(57)【要約】【課題】運転停止時における燃料電池の凍結を防止する。【解決手段】燃料電池１をケース３内に密閉状態で収容し、このケース３と燃料電池１との間にガス層７を設ける。システム停止時に、真空ポンプ３１を作動させてガス層７内を負圧にし、燃料電池１とケース３の外部とを断熱する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池をケース内に収容し、このケースと前記燃料電池との間にガス層を設け、システム停止時に前記ガス層を負圧にすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、外気温度に応じて前記ガス層を負圧にすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムにおいて、システム停止時に、前記ガス層を換気後、負圧にすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス層を換気する際に、ガス層を負圧にするための負圧発生手段を駆動すると同時にガス層を大気に開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス層を換気する際に、前記反応ガスとして前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを前記ガス層に供給すると同時にガス層を大気に開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、システム停止時に前記ガス層を負圧にする際に、前記燃料電池の排気を前記ガス層に開放することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の排気として燃料ガス側と酸化剤ガス側とを、それぞれ別に排気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６または７記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス層内のガスが大気に流出する流路に水回収装置を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記ケースと前記燃料電池との間に絶縁性および断熱性をそれぞれ備えた支持体を介装して前記燃料電池を前記ケースに支持させたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特許文献１には、温度センサが検出する装置外部の温度が所定のしきい値以下であると、燃料電池の駆動／停止を制御して熱を発生し、この燃料電池からの発生熱の一部を燃料電池への循環水に供給して循環水を加熱するものが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２１４０２５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池は、発電時に水が多く存在するため、反応ガス流路内やガス拡散層電極内に水が残留していると、氷点下では凍結する。この凍結状態で燃料電池を起動すると、反応ガスを多孔質拡散層電極の触媒面に供給しにくくなり、性能悪化を招く。
【０００５】
そこで、この発明は、運転停止時における燃料電池の凍結を防止することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、反応ガス流路および冷却水流路をそれぞれ備えた燃料電池をケース内に収容し、このケースと前記燃料電池との間にガス層を設け、システム停止時に前記ガス層を負圧にする構成としてある。
【０００７】
【発明の効果】
この発明によれば、燃料電池とそれを収容するケースとの間にガス層を設け、このガス層をシステム停止時に負圧にするようにしたため、ケース内の燃料電池は、負圧状態のガス層を介して外部と断熱され、これによりケース外部が氷点下であっても、燃料電池の凍結が回避され、性能悪化を防止することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムにおける燃料電池１およびそれを密閉状態で収容するケース３の概略断面図である。（ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。
【００１０】
燃料電池１は、図示していないが、固体高分子電解質膜をその両側から二つの多孔質拡散層電極で挟持し、さらにその両側にセパレータを配置することにより単位電池を構成する。このセパレータの多孔質拡散層電極に対向する面に、反応ガスとして燃料ガスおよび酸化剤ガスが流れる反応ガス流路を備え、さらにセパレータの多孔質拡散層電極と反対側の面に冷却水が流れる冷却水流路を備える。
【００１１】
そして、上記した単位電池を複数積層してスタック構成とする。このようなスタック構成の燃料電池１は、全体として直方体状に形成してあり、その８方の面とケース３との間に、支持体５を介装して燃料電池１をケース３に支持させてある。これにより燃料電池１とケース３との間に、ガス層７を形成する。
【００１２】
上記したケース３は、断熱性、可能であれば絶縁性の高い材料で構成してあり、また支持体５は、絶縁性および断熱性がともに高く、可能であれば弾力性の高い、例えばゴム製とする。
【００１３】
燃料電池１とケース３の大きさ、または必要な断熱性能の程度によって、前記支持体５の個数や大きさを変え、これによりガス層７の容積を変えることができる。
【００１４】
ここで、ガス層７の容積が小の場合には、真空ポンプの容量（図２参照）が小で、断熱性も小となり、ガス層７の容積が大の場合には、真空ポンプ（図２参照）の容量が大で、断熱性も大となる。
【００１５】
図２は、上記した第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、図２では支持体５を省略してある。
【００１６】
ケース３内に収容してある燃料電池１には、燃料ガス入口配管９，酸化剤ガス入口配管１１および冷却水入口配管１３を、ケース３を貫通して接続してある。
【００１７】
燃料ガス入口配管９および酸化剤ガス入口配管１１の上流側には、燃料ガス用ブロア１５および酸化剤ガス用ブロア１７をそれぞれ設け、冷却水入口配管１３の上流側には、冷却水ポンプ１９を設ける。これにより、燃料ガスである水素または改質ガス，酸化剤ガスである空気または酸素などの反応ガスや、冷却水である純水または不凍液などの液体を、燃料電池１にそれぞれ供給する。
【００１８】
上記した燃料ガス用ブロア１５と燃料電池１との間の燃料ガス入口配管９および、酸化剤ガス用ブロア１７と燃料電池１との間の酸化剤ガス入口配管１１には、加湿器２１および２３をそれぞれ設置する。
【００１９】
また、燃料電池１には、燃料ガス出口配管２５，酸化剤ガス出口配管２７および冷却水出口配管２９を、ケース３を貫通してそれぞれ接続してある。これにより、ガスや液体が外部に排出または図示しないタンクなどに流すことができる。
さらに、負圧発生手段としての真空ポンプ３１をケース３の外部に設置し、この真空ポンプ３１とケース３内のガス層７とを真空ポンプ用配管３３で接続し、真空ポンプ３１の駆動によりガス層７内のガスを大気中に放出する構成とする。また、真空ポンプ用配管３３の途中には、電気制御が可能な電磁弁３５を設置する。
【００２０】
次に、第１の実施形態の作用を説明する。
【００２１】
第１の実施形態では、燃料電池１の運転停止時に、常にまたは外部温度が０℃以下の場合に、電磁弁３５を開放した状態で真空ポンプ３１を作動させ、ガス層７を減圧し真空に近づける。すなわち、本システム停止時にガス層７を負圧にする。
【００２２】
ガス層７が設定した負圧に達したら、真空ポンプ３１を停止させ、電磁弁３５を閉じる。これにより、燃料電池１とケース３外部との間の断熱性を、低電力で高めることができ、ケース３の外部が氷点下となる低温環境下であっても、燃料電池１の凍結を防止でき、反応ガスを多孔質拡散層電極の触媒面に供給しやすくなって起動も容易に行うことができ、性能悪化を防止することが可能となる。
【００２３】
さらに、上記した凍結を防止することで、凍結・解凍を繰り返すことによる固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
【００２４】
上記したガス層７を負圧にする作業を、外部温度が０℃以下のときのみ行うことで、常時負圧にする場合に比べ、真空ポンプ３１や電磁弁駆動のための電力を節約することができる。
【００２５】
また、図示していないが、ケース３内に圧力センサを設け、ガス層７内を負圧にした後、ガス層７が設定圧力（負圧）より高い圧力になった時点で、上記したシステム停止時と同じ動作をすることで、負圧状態を維持し、連続して断熱性を高めることが可能となる。
【００２６】
一方、システム起動時には、電磁弁３５を開放し、ガス層７の圧力を常圧にする。
【００２７】
図３は、従来例と上記した第１の実施形態の断熱性比較の計算例を示すグラフであり、横軸が時間（単位：時間）、縦軸が燃料電池１の温度（単位：℃）を示している。燃料電池１の初期温度は８０℃、外部温度は−２０℃（一定）とした。
【００２８】
従来例では、ガス層７の空気と配管の熱伝導により、約１５時間で燃料電池１の温度が氷点下になって凍結するのに対し、本実施形態では、ガス層７の空気をほぼ真空にして空気の熱伝導率を限りなく０に近づけることで、１日経過しても、燃料電池１は温度が氷点下になることなく起動が容易となる。
【００２９】
なお、上記した第１の実施形態では、図２に示すように、ガス層７と外気を連通する外気導入管３７および、外気導入管３７を開閉する電磁弁３９をさらに設け、上記した真空ポンプ３１の作動時に電磁弁３９を開くようにしてもよい。これにより、簡単な構成で、運転中に燃料電池１からガス層７にリークした反応ガス（水素など）を外部に排出してガス層７を換気し、その後電磁弁３９を閉じた状態で、真空ポンプ３１の作動を継続させることで、ガス層７を負圧にする。
【００３０】
また、ガス層７を換気する前にガス層７を負圧にし、燃料電池１の内部からガスを強制的にリークさせた後に換気してもよい。このようにすれば、換気後ガス層７を再度負圧にしたときに、燃料電池１からのガスリーク量を減少できる。
【００３１】
図４は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、この図４においても、図２と同様に前記図１に示した支持体５を省略してある。
【００３２】
この実施形態は、前記図２に示した第１の実施形態の燃料電池システムに加え、電磁弁３５と燃料電池１との間の真空ポンプ用配管３３に、大気に開放する大気開放用分岐配管４１を接続し、この大気開放用分岐配管４１に電磁弁４３を設置する。さらに、酸化剤ガス用ブロア１７と加湿器２３との間の酸化剤ガス入口配管１１に電磁弁４５を設置するとともに、この電磁弁４５と酸化剤ガス用ブロア１７との間の酸化剤ガス入口配管１１と、ガス層７とを、酸化剤ガス分岐配管４７で接続する。酸化剤ガス分岐配管４７にも電磁弁４９を設置する。図２における外気導入管３７および電磁弁３９は設けない。これにより、燃料電池１に供給する酸化剤ガスである空気や酸素などをガス層７に供給することができる。
【００３３】
なお、上記した各電磁弁４５，４９は、独立で制御可能なものである。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３４】
第２の実施形態では、ガス層７を換気する際に、電磁弁４５を閉、電磁弁４９を開として酸化剤ガス分岐配管４７から空気をガス層７に供給すると同時に、電磁弁４３を開とする。これにより、ガス層７のガスを換気してガス層７に漏れたリークガスを除去することができる。この場合、酸化剤ガスは外部温度より高いので、燃料電池１の温度低下を抑えつつ換気を行うことができ、燃料電池１の凍結防止効果がさらに向上する。
【００３５】
換気後は、電磁弁４５を開、電磁弁４３，４９を閉として、第１の実施形態と同様にガス層７を負圧にすることで、第１の実施形態と同様の効果を得る。
【００３６】
なお、上記した第２の実施形態でも、換気の前にガス層７を負圧にし、燃料電池１からガスを強制的にリークさせてもよく、これにより、ガス層７を再度負圧にしたときに、燃料電池１からのガスリーク量を減少できる。
【００３７】
図５は、この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。なお、この図５においても、図２と同様に前記図１に示した支持体５を省略してある。
【００３８】
この実施形態は、前記図４に示した第２の実施形態の燃料電池システムに加え、燃料ガス出口配管２５および酸化剤ガス出口配管２７のガス層７における部分に、燃料ガス分岐出口配管５１および酸化剤ガス分岐出口配管５３を、ガス層７に開口させてそれぞれ接続する。この燃料ガス分岐出口配管５１および酸化剤ガス分岐出口配管５３には、電磁弁５５および５７をそれぞれ設置する。
【００３９】
さらに、大気開放用分岐配管４１の電磁弁４３より下流側には、水回収装置５９を設置し、ガス層７内の水を回収できるようにする。
【００４０】
第３の実施形態では、運転停止時に電磁弁５５，５７を開放した状態で、真空ポンプ３１を駆動することで、燃料電池１内の反応ガスを強制的に引き抜くことが可能になる。このとき、電磁弁４３，４９は閉じておく。
【００４１】
その後、電磁弁４３，４９を開き、第２の実施形態と同様にしてガス層７を換気する。換気後は、電磁弁４３，４９を閉として、第１の実施形態と同様にガス層７を負圧にすることで、第１の実施形態と同様の効果を得る。
【００４２】
また、露点が高いガスを真空に近づけると、凝縮して水が発生するが、この水を電磁弁４３の開放により水回収装置５９で回収する。これにより、水に対するパージ効果が発生し、ガス層７内の水を極力排出することができ、燃料電池１が低温環境になった場合でも、凍結する水量が少なく、燃料電池１の起動を確実に行うことができる。
【００４３】
さらに、固体高分子電解質膜は、ある程度含水していないと、燃料電池１の発電が行えないが、電磁弁５５，５７を開放した状態でガス層７を負圧にすることで、燃料電池１内の反応ガス流路に凝縮水を発生させ、この凝縮水を固体高分子電解質膜に浸透させることで、次回の起動が速やかに行える。
【００４４】
次に、この発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態では、前記図５に示した第３の実施形態のシステム構成において、運転停止時にまず燃料ガス側の電磁弁５５を開放し，真空ポンプ３１でガス層７内を減圧させた後、電磁弁５５を閉じる。
【００４５】
その後、電磁弁４３，４９を開放し、第２，第３の各実施形態と同様にしてガス層７内を換気する。換気が終了したら、電磁弁４３，４９を閉じ、酸化剤ガス側の電磁弁５７を開放した状態で、再び真空ポンプ３１でガス層７内を減圧させた後、電磁弁５７を閉じる。
【００４６】
このような制御をすることで、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気とが交じり合うことを極力防止できる。
【００４７】
なお、第４の実施形態では、電磁弁５７を閉じた後に、再度電磁弁４３，４９を開放してガス層７内の換気を行い、その後真空ポンプ３１で減圧してもよい。こうすることで、ガス層７内に残留する水素を極力少なくすることができる。
【００４８】
上記した第４の実施形態では、燃料電池１から燃料ガスを引き抜いた後、酸化剤ガスを引き抜くようにしたが、酸化剤ガスを先に引き抜き、その後燃料ガスを引き抜くようにしてもよい。このようにすれば、ガス層７内に残留する水素を極力少なくすることができる。
【００４９】
次に、この発明の第５の実施形態について説明する。第５の実施形態では、前記第１ないし第３の実施形態のシステム構成において、真空ポンプ３１を作動させてガス層７を減圧させる際に、冷却水ポンプ１９を駆動して、６０℃程度の冷却水を燃料電池１に循環させる。これにより、ガス層７の温度が必要以上に下がったとしても、燃料電池１の温度低下を防止する。
【００５０】
以上本発明の実施形態ついていくつか説明したが、本発明はこのような実施形態例に限定されるものではなく、当然本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池システムにおける燃料電池およびそれを収容するケースの概略断面図で、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は側面断面図である。
【図２】第１の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図３】従来例と第１の実施形態の断熱性比較の計算例を示すグラフである。
【図４】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【図５】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
３  ケース
５  支持体
７  ガス層
３１  真空ポンプ（負圧発生手段）
５９  水回収装置
【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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