JP7029630B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は燃料電池システムに関する。
燃料電池の発電停止後、外部から燃料電池のカソードガス流路に空気が流入する可能性がある。これにより、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ）のカソード電極の電位が上がり、触媒が劣化し、電池性能の低下が起きることが知られている。
そこで、特許文献１では、発電中はＰＥＦＣから排出されるカソードオフガス（ＰＥＦＣから排出されたオフ空気）中の酸素濃度が低下することに着目し、外部からＰＥＦＣに流入する空気に比べて、酸素が低濃度であるカソードオフガスを封止する空間の体積を適切に設定することが提案されている。具体的には、かかる空間の体積を燃料電池のカソードガス流路の体積の１倍以上にすることが記載されている。これにより、ＰＥＦＣの発電停止後に、ＰＥＦＣ内のカソードガス流路に流入するガスの殆どをカソードオフガスにすることで、上記の問題が生じることを抑制している。
特許第４５９９４６１号公報
しかし、従来例は、カソードオフガスの封止空間の体積を所望の値にすることで発生する不都合については検討されていない。
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても、燃料電池の発電停止後に、外部から燃料電池内に流入する酸素量を抑制し得る燃料電池システムを提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、前記アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよび前記カソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、前記燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、を備え、前記燃料電池の発電停止後に、前記アノードオフガス排出経路と前記カソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いて前記カソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、前記水素含有ガスは、前記アノードガスおよび前記アノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含む。
本開示の一態様の燃料電池システムは、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても、燃料電池の発電停止後に、外部から燃料電池内に流入する酸素量を抑制し得るという効果を奏する。
図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、実施形態の燃料電池システムの動作（運転）の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施形態の第１変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。 図４は、実施形態の第１変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、実施形態の第２変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。 図６は、実施形態の第２変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。 図８は、実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
カソードオフガスの封止空間の体積を所望の値にすることで発生する不都合について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
特許文献１の開示にならって、カソードオフガスの封止空間の体積を、例えば、燃料電池のカソードガス流路の体積の１倍以上にすると、燃料電池システムの構成によっては、カソードオフガスの封止空間を構成する配管のサイズが大きくなる場合がある。この場合、燃料電池システムの構造上の制約が生じ、燃料電池システムの小型化などに対応できない可能性がある。
そこで、発明者らは、燃料電池の発電停止後の適時に、カソードオフガス排出経路を水素含有ガスでパージするという着想に到達した。
すなわち、本開示の第１の態様の燃料電池システムは、アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよびカソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、を備え、燃料電池の発電停止後に、アノードオフガス排出経路とカソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いてカソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、水素含有ガスは、アノードガスおよびアノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含む。
かかる構成によると、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても、燃料電池の発電停止後に、外部から燃料電池内に流入する酸素量を抑制し得る。つまり、燃料電池の発電停止後の適時に、水素含有ガスを用いてカソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするので、仮に外部から燃料電池のカソードオフガス排出経路に空気が流入しても、燃料電池内のカソードガス流路内のガス中の酸素量の増加を適切に抑制できる。また、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても済むので、本封止空間を構成する配管のサイズは大きくする必要がない。よって、燃料電池システムの小型化などにも適切に対応できる。
また、本開示の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、アノードオフガス排出経路に設けられたパージ弁と、燃料電池のアノードガス流路に供給されるアノードガスが流通するアノードガス供給経路と、アノードガス供給経路に設けられたアノードガス供給器と、上記のガスパージにおいてアノードガス供給器およびパージ弁を制御する制御器と、を備える。
かかる構成によると、パージ弁を開放するとともに、アノードガス供給器を適宜、制御することで、上記のガスパージを行うことができる。
また、本開示の第３の態様の燃料電池システムは、第２の態様の燃料電池システムにおいて、パージ弁よりも上流のアノードオフガス排出経路から分岐し、アノードガス供給経路に合流するリサイクルガス経路と、リサイクルガス経路に設けられた昇圧器と、を備え、制御器は、上記のガスパージにおいて昇圧器を動作させる。
かかる構成によると、燃料電池のアノードガス流路にアノードオフガスが戻るように構成することで高効率な発電が可能となる。また、上記のガスパージにおいて、昇圧器を動作させることにより、リサイクルガス経路のアノードオフガスおよびアノードガス供給経路のアノードガスをスムーズにアノードオフガス排出経路に供給することができる。
また、本開示の第４の態様の燃料電池システムは、第１の態様－第３の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、燃料電池の温度を検知する第１温度検知器を備え、上記のガスパージは、第１温度検知器の検知データの変化量に基づいて行われる。
かかる構成によると、第１温度検知器の検知データの変化量に基づいて、カソードオフガス排出経路中のガスの収縮量を予測可能であるので、外部からカソードオフガス排出経路に流入する空気の流入量を上記の収縮量を用いて適切に推算できる。これにより、外部からカソードオフガス排出経路に流入する空気の流入量が所定のレベルに達した適時において上記のガスパージを行い得るので、空気の流入量に対応した適量の水素含有ガスを送ることができる。また、空気の流入量に対応して、カソードオフガス排出経路を構成する配管のサイズを適切に設計できる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例－第３実施例について説明する。
以下で説明する実施形態、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例－第３実施例は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、動作のステップおよびステップの順序などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。また、動作においては、必要に応じて、各ステップの順序を変更できる。また、必要に応じて、他の公知のステップを追加できる。
（実施形態）
図１は、実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、アノードガス供給器２と、昇圧器３と、パージ弁４と、カソードガス供給器５と、冷却水循環器６と、リサイクルガス経路１１と、アノードオフガス排出経路１２と、カソードオフガス排出経路１３と、冷却水循環経路１５と、アノードガス供給経路１６と、カソードガス供給経路１７と、制御器２０と、第１温度検知器２１と、を備える。
燃料電池１は、アノードガス流路１Ａおよびカソードガス流路１Ｃを備え、アノードガス流路１Ａの水素含有のアノードガスおよびカソードガス流路１Ｃの酸素含有のカソードガスを用いて発電する。つまり、燃料電池１は、燃料電池１の正極側のカソードガス流路１Ｃに供給されたカソードガス中の酸素と負極側のアノードガス流路１Ａに供給されたアノードガス中の水素とが結合することにより発電を行う。燃料電池１としては、いずれの種類であっても良い。燃料電池１として、例えば、高分子電解質形燃料電池（以下、ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池、および燐酸形燃料電池などを例示できる。
アノードガス供給経路１６は、燃料電池１のアノードガス流路１Ａに供給されるアノードガスが流通する流路である。アノードガス供給器２は、アノードガス供給経路１６に設けられている。
アノードガス供給器２は、アノードガス流路１Ａへ送るアノードガスの流量を制御する機器であり、アノードガス供給器２として、例えば、昇圧器、流量制御弁などを例示できる。昇圧器として、例えば、ブースタポンプなどを例示できる。流量制御弁として、例えば、ニードル弁、ガバナなどを例示できる。アノードガスとして、例えば、水素ガス、改質ガスなどを例示できる。
本実施形態の燃料電池システム１００では、図示しない水素ガス供給源からアノードガスの一例である水素ガスが直接、燃料電池１のアノードガス流路１Ａに供給されている。水素ガス供給源は、所定の供給圧を備え、例えば、水素ガスインフラ、水素ガスボンベなどを例示できる。よって、本実施形態の燃料電池システム１００では、アノードガス供給器２として、水素ガスの流量制御弁を用いている。
そこで、以下の燃料電池システム１００の構成および動作については、図１に示すように、アノードガス供給器２がアノードガス供給弁２であるとして説明する。
なお、図１には示されていないが、燃料電池１の発電において必要となる機器は適宜、設けられる。例えば、燃料電池１がＰＥＦＣであれば、アノードガス供給経路１６を流通する途中の水素ガスを加湿する加湿器などが設けられていても構わない。
カソードガス供給経路１７は、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃに供給されるカソードガスが流通する流路である。カソードガス供給器５は、カソードガス供給経路１７に設けられている。
カソードガス供給器５は、カソードガス流路１Ｃへ送るカソードガスの流量を制御する機器である。本実施形態の燃料電池システム１００では、カソードガスとして、空気を用いている。この場合、カソードガス供給器５として、例えば、ブロア、シロッコファンなどの送風機を例示できる。
アノードオフガス排出経路１２は、燃料電池１のアノードガス流路１Ａから排出されたアノードオフガスが流通する流路である。つまり、燃料電池１で発電に使用されなかったオフ水素ガス（アノードオフガス）は、アノードオフガス排出経路１２へ放出される。
カソードオフガス排出経路１３は、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃから排出されたカソードオフガスが流通する流路である。つまり、燃料電池１で発電に使用されなかったオフ空気（カソードオフガス）は、カソードオフガス排出経路１３へ放出される。
パージ弁４は、アノードオフガス排出経路１２に設けられている。パージ弁４は、例えば、電磁式の開閉弁などを用いることができる。
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流している。また、リサイクルガス経路１１は、パージ弁４よりも上流のアノードオフガス排出経路１２から分岐し、アノードガス供給経路１６に合流する。つまり、リサイクルガス経路１１の上流端は、アノードオフガス排出経路１２と接続し、下流端は、アノードガス供給経路１６と接続する。リサイクルガス経路１１の下流端は、アノードガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていてもよい。例えば、リサイクルガス経路１１の下流端は、図１に示すように、燃料電池１とアノードガス供給弁２との間のアノードガス供給経路１６と接続していてもよいし、アノードガス供給弁２よりも上流のアノードガス供給経路１６と接続していてもよい。
昇圧器３は、リサイクルガス経路１１に設けられている。昇圧器３は、リサイクルガス経路１１を流通するアノードオフガスをアノードガス供給経路１６へ圧送するための機器であり、例えば、回転式ポンプ、往復動式ポンプなどを用いることができる。
第１温度検知器２１は、燃料電池１の温度を検知する。第１温度検知器２１は、燃料電池１の温度を直接的または間接的に検知できれば、どのような構成であってもよい。例えば、燃料電池１中に温度検知器を設け、燃料電池１の温度を直接的に検知してもよい。第１温度検知器２１として、例えば、熱電対またはサーミスタなどを例示できる。
本実施形態の燃料電池システム１００では、図１に示すように、第１温度検知器２１は、燃料電池１の温度に相関する冷却水が流れる冷却水循環経路１５に設けられ、燃料電池１の温度を間接的に検知している。具体的には、燃料電池１は発電により発熱する。このため、燃料電池１が、例えば、ＰＥＦＣである場合、図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１の熱を放熱するための冷却機構として、冷却水循環経路１５を備える。そして、冷却水循環経路１５には、冷却水循環経路１５内で冷却水を循環させる冷却水循環器６、冷却水の温度を検知する第１温度検知器２１、および、冷却水による燃料電池１からの回収熱を外部に放熱する放熱器（図示せず）などが設けられている。これにより、燃料電池１の温度は、第１温度検知器２１で間接的に検知される。
制御器２０は、燃料電池１の発電停止後に、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８を通過した水素含有ガスを用いてカソードオフガス排出経路１３の少なくとも一部をパージするガスパージにおいて、アノードガス供給弁２およびパージ弁４を制御する。具体的には、制御器２０は、本ガスパージにおいて、パージ弁４およびアノードガス供給弁２を開放させる。
なお、水素含有ガスは、アノードガスおよびアノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含む。つまり、水素含有ガスとして、燃料電池１の発電停止後の最初のガスパージ開始直後は、アノードオフガス排出経路１２に滞留するアノードオフガスがカソードオフガス排出経路１３に送られ、その後は、アノードガスがカソードオフガス排出経路１３に送られる。
また、制御器２０は、上記のガスパージの実行の際に、昇圧器３を動作させてもよい。昇圧器３を動作させることにより、上記のガスパージにおいて、リサイクルガス経路１１のアノードオフガスおよびアノードガス供給経路１６のアノードガスをスムーズにアノードオフガス排出経路１２に供給することができる。
また、制御器２０は、上記のガスパージの実行の際に、第１温度検知器２１の検知データの変化量に基づいてアノードガス供給弁２およびパージ弁４などの制御対象を制御してもよい。
制御器２０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器２０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリなどを例示できる。制御器２０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていても良いし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていても良い。また、制御器２０は、燃料電池システム１００の運転を制御するように構成されていても良い。この場合、制御器２０により、例えば、燃料電池１の温度、燃料電池１の発電量などの情報をもとに、カソードガス供給器５、アノードガス供給弁２、昇圧器３および冷却水循環器６などが制御される。すると、制御器２０により、アノードガスの流量、カソードガスの流量、アノードオフガスの流量および冷却水の流量が調整されることで、燃料電池システム１００の運転が適切に行われる。
［動作］
以下、本実施形態の燃料電池システム１００の動作の一例について図面を参照しながら説明する。
なお、以下に示す動作は、例えば、制御器２０の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。ただし、以下の動作を制御器２０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部または全部の動作を行っても構わない。
まず、燃料電池１の発電時の燃料電池システム１００の動作について説明する。
燃料電池１の発電中は、通常、パージ弁４を閉止するとともに、昇圧器３を動作させる。これにより、燃料電池１の発電で使用されなかったアノードオフガスは、リサイクルガス経路１１を通じてアノードガス供給経路１６に戻される。すると、アノードオフガスを燃料電池１の発電に使用できるので、このようなリサイクルガス経路１１を備えない場合に比べ燃料電池システム１００の発電効率が向上する。
また、冷却水循環器６の動作により燃料電池１を冷却する冷却水が循環する。このとき、第１温度検知器２１の検知データに基づいて、燃料電池１の温度が、燃料電池１の発電に適した温度になるように冷却水循環器６の動作が制御されている。
ここで、アノードオフガスは、燃料電池１の発電に使用されるまで、燃料電池１のアノードガス流路１Ａの出口からアノードガス流路１Ａの入口に再び戻るように循環する。すると、アノードオフガスが、このようなアノードオフガス循環経路を循環する過程で、アノードオフガス中には、水素ガス以外の不純物ガスが経時的に増加する。不純物ガスとして、例えば、ＰＥＦＣのカソードから電解質膜を通じてアノードへ漏れる窒素ガスなどを例示できる。不純物ガスが増加すると、アノードオフガス中の水素濃度は低下するので、燃料電池１の発電中には、適時に、パージ弁４を一時的に開放することで上記のアノードオフガス循環経路から不純物ガスが放出される。これにより、アノードオフガス中の不純物ガスの濃度を低減することが可能となり、アノードオフガス中の水素濃度を回復させることができる。
なお、アノードオフガス循環経路内から放出された不純物ガスを含むアノードオフガスは、カソードオフガス排出経路１３を通じて希釈装置（図１では図示せず）に供給される。これにより、かかるアノードオフガスを大気に放出する前に、アノードオフガス中の水素濃度を適切に低減できる。希釈装置の具体例は、第３実施例で説明する。
次に、燃料電池１の発電停止後の燃料電池システム１００の動作について説明する。
図２は、実施形態の燃料電池システムの動作（運転）の一例を示すフローチャートである。
制御器２０への燃料電池システム１００の運転状態信号、または、図示しない外部からの信号などに基づいて、燃料電池システム１００に発電停止が指示されると、以下の燃料電池システム１００の停止動作が行われる。
まず、ステップＳ１００で、カソードガス供給器５および昇圧器３の動作を停止するとともに、アノードガス供給弁２を閉止する。これにより、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃへのカソードガスの供給および燃料電池１のアノードガス流路１Ａへのアノードガスの供給が停止する。このとき、冷却水循環器６を動作しているので、冷却水循環経路１５内の冷却水による燃料電池１の冷却は継続する。よって、燃料電池１の温度を第１温度検知器２１により検知できる。
次に、ステップＳ１０１で、第１温度検知器２１の検知データの変化量が、所定値ΔＴに達したか否かが判定される。
第１温度検知器２１の検知データの変化量が、所定値ΔＴに達していない場合（ステップＳ１０１で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が継続される。
第１温度検知器２１の検知データの変化量が、所定値ΔＴに達した場合（ステップＳ１０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ１０２に進み、ステップＳ１０２で、アノードガス供給弁２およびパージ弁４を開放する。これにより、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８を通過した水素含有ガスを用いて、この合流部８よりも下流のカソードオフガス排出経路１３がパージされる。具体的には、水素含有ガスとして、燃料電池１の発電停止後の最初のガスパージ開始直後は、アノードオフガス排出経路１２に滞留するアノードオフガスがカソードオフガス排出経路１３に送られ、その後は、アノードガスがカソードオフガス排出経路１３に送られる。
このようにして、カソードオフガス排出経路１３の少なくとも一部をパージするガスパージが、第１温度検知器２１の検知データの変化量に基づいて行われる。
なお、ステップＳ１０２で昇圧器３を動作させてもよい。昇圧器３を動作させることにより、上記のガスパージにおいて、リサイクルガス経路１１のアノードオフガスおよびアノードガス供給経路１６のアノードガスをスムーズにアノードオフガス排出経路１２に供給することができる。
次に、ステップＳ１０３で、ステップＳ１０２のガスパージの継続時間が、所定時間Ｔを経過したか否かが判定される。
ステップＳ１０２のガスパージの継続時間が、所定時間Ｔに経過していない場合（ステップＳ１０３で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が継続される。
ステップＳ１０２のガスパージの継続時間が、所定時間Ｔに経過した場合（ステップＳ１０３で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０４で、アノードガス供給弁２およびパージ弁４を閉止する。なお、ステップＳ１０２で昇圧器３を動作させた場合は、ステップＳ１０４で、昇圧器３の動作を停止する。
その後、第１温度検知器２１の検知データの変化量が初期化され、ステップＳ１０１以降の動作が再び行われる。
以上により、本実施形態の燃料電池システム１００では、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても、燃料電池１の発電停止後に、外部から燃料電池１内に流入する酸素量を抑制し得る。つまり、燃料電池１の発電停止後の適時に、水素含有ガスを用いてカソードオフガス排出経路１３の少なくとも一部をパージするので、仮に外部から燃料電池１のカソードオフガス排出経路１３に空気が流入しても、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃ内のガス中の酸素量の増加を適切に抑制することができる。また、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても済むので、本封止空間を構成する配管のサイズは大きくする必要がない。よって、燃料電池システム１００の小型化などにも適切に対応できる。
また、第１温度検知器２１の検知データの変化量に基づいて、カソードオフガス排出経路１３中のガスの収縮量を予測可能であるので、外部からカソードオフガス排出経路１３に流入する空気の流入量を上記の収縮量を用いて適切に推算できる。
これにより、外部からカソードオフガス排出経路１３に流入する空気の流入量が所定のレベルに達した適時において上記のガスパージを行い得るので、空気の流入量に対応した適量の水素含有ガスを送ることができる。また、空気の流入量に対応して、カソードオフガス排出経路１３を構成する配管のサイズを適切に設計できる。
（第１変形例）
本変形例の燃料電池システム１００は、上記の第１の態様－第３の態様のいずれかの燃料電池システム１００において、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃおよびカソードオフガス排出経路１３のうちの少なくともいずれか一方のガス温度を検知する第２温度検知器２２を備え、上記のガスパージが、第２温度検知器２２の検知データの変化量に基づいて行われる。
図３は、実施形態の第１変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図３に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、アノードガス供給弁２と、昇圧器３と、パージ弁４と、カソードガス供給器５と、冷却水循環器６と、リサイクルガス経路１１と、アノードオフガス排出経路１２と、カソードオフガス排出経路１３と、冷却水循環経路１５と、アノードガス供給経路１６と、カソードガス供給経路１７と、制御器２０と、第１温度検知器２１と、第２温度検知器２２と、を備える。
燃料電池１、アノードガス供給弁２、昇圧器３、パージ弁４、カソードガス供給器５、冷却水循環器６、リサイクルガス経路１１、アノードオフガス排出経路１２、カソードオフガス排出経路１３、冷却水循環経路１５、アノードガス供給経路１６、カソードガス供給経路１７および第１温度検知器２１は、実施形態と同様であるので説明を省略する。
第２温度検知器２２は、上記のとおり、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃおよびカソードオフガス排出経路１３のうちの少なくともいずれか一方のガス温度を検知する。第２温度検知器２２は、このようなガス温度を直接的または間接的に検知できれば、どのような構成であっても良い。本変形例の燃料電池システム１００では、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃの出口近傍のカソードオフガス排出経路１３上に、第２温度検知器２２が配置されている。これにより、燃料電池１のカソードオフガス排出経路１３のガス温度が、第２温度検知器２２により直接的に検知される。第２温度検知器２２として、例えば、熱電対またはサーミスタなどを例示できる。
制御器２０は、上記のガスパージの実行の際に、第２温度検知器２２の検知データの変化量に基づいてアノードガス供給弁２およびパージ弁４などの制御対象を制御しても良い。
図４は、実施形態の第１変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
図４のステップＳ１００、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３およびステップＳ１０４は、図２のステップＳ１００、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３およびステップＳ１０４と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ２０１で、第２温度検知器２２の検知データの変化量が、所定値ΔＴに達したか否かが判定される。
第２温度検知器２２の検知データの変化量が、所定値ΔＴに達していない場合（ステップＳ２０１で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が継続される。
第２温度検知器２２の検知データの変化量が、所定値ΔＴに達した場合（ステップＳ２０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ１０２に進む。
このようにして、カソードオフガス排出経路１３の少なくとも一部をパージするガスパージが、第２温度検知器２２の検知データの変化量に基づいて行われる。
以上により、第２温度検知器２２の検知データの変化量に基づいて、カソードオフガス排出経路１３中のガスの収縮量を予測可能であるので、外部からカソードオフガス排出経路１３に流入する空気の流入量を上記の収縮量を用いて適切に推算できる。
これにより、外部からカソードオフガス排出経路１３に流入する空気の流入量が所定のレベルに達した適時において上記のガスパージを行い得るので、空気の流入量に対応した適量の水素含有ガスを送ることができる。また、空気の流入量に対応して、カソードオフガス排出経路１３を構成する配管のサイズを適切に設計できる。
本変形例の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施形態の燃料電池システム１００と同様であっても良い。
（第２変形例）
本変形例の燃料電池システム１００は、上記の第１の態様－第３の態様のいずれかの燃料電池システム１００において、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃおよびカソードオフガス排出経路１３のうちの少なくともいずれか一方のガス圧力を検知する圧力検知器２３を備え、上記のガスパージが、圧力検知器２３の検知データの変化量に基づいて行われる。
図５は、実施形態の第２変形例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図５に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、アノードガス供給弁２と、昇圧器３と、パージ弁４と、カソードガス供給器５と、冷却水循環器６と、リサイクルガス経路１１と、アノードオフガス排出経路１２と、カソードオフガス排出経路１３と、冷却水循環経路１５と、アノードガス供給経路１６と、カソードガス供給経路１７と、制御器２０と、第１温度検知器２１と、圧力検知器２３と、遮断器１８と、を備える。
燃料電池１、アノードガス供給弁２、昇圧器３、パージ弁４、カソードガス供給器５、冷却水循環器６、リサイクルガス経路１１、アノードオフガス排出経路１２、カソードオフガス排出経路１３、冷却水循環経路１５、アノードガス供給経路１６、カソードガス供給経路１７および第１温度検知器２１は、実施形態と同様であるので説明を省略する。
圧力検知器２３は、上記のとおり、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃおよびカソードオフガス排出経路１３のうちの少なくともいずれか一方のガス圧力を検知する。圧力検知器２３は、このようなガス圧力を直接的または間接的に検知できれば、どのような構成であっても良い。本変形例の燃料電池システム１００では、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃの出口近傍のカソードオフガス排出経路１３上に、圧力検知器２３が配置されている。これにより、燃料電池１のカソードオフガス排出経路１３のガス圧力が、圧力検知器２３により直接的に検知される。圧力検知器２３として、例えば、大気圧との間の差圧を測定する差圧計などを例示できる。
遮断器１８は、カソードオフガス排出経路１３を遮断する。遮断器１８は、圧力検知器２３よりも下流であって、合流部８よりも上流のカソードオフガス排出経路１３上に配置されている。遮断器１８は、このような箇所のカソードオフガス排出経路１３を遮断できれば、どのような構成であっても良い。遮断器１８として、例えば、電磁式の開閉弁などを例示できる。
燃料電池１の発電中、遮断器１８によるカソードオフガス排出経路１３の遮断は解除されている。これにより、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃに、カソードガスが供給されるとともに、燃料電池１で発電に使用されなかったカソードオフガスが、カソードオフガス排出経路１３を通じて外部へ放出される。
一方、燃料電池１の発電停止後は、遮断器１８によりカソードオフガス排出経路１３が遮断される。これにより、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃが封止される。このとき、燃料電池１の温度が低下すると、カソードガス流路１Ｃの水蒸気凝縮によりカソードガス流路１Ｃ内が負圧になるので、遮断器１８によるカソードオフガス排出経路１３の遮断を一時的に解除することで、カソードガス流路１Ｃの内圧を大気圧に戻すための操作を行う必要がある。
制御器２０は、上記のガスパージの実行の際に、圧力検知器２３の検知データの変化量に基づいてアノードガス供給弁２、パージ弁４および遮断器１８などの制御対象を制御しても良い。
図６は、実施形態の第２変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ３００で、カソードガス供給器５および昇圧器３の動作を停止するとともに、アノードガス供給弁２を閉止する。また、遮断器１８によりカソードオフガス排出経路１３が遮断される。これにより、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃへのカソードガスの供給および燃料電池１のアノードガス流路１Ａへのアノードガスの供給が停止する。このとき、冷却水循環器６を動作しているので、冷却水循環経路１５内の冷却水による燃料電池１の冷却は継続する。
次に、ステップＳ３０１で、圧力検知器２３の検知データの変化量が、所定値ΔＰに達したか否かが判定される。つまり、遮断器１８によりカソードオフガス排出経路１３を遮断しているので、燃料電池１の温度が低下すると、カソードガス流路１Ｃの水蒸気凝縮によりカソードガス流路１Ｃ内が負圧になる。そこで、圧力検知器２３の検知データの変化量により、カソードガス流路１Ｃ内の圧力状態を知ることができる。
圧力検知器２３の検知データの変化量が、所定値ΔＰに達していない場合（ステップＳ３０１で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が継続される。
圧力検知器２３の検知データの変化量が、所定値ΔＰに達した場合（ステップＳ３０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ３０２に進み、ステップＳ３０２で、アノードガス供給弁２およびパージ弁４を開放する。また、遮断器１８によるカソードオフガス排出経路１３の遮断を解除する。本遮断器１８の遮断解除により、カソードガス流路１Ｃの内圧を大気圧に戻すことができる。また、アノードガス供給弁２およびパージ弁４を開放することにより、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８を通過した水素含有ガスを用いて、この合流部８よりも下流のカソードオフガス排出経路１３がパージされる。具体的には、水素含有ガスとして、燃料電池１の発電停止後の最初のガスパージ開始直後は、アノードオフガス排出経路１２に滞留するアノードオフガスがカソードオフガス排出経路１３に送られ、その後は、アノードガスがカソードオフガス排出経路１３に送られる。
このようにして、カソードオフガス排出経路１３の少なくとも一部をパージするガスパージが、圧力検知器２３の検知データの変化量に基づいて行われる。
なお、ステップＳ３０２で昇圧器３を動作させても良い。昇圧器３を動作させることにより、上記のガスパージにおいて、リサイクルガス経路１１のアノードオフガスおよびアノードガス供給経路１６のアノードガスをスムーズにアノードオフガス排出経路１３に供給することができる。
次に、ステップＳ３０３で、ステップＳ３０２のガスパージの継続時間が、所定時間Ｔを経過したか否かが判定される。
ステップＳ３０２のガスパージの継続時間が、所定時間Ｔに経過していない場合（ステップＳ３０３で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が継続される。
ステップＳ３０２のガスパージの継続時間が、所定時間Ｔに経過した場合（ステップＳ３０３で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ３０４に進み、ステップＳ３０４で、アノードガス供給弁２およびパージ弁４を閉止する。また、遮断器１８によりカソードオフガス排出経路１３が遮断される。なお、ステップＳ３０２で昇圧器３を動作させた場合は、ステップＳ３０４で昇圧器３の動作を停止する。
その後、圧力検知器２３の検知データの変化量が初期化され、ステップＳ３０１以降の動作が再び行われる。
以上により、圧力検知器２３の検知データの変化量に基づいて、カソードオフガス排出経路１３中のガスの収縮量を予測可能であるので、外部からカソードオフガス排出経路１３に流入する空気の流入量を上記の収縮量を用いて適切に推算できる。
これにより、外部からカソードオフガス排出経路１３に流入する空気の流入量が所定のレベルに達した適時において上記のガスパージを行い得るので、空気の流入量に対応した適量の水素含有ガスを送ることができる。また、空気の流入量に対応して、カソードオフガス排出経路１３を構成する配管のサイズを適切に設計できる。
本変形例の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施形態の燃料電池システム１００と同様であっても良い。
（第１実施例）
本実施例の燃料電池システム１００は、第１の態様－第３の態様および実施形態の第１変形例－第２変形例のいずれかの燃料電池システムにおいて、重力が上から下に作用する場合において、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８は、燃料電池１よりも下方に設けられている。
図７は、実施形態の第１実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。図７において、「上」および「下」が取られており、重力は「上」から「下」へ作用するものとする。
本実施例の燃料電池システム１００の装置構成の詳細は、燃料電池システム１００において重力が作用する方向を特定した以外は、実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
ここで、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８を通過した水素含有ガスの比重は、空気の比重よりも小さいので、カソードオフガス排出経路１３内を上方に拡散する。よって、燃料電池１よりも下方に合流部８を設けることで、上記のガスパージにおいて合流部８を通過した水素含有ガスを燃料電池１のカソードガス流路１Ｃへ拡散させやすくなる。
以上により、燃料電池１よりも上方に合流部８を設ける場合に比べて、上記のガスパージにおいて燃料電池１のカソードガス流路１Ｃの水素濃度を高濃度に維持することができる。すると、仮に外部から燃料電池１のカソードオフガス排出経路１３に空気が流入しても、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃ内のガス中の酸素量の増加を適切に抑制することができる。
本実施例の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施形態および実施形態の第１変形例－第２変形例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であっても良い。
（第２実施例）
本実施例の燃料電池システム１００は、第１の態様－第３の態様、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例のいずれかの燃料電池システムにおいて、重力が上から下に作用する場合において、アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８は、カソードオフガス排出経路１３の上流から下流に向かう下り勾配部に設けられている。
本実施例の燃料電池システム１００の装置構成の詳細は、実施形態の第１実施例と同様であるので詳細な説明を省略する。
アノードオフガス排出経路１２とカソードオフガス排出経路１３とが合流する合流部８を通過した水素含有ガスの比重は、空気の比重よりも小さいので、カソードオフガス排出経路１３内を上方に拡散する。よって、カソードオフガス排出経路１３の上流から下流に向かう下り勾配部に合流部８に設けることで、上記のガスパージにおいて合流部８を通過した水素含有ガスを燃料電池１のカソードガス流路１Ｃへ拡散させやすくなる。
以上により、カソードオフガス排出経路１３の上流から下流に向かう上り勾配部に合流部８に設ける場合に比べて、上記のガスパージにおいて燃料電池１のカソードガス流路１Ｃの水素濃度を高濃度に維持することができる。すると、仮に外部から燃料電池１のカソードオフガス排出経路１３に空気が流入しても、燃料電池１のカソードガス流路１Ｃ内のガス中の酸素量の増加を適切に抑制することができる。
本実施例の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施形態、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であっても良い。
（第３実施例）
本実施例の燃料電池システム１００は、上記の第１の態様－第３の態様、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかの燃料電池システムにおいて、カソードオフガス排出経路を流通する水素含有ガスを空気で希釈する希釈装置３０を備え、制御器２０は、上記のガスパージにおいて希釈装置３０を動作させる。
図８は、実施形態の第３実施例の燃料電池システムの一例を示す図である。
図８に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、アノードガス供給弁２と、昇圧器３と、パージ弁４と、カソードガス供給器５と、冷却水循環器６と、リサイクルガス経路１１と、アノードオフガス排出経路１２と、カソードオフガス排出経路１３と、冷却水循環経路１５と、アノードガス供給経路１６と、カソードガス供給経路１７と、制御器２０と、第１温度検知器２１と、希釈装置３０と、を備える。
燃料電池１、アノードガス供給弁２、昇圧器３、パージ弁４、カソードガス供給器５、冷却水循環器６、リサイクルガス経路１１、アノードオフガス排出経路１２、カソードオフガス排出経路１３、冷却水循環経路１５、アノードガス供給経路１６、カソードガス供給経路１７および第１温度検知器２１は、実施形態と同様であるので説明を省略する。
希釈装置３０は、上記のとおり、カソードオフガス排出経路１３を流通する水素含有ガスを空気で希釈する。希釈装置３０は、カソードオフガス排出経路１３を流通する水素含有ガスを空気で希釈できれば、どのような構成であっても良い。本実施形態の燃料電池システム１００では、希釈装置３０として、燃料電池システムの筐体４０内を換気する換気器３０が用いられている。
具体的には、図８に示すように、換気器３０は、排気口３０Ａと軸流ファン３０Ｂとフード３０Ｃとを備える。カソードオフガス排出経路１３を構成する配管が、換気器３０のフード３０Ｃ内と連通している。排気口３０Ａの筐体４０の壁部に形成されている。軸流ファン３０Ｂは、筐体４０内でフード３０Ｃに覆われており、排気口３０Ａと対置するように設けられている。
燃料電池１の発電中は、制御器２０は、少なくとも、窒素ガスなどの不純物ガスを含むアノードオフガスをカソードオフガス排出経路１３へ送る際は、換気器３０を動作させる。
これにより、不純物ガスを含むアノードオフガスが、カソードオフガス排出経路１３を通じて換気器３０に供給されるとき、カソードオフガス排出経路１３からフード３０Ｃ内に流入したアノードオフガス中の水素濃度が、換気器３０の空気により所定の濃度以下にまで低減される。その後、アノードオフガスは、排気口３０Ａから大気へ放出される。
燃料電池１の発電停止後は、制御器２０が、上記のガスパージにおいて、希釈装置３０を動作させる。
これにより、上記のガスパージに用いた水素含有ガスが、カソードオフガス排出経路１３を通じて換気器３０に供給されるとき、水素含有ガス中の水素濃度が、換気器３０の空気により所定の濃度以下にまで低減される。その後、水素含有ガスは、排気口３０Ａから大気へ放出される。
本実施例の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、実施形態、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかの燃料電池システム１００と同様であっても良い。
なお、実施形態、実施形態の第１変形例－第２変形例および実施形態の第１実施例－第３実施例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本開示の一態様の燃料電池システムは、カソードオフガスの封止空間の体積を変更しなくても、燃料電池の発電停止後に、外部から燃料電池内に流入する酸素量を抑制し得る。よって、本開示の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。
１ ：燃料電池
１Ａ ：アノードガス流路
１Ｃ ：カソードガス流路
２ ：アノードガス供給器（アノードガス供給弁）
３ ：昇圧器
４ ：パージ弁
５ ：カソードガス供給器
６ ：冷却水循環器
８ ：合流部
１１ ：リサイクルガス経路
１２ ：アノードオフガス排出経路
１３ ：カソードオフガス排出経路
１５ ：冷却水循環経路
１６ ：アノードガス供給経路
１７ ：カソードガス供給経路
１８ ：遮断器
２０ ：制御器
２１ ：第１温度検知器
２２ ：第２温度検知器
２３ ：圧力検知器
３０ ：希釈装置（換気器）
３０Ａ ：排気口
３０Ｂ ：軸流ファン
３０Ｃ ：フード
４０ ：筐体
１００ ：燃料電池システム

Claims (8)

  1. アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、前記アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよび前記カソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、
    前記燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、
    前記燃料電池の温度を検知する第１温度検知器と、
    を備え、
    前記燃料電池の発電停止後に、前記アノードオフガス排出経路と前記カソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いて前記カソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、
    前記水素含有ガスは、前記アノードガスおよび前記アノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含み、前記ガスパージは、前記第１温度検知器の検知データの変化量に基づいて行われる燃料電池システム。
  2. アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、前記アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよび前記カソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、
    前記燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、
    前記カソードガス流路および前記カソードオフガス排出経路のうちの少なくともいずれか一方のガス温度を検知する第２温度検知器と、を備え、
    前記燃料電池の発電停止後に、前記アノードオフガス排出経路と前記カソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いて前記カソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、前記水素含有ガスは、前記アノードガスおよび前記アノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含み、前記ガスパージは、前記第２温度検知器の検知データの変化量に基づいて行われる燃料電池システム。
  3. アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、前記アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよび前記カソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、
    前記燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、
    前記カソードガス流路および前記カソードオフガス排出経路のうちの少なくともいずれか一方のガス圧力を検知する圧力検知器と、を備え、
    前記燃料電池の発電停止後に、前記アノードオフガス排出経路と前記カソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いて前記カソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、前記水素含有ガスは、前記アノードガスおよび前記アノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含み、前記ガスパージは、前記圧力検知器の検知データの変化量に基づいて行われる燃料電池システム。
  4. アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、前記アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよび前記カソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、
    前記燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、を備え、
    前記燃料電池の発電停止後に、前記アノードオフガス排出経路と前記カソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いて前記カソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、前記水素含有ガスは、前記アノードガスおよび前記アノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含み、重力が上から下に作用する場合において、前記合流部は、前記燃料電池よりも下方に設けられている燃料電池システム。
  5. アノードガス流路およびカソードガス流路を備え、前記アノードガス流路の水素含有のアノードガスおよび前記カソードガス流路の酸素含有のカソードガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出経路と、
    前記燃料電池のカソードガス流路から排出されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出経路と、を備え、
    前記燃料電池の発電停止後に、前記アノードオフガス排出経路と前記カソードオフガス排出経路とが合流する合流部を通過した水素含有ガスを用いて前記カソードオフガス排出経路の少なくとも一部をパージするガスパージが行われ、前記水素含有ガスは、前記アノードガスおよび前記アノードオフガスのうちの少なくともいずれか一方を含み、重力が上から下に作用する場合において、前記合流部は、前記カソードオフガス排出経路の上流から下流に向かう下り勾配部に設けられている燃料電池システム。
  6. 前記アノードオフガス排出経路に設けられたパージ弁と、前記アノードガス流路に供給される前記アノードガスが流通するアノードガス供給経路と、前記アノードガス供給経路に設けられたアノードガス供給器と、前記ガスパージにおいて前記アノードガス供給器および前記パージ弁を制御する制御器と、を備える請求項１－５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記パージ弁よりも上流のアノードオフガス排出経路から分岐し、前記アノードガス供給経路に合流するリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路に設けられた昇圧器と、を備え、
    前記制御器は、前記ガスパージにおいて前記昇圧器を動作させる請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記カソードオフガス排出経路を流通する前記水素含有ガスを空気で希釈する希釈装置を備え、
    前記制御器は、前記ガスパージにおいて前記希釈装置を動作させる請求項６または７に記載の燃料電池システム。
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