JP2007280771A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下においても円滑な運転を行うことが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０から排出されるオフガスを流すための排出流路３２と、排出流路３２内のオフガスから水を分離させる気液分離器３６と、排出流路３２内のオフガスを排出流路３２外に排出するためのパージ弁３７と、を備えた燃料電池システム１において、低温時に開放して排出流路３２内のオフガスを排出流路３２外に排出するための低温時専用パージ弁５２を、気液分離器３６の下流側であって気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、燃料電池からの燃料ガスのオフガスを循環させる循環路を備えており、この循環路には、オフガス中の水分を分離除去する気液分離器が設けられている。
また、この燃料電池システムとしては、気液分離器の下流側にパージ弁を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−７１７５１号公報

ところで、気液分離器の下流側のパージ弁には、システム停止後においてガス中の水分が残留することがあり、このような場合、系内の温度が凍結温度以下まで低下すると、パージ弁が凍結し、運転開始後における円滑な開閉動作に支障を来すことが考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低温環境下においても円滑な運転を行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出されるオフガスを流すための排出流路と、この排出流路内のオフガスから水を分離させる気液分離器と、排出流路内のオフガスを前記排出流路外に排出するためのパージ弁と、を備えた燃料電池システムであって、低温時に開放して排出流路内のオフガスを排出流路外に排出するための低温時専用パージ弁が、気液分離器の下流側であって気液分離器よりも鉛直上方位置に配設されてなるものである。

かかる構成によれば、運転停止後において、低温環境のためにパージ弁が凍結したとしても、気液分離器よりも鉛直上方位置に配置されているために水分の侵入による凍結のおそれが低い低温時専用パージ弁を開放することにより、運転開始後にて燃料電池からのオフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。ここで、「低温時に」とは、パージ弁が凍結するような低温領域（例えば氷点下領域）において、という意味である。

前記燃料電池システムにおいて、気液分離器で分離した水をオフガスとともに排出流路外に排出する排気排水弁をパージ弁として採用することができる。かかる場合において、気液分離器を通過したオフガスを排出流路外に排出する低温時パージ流路を設け、この低温時パージ流路に低温時専用パージ弁を設けることができる。そして、低温時パージ流路における低温時専用パージ弁の上流側に、オリフィス弁及び圧力センサを設けることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、気液分離器を通過したオフガスを排出流路外に排出するパージ流路を設け、このパージ流路にパージ弁を設けることもできる。かかる場合において、気液分離器を通過したオフガスを排出流路外に排出する低温時パージ流路をパージ流路とは別に設け、この低温時パージ流路に低温時専用パージ弁を設けることができる。そして、パージ流路における前記パージ弁の上流側や、低温時パージ流路における低温時専用パージ弁の上流側に、オリフィス弁及び圧力センサが設けることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路にインジェクタを設けることができる。かかる場合において、燃料供給流路におけるインジェクタの上流側に、流量計を設けることが好ましい。

本発明の燃料電池システムによれば、低温環境下においても円滑な運転を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

（第１実施形態）
まず、図１を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための排出流路としての循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。

レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ３５の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ３５の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ３５の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ３５の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ３５の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。インジェクタ３５の弁体は例えばソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。

循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁（パージ弁）３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。つまり、この排気排水弁３７は、水素オフガスを排気するパージ弁としても機能するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。

また、循環流路３２には、気液分離器３６の下流側に、低温時パージ流路５１の一端が接続されている。この低温時パージ流路５１は、低温時専用パージ弁５２を備えており、その他端は、排気流路２３に設けられた希釈器４０に接続されている。低温時専用パージ弁５２は、電磁式の遮断弁であり、制御装置４からの指令によって作動し、低温時パージ流路５１を開閉する。そして、この低温時専用パージ弁５２が開くことにより、循環流路３２を通る水素オフガスが低温時パージ流路５１を介して希釈器４０へ送り出され、この希釈器４０から排気流路２３を通って外部へ排気される。
図２は、気液分離器と低温時専用パージ弁との位置関係を示す図である。
図２に示すように、この低温時パージ流路５１に設けられた低温時専用パージ弁５２は、気液分離器３６に対して鉛直上方位置に配置されている。これにより、この低温時パージ面５２への気液分離器３６側からの水の侵入が抑制される。

制御装置４は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。

制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置４は、図３に示すように、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、燃料電池１０で消費される水素ガスの量（以下「水素消費量」という）を算出する（燃料消費量算出機能：Ｂ１）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と水素消費量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に水素消費量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値）に基づいて、インジェクタ３５下流位置における水素ガスの目標圧力値（燃料電池１０への目標ガス供給圧）を算出する（目標圧力値算出機能：Ｂ２）。本実施形態においては、燃料電池１０の電流値と目標圧力値との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に、二次側圧力センサ４３が配置された位置（圧力調整が要求される位置である圧力調整位置）における目標圧力値を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、算出した目標圧力値と、二次側圧力センサ４３で検出したインジェクタ３５下流位置（圧力調整位置）の検出圧力値と、の偏差に基づいてフィードバック補正流量を算出する（フィードバック補正流量算出機能：Ｂ３）。フィードバック補正流量は、目標圧力値と検出圧力値との偏差を低減させるために水素消費量に加算される水素ガス流量（圧力差低減補正流量）である。本実施形態においては、ＰＩ制御等の目標追従型制御則を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードバック補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、前回算出した目標圧力値と、今回算出した目標圧力値と、の偏差に対応するフィードフォワード補正流量を算出する（フィードフォワード補正流量算出機能：Ｂ４）。フィードフォワード補正流量は、目標圧力値の変動に起因する水素ガス流量の変動分（圧力差対応補正流量）である。本実施形態においては、目標圧力値の偏差とフィードフォワード補正流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎にフィードフォワード補正流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（一次側圧力センサ４１で検出した水素ガスの圧力及び温度センサ４２で検出した水素ガスの温度）に基づいてインジェクタ３５の上流の静的流量を算出する（静的流量算出機能：Ｂ５）。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と静的流量との関係を表す特定の演算式を用いて、制御装置４の演算周期毎に静的流量を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、インジェクタ３５の上流のガス状態（水素ガスの圧力及び温度）及び印加電圧に基づいてインジェクタ３５の無効噴射時間を算出する（無効噴射時間算出機能：Ｂ６）。ここで無効噴射時間とは、インジェクタ３５が制御装置４から制御信号を受けてから実際に噴射を開始するまでに要する時間を意味する。本実施形態においては、インジェクタ３５の上流側の水素ガスの圧力及び温度と印加電圧と無効噴射時間との関係を表す特定のマップを用いて、制御装置４の演算周期毎に無効噴射時間を算出して更新することとしている。

また、制御装置４は、水素消費量と、フィードバック補正流量と、フィードフォワード補正流量と、を加算することにより、インジェクタ３５の噴射流量を算出する（噴射流量算出機能：Ｂ７）。そして、制御装置４は、インジェクタ３５の噴射流量を静的流量で除した値にインジェクタ３５の駆動周期を乗じることにより、インジェクタ３５の基本噴射時間を算出するとともに、この基本噴射時間と無効噴射時間とを加算してインジェクタ３５の総噴射時間を算出する（総噴射時間算出機能：Ｂ８）。ここで、駆動周期とは、インジェクタ３５の噴射孔の開閉状態を表す段状（オン・オフ）波形の周期を意味する。本実施形態においては、制御装置４により駆動周期を一定の値に設定している。

そして、制御装置４は、以上の手順を経て算出したインジェクタ３５の総噴射時間を実現させるための制御信号を出力することにより、インジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期を制御して、燃料電池１０に供給される水素ガスの流量及び圧力を調整する。

上記の燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転時において燃料電池１０に供給される水素ガスの圧力を高精度に制御する。

ここで、燃料電池１０内の燃料ガス流路では、水素ガス中の水蒸気が凝縮する。また、循環流路３２内の水素ガスは、燃料電池１０による発電にともなって不純物の濃度が高くなる。このため、上記燃料電池システム１の制御装置４は、所定の時間間隔で気液分離器３６の排気排水弁３７を開閉して、循環流路３２内の水素ガスの一部である水素オフガスと水蒸気が凝縮した水とを排出流路３８を介して希釈器４０へ排出するパージ処理を行う。この希釈器４０へ排出された水素オフガスは、希釈器４０にて希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと混合されて外部へ排出される。

ところで、低温環境下では、システム停止後において、気液分離器３６内に残留した水が凍結することがあり、このような場合、排気排水弁３７の作動に不具合が生じる。そして、この状態にて運転を開始すると、排気排水弁３７を開いて水素オフガスを排出するパージ処理を行うことが困難となる。
このような場合、上記実施形態に係る燃料電池システム１の制御装置４は、低温時パージ流路５１の低温時専用パージ弁５２を開放する。このようにすると、循環流路３２内の水素オフガスが低温時パージ流路５１を介して希釈器４０へ送られ、この希釈器４０にて希釈されて排気流路２３へ排気される。

ここで、この低温時パージ流路５１の低温時専用パージ弁５２は、図２に示すように、気液分離器３６の下流側にて気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置されているので、気液分離器３６の水が入り込むようなことがなく、したがって、低温環境下においても、低温時専用パージ弁５２が凍結して作動不良を生じるようなことがない。

このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、運転停止後において、低温環境のために気液分離器３６から水素オフガスと水を排出する排気排水弁３７が凍結したとしても、運転開始後に気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置された低温時専用パージ弁５２を開くことにより、循環流路３２内の水素オフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。

また、上記実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態に対する相違部分を中心に説明する。
第２実施形態では、図４に示すように、低温時パージ流路５１における低温時専用パージ弁５２の上流側に、オリフィス弁５３及び圧力センサ５４が上流側から順に設けられている。そして、圧力センサ５４からの検出データに基づいて、制御装置４は、低温時パージ流路５１におけるガスの流量の検出が可能とされている。

そして、この第２実施形態に係る燃料電池システム１の場合も、運転停止後において、低温環境のために気液分離器３６から水素オフガスと水を排出する排気排水弁３７が凍結したとしても、運転開始後に気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置された低温時専用パージ弁５２を開放することにより、循環流路３２内の水素オフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。
特に、低温時パージ流路５１における低温時専用パージ弁５２の上流側に、オリフィス弁５３及び圧力センサ５４を上流側から順に設けたので、低温時専用パージ弁５２の閉弁時におけるガス流量の検出を行うことができ、これにより、低温時専用パージ弁５２の作動の不具合を検出することができる。

また、第２実施形態に係る燃料電池システム１でも、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態に対する相違部分を中心に説明する。
第３実施形態では、図５に示すように、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の上流側に、流量計５５が設けられている。そして、この流量計５５によって、インジェクタ３５へ送り込まれる水素ガスの流量が測定され、その測定結果が制御装置４へ送信されるようになっている。

そして、この第３実施形態に係る燃料電池システム１の場合も、運転停止後において、低温環境のために気液分離器３６から水素オフガスと水を排出する排気排水弁３７が凍結したとしても、運転開始後に気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置された低温時専用パージ弁５２を開放することにより、循環流路３２内の水素オフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。
特に、インジェクタ３５の上流側に流量計５５を設けたので、インジェクタ３５の定量精度を保証することができ、さらに、気液分離器３６あるいは低温時パージ流路５１からの水素オフガスの排気の定量性を向上させることができ、また、運転停止時におけるインジェクタ３５などの不具合も検出することができる。

また、第３実施形態に係る燃料電池システム１でも、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１について第１実施形態に対する相違部分を中心に説明する。
第４実施形態では、図６に示すように、排気排水弁３７に代えてオートドレイン型の排水弁３７ａが設けられている。つまり、この排水弁３７ａは、気液分離器３６に所定量以上の水が溜まったことを検知し、自動的に開弁して排水を行うもので、水素オフガスをパージする機能は備えていないものである。

また、循環流路３２には、気液分離器３６と低温時パージ流路５１との間に、パージ流路６１の一端が接続されている。このパージ流路６１は、パージ弁６２を備えており、その他端は、排気流路２３に設けられた希釈器４０に接続されている。パージ弁６２は、電磁式の遮断弁であり、制御装置４からの指令によって作動し、パージ流路６１が開閉される。そして、このパージ弁６２が開くことにより、循環流路３２を通る水素オフガスがパージ流路６１を介して希釈器４０へ送り出され、この希釈器４０にて希釈されて排気流路２３から外部へ排気される。

つまり、この第４実施形態に係る燃料電池システム１では、運転時に、気液分離器３６に所定量以上の水が溜まると、排水弁３７ａが自動的に開弁して排水を行う。また、所定の時間間隔でパージ弁６２を開閉して、循環流路３２内の水素ガスの一部である水素オフガスを、パージ流路６１を介して希釈器４０へ排出するパージ処理を行う。
さらに、運転停止後において、パージ弁６２が凍結して作動に不具合が生じるような低温環境下では、低温時パージ流路５１の低温時専用パージ弁５２を開放し、循環流路３２内の水素オフガスの排気を可能とする。

このように、この第４実施形態に係る燃料電池システム１によれば、運転停止後において、低温環境のために気液分離器３６から水を排出する排出弁３７ａ及び水素オフガスを排気するパージ弁６２が凍結したとしても、運転開始後に気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置された低温時専用パージ弁５２を開放することにより、循環流路３２内の水素オフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。

また、第４実施形態に係る燃料電池システム１でも、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る燃料電池システム１について第４実施形態に対する相違部分を中心に説明する。
第５実施形態では、図７に示すように、低温時パージ流路５１における低温時専用パージ弁５２の上流側に、オリフィス弁５３及び圧力センサ５４が上流側から順に設けられている。そして、圧力センサ５４からの検出データに基づいて、制御装置４は、低温時パージ流路５１におけるガスの流量の検出が可能とされている。
また、パージ流路６１におけるパージ弁６２の上流側に、オリフィス弁６３及び圧力センサ６４が上流側から順に設けられている。そして、圧力センサ６４からの検出データに基づいて、制御装置４は、パージ流路６１におけるガスの流量の検出が可能とされている。

そして、この第５実施形態に係る燃料電池システム１の場合も、運転停止後において、低温環境のために気液分離器３６から水を排出する排出弁３７ａ及び水素オフガスを排気するパージ弁６２が凍結したとしても、運転開始後に気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置された低温時専用パージ弁５２を開放することにより、循環流路３２内の水素オフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。
特に、低温時パージ流路５１における低温時専用パージ弁５２の上流側に、オリフィス弁５３及び圧力センサ５４を上流側から順に設け、さらに、パージ流路６１におけるパージ弁６２の上流側に、オリフィス弁６３及び圧力センサ６４を上流側から順に設けたので、低温時専用パージ弁５２及びパージ弁６２の閉弁時におけるガス流量の検出を行うことができ、これにより、低温時専用パージ弁５２及びパージ弁６２の作動の不具合を検出することができる。

また、第５実施形態に係る燃料電池システム１でも、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る燃料電池システム１について第４実施形態に対する相違部分を中心に説明する。
第６実施形態では、図８に示すように、水素供給流路３１におけるインジェクタ３５の上流側に、流量計５５が設けられている。そして、この流量計５５によって、インジェクタ３５へ送り込まれる水素ガスの流量が測定され、その測定結果が制御装置４へ送信されるようになっている。

そして、この第６実施形態に係る燃料電池システム１の場合も、運転停止後において、低温環境のために気液分離器３６から水を排出する排出弁３７ａ及び水素オフガスを排気するパージ弁６２が凍結したとしても、運転開始後に気液分離器３６よりも鉛直上方位置に配置された低温時専用パージ弁５２を開放することにより、循環流路３２内の水素オフガスを円滑に排気することができ、円滑な運転状態を維持することができる。
特に、インジェクタ３５の上流側に流量計５５を設けたので、インジェクタ３５の定量精度を保証することができ、さらに、気液分離器３６あるいは低温時パージ流路５１からの水素オフガスの排気の定量性を向上させることができ、また、運転停止時におけるインジェクタ３５などの不具合も検出することができる。

また、第６実施形態に係る燃料電池システム１でも、燃料電池１０の運転状態（発電時の電流値）に応じてインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定することができる。従って、燃料電池１０の運転状態に応じて水素ガスの供給圧力を適切に変化させることができ、応答性を向上させることが可能となる。また、水素ガスの流量調整弁及び可変調圧弁としてインジェクタ３５を採用しているため、高精度な調圧（燃料電池１０への水素ガスの供給圧力の調整）が可能となる。すなわち、インジェクタ３５は、燃料電池１０の運転状態に応じた制御装置４からの制御信号を受けて、水素ガスの噴射時間や噴射時期を調整することができるため、従来の機械式の可変調圧弁よりも迅速かつ精確に圧力調整を行うことができる。また、インジェクタ３５は、従来の機械式の可変調圧弁と比較すると小型・軽量であり低廉でもあるため、システム全体の小型化及び低廉化を実現させることができる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池システム１の水素ガス配管系３に循環流路３２を設けた例を示したが、例えば、図９に示すように、燃料電池１０に排出流路３８を直接接続して循環流路３２を廃止することもできる。かかる構成（デッドエンド方式）を採用した場合においても、制御装置４で前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３９を設けた例を示したが、水素ポンプ３９に代えてエジェクタを採用してもよい。

また、以上の実施形態においては、水素ガス配管系３の水素供給流路３１のインジェクタ３５の下流位置（圧力調整位置：圧力調整が要求される位置）に二次側圧力センサ３１を配置し、この位置における圧力を調整する（所定の目標圧力値に近付ける）ようにインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定した例を示したが、二次側圧力センサ１が配置される位置はこれに限られるものではない。

例えば、燃料電池１０の水素ガス入口近傍位置（水素供給流路３１上）や、燃料電池１０の水素ガス出口近傍位置（循環流路３２上）や、水素ポンプ３９の出口近傍位置（循環流路３２上）を圧力調整位置に設定し、この位置に二次側圧力センサを配置することもできる。かかる場合には、二次側圧力センサが配置された各圧力調整位置における目標圧力値を記録したマップを予め作成しておき、このマップに記録した目標圧力値と、二次側圧力センサで検出した圧力値（検出圧力値）と、に基づいてフィードバック補正流量を算出するようにする。

また、以上の実施形態においては、水素供給流路３１に遮断弁３３及びレギュレータ３４を設けた例を示したが、インジェクタ３５は、可変調圧弁としての機能を果たすとともに、水素ガスの供給を遮断する遮断弁としての機能をも果たすため、必ずしも遮断弁３３やレギュレータ３４を設けなくてもよい。従って、インジェクタ３５を採用すると遮断弁３３やレギュレータ３４を省くことができるため、システムの小型化及び低廉化が可能となる。

また、以上の実施形態においては、燃料電池１０の発電時の電流値を検出し、この電流値に基づいて目標圧力値や水素ガスの消費量を算出してインジェクタ３５の作動状態（噴射時間）を設定した例を示したが、燃料電池１０の運転状態を示す他の物理量（燃料電池１０の発電時の電圧値や電力値、燃料電池１０の温度等）を検出し、この検出した物理量に応じてインジェクタ３５の作動状態を設定してもよい。また、燃料電池１０の運転状態の態様（起動状態、間欠運転状態、通常運転状態、パージ運転状態、燃料電池自体の異常状態、燃料電池システムの異常状態等）を制御装置が判定し、これら運転状態の態様に応じてインジェクタ３５の作動状態（インジェクタ３５の弁体の開度（ガスの通過面積）、インジェクタ３５の弁体の開放時間（ガスの噴射時間）等）を設定することもできる。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの気液分離器と低温時専用パージ弁との位置関係を示す斜視図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置の制御態様を説明するための制御ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第６実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の第１〜第６実施形態の燃料電池システムの変形例を示す構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池、３１…水素供給流路（燃料供給流路）、３２…循環流路（排出流路）、３５…インジェクタ、３６…気液分離器、３７…排気排水弁（パージ弁）、３８…排出流路、５１…低温時パージ流路、５２…低温時専用パージ弁、５３・６３…オリフィス弁、５４・６４…圧力センサ、５５…流量計、６１…パージ流路、６２…パージ弁。

Claims (9)

1. 燃料電池と、前記燃料電池から排出されるオフガスを流すための排出流路と、前記排出流路内のオフガスから水を分離させる気液分離器と、前記排出流路内のオフガスを前記排出流路外に排出するためのパージ弁と、を備えた燃料電池システムであって、
   低温時に開放して前記排出流路内のオフガスを前記排出流路外に排出するための低温時専用パージ弁が、前記気液分離器の下流側であって前記気液分離器よりも鉛直上方位置に配設されてなる燃料電池システム。
2. 前記パージ弁は、前記気液分離器で分離した水を前記オフガスとともに前記排出流路外に排出する排気排水弁である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記気液分離器を通過したオフガスを前記排出流路外に排出する低温時パージ流路が設けられ、
   前記低温時専用パージ弁は、前記低温時パージ流路に設けられてなる請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記気液分離器を通過したオフガスを前記排出流路外に排出するパージ流路が設けられ、
   前記パージ弁は、前記パージ流路に設けられてなる請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記パージ流路における前記パージ弁の上流側に、オリフィス弁及び圧力センサが設けられてなる請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記気液分離器を通過したオフガスを前記排出流路外に排出する低温時パージ流路が前記パージ流路とは別に設けられ、
   前記低温時専用パージ弁は、前記低温時パージ流路に設けられてなる請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
7. 前記低温時パージ流路における前記低温時専用パージ弁の上流側に、オリフィス弁及び圧力センサが設けられてなる請求項３又は６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料供給流路にインジェクタが設けられてなる請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料供給流路における前記インジェクタの上流側に流量計が設けられてなる請求項８に記載の燃料電池システム。

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