(57)【要約】【課題】  燃料電池システムを頻繁に起動停止する運転方法では、水素ラインの水素をパージして外部に放出させる回数が増加するため、発電に使用することのできない水素ロスが増加し、発電効率が低減していた。さらに水素を外部に放出させることによる、周囲環境の安全性低下の懸念も生じていた。【解決手段】  燃料電池システムの停止状態として、水素ラインに水素が残留したままで停止する第一段階停止状態と、水素ラインを空気で置換する第二段階停止状態を有し、第二段階停止状態へは、第一段階停止状態を経由して移行する燃料電池システムを提案した。【選択図】図１
2008084704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料電池に水素を供給および排出する水素ラインと、水素ラインの燃料電池入口部に設けた水素入口バルブと、水素ラインの燃料電池出口部に設けた水素出口バルブと、水素ラインの燃料電池入口部に設けた水素圧力センサと、燃料電池の空気を供給および排出する空気ラインと、空気ラインの燃料電池入口部に設けた空気入口バルブと、空気ラインの燃料電池入口部に設けた空気圧力センサと、燃料電池の温度を計測する温度センサと、燃料電池の出力ラインに接続されている負荷および小型調節用負荷と、センサ，バルブなどの補機類の動作、および負荷へ流れる電流量を制御する制御部を備え、燃料電池システムの停止状態として、水素ラインに水素が残留したままで停止する第一段階停止状態と、水素ラインを空気で置換する第二段階停止状態を有し、第二段階停止状態へは、第一段階停止状態を経由して移行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
第一段階停止状態へ移行してからの時間，電池電圧，電池内ガス圧力，電池温度が設定値を超過したときに制御部が判断し、第一段階から第二段階へ停止状態を移行することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
起動時において水素ラインの水素濃度を高めるための水素パージを実施するか否かは、停止段階，電池電圧，経過時間，電池内圧力により判断することを特徴とする請求項１および２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池を用いた発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸形燃料電池，溶融炭酸塩形燃料電池，固体酸化物形燃料電池，固体高分子形燃料電池（以下ＰＥＦＣと略する），アルカリ形燃料電池に大別される。
【０００３】
これらの各種燃料電池の中でもＰＥＦＣは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能であるため、移動体電源をはじめ、各種用途への応用が期待されている。
【０００４】
燃料電池は水素ガスを使用して発電を行っている。起動しようとするとき、電池内水素ラインの水素濃度が低い場合、発電を開始することは出来ないため水素濃度を増加させる必要がある。このとき、水素の供給圧力を利用してライン内のガスを追い出すパージ法が一般に使用されている。
【０００５】
また、燃料電池システム停止時において、電池から負荷を切り離すと、開回路電圧
（ＯＣＶ）を示し、発電中よりも電圧が高くなる。この状態は電池内の触媒や電解質の劣化を促進させるので、長時間放置させるのは好ましくない。よって電池電圧を低下させる方法として、水素ラインに空気を導入して、水素極の電位を空気極の電位と同程度まで上昇させ、電池電圧としてはゼロに近づける方法がある。この場合、ＯＣＶ状態による触媒や電解質の劣化はほとんど生じない。
【０００６】
燃料電池の起動を停止する方法として特許文献１がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２５３２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、頻繁に起動停止を実施する運転方法では、水素ラインの水素をパージして外部に放出させる回数が増加するため、発電に使用することのできない水素ロスが増加し、発電効率が低減していた。
【０００９】
さらに水素を外部に放出させることによる、周囲環境の安全性低下の懸念も生じていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本課題を解決するため、燃料電池システムの停止状態として、水素ラインに発電状態と同等圧力の水素が残留したままスタック電圧を低下させて停止する第一段階停止状態と、水素ラインを空気で置換する第二段階停止状態を有し、第二段階停止状態へは、第一段階停止状態を経由して移行する燃料電池システムを提案した。
【００１１】
さらには、第一段階停止状態へ移行してからの時間，電池電圧，電池内ガス圧力，電池温度が設定値を超過したときに制御部が判断し、第一段階から第二段階へ停止状態を移行する燃料電池システムを提案した。
【００１２】
さらには、起動時において水素ラインの水素濃度を高めるための水素パージを実施するか否かは、停止段階，電池電圧，経過時間，電池内圧力により判断する燃料電池システムを提案した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、起動停止に伴う水素の外部への放出を低減させることにより、発電効率の向上と、高い安全性を確保した燃料電池システムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態を以下に示す。
【００１５】
（実施例）
実施例のシステム構成図を図１に示す。パーフオロカーボンスルホン酸系の電解質膜と、白金粒子をカーボン担体に担持させた触媒を主成分とする電極とを一体化した電極電解質膜を中心として、その表裏面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を表面に分散させ撥水性を制御したカーボンペーパーであるカソード拡散層，アノード拡散層を配置し、さらに金属セパレータをその両側に配置して、発電セルの基本構成と成した。本発電セルを１２０セルおよび冷却水を流通させ電池温度を下げるための冷却セルを６０セル組み合わせることにより、燃料電池スタック１を作製した。
【００１６】
温度センサ７を配置した燃料電池スタック１に水素を供給および排出するための水素ラインを接続し、水素ラインに水素入口バルブ２，水素出口バルブ３，水素圧力センサ４，水素ポンプ１０，水素パージバルブ１１，エア導入バルブ１２を備えた。同様に燃料電池スタック１に空気を供給および排出するための空気ラインを接続し、空気入口バルブ５と空気圧力センサ６を備えた。
【００１７】
燃料電池スタック１の出力ラインにはモータやバッテリなどの負荷８を接続し、さらには小型調節用負荷９を接続した。
【００１８】
なお、燃料電池発電時には熱が発生し、それを冷却するための冷却ラインが通常装備されるが、本実施例では割愛している。
【００１９】
上記センサ類の情報は制御部２０へ伝達され、また制御部２０で判断した指令は各補機類へと伝達されその動作を制御する。
【００２０】
実施例を用いたシステム起動法について説明する。
【００２１】
燃料電池スタック１に接続している小型調節用負荷９のスイッチをＯＮ状態とする。これは燃料電池に反応ガスが供給された状態でも電流を小型調節用負荷９に流すことによりＯＣＶ状態の電圧を低減させ、触媒や電解質などの電池構成材料を保護するためである。
【００２２】
次に、燃料電池に反応ガスを供給するため、水素入口バルブ２および水素出口バルブ３を開状態とし、水素ラインに接続した水素ボンベから設定量の水素を供給する。ほぼ同時に空気ラインの空気入口バルブ５を開状態とし、空気ラインに接続した空気供給ブロアから設定料の空気を燃料電池スタック１に供給する。
【００２３】
燃料電池から排出される水素ガスは、濃度の高い水素ガスが排出される。そのため排出ガスを再び燃料電池スタック１へ供給するため水素ポンプ１０により昇圧し、燃料電池入口部へと合流させている。
【００２４】
この水素が循環するラインにおいて、起動時に空気が存在していると水素を供給してもライン中の水素濃度は１００％にならない。そこで水素を供給している状態で水素パージバルブ１１を短時間開状態として空気を水素によって追い出す。本操作により水素ライン中の水素濃度がほぼ１００％となり、燃料電池による発電の準備が完了する。
【００２５】
次に負荷８を操作することにより、燃料電池から電流を取り出す。このとき、小型調節用負荷９にも電流は流れていることから、負荷８と小型調節用負荷９に流れる合計の電流値が燃料電池の最大設定電流を下回るような制御が必要となる。
【００２６】
負荷８に電流が流れることを確認でき、電池状態，補機動作に異常ない場合は、小型調節用負荷９のスイッチをＯＦＦとして電気的切り離しを実施する。
【００２７】
これ以降、負荷の要求する電力量に応じて燃料電池スタックの発電を行うために、水素供給量，空気供給量，水素ポンプ稼動量，冷却ラインの放熱量，各補機は制御部２０の判断指令に基づき動作する。
【００２８】
同様に停止法について以下に示す。
【００２９】
小型調節用負荷９をＯＮ状態とする。このときは負荷８にも電流が流れているため、燃料電池スタック１の最大設定電流を超えないように負荷８をあらかじめ調節する。
【００３０】
つぎに負荷８を電気的に切り離す。
【００３１】
空気ブロアを停止するとともに空気入口バルブ５を閉止する。電池電圧が低下し６Ｖ以下を確認したら水素供給を停止するとともに水素入口バルブ２，水素出口バルブ３を閉止し、水素ポンプ１０を停止する。
【００３２】
電池電圧が約ゼロボルトであることを確認し小型調節用負荷９をＯＦＦ状態とする。
【００３３】
冷却ラインは必要に応じてその動作を継続または停止させる。
【００３４】
この停止状態が第一段階停止状態である。なお、小型調節用負荷９はＯＮ状態のままとすることも可能である。本方法によると、水素ラインおよび空気ラインを減圧状態としないでスタック電圧を低下させることができる。
【００３５】
電圧低下の原理については詳細検討中であるが、水素極電位は変化ないことから、空気極の電位が低下することがこれまでに分かっている。空気を供給しない状態で電極反応を進めるため反応生成物である水が電極触媒と空気との反応抑制材料となって電位を低下させていると考えられる。
【００３６】
次に第一段階停止状態からの起動方法について以下に示す。
【００３７】
小型調節用負荷９がＯＦＦ状態であればＯＮ状態とする。
【００３８】
第一段階停止状態では水素ライン中の水素は発電状態と同等の圧力を保ち、その濃度は水を除きほぼ１００％であるため、水素濃度を上昇させるためのパージ操作は必要としない。よって水素入口バルブ２および水素出口バルブ３を開状態にするとともに水素を燃料電池スタック１へ供給し、水素ポンプ１０を稼動させることにより水素を循環させる。
【００３９】
ほぼ同時に空気入口バルブ５を開状態として空気ブロアを稼動させ燃料電池スタックへ空気を供給する。
【００４０】
これ以降は通常の起動方法と同一である。
【００４１】
なお、制御部２０は、起動開始するにあたり、現在の停止状態段階，電池電圧，停止してからの経過時間，電池内圧力，電池温度などの情報を統合し水素ライン内ガス置換のためのパージを実施するか判断することができる。
【００４２】
本起動法は水素ラインに水素が残存している状態からの起動であるため、水素ラインの水素濃度を上昇させる操作が不要となり、起動時間短縮，安全性確保，発電効率向上などにおいて有利となることが期待できる。
【００４３】
しかし、第一段階停止状態において、長時間停止を行うと、電池が不安定になる可能性がある。これは、本停止方法が空気極の触媒と空気との電気化学的反応を生成水が抑制していると考えられることから、長時間の経過により水が局在化したり、蒸発で減少する結果、反応抑制効果が低減し、電池電圧が急に上昇する可能性がある。ＯＣＶ電圧に近い状態で電池が放置されると、電極触媒や電解質材料の劣化が促進され、電池がダメージを受ける。小型調節用負荷などをＯＮ状態としても、突然電流が流れた場合、小型調節用負荷としてヒータを想定した場合は異常発熱など、電池を想定した場合は過充電などの状態も想定される。従って、電池の状態を各種情報によって把握しておき、異常が検出された場合、第一段階停止状態から長期停止に対応可能な第二段階停止状態へ移行することをあらかじめプログラムしている。
【００４４】
第一段階停止状態から第二段階停止状態への移行に伴う操作は以下の通りである。
【００４５】
第一段階停止状態から水素パージバルブ１１，エア導入バルブ１２，水素入口バルブ２，水素出口バルブ３を全て開状態とし、水素ポンプ１０を稼動させる。水素パージバルブ１１は三方弁となっているため、水素ポンプで昇圧されたライン中のガスが逆流することなしに排出される。一方、水素ポンプによる負圧を補償するため、エア導入バルブ１２を通り系外の空気が水素ライン中に導入され、水素濃度を低減させる。これらの操作により、水素極の電位は空気極電位とほぼ同程度となり、電池電圧はゼロボルトとなる。またこの状態では長時間放置しても電池内雰囲気は変化しないため、安定に推移することができる。
【００４６】
この停止状態の移行は制御部が判断する。制御部は電池の温度，電池電圧，電池内のガス圧力などの情報をモニターし、各センサが検出した値があらかじめ設定した値を超過した場合、電池が不安定な状態にあるとして第一段階停止状態から第二段階停止状態への移行を実施する。さらに制御部は第一段階停止状態となってからの経過時間をカウントし、設定した時間を超過した場合に停止状態の移行を実施することもできる。
【００４７】
本実施例では、第一段階停止状態にある電池の電圧が１セルあたり０.２Ｖ 以上へ上昇した場合、および電池温度が５０℃以下から５０℃以上へと変化した場合、さらにはガスライン中のゲージ圧力が０ｋＰａ以下となった場合、第一段階停止状態に移行して１時間以上が経過した場合は第二段階停止状態へ自動的に移行する。これは高電位による電池部材の劣化を抑制するため、異常発熱による水素ガスの酸化反応を避け安全性を確保するため、差圧の増大によるシール材料および電解質膜の劣化を抑制するため、システムの停止時間を確保するためなど、それぞれの理由に基づいたものである。
【００４８】
次に比較例を用いた場合の起動停止方法を示す。システム構成を図２に示す。
【００４９】
実施例システム構成とほぼ同じであるが、水素入口バルブ，水素出口バルブ，水素圧力センサ，空気入口バルブ，空気圧力センサおよび小型調節用負荷が省略されている。
【００５０】
比較例の起動方法を以下に示す。
【００５１】
燃料電池に反応ガスを供給するため、水素ラインに接続した水素ボンベから設定量の水素を供給する。ほぼ同時に空気ラインに接続した空気供給ブロアから設定量の空気を燃料電池スタック１に供給する。
【００５２】
燃料電池から排出される水素ガスは、濃度の高い水素ガスが排出される。そのため排出ガスを再び燃料電池スタック１へ供給するため水素ポンプ１０により昇圧し、燃料電池入口部へと合流させている。
【００５３】
この水素が循環するラインにおいて、起動時に空気が存在していると水素を供給してもライン中の水素濃度は１００％にならない。そこで水素を供給している状態で水素パージバルブ１１を短時間開状態として空気を水素によって追い出す。本操作により水素ライン中の水素濃度がほぼ１００％となり、燃料電池による発電の準備が完了する。
【００５４】
次に負荷８を操作することにより、燃料電池から電流を取り出す。
【００５５】
これ以降、負荷の要求する電力量に応じて燃料電池スタックの発電を行うために、水素供給量，空気供給量，水素ポンプ稼動量，冷却ラインの放熱量，各補機は制御部２０の判断指令に基づき動作する。
【００５６】
次に比較例の停止方法について以下に説明する。
【００５７】
燃料電池スタック１に接続されていた負荷８を電気的に切り離し、空気ブロアおよび水素の供給を停止する。次に水素パージバルブ１１，エア導入バルブ１２を開状態とする。すると系外の空気が水素ライン中に導入され、水素濃度が低減する。これらの操作により、水素極の電位は空気極電位とほぼ同程度となり、電池電圧はゼロボルトとなる。その後補機類の動作を停止させる。
【００５８】
冷却ラインは必要に応じてその動作を継続または停止させる。
【００５９】
実施例および比較例について実施した起動停止連続試験の内容を以下に示す。
【００６０】
停止状態から起動して２分以内で定格発電状態へ移行し、そのまま５分間定格発電を行った。
【００６１】
その後、２分以内に停止状態へ移行し、そのまま１０分間の停止状態を維持した。これを起動停止１サイクルと定義した。この起動停止を計３００サイクル実施し、起動停止時に消費された水素量を比較した。なお、定格発電時に消費された水素量は、発電量から計算して相当量をあらかじめ減じている。
【００６２】
結果を図３に示す。
【００６３】
図３より、実施例は比較例よりも起動停止に伴う水素の消費量が約１／６０となった。これは本実施例では停止状態を２段階とし、水素ライン中に水素ガスを残留させたまま停止できる第一段階停止状態を採用することにより、起動停止時における水素ラインのガス置換操作を省略することができ、その結果パージによって消費される水素量が大幅に減少させたためである。従って燃料ガスとなる水素を無駄にすることなく発電に用いることが出来るため、発電効率の向上が可能となった。
【００６４】
図４は実施例と比較例の起動時間および停止時間の比較である。
【００６５】
実施例は特に第一段階停止状態からの起動時間、または第一段階停止状態への停止時間が、比較例よりも大幅に短縮されている。これは、上記と同様の理由により、水素によるライン内置換が不要となるためである。第二段階停止状態からの起動停止は第一段階停止状態からの起動停止よりも時間を必要とするが、それでもほぼ比較例と同等レベルであることが確認できる。
【００６６】
以上より、本発明の燃料電池システムでは停止方法を２段階とし、さらに第一段階停止状態では水素ラインに水素を残留されたまま停止する方法を採用したため、再起動の際に水素ラインからの水素放出を減少させることができる。その結果、燃料電池発電システムの発電効率向上，安全性向上，起動時間短縮，停止時間短縮が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に関わる実施例の発電システム構成を示す図である。
【図２】本発明に関わる比較例の発電システム構成を示す図である。
【図３】本発明に関わる実施例および比較例の起動停止試験における水素消費量を表す図である。
【図４】本発明に関わる実施例と比較例の起動時間および停止時間を比較した図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  燃料電池スタック
２  水素入口バルブ
３  水素出口バルブ
４  水素圧力センサ
５  空気入口バルブ
６  空気圧力センサ
７  温度センサ
８  負荷
９  小型調節用負荷
１０  水素ポンプ
１１  水素パージバルブ
１２  エア導入バルブ
２０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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