JP5002985B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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

しかしながら、上述の燃料電池システムのように、貯留部を小型化すると、貯留部がすぐに貯留水で満杯になり、その貯留水が燃料電池システム内のガス流路に溢れ、燃料ガス等の流れを妨げるなどの弊害が生じるおそれがあった。そこで、このような燃料電池システムにおいて、貯留部からの貯留水の排出を速やかに行いたいという要望があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システムにおいて、貯留部内の貯留水の排水効率を向上させ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、
前記燃料ガス循環流路に設けられ、前記貯留部から前記燃料ガス循環流路に流入する前記燃料ガスまたは前記貯留水の流れを遮断可能な循環遮断弁と、
前記燃料ガス循環流路であって、前記循環遮断弁の配置位置より前記燃料ガスの循環方向に対して下流側の位置に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための循環ポンプと、
前記循環ポンプを駆動制御するポンプ制御部と、
前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを駆動制御している場合に、前記循環遮断弁を閉弁するように制御すると共に、前記排水弁を開弁するように制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させる弁制御部と、
を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、循環遮断弁の閉弁に伴い貯留部内の貯留水の水圧を高めて、排水弁から貯留水を排水ことができるので、貯留水の排水効率を向上させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記循環遮断弁は、前記燃料ガス循環流路の前記貯留部側の端部に設けるようにしてもよい。

このようにすれば、貯留部から燃料ガス循環流路に貯留水が流入することを防止することができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記弁制御部は、
前記燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時において、前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを駆動制御している場合に、前記循環遮断弁を閉弁制御し、前記排水弁を開制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させるようにしてもよい。

このようにすれば、掃気処理において、循環遮断弁の閉弁に伴い貯留部内の貯留水の水圧を高めて、排水弁から貯留水を排水ことができるので、貯留水の排水効率を向上させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記貯留部の貯留水が所定の水位になったか否かを監視する水位監視部を備え、
前記弁制御部は、
前記水位監視部が、前記貯留水が所定の水位になったと判断した場合であって、前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを駆動制御している場合に、前記循環遮断弁を閉弁制御し、前記排水弁を開制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させるようにしてもよい。

なお、水位監視部が、貯留水が所定の水位になったと判断するということは、水位監視部が、貯留水が所定量になったと判断することと同じ概念である。

このようにすれば、貯留水の水位が、上記所定の水位に達していない場合には、循環制御弁は開弁されており、この間は、燃料ガスが燃料電池システム内のガス流路を円滑に循環することができ、燃料電池が発電中であれば、この間、燃料電池の発電を円滑に行うことが可能である。

上記燃料電池システムにおいて、
前記所定の水位は、最大水位としてもよい。

このようにすれば、貯留水が最大水位（すなわち、満杯）になるまでは、循環制御弁は開弁されており、この間は、燃料ガスが燃料電池システム内のガス流路を円滑に循環することができ、燃料電池が発電中であれば、この間、燃料電池の発電を円滑に行うことが可能である。

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、
前記燃料ガス循環流路に設けられ、前記貯留部から前記燃料ガス循環流路に流入する前記燃料ガスまたは前記貯留水の流れを遮断可能な循環遮断弁と、
前記燃料ガス排出流路、または、前記貯留部に接続される加圧手段と、
前記加圧手段を制御し、前記貯留部内の前記貯留水を加圧する加圧制御部と、
前記加圧制御部が前記貯留部内の前記貯留水を加圧している場合に、前記循環遮断弁を閉弁するように制御すると共に、前記排水弁を開弁するように制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させる弁制御部と、
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、循環遮断弁の閉弁に伴い貯留部内の貯留水の水圧を高めて、排水弁から貯留水を排水ことができるので、貯留水の排水効率を向上させることができる。

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．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．発電中排水処理：
Ａ４．掃気処理：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の構成：
図１は、本発明の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、循環遮断弁３００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。

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。

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。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。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。

また、図２に示すように、ガス循環流路２７の端部には、貯留部７０からガス循環流路２７へ流入する流体（貯留水または燃料ガス）の流れを遮断可能な循環遮断弁３００が設けられ、貯留部７０は、この循環遮断弁３００を介してガス循環流路２７と接続される。ガス循環流路２７は、貯留部７０の他、燃料ガス供給流路２４とも接続され、また、ガス循環流路２７上には、循環ポンプ５０が設けられる。

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。この場合、ガスが循環する方向を循環方向と呼ぶ。また、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。

また、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、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。

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、排気排水弁２４０、循環遮断弁３００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と、水位監視部４３０と、ポンプ制御部４５０として機能し、後述する発電中排水処理または掃気処理を行う。これらの処理中、水位監視部４３０は、水位センサ７５から貯留水の水位（以下では、貯留水水位Ｘとも呼ぶ。）を検出している。以下では、この貯留水水位Ｘを、貯留部７０の貯留水が空の場合、「ＥＭＰＴＹ」とも表し、貯留部７０の貯留水が満杯の場合、「ＦＵＬＬ」とも表わすこととする。

ところで、本実施例の燃料電池システム１００は、例えば、自動車などに搭載されるため、小型化の要望があり、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、燃料電池１０の発電中において、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おそれがある。このように貯留水がオーバーフローして循環系流路を循環してしまうと、貯留水が、燃料ガスの流れを妨げるなど、種々の弊害が生じるおそれがある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００は、燃料電池１０の発電中において、貯留部７０から貯留水を速やかに排出するために、発電中排水処理を実行する。

Ａ３．発電中排水処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１００が行う発電中排水処理のフローチャートである。図４は、図３に示す発電中排水処理時における貯留水水位Ｘ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Ｘの推移に合わせて、循環遮断弁３００および排気排水弁２４０の開閉弁タイミングも示されている。

まず、この発電中排水処理の前提条件について説明する。この処理は、燃料電池１０の発電開始から行われ、循環遮断弁３００は、開弁されており、排気排水弁２４０は、閉弁されており、また、ポンプ制御部４５０は、この処理の開始（発電中開始）から循環ポンプ５０を駆動制御してガスを循環方向に循環させている。さらに、この処理において、水位監視部４３０は、水位センサ７５から、常時、貯留水水位Ｘを検出している。なお、この処理の開始前において、貯留水水位Ｘは、０（ＥＭＰＴＹ）である。それでは、図３および図４を用いて発電中排水処理について説明する。

図３、図４に示すように、水位監視部４３０は、発電中排水処理が開始されると、貯留水水位Ｘが最大（ＦＵＬＬ）になったか否か（すなわち、貯留部７０の貯留水が満杯になったか否か）を判断する（ステップＳ１０）。

図４に示すように、発電中排水処理開始後、燃料電池１０の発電に伴って、燃料ガス排出流路２６を介して貯留部７０に水が流れ込み、貯留水水位Ｘの水位は、上昇する。この間、水位監視部４３０は、待機する（ステップＳ１０：ＮＯ）。

そして、所定時間（この時刻を時刻Ｔ０とする。）後、貯留水は満杯になり、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが最大（ＦＵＬＬ）となったと判断すると（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、続いて、弁制御部４１０は、循環遮断弁３００を閉弁すると共に（ステップＳ２０）、排気排水弁２４０を開弁する（ステップＳ３０）。

このようにすれば、循環遮断弁３００の閉弁に伴い、貯留部７０とガス循環流路２７との間が遮断されるため、貯留部７０の貯留水が循環系流路にオーバーフローすることを抑制することができる。これにより、貯留水が循環系流路にオーバーフローすることに起因して、循環系流路を流れる燃料ガスの圧力損失が上昇することを抑制することができる。さらに、ポンプ制御部４５０が、循環ポンプ５０を循環方向に燃料ガスを循環させるように駆動制御しているので、循環遮断弁３００の閉弁に伴い、ガス循環流路２７における循環ポンプ５０と循環遮断弁３００との間を除く循環系流路内のガス圧力が上昇し、これにより、貯留部７０内の貯留水の水圧も上昇する。そのため、排気排水弁２４０の開弁に伴い、速やかに貯留水を排水することができ、貯留水の排水効率を向上させることが可能となる。なお、貯留水の貯留水水位Ｘが最大（ＦＵＬＬ）に達していない間は、循環遮断弁３００は、開弁されており、この間は、燃料ガスが燃料電池システム１００内の循環系流路を循環することができ、燃料電池１０の発電を円滑に行うことが可能である。

図４に示すように、排気排水弁２４０の開弁後（時刻Ｔ０後）、上述のように貯留部７０内の貯留水が速やかに排水されるので、貯留水水位Ｘは、一気に減少する。その際、水位監視部４３０は、貯留水水位Ｘが所定の閾値α以下に低下したか否かを監視している（ステップＳ４０）。閾値α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。

水位監視部４３０は、貯留水水位Ｘが閾値α以下に低下していない場合には（ステップＳ４０：ＮＯ）、待機する。これは、例えば、図４の時刻Ｔ０から後述する時刻Ｔ１の手前までの間に該当する。

そして、貯留水の排水が進み、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが閾値α以下に低下したと判断すると（ステップＳ４０：ＹＥＳ、この時の時刻を時刻Ｔ１とする。）、続いて、弁制御部４１０は、循環遮断弁３００を開弁する共に（ステップＳ５０）、排気排水弁２４０を閉弁する（ステップＳ６０）。このようにすれば、貯留水の排水が停止され、再び燃料ガスが循環系流路を循環し、燃料電池１０に円滑に燃料ガスが供給される。

その後、制御回路４００は、ステップＳ１０の処理にリターンする。制御回路４００は、以上の処理を、燃料電池１０の運転終了まで繰り返し行う。

なお、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、上述の発電中排水処理において、ステップＳ４０の処理で、水位監視部４３０が貯留水水位Ｘが閾値α以下に低下したと判断した場合であっても、そのまま排気排水弁２４０の開弁を継続し、貯留部７０内の貯留水を空（ＥＭＰＴＹ）にした後、不純ガスを排気する処理を定期的に行うようにしてもよい。

続いて、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。

Ａ４．掃気処理：
図５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６は、図５に示す掃気処理時における貯留水水位Ｘの推移を示すタイミングチャートである。この図６には、貯留水水位Ｘの推移に合わせて、循環遮断弁３００および排気排水弁２４０の開閉弁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、循環遮断弁３００は、開弁されており、排気排水弁２４０は、閉弁されている。ポンプ制御部４５０は、この処理の開始（発電中開始）から循環ポンプ５０を駆動制御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、貯留水水位Ｘを検出している。なお、この掃気処理において、燃料電池１０に所定の負荷がかかっていない場合があり、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。それでは、図５および図６を用いて掃気処理について説明する。

図５、図６に示すように、弁制御部４１０は、掃気処理が開始されると、循環遮断弁３００を閉弁し（ステップＳ１００）、排気排水弁２４０を開弁する（ステップＳ１１０）。

このようにすれば、ポンプ制御部４５０は、循環ポンプ５０を循環方向に燃料ガスを循環させるように駆動制御しているので、循環遮断弁３００の閉弁に伴い、循環ポンプ５０と循環遮断弁３００との間を除く循環系流路内のガス圧力が上昇し、これにより、貯留部７０内の貯留水の水圧も上昇する。そのため、排気排水弁２４０の開弁に伴い、貯留水は速やかに排水される。すなわち、上述のように、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁することで、貯留水の排水効率を向上させることが可能となる。

しかし、掃気処理開始時において、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に一気に流れ込むので、貯留水を速やかに排水しても、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６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Ｔ０ａとする。）、貯留部７０は貯留水で満杯（ＦＵＬＬ）になる。

その後、貯留部７０において、燃料電池１０のアノード流路２５等にある水の流入が続くことにより、貯留水が満杯の状態で速やかに排水が続く。この間、水位監視部４３０は、貯留水水位Ｘが所定の閾値α以下に低下したか否かを監視している（ステップＳ１２０）。そして、しばらくして、貯留部７０において、燃料電池１０のアノード流路２５等にある水の流入が収まると、貯留部７０の貯留水は、速やかに排出されているので、図６に示すように、急激に貯留水水位Ｘが低下する。

そこで、貯留水水位Ｘが急激に低下し、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが所定の閾値α以下に低下したと判断すると（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、弁制御部４１０は、循環遮断弁３００を開弁し（ステップＳ１３０）、排気排水弁２４０を閉弁する（ステップＳ１４０）。このようにすれば、貯留水の排水が停止され、再び燃料ガスが循環系流路を循環し、燃料電池１０に円滑に燃料ガスが供給される。

その後、ポンプ制御部４５０は、循環ポンプ５０の駆動を停止させ（ステップＳ１５０）、この掃気処理を終了する。

ところで、貯留部を貯留水がオーバーフローすると、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、掃気時間が長くなってしまうおそれがある。一方、本実施例の燃料電池システム１００は、以上のように、掃気処理において、貯留水を排水する際に、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁しているので、循環遮断弁３００の閉弁に伴い、貯留部７０とガス循環流路２７との間が遮断されるため、貯留部７０の貯留水が循環系流路にオーバーフローすることを抑制することができる。そのため、貯留水のオーバーフローに起因して掃気時間が長くなることを抑制することができる。

循環遮断弁３００は、請求項における循環遮断弁に該当する。排気排水弁２４０は、請求項における排水弁に該当する。貯留部７０は、請求項における貯留部に該当する。水位監視部４３０は、請求項における水位監視部に該当する。循環ポンプ５０は、請求項における循環ポンプに該当する。弁制御部４１０およびポンプ制御部４５０は、請求項における制御部に該当する。

Ｂ．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。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池システム１００は、掃気処理（図５）において、循環ポンプ５０を駆動させた状態で、循環遮断弁３００を閉弁することで、循環系流路内のガス圧力を上昇させ、これにより、貯留部７０内の貯留水の水圧を上昇させるようにしていたが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１００を、以下の燃料電池システム１００ａのごとく構成し、上述した掃気処理（図５）において、循環系流路内のガス圧力を上昇させることにより、貯留部７０内の貯留水の水圧を上昇させるようにしてもよい。

図７は、変形例１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。変形例１の燃料電池システム１００ａは、上記実施例の燃料電池システム１００と類似する構成を有する。本変形例の燃料電池システム１００ａは、図７に示すように、上記実施例の燃料電池システム１００に加え、燃料ガス排出流路２６上の貯留部７０近傍に設けられる遮断弁３１０と、燃料ガス排出流路２６において、遮断弁３１０と貯留部７０との間の位置に接続されるエア流路３１５と、エア流路３１５上に設けられるエア遮断弁３２０と、エア流路３１５と接続されるコンプレッサ３３０とを備える。燃料電池システム１００ａにおいて、燃料電池システム１００と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。本変形例の燃料電池システム１００ａでは、弁制御部４１０が、遮断弁３１０と、エア遮断弁３２０を制御し、制御回路４００が、コンプレッサ３３０を制御する。なお、掃気処理開始前において、遮断弁３１０は、開弁されており、エア遮断弁３２０は、閉弁されている。

そして、燃料電池システム１００ａは、掃気処理（図５）において、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁すると共に、弁制御部４１０に遮断弁３１０を閉弁させ、エア遮断弁３２０を開弁させ、さらに、制御回路４００にコンプレッサ３３０を駆動させるようにしてもよい。このようにすれば、掃気処理において、循環系流路内のガス圧力をより素早く上昇させ、貯留部７０内の貯留水の水圧をより素早く上昇させることができる。その結果、排気排水弁２４０の開弁に伴い、貯留水を速やかに排水することが可能となり、貯留水の排水効率を向上させることが可能となる。

なお、この変形例１において、エア流路３１５は、燃料ガス排出流路２６に接続されているが、これを貯留部７０に直接接続するようにしてもよい。貯留部７０における接続場所は、例えば、貯留部７０の上部が好ましい。このようにしても、上記変形例１と同様の効果を奏することができる。

コンプレッサ３３０は、請求項における加圧手段に該当する。制御回路４００は、請求項における制御部に該当する。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池システム１００では、循環遮断弁３００は、ガス循環流路２７の端部に設けられていたが（図２参照）、本発明は、これに限られるものではない。循環遮断弁３００は、ガス循環流路２７において、循環ポンプ５０が設置された位置より循環方向の上流側の位置であれば、どの位置に設けられていてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例の燃料電池システム１００では、循環ポンプ５０は、ガス循環流路２７に設けられていたが（図１参照）、本発明は、これに限られるものではない。例えば、循環ポンプ５０を燃料ガス排出流路２６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できる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池システム１００が行う発電中排水処理（図３）において、弁制御部４１０は、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが最大（ＦＵＬＬ）になった場合に、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁するようにしていたが、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、水位監視部４３０が、貯留水水位Ｘが最大（ＦＵＬＬ）になる手前の所定値になった場合に、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。このようにすれば、貯留部７０から貯留水が循環系流路にオーバーフローすることをより抑制することができる。

また、例えば、弁制御部４１０は、発電中排水処理において、定期的に、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池システム１００が行う掃気処理（図５）において、弁制御部４１０は、掃気処理が開始されると、循環遮断弁３００を閉弁し、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、水位監視部４３０が貯留部７０の貯留水の貯留水水位Ｘが所定値（例えば、最大（ＦＵＬＬ））になったと判断した場合に、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁す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できる。

また、例えば、弁制御部４１０は、掃気処理において、定期的に、循環遮断弁３００を閉弁し、排気排水弁２４０を開弁するようにしてもよい。

Ｂ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池システム１００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。 上記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。 上記実施例の燃料電池システム１００が行う発電中排水処理のフローチャートである。 図３に示す発電中排水処理時における貯留水水位Ｘの推移を示すタイミングチャートである。 上記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５に示す掃気処理時における貯留水水位Ｘの推移を示すタイミングチャートである。 上記変形例１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。

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…循環遮断弁
３１０…遮断弁
３１５…エア流路
３２０…エア遮断弁
３３０…コンプレッサ
４００…制御回路
４１０…弁制御部
４３０…水位監視部
４５０…ポンプ制御部

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、
   前記燃料ガス循環流路に設けられ、前記貯留部から前記燃料ガス循環流路に流入する前記燃料ガスまたは前記貯留水の流れを遮断可能な循環遮断弁と、
   前記燃料ガス循環流路であって、前記循環遮断弁の配置位置より前記燃料ガスの循環方向に対して下流側の位置に設けられ、前記燃料ガスを循環させるための循環ポンプと、
   前記循環ポンプを駆動制御しつつ、前記循環遮断弁を閉弁するように制御すると共に、前記排水弁を開弁するように制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させる制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記循環遮断弁は、前記燃料ガス循環流路の前記貯留部側の端部に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記弁制御部は、
   前記燃料電池の運転停止後に行う掃気処理時において、前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを駆動制御している場合に、前記循環遮断弁を閉弁制御し、前記排水弁を開制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記貯留部の貯留水が所定の水位になったか否かを監視する水位監視部を備え、
   前記弁制御部は、
   前記水位監視部が、前記貯留水が所定の水位になったと判断した場合であって、前記ポンプ制御部が、前記循環ポンプを駆動制御している場合に、前記循環遮断弁を閉弁制御し、前記排水弁を開制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定の水位は、最大水位であることを特徴とする燃料電池システム。
6. 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、
   前記燃料ガス循環流路に設けられ、前記貯留部から前記燃料ガス循環流路に流入する前記燃料ガスまたは前記貯留水の流れを遮断可能な循環遮断弁と、
   前記燃料ガス排出流路、または、前記貯留部に接続される加圧手段と、
   前記貯留部内の前記貯留水を加圧するように前記加圧手段を制御しつつ、前記循環遮断弁を閉弁するように制御すると共に、前記排水弁を開弁するように制御して、前記貯留部内の前記貯留水を前記貯留部外に排出させる制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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