JP2007115484A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システムの大型化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１では、燃料電池スタック１０の全周囲がスタックケース６０によって覆われており、燃料電池スタック１０から排出されたガスはスタックケース６０内で流速が落ちることとなる。流速が落ちると排ガス中に含まれる密度の高い水分はスタックケース６０の下部に溜まり、密度の小さいガスは上部に溜まることとなる。そして、スタックケース６０内の上部に溜まったガスはガス排出口６１を介して循環配管３１に流入し、スタックケース６０内の下部に溜まった水は水排出口６２を介して水排出配管５１に流入することとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムでは、燃料電池スタックの燃料極側から排出されるガス中に含まれる未利用の燃料ガスを利用するため、燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるガス循環ラインが設けられている。また、従来の燃料電池システムでは、燃料極側から排出されるガス中に含まれる水分を除去するため、ガス循環ライン上に気液分離器を設置し、気液分離器においてガス中の水分を除去するようにしている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−３２４５６１号公報

しかし、従来の燃料電池システムでは、気液分離器をガス循環ライン上に設けているため、スペースをとり、システムの大型化につながってしまうという問題が生じていた。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、システムの大型化を抑制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。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるガス循環ラインと、燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガス中から取り出された水分を外部に排出する水排出ラインと、燃料電池スタックの全周囲を覆うスタックケースとを備えている。さらに、スタックケースは、燃料電池スタックの燃料極側出口よりも上方に、ガス循環ラインに接続されるガス排出口を有すると共に、燃料電池スタックの燃料極側出口よりも下方に、水排出ラインに接続される水排出口を有している。

本発明によれば、スタックケースが燃料電池スタックの全周囲を覆っている。ここで、スタックケースは燃料電池スタックの燃料極側出口流路よりも容積が大きく、燃料電池スタックから排出されたガスはスタックケース内で流速が落ちることとなる。流速が落ちるとガス中に含まれる密度の高い水分はスタックケースの下部に溜まり、密度の小さいガスは上部に溜まることとなる。

また、スタックケースは、燃料電池スタックの燃料極側出口よりも上方にガス排出口を有し、燃料電池スタックの燃料極側出口よりも下方に水排出口を有するため、スタックケース内の上部に溜まったガスはガス排出口を介してガス循環ラインに流入し、スタックケース内の下部に溜まった水は水排出口を介して水排出ラインに流入することとなる。

以上より、本発明ではスタックケースによって水分を除去することが可能となっており、ガス循環ラインに気液分離器を設ける必要がない。従って、システムの大型化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、ガス循環系３０と、ガス排出系４０と、水排出系５０と、スタックケース６０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）とを反応させることにより発電を行うものであり、水素ガスの供給を受ける燃料極と、酸素を含む空気の供給を受ける酸化剤極とを有している。また、燃料極と酸化剤極とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、これら発電セルが複数層積層された構造となっている。

燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスを供給するものであり、高圧水素タンク（燃料ガス貯蔵手段）２１と、燃料ガス供給配管（燃料ガス供給ライン）２２と、圧力調整弁２３とからなっている。高圧水素タンク２１は、燃料ガスの供給源となるものであり、燃料電池スタック１０の燃料極に供給する燃料ガスを高圧状態で貯蔵しておくものである。燃料ガス供給配管２２は一端が高圧水素タンク２１に接続され、高圧水素タンク２１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０に導くものである。圧力調整弁２３は、燃料ガス供給配管２２に設けられ、開度を調整することにより、高圧水素タンク２１から燃料電池スタック１０の燃料極側に供給される燃料ガスの供給量を制御するものである。また、圧力調整弁２３は、燃料ガスの供給量を制御することにより燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。

ガス循環系３０は、発電に寄与することなく燃料電池スタック１０から排出された燃料ガスを再利用するためのものであって、循環配管（ガス循環ライン）３１と、循環ポンプ３２とからなっている。

循環配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させる流路となるものである。循環ポンプ３２は、循環配管３１上に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となるものである。

ガス排出系４０は、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを外部に排出するものであり、燃料ガス排出配管４１と、パージ弁４２とを備えている。燃料ガス排出配管４１は、循環配管３１と外部とを接続し、燃料極側の排ガスを外部に導くための流路となるものである。パージ弁４２は、燃料ガス排出配管４１に設けられ、開度を調整することにより、燃料極側のオフガスの排出量を制御するものである。

水排出系５０は、水分を含んだ状態のガスが冷却されることにより生じる凝縮水を外部に排出するものであり、水を外部に排出する水排出配管（水排出ライン）５１を有している。また、水排出系５０は、不図示の水貯蔵部と開閉弁とを有し、凝縮された水を水貯蔵部に蓄え、水貯蔵部に蓄えられる水の量が所定水量を超えると開閉弁が開いて、水を外部に排出するようになっている。

スタックケース６０は、燃料電池スタック１０の全周囲を覆って燃料電池スタック１０を収納する筐体である。また、スタックケース６０は、循環配管３１に接続されるガス排出口６１と、水排出配管５１に接続される水排出口６２とを有している。このガス排出口６１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口よりも鉛直上方側に設けられており、水排出口６２は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口よりも鉛直下方側に設けられている。

また、ガス排出口６１及び水排出口６２は以下の位置に設けられていることが望ましい。すなわち、燃料極側出口を基点とした場合、ガス排出口６１及び水排出口６２は、燃料極側出口から排出されるガスの排出方向に伸びる基点からの直線上以外の位置に設けられていることが望ましい。

次に、第１本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を説明する。まず、圧力調整弁２３が開けられると、高圧水素タンク２１からの燃料ガスが燃料ガス供給配管２２を通じて燃料電池スタック１０に至る。

燃料電池スタック１０では発電により燃料ガスが消費されるが、燃料ガスの一部は発電に利用されることなく排出される。また、発電過程において水が生成されるため、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されるガスには多くの水分が含まれており、水分を多く含むガスがスタックケース６０内に流入する。

スタックケース６０は燃料電池スタック１０の燃料極側出口流路よりも容積が大きいため、スタックケース６０内に流入したガスはスタックケース６０内で流速が落ちることとなる。流速が落ちるとガス中に含まれる密度の高い水分はスタックケース６０の下部に溜まり、密度の小さいガスは上部に溜まる。

また、スタックケース６０は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口よりも上方にガス排出口６１を有し、燃料電池スタック１０の燃料極側出口よりも下方に水排出口６２を有するため、スタックケース６０内の上部に溜まったガスはガス排出口６１を介して循環配管５１に流入し、スタックケース６０内の下部に溜まった水は水排出口６２を介して水排出配管５１に流入することとなる。すなわち、第１実施形態ではスタックケース６０によって水分が除去されることとなる。

その後、循環配管３１に流入したガスは循環ポンプ３２によって循環され、再度燃料電池スタック１０に流入することとなる。一方、水排出配管５１に流入した水は、所定水量以上水貯蔵部に貯蔵されると外部に排出されることとなる。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、スタックケース６０が燃料電池スタック１０の全周囲を覆っている。ここで、スタックケース６０は燃料電池スタック１０の燃料極側出口流路よりも容積が大きく、燃料電池スタック１０から排出されたガスはスタックケース６０内で流速が落ちることとなる。流速が落ちるとガス中に含まれる密度の高い水分はスタックケース６０の下部に溜まり、密度の小さいガスは上部に溜まることとなる。

また、スタックケース６０は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口よりも上方にガス排出口６１を有し、燃料電池スタック１０の燃料極側出口よりも下方に水排出口６２を有するため、スタックケース６０内の上部に溜まったガスはガス排出口６１を介して循環配管３１に流入し、スタックケース６０内の下部に溜まった水は水排出口６２を介して水排出配管５１に流入することとなる。

以上より、第１実施形態ではスタックケース６０によって水分を除去することが可能となっており、循環配管３１に気液分離器を設ける必要がない。従って、システムの大型化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

また、燃料極側出口を基点とした場合、ガス排出口６１及び水排出口６２は、燃料極側出口から排出されるガスの排出方向に伸びる基点からの直線上以外の位置に設けられている。これにより、燃料極側出口から排出されたガスが直接的にガス排出口６１や水排出口６２に向かうことなく、スタックケース内において好適にガスの流速を落とすことができる。

なお、第１実施形態では、ガス排出口６１及び水排出口６２の双方が、上記基点からの直線上以外の位置に設けられているが、これに限らず、ガス排出口６１及び水排出口６２の少なくとも一方が上記基点からの直線上以外の位置に設けられていてもよい。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、一部が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

図２は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図２に示すように、第２実施形態において燃料ガス供給配管２２は、一部がスタックケース６０を貫通して配置されている。具体的に説明すると、燃料ガス供給配管２２は、途中でメイン配管２２ａと分岐配管（分岐ライン）２２ｂとに分岐されている。メイン配管２２ａはスタックケース６０を貫通することなく燃料ガスを燃料電池スタック１０にまで導く構成となっており、分岐配管２２ｂはスタックケース６０内を貫通して燃料ガスを燃料電池スタック１０まで導く構成となっている。

さらに、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、新たに制御バルブ（流動制御手段）７０と、第１温度センサ（ガス温度検出手段）８１と、第２温度センサ（環境温度検出手段）８２と、コントローラ９０とを有している。

制御バルブ７０は、分岐配管２２ｂに設けられ、開度を調整することにより、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流したり、分岐配管２２ｂに流れる燃料ガスを遮断したりするものである。

第１温度センサ８１は、スタックケース６０から循環配管３１に流れ込むガスの温度を検出するものであり、スタックケース６０のガス排出口６１の近傍に設けられている。第２温度センサ８２は、燃料電池システム２の周囲の環境温度を検出するものである。ここで、環境温度とは、外気温度とは微妙に異なり、燃料電池システム２が置かれている周囲の温度であり、外気温度が一定であっても燃料電池システム２の運転による発熱によって環境温度は変化することとなる。

コントローラ９０は、上記第１温度センサ８１及び第２温度センサ８２により検出された温度に従って制御バルブ７０を制御して、分岐配管２２ｂに燃料ガスを流したり、その流れを遮断したりするものである。

具体的に説明すると、コントローラ９０は、システム起動時において第２温度センサ８２により検出された温度が予め設定された低温起動温度以下である場合に、制御バルブ７０を閉じて燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すことを禁止している。ここで、低温起動温度とは、燃料電池システム２において暖機を要すると判断される温度である。すなわち、コントローラ９０は、システム起動時において環境温度が暖機を要する低温起動温度以下である場合に分岐配管２２ｂに燃料ガスを流すと、暖機を阻害することになってしまうため、このような場合には、燃料ガスを流さないように禁止して、暖機を阻害しないようにしている。

また、コントローラ９０は、第１温度センサ８１により検出された温度が予め定められた所定温度以上である場合に、制御バルブ７０を開いて燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すこととしている。ここで、所定温度は、循環配管３１に流れ込むガスが循環配管３１において冷やされて凝縮水が多量に生じてしまうと予測される温度である。すなわち、コントローラ９０は、循環配管３１に流れ込むガスの温度が所定温度以上であり、循環配管３１において冷やされて凝縮水が多量に生じてしまうと予測される場合に、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すこととしている。これにより、スタックケース６０内のガスは、高圧水素タンク２１からの低温の燃料ガスによって冷却され、高温のまま循環配管３１に流れ込むことが防止される。故に、凝縮水の発生を抑制することができる。

なお、より望ましくは第１温度センサ８１により検出された温度のみならず、第２温度センサ８２により検出される環境温度を考慮するとよい。すなわち、コントローラ９０は、第１温度センサ８１により検出された温度が第２温度センサ８２により検出された温度よりも規定温度以上高い場合に、制御バルブ７０を制御して燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すこととしている。凝縮水は循環配管３１に流れ込むガスの温度と環境温度との差が大きいほど多量に発生するためである。このように、コントローラ９０は、凝縮水が多量に発生し易い状況において、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すことで、凝縮水の発生量を抑制する。特に、本実施形態では、凝縮水が多量に発生して循環ポンプ３２の負荷が高まり、循環ポンプ３２の駆動に要する消費電力量が高くなってしまうことを防止することができる。

さらに、コントローラ９０が上記の凝縮水量を推定する機能を有し、推定した凝縮水量が一定量以上である場合に、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すようにしてもよい。これによっても、凝縮水が多量に発生する状況において凝縮水の発生量を抑制することができる。

次に、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を説明する。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の動作を示すフローチャートである。まず、燃料電池システム２が起動すると、図３に示すフローチャートが実行され、コントローラ９０が第２温度センサ８２からの信号値を入力する（ＳＴ１）。次に、コントローラ９０は、第２温度センサ８２により検出された環境温度が低温起動温度以下であるか否かを判断する（ＳＴ２）。

環境温度が低温起動温度以下であると判断した場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、制御バルブ７０を閉じる（ＳＴ３）。このように、制御バルブ７０を閉じることで、低温の燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すことなく、早期の暖機を行うようにしている。次いで、コントローラ９０は、暖機終了か否かを判断する（ＳＴ４）。ここで、暖機終了でないと判断した場合（ＳＴ４：ＮＯ）、暖機終了と判断するまでこの処理を繰り返すこととなる。一方、暖機終了と判断した場合（ＳＴ４：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ６に移行する。

ところで、第２温度センサ８２により検出された環境温度が低温起動温度以下でないと判断した場合（ＳＴ２：ＮＯ）、コントローラ９０は、制御バルブ７０を開ける（ＳＴ５）。そして、処理はステップＳＴ６に移行する。

ステップＳＴ６においてコントローラ９０は、第１及び第２温度センサ８１，８２からの信号値を入力する（ＳＴ６）。次いで、コントローラ９０は、第１温度センサ８１により検出されたガス温度が、第２温度センサ８２により検出された環境温度よりも規定温度以上高いか否かを判断する（ＳＴ７）。

ここで、ガス温度が環境温度よりも規定温度以上高くないと判断された場合（ＳＴ７：ＮＯ）、コントローラ９０は制御バルブ７０を閉じ（ＳＴ８）、処理はステップＳＴ１１に移行する。

一方、ガス温度が環境温度よりも規定温度以上高いと判断した場合（ＳＴ７：ＹＥＳ）、コントローラ９０は、制御バルブ７０を開ける（ＳＴ９）。このように、制御バルブ７０を開けることで、循環配管３１に流れ込んだガスが冷やされて凝縮水が多量に発生しないように、スタックケース６０内のガスを冷却することができる。

次いで、コントローラ９０は、再度ガス温度が環境温度よりも規定温度以上高いか否かを判断する（ＳＴ１０）。ガス温度が環境温度よりも規定温度以上高いと判断した場合（ＳＴ１０：ＹＥＳ）、高くないと判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、ガス温度が環境温度よりも規定温度以上高くないと判断された場合（ＳＴ１０：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１１に移行する。

ステップＳＴ１１において、コントローラ９０は、システム停止か否かを判断する（ＳＴ１１）。停止でないと判断した場合（ＳＴ１１：ＮＯ）、処理はステップＳＴ６に移行する。他方、システム停止であると判断した場合（ＳＴ１１：ＹＥＳ）、図３に示す処理は終了することとなる。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、システムの大型化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。また、スタックケース内において好適にガスの流速を落とすことができる。

さらに、第２実施形態によれば、燃料ガス供給配管２２は一端が高圧水素タンク２１に接続されているため、高圧水素タンク２１により高温高圧状態で貯蔵される燃料ガスは燃料ガス供給配管２２においては膨張し低温となる。また、燃料ガス供給配管２２の少なくとも一部はスタックケースを貫通して配置されているため、低温の燃料ガスがスタックケース６０内のガスを冷却することとなる。これにより、スタックケース６０内で燃料極側出口から排出されたガスを冷却し、好適に水を凝縮してガス中から除去することができる。

また、燃料ガス供給配管２２は、スタックケース６０内を貫通することなく燃料ガスを燃料電池スタックまで導くメイン配管２２ａと、スタックケース内を貫通して燃料ガスを燃料電池スタックまで導く分岐配管２２ｂとからなる。このため、スタックケース６０内のガスを冷却する必要がない場合には、メイン配管２２ａにより燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給することが可能となり、スタックケース６０内のガス温度を調整することができる。

特に、分岐配管２２ｂは、スタックケース６０内のガスを冷却するために、配管表面積が大きくすることが望ましく、配管が細く且つ長くなる傾向にある。このため、燃料ガスの圧力損失が大きくなり、分岐配管２２ｂを通じて燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給することが困難となってしまうが、メイン配管２２ａと分岐配管２２ｂとを設けた燃料電池システム２では、メイン配管２２ａを通じて燃料ガスを供給することで、好適に燃料ガスを燃料電池スタック１０に供給することができる。

また、スタックケース６０から循環配管３１に流れ込むガスの温度が予め定められた所定温度以上である場合に、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すこととしている。このため、循環配管３１において凝縮水が多量に発生してしまう場合に、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すこととなり、循環配管３１に流れ込むガスの温度を低下させ、凝縮水の発生を抑制することができる。

また、システム起動時においてシステム周囲の環境温度が予め設定された低温起動温度以下である場合に、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すことを禁止している。システム起動時において周囲の環境温度が低い場合、燃料電池スタックの暖機を行う必要がある。このため、環境温度が低温である場合に燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すと、暖機を阻害することとなってしまう。従って、予め設定された低温起動温度以下である場合に燃料ガスが分岐配管２２ｂに流れないように禁止することで、暖機を阻害しないようにすることができる。

また、循環配管３１に流れ込むガスの温度がシステム周囲の環境温度よりも規定温度以上高い場合に、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すこととしている。ここで、両者の温度差が大きいと、スタックケース６０から循環配管３１に流れ込んだガスが冷却されて凝縮水が多量に発生し易い。このため、凝縮水が多量に発生し易い状況において、燃料ガスを分岐配管２２ｂに流すことで、循環配管３１に流れ込むガスの温度を低下させ、凝縮水の発生量を抑制することができる。特に、本実施形態では、凝縮水が多量に発生して循環ポンプ３２の負荷が高まり、循環ポンプ３２の駆動に要する消費電力量が高くなってしまうことを防止することができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、一部が第１実施形態のものと異なっている。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

図４は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図４に示すように、第３実施形態では、分岐配管２２ｂが燃料ガス供給配管２２から分岐され、高圧水素タンク２１からの燃料ガスをスタックケース６０内に導くように構成されている。すなわち、第３実施形態において分岐配管２２ｂは、第２実施形態のようにスタックケース６０を貫通しているのでなく、他端がスタックケース６０に接続されてスタックケース６０内に燃料ガスを導入させるようになっている。

また、第３実施形態において燃料電池システム３は、第２実施形態と同様に、分岐配管２２ｂ上に制御バルブ（圧力調整手段）７０を有し、スタックケース６０内への燃料ガスの供給量を調整するようになっている。また、制御バルブ７０は、燃料ガスの供給量を調整することにより、スタックケース６０内の圧力についても調整する構成となっている。

また、第３実施形態において燃料電池システム３は、圧力センサ（第１圧力検出手段）１００を備えている。圧力センサ１００は、スタックケース６０内に設けられ、スタックケース６０内の圧力を検出するものである。

さらに、第３実施形態において燃料電池システム３はコントローラ（第２圧力検出手段）９０を備えており、コントローラ９０は、各種運転状況から、燃料電池スタック１０の燃料極側出口の圧力を推定して検出する構成となっている。このコントローラ９０は、圧力センサ１００により検出されたスタックケース６０内の圧力の情報を入力し、スタックケース６０内の圧力が、推定した燃料極側出口の圧力よりも小さくなるように、制御バルブ７０を調整する。これにより、スタックケース６０内のガスが燃料電池スタック１０内に逆流することを防止するようにしている。

次に、第３実施形態に係る燃料電池システム３の動作を説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の動作を示すフローチャートである。図５に示すように、コントローラ９０は、圧力センサ１００からの信号値を入力する（ＳＴ２１）。次いで、コントローラ９０は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口の圧力を推定する（ＳＴ２２）。

そして、コントローラ９０は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口圧力が圧力センサ１００により検出されたスタックケース６０内の圧力より大きいか否かを判断する（ＳＴ２３）。ここで、燃料極側出口圧力がスタックケース６０内の圧力より大きいと判断した場合（ＳＴ２３：ＹＥＳ）、図５に示す処理は終了することとなる。

一方、燃料極側出口圧力がスタックケース６０内の圧力より大きくないと判断した場合（ＳＴ２３：ＮＯ）、コントローラ９０は、制御バルブ７０を制御して、燃料極側出口圧力がスタックケース６０内の圧力より大きくなるように調圧する（ＳＴ２４）。その後、図５に示す処理は終了することとなる。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第１実施形態と同様に、システムの大型化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。また、スタックケース内において好適にガスの流速を落とすことができる。

さらに、第３実施形態によれば、分岐配管２２ｂが燃料ガスをスタックケース６０内に導くため、低温の燃料ガスがスタックケース６０内のガスを冷却することとなる。これにより、スタックケース６０内で燃料極側出口から排出されたガスを冷却し、好適に水を凝縮してガス中から除去することができる。さらに、分岐配管２２ｂを通じて湿度が低い高圧水素タンク２１からの燃料ガスがスタックケース６０内に供給されることとなり、スタックケース６０内での水の生成量を抑制することができる。また、燃料電池スタック１０から排出されたガスは容積が大きいスタックケース６０内で圧力が低下し、その後循環配管３１に流入することとなるため、このスタックケース６０により圧力損失が大きくなり、ガスの循環量が低下してしまう。ところが、分岐配管２２ｂを通じてスタックケース６０内に流入する燃料ガスはスタックケース６０内の圧力よりも高く、高い圧力の燃料ガスを供給することで、スタックケース６０内の圧力を高め、ガスの循環流量の低下を抑制することができる。

また、スタックケース６０内の圧力が燃料電池スタック１０の燃料極側出口の圧力よりも小さくなるように圧力を調整することとしている。これにより、スタックケース６０内のガスが燃料電池スタック１０内に逆流することを防止することができる。なお、第３実施形態では、コントローラ９０が燃料極側出口の圧力を推定していたが、これに限らず、燃料極側出口の圧力を検出する圧力センサを備えていてもよい。さらに、コントローラ９０は、スタックケース６０内の圧力を燃料極側出口の圧力よりも小さくするにあたり、制御バルブ７０を制御してスタックケース６０内の圧力を調整することとしていたが、これに限らず、燃料極側出口の圧力を調整してもよいし、双方を調整してもよい。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１〜３…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系
２１…高圧水素タンク（燃料ガス貯蔵手段）
２２…燃料ガス供給配管（燃料ガス供給ライン）
２２ａ…メイン配管（メインライン）
２２ｂ…分岐配管（分岐ライン）
２３…圧力調整弁
３０…ガス循環系
３１…循環配管（ガス循環ライン）
３２…循環ポンプ
４０…ガス排出系
４１…燃料ガス排出配管
４２…パージ弁
５０…水排出系
５１…水排出配管（水排出ライン）
６０…スタックケース
６１…ガス排出口
６２…水排出口
７０…制御バルブ（流動制御手段、圧力調整手段）
８１…第１温度センサ（ガス温度検出手段）
８２…第２温度センサ（環境温度検出手段）
９０…コントローラ（第２圧力検出手段）
１００…圧力センサ（第１圧力検出手段）

Claims (9)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるガス循環ラインと、
   前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガス中から取り出された水分を外部に排出する水排出ラインと、
   前記燃料電池スタックの全周囲を覆うスタックケースと、を備え、
   前記スタックケースは、前記燃料電池スタックの燃料極側出口よりも上方に、前記ガス循環ラインに接続されるガス排出口を有すると共に、前記燃料電池スタックの燃料極側出口よりも下方に、前記水排出ラインに接続される水排出口を有する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ガス排出口及び前記水排出口の少なくとも一方は、前記燃料極側出口を基点とした場合、前記燃料極側出口から排出されるガスの排出方向に伸びる基点からの直線上以外の位置に設けら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。
3. 燃料ガスの貯蔵源となる燃料ガス貯蔵手段と、
   一端が前記燃料ガス貯蔵手段に接続され、前記燃料ガス貯蔵手段からの燃料ガスを前記燃料電池スタックに導く燃料ガス供給ラインと、をさらに備え、
   前記燃料ガス供給ラインの少なくとも一部は、前記スタックケースを貫通して配置されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス供給ラインは、前記スタックケースを貫通することなく燃料ガスを前記燃料電池スタックまで導くメインラインと、前記スタックケース内を貫通して燃料ガスを前記燃料電池スタックまで導く分岐ラインとからなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガスの貯蔵源となる燃料ガス貯蔵手段と、
   一端が前記燃料ガス貯蔵手段に接続され、前記燃料ガス貯蔵手段からの燃料ガスを前記スタックケースを貫通することなく前記燃料電池スタックに導く燃料ガス供給ラインと、
   前記燃料ガス供給ラインから分岐され、燃料ガスをスタックケース内に導く分岐ラインと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガスを前記分岐ラインに流したり前記分岐ラインに流れる燃料ガスを遮断したりすることが可能な流動制御手段と、
   前記スタックケースから前記ガス循環ラインに流れ込むガスの温度を検出するガス温度検出手段と、をさらに備え、
   前記流動制御手段は、前記ガス温度検出手段により検出された温度が予め定められた所定温度以上である場合に、燃料ガスを前記分岐ラインに流す
   ことを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 燃料ガスを前記分岐ラインに流したり前記分岐ラインに流れる燃料ガスを遮断したりすることが可能な流動制御手段と、
   システム周囲の環境温度を検出する環境温度検出手段と、をさらに備え、
   前記流動制御手段は、システム起動時において前記環境温度検出手段により検出された温度が予め設定された低温起動温度以下である場合に、燃料ガスを前記分岐ラインに流すこと禁止する
   ことを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 燃料ガスを前記分岐ラインに流したり前記分岐ラインに流れる燃料ガスを遮断したりすることが可能な流動制御手段と、
   前記スタックケースから前記ガス循環ラインに流れ込むガスの温度を検出するガス温度検出手段と、
   システム周囲の環境温度を検出する環境温度検出手段と、をさらに備え、
   前記流動制御手段は、前記ガス温度検出手段により検出された温度が前記環境温度検出手段により検出された温度よりも規定温度以上高い場合に、燃料ガスを前記分岐ラインに流す
   ことを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. スタックケース内の圧力を検出する第１圧力検出手段と、
   前記燃料電池スタックの燃料極側出口の圧力を検出する第２圧力検出手段と、
   前記第１圧力検出手段により検出された圧力が前記第２圧力検出手段により検出された圧力よりも小さくなるように圧力を調整する圧力調整手段と、
   をさらに備え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。
   

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