(57)【要約】【課題】低温時の掃気処理を短時間で確実に遂行することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２、空気供給装置１６、水素供給装置１８及び制御装置２０を備える。燃料電池システム１０の停止方法は、外気温度が所定温度以下である際、カソード電極２４側及びアノード電極２６側を掃気用酸化剤ガスにより掃気する工程を有する。掃気用酸化剤ガスとしては、燃料ガスの燃焼熱により予め暖められた酸化剤ガスが使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極に供給される酸化剤ガス及びアノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の前記カソード電極側に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池の前記アノード電極側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、を備える燃料電池システムの停止方法であって、
外気温度が所定温度以下である際、前記カソード電極側及び前記アノード電極側を掃気用酸化剤ガスにより掃気する工程を有するとともに、
前記掃気用酸化剤ガスは、前記燃料ガスの燃焼熱により予め暖められた前記酸化剤ガスが使用され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２】
請求項１記載の停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガスを前記カソード電極側の他、前記アノード電極側にも供給可能な酸化剤ガス供給配管を備え、
前記酸化剤ガス供給配管に設けられた触媒燃焼器に前記燃料ガスを供給して前記酸化剤ガスを暖めることにより、前記掃気用酸化剤ガスを生成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、カソード電極に供給される酸化剤ガス及びアノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の一方にアノード電極が、前記固体高分子電解質膜の他方にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。燃料電池は、通常、数十〜数百の発電セルが積層されて、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池電気自動車等に搭載されている。
【０００３】
燃料電池では、発電時に水素と酸素との反応により、カソード電極に水が生成される一方、アノード電極に前記水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、燃料電池の発電が停止された際には、前記燃料電池内に凝縮水が滞留している場合が多い。従って、低温時には、凝縮水が凍結してしまい、低温始動性が低下するという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の停止方法が知られている。この停止方法では、水素循環流路への水素供給を停止する処理と、燃料電池システムから排出される水素濃度が所定の水素濃度未満となるように、パージ弁の開弁制御を行い、前記水素循環流路のガス圧力を減圧する処理とを実行している。さらに、水素循環流路内のガス圧力が所定圧力を下回ったときに、アノードとカソードとを負荷を介して接続し通電可能にする処理と、前記負荷による接続を行いながら前記水素循環流路へ空気を導入する処理とを実行している。
【０００５】
このため、燃料電池の停止時に燃料電池のガス流路内の残留水を排出して始動性を向上するとともに、掃気の際の水素消費量を少なく抑えることができ、電極の腐食を防止することができる、としている。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている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は、固体高分子電解質膜を挟んで供給される２種類の反応ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電停止後に前記燃料電池の状態を検知する状態検知手段と、を備えている。
【０００７】
そして、燃料電池の発電が停止してから所定時間の経過後であって、且つ前記燃料電池が所定の状態になったことを状態検知手段により検知したときに、前記燃料電池の反応ガス流路を掃気している。所定時間の長さは、燃料電池の温度及び外気温のうち少なくとも一つに基づいて設定され、前記所定の状態は、前記燃料電池の温度が反応ガス流路内に結露水を生成する温度以下になったことを特徴としている。
【０００８】
従って、燃料電池の膜を過度な圧力変動から保護することができ、前記燃料電池の寿命低下を防止するとともに、掃気処理を効率的に行うことができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第４６３３３５４号公報
【特許文献２】特許第４７２２４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、この種の掃気処理に関連してなされたものであり、低温時の掃気処理を短時間で確実に遂行することが可能な燃料電池システム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】
【００１１】
本発明に係る停止方法が適用される燃料電池システムは、カソード電極に供給される酸化剤ガス及びアノード電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えている。燃料電池システムは、燃料電池のカソード電極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池のアノード電極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備えている。
【００１２】
この停止方法は、外気温度が所定温度以下である際、カソード電極側及びアノード電極側を掃気用酸化剤ガスにより掃気する工程を有している。そして、掃気用酸化剤ガスは、燃料ガスの燃焼熱により予め暖められた酸化剤ガスが使用されている。
【００１３】
また、この停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスをカソード電極側の他、アノード電極側にも供給可能な酸化剤ガス供給配管を備えることが好ましい。その際、酸化剤ガス供給配管に設けられた触媒燃焼器に燃料ガスを供給して酸化剤ガスを暖めることにより、掃気用酸化剤ガスを生成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、外気温度が所定温度以下（例えば、結露水が生成される温度以下）であると判断された際、燃料ガスの燃焼熱により予め暖められた酸化剤ガスが掃気用酸化剤ガスとして使用されている。このため、カソード電極側及びアノード電極側の掃気処理は、短時間で確実に遂行することができ、システム停止処理全体の効率化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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動作を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る停止方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、車載用燃料電池システムを構成する。
【００１７】
燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層された燃料電池スタック１４を備える。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（空気）を供給する空気供給装置１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（水素）を供給する水素供給装置１８と、システム全体の制御を行う制御装置２０とを備える。
【００１８】
各燃料電池１２は、例えば、フッ素系又は炭化水素系の固体高分子電解質膜２２を、カソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００１９】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００２０】
電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持される。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００２１】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。互いに隣接するカソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、冷却媒体流路３８が設けられる。
【００２２】
燃料電池スタック１４には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、空気を供給する空気入口連通孔４０ａ、水素ガスを供給する水素ガス入口連通孔４２ａ及び冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）が設けられる。燃料電池スタック１４には、空気を排出する空気出口連通孔４０ｂ、水素ガスを排出する水素ガス出口連通孔４２ｂ及び冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
【００２３】
空気供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給する空気ポンプ４４を備える。空気ポンプ４４には、空気供給路４６の一端が接続されるとともに、前記空気供給路４６の他端は、燃料電池スタック１４の空気入口連通孔４０ａに連通する。空気供給路４６には、燃料電池スタック１４に供給される空気を、水素の燃焼熱により予め暖める触媒燃焼器（ＣＳＴ）４８が配設される。
【００２４】
触媒燃焼器４８は、白金合金等が表面に担持された多孔質カーボン（以下、白金担持カーボンという）を酸化触媒として使用する。具体的には、例えば、ゼオライト等の多孔質材料と白金担持カーボンの触媒ペーストとの混合物を作成し、この混合物を薄めてハニカム状（自動車の排気ガスを浄化する三元触媒等に使用される形状）の基材表面に浸漬する。なお、基材自体の劣化が懸念される際には、Ｃｅ（セレン）等のラジカルクエンチャーを混合してもよい。次いで、熱処理（硬化反応処理）を施すことにより、ゼオライトを固定するとともに、触媒を固定することによって、酸化触媒が製造される。
【００２５】
燃料電池スタック１４の空気出口連通孔４０ｂには、カソードオフガス排出路５０が連通する。カソードオフガス排出路５０には、空気ポンプ４４から空気供給路４６を通って燃料電池スタック１４に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５２が設けられる。
【００２６】
水素供給装置１８は、例えば、高圧水素が充填された水素タンク５４を備え、前記水素タンク５４には、水素供給路５６の一端が接続される。水素供給路５６の他端は、燃料電池スタック１４の水素ガス入口連通孔４２ａに連通する。水素供給路５６には、供給量調整弁（遮断弁及び減圧弁を含む）５８、三方調節弁６０及びエゼクタ６２が配設される。三方調節弁６０には、水素分岐路６４の一端が接続されるとともに、前記水素分岐路６４の他端が触媒燃焼器４８に接続される。
【００２７】
燃料電池スタック１４の水素ガス出口連通孔４２ｂには、アノードオフガス排出路６６の一端が接続される。アノードオフガス排出路６６には、水素排出弁（パージ弁）６８が配置されるとともに、前記水素排出弁６８の上流側とエゼクタ６２とには、アノードオフガス循環路７０が接続される。
【００２８】
空気供給路４６には、バイパス路７２の一端が接続されるとともに、水素供給路５６には、エゼクタ６２の下流に位置して前記バイパス路７２の他端が接続される。バイパス路７２には、開閉弁７４が配設される。
【００２９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３０】
先ず、空気供給装置１６では、空気ポンプ４４を介して空気供給路４６に空気が送られる一方、水素供給装置１８では、水素タンク５４を介して水素供給路５６に水素ガスが送られる。
【００３１】
空気供給路４６に供給された空気は、燃料電池スタック１４の空気入口連通孔４０ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１４内の各燃料電池１２に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。使用済みの空気（以下、カソードオフガスともいう）は、空気出口連通孔４０ｂからカソードオフガス排出路５０に排出される。
【００３２】
一方、水素供給装置１８では、供給量調整弁５８の作用下に、水素供給路５６に所定量の水素ガスが供給される。水素ガスは、燃料電池スタック１４の水素ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック１４内に供給された水素ガスは、各燃料電池１２の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００３３】
水素ガス出口連通孔４２ｂに排出される水素ガス（以下、アノードオフガスともいう）は、アノードオフガス排出路６６からアノードオフガス循環路７０を通って、エゼクタ６２に吸引される。このため、アノードオフガスは、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１４に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気と、アノード電極２６に供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。
【００３４】
なお、アノードオフガス循環路７０を循環する水素ガスには、不純物が蓄積し易い。これにより、不純物を混在する水素ガスは、水素排出弁６８の開放作用下に定期的に排出（パージ）される。
【００３５】
また、図示しない冷却媒体供給装置から、燃料電池スタック１４の各燃料電池１２間に形成されている冷却媒体流路３８に冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、燃料電池１２を冷却した後、外部に排出されて循環供給される。
【００３６】
次いで、本実施形態に係る停止方法について、説明する。
【００３７】
先ず、図示しないイグニッションスイッチがオフされて、燃料電池スタック１４の運転（発電）が停止される。空気供給装置１６では、空気ポンプ４４の駆動が停止される一方、水素供給装置１８では、供給量調整弁５８が閉塞される。
【００３８】
そして、図示しない温度センサにより検出された外気温度が、所定温度以下である際、カソード電極２４側及びアノード電極２６側を、予め暖められた掃気用酸化剤ガスにより掃気する。具体的には、所定温度以下とは、例えば、燃料電池スタック１４内でカソード側流路系やアノード側流路系に凝縮水が凍結し始める温度よりも数度高い温度、例えば、２℃〜１０℃程度である。
【００３９】
図２に示すように、制御装置２０は、検出された外気温度が、所定温度以下であると判断した際、水素排出弁６８及び開閉弁７４を開放させる。さらに、空気ポンプ４４が駆動されて空気供給路４６に空気が送られる。一方、水素供給装置１８では、供給量調整弁５８の作用下に、水素供給路５６に少量の水素ガスが供給されるとともに、三方調節弁６０が操作されて水素分岐路６４が前記水素供給路５６に連通する。
【００４０】
このため、水素供給路５６に供給された少量の水素ガスは、水素分岐路６４を通って触媒燃焼器４８に供給され、空気供給路４６を通って前記触媒燃焼器４８に供給された空気と混合される。従って、触媒燃焼器４８では、水素ガスが燃焼し、その燃焼熱により空気が暖められる。
【００４１】
予め暖められた空気（以下、掃気用空気という）は、空気供給路４６から燃料電池スタック１４内のカソード側経路（酸化剤ガス流路３４を含む）に供給されて、カソード掃気が行われる。また、空気供給路４６を流通する掃気用空気の一部は、バイパス路７２を通って水素供給路５６に送られ、燃料電池スタック１４内のアノード側経路（燃料ガス流路３６を含む）に供給されて、アノード掃気が行われる。
【００４２】
上記のように、カソード側経路及びアノード側経路の掃気が一定時間経過した後、終了することにより、燃料電池システム１０の停止処理が終了される。
【００４３】
この場合、本実施形態では、制御装置２０において、外気温度が所定温度以下（例えば、凝縮水が凍結し始める温度よりも数度高い温度、例えば、２℃〜１０℃程度）であると判断された際、触媒燃焼器４８に少量の水素ガスを投入している。このため、触媒燃焼器４８では、水素ガスが燃焼し、その燃焼熱により空気が暖められるとともに、暖められた空気は、掃気用空気（掃気用酸化剤ガス）として使用されている。
【００４４】
従って、カソード電極２４側及びアノード電極２６側には、比較的高温の空気が掃気用空気として供給されている。これにより、凝縮水の排出処理及び蒸発処理が促進され、カソード電極２４側及びアノード電極２６側の掃気処理を、短時間で確実に遂行させることができ、システム停止処理全体の効率化が図られるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００４５】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池
１４…燃料電池スタック              １６…空気供給装置
１８…水素供給装置                  ２０…制御装置
２２…固体高分子電解質膜            ２４…カソード電極
２６…アノード電極                  ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路                  ３８…冷却媒体流路
４４…空気ポンプ                    ４６…空気供給路
４８…触媒燃焼器                    ５４…水素タンク
５６…水素供給路                    ６０…三方調節弁
６２…エゼクタ                      ６４…水素分岐路
７２…バイパス路                    ７４…開閉弁
【図１】
2016081595.tif 000003
【図２】
2016081595.tif 000004