JP2005327683A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】既存の設備を利用して、燃料ガスの供給通路、排出通路、又は外部との開閉弁等に介在する氷、鉄粉、コーティング（塗膜）等の異物を除去し、運転効率の低下を解消することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１に供給する燃料ガスが通る供給通路５と、燃料電池１から排出される燃料ガスが通る排出通路７とを備えた燃料電池システムであって、供給通路５又は排出通路７に配置され、供給通路５及び排出通路７内を燃料ガスを流動させる圧力を付与する圧力源３，９と、供給通路５及び／又は排出通路７に設けられた開閉弁１３，２１と、供給通路５、排出通路７及び開閉弁１３，２１の少なくともいずれかに異物を認識した時に、開閉弁１３，２１の上下流に差圧を発生させるように圧力源３，９に指示する制御部３１と、を備える燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料ガスの供給通路、排出通路及び燃料ガスを外部に放出するための開閉弁に介在する異物を除去することが可能な燃料電池システムに関する。

燃料電池は、例えば水素ガスなどの燃料ガスと空気、酸素ガスなどの酸化ガスを電気化学的に反応させることで発電を行う。この際、水素ガスと酸素ガスが反応して水が生成するが、この水分が燃料電池内で燃料電池より排出される燃料ガス（以下、燃料オフガス又は排出燃料ガスともいう）に混入してしまう場合がある。このような場合に低温環境下で燃料電池を使用すると、燃料電池の発電停止時に燃料オフガスに含まれる水分が凍結してしまい、制御弁の可動部が固着してしまう場合があった。

このような不都合を回避する手段として、例えば特開２００２−３１３３８９号公報（特許文献１）には、燃料電池の起動時に燃料オフガスの排出通路に設けられた制御弁に加熱された酸化ガスを吹き付け、解凍する制御弁加熱手段を備えた燃料電池の始動制御装置が開示されている。
特開２００２−３１３３８９号公報

しかしながら、このような装置では、加熱された酸化ガスを制御弁まで導くための経路や当該ガスの供給・停止を制御するための制御弁等が新たに必要となる。したがって、装置が複雑化、大型化してしまう等の傾向にある。

また、一方で燃料オフガスの配管等から鉄粉、コーティング等が剥離して制御弁に挟まり、運転効率が低下するという不具合がある。

本発明は、このような課題を解決するために、既存の設備を利用して、燃料ガスの供給通路、排出通路、又は外部との開閉弁等に介在する氷、鉄粉、コーティング（塗膜）等の異物を除去し、運転効率の低下を解消することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池に供給する燃料ガスが通る供給通路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが通る排出通路とを備えた燃料電池システムであって、前記供給通路又は前記排出通路に配置され、前記供給通路及び前記排出通路内を前記燃料ガスを流動させる圧力を付与する圧力源と、前記供給通路及び／又は前記排出通路に設けられた開閉弁と、前記供給通路、前記排出通路及び前記開閉弁の少なくともいずれかに異物を認識した時に、前記開閉弁の上下流に差圧を発生させるように前記圧力源に指示する制御部と、を備える燃料電池システムを提供するものである。

かかる構成によれば、開閉弁の上下流に発生した圧力差により、燃料ガスの供給通路、排出通路、又は外部との開閉弁等に介在する氷、鉄粉、コーティング（塗膜）等の異物を除去し、運転効率の低下を解消することが可能となる。また、開閉弁の上下流による圧力差を利用するため、ヒータ等の他の装置を設置する必要がなく、既存の設備を利用することが可能であるのでコスト的にも有利である。

ここで、「異物を認識した時」とは、異物の存在を直接検出した場合の他、間接的条件（状況）から異物の存在を推測し得る場合をも含む。異物を直接検出した場合とは、例えば、開閉弁の上下流の差圧や開閉弁の開度変化等のように異物の存在により生じる環境変化を計測することなどにより異物の存在が確認される場合などが挙げられる。また、異物の存在が間接的条件から推測し得る場合とは、例えば、外気温度が所定温度（例：零度）よりも低くなったときに、排出通路内等に氷が発生しているであろうことが理論的に予測される場合などが挙げられる。

前記排出通路は、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを前記供給通路に戻す循環通路を備えるものであってもよい。

前記開閉弁は、前記供給通路又は前記排出通路の内部と外部との間を連通・閉鎖する機能を有するものであることが好ましい。これによれば、供給通路、排出通路、開閉弁に生じた異物を燃料ガスの通る通路の外部に排出することが可能となる。このような開閉弁としては、気液分離器に備えられた液体を外部に排出するための開閉可能な排出弁であってもよい。これによれば、気液分離器に備えられた排出弁から、燃料ガスと共に排出された異物を、気液分離器から分離される水を貯留する貯留室内に貯めることができる。この際、排出燃料ガスは、排出通路の圧力を定常状態に戻すことで、排出通路内に戻すことができる。また、前記開閉弁は、前記排出通路から前記燃料ガスを外部に排出するための排出弁（パージ弁）であってもよい。

前記制御部が、前記燃料電池の低温起動時に前記異物の認識を行なうよう指示することが好ましい。低温で燃料電池を使用する際、排出燃料ガスに含まれる水分が凍ることがあり、起動時に例えばこのようにして生じた氷が開閉弁に噛み込むと運転効率が低下する場合があるので、このような場合に特に好適である。
前記異物としては、例えば氷が挙げられる。また、この他、配管から剥落する鉄粉、塗膜等が挙げられる。

前記圧力源は、前記燃料ガスを燃料電池に供給するための高圧ガスタンクであっても、また、前記排出通路に備えられ、前記燃料ガスを昇圧し、循環させるための駆動力を供給する循環ポンプであってもよい。高圧ガスタンクを用いれば、容易に供給通路又は排出通路内のガス圧を高めることが可能となる。また、循環ポンプを高速回転で駆動することによっても、供給通路又は排出通路内のガス圧を高めることができる。

前記制御部が、前記循環ポンプの動力が通常値より高いと判断したときに、前記異物が存在すると判断するよう構成されていることが好ましい。これによれば、循環ポンプの動力、例えば消費電力などをモニタすることにより、容易に異物の検出が可能となる。

前記制御部が、前記循環ポンプの動力が通常値より高いと判断したときに、前記高圧ガスタンクからの燃料ガスの供給を停止して前記循環ポンプを作動するように指示を出すよう構成されていることが好ましい。これによれば、異物を除去する際に、高圧ガスタンクから新たな燃料ガスを供給しないため、無駄に燃料ガスが消費されるのを回避することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
（第一の実施形態）
本実施形態では、燃料ガスを供給する燃料ガスポンプを利用して、燃料ガスの供給通路、循環通路、及び開閉弁に介在する異物を除去する燃料電池システムについて説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を説明するための説明図である。図１に示すように、燃料電池のスタック１、高圧ガスタンク３、高圧ガスタンク３とスタック１を接続する供給通路５、スタック１から排出される燃料ガス（以下、排出燃料ガス又は燃料オフガスともいう）を再び供給通路５に循環させる循環通路７、燃料ガスを循環させるための駆動力を供給する循環ポンプ９、排出燃料ガス中に含まれる気体と液体を分離する気液分離器１１、排出燃料ガスを外部（大気）に排気するための排出管２５、排出燃料ガスを希釈する排出燃料ガス処理装置２７、及び制御部３１から主に構成されている。なお、排出通路には、循環通路７及び排出管２５を含む。また、開閉弁には、排出弁１３、排出弁２１、入口遮断弁１７、及び出口遮断弁１９を含む。

スタック（燃料電池本体）１では、高圧ガスタンク３から供給される水素ガスなどの燃料ガスと、図示せぬ供給源から供給される空気又は酸素ガスなどの酸化ガスとを電気化学反応させることで電気を発生する。

発電に用いられる燃料ガスの通常の流れ（通常運転モード）について説明する。
燃料ガスは、図１に示すように、高圧ガスタンク３から供給され、供給通路５を介してスタック１に供給される。供給通路５には、高圧ガスタンク３からの燃料ガスの流量を一定量に調整するためのレギュレータ１５が備えられ、スタック１の入口付近に入口遮断弁１７が備えられている。

スタック１における電気化学反応に利用された後の燃料ガスの残留分は、循環通路７を介して再び供給通路５に戻され、再利用される。循環通路７には、スタック１の出口付近に出口遮断弁１９が備えられており、また、スタック１内で混入した水分を除去するための気液分離器１１、燃料ガスを循環させるための駆動力を供給する循環ポンプ９、及び供給通路５からの燃料ガスの流入を防止する逆止弁２３が備えられている。また、気液分離器１１には、分離された液体を外部に排出するための排出弁２１が備えられており、通常、間欠的に開閉動作が行われ、気液分離器１１内に溜まった水を排出するよう構成されている。

また、循環通路７からは燃料ガス排出管２５が分岐している。燃料ガス排出管２５の分岐点付近には排出弁１３が備えられており、排出弁１３は、通常、非連通状態とされ、スタック１から排出された排出燃料ガスは上述のように循環通路７を通って再利用される。排出燃料ガスには、スタック１で混入し、気液分離器１１で除去しきれない水分が含まれ、このような不純物を有する排出燃料ガスが循環すると水素濃度が低下し、燃料電池の発電効率が低下してしまう。したがって、間欠的に排出弁１３を連通し、新たな燃料ガスと置換することが行われる。排出弁１３より排出された排出燃料ガスは、排出ガス処理装置２７により希釈され、外部に放出される。燃料ガスの希釈化に用いられる希釈化ガスとしては、例えば、燃料電池の発電に用いられ、燃料電池より排出された酸化ガスが用いられる。このような排出酸化ガスは、排出酸化ガス供給管４５を介して排出ガス処理装置２７に送られる。

次に、異物が検出された場合（異物除去モード）の燃料電池の動作について説明する。
供給通路５、循環通路７及び連通弁としての排出弁１３及び排出弁２１に異物があると、燃料ガスを所定圧で送るために、循環ポンプ９に負荷が生じるため、循環ポンプ９の動力が通常値よりも高くなる。このような循環ポンプ９の動力の変動は、例えば、循環ポンプ９の消費電力によりモニタすることができる。なお、消費電力以外にも、例えば電流値又は電圧値により循環ポンプ９の動力の変動をモニタしてもよい。

まず、循環ポンプ９の動力の指標となる例えば消費電力情報が、常時又は定期的に、制御部３１に送られる。制御部３１において、消費電力の値が通常値（所定値）よりも高くなっていると判断された場合には、制御部３１はレギュレータ１５に、燃料ガスの流量を増やして供給通路５に高圧をかけるよう指示する。その後、制御部３１は、排出弁１３及び排出弁２１に開閉動作を繰り返すよう指示する。排出弁１３及び排出弁２１は、一方ずつ開閉動作を行うよう構成されていてもよく、両方同時に開閉動作を行うよう構成されていてもよい。排出弁１３及び排出弁２１を閉じると一時的に供給通路５及び循環通路７内の圧力が高まり、排出弁１３及び排出弁２１の上下流に大きな差圧が生じる。その後、排出弁１３及び排出弁２１の一方又は両方を開くと、供給通路５及び循環通路７内で高められた圧力が一気に排出弁１３及び／又は排出弁２１から噴出される。この燃料ガスの噴出流により、供給通路５及び循環通路７内に介在する異物（例：氷、鉄粉、塗膜等）や、排出弁１３及び／又は排出弁２１に噛み込んだ異物等を除去することが可能となる。

次に、図２を参照しながら、燃料電池システムの動作の流れの一例について説明する。図２は、本実施形態の燃料電池システムにより実施する異物除去方法の一例を説明するためのフロー図である。

まず、燃料電池システムが起動されると、循環ポンプ９の動力が通常値より高いか否かが判断される（Ｓ１１）。具体的には、例えば循環ポンプ９の消費電力が通常値より高いか否かの判断がされる。循環ポンプ９の動力が通常値と同等若しくは通常値より低いと判断された場合には、異物の存在は確認されないとして、通常運転モードを続ける（Ｓ１３）。循環ポンプ９の動力が通常値よりも高いと判断された場合には、異物除去モードに切り替えられる（Ｓ１２）。異物除去モードでは、まず、排出弁２１周辺の異物の除去が行われる（Ｓ１４）。具体的には、レギュレータ１５が開かれ、供給通路５に高圧が付与される。循環ポンプ９を脈動させ、排出弁２１を開閉し、異物の除去を行う。次に、排出弁１３周辺の異物の除去が行われる（Ｓ１５）。具体的には、ステップ１４（Ｓ１４）と同様に、レギュレータ１５が開かれ、供給通路５に高圧が付与される。循環ポンプ９を脈動させ、排出弁１３を開閉し、異物の除去を行う。この動作が終了した後、再びＳ１１に戻る。なお、Ｓ１４及びＳ１５の順序は逆にしてもよい。

本実施形態によれば、燃料ガスの循環通路又は外部との連通弁等に介在する氷、鉄粉、塗膜等の異物を除去し、燃料電池システムの運転の不具合を解消することが可能である。また、既存の設備を利用することが可能であるため、新たな設備投資を必要としないで済む。

なお、上記例については、異物の検出は、循環ポンプ９の動力をモニタすることにより行ったが、これに限定されず、例えば、循環ポンプ９の前後に配置された圧力センサ４１及び４３から検出される圧力値の差をモニタすることにより行ってもよい。具体的には、圧力センサ４１及び４３からの圧力値の差を求め、この差圧を通常の場合の値（通常値）と比較することにより判別してもよい。

また、本実施形態では、異物検出時に、異物除去モードを起動する例について説明したが、これに限定されず、例えば、低温起動時に異物除去モードを起動するよう構成してもよい。具体的には、循環通路７に温度センサを設け、この温度センサにより循環通路７内の温度をモニタし、燃料電池システムの起動時に温度が所定温度以下であれば、異物除去モードを起動するよう構成していてもよい。

（変形例１）
上記例では、排出弁２１及び排出弁１３からの異物除去作業を一連の動作で行った。本例では、排出弁２１からの異物除去作業と排出弁１３からの異物除去作業との間に、さらに、循環ポンプ９の動力をモニタする工程を含む例について説明する。

図３は、本実施形態の燃料電池システムにより実施する異物除去方法の他の例を説明するためのフロー図である。

Ｓ２１からＳ２４までは、図２におけるＳ１１からＳ１４までと同様の操作で行う。Ｓ２４において、排出弁２１の異物除去作業が行われた後、本例では、循環ポンプ９の動力が、通常値よりも高いか否かの判断をするステップ（Ｓ２５）が含まれる。循環ポンプ９の動力が同等もしくは通常値より低いと判断された場合には、Ｓ２３に戻り、通常運転モードが再開される。循環ポンプ９の動力が通常値よりも高いと判断された場合には、排出弁１３の異物除去ステップに入る（Ｓ２７）。なお、Ｓ２７はＳ１５と同様の方法で行われる。
本例によれば、ステップ２５が含まれることで、異物除去作業に伴う燃料ガスの消費の無駄等を回避することが可能となる。

（変形例２）
上記例では、異物除去モードにおいて、排出弁２１及び排出弁１３の開閉動作を行うことにより異物除去作業を行ったが、異物除去モードにおいて、排出弁２１及び排出弁１３を通常通り動作させてもよい。

図４は、本実施形態の燃料電池システムにより実施する異物除去方法の他の例を説明するためのフロー図である。

循環ポンプ９の動力が、通常値よりも高いか否かの判断がされた後（Ｓ３１）、循環ポンプ９の動力が同等もしくは通常値より低いと判断された場合には、通常運転モード（Ｓ３３）で動作し、通常値よりも高いと判断された場合にのみ、排出弁１３の異物除去モードに切り替わる（Ｓ３２）。異物除去モードでは、レギュレータ１５が開かれ、供給通路５及び循環通路７に高圧が付与される。排出弁２１及び排出弁１３は間欠的に動作しており、排出弁２１及び排出弁１３が閉じている時には内圧が高まり、排出弁２１及び排出弁１３が開くことにより、内部の燃料ガスが放出される。この燃料ガスの噴出力により、供給通路５、循環通路７並びに連通弁としての排出弁２１及び排出弁１３に噛み込んだ異物を除去することが可能となる。

（第二の実施形態）
本実施形態では、異物を検出した場合に、循環ポンプにより異物を除去する例について説明する。
図５は、他の態様に係る燃料電池システムにより実施する異物除去方法を説明するためのフロー図である。

まず、燃料電池システムが起動されると、循環ポンプ９の動力が通常値より高いか否かが判断される（Ｓ４１）。具体的には、例えば循環ポンプ９の消費電力が通常値より高いか否かの判断がされる。循環ポンプ９の動力が通常値と同等若しくは通常値より低いと判断された場合には、異物の存在は確認されないとして、通常運転モードを続ける（Ｓ４３）。循環ポンプ９の動力が通常値よりも高いと判断された場合には、異物除去モードに切り替えられる（Ｓ４２）。異物除去モードでは、高圧ガスタンク３に備えられた図示しない開閉弁を閉じ、循環ポンプ９を通常運転時の回転速度よりも高速で回転運動させ、燃料ガスの供給通路５及び循環通路７内の燃料ガスの内圧を高める。この間、排出弁１３を開閉させる。排出弁１３の閉鎖時に圧力が高まった燃料ガスが、排出弁１３が連通されると外部に一気に放出される。これにより、供給通路５、循環通路７及び排出弁１３全体に介在する異物を除去することが可能となる。なお、供給通路５及び循環通路７には、当該経路上に備えられた構成要素内に形成された流路も含まれるものとし、スタック１内に形成された経路も含まれるものとする。

本実施形態によれば、高圧ガスタンク３を使用せずに、循環通路７に備えられた循環ポンプ９を高速回転することにより、供給通路５及び循環通路７内の内圧を高めているため、燃料ガスの無駄な消費を抑制することが可能となる。また、供給通路５及び循環通路７を流れる燃料ガスを高速で流動させることになるので、供給通路５及び循環通路７全体に介在する異物の除去が可能となる。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を説明するための説明図である。 図２は、本実施形態の燃料電池システムにより実施する異物除去方法を説明するためのフロー図である。 図３は、本実施形態の燃料電池システムにより実施する異物除去方法の他の例を説明するためのフロー図である。 図４は、本実施形態の燃料電池システムにより実施する異物除去方法の他の例を説明するためのフロー図である。 図５は、他の態様に係る燃料電池システムにより実施する異物除去方法を説明するためのフロー図である。

符号の説明

１ スタック、３ 高圧ガスタンク、５ 供給通路、７ 循環通路、９ 循環ポンプ、１１ 気液分離器、１３ 排出弁、１５ レギュレータ、１７ 入口遮断弁、１９ 出口遮断弁、２１ 排出弁、２３ 逆止弁、２５ 排出管、２７ 排出ガス処理装置、３１ 制御部、４１，４３ 圧力センサ、４５ 排出酸化ガス供給管

Claims (11)

1. 燃料電池に供給する燃料ガスが通る供給通路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが通る排出通路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記供給通路又は前記排出通路に配置され、前記供給通路及び前記排出通路内を前記燃料ガスを流動させる圧力を付与する圧力源と、
   前記供給通路及び／又は前記排出通路に設けられた開閉弁と、
   前記供給通路、前記排出通路及び前記開閉弁の少なくともいずれかに異物を認識した時に、前記開閉弁の上下流に差圧を発生させるように前記圧力源に指示する制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排出通路が、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを前記供給通路に戻す循環通路を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記開閉弁が、前記供給通路又は前記排出通路の内部と外部との間を連通・閉鎖する機能を有する、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記開閉弁が、気液分離器に備えられた液体を外部に排出するための排出弁である、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記開閉弁が、前記排出通路から前記燃料ガスを外部に排出するための排出弁である、請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部が、前記燃料電池の低温起動時に前記異物の認識を行なうよう指示する、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記異物が氷である、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記圧力源が、前記燃料ガスを燃料電池に供給するための高圧ガスタンクである、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記圧力源が、前記排出通路に備えられ、前記燃料ガスを昇圧し、循環させるための駆動力を供給する循環ポンプである、請求項２乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記制御部が、前記循環ポンプの動力が通常値より高いと判断したときに、前記異物が存在すると判断するよう構成されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御部が、前記循環ポンプの動力が通常値より高いと判断したときに、前記高圧ガスタンクからの燃料ガスの供給を停止して前記循環ポンプを作動するように指示を出すよう構成されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
    
    
    
    

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