JP2013171730A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサを駆動する電動機への湿潤なオフガスの浸入を防止して、燃料電池のカソードオフガスを燃料電池のカソード入口に再循環させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】コンプレッサ３０とエキスパンダ３２は、電動機３１を挟んでコンプレッサ３０の吸入口３０ａから電動機３１を介したエキスパンダ３２への通気が可能に配置され、コントローラ８０は、排出路開閉弁５１を閉弁すると共に、再循環路開閉弁５３及びオフガスバイパス路開閉弁５６を開弁した状態で、電動機３１によりコンプレッサ３０を駆動して、コンプレッサ３０から酸化剤供給路４０に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池１０のカソード出口１２からオフガスバイパス路５５とエキスパンダ３２とオフガス再循環路５２とを介して、燃料電池１０のカソード入口１１にオフガスを再循環させるオフガス再循環運転を実行する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池のオフガスからエネルギーを回収するエキスパンダを備えた燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソードの出口から排出される湿潤なオフガスの一部を、燃料電池のカソードの入口に空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサの入口側に再循環するオフガスリターン路を設けた構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された構成によれば、コンプレッサに吸入される空気とオフガスリターン路から再循環されるオフガスとが、コンプレッサ内で混合されるため、空気の濃度と水分を均一化して燃料電池のカソードに供給することができる。

また、燃料電池から排出されるオフガスにより駆動されるエキスパンダを、燃料電池に空気（酸化剤ガス）を送出するコンプレッサと同軸に設けることにより、オフガスのエネルギーを回収するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−２６８１１７号公報 特許第２７４３１４７号公報

上記特許文献１に記載された燃料電池の構成を、上記特許文献２に記載された燃料電池システムに適用して、燃料電池のカソードの出口から排出される湿潤なオフガスを、コンプレッサの入口側に再循環させることが考えられる。しかし、この場合には、コンプレッサに吸入された湿潤なオフガスが、コンプレッサを駆動する電動機の内部に浸入して、電動機内部を腐食させるおそれや、電動機内でオフガスの水分が凍結するおそれがある。

本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、コンプレッサを駆動する電動機への湿潤なオフガスの浸入を防止して、燃料電池のカソードオフガスを燃料電池のカソード入口に再循環させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソード入口に接続されて、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、
前記燃料電池のカソード出口に接続されて、カソード出口からオフガスが排出される酸化剤排出路と、
前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
前記コンプレッサを駆動する電動機と、
前記酸化剤排出路から排出されるオフガスにより駆動されて、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダとを備えた燃料電池システムに関する。

そして、
前記コンプレッサと前記エキスパンダは、前記電動機を挟んで、前記コンプレッサの吸入口から前記電動機を介した前記エキスパンダへの通気が可能に配置され、
前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路を連通するオフガス再循環路と、
前記オフガス再循環路を開閉する再循環路開閉弁と、
前記燃料電池のカソード出口と前記エキスパンダの吐出口とを連通するオフガスバイパス路と、
前記オフガスバイパス路を開閉するオフガスバイパス路開閉弁と、
前記再循環路開閉弁及び前記オフガスバイパス路開閉弁を開弁した状態で、前記電動機により前記コンプレッサを駆動して、前記コンプレッサから前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料電池のカソード出口から前記オフガスバイパス路と前記エキスパンダと前記オフガス再循環路とを介して、前記酸化剤供給路にオフガスを再循環させるオフガス再循環運転を実行するコントローラと
を備えたことを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記コントローラにより、前記再循環路開閉弁及び前記オフガスバイパス路開閉弁を開弁することによって、前記燃料電池のカソード出口から、前記オフガスバイパス路と前記エキスパンダと前記オフガス再循環路とを介して、前記酸化剤供給路にオフガスを再循環させる経路が形成される。また、前記電動機により前記コンプレッサを駆動することによって、前記コンプレッサの吸入口から吸入される酸化剤ガスの一部が前記電動機を介して前記エキスパンダ側に流入し、この酸化剤ガスの流入によって、前記エキスパンダから前記電動機へのオフガスの流入が阻止される。そのため、前記電動機への湿潤なオフガスの流入により前記電動機の腐食等が生じることを防止して、前記酸化剤供給路にオフガスを再循環させることができる。

また、第１発明において、
前記オフガス再循環路と前記酸化剤排出路との接続箇所と、前記燃料電池のカソード出口との間の前記酸化剤排出路に設けられて、前記酸化剤排出路を開閉する排出路開閉弁を備え、
前記コントローラは、前記排出路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記排出路開閉弁を閉弁状態とすることによって、前記燃料電池のカソード出口からのオフガスが、前記酸化剤排出路を介して前記エキスパンダの吸入口に流れ込むことを阻止して、前記オフガスバイパス路と前記エキスパンダと前記オフガス再循環路とを介した前記酸化剤供給路へのオフガスの再循環を、効率良く行うことができる。

また、第１発明又は第２発明において、
一端が前記エキスパンダの吐出口に接続された酸化剤放出路と、
前記酸化剤放出路を開閉する放出路開閉弁とを備え、
前記オフガスバイパス路は、前記エキスパンダの吐出口と前記放出路開閉弁との間の箇所で、前記酸化剤放出路に接続され、
前記コントローラは、前記放出路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする（第３発明）。

第３発明によれば、前記放出路開閉弁を閉弁状態とすることにより、前記酸化剤放出路の開放端から圧力が逃げることを阻止して、前記オフガスバイパス路から前記エキスパンダへのオフガスの排出圧力を高めることができる。そのため、前記エキスパンダから前記オフガス再循環路へのオフガスの再循環流量を増加させることができる。

また、第１発明から第３発明のいずれかにおいて、
前記酸化剤供給路と前記オフガス再循環路との接続箇所と、前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路に設けられて、前記酸化剤供給路を開閉する供給路開閉弁を備え、
前記コントローラは、前記供給路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする（第４発明）。

第４発明によれば、前記供給路開閉弁を閉弁状態とすることにより、前記コンプレッサから前記酸化剤供給路に供給される酸化剤ガスによって、前記オフガス再循環路から前記酸化剤供給路へのオフガスの流入が妨げられることを阻止して、前記酸化剤供給路へのオフガスの再循環量を増加させることができる。

また、第３発明において、
前記酸化剤供給路と前記オフガス再循環路との接続箇所と、前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路に設けられて、前記酸化剤供給路を開閉する供給路開閉弁と、
前記供給路開閉弁と前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路と、前記放出路開閉弁と前記酸化剤放出路の他端との間の前記酸化剤放出路との間を連通した酸化剤バイパス路と、
前記酸化剤バイパス路を開閉する酸化剤バイパス路開閉弁と
を備え、
前記コントローラは、前記酸化剤バイパス路開閉弁を開弁状態とし、前記供給路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする（第５発明）。

第５発明によれば、
前記酸化剤バイパス路開閉弁を開弁状態とすることにより、前記コンプレッサに吸入される酸化剤ガスを前記酸化剤バイパス路を介して、前記酸化剤放出路に供給して利用することができる。

また、第１発明から第５発明のうちのいずれかにおいて、
前記コンプレッサと前記電動機と前記エキスパンダとが、回転軸を共通にして形成され、該回転軸がエアーベアリングにより軸支されていることを特徴とする（第６発明）。

第６発明によれば、前記エアーベアリングを介した前記エキスパンダから前記電動機への通気が容易な構成において、前記燃料電池のカソード出口からのオフガスが、前記エキスパンダから前記電動機に流入して、前記電動機の腐食が生じることを防止することができる。

また、第１発明において、
前記オフガス再循環路と前記酸化剤排出路との接続箇所と、前記燃料電池のカソード出口との間の前記酸化剤排出路に設けられて、前記酸化剤排出路を開閉する排出路開閉弁と、
一端が前記エキスパンダの吐出口に接続された酸化剤放出路と、
前記酸化剤放出路を開閉する放出路開閉弁と、
前記酸化剤供給路と前記オフガス再循環路との接続箇所と、前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路に設けられて、前記酸化剤供給路を開閉する供給路開閉弁とを備え、
前記オフガスバイパス路は、前記エキスパンダの吐出口と前記放出路開閉弁との間の箇所で、前記酸化剤放出路に接続され、
前記コントローラは、前記燃料電池の発電を停止させる第１工程を行った後に、前記供給路開閉弁と前記排出路開閉弁と前記放出路開閉弁とを閉弁する第２工程を行い、該第２工程に続いて前記再循環路開閉弁と前記オフガスバイパス路開閉弁を開弁する第３工程を行い、該第３工程に続いて前記電動機を起動する第４工程を行って、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする（第７発明）。

第７発明によれば、前記第１工程により前記燃料電池の発電を停止させた後に、前記第２工程と前記第３工程を行って、前記燃料電池のカソード出口から前記オフガスバイパス路と前記エキスパンダと前記オフガス再循環路とを経由して前記酸化剤供給路に至るオフガスの再循環経路を形成してから、前記第４工程により前記電動機を起動することにより、前記燃料電池のカソード出口からのオフガスを効率良く前記酸化剤供給路に再循環させることができる。

また、第７発明において、
前記供給路開閉弁と前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路と、前記放出路開閉弁と前記酸化剤放出路の他端との間の前記酸化剤放出路との間を連通した酸化剤バイパス路と、
前記酸化剤バイパス路を開閉する酸化剤バイパス路開閉弁と
を備え、
前記コントローラは、前記第３工程において、前記酸化剤バイパス路開閉弁を開弁することを特徴とする（第８発明）。

第８発明によれば、前記第３工程において、前記酸化剤バイパス路開閉弁を開弁することにより、前記酸化剤バイパス路から前記酸化剤放出路への酸化剤ガスの供給を確保することができる。

燃料電池システムの構成図。 発電運転時の酸化剤ガス及びオフガスの流通経路の説明図。 オフガス再循環運転のフローチャート。 オフガス再循環運転時の酸化剤ガス及びオフガスの流通経路の説明図。 発電運転時及びオフガス再循環運転時のエキスパンダの作動状態の説明図。 排出路開閉弁と再循環路開閉弁の開閉によるエキスパンダの差圧及び流量の変化の説明図。 コンプレッサと電動機とエキスパンダの構造説明図。

本発明の実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車に搭載されるものであり、燃料電池（燃料電池スタック）１０、燃料電池１０のカソード（空気極）入口１１に接続されて空気（酸化剤ガス）を供給する酸化剤供給路４０、酸化剤供給路４０に設けられて酸化剤供給路４０を開閉する供給路開閉弁４１、燃料電池１０のカソード出口１２に接続されて反応後のオフガス（カソードオフガス）が排出される酸化剤排出路５０、酸化剤排出路５０に設けられて酸化剤排出路５０を開閉する排出路開閉弁５１、酸化剤供給路４０及び酸化剤排出路５０に接続されて酸化剤供給路４０を流通する空気を加湿する加湿器２０、酸化剤供給路４０のカソード入口１１と供給路開閉弁４１との間の箇所と酸化剤排出路５０の排出路開閉弁５１と加湿器２０との間の箇所を連通するオフガス再循環路５２、及び、オフガス再循環路５２を開閉する再循環路開閉弁５３を備えている。

また、燃料電池システムは、吸入口３０ａから空気（酸化剤ガス）を吸入して吐出口３０ｂから酸化剤供給路４０に送出するコンプレッサ３０、コンプレッサ３０を駆動する電動機３１、コンプレッサ３０と回転軸３５を共通として電動機３１に連結されて、酸化剤排出路５０から吸入口３２ａに流入するオフガスによりタービン（図示しない）が回転するエキスパンダ３２、エキスパンダ３２の吐出口３２ｂと希釈器７０を接続する酸化剤放出路６０、酸化剤放出路６０を開閉する放出路開閉弁５７、酸化剤供給路４０の加湿器２０とコンプレッサ３０の吐出口３０ｂとの間の箇所と酸化剤放出路６０の放出路開閉弁５７と希釈器７０との間の箇所を連通する酸化剤バイパス路５８、酸化剤バイパス路５８を開閉する酸化剤バイパス路開閉弁５９、酸化剤排出路５０の燃料電池１０のカソード出口１２と排出路開閉弁５１との間の箇所と、酸化剤放出路６０のエキスパンダ３２と放出路開閉弁５７との間の箇所を連通するオフガスバイパス路５５、オフガスバイパス路５５を開閉するオフガスバイパス路開閉弁５６、及び、燃料電池システムの全体的な作動を制御するコントローラ８０を備えている。

加湿器２０は、例えば中空糸膜や平膜等の、流体中の水分のみを移動させる構成を備えており、酸化剤排出路５０を流通するオフガス中の水分を用いて、酸化剤供給路４０を流通する空気を加湿する水分透過型の加湿器である。

希釈器７０は、燃料電池１０のアノード出口（図示しない）と接続され、アノード出口から排出される残留水素を含むオフガス（アノードオフガス）を、酸化剤放出路６０から供給される酸化剤により希釈して大気中に排出する。

コントローラ８０は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、メモリに保持された燃料電池システムの制御用プログラムをＣＰＵで実行することにより、燃料電池システムの作動を制御する機能を果す。コントローラ８０から出力される制御信号により、電動機３１、供給路開閉弁４１、排出路開閉弁５１、再循環路開閉弁５３、オフガスバイパス路開閉弁５６、放出路開閉弁５７、及び、酸化剤バイパス路開閉弁５９の作動が制御される。

［発電運転］
次に、図２を参照して、燃料電池１０による発電を行う「発電運転」の制御について説明する。図２においては、閉弁状態の開閉弁を縦線により塗りつぶして示し、開弁状態の開閉弁を縦線による塗りつぶしをせずに示している。

コントローラ８０は、再循環路開閉弁５３とオフガスバイパス路開閉弁５６と酸化剤バイパス路開閉弁５９を閉弁状態として、オフガス再循環路５２及びオフガスバイパス路５５へのオフガス（カソードオフガス）の流通と、酸化剤バイパス路５８への空気（酸化剤）の流通を不能にする。

また、コントローラ８０は、供給路開閉弁４１と排出路開閉弁５１と放出路開閉弁５７を開弁状態として、図中ａ１で示したコンプレッサ３０から酸化剤供給路４０を介した燃料電池１０のカソード入口１１への酸化剤ガスの供給と、図中ｂ１で示した燃料電池１０のカソード出口１２から酸化剤排出路５０及び酸化剤放出路６０を介したオフガスの排出を可能にする。

そして、コントローラ８０は、電動機３１を起動してコンプレッサ３０を作動させる。これにより、コンプレッサ３０から酸化剤供給路４０を介して燃料電池１０のカソード入口１１に酸化剤ガスが供給され、燃料電池１０のアノードに供給される水素ガスとの発電反応により発電が行われる。

燃料電池１０の発電反応によりカソードで水が生成されるため、燃料電池１０のカソードから酸化剤排出路５０に、湿潤なオフガスが排出される。そして、このオフガスによりエキスパンダ３２のタービンが回転して、コンプレッサ３０に動力が伝達され、オフガスのエネルギーが回収される。

［オフガス再循環運転］
次に、図３〜図７を参照して、燃料電池１０のカソード出口１２から排出されるオフガスを、酸化剤供給路４０に再循環させる「オフガス再循環運転」の制御について説明する。

コントローラ８０は、図３に示したフローチャートに従って、「オフガス再循環運転」を実行するための制御を行なう。コントローラ８０は、先ず、ＳＴＥＰ１で燃料電池１０のアノードへの水素ガスの供給を遮断して燃料電池１０の発電を停止する。なお、ＳＴＥＰ１の処理は本発明の第１工程に相当する。

続くＳＴＥＰ２で、コントローラ８０は、供給路開閉弁４１と排出路開閉弁５１と放出路開閉弁５７を閉弁する。これにより、図４に示したように、酸化剤供給路４０への酸化剤ガスの流通と、酸化剤排出路５０へのオフガスの流通と、酸化剤放出路６０から希釈器７０へのオフガスの流通が阻止される。

なお、図４においても、図２と同様に閉弁状態の開閉弁を縦線により塗りつぶして示し、開弁状態の開閉弁を縦線による塗りつぶしをせずに示している。また、ＳＴＥＰ２の処理は、本発明の第２工程に相当する。

次のＳＴＥＰ３で、コントローラ８０は、再循環路開閉弁５３とオフガスバイパス路開閉弁５６と酸化剤バイパス路開閉弁５９を開弁する。これにより、図４に示したように、燃料電池１０のカソード出口１２→オフガスバイパス路５５→エキスパンダ３２→酸化剤排出路５０→オフガス再循環路５２→酸化剤供給路４０→燃料電池１０のカソード入口１１、という図中ｂ２で示したオフガス（カソードオフガス）の流通経路が形成される。

また、コンプレッサ３０→酸化剤供給路４０→酸化剤バイパス路５８→希釈器７０、という図中ａ２で示した空気（酸化剤ガス）の流通経路が形成される。なお、ＳＴＥＰ３の処理は、本発明の第３工程に相当する。

次のＳＴＥＰ４で、コントローラ８０は、電動機３１を作動させてコンプレッサ３０を起動する。これにより、図４のａ２の流通経路で空気を供給すると共に、図４のｂ２の流通経路でオフガスを流通させて、燃料電池１０のカソード入口１１にオフガスを再循環させる「オフガス再循環運転」が実行される。なお、ＳＴＥＰ４の処理は、本発明の第４工程に相当する。

続くＳＴＥＰ５で、コントローラ８０は、「オフガス再循環運転」の運転終了条件が成立したか否かを判断する。なお、「オフガス再循環運転」の運転終了条件としては、「オフガス再循環運転」の実行時間、燃料電池１０の状態（内部温度、内部湿度等）の変化等が判断される。

ＳＴＥＰ５で、「オフガス再循環運転」の運転終了条件が成立したときにＳＴＥＰ６に進み、コントローラ８０は、電動機３１を停止してコンプレッサ３０の作動を停止する。また、ＳＴＥＰ７で、コントローラ８０は、再循環路開閉弁５３とオフガスバイパス路開閉弁５６と酸化剤バイパス路開閉弁５９を閉弁し、ＳＴＥＰ８に進んで「オフガス再循環運転」を終了する。

ここで、図５（ａ）は、「発電運転」実行時の空気（酸化剤ガス）の流通経路ａ３及びオフガス（カソードオフガス）の流通経路ｂ３を示しており、再循環路開閉弁５３が閉弁されると共に、排出路開閉弁５１が開弁されている。

一方、図５（ｂ）は、「オフガス再循環運転」実行時の空気（酸化剤ガス）の流通経路ａ４及びオフガス（カソードオフガス）の流通経路ｂ４を示しており、再循環路開閉弁５３が開弁されると共に、排出路開閉弁５１が閉弁されている。

図６は、図５（ａ）及び図５（ｂ）の状態で、電動機３１を所定回転速度で作動させているときの、エキスパンダ３２の差圧Ｅxp（エキスパンダ３２の吸入口３２ａと吐出口３２ｂ間の差圧）と、エキスパンダ３２内を流通するオフガスの流量であるエキスパンダ流量Ｅxfの変化を示したものである。図６の上段は、縦軸をエキスパンダ３２の差圧に設定して横軸を時間軸に設定し、図６の下段は、縦軸をエキスパンダ３２の流量に設定して横軸を時間軸に設定したものである。

図６のｔ0〜ｔ1は、図５（ａ）に示した排出路開閉弁５１を開弁すると共に再循環路開閉弁５３を閉弁した状態であり、燃料電池１０のカソード出口１２から排出されるオフガスが、酸化剤排出路５０からエキスパンダ３２の吸入口３２ａに供給され、エキスパンダ３２の吐出口３２ｂから大気中に放出される。この場合は、エキスパンダ３２の吸入口３２ａから吐出口３２ｂに流通するオフガスにより、エキスパンダ３２のタービン（図示しない）が回転するため、電動機３１をアシストする方向に作用する。

図６のｔ1〜ｔ2は、図５（ａ）の状態から排出路開閉弁５１を閉弁した状態であり、酸化剤排出路５０からエキスパンダ３２の吸入口３２ａへのオフガスの供給が停止するため、エキスパンダ流量がゼロになる。そのため、エキスパンダ３２による電動機３１のアシスト作用がなくなり、逆に、コンプレッサ３０と同様に、エキスパンダ３２の吐出口３２ｂから吸入口３２ａに向かって空気が流れるようになって、吸入口３２ａの圧力が上昇する。

図６のｔ2〜は、図５（ｂ）の再循環路開閉弁５３を開弁した状態であり、エキスパンダ３２の吐出口３２ｂから吸入口３２ａに向かって、空気が継続的に流れ始める（エキスパンダ流量がマイナスになる）。

「オフガス再循環運転」は、このようなエキスパンダ差圧とエキスパンダ流量の変化を有効に利用したものであり、エキスパンダ３２の吐出口３２ｂに連通したオフガスバイパス路５５により、燃料電池１０のカソード出口１２から放出されるオフガスをエキスパンダ３２の吐出口３２ｂ側に導くことによって、オフガスをエキスパンダ３２の吐出口３２ｂから吸入口３２ａに向かって流通させる。そして、酸化剤排出路５０からオフガス再循環路５２を経由して、燃料電池１０のカソード入口１１にオフガスを再循環させることができる。

次に、図７は、コンプレッサ３０と電動機３１とエキスパンダ３２の構造を示した断面図であり、コンプレッサ３０とエキスパンダ３２は、電動機３１を挟んで配置されている。また、コンプレッサ３０と電動機３１とエキスパンダ３２は、回転軸３５を共通として形成されている。回転軸３５は、コンプレッサ３０と電動機３１との間の箇所でエアーベアリング３３により筐体３７に軸支されると共に、エキスパンダ３２と電動機３１との間の箇所でエアーベアリング３４により筐体３７に軸支されている。

「オフガス再循環運転」の実行時には、電動機３１によりコンプレッサ３０が駆動されて、コンプレッサ３０の吸入口３０ａから吸入された空気が吐出口３０ｂから酸化剤供給路４０に供給される。そして、この時、吸入口３０ａから吸入された空気の一部が、図中ｄ１，ｄ２の流通経路により、エアーベアリング３３から、電動機３１のロータ３１ａとステータ３１ｂ間のエアギャップとエアーベアリング３４を経由して、エキスパンダ３２側に供給される。

このように、コンプレッサ３０からエキスパンダ３２側に空気が供給されることによって、電動機３１内の圧力がエキスパンダ３２内の圧力よりも高くなるため、エキスパンダ３２の吐出口３２ｂから吸入される湿潤なオフガスが、電動機３１内に浸入することを阻止することができる。

そのため、電動機３１内に湿潤なオフガスが浸入して、電動機３１内部の腐食が生じることや、電動機３１内に浸入した湿潤なオフガスの水分が凍結して、電動機の作動不良等が生じることを防止することができる。

なお、本実施形態では、排出路開閉弁５１と、放出路開閉弁５７と、供給路開閉弁４１と、酸化剤バイパス路開閉弁５９を備えたが、必ずしもこれらの全ての開閉弁を備える必要はなく、少なくとも、オフガス再循環路５２を開閉する再循環路開閉弁５３と、オフガスバイパス路５５を開閉するオフガスバイパス路開閉弁５６とを備え、再循環路開閉弁５３及びオフガスバイパス路開閉弁５６を開弁状態として、電動機３１によりコンプレッサ３０を作動させる「オフガス再循環運転」を実行することによって、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、図７に示したように、コンプレッサ３０と電動機３１とエキスパンダ３２の回転軸３５を共通とし、回転軸３５をエアーベアリング３３，３４で軸支した構成を用いたが、特にこの構成に限定されるものではなく、コンプレッサから電動機を介してエキスパンダに通気可能な構成を用いることで、本発明の効果を得ることができる。

１０…燃料電池、１１…カソード入口、１２…カソード出口、３０…コンプレッサ、３１…電動機、３２…エキスパンダ、３５…回転軸、４０…酸化剤供給路、４１…供給路開閉弁、５０…酸化剤排出路、５１…排出路開閉弁、５２…オフガス再循環路、５３…最循環路開閉弁、５５…オフガスバイパス路、５６…オフガスバイパス路開閉弁、５７…放出路開閉弁、５８…酸化剤バイパス路、５９…酸化剤バイパス路開閉弁、６０…酸化剤放出路、８０…コントローラ。

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池のカソード入口に接続されて、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、
   前記燃料電池のカソード出口に接続されて、カソード出口からオフガスが排出される酸化剤排出路と、
   前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
   前記コンプレッサを駆動する電動機と、
   前記酸化剤排出路から排出されるオフガスにより駆動されて、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記コンプレッサと前記エキスパンダは、前記電動機を挟んで、前記コンプレッサの吸入口から前記電動機を介した前記エキスパンダへの通気が可能に配置され、
   前記酸化剤供給路と前記酸化剤排出路を連通するオフガス再循環路と、
   前記オフガス再循環路を開閉する再循環路開閉弁と、
   前記燃料電池のカソード出口と前記エキスパンダの吐出口とを連通するオフガスバイパス路と、
   前記オフガスバイパス路を開閉するオフガスバイパス路開閉弁と、
   前記再循環路開閉弁及び前記オフガスバイパス路開閉弁を開弁した状態で、前記電動機により前記コンプレッサを駆動して、前記コンプレッサから前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料電池のカソード出口から前記オフガスバイパス路と前記エキスパンダと前記オフガス再循環路とを介して、前記酸化剤供給路にオフガスを再循環させるオフガス再循環運転を実行するコントローラと
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記オフガス再循環路と前記酸化剤排出路との接続箇所と、前記燃料電池のカソード出口との間の前記酸化剤排出路に設けられて、前記酸化剤排出路を開閉する排出路開閉弁を備え、
   前記コントローラは、前記排出路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   一端が前記エキスパンダの吐出口に接続された酸化剤放出路と、
   前記酸化剤放出路を開閉する放出路開閉弁とを備え、
   前記オフガスバイパス路は、前記エキスパンダの吐出口と前記放出路開閉弁との間の箇所で、前記酸化剤放出路に接続され、
   前記コントローラは、前記放出路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤供給路と前記オフガス再循環路との接続箇所と、前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路に設けられて、前記酸化剤供給路を開閉する供給路開閉弁を備え、
   前記コントローラは、前記供給路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤供給路と前記オフガス再循環路との接続箇所と、前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路に設けられて、前記酸化剤供給路を開閉する供給路開閉弁と、
   前記供給路開閉弁と前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路と、前記放出路開閉弁と前記酸化剤放出路の他端との間の前記酸化剤放出路との間を連通した酸化剤バイパス路と、
   前記酸化剤バイパス路を開閉する酸化剤バイパス路開閉弁と
   を備え、
   前記コントローラは、前記酸化剤バイパス路開閉弁を開弁状態とし、前記供給路開閉弁を閉弁状態として、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記コンプレッサと前記電動機と前記エキスパンダとが、回転軸を共通にして形成され、該回転軸がエアーベアリングにより軸支されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記オフガス再循環路と前記酸化剤排出路との接続箇所と、前記燃料電池のカソード出口との間の前記酸化剤排出路に設けられて、前記酸化剤排出路を開閉する排出路開閉弁と、
   一端が前記エキスパンダの吐出口に接続された酸化剤放出路と、
   前記酸化剤放出路を開閉する放出路開閉弁と、
   前記酸化剤供給路と前記オフガス再循環路との接続箇所と、前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路に設けられて、前記酸化剤供給路を開閉する供給路開閉弁とを備え、
   前記オフガスバイパス路は、前記エキスパンダの吐出口と前記放出路開閉弁との間の箇所で、前記酸化剤放出路に接続され、
   前記コントローラは、前記燃料電池の発電を停止させる第１工程を行った後に、前記供給路開閉弁と前記排出路開閉弁と前記放出路開閉弁とを閉弁する第２工程を行い、該第２工程に続いて前記再循環路開閉弁と前記オフガスバイパス路開閉弁を開弁する第３工程を行い、該第３工程に続いて前記電動機を起動する第４工程を行って、前記オフガス再循環運転を実行することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記供給路開閉弁と前記コンプレッサの吐出口との間の前記酸化剤供給路と、前記放出路開閉弁と前記酸化剤放出路の他端との間の前記酸化剤放出路との間を連通した酸化剤バイパス路と、
   前記酸化剤バイパス路を開閉する酸化剤バイパス路開閉弁と
   を備え、
   前記コントローラは、前記第３工程において、前記酸化剤バイパス路開閉弁を開弁することを特徴とする燃料電池システム。

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