JP2003178782A - 水素ポンプおよび水素ポンプを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素ポンプの凍結を防止し、始動性を確保す
る。 【解決手段】 燃料電池システムは、水素ガスと空気と
を供給されて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水
素ガスを供給する水素ガス供給流路１０と、燃料電池１
から排出される水素オフガスを水素ガス供給流路１０に
戻す水素オフガス循環流路２０と、水素オフガス循環流
路２０に配置された水素ポンプ６と、水素ガス供給流路
１０から水素ポンプ６に水素ガスを導入する掃気ガス導
入流路３０とを備える。水素ポンプ６の吸込部６４と吐
出部６５に液体貯留部を設ける。燃料電池システム停止
時に掃気ガス導入弁３１と排気弁２２を開いて、掃気ガ
ス導入流路３０を介して、燃料電池１を流通していない
水分含有量の低い水素ガスを水素ポンプ６のポンプ室に
導入し、ポンプ室を掃気する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素を搬送する
ための水素ポンプと、この水素ポンプを用いた燃料電池
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水素ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして
発電する燃料電池では発電に伴い水が生成されるので、
この生成水を燃料電池内から排出するために、水素ガス
および酸化剤ガスを発電に必要な消費量よりも多く供給
するようにしている。したがって、燃料電池から排出さ
れる水素ガス、すなわち水素オフガスには未反応の水素
ガスが含まれており、これをそのまま放出したのでは燃
費が悪化してしまう。そこで、燃費向上のため、この水
素オフガスを燃料ガスとして水素ポンプを用いて積極的
に循環させ、新鮮な水素ガスと混合して再度燃料電池に
供給する燃料電池システムが考案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
如く前記燃料電池では発電に伴い水が生成され、この生
成水が水素オフガスとともに排出されるため、前述した
水素オフガス循環型の燃料電池システムにおいては、水
素オフガスとともに生成水も水素ポンプに導入されるこ
ととなる。このため、燃料電池の運転停止後に燃料電池
システムを低温雰囲気中に放置すると、水素ポンプ内に
残留した水が凍結してしまい、この凍結した状態で燃料
電池を再始動すると、水素ポンプのインペラが破損した
り、水素ポンプを駆動するモータに異常電流が流れるな
どの問題が生じる。

【０００４】また、前記生成水が水素ポンプに直接導入
されない場合であっても、水素オフガスは湿度が高く、
前述した水素オフガス循環型の燃料電池システムにおい
ては高湿度の水素オフガスが水素ポンプに導入されるこ
ととなり、燃料電池の運転停止後に燃料電池システムを
低温雰囲気中に放置すると、水素ポンプ内に残留した水
素オフガス中の水分が凝縮して凍結し、前記同様の問題
が生じる虞もある。そこで、この発明は、水素ポンプ内
における凍結を防止して水素ポンプの始動性を確保する
とともに、これを可能にする水素オフガス循環型の燃料
電池システムを提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、水素ガスを吸い込んで
吐出する水素ポンプ（例えば、後述する実施の形態にお
ける水素ポンプ６）であって、その吸込部（例えば、後
述する実施の形態における吸込部６４）と吐出部（例え
ば、後述する実施の形態における吐出部６５）の少なく
ともいずれか一方に液体貯留部（例えば、後述する実施
の形態における液体貯留部６４ａ，６５ａ）を設けると
ともに、運転時に流れる水素ガスよりも水分含有量の低
い水素ガスを運転停止時に可動部（例えば、後述する実
施の形態におけるポンプ室６２）に流すことが可能な水
素ポンプである。

【０００６】このように構成することにより、吸込部か
ら水素ガスとともに液水が流入しても、この液水を吸込
部の液体貯留部もしくは吐出部の液体貯留部で除去する
ことが可能になる。したがって、水素ポンプの可動部内
に液水が溜まらなくすることが可能になる。特に、吐出
部に液体貯留部を設けた場合には、水素ポンプの運転中
に前記可動部においてガスが圧縮される際に生じる凝縮
水をも除去することが可能となる。また、水素ポンプの
停止時に、可動部に水分含有量の低い水素ガスを流して
可動部を掃気し、可動部を湿度の低い雰囲気にすること
が可能になる。なお、液体貯留部は、吸込部だけに設け
てもよいし、吐出部だけに設けてもよいし、吸込部と吐
出部の両方に設けてもよい。

【０００７】請求項２に記載した発明は、請求項１に記
載の発明において、燃料電池システムに用いられ、前記
水分含有量の低い水素ガスは、燃料電池を流通していな
い水素ガスであることを特徴とする水素ポンプ。このよ
うに構成することにより、燃料電池を流通していない水
素ガスは湿度が低いので、燃料電池システムにおける水
素ポンプの凍結を防止し、始動性を確保することが可能
になる。

【０００８】請求項３に記載した発明は、水素ガスと酸
化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、
後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料
電池に水素ガスを供給する水素ガス供給流路（例えば、
後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）
と、前記燃料電池から排出される水素オフガスを前記水
素ガス供給流路に戻す水素オフガス循環流路（例えば、
後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２
０）と、前記水素ガス供給流路と前記水素オフガス循環
流路のいずれかに配置されて水素ガスを吸い込んで吐出
する水素ポンプであり、運転時に流れる水素ガスよりも
水分含有量の低い水素ガスを運転停止時に可動部に流す
ことが可能な水素ポンプ（例えば、後述する実施の形態
における水素ポンプ６）と、を備えたことを特徴とする
燃料電池システムである。このように構成することによ
り、燃料燃料電池システムの運転停止時に水素ポンプの
可動部に水分含有量の少ない水素ガスを導入して、水素
ポンプの可動部を低湿度の雰囲気にすることが可能にな
る。

【０００９】請求項４に記載した発明は、水素ガスと酸
化剤ガスとを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、
後述する実施の形態における燃料電池１）と、前記燃料
電池に水素ガスを供給する水素ガス供給流路（例えば、
後述する実施の形態における水素ガス供給流路１０）
と、前記燃料電池から排出される水素オフガスを前記水
素ガス供給流路に戻す水素オフガス循環流路（例えば、
後述する実施の形態における水素オフガス循環流路２
０）と、前記水素ガス供給流路と前記水素オフガス循環
流路のいずれかに配置された請求項２記載の水素ポンプ
（例えば、後述する実施の形態における水素ポンプ６）
と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムであ
る。このように構成することにより、燃料電池システム
の運転中、水素ポンプの可動部に液水が溜まらなくする
ことが可能になるとともに、燃料燃料電池システムの運
転停止時に水素ポンプの可動部に水分含有量の少ない水
素ガスを導入して、水素ポンプの可動部を低湿度の雰囲
気にすることが可能になる。

【００１０】請求項５に記載した発明は、請求項３また
は請求項４に記載の発明において、前記水素オフガス循
環流路を流れるガスを排出可能にする排気手段（例え
ば、後述する実施の形態における排気弁２２、排気流路
２３）と、前記水素ガス供給流路を流れる水素ガスを前
記水素ポンプの可動部に導入可能にする掃気ガス導入手
段（例えば、後述する実施の形態における掃気ガス導入
流路３０、掃気ガス導入弁３１）と、前記燃料電池を停
止させる際に、前記排気手段と前記掃気ガス導入手段を
制御して前記水素ポンプ内を掃気する掃気制御手段と、
を備えることを特徴とする。このように構成することに
より、水素ポンプの停止後に前記排気手段と前記掃気ガ
ス導入手段を制御して、燃料電池に流通していない湿度
の低い水素ガスを水素ガス供給流路から水素ポンプの可
動部に導入し、水素ポンプの可動部を掃気して可動部内
を湿度の低い水素ガスで封止することが可能になる。

【００１１】請求項６に記載した発明は、請求項５に記
載の発明において、前記水素ポンプの上流および下流に
配置され該水素ポンプへのガスの出入りを遮断可能な遮
断弁（例えば、後述する実施の形態における入口遮断弁
２５，出口遮断弁２６）と、前記水素ポンプの掃気完了
後に前記遮断弁を閉ざす密閉制御手段と、を備えること
を特徴とする。このように構成することにより、水素ポ
ンプの掃気完了後に前記遮断弁を閉じて水素ポンプへの
ガスの出入りを遮断することが可能になり、燃料電池シ
ステムの停止中に燃料電池の保有水等が水素ポンプの可
動部に侵入するのを阻止することが可能になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る水素ポンプ
および水素ポンプを用いた燃料電池システムの実施の形
態を図１から図１５の図面を参照して説明する。 〔第１の実施の形態〕初めに、この発明の第１の実施の
形態を図１から図４の図面を参照して説明する。図１
は、第１の実施の形態における燃料電池システムの概略
構成図である。燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオ
ン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカ
ソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積
層して構成されたスタックからなり、アノードに燃料ガ
スとして水素ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスとし
て酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応に
より発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過
してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学
反応を起こして発電し、水が生成される。

【００１３】空気はコンプレッサ２により所定圧力に昇
圧され、燃料電池１のカソードに供給される。この空気
は発電に供された後、燃料電池１から空気オフガスとし
て排出され、圧力制御弁３を介して排出される。一方、
高圧水素タンク４から供給される水素ガスは、水素ガス
供給流路１０の途中に設けられた圧力制御弁５によって
所定圧力に減圧されて燃料電池１のアノードに供給され
る。燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された
後、燃料電池１から水素オフガスとして水素オフガス循
環流路２０に排出される。水素オフガス循環流路２０
は、圧力制御弁５よりも下流の水素ガス供給流路１０に
接続されており、水素オフガス循環流路２０の途中には
水素ポンプ６と逆止弁２１が設けられている。燃料電池
１から排出された水素オフガスは、水素ポンプ６で昇圧
され、逆止弁２１を通って水素ガス供給流路１０に合流
するようになっており、これにより、水素オフガスは、
高圧水素タンク４から供給される新鮮な水素ガスと混合
されて、再び燃料電池１のアノードに供給されるように
なっている。

【００１４】水素ポンプ６について、図２および図３を
参照して説明する。図２は、水素ポンプ６を正面側から
見た縦断面図、図３は図２のIII−III矢視断面図であ
る。水素ポンプ６は例えばいわゆるウエスコ型ポンプで
あり、ポンプケーシング６１のポンプ室（可動部）６２
の内部で、モータによって駆動されるインペラ６３が回
転し、水素オフガスを昇圧し送出する。ポンプケーシン
グ６１の下端部には、水素オフガスをポンプ室６２内に
導入する吸込部６４と、ポンプ室６２内で昇圧された水
素オフガスを送り出す吐出部６５が設けられており、吸
込部６４および吐出部６５はそれぞれ液体貯留部６４
ａ、６５ａを備えている。この吸込部６４および吐出部
６５に水素オフガス循環流路２０が接続されている。

【００１５】また、ポンプケーシング６１の上端部に
は、後述するポンプ掃気時に水素ガスをポンプ室６２内
に導入する掃気ガス導入部６６が設けられている。図１
に示すように、掃気ガス導入部６６は、途中に掃気ガス
導入弁３１を備えた掃気ガス導入流路３０を介して、水
素ガス供給流路１０に接続されている。水素ガス供給流
路１０において、掃気ガス導入流路３０への分岐部Ａ
は、圧力制御弁５よりも下流に位置し、且つ、水素オフ
ガス循環流路２０との合流部Ｂよりも上流に位置してい
る。また、水素ポンプ６よりも上流側の水素オフガス循
環流路２０には、排気弁２２を備えた排気流路２３が接
続されている。掃気ガス導入弁３１と排気弁２２は制御
装置（以下、ＥＣＵと略す）５０によってそれぞれ開閉
制御されるようになっている。なお、第１の実施の形態
において、排気弁２２と排気流路２３は排気手段を構成
し、掃気ガス導入流路３０と掃気ガス導入弁３１は掃気
ガス導入手段を構成する。

【００１６】この燃料電池システムにおいて、燃料電池
１で発電を行っている時に燃料電池１から排出される水
素オフガスは湿度が極めて高く、発電に伴って燃料電池
１内で生じた生成水が混在する場合もある。しかしなが
ら、この燃料電池システムにおいては、水素ポンプ６の
吸込部６４に液体貯留部６４ａが設けられているので、
水素オフガス中に含まれる液水の殆どが吸込部６４を通
過する時に液体貯留部６４ａに落水し、除去されるの
で、水素ポンプ６のポンプ室６２内には殆ど液水の存在
しない水素オフガスが導入されることとなる。

【００１７】また、吸込部６４の液体貯留部６４ａに落
水することなくポンプ室６２内導入された僅かな液水
や、ポンプ室６２内において吐出部６５へ送られる間に
水素オフガスが圧縮されて生じた凝縮水は、水素ポンプ
６の吐出部６５を通過する際に、吐出部６５に設けられ
た液体貯留部６５ａに落水し、除去される。したがっ
て、燃料電池システムの運転中においてはポンプ室６２
内に液水が殆ど存在せず、この後、燃料電池システムの
停止により水素ポンプ６を停止させた時にも、ポンプ室
６２内に液水が存在しない状態にすることができるの
で、燃料電池システムの停止後にこのシステムを低温雰
囲気中に放置しても、水素ポンプ６の凍結を防止するこ
とができる。その結果、燃料電池システムの運転再開時
における水素ポンプ６の始動性を確保することができる
とともに、水素ポンプ６の耐久性を向上させることがで
きる。

【００１８】このように、この燃料電池システムでは、
吸込部６４および吐出部６５に液体貯留部６４ａ，６５
ａを備えた水素ポンプ６を用いているので、水素ポンプ
６の凍結を防止することができるのであるが、燃料電池
システムの停止時に水素ポンプ６内に湿度の高い水素オ
フガスを残留させたままにしておくと、ポンプ室６２内
に残留した水素オフガス中の水分が低温雰囲気下におい
て凝縮し、その凝縮水が凍結して水素ポンプ６を凍結さ
せる虞がある。

【００１９】そこで、この燃料電池システムにおいて
は、システムのシャットダウン時に、水素ポンプ６を停
止させた状態で、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２を開
くことによって、燃料電池１に流通させる前の水素ガス
供給流路１０を流れる乾いた（低湿度の）水素ガスを水
素ポンプ６のポンプ室６２内に導入し、ポンプ室６２内
に残留する湿度の高い水素オフガスを乾いた水素ガスで
押し出して掃気し、ポンプ室６２内を乾いた水素ガスで
置換するようにしている。このようにすると、停止後に
燃料電池システムを低温雰囲気中に放置した場合にも、
水素ポンプ６の凍結をより確実に防止することができ、
燃料電池システムの運転再開時における水素ポンプ６の
始動性を確実に確保することができるとともに、水素ポ
ンプ６の耐久性をさらに向上させることができる。

【００２０】次に、第１の実施の形態における燃料電池
システムの掃気処理制御を図４のフローチャートに従っ
て説明する。燃料電池システムのシステムシャットダウ
ン開始により水素ポンプ６が停止し（ステップＳ１０
１）、システム水素パージ開始指令が出る（ステップＳ
１０２）。このシステム水素パージ開始指令により、掃
気ガス導入弁３１と排気弁２２を開く（ステップＳ１０
３）。これにより、高圧水素タンク１から供給される乾
いた水素ガスの一部が、圧力制御弁５の下流の分岐部Ａ
から、掃気ガス導入流路３０および掃気ガス導入弁３１
を通り、水素ポンプ６の掃気ガス導入部６６を介してポ
ンプ室６２内に導入される。ポンプ室６２内に導入され
た乾いた水素ガスは、ポンプ室６２の内面と停止中のイ
ンペラ６１の間を通って吸込部６４へと流れていき、ポ
ンプ室６２内に残留している水素オフガスを押し出し、
吸込部６４から水素オフガス循環流路２０に排出され、
さらに、排気流路２３および排気弁２２を通って系外に
排出される。

【００２１】また、これと同時に、高圧水素タンク１か
ら供給される乾いた水素ガスの残りが、燃料電池システ
ム運転時と同じ流路を通って燃料電池１のアノードに供
給され、燃料電池１のアノードに残留する水素オフガス
を押し出して、燃料電池１から排出され、水素オフガス
循環流路２０を通り、さらに、排気流路２３および排気
弁２２を通って系外に排出される。なお、図１におい
て、太い実線の矢印は燃料電池１の運転時における水素
ガスの流れ方向を示したものであり、掃気処理の際のガ
スの流れ方向を示したものではない。

【００２２】次に、ステップＳ１０４に進み、システム
パージ開始指令が出てから所定時間が経過したか否か判
定し、判定結果が「ＮＯ」（未経過）である場合は、掃
気ガス導入弁３１と排気弁２２を開状態に保持して、ス
テップＳ１０４に戻る。ステップＳ１０４における判定
結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過）である場合は、ステ
ップＳ１０５に進み、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２
を閉じて、本ルーチンの実行を終了する。

【００２３】このように、第１の実施の形態において、
ステップＳ１０１からステップＳ１０５のステップは、
掃気制御手段を実現する。なお、この第１の実施の形態
において、水素ガス供給流路１０と水素オフガス循環流
路２０との合流部Ｂに、水素ポンプ６で昇圧した水素オ
フガスを吸い込んで水素ガスと混合させるエゼクタを配
置することも可能である。

【００２４】〔第２の実施の形態〕次に、この発明に係
る水素ポンプと燃料電池システムの第２の実施の形態を
図５および図６の図面を参照して説明する。図５は、第
２の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図
である。第２の実施の形態における燃料電池システムが
第１の実施の形態（図１態様）のものと相違する点は、
水素ポンプ６よりも上流側の水素オフガス循環流路２０
に、水素オフガス循環流路２０を流れるガスの露点を検
出する露点計２４が配置されている点だけであり、その
他の構成については水素ポンプ６を含めて第１の実施の
形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号
を付して説明を省略する。なお、露点計２４は、検出し
たガスの露点の大きさに応じた出力信号をＥＣＵ５０に
出力する。

【００２５】この第２の実施の形態では、掃気処理の実
行中に、水素ポンプ６の吸込部６４から排出されるガス
の露点（換言すれば、ガスの乾き度）を検出し、検出さ
れたガスの露点が所定値以下になったら掃気処理を終了
するようにしている。図６は、第２の実施の形態におけ
る燃料電池システムにおける掃気処理制御のフローチャ
ートであり、第１の実施の形態における掃気処理と相違
する点は、ステップＳ１０４だけである。このステップ
Ｓ１０４において、水素ポンプ６の吸込部６４から排出
されるガスの露点が所定値以下か否か判定する。

【００２６】ステップＳ１０４における判定結果が「Ｎ
Ｏ」（所定値を越えている）である場合は、掃気ガス導
入弁３１と排気弁２２を開状態に保持して、ステップＳ
１０４に戻る。ステップＳ１０４における判定結果が
「ＹＥＳ」（所定値以下）である場合は、ステップＳ１
０５に進み、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２を閉じ
て、本ルーチンの実行を終了する。この第２の実施の形
態の燃料電池システムによれば、水素ポンプ６のポンプ
室６２内の雰囲気を確実に所定の乾き度以下にすること
ができる。したがって、水素ポンプ６の凍結をさらに確
実に防ぐことができ、燃料電池システムを確実に運転再
開することができる。

【００２７】〔第３の実施の形態〕次に、この発明に係
る水素ポンプと燃料電池システムの第３の実施の形態を
図７の図面を参照して説明する。図７は、第３の実施の
形態における燃料電池システムの概略構成図である。第
３の実施の形態の燃料電池システムが第１の実施の形態
（図１態様）のものと相違する点は以下の通りである。
第３の実施の形態における水素ポンプ６には、掃気ガス
導入部６６が設けられておらず、第３の実施の形態にお
ける燃料電池システムでは、掃気ガス導入流路３０が設
けられていない。そして、水素オフガス循環流路２０
に、逆止弁２１の代わりとして、ＥＣＵ５０で開閉制御
される掃気ガス導入弁３１が設けられている。この第３
の実施の形態の場合、掃気ガス導入手段は掃気ガス導入
弁３１によって構成されている。

【００２８】この掃気ガス導入弁３１は、ＥＣＵ５０に
より、燃料電池１の運転中であって水素オフガスを循環
させる時に開弁制御されて、水素オフガスを水素オフガ
ス循環流路２０から水素ガス供給流路１０に循環させ
る。また、掃気ガス導入弁３１は、燃料電池システムの
シャットダウン後の掃気処理時にも開弁制御されて、高
圧水素タンク４から供給される乾いた水素ガスを、水素
ポンプ６の吐出部６５からポンプ室６２に逆流させ、ポ
ンプ室６２内に残留する湿度の高い水素オフガスを吸込
部６４から水素オフガス循環流路２０に排出して掃気
し、排気弁２２および排気流路２３を介して系外に排出
する。そして、ポンプ室６２内を乾いた水素ガスに置換
する。その他の構成については第１の実施の形態のもの
と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説
明を省略する。この第３の実施の形態の燃料電池システ
ムにおいても、第１の実施の形態と同様、燃料電池シス
テムの停止後にこのシステムを低温雰囲気中に放置して
も、水素ポンプ６の凍結を防止することができ、その結
果、燃料電池システムの運転再開時における水素ポンプ
６の始動性を確保することができるとともに、水素ポン
プ６の耐久性を向上させることができる。しかも、第１
の実施の形態の場合よりも、システム構成を簡略化する
ことが可能になる。

【００２９】〔第４の実施の形態〕次に、この発明に係
る水素ポンプと燃料電池システムの第４の実施の形態を
図８および図９の図面を参照して説明する。図８は、第
４の実施の形態における燃料電池システムの概略構成図
である。第４の実施の形態における燃料電池システムが
第３の実施の形態（図７態様）のものと相違する点は以
下の通りである。水素ガス供給流路１０と水素オフガス
循環流路２０との合流部にはエゼクタ７Ａが配置され、
エゼクタ７Ａよりも下流の水素ガス供給流路１０にエゼ
クタ遮断弁８が配置されている。また、水素ガス供給流
路１０には、エゼクタ７Ａとエゼクタ遮断弁８をバイパ
スするバイパス流路１１Ａが接続されており、バイパス
流路１１Ａにはバイパス圧力制御弁１２Ａが配置されて
いる。

【００３０】エゼクタ７Ａは、水素ガス供給流路１０か
らエゼクタ７Ａに供給された燃料ガスの噴流により発生
する負圧で、水素ポンプ６で昇圧された水素オフガスを
吸引し、両者を混合して送出するものである。エゼクタ
遮断弁８は、燃料電池システムの運転時には開き、シス
テムのシャットダウン時には閉じるように、ＥＣＵ５０
により開閉制御される。その他の構成については水素ポ
ンプ６を含めて第３の実施の形態のものと同じであるの
で、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。

【００３１】次に、第４の実施の形態における燃料電池
システムにおける掃気処理制御を図９のフローチャート
に従って説明する。燃料電池システムのシステムシャッ
トダウン開始により水素ポンプ６が停止し（ステップＳ
２０１）、システム水素パージ開始指令が出る（ステッ
プＳ２０２）。このシステム水素パージ開始指令によ
り、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２を開くとともに、
エゼクタ遮断弁８を閉じる（ステップＳ２０３）。これ
により、高圧水素タンク１から供給される乾いた水素ガ
スの一部が、エゼクタ７Ａから水素オフガス循環流路２
０および掃気ガス導入弁３１を通り、水素ポンプ６の吐
出部６５からポンプ室６２に逆流し、ポンプ室６２内に
残留する湿度の高い水素オフガスを吸込部６４から水素
オフガス循環流路２０に排出して掃気し、排気弁２２お
よび排気流路２３を介して系外に排出される。そして、
ポンプ室６２内を乾いた水素ガスに置換する。

【００３２】また、これと同時に、高圧水素タンク１か
ら供給される乾いた水素ガスの残りが、バイパス流路１
１Ａおよびバイパス弁１２Ａを通って燃料電池１のアノ
ードに供給され、燃料電池１のアノードに残留する水素
オフガスを押し出して、燃料電池１から排出され、水素
オフガス循環流路２０を通り、さらに、排気流路２３お
よび排気弁２２を通って系外に排出される。なお、図８
において、太い実線の矢印は燃料電池１の運転時におけ
る水素ガスの流れ方向を示したものであり、掃気処理の
際のガスの流れ方向を示したものではない。

【００３３】次に、ステップＳ２０４に進み、システム
パージ開始指令が出てから所定時間が経過したか否か判
定し、判定結果が「ＮＯ」（未経過）である場合は、掃
気ガス導入弁３１と排気弁２２の開状態およびエゼクタ
遮断弁８の閉状態を保持して、ステップＳ２０４に戻
る。ステップＳ２０４における判定結果が「ＹＥＳ」
（所定時間経過）である場合は、ステップＳ２０５に進
み、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２を閉じて、本ルー
チンの実行を終了する。

【００３４】第４の実施の形態において、ステップＳ２
０１からステップＳ２０５のステップは、掃気制御手段
を実現する。なお、この第４の実施の形態においても、
水素オフガス循環流路２０に露点計を配置して、掃気処
理時にガスの露点を検出し、ガスの露点が所定値以下に
なった時に、掃気処理を完了するようにしてもよい。こ
の第４の実施の形態の燃料電池システムにおいても、第
１の実施の形態と同様、燃料電池システムの停止後にこ
のシステムを低温雰囲気中に放置しても、水素ポンプ６
の凍結を防止することができ、その結果、燃料電池シス
テムの運転再開時における水素ポンプ６の始動性を確保
することができるとともに、水素ポンプ６の耐久性を向
上させることができる。

【００３５】〔第５の実施の形態〕次に、この発明に係
る水素ポンプと燃料電池システムの第５の実施の形態を
図１０および図１１の図面を参照して説明する。図１０
は、第５の実施の形態における燃料電池システムの概略
構成図である。第５の実施の形態における燃料電池シス
テムが第２の実施の形態（図５態様）のものと相違する
点は以下の通りである。水素ガス供給流路１０には、水
素オフガス循環流路２０との合流部にエゼクタ７Ｂが配
置されるとともに、エゼクタ７Ｂをバイパスするバイパ
ス流路１１Ｂが接続されており、バイパス流路１１Ｂに
はバイパス圧力制御弁１２Ｂが配置されている。さら
に、エゼクタ７Ｂよりも下流側の水素ガス供給流路１０
であって、バイパス流路１１Ｂとの合流部よりも下流側
には、燃料電池１のアノードに供給される水素ガスを加
湿するアノード加湿器１３が配置されている。

【００３６】また、この第５の実施の形態における燃料
電池システムにおいては、水素オフガス循環流路２０に
逆止弁２１が配置されていない。そして、水素オフガス
循環流路２０において、露点計２４の上流と水素ポンプ
６の下流には、ＥＣＵ５０によって開閉制御される入口
遮断弁２５と出口遮断弁２６が配置されている。その他
の構成については水素ポンプ６を含めて第２の実施の形
態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を
付して説明を省略する。

【００３７】この第５の実施の形態における燃料電池シ
ステムにおいては、燃料電池システムのシャットダウン
後、燃料電池１内および水素ポンプ６内を掃気した後
に、入口遮断弁２５と出口遮断弁２６を閉ざすことによ
り、水素ポンプ６へのガスの出入りを遮断するようにし
ている。このようにする理由は次の通りである。燃料電
池システムのシャットダウン後にシステム内を掃気して
も、燃料電池１やアノード加湿器１３は残留水分を保有
しており、水素ポンプ６が密閉されていないと、燃料電
池１やアノード加湿器１３に残留する前記残留水分等が
拡散して水素ポンプ６内に侵入し、これが凍結して水素
ポンプ６の凍結を引き起こす虞がある。しかしながら、
第５の実施の形態の場合には、入口遮断弁２５と出口遮
断弁２６を閉ざすことにより水素ポンプ６へのガスの出
入りを遮断することができるので、水素ポンプ６内に導
入された乾いた水素ガスを水素ポンプ６内に封止するこ
とができ、外部からの水分の侵入を防止することがで
き、その結果、水素ポンプ６の凍結を完全に防止するこ
とができる。したがって、燃料電池システムの運転再開
時における水素ポンプ６の始動性を確実に確保すること
ができるとともに、水素ポンプ６の耐久性をさらに向上
させることができる。なお、入口遮断弁２５と出口遮断
弁２６は燃料電池システムの運転時には開いている。

【００３８】次に、第５の実施の形態における燃料電池
システムにおける掃気処理制御を図１１のフローチャー
トに従って説明する。燃料電池システムのシステムシャ
ットダウン開始により水素ポンプ６が停止し（ステップ
Ｓ３０１）、システム水素パージ開始指令が出る（ステ
ップＳ３０２）。このシステム水素パージ開始指令によ
り、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２を開く（ステップ
Ｓ３０３）。これにより、高圧水素タンク１から供給さ
れる乾いた水素ガスの一部が、圧力制御弁５の下流の分
岐部Ａから、掃気ガス導入流路３０および掃気ガス導入
弁３１を通り、水素ポンプ６の掃気ガス導入部６６を介
してポンプ室６２内に導入される。ポンプ室６２内に導
入された乾いた水素ガスは、ポンプ室６２の内面と停止
中のインペラ６１の間を通って吸込部６４へと流れてい
き、ポンプ室６２内に残留している水素オフガスを押し
出し、吸込部６４から水素オフガス循環流路２０に排出
され、さらに、入口遮断弁２５を通り、排気流路２３お
よび排気弁２２を通って系外に排出される。

【００３９】また、これと同時に、高圧水素タンク１か
ら供給される乾いた水素ガスの残りが、バイパス流路１
１Ｂおよびバイパス弁１２Ｂを通り、さらにアノード加
湿器１３を通って燃料電池１のアノードに供給され、ア
ノード加湿器１３および燃料電池１のアノードに残留す
る水素オフガスを押し出して、燃料電池１から排出さ
れ、水素オフガス循環流路２０を通り、さらに、排気流
路２３および排気弁２２を通って系外に排出される。な
お、図１０において、太い実線の矢印は燃料電池１の運
転時における水素ガスの流れ方向を示したものであり、
掃気処理の際のガスの流れ方向を示したものではない。

【００４０】次に、ステップＳ３０４に進み、水素ポン
プ６の吸込部６４から排出されるガスの露点が所定値以
下か否か判定する。ステップＳ３０４における判定結果
が「ＮＯ」（所定値を越えている）である場合は、掃気
ガス導入弁３１と排気弁２２を開状態に保持して、ステ
ップＳ３０４に戻る。ステップＳ３０４における判定結
果が「ＹＥＳ」（所定値以下）である場合は、ステップ
Ｓ３０５に進み、掃気ガス導入弁３１と排気弁２２と入
口遮断弁２５と出口遮断弁２６を閉じて、本ルーチンの
実行を終了する。これにより、水素ポンプ６を、入口遮
断弁２５と出口遮断弁２６の間に形成される閉鎖流路に
閉じ込めることができ、システム停止の間、水素ポンプ
６のポンプ室６２内に乾いた水素ガスを封止することが
できる。なお、第５の実施の形態において、ステップＳ
３０１からステップＳ３０５のステップは、掃気制御手
段と密閉制御手段を実現する。

【００４１】なお、前述した第１〜第５の実施の形態の
燃料電池システムでは、吸込部６４および吐出部６５に
それぞれ液体貯留部６４ａ，６５ａを備えた水素ポンプ
６を用いた例で説明したが、液体貯留部６４ａ，６５ａ
を備えない水素ポンプを用いた場合にも本発明の燃料電
池システムは成立する。その場合には、燃料電池システ
ムの運転中における水素ポンプ内への液水の導入は避け
られなくなるが、運転中に水素ポンプ内に導入された液
水が若干溜まることがあったとしても、運転停止後に、
湿度の低い水素ガスによって水素ポンプのポンプ室（可
動部）の掃気処理を実行することより、ポンプ室内の液
水を系外に排出することができ、且つ、ポンプ室内を低
湿度の雰囲気にすることができる。したがって、燃料電
池システムの停止後にシステムを低温雰囲気中に放置し
ても、水素ポンプ６の凍結を防止することができ、その
結果、燃料電池システムの運転再開時における水素ポン
プ６の始動性を確保することができるとともに、水素ポ
ンプ６の耐久性を向上させることができる。

【００４２】〔第６の実施の形態〕次に、この発明に係
る水素ポンプと燃料電池システムの第６の実施の形態を
図１２および図１３の図面を参照して説明する。図１２
は、第６の実施の形態における燃料電池システムの概略
構成図である。第６の実施の形態における燃料電池シス
テムが第１の実施の形態（図１態様）のものと相違する
点は以下の通りである。

【００４３】第６の実施の形態における水素ポンプ６に
は、掃気ガス導入部６６が設けられておらず、第６の実
施の形態における燃料電池システムでは、掃気ガス導入
流路３０と掃気ガス導入弁３１が設けられていない。そ
して、水素ポンプ６の吸込部６４および吐出部６５の液
体貯留部６４ａ，６５ａの底部には、ＥＣＵ５０によっ
て開閉制御される排出弁２７を備えた排水流路２８が接
続されており、排水流路２８は排気弁２２よりも下流側
の排気流路２３に接続されている。その他の構成につい
ては第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態
様部分に同一符号を付して説明を省略する。

【００４４】この第６の実施の形態における燃料電池シ
ステムにおいては、燃料電池システムのシャットダウン
後、燃料電池１内および水素ポンプ６内を掃気すると同
時に、排出弁２７を開いて液体貯留部６４ａ，６５ａに
貯まっている水を排水するようにしている。このように
完全に貯留水を抜き取った状態とすることで、次回の燃
料電池システムの運転時に水素オフガスからの除去すべ
き液体の受け入れ準備を完了させ、液体を貯留可能にす
ることができる。なお、排出弁２７は燃料電池システム
の運転時には閉じている。

【００４５】次に、第６の実施の形態における燃料電池
システムにおける掃気処理制御を図１３のフローチャー
トに従って説明する。燃料電池システムのシステムシャ
ットダウン開始により水素ポンプ６が停止し（ステップ
Ｓ４０１）、システム水素パージ開始指令が出る（ステ
ップＳ４０２）。このシステム水素パージ開始指令によ
り、排出弁２７と排気弁２２を開く（ステップＳ４０
３）。これにより、高圧水素タンク１から供給される乾
いた水素ガスが、水素ガス供給流路１０を通って燃料電
池１のアノードに供給され、燃料電池１のアノードに残
留する水素オフガスを押し出して、燃料電池１から排出
され、水素オフガス循環流路２０、排気流路２３および
排気弁２２を通って系外に排出される。この時に、吸込
部６４および吐出部６５の液体貯留部６４ａ，６５ａに
貯まっている液体が、排出流路２８に吸い込まれ、排出
弁２７を通って排気流路２３から系外に排出される。

【００４６】また、燃料電池１から水素オフガス循環流
路２０に排出された乾いた水素ガスの一部は、水素ポン
プ６の吸込部６４からポンプ室６２内に導入され、ポン
プ室６２の内面と停止中のインペラ６１の間を通って吐
出部６５へと流れていき、水素ポンプ６内に残留してい
る水素オフガスを押し出して掃気し、排気流路２８およ
び排出弁２７を通って系外に排出される。なお、図８に
おいて、太い実線の矢印は燃料電池１の運転時における
水素ガスの流れ方向を示したものであり、掃気処理の際
のガスの流れ方向を示したものではない。

【００４７】次に、ステップＳ４０４に進み、システム
パージ開始指令が出てから所定時間が経過したか否か判
定し、判定結果が「ＮＯ」（未経過）である場合は、排
出弁２７と排気弁２２を開状態に保持して、ステップＳ
４０４に戻る。ステップＳ４０４における判定結果が
「ＹＥＳ」（所定時間経過）である場合は、ステップＳ
４０５に進み、排出弁２７と排気弁２２を閉じて、本ル
ーチンの実行を終了する。

【００４８】この第６の実施の形態の燃料電池システム
においても、第１の実施の形態と同様、水素ポンプ６の
ポンプ室６２内を低湿度の雰囲気にすることができるの
で、燃料電池システムの停止後にこのシステムを低温雰
囲気中に放置しても、水素ポンプ６の凍結を防止するこ
とができ、その結果、燃料電池システムの運転再開時に
おける水素ポンプ６の始動性を確保することができると
ともに、水素ポンプ６の耐久性を向上させることができ
る。

【００４９】なお、この第６の実施の形態において、水
素ガス供給流路１０と水素オフガス循環流路２０との合
流点Ｂに、水素ポンプ６で昇圧した水素オフガスを吸い
込んで水素ガスと混合させるエゼクタを配置することも
可能である。

【００５０】〔第７の実施の形態〕次に、この発明に係
る水素ポンプと燃料電池システムの第７の実施の形態を
図１４および図１５の図面を参照して説明する。図１４
は、第７の実施の形態における燃料電池システムの概略
構成図である。第７の実施の形態における燃料電池シス
テムが第６の実施の形態（図１２態様）のものと相違す
る点は次の通りである。

【００５１】水素ポンプ６の吸込部６４および吐出部６
５の液体貯留部６４ａ，６５ａに、液体貯留部６４ａ，
６５ａの液位を検出する液位センサ６７がそれぞれ設け
られている。その他の構成については水素ポンプ６を含
めて第６の実施の形態のものと同じであるので、同一態
様部分に同一符号を付して説明を省略する。前述した第
６の実施の形態では、液体貯留部６４ａ，６４ｂの排水
処理を水素ポンプ６の掃気処理に同期して実行していた
が、第７の実施の形態では、排水処理を掃気処理から独
立させて、液位センサ６７で検出される液位に基づいて
液体貯留部６４ａ，６４ｂの排水処理を開始するととも
に完了するようにした。これにより、液体貯留部６４
ａ，６４ｂは常に液体の貯留が可能となる。なお、液位
センサ６７は、検出した液位に応じた出力信号をＥＣＵ
５０に出力する。

【００５２】第７の実施の形態における燃料電池システ
ムにおける排水処理制御を図１５のフローチャートに従
って説明する。ステップＳ５０１において、液位センサ
６７で検出した液位は上限値以上か否か判定し、判定結
果が「ＮＯ」（上限値未満）である場合は、リターンす
る。ステップＳ５０１における判定結果が「ＹＥＳ」
（上限値以上）である場合は、ステップＳ５０２に進
み、排出弁２７を開く。次に、ステップＳ５０３に進
み、液位センサ６７で検出した液位は下限値以下か否か
判定し、判定結果が「ＮＯ」（下限値を越えている）で
ある場合は、排出弁２７の開状態を保持してステップＳ
５０３に戻る。ステップＳ５０３における判定結果が
「ＹＥＳ」（下限値以下）である場合は、ステップＳ５
０４に進み、排出弁２７を閉じて、リターンする。この
ように排出弁２７を制御することにより、液体貯留部６
４ａ，６４ｂの液位を上限値から下限値の間に制御する
ことができ、常に液体を貯留可能な状態に保持すること
ができる。

【００５３】なお、前述した第６の実施の形態および第
７の実施の形態の燃料電池システムにおいては、第１の
実施の形態のように掃気ガス導入流路３０と掃気ガス導
入弁３１を追加して、掃気処理時のガスの流れを第１の
実施の形態と同様にすることも可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明するように、請求項１に記載し
た発明によれば、水素ポンプの可動部に液水が溜まらな
くすることが可能になるとともに、水素ポンプの停止時
に可動部を掃気し、可動部を湿度の低い雰囲気にするこ
とが可能になるので、燃料電池システムの停止後に水素
ポンプを低温雰囲気中に放置しても、水素ポンプの凍結
を防止することができ、水素ポンプの始動性を確保する
ことができるという優れた効果が奏される。

【００５５】請求項２に記載した発明によれば、燃料電
池システムにおける水素ポンプの凍結を防止し、始動性
を確保することが可能になるので、燃料電池システムの
始動性が向上するという優れた効果が奏される。請求項
３または請求項４に記載した発明によれば、燃料電池シ
ステムに使用される水素ポンプの凍結を防止することが
可能になるので、水素ポンプの始動性、ひいては燃料電
池システムの始動性を確保することができるという優れ
た効果が奏される。

【００５６】請求項５に記載した発明によれば、燃料電
池に流通していない湿度の低い水素ガスを水素ガス供給
流路から水素ポンプに導入し、水素ポンプの可動部を掃
気して可動部内を湿度の低い水素ガスに置換することが
可能になるので、水素ポンプの凍結を防止することがで
き、その結果、水素ポンプの始動性、ひいては燃料電池
システムの始動性を確実に確保することができるという
優れた効果が奏される。

【００５７】請求項６に記載した発明によれば、燃料電
池システムの停止中に燃料電池の保有水等が水素ポンプ
の可動部に侵入するのを阻止することが可能になるの
で、水素ポンプの始動性、ひいては燃料電池システムの
始動性を確保することができるという優れた効果が奏さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る燃料電池システムの第１の実
施の形態におけるシステム構成図である。

【図２】 前記第１の実施の形態に用いられる水素ポン
プの縦断面図である。

【図３】 図２のIII−III矢視断面図である。

【図４】 前記第１の実施の形態における掃気処理制御
のフローチャートである。

【図５】 この発明に係る燃料電池システムの第２の実
施の形態におけるシステム構成図である。

【図６】 前記第２の実施の形態における掃気処理制御
のフローチャートである。

【図７】 この発明に係る燃料電池システムの第３の実
施の形態におけるシステム構成図である。

【図８】 この発明に係る燃料電池システムの第４の実
施の形態におけるシステム構成図である。

【図９】 前記第４の実施の形態における掃気処理制御
のフローチャートである。

【図１０】 この発明に係る燃料電池システムの第５の
実施の形態におけるシステム構成図である。

【図１１】 前記第５の実施の形態における掃気処理制
御のフローチャートである。

【図１２】 この発明に係る燃料電池システムの第６の
実施の形態におけるシステム構成図である。

【図１３】 前記第６の実施の形態における掃気処理制
御のフローチャートである。

【図１４】 この発明に係る燃料電池システムの第７の
実施の形態におけるシステム構成図である。

【図１５】 前記第７の実施の形態における排水処理制
御のフローチャートである。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ６ 水素ポンプ １０ 水素ガス供給流路 ２０ 水素オフガス循環流路 ２２ 排気弁（排気手段） ２３ 排気流路（排気手段） ３０ 掃気ガス導入流路（掃気ガス導入手段） ３１ 掃気ガス導入弁３１（掃気ガス導入手段） ２５ 入口遮断弁（遮断弁） ２６ 出口遮断弁（遮断弁） ６２ ポンプ室（可動部） ６４ 吸込部 ６４ａ 液体貯留部 ６５ 吐出部 ６５ａ 液体貯留部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｂ 39/12 １０１ Ｆ０４Ｂ 39/12 １０１Ａ 41/00 41/00 Ｂ Ｆターム(参考） 3H003 AA06 AC01 BF00 CD01 CD05 3H076 BB03 CC92 CC93 CC94 CC95 5H027 AA06 BA13 BA19

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素ガスを吸い込んで吐出する水素ポン
   プであって、その吸込部と吐出部の少なくともいずれか
   一方に液体貯留部を設けるとともに、運転時に流れる水
   素ガスよりも水分含有量の低い水素ガスを運転停止時に
   可動部に流すことが可能な水素ポンプ。
2. 【請求項２】 燃料電池システムに用いられ、前記水分
   含有量の低い水素ガスは、燃料電池を流通していない水
   素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の水素ポ
   ンプ。
3. 【請求項３】 水素ガスと酸化剤ガスとを供給されて発
   電を行う燃料電池と、 前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給流路
   と、 前記燃料電池から排出される水素オフガスを前記水素ガ
   ス供給流路に戻す水素オフガス循環流路と、 前記水素ガス供給流路と前記水素オフガス循環流路のい
   ずれかに配置されて水素ガスを吸い込んで吐出する水素
   ポンプであり、運転時に流れる水素ガスよりも水分含有
   量の低い水素ガスを運転停止時に可動部に流すことが可
   能な水素ポンプと、 を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 【請求項４】 水素ガスと酸化剤ガスとを供給されて発
   電を行う燃料電池と、 前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給流路
   と、 前記燃料電池から排出される水素オフガスを前記水素ガ
   ス供給流路に戻す水素オフガス循環流路と、 前記水素ガス供給流路と前記水素オフガス循環流路のい
   ずれかに配置された請求項２記載の水素ポンプと、 を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記水素オフガス循環流路を流れるガス
   を排出可能にする排気手段と、 前記水素ガス供給流路を流れる水素ガスを前記水素ポン
   プの可動部に導入可能にする掃気ガス導入手段と、 前記燃料電池を停止させる際に、前記排気手段と前記掃
   気ガス導入手段を制御して前記水素ポンプ内を掃気する
   掃気制御手段と、 を備えることを特徴とする請求項３または請求項４に記
   載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記水素ポンプの上流および下流に配置
   され該水素ポンプへのガスの出入りを遮断可能な遮断弁
   と、 前記水素ポンプの掃気完了後に前記遮断弁を閉ざす密閉
   制御手段と、 を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池シ
   ステム。