JP2018092914A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】パージ動作を回復させ得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池１と、アノードに燃料ガスを供給する供給経路と、アノードから排出されたアノードオフガスを燃料ガスとして供給経路へ戻すリサイクル経路４と、リサイクル経路４に配置された循環ポンプ５と、循環ポンプ５よりも上流側のリサイクル経路４に接続し、且つ、アノードオフガスを外部へ排出する排出経路と、排出経路に設けられたパージ弁７と、制御部１２と、を備え、制御部１２は、パージ弁７を開状態にしてアノードオフガスを外部へ排出するパージ動作が異常であるか否かを判定し、パージ動作が異常であると判定した場合、アノードに供給される燃料ガスの流量を減少させる動作を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼電池システムに関し、特に、アノードオフガスを外部へ排出するパージ弁を備えた燃料電池システムに関する。
電解質に高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池では、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電している。このような燃料電池を備えた燃料電池システムでは、発電効率を向上させるために、デッドエンド方式及びリサイクル方式等の水素の供給量を減らす事が考えられている。例えば、デッドエンド方式の燃料電池では、アノードの出口を封止して、発電による水素の消費量を供給し、水素の供給量を削減している。また、リサイクル方式の燃料電池では、アノードから排出されたガスが未反応の水素を含んでいるとして、このガスを燃料ガスとしてアノードに供給して、水素の供給量を削減している。
しかしながら、アノードに繋がる経路が閉回路構造になるため、発電によってカソードで空気中の酸素が消費されて残った窒素がアノードへ高分子電解質膜を透過してしまうことがある。この場合、供給する燃料ガスの質量に対する反応する燃料ガスの質量（燃料利用率）が変化して、発電が不安定になる。
そこで、特許文献１に示す燃料電池システムでは、燃料電池本体の水素極から排出される水素ガスを再循環させて水素極に供給する水素循環経路と、水素極の出口側に水素を外部へ排出する水素極パージバルブとを設けている。前回のパージからの経過時間が所定のパージ周期に達すると、水素極パージバルブを全開にして、水素極パージを行い、水素極内の不純物を含む水素、及び水素極内のガス通路中の水滴を水素極から排出している。
また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給するための燃料ガス循環路と、燃料ガス循環路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁とを設けている。燃料電池スタックが一定電力量又は一定の時間発電した時、或いは水つまり等によるセル電圧の低下が検出された時、パージ弁を開放して、水素ガスとともに水分及び窒素を装置外部へ排出している。そして、パージ弁の閉故障が検出されると、燃料ガス循環路を循環する燃料ガスの流量を増加して、パージ弁の閉故障に伴い増加する水素極内の窒素を拡散することにより、窒素による燃料電池スタックのセルの劣化を防止している。
特開２００４−７１３０７ 特開２００６−１５６２８２
しかしながら、上記特許文献１及び２のいずれにおいても、水分及びごみ等の異物の詰りによるパージ動作が正常に行われない場合についての回復手段について言及されていない。このため、パージ動作の異常についての回復手段という観点から未だ改善の余地があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、パージ動作を回復させ得る燃料電池システムを提供することを目的としている。
本発明のある態様に係る燃料電池システムは、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する供給経路と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガスとして前記供給経路へ戻すリサイクル経路と、前記リサイクル経路に配置された循環ポンプと、前記循環ポンプよりも上流側の前記リサイクル経路に接続し、且つ、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出経路と、前記排出経路に設けられたパージ弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記パージ弁を開状態にして前記アノードオフガスを外部へ排出するパージ動作が異常であるか否かを判定し、前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記アノードに供給される前記燃料ガスの流量を減少させる動作を行う。
本発明は、燃料電池システムにおいてパージ動作を回復させ得るという効果を奏する。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態の変形例に係る燃料電池システムの動作方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の第４実施形態の変形例に係る燃料電池システムの構成を概略的に示すブロック図である。
（本発明の基礎となる知見）
本発明者等は、燃料電池システムにおけるパージ動作の異常に対する回復手段について鋭意検討を重ねた。この結果、本発明者等は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
すなわち、上記特許文献１及び２のいずれの燃料電池システムにおいても、定期的又は電圧低下等が検出されたタイミングで弁を開放して、水滴や窒素等を外部へ排出している。しかしながら、水滴及びごみ等の異物が排出経路及び弁等に詰まった場合、弁の開放だけでは異物を除去できない場合があり、パージ動作を正常に行うことができない。
この場合、弁よりも外側と内側との圧力差を大きくすることにより、この圧力差でもって排出経路又はパージ弁に詰まった異物をパージ弁の外側へ吹き飛ばして除去することができる。ただし、通常、パージ弁の外側は大気開放されているため、パージ弁よりも外側の圧力を変えることはできない。一方、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を上げることにより、パージ弁よりも内側の排出経路の圧力を上昇させることができる。しかしながら、燃料ガスの供給源の圧力、コスト及び構成等の観点から、燃料ガスの供給圧力が一定であって、パージ弁よりも内側の圧力を変えることはできない場合がある。このような場合、詰まった異物を除去することができず、パージ動作を回復させることができない。
これに対し、上記特許文献２の燃料電池システムでは、パージ弁の閉故障が検出された際、燃料ガス循環路を循環する燃料ガスの流量を増加している。この場合、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの流量が増し、これに伴い燃料電池スタックにおける圧力損失が増加して、燃料電池スタックから排出される圧力が減少する。これにより、パージ弁よりも内側の圧力が低下して、異物をパージ弁の外側へ吹き飛ばすことができない。よって、このようは方法によってもパージ動作を回復させることができない。
そこで、本発明者等は、アノードに供給される前記燃料ガスの流量を減少させる動作を行うことにより、パージ動作を回復させ得ることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされた。
（実施形態）
本発明の実施の第１態様に係る燃料電池システムは、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する供給経路と、前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガスとして前記供給経路へ戻すリサイクル経路と、前記リサイクル経路に配置された循環ポンプと、前記循環ポンプよりも上流側の前記リサイクル経路に接続し、且つ、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出経路と、前記排出経路に設けられたパージ弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記パージ弁を開状態にして前記アノードオフガスを外部へ排出するパージ動作が異常であるか否かを判定し、前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記アノードに供給される前記燃料ガスの流量を減少させる動作を行う。
この構成によれば、アノードに供給される燃料ガスの流量が減少することにより、アノードの流路を流れる燃料ガスの圧力損失が低減する。アノードに供給される燃料ガスの圧力が一定に調整されている場合、アノードの流路から排出されるアノードオフガスの圧力が上昇する。この結果、排出経路及びパージ弁等における異物の詰まりより上流側におけるアノードオフガスの圧力が上昇するため、この下流側との圧力差が大きくなる。よって、この圧力差でもって異物を除去し、異物の詰りによる異常なパージ動作を回復させることができる。
本発明の実施の第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、前記動作は、前記循環ポンプにより前記リサイクル経路を流れる前記アノードオフガスの流量を減少させる動作を含んでもよい。この構成によれば、アノードオフガスの流量を減少するに伴ってアノードに供給される燃料ガスの流量が減少するため、アノードの流路を流れる燃料ガスの圧力損失が低減する。これにより、大きくなった圧力差でもって異物を除去して、異物の詰りによるパージ動作を回復させることができる。
本発明の実施の第３態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、前記動作は、前記燃料電池の発電量を低下させる動作を含んでもよい。この構成によれば、燃料電池の発電量を低下させることにより、供給経路を介してアノードに供給される燃料ガスの流量が減少する。このため、アノードの流路を流れる燃料ガスの圧力損失が低減することにより、大きくなった圧力差でもって異物を除去して、異物の詰りによるパージ動作を回復させることができる。
本発明の実施の第４態様に係る燃料電池システムは、第１〜第３のいずれかの態様において、前記制御部は、前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を増加させた後に、前記動作を行ってもよい。この構成によれば、燃料ガスの流量を増加させることにより、動作でアノードに供給される燃料ガスの流量が減少させた際に、異物の詰まりよりも上流側と下流側との圧力差が更に大きくすることができる。よって、大きくなった圧力差でもって異物の詰りをより確実に除去して、パージ動作を回復させることができる。
本発明の実施の第５態様に係る燃料電池システムは、第１〜第４のいずれかの態様において、前記制御部は、前記動作を行った後に、前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記燃料電池システムを停止してもよい。この構成によれば、パージ弁の故障等の異物の詰り以外の原因でパージ動作が異常である場合、燃料電池システムを停止して、原因に応じた適切な処置を行うことができる。
本発明の実施の第６態様に係る燃料電池システムは、第１〜第５のいずれかの態様において、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出部を更に備え、前記制御部は、前記パージ動作中に前記発電電圧が所定電圧未満である場合に前記パージ動作が異常であると判定してもよい。この構成によれば、パージ動作が正常に行われると、アノードオフガスが排出されて、水素濃度が増加し、発電電圧が上昇する。この発電電圧の上昇が検出されなければ、パージ動作が正常に行われていないと判定することができる。
本発明の実施の第７態様に係る燃料電池システムは、第１〜第５のいずれかの態様において、前記供給経路を流れる前記燃料ガスの流量及び前記排出経路を流れる前記アノードオフガスの流量の少なくともいずれか一方を検出する流量検出部を更に備え、前記制御部は、前記パージ動作中に前記流量が所定流量未満である場合に前記パージ動作が異常であると判定してもよい。この構成によれば、パージ動作が正常に行われると、アノードオフガスが排出され、それを補うように供給経路から燃料ガスが供給される。この燃料ガスの供給流量の上昇が検出されなければ、パージ動作が正常に行われていないと判定することができる。
本発明の実施の第８態様に係る燃料電池システムは、第１〜第５のいずれかの態様において、前記燃料ガスは水素を含み、外部へ排出される前記アノードオフガス中の水素濃度を検出する濃度検出部を更に備え、前記制御部は、前記パージ動作中に前記水素濃度が所定濃度未満である場合に前記パージ動作が異常であると判定してもよい。この構成によれば、パージ動作が正常に行われると、水素を含有するアノードオフガスが外部へ排出される。このアノードオフガス中の水素が検出されなければ、パージ動作が正常に行われていないと判定することができる。
本発明の実施の第９態様に係る燃料電池システムは、第１〜第８のいずれかの態様において、前記供給経路を流れる前記燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器を更に備えていてもよい。この構成によれば、燃料電池の圧力損失に応じた適切な圧力で燃料ガスを燃料電池に供給することができる。
本発明の実施の第１０態様に係る燃料電池システムは、第９態様において、前記圧力調整器は、ガバナであってもよい。この構成によれば、ガバナにより燃料ガスを一定な圧力で供給することができる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
［装置構成］
まず、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成ついて、図１を参照しながら説明する。燃料電池システム１００は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池１、アノードに燃料ガスを供給する供給経路（第１供給経路）２、カソードに酸化剤ガスを供給する供給経路（第２供給経路）８、及び、各部を制御する制御部１２を備えている。
また、燃料電池システム１００には、アノードから排出されたアノードオフガスを外部へ排出する排出経路（第１排出経路）６、及び、カソードから排出されたカソードオフガスが流れる排出経路（第２排出経路）１０を備えられている。更に、燃料電池１では燃料ガス中の水素が発電に用いられるが、燃料電池１から排出されるアノードオフガスには水素がまだ含まれている。このため、アノードオフガスを燃料ガスとして再利用することができる。よって、燃料電池システム１００には、アノードオフガスを第１供給経路２へ戻すリサイクル経路４が備えられている。
このように、燃料電池１のアノードに供給される燃料ガスは、第１供給経路２を介して供給される燃料ガスと、リサイクル経路４を介して燃料ガスとして供給されるアノードオフガスとを含んでいる。
燃料電池１は膜電極接合体（ＭＥＡ）の積層体を有し、ＭＥＡは、高分子電解質膜を用いた電解質、並びにこれを互いの間に挟持したアノード及びカソードにより構成されている。アノード及びカソードのそれぞれは、白金等の貴金属触媒を坦持したカーボン粒子からなる触媒層と、カーボンペーパーやカーボンフェルトからなるガス拡散層とにより構成されている。
ＭＥＡは一対のセパレータの間に挟まれており、一方のセパレータとアノードとの間には第１経路が設けられ、他方のセパレータとカソードとの間には第２経路が設けられている。アノードには第１経路を介して燃料ガスが供給され、カソードには第２経路を介して酸化剤ガスが供給される。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応して、発電が行われる。なお、燃料電池１には、その発電電圧を検出する電圧検出部１ａが設けられており、電圧検出部１ａは検出値を制御部１２へ出力する。
第１供給経路２は、燃料ガス供給源（図示せず）、及び、燃料電池１の第１経路の入口に接続されている。燃料ガスは、燃料ガス供給源から第１供給経路２及び第１経路を介してアノードに供給される。この燃料ガスは、水素又は水素を含有するガスであって、例えば、都市ガス等の原料ガスを改質器にて改質反応して得られる改質ガス、及び、水電解等から得られる水素が用いられる。第１供給経路２には、内部を流れる燃料ガスが可燃性ガスであるために難燃性材料の配管（例えば、ステンレス製配管等の金属配管）が一般的に用いられる。なお、第１供給経路２により供給される燃料ガスの流量は燃料電池１の発電量に応じて調整されている。また、第１供給経路２には燃料ガスを加湿するための加湿器が設けられていてもよい。
燃料ガス供給源から第１供給経路２を介して供給される燃料ガスの圧力は、燃料電池１の第１経路を流れる燃料ガスの圧力損失に基づいて一定になるように設定されている。例えば、燃料ガス供給源が改質器であって、改質器に都市ガス等の原料ガスが原料ガス供給源から供給されている。この場合、原料ガス供給源から改質器に供給される原料ガスの圧力が低いため、改質器から第１供給経路２を介して供給される燃料ガスの圧力が低くなり、燃料ガスの一次圧力が第１経路を流れる燃料ガスの圧力損失よりも低くなることがある。この場合、第１供給経路２に昇圧器を設け、昇圧器によって燃料ガスを昇圧して第１経路へ供給する。
一方、例えば、燃料ガス供給源が水素タンク等の場合、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスの圧力が高くなり、第１経路に供給される燃料ガスの一次圧力が第１経路を流れる燃料ガスの圧力損失より高くなることがある。この場合、第１供給経路２に圧力調整器３を設け、圧力損失より高い所定の圧力に燃料ガスを圧力調整器３によって調整して第１経路へ供給する。なお、ここでは、圧力調整器３を用いた場合について説明するが、昇圧器を用いた場合についても同様の下記制御を行うため、その説明を省略する。
圧力調整器３は、第１供給経路２を流れる燃料ガスの圧力を調整する機器であって、例えば、圧力を可変できる駆動式調圧弁及びレギュレータと、圧力を一定値に調整するガバナとを備えている。これにより、燃料ガス供給源から燃料電池１の第１経路に供給される燃料ガスの圧力は一定に保たれる。
第２供給経路８は、酸化剤ガス供給器９、及び、燃料電池１の第２経路の入口に接続し、酸化剤ガス供給器９から第２供給経路８及び第２経路を介してカソードに酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスには、例えば空気を用いることができる。酸化剤ガスに空気を用いる場合、酸化剤ガス供給器９は、例えば、コンプレッサー及び電磁誘導式のダイアフラムポンプ等により構成されていてもよい。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給器９で昇圧されて燃料電池１の第２経路へ供給される。なお、第２供給経路８には、酸化剤ガスを加湿するための加湿器（図示せず）が設けられていてもよい。
リサイクル経路４は、燃料電池１の第１経路の出口、及び第１供給経路２を接続する。このリサイクル経路４との接続点よりも下流側の第１供給経路２、第１経路、及びリサイクル経路４は、アノードから流出したアノードオフガスが循環する経路を構成する。これにより、第１経路の出口から排出されたアノードオフガスを循環させて、第１供給経路２により供給される燃料ガスと混合させて燃料ガスとして第１経路の入口に再び供給する。このリサイクル経路４には、内部を流れるアノードオフガスが可燃性ガスであるために難燃性材料の配管（例えば、ステンレス製配管等の金属配管）が一般的に用いられる。リサイクル経路４には、循環ポンプ５が設けられている。
循環ポンプ５は、第１経路の出口から流出したアノードオフガスを第１経路の入口へ流入させるためにリサイクル経路４におけるアノードオフガスの流量を制御する昇圧ポンプである。循環ポンプ５には、例えば、入力電圧によりアノードオフガスの流量を調整できる電磁誘導式のダイアフラムポンプが用いられる。第１経路における圧力損失によってリサイクル経路４に流れるアノードオフガスの圧力は、第１供給経路２を流れる燃料ガスの圧力よりも低くなり、アノードオフガスをリサイクル経路４から第１供給経路２に流入させることができない。よって、循環ポンプ５を用いることにより、リサイクル経路４におけるアノードオフガスの圧力を上昇させて、アノードオフガスを第１供給経路２に流入させるようにしている。
第１排出経路６は、循環ポンプ５よりも上流側のリサイクル経路４に接続し、燃料電池システム１００の外部へ延びている。この第１排出経路６には、内部を流れるアノードオフガスが可燃性ガスであるために難燃性材料の配管（例えば、ステンレス製配管等の金属配管）が一般的に用いられる。第１排出経路６にはパージ弁７が設けられている。パージ弁７には、例えば、ソレノイド式の電磁弁が用いられる。パージ弁７が開放され開状態にされることによりリサイクル経路４を流れるアノードオフガスが第１排出経路６を介してパージ弁７を通り外部へ排出される。
第２排出経路１０は、燃料電池１の第２経路の出口と接続し、第２経路から排出されるカソードオフガスを排出する。例えば、第２供給経路８に加湿器が設けられている場合、カソードオフガスは水分を含む。また、燃料電池１における発電の際に水分が生成されるため、この水分もカソードオフガスは含んでいる。よって、第２排出経路１０には、水分により腐食しにくい配管（例えば、ステンレス配管及び架橋ポリエチレンの樹脂配管）が用いられる。
制御部１２は、ＣＰＵ等の演算部（図示せず）、及びＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部（図示せず）を備えている。記憶部には燃料電池システム１００の基本プログラム及び各種固定データ等の情報が記憶されており、演算部はこの基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、制御部１２は各部の動作を制御する。なお、制御部１２は、集中制御する単独の制御部１２によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御部１２によって構成されていてもよい。
制御部１２は、アノードオフガスを外部へ排出するパージ動作が異常であるか否かを判定する判定部１１を備えている。例えば、判定部１１は、パージ動作中に発電電圧が所定電圧未満である場合にパージ動作が異常であると判定する。そして、制御部１２は、判定部１１によりパージ動作が異常であると判定された場合、アノードに供給される燃料ガスの流量を減少させる動作を行う。なお、判定部１１は、一機能として制御部１２に備えられている。
次に、燃料電池システム１００の運転方法について、図２を参照して説明する。この運転方法は、制御部１２により制御されている。ここでは、酸化剤ガスとして空気を用いた場合について説明する。
まず、制御部１２は、パージ弁７を閉じて閉状態になるように制御する。そして、燃料電池１の発電量に応じた流量の燃料ガスが燃料電池１に供給されるように、アノードオフガスの流量及び燃料ガスの流量を制御する。これにより、燃料電池１のアノードに燃料ガスが供給されて、燃料電池１において燃料ガスとカソードに供給された空気との電気化学反応によって発電する(ステップＳ１)。
この発電中に、空気中の窒素が高分子電解質膜を介してカソードからアノードへこの分圧差により透過し、アノードオフガスに混入する現象が知られている。アノードオフガスを循環させている場合、透過した窒素はアノードオフガスに累積的に溜まっていくため、アノードオフガスにおける水素濃度が低下していく。これに伴い、アノードオフガスを含む燃料ガスにおいても水素濃度が低下することにより、燃料電池１の発電に必要な水素濃度を維持できなくなり、電圧が低下する。
そこで、制御部１２の判定部１１は、パージ動作を行う否かを判定する(ステップＳ２)。例えば、判定部１１は、燃料電池１の運転中の発電電圧を電圧検出部１ａの検出値に基づき監視する。発電電圧が前回のパージ動作で回復した電圧から低下して第１所定電圧に達すると、水素濃度が低下したとしてパージ動作を行うと判定する(ステップＳ２：ＹＥＳ)。なお、第１所定電圧は、例えば、予めに取得した燃料利用率と発電電圧の関係から決定される。また、判定部１１は、前回のパージ動作からの経過時間が所定時間に達すると、水素濃度が低下したとしてパージ動作を行うと判定してもよい。この所定時間は、実験等により予め求められている。
ここで、判定部１１によりパージ動作を行うと判定されなければ(ステップＳ２：ＮＯ)、ステップＳ１の処理に戻り、燃料電池１の発電を継続する。一方、パージ動作を行うと判定されると(ステップＳ２：ＹＥＳ)、制御部１２はパージ弁７を開状態にしてパージ動作を実行する(ステップＳ３)。
パージ動作では、リサイクル経路４から第１排出経路６を介してパージ弁７を通りアノードオフガスが外部へ排出され、燃料電池１に供給されるアノードオフガスが減少する。このため、燃料電池１に供給される燃料ガスのうち、第１供給経路２から供給された燃料ガスの割合が増えて、燃料電池１に供給される燃料ガスにおける水素濃度が上昇する。この水素濃度の上昇に伴い、電圧検出部１ａにより検出された発電電圧が上昇し、第２所定電圧に達すると、判定部１１はパージ動作が正常であると判定する(ステップＳ４：ＮＯ)。この第２所定電圧は、例えば、燃料電池１に供給される燃料ガス中の水素濃度により発電が継続可能な電圧に設定される。そして、制御部１２は、パージ弁７を閉状態にしてパージ動作を終了し(ステップＳ５)、発電を継続する(ステップＳ１)。
一方、第１排出経路６又はパージ弁７に異物が詰まっていると、アノードオフガスが外部へ排出されないため、燃料電池１に供給される燃料ガスにおける水素濃度が低下し続け、発電電圧の低下も継続する。例えば、パージ動作から所定時間が経過しても発電電圧が第２所定電圧に達しない、又は、発電電圧が第２所定電圧よりも低い第３所定電圧に達する等の所定条件が満たされると、判定部１１はパージ動作が異常であると判定する(ステップＳ４：ＹＥＳ)。なお、制御部１２に、パージが正常である場合のI-Vデータをあらかじめ格納し、パージ動作時の電流と当該I-Vデータから、回復できる電圧値を第２所定電圧とし、それ未満であった場合に異常と判断するようにしてもよい。
制御部１２は、動作を開始する。動作では、循環ポンプ５によりリサイクル経路４を流れるアノードオフガスの流量を減少させる動作を行う(ステップＳ６)。
具体的には、制御部１２が循環ポンプ５の入力電圧を下げることにより、リサイクル経路４を流れるアノードオフガスの流量を減少させる。ここで、燃料電池１の発電量に応じた流量の燃料ガスが燃料電池１に供給されるように、アノードオフガスの流量が制御されている。ただし、燃料電池１の発電量に応じた燃料ガスの流量には幅があるため、その流量幅の内の最低流量以上の流量までアノードオフガスの流量を減少させていく。これにより、燃料ガス不足による燃料電池１の劣化を防止しながら、アノードオフガスの流量が減少させることができる。
このように、燃料電池１へ供給される燃料ガスの流量が減少すると、燃料電池１の第１経路を流れる燃料ガスの圧力損失を低減する。この際、圧力調整器３により燃料ガスの供給圧力は一定値に保持されているため、圧力損失の低減により第１経路から第１排出経路６に排出されるアノードオフガスの圧力は動作前の圧力よりも高くなる。また、パージ弁７は開状態であるため、第１排出経路６又はパージ弁７に詰まった異物よりも下流側の圧力は、外部の圧力（例えば、大気圧）と等しい。この結果、第１排出経路６又はパージ弁７に詰まった異物よりも上流側の圧力が下流側の圧力よりも高まり、大きくなった圧力差によって異物を吹き飛ばして除去することができる。
判定部１１は、動作により異物の詰りが解消し、パージ動作が回復したか否かを判定する(ステップＳ７)。ここで、詰りが解消するまでは、アノードオフガスが外部へ排出されず、発電電圧が低下して第２所定電圧に至らないため、判定部１１はパージ動作が回復していないと判定し(ステップＳ７：ＮＯ)、動作を継続する(ステップＳ６、Ｓ７)。
一方、詰りが解消すると、アノードオフガスが第１排出経路６を介してパージ弁７により外部へ排出されるため、発電電圧が第２所定電圧に達し、判定部１１はパージ動作が回復したと判定する(ステップＳ７：ＹＥＳ)。そして、循環ポンプ５によりリサイクル経路４を流れるアノードオフガスの流量を動作前の流量に戻して(ステップＳ８)、動作を終了する。そして、制御部１２は、パージ弁７を閉状態にして(ステップＳ５)、パージ動作を終了する。そして、ステップＳ１の処理に戻る。
上記実施形態によれば、燃料電池１に供給される燃料ガスの圧力を高くすることができず、第１供給経路２から供給される燃料ガスの流量が燃料電池１の発電量により調整されている燃料電池システム１００であっても、燃料ガスの流量を減少させることにより、第１排出経路６の圧力を高め、異物を除去することができる。これにより、異物により正常に行われなかったパージ動作を回復させ得る。
（第１実施形態の変形例１）
次に、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１００の構成について、図３を参照して説明する。この変形例１の燃料電池システム１００は、第１供給経路２に設けられた流量検出部２１を更に備えている。また、判定部１１は、パージ動作中に流量が所定流量未満である場合にパージ動作が異常であると判定する。それ以外の構成、作用及び効果は、図１に示す燃料電池システム１００と同様であるので、その説明を省略する。
流量検出部２１は、リサイクル経路４の接続点よりも上流側の第１供給経路２に設けられ、リサイクル経路４のアノードオフガスと混合される前の燃料ガスの流量を検出し、検出値を制御部１２へ出力する。流量検出部には、例えば、熱式のＭＥＭＳを備えた流量センサが用いられる。
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。図３の燃料電池システム１００において図２のフローチャートのステップＳ４及びＳ７以外の処理は図１の燃料電池システム１００の動作方法と同様であるため、その説明を省略する。
ステップＳ３においてパージ弁７を開状態にしてパージ動作を実行した際、パージ動作が正常に行われていると、アノードオフガスが第１排出経路６から外部へ排出されて第１供給経路２に戻らない。このアノードオフガスを補うように、第１供給経路２を介して燃料電池１へ供給される燃料ガスの流量が増加する。このため、流量検出部により検出された燃料ガスの流量が増加して所定流量に達すると、判定部１１はパージ動作が正常であると判定する(ステップＳ４：ＮＯ)。
一方、第１排出経路６又はパージ弁７に異物が詰まっていると、アノードオフガスが外部へ排出されない。このため、例えば、パージ動作から所定時間が経過しても流量検出部による検出流量が所定流量に達しなければ、判定部１１はパージ動作が異常であると判定する(ステップＳ４：ＹＥＳ)。
また、ステップＳ６において動作が行われ、異物が除去されると、アノードオフガスが外部へ排出される。これにより、流量検出部による検出流量が所定流量に達すると、判定部１１はパージ動作が回復したと判定する(ステップＳ７：ＹＥＳ)。
なお、図３に示す燃料電池システム１００では、流量検出部を、リサイクル経路４の接続点よりも上流側の第１供給経路２に設けたが、流路検出部の位置はこれに限定されない。例えば、リサイクル経路４のアノードオフガスの流量を検出する流量検出部をリサイクル経路４に設けてもよい。この場合、パージ動作が正常に行われていると、アノードオフガスが第１排出経路６から外部へ排出され、リサイクル経路４のアノードオフガスの流量が減少し所定流量に達する（所定流量以下になる）ため、判定部１１はパージ動作が正常である(ステップＳ４：ＮＯ)、又は、パージ動作が回復したと判定することができる(ステップＳ７：ＹＥＳ)。一方、パージ動作が正常に行われていないと、アノードオフガスが第１排出経路６から外部へ排出されず、リサイクル経路４のアノードオフガスの流量が所定流量に達しない（所定流量より多い）ため、判定部１１はパージ動作が異常である(ステップＳ４：ＹＥＳ)、又は、パージ動作が回復していないと判定する(ステップＳ７：ＮＯ)。
また、第１排出経路６のアノードオフガスの流量を検出する流量検出部を第１排出経路６に設けてもよい。この場合、パージ動作が正常に行われていると、アノードオフガスが第１排出経路６から外部へ排出され、第１排出経路６のアノードオフガスの流量が増加し所定流量に達する（所定流量以上になる）ため、判定部１１はパージ動作が正常である(ステップＳ４：ＮＯ)、又は、パージ動作が回復したと判定することができる(ステップＳ７：ＹＥＳ)。
一方、パージ動作が正常に行われていないと、アノードオフガスが第１排出経路６から外部へ排出されず、第１排出経路６のアノードオフガスの流量が所定流量に達しない（所定流量未満である）ため、判定部１１はパージ動作が異常である(ステップＳ４：ＹＥＳ)、又は、パージ動作が回復していないと判定する(ステップＳ７：ＮＯ)。
（第１実施形態の変形例２）
次に、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１００の構成について、図４を参照して説明する。この変形例２の燃料電池システム１００は、濃度検出部３１を更に備えている。また、判定部１１は、パージ動作中に水素濃度が所定濃度未満である場合にパージ動作が異常であると判定する。それ以外の構成、作用及び効果は、図１に示す燃料電池システム１００と同様であるので、その説明を省略する。
濃度検出部３１は、燃料電池システム１００の外部に設けられており、第１排出経路６の出口又はその近傍に配置されている。濃度検出部３１は、第１排出経路６を介して外部へ排出されるアノードオフガス中の水素濃度を検出し、検出値を制御部１２へ出力する。濃度検出部３１には、例えば、燃焼式濃度検出部及び半導体式濃度検出部が用いられる。
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。図４の燃料電池システム１００において図２のフローチャートのステップＳ４及びＳ７以外の処理は図１の燃料電池システム１００の動作方法と同様であるため、その説明を省略する。
ステップＳ３においてパージ弁７を開状態にしてパージ動作を実行した際、パージ動作が正常に行われていると、アノードオフガスが第１排出経路６から外部へ排出される。アノードオフガスは水素を含むため、濃度検出部３１により検出された水素濃度が増加して所定濃度に達すると、判定部１１はパージ動作が正常であると判定する(ステップＳ４：ＮＯ)。
一方、第１排出経路６又はパージ弁７に異物が詰まっていると、アノードオフガスが外部へ排出されない。このため、例えば、パージ動作から所定時間が経過しても濃度検出部３１による検出濃度が所定濃度に達しなければ、判定部１１はパージ動作が異常でなると判定する(ステップＳ４：ＹＥＳ)。
また、ステップＳ６において動作が行われ、異物が除去されると、アノードオフガスが外部へ排出される。これにより、濃度検出部３１による検出濃度が増加して所定濃度に達すると、判定部１１はパージ動作が回復したと判定する(ステップＳ７：ＹＥＳ)。
（第２実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、動作時に、循環ポンプ５によりリサイクル経路４を流れるアノードオフガスの流量を減少させて、アノードに供給される燃料ガスの流量を減少させた。これに対し、第２実施形態に係る燃料電池システム１００では、動作時に、燃料電池１の発電量を低下させて、アノードに供給される燃料ガスの流量を減
少させる。これ以外の構成、作用及び効果については、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は第１実施形態に係る燃料電池システム１００と同様であるため、その説明を省略する。
燃料電池システム１００の動作方法について図５を参照して説明する。図５のフローチャートに示す動作方法では、図２のフローチャートのステップＳ６に代えてステップＳ１６の処理を行い、図２のフローチャートのステップＳ８に代えてステップＳ１８の処理を行っている。これ以外の処理は図２の各処理と同様であるため、その説明を省略する。
ステップＳ４の処理においてパージ動作が異常であると判定されると(ステップＳ４：ＹＥＳ)、制御部１２は、動作を開始する。動作では、燃料電池１の発電量を低下させる動作を行う(ステップＳ１６)。
具体的には、燃料電池１の発電量を低下させると、燃料ガス供給器から第１供給経路２を介して供給される燃料ガスの流量、延いては、燃料電池１の第１経路に供給される燃料ガスの流量が減少する。これにより、燃料電池１の第１経路における燃料ガスの圧力損失が低下し、第１経路から第１排出経路６に排出されるアノードオフガスの圧力が増加する。異物の詰りよりも上流側の第１排出経路６におけるアノードオフガスの圧力と下流側の第１排出経路６におけるアノードオフガスの圧力又は外部の圧力との差が大きくなり、異物が吹き飛ばされて、異物の詰まりが解消することができる。
これにより、アノードオフガスがパージ弁７から外部へ排出され、発電電圧が上昇して第２所定電圧に達すると、パージ動作が回復したと判定される(ステップＳ７：ＹＥＳ)。このため、制御部１２は、燃料電池１の発電量をその低下前の発電量に戻して(ステップＳ１８)、動作を終了する。
なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１００と同様に、流量検出部２１を更に備えていてもよい。この流量検出部は、リサイクル経路４の接続点よりも上流側の第１供給経路２、及び第１排出経路６のいずれかに設けられていればよい。そして、判定部１１は、パージ動作中に流量が所定流量未満である場合にパージ動作が異常であると判定する。又は、流量検出部は、リサイクル経路４に設けられていればよい。この場合、判定部１１は、パージ動作中に流量が所定流量以上である場合にパージ動作が異常であると判定する。このように、第２実施形態に係る燃料電池システム１００が、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１００と同じ構成を有することにより、これと同様の作用及び効果を奏する。
また、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１００と同様に、アノードオフガス中の水素濃度を検出する濃度検出部３１を更に備えていてもよい。そして、判定部１１は、パージ動作中に水素濃度が所定濃度未満である場合にパージ動作が異常であると判定する。このように、第２実施形態に係る燃料電池システム１００が、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１００と同じ構成を有することにより、これと同様の作用及び効果を奏する。
（第３実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、判定部１１によりパージ動作が異常であると判定された場合、動作を行った。これに対し、第３実施形態に係る燃料電池システム１００では、判定部１１によりパージ動作が異常であると判定された場合、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量を増加させた後に、動作を行う。これ以外の構成、作用及び効果については、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は第１実施形態に係る燃料電池システム１００と同様であるため、その説明を省略する。
燃料電池システム１００の動作方法について図６を参照して説明する。図６のフローチャートに示す動作方法では、図２のフローチャートのステップＳ６の前にステップＳ９の処理を行う。これ以外の処理は図２の各処理と同様であるため、その説明を省略する。
ステップＳ４の処理において、判定部１１によりパージ動作が異常であると判定されると(ステップＳ４：ＹＥＳ)、制御部１２は、循環ポンプ５の入力電圧を上げることにより、リサイクル経路４を流れるアノードオフガスの流量が増加させて、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量を増加させる。ここで、燃料電池１の発電量に応じた流量の幅の内の最高流量以下の流量までアノードオフガスの流量を増加する。
これに続いて、制御部１２は、循環ポンプ５の入力電圧を下げて、アノードオフガスの流量を減少させる(ステップＳ６)。ここで、燃料電池１の発電量に応じた流量の幅の内の最低流量以上の流量までアノードオフガスの流量を減少する。
このように、動作におけるアノードオフガスの流量減少前に、アノードオフガスの流量を増加させることにより、異物よりも上流側と下流側との圧力差が更に大きくなる。このため、異物を除去する力が増し、異物が更に除去され易くなる。
なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においても、第３実施形態に係る燃料電池システム１００と同様に、図７に示すように、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量を増加させた後に動作を行ってもよい。
この場合、図７のフローチャートに示す動作方法では、図５のフローチャートのステップＳ１６の前にステップＳ１９の処理を行う。これ以外の処理は図５の各処理と同様であるため、その説明を省略する。ステップＳ４の処理において、判定部１１によりパージ動作が異常であると判定されると(ステップＳ４：ＹＥＳ)、制御部１２は、燃料電池１の発電量を増加させる。これにより、発電量に応じて第１供給経路２の燃料ガスの流量は増加する。このように、第２実施形態に係る燃料電池システム１００が、第３実施形態に係る燃料電池システム１００と同じ構成を有することにより、これと同様の作用及び効果を奏する。
また、第３実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１００と同様に、リサイクル経路４の接続点よりも上流側の第１供給経路２、及び第１排出経路６のいずれかに設けられた流量検出部２１を更に備えていてもよい。そして、パージ動作中に流量が所定流量未満である場合に、判定部１１はパージ動作が異常であると判定してもよい。又は、流量検出部は、リサイクル経路４に設けられていればよい。この場合、判定部１１は、パージ動作中に流量が所定流量以上である場合にパージ動作が異常であると判定する。
更に、第３実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１００と同様に、アノードオフガス中の水素濃度を検出する濃度検出部３１を更に備えていてもよい。そして、パージ動作中に水素濃度が所定濃度未満である場合、判定部１１はパージ動作が異常であると判定してもよい。
（第４実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、判定部１１によりパージ動作が回復しないと判定された場合、動作を継続した。これに対し、第４実施形態に係る燃料電池システム１００では、制御部１２は、動作を行った後に、判定部１１によりパージ動作が異常であると判定された場合、燃料電池システム１００を停止する。これ以外の構成、作用及び効果については、第４実施形態に係る燃料電池システム１００は第１実施形態に係る燃料電池システム１００と同様であるため、その説明を省略する。
燃料電池システム１００の動作方法について図８を参照して説明する。図８のフローチャートに示す動作方法では、図２のフローチャートのステップＳ７で「ＮＯ」と判定された場合、ステップＳ１０の処理を行う。これ以外の処理は図２の各処理と同様であるため、その説明を省略する。
ステップＳ７の処理において、動作を行っても、判定部１１によりパージ動作が回復していないと判定されると(ステップＳ７：ＮＯ)、制御部１２は、パージ動作の異常が異物の詰りによるものでなく、パージ弁７の故障等であるとして、燃料電池システム１００を停止する(ステップＳ１０)。このように、燃料電池システム１００が停止されることにより、故障したパージ弁７の修理及び取り替え等の適切な処理を行うことができる。
なお、第２実施形態に係る燃料電池システム１００においても、第４実施形態に係る燃料電池システム１００と同様に、図９のフローチャートに示すように、判定部１１によりパージ動作が回復されていないと判定された場合(ステップＳ７：ＮＯ)、燃料電池システム１００を停止してもよい(ステップＳ１０)。このように、第２実施形態に係る燃料電池システム１００が、第３実施形態に係る燃料電池システム１００と同じ構成を有することにより、これと同様の作用及び効果を奏する。
また、第３実施形態に係る燃料電池システム１００においても、第４実施形態に係る燃料電池システム１００と同様に、判定部１１によりパージ動作が回復されていないと判定された場合、燃料電池システム１００を停止してもよい。
更に、第４実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態の変形例１に係る燃料電池システム１００と同様に、リサイクル経路４の接続点よりも上流側の第１供給経路２、及び第１排出経路６のいずれかに設けられた流量検出部２１を更に備えていてもよい。そして、パージ動作中に流量が所定流量未満である場合に、判定部１１はパージ動作が異常であると判定してもよい。又は、流量検出部は、リサイクル経路４に設けられていればよい。この場合、判定部１１は、パージ動作中に流量が所定流量以上である場合にパージ動作が異常であると判定する。
更に、第４実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態の変形例２に係る燃料電池システム１００と同様に、アノードオフガス中の水素濃度を検出する濃度検出部３１を更に備えていてもよい。そして、パージ動作中に水素濃度が所定濃度未満である場合、判定部１１はパージ動作が異常であると判定してもよい。
なお、上記全実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、パージ動作を回復させ得る燃料電池システム等として有用である。
１ ：燃料電池
１ａ ：電圧検出部
２ ：第１供給経路（供給経路）
３ ：圧力調整器
４ ：リサイクル経路
５ ：循環ポンプ
６ ：第１排出経路（排出経路）
７ ：パージ弁
１１ ：判定部
１２ ：制御部
２１ ：流量検出部
３１ ：濃度検出部
１００ ：燃料電池システム

Claims (10)

  1. アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記アノードに前記燃料ガスを供給する供給経路と、
    前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガスとして前記供給経路へ戻すリサイクル経路と、
    前記リサイクル経路に配置された循環ポンプと、
    前記循環ポンプよりも上流側の前記リサイクル経路に接続し、且つ、前記アノードオフガスを外部へ排出する排出経路と、
    前記排出経路に設けられたパージ弁と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記パージ弁を開状態にして前記アノードオフガスを外部へ排出するパージ動作が異常であるか否かを判定し、
    前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記アノードに供給される前記燃料ガスの流量を減少させる動作を行う、燃料電池システム。
  2. 前記動作は、前記循環ポンプにより前記リサイクル経路を流れる前記アノードオフガスの流量を減少させる動作を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記動作は、前記燃料電池の発電量を低下させる動作を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を増加させた後に、前記動作を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御部は、前記動作を行った後に、前記パージ動作が異常であると判定した場合、前記燃料電池システムを停止する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出部を更に備え、
    前記制御部は、前記パージ動作中に前記発電電圧が所定電圧未満である場合に前記パージ動作が異常であると判定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記供給経路を流れる前記燃料ガスの流量及び前記排出経路を流れる前記アノードオフガスの流量の少なくともいずれか一方を検出する流量検出部を更に備え、
    前記制御部は、前記パージ動作中に前記流量が所定流量未満である場合に前記パージ動作が異常であると判定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料ガスは水素を含み、
    外部へ排出される前記アノードオフガス中の水素濃度を検出する濃度検出部を更に備え、
    前記制御部は、前記パージ動作中に前記水素濃度が所定濃度未満である場合に前記パージ動作が異常であると判定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記供給経路を流れる前記燃料ガスの圧力を調整する圧力調整器を更に備えている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記圧力調整器は、ガバナである、請求項９に記載の燃料電池システム。
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