JP2008078067A - 燃料電池ケースの換気システム - Google Patents

Abstract

【課題】換気システムを大型化することなく、また燃料電池のエネルギー効率が低下することを防止しながら燃料電池ケースの換気を行うことのできる燃料電池ケースの換気システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池ケースの換気システムは、燃料電池ケース３に接続され、燃料電池ケース３に外気を導入するための外気導入部１４と、燃料電池２において反応しなかった酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路１０と、酸化剤ガス排出流路１０に設けられた絞り部１５と、燃料電池ケース３と絞り部１５を接続する換気流路１６と、を備え、絞り部１５において発生する負圧によって外気導入部１４から燃料電池ケース３に外気を導入して燃料電池ケース３内部を換気し、この換気に用いられた換気空気を換気流路１６および酸化剤ガス排出流路１０を介して排出することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池ケースの換気システムに関し、特に、大型化することおよび燃料電池のエネルギー効率が低下することを回避することができる燃料電池ケースの換気システムに関する。

燃料電池は白金等の触媒を有する燃料極と酸化剤極によって電解質膜を挟み、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。例えば自動車用途においては電解質膜として、一般的には水素イオン導電性を有する固体高分子電解質膜を利用する場合が多い。また、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。

燃料極：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- ・・・式（１）
酸化剤極：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ ・・・式（２）
したがって燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に対するダメージを与える物質を放出しないといった利点がある。

上記のような燃料電池を備えた燃料電池システムでは、一般に密閉された燃料電池ケースの中に燃料電池を入れており、この燃料電池ケース内に外気を導入して換気を行うことで、仮に燃料電池から水素が漏れた場合でも燃料電池ケース内の水素濃度が所定値以下になるようにしている。

このような燃料電池ケース内の換気を行うために従来の燃料電池ボックス（燃料電池ケース）換気装置では、酸化剤極に送られる空気を分岐させて第１の流体としてエゼクタに供給し、外気を第２の流体としてエゼクタで吸引して、このエゼクタから排出される第１の流体と第２の流体の混合気を燃料電池ケースに導入することにより燃料電池ケース内の換気を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３１１２４２号公報（第１頁、図１）

しかし、従来の燃料電池ボックス換気装置では（例えば、特許文献１参照）、燃料電池ボックス（燃料電池ケース）を換気するために酸化剤極に送られる空気を主流路から分岐させて第１の流体としてエゼクタに供給するため、換気システム自体が大型化してしまうという問題点があった。

また外気をエゼクタで吸引するために、燃料電池の発電に必要な空気の他に主流路から分岐路に流れる空気の流量を確保する必要があるため、空気コンプレッサの出力が全体的に増加し、燃料電池システムのエネルギー効率が低下するという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、換気システムを大型化することなく、また燃料電池のエネルギー効率が低下することを防止しながら燃料電池ケースの換気を行うことのできる燃料電池ケースの換気システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池ケースの換気システムは、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池を収納する燃料電池ケースの換気システムであって、前記燃料電池ケースに接続され、前記燃料電池ケースに外気を導入するための外気導入部と、前記燃料電池において反応しなかった前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路に設けられた絞り部と、前記燃料電池ケースと前記絞り部を接続する換気流路と、を備え、前記絞り部において発生する負圧によって前記外気導入部から前記燃料電池ケースに外気を導入して前記燃料電池ケース内部を換気し、この換気に用いられた換気空気を前記換気流路および前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池ケースの換気システムは、燃料電池ケースに接続され燃料電池ケースに外気を導入するための外気導入部と、酸化剤ガス排出流路に設けられた絞り部と、燃料電池ケースと絞り部を接続する換気流路とを備え、絞り部において発生する負圧によって外気導入部から燃料電池ケースに外気を導入して燃料電池ケース内部を換気するため、上記のようなエゼクタや電力を必要とする換気ブロア等の特別な装置を用いる必要がなく、換気システムを小型化、省電力化することが可能となる。

また、燃料電池の発電状態に応じて酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤ガスの流量も増減するため、燃料電池の発電状態に応じた換気空気の流量を得ることが可能となる。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムについて説明する。

図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。本実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、例えば固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟んで形成される単位セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有しており、燃料電池ケース３の内部に収納されている。

燃料電池２には、燃料ガス供給流路５を介して燃料ガスとして水素が供給されるとともに、酸化剤ガス供給流路６を介して酸化剤ガスとして空気が供給される。なお酸化剤ガス供給流路６には、コンプレッサ等からなる酸化剤ガス供給装置７が設けられており、この酸化剤ガス供給装置７によって燃料電池２に酸化剤ガスが供給される。燃料電池２に燃料ガスとして供給された水素は、燃料極において触媒反応により水素イオンとなり固体高分子電解質膜を通過して空気極まで移動する。この空気極に移動した水素イオンが酸化剤ガス（空気）中の酸素と電気化学反応を起こすことにより、燃料電池２において発電が行われる。

燃料電池２において反応しなかった燃料ガス（水素）は、オフガスとして燃料ガス循環流路８を流れて燃料ガス循環装置９によって燃料ガス供給流路５に戻され、燃料電池２における発電に再利用される。燃料電池２において反応しなかった酸化剤ガス（窒素等）は、オフガスとして酸化剤ガス排出流路１０を介して大気中に排出される。酸化剤ガス排出流路１０には、圧力制御弁１２が設けられており、燃料電池２が要求する負荷に応じて燃料電池２における酸化剤ガスの圧力を調整できるようになっている。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、燃料電池ケース３に接続され、燃料電池ケース３に外気を導入するための外気導入部１４と、酸化剤ガス排出流路１０に設けられ、酸化剤ガス排出流路１０を部分的に細くした絞り部１５と、燃料電池ケース３と絞り部１５を接続する換気流路１６から構成されている。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、絞り部１５を流れるオフガス（空気）により発生する負圧によって外気導入部１４から燃料電池ケース３に外気を導入して燃料電池ケース３内部を換気する。この際、絞り部１５で発生した負圧は換気流路１６を介して外気導入部１４から燃料電池ケース３の内部に外気を吸引する。換気に用いられた外気（換気空気）は絞り部１５で発生した負圧により吸引され、換気流路１６、絞り部１５および酸化剤ガス排出流路１０を経由して大気中に排出される。

本実施形態の燃料電池ケース３の換気システムにおいて、絞り部１５は、酸化剤ガスを絞ることにより負圧を発生させることが目的であるので、ベンチュリ構造等の負圧が発生する構造であればよい。なお本実施形態では、負圧が効率よく発生するように絞り部１５が圧力制御弁１２よりも酸化剤排出流路１０の下流側に設けられているが、例えば絞り部１５を圧力制御弁１２の上流側の燃料電池ケース３の内部等に設けるようにしてもよい。

また本実施形態で用いられる絞り部１５はエゼクタとは異なるものであり、酸化剤ガス排出流路１０に直接設けることができる。エゼクタを酸化剤の排出流路に設けて燃料電池ケースの換気を行う場合、エゼクタの圧力損失が大きすぎるため、酸化剤の排出流路を分岐させて分岐管にエゼクタを設ける必要があるが、本実施形態の絞り部１５はそのような分岐管を設ける必要がなく、燃料電池ケース３の換気システムを小型化することができる。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、燃料電池ケース３に接続され燃料電池ケースに外気を導入するための外気導入部１４と、酸化剤ガス排出流路１０に設けられた絞り部１５と、燃料電池ケース３と絞り部１５を接続する換気流路１６とを備え、絞り部１５において発生する負圧によって外気導入部１４から燃料電池ケース３に外気を導入して燃料電池ケース３内部を換気するため、エゼクタや電力を必要とする換気ブロア等の特別な装置を用いる必要がなく、換気システムを小型化、省電力化することが可能となる。

また、燃料電池２の発電状態に応じて酸化剤ガス排出流路１０を流れる酸化剤ガスの流量も増加し、酸化剤ガス排出流路１０に設けられた絞り部１５で発生する負圧も増加するので、燃料電池２の発電状態に応じた換気空気の流量を得ることが可能となる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、酸化剤ガス供給流路６から分岐した酸化剤ガス分岐配管６ａを備えており、この酸化剤ガス分岐配管６ａは燃料電池ケース３に接続されている。そして、酸化剤ガス供給装置７から酸化剤ガス供給流路６を介して燃料電池２に供給される酸化剤ガスの一部が、酸化剤ガス分岐配管６ａを介して燃料電池ケース３に供給されるようになっている。一方、実施形態１と同様に燃料電池ケース３の内部には、絞り部１５で発生した負圧により換気流路１６を介して外気導入部１４から外気が吸引される。このため、外気導入部１４から吸引される外気が燃料電池ケース３の内部を換気するのに必要な換気空気の流量に満たない場合でも、不足分の流量のみを酸化剤ガス供給装置７で増量して燃料電池ケース３に供給すればよいため、最小限の電力消費で燃料電池ケース３の換気を行うことができる。なお、その他の効果については実施形態１に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、酸化剤ガス排出流路１０に絞り部１５が設けられておらず、換気流路１６は圧力制御弁１２の下流にある縮流部１８に接続されている。ここで縮流部１８とは、圧力制御弁１２のすぐ下流にある負圧を発生する部分をいうものとする。縮流部１８では、実施形態１の絞り部１５と同様に、酸化剤ガス排出流路１０を流れる酸化剤ガスが圧力制御弁１２によって絞られることによって負圧が発生する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、縮流部１８で発生する負圧によって外気導入部１４から燃料電池ケース３に外気を導入して燃料電池ケース３内部を換気する。この際、縮流部１８で発生した負圧は換気流路１６を介して外気導入部１４から燃料電池ケース３の内部に外気を吸引する。換気に用いられた外気（換気空気）は縮流部１８で発生した負圧により吸引され、換気流路１６、縮流部１８および酸化剤ガス排出流路１０を経由して大気中に排出される。なお本実施形態に係る圧力制御弁１２としては、下流に縮流部１８を発生させる構造のものを用いることができ、例えばバタフライキャブレター、ピストンバルブ型キャブレター、負圧可変ベンチュリ型キャブレター等のキャブレターを用いることができる。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、実施形態１の絞り部１５に代えて圧力制御弁１２の下流の縮流部１８で発生する負圧によって燃料電池ケース３内部を換気するため、酸化剤ガス排出流路１０の圧力損失を増加させることなく燃料電池ケース３の換気を行うことができる。なお、その他の効果については実施形態１に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態４）
図４は、本発明の実施形態４に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、酸化剤ガス供給流路６と酸化剤ガス排出流路１０とを接続する酸化剤ガスバイパス流路２０と、酸化剤ガスバイパス流路２０に設けられた酸化剤ガスバイパス弁２１と、酸化剤ガスバイパス流路２０において酸化剤ガスバイパス弁２１の下流にある縮流部２２と燃料電池ケース３とを接続する換気用分岐配管２３と、を備えている。ここで縮流部２２とは、酸化剤ガスバイパス弁２１のすぐ下流にある負圧を発生する部分をいうものとする。縮流部２２では、実施形態３の縮流部１８と同様に、酸化剤ガスバイパス流路２０を流れる酸化剤ガスが酸化剤ガスバイパス弁２１によって絞られることによって負圧が発生する。なお本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、酸化剤ガス排出流路１０に絞り部１５が設けられていない。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、酸化剤ガスバイパス流路２０の縮流部２２で発生する負圧によって外気導入部１４から燃料電池ケース３に外気を導入して燃料電池ケース３内部を換気する。この際、縮流部２２で発生した負圧は換気用分岐配管２３を介して外気導入部１４から燃料電池ケース３の内部に外気を吸引する。換気に用いられた外気（換気空気）は縮流部２２で発生した負圧により吸引され、換気用分岐配管２３、縮流部２２、酸化剤ガスバイパス流路２０および酸化剤ガス排出流路１０を経由して大気中に排出される。なお本実施形態に係る酸化剤ガスバイパス弁２１は、遮断弁から構成されているものとするが、遮断弁の代わりに可変弁やオリフィス等を用いるようにしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、酸化剤ガスバイパス弁２１を開閉することにより燃料電池ケース３の換気ができるため、燃料電池２の発電状態によらず、必要に応じて燃料電池ケース３の換気を行うことができる。なお、その他の効果については実施形態１に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態５）
図５は、本発明の実施形態５に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態３に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、燃料ガス循環流路８と換気流路１６を接続する不純物ガス排出流路２５と、この不純物ガス排出流路２５に設けられた不純物ガス排出遮断弁２６を備えている。不純物ガス排出流路２５は、燃料ガス循環流路８から燃料ガスとともに不純物を排出するためのものであり、不純物ガス排出遮断弁２６が開となったときに不純物が燃料ガスとともに換気流路１６へ流れるようになっている。

本実施形態において不純物ガス排出流路２５を設けているのは、未反応の水素を燃料ガス循環流路８で循環させて燃料電池２に供給すると、燃料電池２の単位セルの固体高分子電解質膜を水素が透過することなどにより窒素等の不純物ガスの濃度が次第に増加し、燃料ガス循環流路８に蓄積するためである。不純物ガス排出遮断弁２６は、コントローラ（図示せず）によって開閉時間を制御できるようになっており、燃料ガス循環流路８に不純物が溜まると不純物ガス排出流路２５を介して不純物を排出して、燃料電池２において安定した発電が行えるようにしている。

上記のように燃料ガス循環流路８から不純物ガス排出流路２５を介して不純物を排出する際には、不純物とともに燃料ガスも排出されるため、この燃料ガス（水素）を希釈する必要がある。本実施形態では不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを、燃料電池ケース３内部を換気するために発生させた換気空気で希釈するようにしている。具体的には、圧力制御弁１２下流の縮流部１８で発生する負圧によって外気導入部１４から燃料電池ケース３に外気を導入して燃料電池ケース３内部を換気し、換気に用いられた後に換気流路１６へと排出された換気空気で燃料ガスを希釈する。このため不純物を含んだ燃料ガスは、不純物ガス排出流路２５と換気流路１６の接続部で希釈され、換気流路１６および酸化剤ガス排出流路１０を経て大気中に排出される。なお燃料ガスは、酸化剤ガス排出流路１０において燃料電池２から排出された酸化剤ガスによって再び希釈される。

なお本実施形態では、圧力制御弁１２下流の縮流部１８で発生する負圧によって換気空気を生成しているが、縮流部１８の代わりに絞り部１５（図１参照）を用いて換気空気を生成し、燃料ガスを希釈するようにしてもよい。また本実施形態では、不純物ガス排出流路２５を換気流路１６に接続しているが、例えば不純物ガス排出流路２５を酸化剤ガス排出流路１０の縮流部１８の下流側に接続するようにしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、燃料電池ケース３内部を換気するために発生させた換気空気で不純物を含む燃料ガスを希釈するようにしているため、少ない消費電力で燃料電池ケース３の換気と燃料ガスの希釈の両方を行うことができる。また換気空気を燃料ガスの希釈に用いているため、燃料ガスの希釈に必要な酸化剤ガスを燃料電池２の空気極に供給する必要がなく、燃料電池２に供給する酸化剤ガスの量を減らすことができ、燃料電池２の固体高分子電解質膜が乾燥（ドライアウト）するのを防止することができる。なお、その他の効果については実施形態３に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態６）
図６は、本発明の実施形態６に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態５に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。また、本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムは制御方法に特徴があるため、制御方法を中心に説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、燃料電池２の発電状態を検出する発電状態検出手段として燃料ガス供給流路５に圧力センサ３１と温度センサ３２を備え、酸化剤ガス供給流路６に空気流量計３３を備えている。また本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、圧力制御弁１２の開度を検出する開度センサ（開度検出手段）１２ａとコントロールユニット３５を備えている。コントロールユニット３５は、圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３および開度センサ１２ａの検出値を読み込むことができるようになっており、また酸化剤ガス供給装置７から燃料電池２に供給される酸化剤ガスの流量を制御できるようになっている。なおコントロールユニット３５は、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気流量を増大させる換気流量増大手段として機能する（後述）。

図７は、本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムの制御方法を示したフローチャートである。制御がスタートするとコントロールユニット３５は、圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３および開度センサ１２ａの検出値を読み込む（ステップ１０１）。次にコントロールユニット３５は、燃料電池２の発電状態（発電負荷）に応じて不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎを算出する（ステップ１０２）。このとき、図８（ａ）に示すような発電負荷と希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎとの関係を示すマップを用いる。このマップは、例えばコントロールユニット３５の記憶手段（図示せず）に記憶されており、燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎを算出する際に使用される。

そしてコントロールユニット３５は、圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３および開度センサ１２ａの検出値と、図８（ｂ）に示す換気流量マップを用いて縮流部１８において発生する換気空気の流量Ｑｒを算出する（ステップ１０３）。図８（ｂ）の換気流量マップは、発電負荷と縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒとの関係を表しており、酸化剤ガス供給装置７から燃料電池２へ供給される酸化剤ガスの流量が多いほど縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが多くなるようになっている。この換気流量マップは、例えばコントロールユニット３５の記憶手段（図示せず）に記憶されており、縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒを算出する際に使用される。

それからコントロールユニット３５は、縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎよりも多いかどうかを判断し（ステップ１０４）、縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎ以下である場合には、酸化剤ガス供給装置７から燃料電池２へ供給される酸化剤ガスの流量を増加させる（ステップ１０５）。これにより、酸化剤ガス排出流路１０における圧力制御弁１２下流の縮流部１８で発生する負圧が増加し、不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈する換気空気が増加する。このときコントロールユニット３５は、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量Ｑｎに対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気空気の流量が増えるように、酸化剤ガス供給装置７から燃料電池２へ供給される酸化剤ガスの流量を増加させる。

なお本実施形態では、酸化剤ガス排出流路１０に設けられた圧力制御弁１２下流の縮流部１８において換気空気を発生させて燃料ガスの希釈を行っているが、縮流部１８の代わりに絞り部１５（図１参照）を設けて換気空気を発生させてもよい。なお縮流部１８の代わりに絞り部１５を用いて本実施形態のように換気空気の流量を制御する際には、開度センサ１２ａのような開度検出手段を設ける必要はなく、絞り部１５の開度を既知の値としてコントロールユニット３５の記憶手段等に記憶させておけばよい。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、発電状態検出手段および開度検出手段の検出値と換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気空気の流量を増大させるため、最小限の消費電力で不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈することができる。また換気空気を燃料ガスの希釈に用いているため、燃料ガスの希釈に必要な酸化剤ガスを燃料電池２の空気極に供給する必要がなく、燃料電池２に供給する酸化剤ガスの量を減らすことができ、燃料電池２の固体高分子電解質膜が乾燥（ドライアウト）するのを防止することができる。なお、その他の効果については実施形態５に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態７）
図９は、本発明の実施形態７に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態６に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。また、本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムは制御方法に特徴があるため、制御方法を中心に説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、コントロールユニット３５が圧力制御弁１２の開度を制御できるようになっている。また本実施形態ではコントロールユニット３５が、図７のステップ１０１からステップ１０４までの制御と同様の制御を行う。この際、圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３および開度センサ１２ａの検出値と、図８（ｂ）と同様の換気流量マップを用いて縮流部１８において発生する換気空気の流量Ｑｒを算出するが、この換気流量マップは、圧力制御弁１２の開度が小さいほど縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが多くなるようになっている。

また本実施形態ではコントロールユニット３５が、縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎ以下である場合に、図７のステップ１０５に代えて圧力制御弁１２の開度を小さくする制御を行う。これにより、酸化剤ガス排出流路１０における圧力制御弁１２下流の縮流部１８で発生する負圧が増加し、不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈する換気空気が増加する。このときコントロールユニット３５は、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量Ｑｎに対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気空気の流量が増えるように、圧力制御弁１２の開度を小さくする。

なお換気空気を増加させるために、圧力制御弁１２の開度を小さくするとともに、実施形態６と同様に酸化剤ガス供給装置７から燃料電池２へ供給される酸化剤ガスの流量を増加させるようにしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、発電状態検出手段および開度検出手段の検出値と換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気空気の流量を増大させるため、最小限の消費電力で不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈することができる。また換気空気を燃料ガスの希釈に用いているため、燃料ガスの希釈に必要な酸化剤ガスを燃料電池２の空気極に供給する必要がなく、燃料電池２に供給する酸化剤ガスの量を減らすことができ、燃料電池２の固体高分子電解質膜が乾燥（ドライアウト）するのを防止することができる。なお、その他の効果については実施形態６に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態８）
図１０は、本発明の実施形態８に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態４に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、実施形態１から９までの構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、燃料ガス循環流路８と酸化剤ガス排出流路１０とを接続する不純物ガス排出流路２５と、この不純物ガス排出流路２５に設けられた不純物ガス排出遮断弁２６を備えている。本実施形態では実施形態５と同様に、酸化剤ガスバイパス弁２１下流の縮流部２２で発生した換気空気によって不純物ガス排出流路２５から排出される不純物を含んだ燃料ガスを希釈する。

また本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、実施形態６と同様に燃料電池２の発電状態を検出する発電状態検出手段として燃料ガス供給流路５に圧力センサ３１と温度センサ３２を備え、酸化剤ガス供給流路６に空気流量計３３を備えている。また本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、酸化剤ガスバイパス弁２１の開度を検出する開度センサ（開度検出手段）２１ａとコントロールユニット３５を備えている。コントロールユニット３５は圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３および開度センサ２１ａの検出値を読み込むことができるようになっており、また酸化剤ガスバイパス弁２１の開度を制御できるようになっている。

本実施形態ではコントロールユニット３５が、図７のステップ１０１からステップ１０４までの制御と同様の制御を行う。この際、圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３および開度センサ２１ａの検出値と、図８（ｂ）と同様の換気流量マップを用いて縮流部２２において発生する換気空気の流量Ｑｒを算出するが、この換気流量マップは、酸化剤ガスバイパス弁２１の開度が大きいほど縮流部２２で発生する換気空気の流量Ｑｒが多くなるようになっている。

また本実施形態ではコントロールユニット３５が、縮流部２２で発生する換気空気の流量Ｑｒが燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎ以下である場合に、図７のステップ１０５に代えて酸化剤ガスバイパス弁２１の開度を大きくする制御を行う。これにより、酸化剤ガスバイパス弁２１下流の縮流部２２で発生する負圧が増加し、不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈する換気空気が増加する。このときコントロールユニット３５は、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量Ｑｎに対して不足している流量だけ縮流部２２において発生する換気空気の流量が増えるように、酸化剤ガスバイパス弁２１の開度を大きくする。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、発電状態検出手段および開度検出手段の検出値と換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ縮流部２２において発生する換気空気の流量を増大させるため、最小限の消費電力で不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈することができる。また換気空気を燃料ガスの希釈に用いているため、燃料ガスの希釈に必要な酸化剤ガスを燃料電池２の空気極に供給する必要がなく、燃料電池２に供給する酸化剤ガスの量を減らすことができ、燃料電池２の固体高分子電解質膜が乾燥（ドライアウト）するのを防止することができる。なお、その他の効果については実施形態４または実施形態６に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

（実施形態９）
図１１は、本発明の実施形態９に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。なお、以下に示す点を除き本実施形態に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムは、実施形態６に係る燃料電池ケースの換気システムおよび燃料電池システムと同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムは、燃料電池ケース３を換気するための換気用空気供給装置３７を備えており、コントロールユニット３５が換気用空気供給装置３７から燃料電池ケース３に供給される空気量を制御できるようになっている。なお本実施形態では、圧力制御弁１２に開度センサ１２ａが設けられていないものとする。

本実施形態ではコントロールユニット３５が、図７のステップ１０１からステップ１０４までの制御と同様の制御を行う。この際、圧力センサ３１、温度センサ３２、空気流量計３３の検出値と、図８（ｂ）と同様の換気流量マップを用いて縮流部１８において発生する換気空気の流量Ｑｒを算出するが、この換気流量マップは、換気用空気供給装置３７から燃料電池ケース３に供給される空気量が多いほど縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが多くなるようになっている。

また本実施形態ではコントロールユニット３５が、縮流部１８で発生する換気空気の流量Ｑｒが燃料ガスの希釈に必要な換気空気の流量Ｑｎ以下である場合に、図７のステップ１０５に代えて換気用空気供給装置３７から燃料電池ケース３に供給される空気量を増大する制御を行う。これにより、酸化剤ガス排出流路１０における圧力制御弁１２下流の縮流部１８で発生する負圧が増加し、不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈する換気空気が増加する。このときコントロールユニット３５は、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量Ｑｎに対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気空気の流量が増えるように、換気用空気供給装置３７から燃料電池ケース３に供給される空気量を増大させる。

なお換気空気を増加させるために、換気用空気供給装置３７から燃料電池ケース３に供給される空気量を増大させるとともに、実施形態７と同様に圧力制御弁１２の開度を小さくするようにしてもよい。

本実施形態に係る燃料電池ケース３の換気システムでは、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、発電状態検出手段および開度検出手段の検出値と換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ縮流部１８において発生する換気空気の流量を増大させるため、少ない消費電力で不純物ガス排出流路２５から排出される燃料ガスを希釈することができる。また換気空気を燃料ガスの希釈に用いているため、燃料ガスの希釈に必要な酸化剤ガスを燃料電池２の空気極に供給する必要がなく、燃料電池２に供給する酸化剤ガスの量を減らすことができ、燃料電池２の固体高分子電解質膜が乾燥（ドライアウト）するのを防止することができる。なお、その他の効果については実施形態６に係る燃料電池ケース３の換気システムと同様である。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。例えば、実施形態６から９において燃料電池ケース３の換気システムの制御方法について説明したが、燃料電池ケース３の換気システムの制御方法は上記のものに限定されない。また、絞り部１５や縮流部１８を組み合わせて燃料電池ケース３の換気を行ってもよい。

本発明の実施形態１に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態４に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態５に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態６に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 実施形態６に係る燃料電池ケース３の換気システムの制御方法を示したフローチャートである。 発電負荷と希釈に必要な換気空気の流量との関係を示すマップおよび発電負荷と縮流部で発生する換気空気の流量との関係を示す換気流量マップを示す図である。 本発明の実施形態７に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態８に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。 本発明の実施形態９に係る燃料電池ケースの換気システムを備えた燃料電池システムを示すシステム構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 燃料電池ケース
５ 燃料ガス供給流路
６ 酸化剤ガス供給流路
６ａ 酸化剤ガス分岐配管
７ 酸化剤ガス供給装置
８ 燃料ガス循環流路
９ 燃料ガス循環装置
１０ 酸化剤ガス排出流路
１２ 圧力制御弁
１４ 外気導入部
１５ 絞り部
１６ 換気流路
１８ 縮流部
２０ 酸化剤ガスバイパス流路
２１ 酸化剤ガスバイパス弁
２２ 縮流部
２３ 換気用分岐配管
２５ 不純物ガス排出流路
２６ 不純物ガス排出遮断弁
３１ 圧力センサ
３２ 温度センサ
３３ 空気流量計
３５ コントロールユニット
３７ 換気用空気供給装置

Claims (16)

1. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池を収納する燃料電池ケースの換気システムであって、
   前記燃料電池ケースに接続され、前記燃料電池ケースに外気を導入するための外気導入部と、
   前記燃料電池において反応しなかった前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路に設けられた絞り部と、
   前記燃料電池ケースと前記絞り部を接続する換気流路と、
   を備え、
   前記絞り部において発生する負圧によって前記外気導入部から前記燃料電池ケースに外気を導入して前記燃料電池ケース内部を換気し、この換気に用いられた換気空気を前記換気流路および前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とする燃料電池ケースの換気システム。
2. 前記酸化剤ガス排出流路に圧力制御弁が設けられ、前記絞り部は、前記圧力制御弁よりも前記酸化剤ガス排出流路の下流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載燃料電池ケースの換気システム。
3. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池を収納する燃料電池ケースの換気システムであって、
   前記燃料電池ケースに接続され、前記燃料電池ケースに外気を導入するための外気導入部と、
   前記燃料電池において反応しなかった前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路に設けられた圧力制御弁と、
   前記燃料電池ケースと、前記酸化剤ガス排出流路において前記圧力制御弁の下流にある縮流部とを接続する換気流路と、
   を備え、
   前記縮流部において発生する負圧によって前記外気導入部から前記燃料電池ケースに外気を導入して前記燃料電池ケース内部を換気し、この換気に用いられた換気空気を前記換気流路および前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とする燃料電池ケースの換気システム。
4. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給して、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスを反応させることにより発電を行う燃料電池を収納する燃料電池ケースの換気システムであって、
   前記燃料電池ケースに接続され、前記燃料電池ケースに外気を導入するための外気導入部と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、
   前記燃料電池において反応しなかった前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とを接続する酸化剤ガスバイパス流路と、
   前記酸化剤ガスバイパス流路に設けられた酸化剤ガスバイパス弁と、
   前記燃料電池ケースと、前記酸化剤ガスバイパス流路において前記酸化剤ガスバイパス弁の下流にある縮流部とを接続する換気用分岐配管と、
   を備え、
   前記縮流部において発生する負圧によって前記外気導入部から前記燃料電池ケースに外気を導入して前記燃料電池ケース内部を換気し、この換気に用いられた換気空気を前記換気用分岐配管、前記酸化剤ガスバイパス流路および前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とする燃料電池ケースの換気システム。
5. 前記燃料極に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池において反応しなかった前記燃料ガスを前記燃料ガス供給流路へ戻すための燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス循環流路に接続され、前記燃料ガス循環流路から前記燃料ガスとともに不純物を排出するための不純物ガス排出流路と、
   を備え、
   前記不純物ガス排出流路から排出される燃料ガスを、前記燃料電池ケース内部を換気するために発生させた換気空気で希釈することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池ケースの換気システム。
6. 前記燃料極に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池において反応しなかった前記燃料ガスを前記燃料ガス供給流路へ戻すための燃料ガス循環流路と、
   前記換気流路と前記燃料ガス循環流路とを接続する不純物ガス排出流路と、
   を備え、
   前記絞り部において発生した換気空気によって、前記不純物ガス排出流路から不純物とともに排出される前記燃料ガスを希釈し、この希釈された燃料ガスを前記換気流路および前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池ケースの換気システム。
7. 前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
   前記発電状態検出手段の検出値を用いて前記絞り部において発生する換気空気の流量を算出するための換気流量マップを記憶する記憶手段と、
   前記不純物ガス排出流路から前記燃料ガスを排出するときに、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、前記発電状態検出手段の検出値と前記換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記絞り部において発生する換気空気の流量を増大させる換気流量増大手段と、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池ケースの換気システム。
8. 前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備え、
   前記換気流量増大手段は、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記絞り部において発生する換気空気の流量を増大させるときに、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を増大させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池ケースの換気システム。
9. 前記燃料極に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池において反応しなかった前記燃料ガスを前記燃料ガス供給流路へ戻すための燃料ガス循環流路と、
   前記換気流路と前記燃料ガス循環流路とを接続する不純物ガス排出流路と、
   を備え、
   前記縮流部において発生した換気空気によって、前記不純物ガス排出流路から不純物とともに排出される前記燃料ガスを希釈し、この希釈された燃料ガスを前記換気流路および前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池ケースの換気システム。
10. 前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
    前記圧力制御弁の開度を検出する開度検出手段と、
    前記発電状態検出手段および前記開度検出手段の検出値を用いて前記縮流部において発生する換気空気の流量を算出するための換気流量マップを記憶する記憶手段と、
    前記不純物ガス排出流路から前記燃料ガスを排出するときに、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、前記発電状態検出手段および前記開度検出手段の検出値と前記換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記縮流部において発生する換気空気の流量を増大させる換気流量増大手段と、
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池ケースの換気システム。
11. 前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路と、
    前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    を備え、
    前記換気流量増大手段は、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記縮流部において発生する換気空気の流量を増大させるときに、前記酸化剤ガス供給装置から前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量を増大させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池ケースの換気システム。
12. 前記換気流量増大手段は、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記縮流部において発生する換気流量を増大させるときに、前記圧力制御弁の開度を小さくすることにより、前記縮流部で発生する負圧を増大させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池ケースの換気システム。
13. 前記燃料極に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
    前記燃料電池において反応しなかった前記燃料ガスを前記燃料ガス供給流路へ戻すための燃料ガス循環流路と、
    前記酸化剤ガス排出流路と前記燃料ガス循環流路とを接続する不純物ガス排出流路と、
    を備え、
    前記縮流部において発生した換気空気によって、前記不純物ガス排出流路から不純物とともに排出される前記燃料ガスを希釈し、この希釈された燃料ガスを前記酸化剤ガス排出流路を介して排出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池ケースの換気システム。
14. 前記燃料電池の発電状態を検出する発電状態検出手段と、
    前記酸化剤ガスバイパス弁の開度を検出する開度検出手段と、
    前記発電状態検出手段および前記開度検出手段の検出値を用いて前記縮流部において発生する換気空気の流量を算出するための換気流量マップを記憶する記憶手段と、
    前記不純物ガス排出流路から前記燃料ガスを排出するときに、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量と、前記発電状態検出手段および前記開度検出手段の検出値と前記換気流量マップを用いて算出された換気空気の流量から、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記縮流部において発生する換気空気の流量を増大させる換気流量増大手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池ケースの換気システム。
15. 前記換気流量増大手段は、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記縮流部において発生する換気空気の流量を増大させるときに、前記酸化剤ガスバイパス弁の開度を大きくすることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池ケースの換気システム。
16. 前記燃料電池ケースを換気するための換気用空気供給装置を備え、前記換気流量増大手段は、前記燃料ガスを希釈するのに必要な換気空気の流量に対して不足している流量だけ前記換気空気の流量を増大させるときに、前記換気用空気供給装置から前記燃料電池ケースに供給される空気量を増大させることを特徴とする請求項７、１０および１４のいずれか一つに記載の燃料電池ケースの換気システム。

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