JP2006049140A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 排出するガスの水素濃度を確実に低下させることができ、燃料ガスの使用効率を高めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 上流側燃料電池スタック１と、上流側燃料電池スタック１から排出燃料ガスを放出するパージ弁３とを備え、通常時には、上流側燃料電池スタック１のみを発電させる。このような燃料電池システムは、上流側燃料電池スタック１及びパージ弁３の下流側に接続され、パージ弁３によって放出された排出燃料ガスを用いて発電を行う下流側燃料電池スタック２と、下流側燃料電池スタック２から排出された排出燃料ガスを貯蔵する排水素貯蔵部６と、下流側燃料電池スタック２で発電された電力を用いて駆動して、排水素貯蔵部６に貯蔵された排出燃料ガスを希釈させる水素希釈ファン７とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給して発電させる燃料電池システムに関する。

従来より、水素リッチな燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、従来より、水素の利用効率を高めるために様々な技術が知られている。

通常、燃料電池システムでは、所望の電力を発電させるために水素ストイキ比を１以上にして水素を供給しているが、水素の使用効率を高めるために、燃料電池で発電反応に使用されずに排出された水素ガスを再度燃料電池の水素入口に循環させる循環路を備え、水素の再利用を行っている。

また、燃料電池システムでは、燃料電池の酸化剤極から燃料極に窒素が侵入するクロスリークによって水素の循環路の水素濃度が低下することや、電極表面上に水滴が付着するフラッディングを防止するために、燃料極の不純物を排出するパージを行っている。このようにパージを行うと、窒素や水滴のみならず水素も同時に排出されてしまうため、当該水素を水素吸蔵合金によって回収したり（下記の特許文献１参照）、水素吸蔵合金タンクの加熱に使用している。
特開２００２−８６８８号公報

しかしながら、上述した従来の技術において、水素吸蔵合金によって燃料電池から排出された水素を吸蔵したり放出するためには、水素吸蔵合金タンクの熱伝導率が低いために吸蔵速度及び放出速度が制限されることや、吸蔵速度と放出速度との違いから遅い方の速度によって吸蔵できる水素量が規制される。したがって、従来では、燃料電池から排出される全ての水素を回収できないという問題点がある。

また、水素吸蔵合金による水素吸蔵及び水素放出時には、水素ガスを高圧又は低圧とすることや、水素ガスを高温又は低温とする必要があり、このような圧力制御及び温度制御によって電力を消費してしまう。このため、水素吸蔵合金タンクを車両に搭載する場合には、水素吸蔵合金タンクの容量によるレイアウト性の低下や重量の増加という不都合があるにも拘わらず、水素を回収することによって再利用できるエネルギーを、当該再利用するために消費するエネルギーよりも格段に大きくすることができないという問題点がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、排出するガスの水素濃度を確実に低下させることができ、燃料ガスの使用効率を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明では、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、第１燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、第１燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、第１燃料電池から排出燃料ガスを放出するパージ手段とを備え、通常時には、第１燃料電池のみを発電させる。

このような燃料電池システムは、第１燃料電池及びパージ手段の燃料ガス下流側に接続され、パージ手段によって放出された排出燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、第２燃料電池から排出された排出燃料ガスを貯蔵する排燃料貯蔵部と、第２燃料電池で発電された電力を用いて駆動して、排燃料貯蔵部に貯蔵された排出燃料ガスを希釈させる燃料希釈手段とを備えることによって、パージ手段によって排出燃料ガスを放出した場合に、第２燃料電池で発電を行って、燃料希釈手段を駆動させることによって、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、パージ手段で第１燃料電池から排出燃料ガスが放出された場合には、第２燃料電池によって発電を行って燃料希釈手段を駆動させて、燃料ガス濃度を低下させることができ、第１燃料電池の発電電力を使用することなく排出するガスの水素濃度を確実に低下させることができ、燃料ガスの使用効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１実施形態に係る燃料電池システムに適用される。

この燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する第１燃料電池である上流側燃料電池スタック１及び第２燃料電池である下流側燃料電池スタック２を備えている。この上流側燃料電池スタック１及び下流側燃料電池スタック２は、アノードに燃料ガスとしての水素ガスが供給されると共に、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給される。

本実施形態では、上流側燃料電池スタック１及び下流側燃料電池スタック２は、固体高分子型燃料電池とする。これらの燃料電池のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。

〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
この燃料電池システムは、主として上流側燃料電池スタック１で発電を行い、上流側燃料電池スタック１から排出された水素オフガス（排出燃料ガス）によって下流側燃料電池スタック２で発電を行う。下流側燃料電池スタック２は、上流側燃料電池スタック１のセル数よりも少ないセル数で構成されている。

この燃料電池システムは、上流側燃料電池スタック１及び下流側燃料電池スタック２に水素ガスを供給する水素供給系、上流側燃料電池スタック１に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系（図示せず）、上流側燃料電池スタック１及び下流側燃料電池スタック２を所定温度範囲に保持する冷却水系（図示せず）を備える。このような燃料電池システムでは、上流側燃料電池スタック１を発電させるに際して、上流側燃料電池スタック１に水素及び空気を導入し、冷却水を循環させる。これら水素供給系、空気供給系及び冷却水系は、コントローラ２０の制御に従って動作する。

この水素供給系は、燃料ガス供給手段として、水素貯蔵タンク及び圧力調整弁等と上流側燃料電池スタック１の水素入口とを接続した水素供給配管Ｌ１、上流側燃料電池スタック１の水素出口と水素供給配管Ｌ１とを接続する水素循環配管Ｌ２、当該水素循環配管Ｌ２から分岐した水素排出配管Ｌ３を備える。水素排出配管Ｌ３には、パージ手段であるパージ弁３及びアクチュエータ４、水蒸気凝縮器５、下流側燃料電池スタック２、燃料希釈手段である排水素貯蔵部６及び水素希釈ファン７が設けられている。

このような水素供給系では、通常発電時には、パージ弁３が閉状態とされ、上流側燃料電池スタック１に水素ガスを導入し、上流側燃料電池スタック１から排出された水素ガスを水素循環配管Ｌ２を介して水素供給配管Ｌ１に循環させて、再度上流側燃料電池スタック１に導入している。これにより、上流側燃料電池スタック１で発電反応に使用されずに排出された水素ガスを再利用して、水素使用効率を向上させている。

このような燃料電池システムは、上流側燃料電池スタック１を発電させていると、上流側燃料電池スタック１のカソードからアノードへの窒素の侵入、アノードでの水分の蓄積によって水素濃度が低下する。これに対し、コントローラ２０は、一時的にパージ弁３を開状態にするようにアクチュエータ４を制御し、水素循環配管Ｌ２内の水素ガス以外の不純物を除去するパージを行う。このようなパージによってパージ弁３を通過した水素オフガスには、不純物のみならず、水素ガスも含まれている。

水蒸気凝縮器５は、水素オフガスが導入されると、当該水素オフガスに含まれる水蒸気を凝縮することによって回収して、水素オフガスを下流側燃料電池スタック２のアノードに導入する。このように水蒸気凝縮器５によって水素オフガスの水蒸気を回収することによって、水素オフガスの水素濃度を上昇させて、下流側燃料電池スタック２に水素オフガスを導入する。これにより、下流側燃料電池スタック２の発電効率を向上させる。

下流側燃料電池スタック２は、アノードが水蒸気凝縮器５と水素排出配管Ｌ３を介して接続されており、水素オフガスが導入されると、当該水素オフガスに含まれる水素ガスを用いて発電を行う。また、下流側燃料電池スタック２は、アノード電極とカソード電極が水素希釈ファン７に接続されている。したがって、下流側燃料電池スタック２は、発電した電力を水素希釈ファン７に供給する。そして、下流側燃料電池スタック２で発電に使用されなかった水素オフガスは、排水素貯蔵部６に導入される。

水素希釈ファン７は、下流側燃料電池スタック２の発電電力が供給されることによって駆動し、排水素貯蔵部６内の水素を攪拌する送風を発生させる。排水素貯蔵部６は、水素オフガスが貯蔵可能な容積の筐体を備え、当該筐体内に水素希釈ファン７からの送風が導入される送風導入口と、外部に水素オフガスを排出する排気口とを備えている。排水素貯蔵部６は、水素希釈ファン７からの送風によって水素オフガスの水素濃度を筐体内で低下させ、当該水素濃度が低下した状態で排気口からガスを排出する。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、上流側燃料電池スタック１からパージによって排出された水素オフガスを下流側燃料電池スタック２に導入し、下流側燃料電池スタック２の発電電力によって水素希釈ファン７を駆動させるので、水素濃度を排水素貯蔵部６で低下させることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、水素希釈ファン７を駆動させて排出する水素濃度を低下させるために必要な電力として、上流側燃料電池スタック１の発電電力を使用する必要が無くなり、上流側燃料電池スタック１の発電電力の使用効率を向上させることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、水素ガスの使用効率を高めると共に、排水素貯蔵部６から排出するガスの水素濃度を確実に低下させることができる。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

［燃料電池システムの構成］
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図２に示すように、電力を蓄積するバッテリ３１と、下流側燃料電池スタック２の発電電力の供給先を水素希釈ファン７とバッテリ３１との間で切り替える電力分配手段である切り替えスイッチ３２とを備える点で第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。

この燃料電池システムは、切り替えスイッチ３２がコントローラ２０に制御されることによって、下流側燃料電池スタック２から水素希釈ファン７に供給される電力と、下流側燃料電池スタック２からバッテリ３１に供給される電力との割合が決定される。このとき、コントローラ２０は、図２に示す各センサ１１〜１４からのセンサ信号を検出して、図３に示すような処理を行うことによって、水素希釈ファン７に供給する電力とバッテリ３１に供給する電力との割合を決定する。

コントローラ２０は、ステップＳ１において、パージ弁３を開状態にしたタイミングにおける上流側燃料電池スタック１の負荷、パージ弁３の上流側ガス圧力及びパージ弁３の下流側ガス圧力、図示しない冷却水系における上流側燃料電池スタック１の冷却水出口温度をモニタする。このとき、コントローラ２０は、パージ弁３の上流側圧力センサ１１、下流側圧力センサ１２、冷却水センサからのセンサ信号を読み取る。

次にコントローラ２０は、ステップＳ２において、ステップＳ１で検出した各種パラメータを使用してパージ弁３から下流側燃料電池スタック２に向けてパージされた水素流量を推定する。このとき、コントローラ２０は、上流側燃料電池スタック１の負荷、パージ弁３の上流側圧力、および上流側燃料電池スタック１の冷却水出口温度に基づく水素オフガス温度から、水素オフガス中に含まれる水蒸気濃度、およびカソードからアノードへクロスリークしてくる窒素濃度を推定し、水素オフガス密度を求め、パージ弁３の上流側圧力と下流側圧力との差、パージ弁３の開口面積及びパージ弁３の開時間からパージ弁３を通過した水素オフガス流量を求める。そして、コントローラ２０は、推定された水素オフガス中の窒素濃度、水蒸気濃度から窒素量、水蒸気量を水素オフガス流量から減算することによって、パージ弁３を通過した水素流量を推定する。

次にコントローラ２０は、ステップＳ３において、下流側燃料電池スタック２の発電電流、パージ弁３の上流側圧力及び図示しない冷却水系における下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度をモニタする。このとき、コントローラ２０は、下流側燃料電池スタック２の電流センサ１３、下流側燃料電池スタック２のアノード出口圧力センサ１４及び冷却水センサからのセンサ信号を読み取る。

次にコントローラ２０は、ステップＳ４において、ステップＳ３で検出した各種パラメータを使用して下流側燃料電池スタック２から排出された水素オフガスの水素量を推定する。このとき、コントローラ２０は、下流側燃料電池スタック２の発電電流から下流側燃料電池スタック２の発電反応で消費された水素量を求める。そして、コントローラ２０は、ステップＳ２で推定された水素流量から下流側燃料電池スタック２で消費された水素量を減算することによって、下流側燃料電池スタック２から排出された未燃水素量を推定する。

次にコントローラ２０は、ステップＳ５において、ステップＳ４で推定した未燃水素量から、水素濃度を推定する。このとき、コントローラ２０は、下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度、下流側燃料電池スタック２のアノード出口圧力から排水素貯蔵部６に導入される窒素量、水蒸気量を演算する。このとき、この窒素量はステップＳ２で推定した上流側燃料電池スタック１から排出された窒素量にステップＳ４で推定された下流側燃料電池スタック２でカソードからアノードへクロスリークしてくる窒素量を加算したものである。当該水蒸気量と未燃水素量とを加算した下流側燃料電池スタック２からの水素オフガス量と、未燃水素量との割合から、排水素貯蔵部６に導入される水素オフガスの水素濃度を求める。

次にコントローラ２０は、ステップＳ６において、ステップＳ５で推定した水素濃度が、排水素貯蔵部６から排気する場合の許容水素濃度よりも高いか否かを判定する。そして、コントローラ２０は、推定した水素濃度が許容水素濃度よりも高いと判定した場合には、ステップＳ７においてバッテリ３１よりも多い電力を水素希釈ファン７に供給するように切り替えスイッチ３２を制御し、推定した水素濃度が許容水素濃度よりも高くないと判定した場合には、ステップＳ８において水素希釈ファン７よりも多い電力をバッテリ３１に供給するように切り替えスイッチ３２を制御する。このとき、コントローラ２０は、水素希釈ファン７の駆動能力、すなわち排水素貯蔵部６内での水素希釈能力に応じて水素希釈ファン７に供給する電力を決定する。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、下流側燃料電池スタック２の発電電力の供給先をバッテリ３１と水素希釈ファンとで切り替える切り替えスイッチ３２を備えているので、排水素貯蔵部６に導入される水素オフガスの水素濃度が低い場合のように水素希釈ファン７の駆動量を低くすることができる場合には、下流側燃料電池スタック２の発電電力をバッテリ３１に充電させることができ、上流側燃料電池スタック１から排出された水素ガスを更に有効に使用することができる。

また、この燃料電池システムによれば、排水素貯蔵部６に導入される未燃水素量を推定して、下流側燃料電池スタック２の発電電力をバッテリ３１と水素希釈ファン７とで供給する割合を変更するので、更に確実に排水素貯蔵部６からの排気を許容水素濃度以下とすることができると共に、上流側燃料電池スタック１から排出された水素ガスを更に有効に使用することができる。

［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

第３実施形態に係る燃料電池システムは、図４に示すように、下流側燃料電池スタック２に供給する空気流量を調整することができる構成となっている点で、上述した実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。

この燃料電池システムの空気供給系は、コンプレッサと接続された空気配管Ｌ１１を、上流側燃料電池スタック１のカソードに接続された空気供給配管Ｌ１２と、下流側燃料電池スタック２のカソードに接続された空気供給配管Ｌ１３とに分岐して構成されている。また、空気供給配管Ｌ１４は、上流側燃料電池スタック１のアノード出口と排水素貯蔵部６とを接続している。更に、空気供給配管Ｌ１３には、下流側燃料電池スタック２への空気供給流量を調整するための開口可変弁４１及びアクチュエータ４２が設けられている。

この燃料電池システムでは、上流側燃料電池スタック１を通常発電させている時には、開口可変弁４１を閉状態としておき、コンプレッサの駆動量を制御することによって上流側燃料電池スタック１に導入する空気流量を調整する。また、この燃料電池システムは、パージ弁３を開状態とするパージ時には、開口可変弁４１の開度を調整するようにアクチュエータ４を制御して、未使用の空気を下流側燃料電池スタック２に導入する。これにより、下流側燃料電池スタック２には、上流側燃料電池スタック１から排出された水素オフガスと、空気とが導入される。

このような燃料電池システムにおいて、コントローラ２０は、図５に示すような処理を行うことによって、下流側燃料電池スタック２に供給する空気流量を調整する。

コントローラ２０は、先ず、ステップＳ１１において、パージ弁３を開状態にしたタイミングにおける上流側燃料電池スタック１の負荷、パージ弁３の上流側圧力、パージ弁３の上流側ガス圧力及びパージ弁３の下流側ガス圧力、図示しない冷却水系における上流側燃料電池スタック１の冷却水出口温度をモニタする。

次にコントローラ２０は、ステップＳ１２において、下流側燃料電池スタック２に供給される水素オフガスの水素流量を推定する。このとき、コントローラ２０は、ステップＳ２と同様の演算を行う。

次にコントローラ２０は、ステップＳ１３において、ステップＳ１２で推定した水素流量に対して、下流側燃料電池スタック２に必要な空気流量を算出する。このとき、コントローラ２０は、ステップＳ１２で推定した水素流量が多い場合には、下流側燃料電池スタック２に多くの空気流量が必要であると判定して、ステップＳ１２で推定した水素流量が少ない場合には、下流側燃料電池スタック２には少ない空気流量で十分であるとする。また、このコントローラ２０は、バッテリ３１や水素希釈ファン７に供給する電力を多くする場合には、多くの空気流量を下流側燃料電池スタック２に供給させる。

次にコントローラ２０は、ステップＳ１４において、ステップＳ１３において算出した必要な空気流量が、現在下流側燃料電池スタック２のカソードに存在する空気では不足であって、より多くの空気流量を下流側燃料電池スタック２に供給する必要があるか否かを判定する。

そして、より多くの空気流量が必要であると判定した場合には、ステップＳ１５において、ステップＳ１３で算出した空気流量を供給するように開口可変弁４１の開度を大きくすると共にコンプレッサの駆動量を上昇させる。一方、より多くの空気が必要でないと判定した場合には、ステップＳ１６において、開口可変弁４１を閉状態とすると共に、コンプレッサの駆動量を低下させる。

また、この燃料電池システムは、図４に示すように、上流側燃料電池スタック１を通過した空気及び下流側燃料電池スタック２を通過した空気を排水素貯蔵部６内に導入するように構成されている。したがって、この燃料電池システムは、上流側燃料電池スタック１の通常発電時及びパージ時に拘わらず常に空気を上流側燃料電池スタック１から排水素貯蔵部６に導入することができる。

また、この燃料電池システムは、パージ時において、下流側燃料電池スタック２に空気を導入した場合には、下流側燃料電池スタック２から排水素貯蔵部６に空気を導入することができる。なお、図４では、上流側燃料電池スタック１のカソードと排水素貯蔵部６とを接続すると共に、下流側燃料電池スタック２のカソードと排水素貯蔵部６とを接続した場合について示したが、一方の燃料電池のカソードと排水素貯蔵部６とを接続した場合であっても良い。

［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、空気配管Ｌ１１を分岐して上流側燃料電池スタック１のみならず、下流側燃料電池スタック２にも空気を供給するように構成したので、水素オフガスが下流側燃料電池スタック２に供給された時に下流側燃料電池スタック２に空気を供給することによって、確実に下流側燃料電池スタック２で発電反応を発生させて、更に水素ガスを有効に使用することができる。

また、この燃料電池システムによれば、下流側燃料電池スタック２に必要な空気流量を算出し、必要な空気流量が少ない場合には、開口可変弁４１の開度を小さくすると共にコンプレッサの駆動量を低下させることができるので、コンプレッサの消費電力を抑制することができる。

更に、この燃料電池システムによれば、上流側燃料電池スタック１のカソードと下流側燃料電池スタック２のカソードの一方又は双方と排水素貯蔵部６とを接続した構成としたので、上流側燃料電池スタック１又は下流側燃料電池スタック２から排出された空気によって排水素貯蔵部６内の水素濃度を低下させることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、水素希釈ファン７の駆動量が小さい場合であっても、上流側燃料電池スタック１又は下流側燃料電池スタック２の排空気によって水素濃度を確実に低下させることができる。

［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

この第４実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、上流側燃料電池スタック１のみに冷却水を循環させるメインの流路（第１流路）と、上流側燃料電池スタック１から下流側燃料電池スタック２に冷却水を循環する流路（第２流路）とを有する冷却水系を備えたものである。

この燃料電池システムの冷却水供給手段である冷却水系は、上流側燃料電池スタック１に冷却水を通過させる冷却水配管Ｌ２１と、上流側燃料電池スタック１を通過した冷却水を下流側燃料電池スタック２に循環させないメイン配管Ｌ２２と、上流側燃料電池スタック１を通過した冷却水を下流側燃料電池スタック２及び水蒸気凝縮器５に通過させてメイン配管Ｌ２２をバイパスさせるバイパス配管Ｌ２３とを備える。また、この冷却水系は、冷却水配管Ｌ２１とメイン配管Ｌ２２とバイパス配管Ｌ２３との分岐点に切替弁である三方弁５１及びアクチュエータ５２が設けられている。

この三方弁５１は、コントローラ２０によってアクチュエータ５２が制御されることによって、メイン配管Ｌ２２側の開口面積が制御されると共にバイパス配管Ｌ２３側の開口面積が制御される。これにより、燃料電池システムは、上流側燃料電池スタック１を通過した冷却水を、メイン配管Ｌ２２を介して上流側燃料電池スタック１に循環される冷却水とバイパス配管Ｌ２３を介して下流側燃料電池スタック２に導入される冷却水とに分割させる。

このとき、コントローラ２０は、図７に示すような処理を行うことによって、上流側燃料電池スタック１のみならず、下流側燃料電池スタック２の温度調整を行う。この図７に示す処理は、上流側燃料電池スタック１を発電させている状態であって、三方弁５１のバイパス配管Ｌ２３側の開口面積を小さい状態としている状態において、例えば所定期間毎にステップＳ２１の処理を行う。

ステップＳ２１において、コントローラ２０は、図示しない冷却水温度センサからのセンサ信号を読み込んで下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度をモニタし、ステップＳ２２において、下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度が高いか否かを判定する。ここで、下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度が高いか否かは、下流側燃料電池スタック２の発電効率が良好な状態となる冷却水出口温度範囲を予め記憶しておき、当該記憶していた冷却水出口温度範囲とステップＳ２１でモニタした冷却水出口温度とを比較することになる。

そして、コントローラ２０は、下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度が高いと判定した場合には、三方弁５１のメイン配管Ｌ２２側の開口面積に対して、三方弁５１のバイパス配管Ｌ２３側の開口面積を大きくすることによって、三方弁５１の開口比率をバイパス配管Ｌ２３側で大きくする。これによって、上流側燃料電池スタック１を通過してメイン配管Ｌ２２に流れる冷却水流量よりも、下流側燃料電池スタック２に流れる冷却水流量を多くして、下流側燃料電池スタック２の温度を低下させる。

一方、コントローラ２０は、下流側燃料電池スタック２の冷却水出口温度が高くないと判定した場合であって、予め記憶しておいた冷却水出口温度範囲よりも低いと判定した場合には、三方弁５１のバイパス配管Ｌ２３側の開口面積に対して、三方弁５１のメイン配管Ｌ２２側の開口面積を大きくすることによって、三方弁５１の開口比率をメイン配管Ｌ２２側で大きくする。これによって、上流側燃料電池スタック１を通過して下流側燃料電池スタック２に流れる冷却水流量よりも、メイン配管Ｌ２２に流れる冷却水流量を多くして、下流側燃料電池スタック２の温度低下を抑制する。

このように、燃料電池システムは、上流側燃料電池スタック１を発電させている状態では、上流側燃料電池スタック１を通過した冷却水を少ない流量で下流側燃料電池スタック２に通過させておき、発電効率が良好な温度範囲となるように下流側燃料電池スタック２の温度を略一定に保持しておく。

また、燃料電池システムは、下流側燃料電池スタック２を通過した冷却水を水蒸気凝縮器５に通過させることによって、下流側燃料電池スタック２の熱を水蒸気凝縮器５に伝達し、下流側燃料電池スタック２の温度と水蒸気凝縮器５での水分凝縮温度とを同じとする。これによって、水蒸気凝縮器５では、上流側燃料電池スタック１を通過した水素オフガスがパージ弁３を介して導入されたときに、下流側燃料電池スタック２の温度に応じた量の水分を凝縮する。すなわち、下流側燃料電池スタック２よりも上流側燃料電池スタック１の方の温度が著しく高い場合には、パージ弁３を通過した水素オフガスに多くの水分が含まれているのでより多くの水分を凝縮させ、下流側燃料電池スタック２よりも上流側燃料電池スタック１の方の温度があまり高くない場合には、少ない水分を凝縮させる。

［第４実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、上流側燃料電池スタック１のみに冷却水を循環させるメインの流路と、上流側燃料電池スタック１を通過した冷却水を下流側燃料電池スタック２に循環させる流路とを備えるので、上流側燃料電池スタック１の熱を下流側燃料電池スタック２に伝達することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、上流側燃料電池スタック１の熱によって下流側燃料電池スタック２を暖機することができ、下流側燃料電池スタック２の発電効率を向上させることができる。

また、この燃料電池システムによれば、上流側燃料電池スタック１を通過した冷却水のうち、下流側燃料電池スタック２に循環させない冷却水流量と、下流側燃料電池スタック２を循環させる冷却水流量との比率を調整することができるので、下流側燃料電池スタック２の温度を予め設定した温度範囲で一定とすることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、三方弁５１の開度を制御するのみで、下流側燃料電池スタック２の温度をできるだけ高温に保持することによって下流側燃料電池スタック２の出力を維持することができ、水素オフガスを効率よく発電に使用することができ、水素の利用効率を向上させることができる。

更に、この燃料電池システムによれば、下流側燃料電池スタック２を通過した冷却水を介して下流側燃料電池スタック２の熱を水蒸気凝縮器５に伝達して、下流側燃料電池スタック２と水蒸気凝縮器５とを同じ温度に保持することができるので、下流側燃料電池スタック２の温度に応じて水蒸気凝縮器５での水分の凝縮量を調整することができる。したがって、下流側燃料電池スタック２に過度の水分を含む水素オフガスが導入されることによって下流側燃料電池スタック２内で水詰まりが発生することなく、更には、下流側燃料電池スタック２で水分が不足して発電効率が低下することを抑制することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水素希釈ファンに供給する電力とバッテリに供給する電力との割合を決定する処理の手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、下流側燃料電池スタックに供給する空気流量を調整する処理の手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、上流側燃料電池スタックのみに冷却水を循環させる流量と、上流側燃料電池スタックから下流側燃料電池スタック２に冷却水を循環させる流量との比率を調整する処理の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 上流側燃料電池スタック
２ 下流側燃料電池スタック
３ パージ弁
４，４２，５２ アクチュエータ
５ 水蒸気凝縮器
６ 排水素貯蔵部
７ 水素希釈ファン
１１ 上流側圧力センサ
１２ 下流側圧力センサ
１３ 電流センサ
１４ アノード出口圧力センサ
２０ コントローラ
３１ バッテリ
３２ 切り替えスイッチ
４１ 開口可変弁
５１ 三方弁

Claims (10)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う第１燃料電池と、
   前記第１燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記第１燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記第１燃料電池から排出燃料ガスを放出するパージ手段と、
   前記第１燃料電池及び前記パージ手段の燃料ガス下流側に接続され、前記パージ手段によって放出された排出燃料ガスを用いて発電を行う第２燃料電池と、
   前記第２燃料電池から排出された排出燃料ガスを貯蔵する排燃料貯蔵部と、
   前記第２燃料電池で発電された電力を用いて駆動して、前記排燃料貯蔵部に貯蔵された排出燃料ガスを希釈させる燃料希釈手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料希釈手段は、前記排燃料貯蔵部に空気を導入する希釈ファンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 電力を充電するバッテリと、
   前記第２燃料電池から排出された排出燃料ガス流量又は排出燃料ガスの濃度に応じて、前記第２燃料電池で発電した電力を前記燃料希釈手段と前記バッテリとで分配する電力分配手段と
   を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤ガス供給手段は、前記第１燃料電池に供給する酸化剤ガスを分岐させて前記第２燃料電池に供給することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガス供給手段は、前記第２燃料電池に供給する酸化剤ガス流量を調整する開口可変弁を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤ガス供給手段は、前記第１燃料電池から前記第２燃料電池に供給される排出燃料ガス量を推定し、当該推定した排出燃料ガス量に応じた酸化剤ガス量を供給するように前記開口可変弁の開度を調整することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記酸化剤ガス供給手段は、前記第１燃料電池の酸化剤ガス出口と前記排燃料貯蔵部とを接続する配管と前記第２燃料電池の酸化剤ガス出口と前記排燃料貯蔵部とを接続する配管との一方又は双方を有してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１燃料電池のみに冷却水を循環させる第１流路と、前記第１燃料電池を通過した冷却水を前記第２燃料電池に循環させる第２流路とを有する冷却水供給手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の燃料電池システム。
9. 前記冷却水供給手段は、前記第１流路及び前記第２流路に接続され、前記第１流路の冷却水流量及び前記第２流路の冷却水流量を調整する切替弁を更に備え、前記第２燃料電池の温度に応じて前記第１流路の冷却水流量と前記第２流路の冷却水流量との比率を調整するように前記切替弁を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第２流路の前記第２燃料電池の冷却水出口に接続された配管には、前記第１燃料電池から前記第２燃料電池に供給される排出燃料ガスの水分を凝縮する水蒸気凝縮器が設けられていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システム。

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