(57)【要約】      （修正有）【課題】起動又は停止時に燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを迅速に、かつ、確実に排出することができ、起動時間又は停止時間を短縮することができ、燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、性能の低下を防止することができ、長寿命化することができるようにする。【解決手段】燃料ガス流路の入口及び出口に接続され、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路に配設された第１減圧ポンプ２７と、燃料ガス循環経路に接続された燃料ガス排出管路に配設された第２減圧ポンプ４３と、定常運転中は第１減圧ポンプ２７を作動させて燃料ガスを循環させ、システムの起動命令又は停止命令を受けると第２減圧ポンプ４３を作動させ、第１減圧ポンプ２７及び第２減圧ポンプ４３によって燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを吸引して排出させる制御装置とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記燃料ガス流路の入口及び出口に接続され、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環経路と、
該燃料ガス循環経路に配設された第１減圧ポンプと、
前記燃料ガス循環経路に接続された燃料ガス排出管路に配設された第２減圧ポンプと、
定常運転中は前記第１減圧ポンプを作動させて燃料ガスを循環させ、システムの起動命令又は停止命令を受けると前記第２減圧ポンプを作動させ、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプによって前記燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを吸引して排出させる制御装置とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス流路内から吸引されて排出される燃料ガス又は置換ガスの流路上において、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプは直列に配列される請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプは逆止弁を備える請求項１又は２に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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、燃料電池を停止する場合には水素の供給を停止するようになっている。この場合、そのまま放置しておくと、水素が少しずつ消費され続けるので、燃料電池内における燃料極側の水素ガスの圧力が徐々に低下する。ここで、該水素ガスの圧力が大気圧以下になると、酸素極側の空気がＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を透過して燃料極側に移動するので、該燃料極側は水素と空気（酸素）との混合状態となる。そして、燃料極側における酸素濃度が一定値以上となると、ＭＥＡにおいて電位シフトが発生して１．２〔Ｖ〕以上の高電位状態となり、触媒粒子が溶出し、燃料電池の性能が低下してしまう。
【０００５】
そこで、電位シフトの発生を防止するために、窒素等の不活性ガスによってパージを行うことも考えられるが、この場合、不活性ガスの供給源を車両に搭載する必要があり、システムが複雑、かつ、大型になってしまう。そのため、燃料電池内における燃料極側を減圧して空気を急速に導入することによって、水素と空気（酸素）との混合状態になる時間を短くする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
図２は従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【０００７】
図には、燃料電池スタック１１１に水素ガスを供給する装置が示されている。水素ガスは、燃料タンク１１３から、第１燃料供給管路１１４及び第２燃料供給管路１１５を通って、燃料電池スタック１１１に供給される。そして、前記第１燃料供給管路１１４には、燃料タンク元開閉弁１２１、減圧弁１２２及び燃料供給電磁弁１２３が配設される。また、前記第２燃料供給管路１１５には、安全弁１２５及び圧力センサ１２４が配設される。
【０００８】
そして、燃料電池スタック１１１の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第１燃料排出管路１１６を通って燃料電池スタック１１１の外部に排出される。前記第１燃料排出管路１１６には、水位計が付属する水回収トラップ１２６が配設されている。そして、該水回収トラップ１２６には水と分離された水素ガスを排出する第２燃料排出管路１１７が接続され、該第２燃料排出管路１１７には循環減圧ポンプ１２７及び水素循環電磁弁１２８が配設されている。また、前記第２燃料排出管路１１７における水回収トラップ１２６側と反対側の端部は、第２燃料供給管路１１５に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１１の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１１に供給して再利用することができる。
【０００９】
また、前記水回収トラップ１２６には、第３燃料排出管路１３１が接続され、該第３燃料排出管路１３１には排気電磁弁１４１が配設され、燃料電池スタック１１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第３燃料排出管路１３１の出口端は空気排気マニホールド１１２に接続され、燃料ガス循環経路より排出された水素を空気によって希釈させることが望ましい。
【００１０】
さらに、前記第２燃料排出管路１１７における循環減圧ポンプ１２７と水素循環電磁弁１２８との間には、他端が第３燃料排出管路１３１に接続された第４燃料排出管路１３２が接続されている。そして、該第４燃料排出管路１３２には、燃料電池スタック１１１内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁１４２が配設されている。また、前記第２燃料供給管路１１５には、外気導入管路１１８が接続されている。そして、該外気導入管路１１８には、外気導入電磁弁１２９及びエアフィルタ１３０が配設され、燃料電池スタック１１１の停止時に外気を導入することができるようになっている。
【特許文献１】特開２００６−４０８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池スタック１１１の起動及び停止時に循環減圧ポンプ１２７によって燃料電池スタック１１１内を減圧するようになっているが、水素ガスが循環する管路内の湿度が高いと、循環減圧ポンプ１２７に水滴が混入し、燃料電池スタック１１１内を十分に減圧することができなくなってしまうことがある。
【００１２】
図３は従来の循環減圧ポンプの構成を示す模式図、図４は従来の循環減圧ポンプにおける水分が多い場合の逆止弁の動作を示す模式図、図５は従来の循環減圧ポンプにおける減圧能力を示すグラフである。
【００１３】
図３に示されるように、循環減圧ポンプ１２７は、往復式真空ポンプであり、吸引室１５２の一側壁にダイヤフラム１５３が配設され、該ダイヤフラム１５３を往復動させることによって吸引室１５２の容積を変化させて吸気及び排気を行う。なお、前記ダイヤフラム１５３は、モータによって回転させられるクランクシャフト１５４に接続されたコネクティングロッド１５５により往復動させられる。また、吸引室１５２のダイヤフラム１５３と反対側の壁には吸気管１６１及び排気管１６２が接続され、さらに、前記吸気管１６１と吸引室１５２との境界には吸気用逆止弁１６３が配設され、前記排気管１６２と吸引室１５２との境界には排気用逆止弁１６４が配設されている。
【００１４】
前記吸気用逆止弁１６３及び排気用逆止弁１６４は、主としてゴムを材料とする柔軟性を備えた板部材であり、図４に示されるように、一端が吸引室１５２の壁面に固定されて揺動し、他端、すなわち、自由端が前記壁面に形成された第１ストッパ部１６５及び第２ストッパ部１６６に当接することによって、吸気管１６１及び排気管１６２を選択的に閉止する。これにより、図３及び４において実線の矢印で示されるように、吸気管１６１内を流れる水素ガスの流れは吸引室１５２内に流入する方向に限定され、また、排気管１６２内を流れる水素ガスの流れは吸引室１５２外へ流出する方向に限定される。
【００１５】
ところが、水素ガスが循環する管路内の湿度が高い場合には、循環減圧ポンプ１２７に水滴が混入し、第１ストッパ部１６５及び第２ストッパ部１６６に付着してしまうことがある。図４における１６９は、第１ストッパ部１６５及び第２ストッパ部１６６に付着した付着水滴を示している。そして、該付着水滴１６９が存在すると、吸気用逆止弁１６３及び排気用逆止弁１６４と第１ストッパ部１６５及び第２ストッパ部１６６との密着性を保持することができなくなり、図４において破線の矢印で示されるように、逆流が生じてしまう。すると、循環減圧ポンプ１２７の能力が低下し、燃料電池スタック１１１内を十分に減圧することができなくなってしまう。
【００１６】
すなわち、水分が少ない場合には、図５において線Ａで示されるように、燃料電池スタック１１１内の圧力が循環減圧ポンプ１２７の運転時間の経過に伴って減少し、目標減圧レベル以下の値となる。これに対し、水分が多い場合には、循環減圧ポンプ１２７の能力が低下するので、図５において線Ｂで示されるように、燃料電池スタック１１１内の圧力が目標減圧レベル以下の値にならなくなってしまう。
【００１７】
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、燃料ガス循環経路に配設された第１減圧ポンプと、前記燃料ガス循環経路外の管路に配設された第２減圧ポンプとによって燃料電池スタックの燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを吸引して排出するようにして、起動又は停止時に燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを迅速に、かつ、確実に排出することができ、起動時間又は停止時間を短縮することができ、燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生せず、性能の低下を防止することができ、長寿命化することができる燃料電池システム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】
【００１８】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路の入口及び出口に接続され、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環経路と、該燃料ガス循環経路に配設された第１減圧ポンプと、前記燃料ガス循環経路に接続された燃料ガス排出管路に配設された第２減圧ポンプと、定常運転中は前記第１減圧ポンプを作動させて燃料ガスを循環させ、システムの起動命令又は停止命令を受けると前記第２減圧ポンプを作動させ、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプによって前記燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを吸引して排出させる制御装置とを有する。
【００１９】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガス流路内から吸引されて排出される燃料ガス又は置換ガスの流路上において、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプは直列に配列される。
【００２０】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプは逆止弁を備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記燃料ガス流路の入口及び出口に接続され、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環経路と、該燃料ガス循環経路に配設された第１減圧ポンプと、前記燃料ガス循環経路に接続された燃料ガス排出管路に配設された第２減圧ポンプと、定常運転中は前記第１減圧ポンプを作動させて燃料ガスを循環させ、システムの起動命令又は停止命令を受けると前記第２減圧ポンプを作動させ、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプによって前記燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを吸引して排出させる制御装置とを有する。
【００２２】
この場合、起動又は停止時に燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを迅速に、かつ、確実に排出することができるので、起動時間又は停止時間を短縮することができる。そのため、燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生しない。したがって、燃料電池スタックの性能の低下を防止することができ、燃料電池スタックを長寿命化することができる。また、燃料ガス流路内や燃料ガス循環経路内の湿度が高い場合であっても、燃料ガス流路内の燃料ガス又は置換ガスを迅速に、かつ、確実に排出することができる。
【００２３】
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料ガス流路内から吸引されて排出される燃料ガス又は置換ガスの流路上において、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプは直列に配列される。
【００２４】
この場合、第１減圧ポンプから排出された燃料ガス又は置換ガスの流れが、第２減圧ポンプに流入するので、該第２減圧ポンプにおける逆流は抑制され、むしろ第２減圧ポンプによる減圧が加速される。これにより、減圧能力が向上し、燃料ガス流路内の湿度が高くても、燃料ガス流路内を十分に減圧することができる。
【００２５】
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記第１減圧ポンプ及び第２減圧ポンプは逆止弁を備える。
【００２６】
この場合、逆止弁によって燃料ガス又は置換ガスの流れを適切に制御することができ減圧能力が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。
【００２９】
図において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり、動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池、キャパシタ等とを併用して使用することが望ましい。
【００３０】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、直接型メタノール等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
【００３１】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００３２】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、該燃料極表面に接する燃料ガス流路を介し前記燃料極に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、該酸素極表面に接する空気流路を介し前記酸素極に酸化ガス、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素、前記水素イオン及び電子が結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【００３３】
そして、図には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置が示される。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料源１３に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック１１の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。
【００３４】
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料源１３から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路１４、及び、該第１燃料供給管路１４に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路１５を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路１４には、燃料源元開閉弁２１、レギュレータとしての減圧弁２２、燃料供給電磁弁２３及び圧力センサ２４が配設される。また、前記第２燃料供給管路１５には、パージ弁としての安全弁２５が配設される。この場合、前記燃料源１３は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。
【００３５】
そして、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料ガス排出管路としての第１燃料排出管路１６を通って燃料電池スタック１１の外部に排出される。前記第１燃料排出管路１６には、水素ガスから水を回収して収容する回収容器としての水回収トラップ２６が配設されている。なお、前記水回収トラップ２６は水位計を備え、回収された水の量を測定することができる。そして、該水回収トラップ２６には水と分離された水素ガスを排出する燃料ガス排出管路としての第２燃料排出管路１７が接続され、該第２燃料排出管路１７には第１減圧ポンプとしての水素循環減圧ポンプ２７が配設されている。また、前記第２燃料排出管路１７には水素循環電磁弁２８が配設されている。また、前記第２燃料排出管路１７における水回収トラップ２６側と反対側の端部は、第２燃料供給管路１５に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。すなわち、第２燃料供給管路１５、第１燃料排出管路１６及び第２燃料排出管路１７は、燃料ガス循環経路を構成する。そして、前記水素循環減圧ポンプ２７は、水回収トラップ２６及び水素循環電磁弁２８と同様に、前記燃料ガス循環経路に配設されている。
【００３６】
また、前記水回収トラップ２６には、燃料ガス排出管路としての第３燃料排出管路３１が接続され、該第３燃料排出管路３１には排気電磁弁４１が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第３燃料排出管路３１の出口端は空気排気マニホールド１２に接続され、燃料ガス循環経路より排出された水素を空気によって希釈させることが望ましい。該空気排気マニホールド１２は、燃料電池スタック１１の空気流路に供給され酸化剤としての空気を前記空気流路から排出するための通路である。また、第３燃料排出管路３１に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。
【００３７】
さらに、前記第２燃料排出管路１７における水素循環減圧ポンプ２７と水素循環電磁弁２８との間には、他端が第３燃料排出管路３１における排気電磁弁４１より下流側に接続された燃料ガス排出管路としての第４燃料排出管路３２が接続されている。そして、該第４燃料排出管路３２には、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁４２、及び、第２減圧ポンプとしての減圧専用ポンプ４３が配設されている。すなわち、該減圧専用ポンプ４３は、前記燃料ガス循環経路外であって、該燃料ガス循環経路に接続された燃料ガス排出管路に配設されている。
【００３８】
また、前記第２燃料排出管路１７における第２燃料供給管路１５への接続部と水素循環電磁弁２８との間には、外気導入管路１８が接続されている。そして、該外気導入管路１８には、外気導入電磁弁２９及びエアフィルタ３０が配設され、燃料電池スタック１１の停止時に外気を燃料ガス流路に導入することができるようになっている。
【００３９】
ここで、前記減圧弁２２は、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記減圧弁２２の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００４０】
また、前記燃料供給電磁弁２３、水素循環電磁弁２８、排気電磁弁４１、減圧水素排出弁４２及び外気導入電磁弁２９は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料源元開閉弁２１は手動又は電磁石を用いて自動的に作動させられる。
【００４１】
そして、前記水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３は、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内の水素ガスを吸引して前記燃料ガス流路内の圧力を大気圧以下に減圧することができるポンプであればいかなる種類のものであってもよいが、ここでは、「発明が解決しようとする課題」において説明した図３に示されるような循環減圧ポンプ１２７と同様の構成を有する往復式真空ポンプであるものとする。また、水素循環減圧ポンプ２７と減圧専用ポンプ４３とは、相違する構成を有するものであってもよいが、ここでは、同一の構成を有するものであるとする。
【００４２】
一方、酸化剤としての空気は、図示されない酸化剤供給源から、燃料電池スタック１１の空気流路に供給される。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての空気排気マニホールド１２を通って大気中へ排出される。
【００４３】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、圧力センサ２４等の各種のセンサから燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記酸化剤供給源、減圧弁２２、燃料供給電磁弁２３、水素循環電磁弁２８、水素循環減圧ポンプ２７、外気導入電磁弁２９、排気電磁弁４１、減圧水素排出弁４２、減圧専用ポンプ４３等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
【００４４】
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。
【００４５】
本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、燃料供給電磁弁２３は開き、水素循環減圧ポンプ２７は作動し、水素循環電磁弁２８は開き、外気導入電磁弁２９は閉じ、排気電磁弁４１は閉じ、減圧水素排出弁４２は閉じ、減圧専用ポンプ４３は停止している。そして、減圧弁２２の出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した一定の圧力に調整した後、前記減圧弁２２は燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、酸化剤供給源は、燃料電池の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック１１の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。
【００４６】
そして、燃料電池スタック１１が運転を開始すると、該燃料電池スタック１１を構成する各単位セルにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜の燃料極側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜の燃料極側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜内をスムーズに移動することができる。
【００４７】
また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、水素循環減圧ポンプ２７によって吸引され、燃料電池スタック１１に接続された第１燃料排出管路１６を通って前記燃料電池スタック１１の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、第１燃料排出管路１６を通過して水回収トラップ２６内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収トラップ２６内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離した水素ガスは、第２燃料排出管路１７から水回収トラップ２６外に排出される。
【００４８】
そして、定常運転においては、水回収トラップ２６外に排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁２８を通過して、第２燃料供給管路１５に導入され、再び、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に供給されて再利用される。
【００４９】
次に、燃料電池システムを起動する際の動作について説明する。
【００５０】
図６は本発明の実施の形態における減圧専用ポンプの逆止弁の動作を示す模式図、図７は本発明の実施の形態における水素循環減圧ポンプ及び減圧専用ポンプの減圧能力を示す図、図８は本発明の実施の形態における燃料電池システムを起動する際の動作を示すフローチャートである。
【００５１】
まず、車両の運転者が図示されないメインスイッチのキー挿入スロットに挿入されたキーを回転させ、回転位置をＯＮにすると、燃料電池システムの制御装置にシステムの起動命令が伝えられ、燃料電池システムを起動する動作が開始される。なお、起動前の状態において、燃料供給電磁弁２３は閉じ、水素循環減圧ポンプ２７はＯＦＦ、すなわち、停止し、水素循環電磁弁２８は閉じ、外気導入電磁弁２９は閉じ、排気電磁弁４１は閉じ、減圧水素排出弁４２は閉じ、減圧専用ポンプ４３はＯＦＦ、すなわち、停止している。また、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内には、システムの停止時に水素ガスの置換ガスとして用いた空気が充満している。
【００５２】
そして、前記制御装置は、まず、減圧水素排出弁４２を開き（ステップＳ１）、水素循環減圧ポンプ２７をＯＮにして作動させ（ステップＳ２）、減圧専用ポンプ４３をＯＮにして作動させる（ステップＳ３）。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内の空気を第３燃料排出管路３１及び第４燃料排出管路３２を介して排出する。また、第２燃料供給管路１５、第１燃料排出管路１６、第２燃料排出管路１７、水素循環電磁弁２８及び水回収トラップ２６内の空気も排出される。すなわち、燃料ガス流路内の空気とともに、燃料ガス循環経路内の空気も水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３によって排出される。この場合、前記水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３は、前記燃料ガス流路内から吸引されて排出される空気の流路上において直列に配列された状態となって作動している。
【００５３】
ところで、前記燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の湿度が高い場合には、水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３に水滴が混入し、逆止弁の弁座としてのストッパ部に付着してしまうことがある。ここでは、水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３が同一の構成を有するので、減圧専用ポンプ４３の場合についてのみ説明する。
【００５４】
図６に示されるように、前記減圧専用ポンプ４３は、吸引室４３ａを有し、該吸引室４３ａには吸気管４３ｂ及び排気管４３ｃが接続されている。そして、前記吸気管４３ｂと吸引室４３ａとの境界には吸気用逆止弁４３ｄが配設され、排気管４３ｃと吸引室４３ａとの境界には排気用逆止弁４３ｅが配設されている。ここで、前記吸気用逆止弁４３ｄ及び排気用逆止弁４３ｅは、主としてゴムを材料とする柔軟性を備えた板部材であり、一端が吸引室４３ａの壁面に固定されて揺動し、他端、すなわち、自由端が前記壁面に形成された弁座としての第１ストッパ部４３ｆ及び第２ストッパ部４３ｇに当接することによって、吸気管４３ｂ及び排気管４３ｃを選択的に閉止する。これにより、図６において実線の矢印で示されるように、吸気管４３ｂ内を流れる空気、水素ガス等のガスの流れは吸引室４３ａ内に流入する方向に限定され、また、排気管４３ｃ内を流れるガスの流れは吸引室４３ａ外へ流出する方向に限定される。
【００５５】
ところが、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の湿度が高い場合には、付着水滴４６が第１ストッパ部４３ｆ及び第２ストッパ部４３ｇに付着してしまうことがある。すると、吸気用逆止弁４３ｄ及び排気用逆止弁４３ｅと第１ストッパ部４３ｆ及び第２ストッパ部４３ｇとの密着性を保持することができなくなり、図６において破線の矢印で示されるように、逆流が生じてしまう。
【００５６】
しかし、本実施の形態においては、減圧水素排出弁４２が開き、水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３が両方とも作動しているので、水素循環減圧ポンプ２７と減圧専用ポンプ４３とが直列に接続されて燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の燃料ガス又は置換ガス、すなわち、ガスを排出しているようになっている。そのため、水素循環減圧ポンプ２７から排出されたガスの流れが、図６において矢印αで示されるように、吸気管４３ｂから流入するので、該吸気管４３ｂにおける逆流は抑制され、むしろ減圧専用ポンプ４３による減圧が加速されることになる。したがって、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の湿度が高くても、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内を十分に減圧することができる。
【００５７】
図７における線Ａ及びＢは、図５における線Ａ及びＢと同様のものであり、従来の燃料電池システムにおける減圧能力を示す曲線である。線Ｂで示されるように、水分が多い場合には圧力が目標減圧レベル以下の値とならないことが分かる。これに対し、本実施の形態における燃料電池システムの減圧能力は、線Ｃ及びＤで示されている。すなわち、水分が少ない場合には、線Ｃで示されるように燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の圧力が急速に減少し、短時間で目標減圧レベル以下の値となる。また、水分が多い場合であっても、線Ｄで示されるように、短時間で目標減圧レベル以下の値となる。
【００５８】
また、前記制御装置は、圧力センサ２４が検出した圧力が所定値未満となったか否かの判断を繰り返し（ステップＳ４）、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の圧力を監視する。そして、圧力センサ２４が検出した圧力が所定値未満となると、前記制御装置は、減圧水素排出弁４２を閉じ（ステップＳ５）、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の空気の排出を停止する。続いて、前記制御装置は、燃料供給電磁弁２３を開き（ステップＳ６）、水素ガスを燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内へ導入する。この場合、外気導入電磁弁２９は閉じた状態であるので、空気が流入することはない。そして、前記制御装置は、排気電磁弁４１を開き（ステップＳ７）、水回収トラップ２６内の水をパージするとともに、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路から流出した水素ガスを第３燃料排出管路３１を通して排出する。
【００５９】
続いて、前記制御装置は、燃料電池電圧、すなわち、燃料電池スタック１１の端子電圧が所定値を超えたか否かの判断を繰り返し（ステップＳ８）、燃料電池スタック１１の端子電圧を監視する。そして、燃料電池スタック１１の端子電圧が所定値を超えると、前記制御装置は、排気電磁弁４１を閉じ（ステップＳ９）、減圧専用ポンプ４３をＯＦＦにして停止させ（ステップＳ１０）、水素循環電磁弁２８を開く（ステップＳ１１）。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内を水素ガスが循環し、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内には水素ガスが充満し、定常運転が開始される。
【００６０】
次に、燃料電池システムを停止する際の動作について説明する。
【００６１】
図９は本発明の実施の形態における燃料電池システムを停止する際の動作を示すフローチャートである。
【００６２】
まず、車両の運転者が図示されないメインスイッチのキー挿入スロットに挿入されたキーを回転させ、回転位置をＯＦＦにすると、燃料電池システムの制御装置にシステムの停止命令が伝えられ、定常運転中の燃料電池システムを停止する動作が開始される。なお、前述のように、定常運転の状態において、燃料供給電磁弁２３は開き、水素循環減圧ポンプ２７はＯＮ、すなわち、作動し、水素循環電磁弁２８は開き、外気導入電磁弁２９は閉じ、排気電磁弁４１は閉じ、減圧水素排出弁４２は閉じ、減圧専用ポンプ４３はＯＦＦ、すなわち、停止している。
【００６３】
そして、前記制御装置は、まず、燃料供給電磁弁２３を閉じ（ステップＳ２１）、燃料源１３からの水素ガスの供給を停止する。続いて、水素循環電磁弁２８を閉じ（ステップＳ２２）、燃料ガス循環経路内の水素ガスの循環を停止する。さらに、排気電磁弁４１を開き（ステップＳ２３）、水回収トラップ２６内の水を排出するとともに、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路から流出した水素ガスを第３燃料排出管路３１を通して排出する。
【００６４】
続いて、前記制御装置は、圧力センサ２４が検出した圧力がほぼ０〔ｋＰａＧ〕となったか否かの判断を繰り返し（ステップＳ２４）、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の圧力を監視する。そして、圧力センサ２４が検出した圧力がほぼ０〔ｋＰａＧ〕となると、前記制御装置は、排気電磁弁４１を閉じ（ステップＳ２５）、減圧水素排出弁４２を開き（ステップＳ２６）、減圧専用ポンプ４３をＯＮにして作動させる（ステップＳ２７）。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内の水素ガスを、水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３によって、第３燃料排出管路３１及び第４燃料排出管路３２を介して排出する。また、燃料ガス循環経路内の水素ガスも排出される。
【００６５】
続いて、前記制御装置は、圧力センサ２４が検出した圧力が所定値未満となったか否かの判断を繰り返し（ステップＳ２８）、燃料ガス流路及び燃料ガス循環経路内の圧力を監視する。そして、圧力センサ２４が検出した圧力が所定値未満となると、前記制御装置は、外気導入電磁弁２９を開き（ステップＳ２９）、置換ガスとしての空気を燃料ガス流路内へ導入する。この場合、燃料供給電磁弁２３は閉じた状態であるので、導入された空気が燃料源１３の方へ流入することはない。これにより、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内には空気が充満する。なお、前記空気はエアフィルタ３０を通過して濾（ろ）過された空気なので、大気中に存在する塵埃（じんあい）、不純物、有害ガス等を含んでいない。したがって、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路における触媒等の部材が前記塵埃、不純物、有害ガス等によって汚染されたり変質させられることがない。
【００６６】
続いて、前記制御装置は、燃料電池電圧、すなわち、燃料電池スタック１１の端子電圧が所定値未満となったか否かの判断を繰り返し（ステップＳ３０）、燃料電池スタック１１の端子電圧を監視する。なお、前記所定電圧は、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路に水素ガスが残留しておらず、空気が充満しており、燃料極と空気極との間に実質的に電位差が生じていない状態に対応する電圧である。そして、燃料電池スタック１１の端子電圧が所定値未満となると、前記制御装置は、全補機を停止させる（ステップＳ３１）。この場合、水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３も停止させ、また、酸化剤供給源も停止させる。これにより、燃料電池スタック１１の出力が停止された状態となり、燃料電池システムの停止が完了する。
【００６７】
このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、燃料ガス循環経路に配設された水素循環減圧ポンプ２７及び前記燃料ガス循環経路に接続された第４燃料排出管路３２に配設された減圧専用ポンプ４３を有し、定常運転中は水素循環減圧ポンプ２７を作動させて水素ガスを循環させ、システムの起動命令又は停止命令を受けると減圧専用ポンプ４３を作動させ、前記水素循環減圧ポンプ２７及び減圧専用ポンプ４３によって燃料電池スタック１１の燃料ガス流路内の水素ガス又は空気を吸引して排出させる。
【００６８】
そのため、起動又は停止時に燃料ガス流路内の水素ガス又は空気を迅速に排出することができ、起動時間又は停止時間を短縮することができる。これにより、燃料ガス流路において水素と酸素とが混合状態にならず、停止回数が多くても、電位シフトが発生することがない。したがって、燃料電池スタック１１の性能の低下を防止することができ、燃料電池スタック１１を長寿命化することができる。
【００６９】
また、燃料ガス流路内や燃料ガス循環経路内の湿度が高い場合であっても、燃料ガス流路内の水素ガス又は空気を迅速に、かつ、確実に排出することができる。
【００７０】
さらに、第４燃料排出管路３２に減圧専用ポンプ４３を配設するだけなので、燃料電池システムの構成が複雑化することがなく、コストが上昇することがない。さらに、減圧専用ポンプ４３が燃料ガス循環経路外に配設されているので、定常運転中は減圧専用ポンプ４３を作動させる必要がない。そのため、該減圧専用ポンプ４３を作動させるためのエネルギー消費を抑制することができる。なお、定常運転中において水素循環減圧ポンプ２７は、水素ガスを循環させる機能を発揮すればよく、高い減圧能力を要求されることがない。そのため、燃料ガス流路内や燃料ガス循環経路内の湿度が高い場合であっても、減圧能力の低下が問題となることがない。
【００７１】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。
【図２】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】従来の循環減圧ポンプの構成を示す模式図である。
【図４】従来の循環減圧ポンプにおける水分が多い場合の逆止弁の動作を示す模式図である。
【図５】従来の循環減圧ポンプにおける減圧能力を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態における減圧専用ポンプの逆止弁の動作を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態における水素循環減圧ポンプ及び減圧専用ポンプの減圧能力を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における燃料電池システムを起動する際の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態における燃料電池システムを停止する際の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
１１    燃料電池スタック
１５    第２燃料供給管路
１６    第１燃料排出管路
１７    第２燃料排出管路
２７    水素循環減圧ポンプ
３１    第３燃料排出管路
３２    第４燃料排出管路
４３    減圧専用ポンプ
【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】
2007250218.tif 000007
【図６】
2007250218.tif 000008
【図７】
2007250218.tif 000009
【図８】
2007250218.tif 000010
【図９】
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