JP2007053070A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】構成の大型化や複雑化、ならびにレイアウトの制約を招くことなく、システムの運転で生じた水分をシステム外に排出することを課題とする。
【解決手段】第１オリフィス１１１を介して気液セパレータ１１０からカソード排気配管１０７に、気液セパレータ１１０で分離された気体成分の水素オフガスを流通させ、気液セパレータ１１０とアノードドレン口１０９との間に気液セパレータ１１０側の圧力が低くなる圧力差を設定し、この圧力差により燃料電池１００で生成された水分を燃料電池１００から気液セパレータ１１０に汲み上げて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電により生成された水分を効率的に回収して除去する燃料電池システムに関する。
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１ならびに特許文献２参照）。文献１で採用された技術では、燃料電池システムから排出される気体中に含まれる水蒸気を回収するためのコンデンサの下流側に絞り弁を設け、コンデンサ内の圧力を上昇させてコンデンサにおける凝縮量を増やし、水蒸気の回収率を向上させている。
一方、文献２で採用された技術では、水素循環系の各部の上下関係を最適化し、凝縮水の滞留を防止している。
特開２００２−１７０５８８ 特開２００２−２３１２９４
上記従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの燃料電池本体がレイアウトの関係上システムの最下部に配置されるような構成では、燃料電池本体から排出されたオフガスならびに水分を、燃料電池本体から水分を回収する気液分離器等に送出し、気液分離器で分離された水分のみをシステム外に排出する必要がある。
このためには、燃料電池本体が最下部に配置されているので、システムを構成する構成要件の配置の上下関係を利用して水分を移動させることはできない。したがって、ポンプ等の動力を使用した送出手段によりオフガスを最下部の燃料電池本体から気液分離器等まで送出しなければならず、構成が大型化したり複雑化するといった不具合を招くことになる。
一方、燃料電池本体から排出されたオフガスを大気中に放出することで、システム外に水分を排気する場合には、アノード系のオフガスは水分と燃料ガス例えば水素ガスとの混合状態であるので、そのままの状態で大気に放出することはできない。このため、希釈ブロアや燃焼器等のオフガス中の水素を希釈して水素濃度を低下させる水素処理装置が必要になり、先の場合と同様に構成が大型化したり複雑化するといった不具合を招くことになる。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の大型化や複雑化、ならびにレイアウトの制約を招くことなく、システムの運転で生じた水分をシステム外に排出することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から燃料オフガスを排出するアノードドレン口よりも高い位置に配置され、前記アノードドレン口から排出された水分と燃料オフガスを導入し、導入された燃料オフガスの気体成分と水分とを分離する第１の気液分離手段と、前記燃料電池のカソードから排出された酸化剤オフガスを前記燃料電池システム外に導出するカソード排気配管と前記第１の気液分離手段との間に設けられ、前記第１の気液分離手段と前記カソード排気配管との間の燃料オフガスの流通路の絞り開度を設定する第１の絞り手段とを有し、前記絞り手段を介して前記第１の気液分離手段から前記カソード排気配管に、前記第１の気液分離手段で分離された気体成分の燃料オフガスを流通させ、前記第１の気液分離手段と前記アノードドレン口との間に前記第１の気液分離手段側の圧力が低くなる圧力差を設け、前記アノードドレン口から前記第１の気液分離手段に水分を導入することを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池のアノードドレン口が第１の気液分離手段よりも低い位置に配置されている場合であっても、動力を使用した汲み上げ手段を設けることなく、燃料電池のアノードドレン口と気液分離手段との間に設けられた圧力差により燃料電池で生成された水分を汲み上げてシステム外に排出することが可能となる。
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、発電を行う燃料電池１００と、この燃料電池１００に燃料ガスである水素（あるいは水素リッチガス）を供給するための水素供給系と、燃料電池１００に酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するための空気供給系とを有している。
燃料電池１００は、水素が供給される水素極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層され、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部を構成する。
燃料電池１００の水素極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
燃料電池１００の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
水素供給源から供給される水素ガスは、水素調圧弁を通って水素供給配管１０１へと送り込まれ、燃料電池１００の水素極に供給される。燃料電池１００では、供給された水素ガスが全て消費されるわけではなく、消費されずに燃料電池１００から排出された水素オフガスは、アノード循環配管１０２を通ってアノード循環ポンプ１０３により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池１００の水素極に供給される。
燃料電池１００の出口側のアノード循環配管１０２には、パージ弁１０４及びパージ配管１０５が設けられている。パージ弁１０４は、通常は閉じられており、燃料電池１００の水詰まりや不活性ガスの蓄積等によるセル電圧の低下を検知すると開放される。アノード循環配管１０２内には水素ガスを循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池１００の発電効率が低下する場合がある。そこで、燃料電池１００の出口側にパージ弁１０４やパージ配管１０５を設け、必要に応じてパージ弁１０４を開放して水素パージを行うことで、アノード循環配管１０２内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。
燃料電池１００の空気供給系は、空気供給手段からの空気を空気供給配管１０６によって燃料電池１００の空気極へと導く。燃料電池１００で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分のカソードオフガスは、燃料電池１００からカソード排気配管１０７を介してシステム外に排出される。
また、燃料電池システムは、アノード水排出系１１５を備えている。燃料電池１００で行われる酸化還元反応の発電の過程でカソード側では水分が生成され、この水分は電解質膜を介してアノード側に移動し、燃料オフガスとともにアノードドレン口１０９から排出される。アノード水排出系１１５はこの水分を汲み上げてシステム外に排出する機能を備えており、気液セパレータ１１０（第１の気液分離手段）と絞り手段（第１の絞り手段）として機能する第１オリフィス１１１とを備えて構成されている。
気液セパレータ１１０は、燃料電池１００のアノード出口マニホールド１０８のアノードドレン口１０９より高い位置に配置され、アノードドレン配管１１２を介して燃料電池１００のアノードドレン口１０９に連結されている。気液セパレータ１１０には、その下部に液水を一時的に貯留する水タンク１１３が設けられ、この水タンク１１３には水タンク１１３に貯留された液水をシステム外に排出制御する排水弁１１４が設けられている。気液セパレータ１１０は、燃料電池システムのアノードドレン口１０９から排出された、燃料電池１００内で生成された液水と水素オフガスを導入し、液水と気体成分とを分離し、分離した液水を水タンク１１３に一時的に溜め、水タンク１１３に溜まった液水を排水弁１１４を介して適宜排出する。
第１オリフィス１１１は、気液セパレータ１１０とカソード排気配管１０７との間に設けられ、気液セパレータ１１０で水分が分離された気体成分の水素オフガスを流通させることで第１オリフィス１１１の上流側と下流側で圧力差を生じさせ、通過した水素オフガスをカソード排気配管１０７に送出する。
また、燃料電池システムは図示していないがシステム制御部を備え、このシステム制御部は本燃料電池システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。システム制御部は、本燃料電池システムにおける各センサ類（図示せず）で得られる圧力、温度、電圧、電流等本システムの運転に必要な信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本燃料電池システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、燃料電池システムの水分排出処理を含む、本燃料電池システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
このような構成において、第１オリフィス１１１は、アノードドレン口１０９と気液セパレータ１１０の入口との間で、アノードドレン口１０９と気液セパレータ１１０の入口との高低差Ｌ（液水の汲み上げ高さ）と、アノードドレン配管１１２の配管圧損ΔＰｓとの和以上の圧力差を確保できる範囲に設定する。すなわち、以下に示す関係となるように設定される。
（数１）
Ｌ（ｍｍ）／１００（ｋＰａ）＋ΔＰｓ＜ΔＰ（ｋＰａ）＝Ｐ２−Ｐ１
ここで、Ｌ：高低差、ΔＰｓ：アノードドレン配管１１２の配管圧損、Ｐ１：気液セパレータ１１０内の圧力、Ｐ２：アノード出口マニホールド１０８内の圧力である。
また、第１オリフィス１１１は、第１オリフィス１１１を通過して下流側に流通する水素オフガスをカソード排気配管１０７を介して排気されたカソードオフガスで可燃水素濃度以下に希釈できる範囲に設定される。
この実施例１では、上述したように第１オリフィス１１１を設定し、この第１オリフィス１１１に水素オフガスを通過させることで、気液セパレータ１１０とアノード出口マニホールド１０８間のアノードドレン配管１１２に圧力差を生じさせることができる。この圧力差を利用して、燃料電池１００で生成されてアノード出口マニホールド１０８ならびにアノードドレン口１０９から排出された液水を、アノード出口マニホールド１０８ならびにアノードドレン口１０９よりも高い位置に配置された気液セパレータ１１０に汲み上げることが可能となる。
気液セパレータ１１０とアノード出口マニホールド１０８との間に、両者の高低差とアノードドレン配管１１２の配管圧損とで決まる圧力差を確保できる燃料オフガスを排出することで液水の汲み上げが可能となり、かつ第１オリフィス１１１を通過した水素オフガスをカソード排気と混合させるだけで水素の希釈が可能となる。
これにより、ポンプ等の動力を使用した水汲み上げ手段や、希釈ブロア、燃焼器等の排出水素処理手段を必要とせず、排水処理が可能となり、燃費向上、低コスト、小型化、ならびにシステムの簡素化が図られ、信頼性を向上することができる。また、常時アノードドレン口１０９から液水を汲み上げてシステム外に排出することで、燃料電池１００のフラッディングを防ぐことができ，性能が安定する。
図２は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図２に示す実施例２の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、燃料電池１００のアノードドレン口１０９と気液セパレータ１１０との間のアノードドレン配管１１２に、第１オリフィス１１１と同機能を有する第２オリフィス２０１（第２の絞り手段）を設けたことにあり、他は実施例１と同様である。
このような実施例２では、先の実施例１に比べて、気液セパレータ１１０とアノード出口マニホールド１０８間に生じる圧力差を増加させることが可能となり、水の汲み上げ能力が向上し、性能を向上することができる。
図３は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す実施例３の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、第１オリフィス１１１と並列に第１オリフィス１１１と同機能の第３オリフィス３０１を設け、第１オリフィス１１１ならびに第３オリフィス３０１のそれぞれの下流側に第１遮断弁３０２、第２遮断弁３０３を設けたことにあり、他は実施例１と同様である。
このような構成において、システム制御部の制御の下に第１遮断弁３０２、第２遮断弁３０３を開閉制御し、気液セパレータ１１０とカソード排気配管１０７との間の流路面積を変更することが可能となる。第１遮断弁３０２ならびに第２遮断弁３０３は、開放時の開口面積が例えば第１遮断弁３０２＞第２遮断弁３０３に設定され、例えば図４に示すように、システムの運転圧力（＝アノード系内圧力）、燃料電池温度、取り出し電流のシステムの運転条件に応じて開閉制御されて開口面積を可変する。すなわち、運転圧力が高い程、水汲み上げ量及び水素排出量が増加し、燃料電池温度が高いほど、取り出し電流が大きいほど、燃料電池１００で生成される水量が増えるので、これらの運転条件に基づいて、水素排出量、水汲み上げ量を計算又は実験的に最適化を図り、オリフィス径、遮断弁の切り替えタイミングを決定する。
このような実施例３においては、絞り面積を変更することが可能となり、システムの運転状況に応じた水汲み上げ量及び水素排出量を変更することにより、フラッディングを防止して信頼性を向上することができ、また水素排出量を低減して燃費を向上することができる。
さらに、必要とする水汲み上げ量を確保した上で水素排出量を減らすことが可能となり、燃費の向上が図られる。また、システムの負荷及び燃料電池温度から予想される生成水量に応じてオリフィスを開閉制御することで、アノード出口マニホールド１０８に溜まる水量を減らすことが可能となり、フラッディングの防止、ならびに窒素パージの効率化を図ることができる。
図５は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示す実施例４の特徴とするところは、先の実施例３に比べて、第１オリフィス１１１ならびに第３オリフィス３０１と並列に第４オリフィス５０１を設け、第４オリフィス５０１の下流側に第３遮断弁５０２を設けたことにあり、他は実施例３と同様である。
このような構成において、第１遮断弁３０２、第２遮断弁３０３、第３遮断弁５０２は、開放時の開口面積が例えば第１遮断弁３０２＞第２遮断弁３０３＞第３遮断弁５０２に設定され、例えば図６に示すように、システムの運転圧力（＝アノード系内圧力）、燃料電池温度、取り出し電流のシステムの運転条件に応じて開閉制御されて開口面積を可変する。
したがって、この実施例４においては、先の実施例３に比べてより一層精度よく絞りを調整することが可能となり、水汲み上げ量及び水素排出量を高精度に制御することが可能となる。
図７は本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例５の特徴とするところは、先の実施例３に比べて、アノード循環配管１０２からパージ弁１０４とパージ配管１０５を削除し、アノード系の窒素パージをアノード水排出系で行うようにしたことにあり、他は実施例１と同様である。
アノードドレン配管１１２，気液セパレータ１１０、第１オリフィス１１１、第１遮断弁３０２、第３オリフィス３０１、第２遮断弁３０３、カソード排気配管１０７で構成されるアノード水排出系１１５で、燃料電池１００のアノードから窒素をカソード排気配管１０７にパージするようにしている。
これにより、この実施例５では、パージ弁１０４ならびにパージ配管１０５の削減が可能となり、構成の小型化ならびに低コスト化が図れる。また、アノード系の要求窒素パージ量に応じて、第１オリフィス１１１、第３オリフィス３０１を開閉制御して流路面積を変えることで、要求パージ量を満たしつつ水の汲み上げが可能となり、過大な水素排出を防止して燃費の向上を図ることができる。
図８は本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図８に示す実施例６の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、第１オリフィス１１１に代えて可変絞り弁８０１を設けたことにあり、他は実施例１と同様である。
可変絞り弁８０１は、システム制御部の制御の下に開口面積（絞り開度）が可変可能に設定されている。
このような実施例６においては、１つの弁でアノード出口マニホールド１０８と気液セパレータ１１０間の圧力差の変更が可能となり、構成を小型化することができる。
また、可変絞り弁８０１の開口面積により圧力差を自由に設定できるため、運転圧力（＝アノード系内圧力）、燃料電池温度、取り出し電流の運転条件に応じて開口面積を変化させて圧力差の設定が可能となる。これにより、先の実施例１〜４に示すオリフィスによる開口面積の調整に比べて、水汲み上げ量及び水素排出量をより精度よく適正化することができ、フラッディングの防止（信頼性向上）、ならびに水素排出量の低減（燃費向上）ができる。
図９は本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図９に示す実施例７の特徴とするところは、先の実施例６に対して、先の実施例５の特徴を採用し、アノード循環配管１０２からパージ弁１０４とパージ配管１０５を削除し、アノード系の窒素パージをアノード水排出系１１５で行うようにしたことにあり、他は実施例６と同様である。
したがって、このような実施例７においては、実施例６で得られる効果を得ることができることに加えて、先の実施例５に比べて、精度良く実パージ量を要求パージ量に近づけることができ、無駄な水素の排出を抑制して燃費を向上することができる。
図１０は本発明の実施例８に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１０に示す実施例８の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、気液セパレータ１１０の水タンク１１３内に水位検出手段１００１を設けたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
このような実施例８においては、水位検出手段１００１で検出された水位をシステム制御部に入力し、この検出された水位に基づいてシステム制御部の制御の下に水タンク１１３の排水弁１１４を開閉制御して水タンク１１３の水位を調整することで、水タンク１１３内の水位の維持が可能となり、排水弁１１４を介して水タンク１１３から排水する際に水素洩れを防止することができ、安全性を向上することができる。また、水タンク１１３の水位低下を迅速に検出することが可能となり、信頼性を向上することができる。
図１１は本発明の実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１１に示す実施例９の特徴とするところは、先の実施例２に比べて、気液セパレータ１１０とアノード出口マニホールド１０８間に両箇所の圧力差を検出する差圧計１１０１（圧力検出手段）を設置したことにあり、他は先の実施例２と同様である。
アノード出口マニホールド１０８と気液セパレータ１１０とを連結するアノードドレン配管１１２中に水が存在する場合と存在しない場合とでは、圧力差が異なる。水が存在する場合の方が圧力差が大きくなるので、その場合には差圧計１１０１で検出された差圧に基づいて第１オリフィス１１１、第３オリフィス３０１の開口面積が大きくなるように第１遮断弁３０２ならびに第２遮断弁３０３を開閉制御し、水の汲み上げ量（速度）を増加する。これにより、燃料電池１００内の水分を迅速に排出することが可能となり、フラッディングを防止して信頼性を向上することができることに加えて、窒素パージの効率化を図り性能を向上することができる。
図１２は本発明の実施例１０に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１２に示す実施例１０の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、アノード循環配管１０２とパージ配管１０５との分岐点の上流側に、アノード水排出系１１５に設けられた気液セパレータ１１０と同様な機能を有する循環系気液セパレータ１２０１（第２の気液分離手段）を設置したことにあり、他は実施例１と同様である。
この実施例１０においては、アノード水排出系１１５で回収できずにアノード循環配管１０２に流出した水分を、循環系気液セパレータ１２０１で回収することが可能となる。これにより、アノード循環ポンプ１０３等の循環系の構成部品への液水の流入を防ぐことができ、更なる性能ならびに信頼性の向上を図ることができる。
図１３は本発明の実施例１１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１３に示す実施例１１の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、水タンク１１３から排出された液水とカソード排気配管１０７に排気されたカソードオフガスとを合流させる合流部１３０１を設けたことにある。
合流部１３０１は、排水配管１３０２を介して水タンク１１３の液水を排水制御する排水弁１１４に連結され、第１オリフィス１１１の下流側とカソード排気配管１０７との連結部１３０３よりも下流側のカソード排気配管１０７に分岐配管１３０４を介して連結されている。合流部１３０１には、合流部１３０１内の水素濃度を検出し、検出した水素濃度をシステム制御部に与える水素濃度センサ１３０５が設けられている。他は、先の実施例１と同様である。
このような構成において、水タンク１１３に溜まった液水は、排水弁１１４が開弁されると排水配管１３０２を介して合流部１３０１に流入する。このとき、水タンク１１３から排水弁１１４を介して排水配管１３０２に水素ガスが漏れた場合であっても、漏れた水素ガスは合流部１３０１でカソード排気配管１０７から分岐配管１３０４を介して合流部１３０１に流入したカソードオフガスと合流してカソードオフガスで希釈され、合流部１３０１から外部に排気される、
これにより、水素ガスを安全に排気することが可能となる。また、水素濃度センサ１３０５で合流部１３０１内の水素濃度を検出することで、水タンク１１３から水素ガスが漏れていることを検知することが可能となる。
図１４は本発明の実施例１２に係る燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。この実施例１２の特徴とするところは、先の実施例１１に示す燃料電池システムにおいて、水タンク１１３に先の実施例８の図１０に示すと同様の、水タンク１１３の水位を検出する水位検出手段（図示せず）を設け、水タンク１１３に導入される液水の量を推定した結果に基づいて、円滑に排水を行うようにしたことにある。
図１４において、先ず燃料電池１００から水タンク１１３内に液水がどの程度導入されているかを判別する（ステップＳ１４１）。水タンク１１３への液水の導入量は、水タンク１１３の水位が変動した回数（水位変動回数）や排水弁１１４が開閉作動した回数（作動回数）、もしくは排水配管１３０２を流通して気液分離センサで判定された液体の頻度（液体判定頻度）を測定した結果に基づいて推定する。
ここで、水位変動回数は、上記水位検出手段で検出された水位に基づいてシステム制御部で計測する。同様に、排水弁１１４の作動回数は、システム制御部で排水弁１１４を開閉制御した回数を計測する。液体判定頻度は、排水弁１１４と合流部１３０１との間の排水配管１３０２に気液分離センサ（図示せず）を設置し、この気液分離センサで排水配管１３０２を流通した液体を検出し、その検出結果に基づいてシステム制御部で流通した液体の頻度を計測する。
次に、図１５に示す各諸量の関係を示す図を参照して、水タンク１１３への液水の導入量を推定する方法について説明する。
水タンク１１３へ導入された水の導入水量は、図１５（ａ）に示すように、燃料電池システムに要求される要求負荷が大きいほど、また燃料電池１００の運転温度が低いほど大きくなる傾向にある。要求負荷ならびに運転温度に対して、図１５（ａ）に示すような傾向の導入水量とほぼ同程度に液水が水タンク１１３に導入された場合に、上述した水位変動回数、作動回数、ならびに液体判定頻度は、要求負荷ならびに運転温度に対してそれぞれ図１５（ｂ）〜同図（ｄ）に示すような関係を示す。これらの関係は、予め実験等で取得し、システム制御部内の記憶装置に例えばマップ等の形式で記憶し、導入水量推定手段として使用される。すなわち、上述したようにして実際に測定された水変動回数、作動回数もしくは液体判定頻度と、図１５（ｂ）〜同図（ｄ）に示す値とを比較し、比較結果と図１５（ａ）に示す導入水量とを対応させることで、水タンク１１３へ導入された導入水量を推定し、液水が水タンク１１３に導入されているか否か、ならびに推定した導入水量が予め実験等で設定された規定量以下であるか否かをシステム制御部で判別する。
判別の結果、水タンク１１３に液水が導入されていないものと判別された場合には、排水弁１１４を開弁する（ステップＳ１４２）。
排水弁１１４は、通常水位検出手段の出力値がある一定値に達した場合に開弁される。しかし、水タンク１１３から水素ガスを排出制御する第１オリフィス１１１の絞りが閉塞すると、水タンク１１３と燃料電池１００との間で圧力差がなくなる。これにより、燃料電池１００から水タンク１１３へ液水が導入されず、水タンク１１３の水位が変動しないため水タンク１１３に溜まった液水は排出されない。
そこで、液水が水タンク１１３へ導入されていないと判別された場合には、水タンク１１３の水位にかかわらず排水弁１１４を開弁する。これにより、水タンク１１３の内圧を下げ、圧力差で燃料電池１００から水タンク１１３へ液水を導入する。このとき、水タンク１１３の内圧をできるだけ下げるようにする。したがって、水位検出手段の水位下限値を通常の設定値よりも小さく設定する。
排水弁１１４を開弁した後、水タンク１１３の水位が上記水位下限値に達したか否かを判別し（ステップＳ１４３）、判別の結果水位下限値に達すると排水弁１１４を閉じる（ステップＳ１４４）。なお、排水弁１１４を閉弁するタイミングは、例えば予め定めた時間、もしくは水タンク１１３内の圧力が所定の値に達したときとするようにしてもよい。
一方、先のステップＳ１４１の判別処理において、推定された導入水量が規定量以下であると判別された場合には、水タンク１１３とカソード排気配管１０７との間に設置された、この実施例１４では第１オリフィス１１１で構成された絞り部に滞留する液水を除去する水除去手段を作動させる（ステップＳ１４５）。
ここで、水除去手段としては、例えば第１オリフィス１１１に代えて、先の図８に示す実施例６で用いたと同様の可変絞り弁（図示せず）を採用する。この可変絞り弁は、実施例６の可変絞り弁と同様にシステム制御部の制御の下に開口面積（絞り開度）が可変可能な電磁弁として構成されている。このような可変絞り弁を用いることで、水タンク１１３への推定導入水量が規定量以下であると判別された場合には、可変絞り弁の開口面積を大きくして液水の滞留により狭められていた水素ガスの流通路を拡げて流通面積を回復する（ステップＳ１４６）。これにより、水タンク１１３の内圧を低下させて水タンク１１３への導入水量を増加させ、その後可変絞り弁の開度制御を停止（水除去手段の作動停止）する（ステップＳ１４７）。
一方、水除去手段として、システム制御部の制御の下に第１オリフィス１１１を加熱する加熱手段として機能する例えば電気ヒータ（図示せず）を採用してもよい。この場合には、水タンク１１３への推定導入水量が規定量以下であると判別された場合には、電気ヒータに通電して第１オリフィス１１１を加熱し第１オリフィス１１１に溜まった液水を蒸発させて除去する。これにより、第１オリフィス１１１における流通面積を確保して、水タンク１１３の内圧を低下させ水タンク１１３への導入水量を増加させる。
あるいは、水除去手段として、燃料電池システムの運転圧を上昇させるようにしてもよい。運転圧を上昇させることで、絞り部の前後差圧が大きくなり、絞り部に溜まった液水を除去し、水タンク１１３の内圧を低下させ水タンク１１３への導入水量を増加させる。
先のステップＳ１４１の判別結果において、推定した導入水量が上記規定量以上である場合には、水タンク１１３に液水が適正に導入されているものと判断して、本制御を終了する。
このように、この実施例１４では、水タンク１１３に液水が円滑に導入されていないと推定された場合には、水タンク１１３の排水を促進させたり、水タンク１１３側の圧力を下げることで、燃料電池１００から水タンク１１３に液水を円滑に導入することが可能となる。これにより、燃料電池１００からの排水が滞りなく行われ燃料電池システムでは安定して発電を行うことができる。
なお、上記実施例１１ならびに実施例１２において、窒素パージをアノード水排出系１１５にて行うことが可能である。すなわち、パージ弁１０４を閉弁する一方、排水弁１１４を開弁することで排水弁１１４を介して窒素パージを行う。なお、窒素パージをアノード水排出系１１５にて行う際に、パージ弁１０４を閉弁する頻度を、排水弁１１４から排出される水素とパージ弁１０４から排出される水素の合計で決定する場合に、窒素パージ性能を満足させる水素排出量に設定する。
これにより、水素の排出量を少なくすることができ、またアノード水排出系１１５にて窒素パージを兼ねることで、窒素をパージするパージ弁を削減することが可能となり、低コスト、省スペース（小型化）を図ることができる。
なお、上記実施例１〜１２は適宜組み合わせて実施してもよい。
本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 実施例３における遮断弁の開閉制御の一例を示す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 実施例４における遮断弁の開閉制御の一例を示す図である。 本発明の実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例７に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例８に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例９に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１０に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１２に係る燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１２に係る各諸量の関係を示す図である。
符号の説明
１００…燃料電池
１０１…水素供給配管
１０２…アノード循環配管
１０３…アノード循環ポンプ
１０４…パージ弁
１０５…パージ配管
１０６…空気供給配管
１０７…カソード排気配管
１０８…アノード出口マニホールド
１０９…アノードドレン口
１１０…気液セパレータ
１１１…第１オリフィス
１１２…アノードドレン配管
１１３…水タンク
１１４…排水弁
１１５…アノード水排出系
２０１…第２オリフィス
３０１…第３オリフィス
３０２…第１遮断弁
３０３…第２遮断弁
５０１…第４オリフィス
５０２…第３遮断弁
８０１…可変絞り弁
１００１…水位検出手段
１１０１…差圧計
１２０１…循環系気液セパレータ
１３０１…合流部
１３０２…排水配管
１３０３…連結部
１３０４…分岐配管
１３０５…水素濃度センサ

Claims (20)

  1. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池から燃料オフガスを排出するアノードドレン口よりも高い位置に配置され、前記アノードドレン口から排出された水分と燃料オフガスを導入し、導入された燃料オフガスの気体成分と水分とを分離する第１の気液分離手段と、
    前記燃料電池のカソードから排出された酸化剤オフガスを前記燃料電池システム外に導出するカソード排気配管と前記第１の気液分離手段との間に設けられ、前記第１の気液分離手段と前記カソード排気配管との間の燃料オフガスの流通路の絞り開度を設定する第１の絞り手段とを有し、
    前記絞り手段を介して前記第１の気液分離手段から前記カソード排気配管に、前記第１の気液分離手段で分離された気体成分の燃料オフガスを流通させ、前記第１の気液分離手段と前記アノードドレン口との間に前記第１の気液分離手段側の圧力が低くなる圧力差を設け、前記アノードドレン口から前記第１の気液分離手段に水分を導入する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記アノードドレン口と前記第１の気液分離手段との間に、前記アノードドレン口から前記第１の気液分離手段へ流通する燃料オフガスの流通路の絞り開度を設定する第２の絞り手段を設けた
    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. 前記第１の絞り手段または前記第２の絞り手段は、オリフィスで構成されている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第１の絞り手段は、並列に接続された複数のオリフィスと、前記複数のオリフィスのそれぞれに直列に接続された複数の遮断弁とを備えて構成されている
    ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池の燃料ガスの運転圧力に基づいて、前記複数の遮断弁を開閉制御し、燃料オフガスの流通路の絞り開度を調整する
    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. 前記燃料電池の負荷ならびに温度に基づいて、前記複数の遮断弁を開閉制御し、燃料オフガスの流通路の絞り開度を調整する
    ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１の気液分離手段ならびに前記第１の絞り手段を介して、前記燃料電池に滞留する窒素をパージする
    ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池からパージする窒素の要求窒素パージ量に基づいて、前記第１の絞り手段の絞り開度を調整する
    ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記第１の絞り手段は、絞り開度を可変できる可変絞り弁で構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池の燃料ガスの運転圧力に基づいて、前記可変絞り弁の絞り開度を可変し、燃料オフガスの流通路の絞り開度を調整する
    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. 前記燃料電池の負荷ならびに温度に基づいて、前記可変絞り弁の絞り開度を可変し、燃料オフガスの流通路の絞り開度を調整する
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  12. 前記第１の気液分離手段ならびに前記可変絞り弁を介して、前記燃料電池に滞留する窒素をパージする
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池からパージする窒素の要求窒素パージ量に基づいて、前記可変絞り弁の絞り開度を調整する
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  14. 前記第１の気液分離手段は、分離して得られた水分を貯留する水タンクを備え、
    前記水タンクには、前記水タンク内に貯留された液水の水位を検出する水位検出手段を設けた
    ことを特徴とする請求項４〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  15. 前記水位検出手段で検出された水位に基づいて、前記第１の絞り手段または前記可変絞り弁の絞り開度を調整する
    ことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記アノードドレン口と前記第１の気液分離手段との間の圧力差を検出する圧力検出手段を備え、
    前記圧力検出手段で検出された圧力差に基づいて、前記第１の絞り手段または前記可変絞り弁の絞り開度を調整する
    ことを特徴とする請求項４〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  17. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池のアノード入口側に戻すアノード循環系を備え、
    前記アノード循環系に、前記アノード循環系を流通する燃料オフガスの気体成分と水分を分離する第２の気液分離手段を設けた
    ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  18. 前記第１の気液分離手段は、分離して得られた液水を貯留する水タンクを備え、
    前記水タンクに貯留された液水を前記水タンクから排水制御する排水弁と、
    前記排水弁を介して前記水タンクから排水された液水と、前記カソード排気配管を流通する酸化剤オフガスとを合流させてシステム外に排気する合流部と
    を有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。
  19. 前記燃料電池の要求負荷ならびに運転温度に基づいて、前記燃料電池から前記第１の気液分離手段に流入されて前記水タンクに導入される導入水量を推定する推定手段を備え、 前記推定手段による推定の結果、前記水タンクに液水が導入されていないものと推定された場合には、前記排水弁を開弁して前記水タンクに貯留された液水を排水する
    ことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
  20. 前記燃料電池の要求負荷ならびに運転温度に基づいて、前記燃料電池から前記第１の気液分離手段に流入されて前記水タンクに導入される導入水量を推定する推定手段と、
    前記第１の絞り手段に滞留する水分を除去する水除去手段とを備え、
    前記推定手段による推定の結果、前記水タンクに導入された液水が予め設定された規定量以下であると推定された場合には、前記水除去手段で前記第１の絞り手段に滞留する水分を除去する
    ことを特徴とする請求項１または１９に記載の燃料電池システム。
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