(57)【要約】【課題】極めて低消費電力で作動させることができ且つ小型化を図ることができる燃料電池システム及びその駆動方法を提供する。【解決手段】発電部３０又は反応室２４と溶液室２２とを繋ぐ連通路４１に設けられて発電停止時に発電部３０又は反応室２４に残留する残留水素を大気圧よりも高い圧力状態で保持する残留水素保持室４２と、残留水素保持室４２に保持されている残留水素を溶液室２２に供給して溶液室２２内の水素発生触媒溶液を加圧し所定のタイミングで水素発生触媒溶液を反応室２４に供給する加圧供給手段４０とを具備するようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素発生反応を起こす水素発生物質が格納される反応室と、該反応室に供給され前記水素発生物質の水素発生反応を促進する水素発生触媒溶液が貯蔵される溶液室を有する水素供給部と、前記反応室と連通し当該反応室で発生した水素が供給されてこの水素と酸素とを電気化学反応させて発電する発電部とを具備する燃料電池システムであって、
前記発電部又は前記反応室と前記溶液室とを繋ぐ連通路に設けられて発電停止時に前記発電部又は前記反応室に残留する残留水素を大気圧よりも高い圧力状態で保持する残留水素保持室と、前記残留水素保持室に保持されている前記残留水素を前記溶液室に供給して当該溶液室内の前記水素発生触媒溶液を加圧し所定のタイミングで当該水素発生触媒溶液を前記反応室に供給する加圧供給手段とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が、前記残留水素保持室と前記溶液室との間の前記連通路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記溶液室と前記反応室との圧力差によって開閉し前記溶液室から前記反応室への前記水素発生触媒溶液の流れを許容する逆止弁が、前記溶液室と前記反応室とを繋ぐ連結路に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が、前記溶液室と前記反応室とを繋ぐ供給路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記残留水素保持室が前記連通路に直列に配置された複数の貯留部で構成されると共に、前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が各貯留部の間の前記連通路に設けられていることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電部又は前記反応室側に配置される前記貯留部が前記発電部又は前記反応室と接続路によって接続されると共に前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が前記接続路に設けられ、前記加圧供給手段が、所定のタイミングで前記接続路を介して前記発電部又は前記反応室に前記貯留部内の前記残留水素を供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加圧供給手段の一部を構成し前記残留水素保持室への前記残留水素の供給を調整する調整弁が、前記発電部又は前記反応室と前記残留水素保持室との間の前記連通路に設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記調整弁が、電気的に開閉が制御される制御弁又は前記残留水素保持室と前記発電部又は前記反応室との圧力差で開閉して前記発電部又は前記反応室から前記残留水素保持室への流れを許容する逆止弁であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記発電部には、当該発電部内のガスを外部に排出するための排出弁が設けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記排出弁が、電気的に開閉が制御される制御弁又は前記発電部内が所定の圧力以上となった場合にのみ開放される逆止弁であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加圧供給手段は、少なくとも発電開始時に前記溶液室から前記反応室に前記水素発生触媒溶液を供給することによって前記発電部をパージすることを特徴とする請求項１〜１０の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加圧供給手段は、発電中に出力が所定値以下となった場合に前記溶液室から前記反応室に前記水素発生触媒溶液に供給することによって前記発電部をパージすることを特徴とする請求項１〜１１の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
水素発生反応を起こす水素発生物質が格納される反応室と、該反応室に供給され前記水素発生物質の水素発生反応を促進する水素発生触媒溶液が貯蔵される溶液室を有する水素供給部と、前記反応室と連通し当該反応室で発生した水素が供給されてこの水素と酸素とを電気化学反応させて発電する発電部とを具備する燃料電池システムの駆動方法であって、
発電停止時に前記発電部又は前記反応室に残留した残留水素を前記発電部又は前記反応室と前記溶液室とを繋ぐ連通路に設けた残留水素保持室に大気圧よりも高い圧力状態で保持しておき、該残留水素保持室の前記残留水素を前記溶液室に供給して当該溶液室内の前記水素発生触媒溶液を加圧することで、所定のタイミングで前記反応室に前記水素発生触媒溶液を供給して水素を発生させて前記発電部に供給することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法。
【請求項１４】
前記残留水素保持室が前記連通路に直列に配置された複数の貯留部で構成されると共に、前記溶液室側の前記貯留部ほど前記残留水素を低い圧力で保持しておき、前記残留水素を前記溶液室に供給する際に、各貯留部内の前記残留水素を前記溶液室側から段階的に前記溶液室に供給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の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素発生部によって発生させた水素を利用して発電する燃料電池システム及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードを有する発電部を具備する燃料電池システムにおいては、例えば、電解質膜からのクロスオーバー等によって、発電部のアノード内に窒素ガスや酸素ガスなどの不純ガスが混入してしまうことがある。特に、発電停止から長期間放置した場合、発電部内には不純ガスが混入しやすい。この不純ガスは、発電時の出力低下や電解質膜と接合される電極触媒の劣化要因となるため、再度、発電を開始する前に発電部のアノード内を水素ガスでパージするなどしてアノード内の不純ガスを排出して水素濃度を高める必要がある。そして、このように発電開始時にパージガスである水素ガスを発生させる機構、乃至アノード内をパージする機構は、簡易で低消費電力であること、また小型であること等が求められている。
【０００３】
このような要求に対して、例えば、水素発生源として水素吸蔵合金（ＭＨ）を内包する複数の水素貯蔵容器を備え、これら水素貯蔵容器内の圧力状態を利用して所定の水素貯蔵容器から水素を放出させて燃料電池のアノードに供給するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。具体的には、前回の発電により減圧状態に保持された水素貯蔵容器Ａがある場合は、次の発電時に水素発生させる他の水素貯蔵容器Ｂとの連通弁を開けて水素貯蔵容器Ｂを減圧状態にした上でポンプによってさらに減圧して水素を発生させ、これによりポンプの負荷を軽減し、消費電力を低減する効果を期待している。
【０００４】
また、例えば、水素源として高圧水素ボンベを具備し、電磁弁の開閉動作によりこの高圧水素ボンベからパージガスである水素をアノードに供給するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、上記のような構成では、消費電力を十分に低減することができず、また構造上システム全体の小型化は難しいという問題がある。例えば、特許文献１に記載の発明では、減圧状体に保持された水素貯蔵容器が存在するにしても、ポンプが発電開始時に必要な構成要素であることに変わりはなく、消費電力低減の効果は小さい。また、例えば、特許文献２に記載の発明では、パージ動作自体は電磁弁の開閉のみで行われるため低消費電力が見込まれるが、水素ガス源として数十ＭＰａの高圧ガスボンベを必要とするため、耐圧などを考慮すると装置が大型化してしまう。さらにはパージの際の圧力変動が大きいので燃料電池の構成部材等を破損する恐れがあり、レギュレータなどの圧力調整機構が必要となると思われ、システム全体のさらなる大型化は避けられない。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−８１５９７号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２５３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、極めて低消費電力で作動させることができ且つ小型化を図ることができる燃料電池システム及びその駆動方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、水素発生反応を起こす水素発生物質が格納される反応室と、該反応室に供給され前記水素発生物質の水素発生反応を促進する水素発生触媒溶液が貯蔵される溶液室を有する水素供給部と、前記反応室と連通し当該反応室で発生した水素が供給されてこの水素と酸素とを電気化学反応させて発電する発電部とを具備する燃料電池システムであって、前記発電部又は前記反応室と前記溶液室とを繋ぐ連通路に設けられて発電停止時に前記発電部又は前記反応室に残留する残留水素を大気圧よりも高い圧力状態で保持する残留水素保持室と、前記残留水素保持室に保持されている前記残留水素を前記溶液室に供給して当該溶液室内の前記水素発生触媒溶液を加圧し所定のタイミングで当該水素発生触媒溶液を前記反応室に供給する加圧供給手段とを具備することを特徴とする燃料電池システムにある。
【０００９】
かかる第１の態様では、ポンプ等の電力消費の激しい動力を使用することなく、反応室で水素を発生させ、その水素を発電部に供給することができる。また、ポンプ等の装置が必要なくシステムが簡略化されるため、システムの小型化を図ることができる。
【００１０】
本発明の第２の態様は、前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が、前記残留水素保持室と前記溶液室との間の前記連通路に設けられていることを特徴とする第１の態様の燃料電池システムにある。
【００１１】
かかる第２の態様では、制御弁の開閉動作のみで残留水素の流れを制御できる。したがって、消費電力量をより確実に削減することができる。
【００１２】
本発明の第３の態様は、前記溶液室と前記反応室との圧力差によって開閉し前記溶液室から前記反応室への前記水素発生触媒溶液の流れを許容する逆止弁が、前記溶液室と前記反応室とを繋ぐ連結路に設けられていることを特徴とする第１又は２の態様の燃料電池システムにある。
【００１３】
かかる第３の態様では、水素発生触媒溶液の流れが、動力を必要としない逆止弁によって制御される。したがって、消費電力量がさらに削減される。
【００１４】
本発明の第４の態様は、前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が、前記溶液室と前記反応室とを繋ぐ供給路に設けられていることを特徴とする第１の態様の燃料電池システムにある。
【００１５】
かかる第４の態様では、制御弁の開閉動作のみで残留水素の流れを制御できる。したがって、消費電力量をより確実に削減することができる。
【００１６】
本発明の第５の態様は、前記残留水素保持室が前記連通路に直列に配置された複数の貯留部で構成されると共に、前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が各貯留部の間の前記連通路に設けられていることを特徴とする第２〜４の何れかの態様の燃料電池システムにある。
【００１７】
かかる第５の態様では、残留水素保持部の残留水素を段階的に溶液室に送り込み、水素の発生量を段階的に増加させることができる。これにより、急激な圧力変動による発電部の破損を回避することができる。
【００１８】
本発明の第６の態様は、前記発電部又は前記反応室側に配置される前記貯留部が前記発電部又は前記反応室と接続路によって接続されると共に前記加圧供給手段の一部を構成し開閉が電気的に制御される制御弁が前記接続路に設けられ、前記加圧供給手段が、所定のタイミングで前記接続路を介して前記発電部又は前記反応室に前記貯留部内の前記残留水素を供給することを特徴とする第５の態様の燃料電池システムにある。
【００１９】
かかる第６の態様では、残留水素保持部の残留水素が、所定のタイミング、例えば、連続運転中に発電部の出力電圧の低下が生じた場合に、接続路を介して発電部に供給される。これにより、常に安定した出力電力が得られるようになる。
【００２０】
本発明の第７の態様は、前記加圧供給手段の一部を構成し前記残留水素保持室への前記残留水素の供給を調整する調整弁が、前記発電部又は前記反応室と前記残留水素保持室との間の前記連通路に設けられていることを特徴とする第１〜５の何れかの態様の燃料電池システムにある。
【００２１】
かかる第７の態様では、調整弁によって残留水素の供給量が調整され、残留水素保持室に所定の圧力で残留水素が保持される。
【００２２】
本発明の第８の態様は、前記調整弁が、電気的に開閉が制御される制御弁又は前記残留水素保持室と前記発電部又は前記反応室との圧力差で開閉して前記発電部又は前記反応室から前記残留水素保持室への流れを許容する逆止弁であることを特徴とする第７の態様の燃料電池システムにある。
【００２３】
かかる第８の態様では、電力を必要とすることなく、残留水素の供給量を調整することが可能となる。
【００２４】
本発明の第９の態様は、前記発電部には、当該発電部内のガスを外部に排出するための排出弁が設けられていることを特徴とする第１〜７の何れかの態様の燃料電池システムにある。
【００２５】
かかる第９の態様では、発電部内に溜まっている不純ガスを比較的容易に排出することができる。
【００２６】
本発明の第１０の態様は、前記排出弁が、電気的に開閉が制御される制御弁又は前記発電部内が所定の圧力以上となった場合にのみ開放される逆止弁であることを特徴とする第９の態様の燃料電池システムにある。
【００２７】
かかる第１０の態様では、反応部から発電部に水素が供給されることで、発電部内に溜まっている不純ガスをより確実に排出させることができる。
【００２８】
本発明の第１１の態様は、前記加圧供給手段は、少なくとも発電開始時に前記溶液室から前記反応室に前記水素発生触媒溶液を供給することによって前記発電部をパージすることを特徴とする第１〜１０の何れかの態様の燃料電池システムにある。
【００２９】
かかる第１１の態様では、起動時等の発電部のパージ動作を、極めて低い消費電力量で実施することができる。
【００３０】
本発明の第１２の態様は、前記加圧供給手段は、発電中に出力が所定値以下となった場合に前記溶液室から前記反応室に前記水素発生触媒溶液に供給することによって前記発電部をパージすることを特徴とする第１〜１１の何れかの態様の燃料電池システムにある。
【００３１】
かかる第１２の態様では、起動時に拘わらず、発電部のパージ動作を極めて低い消費電力量で実施することができる。
【００３２】
本発明の第１３の態様は、水素発生反応を起こす水素発生物質が格納される反応室と、該反応室に供給され前記水素発生物質の水素発生反応を促進する水素発生触媒溶液が貯蔵される溶液室を有する水素供給部と、前記反応室と連通し当該反応室で発生した水素が供給されてこの水素と酸素とを電気化学反応させて発電する発電部とを具備する燃料電池システムの駆動方法であって、発電停止時に前記発電部又は前記反応室に残留した残留水素を前記発電部又は前記反応室と前記溶液室とを繋ぐ連通路に設けた残留水素保持室に大気圧よりも高い圧力状態で保持しておき、該残留水素保持室の前記残留水素を前記溶液室に供給して当該溶液室内の前記水素発生触媒溶液を加圧することで、所定のタイミングで前記反応室に前記水素発生触媒溶液を供給して水素を発生させて前記発電部に供給することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法にある。
【００３３】
かかる第１３の態様では、ポンプ等の電力消費の激しい動力を使用することなく、反応室で水素を発生させ、その水素を発電部に供給することができる。また、ポンプ等の装置が必要なくシステムが簡略化されるため、システムの小型化を図ることができる。
【００３４】
本発明の第１４の態様は、前記残留水素保持室が前記連通路に直列に配置された複数の貯留部で構成されると共に、前記溶液室側の前記貯留部ほど前記残留水素を低い圧力で保持しておき、前記残留水素を前記溶液室に供給する際に、各貯留部内の前記残留水素を前記溶液室側から段階的に前記溶液室に供給することを特徴とする第１３の態様の燃料電池システムの駆動方法にある。
【００３５】
かかる第１４の態様では、残留水素保持部の残留水素を段階的に溶液室に送り込み、水素の発生量を段階的に増加させることができる。これにより、急激な圧力変動による発電部の破損を回避することができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上説明したように本発明では、残留水素を利用することで各種開閉弁の開閉のみで水素を発生させて発電部に供給することができ、例えば、発電部のパージ動作を実施することができる。このため、ポンプやコンプレッサを使用する機構に比べて消費電力を削減して、燃料電池システムとしてのエネルギ変換効率を向上させることができる。また、システム構成が簡略化されるため、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。尚、構成要素間の接続を示すブロック図における実線は、移動する流体の流路の接続関係を示し、点線は電気的接続を示す。
【００３８】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図であり、図２は、各構成要素の接続を示したブロック図である。
【００３９】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素発生部２０と、発電部３０と、加圧供給部４０とで構成されている。
【００４０】
水素発生部２０は、例えば、水素発生触媒溶液２１が貯蔵される溶液室２２と、水素発生物質２３が格納され、この水素発生物質２３と溶液室２２から送られる水素発生触媒溶液２１との水素発生反応により水素を発生させる反応室２４とを有し、これら溶液室２２と反応室２４とは連結管（連結路）２５によって接続されている。また、本実施形態では、これら溶液室２２と反応室２４との間の連結管２５には、溶液室２２と反応室２４との圧力差で開閉して溶液室２２から反応室２４への水素発生触媒溶液２１の流れを許容する逆止弁２６が設けられている。すなわち、連結管２５に設けられた逆止弁２６によって、水素発生触媒溶液２１の反応室２４から溶液室２２への逆流を防止している。
【００４１】
水素発生部２０で使用する水素発生物質２３は水素化ホウ素ナトリウムであることが好ましく、水素発生触媒溶液２１としてはリンゴ酸水溶液を用いることが好ましい。これら水素発生物質２３及び水素発生触媒溶液２１は、これらに限定されず、水素発生物質は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能であり、水素発生触媒溶液は、例えば、有機酸および無機酸あるいはルテニウム等、水素発生触媒の溶液であれば全て適用可能である。さらに、水素発生物質が水素化ホウ素ナトリウム水溶液で水素発生触媒がリンゴ酸粉末というように、水素発生物質と水素発生触媒の組み合わせは、混合することによって水素を発生する物質であれば全て適用可能である。また、水素発生部は、金属と塩基性あるいは酸性水溶液との反応によって水素を得るものであってもよい。さらに、アルコール、エーテル、ケトン類を水蒸気改質して水素を得るメタノール改質型や、ガソリン、灯油、天然ガスといった炭化水素を水蒸気改質して水素を得る炭化水素改質型など、加水により水素を発生する構成であってよい。
【００４２】
発電部３０は、カソード極３１、ＭＥＡ３２、アノード極３３から構成され、カソード極３１はカソードエンドプレート３４と図示しないガス拡散層、集電体層を備え、ＭＥＡ３２は図示しない電解質の両面に触媒層がそれぞれ配置される構成である。またアノード極３３はアノードエンドプレート３５とアノード室（発電セル）３６と図示しないガス拡散層から構成される。アノード極３３には図示しない集電体層が含まれていてもよい。アノード極３３に集電体層を含まない構成とする場合は、アノードエンドプレート３５に導線を接続して集電する構成としてもよい。アノード室３６には、水素発生部２０の反応室２４で発生した水素が供給される供給管（供給路）３７が接続されている。また図示しないが、アノード室３６には、発電時に内部に滞留する水を外部へ排出するための排出口が設けられている。さらに、発電部３０のアノード室３６には、アノード室３６内のガスを外部に排出するための排出弁３８が設けられている。例えば、本実施形態では、排出弁としていわゆる逆止弁が設けられている。これにより、アノード室３６内が所定の圧力以上となると排出弁３８が開放されてアノード室３６内のガスが外部に排出されるが、外部からアノード室３６への逆流は防止されている。なお、排出弁３８は、逆止弁に限定されず、例えば、電気的に制御される制御弁、例えば、電磁弁、電動弁等であってもよい。
【００４３】
そして、水素発生部２０で発生した水素が、発電部３０のアノード室３６に接続された供給管３７を介してアノード室３６に導入されて、発電のために消費される。またアノード室３６で水素が消費されるとアノード室３６及び反応室２４の内圧が低下して溶液室２２との間に差圧が生じ、この差圧により溶液室２２内に格納されているリンゴ酸水溶液である水素発生触媒溶液２１が反応室２４に導入される。これにより、反応室２４で、順次、水素が発生されるようになっている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムでは、いわゆるパッシブに発電が行われる構成となっている。
【００４４】
ここで、上述したように反応室２４で発生した水素は、アノード室３６で発電のために消費されるが、発電を停止した場合、反応室２４での水素の発生はすぐには停止しない。すなわち、発電を停止してから水素の発生が停止するまでには時間差がある。このため、発電を停止した後のアノード室３６及び反応室２４内にはある程度の量の水素が残留し、この残留水素によってアノード室３６及び反応室２４の内圧は大気圧よりも高い状態となる。そして、本発明では、以下に説明するように、加圧供給部４０によって、この発電停止後にアノード室３６又は反応室２４に溜まった残留水素の圧力を利用して、再度発電を開始する際等に発電部３０（アノード室３６）のパージを行っている。
【００４５】
本実施形態に係る燃料電池システムは上述したように加圧供給部（加圧供給手段）４０を有し、この加圧供給部４０は、図１及び図２に示すように、発電部３０と溶液室２２とを繋ぐ連通管（連通路）４１と、この連通管４１の途中に設けられて残留水素が大気圧よりも高い圧力状態で保持される背圧室（残留水素保持室）４２とを有する共に、この背圧室４２と溶液室２２との間の連通管４１に設けられる開閉弁（以下、第１の開閉弁）４３と、背圧室４２と発電部３０との間の連通管４１に設けられて残留水素の供給を調整する開閉弁（以下、第２の開閉弁）４４とを有する。
【００４６】
なお、本実施形態では、連通管４１によって発電部３０のアノード室（発電セル）３６と溶液室２２とが繋がれているが、図３に示すように、連通管４１によって反応室２４と溶液室２２と繋ぐようにしてもよい。
【００４７】
第１の開閉弁４３は、所望のタイミングで開閉が可能な制御弁、具体的には、電気的に開閉が制御される制御弁、例えば、電磁弁や電動弁等からなる。なお、第１の開閉弁４３として用いる制御弁は、ラッチ機構を具備する等して開閉時のみに電力を消費するものであることが望ましい。一方、第２の開閉弁４４は、本実施形態では、第１の開閉弁４３と同様に制御弁で構成されている。この第２の開閉弁４４は、制御弁である必要はなく、上流側と下流側との差圧によって開閉する逆止弁であってもよい。なお、第２の開閉弁４４及び排出弁３８のそれぞれが、逆止弁で構成されている場合、排出弁３８の開弁圧が、第２の開閉弁４４の開弁圧よりも高いことが必要である。勿論、逆止弁自体の構造は特に限定されるものではない。
【００４８】
また、電気的に制御される制御弁からなる第１及び第２の開閉弁４３，４４は、制御回路５０によって制御される。この制御回路５０は、発電部３０から得られた電力の昇圧あるいは制御を行うものである。また、本実施形態では、これら第１及び第２の開閉弁４３，４４を、第２の電源６０から供給される電力を利用して制御している。勿論、発電部３０で得られた電力を利用できる場合には、それを利用して制御してもよい。この第２の電源６０としては、特に限定されず、例えば、１次電池、２次電池、発電機等、電力を生成する電源であれば全て適用可能であるが、特に、リチウムイオンバッテリに代表される２次電池であることが好ましい。
【００４９】
以下、本実施形態に係る燃料電池システムの動作について、図４及び図５に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。
【００５０】
まず、発電終了動作時には、図４に示すように、燃料電池システム１が接続されている機器の電源がＯＦＦされると、負荷電流が燃料電池システム１へ要求されていないこと、すなわち負荷電流がＯＦＦであることを確認し（ステップＳ１１）、負荷電流がＯＦＦであれば（ステップＳ１１：Ｙ）、次に第１の開閉弁４３を閉弁する（ステップＳ１２）。なお、ステップＳ１１で負荷電流がＯＮの状態であれば（ステップＳ１１：Ｎ）、ステップＳ１３で負荷電流を確実にＯＦＦにした後、第１の開閉弁４３を閉弁する。このとき、水素発生部２０から発生し発電で消費されずに発電部３０内に留まった水素が存在するので、発電部３０の内圧は大気圧に対して高くなっている。次に、第１の開閉弁４３が閉弁された状態で第２の開閉弁４４を開弁する（ステップＳ１４）。これにより、発電部３０内の残留水素の一部が背圧室４２へ流れ込み、また第１の開閉弁４３が閉じられているため、背圧室４２の内圧は上昇して大気圧よりも高くなる。その後、所定時間が経過した時点で（ステップＳ１５：Ｙ）、第２の開閉弁４４を閉弁する（ステップＳ１６）。これにより、発電終了動作が完了し、残留水素が背圧室４２内に大気圧よりも高い圧力状態で保持される。なお、第２の開閉弁４４が閉弁された後、制御回路５０への第２の電源６０からの電力供給を完全に停止する（ステップＳ１７）。
【００５１】
なお、第２の開閉弁４４を閉弁する時点での背圧室４２の内圧は、後述する水素発生触媒溶液２１の反応室２４への移送に十分な圧力であればよいが、例えば大気圧に対して１ｋＰａ〜１００ｋＰａ高い圧力に保持されていることが望ましい。また第２の開閉弁４４を開弁している時間は、背圧室４２の内圧が上記圧力に保持されるまでの時間であり、予めレファレンスとして求められている時間であるが、例えば０．１秒〜１分の間で任意に選択されればよい。
【００５２】
このように発電終了動作後、再び発電を開始する際には、図５に示すように、機器の電源がＯＮされると、まず第１の開閉弁４３を開弁する（ステップＳ２１）。これにより、背圧室４２から溶液室２２に残留水素が流れ込んで溶液室２２の内圧が高まる。発電部３０と反応室２４との間は常に開放されているため、発電終了動作後、比較的長時間放置されていると、これら発電部３０及び反応室２４の内部は、発電部３０での、例えば、水素、酸素、窒素などのクロスオーバーにより、何れも大気圧で空気雰囲気となる。このため、第１の開閉弁４３を開弁して溶液室２２の内圧が高まると、反応室２４と溶液室２２との間の差圧により溶液室２２に格納されている水素発生触媒溶液２１が反応室２４に送られて水素が発生する。水素発生部２０（反応室２４）において発生した水素は、その後、発電部３０へ流れ込むので発電部３０の内圧が上昇する。そして、排出弁３８の開弁圧以上になると発電部３０内部に滞留する窒素や酸素などの不純ガスが外部へ排出されて、発電部３０（アノード室３６）がパージされる。なお、排出弁３８として制御弁を用いている場合には、所定のタイミングで排出弁を開弁及び閉弁することによって、発電部３０がパージされる。
【００５３】
また本実施形態では、第１の開閉弁４３を開弁してから発電部３０のパージが終了するまでの時間が、予め制御回路５０の内部のメモリにレファレンスとして記憶されており、このレファレンスに基づいて所定時間が経過した時点で、第１の開閉弁４３を閉弁するようにしている。具体的には、ステップＳ２１で第１の開閉弁４３を開弁してからの時間を図示しないタイマによって計測しておき、所定時間が経過すると（ステップＳ２２：Ｙ）、第１の開閉弁４３を閉弁する（ステップＳ２３）。これにより、発電部３０のパージ動作が終了し、その後、ステップＳ２４で制御回路５０への第２の電源６０からの電力供給を完全に停止して、連続発電動作に移行する。
【００５４】
ここで、図６に、本実施形態に係る燃料電池システムにおける背圧室４２の内圧Ｐ１及び反応室２４（及び発電部３０）の内圧Ｐ２の変化の概略を示す。
【００５５】
図６に示すように、まず発電終了動作時、すなわち、第１の開閉弁４３が閉弁され第２の開閉弁４４が開弁された状態では、反応室２４内で水素発生反応がしばらく続くため、背圧室４２の内圧Ｐ１及び反応室２４内の圧力Ｐ２は、ほぼ一定の圧力に保持された状態から徐々に上昇する。もちろん、反応室２４内での水素発生反応が終了した場合は、その時点で背圧室４２内の圧力Ｐ１及び反応室２４内の圧力Ｐ２はほぼ一定の値で安定する。発電終了動作後、そのままの状態で、所定期間、例えば、数日程度放置すると、上述したように反応室２４の内圧Ｐ２は、大気圧Ｐ０付近まで低下する。背圧室４２の内圧Ｐ１は、放置期間中に若干低下するものの反応室２４の内圧Ｐ２以上には保持される。その後、開閉弁４４が閉弁されると共に第１の開閉弁４３が開弁されて発電開始動作（水素発生動作）が開始されると、背圧室４２内の水素が溶液室２２流れ込むことで背圧室４２の内圧Ｐ１は徐々に低下する。一方、反応室２４内では、溶液室２２から水素発生触媒溶液２１が供給されて水素発生反応が再び開始されるため内圧Ｐ２が徐々に上昇し、この反応室２４の内圧Ｐ２が排出弁３８の開弁圧Ｐ３を超えると、発電部３０内部に滞留する窒素や酸素などの不純ガスが外部へ排出される（パージ動作）。そして、反応室２４の内圧Ｐ２は、このパージ動作により開弁圧Ｐ３よりも若干低い圧力まで低下し、その後、連続発電が開始されることで所定圧力まで低下してほぼ一定の圧力で安定する。
【００５６】
なお、水素発生動作時における溶液室２２から反応室２４への水素発生触媒溶液２１の供給は、反応室２４の内圧Ｐ２が背圧室４２の内圧Ｐ１が反応室２４の内圧Ｐ２よりも高くなった時点で止まる。このため、反応室２４の内圧Ｐ２の上昇率は、その時点を境に若干低下し、背圧室４２の内圧はその時点からほぼ一定の圧力で安定する。
【００５７】
以上説明したように本発明では、残留水素を利用することで、第１及び第２の開閉弁４３，４４等の弁の開閉のみで水素を発生させて発電部３０のパージを実施することができる。このため、ポンプやコンプレッサを使用する機構に比べて消費電力を削減して、燃料電池システム１としてのエネルギ変換効率を向上させることができる。また、構成が簡略化されるため、システムの小型化を図ることができる。
【００５８】
なお、発電部３０のパージ終了の検出方法は、特に限定されず、例えば、排出弁３８の開閉動作を検出するようにしてもよい。すなわち、排出弁３８が一旦開弁された後に閉弁された時点で、発電部３０のパージが終了したと判断するようにしてもよい。また、より正確には、排出弁３８の開閉動作を検出した後、図示しないダミーの負荷へ所定の電流を印加して所定時間発電持続できるか否かを検出し、持続できた場合にパージが終了したと判断するようにしてもよい。
【００５９】
また、このような起動時の発電部３０のパージ動作は、長時間放置後に起動する場合に特に効果的であるが、短時間放置後に起動する場合にも勿論適用することができる。ただし、短時間放置後の場合は、発電部３０内に発電可能な相当量の水素ガスが存在しているので、例えば、ダミーの負荷に対して所定時間発電する工程を、第１の開閉弁４３を開弁する前に実施するようにしてもよい。
【００６０】
また、上記パージ動作は、起動時のみならず、連続運転時に出力電圧の低下が見られる場合など、混入した不純ガス等が性能に悪影響を及ぼす際に行うようにしてもよい。その場合、機器からの電流負荷要求に対して燃料電池システム１を切断し、第２の電源６０から機器に電力供給した上で、上記発電終了動作及び発電開始動作を行う。または、機器に対して燃料電池システム１から電力を供給しながら、第１の開閉弁４３を開いて背圧を水素発生部２０の溶液室２２に印加して発電に必要な水素量以上の水素を発生させることで、排出弁３８の開弁圧よりも高い内圧として発電部３０のパージを行うこともできる。
【００６１】
また、本実施形態では、第１の開閉弁４３は、発電部３０のパージが終了した段階で閉弁するようにしたが、この第１の開閉弁４３は、発電部３０のパージ動作完了後も開弁状態を保持するようにしてもよい。この場合、溶液室２２に対して背圧をかけて連続運転することとなり、発電部３０での出力はこの背圧に比例して高くなる傾向がある。
【００６２】
また排出弁３８を介して排出される水素については、カソード極３１に供給し、カソード極３１表面で水を発生させることで、系外へ放出される水素量を低減することができる。あるいは水素を背圧室４２へ供給することで系外へ放出される水素量を低減することもできる。
【００６３】
さらに、本実施形態では、溶液室２２内部の水素発生触媒溶液２１に、反応室２４との連結管２５が接しており、背圧室４２の残留水素が、溶液室２２の水素発生触媒溶液２１以外の空間へ供給されることにより、直接、水素発生触媒溶液２１を加圧するようにしているが、背圧室４２から供給される残留水素によって溶液室２２内の水素発生触媒溶液２１を加圧する方法は、特に限定されるものではない。例えば、溶液室２２を袋状の形状可変な構造として、かつシリンダ形状の背圧室４２の圧力で駆動することで、溶液室２２に対して力を伝達する構成としてもよい。
【００６４】
（実施形態２）
図７は、実施形態２に係る燃料電池システムの各構成要素の接続を示したブロック図である。
【００６５】
本実施形態は、図７に示すように、第１の開閉弁４３が、背圧室４２と溶液室２２との間の連通管４１ではなく、溶液室２２と反応室２４とを繋ぐ連結管２５に逆止弁２６の替わりに設けられている以外は、実施形態１と同様の構成である。また、動作時に第１の開閉弁４３を常時開弁状態としなければならないが、その他の制御は実施形態１と同様である。そして、このような本実施形態に係る燃料電池システムでは、発電停止時に溶液室２２から反応室２４への水素発生触媒溶液の供給を瞬時に停止することで、無駄な水素（残留水素）の発生量を減らすことができる。また、勿論、実施形態１と同様に、消費電力を削減して、燃料電池システム１としてのエネルギ変換効率を向上させることができる。
【００６６】
（実施形態３）
図８は、実施形態３に係る燃料電池システムの各構成要素の接続を示したブロック図であり、図９は、発電終了時の制御フローであり、図１０は、発電開始時の制御フローである。
【００６７】
本実施形態は、図８に示すように、発電部３０と制御回路５０との間に第１のスイッチ７０を設けると共に、第２の電源６０と外部出力（機器）との間に第２のスイッチ７１を設けた例であり、それ以外の構成は実施形態１と同様である。
【００６８】
そして、このような本実施形態の構成では、第１及び第２のスイッチ７０，７１の開閉動作を制御回路５０によって制御することで、特に発電開始時の外部への電力供給を滞りなく行うことができる。
【００６９】
具体的には、まず発電終了時には、図９に示すように、機器の電源がＯＦＦにされると、まず第２の電源６０から制御回路５０に電力を供給する（ステップＳ３１）。次に、実施形態１と同様に燃料電池システム１が接続されている機器側から負荷電流が燃料電池システム１へ要求されていないこと、すなわち負荷電流がＯＦＦであることを確認する（ステップＳ３２）。そして、負荷電流がＯＦＦであれば（ステップＳ３２：Ｙ）、第１のスイッチ７０及び第２のスイッチ７１をＯＦＦにする（ステップＳ３３）。なお、負荷電流がＯＮの状態であれば（ステップＳ３２：Ｎ）、ステップＳ３４で負荷電流を確実にＯＦＦにした後、第１及び第２のスイッチ７０，７１をＯＦＦにする（ステップＳ３３）。
【００７０】
その後は、実施形態１と同様に、第１の開閉弁４３を閉弁し（ステップＳ３５）、次いで第２の開閉弁４４を開弁することで（ステップＳ３６）、発電部３０内の残留水素の一部を背圧室４２へ流れ込ませる。その後、所定時間が経過した時点で（ステップＳ３７：Ｙ）、第２の開閉弁４４を閉弁する（ステップＳ３８）。これにより、発電終了動作が完了し、残留水素が背圧室４２内に大気圧よりも高い圧力状態で保持される。なお、第２の開閉弁４４が閉弁されると、制御回路５０への第２の電源６０からの電力供給を完全に停止する（ステップＳ３９）。
【００７１】
このように発電終了動作後、再び発電を開始する際には、図１０に示すように、機器の電源がＯＮにされると、まず第２の電源６０から制御回路に電力を供給する（ステップＳ４１）。次いで、第２のスイッチ７１をＯＮにして（ステップＳ４２）、第２の電源６０から機器側に電力を供給する。そして、第２の電源６０から電力によって機器を作動させつつ、発電部３０のパージ動作を実施する。すなわち、第１の開閉弁４３を開弁する（ステップＳ４３）。これにより、溶液室２２の内圧が高まり、反応室２４と溶液室２２との間の差圧により溶液室２２に格納されている水素発生触媒溶液２１が反応室２４に送られて水素が発生する。そして、水素発生部２０（反応室２４）において発生した水素が、その後、発電部３０へ流れ込むことで発電部３０がパージされる。
【００７２】
その後は、実施形態１と同様、第１の開閉弁４３を開弁してからの時間を図示しないタイマによって計測しておき、所定時間が経過した時点で（ステップＳ４４：Ｙ）、第１の開閉弁４３を閉弁する（ステップＳ４５）。これにより、発電部３０のパージ動作が終了する。その後、ステップＳ４６で第１のスイッチ７０をＯＮにすると共に第２のスイッチ７１をＯＦＦにすることで連続発電動作に移行する。なお、連続発電動作中、第２のスイッチ７１はＯＮにされていてもよい。
【００７３】
このように本実施形態では、発電開始時の水素発生及びパージ動作中は、機器からの電力要求に対して第２の電源６０から電力を供給するようにしているため、機器の立ち上がり時間を短縮する効果がある。
【００７４】
（実施形態４）
図１１は、実施形態４に係る燃料電池システムの各構成要素の接続を示したブロック図であり、図１２は、発電終了時の制御フローを示す図であり、図１３は、発電開始時の制御フローを示す図である。
【００７５】
本実施形態は、背圧室４２が、連通管４１に直列に配置される第１の背圧室４２Ａ及び第２の背圧室４２Ｂで構成され、且つこれら第１及び第２の背圧室４２Ａ，４２Ｂの間の連通管４１に、開閉が電気的に制御される開閉弁（以下、第３の開閉弁）４５が設けられている以外は、実施形態３と同様の構成である。
【００７６】
以下、本実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。図１２に示すように、機器電源がＯＦＦにされると、実施形態３と同様に、第２の電源６０から制御回路５０に電力を供給し（ステップＳ５１）、負荷電流がＯＦＦであることを確認して負荷電流がＯＦＦであれば（ステップＳ５２：Ｙ）、第１のスイッチ７０及び第２のスイッチ７１をＯＦＦにし（ステップＳ５４）、負荷電流がＯＮの状態であれば（ステップＳ５２：Ｎ）、ステップＳ５３で負荷電流を確実にＯＦＦにした後、第１及び第２のスイッチ７０，７１をＯＦＦにする（ステップＳ５４）。その後、第１の開閉弁４３を閉弁する（ステップＳ５５）。このとき、第３の開閉弁４５は開放された状態である。次いで第２の開閉弁４４を開弁することで（ステップＳ５６）、発電部３０内の残留水素の一部を第１及び第２の背圧室４２Ａ，４２Ｂへ流れ込ませる。そして、所定時間が経過した時点で（ステップＳ５７：Ｙ）、第３の開閉弁４５のみを閉弁する（ステップＳ５８）。これにより、第２の背圧室４２Ｂには所定の内圧Ｐ２で残留水素が保持される。一方、第１の背圧室４２Ａの内圧はさらに上昇する。そこでさらに所定時間が経過した時点で（ステップＳ５９：Ｙ）、第２の開閉弁４４を閉弁する（ステップＳ６０）。これにより、第１の背圧室４２Ａ内には、所定の内圧Ｐ１で残留水素が保持される。このとき、第１の背圧室４２Ａの内圧Ｐ１と第２の背圧室４２Ｂの内圧Ｐ２と大気圧との関係は、Ｐ１＞Ｐ２＞大気圧となる。なお、第２の開閉弁４４が閉弁されると、制御回路５０への第２の電源６０からの電力供給を完全に停止する（ステップＳ６１）。
【００７７】
このように発電終了動作後、再び発電を開始する際には、図１３に示すように、機器の電源がＯＮにされると、実施形態３と同様に、まず第２の電源６０から制御回路に電力を供給し（ステップＳ７１）、第２のスイッチ７１をＯＮにして第２の電源６０から機器側に電力を供給する（ステップＳ７２）。これにより第２の電源６０から電力によって機器を作動させつつ、発電部３０のパージ動作を実施する。すなわち、第１の開閉弁４３を開弁する（ステップＳ７３）、このとき第２の背圧室４２Ｂ内の残留水素が溶液室２２に流れ込んで溶液室２２の内圧がある程度高まり、反応室２４と溶液室２２との間の差圧により水素発生触媒溶液２１が反応室２４に送られて水素が徐々に発生して発電部３０へ送り込まれる。その後、第１の開閉弁４３を開弁してからの時間を図示しないタイマによって計測しておき所定時間が経過した時点で（ステップＳ７４：Ｙ）、さらに第３の開閉弁４５を開弁する（ステップＳ７５）。これにより、第１の背圧室４２Ａ内の残留水素が溶液室２２に流れ込み反応室２４での水素の発生速度が加速する。上述したように、第１の背圧室４２Ａ内の内圧Ｐ１は第２の背圧室４２Ｂの内圧Ｐ２よりも高いからである。そして、このように反応室２４で発生した水素が発電部３０へ流れ込むことで発電部３０がパージされる。
【００７８】
その後は、所定時間が経過した時点で（ステップＳ７６：Ｙ）、第１の開閉弁４３を閉弁する（ステップＳ７７）。これにより、発電部３０のパージ動作が終了する。その後、ステップＳ７８で第１のスイッチ７０をＯＮにすると共に第２のスイッチ７１をＯＦＦにすることで連続発電動作に移行する。
【００７９】
以上のように本実施形態では、発電開始時に、溶液室２２内の水素発生触媒溶液に対する圧力が段階的に増加するため、水素発生速度が徐々に速くなり、結果として発電部３０の内圧は段階的に漸増する。このように段階的に圧力を上昇させる制御を行うことで、発電部３０の破損、劣化等を回避することができる。
【００８０】
（実施形態５）
図１４は、実施形態５に係る燃料電池システムの各構成要素の接続を示したブロック図である。
【００８１】
本実施形態は、第１の背圧室４２Ａと発電部３０とが接続管（接続路）４６を介して接続され、且つこの接続管４６に、開閉が電気的に制御される開閉弁（以下、第４の開閉弁という）４７が設けられている以外は、実施形態４と同様である。
【００８２】
そして、本実施形態では、発電開始時には第１の開閉弁４３のみを開弁し、第２の背圧室４２Ｂの圧力のみで水素が発生されて発電部３０のパージ動作を行っている。このとき、第２〜第４の開閉弁４４，４５，４７は閉弁し、第１の背圧室４２Ａには残留水素が所定の圧力で保持されている。すなわち、本実施形態では、この第１の背圧室４２Ａを予備の水素タンクとして機能させている。そして連続運転中に発電部３０の出力電圧の低下が検出された場合に、第４の開閉弁４７を開弁して、発電部３０に第１の背圧室４２Ａに内包された残留水素を供給して出力電圧を回復させるようにした。
【００８３】
これにより、連続運転中の電圧出力の低下を防止することができ、常に安定して機器を作動させることができる。
【００８４】
なお、発電部３０に備えられた排出弁３８の開弁圧よりも第１の背圧室４２Ａの内圧を高く保持しておけば、所定のタイミングで第４の開閉弁４７を開弁することで、発電部３０に第１の背圧室４２Ａから供給された残留水素によって発電部３０内部をパージすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】実施形態１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施形態１に係る燃料電池システムの各構成のブロック図である。
【図３】実施形態１に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
【図４】実施形態１に係る燃料電池システムの制御フローを示す図である。
【図５】実施形態１に係る燃料電池システムの制御フローを示す図である。
【図６】背圧室及び反応室の内圧の変化の概略を示すグラフである。
【図７】実施形態２に係る燃料電池システムの各構成のブロック図である。
【図８】実施形態３に係る燃料電池システムの各構成のブロック図である。
【図９】実施形態３に係る燃料電池システムの制御フローを示す図である。
【図１０】実施形態３に係る燃料電池システムの制御フローを示す図である。
【図１１】実施形態４に係る燃料電池システムの各構成のブロック図である。
【図１２】実施形態４に係る燃料電池システムの制御フローを示す図である。
【図１３】実施形態４に係る燃料電池システムの制御フローを示す図である。
【図１４】実施形態５に係る燃料電池システムの各構成のブロック図である。
【符号の説明】
【００８６】
１  燃料電池システム
２０  水素発生部
２１  水素発生触媒溶液
２２  溶液室
２３  水素発生物質
２４  反応室
２５  連結管
２６  逆止弁
３０  発電部
３１  カソード極
３２  ＭＥＡ
３３  アノード極
３４  カソードエンドプレート
３５  アノードエンドプレート
３６  アノード室
３７  供給管
３８  排出弁
４０  加圧供給部
４１  連通管
４２  背圧室
４３  第１の開閉弁
４４  第２の開閉弁
４５  第３の開閉弁
４６  接続管
４７  第４の開閉弁
５０  制御回路
６０  電源
７０  第１のスイッチ
７１  第２のスイッチ
【図１】
2008041414.tif 000003
【図２】
2008041414.tif 000004
【図３】
2008041414.tif 000005
【図４】
2008041414.tif 000006
【図５】
2008041414.tif 000007
【図６】
2008041414.tif 000008
【図７】
2008041414.tif 000009
【図８】
2008041414.tif 000010
【図９】
2008041414.tif 000011
【図１０】
2008041414.tif 000012
【図１１】
2008041414.tif 000013
【図１２】
2008041414.tif 000014
【図１３】
2008041414.tif 000015
【図１４】
2008041414.tif 000016