JP2011113859A - 電磁弁の開閉制御を用いた燃料及び酸化剤循環式燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高効率かつ低コストなガス循環式燃料電池システムを構築することができる技術を提供する。
【解決手段】電磁弁１５の閉状態がある一定時間（Ｘ秒）を経過した時に電磁弁１５を開くことで燃料電池８下流に位置する循環経路１０，１１に第１逆止弁２経由で燃料を貯蔵し、電磁弁１５の開状態がある一定時間（Ｙ秒）を経過した時に電磁弁１５を閉じることで電磁弁１５を介した燃料供給を停止し、循環経路１０，１１に貯蔵された燃料を第２逆止弁３経由で燃料電池８に循環させ、電磁弁１５の閉状態がある一定時間（Ｘ秒）を経過した時に電磁弁１５を再度開き、燃料電池８への燃料供給を再開させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池出口から排出される未反応分の燃料および酸化剤ガスを入口に再供給、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素から水を生成する電気化学反応を利用したエネルギー変換デバイスである。燃料電池から電気を取り出すために水素と酸素（空気）がそれぞれ供給されるが、一般的に、水素および酸素は燃料電池が消費する量よりも過剰に供給されている。これは、燃料電池反応により生成される水の除去、供給ガス量不足による燃料電池の損傷ならびに電力の出力低下を防止するためである。しかしながら、未反応分のガスをそのまま系外に排気してしまうと、その排気分のガスが持つエネルギーを有効に活用できなくなってしまう。そのため、燃料電池システムのエネルギー効率は低下してしまう。未反応分のガスのエネルギーを有効に活用するために、ポンプやエジェクタなどを用いて燃料電池出口から排出されるガスを燃料電池入口に再供給する、つまりガスを循環させる循環式燃料電池システムが多数考案されている。

特開２００４−０９５５２８号公報 特開２００３−１７８７７９号公報

しかしながら、ポンプを用いて循環を行う場合、ガスを循環するためにポンプ自体が燃料電池の発電電力の一部を消費してしまうため、システムとしての効率は低下してしまう。また、ポンプは可動部を有するため、振動ならびに騒音の発生源となる。従来の熱機関による発電装置と比較した場合の燃料電池の利点として、高効率、静寂、可動部を有しない、等が挙げられるが、ポンプを燃料電池システムのコンポーネントの１つとして採用することは、燃料電池の利点を定性的に相殺することになってしまう。

エジェクタは、電力を消費することなくガスを循環することが可能であるが、主な短所として動作範囲が比較的狭いことが挙げられる。可動ニードルを具備することにより広範囲で動作可能なエジェクタや、複数個のエジェクタを用いることでシステムとしての動作範囲を拡大する方式などが提案されている（例えば、特許文献１〜２等）。しかし、これらの方法は、エジェクタ本来の狭範囲の特性を制御やシステム構成でカバーしているものであるため、制御やシステムが複雑化してしまう。

以上のように、高効率且つ簡素な燃料電池システムを構築するには、従来とは異なる循環システムが望まれる。

例えば、ポンプやエジェクタを用いることなく、燃料電池のガス消費による負圧発生を利用した図１に示すような循環システムが提案されている（例えば、本出願人による特許出願：特願２００９−０４９２０１号）。図１は、本発明の前提として検討した、圧力調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。図１に示すように、燃料電池システムは、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ７と、水素ボンベ７の高圧水素を減圧して燃料電池８に供給する圧力調整器１と、燃料電池８の圧力を検出する圧力センサ５と、圧力センサ５の検出結果に基づいて燃料電池８の圧力を圧力調節器１を用いて制御する制御装置９と、燃料電池出口から排出されるガスが通過する第１逆止弁２と、燃料電池出口から排出されたガスが燃料電池入口６へ循環されるための循環経路１０および循環経路１１と、燃料電池出口から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器４と、循環経路１１を経由したガスが通過する第２逆止弁３により構成されている。ここで、循環経路１０と循環経路１１は、ある内容積を有する配管である。以上は燃料極側の構成について示したものであるが、酸素極側についても同様の構成を用いることが可能である。

また、図１に示した循環システムの圧力調節器１を、図２に示すように流量調節器１４に置き換えた循環システムも提案されている（例えば、本出願人による特許出願：特願２００９−１６７７２０号）。図２は、本発明の前提として検討した、流量調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。

しかし、以上のシステムでは循環を行うために電気的に制御可能な圧力調節器もしくは流量調節器が必要であった。しかし、これらの流体制御デバイスは比較的高価であるため、システムの低コスト化のためには電磁弁等の安価なデバイスに置き換えられることが望ましい。

そこで、本発明の１つの目的は、高効率かつ低コストなガス循環式燃料電池システムを構築することができる技術を提供することにある。本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施例のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の循環式燃料電池システムの第１の実施形態は、電磁弁の閉状態がある一定時間（Ｘ秒）を経過した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、電磁弁の開状態がある一定時間（Ｙ秒）を経過した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、電磁弁の閉状態がある一定時間（Ｘ秒）を経過した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。

本発明の循環式燃料電池システムの第２の実施形態は、燃料電池の燃料圧力がある下限値（第１設定値）に達した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、燃料電池の燃料圧力がある上限値（第２設定値）に達した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、燃料電池の燃料圧力がある下限値（第１設定値）に達した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。

本発明の循環式燃料電池システムの第３の実施形態は、燃料電池の電圧がある第１設定値に達した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、燃料電池の電圧がある第２設定値（第１設定値よりも高い値）に達した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、燃料電池の電圧がある第１設定値に達した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。

本発明の循環式燃料電池システムの第４の実施形態は、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応するある第１設定値に達した時に電磁弁を開くことで燃料電池下流に位置する循環経路に第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応するある第２設定値に達した時に電磁弁を閉じることで電磁弁を介した燃料供給を停止し、循環経路に貯蔵された燃料を第２逆止弁経由で燃料電池に循環させ、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応するある第１設定値に達した時に電磁弁を再度開き、燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする。

また、本発明の循環式燃料電池システムは、前記第１〜第４の実施形態の燃料を酸化剤に置き換えたものである。

本発明によれば、ポンプやエジェクタを用いることなくガス（燃料または酸化剤）を循環させることが可能であるため高効率かつ簡素な燃料電池システムを構築できると同時に、圧力調節器や流量調節器の代わりに安価な電磁弁を用いることが可能なため、柔軟且つ低コストのシステム設計が可能となる。

本発明の前提として検討した、圧力調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。 本発明の前提として検討した、流量調節器を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態による、電磁弁を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。 図３に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池電圧、電磁弁制御信号、燃料電池圧力、電磁弁流量、第１逆止弁流量及び第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。 図３の期間Ｉの初期におけるガスの流れを示す図である。 図３の期間Ｉの中後半におけるガスの流れを示す図である。 図３の期間IIにおけるガスの流れを示す図である。 本発明の第２の実施形態による、電磁弁を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。 図８に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池電圧、電磁弁制御信号、燃料電池圧力、電磁弁流量、第１逆止弁流量及び第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。 本発明の第３の実施形態による、電磁弁を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。 図１０に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池電圧、電磁弁制御信号、燃料電池圧力、電磁弁流量、第１逆止弁流量及び第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。 本発明の第４の実施形態による、電磁弁を用いた燃料電池システムの構成例を示す図である。 図１２に示した燃料電池システムにおいて、電磁弁の開および閉をそれぞれ圧力および電圧パラメータを用いて制御を行った場合の燃料電池電圧、電磁弁制御信号、燃料電池圧力、電磁弁流量、第１逆止弁流量及び第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。 図１２に示した燃料電池システムにおいて、電磁弁の開閉をそれぞれ時間、圧力、電圧パラメータを用いて制御を行った場合の燃料電池電圧、電磁弁制御信号、燃料電池圧力、電磁弁流量、第１逆止弁流量及び第２逆止弁流量の時間的変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

なお、以下の第１〜第４の実施形態において、燃料電池は、水素、メタンガスなどの燃料が供給される水素極と、酸素、空気などの酸化剤が供給される酸素極とから構成されるが、図３、図５〜図８，図１０及び図１２では水素極側のみについて示している。したがって、酸素極側にも、図３、図５〜図８，図１０及び図１２と同様な構成をとることが可能である。その場合、水素の代わりに酸素又は空気が供給される。

（第１の実施形態）
図３は本発明の第１の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。まず、図３により、本実施の形態による燃料電池システムの構成の一例を説明する。

図３に示すように、本実施の形態による燃料電池システムは、例えば、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池８と、燃料ガスが貯蔵される水素ボンベ７と、水素ボンベ７の水素圧力を減圧する減圧弁１６と、燃料電池８へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁１５と、電磁弁１５の開閉を制御する制御装置９と、電磁弁１５が開もしくは閉となったタイミングからの時間（秒）をカウントするためのタイマー１８と、燃料電池８の出口（燃料電池出口１２）から排出されるガス（未反応分の燃料ガス）が通過する第１逆止弁２と、燃料電池出口１２から排出されたガスが燃料電池入口６へ循環されるための循環経路１０および循環経路１１と、燃料電池出口１２から排出されたガスと水分を分離するための気液分離器４と、循環経路１１を経由したガスが通過する第２逆止弁３などから構成されている。ここで循環経路１０と循環経路１１は、ある内容積を有する配管である。

電磁弁１５は減圧弁１６と燃料電池入口６との間に接続され、第１逆止弁２は燃料電池出口１２と循環経路１０との間に接続され、気液分離器４は循環経路１０と循環経路１１との間に接続され、第２逆止弁３は循環経路１１と燃料電池入口６との間に接続されている。また、第１逆止弁２は、逆流防止用の弁であり、燃料電池出口１２から循環経路１０の方向へのみガスが流れるようになっている。また、第２逆止弁３も同様に、逆流防止用の弁であり、循環経路１１から燃料電池入口６の方向へのみガスが流れるようになっている。

図４に、図３の燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置９から出力される電磁弁１５用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁１５を介したガスの流量、第１逆止弁２を通過するガスの流量、第２逆止弁３を通過するガスの流量の時間的変化を示す。なお、図３において、燃料電池圧力は燃料電池８の入口における圧力であるが、燃料電池内の燃料ガスの圧力とほぼ等しい。

図４に示すように、本実施の形態による燃料電池システムが動作して燃料電池８が発電している時は、期間Ｉと期間IIが交互に繰り返される。図５に期間Ｉの初期（圧力上昇中）におけるガスの流れ方を、図６に期間Ｉの中後半（圧力一定期間）におけるガスの流れ方を、図７に期間IIにおけるガスの流れ方をそれぞれ示す。

初期状態として燃料電池８の圧力が減圧弁１６の二次側の圧力よりも低い場合を考える。制御装置９からの信号を受けて電磁弁１５は開の状態となった瞬間に燃料は電磁弁１５経由で燃料電池８へと供給される。このときのガスの流れ方は、図５に示すように、減圧弁１６→電磁弁１５→燃料電池入口６→燃料電池８→燃料電池出口１２→第１逆止弁２→循環経路１０→気液分離器４→循環経路１１、となり、燃料電池８から排出された水素ガスは循環経路１０と１１に蓄えられることになる。第１逆止弁２に流れるガス流量は燃料電池８の燃料消費量分だけ電磁弁１５に流れるガス流量よりも小さくなる。循環経路１１における圧力は、燃料電池８や第１逆止弁２や気液分離器４や配管の圧力損失分だけ燃料電池入口６の圧力よりも低いため、第２逆止弁３は閉の状態となる。その結果、ガスは第２逆止弁３を流れない。時間の経過と共に燃料電池入口６、燃料電池出口１２、循環経路１０と１１の圧力は一定値に達する（図４では代表として燃料電池入口６の圧力のみ図示している）。このときのガスの流れ方は図６に示すように、減圧弁１６→電磁弁１５→燃料電池入口６→燃料電池８、となる。このとき電磁弁１５に流れるガス流量は燃料電池８の燃料消費量分と等しくなる。図６の状態では、燃料電池出口１２を流れるガスの流量はほぼゼロとなるため、発電により生成された水のうち水素極側に堆積した分は燃料電池８から排出されることなく燃料電池８の内部に蓄積してゆく。蓄積された水は燃料電池内部における水素ガスの拡散を阻害するため、その結果、燃料電池電圧は徐々に低下する。電磁弁１５を開にした瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｙ秒）を経過した時にタイマー１８は制御装置９へと信号を出力し、制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力することで電磁弁１５は閉の状態となり、期間IIへと移行する。

期間IIにおいては電磁弁１５を経由したガス供給は止まるが、燃料電池８はガスを消費し続けるため、燃料電池８の圧力は循環経路１０や循環経路１１に対して負圧となる。その場合、燃料電池システムにおけるガスの流れ方は図７（図４における期間II）のように変化する。循環経路１０と循環経路１１は内容積を有しているため、期間IIの間は、循環経路１０と循環経路１１に蓄えられたガスが、循環経路１０→気液分離器４→循環経路１１→第２逆止弁３→燃料電池入口６→燃料電池８、の順に流れることになる。このとき、燃料電池８におけるガス消費量が一定であれば、第２逆止弁３に流れるガス流量は一定となる。燃料電池出口１２における圧力は、気液分離器４や第２逆止弁３や燃料電池８や配管の圧力損失分だけ循環経路１０の圧力よりも低いため、第１逆止弁２は閉の状態となる。その結果、ガスは第１逆止弁２を流れない。電磁弁１５を経由したガス供給が止まっているため、燃料電池８がガスを消費するにつれて圧力は低下してゆく。期間IIにおいては、前述の生成水の蓄積の影響に加えて燃料電池の圧力が低下するため、燃料電池電圧の低下は期間Ｉに比べて顕著になる。電磁弁１５を閉にした瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｘ秒）を経過した時にタイマー１８は制御装置９へと信号を出力し、制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力することで電磁弁１５は開の状態となり、再び期間Ｉへと移行する。

期間IIで循環経路１１と１２の圧力は低下した状態であったため、期間Ｉで電磁弁１５が開となった瞬間に循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込む。この時、燃料電池内部で蓄積されていた水は急激な水素ガスの流れと共に燃料電池から排出され、気液分離器４にて除去される。燃料電池内部の蓄積されていた水が除去された瞬間、燃料電池内部における水素ガスの拡散性が向上するため、燃料電池電圧は回復する。

期間Ｉにおいて循環経路１０と循環経路１１に蓄えられるガスは燃料電池８から排気されたガスに相当し、期間IIにおいてはそのガスが再び燃料電池に供給されるため、期間Ｉと期間IIを通じてガスは循環されたことになる。また図５〜図７からも分かるように、循環経路を流れるガスの流れは一方通行であり、循環されるガスに含まれる水は気液分離器４にて除去される。

以上では、時間を基準にして電磁弁１５の開閉の制御を行った。しかし、負荷変動等によりガスの消費速度が高まり、期間IIの燃料電池電圧や燃料電池圧力が急激に低下し、場合によっては転極に至る心配がある。また、生成水の除去が不十分であった場合等においても同様に燃料電池電圧の低下の心配がある。この対策として、以下の実施形態が考えられる。

（第２の実施形態）
図８は本発明の第２の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図８のシステムは図３にて説明したシステムからタイマー１８を取り除き、替わりに圧力センサ５を加えたものである。図３のシステムでは時間を基準に電磁弁１５の開閉の制御を行っていたが、図８のシステムでは圧力センサ５で検出した燃料電池圧力を基準に制御を行う。

図９に、図８の燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置９から出力される電磁弁１５用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁１５を介したガスの流量、第１逆止弁２を通過するガスの流量、第２逆止弁３を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお期間ＩおよびIIにおける水素ガスの流れは図５〜７と同様である。初期状態として燃料電池８の圧力が減圧弁１６の二次側の圧力よりも低い場合を考える。制御装置９からの信号を受けて電磁弁１５は開の状態となった瞬間に燃料は電磁弁１５経由で燃料電池８へと供給され、燃料電池の圧力は上昇してゆく。燃料電池電圧は発電により生成された水が内部に蓄積されていくにつれて徐々に低下する。圧力センサ５は燃料電池の圧力をモニタしており、燃料電池圧力が上限圧力値（第２設定値）まで上昇した時に制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力する。電磁弁１５が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力の低下に伴い燃料電池電圧の低下は顕著になる。燃料電池圧力が下限圧力値（第１設定値）に達した時に制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力する。その瞬間に期間Ｉへと移行することで循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。ここで、上限圧力値と下限圧力値はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。

図８のシステムでは燃料電池圧力を基準に電磁弁１５の制御を行うため、燃料電池圧力は任意の範囲内に保たれる。よって、燃料電池圧力の低下に起因する燃料電池電圧の低下はある程度防止することが可能である。

（第３の実施形態）
図１０は本発明の第３の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図１０のシステムは図３にて説明したシステムからタイマー１８を取り除き、替わりに電圧検出回路１７を加えたものである。図３のシステムでは時間を基準に電磁弁１５の開閉の制御を行っていたが、図１０のシステムでは電圧検出回路１７で検出した燃料電池電圧を基準に制御を行う。

図１１に、図１０の燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置９から出力される電磁弁１５用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁１５を介したガスの流量、第１逆止弁２を通過するガスの流量、第２逆止弁３を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお期間ＩおよびIIにおける水素ガスの流れは図５〜７と同様である。電磁弁１５が開状態である期間Ｉにおいて、発電により生成された水が燃料電池内部の徐々に蓄積してゆくことで燃料電池の電圧は徐々に低下してゆく。電圧検出回路１７は燃料電池の電圧をモニタしており、燃料電池電圧がレベル１（第２設定値）まで低下した時に制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力する。電磁弁１５が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するため、燃料電池電圧の低下は顕著となる。そして、燃料電池電圧がレベル２（第１設定値）に達した時に制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力する。その瞬間に期間Ｉへと移行することで循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。ここで、レベル１（第２設定値）とレベル２（第１設定値）はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。なお、ここで、レベル１はレベル２より高い電圧である。

図１０のシステムでは燃料電池電圧を基準に電磁弁１５の制御を行うため、燃料電池電圧がレベル２以下には低下しない。しかし、燃料電池電圧は期間IIにおいてレベル２まで低下するため、循環動作の毎周期ごとに電圧変動が発生する。この対策として、次の実施形態が考えられる。

（第４の実施形態）
図１２は本発明の第４の実施形態による燃料電池システムの構成例を示す図である。図１２のシステムは図３にて説明したシステムに圧力センサ５と電圧検出回路１７を加えたもの、つまり図８と図１０のシステムの制御ループを組み合わせたものである。図３や図８や図１０のシステムでは時間、圧力、電圧のうちいずれか１つを基準に電磁弁１５の開閉の制御を行っていたが、図１２のシステムでは時間、圧力、電圧の３種類のパラメータを用いて電磁弁の開閉制御を行う。

一例として、電磁弁閉のタイミングを電圧で、電磁弁開のタイミングを圧力で制御を行う場合について説明する。図１３には燃料電池システムの動作時における燃料電池電圧、制御装置９から出力される電磁弁１５用の制御信号、燃料電池圧力、電磁弁１５を介したガスの流量、第１逆止弁２を通過するガスの流量、第２逆止弁３を通過するガスの流量の時間的変化をそれぞれ示す。なお期間ＩおよびIIにおける水素ガスの流れは図５〜７と同様である。電磁弁１５が開状態である期間Ｉにおいて、発電により生成された水が燃料電池内部で徐々に蓄積してゆくことで燃料電池の電圧は徐々に低下してゆく。電圧検出回路１７は燃料電池の電圧をモニタしており、燃料電池電圧がレベル１まで低下した時に制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力する。電磁弁１５が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するため、燃料電池電圧の低下は顕著である。そして、燃料電池圧力が下限圧力値に達した時に制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力する。その瞬間に期間Ｉへと移行することで循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。ここで、電圧検出のレベル２と下限圧力値はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。

ここでは電磁弁の閉および閉をそれぞれ電圧と圧力のパラメータを用いて制御を行った場合について説明を行ったが、時間を制御パラメータとして用いてもよい。電磁弁の開および閉にそれぞれ時間、圧力、電圧の３種のパラメータを用いることが出来るので、開閉制御の組み合わせとしては合計９種類の制御方式で動作させることが可能である。

図１３では電磁弁の開および閉に時間、圧力、電圧の３種類のパラメータのうちいずれか１つずつを用いた場合についての例であったが、同時に全てのパラメータを用いて制御を行うことも可能である。時間、圧力、電圧を常時モニタしておき、いずれか１つのパラメータが設定値を超過した場合に電磁弁の開閉を行うといったものである。つまり、時間、圧力、電圧のそれぞれのパラメータが設定値を超過したか否かの判定結果はＯＲのロジックで電磁弁の開閉制御に用いられる。

図１４には、時間、圧力、電圧の全てのパラメータを用いて電磁弁の開閉制御を行った際における図１２の燃料電池システムの動作特性を示す。電磁弁１５が開状態である期間Ｉにおいて、発電により生成された水が燃料電池内部に徐々に蓄積してゆくことで燃料電池の電圧は徐々に低下してゆく。図中のＡ点において、電磁弁１５が開となった瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｙ秒）は経過しておらず、また燃料電池圧力も上限圧力値には達していない。しかし燃料電池電圧はレベル１まで低下しているので、制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力する。電磁弁１５が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するのに伴い、燃料電池電圧も低下する。図中のＢ点において、電磁弁１５が閉となった瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｘ秒）は経過しておらず、また燃料電池電圧もレベル２には達していない。しかし燃料電池圧力が下限圧力値まで低下しているので、制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力する。電磁弁１５が開となることで再び期間Ｉに移行する。その瞬間に循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。

時間の経過と共に発電により生成された水が燃料電池内部の徐々に蓄積してゆくため燃料電池の電圧は再び徐々に低下してゆく。図中のＣ点の時間おいて、燃料電池電圧はレベル１に達しておらず、また燃料電池圧力も上限圧力値には達していない。しかし、電磁弁１５が開となった瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｙ秒）を経過しているので、制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力する。電磁弁１５が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するのに伴い、燃料電池電圧も低下する。図中のＤ点において、電磁弁１５が閉となった瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｘ秒）は経過しておらず、また燃料電池圧力も下限設定値には達していない。しかし燃料電池電圧がレベル２まで低下しているので、制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力する。電磁弁１５が開となることで再び期間Ｉに移行する。その瞬間に循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。

時間の経過と共に発電により生成された水が燃料電池内部の徐々に蓄積してゆくため燃料電池の電圧は再び徐々に低下してゆく。図中のＥ点において、電磁弁１５が開となった瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｙ秒）は経過しておらず、また燃料電池電圧もレベル１には達していない。しかし、燃料電池圧力が上限設定値に達しているので、制御装置９は電磁弁１５に対して閉の信号を出力する。電磁弁１５が閉となることで期間IIに移行する。期間IIでは燃料電池圧力が低下するのに伴い、燃料電池電圧も低下する。図中のＦ点の時間において、燃料電池電圧はレベル２に達しておらず、また燃料電池圧力も下限圧力値には達していない。しかし、電磁弁１５が閉となった瞬間からあらかじめ設定された時間（Ｘ秒）を経過しているので、制御装置９は電磁弁１５に対して開の信号を出力する。電磁弁１５が開となることで再び期間Ｉに移行する。その瞬間に循環経路１１と１２へと水素ガスが急激に流れ込むのと同時に燃料電池内部に蓄積されていた生成水も除去され、燃料電池電圧は回復する。

ここで、電圧検出の各設定値（レベル１、２）、上下限圧力値、経過時間（Ｘ、Ｙ秒）はそれぞれ固定の値である必要は無く、燃料電池の経時的特性変動や運転条件などに応じて変化させてもよい。

したがって、本発明の第４の実施形態による燃料電池システムによれば、電圧、圧力共にモニタされているため、電圧、圧力の異常低下を防止することができる。

なお、前記実施の形態１〜４を、燃料の代わりに酸化剤に適用した場合も、同様の効果を得ることができる。

以上、本発明における実施形態を具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、移動体用燃料電池システム、定置用燃料電池システムなど、ガスを循環させる必要性のある燃料電池システムに利用可能である。

１…圧力調節器、２…第１逆止弁、３…第２逆止弁、４…気液分離器、５…圧力センサ、６…燃料電池入口、７…水素ボンベ、８…燃料電池、９…制御装置、１０，１１…循環経路、１２…燃料電池出口、１４…流量調節器、１５…電磁弁、１６…減圧弁、１７…電圧検出回路、１８…タイマー。

Claims (9)

1. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   前記電磁弁の閉状態が第１の時間を経過した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記電磁弁の開状態が第２の時間を経過した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記電磁弁の閉状態が前記第１の時間を経過した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   前記燃料電池の燃料圧力が第１設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記第１設定値より高い第２設定値に前記燃料電池の燃料圧力が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の燃料圧力が前記第１設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   前記燃料電池の電圧が第１設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、前記第１設定値より高い第２設定値に前記燃料電池の電圧が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の電圧が前記第１設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
4. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ燃料を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する第１設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で燃料を貯蔵し、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する第２設定値に達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した燃料供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された燃料を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、時間、燃料圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する前記第１設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への燃料供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
5. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   前記電磁弁の閉状態が第１の時間を経過した時に電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記電磁弁の開状態が第２の時間を経過した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記電磁弁の閉状態がある前記第１の時間を経過した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   前記燃料電池の酸化剤圧力が第１設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記第１設定値より高い第２設定値に前記燃料電池の酸化剤圧力が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の酸化剤圧力がある前記第１設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
7. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   前記燃料電池の電圧が第１設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、前記第１設定値より高い第２設定値に前記燃料電池の電圧が達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の電圧が前記第１設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
8. 燃料と酸化剤とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池へ酸化剤を供給もしくは遮断するための電磁弁と、
   前記燃料電池の出口に接続された第１逆止弁と、
   前記燃料電池の入口に接続された第２逆止弁と、
   前記第１逆止弁と前記第２逆止弁との間に設けられた循環経路とを有し、
   時間、酸化剤圧力、燃料電池電圧のうちいずれかがそれぞれに対応する第１設定値に達した時に前記電磁弁を開くことで前記燃料電池下流に位置する前記循環経路に前記第１逆止弁経由で酸化剤を貯蔵し、時間、酸化剤圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する第２設定値に達した時に前記電磁弁を閉じることで前記電磁弁を介した酸化剤供給を停止し、前記循環経路に貯蔵された酸化剤を前記第２逆止弁経由で前記燃料電池に循環させ、時間、酸化剤圧力、燃料電池電圧のうちいずれか一つがそれぞれに対応する前記第１設定値に達した時に前記電磁弁を再度開き、前記燃料電池への酸化剤供給を再開させるように機能することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１〜４のうちのいずれかを燃料循環に用い、請求項５〜８のうちいずれかを酸化剤循環に用いることを特徴とする燃料電池システム。

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