JP2021128901A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックのアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能な燃料電池システムを提案する。
【解決手段】燃料電池システム１は、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池３と、燃料ガスを貯留する貯槽７と、貯槽７に貯留される燃料ガスの圧力を調整して燃料電池３へ供給する第一インジェクター５１と、燃料電池３から排出される燃料ガスの圧力を調整する第二インジェクター５２と、第二インジェクター５２の下流側を第一インジェクター５１の下流側に繋げて燃料電池３から排出される燃料ガスを燃料電池３へ供給される燃料ガスに合流させる合流装置としてのエジェクター５３と、第二インジェクター５２の噴射量を制御する制御部１１と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックから燃料ガス排出路に排出されたアノードオフガスの少なくとも一部を、燃料ガス循環路に通流させるポンプを備える燃料電池システムが知られている。燃料ガス循環路を流通するアノードオフガスは、インジェクターから燃料電池スタックへ向かって燃料ガス供給路を流通する水素ガスに混合されて燃料電池スタックへ再び供給される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１９２０３３号公報

従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノードオフガスを循環させるポンプを備えている。このポンプは、アノードオフガスを循環させるために相応の電力を消費する。このようなポンプの電力消費は、燃料電池システムの発電効率を低下させる。また、ポンプは、相応の搭載スペースを要する。このようなポンプの搭載スペースは、燃料電池システムの小型化を妨げる。

そこで、本発明は、燃料電池スタックのアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料ガスを貯留する貯槽と、前記貯槽に貯留される前記燃料ガスの圧力を調整して前記燃料電池へ供給する第一噴射装置と、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの圧力を調整する第二噴射装置または弁と、前記第二噴射装置または前記弁の下流側を前記第一噴射装置の下流側に繋げて前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスに合流させる合流装置と、前記第二噴射装置の噴射量または前記弁の開度を制御する制御部と、を備えている。

本発明によれば、燃料電池スタックのアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能な燃料電池システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムが実行するアノードオフガス循環制御のアルゴリズムの一例を表現するフローチャート。

本発明に係る燃料電池システムの実施形態について図１から図２を参照して説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての酸素ガス（空気に含まれる酸素ガス）とを反応させて発電する燃料電池３と、燃料電池３へ空気を供給する空気供給通路５と、燃料電池３から発電反応に使用された空気を排出する空気排出通路６と、水素ガスを貯蔵する貯槽７と、貯槽７から燃料電池３に水素ガスを供給する水素供給通路８と、燃料電池３から排出された水素ガスを水素供給通路８に送り込んで再び燃料電池３に供給する水素循環通路９と、燃料電池システム１の運転を制御する制御部１１と、を備えている。

燃料電池システム１は、燃料電池３で発電した電力を負荷１０１へ供給する。例えば、燃料電池システム１が車両に搭載される場合には、負荷１０１は、駆動輪を駆動させるモーター１０２を含む。モーター１０２は、インバーター１０３を介して燃料電池３に接続される。この車両が、燃料電池システム１に並列に接続される電池１０５を備えている場合には、負荷１０１が要求する電力は、燃料電池システム１と電池１０５とで分担される。このような車両では、制御部１１は、燃料電池システム１と電池１０５との出力配分を演算できることが好ましい。また、電池１０５は、蓄電池、例えばリチウムイオン電池である。

燃料電池３は、積層方向Ｌに沿って積層される多数の燃料電池セル１５を備えている。燃料電池３は、燃料電池セル１５を最小単位とし、積層された数十から数百の燃料電池セル１５を備えている。積層される燃料電池セル１５の数量は、燃料電池３に要求される発電能力による。複数の燃料電池セル１５の積層体は、燃料電池スタックと呼ばれる。

それぞれの燃料電池セル１５は、アノード極１６（燃料極）、固体高分子膜１７（電解質）、カソード極１８（空気極）を一体化した膜電極接合体１９（Membrane Electrode Assembly、MEA）と、膜電極接合体１９を表裏から挟む一対のセパレーター２１、２２と、を備えている。

また、それぞれの燃料電池セル１５は、アノード極１６に反応ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス流通路２８と、カソード極１８に反応ガスとしての酸素ガスを含む空気を供給する空気流通路２９と、を有している。水素ガス流通路２８は、アノード極１６とアノード極１６に対面するセパレーター２１との間に区画されている。空気流通路２９は、カソード極１８とカソード極１８に対面するセパレーター２２との間に区画されている。

水素ガス流通路２８を通じてそれぞれの燃料電池セル１５に水素ガスが供給され、空気流通路２９を通じてそれぞれの燃料電池セル１５に空気が供給される。これら、水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとが膜電極接合体１９を挟んで反応してそれぞれの燃料電池セル１５に電圧を生じさせる。それぞれの燃料電池セル１５に生じた電圧の総和が燃料電池３の出力電圧である。

空気供給通路５は、燃料電池３の空気流通路２９の上流に接続されている。空気供給通路５は、燃料電池３へ空気を供給可能な圧縮機３５と、圧縮機３５で圧縮されて高温になった空気を冷却するインタークーラー３６と、インタークーラー３６の上流で空気供給通路５から分岐しインタークーラー３６の下流で空気供給通路５に合流するバイパス回路３７と、を備えている。

圧縮機３５は、インタークーラー３６の上流側に配置されている。圧縮機３５は、吸い込んだ空気を圧縮して空気供給通路５に送り込む。圧縮機３５はターボ形である。

インタークーラー３６は、圧縮機３５によって圧縮された空気の温度が燃料電池３に供給するには高温すぎる場合には、圧縮機３５によって圧縮された空気を冷却する。

インタークーラー３６は、圧縮機３５の下流側に配置されている。バイパス回路３７は、圧縮機３５から吐出されて燃料電池３へ向かう空気のうち、インタークーラー３６を通過する空気の分配量と、インタークーラー３６を通過せずに迂回する空気の分配量と、を変化させる。そうすることで、バイパス回路３７は、燃料電池３に供給される空気の温度を、燃料電池セル１５の発電反応が効率的に起きる適正な温度範囲に収まるよう調整する。バイパス回路３７は、バイパス回路３７を通過してインタークーラー３６を迂回する空気の分配量を変化させ、その結果、インタークーラー３６を通過する空気の分配量を変化させる迂回量調整弁３９を備えている。

空気排出通路６は、燃料電池３の空気流通路２９の下流に接続されている。空気排出通路６は、背圧弁４５を備えている。背圧弁４５は、燃料電池３の下流側の圧力損失を変化させて燃料電池３に流れる空気の流量を変化させることができる。

水素供給通路８は、燃料電池３の水素ガス流通路２８の上流に接続されている。水素供給通路８は、貯槽７に貯留されている水素ガスの圧力を燃料電池３の燃料ガスとして適合する圧力に調整する第一インジェクター５１（第一噴射装置）を備えている。貯槽７に貯留されている水素ガスは、第一インジェクター５１によって降圧されて燃料電池３へ供給される。

第一インジェクター５１は、制御部１１の制御によって目標圧力の水素ガスを燃料電池３へ所定の周期で間欠的に噴射する。この第一インジェクター５１の噴射量の制御は、燃料電池３の水素ガス流通路２８における水素ガスの圧力と空気流通路２９における空気の圧力との差圧を所定の範囲内に維持するよう機能する。

水素循環通路９は、燃料電池３の水素ガス流通路２８の下流に接続されている。水素循環通路９は、燃料電池３から排出される未反応の水素ガスを含む排出ガス（以下、「アノードオフガス」と言う。）を水素供給通路８に流入させる。水素循環通路９は、水素供給通路８の第一インジェクター５１よりも下流側で水素供給通路８に合流する。水素循環通路９は、アノードオフガスの圧力を調整する第二インジェクター５２（第二噴射装置）と、第二インジェクター５２の下流側を第一インジェクター５１の下流側に繋げてアノードオフガスを燃料電池３へ供給される水素ガスに合流させるエジェクター５３（合流装置）と、第二インジェクター５２からエジェクター５３へ流通する水素ガスの逆流を妨げる逆止弁５５と、を備えている。

第二インジェクター５２内のバルブ（図示省略）が開くと、アノードオフガスが逆止弁５５およびエジェクター５３を介して水素供給通路８に送り込まれ、第一インジェクター５１から流出する水素ガスと合流して再び燃料電池３に供給される。なお、第二インジェクター５２に代えて、圧力調整弁や開閉弁などの弁を設けても良い。

第二インジェクター５２も第一インジェクター５１と同様に、制御部１１の制御によって目標圧力の水素ガスをエジェクター５３へ所定の周期で間欠的に噴射する。この第二インジェクター５２の噴射量の制御は、逆止弁５５の上流側の圧力（第二インジェクター５２から逆止弁５５までの流路の圧力）と下流側の圧力（逆止弁５５からエジェクター５３までの流路の圧力）との圧力差を変化させる。この圧力差が、逆止弁５５のクラッキング圧より大きい場合には、逆止弁５５が開放して水素循環通路９から水素供給通路８へアノードオフガスが送られる一方、この圧力差が、逆止弁５５のクラッキング圧以下であれば、逆止弁５５が閉鎖して水素循環通路９から水素供給通路８へのアノードオフガスの供給が妨げられる。

エジェクター５３は、水素供給通路８と水素循環通路９との合流部に配置されている。エジェクター５３は、水素循環通路９の最下流に設けられ、かつ第一インジェクター５１と燃料電池３との間の流路に設けられている。エジェクター５３は、水素循環通路９を流通したアノードオフガスを、第一インジェクター５１から燃料電池３へ向かって水素供給通路８を流通する水素ガスに混合する。エジェクター５３は、第一インジェクター５１から流れ込む水素ガスをノズル（図示省略）から高速に噴出させて負圧を生じさせ、この負圧によって水素循環通路９内のアノードオフガスを吸い込み、第一インジェクター５１から流出する水素ガスに混合させる。また、エジェクター５３は、混合流体の速度を減じて圧力を回復させるディフューザー（図示省略）を有している。

また、水素循環通路９は、燃料電池３から第二インジェクター５２へ流通するアノードオフガスに含まれる水分を分離する気水分離器５７を備えている。気水分離器５７は、燃料電池３から排出されるアノードオフガスに含まれる水分を分離し、水分が分離された、乾いたアノードオフガスを第二インジェクター５２へ送る。気水分離器５７は、アノードオフガスから分離した水分を貯留する。気水分離器５７は、貯留した水分を適宜に排水する機能を有する排水弁５８を備えている。

さらに、水素循環通路９は、アノードオフガスを大気へ放出するパージ弁５９を備えている。パージ弁５９は、気水分離器５７から第二インジェクター５２へ向かう流路から分岐した箇所に設けられている。パージ弁５９は、例えば逆止弁５５を閉鎖して水素循環通路９から水素供給通路８へのアノードオフガスの供給を妨げている場合に、アノードオフガスを水素循環通路９から大気へ放出する。パージ弁５９は、制御部１１の制御によって開閉する、例えば電磁弁である。

空気供給通路５から燃料電池３に供給される空気は、積層された複数の燃料電池セル１５のそれぞれが有するカソード側の空気流通路２９に分配される。分配された空気は、それぞれの膜電極接合体１９のカソード側の面内を伝って流れた後、空気排出通路６へ排出される。

水素供給通路８から燃料電池３に供給された水素ガスは、積層された複数の燃料電池セル１５のそれぞれが有するアノード側の水素ガス流通路２８に分配される。分配された水素ガスは、それぞれの膜電極接合体１９のアノード側の面内を伝って流れた後、水素循環通路９へ排出される。

制御部１１は、信号線６１を介して燃料電池３、圧縮機３５、迂回量調整弁３９、背圧弁４５、第一インジェクター５１、第二インジェクター５２、気水分離器５７、およびパージ弁５９に接続されている。制御部１１は、負荷１０１が要求する電力量（要求電力量、要求出力）に基づいて、これら燃料電池３、圧縮機３５、迂回量調整弁３９、背圧弁４５、第一インジェクター５１、第二インジェクター５２、気水分離器５７、およびパージ弁５９の運転を制御し、または運転の指令を下す。制御部１１は、負荷１０１の運転制御を含んでいても良い。負荷１０１が要求する電力量は、燃料電池システム１を含む上位システムの制御部から燃料電池システム１の制御部１１へ送られる信号に含まれている。

制御部１１は、例えば中央処理装置（Central Processing Unit、ＣＰＵ、図示省略）、中央処理装置で実行（処理）される各種演算プログラム、パラメータなどを記憶する補助記憶装置（例えば、Read Only Memory、ＲＯＭ、図示省略）、プログラムの作業領域が動的に確保される主記憶装置（例えば、Random Access Memory、ＲＡＭ、図示省略）を備えている。

燃料電池システム１は、空気の吸気および排気と、水素ガスの受け入れ、供給、循環、および排気と、燃料電池３、圧縮機３５、迂回量調整弁３９、背圧弁４５、第一インジェクター５１、第二インジェクター５２、気水分離器５７、およびパージ弁５９の運転制御と、に要する種々のセンサーを備えている。制御部１１は、これら種々のセンサーから取得する情報に基づいて燃料電池システム１の運転を制御し、負荷１０１へ電力を供給する。

これら種々のセンサーは、例えば、燃料電池３の温度を測定する温度センサー６２を含んでいる。

また、これら種々のセンサーは、例えば、第二インジェクター５２から逆止弁５５へ流通する水素ガスの圧力（第一圧力Ｐａ）を測定する逆止弁上流圧力センサー６５（第一圧力センサー）と、逆止弁５５からエジェクター５３へ流通する水素ガスの圧力（第二圧力Ｐｂ）を測定する逆止弁下流圧力センサー６６（第二圧力センサー）と、エジェクター５３から燃料電池３へ流通する水素ガスの圧力（第三圧力Ｐｃ）を測定する水素ガス供給側圧力センサー６７（第三圧力センサー）と、を含んでいる。

さらに、これら種々のセンサーは、例えば、圧縮機３５が吐出する空気の流量を測定する吐出流量センサー７１と、圧縮機３５の回転数を測定する回転数センサー７２と、圧縮機３５の吸込側の圧力を測定する吸込側圧力センサー７３と、圧縮機３５の吐出側の圧力を測定する吐出側圧力センサー７５と、を含んでいる。

また、制御部１１は、例えば燃料電池３の暖機運転の際に、水素循環通路９を通じたアノードオフガスの循環を断ち、暖機運転の終了後には水素循環通路９を通じてアノードオフガスを燃料電池３に循環させるアノードオフガス循環制御機能８１を有している。

アノードオフガス循環制御機能８１は、演算プログラムである。アノードオフガス循環制御機能８１は、逆止弁上流圧力センサー６５が測定する圧力Ｐａと逆止弁下流圧力センサー６６が測定する圧力Ｐｂとの差圧（圧力Ｐａ−圧力Ｐｂ）に基づいて第二インジェクター５２の噴射量を制御する。

ここで、逆止弁５５のクラッキング圧力をＣＰとする。そして、アノードオフガス循環制御機能８１は、アノードオフガスを循環させる場合には、第一圧力Ｐａと第二圧力Ｐｂとの差圧がクラッキング圧力ＣＰより大きくなるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御する。また、アノードオフガス循環制御機能８１は、アノードオフガスの循環を断つ場合には、第一圧力Ｐａと第二圧力Ｐｂとの差圧（圧力Ｐａ−圧力Ｐｂ）がクラッキング圧力ＣＰ以下になるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御する。換言すると、アノードオフガス循環制御機能８１は、アノードオフガスを循環させる場合には、［数１］の関係が満たされるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御する。また、アノードオフガス循環制御機能８１は、アノードオフガスの循環を断つ場合には、［数２］の関係が満たされるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御する。なお、第二インジェクター５２内のバルブを閉じて第二インジェクター５２の噴射量を零値にすることで［数２］の関係は容易に満たされる。

［数１］
（圧力Ｐａ）−（圧力Ｐｂ）＞（クラッキング圧力ＣＰ）

［数２］
（圧力Ｐａ）−（圧力Ｐｂ）≦（クラッキング圧力ＣＰ）

なお、［数１］の関係が満たされるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御してアノードオフガスを循環させる制御、および［数２］の関係が満たされるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御してアノードオフガスの循環を断つ制御をアノードオフガス循環制御と呼ぶ。

また、エジェクター５３の仕様または実験値に基づいて、エジェクター５３から燃料電池３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｃと逆止弁５５からエジェクター５３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｂとの関係が定まる場合には、アノードオフガス循環制御機能８１は、エジェクター５３から燃料電池３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｃと、第二インジェクター５２から逆止弁５５へ流通する水素ガスの圧力Ｐａと、に基づいてアノードオフガス循環制御を実行できる。この場合には、燃料電池システム１は、逆止弁５５からエジェクター５３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｂを測定する逆止弁下流圧力センサー６６を備えていなくても良い。この場合、エジェクター５３から燃料電池３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｃと逆止弁５５からエジェクター５３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｂとの関係をΔＰ（ΔＰ＝圧力Ｐｃ−圧力Ｐｂ）と定義すると、［数１］および［数２］における圧力Ｐｂの代わりに、圧力ＰｃからΔＰを引いた差（圧力Ｐｃ−ΔＰ）が［数１］および［数２］に代入される。

さらに、燃料電池システム１は、逆止弁５５を備えていなくても良い。この場合には、アノードオフガス循環制御機能８１は、逆止弁上流圧力センサー６５および逆止弁下流圧力センサー６６に代えて、第二インジェクター５２からエジェクター５３へ流通する水素ガスの圧力（第四圧力）を測定するエジェクター吸引圧力センサー（第四圧力センサー、図示省略）を備えていれば良い。アノードオフガス循環制御機能８１は、水素ガス供給側圧力センサー６７が測定する圧力Ｐｃとエジェクター吸引圧力センサーが測定する圧力に基づいて第二インジェクター５２の噴射量を制御する。

ところで、エジェクター５３の吸込流量（第二インジェクター５２からエジェクター５３へ流通する水素ガスの流量）は、第一インジェクター５１からエジェクター５３へ供給される水素ガスの供給圧力によって決まる。エジェクター５３は、この吸込流量が、保証流量範囲内に収まっている場合に、第二インジェクター５２側の水素ガスを安定して吸い込むことができる。換言すると、エジェクター５３は、第二インジェクター５２からエジェクター５３へ吸い込まれる水素ガスの吸込流量が保証流量範囲内に収まっている場合には（保証流量下限値≦吸込流量≦保証流量上限値）、第二インジェクター５２側から水素ガスを確実に吸い込み、この吸込流量がある保証流量範囲から外れている場合には（保証流量下限値＞吸込流量、吸込流量＞保証流量上限値）、第二インジェクター５２側から水素ガスを安定して吸い込めない。そこで、第四圧力とエジェクター５３の吸込流量との相関関係を、予め実験または試験によって予め取得し、保証流量範囲に対応する保証圧力範囲を明らかにしておく。そして、アノードオフガス循環制御は、アノードオフガスを循環させる場合には、第四圧力が保証圧力範囲内に収まるように第二インジェクター５２の開度を制御する（保証圧力下限値≦第四圧力≦保証圧力上限値）。また、アノードオフガス循環制御は、アノードオフガスを循環させない場合には、第二インジェクター５２を全閉させる。

また、燃料電池システム１は、パージ弁５９の開閉を制御することで、アノードオフガス循環制御を行うこともできる。

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムが実行するアノードオフガス循環制御のアルゴリズムの一例を表現するフローチャートである。

図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御部１１は、燃料電池３が起動すると、アノードオフガス循環制御を開始する。制御部１１は、温度センサー６２から燃料電池３の温度を取得する（ステップＳ１）。

次いで、アノードオフガス循環制御機能８１は、燃料電池３の温度が予め設定される温度閾値以下か否かを判断する（ステップＳ２）。ステップＳ２の判断が肯定される場合、つまり燃料電池３の温度が予め設定される温度閾値以下の場合には（ステップＳ２ Ｙｅｓ）、アノードオフガス循環制御機能８１は、アノードオフガス循環制御によって第二インジェクター５２の噴射量を制御してアノードオフガスの循環を断ち（ステップＳ３）、ステップＳ１へ戻り、処理を継続する。この場合、制御部１１は、［数２］の関係が満たされるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御し、かつパージ弁５９を開いてアノードオフガスを大気へ排気する。

低温環境下において低負荷運転を継続させると、燃料電池３の温度が低下する。また、低温環境下における起動直後の燃料電池３は、十分に暖まっていない。そして、低温な燃料電池３に湿気を帯びたアノードオフガスを循環させると、燃料電池３内の水素ガス流通路２８にフラッディングが生じる虞がある。このフラッディングは、水素ガス流通路２８の圧力損失を増加させて水素ガスの流通を阻害し、燃料電池３の出力を低下させる。そこで、温度閾値は、例えば、湿気を帯びたアノードオフガスを燃料電池３に循環させることで、燃料電池３内の水素ガス流通路２８にフラッディングを生じさせることのない温度に設定される。

一方、ステップＳ２の判断が否定される場合、つまり燃料電池３の温度が予め設定される温度閾値より大きい場合には（ステップＳ２ Ｎｏ）、アノードオフガス循環制御機能８１は、アノードオフガス循環制御によって第二インジェクター５２の噴射量を制御してアノードオフガスを循環させて（ステップＳ４）、ステップＳ２へ戻り、処理を継続する。この場合、制御部１１は、［数１］の関係が満たされるよう第二インジェクター５２の噴射量を制御する。

また、例えば、気水分離器５７の排水弁５８の作動不良によって、気水分離器５７の排水機能が低下または喪失した場合には、気水分離器５７から液体の水（液水）が水素循環通路９に流入する虞がある。そして、気水分離器５７から水素循環通路９に液水が流れ込む状態でアノードオフガスを循環させると、燃料電池３内の水素ガス流通路２８にフラッディングが生じる。そこで、アノードオフガス循環制御機能８１は、気水分離器５７の排水機能が低下または喪失した場合には、第二インジェクター５２を制御してエジェクター５３へ向かう水素ガスの流通を停止させる。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池３から排出される水素ガスの圧力を調整する第二インジェクター５２と、第二インジェクター５２の下流側を第一インジェクター５１の下流側に繋げて燃料電池３から排出される水素ガスを燃料電池３へ供給される水素ガスに合流させるエジェクター５３と、を備えている。したがって、燃料電池システム１は、従来の燃料電池システムのようにポンプを用いることなく、アノードオフガスを燃料電池３へ循環可能である。換言すると、燃料電池システム１は、一般的にポンプに比べて省電力かつコンパクトな燃料噴射装置または弁を用いてアノードオフガスを燃料電池３へ循環可能である。そのため、燃料電池システム１は、従来の燃料電池システムのような発電効率の低下を抑制し、かつ容易に小型化できる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１は、第二インジェクター５２からエジェクター５３へ流通する水素ガスの逆流を妨げる逆止弁５５を備えている。そのため、燃料電池システム１は、電力を消費することなく水素循環通路９における水素ガスの逆流を防止できる。また、燃料電池システム１は、ポンプを備える従来の燃料電池システムに比べて、第二インジェクター５２または弁と逆止弁５５とを備える簡易な構成によって、燃料電池３へのアノードオフガスの循環と循環停止とを切り替え可能であり、かつ水素循環通路９での水素ガスの逆流を防止可能である。さらに、燃料電池システム１は、第二インジェクター５２または弁と逆止弁５５とによって、水素循環通路９における水素ガスの逆流防止機能のロバスト性を向上できる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１は、逆止弁上流圧力センサー６５が測定する圧力Ｐａと逆止弁下流圧力センサー６６が測定する圧力Ｐｂとの差圧（圧力Ｐａ−圧力Ｐｂ）に基づいて第二インジェクター５２の噴射量を制御する。そのため、燃料電池システム１は、極めて容易に燃料電池３へのアノードオフガスの循環と循環停止とを切り替え可能である。なお、燃料電池システム１は、エジェクター５３から燃料電池３へ流通する水素ガスの圧力Ｐｃと、第二インジェクター５２から逆止弁５５へ流通する水素ガスの圧力Ｐａと、に基づいて第二インジェクター５２の噴射量を制御することもできる。また、燃料電池システム１は、水素ガス供給側圧力センサー６７が測定する圧力Ｐｃとエジェクター吸引圧力センサーが測定する圧力とに基づいて第二インジェクター５２の噴射量を制御することもできる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池３の温度が温度閾値以下の場合には、第二インジェクター５２または弁を制御してエジェクター５３へ向かう水素ガスの流通を停止させる。そのため、燃料電池システム１は、低温環境下における燃料電池３の起動時や低負荷運転時に、燃料電池３の温度低下にともなうフラッディングの発生を容易に防止できる。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１は、気水分離器５７が排水機能を喪失した場合には、第二インジェクター５２または弁を制御してエジェクター５３へ向かう水素ガスの流通を停止させる。そのため、燃料電池システム１は、気水分離器５７が排水機能を喪失した場合であってもフラッディングの発生を容易に防止できる。

したがって、本発明に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池３のアノードオフガスを発電に再利用することが可能であって、発電効率を向上可能であり、かつ小型化可能である。

１…燃料電池システム、３…燃料電池、５…空気供給通路、６…空気排出通路、７…貯槽、８…水素供給通路、９…水素循環通路、１１…制御部、１５…燃料電池セル、１６…アノード極、１７…固体高分子膜、１８…カソード極、１９…膜電極接合体、２１、２２…セパレーター、２８…水素ガス流通路、２９…空気流通路、３５…圧縮機、３６…インタークーラー、３７…バイパス回路、３９…迂回量調整弁、４５…背圧弁、５１…第一インジェクター、５２…第二インジェクター、５３…エジェクター、５５…逆止弁、５７…気水分離器、５８…排水弁、５９…パージ弁、６１…信号線、６２…温度センサー、６５…逆止弁上流圧力センサー、６６…逆止弁下流圧力センサー、６７…水素ガス供給側圧力センサー、７１…吐出流量センサー、７２…回転数センサー、７３…吸込側圧力センサー、７５…吐出側圧力センサー、８１…アノードオフガス循環制御機能、１０１…負荷、１０２…モーター、１０３…インバーター、１０５…電池。

Claims (6)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを貯留する貯槽と、
   前記貯槽に貯留される前記燃料ガスの圧力を調整して前記燃料電池へ供給する第一噴射装置と、
   前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの圧力を調整する第二噴射装置または弁と、
   前記第二噴射装置または前記弁の下流側を前記第一噴射装置の下流側に繋げて前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスに合流させる合流装置と、
   前記第二噴射装置の噴射量または前記弁の開度を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記第二噴射装置または前記弁から前記合流装置へ流通する前記燃料ガスの逆流を妨げる逆止弁を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第二噴射装置または前記弁から前記逆止弁へ流通する前記燃料ガスの第一圧力を測定する第一圧力計と、
   前記逆止弁から前記合流装置へ流通する前記燃料ガスの第二圧力を測定する第二圧力計と、を備え、
   前記制御部は、前記第一圧力と前記第二圧力との差圧に基づいて前記第二噴射装置の噴射量または前記弁の開度を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記合流装置から前記燃料電池へ流通する前記燃料ガスの第三圧力を測定する第三圧力計と、
   前記第二噴射装置または前記弁から前記合流装置へ流通する前記燃料ガスの第四圧力を測定する第四圧力計と、を備え、
   前記制御部は、前記第三圧力と前記第四圧力との差圧に基づいて前記第二噴射装置の噴射量または前記弁の開度を制御する請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の温度を測定する温度計を備え、
   前記制御部は、前記温度が閾値以下の場合には、前記第二噴射装置または前記弁を制御して前記合流装置へ向かう前記燃料ガスの流通を停止させる請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池から前記第二噴射装置または前記弁へ流通する前記燃料ガスに含まれる水分を分離する気水分離器を備え、
   前記制御部は、前記気水分離器が排水機能を喪失した場合には、前記第二噴射装置または前記弁を制御して前記合流装置へ向かう前記燃料ガスの流通を停止させる請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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