(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの運転停止時に、効率よく燃料電池内部の水分をパージし、凍結を防止する。【解決手段】  燃料電池スタック２からの排気系に２系統備える。第１排気系は、第１排気管６ａ，６ｂ，６ｃと、湿度交換器４と、圧力調整弁５とを備える。第２排気系は、第２排気管７を備える。排気切替手段として、第１排気管６ａと第２排気管７とを切り替える排気切替弁８を備える。燃料電池システムの運転停止時に、第２排気管７を開くように排気切替弁８を切り替える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとを備える燃料電池本体と、
前記カソードへ空気を供給する空気供給手段と、
前記カソードへ供給する空気と前記カソードから排出される空気との間で湿度交換を行うことにより前記カソードへ供給する空気を加湿する湿度交換器と、
該湿度交換器の下流で空気流量を調整することによりカソード圧力を調整する圧力調整弁と、
前記カソードの出口から前記湿度交換器及び前記圧力調整弁を経てカソード排気を排出させる第１排気系と、
第１排気系の前記湿度交換器上流から分岐する第２排気系と、
第１排気系または第２排気系を選択的に開く排気切替手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムの運転停止時、前記排気切替手段により第２排気系を開いてパージを行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排気切替手段は、第１排気系を開閉する第１排気系開閉手段と、第２排気系を開閉する第２排気系開閉手段と、を備え、
燃料電池システムの停止操作を開始後、第１排気系開閉手段が閉じ、第２排気系開閉手段が開き、所定時間パージした後、第１排気系開閉手段が開く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４】
燃料電池システムの停止操作を開始後、前記圧力調整弁を閉じ、前記空気供給手段から空気を供給して燃料電池スタック内部の圧力を高めた後に、少なくとも第２排気系を開放することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転停止時のパージ動作を改善した燃料電池システムに係り、特に、氷点下からの起動を容易とするための運転停止時のパージを効率化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち負極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の正極（カソード）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。
【０００３】
負極反応：Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                    …（１）
正極反応：２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ＋ （１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ    …（２）
負極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。正極に供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
ところで、例えば燃料電池を自動車の動力源として使用する場合や、寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０℃以下の雰囲気にさらされることがあり、そのような状況下でも燃料電池が起動でき、通常に発電できることが望まれている。しかしながら、０℃以下の低温状態では、セルの中に残留した水分が凍結して、反応ガス流路が閉塞したり、電極近傍に残留している水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したりして、発電ができなくなるという問題がある。
【０００５】
そこで、燃料電池を０℃以下から起動させるためには、予め燃料電池内部から水分を除去しておくことが必要である。例えば、特許文献１に示されているように、燃料電池の運転停止時に、ガスを加湿しないで燃料電池内に供給して乾燥させ、燃料電池内が一定の湿度に達したら運転を停止するという技術が公知となっている。
【特許文献１】特開２００１−３３２２８１号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、主に自動車に搭載するような燃料電池システムには、カソード側排気系に湿度交換器や圧力調整弁などが設けてあると同時に、自動車の最後部で排気するための長い排気配管などがあり、圧力調整弁を全開にしたとしてもある程度の圧損がついてしまう。したがって、パージを目的として大流量を流した時にスタックの中は加圧状態になるため、図５に示すように、コンプレッサーの回転数とスタックの中のパージガス流速（体積流量）は比例関係にならない。
【０００７】
また、零下起動を成立させるためのパージ流速（体積流量）と必要なパージ時間は図６に示す関係にあり、パージ流速が遅くなるほどパージ時間が増大してしまうため、従来の燃料電池システムでは、コンプレッサーの能力で出せる流速を最大限利用できないためにパージ時間が長くなってしまうという問題点があった。
【０００８】
パージ時間が長くなるということは、自動車の停止操作にかかる時間が長くなることであり、商品力の著しい低下となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するために、請求項１記載の発明は、アノードとカソードとを備える燃料電池本体と、前記カソードへ空気を供給する空気供給手段と、前記カソードへ供給する空気と前記カソードから排出される空気との間で湿度交換を行うことにより前記カソードへ供給する空気を加湿する湿度交換器と、該湿度交換器の下流で空気流量を調整することによりカソード圧力を調整する圧力調整弁と、前記カソードの出口から前記湿度交換器及び前記圧力調整弁を経てカソード排気を排出させる第１排気系と、第１排気系の前記湿度交換器上流から分岐する第２排気系と、第１排気系または第２排気系を選択的に開く排気切替手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池システム停止時のパージ時には、湿度交換器や圧力調整弁等の圧損要素がない第２排気系を経て排気することができるので、パージ時の燃料電池スタック内の流速を速めることができ、ガス流路や燃料電池本体からの排水が効率良く行われ、凍結防止のためのパージ時間を短縮することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。尚、以下に説明する各実施例は、本発明を燃料電池自動車に適用した例である。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１は、アノードとカソードを有する燃料電池スタック２、カソードに酸化剤ガスとして空気を供給するコンプレッサ３、カソード排気中の水分を回収して供給空気を加湿する湿度交換器４、カソード圧力を調整する圧力調整弁５、カソード出口２ｂから湿度交換器４のカソード排気入口までの第１排気管６ａ、湿度交換器４のカソード排気出口４ｄから圧力調整弁５までの第１排気管６ｂ、圧力調整弁５から自動車の最後部までの第１排気管６ｃ、第１排気管６ａから分岐した第２排気管７、第１排気管６と第２排気管７とを切り替える排気切替弁８を備えている。尚、第１排気管６ａ、６ｂ、６ｃを合わせて第１排気管６とも呼ぶ。
【００１３】
第１排気管６，湿度交換器４及び圧力調整弁５は、第１排気系を構成している。第２排気管７は第２排気系を構成している。また排気切替弁８は、排気切替手段である。
【００１４】
湿度交換器４は、例えば、ポリイミド樹脂製の中空糸膜を備えて、中空糸膜の内外で水蒸気を移動させる湿度交換器である。湿度交換器４は、コンプレッサ３から空気が供給される給気入口４ａ、加湿された空気の出口である給気出口４ｂ、燃料電池スタック２のカソード出口２ｂから水蒸気を含んだカソード排気が第１排気管６ａを介して供給される排気入口４ｃ、排気出口４ｄを備えている。そして、湿度交換器４は、給気入口４ａから導入される供給空気と、排気入口４ｃから導入されるカソード排気との間で湿度交換を行う。加湿された給気は湿度交換器４の給気出口４ｂからカソード入口２ｂへ供給され、湿度が低減したアノード排気は、排気出口４ｄから、第１排気管６ｂ、圧力調整弁５、第１排気管６ｃを介して車体後部から排出される。
【００１５】
本図は、本発明に関係のある部分のみを図示したものであり、実際の燃料電池システムに必要なアノードガス系、冷却系などは省略してある。
【００１６】
燃料電池システムの運転停止操作が開始されると、コンプレッサ３はパージに必要な回転数となり、それと同時に排気切替弁８により、排気管路が第１排気管６から第２排気管７へと切り替わる。これにより、排気系の圧力損失の要因である圧力調整弁５や湿度交換器４を通過することなく外部へ排気できるので、図５に示すように燃料電池スタック中のパージガスの流速を速めることができる。前述でも説明したが、図６に示すようにパージガスの流速を速めることにより、零下起動に必要なパージ時間を短縮することができ、燃料電池システムの停止時間を短くすることができる。
【００１７】
また、パージ時にパージガスが第１排気管６に設けられた湿度交換器４を通らないので、燃料電池スタック２中の水分が湿度交換器４の中に持ち込まれることがなくなり、パージガスを不必要に加湿してしまうことを防止できる。また、湿度交換器４の中に残留する水分量を減らすことができ、零下になった際の凍結量が少なくなり、次回零下起動時に素早く湿度交換器４を解凍することができる。
【００１８】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池システム停止時のパージ時には、湿度交換器や圧力調整弁等の圧損要素がない第２排気系を経て排気することができるので、パージ時の燃料電池スタック内の流速を速めることができ、ガス流路や燃料電池本体からの排水が効率良く行われ、凍結防止のためのパージ時間を短縮することができるという効果がある。
【実施例２】
【００１９】
次に、本発明の実施例２の要部断面図を図２に示す。実施例２と実施例１との相違点は、排気切替手段として、第１排気管６と第２排気管７との排気切替弁８の代わりに、第２排気管７を開閉する第２排気管開閉弁９を備えている点である。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００２０】
燃料電池システムの運転停止操作が開始されると、コンプレッサ３はパージに必要な回転数となり、通常運転時には閉となっている第２排気管開閉弁９が開となる。これにより、第１排気管６と第２排気管７との両方にガスが流れることになり、より圧力損失を軽減させることができ、パージ流速を速めることができる。
【００２１】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池システム停止時のパージ時には、湿度交換器や圧力調整弁等の圧損要素がない第２排気系を経て排気することができるので、パージ時の燃料電池スタック内の流速を速めることができ、ガス流路や燃料電池本体からの排水が効率良く行われ、凍結防止のためのパージ時間を短縮することができるという効果がある。
【実施例３】
【００２２】
次に、本発明の実施例３の要部断面図を図３に示す。実施例３と実施例１、２との相違は、排気切替手段として、第２排気管開閉弁９に加えて、第１排気管開閉弁１０も備えていることである。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので説明を省略する。
【００２３】
燃料電池システムの運転停止操作が開始されると、コンプレッサ３はパージに必要な回転数となり、まず、通常運転状態で閉となっている第２排気管開閉弁９が開となり、逆に通常運転状態で開となっている第１排気管開閉弁１０が閉となり、所定時間後、第１排気管開閉弁１０が開となる。これにより、パージ初期の燃料電池スタックからの水の持ち出し量が多い時は、湿度交換器４にガスを流さないようにし、所定時間後、燃料電池からの水の持ち出し量が少なくなったときに、第１排気管開閉弁１０が開となり、湿度交換器４に水を持ち込むことなく、圧損をさらに減少させることができる。本実施例の第１排気管開閉弁１０は、圧力調整弁５で代用しても良い。
【００２４】
以上説明した本実施例によれば、第１排気系と第２排気系おのおのに、それぞれの排気系を開閉するための弁を有し、燃料電池システムの停止操作が開始された後、第１排気系の開閉弁が閉じ、第２排気系の開閉弁が開き、所定時間パージした後、第１排気系の開閉弁が開くので、パージ初期の燃料電池スタックからの水の持ち出し量が多い時は、湿度交換器にガスを流さないようにすることができる。所定時間後、燃料電池からの水の持ち出し量が少なくなったときに、第１排気系の開閉手段が開となるので、湿度交換器に水を持ち込むことなく、第１、第１排気系両方からガスを排出させ、圧損をさらに減少させることができる。
【実施例４】
【００２５】
次に、本発明の実施例４を図４を用いて説明する。本実施例の構成は、図１乃至図３に示した実施例１乃至実施例３の構成と同様である。
【００２６】
図４のタイムチャートにおいて、燃料電池システムの運転停止操作が開始されると、コンプレッサ３の回転数が上がり、第１排気管開閉弁１０または、第１排気管６に設けてある圧力調整弁５が閉じ、燃料電池スタック２内部の圧力を上昇させる。所定時間Ｔ後、或いは燃料電池スタック２内部の圧力が所定値以上となった後に、第１排気管開閉弁１０または圧力調整弁５、および第２排気管開閉弁９が全開となり、圧力を一気に下げる。これにより、圧力が一気に下がった時の燃料電池スタック２内部の流速が極めて速くなり、燃料電池スタック２内部のガス流路・ガス拡散層（ＧＤＬ）・触媒層内の水分を効率的に除去できるので、パージ時間を短くすることができる。
【００２７】
尚、所定時間Ｔは、例えば、コンプレッサ３の運転を更に続けても、コンプレッサ３の出口から、排気管開閉弁１０または圧力調整弁５までの空間の圧力が上昇しない時間であり、コンプレッサ３の出口から、排気管開閉弁１０または圧力調整弁５までの容積と、コンプレッサ３の空気圧縮能力に定まる。実際には、実機による実験、あるいは、上記コンプレッサ３の出口から、排気管開閉弁１０または圧力調整弁５までの流体力学的数値モデルのコンピュータシミュレーションにより決定することができる。
【００２８】
以上説明した本実施例によれば、燃料電池システムの停止操作が開始された後、第１排気系の圧力制御弁が閉じ、燃料電池スタック内部の圧力を高めた後に、第２排気系が開放となり排気されるので、燃料電池スタック内部の圧力が急激に抜けるとともに、一瞬極めて速いガスの流れが生じ、ガス流路・ガス拡散層などからの排水が効率良く行われる。
【００２９】
尚、上記の各実施例において、第２排気管７には、大流量のガスが流れた時の騒音を軽減するための消音器を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する要部断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する要部断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する要部断面図である。
【図５】パージ流速（体積流量）とコンプレッサー回転数との関係を示す図である。
【図６】パージ流速（体積流量）と零下起動に必要なパージ時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック
３  コンプレッサ
４  湿度交換器
５  圧力調整弁
６ａ，６ｂ，６ｃ  第１排気管
７  第２排気管
８  排気切替弁
９  第２排気管開閉弁
１０  第１排気管開閉弁
【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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【図６】
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