JP2007103137A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 循環装置への凝縮水の流入を防止する。
【解決手段】
気水分離器１７と循環装置１９との間に設けられ、気水分離器１７で液水を分離除去した排出燃料ガスを循環装置１９へと導く循環装置供給配管３１、３２を備え、当該燃料電池システム１の運転状態が、循環装置供給配管３１又は３２内で凝縮水の生成が推定される運転状態から、生成された凝縮水の循環装置１９への流入が推定される運転状態へと移行したことに応じて、循環装置供給配管３１、３２のうち配管内を乾燥状態とされた配管が、気水分離器１７で液水を分離除去した排出燃料ガスを循環装置１９へと導く配管となるように切り換えることで実現する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池システム内で生成される凝縮水による弊害を防止する燃料電池システムに関する。

化石燃料の枯渇危機、並びに化石燃料の燃焼による大気汚染、地球温暖化の問題に対応すべく、圧縮された燃料ガスを消費することで走行する車両が考案されている。このように燃料ガスを消費することで走行する車両としては、例えば、燃料ガスとして水素ガスを用い、水素ガスと空気ガス中の酸素との化学反応により発生させた電気エネルギーで走行する燃料電池車がある。

このような燃料電池車に搭載される燃料電池は、その発電原理上、燃料電池の電解質膜を十分に含水させた湿潤状態にする必要がある。例えば、燃料電池に供給する燃料ガス、空気ガスを加湿器により加湿して燃料電池に供給することで電解質膜の湿潤状態を保つようにする。

このように、燃料電池内は、電解質膜の電気伝導性を良好とするような湿潤状態にする必要があるため、燃料電池へ燃料ガス、空気ガスを供給する配管内では、ガス中に含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成されてしまう可能性が非常に高くなっている。

この凝縮水が、配管内に留まった場合には、配管中のガスの流れを阻害して安定した流量のガス供給を妨げたり、燃料電池のセルに流入した場合には、電解質膜付近での水分過多によるフラッディングなどを引き起こしてしまい、燃料電池の運転において様々な悪影響をもたらしてしまう。

そこで、加湿器から電池セルまでの配管内の温度を加湿器の温度よりも高くすることで、水蒸気の凝縮を防ぎ、凝縮水の電池セルへの侵入を防止するようにした固体高分子形燃料電池装置及びその運転方法が開示されている（特許文献１参照。）。
特開２０００−２５１９１２号公報

しかしながら、特許文献１で開示されている手法を適用した場合、特許文献１では、配管に巻き付けたヒータにより配管を加熱することで、配管の温度を加湿器の温度よりも高く維持するようにしているため、凝縮水の生成を回避するためだけに余計なエネルギーを費やしてしまうといった問題がある。

ところで、燃料電池の燃料極に燃料ガスを循環させて供給する燃料電池システムでは、長時間のアイドリング放置後やアイドリングストップ後に、配管内に凝縮水が貯まってしまうことが多く、特に、燃料極から排出された燃料ガスの水蒸気を凝縮させて水分を分離する気水分離器と、燃料ガスを循環させる循環装置との間の配管内で生成された凝縮水は、除去不可能であり循環装置にそのまま流入してしまうことになる。

循環装置に凝縮水が流入してしまうと、循環装置の性能低下を引き起こしたり、例えば、燃料電池を零下起動させる際に凍結してしまうなど、様々な問題を引き起こしてしまう。

そこで、本発明は、上述したような問題を解決するために提案されたものであり、燃料電池の燃料極に燃料ガスを循環させて供給する燃料電池システムで生成される凝縮水の循環装置内への流入を防止す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。

本発明は、上述した課題を解決するために、排出燃料ガス中の液水を分離除去する気水分離手段と、気水分離手段と循環手段との間に設けられ、気水分離手段で液水を分離除去した排出燃料ガスを循環手段へと導く複数の配管と、当該燃料電池システムの運転状態が、配管内で凝縮水の生成が推定される運転状態から、生成された凝縮水の循環手段への流入が推定される運転状態へと移行したことに応じて、複数の配管のうち配管内を乾燥状態とされた配管が、気水分離手段で液水を分離除去した排出燃料ガスを循環手段へと導く配管となるよう切り換える制御手段とを備えるようにした。

本発明によれば、燃料電池の燃料極に燃料ガスを循環させて供給する燃料電池システムで生成される凝縮水の循環装置内への流入を良好に防止することができる。

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。

まず、本発明の実施の形態について説明する前に、図１を用いて、燃料電池の燃料極に燃料ガスを循環させて供給する燃料電池システムの一般的な構成について説明をする。

図１に示すように、燃料電池システム６０は、燃料電池本体である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の燃料極であるアノード１１に水素を供給する水素ガス循環供給系２０と、燃料電池スタック１０の酸化剤極であるカソード１２に酸化剤ガスである空気ガスを供給する図示しない空気ガス供給系と、当該燃料電池システム６０の運転を統括的に制御するシステムコントローラ３０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、発電単位である単セルを複数積層することで構成され、アノード１１に燃料ガスとして供給される水素ガスと、カソード１２に供給される空気ガス中の酸素の化学反応により発電する。

例えば、燃料電池スタック１０は、電解質として高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）などであり、単セルの構造が、高分子電解質膜の両側に触媒層をそれぞれ設け、燃料極、酸化剤極が形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）として一体化されている。

水素ガス循環供給系２０は、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクといった水素タンク１４、水素ガスの圧力調整をする水素ガス圧力調整弁１５、水素ガスを加湿する加湿器１６が設けられ、水素タンク１４に貯蔵された水素ガスを燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する水素ガス供給配管２１と、アノード１１から水素ガスを排出する水素ガス排出配管２２と、排出された水素ガスの水蒸気を凝縮して水分を分離する気水分離器１７、パージ弁１８が設けられ、水素ガスを循環させる循環装置１９へ水素ガスを導く循環装置供給配管２３と、循環装置１９で循環させる水素ガスを水素ガス供給配管２１へ導く循環装置排出配管２４とを備えている。

循環装置１９は、例えば、循環ポンプやブロワなどであり、システムコントローラ３０の指示に応じた循環装置コントローラ１９ｃによって駆動制御される。循環装置１９は、燃料電池システム６０の運転時には、燃料電池スタック１０で発電された電力を使用して駆動されるが、燃料電池システム６０の起動時には、外部からの充電可能な燃料電池スタック１０の補助電源である図示しない蓄電器などから供給される電力で駆動される。

このような水素ガス循環供給系で２０は、水素ガス供給配管２１の水素ガス圧力に応じたシステムコントローラ３０の制御により、水素ガス圧力調整弁１５の開度を制御することで、水素タンク１４から水素ガス供給配管２１を介して供給される水素ガスを、当該燃料電池システム６０が運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して、燃料電池スタック１０のアノード１１へ供給する。

また、水素ガス循環供給系２０では、システムコントローラ３０の制御により、燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する水素ガス流量を、出力電流に相当する反応水素ガス流量より当量比を大きくすることで、複数のセルで構成される燃料電池スタック１０の各セルに、不足なく水素ガスが供給できるようにされている。

さらにまた、発電を継続するにつれて、燃料電池スタック１０のアノード１１には、水素ガス以外の不純物ガス、例えば窒素などが蓄積され、水素濃度を減少させてしまう。水素濃度が減少すると発電効率の低下、燃料電池スタック１０の劣化を招くので、システムコントローラ３０は、パージ弁１８の開度を制御することで不純物ガスを排出するよう制御する。

一方、図示しない空気ガス供給系では、空気ガスを供給する空気供給配管の圧力に応じたシステムコントローラ３０の制御により、圧力調整弁の開度、空気を圧縮して空気ガスとして供給するコンプレッサの回転数を制御することで、空気供給配管を介して供給される空気を、当該燃料電池システム６０が運転できる範囲で定められた所定の圧力に調整して、燃料電池スタック１０のカソード１２へ供給する。

システムコントローラ３０は、燃料電池システム６０を統括的に制御する制御手段であり、上述したような燃料電池スタック１０のアノード１１の水素ガス圧力、カソード１２の空気ガス圧力を制御しながらの、アノード１１、カソード１２への水素ガス、空気ガスの供給制御を行う。

燃料電池スタック１０からの出力電力は、燃料電池システム６０で電力供給を担う負荷へと供給される。例えば、この燃料電池システム６０が車両に搭載されている場合、燃料電池スタック１０からの出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータにて電力調整がなされ、負荷である車両モータや空気ガス供給系のコンプレッサ、複数の補機を駆動する補機駆動モータなどに供給される。

このような、図１に示す燃料電池システム６０を踏まえ、本発明の実施の形態について以下に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、図２を用いて、本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システム１の要部構成について説明をする。

図２に示すように、本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システム１は、図１に示した燃料電池システム６０の１本の循環装置供給配管２３に換えて、２本の循環装置供給配管３１、３２を備えた構成となっている。それ以外の構成については、図１に示した燃料電池システム６０と全く同じであるため、重複する箇所については説明を省略する。

循環装置供給配管３１は、循環装置１９側にバルブ４０を、気水分離器１７側にバルブ４１を備えている。一方、循環装置供給配管３２は、循環装置１９側にバルブ４２を、気水分離器１７側にバルブ４３を備えている。循環装置供給配管３１、３２は、必ずどちらか一方の配管を乾燥状態とし、循環装置１９を駆動させてアノード１１から排出された水素ガスを循環装置１９へと流入させる際には、必ず乾燥状態となった配管を水素ガスが通過するようにシステムコントローラ３０によって各バルブの開閉制御がなされる。

例えば、燃料電池システム１の運転時において、循環装置供給配管３１を使用する場合には、バルブ４０、４１を開状態とし、バルブ４２、４３を閉状態となるように制御する。このとき、循環装置供給配管３２の内部は乾燥状態に保たれている。

このような状態で、燃料電池システム１を長時間アイドルさせたり、運転を停止してアイドルストップした場合、アノード１１から排出された水素ガスを通過させていた循環装置供給配管３１内には、凝縮水が生成されている可能性が高い。

そこで、長時間のアイドルやアイドルストップされた状態から、燃料電池システム１の運転を再開する場合、システムコントローラ３０は、バルブ４０、４１を閉じて、凝縮水が貯まっている可能性の高い循環装置供給配管３１の使用をやめ、バルブ４２、４３を開き、乾燥状態となっている循環装置供給配管３２を使用するように制御する。

このように、凝縮水が生成される可能性の高い、長時間のアイドルやアイドルストップとされた状態といった燃料電池システム１の運転状態から、燃料電池システム１の運転を再開させる際に、使用する循環装置供給配管３１、３２を交互に切り換えることで、循環装置１９への凝縮水の流入を防止することができる。

図２では、循環装置１９に水素ガスを供給する配管として２本の循環装置供給配管３１、３２を設けているが、循環装置供給配管３１、３２と同様のバルブを設けた複数の循環装置供給配管を用意するようにしてもよい。循環装置供給配管を複数用意する場合は、若干コストが増加してしまうが、バルブが開かれ使用される順番が回ってくるまでの時間をより多く稼ぐことができるため、待機している間に配管内を確実に乾燥状態とすることができる。

［第２の実施の形態］
続いて、図３を用いて、本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システム２の要部構成について説明をする。

図３に示すように第２の実施の形態として示す燃料電池システム２は、図２に第１の実施の形態として示した燃料電池システム１の水素タンク１４から燃料電池スタック１０へと水素ガスを供給する水素ガス供給配管２１を、水素ガス供給配管２１ａ、２１ｂとに分岐し、分岐した水素ガス供給配管２１ａを、分岐配管３３、３４を介して循環装置供給配管３１、３２と気水分離器１７側で接続し、同じく分岐した水素ガス供給配管２１ｂを、分岐配管３５、３６を介して循環装置供給配管３１、３２と循環装置１９側で接続するように構成されている。このとき、分岐配管３３と、循環装置供給配管３１との接続箇所は、バルブ４１により近い位置とされ、分岐配管３４と、循環装置供給配管３２との接続箇所は、バルブ４３に近い位置とされる。また、分岐配管３５と、循環装置供給配管３１との接続箇所は、バルブ４０により近い位置とされ、分岐配管３６と、循環装置供給配管３２との接続箇所は、バルブ４２に近い位置とされる。

また、分岐配管３３、３４、３５、３６には、それぞれバルブ４４、４５、４６、４７が設けられている。

第２の実施の形態として示す燃料電池システム２では、第１の実施の形態として示した燃料電池システム１と同様に、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管として、２本の循環装置供給配管３１、３２を設けている。第２の実施の形態として示す燃料電池システム２では、循環装置供給配管３１、３２の、どちらか一方の配管を常に乾燥状態とするために、循環装置１９へ水素ガスを供給する際に使用されていない、一方の配管を、水素タンク１４から燃料電池スタック１０のアノード１１へと供給される、乾いた水素ガスを経由させる水素ガス供給流路として用いるようにする。

例えば、燃料電池システム２の運転時において、循環装置供給配管３１を使用する場合には、バルブ４０、４１を開状態とし、バルブ４２、４３を閉状態となるように制御する。 そして、バルブ４４、４６を閉じて、水素ガス供給配管２１ａと循環装置供給配管３１との接続、水素ガス供給配管２１ｂと循環装置供給配管３１との接続を遮断する。

また、バルブ４５、４７を開いて、水素ガス供給配管２１ａと循環装置供給配管３２との接続、水素ガス供給配管２１ｂと循環装置供給配管３２とを接続させ、循環装置供給配管３２を水素タンク１４から燃料電池スタック１０へと乾燥した水素ガスを供給するための水素ガス供給流路として使用する。これにより、燃料電池システム２の運転時には、循環装置供給配管３２の乾燥状態を良好に保つことができる。

このような状態で、燃料電池システム２を長時間アイドルさせたり、運転を停止してアイドルストップした場合、アノード１１から排出された水素ガスを通過させていた循環装置供給配管３１内には、凝縮水が生成されている可能性が高い。

そこで、長時間のアイドルやアイドルストップされた状態から、燃料電池システム２の運転を再開する場合、システムコントローラ３０は、バルブ４０、４１を閉じて、凝縮水が貯まっている可能性の高い循環装置供給配管３１の使用やめ、バルブ４２、４３を開き、バルブ４５、４７を閉じて、良好な乾燥状態となっている循環装置供給配管３２を、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管として使用するように制御する。

また、システムコントローラ３０は、バルブ４４、４６を開き、水素ガス供給配管２１ａ、２１ｂと、凝縮水の貯まっている可能性の高い循環装置供給配管３１とを、分岐配管３３、３５を介して連通させ、循環装置供給配管３１を水素タンク１４から燃料電池スタック１０へと乾燥した水素ガスを供給するための水素ガス供給流路として使用する。これにより凝縮水が貯まっている可能性の高い循環装置供給配管３１内を、水素タンク１４から供給される乾燥した水素ガスにより乾燥させることができる。

このように、凝縮水が生成される可能性の高い、長時間のアイドルやアイドルストップとされた状態といった燃料電池システム２の運転状態から、燃料電池システム２の運転を再開させる際に、使用する循環装置供給配管３１、３２を交互に切り換えることで、循環装置１９への凝縮水の流入を防止することができる。そして、長時間のアイドルやアイドルストップされた状態により凝縮水が貯まっている可能性の高い循環装置供給配管３１又は３２を水素タンク１４から燃料電池スタック１０へ乾燥した水素ガスを供給する水素ガス供給流路として使用することで、新たに乾燥用の装置を用意することなく常に良好な乾燥状態を保つことができる。したがって、低コストとしながら、循環装置供給配管３１又は３２を介して循環装置１９への凝縮水の流入を確実に防止することができる。

図３では、循環装置１９に水素ガスを供給する配管として２本の循環装置供給配管３１、３２を設けているが、循環装置供給配管３１、３２と同様のバルブを設けた複数の循環装置供給配管を用意するようにしてもよい。このとき、各配管には、水素ガス供給配管２１ａから水素ガスを導く分岐配管３３、３４と同様のバルブを設けた分岐配管、燃料電池スタック１０へ水素ガスを導く分岐配管３５、３６と同様のバルブを設けた分岐配管を備えるようにする。

循環装置供給配管を複数用意する場合は、若干コストが増加してしまうが、バルブが開かれ使用される順番が回ってくるまでの時間をより多く稼ぐことができるため、待機している間に配管内を確実に乾燥状態とすることができる。

［第３の実施の形態］
続いて、図４を用いて、本発明の第３の実施の形態として示す燃料電池システム３の要部構成について説明をする。

図４に示すように第３の実施の形態として示す燃料電池システム３は、図３に第２の実施の形態として示した燃料電池システム２の水素ガス供給配管２１ａと水素ガス供給配管２１ｂとを水素ガス供給配管３７で直接接続するように構成されている。水素ガス供給配管３７には、バルブ４８が設けられている。

図４に第３の実施の形態として示す燃料電池システム３は、燃料電池スタック１０で水素ガスを多量に必要とする、例えば、燃料電池システム３の通常運転時や、高負荷運転時において、循環装置供給配管３１又は３２を経由せずに、バルブ４８を開くことで水素ガス供給配管３７を介して水素ガス供給配管２１ａと水素ガス供給配管２１ｂとを連通させ、水素ガスを水素タンク１４から燃料電池スタック１０に対して供給する。

これにより、上述したような多量の水素ガスを必要とする場合に、水素ガス供給における圧力損失を低減することができるため効率のよい運転を可能とする。

多量の水素ガスを必要としない、例えば、アイドル状態となった場合には、バルブ４８を閉じて、水素タンク１４からの水素ガスを循環装置供給配管３１又は３２のうち、循環装置１９への水素ガスの供給流路として使用されていなかった方を経由してバイパスさせ、配管内を乾燥させる。そして、アイドル状態からの復帰後には、再び、バルブ４８を開き、バルブ４４乃至４７を全て閉じ、乾燥された循環装置供給配管３１又は３２を循環装置１９への水素ガスの供給流路として使用する。

例えば、燃料電池システム３の通常運転時に循環装置供給配管３１を循環装置１９への水素ガスの供給流路として使用する場合、システムコントローラ３０の制御によりバルブ４８、４０、４１が開状態とされ、バルブ４２乃至４７が閉状態とされる。

このとき、燃料電池システム３が、通常運転状態からアイドル状態となった場合には、システムコントローラ３０の制御により、バルブ４８を閉じて、バルブ４５、４７を開き、水素ガス供給配管２１ａと水素ガス供給配管２１ｂとを循環装置供給配管３２を介して連通させる。これにより、水素タンク１４から乾燥した水素ガスが循環装置供給配管３２を通過して燃料電池スタック１０へと供給されるため、循環装置供給配管３２をアイドル時において、乾燥させることができる。

燃料電池システム３が、アイドル状態から通常運転へと復帰した場合には、システムコントローラ３０の制御により、バルブ４０、４１、４５、４７を閉じて、バルブ４８、４２、４３を開くことで、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管として、循環装置供給配管３１からアイドル時に良好に乾燥された循環装置供給配管３２へと切り換える。

また、燃料電池システム３の通常運転時に循環装置供給配管３２を循環装置１９への水素ガスの供給流路として使用する場合、システムコントローラ３０の制御によりバルブ４８、４２、４３が開状態とされ、バルブ４０、４１、バルブ４４乃至４７が閉状態とされる。

このとき、燃料電池システム３が、通常運転状態からアイドル状態となった場合には、システムコントローラ３０の制御により、バルブ４８を閉じて、バルブ４４、４６を開き、水素ガス供給配管２１ａと水素ガス供給配管２１ｂとを循環装置供給配管３１を介して連通させる。これにより、水素タンク１４から乾燥した水素ガスが循環装置供給配管３１を通過して燃料電池スタック１０へと供給されるため、循環装置供給配管３１をアイドル時において、乾燥させることができる。

燃料電池システム３が、アイドル状態から通常運転へと復帰した場合には、システムコントローラ３０の制御により、バルブ４２、４３、４４、４６を閉じて、バルブ４８、４０、４１を開くことで、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管として、循環装置供給配管３２からアイドル時に良好に乾燥された循環装置供給配管３１へと切り換える。

このように、多量の水素ガスを必要としない場合に、水素ガス供給配管３７を経由する流路に対するバイパス流路となる循環装置供給配管３１又は３２のいずれか一方に、水素タンク１４から供給される乾燥した水素ガスを通過させることで、アイドル状態の復帰前に良好な乾燥状態とした配管を用意することができる。

したがって、凝縮水が生成される可能性の高いアイドル状態から、燃料電池システム３の運転状態を復帰させる度に、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管を、乾燥された循環装置供給配管３１又は３２のいずれかに切り換えるよう制御することで、循環装置１９への凝縮水の流入を効率よく確実に防止することができる。

このとき、水素タンク１４と、燃料電池スタック１０とを連通させる水素ガス供給配管３７を備えることで、多量の水素ガスを必要とする場合での、水素ガス供給における圧力損失を低減することができるため効率のよい運転が可能となる。

また、図４に第３の実施の形態として示す燃料電池システム３で、アイドルトップ状態とする場合には、アイドル状態の段階で、上述したような循環装置供給配管３１又は３２内の乾燥を実行してからアイドルストップへと移行するように制御することで、運転状態を復帰させた場合における循環装置１９への凝縮水の流入を確実に防止することができる。

図４では、循環装置１９に水素ガスを供給する配管として２本の循環装置供給配管３１、３２を設けているが、循環装置供給配管３１、３２と同様のバルブを設けた複数の循環装置供給配管を用意するようにしてもよい。このとき、各配管には、水素ガス供給配管２１ａから水素ガスを導く分岐配管３３、３４と同様のバルブを設けた分岐配管、燃料電池スタック１０へ水素ガスを導く分岐配管３５、３６と同様のバルブを設けた分岐配管を備えるようにする。

循環装置供給配管を複数用意する場合は、若干コストが増加してしまうが、バルブが開かれ使用される順番が回ってくるまでの時間をより多く稼ぐことができるため、待機している間に配管内を確実に乾燥状態とすることができる。

［第４の実施の形態］
続いて、図５を用いて、本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システム４の要部構成について説明をする。

図５に示すように、第４の実施の形態として示す燃料電池システム４は、図４に第３の実施の形態として示した燃料電池システム３の循環装置供給配管３１、３２、それぞれに配管内のガス温度を測定するガス温度測定装置５０、５１を設け、燃料電池システム４の外気温度を測定する外気温測定装置５２を設けた構成となっている。ガス温度測定装置５０、５１、外気温測定装置５２で測定された各測定温度値は、システムコントローラ３０に出力される。

システムコントローラ３０は、ガス温度測定装置５０、５１、外気温測定装置５２から出力される各測定温度値を用いて、アイドル状態やアイドルストップ状態となった場合などに生成される凝縮水の生成量を予測する。システムコントローラ３０は、算出した凝縮水予測生成量が、循環装置１９へ流入する凝縮水の許容量を超えた場合のみ、アイドル状態、アイドルストップ状態からの復帰に際して、循環装置供給配管３１、３２のいずれかを循環装置１９へ水素ガスを供給する配管として切り換えるようにする。

つまり、凝縮水予測生成量が、循環装置１９へ流入する凝縮水の許容量を超えない場合には、凝縮水の生成があったとしても循環装置供給配管３１、３２を切り換えずにそのまま使用する。

図６に示すフローチャートを用いて、第４の実施の形態として示す燃料電池システム４の処理動作について説明をする。

まず、ステップＳ１において、システムコントローラ３０は、当該燃料電池システム４の運転状況からアイドル状態又はアイドルストップ状態であるかどうかを判断する。システムコントローラ３０は、アイドル状態又はアイドルストップ状態である場合には、ステップＳ２へと進み、そうでない場合には、待機状態を継続する。

ステップＳ２において、システムコントローラ３０は、外気温測定装置５２で測定された燃料電池システム４の外気温度を取得する。

ステップＳ３において、システムコントローラ３０は、ガス温度測定装置５０、５１で測定された循環装置供給配管３１、３２内のガス温度を取得する。

ステップＳ４において、システムコントローラ３０は、ガス温度測定装置５０、５１、外気温測定装置５２から取得した各測定温度値を用いて、アイドル状態やアイドルストップ状態となった場合に生成される凝縮水の生成量を予測した凝縮水予測生成量を算出する。そして、算出した凝縮水予測生成量と、循環装置１９への凝縮水流入許容量と比較し、凝縮水予測生成量が、凝縮水流入許容量を超えた場合、ステップＳ５へと進み、超えなかった場合、ステップＳ６へと進む。

ステップＳ５において、凝縮水予測生成量が、凝縮水流入許容量を超えたことに応じて、システムコントローラ３０は、アイドル状態又はアイドルストップ状態からの復帰時に、循環装置供給配管３１と循環装置供給配管３２とを切り換える。

ステップＳ６において、凝縮水予測生成量が、凝縮水流入許容量を超えなかったことに応じて、システムコントローラ３０は、アイドル状態又はアイドルストップ状態からの復帰時であっても、循環装置供給配管３１と循環装置供給配管３２とを切り換えない。

このように、循環装置供給配管３１、循環装置供給配管３２のうち、乾燥状態とされた配管を凝縮水予測生成量と凝縮水流入許容量との比較結果に応じて、アイドル状態、アイドルストップ状態からの復帰時に、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管となるように切り換えるか、切り換えないかを判断することで、不必要な切り換え制御動作の実行回数を減少させることができるため、効率化を図ると同時に、燃料電池システム４の信頼性を向上させることができる。

また、図５に示すように、システムコントローラ３０がアイドル時間、アイドルストップ時間を計時するタイマ３０Ｔを備え、上述したガス温度測定装置５０、５１、外気温測定装置５２から取得した各測定温度値に加え、アイドル時間やアイドルストップ時間を加味して、アイドル状態やアイドルストップ状態となった場合に生成される凝縮水の生成量を予測することもできる。

タイマ３０Ｔによりアイドル時間、アイドルストップ時間を測定する場合、燃料電池システム４の処理動作は、図７に示すフローチャートのようになる。なお、図７に示すフローチャートは、上述した図６に示したフローチャートにおいて、ステップＳ３の後段にステップＳ３Ａが挿入され、ステップＳ４において凝縮水予測生成量を算出する際に、アイドル時間、アイドルストップ時間が考慮されるだけである。

したがって、図７に示すフローチャートで示される処理動作のうち、図６に示すフローチャートと異なるステップについてのみ説明をする。

ステップＳ３Ａにおいて、システムコントローラ３０は、アイドル状態、アイドルストップ状態となったことに応じてタイマ３０Ｔで測定が開始されるアイドル時間、アイドルストップ時間を取得する。

ステップＳ４において、システムコントローラ３０は、ガス温度測定装置５０、５１、外気温測定装置５２から取得した各測定温度値、タイマ３０Ｔで測定されたアイドル時間、アイドルストップ時間を用いて、アイドル状態やアイドルストップ状態となった場合に生成される凝縮水の生成量を予測した凝縮水予測生成量を算出する。そして、算出した凝縮水予測生成量と、循環装置１９への凝縮水流入許容量と比較し、凝縮水予測生成量が、凝縮水流入許容量を超えた場合、ステップＳ５へと進み、超えなかった場合、ステップＳ６へと進む。

このように、凝縮水予測生成量を算出するにあたり、システムコントローラ３０はタイマ３０Ｔで測定されるアイドル時間、アイドルストップ時間を考慮することで、より正確な凝縮水予測生成量を算出することができる。したがって、システムコントローラ３０によってなされる循環装置供給配管３１、循環装置供給配管３２のうち、乾燥状態とされた配管を凝縮水予測生成量と凝縮水流入許容量との比較結果に応じて、アイドル状態、アイドルストップ状態からの復帰時に、循環装置１９へ水素ガスを供給する配管となるように切り換えるか、切り換えないかの判断の精度を向上させることができるため、効率化を図ると同時に、燃料電池システム４の信頼性をさらに向上させることができる。

なお、第４の実施の形態として示した燃料電池システム４に設けたガス温度測定装置５０、５１、外気温測定装置５２、タイマ３０Ｔは、第１の実施の形態として示した燃料電池システム１、第２の実施の形態として示した燃料電池システム２に設けることもでき、システムコントローラ３０により凝縮水予測生成量を算出して、凝縮水流入許容量との比較に応じた、循環装置供給配管３１、３２を切り換えるかどうかの判断も同じように実行することができる。

この場合も、不必要な切り換え制御動作の実行回数を減少させることができるため、効率化を図ると同時に、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

また、図５では、循環装置１９に水素ガスを供給する配管として２本の循環装置供給配管３１、３２を設けているが、循環装置供給配管３１、３２と同様のバルブを設けた複数の循環装置供給配管を用意するようにしてもよい。このとき、各配管には、水素ガス供給配管２１ａから水素ガスを導く分岐配管３３、３４と同様のバルブを設けた分岐配管、燃料電池スタック１０へ水素ガスを導く分岐配管３５、３６と同様のバルブを設けた分岐配管を備えるようにする。

循環装置供給配管を複数用意する場合は、若干コストが増加してしまうが、バルブが開かれ使用される順番が回ってくるまでの時間をより多く稼ぐことができるため、待機している間に配管内を確実に乾燥状態とすることができる。

［第５の実施の形態］
続いて、図８を用いて、本発明の第５の実施の形態として示す燃料電池システム５の要部構成について説明をする。

図８に示すように、第５の実施の形態として示す燃料電池システム５は、図５に第４の実施の形態として示した燃料電池システム４の水素タンク１４と、水素ガス供給配管３７との間に水素タンク１４から供給される水素ガスを温める熱交換器５３を設けた構成となっている。

水素タンク１４から供給される水素ガスは、断熱膨脹により温度が下がっている。このような低温の水素ガスが循環装置供給配管３１、３２に流入すると配管内にたまっている凝縮水を凍結させてしまうことになる。このように配管内の水分が凍結してしまうと配管内径が小さくなり圧損の増加原因となりかねないといった問題が発生してしまう。

そこで、上述したように熱交換器５３を設けることで、熱交換器５３で温められた水素ガスを循環装置供給配管３１、３２へと導くことができるため、配管内にたまった凝縮水の凍結を防止することができる。

また、この熱交換器５３を、燃料電池スタック１０を冷却する冷却水を循環させるように構成すると、燃料電池スタック１０の排熱を水素ガスを温めるのに利用することができるため、非常に効率のよい熱交換を実現できる。

この熱交換器５３は、図５の第４の実施の形態として示した燃料電池システム４ばかりだけではなく、図３、図４に第２乃至第３の実施の形態として示した燃料電池システム２、３にも用いることができる。

図５では、循環装置１９に水素ガスを供給する配管として２本の循環装置供給配管３１、３２を設けているが、循環装置供給配管３１、３２と同様のバルブを設けた複数の循環装置供給配管を用意するようにしてもよい。このとき、各配管には、水素ガス供給配管２１ａから水素ガスを導く分岐配管３３、３４と同様のバルブを設けた分岐配管、燃料電池スタック１０へ水素ガスを導く分岐配管３５、３６と同様のバルブを設けた分岐配管を備えるようにする。

循環装置供給配管を複数用意する場合は、若干コストが増加してしまうが、バルブが開かれ使用される順番が回ってくるまでの時間をより多く稼ぐことができるため、待機している間に配管内を確実に乾燥状態とすることができる。

このようにして、本発明の実施の形態として示す燃料極であるアノード１１に燃料ガスを循環させて供給する燃料電池システムは、燃料電池システムで生成される凝縮水の循環装置１９内への流入を防止することができる。

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。

水素ガス循環供給系を有する燃料電池システムの構成について説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態として示す燃料電池システムの要部構成について説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態として示す燃料電池システムの要部構成について説明するための図である。 本発明の第３の実施の形態として示す燃料電池システムの要部構成について説明するための図である。 本発明の第４の実施の形態として示す燃料電池システムの要部構成について説明するための図である。 予測される凝縮水の生成量に基づく、循環装置供給配管の切り換え処理動作について説明するためのフローチャートである。 凝縮水の予測にアイドル時間、アイドルストップ時間を利用する場合の循環装置供給配管の切り換え処理動作ついて説明するためのフローチャートである。 本発明の第５の実施の形態として示す燃料電池システムの要部構成について説明するための図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池システム
３ 燃料電池システム
４ 燃料電池システム
５ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１４ 水素タンク
１７ 気水分離器
１９ 循環装置
２０ 水素ガス循環供給系
３０ システムコントローラ
３０Ｔ タイマ
３１，３２ 循環装置供給配管
３７ 水素ガス供給配管
５０ ガス温度測定装置
５２ 外気温測定装置
５３ 熱交換器

Claims (10)

1. 燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給すると共に、前記燃料極から排出された排出燃料ガスを循環手段により循環させて供給する燃料ガス循環供給系を有する燃料電池システムにおいて、
   前記排出燃料ガス中の液水を分離除去する気水分離手段と、
   前記気水分離手段と前記循環手段との間に設けられ、前記気水分離手段で液水を分離除去した排出燃料ガスを前記循環手段へと導く複数の配管と、
   当該燃料電池システムの運転状態が、前記配管内で凝縮水の生成が推定される運転状態から、生成された凝縮水の前記循環手段への流入が推定される運転状態へと移行したことに応じて、前記複数の配管のうち配管内を乾燥状態とされた配管が、前記気水分離手段で液水を分離除去した排出燃料ガスを前記循環手段へと導く配管となるよう切り換える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。
2. 前記燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源から、燃料ガスを前記複数の配管へと導く第１の流路を備え、
   前記第１の流路から前記複数の配管内へと導かれた燃料ガスにより、前記配管内を乾燥状態とすること
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス供給源から前記第１の流路を介して前記複数の配管内へと導かれ、配管内を乾燥状態とした燃料ガスを、前記燃料電池の燃料極へと導く第２の流路を備えること
   を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記第１の流路、前記配管、前記第２の流路を経て前記燃料電池の燃料極へ燃料ガスを供給する流路を、前記燃料ガス供給源から前記燃料電池の燃料極へ燃料ガスを直接供給する燃料ガス供給流路に対するバイパス流路とすること
   を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、当該燃料電池システムの運転状態が、多量の燃料ガスを要求する運転状態となった場合に、前記燃料ガス供給源から前記燃料ガス供給流路を介して前記燃料電池の燃料極へ燃料ガスを供給するように制御し、
   当該燃料電池システムの運転状態が、少量の燃料ガスを要求する運転状態となった場合に、前記燃料ガス供給源から前記バイパス流路を介して前記燃料電池の燃料極へ燃料ガスを供給するように制御すること
   を特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、当該燃料電池システムの運転状態が、アイドル状態又はアイドルストップ状態から多量の燃料ガスを要求する運転状態へと移行する毎に、前記気水分離手段で液水を分離除去した排出燃料ガスを前記循環手段へと導く配管を、乾燥状態とされた配管へと切り換えること
   を特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 当該燃料電池システムの外気温度を測定する外気温度測定手段と、前記複数の配管内のガス温度を測定するガス温度測定手段とを備え、
   前記制御手段は、前記外気温度測定手段で測定された当該燃料電池システムの外気温度、前記ガス温度測定手段で測定された前記複数の配管内のガス温度から求められる凝縮水予測生成量に基づき、前記複数の配管の切り換え制御を実行するかどうかを判断すること
   を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 当該燃料電池システムの運転状態がアイドル状態又はアイドルストップ状態となったことに応じて計時を開始し、アイドル時間又はアイドルストップ時間を計時する計時手段を備え、
   前記制御手段は、前記外気温度測定手段で測定された当該燃料電池システムの外気温度、前記ガス温度測定手段で測定された前記複数の配管内のガス温度、前記計時手段によって計時されたアイドル時間又はアイドルストップ時間から求められる凝縮水予測生成量に基づき、前記複数の配管の切り換え制御を実行するかどうかを判断すること
   を特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを、前記複数の配管へと流入する前段で昇温する昇温手段を備えること
   を特徴とする請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記昇温手段は、前記燃料電池の冷却用に用いられ、前記燃料電池の排熱により昇温された冷却水を循環させることで、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを昇温する熱交換手段であること
    を特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
    

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