JP5168707B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、特に燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池から排出される流体が流通する排出通路に、当該流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を配設してなる燃料電池システムがある。この燃料電池システムでは、供給された水素の全てが電池反応に使用されるわけではない。しがたって、排出された未反応の水素を再度燃料電池に戻して有効利用する循環システムが採用されており、燃料電池から排出される排出ガスと、燃料電池の電池反応により生成された水（生成水）とが混合して存在する気液混合流体から水分を除去するための気液分離器が配設されている。

ここで、前記水素循環系内を流れるガスや水には、僅かではあるが、燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物が存在している。また、カソード系の外気より吸い込んだ空気からも不純物が入り込み、電解質膜を通過して水素循環系に混入することもある。特に燃料電池やシステムの配管部品等から溶出した不純物中に金属イオンが存在している場合は、燃料電池自身の機能低下や寿命低下に通じる虞がある。また、燃料電池内で生成される水が酸性になる場合もある。そこで、従来から、水素循環系内にイオン交換器を配設し、生成水やガス等による燃料電池の劣化を抑制する方法が採用されている。

近年では、燃料電池の生成水が排出される少なくとも一方の排出管の固体高分子型燃料電池側に設けられ、前記排出ガスに同伴する前記生成水中に含まれるイオンを除去する固体高分子型燃料電池システムが紹介されている。この固体高分子型燃料電池システムでは、前記生成水中に含まれるイオンを除去する手段として、イオン交換樹脂を利用し、フッ素イオンを除去することが開示されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１３４０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された固体高分子型燃料電池システムは、流体（気液混合体）を液体と気体とに分離した後、この分離された液体をイオン交換樹脂に通すことで、当該液体から不純物を除去するものであるが、当該イオン交換樹脂には、前記分離された液体に含まれる不純物の含有量に関わらず、当該液体の全てが通過するよう構成されている。したがって、イオン交換樹脂を通過することによって生じる圧力損失により、水素循環系にロスが生じると共に、寿命が低下する虞がある。

本発明は、このような従来の燃料電池システムを改良することを課題とするものであり、流体が不純物除去器を通過することにより生じる圧力損失を減少させることができ、且つ不純物除去器の寿命を向上させる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する。

この目的を達成するため、本発明は、燃料電池から排出される排出流体が流通する排出通路と、前記排出流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を備えた燃料電池システムであって、前記排出通路から分岐された分岐通路と、前記分岐通路よりも上流側から当該分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御する流体流入量制御手段と、を備え、前記不純物除去器を前記分岐通路に配設し、前記排出通路の、前記分岐通路の分岐点より下流側且つ当該分岐通路の合流点より上流側に、さらに不純物除去器を配設してなり、前記排出通路の不純物除去器と前記分岐通路の不純物除去器を選択的に流通可能にする開閉弁をさらに備え、前記排出通路に配設された不純物除去器の容量は、前記分岐通路に配設された不純物除去器の容量よりも小さい、燃料電池システムを提供するものである。

この構成を備えた燃料電池システムは、燃料電池から排出される排出流体のうち、分岐通路に流入する排出流体の量と、排出通路に流入する排出流体の量を、流体流入量制御手段によって制御することができる。したがって、不純物除去器を通過させる必要がある排出流体のみ、前記分岐通路に流入させて、不純物除去器を通過させることができるため、前記排出流体が不純物除去器を通過することにより生じる圧力損失を減少させることができる。また、不純物除去器を通過する排出流体の量を減少させることができるため、不純物除去器の寿命を向上することができる。

なお、分岐通路は、排出通路をメイン排出通路とした場合、このメイン排出通路に並列に配設されたサブ排出通路に相当するものであり、その下流側は、再びメイン排出通路に合流してもよく、メイン排出通路に合流しなくてもよい。

また、前記流体流入量制御手段は、前記燃料電池の運転状態により決定される値に応じて、前記分岐通路及び排出通路に流入する排出流体の量を制御することができる。

この燃料電池の運転状態により決定される値は、前記排出流体の状態量とすることができる。この排出流体の状態量としては、例えば、当該排出流体の導電率、圧力、流量、ｐＨ、イオン濃度の少なくとも一つ、あるいはこれらの組合せを挙げることができる。

また、前記燃料電池の運転状態により決定される値は、前記排出流体を吸引するポンプの動作状態に基づく値であってもよい。

そしてまた、前記燃料電池の運転状態により決定される値は、当該燃料電池の発電状態に基づく値であってもよい。

そしてまた、前記分岐通路と、前記排出通路の両方に不純物除去部器を各々配設した場合、前記流体流入量制御手段は、前記不純物除去器の容量に応じて、前記分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御するよう構成することもできる。

さらにまた、本発明は、燃料電池から排出される排出流体が流通する排出通路と、前記排出流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を備えた燃料電池システムであって、前記排出通路から分岐された分岐通路と、前記分岐通路よりも上流側から当該分岐通路と前記排出通路に流入する燃料ガスの量を制御する流体流入量制御手段と、を備え、前記不純物除去器を前記分岐通路に配設し、前記排出通路の、前記分岐通路の分岐点より下流側且つ当該分岐通路の合流点より上流側に、さらに不純物除去器を配設してなり、前記排出通路に配設された不純物除去器の容量は、前記分岐通路に配設された不純物除去器の容量よりも小さい、燃料電池システムを提供するものである。

そしてまた、前記流体流入量制御手段は、前記不純物除去器の容量に応じて、前記分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御するよう構成することもできる。

本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池から排出される排出流体のうち、分岐通路に流入する排出流体の量と、排出通路に流入する排出流体の量を、流体流入量制御手段によって制御することができる結果、不純物除去器を通過させる必要がある排出流体のみ、前記分岐通路に流入させて、不純物除去器を通過させることができる。したがって、前記排出流体が不純物除去器を通過することにより生じる圧力損失を減少させることができると共に、不純物除去器の寿命を向上することができる。

また、本発明にかかる燃料電池システムは、分岐通路に流入する循環燃料ガスの量と、循環通路に流入する循環燃料ガスの量を、流体流入量制御手段によって制御することができる結果、不純物除去器を通過させる必要がある循環燃料ガスのみ、前記分岐通路に流入させて、不純物除去器を通過させることができるため、前記燃料ガスが不純物除去器を通過することにより生じる圧力損失を減少させることができる。また、不純物除去器を通過する燃料ガスの量を減少させることができるため、不純物除去器の寿命を向上することができる。

次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの概略構成図、図２は、図１に示す燃料電池から排出された排出ガスの導電率と、当該排出ガスに含有されている不純物量との関係を示す図、図３は、図１に示す流体流入量制御部の動作を示すフローチャートである。

図１に示す燃料電池システム１の燃料電池１０は、ＭＥＡと、ＭＥＡの燃料極（アノード）に燃料ガス（水素）を、酸化剤極（カソード）に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流路を形成するセパレータと、を重ね合わせたセルを複数備えてなるスタックを内蔵した構成を備えている。

この燃料電池１０の空気供給口１１には、酸化ガスとしての空気を供給する空気供給源９が、空気供給通路１２を介して接続されており、空気排出口１３には、燃料電池１０から排出される空気及び水（排出流体）が排出される空気排出通路１４が接続されている。また、空気供給通路１２及び空気排出通路１４には、加湿モジュール８が設けられており、この加湿モジュール８を通過した排出流体は、マフラ７を経て外部に排出される。また、この排出流体の一部は、水素希釈器６に供給され、水素の希釈に使用された後、外部に排出される。

一方、燃料電池１０の水素供給口１５には、例えば、水素ボンベ等の水素供給源１６が、水素供給通路１７を介して接続されており、水素排出口１８には、水素排出通路１９が接続されている。

この水素排出通路１９には、燃料電池１０から排出された排出流体（水素及び水）の導電率を測定する導電率計２１が配設されている。水素排出通路１９の導電率計２１が配設された位置よりも下流側の分岐点Ａでは、分岐通路としてのバイパス通路２２が、水素排出通路１９から分岐されて形成されている。このバイパス通路２２の途中には、開閉弁２３を介して不純物除去器２４が配設されている。なお、実施の形態１では、不純物除去器２４として、イオン交換器を使用した。

一方、バイパス通路２２が形成された水素排出通路１９の下流は、開閉弁２５を介して気液分離器２６に接続されている。そして、実施の形態１では、この導電率計２１と、開閉弁２３及び２５によって、バイパス通路２２に流入する排出流体の量と、水素排出通路１９の分岐点Ａよりも下流側に流入する排出流体の量を制御する流体流入量制御部２０を構成している。なお、実施の形態１では、気液分離器２６として、流体（気液混合体）を旋回させることによって、気体と液体とに分離するサイクロン式気液分離器を使用した。

不純物除去器２４を経たバイパス通路２２の下流は、水素排出通路１９の開閉弁２５より下流側且つ気液分離器２６よりも上流側の合流点Ｂで合流されている。気液分離器２６で、気体（水素）と液体（水）に分離されたうちの気体（水素）は、再び水素供給通路１７から燃料電池１０に供給され、電池反応に使用される。また、気液分離器２６から排出された気体（水素）は、所望により、水素希釈器６に供給される。なお、符号２７は、水素ポンプである。

流体流入量制御部２０では、燃料電池１０から水素排出通路１９に排出された排出流体（水素及び水の混合流体）の導電率を導電率計２１によって測定する。ここで、図２に示すように、排出流体の導電率と、排出流体に含有されている不純物の量との間には、比例関係が成立する。したがって、排出流体の導電率を測定することによって、この排出流体に、どのくらいの量の不純物が含有しているかが判り、この含有量が、不純物除去器２４で除去すべき量の不純物であるか、否かを判断することができる。

具体的には、図３に示すように、水素排出通路１９に排出された排出流体の導電率を導電率計２１で測定する。（ステップＳ１０１）。次に、ステップＳ１０１で得られた導電率が、予め設定されている閾値を越えた場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）は、この排出流体を不純物除去器２４に通過させて不純物を除去すべきと判断し、開閉弁２５を閉じ且つ開閉弁２３を開けて（ステップＳ１０３）、前記排出流体をバイパス通路２２に供給する。一方、ステップＳ１０１で得られた導電率が、予め設定されている閾値を越えていない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）は、前記排出流体を不純物除去器２４に通過させなくてもよいと判断し、開閉弁２３を閉じ且つ開閉弁２５を開けて（ステップＳ１０４）、前記排出流体を水素排出通路１９の下流側に供給する。

このように、燃料電池１０から排出される排出流体の全てを不純物除去器２４に通過させるのではなく、不純物除去器２４を通過させる必要がある排出流体のみ、不純物除去器２４を通過させることで、不純物除去器２４を通過する排出流体の量を削減することができるため、圧力損失を少なくすることができると共に、不純物除去器２４の寿命も向上することができる。

バイパス通路２２を通過した排出流体は、前述したように、これに含有されている不純物が、不純物除去器２４によって除去された後、合流点Ｂで水素排出通路１９に合流された後、気液分離器２６に供給される。一方、水素排出通路１９のみを通過した排出流体も気液分離器２６に供給される。

なお、実施の形態１では、不純物除去器２４の上流側に導電率計２１を配設した場合について説明したが、これに限らず図４に示すように、不純物除去器２４の下流側にも導電率計３０を配設してもよい。このように構成することにより、不純物除去器２４の上流側を通過する排出流体の導電率と、下流側を通過する排出流体の導電率との比較を行うことができ、不純物除去器２４の不純物除去能力を検出することができる。したがって、不純物除去器２４の寿命を検知することもできる。

また、実施の形態１では、導電率計２１により、燃料電池１０のＭＥＡの加湿状態を知ることもできる。すなわち、ＭＥＡが乾燥気味で、生成水が少ない場合は、燃料電池１０から排出される排出流体の導電率が上昇し、生成水が多く、ＭＥＡが湿り気味の場合は、導電率が下降する傾向にある。したがって、排出流体の導電率を測定することで、前述したように、開閉弁２３及び２５の開閉を制御する他、燃料電池１０の運転状態を把握することもできる。

また、実施の形態１では、流体流入量制御部２０の構成要素の一つとして、導電率計２１を配設し、水素排出通路１９に排出された排出流体の導電率に基づいて、バイパス通路２２に排出流体を供給するか、水素排出通路１９の分岐点Ａよりも下流側に排出流体を供給するかを決定した場合について説明したが、これに限らず、導電率計２１の代わりに、水素排出通路１９に排出された排出流体の圧力を測定する圧力計を設け、圧力計で測定される圧力に基づいて、開閉弁２３及び２５の開閉を制御して、バイパス通路２２に排出流体を供給するか、水素排出通路１９の分岐点Ａよりも下流側に排出流体を供給するかを決定してもよい。この場合、例えば、水素供給源１６としての水素タンク圧力低下速度により、水素の流量を算出し、この流量に基づいて開閉弁２３及び２５の開閉を制御してもよい。

また、導電率計２１の代わりに、水素排出通路１９に排出された排出流体のｐＨを測定するｐＨ測定装置を設け、ｐＨ測定装置で測定されるｐＨに基づいて、開閉弁２３及び２５の開閉を制御して、バイパス通路２２に排出流体を供給するか、水素排出通路１９の分岐点Ａよりも下流側に排出流体を供給するかを決定してもよい。

そしてまた、図５に示すように、導電率計２１の代わりに、水素排出通路１９に排出された排出流体の流量を測定する流量計３１を設け、流量計３１で測定される流量に基づいて、開閉弁２３及び２５の開閉を制御して、バイパス通路２２に排出流体を供給するか、水素排出通路１９の分岐点Ａよりも下流側に排出流体を供給するかを決定してもよい。この場合、流量計３１の代わりに、水素供給通路１７の上流側に流量計３２を設けてもよく、また、水素供給通路１７の水素排出通路１９との合流点Ｃよりも下流側に流量計３３を設けてもよい。

さらにまた、導電率計２１の代わりに、燃料電池１０の発電状態を測定する発電状態測定計を配設し、発電状態測定計から得られた値に基づいて、開閉弁２３及び２５の開閉を制御してもよい。燃料電池１０の発電状態としては、例えば、発電量、発電時間等種々のファクターが挙げられる。例えば、導電率計２１の代わりに、燃料電池１０の出力（電流値等）を測定する出力計を設け、燃料電池１０の出力に基づいて、開閉弁２３及び２５の開閉を制御してもよい。また、導電率計２１の代わりに、水素ポンプ２７の回転数を測定する回転数測定計を配設し、回転数測定計で測定された回転数に基づいて、開閉弁２３及び２５の開閉を制御してもよい。

また、燃料電池の負荷を測定し、これに基づいて開閉弁２３及び２５の開閉を制御する場合、例えば、図８に示すように、燃料電池負荷と循環燃料ガスとしての循環水素流量との関係が比例関係にあることから、循環水素流量を算出し、これに基づいて開閉弁２３及び２５の開閉を制御してもよい。

図９は、水素排出通路１９に排出された排出流体（循環水素流量）と圧力損失との関係を示す図であるが、図９から、所定のタイミングでバイパス通路２２に排出流体を供給させた場合の圧力損失は、水素排出通路１９に排出された排出流体の全てを不純物除去器２４に通過させた場合の圧力損失に比べ、小さいことが判る。

また、燃料電池負荷と排出流体のイオン濃度との関係は、図１０に示すように、反比例関係にあることが判る。この場合、開閉弁２３及び２５の開閉状態は、予め決定された境界目標値（閾値）を超えたか否かによって決定することができる。すなわち、イオン濃度が、境界目標値を超えた場合、排出流体を不純物除去器２４に通過させるよう開閉弁２３及び２５の開閉を制御すればよい。

また、実施の形態１では、バイパス通路２２に不純物除去器２４を配設した場合について説明したが、これに限らず、図６に示すように、水素排出通路１９の分岐点Ａと合流点Ｂとの間に、不純物除去器３４を配設してもよい。この不純物除去器３４としては、不純物除去器２４よりも容量が小さなものを使用した。このように、不純物除去器３４を配設することで、例えば、燃料電池１０の低出力時には、燃料電池１０から排出される排出流体の流量が少ない（処理量が少ない）ので、排出流体を水素排出通路１９に供給して容量が小さい不純物除去器３４を通過させ、燃料電池１０の高出力時には、燃料電池１０から排出される排出流体の流量が多い（処理量が多い）ので、排出流体をバイパス通路２２に供給し、容量が大きい不純物除去器２４を通過させるようにすることができ、圧力損失を少なくして、水素ポンプ２７等の循環系動力の増加を防止することができる。

また、不純物除去器３４を配設する場合は、不純物除去器２４及び３４の容量に応じて、バイパス通路２２及び水素排出通路１９の分岐点Ａよりも下流側に供給する排出流体の量を制御するようにしてもよい。

ここで、水素循環系の排出流体量は、燃料電池１０の出力（電流値等）により、必要な水素循環量を決定しているため、燃料電池１０の出力または水素ポンプ２７の回転数により、水素循環量が決まることになる。また、燃料電池１０の出力が大きいほど、生成水の生成量も増加する。すなわち、Ｌ＝Ｃ×Ｉである。（但し、Ｌは、生成水の量、Ｃは、燃料電池のスタックによる固有定数、Ｉは、電流値である）。したがって、燃料電池１０の低出力時には、燃料電池１０から排出される排出流体の流量が少なく、燃料電池１０の高出力時には、燃料電池１０から排出される排出流体の流量が多いことになる。

また、実施の形態１では、開閉弁２３及び２５の一方を開け、他方を閉じるように制御し、排出流体をバイパス通路２２に供給するか、バイパス通路２２を通過させずに水素排出通路１９を通過させるか、の何れかを行う場合について説明したが、これに限らず、排出流体が、バイパス通路２２と、水素排出通路１９の分岐点Ａより下流側に、各々任意の量で供給されるように、開閉弁２３及び２５の開閉状態を制御してもよい。例えば、一例として、排出流体の７０％程度をバイパス通路２２に供給し、３０％程度を水素排出通路１９の分岐点Ａより下流に供給したい場合は、開閉弁２３及び２５の開閉状態（通路をどのくらい開けるか）を制御して、バイパス通路２２と、水素排出通路１９の分岐点Ａより下流に供給する排出流体の量を任意に決定してもよい。

このバイパス通路２２と、水素排出通路１９の分岐点Ａより下流に供給する排出流体の量は、例えば、不純物除去器２４及び３４の容量によって決定することもできる。

そしてまた、本発明にかかる燃料電池システムでは、燃料電池１０の高出力時に、燃料電池１０から排出される排出流体の量が多くなった場合には、圧力損失をより少なくするために、開閉弁２３及び２５の両方を開けることが考えられるが、この場合、排出流体は、バイパス通路２２よりも、水素排出通路１９の分岐点Ａより下流側の方に流れやすい。したがって、容量の小さな不純物除去器３４の寿命が低下することも考えられる。

そこで、この対策としては、例えば、図７に示すように、開閉弁２５の上流を開閉弁２５の下流にバイパスするバイパス通路４４をさらに形成し、開閉弁２３を開け、開閉弁２５を閉じて、排出流体をバイパス通路４４に迂回させることが挙げられる。この時、バイパス通路４４は、バイパス通路２２に供給したい排出流体量と、水素排出通路１９の分岐点Ａより下流に供給したい排出流体量によって、決定された（算出された）内径を備えることができる。あるいは、バイパス通路４４に、所望の径の絞り（オリフィス）を形成しておく、あるいはバイパス通路４４に開閉弁を設ける等により、バイパス通路２２と、水素排出通路１９の分岐点Ａより下流に供給する排出流体の量のバランスを任意に決定することができる。

このようにすることで、開閉弁２３及び２５の両者を開いた際に、圧力損失を低減することができ、不純物除去器３４の劣化を防止することができる。また、燃料電池１０の低出力時には、開閉弁２５が開いており、この状態で不純物除去器３４との適合性を取っていれば、バイパス通路４４が形成されていることによる影響はない。

また、実施の形態１では、バイパス通路２２に開閉弁２３を配設し、水素排出通路１９に開閉弁２５を配設した場合について説明したが、これに限らず、例えば、水素排出通路１９の分岐点Ａに三方弁を配設し、この三方弁によって、バイパス通路２２に供給される排出流体の量と、水素排出通路１９に供給される排出流体の量を制御してもよい。

そしてまた、実施の形態１では、水素排出通路１９から分岐された分岐通路として、バイパス通路２２を形成し、このバイパス通路２２を、合流点Ｂで再び水素排出通路１９に合流させた場合について説明したが、これに限らず、分岐通路は、水素排出通路１９に再び合流させなくてもよい。

さらにまた、実施の形態１では、不純物除去器２４及び３４を水素循環系に配設した場合について説明したが、これに限らず、本発明にかかる不純物除去器２４及び３４は、酸化ガス（空気）供給系あるいは排出系に配設してもよく、また、他の配管系に配設してもよい。

例えば、酸化ガス（空気）排出系にバイパス通路を形成し、不純物除去器を配設する場合は、図１１に示すような構成にすることができる。すなわち、空気排出通路１４の加湿モジュール８よりも下流側に、導電率計２１を配設し、空気排出通路１４の導電率計２１が配設された位置よりも下流側の分岐点Ｃでは、分岐通路としてのバイパス通路１２２が、空気排出通路１４から分岐されて形成されている。このバイパス通路１２２の途中には、開閉弁２３を介して不純物除去器２４が配設されている。

一方、空気排出通路１４の分岐点Ｃよりも下流側は、開閉弁２５を介して気液分離器２６に接続されている。そして、前記と同様に、導電率計２１と、開閉弁２３及び２５によって、バイパス通路１２２に流入する排出流体の量と、空気排出通路１４の分岐点Ｃよりも下流側に流入する排出流体の量を制御する流体流入量制御部２０を構成している。

バイパス通路１２２の不純物除去器２４よりも下流側は、空気排出通路１４の開閉弁２５より下流側の合流点Ｄで合流されている。そして、空気排出通路１４の合流点Ｄよりも下流側には、気液分離器２６が配設されている。

流体流入量制御部２０では、燃料電池１０から空気排出通路１４に排出された排出流体（排出空気及び生成水等の混合流体）の導電率を導電率計２１によって測定し、前述した実施の形態１と同様に、この排出流体に含有されている不純物の量が、不純物除去器２４で除去すべき量の不純物であるか、否かを判断する。そして、この判断結果に応じて開閉弁２３及び２５の開閉を制御すればよい。

このように、酸化ガス（空気）排出系にバイパス通路１２２を形成し、不純物除去器２４を配設する場合も、燃料電池１０から排出される排出流体の全てを不純物除去器２４に通過させるのではなく、不純物除去器２４を通過させる必要がある排出流体のみ、不純物除去器２４を通過させることで、不純物除去器２４を通過する排出流体の量を削減することができるため、圧力損失を少なくすることができると共に、不純物除去器２４の寿命も向上することができる。

なお、図１１に示す構成では、バイパス通路１２２を加湿モジュール８の下流側に形成し、このバイパス通路１２２に不純物除去器２４を配設したが、バイパス通路１２２は、燃料電池１０の空気排出口１３と、加湿モジュール８との間に形成してもよい。

また、酸化ガス（空気）排出系にバイパス通路１２２を形成し、不純物除去器２４を配設する場合も、図６に示す技術に準じ、空気排出通路１４の分岐点Ｃと合流点Ｄとの間、具体的には、図１１に示す開閉弁２５合流点Ｄとの間に、他の不純物除去器を配設してもよい。そしてまた、図７に示す技術に準じ、開閉弁２５の上流を開閉弁２５の下流にバイパスするバイパス通路をさらに形成し、開閉弁２３を開け、開閉弁２５を閉じて、排出流体をバイパス通路に迂回させるようにしてもよい。

さらにまた、バイパス通路及び不純物除去器は、水素循環系及び酸化ガス排出系の両方に配設してもよいことは勿論である。

そしてまた、実施の形態１では、不純物除去器２４及び３４として、イオン交換器を使用した場合について説明したが、これに限らず、本発明にかかる不純物除去器は、流体中の不純物を除去することが可能であれば、イオン交換樹脂を主体とした構成を備えていなくてもよい。

また、実施の形態１では、気液分離器２６としてサイクロン式気液分離器を使用した場合について説明したが、これに限らず、他の方式により気液を分離する気液分離器を使用してもよいことは勿論である。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムについて図面を参照して説明する。

図１２は、実施の形態２にかかる燃料電池システムの概略構成図である。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、実施の形態２にかかる燃料電池システム２の、実施の形態１にかかる燃料電池システム１と異なる主な点は、水素供給通路１７から分岐通路としてのバイパス通路２２２を分岐させ、このバイパス通路２２２に、不純物除去器２４を配設した点である。

すなわち、水素供給通路１７には、燃料電池１０の水素排出口１８に接続された水素排出通路１９が、合流点Ｅで合流しており、水素供給通路１７は、合流点Ｅの下流側が、燃料電池１０から排出された未反応の水素を再び燃料電池１０に供給するための循環通路の役割を果たしている。水素供給通路１７の合流点Ｅよりも下流側には、三方弁からなる開閉弁１２３が設けられており、この開閉弁１２３を分岐点Ｆとして、ここからバイパス通路２２２が分岐されている。バイパス通路２２２には、不純物除去器２４が配設されている。そして、このバイパス通路２２２不純物除去器２４よりも下流側は、合流点Ｇで水素供給通路１７に合流している。

燃料電池１０には、燃料電池１０の負荷を測定する図示しない負荷測定装置が接続されており、図１３に示す各ステップによって、開閉弁１２３の開閉を制御している。すなわち、先ず、負荷測定装置によって測定された値から水素循環量を、図８に示すグラフに基づいて算出する。（ステップＳ２０１）。次に、ステップＳ２０１で得られた水素循環量が、予め設定されている閾値よりも小さい場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）は、水素供給通路１７（燃料電池１０からの循環水素も供給される循環通路でもある）を通過する水素を不純物除去器２４に通過させなくてもよいと判断し、水素供給通路１７が開放され、バイパス通路２２２が閉鎖されるよう開閉弁１２３を調整する。（ステップＳ２０３）。この動作により、水素供給通路１７を流通する水素（循環水素を含む）は、バイパス通路２２２には流れず、よって、不純物除去器２４を通過せずに燃料電池１０に供給される。

一方、ステップＳ２０１で得られた水素循環量が、予め設定されている閾値を超えた場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）は、水素供給通路１７を流通する水素（循環水素を含む）を不純物除去器２４に通過させて不純物を除去すべきと判断し、水素供給通路１７が閉鎖され、バイパス通路２２２が開放されるよう開閉弁１２３を調整する。（ステップＳ２０４）。この動作により、水素供給通路１７を流通する水素は、バイパス通路２２２側に流れ、不純物除去器２４によって、不純物が除去された後、燃料電池１０に供給される。

なお、実施の形態２では、図示しない負荷測定装置と、開閉弁１２３によって、バイパス通路２２２に流入する水素の量を制御する流体流入量制御部を構成している。

このように、燃料電池１０から排出された未反応の水素（循環水素）及び水素供給源１６から供給される水素の全てを不純物除去器２４に通過させるのではなく、不純物除去器２４を通過させる必要がある水素のみ、不純物除去器２４を通過させることで、不純物除去器２４を通過する水素の量を削減することができるため、圧力損失を少なくすることができると共に、不純物除去器２４の寿命も向上することができる。

なお、実施の形態２では、三方弁からなる開閉弁１２３を使用して、水素供給通路１７とバイパス通路２２２との切り換えを行った場合について説明したが、これに限らず、例えば、水素供給通路１７の合流点Ｅよりも下流側に開閉弁を配設し、バイパス通路２２２の不純物除去器２４よりも上流側に開閉弁を配設し、前記両開閉弁を制御することで、水素供給通路１７とバイパス通路２２２との切り換えを行ってもよい。

また、開閉弁１２３の制御は、図１４に示すように、実施の形態２で説明したステップＳ２０１を行った後、算出された水素循環量に応じて、開閉弁１２３の弁開度を、図１５に示すグラフに基づいて設定してもよい。そしてまた、図１６に示すように、例えば、フラップ弁１２４の開閉を制御することによって、水素供給通路１７とバイパス通路２２２との切り換えを行ってもよい。

また、図１２に示すシステムの酸化ガス（空気）排出系にも、図１１に示すようなバイパス通路１２２を形成し、不純物除去器２４を配設してもよい。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 図１に示す燃料電池から排出された排出ガスの導電率と、当該排出ガスに含有されている不純物量との関係を示す図である。 図１に示す流体流入量制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池負荷と循環水素流量との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの水素排出通路に排出された排出流体（循環水素流量）と圧力損失との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池負荷と排出流体のイオン濃度との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの流体流入量制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの流体流入量制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの循環水素流量とバイパス比との関係を示す図である。 本発明の他の実施の形態にかかる燃料電池システムの一部を示す概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ 流体流入量制御部
１９ 水素排出通路
２１、３０ 導電率計
２２、４４、１２２、２２２ バイパス通路
２３、２５、１２３ 開閉弁
２４、３４ 不純物除去器
２６ 気液分離器
３１ 流量計

Claims (9)

1. 燃料電池から排出される排出流体が流通する排出通路と、前記排出流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を備えた燃料電池システムであって、
   前記排出通路から分岐された分岐通路と、
   前記分岐通路よりも上流側から当該分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御する流体流入量制御手段と、
   を備え、
   前記不純物除去器を前記分岐通路に配設し、
   前記排出通路の、前記分岐通路の分岐点より下流側且つ当該分岐通路の合流点より上流側に、さらに不純物除去器を配設してなり、
   前記排出通路の不純物除去器と前記分岐通路の不純物除去器を選択的に流通可能にする開閉弁をさらに備え、
   前記排出通路に配設された不純物除去器の容量は、前記分岐通路に配設された不純物除去器の容量よりも小さい燃料電池システム。
2. 前記流体流入量制御手段は、前記燃料電池の運転状態により決定される値に応じて、前記分岐通路及び排出通路に流入する排出流体の量を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の運転状態により決定される値が、前記排出流体の状態量である請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記排出流体の状態量が、当該排出流体の導電率、圧力、流量、ｐＨ、イオン濃度の少なくとも一つである請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の運転状態により決定される値が、前記排出流体を吸引するポンプの動作状態に基づく請求項２記載の燃料システム。
6. 前記燃料電池の運転状態により決定される値が、当該燃料電池の発電状態に基づく請求項２記載の燃料電池システム。
7. 前記流体流入量制御手段は、前記不純物除去器の容量に応じて、前記分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御する請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池から排出される排出流体が流通する排出通路と、前記排出流体に混入する不純物を除去する不純物除去器を備えた燃料電池システムであって、
   前記排出通路から分岐された分岐通路と、
   前記分岐通路よりも上流側から当該分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御する流体流入量制御手段と、
   を備え、
   前記不純物除去器を前記分岐通路に配設し、
   前記排出通路の、前記分岐通路の分岐点より下流側且つ当該分岐通路の合流点より上流側に、さらに不純物除去器を配設してなり、
   前記排出通路に配設された不純物除去器の容量は、前記分岐通路に配設された不純物除去器の容量よりも小さい燃料電池システム。
9. 前記流体流入量制御手段は、前記不純物除去器の容量に応じて、前記分岐通路と前記排出通路に流入する排出流体の量を制御する請求項８に記載の燃料電池システム。

Images