(57)【要約】【課題】燃料電池システム、及びそのシャットダウン時と起動時にパージ及び排水を行う方法を提供する。【解決手段】燃料電池スタック（１）と、空気圧縮機（２）と、空気進入パイプライン（３）と、空気排気パイプライン（４）と、を具備し、前記水素気体供給システムは水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン（５）及び水素気体排気パイプラインと、を具備し、前記空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に接続され、燃料電池がシャットダウンした後継続的に発電し、燃料電池スタック（１）に残留した水素気体がカソード側の空気中の酸素気体を消費し切って、生成した低酸素濃度気体を用いて燃料電池スタックのアノードに残っている水素気体をパージし、起動時にアノード側に含まれる酸素をパージすることにより、安全性を向上させ、シャットダウン時にアノード側の流路内の水を安全かつ効率的に排出可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムが、空気圧縮機（２）と、空気進入パイプライン（３）と、空気排気パイプライン（４）と、を備え、前記水素気体供給システムが、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン（５）と、水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、
前記空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に戻して接続され、燃料電池のシャットダウン過程において、燃料電池スタック（１）のアノード側に残った水素気体はカソード側の空気中の酸素気体の消費または濃度の低減を生じさせ、生成した低酸素濃度気体はパージ及び燃料電池スタックの希釈に使用され、その残りの部分が低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、起動の際に燃料電池スタックのアノード側をパージすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられている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】
前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられている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４】
前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）が設けられている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５】
前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられている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６】
前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測量するセンサーが設けられている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７】
請求項１−６のいずれか一項に記載の燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージする方法であって、
燃料電池システムが生成する低酸素含有量気体を利用して、シャットダウン時には、燃料電池システムのアノード側に残っている水素気体を希釈して排出し、起動時には、燃料電池システムのアノード側の酸素含有気体を希釈して排出し、具体的には、
（１）シャットダウン過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、空気圧縮機（２）を停止し、電磁弁ｂ（１１）を閉じ、電磁弁ｃ（１２）、電磁弁ｄ（１３）及び逆止弁（１４）を開き、燃料電池スタック（１）のアノード側に残っているまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を費し切ることによって、低酸素濃度気体を獲得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、そして循環パイプライン（８）を介して燃料電池スタック（１）のアノード側に送られることによって、アノード側の流路に残っている水素気体をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させることと、
（２）起動する前、まず電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）を開き、低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵された低酸素濃度気体を燃料電池スタック（１）のアノード側に充填してパージし、残留する酸素気体を排出しまたはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージのレベルまで低減してから、電磁弁ｅ（１５）を開いて水素気体を供給することと、
を備えることを特徴とする燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージする方法。
【請求項８】
燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムが、空気圧縮機（２）と、空気進入パイプライン（３）と、空気排気パイプライン（４）と、を備え、前記水素気体供給システムが、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン（５）と、水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、
前記空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に戻し接続され、前記空気進入パイプライン（３）と水素気体進入パイプライン（５）との間に接続パイプ（９）が設けられ、当該接続パイプには電磁弁ａ（１０）が設けられ、燃料電池のシャットダウン過程において、燃料電池スタック（１）のアノード側の過剰な水素気体を利用してカソード側に残った空気中の酸素気体を消費して、生成した低酸素濃度気体は燃料電池スタックのアノード側に残った水素気体を吹き飛ばし、空気圧縮機は燃料電池電堆のアノード及びカソードの両側に空気を供給して、燃料電池スタックに蓄積された水を吹き飛ばすことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられ；前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられ；前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）とが設けられ；前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられ；前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測定するセンサーが設けられていることを特徴とする請求項８に記載する燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージと排水する方法であって、
燃料電池システムが生成した低酸素含有量気体と空気圧縮機が提供する空気を用いて、シャットダウン時に、燃料電池システム内の水を安全に排出し、具体的には、
１）シャットダウン過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、空気圧縮機（２）を停止し又は空気圧縮機の回転速度を下げて空気供給量を低減し、電磁弁ｂ（１１）を閉じ、電磁弁ｃ（１２）、電磁弁ｄ（１３）及び逆止弁（１４）を開き、燃料電池スタック（１）のアノード側に残ったまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切って、低酸素濃度気体（通常は、酸素含有量が１５％以下）を取得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、そして循環パイプライン（８）を介して燃料電池スタック（１）のアノード側に送られ、アノード側の流路をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させることと、
２）電磁弁ｄ（１３）を閉め、残った低酸素濃度気体が低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、電磁弁ａ（１０）を開き、空気圧縮機（２）が燃料電池スタック（１）のアノード側とカソード側に同時に高圧で多量の空気を送り、燃料電池スタックに残った反応生成水を有効にパージする、ことを特徴とする燃料電池システムのシャットダウン時と起動時にパージ及び排水を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池システム、及びそのシャットダウン時と起動時にパージ及び排水を行う方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の化学的エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置である。その動作原理は、電気化学反応によって、物質中の化学的エネルギーを電気エネルギーに変換し、燃料電池の化学反応に必要な物質は外部から供給され、燃料と酸化剤を継続的に供給し続ける限り、燃料電池は電気エネルギーと熱エネルギーを継続的に出力し続ける。即ち、燃料電池は一種のエネルギー変換装置である。
【０００３】
プロトン交換膜燃料電池は、水素気体を燃料として、酸素を酸化剤として使用する電気化学発電装置であり、水素気体と空気をそれぞれアノードとカソードに通し、気体が触媒の作用で反応して水を生成すると共に、大量の熱を発生する。燃料電池は、環境にやさしく、エネルギー変換率が高く、工率の調節が可能等の優れた点があるため、最もクリーンで効率的な新エネルギー発電装置の一つとして見なされ、自動車に広く使用できる。
【０００４】
燃料電池が作動を停止し、燃料気体と酸化剤気体の供給が停止する際に、電堆における燃料流路及び酸化剤流路内には燃料気体及び酸化剤気体が残っている。そのため、燃料電池のダウンタイムが長くなり、特に、当該残った燃料気体及び酸化剤気体が電解質膜に浸透して電極触媒や触媒担体に損傷を与え、燃料電池の寿命が短くなることがある。また、燃料気体は一般的に可燃性で爆発性の水素気体であり、燃料電池の作動を停止した後（シャットダウン後）、電堆中に残った水素気体は容易に火災や爆発などの安全上の事故を引き起こす恐れがあるため、一般的にはシャットダウン後に電堆のパージを行う必要があることから、通常のパージ方法としてはシャットダウン後に高純度の窒素でパージするが、この方法ではエネルギーを浪費し、追加のＮ２リソースが必要となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記課題に鑑み、上記の先行技術における技術的欠陥を克服するために、エネルギーを節約し、安全で、寿命が長い燃料電池システム、及びそのシャットダウン時と起動時のパージ及び排水の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】
本発明の目的は、以下の技術を通じて達成することができる。
【０００７】
第一の燃料電池システムは、燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムが、空気圧縮機（２）と、空気進入パイプライン（３）と、空気排気パイプライン（４）と、を備え、前記水素気体供給システムが、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン（５）及び水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、前記空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に戻し接続され、燃料電池のシャットダウン過程において、燃料電池スタック（１）のアノード側に残った水素気体はカソード側の空気中の酸素気体の消費または濃度の低減を生じさせ、生成した低酸素濃度気体はパージ及び燃料電池スタックの希釈に使用され、その残り部分が低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、起動の際に燃料電池スタックのアノード側をパージする。
【０００８】
前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられている。
前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられている。
【０００９】
前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）とが設けられている。
前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられている。
前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測定するセンサーが設けられている。
【００１０】
上記燃料電池システムを使用して低酸素気体（低酸素含有量気体）を生成し、シャットダウン時にアノード側の流体通路をパージし、その中の水素気体を希釈して吹き飛ばし、少なくとも水素気体濃度を爆発限界未満に下げ、燃焼または爆発を防ぎ、安全係数を改善し、そして、その他の低酸素濃度気体または不活性ガスを追加的にパージする必要がなく、エネルギーを節約すると共に、燃料電池の使用寿命を改善した。同時に、低酸素濃度気体を用いてアノード側の流体通路をパージし、Ｈ２（水素気体）を吹き飛ばし、電堆内の電気化学反応をタイミングよく停止させることができ、電堆（スタック）、また、起動時に、燃料電池システムのアノード側に酸素含有気体体を希釈及び排出し、具体的には以下のステップを有する：
【００１１】
（１）シャットダウンの過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、空気圧縮機（２）をシャットダウンし、電磁弁ｂ（１１）を閉じ、電磁弁ｃ（１２），電磁弁ｄ（１３）及び逆止弁（１４）を開き、燃料電池スタック（１）のアノード側に残っているまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切ることによって、低酸素濃度気体を獲得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、循環パイプライン（８）を介して燃料電池スタック（１）のアノード側に送られることによって、アノード側の流路に残っている水素気体をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させる；
（２）起動する前に、まず電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）を開き、低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵される低酸素濃度気体を燃料電池スタック（１）のアノード側に充填してパージし、残留する酸素気体を排出しまたはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージ（水素補填）のレベルまで低減してから、電磁弁ｅ（１５）を開いて水素気体を供給する。
【００１２】
第二の燃料電池システムは、燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムは、空気圧縮機（２）と、空気進入パイプライン（３）と、空気排気パイプライン（４）と、を備え、前記水素気体供給システムは、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン（５）及び水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、前記空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に再接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に戻し接続され、前記空気進入パイプライン（３）と水素気体進入パイプライン（５）との間に接続パイプが設けられ、当該接続パイプ（９）には電磁弁ａ（１０）が設けられ、燃料電池のシャットダウン過程において、燃料電池スタック（１）のアノード側の過剰な水素気体を利用してカソード側に残った空気中の酸素気体を消費して、生成した低酸素濃度気体は燃料電池スタックのアノード側に残った水素気体を吹き飛ばし、空気圧縮機は燃料電池電堆のアノード及びカソードの両側に空気を供給して、燃料電池スタックに蓄積された水を吹き飛ばす。
【００１３】
前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられ；前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられ；前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）とが設けられ；前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられ；前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測定するセンサーが設けられている。
【００１４】
上記第二の燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージ及び排水を行う方法であって、燃料電池システムが生成した低酸素含有量気体と空気圧縮機が提供する空気を用いて、シャットダウン時に、燃料電池システム内の水を安全に排出し、具体的には以下のステップを有する：
【００１５】
（１）シャットダウンの過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、空気圧縮機（２）をシャットダウンし、電磁弁ｂ（１１）を閉じ、電磁弁ｃ（１２）、電磁弁ｄ（１３）及び逆止弁（１４）を開き、燃料電池スタック（１）のアノード側に残ったまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切って、低酸素濃度気体を取得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、そして循環パイプライン（８）を介して燃料電池スタック（１）のアノード側に送られ、アノード側の流路をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させる；
【００１６】
（２）電磁弁ｄ（１３）を閉め、残った低酸素濃度気体が低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、電磁弁ａ（１０）を開き、同時に空気圧縮機（２）が燃料電池スタック（１）のアノード側とカソード側に高圧で多量の空気を送り、燃料電池スタックに残った反応生成水を有効にパージする。
【００１７】
また、上記燃料電池システムを使用することで、低酸素濃度気体を用いてアノード側の流体通路内の水素気体をパージした後、空気圧縮機でアノード側の流体通路に継続的に空気を送って、その中に蓄積された水を排出することができ、さらに電堆を保護することができる。具体的には以下のステップを有する：
【００１８】
（１）シャットダウンの過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、空気圧縮機（２）を停止しまたは空気圧縮機の回転速度を下げて空気供給を減らし、電磁弁ｂ（１１）を閉め、電磁弁ｃ（１２），電磁弁ｄ（１３）及び逆止弁（１４）を開き、燃料電池スタック（１）のアノード側に残っているまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切って、低酸素濃度気体（通常、酸素含有量が１５％以下）を取得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、及び循環パイプライン（８）を介して燃料電池スタック（１）のアノード側に送られ、アノード側の流路をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させる；
【００１９】
（２）電磁弁ｄ（１３）を閉めることにより、残った低酸素濃度気体が低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、電磁弁ａ（１０）を開くことにより、空気圧縮機（２）が燃料電池スタック（１）のアノード側とカソード側に同時に高圧で多量の空気を送り、燃料電池スタックに残留した反応水を効果的にパージする。
【発明の効果】
【００２０】
従来技術と比較して、本発明は以下の有益な効果を奏する。
【００２１】
（１）燃料電池のシャットダウンを行う時、または低酸素含有量気体の生成が必要な時に、燃料電池スタックのアノード側に残ったまたは保存されている水素気体を用いて、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切るかまたは濃度を下げることによって、低酸素濃度気体を取得し、当該低酸素濃度気体を利用して以下の目的を実現することができる：
【００２２】
ａ．シャットダウン時にアノード側の流体通路をパージし、その中の水素気体を希釈して吹き飛ばし、少なくとも水素気体濃度を爆発限界未満まで低下させることにより、燃焼または爆発を防ぎ、安全係数を改善し、更に、追加の低酸素濃度気体またはその他の不活性ガスでパージする必要がなく、エネルギーを節約すると共に、燃料電池の使用寿命を延ばすことができる。
【００２３】
ｂ．低酸素濃度気体を用いてアノード側の流体通路をパージし、Ｈ２を吹き飛ばす（飛ばし排出し）ことにより、電堆中の電気化学反応が適時に停止し、電堆を保護することができる。
【００２４】
Ｃ．生成した低酸素濃度気体を貯蔵することによって、起動時に、当該低酸素濃度気体を利用してアノード側をパージし、その中に残留可能な酸素またはアノード側の酸素含有量を安全な水素補填のレベルまで低減させた後に、再度水素気体を供給し、安全性能を向上させるとともに、エネルギーを節約することができる。
【００２５】
（２）シャットダウンの過程において、低酸素濃度気体を用いてアノード側の流体通路内の水素気体を希釈してパージした後、空気圧縮機で継続的に燃料電池電堆のアノード及びカソードの両側に空気を供給して、燃料電池スタック内に蓄積された水を吹き飛ばし、電堆をさらに保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の燃料電池システムの水素気体及び空気をパージする状態を示す概略図である；
【図２】本発明の燃料電池システムの排水を行う状態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、実施例及び図面に基づいて、本発明について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１に示すように、燃料電池スタック１と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムは、空気圧縮機２と、空気進入パイプライン３と、空気排気パイプライン４と、を備え、前記水素気体供給システムは、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン５及び水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、前記空気排気パイプライン４は分岐パイプライン６を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク７に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク７は循環パイプライン８を介して水素気体進入パイプライン５に戻り接続され、前記空気排気パイプライン４には電磁弁ｂ１１が設けられている。前記分岐パイプライン６には電磁弁ｃ１２が設けられている。前記循環パイプライン８には電磁弁ｄ１３と逆止弁１４とが設けられている。前記水素気体進入パイプライン５には電磁弁ｅ１５が設けられている。前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測定するセンサーが設けられている。
【００２９】
上記の燃料電池システムを利用してシャットダウン時及び起動時にパージする方法は、以下のステップを有する：
（１）シャットダウン時にまたは低酸素含有量気体の生成が必要な場合は、電磁弁ｂ１１を閉じ、電磁弁ｃ１２，電磁弁ｄ１３及び逆止弁１４を開き、燃料電池スタック１のアノード側に残っているまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切ることによって、低酸素濃度気体を獲得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン６を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク７に貯蔵され、循環パイプライン８を介して燃料電池スタック１のアノード側に送られることによって、アノード側の流路に残っている水素気体をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させる；
【００３０】
（２）起動する前に、まず電磁弁ｄ１３と逆止弁１４を開き、低酸素濃度気体貯蔵タンク７に貯蔵される低酸素濃度気体を燃料電池スタック１のアノード側に充填してパージし、残留する酸素気体を排出しまたはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージ（水素補填）のレベルまで減らしてから、電磁弁ｅ１５を開いて水素気体を供給する。
【００３１】
燃料電池スタックのカソード側に供給される酸化剤としての気体は空気であるため、その酸素含有量は２１％であり、アノード側に供給される燃料としての気体は高純度水素気体であるため、シャットダウン時に、アノード側に残っている水素気体の含有量が高く、カソード側の空気中の酸素気体をほぼ完全に消費し切ることが可能であり、得られた気体は主に低酸素濃度気体とレアガス等を含むため、電堆に残っている水素気体のパージに用いることができると共に、その一部を保存して、起動時にアノード側の酸素をパージすることができる。
【実施例２】
【００３２】
図２に示すように、燃料電池スタック１と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムは、空気圧縮機２と、空気進入パイプライン３と、空気排気パイプライン４と、を備え、前記水素気体供給システムは、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン５及び水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、前記空気排気パイプライン４は分岐パイプライン６を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク７に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク７は循環パイプライン８を介して水素気体進入パイプライン５に接続され、前記空気進入パイプライン３と水素気体進入パイプライン５との間に接続パイプ９が設けられ、当該接続パイプには電磁弁ａ１０が設けられ、  前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられ；前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられ；前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）とが設けられ；前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられ；前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測定するセンサーが設けられている。
【００３３】
上記システムには、実施例１で述べた水素気体と酸素をパージする機能に加え、シャットダウン時にシステムに蓄積された水を安全に排出することも可能であり、その方法は次のとおりである：
【００３４】
（１）シャットダウン過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、空気圧縮機２を停止しまたは空気圧縮機の回転速度を下げて空気供給を減らし、電磁弁ｂ１１を閉じ、電磁弁ｃ１２と電磁弁ｄ１３及び逆止弁１４を開き、燃料電池スタック１のアノード側に残ったまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切って、低酸素濃度気体（通常は、酸素含有量が１５％以下）を取得し、当該低酸素濃度気体は分岐パイプライン６を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク７に貯蔵され、その後循環パイプライン８を介して燃料電池スタック１のアノード側に送られ、アノード側の流路をパージして、水素気体濃度を４％以下まで減少させる；
【００３５】
（２）電磁弁ｄ１３を閉め、残った低酸素濃度気体を低酸素濃度気体貯蔵タンク７に貯蔵し、電磁弁ａ１０を開き、空気圧縮機２が燃料電池スタック１のアノード側とカソード側に同時に高圧で多量の空気を送り、燃料電池スタック内に残留する反応水を効果的にパージする。
【図１】
2022501771.tif 000003
【図２】
2022501771.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】令和3年3月11日(2021.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備え、空気供給システムが、空気圧縮機（２）と、空気進入パイプライン（３）と、空気排気パイプライン（４）と、を備え、前記水素気体供給システムが、水素気体貯蔵タンクと、水素気体進入パイプライン（５）と、水素気体排気パイプラインと、を備える、燃料電池システムであって、
前記空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して前記水素気体進入パイプライン（５）に戻して接続され、
燃料電池のシャットダウン過程において、前記空気圧縮機（２）を停止しまたは前記空気圧縮機の速度を下げて空気供給量を減らし、前記燃料電池スタック（１）のアノード側に残った水素気体はカソード側の空気中の酸素気体の消費または濃度の低減を生じさせ、生成した低酸素濃度気体はパージ及び燃料電池スタックの希釈に使用され、その残り部分が前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、
燃料電池の起動過程において、前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵された低酸素濃度気体は、前記燃料電池スタック（１）のアノード側に充填されてパージされ、前記アノード側に残留した酸素気体を排出する、あるいはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージのレベルまで低減することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられ、
前記電磁弁ｂ（１１）を閉じるとともにアノード側の空気中の酸素気体を消費し切った場合に、前記燃料電池のアノード側に生成した低酸素濃度気体が、前記分岐パイプライン（６）を介して前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵される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】
前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられ、
前記電磁弁ｃ（１２）は前記燃料電池のシャットダウン時に開き、前記燃料電池スタック（１）のカソード側に生成した低酸素濃度気体は、前記電磁弁ｃ（１２）を介して前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵される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４】
前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）が設けられ、
該電磁弁ｄ（１３）と該逆止弁（１４）が開いた場合には、燃料電池が起動する前に、前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵される低酸素濃度気体は前記循環パイプライン（８）の前記電磁弁ｄ（１３）及び前記逆止弁（１４）を介して前記燃料電池スタック（１）のアノード側に充填されてパージされ、前記アノード側に残留した酸素気体を排出し、またはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージのレベルまで低減し、
前記電磁弁ｄ（１３）と前記逆止弁（１４）が閉じた場合には、燃料電池がシャットダウンする前に、前記燃料電池のカソード側に生成した低酸素濃度気体が、前記電磁弁ｃ（１２）を介して前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられ、
前記燃料電池スタック（１）のアノード側からその中に残留する酸素気体を排出する、あるいはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージのレベルまで低減する時に、前記電磁弁ｅ（１５）を開いて前記燃料電池スタック（１）のアノード側に水素気体を供給する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６】
前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測量するセンサーが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載する燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５または６に記載の燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージする方法であって、
燃料電池システムが生成する低酸素含有量気体を利用して、シャットダウン時には、低酸素濃度気体でパージすることにより前記燃料電池システムのアノード側に残っている水素気体を希釈して排出し、起動時には、低酸素濃度気体でパージすることにより燃料電池システムのアノード側の酸素含有気体を希釈して排出し、具体的には、
（１）シャットダウン過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、前記空気圧縮機（２）を停止するまたは前記空気圧縮機の回転速度を低減することで空気供給量を減らし、前記電磁弁ｂ（１１）を閉じ、電磁弁ｃ（１２）、前記電磁弁ｄ（１３）及び前記逆止弁（１４）を開き、前記燃料電池スタック（１）のアノード側に残っているまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を費し切るようにすることによって、低酸素濃度気体を獲得し、前記低酸素濃度気体は分岐パイプライン（６）を介して前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、そして前記循環パイプライン（８）を介して前記燃料電池スタック（１）のアノード側に送られることによって、アノード側の流路に残っている水素気体をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させることと、
（２）起動する前に、前記電磁弁ｄ（１３）と前記逆止弁（１４）を開き、前記前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵された低酸素濃度気体を前記循環パイプライン（８）を介して前記燃料電池スタック（１）のアノード側に充填してパージし、その中に残留する酸素気体を排出しまたはアノード側の酸素含有量を安全な水素チャージのレベルまで低減し、前記電磁弁ｅ（１５）を開いて水素気体を前記燃料電池スタック（１）のアノード側に供給することと、
を備えることを特徴とする燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージする方法。
【請求項８】
燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのカソードに接続する空気供給システムと、燃料電池スタックのアノードに接続する水素気体供給システムと、を備える燃料電池システムであって、
空気排気パイプライン（４）が分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、当該低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に戻し接続され、空気進入パイプライン（３）と水素気体進入パイプライン（５）との間に接続パイプ（９）が設けられ、前記接続パイプには電磁弁ａ（１０）が設けられ、燃料電池のシャットダウン過程において、前記燃料電池スタック（１）のアノード側の過剰な水素気体を利用してカソード側に残った空気中の酸素気体を消費して、生成した低酸素濃度気体は前記燃料電池スタックのアノード側に残った水素気体を吹き飛ばした場合に、前記空気圧縮機（２）が前記燃料電池スタック（１）のアノード側とカソード側とに同時に高圧空気を送り、燃料電池スタックに生成された水をパージすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
前記空気排気パイプライン（４）には電磁弁ｂ（１１）が設けられ；前記分岐パイプライン（６）には電磁弁ｃ（１２）が設けられ；前記循環パイプライン（８）には電磁弁ｄ（１３）と逆止弁（１４）とが設けられ；前記水素気体進入パイプライン（５）には電磁弁ｅ（１５）が設けられ；前記水素気体排気パイプラインには水素気体含有量を測定するセンサーが設けられていることを特徴とする請求項８に記載する燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムのシャットダウン時及び起動時にパージと排水する方法であって、
シャットダウン時に、低酸素濃度気体により前記燃料電池システム内の水を安全に排出する形態は、具体的には、
１）シャットダウン過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合は、前記空気圧縮機（２）を停止し又は前記空気圧縮機の回転速度を下げることにより空気供給量を低減し、前記電磁弁ｂ（１１）を閉じ、前記電磁弁ｃ（１２）、前記電磁弁ｄ（１３）及び逆止弁（１４）を開き、燃料電池スタック（１）のアノード側に残ったまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して、継続的に発電し、カソード側の空気中の酸素気体を消費し切るようにすることで、低酸素濃度気体を取得し、前記低酸素濃度気体は前記分岐パイプライン（６）を介して前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、そして前記循環パイプライン（８）を介して前記燃料電池スタック（１）のアノード側に送ることによって、アノード側の流路をパージし、水素気体濃度を４％以下まで減少させることと、
２）前記電磁弁ｄ（１３）を閉め、残った低酸素濃度気体が前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵され、前記電磁弁ａ（１０）を開き、前記空気圧縮機（２）が前記燃料電池スタック（１）のアノード側とカソード側に同時に高圧で多量の空気を送り、燃料電池スタックに残った反応生成水を有効にパージする、ことを特徴とする燃料電池システムのシャットダウン時と起動時にパージ及び排水を行う方法。
【請求項１１】
燃料電池スタックに接続する空気供給システムと水素気体供給システムとを少なくとも備える燃料電池のパージ及び排水するシステムであって、
空気進入パイプライン（３）と水素気体進入パイプライン（５）との間の接続パイプ（９）に電磁弁ａ（１０）が設けられ、
シャットダウンの過程において、低酸素濃度気体によりアノード側の流体通路内の水素気体を希釈してパージした後、空気圧縮機で継続的に燃料電池スタックのアノード及びカソードの両側に空気を供給して燃料電池スタック内に蓄積された水を吹き飛ばし、電堆をさらに保護することを特徴とする燃料電池のパージ及び排水システム。
【請求項１２】
空気排気パイプライン（４）は分岐パイプライン（６）を介して低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に接続され、前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）は循環パイプライン（８）を介して水素気体進入パイプライン（５）に戻し接続され、
低酸素濃度気体により前記アノード側の流体通路をパージし、水素気体を吹き飛ばすことで、電堆中の電気化学反応が適時に停止し、電堆を保護し、
生成した低酸素濃度気体を貯蔵することによって、起動時に、当該低酸素濃度気体により前記アノード側をパージし、その中に残留する酸素気体を排出しまたはアノード側の酸素含有量を安全な水素補填のレベルまで低減させた後に、再度水素気体を供給することにより、安全性能を向上し、エネルギーを節約することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池のパージ及び排水システム。
【請求項１３】
燃料電池のシャットダウンの過程において、前記燃料電池スタック（１）のアノード側に残した水素気体がカソード側の空気中の酸素気体を消費し切りまたはその濃度を低減し、生成した低酸素濃度気体は燃料電池スタックをパージまたは希釈に用い、その残り部分が前記低酸素濃度気体貯蔵タンク（７）に貯蔵されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池のパージ及び排水システム。
【請求項１４】
シャットダウンの過程中または低酸素含有量気体を生成する必要がある場合に、前記空気排気パイプライン（４）上の電磁弁ｂ（１１）を閉じ、且つ、前記分岐パイプライン（６）上の電磁弁ｃ（１２）を開き、前記空気圧縮機（２）を停止しまたは前記空気圧縮機の回転速度を下げることにより空気供給量を低減し、前記燃料電池スタック（１）のアノード側に残っているまたは必要に応じて保存されている水素気体を使用して継続的に発電してカソード側の空気中の酸素気体を消費し切ることにより、低酸素濃度気体を得ることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池のパージ及び排水システム。
【請求項１５】
前記循環パイプライン（８）における電磁弁ｄ（１３）を閉じ、且つ、前記電磁弁ａ（１０）を開いた場合に、前記空気圧縮機（２）が前記燃料電池スタック（１）のアノード側とカソード側とに同時に高圧で多量の空気を送り、前記燃料電池スタック内に残留する反応生成水を効果的にパージすることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池のパージ及び排水システム。
【国際調査報告】
2022501771.tif 000005
2022501771.tif 000006
2022501771.tif 000007
2022501771.tif 000008