流れるカソードオフガスの温度を検出する温度センサＴ２が設置されている。また、燃料電池２０には発電電流を検出する電流センサＡが設置されている。制御部７０は上述した温度センサＴ１，Ｔ２，圧力センサＰ１，電流センサＡ等から出力されるセンサ信号を入力するとともに、運転状態に応じて遮断弁Ａ１，流量制御弁Ａ２，水素排気弁Ａ３，遮断弁Ａ４，レギュレータＡ５，モータＭ等を制御するための制御信号を出力し、システム全体を制御する。

タービン５１入口側の吸入容積よりも出口側の吐出容積の方が大きい場合、タービン５１を駆動したカソードオフガスは外界との熱のやり取りが無い状態で膨張するため、タービン５１はエキスパンダとして機能する。断熱膨張における温度低下量は吸入容積と吐出容積の比で決定される。燃料電池２０の電池反応では（２）式に示すようにカソード極２３において水が生成されており、カソードオフガスは高湿潤状態となっている。カソードオフガスに含まれる水分の一部は加湿器８４を通過する際にある程度除去されるが、除去されなかった水分はカソードオフガスとともにタービン５１に流入する。カソードオフガスの断熱膨張過程においてガス温度が低下し、吐出温度が氷点下になると、タービン５１が氷結し、タービン５１の作動を阻害するおそれがある。このため、本実施形態においてはタービン５１の流入ガス温度Ｔ１と吐出ガス温度Ｔ２を検出し、流入ガス温度Ｔ１と吐出ガス温度Ｔ２の何れもが所定温度以下になった場合に流量制御弁Ａ２の弁開度を大きくし、分岐流路３４を流れる分岐エア流量を増大させてタービン５１への流入エア流量を低減させる。

図２はカソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁Ａ２を開閉制御するための処理ステップを記述した制御ルーチンである。この制御ルーチンは制御部７０が実行する主制御プログラムの中で繰り返し実行されるものである。本ルーチンが呼び出されると、制御部７０は上述した各種センサ信号からタービン５１の流入ガス温度Ｔ１、吐出ガス温度Ｔ２、流入ガス圧Ｐ１、発電電流Ｉを読み取る（ステップＳ１０１）。次いで、温度Ｔ１と温度Ｔ２がそれぞれ所定温度ＴＡ，ＴＢ以上であるか否かをチェックする（ステップＳ１０２）。所定温度ＴＡ，ＴＢとしては、断熱膨張したエアが氷結する可能性のある温度範囲に設定するのが望ましく、例えば、所定温度ＴＢを氷点に設定するのがよい。温度Ｔ１≧所定温度ＴＡであるか、又は温度Ｔ２≧所定温度ＴＢである場合には（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）、断熱膨張したエアが氷結するおそれは少ないため、流量制御弁Ａ２を閉じる（ステップＳ１０３）。

一方、温度Ｔ１＜所定温度ＴＡであり、且つ温度Ｔ２＜所定温度ＴＢである場合には（ステップＳ１０２；ＮＯ）、断熱膨張したエアが氷結するおそれがあるため、流量制御弁Ａ２を開く（ステップＳ１０４）。また、流量制御弁Ａ２の弁開度は流入圧力Ｐ１の大小に応じて開度調整するのが望ましい。そこで、流入圧力Ｐ１が所定値ＰＡ以上であるか否かをチェックする（ステップＳ１０５）。所定値ＰＡとしては、タービン５１の回転数が定格回転数を維持できる程度の圧力値に設定するのが望ましい。流入圧力Ｐ１≧所定値ＰＡである場合には（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）、流量制御弁Ａ２の弁開度を大きくし、流入圧力Ｐ１を低減させる（ステップＳ１０６）。これに対し、流入圧力Ｐ１＜所定値ＰＡである場合には（ステップＳ１０５；ＮＯ）、流量制御弁Ａ２の弁開度を小さくし、流入圧力Ｐ１を増加させる（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０５〜ステップＳ１０７を繰り返し実行することで、流入圧力Ｐ１を所定値ＰＡ近傍に維持することができる。

このようにして流量制御弁Ａ２の開度調整を行ったならば、燃料電池２０の発電量積算値Ｑが所定値Ｗを超えたか否かえをチェックする（ステップＳ１０８）。所定値Ｗとしては、電池反応によって生じた生成水が燃料電池２０内にある程度蓄積し、排水する必要が生じる目安となる電力量に設定するのが望ましい。発電量積算値Ｑ≧所定値Ｗの場合には（ステップＳ１０８；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１を開いて（ステップＳ１０９）、カソードガスチャンネル２６に脈動を起こし、燃料電池２０内に蓄積した凝縮水を排水する。カソードガスチャンネル２６に凝縮水が蓄積すると、セルの有効電極面積が減少し、各セルに燃料ガスが均等に供給されなくなるおそれがある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが０Ｖ以下まで降圧して過放電するおそれがある。過放電の状態で電流を流し続けると、高分子電解質膜２１が破損する可能性があるので、適宜排水する必要がある。遮断弁Ａ１を開いて排水処理が終了したならば、ステップＳ１０１に再帰する。一方、発電量積算値Ｑ＜所定値Ｗの場合には（ステップＳ１０８；ＮＯ）、燃料電池２０の排水処理を行わずに、ステップＳ１０１に再帰する。

尚、上述の説明では、流入ガス温度Ｔ１と吐出ガス温度Ｔ２に応じて流量制御弁Ａ２を開閉制御する例を説明したが、カソードオフガスの温度、圧力（エア圧）、流量、流速、又はこれらに準じた物理パラメータ値の何れか１つ又は何れか２以上の組み合わせに基づいて流量制御弁Ａ２の開度を調整してもよい。例えば、カソードオフガスの温度のみで流量制御弁Ａ２を開閉制御してもよく、カソードオフガスの圧力のみで流量制御弁Ａ２を開閉制御してもよい。さらには、カソードオフガスの温度と圧力の２種類のガス状態量を基に流量制御弁Ａ２を開閉制御してもよい。カソードオフガスの圧力で流量調整弁Ａ２を開閉制御するには、タービン５１に流入するエア圧を所定の基準値と比較し、エア圧が基準値より大きい場合には流量制御弁Ａ２の開度を大きくし、エア圧が基準値より小さい場合には流量制御弁Ａ２の開度を小さくするように構成すればよい。

また、図２の制御手順においては、流量制御弁Ａ２を「開状態」とするか、又は「閉状態」とするかをカソードオフガスの温度に基づいて決定した後、カソードオフガスの圧力に基づいて弁開度を微調整する構成としたが、カソードオフガスの温度を中心に流量制御弁Ａ２の開閉制御を行う場合は、圧力に基づく弁開度の微調整（ステップＳ１０５〜ステップＳ１０７）は必ずしも必須ではなく、必要に応じて適宜付加すればよい。同様に、流量制御弁Ａ２を「開状態」とするか、又は「閉状態」とするかをカソードオフガスの圧力に基づいて決定した後、カソードオフガスの温度に基づいて弁開度を微調整する構成も採用できる。カソードオフガスの圧力を中心に流量制御弁Ａ２の開閉制御を行う場合は、温度に基づく弁開度の微調整は必ずしも必須ではなく、必要に応じて適宜付加すればよい。カソードオフガスの氷結によるタービン５１の作動阻害を抑制するには、カソードオフガスの温度に基づいて流量制御弁Ａ２を開閉制御するのがより好ましい。

尚、流量制御弁Ａ２としては、オンオフ弁、リニア弁の何れも採用することが可能である。例えば、流量制御弁Ａ２としてオンオフ弁を採用する場合は、上述のステップＳ１０３，Ｓ１０４において、流量制御弁Ａ２を全閉又は全開にすることが可能である。流量制御弁Ａ２としてリニア弁を採用する場合には、上述のステップＳ１０３，Ｓ１０４において、流入ガス温度Ｔ１、吐出ガス温度Ｔ２が小さい程、弁開度が大きくなるように開度調整を行うことが可能である。特に、流量制御弁Ａ２としてリニア弁を採用する場合には、カソードオフガスの温度だけでなく、圧力、流量、流速、又はこれらに準じた物理パラメータ値の大小に応じて弁開度の大小を調整できるため、好ましい。

また、酸素オフガス流路３２に加湿器８４を設置していない場合には、流量制御弁Ａ２を開閉制御することで、燃料電池２０の排水処理を行ってもよい。また、電池運転停止時にはエアコンプレッサ８３からカソードガスチャンネル２６に加圧エアを供給し、遮断弁Ａ１を開いて排水を行うが、このとき流量制御弁Ａ２も同時に全開とすることで、酸素オフガス流路３２に差圧が生じないようにして排水効率を向上させることができる。さらに流量制御弁Ａ２を全開とすることで、タービン５１への排水の流入を抑制できる。但し、カソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁Ａ２の弁開度を調整する上で、上述した排水処理（ステップＳ１０８〜Ｓ１０９）は必ずしも必須ではなく、必要に応じて適宜付加すればよい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、タービン５１の流入ガス温度Ｔ１と吐出ガス温度Ｔ２に応じて流量制御弁Ａ２を開閉制御し、タービン５１への流入ガス量を調整しているため、タービン５１の氷結による作動阻害を抑制できる。

［発明の実施形態２］
次に、各図を参照して本発明の好適な第２実施形態について説明する。
図３は第２実施形態に関わる燃料電池システム８０の主要構成図である。図１と同一符号を付した装置等については同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。同システム８０は上述した第１実施形態に関わる燃料電池システム１０の構成とほぼ同一であるが、酸素オフガス流路３２のタービン上流側に流量センサＲ１が追加され、更に、タービン下流側に圧力センサＰ２と、背圧制御弁Ａ６が追加されている点において相違している。制御部７０は上述した温度センサＴ１，Ｔ２，圧力センサＰ１，Ｐ２，流量センサＲ１，電流センサＡ等から出力されるセンサ信号を入力するとともに、運転状態に応じて遮断弁Ａ１，流量制御弁Ａ２，水素排気弁Ａ３，遮断弁Ａ４，レギュレータＡ５，背圧制御弁Ａ６，モータＭ等を制御するための制御信号を出力し、システム全体を制御する。

本実施形態においてはタービン５１の流入ガス温度Ｔ１と吐出ガス温度Ｔ２に応じて流量制御弁Ａ２を開閉制御し、タービン５１への流入ガス量を調整する他、更に、タービン５１に流入するエア流量が少ない場合に背圧制御弁Ａ６の弁開度を調整してタービン吐出側の圧力を高めることにより、吐出容積を実質的に小さくし、エアの断熱膨張率を小さくする。これにより、断熱膨張作用によるタービン吐出エアの温度降下は小さくなるので、タービン５１の氷結による作動阻害を抑制できる。

図４はカソードオフガスのガス状態量に応じて流量制御弁Ａ２、及び背圧制御弁Ａ６を開閉制御するための処理ステップを記述した制御ルーチンである。この制御ルーチンは制御部７０が実行する主制御プログラムの中で繰り返し実行されるものである。本ルーチンが呼び出されると、制御部７０は上述した各種センサ信号からタービン５１の流入ガス温度Ｔ１、吐出ガス温度Ｔ２、流入ガス圧Ｐ１、吐出ガス圧Ｐ２、エア流量Ｒ１、発電電流Ｉを読み取る（ステップＳ２０１）。本ステップ以降のステップＳ２０２〜ステップＳ２０７は上述したステップＳ１０２〜Ｓ１０７と同一であるため、詳細な説明を省略する。さて、ステップＳ２０８に移行すると、タービン５１への流入エア流量Ｒ１が所定値ＳＡ以上であるか否かがチェックされる。所定値ＳＡとしては、タービン吐出エアに圧力損失が生じ、コンプレッサ効率が低下する目安となる圧力範囲に設定するのが望ましい。エア流量Ｒ１≧所定値ＳＡである場合には（ステップＳ２０８；ＹＥＳ）、背圧制御弁Ａ６の弁開度を大きくし（ステップＳ２０９）、タービン５１の圧力損失を低減してコンプレッサ効率を良好な範囲に維持する。

一方、エア流量Ｒ１＜所定値ＳＡである場合には（ステップＳ２０８；ＮＯ）、背圧制御弁Ａ６の弁開度を小さくし（ステップＳ２１０）、タービン吐出側の背圧を大きくして吐出容積を小さくする。エアの断熱膨張率が小さくなれば、断熱膨張作用による温度降下も小さくなるので、タービン５１の氷結による作動阻害を抑制できる。背圧制御弁Ａ６の弁開度は吐出ガス圧Ｐ２の大小に応じて開度調整するのが望ましい。そこで、吐出ガス圧Ｐ２が所定値ＰＢ以下であるか否かをチェックする（ステップＳ２１１）。所定値ＰＢとしてはコンプレッサ効率を低下させることなく、かつ、断熱膨張作用による温度降下をできるだけ小さくできる圧力範囲に設定するのが望ましい。吐出ガス圧Ｐ２＞所定値ＰＢである場合には（ステップＳ２１１；ＮＯ）、背圧制御弁Ａ６の弁開度を大きくし（ステップＳ２１２）、吐出ガス圧Ｐ２を小さくする。これに対し、吐出ガス圧Ｐ２≦所定値ＰＢの場合には（ステップＳ２１１；ＹＥＳ）、背圧制御弁Ａ６の弁開度を小さくし（ステップＳ２１３）、吐出ガス圧Ｐ２を大きくする。ステップＳ２１１〜ステップＳ２１３を繰り返し実行することで、吐出ガス圧Ｐ２を所定値ＰＢ近傍に維持できる。

このようにして流量制御弁Ａ２、背圧制御弁Ａ６の開度調整を行ったならば、燃料電池２０の発電量積算値Ｑが所定値Ｗを超えたか否かえをチェックする（ステップＳ２１４）。発電量積算値Ｑ≧所定値Ｗの場合には（ステップＳ２１４；ＹＥＳ）、遮断弁Ａ１を開いて（ステップＳ２１５）、カソードガスチャンネル２６に脈動を起こし、燃料電池２０内に蓄積した凝縮水を排水する。そして、ステップＳ２０１に再帰する。一方、発電量積算値Ｑ＜所定値Ｗの場合には（ステップＳ２１４；ＮＯ）、燃料電池２０の排水処理を行わずに、ステップＳ２０１に再帰する。

尚、ステップＳ２０８においてはエア流量Ｒ１と所定の所定値ＳＡを比較して背圧制御弁Ａ６の開度調整を行う場合を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、カソードオフガスの温度、圧力（エア圧）、流量、流速、又はこれらに準じた物理パラメータ値の何れか１つ又は何れか２以上の組み合わせに基づいて背圧制御弁Ａ６の開度を調整してもよい。例えば、エア流量Ｒ１に替えて流入ガス圧Ｐ１を所定の基準値と比較して背圧制御弁Ａ６の開閉制御を行うことが可能である。また、上述の説明では、エア流量Ｒ１に基づいて背圧制御弁Ａ６の開度を調整した上で、吐出ガス圧Ｐ２に基づいて背圧制御弁Ａ６の弁開度をさらに微調整する処理（ステップＳ２１１〜ステップＳ２１３）を行う場合を例示したが、吐出ガス圧Ｐ２に基づく背圧制御弁Ａ６の弁開度微調整処理（ステップＳ２１１〜ステップＳ２１３）は必ずしも必須ではなく、必要に応じて適宜付加すればよい。同様に、カソードオフガスのガス状態量に基づいて背圧制御弁Ａ６の開度を調整する上で、排水処理（ステップＳ２１４〜Ｓ２１５）は必ずしも必須ではなく、必要に応じて適宜付加すればよい。

以上、説明したように、本実施形態によれば、タービン５１の流入ガス温度Ｔ１と吐出ガス温度Ｔ２に応じて流量制御弁Ａ２を開閉制御するとともに、背圧制御弁Ａ６の弁開度を調整してタービン吐出側の圧力を高めることにより、吐出容積を実質的に小さくし、断熱膨張作用によるタービン吐出エアの温度降下を低減してタービン５１の氷結による作動阻害を抑制できる。

第１実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 第１実施形態のシステム制御ルーチンである。 第２実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 第２実施形態のシステム制御ルーチンである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３１…酸化ガス流路 ３２…酸素オフガス流路 ３３…分岐流路 ３４…分岐流路 ４１…燃料ガス流路 ４２…水素オフガス循環流路 ４３…排気通路 ５０…循環ポンプ ５１…タービン ５２…コンプレッサ ６０…無害化装置 ７０…制御部 ８０…燃料電池システム Ａ１…遮断弁 Ａ２…流量制御弁 Ａ３…水素排気弁 Ａ４…遮断弁 Ａ５…レギュレータ Ａ６…背圧制御弁

Claims (9)

1. 燃料電池のアノードガスチャンネルから排出されるアノードオフガスを前記アノードガスチャンネルに還流させるコンプレッサと、
   前記燃料電池のカソードガスチャンネルから排出されるカソードオフガスから回収した動力で前記コンプレッサを回転駆動するタービンと、
   前記カソードオフガスを前記タービンに供給するためのカソードオフガス流路のタービン上流側から分岐する分岐流路を流れるカソードオフガスの分岐流量を調整する流量制御弁と、
   前記カソードオフガスのガス状態量を検出するガス状態量検出手段と、
   前記ガス状態量検出手段が検出した前記カソードオフガスのガス状態量に応じて前記流量制御弁の開閉制御を行う制御部を備える、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス状態量は前記カソードオフガスの温度に関係する物理量である、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は前記カソードオフガスの温度が低い程、前記流量制御弁の弁開度が大きくなるように開閉制御する、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス状態量は前記カソードオフガスの流量に関係する物理量である、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は前記カソードオフガスの流量が大きい程、前記流量制御弁の弁開度が大きくなるように開閉制御する、燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５うち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記カソードオフガス流路のタービン下流側に配設された背圧制御弁を更に備える、燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は前記カソードオフガスの流量に応じて前記背圧制御弁の弁開度を制御する、燃料電池システム。
8. 請求項１乃至請求項７うち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は前記カソードガスチャンネルから水分を除去する際に前記流量制御弁の弁開度が大きくなるように開閉制御する、燃料電池システム。
9. 燃料電池のアノードガスチャンネルから排出されるアノードオフガスを前記アノードガスチャンネルに還流させるコンプレッサと、
   前記燃料電池のカソードガスチャンネルから排出されるカソードオフガスから回収した動力で前記コンプレッサを回転駆動するタービンと、
   前記アノードオフガスを無害化する無害化装置と、
   前記カソードオフガスを前記タービンに供給するためのカソードオフガス流路のタービン上流側から前記無害化装置に分岐連通する分岐流路を備え、
   前記分岐流路は前記カソードオフガスの一部を前記無害化装置に供給する、燃料電池システム。

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