(57)【要約】【課題】発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制できる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池本体１１０の発電運転を停止するときに、制御装置１６０が、燃料電池本体１００への燃料ガス１及び酸化ガス２の供給を停止するようにバルブ１０１，１０２を閉鎖すると共に、燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路内に存在する水素に対して、酸化ガス２の流通経路内に存在する酸素を１／２以下とするようにバルブ１０７を制御して燃料電池本体１１０にパージガス５を供給し、燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路及び酸化ガス２の流通経路を封じ切るようにバルブ１０３〜１０６を閉鎖する。【選択図】図１
2009140725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記燃料極側に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該燃料ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路を封じ切る燃料ガス流通経路遮断手段と、
前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該酸化ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路を封じ切る酸化ガス流通経路遮断手段と、
前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路及び前記燃料ガスの流通経路の少なくとも前記酸化ガスの流通経路に不活性なパージガスを供給するパージガス供給手段と、
前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、前記燃料電池本体への前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化ガス供給手段を制御すると共に、当該燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路内に存在する前記水素に対して、前記酸化ガスの流通経路内に存在する前記酸素を１／２以下とするように前記パージガス供給手段を制御して当該燃料電池本体に前記パージガスを供給し、当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路及び当該酸化ガスの流通経路を封じ切るように前記燃料ガス流通経路遮断手段及び前記酸化ガス流通経路遮断手段を制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記パージガスを加湿するパージガス加湿手段を備えている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記パージガス加湿手段が、前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段及び前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段の少なくとも前記酸化ガス加湿手段と兼ねられている
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記パージガス加湿手段が、前記燃料電池本体を温調する温調手段であり、
前記制御手段が、前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、さらに、前記燃料電池本体を冷却するように前記温調手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
前記パージガス供給手段が、前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路のみに前記パージガスを供給するものであり、
前記制御手段が、前記パージガス供給手段から前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路に前記パージガスを供給して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路内を前記パージガスに置換するように当該パージガス供給手段を制御するものである
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体に対して、水素を含有する燃料ガスを上記燃料極側に供給すると共に、酸素を含有する酸化ガスを上記酸化極側に供給して、燃料ガス中の水素と酸化ガス中の酸素とを上記セルで電気化学的に反応させることにより、電力を得られるようにしたものである。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、発電運転を停止する場合には、上記燃料電池本体への燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に燃焼排ガス等の二酸化炭素ガスや窒素ガス等のようなパージガスを当該燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側に送給して、当該燃料電池本体の燃料極側の燃料ガス（水素ガス）を当該燃料極側から当該燃料電池本体の外部へパージすると共に、当該燃料電池本体の酸化極側の酸化ガス（酸素ガス）を当該酸化極側から当該燃料電池本体の外部へパージして、当該燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側を上記パージガスに置換しておくことにより、当該燃料電池本体内に残存する水素ガスや酸素ガスによる前記セルの性能劣化を抑制するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２０３８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したような固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、発電運転停止の際に、前述したように燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側をパージガスに置換しても、燃料電池本体の前記セルの性能劣化を十分に抑制しきれず、発電運転の停止と開始との繰り返しに伴って、燃料電池本体の電圧が次第に低下してしまっていた。
【０００６】
このようなことから、本発明は、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制することができる固体高分子形燃料電池発電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】
【０００７】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記燃料極側に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の前記スタックの前記セルの前記酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該燃料ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路を封じ切る燃料ガス流通経路遮断手段と、前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路と当該燃料電池本体の外部の当該酸化ガスの流通経路とを遮断可能に接続して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路を封じ切る酸化ガス流通経路遮断手段と、前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路及び前記燃料ガスの流通経路の少なくとも前記酸化ガスの流通経路に不活性なパージガスを供給するパージガス供給手段と、前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、前記燃料電池本体への前記燃料ガス及び前記酸化ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段及び前記酸化ガス供給手段を制御すると共に、当該燃料電池本体の前記燃料ガスの流通経路内に存在する前記水素に対して、前記酸化ガスの流通経路内に存在する前記酸素を１／２以下とするように前記パージガス供給手段を制御して当該燃料電池本体に前記パージガスを供給し、当該燃料電池本体の当該燃料ガスの流通経路及び当該酸化ガスの流通経路を封じ切るように前記燃料ガス流通経路遮断手段及び前記酸化ガス流通経路遮断手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記パージガスを加湿するパージガス加湿手段を備えていることを特徴とする。
【０００９】
第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記パージガス加湿手段が、前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段及び前記燃料ガス供給手段から前記燃料電池本体へ供給する前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段の少なくとも前記酸化ガス加湿手段と兼ねられていることを特徴とする。
【００１０】
第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記パージガス加湿手段が、前記燃料電池本体を温調する温調手段であり、前記制御手段が、前記燃料電池本体の発電運転を停止するときに、さらに、前記燃料電池本体を冷却するように前記温調手段を制御するものであることを特徴とする。
【００１１】
第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記パージガス供給手段が、前記燃料電池本体の前記スタック内の前記酸化ガスの流通経路のみに前記パージガスを供給するものであり、前記制御手段が、前記パージガス供給手段から前記燃料電池本体の前記酸化ガスの流通経路に前記パージガスを供給して当該燃料電池本体の当該酸化ガスの流通経路内を前記パージガスに置換するように当該パージガス供給手段を制御するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、発電運転を停止すると、燃料電池本体の燃料ガスの流通経路内に存在する当該燃料ガス中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体の酸化ガスの流通経路内に存在する当該酸化ガス中の酸素ガス量の割合が１／２以下にすることにより、燃料電池本体の酸化極側に残留した酸素ガスが燃料極側に透過したとしても、当該燃料極側に存在する水素ガスと当該酸素ガスをほとんどすべて反応させて水にしてしまい、当該燃料極に形成されてしまう高酸素濃度部分を著しく低減できるので、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、以下に説明する実施形態の場合のみに限定されるものではない。
【００１４】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、固体高分子形燃料電池発電システムの要部の概略構成図である。
【００１５】
図１に示すように、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備える燃料電池本体１１０の燃料ガス受入口には、水素を含有する燃料ガス１を供給する燃料ガス供給源１２１が接続されている。燃料ガス供給源１２１と燃料電池本体１１０の燃料ガス受入口との間には、当該燃料ガス供給源１２１からの上記燃料ガス１を水３により加湿する燃料ガス加湿手段である燃料ガス用加湿器１２２が配設されている。燃料ガス供給源１２１と燃料ガス用加湿器１２２との間及び燃料ガス用加湿器１２２と燃料電池本体１１０の燃料ガス受入口との間には、バルブ１０１，１０３がそれぞれ介在している。
【００１６】
前記燃料電池本体１１０の酸化ガス受入口には、酸素を含有する酸化ガス２を供給する酸化ガス供給源１３１が接続されている。酸化ガス供給源１３１と燃料電池本体１１０の酸化ガス受入口との間には、当該酸化ガス供給源１３１からの上記酸化ガス２を水３により加湿する酸化ガス加湿手段である酸化ガス用加湿器１３２が配設されている。酸化ガス供給源１３１と酸化ガス用加湿器１３２との間及び酸化ガス用加湿器１３２と燃料電池本体１１０の酸化ガス受入口との間には、バルブ１０２，１０４がそれぞれ介在している。
【００１７】
前記燃料電池本体１１０の燃料ガス排出口は、当該燃料電池本体１１０から排出された使用済みの前記燃料ガス１から水３を分離回収する燃料ガス用気液分離器１２３の受入口にバルブ１０５を介して接続している。燃料ガス用気液分離器１２３の送出口は、系外へ連絡している。
【００１８】
前記燃料電池本体１１０の酸化ガス排出口は、当該燃料電池本体１１０から排出された使用済みの前記酸化ガス２から水３を分離回収する酸化ガス用気液分離器１３３の受入口にバルブ１０６を介して接続している。酸化ガス用気液分離器１３３の送出口は、系外へ連絡している。
【００１９】
前記燃料電池本体１１０の温調水受入口には、温調水４を貯留する温調水タンク１４１が送給ポンプ１４３を介して接続されている。温調水タンク１４１には、当該タンク１４１内の温調水４を温調する温調器１４２が設けられている。燃料電池本体１１０の温調水排出口は、上記温調水タンク１４１に接続されている。
【００２０】
前記酸化ガス用加湿器１３２と前記バルブ１０４との間には、燃焼排ガス等の二酸化炭素ガスや窒素ガス等のようなパージガス５を供給するパージガス供給源１５１がマスフロー計１５２及びバルブ１０７を介して接続されている。
【００２１】
前記マスフロー計１５２は、制御手段である制御装置１６０の入力部に電気的に接続されている。この制御装置１６０の出力部には、前記バルブ１０１〜１０７、前記温調器１４２、前記送給ポンプ１４３がそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置１６０は、外部から入力された指令及び上記マスフロー計１５２からの信号に基づいて、前記バルブ１０１〜１０７、前記温調器１４２、前記送給ポンプ１４３をそれぞれ制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００２２】
なお、本実施形態においては、前記バルブ１０１、前記燃料ガス供給源１２１、前記燃料ガス用加湿器１２２等により、燃料ガス供給手段を構成し、前記バルブ１０２、前記酸化ガス供給源１３１、前記酸化ガス用加湿器１２２等により、酸化ガス供給手段を構成し、前記温調水タンク１４１、前記温調器１４２、前記送給ポンプ１４３等により、温調手段を構成し、前記バルブ１０３，１０５等により、燃料ガス流通経路遮断手段を構成し、前記バルブ１０４，１０６等により、酸化ガス流通経路遮断手段を構成し、前記バルブ１０７、前記パージガス供給源１５１、前記マスフロー計１５２等により、パージガス供給手段を構成している。
【００２３】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。
【００２４】
前記制御装置１６０に発電運転開始の指令が入力されると、当該制御装置１６０は、当該指令に基づいて、前記温調水タンク１４１内の前記温調水４が規定の温度となるように前記温調器１４２を制御すると共に、当該温調水タンク１４１内の当該温調水４を前記燃料電池本体１１０内へ送給するように前記送給ポンプ１４３を作動させる。これにより、上記温調水タンク１４１内の上記温調水４は、上記燃料電池本体１１０内を流通して当該燃料電池本体１１０内を温調した後、当該燃料電池本体１１０内から上記温調水タンク１４１内に戻されて、上記温調器１４２で規定の温度に再び温調されて再度送給される。
【００２５】
さらに、前記制御装置１６０は、上記指令に基づいて、前記バルブ１０１〜１０６を開放する（前記バルブ１０７は閉鎖状態）。これにより、燃料ガス供給源１２１からの燃料ガス１が、燃料ガス用加湿器１２２内の水３中でバブリングされて飽和状態にまで加湿された後、燃料電池本体１１０内に供給されると共に、酸化ガス供給源１３１からの酸化ガス２が、酸化ガス用加湿器１３２内の水３中でバブリングされて飽和状態にまで加湿された後、燃料電池本体１１０内に供給され、当該燃料電池本体１１０のスタックの各セルにおいて、上記燃料ガス１中の水素と上記酸化ガス２中の酸素とが電気化学的に反応して、当該燃料電池本体１１０から電力が得られる。
【００２６】
前記セルで前記反応に利用されずに残った使用済みの上記燃料ガス１及び上記酸化ガス２は、前記反応に伴って生じた水３と共に燃料電池本体１１０から送出され、前記気液分離器１２３，１３３で上記水３を分離回収された後、系外へ排出されて後処理される。
【００２７】
このようにして発電運転を行なって、前記制御装置１６０に発電運転停止の指令が入力されると、当該制御装置１６０は、前記バルブ１０１，１０３を閉鎖するように当該バルブ１０１，１０３を制御して、前記ガス源１２１，１３１から前記燃料電池本体１１０への前記ガス１，２の供給を停止すると共に、前記温調器１４２及び前記送給ポンプ１４３を停止させるように当該温調器１４２及び当該送給ポンプ１４３を制御して、前記温調水タンク１４１内の前記温調水４の前記燃料電池本体１１０内への送給を停止する。
【００２８】
引き続き、前記制御装置１６０は、前記バルブ１０３，１０５を閉鎖するように当該バルブ１０３，１０５を制御して、前記燃料電池本体１１０内の燃料ガス１の流通経路を封じ切ると共に、前記バルブ１０７を開放するように当該バルブ１０７を制御して、前記パージガス供給源１５１から前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路にパージガス５を供給して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内から上記酸化ガス２をパージする。
【００２９】
このようにして前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路にパージガス５を所定流量供給して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内がパージガス５で置換される、すなわち、当該燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路内に存在する前記燃料ガス１中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内に存在する前記酸化ガス２中の酸素ガス量の割合が１／２以下になったら、前記制御装置１６０は、前記マスフロー計１５２からの信号に基づいて、前記バルブ１０４，１０６，１０７を閉鎖するように当該バルブ１０４，１０６，１０７を制御して、前記パージガス供給源１５１からのパージガス５の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路を封じ切る。
【００３０】
これにより、燃料電池本体１１０は、燃料ガス１の流通経路内が当該燃料ガス１の雰囲気になると共に、酸化ガス２の流通経路内が上記パージガス５の雰囲気になる、すなわち、燃料ガス１の流通経路内に存在する当該燃料ガス１中の水素ガス量に対して、酸化ガス２の流通経路内に存在する当該酸化ガス２中の酸素ガス量の割合が１／２以下になる、言い換えれば、酸化ガス２の流通経路内に存在する当該酸化ガス２中の酸素ガス量に対して、燃料ガス１の流通経路内に存在する当該燃料ガス１中の水素ガス量の割合が２倍以上になって、発電運転停止状態となる。
【００３１】
そして、前記制御装置１６０に発電運転開始の指令が入力されることにより、上述と同様にして発電運転が再び行なわれる。以下、上述した作動を繰り返すことにより、発電運転の停止及び開始が繰り返し行われる。
【００３２】
ここで、発電運転停止の際に、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内が前記パージガス５で置換され、燃料ガス１の流通経路内が当該燃料ガス１の雰囲気のままとしている、すなわち、燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路内に存在する当該燃料ガス１中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内に存在する当該酸化ガス２中の酸素ガス量の割合が１／２以下になる、言い換えれば、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内に存在する当該酸化ガス２中の酸素ガス量に対して、当該燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路内に存在する当該燃料ガス１中の水素ガス量の割合が２倍以上になっているので、発電運転再開の際に、燃料電池本体１１０の前記スタックの前記セルの性能劣化を大幅に抑制することができる。
【００３３】
この理由は、正確には明らかになっていないが、以下のように考えられる。
【００３４】
燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路内に燃料ガス１（水素ガス）が存在して、酸化ガス１の流通経路内に酸化ガス２（酸素ガス）が存在する状態で発電運転を停止すると、上記酸化ガス２（酸素ガス）は、セルの酸化極及び固体高分子電解質膜を徐々に透過して燃料極に到達し、その大部分が、当該燃料極側の水素ガスと触媒を介して接触して水となる一方、上記水素ガスと接触しなかった一部が燃料極にそのまま残存して、高酸素濃度部分を形成すると考えられる。
【００３５】
他方、上記燃料ガス１（水素ガス）も、上記酸化ガス２（酸素ガス）の場合と同様に、セルの燃料極及び固体高分子電解質膜を徐々に透過して酸化極に到達し、その大部分が、当該酸化極側の酸素ガスと触媒を介して接触して水となる一方、上記酸素ガスと接触しなかった一部が酸化極にそのまま残存して高水素濃度部分を形成すると考えられる。
【００３６】
このような状態で発電運転を再開して運転条件が整うと、燃料電池本体１１０のスタックのセル間が開回路電圧（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）Ｖｃ（例えば、約１Ｖ）のときに、燃料極の高酸素濃度部分と他の部分（高水素濃度部分）との間に電位差ΔＶ１（例えば、約０．３Ｖ）が生じて、当該燃料極の高酸素濃度部分が、当該燃料極の他の部分（高水素濃度部分）の電位（標準電位Ｖｓ：０Ｖ）よりも高くなってしまうと考えられる。
【００３７】
他方、酸素極の高水素濃度部分と他の部分（高酸素濃度部分）との間にも電位差ΔＶ２（例えば、約０．３Ｖ）が生じて、当該酸化極の高水素濃度部分が、当該酸化極の他の部分（高酸素濃度部分）の電位（例えば、約１Ｖ）よりも低くなってしまうと考えられる。
【００３８】
このため、燃料極の上記高酸素濃度部分と対面する酸化極の部分は、上記開回路電圧Ｖｃ（例えば、約１Ｖ）よりも上記電位差ΔＶ１（例えば、約０．３Ｖ）だけ上昇した大きさの電圧Ｖｃ＋ΔＶ１（例えば、約１．３Ｖ）となってしまうと考えられる。
【００３９】
他方、酸化極の上記高水素濃度部分と対面する燃料極の部分は、上記標準電位Ｖｓ（０Ｖ）よりも上記電位差ΔＶ２（例えば、約０．３Ｖ）だけ低下した大きさの電圧Ｖｓ−ΔＶ２（例えば、約−０．３Ｖ）となってしまうと考えられる。
【００４０】
このような状態を生じると、過剰電圧部分、すなわち、酸化極の上記高電圧部分（例えば、約１．３Ｖ）において、含有するカーボンが水と反応して二酸化炭素となって分解することや、含有する触媒（例えば、Ｐｔ等）がイオン化して溶出すること等のような電位腐食を起こして、前記セルが性能劣化してしまうと考えられる。
【００４１】
そのため、従来は、背景技術でも説明したように、燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側にパージガスを送給して、当該燃料電池本体の燃料極側の燃料ガス（水素ガス）を当該燃料極側から当該燃料電池本体の外部へパージすると共に、当該燃料電池本体の酸化極側の酸化ガス（酸素ガス）を当該酸化極側から当該燃料電池本体の外部へパージして、当該燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側を上記パージガスに置換しておくことにより、当該燃料電池本体内に残存する水素ガスや酸素ガスによる上記セルの性能劣化を抑制するようにしていた。
【００４２】
しかしながら、上述したように燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側をパージガスに置換しても、先に説明した通り、燃料電池本体の前記セルの性能劣化を十分に抑制しきれず、発電運転の停止と開始との繰り返しに伴って、燃料電池本体の電圧が次第に低下していた。
【００４３】
そこで、本発明者らが各種検討を鋭意行った結果、上述したように燃料電池本体の燃料極側及び酸化極側をパージガスに置換しても、当該燃料極側のすべての水素ガス及び当該酸化極側のすべての酸素ガスが当該パージガスで置換されずに、ごく一部（約１％程度）がそれぞれ残留してしまい、その残留した酸素ガスが、上述したような問題を引き起こしていることが考えられた。
【００４４】
このような考えに基づき、本発明者らがさらなる検討を鋭意行った結果、燃料電池本体１１０の発電運転の停止の際に、燃料電池本体１１０の前記燃料ガス１の流通経路内に存在する水素ガスに対して、酸化ガス２の流通経路内に存在する酸素ガスを１／２以下とするように当該燃料電池本体１１０内にパージガス５を供給し、当該燃料電池本体１１０の当該燃料ガス１の流通経路及び酸化ガス２の流通経路を封じ切るようにすれば、当該燃料電池本体１１０の当該酸化極側に残留した酸素ガスが燃料極側に透過したとしても、当該燃料極側に存在する水素ガスと当該酸素ガスをほとんどすべて反応させて水にしてしまい、当該燃料極に形成されてしまう高酸素濃度部分を著しく低減できることを見出したのである。
【００４５】
つまり、水素ガスと酸素ガスとは、２：１の割合で反応して水を生成するものの、従来のようにパージすると、燃料電池本体１１０の内部に残留してしまう量がほとんど等しく（１：１）なってしまうことから、燃料電池本体１１０内は、残留した酸素ガスをすべて水にしてしまうだけの水素ガスが存在していないため、燃料極に高酸素濃度部分が形成されてしまっていたと考えられる。
【００４６】
これに対し、燃料電池本体１１０の前記燃料ガス１の流通経路内に存在する水素ガスに対して、酸化ガス２の流通経路内に存在する酸素ガスを１／２以下とするように当該燃料電池本体１１０内をパージすると、燃料電池本体１１０内は、残留した酸素ガスをすべて水にしてしまうだけの水素ガスが存在しているため、燃料極に形成される高酸素濃度部分が著しく減少できたと考えられる。
【００４７】
ここで、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の効果を確認するために行った実証試験の結果を図２に示す。図２において、横軸は、発電運転の停止と開始を繰り返したときの発電運転停止回数を表し、縦軸は、燃料電池本体１１０の当初の電圧値に対して、発電運転停止回数が３００回になったときの電圧値の変化比を「−１」とした場合の電圧変化比を表している。なお、比較のため、上述した従来の場合（燃料ガス及び酸化ガスの両方をすべてパージ）も行った。
【００４８】
図２からわかるように、従来の場合においては、発電運転停止回数が増えていくにしたがって、電圧変化比が次第に大きくなっていってしまうのに対し、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、発電運転停止回数が増えても、電圧変化比がそれほど大きく変化しないことが確認できた。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制することができ、燃料電池本体１１０の電圧低下を大幅に抑制することができる。
【００５０】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、固体高分子形燃料電池発電システムの要部の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００５１】
図３に示すように、前記パージガス供給源１５１は、前記バルブ１０２と前記酸化ガス用加湿器１３２との間に前記マスフロー計１５２及び前記バルブ１０７を介して接続している。
【００５２】
なお、本実施形態においては、前記酸化ガス用加湿器１３２等により、酸化ガス加湿手段だけでなくパージガス加湿手段を兼ねるように構成している。
【００５３】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして作動させることにより、発電運転を行うことができる。
【００５４】
そして、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記制御装置１６０に発電運転停止の指令が入力されると、当該制御装置１６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０１，１０３を閉鎖するように当該バルブ１０１，１０３を制御して、前記ガス源１２１，１３１から前記燃料電池本体１１０への前記ガス１，２の供給を停止すると共に、前記温調器１４２及び前記送給ポンプ１４３を停止させるように当該温調器１４２及び当該送給ポンプ１４３を制御して、前記温調水タンク１４１内の前記温調水４の前記燃料電池本体１１０内への送給を停止する。
【００５５】
引き続き、前記制御装置１６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０３，１０５を閉鎖するように当該バルブ１０３，１０５を制御して、前記燃料電池本体１１０内の燃料ガス１の流通経路を封じ切ると共に、前記バルブ１０７を開放するように当該バルブ１０７を制御する。これにより、前記パージガス供給源１５１から前記酸化ガス用加湿器１３２にパージガス５が供給されて飽和状態にまで加湿された後、前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路に供給され、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内から上記酸化ガス２をパージする。
【００５６】
このようにして前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路に飽和状態にまで加湿したパージガス５を所定流量供給して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内が飽和状態にまで加湿されたパージガス５で置換されると、前記制御装置１６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記マスフロー計１５２からの信号に基づいて、前記バルブ１０４，１０６，１０７を閉鎖するように当該バルブ１０４，１０６，１０７を制御して、前記パージガス供給源１５１からのパージガス５の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路を封じ切る。
【００５７】
これにより、燃料電池本体１１０は、燃料ガス１の流通経路内が当該燃料ガス１の雰囲気になると共に、酸化ガス２の流通経路内が飽和状態にまで加湿されたパージガス５の雰囲気になって、発電運転停止状態となる。
【００５８】
つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００においては、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内を乾燥したパージガス５でパージするようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内を飽和状態にまで加湿したパージガス５でパージするようにしたのである。
【００５９】
このため、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、発電運転停止中における燃料電池本体１１０の前記スタックの前記セルの前記固体高分子電解質膜の乾燥を抑制することができる。
【００６０】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施形態の場合よりも運転再開の際の立ち上げを迅速に行うことができると共に、前記セルの前記固体高分子電解質膜の劣化抑制をさらに確実に行うことができる。
【００６１】
［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、固体高分子形燃料電池発電システムの要部の概略構成図である。なお、前述した第一，二番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一，二番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一，二番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００６２】
図４に示すように、前記マスフロー計１５２は、制御手段である制御装置３６０の入力部に電気的に接続されている。この制御装置３６０の出力部には、前記バルブ１０１〜１０７、前記温調器１４２、前記送給ポンプ１４３がそれぞれ電気的に接続されており、当該制御装置３６０は、外部から入力された指令及び上記マスフロー計１５２からの信号に基づいて、前記バルブ１０１〜１０７、前記温調器１４２、前記送給ポンプ１４３をそれぞれ制御することができるようになっている（詳細は後述する）。
【００６３】
なお、本実施形態においては、前記温調水タンク１４１、前記温調器１４２、前記送給ポンプ１４３等により、温調手段を構成するだけでなくパージガス加湿手段も兼ねるように構成している。
【００６４】
このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様にして作動させることにより、発電運転を行うことができる。
【００６５】
そして、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、前記制御装置３６０に発電運転停止の指令が入力されると、当該制御装置３６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０１，１０３を閉鎖するように当該バルブ１０１，１０３を制御して、前記ガス源１２１，１３１から前記燃料電池本体１１０への前記ガス１，２の供給を停止する。そして、上記制御装置３６０は、前記温調水タンク１４１内の前記温調水４を室温にまで低下させるように前記温調器１４２を制御して、前記燃料電池本体１１０内を室温にまで急速に低下させる。
【００６６】
引き続き、前記制御装置３６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記バルブ１０３，１０５を閉鎖するように当該バルブ１０３，１０５を制御して、前記燃料電池本体１１０内の燃料ガス１の流通経路を封じ切ると共に、前記バルブ１０７を開放するように当該バルブ１０７を制御して、前記パージガス供給源１５１から前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路にパージガス５を供給して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内から上記酸化ガス２をパージする。
【００６７】
このとき、上記燃料電池本体１１０は、前記温調水４により室温にまで急速に冷却されることから、内部の飽和蒸気圧が低下して前記パージガス５が加湿されるようになる。
【００６８】
このようにして前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路に前記パージガス５を所定流量供給して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内が上記パージガス５で置換されると、前記制御装置１６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記マスフロー計１５２からの信号に基づいて、前記バルブ１０４，１０６，１０７を閉鎖するように当該バルブ１０４，１０６，１０７を制御して、前記パージガス供給源１５１からのパージガス５の供給を停止すると共に、前記燃料電池本体１１０内の酸化ガス２の流通経路を封じ切った後、前記温調器１４２及び前記送給ポンプ１４３を停止させるように当該温調器１４２及び当該送給ポンプ１４３を制御して、前記温調水タンク１４１内の前記温調水４の前記燃料電池本体１１０内への送給を停止する。
【００６９】
これにより、燃料電池本体１１０は、燃料ガス１の流通経路内が当該燃料ガス１の雰囲気になると共に、酸化ガス２の流通経路内が飽和状態にまで加湿されたパージガス５の雰囲気になって、発電運転停止状態となる。
【００７０】
つまり、前述した第二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、前記パージガス５を前記酸化ガス用加湿器１３２で加湿してから燃料電池本体１１０内に供給するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３００においては、前記燃料電池本体１１０内を温調水４で室温にまで急速に冷却することにより当該燃料電池本体１１０内の前記パージガス５を加湿するようにしたのである。
【００７１】
したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができると共に、前述した第二番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができる。
【００７２】
［他の実施形態］
なお、前述した各実施形態においては、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内をパージガス５に置換すると共に、燃料ガス１の流通経路内を当該燃料ガス１の雰囲気のままとして、これらガス１，２の流通経路を封じ切るようにしたが、本発明はこれに限らず、燃料電池本体１１０の燃料ガス１の流通経路内に存在する前記燃料ガス１中の水素ガス量に対して、当該燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内に存在する前記酸化ガス２中の酸素ガス量の割合が１／２以下となるように当該燃料電池本体１１０の前記スタックの上記ガス１，２の流通経路にパージガス５を供給して、これらガス１，２の流通経路を封じ切るようにすれば、前述した各実施形態の場合と同様な作用効果を発現することができる。
【００７３】
具体的には、他の実施形態として、例えば、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内の酸化ガス２の半分だけをパージガス５に置換すると共に、燃料ガス１の流通経路内を当該燃料ガス１の雰囲気のままとして、これらガス１，２の流通経路を封じ切るようにすることや、燃料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内をパージガス５に置換すると共に、燃料ガス１の流通経路内の水素ガス濃度が２〜４％の範囲（爆発限界値以下）となるように当該燃料ガス１の流通経路内をパージガス５に置換して、これらガス１，２の流通経路を封じ切るようにすることも可能である。
【００７４】
しかしながら、前述した各実施形態の場合のように、料電池本体１１０の酸化ガス２の流通経路内をパージガス５で置換すると共に、燃料ガス１の流通経路内を当該燃料ガス１の雰囲気のままとして、これらガス１，２の流通経路を封じ切るようにすれば、前述した効果を最も確実に得ることが最も簡単にできるので、実用上、非常に好ましい。
【００７５】
また、前述した第二番目の実施形態では、前記バルブ１０２と酸化ガス用加湿器１３２との間にマスフロー計１５２及び前記バルブ１０７を介してパージガス供給源１５１を接続することにより、パージガス５を加湿して燃料電池本体１１０の酸化極側に供給するようにした、すなわち、酸化ガス加湿手段とパージガス加湿手段とを兼ねるようにしたが、他の実施形態として、例えば、パージガス供給源１５１と燃料電池本体１１０の酸化ガス受入口との間にパージガス用加湿器を別途設ける、すなわち、酸化ガス加湿手段とパージガス加湿手段とをそれぞれ別個に設けることも可能である。しかしながら、前述した第二番目の実施形態のように、酸化ガス加湿手段とパージガス加湿手段とを兼ねるようにすると、設置スペースの削減を図ることができるので、非常に好ましい。
【００７６】
また、前述した第二番目の実施形態では、燃料電池本体１１０の酸化極側に供給するパージガス５を加湿するようにしたが、他の実施形態として、例えば、加湿したパージガス５を燃料電池本体１１０の燃料極側にも供給する場合には、前記バルブ１０１と燃料ガス用加湿器１２２との間にマスフロー計及びバルブ等を別途介して前記パージガス供給源１５１を接続する、すなわち、燃料ガス加湿手段でもパージガス加湿手段を兼ねるようにすることにより対応可能となる。
【００７７】
このとき、上述と同様に、パージガス供給源１５１と燃料電池本体１１０の燃料ガス受入口との間にパージガス用加湿器を別途設ける、すなわち、燃料ガス加湿手段とパージガス加湿手段とをそれぞれ別個に設けることも可能である。この場合には、パージガス供給源１５１からのパージガス５を独立した単一のパージガス加湿手段で加湿して燃料電池本体１１０の燃料ガス受入口及び酸化ガス受入口にそれぞれ分流して送給すると、設置スペースの削減を図ることができるので、好ましい。しかしながら、燃料ガス加湿手段とパージガス加湿手段とを兼ねるようにすると、設置スペースの削減をさらに図ることができるので、非常に好ましい。
【００７８】
なお、前記パージガス５としては、灯油や天然ガス等の炭化水素系燃料を空気や酸素と共に燃焼させて発生した燃焼排ガス（二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスと窒素ガスとの混合ガス）や、窒素ガスやヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガス等を利用することができる。
【００７９】
また、前記燃料ガス１としては、灯油や天然ガス等の炭化水素系燃料を水と共に改質させて（水蒸気改質反応）水素リッチにした改質ガスや、水素ガスそのものを利用することができ、前記酸化ガス２としては、空気や酸素ガスそのものを利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、発電運転の停止と開始とを繰り返し行っても、セルの性能劣化を抑制して、燃料電池本体の電圧低下を大幅に抑制することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図２】第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システムの効果を確認するために行った実証試験の結果を表すグラフである。
【図３】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図４】本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第三番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  燃料ガス
２  酸化ガス
３  水
４  温調水
５  パージガス
１００  固体高分子形燃料電池発電システム
１０１〜１０７  バルブ
１１０  燃料電池本体
１２１  燃料ガス供給源
１２２  燃料ガス用加湿器
１２３  燃料ガス用気液分離器
１３１  酸化料ガス供給源
１３２  酸化ガス用加湿器
１３３  酸化ガス用気液分離器
１４１  温調水タンク
１４２  温調器
１４３  送給ポンプ
１５１  パージガス供給源
１５２  マスフロー計
１６０  制御装置
２００  固体高分子形燃料電池発電システム
３００  固体高分子形燃料電池発電システム
３６０  制御装置
【図１】
2009140725.tif 000003
【図２】
2009140725.tif 000004
【図３】
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【図４】
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