JP2007141722A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガス循環経路内の不活性物を大気中に排出する場合において、従来技術と比較して、燃料ガス循環経路内の圧力変動を抑制する。
【解決手段】燃料電池システムの構成を、燃料電池１と、水素ガス循環供給経路４と、水素ガス排出経路５と、水素ガス排出経路５に設けられた第１バルブ１７および第２バルブ１８と、水素ガス排出経路５のうちの第１バルブ１７と第２バルブ１８の間に接続されたアキュムレータ１９と、制御部６とを備える構成とする。そして、第２バルブ１８を閉じた状態で、第１バルブ１７を開けた後、第１バルブ１７を閉じることで、アキュムレータ１９の内部に不活性物を含むオフ水素ガスを蓄積し、その後、第１バルブ１７を閉じた状態で、第２バルブ１８を開けることで、蓄積されたオフ水素ガスを大気中に排出するように、制御部６に第１、第２バルブ１７、１８を制御させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池と、燃料電池に循環して供給される水素ガスが流れる水素ガス循環供給経路と、この水素ガス循環供給経路に接続され、水素ガス循環供給経路から大気中に排出される燃料電池の電気化学反応に使用されなかった水素ガス（以下、オフ水素ガスと呼ぶ）が流れる水素ガス排出経路と、この水素ガス排出経路に設けられ、水素ガス排出経路の開閉を行うバルブとを備える燃料電池システムがある（例えば、特許文献１参照）。

このように、燃料電池から排出されたオフ水素ガスを燃料電池に循環して供給する場合、オフ水素ガスは燃料電池の発電に消費されるが、空気極側から電解質膜を通過した窒素や水等の不活性物は水素循環供給経路に残留するため、水素循環供給経路におけるガスの不活性物濃度が増加する。

そこで、上記した構成の燃料電池システムでは、不活性物の濃度が高くなった場合に、水素ガス排出経路のバルブを開くことで、大気中にオフ水素ガスと共に不活性物を排出するようにしている。

また、他の燃料電池システムとして、上記した燃料電池システム中の水素ガス排出経路を、燃料電池に空気を供給する空気供給経路に接続した構成のものがある（例えば、特許文献２参照）。

この燃料電池システムでは、オフ水素ガスを大気中に排出するのではなく、燃料電池の空気極に戻すことで、空気極触媒を利用して、オフ水素ガスを燃焼させている。
特開２００４−１７２０２７号公報 特開２００４−３１９３１８号公報

上記した前者の燃料電池システムにおいては、水素ガス排出経路のバルブを長い時間開けた状態にすると、大気中に排出されるガス中の水素濃度が高くなるため、バルブを開く時間を短くする必要がある。また、その反対に、１回のバルブ開時間が短いと、不活性物の排出が十分にできない。このため、１回のバルブ開時間を短くして、バルブを開ける頻度を多くする必要がある。

しかし、図６に示すように、バルブを開けて、閉じた場合、水素ガス循環供給経路内で水素の圧力変動が生じる。なお、図６は、水素ガス循環供給経路内の圧力の概念図である。特に、オフ水素ガスを大気中に直接排出しているので、水素ガス循環供給経路内の圧力の変動幅が大きく、バルブを複数回開ける場合では、圧力の変動回数が多くなってしまう。

そして水素ガス循環供給経路内で、圧力変動が生じると、燃料電池内の電解質膜が劣化するため、電解質膜の耐久性が低下する。

一方、上記した後者の燃料電池システムにおいては、オフ水素ガスを燃料電池の空気極に戻しているため、オフ水素ガスに含まれる液水が空気極に入ることとなり、この液水が電気エネルギを発生させる電気化学反応を阻害するフラッディングの問題が生じやすくなる。また、オフ水素ガスを空気極に送るためには、専用の水素ポンプが必要となり、水素ポンプの動力が必要となる。このため、オフ水素ガスを燃料電池の空気極に戻すことは好ましくない。

なお、上記した問題は、水素ガスに限らず、水素を主成分とする燃料ガスを用いた場合においても、同様に生じる問題である。

本発明は、上記点に鑑み、燃料ガス循環経路内の不活性物を大気中に排出する場合に、１つのバルブを頻繁に開閉して不活性物を大気中に排出する場合と比較して、燃料ガス循環経路内の圧力変動を抑制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。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料ガス循環供給経路（４）に接続された不活性物排出経路（５）と、不活性物排出経路（５）に設けられた第１バルブ（１７）と、不活性物排出経路（５）のうちの第１バルブ（１７）よりも下流側部分に設けられた第２バルブ（１８）とを備え、第２バルブ（１８）を閉じた状態で、第１バルブ（１７）を開けた後、第１バルブ（１７）を閉じることで、不活性物排出経路（５）のうちの第１バルブ（１７）と第２バルブ（１８）との間に不活性物を蓄積し、その後、第１バルブ（１７）を閉じた状態で、第２バルブ（１８）を開けることで、蓄積された不活性物を大気中に排出するようになっていることを第１の特徴としている。

本発明では、燃料ガス循環供給経路から不活性物を排出する際、第２バルブを閉じた状態で、第１バルブを開けているので、第１バルブを開けるときにおいては、大気中に排出される燃料ガス濃度を低減する目的で第１バルブの開閉を頻繁に行う必要が無い。このため、第１バルブの開閉回数を、頻繁に行う場合と比較して、少なくすることができる。

また、不活性物を大気中に排出する際では、第１バルブを閉じているので、燃料ガス循環供給経路での燃料ガスの圧力変動は生じない。

したがって、本発明によれば、１つのバルブを頻繁に開閉して不活性物を大気中に排出する場合と比較して、燃料ガス循環供給経路内の圧力変動を抑制することができる。

また、本発明では、不活性物排出経路（５）のうち、第１バルブ（１７）と第２バルブ（１８）の間に、不活性物を蓄積する蓄積手段（１９、３１）を設けることを他の特徴としている。

なお、蓄積手段としては、例えば、不活性物を加圧状態で蓄積するアキュムレータ（１９）を用いることができる。これにより、第２バルブを開けたとき、不活性物の加圧状態が開放される力を利用して、不活性物を大気中に排出することができる。

また、蓄積手段としては、例えば、燃料ガス循環供給経路（４）から排気される排気ガス中の燃料ガスと不活性物とを分離させる分離器（３１）を用いることもできる。この場合、分離器（３１）により不活性物と分離された燃料ガスを、燃料ガス循環供給経路（４）に供給されるようにすることで、燃料ガスを大気中に排出しないで、燃料電池による発電に再利用することができる。なお、分離器としては、例えば、内部に空間を有する容器内に、燃料ガスは透過するが不活性物は透過しない膜が設置されたものを用いることができる。

また、本発明では、第１バルブ（１７）を閉じた状態で、第２バルブ（１８）を開けることで、不活性物を大気中に排出する際では、蓄積された不活性物を複数回に分けて排出するように、第２バルブ（１８）を間欠的に開けるようになっていることを他の特徴としている。

大気中に不活性物と共に電気化学反応に使用されなかった燃料ガスも排出する場合では、このように、第２バルブ（１８）を間欠的に開けることで、１回の第２バルブの開閉によって、大気中に排出される燃料ガスの量を低減することができる。

そして、このように第２バルブ（１８）を間欠的に開ける際では、例えば、不活性物排出経路（５）のうちの第１バルブ（１７）と第２バルブ（１８）の間の圧力の変化量が所定量に到達した場合に、第２バルブ（１８）を開の状態から閉の状態にすることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
本実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用した場合を例として説明する。図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１に供給される空気が流れる空気供給経路２と、燃料電池１から排出される空気が流れる空気排出経路３と、燃料電池１に供給される水素ガスが循環して流れる水素ガス循環供給経路４と、水素ガス循環供給経路４から排出されるオフ水素ガスが流れる水素ガス排出経路５と、制御部６とを備えている。水素ガス循環供給経路４と水素ガス排出経路５が、それぞれ、特許請求の範囲に記載の燃料ガス循環供給経路と不活性物排出経路に相当する。

なお、オフ水素ガスとは、燃料電池に供給された水素ガスのうち、下記の電気化学反応をしないで、燃料電池から排出された水素ガスを意味する。本実施形態において、水素ガス循環供給経路４から排出されるオフ水素ガスには、不活性物が混ざっている。

燃料電池１は、電気化学反応により電力を発生させ、図示しない燃料電池が本来対象とする電気負荷、例えば、車両走行駆動源としての電動モータや、燃料電池システムを作動させる電気機器、例えば、図中の空気ポンプ、水素ポンプ等に電力を供給するものである。

燃料電池１は、下記に示す化学式のように、空気中の酸素と水素ガスとを電気化学反応させて電力を発生させる。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
なお、燃料電池１としては、例えば、固体高分子電解質型燃料電池を用いることができ、他の燃料電池を用いることもできる。

空気供給経路２と空気排出経路３は、燃料電池１に接続されており、例えば、配管により構成されている。空気供給経路２には、燃料電池１に空気を供給する空気ポンプ１１と、空気ポンプ１１から送り出された空気を加湿する加湿器１２が設けられており、空気排出経路３には、空気排出経路３内の圧力を調整する調圧バルブ１３が設けられている。

水素ガス循環供給経路４と水素ガス排出経路５は、例えば、配管により構成されている。水素ガス循環供給経路４は、燃料電池１の水素入口１ａに接続され、燃料電池に水素ガスを供給するための水素ガス供給経路４ａと、燃料電池１の水素出口１ｂに接続され、燃料電池１から排出されたオフ水素ガスを供給経路に戻すための水素ガス循環経路４ｂとからなる。

水素ガス供給経路４ａには、水素ガスが貯蔵された水素タンク１４と、水素ガス循環供給経路４内の圧力を調整する調圧バルブ１５が設けられており、水素ガス循環経路４ｂには、水素ガスを送り出す水素ポンプ１６が設けられている。

水素ガス排出経路５は、一端が水素ガス循環供給経路４のうちの水素ガス循環経路４ｂに接続されており、他端が空気排出経路３に接続されている。水素ガス排出経路５には、水素ガス排出経路５を開閉する第１バルブ１７および第２バルブ１８が設けられている。第２バルブ１８は、水素ガス排出経路５のうちの第１バルブ１７よりもガス流れの下流側部分に、第１バルブ１７と離れて配置されている。

さらに、第１バルブ１７と第２バルブ１８の間に、蓄積手段としてのアキュムレータ１９が設けられている。アキュムレータ１９は、不活性物を含むオフ水素ガスを加圧状態で蓄積するものである。具体的には、アキュムレータ１９は、内部に空間を有する容器２０と、容器２０の内部を２つの領域に仕切る仕切り部２１とを有している。

そして、容器２０の内部のうち、仕切り部２１によって分けられた２つの領域の一方がオフ水素ガスを蓄積する領域２０ａであり、他方の領域２０ｂには、その領域内のオフ水素ガスに圧力を加えるための加圧手段としてのバネ等の弾性体２２が設けられている。これにより、アキュムレータ１９の内部にオフ水素ガスが流入した場合では、弾性体２２が弾性変形して、オフ水素ガスの蓄積領域２０ａの容積が拡大するように、仕切り部２１が移動するようになっている。なお、アキュムレータ１９としては、上記した構造に限らず、油圧回路の補器等に用いられる一般的なアキュムレータを使用することもできる。

また、アキュムレータ１９には、アキュムレータ１９のオフ水素ガスを蓄積する領域２０ａの圧力を検出する圧力センサ２３が設けられている。なお、アキュムレータ１９のオフ水素ガスを蓄積する領域２０ａは、接続経路２４によって、水素ガス排出経路５と接続されている。また、接続経路２４は、例えば、配管により構成されている。

制御部６は、水素ガス循環供給経路４の調圧バルブ１５、第１バルブ１７、第２バルブ１８等の作動制御を行うものであり、これらに指示信号を出力するようになっている。また、制御部６は、図示しない電圧計、電流計から燃料電池１の発電電圧、発電電流の計測値が入力され、圧力センサ２３からアキュムレータ１９内の圧力値が入力されるようになっている。また、制御部６は、後述する不活性物の排出制御を実行するようになっている。なお、制御部６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路により構成されている。

次に、制御部６が実行する不活性物の排出制御について説明する。図２に、この不活性物の排出制御のフローチャートを示す。この不活性物の排出制御処理は、燃料電池１の運転中に、所定の周期で繰り返し実行される。また、燃料電池１の運転が停止したときに、この処理は終了する。

まず、燃料電池１の運転中では、第１バルブ１７は閉じた状態で、水素ガスが燃料電池１に循環して供給される。このときでは、調圧バルブ１５によって、水素タンク１４から燃料電池１に供給される水素ガスの圧力が調整され、水素ポンプ１６によって、燃料電池１から排出されたオフ水素ガスが水素ガス供給路４ａに送り出される。

そして、ステップＳ１では、電圧計、電流計から入力された電圧値、電流値と、制御部６のメモリ部にあらかじめ記憶されている基準値とを比較して、燃料電池１のＩＶ特性が基準値よりも低いか否かが判定される。ここでは、水素ガス循環供給経路４内の不活性物の濃度が高くなり、水素ガス濃度が低くなった場合、ＩＶ特性が低下することから、ＩＶ特性を基準値と比較することで、不活性物を排出する必要があるかを判断する。

したがって、例えば、燃料電池１の発電開始から短い時間が経過したときや、水素ガス循環供給経路４内の不活性物が排出された直後では、水素ガス循環供給経路４内の不活性物の濃度は低いので、ＩＶ特性が基準値よりも高いため、ＮＯと判定され、ステップＳ１が繰り返し実行される。

一方、例えば、燃料電池１の発電開始から長い時間が経過したときでは、発電時間の経過に伴って、不活性物が多くなることから、水素ガス循環供給経路４内の不活性物の濃度が高くなり、ＩＶ特性が基準値よりも低くなるので、ＹＥＳと判定され、ステップＳ２に進む。

そして、ステップＳ２では、第１バルブに指示信号を出力し、第１バルブ１７を開ける。このとき、第２バルブ１８は閉じた状態とし、水素ポンプ１６の運転を停止させる。これにより、水素ガス循環供給経路４内の不活性物を多く含むオフ水素ガスがアキュムレータ１９の内部に流れ込む。このとき、アキュムレータ１９の内部では、オフ水素ガスが仕切り部２１を押すため、弾性体２２が縮められた状態となる。

なお、第１バルブ１７を開けている間は、調圧バルブ１５を作動させることで水素ガス循環供給経路４内の圧力を調整する。

続いて、ステップＳ３では、第１バルブ１７を開状態にしてから所定時間経過したかが判定される。この所定時間とは、水素ガス循環供給経路４内の不活性物を十分に排出できる時間として、あらかじめ設定された時間である。

そして、所定時間が経過するまでは、ＮＯと判定され、第１バルブ１７は開状態のままで、ステップＳ３が繰り返し実行される。

一方、所定時間が経過したとき、ＹＥＳと判定され、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、第１バルブ１７に指示信号を出力し、第１バルブ１７を閉じる。これにより、アキュムレータ１９の内部にオフ水素ガスが蓄積される。このとき、アキュムレータ１９の内部では、弾性体２２が縮められた状態で維持されることから、オフ水素ガスは、弾性体２２によって、加圧された状態となる。なお、このとき、水素ポンプ１６の運転が再開される。

続いて、ステップＳ５では、第２バルブ１８に指示信号を出力し、第２バルブ１８を開ける。このとき、第１バルブ１７は閉じた状態である。これにより、アキュムレータ１９内と大気との圧力差と、弾性体２２の押し出す力とによって、アキュムレータ１９の内部に蓄積されたオフ水素ガスの大気中への排出が開始され、オフ水素ガスは、水素ガス排出経路５を流れ、空気排出経路３を流れる空気と共に大気中に排出される。

続いて、ステップＳ６では、アキュムレータ１９に設けられた圧力センサ２３から入力された圧力値に基づいて、アキュムレータ１９の内部の圧力変化量が、あらかじめ記憶されている基準値を超えたか否かが判定される。

ここで、アキュムレータ１９にオフ水素ガスが蓄積されているとき、アキュムレータ１９の内部の圧力は大気圧よりも大きく、アキュムレータ１９からオフ水素ガスが大気中に排出されるにつれ、アキュムレータ１９の内部の圧力が徐々に低下し、すべて排出されたとき、アキュムレータ１９の内部の圧力は大気圧に等しくなる。

そこで、このステップＳ６では、アキュムレータ１９に蓄積されたオフ水素ガスを複数回に分けて排出するために、アキュムレータ１９内にオフ水素ガスが満たされている状態と空の状態のときの圧力差を複数に分割した大きさを基準値としている。

したがって、オフ水素ガスの排出量が所定量に到達しない場合、ＮＯと判定され、所定量に到達するまで、第２バルブ１８は開状態に維持される。

一方、オフ水素ガスの排出量が所定量を超えたとき、ＹＥＳと判定され、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、第２バルブ１８に指示信号を出力し、第２バルブ１８を閉じる。これにより、オフ水素ガスの大気中への排出が一時停止される。このようにして、オフ水素ガスの一部が大気中に排出される。

続いて、ステップＳ８では、アキュムレータ１９に設けられた圧力センサ２３から入力された圧力値と大気圧とを比較して、アキュムレータ１９内の圧力が大気圧と等しいか否かが判定される。

このとき、アキュムレータ１９の内部にオフ水素ガスが残っている場合、アキュムレータ１９の内部の圧力は、大気圧よりも高いため、ＮＯと判定され、ステップＳ５に戻り、ステップＳ５〜Ｓ７が実行される。なお、この場合、ステップＳ５では、第２バルブ１８を閉じてから所定時間経過した後に、実行される。

このように、本実施形態では、ステップＳ５〜Ｓ８を繰り返し実行し、第２バルブ１８を間欠的に開けて、アキュムレータ１９の内部に蓄積されたオフ水素ガスが複数回に分けて大気中に排出するようにしている。これにより、一度で、蓄積されたオフ水素ガスをすべて大気中に排出する場合と比較して、１回のバルブの開放によって大気中に排出される排気ガス中の水素濃度を低減することができる。

一方、アキュムレータ１９の内部が空になった場合、キュムレータ１９の内部の圧力が大気圧と等しくなるので、ＹＥＳと判定され、上記した一連の処理が終了する。このようにして、不活性物の排出制御処理が実行される。

次に、本実施形態の燃料電池システムの主な効果について説明する。

（１）本実施形態の燃料電池システムは、上記の通り、第２バルブ１８を閉じた状態で、第１バルブ１７を開けた後、第１バルブ１７を閉じることで、アキュムレータ１９の内部に不活性物を含むオフ水素ガスを蓄積し、その後、第１バルブ１７を閉じた状態で、第２バルブ１８を開けることで、蓄積されたオフ水素ガスを大気中に排出するように、制御部６が第１、第２バルブ１７、１８を制御するようになっている。

このように、アキュムレータ１９の内部に不活性物を含むオフ水素ガスを蓄積する際では、第２バルブ１８を閉じているので、第１バルブ１７の開閉を頻繁に行う必要が無く、第１バルブ１７を開ける回数を、例えば、本実施形態のように、１回とすることができる。これにより、水素ガス循環供給経路内における水素ガス圧の脈動を最小限に抑えることができる。

また、このときでは、第１バルブ１７を開けている間、調圧バルブ１５で圧力を調整することで、水素ガス循環供給経路４内の圧力を元の大きさに戻すことができる。もしくは、調圧バルブ１５で圧力の変動を抑制するように調整しながら、第１バルブ１７を開けることができる。

また、オフ水素ガスを大気中に排出する際では、第２バルブ１８の開閉を頻繁に行っても、第１バルブ１７を閉じているので、水素ガス循環供給経路４での水素ガスの圧力変動は生じない。

したがって、本実施形態によれば、１つのバルブを頻繁に開閉して、オフ水素ガスと不活性物を大気中に排出する場合と比較して、水素ガス循環供給経路４内の圧力変動を抑制することができる。

（２）本実施形態では、水素ガス排出経路５のうちの第１バルブ１７と第２バルブ１８の間にアキュムレータ１９を設けている。アキュムレータ１９は、不活性物を加圧状態で蓄積しているため、第２バルブ１８を開けたとき、アキュムレータ１９内と大気との圧力差だけでなく、弾性体２２の押し出す力によっても、アキュムレータ１９の内部の不活性物を大気中へ排出することができるので、より確実に不活性物を車外に排出することができる。

（第２実施形態）
図３に、第２実施形態における燃料電池システムの構成図を示す。なお、図３では、図１と同様の構成部には同一の符号を付している。

本実施形態の燃料電池システムは、図３に示すように、図１中の燃料電池システムに対して、アキュムレータ１９を水素分離器３１に変更し、図１中の水素ガス循環経路４ｂにオリフィス４１を設けたものである。なお、本実施形態では、図１中の水素ガス排出経路５が、大気中に排出される不活性物が流れる不活性物排出経路５となっている。

ここで、図４に、水素分離器３１の内部構造を示す。水素分離器３１は、内部に空間を有する容器３２の内部に、水素透過膜３３が設けられている。水素透過膜３３は、オフ水素ガス中の水素ガスを透過させ、水や窒素ガス等の不活性物を透過させない膜であり、水素透過膜３３として、例えば、貴金属系の膜を用いることができる。なお、水素と不活性物を分離できる構造であれば、他の構造とすることもできる。

また、容器３２の内部は、水素透過膜３３によって２つの領域に分けられており、水素透過膜３３よりも水素ガス流れの上流側の領域（容器３２の下部）３２ａは、第１の接続経路３４を介して、不活性物排出経路５のうちの第１バルブ１７と第２バルブ１８の間の部分に接続されている。一方、水素透過膜３３よりも水素ガス流れの下流側の領域（容器３２の上部）３２ｂは、第２の接続経路３５を介して、水素ガス循環経路４ｂの水素ポンプ１６よりも水素ガス流れの上流側部分に接続されている。これにより、水素透過膜３３を通過した水素ガスが水素ガス循環経路４ｂに流れるようになっている。

また、容器３２には、容器３２の下部３２ａにおける不活性物の圧力を検出する、図示しない圧力センサが設けられている。

また、第２の接続経路３５には、第２の接続経路３５を開閉する第３バルブ３６が設けられている。この第３バルブ３６は、水素ガスが燃料電池に循環供給されているとき、通常、閉じられる。なお、第１の接続経路３４および第２の接続経路３５は、例えば、配管により構成されている。

オリフィス４１は、水素循環経路４ｂの流路断面積を絞る手段であり、第３バルブ３を開けたとき、水素循環経路４ｂと水素分離器３１の内部との間に圧力差を与えて、水素分離器３１の内部で水素透過膜３３を透過した水素を、水素ポンプ１６で吸引して、水素循環経路４ｂに流すために設けられている。

次に、本実施形態での制御部６が実行する不活性物の排出制御について説明する。本実施形態の制御処理は、第１実施形態で説明した制御処理に対して、図２中のステップＳ５以降を以下のステップＳ９〜Ｓ１０に変更したものである。

まず、ステップＳ４で、第１バルブ１７を閉じることにより、水素分離器３１の内部にオフ水素ガスが蓄積される。このとき、水素ガスと窒素等の不活性物との質量差により、水素ガスは水素透過膜３３を透過して、容器３２の上部３２ｂに蓄積され、不活性物は、容器３２の下部３２ａに蓄積される。

そこで、ステップＳ９で、制御部６が第３バルブ３６および水素ポンプ１６に指示信号を出力し、第３バルブ３６を開け、水素ポンプ１６の運転を再開させる。これにより、容器３２の上部３２ｂ中の水素ガスは、水素ポンプ１６で吸引されることで、第２の接続経路３５を介して、水素ガス循環経路４ｂに流れる。このようにして、オフ水素ガス中の水素ガスを再利用することができ、大気中に水素ガスが排出されるのを抑制できる。

その後、ステップＳ１０で、制御部６が第３バルブ３６に指示信号を出力して、第３バルブ３６を閉じた後、ステップＳ１１で、制御部６が第２バルブ１８に指示信号を出力して、第２バルブ１８を開ける。このとき、第１バルブ１７は閉じた状態である。これにより、容器３２の下部３２ａに蓄積された不活性物が、不活性物排出経路５を流れ、空気排出経路３を流れる空気と共に大気中に排出される。

続いて、ステップＳ１２で、図２中のステップＳ８と同様に、容器３２の下部３２ａに設けられた圧力センサから入力された圧力値と大気圧とを比較して、容器３２の下部３２ａの圧力が大気圧と等しいか否かが判定される。したがって、容器３２の下部３２ａが空になるまでは、ＮＯと判定され、ステップＳ１２が繰り返される。そして、容器３２の下部３２ａが空になったとき、容器３２の下部３２ａの圧力が大気圧と等しいので、ＹＥＳと判定され、ステップＳ１３に進む。

続いて、ステップＳ１３で、制御部６が第２バルブ１８に指示信号を出力して、第２バルブ１８を閉じることで、上記した一連の制御処理が終了する。

（他の実施形態）
（１）第１実施形態では、水素ガス排出経路５のうちの第１バルブ１７と第２バルブ１８の間に、蓄積手段として、アキュムレータ１９を設け、第２実施形態では、水素分離器３１を設ける場合を例として説明したが、内部にオフ水素ガスを蓄積できる空間を有する容器類であれば、アキュムレータ１９等の代わりに、蓄積手段として、他のものを用いることもできる。

また、水素ガス排出経路５のうちの第１バルブ１７と第２バルブ１８の間に設けられたアキュムレータ１９等の蓄積手段を省略することもできる。この場合、水素ガス排出経路５を構成する配管のうち、第１バルブ１７と第２バルブ１８の間の部分に、オフ水素ガスを蓄積できるように、第１バルブ１７と第２バルブ１８の間隔を十分に開けることが好ましい。

（２）第１実施形態では、制御部６が実行する不活性物の排出制御において、第１バルブ１７を開けるタイミングを、ステップＳ１で、燃料電池１のＩＶ特性が基準値よりも低いと判定したときにしていたが、燃料電池１の電流積算値が基準値を超えたと判定したときとしても良い。

これは、燃料電池１の運転時では、発電に応じて水が生成するため、発電時間が長くなるにつれ、水素ガス循環供給経路４内に存在する水分量が増加するので、電流積算値から水等の不活性物が多くなる時期を予測できるからである。

（３）第１実施形態では、制御部６が実行する不活性物の排出制御において、一連の処理終了のタイミングを、ステップＳ８で、アキュムレータ１９の内部の圧力が大気圧と等しいと判定したときにしていたが、他に変更しても良い。

例えば、アキュムレータ１９の仕切り部２１が弾性体２２によって押し戻されて、オフ水素ガスを蓄積する前の位置に戻ったと判定したときにしても良い。なお、仕切り部２１の位置については、リミットスイッチを用いることで、判定できる。第２実施形態においても同様に変更できる。

また、第１実施形態においては、例えば、第２バルブ１８を開の状態にした回数が所定の回数を超えたと判定したときにすることもできる。アキュムレータ１９に蓄積可能なオフ水素ガス量と、１回のオフ水素ガスの排出量とから、すべてのオフ水素ガスを排出するための回数が算出できるからである。

（４）第１実施形態では、ステップＳ５〜ステップＳ８を実行することにより、オフ水素ガスを複数回に分けて大気中に排出する場合を説明したが、例えば、水素濃度が十分に低い場合であれば、オフ水素ガスを一度に排出しても良い。

（５）上記した各実施形態では、水素ガス排気経路５に、２つのバルブ１７、１８を設け、不活性物を蓄積するときでは、大気中に不活性部を排出しないように、第２バルブ１８を閉じた状態で、第１バルブ１７を開け、不活性物を大気中に排出するときでは、水素ガス循環供給経路４が閉回路となるように、第１バルブ１７を閉じた状態で、第２バルブ１８を開ける説明をした。

これに対して、バルブの数を増やして、これらのバルブを操作することで、大気中に不活性部を排出しない状態で、不活性物を蓄積し、その後に、水素ガス循環供給経路４が閉回路とした状態で、不活性物を大気中に排出することもできる。

（６）上記した各実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合を例として説明したが、それぞれ他の酸化剤ガス、燃料ガスを用いることもできる。

（７）上記した各実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用する場合を例として説明したが、本発明の燃料電池システムを、家庭用、業務用電源等の他の用途に適用することもできる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図１中の制御部６が実行する不活性物の排出制御のフローチャートである。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図３中の水素分離器３１の内部構造を示す図である。 本発明の第２実施形態における制御部６が実行する不活性物の排出制御のフローチャートである。 従来の燃料電池システムにおける水素ガス循環供給経路からオフ水素ガスを排出した際の水素ガス循環供給経路内の圧力変動を示す概念図である。

符号の説明

１…燃料電池、４…水素ガス循環供給経路、５…水素ガス排出経路、６…制御部、
１７…第１バルブ、１８…第２バルブ、１９…アキュムレータ、
３１…水素分離器、３３…水素透過膜、３６…第３バルブ、４１…オリフィス。

Claims (6)

1. 酸素を主成分とする酸化剤ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１）と、
   前記燃料電池（１）に接続され、燃料電池に供給される燃料ガスが循環して流れる燃料ガス循環供給経路（４）と、
   燃料ガス循環供給経路（４）に接続され、前記燃料ガス循環供給経路（４）内に存在する前記電気化学反応に使用されない不活性物が前記燃料ガス循環供給経路（４）から大気中に向けて流れる不活性物排出経路（５）と、
   前記不活性物排出経路（５）に設けられ、前記不活性物排出経路（５）の開閉を行う第１バルブ（１７）と、
   前記不活性物排出経路（５）のうちの前記第１バルブ（１７）よりも下流側部分に設けられ、前記不活性物排出経路（５）の開閉を行う第２バルブ（１８）とを備え、
   前記第２バルブ（１８）を閉じた状態で、前記第１バルブ（１７）を開けた後、前記第１バルブ（１７）を閉じることで、前記不活性物排出経路（５）のうちの前記第１バルブ（１７）と前記第２バルブ（１８）との間に不活性物を蓄積し、その後、前記第１バルブ（１７）を閉じた状態で、前記第２バルブ（１８）を開けることで、蓄積された不活性物を大気中に排出するようになっていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記不活性物排出経路（５）のうち、前記第１バルブ（１７）と前記第２バルブ（１８）の間に、不活性物を蓄積する蓄積手段（１９、３１）が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. 前記蓄積手段は、前記第１バルブ（１７）および前記第２バルブ（１８）が閉じた状態の場合に、不活性物を加圧状態で蓄積するアキュムレータ（１９）であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記蓄積手段は、前記燃料ガス循環供給経路（４）から排気される排気ガス中の燃料ガスと不活性物とを分離させる分離器（３１）であり、
   前記分離器（３１）により不活性物と分離された燃料ガスが、前記燃料ガス循環供給経路（４）に供給されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１バルブ（１７）を閉じた状態で、前記第２バルブ（１８）を開けることで、不活性物を大気中に排出する際では、蓄積された不活性物を複数回に分けて排出するように、前記第２バルブ（１８）を間欠的に開けるようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記第２バルブ（１８）を間欠的に開ける際では、前記不活性物排出経路（５）のうちの前記第１バルブ（１７）と前記第２バルブ（１８）の間の圧力の変化量が所定量に到達した場合に、前記第２バルブ（１８）を開の状態から閉の状態にするようになってい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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