JP2008047408A - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】電力を消費せずにパージガスの処理を含む各種処理に必要な動力を確保することができ、長期間の運転が可能な燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】高圧燃料ガス供給源１１と、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置１２と、第一減圧装置１２を介して燃料ガスが供給される燃料電池本体１３と、燃料電池本体１３から排出された流体を昇圧する昇圧装置１４と、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧力を利用して昇圧装置１４を駆動する動力発生装置２８とを設ける。動力発生装置２８を、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧力によって駆動されるピストン機構とする。
【選択図】図１
【解決手段】高圧燃料ガス供給源１１と、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置１２と、第一減圧装置１２を介して燃料ガスが供給される燃料電池本体１３と、燃料電池本体１３から排出された流体を昇圧する昇圧装置１４と、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧力を利用して昇圧装置１４を駆動する動力発生装置２８とを設ける。動力発生装置２８を、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧力によって駆動されるピストン機構とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、例えば深海を航行する潜水艇など、高圧環境下の閉鎖空間内で使用される装置の電源として用いられる燃料電池発電システムに関するものである。
燃料電池は、一対の電極とこれら電極を隔てる電解質とを有するセル（発電素子）を備えている。燃料電池は、このセルの一方の電極に例えば水素を供給し、他方の電極に例えば酸素を供給することで、これら水素と酸素とを化学反応させて、これら電極間に電力を発生させるものである。各セルが発生させる電力はそれほど大きくないので、実際の燃料電池では、複数のセルを電気的に接続することによって必要な電力を発生させている（このセルの集合体を「燃料電池スタック」という）。
燃料電池スタックには、燃料電池スタックを構成する各セルの一方の電極に水素を供給するためのガスライン（水素供給系統）と、各セルの他方の電極に酸素を供給するためのガスライン（酸素供給系統）とが設けられている。
燃料電池としては、ガスラインによって単純に水素または酸素の供給源と各セルとを接続した構成のもの（デッドエンド方式）のものと、水素と酸素とをより効率よく反応させることができるよう、ガスラインをループ状にして、各セルに供給した水素及び酸素が再度各セルに供給される構成としたもの（循環型）等がある。
燃料電池としては、ガスラインによって単純に水素または酸素の供給源と各セルとを接続した構成のもの（デッドエンド方式）のものと、水素と酸素とをより効率よく反応させることができるよう、ガスラインをループ状にして、各セルに供給した水素及び酸素が再度各セルに供給される構成としたもの（循環型）等がある。
燃料電池は、上記のように燃焼反応を行わないクリーンな電源であるため、潜水艇などの閉鎖空間内で使用される装置の電源として好適に利用されている。
このような閉鎖空間内で使用される装置では、内部のスペースに限りがあるため、燃料電池についても、占有スペースを極力小さくすることが求められている。
占有スペースを小さくした燃料電池としては、例えば、後記の特許文献１に記載の燃料電池システムが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池と燃料電池の起動を支援する燃料電池支援部とを分離し、移動体には燃料電池のみ搭載されるようにしたものである。
なお、燃料電池システムでは、一般的に、水素や酸素等の燃料ガスは、不必要な生成排気ガスを生じる改質反応によるもの等は利用し難いために、ガスボンベ等の圧力容器内に圧縮した状態にして貯蔵されるもの等を利用することが多い。すなわち、高圧環境下の閉鎖空間内で使用される燃料電池システムでは、一般的に、圧力容器等の高圧燃料ガス供給源が用いられることも多い。
このような閉鎖空間内で使用される装置では、内部のスペースに限りがあるため、燃料電池についても、占有スペースを極力小さくすることが求められている。
占有スペースを小さくした燃料電池としては、例えば、後記の特許文献１に記載の燃料電池システムが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池と燃料電池の起動を支援する燃料電池支援部とを分離し、移動体には燃料電池のみ搭載されるようにしたものである。
なお、燃料電池システムでは、一般的に、水素や酸素等の燃料ガスは、不必要な生成排気ガスを生じる改質反応によるもの等は利用し難いために、ガスボンベ等の圧力容器内に圧縮した状態にして貯蔵されるもの等を利用することが多い。すなわち、高圧環境下の閉鎖空間内で使用される燃料電池システムでは、一般的に、圧力容器等の高圧燃料ガス供給源が用いられることも多い。
ところで、燃料電池に供給されるガスボンベ等の圧力容器内に圧縮した燃料ガス（水素ガスや酸素ガス）中には、ごく微量であるが、窒素ガスやアルゴンガス等の不純物や一酸化炭素のような触媒被毒成分（以後これらをまとめて不純物と呼ぶ）が不可避的に混入している。
燃料電池を作動させることで、燃料電池に供給された水素ガス及び酸素ガスは消費されてゆくが（化学反応の結果、水に変化するが）、燃料ガスとともに燃料電池に供給された不純物は消費されない。このため、燃料電池の運転を継続するにつれて、燃料電池中の不純物濃度が次第に高くなってゆく。
燃料電池中の不純物濃度が高くなりすぎると、燃料電池の発電効率が低下する。このため、適宜時期に燃料電池の内部を新たな燃料ガスによってパージして、内部に蓄積した不純物を除去する必要がある。
燃料電池を作動させることで、燃料電池に供給された水素ガス及び酸素ガスは消費されてゆくが（化学反応の結果、水に変化するが）、燃料ガスとともに燃料電池に供給された不純物は消費されない。このため、燃料電池の運転を継続するにつれて、燃料電池中の不純物濃度が次第に高くなってゆく。
燃料電池中の不純物濃度が高くなりすぎると、燃料電池の発電効率が低下する。このため、適宜時期に燃料電池の内部を新たな燃料ガスによってパージして、内部に蓄積した不純物を除去する必要がある。
このパージ作業の際に、不純物や燃料ガスや水分を含んだパージガスが発生する。装置内にこのパージガスを貯留する設備を設けると、装置内のスペースが少なくなってしまうので、このパージガスは、装置外に排出することが好ましい。
しかし、装置外が高圧環境下である場合には、パージガスを装置外に排出するために、圧縮機によってパージガスを装置外の環境圧力以上に昇圧する必要がある。
しかし、装置外が高圧環境下である場合には、パージガスを装置外に排出するために、圧縮機によってパージガスを装置外の環境圧力以上に昇圧する必要がある。
例えば、一般的な燃料電池の内圧は、ゲージ圧で０．２［ＭＰａ］程度であるので、燃料電池系内を流通するパージガスの圧力も同程度である。一方、水深３５００ｍに位置する潜水艇の周囲の水圧は３５［ＭＰａ］にもなる。このため、潜水艇外にパージガスを排出するためには、パージガスの圧力を２００倍近く高める必要がある。
圧縮機によってパージガスをこのような高圧にすると、多大な電力を消費することになるので、このようにパージガスを装置外に排出する構成は、実用的ではなかった。
また、この燃料電池発電システムが使用される閉鎖環境では、パージガスの処理以外にも、電力や動力を消費する様々な処理を行うことがあるが、閉鎖環境下では、確保することができる電力や動力に限りがある。
圧縮機によってパージガスをこのような高圧にすると、多大な電力を消費することになるので、このようにパージガスを装置外に排出する構成は、実用的ではなかった。
また、この燃料電池発電システムが使用される閉鎖環境では、パージガスの処理以外にも、電力や動力を消費する様々な処理を行うことがあるが、閉鎖環境下では、確保することができる電力や動力に限りがある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、電力をほとんど消費しないでパージガスの処理を含む各種処理に必要な動力を確保することができ、長期間の運転が可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、高圧環境下で使用される装置の電源として用いられる燃料電池発電システムであって、高圧燃料ガス供給源と、該高圧燃料ガス供給源の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置と、該第一減圧装置によって減圧された前記燃料ガスが供給される燃料電池本体と、前記高圧燃料ガス供給源による前記燃料ガスの供給圧力を動力に変換する動力発生装置とを有している燃料電池発電システムを提供する。
すなわち、本発明は、高圧環境下で使用される装置の電源として用いられる燃料電池発電システムであって、高圧燃料ガス供給源と、該高圧燃料ガス供給源の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置と、該第一減圧装置によって減圧された前記燃料ガスが供給される燃料電池本体と、前記高圧燃料ガス供給源による前記燃料ガスの供給圧力を動力に変換する動力発生装置とを有している燃料電池発電システムを提供する。
このように構成される燃料電池発電システムでは、高圧燃料ガス供給源から第一減圧装置を介して燃料電池本体に低圧の燃料ガスを供給することで、燃料電池本体による発電が行われる。
そして、この燃料電池発電システムでは、高圧燃料ガス供給源による燃料ガスの供給圧力が、動力発生装置によって動力に変換される。
すなわち、この燃料電池発電システムでは、動力発生装置が、燃料電池本体への燃料ガスの供給圧力よりも高圧の燃料ガスの圧力を利用して動力を発生させるので、電力を消費することなしに、パージガスの処理等の各種処理に必要な動力を確保することができる。
ここで、動力発生装置の駆動に用いた燃料ガスを燃料電池本体に供給するので、動力発生装置の駆動に用いられた燃料ガスも燃料として利用することができ、燃料ガスの無駄が生じない。
そして、この燃料電池発電システムでは、高圧燃料ガス供給源による燃料ガスの供給圧力が、動力発生装置によって動力に変換される。
すなわち、この燃料電池発電システムでは、動力発生装置が、燃料電池本体への燃料ガスの供給圧力よりも高圧の燃料ガスの圧力を利用して動力を発生させるので、電力を消費することなしに、パージガスの処理等の各種処理に必要な動力を確保することができる。
ここで、動力発生装置の駆動に用いた燃料ガスを燃料電池本体に供給するので、動力発生装置の駆動に用いられた燃料ガスも燃料として利用することができ、燃料ガスの無駄が生じない。
前記動力発生装置は、前記高圧燃料ガス供給源による前記燃料ガスの供給圧力によって駆動されるピストン機構を有しており、該ピストン機構は、駆動室と、該駆動室内に移動可能にして設けられるとともに該駆動室内を区画して第一駆動室を形成する駆動ピストンと、前記第一駆動室と前記高圧燃料ガス供給源とを接続する第一高圧ガス供給路と、該第一高圧ガス供給路を開閉する第一高圧ガス供給側バルブと、前記第一駆動室と前記燃料電池本体とを接続する第一高圧ガス排出路と、該第一高圧ガス排出路を開閉する第一高圧ガス排気側バルブと、前記第一高圧ガス排出路から前記燃料電池本体に供給される前記燃料ガスを減圧する第二減圧装置と、前記駆動ピストンに加わる力を他の機器に対して動力として伝達する伝達部材とを有する構成とされていてもよい。
この場合には、動力発生装置の第一高圧ガス供給側バルブ及び第一高圧ガス排気側バルブを操作することで、高圧燃料ガス供給源による燃料ガスの供給圧力が動力に変換される。
具体的には、第一高圧ガス排気側バルブを閉じた状態で第一高圧ガス供給側バルブを開くことで、第一駆動室内に高圧の燃料ガスが供給される。
すると、第一駆動室内に供給された高圧燃料ガスの圧力によって、駆動ピストンが第一駆動室の容積を拡大する方向に向けて移動させられる。このように駆動ピストンを移動させる力は、伝達部材を介して他の機器に伝達される。
すなわち、第一駆動室内に供給された高圧燃料ガスの圧力が、駆動ピストンを介して他の機器に伝達されて、動力として利用される。
その後、第一高圧ガス供給側バルブを閉じ、この状態で第一高圧ガス排気側バルブを開くことで、第一駆動室内の燃料ガスが、第一高圧ガス排出路及び第二減圧装置を介して燃料電池本体に供給されて、燃料として消費される。
すなわち、この構成では、動力発生装置は、高圧燃料ガス供給源による燃料ガスの供給圧と燃料電池本体への燃料ガスの供給圧との差圧を利用して動力を発生させているので、駆動ピストンの移動に用いられた燃料ガスも燃料として利用することができ、燃料ガスの無駄が生じない。
なお、高圧ガス排出路を、第一減圧装置を介して燃料電池本体に接続して、第一減圧装置が第二減圧装置として機能する構成としてもよい。この場合には、減圧装置の設置数を減らすことができ、燃料電池発電システムの占有スペースを低減することができる。
具体的には、第一高圧ガス排気側バルブを閉じた状態で第一高圧ガス供給側バルブを開くことで、第一駆動室内に高圧の燃料ガスが供給される。
すると、第一駆動室内に供給された高圧燃料ガスの圧力によって、駆動ピストンが第一駆動室の容積を拡大する方向に向けて移動させられる。このように駆動ピストンを移動させる力は、伝達部材を介して他の機器に伝達される。
すなわち、第一駆動室内に供給された高圧燃料ガスの圧力が、駆動ピストンを介して他の機器に伝達されて、動力として利用される。
その後、第一高圧ガス供給側バルブを閉じ、この状態で第一高圧ガス排気側バルブを開くことで、第一駆動室内の燃料ガスが、第一高圧ガス排出路及び第二減圧装置を介して燃料電池本体に供給されて、燃料として消費される。
すなわち、この構成では、動力発生装置は、高圧燃料ガス供給源による燃料ガスの供給圧と燃料電池本体への燃料ガスの供給圧との差圧を利用して動力を発生させているので、駆動ピストンの移動に用いられた燃料ガスも燃料として利用することができ、燃料ガスの無駄が生じない。
なお、高圧ガス排出路を、第一減圧装置を介して燃料電池本体に接続して、第一減圧装置が第二減圧装置として機能する構成としてもよい。この場合には、減圧装置の設置数を減らすことができ、燃料電池発電システムの占有スペースを低減することができる。
ここで、この燃料電池発電システムは、前記第一駆動室の容積が縮小する方向に向けて前記駆動ピストンを付勢する付勢装置を有しており、該付勢装置が前記駆動ピストンに加える力は、前記高圧ガス供給源の前記燃料ガス供給圧より生じる力よりも小さい力に設定されていてもよい。
この場合には、第一駆動室内に燃料ガスを供給してピストン機構を動作させたのち、第一駆動室内の燃料ガスが燃料電池本体によって消費されて、その内圧が付勢装置の付勢力を下回ると、付勢装置によって駆動ピストンが第一駆動室の容積を縮小する方向に押し戻される。
これにより、再度第一駆動室に高圧の燃料ガスを供給することで、再びピストン機構を動作させて、他の機器に対して動力を伝達することができる。すなわち、この構成では、高圧ガス供給側バルブ及び高圧ガス排気側バルブを操作することで、駆動ピストンを往復動作させて、他の機器に対して動力を繰り返し伝達することができる。
なお、付勢装置が駆動ピストンに加える力を、燃料電池本体への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に設定すると、第一駆動室の内圧は、常に燃料電池本体への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に保たれることになる。すなわち、ピストン機構を動作させても、燃料電池本体の内圧が常に適正範囲内に保たれて、燃料電池本体内での水素と酸素との反応が良好に行われるので、発電効率の低下が生じない。
ここで、付勢装置としては、例えば圧縮コイルばねを用いることができる。
この場合には、第一駆動室内に燃料ガスを供給してピストン機構を動作させたのち、第一駆動室内の燃料ガスが燃料電池本体によって消費されて、その内圧が付勢装置の付勢力を下回ると、付勢装置によって駆動ピストンが第一駆動室の容積を縮小する方向に押し戻される。
これにより、再度第一駆動室に高圧の燃料ガスを供給することで、再びピストン機構を動作させて、他の機器に対して動力を伝達することができる。すなわち、この構成では、高圧ガス供給側バルブ及び高圧ガス排気側バルブを操作することで、駆動ピストンを往復動作させて、他の機器に対して動力を繰り返し伝達することができる。
なお、付勢装置が駆動ピストンに加える力を、燃料電池本体への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に設定すると、第一駆動室の内圧は、常に燃料電池本体への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に保たれることになる。すなわち、ピストン機構を動作させても、燃料電池本体の内圧が常に適正範囲内に保たれて、燃料電池本体内での水素と酸素との反応が良好に行われるので、発電効率の低下が生じない。
ここで、付勢装置としては、例えば圧縮コイルばねを用いることができる。
また、本発明の燃料電池発電システムは、上記のようにピストン機構に付勢装置が設けられた構成とする代わりに、前記駆動室内が前記駆動ピストンによって前記第一駆動室と第二駆動室とに区画されており、該第二駆動室と前記高圧燃料ガス供給源とを接続する第二高圧ガス供給路と、該第二高圧ガス供給路を開閉する第二高圧ガス供給側バルブと、前記第二駆動室と前記燃料電池本体とを接続する第二高圧ガス排出路と、該第二高圧ガス排出路を開閉する第二高圧ガス排気側バルブとが設けられた構成とされていてもよい。
この場合には、第一高圧ガス排気側バルブ及び第二高圧ガス供給側バルブを閉じた状態で、第一高圧ガス供給側バルブを開くことで、第一駆動室内に高圧燃料ガスが供給されて、第一駆動室内の高圧燃料ガスの圧力によって駆動ピストンが第二駆動室側に押圧される。この状態で、第二高圧ガス排気側バルブを開くことで、第二駆動室内の燃料ガスが第二高圧ガス排出路を通じて燃料電池本体に供給されることになるので、駆動ピストンが第二駆動室側に移動することになり、他の機器に動力が伝達される。
次に、第二高圧ガス排気側バルブ及び第一高圧ガス供給側バルブを閉じ、この状態で、第二高圧ガス供給側バルブを開くことで、第二駆動室内に高圧燃料ガスが供給されて、第二駆動室内の高圧燃料ガスの圧力によって駆動ピストンが第一駆動室側に押圧される。この状態で、第一高圧ガス排気側バルブを開くことで、第一駆動室内の燃料ガスが第一高圧ガス排出路を通じて燃料電池本体に供給されることになるので、駆動ピストンが第一駆動室側に移動することになる。
すなわち、この構成では、第一、第二高圧ガス供給側バルブ及び第一、第二高圧ガス排気側バルブを操作することで、駆動ピストンを往復動作させて、他の機器に対して動力を繰り返し伝達することができる。
なお、ピストン機構は、駆動ピストンが第一駆動室の容積を縮小する方向に向けて移動する際にも他の機器に動力が伝達される構成としてもよい。
次に、第二高圧ガス排気側バルブ及び第一高圧ガス供給側バルブを閉じ、この状態で、第二高圧ガス供給側バルブを開くことで、第二駆動室内に高圧燃料ガスが供給されて、第二駆動室内の高圧燃料ガスの圧力によって駆動ピストンが第一駆動室側に押圧される。この状態で、第一高圧ガス排気側バルブを開くことで、第一駆動室内の燃料ガスが第一高圧ガス排出路を通じて燃料電池本体に供給されることになるので、駆動ピストンが第一駆動室側に移動することになる。
すなわち、この構成では、第一、第二高圧ガス供給側バルブ及び第一、第二高圧ガス排気側バルブを操作することで、駆動ピストンを往復動作させて、他の機器に対して動力を繰り返し伝達することができる。
なお、ピストン機構は、駆動ピストンが第一駆動室の容積を縮小する方向に向けて移動する際にも他の機器に動力が伝達される構成としてもよい。
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、前記燃料電池本体から排出された流体を昇圧する昇圧装置を有しており、該昇圧装置は、昇圧室と、該昇圧室内に移動可能にして設けられるとともに該昇圧室内を区画して第一昇圧室を形成する昇圧ピストンと、前記第一昇圧室と前記燃料電池本体とを接続する第一流体供給路と、該第一流体供給路を開閉する第一流体供給側バルブと、前記第一昇圧室から系外まで通じる第一流体排出路と、該第一流体排出路を開閉する第一流体排出側バルブとを有しており、前記昇圧ピストンは、前記動力発生装置が発生させた動力によって駆動される構成とされていてもよい。
ここで、燃料電池本体から排出された流体とは、パージガスや、燃料電池本体で発電の際に発生した余剰水分等である。
このような構成を採用した場合には、動力発生装置が発生させた動力（高圧ガス発生源の供給するガスから得られた動力）を利用して、昇圧ピストンを駆動することで、燃料電池本体から排出された流体の排出を行うことができる。
例えば、燃料電池本体のパージ処理を行う場合には、第一流体排出側バルブを閉塞し、かつ第一流体供給側バルブを開放した状態で、燃料電池本体に低圧の燃料ガスを供給する。
これにより、燃料電池本体から排出された流体が昇圧装置の第一昇圧室に送り込まれる。
ここで、燃料電池本体から排出された流体とは、パージガスや、燃料電池本体で発電の際に発生した余剰水分等である。
このような構成を採用した場合には、動力発生装置が発生させた動力（高圧ガス発生源の供給するガスから得られた動力）を利用して、昇圧ピストンを駆動することで、燃料電池本体から排出された流体の排出を行うことができる。
例えば、燃料電池本体のパージ処理を行う場合には、第一流体排出側バルブを閉塞し、かつ第一流体供給側バルブを開放した状態で、燃料電池本体に低圧の燃料ガスを供給する。
これにより、燃料電池本体から排出された流体が昇圧装置の第一昇圧室に送り込まれる。
このように第一昇圧室内に流体を送り込んだ状態で、第一流体供給側バルブを閉塞し、動力発生装置によって昇圧ピストンを駆動して、昇圧ピストンを第一昇圧室の容積が縮小する方向に移動させる。例えば、動力発生装置が前記ピストン機構を有している場合には、駆動ピストンに対して駆動ピストンを第一駆動室の容積を拡大する方向に移動させる力が加わると、この力が伝達部材を介して昇圧ピストンに伝達されて、昇圧ピストンが第一昇圧室の容積を縮小する方向に移動させられる。
これにより、第一昇圧室に送り込まれた流体が昇圧される。
このようにして第一昇圧室内の流体の圧力を、系外の圧力（装置の周辺環境圧力）以上にした状態で、第一流体排出側バルブを開放することで、第一昇圧室内の流体が、系外（装置外）に放出される。
第一昇圧室内の流体の排出を終了したら、排気側バルブを閉めて次回の動作（パージ動作等）に備え、次回の動作の際には、上記の手順を繰り返す。
これにより、第一昇圧室に送り込まれた流体が昇圧される。
このようにして第一昇圧室内の流体の圧力を、系外の圧力（装置の周辺環境圧力）以上にした状態で、第一流体排出側バルブを開放することで、第一昇圧室内の流体が、系外（装置外）に放出される。
第一昇圧室内の流体の排出を終了したら、排気側バルブを閉めて次回の動作（パージ動作等）に備え、次回の動作の際には、上記の手順を繰り返す。
ここで、第一昇圧室に燃料電池本体から排出された流体を送り込むにあたって、予め昇圧ピストンを第一昇圧室側に移動させておき、昇圧ピストンが、第一昇圧室に流体を供給した際にこの流体の圧力によって第一昇圧室の容積を拡大する方向に向けて押し込まれるようにするか、第一昇圧室への流体の導入と並行して、動力発生装置によって昇圧ピストンを第一昇圧室の容積を拡大する方向に向けて移動させることが好ましい。
この場合には、第一昇圧室の容積を最小限にした状態から第一昇圧室内に流体が送り込まれるので、第一昇圧室内に送り込むことができる流体の量が最大となる。
また、第一昇圧室への流体の導入と並行して昇圧ピストンを第一昇圧室の容積が拡大する方向に向けて移動させた場合には、第一昇圧室の内圧を維持することができるか、もしくは低下させることができる。これにより、流体を昇圧せずに第一昇圧室へ送り込むことができるか、もしくは第一昇圧室内に流体が吸い込まれることになるので、第一昇圧室内にスムーズに流体を送り込むことができる。
この場合には、第一昇圧室の容積を最小限にした状態から第一昇圧室内に流体が送り込まれるので、第一昇圧室内に送り込むことができる流体の量が最大となる。
また、第一昇圧室への流体の導入と並行して昇圧ピストンを第一昇圧室の容積が拡大する方向に向けて移動させた場合には、第一昇圧室の内圧を維持することができるか、もしくは低下させることができる。これにより、流体を昇圧せずに第一昇圧室へ送り込むことができるか、もしくは第一昇圧室内に流体が吸い込まれることになるので、第一昇圧室内にスムーズに流体を送り込むことができる。
ここで、動力発生装置が前記ピストン機構を有している場合には、駆動ピストンを第一駆動室の容積が拡大する方向に移動させた後は、第一駆動室内の燃料ガスが燃料電池本体によって消費されることで、第一駆動室内の内圧が低下する。すなわち、駆動ピストンを第一駆動室の容積が拡大する方向に向けて移動させる力が低下する。
このとき、駆動ピストンに加わる力を他の機器（ここでは昇圧装置）に対して伝達する伝達部材に、駆動ピストンを第一駆動室の容積が縮小する向きに移動させる向きの押圧力が加わると、駆動ピストンは、第一駆動室の容積が縮小する方向に移動することとなる。
よって、高圧ガス供給側バルブと高圧ガス排出側バルブとの動作と、動力発生装置の発生させる動力によって駆動される他の機器との動作タイミングが要求され、かつ重要な圧力変化の根源となる燃料電池本体へのガス供給ラインの切り替えが重要である。
例えば、駆動ピストンに対して、第一駆動室の容積が縮小する方向に移動させる力を加えるためには、第一駆動室から第二減圧装置を経て燃料電池本体への燃料ガスの供給を行い、燃料電池本体でのガス消費によって、第一駆動室の内圧が燃料電池本体への燃料ガスの通常供給圧を所定程度下回った状態となった後に、高圧ガス供給源から第一減圧装置を介して燃料電池本体へ燃料供給及びパージ動作を行う。その後、燃料電池本体から排出された流体を第一昇圧室に供給することで、この第一昇圧室内の流体の圧力が第一駆動室内の燃料ガスの圧力に勝り、昇圧ピストンが第一昇圧室の容積を拡大する方向に移動し、これに伴って、駆動ピストンも第一駆動室の容積が縮小する方向に移動することとなる。
これにより、駆動ピストンを往復動作させて、他の機器に対して動力を繰り返し伝達することができる。
このとき、駆動ピストンに加わる力を他の機器（ここでは昇圧装置）に対して伝達する伝達部材に、駆動ピストンを第一駆動室の容積が縮小する向きに移動させる向きの押圧力が加わると、駆動ピストンは、第一駆動室の容積が縮小する方向に移動することとなる。
よって、高圧ガス供給側バルブと高圧ガス排出側バルブとの動作と、動力発生装置の発生させる動力によって駆動される他の機器との動作タイミングが要求され、かつ重要な圧力変化の根源となる燃料電池本体へのガス供給ラインの切り替えが重要である。
例えば、駆動ピストンに対して、第一駆動室の容積が縮小する方向に移動させる力を加えるためには、第一駆動室から第二減圧装置を経て燃料電池本体への燃料ガスの供給を行い、燃料電池本体でのガス消費によって、第一駆動室の内圧が燃料電池本体への燃料ガスの通常供給圧を所定程度下回った状態となった後に、高圧ガス供給源から第一減圧装置を介して燃料電池本体へ燃料供給及びパージ動作を行う。その後、燃料電池本体から排出された流体を第一昇圧室に供給することで、この第一昇圧室内の流体の圧力が第一駆動室内の燃料ガスの圧力に勝り、昇圧ピストンが第一昇圧室の容積を拡大する方向に移動し、これに伴って、駆動ピストンも第一駆動室の容積が縮小する方向に移動することとなる。
これにより、駆動ピストンを往復動作させて、他の機器に対して動力を繰り返し伝達することができる。
このように、この燃料電池発電システムでは、高圧燃料ガス供給源が供給する高圧の燃料ガスの圧力を利用して、燃料電池発電システムから排出されたパージガス等の流体を昇圧するので、電力を消費せずに、この流体を系外に排出することができる。
なお、燃料電池本体のパージ作業は、燃料電池本体内の不純物濃度を計測して、この計測値が基準範囲を超えた時点で行うか、燃料電池本体の出力電圧が基準値を下回った時点で行うか、または、燃料電池本体の運転開始時点から燃料電池本体内の不純物濃度が基準範囲を超えると思われる基準時間が経過した時点で行うことが好ましい。
なお、燃料電池本体のパージ作業は、燃料電池本体内の不純物濃度を計測して、この計測値が基準範囲を超えた時点で行うか、燃料電池本体の出力電圧が基準値を下回った時点で行うか、または、燃料電池本体の運転開始時点から燃料電池本体内の不純物濃度が基準範囲を超えると思われる基準時間が経過した時点で行うことが好ましい。
ここで、駆動室が昇圧室を構成するとともに、駆動ピストンが昇圧ピストンを構成していてもよい。この場合には、駆動室内が駆動ピストンによって第一駆動室と第一昇圧室とに区画され、駆動ピストン自体が伝達部材を構成する。
このような構成を採用することで、部品点数が削減されるので、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
このような構成を採用することで、部品点数が削減されるので、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
また、上記燃料電池発電システムは、前記昇圧室内が前記昇圧ピストンによって前記第一昇圧室と第二昇圧室とに区画されており、該第二昇圧室と前記燃料電池本体とを接続する第二流体供給路と、該第二流体供給路を開閉する第二流体供給側バルブと、前記第二昇圧室から系外まで通じる第二流体排出路と、該第二流体排出路を開閉する第二流体排出側バルブとが設けられた構成とされていてもよい。
この場合には、第二流体供給側バルブ及び第一流体排出側バルブを閉じた状態で、第一流体供給側バルブを開くことで、燃料電池本体から排出された流体が第一昇圧室内に供給される。この状態で、第一流体供給側バルブを閉塞し、動力発生装置によって昇圧ピストンを駆動して、昇圧ピストンを第一昇圧室の容積が縮小する方向に移動させることで、第一昇圧室に送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第一昇圧室内の流体が、系外の圧力以上の所定の圧力に昇圧された後、第一流体排出側バルブを開くことで、第一昇圧室内で昇圧された流体が第一流体排出路を通じて系外に排出されることになる。
次に、第一流体供給側バルブ及び第二流体排出側バルブを閉じ、この状態で、第二流体供給側バルブを開くことで、燃料電池本体から排出された流体が第二昇圧室内に供給される。この状態で、第二流体供給側バルブを閉塞し、動力発生装置によって昇圧ピストンを駆動して、昇圧ピストンを第二昇圧室の容積が縮小する方向に移動させることで、第二昇圧室に送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第二昇圧室内の流体が、系外の圧力以上の所定の圧力に昇圧された後、第二流体排出側バルブを開くことで、第二昇圧室内で昇圧された流体が第二流体排出路を通じて系外に排出されることになる。
以降は、同様の手順が繰り返される。
すなわち、この構成では、動力発生装置及び第一、第二流体供給側バルブ及び第一、第二流体排出側バルブを操作することで、昇圧ピストンをいずれの方向に移動させた際にも、流体の排出を行うことができ、流体の排出を効率的に行うことができる。
但し、タイミングはこれに限るものではなく、昇圧ピストンが第一昇圧室内の流体を昇圧中に、すなわち、昇圧ピストンが第二昇圧室の容積を拡大する方向に向けて移動中に、第二流体供給側バルブを開けることによって、第二昇圧室内にスムーズに流体を送り込むこともできる。
同様に、昇圧ピストンが第二昇圧室内の流体を昇圧中に、すなわち、昇圧ピストンが第一昇圧室の容積を拡大する方向に向けて移動中に、第一流体供給側バルブを開けることによって、第一昇圧室内にスムーズに流体を送り込むこともできる。
次に、第一流体供給側バルブ及び第二流体排出側バルブを閉じ、この状態で、第二流体供給側バルブを開くことで、燃料電池本体から排出された流体が第二昇圧室内に供給される。この状態で、第二流体供給側バルブを閉塞し、動力発生装置によって昇圧ピストンを駆動して、昇圧ピストンを第二昇圧室の容積が縮小する方向に移動させることで、第二昇圧室に送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第二昇圧室内の流体が、系外の圧力以上の所定の圧力に昇圧された後、第二流体排出側バルブを開くことで、第二昇圧室内で昇圧された流体が第二流体排出路を通じて系外に排出されることになる。
以降は、同様の手順が繰り返される。
すなわち、この構成では、動力発生装置及び第一、第二流体供給側バルブ及び第一、第二流体排出側バルブを操作することで、昇圧ピストンをいずれの方向に移動させた際にも、流体の排出を行うことができ、流体の排出を効率的に行うことができる。
但し、タイミングはこれに限るものではなく、昇圧ピストンが第一昇圧室内の流体を昇圧中に、すなわち、昇圧ピストンが第二昇圧室の容積を拡大する方向に向けて移動中に、第二流体供給側バルブを開けることによって、第二昇圧室内にスムーズに流体を送り込むこともできる。
同様に、昇圧ピストンが第二昇圧室内の流体を昇圧中に、すなわち、昇圧ピストンが第一昇圧室の容積を拡大する方向に向けて移動中に、第一流体供給側バルブを開けることによって、第一昇圧室内にスムーズに流体を送り込むこともできる。
前記高圧ガス供給源が、燃料電池の作動温度近傍では気体であって、その温度より低いある温度を沸点とする液化燃料を供給するもので代替され、該高圧ガス供給源による前記液化燃料の供給経路上に、該液化燃料を気化させる液化燃料気化部が設けられていてもよい。
この場合には、液化燃料気化部に、十分な量の液化燃料ガスを供給して、この液化燃料ガスを気化させることで、動力発生装置に、高圧の燃料ガスを供給することができる。
すなわち、この場合には、高圧ガス供給源に液化燃料ガスの残量があるうちは、動力発生装置への燃料ガスの供給圧を維持して、動力発生装置を駆動することができる。
ここで、この液化燃料気化部は、駆動室によって構成されていてもよい。この場合には、燃料電池発電システムの部品点数を削減して、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
この場合には、液化燃料気化部に、十分な量の液化燃料ガスを供給して、この液化燃料ガスを気化させることで、動力発生装置に、高圧の燃料ガスを供給することができる。
すなわち、この場合には、高圧ガス供給源に液化燃料ガスの残量があるうちは、動力発生装置への燃料ガスの供給圧を維持して、動力発生装置を駆動することができる。
ここで、この液化燃料気化部は、駆動室によって構成されていてもよい。この場合には、燃料電池発電システムの部品点数を削減して、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
また、この燃料電池発電システムは、熱媒が循環流通されて該熱媒に前記燃料電池本体からの熱を授熱させる熱媒循環系統を有し、前記液化燃料気化部は、前記熱媒循環系統の熱媒を、前記液化燃料を気化させるための熱源として利用する構成とされていてもよい。
この場合には、燃料電池本体の排熱を利用して液化燃料を気化させることができるので、液化燃料を気化させるために電力を消費せずに済む。
なお、この熱媒循環系統は、燃料電池本体から直接熱媒に授熱させるものに限らず、燃料電池本体から他の系統を介して間接的に熱媒に授熱させるものも含む。
この場合には、燃料電池本体の排熱を利用して液化燃料を気化させることができるので、液化燃料を気化させるために電力を消費せずに済む。
なお、この熱媒循環系統は、燃料電池本体から直接熱媒に授熱させるものに限らず、燃料電池本体から他の系統を介して間接的に熱媒に授熱させるものも含む。
ここで、高圧ガス供給源が、高圧ガスの充填された高圧ガス容器によって構成されている場合には、燃料ガスを消費するにつれて、高圧ガス供給源のガス供給圧が次第に低下していくので、動力発生装置の発する動力も次第に低下する。そして、最終的には、他の機器に十分な駆動力を供給することができなくなる。
例えば、燃料電池発電システムを、動力発生装置によって前記加圧装置を駆動する構成とした場合には、高圧ガス供給源のガス供給圧がある程度まで低下すると、高圧ガス供給源に燃料ガスが残っていても、加圧装置によって流体の圧力を系外の圧力まで高めることができず、この流体を系外に排気することができなくなる。
例えば、燃料電池発電システムを、動力発生装置によって前記加圧装置を駆動する構成とした場合には、高圧ガス供給源のガス供給圧がある程度まで低下すると、高圧ガス供給源に燃料ガスが残っていても、加圧装置によって流体の圧力を系外の圧力まで高めることができず、この流体を系外に排気することができなくなる。
そこで、高圧ガス供給源を、高圧ガスの充填された複数の高圧ガス容器と、使用する該高圧ガス容器を切り換える容器切替装置とを有する構成としてもよい。
この場合には、使用中の高圧ガス容器の内圧が低下して他の機器に十分な動力を供給することが困難になっても、容器切替装置によって使用する高圧ガス容器を他の高圧ガス容器に切り換えることで、再び動力発生装置に十分に高圧の燃料ガスを供給して、他の機器に十分な動力を供給することができる。
このように、複数の高圧ガス容器を順次切り換えて使用することで、より多くの燃料ガスを動力発生装置の駆動に利用することができ、より長期にわたって他の機器を駆動することができる。
この場合には、使用中の高圧ガス容器の内圧が低下して他の機器に十分な動力を供給することが困難になっても、容器切替装置によって使用する高圧ガス容器を他の高圧ガス容器に切り換えることで、再び動力発生装置に十分に高圧の燃料ガスを供給して、他の機器に十分な動力を供給することができる。
このように、複数の高圧ガス容器を順次切り換えて使用することで、より多くの燃料ガスを動力発生装置の駆動に利用することができ、より長期にわたって他の機器を駆動することができる。
このように構成される燃料電池発電システムによれば、電力をほとんど消費しないでパージガスの処理を含む各種処理を行うことができるので、長時間にわたって燃料電池発電システムの運転を継続することができる。
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
本実施形態では、図１に示すように、本発明を、潜水艇１に搭載されてこの潜水艇１の電源として用いられる燃料電池発電システム２に適用した例について説明する。
本実施形態に係る燃料電池発電システム２は、高圧燃料ガス供給源１１と、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置１２と、第一減圧装置１２によって減圧された燃料ガスが供給される燃料電池本体１３と、燃料電池本体１３から排出された流体を昇圧する昇圧装置１４と、昇圧装置１４に動力を供給する動力発生装置２８とを有している。
ここで、燃料電池発電システム２には、燃料ガスが流通される流路として、水素が流通される水素流通系統と、酸素が流通される酸素流通系統とが設けられている。これら水素流通系統と酸素流通系統とは、ほとんど同じ構成であるので、以下の説明では、これら流通系統を代表して水素流通系統についてのみ説明し、各図面においても、水素流通系統のみ図示する。
［第一実施形態］
本実施形態では、図１に示すように、本発明を、潜水艇１に搭載されてこの潜水艇１の電源として用いられる燃料電池発電システム２に適用した例について説明する。
本実施形態に係る燃料電池発電システム２は、高圧燃料ガス供給源１１と、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置１２と、第一減圧装置１２によって減圧された燃料ガスが供給される燃料電池本体１３と、燃料電池本体１３から排出された流体を昇圧する昇圧装置１４と、昇圧装置１４に動力を供給する動力発生装置２８とを有している。
ここで、燃料電池発電システム２には、燃料ガスが流通される流路として、水素が流通される水素流通系統と、酸素が流通される酸素流通系統とが設けられている。これら水素流通系統と酸素流通系統とは、ほとんど同じ構成であるので、以下の説明では、これら流通系統を代表して水素流通系統についてのみ説明し、各図面においても、水素流通系統のみ図示する。
高圧燃料ガス供給源１１としては、例えば、燃料ガスが高圧で充填された高圧ガス容器や、液化された燃料ガスが充填された液化ガス容器が用いられる。
本実施形態では、高圧燃料ガス供給源１１として、ゲージ圧で３８［ＭＰａ］程度の圧力で燃料ガスが充填された単一の高圧ガス容器が用いられている。
第一減圧装置１２は、例えば減圧弁によって構成されるものであって、高圧燃料ガス供給源１１から供給された高圧ガスを、燃料電池本体１３での使用に適した圧力（例えばゲージ圧で０．２［ＭＰａ］程度）に減圧するものである。
ここで、高圧燃料ガス供給源１１と第一減圧装置１２とは、主流路１５を介して接続されている。この主流路１５には、主流路１５を開閉するメインバルブ１６が設けられている。
本実施形態では、高圧燃料ガス供給源１１として、ゲージ圧で３８［ＭＰａ］程度の圧力で燃料ガスが充填された単一の高圧ガス容器が用いられている。
第一減圧装置１２は、例えば減圧弁によって構成されるものであって、高圧燃料ガス供給源１１から供給された高圧ガスを、燃料電池本体１３での使用に適した圧力（例えばゲージ圧で０．２［ＭＰａ］程度）に減圧するものである。
ここで、高圧燃料ガス供給源１１と第一減圧装置１２とは、主流路１５を介して接続されている。この主流路１５には、主流路１５を開閉するメインバルブ１６が設けられている。
燃料電池本体１３は、燃料電池スタック１３ａと、燃料電池スタック１３ａと第一減圧装置１２とを接続するガスライン１３ｂと、ガスライン１３ｂに供給された燃料ガスを加湿する加湿装置１３ｃと、燃料電池スタック１３ａから排出されたガスを再び加湿装置１３ｃに供給する循環用流路１３ｄとを有している。この循環用流路１３ｄには、循環ブロワ等のガス循環装置１３ｅが設けられている。すなわち、本実施形態に示す燃料電池本体１３は、循環型の燃料電池である。
昇圧装置１４は、内部に円柱状の空間が形成された昇圧室２１と、昇圧室２１内にその軸線方向へ移動可能にして設けられてこの昇圧室２１を移動方向（昇圧室２１の軸線方向）に沿って隣接する二室（第一昇圧室２１ａと第二昇圧室２１ｂ）に仕切る昇圧ピストン２２とを有している。
昇圧装置１４は、第一昇圧室２１ａと燃料電池本体１３とを接続する第一流体供給路２３と、第一流体供給路２３を開閉する第一流体供給側バルブ２４とを有している。
昇圧装置１４は、第一昇圧室２１ａから艇外まで通じる第一流体排出路２６と、第一流体排出路２６を開閉する第一流体排出側バルブ２７と、を有している。この昇圧装置１４は、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスの圧力を利用して昇圧ピストン２２を駆動する動力発生装置２８と連結されている。
昇圧装置１４は、第一昇圧室２１ａと燃料電池本体１３とを接続する第一流体供給路２３と、第一流体供給路２３を開閉する第一流体供給側バルブ２４とを有している。
昇圧装置１４は、第一昇圧室２１ａから艇外まで通じる第一流体排出路２６と、第一流体排出路２６を開閉する第一流体排出側バルブ２７と、を有している。この昇圧装置１４は、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスの圧力を利用して昇圧ピストン２２を駆動する動力発生装置２８と連結されている。
本実施形態では、動力発生装置２８は、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧力によって駆動されるピストン機構によって構成されている。具体的には、動力発生装置２８は、内部に円柱状の空間が形成された駆動室３１と、駆動室３１内にその軸線方向へ移動可能にして設けられてこの駆動室３１を移動方向（駆動室３１の軸線方向）に沿って隣接する二室（第一駆動室３１ａと第二駆動室３１ｂ）に仕切る駆動ピストン３２とを有している。
動力発生装置２８は、第一駆動室３１ａと高圧燃料ガス供給源１１とを接続する第一高圧ガス供給路３３と、第一高圧ガス供給路３３を開閉する第一高圧ガス供給側バルブ３４とを有している。
動力発生装置２８は、第一駆動室３１ａと高圧燃料ガス供給源１１とを接続する第一高圧ガス供給路３３と、第一高圧ガス供給路３３を開閉する第一高圧ガス供給側バルブ３４とを有している。
動力発生装置２８は、第一駆動室３１ａと燃料電池本体１３とを接続する第一高圧ガス排出路３６と、第一高圧ガス排出路３６を開閉する第一高圧ガス排気側バルブ３７を有している。また、第一高圧ガス排出路３６と燃料電池本体１３との間には、第二減圧装置が設けられている。
本実施形態では、第一高圧ガス排出路３６は、第一減圧装置１２を介してガスライン１３ｂと接続されている。すなわち、本実施形態では、第一減圧装置１２が第二減圧装置を兼ねており、これによって燃料電池発電システム２の部品点数を削減して、燃料電池発電システム２の製造コスト及び占有スペースの低減が図られている。
また、第一高圧ガス排出路３６上には、第一高圧ガス排気側バルブ３７と第一減圧装置１２との間に、第一高圧ガス排出路３６を開閉するサブバルブ３８が設けられている（第一高圧ガス排気側バルブ３７がサブバルブ３８を兼ねていてもよい）。
本実施形態では、第一高圧ガス排出路３６は、第一減圧装置１２を介してガスライン１３ｂと接続されている。すなわち、本実施形態では、第一減圧装置１２が第二減圧装置を兼ねており、これによって燃料電池発電システム２の部品点数を削減して、燃料電池発電システム２の製造コスト及び占有スペースの低減が図られている。
また、第一高圧ガス排出路３６上には、第一高圧ガス排気側バルブ３７と第一減圧装置１２との間に、第一高圧ガス排出路３６を開閉するサブバルブ３８が設けられている（第一高圧ガス排気側バルブ３７がサブバルブ３８を兼ねていてもよい）。
動力発生装置２８は、駆動ピストン３２に加わる力のうち、駆動ピストン３２を第二駆動室３１ｂ側に向けて押圧する力（駆動ピストン３２を第一駆動室３１ａの容積が拡大する向きに移動させる力）を、昇圧ピストン２２に対して、昇圧ピストン２２を第一昇圧室２１ａ側に向けて押圧する力（昇圧ピストン２２を第一昇圧室２１ａの容積が縮小する向きに移動させる力）として伝達する伝達部材３９を有している。
本実施形態では、駆動室３１は、昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に、昇圧室２１と略同軸にして配置されている。また、昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側の端部と、駆動室３１の第二駆動室３１ｂ側の端部には、それぞれ貫通孔が設けられている。
昇圧ピストン２２と駆動ピストン３２とは、これら貫通孔に挿入される棒状の伝達部材３９を介して接続されており、これによって昇圧ピストン２２と駆動ピストン３２とが、昇圧室２１及び駆動室３１の軸線方向に沿って一体的に移動するようになっている。
本実施形態では、駆動室３１は、昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に、昇圧室２１と略同軸にして配置されている。また、昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側の端部と、駆動室３１の第二駆動室３１ｂ側の端部には、それぞれ貫通孔が設けられている。
昇圧ピストン２２と駆動ピストン３２とは、これら貫通孔に挿入される棒状の伝達部材３９を介して接続されており、これによって昇圧ピストン２２と駆動ピストン３２とが、昇圧室２１及び駆動室３１の軸線方向に沿って一体的に移動するようになっている。
また、動力発生装置２８は、駆動ピストン３２を第一駆動室３１ａの容積が縮小する方向に向けて付勢する付勢装置４０を有している。本実施形態では、付勢装置４０として、第二駆動室３１ｂ内に設けられて、駆動ピストン３２を駆動室３１の第一駆動室３１ａ側に向けて付勢する圧縮コイルばねを用いている。前記のように、駆動ピストン３２と昇圧ピストン２２とは伝達部材３９を介して接続されているので、この圧縮コイルばねの付勢力によって、駆動ピストン３２に接続される昇圧ピストン２２もまた、昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に向けて付勢されている。すなわち、付勢装置４０は、昇圧ピストン２２を、第二昇圧室２１ｂの容積が縮小する方向（第一昇圧室２１ａの容積が拡大する方向）に向けて付勢している。
ここで、付勢装置４０が駆動ピストン３２に加える力は、高圧ガス供給源１１の燃料ガス供給圧よりも小さく、かつ、燃料電池本体１３への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に設定されている。
ここで、付勢装置４０が駆動ピストン３２に加える力は、高圧ガス供給源１１の燃料ガス供給圧よりも小さく、かつ、燃料電池本体１３への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に設定されている。
このように構成される燃料電池発電システム２では、発電を行うにあたって、第一流体供給側バルブ２４を閉塞し、メインバルブ１６を開放する。
これにより、図１に示すように、高圧燃料ガス供給源１１から第一減圧装置１２を介して燃料電池本体１３のガスライン１３ｂに低圧の燃料ガスが供給される。
ガスライン１３ｂに供給された低圧の燃料ガスは、ガスライン１３ｂ上の加湿装置１３ｃによって適切に加湿されたのちに、燃料電池スタック１３ａに供給される。
これにより、燃料電池スタック１３ａ内で燃料ガスの反応が行われて、燃料電池本体１３による発電が行われる。
燃料電池スタック１３ａに供給された燃料ガスは、循環用流路１３ｄを通じて再びガスライン１３ｂに供給されて、加湿装置１３ｃによって適切に加湿されたのちに、再度燃料電池スタック１３ａに供給される。
これにより、図１に示すように、高圧燃料ガス供給源１１から第一減圧装置１２を介して燃料電池本体１３のガスライン１３ｂに低圧の燃料ガスが供給される。
ガスライン１３ｂに供給された低圧の燃料ガスは、ガスライン１３ｂ上の加湿装置１３ｃによって適切に加湿されたのちに、燃料電池スタック１３ａに供給される。
これにより、燃料電池スタック１３ａ内で燃料ガスの反応が行われて、燃料電池本体１３による発電が行われる。
燃料電池スタック１３ａに供給された燃料ガスは、循環用流路１３ｄを通じて再びガスライン１３ｂに供給されて、加湿装置１３ｃによって適切に加湿されたのちに、再度燃料電池スタック１３ａに供給される。
このように燃料電池発電システム２の運転を開始したのちは、適宜時期に、燃料電池本体１３内のパージ作業を行う。
このパージ作業は、例えば、ガス分析装置等を用いて燃料電池本体１３内の不純物濃度を計測してこの計測値が所定の基準範囲を超えた時点で行うか、燃料電池本体１３の出力電圧が所定の基準値を下回った時点で行うか、または、燃料電池本体１３の運転開始時点から燃料電池本体１３内の不純物濃度が所定の基準範囲を超えると思われる所定の基準時間が経過した時点で行う。
このパージ作業は、例えば、ガス分析装置等を用いて燃料電池本体１３内の不純物濃度を計測してこの計測値が所定の基準範囲を超えた時点で行うか、燃料電池本体１３の出力電圧が所定の基準値を下回った時点で行うか、または、燃料電池本体１３の運転開始時点から燃料電池本体１３内の不純物濃度が所定の基準範囲を超えると思われる所定の基準時間が経過した時点で行う。
この燃料電池発電システム２において、燃料電池本体１３内のパージを行う場合には、第一流体排出側バルブ２７を閉塞し、かつ第一流体供給側バルブ２４を開放した状態で、燃料電池本体１３に低圧の燃料ガスを供給する。
これにより、図２に示すように、燃料電池本体１３から排出された流体（燃料電池本体１３から排出されたパージガス）が昇圧装置１４を構成する昇圧室２１の第一昇圧室２１ａに送り込まれる。
これにより、図２に示すように、燃料電池本体１３から排出された流体（燃料電池本体１３から排出されたパージガス）が昇圧装置１４を構成する昇圧室２１の第一昇圧室２１ａに送り込まれる。
ここで、第一昇圧室２１ａに燃料電池本体１３から排出された流体を送り込むにあたって、予め昇圧ピストン２２を昇圧室２１の第一昇圧室２１ａ側に移動させておく。
これにより、第一昇圧室２１ａに流体を供給した際に、この流体の圧力及び付勢装置４０の付勢力によって、昇圧ピストン２２が昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に押し込まれることになる。すなわち、昇圧室２１の第一昇圧室２１ａの容積を最小限にした状態から第一昇圧室２１ａ内に流体が送り込まれるので、第一昇圧室２１ａ内に送り込むことができる流体の量が最大となる。
これにより、第一昇圧室２１ａに流体を供給した際に、この流体の圧力及び付勢装置４０の付勢力によって、昇圧ピストン２２が昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に押し込まれることになる。すなわち、昇圧室２１の第一昇圧室２１ａの容積を最小限にした状態から第一昇圧室２１ａ内に流体が送り込まれるので、第一昇圧室２１ａ内に送り込むことができる流体の量が最大となる。
このように第一昇圧室２１ａ内に流体を送り込んだ状態で、第一流体供給側バルブ２４を閉塞し、動力発生装置２８によって昇圧室２１内の昇圧ピストン２２を第一昇圧室２１ａ側に移動させることで、図３に示すように、第一昇圧室２１ａに送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第一昇圧室２１ａ内の流体の圧力を、艇外の圧力（潜水艇の周囲の水圧）以上にした状態で、第一流体排出側バルブ２７を開放することで、第一昇圧室２１ａ内の流体が、艇外（水中）に放出される。
昇圧室２１の第一昇圧室２１ａ内の流体の排出が終了したのちは、第一流体排出側バルブ２７を閉めて、次回のパージに備える。
昇圧室２１の第一昇圧室２１ａ内の流体の排出が終了したのちは、第一流体排出側バルブ２７を閉めて、次回のパージに備える。
ここで、前記のように、動力発生装置２８は、高圧燃料ガス供給源１１の供給する燃料ガスの圧力を利用して、昇圧ピストン２２を駆動するものである。
すなわち、この燃料電池発電システム２では、動力発生装置２８が、燃料電池本体１３への燃料ガスの供給圧力よりも高圧の燃料ガスの圧力を利用して動力を発生させるので、電力を消費することなしに、昇圧装置１４の駆動に必要な動力を確保することができる。
以下、上記のパージ操作の際の動力発生装置２８の動作について詳細に説明する。
昇圧ピストン２２によって第一昇圧室２１ａ内の流体の昇圧を行うにあたっては、まず、第一高圧ガス排気側バルブ３７を閉塞した状態で、第一高圧ガス供給側バルブ３４を開く。これにより、高圧ガス供給源１１から高圧の燃料ガスが駆動室３１の第一駆動室３１ａに送り込まれて、第一駆動室３１ａの内圧が上昇するので、この内圧によって、駆動ピストン３２が第二駆動室３１ｂ側に向けて押圧される。
このように駆動ピストン３２に第二駆動室３１ｂに向く押圧力が加わると、この力が伝達部材３９によって昇圧ピストン２２に伝達される。これにより、図３に示すように、昇圧ピストン２２が第一昇圧室２１ａの容積を縮小する方向に移動させられて、第一昇圧室２１ａ内の流体の昇圧が行われ、第一昇圧室２１ａ内の流体の艇外への排出が可能となる。
すなわち、この燃料電池発電システム２では、動力発生装置２８が、燃料電池本体１３への燃料ガスの供給圧力よりも高圧の燃料ガスの圧力を利用して動力を発生させるので、電力を消費することなしに、昇圧装置１４の駆動に必要な動力を確保することができる。
以下、上記のパージ操作の際の動力発生装置２８の動作について詳細に説明する。
昇圧ピストン２２によって第一昇圧室２１ａ内の流体の昇圧を行うにあたっては、まず、第一高圧ガス排気側バルブ３７を閉塞した状態で、第一高圧ガス供給側バルブ３４を開く。これにより、高圧ガス供給源１１から高圧の燃料ガスが駆動室３１の第一駆動室３１ａに送り込まれて、第一駆動室３１ａの内圧が上昇するので、この内圧によって、駆動ピストン３２が第二駆動室３１ｂ側に向けて押圧される。
このように駆動ピストン３２に第二駆動室３１ｂに向く押圧力が加わると、この力が伝達部材３９によって昇圧ピストン２２に伝達される。これにより、図３に示すように、昇圧ピストン２２が第一昇圧室２１ａの容積を縮小する方向に移動させられて、第一昇圧室２１ａ内の流体の昇圧が行われ、第一昇圧室２１ａ内の流体の艇外への排出が可能となる。
第一昇圧室２１ａ内の流体の艇外への排出が終了したのちは、第一高圧ガス供給側バルブ３４を閉塞し、第一高圧ガス排出側バルブ３７を開放するとともに、メインバルブ１６を閉塞し、サブバルブ３８を開放する。
これにより、燃料電池本体１３には、高圧ガス供給源１１からではなく、第一駆動室３１ａ内から燃料ガスが供給される。
すなわち、この燃料電池発電システム２では、動力発生装置２８は、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧と燃料電池本体１３への燃料ガスの供給圧との差圧を利用して動力を発生させているので、駆動ピストン３２の移動に用いられた燃料ガスも燃料として利用することができ、燃料ガスの無駄が生じない。
そして、このように第一駆動室３１ａから燃料ガスを供給しながら燃料電池本体１３の運転を行うことで、第一駆動室３１ａ内の燃料ガスが消費されて、この第一駆動室３１ａの内圧が次第に低下する。すなわち、駆動ピストン３２を駆動室３１の第二駆動室３１ｂ側に向けて押圧する力が低下する。
これにより、燃料電池本体１３には、高圧ガス供給源１１からではなく、第一駆動室３１ａ内から燃料ガスが供給される。
すなわち、この燃料電池発電システム２では、動力発生装置２８は、高圧燃料ガス供給源１１による燃料ガスの供給圧と燃料電池本体１３への燃料ガスの供給圧との差圧を利用して動力を発生させているので、駆動ピストン３２の移動に用いられた燃料ガスも燃料として利用することができ、燃料ガスの無駄が生じない。
そして、このように第一駆動室３１ａから燃料ガスを供給しながら燃料電池本体１３の運転を行うことで、第一駆動室３１ａ内の燃料ガスが消費されて、この第一駆動室３１ａの内圧が次第に低下する。すなわち、駆動ピストン３２を駆動室３１の第二駆動室３１ｂ側に向けて押圧する力が低下する。
このように駆動室３１の第一駆動室３１ａの内圧が十分に低下した状態で、燃料電池本体１３のパージを開始して、燃料電池本体１３から排出された流体を昇圧室２１の第一昇圧室２１ａに供給する。すると、この流体の圧力及び付勢装置４０の付勢力によって、昇圧ピストン２２が昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に押し込まれ、これによって、駆動ピストン３２が駆動室３１の第一昇圧室３１ａ側に移動させられる。
本実施形態では、前記のように、付勢装置４０が駆動ピストン３２に加える力は、燃料電池本体１３への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に設定されている。
すなわち、本実施形態に係る燃料電池発電システム２では、付勢装置４０がある為に、駆動室３１の第一駆動室３１ａの内圧を燃料電池本体１３への燃料ガスの供給圧以下に下げなくても、駆動ピストン３２が駆動室３１の第一駆動室３１ａの容積を縮小する方向に移動させられる。このため、この燃料電池発電システム２では、燃料電池本体１３のパージを行っても、燃料電池本体１３の内圧が常に適正範囲内に保たれて、燃料電池本体１３内での水素と酸素との反応が良好に行われることになり、発電効率の低下が生じない。
さらに、このように駆動ピストン３２を駆動室３１の第一駆動室３１ａ側に移動させた状態で、再度第一駆動室３１ａに高圧の燃料ガスを供給することで、再びピストン機構を動作させて、昇圧装置１４に対して動力を伝達することができる。すなわち、この構成では、第一高圧ガス供給側バルブ３４及び第一高圧ガス排気側バルブ３７を操作することで、駆動ピストン３２を往復動作させて、昇圧装置１４に対して動力を繰り返し伝達することができる。
本実施形態では、前記のように、付勢装置４０が駆動ピストン３２に加える力は、燃料電池本体１３への燃料ガスの好適な供給圧力範囲の下限値以上に設定されている。
すなわち、本実施形態に係る燃料電池発電システム２では、付勢装置４０がある為に、駆動室３１の第一駆動室３１ａの内圧を燃料電池本体１３への燃料ガスの供給圧以下に下げなくても、駆動ピストン３２が駆動室３１の第一駆動室３１ａの容積を縮小する方向に移動させられる。このため、この燃料電池発電システム２では、燃料電池本体１３のパージを行っても、燃料電池本体１３の内圧が常に適正範囲内に保たれて、燃料電池本体１３内での水素と酸素との反応が良好に行われることになり、発電効率の低下が生じない。
さらに、このように駆動ピストン３２を駆動室３１の第一駆動室３１ａ側に移動させた状態で、再度第一駆動室３１ａに高圧の燃料ガスを供給することで、再びピストン機構を動作させて、昇圧装置１４に対して動力を伝達することができる。すなわち、この構成では、第一高圧ガス供給側バルブ３４及び第一高圧ガス排気側バルブ３７を操作することで、駆動ピストン３２を往復動作させて、昇圧装置１４に対して動力を繰り返し伝達することができる。
以上述べたように、本実施形態に係る燃料電池発電システム２では、高圧燃料ガス供給源１１から高圧の燃料ガスを動力発生装置２８に供給することで、昇圧装置１４によって燃料電池本体１３から排出された流体の昇圧が行われるので、電力を消費せずにパージガスを処理することができる。
ここで、本実施形態に係る燃料電池発電システム２において、燃料電池本体１３から排出されるドレン等の液体を艇外に排出する場合には、例えば図４に示す構成が採用される。図４に示す例では、上記燃料電池発電システム２において、燃料電池本体１３から排出される流体を気体と液体（ドレン）とに分離して気体のみを第一流体供給路２３に供給する気液分離器（ドレン受け）４１と、気液分離器４１で分離された液体を昇圧室２１の第一昇圧室２１ａに供給するドレン供給路４２と、ドレン供給路４２を開閉するドレンバルブ４３とを設けている。
この構成では、ドレンバルブ４３を閉じた状態で第一流体供給側バルブ２４を開くことで、昇圧装置１４にパージガス等の気体のみを供給して、艇外に気体を排出することができる。そして、第一流体供給側バルブ２４を閉じてドレンバルブ４３を開くことで、昇圧装置１４に液体を供給して、艇外に液体を排出することができる。
この構成では、ドレンバルブ４３を閉じた状態で第一流体供給側バルブ２４を開くことで、昇圧装置１４にパージガス等の気体のみを供給して、艇外に気体を排出することができる。そして、第一流体供給側バルブ２４を閉じてドレンバルブ４３を開くことで、昇圧装置１４に液体を供給して、艇外に液体を排出することができる。
［第二実施形態］
図５に示すように、本実施形態に示す潜水艇５１は、第一実施形態に示す潜水艇１において、燃料電池発電システム２の代わりに、燃料電池発電システム５２を用いたものである。以下、第一実施形態に示した構成と同一または同様の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
燃料電池発電システム５２は、第一実施形態に示した燃料電池発電システム２において、単一の高圧ガス容器からなる高圧ガス供給源１１の代わりに、高圧ガスの充填された複数の高圧ガス容器を有する高圧ガス供給源５３を用いるとともに、使用する高圧ガス容器を切り換える容器切替装置５４とを設けたものである。本実施形態では、高圧ガス供給源５３は、５つの高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅを有しており、容器切替装置５４として、これら高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅのそれぞれと主流路１５との間に第一切換バルブ５４ａ〜５４ｅが設けられている。
図５に示すように、本実施形態に示す潜水艇５１は、第一実施形態に示す潜水艇１において、燃料電池発電システム２の代わりに、燃料電池発電システム５２を用いたものである。以下、第一実施形態に示した構成と同一または同様の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
燃料電池発電システム５２は、第一実施形態に示した燃料電池発電システム２において、単一の高圧ガス容器からなる高圧ガス供給源１１の代わりに、高圧ガスの充填された複数の高圧ガス容器を有する高圧ガス供給源５３を用いるとともに、使用する高圧ガス容器を切り換える容器切替装置５４とを設けたものである。本実施形態では、高圧ガス供給源５３は、５つの高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅを有しており、容器切替装置５４として、これら高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅのそれぞれと主流路１５との間に第一切換バルブ５４ａ〜５４ｅが設けられている。
このように構成される燃料電池発電システム５２では、容器切換装置５４を操作して、高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅを順次切り換えて使用する。具体的には、使用する高圧ガス容器に対応する第一切換バルブを開放し、使用しない高圧ガス容器に対応する第一切換バルブを閉塞することで、これら高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅを切り換えて使用する。
これにより、燃料電池本体１３の運転に伴って、使用中の高圧ガス容器の内圧が低下して、動力発生装置２８に十分な駆動力を発生させるだけの圧力の燃料ガスを供給できなくなった場合には、この高圧ガス容器と他の内圧の高い高圧ガス容器とを切り換えることで、動力発生装置２８に、再度十分な圧力の燃料ガスを供給することができる。これにより、再度動力発生装置２８によって昇圧装置１４を駆動して、昇圧室２１ａ内の流体を系外に排気することができる。
この場合には、使用中の高圧ガス容器の内圧が低下して他の機器に十分な動力を供給することが困難になっても、他の高圧ガス容器に切り換えることで、再び動力発生装置に十分に高圧の燃料ガスを供給して、他の機器に十分な動力を供給することができる。
このように、複数の高圧ガス容器を順次切り換えて使用することで、より多くの燃料ガスを動力発生装置の駆動に利用することができ、より長期にわたって他の機器を駆動することができる。
これにより、燃料電池本体１３の運転に伴って、使用中の高圧ガス容器の内圧が低下して、動力発生装置２８に十分な駆動力を発生させるだけの圧力の燃料ガスを供給できなくなった場合には、この高圧ガス容器と他の内圧の高い高圧ガス容器とを切り換えることで、動力発生装置２８に、再度十分な圧力の燃料ガスを供給することができる。これにより、再度動力発生装置２８によって昇圧装置１４を駆動して、昇圧室２１ａ内の流体を系外に排気することができる。
この場合には、使用中の高圧ガス容器の内圧が低下して他の機器に十分な動力を供給することが困難になっても、他の高圧ガス容器に切り換えることで、再び動力発生装置に十分に高圧の燃料ガスを供給して、他の機器に十分な動力を供給することができる。
このように、複数の高圧ガス容器を順次切り換えて使用することで、より多くの燃料ガスを動力発生装置の駆動に利用することができ、より長期にわたって他の機器を駆動することができる。
特に、図６に示す例のように、各高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅに対して第一高圧ガス供給路３３を直接接続し（言い換えれば、各高圧ガス容器５３ａ〜５３ｅに対して主流路１５と第一高圧ガス供給路３３とを並列にして接続し）、各高圧ガス容器と第一高圧ガス供給路３３との接続部に、容器切換装置５４として第二切換バルブ５５ａ〜５５ｅを設けた構成とすることで、第一切換バルブ５４ａ〜５４ｅを操作することで駆動室３１へのガス供給に用いる高圧ガス容器として高圧を保持した高圧ガス容器を任意に選択しつつ、第二切換バルブ５５ａ〜５５ｅを操作することで燃料電池本体１３へのガス供給に用いる高圧ガス容器として任意の高圧ガス容器を選択できるため、無駄の無いガス供給が可能となる。
［第三実施形態］
図７に示すように、本実施形態に示す潜水艇６１は、第一実施形態に示す潜水艇１において、燃料電池発電システム２の代わりに、燃料電池発電システム６２を用いたものである。以下、第一実施形態に示した構成と同一または同様の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
燃料電池発電システム６２は、第一実施形態に示した燃料電池発電システム２において、動力発生装置２８の第二駆動室３１ｂと高圧燃料ガス供給源１１とを接続する第二高圧ガス供給路６３と、第二高圧ガス供給路６３を開閉する第二高圧ガス供給側バルブ６４と、第二駆動室３１ｂと燃料電池本体１３とを接続する第二高圧ガス排出路６６と、第二高圧ガス排出路６６を開閉する第二高圧ガス排気側バルブ６７とが設けられた構成とされている。
また、燃料電池発電システム６２には、昇圧装置１４の第二昇圧室２１ｂと燃料電池本体１３とを接続する第二流体供給路７３と、第二流体供給路７３を開閉する第二流体供給側バルブ７４と、第二昇圧室２１ｂから系外まで通じる第二流体排出路７６と、第二流体排出路７６を開閉する第二流体排出側バルブ７７とが設けられている。
図７に示すように、本実施形態に示す潜水艇６１は、第一実施形態に示す潜水艇１において、燃料電池発電システム２の代わりに、燃料電池発電システム６２を用いたものである。以下、第一実施形態に示した構成と同一または同様の構成については、同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
燃料電池発電システム６２は、第一実施形態に示した燃料電池発電システム２において、動力発生装置２８の第二駆動室３１ｂと高圧燃料ガス供給源１１とを接続する第二高圧ガス供給路６３と、第二高圧ガス供給路６３を開閉する第二高圧ガス供給側バルブ６４と、第二駆動室３１ｂと燃料電池本体１３とを接続する第二高圧ガス排出路６６と、第二高圧ガス排出路６６を開閉する第二高圧ガス排気側バルブ６７とが設けられた構成とされている。
また、燃料電池発電システム６２には、昇圧装置１４の第二昇圧室２１ｂと燃料電池本体１３とを接続する第二流体供給路７３と、第二流体供給路７３を開閉する第二流体供給側バルブ７４と、第二昇圧室２１ｂから系外まで通じる第二流体排出路７６と、第二流体排出路７６を開閉する第二流体排出側バルブ７７とが設けられている。
この場合には、第一高圧ガス排気側バルブ３７及び第二高圧ガス供給側バルブ６４を閉じた状態で、第一高圧ガス供給側バルブ３４を開くことで、第一駆動室３１ａ内に高圧燃料ガスが供給されて、第一駆動室３１ａ内の高圧燃料ガスの圧力によって駆動ピストン３２が第二駆動室３１ｂ側に押圧される。この状態で、第二高圧ガス排気側バルブ６７を開くことで、第二駆動室３１ｂ内の燃料ガスが第二高圧ガス排出路６６を通じて燃料電池本体１３に供給されることになるので、駆動ピストン３２が第二駆動室３１ｂ側に移動することになり、昇圧装置１４に動力が伝達される。
次に、第二高圧ガス排気側バルブ６７及び第一高圧ガス供給側バルブ３４を閉じ、この状態で、第二高圧ガス供給側バルブ６４を開くことで、第二駆動室３１ｂ内に高圧燃料ガスが供給されて、第二駆動室３１ｂ内の高圧燃料ガスの圧力によって駆動ピストン３２が第一駆動室３１ａ側に押圧される。この状態で、第一高圧ガス排気側バルブ３７を開くことで、第一駆動室３１ａ内の燃料ガスが第一高圧ガス排出路３６を通じて燃料電池本体１３に供給されることになるので、駆動ピストン３２が第一駆動室３１ａ側に移動することになる。ここで、前記のように、駆動ピストン３２と昇圧ピストン２２とが伝達部材３９によって接続されているので、駆動ピストン３２が第一駆動室３１ａの容積を縮小する方向に向けて移動する際にも昇圧装置１４に動力が伝達される。
以降は、この操作を繰り返すことで、駆動ピストン３２を往復動作させて、昇圧装置１４に対して動力を繰り返し伝達することができる。
次に、第二高圧ガス排気側バルブ６７及び第一高圧ガス供給側バルブ３４を閉じ、この状態で、第二高圧ガス供給側バルブ６４を開くことで、第二駆動室３１ｂ内に高圧燃料ガスが供給されて、第二駆動室３１ｂ内の高圧燃料ガスの圧力によって駆動ピストン３２が第一駆動室３１ａ側に押圧される。この状態で、第一高圧ガス排気側バルブ３７を開くことで、第一駆動室３１ａ内の燃料ガスが第一高圧ガス排出路３６を通じて燃料電池本体１３に供給されることになるので、駆動ピストン３２が第一駆動室３１ａ側に移動することになる。ここで、前記のように、駆動ピストン３２と昇圧ピストン２２とが伝達部材３９によって接続されているので、駆動ピストン３２が第一駆動室３１ａの容積を縮小する方向に向けて移動する際にも昇圧装置１４に動力が伝達される。
以降は、この操作を繰り返すことで、駆動ピストン３２を往復動作させて、昇圧装置１４に対して動力を繰り返し伝達することができる。
また、この燃料電池発電システム６２では、第二流体供給側バルブ７４及び第一流体排出側バルブ２７を閉じた状態で、第一流体供給側バルブ２４を開くことで、燃料電池本体１３から排出された流体が第一昇圧室２１ａ内に供給される。この状態で、第一流体供給側バルブ２４を閉塞し、動力発生装置２８によって昇圧ピストン２２を駆動して、昇圧ピストン２２を第一昇圧室２１ａの容積が縮小する方向に移動させることで、第一昇圧室２１ａに送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第一昇圧室２１ａ内の流体が、系外の圧力以上の所定の圧力に昇圧された後、第一流体排出側バルブ２７を開くことで、第一昇圧室２１ａ内で昇圧された流体が第一流体排出路２６を通じて系外に排出されることになる。
次に、第一流体供給側バルブ２４及び第二流体排出側バルブ７７を閉じ、この状態で、第二流体供給側バルブ７４を開くことで、燃料電池本体１３から排出された流体が第二昇圧室２１ｂ内に供給される。この状態で、第二流体供給側バルブ７４を閉塞し、動力発生装置２８によって昇圧ピストン２２を駆動して、昇圧ピストン２２を第二昇圧室２１ｂの容積が縮小する方向に移動させることで、第二昇圧室２１ｂに送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第二昇圧室２１ｂ内の流体が、系外の圧力以上の所定の圧力に昇圧された後、第二流体排出側バルブ７７を開くことで、第二昇圧室２１ｂ内で昇圧された流体が第二流体排出路７６を通じて系外に排出されることになる。
以降は、同様の手順を繰り返すことで、昇圧ピストン２２をいずれの方向に移動させた際にも、流体の排出を行うことができ、流体の排出を効率的に行うことができる。
次に、第一流体供給側バルブ２４及び第二流体排出側バルブ７７を閉じ、この状態で、第二流体供給側バルブ７４を開くことで、燃料電池本体１３から排出された流体が第二昇圧室２１ｂ内に供給される。この状態で、第二流体供給側バルブ７４を閉塞し、動力発生装置２８によって昇圧ピストン２２を駆動して、昇圧ピストン２２を第二昇圧室２１ｂの容積が縮小する方向に移動させることで、第二昇圧室２１ｂに送り込まれた流体が昇圧される。このようにして第二昇圧室２１ｂ内の流体が、系外の圧力以上の所定の圧力に昇圧された後、第二流体排出側バルブ７７を開くことで、第二昇圧室２１ｂ内で昇圧された流体が第二流体排出路７６を通じて系外に排出されることになる。
以降は、同様の手順を繰り返すことで、昇圧ピストン２２をいずれの方向に移動させた際にも、流体の排出を行うことができ、流体の排出を効率的に行うことができる。
ここで、上記各実施形態において、駆動室３１が昇圧室２１を構成するとともに、駆動ピストン３２が昇圧ピストン２２を構成していてもよい。この場合には、駆動室３１の第二駆動室３１ｂが第一昇圧室２１ａを構成し、駆動ピストン３２自体が伝達部材３９を構成する。
このような構成を採用することで、燃料電池発電システムの部品点数が削減されるので、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
このような構成を採用することで、燃料電池発電システムの部品点数が削減されるので、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
また、上記各実施形態において、高圧ガス供給源１１が、燃料電池の作動温度近傍では気体であって、その温度より低いある温度を沸点とする液化燃料を供給するもので代替され、この高圧ガス供給源１１による液化燃料の供給経路上に、液化燃料を気化させる液化燃料気化部が設けられていてもよい。
この場合には、液化燃料気化部に、十分な量の液化燃料を供給して、この液化燃料を気化させることで、動力発生装置２８に、高圧の燃料ガスを供給することができる。
すなわち、この場合には、高圧ガス供給源１１に液化燃料の残量があるうちは、動力発生装置２８への燃料ガスの供給圧を維持して、動力発生装置を駆動することができる。
ここで、この液化燃料気化部は、駆動室３１の第一駆動室３１ａと第二駆動室３１ｂとのうち、燃料ガスが供給される室によって構成されていてもよい。例えば、第一実施形態では、駆動室３１が液化燃料気化部とされている。この場合には、燃料電池発電システムの部品点数を削減して、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
この場合には、液化燃料気化部に、十分な量の液化燃料を供給して、この液化燃料を気化させることで、動力発生装置２８に、高圧の燃料ガスを供給することができる。
すなわち、この場合には、高圧ガス供給源１１に液化燃料の残量があるうちは、動力発生装置２８への燃料ガスの供給圧を維持して、動力発生装置を駆動することができる。
ここで、この液化燃料気化部は、駆動室３１の第一駆動室３１ａと第二駆動室３１ｂとのうち、燃料ガスが供給される室によって構成されていてもよい。例えば、第一実施形態では、駆動室３１が液化燃料気化部とされている。この場合には、燃料電池発電システムの部品点数を削減して、燃料電池発電システムの製造コスト及び占有スペースの低減を図ることができる。
また、このように液化燃料気化部を設けた燃料電池発電システムにおいて、図１に二点鎖線で示すように、熱媒が循環流通されてこの熱媒に燃料電池本体１３からの熱を授熱させる熱媒循環系統８１が設けられ、液化燃料気化部が、熱媒循環系統８１の熱媒を、液化燃料を気化させるための熱源として利用する構成とされていてもよい。
この場合には、燃料電池本体１３の排熱を利用して液化燃料を気化させることができるので、液化燃料を気化させるために電力を消費せずに済む。
なお、この熱媒循環系統８１は、燃料電池本体１３から直接熱媒に授熱させるものに限らず、燃料電池本体１３から他の系統を介して間接的に熱媒に授熱させるものも含む。
この場合には、燃料電池本体１３の排熱を利用して液化燃料を気化させることができるので、液化燃料を気化させるために電力を消費せずに済む。
なお、この熱媒循環系統８１は、燃料電池本体１３から直接熱媒に授熱させるものに限らず、燃料電池本体１３から他の系統を介して間接的に熱媒に授熱させるものも含む。
また、上記各実施形態において、付勢装置４０を省略してもよい。
この場合には、駆動室３１の第一の室３１ａ内の燃料ガスを燃料電池本体１３に供給する際に、駆動室３１の第一駆動室３１ａの内圧が燃料電池本体１３への通常の燃料ガスの供給圧を所定程度下回るまで、駆動室３１から燃料電池本体１３への燃料ガスの供給を継続する。これにより、駆動ピストン３２を駆動室３１の第二駆動室３１ａに向けて押圧する力が、燃料電池本体１３への通常の燃料ガスの供給圧よりも低くなる。この状態で第一高圧ガス排気側バルブ３７及びサブバルブ３８を閉鎖した後、メインバルブ１６を開放して主流路１５から燃料電池本体１３に燃料ガスを供給して、燃料電池本体１３への燃料ガス供給圧力を通常レベルまで戻す。なお、場合によっては、燃料電池本体１３への燃料ガス供給圧力を通常レベルよりも上昇させる場合もある。そして第一流体排出側バルブ２４を開けることによって燃料電池本体１３から昇圧室２１の第一昇圧室２１ａに供給された流体の圧力のみによって、昇圧ピストン２１が昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に押し込まれる。
この場合には、駆動室３１の第一の室３１ａ内の燃料ガスを燃料電池本体１３に供給する際に、駆動室３１の第一駆動室３１ａの内圧が燃料電池本体１３への通常の燃料ガスの供給圧を所定程度下回るまで、駆動室３１から燃料電池本体１３への燃料ガスの供給を継続する。これにより、駆動ピストン３２を駆動室３１の第二駆動室３１ａに向けて押圧する力が、燃料電池本体１３への通常の燃料ガスの供給圧よりも低くなる。この状態で第一高圧ガス排気側バルブ３７及びサブバルブ３８を閉鎖した後、メインバルブ１６を開放して主流路１５から燃料電池本体１３に燃料ガスを供給して、燃料電池本体１３への燃料ガス供給圧力を通常レベルまで戻す。なお、場合によっては、燃料電池本体１３への燃料ガス供給圧力を通常レベルよりも上昇させる場合もある。そして第一流体排出側バルブ２４を開けることによって燃料電池本体１３から昇圧室２１の第一昇圧室２１ａに供給された流体の圧力のみによって、昇圧ピストン２１が昇圧室２１の第二昇圧室２１ｂ側に押し込まれる。
また、上記各実施の形態において、各バルブを自動弁によって構成するとともに、各バルブの開閉動作を自動的に制御する制御装置を設けて、燃料電池本体１３のパージ作業を自動化してもよい。
また、上記各実施形態では、動力発生装置が昇圧装置１４を駆動する例を示したが、これに限られることなく、動力発生装置によって駆動される装置は、他の任意の装置とすることができる。
また、上記各実施形態では、動力発生装置が昇圧装置１４を駆動する例を示したが、これに限られることなく、動力発生装置によって駆動される装置は、他の任意の装置とすることができる。
１，５１，６１，７１ 潜水艇（装置）
２，５２，６２，７２ 燃料電池発電システム
１１，５３ 高圧燃料ガス供給源
１２ 第一減圧装置（第二減圧装置）
１３ 燃料電池本体
１４ 昇圧装置
２１ 駆動室
２２ 昇圧ピストン
２１ａ 第一昇圧室
２１ｂ 第二昇圧室
２３ 第一流体供給路
２４ 第一流体供給側バルブ
２６ 第一流体排出路
２７ 第一流体排出側バルブ
２８ 動力発生装置
３１ 駆動室
３１ａ 第一駆動室（液化燃料気化部）
３１ｂ 第二駆動室
３２ 駆動ピストン
３３ 第一高圧ガス供給路
３４ 第一高圧ガス供給側バルブ
３６ 第一高圧ガス排出路
３７ 第一高圧ガス排気側バルブ
３９ 伝達部材
４０ 付勢装置
５３ａ〜５３ｅ 高圧ガス容器
６３ 第二高圧ガス供給路
６４ 第二高圧ガス供給側バルブ
６６ 第二高圧ガス排出路
６７ 第二高圧ガス排気側バルブ
７３ 第二流体供給路
７４ 第二流体供給側バルブ
７６ 第二流体排出路
７７ 第二流体排出側バルブ
８１ 熱媒循環系統
２，５２，６２，７２ 燃料電池発電システム
１１，５３ 高圧燃料ガス供給源
１２ 第一減圧装置（第二減圧装置）
１３ 燃料電池本体
１４ 昇圧装置
２１ 駆動室
２２ 昇圧ピストン
２１ａ 第一昇圧室
２１ｂ 第二昇圧室
２３ 第一流体供給路
２４ 第一流体供給側バルブ
２６ 第一流体排出路
２７ 第一流体排出側バルブ
２８ 動力発生装置
３１ 駆動室
３１ａ 第一駆動室（液化燃料気化部）
３１ｂ 第二駆動室
３２ 駆動ピストン
３３ 第一高圧ガス供給路
３４ 第一高圧ガス供給側バルブ
３６ 第一高圧ガス排出路
３７ 第一高圧ガス排気側バルブ
３９ 伝達部材
４０ 付勢装置
５３ａ〜５３ｅ 高圧ガス容器
６３ 第二高圧ガス供給路
６４ 第二高圧ガス供給側バルブ
６６ 第二高圧ガス排出路
６７ 第二高圧ガス排気側バルブ
７３ 第二流体供給路
７４ 第二流体供給側バルブ
７６ 第二流体排出路
７７ 第二流体排出側バルブ
８１ 熱媒循環系統
Claims (10)
- 高圧環境下で使用される装置の電源として用いられる燃料電池発電システムであって、
高圧燃料ガス供給源と、
該高圧燃料ガス供給源の供給する燃料ガスを減圧する第一減圧装置と、
該第一減圧装置によって減圧された前記燃料ガスが供給される燃料電池本体と、
前記高圧燃料ガス供給源による前記燃料ガスの供給圧力を動力に変換する動力発生装置とを有している燃料電池発電システム。 - 前記動力発生装置は、前記高圧燃料ガス供給源による前記燃料ガスの供給圧力によって駆動されるピストン機構を有しており、
該ピストン機構は、駆動室と、
該駆動室内に移動可能にして設けられるとともに該駆動室内を区画して第一駆動室を形成する駆動ピストンと、
前記第一駆動室と前記高圧燃料ガス供給源とを接続する第一高圧ガス供給路と、
該第一高圧ガス供給路を開閉する第一高圧ガス供給側バルブと、
前記第一駆動室と前記燃料電池本体とを接続する第一高圧ガス排出路と、
該第一高圧ガス排出路を開閉する第一高圧ガス排気側バルブと、
前記第一高圧ガス排出路から前記燃料電池本体に供給される前記燃料ガスを減圧する第二減圧装置と、
前記駆動ピストンに加わる力を他の機器に対して動力として伝達する伝達部材とを有する構成とされている請求項１記載の燃料電池発電システム。 - 前記第一駆動室の容積が縮小する方向に向けて前記駆動ピストンを付勢する付勢装置を有しており、
該付勢装置が前記駆動ピストンに加える力は、前記高圧ガス供給源の前記燃料ガス供給圧より生じる力よりも小さい力とされている請求項２記載の燃料電池発電システム。 - 前記駆動室内が前記駆動ピストンによって前記第一駆動室と第二駆動室とに区画されており、
該第二駆動室と前記高圧燃料ガス供給源とを接続する第二高圧ガス供給路と、
該第二高圧ガス供給路を開閉する第二高圧ガス供給側バルブと、
前記第二駆動室と前記燃料電池本体とを接続する第二高圧ガス排出路と、
該第二高圧ガス排出路を開閉する第二高圧ガス排気側バルブとを有している請求項２に記載の燃料電池発電システム。 - 前記燃料電池本体から排出された流体を昇圧する昇圧装置を有しており、
該昇圧装置は、昇圧室と、
該昇圧室内に移動可能にして設けられるとともに該昇圧室内を区画して第一昇圧室を形成する昇圧ピストンと、
前記第一昇圧室と前記燃料電池本体とを接続する第一流体供給路と、
該第一流体供給路を開閉する第一流体供給側バルブと、
前記第一昇圧室から系外まで通じる第一流体排出路と、
該第一流体排出路を開閉する第一流体排出側バルブとを有しており、
前記昇圧ピストンは、前記動力発生装置が発生させた動力によって駆動される構成とされている請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池発電システム。 - 前記昇圧室内が前記昇圧ピストンによって前記第一昇圧室と第二昇圧室とに区画されており、
該第二昇圧室と前記燃料電池本体とを接続する第二流体供給路と、
該第二流体供給路を開閉する第二流体供給側バルブと、
前記第二昇圧室から系外まで通じる第二流体排出路と、
該第二流体排出路を開閉する第二流体排出側バルブとを有している請求項５に記載の燃料電池発電システム。 - 前記高圧ガス供給源が、燃料電池の作動温度近傍では気体であって、その温度より低いある温度を沸点とする液化燃料を供給するもので代替され、
該高圧ガス供給源による前記液化燃料の供給経路上に、該液化燃料を気化させる液化燃料気化部が設けられている請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。 - 前記駆動室が前記液化燃料気化部を構成している請求項７に記載の燃料電池発電システム。
- 熱媒が循環流通されて該熱媒に前記燃料電池本体からの熱を授熱させる熱媒循環系統を有し、
前記液化燃料気化部は、前記熱媒循環系統の熱媒を、前記液化燃料を気化させるための熱源として利用する構成とされている請求項７または８に記載の燃料電池発電システム。 - 前記高圧ガス供給源が、前記燃料ガスの充填された複数の高圧ガス容器と、
使用する該高圧ガス容器を切り換える容器切替装置とを有している請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池発電システム。
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