JP2006140006A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池から排出される水素ガスを効率良く希釈又は燃焼させる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池７と、燃料電池７から排出された排空気が流れるカソードオフガスラインＥ１と、カソードオフガスラインに接続され、燃料電池から排出された排水素ガスが流れるアノードオフガスラインＥ２と、アノードオフガスラインに接続され、排水素ガスを希釈する外気が流れる２以上の外気導入ラインＡ４、Ａ６と、２以上の外気導入ラインにそれぞれ接続され、２以上の外気導入ラインへ外気を導入する２以上のブロア１、２と、２以上のブロアを接続するブロア接続ラインＡ５と、２以上のブロアを２以上の外気導入ラインへ並列に接続する並列作動と２以上のブロアをブロア接続ラインを介して２以上の外気導入ラインの１つへ直列に接続する直列作動とを切り換える切替手段３、４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関し、特に、燃料電池から排出される燃料ガスを希釈又は燃焼させる燃料電池システムの制御技術に関する。

燃料電池システムは、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する発電システムであり、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用することが出来、環境にもやさしい特性を有しているため、実用化に向けて技術開発が本格化している。

燃料電池から排出される排水素ガスが流れるアノードラインには空気が流れるカソードラインから透過した窒素や凝縮水が残留するため、この窒素や凝縮水を排出するためにパージを行う必要がある。しかし、パージガスとして使用する排水素ガスには、窒素や水分以外にも多量の水素が含まれているため、燃料電池システムからそのまま排出せず、希釈や燃焼してから排出している。

排水素ガスを希釈する際の一般的な空気供給源として、ブロアやファンが考えられる。従来から、排水素希釈用ではないものの２つの空気供給手段を組み合わせて常圧から定格圧力まで燃料電池に必要な空気量を供給する技術が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１では、燃料電池に供給する空気をタービン式ポンプから供給し、燃料電池が高負荷状態であって大きな流量・圧力が必要な場合に電気モータ式ポンプでアシストする構成となっている。特許文献１の作動を流量-圧力特性で図示すると、図５のようになる。燃料電池のカソードラインは、ガス流れを妨げる圧力損失要素と考えることができる。すなわち、空気供給源への要求流量-圧力特性は、図５中の点線のように流量に対して圧力が正の変化をする連続的な曲線となる。燃料電池にもよるがカソードラインは乱流要素が大きいため、圧力損失は流量の２乗に比例する。すなわち、燃料電池が高負荷運転をした場合は、流量よりもブロアの吐出圧力を成立させることが困難となるため、高負荷側ではタービン式ポンプと電気モータ式ポンプを直列で作動させて昇圧させている。
特開平７−１０５９６３号公報

しかし、特許文献１の構成では、カソードガス流量特性のような連続的に正の変化率をもった要求流量-圧力性能には適用可能であるが、排水素希釈用のように連続性のない複数の要求流量-圧力には対応することができない。

本発明の第１の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された酸化剤ガスが流れるカソードオフガスラインと、カソードオフガスラインに接続され、燃料電池から排出された燃料ガスが流れるアノードオフガスラインと、アノードオフガスラインに接続され、燃料電池から排出された燃料ガスを希釈する外気が流れる２以上の外気導入ラインと、２以上の外気導入ラインにそれぞれ接続され、２以上の外気導入ラインへ外気を導入する２以上のブロアと、２以上のブロアを接続するブロア接続ラインと、２以上のブロアを２以上の外気導入ラインへ並列に接続する「並列作動」と２以上のブロアをブロア接続ラインを介して２以上の外気導入ラインの１つへ直列に接続する「直列作動」とを切り換える切替手段とを備える燃料電池システムであることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴を備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料ガスを希釈又は燃焼させるために外気の圧力を必要とするか、或いは外気の流量を必要とするかを判断し、燃料ガスを希釈又は燃焼させるために外気の圧力を必要とする場合、切替手段を直列作動に設定して外気を前記２以上のブロアに直列に流し、燃料ガスを希釈又は燃焼させるために外気の流量を必要とする場合、切替手段を並列作動に設定して外気を２以上のブロアに並列に流すことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池から排出される水素ガスを効率良く希釈又は燃焼させる燃料電池システム及びその制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（比較例）
本発明の実施の形態を説明する前に本発明の実施の形態の比較例を説明する。

燃料電池から排水される排水素ガスの排出量は常に一定とは限らない。一般に、排水素ガスの流量は燃料電池の運転負荷に依存する。燃料電池のアノードオフガスラインを水素ガスで置換する場合、燃料電池からは排水素ガスのみが排出される。排水素ガスを希釈する場合、空気供給源が供給する希釈用の空気を排水素ガスと混合する方法、又は排空気と排水素ガスを混合して排出する方法、及びこれらを組み合わせた方法がある。

このように燃料電池の排水素ガスを希釈する方法は燃料電池の状態によってさまざまであり、排水素ガスと排空気を混ぜただけでは、水素ガス濃度を規定値以下まで希釈できないことが多い。一方、排空気を使用せずに希釈用の空気を別の空気供給源から供給する方法では、空気供給用の電力が必要となるため燃料電池の効率を悪化させる要因となる。

よって、排空気と排水素ガスを混合して排出する方法と空気供給源から希釈用の空気を供給する方法とを組み合わせ、排空気だけでは希釈しきれない状態のときに空気供給源からの空気吐出を行うことにより、燃料電池の効率化と排水素ガス濃度の低減を同時に確保することができる。

具体的には、燃料電池から排空気及び排水素ガスをオフガスライン（排気管）を通じて排出する途中に空気供給源から導かれる希釈用空気の吐出口を設置することになる。排水素ガスを希釈するために必要な空気供給源からの空気の流量とその流量を吐出する圧力を図４に示すように、第１乃至第３のパターンに分類する。

第１のパターンは、空気供給源からの流量が比較的小さく、吐出圧力が比較的大きい場合を示す。例えば、燃料電池が高負荷状態にあり、排空気で排水素ガスをある程度は希釈できるものの、少量の空気を空気供給源で補助する必要がある。このときにはオフガスラインを流れるガス流量が多くオフガスラインの圧力損失が大きいため、空気供給源には大きな吐出圧力が必要とされる。

第２のパターンは、空気供給源からの流量が比較的大きく、吐出圧力が比較的小さい場合を示す。例えば、燃料電池のアノードラインを水素ガスで置換する際、排空気は流通していないため排水素ガスの希釈は空気供給源が供給する空気のみで行う。置換時間を短時間で済ませるためには排出水素流量も多くし、それにともなって空気供給源が吐出する空気の流量も増やす必要がある。オフガスラインには排空気が流れていないため吐出圧は小さくてよい。

第３のパターンは、空気供給源からの流量が比較的小さく、吐出圧力が比較的小さい場合を示す。例えば、燃料電池が低負荷状態にあり、排水素ガス、排空気の流量が共に少ないため、排空気で排水素ガスを希釈しきれない場合には少量の空気を空気供給源で補助する。このときにはオフガスラインを流れるガス流量が少なくオフガスラインの圧力損失も小さいため、小さな吐出圧で十分である。

一般的な空気供給源としてブロアやファンが考えられるが、このブロアやファンの一定負荷での流量-圧力特性は相反関係にある。ブロアとファンの違いは、例えばＪＩＳ規格のような公的な基準で区別されているが、現実的には生産メーカの基準で使い分けられているケースが多く、以下にはファンを含む送風器を総称してブロアと記載する。図４には、ブロアの流量-圧力特性と上記の排水素希釈を想定した運転条件（第１乃至第３のパターン）をプロットした。

ブロア特性は２つの仕様（Ａ仕様及びＢ仕様）について示す。先ずＡ仕様は小型ブロアであり、第３のパターンの要求性能は満たせるものの、第１及び第２のパターンの要求性能は満たさない。一方、Ｂ仕様は大型ブロアであり、第１乃至第３の総てのパターンで要求する性能を満たす。しかし、Ｂ仕様の大型ブロアを低負荷で運転したとしても第３のパターンの条件には過剰性能となる。

これ以外にも排水素ガス希釈用に大型ブロアを適用するデメリットとしては次のようなことが挙げられる。（１）消費電力が増大し、燃料電池システム全体の効率悪化する。（２）低効率点でブロアが運転運転される。（３）十分大きな設置スペースを確保する必要がある。（４）ブロア運転による騒音が増加する。

（１）に関して、例えばＢ仕様がＡ仕様の流量及び圧力の２倍の性能を有すると仮定する。ブロアや駆動モータによっても異なるが、Ｂ仕様の消費電力は、Ａ仕様の１０倍以上になる可能性もある。燃料電池は言うまでもなく発電用のシステムであり、燃料電池システムで使用する電力が多くなればシステム全体の効率を悪化させてしまう。

一般的なブロアの効率点を作動点とすべきである。しかしながら排水素ガス希釈用ブロアの場合には、第１乃至第３のパターンのような複数の作動点があり、効率点を絞り込むことができない。その結果、（２）に記載したように効率点から外れた条件（パターン）では、ブロアの運転効率が悪く、（１）と同様に燃料電池システム全体の燃費を悪化させてしまう。

（３）に関して、燃料電池システムが定置用に使用される場合など、ある程度広いスペースを確保できる場合には大きな問題にはならないが、例えば自動車用の移動体などに燃料電池システムを搭載する場合にはブロアの設置スペースは限られるため、可能な限り小さくする必要がある。

（４）に関して、Ｂ仕様がＡ仕様に比べて消費電力が大きなり、消費電力増加分は吐出流量と吐出圧力の増加分に費やされる。しかしながら、吐出流量や吐出圧力を増加させるために一般的に講じられるブロア回転数の増加やブロアの大型化は、ブロア効率を悪化させる要因となる。その結果、吐出流量や吐出圧力の仕事量に転換されなかったエネルギーは、熱や音のエネルギーとなる。燃料電池は、内燃機関とは違って、有害排出物がないことと並んで騒音が少ないことも認知され、求められる性能の一つになりつつある現状を考えると、上記のようなブロアから発せられる騒音の増加は大きな問題となる。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池７と、燃料電池７から排出された酸化剤ガス（排空気）が流れるカソードオフガスラインＥ１と、カソードオフガスラインＥ１に接続されたアノードオフガスラインＥ２と、アノードオフガスラインＥ２に接続された２以上の外気導入ラインＡ４、Ａ６と、２以上の外気導入ラインＡ４、Ａ６にそれぞれ接続された２以上のブロア１、２と、２以上のブロア１、２を接続するブロア接続ラインＡ５と、２以上のブロア１、２を２以上の外気導入ラインＡ４、Ａ６へ並列に接続する「並列作動」と、２以上のブロア１、２をブロア接続ラインＡ５を介して２以上の外気導入ラインＡ４、Ａ６の１つへ直列に接続する「直列作動」とを切り換える切替手段（３、４）と、排気音を低減させる消音装置／逆火防止装置５と、燃料電池７の運転状態を読み取り、２以上のブロア１、２、切替手段（３、４）の動作を制御する制御回路６とを備える。

カソードオフガスラインＥ１には空気循環系からパージ操作により排出された排空気が流れる。アノードオフガスラインＥ２には燃料電池７から排出された燃料ガス（排水素ガス）が流れる。カソードオフガスラインＥ１とアノードオフガスラインＥ２とは合流して合流ラインＥ３となる。なおここでは、合流ラインＥ３はアノードオフガスラインＥ２の一部分であるとする。

２以上の外気導入ラインとして、第１の外気導入ラインＡ４及び第２の外気導入ラインＡ６がある。２以上のブロア１、２として、第１のブロア１及び第２のブロア２がある。第１のブロア１及び第２のブロア２は、第１の外気導入ラインＡ４及び第２の外気導入ラインＡ６へ、排水素ガス希釈用の外気を導入する。第１及び第２の外気導入ラインＡ４、Ａ６は合流ラインＥ３に接続され、２以上のブロア１、２が供給する外気は、第１及び第２の外気導入ラインＡ４、Ａ６を通り、合流ラインＥ３内の排水素ガス及び排空気と混合される。消音装置／逆火防止装置５は、第１及び第２の外気導入ラインＡ４、Ａ６との合流点よりも下流の合流ラインＥ３上に配置されている。消音装置／逆火防止装置５は通気抵抗を増大させるため、流体にとっては圧力損失要素となってしまうが、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、そのような圧損要素を設置した場合に特に有用である。

切替手段（３、４）は、第１及び第２のブロア１、２が取り込む外気が流れる外気取込ラインＡ１〜Ａ３のうち、第２のブロア２に接続された外気取込ラインＡ３上に配置された開閉弁４と、第１のブロア１が吐出する外気が流れる第１の外気導入ラインＡ４上に配置された三方弁３とを備える。ブロア接続ラインＡ５は、三方弁３の一方の出力口と外気取込ラインＡ３との間を接続している。

制御回路６は、開閉弁４及び三方弁３の開度を調整することにより、第１のブロア１を第１の外気導入ラインＡ４へ接続すると同時に、第２のブロア２を第２の外気導入ラインＡ６へ接続する「並列作動」と、第１のブロア１及び第２のブロア２をブロア接続ラインＡ５を介して直列に接続して第２の外気導入ラインＡ６へ接続する「直列作動」とを切り換える。制御回路６には、燃料電池７から運転状態を伝える信号ＷＳが入力される。

具体的には、並列作動において、開閉弁４は開かれ、三方弁３は第１のブロア１と第１の外気導入ラインＡ４とが接続される。外気は、Ａ１、Ａ２、Ａ４のラインと、Ａ１、Ａ３、Ａ６のラインとをそれぞれ通って合流ラインＥ３に供給される。一方、直列作動において、開閉弁４は閉じられ、三方弁３は第１のブロア１とブロア接続ラインＡ５とが接続される。外気は、Ａ１、Ａ２、Ａ５、Ａ６を通り合流ラインＥ３に供給される。このように、燃料電池７の運転状況に応じて、開閉弁４及び三方弁３を操作することによって、直列又は並列に第１及び第２のブロア１、２に通して外気を合流ラインＥ３に供給する。

次に、図１に示した燃料電池システムにおける排水素ガスの希釈方法を、図３を参照して様々な燃料電池システムの運転状態について説明する。

（イ）先ず、燃料電池７を起動する場合の制御方法について説明する。この場合、アノードラインを水素ガスで置換する必要がある。この状態では、カソードオフガスラインＥ１からはカソードオフガス（排空気）が出てこないため、合流ラインＥ３の通気圧力損失が小さい。したがって、第１及び第２のブロア１、２を二台作動させ、並列に外気を流す。即ち、制御回路６は、開閉弁４及び三方弁３を「並列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。カソードオフガスラインＥ１から排空気が流れていないため、第１及び第２のブロア１、２からの吐出圧力は小さくとも、第１及び第２のブロア１、２を並列に作動させて大流量の空気を希釈用空気として流すことが可能である。希釈用空気を大流量化できることは、燃料電池のアノード極から出てくる排水素ガスの流量を多くすることができることを意味しており、結果的には、アノードラインの水素置換の為の時間を短縮することができる。

（ロ）次に、燃料電池７が高負荷運転を行っている場合の制御方法について説明する。この場合、排水素ガスの流量が多いが排空気の流量も多いため、排水素を排空気で希釈する効果が大きい。すなわちカソードオフガスラインＥ１とアノードオフガスラインＥ２との合流による排水素ガス希釈の効果が大きい。燃料電池システムによっては、カソードオフガスラインＥ１とアノードオフガスラインＥ２を混合させるだけで排水素ガスの濃度を規定濃度以下まで希釈することができる可能性はあるが、必ずしもそうではない。このような場合、ブロアから空気を供給して希釈する必要がある。合流ラインＥ３を流れる排ガスの流量が多いため、ブロアの吐出圧は大きくなければならない。しかし、そもそもカソードオフガスラインＥ１を流れる排空気で希釈できているため、ブロアからの吐出流量は少なくても構わない。したがって、第１及び第２のブロア１、２の二台を作動させて、直列に外気を通す。即ち、制御回路６は、開閉弁４及び三方弁３を「直列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。この構成にすることによって、１個のブロア出力が小さくとも、吐出圧を高めることが可能である。

（ハ）次に、燃料電池７が低負荷運転を行っている場合の制御方法について説明する。この場合、カソードオフガスラインＥ１を流れる排空気の流量が少ないためオフガスラインの圧力損失は低く、さらにアノードオフガスラインＥ２の排水素ガスの流量も少ないことから希釈用の空気供給量も少なくて済む。したがって、第１及び第２のブロア１、２の何れか一方のみを単独で作動させる。具体的には、三方弁３は第１のブロア１と第１の外気導入ラインＡ４とを接続し、開閉弁４は閉じ、第１のブロア１だけ作動させる。必要のない第２のブロア２を停止することで余分な電力を消費することがなくなり、燃料電池システムの効率向上に貢献する。

（ニ）次に、燃料電池７に異常が発生して非常停止した場合の制御方法について説明する。個々の燃料電池システムによっても異なるが、燃料電池システムに異常が発生した場合、燃料電池７のカソードラインへの空気供給を停止し、アノードラインの圧力をリリーフ（低圧化）するロジックが組まれていることがある。燃料電池システムに異常が発生してアノードラインの圧力をリリーフする必要性が生じた場合、カソードオフガスラインＥ１に排空気が流れていないため、リリーフされた水素ガスにアノードオフガスラインＥ２に流れ込み水素ガスがアノードオフガスラインＥ２に滞留する。このままでは外部に規定濃度以上の燃料ガスが排出される可能性がある。このようなことを防止するため、アノードオフガスラインＥ２内に滞留する水素ガスを速やかに希釈して排出する必要がある。したがって、異常発生時には排水素希釈用ブロア（第１及び第２のブロア１、２）を並列に作動させて、大流量の空気で単時間にリリーフされた水素を希釈する。即ち、制御回路６は、開閉弁４及び三方弁３を「並列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。

（ホ）次に、アノードライン内に残留する窒素や凝縮水を排出するためにパージを行う場合の制御方法について説明する。固体高分子型燃料電池のアノードラインとカソードラインは高分子膜で仕切られているが、高分子膜が湿潤状態で用いられることとアノードとカソードの反応生成物として水ができるため、アノードラインにはしばしば凝縮水が滞留する。窒素や凝縮水の滞留はアノードラインの水素流通を妨げ、発電効率の低下につながる。アノードラインの循環量が少ないとき、すなわち燃料電池が低負荷運転をしているときに凝縮水は滞留しやすい。このような不具合を防止するためにアノードラインの凝縮水を排出する操作が取られる。具体的な操作（パージ）はアノードラインの圧力または循環量を増加させて排水素とともに除去する。前述のように凝縮水の排出は、主には燃料電池７が低負荷運転をしているときに行われるため、排空気と凝縮水の排出時に共と排出される排水素ガスとを混合しただけでは、所定水素ガス濃度まで希釈しきれないことが多い。そこで、凝縮水排出時の水素を希釈用ブロア（第１及び第２のブロア１、２）の２個を並列で作動することによって、規定濃度以下に希釈させることが可能となる。即ち、制御回路６は、開閉弁４及び三方弁３を「並列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。

（ヘ）最後に、燃料電池７がアイドル運転を行っている場合の制御方法を説明する。燃料電池７を自動車などの移動体の電力源として搭載した場合、アイドル負荷など低負荷で使用される割合が高くなる。燃料電池７をさまざまなシーンで利用した場合の総合的な効率を考慮すると、単独作動用ブロアを使用頻度の高いアイドル負荷で適用可能な仕様に合わせておくことが望ましい。そこで、上記のようにアイドル時にアイドル時の排水素を希釈できる仕様とした第１のブロア１を、単独で作動させることで燃料電池システムの総合的な効率を向上させることを可能としている。即ち、燃料電池７がアイドル運転を行っている場合、三方弁３は第１のブロア１と第１の外気導入ラインＡ４とを接続し、開閉弁４は閉じ、第１のブロア１だけ作動させる。必要のない第２のブロア２を停止することで余分な電力を消費することがなくなり、燃料電池システムの効率向上に貢献する。

以上説明したように、燃料電池７から排出される水素ガスの流量が規定量以上であって、燃料電池７から排出される空気の流量が規定量未満である時、制御回路６は、排水素ガスを希釈させるために外気の流量が必要であると判断する。したがって、この場合、切替手段（３、４）は並列作動に設定されて外気は第１及び第２のブロアを並列に流れる。一方、燃料電池７から排出される水素ガスの流量が規定量以上であって、燃料電池７から排出される空気の流量が規定量以上である時、制御回路６は、排水素ガスを希釈させるために外気の圧力が必要であると判断する。したがって、この場合、切替手段（３、４）は直列作動に設定されて外気は第１及び第２のブロア１、２を直列に流れる。

（第２の実施の形態）
図２に示すように、本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムは、水素ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池７と、排空気が流れるカソードオフガスラインＥ１と、カソードオフガスラインＥ１に接続されたアノードオフガスラインＥ２と、アノードオフガスラインＥ２に接続された第１及び第２の外気導入ラインＡ４、Ａ６と、第１及び第２の外気導入ラインＡ４、Ａ６にそれぞれ接続された第１及び第２のブロア１、２と、第１及び第２のブロア１、２を接続するブロア接続ラインＡ５と、第１及び第２のブロア１、２を第１及び第２の外気導入ラインＡ４、Ａ６へ並列に接続する「並列作動」と、第１及び第２のブロア１、２をブロア接続ラインＡ５を介して第２の外気導入ラインＡ６へ直列に接続する「直列作動」とを切り換える第１の三方弁３及び第１の開閉弁４と、排気音を低減させる消音装置／逆火防止装置５と、排空気を用いて排水素ガスを燃料させる燃焼器８と、第２の外気導入ラインＡ６に接続された第２の三方弁９と、アノードオフガスラインＥ２上に配置された第２の開閉弁１０と、合流ラインに接続された非常時水素パージラインＥ４と、非常時水素パージラインＥ４上に配置された第３の開閉弁１１と、燃料電池７の運転状態を読み取り、第１及び第２のブロア１、２、第１及び第２の三方弁３、９と、第１乃至第３の開閉弁４、１０、１１の動作を制御する制御回路６とを備える。

このように、図２に示す燃料電池システムは、図１の燃料電池システムに対して、燃焼器８と、第２の三方弁９と、第２の開閉弁１０と、非常時水素パージラインＥ４と、第３の開閉弁１１とを更に備えている。その他の構成は、図１と同じであり、説明を省略する。

燃焼器８は、燃料電池７から排出する未反応水素を削減するための排水素燃焼器である。第２の三方弁９により、第２の外気導入ラインＡ６は２つの分岐ラインＡ７、Ａ８に分岐され、分岐ラインＡ７は消音装置／逆火防止装置５よりも上流のカソードオフガスラインＥ１に接続され、分岐ラインＡ８は消音装置／逆火防止装置５よりも下流の合流ラインＥ３に接続されている。分岐ラインＡ７上に燃焼器８が配置され、アノードオフガスラインＥ２は第２の開閉弁１０を介して燃焼器８に接続されている。非常時水素パージラインＥ４は、アノード循環ラインから水素ガスをリリーフする際に水素ガスが流れる流路である。なお、制御回路６には、燃料電池７から運転状態を伝える信号ＷＳと、燃料電池システムの非常停止を伝える信号ＥＳとが入力される。

次に、図２に示した燃料電池システムにおける排水素ガスの燃焼方法を、図３を参照して様々な燃料電池システムの運転状態について説明する。

（イ）先ず、燃料電池７が低負荷運転を行っている場合の制御方法について説明する。排水素ガス及び排空気の流量が共に少ないため燃焼負荷が小さく、排気圧力損失も小さい。燃焼負荷が小さいときには、ブロアから供給する空気の流量及び圧力は小さくて済むので、第２のブロア２のみが単動で作動される。具体的には、制御回路６は、第１の三方弁３が第１のブロア１と第１の外気導入ラインＡ４とを接続し、第２の三方弁９が第２のブロア２と分岐ラインＡ７とを接続し、第１の開閉弁４を開き、第２の開閉弁１０を開き、第３の開閉弁１１を閉じ、第２のブロア２だけ作動させる。必要のない第１のブロア１を停止することで余分な電力を消費することがなくなり、燃料電池システムの効率向上に貢献する。

（ロ）燃料電池７が高負荷運転を行っている場合の制御方法を説明する。排水素ガス及び排空気の流量がともに多いため燃焼器８への燃焼負荷が大きく、排気圧力損失も多い。燃焼負荷が大きい時にはブロアからの吐出圧力を大きくする必要があるが、燃焼温度が許容範囲内であれば吐出流量を必ずしも増量する必要はない。なお、燃焼ガスもカソードオフガスラインＥ１へ合流させる構成をとるが、燃焼ガスの体積流量は燃焼前の導入ガスに比べて、ほぼ３倍となる。よって、ブロアから導入した空気量に対してオフガスラインの圧力損失が急激に大きくなる性質をもつ。したがって、第１及び第２のブロア１、２の二台を作動させて、直列に外気を通す。即ち、制御回路６は、第１の開閉弁４及び第１の三方弁３を「直列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。具体的には、制御回路６は、第１の三方弁３が第１のブロア１とブロア接続ラインＡ５とを接続し、第２の三方弁９が第２のブロア２と分岐ラインＡ７とを接続し、第１の開閉弁４を閉じ、第２の開閉弁１０を開き、第３の開閉弁１１を閉じ、第１及び第２のブロア１、２の２台を作動させる。この構成にすることによって、１個のブロア出力が小さくとも、吐出圧を高めることが可能である。

（ハ）燃料電池システムが非常停止した場合の制御方法について説明する。燃料電池システムの非常提示を示す信号ＥＳを制御回路６が受信すると、燃焼器８への水素供給は停止され、非常時水素パージラインＥ４からアノードラインの圧力が開放される。アノードラインの圧力を抜く際に水素ガスが非常時水素パージラインＥ４から排出されるが、非常停止時には排空気も流れていないことから、ブロアからの空気流量を増加させて希釈処理する必要がある。カソードラインへ排空気は流れていないことからブロアからは大流量、低吐出圧での空気供給が可能である。したがって、非常停止時には第１及び第２のブロア１、２を並列に作動させて、大流量の空気で単時間にリリーフされた水素を希釈する。即ち、制御回路６は、第１の開閉弁４及び第１の三方弁３を「並列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。具体的には、制御回路６は、第１の三方弁３が第１のブロア１と第１の外気導入ラインＡ４とを接続し、第２の三方弁９が第２のブロア２と分岐ラインＡ８とを接続し、第１の開閉弁４を開き、第２の開閉弁１０を閉じ、第３の開閉弁１１を開き、第１及び第２のブロア１の２台を作動させる。このような制御を行うことにより、燃料電池システムの異常発生時にもリリーフされた水素を規定濃度以下に希釈することができる。

（ニ）燃料電池７を起動する場合の制御方法について説明する。この場合、アノードラインを水素ガスで置換する必要がある。アノードラインを水素ガスで置換する時に燃焼器８で水素ガスを燃焼させると、燃焼ガスが高温であるため、供給空気の約３倍の体積流量が燃焼器８に流れる。このときの圧力損失は、体積流量比の２乗に利いており、最大で９倍になる可能性がある。一方、流量は、例えば、２％まで希釈するときの空気流量は、水素流量の５０倍必要となるが、燃焼の場合は水素ガス流量の１５倍程度の空気流量で安定した燃焼が可能である。したがって、第１及び第２のブロア１、２の二台を作動させて、直列に外気を通す。即ち、制御回路６は、第１の開閉弁４及び第１の三方弁３を「直列作動」に設定した上で第１及び第２のブロア１、２を作動させる。具体的には、制御回路６は、第１の三方弁３が第１のブロア１とブロア接続ラインＡ５とを接続し、第２の三方弁９が第２のブロア２と分岐ラインＡ７とを接続し、第１の開閉弁４を閉じ、第２の開閉弁１０を開き、第３の開閉弁１１を閉じ、第１及び第２のブロア１の２台を作動させる。

以上説明したように、燃料電池７から排出される水素ガスの流量が規定量以上であって、燃料電池７から排出される空気の流量が規定量未満である時、制御回路６は、排水素ガスを希釈又は燃焼させるために外気の流量が必要であると判断する。したがって、この場合、切替手段（３、４）は並列作動に設定されて外気は第１及び第２のブロアを並列に流れる。一方、燃料電池７から排出される水素ガスの流量が規定量以上であって、燃料電池７から排出される空気の流量が規定量以上である時、制御回路６は、排水素ガスを希釈又は燃焼させるために外気の圧力が必要であると判断する。したがって、この場合、切替手段（３、４）は直列作動に設定されて外気は第１及び第２のブロア１、２を直列に流れる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

本発明の第１及び第２の実施の形態では、２以上のブロアとして第１及び第２のブロア１、２を例に取り説明したが、ブロアの数は３以上であっても構わない。３以上である場合、並列作動及び直列作動において、ブロアの全部を直列或いは並列に接続しても良いし、ブロアの一部を直列或いは並列に接続しても構わない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。 排水素ガスを希釈及び燃焼する際の２以上のブロアの作動状態を燃料電池の各状態についてまとめた表である。 一般的なブロアの流量-圧力特性と排水素希釈を想定した運転条件（第１乃至第３のパターン）をプロットしたグラフである。 特許文献１に開示された技術における、空気供給源への要求流量-圧力特性とタービン式ポンプ及び電気モータ式ポンプのそれぞれの流量-圧力特性をプロットしたグラフである。

符号の説明

１…第１のブロア
２…第２のブロア
３…三方弁、第１の三方弁
４…開閉弁、第１の開閉弁
５…消音装置／逆火防止装置
６…制御回路
７…燃料電池
８…燃焼器
９…第２の三方弁
１０…第２の開閉弁
１１…第３の開閉弁
Ａ１〜Ａ３…外気取込ライン
Ａ４…第１の外気導入ライン
Ａ５…ブロア接続ライン
Ａ６…第２の外気導入ライン
Ａ７…分岐ライン
Ａ８…分岐ライン
Ｅ１…カソードオフガスライン
Ｅ２…アノードオフガスライン
Ｅ３…合流ライン
Ｅ４…非常時水素パージライン

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスが流れるカソードオフガスラインと、
   前記カソードオフガスラインに接続され、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスが流れるアノードオフガスラインと、
   前記アノードオフガスラインに接続され、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを希釈する外気が流れる２以上の外気導入ラインと、
   前記２以上の外気導入ラインにそれぞれ接続され、前記２以上の外気導入ラインへ前記外気を導入する２以上のブロアと、
   前記２以上のブロアを接続するブロア接続ラインと、
   前記２以上のブロアを前記２以上の外気導入ラインへ並列に接続する並列作動と、前記２以上のブロアを前記ブロア接続ラインを介して前記２以上の外気導入ラインの１つへ直列に接続する直列作動とを切り換える切替手段
   とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガスを希釈又は燃焼させるために前記外気の圧力を必要とする場合、前記切替手段は前記直列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを直列に流れ、前記燃料ガスを希釈又は燃焼させるために前記外気の流量を必要とする場合、前記切替手段は前記並列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを並列に流れることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化剤ガスを用いて前記燃料ガスを燃料させる燃焼器を更に備え、
   前記燃料電池の起動時又は前記燃料電池が高負荷運転を行っている時、前記切替手段は前記直列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを直列に流れることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤ガスを用いて前記燃料ガスを燃料させる燃焼器を更に備え、
   前記燃料電池の非常停止時に、前記切替手段は前記並列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを並列に流れることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガスを用いて前記燃料ガスを燃料させる燃焼器を更に備え、
   前記燃料電池が低負荷運転を行っている時、前記２以上のブロアの１つを単独で作動させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの流量が規定量以上であって、前記燃料電池から排出される前記酸化剤ガスの流量が規定量未満である時、前記切替手段は前記並列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを並列に流れ、
   前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの流量が規定量以上であって、前記燃料電池から排出される前記酸化剤ガスの流量が規定量以上である時、前記切替手段は前記直列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを直列に流れることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の起動時又は前記燃料電池の非常停止時に、前記切替手段は前記並列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを並列に流れることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池が高負荷運転を行っている時、前記切替手段は前記直列作動に設定されて前記外気は前記２以上のブロアを直列に流れることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池が低負荷運転を行っている時又は前記燃料電池がアイドル運転を行っている時、前記２以上のブロアの１つを単独で作動させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
10. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスが流れるカソードオフガスラインと、前記カソードオフガスラインに接続され、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスが流れるアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインに接続され、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを希釈する外気が流れる２以上の外気導入ラインと、前記２以上の外気導入ラインにそれぞれ接続され、前記２以上の外気導入ラインへ前記外気を導入する２以上のブロアと、前記２以上のブロアを接続するブロア接続ラインと、前記２以上のブロアを前記２以上の外気導入ラインへ並列に接続する並列作動と、前記２以上のブロアを前記ブロア接続ラインを介して前記２以上の外気導入ラインの１つへ直列に接続する直列作動とを切り換える切替手段とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料ガスを希釈又は燃焼させるために前記外気の圧力を必要とするか、或いは前記外気の流量を必要とするかを判断し、
    前記燃料ガスを希釈又は燃焼させるために前記外気の圧力を必要とする場合、前記切替手段を前記直列作動に設定して前記外気を前記２以上のブロアに直列に流し、
    前記燃料ガスを希釈又は燃焼させるために前記外気の流量を必要とする場合、前記切替手段を前記並列作動に設定して前記外気を前記２以上のブロアに並列に流す
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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