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JP3820992B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に空気供給系の結露を防止した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムを低温雰囲気で停止した場合、システム内の結露が凍結して、再始動に影響することがある。例えば、燃料電池システムを停止状態で０℃以下の低温雰囲気に放置すると、空気中に含まれる水分により空気流量制御手段が凍結し、起動時に氷を溶解して空気流量制御手段を可動状態にすることが必要となる。このような解氷手段として、従来は空気供給手段であるコンプレッサ等を最高効率点より高い圧縮圧力で運転し、空気の断熱圧縮により得られる高温空気により、システムの温度を上昇させて解凍する方法（特開２０００−１２０６０号公報）などが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の空気供給手段から供給される高温空気によりシステムの温度を上昇させ空気流量制御手段の解凍を行う方法は、氷の溶解までに時間がかかるため、システム起動時間が長くなるという問題点があった。
【０００４】
また、通常発電停止時には空気流量制御手段が全閉状態を維持するため、凍結し固着した場合空気供給手段から供給される空気が空気流量制御手段より下流に位置する装置に行き渡らないため、さらにシステム起動時間が長くなるという問題点があった。
【０００５】
さらに、一般に加熱器や電熱器を用いて氷を溶解させる方法も考えられるが、この場合システムが複雑になる上にバッテリー等付属のエネルギを使用する必要があるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記のごとき問題点を解決するためになされたものであり、空気流量制御手段の凍結、固着を防止し、起動時間の短い燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、燃料電池システムに空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段から空気を供給する流路の開度を変化させて空気流量を制御する空気流量制御手段とを備え、前記燃料電池システムを停止する際あるいは停止後に前記空気量制御手段が凍結する可能性があると判断するための条件成立時に、前記空気流量制御手段の開度を流速の速い空気を流す水滴除去開度とし、前記水滴除去開度で空気を流すことによって前記空気流量制御手段に付着した水滴を吹き飛ばす水滴除去手段を設けたことを要旨とする燃料電池システムである。
【０００８】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、原燃料を改質触媒下で改質反応し水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質手段と、該燃料改質手段が生成した改質ガスと前記空気供給手段から供給する空気から発電する発電手段と、該発電手段が排出する排気ガスを前記空気供給手段から空気の供給を受けて燃焼する燃焼手段と、を備え、前記空気流量制御手段は、前記空気供給手段から前記燃料改質手段及び前記発電手段及び前記燃焼手段のそれぞれに通じる流路の開度を変化させて空気流量を制御し、前記水滴除去手段は、前記発電手段の発電を停止する際あるいは停止後、前記燃料改質手段の温度が十分低下した状態で前記条件成立時に、前記空気流量制御手段の開度を流速の速い空気を流す水滴除去開度とし、該水滴除去開度において空気を流すことによって前記空気流量制御手段に付着した水滴を吹き飛ばすことを要旨とする。
【０００９】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、水素貯蔵手段が供給する水素ガスと前記空気供給手段から供給する空気から発電する発電手段と、該発電手段が排出する排気ガスを前記空気供給手段から空気の供給を受けて燃焼する燃焼手段と、を備え、前記空気流量制御手段は、前記空気供給手段から前記発電手段及び前記燃焼手段のそれぞれに通じる流路の開度を変化させて空気流量を制御し、前記水滴除去手段は、前記発電手段の発電を停止する際あるいは停止後、システムの温度が十分低下した状態で前記条件成立時に、前記空気流量制御手段の開度を流速の速い空気を流す水滴除去開度とし、該水滴除去開度において空気を流すことによって前記空気流量制御手段に付着した水滴を吹き飛ばすことを要旨とする。
【００１０】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、システム停止時に該外気温度検出手段により検出された外気温度が所定の温度以下の場合を前記条件とすることを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記空気流量制御手段の温度を検出するシステム温度検出手段と、を備え、前記外気温度検出手段によって検出された外気温度と前記システム温度検出手段によって検出された前記空気流量制御手段の温度との差が所定の温度差以下となった場合を前記条件とすることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、前記空気流量制御手段のうち少なくとも一つの湿度を検出するシステム湿度検出手段を備え、該システム湿度検出手段によって検出された湿度が所定の湿度となった場合を前記条件とすることを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、前記空気流量制御手段内の温度と湿度がそれぞれの所定値となる場合を前記条件として水滴除去を行うことを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、水滴除去を行う空気を前記空気供給手段から供給する水滴除去空気供給手段を備え、該水滴除去空気供給手段から供給される空気を吸湿手段を通して除湿した乾燥空気を使用することを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため請求項９記載の発明は、請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸湿手段は、システム起動時に前記燃焼手段の熱によって加熱され、貯えた水分を排出することにより再生可能であることを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため請求項１０記載の発明は、請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、前記吸湿手段は、該吸湿手段の質量を検出する質量検出手段と、該質量検出手段が所定の質量を検出した場合、該吸湿手段の交換が必要なことを報知する報知手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、水滴除去を行う空気を供給する水滴除去空気供給手段としてシステム下流に蓄圧手段を備え、前記空気供給手段から供給される空気を該蓄圧手段に蓄え、その後システム上流に設けられた空気逆流手段を用いて、システム内を逆流させることを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため請求項１２記載の発明は、請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、前記蓄圧手段は、蓄えた空気から水分を除去する吸湿手段を備えたことを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため請求項１３記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、直列に配置された複数の前記空気流量制御手段に対して水滴除去を行う場合、前記水滴除去空気供給手段に近い空気流量制御手段から一つづつ順次開度を水滴除去開度とし、他の空気流量制御手段は全開とすることを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため請求項１４記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、並列に配置された複数の空気流量制御手段に対して水滴除去を行う場合、水滴除去を行う空気流量制御手段を水滴除去開度とし、他の空気流量制御手段は全閉とすることを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため請求項１５記載の発明は、請求項１３に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、前記水滴除去空気供給手段から離れた空気流量制御手段ほど、水滴除去を行う際の空気流量制御手段の開度を水滴除去開度に保持する時間を長くすることを要旨とする。
【００２２】
上記目的を達成するため請求項１６記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、空気流量制御手段の周囲の条件によって、水滴除去を行う空気流量制御手段の開度を水滴除去開度とする時間を変化させることを要旨とする。
【００２３】
上記目的を達成するため請求項１７記載の発明は、請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの前記空気流量制御手段にシステム内温度を検出するシステム内温度検出手段を備え、前記水滴除去手段は、前記システム内温度検出手段によって検出された温度に応じて、水滴除去を行う空気流量制御手段を水滴除去開度に保持する時間を変化させることを要旨とする。
【００２４】
上記目的を達成するため請求項１８記載の発明は、請求項１６に記載の燃料電池システムにおいて、少なくとも一つの前記空気流量制御手段にシステム内湿度を検出するシステム内湿度検出手段を備え、前記水滴除去手段は、前記システム内湿度検出手段によって検出された湿度に応じて、水滴除去を行う前記空気流量制御手段を水滴除去開度に保持する時間を変化させることを要旨とする。
【００２５】
上記目的を達成するため請求項１９記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水滴除去手段は、水滴除去を行う前記空気流量制御手段の開度を周期的に変化させることを要旨とする。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、システム停止後十分冷えた状態で空気量制御手段が凍結する可能性があると判断するための条件成立時に、空気流量制御手段の開度を狭く開け空気を流すため、空気流量制御手段においてノズルの様な効果が得られ、空気流量制御手段に付着した水滴の除去を行うことができ、システムを低温雰囲気に保管した場合でも空気流量制御手段が凍結し固着することを防止でき短時間でのシステム起動が可能となるという効果がある。
【００２７】
請求項４記載の発明によれば、外気温度検出手段で検出した外気温度が例えば０℃を下回る時のみ水滴除去を行うことができるため、不要な水滴除去動作を抑制し、水滴除去に使用するエネルギ量を低減することができるという効果がある。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、外気温によって冷された空気流量制御手段の壁面への結露による凍結を防ぐことができるという効果がある。
【００２９】
請求項６記載の発明によれば、空気流量制御手段の湿度を直接検出した結果に基づいて、凍結の原因となる結露を防ぐことができるという効果がある。
【００３０】
請求項７記載の発明によれば、ある温度における空気流量制御手段内の空気中の飽和水蒸気量が全て空気流量制御手段に凍結したとしても、空気流量制御手段の可動部（バルブ）の駆動力のみで凍結を解除できる前記温度で水滴除去を行うことができるようになり、停止後に外気温度が０℃以下になった場合においても次回の起動の際、万一バルブが凍結してもバルブの駆動力のみで凍結を解除できる、と共に水滴除去を速く完了でき停止動作を速く終了できるという効果がある。
【００３１】
請求項８記載の発明によれば、新たに空気供給手段を追加することなく簡易な装置構成によって空気流量制御手段に付着した水滴の除去を行うことができるという効果がある。
【００３２】
また、水滴除去時の空気は吸湿手段を通過することにより空気中の水分が除去され、システム内に乾燥した空気が充填されることとなり結露を防止することができ、また通常運転時には通過しないラインに設置されるため、通常運転時の圧力損失に影響しないという効果がある。
【００３３】
請求項９記載の発明によれば、空気流量制御手段に付着した水滴の除去に要するランニングコストを抑制することができるという効果がある。
【００３４】
請求項１０記載の発明によれば、再生可能ではない吸湿手段を用いた場合にも交換時期が容易に判かるという効果がある。
【００３５】
請求項１１記載の発明によれば、通常運転時とは逆向きの流れの空気にて水滴除去を行えるようになり、より効果的に空気流量制御手段へ付着した水滴を除去することができる。
【００３６】
請求項１２記載の発明によれば、乾燥空気によって水滴除去ができるようになり、水滴除去後の再結露を防止することができるという効果がある。
【００３７】
請求項１３記載の発明によれば、任意の空気流量制御手段において除去した水滴が別の空気流量制御手段に付着した場合でも確実に除去することができるという効果がある。さらに、水滴除去を行っていない空気流量制御手段は全開とするため、圧力損失が小さく、水滴除去空気供給手段から最も離れた空気流量制御手段においても確実な水滴除去が可能となるという効果がある。
【００３８】
請求項１４記載の発明によれば、水滴除去を行う空気流量制御手段に無駄なく水滴除去に用いる空気を供給することができるという効果がある。
【００３９】
請求項１５記載の発明によれば、水滴除去空気供給手段から離れて運動エネルギの低下した空気でも確実に水滴除去を行うことができるという効果がある。
【００４０】
請求項１６記載の発明によれば、付着している水滴が多い場合でも確実に除去することができるという効果がある。
【００４１】
請求項１７記載の発明によれば、多量の水滴付着が予測される低温時にも確実に温度に応じて水滴除去時間を変化させることができるようになり、空気流量制御手段の凍結を未然に防止することができるという効果がある。
【００４２】
請求項１８記載の発明によれば、多量の水滴付着が予測される多湿時にも確実に湿度に応じて水滴除去時間を変化させることができるようになり、空気流量制御手段の凍結を未然に防止することができるという効果がある。
【００４３】
請求項１９記載の発明によれば、水滴除去中の空気の流れに変化が発生するため、定常的な流れでは除去しきれない水滴についても除去することができるという効果がある。
【００４４】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システムは、空気を濾過するエアフィルター１と、各部の空気流量を検出するエアフローメータ２と、濾過した空気を圧縮して燃料電池システム各部に供給する空気供給手段であるコンプレッサ３と、コンプレッサ３を駆動する駆動モータ４と、エアフローメータ５，６，７と、流量制御弁８，９，１０と、原燃料を改質触媒下で改質反応し水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質手段である改質器１１と、改質器１１からの改質ガスとコンプレッサ３からの空気とで発電する発電手段である燃料電池本体１２と、圧力制御弁１３，１４と、燃料電池本体１２が排出する排気ガスをコンプレッサ３からの空気の供給を受けて燃焼させる燃焼手段である燃焼器１５と、燃焼器１５からの排気騒音を低減する消音器１６と、方向制御弁１７，１８とを備えている。
【００４５】
また、図１中の１から４を空気供給手段、エアフローメータ５と流量制御弁８、エアフローメータ６と流量制御弁９、エアフローメータ７と流量制御弁１０の組合せそれぞれを空気流量制御手段とする。
【００４６】
また、コンプレッサ３は水滴除去空気供給手段と共通である。さらに、方向制御弁１９，２０と、水滴除去用の空気を除湿するエアドライヤ２１と、エアドライヤ２１を燃焼器１５の廃熱で加熱することによりエアドライヤ２１を再生するエアドライヤ乾燥機２２とは、吸湿手段とする。
【００４７】
空気供給手段は、エアフィルター１にて清浄された空気をエアフローメータ２にて流量を検出し、コンプレッサ３の吐出量が所望の流量となるようコンプレッサ駆動モータ４を制御している。
【００４８】
空気流量制御手段は、改質器１１，燃料電池本体１２，燃焼器１５への流路それぞれに設けられており、エアフローメータ５，６，７にて検出した流量から所望の下流流量となるよう流量制御弁８，９，１０の開度を変更し、改質器１１，燃料電池本体１２，燃焼器１５へ供給する空気流量を制御している。
【００４９】
改質器１１は、図外の原燃料タンク等からメタノールやガソリンといった炭化水素系燃料と水及びコンプレッサ３から供給される空気を用いて、改質触媒にて改質反応を起こし、Ｈ2 とＣＯの混合ガスを生成する。ＣＯは燃料電池本体１２の白金電極を被毒させ燃料電池本体１２の性能を著しく低下させることから、改質器１１は、選択酸化反応手段等を用いて混合ガス中のＣＯ除去を行い、水素リッチな改質ガスを生成する装置も備えている。
【００５０】
燃料電池本体１２は、改質器１１で生成される改質ガスを燃料極に供給され、コンプレッサ３から供給される空気を空気極に供給され、改質ガス中の水素と空気中の酸素による電気化学反応により発電を行う。
【００５１】
圧力制御弁１３及び１４は、燃料電池本体１２の燃料極と空気極の圧力バランスを制御するものであり、一種の流量制御手段である。
【００５２】
燃焼器１５は、燃料電池本体１２から排出される反応後の改質ガスと空気を触媒にて酸化させ、大気への放出可能な水蒸気等物質へ変化させる。方向制御弁１７は通常運転中は開、方向制御弁２０，１９は閉状態にある。
【００５３】
図２は第２の実施形態の例であり、図１の燃料電池システムの改質器１１を水素貯蔵手段である水素ボンベ２５へ置き換えたものであり、改質器１１が不要となるため、より簡易なシステム構成とすることができる。コンプレッサ３，燃料電池本体１２及び燃焼器１５は、図１と同様であるが空気流量制御手段として、エアフローメータ５と流量制御弁８、エアフローメータ６と流量制御弁９の２対を有し、また燃料電池本体１２へ供給される水素ガスは、減圧弁２６，フローメータ２７及び流量制御弁１０からなる水素流量制御手段にて所望の流量に制御され燃料極へ供給される。
【００５４】
なお、図２に示されている図１と同一の装置には同一の符号が付されている。また、図２において、２３が方向制御弁、２４が蓄圧手段を示しており、これら２３と２４の組合せを逆流手段とする。また、図２においては蓄圧手段２４を水滴除去空気供給手段とする。
【００５５】
本図では改質手段を用いたシステムである図１に吸湿手段、水素ボンベを用いたシステムである図２に逆流手段を示しているが、図１の図２と同等位置に逆流手段、図２の図１と同等位置に吸湿手段を設けても、同様の効果が得られる。
【００５６】
従来例では発電停止時に図１の流量制御弁８，９，１０及び図２の流量制御弁８，９をシステム内部が高温の状態で閉とするため、システム冷却後に結露を起こし０℃以下の低温雰囲気でシステムを保管した場合、図１の流量制御弁８，９，１０及び図２の流量制御弁８，９の凍結、固着が発生し、次起動時にコンプレッサ３から供給される高温空気によって流量制御弁の凍結が溶解するまでの時間を要しシステム起動までに長時間を要することとなる。
【００５７】
本発明においては、発電停止時及び停止後に、図１の水滴除去空気供給手段（コンプレッサ）３または図２の水滴除去空気供給手段（蓄圧器）２４からの空気を用いて、図１の流量制御弁８，９，１０、圧力制御弁１３，１４及び図２の流量制御弁８，９に付着した水滴を吹き飛ばすため、結露、凍結することがなく起動時間の短縮を図ることができる。
【００５８】
以下、図１の第一の実施形態を主に説明する。
図３に本発明のフローチャートを示す。
まずステップＳ１にて、発電停止信号等の入力により発電停止シーケンスが起動し、ステップＳ２で改質器１１、燃料電池本体１２、燃焼器１５への空気供給を停止し、該反応を停止するために、方向制御弁１７，１８及び空気流量制御手段８，９，１０及び圧力制御手段１３，１４を閉とする。
【００５９】
次いでステップＳ３にて改質器１１、燃料電池本体１２、燃焼器１５の反応が止ったことを確認し、ステップＳ４にて、水滴除去を起動するか否かを判定する条件である水滴除去起動条件の成否の判断を行う。ステップＳ４で条件が成立しなければ、ステップＳ５でシステム停止から所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過していなければステップＳ４へ戻る。ステップＳ５の判定で所定時間経過していれば、次のステップＳ６以下の処理により、吸湿手段などを通してできるだけ水分を含まない空気でエアブローを行うと共に、システム配管内に含水量の少ない空気を充填して、外気温低下時に結露する水分量を減らす処理をおこなう。
【００６０】
ステップＳ４の水滴除去起動条件としては、いくつかの条件が考えられ、その一つである第１水滴除去起動条件として、凍結を防ぐためにシステム外気温度が０℃以下の場合とすることができる。この場合、ステップＳ４の条件判定から実際に水滴除去を行うまでには、ある程度の起動遅延時間が経過して、システム内に結露が発生してから水滴除去を行うことが望ましい。この起動遅延時間もシステム外気温度を参照して、外気温度が低いほど短く制御することもできる。
【００６１】
第２水滴除去起動条件としては、システム内の湿度を検出する手段を備え、システム内の湿度が１００％になった場合に水滴除去を行う判断をすることができる。この場合も、実際に水滴除去を行う際にはシステム内の湿度が１００％になってからある程度時間が経過して、システム内に結露が発生してから水滴除去を行うことが望ましい。
【００６２】
第３水滴除去起動条件を以下に示す。
図４は温度と空気中の飽和水蒸気量との関係を模式的に表したものである。ここで、システムはシステム内の温度Ｔ１、Ｔ２（Ｔ１，Ｔ２は同じ位置の温度）と外気温度Ｔ０を検出する装置を備えている。図４中、φ１と曲線が交差する温度以下で結露は発生するが、システムはＴ０という雰囲気温度下に停止状態で保管されるため、放っておくとシステム内温度はＴ０に向かって下がる（Ｔ１→Ｔ２）ことになる。そのため、φ１となる温度にて水滴除去を行っても、すぐに再び結露することになる。
【００６３】
このため、前述の第１水滴除去起動条件では、外気温度が０℃以下の時にシステム停止からある時間が経過してから実際の水滴除去を行うようにしたが、次に説明する第３水滴除去起動条件では、システム内温度がＴ０にできるだけ近づいて所定値Ｔ２になった時を水滴除去条件が成立したと判断して水滴除去を行う。
【００６４】
この場合、理想的には、Ｔ２＝Ｔ０の場合に水滴除去を行えば、結露にて発生した水滴が全て除去でき、以後、Ｔ０に変化がなければシステム内に結露が発生することはない。しかし、Ｔ２がＴ０にサチレートするまでには長い時間を要する。このために、Ｔ０とＴ２の差がＴ０とＴ１の差に対して所定値（所定の割合、例えば７０％）低下した時の温度のよう決めると、長い時間を要せずにシステムがＴ０まで低下した場合のうちの大部分の結露を水滴除去させることができる。ここで７０％という所定値は、この値に限られたものではなく設計値として決められる所定値である。
【００６５】
ここで、Ｔ２が氷点下である場合には水滴除去前に凍結してしまう可能性があるので、Ｔ２＜０℃であればＴ２になるのを待たず０℃になる直前で水滴除去を行うようにすればよい。
【００６６】
水滴除去条件が成立したと判断する温度Ｔ２の決め方としては、さらに次のような方法がある（第４水滴除去起動条件）。ここでの方法はシステム停止後に例えば数日後に外気温度が氷点下以下になったような場合にでもバルブが凍結しないようにするためのものであり、これまで説明したＴ２との意味が異なるのでＴ２をＴ２’とする。
【００６７】
まず、次回の起動の際、万一バルブが凍結しても、バルブの駆動力のみで凍結を解除できる水分量φ２をあらかじめ実験的に求めておく。次に、湿度１００％のＴ２’が０℃まで温度低下した時の結露量がφ２となるようにして所定の温度Ｔ２’を求める。ここで温度Ｔ２’になった時に水滴除去すれば、停止後に外気温度が０℃以下になった場合においても次回の起動を確実にすると共に、水滴除去を速く完了でき、停止動作を速く終了できる。
【００６８】
ここで、水滴除去の対象とするバルブが反応器上流にある場合、即ち流量制御弁８，９，１０の場合、システムに導入される空気中の水分量は外気と同じであるので、システム停止時に外気温度と湿度を計測して、この時の外気がシステム内でＴ２’℃になった時の水分量を算出し、この水分量が、温度Ｔ２’℃で湿度１００％の時の水分量以上でなければ、水滴除去を行わないようにする。
【００６９】
この場合、結露した水分量はバルブの駆動力のみで凍結を解除できる水分量φ２より少ないので、温度がＴ２に低下するのを待たずに、システム停止操作時に直ちに水滴除去を行わないでよいという判断ができる。これにより、水滴除去の必要の無いときに直ちに水滴除去を行うことを防止できる。
【００７０】
また、水滴除去の対象とするバルブが反応器下流にある場合、即ち、圧力制御弁１３，１４の場合、システム停止時にシステム内の温度と湿度を計測しておけば、システム内の温度が温度Ｔ２’になった時の湿度を算出することができ、この温度Ｔ２’時の湿度が１００％に達していなければ凍結しても問題が生じる結露量にはならないので、水滴除去を行わないでよいという判断ができる。
【００７１】
これにより前述と同様に、水滴除去の必要の無いときに水滴除去を行うことを防止できる。一例を挙げると、例えば、システム内温度が８０℃でシステム内の湿度が１０％と低い値であり、Ｔ２’が２０℃であったような場合にはＴ２’が２０℃になった時に湿度が１００％となることはないと考えられるので、このような場合には水滴除去は行わなくてよい。
【００７２】
以上説明した第１水滴除去起動条件ないし第４水滴除去起動条件の各条件のうち少なくとも一つが満たされた場合、図３のステップＳ４の水滴除去起動条件が成立したものとする。次いで、ステップＳ６にて空気流量制御手段を水滴除去開度に開き、ステップＳ７で水滴除去空気をシステム内に流入させ、空気流量制御手段に付着した水滴を除去する。水滴を除去した後にステップＳ８でバルブを全て閉じて終了する。
【００７３】
ステップＳ７における水滴除去空気の流入方法として、図１の様にコンプレッサ３を用いシステム順方向に空気を流入する方法や、図２の様に蓄圧手段２４に一度空気を貯え、方向制御弁２３を開とすることによって生じる逆流を用いる方法が考えられる。この時、流入する空気が乾燥しているほど、さらに外気温度が下がった場合に再度結露することがないため、吸湿手段または燃焼器１５を通過させた乾燥した空気を流入させる。
【００７４】
具体的には、コンプレッサ３を用いて空気を流入させる場合、図１のようにコンプレッサ３の下流に吸湿手段１９，２０，２１を設け、水滴除去空気流入時には、方向制御弁１７を閉、方向制御弁１９及び２０を開としてエアドライヤ２１を通過し乾燥した空気をシステム内に流入させる。
【００７５】
ところで、吸湿手段としてシリカゲル等の再生可能な吸湿材を用いた場合は、システム起動時に燃焼器１５からの高温の排ガスがエアドライヤ乾燥機２２によって加熱され、エアドライヤ２１に吸着した水分を放出することにより、エアドライヤ２１を再生することができる。
【００７６】
また加熱によって水分を放出できない吸湿手段、例えば生石灰を用いた場合、エアドライヤ２１の質量を検出する装置を設け、図５のように吸湿手段が飽和したときの質量Ｍm より軽い所定の質量Ｍ1 が検出された時Ｔc に吸湿手段の交換が必要であることを報知する装置を設けることもできる。
【００７７】
また、蓄圧手段２４を用いる場合には、図２の通り蓄圧手段２４を燃焼器１５の下流に設け、蓄圧手段内に設けられた、例えばシリカゲル、生石灰などの吸湿手段により、乾燥した空気を蓄圧手段２４に貯え逆流させることもできる。
【００７８】
水滴除去時の空気流量制御手段の制御には種々のものが考えられる。例えば、燃料電池発電システムは複数個の空気流量制御手段を有することがほとんどであり、これらが直列に配置されている場合には、水滴除去空気供給手段から近いものから順次水滴除去開度（Ｘ）とし、水滴除去を行うことが好ましい。
【００７９】
図１の場合、空気流量制御弁９と圧力制御弁１４、空気流量制御弁１０と圧力制御弁１３がそれぞれ直列に設けられているため、図６のタイムチャートの様に水滴除去空気供給手段であるコンプレッサ３に近い空気流量制御手段から順に、バルブ開度を水滴除去開度（Ｘ）として水滴除去を行う。このとき、水滴除去を行なうバルブと直列に配置されている他のバルブの開度は、１００％全開としている。
【００８０】
また、図１の空気流量制御弁８，９，１０の様に複数の空気流量制御手段が並列に設けられている場合には、図７のタイムチャートの様に水滴除去対象の空気流量制御手段だけを水滴除去開度（Ｘ）とし、その水滴除去期間中、他の空気流量制御手段は全閉とすることにより、対象となる空気流量制御手段に供給される空気圧を高めることが好ましい。
【００８１】
尚、少なくとも１つの空気流量制御手段が直列に接続された流路が複数並列に配置されている場合、複数の並列流路から一つの流路を水滴除去対象として選択し、他の流路を全閉として、対象の流路における水滴除去空気供給手段（コンプレッサ３）に近い空気流量制御手段から順に、バルブ開度を水滴除去開度（Ｘ）として水滴除去を行う。
【００８２】
さらに、水滴除去開度に保持する時間に関して、図６のタイムチャートのｔ1 ，ｔ2 は図１における空気流量制御弁９と圧力制御弁１４を水滴除去開度に保持する時間を示しているが、図１における水滴除去空気供給手段であるコンプレッサ３から離れている圧力制御弁の開度保持時間ｔ2 を空気流量制御弁９の開度保持時間ｔ1 より長くすることも考えられる。
【００８３】
また、空気流量制御手段の近傍にシステム内温度を検出する装置を設け、図８に模式的に示すように、温度が低いほど水滴除去開度を保持する時間が長くなるように制御することができる。この場合のシステム内の温度は、前述の第１、第２水滴除去起動条件において、システム停止後ある程度時間が経過した後のシステム内温度低下とすると、結露が多くなる温度低下の低い方が、水滴除去に必要な水滴除去保持時間を保持することができる。さらに、前述の第２水滴除去起動条件においては、図９の模式的に示すように、システム停止操作直後の湿度が高いほど水滴除去開度保持時間を長くするようにすれば、水滴除去時に結露した水分量が多い場合に確実に水滴除去を行うことができる。
【００８４】
水滴除去開度についても図１０に模式的に示すように、水滴除去開度を振幅Ａ、周波数ｆで周期的に変化させることが考えられる。
【００８５】
なお、方向制御弁については閉状態で水滴除去空気供給手段から空気を供給し、方向制御弁に空気を溜め、その後開とすることによって同様の効果を得る方法が考えられる。
【００８６】
また、燃料電池本体１２は内部の電解膜が水分を含んでいる必要があるが、水滴除去に用いる乾燥空気の影響で水分量が不十分となる可能性がある。これを防ぐため、水滴除去終了後に水ラインを動作させ、燃料電池本体１２内部に水分を供給する必要がある。あるいは、燃料電池本体１２をバイパスするラインを設け、水滴除去時には該バイパスラインを開くことも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明の制御動作を説明するフローチャートである。
【図４】温度と空気中の飽和水蒸気量との関係を示す図である。
【図５】吸湿手段の交換タイミングと吸湿手段質量との関係を示す図である。
【図６】空気流量制御手段が直列に設けられている場合の水滴除去動作のタイムチャートである。
【図７】空気流量制御手段が並列に設けられている場合の水滴除去動作のタイムチャートである。
【図８】空気流量制御手段の周囲温度と水滴除去開度保持時間との関係を示す図である。
【図９】空気流量制御手段の周囲湿度と水滴除去開度保持時間との関係を示す図である。
【図１０】水滴除去開度を周期的に変化させる場合のタイムチャートである。
【符号の説明】
１…エアフィルター
２…エアフローメータ
３…コンプレッサ
４…駆動モータ
５〜７…エアフローメータ
８〜１０…流量制御弁
１１…改質器
１２…燃料電池本体
１３，１４…圧力制御弁
１５…燃焼器
１６…消音器
１７，１８、１９，２０、２３…方向制御弁
２１…エアドライヤ
２２…エアドライヤ乾燥機
２４…蓄圧手段
２５…水素ボンベ
２６…調圧弁
２７…フローメータ

Claims (19)

  1. 燃料電池システムに空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段から空気を供給する流路の開度を変化させて空気流量を制御する空気流量制御手段とを備え、前記燃料電池システムを停止する際あるいは停止後に前記空気量制御手段が凍結する可能性があると判断するための条件成立時に、前記空気流量制御手段の開度を流速の速い空気を流す水滴除去開度とし、前記水滴除去開度で空気を流すことによって前記空気流量制御手段に付着した水滴を吹き飛ばす水滴除去手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 原燃料を改質触媒下で改質反応し水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質手段と、
    該燃料改質手段が生成した改質ガスと前記空気供給手段から供給する空気から発電する発電手段と、
    該発電手段が排出する排気ガスを前記空気供給手段から空気の供給を受けて燃焼する燃焼手段と、を備え、
    前記空気流量制御手段は、前記空気供給手段から前記燃料改質手段及び前記発電手段及び前記燃焼手段のそれぞれに通じる流路の開度を変化させて空気流量を制御し、
    前記水滴除去手段は、前記発電手段の発電を停止する際あるいは停止後、前記燃料改質手段の温度が十分低下した状態で前記条件成立時に、前記空気流量制御手段の開度を流速の速い空気を流す水滴除去開度とし、該水滴除去開度において空気を流すことによって前記空気流量制御手段に付着した水滴を吹き飛ばすことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 水素貯蔵手段が供給する水素ガスと前記空気供給手段から供給する空気から発電する発電手段と、
    該発電手段が排出する排気ガスを前記空気供給手段から空気の供給を受けて燃焼する燃焼手段と、を備え、
    前記空気流量制御手段は、前記空気供給手段から前記発電手段及び前記燃焼手段のそれぞれに通じる流路の開度を変化させて空気流量を制御し、
    前記水滴除去手段は、前記発電手段の発電を停止する際あるいは停止後、システムの温度が十分低下した状態で前記条件成立時に、前記空気流量制御手段の開度を流速の速い空気を流す水滴除去開度とし、該水滴除去開度において空気を流すことによって前記空気流量制御手段に付着した水滴を吹き飛ばすことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記水滴除去手段は、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
    システム停止時に該外気温度検出手段により検出された外気温度が所定の温度以下の場合を前記条件とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記水滴除去手段は、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記空気流量制御手段の温度を検出するシステム温度検出手段と、を備え、
    前記外気温度検出手段によって検出された外気温度と前記システム温度検出手段によって検出された前記空気流量制御手段の温度との差が所定の温度差以下となった場合を前記条件とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記水滴除去手段は、前記空気流量制御手段のうち少なくとも一つの湿度を検出するシステム湿度検出手段を備え、該システム湿度検出手段によって検出された湿度が所定の湿度となった場合を前記条件とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記水滴除去手段は、前記空気流量制御手段内の温度と湿度がそれぞれの所定値となる場合を前記条件として水滴除去を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水滴除去手段は、水滴除去を行う空気を前記空気供給手段から供給する水滴除去空気供給手段を備え、該水滴除去空気供給手段から供給される空気を吸湿手段を通して除湿した乾燥空気を使用することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記吸湿手段は、システム起動時に前記燃焼手段の熱によって加熱され、貯えた水分を排出することにより再生可能であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記吸湿手段は、
    該吸湿手段の質量を検出する質量検出手段と、
    該質量検出手段が所定の質量を検出した場合、該吸湿手段の交換が必要なことを報知する報知手段と、
    を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記水滴除去手段は、水滴除去を行う空気を供給する水滴除去空気供給手段としてシステム下流に蓄圧手段を備え、
    前記空気供給手段から供給される空気を該蓄圧手段に蓄え、その後システム上流に設けられた空気逆流手段を用いて、システム内を逆流させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記蓄圧手段は、蓄えた空気から水分を除去する吸湿手段を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記水滴除去手段は、直列に配置された複数の前記空気流量制御手段に対して水滴除去を行う場合、前記水滴除去空気供給手段に近い空気流量制御手段から一つづつ順次開度を水滴除去開度とし、他の空気流量制御手段は全開とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 前記水滴除去手段は、並列に配置された複数の空気流量制御手段に対して水滴除去を行う場合、水滴除去を行う空気流量制御手段を水滴除去開度とし、他の空気流量制御手段は全閉とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  15. 前記水滴除去手段は、前記水滴除去空気供給手段から離れた空気流量制御手段ほど、水滴除去を行う際の空気流量制御手段の開度を水滴除去開度に保持する時間を長くすることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
  16. 前記水滴除去手段は、空気流量制御手段の周囲の条件によって、水滴除去を行う空気流量制御手段の開度を水滴除去開度とする時間を変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
  17. 少なくとも一つの前記空気流量制御手段にシステム内温度を検出するシステム内温度検出手段を備え、
    前記水滴除去手段は、前記システム内温度検出手段によって検出された温度に応じて、水滴除去を行う空気流量制御手段を水滴除去開度に保持する時間を変化させることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 少なくとも一つの前記空気流量制御手段にシステム内湿度を検出するシステム内湿度検出手段を備え、
    前記水滴除去手段は、前記システム内湿度検出手段によって検出された湿度に応じて、水滴除去を行う前記空気流量制御手段を水滴除去開度に保持する時間を変化させることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システム。
  19. 前記水滴除去手段は、水滴除去を行う前記空気流量制御手段の開度を周期的に変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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