JP2005196984A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に、燃料電池内部の燃料ガス流通用溝内の空気を迅速に水素で置換させるようにして、起動時間の短縮を図る。
【解決手段】起動時に、水素供給系からの水素が燃料電池スタック１内部の水素流通用溝の全てを通過し、且つ、水素通過経路の燃料電池スタック１入口から出口までの距離が、通常運転時に比較して短くなるように、燃料電池スタック１に対する水素の供給状態を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであり、特に、起動時の炭素被毒を抑制し燃料電池の寿命を向上するための技術に関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池を用いた発電システムは、燃料となる水素及び空気を燃料電池を構成する各単位電池（セル）のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）に供給して電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。

燃料電池システムの運転開始（起動）に際しては、燃料ガス供給手段から燃料電池のアノード側に設けられた燃料ガス流通用溝内に燃料ガスである水素を供給すると共に、酸化剤ガス供給手段から燃料電池のカソード側に設けられた酸化剤ガス流通用溝内に酸化剤ガスである空気を供給することで、燃料電池での発電を開始するが、燃料電池システムの起動時に、アノード側の燃料ガス流通用溝内が十分に水素で満たされていない状態、すなわち燃料ガス流通用溝内に水素と空気が混在する状態ではアノード内で電位差が生じ、これに起因してカソード側の電解質膜上で炭素と水が反応して炭素腐食が発生する。このような炭素腐食は、特に燃料電池が高電位な状態にあるほど加速され、電解質膜の劣化を招く要因となるといった問題がある。

そこで、炭素腐食による電解質膜の劣化を防止することを目的に、燃料電池システムの起動時には固定抵抗を含むダミーの負荷回路を燃料電池に接続して、燃料電池電圧を所定の範囲に保つことが提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。

特許文献１記載の技術では、起動時に、ダミーの負荷回路を燃料電池に接続させると共に、このダミーの負荷回路を流れる電流を検知し、この電流値から燃料電池のアノード側への燃料ガスの供給状態を推定して、燃料電池のアノード側の燃料ガス流通用溝内に燃料ガスが行き渡ったと判断されたときに、ダミーの負荷回路に代えて通常の外部負荷を燃料電池に接続するようにしている。
特開平１０−２８４１０４号公報

ところで、起動時に以上のような制御を行う燃料電池システムでは、起動運転が完了して通常運転に移行するまでの所要時間が、アノード側のガス流通用溝内に水素が行き渡るまでの時間に大きく依存することになる。ここで、一般に、燃料電池に設けられる燃料ガス流通用溝は、各セルの内面において流路を折り返すなどして、ガスをセル面内でむらなく最大限に発電に用いられるような流路に形成されている。このため、特に流路の折り返し部分において残存する空気が滞留しやすい傾向にあり、このことが迅速なシステム起動を妨げる要因となっていた。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、起動時に燃料電池の燃料ガス流通用溝内に水素を迅速に行き渡らせて起動時間の短縮を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

本発明の燃料電池システムは、アノードとカソード間に電解質膜を挟持させてなる単位電池がセパレータを介して複数積層されて構成される燃料電池と、この燃料電池のアノードとセパレータ間に設けられた燃料ガス流通用溝に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池のカソードとセパレータ間に設けられた酸化剤ガス流通用溝に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備える。そして、起動時に、燃料ガス供給手段からの燃料ガスが燃料電池内部の燃料ガス流通用溝の全てを通過し、且つ、燃料ガス通過経路の燃料電池入口から出口までの距離が、通常運転時に比較して短くなるように、燃料電池に対する燃料ガスの供給状態を制御することを特徴としている。

本発明の燃料電池システムでは、起動時に、燃料電池に対する燃料ガスの供給状態を以上のように制御することによって、燃料ガス流通用溝内に水素が迅速に行き渡ることになる。

本発明の燃料電池システムによれば、起動時に燃料電池の燃料ガス流通用溝内に水素を迅速に行き渡らせることができ、起動時間の短縮を実現することができる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、例えば車両に搭載されて車両の駆動動力源として用いられる発電システムであり、発電を行う燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料ガスである水素を供給する水素供給系、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系、燃料電池スタック１の温度調整を行う冷却系、燃料電池スタック１を加湿するための加湿系を備える。この燃料電池システムは、水素供給系から燃料電池スタック１に燃料ガスとして水素を直接供給するダイレクト水素方式の燃料電池システムとして構成されている。

燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード（燃料極）と酸化剤ガスである空気が供給されるカソード（酸化剤極）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて単位電池である発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルがセパレータを介して多段積層された構造を有する。各発電セルのアノードとセパレータ間には、水素の流通経路となる水素流通用溝が設けられ、また、カソードとセパレータ間には、空気の流通経路となる空気流通用溝が設けられている。各発電セルのアノードでは、水素供給系から水素流通用溝に燃料ガスである水素が供給されることで、この供給された水素を水素イオンと電子に解離させる。アノードで解離した水素イオンは電解質を通り、また、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソードにそれぞれ移動する。各発電セルのカソードでは、空気供給系から空気流通用溝に供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。ここで、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜には、プラチナ触媒等の反応触媒が炭素を担体として表面に塗布形成され、これによりアノード（燃料極）やカソード（酸化剤極）が形成されている。

水素供給系は、水素貯蔵装置２に貯蔵された高圧水素を取り出して、これを調圧装置３によって所望の圧力に減圧し、さらに調湿器４によって所望の加湿状態に加湿した上で、燃料電池スタック１に設けられた水素流通用溝に供給する構成となっている。また、特に本実施形態の燃料電池システムにおいては、この水素供給系に第１乃至第３のバルブ５，６，７が設けられており、これら第１乃至第３のバルブ５，６，７の切り替えによって、燃料電池スタック１に対する水素の供給状態の制御、具体的には燃料電池スタック１に対する水素供給経路の切り替えが行えるようになっている。なお、この燃料電池スタック１に対する水素供給状態の制御については、詳細を後述する。

また、燃料電池スタック１から排出される排水素（アノード排ガス）の通過経路には燃焼器８が設けられている。この燃焼器８は、燃料電池スタック１での発電に用いられずに排出されたアノード排ガスを、外気導入によって燃焼させるものである。なお、この燃焼器８としては、例えば内部に燃焼触媒を有する触媒燃焼器が用いられる。触媒燃焼器は、構造がシンプルで且つ軽量であり、特に車両のように限られたスペースで重量軽減が求められるような環境で使用するには極めて好適である。

空気供給系は、空気ポンプ９の駆動により大気を取り込み、これを調圧装置１０によって所望の圧力に調整し、さらに調湿器１１によって所望の加湿状態に加湿した上で、燃料電池スタック１に設けられた空気流通用溝に供給する構成となっている。

冷却系は、冷媒ポンプ１２の駆動により冷媒貯蔵装置１３に貯蔵されたエチレングリコール溶液等の冷媒を燃料電池スタック１に循環供給する構成となっている。冷媒の循環経路には熱交換器１４が設けられており、この熱交換器１４での熱交換によって冷媒温度が調整され、この温度調整された冷媒が燃料電池スタック１に供給されることで、燃料電池スタック１の温度が調整される。

加湿系は、純水ポンプ１５の駆動により純水貯蔵装置１６に貯蔵された純水を、水素供給系の調湿器４及び空気供給系の調湿器１１にそれぞれ供給し、また、調圧装置１７で所望の圧力に調整した上で燃料電池スタック１に供給する構成となっている。また、調湿器４，１１での加湿に用いられない余剰分の純水や、燃料電池スタック１での発電の際に生成される生成水は、純水貯蔵装置１６に回収されるようになっている。

以上のように構成される燃料電池システムにおいて、運転を停止している間は、保管時の安全性等を考慮して、燃料電池スタック１のアノード側に設けられた水素流通用溝内に空気が充填されている。すなわち、運転停止時は、燃料電池スタック１のアノード側に設けられた水素流通用溝内は、水素ではなく空気で満たされている。

そして、運転を開始しようとする準備段階である起動時には、空気で満たされている燃料電池スタック１の水素流通用溝内に水素の供給を開始するため、水素の供給を開始してから空気が完全に水素に置換されるまでの間は、アノード側の水素流通用溝内に空気と水素とが混在した状態となる。すなわち、水素の供給によって水素流通用溝内に充填されていた空気が出口付近へと追いやられることで、水素流通用溝の出口付近では酸素（空気に含まれる）濃度が高く、入口付近では水素濃度が高いといったように、水素流通用溝内に入口から出口にかけて水素と酸素との濃度分布が生じた状態となる。

このような状態となると、アノード側の水素流通用溝に隣接する炭素及び触媒を含む電極を通じて、水素流通用溝の入口から出口にかけて数Ｖ程度の電位差が発生し、水素流通用溝の出口付近で高い電位となる。その一方で、水素流通用溝と電解質膜を挟んで反対側に設けられているカソード側の空気流通用溝内は、空気で満たされたままの状態が維持されているため、カソード側の電位は変わっていない。

このとき、燃料電池スタック１内部のアノード側とカソード側とで電位差が生じるため、下記式（１）のように、電子ｅ−を放出する酸化反応が生じる。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２（ｇ）＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋０．２０６（Ｖ） ・・・（１）
このため、燃料電池スタック１のアノード側で触媒担持体である炭素が消耗して、触媒表面積がシンタリングにより減少し、触媒劣化を招くことになる。さらに、隣接する部品に炭素が用いられている場合には、この隣接部品の炭素が消耗して破損に繋がることになる。

また、運転状態から停止状態へと移行する停止動作時について考えると、停止動作時には、保管時の安全性等を考慮して、水素で満たされているアノード側の水素流通用溝内に空気を導入していくため、起動時と同様にアノード側の水素流通用溝内に水素と酸素との濃度分布が生じてアノード側に電位差が発生し、触媒劣化に繋がることになる。

以上のような燃料電池スタック１の触媒劣化は、特に燃料電池スタック１が高電位な状態にあるほど進行が加速する傾向にある。そして、特に、車両の駆動動力源として用いられる燃料電池システムのように、起動と停止とが繰り返し行われる場合には、以上のような触媒劣化の影響で、燃料電池スタック１の寿命が低下することが懸念される。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時及び停止動作時に、ダミーの負荷を有するダミー負荷回路を燃料電池スタック１に接続して、燃料電池スタック１に発生する電力をこのダミー負荷で消費させることで、触媒劣化の進行を抑制するようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、図２に示すように、燃料電池スタック１の各発電セルを挟持する一対のエンドプレート１８，１９に対して、主負荷回路２１とダミーの負荷回路２２とがそれぞれ並列に接続されている。なお、エンドプレート１８，１９は、燃料電池スタック１の各発電セルを挟み込んでこれらを固定保持すると共に、これら各発電セルからの電力を集電する集電板として機能するものである。

主負荷回路２１は、車両用駆動モータ等の主となる負荷２３を有する負荷回路であり、スイッチＳ１のオン／オフによって、通電と遮断とが切り替えられるようになっている。また、ダミー負荷回路２２は、固定抵抗等のダミーの負荷２４を有し、スイッチＳ２のオン／オフによって、通電と遮断とが切り替えられるようになっている。また、ダミー負荷回路２２には電圧計２５が接続されており、この電圧計２５によって燃料電池スタック１の電圧を検出できるようになっている。

燃料電池システムの起動時には、水素供給系の配管からマニフォルド２０を介して、燃料電池スタック１の各発電セルのアノード側に設けられた水素流通用溝内に、燃料ガスである水素を供給していくが、この起動時の水素供給によって、上述したようにアノード側に電位差が発生することになる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、その電位を電圧計２５で測定し、例えば０．２Ｖとなったときに、スイッチＳ２をオンしてダミー負荷回路２２を通電状態にし、燃料電池スタック１で発生する電力をダミー負荷２４で消費することでアノード側での電位差を解消させて、前記式（１）の反応が進むことを抑制する。なお、マニフォルド２０は、水素供給系からの水素を燃料電池スタック１の各発電セル毎に設けられた水素流通用溝に分流させるための機構である。

燃料電池スタック１への水素供給を開始した後、アノード側の水素流通用溝内が徐々に水素で満たされてくると、上述したアノード側での電位差は徐々に減少していき、最終的に水素流通用溝内の空気が全て水素に置換されるとアノード側の電位差が生じなくなるので、電圧計２５で測定している電位の下降傾向が収まったと判断されたときに、スイッチＳ２をオフしてダミー負荷回路２２を遮断状態にすると共に、空気供給系から燃料電池スタック１のカソード側に設けられた空気流通用溝内への空気供給を開始させ、燃料電池スタック１の発電を開始させる。また、スイッチＳ１をオンして主負荷回路２１を通電状態にし、燃料電池スタック１での発電によって得られる電力を、車両用駆動モータ等の負荷２３に供給する。

また、燃料電池システムの停止動作時には、先ず、スイッチＳ１をオフして主負荷回路２１を遮断状態にし、燃料電池スタック１のアノード側の水素流通用溝内に空気を導入する。そして、この空気導入によってアノード側に電位差が発生したら、スイッチＳ２をオンしてダミー負荷回路２２を燃料電池スタック１に接続し、アノード側の水素流通用溝内が空気で満たされた段階でスイッチＳ２をオフに切り替えてダミー負荷回路２２を遮断状態とする。

本実施形態の燃料電池システムでは、起動時及び停止動作時に以上のようなダミー負荷回路２２を用いた制御を実行することによって、アノード側の水素流通用溝内に水素と酸素の濃度分布が生じることに起因する触媒劣化の進行を抑制するようにしている。

ところで、起動時に以上のような制御を行う燃料電池システムでは、起動運転が完了して通常運転に移行するまでの所要時間（起動時間）が、燃料電池スタック１のアノード側の水素流通用溝内が水素で満たされるまでの時間に大きく依存しており、短時間で水素流通用溝内を水素で満たすことができれば、起動時間の短縮を図ることが可能となると考えられる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時には、水素供給系からの水素が燃料電池スタック１内部の水素流通用溝の全てを通過し、且つ、水素供給経路の燃料電池スタック１入口から出口までの距離が、通常運転時に比較して短くなるように、燃料電池スタック１に対する水素の供給状態を制御することで、水素流通用溝内を短時間で水素で満たして、起動時間を短縮できるようにしている。以下、本実施形態の燃料電池システムに特徴的な起動時における水素供給状態の制御について、具体的な例を挙げながら説明する。

燃料電池スタック１の各発電セルのアノード側に設けられる水素流通用溝は、通常、図３に示すように、多数条の流路が隣接配置された構成となっており、入口から出口までの流路全長として長い距離を確保して、供給される水素が各セル面内でむらなく最大限に発電に用いられるように、一部の流路を通過した水素がセル端部のマニフォルド２０ｂで折り返されて、他の流路を逆方向に流れるような流路形状に形成されている。この図３に示す水素流通用溝の形状は、２パスタイプの流路形状と呼ばれるものであり、互いに平行に配置された多数条の流路のうちの一部の流路３１が往路側のパスである第１のパスとされ、他の流路３２が復路側のパスである第２のパスとされている。そして、通常運転時には、燃料電池スタック１の入口からマニフォルド２０ａを介して導入された水素が、第１のパス３１を通過した後、マニフォルド２０ｂで折り返されて第２のパス３２に流れ込み、第２のパス３２を通過した後にマニフォルド２０ｃを介して燃料電池スタック１の外部に排出される構成となっている。

以上のような２パスタイプの流路形状では、起動時に水素の供給を開始したときには、特に流路の折り返し部分において残存する空気が滞留しやすい傾向にあり、水素流通用溝内を短時間で水素で満たすことが困難となっていた。また、起動時に短時間で残存空気を水素で置換するには大流量の水素を一気に流す必要があるが、流路の折り返し部分があるために大きな流体抵抗が発生するので、水素流通駆動に多大なエネルギが要求されることになり、エネルギ効率の観点からも望ましくない。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時においては、通常運転時のような水素の折り返しは行わず、図４に示すように、第２のパスとなる流路３２に対しても第１のパスとなる流路３１と同様に水素を導入し、水素流通用溝を構成する全ての流路で水素が同一方向に流れるように、燃料電池スタック１に対する水素の供給状態を制御するようにしている。

すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、通常運転時に出口側マニフォルドとして使用するマニフォルド２０ｃを入口側マニフォルドとして用い、水素供給系からマニフォルド２０ａ，２０ｃを介して水素流通用溝を構成する全ての流路３１，３２に水素を導入し、これら全ての流路３１，３２を通過した水素をマニフォルド２０ｂで折り返すことなく、ここから燃料電池スタック１の外部に排出させるようにしている。これにより、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時に折り返し部分で残留空気を滞留させることなく、水素流通用溝内の空気を迅速に水素で置換することができる。また、起動時おける水素流通用溝のトータルの流路断面積が通常運転時に比べておよそ２倍になり、流体抵抗は通常運転時のおよそ半分になるため、水素流通駆動に要するエネルギを抑えながら、残存空気を一気に水素に置換することが可能となる。

以上のような燃料電池スタック１に対する水素供給状態の切り替えを実現するため、本実施形態の燃料電池システムでは、上述したように、水素供給系に第１乃至第３のバルブ５，６，７を設けている。そして、通常運転時においては、第１のバルブ５を閉じると共に第３のバルブ７を閉じることで、図１に示したように、水素貯蔵装置２からの水素が燃料電池スタック１のマニフォルド２０ａを介して各発電セルの水素流通用溝に供給され、第１のパスとなる流路３１を流れた後にマニフォルド２０ｂで折り返されて第２のパスとなる流路３２を流れ、マニフォルド２０ｃから燃料電池スタック１の外部に排出されるようにしている。また、通常運転時には、第２のバルブ６を開くことで、マニフォルド２０ｃを介して燃料電池スタック１の外部に排出された水素が燃焼器８へと送られ、ここで燃焼処理されるように制御している。

一方、起動時においては、第１のバルブ５を開くと共に第２のバルブ６を閉じることで、図５に示すように、水素貯蔵装置２からの水素が燃料電池スタック１のマニフォルド２０ａ，２０ｂの双方を介して各発電セルの水素流通用溝に供給され、マニフォルド２０ａを介して水素流通用溝内に供給された水素は流路３１、マニフォルド２０ｃを介して水素流通用溝内に供給された水素は流路３２をそれぞれ同一方向に流れて、マニフォルド２０ｂから燃料電池スタック１の外部に排出されるようにしている。また、起動時には、第３のバルブ７を開くことで、マニフォルド２０ｂを介して燃料電池スタック１の外部に排出された水素が燃焼器８へと送られ、ここで燃焼処理されるように制御している。

起動時に燃料電池スタック１内部の水素流通用溝を流れる水素は、発電に用いられないため消費されずに燃料電池スタック１から排出されることになる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、この発電に用いられずに燃料電池スタック１から排出されたアノード排ガスを燃焼器８で燃焼処理して、燃焼により生じる熱を利用して暖機運転を行うようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時に、燃焼器８での燃焼処理により生じる熱を熱交換器１４に伝熱し、この熱交換器１４で冷媒を暖めて燃料電池スタック１に供給することで、燃料電池スタック１の温度上昇を促進させている。また、熱交換器１４で燃料電池スタック１に供給する水素や純水を暖めるようにしてもよい。さらに、燃焼器８で水素の燃焼反応により生成される水は、発熱量が大きいために高温の水蒸気であるので、外気が低温であってもこの水蒸気が凝縮・凝固する前に調湿器４，１１に供給することで、この水蒸気を利用して燃料電池スタック１に供給する水素や空気を効果的に加湿することができる。

また、純水貯蔵装置１６に貯蔵されている純水が凍結した場合にこれを解凍するために、燃焼器８と純水貯蔵装置１６との間にヒートパイプ等の熱を伝達する手段を設置し、起動時には燃焼器８での燃焼処理により生じる熱を純水貯蔵装置１６に伝熱して、純水貯蔵装置１６内の凍結した純水を解凍し、適温になるまで加熱するようにしてもよい。

また、加湿した状態で燃料電池スタック１に供給した水素や空気等の供給ガス中の水分が燃料電池スタック１内部で冷やされて凍結することのないように、燃料電池スタック１内部にヒートパイプやプレート型ヒートパイプ等の熱を伝達する手段を設置し、燃焼器８での燃焼処理により生じる熱を燃料電池スタック１内部に伝熱して、供給ガス中の水分が凍結しない温度まで加熱するようにしてもよい。この場合、ヒートパイプの作動流体にはアンモニア等を用いることが望ましい。

図６は、本実施形態の燃料電池システムにおける起動時の制御の概要を示すタイムテーブルである。この図６に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時には、水素供給系により、第１のバルブ５及び第３のバルブ７は開き、第２のバルブ６は閉じた状態で燃料電池スタック１内部の水素流通用溝への水素の供給を行い、水素流通用溝内を満たしている空気を水素で置換する。このとき、空気供給系から燃料電池スタック１内部の空気流通用溝への空気供給は停止したままである。

この起動時における水素供給により、燃料電池１内部の水素流通用溝内には水素と空気との濃度分布が生じ、アノード側に電位差が発生する。そこで、この電位を電圧計２５で測定し、例えば０．２Ｖとなったときに、ダミー負荷回路２２を燃料電池スタック１に接続する。このダミー負荷回路２２の接続により燃料電池スタック１の電圧は低下し、触媒劣化の進行が抑制される。

燃料電池スタック１内部の水素流通用溝内の空気が水素で完全に置換され、水素流通用溝内における水素と空気との濃度分布が解消されると、燃料電池スタック１の電圧が低い値で安定するので、この状態となったときに、ダミー負荷回路２２の燃料電池スタック１への接続を遮断すると共に、主負荷回路２１を燃料電池スタック１に接続する。なお、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時における水素の供給状態を上述したように制御しているので、燃料電池スタック１内部の水素流通用溝内の空気を水素で置換するのに要する時間を大幅に短縮できる。

そして、燃料電池スタック１内部の水素流通用溝内の空気が水素で完全に置換されると、空気供給系は、燃料電池スタック１内部の空気流通用溝への空気供給を開始し、水素供給系は、第１のバルブ５及び第３のバルブ７を閉に切り替えると共に、第２のバルブ６を開に切り替え、この状態で燃料電池スタック１内部の水素流通用溝への水素の供給を行う。これにより、燃料電池スタック１での通常の発電が行われることになる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、起動と同時に冷却系による冷媒の循環供給や加湿系による純水の供給を開始している。これら冷却系や加湿系の作動により流通する冷媒及び純水は、発電に用いられずに燃料電池スタック１から排出されたアノード排ガスが燃焼器８で燃焼処理されることで得られる燃焼熱により加熱され、燃料電池システムの暖機促進に用いられる。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時に、水素供給系からの水素が燃料電池スタック１内部の水素流通用溝の全てを通過し、且つ、水素通過経路の燃料電池スタック１入口から出口までの距離が、通常運転時に比較して短くなるように、燃料電池スタック１に対する水素の供給状態を制御するようにしている。具体的には、起動時には、通常運転時のような燃料電池スタック１内部での水素の折り返しは行わず、燃料電池スタック１内部の水素流通用溝を構成する一部の流路を流れる水素の方向を通常運転時とは異ならせて、燃料電池スタック１入口から出口までの流路全長を通常運転時に比較して短くなるようにしている。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時に折り返し部分で残留空気を滞留させることなく、水素流通用溝内の空気を迅速に水素で置換することができ、起動時間の短縮を実現することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、起動時及び運転停止時に、燃料電池スタック１にダミー負荷回路２２を接続することで、燃料電池スタック１のアノード側に発生する電位差を解消するようにしているので、触媒劣化の進行を効果的に抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からのアノード排ガスの通過経路に燃焼器８を設置し、起動時には、燃料電池スタック１での発電に使用されずに排出されるアノード排ガスを燃焼器８で燃焼処理することにより得られる熱を利用して暖機運転を行うようにしているので、暖機促進を図り、起動時間の更なる短縮を実現することができる。

なお、以上は、燃料電池スタック１内部の水素流通用溝が２パスタイプの流路形状である場合を例に挙げて説明したが、本発明は、水素流通用溝の形状に拘わらず様々なタイプの燃料電池スタック１を用いたシステムに広く適用可能であり、例えば水素流通用溝が図７に示すような４パスタイプの流路形状とされている場合にも、本発明は有効に適用可能である。

４パスタイプの流路形状の場合には、通常運転時には、図７に示すように、燃料電池スタック１の入口からマニフォルド２０ａを介して導入された水素が、第１のパスとなる流路４１を通過した後、マニフォルド２０ｄを介して第２のパスとなる流路４２に流れ込む。そして、第２のパスとなる流路４２を通過した水素がマニフォルド２０ｂで折り返されて第３のパスとなる流路４３に流れ込み、第３のパスとなる流路４３を通過した水素がマニフォルド２０ｅを介して第４のパスとなる流路４４に流れ込む。そして、以上の過程で発電に寄与しなかった余剰分の水素が、最後に第４のパスとなる流路４４を通過した後に、マニフォルド２０ｃを介して燃料電池スタック１の外部に排出される構成となっている。

燃料電池スタック１内部の水素流通用溝が以上のような４パスタイプの流路形状の場合、起動時には、図８に示すように、通常運転時に出口側マニフォルドとして使用するマニフォルド２０ｃを入口側マニフォルドとして用い、水素供給系からマニフォルド２０ａ，２０ｃを介して第１のパスとなる流路４１と第４のパスとなる流路４４との双方に水素を導入する。また、マニフォルド２０ｄ，２０ｅにも水素を導入し、マニフォルド２０ｄから第２のパスとなる流路４２に流れ込む水素が、マニフォルド２０ｂを介して燃料電池スタック１の外部に排出されると共に、マニフォルド２０ｅから第３のパスとなる流路４３に流れ込む水素が、マニフォルド２０ｂを介して燃料電池スタック１の外部に排出されるようにする。これにより、上述した２パスタイプの流路形状の場合と同様に、起動時に水素流通用溝内の空気を迅速に水素で置換することが可能となり、起動時間の短縮を実現することができる。

本発明を適用した燃料電池システムの一構成例を示す概略構成図であり、通常運転時における各流体の流れを説明する図である。 燃料電池スタックに対して主負荷回路とダミーの負荷回路とを並列に接続した状態を模式的に示す図である。 ２パスタイプの流路形状を有する水素流通用溝を模式的に示す図であり、通常運転時における水素通過経路を説明する図である。 ２パスタイプの流路形状を有する水素流通用溝を模式的に示す図であり、起動時における水素通過経路を説明する図である。 本発明を適用した燃料電池システムの一構成例を示す概略構成図であり、起動時における各流体の流れを説明する図である。 本発明を適用した燃料電池システムにおける起動時の制御の概要を示すタイムテーブルである。 ４パスタイプの流路形状を有する水素流通用溝を模式的に示す図であり、通常運転時における水素通過経路を説明する図である。 ４パスタイプの流路形状を有する水素流通用溝を模式的に示す図であり、起動時における水素通過経路を説明する図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 水素貯蔵手段
５ 第１のバルブ
６ 第２のバルブ
７ 第３のバルブ
８ 燃焼器
１４ 熱交換器
２０（２０ａ〜２０ｅ） マニフォルド
２１ 主負荷回路
２２ ダミー負荷回路

Claims (5)

1. アノードとカソード間に電解質膜を挟持させてなる単位電池がセパレータを介して複数積層されて構成される燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードとセパレータ間に設けられた燃料ガス流通用溝に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池のカソードとセパレータ間に設けられた酸化剤ガス流通用溝に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備え、
   起動時に、前記燃料ガス供給手段からの燃料ガスが前記燃料電池内部の燃料ガス流通用溝の全てを通過し、且つ、燃料ガス通過経路の燃料電池入口から出口までの距離が、通常運転時に比較して短くなるように、前記燃料電池に対する燃料ガスの供給状態を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の電力を消費して当該燃料電池の出力電圧を所望の範囲に制御するための負荷を備え、
   起動時と運転停止時との少なくとも一方に、前記燃料電池と前記負荷とを電気的に接続して、前記燃料電池の電力を前記負荷にて消費させることを特徴する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 起動時に、前記燃料電池内部の燃料ガス流通用溝の一部を流れる燃料ガスの方向を通常運転時とは異ならせることで、起動時における燃料ガス通過経路の燃料電池入口から出口までの距離が、通常運転時に比較して短くなるようにすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池から排出される排燃料ガスの通過経路に燃焼器が設けられ、
   起動時に、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器で燃焼させ、燃焼により生じる熱を利用して暖機運転を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼器は、触媒の作用で排燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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