JP2005302609A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明では、アノード掃気処理に伴う膜の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを主たる目的とする。
【解決手段】 燃料電池システム１は、燃料電池１３と、水素ガスを流通させる燃料ガス供給路２１および燃料ガス排出路２４と、空気を流通させる空気供給路２２と、アノード系内を空気によって掃気するための掃気用流路２３と、制御部１７とを備えている。そして、制御部１７は、燃料電池システム１を停止させるための停止要求を受けたときに、掃気を行うか否かを判断し、掃気を行うと判断したときに、アノード系内の圧力を、掃気を行わないと判断したときよりも低い圧力に低下させ、その後、アノード系内の掃気を行うように切替弁１５やパージ弁１６などの制御を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】 燃料電池システム１は、燃料電池１３と、水素ガスを流通させる燃料ガス供給路２１および燃料ガス排出路２４と、空気を流通させる空気供給路２２と、アノード系内を空気によって掃気するための掃気用流路２３と、制御部１７とを備えている。そして、制御部１７は、燃料電池システム１を停止させるための停止要求を受けたときに、掃気を行うか否かを判断し、掃気を行うと判断したときに、アノード系内の圧力を、掃気を行わないと判断したときよりも低い圧力に低下させ、その後、アノード系内の掃気を行うように切替弁１５やパージ弁１６などの制御を行う。
【選択図】 図１
Description
本発明は、空気などでアノード系内の水などをパージする燃料電池システムに関するものである。
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、水素と酸素との電気化学反応によって水が生成されているので、この水がシステム内に溜まったままの状態で燃料電池を停止させ、その後長い時間が経過すると、冬季や寒冷地ではその水が凍結してしまうおそれがあった。
このような問題に対する技術としては、従来、燃料電池システムの停止時に、コンプレッサから送り出される空気を分岐させてカソード系内とアノード系内に供給することで、カソード系内およびアノード系内に残留する水などをパージ（排出）させる技術が知られている（特許文献１参照）。なお、以下の説明では、空気などの水素ガス以外のガスでアノード系内の水などをパージする処理を、「アノード掃気処理」という。
しかしながら、従来の技術では、燃料電池システムを停止させるための停止要求があった直後にアノード掃気処理を行っているので、燃料電池システムの停止時にアノード系内の圧力が大気圧に対して比較的高い状態（比較的多くの水素ガスが残存する状態）となっている場合は、同一系内において水素ガスと掃気用の空気とが反応するおそれがあり、その場合は燃料電池の膜が劣化するおそれがあった。
そこで、本発明では、アノード掃気処理に伴う膜の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを主たる目的とする。
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路と、前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または前記酸化剤ガス流通路を掃気ガスによって掃気する掃気ガス供給手段と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムを停止させるための停止要求を受けたときに、前記掃気ガス供給手段による掃気を行うか否かを判断する掃気判断手段と、前記掃気判断手段によって掃気を行うと判断されたときに、掃気を行う側の前記流通路内の圧力を、掃気を行わないと判断されたときよりも低い圧力に低下させる圧力低下手段と、前記圧力低下手段によって前記流通路内の圧力が低下された後に、前記掃気ガス供給手段を作動させる作動手段と、を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、掃気判断手段は、停止要求を受けると、掃気ガス供給手段による掃気を行うか否かを判断する。そして、この掃気判断手段によって掃気を行うと判断した場合は、圧力低下手段によって、例えば燃料ガス流通路内の圧力が掃気を行わないときの圧力よりも低い圧力に低下された後、作動手段によって、掃気ガス供給手段が作動されて燃料ガス流通路内の掃気が行われる。すなわち、掃気時において圧力低下手段が例えば燃料ガス流通路内の圧力を低下させることにより、燃料ガス流通路内に残存する燃料ガスの量が少なくなるので、アノード系内における燃料ガスと掃気ガスとの反応が防止され、燃料電池の膜の劣化を防止することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記圧力低下手段は、前記掃気判断手段によって掃気を行わないと判断されたときよりも発電量が多くなるように、停止要求後における前記燃料電池の稼動を続行させることで、前記流通路内の圧力を低下させることを特徴とする。
ここで、発電量を多くする方法としては、例えば、停止要求から実際の燃料電池の停止までの時間を長くすることで発電量を多くする方法や、停止要求後に燃料電池から取り出す電流を増やすことで発電量を多くする方法などが挙げられる。
請求項２に記載の発明によれば、掃気判断手段によって掃気を行うと判断した場合は、圧力低下手段によって、掃気を行わないと判断されたときよりも発電量が多くなるように、停止要求後における燃料電池の稼動が続行される。すなわち、掃気時には燃料電池によって例えば燃料ガス流通路内の燃料ガスが多く消費されることとなるので、燃料ガスの無駄を防止することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、掃気を行う側の前記流通路に、その内部の圧力を検出する圧力検出手段を設け、前記圧力低下手段は、前記圧力検出手段からの信号に基づいて前記流通路内の圧力を調整することを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、圧力検出手段によって例えば燃料ガス流通路内の圧力を監視することにより、燃料ガス流通路内の燃料ガスの残量を正確に管理できるので、掃気によって外部に排出させる燃料ガスの量をより少なくすることができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記掃気ガスは、前記酸化剤ガスであり、前記掃気ガス供給手段は、前記酸化剤ガスで前記燃料ガス流通路を掃気することを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、掃気ガス供給手段を燃料電池に酸化剤ガスを供給するための装置として利用することが可能なので、掃気用の装置と酸化剤ガスの供給用の装置とを別々に設ける必要が無くなり、その分システムを小型化することができる。
請求項１に記載の発明によれば、掃気時において圧力低下手段が例えば燃料ガス流通路内の圧力を低下させることにより、燃料ガス流通路内に残存する燃料ガスの量が少なくなるので、アノード系内における燃料ガスと掃気ガスとの反応が防止され、燃料電池の膜の劣化を防止することができる。
請求項２に記載の発明によれば、掃気時には燃料電池によって例えば燃料ガス流通路内の燃料ガスが多く消費されることとなるので、燃料ガスの無駄を防止することができる。
請求項３に記載の発明によれば、圧力検出手段によって例えば燃料ガス流通路内の圧力を監視することにより、燃料ガス流通路内の燃料ガスの残量を正確に管理できるので、掃気によって外部に排出させる燃料ガスの量をより少なくすることができる。
請求項４に記載の発明によれば、掃気ガス供給手段を燃料電池に酸化剤ガスを供給するための装置として利用することが可能なので、掃気用の装置と酸化剤ガスの供給用の装置とを別々に設ける必要が無くなり、その分システムを小型化することができる。
〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図であり、図２は、図１の制御部の動作を示すフローチャートである。
次に、本発明の第１の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図であり、図２は、図１の制御部の動作を示すフローチャートである。
図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク１１、コンプレッサ１２、燃料電池１３、遮断弁１４、切替弁１５、パージ弁１６および制御部１７を主に備えている。
高圧水素タンク１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（燃料ガス）が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁１４が開放されることで燃料電池１３へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路（燃料ガス流通路）２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁１４、圧力センサ（圧力検出手段）２１Ａが設けられている。なお、圧力センサ２１Ａは、常時燃料ガス供給路２１内の圧力を検出しており、その圧力値を示す信号を制御部１７に出力している。
コンプレッサ１２は、空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池１３に供給するものである。そして、コンプレッサ１２と燃料電池１３との間には、空気の通り道となる管状の空気供給路（酸化剤ガス流通路）２２が設けられている。
燃料電池１３は、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、コンプレッサ１２から供給される空気とを電気化学反応させることにより発電するものである。また、燃料電池１３には、この燃料電池１３で発電した電力を消費するモータなどの負荷３１が接続されており、この負荷３１を制御部１７でＯＮ・ＯＦＦすることにより、燃料電池１３が稼動・停止される、すなわち燃料電池１３からの電流の取り出しがＯＮ・ＯＦＦ（実行・停止）されるようになっている。
遮断弁１４は、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替える弁であり、制御部１７から起動電流（ＯＮ信号）が供給されることで図示せぬソレノイドコイルが励磁し、その磁力によって常時ばねで閉方向に付勢されている図示せぬ可動子が強い力で吸引されることによって開放されるようになっている。
切替弁１５は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料ガス供給路２１における遮断弁１４の下流側部分と空気供給路２２とに跨るように接続される掃気用流路２３に設けられている。そして、この切替弁１５が閉塞した状態では、コンプレッサ１２からの空気は空気供給路２２を介して燃料電池１３のカソード側のみに供給され、切替弁１５が開放した状態では、コンプレッサ１２からの空気は、燃料電池１３のカソード側に供給される他、掃気用流路２３および燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３のアノード側にも供給されるようになっている。
パージ弁１６は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料電池１３のアノード側の出口に接続される燃料ガス排出路（燃料ガス流通路）２４に設けられている。そして、このパージ弁１６と前記した切替弁１５をともに開放させることによって、アノード側の掃気が行われるようになっている。なお、本実施形態では、前記したコンプレッサ１２、空気供給路２２、掃気用流路２３、切替弁１５およびパージ弁１６が、特許請求の範囲にいう「掃気ガス供給手段」に相当することとなる。
制御部１７は、例えば運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどによって出力されるシステムの停止要求を受けたときに、燃料ガス供給路２１、燃料電池１３に形成される図示せぬ通路および燃料ガス排出路２４（以下、これらを単に「アノード系」ともいう）内の掃気を行うか否かを判断する機能を有している。なお、掃気を行うか否かの判断は、具体的には、例えば温度センサで検出する外気温が所定値以下であるか否か（流路内に残存する水が凍る可能性があるか否か）を判断することにより行うことができる。
また、制御部１７は、掃気を行うと判断したときに、掃気を行わないと判断したときよりも発電量が多くなるように、停止要求後における燃料電池１３の稼動を続行させることで、圧力センサ２１Ａで検出するアノード系内の圧力を、掃気を行わないと判断したときよりも低い圧力となるまで低下させる機能を有している。ここで、発電量が多くなるように燃料電池１３を稼動させる方法としては、燃料電池１３の稼動時間を長くする方法や、燃料電池１３から取り出す電流を増加させる方法などがあるが、本実施形態では、稼働時間を長くする方法を採用することとする。
さらに、制御部１７は、前記のように掃気を行わない場合よりも長めに燃料電池１３を稼動させた後に、切替弁１５およびパージ弁１６を開放させる機能を有している。すなわち、前記したような機能を有する制御部１７は、特許請求の範囲にいう「掃気判断手段、圧力低下手段、作動手段」に相当することになる。なお、制御部１７は、前記した機能の他、遮断弁１４を開閉させる機能、負荷３１をＯＮ・ＯＦＦさせる機能、コンプレッサ１２の回転速度を変更させる機能などのような従来と同様の機能も備えている。
以下に、制御部１７の動作について図２に示すフローや図１を参照して説明する。
制御部１７は、図２に示すように、停止要求がされているか否かを常時判断し（ステップＳ１）、停止要求がされていないと判断した場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１の判断を繰り返す。また、ステップＳ１において、制御部１７は、停止要求がされていると判断すると（Ｙｅｓ）、遮断弁１４を閉塞させて（ステップＳ２）、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給を停止させる。
制御部１７は、図２に示すように、停止要求がされているか否かを常時判断し（ステップＳ１）、停止要求がされていないと判断した場合は（Ｎｏ）、再度ステップＳ１の判断を繰り返す。また、ステップＳ１において、制御部１７は、停止要求がされていると判断すると（Ｙｅｓ）、遮断弁１４を閉塞させて（ステップＳ２）、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給を停止させる。
続いて、制御部１７は、アノード系内の掃気を行うか否かを判断し（ステップＳ３）、掃気を行わないと判断すると（Ｎｏ）、アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ４）。ステップＳ４において、圧力ＰＨが所定値Ｐ１以下でないと判断されると（Ｎｏ）、制御部１７は再度ステップＳ４の処理を繰り返す。
ステップＳ４において、圧力ＰＨが所定値Ｐ１以下であると判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７は負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ５）、燃料電池１３による発電を停止させる。ステップＳ５の後、制御部１７は、所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断することで（ステップＳ６）、いまだ稼動を続けているコンプレッサ１２によるカソード側の掃気が完了したか否かを判断する。
ステップＳ６において、所定時間Ｔ１が経過していないと判断されると（Ｎｏ）、制御部１７は再度ステップＳ６の処理を繰り返す。また、ステップＳ６において、所定時間Ｔ１が経過したと判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７は、パージ弁１６を開放させることで（ステップＳ７）、アノード系内の水素ガスの残圧（所定値Ｐ１）を利用してアノード系内の不純ガス（窒素ガス等）を外部へ排出させる。
また、前記したステップＳ３において、制御部１７は、アノード系内の掃気を行うと判断すると（Ｙｅｓ）、アノード系内の圧力ＰＨが前記所定値Ｐ１よりも低い圧力となる所定値Ｐ２以下であるか否かを判断する（ステップＳ８）。ステップＳ８において、圧力ＰＨが所定値Ｐ２以下でないと判断されると（Ｎｏ）、制御部１７は再度ステップＳ８の処理を繰り返す。
ステップ８において、圧力ＰＨが所定値Ｐ２以下であると判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７は負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ９）、燃料電池１３による発電を停止させる。ステップＳ９の後、制御部１７は、切替弁１５およびパージ弁１６をともに開放させることで（ステップＳ１０）、コンプレッサ１２からの空気をアノード系およびカソード系の両方に供給させる。これにより、これらの系内がともに掃気されることとなる。
ステップＳ１０の後、制御部１７は、所定時間Ｔ２が経過したか否かを判断することで（ステップＳ１１）、アノード系およびカソード系の掃気が完了したか否かを判断する。ステップＳ１１において、所定時間Ｔ２が経過していないと判断されると（Ｎｏ）、制御部１７は再度ステップＳ１１の処理を繰り返す。また、ステップＳ１１において、所定時間Ｔ２が経過したと判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７は、切替弁１５を閉じることで（ステップＳ１２）、コンプレッサ１２からアノード系への空気の供給を停止させる。
そして、ステップＳ１２の後や、前記したステップＳ７の後、制御部１７は、アノード系の圧力ＰＨが前記した所定値Ｐ１，Ｐ２より低く大気圧より高い値となる所定値Ｐ３以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３において、圧力ＰＨが所定値Ｐ３以下でないと判断されると（Ｎｏ）、制御部１７は再度ステップＳ１３の処理を繰り返す。また、ステップＳ１３において、圧力ＰＨが所定値Ｐ３以下であると判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７はパージ弁１６を閉じた後（ステップＳ１４）、コンプレッサ１２による空気の供給を停止させて（ステップＳ１５）、このフローによる動作を終了させる。
次に、第１の実施形態における燃料電池システム１の停止方法について、図３および図４を参照して説明する。参照する図面において、図３はアノード系内を掃気しない場合の停止方法を示すタイムチャートであり、図４はアノード系内を掃気する場合の停止方法を示すタイムチャートである。
最初に、通常時における燃料電池システム１の停止方法、すなわち前記したアノード系内を掃気しない場合の停止方法（図２のステップＳ１〜Ｓ７，Ｓ１３〜Ｓ１５の処理）について説明する。
図３に示すように、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどにより停止要求が出力されると、制御部１７は、遮断弁１４をＯＦＦにするとともに、燃料電池１３の負荷３１の稼動、すなわち燃料電池１３による発電を、アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ１になるまで続行させる。
図３に示すように、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどにより停止要求が出力されると、制御部１７は、遮断弁１４をＯＦＦにするとともに、燃料電池１３の負荷３１の稼動、すなわち燃料電池１３による発電を、アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ１になるまで続行させる。
アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ１に達すると、負荷３１がＯＦＦにされて燃料電池１３の稼動が停止し、この燃料電池１３の停止から所定時間Ｔ１の間、コンプレッサ１２によってカソード系が掃気されることとなる。そして、所定時間Ｔ１が経過すると、パージ弁１６が開放されて、アノード系内に残存する不純ガス等のパージが開始され、アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ３になると、パージ弁１６が閉じられるとともに、コンプレッサ１２の駆動が止められて燃料電池システム１が停止することとなる。
続いて、アノード系を掃気する場合における燃料電池システム１の停止方法（図２のステップＳ１〜Ｓ３，Ｓ８〜Ｓ１５の処理）について説明する。
図４に示すように、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどにより停止要求が出力されると、制御部１７は、遮断弁１４をＯＦＦにするとともに、燃料電池１３の負荷３１の稼動を、アノード系内の圧力ＰＨが、掃気しない場合の所定値Ｐ１よりも低い値である所定値Ｐ２になるまで続行させる。
図４に示すように、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどにより停止要求が出力されると、制御部１７は、遮断弁１４をＯＦＦにするとともに、燃料電池１３の負荷３１の稼動を、アノード系内の圧力ＰＨが、掃気しない場合の所定値Ｐ１よりも低い値である所定値Ｐ２になるまで続行させる。
アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ２に達すると、負荷３１がＯＦＦにされて燃料電池１３の稼動が停止するとともに、切替弁１５およびパージ弁１６が開放されて、アノード系内およびカソード系内がコンプレッサ１２によって掃気されることとなる。そして、所定時間Ｔ２が経過すると、切替弁１５が閉じられて、コンプレッサ１２によるアノード系内の掃気が終了し、このコンプレッサ１２によって一時的に高められたアノード系内の圧力ＰＨが徐々に下がっていくこととなる。その後は、アノード系内の圧力ＰＨが所定値Ｐ３になると、パージ弁１６が閉じられるとともに、コンプレッサ１２の駆動が止められて燃料電池システム１が停止することとなる。
以上によれば、第１の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
アノード系内を掃気する前に、アノード系内の圧力ＰＨが制御部１７によって掃気しない場合よりも低い圧力である所定値Ｐ２まで下げられるので、アノード系内に残存する水素ガスの量が少なくなり、アノード系内における水素ガスと空気との反応が防止され、燃料電池１３の膜の劣化を防止することができる。また、アノード系内の圧力を低下させる方法として、アノード系内の水素ガスを燃料電池１３で消費させる方法を採用したので、水素ガスの無駄も防止することができる。
アノード系内を掃気する前に、アノード系内の圧力ＰＨが制御部１７によって掃気しない場合よりも低い圧力である所定値Ｐ２まで下げられるので、アノード系内に残存する水素ガスの量が少なくなり、アノード系内における水素ガスと空気との反応が防止され、燃料電池１３の膜の劣化を防止することができる。また、アノード系内の圧力を低下させる方法として、アノード系内の水素ガスを燃料電池１３で消費させる方法を採用したので、水素ガスの無駄も防止することができる。
圧力センサ２１Ａによってアノード系内の圧力を監視することにより、アノード系内の水素ガスの残量を正確に管理できるので、掃気によって外部に排出させる水素ガスの量をより少なくすることができる。
燃料電池１３に空気を供給するためのコンプレッサ１２を掃気ガス供給手段として利用するので、掃気用の装置として他の装置を設ける必要が無くなり、その分システムを小型化することができる。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、燃料電池１３の稼動を続行させることによってアノード系内の圧力ＰＨを所定値Ｐ１または所定値Ｐ２まで下げるようにしているが、本発明はこれに限定されず、例えば燃料電池１３の稼動の続行とともに、パージ弁１６の開度を調整したり、パージ弁１６の開閉を素早く連続して行う（以下、この動作を「チョッピング」ともいう）ことで、アノード系内の圧力ＰＨを迅速に下げるようにしてもよい。具体的には、図５に示すように、本実施形態のフロー（図２参照）におけるステップＳ３とステップＳ４との間や、ステップＳ３とステップＳ８との間に、パージ弁１６の開度が所定値Ｐ１または所定値Ｐ２に対応した開度となるようにパージ弁１６を所定量だけ開放させる処理（ステップＳ２１，Ｓ２２）を加えてもよい。なお、燃料電池１３の稼動を続行させずに、パージ弁１６の開度調整またはチョッピングのみを行うことで、アノード系内の圧力を低下させるようにしてもよい。
本実施形態では、燃料電池１３の稼動を続行させることによってアノード系内の圧力ＰＨを所定値Ｐ１または所定値Ｐ２まで下げるようにしているが、本発明はこれに限定されず、例えば燃料電池１３の稼動の続行とともに、パージ弁１６の開度を調整したり、パージ弁１６の開閉を素早く連続して行う（以下、この動作を「チョッピング」ともいう）ことで、アノード系内の圧力ＰＨを迅速に下げるようにしてもよい。具体的には、図５に示すように、本実施形態のフロー（図２参照）におけるステップＳ３とステップＳ４との間や、ステップＳ３とステップＳ８との間に、パージ弁１６の開度が所定値Ｐ１または所定値Ｐ２に対応した開度となるようにパージ弁１６を所定量だけ開放させる処理（ステップＳ２１，Ｓ２２）を加えてもよい。なお、燃料電池１３の稼動を続行させずに、パージ弁１６の開度調整またはチョッピングのみを行うことで、アノード系内の圧力を低下させるようにしてもよい。
本実施形態では、停止要求の後遮断弁１４を完全に閉塞させたが、本発明はこれに限定されず、例えば遮断弁１４の開度を調整したり、遮断弁１４をチョッピングさせたりすることによっても、アノード系内の圧力ＰＨを所定値Ｐ１または所定値Ｐ２に下げることができる。具体的には、図６に示すように、本実施形態のフロー（図２参照）からステップＳ２を取り除く代わりに、ステップＳ３とステップＳ４との間や、ステップＳ３とステップＳ８との間に、遮断弁１４の開度が所定値Ｐ１または所定値Ｐ２に対応した開度となるように遮断弁１４を所定量だけ閉塞させる処理（ステップＳ３１，Ｓ３２）を加えてもよい。ただし、この場合は、例えば図６のステップＳ５，Ｓ９において負荷３１をＯＦＦにする他、遮断弁１４を完全に閉塞させる必要がある。
本実施形態では、燃料電池１３で消費する水素ガスの残量を、アノード系内の圧力ＰＨを監視することで行っているが（図２のステップＳ４，Ｓ８参照）、本発明はこれに限定されず、例えばタイマーによって燃料電池１３で消費した水素ガスの量を判断してもよい。具体的には、本実施形態におけるフロー（図２参照）のステップＳ４の処理を、所定時間が経過したか否かを判断する処理に代え、かつ、ステップＳ８の処理を、ステップＳ４における所定時間よりも長い所定時間が経過したか否かを判断する処理に代えればよい。
〔第２の実施形態〕
以下に、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構造を変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図７は第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図であり、図８は図７の制御部の動作を示すフローチャートである。
以下に、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構造を変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図７は第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成図であり、図８は図７の制御部の動作を示すフローチャートである。
図７に示すように、燃料電池システム２には、第１の実施形態でのコンプレッサ１２の代わりに、酸素ガスが充填された酸素タンク４１が設けられている。また、この酸素タンク４１と燃料電池１３とを繋ぐ酸素供給路（酸化剤ガス流通路）５１には、酸素タンク４１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁４２、圧力センサ５１Ａが設けられている。さらに、燃料電池１３のカソード側の出口には、酸素排出路（酸化剤ガス流通路）５２が接続され、この酸素排出路５２には、パージ弁４３が設けられている。
また、この燃料電池システム２は、窒素ガス（掃気ガス）が充填された窒素タンク４４を備えており、この窒素タンク４４には、燃料ガス供給路２１における遮断弁１４の下流側部分に接続されるアノード側供給路５３と、酸素供給路５１における遮断弁４２の下流側部分に接続されるカソード側供給路５４とが接続されている。そして、アノード側供給路５３には、窒素タンク４４から燃料ガス供給路２１への窒素ガスの供給・停止を切り替えるための遮断弁４５が設けられ、カソード側供給路５４には、窒素タンク４４から酸素供給路５１への窒素ガスの供給・停止を切り替えるための遮断弁４６が設けられている。
また、制御部１８は、第１の実施形態と略同様の機能を有する他、遮断弁４２，４５，４６やパージ弁４３を適宜開閉させる機能をも有している。なお、以下の説明においては、便宜上、遮断弁１４を水素遮断弁１４とも称し、遮断弁４２を酸素遮断弁４２とも称し、遮断弁４５をアノード側窒素遮断弁４５とも称し、遮断弁４６をカソード側窒素遮断弁４６とも称することとする。また、パージ弁１６を水素パージ弁１６とも称し、パージ弁４３を酸素パージ弁４３とも称することとする。
以下に、制御部１８の動作について図８に示すフローを参照して説明する。なお、図８のフローは、第１の実施形態で説明した図２のフローを一部変更したものなので、同一のステップについては同一符号を付し、その説明を省略する。
図８に示すように、このフローは、図２のフローと略同様のステップＳ１，Ｓ３〜Ｓ６，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１１，Ｓ１３を有する他、新たなステップＳ４１〜Ｓ４６を有している。なお、本実施形態におけるステップＳ４，Ｓ８，Ｓ１３では、二つの圧力センサ２１Ａ，５１Ａで検出した検出値の両方が所定値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３以下になったか否か、すなわちアノード系内およびカソード系内の圧力がともに所定値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３以下になったか否かを判断している。
続いて、新たなステップＳ４１〜Ｓ４６について説明する。
ステップＳ４１は、水素遮断弁１４および酸素遮断弁４２を閉塞させることで、燃料電池１３への水素ガスおよび酸素ガスの供給を停止させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ２の代わりに設けられている。
ステップＳ４１は、水素遮断弁１４および酸素遮断弁４２を閉塞させることで、燃料電池１３への水素ガスおよび酸素ガスの供給を停止させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ２の代わりに設けられている。
ステップＳ４２は、カソード側窒素遮断弁４６と酸素パージ弁４３をともに開放させることで、カソード系内の掃気を行わせる処理であり、ステップＳ５とステップＳ６の間に設けられている。
ステップＳ４３は、水素パージ弁１６を開放させ、かつ、カソード側窒素遮断弁４６を閉塞させることで、アノード系内の不純ガスを外部へ排出させるとともに、カソード系内への窒素ガスの供給を停止させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ７の代わりに設けられている。
ステップＳ４３は、水素パージ弁１６を開放させ、かつ、カソード側窒素遮断弁４６を閉塞させることで、アノード系内の不純ガスを外部へ排出させるとともに、カソード系内への窒素ガスの供給を停止させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ７の代わりに設けられている。
ステップＳ４４は、遮断弁４５，４６とパージ弁１６，４３を開放させることで、アノード系内およびカソード系内の掃気を行わせる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ１０の代わりに設けられている。
ステップＳ４５は、遮断弁４５，４６を閉塞させることで、アノード系内およびカソード系内への窒素ガスの供給を停止させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ１２の代わりに設けられている。
ステップＳ４６は、パージ弁１６，４３を閉塞させることで、システムの停止を完了させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ１４，Ｓ１５の代わりに設けられている。
ステップＳ４５は、遮断弁４５，４６を閉塞させることで、アノード系内およびカソード系内への窒素ガスの供給を停止させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ１２の代わりに設けられている。
ステップＳ４６は、パージ弁１６，４３を閉塞させることで、システムの停止を完了させる処理であり、図２のフローにおけるステップＳ１４，Ｓ１５の代わりに設けられている。
次に、第２の実施形態に係る燃料電池システム２の停止方法について図８や図７を参照して説明する。最初に、アノード系内を掃気しない場合の停止方法について説明する。
図８に示すように、運転者がイグニッションスイッチをＯＦＦにすることなどにより停止要求が出力されると、ステップＳ４１において遮断弁１４，４２が閉塞され、燃料電池１３への水素ガスおよび酸素の供給が停止することとなる。続いて、ステップＳ３で、アノード系内を掃気する必要がないと判断されると（Ｎｏ）、ステップＳ４においてアノード系内の圧力ＰＨおよびカソード系内の圧力ＰＡがともに所定値Ｐ１以下になったか否かが判断される。
ステップＳ４で圧力ＰＨ，ＰＡが所定値Ｐ１以下になったと判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ５において負荷３１がＯＦＦにされ、ステップＳ４２においてカソード側窒素遮断弁４６と酸素パージ弁４３がともに開放されることでカソード系内の掃気が開始されることとなる。そして、ステップＳ６において所定時間Ｔ１が経過した（カソード系内の掃気が完了した）と判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ４３において水素パージ弁１６が開放され、かつ、カソード側窒素遮断弁４６が閉塞されることで、アノード系内の不純ガスが外部に排出されるとともに、カソード系内への窒素ガスの供給が停止することとなる。その後、ステップＳ１３においてアノード系内およびカソード系内の両方の圧力ＰＨ，ＰＡが所定値Ｐ３以下になったと判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ４６においてパージ弁１６，４３が閉塞されて、システムの停止が完了することとなる。
続いて、アノード系内を掃気する場合の停止方法について説明する。
ステップＳ３においてアノード系内を掃気する必要があると判断されると（Ｙｅｓ）、ステップ８においてアノード系内およびカソード系内の圧力ＰＨ，ＰＡがともに所定値Ｐ２（所定値Ｐ１よりも小さな値）以下になったか否かが判断される。ステップ８において圧力ＰＨが所定値Ｐ２以下になったと判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ９において負荷３１がＯＦＦにされ、ステップＳ４４において遮断弁４５，４６およびパージ弁１６，４３が開放されることで、アノード系内およびカソード系内の掃気が開始されることとなる。
ステップＳ３においてアノード系内を掃気する必要があると判断されると（Ｙｅｓ）、ステップ８においてアノード系内およびカソード系内の圧力ＰＨ，ＰＡがともに所定値Ｐ２（所定値Ｐ１よりも小さな値）以下になったか否かが判断される。ステップ８において圧力ＰＨが所定値Ｐ２以下になったと判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ９において負荷３１がＯＦＦにされ、ステップＳ４４において遮断弁４５，４６およびパージ弁１６，４３が開放されることで、アノード系内およびカソード系内の掃気が開始されることとなる。
そして、ステップＳ１１において所定時間Ｔ２が経過した（アノード系内およびカソード系内の掃気が完了した）と判断されると（Ｙｅｓ）、ステップＳ４５において遮断弁４５，４６が閉塞されて、アノード系内およびカソード系内への窒素ガスの供給が停止されることとなる。その後は、前記したステップＳ１３およびステップＳ４６を経て、システムの停止が完了することとなる。
以上によれば、第２の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
アノード系内およびカソード系内を掃気する前に、アノード系内およびカソード系内の圧力が燃料電池１３の稼動によって下げられるので、燃料である水素ガスおよび酸素ガスの無駄を防止することができる。
アノード系内およびカソード系内を掃気する前に、アノード系内およびカソード系内の圧力が燃料電池１３の稼動によって下げられるので、燃料である水素ガスおよび酸素ガスの無駄を防止することができる。
なお、本発明は、第２の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、掃気ガスとして窒素ガスを利用したが、本発明はこれに限定されず、不活性ガスであればどのようなガスであってもよい。
本実施形態では、掃気ガスとして窒素ガスを利用したが、本発明はこれに限定されず、不活性ガスであればどのようなガスであってもよい。
１ 燃料電池システム
１１ 高圧水素タンク
１２ コンプレッサ
１３ 燃料電池
１４ 遮断弁
１５ 切替弁
１６ パージ弁
１７ 制御部
２１ 燃料ガス供給路
２１Ａ 圧力センサ
２２ 空気供給路
２３ 掃気用流路
２４ 燃料ガス排出路
３１ 負荷
４１ 酸素タンク
４２ 遮断弁
４３ パージ弁
４４ 窒素タンク
４５ 遮断弁
４６ 遮断弁
５１ 酸素供給路
５１Ａ 圧力センサ
５２ 酸素排出路
５３ アノード側供給路
５４ カソード側供給路
Ｐ１ 所定値
Ｐ２ 所定値
Ｐ３ 所定値
ＰＨ 圧力
Ｔ１ 所定時間
Ｔ２ 所定時間
１１ 高圧水素タンク
１２ コンプレッサ
１３ 燃料電池
１４ 遮断弁
１５ 切替弁
１６ パージ弁
１７ 制御部
２１ 燃料ガス供給路
２１Ａ 圧力センサ
２２ 空気供給路
２３ 掃気用流路
２４ 燃料ガス排出路
３１ 負荷
４１ 酸素タンク
４２ 遮断弁
４３ パージ弁
４４ 窒素タンク
４５ 遮断弁
４６ 遮断弁
５１ 酸素供給路
５１Ａ 圧力センサ
５２ 酸素排出路
５３ アノード側供給路
５４ カソード側供給路
Ｐ１ 所定値
Ｐ２ 所定値
Ｐ３ 所定値
ＰＨ 圧力
Ｔ１ 所定時間
Ｔ２ 所定時間
Claims (4)
- 燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路と、
前記酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流通路と、
前記燃料ガス流通路または前記酸化剤ガス流通路を掃気ガスによって掃気する掃気ガス供給手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムを停止させるための停止要求を受けたときに、前記掃気ガス供給手段による掃気を行うか否かを判断する掃気判断手段と、
前記掃気判断手段によって掃気を行うと判断されたときに、掃気を行う側の前記流通路内の圧力を、掃気を行わないと判断されたときよりも低い圧力に低下させる圧力低下手段と、
前記圧力低下手段によって前記流通路内の圧力が低下された後に、前記掃気ガス供給手段を作動させる作動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記圧力低下手段は、前記掃気判断手段によって掃気を行わないと判断されたときよりも発電量が多くなるように、停止要求後における前記燃料電池の稼動を続行させることで、前記流通路内の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
掃気を行う側の前記流通路に、その内部の圧力を検出する圧力検出手段を設け、
前記圧力低下手段は、前記圧力検出手段からの信号に基づいて前記流通路内の圧力を調整することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記掃気ガスは、前記酸化剤ガスであり、
前記掃気ガス供給手段は、前記酸化剤ガスで前記燃料ガス流通路を掃気することを特徴とする燃料電池システム。
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