JP5262169B2

JP5262169B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5262169B2
Application number: JP2008037481A
Authority: JP
Inventors: 徹昆沙賀
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: JP2009199760A

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、詳しくは、燃料電池で使用されなかった水素を燃料電池に循環させる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、酸化ガスを燃料電池のカソードに供給するとともに、水素ガスを燃料電池のアノードに供給し、酸化ガスと水素ガスとを反応させることによって電気エネルギを生成する技術が一般的に用いられている。ところが、この水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを生成する際、同時に水分も生成される。そして、この水分をオフガスとともに燃料電池外へ滞りなく排出しなければ、電解質膜付近での水分が過多になり、ガスの供給や透過の妨げとなる、いわゆるフラッディングという現象が起こり燃料電池の出力効率が低下するおそれがある。

しかも、燃料電池システムにおいては、燃料電池で使用されなかった水素ガスを循環させる方式が広く採用されているが、循環させる方式では再利用するガスに水蒸気（水分）が含まれるため、よりフラッディングが発生し易くなるという問題があった。そこで、このような循環方式を採用した燃料電池システムでは、ポンプを用いて燃料電池内のオフガスを所定の流速で強制的に循環させ、オフガスとともに燃料電池内の水分を円滑に排出させることでフラッディングを防止し、オフガス中の水素濃度が低くなったときにだけパージする方法が考えられている。

ここで、循環方式の燃料電池システムの一例としては、アノードオフガスに含まれる燃料ガスを供給ガス通路に戻す循環ガス通路と、循環ガス通路に設けられた循環手段（ポンプ）とを備え、燃料電池から排出された燃料ガスの脈動と、燃料電池に供給される燃料ガスの脈動とを相対的に制御する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−３５４５０号公報

ところが、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の電解質膜に溜まっている水分を除去できる程度の流速でオフガスを循環させるには、出力の大きなポンプを用いなければならず、ポンプの小型化を図ることは難しかった。

また、特許文献１に記載の燃料電池システムでも同様に、循環ガス通路に設けられたポンプはガスを循環経路内で循環させることを目的としており、ポンプの小型化を図ることは難しい。

本発明では、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型のポンプであっても燃料電池内のアノードオフガスを所定の流速で排出させてフラッディングの発生を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

前記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池のカソード側に供給される酸化ガスと、アノード側に供給される水素ガスとの反応により電気エネルギを生成する燃料電池システムにおいて、水素源から前記燃料電池に供給される前記水素ガスが流通する供給路と、単一の経路であるとともに、前記燃料電池で使用されなかった水素ガスを前記燃料電池に循環させる水素循環経路と、前記水素循環経路に設けられるとともに前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを貯留可能なチャンバと、前記チャンバを経由した前記アノードオフガスを大気中に排気するパージ路と、前記パージ路に設けられたパージ用開閉弁と、前記チャンバよりも上流側の水素循環経路に設けられるとともに、前記燃料電池と前記チャンバとの間を連通状態及び非連通状態に切り換え可能な循環経路用開閉弁と、前記チャンバよりも下流側の水素循環経路に設けられるとともに、前記チャンバに貯留されている前記アノードオフガスを吸入し前記吸入したアノードオフガスを圧縮して送り出すチャンバ用ポンプとを備え、前記循環経路用開閉弁を閉じた状態で前記チャンバ用ポンプによって前記チャンバ内の前記アノードオフガスを吸入し、前記循環経路用開閉弁よりも上流側の前記水素循環経路内の圧力に対して前記チャンバ内の圧力が所定の負圧になったときに前記循環経路用開閉弁を開き前記チャンバ内にガスを流入させる。

この発明では、チャンバ用ポンプを駆動してチャンバ内の圧力を所定の圧力まで下げたのち、循環経路用開閉弁を開いて循環経路用開閉弁より上流側のアノードオフガスをチャンバ内に流入させる。このとき、循環経路用開閉弁より上流側の水素循環経路内の圧力とチャンバ内の圧力との間の圧力差によって、燃料電池内のアノードオフガスは勢いよく放出される。したがって、燃料電池の電解質膜における水分はアノードオフガスとともに燃料電池外へ運ばれるため、フラッディングが発生することは抑制される。

また、チャンバ用ポンプを作動させてチャンバ内の圧力を所定の圧力まで下げれば、チャンバ用ポンプの容量に関係なく燃料電池の電解質膜における水分を除去できる程度に勢いよくアノードオフガスを放出させることができる。したがって、電解質膜における水分を除去できる程度の速さでアノードオフガスを循環させるポンプを設ける場合に比べて小型のポンプを用いることができる。

また、水素循環経路は単一の経路であり、途中で複数の管路に分岐する構成ではないため、燃料電池システムの配管を簡素にすることができる。
さらに、請求項１に記載の発明は、前記チャンバ内の圧力状態を検出可能な圧力センサを備えている。

この発明では、チャンバ内の圧力を推定するために実験あるいは計算を行わなくとも、圧力センサによってチャンバ内の圧力を検出できる。
さらに、請求項１に記載の発明は、前記循環経路用開閉弁を閉じた状態で前記チャンバ用ポンプによって前記チャンバ内の前記アノードオフガスを吸入し、前記チャンバ内の圧力が所定の圧力になったときに前記パージ用開閉弁を開き前記チャンバ内のガスをパージすることを要旨とする。

なお、「所定の圧力」とは、大気中に排気される排気ガスの水素濃度を支障のない濃度未満にできるような放出量でパージ用開閉弁からパージガスを放出させることができる程度の圧力を意味する。

この発明では、チャンバ内の圧力が所定の圧力にまで下がり、チャンバ内とパージ用開閉弁より下流側におけるパージ路内との圧力差が所定の圧力差になったときにパージ用開閉弁を開いてチャンバ内のガスをパージする。このとき、チャンバ内とパージ用開閉弁より下流側におけるパージ路内との間の圧力差は小さくパージガスはパージ用開閉弁から徐々に放出されるため単位時間当たりのパージガスの放出量は少なく大気中に排気する排出ガスの水素濃度を低減することができる。したがって、チャンバ内のアノードオフガス中の水素濃度が所定の濃度より濃くても、大気中に排気する際には排気ガス中の水素濃度を支障のない濃度にまで低減することができる。

本発明によれば、小型のポンプであっても燃料電池内のアノードオフガスを所定の流速で排出させてフラッディングの発生を抑制できる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、水素供給源としての水素タンク１２から供給される水素とコンプレッサ１３から供給される空気中の酸素とを化学反応させることによって直流の電気エネルギ（直流電力）を発生する固体高分子型の燃料電池１４を備えている。

水素タンク１２には水素供給口（図示せず）に対して供給路としての水素供給管路１５が接続されている。そして、水素供給管路１５には、上流側から順に第１調圧弁１６、水素タンク用遮断弁１７、第２調圧弁１８が設けられている。第１調圧弁１６は水素タンク１２から供給された水素を減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁として構成されている。水素タンク用遮断弁１７は制御装置２６から入力される指令に基づいて開閉が制御される電磁弁であり、燃料電池１４への水素の供給／停止を制御するように構成されている。第２調圧弁１８は第１調圧弁１６及び水素タンク用遮断弁１７を通過した水素を減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁として構成されている。

また、コンプレッサ１３はモータ１３ａによって駆動されるように構成されている。コンプレッサ１３はフィルタ１９を通過した酸化ガスとしての空気を吸入するとともに圧縮した後に送り出すように構成されている。コンプレッサ１３は燃料電池１４のカソード側の酸素供給ポート（図示せず）に管路２０を介して連結されている。なお、管路２０にはその途中に加湿器（図示せず）が設けられている。燃料電池１４のカソード側には、発電のための化学反応で発生した水蒸気の状態の水と、未反応の空気とを排出する排出管路２１が連結され、排出管路２１には排出調整弁２２が設けられている。

一方、燃料電池１４の水素排出ポート（図示せず）は、水素循環経路としての水素循環管路２３を介して第２調圧弁１８より下流側の水素供給管路１５の部分に接続されている。なお、水素循環管路２３と水素供給管路１５との合流部２４付近であって、水素循環管路２３と水素供給管路１５との合流部２４より上流側の水素供給管路１５には水素ガス用圧力センサ２５が設けられている。水素ガス用圧力センサ２５は、検出結果を制御装置２６に出力するように構成されている。そして、水素循環管路２３にはその途中部分にチャンバ部２７及びチャンバ用ポンプとしてのポンプ２８が上流側から順に設けられている。

チャンバ部２７は、第１管路２９を介して燃料電池１４の水素排出ポート（図示せず）と接続されるとともに、チャンバ部２７内の圧力状態を検出しその結果を制御装置２６に入力する圧力センサ３４が設けられている。チャンバ部２７の内部は、第１管路２９に設けられている循環経路用開閉弁（以下、「開閉弁」という。）３０によって燃料電池１４の水素排出ポート（図示せず）との関係が連通状態及び非連通状態に切り換えられる。なお、開閉弁３０は、制御装置２６からの指令にしたがって開閉が行われ、例えば、１０ｓに一回の間隔で開状態となるように設定されている。チャンバ部２７は、開閉弁３０より上流側の水素循環管路２３内とチャンバ部２７内とが所定の圧力差になっている状態で開閉弁３０が所定時間開かれた際に開閉弁３０から放出される所定量のアノードオフガスを十分貯留可能な程度の容積（例えば、０．００５ｍ^３）を有している。なお、「所定の圧力差」とは、開閉弁３０が開かれたときに燃料電池１４の電解質膜に溜まった水分を燃料電池１４外へ運ぶことができる程度の流速をアノードオフガスに生じさせることができる圧力差を意味する。また、チャンバ部２７には大気中に排気するアノードオフガスが流通するパージ路としてのパージ管路３１が接続されている。

パージ管路３１にはその途中に電磁弁で構成されるパージ用開閉弁３２（以下、パージ弁と記載する。）が設けられている。パージ弁３２は制御装置２６からの指令にしたがって開閉が行われる。

一方、チャンバ部２７は第２管路３３を介してポンプ２８の吸入口と接続されている。ポンプ２８はその吐出口が第３管路３５を介して水素供給管路１５と連結されている。ポンプ２８は制御装置２６からの指令によって制御されるモータ３６によって駆動される構成であり、燃料電池システム１１の運転中、常時作動している。そして、ポンプ２８は、チャンバ部２７内のアノードオフガスを吸入するとともに、吸入したアノードオフガスを圧縮してポンプ２８より下流側の管路に吐出する構成である。ポンプ２８の容量は、例えば、０．０６［ｍ^３／ｍｉｎ］に設定されている。

制御装置２６は、マイクロコンピュータと、メモリ（図示せず）とを備え、開閉弁３０に制御信号Ｓ１を出力した回数を積算してその積算値をメモリに記憶するように構成されている。そして、制御装置２６は、パージ弁３２を開く制御を行うとメモリに記憶している積算値をリセットするように構成されている。

次に前記のように構成された燃料電池システム１１の作用を説明する。
燃料電池システム１１の運転中、水素タンク１２からは水素を間欠的に供給されるとともに、ポンプ２８は常時作動される。そして、ポンプ２８は、開閉弁３０から放出されたアノードオフガスをチャンバ部２７から吸入し、そのアノードオフガスを圧縮した後に吐出して水素供給管路１５に合流させた後、燃料電池１４に循環させる。また、コンプレッサ１３が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１４のカソード側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）がアノード側又はカソード側と対応する通路を通過する間に燃料電池１４での化学反応によって消費される量より多い。そして、カソード側において、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排出管路２１から外部に排出される。

一方、燃料電池システム１１の運転中、カソード側において発電のための化学反応で発生した水の一部は電解質膜を透過してアノード側で溜まる。そして、図２に示すように、開閉弁３０が閉じられた時期をｔ０とし、ポンプ２８は常時作動しているためチャンバ部２７内に貯留されたアノードオフガスが吸入され、開閉弁３０が閉じられたときからチャンバ部２７内の圧力Ｐは下降し始める。そして、開閉弁３０を閉じてから所定時間ｔ１（例えば、１０ｓ）経過後であって、チャンバ部２７内の圧力Ｐが負圧（例えば、５０［ｋＰａａｂｓ］）になっている状態で制御装置２６は開閉弁３０を開くように制御信号Ｓ１を出力する。なお、「ａｂｓ」とは、圧力値が絶対圧基準であることを表す記号である。すると、この時点で、チャンバ部２７内の圧力Ｐと開閉弁３０よりも上流側における水素循環管路２３内の圧力との間には所定の圧力差（例えば、１５０［ｋＰａ］）が生じているため、燃料電池１４から排出されたアノードオフガスは所定の流速でチャンバ部２７内に流入する。そのため、燃料電池１４の電解質膜のアノード側において溜まっている水分は勢いよく流れるアノードオフガスによって燃料電池外へ運ばれて電解質膜から除去される。そして、このようなアノードオフガスの放出が所定間隔（例えば、１０ｓ）おきに行われるため、フラッディングが発生することは抑制される。

また、アノードオフガス中に存在する未反応の水素は、開閉弁３０から放出された後、チャンバ部２７内に流入し、ポンプ２８によって吸入されて加圧された後、水素供給管路１５に向けて吐出され水素供給管路１５を流れて燃料電池１４に再び供給される。したがって、アノードオフガス中の水素は、大気中に排気されずに循環再使用される。

ここで、アノードオフガスは循環使用されるため、アノードオフガス中の不純物（窒素、水蒸気）濃度が次第に増加し、水素濃度が低下する。そこで、燃料電池１４の発電効率が低下するのを防止すること目的として、アノードオフガス中の湿度と、水素濃度とを調整するため、制御装置２６はパージ弁３２の開閉制御と、水素タンク１２からの水素供給を制御する水素タンク用遮断弁１７の開閉制御を行う。そして、制御装置２６は、開閉弁３０の開閉回数がしきい値に達するとアノードオフガス中の水素濃度が基準濃度以下になったと判断し、その後、圧力センサ３４によってチャンバ部２７内の圧力が所定の圧力Ｐ１（例えば、１１０〜１２０［ｋＰａａｂｓ］）にまで下がったことを検出するとパージ弁３２に対して制御信号Ｓ２を出力する。なお、「所定の圧力Ｐ１」とは、大気中に排気される排気ガスの水素濃度を支障のない濃度未満にできるような放出量でパージ弁３２からパージガスを放出させることができる程度の圧力を意味する。この時点でチャンバ部２７内とパージ弁３２より下流側のパージ管路３１内との間の圧力差（例えば、１０〜２０［ｋＰａ］）は小さくなっているため、パージ弁３２から放出されるパージガスの放出流速は小さくなる。その結果、パージガスを徐々にパージ管路３１に放出することができるため、単位時間当たりのパージガスの放出量は少なくなり、大気中に排気する排出ガスの水素濃度を低減することができる。なお、ここで述べる「しきい値」とはアノードオフガス中の水素濃度が基準濃度未満になったと推定できる値であり、ここで述べる基準濃度とは燃料電池システムの発電効率が目的とする効率より下がる濃度のことを意味する。そして、本実施形態では、開閉弁３０の開放時間を考慮したうえで、水素タンク用遮断弁１７が開かれて水素タンク１２から水素が供給された後にアノードオフガス中の水素濃度が基準濃度以下になるまでに要する開閉弁３０の開閉回数を予め実験あるいは理論的に求め、その値をしきい値として設定している。

この実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（１）燃料電池システム１１は、燃料電池１４から排出されたアノードオフガスを貯留可能なチャンバ部２７と、燃料電池１４とチャンバ部２７との間を連通状態及び非連通状態に切り換え可能な開閉弁３０と、チャンバ部２７に貯留されているアノードオフガスを吸入し、吸入したアノードオフガスを圧縮して送り出すポンプ２８とを備えている。そして、ポンプ２８でチャンバ部２７内のアノードオフガスを吸入し、チャンバ部２７内の圧力を所定の圧力にまで下げた後、開閉弁３０を開いて燃料電池１４内のアノードオフガスを勢いよく排出させる。したがって、アノードオフガス勢いよく排出させることによって燃料電池１４の電解質膜に溜まっている水分を除去できるため、フラッディングが発生することを抑制できる。

（２）従来の燃料電池システムにおいて、チャンバ部を備えておらず低出力のポンプを用いる場合には、パージ弁をあけることによって燃料電池内のアノードオフガスを勢いよく放出させフラッディングを防止する方法も考えられる。しかし、フラッディングを防止するためにこのような方法を採用すると、頻繁にパージ弁を開かなければならないとき（例えば、燃料電池が高負荷で運転されているとき）には無駄に水素ガスを排出することになるため、燃料電池システムのシステム効率が下がるという問題が生じる。ここで、本実施形態の燃料電池システム１１においては、燃料電池１４内のアノードオフガスを排出させて電解質膜に溜まっている水分を除去するために開く開閉弁３０とパージ管路３１にはパージ弁３２とは別に設けられている。したがって、本実施形態の燃料電池システム１１においては、電解質膜に溜まっている水分を除去するたびにアノードオフガスを大気中に排気することは行わずに、アノードオフガス中の水素濃度が基準濃度以下になったときにだけパージ弁３２を開いてガスをパージすればよいため、燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。

（３）燃料電池システム１１において、ポンプ２８を作動させてチャンバ部２７内の圧力を所定の圧力まで下げれば、ポンプ２８の容量に関係なく燃料電池１４の電解質膜に溜まった水分を除去できる程度に勢いよくアノードオフガスを放出させることができる。したがって、燃料電池１４の電解質膜における水分を除去できる程度の速さでアノードオフガスを循環させることができる大出力（例えば、０．５［ｍ^３／ｍｉｎ］）のポンプに比べて、低出力で小型のポンプを使用することができる。

（４）水素循環管路２３は単一の経路である。したがって、水素循環管路２３は、途中で複数の管路に分岐して経路が二系統になる構成ではないため、燃料電池システム１１の配管を簡素にすることができる。また、水素循環管路２３が単一の経路であれば、ポンプ２８を一つ設けるだけでよく、水素循環経路に複数のポンプを設けなくてよいだけ、配設するポンプの数を抑えることができる。

（５）ここで、水素はその分子量が小さいため、ガス中の水素濃度によってポンプの移送量に差が生じ、通常、ガス中の水素濃度が高いほど、ポンプによるガスの移送量は小さくなる。したがって、ポンプが同じ所定時間駆動した場合であっても、ある圧力状態から所定時間後に到達するチャンバ部内の圧力はアノードオフガス中の水素濃度によって異なる。そのため、開閉弁３０を閉じてからのポンプ２８の運転時間に基づいてチャンバ部２７内の圧力を推定する場合、制御装置２６が検出するチャンバ部２７内の圧力値の精度は低い。一方、チャンバ部２７に圧力センサ３４を設けていれば、圧力センサ３４によって、直接、チャンバ部２７内の圧力状態を検出することができるため、アノードオフガス中の水素濃度に左右されることなく精度よくチャンバ部２７内の圧力状態を検出することができる。

（６）チャンバ部２７にはパージ管路３１が接続されている。そして、制御装置２６は開閉弁３０が閉じている状態で、かつ、チャンバ部２７内の圧力が所定の圧力にまで下がり、チャンバ部２７内とパージ弁３２より下流側におけるパージ管路３１内との圧力差が所定の圧力差になったときにパージ弁３２を開きチャンバ部２７内のガスをパージする。したがって、チャンバ部２７内におけるアノードオフガス中の水素濃度が所定の濃度より濃くても、大気中に排気する際には排気ガス中の水素濃度を支障のない濃度にまで低減することができる。

（７）ここで、燃料電池システムに用いられた開閉弁では、凍結やごみ詰まりによって弁が開きっぱなしで固着することで、開閉弁を閉じることができない開故障が起きる場合がある。しかし、燃料電池システム１１は、水素循環管路２３の第１管路２９に設けられた循環経路用開閉弁３０とパージ管路３１に設けられたパージ弁３２との二つを備えている。したがって、仮に開閉弁３０が開故障を起こしても、パージ弁３２を閉じればアノードオフガスがパージ管路３１を介して大気中に流出することを抑制できる。また、仮にパージ弁３２が開故障を起こしても、開閉弁３０を閉じれば大量のアノードオフガスがパージ管路３１を介して大気中に流出することを抑制できる。

（８）制御装置２６は、圧力センサ３４から入力される検出結果に基づいて、チャンバ部２７内の圧力低下量をモニタリングすることができる。そして、制御装置２６は、制御信号Ｓ１の出力を停止しているにも拘らずチャンバ部２７内の圧力低下量が小さい場合に、開閉弁３０の開故障が起きたことを検知できる。また、制御装置２６は、制御信号Ｓ１及び制御信号Ｓ２の出力を停止しているにも拘らずチャンバ部２７内の圧力低下量が小さい場合に、パージ弁３２の開故障が起きたことを検知できる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ チャンバ部にパージ管路を接続する代わりに、パージ管路をチャンバ部より下流側に存在する水素循環管路に接続してもよい。例えば、図３に示すように、第２管路３３にパージ管路３７を接続し、燃料電池システム１１は開閉弁３０の開閉回数がしきい値に達した後、圧力センサ３４によってチャンバ部２７内の圧力が所定の圧力Ｐ１にまで下がったことを検出した時点でパージ弁３８を開く。そして、チャンバ部２７からポンプ２８によって吸入されるアノードオフガスの一部を水素循環管路２３からパージ管路３７に分流させてパージしてもよい。この場合であっても、チャンバ部２７内とパージ弁３８より下流側におけるパージ管路３７内との間の圧力差が小さければ、パージ弁３８からパージガスを徐々に放出することができる。したがって、チャンバ部２７内のアノードオフガス中の水素濃度が所定の濃度より濃くても、大気中に排気する際には排気ガス中の水素濃度を支障のない濃度にまで低減することができる。

○ 水素循環経路としての水素循環管路２３を水素供給管路１５と合流させなくともよい。例えば、水素循環管路２３の下流側端部を燃料電池の燃料電池１４の水素供給ポート（図示しない）に接続するとともに、水素循環管路２３とは別に水素供給管路１５の下流側端部を燃料電池１４の水素供給ポートに接続してもよい。このような構成であっても、燃料電池１４から排出されたアノードオフガス及び水素タンク１２から供給された水素を燃料電池１４のアノード側に供給することができる。

○ 水素循環経路の構成を変更してもよい。例えば、図４に示すように、下流側端部３９を、燃料電池１４の水素排出ポート付近で、開閉弁３０より上流側の経路である上流側端部４０に接続した水素循環管路４１を設けてよい。そして、下流側端部３９からポンプ２８に向かってガスが流れることを規制する逆止弁４２をポンプ２８より下流側に設ける。この場合、開閉弁３０から放出されてチャンバ部２７内に流入したアノードオフガスはポンプ２８によって水素循環管路２３の下流側端部３９に向けて移送される。そして、開閉弁３０が閉じられている状態でポンプ２８によって移送されたアノードオフガスは燃料電池１４の水素排出ポートを通って燃料電池１４内に導入され、導入されたアノードオフガス中の水素は燃料電池１４によって消費される。その後、再び、開閉弁３０が開かれると、燃料電池１４内のアノードオフガスは開閉弁３０から所定の流速で放出されることで、フラッディングが発生することを抑制できる。ここで、このような管路構成の水素循環管路４１において、アノードオフガス中の水素の循環を行う場合、開閉弁３０から放出されたアノードオフガスは、水素供給管路１５を流通する水素と合流することなく燃料電池１４内に導入される。したがって、パージ弁３２を開かずにガスを水素循環管路４１において循環させれば、水素循環管路４１を循環するガス中の窒素の濃化を早めることができるため、パージする際に排出する水素の量を減らすことができる。

○ チャンバは、開閉弁が開かれたときに放出されるアノードオフガスを十分貯留できる程度の容積を有するものであればよく、所定の容積を有するタンクをチャンバとして水素循環管路に配設してもよい。また、水素循環管路の一部を拡径して所定の容積を有するように構成しチャンバとして用いてもよい。

○ 開閉弁を開く時期は、チャンバ内の圧力が負圧になった後でなくともよい。開閉弁を開いたときに、燃料電池内の水分を除去できる程度の流速で開閉弁からアノードオフガスを放出できる程度にチャンバ内と水素循環管路内との間に圧力差が存在するのであれば、チャンバ内の圧力が大気圧より高い状態で開閉弁を開いてもよい。

○ 開閉弁を開く間隔を適宜変更してもよい。燃料電池が電気エネルギを生成する際に生成する水分の量は燃料電池が高負荷で運転される程多くなるため、例えば、燃料電池が高負荷で運転される場合には、開閉弁を開く間隔が短くなるように制御してもよい。

○ チャンバ内の圧力状態を検出する圧力センサを設ける箇所を変更してもよい。例えば、第２管路３３に圧力センサを設けてもよい。また、チャンバとパージ用開閉弁との間のパージ路に圧力センサを設けてもよい。どちらの場合であっても、チャンバ内と圧力センサが検出対象としている箇所とは連通しているため、支障なくチャンバ内の圧力状態を検出することができる。

○ 圧力センサを省略し、チャンバ用ポンプの駆動時間によってチャンバ内の圧力状態を把握するようにしてもよい。この場合、例えば、予め実験あるいは理論的に開閉弁を閉じてからの経過時間とチャンバ内の圧力の推移との関係を求め、マップとしてメモリに記憶させる。そして、制御装置にタイマを設け、制御装置が開閉弁を閉じてからの経過時間を計測しつつマップを用いてチャンバ内の圧力を推定するように構成してもよい。

○ 水素タンク１２からの水素の供給を、燃料電池１４の運転に先立って水素循環管路２３中及びアノードに供給するときを除いて、アノードオフガスのパージ後に、水素濃度を調整するために行う構成に代えて、燃料電池１４の運転中、常に水素を供給するようにしてもよい。例えば、水素タンク用遮断弁に流量制御弁を使用し、常には燃料電池のアノードで消費される量以下の水素を供給し、アノードオフガスのパージ後、所定時間だけ流量が多くなるように水素タンク用遮断弁の開度を調整する。

○ 燃料電池システムの運転中チャンバ用ポンプを常時作動させる代わりに、例えば、パージ弁を開いている間はチャンバ用ポンプの作動を停止するように制御してもよい。
○ チャンバ用ポンプとしてのポンプは、ガスを圧縮して送り出す構成のものであればよく、ポンプとしてスクロールポンプ、ロータリーポンプ、ドライポンプを用いてもよい。

○ 燃料電池システムは、燃料電池の酸素供給ポートにコンプレッサで圧縮空気を供給する構成に代えて、酸素タンクから所定圧力に調整された酸化ガスとしての酸素を供給するようにしてもよい。

○ 燃料電池システムの水素源は、高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンクに限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応によって水素を発生させて取り出すものであってもよい。また、水素源としてメタノール、天然ガス等の燃料を改質器で改質した改質ガスを使用する構成としてもよい。

○ 燃料電池の種類を変更してもよい。例えば、リン酸型や固体酸化物の燃料電池を用いてもよい。
○ 燃料電池システムを搭載する装置についてはとくに限定されない。例えば、燃料電池フォークリフトに搭載してもよいし、バッテリと燃料電池とを駆動源とするハイブリット式フォークリフトに搭載してもよい。また、電気自動車のような移動体に搭載してもよいし、電気製品の電源に適用したり、定置式の燃料電池システムに適用したりしてもよい。

一実施形態における燃料電池システムの構成図。燃料電池システムにおいて、チャンバ部内の圧力状態と制御信号との関係を示すタイムチャート。別の実施形態における燃料電池システムの構成図。別の実施形態における燃料電池システムの構成図。

符号の説明

Ｐ…チャンバ部内の圧力、１１…燃料電池システム、１２…水素源としての水素タンク、１４…燃料電池、１５…供給路としての水素供給管路、２３…水素循環経路としての水素循環管路、２６…制御装置、２７…チャンバとしてのチャンバ部、２８…チャンバ用ポンプとしてのポンプ、３０…循環経路用開閉弁、３１，３７…パージ路としてのパージ管路、３２，３８…パージ用開閉弁、３４…圧力センサ。

Claims

燃料電池のカソード側に供給される酸化ガスと、アノード側に供給される水素ガスとの反応により電気エネルギを生成する燃料電池システムにおいて、
水素源から前記燃料電池に供給される前記水素ガスが流通する供給路と、
単一の経路であるとともに、前記燃料電池で使用されなかった水素ガスを前記燃料電池に循環させる水素循環経路と、
前記水素循環経路に設けられるとともに前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを貯留可能なチャンバと、
前記チャンバ内の圧力状態を検出可能な圧力センサと、
前記チャンバを経由した前記アノードオフガスを大気中に排気するパージ路と、
前記パージ路に設けられたパージ用開閉弁と、
前記チャンバよりも上流側の水素循環経路に設けられるとともに、前記燃料電池と前記チャンバとの間を連通状態及び非連通状態に切り換え可能な循環経路用開閉弁と、
前記チャンバよりも下流側の水素循環経路に設けられるとともに、前記チャンバに貯留されている前記アノードオフガスを吸入し前記吸入したアノードオフガスを圧縮して送り出すチャンバ用ポンプとを備え、
前記循環経路用開閉弁を閉じた状態で前記チャンバ用ポンプによって前記チャンバ内の前記アノードオフガスを吸入し、前記循環経路用開閉弁よりも上流側の前記水素循環経路内の圧力に対して前記チャンバ内の圧力が所定の負圧になったときに前記循環経路用開閉弁を開き前記チャンバ内にガスを流入させ、
前記循環経路用開閉弁を閉じた状態で前記チャンバ用ポンプによって前記チャンバ内の前記アノードオフガスを吸入し、前記チャンバ内の圧力が所定の圧力になったときに前記パージ用開閉弁を開き前記チャンバ内のガスをパージすることを特徴とする燃料電池システム。