(57)【要約】【課題】システムの停止時に電解質膜の乾燥を防止することができると共に、停止時における残存燃料ガスを不活性なガスに置換することにより、燃料電池内部の圧力低下を解消し、また、発電コストの上昇を抑制し、円滑にシステムの運転を実行することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】制御装置８９は、燃料電池システムＳの停止時、各開閉弁８５、６１、８８、６３により各配管２４、３２、３７、３４を閉じると共に、バイパス経路開閉弁８６により配管８７を開き、配管８７内の燃料ガスを触媒燃焼器８２により燃焼処理し、開放弁８５と燃料電池６の間の配管２４に返送する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、前記アノードに燃料ガスを供給し、前記カソードに酸化剤ガスを供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給経路と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するための酸化剤ガス供給経路と、
前記燃料電池から前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出経路と、
前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出経路と、
前記各経路のガス流通を制御するガス流通制御手段と、
前記燃料ガス排出経路中の前記燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に返送するバイパス経路と、
該バイパス経路内の前記燃料ガスを燃焼処理する燃焼手段と、
該バイパス経路のガス流通を制御するバイパス経路制御手段と、
前記ガス流通制御手段及び前記バイパス経路制御手段を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、システムの停止時、前記ガス流通制御手段により前記燃料ガス供給経路と、前記酸化剤ガス供給経路と、前記燃料ガス排出経路と、前記酸化剤ガス排出経路を閉じると共に、前記バイパス経路制御手段により前記バイパス経路を開き、該バイパス経路内の前記燃料ガスを前記燃焼手段により燃焼処理し、前記ガス流通制御手段と前記燃料電池の間の燃料ガス供給経路に返送することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス経路は、残燃料ガス濃度を検知するガス濃度検出手段を備えることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼手段は、該燃焼手段の温度を検出する温度検出手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子形燃料電池などを備えた燃料電池システムに関するものであり、特に運転停止時における電解質膜の保存構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素ガスに改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（以下、これら改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを合わせて改質装置と称す。）と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
特に、家庭用の小型電源として固体高分子形燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムにおける燃料電池は、例えばスルホン酸基をもつフッ素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜から成る電解質膜と、当該電解質膜の一方の側に例えば白金などから成る触媒又は多孔質カーボンを備えた燃料極（アノード）、他方の側に同じく例えば白金などから成る触媒又は多孔質カーボンを備えた酸化剤極（カソード）の両電極を配したセルを多数積層して構成されている。燃料極側には、純水素ガス又は改質器で改質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。また、酸化剤極側には、ファンなどによって送給された酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が供給される。
【０００４】
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されると、燃料極側では、燃料ガス中の水素ガスが化学反応を生じ、水素イオン化され（反応式Ａ）、当該水素イオンは、電解質膜中の水の介在のもとにＨ＋・ｘＨ２Ｏとして酸化剤極側へ移動し、電子は、外部回路を流れる。酸化剤極では、酸化剤中の酸素ガスと、外部回路から供給される電子が化学反応を生じ、水を生成し（反応式Ｂ）、燃料電池外部に排出される。このとき、外部回路を流れる電子の流れを直流の電気エネルギーとして利用する。以下に、反応式Ａ及びＢ、更に、これらの全反応を示す反応式Ｃを示す。
反応式Ａ  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
反応式Ｂ  １／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
反応式Ｃ  Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００５】
ここで、燃料極側に供給される燃料ガス及び酸化剤極側に供給される酸化剤ガスは、電解質膜における電気抵抗を低減すると共に、膜中の水移動を活発化させるため、湿潤状態であることが望ましい。また、この電解質膜は、上述した如くイオン透過性を有するため、常に十分な湿潤状態を維持しておく必要がある。
【０００６】
そこで、従来では、電解質膜の湿潤状態を維持するため、燃料ガスは、水が貯留された水タンクを通過して加湿された状態で燃料極側に供給され、酸化剤ガスは、同じく水が貯留された水タンクを通過して加湿された状態で酸化剤極側に供給されていた。
【０００７】
しかしながら、当該燃料電池システムの停止時には、燃料ガスの燃料極側への供給及び酸化剤ガスの酸化剤極側への供給が停止されると共に、燃料極側のガス流路への急激な空気の流入及び電解質膜の乾燥を防止するため、燃料電池内が密閉状態とされる。これにより、密閉された燃料電池内のガス経路内では、電解質膜を介して残存された燃料ガスと酸化剤ガスとが反応し、内部圧力が低下する。そのため、ガス流路の内部と外部の圧力差によって、膜の変形、ひどい場合には電解質膜が損傷する可能性があり、また、ガス流路の強度の弱い部分が破損するおそれがある。
【０００８】
一般に燃料電池システムの停止時には、ガスパージが実施されている。パージ用ガスとして、窒素ガス、希ガスなどの不活性ガスを使用している。しかしながら、不活性ガスを使用する場合は、ボンベ等に不活性ガスを貯蔵する装置が必要であり、システムが大型化すると共に、ボンベ交換等のようにメンテナンスが煩雑となる不都合があった。また、希ガスは一般に高価であるため、希ガスを使用する場合では、発電コストの上昇を招く問題があった。
【０００９】
そこで、上述した如き課題を解決するため、従来では、運転停止時における不活性ガスのパージを簡単な構成にて実現するために、システム起動時又はシステム停止時に、バーナ（触媒燃焼器）での燃焼ガスを、燃料電池のガス供給経路から供給し、燃料電池内のガス流路を燃焼ガスで置換する方法が採られていた（特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１６４２３２号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の如く燃料電池内部のガスをバーナ（触媒燃焼器）の燃焼ガスと置換する方法では、パージ用燃料が必要となり、運転又は停止時に伴う発電コストの上昇を招く問題がある。また、パージ用燃料に炭化水素系の燃料を用いた場合、燃料ガス中に酸素が含有する可能性が高く、その結果、燃焼触媒の温度管理や燃料用空気量の微調整など制御が複雑となる問題がある。更に、アノード側ガス経路への空気（酸素）流入があった場合、残存した燃料（改質ガス：水素、メタン、一酸化炭素など）とアノード電極面で燃焼反応を生じ、発熱による触媒劣化、ひどい場合には電解質膜が損傷する可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、システムの停止時に電解質膜の乾燥を防止することができると共に、停止時における残存燃料ガスを不活性なガスに置換することにより、燃料電池内部の圧力低下を解消し、また、発電コストの上昇を抑制し、円滑にシステムの運転を実行することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料ガス供給経路と、酸化剤ガスを燃料電池に供給するための酸化剤ガス供給経路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出経路と、燃料電池から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出経路と、各経路のガス流通を制御するガス流通制御手段と、燃料ガス排出経路中の燃料ガスを燃料ガス供給経路に返送するバイパス経路と、該バイパス経路内の燃料ガスを燃焼処理する燃焼手段と、該バイパス経路のガス流通を制御するバイパス経路制御手段と、ガス流通制御手段及びバイパス経路制御手段を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、システムの停止時、ガス流通制御手段により燃料ガス供給経路と、酸化剤ガス供給経路と、燃料ガス排出経路と、酸化剤ガス排出経路を閉じると共に、バイパス経路制御手段によりバイパス経路を開き、該バイパス経路内の燃料ガスを燃焼手段により燃焼処理し、ガス流通制御手段と燃料電池の間の燃料ガス供給経路に返送することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料ガス供給経路と、酸化剤ガスを燃料電池に供給するための酸化剤ガス供給経路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出経路と、燃料電池から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出経路と、各経路のガス流通を制御するガス流通制御手段と、燃料ガス排出経路中の燃料ガスを燃料ガス供給経路に返送するバイパス経路と、該バイパス経路内の燃料ガスを燃焼処理する燃焼手段と、該バイパス経路のガス流通を制御するバイパス経路制御手段と、ガス流通制御手段及びバイパス経路制御手段を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、システムの停止時、ガス流通制御手段により燃料ガス供給経路と、酸化剤ガス供給経路と、燃料ガス排出経路と、酸化剤ガス排出経路を閉じると共に、バイパス経路制御手段によりバイパス経路を開き、該バイパス経路内の燃料ガスを燃焼手段により燃焼処理し、ガス流通制御手段と燃料電池の間の燃料ガス供給経路に返送するので、システムの停止時に、燃料電池内に残存された燃料ガスが不活性なガスに置換されることにより燃料電池内が負圧となる不都合を未然に回避することができるようになる。
【００１５】
そのため、当該負圧による燃料電池内部のガス流路の強度の弱い部分などに応力が加わり破損してしまうことを未然に回避することができるようになる。また、パージ用の不活性ガスが不要となり、システムの大型化、ボンベ交換等の不都合や発電コストの上昇を防止できるようになる。更に電解質膜自体に、負圧が加わることも抑制することができるため、当該電解質膜の耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００１６】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記発明において、バイパス経路は、残燃料ガス濃度を検知するガス濃度検出手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明によれば、上記発明において、バイパス経路は、残燃料ガス濃度を検知するガス濃度検出手段を備えるので、バイパス経路内の残留する燃料ガスがなくなった時点でシステムの停止から保存に移行し、燃料電池内部の電解質膜を湿潤に維持することができるようになり、当該電解質膜の乾燥による劣化を防止することができるようになる。
【００１８】
請求項３の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、燃焼手段は、該燃焼手段の温度を検出する温度検出手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、燃焼手段は、該燃焼手段の温度を検出する温度検出手段を備えるので、燃料ガスが不活性なガスに置換されることにより、当該燃焼手段の温度が低下することを検知し、システムの停止から保存に移行することができるようになる。
【００２０】
これによっても、保存時において、燃料電池内部の電解質膜を湿潤に維持することができるようになり、当該電解質膜の乾燥による劣化を防止することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムＳは、ＰＥＦＣ装置Ｔ（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル）を備えた固体高分子形燃料電池システムである。
【００２２】
この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置Ｔの他に燃料電池システムの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムを構築するため、貯湯タンク７を含む熱回収装置を有している。
【００２３】
ここで、図１及び図２を参照して本発明を適用した燃料電池システムＳについて説明する。図１は本実施例における燃料電池システムＳの回路図、図２は燃料電池システムＳの部分拡大回路図を示している。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料の供給源である原料供給源１と、原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、原料ガスから燃料ガスとなる水素と、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。
【００２４】
燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、固体高分子電解質膜６ｄ（図１のみ図示する）の両面に燃料極（アノード）６ａと、酸化剤極（カソード）６ｂとを配した図示しないセルが多数積層して構成され、更に、この燃料電池６を冷却するための冷却部６ｃを備えている。尚、これら燃料極６ａ及び酸化剤極６ｂには、それぞれ水素ガス又は酸素ガスを流通させるための図示しないガス通路が形成されているものとする。また、この燃料電池６には図示しない温度センサが設けられており、当該温度センサは、後述する制御装置８９に接続されているものとする。
【００２５】
前記原料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変性器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、昇圧ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。
【００２６】
ここで、水タンク２１は、水道管を通じて市水が供給された水処理装置８により純水とされた水を貯留するものである。本実施例において水処理装置８は、例えばイオン交換樹脂により構成されており、これにより、市水は純水とされる。
【００２７】
尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、昇圧ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク（燃料加湿タンク）１１及び酸化剤加湿タンク１２に搬送される。また、水道管を介して供給される市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。
【００２８】
そして、ＣＯ除去器５は、燃料供給側ガス開閉弁８０（図１では図示しない。）が設けられたガス管２３を介して水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、配管（燃料ガス供給経路）２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、燃料排出側ガス開閉弁６１（図１では図示しない。）が設けられた配管（燃料ガス排出経路）３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。
【００２９】
また、配管２３は、燃料供給側ガス開閉弁８０の下流側に位置して配管８１が接続される。この配管８１は、一端が空気供給源に接続されており、触媒燃焼器８２、ガス検知器８３、ポンプ８４、逆止弁８５を順次接続した後、配管２３に接続される。尚、逆止弁８５は、ポンプ８４側から配管２３側へ停止時のガス流通のみを許容するものである。更に、触媒燃焼器８２の上流側には、バイパス経路開閉弁８６を介して配管８７が接続されており、この配管８７の他端は、燃料極６ａの下流側であって、燃料排出側ガス開閉弁６１の上流側に位置する配管３７に接続される。
【００３０】
また、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。
【００３１】
他方、上記酸化剤加湿タンク１２は、酸化剤供給側ガス開閉弁８８が設けられた配管３１を介して空気（酸化剤）供給源３０と接続され、配管（酸化剤ガス供給経路）３２を介して燃料電池６の酸化剤極６ｂに接続される。この酸化剤極６ｂは、酸化剤排出側ガス開閉弁６３（図１では図示しない。）が設けられた配管（酸化剤ガス排出経路）３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレン水配管３６が接続される。
【００３２】
上述した如き燃料供給側ガス開閉弁８０、燃料排出ガス開閉弁６１、酸化剤供給側ガス開閉弁８８、酸化剤排出側ガス開閉弁６３、バイパス経路開閉弁８６（これらを合わせてガス流路制御手段とする）及びポンプ８４はそれぞれ汎用マイクロコンピュータにて構成される制御装置（制御手段）８９に接続され、当該制御装置８９に基づき、開閉制御及び運転制御されるものとする。
【００３３】
尚、上記貯湯タンク７は、昇圧ポンプ４５により温水配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により温水配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。
【００３４】
以上の構成により、本実施例の燃料電池システムＳの動作について説明する。制御装置８９に接続される図示しないコントロールパネルなどにより燃料電池システムＳが運転とされると、燃料電池６による発電が行われ、燃料電池システムＳが停止とされると、燃料電池６による発電が停止される。また、燃料電池システムＳが停止とされた後は、制御装置８９により、燃料電池システムＳが保存状態とされるものである。以下、順次、制御動作について説明する。
【００３５】
先ず始めに、運転動作について説明する。燃料電池システムＳの運転時では、制御装置８９により、燃料供給側ガス開閉弁８０、燃料排出側ガス開閉弁６１、酸化剤供給側ガス開閉弁８８及び酸化剤排出側ガス開閉弁６３は、開放されていると共に、バイパス経路開閉弁８６は、閉鎖されているものとする。
【００３６】
運転制御が開始されると、原料供給源１から原料ガスが、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た原料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００３７】
この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。そして、この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変性される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。
【００３８】
このＣＯ除去器５を経た一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）は、ガス管２３に設けられる燃料供給側ガス開閉弁８０は開放されていることから、燃料供給側ガス開閉弁８０及びガス管２３を介して水タンク１１に供給される。これにより、水タンク１１内に供給された水素ガス（燃料ガス）は、ここで加湿される。水タンク１１にて加湿された水素ガス（燃料ガス）は、ガス管２４を介して固体高分子形の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。
【００３９】
他方、空気（酸化剤）供給源３０から酸化剤ガスとしての酸素を含んだ空気は、ガス管３１に設けられる酸化剤供給側ガス開閉弁８８が開放されていることから、酸化剤供給側ガス開閉弁８８及びガス管３１を介して、酸化剤加湿タンク１２に供給される。これにより、酸化剤加湿タンク１２内に供給された空気は、ここで加湿される。酸化剤加湿タンク１２にて加湿された空気は、ガス管３２を介して固体高分子形の燃料電池６の酸化剤極６ｂに供給される。
【００４０】
これにより、燃料電池６に水素ガス（燃料ガス）と、酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が供給されると、燃料極６ａ側では、水素ガスが化学反応を生じ、プロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜６ｄを通って酸化剤極６ｂ側に進み、電子は、図示しない外部回路を流れる。酸化剤極６ｂでは、酸素ガスと、固体高分子電解質膜６ｄを通って移動したプロトン及び外部回路を通って流入した電子が化学反応を生じ、水を生ずると共に起電力を発生する。
【００４１】
ここで、燃料極６ａ側に供給される水素ガス及び酸化剤極６ｂ側に供給される酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気は、それぞれ水タンク１１及び酸化剤加湿タンク１２において加湿された状態で、燃料電池６に送られているため、固体高分子電解質膜６ｄにおける電気抵抗を低減することができると共に、当該膜６ｄ中の水移動を活発化させることができるようになる。
【００４２】
そして、配管３４に設けられる酸化剤排出側ガス開閉弁６３が開放していることから、酸化剤極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇された状態で、熱回収用熱交換器３３に流入する。この熱回収用熱交換器３３では、上記貯湯タンク７の水が温水配管４３を介して循環しているため、酸化剤極６ｂから導出された空気は、温水配管４３により、熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。これにより、貯湯タンク７の水が温度上昇する。
【００４３】
また、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管３６より外部に排出される。
【００４４】
他方、燃料電池６では、電気化学反応が行われるため、この電気化学反応により活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧による熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する冷却水経路が構成されている。
【００４５】
ここで、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が温水配管４２を介して循環しているため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。
【００４６】
尚、上述した如く貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇するため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。これにより、燃料電池システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとることが可能となり、エネルギーの有効活用が図られる。従って、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００４７】
尚、上記において燃料極６ａから排出される未反応水素ガスは、制御装置８９により燃料排出ガス開閉弁６１が開放されていると共に、改質器３が、内部に図示しないバーナを有していることから、配管３７を介して、バーナに供給される。また、燃料電池６における化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３において生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出されるものとする。
【００４８】
そして、上述した如く燃料電池６にて水素ガス（燃料ガス）と空気中の酸素（酸化剤ガス）とを化学反応させて発電された電力は、昇圧コンバータ１５を経て、１００Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１６に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない家庭に供給される。
【００４９】
次に、燃料電池システムＳの停止動作について説明する。停止時では、制御装置８９により、燃料供給側ガス開閉弁８０、燃料排出側ガス開閉弁６１、酸化剤供給側ガス開閉弁８８及び酸化剤排出側ガス開閉弁６３は、閉鎖されていると共に、バイパス経路開閉弁８６は開放され、ポンプ８４が運転されるものとする。
【００５０】
停止制御が開始されると、上述した如く制御装置８９は、各ガス経路の開閉弁、即ち燃料供給側ガス開閉弁８０、燃料排出側ガス開閉弁６１、酸化剤供給側ガス開閉弁８８及び酸化剤排出側ガス開閉弁６３を閉鎖する。これにより、停止状態とされる以前に燃料電池６内に流入していた水素ガス（燃料ガス）及び酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気は、残存された状態となる。ここで、燃料電池６の燃料極６ａ内に残存された水素ガスは、運転時と同様に化学反応を生じ、プロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜６ｄを通って酸化剤極６ｂ側に進み、電子は、図示しない外部回路を流れる。酸化剤極６ｂでは、酸素ガスと、固体高分子電解質膜６ｄを通って移動したプロトン及び外部回路を通って流入した電子が化学反応を生じ、水を生ずる。
【００５１】
ここで、ポンプ８４が運転されることから、配管８１の一端に接続された空気供給源から触媒燃焼器８２内に空気が供給されると共に、燃料電池６の燃料極６ａ内に残存された水素ガスは、バイパス経路開閉弁８６が設けられた配管８７及び配管８１を介して触媒燃焼器８２内に供給される。
【００５２】
これにより、燃料電池６の燃料極６ａ内に残存された水素ガスは、外部から供給された空気を用いて、触媒燃焼器８２において水と窒素とに変換される。そして、水と窒素とに変換されたガスは、ガス検知器８３、ポンプ８４及び逆止弁８５を介して水タンク１１内に帰還する。そして、水タンク１１にて加湿された窒素ガスは、燃料極６ａと、配管８７及び８１にて構成されるバイパス経路を循環する。
【００５３】
これにより、燃料電池システムＳが停止された際に、燃料電池６内に残存された水素ガスが触媒燃焼器８２において水と窒素とに変換されることにより燃料電池６内が負圧となる不都合を未然に回避することができるようになる。そのため、当該負圧による燃料電池６内部のガス流路の強度の弱い部分などに応力が加わり破損してしまうことを未然に回避することができるようになる。また、電解質膜６ｄが密閉されたガスに晒されなくなるため、湿潤状態を維持することができるようになる。更に電解質膜６ｄ自体に、負圧が加わることも抑制することができるため、当該電解質膜６ｄの耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００５４】
また、この場合、燃料電池６内の負圧を防止するために格別に用意された窒素ガスや希ガスなどの不活性ガスを使用しないため、当該不活性ガスを貯蔵する設備が不要となり、システムＳが大型化する不都合を回避することができるようになる。
【００５５】
次に、燃料電池システムＳの保存動作について説明する。制御装置８９は、燃料供給側ガス開閉弁８０、燃料排出側ガス開閉弁６１、酸化剤供給側ガス開閉弁８８、酸化剤排出側ガス開閉弁６３を閉鎖した状態を維持しつつ、前記ガス検知器８３により、残水素濃度を検知し、当該残水素濃度がゼロとなった時点でポンプ８４を停止し、バイパス経路開閉弁８６を閉鎖し、保存状態に移行する。
【００５６】
これにより、保存時では、触媒燃焼用空気の供給を停止して、各ガス経路の開閉弁、即ち燃料供給側ガス開閉弁８０、燃料排出側ガス開閉弁６１、酸化剤供給側ガス開閉弁８８、酸化剤排出側ガス開閉弁６３及びバイパス経路開閉弁８６を閉鎖することにより、燃料電池６内は加湿された窒素ガスを充填させた状態を保持できる。そのため、乾燥による劣化を防止することができ、好適な状態で電解質膜６ｄを保持することができる。これにより、燃料電池システムＳの発電効率のより一層向上させることができるようになる。
【００５７】
尚、本実施例では、バイパス経路内の残水素の検出は、上述した如くガス検知器８３により行っているが、これ以外にも触媒燃焼器８２に温度センサ８２Ａを設け、当該温度センサ８２Ａの温度低下を検出することにより、停止状態から保存状態に移行してもよいものとする。
【００５８】
尚、上記各実施例では、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムＳについて説明しているが、これ以外に、水経路若しくはガス経路を燃料電池システムに有しているものであれば他の種類の燃料電池を用いた燃料電池システムであっても、同様の効果が得られる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料ガス供給経路と、酸化剤ガスを燃料電池に供給するための酸化剤ガス供給経路と、燃料電池から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出経路と、燃料電池から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出経路と、各経路のガス流通を制御するガス流通制御手段と、燃料ガス排出経路中の燃料ガスを燃料ガス供給経路に返送するバイパス経路と、該バイパス経路内の燃料ガスを燃焼処理する燃焼手段と、該バイパス経路のガス流通を制御するバイパス経路制御手段と、ガス流通制御手段及びバイパス経路制御手段を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、システムの停止時、ガス流通制御手段により燃料ガス供給経路と、酸化剤ガス供給経路と、燃料ガス排出経路と、酸化剤ガス排出経路を閉じると共に、バイパス経路制御手段によりバイパス経路を開き、該バイパス経路内の燃料ガスを燃焼手段により燃焼処理し、ガス流通制御手段と燃料電池の間の燃料ガス供給経路に返送するので、システムの停止時に、燃料電池内に残存された燃料ガスが不活性ガスに置換されることにより燃料電池内が負圧となる不都合を未然に回避することができるようになる。
【００６０】
そのため、当該負圧による燃料電池内部のガス流路の強度の弱い部分などに応力が加わり破損してしまうことを未然に回避することができるようになる。また、パージ用の不活性ガスが不要となり、システムの大型化、ボンベ交換等の不都合や発電コストの上昇を防止することができるようになる。更に電解質膜自体に、負圧が加わることも抑制することができるため、当該電解質膜の耐久性の向上を図ることができるようになる。
【００６１】
請求項２の発明によれば、上記発明において、バイパス経路は、残燃料ガス濃度を検知するガス濃度検出手段を備えるので、バイパス経路内の残留する燃料ガスがなくなった時点でシステムの停止状態から保存状態に移行し、燃料電池内部の電解質膜を湿潤に維持することができるようになり、当該電解質膜の乾燥による劣化を防止することができるようになる。
【００６２】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、燃焼手段は、該燃焼手段の温度を検出する温度検出手段を備えるので、燃料ガスが不活性なガスに置換されることにより、当該燃焼手段の温度が低下することを検知し、システムの停止状態から保存状態に移行することができるようになる。
【００６３】
これによっても、保存時において、燃料電池内部の電解質膜を湿潤に維持することができるようになり、当該電解質膜の乾燥による劣化を防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの回路図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの部分拡大回路図である。
【符号の説明】
Ｓ  燃料電池システム
１  原料ガス
６  燃料電池
６ａ  燃料極（アノード）
６ｂ  酸化剤極（カソード）
６ｄ  固体高分子電解質膜
１１、２１  水タンク
１２  酸化剤加湿タンク
２４、３２、３４、３７  配管
８０  燃料供給側ガス開閉弁
６１  燃料排出側ガス開閉弁
８８  酸化剤供給側ガス開閉弁
６３  酸化剤排出側ガス開閉弁
８９  制御装置
８７  配管（バイパス経路）
８２  触媒燃焼器
８３  ガス検知器
８４  ポンプ
８５  逆止弁
８６  バイパス経路開閉弁
【図１】
2004296397.tif 000003
【図２】
2004296397.tif 000004