JP2007184196A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料をリサイクル利用する燃料電池システムにおいて、消費電力を節減させ、水素流量を増大させることができる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１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池１２と、該燃料電池１２に燃料ガスを供給するための燃料供給流路２２と、燃料電池１２から排出されるアノードオフガスを燃料ポンプ３０により燃料供給流路２２に循環させる燃料循環流路２８と、燃料電池１２から排出されるカソードオフガスにより駆動されるタービン４６とを備える。そして、タービン４６により、駆動軸４８を介して燃料ポンプ３０が駆動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の燃料ガスを循環する燃料循環流路を備える燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持すると共に、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池を搭載する燃料電池システムにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。また、カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

このような燃料電池システムでは、一般に、燃料ガスの利用率を上げて水素燃費を増大させるために、燃料電池の燃料排出口から消費されずに排出される未反応の水素を含有するガス、いわゆるアノードオフガスを燃料電池の燃料供給口に戻して循環させ、新たな燃料ガスと混合した状態で再度燃料電池に供給することにより、燃料ガスのリサイクル利用を実現している（特許文献１参照）。

特開２００３−１５１５８８号公報

ところで、上記特許文献１に記載の燃料電池システムによれば、前記アノードオフガスを循環させる燃料ポンプの作用によって、アノード電極側での水素流量が増大する。そして、この水素流量の増大により、燃料電池の発電時にアノード電極側で発生する、カソード電極側からの水の逆拡散や水素の高湿化等に起因する水の貯留、いわゆるフラッディングを抑制することができるため、燃料電池の電流−電圧特性や発電安定性が向上する。

しかしながら、前記燃料ポンプが電動モータにより駆動されているため、この電動モータの消費電力分の効率低下が必然的に生じることになる。さらに、過度のフラッディングが生じた場合や、大きな負荷が生じた場合等には、水素流量の大幅な増大が必要となる。そこで、燃料ポンプを大型化することが考えられるが、この場合には、当該燃料ポンプの消費電力が更に上昇する不利益がある。

本発明は、上記のような課題を考慮してなされたものであり、燃料をリサイクル利用する燃料電池システムにおいて、消費電力を節減させて、水素流量を増大させることを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、本発明は、過度のフラッディングが発生した場合であっても、大型の燃料ポンプ等を用いることなく、当該フラッディングを解消することを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを前記燃料供給流路に合流させて前記燃料ガスを循環させるための燃料ポンプが配設された燃料循環流路と、前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスにより駆動されるエネルギ回収手段とを備え、前記エネルギ回収手段により回収された前記酸化剤ガスの運動エネルギにより、前記燃料ポンプが駆動されるように構成されていることを特徴とする。

このような構成によれば、燃料をリサイクル利用するための燃料ポンプを駆動する電力が不要となる。また、前記燃料ポンプの作用により、アノード電極側での水素流量が増大するため、燃料電池での電流−電圧特性が向上すると共に、燃料電池システムの高効率化が可能となる。さらに、前記水素流量の増大により、アノード電極側でのフラッディングの発生が抑制され、安定した発電が可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスが流通し且つ背圧弁が設けられた酸化剤排出流路を備え、前記エネルギ回収手段は、前記酸化剤排出流路の前記背圧弁の出口側に設けられていると、背圧弁を所定の開度に保持するための消費電力を低減することができる。

さらに、前記燃料循環流路における前記燃料ポンプの出口側には、前記未反応の燃料ガスの前記燃料供給流路への合流を遮断する循環遮断弁が設けられていることが好ましい。このような循環遮断弁を開閉制御すると、前記燃料循環流路の開閉ができるようになり、アノード電極側におけるフラッディングの解消が可能となる。なお、さらに、前記燃料循環流路における前記燃料ポンプの出口側と、前記循環遮断弁の入口側との間には、所定の容積を有するバッファタンクが設けられていると一層好適である。

また、前記燃料電池システムは、さらに、前記循環遮断弁の開閉制御を行う制御装置を備え、前記制御装置は、前記燃料電池のセル電圧が所定値よりも低下した場合に前記循環遮断弁を閉じ、その後、前記循環遮断弁を開くように制御するとよい。これにより、燃料電池の発電安定性が低下した場合に、前記燃料循環流路及び前記バッファタンクに充填されたアノードオフガスにより、水素流量が大幅に増大するため、アノード電極側で生じているフラッディングの解消が可能となり、発電安定性が改善される。

さらに、前記燃料ポンプの入口側の前記燃料循環流路と連通し、前記未反応の燃料を外部に排出するための燃料排出流路と、前記燃料排出流路に設けられ、該燃料排出流路を開閉する燃料排出弁と、を備え、前記制御装置は、前記循環遮断弁を閉じた後、該循環遮断弁を開く前に、前記燃料排出弁を開くようにすると好適である。これにより、前記燃料循環流路及び前記バッファタンクでのアノードオフガスの圧力と、アノード電極側での水素圧力との圧力差が大幅に増加する。このため、水素流量が瞬時且つ大幅に増大するため、過度のフラッディングが生じた場合にも、当該フラッディングを解消することができる。

本発明によれば、燃料をリサイクル利用する燃料電池システムにおいて、燃料ポンプがカソードオフガスにより駆動されるため、消費電力を節減できる。さらに、アノード電極側での水素流量が増大するため、アノード電極側で生じるフラッディングを解消することができる。このため、燃料電池の電流−電圧特性が向上すると共に、燃料電池システムの高効率化が可能となる。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、燃料電池車両等に搭載可能である本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。なお、図１中、二重線は配管を示し、実線は信号線を示している。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２を有し、燃料電池１２は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持することにより構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造とされる。

燃料電池１２には、この燃料電池１２に燃料ガスとして、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための燃料供給口１４と、燃料電池１２から未反応の水素を含むアノードオフガスを排出するための燃料排出口１６と、燃料電池１２に酸化剤ガスとして、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための酸化剤供給口１８と、燃料電池１２から未反応の酸素を含むカソードオフガスを排出するための酸化剤排出口２０とが設けられる。

燃料供給口１４には、燃料供給流路２２が連通される。そして、燃料電池１２に水素ガスを供給するために、例えば高圧水素ガスを貯留する水素タンク等により構成される水素供給システム２４からの水素ガスが、燃料供給流路２２を流通して燃料供給口１４から燃料電池１２に供給される。

また、燃料排出口１６には、燃料排出流路２６が連通され、さらに、燃料排出流路２６からは燃料循環流路２８が分岐しており、該燃料循環流路２８は、前記燃料供給流路２２に合流する。燃料循環流路２８には、燃料排出口１６側から順に、アノードオフガスを昇圧して循環させる燃料ポンプ３０と、バッファタンクとして作用する水素チャンバ３２と、燃料循環流路２８を開閉する循環遮断弁３４とが配設される。なお、燃料排出流路２６は、燃料排出弁３６を介して、後述する酸化剤排出流路３８に合流した後、大気開放される。

すなわち、燃料排出口１６から排出されるアノードオフガスは、燃料循環流路２８により燃料供給流路２２内の新たな水素ガスと混合されて燃料電池１２に供給されるか、又は燃料排出流路２６を流通してカソードオフガスと混合されて大気中に排出される。なお、後述するが、燃料排出弁３６は循環遮断弁３４との関係で適時開閉される。これにより、燃料電池システム１０では、アノード電極側に貯留した水やカソード電極から電解質膜を透過して混入した窒素ガスを含む水素ガスを、燃料排出流路２６を介して大気中に排出することで発電安定性を確保する。

一方、酸化剤供給口１８には、酸化剤供給流路４０が連通され、この酸化剤供給流路４０には、大気中の空気を圧縮し、燃料電池１２に酸化剤としての加圧空気を供給するエアコンプレッサ４２（エア供給システム）が接続される。

また、酸化剤排出口２０には、酸化剤排出流路３８が連通され、この酸化剤排出流路３８には、酸化剤排出口２０側から順に、背圧弁４４と、エネルギ回収手段としてのタービン４６とが配設される。そして、酸化剤排出流路３８は、前記燃料排出流路２６と合流した後、大気開放される。

タービン４６は、酸化剤排出流路３８を流通するカソードオフガスの運動エネルギや圧力エネルギを利用して駆動（回転）される。タービン４６（膨張機）の回転は、駆動軸４８を介して燃料ポンプ３０に伝達され、燃料ポンプ３０（圧縮機）を駆動（回転）して燃料循環流路２８を流通するアノードオフガスを昇圧（圧縮）して、燃料電池１２に供給する。このようにアノードオフガスを昇圧するのは、燃料電池１２での圧力損失により低下したアノードオフガスの圧力を回復して循環させるためである。さらに、この昇圧により、アノード電極側での水素流量が増大する。

また、背圧弁４４は、燃料電池１２のカソード電極側の背圧を調整するために設けられるものであり、例えば弁開度を調節可能に構成され、図示しないステッピングモータ等により駆動される。

この背圧弁４４の開度を増大させると燃料電池１２のカソード電極側の圧力が低下する。そして、タービン４６前後の圧力差が大きくなると共に、タービン４６へのカソードオフガスの運動エネルギが増大するため、タービン４６の回転速度が速くなる。一方、背圧弁４４の開度を減少させると燃料電池１２のカソード電極側の圧力が上昇する。そして、タービン４６前後の圧力差が小さくなると共に、タービン４６へのカソードオフガスの運動エネルギが減少するため、タービン４６の回転速度が遅くなる。

つまり、背圧弁４４の開度を増大させると、タービン４６の回転速度が速くなり、燃料ポンプ３０の回転速度も速くなるため、アノード電極側への燃料供給量、すなわち水素流量が増大する。一方、背圧弁４４の開度を低下させると、タービン４６の回転速度が遅くなり、燃料ポンプ３０の回転速度も遅くなるため、前記水素流量が低下する。

なお、エアコンプレッサ４２より供給される加圧空気に逆らって、上記カソード電極側の背圧を所定値に維持するために背圧弁４４を所定の開度に保持しておくには、相当量の電力を消費する。しかしながら、燃料電池システム１０では、タービン４６を有するため、背圧弁４４前後の圧力差を小さくすることができ、上記のように背圧弁４４を所定の開度で保持しておくための消費電力を節減することが可能となる。

さらに、燃料電池システム１０には、コンピュータ（ＥＣＵ）により構成される制御装置５０が設けられる。この制御装置５０により、循環遮断弁３４、燃料排出弁３６及び背圧弁４４の開閉制御動作、燃料電池システム１０の発電動作及び発電電圧の測定、並びにエアコンプレッサ４２の制御動作等が行われる。

次に、以上のように構成される燃料電池システム１０の動作について説明する。燃料電池システム１０では、通常の発電運転時には、燃料循環流路２８を用いてアノードオフガスを循環（リサイクル）して発電を行う。すなわち、この場合、循環遮断弁３４が開かれ、燃料排出弁３６が閉じられる。さらに、背圧弁４４は、カソード電極側を所定の圧力に維持するように、制御装置５０により所定の開度に制御されている。

この通常の発電時では、水素供給システム２４から供給される水素ガスが、燃料供給流路２２を介して燃料電池１２の燃料供給口１４に供給される。燃料供給口１４に供給された水素ガスは、アノード電極に供給されアノード電極に沿って移動し、水分を含む未反応の水素ガスを含むアノードオフガスが、燃料排出口１６から排出され、燃料循環流路２８に流入する。

燃料循環流路２８に流入したアノードオフガスは、燃料ポンプ３０により昇圧されて水素チャンバ３２及び循環遮断弁３４を通過し、燃料供給流路２２内を流通する新たな水素ガスと合流して再度燃料電池１２内に供給される。この循環された水素ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。

一方、空気は、エアコンプレッサ４２から加圧空気として供給され、酸化剤供給流路４０を介して酸化剤供給口１８からカソード電極に供給され、カソード電極に沿って移動し、未反応の酸素を含むカソードオフガスが、酸化剤排出口２０から排出される。このように排出されたカソードオフガスは、背圧弁４４を介してタービン４６に流入し、このタービン４６にて圧力エネルギが回収されて当該タービン４６を駆動した後、大気中に放出される。

これにより、各燃料電池セルでは、アノード電極に供給される燃料ガスである水素ガスと、カソード電極に供給される酸化剤ガスである空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

以上のように、本実施形態では、タービン４６がカソードオフガスの圧力エネルギや運動エネルギを回収するエネルギ回収手段として機能する。そして、この回収されたエネルギにより燃料ポンプ３０が駆動されアノードオフガスが昇圧され循環される。このため、燃料ポンプ３０の駆動のための電力を消費せずに、当該燃料ポンプ３０を駆動して水素流量を増大させることができ、燃料電池システム１０の効率を大幅に向上させることができる。さらに、燃料ポンプ３０によりアノード電極側での水素流量が増大するため、アノード電極側におけるフラッディングの発生が抑制され、燃料電池１２における電流−電圧特性が向上する。

ところで、上記のように、燃料電池１２の発電中、アノード電極側には、カソード電極側から電解質膜を通じて水が逆拡散し、あるいは水素ガスの高湿化等に起因して水が貯留される。燃料電池システム１０では、燃料ポンプ３０による水素流量の増大により、このようなフラッディングの発生が抑制されてはいるが、発電時間の経過と共に、次第に水が貯留してしまうため、完全なフラッディングの発生の回避は困難である。

そして、このようにフラッディングが発生すると水素ガスのアノード電極への供給が阻害され、発電安定性が損なわれる場合がある。さらに、カソード電極側に供給された空気中の窒素も、電解質膜を通じて微量ながらアノード電極側に透過して、水素ガスに混入するので、燃料循環流路２８による燃料リサイクルにより窒素の濃度が上昇すると発電安定性が損なわれる場合がある。

そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、発電安定性が損なわれる前に、当該発電安定性を維持向上させる制御を行うものとする。すなわち、燃料電池システム１０では、アノード電極側の水素流量を瞬時に増大させて、燃料排出流路２６及び燃料排出弁３６を介して、大気中に前記水を排出すると共に、窒素濃度が上昇したアノードオフガスを大気に排出する水素流量増大制御が実行される。

以下、本実施形態に係る燃料電池システム１０における水素流量増大制御について図２〜図５を参照して説明する。なお、この水素流量増大制御は、制御装置５０により、燃料電池１２のセル電圧の低下が検出された場合に、循環遮断弁３４、燃料排出弁３６及び背圧弁４４を開閉制御する制御方法である。

先ず、第１の水素流量増大制御について図２のフローチャート及び図３のタイムチャートを参照して説明する。

図２におけるステップＳ１において、制御装置５０により測定される燃料電池１２のセル電圧Ｖが、所定値Ｖ０以下かどうかが判断される。すなわち、燃料電池システム１０では、このセル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下となった場合に、燃料電池１２の発電安定性が損なわれたものと判断する。

このステップＳ１において、セル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下ではない場合、すなわち、Ｖ＞Ｖ０の場合には、次にステップＳ２が実行される。

なお、Ｖ＞Ｖ０の場合とは、例えば、図３に示す時点ｔ０の場合であり、この場合には上記通常の発電運転が実行されている。つまり、循環遮断弁３４は開かれ、燃料排出弁３６は閉じられ、背圧弁４４はカソード電極側を所定の圧力に維持するように所定の開度に制御される。

また、この場合におけるアノード電極側での水素流量は、燃料循環流路２８の作用により、当該燃料循環流路２８を使用していない場合、すなわち水素供給システム２４からの新たな水素ガスのみが供給されている場合（図３中の水素流量を示すタイムチャートにおける値Ｆ）よりも増加している。

次いで、ステップＳ２において、循環遮断弁３４の開弁時間を計時するために、例えば制御装置５０内に設けられる図示しない開弁タイマのカウンタに、単位時間ΔＴが加算される。

ステップＳ３において、循環遮断弁３４の閉弁時間を計時するために、上記開弁タイマと同様に、例えば制御装置５０内に設けられる図示しない閉弁タイマのカウンタがクリア（リセット）される。

ステップＳ４において、循環遮断弁３４が開かれる。なお、循環遮断弁３４が既に開かれている場合には、そのまま開かれている状態を維持する。そして、このステップＳ４の後、再度ステップＳ１が繰り返される。

以上のように、ステップＳ１において、燃料電池１２のセル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下ではない場合、すなわち、Ｖ＞Ｖ０の場合は、燃料電池システム１０では、以上のような燃料をリサイクル利用する通常の発電運転が実行される。

一方、ステップＳ１において、燃料電池１２のセル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下、すなわち、Ｖ≦Ｖ０の場合には、燃料電池１２の発電安定性が損なわれたものと判断され、次にステップＳ５が実行される。

ステップＳ５において、開弁タイマのカウンタ積算値Ｔｏが、所定値Ｔ１以上であるかどうか、すなわち、Ｔｏ≧Ｔ１であるかどうかが判断される。

ここで、開弁タイマのカウンタ積算値Ｔｏが、所定値Ｔ１よりも小さい場合、すなわち、Ｔｏ＜Ｔ１の場合には、循環遮断弁３４が開弁している時間が所定時間に達していないものと判断され、次にステップＳ２〜Ｓ４が実行された後、ステップＳ１に戻る制御が繰り返される。その後、ステップＳ２により、開弁タイマのカウンタが次第に加算されると、一定時間後に、ステップＳ５では、Ｔｏ≧Ｔ１の状態となる。

そして、開弁タイマのカウンタ積算値Ｔｏが、所定値Ｔ１以上である場合、すなわち、Ｔｏ≧Ｔ１の場合には、循環遮断弁３４が十分な時間開弁されていると判断され、次にステップＳ６が実行される。

ステップＳ６では、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃが、所定値Ｔ２以上であるかどうか、すなわち、Ｔｃ≧Ｔ２であるかどうかが判断される。

ここで、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃが、所定時間Ｔ２以上でない場合、すなわち、Ｔｃ＜Ｔ２の場合には、次にステップＳ７が実行される。なお、上記通常の発電運転としてのステップＳ１〜Ｓ４が実行された後、最初にステップＳ６が実行される際には、その直前のステップＳ３において閉弁タイマのカウンタがクリアされているため、必然的にＴｃ＜Ｔ２となり、次にステップＳ７が実行される。

ステップＳ７において、閉弁タイマのカウンタに、単位時間ΔＴが加算される。

ステップＳ８において、循環遮断弁３４が閉じられる（図３中の時点ｔ１）。なお、循環遮断弁３４が既に閉じられている場合には、そのまま閉じられている状態を維持する。

このステップＳ８の後、再度ステップＳ１が実行される。このステップＳ１において、セル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下となると、続けてステップＳ５が実行される。このように、ステップＳ８からステップＳ１を経て、ステップＳ５が実行される場合には、開弁タイマのカウンタは前回のステップＳ５でのカウンタ積算値Ｔｏを保持している。このため、この場合のステップＳ５では、開弁タイマのカウンタ積算値Ｔｏは、必然的に所定値Ｔ１以上、すなわち、Ｔｏ≧Ｔ１となる。

次いで、再度ステップＳ６が実行される。ここで、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃが所定値Ｔ２より小さい、すなわちＴｃ＜Ｔ２となる場合には、循環遮断弁３４が所定時間閉弁されていないものと判断され、この後、ステップＳ７以降の処理が繰り返される。これにより、ステップＳ７により、次第に閉弁タイマのカウンタが加算されることで、一定時間後に、ステップＳ６にてＴｃ≧Ｔ２の状態となる。

そして、ステップＳ６において、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃが所定値Ｔ２以上、すなわち、Ｔｃ≧Ｔ２となる場合には、循環遮断弁３４は所定時間閉じられていたものと判断される。次いで、ステップＳ９により、開弁タイマのカウンタがクリア（リセット）されて、この後、ステップＳ２以降の処理が実行されることにより、循環遮断弁３４が再び開かれる（図３中の時点ｔ２）。

このような循環遮断弁３４の閉弁制御（図３中の時点ｔ１からｔ２までの間）によって、水素チャンバ３２内には燃料ポンプ３０の駆動により十分な量のアノードオフガスが充填され、当該水素チャンバ３２内は所定圧力まで昇圧する。また、このとき、背圧弁４４を全開とするとタービン４６がカソードオフガスにより高速駆動され、燃料ポンプ３０も高速駆動されるため、水素チャンバ３２内を一層短時間で昇圧することができるため好適である。

そして、上記のように循環遮断弁３４が開かれる際、同時に、図３中の時点ｔ２に示すように燃料排出弁３６が開かれる。これにより、水素チャンバ３２内に充填された高圧且つ十分量のアノードオフガスが瞬時にアノード電極側に流入するため、水素流量を大幅且つ一挙に増大させることができ、さらに、アノード電極側に貯留されている水やアノードオフガス中の窒素等を、燃料排出流路２６を介して大気中に放出させることができる。このため、燃料電池１２の発電安定性が改善される。

そして、その後、燃料電池システム１０では、図３中の時点ｔ３にて、燃料排出弁３６が閉じられ、通常の発電運転が再度繰り返される。

以上、第１の水素流量増大制御では、上記のようなステップＳ１〜Ｓ９による循環遮断弁３４の開閉制御が繰り返されることにより、アノード電極側での水素流量の増大と、フラッディング解消の作用を奏する。

なお、上記第１の水素流量増大制御を実行した場合にも燃料電池１２のセル電圧Ｖが低下し続けている場合には、循環遮断弁３４を所定時間毎に開閉するか、又は以下にて説明する第２の水素流量増大制御を実行すると好ましい。

次に、第２の水素流量増大制御について、図４のフローチャート及び図５のタイムチャートを参照して説明する。この第２の水素流量増大制御は、基本的には上記第１の水素流量増大制御と同様であり、図４において、図２に示されるステップ番号と同一のステップ番号は、同一又は同様な制御であるものとして、その詳細な説明を省略する。

この第２の水素流量増大制御は、上記第１の水素流量増大制御と比べて、ステップＳ４及びステップＳ９の後段で、以下に説明するステップＳ１０〜Ｓ１２が実行される点が相違する。

ステップＳ１０において、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃが、所定値Ｔ３以上であるかどうか、すなわち、Ｔｃ≧Ｔ３であるかどうかが判断される。なお、所定値Ｔ３は、上記ステップＳ６における所定値Ｔ２よりも小さく、Ｔ３＜Ｔ２である。

そして、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃが、所定値Ｔ３よりも小さい場合、すなわち、Ｔｃ＜Ｔ３の場合には、循環遮断弁３４の閉弁時間が所定時間に達していないものと判断され、次にステップＳ１１が実行された後、ステップＳ１に戻る制御が繰り返される。

すなわち、この第２の水素流量増大制御では、例えば通常の発電運転時において、ステップＳ１〜Ｓ４の後のステップＳ１０では、直前のステップＳ３により、閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃがクリアされている。このため、ステップＳ１０では、必然的にＴｃ＜Ｔ３となる。つまり、通常の発電運転時等では、ステップＳ１〜Ｓ４の後、ステップＳ１０及びステップＳ１１が実行され、再度ステップＳ１が繰り返されることになる。

一方、ステップＳ８の後、ステップＳ１０が実行される場合、すなわち、循環遮断弁３４が閉じられ、水素チャンバ３２へのアノードオフガスの充填途中では、その後のステップＳ６にてＴｃ≧Ｔ２となる前に、先ず、ステップＳ１０にてＴｃ≧Ｔ３となる。所定値Ｔ３は所定値Ｔ２よりも小さく設定されているためである。これにより、図５中の時点ｔ１及びｔ１Ａで示すように、ステップＳ８が実行されて循環遮断弁３４が閉じられると（図５中の時点ｔ１）、当該循環遮断弁３４が開かれる（図５中の時点ｔ２）前に、燃料排出弁３６が開かれる（図５中の時点ｔ１Ａ）。

そして、その後、ステップＳ６にて、Ｔｃ≧Ｔ２と判定されると、次いでステップＳ９、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ１０へと各ステップが順次実行される。このとき、ステップＳ３にて閉弁タイマのカウンタ積算値Ｔｃがクリアされるため、この場合のステップＳ１０では、必然的にＴｃ＜Ｔ３と判定される。これにより、次にステップＳ１１が実行され、燃料排出弁３６が閉じられることになる（図５中の時点ｔ３）。

以上のように、第２の水素流量増大制御の主な特徴は、循環遮断弁３４が閉じられ、水素チャンバ３２内にアノードオフガスが充填されて昇圧されている途中で、燃料排出弁３６を開弁することにある。

これにより、図５に示すように、アノード電極側の水素圧力が一時的に低下し、水素チャンバ３２内の水素圧力との圧力差が大幅に増加する。このため、その後の循環遮断弁３４の開弁により、水素流量が瞬時且つ大幅に増大するため、より一層のフラッディング解消効果が期待できる。また、この場合、循環遮断弁３４が閉じられている状態での水素チャンバ３２内へのアノードオフガス充填途中（図５中の時点ｔ２〜時点ｔ３）における水素流量が、上記第１の水素流量増大制御時に比べて短時間で回復し始める。このため、前記アノードオフガス充填途中における燃料電池１２の発電効率を向上させることができる。

なお、第２の水素流量増大制御によれば、上記のように水素流量が大幅に増大するため、特に過度のフラッディングが発生している場合に有効となる。しかしながら、燃料排出弁３６の開弁時間（図５中の時点ｔ１Ａ〜時点ｔ３）が、第１の水素流量増大制御時（図３中の時点ｔ２〜時点ｔ３）に比べて若干長くなる傾向にある。

このため、例えば、第１の水素流量増大制御を所定時間又は所定回数実行した後、第２の水素流量増大制御を実行し、その後再度第１の水素流量増大制御を行うような制御方法を行うと、水素供給システム２４内の水素ガスの消費量を抑制しながら、過度のフラッディングの解消ができるようになり好適である。また、第１の水素流量増大制御を実行しても、燃料電池１２のセル電圧Ｖが低下し続けているような場合には、上記第２の水素流量増大制御を実行するとよい。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料のリサイクル利用を行うための燃料循環流路２８に、タービン４６（膨張機）により駆動される燃料ポンプ３０（圧縮機）、いわゆるターボコンプレッサと、水素チャンバ３２とが備えられている。このため、燃料電池１２のセル電圧が低下した場合に、水素チャンバ３２に一時的に蓄えたアノードオフガスを一挙に開放することができ、水素流量を瞬時に増大することが可能となる。

ところで、上記第１及び第２の水素流量増大制御におけるステップＳ１（図２及び図４参照）では、セル電圧Ｖが所定値Ｖ０以下に低下したかどうかを判断するものとしたが、これに替えて、燃料電池１２の運転時間Ｔｄ、又は平均セル電圧Ｖａと最低セル電圧Ｖｍｉｎとの差をステップＳ１での判断要素としてもよい。

すなわち、燃料電池１２の運転時間Ｔｄを判断要素とする場合には、例えば、制御装置５０にて燃料電池１２の運転時間Ｔｄを計時しておく。そして、このようなステップＳ１において、運転時間Ｔｄが所定値Ｔ０以上、すなわち、Ｔｄ≧Ｔ０の場合には、次にステップＳ５が実行される一方、Ｔｄ＜Ｔ０の場合には、次にステップＳ２が実行されるようにすればよい。

また、燃料電池１２の平均セル電圧Ｖａと最低セル電圧Ｖｍｉｎとの差を判断要素とする場合には、例えば、制御装置５０にて燃料電池の平均セル電圧Ｖａ及び最低セル電圧Ｖｍｉｎを計測しておく。そして、このようなステップＳ１において、平均セル電圧Ｖａから最低セル電圧Ｖｍｉｎから引いた結果が、所定値Ｖ１以上、すなわち、Ｖａ−Ｖｍｉｎ≧Ｖ１の場合には、次にステップＳ５が実行される一方、Ｖａ−Ｖｍｉｎ＜Ｖ１の場合には、次にステップＳ２が実行されるようにすればよい。

次に、本発明の第２の実施形態につき、図６を参照して説明する。図６は、本第２の実施形態に係る燃料電池システム６０の概略構成図である。なお、図６において、図１に示される参照符号と同一の参照符号は、同一又は同様な構成を示し、このため同一又は同様な機能及び効果を奏するものとして、その詳細な説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム６０は、上記燃料電池システム１０と比べて、背圧弁４４を有さず、エアコンプレッサ４２の回転数がインバータ６２により適宜制御される点が相違する。

インバータ６２は、制御装置５０により制御され、エアコンプレッサ４２の回転数を変更する。このため、本実施形態に係る燃料電池システム６０では、エアコンプレッサ４２の回転数の増減により、カソード電極側の空気流量及び圧力を調整する。

従って、インバータ６２によりエアコンプレッサ４２の回転数を増大させると燃料電池１２のカソード電極側の圧力が上昇すると共に、タービン４６前後の圧力差が大きくなるため、タービン４６の回転速度が速くなる。一方、インバータ６２によりエアコンプレッサ４２の回転数を減少させると燃料電池１２のカソード側の圧力が低下すると共に、タービン４６前後の圧力差が小さくなるため、タービン４６の回転速度が遅くなる。

また、上記のような第１及び第２の水素流量増大制御における水素チャンバ３２内へのアノードオフガス充填途中において、インバータ６２によりエアコンプレッサ４２の回転数を増大させ、タービン４６及び燃料ポンプ３０の回転速度を増大させると、水素チャンバ３２内を一層短時間で昇圧することができる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム６０によれば、背圧弁４４を用いる必要がなくなるため、本発明に係る燃料電池システムの使用条件等によっては、コスト低減等を図ることができる。

以上、上記各実施形態により本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。

例えば、燃料電池システム１０、６０の使用条件等や設置条件によっては、水素チャンバ３２は必ずしも配設する必要はなく、この場合には、燃料循環流路２８内に充填及び昇圧されるアノードオフガスを、循環遮断弁３４の開弁によりアノード電極側に流通させれば、水素流量を増大させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１の水素流量増大制御の動作説明に供されるフローチャートである。 第１の水素流量増大制御の動作説明に供されるタイムチャートである。 第２の水素流量増大制御の動作説明に供されるフローチャートである。 第２の水素流量増大制御の動作説明に供されるタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１０、６０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…燃料供給口 １６…燃料排出口
１８…酸化剤供給口 ２０…酸化剤排出口
２２…燃料供給流路 ２４…水素供給システム
２６…燃料排出流路 ２８…燃料循環流路
３０…燃料ポンプ ３２…水素チャンバ
３４…循環遮断弁 ３６…燃料排出弁
３８…酸化剤排出流路 ４０…酸化剤供給流路
４２…エアコンプレッサ ４４…背圧弁
４６…タービン ４８…駆動軸
５０…制御装置 ６２…インバータ

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、
   前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを前記燃料供給流路に合流させて前記燃料ガスを循環させるための燃料ポンプが配設された燃料循環流路と、
   前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスにより駆動されるエネルギ回収手段とを備え、
   前記エネルギ回収手段により回収された前記酸化剤ガスの運動エネルギにより、前記燃料ポンプが駆動されるように構成されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記燃料電池から排出された前記酸化剤ガスが流通し且つ背圧弁が設けられた酸化剤排出流路を備え、
   前記エネルギ回収手段は、前記酸化剤排出流路の前記背圧弁の出口側に設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記燃料循環流路における前記燃料ポンプの出口側には、前記未反応の燃料ガスの前記燃料供給流路への合流を遮断する循環遮断弁が設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記燃料循環流路における前記燃料ポンプの出口側と、前記循環遮断弁の入口側との間には、所定の容積を有するバッファタンクが設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３又は４記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記循環遮断弁の開閉制御を行う制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池のセル電圧が所定値よりも低下した場合に前記循環遮断弁を閉じ、その後、前記循環遮断弁を開くように制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、
   前記燃料ポンプの入口側の前記燃料循環流路と連通し、前記未反応の燃料を外部に排出するための燃料排出流路と、
   前記燃料排出流路に設けられ、該燃料排出流路を開閉する燃料排出弁と、を備え、
   前記制御装置は、前記循環遮断弁を閉じた後、該循環遮断弁を開く前に、前記燃料排出弁を開くことを特徴とする燃料電池システム。

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