JP2002260698A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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JP2002260698A
JP2002260698A JP2001051679A JP2001051679A JP2002260698A JP 2002260698 A JP2002260698 A JP 2002260698A JP 2001051679 A JP2001051679 A JP 2001051679A JP 2001051679 A JP2001051679 A JP 2001051679A JP 2002260698 A JP2002260698 A JP 2002260698A
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cell system
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Naoto Kashiwagi
直人 柏木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池スタックの起動時に電力の浪費や騒
音を生じることなくエゼクタによる排ガスの循環利用を
可能とした燃料電池システムを提供する。 【解決手段】加圧したアノードガスまたはカソードガス
を燃料電池スタック１に供給する燃料ガス供給流路３，
８と、燃料電池スタックからの排ガスを前記燃料ガス供
給流路に供給する排ガス循環流路１１，１２と、前記燃
料ガスを駆動流体として前記排ガス循環流路からの排ガ
スを燃料ガス流路に導入するエゼクタ１３，１４とを備
えた燃料電池システムにおいて、加圧した窒素ガスを駆
動流体として前記エゼクタに供給する不活性ガス供給流
路１５と、前記燃料ガスおよび不活性ガスの供給を制御
するガス供給制御装置とを設け、燃料電池スタックの起
動時に窒素ガスをエゼクタに供給して排ガス循環流路で
のガス循環を開始させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池スタックか
らの排ガスをエゼクタにより再循環させるようにした燃
料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】燃料電池スタックは、
その燃料となるアノードガスである水素、及びカソード
ガスである酸素を供給して電気化学反応を起こし、電気
エネルギーを得ている。燃料電池スタックに供給したア
ノードガス、カソードガスともに大部分を燃料電池スタ
ックで消費するが、一部の消費されなかったアノードガ
ス、カソードガスはそれぞれ燃料電池スタックから排ガ
スとして排出される。この排ガスを、システムの効率を
高めるために、エゼクタを用いて再度燃料電池スタック
に供給するものが特表平10-511497号により提案されて
いる。
【０００３】また、このようにエゼクタを使った燃料電
池システムにおいて、エゼクタ停止時にエゼクタ内の残
留成分をパージする目的で不活性ガスである窒素をエゼ
クタに供給するようにしたものが特表平7-54799号公報
に開示されている。さらに、燃料電池を不活性化させる
目的で不活性ガスである窒素を駆動流体としてエゼクタ
に供給して燃料電池に供給するガスを吸引するシステム
が、特許第2835181号として知られている。
【０００４】ところで、エゼクタは安価で簡素な構造の
反面、流体の流れていない起動時からガスを循環させる
ためには大量のガスを駆動流体としてエゼクタに供給す
る必要がある。例えばアノードガスを大量に供給するも
のとすると、同圧で供給する必要があるカソードガスも
大量に供給しなければならず、このためには加圧したカ
ソードガスの供給元であるコンプレッサを高回転で作動
させる必要がある。このことは、燃料電池スタックでの
発電前にコンプレッサ作動のために電力が消費され、あ
るいはコンプレッサ駆動用の別電源として高価で大型の
バッテリを使用しなければならないという問題を生じ
る。またコンプレッサの高速駆動は騒音の点でも問題と
なる。
【０００５】本発明はこのような従来の問題点に着目し
てなされたもので、燃料電池スタックの起動時に電力の
浪費や騒音を生じることなくエゼクタによる排ガスの循
環利用を可能とした燃料電池システムを提供することを
目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、加圧した
燃料ガスを燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給流
路と、燃料電池スタックからの排ガスを前記燃料ガス供
給流路に供給する排ガス循環流路と、前記燃料ガスを駆
動流体として前記排ガス循環流路からの排ガスを燃料ガ
ス流路に導入するエゼクタとを備えた燃料電池システム
において、加圧した不活性ガスを駆動流体として前記エ
ゼクタに供給する不活性ガス供給流路と、前記燃料ガス
および不活性ガスの供給を制御するガス供給制御装置と
を設け、前記ガス供給制御装置を、燃料電池スタックの
起動時に不活性ガスをエゼクタに供給して排ガス循環流
路でのガス循環を開始させるように構成した。
【０００７】第２の発明は、前記第１の発明において、
不活性ガスとして窒素ガスを供給するようにした。
【０００８】第３の発明は、前記第１の発明のガス供給
制御装置を、不活性ガスと同時に燃料ガスを燃料電池ス
タックに供給するように構成した。
【０００９】第４の発明は、前記第１の発明のガス供給
制御装置を、起動時に供給した不活性ガスの流量を徐々
に減じるように構成した。
【００１０】第５の発明は、前記第１の発明のガス供給
制御装置を、前記ガス循環流路でのガス循環を検知する
フローセンサを備え、該センサからの出力に基づいてガ
ス循環の開始を判定するように構成した。
【００１１】第６の発明は、前記第５の発明のガス供給
制御装置を、エゼクタに供給する燃料ガスの流量を調整
する第１の弁装置と、エゼクタに供給する不活性ガスの
流量を調整する第２の弁装置と、前記センサからの信号
に基づいて第１、第２の弁装置の作動を制御するコント
ローラとを備えるものとした。
【００１２】第７の発明は、前記第１の発明において、
前記燃料ガス供給流路に燃料ガスとして水素を含むアノ
ードガスを供給すると共に、前記排ガスとして燃料電池
スタックからのアノード排ガスを前記燃料ガス供給流路
に循環させるようにした。
【００１３】第８の発明は、前記第１の発明において、
前記燃料ガス供給流路に燃料ガスとして酸素を含むカソ
ードガスを供給すると共に、前記排ガスとして燃料電池
スタックからのカソード排ガスを前記燃料ガス供給流路
に循環させるようにした。
【００１４】
【作用・効果】第1の発明によれば、燃料電池スタック
起動時にエゼクタに駆動流体として不活性ガスを供給し
てガスの循環を開始させるようにしたことから、ガス循
環に必要な駆動流体として起動の当初から燃料ガス（カ
ソードガスまたはアノードガス）のみを加圧供給する必
要がなくなる。したがって、ガスの加圧手段としてコン
プレッサを備える場合において、その作動を最小限に抑
えることができ、無駄な電力や騒音の発生を抑えること
ができる。また、これによってガスの循環を容易に行う
ことが可能なので、ガスを無駄に排出することがなく発
電の効率も良い。
【００１５】第2の発明によれば、不活性ガスとして安
価で入手性のよい窒素ガスを使用することにより、容易
にシステムを構築することができる。
【００１６】第３の発明によれば、ガス循環開始時に、
駆動流体としての不活性ガスに加え、燃料ガスも同時に
供給をするようにしたことから、より早く燃料電池スタ
ックの発電を開始することができる。
【００１７】第4の発明によれば、不活性ガスの供給流
量を徐々に減じるようにしたことから、ガス循環を停止
させることなく円滑に燃料ガスによる循環状態に移行さ
せることができ、これにより循環開始の信頼性が向上
し、燃料電池スタックによる発電をより確実に開始させ
ることが可能となる。
【００１８】第５の発明または第６の発明によれば、ガ
スの循環を排ガス循環流路に設けたセンサによって検知
するようにしたので、燃料ガスの供給タイミングや不活
性ガスの供給・停止タイミングを正確に制御することが
でき、循環開始の信頼性が向上し、燃料電池スタックの
発電を確実に行うことができる。
【００１９】エゼクタを介しての循環系は、第７の発明
として示したようにアノード排ガスを燃料ガスとしての
アノードガスに導入する構成、または第８の発明として
示したようにカソード排ガスを燃料ガスとしてのカソー
ドガスに導入する構成の何れか一方、または双方とする
ことができる。例えばガスの循環をアノード側のみとす
ることにより、エゼクタをアノード側だけに設けること
になるので、排ガスを循環させるために不活性ガスを供
給するエゼクタの数量が減ることによって、構成が簡潔
になると共に駆動流体である不活性ガスの使用量を減ら
すことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図1は本発明による燃料電池システ
ムの構成を例示する概略構成図である。燃料電池スタッ
ク１は、燃料ガスとしてアノードガスとカソードガスの
供給をうけ電気化学反応によって発電する。アノードガ
スはこの実施形態では高圧水素タンク２に貯蔵された水
素ガスであり、燃料ガス供給流路３を介して燃料電池ス
タック１に供給される。燃料ガス供給流路３の途中に
は、アノードガスの流量を制御する第１の弁装置とし
て、遮断弁５、圧力調整弁６が介装されている。カソー
ドガスは空気であり、コンプレッサ７により加圧され、
燃料ガス供給流路８を介して燃料電池スタック１に供給
される。燃料ガス供給流路８の途中にはカソードガスの
流量を制御する第２の弁装置として遮断弁９および圧力
調整弁１０が介装されている。
【００２１】燃料電池スタック１で消費されなかったア
ノードガスまたはカソードガスは排ガスとして燃料電池
スタック１から排出される。アノード排ガスは排ガス循
環流路１１を介して前記圧力調整弁６よりも下流の燃料
ガス供給流路３へと還流される。また、カソード排ガス
は排ガス循環流路１２を介して前記圧力調整弁１０より
も下流の燃料ガス供給流路８へと還流される。前記アノ
ードガスの排ガス循環流路１１が燃料ガス供給流路３と
接続する部分と、カソードガスの排ガス循環流路１２が
燃料ガス供給流路８と接続する部分には、それぞれエゼ
クタ１３、１４が設けられている。
【００２２】アノード排ガスの排ガス循環流路１１の出
口部分はエゼクタ１３の負圧発生部分に開口し、燃料ガ
ス供給流路３から供給されるアノードガスまたは後述す
る不活性ガスを駆動流体としてアノード排ガスを燃料ガ
ス供給流路３に循環させる。また、カソード排ガスの排
ガス循環流路１２の出口部分はエゼクタ１４の負圧発生
部分に開口し、燃料ガス供給流路８から供給されるカソ
ードガスまたは不活性ガスを駆動流体としてカソード排
ガスを燃料ガス供給流路８に循環させる。
【００２３】燃料ガス供給流路３と８には、それぞれの
圧力調整弁６、１０とエゼクタ１３、１４の中間部分に
接続するように不活性ガス供給流路１５が接続してい
る。不活性ガス供給流路１５は、不活性ガスとして高圧
窒素ガスタンク１６からの窒素ガスを供給する。不活性
ガス供給流路１５には、窒素ガスの流量を制御するため
の弁装置として減圧弁１７および遮断弁１８が介装され
ており、その下流側で分岐して各燃料ガス供給流路３、
８に接続している。なお、図２に示すように、高圧窒素
タンク１６はジョイントコネクタ１９を介して使用時の
み不活性ガス供給流路１５に接続する構成としてもよ
い。
【００２４】図３に前記構成下での不活性ガスおよび燃
料ガスの供給タイミングを示す。図示したように、燃料
電池システムの起動当初には遮断弁５、９を閉ざしてア
ノードガス、カソードガスの供給を停止した状態で遮断
弁１８を開き、減圧弁１７により所定圧に調整した窒素
ガスを不活性ガス供給流路１５を介してエゼクタ１３、
１４に供給する。これにより窒素ガスを駆動流体として
それぞれエゼクタ１３、１４が排ガス循環流路１１、１
２にガス循環を生起するので、その後に遮断弁５、９を
開き、圧力調整弁６、１０で所定の圧力ないし流量に調
整したアノードガス、カソードガスを燃料ガス供給流路
３、８を介して燃料電池スタック１に供給する。前記燃
料ガスの供給に伴い、以後は燃料ガスが駆動流体として
エゼクタ１３、１４による排ガス循環を継続させるの
で、以後は遮断弁１８を閉ざし、窒素ガスの供給を終了
する。
【００２５】このようにして、起動の当初に窒素ガスを
駆動流体としてエゼクタに供給して排ガス循環を開始さ
せることにより、大きな電力を消費するコンプレッサ等
の起動装置を作動させずに排ガス循環を成立させること
ができるので、燃料電池が発電していない起動前の無駄
な電力消費や起動時のコンプレッサ騒音の発生を抑える
ことができる。なお、前述したような起動時のガス供給
の制御は、各弁装置を電磁弁で構成し、これをマイクロ
コンピュータおよびその周辺装置等からなるコントロー
ラにより開閉制御する構成のガス供給制御装置（図示せ
ず）を設けることで実現することができる。
【００２６】図４と図５には不活性ガスおよび燃料ガス
の供給制御に関する他の実施形態を示す。図４に示した
ものでは、循環開始時に、エゼクタ１３、１４｀の駆動
流体として利用する窒素ガスに加え、アノード側は高圧
タンク２から減圧した水素を同時に供給することによ
り、燃料電池スタック１には窒素ガスと水素ガスの混合
ガスをアノ一ドガスとして供給する。カソ一ド側はコン
プレッサ７を作動させて空気を供給することにより、燃
料電池スタック１には窒素ガスと空気の混合ガスをカソ
ードガスとして供給する。この手法によれば、排ガスの
循環に必要な駆動流体の流量を窒素ガスで補充できると
ともに、アノードガス、カソードガスも当初からある程
度の量を燃料電池スタック１に供給するので、より早く
燃料電池スタックの発電を開始できる。
【００２７】図５に示したものでは、起動過程の終了時
に窒素ガスの供給を徐々に減じるようにしたものであ
る。終了時に急激に窒素ガスの供給を停止した場合には
排ガスの循環が停止してしまうおそれがあるが、このよ
うに徐々に停止することにより、排ガス循環停止という
不都合を回避することができる。なおこの場合、図示し
たようにアノードガスおよびカソードガスの流量を窒素
ガスの流量減に応じて徐々に増やすことにより燃料ガス
によるエゼクタ駆動へと円滑に移行するようにしてい
る。
【００２８】図６と図７にはそれぞれ本発明による燃料
電池システムの第２、第３の実施形態を示す。各図につ
き図１と同一の部分には同一の符号を付して示してあ
る。図６に示した第２の実施形態では、アノードガスの
燃料ガス供給流路３のみにエゼクタ１３を設けて、排ガ
ス循環流路１１によるアノード排ガスの循環および起動
時の不活性ガス供給流路１５からの窒素ガスの供給を行
い、カソード極側については排ガス循環を行わず、圧力
調整弁２０を介装した排ガス流路２１を介して余剰な空
気を大気に排出するようにしたものである。この実施形
態によればエゼクタおよび不活性ガス供給がアノード極
側の１系統だけであるので、窒素ガスの使用量を減らせ
るとともに装置コストを低減することができる。
【００２９】図７に示した第３の実施形態は、排ガス循
環流路１１と１２にそれぞれフローセンサ２３を設け
て、ガス循環が実際に開始されたことを検知してからア
ノードガス、カソードガスを供給するタイミングや窒素
ガスを停止するタイミングを制御するようにしたもので
ある。第１、第２の実施形態はガス循環が始まるタイミ
ングを推定してガス供給・停止を制御する構成である
が、この実施形態では実際のガス循環を検出できるの
で、より精度が高く、ガス利用効率のよい制御を行うこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施形
態の概略構成図。
【図２】図１の高圧窒素タンクの接続部分に関する実施
形態の概略構成図。
【図３】前記第１の実施形態における不活性ガスおよび
燃料ガスの供給制御のタイミング図。
【図４】不活性ガスおよび燃料ガスの供給制御に関する
他の実施形態のタイミング図。
【図５】不活性ガスおよび燃料ガスの供給制御に関する
他の実施形態のタイミング図。
【図６】本発明による燃料電池システムの第２の実施形
態の概略構成図。
【図７】本発明による燃料電池システムの第３の実施形
態の概略構成図。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック ２ 高圧水素タンク ３ 燃料ガス供給流路 ５ 遮断弁 ６ 圧力調整弁 ７ コンプレッサ ８ 燃料ガス供給流路 ９ 遮断弁 １０ 圧力調整弁 １１ 排ガス循環流路 １２ 排ガス循環流路 １３ エゼクタ １４ エゼクタ １５ 不活性ガス供給流路 １６ 高圧窒素タンク １７ 減圧弁 １８ 遮断弁 １９ ジョイントコネクタ ２０ 圧力調整弁 ２１ 排ガス流路 ２３ フローセンサ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加圧した燃料ガスを燃料電池スタックに供
    給する燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックからの排
    ガスを前記燃料ガス供給流路に供給する排ガス循環流路
    と、前記燃料ガスを駆動流体として前記排ガス循環流路
    からの排ガスを燃料ガス流路に導入するエゼクタとを備
    えた燃料電池システムにおいて、 加圧した不活性ガスを駆動流体として前記エゼクタに供
    給する不活性ガス供給流路と、前記燃料ガスおよび不活
    性ガスの供給を制御するガス供給制御装置とを設け、 前記ガス供給制御装置を、燃料電池スタックの起動時に
    不活性ガスをエゼクタに供給して排ガス循環流路でのガ
    ス循環を開始させるように構成した燃料電池システム。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記不活性ガスとして窒素ガスを供給するようにし
    た燃料電池システム。
  3. 【請求項３】請求項1に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記ガス供給制御装置を、不活性ガスと同時に燃料
    ガスを燃料電池スタックに供給するように構成した燃料
    電池システム。
  4. 【請求項４】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記ガス供給制御装置を、起動時に供給した不活性
    ガスの流量を徐々に減じるように構成した燃料電池シス
    テム。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記ガス供給制御装置を、前記ガス循環流路でのガ
    ス循環を検知するフローセンサを備え、該センサからの
    出力に基づいてガス循環の開始を判定するように構成し
    た燃料電池システム。
  6. 【請求項６】請求項５に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記ガス供給制御装置を、エゼクタに供給する燃料
    ガスの流量を調整する第１の弁装置と、エゼクタに供給
    する不活性ガスの流量を調整する第２の弁装置と、前記
    センサからの信号に基づいて第１、第２の弁装置の作動
    を制御するコントローラとを備えるものとした燃料電池
    システム。
  7. 【請求項７】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記燃料ガス供給流路に燃料ガスとして水素を含む
    アノードガスを供給すると共に、前記排ガスとして燃料
    電池スタックからのアノード排ガスを前記燃料ガス供給
    流路に循環させるようにした燃料電池システム。
  8. 【請求項８】請求項１に記載の燃料電池システムにおい
    て、前記燃料ガス供給流路に燃料ガスとして酸素を含む
    カソードガスを供給すると共に、前記排ガスとして燃料
    電池スタックからのカソード排ガスを前記燃料ガス供給
    流路に循環させるようにした燃料電池システム。
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