(57)【要約】【課題】燃料電池システムの停止のために燃料電池システムからパージされたガスを再利用する技術を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部とを備える。燃料ガス供給部は、燃料電池スタックの出力停止の際に燃料電池スタックの内部に残留する残燃料ガスの少なくとも一部を格納し、格納された燃料ガスを燃料電池スタックの起動の際に燃料電池スタックに供給する残燃料ガス貯蔵部を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
を備え、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックの出力停止の際に前記燃料電池スタックの内部に残留する残燃料ガスの少なくとも一部を格納し、前記格納された燃料ガスを前記燃料電池スタックの起動の際に前記燃料電池スタックに供給する残燃料ガス貯蔵部を有する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックの前記残燃料ガスと置換するための置換流体を供給する置換流体供給部を有する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに再供給するための循環流路と、前記再供給のための圧力を発生させる循環ポンプとを備え、
前記残燃料ガス貯蔵部は、前記循環流路に並列に接続された残燃料貯留ガスタンクを有し、
前記置換流体供給部と前記燃料電池スタックと前記残燃料貯留ガスタンクとは、順に直列に接続されており、
前記燃料ガス供給部は、前記循環ポンプによって前記残燃料貯留ガスタンクの内部の圧力を減圧し、前記減圧によって前記置換流体供給部から前記燃料電池スタックに前記置換流体を導入する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給中に前記減圧状態を発生させる燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記置換流体は、前記燃料電池スタックの発電によって生成された生成水である燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システムを運転する方法であって、
燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部とを準備する工程と、
前記燃料電池スタックの出力停止の際に前記燃料電池スタックの内部に残留する残燃料ガスの少なくとも一部を格納する工程と、
前記格納された燃料ガスを前記燃料電池スタックの起動の際に前記燃料電池スタックに供給する工程と、
を備える燃料電池システムの運転方法。
【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。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムの停止後における燃料電池スタック内の反応ガスをパージさせる方法が提案されている。燃料電池スタック内に反応ガスが残留した状態で放置すると、クロスリークによる反応ガスの直接燃焼によって電解質が損傷する可能性があるからである。一方、燃料ガスを高濃度で大気中に放出することは好ましくない。このため、たとえば燃料ガスを高濃度で大気中に放出しないように燃料電池システムの停止を許可する技術も提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８０５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池システムからパージされたガスの再利用は考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの停止のために燃料電池システムからパージされたガスを再利用する技術を提供することを目的とし、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
を備え、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックの出力停止の際に前記燃料電池スタックの内部に残留する残燃料ガスの少なくとも一部を格納し、前記格納された燃料ガスを前記燃料電池スタックの起動の際に前記燃料電池スタックに供給する残燃料ガス貯蔵部を有する燃料電池システム。
【０００７】
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力停止の際にその内部に残留する残燃料ガスの少なくとも一部を格納し、燃料電池スタックの起動の際に格納された燃料ガスを燃料電池スタックに供給することができるので、燃料ガスのムダを抑制して燃料ガスの有効利用を図ることができる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックの前記残燃料ガスと置換するための置換流体を供給する置換流体供給部を有するようにしても良い。こうすれば、燃料電池スタックの内部のガスを他のガスで行うより確実にパージすることができる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを前記燃料電池スタックに再供給するための循環流路と、前記再供給の供給圧を生成する循環ポンプとを備え、
前記残燃料ガス貯蔵部は、前記循環流路に並列に接続された残燃料貯留ガスタンクを有し、
前記置換流体供給部と前記燃料電池スタックと前記残燃料貯留ガスタンクとは、順に直列に接続されており、
前記燃料ガス供給部は、前記循環ポンプによって前記残燃料貯留ガスタンクの内部の圧力を減圧し、前記減圧によって前記置換流体供給部から前記燃料電池スタックに前記置換流体を導入するようにしても良い。
【００１０】
こうすれば、燃料ガスの循環に使用する循環ポンプを有効活用してパージシステムを構成することができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例２または３に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給中に前記減圧状態を発生させるようにしても良い。こうすれば、燃料電池スタックからの残燃料ガスの排気を抑制することができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例２ないし４のいずれかに記載の制御装置であって、
前記置換流体は、前記燃料電池スタックの発電によって生成された生成水を利用するようにしても良い。こうすれば、燃料電池スタック内部の燃料ガスの流路を洗浄することができる。
【００１３】
なお、本発明は、燃料電池システム運転方法、燃料電池システム、燃料電池搭載車両その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．本発明の実施例における燃料電池の停止起動操作：
Ｃ．変形例：
【００１５】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例の燃料電池システム１０の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給系統４００と、燃料電池スタック１００に燃料ガスとしての燃料ガスを循環させる燃料ガス循環系統３００と、燃料ガス循環系統３００に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統２００とを備えている。制御部５００は、燃料ガス供給系統２００、燃料ガス循環系統３００、および空気供給系統４００を制御する。
【００１６】
燃料電池スタック１００は、燃料電池セルを複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池セルの各々は、空気流路４１２と燃料ガス流路３１２と膜電極接合体１１０とを内部に備える。図１には、単層だけ構成を概念的に図示してある。
【００１７】
空気供給系統４００は、燃料電池内空気流路４１２に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統４００は、外気を吸入するブロワ４２０と、吸入された空気を加湿する加湿器４３０と、この加湿された空気を空気流路４１２に供給する加湿空気供給配管４１１と、空気流路４１２から排気するための排気管４１３とを備える。
【００１８】
燃料ガス供給系統２００は、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素タンク２０１と、水素タンク２０１から燃料ガス循環系統３００に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給配管２０２と、燃料ガス循環系統３００への燃料ガスの供給を制御する調整バルブＶ１と、燃料電池スタック１００から燃料ガスをパージする際に燃料ガスを供給するためのパージ用燃料ガス供給配管２０３と、パージする際の燃料ガスの供給を制御する調整バルブＶ１０と、を備えている。
【００１９】
燃料ガス循環系統３００は、燃料ガス循環系統３００の内部に燃料ガスを循環させるための循環ポンプ３５０と、循環ポンプ３５０から吐出された燃料ガスを燃料ガス流路３１２に供給する燃料ガス供給配管３１１と、燃料ガス流路３１２から発電時の生成水を含んだ燃料ガスを気液分離部３６０に供給する排ガス配管３１３と、水と燃料ガスを分離して帰還ガス配管３１４を介して循環ポンプ３５０に燃料ガスを供給する気液分離部３６０と、開閉バルブＶ５と、排水バルブＶ９とを備える。循環ポンプ３５０には、排気バルブＶ２が接続されている。
【００２０】
燃料ガス循環系統３００は、さらに、燃料電池スタック１００で生成された生成水を貯留する水タンク３７０と、気液分離部３６０で分離された生成水を水タンク３７０に供給する生成水供給管３３１と、燃料電池スタック１００から燃料ガスをパージするために燃料電池スタック１００に生成水を供給する生成水供給管３３２と、２つの開閉バルブＶ７、Ｖ８と、を備えている。なお、本実施例では、水タンク３７０は、特許請求の範囲における「置換流体供給部」に相当する。
【００２１】
燃料ガス循環系統３００は、さらに、発電停止時に燃料電池スタック１００からパージされたパージガスを貯留するための水素サブタンク３８０と、水素サブタンク３８０にパージガスを供給するためのパージガス供給管３２１と、水素サブタンク３８０から循環ポンプ３５０にパージガスを帰還させるためのパージガス帰還管３２２とを備えている。なお、本実施例では、水素サブタンク３８０は、特許請求の範囲における「残燃料貯留ガスタンク」に相当する。
【００２２】
Ｂ．本発明の実施例における燃料電池の停止起動操作：
図２は、本発明の実施例における燃料電池システム１０の停止起動シーケンスのルーチンを示すフローチャートである。ステップＳ１００では、燃料電池システム１０は、発電状態である。すなわち、燃料電池スタック１００に反応ガスが供給され、燃料電池スタック１００が電力を出力している状態である。
【００２３】
図３は、本発明の実施例における発電中の燃料電池システム１０の状態を示す説明図である。この図において、太線は、反応ガスが流れている配管を示している。具体的には、制御部５００は、調整バルブＶ１と開閉バルブＶ５とを開き、水素タンク２０１から燃料ガス供給配管２０２、３１１を介して燃料電池スタック１００に燃料ガスを供給する。さらに、制御部５００は、開閉バルブＶ６を開き、燃料電池スタック１００から排出された燃料ガスを排ガス配管３１３と気液分離部３６０とを経由して循環ポンプ３５０に帰還させる。
【００２４】
さらに、制御部５００は、開閉バルブＶ８を開き、気液分離部３６０で分離された生成水を水タンク３７０に供給する。制御部５００は、水タンク３７０の満水後においては排水バルブＶ９を開いて余剰の生成水を外部に排出する。一方、制御部５００は、ブロワ４２０と加湿器４３０とを作動させ、ブロワ４２０から吸入された空気を加湿器４３０で加湿させて燃料電池スタック１００に供給する。
【００２５】
ステップＳ２００では、制御部５００は、停止指令を受信する。ステップＳ３００では、制御部５００は、停止指令の受信に応じて反応ガスの供給を停止する。具体的には、制御部５００は、図４に示されるように、調整バルブＶ１、排気バルブＶ２、開閉バルブＶ６、Ｖ８、および排水バルブＶ９を閉じて反応ガスと生成水の流れを停止させる。
【００２６】
ステップＳ４００では、制御部５００は、水素サブタンク３８０の内部を減圧させる。具体的には、制御部５００は、図５に示されるように、排気バルブＶ２と開閉バルブＶ３とを開き、循環ポンプ３５０を作動させて水素サブタンク３８０の内部から燃料ガスを吸引する。制御部５００は、吸引の完了に応じて、排気バルブＶ２と開閉バルブＶ３とを閉じる。なお、排気バルブＶ２から排出された燃料ガスは、水素貯蔵合金（図示せず）や別途装備されたタンク（図示せず）に貯蔵するように構成することが好ましい。
【００２７】
ステップＳ５００では、制御部５００は、燃料電池スタック１００に水タンク３７０からの生成水を注水して燃料電池スタック１００から燃料ガスをパージする。具体的には、制御部５００は、図６に示されるように、３つの開閉バルブＶ４、Ｖ７、Ｖ８と調整バルブＶ１０とを開いて、燃料電池スタック１００から水素サブタンク３８０に燃料ガスを移送する。
【００２８】
この移送は、減圧された水素サブタンク３８０の内部圧力によって、順に直列に接続された水タンク３７０と燃料電池スタック１００と水素サブタンク３８０とにおいて、水タンク３７０に貯留された生成水を燃料電池スタック１００に注水することによって行われる。この際、燃料ガスの移送によって水タンク３７０や気液分離部３６０の減圧が生じないように調整バルブＶ１０を介して水素タンク２０１から燃料ガスが供給される。
【００２９】
このように、燃料電池スタック１００から燃料ガスをパージするのは、燃料電池スタック１００の内部に反応ガスが残留した状態で放置すると、クロスリークによる反応ガスの直接燃焼によって膜電極接合体１１０が損傷する可能性があるからである。さらに、本願発明者の解析と実験とによれば、燃料電池システム１０の停止状態における燃料電池スタック１００の注水は、膜電極接合体１１０が含有するアイオノマの劣化が生じた場合に、その劣化物質を膜電極接合体１１０から取り除く効果が確認された。
【００３０】
ステップＳ６００では、制御部５００は、２つの開閉バルブＶ３、Ｖ５と、排水バルブＶ９を開いて水素サブタンク３８０に貯蔵された燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給する。水素サブタンク３８０に貯蔵された燃料ガスを有効利用するためである。具体的には、制御部５００は、図７に示されるように、３つの開閉バルブＶ３、Ｖ５、Ｖ９とを開いて、水素サブタンク３８０から燃料電池スタック１００にパージガスを供給する。
【００３１】
このように、本実施例では、燃料電池スタック１００から燃料ガスをパージすることができるのでクロスリークによる膜電極接合体１１０の損傷を抑制することができる。さららに、本実施例では、膜電極接合体１１０が含有するアイオノマの劣化物質を膜電極接合体１１０から取り除くことができるという利点もある。この利点は、水タンク３７０に貯留される残留ガスの置換用流体としての生成水が停止と起動の度に、その一部が入れ替えられるので、効果の維持が確保されているという優位な点も有する。
【００３２】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。特に、上記各実施例における構成要素中の独立請求項に記載された要素以外の要素は、付加的な要素なので適宜省略可能である。さらに、たとえば以下のような変形例も実施可能である。
【００３３】
Ｃ−１．上述の実施例では、水素サブタンク３８０の減圧は、循環路内部の燃料ガスを排出することによって実現されているが、たとえば燃料電池の作動中に減圧状態を発生させるようにしても良い。こうすれば、燃料電池スタックからの残燃料ガスの排気を抑制することができる。
【００３４】
Ｃ−２．上述の実施例では、燃料ガスの循環ポンプを利用して減圧状態を発生させているが、たとえば別系統の減圧装置を設けて減圧状態を発生させるようにしても良い。ただし、上述の実施例は、燃料ガスの循環に使用する循環ポンプを有効活用して簡易な構成を実現することができるという利点を有している。
【００３５】
Ｃ−３．上述の実施例では、膜電極接合体を有する固体高分子型燃料電池に本願発明を適用した構成が開示されているが、これに限られず他の種類の燃料電池にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例の燃料電池システム１０の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施例における燃料電池システム１０の停止起動シーケンスのルーチンを示すフローチャート。
【図３】発電中の燃料電池システム１０の状態を示す説明図。
【図４】反応ガス停止状態の燃料電池システム１０の状態を示す説明図。
【図５】水素サブタンク減圧中の燃料電池システム１０の状態を示す説明図。
【図６】燃料電池スタック注水中の燃料電池システム１０の状態を示す説明図。
【図７】燃料電池スタック排水中の燃料電池システム１０の状態を示す説明図。
【符号の説明】
【００３７】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…膜電極接合体
２００…燃料ガス供給系統
２０１…水素タンク
２０２…燃料ガス供給配管
２０３…パージ用燃料ガス供給配管
３００…燃料ガス循環系統
３１１…燃料ガス供給配管
３１２…燃料ガス流路
３１３…排ガス配管
３１４…帰還ガス配管
３２１…パージガス供給管
３２２…パージガス帰還管
３３１…生成水供給管
３３２…生成水供給管
３５０…循環ポンプ
３６０…気液分離部
３７０…水タンク
３８０…水素サブタンク
４００…空気供給系統
４１１…加湿空気供給配管
４１２…燃料電池内空気流路
４１２…空気流路
４１３…排気管
４２０…ブロワ
４３０…加湿器
５００…制御部
Ｖ１、Ｖ１０…調整バルブ
Ｖ２…排気用バルブ
Ｖ２…開閉バルブ
Ｖ３…開閉バルブ
Ｖ４…開閉バルブ
Ｖ６…開閉バルブ
Ｖ９…排水バルブ
【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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【図７】
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