JP2006331877A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいても、該システムから大気放出されるガスを、該ガス中の水素濃度を所定の許容値内に低下させた上で、大気放出させる。
【解決手段】 複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを有しこれら燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂのそれぞれのアノードオフガス通路である排出配管１５Ａ，１５Ｂにそれぞれパージ弁１９Ａ，１９Ｂを設けてなる燃料電池システムであって、大気放出されるオフガス中の水素濃度を低下させるように、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開閉タイミングを制御する制御部２７を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関し、特に、アノードオフガスの大気放出に関する。

燃料電池システムにおいて、システム全体の発電量を増やすことを目的として複数の燃料電池スタックを設ける技術が開示されている（例えば特許文献１参照。）。この燃料電池システムでは、各燃料電池スタックのそれぞれのアノードオフガスを合流部で合流させて排出させるようになっている。
特開２００２−３５８９９１号公報

上記のように複数の燃料電池スタックのそれぞれのアノードオフガスを合流部で合流させて大気放出させたり、あるいは近接位置から大気放出させたりすると、複数の燃料電池スタックからの放出タイミングによっては、アノードオフガス中の水素濃度が、例えば水素可燃限界の下限値を超えた状態で、大気放出されてしまう可能性がある。

そこで、本発明は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、水素濃度を十分に低下させて大気放出可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、各燃料電池スタックに接続されたアノードオフガス通路と、前記各燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁と、アノードオフガスを前記燃料電池スタックに戻すためのアノードオフガス循環通路と、前記パージ弁の開閉を制御する制御手段と、を備えると共に、各アノードオフガス通路を合流またはそれぞれの大気放出端を近接させてなる燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度が所定の許容値を超えないように、前記パージ弁の開閉状態を制御することを特徴としている。

例えば、前記パージ弁は、前記各アノードオフガス通路に配設されており、前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度が所定の許容値を超えないように、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御する。

以上の構成によれば、複数の燃料電池スタックからアノードオフガスが同時に大気放出される場合に起こりうる、水素濃度が所定の許容値を超えた状態での大気放出が抑制される。所定の許容値とは、例えば水素可燃限界の下限値（２％〜４％の水素濃度）をいう。

前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガスの放出タイミングを互いにずらすように、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御してもよい。

この構成によれば、各アノードオフガス通路の通路長，通路径，及びパージ弁の配設箇所等が同一でない場合においても、大気放出されるガス中の水素濃度を所定の許容値内に制御することが可能となる。

また、前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を流れるガス中の水素濃度に基づいて、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御してもよい。

この構成によれば、燃料電池スタックの運転状態に対応させて、言い換えれば、燃料電池スタックでの水素消費量の変動に対応させて、大気放出されるガス中の水素濃度を所定の許容値内に制御することが可能となる。

前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度の時系列的なピークを互いにずらすように、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御してもよい。

この構成によれば、複数の燃料電池スタックからアノードオフガスを同時に大気放出させざるを得ない場合においても、大気放出されるガス中の水素濃度を所定の許容値内に制御することが可能となる。

前記制御手段は、前記各パージ弁の開閉タイミングを非同期としてもよい。

この構成には、各パージ弁の開保持時間や開閉周期は一定であるが、開閉タイミングのみが互いにずれている場合はもとより、あるパージ弁を開保持している間に、他のパージ弁を短周期で間欠的に開閉させる場合も含まれる。

前記制御手段は、前記各パージ弁の開弁タイミングを互いにずらしてもよい。

この構成によれば、各アノードオフガス通路の通路長，通路径，及びパージ弁の配設箇所等が同一である場合においては、各パージ弁の開動作を所定周期で行う、という簡便な制御にて、大気放出されるガス中の水素濃度を所定の許容値内に制御することが可能となる。

少なくとも一部の前記パージ弁よりも下流側に、前記アノードオフガス通路を流れるガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置が設けられていてもよい。

この構成によれば、大気放出される水素濃度を濃度低下装置によって予め低下させておくことができる。

また、本発明の他の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、各燃料電池スタックに接続されたアノードオフガス通路と、各アノードオフガス通路に配設されて前記各燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁と、前記アノードオフガスを前記燃料電池スタックに戻すためのアノードオフガス循環通路と、前記パージ弁の開閉を制御する制御手段とを備えると共に、前記各アノードオフガス通路を合流部で合流させてなる燃料電池システムであって、前記合流部に、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置が設けられていることを特徴としている。

例えば、前記パージ弁は、前記各アノードオフガス通路に配設されており、前記制御手段は、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御する。

この構成によれば、合流部で合流させられて大気放出されるアノードオフガス中の水素濃度を濃度低下装置によって予め低下させておくことができる。

この場合、前記各アノードオフガス通路は、互いのアノードオフガスを衝突させるように前記濃度低下装置に接続されていてもよい。

この構成によれば、各アノードオフガス通路から濃度低下装置にアノードオフガスを導入させる際に、アノードオフガス同士が衝突して乱流を生じ、濃度低下装置内の他のガスと良好に混合することになり、大気放出時の水素濃度が低下させられることになる。

また、前記濃度低下装置には、外気および前記燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスの少なくともいずれか一方が導入されてもよい。

この構成によれば、濃度低下装置に導入されたアノードオフガスは、外気およびカソードオフガスの少なくともいずれか一方によって希釈されることになり、その水素濃度は低下させられることになる。

さらに、前記濃度低下装置には、混合促進用の回転体を設けてもよい。

この構成によれば、濃度低下装置に導入されたアノードオフガスは、濃度低下装置内の他のガスと良好に混合することになり、その水素濃度は確実に低下させられることになる。

また、本発明のさらに他の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックと、各燃料電池スタックに接続されたアノードオフガス通路と、前記各燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁と、前記アノードオフガスを前記燃料電池スタックに戻すためのアノードオフガス循環通路と、前記パージ弁の開閉を制御する制御手段と、を備えてなる燃料電池システムであって、前記アノードオフガスに他のガスを混入させることで、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置と、前記パージ弁が開故障したときに、前記濃度低下装置に対する前記他のガスの混入量を通常時よりも増加させる混入量制御手段と、を備えることを特徴としている。

例えば、前記パージ弁は、前記各アノードオフガス通路に配設されており、前記混入量制御手段は、少なくとも一部の前記パージ弁が開故障したときに、前記濃度低下装置に対する前記他のガスの混入量を通常時よりも増加させる。

この構成によれば、少なくともいずれかのパージ弁が開故障した場合には、混入量制御手段が濃度低下装置に対する他のガスの混入量を通常時よりも増加させることになるため、大気放出されるガスの水素濃度が低下させられることになる。

前記他のガスは、少なくとも一部の前記燃料電池スタックのカソードオフガス、あるいは、システム外から供給される二次空気であってもよい。

パージ弁の開故障に対して、大気放出されるガス中の水素濃度を低減するべく燃料電池スタックへのカソードガス供給量を増加させた場合には、電力消費によって発電効率の低下を来たしてしまうところ、上記構成によれば、当該燃料電池システムより排出されるカソードオフガス、あるいは、当該燃料電池システムの外部より排出される二次空気を再利用することにより、発電効率の低下が抑制される。

本発明によれば、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいても、該システムから大気放出されるガスを、該ガス中の水素濃度を所定の許容値内に低下させた上で、大気放出させることができる。

次に本発明を実施するための好適な第１実施形態を、図１〜図７を参照しながら説明する。この第１実施形態は、燃料電池車両等の移動体に搭載する燃料電池システムであるが、本発明の一形態に過ぎず、その他の燃料電池システムにも適用可能である。

図１に第１実施形態の燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、燃料電池スタック１０Ａを有する第１システム１１Ａおよび燃料電池スタック１０Ｂを有する第２システム１１Ｂの複数具体的には二つのシステムで構成されている。

各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂは、図１においては説明の便宜上概略的に示しているが、実際には、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、電解質膜をアノード電極およびカソード電極で挟持して構成されるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とを有し、ＭＥＡを一対のセパレータで挟み込んで構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。

一方の第１システム１１Ａにおいて、燃料電池スタック１０Ａには、アノード電極に燃料ガスである水素ガス（アノードガス）を供給する水素供給源１３Ａが水素供給配管１４Ａを介して入口側に接続されており、アノード電極からのアノードオフガスを排出させるアノードオフガス通路を構成する排出配管１５Ａが出口側に接続されている。この排出配管１５Ａには水素供給配管１４Ａに戻る戻り配管（アノードオフガス循環通路）１６Ａが接続されている。

排出配管１５Ａの戻り配管１６Ａへの接続位置と燃料電池スタック１０Ａとの間に水素ポンプ１８Ａが設けられており、排出配管１５Ａの戻り配管１６Ａへの接続位置よりも下流側に排出配管１５Ａを開閉可能な、言い換えれば、アノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁１９Ａが設けられている。水素ポンプ１８Ａは、パージ弁１９Ａを閉じた状態で、燃料電池スタック１０Ａに供給されたが発電に供しなかった残存水素を利用するため、戻り配管１６Ａを介して再び水素供給配管１４Ａに戻す。

また、この第１システム１１Ａにおいて、燃料電池スタック１０Ａには、カソード電極に酸化ガスである空気（カソードガス）を供給するエアポンプ２１Ａがエア供給配管２２Ａを介して入口側に接続されており、カソード電極からのカソードオフガス（他のガス）を排出させる排出配管２３Ａが出口側に接続されている。この排出配管２３Ａは、燃料系の排出配管１５Ａのパージ弁１９Ａよりも下流側に接続されており、アノードオフガスにカソードオフガスを混入させて水素濃度を低下させる。

同様に、他方の第２システム１１Ｂにおいて、燃料電池スタック１０Ｂには、アノード電極に水素ガスを供給する水素供給源１３Ｂが水素供給配管１４Ｂを介して入口側に接続されており、アノード電極からのアノードオフガスを排出させるアノードオフガス通路を構成する排出配管１５Ｂが出口側に接続されている。この排出配管１５Ｂには水素供給配管１４Ｂに戻る戻り配管１６Ｂが接続されている。

排出配管１５Ｂの戻り配管１６Ｂへの接続位置と燃料電池スタック１０Ｂとの間に水素ポンプ１８Ｂが設けられており、排出配管１５Ｂの戻り配管１６Ｂへの接続位置よりも下流側に排出配管１５Ｂを開閉可能な、言い換えれば、アノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁１９Ｂが設けられている。

また、この第２システム１１Ｂにおいて、燃料電池スタック１０Ｂには、カソード電極に空気を供給するエアポンプ２１Ｂがエア供給配管２２Ｂを介して入口側に接続されており、カソード電極からのカソードオフガス（他のガス）を排出させる排出配管２３Ｂが出口側に接続されている。この排出配管２３Ｂは、燃料系の排出配管１５Ｂのパージ弁１９Ｂよりも下流側に接続されており、アノードオフガスにカソードオフガスを混入させて水素濃度を低下させる。

そして、両システム１１Ａ，１１Ｂのアノードオフガス通路を構成する排出配管１５Ａ，１５Ｂは最も下流側位置が濃度低下装置（合流部）２５で合流させられており、その結果、各排出配管１５Ａ，１５Ｂの濃度低下装置２５よりも上流側にそれぞれパージ弁１９Ａ，１９Ｂが設けられている。なお、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂからの排出ガスは、最終的には濃度低下装置２５で集合させられた直後に大気放出される。

上記した燃料電池システムの両システム１１Ａ，１１Ｂを制御する制御部（制御手段）２７は、ＥＣＵ等の公知のコンピュータシステムであり、複数のコンピュータの相互通信によって構成されていてもよい。これらコンピュータは、内蔵ＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを順次実行することにより、水素ポンプ１８Ａ，１８Ｂやエアポンプ２１Ａ，２１Ｂの駆動量を決定する制御信号およびパージ弁１９Ａ，１９Ｂの開閉を制御する制御信号を出力する。

そして、第１実施形態では、制御部２７が、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開閉タイミングを、濃度低下装置２５より大気放出されるガス中の水素濃度を所定の許容値（例えば、水素可燃限界の下限値）以下に低下させるように制御する。

具体的に、制御部２７は、パージ弁１９Ａの開弁で排出配管１５Ａを介して濃度低下装置２５に導入されるアノードオフガスの水素濃度が濃度低下装置２５においてピークをむかえるタイミングと、パージ弁１９Ｂの開弁で排出配管１５Ｂを介して濃度低下装置２５に導入されるアノードオフガスの水素濃度が濃度低下装置２５においてピークをむかえるタイミングとが重ならず、互いにずれるように、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開弁のタイミングを制御する。

つまり、濃度低下装置２５における各アノードオフガス中の水素濃度の時系列的なピークのタイミングを各システム１１Ａ，１１Ｂで異ならせる。この場合、濃度低下装置２５に水素濃度センサを設け、アノードオフガス中に含まれる水素濃度に基づいて、例えば前のパージ弁１９Ａの開弁によって濃度低下装置２５に導入されたアノードオフガスの濃度がピーク値よりも下がったことを検出したタイミングに基づいて、次のパージ弁１９Ｂの開弁を行うようにしても良い。

例えば、各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出されて濃度低下装置２５に導入されたアノードオフガス中の水素濃度のピーク値がタイミング的に一致すると、図２に破線で示すように濃度低下装置２５から大気放出されるオフガス中の水素濃度が大幅に増加するが、図３に示すように各燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂから排出されて濃度低下装置２５に導入されたアノードオフガス中の水素濃度の少なくともピーク値がタイミング的にずれていれば、図２に実線で示すように濃度低下装置２５から大気放出されるオフガス中の水素濃度は低くなるのである。

ここで、例えば各パージ弁１９Ａ，１９Ｂから濃度低下装置２５までの距離と配管径が等しい場合、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開弁タイミングを一致させると、図２に破線で示すように、濃度低下装置２５から大気放出されるオフガス中の水素濃度は却って高くなるが、制御部２７が、図４に示すように各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開弁タイミングを一致させないように互いにずらす（異ならせる）ことで、図２に実線で示すように濃度低下装置２５から大気放出されるオフガス中の水素濃度を低くできる。

なお、制御部２７は、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開閉タイミングを制御する際に、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂの開弁および閉弁の両タイミングを非同期としても良い。

例えば図５に示すように、パージ弁１９Ａ，１９Ｂの一方の開弁から閉弁までの開弁時間をアノードオフガスのパージに十分な時間とするのに対し、他方の開弁から閉弁までの開弁時間を短くして周期的な開閉を繰り返すようにしても良い。このように制御しても、水素濃度の大きなピークの発生は回避することができ、濃度低下装置２５から大気放出されるオフガス中の水素濃度は低くできる。

また、制御部２７は、図６に示すように、パージ弁１９Ａ，１９Ｂの少なくともいずれかが開状態のまま閉じない故障いわゆる開故障したか否か、つまり濃度低下装置２５に濃度の高い水素が漏れる水素漏れの発生の有無を監視している（ステップＳ１）。かかる開故障による水素漏れは、例えば戻り配管１６Ａ，１６Ｂに配設された圧力センサ（図示略）にて圧力の異常低下を検知した場合や、燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂでの発電量の異常低下を検知したこと等によって判定される。

そして、このような開故障が生じていない場合には、エアポンプ２１Ａ，２１Ｂによる空気の供給量を通常時の状態つまり各システム１１Ａ，１１Ｂの燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの発電に必要な量だけ空気を供給することになる一方（ステップＳ２）、ステップＳ１で上記のような開故障が生じた場合には、漏れを生じたパージ弁１９Ａ，１９Ｂと同じシステムにあるエアポンプ２１Ａ，２１Ｂの空気あるいはすべてのシステム１１Ａ，１１Ｂにあるエアポンプ２１Ａ，２１Ｂの空気の供給量（濃度低下装置への混入量）を通常時よりも増加させる（ステップＳ３）。

これにより、濃度低下装置２５に対する燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂの少なくとも一部からのカソードオフガスの混入量、つまり水素希釈空気の供給量が通常時よりも増加させられることになり、大気放出されるオフガス中の水素濃度を強制的に低下させることができる。以上説明したとおり、本実施形態の制御部２７は、混入量制御手段としても機能する。

なお、濃度低下装置２５に導入するアノードオフガス以外の他のガスとして、上記したカソードオフガスではなく、当該燃料電池システムとは別のシステムから排出された二次空気を導入するようにしても良い。

なお、上記したように各システム１１Ａ，１１Ｂで、カソードオフガス側の排出配管２３Ａをアノードオフガス側の排出配管１５Ａに接続させ、排出配管２３Ｂを排出配管１５Ｂに接続させた後にこれらの排出配管１５Ａ，１５Ｂ同士を合流させるのではなく、図７に示すように、すべてのシステム１１Ａ，１１Ｂで排出配管１５Ａ，１５Ｂ同士を接続させるとともに排出配管２３Ａ，２３Ｂ同士を接続させた後に、これらを合流させる構成の燃料電池システムにも適用可能である。

また、濃度低下装置２５を設けずに排出配管１５Ａ，１５Ｂの大気放出端が互いに近接配置されるデュアルエキゾーストパイプ構造でオフガスを大気放出させる構成の燃料電池システムに適用可能である。

さらに、濃度低下装置２５の位置に、所定の内容積を有する希釈器や容積室、酸化触媒等のアノードオフガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置を設けても良い。

以上に述べた第１実施形態によれば、制御部２７が、各排出配管１５Ａ，１５Ｂにそれぞれ設けられたパージ弁１９Ａ，１９Ｂの開閉タイミングを、各パージ弁１９Ａ，１９Ｂを介して濃度低下装置２５に導入されるアノードオフガス中の水素濃度の時系列的なピークが互いにずれるように制御することで、合流してまたは近接位置から大気放出させられるオフガス中の水素濃度は低下する。

したがって、複数の燃料電池スタック１０Ａ，１０Ｂを有する燃料電池システムにおいても、大気放出されるオフガス中の水素濃度を所定の許容値以下にまで十分に低下させた上で、大気放出させることができる。また、水素濃度を十分に希釈するための内容積を濃度低下装置２５に持たせておく必要もなくなるので、濃度低下装置２５を小型化することができる。

加えて、パージ弁１９Ａ，１９Ｂの少なくともいずれか一方が開故障したときに、制御部２７が、アノードオフガスにその水素濃度を低下させるために混入される他のガスである、カソードオフガスの供給量を通常時よりも増加させることになるため、かかる故障時においても、大気放出されるオフガス中の水素濃度を低下させることができる。

次に本発明を実施するための好適な第２実施形態を、図８〜図１２を参照しながら第１実施形態との相違部分を中心に説明する。

図８に第２実施形態の燃料電池システムのシステム構成図を示す。この図に示すように、当該燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、複数具体的には二つの燃料電池スタック３０Ａ，３０Ｂを有する二つのシステム３１Ａ，３１Ｂで構成されている。

一方の第１システム３１Ａにおいて、燃料電池スタック３０Ａには、アノード電極３２Ａに燃料ガスである水素ガス（アノードガス）を供給する水素供給装置３３Ａが水素供給配管３４Ａを介して入口側に接続されており、アノード電極３２Ａからのアノードオフガスを排出させるアノードオフガス通路を構成する排出配管３５Ａが出口側に接続されている。

ここで、排出配管３５Ａには戻り配管３６Ａが接続されており、この戻り配管３６Ａは、燃料電池スタック３０Ａに供給されたが発電に供しなかった残存水素を利用するため、再び水素供給配管３４Ａに戻す。排出配管３５Ａには、その戻り配管３６Ａへの接続位置よりも下流側に排出配管３５Ａを開閉可能な、言い換えれば、アノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁３７Ａが設けられており、パージ弁３７Ａよりも下流側に水素希釈装置３８Ａが設けられている。

また、この第１システム３１Ａにおいて、燃料電池スタック３０Ａには、カソード電極４０Ａに酸化ガスである空気（カソードガス）を供給するエア供給装置４１Ａがエア供給配管４２Ａを介して入口側に接続されており、カソード電極４０Ａからのカソードオフガス（他のガス）を排出させる排出配管４４Ａが出口側に接続されている。この排出配管４４Ａから分岐配管４５Ａが分岐しており、この分岐配管４５Ａが水素希釈装置３８Ａに接続されている。

水素希釈装置３８Ａは、アノードオフガスにカソードオフガスを混入させて水素濃度を低下させる。排出配管４４Ａには、その分岐配管４５Ａの分岐位置よりも下流側にマフラー４６Ａが設けられており、マフラー４６Ａよりも下流側に排出配管３５Ａの水素希釈装置３８Ａよりも下流側が合流している。

同様に、他方の第２システム３１Ｂにおいて、燃料電池スタック３０Ｂには、アノード電極３２Ｂに水素ガスを供給する水素供給装置３３Ｂが水素供給配管３４Ｂを介して入口側に接続されており、アノード電極３２Ｂからのアノードオフガスを排出させるアノードオフガス通路を構成する排出配管３５Ｂが出口側に接続されている。ここで、排出配管３５Ｂには戻り配管３６Ｂが接続されており、この戻り配管３６Ｂは水素供給配管３４Ｂに接続されている。

排出配管３５Ｂには、その戻り配管３６Ｂへの接続位置よりも下流側に排出配管３５Ｂを開閉可能な、言い換えれば、アノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁３７Ｂが設けられており、パージ弁３７Ｂよりも下流側に水素希釈装置３８Ｂが設けられている。

また、この第２システム３１Ｂにおいて、燃料電池スタック３０Ｂには、カソード電極４０Ｂに空気を供給するエア供給装置４１Ｂがエア供給配管４２Ｂを介して入口側に接続されており、カソード電極４０Ｂからのカソードオフガス（他のガス）を排出させる排出配管４４Ｂが出口側に接続されている。この排出配管４４Ｂから分岐配管４５Ｂが分岐しており、この分岐配管４５Ｂが水素希釈装置３８Ｂに接続されている。

水素希釈装置３８Ｂは、アノードオフガスにカソードオフガスを混入させて水素濃度を低下させる。排出配管４４Ｂには、その分岐配管４５Ｂの分岐位置よりも下流側にマフラー４６Ｂが設けられており、マフラー４６Ｂよりも下流側に排出配管３５Ｂの水素希釈装置３８Ｂよりも下流側が合流している。

各システム３１Ａ，３１Ｂのそれぞれのアノードオフガス通路の下流側を構成する排出配管４４Ａ，４４Ｂが、アノードオフガス中の水素濃度を低下させる共通の濃度低下装置（合流部）５０で合流させられている。

この濃度低下装置５０は、図９に示すように排出配管４４Ａ，４４Ｂがともに一側に接続されるとともに、逆側に大気への出口５１を有する拡散室５２を内側に有しており、排出配管４４Ａ，４４Ｂからこの拡散室５２に放出されることでアノードオフガスを含むガスは拡散室５２内の空気に拡散されてその水素濃度が低下させられる。

この構成によれば、排出配管４４Ａ，４４Ｂの合流位置に設けられた、アノードオフガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置５０によって、合流させられて大気放出させられるオフガス中の水素濃度を低下させることになる。

したがって、複数の燃料電池スタック３０Ａ，３０Ｂを有する燃料電池システムにおいても、大気放出されるオフガス中の水素濃度を所定の許容値以下にまで十分に低下させた上で、大気放出させることができる。

なお、このような濃度低下装置５０を設ける場合であっても、第１実施形態と同様の開弁制御をパージ弁３７Ａ，３７Ｂに対して行うことができる。その場合、濃度低下装置５０の希釈限界を超えないように、各パージ弁３７Ａ，３７Ｂの開閉タイミングを制御する。

なお、上記した濃度低下装置５０は、以下のような変更が可能である。

図１０に示すように、拡散室５２における排出配管４４Ａ，４４Ｂと出口５１とを結ぶ方向とは異なる方向に外気を導入する導入口５５を設ける。これにより、排出配管４４Ａ，４４Ｂから放出され拡散室５２で空気に拡散されて出口５１からアノードオフガスを含むガスが空気とともに放出されると、導入口５５から新たな外気が拡散室５２に導入されることになる。

よって、アノードオフガスを含むガスの水素濃度をさらに確実に低下させることができる。なお、外気ではなくカソードオフガスを導入口５５から導入するようにしても良い。さらには、外気およびカソードオフガスの両方を導入口５５から導入するようにしても良い。

また、図１１に示すように、アノードオフガス通路を構成する排出配管４４Ａ，４４Ｂを、互いのアノードオフガスを含むガスを衝突させるように濃度低下装置５０に接続させても良い。つまり、排出配管４４Ａの延長線と排出配管４４Ｂの延長線とが交差するように配置するのである。

このようにすれば、濃度低下装置５０にアノードオフガスを含むガスを導入させる際に、アノードオフガスを含むガス同士が衝突して乱流を生じ、濃度低下装置５０内の他のガスと良好に混合することになり、その水素濃度が低下させられることになる。この場合も、上記した導入口５５を設けることが可能である。

さらに、図１２に示すように、濃度低下装置５０に、排気配管４４Ａ，４４Ｂから排出されるアノードオフガスを含むガスの排気で回転させられる羽根車（回転体）５７および外気を導入させる導入口６０を設けても良い。アノードオフガスを含むガスの排気で回転させられると羽根車５７は拡散室５２内のアノードオフガスを含むガスと空気とのミキシングを促進して良好に混合させることになり、その水素濃度を低下させることになる。

この例では、中央のボス５８から二枚の羽根５９を半径方向に延出させた羽根車５７を用いており、斜め外側から羽根車５７に向けて排気配管４４Ａ，４４Ｂのアノードオフガスを含むガスを排出させるようにしている。また、排気配管４４Ａ，４４Ｂを上下に段違いに配置することによって羽根車５７に向けてアノードオフガスを含むガスを導風し易くしている。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの排気水素濃度の変化を実線で、従来を破線で示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの濃度低下装置での各パージ弁の開弁による水素濃度の変化を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの各パージ弁の開閉のタイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの各パージ弁の開閉のタイミングの別の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのパージ弁の異常検出、異常非検出時および異常検出時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの別のシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの濃度低下装置を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は背面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの濃度低下装置の別の例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は背面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの濃度低下装置のさらに別の例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は背面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの濃度低下装置のさらに別の例を示すもので、（ａ）は平断面図、（ｂ）は背面図である。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，３０Ａ，３０Ｂ…燃料電池スタック、１５Ａ，１５Ｂ，３５Ａ，３５Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ…排出配管（アノードオフガス通路）、１９Ａ，１９Ｂ，３７Ａ，３７Ｂ…パージ弁、２７…制御部（制御手段、混入量制御手段）、５０…濃度低下装置（合流部）、５７…羽根車（回転体）

Claims (15)

1. 複数の燃料電池スタックと、各燃料電池スタックに接続されたアノードオフガス通路と、前記各燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁と、アノードオフガスを前記燃料電池スタックに戻すためのアノードオフガス循環通路と、前記パージ弁の開閉を制御する制御手段と、を備えると共に、各アノードオフガス通路を合流またはそれぞれの大気放出端を近接させてなる燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度が所定の許容値を超えないように、前記パージ弁の開閉状態を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記パージ弁は、前記各アノードオフガス通路に配設されたものであり、
   前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度が所定の許容値を超えないように、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御す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. 前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガスの放出タイミングを互いにずらすように、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を流れるガス中の水素濃度に基づいて、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度の時系列的なピークを互いにずらすように、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記各パージ弁の開閉タイミングを非同期とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記各パージ弁の開弁タイミングを互いにずらすことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
8. 少なくとも一部の前記パージ弁よりも下流側に、前記アノードオフガス通路を流れるガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 複数の燃料電池スタックと、各燃料電池スタックに接続されたアノードオフガス通路と、各アノードオフガス通路に配設されて前記各燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁と、前記アノードオフガスを前記燃料電池スタックに戻すためのアノードオフガス循環通路と、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御する制御手段と、を備えると共に、前記各アノードオフガス通路を合流部で合流させてなる燃料電池システムであって、
   前記合流部に、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
10. 前記各アノードオフガス通路は、互いのアノードオフガスを衝突させるように前記濃度低下装置に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記濃度低下装置には、外気および前記燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスの少なくともいずれか一方が導入されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記濃度低下装置には、混合促進用の回転体が設けられていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 複数の燃料電池スタックと、各燃料電池スタックに接続されたアノードオフガス通路と、各アノードオフガス通路に配設されて前記各燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスの大気放出を許可又は禁止するパージ弁と、前記アノードオフガスを前記燃料電池スタックに戻すためのアノードオフガス循環通路と、前記各パージ弁の開閉タイミングを制御する制御手段と、を備えてなる燃料電池システムであって、
    前記アノードオフガスに他のガスを混入させることで、前記各アノードオフガス通路を通じて大気放出されるガス中の水素濃度を低下させる濃度低下装置と、
    少なくとも一部の前記パージ弁が開故障したときに、前記濃度低下装置に対する前記他のガスの混入量を通常時よりも増加させる混入量制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
14. 前記他のガスは、少なくとも一部の前記燃料電池スタックのカソードオフガスであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記他のガスは、システム外から供給される二次空気であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
    
    
    

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