JP2008052948A - 燃料電池システムおよびそれを備えた自動二輪車 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素ガスの無駄を少なくすることができるとともに、パージガスを大気中に拡散させやすくなる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 燃料電池システムＡを、燃料電池２５と、未反応の水素ガスを燃料電池２５からガス配管３２ａに循環させるガス配管３２ｂと、ガス配管３２ａに設けられたバルブ３１ａと、ガス配管３２ａ内の圧力を検出する圧力センサ３２と、ガス配管３２ｂと外部との間を連通遮断する三方バルブ３４ａと、電源システム制御装置５０とで構成した。そして、ガス配管３２ｂと外部との間を連通させてパージガスや水分を外部に排出する際に、圧力センサ３２が検出する検出値が、大気圧よりもやや大きな値に保持されるように電源システム制御装置５０がバルブ３１ａの開度を制御するようにした。また、燃料電池システムＡを、自動二輪車１０に設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、水素ガスと酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池を備えた燃料電池システムおよびそれを備えた自動二輪車に関する。

従来から、車両の中には、燃料電池を備えた燃料電池システムが発生する電力を利用して走行するものがあり、このような燃料電池システムの中に、発電を開始する際に、燃料電池に残ったガス等の不純物を外部に排出して燃料電池による発電の効率を高めるためのパージバルブを備えたものがある。（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池に供給する水素を貯蔵する水素タンクと、水素タンクから燃料電池に水素ガスを供給する水素供給路と、未反応の水素ガスを水素供給路に循環させる水素循環路とを備えている。さらに、水素供給路には水素遮断弁が設けられ、水素循環路には水素パージ弁が設けられている。

そして、水素遮断弁の開弁時に、圧力検出手段が検出する燃料電池の水素極の圧力に応じて水素パージ弁の開弁開始時間を決定しその時間が経過したときに水素パージ弁の開弁を行うか、または、水素遮断弁の開弁後に、圧力検出手段が検出する燃料電池の水素極の圧力が所定値以上になったときに水素パージ弁の開弁を行うようにしている。これによって、燃料電池の水素極内が負圧になって、水素パージ弁を開けたときに、外部の空気が燃料電池側に吸い込まれるといったことを防止できる。
特開２００４−１７９０８０号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、圧力検出手段が検出する燃料電池の圧力が必要以上に高いときにも水素パージ弁が開いて水素供給路内や水素循環路内のガスが外部に排出されてしまう。このため、パージガス等の不純物だけでなく燃料として使用できる水素ガスも勢いよく排出されるようになり水素ガスの無駄が多くなる。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、パージガスを大気と同程度の圧力で排出することにより、水素ガスの無駄な排出を少なくすることができるとともに、外部に排出したパージガスを大気中に拡散させやすくなる燃料電池システムを提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムの構成上の特徴は、水素タンクから水素供給用配管を介して供給される水素ガスと空気供給装置から空気供給用配管を介して供給される空気中の酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池と、燃料電池に供給された水素ガスのうちの未反応の水素ガスを燃料電池から水素供給用配管に循環させる水素循環用配管と、水素供給用配管における水素循環用配管との合流部よりも上流側に設けられた圧力調整バルブと、水素供給用配管内または水素循環用配管内における圧力調整バルブと燃料電池との間の部分の圧力を検出する圧力検出装置と、水素循環用配管と外部との間を連通遮断するパージバルブと、パージバルブの切り換えにより水素循環用配管と外部との間を連通させてパージガスや水分からなる不純物を外部に排出する際に、圧力検出装置が検出する検出値が、大気圧よりもやや大きな値に保持されるように圧力調整バルブの開度を制御する制御装置とを備えたことにある。

本発明に係る燃料電池システムでは、パージバルブの切り換えにより水素循環用配管と外部との間を連通させてパージガスや水分からなる不純物を外部に排出する際に、外部に排出されるパージガスが大気圧と同程度の圧力になるため、大気中に拡散しやすくなる。また、外部に排出されるパージガスの圧力が低くなるためパージガスとともに外部に排出される水素ガスの量を減少させることができる。このため、無駄に排出される水素ガスの量を抑制することができる。なお、この場合の大気圧よりもやや大きな値とは、燃料電池を発電させる際の通常の圧力よりも小さく、パージバルブの切り換えにより水素循環用配管と外部との間を連通させたときに大気中の空気が逆流して水素循環用配管内に入り込むことを防止できる程度で大気圧に近い値とする。

また、本発明に係る燃料電池システムの他の構成上の特徴は、不純物の外部への排出が、パージバルブを断続的に切り換えることにより行われることにある。この場合、パージバルブの切り換えは、所定の周期で２〜３回繰り返すことが好ましい。これによると、排出の勢いが増すため、パージガスだけでなく、燃料電池等に溜まった水分も容易に外部に排出することができ、燃料電池の発電安定性や発電効率をより高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、不純物の外部への排出が、圧力調整バルブが開いて水素タンクから燃料電池への水素ガスの供給が開始される際に行われることにある。通常、燃料電池システムの作動を停止させるときには、水素供給用配管等の内部に不活性ガス等を送り込んで水素供給用配管等の内部の水素ガスを外部に放出させる処理が行われる。このため、水素タンクから燃料電池への水素ガスの供給が開始される際に、パージバルブを操作して内部の不活性ガスや水分等を排出することにより、水素供給用配管等の内部に効率よく水素ガスを充填することができ、発電開始時の発電安定性をより高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、パージバルブの排出口側に、排出口から排出される不純物を外部に拡散させるための複数の吐出孔を備えた拡散用部材を設けたことにある。この拡散用部材としては、種々の方向に向いた複数の吐出孔を備え、パージガスや水分を飛散させながら排出させることのできる部材等を使用する。これによると、外部に排出されたパージガスの大気中での拡散をさらに促進させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、パージバルブの切り換えにより水素循環用配管と外部との間を連通させたときの圧力検出装置の検出値の減少度合いからパージバルブに故障が発生しているか否かの判断をするようにしたことにある。これによると、簡単な方法でパージバルブが故障しているか否かの判断ができる。

また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、パージバルブの排出口側に、排出口から排気されるパージガス中の水素の濃度を検出する水素センサを設け、パージバルブに故障が発生していないと判断したときに、水素センサが水素を検出しないと、水素センサに故障が発生していると判断するようにしたことにある。これによると、パージバルブの排出口から高濃度の水素ガスが排出されなくても、水素センサが故障しているか否かの判断ができる。

また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、パージバルブを、水素循環用配管に設けた三方バルブで構成したことにある。これによると、三方バルブの切り換え操作により、パージガスの排出を行わないときには、水素循環用配管の上流側部分と下流側部分とを連通させた状態にして、水素循環用配管と外部との間を遮断し、パージガスを排出する際には、水素循環用配管の上流側部分と下流側部分とを遮断した状態にして、水素循環用配管と外部との間を連通させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、水素循環用配管からパージ用配管を延ばし、パージバルブを、パージ用配管に設けられパージ用配管内の圧力調整が可能な開閉バルブで構成したことにある。これによると、水素循環用配管の上流側部分と下流側部分とを連通させたままの状態で開閉バルブを開けることによりパージガスを排出できる。また、この開閉バルブでパージ用配管内の圧力調整ができるため、水素供給用配管に設けられた圧力調整バルブによる圧力調整に加えて、パージバルブとしての開閉バルブによる圧力調整もできるようになり、より精度のよい圧力調整が可能になる。

また、本発明に係る自動二輪車の構成上の特徴は、前述した燃料電池システムを備えたことにある。これによると、水素ガスの無駄な排出を少なくすることができるとともに、パージガスを大気中に拡散させやすくなる燃料電池システムを備えた自動二輪車を得ることができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを図面を用いて詳しく説明する。図１は、同実施形態に係る燃料電池システムＡ（図２参照）を備えた自動二輪車１０を示している。この自動二輪車１０は、前輪１１と後輪１２とからなる一対の車輪と、この一対の車輪が取り付けられた車体１０ａとを備えている。また、車体１０ａは、車体１０ａの主要部分を構成する車体フレーム１３と、車体フレーム１３に着脱自在に取り付けられるサブフレーム１４とを備えている。そして、車体フレーム１３は、車体１０ａの前部側部分を構成するヘッドパイプ１５と、ヘッドパイプ１５から後方に延びるメインフレーム１６とで構成されている。

また、前輪１１は、下方が二股に分岐したフロントフォーク１７の下端部に回転可能に支持されている。すなわち、フロントフォーク１７の両下端部には前輪１１の中心軸を支持する軸受け（図示せず）が掛け渡されており、前輪１１は、軸受を介して中心軸を中心として回転可能になっている。また、フロントフォーク１７の上端部には、ヘッドパイプ１５内に配置されたステアリング軸１８の下端部が連結されている。このステアリング軸１８は、ヘッドパイプ１５の軸周り方向に回転可能な状態で、ヘッドパイプ１５内に取り付けられており、上端部がヘッドパイプ１５から突出して上方に延びている。

そして、ステアリング軸１８の上端部に略水平方向に配置されたハンドル１９の中央部が連結されている。このため、ハンドル１９を回転操作して、ステアリング軸１８を軸周り方向に回転させると、ステアリング軸１８の回転量に応じて前輪１１はフロントフォーク１７の軸を中心として左右に方向を変える。また、ハンドル１９の左右両端には、グリップ（図示せず）が設けられている。

このグリップのうちの一方のグリップは、軸回り方向に回転可能な状態で設けられており、手で持つための把持部として使用される外、後述する駆動モータ４３の駆動力を調節するためのアクセル操作子を構成する。そして、他方のグリップは、ハンドル１９に固定され手で持つための把持部として使用される。また、グリップの近傍には、それぞれ、グリップから離れるように付勢され、グリップ側に引っ張られることにより前輪１１または後輪１２の回転を抑制するブレーキレバー（図示せず）が設置されている。

メインフレーム１６は、湾曲した一対のフレーム（一方しか図示せず）で構成されており、その前端部（上端部）はヘッドパイプ１５の下部側部分の両側部に連結されている。そして、各メインフレーム１６は、ヘッドパイプ１５との連結部からそれぞれ互いの間隔を広げるようにして、後方に向って斜め下方に延びたのちに湾曲して後方水平方向に延びている。さらに、各メインフレーム１６の後部側部分は、互いの間隔を保って後方斜め上方に向って延びている。そして、両メインフレーム１６の後端部は、水平方向に配置された板状の取付部材２１に連結されている。

また、両メインフレーム１６における後部側部分の上面には、クロスメンバ２２が掛け渡されている。このクロスメンバ２２は両端側部分が略直角に屈曲した略コ字状の棒状に形成されており、屈曲した両端部をそれぞれメインフレーム１６に連結して本体部分が両メインフレーム１６の上側に突出している。また、両メインフレーム１６の下端部には、両メインフレーム１６間の下方に突出する設置台２３が掛け渡されている。この設置台２３の上面は、凹部に形成され、その凹部に収容部２４が設けられている。そして、この収容部２４の内部に燃料電池２５（図２参照）が収容されている。

また、両メインフレーム１６の前部側部分と、両メインフレーム１６の後部に設けられたクロスメンバ２２との間に板状のサブフレーム１４が取り付けられている。そして、サブフレーム１４の上面における中央よりもやや前部側部分にリチウムイオン電池からなる二次電池２６が固定され、サブフレーム１４の上面における後部側部分に燃料電池システムＡが備える各装置を制御する電源システム制御装置５０が固定されている。

また、ヘッドパイプ１５の前部には、固定部材２７ａを介してラジエータ２７が取り付けられ、ラジエータ２７の裏面（ラジエータ２７とヘッドパイプ１５との間）には、ラジエータ２７を空冷するためのファン２７ｂが取り付けられている。そして、メインフレーム１６の前部側部分における収容部２４の前側でかつサブフレーム１４（二次電池２６）の下方部分にウォーターポンプ２８が取り付けられている。ラジエータ２７と燃料電池２５との間は、冷却水配管２９ａで接続されており、ウォーターポンプ２８は、冷却水配管２９ａに設けられている。

すなわち、冷却水配管２９ａは、ラジエータ２７からウォーターポンプ２８に延び、さらにウォーターポンプ２８から収容部２４に向って延びて収容部２４の前面部から内部に入って燃料電池２５に接続されている。また、燃料電池２５とラジエータ２７との間は、燃料電池２５を冷却した冷却水が燃料電池２５からラジエータ２７側に向って流れる冷却水配管２９ｂで接続されている。このため、ウォーターポンプ２８が作動すると、ラジエータ２７内の冷却水が冷却水配管２９ａを通って燃料電池２５に送られ燃料電池２５を冷却する。そして、燃料電池２５を冷却することによって熱を吸収した冷却水は、冷却水配管２９ｂを通ってラジエータ２７に戻され、ラジエータ２７を通過する間にファン２７ｂによって冷却される。

また、両メインフレーム１６の後端部に連結された取付部材２１の上面には、燃料電池２５に供給するための水素が充填された水素タンク３１が取り付けられている。この水素タンク３１は、図２に示したように、本発明の水素供給用配管としてのガス配管３２ａによって燃料電池２５の水素ガス供給口に接続されている。また、燃料電池２５の水素ガス排出口は、本発明の水素循環用配管としてのガス配管３２ｂによって、ガス配管３２ａに接続されている。そして、ガス配管３２ａにおける水素タンク３１側部分に本発明の圧力調整バルブとしてのバルブ３１ａが設けられ、ガス配管３２ａにおけるバルブ３１ａの下流側にガス配管３２ａ内の圧力を検出するための本発明の圧力検出装置としての圧力センサ３２が設けられている。

また、ガス配管３２ｂには、燃料電池２５の水素ガス排出口から排出される未反応の水素ガスをガス配管３２ａに送り返すための循環ポンプ３３が設けられている。さらに、ガス配管３２ｂの燃料電池２５側部分には、ガス配管３２ｂ内のガスを外部に排出するためのガスパージ用配管３４が本発明のパージバルブとしての三方バルブ３４ａを介して接続されている。

このため、バルブ３１ａを開けることにより、水素タンク３１内の水素ガスを、ガス配管３２ａを介して燃料電池２５に供給することができる。また、その状態で、循環ポンプ３３を作動させることにより、燃料電池２５内で反応しないまま残った水素ガスを、ガス配管３２ｂを通過させてガス配管３２ａに送り返し、水素タンク３１から新たにガス配管３２ａに送り出される水素ガスと合流させることができる。そして、水素ガスは、燃料電池２５内で酸素ガスと反応するまでガス配管３２ａ，３２ｂ内を循環する。また、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部のガスや溜まった水分を排出する際には、三方バルブ３４ａを切り換えて、ガス配管３２ｂの上流側部分とガスパージ用配管３４とを連通させる。

また、水素タンク３１の前部側部分の上部にシート３６が配置されている。このシート３６は、支持部材３６ａを介してメインフレーム１６の後部側に連結されている。また、メインフレーム１６の後部側部分におけるクロスメンバ２２の後方にエアフィルタ３７が取り付けられ、メインフレーム１６の後部側部分におけるクロスメンバ２２の前方に本発明の空気供給装置としてのエアブロア３８が取り付けられている。なお、両メインフレーム１６の後部側部分における両メインフレーム１６間には、設置台（図示せず）が設けられており、エアフィルタ３７およびエアブロア３８は、この設置台を介してメインフレーム１６に固定されている。

また、エアフィルタ３７とエアブロア３８との間およびエアブロア３８と燃料電池２５との間はそれぞれ図２に示した本発明に係る空気供給用配管としてのガス配管３７ａ，３８ａによって接続されている。このため、エアブロア３８の作動により、シート３６の下部側の空気がエアフィルタ３７を介して吸引され、燃料電池２５に供給される。このときエアフィルタ３７に吸引された空気はエアフィルタ３７内を通過する際に、異物を除去される。また、燃料電池２５を通過する際に水素ガスと反応して燃料電池２５の発電に使用された酸素ガス以外の空気は外部に排出される。

また、ガス配管３２ａやガス配管３８ａの一部およびガス配管３２ｂは、燃料電池２５とともに収容部２４内に収容されており、ガスパージ用配管３４の先端部は収容部２４の下部側部分を貫通して外部に延びている。そして、ガスパージ用配管３４の排出口の近傍に、ガスパージ用配管３４から排出されるパージガス中の水素を検出するための水素センサ３９が設けられている。また、ガスパージ用配管３４の排出口には、シャワー状の拡散用部材３４ｂが設けられて、ガスパージ用配管３４から排出されるパージガスを外部の種々の方向に分散させることができるようになっている。

また、両メインフレーム１６の後部側部分の下部には、後方に向って延びる一対のアーム部材からなるリヤアーム（図示せず）が連結部材４１を介して連結されている。そして、リヤアームの両アーム部材の後端部に、後輪１２の中心軸の両側部分が回転可能に支持されており、これによって、後輪１２は、中心軸を中心として回転可能になっている。また、リヤアームの一方のアーム部材の外面側には、アーム部材を覆うようにして、モータユニット４２が取り付けられている。

このモータユニット４２内には、燃料電池２５が発生する電力によって作動する駆動モータ４３や減速機が収容されている。この駆動モータ４３の作動により後輪１２が回転して自動二輪車１０が走行する。また、メインフレーム１６の後端部と、リヤアームの後端上部との間には、リヤクッション４４がそれぞれ掛け渡されている。このリヤクッション４４の伸縮によって、リヤアームの後端側が揺動自在になっている。また、モータユニット４２の内側面側にはドラムブレーキ（図示せず）が取り付けられている。

駆動モータ４３は、電源システム制御装置５０の制御によってグリップの操作量に応じて作動し、後輪１２に駆動力を自動的に発生させる。また、この自動二輪車１０は、静止状態のときに、自動二輪車１０を起立状態に維持させるための回転式のスタンド４５を備えており、自動二輪車１０を走行させるときには、図１に実線で示したように、スタンド４５を上方に上げておき、自動二輪車１０を静止させておくときには、図１に二点鎖線で示したようにスタンド４５を下方に下ろして、スタンド４５に自動二輪車１０を支持させる。

さらに、この燃料電池システムＡは、燃料電池２５が発生する電力の電圧を昇圧する昇圧装置４６および逆流防止用のダイオード４７も備えており、燃料電池２５、二次電池２６、駆動モータ４３、昇圧装置４６、ダイオード４７およびこれらを接続する配線で電気回路４８が形成されている。また、図示していないが、この燃料電池システムＡを構成する各装置には、各装置の種々の状態を検出するための各種のセンサが設けられており、これらのセンサと電源システム制御装置５０との間が各電気配線を介して接続されている。

すなわち、水素タンク３１には、水素タンク３１内の水素の残量を検出するための残量検出センサが設けられ、冷却水配管２９ｂには、ラジエータ２７から燃料電池２５に送られ燃料電池２５を冷却したのちに燃料電池２５からラジエータ２７に送られる冷却水の温度を検出するための温度センサが設けられている。また、燃料電池２５には、燃料電池２５の温度を検出するための温度センサおよび電圧値を検出するための電圧センサが設けられ、二次電池２６には二次電池２６の温度を検出するための温度センサが設けられている。

そして、電気回路４８には、電気回路４８を流れる電流の値を検出するための電流センサ、駆動モータ４３に流れる電流の値を検出するための電流センサおよび電圧値を検出するための電圧センサが設けられている。また、電気回路４８における二次電池２６に接続された配線４８ａには、二次電池２６に流れる電流の値を検出するための電流センサが設けられている。これらの各センサはそれぞれ配線５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５７ａ，５８を介して電源システム制御装置５０に接続されており、検出した値を電気信号として電源システム制御装置５０に送信する。

また、圧力センサ３２は配線５９ａを介して電源システム制御装置５０に接続されており、検出したガス配管３２ａ内の圧力値を電気信号として電源システム制御装置５０に送信する。さらに、水素センサ３９も配線５９ｂを介して電源システム制御装置５０に接続されており、ガスパージ用配管３４から排出したパージガス中の水素を検出し、その検出値を電気信号として電源システム制御装置５０に送信する。

また、電源システム制御装置５０から、エアブロア３８、バルブ３１ａ、循環ポンプ３３、三方バルブ３４ａ、ファン２７ｂ、ウォーターポンプ２８、昇圧装置４６および駆動モータ４３にそれぞれ指示信号を送信するための配線６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８がそれぞれ電源システム制御装置５０と対応する装置との間を接続している。エアブロア３８は、電源システム制御装置５０からの流量指示信号に応じて作動して空気を燃料電池２５に供給し、バルブ３１ａは電源システム制御装置５０からの圧力指示信号に応じて開度を調節しながら開閉して、水素タンク３１から水素ガスを燃料電池２５に供給させる。

そして、燃料電池２５は、エアブロア３８から供給される空気中の酸素と、水素タンク３１から供給される水素とを反応させて水を発生させるとともに電気を発生させる。また、その際、循環ポンプ３３は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、燃料電池２５で酸素ガスと反応しなかった水素ガスを、ガス配管３２ｂを介してガス配管３２ａに戻し、水素タンク３１から新たにガス配管３２ａに送り出される水素ガスと合流させる。

三方バルブ３４ａは、電源システム制御装置５０からの切換指示信号に応じて、ガス配管３２ｂの上流側と下流側を連通させたり、ガス配管３２ｂの上流側とガスパージ用配管３４とを連通させたりする。この場合、ガス配管３２ｂの上流側と下流側とが連通しているときにはガス配管３２ｂとガスパージ用配管３４とは遮断され、ガス配管３２ｂの上流側とガスパージ用配管３４とが連通しているときにはガス配管３２ｂの上流側と下流側とは遮断される。

また、ウォーターポンプ２８は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、ラジエータ２７と燃料電池２５との間で冷却水を循環させて燃料電池２５の温度を所定の温度に維持する。そして、ファン２７ｂは、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、ラジエータ２７を空冷する。昇圧装置４６は、電源システム制御装置５０からの電圧指示信号に応じて燃料電池２５が発生した電気を昇圧して、駆動モータ４３に送ったり、二次電池２６に送って二次電池２６を充電したりする。また、駆動モータ４３は、アクセル操作子を構成するグリップの操作量に応じた動作信号を電源システム制御装置５０から受信し、その動作信号に応じて作動する。

また、電源システム制御装置５０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，タイマ等を備えており、ＲＯＭには、予め用意された各種のプログラムやマップ等のデータが記憶されている。そして、ＣＰＵは、運転者によるグリップ等の操作や、予め用意されたプログラム等に基づいて、駆動モータ４３、バルブ３１ａ、三方バルブ３４ａ、エアブロア３８、ウォーターポンプ２８等を制御する。さらに、この自動二輪車１０は、電源スイッチ等のスイッチも備えている。また、自動二輪車１０の車体１０ａの表面はカバー部材６９で覆われて内部の燃料電池システムＡ等が見えなくなっている。

この構成において、自動二輪車１０を運転する場合には、まず、電源スイッチ等のスイッチをオン状態にする。これによって、燃料電池２５には、エアブロア３８から空気が供給されるとともに、水素タンク３１から水素が供給され、燃料電池２５は、供給される空気中の酸素と水素を反応させて電気を発生する。その発電の開始時においては、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部のガスや溜まった水分を外部に排出するための処理が行われ、そののちに通常の発電が行われる。

図３に、その際の圧力センサ３２の圧力検出値（ガス配管３２ａ内の圧力）、バルブ３１ａの開閉状態および三方バルブ３４ａの切換状態の関係を表したタイムチャートを示している。図３の上段は圧力センサ３２の圧力検出値を示しており、左右方向は時間の経過、上下方向は圧力の大きさを示している。電源システム制御装置５０の制御によって、バルブ３１ａが所定の開度で開くことにより、ガス配管３２ａ内の圧力がこのようなカーブを描くように設定されている。すなわち、図３上段の直線ａは大気圧（略１００ｋＰａ）を示し、領域ｂの部分はガスパージが行われるときのガス配管３２ａ内の圧力で、例えば１１０ｋＰａに設定されている。また、領域ｃの部分は、燃料電池２５による発電が本格的に行われているときのガス配管３２ａ内の圧力で、例えば１２０ｋＰａに設定されている。

図３の中段はバルブ３１ａの開閉状態を示しており、電源スイッチがオン状態になったときから開いた状態に維持され、このバルブ３１ａが開くことにより、ガス配管３２ａ内には所定の圧力で水素ガスが通過する。なお、図３中段の直線ｄはバルブ３１ａが閉じた状態を示し、領域ｅの部分はバルブ３１ａが開いた状態を示している。このバルブ３１ａの開度は、図３上段の領域ｂに対応する場合と、領域ｃに対応する場合とで異なるが、ここでは閉じた状態であるか開いた状態であるかのみを示している。

また、図３の下段は三方バルブ３４ａの切換状態を示しており、直線ｆはガス配管３２ｂとガスパージ用配管３４との間が遮断された状態、複数の領域ｇの部分はガス配管３２ｂとガスパージ用配管３４との間が連通した状態を示している。このように、三方バルブ３４ａが断続的に切り換わることにより、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部のガスや水分が外部に排出される。

すなわち、三方バルブ３４ａを一回だけ切り換えた場合には、パージガスの排出は容易にできるが、内部に溜まった水分の排出まではし難い。このため、三方バルブ３４ａを断続的に切り換えることにより、水分の排出も容易になる。この三方バルブ３４ａは、例えば、ガス配管３２ｂとガスパージ用配管３４との間を１秒間連通させたのちに２秒間遮断させるといったように３秒の周期で複数回行われる。これによって、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部のガスだけでなく水分も効率よく外部に排出することができる。

このように、ガスパージを行う際には、ガス配管３２ａ内の圧力が大気圧よりもやや大きな１１０ｋＰａになるため、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部のガスは緩やかに、ガスパージ用配管３４を介して外部に押し出される。その際、三方バルブ３４ａが断続的に切り換わるため、ガスだけでなく水分も容易に排出できる。また、パージガスや水分がガスパージ用配管３４から外部に排出されるときには、拡散用部材３４ｂによって種々の方向に飛散される。そして、ガスや水分が排出されガス配管３２ａや燃料電池２５の水素極側に水素ガスが行きわたると、三方バルブ３４ａは閉じられ燃料電池２５による発電が本格的になる。

この状態で、グリップやハンドル１９を操作することにより、所定の速度で所定の方向に自動二輪車１０を走行させることができる。また、燃料電池２５の発電中であっても、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部に水分が溜まったときなどは、図３の右側に示した部分のように、ガス配管３２ａ内の圧力を下げてガスパージとともに水分の排出を行うことができる。これによって、燃料電池２５の発電効率を高めることができる。また、図３には示していないが、三方バルブ３４ａを切り換えて、ガス配管３２ｂとガスパージ用配管３４との間が連通したときには、圧力センサ３２の圧力検出値に小さな減少が生じる。

この減少の度合いによって、例えば、圧力検出値の減少が微小であったり、減少が生じなかったりした場合には、三方バルブ３４ａに故障が生じていると判断することができる。また、三方バルブ３４ａに故障が生じていないときに、ガスパージ用配管３４から外部に排出されるパージガス中の水素を水素センサ３９が検出しない場合は、水素センサ３９に故障が生じていると判断することができる。なお、ガスパージを行う際に、外部に排出されるガスは、ガス配管３２ａや燃料電池２５の内部のガスが殆どで、ガス配管３２ｂにおける三方バルブ３４ａよりも下流側のガスは排出されないが、このガスは全体から見ると僅かな量であるため燃料電池２５の発電には殆ど影響しない。

このように、本実施形態に係る燃料電池システムＡでは、ガスパージを行うときに、ガス配管３２ａ内の圧力を小さくして、外部に排出されるパージガスが大気圧と同程度の圧力になるようにしているため、排出されたガスが大気中に拡散しやすくなる。また、外部に排出されるパージガス中の水素の単位時間当たりの量を減少させることができるため、無駄に排出される水素ガス量を抑制することができる。さらに、ガスパージを行うときに、三方バルブ３４ａを断続的に切り換えるため、パージガスだけでなく、燃料電池２５等に溜まった水分も効率的に外部に排出することができる。

また、ガスパージ用配管３４の排気口に、パージガスを外部に拡散させるための拡散用部材３４ｂを設けたため、外部に排出されるパージガスを大気中の種々の方向に拡散させながら排出させることができる。さらに、本実施形態に係る燃料電池システムＡによると、三方バルブ３４ａや水素センサ３９に故障が発生しているか否かの判断を、高濃度の水素を排出することなしに簡単な方法で行える。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムＢを示している。この燃料電池システムＢでは、三方バルブ３４ａを用いず、水素循環用配管としてのガス配管７２ｂからガスパージ用配管７４を外部に向けて延ばしている。そして、ガスパージ用配管７４に、パージバルブとしてのバルブ７４ａを設けている。このバルブ７４ａは、開度の調節が可能な開閉式のバルブで構成されている。また、圧力検出装置としての圧力センサ７２は、水素供給用配管としてのガス配管７２ａにおけるガス配管７２ｂとの合流部よりも上流側でなく、ガス配管７２ｂとの合流部の下流側に設けられている。この燃料電池システムＢのそれ以外の部分の構成については、前述した第１実施形態に係る燃料電池システムＡと同一である。したがって、同一部分に同一符号を記して説明は省略する。

これによると、配線６４を介して接続された電源システム制御装置５０の制御によって、バルブ７４ａの開度を調節することによりガスパージ用配管７４から排出されるパージガスの圧力を調整できるため、ガス配管７２ａに設けられたバルブ３１ａの圧力調整に加えて、バルブ７４ａによる圧力調整もできるようになり、より精度のよい圧力調整が可能になる。この燃料電池システムＢのそれ以外の作用効果については、前述した第１実施形態に係る燃料電池システムＡと同様である。また、燃料電池システムＢの変形例として、圧力センサ７２を、破線ｈで示したガス配管７２ｂにおける循環ポンプ３３の下流側や、破線ｉで示したガスパージ用配管７４の上流側部分に設けることもできる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することが可能である。例えば、前述した実施形態では、燃料電池システムをそれぞれ自動二輪車に設けているが、この燃料電池システムを利用する装置としては、自動二輪車に限らず、自動三輪車や自動四輪車等の車両であってもよいし、車両以外の電力を利用する装置であってもよい。また、本発明に係る燃料電池システムを構成する各部分についても、本発明の技術的範囲内で適宜変更することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを備えた自動二輪車を示した側面図である。 燃料電池システムを示した構成図である。 圧力センサの圧力検出値、バルブの開閉状態および三方バルブの切換状態を示したタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示した構成図である。

符号の説明

１０…自動二輪車、２５…燃料電池、３１…水素タンク、３１ａ，７４ａ…バルブ、３２，７２…圧力センサ、３２ａ，３２ｂ，３７ａ，３８ａ，７２ａ，７２ｂ…ガス配管、３４，７４…ガスパージ用配管、３４ａ…三方バルブ、３４ｂ…拡散用部材、３８…エアブロア、３９…水素センサ、５０…電源システム制御装置、Ａ，Ｂ…燃料電池システム。

Claims (9)

1. 水素タンクから水素供給用配管を介して供給される水素ガスと空気供給装置から空気供給用配管を介して供給される空気中の酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給された水素ガスのうちの未反応の水素ガスを前記燃料電池から前記水素供給用配管に循環させる水素循環用配管と、
   前記水素供給用配管における前記水素循環用配管との合流部よりも上流側に設けられた圧力調整バルブと、
   前記水素供給用配管内または前記水素循環用配管内における前記圧力調整バルブと前記燃料電池との間の部分の圧力を検出する圧力検出装置と、
   前記水素循環用配管と外部との間を連通遮断するパージバルブと、
   前記パージバルブの切り換えにより前記水素循環用配管と外部との間を連通させてパージガスや水分からなる不純物を外部に排出する際に、前記圧力検出装置が検出する検出値が、大気圧よりもやや大きな値に保持されるように前記圧力調整バルブの開度を制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記不純物の外部への排出が、前記パージバルブを断続的に切り換えることにより行われる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記不純物の外部への排出が、前記圧力調整バルブが開いて前記水素タンクから前記燃料電池への水素ガスの供給が開始される際に行われる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記パージバルブの排出口側に、前記排出口から排出される前記不純物を外部に拡散させるための複数の吐出孔を備えた拡散用部材を設けた請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記パージバルブの切り換えにより前記水素循環用配管と外部との間を連通させたときの前記圧力検出装置の検出値の減少度合いから前記パージバルブに故障が発生しているか否かの判断をするようにした請求項１ないし４のうちのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記パージバルブの排出口側に、前記排出口から排気されるパージガス中の水素の濃度を検出する水素センサを設け、前記パージバルブに故障が発生していないと判断したときに、前記水素センサが水素を検出しないと、前記水素センサに故障が発生していると判断するようにした請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記パージバルブを、前記水素循環用配管に設けた三方バルブで構成した請求項１ないし６のうちのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記水素循環用配管からパージ用配管を延ばし、前記パージバルブを、前記パージ用配管に設けられ前記パージ用配管内の圧力調整が可能な開閉バルブで構成した請求項１ないし６のうちのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 請求項１ないし８のうちのいずれか一つに記載の燃料電池システムを備えた自動二輪車。
   

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