JP2007242381A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの燃料電池の運転停止後に行う掃気処理において、掃気時間を短縮する技術を提供すること。
【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料ガス供給流路と、燃料ガス排出流路と、燃料ガス排出流路と接続され、燃料電池システムのガス流路内の水を貯留するための貯留部と、貯留部に流れ込む燃料ガスを、再利用のために燃料ガス供給流路に循環させる燃料ガス循環流路と、循環ポンプと、貯留部内に貯留された貯留水を、貯留部外に排出するための排水弁と、燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時であり、貯留部の貯留水がオーバーフローしている場合において、少なくとも排水弁を開弁制御する弁制御部と、貯留水がオーバーフローしている状態から、貯留水の水位が低下したか否かを検知する第１の水位検知部と、貯留部の貯留水の水位が低下したことを検知した場合に、循環ポンプの回転を逆回転させるポンプ制御部とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池で生じる水などを貯留するための貯留部を備える燃料電池システムに関する。

近年、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスを用いて発電を行う燃料電池が注目されている。このような燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、燃料電池から排出される燃料ガスを燃料電池の外部に導くための燃料ガス排出流路と、燃料ガス排出流路と接続され、燃料電池で電気化学反応によって生成された水などを一旦貯留するための貯留装置（以下では、貯留部とも呼ぶ。）と、貯留部と燃料ガス供給流路と接続され、燃料電池から排出された燃料ガスを、再利用のために燃料ガス供給流路に循環させるための燃料ガス循環流路などを備えている。また、貯留部には、排水弁が設けられ、貯留された貯留水は、この排水弁から燃料電池システム外部に排出される。なお、上述したガス流路のうち、燃料ガスが循環する流路を循環系流路とも呼ぶ。また、下記特許文献１には、貯留部の貯留水を、排出弁を介して外部へ排出する技術が提案されている。

ところで、このような燃料電池システムは、例えば、自動車などに搭載されるため、小型化が望まれており、上記貯留部の小型化も望まれていた。

特開２００２−３１３４０３号公報

一方、上述のような燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止後に、循環系流路内の水を外部に排出するための掃気処理を行う。この掃気処理において、循環系流路内の水が、貯留部に流れ込み、排水弁を開弁することで、貯留水を外部に排出するが、上述のように貯留部を小型化すると、貯留部からの排水量よりも、貯留部に流入する水の量が多くなってしまうおそれがあった。このような場合には、貯留部に流入した水は、貯留部からオーバーフローしてしまい、循環系流路を循環することになる。そうすると、貯留部をオーバーフローした水が、循環系流路を一周（循環）して再び貯留部に戻ってくるまでの間は、掃気処理を終えることができず、その結果、掃気時間が長くなってしまうおそれがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システムの燃料電池の運転停止後に行う掃気処理において、掃気時間を短縮する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスを、前記燃料電池の外部に導くための燃料ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路と接続され、前記燃料ガスの流れに伴って、前記燃料電池システムのガス流路内の水が流れ込み、流れ込んだ水を貯留するための貯留部と、
前記貯留部と前記燃料ガス供給流路と接続され、前記貯留部に流れ込む前記燃料ガスを、再利用のために前記燃料ガス供給流路に循環させる燃料ガス循環流路と、
前記燃料ガス排出流路または前記燃料ガス循環流路上に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための循環ポンプと、
前記貯留部に設けられ、前記貯留部内に貯留された貯留水を、前記貯留部外に排出するための排水弁と、
前記燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時であり、前記燃料電池システムのガス流路内の水が前記貯留部に流れ込み、前記貯留部の前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている場合において、少なくとも前記排水弁を開弁制御する弁制御部と、
前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態から、前記貯留水の水位が低下したか否かを検知する第１の水位検知部と、
前記第１の水位検知部が前記貯留部の前記貯留水の水位が低下したことを検知した場合に、前記循環ポンプの回転を逆回転させるポンプ制御部と、
を備えたことを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、貯留部からオーバーフローした貯留水が、循環して再び貯留部に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローが終了した直後において、貯留部に戻すことが可能であり、速やかに排水弁を介して燃料電池システムの外部に排出することができる。その結果、掃気時間を短縮することが可能となる。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第２の燃料電池システムは、
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスを、前記燃料電池の外部に導くための燃料ガス排出流路と、
前記燃料ガス排出流路と接続され、前記燃料ガスの流れに伴って、前記燃料電池システムのガス流路内の水が流れ込み、流れ込んだ水を貯留するための貯留部と、
前記貯留部と前記燃料ガス供給流路と接続され、前記貯留部に流れ込む前記燃料ガスを、再利用のために前記燃料ガス供給流路に循環させる燃料ガス循環流路と、
前記燃料ガス排出流路または前記燃料ガス循環流路上に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための循環ポンプと、
前記貯留部に設けられ、前記貯留部内に貯留された貯留水を、前記貯留部外に排出するための排水弁と、
前記燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時であり、前記燃料電池システムのガス流路内の水が前記貯留部に流れ込み、前記貯留部の前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしたか否かを検知するオーバーフロー検知部と、
前記オーバーフロー検知部が、前記貯留部から前記貯留水がオーバーフローしたことを検知した場合に、前記循環ポンプを逆回転させるポンプ制御部と、
前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを逆回転させた際において、少なくとも前記排水弁を開弁制御する弁制御部と、
を備えたことを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、貯留部からオーバーフローした貯留水が、循環して再び貯留部に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローを抑制し、貯留水を貯留部に留めて、速やかに排水弁を介して燃料電池システムの外部に排出することができる。その結果、掃気時間を短縮することが可能となる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記第１の水位検知部は、
前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態から、前記貯留水の水位が低下したか否かを検知した後、再び前記貯留水の水位が上昇し、前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態となった場合において、再度、前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態から、前記貯留水の水位が低下したか否かを検知し、
ポンプ制御部は、
前記第１の水位検知部が、再度前記貯留部の前記貯留水の水位が低下したことを検知した場合に、前記循環ポンプの回転を再び逆回転させるようにしてもよい。

このようにすれば、再度貯留水が貯留部からオーバーフローした場合においても、貯留部からオーバーフローした貯留水が、循環して再び貯留部に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローを抑制し、貯留水を貯留部留めて、速やかに排水弁を介して燃料電池システムの外部に排出することができる。その結果、掃気時間を短縮することが可能となる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス排出流路上に遮断弁を備え、
前記弁制御部は、
ポンプ制御部が、前記循環ポンプを逆回転させた場合に、前記遮断弁を閉弁制御するようにしてもよい。

このようにすれば、貯留部から、貯留水が、燃料ガス排出流路を介して、燃料電池方向にオーバーフローすることを抑制することが可能となる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記ポンプ制御部が前記循環ポンプの回転を逆回転させた後、前記貯留部の前記貯留水の水位が所定値以下に低下したか否かを検知する第２の水位検知部を備え、
前記弁制御部は、
前記第２の水位検知部が、前記貯留部の前記貯留水の水位が所定値以下に低下したことを検知すると、前記排水弁を閉弁制御させるようにしてもよい。

このようにすれば、燃料ガスが、貯留部の外部に排出されることを抑制することができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、
前記ポンプ制御部は、
前記第２の水位検知部が、前記貯留部の前記貯留水の水位が所定値以下に低下したことを検知すると、前記循環ポンプの回転を停止させるようにしてもよい。

貯留部の貯留水の水位が所定値以下に低下した場合には、上述のように、弁制御部により排水弁が閉弁される。このような場合、掃気処理は、終了、または、一時停止中と考えられ、以上のように循環ポンプの回転を停止させることにより、循環ポンプの省電力化を実現することが可能である。

なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの装置発明の態様に限ることなく、循環ポンプの制御方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の構成：
Ａ２．貯留部７０の説明：
Ａ３．掃気処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．掃気処理：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、水素タンク２０と、ブロワ３０と、循環ポンプ５０と、貯留部７０と、水位センサ７５と、水素遮断弁２００と、制御回路４００と、を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、構成単位である単セル（以下単にセルと呼ぶ。）を複数積層したスタック構造を有している。各セルは、電解質膜（図示せず）を挟んでアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した構成となっている。燃料電池１０は、各々のセルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０は、生じた電力を燃料電池１０に接続される所定の負荷装置（例えば、モータや蓄電池。）に供給する。なお、燃料電池１０としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。以下では、燃料電池１０の燃料ガスが流れる流路をアノード流路２５と呼び、酸化ガスが流れる流路をカソード流路３５と呼ぶ。

水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード流路２５に接続されている。燃料ガス供給流路２４上において、水素タンク２０から近い順番に、水素遮断弁２００と、調圧弁（図示せず）とが設けられている。水素遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１０に水素ガスを燃料ガスとして供給する。なお、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。

Ａ２．貯留部７０の説明：
図２は、本実施例の燃料電池システム１００における貯留部７０の拡大図である。貯留部７０は、燃料ガス排出流路２６とガス循環流路２７と接続されており、アノードで電気化学反応に供された後の燃料ガスが燃料ガス排出流路２６を介して流入するようになっている。なお、後述する掃気処理において、燃料電池１０に所定の負荷要求がない場合があり、この場合には、アノードで電気化学反応が起こらず、アノードに供給された燃料ガスは、そのままアノードを通過し、燃料ガス排出流路２６を介して貯留部７０に流入する。ところで、燃料電池１０のカソードでは、電気化学反応により、水が生成されるが、この生成水は、電解質膜を介して、アノード側に透過してくる場合がある。そこで、貯留部７０は、カソード側から透過してくる水（以下では、透過水とも呼ぶ。）であり、アノード流路２５等に溜まった水を、燃料ガス排出流路２６を介して、貯留する。

また、貯留部７０に流入した燃料ガスのうち、燃料ガスに含まれる水蒸気は、凝縮して水となり（以下では、この水を凝縮水とも呼ぶ。）、貯留部７０内に貯留される。これにより水蒸気が幾分か除去された燃料ガスは、ガス循環流路２７上に設けられる循環ポンプ５０によりガス循環流路２７を介して、燃料ガス供給流路２４に再度供給される。このようにして、燃料ガスに含まれる水素は、循環して、燃料ガスとして再び発電に使用される。このような場合に、ガスが循環する方向を循環方向と呼び、その時の循環ポンプ５０の回転方向を順回転と呼ぶ。一方、循環ポンプ５０は、後述する掃気処理において、順回転方向に対して逆回転させる場合があり、この場合、ガスは、循環方向に対して反対方向に流れる。この方向を逆循環方向と呼ぶ。さらに、以下では、燃料ガスに含まれる水素が循環する流路、すなわち、ガス循環流路２７、燃料ガス供給流路２４、アノード流路２５、燃料ガス排出流路２６から形成される流路を循環系流路とも呼ぶ。

ところで、燃料電池システム１００の小型化のため、本実施例の燃料電池システム１００で用いられる貯留部７０も小型なものが用いられる。そのため、貯留部７０は、燃料電池１０から流入する透過水や凝縮水により、すぐに満杯（ＦＵＬＬ）になり、貯留水が貯留部７０をオーバーフローして循環系流路を循環する場合がある。これについての詳細は、後述する掃気処理で説明する。なお、以下では、貯留部７０に貯留されている水を貯留水と呼ぶ。

貯留部７０内には、貯留部７０内の貯留水の水位を検出するための水位センサ７５が設けられる。

貯留部７０の下部には、パージ流路２８が接続されており、パージ流路２８上には、排気排水弁２４０が設けられている。燃料ガスには、水素以外の不純ガス（窒素等）が含まれる場合があり、それが循環系流路を循環するうちに、濃度が徐々に増加してしまい、その結果、燃料電池１０の電池性能の低下を招くおそれがある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、排気排水弁２４０を定期的に開弁し、不純ガスを排気する。この場合、図２に示すように、貯留部７０内に貯留水があると排気できないので、まず、貯留水を排出後、排気する。なお、このような不純物の排気処理は、後述する掃気処理中には行われない。

ブロワ３０は、酸化ガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード流路３５に接続されている。ブロワ３０で圧縮された空気は、燃料電池１０のカソード流路３５を介して、カソードに供給される。また、燃料電池１０のカソード流路３５は、酸化ガス排出流路３６と接続されており、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガスは、酸化ガス排出流路３６に排出される。

制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、ブロワ３０、循環ポンプ５０、水素遮断弁２００、水位センサ７５、排気排水弁２４０などの燃料電池システム１００に関する種々の制御を行う。

また、制御回路４００は、弁制御部４１０、ポンプ制御部４２０、水位監視部４３０として機能し、後述の掃気処理を実行する。

ところで、本実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池１０の運転停止後、循環系流路内に残留する残留水を外部に排出するための掃気処理を行う。

Ａ３．掃気処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１００が行う掃気処理のフローチャートである。図４は、図３に示す掃気処理時における貯留水水位の推移を示すタイミングチャートである。この図４には、貯留水水位の推移に合わせて、排気排水弁２４０の開閉弁タイミングおよび循環ポンプ５０の回転方向の切り替えタイミングも示されている。

まず、この掃気処理の前提条件について説明する。掃気処理開始前には、排気排水弁２４０は、閉弁されており、循環ポンプ５０は、順回転してガスを循環方向に循環させている。また、燃料電池１０の運転時において、燃料電池１０のアノード流路２５には大量の水（透過水等）が生じており、掃気運転開始時には、その水が一気に貯留部７０に流れ込む。さらに、この掃気処理において、水位監視部４３０は、水位センサ７５から、常時、貯留部７０の水位（以下では、貯留水水位Ｘと呼ぶ。）を検出している。それでは、図３および図４を用いて掃気処理について説明する。

図３、図４に示すように、弁制御部４１０は、掃気処理が開始されると、排気排水弁２４０を開弁する（ステップＳ１０）。

掃気処理開始時において、このように排気排水弁２４０を開弁しても、上述したように、掃気処理が開始されると、燃料電池１０のアノード流路２５にある大量の水が貯留部７０に流れ込み、また、排気排水弁２４０から排出される貯留水の排水量よりも、貯留部７０に燃料ガス排出流路２６を介して流れ込む水量の方が多いため、図４に示すように、掃気処理開始から貯留水水位Ｘは上昇し、所定時間後（この時刻を時刻Ｔ０とする。）、貯留部７０は貯留水で満杯（ＦＵＬＬ）になる。また、この場合、貯留部７０が満杯（ＦＵＬＬ）になると、貯留水が循環系流路（ガス循環流路２７）に流れでている状態、すなわち、オーバーフローした状態となる。

次に、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水の水位が下がったか否か、具体的には、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がったか否かを判断する（ステップＳ２０）。また、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がると（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、貯留水水位Ｘの低下の前は、その水位が満杯（ＦＵＬＬ）だったか否か、すなわち、貯留水水位Ｘの低下の前に、貯留水がオーバーフローしていたか否かを判断する（ステップＳ３０）。制御回路４００は、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘの低下の前は、その貯留水水位Ｘが満杯（ＦＵＬＬ）だった、すなわち、貯留水水位Ｘの低下の前は、貯留水がオーバーフローしていたと判断すると（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ４０の処理に移行し、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘの低下の前に、貯留水がオーバーフローしていたと判断すると（ステップＳ３０：ＮＯ）、ステップＳ５０の処理に移行する。

一方、図４に示すように、時刻Ｔ０後には、排気排水弁２４０からの貯留水の排出量よりも貯留部７０に流入する透過水が多いため、貯留部７０から貯留水が循環方向（ガス循環流路２７の方）へオーバーフローしている状態となっている。この場合、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がるまで待機している（ステップＳ２０：ＮＯ）。なお、閾値Δｗは、燃料電池システム１００の具体的な設計に基づき適宜定められる。

その後、燃料電池１０から貯留部７０に流入する透過水のピークが過ぎ、排気排水弁２４０からの貯留水の排出量の方が多くなると、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、徐々に下がる。そして、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がると（ステップＳ２０：ＹＥＳ，この時の時刻を時刻Ｔ１とする。）、図４に示すように、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１の手前まで間は、貯留水がオーバーフローしているので、貯留水水位Ｘの低下の前は、貯留水がオーバーフローしていたと判断し（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、制御回路４００は、ステップＳ４０の処理に移行する。

ステップＳ４０の処理において、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を今までの回転方向に対して逆回転させる。その後、制御回路４００は、ステップＳ２０の処理にリターンする。

掃気処理開始から時刻Ｔ１までの間では、循環ポンプ５０は、順回転していたので、ポンプ制御部４２０は、時刻Ｔ１になると、循環ポンプ５０を順回転から逆回転させる。これにより、掃気処理開始から時刻Ｔ１の間に、貯留部７０から循環系流路内（ガス循環流路２７の方）にオーバーフローし循環方向に流れていた貯留水は、逆流して逆循環方向に流れ、ガス循環流路２７を介して、再び貯留部７０に流れ込む。このようにすれば、貯留部７０から循環系流路内にオーバーフローした貯留水が、循環系流路を循環方向に循環して再び貯留部７０に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローが終了した直後において、貯留部７０に戻すことができ、排気排水弁２４０を介して燃料電池システム１００の外部に排出することができる。その結果、掃気処理時間を短縮することが可能となる。

なお、図４に示すように、ポンプ制御部４２０が、循環ポンプ５０を逆回転させた後、オーバーフローした貯留水が、再び貯留部７０に流れ込むまでには、多少のタイムラグがあり、貯留水水位Ｘは、その間は減少する。

そして、ポンプ制御部４２０が、時刻Ｔ１になって、循環ポンプ５０を逆回転させることにより（ステップＳ４０）、循環系流路にオーバーフローしていた貯留水が、逆流し、再び貯留部７０に流れ込むと、図４に示すように、再び貯留部７０が満杯（ＦＵＬＬ）になり、今度は、貯留水が、逆循環方向に、すなわち、循環系流路の燃料ガス排出流路２６に流れだす。なお、この間も排気排水弁２４０からは、貯留水の排出は継続されている。

その後、循環系流路（燃料ガス排出流路２６の方）にオーバーフローし、ガス循環流路２７方向から貯留部７０に流入する貯留水のピークが過ぎ、排気排水弁２４０からの貯留水の排出量の方が多くなると、図４に示すように、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、徐々に下がる。そして、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がると（ステップＳ２０：ＹＥＳ，この時の時刻を時刻Ｔ２とする。）、貯留水水位Ｘが閾値Δｗほど低下する前に、貯留水がオーバーフローしていたので（図４参照、ステップＳ３０：ＹＥＳ）、制御回路４００は、ステップＳ４０の処理に再度移行する。

続いて、ポンプ制御部４２０は、再び循環ポンプ５０を今までの回転方向に対して逆回転させる（ステップＳ４０）。この場合、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間、循環ポンプ５０は、逆回転していたので、順回転に戻される。これにより、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２の間に、貯留部７０から循環系流路を逆循環方向（燃料ガス排出流路２６の方）にオーバーフローしていた貯留水は、再度逆流して循環方向に流れだし、再び貯留部７０に流れ込む。このようにすれば、貯留部７０から逆循環方向（燃料ガス排出流路２６の方）にオーバーフローしていた貯留水が、循環系流路を逆循環方向に循環して再び貯留部７０に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローが終了した直後において、貯留部７０に戻すことができ、排気排水弁２４０を介して燃料電池システム１００の外部に排出することができる。その結果、掃気処理時間を短縮することが可能となる。

そして、ポンプ制御部４２０が、時刻Ｔ２になって、循環ポンプ５０を順回転に戻すことにより（ステップＳ４０、図４参照）、貯留部７０から循環系流路を逆循環方向（燃料ガス排出流路２６の方）にオーバーフローしていた貯留水が、再び貯留部７０に流れ込むと、図４に示すように、再び貯留部７０が満杯（ＦＵＬＬ）になり、再度オーバーフローし、貯留水が、循環系流路を循環方向（ガス循環流路２７の方）に再度流れだす。なお、この間も排気排水弁２４０からは、貯留水の排出は継続されている。

その後、循環系流路を循環方向にオーバーフローし、ガス循環流路２６方向から貯留部７０に流入する貯留水のピークが過ぎ、排気排水弁２４０からの貯留水の排出量の方が多くなると、図４に示すように、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、徐々に下がる。そして、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がると（ステップＳ２０：ＹＥＳ，この時の時刻を時刻Ｔ３とする。）、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がる前には、貯留水がオーバーフローしていたので（図４参照、ステップＳ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ４０の処理に再度移行する。

続いて、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を今までの回転方向に対して逆回転させる（ステップＳ４０）。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの間、循環ポンプ５０は、順回転していたので、再度逆回転される。これにより、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の間に、貯留部７０から循環系流路を循環方向（燃料ガス排出流路２６の方）にオーバーフローしていた貯留水は、再度逆流して逆循環方向に流れだし、再び貯留部７０に流れ込む。この場合、この貯留水が、貯留部７０に流れ込むまでには、多少のタイムラグがあり、貯留水水位Ｘは、その間減少するが、オーバーフローしていた貯留水が、再度逆流して逆循環方向に流れだし、再び貯留部７０に流れ込み始めると（この時の時刻を時刻Ｔ４とする。）、貯留部７０の貯留水水位Ｘは、上昇に転じる。

一方、上述のように、循環ポンプ５０の順回転、逆回転を繰り返していると、循環系流路内の排水が進み、すなわち、循環系流路にオーバーフローしている貯留水はかなり減少している。従って、図４に示すように、貯留部７０の貯留水水位Ｘは、満杯（ＦＵＬＬ）にならずにピークとなり（この時の時刻を時刻Ｔ５とする。）、排気排水弁２４０からの排水量の方が多くなり、再び、減少に転じる。

その後、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｗほど下がると（ステップＳ２０：ＹＥＳ，この時の時刻を時刻Ｔ６とする。）、貯留水水位Ｘが閾値Δｗほど低下する前は、貯留水がオーバーフローしていなかったので（図４参照、ステップＳ３０：ＮＯ）、ステップＳ５０の処理に移行する。

水位監視部４３０は、貯留水水位Ｘが予め定められる所定の閾値αまで低下するまで待機し（ステップＳ５０：ＮＯ）、貯留水水位Ｘが閾値αまで低下すると（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、ステップＳ６０の処理に移行する。

ステップＳ６０の処理において、弁制御部４１０は、図４に示すように、排気排水弁２４０を閉弁し、また、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を停止させる（この時の時刻を時刻Ｔ７とする。）。その後、制御回路４００は、この掃気処理を終了する。

なお、この掃気処理において、ステップＳ５０の処理を介してだけでなく、所定のタイミングで、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが閾値α以下に低下したことを検知すると、制御回路４００は、ステップＳ６０の処理を実行、すなわち、弁制御部４１０は、排気排水弁２４０を閉弁し、また、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を停止させるようになっている。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００では、掃気処理において、貯留部７０から貯留水がオーバーフローして、オーバーフローした貯留水のピークが過ぎる度に、循環ポンプ５０をそれまでの回転方向とは逆回転させ、オーバーフローした貯留水を逆流させるようにしている。このようにすれば、貯留部７０からオーバーフローした貯留水が、循環系流路を一周して再び貯留部７０に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローが終了した直後において、貯留部７０に戻すことが可能であり、速やかに排気排水弁２４０を介して燃料電池システム１００の外部に排出することができる。その結果、掃気処理全体の時間を短縮することが可能となる。

また、本実施例の燃料電池システム１００では、掃気処理において、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが閾値α以下に低下したことを検知すると、弁制御部４１０は、排気排水弁２４０を閉弁し、また、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を停止させるようにしている。このようにすれば、貯留部７０に流れ込む燃料ガスに含まれる水素が、貯留部７０の排気排水弁２４０から燃料電池システム１００の外部に排出されることを抑制することができる。

なお、水位監視部４３０は、請求項における第１および第２の水位検知部に該当し、弁制御部４１０は、請求項における弁制御部に該当し、ポンプ制御部４２０は、請求項におけるポンプ制御部に該当する。

Ｂ．第２実施例：
図５は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図である。第２実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００と類似する構成を有し、燃料ガス排出流路２６上の貯留部７０近傍に遮断弁３００を備えたことのみ異なっているため、共通する部分については同じ参照番号を付して詳しい説明は省略する。本実施例の燃料電池システム１００ａでは、この遮断弁３００は、弁制御部４１０が制御する。また、本実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００が行った掃気処理とは異なる掃気処理を実行する。以下に本実施例の燃料電池システム１００ａが行う掃気処理について図６および図７を用いて説明する。なお、この掃気処理の前提条件として、掃気処理開始前まで遮断弁３００は開弁されている。そして、その他の前提条件は、第１実施例の燃料電池システム１００が行う掃気処理と同様である。

Ｂ１．掃気処理：
図６は、第２実施例の燃料電池システム１００ａが行う掃気処理のフローチャートである。図７は、図６に示す掃気処理時における貯留水水位の推移を示すタイミングチャートである。図６、図７に示すように、まず、弁制御部４１０は、掃気処理が開始されると、排気排水弁２４０を開弁する（ステップＳ１００）。掃気処理開始時において、このように排気排水弁２４０を開弁したとしても、掃気処理が開始されると、燃料電池１０のアノード流路２５にある大量の水が貯留部７０に流れ込み、また、排気排水弁２４０から排出される貯留水の排水量よりも、貯留部７０に燃料ガス排出流路２６を介して流れ込む水量の方が多いため、掃気処理開始から貯留水水位Ｘは上昇する。

次に、水位監視部４３０は、貯留水水位Ｘが満杯（ＦＵＬＬ）となったか否かにより、貯留部７０から貯留水がオーバーフローしたか否かの検知を行っている（ステップＳ１１０）。水位監視部４３０は、貯留水がオーバーフローしていない場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、貯留水水位Ｘが予め定められる閾値α以下に低下していないか否かを監視しており（ステップＳ１２０）、貯留水水位Ｘが予め定められる閾値α以下に低下していない場合には（ステップＳ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１１０の処理にリターンする。水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが予め定められる閾値α以下に低下したと判断すると（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御回路４００は、後述するステップＳ１８０の処理に移行する。

図７に示すように、掃気処理開始後から貯留水水位Ｘが上昇し、所定時間（時刻Ｔ１ａ）になると、貯留部７０は貯留水で満杯（ＦＵＬＬ）になる。そこで、水位監視部４３０が、時刻Ｔ１ａになり、貯留部７０から貯留水がオーバーフローしたと判断し（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御回路４００は、ステップＳ１３０の処理に移行する。

ステップＳ１３０の処理において、弁制御部４１０は、遮断弁３００を閉弁する。そして、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を逆回転方向に回転させる（ステップＳ１４０）。このようにすれば、循環ポンプ５０を順回転方向に対して逆回転させることにより、貯留部７０からオーバーフローしそうだった（オーバーフローしていた）貯留水がオーバーフローすることを抑制することができ、さらには、遮断弁３００を閉弁させることにより、貯留部７０から逆循環方向に貯留水がオーバーフローすることも防止することができる。

なお、このように循環ポンプ５０を逆回転させる場合、貯留部７０の貯留水がオーバーフローするのを抑制できる程度であって、燃料ガス供給流路２４やアノード流路２５内の水が逆循環方向に大量に逆流しない程度の回転数（力）で、回転させるようにする。これにより、逆循環方向から、貯留部７０に流入する水の量よりも、排気排水弁２４０からの排出量の方が多くなり、循環ポンプ５０を逆回転させた（図７：時刻Ｔ１ａ）後、貯留部７０内の貯留水水位Ｘは、徐々に減少する。

続いて、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水の水位が下がったか否か、具体的には、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｖほど下がったか否かを判断する（ステップＳ１５０）。水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘが、閾値Δｖほど下がっていない場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、待機する。なお、閾値Δｖは、燃料電池システム１００の具体的な設計に基づき適宜定められる。

図７に示すように、時刻Ｔ１ａ後、貯留部７０の貯留水水位Ｘが閾値Δｖほど下がると、水位監視部４３０が、貯留部７０の貯留水水位Ｘが閾値Δｖほど下がったと判断し（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、弁制御部４１０は、遮断弁３００を再び開弁する（ステップＳ１６０、この時の時刻を時刻Ｔ２ａとする。）。さらに、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を逆回転から順回転に戻す（ステップＳ１７０）。このようにすれば、燃料電池１０のアノード流路２５周辺にある大量の水が再び、貯留部７０に流れ込むようになる。これにより、貯留部７０の貯留水水位Ｘは、上昇する。なお、図７に示すように、ポンプ制御部４２０が、循環ポンプ５０を逆回転から順回転させた後、アノード流路２５周辺の水が、貯留部７０に流れ込むまでには、多少のタイムラグがあり、貯留水水位Ｘは、その間は減少する。

制御回路４００は、以上のようにして、ステップＳ１１０〜ステップＳ１７０の処理を繰り返し行う。そして、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが閾値α以下になったと判断すると（ステップＳ１２０：ＹＥＳ、図７：時刻Ｔ３ａ）、弁制御部４１０は、排気排水弁２４０を閉弁し、また、ポンプ制御部４２０は、循環ポンプ５０を停止させる（ステップＳ１８０）。その後、制御回路４００は、この掃気処理を終了する。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００ａでは、掃気処理において、貯留部７０から貯留水がオーバーフローしそうだった場合に（オーバーフローした場合に）、貯留水がオーバーフローすることを抑制し、貯留部７０と燃料ガス排出流路２６における遮断弁３００との間に、貯留水を留めつつ、排気排水弁２４０から排水し、貯留水水位Ｘが低下すると、アノード流路２５周辺の水を再び貯留部７０に流し込むようにしている。このようにすれば、貯留部７０から循環系流路内にオーバーフローした貯留水が、循環系流路を循環方向に循環して再び貯留部７０に戻ってくるのを待つことなく、貯留水のオーバーフローを抑制し、貯留水を貯留部７０に留めて、速やかに排気排水弁２４０を介して燃料電池システム１００の外部に排出することができる。その結果、掃気処理全体の時間を短縮することが可能となる。

なお、水位監視部４３０は、請求項におけるオーバーフロー検知部および第２の水位検知部に該当し、弁制御部４１０は、請求項における弁制御部に該当し、ポンプ制御部４２０は、請求項におけるポンプ制御部に該当する。

Ｃ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池システム１００または燃料電池システム１００ａでは、掃気処理において、水位監視部４３０は、貯留部７０の貯留水水位Ｘを水位センサ７５を用いて検出するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、水位監視部４３０は、燃料電池１０の発電量を検出し、循環ポンプ５０の回転数を検出し、これらの検出値と、予め定められる循環系流路の設計値（流路長、流路体積等）等から貯留部７０に流れ込む水の量を推算し、すなわち、貯留水水位Ｘを推算するようにしてもよい。このようにすれば、水位センサ７５を用いることなく貯留水水位Ｘを検出することができるので、部品点数の軽減を行うことができ、また、水位センサ７５を設置する必要がないので、貯留部７０の小型化を実施可能である。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池システム１００または燃料電池システム１００ａにおいて、循環ポンプ５０は、ガス循環流路２７上に設けられているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料ガス排出流路２６上や、燃料ガス供給流路２４において、ガス循環流路２７との接続部よりも燃料ガスの供給方向の下流側に設けるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することが可能である。

Ｃ３．変形例３：
上記第１実施例の燃料電池システム１００において、弁制御部４１０は、掃気処理が開始されると、すぐに排気排水弁２４０を開弁するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、弁制御部４１０は、掃気処理開始後、貯留部７０が満杯になるまでの間に排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。また、弁制御部４１０は、掃気処理開始後、水位監視部４３０が貯留水水位Ｘが所定値β以上であると検知している場合に、継続して排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。なお、この所定値βは、燃料電池システム１００ａの具体的な設計により、適宜決定される。

また、上記第２実施例の燃料電池システム１００ａにおいて、弁制御部４１０は、掃気処理が開始されると、すぐに排気排水弁２４０を開弁するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、弁制御部４１０は、貯留水が貯留部７０からオーバーフローすることによってポンプ制御部４２０が循環ポンプ５０を逆回転方向に回転させた場合（図６：ステップＳ１４０）に、排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。また、弁制御部４１０は、掃気処理開始後、貯留部７０が満杯になるまでの間に排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。さらに、弁制御部４１０は、掃気処理開始後、水位監視部４３０が貯留水水位Ｘが所定値γ以上であると検知している場合に、継続して排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。なお、この所定値γは、燃料電池システム１００ａの具体的な設計により、適宜決定される。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池システム１００または燃料電池システム１００ａにおいて、制御回路４００の各部は、ソフトウェア的に構成されているものを、ハードウェア的に構成するようにしてもよいし、ハードウェア的に構成されているものを、ソフトウェア的に構成するようにしてもよい。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。 第１実施例の燃料電池システム１００における貯留部７０の拡大図である。 第１実施例の燃料電池システム１００が行う掃気処理のフローチャートである。 図３に示す掃気処理時における貯留水水位の推移を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００ａの構成を示すブロック図である。 第２実施例の燃料電池システム１００ａが行う掃気処理のフローチャートである。 図６に示す掃気処理時における貯留水水位の推移を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池
２０…水素タンク
２４…燃料ガス供給流路
２５…アノード流路
２６…燃料ガス排出流路
２７…ガス循環流路
２８…パージ流路
３０…ブロワ
３４…酸化ガス供給流路
３５…カソード流路
３６…酸化ガス排出流路
５０…循環ポンプ
７０…貯留部
７５…水位センサ
１００…燃料電池システム
１００ａ…燃料電池システム
２００…水素遮断弁
２４０…排気排水弁
３００…遮断弁
４００…制御回路
４１０…弁制御部
４２０…ポンプ制御部
４３０…水位監視部

Claims (6)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料ガスを、前記燃料電池の外部に導くための燃料ガス排出流路と、
   前記燃料ガス排出流路と接続され、前記燃料ガスの流れに伴って、前記燃料電池システムのガス流路内の水が流れ込み、流れ込んだ水を貯留するための貯留部と、
   前記貯留部と前記燃料ガス供給流路と接続され、前記貯留部に流れ込む前記燃料ガスを、再利用のために前記燃料ガス供給流路に循環させる燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス排出流路または前記燃料ガス循環流路上に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための循環ポンプと、
   前記貯留部に設けられ、前記貯留部内に貯留された貯留水を、前記貯留部外に排出するための排水弁と、
   前記燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時であり、前記燃料電池システムのガス流路内の水が前記貯留部に流れ込み、前記貯留部の前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている場合において、少なくとも前記排水弁を開弁制御する弁制御部と、
   前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態から、前記貯留水の水位が低下したか否かを検知する第１の水位検知部と、
   前記第１の水位検知部が前記貯留部の前記貯留水の水位が低下したことを検知した場合に、前記循環ポンプの回転を逆回転させるポンプ制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される燃料ガスを、前記燃料電池の外部に導くための燃料ガス排出流路と、
   前記燃料ガス排出流路と接続され、前記燃料ガスの流れに伴って、前記燃料電池システムのガス流路内の水が流れ込み、流れ込んだ水を貯留するための貯留部と、
   前記貯留部と前記燃料ガス供給流路と接続され、前記貯留部に流れ込む前記燃料ガスを、再利用のために前記燃料ガス供給流路に循環させる燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス排出流路または前記燃料ガス循環流路上に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための循環ポンプと、
   前記貯留部に設けられ、前記貯留部内に貯留された貯留水を、前記貯留部外に排出するための排水弁と、
   前記燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時であり、前記燃料電池システムのガス流路内の水が前記貯留部に流れ込み、前記貯留部の前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしたか否かを検知するオーバーフロー検知部と、
   前記オーバーフロー検知部が、前記貯留部から前記貯留水がオーバーフローしたことを検知した場合に、前記循環ポンプを逆回転させるポンプ制御部と、
   前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを逆回転させた際において、少なくとも前記排水弁を開弁制御する弁制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第１の水位検知部は、
   前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態から、前記貯留水の水位が低下したか否かを検知した後、再び前記貯留水の水位が上昇し、前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態となった場合において、再度、前記貯留水が、前記貯留部からオーバーフローしている状態から、前記貯留水の水位が低下したか否かを検知し、
   ポンプ制御部は、
   前記第１の水位検知部が、再度前記貯留部の前記貯留水の水位が低下したことを検知した場合に、前記循環ポンプの回転を再び逆回転させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス排出流路上に遮断弁を備え、
   前記弁制御部は、
   ポンプ制御部が、前記循環ポンプを逆回転させた場合に、前記遮断弁を閉弁制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ポンプ制御部が前記循環ポンプの回転を逆回転させた後、前記貯留部の前記貯留水の水位が所定値以下に低下したか否かを検知する第２の水位検知部を備え、
   前記弁制御部は、
   前記第２の水位検知部が、前記貯留部の前記貯留水の水位が所定値以下に低下したことを検知すると、前記排水弁を閉弁制御させることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ポンプ制御部は、
   前記第２の水位検知部が、前記貯留部の前記貯留水の水位が所定値以下に低下したことを検知すると、前記循環ポンプの回転を停止させることを特徴とする燃料電池システム。

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