JP2008021574A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの起動時に、燃料電池での発電をより速やかに開始する。
【解決手段】
燃料電池システムは、燃料ガスのアノードへの供給とアノードからの排出とを行う燃料ガス給排部を備えている。燃料ガス給排部の弁機構は、燃料ガスの流路内空間と流路外空間とを隔絶し、応力を受けて変形することにより燃料ガスの流れを調整するダイアフラムと、ダイアフラムへの応力を制御する電磁駆動部とを備えている。燃料ガス給排部の加圧部は、弁機構の流路外空間に加圧ガスを供給して圧力を高くして、応力をダイアフラムに与える。燃料ガス給排部を制御する制御部は、起動の際に実行される起動運転モードと、起動運転モードの実行後の通常運転モードとを有しており、起動運転モードにおいて、燃料ガスの圧力を通常運転モードにおける圧力よりも高くするように加圧部を作動させる。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムを起動する技術に関する。

燃料電池システムが停止した状態において時間が経過すると、燃料電池のアノードとカソードとの間のクロスリーク等により、燃料電池のアノード側では、燃料電池の発電に使用される燃料ガスの圧力が低下するとともに、発電に寄与しない窒素等の不純物の濃度が増加する。このように不純物が蓄積した状態で燃料電池をそのまま起動すると、アノードでの燃料ガス濃度の低下により、燃料電池での発電が安定して行えない可能性がある。そのため、燃料電池システムの起動時には、アノード側の不純物を排出するために、燃料ガス流路に燃料ガスを通し、燃料ガス流路を通過した不純物を含む燃料ガスを排出する、パージ処理が行われる。

特開２００４−１３９９８４号公報 特開２００４−１９７８９９号公報 特開２００５−８５５５２号公報 特開２００４−１８３７１３号公報 特開２００５−３４７１８９号公報 特開２００４−１６２８０６号公報 特開２００２−９３４３５号公報

しかしながら、このようなパージ処理を行っている期間中は、燃料電池での発電が制限される。そのため、燃料電池システムを起動しても、不純物の濃度が所定値以下に低下するまで、すなわち燃料電池での発電が安定するまで、燃料電池から出力を取り出すことができない場合がある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの起動時に、燃料電池での発電をより速やかに開始することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池での発電に使用される燃料ガスの前記燃料電池のアノードへの供給と前記アノードからの排出とを行う燃料ガス給排部と、前記燃料ガス給排部を制御する制御部と、を備え、前記燃料ガス給排部は、前記燃料ガスの流路内部の流路内空間と前記燃料ガスの流路外部の流路外空間とを隔絶し、所定の方向の応力を受けて変形することにより前記燃料ガスの流れを制御するダイアフラムと、前記ダイアフラムに加わる前記所定の方向の応力を制御する電磁駆動部と、を備える弁機構と、前記弁機構の前記流路外空間に加圧ガスを供給して前記流路外空間の圧力を前記加圧ガスを供給しない場合よりも高くすることにより、前記所定の方向の応力を前記ダイアフラムに与える、流路外空間加圧部と、を有し、前記制御部は、前記燃料電池システムの運転制御モードとして、前記燃料電池システムの起動の際に実行される起動運転モードと、前記起動運転モードの実行の後に実行される通常運転モードとを有しており、前記起動運転モードにおいて、前記アノード内の前記燃料ガスの圧力を前記通常運転モードにおける圧力よりも高くするように、前記流路外空間加圧部を作動させることを特徴とする。

この構成によれば、燃料電池システムの起動時にアノード内の燃料ガスの圧力を高めることにより、燃料電池システムの起動時から燃料電池での発電をより確実に行うことができ、燃料電池での発電をより速やかに開始することができる。また、アノード内の燃料ガスの圧力を高める際に、流路外空間の圧力をより高くすることによりダイアフラムに所定の応力を加えることができるので、所定の方向の応力の制御のために電磁駆動部で消費される電力の低減を図ることができる。

前記流路外空間加圧部は、前記加圧ガスとして前記燃料ガスを前記弁機構の前記流路外空間に供給するものとしても良い。

この構成によれば、加圧ガスとして燃料電池システムが備える燃料ガス給排部から供給される燃料ガスを使用することにより、加圧ガスを供給するためのガス供給装置を別個に設けることが省略できる。

前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池での発電に使用される酸化剤ガスの前記燃料電池のカソードへの供給と前記カソードからの排出とを行う酸化剤ガス給排部を備えており、前記流路外空間加圧部は、前記加圧ガスとして前記酸化剤ガスを前記弁機構の前記流路外空間に供給するものとしても良い。

この構成によれば、加圧ガスとして燃料電池システムが備える酸化剤ガス給排部から供給される酸化剤ガスを使用することにより、加圧ガスを供給するためのガス供給装置を別個に設けることが省略できる。

前記制御部は、前記起動運転モードの実行中、所定の条件が満たされた場合に、前記アノード内の前記燃料ガスの圧力を低下させることにより、前記燃料電池システムの前記運転制御モードを前記起動運転モードから前記通常運転モードに切り替えるものとしても良い。

この構成によれば、通常運転モードに切り替えることにより、起動運転モードにおいて高められていたアノード内の燃料ガスの圧力が低減される。アノード内の燃料ガスの圧力を低減することによりアノード内に残存している不純物の排出が促進されるので、通常運転モードにおける燃料電池での発電をより安定させることができる。

前記制御部は、前記燃料電池システムの前記運転制御モードを前記起動運転モードから前記通常運転モードに切り替える際に、前記流路外空間加圧部の作動を停止させるものとしても良い。

この構成によれば、アノード内の燃料ガスの圧力を低減する際に流路外空間加圧部の作動を停止させることにより、流路外空間の圧力は低減される。流路外空間の圧力を低減することによりダイアフラムに加わる所定の応力を低減することができるので、所定の方向の応力の制御のために電磁駆動部で消費される電力の低減を図ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池システムを搭載した電気自動車、その制御方法を実現するためのコンピュータプログラムおよびそのコンピュータプログラムを格納した記録媒体等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、複数のセル１１２を積層することにより構成された燃料電池１１０と、燃料ガス給排部２００と、酸化剤ガス給排部３００と、燃料電池制御部４００と、を備えている。

燃料ガス給排部２００と燃料電池１１０は、燃料ガス供給配管１２０と燃料ガス排出配管１３０との２つの配管で互いに接続されている。同様に、酸化剤ガス給排部３００と燃料電池１１０は、酸化剤ガス供給配管１６０と酸化剤ガス排出配管１７０との２つの配管で互いに接続されている。

燃料ガス給排部２００は、水素ガスタンク２１０と、遮断弁２２０と、調圧弁２３０と、循環ポンプ２４０と、気液分離器２５０と、排気・排水弁２６０と、水・アノードオフガス排出部２８０と、を備えている。なお、水素ガスタンク２１０から、遮断弁２２０と調圧弁２３０と燃料電池１１０と気液分離器２５０と排気・排水弁２６０とを介して、水・アノードオフガス排出部２８０に至る配管・バルブ等の内部は、燃料ガスが通過する流路であるとも言える。

高圧の水素ガスが充填された水素ガスタンク２１０は、第１の高圧水素配管１２２を介して遮断弁２２０に接続されている。燃料電池システム１００を運転する際には、遮断弁２２０が開かれる。遮断弁２２０が開くことにより、第１の高圧水素配管１２２と、遮断弁２２０と、第２の高圧水素配管１２４とを介して、調圧弁２３０に水素ガスが供給される。燃料電池システム１００を停止する際には、遮断弁２２０が閉じられて水素ガスの供給が停止される。

調圧弁２３０は、第２の高圧水素配管１２４を通して供給された高圧の水素ガスを燃料電池１１０への供給に適した圧力にまで減圧する。調圧弁２３０で減圧された水素ガスは、燃料ガス供給配管１２０を介して燃料電池１１０に供給される。燃料ガス供給配管１２０には、調圧弁２３０と燃料電池１１０との間に還流配管１４４が接続されている。燃料電池１１０には、調圧弁２３０から供給される水素ガスと、還流配管１４４から供給されるアノードオフガス（後述する）と、が混合されたガスが、燃料ガスとして供給される。

なお、図１の例では、調圧弁２３０は、減圧後の圧力（出口圧力）が可変な、可変式調圧弁が使用されている。調圧弁２３０としては、出口圧力の調整が可能な調圧弁であれば、任意の可変式調圧弁を使用することができる。例えば、モータで出口圧力を調整する可変式調圧弁やソレノイドで出口圧力を調整する可変式調圧弁等を使用することが可能である。

燃料ガス供給配管１２０には、燃料電池１１０に供給される燃料ガスの圧力Ｐ_Cを測定するための圧力センサ２３２が設けられている。なお、燃料電池１１０に供給される燃料ガスの圧力は、燃料電池１１０のアノード内の圧力とほぼ等しいと考えられる。そのため、圧力センサ２３２で測定される燃料ガスの圧力Ｐ_Cは、燃料電池圧力Ｐ_Cであるともいうことができる。

燃料電池１１０に供給された燃料ガスは、セル１１２内のアノードに供給される。アノードでは、燃料電池反応により燃料ガス中の水素が消費される。アノードにおいては、燃料ガス中の水素が消費されるとともに、カソードで生成されカソードからアノードに透過してきた水分が燃料ガスに加わるため、燃料ガスの湿度が高くなる。このように、湿潤な燃料ガス（一般に、「アノードオフガス」と呼ばれる）は、燃料ガス排出配管１３０を介して気液分離器２５０に供給される。気液分離器２５０では、凝縮して液状となった水（凝縮水）がアノードオフガスから除去される。

凝縮水が除去されたアノードオフガスは、第１の還流配管１４２を介して循環ポンプ２４０に供給される。循環ポンプ２４０は、気液分離器２５０から供給されるアノードオフガスを、第２の還流配管１４４に送出する。上述のように、第２の還流配管１４４に送出されたアノードオフガスは、調圧弁２３０から供給される水素ガスと混合され、燃料ガスとして燃料電池１１０に供給される。

このように、第１実施例の燃料電池システム１００では、循環ポンプ２４０の働きにより、燃料電池１１０と気液分離器２５０と循環ポンプ２４０との間を燃料ガスが循環する。そのため、本明細書においては、燃料電池１１０と気液分離器２５０と循環ポンプ２４０とこれらの機器を接続する配管１２０，１３０，１４２，１４４とを併せて「アノード循環流路」とも呼ぶ。

気液分離器２５０には、第１の排気・排水配管１３２を介して排気・排水弁２６０が接続されている。排気・排水弁２６０は、気液分離器２５０中の水の量が所定量以上となった場合や、循環する燃料ガス中の不純物濃度が高くなった場合等、必要に応じて開かれる。排気・排水弁２６０を開くことにより、気液分離器２５０中の水とアノードオフガスとは、第１の排気・排水配管１３２と、排気・排水弁２６０と、第２の排気・排水配管１３４とを介して、水・アノードオフガス排出部２８０に排出される。水・アノードオフガス排出部２８０は、排出されたアノードオフガス中に含まれる水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気中に放出する。

図２は、排気・排水弁２６０（図１）に使用されるダイアフラム弁５００の概略構成を示す断面図である。図２は、ダイアフラム弁５００内部の流体の流れ方向に沿った断面を示している。図２（ａ）は、閉弁状態におけるダイアフラム弁５００の様子を示しており、図２（ｂ）は、開弁状態におけるダイアフラム弁５００の様子を示している。

ダイアフラム弁５００は、弁体５１０と、ダイアフラム５３０と、上蓋部材５２０と、プランジャ５４０と、電磁石（ソレノイド）５５０と、バネ５６０と、を有している。弁体５１０の上方に設けられたダイアフラム５３０は、弁体５１０と上蓋部材５２０との間で固定されている。弁体５１０とダイアフラム５３０との間、および、上蓋部材５２０とダイアフラム５３０との間は、それぞれ気密が保たれるように構成されている。そのため、ダイアフラム５３０の弁体５１０側の空間５０２（弁室）と、ダイアフラム５３０の上蓋部材５２０側の空間５０４（ソレノイド室）との２つの空間５０２，５０４は、ダイアフラム５３０により隔絶されている。

上蓋部材５２０の上部には、２つの開口部５２２が設けられている。このように上蓋部材５２０に設けられた２つの開口部５２２を介して、ソレノイド室５０４とダイアフラム弁５００の外部の空間とは連通している。そのため、ソレノイド室５０４の圧力は、ダイアフラム弁５００の外部と同じ圧力となる。

弁体５１０は、図２の左方の入口ポート５１２と、ダイアフラム５３０側の面に設けられた入口側開口部５１４と、を有している。入口ポート５１２と入口側開口部５１４は、弁体５１０内部に設けられた空間により連通している。弁体５１０は、右方の出口ポート５１８と、ダイアフラム５３０側の面に設けられた出口側開口部５１６と、を有している。出口ポート５１８と出口側開口部５１６も、入口側と同様に、弁体５１０内部に設けられた空間により連通している。

図２（ａ）に示す閉弁状態では、電磁石５５０には励磁電流が流されない。そのため、プランジャ５４０には、図２の上方から下方に向かうバネ５６０の付勢力が加わる。バネ５６０により下方に付勢されているプランジャ５４０により、ダイアフラム５３０の中央部は下方に向かって押される。ダイアフラム５３０の中央部が下方に向かって押されることにより、ダイアフラム５３０は、出口側開口部５１６を閉塞する。このように、図２（ａ）に示す閉弁状態では、バネ５６０の付勢力によってダイアフラム５３０が出口側開口部５１６を閉塞する。

一方、図２（ｂ）に示す開弁状態では、電磁石５５０に励磁電流が流されることにより、プランジャ５４０には図２の上方に向かって引き寄せられる。電磁石５５０によりプランジャ５４０が上方に移動すると、ダイアフラム５３０はプランジャ５４０により引き上げられる。そのため、図２（ａ）に示す閉弁状態においてダイアフラム５３０により閉塞されていた出口側開口部５１６は、弁室５０２を介して入口側開口部５１４と連通する。このように、図２（ｂ）に示す開弁状態では、プランジャ５４０が電磁石５５０に引き寄せられることにより、矢印で示すように流体が流れる流路が形成される。

なお、このように弁室５０２は、排気・排水弁２６０（図１）のうち、燃料ガスが流れる流路となっている。そのため、弁室５０２は、燃料ガスが流れる流路内である流路内空間であるとも言える。一方、ソレノイド室５０４は、流路内空間からダイアフラム５３０により隔絶された流路外空間であるとも言える。

ところで、図２（ａ）に示す閉弁状態において、弁室５０２の圧力が高くなると、ソレノイド室５０４の圧力に対する弁室５０２の圧力の圧力差ΔＰ（以下、「ダイアフラム差圧ΔＰ」とも呼ぶ）が高くなる。このダイアフラム差圧ΔＰが大きくなると、ダイアフラム５３０には、図２の上方に向かう力が加わる。このダイアフラム差圧ΔＰによってダイアフラム５３０に加わる力が、プランジャ５４０を介してバネ５６０がダイアフラム５３０を付勢する力よりも大きくなると、ダイアフラム５３０は図２の上方に向かって押し上げられる。

ダイアフラム５３０が上方に向かって押し上げられると、電磁石５５０に励磁電流が流されない状態であっても、入口側開口部５１４と出口側開口部５１６との間が連通し、ダイアフラム弁５００の入口ポート５１２から出口ポート５１８に向かって流体が流れる。そのため、ダイアフラム弁５００は、ダイアフラム差圧ΔＰがバネ５６０の付勢力で定まる所定の上限差圧ΔＰ_X以下となるような圧力の流体に対して使用される。

なお、上限差圧ΔＰ_Xは、バネ５６０の付勢力を大きくすることによって高くすることが可能であるが、バネ５６０の付勢力を大きくすることにより、図２（ｂ）に示す開弁状態にするために要する励磁電流が大きくなる。そのため、流体の制御を行うダイアフラム弁には、ダイアフラム弁５００で流れが制御される流体（被制御流体）の圧力が最大となる場合のダイアフラム差圧ΔＰを考慮して、妥当な上限差圧ΔＰ_Xを有するダイアフラム弁５００が選択される。

図１に示すように、排気・排水弁２６０は、加圧ケース２７０内に格納されている。加圧ケース２７０は、第１の加圧配管１５２と調圧弁２７２と第２の加圧配管１５４とを介して第２の高圧水素配管１２４に接続されている。調圧弁２７２は、第２の高圧水素配管１２４と第１の加圧配管１５２から供給される高圧の水素ガスを減圧し、第２の加圧配管１５４を介して加圧ケース２７０に供給する。なお、調圧弁２７２としては、調圧弁２３０と同様に、可変式調圧弁が使用される。

加圧ケース２７０には、また、加圧ケース内の圧力Ｐ_Bを測定するための圧力センサ２７４が接続されている。なお、排気・排水弁２６０は、加圧ケース２７０に格納されているため、排気・排水弁２６０のソレノイド室５０４（図２）の圧力は、加圧ケース２７０内の圧力Ｐ_Bとなる。そのため、加圧ケース２７０内の圧力Ｐ_Bは、排気・排水弁２６０のソレノイド室５０４の圧力Ｐ_B（バルブ背圧）であるということもできる。

加圧ケース２７０は、また、配管１５６と開閉弁２７６と配管１５８とを介して、第２の排気・排水配管１３４に接続されている。開閉弁２７６を開くことにより、加圧ケース２７０内に供給された水素ガスは、第２の排気・排水配管１３４を介して水・アノードオフガス排出部２８０に排出される。

酸化剤ガス給排部３００は、空気ポンプ３１０と、カソードオフガス排出部３２０と、を備えている。空気ポンプ３１０は、外気から圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、燃料電池１１０で使用される酸素を含む酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給配管１６０を介して燃料電池１１０に供給される。燃料電池１１０に供給された酸化剤ガスは、セル１１２内のカソードに供給される。カソードでは、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池反応により消費されるとともに、水分が生成される。酸素の消費により酸素濃度が低下するとともに、生成された水分により湿潤状態になった酸化剤ガス（一般に、「カソードオフガス」と呼ばれる）は、酸化剤ガス排出配管１７０を介してカソードオフガス排出部３２０に排出される。カソードオフガス排出部３２０は、燃料電池１１０から排出されたカソードオフガスを大気中に放出する。

燃料電池制御部４００は、外部制御部からの電力要求や起動・停止の指示などの制御信号と、燃料電池システム１００に設けられた圧力センサ２３２，２７４やその他のセンサ（図示しない）の出力信号とに基づいて、遮断弁２２０と、排気・排水弁２６０と、開閉弁２７６と、調圧弁２３０，２７２と、循環ポンプ２４０と、空気ポンプ３１０とを制御する。

燃料電池制御部４００は、例えば、圧力センサ２３２で測定される燃料電池圧力Ｐ_Cが予め設定された目標圧力となるように、調圧弁２３０の出口圧力と、排気・排水弁２６０の開弁状態とを制御する。また、圧力センサ２７４で測定されるバルブ背圧Ｐ_Bが予め設定された目標圧力となるように、調圧弁２７２の出口圧力と、開閉弁２７６の開弁状態とを制御する。なお、燃料電池圧力Ｐ_Cとバルブ背圧Ｐ_Bの制御については、後述する。

図３は、第１実施例において、燃料電池システム１００の各部の状態の時間変化を示すグラフである。図３の各グラフの横軸は、時間を表している。図３（ａ）の縦軸は、燃料電池圧力Ｐ_Cを表しており、図３（ｂ）の縦軸は、バルブ背圧Ｐ_Bを表している。図３（ｃ）の縦軸は、排気・排水弁２６０のダイアフラム差圧ΔＰを表している。図３（ｄ）の縦軸は、燃料電池１１０のアノード内部の水素の濃度Ｎ_Hを表しており、図３（ｅ）の縦軸は、燃料電池１１０のアノード内部の窒素の分圧Ｐ_Nを表している。なお、図３（ａ）〜（ｃ）および図３（ｅ）の０は、大気圧を表している。すなわち、図３（ａ）〜（ｃ）および図３（ｅ）の各圧力は、ゲージ圧で表されている。

時刻ｔ₀において、燃料電池システム１００は、通常の運転状態から停止状態に切り替えられる。燃料電池システム１００が停止状態となると、アノードとカソードとの間でのガスの拡散等によるクロスリークにより、燃料電池１１０のアノード内の圧力Ｐ_Cと水素濃度Ｎ_Hは、時間の経過とともに低下する。また、アノード内の窒素分圧Ｐ_Nは、クロスリークにより時間の経過とともに上昇する。

そのため、時刻ｔ₀と時刻ｔ₁との間の期間に、燃料電池圧力Ｐ_Cは、図３（ａ）に示すように、燃料電池システム１００の通常運転時の圧力Ｐ_COよりも低い圧力Ｐ_CDまで低下する。同様に、水素濃度Ｎ_Hは、図３（ｄ）に示すように、燃料電池システム１００の通常運転時の濃度Ｎ_HOとよりも低い濃度Ｎ_HDまで低下する。一方、窒素分圧Ｐ_Nは、図３（ｅ）に示すように、燃料電池システム１００の通常運転時の窒素分圧Ｐ_NOとよりも高い圧力Ｐ_NDまで上昇する。

時刻ｔ₀で停止された燃料電池システム１００は、時刻ｔ₁において起動される。このとき、燃料電池制御部４００（図１）は、燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSとなるように制御を行うとともに、バルブ背圧Ｐ_Bを起動時背圧Ｐ_BSとなるように制御を行う。具体的には、燃料電池制御部４００は、調圧弁２３０の出口圧力を起動時電池圧力Ｐ_CSに設定するとともに、排気・排水弁２６０を閉弁状態にする。これにより、燃料電池圧力Ｐ_Cは、図３（ａ）に示すように、起動時電池圧力Ｐ_CSとなる。また、燃料電池制御部４００は、調圧弁２７２の出口圧力を起動時背圧Ｐ_BSに設定するとともに、開閉弁２７６を閉弁状態にする。これにより、バルブ背圧Ｐ_Bは、図３（ｂ）に示すように、起動時背圧Ｐ_BSとなる。

このとき、排気・排水弁２６０のダイアフラム差圧ΔＰは、加圧ケース２７０に起動時背圧Ｐ_BSが加わっているので、図３（ｃ）に示すように、起動時電池圧力Ｐ_CSよりも低い圧力ΔＰ_Sとなる。そのため、排気・排水弁２６０としては、上限差圧ΔＰ_Xが起動時電池圧力Ｐ_CSよりも低いダイアフラム弁を使用することができる。上限差圧ΔＰ_Xが低いダイアフラム弁を使用することにより、排気・排水弁２６０を小型化するとともに、燃料電池システム１００の通常運転時の開閉操作に伴う消費電力を低減することが可能となる。

このように、燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSにまで高めることにより、図３（ｄ）に示すように、時刻ｔ₁以前の停止状態で低下していた水素濃度Ｎ_Hは、時刻ｔ₁において通常運転時の水素濃度Ｎ_HOと同程度の濃度にまで回復する。そのため、時刻ｔ₁の起動時から燃料電池１１０のアノードには十分な量の水素が供給されるので、燃料電池１１０での発電を起動時からより確実に行うことができる。

なお、燃料電池圧力Ｐ_Cは、燃料電池システム１００のアノード循環流路内の水素濃度が均一化するまでに要する時間や、燃料電池１１０の機械的な特性などに基づいて適宜設定される所定の起動時間Ｔ_S（例えば、０．５秒）、起動時電池圧力Ｐ_CSに維持される。

時刻ｔ₁から所定の起動時間Ｔ_S経過した時刻ｔ₂において、燃料電池制御部４００は、燃料電池圧力Ｐ_Cを通常運転時の圧力Ｐ_CO（以下、「運転時電池圧力Ｐ_CO」とも呼ぶ）にする制御を行うとともに、バルブ背圧Ｐ_Bを大気圧０となるように制御を行う。具体的には、燃料電池制御部４００は、調圧弁２３０の出口圧力を運転時電池圧力Ｐ_COに設定するとともに、排気・排水弁２６０を開弁し、燃料電池圧力Ｐ_Cが運転時電池圧力Ｐ_COとなった段階で排気・排水弁２６０が閉弁される。また、燃料電池制御部４００は、調圧弁２７２を閉止状態にするとともに、開閉弁２７６を開弁状態にする。

このように、燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSから運転時電池圧力Ｐ_COに低減することにより、図３（ｅ）に示すように、燃料電池１１０のアノード中の窒素分圧Ｐ_Nは、時刻ｔ₁以前の窒素分圧Ｐ_NDから低下し、燃料電池システム１００の通常運転時における窒素分圧Ｐ_NOとほぼ同じ圧力となる。なお、時刻ｔ₂において、燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSから運転時電池圧力Ｐ_COに低減しても、図３（ｄ）に示すように、水素濃度Ｎ_Hは変化しない。そのため、時刻ｔ₂以降においても、燃料電池１１０のアノードには十分な量の水素が供給され、燃料電池１１０での発電を安定して行うことができる。

なお、図３の例では、時刻ｔ₂において、燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSから運転時電池圧力Ｐ_COに低減して、燃料電池システム１００の運転状態を、燃料電池圧力Ｐ_Cが起動時電池圧力Ｐ_CSである起動運転モードから、燃料電池圧力Ｐ_Cが運転時電池圧力Ｐ_COである通常運転モードに切り替えているが、必ずしもこのように運転状態が切り替えられる必要はない。例えば、燃料電池システム１００の起動時（時刻ｔ₁）においてアノード中の窒素分圧Ｐ_Nが十分低い場合には、排気・排水弁２６０を閉弁状態に維持して調圧弁２３０の出口圧力を調整することにより、燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSから運転時電池圧力Ｐ_COまで徐々に低下させるものとしても良い。

このように、第１実施例では、燃料電池システム１００の起動時に燃料電池圧力Ｐ_Cを高めることにより、燃料電池システムの１００の起動時から燃料電池１１０での発電をより確実に行うことができる。また、第１実施例では、起動時に排気・排水弁２６０のバルブ背圧Ｐ_Bを高くすることにより、排気・排水弁２６０の小型化と消費電力の低減を図ることができる。

なお、第１実施例では、調圧弁２３０，２７２には、遮断弁２２０を介して水素ガスタンク２１０から高圧の水素ガスが供給されるが、遮断弁２２０と調圧弁２３０，２７２との間にさらに調圧弁を設けて、調圧弁２３０，２７２に減圧された水素ガスを供給するものとしても良い。この場合、減圧に使用される調圧弁には、水素ガスの圧力を予め設定された圧力にまで減圧する固定式の調圧弁を使用することも可能である。

また、第１実施例では、加圧ケース２７０に水素ガスを供給する調圧弁２７２を可変式調圧弁としているが、調圧弁２７２には固定式の調圧弁を使用することも可能である。この場合、加圧ケース２７０への水素ガスの供給を停止するため、第１と第２の加圧配管１５２，１５４の少なくとも一方には開閉弁が設けられる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１００ａは、排気・排水弁２６０に替えて調圧弁２３０が加圧ケース２７０ａ内に格納されている点で、第１実施例と異なっている。他の点は、第１実施例と同じである。

図５は、調圧弁２３０に使用される可変式調圧弁６００の概略構成を示す断面図である。可変式調圧弁６００は、弁体６１０と、ダイアフラム６３０と、ポペット６３２と、プランジャ６４０と、電磁石６５０と、２つのバネ６６２，６６４と、を有している。

弁体６１０は、弁体６１０内部を２つの空間に仕切る仕切板６２０を有している。弁体６１０内部は、この仕切板６２０とダイアフラム６３０とにより３つの空間６０６，６０２，６０４に仕切られる。なお、第１実施例のダイアフラム弁５００と同様に、弁体６１０には、弁体６１０上部の空間６０４（ソレノイド室）と可変式調圧弁６００の外部とを連通する開口部６２２が設けられている。そのため、ソレノイド室６０４の圧力は、可変式調圧弁６００の外部と同じ圧力となる。

弁体６１０は、仕切板６２０下方の空間６０６と外部とを連通する入口ポート６１２を有している。可変式調圧弁６００で減圧される前のガスは、この入口ポート６１２を通して空間６０６に導入される。このように、空間６０６は、減圧前のガスが導入される空間であるため、一次側弁室とも呼ぶことができる。

一次側弁室６０６に導入されたガスは、仕切板６２０に設けられた開口部６１４とポペット６３２との間隙を通過して、仕切板６２０とダイアフラム６３０で挟まれる空間６０２に導入される。空間６０２に導入されるガスは、開口部６１４とポペット６３２との間隙を通過する際の圧損により減圧される。このように、空間６０２は、減圧後のガスが導入される空間であるため、二次側弁室とも呼ぶことができる。二次側弁室６０２内部の減圧後のガスは、弁体に設けられた出口ポート６１８を介して可変式調圧弁６００から導出される。

ガスが一次側弁室６０６から二次側弁室６０２に流入する際の圧力低減量は、ポペット６３２の位置が図５の上下方向に移動することにより変化する。ポペット６３２の位置は、２つのバネ６６２，６６４の付勢力と、電磁石６５０によるプランジャ６４０の吸引力と、二次側弁室６０２内の圧力と、ソレノイド室６０４内の圧力と、によって決定される。

２つのバネ６６２，６６４の付勢力と、電磁石６５０によるプランジャ６４０の吸引力と、ソレノイド室６０４の圧力が一定である場合、二次側弁室６０２の圧力が上昇するとダイアフラム６３０は図５の上方に移動する。ダイアフラム６３０の上方への移動に伴い、ポペット６３２も上方に移動するので、開口部６１４とポペット６３２との間隙が小さくなる。間隙が小さくなることにより、ガスが一次側弁室６０６から二次側弁室６０２に流入する際の圧力低減量が大きくなり、二次側弁室６０２の圧力が低下する。

一方、二次側弁室６０２の圧力が低下すると、ダイアフラム６３０とポペット６３２は、図５の下方に移動する。ポペット６３２が下方に移動すると、開口部６１４とポペット６３２との間隙が大きくなり、二次側弁室６０２の圧力が上昇する。このように、二次側弁室６０２の圧力の増減に伴って、開口部６１４とポペット６３２との間隙の圧損が変化することにより、二次側弁室６０２の圧力、すなわち、可変式調圧弁６００の出口圧力はほぼ一定に保たれる。

可変式調圧弁６００の出口圧力の調整は、電磁石６５０に流す励磁電流を増減し、電磁石６５０によるプランジャ６４０の吸引力を増減させることにより行われる。励磁電流を増加させることにより、プランジャ６４０の吸引力が大きくなると、ダイアフラム６３０とポペット６３２は、図５の下方に移動する。ポペット６３２が下方に移動することにより、開口部６１４とポペット６３２との間隙の圧損が低下して可変式調圧弁６００の出口圧力が上昇する。これに対し、電磁石６５０に流れる励磁電流を減少させることにより、可変式調圧弁６００の出口圧力は低下する。

また、可変式調圧弁６００の出口圧力は、ソレノイド室６０４の圧力を上昇させることによっても上昇させることが可能である。可変式調圧弁６００のソレノイド室６０４の圧力を上昇させると、ソレノイド室６０４の圧力によりダイアフラム６３０に加わる、図５の下向き方向の力が大きくなる。そのため、ダイアフラム６３０とポペット６３２は下方に移動し、可変式調圧弁６００の出口圧力が上昇する。

図４に示すように、第２実施例の燃料電池システム１００ａでは、調圧弁２３０は加圧ケース２７０ａ内に格納されている。また、加圧ケース２７０ａ内の圧力であるバルブ背圧Ｐ_Bは、図３に示す第１実施例と同様に、燃料電池システム１００ａの起動時に高められる。そのため、起動時に燃料電池圧力Ｐ_Cを起動時電池圧力Ｐ_CSにまで高める際、バルブ背圧Ｐ_Bを起動時背圧Ｐ_BSとすることにより、調圧弁２３０の電磁石６５０（図５）に流す励磁電流を低減することができる。そのため、第２実施例では、燃料電池圧力Ｐ_Cを高める際に要する電力を低減することが可能になる。

なお、第２実施例では、調圧弁２３０（図４）として、図５に示す電磁石（ソレノイド）６５０で出口圧力を調整する可変式調圧弁６００を使用しているが、調圧弁２３０としては、モータで出口圧力を調整する可変式調圧弁を使用することも可能である。この場合、起動時背圧Ｐ_BSを適宜調整することにより、調圧弁２３０の出口圧力を、モータの駆動を行うことなく、起動時電池圧力Ｐ_CSと運転時電池圧力Ｐ_COとの間で切り替えることができる。そのため、モータの駆動に要する電力を低減することが可能になる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記各実施例では、起動時に排気・排水弁２６０の背圧を高める第１実施例と、起動時に調圧弁２３０の背圧を高める第２実施例とを、それぞれ別個の燃料電池システム１００，１００ａに適用しているが、第１実施例と第２実施例とを単一の燃料電池システムに適用することも可能である。この場合、排気・排水弁２６０と調圧弁２３０とを同一の加圧ケースに格納して、起動時に加圧ケースに水素ガスを供給することにより、これらのバルブの背圧を一律に上昇させるものとしても良い。また、排気・排水弁２６０と調圧弁２３０とをそれぞれ別個の加圧ケースに格納し、起動時には個々の加圧ケースに水素ガスを供給することにより、これらのバルブの背圧を上昇させるものとしても良い。なお、排気・排水弁２６０と調圧弁２３０とを別個の加圧ケースに格納する場合、それぞれの加圧ケースに加える圧力が異なっていても良い。

Ｃ２．変形例２：
上記各実施例では、排気・排水弁２６０あるいは調圧弁２３０を加圧ケース２７０，２７０ａに格納し、加圧ケース２７０，２７０ａに水素ガスを供給することにより、排気・排水弁２６０あるいは調圧弁２３０の背圧を高めているが、他の方法によりこれらのバルブの背圧を高めることも可能である。例えば、排気・排水弁２６０として使用されるダイアフラム弁５００（図２）の場合、ソレノイド室５０４とダイアフラム弁５００の外部の空間とが２個の開口部５２２の他で連通していなければ、２個の開口部５２２の一方に第２の加圧配管１５４（図１）を接続し、もう一方の開口部５２２に配管１５６を接続することにより、ソレノイド室５０４の圧力（排気・排水弁２６０の背圧）を高めることができる。同様に、可変式調圧弁６００に直接加圧配管１５４（図４）と配管１５６とを接続することにより、ソレノイド室６０４の圧力（調圧弁２３０の背圧）を高めることができる。

Ｃ３．変形例３：
上記各実施例では、排気・排水弁２６０あるいは調圧弁２３０を格納する加圧ケース２７０，２７０ａに、第２の高圧水素配管１２４から調圧弁２７２を介して水素ガスをすることによりこららのバルブの背圧が高められているが、加圧ケース２７０，２７０ａに供給され、バルブの背圧を上昇させるためのガス（加圧ガス）は、燃料電池システム１００，１００ａの他のガス供給源から供給することも可能である。加圧ガスは、例えば、酸化剤ガス給排部３００の空気ポンプ３１０から加圧ケース２７０，２７０ａに供給することも可能である。このように、加圧ガスとして燃料ガスあるいは酸化剤ガスを使用することにより、別個に加圧ガス供給源を設けることなく、排気・排水弁２６０あるいは調圧弁２３０の背圧を高めることが可能となる。

第１実施例における燃料電池システム１００の構成を示す説明図。 排気・排水弁２６０に使用されるダイアフラム弁５００の概略構成を示す断面図。 第１実施例において、燃料電池システム１００の各部の状態の時間変化を示すグラフ。 第２実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図。 調圧弁２３０に使用される可変式調圧弁６００の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１００，１００ａ…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１２…セル
１２０…燃料ガス供給配管
１２２，１２４…高圧水素配管
１３０…燃料ガス排出配管
１３２，１３４…排気・排水配管
１４２，１４４…還流配管
１５２，１５４…加圧配管
１５６，１５８…配管
１６０…酸化剤ガス供給配管
１７０…酸化剤ガス排出配管
２００…燃料ガス給排部
２１０…水素ガスタンク
２２０…遮断弁
２３０，２７２…調圧弁
２３２，２７４…圧力センサ
２４０…循環ポンプ
２５０…気液分離器
２６０…排気・排水弁
２７０，２７０ａ…加圧ケース
２７６…開閉弁
２８０…アノードオフガス排出部
３００…酸化剤ガス給排部
３１０…空気ポンプ
３２０…カソードオフガス排出部
４００…燃料電池制御部
５００…ダイアフラム弁
５０２…弁室
５０４…ソレノイド室
５１０…弁体
５１２…入口ポート
５１４…入口側開口部
５１６…出口側開口部
５１８…出口ポート
５２０…上蓋部材
５２２…開口部
５３０…ダイアフラム
５４０…プランジャ
５５０…電磁石
５６０…バネ
６００…可変式調圧弁
６０２…二次側弁室
６０４…ソレノイド室
６０６…一次側弁室
６１０…弁体
６１２…入口ポート
６１４…開口部
６１８…出口ポート
６２０…仕切板
６２２…開口部
６３０…ダイアフラム
６３２…ポペット
６４０…プランジャ
６５０…電磁石
６６２，６６４…バネ

Claims (5)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池での発電に使用される燃料ガスの前記燃料電池のアノードへの供給と前記アノードからの排出とを行う燃料ガス給排部と、
   前記燃料ガス給排部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記燃料ガス給排部は、
   前記燃料ガスの流路内部の流路内空間と前記燃料ガスの流路外部の流路外空間とを隔絶し、所定の方向の応力を受けて変形することにより前記燃料ガスの流れを調整するダイアフラムと、前記ダイアフラムに加わる前記所定の方向の応力を制御する電磁駆動部と、を備える弁機構と、
   前記弁機構の前記流路外空間に加圧ガスを供給して前記流路外空間の圧力を前記加圧ガスを供給しない場合よりも高くすることにより、前記所定の方向の応力を前記ダイアフラムに与える、流路外空間加圧部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記燃料電池システムの運転制御モードとして、前記燃料電池システムの起動の際に実行される起動運転モードと、前記起動運転モードの実行の後に実行される通常運転モードとを有しており、
   前記起動運転モードにおいて、前記アノード内の前記燃料ガスの圧力を前記通常運転モードにおける圧力よりも高くするように、前記流路外空間加圧部を作動させる、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記流路外空間加圧部は、前記加圧ガスとして前記燃料ガスを前記弁機構の前記流路外空間に供給する、燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池での発電に使用される酸化剤ガスの前記燃料電池のカソードへの供給と前記カソードからの排出とを行う酸化剤ガス給排部を備えており、
   前記流路外空間加圧部は、前記加圧ガスとして前記酸化剤ガスを前記弁機構の前記流路外空間に供給する、
   燃料電池システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記起動運転モードの実行中、所定の条件が満たされた場合に、前記アノード内の前記燃料ガスの圧力を低下させることにより、前記燃料電池システムの前記運転制御モードを前記起動運転モードから前記通常運転モードに切り替える、燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの前記運転制御モードを前記起動運転モードから前記通常運転モードに切り替える際に、前記流路外空間加圧部の作動を停止させる、燃料電池システム。

Images