JP2005332648A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガスの異常高圧による機器の損傷を好適に回避することができると共に、燃料ガスを安全な濃度で適切に外部に放出することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池２に燃料ガスを供する燃料ガス流路３８と、燃料ガス流路３８に設けられ、燃料ガス流路３８内の燃料ガスが所定圧以上になったときに燃料ガスを外部に放出するリリーフバルブ５７と、を有する燃料電池システム１において、リリーフバルブ５７のガス放出側に設けられた外部放出流路５９と、外部放出流路５９に設けられ、リリーフバルブ５７から放出された燃料ガスの濃度を低減するガス処理装置１９と、を備えたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素ガスに代表される燃料ガスが流れる燃料ガス流路に、リリーフバルブを設けた燃料電池システムに関するものである。

従来、この種の燃料電池システムとして、高圧水素タンクと燃料電池との間の燃料ガス流路にリリーフバルブを設置したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このリリーフバルブは、燃料ガス流路内の燃料ガスが所定圧以上になったときに、機械的に開弁して、燃料ガス流路から外部である大気中に燃料ガスを放出する。
特開２００２−１３４１３９号公報（第４頁および第１図）

このような従来の燃料電池システムでは、リリーフバルブによって、燃料電池およびシステム構成部品の異常高圧による損傷を防止することができる点では有用である。しかし、リリーフバルブから放出された燃料ガスに関する後処理については何ら考慮がされておらず、放出点周囲を高濃度の燃料ガスの雰囲気とするおそれがある。

本発明は、燃料ガスの異常高圧時に、燃料ガスを安全な濃度で適切に外部に放出することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供する燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられ、燃料ガス流路内の燃料ガスが所定圧以上になったときに燃料ガスを外部に放出するリリーフバルブと、を有する燃料電池システムにおいて、リリーフバルブのガス放出側に設けられた外部放出流路と、外部放出流路に設けられ、リリーフバルブから放出された燃料ガスの濃度を低減するガス処理装置と、を備えたものである。

この構成によれば、燃料ガス流路にリリーフバルブを設けているため、燃料ガスの過剰な圧力を逃がすことができ、燃料電池を含む各種のシステム構成部品を適切に保護することができる。また、リリーフバルブから放出される燃料ガスは、外部放出流路へと導かれ、これに設けられたガス処理装置により濃度を低減される。これにより、燃料ガスを安全な濃度で外部に放出することが可能となる。
ここで、「燃料ガス流路」には、燃料電池に新たな燃料ガスを供給する供給流路のほか、供給流路に合流して、燃料電池から排出された燃料オフガスを再び燃料電池に供給する循環流路が含まれる。燃料ガスは一般に水素ガスであり、燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として燃料電池車両が代表される。

この場合、ガス処理装置は、燃料ガスを希釈する希釈装置または燃料ガスを燃焼する酸化装置からなることが、好ましい。

この構成によれば、希釈装置または酸化装置によって燃料ガスの濃度を確実に低減することができる。また一般に、この種の希釈装置等は、上記の燃料オフガス用の循環流路に分岐接続された排出流路に設けられているため、この希釈装置等を有効に利用して、リリーフされた燃料ガスを処理することも可能となる。

これらの場合、ガス処理装置は、燃料ガスの濃度を低減するための希釈ガスを導入可能に構成されていることが、好ましい。

この構成によれば、希釈ガスとして、酸素ガスや酸素オフガスのみならず、専用の不活性ガスや燃料電池に供されない二次空気などを用いることで、燃料ガスの濃度を適切に低減することができる。

この場合、希釈ガスは、燃料電池に供される酸素ガスであることが、好ましい。

この構成によれば、燃料ガスを処理するために、専用の不活性ガスや燃料電池に供されない二次空気などを用いる必要がない。すなわち、燃料電池に供される酸素ガスを有効に利用することで、複雑な構成をとることなく、リリーフされた燃料ガスを処理することができる。

この場合、ガス処理装置は、酸素ガスのうち、燃料電池から排出された酸素オフガスを導入可能に構成されていることが、好ましい。

この構成によれば、簡易な構成とすることができる。

これらの場合、燃料電池に酸素ガスを圧送する酸素ガス供給手段と、リリーフバルブの開弁時に酸素ガスをガス処理装置に導入するように酸素ガス供給手段を駆動する制御装置と、を更に備えたことが、好ましい。

この構成によれば、リリーフバルブの開弁時に酸素ガス供給手段が駆動されるため、酸素ガスをガス処理装置に確実に導入させることができ、酸素ガスを用いた燃料ガスの処理を確実に行うことができる。なお、制御装置は、燃料ガスのリリーフ量に対応して酸素ガス供給手段を駆動してもよいし、あるいは燃料ガスのリリーフ量に関らず、酸素ガス供給手段を一定駆動（例えば酸素ガス供給手段がコンプレッサである場合には最大回転数で駆動）するようにしてもよい。

この場合、燃料ガス流路に設けられ、燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を、更に備え、制御装置は、圧力検出手段がリリーフバルブの所定圧に対応する燃料ガスの圧力を検出したときに、酸素ガス供給手段を駆動することが、好ましい。

この構成によれば、圧力検出手段の検出結果に基づいて、酸素ガス供給手段を適切に駆動することができる。

この場合、燃料ガス流路の上流端に設けられ、燃料ガスを貯蔵したガス供給源と、ガス供給源の下流側の燃料ガス流路に設けられ、制御装置により開閉制御されるシャットバルブと、を更に備え、制御装置は、圧力検出手段がリリーフバルブの所定圧に対応する燃料ガスの圧力を検出したときに、さらにシャットバルブを閉塞制御することが、好ましい。

この構成によれば、圧力検出手段の検出結果に基づいて元弁となり得るシャットバルブを閉塞するようにしているため、ガス供給源から燃料ガス流路に燃料ガスが流出していくことを阻止でき、リリーフバルブからの燃料ガスの放出を適切に行うことができる。

これらの場合、燃料ガス流路に分岐接続され、燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出する排出流路と、排出流路に設けられ、これを開閉するパージバルブと、を更に備え、排出流路は、パージバルブの下流側を外部放出流路におけるガス処理装置の上流側に合流されていることが、好ましい。

この構成によれば、パージバルブから排出される燃料オフガスおよびリリーフバルブから放出される燃料ガスのいずれも、外部に放出するためには濃度の低減処理が必要であるが、上記構成により排出流路と外部放出流路とをガス処理装置の上流側で合流させることで、それぞれのガス専用にガス処理装置を設ける必要がなくなる。すなわち、システム全体を複雑化させることなく、濃度を低減すべき燃料ガスを適切に処理することができる。

本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供する燃料ガス流路と、燃料ガス流路に設けられ、燃料ガス流路内の燃料ガスが所定圧以上になったときに燃料ガスを外部に放出するリリーフバルブと、燃料ガス流路に分岐接続され、燃料電池から排出された燃料ガスを外部に排出する排出流路と、排出流路に設けられ、これを開閉するパージバルブと、排出流路においてパージバルブの下流側に設けられ、燃料ガスの濃度を低減するガス処理装置と、燃料ガス流路に設けられ、燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段の検出結果に基づいて、パージバルブを開閉制御する制御装置と、を備え、制御装置は、圧力検出手段が燃料ガスの所定圧より低く設定された基準圧を検出したときに、パージバルブを開放制御するものである。

この構成によれば、リリーフバルブが開弁される燃料ガスの所定圧よりも低い基準圧で、制御装置によりパージバルブが開放される。このため、圧力検出手段により圧力監視が行われている燃料ガス流路内で異常な圧力上昇が起こった場合には、リリーフバルブに優先してパージバルブが開放する。
これにより、燃料ガスの過剰な圧力をパージバルブで逃がすことができ、燃料電池を含む各種のシステム構成部品を適切に保護することができる。また、パージバルブの下流側にはガス処理装置が設けられているため、パージバルブから放出された燃料ガスを処理して安全な濃度で外部に排出することが可能となる。さらに、パージバルブの開放によっても圧力上昇を回避し得なかった場合にのみリリーフバルブが予備的に開弁される構成であるが、パージバルブによる燃料ガスの放出が先行してなされているため、リリーフバルブが開弁した場合であってもその放出点周囲を比較的高濃度にしなくて済む。

この場合、リリーフバルブのガス放出側に設けられた外部放出流路を更に備え、外部放出流路は、ガス処理装置の上流側における排出流路に合流していることが、好ましい。

この構成によれば、リリーフバルブが作動する場合であっても、リリーフバルブから放出された燃料ガスは外部放出流路を介してガス処理装置に送られるため、燃料ガスを確実に安全な濃度として外部に放出することが可能となる。

これらの場合、ガス処理装置は、燃料ガスの濃度を低減するための希釈ガスを導入可能に構成されていることが、好ましい。

この構成によれば、上記と同様に、希釈ガスとして、酸素ガス、酸素オフガス、専用の不活性ガス、二次空気などを用いることで、適切に燃料ガスの濃度を低減することができる。

これらの場合、希釈ガスは、燃料電池に供される酸素ガスであることが、好ましい。

この構成によれば、上記と同様に、専用の不活性ガスや燃料電池に供されない二次空気などを用いることなく、燃料ガスを処理することができる。

この場合、燃料電池に酸素ガスを圧送する酸素ガス供給手段を更に備え、制御装置は、パージバルブの開放制御に同期して、酸素ガスをガス処理装置に導入するように酸素ガス供給手段を駆動することが、好ましい。

この構成によれば、パージバルブの開弁時に酸素ガス供給手段が駆動されるため、酸素ガスをガス処理装置に確実に導入させることができ、酸素ガスを用いた燃料ガスの処理を確実に行うことができる。

これらの場合、燃料ガス流路の上流端に設けられ、燃料ガスを貯蔵したガス供給源と、ガス供給源の下流側の燃料ガス流路に設けられ、制御装置により開閉制御されるシャットバルブを更に備え、制御装置は、圧力検出手段が基準圧を検出したときに、さらにシャットバルブを閉塞制御することが、好ましい。

この構成によれば、パージバルブを開弁する際に元弁となり得るシャットバルブを閉塞するようにしているため、ガス供給源から燃料ガス流路に燃料ガスが流出していくことを防止でき、パージバルブからの燃料ガスの放出を適切に行うことができる。

本発明の一態様の燃料電池システムによれば、燃料ガス流路内の燃料ガスが異常高圧となって、リリーフバルブが開弁される場合、リリーフした燃料ガスをガス処理装置で処理するため、燃料ガスを安全な濃度で適切に外部に放出することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、燃料ガスが供せられる燃料ガス流路にリリーフバルブを配設し、さらにリリーフバルブの下流側に希釈装置などのガス処理装置を配設し、リリーフバルブからの燃料ガスの濃度を低減して外部に排出することができるものである。以下では、先ず、燃料ガスとして水素ガスを例に燃料電池システムの全体構成について説明し、その上で他の実施例として、水素ガスのリリーフ時における各種構成機器の制御方法について言及する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス配管系３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス配管系４と、を具備している。

酸素ガス配管系３は、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１２（酸素ガス供給手段）と、コンプレッサ１２で取り込まれる酸素ガス中の粉塵等をろ過するフィルタ１３と、加湿器１１により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する供給流路１４と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器１１を介して消音器１５に導く排出流路１６と、排出流路１６において加湿器１１の上流側に設けられた背圧調整弁１７と、を備えている。

コンプレッサ１２は、駆動源となるモータ２１を有し、モータ２１の駆動は図２に示す制御装置５（制御手段）により制御される。コンプレッサ１２は、モータ２１の回転数を上げることで、燃料電池２に圧送する酸素ガスの流量および燃料電池２から排出する酸素オフガスの流量を大きくすることができるようになっている。背圧調整弁１７は、制御装置５に接続されており、酸素オフガスの流量を調整することで、燃料電池２内の酸素ガスの圧力を調整する。

加湿器１１は、浄化済みの酸素ガスと酸素オフガスとの間で水分交換を行う。水分交換後の酸素オフガスは、排出流路１６を通って消音器１５に送られる。消音器１５で消音された酸素オフガスは、消音器１５の下流側の排出流路１６に配設されたガス処理装置１９に導入される。ガス処理装置１９では、後述するように、酸素オフガスを用いて水素ガスや水素オフガスの濃度を低減する。そして、ガス処理装置１９で処理されたガスが、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯蔵した水素タンク３１（ガス供給源）と、水素タンク３１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路３２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを（未反応の水素ガス）を供給流路３２に戻すための循環流路３３と、循環流路３３の水素オフガスを供給流路３２に還流させる水素ポンプ３４と、水素ポンプ３４の下流側の循環流路３３に設けられ、水素オフガスの逆流を阻止する逆止め弁３５と、循環流路３３に分岐配管され、水素オフガス中の不純物を水素オフガスとともにガス処理装置１９に導く排出流路３６と、を有している。

水素ポンプ３４は、制御装置５により駆動制御される。循環流路３３は、供給流路３２の合流点Ａに接続されており、合流点Ａで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池２に供給される。すなわち、循環流路３３および供給流路３２により、燃料電池２に水素ガスを供する水素ガス流路３８（燃料ガス流路）が構成されている。排出流路３６にはパージバルブ３９が設けられており、パージバルブ３９は、排出流路３６を開閉するシャットバルブとして機能する。パージバルブ３９は、制御装置５により開閉制御されるが、燃料電池システム１の稼動時では通常は閉塞されている。パージバルブ３９が開弁されることで、水素オフガスが排出流路３６を通ってガス処理装置１９に導かれる。

供給流路３２には、水素タンク３１側から順に、水素タンク３１から流出した水素ガスの圧力を減圧する１次減圧用の１次レギュレータ５１と、供給流路３２を開閉するシャットバルブ５２と、１次レギュレータ５１で減圧された水素ガスをさらに減圧する２次減圧用の２次レギュレータ５３と、２次レギュレータ５３で減圧された水素ガスをさらに減圧する３次減圧用の３次レギュレータ５４と、が設けられている。このような複数のレギュレータ（５１，５３，５４）によって、燃料電池２には、調圧された水素ガスが供給されるようになっている。なお、レギュレータの数は任意である。

また、供給流路３２の燃料電池２の入口側近傍には、供給流路３２を開閉する入口側遮断弁５５が設けられ、循環流路３３の燃料電池２の出口側近傍には、循環流路３３を開閉する出口側遮断弁５６が設けられている。入口側遮断弁５５および出口側遮断弁５６は各々、制御装置５により開閉制御される。また、供給流路３２および循環流路３３からなる水素ガス流路３８には、これから分岐するようにして複数のリリーフバルブ５７が分散して設けられていると共に、水素ガス流路３８内の水素ガスまたは水素オフガスの圧力を検出する複数の圧力センサ５８（圧力検出手段）が分散して設けられている。

リリーフバルブ５７は、水素ガス流路３８内の水素ガスまたは水素オフガスが所定圧以上になったときに作動して、水素ガスまたは水素オフガスを外部に放出するものである。リリーフバルブ５７は、水素ガスまたは水素オフガスの圧力により機械的に作動するものであり、例えば、弁座に離接可能に構成された弁体と、弁体を弁座に向かって付勢する調圧ばねとを具備しており、水素ガス流路３８内の圧力が最低作動圧力（所定圧）に達したときに弁体が調圧ばねの付勢力に抗して弁座から離間する。これによりリリーフバルブ５７は、開弁状態となって、ガス放出側に水素ガスまたは水素オフガスの流れ（放出）を許容する。

本実施例では、供給流路３２にはリリーフバルブ５７が二つ設けられ、循環流路３３にはリリーフバルブ５７が一つ設けられている。供給流路３２に設けられた一方のリリーフバルブ５７は、シャットバルブ５２の下流側に配設され、１次レギュレータ５１から２次レギュレータ５３に至る供給流路３２内の水素ガスの圧力が所定の設定圧以上に上昇したときに開弁される。一方、供給流路３２に設けられた他方のリリーフバルブ５７は、２次レギュレータ５３の下流側に配設され、２次レギュレータ５３から３次レギュレータ５４に至る供給流路３２内の水素ガスの圧力が所定の設定圧以上に上昇したときに開弁される。

循環流路３３に設けられたリリーフバルブ５７は、水素ポンプ３４の下流側に配設され、水素ポンプ３４の下流側における循環流路３３内の水素オフガスの圧力が所定の設定圧以上に上昇したときに開弁される。また、このリリーフバルブ５７は、３次レギュレータ５４から合流点Ａを経て燃料電池２に至る供給流路３２内の混合ガス（水素ガスおよび水素オフガス）の圧力が所定の設定圧以上に上昇したときに開弁される。

各リリーフバルブ５７のガス放出側には、外部放出流路５９が各々設けられており、各外部放出流路５９の下流端は、排出流路３６に合流してガス処理装置１９に連通している。換言すれば、複数の外部放出流路５９には単一のガス処理装置１９が設けられており、複数のリリーフバルブ５７から放出された水素ガスまたは水素オフガスは、各外部放出流路５９を通って単一のガス処理装置１９に流入する。なお、リリーフバルブ５７および圧力センサ５８の数は任意であるが、本実施例では圧力センサ５８は四つ設けられており、そのうち三つはリリーフバルブ５７の上流側の近傍に設けられ、残りの一つは合流点Ａの下流側の供給流路３２に設けられている。

ガス処理装置１９は、リリーフバルブ５７やパージバルブ３９から放出された水素ガスや水素オフガス（以下、リリーフガスと略記する。）の濃度を、酸素オフガスを用いて低減するものである。ガス処理装置１９は、例えば、酸素オフガスとリリーフガスとを混合することにより、リリーフガス中の水素濃度を低減する希釈装置で構成される。あるいは、ガス処理装置１９は、例えば、リリーフガスを酸素オフガスで酸化（燃焼処理）することにより、リリーフガス中の水素濃度を低減する酸化装置で構成される。ガス処理装置１９によって処理された排ガスが、システム外の大気中に排気される。

なお、ガス処理装置１９に導入するリリーフガスの濃度を低減するための希釈ガスは酸素オフガスに限るものではない。例えば、この種の希釈ガスとして、コンプレッサ１２から供給流路１４を介して燃料電池２に圧送する酸素ガスを用いることもできるし、また燃料電池２には供されない二次空気や窒素等の不活性ガスを用いることができる。もっとも、本実施例のように、燃料電池２に供される酸素ガス（酸素オフガス）を用いる方が燃料電池システム１を複雑化させなくて済む。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１によれば、水素ガス配管系４のレギュレータ（５１，５３，５４）が故障するなどして異常が生じて水素ガスまたは水素オフガスの圧力が異常高圧となった場合でも、水素ガス流路３８にリリーフバルブ５７を設けているため、水素ガスまたは水素オフガスの過剰な圧力を逃がすことができる。これにより、水素ガス配管系４の異常高圧に伴う燃料電池２の損傷やシステム構成部品の損傷を未然に適切に回避することができる。また、リリーフバルブ５７から放出された水素ガス等のリリーフガスはガス処理装置１９で処理されるため、最終的にリリーフガスを安全な濃度で大気中に適切に排気することができる。

次に、図１ないし図３を参照して、実施例２に係る燃料電池システム１について説明する。本実施例は、リリーフバルブ５７によるリリーフガスの放出に関連して、システム構成部品を制御するものである。

図２に示す制御装置５（ＥＣＵ）は、いずれも図示省略したが、ＣＰＵ、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶したＲＯＭ、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ、および入出力インターフェースを有し、これらは互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、コンプレッサ１２のモータ２１、水素ポンプ３４、背圧調整弁１７、シャットバルブ５２、入口側遮断弁５５、出口側遮断弁５６、およびパージバルブ３９等を駆動する各種ドライバのほか、複数の圧力センサ５８が接続されている。

そして、ＣＰＵは、上記の構成により、ＲＯＭ内の制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各圧力センサ５８の検出信号を入力し、ＲＡＭ内の各種データ等を処理した後、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御している。

例えば図３に示すように、燃料電池システム１の稼動中では、複数の圧力センサ５８は水素ガス流路３８内の圧力を適宜検出している（Ｓ１）。そして、圧力センサ５８がリリーフバルブ５７の作動開始圧（所定の設定圧）以上である旨を検出すると（Ｓ２）、制御装置５は、リリーフバルブ５７が既に開弁してリリーフガスの放出が行われていると推定（判断）する（Ｓ３）。例えば、２次レギュレータ５３の下流側の圧力センサ５８が、供給流路３２内の水素ガスの圧力がこの圧力センサ５８の近傍のリリーフバルブ５７の作動開始圧以上である旨を検出すると、制御装置５は、このリリーフバルブ５７が開弁していると判断する。

そして、制御装置５は、リリーフバルブ５７が開弁していると判断すると、水素タンク３１の下流側であって全てのリリーフバルブ５７の上流側にあるシャットバルブ５２を閉塞制御する（Ｓ４）。これにより、水素タンク３１の元弁となるシャットバルブ５２が閉塞されるため、水素タンク３１から供給流路３２に水素ガスがさらに流出していくことを阻止することができ、リリーフバルブ５７からのリリーフガスの放出が適切に且つ迅速になされるようになる。

また制御装置５は、コンプレッサ１２のモータ２１の回転数を上げるように、コンプレッサ１２を制御する（Ｓ５）。これにより、燃料電池２に圧送される酸素ガスの流量および燃料電池２から排出される酸素オフガスの流量が大きくなる。その結果、ガス処理装置１９に導かれる酸素オフガスの流量も大きくなり、ガス処理装置１９において酸素オフガスを用いたリリーフガスの濃度の低減を確実に行うことができる。

このとき、コンプレッサ１２の駆動制御は、圧力センサ５８が検出した検出値の大小に基づいてコンプレッサ１２のモータ２１の回転数を可変することもできるが、検出値の大小に関らず、モータ２１を最大回転数で駆動するようにしてもよい。もっともいずれの場合も、制御装置５により背圧調整弁１７の開度を調整することで、燃料電池２内のアノードおよびカソードの極間差圧が所定の範囲に維持されるようにすることが好ましい。

なお、本実施例の構成に代えて、上記のステップ４（Ｓ４）に先行してステップ５（Ｓ５）を開始するようにしてもよい。また、ステップ３（Ｓ３）においてリリーフバルブ５７が開弁されていると制御装置５により判断された場合に、制御装置５は、入口側遮断弁５５および出口側遮断弁５６の両者を確実に開放制御することが好ましい。さらに、このステップ３（Ｓ３）において、制御装置５は、パージバルブ３９を開放制御してパージバルブ３９から水素オフガスを放出するようにすることで、水素ガス配管系４における過剰圧の状態を通常の所定圧の状態へと迅速に回帰させることができる。

また本実施例では、圧力センサ５８がリリーフバルブ５７の作動開始圧以上であると検出したときに、ステップ４（Ｓ４）およびステップ５（Ｓ５）に移行するようにしているが、この構成に代えて、圧力センサ５８がリリーフバルブ５７の作動開始圧よりも低い所定の圧力を検出したときに、ステップ４およびステップ５に移行するようにしてもよい。例えばステップ５に着目した場合、酸素ガスの伝播速度を考慮すると、リリーフバルブ５７の作動開始圧より前にコンプレッサ１２による作動量を増加させることができる。すなわち、本実施例には、圧力センサ５８がリリーフバルブ５８の所定圧に対応するリリーフガスの圧力を検出したときに、コンプレッサ１２の駆動制御およびシャットバルブ５２の閉塞制御がなされることが含まれる。

次に、図４を参照して、実施例３に係る燃料電池システム１について説明する。本実施例は、水素ガス流路３８内の圧力が異常に上昇したときに、リリーフバルブ５７による作動開始に優先してパージバルブ３９を開放するようにしている。パージバルブ３９の開閉制御は、複数の圧力センサ５８の検出結果に基づいて制御装置５によりなされるが、異常高圧のときに制御装置５によってパージバルブ３９を開放制御する制御開始圧（基準圧）は、リリーフバルブ５７の作動開始圧よりも低く設定されている。

図４に示すように、燃料電池システム１の稼動中では、複数の圧力センサ５８は水素ガス流路３８内の圧力を適宜検出している（Ｓ１１）。水素ガス流路３８内の圧力が異常閾値以上に上昇した場合、すなわち圧力センサ５８で検出された圧力値がパージバルブ３９の制御開始圧以上である場合（Ｓ１２）、その検出信号を入力された制御装置５は、シャットバルブ５２を閉塞制御する（Ｓ１３）と共に、パージバルブ３９を開放制御する（Ｓ１４）。パージバルブ３９が開弁状態となることで、循環流路３３内の水素オフガスが排出流路３６に放出されるため、過剰な圧力を適切に逃がすことができる。

このとき、制御装置５は、パージバルブ３９が断続的に開閉を繰り返すようにパージバルブ３９を開放制御してもよいし、過剰な圧力を逃がすのに十分な所定時間だけパージバルブ３９を開放制御するようにしてもよい。そして、パージバルブ３９の開放制御に同期して、制御装置５によってコンプレッサ１２のモータ２１を駆動制御する（Ｓ１５）ことで、ガス処理装置１９においては、パージバルブ３９の開放に伴い排出流路３６から導入された水素オフガスの処理が酸素オフガスを用いて確実になされることになる。なおこのとき、コンプレッサ１２の駆動制御は、モータ２１を最大回転数で駆動することで行うこともできるし、パージバルブ３９の動作状況に対応してモータ２１の回転数を可変して行うこともできる。後者の場合には、例えば、パージバルブ３９の開閉の動作間隔、動作回数や開放時の時間等により、モータ２１の回転数を可変すればよい。

以上のように、本実施例によれば、水素ガス流路３８内の圧力が異常に上昇すると、パージバルブ３９が開放されるため、異常高圧に伴う燃料電池２やシステム構成部品の損傷を適切に防止することができる。また、パージバルブ３９から放出された水素オフガスは、ガス処理装置１９により濃度の低減処理をなされるため、最終的にリリーフガスを安全な濃度で大気中に適切に排気することができる。さらに、以上のようなパージバルブ３９の開閉制御を含む一連の制御によっても圧力上昇を回避できず、水素ガス流路３８内の圧力がリリーフバルブ５７の作動開始圧に達するような場合には、リリーフバルブ５７が機械的に作動して開弁する。したがって、水素ガス流路３８内の過剰圧を確実に逃がすことができる。すなわち、フェールセーフを好適に達成することができる。

なお、パージバルブ３９を開弁するステップ（Ｓ１４）に先行して、制御装置５は、入口側遮断弁５５および出口側遮断弁５６の両者を確実に開放制御することが好ましい。また、実施例２と同様に、コンプレッサ１２を駆動制御する際に（Ｓ１５）、制御装置５により背圧調整弁１７の開度を調整して、燃料電池２内のアノードおよびカソードの極間差圧が所定の範囲に維持することが好ましい。

実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 実施例１に係る燃料電池システムの制御構成を示すブロック図である。 実施例２に係る燃料電池システムの制御フローを示すフローチャートである。 実施例３に係る燃料電池システムの制御フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、３ 酸素ガス配管系、４ 水素ガス配管系、５ 制御装置（制御手段）、１２ コンプレッサ（酸素ガス供給手段）、１９ ガス処理装置、３１ 水素タンク（ガス供給源）、３２ 供給流路、３３ 循環流路、３６ 排出流路、３８ 水素ガス流路（燃料ガス流路）、３９ パージバルブ、５２ シャットバルブ、５７ リリーフバルブ、５８ 圧力センサ（圧力検出手段）、５９ 外部放出流路

Claims (15)

1. 燃料電池に燃料ガスを供する燃料ガス流路と、
   前記燃料ガス流路に設けられ、当該燃料ガス流路内の燃料ガスが所定圧以上になったときに燃料ガスを外部に放出するリリーフバルブと、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記リリーフバルブのガス放出側に設けられた外部放出流路と、
   前記外部放出流路に設けられ、前記リリーフバルブから放出された燃料ガスの濃度を低減するガス処理装置と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記ガス処理装置は、燃料ガスを希釈する希釈装置または燃料ガスを燃焼する酸化装置からなる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス処理装置は、燃料ガスの濃度を低減するための希釈ガスを導入可能に構成されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記希釈ガスは、前記燃料電池に供される酸素ガスである請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記ガス処理装置は、酸素ガスのうち、前記燃料電池から排出された酸素オフガスを導入可能に構成されている請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に酸素ガスを圧送する酸素ガス供給手段と、
   前記リリーフバルブの開弁時に酸素ガスを前記ガス処理装置に導入するように前記酸素ガス供給手段を駆動する制御装置と、
   を更に備えた請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料ガス流路に設けられ、当該燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段を、更に備え、
   前記制御装置は、前記圧力検出手段が前記リリーフバルブの所定圧に対応する燃料ガスの圧力を検出したときに、前記酸素ガス供給手段を駆動する請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料ガス流路の上流端に設けられ、燃料ガスを貯蔵したガス供給源と、
   前記ガス供給源の下流側の前記燃料ガス流路に設けられ、前記制御装置により開閉制御されるシャットバルブと、を更に備え、
   前記制御装置は、前記圧力検出手段が前記リリーフバルブの所定圧に対応する燃料ガスの圧力を検出したときに、さらに前記シャットバルブを閉塞制御する請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料ガス流路に分岐接続され、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを外部に排出する排出流路と、
   前記排出流路に設けられ、これを開閉するパージバルブと、を更に備え、
   前記排出流路は、前記パージバルブの下流側を前記外部放出流路における前記ガス処理装置の上流側に合流されている請求項１ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 燃料電池に燃料ガスを供する燃料ガス流路と、
    前記燃料ガス流路に設けられ、当該燃料ガス流路内の燃料ガスが所定圧以上になったときに燃料ガスを外部に放出するリリーフバルブと、
    前記燃料ガス流路に分岐接続され、前記燃料電池から排出された燃料ガスを外部に排出する排出流路と、
    前記排出流路に設けられ、これを開閉するパージバルブと、
    前記排出流路において前記パージバルブの下流側に設けられ、燃料ガスの濃度を低減するガス処理装置と、
    前記燃料ガス流路に設けられ、当該燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
    前記圧力検出手段の検出結果に基づいて、前記パージバルブを開閉制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記圧力検出手段が燃料ガスの前記所定圧より低く設定された基準圧を検出したときに、前記パージバルブを開放制御する燃料電池システム。
11. 前記リリーフバルブのガス放出側に設けられた外部放出流路を更に備え、
    前記外部放出流路は、前記ガス処理装置の上流側における前記排出流路に合流している請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記ガス処理装置は、燃料ガスの濃度を低減するための希釈ガスを導入可能に構成されている請求項１０または１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記希釈ガスは、前記燃料電池に供される酸素ガスである請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池に酸素ガスを圧送する酸素ガス供給手段を更に備え、
    前記制御装置は、前記パージバルブの開放制御に同期して、酸素ガスを前記ガス処理装置に導入するように前記酸素ガス供給手段を駆動する請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料ガス流路の上流端に設けられ、燃料ガスを貯蔵したガス供給源と、
    前記ガス供給源の下流側の前記燃料ガス流路に設けられ、前記制御装置により開閉制御されるシャットバルブを更に備え、
    前記制御装置は、前記圧力検出手段が前記基準圧を検出したときに、さらに前記シャットバルブを閉塞制御する請求項１０ないし１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
    
    

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