(57)【要約】【課題】  液体燃料を用いた燃料電池において、燃料電池の停止時若しくは長期保管時に生じる燃料電池の破損及び燃料電池を構成する電解質膜の劣化を低減する。【解決手段】  燃料電池２で発電を終了する際に、三方電磁バルブ６１，６２を閉じ、空気供給ポンプ２２及び燃料水溶液供給ポンプ１４を逆回転させることにより、燃料電池２内部の酸素極側排出流体および燃料極側排出流体を吸引する。これにより、燃料電池内部の残留メタノールや水分を除去するとともに、燃料電池内部の圧力を外部より低くすることで残留するメタノールや水分を気化させることもでき、効率良く残留するメタノールや水分を吸引することもできる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の燃料極側に滞留する燃料極側排出流体を吸引する燃料極側排出流体吸引手段を備えること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料極側排出流体吸引手段は、前記燃料電池の燃料極側に前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と兼用され、前記液体燃料を流動させる向きと前記燃料極側排出流体を流動させる向きとが互いに逆向きとなるように駆動されること
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】
さらに前記燃料極側に接続する燃料極側流路を開閉する燃料極側流路開閉手段を備えること
を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料極側流路開閉手段を閉じることにより、前記燃料電池内部の圧力を周囲の圧力に比べて低くすること
を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料極側流路開閉手段は、空気を取り込むための空気取り入れ口を備え、
前記空気取り入れ口を開放することによって前記燃料極側に前記空気が取り込まれること
を特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
さらに前記燃料電池の酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する酸素極側排出流体排出手段を備えること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸素極側排出流体排出手段は、前記酸素極側に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と兼用されること
を特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸素極側排出流体排出手段は、前記酸素極側排出流体を吸引すること
を特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸素極側排出流体排出手段は、前記酸化剤を流動させる向きと前記酸素極側排出流体を流動させる向きとが互いに逆向きとなるように駆動されること
を特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸素極側排出流体排出手段は、前記酸化剤を流動させる向きと同じ向きに前記酸素極側から排出される酸素極側排出流体を流動させること
を特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
さらに前記酸素極側に接続する酸素極側流路を開閉する酸素極側流路開閉手段を備えること
を特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記酸素極側流路開閉手段を閉じることにより、前記燃料電池内部の圧力を周囲の圧力に比べて低くすること
を特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
液体燃料を用いて発電を行う燃料電池の燃料極側に滞留する燃料極側排出流体を吸引し、
前記燃料極側排出流体を前記燃料電池による発電に用いること
を特徴とする燃料電池の発電方法。
【請求項１４】
さらに前記燃料電池の酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出すること
を特徴とする請求項１３記載の燃料電池の発電方法。
【請求項１５】
前記酸素極側排出流体を前記発電に用いること
を特徴とする請求項１４記載の燃料電池の発電方法。
【請求項１６】
前記燃料電池の非運転時に前記燃料極側排出流体及び前記酸素極側排出流体の少なくとも一方を排出すること
を特徴とする請求項１４記載の燃料電池の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に残留する水分や液体燃料を排出することができる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法に関する。さらに詳しくは、液体燃料による電解質膜の劣化及び水分の凍結による燃料電池の破損を防止することができる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に燃料を供給し、空気極に酸化剤とされる酸素を含む空気を供給することにより発電を行う発電装置であり、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電装置として近年注目されている。
【０００３】
燃料電池は様々な環境で使用されることが想定されており、各環境下で支障なく発電を行うことができる燃料電池が求められている。燃料電池を使用する場合の問題の一つとして、燃料電池に残留する水分の凍結が挙げられる。例えば、発電の停止時や燃料電池を長期保管する際に燃料電池が低温環境下に置かれる場合には、燃料電池に残留する水分が凍結し、燃料電池や燃料電池に接続される各種配管が破損する場合がある。このような破損を防止するためには、燃料電池内の水分を排出しておくことが重要となり、燃料電池に残留する水分を排出する技術として、酸化剤ガスとされる空気を利用して空気極側及び燃料極側に残留する水分を排出する技術が開示されている（例えば、特許文献１。）。
【０００４】
また、燃料電池は発電時の発熱によって温度上昇することから、この温度上昇を抑制するために燃料電池に冷却水を流動させる場合がある。このような冷却水が燃料電池に残留した場合にも、上述した生成水と同様に低温環境下で冷却水が凍結し、燃料電池或いは燃料電池に接続された各種配管が破損する場合もある。例えば、自動車に搭載された燃料電池が発電停止状態にある場合に、酸化剤ガスとされる空気を冷却水の循環路に所要の圧力で送り込むことにより、冷却水を排出する技術も開示されている（例えば特許文献２。）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３４０７９１４号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３９５号公報
【０００６】
一方、燃料電池の発電に用いられる燃料としては、水素ガスの如き気体燃料だけでなく、メタノールやガソリンの如き液体燃料も提案されており、特に、燃料極に直接供給されたメタノールを用いた燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下ＤＭＦＣと称す）と称されている。通常、ＤＭＦＣおいては、発電セルを構成する電解質膜としてはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜が用いられており、このような固体高分子電解質膜に好適なものとしては、例えば、パーフルオロスルホン酸膜の如きフッ素樹脂系のイオン交換膜が挙げられる。
【０００７】
ここで、図１９を参照しながら、ＤＭＦＣとされる従来の燃料電池システム１００における空気及びメタノールの流れについて説明する。
【０００８】
メタノール供給ポンプ１０５は、メタノールタンク１０４からメタノールを吸い上げて燃料混合器１０６に供給する。燃料水溶液循環ポンプ１０３は、メタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器から燃料電池１０１に燃料水溶液を供給する。燃料電池１０１で消費された燃料水溶液は二酸化炭素除去器を兼ねた燃料混合器１０６に循環され、再度燃料水溶液循環ポンプ１０３によって燃料電池１０１に供給される。二酸化炭素除去器を兼ねた燃料混合器１０６は、燃料電池１０１によって排出された排出液体から二酸化炭素を分離して処理装置１１０に送り、処理装置１１０は二酸化炭素を大気に排出する。メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池システムにおいては、液体燃料そのものが燃料電池の冷却媒体であり、燃料電池システムは別途冷却流路を必要としない。また、液体燃料を用いた燃料電池システムは、液体燃料自身が非圧縮性を有することから水素ガスの如き気体の燃料を用いる場合に比べて背圧弁が不要となる利点を有する。
【０００９】
空気供給ポンプ１０２は、酸化剤である空気を大気から取り込んで燃料電池１０１に供給する。燃料電池１０１で発電に用いられた空気は気液分離器１０８によって水分と分離され、処理装置１１０を介して大気に排出される。分離された水分は水分貯蔵器１０９に貯蔵された後、燃料混合器１０６に送られて燃料水溶液の生成に利用される。また、水分貯蔵器１０９と燃料混合器１０６との間に設けられる電磁バルブ１１１は、水分貯蔵器１０９から燃料混合器１０６へ供給される水の供給量を調整する。
【００１０】
また、燃料電池１０１に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ１１３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１３に接続される負荷は燃料電池１０１から電力を取り出す。制御コントローラ１１２は、燃料電池システム１００を構成する各装置の駆動を制御する。
【００１１】
燃料電池システム１００においては、メタノールの如き液体燃料を用いていることから液体燃料自身が冷却媒体となる。したがって、別途冷却水を燃料電池システム１００に流動させることなく燃料電池１０１の温度上昇を抑制することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述した特許文献１及び特許文献２に開示された技術は、いずれも水素ガスの如き燃料を用いた燃料電池を対象としており、メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池における水分の排出技術については言及していない。
【００１３】
また、燃料電池システム１００においては、水素ガスの如き燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池と同様に、燃料電池１０１の停止時若しくは保管時に燃料電池システム１００に残留する水分を低減し、燃料電池１０１若しくは各配管が水分の凍結によって破損することを防止することが重要となる。さらに、燃料電池システム１００内で凍結した水分は、燃料電池１０１の起動時に液体燃料や空気の流動を阻害する場合があり、燃料電池システム１００を正常に起動することが困難となる場合がある。
【００１４】
さらにまた、燃料電池１０１の燃料極側にメタノールが残留している場合には、フッ素樹脂系の電解質膜がメタノールに溶出し、電解質膜が劣化する場合もある。これにより、燃料電池１０１を本来の状態で問題なく使用することができる寿命が短くなり、燃料電池の重要な性能の一つである信頼性を高めることが難しくなる。
【００１５】
このように、液体燃料を用いた燃料電池においては、水素ガスの如き燃料ガスを用いる燃料電池と同様の問題点に止まらず、液体燃料を用いることによって生じる問題点も存在し、これらの問題点が改善された燃料電池システムが求められている。
【００１６】
よって、本発明は上述した問題点を鑑みてなされたものであり、液体燃料を用いて発電を行う燃料電池の停止時若しくは保管時に燃料電池内に残留する水分の凍結を防止し、且つ液体燃料による電解質膜の劣化を抑制することができる燃料電池システム、及び燃料電池の発電方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明にかかる燃料電池システムは、液体燃料を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の燃料極側に滞留する燃料極側排出流体を吸い出す燃料極側排出流体吸い出し手段を備えることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池システムによれば、燃料極側に残留する水分及び液体燃料を燃料電池の外部に排出することができる。したがって、燃料電池内部に残留する水分が凍結することによって燃料電池が破損することを低減することができ、さらに燃料電池内部に残留する液体燃料によって燃料電池が劣化することを抑制することが可能となる。また、前記燃料電池の燃料極側に滞留する燃料極側排出流体を吸い出すことにより燃料電池内部の圧力を周囲の圧力に比べて低くすることができる。燃料電池内部の圧力が周囲の圧力より低い場合、吸い出されなかった燃料極側排出流体を効率良く気化させることができ、気化した燃料極側排出流体を燃料電池外部に容易に吸い出しことが可能となる。
【００１８】
本発明にかかる燃料電池システムおいては、前記燃料極側排出流体吸い出し手段が前記燃料電池の燃料極側に前記液体燃料を供給する液体燃料供給手段と兼用されても良く、前記燃料極側排出流体吸い出し手段が前記液体燃料を流動させる向きと前記燃料極側排出流体を流動させる向きとが互いに逆向きとなるように駆動されても良い。燃料極側排出流体吸い出し手段が液体燃料及び燃料極側排出流体を流動させる際の向きを切り替えることによって、別途燃料極側排出流体を排出するための装置を設けることがなくなり、燃料電池システムを簡便に構成することができる。さらに、このような燃料電池システムにおいては、前記燃料極側に繋がる燃料極側流路を開閉する燃料極側流路開閉手段を設けても良い。このような燃料極側流路開閉手段を閉じることにより前記燃料電池内部の圧力を周囲の圧力に比べてさらに低くすることができ、吸い出されなかった燃料極側排出流体を効率良く気化させることが可能となる。また、このような前記燃料極側流路開閉手段に空気を取り込むための空気取り入れ口を設け、前記取り入れ口を開放することによって前記燃料極側に前記空気を取り込むこともできる。この燃料極側に取り込まれた空気によって、燃料極側排出流体を排出することも可能となる。
【００１９】
また、本発明にかかる燃料電池システムは、前記燃料電池の酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する酸素極側排出流体排出手段を備えていても良い。このような酸素極側排出流体排出手段によれば、酸素極側排出流体に含まれる水分を排出することが可能となり、水分が凍結することによる燃料電池の破損を低減することができる。さらに、このような前記酸素極側排出流体排出手段は、前記酸素極側に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と兼用されても良く、別途酸素極側排出流体を排出するための装置を設けることがなくなり、燃料電池システムを簡便に構成することができる。このような酸素極側排出流体排出手段は、前記酸素極側排出流体を吸い出すことができる。前記酸素極側排出流体を吸い出すことによって、燃料電池内部の圧力が周囲の圧力より低くなり、酸素極側排出流体に含まれる水分を効率良く気化させることができる。これにより、気化した水分を燃料電池外部に容易に吸い出すことが可能となる。このような酸素極側排出流体排出手段は、前記酸化剤を流動させる向きと前記酸素極側排出流体を流動させる向きとが互いに逆向きとなるように駆動されることによって、酸素極側排出流体を吸い出しこともできる。また、前記酸化剤を流動させる向きと同じ向きに前記酸素極側から排出される酸素極側排出流体が流動されるように前記酸素極側排出流体排出手段を駆動させても良い。これにより、酸素極側排出流体を利用目的に応じた流路で排出することができる。さらに、本発明にかかる燃料電池システムは、前記酸素極側に繋がる酸素極側流路を開閉する酸素極側流路開閉手段を備えていても良く、前記酸素極側流路開閉手段を閉じることにより、前記燃料電池内部の圧力を周囲の圧力に比べて低くして酸素極側排出流体に含まれる水分を気化させて効率良く排出することもできる。
【００２０】
本発明にかかる燃料電池の発電方法は、液体燃料を用いて発電を行う燃料電池の燃料極側に滞留する燃料極側排出流体を吸い出し、前記燃料極側排出流体を前記燃料電池による発電に用いることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池の発電方法によれば、発電によって消費されなかった液体燃料や発電によって生成された水分を再度発電に利用することができ、液体燃料や水分を効率良く使用して発電を行うことができる。特に、前記燃料電池の非運転時に前記燃料極側排出流体を排出することにより、燃料電池の劣化を抑制することが可能になる。さらに、残留する水分を燃料電池から排出されることによって燃料電池内で水分が凍結することを低減することができる。さらに、本発明にかかる燃料電池の発電方法によれば、前記燃料電池の酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出しても良く、燃料極側に滞留する水分が凍結することによる燃料電池の破損を防止することができる。また、酸素極側排出流体に含まれる水分を燃料電池の発電に利用することもできる。また、本発明にかかる燃料電池の発電方法においては、前記燃料電池の非運転時に前記燃料極側排出流体及び前記酸素極側排出流体の少なくとも一方を排出しておくことができる。これにより、燃料電池の停止時若しくは保管時に燃料電池が破損することを防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる燃料電池システムによれば、燃料電池の停止時若しくは長期保管時に燃料電池の燃料極側に残留する液体燃料によって燃料電池を構成する電解質膜が劣化することを低減することができる。さらに、燃料電池内部に残留する水分を除去することができ、燃料電池及び燃料電池システムを構成する各装置が水分の凍結によって破損することを低減することができる。したがって、燃料電池の寿命を延ばすことができ、燃料電池システムで重要な性能の一つとされる信頼性を高めることができる。
【００２２】
さらに、本実施形態にかかる燃料電池発電方法によれば、燃料電池から排出された液体燃料や水分を発電に再利用することができ、発電に用いる資源を無駄なく利用して効率良く発電を行うことも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法について図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態で説明する燃料電池システムについて、燃料電池システムを構成する共通の装置については同一の符号を用いて説明する。
[第１の実施の形態]
【００２４】
図１及び図２を参照しながら、本実施形態にかかる燃料電池システム１及び燃料電池の発電方法について説明する。本実施形態にかかる燃料電池システム１は、燃料水溶液循環ポンプ１４によって燃料電池２の燃料極側に滞留する燃料極側排出流体を吸い出すことを特徴とする。
【００２５】
図１を参照しながら燃料電池システム１の構成及び通常発電時の各種流体の流動状態について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池２、燃料電池２の燃料極に液体燃料を供給する燃料極側供給配管系１０、燃料電池２に酸化剤とされる空気を供給する空気極側供給配管系２０、燃料電池２の燃料極側から燃料極側排出流体を排出する燃料極側排出配管系３０、燃料電池の空気極側から排気する空気極側排出配管系４０を備える。また、燃料電池２に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ５１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５１に接続される負荷５２は燃料電池２から電力を取り出す。制御コントローラ５３は、燃料電池システム１を構成する各装置の駆動を制御する。
【００２６】
燃料電池２は、電解質膜を空気極及び燃料極で挟み込んだ発電セルが積層されたスタック構造を備える。この電解質膜は、ダイレクトメタノール型燃料電池に広く用いられている固体高分子型電解質膜とされ、例えばフッ素樹脂系のイオン導電膜を用いることができる。
【００２７】
燃料極側供給配管系１０は、メタノールタンク１１、メタノールタンク１１からメタノールを吸い上げるメタノール供給ポンプ１２、メタノール供給ポンプ１２から供給されたメタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器１３、燃料混合器１３から燃料水溶液を受け取って燃料電池２に供給する燃料水溶液循環ポンプ１４から構成される。
【００２８】
空気極側供給配管系２０は、燃料電池システム１の外部から空気を取り込むための配管２１、空気を燃料電池２の空気受け取り口２ｂに供給する空気供給ポンプ２２から構成される。
【００２９】
燃料極側供給配管系１０を構成する燃料水溶液循環ポンプ１４は、燃料電池２にメタノールを供給する。このメタノールは、燃料混合器１３によって水分と混合されており、燃料水溶液として燃料電池２に供給される。この燃料水溶液は、燃料電池２の燃料極に繋がる燃料受け取り口２ａに供給される。
【００３０】
燃料極側排出配管系３０は、燃料排出口２ｃから排出される排出流体の流路を開閉する開閉電磁バルブ６１、燃料電池２から排出される排出流体に含まれる二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器３２、二酸化炭素が除去された排出流体に含まれるエタノール及び水分の少なくとも一方とメタノール供給ポンプ１２から供給されるメタノールとを混合する燃料混合器１３から構成される。なお、燃料混合器１３は、燃料極側供給配管系１０と燃料極側排出配管系３０の両方に含まれる。
【００３１】
空気極側排出配管系４０は、空気排出口２ｄから排出される発電後の空気と水分とを分離する気液分離器４１、分離された水分を貯蔵する水分貯蔵器４２、水分貯蔵器４２から燃料混合器１３への流路に設けられる開閉電磁バルブ４３、気液分離器４１で分離された排気を燃料電池システム１の外部に排出する処理装置３３から構成される。なお、処理装置３３は、燃料極側排出配管系３０と空気極側排出配管系４０の両方に含まれる。
【００３２】
続いて、燃料極側供給配管系１０、空気極側供給配管系２０、燃料極側排出配管系３０、及び空気極側排出配管系４０を介して行われる各種流体の通常発電時の流動状態について説明する。ここで、通常発電時とは、燃料電池２によって定常的に発電が行われているときのことである。
【００３３】
メタノール供給ポンプ１２は、メタノールタンク１１からメタノールを吸い上げて燃料混合器１３に供給する。燃料水溶液循環ポンプ１４は、メタノールと水分とを混合して燃料水溶液を生成する燃料混合器１３から燃料電池２に燃料水溶液を供給する。燃料電池２で消費された燃料水溶液は、燃料極で生成された生成物とともに燃料極側排出口２ｃから燃料極側排出流体として排出される。通常発電時には、開閉電磁バルブ６１は開かれており、燃料極側排出流体は開閉電磁バルブ６１を介して二酸化炭素除去器３２に送られる。二酸化炭素除去器３２によって二酸化炭素が除去された燃料極側排出流体は燃料混合器１３に循環され、再度燃料水溶液循環ポンプ１４によって燃料電池１２に供給される。二酸化炭素除去器３２は、燃料電池２によって排出された排出液体から二酸化炭素を分離して処理装置３３に送る。処理装置３３は二酸化炭素を大気に排出する。メタノールの如き液体燃料を用いた燃料電池システム１においては、液体燃料そのものが燃料電池の冷却媒体であり、燃料電池システムは別途冷却流路を必要としない。また、液体燃料を用いた燃料電池システム１は、液体燃料自身が非圧縮性を有することから水素ガスの如き気体の燃料を用いる場合に比べて背圧弁が不要となる利点を有する。
【００３４】
空気供給ポンプ２２は酸化剤である空気を大気から取り込み、空気受け取り口２ｂから燃料電池２の酸素極側に空気を供給する。燃料電池２で発電に用いられた空気は、酸素極側排出口２ｄから開閉電磁バルブ６２を介して気液分離器４１に送られる。ここで、開閉電磁バルブ６２は通常発電時には開かれており、酸素極側排出口２ｄから排出される酸素極側排出流体の流路を構成する。なお、酸素極側排出口２ｄから排出される酸素極側排出流体は、発電によって生成された水分や発電反応によって消費されなかった残りの酸素を含む。この酸素極側排出流体は、気液分離器４１によって水分と分離され、処理装置３３を介して燃料電池システム１の外部に排出される。酸素極側排出流体から分離された水分は水分貯蔵器４２に貯蔵された後、燃料混合器１３に送られて燃料水溶液の生成に再利用される。また、水分貯蔵器４２と燃料混合器１３との間に設けられる電磁バルブ４３は、水分貯蔵器４２から燃料混合器１３へ供給される水分の供給量を調整する。
【００３５】
次に、図２を参照しながら、燃料電池２による発電を停止する前に行われる発電終了処理時の各種流体の流れについて説明する。なお、発電終了処理とは、燃料電池２による定常的な発電を終了し、燃料電池２の停止若しくは保管時に燃料電池２内部に液体燃料や水分が残留しないようにこれら液体燃料や水分を排出する処理のことである。
【００３６】
発電終了処理時には、開閉電磁バルブ６１，６２を閉じる。燃料水溶液循環ポンプ１４は、燃料極側に残留する燃料極側排出流体を燃料受け取り口２ａから吸い出す。この燃料極側排出流体は、発電によって消費されなかったメタノールや水分を含み、これらメタノールや水分が燃料電池２の燃料極側から吸い出されることになる。また、空気供給ポンプ２２は、空気受け取り口２ｂから酸素極側排出流体を吸い出す。この酸素極側排出流体は、発電によって生成された水分が含まれており、この水分が酸素極側から吸い出されることになる。燃料電池２から燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体を排出する際には、燃料水溶液循環ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２を燃料水溶液や空気を燃料電池２に流動させる向きと逆向きにこれら流体を流動させるように駆動すれば良く、例えば、燃料水溶液循環ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２がモータによって駆動される場合には、これらモータを逆回転させれば良い。
【００３７】
また、燃料水溶液循環ポンプ１４は、燃料水溶液の供給と燃料極側排出流体の吸い出しを行うことができることから、別途燃料極側排出流体を吸い出しための装置を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１全体を簡便な構成とすることができる。さらに、空気供給ポンプ２２は、燃料電池システム１の外部から取り入れた空気の供給と酸素極側排出流体の吸い出しを行うことができることから、別途酸素極側排出流体を吸い出すための装置を設ける必要がなくなり、燃料電池システム１全体を簡便な構成とすることができる。
【００３８】
さらに、開閉電磁バルブ６１，６２を閉じられていることから、燃料水溶液循環ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２が燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体を吸い出すことにより、燃料電池２内部の圧力が外部の圧力に比べて低くなり、燃料電池２内部に残留するメタノールや水分を気化させることができる。燃料水溶液循環ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２は、気化されたメタノールや水分を容易に吸い出すことができ、燃料電池２の停止時若しくは長期間保管時に燃料電池２の内部にメタノールや水分が殆ど残留することがない。したがって、燃料電池２が氷点下で保管された場合でも燃料電池２内部で水分が凍結することがない。すなわち、燃料電池２の内部で水分が凍結することによる燃料電池２の破損を防止することができる。
【００３９】
さらに、燃料電池２の燃料極側から発電時に消費されなかったメタノールを排出することにより、燃料電池２を構成するフッ素樹脂系のイオン導電膜の劣化を抑制することができ、燃料電池２の寿命を延ばすことが可能となる。すなわち、燃料電池２の燃料極側に残留する水分とメタノールを排出することにより、水分が凍結することによる燃料電池２及び燃料電池システム１の破損を防止することができるとともに、メタノールによるイオン導電膜の劣化とを抑制することが可能となり、燃料電池システム１の信頼性を高めることが可能となる。
【００４０】
さらに、燃料電池２の内部から水分が吸い出されるように、十分な時間燃料水溶液循環ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の運転を行った後、燃料水溶液循環ポンプ１４、及び空気供給ポンプ２２を停止する。これにより、燃料電池２の内部の圧力が燃料電池２の外部の圧力に比べて低い負圧とされ、空気供給ポンプ２２のクリアランスを通して徐々に燃料電池２の外部から空気が流入し、燃料電池２のスタック構造の内部にメタノール及び水分が殆ど残留していない状態が維持されることになる。また、燃料極側では燃料水溶液循環ポンプ１４から燃料受け取り口２ａに亘って燃料水溶液が存在するため、燃料電池２のクリアランスから燃料水溶液が燃料極側に漏れ場合がほとんどない。したがって、燃料電池２内部の圧力が燃料電池２の外部の圧力とほぼ等しくなった時点で燃料受け取り口２ａでの差圧はなくなり、燃料水溶液が燃料極側に流入することを防止することが可能となり、長期間に亘って燃料電池２の発電を停止させた場合でも、燃料電池２の劣化や破損を抑制することが可能となる。
【００４１】
また、燃料極側排出流体に含まれるメタノールや水分排出流体が水分を含んでいる場合には、これらメタノールや水分は燃料水溶液循環ポンプ１４によって燃料混合器１３に送られ、燃料電池２が発電をする際に再利用される。したがって、燃料刻側排出流体に含まれるメタノールや水分を再利用することにより、メタノールの如き燃料や水分を効率良く利用して発電を行うことができる。
【００４２】
さらに、酸素極側排出流体に含まれる水分を気液分離器４１で分離し、水分貯蔵器４２を介して燃料混合器１３に供給することにより、この水分を燃料電池２が発電する際に再利用することができる。よって、発電反応によって生成された水分を再利用して資源を無駄にすることなく発電を行うことができる。また、気液分離器４１は、水分が分離された酸素極側排出流体を処理装置３３に送り、処理装置３３はこの酸素極側排出流体を燃料電池システム１の外部に排出する。
【００４３】
気液分離器４１、水分貯蔵器４２、及び燃料混合器１３は、残留する水分が凍結しないようにヒータが設けられていても良い。また、凍結した水分によってこれら装置が破損しないように、気液分離器４１、水分貯蔵器４２、及び燃料混合器１３に余分なスペースを設けておいても良い。さらにまた、燃料電池システム１を構成する配管を弾性を有する材料で形成することにより、これら配管が水分の凍結によって破損することを防止することも可能である。さらに、メタノールを排出することにより燃料電池２を構成する電解質膜の劣化を抑制することが可能となる。したがって、燃料電池２及び燃料電池システム１の寿命を延ばすことができ、燃料電池システム１で重要な性能の一つとされる信頼性を高めることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態にかかる燃料電池発電方法によれば、燃料電池２から排出されたメタノールや水分を発電に再利用することができる。したがって、発電に用いる資源を無駄なく利用することができ、効率良く発電を行うことができる。
[第２の実施の形態]
【００４５】
次に、図３乃至図５を参照しながら本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法の別の形態について説明する。
【００４６】
図３は、本実施形態にかかる燃料電池システム２２０の構成を示す図である。本実施形態にかかる燃料電池システム２２０は、第１の実施の形態にかかる燃料電池システム１と略同様な構成を有するが、開閉電磁バルブ６１の代わりに三方電磁バルブ６４を設けられている。本実施形態にかかる燃料電池システム２２０は、三方電磁バルブ６４によって外部の空気を取り込むことにより、燃料電池２のスタック内部をパージして水分や残留メタノールを排出することに特徴を有する。
【００４７】
三方電磁バルブ６４は、燃料極側排出配管系３０を構成し、燃料排出口２ｃから排出される燃料極側排出流体が流動する流路の一部を構成する。また、開閉電磁バルブ６５は、酸素極側排出配管系４０を構成し、空気排出口２ｄから排出される酸素極側排出流体が流動する流路の一部を構成する。燃料電池２が発電する際には、図１に示した各種流体の流動状態と同様に、燃料水溶液が燃料水溶液循環ポンプ１４から燃料受け取り口２に供給され、燃料排出口２ｃから排出される燃料極側排出流体が三方電磁バルブ６４を介して二酸化炭素除去器３２に送られる。また、空気は空気供給ポンプ２２から空気受け取り口２ｂに供給され、空気排出口２ｄから排出される酸素極側排出流体が開閉電磁バルブ６５を介して気液分離器４１に送られる。
【００４８】
図４は、燃料電池２による発電を停止する前に行われる発電終了処理時の各種流体の流れについて説明する。発電終了処理時の各種流体の流動状態は、図２を参照しながら説明した各種流体の流動状態と略同様である。なお、発電終了処理とは、燃料電池２による定常的な発電を終了し、燃料電池２の停止若しくは保管時に燃料電池２内部に液体燃料や水分が残留しないようにこれら液体燃料や水分を燃料電池２から排出する処理のことである。
【００４９】
燃料極側に滞留する燃料極側排出流体及び酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する際には、三方電磁バルブ６７及び開閉電磁バルブ６４を閉じ、燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じる。燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じた状態で、燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を逆転させる。ここで、燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を逆転させるとは、燃料水溶液及び空気を燃料電池２に供給する際に燃料水溶液及び空気が流動される向きとは逆向きに燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体を流動させることである。燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を十分な時間逆転させることによって、燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体は燃料極側及び酸素極側からそれぞれを吸い出される。
【００５０】
続いて、図５に示すように、三方電磁バルブ６７の空気取り入れ口６７ａを開いて燃料水溶液循環ポンプ１４の逆回転運転を継続すると、燃料電池システム２２０の外部から空気取り入れ口６７ａを介して空気が燃料電池２のスタック内部に導入され、燃料電池２内部はパージされる。空気取り入れ口６４ａから取り込まれて燃料電池２の内部をパージした空気は、燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２に逆流し、処理装置３３へ送られた後に排出される。このように、三方電磁バルブ６７の空気取り入れ口６７ａを介して取り入れられる空気によって燃料電池２の内をパージすることによって燃料電池２の内部に残留するメタノールをさらに除去することが可能となる。また、酸素極側においては、空気供給ポンプ２２のクリアランスを通して徐々に燃料電池システム２２０の外部から空気が流入し、残留水溶液及び水分が燃料電池２のスタック構造の内部に殆どない存在しない状態を維持することができる。さらにまた、図２で説明した場合と同様に、燃料電池２の内部の圧力が燃料電池２の外部の圧力と略同様となった時点で差圧がなくなり、燃料極側に燃料水溶液が流入することを防止できる。
[第３の実施の形態]
【００５１】
次に、図６乃至図８を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００５２】
図６に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム２３０は第２の実施の形態にかかる燃料電池システム２２０と略同様な構成を有するが、さらに燃料水溶液循環ポンプ１４と燃料混合器１３との間の流路に三方電磁バルブ７１が設けられている。燃料電池システム２３０は、三方電磁バルブ７１の空気取り入れ口７１ａから空気を取り入れることによって燃料電池２の内部をパージできることに特徴を有する。燃料電池２によって発電が行われ、燃料電池２が通常の運転を行う場合には、図３と同様にして各種流体が流動される。このとき、三方電磁バルブ７１の空気取り入れ口７１ａを閉じられ、燃料混合器１３と燃料水溶液循環ポンプ１４の間の流路は確保されている。
【００５３】
図７を参照しながら、燃料電池２による発電を停止する前に行われる発電終了処理時の各種流体の流れについて説明する。発電終了処理時の各種流体の流動状態は、図３を参照しながら説明した各種流体の流動状態と略同様である。燃料極側に滞留する燃料極側排出流体及び酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する際には、三方電磁バルブ６９及び開閉電磁バルブ７０を閉じ、燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じる。燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じた状態で、燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を逆転させる。燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を十分な時間逆転させることによって、燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体は燃料極側及び酸素極側からそれぞれを吸い出される。続いて、三方電磁バルブ７１の空気取り入れ口７１ａを閉じ、燃料水溶液循環ポンプ１４を順方向に回転させることにより、燃料電池２の内部に空気が取り入れられ、燃料電池２内のパージが行われる。これにより、燃料極側排出流体に含まれる残留メタノールや水分の排出が可能となる。
【００５４】
続いて、図８に示すように、三方電磁バル６９の空気取り入れ口６９ａを開いて７１ａを開いて空気を取り込み、燃料電池２の燃料極側に残留する空気を処理装置３３に直接送ることもできる。燃料電池２内部を十分にパージした後であれば、直接導入された空気を処理装置３３に送ることもできる。また、燃料水溶液循環ポンプ１４に残留する燃料水溶液も排出することができる。
[第４の実施の形態]
【００５５】
次に、図９を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。本実施形態にかかる燃料電池システム２４０は、第２の実施形態にかかる燃料電池システム２２０と略同様の構成とされるが、三方電磁バルブ６４及び開閉電磁バルブ６５の代わりにそれぞれ開閉電磁バルブ７３及び三方電磁バルブ７４が設けられていることに特徴を有する。燃料電池２によって発電が行われ、燃料電池２が通常の運転を行う場合には、図３と同様にして各種流体が流動される。
【００５６】
発電終了処理時の各種流体の流動状態は、図３を参照しながら説明した各種流体の流動状態と略同様である。燃料極側に滞留する燃料極側排出流体及び酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する際には、三方電磁バルブ７４及び開閉電磁バルブ７３を閉じ、燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じる。燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じた状態で、燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を逆転させる。燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を十分な時間逆転させることによって、燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体は燃料極側及び酸素極側からそれぞれを吸い出される。
【００５７】
続いて、燃料電池２の内部の水分が吸い出されるように十分な時間運転を行った後、図９に示すように、３方電磁弁バルブ７４の空気取り入れ口７４ａを開いて空気供給ポンプ２２の回転を逆転させることにより、空気取り入れ口７４ａを介して外部の空気が取り入れられ、燃料電池２のスタック構造の内部がパージされる。燃料電池２のスタック構造の内部がパージした空気は外部に排出される。これにより、燃料電池２の内部に残留するメタノールや水分をさらに除去することができる。
[第５の実施の形態]
【００５８】
次に、図１０を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００５９】
本実施形態にかかる燃料電池システム２５０は、第２の実施形態にかかる燃料電池システム２２０と略同様の構成とされるが、三方電磁バルブ６４及び開閉電磁バルブ６５の代わりにそれぞれ三方電磁バルブ７６，７７が設けられていることに特徴を有する。
【００６０】
なお、燃料電池２によって発電が行われ、燃料電池２が通常の運転を行う場合には、図３と同様にして三方電磁バルブ７６，７７が燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体のそれぞれの流路を構成し、各種流体が流動される。
【００６１】
また、発電終了処理時の各種流体の流動状態は、図３を参照しながら説明した各種流体の流動状態と略同様である。燃料極側に滞留する燃料極側排出流体及び酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する際には、三方電磁バルブ７６，７７を閉じ、燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じる。燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じた状態で、燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を逆転させることにより、燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体が燃料極側及び酸素極側からそれぞれを吸い出される。
【００６２】
続いて、３方電磁弁７６，７７の空気取り入れ口７６ａ，７７ａを開いて燃料水溶液循環ポンプ１４及び、空気供給ポンプ２２の回転を逆転し、外部の空気が燃料電池２のスタック構造の内部に取り入れられる。燃料電池２の内部は、空気取り入れ口７６ａ，７７ａを介して取り入れられた空気によってパージされる。
【００６３】
燃料電池２の燃料極側をパージした空気は、燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２に送られる。酸素極側をパージした空気は、空気供給ポンプ２２を介してそのまま外部に排出される。燃料電池２の内部を十分にパージし、残留メタノール及び水分を除去した後、燃料水溶液循環ポンプ１４、及び空気供給ポンプ２２の回転を停止する。その後、３方電磁バルブ７６，７７を閉じることにより、大気圧に略等しい圧力を有する空気を燃料電池２の内部に充満させることができる。さらに、燃料水溶液循環ポンプ１４、燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２から各配管内に亘ってメタノール水溶液は殆ど残留しないこととなり、燃料水溶液循環ポンプ１４、燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２から各配管に亘って水分が凍結することによる破損を防止することが可能となる。したがって、燃料水溶液循環ポンプ１４、燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２から各配管に亘って、水分を凍結するための対策を施す必要がなくなり、燃料電池システム２５０を簡便な構成とすることができる。
[第６の実施の形態]
【００６４】
次に、図１１及び図１２を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００６５】
本実施形態にかかる燃料電池システム２６０は、第２の実施形態にかかる燃料電池システム２２０と略同様の構成とされるが、三方電磁バルブ６４及び開閉電磁バルブ６５の代わりにそれぞれ三方電磁バルブ７９，８０が設けられ、さらに燃料水溶液循環ポンプ１４と燃料混合器１３との間の流路に三方電磁バルブ８１が設けられていることに特徴を有する。
【００６６】
なお、燃料電池２によって発電が行われ、燃料電池２が通常の運転を行う場合には、図３と同様にして三方電磁バルブ７９，８０が燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体のそれぞれの流路を構成し、各種流体が流動される。
【００６７】
また、発電終了処理時の各種流体の流動状態は、図３を参照しながら説明した各種流体の流動状態と略同様である図１１に示すように、燃料極側に滞留する燃料極側排出流体及び酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する際には、三方電磁バルブ７９，８０を閉じ、燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じる。燃料極側排出流体の流路と酸素極側排出流体の流路を閉じた状態で、燃料水溶液供給ポンプ１４及び空気供給ポンプ２２の回転を逆転させることにより、燃料極側排出流体及び酸素極側排出流体が燃料極側及び酸素極側からそれぞれを吸い出される。
【００６８】
続いて、図１２に示すように、３方電磁バルブ８１の空気取り入れ口８１ａを開いて燃料水溶液循環ポンプ１４を順方向に回転させる。また、３方電磁バルブ８０の空気取り入れ口８０ａを開いて、空気供給ポンプ２２の回転を逆転させた状態を維持する。これにより、外気が燃料電池２のスタック内部に取り入れられ、燃料電池２の内部をパージする。燃料極側に取り入れられた空気は燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２に順方向に流入する。酸素極側に取り入れられた空気は空気供給ポンプ２２を介してそのまま大気に排出される。
【００６９】
燃料電池２の内部を十分な時間パージして水分を十分除去した後、燃料水溶液循環ポンプ１４、及び空気供給ポンプ２２の回転を停止し、３方電磁バルブ７９，８０，８１を閉じる。これにより、燃料電池２のスタック構造の内部は大気圧と略等しい圧力を有する空気で満たされることになる。さらに、燃料水溶液循環ポンプ１４にもメタノールを含燃料水溶液が残留することがなく、凍結防止の対策を行う必要がなくなる。
[第７の実施の形態]
【００７０】
次に、図１３を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００７１】
図１３に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム２７０は、第６の実施形態にかかる燃料電池システム２６０と略同様の構成とされるが、空気供給ポンプ２２に三方電磁バルブ８８が設けられ、空気供給ポンプ２２によって吸引された酸素極側排出流体を気液分離器４１に送ることができることに特徴を有する。
【００７２】
三方電磁バルブ８８は、空気供給ポンプ２２が空気を外部から空気を取り入れるための流路の一部を構成するとともに、空気供給ポンプ２２から排出される流体の流路を切り替えてこの流体を気液分離器４１に送ることができる。このような三方電磁バルブ８８によれば、燃料電池２の酸素極側をパージした空気を気液分離器４１に送り、この空気から水分を分離して発電に再利用することができる。また、三方電磁バルブ８８は第６の実施形態にかかる燃料電池システム２６０に限定されず、例えば、第５の実施形態にかかる燃料電池システム２５０に設けることも可能である。
[第８の実施の形態]
【００７３】
次に、図１４を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００７４】
図１４に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム２８０は、第６の実施形態にかかる燃料電池システム２６０と略同様の構成とされるが、空気供給ポンプ２２に三方電磁バルブ８６が接続され、燃料電池２から吸引した空気を処理装置３３に送ることができることに特徴を有する。
【００７５】
三方電磁バルブ８６は、空気供給ポンプ２２が空気を外部から空気を取り入れるための流路の一部を構成するとともに、空気供給ポンプ２２から排出される流体の流路を切り替えてこの流体を処理装置３３に送ることができる。このような三方電磁バルブ８６によれば、燃料電池２の酸素極側をパージした空気を処理装置３３に送って外部に排出することができる。また、三方電磁バルブ８６は第６の実施形態にかかる燃料電池システム２６０に限定されず、例えば、第５の実施形態にかかる燃料電池システム２５０に設けることも可能である。
[第９の実施の形態]
【００７６】
次に、図１５を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００７７】
図１５に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム２９０は、第１の実施形態にかかる燃料電池システム２６０と略同様の構成とされるが、空気供給ポンプ２２と気液分離器４１の間の流路に開閉電磁バルブ６２が設けられておらず、燃料水溶液循環ポンプ１４のみを逆回転させることに特徴を有する。
【００７８】
開閉電磁バルブ８７が閉じられた状態で、発電を行う際に空気を燃料電池２に供給する向きと同じ順方向に空気供給ポンプ２２を回転させ、燃料電池２の発電終了処理時に酸素極側に空気を送ることで酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する。これにより、酸素極側排出流体は通常処理の気液分離器４１に送られ、酸素側排出流体に含まれる水分が分離されて水分貯蔵器４２に貯蔵される。すなわち、空気供給ポンプ２２を順方向に回転させ、燃料水溶液循環ポンプ１４を逆回転させることで酸素極側排出流体及び燃料極側排出流体を燃料電池２から除去することができる。
[第１０の実施の形態]
【００７９】
次に、図１６を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００８０】
図１６に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム３１０は、第１の実施形態にかかる燃料電池システム２１０と略同様の構成とされるが、空気供給ポンプ２２と気液分離器４１の間の流路に開閉電磁バルブ６２が設けられていない。本実施形態にかかる燃料電池システム３１０は、燃料電池２と二酸化炭素除去器３２の間の流路に設けられる開閉電磁バルブ６１の代わりに三方電磁バルブ８９が設けられ、燃料水溶液循環ポンプ１４のみを逆回転させることによって燃料極側排出流体を吸い出すことを特徴とする。
【００８１】
発電を行う際に空気を燃料電池２に供給する向きと同じ順方向に空気供給ポンプ２２を回転させ、燃料電池２の発電終了処理時に酸素極側に空気を送ることで酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を排出する。これにより、酸素極側排出流体は通常処理の気液分離器４１に送られ、酸素側排出流体に含まれる水分が分離されて水分貯蔵器４２に貯蔵される。すなわち、空気供給ポンプ２２を順方向に回転させ、燃料水溶液循環ポンプ１４を逆回転させることで酸素極側排出流体及び燃料極側排出流体を燃料電池２から除去することができる。
【００８２】
さらに、酸素極側排出流体および燃料極側排出流体を十分に除去するように、空気供給ポンプ２２及び燃料水溶液循環ポンプ１４を運転した後、図１６に示すように３方電磁弁８９の空気取り入れ口８９ａを開いて、燃料水溶液循環ポンプ１４の逆回転運転を継続する。これにより、空気取り入れ口８９ａを介して取り入れられた空気が燃料電池２のスタック構造の内部に取り入れられて、パージを行う。燃料電池２のスタック構造の内部をパージした空気は、燃料混合器１３及び二酸化炭素除去器３２に逆流し、処理装置３３から外部へ排出される。これにより燃料電池２の内部に残留する燃料水溶液を十分に除去することが可能となる。
【００８３】
さらにまた、燃料電池２のスタック構造の内部を十分にパージした後、燃料水溶液循環ポンプ１４、及び空気供給ポンプ２２の回転を停止し、３方電磁弁８９を閉じる。これにより、燃料電池２のスタック構造の内部を大気圧と略等しい空気で満たすことができ、且つ燃料水溶液循環ポンプ１４、燃料混合器１３、二酸化炭素除去器３２及び配管内にも残留する燃料水溶液を殆どなくすことができる。したがって、これら装置および配管に凍結防止の対策を行う必要がなくなる。
[第１１の実施の形態]
【００８４】
次に、図１７及び図１８を参照しながら、本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池の発電方法のさらに別の形態について説明する。
【００８５】
図１７に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システム３２０は、第１の実施形態にかかる燃料電池システム２１０と略同様の構成とされるが、空気供給ポンプ２２と気液分離器４１の間の流路に開閉電磁バルブ６２が設けられていない。さらに、燃料電池２と二酸化炭素除去器３２の間の流路に設けられる開閉電磁バルブ６１の代わりに三方電磁バルブ９０が設けられ、燃料水溶液循環ポンプ１４と燃料混合器１３との間の流路に三方電磁バルブ９１が設けられている。本実施形態にかかる燃料電池システム３２０は、に三方電磁バルブ９１の空気取り入れ口９１ａから空気を取り入れて燃料電池２の燃料極側をパージすることに特徴を有する。
【００８６】
図１７に示すように、燃料電池２の発電終了処理時に３方電磁９バルブ９０を閉じ、燃料水溶液循環ポンプ１４の回転を逆転させる。これにより、燃料水溶液循環ポンプ１４は、燃料電池２のスタック内部に残留する燃料水溶液を吸い出すことができる。
【００８７】
燃料電池２の酸素極側に滞留する酸素極側排出流体は、空気供給ポンプ２２の回転を順方向に継続させることにより排出される。燃料電池２の内部の水分が吸い出されるように、空気供給ポンプ２２及び燃料水溶液循環ポンプ１４を十分駆動させた後、図１８に示すように３方電磁弁９１の空気取り入れ口９１ａを開いて、燃料水溶液循環ポンプ１４の回転を順方向に切り替える。燃料水溶液循環ポンプ１４の回転を順方向に切り替えることにより、外気が燃料電池２のスタック内部に取り込まれ、この空気が燃料電池２内部をパージする。
【００８８】
ここで、燃料電池２の燃料極側から排気される空気は３方電磁弁９０で処理装置３３に送られても良いし、燃料混合器１３、及び二酸化炭素除去器３２に送られても良い。同様に、３方電磁弁９０の代わりに開閉電磁バルブを用いても燃料電池２の燃料極側から排気される空気を処理装置３３、燃料混合器１３、又は二酸化炭素除去器３２に送ることができる。
【００８９】
以上説明したように、燃料水溶液循環ポンプ１４の回転を逆転することで、燃料電池２の内部に残留する燃料水溶液を除去することができ、残留するメタノールによる電解質膜の劣化を抑制することができ、さらに燃料電池２内で水分が凍結することによる燃料電池２の破損を防止することが可能となる。
【００９０】
さらに、空気供給ポンプ２２も燃料水溶液循環ポンプ１４と同様に逆回転させることで酸素極側に滞留する酸素極側排出流体を吸い出すことができる。また、空気で順方向の回転でパージすることで内部の生成水を排出でき、氷点下でも保存可能なダイレクトメタノール燃料電池システムを提供できる。
【００９１】
本発明にかかる燃料電池システムは、二酸化炭素除去器３２、燃料混合器１３、気液分離器４１、及び水分貯蔵器４２で燃料水溶液や水分が凍結しないようにこれら各装置にヒータを備えていても良い。また、二酸化炭素除去器３２、燃料混合器１３、気液分離器４１、及び水分貯蔵器４２にスペースを設け、水分が凍結した場合でもこれら装置が破損しないようにすることもできる。また、本発明にかかる燃料電池システムを構成する配管を弾力性のある材料で構成することで水分が凍結することによる配管の破損を低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電時の状態を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の排出流れを説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電時の状態を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の流れを示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電時の状態を説明する図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の流れを説明する図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の流れを説明する図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図１４】本発明の第８の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図１５】本発明の第９の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の流れを説明する図である。
【図１６】本発明の第１０の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の流れを説明する図である。
【図１７】本発明の第１１の実施の形態にかかる燃料電池システムの発電終了時の各流体の流れを説明する図である。
【図１８】本発明の第１１の実施の形態にかかる燃料電池システムの燃料電池内部をパージする状態を説明する図である。
【図１９】従来の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００９３】
１  燃料電池システム
１０  燃料極側供給配管系
２０  空気極側供給配管系
３０  燃料極側排出配管系
４０  空気極側排出配管系
４１  気液分離器
４２  水分貯蔵器
５１  コンバータ
５２  負荷
５３  制御コントローラ
【図１】
2005032601.tif 000003
【図２】
2005032601.tif 000004
【図３】
2005032601.tif 000005
【図４】
2005032601.tif 000006
【図５】
2005032601.tif 000007
【図６】
2005032601.tif 000008
【図７】
2005032601.tif 000009
【図８】
2005032601.tif 000010
【図９】
2005032601.tif 000011
【図１０】
2005032601.tif 000012
【図１１】
2005032601.tif 000013
【図１２】
2005032601.tif 000014
【図１３】
2005032601.tif 000015
【図１４】
2005032601.tif 000016
【図１５】
2005032601.tif 000017
【図１６】
2005032601.tif 000018
【図１７】
2005032601.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2005032601.tif 000021