JP2005216626A - 燃料電池発電システム、燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動運転と定常運転との双方に有効に対処できる燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置を提供する
【解決手段】システムは、燃料電池１と、燃料供給通路３５と、酸化剤供給通路３０と、燃料電池１の燃料極１１を掃気処理する掃気バルブ５と、掃気バルブ５の開閉を制御する掃気バルブ制御部７とを有する。起動運転バルブ制御では、掃気バルブ５を中間開口度に設定しつつ、定常運転バルブ制御よりも高い頻度で掃気バルブ５を間欠的に開放操作する。定常運転バルブ制御では、掃気バルブ５を起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、起動運転バルブ制御よりも低い頻度で掃気バルブ５を間欠的に開放操作する。
【選択図】 図１

Description

本発明は掃気バルブを有する燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システムに用いられる掃気バルブ装置に関する。

従来、特許文献１には、システムの運転停止時に、残留改質ガスを燃料電池の燃料極等から排気し、その後、改質装置の燃焼器の燃焼排ガスを燃料電池の燃料極に導入することにより、燃料電池の燃料極において残留改質ガスと燃焼排ガスとを置換させる燃料電池発電システム及びその運転方法が開示されている。また特許文献２には、燃料電池の燃料極の下流のシャットバルブから排出された水素ガスを混合器で酸素オフガスと混合させて希釈化させる車載用燃料電池システム及び水素オフガス排出方法が開示されている。また特許文献３には、パージ時に燃料電池から排出される燃料の濃度を希釈させた後に、車外に排気する排出燃料希釈器及び排出燃料希釈式燃料電池システムが開示されている。
特開平８−７８０３７号公報 特開２００２−２８９２３７号公報 特開２００３−１３２９１５号公報

燃料電池発電システムによれば、定常運転中に、燃料電池の酸化剤極に供給された空気が電解質膜を介して燃料極側に透過するため、図５の特性線Ｘ１に示すように燃料極（アノード）側の窒素濃度が次第に増加していく傾向がある。更に、発電反応で酸化剤極（カソード）側で生成された水が燃料極（アノード）側に移行し、燃料極において水が次第に増加していき、燃料ガスが流れる燃料ガス流路の流路面積を次第に低下させる傾向がある。このため燃料電池発電システムの定常運転において発電運転が長い時間継続すれば、図６の特性線Ｘ２の部位Ｘ３に示すようにスタック電圧が低下することがある。

本発明は上記した燃料電池発電システムを更に技術的に進めたものであり、燃料電池の起動運転と定常運転との双方に有効に対処できる燃料電池発電システム、及び、燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置を提供することを課題とする。

様相１に係る燃料電池発電システムは、燃料極及び酸化剤極とこれらで挟まれた電解質膜とを有する燃料電池と、燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、燃料電池に繋がり開放操作により燃料極を掃気処理する掃気バルブと、掃気バルブの開閉を制御する掃気バルブ制御部とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
掃気バルブは、開口度が中間開口度に設定可能なバルブであり、
掃気バルブ制御部は、
燃料電池の起動運転時では前記起動運転バルブ制御を実行し、起動運転後における燃料電池の定常運転時では定常運転バルブ制御を実行し、且つ、起動運転バルブ制御では、掃気バルブの開口度を中間開口度に設定しつつ、定常運転バルブ制御よりも単位時間あたり高い頻度で掃気バルブを間欠的に開放操作し、且つ、
定常運転バルブ制御では、掃気バルブを起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で前記掃気バルブを間欠的に開放操作することを特徴とするものである。

一般的には、燃料電池の運転を長い時間停止しているときには、燃料電池の燃料極には、発電運転には適切でない残留ガスが存在している。これは、発電運転の停止中に燃料電池の酸化剤極及び電解質膜を通して空気が燃料極に透過して残留していたり、場合によっては、パージガス（例えば、窒素ガス等の不活性のガス）が燃料極に封入されているためである。

このため燃料電池の起動運転時には、燃料ガスを燃料電池の燃料極に供給させつつ、燃料極に存在している発電運転に適切でない残留ガスを燃料電池の燃料極から追い出す必要がある。しかし、掃気バルブの開口面積を大きく維持した状態で、掃気バルブを長い時間連続的に開放操作し続けると、起動運転時において燃料極に供給された燃料ガス自体も掃気バルブから必要以上に追い出されてしまうおそれがある。しかも、燃料ガスが濃度が高いままの状態で掃気バルブから掃気されてしまうおそれがある。

そこで、様相１に係る燃料電池発電システムによれば、停止していた燃料電池を起動させる起動運転時には、掃気バルブ制御部は、掃気バルブの開口度を中間開口度に設定しつつ、起動運転バルブ制御を実行する。これにより、定常運転バルブ制御よりも単位時間あたり高い頻度で掃気バルブを間欠的に開放操作し、燃料極の気体を少量ずつ間欠的に高い頻度で複数回掃気させ、発電に適切でない残留ガスを燃料電池の燃料極から掃気する。

また、燃料電池の定常運転においては、定常運転が長い時間連続すると、スタック電圧が次第に低下してくる。スタック電圧が低下する要因としては、燃料電池の酸化剤極に供給された酸化剤ガスが燃料電池の電解質膜を透過して燃料極側に透過し、これが燃料極において不純物ガスとして働くと共に、不純物ガスの濃度が次第に高くなること、燃料ガスが流れる流路において生成水等の水の滞留等が挙げられる。

そこで燃料電池の定常運転が長い時間連続しているときには、様相１に係る燃料電池発電システムによれば、掃気バルブ制御部は、掃気バルブの開口度を起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、定常運転バルブ制御を実行する。これにより起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で掃気バルブを間欠的に開放操作する。従って、燃料ガスが流れる流路の上流側と下流側とに圧力差を積極的に発生させる。これにより燃料ガスが流れる流路における滞留水、不純物ガス等を掃気バルブを介して積極的に掃気する。従って様相１に係る燃料電池発電システムによれば、掃気バルブのバルブ閉じ時間については、起動運転バルブ制御よりも定常運転バルブ制御が長い方が好ましい。

なお、『掃気バルブの開口度を起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定する』とは、一般的には、掃気バルブの全開開口度またはほぼ全開開口度を意味する。具体的には、掃気バルブの全開状態の開口面積を１００％とし、全閉状態の開口面積を０％とすると、８０％を越える開口面積を意味する。上記した掃気バルブとしては、燃料電池の燃料極の気体を掃気できるように、開閉可能な流路をもつものであればよく、デューティー制御可能なオンオフバルブ、または、入力（入力電流、入力電圧等）に応じて開口面積が可変なバルブを例示することができる。

様相２に係る燃料電池発電システムによれば、上記した特徴に加えて、起動運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開き時間をＴo１とし、定常運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開き時間をＴo２とするとき、Ｔo２＞Ｔo１の関係、またはＴo２=Ｔo１の関係、またはＴo２≒Ｔo１の関係に設定されていることを特徴とする。ここで、『Ｔo１』及び『Ｔo２』における『Ｔ』は時間（Ｔｉｍｅ）を意味する。『Ｔo１』及び『Ｔo２』における『ｏ』は開放（ｏｐｅｎ）を意味する。なお、Ｔo２≒Ｔo１とは、Ｔo２／Ｔo１=０．９〜１．１の範囲、あるいは、０．９５〜１．０５の範囲をいう。

掃気バルブのバルブ開き時間についてＴo２＞Ｔo１の関係に設定されている場合には、定常運転バルブ制御においては、燃料ガスが流れる流路の下流側を掃気バルブの開放により低減させ、当該流路における上流側と下流側とに圧力差を積極的に発生させるのに有利となる。これにより当該流路における滞留水、燃料電池の酸化剤極から燃料極側に透過した酸化剤ガス等の不純物ガスを、掃気バルブを介して積極的に掃気することができる。また掃気バルブのバルブ開き時間についてＴo２＞Ｔo１の関係に設定されているため、起動運転バルブ制御においては、燃料極の気体を複数回少量ずつ間欠的に掃気させ、発電運転に適切でない残留ガスを燃料電池の燃料極から掃気することができる。

起動運転バルブ制御における２つの開放操作間のバルブ閉じ時間をＴs１とし、定常運転バルブ制御における２つの開放操作間のバルブ閉じ時間をＴs２とするとき、Ｔs２＞Ｔs１の関係に設定することができる。『Ｔs１』及び『Ｔs２』における『s』は閉鎖（ｓｈｕｔ）を意味する。この場合、起動運転バルブ制御においては、バルブ閉じ時間Ｔs１、バルブ開き時間Ｔｏ１が相対的に短い時間となるため、当該システムを起動させる起動時間を短時間で済ませるのに有利である。

様相３に係る燃料電池発電システムによれば、上記した特徴に加えて、掃気バルブには、燃料ガスの燃焼成分の濃度を低減させる濃度低減要素が接続されているいることを特徴とする。掃気バルブから掃気される燃料ガスの燃料成分の濃度は、濃度低減要素により効果的に低減される。濃度低減要素は、燃料電池の燃料極から掃気バルブを介して掃気される燃料成分を希釈剤で希釈させる構成、または、燃料電池の燃料極から掃気バルブを介して掃気される燃料成分を燃焼させる構成とすることができる。希釈剤としては、ガス状の希釈剤を例示でき、例えば、燃料電池の酸化剤極から吐出された酸化剤オフガス（一般的には空気オフガス）、燃料電池発電システム周辺の空気等が挙げられる。

様相４に係る燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置は、燃料電池発電システムに用いられ、燃料電池に繋がり開放操作により燃料電池の燃料極を掃気処理する掃気バルブと、掃気バルブの開閉を制御する掃気バルブ制御部とを備えた燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置において、
掃気バルブは、
開口度が中間開口度に設定可能なバルブであり、
掃気バルブ制御部は、燃料電池の起動運転時では起動運転バルブ制御を実行し、起動運転後における前記燃料電池の定常運転時では定常運転バルブ制御を実行し、且つ、前記起動運転バルブ制御では、掃気バルブの開口度を中間開口度に設定しつつ、定常運転バルブ制御よりも単位時間あたり高い頻度で掃気バルブを間欠的に開放操作し、且つ、定常運転バルブ制御では、掃気バルブを起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で前記掃気バルブを間欠的に開放操作することを特徴とするものである。この場合には、様相１の場合と同様な作用が得られる。

本発明によれば、起動運転バルブ制御及び定常運転バルブ制御に共用される共通の掃気バルブにより、起動運転バルブ制御と定常運転バルブ制御との双方を実行することができる。このため燃料電池の起動を早期に行うことができると共に、定常運転時におけるスタック電圧の低下を抑制することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１を図１〜図３を参照して具体的に説明する。図１に示すように、固体電解質膜１０を挟持する燃料極１１及び酸化剤極１２を有する燃料電池１を多数積層することにより、スタック２が形成されている。燃料極１１に燃料を分配する配流板１１ｃ、酸化剤極１２に酸化剤ガスを分配する配流板１２ｃが設けられている。燃料供給通路３５は、燃料ガス源３６とスタック２の燃料電池１の燃料極１１とを繋いでおり、燃料用バルブ３７の開放により、燃料ガス源３６から燃料ガスはスタック２の燃料電池１の燃料極１１に供給される。燃料ガスとしては純水素ガス、水素含有ガス等を例示できる。

酸化剤供給通路３０は、燃料電池１の酸化剤極１２と外気とを繋いでおり、ファンやブロア等の送風手段３１により酸化剤ガスは加湿部３２を介して燃料電池１の酸化剤極１２に供給される。酸化剤ガスとしては酸素,酸素含有ガス（一般的には空気等）を例示できる。更に、燃料電池１の燃料極１１に封入用のパージガスをパージガス用バルブ４１を介して供給するパージガス通路４０と、パージガスが封入されているパージガス源４２とが設けられている。パージガスとしては、活性の低いものを使用でき、例えば窒素ガス等の不活性ガスを例示できる。

本実施形態によれば、パージガス通路４０及びパージガス源４２が設けられているが、これに限らず、パージガス通路４０及びパージガス源４２が設けられていなくても良い。スタック２の近傍に掃気バルブ５が設けられている。掃気バルブ５は、燃料電池１の燃料極１１の出口の下流側に繋がり、開放操作により燃料電池１の燃料極１１内の気体を掃気処理するものである。掃気バルブ５は、全開（開口面積１００％）と全閉（開口面積０％）とを切り替え可能なバルブとされている。この掃気バルブ５は、バルブ開度が０％から１００％までの間で変更可能なバルブとされている。このようなバルブとしては、入力電流のデューティー比でバルブ開度が可変とされるバルブ、あるいは、ギャザ制御と呼ばれる電流値を変更することでバルブ開度が可変とされる。デューティー制御により、掃気バルブ５は、その開口度が中間開口度に設定可能とされている。

ここで、『中間開口度』とは、そのバルブの全開時の開口面積と全閉時における開口面積との間における途中状態の開口面積を意味する。一般的には、全開状態の開口面積を１００％とし、全閉状態の開口面積を０％とすると、３〜８５％の開口面積として、殊に１０〜８０％の開口面積、または２０〜７０％の開口面積として開閉作動できることをいう。

本実施例によれば、掃気バルブ５の下流に繋がる通路５０には、濃度低減要素６が設けられている。濃度低減要素６は、燃料ガスの燃焼成分をガス状の希釈剤により希釈化させる希釈機能を有しており、燃料ガスの燃焼成分の濃度を希釈化処理により低減させる。従って、掃気バルブ５から掃気される燃料ガスの燃料成分の濃度は、濃度低減要素６により効果的に低減される。

この濃度低減要素６は、外気に連通する空気通路６０と、空気通路６０に設けられたファンやブロア等で形成された空気送給機能を有する空気送給部６１と、空気送給部６１により供給された空気が流入すると共に通路５０に繋がる混合部６２とを有する。この場合、燃料電池１の酸化剤極（空気極）１２の出口と空気通路６０とを繋ぐ通路６５を設け、酸化剤極（空気極）１２の出口から吐出される発電反応後の酸化剤オフガス（空気オフガス）を空気通路６０を介して濃度低減要素６に送給することにしても良い。

掃気バルブ５が開放操作されると、スタック２の燃料電池１の燃料極１１から吐出される気体が、通路５０及び掃気バルブ５を介して濃度低減要素６の混合部６２に掃気される。更に、その気体は、濃度低減要素６の空気送給部６１から送給された空気（ガス状の希釈剤）により希釈され、希釈された状態で混合部６２の放出口６２ｒから外気に放出される。なお通路５０は、燃料電池１の燃料極１１から発電後のオフガスを排出させる燃料オフガス通路であっても良いし、あるいは、燃料オフガス通路と独立して設けられたものでも良い。

更に、掃気バルブ５の開閉を制御する掃気バルブ制御部７が設けられている。掃気バルブ制御部７は基本的には制御部７０と入力処理部７１と出力処理部７２と記憶部７３とを有する。入力処理部７１には、起動スイッチからの起動・停止信号Ｓ１、車速センサからの車速信号Ｓ２、スタック電流センサからのスタック電流の信号Ｓ３，スタック電圧センサからのスタック電圧の信号Ｓ４，アクセルセンサからの信号Ｓ５、モータセンサからの信号Ｓ６等が入力される。掃気バルブ制御部７の制御部７０は前記した信号のうちの少なくとも一つに基づいて、掃気バルブ制御部７の制御部７０は、燃料電池１の起動運転時または定常運転時であるか否かについて判定する。

掃気バルブ制御部７の制御部７０が燃料電池１の起動運転時と判定するときには、起動運転バルブ制御を実行し、あるいは、燃料電池１の定常運転時と判定するときには、定常運転バルブ制御を実行する。このような制御を実行するプログラムが記憶部７３の所定のエリアに格納されている。出力処理部７２にはバルブ駆動回路５１を経て掃気バルブ５が繋がれている。掃気バルブ制御部７の制御部７０の制御信号により出力処理部７２及びバルブ駆動回路５１を経て、掃気バルブ５の開閉操作が制御される。

図２は掃気バルブ５の作用の概念を模式的に示す。図２に示すように、起動運転バルブ制御においては、掃気バルブ５の開口度を中間開口度に設定しつつ、定常運転バルブよりも単位時間あたり高い頻度で、掃気バルブ５を間欠的に開放操作させる。同様に、定常運転バルブ制御においては、掃気バルブ５の開口度を起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で掃気バルブ５を間欠的に開放操作させる。

換言すると、図２に示すように、起動運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開口面積をＡo１（=中間開口度）とし、定常運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開口面積をＡo２（全開開口度）とすると、本実施形態によれば、１回の開放操作のバルブ開口面積については、Ａo２＞Ａo１の関係に設定されている。更に、起動運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開き時間をＴo１とし、定常運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開き時間をＴo２とすると、図２に示すように、１回の開放操作のバルブ開き時間についてはＴo２＞Ｔo１の関係に設定されている。しかも図２に示すように、起動運転バルブ制御における２つの開放操作間のバルブ閉じ時間をＴs１とし、定常運転バルブ制御における２つの開放操作間のバルブ閉じ時間をＴs２とすると、本実施形態によれば、バルブ閉じ時間についてはＴs２＞Ｔs１の関係に設定されている。

図３は燃料電池１の燃料極１１から掃気される気体に含まれている水素濃度と時間との関係を模式的に示す。理想的には特性線Ｗ３に示すように、時間が経過しても、水素濃度が一定となるように燃料電池１の燃料極１１の気体の掃気処理を行うことが好ましい。しかしながら現実的には、起動運転バルブ制御において掃気バルブ５が間欠的に開放操作されるとき、通路５０のうち濃度低減要素６よりも上流の部位５０ａの水素濃度値は、図３の特性線Ｗ１に示すように、高いピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３……を示す。そして、濃度低減要素６の空気送給部６１から送給された空気（ガス状の希釈剤）により希釈化処理が行われると、希釈化に伴い、水素濃度値は特性先Ｗ２に示すようになり、ピーク値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…の高さがかなり抑制され、低い濃度値Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’…となる。従って、濃度値Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’…は、濃度低減要素６よりも下流の部位６ａの水素濃度を示す。本実施形態によれば、上記のように掃気バルブ５から掃気された気体は、空気による希釈処理により水素濃度のピークが軽減または解消された状態で外気に放出される。

一般的には、燃料電池１のスタック２の運転を長い時間停止した後に、燃料電池１を再び起動運転させるときには、燃料供給通路３５から燃料ガスを燃料電池１の燃料極１１に供給させつつ、燃料極１１に存在している発電反応に適切ではないガスを燃料極１１から追い出す必要がある。しかし、起動運転時において、掃気バルブ５の開口面積を大きく維持した状態で、掃気バルブ５を長い時間連続的に開放操作し続けると、起動運転時において燃料極１１に供給された燃料ガスが掃気バルブ５から必要以上に追い出されてしまうおそれがある。しかも、燃料ガスが濃度が高いままの状態で掃気バルブ５から吐出されてしまうおそれがある。

そこで本実施形態によれば、運転が停止されていた燃料電池１を起動させる起動運転時には、掃気バルブ制御部７は起動運転バルブ制御を実行する。起動運転バルブ制御では、前述したように、１回の開放操作のバルブ開口面積については、Ａo２（全開開口度）＞Ａo１（中間開口度）の関係に設定されており、１回の開放操作のバルブ開き時間はＴo１（Ｔo２＞Ｔo１）であり、定常運転バルブ制御よりも相対的に短かく設定されている。これにより起動運転バルブ制御では、掃気バルブ５は、単位時間あたり高い頻度で短い時間ずつ間欠的に開放操作される。

この結果、燃料電池１の燃料極１１の気体は複数回、少量ずつ間欠的に掃気され、燃料極１１に残留していた発電に適切ではない残留ガスは、燃料電池１の燃料極１１から掃気される。しかも起動運転バルブ制御では掃気バルブ５は単位時間あたり高い頻度で開放操作されるため、残留ガスを効果的に掃気できる。従って、残留ガスの掃気に必要とされる時間も短くて済み、結果として、燃料電池１の起動時間の短縮化に貢献することができ、燃料電池１を短い時間で立ち上げるのに有利である。

しかも、起動運転バルブ制御では、２つの開放操作間のバルブ閉じ時間はＴs１（Ｔs２＞Ｔs１）であり、定常運転バルブ制御よりも相対的に短く設定されている。これにより、燃料電池１の燃料極１１の気体は少量ずつ一層間欠的に掃気されるため、燃料極１１に存在していた発電反応に適切ではない残留ガスは、燃料電池１の燃料極１１から効率よく掃気される。また、燃料電池１のスタック２の定常運転が長い時間連続すると、前述したように、スタック電圧が次第に低下してくる。スタック電圧が低下する要因としては、前述したように燃料ガスが流れる流路に生成水等の水が滞留すること、あるいは、燃料電池１の酸化剤極１２に供給された酸化剤ガス（一般的には空気）が燃料電池１の固体電解質膜１０を透過して燃料極１１側に透過すること等が挙げられる。この場合、燃料ガスが流れる流路の上流側の圧力をできるだけ高めとし、下流側の圧力をできるだけ低めとし、燃料ガスが流れる流路に充分に圧力差をつけ、滞留水や不純物ガス等を強制的に移動または排出させることが好ましい。

そこで本実施形態によれば、燃料電池１の定常運転が長い時間連続しているときには、上記した不具合を解消すべく、掃気バルブ制御部７は定常運転バルブ制御を実行する。この定常運転バルブ制御では、１回の開放操作のバルブ開き時間Ｔo２が起動運転バルブ制御よりも相対的に長く設定されており、燃料ガスが流れる流路の下流側を低下させることにより、当該流路の上流側と下流側とで圧力差をつけるのに有利である。このため燃料ガスが流れる流路における滞留水や不純物ガス等の移動時間を確保したり、排出時間を確保したりするのに有利となる。

更に本実施形態によれば、定常運転バルブ制御において２つの開放操作間のバルブ閉じ時間Ｔs２は起動運転バルブ制御よりも相対的に長く設定（Ｔs２＞Ｔs１）されているため、燃料ガスが流れる流路の上流側と下流側とで圧力差をつけるのに一層有利である。このため燃料ガスが流れる流路における滞留水や不純物ガス等の移動時間を確保したり、排出時間を確保したりするのに一層有利となる。

本実施形態に係る定常運転バルブ制御によれば、時間経過に伴い掃気バルブ５を定期的に開放操作させることにしても良いし、あるいは、スタック電圧を監視するスタック電圧センサからのスタック電圧の信号Ｓ４に基づいて、スタック電圧が敷居値よりも低下していると掃気バルブ制御部７が判定したとき、掃気バルブ５を開放操作させることにしても良い。このため本実施形態によれば、燃料電池発電システムの定常運転が継続しているとき、図６の特性線Ｘ２の部位Ｘ３に示すようにスタック電圧が低下したとしても、上記した定常運転バルブ制御により掃気バルブ５の開放操作を行えば、スタック電圧を早期に回復させることができる。勿論、定常運転バルブ制御において、スタック電圧が低下する前に、掃気バルブ５の開放操作を行えば、燃料電池発電システムの定常運転においてスタック電圧を高く維持するのに有利となる。

なお、バルブ開き時間Ｔo１、Ｔo２、バルブ閉じ時間Ｔs１、Ｔs２は特に限定されるものではなく、燃料電池発電システムの用途等によって適宜変更することができる。例を挙げると、Ｔｏ１＜Ｔｏ２の関係を満たすように、バルブ開き時間Ｔo１は０．０５〜０．１秒にすることができ、バルブ開き時間Ｔo２は０．１〜１秒にすることができる。バルブ閉じ時間Ｔs１は０．５〜２秒にすることができ、バルブ閉じ時間Ｔs２は５〜１２０秒にすることができる。但し上記した値に限定されるものではない。なお、バルブ開き時間及びバルブ閉じ時間は、指令信号の時間を意味する。

（実施形態２）
図４は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。共通する部位には共通の符号を付する。本実施形態においても、掃気バルブ制御部７は、燃料電池１の起動運転時では起動運転バルブ制御を実行すると共に、起動運転後における燃料電池１の定常運転時では定常運転バルブ制御を実行する。掃気バルブ５は、バルブ開度が０％から１００％までの間で連続的に可変なバルブとされている。このようなバルブとしては、入力電流のデューティー比でバルブ開度が可変とされるバルブ、あるいは、ギャザ制御と呼ばれる電流値を変更することでバルブ開度が可変とされるバルブを使用することができる。

図４は、本実施形態に係る掃気バルブ５の作用の概念を模式的に示す。図４に示すように、起動運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開口面積をＡo１とし、定常運転バルブ制御における１回の開放操作の単位時間あたりのバルブ開口面積をＡo２とすると、本実施形態によれば、１回の開放操作のバルブ開口面積についてはＡo２＞Ａo１の関係に設定されている。Ａo２は掃気バルブ５の全開開口度を示し、Ａo１は掃気バルブ５の中間開口度を示す。

更に本実施形態によれば、図４に示すように、起動運転バルブ制御における２つの開放操作間のバルブ閉じ時間をＴs１とし、前記定常運転バルブ制御における２つの開放操作間のバルブ閉じ時間をＴs２とすると、バルブ閉じ時間についてＴs２＞Ｔs１の関係に設定されている。

本実施形態においても、運転が停止していた燃料電池１を起動させる起動運転時には、掃気バルブ制御部７は起動運転バルブ制御を実行する。起動運転バルブ制御では、前述したように、１回の開放操作のバルブ開口面積についてはＡo２＞Ａo１の関係に設定されている。即ち、起動運転バルブ制御では、１回の開放操作のバルブ開口面積は定常運転バルブ制御よりも相対的に小さく設定されている。これにより起動運転バルブ制御では掃気バルブ５は、バルブ開口面積が相対的に小さい状態で、開放操作される。これにより、実施形態１の場合と同様に、燃料電池１の燃料極１１の気体は少量ずつ間欠的に掃気され、燃料極１１に存在していた発電に適切でない残留ガスは、燃料電池１の燃料極１１から掃気される。

しかも本実施形態によれば、起動運転バルブ制御ではバルブ閉じ時間はＴs１（Ｔs２＞Ｔs１）であり、定常運転バルブ制御よりも相対的に短く設定されている。このため起動運転バルブ制御では、掃気バルブ５は単位時間あたり高い頻度で開放操作され、残留ガスの掃気に必要とされる時間も短くて済み、結果として、燃料電池１の起動時間の短縮化に貢献することができ、燃料電池１の運転の早期立ち上がりに一層有利である。

また、燃料電池１の定常運転が長い時間連続しているときには、掃気バルブ制御部７は定常運転バルブ制御を実行する。この定常運転バルブ制御では、前述したように、１回の開放操作のバルブ開口面積Ａo２は起動運転バルブ制御よりも相対的に大きく設定されている。これにより燃料ガスが流れる流路において下流側の圧力を低減させ、当該流路における上流側と下流側とで圧力差を積極的につけるのに有利となる。

しかも本実施形態によれば、定常運転バルブ制御において、２つの開放操作間のバルブ閉じ時間はＴs２（Ｔs２＞Ｔs１）であり、起動運転バルブ制御よりも相対的に長く設定されているため、燃料ガスが流れる流路において上流側の圧力をできるだけ高く維持するのに有利であり、従って、燃料ガスが流れる流路において上流側と下流側とで圧力差を積極的につけるのに一層有利となる。従って、燃料ガスが流れる流路における滞留水、不純物ガス等を掃気バルブ５、濃度低減要素６を介して積極的に掃気することができる。

なお本実施形態においても、起動運転バルブ制御におけるバルブ開き時間をＴｏ１とし、定常運転バルブ制御におけるバルブ開き時間をＴｏ２とするとき、バルブ開き時間についてＴｏ２＞Ｔｏ１の関係、あるいは、Ｔｏ２=Ｔｏ１の関係あるいは、Ｔｏ２≒Ｔｏ１の関係に設定することができる。この場合においても、定常運転バルブ制御では、掃気バルブ５を起動運転バルブ制御における中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で掃気バルブ５を間欠的に開放操作する。

（その他）
上記した実施形態によれば、濃度低減要素６が設けられているが、これに限らず、場合によっては濃度低減要素６が設けられていないものでも良い。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は車載用、定置用、携帯用等の燃料電池発電システムに利用することができる。

実施形態１に係り、燃料電池発電システムを模式的に示す構成図である。 実施形態１に係り、起動運転バルブ制御と定常運転バルブ制御とにおける掃気バルブの開放操作の形態を示すグラフである。 燃料電池の燃料極から掃気される水素濃度の波形図である。 実施形態２に係り、起動運転バルブ制御と定常運転バルブ制御とにおける掃気バルブの開放操作の形態を示すグラフである。 定常運転時における燃料極（アノード）における窒素濃度の変化を模式的に示すグラフである。 定常運転時におけるスタック電圧の変化を模式的に示すグラフである。

符号の説明

図中、１は燃料電池、１１は燃料極、１２は酸化剤極、２はスタック、３０は酸化剤供給通路、３５は燃料供給通路、５は掃気バルブ、６は濃度低減要素、６２は混合部、７は掃気バルブ制御部、７０は制御部を示す。

Claims (4)

1. 燃料極及び酸化剤極とこれらで挟まれた電解質膜とを有する燃料電池と、
   前記燃料電池の燃料極に燃料を供給する燃料供給通路と、
   前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給通路と、
   前記燃料電池に繋がり開放操作により燃料極を掃気処理する掃気バルブと、
   前記掃気バルブの開閉を制御する掃気バルブ制御部とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記掃気バルブは、開口度が中間開口度に設定可能なバルブであり、
   前記掃気バルブ制御部は、
   前記燃料電池の起動運転時では前記起動運転バルブ制御を実行し、起動運転後における前記燃料電池の定常運転時では前記定常運転バルブ制御を実行し、且つ、
   前記起動運転バルブ制御では、前記掃気バルブの開口度を中間開口度に設定しつつ、前記定常運転バルブ制御よりも単位時間あたり高い頻度で前記掃気バルブを間欠的に開放操作し、且つ、
   前記定常運転バルブ制御では、前記掃気バルブを前記起動運転バルブ制御における前記中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、前記起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で前記掃気バルブを間欠的に開放操作することを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、前記起動運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開き時間をＴo１とし、前記定常運転バルブ制御における１回の開放操作のバルブ開き時間をＴo２とするとき、Ｔo２＞Ｔo１の関係、またはＴo２=Ｔo１の関係、またはＴo２≒Ｔo１の関係に設定されていることを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記掃気バルブには、燃料ガスの燃焼成分の濃度を低減させる濃度低減要素が接続されているいることを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 燃料電池発電システムに用いられ、前記燃料電池に繋がり開放操作により前記燃料電池の燃料極を掃気処理する掃気バルブと、前記掃気バルブの開閉を制御する掃気バルブ制御部とを備えた燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置において、
   前記掃気バルブは、開口度が中間開口度に設定可能なバルブであり、
   前記掃気バルブ制御部は、
   前記燃料電池の起動運転時では起動運転バルブ制御を実行し、起動運転後における前記燃料電池の定常運転時では定常運転バルブ制御を実行し、且つ、
   前記起動運転バルブ制御では、前記掃気バルブの開口度を中間開口度に設定しつつ、前記定常運転バルブ制御よりも単位時間あたり高い頻度で前記掃気バルブを間欠的に開放操作し、且つ、
   前記定常運転バルブ制御では、前記掃気バルブを前記起動運転バルブ制御における前記中間開口度よりも大きな開口度に設定しつつ、前記起動運転バルブ制御よりも単位時間あたり低い頻度で前記掃気バルブを間欠的に開放操作することを特徴とする燃料電池発電システム用の掃気バルブ装置。

Images