(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、
前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および／または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つが設定され、
前記停止動作時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給し、
前記燃料空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで燃料を再循環させる再循環系路を含み、前記酸化剤空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで酸化剤を再循環させる再循環系路を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、
該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および／または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを設定し、前記停止動作を行い、
前記停止動作時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給し、
前記燃料空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで燃料を再循環させる再循環系路を含み、前記酸化剤空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで酸化剤を再循環させる再循環系路を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその運転方法に関し、特に閉鎖型燃料電池の停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、定置用の燃料電池では、燃料系統を安全に除去するため、窒素等の不活性ガスを用いてパージして停止している。このパージ中には、未反応の燃料が含まれた燃料排ガスが系外に排出されるため、安全に排気できるベントラインが設けられている。
これに対して、宇宙機器や潜水艇といった狭窄な特殊環境では、燃料電池反応に使用された排ガスを外部へと放出できないため、排ガスを外部へと放出せずに循環利用する閉鎖型燃料電池が用いられる（特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような閉鎖型燃料電池では、未反応の燃料が含まれた燃料排ガスを大気へと放出することができないため、燃料電池を停止した場合に系内に残存する燃料排ガスの処理が問題となる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、閉鎖型燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを処理することができる燃料電池およびその運転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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池およびその運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および／または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つが設定され、前記停止動作時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給し、前記燃料空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで燃料を再循環させる再循環系路を含み、前記酸化剤空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで酸化剤を再循環させる再循環系路を含むことを特徴とする。
【０００７】
気体の状態方程式に従えば、燃料空間の容積や圧力、及びこれらの積は、燃料空間内の燃料残存量に比例する。また、燃料空間の温度は燃料空間内の燃料残存量に反比例する。同様に、酸化剤空間の容積や圧力、及びこれらの積は、酸化剤空間内の酸化剤残存量に比例し、酸化剤空間の温度は酸化剤残存量に反比例する。
したがって、燃料空間および／または酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを適宜設定し、停止動作の開始時における燃料空間内の燃料残存量と、停止動作の開始時における酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比とすることとすれば、停止動作の開始時に燃料供給および酸化剤供給を停止させた場合、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。
また、停止動作時に不活性ガスを供給することによって、燃料空間および酸化剤空間の圧力を所定値に維持することとしたので、停止動作後は系内が置換された不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスは発電運転時の圧力に維持されることが好ましい。このようにすれば、発電運転時と同じ圧力差の設計にてシール材を選定できるからである。
【０００８】
さらに、本発明の参考例としての他の態様における燃料電池では、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間を閉空間とし、これらの空間へのガスの供給を停止することを特徴とする。
【０００９】
停止動作の開始時に燃料空間および酸化剤空間を閉空間とし、これらの空間へのガスの供給を停止することにより、これら空間内に存在する燃料と酸化剤の反応によって圧力が低下し、最終的には不可避的に存在するガス（燃料および酸化剤内の不活性ガス等と空間内に存在する水分による水蒸気）の圧力まで反応が進行する。これにより、燃料空間および酸化剤空間は飽和蒸気圧以上の圧力にて維持されることになる。本発明によれば、パージのため又は保圧のための不活性ガスを保有する必要がなくなり、簡便な構成が実現される。
【００１０】
さらに、本発明の参考例としての他の態様における燃料電池では、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間内および前記酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されていることを特徴とする。
【００１１】
停止動作時に燃料空間内および酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されているので、燃料および酸化剤が反応して消費された後には、燃料空間および酸化剤空間に所定圧力の不活性ガスが残されることになる。これにより、停止動作後は系内が所定圧力の不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスの供給圧力としては、大気圧以上とされていることが好ましい。これにより、保圧されている系統のリークを容易に検知することができ、保全の際に好適である。
【００１２】
さらに、上記の本発明の燃料電池では、前記不活性ガスは、発電運転を開始する際の起動時に、前記所定圧力にて供給されることを特徴とする。
【００１３】
起動時から所定圧力の不活性ガスが供給されるので、起動時、発電運転時、停止時にわたってほぼ同一圧力条件にて運転することができ、安定した運転を実現することができる。
【００１４】
また、本発明の参考例としての燃料電池は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池であって、前記停止動作時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤が前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給されることを特徴とする。
【００１５】
停止動作時に、燃料空間内の燃料残存量と、酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することとしたので、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。
【００１６】
さらに、本発明の一態様における燃料電池によれば、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。
【００１７】
停止動作時に不活性ガスを供給することによって、燃料空間および酸化剤空間の圧力を所定値に維持することとしたので、停止動作後は系内が置換された不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスは発電運転時の圧力に維持されることが好ましい。このようにすれば、発電運転時と同じ圧力差の設計にてシール材を選定できるからである。
【００１８】
さらに、本発明の他の態様における燃料電池によれば、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間または前記酸化剤空間を閉空間とし、前記当量比に照らして少ない方の前記燃料または前記酸化剤のみを供給することを特徴とする。
【００１９】
停止動作の開始時に燃料空間または酸化剤空間を閉空間とし、当量比に照らして少ない方の燃料または酸化剤のみを供給することにより、これら空間内に存在する燃料と酸化剤の反応によって圧力が低下し、最終的には燃料および酸化剤の蒸気圧まで反応が進行する。これにより、燃料空間および酸化剤空間には飽和蒸気圧とされた燃料および酸化剤ならびに不可避的に存在するガスが負圧にて維持されることになる。本発明によれば、パージのため又は保圧のための不活性ガスを保有する必要がなくなり、簡便な構成が実現される。
【００２０】
さらに、本発明の他の態様における燃料電池によれば、前記停止動作の開始時に、前記燃料空間内および前記酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されていることを特徴とする。
【００２１】
停止動作の開始時に燃料空間内および酸化剤空間内に所定圧力の不活性ガスが予め供給されているので、燃料および酸化剤が反応して消費された後には、燃料空間および酸化剤空間に所定圧力の不活性ガスが残されることになる。これにより、停止動作後は系内が不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスの供給圧力としては、大気圧以上とされていることが好ましい。これにより、保圧されている系統のリークを容易に検知することができ、保全の際に好適である。
【００２２】
さらに、上記の本発明の燃料電池によれば、前記不活性ガスは、発電運転を開始する際の起動時に、前記所定圧力にて供給されることを特徴とする。
【００２３】
起動時から所定圧力の不活性ガスが供給されるので、起動時、発電運転時、停止時にわたってほぼ同一圧力条件にて運転することができ、安定した運転を実現することができる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池の運転方法は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の前記停止動作の開始時における燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の前記停止動作の開始時における酸化剤残存量の比が、前記燃料と前記酸化剤との反応における当量比とされるように、前記燃料空間および／または前記酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを設定し、前記停止動作を行い、前記停止動作時に、前記燃料空間および前記酸化剤空間の圧力を所定値に維持するように、不活性ガスを前記燃料空間および前記酸化剤空間に供給し、前記燃料空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで燃料を再循環させる再循環系路を含み、前記酸化剤空間は燃料電池の排出側配管から燃料電池の供給側配管まで酸化剤を再循環させる再循環系路を含むことを特徴とする。
【００２５】
気体の状態方程式に従えば、燃料空間の容積や圧力、及びこれらの積は、燃料空間内の燃料残存量に比例する。また、燃料空間の温度は燃料空間内の燃料残存量に反比例する。同様に、酸化剤空間の容積や圧力、及びこれらの積は、酸化剤空間内の酸化剤残存量に比例し、酸化剤空間の温度は酸化剤残存量に反比例する。
したがって、燃料空間および／または酸化剤空間の容積、圧力および温度の少なくとも一つを適宜設定し、停止動作の開始時における燃料空間内の燃料残存量と、停止動作の開始時における酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比とすることとすれば、停止動作の開始時に燃料供給および酸化剤供給を停止させた場合、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。
また、停止動作時に不活性ガスを供給することによって、燃料空間および酸化剤空間の圧力を所定値に維持することとしたので、停止動作後は系内が置換された不活性ガスによって保圧されることになり、健全性が確保される。
なお、不活性ガスは発電運転時の圧力に維持されることが好ましい。このようにすれば、発電運転時と同じ圧力差の設計にてシール材を選定できるからである。
【００２６】
また、本発明の参考例としての燃料電池の運転方法は、燃料および酸化剤によって発電が行われる燃料電池本体を備え、該燃料電池本体の発電を停止させる際に前記燃料および前記酸化剤を外部へと排出せずに停止する停止動作を備えた燃料電池の運転方法であって、前記停止動作時に、前記燃料電池本体に連通しかつ前記燃料が存在し得る燃料空間内の燃料残存量と、前記燃料電池本体に連通しかつ前記酸化剤が存在し得る酸化剤空間内の酸化剤残存量との比が当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することを特徴とする。
【００２７】
停止動作時に、燃料空間内の燃料残存量と、酸化剤空間内の酸化剤残存量との比を、燃料と酸化剤との反応における当量比となるように、前記燃料および/または前記酸化剤を前記燃料空間および/または前記酸化剤空間に供給することとしたので、自己放電または外部負荷によって燃料空間中に存在する燃料と酸化剤空間中に存在する酸化剤とが反応し、当量比に従って燃料および酸化剤が消費されることになり、最終的には燃料および酸化剤がほぼ完全に消費されることになる。
【００２８】
なお、燃料及び酸化剤がほぼ完全に消費される本発明の運転方法を用いつつ、最終段階にて不活性ガスを少量流し、パージ用不活性ガス量を低減する方法としてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の燃料電池およびその運転方法によれば、燃料電池の停止動作時に系内に残存する燃料排ガスを外部へパージすることなく処理することができる。したがって、特に閉鎖型燃料電池に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の概略が示されている。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が好適であるが、その形式は問わない。燃料電池は、宇宙機器や潜水的に用いられて好適な閉鎖型燃料電池となっている。すなわち、燃料電池スタックから排出されるオフガス及びオフガスから分離されるドレン水は燃料電池の外部へと放出されず、燃料電池のシステム内部で貯蔵されるようになっている。
【００３１】
燃料電池スタック（燃料電池本体）１には、水素ボンベ２から水素（燃料）が供給され、かつ、酸素ボンベ４から酸素（酸化剤）が供給されるようになっている。
水素ボンベ２と燃料電池スタック１との間には、水素加湿器６が設けられている。この水素加湿器６によって、水素は加湿された後に燃料電池スタック１へと導かれる。水素ボンベ２と水素加湿器６との間の配管には、水素ボンベ２側から順に、開閉弁８、圧力調節器９及び流量調整弁１０が設けられている。これら開閉弁８、圧力調節器９及び流量調整弁１０は、図示しない制御部によってその動作が制御されるようになっている。
水素加湿器６と燃料電池スタック１との間の配管には、水素圧力計１２が設けられている。この水素圧力計１２によって、燃料電池スタック１内の水素圧力が計測される。水素圧力計１２の出力は、図示しない制御部へと送信される。
【００３２】
酸素ボンベ４と燃料電池スタック１との間には、酸素加湿器１６が設けられている。この酸素加湿器１６によって、酸素は加湿された後に燃料電池スタック１へと導かれる。酸素ボンベ４と酸素加湿器１６との間の配管には、酸素ボンベ４側から順に、開閉弁１８、圧力調節器１９及び流量調整弁２０が設けられている。これら開閉弁１８、圧力調節器１９及び流量調整弁２０は、図示しない制御部によってその動作が制御されるようになっている。
酸素加湿器１６と燃料電池スタック１との間の配管には、酸素圧力計２２が設けられている。この酸素圧力計２２によって、燃料電池スタック１内の酸素圧力が計測される。酸素圧力計２２の出力は、図示しない制御部へと送信される。
【００３３】
燃料電池スタック１では、供給された水素と酸素によって電気化学反応による発電が行われ、発電電力は、図示しない外部負荷にて取り出されるようになっている。
【００３４】
燃料電池スタック１から排出された水素ガス及び水蒸気を含む水素排ガス（オフガス）は、水素排ガス用気液分離器２５へと導かれる。この水素排ガス用気液分離器２５にて、水素排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。
水素排ガス用気液分離器２５には、水素排気弁２９が接続されている。この水素排気弁２９は、水素が流れる系内に残存する不活性ガスや不純物を取り除く際に使用するものであり、起動時、定常運転時、停止動作時といった通常運転時には閉とされている。したがって、システム構成によっては水素排気弁２９を廃止することができる。
水素排ガス用気液分離器２５と水素加湿器６との間には、水素循環配管３３が接続されている。この水素循環配管３３の中途位置には、水素循環ブロワ３５が設けられている。この水素循環ブロワ３５によって、水素排ガス用気液分離器２５中の気相部から水素ガスが取り出され、水素加湿器６へと導かれる。これにより、燃料電池スタック１にて未反応として排出された水素ガスを再び反応させるように循環させ、閉鎖型経路を構成している。
【００３５】
燃料電池スタック１から排出された酸素及び水蒸気を含む酸素排ガス（オフガス）は、酸素排ガス用気液分離器２７へと導かれる。この酸素排ガス用気液分離器２７にて、酸素排ガス中の水分が凝縮されドレン水として下方に貯留される。
酸素排ガス用気液分離器２７には、酸素排気弁３１が接続されている。この酸素排気弁３１は、酸素が流れる系内に残存する不活性ガスや不純物を取り除く際に使用するものであり、起動時、定常運転時、停止動作時といった通常運転には閉とされている。したがって、システム構成によっては酸素排気弁３１を廃止することができる。
酸素排ガス用気液分離器２７と酸素加湿器１６との間には、酸素循環配管３７が接続されている。この酸素循環配管３７の中途位置には、酸素循環ブロワ３９が設けられている。この酸素循環ブロワ３９によって、酸素排ガス用気液分離器２７中の気相部から酸素ガスが取り出され、酸素加湿器１６へと導かれる。これにより、燃料電池スタック１にて未反応として排出された酸素ガスを再び反応させるように循環させ、閉鎖型経路を構成している。
【００３６】
燃料電池スタック１には、反応熱を除去して発電に適した所定温度を維持するために冷却水が供給されるようになっている。具体的には、循環冷却水タンク４２から循環冷却水ポンプ４４によって冷却水が燃料電池スタック１へと供給されるようになっている。燃料電池スタック１を冷却した後の冷却水は、冷却器４６にて冷却された後に、循環冷却水タンク４２に再び戻される。
【００３７】
窒素ボンベ４８から、水素加湿器６及び酸素加湿器１６の上流側へ、窒素ガスが供給されるようになっている。窒素ボンベ４８から流出される窒素ガスは、開閉弁５０を通り、分岐点５２にて水素加湿器６側および酸素加湿器１６側の２方向に分岐される。分岐点５２から分岐されたそれぞれの流路には、圧力調節器５４ａ，５４ｂ及び流量調整弁５６ａ，５６ｂが設けられている。開閉弁５０，圧力調節器５４ａ，５４ｂ及び流量調整弁５６ａ，５６ｂは、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
【００３８】
燃料電池スタック１に連通しかつ水素が存在し得る系内（以下「水素系統」という。）の容積（以下「水素系統容積」という。）と、燃料電池スタック１に連通しかつ酸素が存在し得る系内（以下「酸素系統」という。）の容積（以下「酸素系統容積」という。）との比は、水素と酸素の電気化学反応における当量比とされている。すなわち、水素２モルに対して酸素１モルが反応するので、水素系統容積と酸素系統容積との比は、２：１とされている。
水素系統容積は、水素ボンベ２下流側の開閉弁８から水素加湿器６までの配管容積、水素加湿器６の気相部の容積、水素加湿器６から燃料電池スタック１までの配管容積、燃料電池スタック１内の水素が流通する流路容積、燃料電池スタック１から水素排ガス用気液分離器２５までの配管容積、水素排ガス用気液分離器２５の気相部の容積、水素排ガス気液分離器２５から水素加湿器６までの水素循環配管３３の容積の合計に相当する。なお、弁の種類によっては、水素ボンベ２下流側の開閉弁８から水素加湿器６までの配管容積は、圧力調節器５４ａもしくは、流量調整弁５６ａから水素加湿器６までの容積となることがある。
酸素系統容積は、酸素ボンベ４下流側の開閉弁１８から酸素加湿器１６までの配管容積、酸素加湿器１６の気相部の容積、酸素加湿器１６から燃料電池スタック１までの配管容積、燃料電池スタック１内の酸素が流通する流路容積、燃料電池スタック１から酸素排ガス用気液分離器２７までの配管容積、酸素排ガス用気液分離器２７の気相部の容積、酸素排ガス気液分離器２７から酸素加湿器１６までの酸素循環配管３７の容積の合計に相当する。なお、弁の種類によっては、酸素ボンベ４下流側の開閉弁１８から酸素加湿器１６までの配管容積は、圧力調節器５４ｂもしくは、流量調整弁５６ｂから酸素加湿器１６までの容積となることがある。
【００３９】
次に、上記構成の燃料電池の動作について説明する。
発電運転時には、水素ボンベ２に接続された開閉弁８を開くとともに、圧力調節器９及び流量調整弁１０を制御することによって所定の圧力および流量で水素を燃料電池スタック１に供給する。酸素についても同様に、酸素ボンベ４に接続された開閉弁１８を開くとともに、圧力調節器１９及び流量調整弁２０を制御することによって所定の圧力および流量で燃料電池スタック１に供給する。窒素については、開閉弁５０を閉めておき、燃料電池スタック１へは供給しない。
燃料電池スタック１に供給された水素および酸素は、図示しない固体高分子電解膜を通して電気化学反応を行い、図示しない外部負荷へと電力を出力する。反応時に発生する反応熱は、循環冷却水タンク４２から循環冷却水ポンプ４４によって供給された冷却水により除去される。これにより、燃料電池スタック１内の温度が反応に適した所定温度に維持される。
燃料電池スタック１内で反応を行った水素ガスは、反応時に発生する水蒸気と共に水素排ガスとして水素排ガス用気液分離器２５へと導かれる。水素排ガス用気液分離器２５では、水素排ガス中の水蒸気が凝縮されドレン水として下方に貯留される。水素排ガス用気液分離器２５にて水分が除去された水素排ガスは、水素循環ブロワ３５により誘引されることによって水素循環配管３３を通り水素加湿器６へと導かれ、再利用される。なお、水素排ガス用気液分離器２５に接続された水素排気弁２９は、発電運転中では常時閉とされている。
一方、燃料電池スタック１内で反応を行った酸素ガスは、反応時に発生する水蒸気と共に酸素排ガスとして酸素排ガス用気液分離器２７へと導かれる。酸素排ガス用気液分離器２７では、酸素排ガス中の水蒸気が凝縮されドレン水として下方に貯留される。酸素排ガス用気液分離器２７にて水分が除去された酸素排ガスは、酸素循環ブロワ３９により誘引されることによって酸素循環配管３７を通り酸素加湿器１６へと導かれ、再利用される。なお、酸素排ガス用気液分離器２７に接続された酸素排気弁３１は、発電運転中では常時閉とされている。
発電運転時には、水素系統容積（定義については上記参照）と酸素系統容積（定義については上記参照）の圧力および温度はほぼ同等に保たれている。圧力については、水素圧力計１２および酸素圧力計２２の出力値をフィードバックすることによって、制御部が流量調整弁１０，２０を制御することで所望値に維持される。系統の圧力を維持するため、圧力が低下した場合には流量を増加させ、逆に圧力が増加した場合には流量を低下させる制御を行う。温度については、水素系統容積を構成する配管と、当該配管に対応する酸素系統を構成する配管とを同一の環境に配置する（例えば対応する配管同士を隣接して設置する。）ことによって所望値に維持される。
【００４０】
発電を停止させる停止動作は以下のように行われる。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部からの指令によって水素側の開閉弁８及び酸素側の開閉弁１８、もしくは圧力調節器９，１９、もしくは流量調整弁１０，２０が閉とされ、水素および酸素の供給が停止される。両開閉弁８，１８が閉とされることによって、もしくは圧力調節器９，１９、もしくは流量調整弁１０，２０が閉とされることによって、水素系統および酸素系統が閉空間とされる。
停止動作時には、燃料電池スタック１に外部負荷が接続されていなくても、燃料電池スタック１の自己放電によって水素および酸素が消費される。したがって、水素および酸素が消費されるにしたがい、水素系統および酸素系統の圧力が低下する。この圧力の低下分を補うように、窒素ボンベ４８から窒素ガスを供給する。具体的には、停止動作開始時の圧力を維持するように、水素圧力計１２及び酸素圧力計２２からの出力値に基づいて、制御部は、窒素ガス側の開閉弁５０を開くと共に、圧力調節器５４ａ，５４ｂ及び流量調整弁５６ａ，５６ｂを制御する。
本実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比が、水素と酸素の電気化学反応における当量比、すなわち２：１とされており、停止動作開始時の圧力および温度が両系統に対して同等とされているので、基本的に、両系統の圧力低下速度は同等とされる。したがって、水素圧力計１２または酸素圧力計２２のいずれか一方を用いて制御することとしても良い。
【００４１】
このように、水素および酸素の消費にともない窒素ガスを供給することとし、最終的には、水素系統および酸素系統が窒素ガスで置換されることになる。特に、本実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を当量比とし、停止動作開始時の圧力および温度が両系統に対して同等としたので、停止動作開始時に閉空間とした水素系統および酸素系統に存在する水素および酸素の残存量が当量比とされる。したがって、停止動作時に水素ボンベ２および酸素ボンベ４から水素や酸素を供給せずに、ほぼ同時に水素および酸素を消費することができる。したがって、水素系統および酸素系統を窒素等の不活性ガスでパージする必要がなく、本実施形態のような閉鎖型燃料電池に適した停止動作が実現される。
また、本実施形態によれば、停止動作終了後には、水素系統および酸素系統が所定圧力（本実施形態では発電運転時の圧力となる停止動作開始時の圧力）の窒素ガスで置換されることになる（いわゆる保圧停止）ので、系内の健全性を確保することができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、水素系統容積および酸素系統容積を当量比とし、停止動作開始時の圧力及び温度を同等としたが、停止動作を開始したときに水素系統および酸素系統の水素および酸素の残存量が当量比とされていれば、本実施形態と同等の停止動作を行うことができる。例えば、水素系統容積および酸素系統容積を同一とし、停止動作開始時の両容積の温度を同一としておき、停止動作開始時における水素系統の圧力を酸素系統の２倍としておけば良い。或いは、水素系統または酸素系統の温度をヒータ等によって調整し、水素または酸素の残存量を当量比となるように調整しても良い。
また、本実施形態では、自己放電によって水素および酸素を消費することとしたが、これに代えて、外部負荷を制御することによって残存する水素および酸素を消費することとしてもよい。このようにすれば、短時間で水素および酸素を消費することができ、停止動作を短縮化することができる。
【００４３】
［第１参考実施形態］
次に、本発明の第１参考実施形態について、図１を用いて説明する。
本参考実施形態は、第１実施形態と同様に、停止動作終了後に発電運転時と同等の圧力で窒素ガス（不活性ガス）を水素系統および酸素系統に張り込ませる点（いわゆる保圧停止）で共通する。しかし、第１実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を例えば当量比である２：１とし、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量とが当量比となるように設定されていたのに対し、本参考実施形態では、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。
本参考実施形態では、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
その他の構成については第１実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
【００４４】
本参考実施形態における停止動作は以下のように行われる。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部は、現在における水素系統の水素残存量と酸素系統の酸素残存量を水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から演算し、当量比に対していずれの量が少ないかを判断する。例えば、現在の水素残存量と酸素残存量との比が１：１の場合には、当量比に対して水素が少ないと判断し、現在の水素残存量と酸素残存量との比が３：１の場合には、当量比に対して酸素が少ないと判断する。そして、当量比に対して残存量が少ないと判断された方の開閉弁８，１８は閉じずに、当量比に対して存在量が多いと判断された開閉弁１８，８のみを閉じる動作を行う。
【００４５】
以下では、説明の容易のために、停止動作開始時の水素残存量と酸素残存量との比が１：１の場合、すなわち水素の残存量が当量比に対して酸素よりも少ない場合について説明する。
この場合には、図２に示すように、当量比に対して水素が少ないので、水素側の開閉弁８は開けたままで水素を流し続ける（時刻Ｔ０）。一方、酸素は当量比に対して水素よりも多いので、酸素側の開閉弁１８を閉じ、酸素の供給を停止する。そして、窒素ボンベ４８に接続された開閉弁５０を開き、酸素系統へと窒素ガスを供給する。酸素系統へ供給する窒素ガスの量は、酸素の消費量に対応させて停止動作開始時の圧力を維持するように、圧力調節器５４ｂ及び流量調整弁５６ｂを制御する。一方、水素側の圧力調節器５４ａ及び流量調整弁５６ａは閉じられ水素系統へは窒素ガスが供給されない。
燃料電池スタック１の自己放電等によって水素および酸素が当量比に従って消費されていく。制御部では、停止動作開始時の酸素残存量から導かれる当量比に対して足りない水素量を演算しておき、それに見合う水素量が供給されるまで、水素側の開閉弁８を開いたままで、圧力調節器９及び流量調整弁１０の制御を行う。酸素に対して足りない量の水素が供給されると、制御部の指示によって開閉弁８が閉とされる（図２の時刻Ｔ１参照）。時刻Ｔ１以降、水素は燃料電池スタック１へ供給されない。これと同時に、窒素ガスを水素系統へと供給するための圧力調節器５４ａ及び流量調整弁５６ａが開き、窒素ガスの供給が開始される。この窒素ガスの供給量は、水素圧力計からの圧力をフィードバックしながら所定圧力を維持するように行われる。
以降の動作は第１実施形態と同様に、水素および酸素の消費にともない窒素ガスを供給する。そして、最終的には、水素系統および酸素系統が窒素ガスで置換される。
【００４６】
本参考実施形態では、第１実施形態のように停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
【００４７】
［第２参考実施形態］
次に、本発明の第２参考実施形態について、図１を用いて説明する。
本参考実施形態は、第１実施形態と同様に、停止動作開始時に水素および酸素の残存量を当量比となるように設定しておくという点で共通する。しかし、発電開始前に加圧状態で窒素ガス（不活性ガス）を張り込ませておくという点（いわゆる加圧不活性ガス張り込み）で異なる。
その他の構成については第１実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
【００４８】
本参考実施形態では、燃料電池の起動時に、正圧の窒素ガスを水素系統および酸素系統に供給しておき、さらに水素および酸素を供給することによって起動を開始する。例えば、１５０ｋＰａの窒素ガスを水素系統および酸素系統に供給した後に、４００ｋＰａの水素および酸素を供給する。この場合には、水素濃度および酸素濃度は６０％強程度となる。この状態にて、発電運転を行う。
【００４９】
停止動作時には、第１実施形態と同様に、水素および酸素の残存量が当量比とされているため、水素および酸素を追加して供給せずに、残存する水素および酸素の消費にしたがって放置する。そして、水素および酸素がほぼ全て消費されると、水素系統および酸素系統は起動時に供給しておいた１５０ｋＰａの窒素ガスで加圧保持された状態となる。
このように、本参考実施形態によれば、発電前に不活性ガスである窒素を存在させておくことによって、停止動作終了後に、新たに窒素を供給することなく水素系統および酸素系統が窒素だけになり、更に加圧状態とされているので、系統のリークも容易に検知することができ、簡便に保全を行うことができる。
【００５０】
なお、第１実施形態にて説明したように、停止動作を開始したときに水素系統および酸素系統の水素および酸素の残存量が当量比とされていれば良く、圧力や温度を制御することによって水素および酸素の残存量を当量比としても良い。
【００５１】
［第３参考実施形態］
次に、本発明の第３参考実施形態について、図１を用いて説明する。
本参考実施形態は、第２参考実施形態と同様に、発電開始前に加圧状態で窒素ガス（不活性ガス）を水素系統および酸素系統に張り込ませる点（いわゆる加圧不活性ガス張り込み）で共通する。しかし、第２参考実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を例えば当量比である２：１とし、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量とが当量比となるように設定されていたのに対し、本参考実施形態では、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。この点で、第１実施形態と第１参考実施形態との関係が、第２参考実施形態と本参考実施形態との関係に相当する。
本参考実施形態では、第１参考実施形態と同様に、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
その他の構成については第２参考実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
【００５２】
本参考実施形態における停止動作は、第１参考実施形態と同様に、酸素および水素の残存量を得て、当量比に対して少ない方のガスを供給しつつける一方で、他方のガスの供給を停止する。そして、停止動作終了後には、水素および酸素が消費されて、水素系統および酸素系統が起動時に供給しておいた窒素ガスで加圧保持された状態となる。
本参考実施形態では、第２参考実施形態のように停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
【００５３】
［第４参考実施形態］
次に、本発明の第４参考実施形態について、図３を用いて説明する。
図３には、本参考実施形態にかかる燃料電池の概略構成が示されている。図３は、第１実施形態にて示した図１に対して、窒素ボンベ４８から窒素が供給される系統が廃止されている点で異なる、その他の構成については同様である。したがって、共通する構成について同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
発電を停止させる停止動作は以下のように行われる。
本参考実施形態は、水素および酸素が消費されても上記第１実施形態および各参考実施形態のように窒素ガスを供給することなく、水素および酸素の反応によって圧力を低下させ、最終的には飽和蒸気圧程度まで減圧して、大気圧よりも低い圧力である負圧状態にて停止するものである（いわゆる蒸気圧停止）。
図示しない停止指令が制御部に入力されると、停止動作が開始され、制御部からの指令によって水素側の開閉弁８及び酸素側の開閉弁１８が閉とされ、水素および酸素の供給が停止される。開閉弁８，１８が閉とされることによって、水素系統および酸素系統が閉空間とされる。
燃料電池スタック１の自己放電によって水素および酸素が消費され、水素系統および酸素系統の圧力が低下する。
本参考実施形態では、第１実施形態と同様に、水素系統容積と酸素系統容積との比が当量比とされており、停止動作開始時の圧力および温度が両容積に対して同等とされているので、基本的に、両容積の圧力低下速度は同等とされる。したがって、最終的には、水素系統および酸素系統は飽和蒸気圧程度となる。なお、系内には不可避的な不純物ガスが含まれている場合もあり、その場合には、水素および酸素の飽和蒸気圧以上の圧力で停止する。
このように、本参考実施形態によれば、第１実施形態および第１参考実施形態乃至第３参考実施形態のように、窒素ボンベや窒素ガス供給ラインを設ける必要がないので、簡便な構成を実現することができる。
【００５５】
なお、第１実施形態にて説明したように、停止動作を開始したときに水素系統および酸素系統の水素および酸素の残存量が当量比とされていれば良く、圧力や温度を制御することによって水素および酸素の残存量を当量比としても良い。
【００５６】
［第５参考実施形態］
次に、本発明の第５参考実施形態について、図３を用いて説明する。
本参考実施形態は、第４参考実施形態と同様に、停止動作終了後に飽和蒸気圧程度で系内を保持する点（いわゆる蒸気圧停止）で共通する。しかし、第４参考実施形態では、水素系統容積と酸素系統容積との比を例えば当量比である２：１とし、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量とが当量比となるように設定されていたのに対し、本参考実施形態では、停止動作開始時に水素残存量および酸素残存量が当量比とされていない場合の停止方法に関するものである。この点で、第１実施形態と第１参考実施形態との関係や、第２参考実施形態と第３参考実施形態との関係が、第４参考実施形態と本参考実施形態との関係に相当する。
本参考実施形態では、第１参考実施形態や第３参考実施形態と同様に、水素系統の水素残存量と、酸素系統の酸素残存量を演算する演算手段が制御部に設けられている。この演算手段は、停止動作開始時に、水素および酸素の供給流量、水素系統容積、酸素系統容積、圧力、温度等から水素および酸素の残存量を所定の時間間隔で演算する。
その他の構成については第４参考実施形態と同様なので、各構成の説明は省略する。
【００５７】
本参考実施形態における停止動作は、第１参考実施形態と同様に、酸素および水素の残存量を得て、当量比に対して少ない方のガスを供給しつつける一方で、他方のガスの供給を停止する。ただし、本参考実施形態では、窒素ガスを供給しない（この点は第４参考実施形態と同様）。そして、停止動作終了後には、水素および酸素が消費されて、水素系統および酸素系統が水素および酸素の飽和蒸気圧程度の状態とされる。
本参考実施形態では、第４参考実施形態のように停止動作時に当量比にて水素および酸素を残存させておく必要がなく、停止動作時に残存量を調整しながら停止させることができるので、柔軟性に富む運用を行うことができるという有利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を示した概略構成図である。
【図２】水素、酸素および窒素の供給タイミングを示したタイミングチャートである。
【図３】本発明の燃料電池の参考実施形態を示した概略構成図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  燃料電池スタック（燃料電池本体）
２  水素ボンベ
４  酸素ボンベ
６  水素加湿器
２５  水素排ガス用気液分離器
２７  酸素排ガス用気液分離器
３３  水素循環配管
３５  水素循環ブロワ
３７  酸素循環配管
３９  酸素循環ブロワ
４８  窒素ボンベ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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