JP2019149225A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可燃ガスセンサの劣化を抑制すること。【解決手段】本発明の燃料電池システム（１００）は、燃料電池（２０）、アノードガス供給経路（３１）、循環経路（３３）及びパージ経路（５２）を備えている。筐体（１０）の内部にはガス合流部（５３）が設けられている。ガス合流部（５３）は、パージ経路（５２）を通じて循環経路（３３）から排出された水素含有ガスを所定の合流位置（５７）において希釈ガスに合流させる。筐体（１０）には、希釈ガスによって希釈された水素含有ガスをガス合流部（５３）から筐体（１０）の外部に排出させるための排気口（１２）が設けられている。所定の合流位置（５７）を基準として、希釈ガスの流れ方向の上流側に可燃ガスセンサ（５４）が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池システムは、水素含有ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることによって電力を生成するためのシステムである。燃料電池システムによれば、高効率な小規模発電が可能である。

従来の燃料電池システムでは、水素利用効率を上げるために、発電に使用されなかった水素含有ガス（「アノードオフガス」とも称する）が燃料電池のアノードガス供給経路に戻されてリサイクルされることがある。ただし、アノードオフガスには窒素ガスなどの不純物が含まれている。そのため、アノードオフガスのリサイクルを長時間続けると、アノードガス供給経路を流れる水素含有ガス中の不純物の濃度が上昇し、発電効率が低下する可能性がある。したがって、アノードオフガスをアノードガス供給経路に戻すためのリサイクル経路から不純物を含むガスを外部に定期的に排出することが必要である。リサイクル経路から排出されたガスは、パージガス（purged gas）と呼ばれている。

パージガスには、不純物だけでなく、可燃性を有する水素ガスが含まれている。したがって、パージガスを空気で希釈して水素ガスの濃度を安全な濃度まで下げたのち、希釈されたパージガスを燃料電池システムの外部（例えば、筐体の外部）に排出することが重要である。パージガスに含まれた水素ガスの濃度を検出するために、通常、可燃ガスセンサが使用されている。

特許文献１には、アノードから排出されたガスとカソードから排出されたガスとを混合したのち、大気中に排出するように構成された自動車用燃料電池システムが記載されている。

図７は、特許文献１に記載された従来の自動車用燃料電池システムを示すものである。図７に示すように、特許文献１に記載された自動車用燃料電池システムは、燃料電池スタック２０１、換気用配管２０３、排出燃料希釈器２０５、逃がし弁２０７及び水素センサ２０９を備えている。水素センサ２０９は、排出燃料希釈器２０５の内部に配置されている。逃がし弁２０７を通じて、換気用配管２０３から排出燃料希釈器２０５に空気が導かれる。排出燃料希釈器２０５において、アノードオフガスが空気によって希釈される。

特許第４４７７８２０号公報

しかしながら、水素センサなどの可燃ガスセンサは、水分に弱い。したがって、高湿度のパージガスに晒される環境に可燃ガスセンサが配置されていると、可燃ガスセンサが早く劣化する。そのため、可燃ガスセンサの点検及び交換のサイクルを早める必要がある。このことは、燃料電池システムの価値を低下させる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、可燃ガスセンサの劣化を抑制し、高い安全性を長期にわたって維持することができる燃料電池システムを提供することにある。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、
アノード入口及びアノード出口を有する燃料電池と、
前記アノード入口に接続されたアノードガス供給経路と、
前記アノード出口に接続された一端、及び、前記アノードガス供給経路に接続された他端を有する循環経路と、
前記循環経路に接続された一端を有し、所定の合流位置まで延びているパージ経路と、
前記燃料電池、前記アノードガス供給経路、前記循環経路、及び、前記パージ経路を収納している筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、前記パージ経路を通じて前記循環経路から排出された水素含有ガスを前記所定の合流位置において希釈ガスに合流させるガス合流部と、
前記筐体に設けられ、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスを前記ガス合流部から前記筐体の外部に排出させるための排気口と、
前記所定の合流位置を基準として、前記希釈ガスの流れ方向の上流側に配置された可燃ガスセンサと、
を備えたものである。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、
燃料電池のアノードから排出された未使用の水素含有ガスを前記アノードの入口に戻すための循環経路を用い、前記水素含有ガスを前記アノードに戻して再利用することと、
前記燃料電池が発電を行なっている期間において、前記燃料電池の発電電力又は電圧が所定値以下になった場合、前記循環経路からパージ経路に前記未使用の水素含有ガスをパージすることと、
前記パージ経路から排出された前記未使用の水素含有ガスであるパージガスを希釈ガスで希釈することと、
前記希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することと、
前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの経過時間を計測することと、
前記経過時間が閾値時間を超えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止することと、
を含むものである。

本発明によれば、可燃ガスセンサの劣化が抑制され、燃料電池システムの安全性が長期にわたって維持される。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成図 図１の燃料電池システムにおけるガス合流部とその周辺の詳細な構成図 燃料電池スタックの出力電圧を示すグラフ 制御器において実行される処理を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの構成図 図５の燃料電池システムにおけるガス合流部とその周辺の詳細な構成図 従来の燃料電池システムの構成図

燃料電池システムには、例えば、半導体式の可燃ガスセンサが使用されている。半導体式の可燃ガスセンサは、水素、炭化水素などの可燃性ガスの存在を半導体素子の導電性の変化によって検出するものであり、可燃性ガスの濃度を高感度に検出することができる。

結露が発生するような高湿度の環境に可燃ガスセンサが長期にわたって置かれていると、可燃ガスセンサの特性が変化し、可燃ガスセンサの寿命が短くなるおそれがある。燃料電池システムのパージガスは、高湿度であり、結露を発生させやすい。そのため、パージガスに直接的に晒される位置に可燃ガスセンサが配置されていると、可燃ガスセンサが劣化して筐体の内部における可燃性ガスの濃度を正しく検出できない可能性がある。

第１の発明の燃料電池システムは、アノード入口及びアノード出口を有する燃料電池と、前記アノード入口に接続されたアノードガス供給経路と、前記アノード出口に接続された一端、及び、前記アノードガス供給経路に接続された他端を有する循環経路と、前記循環経路に接続された一端を有し、所定の合流位置まで延びているパージ経路と、前記燃料電池、前記アノードガス供給経路、前記循環経路、及び、前記パージ経路を収納している筐体と、前記筐体の内部に設けられ、前記パージ経路を通じて前記循環経路から排出された水素含有ガスを前記所定の合流位置において希釈ガスに合流させるガス合流部と、前記筐体に設けられ、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスを前記ガス合流部から前記筐体の外部に排出させるための排気口と、前記所定の合流位置を基準として、前記希釈ガスの流れ方向の上流側に配置された可燃ガスセンサと、を備えたことにより、パージ経路から排出された高温多湿のパージガスに可燃ガスセンサが直接晒されることを回避できる。可燃ガスセンサの上に結露が生じることも防止できる。そのため、可燃ガスセンサの劣化が抑制され、可燃ガスセンサの寿命を延ばすことができる。また、可燃ガスセンサの測定誤差も縮小する。その結果、燃料電池システムの安全性及び信頼性を長期間にわたって確保することができる。

第２の発明は、特に、第２の発明の燃料電池システムの前記パージ経路は、前記所定の合流位置に向かって開口している開口部を含み、前記可燃ガスセンサから前記排気口への前記希釈ガスの流路上に前記パージ経路の前記開口部が存在していることにより、パージガスを空気で確実に希釈することができるとともに、希釈されたパージガスを確実に排気口に導くことができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の燃料電池システムの前記所定の合流位置から前記排気口までの距離は、前記可燃ガスセンサから前記排気口までの距離よりも短いことにより、パージガスに含まれた水分が可燃ガスセンサに到達することを極力防ぐことができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムの前記ガス合流部は、前記所定の合流位置を囲っている隔壁を有することにより、パージ経路から合流位置に向かって排出されたパージガスの拡散を効果的に制御することができる。

第５の発明は、特に、第４の発明の燃料電池システムの前記隔壁は、一端及び他端が開口している風洞を構成しており、前記風洞の前記一端と前記風洞の前記他端との間において、前記隔壁に前記パージ経路が接続されていることにより、パージガスの拡散をより効果的に制御することができる。

第６の発明は、特に、第５の発明の燃料電池システムの前記風洞の外に前記可燃ガスセンサが配置されていることにより、パージガスに含まれた水分が可燃ガスセンサに到達することを確実に防ぎつつ、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明の燃料電池システムの前記燃料電池は、カソード出口をさらに有し、前記燃料電池システムは、前記カソード出口に接続されたカソードオフガス経路と、前記カソードオフガス経路と前記パージ経路とを連通させて前記カソードオフガス経路の中の酸化剤ガスと前記パージ経路の中の前記水素含有ガスとを混合させるオフガス混合器と、をさらに備えていることにより、パージガス中の水素濃度（水素ガスの濃度）を効率的に下げることができる。

第８の発明は、特に、第７の発明の燃料電池システムの前記オフガス混合器は、気液分離器を含むことにより、カソードオフガスとパージガスとの混合ガスから水分が除去されるので、結露による可燃ガスセンサの劣化をより効果的に抑制することができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムの前記筐体は、前記希釈ガスとしての空気を前記筐体の外部から取り入れるための吸気口を有することにより、吸気口から筐体の内部に取り込まれた空気は、燃料電池の酸化剤ガスとして使用されうる。吸気口から筐体の内部に取り込まれた空気は、燃料電池から排出された水素含有ガスの希釈ガスとしても使用されうる。

第１０の発明は、特に、第９の発明の燃料電池システムの前記排気口は、前記吸気口よりも鉛直方向の上側に設けられていることにより、水素ガスが筐体の外部に排出されやすい。

第１１の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか１つの発明の燃料電池システムは、前記排気口に面する位置に配置された排気ファンをさらに備えていることにより、排気ファンを作動させると筐体の内部が負圧の状態になる。筐体の内部空間における空気の流れ方向が一定の方向に定まるので、１つの可燃ガスセンサで水素ガスの濃度を確実に測定することが可能になる。

第１２の発明は、特に、第１〜第１１のいずれか１つの発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の冷却剤から熱を取り除くための空冷式の放熱器をさらに備え、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスが前記放熱器を通過した空気によってさらに希釈されることにより、パージガス中の水素ガスの濃度をさらに低下させて筐体の外部に排出することができる。

第１３の発明は、特に、第１〜第１０のいずれか１つの発明の燃料電池システムは、前記パージ経路に配置されたパージ弁と、前記パージ弁の開閉を制御する制御器と、をさらに備えていることにより、燃料電池の出力電圧を常に高い状態に維持することができる。

第１４の発明は、特に、第１３の発明の燃料電池システムの前記制御器は、前記燃料電池で発電を行なっている期間において、所定のタイミングで前記パージ弁を開くように制御することにより、燃料電池の出力電圧を常に高い状態に維持することができる。

第１５の発明は、特に、第１４の発明の燃料電池システムの前記制御部は、前記パージ弁を開いた時点から所定時間が経過するまでの期間において前記可燃ガスセンサの出力を監視し、前記可燃ガスセンサの前記出力が閾値を越えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは前記燃料電池システムの異常を報知するための電気的処理を実行する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止させることにより、燃料電池システムをより安全に運転することができる。

第１６の発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池のアノードから排出された未使用の水素含有ガスを前記アノードの入口に戻すための循環経路を用い、前記水素含有ガスを前記アノードに戻して再利用することと、前記燃料電池が発電を行なっている期間において、前記燃料電池の発電電力又は電圧が所定値以下になった場合、前記循環経路からパージ経路に前記未使用の水素含有ガスをパージすることと、前記パージ経路から排出された前記未使用の水素含有ガスであるパージガスを希釈ガスで希釈することと、前記希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することと、前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの経過時間を計測することと、前記経過時間が閾値時間を超えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止することと、を含むことにより、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が可燃限界（燃焼が起こりうる濃度）に達することを防止できる。また、パージガス中の水素ガスの濃度が基準値以上である状態が閾値時間を越えて継続することを回避できる。そのため、燃料電池システムを安全に運転することができる。

第１７の発明は、特に、第１６の発明の燃料電池システムの運転方法は、前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が前記基準値以上であるとき、前記希釈ガスの流量を増やすことをさらに含み、前記経過時間は、前記希釈ガスの流量を増加させた時点からの経過時間であることにより、燃料電池システムをより安全に運転することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成図を示すものである。図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、筐体１０及び燃料電池２０を備えている。燃料電池２０（燃料電池スタック）は、筐体１０の内部に配置されている。燃料電池システム１００の他のコンポーネントも燃料電池２０と同様に筐体１０の内部に配置されている。燃料電池２０は、アノード２１（燃料極）、カソード２２（空気極）及び電解質層２３を有する。燃料電池２０は、例えば、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。

筐体１０は、例えば、中空の直方体の形状を有する。筐体１０には、吸気口１１及び排気口１２が設けられている。吸気口１１は、筐体１０の外部から筐体１０の内部に空気を取り込むための開口部である。吸気口１１から筐体１０の内部に取り込まれた空気は、燃料電池２０の酸化剤ガスとして使用されうる。吸気口１１から筐体１０の内部に取り込まれた空気は、燃料電池２０から排出された水素含有ガスの希釈ガスとしても使用されうる。排気口１２は、筐体１０の内部から筐体１０の外部にガスを排出するための開口部である。燃料電池２０から排出された未反応の水素含有ガスが筐体１０の内部において希釈され、排気口１２を通じて筐体１０の外部に排出される。吸気口１１は、例えば、筐体１０の１つの側面にのみ設けられている。複数の側面に吸気口が設けられている場合と比較して、本実施の形態によれば、燃料電池システム１００の設置方法を多様化できる。排気口１２は、吸気口１１が設けられた側面とは異なる側面の上部に設けられている。ただし、排気口１２は、吸気口１１が設けられた側面と同じ側面に設けられていてもよい。複数の吸気口１１が筐体１０に設けられていてもよい。複数の排気口１２が筐体１０に設けられていてもよい。

本実施の形態において、排気口１２は、吸気口１１よりも鉛直方向の上側に設けられている。吸気口１１は、例えば、筐体１０の下部に設けられている。排気口１２は、例えば、筐体１０の上部に設けられている。このような構成によれば、水素ガスが筐体１０の外部に排出されやすい。さらに、吸気口１１から筐体１０の内部に取り込まれた空気が筐体１０の内部空間の換気風（破線矢印）として作用する。この場合、燃料電池システム１００の運転中に燃料電池２０などのコンポーネントによって温められた空気が筐体１０の外部に排出されやすい。筐体１０を高さ方向に３等分したとき、最も上に位置している部分を「上部」と定義し、最も下に位置している部分を「下部」と定義することができる。

燃料電池２０のアノード２１は、アノード入口及びアノード出口を含む。燃料電池２０のカソード２２は、カソード入口及びカソード出口を含む。アノード入口にアノードガス供給経路３１が接続されている。アノード出口に循環経路３３が接続されている。カソード入口にカソードガス供給経路４１が接続されている。カソード出口にカソードオフガス経路４２が接続されている。図１に示す各経路は、金属製又は樹脂製の少なくとも１つの配管によって構成されている。

アノードガス供給経路３１は、アノード２１に燃料ガスを供給するための経路である。アノードガス供給経路３１は、筐体１０の外部に延び、図示しない燃料供給源に接続されうる。燃料供給源は、燃料電池２０のアノード２１に燃料ガスを供給するためのインフラストラクチャである。燃料ガスは、典型的には、水素ガスである。燃料供給源は、例えば、液化水素の貯蔵タンクである。アノードガス供給経路３１には、加湿器などの他の機器が設けられていてもよい。

循環経路３３は、アノード２１から排出されたアノードオフガスをアノードガス供給経路３１に戻すための経路である。アノードオフガスは、発電に使用されなかった水素含有ガスである。循環経路３３は、アノード出口に接続された一端とアノードガス供給経路３１に接続された他端とを有する。本実施の形態において、循環経路３３は、第１部分３３ａ、第２部分３３ｂ及びアノード凝縮水タンク３３ｃを含む。第１部分３３ａは、アノード出口とアノード凝縮水タンク３３ｃとを接続している部分である。第２部分３３ｂは、アノード凝縮水タンク３３ｃとアノードガス供給経路３１とを接続している部分である。第１部分３３ａを通じて、燃料電池２０のアノード２１からアノード凝縮水タンク３３ｃにアノードオフガスが導かれる。アノードオフガスに含まれた凝縮水がアノード凝縮水タンク３３ｃに貯留される。アノードオフガスは、第２部分３３ｂを通じて、アノード凝縮水タンク３３ｃからアノードガス供給経路３１に導かれる。

カソードガス供給経路４１は、カソード２２に酸化剤ガスを供給するための経路である。酸化剤ガスは、典型的には、空気である。カソードガス供給経路４１は、筐体１０の外部に延びていてもよいし、筐体１０の内部に位置する開口部を有していてもよい。前者によれば、筐体１０の外部からカソードガス供給経路４１に空気が取り込まれ、後者によれば、筐体１０の内部からカソードガス供給経路４１に空気が取り込まれる。カソードガス供給経路４１には、ブロワ、ファンなどの他の機器が設けられていてもよい。

カソードオフガス経路４２は、カソード２２から排出されたカソードオフガスを燃料電池２０の外部に排出するための経路である。カソードオフガスは、発電に使用されなかった空気である。本実施の形態において、カソードオフガス経路４２は、カソード出口と後述するオフガス混合器５０とを接続している。カソードオフガス経路４２を通じて、燃料電池２０のカソード２２からオフガス混合器５０にカソードオフガスが導かれる。

また、燃料電池システム１００は、パージ経路５２、オフガス混合器５０、ガス合流部５３及び可燃ガスセンサ５４を備えている。

パージ経路５２は、循環経路３３から筐体１０の内部に水素含有ガスをパージするための経路である。パージ経路５２は、循環経路３３に接続された一端を有し、筐体１０の内部の所定の合流位置まで延びている。言い換えれば、パージ経路５２は、循環経路３３（詳細には、第２部分３３ｂ）から分岐している。パージ経路５２にはパージ弁３５が配置されている。パージ弁３５は、典型的には、開閉弁である。本実施の形態において、パージ経路５２は、第１部分５２ａ及び第２部分５２ｂを含む。第１部分５２ａは、循環経路３３とオフガス混合器５０とを接続している部分である。第２部分５２ｂは、オフガス混合器５０に接続されているとともに、所定の合流位置まで延びている部分である。所定の合流位置は、ガス合流部５３が設けられている位置である。パージ弁３５は、第１部分５２ａに配置されている。

オフガス混合器５０は、カソードオフガス経路４２とパージ経路５２とを連通させている。オフガス混合器５０の役割は、カソードオフガス経路４２の中の酸化剤ガス（カソードオフガス）とパージ経路５２の中の水素含有ガス（パージガス）とを混合させることである。これにより、パージガス中の水素濃度（水素ガスの濃度）を効率的に下げることができる。パージ経路５２の第２部分５２ｂを通じてカソードオフガスとパージガスとの混合ガスがガス合流部５３に送られる。

オフガス混合器５０において、カソードオフガスとパージガスとが混合され、混合ガスから凝縮水が分離される。つまり、オフガス混合器５０は、気液分離器の役割も担っている。混合ガスから水分が除去されるので、結露による可燃ガスセンサ５４の劣化をより効果的に抑制することができる。

オフガス混合器５０には、凝縮水経路４３の一端が接続されている。凝縮水経路４３の他端は、カソード凝縮水タンク４４に接続されている。オフガス混合器５０で回収された凝縮水は、凝縮水経路４３を通じて、オフガス混合器５０からカソード凝縮水タンク４４に導かれる。カソードオフガスに含まれた凝縮水がカソード凝縮水タンク４４に貯留される。

ガス合流部５３は、筐体１０の内部に設けられた部分であって、パージ経路５２を通じて循環経路３３から排出されたパージガスを所定の合流位置において希釈ガスに合流させるための部分である。希釈ガスは空気である。希釈されたパージガスは、ガス合流部５３から排気口１２に向かって進み、排気口１２を通じて、筐体１０の外部に排出される。本実施の形態において、ガス合流部５３は、筐体１０の上部に配置されている。詳細には、ガス合流部５３は、燃料電池２０の上方に位置している。

可燃ガスセンサ５４は、希釈されたパージガス中の水素ガス濃度を検出する。可燃ガスセンサ５４は、典型的には、半導体式の水素ガスセンサである。

燃料電池システム１００は、さらに、排気ファン５５を備えている。排気ファン５５は、排気口１２に面する位置に配置されている。排気ファン５５は、筐体１０の内部に配置されている。排気ファン５５を作動させると筐体１０の内部が負圧の状態になる。筐体１０の内部空間における空気の流れ方向が一定の方向に定まるので、１つの可燃ガスセンサ５４で水素ガスの濃度を確実に測定することが可能になる。その結果、燃料電池システム１００の安全性を損なうことなく、燃料電池システム１００の製造コストを下げることができる。

また、燃料電池システム１００は、制御器６２を備えている。制御器６２は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。制御器６２には、燃料電池システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。本実施の形態において、制御器６２は、筐体１０の上部に配置されている。

次に、ガス合流部５３とその周辺の詳細な構造について説明する。図２には、希釈ガスとしての空気Ｇ１の流れ、パージガスＧ２の流れ、及び、空気で希釈されたパージガスＧ３の流れがそれぞれ矢印で示されている。

図２に示すように、ガス合流部５３は、所定の合流位置５７を囲っている隔壁５３ｋを有する。言い換えれば、隔壁５３ｋによって囲まれた空間の一部又は全部が所定の合流位置５７である。隔壁５３ｋによれば、パージ経路５２から合流位置５７に向かって排出されたパージガスの拡散を効果的に制御することができる。したがって、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を正確に検出するために、可燃ガスセンサ５４、ガス合流部５３及び排気口１２の位置関係を比較的容易に定めることができる。

可燃ガスセンサ５４は、所定の合流位置５７を基準として、空気の流れ方向の上流側に配置されている。言い換えれば、可燃ガスセンサ５４から排気口１２までの空気の流路上に所定の合流位置５７がある。このような位置関係によれば、可燃ガスセンサ５４が高温多湿のパージガスに直接晒されることを確実に防ぐことができる。なお、本明細書において「距離」の語句は、最短距離を意味する。

隔壁５３ｋは、例えば、両端が開口している筒の形状を有している。つまり、隔壁５３ｋは、一端５３ｐ及び他端５３ｑが開口している風洞を構成している。風洞の一端５３ｐと風洞の他端５３ｑとの間において、隔壁５３ｋにパージ経路５２が接続されている。一端５３ｐ及び他端５３ｑは、それぞれ、ガス合流部５３の入口５３ｐ及び出口５３ｑでもある。このような構造によれば、パージガスの拡散をより効果的に制御することができる。本実施の形態では、排気ファン５５の中心と可燃性ガスセンサ５４とを結ぶ直線が隔壁５３ｋによって形成された風洞の中を通っている。このような構造によれば、空気で希釈されたパージガスが速やかに排気口１２に導かれて筐体１０の外部に排出される。

パージ経路５２は、所定の合流位置５７に向かって開口している開口部５２ｐを含む。可燃ガスセンサ５４から排気口１２への空気の流路上にパージ経路５２の開口部５２ｐが存在している。このような構造によれば、パージガスを空気で確実に希釈することができるとともに、希釈されたパージガスを確実に排気口１２に導くことができる。

可燃ガスセンサ５４は、パージ経路５２の開口部５２ｐを基準として、ガス合流部５３の入口５３ｐ（風洞の一端５３ｐ）と同じ側に配置されている。可燃ガスセンサ５４からガス合流部５３の入口５３ｐまでの距離は、可燃ガスセンサ５４からパージ経路５２の開口部５２ｐまでの距離よりも短い。このような位置関係によれば、可燃ガスセンサ５４が高温多湿のパージガスに直接晒されることを確実に防ぐことができる。

また、所定の合流位置５７から排気口１２までの距離は、可燃ガスセンサ５４から排気口１２までの距離よりも短い。このような位置関係によれば、パージガスに含まれた水分（水蒸気）が可燃ガスセンサ５４に到達することを極力防ぐことができる。水蒸気と比較して、水素ガスの拡散速度は非常に速いので、空気の流れ方向の上流側に可燃ガスセンサ５４が配置されていたとしても、水素ガスの濃度を検出することができる。上記の各距離は、可燃ガスセンサ５４で水素ガスの濃度を確実に検出でき、かつ、希釈されたパージガスを効率的に筐体１０の外部に排出できるように定められる。

本実施の形態において、可燃ガスセンサ５４は、風洞の外に配置されている。つまり、可燃ガスセンサ５４は、隔壁５３ｋによって囲まれた空間の外に配置されている。詳細には、可燃ガスセンサ５４は、風洞の一端５３ｐ（ガス合流部５３の入口５３ｐ）に面する位置に配置されている。このような位置に可燃性ガスセンサ５４が配置されていると、パージガスに含まれた水分が可燃ガスセンサ５４に到達することを確実に防ぎつつ、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することができる。もちろん、可燃ガスセンサ５４は、風洞の中に配置されていてもよい。この場合、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度をより正確に検出することができる。

本実施の形態の燃料電池システム１００において、水素含有ガスは、アノードガス供給経路３１を通り、燃料供給源から燃料電池２０のアノード２１に供給される。空気は、筐体１０の吸気口１１から空気ポンプ（図示省略）でカソードガス供給経路４１に導入される。空気は、カソードガス供給経路４１を通り、燃料電池２０のカソード２２に供給される。燃料電池２０において、水素含有ガスと空気とを用いて電力が生成される。

発電に使用されなかったアノードオフガスは多湿状態である。そのため、アノードオフガスは、循環経路３３の第１部分３３ａを通じて、燃料電池２０のアノード２１からアノード凝縮水タンク３３ｃに送られる。アノード凝縮水タンク３３ｃにおいて、アノードオフガスから凝縮水が除去される。アノードオフガスは、循環経路３３の第２部分３３ｂを通じて、アノード凝縮水タンク３３ｃからアノードガス供給経路３１に戻され、燃料電池２０において発電のために再利用される。

発電に使用されなかったカソードオフガスも多湿状態である。カソードオフガスは、カソードオフガス経路４２を通じて気液分離器５０に送られ、気液分離器５０においてパージガスに混合され、ガス合流部５３に導かれる。つまり、カソードオフガスは、パージガスの希釈ガスとして使用される。カソードオフガスに含まれた凝縮水は、気液分離器５０において、ガス成分から分離され、凝縮水経路４３を通じて、カソード凝縮水タンク４４に送られる。

ガス合流部５３では、排気ファン５５の働きにより、筐体１０の内部の空気が可燃ガスセンサ５４を通り、ガス合流部５３に引き込まれる。パージ経路５２から放出されたパージガスは、ガス合流部５３の合流位置５７において、空気によってさらに希釈される。希釈されたパージガスは、ガス合流部５３の外に流れ、排出口１２を通じて筐体１０の外部に排出される。

水素ガスの拡散速度は空気の拡散速度のよりも速い。そのため、合流位置５７を基準として、可燃ガスセンサ５４が空気の流れ方向の上流側に存在していたとしても、可燃ガスセンサ５４に水素ガスが到達しうる。これにより、可燃ガスセンサ５４は、希釈されたパージガス中の水素ガスを検出しうる。水素ガスが到達しうる範囲、及び、水素ガスの到達濃度は、空気の流速、隔壁５３ｋによって囲まれた空間の広さなどに応じて決まる。そのため、空気の流量及び隔壁５３ｋによる風洞の断面積は、可燃ガスセンサ５４に水素ガスが到達するように適切に設計されている。

本実施の形態によれば、パージ経路５２から排出された高温多湿のパージガスに可燃ガスセンサ５４が直接晒されることを回避できる。可燃ガスセンサ５４の上に結露が生じることも防止できる。そのため、可燃ガスセンサ５４の劣化が抑制され、可燃ガスセンサ５４の寿命を延ばすことができる。また、可燃ガスセンサ５４の測定誤差も縮小する。その結果、燃料電池システム１００の安全性及び信頼性を長期間にわたって確保することができる。

次に、パージ弁３５の制御について説明する。

燃料電池２０において、アノード２１に水素含有ガスが供給され、カソード２２に空気が供給され、電気化学反応によって電力が生成される。燃料電池システム１００の運転中において、循環経路３３を活用したアノードオフガスのリサイクルを行うと、時間の経過にともなってアノードガス供給経路３１の水素含有ガス中の不純物の濃度が上昇する。その結果、燃料電池２０の出力電圧が時間の経過とともに低下する。

図３のグラフＢに示すように、アノードオフガスのパージを全く実施しない場合、燃料電池２０の出力電圧は、ある時点から急激に低下する。他方、所定の条件が成立した場合にパージ弁３５を開き、循環経路３３からパージ経路５２に水素含有ガスを流して窒素ガスなどの不純物を排除すれば、アノード２１に供給される水素含有ガス中の水素ガスの濃度が上がる。その結果、図３のグラフＡに示すように、燃料電池２０の出力電圧を回復させることができる。上記の所定の条件は、例えば、パージ弁３５を閉じたまま燃料電池システム１００の運転を所定時間にわたって連続運転したことである。言い換えれば、制御器６２は、燃料電池２０で発電を行なっている期間において、所定のタイミングでパージ弁を開くように制御する。パージ弁３５は、所定時間（例えば、３０分間）が経過するたびに開放される。このような制御によれば、燃料電池２０の出力電圧を常に高い状態に維持することができる。図３のグラフＡは、時間ｔ１，ｔ２及びｔ３のタイミングでパージ弁３５を開く制御が行われた場合の電圧の変化を示している。燃料電池２０の電圧は、閾値電圧Ｖthを常に上回っている。

次に、図４を参照しつつ、燃料電池システム１００の運転の一例を説明する。図４のフローチャートは、制御器６２において実行される処理を示している。制御器６２は、発電開始から発電終了まで以下の処理を実行する。燃料電池システム１００は、燃料電池２０のアノード２１に供給された水素含有ガスと燃料電池２０のカソード２２に供給された酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることによって電力を生成する。

ステップＳ１０１において、燃料電池システム１００の発電停止指示の有無を確認し、発電を継続すべきかどうか判断する。発電停止指示があれば、燃料電池システム１００の運転を停止する（ステップＳ１１２）。発電を継続すべき場合には、燃料電池２０の発電電力を測定する（ステップＳ１０２）。そして、測定された発電電力が所定値以下かどうか判断する（ステップＳ１０３）。本実施の形態では、制御器６２から指示された発電電力の９０％が「所定値」である。測定された発電電力が所定値よりも大きい場合、ステップＳ１０１に戻る。測定された発電電力が所定値以下である場合、循環経路３３からパージ経路５２にアノードオフガスをパージする（ステップＳ１０４）。具体的には、パージ弁３５を開く。循環経路３３からパージ経路５２に導かれたガスであるパージガスは、パージ経路５２からガス合流部５３に排出される。ガス合流部５３において、パージガスは、空気によって希釈される。そして、空気によって希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を可燃ガスセンサ５４によって検出する（ステップＳ１０５）。

なお、「発電電力」に代えて、図３を参照して説明したように、「電圧」を測定し、測定された電圧と所定の閾値電圧（所定値）との比較結果に応じて、パージ弁３５の制御を行なってもよい。さらに、図３を参照して説明したように、所定時間おきにパージ弁３５を開く制御を行なってもよい。

次に、検出された水素ガスの濃度が基準値未満かどうか判断する（ステップＳ１０６）。本実施の形態では、「基準値」は、２％（体積％）である。希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が２％以上である場合、排気ファン５５の風量を増やし、空気によるパージガスの希釈を促進する（ステップＳ１０７）。具体的には、排気ファン５５の回転数を上げて空気の流量を増やす。次に、排気ファン５５の風量を最初に増やした時点からの経過時間を計測する（ステップＳ１０８）。言い換えれば、空気の流量を増加させた時点から現在までの経過時間を計測する。経過時間は、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの時間でありうる。

次に、経過時間が閾値時間（例えば１分間）以下かどうか判断する（ステップＳ１０９）。経過時間が閾値時間を越えた場合、燃料電池システム１００の運転を停止する（ステップＳ１１２）。つまり、水素ガスの濃度が２％以上の状態が１分間を超えて継続した場合、燃料電池システム１００の運転を停止して発電を停止する。経過時間が閾値時間以下の場合、再度、空気で希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出し（ステップＳ１１０）、水素ガスの濃度が２％未満かどうか判断する（ステップＳ１１１）。水素ガスの濃度が２％以上の場合、ステップＳ１０７に戻り、水素ガスの濃度が２％未満に低下するまで、排気ファン５５の風量を維持する（排気ファン５５の回転数を維持する）。あるいは、排気ファン５５の風量を徐々に増やしてもよい。言い換えれば、排気ファン５５の回転数を徐々に増やしてもよい。

ステップＳ１０６において水素ガスの濃度が２％未満である場合、及び、ステップＳ１１１において水素ガスの濃度が２％未満である場合、ステップＳ１０１に戻る。各ステップの処理を完了したのち、待機時間を設けずに瞬時に次のステップの処理に移行してもよい。

図４のフローチャートに示す各処理を実行すれば、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度が可燃限界（例えば、４％）に達することを防止できる。また、パージガス中の水素ガスの濃度が基準値以上である状態が閾値時間を越えて継続することを回避できる。そのため、燃料電池システム１００を安全に運転することができる。

ステップＳ１０４において開放されたパージ弁３５は、所定時間後（例えば、２分間経過後）に閉じられる。ステップＳ１０５の処理によれば、希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度がパージ弁３５の開放中に検出される。つまり、制御器６２は、パージ弁３５を開いた時点から所定時間（２分間）が経過するまでの期間において可燃ガスセンサ５４の出力を監視する。そして、可燃ガスセンサ５４の出力が閾値を越えた場合、燃料電池システム１００の状態又は燃料電池システム１００の異常を報知するための電気的処理を実行する。あるいは、制御器６２は、可燃ガスセンサ５４の出力が閾値を越えた場合、燃料電池システム１００の運転を停止させる。このようにすれば、燃料電池システム１００をより安全に運転することができる。「可燃ガスセンサ５４の出力が閾値を越えた場合」とは、可燃ガスセンサ５４の出力が可燃限界又はそれに近い濃度を示した場合を意味する。

ステップＳ１１２において、燃料電池システム１００の運転を停止することに代えて、燃料電池システム１００の状態又は燃料電池システム１００の異常を報知するための電気的処理を実行してもよい。例えば、燃料電池システム１００の発電状態、水素ガスの濃度の検出値、水素ガスの濃度が２％を越えたことなどを報知するための電気的処理を実行する。これらの情報は、制御器６２に接続されたモニタに表示されてもよいし、インターネット等の通信網を介してユーザ又は管理者の端末に送信されて表示されてもよい。

（実施の形態２）
図５に示すように、本実施の形態の燃料電池システム２００は、放熱器６３及び冷却ファン６４を備えている。実施の形態１の燃料電池システム１００と本実施の形態の燃料電池システム２００とで共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、各実施の形態に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、各実施の形態は、相互に組み合わされてもよい。

放熱器６３は、燃料電池２０の冷却剤から熱を取り除くための機器である。冷却剤は、水などの冷却液である。放熱器６３は、例えば、フィンチューブ熱交換器によって構成されている。放熱器６３は、冷却経路６５によって燃料電池２０に接続されている。放熱器６３と燃料電池２０との間で冷却剤が循環する。冷却経路６５にはポンプ（図示省略）が設けられている。燃料電池システム２００の運転時において、燃料電池２０が冷却剤で冷却される。冷却ファン６４を作動させると放熱器６３に空気（外気）が供給され、放熱器６３において冷却剤と空気との間で熱交換が行われる。

本実施の形態において、放熱器６３は空冷式である。筐体１０には、第２吸気口１３が設けられている。第２吸気口１３は、例えば、排気口１２に隣り合っている。筐体１０の内部にダクト６７が設けられており、排気口１２及び第２吸気口がそのダクト６７で囲まれている。ダクト６７の内部に放熱器６３及び冷却ファン６４が配置されている。冷却ファン６４は、第２吸気口１３を通じて筐体１０の外部から放熱器６３に向かって空気の流れ（矢印）を生じさせる位置に配置されている。図６では、冷却ファン６４が１つのみ示されている。ただし、第２吸気口１３、放熱器６３及び排気口１２の順番に空気の流れが生じるように、複数のファンがダクト６７の内部に配置されていてもよい。空気の流れ方向を整える整流板などの部品がダクト６７の内部に配置されていてもよい。

ガス合流部５３において空気によって希釈されたパージガスは、冷却ファン６４の働きによって、排気口１２に向かって流れる。ガス合流部５３から排気口１２への経路上において、パージガスは、ダクト６７に吸い込まれ、ダクト６７の内部において、放熱器６３を通過した空気によってさらに希釈され、排気口１２を通じて筐体１０の外部に排出される。このような構成によれば、パージガス中の水素ガスの濃度をさらに低下させて筐体１０の外部に排出することができる。また、本実施の形態によれば、冷却ファン６４が実施の形態１で説明した排気ファン５５の役割も担っている。排気ファン５５を省略することができるので、燃料電池システム２００の簡素化を図ることができる。

ガス合流部５３の構造、可燃ガスセンサ５４の配置など燃料電池システム２００の他の構成は実施の形態１で説明したとおりである。したがって、本実施の形態においても、実施の形態１と同じ効果が得られる。

本発明は、燃料電池システムに有用である。

１０ 筐体
１１ 吸気口
１２ 排気口
２０ 燃料電池
３１ アノードガス供給経路
３３ 循環経路
３５ パージ弁
４２ カソードオフガス経路
５０ オフガス混合器
５２ パージ経路
５２ｐ 開口部
５３ ガス合流部
５３ｋ 隔壁
５４ 可燃ガスセンサ
５５ 排気ファン
５７ 合流位置
６３ 放熱器
１００，２００ 燃料電池システム

Claims (17)

1. アノード入口及びアノード出口を有する燃料電池と、
   前記アノード入口に接続されたアノードガス供給経路と、
   前記アノード出口に接続された一端、及び、前記アノードガス供給経路に接続された他端を有する循環経路と、
   前記循環経路に接続された一端を有し、所定の合流位置まで延びているパージ経路と、
   前記燃料電池、前記アノードガス供給経路、前記循環経路、及び、前記パージ経路を収納している筐体と、
   前記筐体の内部に設けられ、前記パージ経路を通じて前記循環経路から排出された水素含有ガスを前記所定の合流位置において希釈ガスに合流させるガス合流部と、
   前記筐体に設けられ、前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスを前記ガス合流部から前記筐体の外部に排出させるための排気口と、
   前記所定の合流位置を基準として、前記希釈ガスの流れ方向の上流側に配置された可燃ガスセンサと、
   を備えた、燃料電池システム。
2. 前記パージ経路は、前記所定の合流位置に向かって開口している開口部を含み、
   前記可燃ガスセンサから前記排気口への前記希釈ガスの流路上に前記パージ経路の前記開口部が存在している、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定の合流位置から前記排気口までの距離は、前記可燃ガスセンサから前記排気口までの距離よりも短い、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス合流部は、前記所定の合流位置を囲っている隔壁を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記隔壁は、一端及び他端が開口している風洞を構成しており、
   前記風洞の前記一端と前記風洞の前記他端との間において、前記隔壁に前記パージ経路が接続されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記風洞の外に前記可燃ガスセンサが配置されている、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池は、カソード出口をさらに有し、
   前記燃料電池システムは、
   前記カソード出口に接続されたカソードオフガス経路と、
   前記カソードオフガス経路と前記パージ経路とを連通させて前記カソードオフガス経路の中の酸化剤ガスと前記パージ経路の中の前記水素含有ガスとを混合させるオフガス混合器と、をさらに備えている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記オフガス混合器は、気液分離器を含む、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記筐体は、前記希釈ガスとしての空気を前記筐体の外部から取り入れるための吸気口を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記排気口は、前記吸気口よりも鉛直方向の上側に設けられている、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記排気口に面する位置に配置された排気ファンをさらに備えた、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池の冷却剤から熱を取り除くための空冷式の放熱器をさらに備え、
    前記希釈ガスによって希釈された前記水素含有ガスが前記放熱器を通過した空気によってさらに希釈される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 前記パージ経路に配置されたパージ弁と、
    前記パージ弁の開閉を制御する制御器と、
    をさらに備えた、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記制御器は、前記燃料電池で発電を行なっている期間において、所定のタイミングで前記パージ弁を開くように制御する、請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記制御部は、前記パージ弁を開いた時点から所定時間が経過するまでの期間において前記可燃ガスセンサの出力を監視し、前記可燃ガスセンサの前記出力が閾値を越えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは前記燃料電池システムの異常を報知するための電気的処理を実行する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止させる、請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 燃料電池システムの運転方法であって、
    燃料電池のアノードから排出された未使用の水素含有ガスを前記アノードの入口に戻すための循環経路を用い、前記水素含有ガスを前記アノードに戻して再利用することと、
    前記燃料電池が発電を行なっている期間において、前記燃料電池の発電電力又は電圧が所定値以下になった場合、前記循環経路からパージ経路に前記未使用の水素含有ガスをパージすることと、
    前記パージ経路から排出された前記未使用の水素含有ガスであるパージガスを希釈ガスで希釈することと、
    前記希釈されたパージガス中の水素ガスの濃度を検出することと、
    前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が基準値を下回るまでの経過時間を計測することと、
    前記経過時間が閾値時間を超えた場合、前記燃料電池システムの状態若しくは異常を報知する、又は、前記燃料電池システムの運転を停止することと、
    を含む、燃料電池システムの運転方法。
17. 前記希釈されたパージガス中の前記水素ガスの濃度が前記基準値以上であるとき、前記希釈ガスの流量を増やすことをさらに含み、
    前記経過時間は、前記希釈ガスの流量を増加させた時点からの経過時間である、請求項１６に記載の燃料電池システムの運転方法。

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