(57)【要約】【課題】燃料電池の停止処理を迅速且つ効率的に行うとともに、消費エネルギの低減を容易に遂行可能にする。【解決手段】燃料電池システム２０は、制御装置７０を備え、この制御装置７０は、アノード電極２８ｂ側を空気で掃気しないと判断された際、燃料電池スタック２２の水素出口３４ｂと空気出口３６ｂとに連通する希釈装置５６内のパージ水素を、換気装置６６により強制的に換気する。一方、制御装置７０は、アノード電極２８ｂ側を空気で掃気すると判断された際、換気装置６６の駆動を停止するとともに、水素入口３４ａの上流に空気を供給し、前記アノード電極２８ｂ側を前記空気で掃気する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の燃料ガス入口に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池の酸化剤ガス入口に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料ガス入口の上流で、前記燃料ガス供給路と前記酸化剤ガス供給路とを連通可能な連通路と、
前記燃料電池の燃料ガス出口と酸化剤ガス出口とに連通し、未反応の前記燃料ガスを前記酸化剤ガスで希釈する希釈装置と、
前記希釈装置内の前記燃料ガスを強制的に換気する換気装置と、
所定の条件で前記燃料電池の発電が停止される際に、前記連通路を開放して前記燃料ガス入口に前記酸化剤ガスを供給することにより前記アノード電極側を前記酸化剤ガスで掃気する一方、前記換気装置の駆動を停止させる制御装置と、
を備え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、前記所定の条件である前記燃料電池内の生成水が凍結する温度環境で、該燃料電池の発電が停止される際に、前記アノード電極側を前記酸化剤ガスで掃気することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池の燃料ガス入口からアノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記燃料電池の酸化剤ガス入口からカソード電極に酸化剤ガスを供給して反応させ、発電を行う工程と、
前記燃料電池の発電を停止する際に、前記アノード電極側を前記酸化剤ガスで掃気するか否かを判断する工程と、
アノード電極側を前記酸化剤ガスで掃気しないと判断された際、前記燃料電池の燃料ガス出口と酸化剤ガス出口とに連通する希釈装置内の前記燃料ガスを、換気装置により強制的に換気する工程と、
前記アノード側電極を前記酸化剤ガスで掃気すると判断された際、前記換気装置の駆動を停止するとともに、前記燃料ガス入口の上流に前記酸化剤ガスを供給することにより前記アノード電極側を前記酸化剤ガスで掃気する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムの停止方法において、前記燃料電池内の生成水が凍結する温度環境で、該燃料電池の発電が停止される際に、前記アノード電極側を前記酸化剤ガスで掃気すると判断することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電停止時の環境に応じて、前記燃料電池のアノード電極側を酸化剤ガスで掃気することが可能な燃料電池システム及びその停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極及びカソード電極を配置した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、このような燃料電池では、起動直後における温度が十分に上昇しておらず、あるいは、発電状態が長時間継続されることで、不純物が蓄積したり、アノード電極面が水に覆われて反応ガスが十分に供給されなかったりし、発電電圧が低下する。従って、燃料電池の寿命を維持しつつ、効率的な発電状態を確保するため、燃料ガスや酸化剤ガスの流量及び圧力を適切に制御して供給するとともに、水を含む排気ガスを適切なタイミングで外部に排出（所謂、パージ）する必要がある。
【０００５】
この種の技術として、例えば、特許文献１の燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、図５に示すように、燃料電池スタック１の燃料極入口２ａは、加湿器３を介して水素タンク４に接続されるとともに、前記燃料電池スタック１の空気極入口５ａは、前記加湿器３を介してコンプレッサ６に接続されている。
【０００６】
加湿器３と燃料電池スタック１の燃料極入口２ａとの間には、水素ガスの導入と、加湿器３をバイパスした非加湿の空気の導入とを切替えるバルブ７ａが設置されている。同様に、加湿器３と燃料電池スタック１の空気極入口５ａとの間には、非加湿と加湿の空気の導入を切替えるバルブ７ｂが設置されている。
【０００７】
水素タンク４と加湿器３との間には、圧力レギュレータ８、流量調整弁９及びエゼクタ１０が配設されている。燃料電池スタック１の燃料極出口２ｂと空気極出口５ｂとの間には、バルブ１１が設けられている。燃料極出口２ｂから循環路１２を経由してエゼクタ１０に水素ガスが戻されるとともに、前記燃料極出口２ｂには、パージバルブ１３及びオリフィス１４が配置されている。
【０００８】
このような構成において、発電終了時には、先ず、コンプレッサ６の運転を継続しながら、バルブ７ａ、７ｂが制御される。このため、非加湿空気が燃料極入口２ａ及び空気極入口５ａに供給され、燃料電池スタック１の反応膜（図示せず）に付着したりガス流路に存在したりする液体が、前記燃料電池スタック１の外部に放出される。
【０００９】
次いで、所定の時間だけ、空気パージによる水や不純物の吹き飛ばしを行った後、バルブ７ａ、７ｂ、１１及び１３がオフされてコンプレッサ６の運転が停止される。
【００１０】
これにより、バルブ７ａの制御作用下に、水素ガスの代わりに空気による燃料極のパージが行われるため、発電に使用されずに消費される燃料の量を減らすことができ、燃費を向上させることが可能である、としている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３３１８９３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上記の特許文献１では、燃料電池スタック１の運転を停止する際に、燃料極に空気を送って空気パージを行っており、この燃料電池スタック１を始動する際には、水素タンク４から前記燃料電池スタック１内の燃料極に水素ガスを供給し、予め充填されている空気と前記水素ガスとを置換する処理が必要である。
【００１３】
このため、燃料電池スタック１内に水素ガスを充填させるために相当な時間がかかってしまい、前記燃料電池スタック１を短時間で始動させることができないという問題が指摘される。特に、燃料電池スタック１の始動と停止を短時間で繰返す際には、好適に対応することができない。
【００１４】
その際、運転停止状況に応じて水素タンク４内の水素ガスによるパージ（水素パージ）を行うことが考えられるが、燃料極出口２ｂから放出されるパージガス中の水素濃度が高くなる。これにより、排ガスを、直接、外部に廃棄することができず、特許文献１では、水素パージ処理に対応することが困難であるという問題がある。
【００１５】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の停止処理を迅速且つ効率的に行うとともに、消費エネルギの低減が容易に遂行可能な燃料電池システム及びその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】
【００１６】
本発明では、燃料電池の燃料ガス入口からアノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記燃料電池の酸化剤ガス入口からカソード電極に酸化剤ガスを供給して反応させることにより、発電が行われる。そして、燃料電池の発電を停止する際には、アノード電極側を酸化剤ガスで掃気するか否かが判断される。
【００１７】
酸化剤ガスで掃気しないと判断された際には、燃料電池の燃料ガス出口と酸化剤ガス出口とに連通する希釈装置内の燃料ガス濃度が比較的高くなっており、燃料ガスが換気装置により強制的に空気と混合して換気される。一方、酸化剤ガスで掃気すると判断された際には、換気装置の駆動が停止されるとともに、燃料ガス入口の上流に酸化剤ガスが供給されることによりアノード電極側が前記酸化剤ガスで掃気される。
【００１８】
また、燃料電池内の生成水が凍結する温度環境で、該燃料電池の発電が停止される際には、アノード電極側を酸化剤ガスで掃気すると判断することが好ましい。生成水の凍結を防止するためには、アノード電極側に残存する生成水を確実に除去する必要があり、多量のパージガスが使用される。その際、パージガスとして燃料ガスが用いられると、未反応の燃料ガスが廃棄されて燃費が低下する。このため、燃料ガスに換えて酸化剤ガスをパージガスとして使用することにより、燃費の低下を阻止しながら、生成水の掃気処理が確実に遂行される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、アノード電極側を酸化剤ガスで掃気する際には、希釈装置内に燃料ガスが残存することがなく、水素濃度が著しく低下してこの希釈装置内を換気する必要がない。従って、換気ファン等の換気装置を作動させる必要がなく、この換気装置の駆動に要するエネルギが不要になる。これにより、燃料電池システム全体のエネルギ消費を良好に低減させることができ、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム２０の概略構成図である。
【００２１】
燃料電池システム２０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック２２を備える。この燃料電池スタック２２は、複数の発電セル２４を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にエンドプレート２６ａ、２６ｂが配置されており、前記エンドプレート２６ａ、２６ｂが図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられている。
【００２２】
発電セル２４は、例えば、固体高分子電解質膜２８ａの両側にアノード電極２８ｂとカソード電極２８ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２８と、前記電解質膜・電極構造体２８を挟持する一対のセパレータ３０、３２とを備える。アノード電極２８ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード電極２８ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００２３】
エンドプレート２６ａには、各発電セル２４に水素ガスを供給するための水素入口（燃料ガス入口）３４ａと、前記発電セル２４に空気を供給するための空気入口（酸化剤ガス入口）３６ａとが設けられる。エンドプレート２６ｂには、各発電セル２４から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを燃料電池スタック２２から排出するための水素出口（燃料ガス出口）３４ｂと、前記発電セル２４から排出される未使用の酸素を含む空気を前記燃料電池スタック２２から排出するための空気出口（酸化剤ガス出口）３６ｂとが設けられる。
【００２４】
燃料電池システム２０は、例えば、水素タンク（図示せず）が設けられる水素供給装置３８から燃料電池スタック２２の水素入口３４ａに水素ガスを供給する水素供給路（燃料ガス供給路）４０と、例えば、コンプレッサ（図示せず）が設けられる空気供給装置４２から前記燃料電池スタック２２の空気入口３６ａに空気を供給する空気供給路（酸化剤ガス供給路）４４とを備える。
【００２５】
水素供給路４０には、オンされる際に前記水素供給路４０を閉塞する遮断バルブ４６が配設される。水素供給路４０と空気供給路４４とは、水素入口３４ａの上流で連通路４８に連結されるとともに、この連通路４８には、オンされる際に前記連通路４８を開放する連通バルブ５０が配設される。
【００２６】
燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２の水素出口３４ｂに連結される水素排出路５２と、前記燃料電池スタック２２の空気出口３６ｂに連結される空気排出路５４とを備える。水素排出路５２及び空気排出路５４は、希釈装置５６に接続され、この希釈装置５６は、水素出口３４ｂから排出される未反応の水素を空気出口３６ｂから排出される空気により希釈する。水素排出路５２には、第１電磁バルブ５８が配設される。
【００２７】
希釈装置５６には、掃気出口流路６０と換気出口流路６２とが接続されるとともに、前記換気出口流路６２には、第２電磁バルブ６４が配設される。換気出口流路６２は、換気装置６６が設けられた換気配管６８にエゼクタ６９を介して接続される。この換気装置６６は、例えば、換気ファン（図示せず）を備える。
【００２８】
燃料電池システム２０は、所定の条件で燃料電池スタック２２の発電が停止される際に、連通路４８を開放して水素入口３４ａに空気を供給することによりアノード電極２８ｂ側を前記空気で掃気する一方、換気装置６６の駆動を停止させる制御装置７０を備える。
【００２９】
このように構成される燃料電池システム２０の動作について、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３０】
先ず、燃料電池システム２０の運転時には、水素供給装置３８から水素供給路４０に水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料電池スタック２２の水素入口３４ａに導入され、各発電セル２４を構成するアノード電極２８ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが水素出口３４ｂから水素排出路５２に排出される。
【００３１】
一方、空気供給装置４２では、図示しないコンプレッサを介して空気供給路４４に空気が供給される。この空気は、燃料電池スタック２２の空気入口３６ａに供給され、各発電セル２４を構成するカソード電極２８ｃに沿って移動した後、未使用の空気を含むオフガスが空気出口３６ｂから空気排出路５４に排出される。
【００３２】
これにより、各発電セル２４では、アノード電極２８ｂに供給される水素と、カソード電極２８ｃに供給される空気中の酸素とが、反応して発電が行われる。この発電によって、例えば、燃料電池搭載車両の走行が行われる。
【００３３】
次いで、燃料電池スタック２２の発電を停止する際には、例えば、イグニッションスイッチがオフされる。このため、制御装置７０では、アノード電極２８ｂ側を空気供給装置４２から供給される空気で掃気するか否かが判断される（図２中、ステップＳ１）。
【００３４】
ここで、燃料電池スタック２２内の生成水が凍結する温度環境下で、前記燃料電池スタック２２の発電が停止される際、アノード電極２８ｂ側を空気で掃気すると判断する。具体的には、燃料電池スタック２２が停止される際の外気温度や、燃料電池システム２０が搭載されている車両の位置情報（寒冷地等）等を検出し、この検出結果に基づいて、空気による掃気処理を行うか否かを判断する。
【００３５】
そして、アノード電極２８ｂ側を空気で掃気しないと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ２に進んで、遮断バルブ４６が閉塞される。このため、図３に示すように、水素供給装置３８から燃料電池スタック２２の水素入口３４ａに対する水素ガスの供給が停止される。
【００３６】
さらに、ステップＳ３に進んで、第１電磁バルブ５８が開放され、水素出口３４ｂから希釈装置５６に水素ガスを含む排ガスが排出されてアノード電極２８ｂ側の圧力が低下する。アノード電極２８ｂ側の圧力が所定値以下となる際（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、第１電磁バルブ５８が閉塞されるとともに、空気供給装置４２を構成するコンプレッサが停止される（ステップＳ６）。
【００３７】
次に、換気装置６６が駆動される一方、第２電磁バルブ６４が開放される（ステップＳ７）。従って、換気装置６６から換気配管６８に外気が供給され、エゼクタ６９を介して換気出口流路６２内が吸引される。このため、希釈装置５６内に滞留しているパージ水素は、換気出口流路６２内に吸引されてエゼクタ６９から換気配管６８内を通流する空気に混合されて希釈され、低濃度の水素含有排ガスとなって外部に廃棄される。
【００３８】
換気装置６６によるパージ水素の廃棄処理が所定時間だけ行われた後（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、前記換気装置６６が停止されるとともに、第２電磁バルブ６４が閉塞される。これにより、燃料電池システム２０内の水素パージ処理が遂行される。
【００３９】
一方、ステップＳ１において、アノード電極２８ｂ側を空気で掃気すると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進んで、遮断バルブ４６が閉塞される。さらに、連通バルブ５０が開放されるとともに（ステップＳ１１）、第１電磁バルブ５８が開放される。
【００４０】
このため、図４に示すように、空気供給装置４２から空気供給路４４に供給された空気は、一部分が燃料電池スタック２２の空気入口３６ａに供給されて、各発電セル２４を構成するカソード電極２８ｃ側に送られる。一方、前記空気の残余の部分が連通路４８を通って前記燃料電池スタック２２の水素入口３４ａに供給される。
【００４１】
この水素入口３４ａに供給された空気は、各発電セル２４を構成するアノード電極２８ｂに供給され、このアノード電極２８ｂに残存する水分や水素ガス等を水素出口３４ｂから希釈装置５６に排出する。そして、空気によるアノード電極２８ｂ側の掃気が所定の時間だけ行われると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１３に進んで、前記アノード電極２８ｂ側の圧力が所定値以下であるか否かが判断される。
【００４２】
アノード電極２８ｂ側の圧力が所定値以下であると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進んで、第１電磁バルブ５８が閉塞され、さらにステップＳ１５に進んで、空気供給装置４２を構成するコンプレッサが停止される。これにより、燃料電池スタック２２内におけるアノード電極２８ｂ側の空気による掃気処理が終了する。
【００４３】
この場合、本実施形態では、上記のようにアノード電極２８ｂ側を空気で掃気する際には、希釈装置５６内に残存する水素ガスは、極めて微量となり、水素濃度が著しく低下している。このため、希釈装置５６から掃気出口流路６０に排ガスを、直接、排出することができ、換気装置６６を作動させる必要がない。これにより、換気装置６６を駆動するために要するエネルギが不要となり、燃料電池システム２０全体のエネルギ消費を良好に低減することが可能になり、経済的であるという効果が得られる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、燃料電池スタック２２内の生成水が凍結する温度環境下で、前記燃料電池スタック２２の発電が停止される際に、アノード電極２８ｂ側を空気で掃気している。
【００４５】
ここで、生成水の凍結を防止するためには、アノード電極２８ｂ側に残存する前記生成水を確実に除去する必要があり、多量のパージガスが使用される。その際、パージガスとして水素ガスを使用すると、未反応の水素ガスが廃棄されて燃費が低下し、不経済となる。そこで、水素ガスに代えて空気をパージガスとして用いることにより、燃料電池システム２０全体の燃費の低下を阻止しながら、生成水の掃気処理が確実に遂行され、極めて経済的であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムの停止方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記燃料電池システム内で換気処理が行われる際の説明図である。
【図４】前記燃料電池システム内で掃気処理が行われる際の説明図である。
【図５】特許文献１の燃料電池システムの説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
２０…燃料電池システム                  ２２…燃料電池スタック
２４…発電セル                          ２８…電解質膜・電極構造体
２８ａ…固体高分子電解質膜              ２８ｂ…アノード電極
２８ｃ…カソード電極                    ３４ａ…水素入口
３４ｂ…水素出口                        ３６ａ…空気入口
３６ｂ…空気出口                        ３８…水素供給装置
４０…水素供給路                        ４２…空気供給装置
４４…空気供給路                        ４６…遮断バルブ
４８…連通路                            ５０…連通バルブ
５２…水素排出路                        ５４…空気排出路
５６…希釈装置                          ５８、６４…電磁バルブ
６０…掃気出口流路                      ６２…喚起出口流路
６６…換気装置                          ６８…換気配管
７０…制御装置
【図１】
2005340120.tif 000003
【図２】
2005340120.tif 000004
【図３】
2005340120.tif 000005
【図４】
2005340120.tif 000006
【図５】
2005340120.tif 000007