(57)【要約】【課題】燃料電池内の残留水を良好に排出することができ、しかも、逆電位状態を極力抑えることが可能な燃料電池及びその発電停止方法を提供する。【解決手段】空気極に供給される酸化ガスと燃料極に供給される燃料ガスとの反応により発電する燃料電池２０において、前記燃料電池２０の酸化オフガス排気流路と燃料ガス供給流路とを接続するバイパスであって、発電停止時、前記空気極に送り込まれたパージ用の空気または窒素を前記燃料極へと案内するバイパス流路７０を備える。燃料電池２０の発電停止時、該バイパス流路７０を用い、前記空気極のパージに利用した空気または窒素を前記燃料極へと送り込みパージする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極に供給される酸化ガスと燃料極に供給される燃料ガスとの反応により発電する燃料電池の発電停止時、前記空気極に空気または窒素を送り込み当該空気極から前記燃料極の順でパージを行う燃料電池の発電停止方法。
【請求項２】
前記燃料電池の酸化オフガス排気流路と燃料ガス供給流路とを接続するバイパス流路を用い、前記空気極のパージに利用した空気を前記燃料極へと送り込みパージする請求項１に記載の燃料電池の発電停止方法。
【請求項３】
空気極に供給される酸化ガスと燃料極に供給される燃料ガスとの反応により発電する燃料電池において、
前記燃料電池の酸化オフガス排気流路と燃料ガス供給流路とを接続するバイパスであって、発電停止時、前記空気極に送り込まれたパージ用の空気を前記燃料極へと案内するバイパス流路を備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びその発電停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体高分子型燃料電池におけるセル（単電池）は、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなるＭＥＡ（膜−電極アッセンブリ）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成されている。また、このようなセルが複数積層されて燃料電池（燃料電池スタック）が形成されている。各セパレータの例えば端部付近には流体流通用のマニホールドがセル積層方向に連通するように設けられており、かかるマニホールドを通じ、各セパレータのガス流路を介して酸化ガスまたは燃料ガスが各電極に供給されるようになっている。
【０００３】
このような燃料電池においては、発電停止（運転停止）時、各セルに空気を送り込み、燃料電池に残留した生成水を除去するいわゆるパージが行われる場合がある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２９３８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、発電停止後、燃料電池のアノード（燃料極）側に空気が流入すると、アノードの水素と流入した空気中の酸素とが反応を起こし、これによりカソード（空気極）が異常電位になることがある。また、セパレータや電極の拡散層などのカーボンあるいは電極中の触媒を担持するカーボンなどが酸化することもある。
このため、発電停止中におけるガス流路での残留水を良好に排水し、しかも、アノード側での水素と酸素との混合状態を迅速に解消して逆電位を極力抑えることが要求されている。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内の残留水を良好に排出することができ、しかも、逆電位状態を極力抑えることが可能な燃料電池及びその発電停止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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池の発電停止方法は、空気極に供給される酸化ガスと燃料極に供給される燃料ガスとの反応により発電する燃料電池の発電停止時、前記空気極に空気または窒素を送り込み当該空気極から前記燃料極の順でパージを行う。
【０００７】
この発電停止方法によれば、発電停止時、空気極に空気または窒素を送り込み当該空気極から燃料極の順でパージを行うことによって燃料電池内の生成水を強制的に排水することができる。特に、燃料極を空気によってパージすることにより、発電停止後に、燃料極に空気が充満した状態とすることができ、燃料極内にて電気化学反応が生じることによる逆電位状態の発生を抑制することができる。また、空気極が異常電位に晒される時間を短縮することも可能である。
【０００８】
かかる燃料電池の発電停止方法においては、前記燃料電池の酸化オフガス排気流路と燃料ガス供給流路とを接続するバイパス流路を用い、前記空気極のパージに利用した空気を前記燃料極へと送り込みパージすることが好ましい。これによれば、生成水の多い空気極をパージした後の空気が燃料極へと送り込まれることとなり、空気極の生成水で燃料極側を洗浄するという効果が得られる。また、残留生成水を解消することも可能となる。
【０００９】
また、本発明は、空気極に供給される酸化ガスと燃料極に供給される燃料ガスとの反応により発電する燃料電池において、前記燃料電池の酸化オフガス排気流路と燃料ガス供給流路とを接続するバイパスであって、発電停止時、前記空気極に送り込まれたパージ用の空気を前記燃料極へと案内するバイパス流路を備えるというものである。
【００１０】
この燃料電池においては、発電停止時、空気極に空気を送り込み当該空気極から燃料極の順でパージを行うことによって燃料電池内の生成水を強制的に排水することができる。また、生成水の多い空気極をパージした後の空気を燃料極へと送り込むことにより、空気極の生成水で燃料極側を洗浄するという効果が得られ、さらには残留生成水を解消することも可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電停止時に燃料電池内の残留水を良好に排出することができ、しかも、逆電位状態を極力抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、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の燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１３】
図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）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して清浄するエアクリーナＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、制御部５０によって駆動制御される。
【００１４】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路（酸化オフガス排気流路）７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、三方弁Ａ２、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。三方弁Ａ２には、バイパス路７０が接続されており、この三方弁Ａ２によって、燃料電池２０のカソードの空気排出口に繋がる流路を、排気路７２からバイパス路７０に切り替え可能とされている。この三方弁Ａ２は、制御部５０によって切り替え制御される。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器として機能する。
【００１５】
圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１６】
燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路（燃料ガス供給流路）７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路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、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、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、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間に設けられた三方弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。三方弁Ｈ２１には、三方弁Ａ２からのバイパス路７０が接続されており、この三方弁Ｈ２１によって、燃料電池２０のアノードの水素供給口に繋がる流路を、燃料供給路７４からバイパス路７０に切り替え可能とされている。この三方弁Ｈ２１は、制御部５０によって切り替え制御される。
【００１７】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路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、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、三方弁Ｈ２２、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、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。三方弁Ｈ２２には、停止時排気路７７が接続されており、この三方弁Ｈ２２によって、燃料電池２０のアノードの水素排出口に繋がる流路を、水素循環路７５から停止時排気路７７に切り替え可能とされている。この三方弁Ｈ２２は、制御部５０によって切り替え制御される。
【００１８】
温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００１９】
水素オフガスは、燃料供給路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。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。
【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、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されてアノード（燃料極）側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下すること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、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。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、水素と空気の供給を受けて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、車両の駆動モータを駆動するインバータと、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を駆動するインバータと、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、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】
以上の燃料電池システムにおいて、通常運転時では、制御装置５０は、三方弁Ａ２、Ｈ２１にてバイパス路７０を遮断し、三方弁Ｈ２２にて停止時排気路７７を遮断した状態とする。これにより、コンプレッサＡ３にて空気供給路７１へ送り込まれた空気が燃料電池２０のカソード側へ供給され、その後、空気オフガスとして排気路７２へ送り出され、加湿器２１を介して外部へ排出される。
【００２５】
また、水素供給源３０から燃料供給路７４へ送り込まれた水素が燃料電池２０のアノード側へ供給され、その後、水素オフガスとして水素循環路７５へ送り出され、気液分離装置Ｈ４２にて生成水が回収され、再び燃料供給路７４へ送り込まれる。
【００２６】
これにより、燃料電池２０では、図２に示すように、カソードＣａに供給された空気（Ｏ2、Ｎ2）中の酸素（Ｏ2）とアノードＡｎに供給された水素（Ｈ2）との電気化学反応によって発電が行われる。
【００２７】
上記のように通常運転状態のシステムを停止させる場合、制御装置５０は、三方弁Ａ２、Ｈ２１、Ｈ２２を切り替え制御する。これにより、三方弁Ａ２では、燃料電池２０のカソードＣａの空気排出口に繋がる流路がバイパス路７０に接続され、三方弁Ｈ２１では、燃料電池２０のアノードＡｎの水素供給口に繋がる流路がバイパス路７０に接続され、さらに、三方弁Ｈ２２では、燃料電池２０のアノードＡｎの水素排出口に繋がる流路が停止時排気路７７に接続される。
【００２８】
この状態にて、コンプレッサＡ３によって空気供給路７１へ空気が送り込まれる。これにより、送り込まれた空気は、燃料電池２０のカソードＣａを通過し、さらに、バイパス路７０を介して燃料電池２０のアノードＡｎへ送り込まれる。その後、この空気は、アノードＡｎを通過して停止時排気路７７へ送り出され、排気路７２を介して外部へ排出される（図５参照）。
【００２９】
これにより、燃料電池２０では、カソードＣａ及びアノードＡｎの流路が順に空気によってパージされることとなり、発電によって生成された水（図６の斜線部分参照）が強制的に排出される。
また、空気によるパージ後では、燃料電池２０は、図３に示すように、カソードＣａ側及びアノードＡｎ側のいずれにも空気（Ｏ2、Ｎ2）が充満した状態となり、逆電位状態となることがない。
【００３０】
ここで、アノードＡｎ側が空気によってパージされる際に、図４に示すように、アノードＡｎ側が一時的に、水素（Ｈ2）と空気（Ｏ2、Ｎ2）が混合した状態となって電気化学反応が生じるが、この水素と空気の混合状態は、パージ時における一瞬であるため、逆電位の発生によるセパレータ（図６において符号２で示す）、電極を構成する拡散層などのカーボンや電極中の触媒を担持するカーボンなどへはほとんど影響を与えることがない。
【００３１】
以上、説明したように、上記実施形態に係る燃料電池システムによれば、発電停止時に、燃料電池２０のカソードＣａ及びアノードＡｎに空気を送り込んでパージを行うので、燃料電池２０内に残留している水を良好に排出することができる。特に、アノードＡｎを空気によってパージすることにより、発電停止後に、アノードＡｎに空気を充満させた状態とすることができ、アノードＡｎ内にて電気化学反応が生じることによる逆電位状態の発生を抑制することができる。
【００３２】
このように、カソードＣａ→アノードＡｎの順で空気を送り込みパージを実施する本実施形態の燃料電池２０においては、発電停止時の残留水を強制的に排水することが可能である。燃料電池２０のマニホールドに生成水が溜まっているとコンタミ（汚染）が濃縮したり氷点下で凍結したりといったことを生じさせる可能性があるが、上述のようにかかる生成水（残留水）を強制排水する本実施形態の燃料電池２０によればこういった問題が生じるのを抑制することが可能である。さらに、生成水の多いカソードＣａをパージした後の空気をアノードＡｎへと送り込むようにしているから、カソードＣａの生成水でアノードＡｎを洗浄するという効果も得られる。また、アノードＡｎ側へ酸素（Ｏ2）が入ってくるとカソードＣａが異常電位となりカーボン酸化が発生する場合があるが、本実施形態の燃料電池２０においてはカソードＣａ→アノードＡｎの順で空気を送り込みカソードＣａが異常電位に晒される時間を短縮することも可能である。
【００３３】
また、カソードＣａに空気を送り込む代わりに窒素ガスを送り込むこととすれば、異常電位自体を抑制しうる点で好ましい。空気（酸素）を送り込んだ場合、アノードＡｎ中の水素とアノードＡｎ中の酸素との間の電位差が約１Ｖ、当該アノードＡｎ中の酸素とカソードＣａ中の酸素との電位差が約１Ｖで計２Ｖの電位差が生じうる。一方、窒素ガスを送り込んだ場合、アノードＡｎ中の水素とアノードＡｎ中の窒素との間の電位差が約０．１Ｖ、当該アノードＡｎ中の窒素とカソードＣａ中の酸素との電位差が約１Ｖで、計１．１Ｖの電位差に抑えることが可能である（図４参照）。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】運転中における燃料電池内の状態を示す図である。
【図３】停止後における燃料電池内の状態を示す図である。
【図４】パージ時における燃料電池内の状態を示す図である。
【図５】パージの際の空気の流れを簡略化して示す図である。
【図６】燃料電池の発電停止中にマニホールドに溜まっている生成水の様子を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
２０…燃料電池、７０…バイパス路（バイパス流路）、７２…排気路（酸化オフガス排気流路）、７４…燃料供給路（燃料ガス供給流路）、Ａｎ…アノード（燃料極）、Ｃａ…カソード（空気極）。
【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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【図６】
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