JP6916901B2 - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料電池システムは、一般に燃料電池内の燃料極に供給される水素含有ガスと、燃料電池内の酸化剤極に供給される酸素含有ガスを用いて発電する。発電中に燃料極から排出されるアノードオフガスには未反応の水素が含まれている。このため、アノードオフガスを燃料電池に再供給し、発電に用いることがある。
アノードオフガスを循環させると、アノードオフガスに含まれる不純物などの濃度が時間の経過に従い増加し、燃料電池の電圧が低下する。このため、アノードオフガスを循環させるリサイクルガス流路に排出流路を接続しておき、必要に応じて排出通路の排出弁を開放して、生成水や不純物をアノードオフガスの一部とともに排出する。これにより、発電に再利用するアノードオフガス中の不純物濃度などが低減される。
ところが、アノードオフガスの排出時に外部から供給される水素含有ガスを排出しないように、一般にリサイクルガス流路に逆流防止弁などが設置されており、リサイクルガス流路に圧力損失が生じてしまう。このため、リサイクルガス流路に設けられたガスブロワの補機動力が大きくなり、燃料電池システム全体としての発電効率が低下してしまう恐れがある。
特開２００５−９３２３２号公報
発明が解決しようとする課題は、リサイクルガス流路の圧力損失を抑制可能な燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法を提供することである。
本実施形態に係る燃料電池システムは、水素ガス供給流路から供給される水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤流路とを有し、前記燃料極に供給される前記水素含有ガスと、前記酸化剤極に供給される前記酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料極流路から排出されたアノードオフガスを前記水素ガス供給流路との合流部を介して環流させるリサイクルガス流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記燃料極流路の下流側から吸引し前記リサイクルガス流路の下流側に排出する送風部と、前記リサイクルガス流路における前記送風部と前記合流部との間に設けられた分岐部から前記アノードオフガスの一部を排出する排出流路を開閉する排出弁部と、前記排出流路の前記分岐部と前記排出弁部との間に配置され、前記燃料電池内の前記燃料極流路よりも圧力損失が大きい圧力損失要素部と、前記リサイクルガス流路の前記送風部と前記合流部の間の前記送風部の出口部の圧力を前記水素ガス供給流路内の圧力よりも高圧に制御する制御装置と、を備える。
本実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、水素ガス供給流路から供給される水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤流路とを有し、前記燃料極に供給される前記水素含有ガスと、前記酸化剤極に供給される前記酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料極流路から排出されたアノードオフガスを前記水素ガス供給流路との合流部を介して環流させるリサイクルガス流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記燃料極流路の下流側から吸引し前記リサイクルガス流路の下流側に排出する送風部と、前記リサイクルガス流路における前記送風部と前記合流部との間に設けられた分岐部から前記アノードオフガスの一部を排出する排出流路を開閉する排出弁部と、前記排出流路の前記分岐部と前記排出弁部との間に配置され、前記燃料電池内の前記燃料極流路よりも圧力損失が大きい圧力損失要素部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記リサイクルガス流路の前記送風部と前記合流部の間の前記送風部の出口部の圧力が記水素ガス供給流路内の圧力よりも高くなるように前記送風部を制御する工程を有する。
燃料電池システムの全体の概略構成図。 燃料電池の構成例を模式的に示す図。 配管内の圧力の関係を示す図。 第２実施形態に係る燃料電池システム全体の概略構成図。 第３実施形態に係る燃料電池システムの制御例を示すフローチャート。 第４実施形態に係る燃料電池システム全体の概略構成図。 第４実施形態に係る燃料電池システムの制御例を示すフローチャート。 第５実施形態に係る排出流路の構成図。 第６実施形態に係る排出流路の構成図。 偏心レデューサの側面図である。 第７実施形態に係る燃料電池システム全体の構成図。 偏心オリフィスを用いた偏心レデューサの側面図。
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム、及び燃料電池システムの制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（第１実施形態）
まず、図１に基づき、先ず燃料電池システム１の全体構成を説明する。図１は、燃料電池システム１の全体の概略構成図である。この図１に示すように、燃料電池システム１は、発電中に燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを再利用可能なシステムであり、水素ガス供給流路２と、酸素ガス供給流路４と、リサイクルガス流路６と、合流部８と、排出流路１０と、分岐部１２と、第１冷却水流路１４と、第２冷却水流路１６と、負荷１８と、燃料電池１００と、水素ガス供給装置１０２と、酸化剤供給装置１０４と、送風部１０６と、排出弁部１０８と、圧力損失要素部１１０と、水タンク１１２と、水ポンプ１１４と、制御装置１１６とを備えて構成されている。図１は、燃料電池１００の上下方向に平行なＺ方向と、Ｚ方向に垂直で互いに平行なＸ方向およびＹ方向を示している。本実施形態の燃料電池１００を水平面上に設置する場合、Ｚ方向は重力方向に平行となる。
水素ガス供給流路２は、燃料電池１００の燃料極流路１００ａの入口部と水素ガス供給装置１０２との間に接続された流路であり、水素含有ガスを燃料電池１００内の燃料極流路１００ａに供給する。酸素ガス供給流路４は、燃料電池１００内の酸化剤極流路１００ｂの入口部と酸素ガス供給流路４との間に接続された流路であり、酸素含有ガスを燃料電池１００の酸化剤極流路１００ｂに供給する。
リサイクルガス流路６は、燃料電池１００内の燃料極流路１００ａの出口部と、水素ガス供給流路２の合流部８との間に接続された流路である。リサイクルガス流路６は、燃料極流路１００ａから排出されたアノードオフガスを水素ガス供給流路２の合流部８を介して環流させる。
排出流路１０は、リサイクルガス流路６における送風部１０６と合流部８との間に設けられた分岐部１２から分岐する流路であり、アノードオフガスの一部を排出する。第１冷却水流路１４は、水タンク１１２と、燃料電池１００内の水流路の入口部との間に接続された流路であり、冷却水を燃料電池１００内の水流路に供給する。第２冷却水流路１６は、水タンク１１２と、燃料電池１００内の水流路の出口部との間に接続された流路であり、燃料電池１００内の水流路から排出された冷却水を水タンク１１２に供給する。
負荷１８は、燃料電池１００が発電した電力を消費する。燃料電池システム１が、たとえば車両に搭載されれば、電動モータなどに相当し、工場の電気系統に連結すれば、工場のＰＣや照明などに相当し、一般住宅の電気系統に連結すれば、照明や家電が相当する。
燃料電池１００は、内部に水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流路１００ａと、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤流路１００ｂとを有し、燃料極に供給される水素含有ガスと、酸化剤極に供給される酸素含有ガスとを用いて発電する。ここで、アノードオフガスは、燃料電池１００の発電中に燃料極流路１００ａから排出されるガスであり、未反応の水素ガスが含まれている。なお、燃料電池１００の詳細な構成は後述する。
水素ガス供給装置１０２は、例えば改質装置により炭化水素系燃料を改質して生成された水素含有ガスを燃料極流路１００ａに供給するコンプレッサである。この水素ガス供給装置１０２は、水素ガス供給流路２を介して、燃料電池１００の燃料極流路１００ａの上流側から水素含有ガスを供給する。また、水素ガス供給装置１０２として、水素ボンベなどを用いてもよい。
酸化剤供給装置１０４は、例えばブロアであり、酸素ガス供給流路４の上流側に設けられている。この酸化剤供給装置１０４は、酸素ガス供給流路４を介して酸素含有ガスを、燃料電池１００の酸化剤極流路１００ｂに供給する。
送風部１０６は、例えばダイヤフラム式ポンプ、ルーツ式ポンプ、スクロール式ポンプであり、水素ガス供給流路２の合流部８よりも上流側のリサイクルガス流路６に設けられている。この送風部１０６は、アノードオフガスを燃料極の下流側から吸引し、リサイクルガス流路６の送風部１０６より下流側に排出する。
排出弁部１０８は、アノードオフガスの一部を排出する排出流路１０を開閉する。圧力損失要素部１１０は、排出流路１０の分岐部１２と排出弁部１０８との間に配置され、燃料電池１００内の燃料極流路１００ａよりも圧力損失が大きい圧力損失要素である。
水タンク１１２は、燃料電池１００内の水流路へ供給する水を蓄え、第１冷却水流路１４を介して燃料電池１００内の水流路に冷却水を供給する。水ポンプ１１４は、第２冷却水流路１６に設けられ、燃料電池１００内の水流路から負圧により水を吸い上げて水タンク１１２へ水を戻す。
制御装置１１６は、燃料電池システム１全体の制御を行う。制御装置１１６は、たとえば例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、記憶装置、入出力装置などを備えたマイクロコンピュータである。制御装置１１６は、燃料電池システム１に設けられた図示しない各種のセンサからの信号を読み込む。また、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、水素ガス供給装置１０２と、酸化剤供給装置１０４と、送風部１０６と、排出弁部１０８などの燃料電池システム１の各構成要素に指令を送る。このようにして、制御装置１１６は、燃料電池システム１の運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
図２に基づき、燃料電池１００の詳細な構成を説明する。図２は、燃料電池１００の構成例を模式的に示す図である。この図２に示すように、燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１００ｃを積層して構成されている。この燃料電池セル１００ｃは、膜電極複合体１００ｄと、燃料極セパレータ１００ｅと、酸化剤極セパレータ１００ｆとを有している。
膜電極複合体１００ｄは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面に配置された燃料極と、固体高分子電解質膜の燃料極とは反対側の面に配置された酸化剤極とを有する。燃料極セパレータ１００ｅには、燃料極流路１００ａが形成されている。酸化剤極セパレータ１００ｆには、酸化剤極流路１００ｂが形成されている。それぞれの燃料電池セル１００ｃの間には、燃料極セパレータ１００ｅおよび酸化剤極セパレータ１００ｆを加湿するための水流路２０が形成されている。水流路２０は、溝を形成した水密な板により、燃料極セパレータ１００ｅまたは酸化剤極セパレータ１００ｆとは独立して形成されている。この水流路２０は、燃料極セパレータ１００ｅの燃料極流路１００ａが形成された面と反対側の面と、酸化剤極セパレータ１００ｆの酸化剤極流路１００ｂが形成された面と反対側の面とに形成されている。本実施の形態では、燃料極セパレータ１００ｅおよび酸化剤極セパレータ１００ｆをそれぞれ独立したものとしているが、一体として形成してもよい。
これら複数の燃料電池セル１００ｃは、化学式１で示す反応により発電する。水素含有ガスは、燃料極側の燃料極流路１００ａを流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、酸化剤極側の酸化剤極流路１００ｂを流れ、酸化剤極反応をおこす。燃料電池１００は、これらの電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギを取り出す。
（化学式１）
燃料極反応：Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
酸化剤極反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ
燃料電池１００の性能の一つは、電流電圧特性で示される。所定の電流が流れたときの燃料電池１００の実際の電圧は、理論値よりも低い。この電圧低下の原因の一つとして、反応ガスの供給や電池反応の際に生成する水の影響などによる拡散過電圧が考えられる。水素と酸素との燃料電池セル１００ｃでの電気化学反応の際に水が生成され、その水が電極構成部材のガスの拡散層の細孔を埋めると、反応ガスの拡散性が低下する。これにより、拡散過電圧が増大する。
このため、本実施形態に係る燃料極セパレータ１００ｅと、酸化剤極セパレータ１００ｆとは、ポーラスタイプのセパレータで構成されている。例えば燃料極セパレータ１００ｅおよび酸化剤極セパレータ１００ｆは、カーボンの多孔質体で形成されている。これらのセパレータは、電解質膜の加湿に必要な水をポーラス内部に含むことができる。また、水流路２０を大気圧よりも低い圧力とすることにより、電極反応による生成水をセパレータから吸い上げて水流路２０に吸収し、ガス下流側でのフラッディングを防止することが可能となる。これにより、拡散過電圧の増大を抑制することができる。なお、ポーラスなセパレータを酸化金属で構成してもよい。
また、本実施形態に係る燃料電池１００に、ステンレス製やカーボン製などの稠密なセパレータを用いてもよい。稠密なセパレータを用いれば、エチレングリコールやプロピレングリコールなどの不凍液を水流路２０および水タンク１１２に通水することも可能となる。この場合、通水方法は、正圧でもよい。
水素含有ガスが流れる水素ガス供給流路２と、リサイクルガス流路６と、排出流路１０などの配管はＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス材料で構成されている。また、配管と配管との間、配管と機器との間は、フランジや、シールテープを用いたねじ込み継手、もしくはスウェージロック（Ｓｗａｇｅｌｏｋ）継手で接続されている。
配管材質は水素脆化を起こしやすいフェライト系ステンレスではなく、オーステナイト系ステンレスを利用する。一般的に、オーステナイト系であるＳＵＳ３１６Ｌを高圧の水素配管に利用する事が要求されている。低圧の水素配管には、材質の要求が無いため、安価なオーステナイト系ＳＵＳ３０４を利用する。
太い配管の鉛直方向中心に細い配管を接続すると、細い配管の穴が開いているところまで太い配管内に凝縮水が滞留し、凝縮水の流れが不規則となり、水素の供給を不規則にしてしまう。また、凝縮水が滞留すると、管内で錆び発生リスクが増大する。このため、本実施系において、太い配管に細い配管を接続する場合には、偏心レデューサーが用いられている。これにより、上流で発生した凝縮水を滞留させることなく、下流の細い配管に凝縮水を流すことが可能となる。
また、水素は着火に必要なエネルギが非常に小さく、静電気などでも着火するリスクが有る。このため、水素が流れる配管は全てアースに接続されている。すなわち、接続部のシール材のフランジのパッキンやシールテープなどには導電性が無いため、配管や機器との間に渡配線を実施し、水素が流れる配管や機器は全てアースに接続されている。
次に、第１実施形態の作用について説明する。まず、酸素含有ガスの流れを説明する。制御装置１１６の制御により酸化剤供給装置１０４は、燃料電池１００の酸化剤極流路１００ｂに酸素ガス供給流路４を介して酸素含有ガスを供給する。酸化剤極流路１００ｂに流入した酸素含有ガスは、各燃料電池セル１００ｃの酸化剤極に供給される。酸化剤極に到達した酸素含有ガスの一部は、上述の化学式１で示したように、燃料極から放出されたプロトンと電子を受け取り、水を生成する。
次に、水素含有ガスの流れを説明する。制御装置１１６の制御により水素ガス供給装置１０２は、燃料電池１００の燃料極流路１００ａに水素ガス供給流路２を介して水素含有ガスを供給する。水素ガス供給流路２に流入した水素含有ガスは、各燃料電池セル１００ｃの燃料極に供給される。燃料極に到達した水素含有ガスの一部は、上述の化学式１式で示したように、燃料極がプロトンと電子を発生する。発電に用いられなかった余剰の水素含有ガスはアノードオフガスとして、燃料電池１００の燃料極流路１００ａの出口部からリサイクルガス流路６に排出される。リサイクルガス流路６は、燃料極流路１００ａから排出されたアノードオフガスを水素ガス供給流路２の合流部８を介して環流させる。この際に制御装置１１６の制御により送風部１０６は、アノードオフガスを燃料極の下流側から吸引し、リサイクルガス流路６の送風部１０６より下流側に排出する。
次に、排出流路１０から排出されるアノードオフガスの一部の流れを説明する。制御装置１１６の制御により排出弁部１０８が開状態にされる。これにより、アノードオフガスの一部が排出弁部１０８から排気される。
図３は、水素ガス供給流路２内の圧力と、燃料電池１００内の燃料極流路１００ａの出口部、すなわち、リサイクルガス流路６の送風部１０６より上流側の圧力と、リサイクルガス流路６の送風部１０６の出口における圧力の関係を示す図である。この図３に示すように、制御装置１１６は、リサイクルガス流路の送風部と合流部の間の送風部１０６の出口部の圧力を水素ガス供給流路２内の圧力よりも高圧に制御している。また、排出流路１０の圧力損失要素部１１０の圧力損失は、燃料電池１００内の燃料極流路１００ａの圧力損失よりも大きく構成されている。さらにまた、燃料極流路１００ａの圧力損失があるため、上流である送風部１０６の吐出口の圧力は下流である燃料電池１００の燃料極流路１００ａの出口部よりも大きくなる。なお、圧力損失は、流体が圧力損失要素部１１０などを通過する際の単位時間単位流路あたりのエネルギ損失である。
つまり、排出流路１０の圧力損失要素部１１０の圧力損失を燃料電池１００内の燃料極流路１００ａの圧力損失よりも大きく構成し、制御装置１１６がリサイクルガス流路６の送風部１０６と合流部８の間の送風部１０６の出口部の圧力を水素ガス供給流路２内の圧力よりも高圧に制御すると、リサイクルガス流路６の送風部１０６と合流部８の間の送風部１０６の出口部の圧力、水素ガス供給流路２の圧力、燃料電池１００における燃料極流路１００ａの出口部のリサイクルガス流路６の圧力の順に高くなる。これらから分かるように、制御装置１１６の制御により排出弁部１０８を開状態として、アノードオフガスの一部を排出弁部１０８から排気させても、水素ガス供給流路２内の水素含有ガスがリサイクルガス流路６内に逆流することはない。このため、リサイクルガス流路６に逆止弁を設けなくともよく、送風部１０６の出力を抑制できる。
なお、図３に示すように、水素ガス供給流路２と送風部１０６の吐出口の圧力差は６キロパスカル程度であり、送風部１０６の吸引能力は比較的に低くてもよい。また、アノードオフガス排出時とアノードオフガス排出停止時の送風部１０６の吐出口の圧力差は８キロパスカル未満である。同様に、アノードオフガス排出時とアノードオフガス排出停止時の水素ガス供給流路２内の圧力差は、０．５キロパスカル未満であり、燃料電池１００の燃料極流路１００ａの出口部の圧力差は、０．５キロパスカル未満である。
次に、水タンク１１２から燃料電池１００内の水流路２０に供給される冷却水の流れを説明する。水タンク１１２から燃料電池１００内の水流路２０に供給された冷却水は、燃料極セパレータ１００ｅと、酸化剤極セパレータ１００ｆとはポーラスタイプのセパレータ１００ｅ、１００ｆに含まれる。これにより、膜電極複合体１００ｄの加湿に必要な水が燃料極セパレータ１００ｅ、及び酸化剤極セパレータ１００ｆから供給される。
また、水流路２０内の冷却水は、水ポンプ１１４により第２冷却水流路１６を介して吸い上げられて水タンク１１２へ供給される。この際に、水ポンプ１１４が燃料電池１００の水流路２０から負圧により水を吸い上げて、水流路２０を大気圧よりも低い圧力にすると、電極反応による生成水は燃料極セパレータ１００ｅ、及び酸化剤極セパレータ１００ｆから吸い上げられ、水流路２０に吸収される。これにより、燃料極流路１００ａ及び酸化剤極流路１００ｂの下流側でのフラッディングが抑制される。
以上のように、本実施形態によれば、排出流路１０の圧力損失要素部１１０の圧力損失を燃料電池１００内の燃料極流路１００ａの圧力損失よりも大きく構成し、制御装置１１６がリサイクルガス流路６の送風部１０６と合流部８の間の送風部１０６の出口部の圧力を水素ガス供給流路２内の圧力よりも高圧に制御する。これにより、排出流路１０からのアノードオフガスの排気時に、送風部１０６の吐出口から水素ガス供給流路２の合流部８までの間のリサイクルガス流路６の圧力は水素ガス供給流路２よりも高くなる。このため、リサイクルガス流路６に逆止弁を設けなくとも、水素ガス供給装置１０２から供給された水素含有ガスが排出流路１０に流れ込むことを抑制でき、燃料電池システム１全体のエネルギ利用効率が向上する。
また、酸化剤極セパレータ１００ｆと燃料極セパレータ１００ｅをポーラスセパレータで構成することにより、電解質膜の加湿に必要な水が燃料極セパレータ１００ｅ、及び酸化剤極セパレータ１００ｆから供給される。さらにまた、水流路２０を大気圧よりも低い圧力とすることにより、膜電極複合体１００ｄ内にある余剰な液水をセパレータ１００ｅ、１００ｆ、から吸い上げて水流路２０に吸収し、フラッディング現象が抑制される。フラッディングの抑制により、拡散分極の増大を抑制し、セル電圧の増加や、燃料極の水素不足によるセル劣化を抑制できる。
（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例に係る燃料電池システム１は、制御装置１１６が、燃料電池１００から負荷１８に供給される電流値に比例して送風部１０６の出力を変化させる機能を更に有することで、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。燃料電池システム１の全体の構成は、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同等であるので、説明を省略する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池システム１との相違点を説明する。
燃料電池１００が発電に用いる水素量は電流値に比例するので、排出されるアノードオフガスの量は電流値に比例する。このため、本変形例に係る制御装置１１６は、負荷１８に流れる電流値に基づき、送風部１０６の送風量を制御する。制御装置１１６は、燃料電池１００から負荷１８に供給される電流値に比例して送風部１０６の出力を変化させる。例えば、送風部１０６がリサイクルガスブロワであれば、制御装置１１６は、燃料電池１００から負荷１８に供給される電流値が増えれば、リサイクルガスブロワの回転数を増加させ、電流値が減れば、リサイクルガスブロワの回転数を減少させる。なお、一般的な送風部１０６の制御は、燃料電池１００に供給される流量計に基づく、フィードバック制御により行われる。このため、送風部１０６の応答に遅れが生じてしまい、水素利用率が低下してしまう恐れがある。
以上のように、本変形例によれば、制御装置１１６は、負荷１８に流れる電流値に基づき、送風部１０６の送風量を制御する。これにより、応答性がより速くなるので、燃料電池１００に供給させる水素流量を目標値により近づけることが可能となる。これにより、水素利用率の低下による発電効率の低下や、水素不足によるセルの劣化を抑制できる。また、一般的なフィードバック制御で必要となる流量計を設置せずに済むため、コストダウンできる。
（第２実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、凝縮熱交換器１１８とドレントラップ１２０とをリサイクルガス流路６の送風部１０６よりも上流に設けたことで、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池システム１との相違点を説明する。
図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム１全体の概略構成図である。図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１は、凝縮熱交換器１１８とドレントラップ１２０とを更に備えている。これらの凝縮熱交換器１１８とドレントラップ１２０とは、リサイクルガス流路６の送風部１０６よりも上流に配置されている。
凝縮熱交換器１１８は、供給される水道水とリサイクルガス流路６から流れ込むアノードオフガスとの熱交換を行う。これにより、アノードオフガスが冷却されて、水分が凝縮する。また、凝縮熱交換器１１８から排出される水道水は、給湯として利用することも可能となる。水道水の代わりに不凍液を供給し循環し、その不凍液と水道水を別な熱交換器を介して熱回収してもよい。
空気がリサイクルガス流路６に逆流すると、水素と酸素が混ざり、印火のリスクが発生してしまう。このため、ドレン排水流路２２から空気がリサイクルガス流路６に逆流することを防ぐ必要がある。また、ドレン排水流路２２から空気がリサイクルガス流路６に逆流することを防ぐために、ドレン排水流路２２に逆止弁を設けると、圧力損失要因となるため、凝縮水を排水するために、ポンプが必要となってしまう。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、ドレントラップ１２０をドレン排水流路２２に設けている。
ドレントラップ１２０は、アノードオフガスの冷却により凝縮された水分をドレン排水流路２２に貯める。より詳細には、ドレントラップ１２０は水タンク１１２の液面よりも垂直方向上に設置されており、水タンク１１２を含むドレン排水流路２２は、ドレントラップ１２０から垂直方向下に向かった後に垂直方向上に向かってからシステム外に排水する。ドレン排水流路２２の液面の最上部はドレントラップ１２０よりも垂直方向上に設置されている。これにより、ドレン排水流路２２に水が貯められ、外気がドレン排水流路２２を介してリサイクルガス流路６に逆流することが抑制される。このように、逆止弁を設けなくとも、システム外から空気、水分が逆流することも防止できる。
また、送風部１０６および凝縮熱交換器１１８はドレントラップ１２０よりも垂直方向上に設置されている。このように、凝縮熱交換器１１８はドレントラップ１２０よりも上流で、且つドレントラップ１２０よりも燃料電池１００に近い位置に配置されている。
次に、凝縮熱交換器１１８によるアノードオフガスの冷却処理の流れを説明する。リサイクル流路から凝縮熱交換器１１８に供給されたアノードオフガスは、水道水との熱交換により冷却される。これにより、アノードオフガス中の水分が凝縮し、ドレントラップ１２０を介して排出される。これにより、送風部１０６内、及び圧力損失要素部１１０内にアノードオフガスに含まれる水分が入り込むことが抑制される。
ドレントラップ１２０のドレン排水流路２２が垂直方向下に向かった後に垂直方向上に向かってから排水するため、ドレントラップ１２０のドレン排水流路２２は水で満たされている。これにより、外気がドレン排水流路２２を介してリサイクルガス流路６に逆流することが抑制される。
また、ドレン排水流路２２の液面の最上部はドレントラップ１２０よりも垂直方向下に設置されている。これにより、ドレントラップ１２０にドレン排水流路２２の水が逆流することが抑制されている。
以上のように、本実施形態によれば、アノードオフガス中の水分が凝縮熱交換器１１８により排出されるため、送風部１０６、及びや圧力損失要素部１１０に水分が入ることが抑制される。これにより、送風部１０６が故障する可能性が低下し、圧力損失要素部１１０が水分で閉塞する可能性が低下する。
また、送風部１０６はドレントラップ１２０よりも垂直方向上に設置され、ドレントラップ１２０の下流に送風部１０６が設置されている。このため、凝縮水がリサイクル流路内を上昇することが抑制され、送風部１０６、及び圧力損失要素部１１０に対する凝縮水の影響が低減される。このように、送風部１０６が故障する可能性が低下し、圧力損失要素部１１０が水分で閉塞する可能性が低下する。
さらにまた、凝縮熱交換器１１８はドレントラップ１２０よりも垂直方向上に設置され、ドレントラップ１２０よりも上流で、かつ、燃料電池１００に近い位置に設置されている。このため、凝縮熱交換器１１８により、放熱ロスが少ない状態のアノードオフガスからの廃熱の回収が可能となり、アノードオフの水蒸気を凝縮させた凝縮水を効率的にドレントラップ１２０に回収できる。
また、ドレン排水流路２２の液面の最上部はドレントラップ１２０よりも垂直方向下に設置されているので、ドレントラップ１２０にドレン排水流路２２の水が逆流することは無くシステム外に排水できる。このため、逆止弁を設けなくとも、水、空気がドレン排水流路２２から逆流することを防止できる。
（第３実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、制御装置１１６が排出弁部１０８を一定時間閉止する閉状態と、排出弁部１０８を一定時間開止する開状態とを交互に繰り返させる機能を更に有することで、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。燃料電池システム１の全体の構成は、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同等であるので、説明を省略する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池システム１との相違点を説明する。
制御装置１１６（図１）は、アノードオフガスの排出と閉止の時間に関する制御テーブルに基づき、排出弁部１０８の制御を行う。この制御テーブルは、予備実験の結果に基づき定められている。例えば、この制御テーブルは、アノードオフガスを排出しないまま燃料電池１００を発電させた場合に、拡散分極の増大により生じる電圧の低下と、アノードオフガスを排出することにより生じる電圧の上昇とのバランスに基づき定められている。
より具体的には、この制御テーブルは、排出と閉止の時間の割合を燃料電池１００の電流値、燃料電池１００の発電出力に対するセル枚数、燃料電池１００の空気利用率などのパラメータにより定めている。例えば、燃料電池１００の電流値が多いほど、生成水量が多くなるので、燃料極の水素濃度が低下し、セル電圧が低下するまでの時間が短くなるため、排出の時間の割合がより多くなるように定めている。
また、空気利用率が低いほど、電流値に対する空気供給量が多くなり、酸化剤極の窒素の圧力が高くなるため、排出の時間の割合よりが多くなるように定めている。なお、酸化剤極の窒素の圧力が高くなると、窒素が電解質膜を透過して燃料極に浸入する量が増加するので、燃料極の水素濃度が低下する。排出の時間の割合を多くすることで、燃料極の水素濃度の低下を抑制している。
さらにまた、燃料電池１００が有するセルの枚数が少ないほど、スタック電圧が減少し発電出力に対する電流値が増えるので、排出の時間の割合がより多くなるように定めている。なお、発電出力に対する電流値が増えると、生成水量が多くなるので、燃料極の水素濃度が低下しやすく、セル電圧が低下するまでの時間が短くなる。このため、排出の時間の割合を多くすることで、セル電圧が低下するまでの時間が短くなることを抑制している。燃料電池１００が有するセルの枚数は、例えば、０．７キロワットの容量を有する燃料電池１００では数十枚のオーダであり、３．５キロワットの容量を有する燃料電池１００では百数十枚のオーダであり、１００キロワットの容量を有する燃料電池１００では数百枚のオーダである。
また、水素利用率が高いほど、電流値に対する水素供給量の割合が少なくなるので、排出の時間の割合がより多くなるように定めている。電流値に対する水素供給量の割合が少なくなると、酸化剤極から浸入した窒素や水によって水素濃度が低下しやすくなる。このため、排出の時間の割合を多くすることで、電流値に対する水素供給量の割合が少なくなることを抑制している。
図５は、第３実施形態に係る燃料電池システム１の制御例を示すフローチャートである。ここでは、燃料電池１００の電流値、発電出力に対するセル枚数、燃料電池１００の空気利用率に基づき、アノードオフガスの排出と閉止の時間を定めている。
まず、制御装置１１６は、排出弁部１０８の弁を開かせる制御を行う（ステップＳ１００）。続けて、制御装置１１６は、制御テーブに定められた排出時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０２）。排出時間が経過していない場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、ステップＳ１００からの処理を継続する。
一方で、排出時間が経過した場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、制御装置１１６は、排出弁部１０８の弁を閉じさせる制御を行う（ステップＳ１０４）。続けて、制御装置１１６は、制御テーブに定められた停止時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０８）。排出時間が経過していない場合（ステップＳ１０８のＮＯ）、ステップＳ１０４からの処理を継続する。
一方で、排出時間が経過した場合（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、制御装置１１６は、全体処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１１０）。全体処理を終了しない場合（ステップＳ１１０のＮＯ）、ステップＳ１００からの処理を繰り返す。
一方で、全体処理を終了する場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、制御装置１１６は、全体処理を終了する。
以上のように、本実施形態によれば、制御装置１１６が、予め定められた時間の間アノードオフガスを排出させ、予め定められた時間の間アノードオフガスの排出を停止する。これにより、燃料電池１００の電圧の低下を抑制しつつ、水素利用率を向上させることが可能となり、発電効率を向上させることができる。また、水素不足による燃料電池１００のセルの劣化を抑制することができる。
（第４実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システム１は、リサイクルガス流路６と水素ガス供給流路２の合流部８よりも上流側に配置される流量計１２２を更に有することで、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。以下では、第１実施形態に係る燃料電池システム１との相違点を説明する。
図６は、第４実施形態に係る燃料電池システム１全体の概略構成図である。図６に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム１は、リサイクルガス流路６と水素ガス供給流路２の合流部８よりも上流側に配置される流量計１２２を更に備える。
流量計１２２は、水素ガス供給装置１０２が供給する水素量を計測する。制御装置１１６は、流量計１２２が計測した水素流量が燃料電池１００の発電電流に応じた水素流量と乖離した場合に、燃料電池１００の発電を停止させる。
なお、第１の実施形態の変形例と同様に実施例５のように、制御装置１１６は、燃料電池１００から負荷１８に供給される電流値に比例して送風部１０６の出力を変化させてもよい。この場合、水素流量はブロワ回転数で制御されているため、通常より低精度な流量計１２２を用いることが可能となる。例えば、一般的な都市ガスの流量計を水素流量の測定用の流量計１２２として校正して使用してもよい。なお、本実施例ではポーラスなセパレータを燃料極セパレータ１００ａおよび酸化剤極セパレータ１００ｂに利用し、水流路１４および水タンク１１２に純水を通水しているが、ポーラスではなく稠密なセパレータを利用すれば、エチレングリコールやプロピレングリコールなどの不凍液を水流路１４および水タンク１１２に通水することもできる。
図７は、第４実施形態に係る燃料電池システム１の制御例を示すフローチャートである。図７に示すように、制御装置１１６は、流量計１２２に計測値を取得する（ステップＳ２００）。
次に、制御装置１１６は、発電電流に応じた水素流量と、流量計１２２により計測された水素流量との差分の絶対値が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２０２）。制御装置１１６は、閾値よりも大きい場合（ステップＳ２０２のＹＥＳ）、制御装置１１６は、燃料電池１００の発電を停止させる。
一方で、閾値以下である場合（ステップＳ２０２のＮＯ）、制御装置１１６は、ステップＳ２００からの処理を繰り返す。このように、制御装置１１６は、発電電流に応じた水素流量と、流量計１２２により計測された水素流量との差分の絶対値が所定の閾値よりも大きい場合に、燃料電池１００の発電を停止させる。リサイクルガス流路６には燃料電池１００から排出された水分が供給されるため、送風部１０６に水分が入り、正常に動作しなくなってしまう可能性がある。これにより、送風部１０６の動作に異常が生じても、燃料電池１００の発電を停止することが可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、流量計１２２が計測した水素流量が燃料電池１００の発電電流に応じた水素流量と乖離した場合に、燃料電池１００の発電を停止させることとした。これにより、送風部１０６が正常に動作しなくなった際に、発電停止することによって、水素不足より生じる燃料電池１００の劣化を抑制できる。
（第５実施形態）
図８は、第５実施形態に係る排出流路１０の構成を示す図である。図８では、排出流路１０及び圧力損失要素部１１０の一部を除いて図示している。第５実施形態に係る燃料電池システム１は、圧力損失要素部１１０の上流と下流をつなぐバイパス流路１２１を有する事で、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。バイパス流路１２１の上流側の開口の中心は排出流路１０の垂直方向最下部付近に位置し、バイパス流路１２１のアノードオフガスを流した場合の圧力損失は圧力損失要素部１１０にアノードオフガスを流した場合の圧力損失よりも大きく、バイパス流路１２１の凝縮水を流した場合の圧力損失は圧力損失要素部１１０にアノードオフガスを流した場合の圧力損失よりも小さい。
圧力損失要素部１１０は、例えばオリフィス構造である。その場合、圧力損失要素部への水詰まりを抑制するため、圧力損失要素部１１０を含む配管は慨水平、少なくとも圧力損失要素部の下流に向かって上り勾配である事が望ましい。
以上のように、本実施形態によれば、バイパス流路１２１の圧力損失を圧力損失要素部１１０よりも大きくした。これにより、アノードオフガスは圧力損失要素部１１０により多く流れる。また、アノードオフガスが圧力損失要素部１１０を流れる圧力損失よりも、凝縮水がバイパス流路１２１を流れる圧力損失を小さくした。これにより、圧力損失要素部１１０の上流側に凝縮した水がバイパス流路１２１を通って下流に排出される。これにより、圧力損失要素部１１０の上流に溜まった凝縮水を圧力損失要素部１１０に排出できるため、圧力損失要素部１１０の上流が錆びるリスクが低減できる。
（第６実施形態）
図９は、第６実施形態に係る排出流路１０の構成図である。図９では、排出流路１０及び圧力損失要素部１１０の一部を除いて図示している。図９に示すように、第６実施形態に係る本実施形態に係る燃料電池システム１は、圧力損失要素部１１０の上流に流路断面すべてに格子状に穴が開いているメッシュ１２２を有する事で、第５実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。メッシュ１２２の格子のサイズは圧力損失要素部１１０の流路径よりも小さい。
以上のように、本実施形態によれば、メッシュ１２２を配置したので、メッシュの格子よりも大きな水滴は砕かれ、圧力損失要素部１１０に到達することなく、垂直方向下に流れ落ちる。また、流路断面すべてに格子状に穴が開いているため、流路内周に付着した水滴はメッシュ１２２に遮られる事なく、流路内周を移動可能となる。これにより、メッシュ１２２は水滴が圧力損失要素部１１０を閉塞する可能性を低減する。また、メッシュ１２２がブロックした水滴が流路内周を移動可能となり、バイパス流路１２１に到達することができる。これにより、排出流路１０内に水滴が溜まる事が無く、圧力損失要素部１１０の上流が錆びるリスクが低減できる。
（変形例１）
図１０は、偏心レデューサの側面図である。図１０に示すように、本変形例では、圧力損失要素部１１０を偏心レデューサ１２３で構成したことで、第１乃至第６実施形態と相違する。以下では第１乃至第６実施形態の圧力損失要素部１１０と相違する点を説明する。レデューサはパイプが細くなる箇所が圧力損失要素を構成する。このため、オリフィス構造が不要となる。一方で、一般的なレデューサは中心軸を対称にパイプが細くなるため、太い配管に凝縮水が溜まり、錆び発生などのリスクが高くなってしまう。偏心レデューサ１２３を用いると、垂直下端が太い流路と細い流路が同じ高さになるため、凝縮水のバイパス流路を設けなくとも、凝縮水の滞留を防ぐことが可能となる。これにより、排出流路１０内に水滴が溜まる事が無く、圧力損失要素部１１０の上流が錆びるリスクが低減できる。
（第７実施形態）
図１１は、第７実施形態に係る燃料電池システム全体の構成図である。図１１に示すように、第７実施形態に係る本実施形態に係る燃料電池システム１は、分岐部１２よりも下流のリサイクルガス流路６にリサイクルガス圧力損失要素部１２４を有する事で、第１実施形態に係る燃料電池システム１と相違する。
サイクルガス圧力損失要素部１２４は、送風部１０６から送風されるリサイクルガスの圧力損失要素となる。これにより、送風部１０６とリサイクルガス圧力損失要素部１２４の間の圧力をより少ない送風量で昇圧可能となる。このため、送風部１０６の送風量をより抑制した状態で、水素ガス供給装置１０２から供給される水素が分岐部８から流入することを回避可能となる。このように、リサイクルガス流路６に逆止弁を設けなくとも、水素ガス供給装置１０２から供給された水素含有ガスが排出流路１０に流れ込むことを抑制でき、燃料電池システム１全体のエネルギ利用効率がより向上する。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、リサイクルガス流路の圧力損失を抑制することができる。
（変形例２）
図１２は、偏心オリフィス１２４を用いた偏心レデューサの側面図である。図１２に示すように、本変形例では、圧力損失要素部１１０を偏心オリフィス１２４で構成したことで、第１乃至第７実施形態と相違する。以下では第１乃至第７実施形態の圧力損失要素部１１０と相違する点を説明する。一般的なレデューサは中心軸を対称に開孔しているが、偏心オリフィス１２４は垂直下端が太い流路とオリフィス開孔が同じ高さになるため、凝縮水のバイパス流路を設けなくとも、凝縮水の滞留を防ぐことが可能となる。これにより、排出流路１０内に水滴が溜まる事が無く、圧力損失要素部１１０の上流が錆びるリスクが低減できる。なお、偏心オリフィス１２４は板状であり、フランジ１２５とフランジ１２６でガスケット（図示せず）を介し、ボルト（図示せず）にて締め付けられて固定され、かつ、シールされる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (13)

  1. 水素ガス供給流路から供給される水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤流路とを有し、前記燃料極に供給される前記水素含有ガスと、前記酸化剤極に供給される前記酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料極流路から排出されたアノードオフガスを前記水素ガス供給流路との合流部を介して環流させるリサイクルガス流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記燃料極流路の下流側から吸引し前記リサイクルガス流路の下流側に排出する送風部と、
    前記リサイクルガス流路における前記送風部と前記合流部との間に設けられた分岐部から前記アノードオフガスの一部を排出する排出流路を開閉する排出弁部と、
    前記排出流路の前記分岐部と前記排出弁部との間に配置され、前記燃料電池内の前記燃料極流路よりも圧力損失が大きい圧力損失要素部と、
    前記リサイクルガス流路の前記送風部と前記合流部の間の前記送風部の出口部の圧力を前記水素ガス供給流路内の圧力よりも高圧に制御する制御装置と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記リサイクルガス流路の前記送風部と前記合流部の間の前記送風部の出口部の圧力が前記水素ガス供給流路内の圧力よりも高くなるように前記送風部を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記リサイクルガス流路の前記送風部よりも上流側に、前記リサイクルガス流路内を流れる前記アノードオフガスに含まれる水蒸気を液化させて取り除く凝縮熱交換器を更に備える、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 凝縮水を排出する凝縮水排出部を更に備え、
    前記送風部は前記凝縮熱交換器及び前記凝縮水排出部よりも上方に配置される、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記送風部の回転数を前記燃料電池の関数とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御装置は、前記アノードオフガスの一部を所定の排出時間の間排出させる排出制御と、前記アノードオフガスの一部の排出を所定の停止時間の間停止させる停止制御とを交互に行うように、前記排出弁部を切替え制御する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池は、前記燃料極及び前記酸化剤極を有する複数の燃料電池セルを積層して構成されており、
    前記制御装置は、前記燃料電池の電流値、発電出力、燃料電池内部の圧力情報、前記水素含有ガスの流量、前記酸素含有ガスの流量、前記燃料電池が有する前記燃料電池セルの枚数、及び前記燃料電池の空気利用率の内の少なくともいずれかに基づき、前記排出制御及び前記停止制御を行う、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記排出流路は、前記圧力損失要素部の上流と下流をつなぐバイパス流路を有し、前記バイパス流路の上流側の開口の中心は前記排出流路の垂直方向最下部付近に位置する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記アノードオフガスを流す場合の前記バイパス流路の圧力損失は、前記圧力損失要素部に前記アノードオフガスを流した場合の圧力損失よりも大きくなり、凝縮水を流す場合の前記バイパス流路の圧力損失は、前記圧力損失要素部に前記アノードオフガスを流した場合
    の圧力損失よりも小さくなる、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記排出流路は、前記圧力損失要素部の上流側の流路断面に、前記圧力損失要素部の流路径よりも小さい格子状の穴を有するメッシュを有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記圧力損失要素部を偏心レデューサで構成した請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記分岐部と前記合流部との間に設けられたリサイクルガス圧力損失要素部を更に備える、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  13. 水素ガス供給流路から供給される水素含有ガスを燃料極に供給する燃料極流路と、酸化剤極に酸素含有ガスを供給する酸化剤流路とを有し、前記燃料極に供給される前記水素含有ガスと、前記酸化剤極に供給される前記酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料極流路から排出されたアノードオフガスを前記水素ガス供給流路との合流部を介して環流させるリサイクルガス流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記燃料極流路の下流側から吸引し前記リサイクルガス流路の下流側に排出する送風部と、
    前記リサイクルガス流路における前記送風部と前記合流部との間に設けられた分岐部から前記アノードオフガスの一部を排出する排出流路を開閉する排出弁部と、
    前記排出流路の前記分岐部と前記排出弁部との間に配置され、前記燃料電池内の前記燃料極流路よりも圧力損失が大きい圧力損失要素部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記リサイクルガス流路の前記送風部と前記合流部の間の前記送風部の出口部の圧力が記水素ガス供給流路内の圧力よりも高くなるように前記送風部を制御する工程を有する、燃料電池システムの制御方法。
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