JP2008171715A - 燃料電池システム及び燃料電池システムにおけるガス吸着部の再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】システムの構成が簡単であるとともに、ガス吸着フィルタの再生処理を効率良く行う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１１にエアを供給するためのエア供給路１３に、その上流側からガス吸着フィルタ１６及びコンプレッサ１７を順に接続し、そのコンプレッサ１７によりガス吸着フィルタ１６を介して燃料電池１１にエアを供給する。ガス吸着フィルタ１６の再生のために、そのガス吸着フィルタ１６の内部を減圧状態にする減圧装置１８を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば車両等に搭載される燃料電池システム及び燃料電池システムにおける不純ガス吸着部の再生方法に関するものである。

一般に、この種の燃料電池システムにおいては、燃料電池のカソード極に酸素が供給されるとともに、アノード極に水素が供給されて、その水素の酸化還元反応により発電が行われる。この場合、カソード極に供給される酸素としては大気中の酸素が用いられる。ところが、大気中には燃料電池の発電機能を阻害する不純物が含まれていることが多いため、フィルタ等により大気中の不純物を除去する必要がある。このように、大気中から不純物を除去するシステムとしては、例えば特許文献１に開示されるような構成のものが従来から提案されている。

この従来構成においては、フィルタにより大気中から不純ガスが除去されて、その状態で大気が燃料電池のカソード極に供給される。この場合、前記フィルタは、複数の室に分割形成してなる回転可能な円筒状の容器と、その容器の各室内に充填された吸着剤とから構成されている。そして、いずれか１つの室に加熱されない大気が通過されて、その室内の吸着剤により大気中から不要な不純ガスが吸着除去される。また、他の室に加熱した大気が流され、それらの室の吸着剤に既に吸着されている不純ガスが熱によって脱離されて、フィルタの再生が行われる。
特開２００１−７０７３６号公報

ところが、この従来の燃料電池システムにおいては、フィルタが複数の室を有する円筒形状であるため、フィルタ全体が大型になるという問題があった。また、フィルタを回転させるための回転機構や、フィルタを再生させるためのヒータ、あるいはヒータの熱が不要な部分に放散されないようにするための断熱手段等を装備する必要があるため、システムが複雑で大掛かりになる。

さらに、前記従来の燃料電池システムにおいては、フィルタに加熱した大気を通過させることにより、フィルタの再生を行うように構成されているが、再生用の大気にも不純ガスが含まれていることもあって、再生用の大気をかなりの高温にする必要がある。従って、従来の燃料電池システムにおいては、再生のために多大なエネルギーを必要とし、稼働効率が悪いものであった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、構造が簡単であるとともに、ガス吸着部の再生処理を効率良く行うことができる燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は、燃料電池にエアを供給するためのエア供給路に、ガス吸着手段及び送風手段を配置し、その送風手段により前記ガス吸着手段を介して燃料電池にエアを供給するようにした燃料電池システムにおいて、前記ガス吸着手段の再生のために同ガス吸着手段の内部を減圧状態にする減圧手段を設けたことを特徴とする。

従って、この発明によれば、減圧手段にてガス吸着手段の内部が減圧されることにより、ガス吸着手段に吸着されている不純ガスが脱離されて、ガス吸着手段の再生が行われる。よって、ガス吸着手段に複数の室を設けたりする必要がなく、システムの構造が簡単であるとともに、加熱された再生エアも不要であって、ガス吸着手段の再生処理を効率良く行うことができ、ひいては燃料電池の発電動作を効率良く行うことができる。

前記の構成において、前記送風手段をガス吸着手段の下流側に設けるとよい。このように構成すれば、ガス吸着手段の上流側を閉鎖した状態で送風手段を作動させるのみで、ガス吸着手段の内部を減圧状態にすることが可能になる。

また、前記の構成において、前記減圧手段は、送風手段と、前記ガス吸着手段の上流側においてエア供給路に設けられ、そのエア供給路を開閉するための開閉手段と、前記送風手段と燃料電池との間においてエア供給路に設けられ、ガス吸着手段の二次側を燃料電池に接続する状態と、大気に開放する状態とに択一的に切り替えるための切替手段とにより構成すればよい。このように構成した場合には、減圧手段としてエア供給路に開閉手段及び切替手段を構成する切替弁を設けるのみでよい。

さらに、前記の構成において、エア供給路に一対の流路部を並列に設けるとともに、一方の流路部に前記ガス吸着手段を設け、前記減圧手段を、吸引ポートが前記ガス吸着手段に接続されるとともに、一次側が前記燃料電池の下流におけるエア排出路に接続され、かつ二次側が大気に開放されたエジェクタと、前記ガス吸着手段の上流側及び下流側において前記流路部の一方を択一的に開放及び閉鎖する第１切替手段と、エジェクタの一次側と前記エア排出路との間に設けられた第２切替手段とにより構成し、第１切替手段の切替えにより前記ガス吸着手段側の流路部が閉鎖された状態において、前記第２切替手段の切り替えにより前記エア排出路がエジェクタの一次側に接続されることにより、エジェクタの吸引作用により前記吸引ポートからガス吸着手段内のエアが吸引されるように構成するとよい。

このように構成した場合には、エジェクタにてガス吸着手段内のエアが吸引されることにより、ガス吸着手段の内部が減圧される。よって、減圧のための駆動手段を設けることなく、減圧手段としてエジェクタを設けるという簡単な構成で、ガス吸着手段の再生処理を効率良く行うことができる。

さらに、前記の構成において、前記エジェクタの一次側をガス吸着手段におけるガス吸着エレメントの上流側に接続するとよい。このように構成した場合には、ガス吸着手段内のエアがガス吸着エレメントの上流側から吸引されることにより、ガス吸着手段の内部が減圧される。よって、ガス吸着エレメントに吸着されている不純ガスを容易に脱離させることができる。

さらに、前記の構成において、燃料電池の運転状態を監視するとともに、その運転状態に基づいて前記切替手段の動作を制御する制御手段を設けるとよい。このように構成した場合には、燃料電池が停止状態になったとき、切替手段を動作させて、ガス吸着手段の再生処理を自動的に行うことができる。よって、燃料電池に対して常に清浄なエアを供給することができる。

また、前記の構成において、前記吸着手段の減圧解除に際して、減圧状態を徐々に解放させる解放手段を設けるとよい。このように構成すれば、吸着手段の内部における急激な圧力変動を防止でき、従って、ガス吸着エレメント等の破損を防止できる。なお、ここで、減圧状態を徐々に解放するということは、吸着手段の減圧状態を解除するための弁の開放にともなう同吸着手段の昇圧過程よりも、長い時間をかけて昇圧させることを指すものとする。

加えて、この発明においては、燃料電池にエアを供給するためのエア供給路に、ガス吸着手段及び送風手段を配置し、その送風手段により前記ガス吸着手段を介して燃料電池にエアを供給するようにした燃料電池システムにおいて、前記ガス吸着手段の再生のために同ガス吸着手段の内部を減圧状態にすることを特徴としている。従って、前述のように、ガス吸着手段に吸着されている不純ガスが減圧により脱離されて、ガス吸着手段の再生が行われる。よって、ガス吸着手段に複数の室を設けたり、加熱手段を設けたりする必要がなく、システムの構造を簡単でき、加熱された再生エアも不要であって、ガス吸着手段の再生処理を効率良く行うことができる。

以上のように、この発明によれば、構造が簡単であるとともに、ガス吸着手段の再生処理を含む発電動作を効率良く行うことができるという効果を発揮する。

（第１実施形態）
以下に、この発明の第１実施形態を、図１〜図３に基づいて説明する。
図１に示すように、この実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１１のカソード極１１ａに酸素が供給されるとともに、アノード極１１ｂに水素が供給されて、その水素の酸化還元反応により発電が行われる。

燃料電池１１には蓄電池１２が電気接続され、燃料電池１１で発電された電気がこの蓄電池１２に蓄えられる。燃料電池１１のカソード極１１ａの上流側には吸入口１３ａを有するエア供給路１３が接続され、このエア供給路１３を介してカソード極１１ａに大気、すなわち酸素を含むエアが供給される。カソード極１１ａの下流側には排出口１４ａを有するエア排出路１４が接続され、このエア排出路１４を介して処理後のエアが大気中に排出される。

前記エア供給路１３にはその上流側から下流側に向かって、除塵フィルタ１５、ガス吸着フィルタ１６及びコンプレッサ１７が順に接続されている。前記除塵フィルタ１５は、エア中に含まれる塵埃や粉塵等の粒子状あるいは微粒子状の不純物を捕捉して除去する。前記ガス吸着フィルタ１６はガス吸着手段を構成し、内部に設けられた活性炭等よりなるガス吸着エレメント１６ａにて、エア中に含まれる硫黄系ガス等の不純ガスを吸着して除去する。前記コンプレッサ１７は送風手段としての送風装置を構成し、吸入口１３ａからエア供給路１３内にエアを吸入させて圧縮し、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給し、そして、その後にエア排出路１４を介して排出口１４ａから排出させる。

図１に示すように、前記エア供給路１３には、ガス吸着フィルタ１６の内部を減圧状態にして、そのガス吸着フィルタ１６を再生させるための減圧手段としての減圧装置１８が設けられている。この減圧装置１８は、前記コンプレッサ１７と、ガス吸着フィルタ１６の上流側においてエア供給路１３に設けられた開閉手段としての第１開閉弁１９と、コンプレッサ１７と燃料電池１１との間においてエア供給路１３に設けられた切替手段としての切替弁２０とを備えている。前記切替弁２０とエア排出路１４との間には、燃料電池１１を迂回する迂回路２１が設けられている。

前記第１開閉弁１９は、前記ガス吸着フィルタ１６の上流側においてエア供給路１３を開閉する。前記切替弁２０は、ガス吸着フィルタ１６及びコンプレッサ１７の二次側を燃料電池１１に接続する状態と、それらの二次側を燃料電池１１を迂回する前記迂回路２１を介して大気に開放する状態とに択一的に切り替える。そして、図１に示すように、第１開閉弁１９が開放されるとともに、切替弁２０が迂回路２１側を閉鎖する状態に切り替えられて、コンプレッサ１７が作動されたとき、前記のように吸入口１３ａからのエアが燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される。また、第１開閉弁１９が閉じられるとともに、切替弁２０が迂回路２１側の接続状態に切り替えられると、ガス吸着フィルタ１６の上流側が閉鎖される。そして、この状態において、コンプレッサ１７が作動されると、ガス吸着フィルタ１６の内部が減圧されて、そのガス吸着エレメント１６ａに既に吸着されている不純ガスが脱離される。

図１に示すように、前記除塵フィルタ１５とガス吸着フィルタ１６との間におけるエア供給路１３と、ガス吸着フィルタ１６との間には、ガス吸着フィルタ１６の内部を減圧状態から徐々に解放するための減圧解放装置２２が設けられている。この減圧解放装置２２は、第１開閉弁１９を迂回して設けられたエア流路２３と、そのエア流路２３に接続された第２開閉弁２４と、同エア流路２３に接続された絞り弁２５とから構成されている。そして、ガス吸着フィルタ１６の減圧状態で、第２開閉弁２４が開かれたとき、絞り弁２５の作用によりガス吸着フィルタ１６内にエアが徐々に導入されて、ガス吸着フィルタ１６の内部が減圧状態から徐々（１〜数秒程度）に解放される。

次に、前記のような構成の燃料電池システムの電気回路の構成について説明する。
図２に示すように、制御装置２７は制御手段を構成し、前記第１開閉弁１９を開閉動作させるためのソレノイド１１９、切替弁２０を開閉動作させるためのソレノイド１２０、第２開閉弁２４を開閉動作させるためのソレノイド１２４及びコンプレッサ１７を稼働させるためのモータ１１７を含む燃料電池システム全体の動作を制御する。メモリ２８は、燃料電池システムの動作を制御するために必要なプログラムや諸データを記憶している。燃料電池運転状態検出センサ２９は、燃料電池１１の運転状態を監視して、燃料電池１１の運転状態または停止状態の検出信号を制御装置２７に対して出力する。この燃料電池運転状態検出センサ２９としては、燃料電池１１の発電状態を検出する電流計や電圧計を用いることができる。

ここで、燃料電池運転状態検出センサ２９として電流計が用いられた場合、燃料電池１１内を流れる電流がゼロアンペアあるいは所定値（例えば１アンペア）以下になったときに発電停止状態であると前記制御装置２７が判断する。また、燃料電池運転状態検出センサ２９として電圧計が用いられた場合、燃料電池１１内を流れる電流の電圧がゼロボルトまたは所定値（例えば０．９５ボルト）以下になったときに発電停止状態であると前記制御装置２７が判断する。

次に、前記のように構成された燃料電池システムの動作を説明する。
さて、燃料電池１１の運転時には、燃料電池運転状態検出センサ２９から制御装置２７に対して運転状態を示す検出信号が出力される。このため、図１に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１開閉弁１９が開かれるとともに、切替弁２０がコンプレッサ１７の二次側を燃料電池１１に接続する状態に切り替えられる。それとともに、減圧解放装置２２の第２開閉弁２４が閉じられる。この状態で、コンプレッサ１７が作動されると、吸入口１３ａからエア供給路１３内にエアが吸入されて圧縮され、燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される。このとき、エア中に含まれる粉塵等の粒子状または微粒子状の不純物は、除塵フィルタ１５によって捕捉されて除去される。また、エア中に含まれる硫黄系ガス等の不純ガスは、ガス吸着フィルタ１６内のガス吸着エレメント１６ａによって吸着されて除去される。そして、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給される水素と、カソード極１１ａに供給されるエア中の酸素との酸化還元反応によって発電が行われる。

これに対して、例えば、イグニションスイッチ（図示しない）がオフされた場合等、燃料電池１１の停止時には、燃料電池運転状態検出センサ２９から制御装置２７に対して停止状態の検出信号が出力される。このため、図３に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１開閉弁１９が閉じられるとともに、切替弁２０がコンプレッサ１７の二次側を迂回路２１側から大気に開放する状態に切り替えられる。それとともに、減圧解放装置２２の第２開閉弁２４が閉じられた状態を維持する。従って、この状態において、ガス吸着フィルタ１６及びコンプレッサ１７の上流側が閉鎖されるとともに、燃料電池１１を迂回する迂回路２１が形成される。

そして、この状態で、コンプレッサ１７が作動されて、ガス吸着フィルタ１６の内部からエアが吸引され、そのガス吸着フィルタ１６の内部が減圧される。この減圧により、ガス吸着エレメント１６ａに既に吸着されている不純ガスが脱離されて、ガス吸着フィルタ１６の再生が行われる。脱離された不純ガスは迂回路２１を介して排出口１４ａから大気中に放出される。

なお、このコンプレッサ１７の稼働や、開閉弁１９，２４の開閉動作は、蓄電池１２に蓄えられた電力を用いて行われ、コンプレッサ１７は、所定時間（数分〜数十分）連続運転される。

そして、このガス吸着フィルタ１６の再生が所定時間行われた後、あるいは前記イグニションスイッチがオンされた場合には、コンプレッサ１７が停止される。この状態で、図３に鎖線で示すように、減圧解放装置２２の第２開閉弁２４が解放され、エアがエア供給路１３から絞り弁２５を介してガス吸着フィルタ１６内に徐々に導入されて、そのガス吸着フィルタ１６の内部が減圧状態から解放される。

その後、第１，第２開閉弁１９，２４及び切替弁２０が図１の実線の状態に復帰し、燃料電池１１が運転可能な状態になる。
従って、この第１実施形態の燃料電池システムは以下に列挙する効果がある。

（１） この燃料電池システムにおいては、エア供給路１３に第１開閉弁１９及び切替弁２０よりなる減圧装置１８が設けられ、その減圧装置１８にてガス吸着フィルタ１６の内部が減圧されることにより、ガス吸着フィルタ１６の再生が行われる。よって、従来構成とは異なり、ガス吸着フィルタを回転可能な大型の円筒形状に形成したり、そのガス吸着フィルタを回転させるための回転機構や、同ガス吸着フィルタを再生させるためのヒータ等を装備したりする必要がない。従って、燃料システムの構成を簡素化することができるとともに、装置の大型化を避けることができる。

（２） また、ガス吸着フィルタ１６の内部を減圧することにより、そのガス吸着フィルタ１６の再生をただちに行うことができるため、ヒータ加熱等が不要であり、その再生処理を短時間で効率良く行うことができ、ひいては、燃料電池１１の発電動作を効率よく行うことが可能となる。

（３） しかも、開閉弁１９，２４及び切替弁２０を切替えた状態においてコンプレッサ１７を作動させるのみで、ガス吸着フィルタ１６の減圧状態を形成できるため、減圧動作を実行できる。つまり、減圧のために設けられた構成は、開閉弁１９，２４及び切替弁２０だけであるから、その構成は簡単である。

（４） この実施形態の燃料電池システムにおいては、ガス吸着フィルタ１６の再生終了後に、減圧解放装置２２によりガス吸着フィルタ１６が減圧状態からある程度の時間をかけて除々に解放されて、元の状態に戻される。従って、急激な圧力回復にともなうガス吸着フィルタ１６等の破損を防止することができる。

（５） ガス吸着フィルタ１６の再生が、同ガス吸着フィルタ１６内にエアに逆流させて実行されるものではないため、いわば逆洗ではないため、逆流エア用のフィルタ機構を設ける必要がなく、構成が簡単である。しかも、除塵フィルタ１５に逆流エアを通すと、その除塵フィルタ１５から脱離した塵埃等がエア供給路１３の内壁等に付着することがあるが、逆流を実行しないこの実施形態においては、このようなおそれはない。

（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
この第２実施形態においては、図１〜図３に示す第１実施形態において、燃料電池運転状態検出センサ２９として、燃料電池１１の温度を検出する温度センサを用いたものである。そして、このセンサ２９の検出に基づき、燃料電池１１の検出温度が摂氏４０度以下になったときに、制御装置２７は燃料電池１１が運転停止状態であると判断する。

従って、この第２実施形態においては、第１実施形態とはセンサ２９の種類が相違するのみであって、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

この第３実施形態においては、図２の２点鎖線及び図４に示すように、燃料電池運転状態検出センサ２９として、除塵フィルタ１５の上流側においてエア供給路１３内のエアの流量を検出する流量センサ４０を用いたものである。そして、このセンサ２９の検出に基づき、エア供給路１３内のエアの流量がゼロになった場合、あるいは所定値を下回った場合に、制御装置２７は燃料電池１１が運転停止状態であると判断する。

従って、この第３実施形態においても、前記第２実施形態と同様にセンサ２９の種類が相違するのみであって、前記第１実施形態と同様な効果を得ることができる。
（第４実施形態）
次に、この発明の第４実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

この第４実施形態においては、図５に示すように、前記各実施形態における蓄電池１２は設けられていない。そして、ガス吸着フィルタ１６の再生のためのコンプレッサ１７の駆動電力を燃料電池１１から直接得るようにしている。

従って、この第４実施形態においては、燃料電池１１が稼働中ではあるが、アクセルオフの場合のように、車両駆動のための電力が不要な場合に、発電電力によって各弁１９，２０，２４及びコンプレッサ１７の駆動電力を得て、ガス吸着フィルタ１６の再生とゆっくりとした減圧解放動作とが実行される。

従って、この第４実施形態においては、以下の効果がある。
（６） ガス吸着フィルタ１６の再生に際して蓄電池１２の電力を用いないため、蓄電池１２の容量を小さくしたり、蓄電池１２を省略したりすることが可能となる。

（第５実施形態）
次に、この発明の第５実施形態を、前記第１実施形態と異なる部分を中心に図６〜図９に基づいて説明する。

この第５実施形態においては、図６及び図７に示すように、除塵フィルタ１５とコンプレッサ１７との間であって、減圧解放装置２２のエア流路２３の分岐部の下流側のエア供給路１３に一対の流路部１３Ａ，１３Ｂが並列に設けられている。そして、その一方の流路部１３Ａにガス吸着フィルタ１６が接続されている。燃料電池１１の下流側のエア排出路１４には、排出口３１ａを有するエア排出分岐路３１が接続されている。このエア排出分岐路３１には、エジェクタ３２が接続されている。エジェクタ３２の一次側３２ａと二次側３２ｂとの間の絞り部３２ｃには吸引ポート３２ｄが開口され、この吸引ポート３２ｄに開閉弁３３を介して前記ガス吸着フィルタ１６におけるガス吸着エレメント１６ａの上流側が接続されている。

前記ガス吸着フィルタ１６の上流側及び下流側において両流路部１３Ａ，１３Ｂ間の２つの分岐部には、その流路部１３Ａ，１３Ｂの一方を択一的に開放及び閉鎖するための一対の第１切替手段としての第１切替弁３４Ａ，３４Ｂが設けられている。前記エア排出路１４とエア排出分岐路３１との分岐部には、そのエア排出路１４及びエア排出分岐路３１の一方を択一的に開放及び閉鎖するための第２切替手段としての第２切替弁３５が設けられている。そして、この第５実施形態においては、前記エジェクタ３２、第１切替弁３４Ａ，３４Ｂ及び第２切替弁３５により、ガス吸着フィルタ１６の内部を減圧するための減圧装置１８が構成されている。

図６及び図８に示すように、前記除塵フィルタ１５の上流側のエア供給路１３内には、制御装置２７に接続されたガス濃度センサ３６が設けられている。そして、燃料電池１１の運転に際して、コンプレッサ１７の作動により燃料電池１１のカソード極１１ａにエアが供給されるとき、このガス濃度センサ３６によりエアに含まれる不純ガスの濃度が検出されて、その検出値が制御装置２７に出力される。図８に示す制御装置２７には、第１切替弁３４Ａ，３４Ｂを動作させるための各ソレノイド１３４Ａ，１３４Ｂ、第２切替弁３５を動作させるためのソレノイド１３５、開閉弁３３を動作させるためのソレノイド１３３、開閉弁２４を動作させるためのソレノイド１２４、コンプレッサ１７を稼働させるためのモータ１１７がそれぞれ接続されている。

さて、燃料電池１１の運転時には、ガス濃度センサ３６によりエアに含まれる不純ガスの濃度が検出されて、その検出値が制御装置２７に出力される。そして、このガス濃度の検出値がメモリ２８に記憶された規定値を越える場合、つまり大気中に不純ガスが多く含まれる場合には、図６に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１切替弁３４Ａ，３４Ｂが流路部１３Ａを開放するとともに、流路部１３Ｂを閉鎖する状態に切り替えられる。また、これと同時に第２切替弁３５がエア排出路１４を開放してエア排出分岐路３１を閉鎖する状態に切り替えられる。それとともに、エジェクタ３２の吸引ポート３２ｄ側の開閉弁３３と、減圧解放装置２２の開閉弁２４とが閉じられる。

この状態で、コンプレッサ１７が作動されると、図６に矢印で示すように、吸入口１３ａからエア供給路１３内に吸入されるエアが流路部１３Ａ側に導かれ、そのエア中に含まれる不純ガスがガス吸着フィルタ１６内のガス吸着エレメント１６ａによって吸着除去された後、清浄化されたエアが燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される。

これに対して、前記ガス濃度センサ３６からのガス濃度の検出値が規定値に達しない場合、つまり大気中の不純ガスが少ない場合には、図９に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１切替弁３４Ａ，３４Ｂが流路部１３Ｂを開放するとともに、流路部１３Ａを閉鎖する状態に切り替えられる。また、第２切替弁３５がエア排出路１４をエア排出分岐路３１に接続するとともに、そのエア排出路１４を排出口１４ａ側に対して閉鎖する状態に切り替えられる。また、エジェクタ３２の吸引ポート３２ｄ側の開閉弁３３が開かれるとともに、減圧解放装置２２の第２開閉弁２４が閉じられる。

この状態で、コンプレッサ１７が作動されると、図９に矢印で示すように、吸入口１３ａからエア供給路１３内に吸入されるエアが流路部１３Ｂ側に導かれて、ガス吸着フィルタ１６を通ることなく燃料電池１１のカソード極１１ａに直接供給される。

このとき、燃料電池１１からエア排出路１４に排出されるエアは、エア排出分岐路３１側に導かれ、エジェクタ３２内を通過した後に、エア排出分岐路３１の排出口３１ａから排出される。そして、この排出エアがエジェクタ３２の一次側３２ａと二次側３２ｂとの間で絞り部３２ｃを高速で通過するとき、流路に負圧が生じるため、吸引ポート３２ｄを介してガス吸着フィルタ１６内のエアが、ガス吸着エレメント１６ａの上流側から吸引される。この吸引により、ガス吸着フィルタ１６の内部が減圧されて、ガス吸着エレメント１６ａに既に吸着されている不純ガスが脱離され、ガス吸着フィルタ１６の再生が行われる。

そして、ガス濃度センサ３６からの検出値が規定値を上回った場合には、前記各弁２４，３３，３４Ａ，３４Ｂ，３５が図６の状態に復帰する。このため、減圧解放装置２２の絞り弁２５の作用によりガス吸着フィルタ１６内の減圧状態が徐々に復元され、再生状態が終了して、燃料電池１１の作動可能状態に復帰する。

従って、この第５実施形態においても、前記第１実施形態に記載の効果とほぼ同様に、減圧装置１８としてエジェクタ３２と第１及び第２切替弁３４Ａ，３４Ｂ，３５とを設けるという簡単な構成で、ガス吸着フィルタ１６の再生処理を効率良く行うことができる。

しかも、この第５実施形態においては、さらに以下の効果がある。
（７） 大気中の不純ガス含有量が少ない場合は、エア供給路１３を流路部１３Ｂ側に切り替えて、導入されたエアをガス除去フィルタ１６中を通過することなく燃料電池１１に供給できる。このため、ガス吸着フィルタ１６の寿命を延長できるとともに、エア供給路１３内の圧力損失を低下させることができて、燃料電池１１の稼働効率を向上させることができる。

（８） 燃料電池１１の稼働時にガス吸着フィルタ１６を休止させて、その状態において、同ガス吸着フィルタ１６を減圧により再生させることができる。従って、燃料電池１１の稼働とガス吸着フィルタ１６の再生動作とを同時に並行して実行できて、再生のための時間を確保することが不要になり、取り扱いが容易になる。

（９） しかも、ガス吸着フィルタ１６の再生のための減圧がエジェクタ３２により燃料電池１１の排気の流動エネルギーを利用して行われるため、減圧状態を形成するための可動機構は第１，第２開閉弁３３，３５のみでよく、構成を簡素化できる。

（第６実施形態）
次に、この発明の第６実施形態を、前記第５実施形態と異なる部分を中心に説明する。
この第６実施形態においては、図１０〜図１２に示すように、第５実施形態の構成に加えて、次のような構成が追加されている。すなわち、コンプレッサ１７と燃料電池１１との間におけるエア供給路１３とエジェクタ３２の一次側におけるエア排出分岐路３１との間に、補助エア排出路３７が設けられている。エア供給路１３と補助エア排出路３７との分岐部には、コンプレッサ１７の二次側を燃料電池１１に接続する状態と補助エア排出路３７に接続する状態とに択一的に切り替えるための第３切替弁３８が設けられている。図８に２点鎖線で示すように、この第３切替弁３８の動作を駆動するソレノイド１３８が制御装置２７に接続されている。

また、この第６実施形態では、図１０に鎖線で示すように、前記第１実施形態と同様の燃料電池運転状態検出センサ２９が設けられ、この燃料電池運転状態検出センサ２９により燃料電池１１の運転状態が監視されて、燃料電池１１の運転状態または停止状態の検出信号が制御装置２７に出力される。

そして、この第６実施形態の燃料電池システムにおいても、燃料電池１１の運転時には、ガス濃度センサ３６によりエアに含まれるガスの濃度が検出されて、その検出値が制御装置２７に出力される。そして、このガス濃度の検出値が規定値を越える場合には、図１０に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１切替弁３４Ａ，３４Ｂが流路部１３Ａ側を開放する状態に、第２切替弁３５がエア排出路１４をエア排出分岐路３１に接続しない状態に、第３切替弁３８がコンプレッサ１７の二次側を燃料電池１１に接続する状態にそれぞれ切り替えられる。それとともに、エジェクタ３２の吸引ポート３２ｄ側の開閉弁３３及び減圧解放装置２２の開閉弁２４が閉じられる。

この状態で、コンプレッサ１７が作動されることにより、エアが流路部１３Ａ側に導かれて、そのエア中に含まれる不純ガスがガス吸着フィルタ１６により吸着除去され、清浄化されたエアが燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される。

これに対して、前記ガス濃度センサ３６からのガス濃度の検出値が規定値に達しない場合には、図１１に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１切替弁３４Ａ，３４Ｂが流路部１３Ｂ側を開放する状態に、第２切替弁３５がエア排出路１４をエア排出分岐路３１に接続する状態に、第３切替弁３８がコンプレッサ１７の二次側を燃料電池１１に接続する状態にそれぞれ切り替えられる。また、エジェクタ３２の吸引ポート３２ｄ側の開閉弁３３が開かれるとともに、減圧解放装置２２の開閉弁２４が閉じられる。この状態で、コンプレッサ１７が作動されることにより、エアが流路部１３Ｂ側に導かれて、ガス吸着フィルタ１６を通すことなく燃料電池１１のカソード極１１ａに供給される。

そして、この場合には、前記第５実施形態の場合と同様に、燃料電池１１からエア排出路１４に排出されるエアが、エア排出分岐路３１側に導かれてエジェクタ３２内を通過することにより、吸引ポート３２ｄを介してガス吸着フィルタ１６内のエアが吸引される。この吸引により、ガス吸着フィルタ１６の内部が減圧されて、ガス吸着エレメント１６ａに吸着されている不純ガスが脱離され、ガス吸着フィルタ１６の再生が行われる。

さらに、燃料電池１１の停止時には、燃料電池運転状態検出センサ２９から制御装置２７に停止状態の検出信号が出力される。すると、図１２に示すように、制御装置２７の制御により、減圧装置１８の第１切替弁３４Ａ，３４Ｂが流路部１３Ｂ側を開放する状態に、第２切替弁３５がエア排出路１４をエア排出分岐路３１に接続しない状態に、第３切替弁３８がコンプレッサ１７の二次側を補助エア排出路３７に接続する状態にそれぞれ切り替えられる。また、エジェクタ３２の吸引ポート３２ｄ側の開閉弁３３が開かれるとともに、減圧解放装置２２の開閉弁２４が閉じられる。

この状態で、コンプレッサ１７が作動されることにより、エアが流路部１３Ｂ側から導入され、燃料電池１１を通ることなく補助エア排出路３７を介してエア排出分岐路３１に導かれる。そして、前記の場合と同様に、このエアがエジェクタ３２内を通過することにより、吸引ポート３２ｄを介してガス吸着フィルタ１６内のエアが吸引されて、そのガス吸着フィルタ１６の内部が減圧される。この減圧により、ガス吸着エレメント１６ａに吸着されている不純ガスが脱離されて、ガス吸着フィルタ１６の再生が行われる。

そして、これらのガス吸着フィルタ１６の再生終了時においても、前記各実施形態の場合と同様に、減圧解放装置２２によりガス吸着フィルタ１６内にエアが徐々に導入されて、そのガス吸着フィルタ１６が減圧状態から解放される。

従って、この第６実施形態においても、前記第５実施形態に記載の効果と同様な効果を得ることができる。
また、この第６実施形態においては、以下の効果を得ることができる。

（１０） 燃料電池１１の運転中で吸入エアのガス濃度が規定値以下の場合と、燃料電池１１の運転が停止されている場合との双方で、ガス吸着フィルタ１６の再生が行われる。このため、ガス吸着フィルタ１６をガス吸着効率の高い状態に常時維持することができて、燃料電池１１に対して常に清浄なエアを供給することができる。

（第７実施形態）
次に、この発明の第７実施形態を、前記第６実施形態と異なる部分を中心に説明する。
この第７実施形態においては、図１３に示すように、エア供給路１３における両流路部１３Ａ，１３Ｂの双方にそれぞれガス吸着フィルタ１６が接続されている。従って、この第７実施形態においては、エアが両流路部１３Ａ，１３Ｂのいずれを通っても不純ガスの吸着が実行されるばかりでなく、２つのガス吸着フィルタ１６を交互に使用できる。

両ガス吸着フィルタ１６の再生は以下のようにして行われる。すなわち、流路部１３Ａ側のガス吸着フィルタ１６は前記第５実施形態と同様に燃料電池１１の排気流動エネルギーを利用したエジェクタ３２の作用により再生される。また、流路部１３Ｂ側のガス吸着フィルタ１６は、前記第１実施形態と同様に、燃料電池１１の停止時あるいは発電電力の不要時に再生される。

この第７実施形態においては、以下の効果を得ることができる。
（１１） エアが両流路部１３Ａ，１３Ｂのいずれを通っても不純ガスが吸着されるため、２つのガス吸着フィルタ１６を交互に使用することにより、より確実に不純エアを除去できるとともに、不純ガス吸着容量を増加できる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 前記第１実施形態において、再生動作の開始及び終了が手動のスイッチ操作によって行われるように構成すること。

・ ガス吸着フィルタ１６の再生のためのコンプレッサ１７の電力を商用電源から得るように構成すること。
・ ガス吸着フィルタ１６の減圧状態を徐々に解放するための構成を省略すること。

・ 図６〜図１３に示す前記第５〜第７実施形態において、コンプレッサ１７を第１切替弁３４Ａと除塵フィルタ１５との間のエア供給路１３に接続すること。この場合、エア供給路１３に減圧解放装置２２が接続されている構成においては、コンプレッサ１７をエア供給路１３と減圧解放装置２２との接続部の下流側に設ける。このように構成した場合には、ガス吸着フィルタ１６に対するエアの供給がコンプレッサの吸引作用に替えて、送り込み作用に行われるが、その他の作用は第５〜第７実施形態と同様である。

・ 図２に２点鎖線で示すように、燃料電池の運転状態を検出するためにアクセルセンサ４１を用い、アクセルがオフのときに、燃料電池１１が停止状態であると制御装置２７が判断して、ガス吸着フィルタ１６の再生動作が実行されるように構成すること。

第１実施形態の燃料電池システムを模式的に示す構成図。 図１の燃料電池システムの電気回路の構成を示すブロック図。 同燃料電池システムにおける流路切替状態を示す構成図。 第３実施形態の燃料電池システムを模式的に示す構成図。 第４実施形態の燃料電池システムを模式的に示す構成図。 第５実施形態の燃料電池システムを模式的に示す構成図。 図６の燃料電池システムにおけるエジェクタを拡大して示す断面図。 図６の燃料電池システムの電気回路の構成を示すブロック図。 同燃料電池システムにおける流路切替状態を示す構成図。 第６実施形態の燃料電池システムを模式的に示す構成図。 図１０の燃料電池システムにおける別の流路切替状態を示す構成図。 同燃料電池システムにおける流路切替状態を示す構成図。 第７実施形態の燃料電池システムを模式的に示す構成図。

符号の説明

１１…燃料電池、１３…エア供給路、１３Ａ，１３Ｂ…流路部、１４…エア排出路、１６…ガス吸着手段としてのガス吸着フィルタ、１６ａ…ガス吸着エレメント、１７…送風手段としての送風装置を構成するコンプレッサ、１８…減圧手段としての減圧装置、１９…開閉手段としての第１開閉弁、２０…切替手段としての切替弁、２１…迂回路、２２…減圧解放装置、２７…制御手段としての制御装置、２８…メモリ、２９…燃料電池運転状態検出センサ、３１…エア排出分岐路、３２…エジェクタ、３２ａ…一次側、３２ｂ…二次側、３２ｄ…吸引ポート、３４Ａ，３４Ｂ…第１切替手段としての第１切替弁、３５…第２切替手段としての第２切替弁、３６…ガス濃度センサ、３８…第３切替弁。

Claims (8)

1. 燃料電池にエアを供給するためのエア供給路に、ガス吸着手段及び送風手段を配置し、その送風手段により前記ガス吸着手段を介して燃料電池にエアを供給するようにした燃料電池システムにおいて、
   前記ガス吸着手段の再生のために同ガス吸着手段の内部を減圧状態にする減圧手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記送風手段をガス吸着手段の下流側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記減圧手段は、
   前記送風手段と、
   前記ガス吸着手段の上流側においてエア供給路に設けられ、そのエア供給路を開閉するための開閉手段と、
   前記送風手段と燃料電池との間においてエア供給路に設けられ、ガス吸着手段の二次側を燃料電池に接続する状態と、大気に開放する状態とに択一的に切り替えるための切替手段と
   よりなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. エア供給路に一対の流路部を並列に設けるとともに、一方の流路部に前記ガス吸着手段を設け、
   前記減圧手段を、吸引ポートが前記ガス吸着手段に接続されるとともに、一次側が前記燃料電池の下流におけるエア排出路に接続され、かつ二次側が大気に開放されたエジェクタと、前記流路部の一方を択一的に開放及び閉鎖する第１切替手段と、エジェクタの一次側と前記エア排出路との間に設けられた第２切替手段とにより構成し、
   第１切替手段の切替えにより前記ガス吸着手段側の流路部が閉鎖された状態において、前記第２切替手段の切り替えにより前記エア排出路がエジェクタの一次側に接続されることにより、エジェクタの吸引作用により前記吸引ポートからガス吸着手段内のエアが吸引されるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記エジェクタの一次側をガス吸着手段におけるガス吸着エレメントの上流側に接続したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池の運転状態を監視するとともに、その運転状態に基づいて前記減圧手段の動作を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項２〜５のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記吸着手段の減圧解除に際して、減圧状態を徐々に解放させる解放手段を設けたことを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池にエアを供給するためのエア供給路に、ガス吸着手段及び送風手段を配置し、その送風手段により前記ガス吸着手段を介して燃料電池にエアを供給するようにした燃料電池システムにおいて、
   前記ガス吸着手段の再生のために同ガス吸着手段の内部を減圧状態にすることを特徴とした燃料電池システムにおけるガス吸着部の再生方法。

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