(57)【要約】【課題】多くの電力を用いることなくシステム始動までに要する時間を短縮する。【解決手段】システム始動時、コントロールユニット９が、コンプレッサ５を用いることなく、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内に封止されている圧縮空気を燃料電池１に供給することにより、燃料電池１を始動させる。これにより、システムを始動するために必要な電力を節約することができるのと同時に、システムを短時間で始動させることができる。【選択図】図１
2006107907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
酸化剤ガス流路を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
運転停止時、前記酸化剤ガス流路に圧縮された酸化剤ガスを封止する封止手段と、
運転開始時、前記酸化剤ガス供給手段の作動を停止した状態で前記封止手段を制御することにより、前記封止手段により封止されている酸化剤ガスを燃料電池に供給する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス流路内における酸化剤ガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記圧力検出手段の検出結果を参照して、運転開始後に前記酸化剤ガス流路内における酸化剤ガスの圧力が所定値以下になるのに応じて、前記酸化剤ガス供給手段の作動を開始すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスを貯蔵する酸化剤ガス貯蔵手段を備え、前記制御手段は、運転開始時、前記封止手段により封止されている酸化剤ガスと共に、前記酸化剤ガス貯蔵手段により貯蔵されている酸化剤ガスを燃料電池に供給すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス流路内の酸化剤ガス中に含まれる酸素を選択的、且つ、可逆的に吸着、放出する手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、多くの電力を用いることなくシステム始動までに要する時間を短縮するための技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来より、システム始動時、燃料電池の温度に応じて酸化剤極に供給される空気を加熱することにより、燃料電池を暖機する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。そして、このような燃料電池システムによれば、システムを大型化することなく、システム停止時に形成された氷を解凍し、システム始動時の燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００２−９３４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来までの燃料電池システムは、燃料電池に供給する空気をヒーターで加熱すると共に、コンプレッサ等の電力を必要とする装置を利用して加熱された空気を供給する構成になっているために、燃料電池を暖機する際、多くの電力を必要とするのと同時に、システム始動までに多くの時間を要する。
【０００４】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、多くの電力を用いることなくシステム始動までに要する時間を短縮することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、酸化剤ガス流路を介して燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、運転停止時、酸化剤ガス流路に圧縮された酸化剤ガスを封止する封止手段と、運転開始時、酸化剤ガス供給手段の作動を停止した状態で封止手段を制御することにより、封止手段により封止されている酸化剤ガスを燃料電池に供給する制御手段とを備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、電力を必要とする装置を用いることなく燃料電池に圧縮された空気を供給し、システムを始動することができるので、多くの電力を用いることなくシステム始動までに要する時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の一実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１を備える。なお、この実施形態では、燃料電池１は固体高分子型燃料電池により構成され、そのアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式（１）〜（３）による。
【０００９】
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムの水素系は、水素タンク２及び水素圧力制御弁３を備え、水素タンク２内の高圧水素を水素圧力制御弁３によって運転条件に適した圧力まで低下させた後、水素供給路４を介して燃料電池１のアノードに水素を供給する。そして、燃料電池１のアノードでは、図示しない純水系により加湿された水素が発電のための電気化学反応に使用される。
【００１０】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムの空気系は、燃料電池１が発電した電力を利用して空気を供給するコンプレッサ５を備え、コンプレッサ５は圧縮された空気を空気供給路６を介して燃料電池１のカソードへ供給する。燃料電池１のカソードでは、供給された空気が図示しない純水系により加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。
【００１１】
また、空気供給路６にはバルブ７ａ，７ｂが配設されている。このバルブ７ａ，７ｂは、システム停止時、コントロールユニット９の制御に従ってバルブ７ｂ及びバルブ７ａの順に閉動作することにより、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内に大気圧よりも高い圧力の空気（以下、圧縮空気と略記）を封止する。なお、コンプレッサ５としてフリクション動作が十分に大きなものを使用することにより、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内に空気を封止するための電力は不要となる。
【００１２】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムの制御系は、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内における空気の圧力を検出する圧力センサ８と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントロールユニット９とを備える。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントロールユニット９が以下に示すシステム始動処理を実行することにより、多くの電力を用いることなくシステム始動までに要する時間を短縮する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、このシステム始動処理を実行する際のコントロールユニット９の動作について詳しく説明する。
【００１３】
〔システム始動処理〕
図２に示すフローチャートは、コントロールユニット９にシステム始動命令が入力されるのに応じて開始となり、システム始動処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１４】
ステップＳ１の処理では、コントロールユニット９が、水素圧力制御弁３の開度を制御することにより、水素供給路４を介して燃料電池１のアノードに水素を供給する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、システム始動処理はステップＳ１の処理からステップＳ２の処理に進む。
【００１５】
ステップＳ２の処理では、コントロールユニット９が、バルブ７ｂを開動作させることにより、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内に封止されている圧縮空気を燃料電池１のカソードに供給し、燃料電池１は、供給された水素と圧縮空気を利用して発電を開始する。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、システム始動処理はステップＳ２の処理からステップＳ３の処理に進む。
【００１６】
ステップＳ３の処理では、コントロールユニット９が、圧力センサ８の検出値を参照して、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内における空気の圧力が大気圧付近の所定の圧力値以下になったか否かを判別する。そして、空気の圧力が所定の圧力値以下になるのに応じて、コントロールユニット９はシステム始動処理をステップＳ４の処理に進める。
【００１７】
ステップＳ４の処理では、コントロールユニット９が、燃料電池１は電力を取り出すことができる状態になったと判断し、バルブ７ａを開動作させるのと同時に、燃料電池１が発電した電力をコンプレッサ５に供給することにより、コンプレッサ５を起動して燃料電池１のカソードに空気を供給する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、一連のシステム始動処理は終了する。
【００１８】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態となる燃料電池システムによれば、システム始動時、コントロールユニット９が、コンプレッサ５を用いることなく、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内に封止されている圧縮空気を燃料電池１に供給することにより、燃料電池１を始動させるので、システムを始動するために必要な電力を節約することができるのと同時に、システムを短時間で始動させることができる。
【００１９】
なお、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６内に封止する圧縮空気の量は、以下に示す数式（式中の２６．８及び２１／１００はそれぞれ、１［mol］の空気で発電可能な電力量及び空気中の酸素比率を表す）より算出されるコンプレッサ５の始動に最低限必要な電力量に従って制御することが望ましい。
【００２０】
（数式）コンプレッサ５の始動に最低限必要な電力量＝コンプレッサ５の始動に最低限必要な電圧（V）×圧縮空気の量（mol）×１／燃料電池１に空気が供給されるまでに要する時間(sec)×２６．８（A*sec/mol）×２１／１００×１／利用率を含めた変換効率
また、燃料電池システムによっては、システム始動時に、燃料電池１から取り出すことができる出力の全てをコンプレッサ５の始動に用いることができない場合がある。この場合には、図３に示すように、圧縮空気を貯蔵しておく圧力容器１０をバルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６に設けることが望ましい。このような構成によれば、システム始動時に、圧力容器１０内に貯蔵されている圧縮空気を燃料電池１に供給することにより、システム始動時に燃料電池１から取り出すことができる電力量を増加させることができる。また、より大型のコンプレッサを始動、又は、始動時のシステムの出力制限を緩和することができる。
【００２１】
また、バルブ７ａ，７ｂ間の空気供給路６及び圧力容器１０の内部壁面に、ゼオライトを主成分とするモレキュラーシーブ等、空気中の酸素を選択的、且つ、可逆的に吸着，放出する物質を貼り付けるようにしてもよい。このような構成によれば、燃料電池１に供給される空気中の酸素濃度を高めることができるので、圧縮空気の封止量を増やした場合と同じ技術的効果を実現し、システム始動時に燃料電池１から取り出すことができる電力量をさらに向上させることができる。
【００２２】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態となるシステム始動処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２４】
１：燃料電池
２：水素タンク
３：水素圧力制御弁
４：水素供給路
５：コンプレッサ
６：空気供給路
７ａ，７ｂ：封止バルブ
８：圧力センサ
９：コントロールユニット
１０：圧力容器
【図１】
2006107907.tif 000003
【図２】
2006107907.tif 000004
【図３】
2006107907.tif 000005