JP2005190744A - 燃料電池システム及び燃料電池の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寒冷地等の低温環境下においても、凍結を防止して燃料電池を迅速に起動できる燃料電池システム及び燃料電池の起動方法を提供する。
【解決手段】燃料として水素ガス及び空気中の酸素ガスをアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池（燃料電池スタック）２と、前記カソードに不飽和炭化水素ガスを供給する不飽和炭化水素ガス供給手段（エチレンガス供給手段）６と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、寒冷地などの低温環境下においても、迅速に起動できる燃料電池システム及び燃料電池の起動方法に関する。

燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの１つである固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する固体高分子電解質膜を使用して、固体高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。

上記固体高分子型燃料電池の作動温度は、一般に、７０[℃]〜８０[℃]の範囲であるが、燃料電池が設置された環境下では、燃料電池の起動時の温度から作動温度とするために長時間を要する場合がある。

そこで、低温から燃料電池を起動する方法の開発が種々行われており、例えば、外部電源から電力を供給して燃料電池をヒーターで加熱する方法が開発されている。また、燃料電池を外部回路に接続して負荷をかけて発電させて、それに伴う自己発熱により燃料電池の発電部全体を加熱する方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開２０００−５１２０６８号公報（第１６頁、第３図）

しかしながら、従来のヒーターで加熱する方法では、外部電源から電力を供給するため、燃料電池システム自体が大型化してしまうだけでなく、燃料電池システムのエネルギー効率が低下していた。

また、従来における、燃料電池を外部回路に接続して負荷をかけ発電させ、それに伴う自己発熱により燃料電池の発電部全体を加熱する方法によれば、自己発電により電力を供給するため、エネルギー効率は良くなるが、温度が氷点下である低温環境下では燃料電池での反応が停止して発電が停止してしまう可能性があった。これは、燃料電池での発電に伴い水が生成されるが、燃料電池が氷点下等の低温環境下に置かれている場合は、燃料電池内の生成水が凍結して反応ガス流路を閉塞してしまうことによるものである。生成水の凍結により反応ガス流路が閉塞すると、燃料電池内への燃料ガスの供給が不十分となり、この結果、燃料ガス不足により電気化学反応が進行せず、発電が停止して自己発熱が停止して、燃料電池システムが動作しなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池システムは、燃料として水素ガス及び空気中の酸素ガスをアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、前記カソードに不飽和炭化水素ガスを供給する不飽和炭化水素ガス供給手段と、を備えることを要旨とする。

また、本発明の燃料電池の起動方法は、燃料電池の温度が氷点下で起動する際に、燃料電池のアノードに水素ガスを供給すると共にカソードに不飽和炭化水素ガスを供給する不飽和炭化水素ガス供給行程を含むことを要旨とする。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池が氷点下の環境下で燃料電池を起動する際、カソードに不飽和炭化水素ガスを供給し発電に伴う水の生成を無くし、発電の停止並びにそれに伴う自己発熱の停止を回避して、ヒーター等の温度調節手段を設置することなく低温環境下での起動性を高めることができる。

本発明の燃料電池の起動方法によれば、酸化剤ガスとして不飽和炭化水素ガスを用いることにより、カソードにおける水の生成が無くなるため、燃料電池の温度が氷点下であっても生成水の凍結による供給ガス流路の閉塞が無く、発電の停止に陥ることを防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム及び燃料電池の起動方法について、第１実施形態及び第２実施形態を用いて説明する。

＜第１の実施形態（図１、図２）＞
本実施形態では、燃料電池システムの構成及び燃料電池の起動方法について、図１及び図２を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの基本的な構成を示す図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池として燃料電池スタック２を備えており、燃料電池スタック２の上流側に、燃料となる水素ガス及び空気中の酸素ガスをそれぞれ供給する水素ガス供給手段３及び空気供給手段としての酸素ガス供給手段４を接続すると共に、不活性ガス供給手段としての窒素ガス供給手段５及び不飽和炭化水素ガス供給手段としてのエチレンガス供給手段６を接続している。また、燃料電池スタック２には、燃料電池スタックを最適な作動温度とするための温度調節手段７が接続されている。

燃料電池としての燃料電池スタック２は、固体高分子電解質の両面側に各々アノード電極とカソード電極を形成した膜電極接合体（MEA）８を有しており、膜電極接合体８の両面側にアノード流路９及びカソード流路１０を各々形成し、その両面側を一対のセパレータで挟んで構成した単セル（単位燃料電池）を備える。また、単セルに冷却板１１を隣接して配置し、単セルと冷却板１１とを複数個積層して、燃料電池スタック２の温度を制御している。なお、図１に示す燃料電池スタック２では、説明の都合上、単セルの構成を示したものである。さらに、燃料電池スタック２には出力回路１２が接続され、出力回路１２に、負荷１３と、負荷スイッチ１４とが設置されている。なお、負荷１３は、図示しない動力源、又は後述する酸素ガス供給手段４としてのコンプレッサ、温度調節手段７としての冷却液循環ポンプの駆動による負荷である。

水素ガス供給手段３は、燃料である水素ガスを燃料電池スタック２に供給する手段である。水素ガス供給手段３は、水素ガスを貯留する水素ガスタンク１５と、一端が水素ガスタンク１５に接続されると共に他端が燃料電池スタック２のアノード流路９に接続された水素ガス供給配管１６と、水素ガス配管１６上に設置された遮断弁１７と、を備える。

空気供給手段としての酸素ガス供給手段４は、燃料である空気中の酸素ガスを燃料電池スタック２に供給する手段である。酸素ガス供給手段４は、図示しない酸素ガスボンベと、一端が酸素ガスボンベに接続されると共に、他端が燃料電池スタック２のカソード流路１０に接続された酸素ガス供給配管１８と、酸素ガス供給配管１８に設置されたコンプレッサ１９と、コンプレッサ１９の下流側に設置された遮断弁２０と、を備える。

不活性ガス供給手段としての窒素ガス供給手段５は、燃料電池スタック２の起動時や停止時に、アノード流路９やカソード流路１０に残留しているガスを排気するための手段である。窒素ガス供給手段５は、パージ用の窒素ガスを貯留する窒素ガスタンク２１と、一端が窒素ガスタンク２１に接続されると共に、他端が水素ガス供給手段３の水素ガス供給配管１６及び酸素ガス供給手段４の酸素ガス供給配管１８に接続された窒素ガス供給配管２２と、窒素ガス供給配管２２上に設置された２つの遮断弁２３,２４と、を備える。

不飽和炭化水素ガス供給手段としてのエチレンガス供給手段６は、燃料電池の起動時に、燃料電池スタック２の温度が氷点下であるときに、酸化剤ガスとしてエチレンガスを燃料電池スタック２のカソード流路１０に供給し、燃料電池スタック２内での水の凍結を防止するための手段である。エチレンガス供給手段６は、エチレンガスボンベ２５と、一端がエチレンガスボンベ２５に接続されると共に他端が酸素ガス供給手段４の遮断弁２０後流側の酸素ガス供給配管１８に接続されたエチレンガス供給配管２６と、エチレンガス供給配管２６上に設置された遮断弁２７と、を備える。なお、図１に示す燃料電池システム１では、不飽和炭化水素ガスとしてエチレンガスを使用したが、不飽和炭化水素ガスはエチレンガスに限定されるものではない。例えば、不飽和炭化水素ガスとして、鎖式の不飽和炭化水素ガス又は環式の不飽和炭化水素ガスが挙げられるが、特に、鎖式の不飽和炭化水素ガスを用いることが好ましい。鎖式の不飽和炭化水素ガスは、主鎖の炭素数が４以下である鎖式の不飽和炭化水素ガスを使用することが好ましい。より好ましくは、主鎖中の炭素数が少ないアセチレンガスあるいはプロピンガス等が挙げられる。さらに、エチレンガスは、既に自動車等の燃料として使用されているため、既存のボンベ等を利用できることから既存の設備を有効活用することができる。さらに、不飽和炭化水素ガスは、燃料電池スタック２の温度が氷点下であるときのみに使用されるため、その貯留量は水素ガスや窒素ガスと比較して非常に少なくても良く、エチレンガスボンベとして、脱着式の小型ボンベを使用することが可能である。

温度調節手段７は、燃料電池スタック２のカソード流路１０に温度センサ２８を設置すると共に、燃料電池スタック２内の冷却板１１を循環して接続された循環配管２９と、循環配管２９上に設けられた燃焼器３０と、ラジエータ３１と、冷却液循環ポンプ３２と、を順次備えている。なお、温度センサ２８は、燃料電池スタック２内の最も温度が上昇しにくい部位に設置することが好ましく、図１では、カソード流路１０に設置している。温度調節手段７では、温度センサ２８により検出された温度情報に基づき、低温起動時には燃焼器３０で冷却液を加熱し、加熱して温度が上昇した冷却液は、冷却液循環ポンプ３２により冷却板１１に供給され、燃料電池スタック２を加熱する。

上記燃料電池スタック２下流側のカソード流路１０には、酸素ガス排気管３３が接続され、酸素ガス排気管３３から分岐して分岐配管３４が接続され、分岐配管３４は燃焼器３０に連結している。そして、酸素ガス排気管３３及び分岐配管３４に各々遮断弁３５,３６が設置されている。また、燃料電池スタック２のアノード流路９には水素ガス排気管３７が接続され、水素ガス排気管３７に遮断弁３８が設置されている。さらに、酸素ガス供給手段４のコンプレッサ１９後流側に、酸素ガス供給配管１８から分岐して分岐配管３９が接続され、分岐配管３９は燃焼器３０に連結し、分岐配管３９には遮断弁４０が設けられている。

なお、燃料電池の起動時には、燃料電池スタック２内での生成水の凍結を防止するために、カソード流路１０にエチレンガスを供給するが、カソード流路１０にエチレンガスを供給すると、カソード流路１０から排気されるガスは可燃性のエチレンガスあるいはエチレンガスの還元により生成したエタンガスである。カソード流路１０から排気された可燃性ガスは、燃焼器３０に供給されると共に、コンプレッサ１９により加圧された空気も同様に燃焼器３０に供給され、燃焼器３０で可燃性ガスを燃焼し、燃焼熱により冷却水を加熱して温度が上昇した冷却水はラジエータ３１を介して冷却液循環ポンプ３２の駆動により冷却板１１に供給される構成である。

次に、上記構成の燃料電池システムの起動方法について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。

燃料電池の起動操作を行う前は、燃料電池システム１内の全ての遮断弁１７,２４,２３,２０,２７,４０,３６,３５,３８を閉じておく。

燃料電池を起動する際、まず、不活性ガス供給手段（窒素ガス供給手段）５の遮断弁２３,２４及びカソード流路下流側の遮断弁３５及びアノード流路下流側の遮断弁３８を開き、窒素ガスをアノード流路９とカソード流路１０とに供給し、各流路９,１０に残存するガスをパージする（第１のパージ行程）。一定時間経過後、再び遮断弁２３,２４,３５,３８を閉じて、パージを完了する（ステップＳ１０１）。パージが完了した時点で、アノード流路９とカソード流路１０とに窒素ガスが充填される。

次に、ステップＳ１０２において、温度センサ２８により燃料電池スタック２の温度を検出し、「燃料電池スタックの温度が氷点下であるか否か？」を判定する。

ステップＳ１０２の判定により、燃料電池スタック２の温度が氷点下でない場合には（判定結果「NO」）、ステップＳ１１１に進み、遮断弁１７,２０,３５,３８を開きアノード流路９に水素ガスを供給し、カソード流路１０に空気を供給して、ステップＳ１１２に進み、通常運転時の動作が進行する。なお、燃料電池システム１の通常運転時の動作については後述する。

一方、ステップＳ１０２の判定により、燃料電池スタック２の温度が氷点下である（判定結果「YES」）場合は、ステップＳ１０３に進み、遮断弁１７,２７,４０,３６,３８を開き、アノード流路９に水素ガスを供給すると共に、カソード流路１０にエチレンガスを供給し、さらに燃焼器３０に空気を供給する（不飽和炭化水素ガス供給行程）。このステップＳ１０３により、燃焼器３０に空気及びエチレンガスが供給され、燃焼器３０でエチレンガスの燃焼が開始する。

続いて、ステップＳ１０４において、負荷スイッチ１４を閉じて負荷１５に電力を供給する。この時、燃料電池スタック２のカソードでは下記の化学式（１）で示す反応が進行し、アノードでは下記の化学式（２）で示す反応が進行する。

[化学式]
Ｃ_２Ｈ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｃ_２Ｈ_６ …式（１）
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …式（２）
上記の化学式（１）及び（２）に示す反応により、燃料電池スタック２に起電力が生じ、負荷に電力が供給される。燃料電池スタック２では、発電時に自己発熱して燃料電池スタック２の温度が上昇する。

ステップＳ１０５において、温度調節手段７の冷却液循環ポンプ３２を作動させ、冷却液を循環させて、燃料電池スタック２の冷却板１１に冷却液を流通させる。この時、燃焼器３０では、化学式（１）に示す反応で生成したエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が燃焼し、冷却液が加熱され、燃料電池スタック２の温度が加速的に上昇する。

続いて、ステップＳ１０６において、温度センサ２８により燃料電池スタック２の温度を検出し、「燃料電池スタック２の温度が、氷点を超えたか否か？」を判定する。

ステップＳ１０６の判定により、燃料電池スタック２の温度が、氷点を超えた（判定結果「YES」）場合は、ステップＳ１０７において、負荷スイッチ１４を開き負荷１５への電力供給を停止する。そして、ステップＳ１０８において、不飽和炭化水素ガス供給手段６の遮断弁２７を閉じ、エチレンガスの供給を停止する。

続いて、窒素ガス供給手段５の遮断弁２３を開き、窒素ガスをカソード流路１０に導入し、カソード流路１０内に残存するエチレンガスをパージする（第２のパージ行程）。一定時間が経過した後、窒素ガス供給手段５の遮断弁２３と、カソード流路１０下流側の燃焼器３０に接続した分岐配管３４に設けられた遮断弁３６を閉じて、窒素ガスの供給を停止する（ステップＳ１０９）。

その後、ステップＳ１１０において、通常運転時の動作に切り替えるため、遮断弁４０を閉じ、一方、遮断弁２０,３５を開き、燃焼器３０からカソード流路１０に空気を供給する（空気供給行程）。カソード流路１０に空気を供給した後、負荷スイッチ１４を閉じて負荷１３に電力を供給し、ステップＳ１１２において、燃料電池システム１の通常運転を行う。ステップＳ１１２の燃料電池システム１の通常運転時に、燃料である水素ガスは、水素ガスタンク１５から遮断弁１７を介してアノード流路９に供給され、アノードにおいて下記の式（３）で示す反応が進行する。一方、発電に要する燃料となる空気中の酸素ガスは、コンプレッサ１９から遮断弁２０を介してカソード流路１０に供給され、カソードにおいて下記の式（４）の反応が進行する。

[化学式]
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …式（３）
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ …式（４）
上記の式（３）及び式（４）で示した反応により、燃料電池スタック２に起電力が生じ、負荷１５に電力が供給される。なお、発電時の発熱により、燃料電池スタック２の温度が上昇するため、燃料電池スタック２に設置した温度センサ２８により温度情報を検出して、検出した温度情報に基づきラジエータ３１で冷却液の温度を調節し、冷却液循環ポンプ３２の駆動により、温度調整後の冷却液を冷却板１１に供給する。

本実施形態によれば、燃料電池を起動する際、燃料電池スタックの温度が氷点下である場合には、カソード流路に不飽和炭化水素ガスを供給して化学反応したため、燃料電池の通常運転時に生成される水を無くして生成水の凍結を防止し、継続的に酸化剤ガスを供給することができる。この結果、生成水の凍結により発電が停止することなく、容易に燃料電池を起動することができる。また、燃料電池スタックの温度が氷点を超えた時点で、不飽和炭化水素ガスから空気等の他の酸化剤ガスに切り替え、酸化剤ガスをカソード流路に供給したため、不飽和炭化水素ガスの使用量を減らして、環境への負荷を軽減することができる。

また、本実施形態では、ステップＳ１０１にて、アノード流路９及びカソード流路１０に窒素ガスを供給して、アノード流路９及びカソード流路１０に残存する酸素を予めパージしている。このため、後述のステップＳ１０３及びステップＳ１１１により、エチレンガスをカソード流路に供給し、あるいは、水素ガスをアノード流路に供給した場合においても、各流路に残存する酸素によるエチレンガスや水素ガスの燃焼を防止することができ、この結果、燃料電池スタックの劣化を防ぐことができる。また、ステップＳ１０９にて、カソード流路１０を予め窒素ガスを導入して窒素パージしたため、カソード流路にエチレンガスが残存することがないため、ステップＳ１１０において、カソード流路１０に空気を供給した場合においてもエチレンガスの燃焼を防ぐことができる。

さらに、本実施形態では、燃料電池の起動時にカソードに不飽和炭化水素ガスを供給するが、カソード流路から排気される可燃性のガスを燃焼して、燃料電池の加熱源として有効活用したため、燃料電池の起動性を更に高めることができる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック２に供給する燃料として、水素ガスと空気中の酸素ガスを供給したものであるが、これらのガスに限定されるものではない。例えば、アノードに水素ガス以外のガスを供給し、カソードに空気以外の酸化剤ガスを供給しても良く、燃料電池スタック２に供給された燃料ガスが電気化学反応を起こし、水を生成する反応である場合に、本実施形態に係る燃料電池システムを適用することにより、生成する水の凍結を防止し、燃料電池を迅速に起動することができる。

＜第２実施形態（図３、図４）＞
本実施形態では、省スペース化に対応した構成とした本発明の実施の形態に係る燃料電池システム及び燃料電池の起動方法について、図３及び図４を用いて説明する。

図３は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す燃料電池システム４１が、前述した第１実施形態の図１に示した燃料電池システム１と異なる点は、図１に示す窒素ガス供給手段５を設置することなく、燃料電池スタック２の起電力を測定する電圧モニター４２を設けた点にある。なお、図１に示す燃料電池システム１と同一箇所には同一符号を使用して、その説明は省略する。

本実施形態に係る燃料電池システム４１では、燃料電池スタック２の温度が氷点以下である時に、アノード流路９に水素ガスを供給するが、カソード流路１０に酸素ガスが残存している場合には、カソード及びアノードにおいて、以下の式（５）及び式（６）で示す反応が進行する。

[化学式]
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …式（５）
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ …式（６）
この時、電圧モニター４２により燃料電池スタック１の起電力を観測することにより、カソード流路１０に酸素ガスが残存しているか否かを判定することができる。しかし、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム４１では、膜電極接合体８として固体高分子電解質膜を適用したため、ガスが固体高分子電解質膜をわずかに透過して、カソード流路に残存する酸素ガスが徐々に消費される。酸素ガスが消費されるに伴い、電圧モニター４２により観測される電圧、つまり起電力が低下する。このため、電圧モニター４２により観測した電圧を監視して、燃料電池スタック２の単セル当りの電圧が、予め規定した規定値以下であれば、カソード流路１０に酸素ガスがほとんど残存しないものと判定できる。これに対して、酸素ガスが完全に消費されて、カソード流路１０に酸素ガスが残存していない場合は、アノード流路９とカソード流路１０との水素分圧の差に起因して起電力が生じ、電圧モニター４２で観測される電圧は０[Ｖ]にはならない。このため、規定値は０[Ｖ]より大きい値とする必要があるが、規定値が小さすぎる場合は、次のステップに移行するまでに時間がかかりすぎてしまう。また、逆に規定値が大きすぎる場合は、残存する酸素ガスの量が多すぎてしまい、カソード流路１０にエチレンガスを供給した場合、カソード流路１０に残存する酸素ガスによりエチレンガスが燃焼してしまうというおそれがある。このような理由から、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムでは、規定値を単セル当り０．２[Ｖ]と設定した。なお、ここでは規定値を０．２[Ｖ]と設定したが、規定値は、必ずしも０．２[Ｖ]とする必要はなく、使用する燃料電池システムに応じて変更することができる。

なお、燃料電池スタックの温度が氷点下である時に、燃料電池スタックに水素ガスを供給するが、酸素ガスを消費している間は、前述したように、カソードで式（６）に示す反応が起こり、水が生成する。生成した水は、凍結するおそれがあるが、水素供給時に生成する水の量は少量であるため、カソード流路１０を完全に閉塞してしまうまでに至ることはない。

また、燃料電池スタック２の温度が氷点下であり、水素ガスをアノード流路９に供給して、燃料電池スタック２の電圧が単位セル当り規定値（０．２[V]）以下である場合は、エチレンガス供給手段６からエチレンガスを燃料電池スタック２のカソード流路１０に供給する。すると、カソード及びアノードにて、以下の式（７）及び式（８）で示す反応が進行し、燃料電池スタック２の温度が上昇する。

[化学式]
Ｃ_２Ｈ_４＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｃ_２Ｈ_６ …式（７）
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …式（８）
そして、燃料電池スタック２の温度が氷点を超えた場合に、カソード流路へのエチレンガス供給を停止し、電圧モニター４２により電圧を監視する。固体高分子電解質では、わずかにガスを透過するため徐々にカソード流路１０に残存しているエチレンガスが消費され、それに応じ電圧モニター４２で観測される電圧が低下する。このため、電圧モニター４２で電圧を監視して、燃料電池スタック２の単セル当りの電圧が規定値以下である場合は、カソード流路１０にエチレンガスがほとんど残存していないと判定することができる。なお、規定値は、前述したような理由から、ここでは単セル当り０．２[Ｖ]と規定したが、この値に限定されるものではなく、使用する燃料電池システムに応じてその値を変えても良い。

次に、上記構成の燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動操作を図４に示すフローチャートを参照して説明する。

燃料電池の起動操作を行う前は、燃料電池システム１内の全ての遮断弁１７,２４,２３,２０,２７,４０,３６,３５,３８を閉じておく。

燃料電池を起動する際、まず、ステップＳ２０１において、温度センサ２８により燃料電池スタック２の温度を検出し、「燃料電池スタックの温度が氷点下であるか否か？」を判定する。

ステップＳ２０１の判定により、燃料電池スタック２の温度が氷点下でない場合は（判定結果「NO」）、ステップＳ２１２に進み、遮断弁１７,２０,３５,３８を開きアノード流路９に水素ガスを供給し、カソード流路１０に空気を供給して、ステップＳ２１３に進み、通常運転時の動作が進行する。なお、燃料電池システム１の通常運転時の動作は、第１実施形態で説明した動作と同様であるため、その説明は省略する。

一方、ステップＳ２０１の判定により、燃料電池スタック２の温度が氷点下である（判定結果「YES」）場合は、ステップＳ２０２に進み、遮断弁１７,３８を開き、アノード流路９に水素ガスを供給する。

アノード流路９に水素ガスを供給した後、ステップＳ２０３において、「燃料電池スタック２の電圧が、単セル当り０．２[Ｖ]以下であるか否か？」を判定する。

ステップＳ２０３の判定により、燃料電池スタック２の電圧が、単セル当り０．２[Ｖ]以下である（判定結果「YES」）場合は、ステップＳ２０４に進み、遮断弁２７、３６、４０を開き、カソード流路１０にエチレンガスを供給し、さらに燃焼器３０には空気を供給する。このステップＳ２０４により、燃焼器３０に空気とエチレンガスとが供給され、燃焼器３０にてエチレンガスの燃焼が開始する。

続いて、ステップＳ２０５において、負荷スイッチ１４を閉じ負荷１３に電力を供給する。この時、燃料電池スタック２のアノード及びカソードにおいて各反応が進行し、燃料電池スタック２に起電力が生じて、負荷１３に電力が供給される。燃料電池スタック２では、発電時に自己発熱して燃料電池スタック２の温度が上昇する。

ステップＳ２０６において、温度調節手段７の冷却液循環ポンプ３２の作動により冷却液を循環させて、燃料電池スタック２の冷却板１１に冷却液を流通させる。この時、燃焼器３０では、エタンが燃焼し、冷却液が加熱され、燃料電池スタック２の温度が加速的に上昇する。

続いて、ステップＳ２０７において、温度センサ２８により燃料電池スタック２の温度を検出し、「燃料電池スタック２の温度が、氷点を超えたか否か？」を判定する。

ステップＳ２０７の判定により、燃料電池スタック２の温度が、氷点を超えない（判定結果「NO」）場合は、繰り返して「燃料電池スタック２の温度が、氷点を超えたか否か？」の判定が行われ、この判定により、燃料電池スタック２の温度が氷点を超えた（判定結果「YES」）場合は、ステップＳ２０８において、負荷スイッチ１４を開き負荷１３への電力供給を停止する。そして、ステップＳ２０９において、エチレンガス供給手段６の遮断弁２７を閉じて、エチレンガスの供給を停止する。この時、カソード流路にはエチレンガスが残存しているため、燃料電池スタック２には起電力が生じて、電圧モニター４２により起電力を観測する。

続いて、ステップＳ２１０において、「燃料電池スタック２の電圧が、単セル当り０．２[Ｖ]以下であるか否か？」を判定する。

ステップＳ２１０の判定により、燃料電池スタック２の電圧が、単セル当たり０．２[Ｖ]以下でない（判定結果「NO」）場合は、繰り返して、燃料電池スタック２の電圧が単セル当たり０．２[Ｖ]以下であるか否かを判定する。燃料電池スタック２の電圧が、単セル当たり０．２[Ｖ]以下である（判定結果「YES」）場合は、ステップＳ２１１において、遮断弁４０を閉じると共に遮断弁２０,３５を開いて、空気の供給先を燃焼器３０からカソード流路１０に切り替える。

その後、ステップＳ２１３に進み、負荷スイッチ１４を閉じて、負荷１３に電力を供給して燃料電池システムの通常運転を行う。

前述した第１実施形態にける図１に示す燃料電池システム１では、燃料電池スタック２のアノード流路９及びカソード流路１０に残存するガスを窒素ガス等の不活性ガスによりパージして、燃料電池スタックの温度が氷点下である時に燃料として供給するエチレンガス等の不飽和炭化水素ガスの燃焼や爆発、あるいは水素ガスの燃焼、さらには燃料電池スタック２の劣化を回避していた。これに対し、本実施形態では、電圧モニター４２を設置し、電圧モニター４２により起電力を監視して、カソードに存在する酸素ガスや不飽和炭化水素ガスを消費して予め除去した上で、不飽和炭化水素ガスや水素ガスを供給することにより、不飽和炭化水素ガスの燃焼や爆発、あるいは水素ガスの燃焼を回避したものである。このため、図１に示す燃料電池システムにように、不活性ガスによるパージ機構を有さない場合においても、第１実施形態で示した燃料電池システムと同様の効果を得られるため、省スペース化を図ることができる。この結果、近年注目されている自動車用燃料電池システムや家庭用小型燃料電池システム等のように設置スペースが限られた場所であっても、本実施形態に係る燃料電池システムを設置することにより、寒冷地等の低温環境下においても供給ガス流路の閉塞を防止して、燃料電池の起動を容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態を説明する図であり、燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示す燃料電池システムの起動方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態を説明する図であり、燃料電池システムの構成を示す図である。 図３に示す燃料電池システムの起動方法の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム,
２…燃料電池スタック（燃料電池）,
３…水素ガス供給手段,
４…空気供給手段（酸素ガス供給手段）,
５…窒素ガス供給手段（不活性ガス供給手段）,
６…エチレンガス供給手段（不飽和炭化水素ガス供給手段）,
７…温度調節手段,
８…膜電極接合体,
９…アノード流路,
１０…カソード流路,
１１…冷却板,
１２…出力回路,
１３…負荷,
１４…負荷スイッチ,
１５…水素ガスタンク,
１６…水素ガス供給配管,
１７,２０,２３,２４,２７,３５,３６,３８,４０…遮断弁
１８…酸素ガス供給配管,
１９…コンプレッサ,
２１…窒素ガスタンク,
２２…窒素ガス供給配管,
２５…エチレンガスボンベ,
２６…エチレンガス供給配管（不飽和炭化水素ガス供給配管）,
２８…温度センサ,
２９…循環配管,
３０…燃焼器,
３１…ラジエータ,
３２…冷却液循環ポンプ,
３３…酸素ガス排気管,
３４…分岐配管,
３７…水素ガス排気管,
３９…分岐配管,
４１…燃料電池システム,
４２…電圧モニター,

Claims (12)

1. 燃料として水素ガス及び空気中の酸素ガスをアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、
   前記カソードに不飽和炭化水素ガスを供給する不飽和炭化水素ガス供給手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソードから排気されるガスの燃焼により発生する熱を利用して、前記燃料電池を加熱する温度調節手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記温度調節手段は、前記燃料電池から排気されるガスを燃焼する燃焼器と、前記燃焼器に導入され加熱された冷却液を前記燃料電池に循環させる冷却液循環ポンプと、を備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池のカソードに不活性ガスを供給して、前記カソードをパージする不活性ガス供給手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池から生じる起電力を観測する電圧モニターを設置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記不飽和炭化水素ガスは、炭素数が４以下の鎖式不飽和炭化水素ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池の温度が氷点下で起動する際に、燃料電池のアノードに水素ガスを供給すると共にカソードに不飽和炭化水素ガスを供給する不飽和炭化水素ガス供給行程を含むことを特徴とする燃料電池の起動方法。
8. 前記不飽和炭化水素ガス供給行程の後に、外部負荷に電力を供給して燃料電池の温度が氷点を超えた時点で、前記不飽和炭化水素ガスの供給を停止し、前記カソードに空気を供給する空気供給行程を含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池の起動方法。
9. 前記不飽和炭化水素ガス供給行程の前に、前記カソードに不活性ガスを供給して、カソードをパージする第１のパージ行程を含むことを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池の起動方法。
10. 前記空気供給行程の前に、前記カソードを不活性ガスによりパージする第２のパージ行程を含むことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池の起動方法。
11. 前記不飽和炭化水素ガス供給行程は、予めアノードに水素ガスを供給しておき、燃料電池の電圧が所定値以下に達した後に、カソードに不飽和炭化水素ガスを供給するものであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池の起動方法。
12. 前記空気供給行程は、不飽和炭化水素ガスの供給を停止して、前記燃料電池の電圧が所定値以下に達した後に、前記カソードに空気を供給するものであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の起動方法。
    
    
    

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