(57)【要約】【課題】システム運転停止時における空気の侵入に起因した燃料電池の触媒層の劣化を抑制することができ、しかも比較的安価で故障が少ない燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２のカソード極から排出されるガス及び水分を流通させる排出流路３２と、を備えた燃料電池システム１であって、燃料電池２で生成された水分を貯留させて排出流路３２の少なくとも一部を封鎖する水封部３４を備える。水封部３４に貯留した水分により排出流路３２が封鎖された状態において外気温が所定の閾値以下になった場合に、ガス供給源３３を作動させて燃料電池２のカソード極にガスを供給することにより水封部３４に貯留した水分を排出して、排出流路３２の封鎖を解除する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を流通させる排出流路と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池で生成された水分を貯留させて前記排出流路の少なくとも一部を封鎖する水封部を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記水封部は、前記排出流路を形成する管の屈曲部位で構成されるものである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池のカソード極にガスを供給するガス供給源と、このガス供給源からのガス供給量を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記水封部に貯留した水分により前記排出流路が封鎖された状態において外気温が所定の閾値以下になった場合に、前記ガス供給源を作動させて前記燃料電池のカソード極にガスを供給することにより前記水封部に貯留した水分を排出して前記排出流路の封鎖を解除するものである、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と、前記燃料電池のカソード極にガスを供給するガス供給源と、前記燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を流通させる排出流路と、前記燃料電池で生成された水分を貯留させて前記排出流路の少なくとも一部を封鎖する水封部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記水封部に貯留した水分により前記排出流路が封鎖された状態において外気温が所定の閾値以下になった場合に、前記ガス供給源を作動させて前記燃料電池のカソード極にガスを供給することにより前記水封部に貯留した水分を排出して前記排出流路の封鎖を解除する工程を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池のカソード極側には酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池のアノード極側には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら空気と水素ガスとの電気化学反応により、電力が生成される。
【０００３】
ところで、燃料電池のカソード極側には、電気化学反応に寄与しない空気や反応により生成した水分（生成水）をシステム外部に排出するための排出流路が取り付けられるが、燃料電池システムの運転停止時においては、この排出流路を経由してシステム外部から燃料電池のカソード極に空気が侵入する。このように燃料電池のカソード極に侵入した空気が膜を透過してアノード極に到達すると、カソード極で異常電位が発生し、カソード極を構成する触媒層が劣化する、という問題が発生することがある。
【０００４】
このような問題を解決するため、近年においては、排出流路に遮断弁を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる技術を採用すると、燃料電池システムの運転停止時に遮断弁を閉じて排出流路を閉鎖することにより、システム外部からの空気の侵入を阻止することが可能となる。
【特許文献１】特開２００７−１８４１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、遮断弁は、種々の機械部品から構成されるとともに所定の制御装置によりその動作が電磁的に制御されるメカトロ製品であるため、開弁時や閉弁時に故障する可能性がある。遮断弁に開故障（開弁状態で固定される故障）が発生すると、排出流路を経由してシステム外部から燃料電池のカソード極に空気が侵入してしまい、遮断弁が設けられていなかったときと同様に触媒層が劣化してしまう。一方、遮断弁に閉故障（閉弁状態で固定される故障）が発生すると、排出流路が封鎖されてしまうため、燃料電池のカソード極に酸化ガスを送り込むことができなくなり、燃料電池システムの再起動が不可能となる。また、遮断弁の製作には相当の費用を要するため、システム全体が高価となる場合がある。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、システム運転停止時における空気の侵入に起因した燃料電池の触媒層の劣化を抑制することができ、しかも比較的安価で故障が少ない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を流通させる排出流路と、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池で生成された水分を貯留させて排出流路の少なくとも一部を封鎖する水封部を備えるものである。
【０００８】
かかる構成を採用すると、水封部における生成水（燃料電池で生成された水分）の貯留により、排出流路の少なくとも一部が封鎖されるので、システム外部から燃料電池のカソード極への空気の流入を阻止することができる。従って、システムの運転停止時に、システム外部から排出流路を経由して燃料電池のカソード極に空気が流入し、カソード極側の空気が膜を透過してアノード極側に到達することによりカソード極の触媒層で異常電位が発生して触媒層が劣化する、という事態が発生するのを抑制することができる。この際、従来用いていた遮断弁等を採用することなく排出流路を封鎖することができるので、遮断弁の開故障や閉故障に伴う弊害を懸念する必要がなくなるとともに、システム全体のコストを低減させることが可能となる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、排出流路を形成する管の屈曲部位で水封部を構成することができる。
【００１０】
かかる構成を採用すると、排出流路を形成する管の一部で水封部を構成することができるので、例えばタンクを用いて水封部を構成する場合と比較して、水封部の設置スペースを小さくすることが可能となる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソード極にガスを供給するガス供給源と、このガス供給源からのガス供給量を制御する制御手段と、を採用することができる。この際、水封部に貯留した水分により排出流路が封鎖された状態において外気温が所定の閾値以下になった場合に、ガス供給源を作動させて燃料電池のカソード極にガスを供給することにより水封部に貯留した水分を排出して排出流路の封鎖を解除する制御手段を採用することができる。
【００１２】
かかる構成を採用すると、例えば外気温が摂氏零度（所定の閾値）以下の低温環境下において、ガス供給源から燃料電池のカソード極にガスを供給し、水封部に貯留した水分を排出して排出流路の封鎖を解除することができる。従って、低温環境下において、水封部に貯留した水分が凍結して遮断弁の閉故障と同様の事態が発生することを抑制することができ、システムの再起動を確実に実現させることができる。
【００１３】
また、本発明に係る制御方法は、燃料電池と、燃料電池のカソード極にガスを供給するガス供給源と、燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を流通させる排出流路と、燃料電池で生成された水分を貯留させて排出流路の少なくとも一部を封鎖する水封部と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、水封部に貯留した水分により排出流路が封鎖された状態において外気温が所定の閾値以下になった場合に、ガス供給源を作動させて燃料電池のカソード極にガスを供給することにより水封部に貯留した水分を排出して排出流路の封鎖を解除する工程を含むものである。
【００１４】
かかる方法を採用すると、例えば外気温が摂氏零度（所定の閾値）以下の低温環境下において、ガス供給源から燃料電池のカソード極にガスを供給し、水封部に貯留した水分を排出して排出流路の封鎖を解除することができる。従って、低温環境下において、水封部に貯留した水分が凍結して遮断弁の閉故障と同様の事態が発生することを抑制することができ、システムの再起動を確実に実現させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、システム運転停止時における空気の侵入に起因した燃料電池の触媒層の劣化を抑制することができ、しかも比較的安価で故障が少ない燃料電池システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、移動体としての燃料電池車両に搭載された発電システムである。
【００１７】
まず、図１及び図２を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１８】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２を備えるとともに、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系３、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス配管系４、システム全体を統合制御する制御装置５等を備えている。また、燃料電池システム１は外気温センサ６を備えており、外気温センサ６の検出信号は制御装置５に入力される。
【００１９】
燃料電池２は、例えば車載や定置用に好適な固体高分子電解質型で構成され、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池スタックを構成する単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。セパレータの一方に設けられた酸化ガス流路に酸化ガス（空気）が供給され、他方のセパレータに設けられた燃料ガス流路に燃料ガス（水素）が供給される。酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けた単電池において電気化学反応が行われ、これにより燃料電池２は電力を発生する。
【００２０】
燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であるため、燃料電池２の運転中はその出力に応じて燃料電池システム１内に熱が供給される。従って、低温環境下であっても、燃料電池２の運転中は各配管系へ燃料電池２内で昇温されたオフガス等が供給されることによりシステム内の部品が昇温する。よって、燃料電池２の運転中は、通常は凍結が回避される。なお、燃料電池システム１には図示しない冷媒配管系が設けられている。そして、この冷媒配管系を用いて燃料電池２の内部に冷媒を循環させることにより、燃料電池２の内部の温度が適度に維持される。
【００２１】
酸化ガス配管系３は、加湿器３０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池２に供給する空気供給流路３１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスや水分を流通させて外部に導くための排出流路３２と、を備えている。空気供給流路３１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器３０に圧送するコンプレッサ３３が設けられている。コンプレッサ３３からのガス供給量は、制御装置５により制御される。コンプレッサ３３の動作により、大気中の酸化ガスがフィルタを介して取り込まれ、燃料電池２のカソード極に圧送される。すなわち、コンプレッサ３３は本発明におけるガス供給源に相当し、制御装置５は本発明における制御手段に相当する。
【００２２】
本実施形態においては、図２（Ａ）に示すように、燃料電池２の側方に排出流路３２が取り付けられている。そして、排出流路３２を形成する管の一部が鉛直方向下方に向けてＵ字状に屈曲しており、燃料電池２で生成された水分（生成水Ｗ）がこの屈曲部位３４に貯留することにより、排出流路３２が封鎖されるようになっている。すなわち、屈曲部位３４は、本発明における水封部として機能するものである（図１においては、屈曲部位３４の図示を省略している）。
【００２３】
なお、燃料電池２の下方に排出流路３２が取り付けられる場合においても、図２（Ｂ）に示すようなＵ字状の屈曲部位３４を設け、この屈曲部位３４に生成水Ｗを貯留させることにより、排出流路３２を封鎖することができる。屈曲部位３４の高さＨ（最上位置から最下位置までの寸法）や長さＬ（最下位置において水平方向に延在する部分の寸法）は、燃料電池２の仕様・規模やシステムの運転条件等に応じて適宜設定することができる。
【００２４】
燃料ガス配管系４は、高圧の燃料ガス（水素ガス）を貯留した水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２と、を備えている。水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁４３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４４と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ４４を採用している。遮断弁４３及びレギュレータ４４の動作は制御装置５により制御される。
【００２５】
循環流路４２には、気液分離器４５及び排気排水弁４６を介して、排気排水流路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁４６は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器４５で回収した水分と、循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４８が設けられている。なお、排気排水流路４７内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて、排出流路３２内のガスと排出管４９において合流するようになっている。
【００２６】
制御装置５は、図示していない車両のアクセル信号等の要求負荷信号、各種操作信号、外気温センサ６等の各種センサの検出信号、等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００２７】
制御装置５は、例えば、要求出力に応じて酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４、冷媒配管系等の各種部品を制御して燃料電池２に反応ガス及び冷媒を供給し、発電を行う。また、制御装置５は、燃料電池システム１の運転停止時（燃料電池２の発電停止時）に、屈曲部位３４に貯留した水分により排出流路３２が封鎖された状態において、外気温センサ６で検出された外気温が所定の閾値（例えば摂氏零度）以下になった場合に、一時的にコンプレッサ３３を駆動制御して燃料電池２のカソード極に酸化ガスを供給する。これにより、屈曲部位３４に貯留した水分を排出して、排出流路３２の封鎖を解除することができる。
【００２８】
次に、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転停止後における低温時の制御方法について説明する。
【００２９】
燃料電池システム１の通常運転時においては、燃料電池２のカソード極に空気が供給され、燃料電池２のアノード極に水素ガスが供給され、これら空気と水素ガスとの電気化学反応により電力が発生する。また、かかる電気化学反応に伴い、燃料電池２のカソード極において水分が生成し、この水分（生成水）が燃料電池２から排出されて排出流路３２内に流通し、屈曲部位３４に徐々に貯留していく。そして、図２に示すように、屈曲部位３４に一定量の生成水Ｗが貯留すると、排出流路３２が封鎖されることとなる。本実施形態に係る燃料電池システム１は、このように排出流路３２が封鎖された状態で外気温が低下した場合に、以下のような制御を行う。
【００３０】
まず、制御装置５は、屈曲部位３４に貯留した生成水により排出流路３２が封鎖されているか否かを判定する（封鎖判定工程：Ｓ１）。排出流路３２が封鎖されているか否かは、燃料電池システム１の運転条件（運転時間、運転温度、負荷レベル等）により算出された生成水の量に応じて判定することができる。次いで、制御装置５は、封鎖判定工程Ｓ１において排出流路３２が封鎖されているものと判定した場合に、燃料電池システム１の運転が停止しているか否かを判定し（運転判定工程：Ｓ２）、運転が停止しているものと判定した場合に、外気温センサ６を用いて外気温Ｔを検出する（外気温検出工程：Ｓ３）。
【００３１】
次いで、制御装置５は、外気温検出工程Ｓ３で検出した外気温Ｔが所定の閾値Ｔ0（例えば摂氏零度）以下になったか否かを判定する（外気温判定工程：Ｓ４）。そして、制御装置５は、外気温判定工程Ｓ３において外気温Ｔが閾値Ｔ0以下になったものと判定した場合に、コンプレッサ３３を作動させて燃料電池２のカソード極に空気を供給することにより、屈曲部位３４に貯留した水分を排出して、排出流路３２の封鎖を解除する（封鎖解除工程：Ｓ５）。
【００３２】
続いて、図４及び図５を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の排出流路３２に水封部（屈曲部位３４）を設けたことの作用効果について説明する。
【００３３】
図４は、燃料電池２を構成する触媒層の劣化度と、排出流路３２を封鎖する構成の有無と、の関係を示すグラフであり、横軸がその触媒層を有する燃料電池２の起動・停止の繰り返し回数（サイクル数）を意味し、縦軸がその触媒層を有する燃料電池２の電圧低下量ΔＶ（劣化度）を意味するものである。図４における破線は、排出流路３２を封鎖する構成（遮断弁や水封部）を設けない場合における耐久試験結果を示すものであり、図４における実線は、排出流路３２を封鎖する構成を設けた場合における耐久試験結果を示すものである。
【００３４】
図４から明らかなように、排出流路３２を封鎖する構成を設けない場合には、わずかなサイクル数で急速に燃料電池２の電圧低下量が増大する（すなわち燃料電池２が急速に劣化する）。これに対し、本実施形態のように排出流路３２を封鎖する構成（水封部）を設けた場合には、多くのサイクル数を経ても燃料電池２の電圧低下量がほとんど変化しない（すなわち燃料電池２がほとんど劣化しない）ことがわかる。
【００３５】
図５は、燃料電池２を構成する触媒層の劣化度と、外気温と、の関係を示すグラフであり、横軸がその触媒層を有するカソード極の電位を意味し、縦軸がその触媒層の酸化量（劣化度）を意味するものである。図５における５本の曲線は、各々、外気温がＴ1〜Ｔ5（Ｔ0＜Ｔ1＜Ｔ2＜Ｔ3＜Ｔ4＜Ｔ5）の場合における電位−酸化量曲線である。図５から明らかなように、外気温が高い場合には、カソード極の電位がわずかに上昇しただけで急激に触媒層の酸化量が増大する（すなわち触媒層が急激に劣化する）。これに対し、外気温が低い場合には、カソード極の電位が上昇しても触媒層の酸化量が少ない（すなわち触媒層があまり劣化しない）ことがわかる。従って、外気温Ｔが所定の閾値Ｔ0以下の低温環境下においては触媒層の劣化度が低減するため、排出流路３２の封鎖を解除してシステム外部からの空気の侵入を許容することが可能となる。
【００３６】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、水封部（屈曲部位３４）における生成水の貯留により、排出流路３２が封鎖されるので、システム外部から燃料電池２のカソード極への空気の流入を阻止することができる。従って、システムの運転停止時に、システム外部から排出流路３２を経由して燃料電池２のカソード極に空気が流入し、カソード極側の空気が膜を透過してアノード極側に到達することによりカソード極の触媒層で異常電位が発生して触媒層が劣化する、という事態が発生するのを抑制することができる。この際、従来用いていた遮断弁等を採用することなく排出流路３２を封鎖することができるので、遮断弁の開故障や閉故障に伴う弊害を懸念する必要がなくなるとともに、システム全体のコストを低減させることが可能となる。
【００３７】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排出流路３２を形成する管の一部（屈曲部位３４）で水封部を構成しているため、タンクを用いて水封部を構成する場合と比較して、水封部の設置スペースを小さくすることが可能となる。
【００３８】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、外気温が所定の閾値以下の低温環境下において、コンプレッサ３３から燃料電池２のカソード極に空気を供給し、水封部（屈曲部位３４）に貯留した水分を排出して排出流路３２の封鎖を解除することができる。従って、低温環境下において、水封部に貯留した水分が凍結して遮断弁の閉故障と同様の事態が発生することを抑制することができ、システムの再起動を確実に実現させることができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、Ｕ字状の屈曲部位３４を水封部として機能させた例を示したが、生成水を貯留させて排出流路３２を封鎖させるような構成（形状）であれば、いかなる構成（形状）の水封部を採用してもよい。また、本実施形態においては、排出流路３２に水封部を一箇所だけ設けた例を示したが、水封部を複数個所設けることもできる。
【００４０】
また、本実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】（Ａ）は図１に示した燃料電池システムの水封部の構成を説明するための説明図であり、（Ｂ）は水封部の変形例を説明するための説明図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】燃料電池を構成する触媒層の劣化度と、排出流路を封鎖する構成の有無と、の関係を示すグラフである。
【図５】燃料電池を構成する触媒層の劣化度と、外気温と、の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、５…制御装置（制御手段）、３２…排出流路、３３…コンプレッサ（ガス供給源）、３４…屈曲部位（水封部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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