JP4904720B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池を低温条件下等で使用する場合には、システム配管内の水分の凍結を防止する必要がある。例えば、供給ガス配管の周りを排ガスが通る二重管構造を有する配管を備えた燃料電池スタックガス供給装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、燃料電池の排ガスの熱を利用して供給ガス（燃料ガス）を予熱することができる。

特開２０００−３０６５９３号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、供給配管内の流体と熱交換する流体が１種類だけである。したがって、固体高分子型燃料電池等の低温型燃料電池においては、低温条件下で供給配管内の流体を十分に加熱することができない。その結果、燃料電池システムの凍結を防止することができないおそれがある。

本発明は、燃料ガス中の水分が凍結することを防止す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。

本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガスによって発電を行う燃料電池と、燃料ガスを加熱する熱交換手段とを備え、熱交換手段は、燃料電池から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスによって燃料ガスを加熱し、熱交換手段は、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスを処理する排ガス処理手段と、燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料ガス供給配管とをさらに備え、燃料ガス供給配管は、排ガス処理手段内を通り、排ガス処理手段は、排ガスを希釈する希釈器であることを特徴とする。

熱交換手段は、燃料排ガスが流動する燃料排ガス排出配管をさらに備え、燃料排ガス排出配管を流動する燃料排ガスは、排ガス処理手段と燃料電池との間における燃料ガス供給配管の外壁に接触してもよい。この場合、燃料ガス供給配管の外壁を通じて燃料排ガスと燃料ガスとの間で熱交換が効率よく行われる。それにより、燃料ガスが十分に加熱される。

燃料ガス供給配管は、燃料排ガス排出配管内を通ってもよい。この場合、燃料ガス供給配管が直接外気に接することが防止される。それにより、燃料ガスを効率よく加熱することができる。

燃料ガス供給配管は、排ガス処理手段内においてリリーフ弁を備えていてもよい。この場合、燃料ガス供給配管内におけるガス圧力の過度の上昇を防止することができる。それにより、燃料ガス供給配管の破裂、破損等を防止することができる。また、リリーフ弁から排出される燃料ガスは、排ガス処理手段内に排出される。それにより、燃料ガスが直接大気に排出されることを防止することができる。さらに、リリーフ弁が排ガス処理手段内に設けられていることから、リリーフ弁の動作音の外部への漏れを低減させることができる。

本発明によれば、燃料排ガスおよび酸化剤排ガスの両方のガスによって燃料ガスを十分に加熱することができる。それにより、燃料ガス中の水分の凍結が防止される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１にしたがって、燃料電池システム１００の構成を説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、加湿モジュール１０、燃料電池２０、希釈器３０、マフラ４０および水素タンク５０を備える。

加湿モジュール１０は、燃料電池２０によって排出されるカソードオフガス中の水分を回収し、その水分をエアコンプレッサ（図示せず）から供給されるエアに与えることによってエアの湿度を高める機能を有する。加湿モジュール１０は、エアコンプレッサと配管１０１を介して接続され、配管１０２を介して燃料電池２０のエア入り口２１と接続され、配管１０３を介して燃料電池２０のカソードオフガス出口２２と接続され、配管１０４を介して希釈器３０と接続されている。配管１０１は、加湿モジュール１０内で配管１０２に接続されている。また、配管１０３は、加湿モジュール１０内で配管１０４に接続されている。

燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池からなり、エア入口２１、カソードオフガス出口２２、燃料ガス入口２３、アノードオフガス出口２４、アノード（図示せず）およびカソード（図示せず）を備える。アノードオフガス出口２４は、燃料ガス入口２３を囲むように形成されている。エア入口２１は、カソードを介してカソードオフガス出口２２に接続されている。燃料ガス入口２３は、アノードを介してアノードオフガス出口２４に接続されている。また、アノードオフガス出口２４は、配管１０７を介して希釈器３０に接続されている。詳細は後述する。

希釈器３０は、燃料電池２０によって排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを希釈して外部に排出する機能を有する。希釈器３０は、配管１０５を介してマフラ４０に接続されている。マフラ４０は、外部に通じている。水素タンク５０は、液体水素を貯蔵するためのタンクであり、配管１０６を介して燃料電池２０の燃料ガス入口２３に接続されている。配管１０６は、希釈器３０の内部を通過し、配管１０７の内部を通過して燃料ガス入口２３に接続されている。

次に、燃料電池システム１００の動作について説明する。まず、配管１０１を介して加湿モジュール１０にエアが供給される。加湿モジュール１０は、燃料電池２０から排出され配管１０３を介して供給されるカソードオフガス中の水分によって、供給されたエアを加湿する。加湿されたエアは、配管１０２およびエア入口２１を介して燃料電池２０のカソードに供給される。

燃料電池２０のカソードにおいては、供給されたエア中の酸素とアノードから供給された水素イオンとが反応することにより水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池２０において発生する熱によって水蒸気となる。カソードにおいて発生した水蒸気および水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして配管１０３を介して加湿モジュール１０に供給される。加湿モジュール１０に供給されたカソードオフガスは、配管１０４を介して希釈器３０に供給される。

水素タンク５０においては、貯蔵された液体水素が水素タンク５０に内蔵されたヒータ（図示せず）によって温められることにより、水素ガスが発生する。発生した水素ガスは、燃料ガスとして配管１０６および燃料ガス入口２３を介して燃料電池２０のアノードに供給される。水素タンク５０から配管１０６に供給される水素ガスの温度は、氷点下以下になることがある。

希釈器３０においては、配管１０４から供給されたカソードオフガスおよび配管１０７から供給されたアノードオフガスによって配管１０６が加熱される。それにより、配管１０６内を流動する燃料ガスが加熱される。また、配管１０７内においては、配管１０７内を流動するアノードオフガスによって配管１０６内を流動する燃料ガスが加熱される。それにより、十分に加熱された燃料ガスが燃料電池２０に供給される。その結果、燃料電池２０において燃料ガス中の水分が凍結または凝結することが防止される。さらに、本実施例に係る燃料電池システム１００においては、アノードオフガスおよびカソードオフガスによって燃料ガスが加熱されることから、燃料ガスを加熱するヒータ等の加熱手段をあらたに設ける必要がない。したがって、燃料電池システム１００を小型化することができる。

燃料電池２０のアノードに供給された燃料ガス中の水素は、水素イオンに変換される。アノードにおいて水素イオンに変換されなかった水素は、アノードオフガスとして配管１０７を介して希釈器３０に供給される。なお、アノードオフガスは、燃料電池２０において発生する熱によって加熱される。希釈器３０は、アノードオフガスおよびカソードオフガスを希釈して配管１０５を介してマフラ４０に供給する。マフラ４０は、供給されたアノードオフガスおよびカソードオフガスを外部に排出する。

次に、燃料電池２０の詳細を説明する。図２は、燃料電池２０の詳細を説明するための図である。図２（ａ）は、燃料電池２０の燃料ガス入口２３近傍の模式図であり、図２（ｂ）は、燃料電池２０の燃料ガス入口２３、アノードオフガス出口２４および配管１０６，１０７の詳細を表す模式的断面図である。

図２（ａ）に示すように、燃料電池２０は、さらに入口遮断弁２５、レギュレータ２６、エンドプレート２７、気液分離器２８および排出弁２９を備える。配管１０６は、入口遮断弁２５およびレギュレータ２６を介してエンドプレート２７のアノード入口（図示せず）に接続されている。また、エンドプレート２７のアノード出口（図示せず）は、気液分離器２８および排出弁２９を介して配管１０７に接続されている。

入口遮断弁２５は、配管１０６の開閉を行う。レギュレータ２６は、配管１０６を流動する燃料ガスの流量を調整する。それにより、燃料電池２０の発電量が調整される。エンドプレート２７は、燃料電池２０内の発電部と非発電部とを仕切る仕切り板として機能する。

気液分離器２８は、アノード出口から排出されるアノードオフガスに対して気液分離処理を施す。気液分離器２８は、アノードオフガス中の未使用水素、水蒸気等のガス部分の一部を燃料電池２０のアノード入口に再度供給し、アノードオフガス中の残り部分を排出弁２９に供給する。排出弁２９は、アノードオフガスの配管１０７への排出を制御する。なお、入口遮断弁２５、レギュレータ２６、気液分離器２８および排出弁２９は、燃料電池２０の外部に設けられていてもよい。

図２（ｂ）に示すように、燃料電池２０のケース２００内部には、連結フランジ２０１が設けられている。連結フランジ２０１は、配管１０６，１０７と燃料電池２０とを接続する機能を有する。連結フランジ２０１の中央部には燃料ガス入口２３となる貫通孔が形成されており、連結フランジ２０１の燃料ガス入口２３よりも外側にはアノードオフガス出口となる貫通孔が形成されている。

配管１０７は、絶縁性を有する。例えば、配管１０７は絶縁機能樹脂から構成されていてもよく、配管１０７は内部にゴムホースを内蔵する構造を有していてもよい。また、配管１０６および配管１０７は、蛇腹管、樹脂ホース等のような可撓性のある配管であることが好ましい。なお、各接続部においては図示しないＯリング等によりシールされている。したがって、ガス漏れ等を抑制することができる。

以上のように、本実施例においては、配管１０６，１０７の出入管を１つにすることができる。したがって、燃料電池２０をコンパクト化することができる。その結果、燃料電池システム１００全体をコンパクト化することができる。また、出入管が１つであることによって、配管１０６，１０７の組み付けが容易になる。さらに、配管１０７が配管１０６を覆っていることから、配管１０７が配管１０６の保護材としての機能を果たす。したがって、配管１０６の破損を抑制することができる。

また、燃料電池２０の温度が高温になる前に、燃料電池システム１００を搭載する車両の走行風によって配管１０６が冷却されることを抑制することができる。さらに、配管１０７が配管１０６を覆っていることから、配管１０６に絶縁処理を施す必要がなくなる。したがって、配管１０６の構成が簡略化される。その結果、燃料電池システム１００全体の構成が簡略化される。

次に、図２に示す燃料ガス入口２３、アノードオフガス出口２４およびエンドプレート２７の他の例について説明する。図３は、燃料ガス入口２３ａ、アノードオフガス出口２４ａおよびエンドプレート２７ａの模式的断面図である。図３に示すように、エンドプレート２７ａには２つの配管用貫通孔が形成されている。この２つの貫通孔のそれぞれが燃料ガス入口２３ａおよびアノードオフガス２４ａとなる。

この場合、エンドプレート２７ａに配管１０６，１０７が直接接続されることになる。したがって、エンドプレート２７ａが連結フランジの機能を兼ねることになる。その結果、燃料電池２０をよりコンパクト化することができる。また、部品点数が低減されることから、ガス漏れ対策を施す箇所が低減されることになる。その結果、燃料電池２０の構成が簡略化される。さらに、連結フランジ２０１の分の重量が削減されることになる。

次に、希釈器３０の他の例である希釈器３０ａについて説明する。図４は、希釈器３０ａの模式的断面図である。図４に示すように、希釈器３０ａ内においては、配管１０６は、配管１０４の内部を往復してから配管１０７の内部に延びている。

この場合、配管１０６内を流動する燃料ガスは、配管１０４内を流動するカソードオフガスによって十分に加熱された後に配管１０７を流動するアノードオフガスによって加熱される。それにより、燃料電池２０内において燃料ガス中に含まれる水分の凍結または凝結をより効果的に抑制することができる。一方、配管１０４を流動するカソードオフガスは、配管１０６を流動する燃料ガスによって冷却される。それにより、カソードオフガス中の水分が凝結して水滴化する。その結果、マフラ４０から排出されるガスの白煙化を抑制することができる。なお、配管１０６が配管１０４内において往復する回数は特に限定されない。また、配管１０６は、配管１０７内において往復していてもよい。

次に、配管１０６，１０７の他の例である配管１０６ａ，１０７ａについて説明する。図５は、配管１０６ａ，１０７ａについて説明するための図である。図５（ａ）は配管１０６ａ，１０７ａの平面図であり、図５（ｂ）は配管１０６ａ，１０７ａの断面斜視図である。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、配管１０６ａ，１０７ａは、１本の配管の内部を２つの空間に仕切った構造を有する。この場合、配管１０７ａを流動するアノードオフガスは、配管１０６ａに接触することになる。それにより、配管１０６ａを流動する燃料ガスは、配管１０７ａを流動するアノードオフガスにより加熱される。したがって、燃料電池２０において燃料ガス中の水分が凍結または凝結することが抑制される。また、配管１０６ａ，１０７ａを１本の管から形成することができることから、燃料電池システム１００の省スペース化が可能である。

なお、本実施例においては燃料電池２０として固体高分子型燃料電池を用いているが、他のどのような燃料電池であっても本発明に適用することができる。また、本実施例においては水素タンク５０に液体水素が貯蔵されているが、圧縮水素ガスが貯蔵されていてもよい。なお、水素タンク５０以外に、改質器等の水素発生手段を用いることもできる。さらに、本実施例においては排ガス処理手段として希釈器３０を用いているが、コンバスタ等の触媒燃焼器を用いることもできる。

本実施例においては、希釈器３０、配管１０６および配管１０７が熱交換手段に相当し、希釈器３０が排ガス処理手段に相当し、配管１０６が燃料ガス供給配管に相当し、配管１０７が燃料排ガス排出配管に相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図６は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、希釈器３０の代わりに希釈器３０ｂが設けられている点およびＡＣＰ駆動部１１、エアコンプレッサ１２、圧力センサ１３、制御部６０および表示部７０がさらに設けられている点である。

希釈器３０ｂ内の配管１０６には、分岐配管１０８が設けられている。分岐配管１０８にはリリーフ弁３１が設けられている。配管１０６を流動する燃料ガスは、分岐配管１０８に流入する。それにより、配管１０６内のガス圧力と配管１０８内のガス圧力とは同じ圧力になる。

圧力センサ１３は、配管１０６内のガス圧力を検出して、その検出結果を制御部６０に与える。制御部６０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等から構成される。制御部６０は、圧力センサ１３の検出結果に基づいて表示部７０およびＡＣＰ駆動部１１を制御する。また、制御部６０のＲＯＭには、燃料電池システム１００ａを制御するためのプログラムが内蔵されている。

ＡＣＰ駆動部１１は、制御部６０の指示に従って、図示しないバッテリに蓄えられた電力をエアコンプレッサ１２に供給する。エアコンプレッサ１２は、ＡＣＰ駆動部１１から供給される電力に応じて空気中のエアを圧縮し、配管１０１を介してその圧縮エアを加湿モジュール１０に供給する。表示部７０は、制御部６０の指示に従って、運転者に必要な情報を表示する。

続いて、燃料電池システム１００ａの動作について説明する。圧力センサ１３は、燃料電池２０の運転が停止している場合に、設定時間ごとに配管１０６内のガス圧力を検出して、その結果を制御部６０に与える。燃料電池２０の運転が行われている間は圧力センサ１３による検出が行われないことから、無駄な電力消費を防止することができる。制御部６０は、燃料電池２０の動作とは関係なく、図示しないバッテリの電力によって動作する。

リリーフ弁３１は、水素タンク５０の故障等が原因で分岐配管１０６内のガス圧力が所定値以上になった場合に、分岐配管１０８を介して燃料ガスを希釈器３０ｂ内に排出する。それにより、配管１０６内のガス圧力が所定圧力以上になることが防止される。したがって、配管１０６の破裂、破損等を防止することができる。また、リリーフ弁３１から排出される燃料ガスは、希釈器３０ｂに排出される。したがって、リリーフ弁３１から排出される燃料ガス中の水素濃度を低下させることができる。

さらに、リリーフ弁３１は希釈器３０ｂ内に設けられていることから、リリーフ弁３１の開弁時の音の漏れを低減させることができる。また、リリーフ弁３１によって排出される燃料ガスは希釈器３０ｂ内に排出されることから、排出ガスを処理するための排ガス処理手段をあらたに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００ａを小型化することができる。リリーフ弁３１の動作の詳細は後述する。

リリーフ弁３１から燃料ガスが排出されると、配管１０６内のガス圧力は低下する。この場合、制御部６０は、ＡＣＰ駆動部１１によりエアコンプレッサ１２を設定時間動作させる。それにより、希釈器３０ｂには圧縮エアが強制的に供給される。その結果、リリーフ弁３１から排出された燃料ガス中の水素濃度が低下する。また、制御部６０は、エアコンプレッサ１２が動作したことを運転者に知らせるために、表示部７０にエアコンプレッサ１２が動作した旨を表示させる。したがって、運転者に次回の燃料電池２０の運転を慎重に行わせることができる。

エアコンプレッサ１２が動作した後に配管１０６内のガス圧力が低下しない場合には、制御部６０は、設定時間を超えた後もＡＣＰ駆動部１１にエアコンプレッサ１２の動作を継続させる。エアコンプレッサ１２の動作時間が長い場合には、表示部７０は、車両周辺の人に配管１０６内のガス圧力が低下しない旨を報知する構成を有していてもよい。

次に、リリーフ弁３１の構造および動作の詳細を説明する。図７は、リリーフ弁３１の模式的断面図である。図７（ａ）はリリーフ弁３１の閉弁状態を示し、図７（ｂ）はリリーフ弁３１の開弁状態を示す。図７（ａ）に示すように、リリーフ弁３１は、コイルバネ３２、ボール３３および排出ポート３４を備える。ボール３３は、分岐配管１０８の出口に設けられている。コイルバネ３２は、ボール３３が分岐配管１０８の出口を塞ぐようにボール３３に力を加える。配管１０６内のガス圧力が所定値未満である場合には、ボール３３は分岐配管１０８の出口を閉塞している。

配管１０６内のガス圧力が所定値以上になった場合には、図７（ｂ）に示すように、分岐配管１０８内の燃料ガスがコイルバネ３２の力に抗してボール３３を押し上げる。それにより、分岐配管１０８と排出ポート３４とが通じることになる。したがって、配管１０６内の燃料ガスが希釈器３０ｂ内に排出される。

図８は、制御部６０が燃料電池システム１００ａを制御する際のフローチャートの一例を示す図である。制御部６０は、所定の周期で下記のフローチャートを実行する。以下、図８のフローチャートに従って、制御部６０の動作について説明する。まず、制御部６０は、設定時間ごとに圧力センサ１３に配管１０６内のガス圧力を検出させる（ステップＳ１）。次に、制御部６０は、燃料電池２０が運転状態にあるか否かを判定する（ステップＳ２）。

ステップＳ２において燃料電池２０が運転状態にあると判定された場合、制御部６０は動作を終了させる。ステップＳ２において燃料電池２０が運転状態にあると判定されなかった場合、制御部６０は、圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３において圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いと判定された場合、制御部６０は、動作を終了させる。ステップＳ３において圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いと判定されなかった場合、制御部６０は、圧力センサ１３による検出圧力を設定回数計測する（ステップＳ４）。

次に、制御部６０は、圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いか否かを再度判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５において圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いと判定された場合、制御部６０は、動作を終了させる。ステップＳ５において圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いと判定されなかった場合、制御部６０は、ＡＣＰ駆動部１１に待機させる（ステップＳ６）。

次に、制御部６０は、圧力センサ１３が検出する圧力Ｐを計測する（ステップＳ７）。次いで、制御部６０は、ステップＳ７において計測した圧力Ｐに基づいて、配管１０６内のガス圧力が低下しているか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８において配管１０６内のガス圧力が低下していると判定された場合、制御部６０は、動作を終了させる。ステップＳ８において配管１０６内のガス圧力が低下していると判定されなかった場合、制御部６０は、エアコンプレッサ１２を動作させる（ステップＳ９）。

次に、制御部６０は、エアコンプレッサ１２が動作した旨を表示部７０に表示させる（ステップＳ１０）。次いで、制御部６０は、圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いか否かを再度判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いと判定されなかった場合、制御部６０は、待機する。それにより、エアコンプレッサ１２は動作を継続する。ステップＳ１１において圧力センサ１３が検出する圧力Ｐが設定値よりも低いと判定された場合、制御部６０は、エアコンプレッサ１２の動作を停止させる（ステップＳ１２）。その後、制御部６０は動作を終了させる。

以上のように、配管１０６内の燃料ガスの圧力が高くなった場合には、リリーフ弁３１から排出された燃料ガスはエアコンプレッサ１２の動作により希釈されて外部排出される。また、エアコンプレッサ１２が動作したことを表示部７０に表示させることから、運転者に次回の燃料電池２０の運転を慎重に行わせることができる。

図９は、本実施例に係る希釈器３０ｂの他の例である希釈器３０ｃの模式図である。希釈器３０ｃが図６の希釈器３０ｂと異なる点は、リリーフ弁３１から排出された燃料ガスが触媒燃焼部３５に供給された後に希釈器３０ｃ内に排出される点である。

触媒燃焼部３５は、燃料ガス中の水素の酸化反応を促進する触媒を備える。それにより、触媒燃焼部３５に供給された燃料ガス中の水素は、触媒によって燃焼した後に希釈器３０ｃ内に排出される。その後、触媒燃焼部３５によって燃焼したガスは、希釈器３０ｃによって希釈された後に外部に排出される。したがって、外部への水素の排出を防止することができる。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池システム１００ｂについて説明する。燃料電池システム１００ｂが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、希釈器３０の代わりに希釈器３０ｄが設けられている点である。以下、希釈器３０ｄについての詳細を説明する。図１０は、希釈器３０ｄを説明するための図である。図１０（ａ）は希釈器３０ｄの模式図であり、図１０（ｂ）は希釈器３０ｄ内の配管１０６，１０７部分の詳細を説明するための模式図である。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、配管１０６にはエジェクタ３６が介挿されている。配管１０７には分岐配管１０９が設けられている。分岐配管１０９は逆止弁３７を介してエジェクタ３６に接続されている。続いて、希釈器３０ｄの動作について説明する。

燃料電池２０における発電量が増大すると、燃料ガスの消費量が増大する。それにより、配管１０６に対する吸引力が増大する。この場合、エジェクタ３６により分岐配管１０９にも吸引力が働く。水素タンク５０による配管１０６への水素供給が追いつかずに分岐配管１０９に対する吸引力が逆止弁３７の逆止力以上になった場合、配管１０７を流動するアノードオフガスが分岐配管１０９、逆止弁３７およびエジェクタ３６を介して配管１０６に供給される。

この場合、アノードオフガス中に含まれる水素を再利用することができる。それにより、発電に必要な水素を燃料電池２０に供給することができる。また、水素の利用効率が向上する。さらに、希釈器３０ｄにおいて希釈すべき水素量が低減される。それにより、外部に排出される排ガス中の水素濃度を低減させることができる。なお、アノードオフガス中に含まれる水素量が多い条件においてエジェクタ３６が動作するように、逆止弁３７の逆止力が調整されていてもよい。

図１１は、図１０の希釈器３０ｄの他の例である希釈器３０ｅの模式図である。希釈器３０ｅが希釈器３０ｄと異なる点は、エジェクタ３６と逆止弁３７との間の分岐配管１０９にバルブ３８が介挿されている点である。バルブ３８は、分岐配管１０９の開閉を行う。

バルブ３８は、開閉動作により、配管１０７から希釈器３０ｅに供給されるアノードオフガスの量を調整する。それにより、燃料電池２０の発電に必要な水素量を調整することができる。また、バルブ３８は、逆止弁３７が故障により開状態になった場合に、閉じることもできる。それにより、配管１０７から不必要なアノードオフガスが配管１０６に供給されることが防止される。

また、燃料電池２０の温度が所定の温度に達していない場合には、低温のアノードオフガスおよび燃料ガスが希釈器３０ｅに供給されることになる。この場合、希釈器３０ｅの温度も低くなることから、逆止弁３７が凍結するおそれがある。バルブ３８は、燃料電池２０の温度が所定の温度に達していない場合には、分岐配管１０９を閉じる。それにより、逆止弁３７の破損を防止することができる。

希釈器３０ｄ，３０ｅを燃料電池システムに適用する場合には、配管１０６の希釈器３０ｄ，３９ｅよりも上流側に図２の入口遮断弁２５およびレギュレータ２６を設けることが好ましい。図１２に入口遮断弁２５およびレギュレータ２６が配管１０６の希釈器３０ｄ，３０ｅよりも上流側に設けられた模式図を示す。この場合、入口遮断弁２５およびレギュレータ２６にアノードオフガス中に含まれる水蒸気が流入することが防止される。したがって、入口遮断弁２５およびレギュレータ２６の腐食が抑制される。その結果、入口遮断弁２５およびレギュレータ２６の故障を抑制することができる。

なお、本発明に係る燃料電池システムは、第２実施例および第３実施例を組み合わせた構成を有していてもよい。例えば、希釈器３０内の配管１０６にリリーフ弁３１およびエジェクタ３６の両方が設けられていてもよい。この場合、第２実施例および第３実施例の両方の効果が得られる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 燃料電池の詳細を説明するための図である。 燃料ガス入口、アノードオフガス出口およびエンドプレートの模式的断面図である。 希釈器の模式的断面図である。 配管について説明するための図である。 燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 リリーフ弁の模式的断面図である。 制御部が燃料電池システムを制御する際のフローチャートの一例を示す図である。 本実施例に係る希釈器の他の例である希釈器の模式図である。 希釈器を説明するための図である。 希釈器の他の例の模式図である。 入口遮断弁およびレギュレータが希釈器よりも上流側に設けられた場合の模式図である。

符号の説明

１１ ＡＣＰ駆動部
１２ エアコンプレッサ
１３ 圧力センサ
２０ 燃料電池
２１ エア入口
２２ カソードオフガス出口
２３，２３ａ 燃料ガス入口
２４，２４ａ アノードオフガス出口
２７，２７ａ エンドプレート
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ，３０ｅ 希釈器
３１ リリーフ弁
３４ 排出ポート
３５ 触媒燃焼部
３６ エジェクタ
３７ 逆止弁
５０ 水素タンク
６０ 制御部
１００，１００ａ，１００ｂ 燃料電池システム
１０６，１０７ 配管
１０８，１０９ 分岐配管
２０１ 連結フランジ

Claims (4)

1. 水素を含有する燃料ガスおよび酸素を含有する酸化剤ガスによって発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスを加熱する熱交換手段とを備え、
   前記熱交換手段は、前記燃料電池から排出される燃料排ガスおよび酸化剤排ガスによって前記燃料ガスを加熱し、
   前記熱交換手段は、前記燃料排ガスおよび前記酸化剤排ガスを処理する排ガス処理手段と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給配管とをさらに備え、
   前記燃料ガス供給配管は、前記排ガス処理手段内を通り、
   前記排ガス処理手段は、排ガスを希釈する希釈器であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記熱交換手段は、前記燃料排ガスが流動する燃料排ガス排出配管をさらに備え、
   前記燃料排ガス排出配管を流動する前記燃料排ガスは、前記排ガス処理手段と前記燃料電池との間における前記燃料ガス供給配管の外壁に接触することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料ガス供給配管は、前記燃料排ガス排出配管内を通ることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス供給配管は、前記排ガス処理手段内においてリリーフ弁を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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