(57)【要約】【課題】長時間運転を停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる燃料電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池２０と、燃料電池２０に供給される水素ガスの供給源３０と、供給源３０と燃料電池２０とを接続する供給路７４と、燃料電池２０から排出された水素オフガスを供給路７４に戻す循環路７５と、を備えてなる燃料電池システム１の運転方法であって、供給路７４、燃料電池２０、および循環路７５を含む水素ガス流路を閉回路としたうえで、この閉回路内の燃料電池２０に対して複数方向から水素ガスを供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給源と、前記供給源と前記燃料電池とを接続する供給路と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給路に戻す循環路と、を備えてなる燃料電池システムの運転方法であって、
前記供給路、前記燃料電池、および前記循環路を含む燃料ガス流路を閉回路としたうえで、前記閉回路内の前記燃料電池に対して複数方向から燃料ガスを供給する工程を備える燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記複数方向は、少なくとも、前記燃料電池の燃料ガス入口側からと燃料オフガス出口側からとの２方向を含む請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記複数方向からの前記燃料電池への燃料ガス供給を所定の時間だけ行う請求項１又は２に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池システムの運転を長時間（例えば、１時間３０分以上）停止した後に同システムを始動する際、燃料電池に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給しながら、燃料ガスの循環ポンプを所定の時間だけ逆回転させ、これにより、燃料ガスの流路に残留している不要なガス（前回の運転を終了した後に流れ込んだ空気）を流路の外に排出する技術が知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−１１４２２６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、特許文献１の燃料電池システムにおいては、システムを始動する際に、燃料ガスの流路を構成する回路が開いている（大気開放している）ので、上記回路の燃料電池の入口付近と出口付近とでは、システムを始動してから各部に燃料ガスが到達するまでに要する時間に差が生じることになる。
【０００４】
すなわち、大気開放している流路（開回路）を通じて燃料電池に流入する燃料ガスが燃料電池出口へ到達する時間は、大気開放していない流路（閉回路）を通じて燃料電池に流入する燃料ガスが燃料電池入口へ到達する時間よりも長くなる。そのため、燃料電池内のガス流路に均一に燃料ガスが行き渡るまでの時間は、大気開放している側の流路を通じて燃料電池に流入する燃料ガスの到達時間に依存することになり、結果的に安定した発電が行えるようになるまでに時間がかかる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、長時間運転を停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、ガス供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの供給源と、前記供給源と前記燃料電池とを接続する供給路と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給路に戻す循環路と、を備えてなる燃料電池システムの運転方法であって、前記供給路、前記燃料電池、および前記循環路を含む燃料ガス流路を閉回路としたうえで、前記閉回路内の前記燃料電池に対して複数方向から燃料ガスを供給する工程を備えるものである。
【０００７】
この構成によれば、燃料電池を含む燃料ガス流路が閉回路を構成し、かつ、この閉回路内の燃料電池に対して複数方向（例えば、入口側からと出口側からの２方向）から燃料ガスが供給されるので、短時間のうちに燃料電池内のガス流路に燃料ガスが行き渡る。これにより、短時間で安定した発電を行うことが可能になる。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法において、前記複数方向は、少なくとも、前記燃料電池の燃料ガス入口側からと燃料オフガス出口側からとの２方向を含むものでもよい。
【０００９】
この構成によれば、燃料ガスの行き渡り難い燃料オフガス出口側に燃料ガスを早期に供給することができる。なお、燃料ガスを燃料電池の燃料ガス入口側と燃料オフガス出口側との間からも供給できるようにしてもよい。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法においては、前記複数方向からの前記燃料電池への燃料ガス供給を所定の時間だけ行ってもよい。
【００１１】
この構成によれば、当該所定の時間の経過後、安定した通常発電を速やかに開始することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、長時間運転を停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明に係る燃料電池システムの運転方法の一実施形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。
【００１４】
図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。
【００１５】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。
【００１６】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００１７】
水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００１８】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００１９】
遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御され、水素供給路７４を通じて燃料電池２０に水素ガスを供給したり、水素供給路７４および水素循環路７５を通じて燃料電池２０に水素ガスを供給したりすることが可能である。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２０】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２１】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００２２】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２３】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２４】
上記のように構成された燃料電池システム１を始動する際には、排出制御弁Ｈ５１を作動させてパージ流路７６を閉じる。そのうえで、水素ポンプＨ５０を通常運転とは逆に作動させ、水素供給路７４および水素循環路７５を通じて燃料電池２０に向けて燃料ガスを搬送する。パージ流路７６を閉じると、図２に示すように、水素供給路７４、燃料電池２０および水素循環路７５は閉回路を構築する。
【００２５】
この閉回路には、水素供給源３０から供給される燃料ガスが、実線矢印で示すように、水素供給路７４を通じて燃料電池２０の入口２０ａに流入する一方で、水素供給源３０から供給される燃料ガスが、破線矢印で示すように、水素供給路７４の一部および水素循環路７５を通じて、閉回路の外に漏れることなく燃料電池２０の出口２０ｂに流入する。
【００２６】
このとき、燃料電池２０を含む燃料ガス流路が閉回路を構成しているので、当該燃料ガス流路が開回路である場合と比較すると、燃料ガスが閉回路の外に漏れない分、水素供給路７４の一部および水素循環路７５を通じて燃料電池ガスが燃料電池２０の出口２０ｂへ到達するまでの時間が短縮される。
【００２７】
図３には、燃料電池システム１を始動してからの、燃料電池２０の入口２０ａにおける燃料ガスの濃度、および燃料電池２０の出口２０ｂにおける燃料ガスの濃度の変化を示している。図３からわかるように、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法によれば、燃料電池２０の出口２０ｂにおけるガス濃度は、燃料電池２０の入口２０ａにおけるガス濃度と時をほぼ同じくして所定の値に落ち着く。
【００２８】
これに対し、従来の燃料電池システムの運転方法の場合には、燃料電池２０の入口２０ａにおけるガス濃度が所定値に落ち着いてから、やや遅れて燃料電池２０の出口２０ｂにおけるガス濃度が所定値に落ち着く。
【００２９】
以上のとおり、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法によれば、燃料ガスが水素供給路７４の一部および水素循環路７５を通じて燃料電池２０の出口２０ｂに到達するまでの時間と、燃料ガスが水素供給路７４を通じて燃料電池２０の入口２０ａに到達するまでの時間とがほぼ同じになるため、燃料電池２０に均一に燃料ガスが行き渡るまでの時間が、従来に比べて短くなる。
【００３０】
その結果、燃料電池システム１の運転を長時間停止した後に始動したときでも、短時間のうちに安定した発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおいて構築される燃料ガス流路の閉回路を示す模式図である。
【図３】燃料電池の燃料ガス入口側および燃料オフガス出口側における水素ガス濃度と、システムを始動してからの時間の経過との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料電池システム、２０…燃料電池、３０…水素供給源、７４…水素供給路、７５…水素循環路、７６…パージ流路、Ｈ５０…水素ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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