(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法であって、
前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に、前記燃料ガスを同時に供給するとともに、前記酸化剤ガス流路の出口に連通する酸化剤ガス排出流路に設けられた背圧制御弁の開度を制御することにより、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとの界面の移動速度を同一にする工程と、
前記酸化剤ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止した後、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する工程と、
前記燃料電池に負荷を接続して該燃料電池による発電を開始する工程と、
前記燃料電池による発電が停止される際、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に前記酸化剤ガスを強制的に供給してパージを行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項２】
請求項１記載の起動方法において、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に、前記燃料ガスを同時に供給する際、前記酸化剤ガス流路の上流側から分岐するバイパス流路に供給される前記酸化剤ガスを介し、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスを希釈する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に、カソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒層が劣化するという問題がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタックの運転停止時において、冷却媒体の温度が設定温度以下まで低下した後に、アノード側供給ライン及びカソード側供給ラインを空気によりパージする燃料電池システムが知られている。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，２７０，９０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、カソード側電極及びアノード側電極に空気が存在している状態で、燃料電池を起動させると、前記アノード側電極に燃料ガスと前記空気とが混在してしまう。このため、特にカソード側電極が高電位になり易く、アノード側電極よりも高活性な触媒が使用される前記カソード側電極では、電極触媒が劣化（損傷）するおそれがある。これにより、燃料電池の発電性能の低下が惹起されるという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することが可能な燃料電池システムの起動方法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】
【０００９】
本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記酸化剤ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法に関するものである。
【００１０】
この起動方法は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に、燃料ガスを同時に供給するとともに、前記酸化剤ガス流路の出口に連通する酸化剤ガス排出流路に設けられた背圧制御弁の開度を制御することにより、酸化剤ガスと前記燃料ガスとの界面の移動速度を同一にする工程と、前記酸化剤ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止した後、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する工程と、燃料電池に負荷を接続して前記燃料電池による発電を開始する工程と、前記燃料電池による発電が停止される際、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に前記酸化剤ガスを強制的に供給してパージを行う工程と、を有している。
【００１２】
さらに、この起動方法は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に、燃料ガスを同時に供給する際、前記酸化剤ガス流路の上流側から分岐するバイパス流路に供給される酸化剤ガスを介し、燃料電池から排出される前記燃料ガスを希釈する工程を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に、燃料ガスを同時に供給（パージ）することにより、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に残存していた酸化剤ガスが前記燃料ガスに置換される。従って、燃料ガスによるパージを行わずに、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する一方、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する場合に比べ、部分的な電位の上昇を抑制することができ、電極触媒の劣化の抑制が図られる。
【００１４】
次いで、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給される。このため、酸化剤ガス流路には、燃料ガスと酸化剤ガスとが混在し、アノード側電極に高電位が発生し易い。その際、アノード側電極は、カソード側電極に比べて活性を低く設定することが可能であるため、前記アノード側電極の電極触媒が劣化することを阻止することができる。これにより、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、発電性能を良好に維持することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１６】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。
【００１７】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード側電極２４とアノード側電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体２８を備え、前記電解質膜・電極構造体２８を一対のセパレータ３０ａ、３０ｂで挟持する。
【００１８】
カソード側電極２４及びアノード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００１９】
電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ａとの間には、カソード側電極２４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３２が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体２８とセパレータ３０ｂとの間には、アノード側電極２６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３４が形成される。
【００２０】
燃料電池スタック１２の積層方向一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３２に供給するための酸化剤ガス入口連通孔３６ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路３４に供給するための燃料ガス入口連通孔３８ａとが形成される。燃料電池スタック１２の積層方向他端部には、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３２から排出するための酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと、燃料ガスを燃料ガス流路３４から排出するための燃料ガス出口連通孔３８ｂとが形成される。なお、燃料電池スタック１２内には、各燃料電池２０間又は複数の燃料電池２０毎に冷却媒体を流す冷却媒体流路（図示せず）が設けられる。
【００２１】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ４０を備え、前記エアコンプレッサ４０が空気供給流路４２に配設される。空気供給流路４２には、必要に応じてバルブ４４が配設されるとともに、前記空気供給流路４２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに連通する。
【００２２】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する空気排出流路４６を備える。この空気排出流路４６には、エアコンプレッサ４０から空気供給流路４２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能なバルブ（背圧制御弁）４８が設けられる。
【００２３】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素供給流路５２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３８ａに連通する。この水素供給流路５２には、バルブ５４とエゼクタ５６とが設けられる。水素供給流路５２と空気供給流路４２とは、連結流路５８を介して連通可能であり、この連結流路５８には、バルブ６０が配設される。
【００２４】
燃料ガス出口連通孔３８ｂには、オフガス流路６２が連通する。オフガス流路６２には、水素循環路６４が連通し、前記水素循環路６４は、エゼクタ５６に連通する。オフガス流路６２には、燃料ガスを燃料ガス流路３４に供給する際に開放されるパージ弁６５が配設される。
【００２５】
エゼクタ５６は、水素タンク５０から供給される水素ガスを、水素供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６４から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００２６】
燃料電池スタック１２には、例えば、駆動モータ等の負荷６６が、スイッチ６８を介して電気的に切断及び接続可能に設けられる。
【００２７】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本発明の第１の実施形態に係る起動方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００２８】
燃料電池システム１０の運転停止時には、後述するように、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４が、酸化剤ガス（以下、空気ともいう）により満たされている。
【００２９】
そこで、コントローラ１８に燃料電池システム１０の起動信号が入力されると、図３に示すように、バルブ５４、６０が開放される一方、バルブ４４が閉塞される。このため、水素タンク５０から水素供給流路５２に燃料ガス（以下、水素ガスともいう）が供給される。
【００３０】
この水素ガスは、水素供給流路５２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される一方、連結流路５８で分岐し、空気供給流路４２を通って前記燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３６ａに供給される。従って、燃料電池スタック１２内では、各燃料電池２０の燃料ガス流路３４及び酸化剤ガス流路３２に水素が供給される（図２中、ステップＳ１）。
【００３１】
その際、空気排出流路４６に配置されているバルブ４８の開度制御が行われる。図４に示すように、それぞれ空気が充填されている酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４に水素ガスが供給されると、空気と水素ガスとの界面７０ａ、７０ｂが矢印Ａ方向に移動する。このため、バルブ４８の開度制御を行うことにより、酸化剤ガス流路３２における水素ガス及び空気の界面７０ａと、燃料ガス流路３４における空気及び水素ガスの界面７０ｂとは、矢印Ａ方向への移動速度が同一に設定される（ステップＳ２）。これにより、酸化剤ガス流路３２と燃料ガス流路３４とに、燃料ガスを同時に供給することができる。なお、バルブ４８の開度制御に代えて、酸化剤ガス流路３２に圧損部材（図示せず）を設けることにより、燃料ガスの供給を同時に行うことも可能である。
【００３２】
次いで、ステップＳ３に進んで、酸化剤ガス流路３２への水素ガスの供給が終了するか否かが判断される。ここで、例えば、燃料電池スタック１２に所定量（予め設定されているスタック配管容積）の水素ガスが供給されたと判断された際、あるいは、前記水素ガスが所定の時間（上記容積を満たすのに必要な時間）だけ供給されたと判断された際、酸化剤ガス流路３２への水素ガスの供給が終了したと判断し（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、前記酸化剤ガス流路３２への水素ガスの供給が停止される。具体的には、バルブ６０を閉塞することにより、空気供給流路４２と水素供給流路５２とが遮断される。
【００３３】
そして、図５に示すように、バルブ４４が開放されると、エアコンプレッサ４０を介して空気供給流路４２に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３２に供給される（ステップＳ５）。
【００３４】
従って、酸化剤ガス流路３２に空気が供給される一方、燃料ガス流路３４に水素ガスが供給される。この状態で、スイッチ６８が閉塞されることにより、燃料電池スタック１２が負荷６６に電気的に接続される（ステップＳ６及び図６参照）。このため、燃料電池スタック１２の起動が開始される。
【００３５】
この起動時には、酸化剤ガスは、各燃料電池２０の酸化剤ガス流路３２に送られ、各カソード側電極２４に沿って供給される。一方、燃料ガスは、燃料電池２０の各燃料ガス流路３４に供給され、各アノード側電極２６に沿って供給される。これにより、カソード側電極２４に供給される空気と、アノード側電極２６に供給される燃料ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。
【００３６】
さらに、燃料電池スタック１２による発電が停止される際には、図７に示すように、バルブ５４が閉塞されるとともに、バルブ６０が開放される。このため、エアコンプレッサ４０を介して空気供給流路４２に供給される空気は、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３２に供給される一方、一部が連結流路５８を通って水素供給流路５２から前記燃料電池スタック１２内の燃料ガス流路３４に供給される。従って、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４は、空気によりパージされて燃料電池システム１０の運転が停止される。
【００３７】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池システム１０の運転が停止されている際、燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３２及び各燃料ガス流路３４に空気が充填されている。そして、燃料電池システム１０を起動する際、先ず、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４に水素ガスが同時に供給されている。
【００３８】
このため、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４に残存していた空気は、水素ガスに置換された後、前記酸化剤ガス流路３２にのみ空気が供給されている。従って、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４に空気が存在した状態で、前記燃料ガス流路３４に水素ガスを、前記酸化剤ガス流路３２に空気を、それぞれ供給する場合に比べ、部分的な電位の上昇を抑制することができ、電極触媒層の劣化の抑制が図られる。
【００３９】
しかも、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４が、水素ガスに置換された後、この酸化剤ガス流路３２に空気が供給されるため、前記酸化剤ガス流路３２では、水素ガスと空気とが混在してアノード側電極２６に高電位が発生し易い。その際、アノード側電極２６は、カソード側電極２４に比べて活性を低く設定することができるため、前記アノード側電極２６の電極触媒が劣化することを良好に阻止することが可能になる。
【００４０】
これにより、第１の実施形態では、簡単な工程で、電極触媒の劣化を可及的に阻止し、燃料電池スタック１２全体の発電性能を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００４１】
また、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４に、水素ガスを同時に供給するために、バルブ４８の開度制御が行われている。従って、図４に示すように、酸化剤ガス流路３２と燃料ガス流路３４とでは、それぞれの空気及び水素ガスの界面７０ａ、７０ｂが、矢印Ａ方向に移動する速度を同一に制御することができ、部分的な電位の上昇が確実に抑制されるという利点がある。
【００４２】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システム８０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に使用される燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
燃料電池システム８０は、空気排出流路４６及びオフガス流路６２が接続される希釈ボックス８２を備える。この希釈ボックス８２には、空気供給流路４２にエアコンプレッサ４０とバルブ４４との間に位置して接続されるバイパス流路８４が接続されるとともに、前記バイパス流路８４には、バルブ８６が配設される。
【００４４】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス流路３２及び燃料ガス流路３４を水素ガスでパージする際、バルブ４４が閉塞される一方、バルブ５４、６０、４８及び８６が開放される。このため、水素タンク５０から水素供給流路５２に供給される水素ガスは、燃料ガス流路３４と酸化剤ガス流路３２とに供給され、余剰の水素ガスは、オフガス流路６２及び空気排出流路４６を介して希釈ボックス８２に導入される。
【００４５】
その際、エアコンプレッサ４０が駆動され、バイパス流路８４を通って希釈ボックス８２に空気が導入されている。従って、希釈ボックス８２内では、排出された水素ガスが空気によって十分に希釈された後、系外に排出される。
【００４６】
このため、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果を有するとともに、水素ガスパージにおいて燃料電池スタック１２から排出される水素ガスを、空気により十分に希釈することができ、排出される前記水素ガスの処理が良好且つ容易に遂行されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記起動方法を説明するフローチャートである。
【図３】水素ガスによるパージ工程の説明図である。
【図４】前記パージ工程における水素ガスと空気との界面の説明図である。
【図５】水素ガスパージされた酸化剤ガス流路に空気を供給する際の説明図である。
【図６】燃料電池スタックに負荷を接続して起動を開始する際の説明図である。
【図７】前記燃料電池システムの運転を停止する際の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０、８０…燃料電池システム        １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ                  ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜            ２４…カソード側電極
２６…アノード側電極                ２８…電解質膜・電極構造体
３０ａ、３０ｂ…セパレータ          ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路                  ４０…エアコンプレッサ
４２…空気供給流路                  ４４、４８、５４、６０、８６…バルブ
４６…空気排出流路                  ５０…水素タンク
５２…水素供給流路                  ５６…エゼクタ
６２…オフガス流路                  ６６…負荷
８２…希釈ボックス                  ８４…バイパス流路
【図１】
0005415025.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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