JP2006073299A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転停止中に燃料電池内への空気の混入を抑制した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１と燃料電池１を収納する燃料電池ケース４を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池１の運転停止時に燃料電池ケース水素供給配管７、９から水素を燃料電池ケース４内に供給し、燃料電池ケース４内の酸素と水素を反応させて、燃料電池ケース４内の酸素を消費する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムの停止中にアノードへの空気混入を防止する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムを停止し、長時間経った後に再び燃料電池システム起動すると、燃料電池システムの停止中に燃料電池のアノードに空気が外部より混入し、次回の燃料電池システム起動時に空気中の酸素によって燃料電池が劣化する恐れがある。

従来、燃料電池システムの停止時に水素と空気中の酸素を反応させ酸素濃度の低いガスをアノードに供給し、燃料電池システムを停止するものが、特許文献１に開示されている。
米国特許第６６３５３７０号明細書

しかし、上記の発明ではアノードに水素を含んだ酸素濃度の低いガスを充填させているが、この場合でもアノードに空気が混入する可能性があり、次回の起動時に燃料電池を劣化させる可能性がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、アノードに酸素の混入をより少なくし、燃料電池の劣化をより抑制することを目的とする。

本発明では、水素と酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、燃料電池を収納する筐体と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転停止時に筐体に水素を供給する筐体内水素供給手段を備える。そして、燃料電池の運転停止時に筐体内の酸素と前記水素を反応させ、筐体内の酸素を消費し、筐体内を酸素濃度の低いガスで充填させる。

本発明によると、燃料電池の運転停止時に燃料電池を収納する筐体内に水素を供給し、筐体内の酸素を消費し、筐体内を酸素濃度の低いガス（不活性ガス）とすることで、燃料電池の運転停止中に燃料電池に筐体内のガスが混入した場合でも、燃料電池を劣化させないガスが混入するので、次回の燃料電池起動時に燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１の構成図を用いて説明する。この実施形態では後述する単位セル３０を積層した燃料電池１と、水素ボンベ２５から後述する単位セル３０のアノード３６へ供給する水素の流量を制御する水素供給用ブロア２（以下、ブロア２とする）と、外部から後述する単位セル３０のカソード３７へ空気（酸化剤ガス）を供給し、その流量を制御する空気供給用ブロア３（以下、ブロア３とする）を備える。また、燃料電池１を収納する燃料電池ケース（筐体）４を備える。

単位池セル３０の概略構成について図２を用いて説明する。単位セル３０は電解質膜３１の両面にガス拡散層３２、３３を設け、その外側にセパレータ３４、３５を備える。なお、セパレータ３４、３５にはガス拡散層３２、３３にそれぞれ水素、空気を供給するための流路（図示せず）を設ける。また、ガス拡散層３２、３３はカーボンに白金などの触媒を担持させている。ここではガス拡散層３２とセパレータ３４をアノード３６とし、ガス拡散層３３とセパレータ３５をカソード３７とする。

アノード３６は水素供給マニホールド、水素排出マニホールド（図示しない）によって水素供給配管５と、水素排出配管６に接続しており、ブロア２によって流量を制御された水素が水素供給配管５を介して供給される。燃料電池１の発電に使用されなかった水素は水素排出配管６から燃料電池１の外部へ排出される。

水素供給配管５には燃料電池ケース４内へ水素を供給する燃料電池ケース水素供給配管７（以下、水素供給配管７とする）が切替弁８を介して接続する。これによって燃料電池システム停止制御時などに水素を燃料電池ケース４内に供給することができる。

切替弁８は通常の燃料電池システム稼働時には水素が水素供給配管７へ流れないように水素供給配管７と水素供給配管５を遮断する。また燃料電池システムの停止制御時には水素供給配管５と水素供給配管７を連通させ、水素供給配管７を介して燃料電池ケース４に水素を供給する。

水素排出配管６には燃料電池ケース４へ水素を供給する燃料電池ケース水素供給配管９（以下、水素供給配管９とする）が切替弁１０を介して接続する。これによって燃料電池システム停止制御時に水素を燃料電池１の下流からも燃料電池ケース４内に供給することができる（水素ボンベ２５、水素供給配管７、９が筐体内水素供給手段を構成する）。

切替弁１０は切替弁８と同様に通常の燃料電池システム稼働時に水素が燃料電池ケース４内に流れないように水素排出配管６と水素供給配管９を遮断する。また燃料電池システムの停止制御時には水素排出配管６と水素供給配管９を連通させ、水素供給配管９を介して燃料電池ケース４に水素を供給する。なお、切替弁１０は外部より燃料電池１に空気が混入しないように逆止弁とする。

一方、カソード３７は空気供給マニホールド、空気排出マニホールド（図示しない）空気供給配管１１と、空気排出配管１２に接続しており、ブロア３によって外部より供給され、流量を制御された空気が空気供給配管１１を介して供給される。燃料電池１の発電に使用されなかった空気は空気排出配管１２から燃料電池１の外部へ排出される。

空気供給配管１１には燃料電池ケース４へ空気を供給する燃料電池ケース空気供給配管１３（以下、空気供給配管１３とする）が切替弁１４を介して接続される。

切替弁１４は燃料電池システム稼働時には空気供給配管１１と空気供給配管１３を遮断する。また、燃料電池ケース４内に水素がリークした場合には空気供給配管１１と空気供給配管１３を連通させ、燃料電池ケース４に空気を供給し、空気中の酸素と水素を反応させる。

空気排出配管１２には燃料電池システムの停止時に外部と燃料電池１を遮断する遮断弁１６を備える。

燃料電池ケース４は燃料電池ケース４内の水素濃度を検出する水素濃度センサ（水素濃度検出手段）１７を備える。また、燃料電池ケース４で生成された水を蓄えるドレインタンク１９を備える。さらに燃料電池ケース４内のガスを均一に拡散させる換気ファン１８を備える。なお、水素供給配管５などが貫通する箇所にはシール部材を設け、燃料電池ケース４内へ外部より空気が混入しないようにする。

また、ブロア２、３、または切替弁８などを制御するコントローラ５０を備える。

以上の構成により、水素供給配管７、９によって水素ボンベ２５から燃料電池ケース４内に水素を供給することができる。

次にこの実施形態の燃料電池システム停止制御について図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１００では、燃料電池システムの起動停止信号がコントローラ５０に送られると、切替弁８によって水素供給配管５と水素供給配管７を連通させる。また切替弁９によって水素排出配管６と水素供給配管９を連通させ、水素ボンベ２５から燃料電池ケース４へ水素が供給される。これによって燃料電池ケース４内に酸素がある場合には酸素と水素が反応し、酸素が消費される。

なお、切替弁１４は空気供給配管１３に燃料電池ケース４内のガスが流れないように空気供給配管１１と空気供給配管１３を遮断する。また、遮断弁１６を閉じ、外部と燃料電池１を遮断する。

ステップＳ１０１では、水素濃度センサ１７によって燃料電池ケース４内の水素濃度ｄを検出し、所定の水素濃度ｄ１を比較する。そして水素濃度ｄが水素濃度ｄ１となるとステップＳ１０２へ進む。所定の水素濃度ｄ１は予め設定され、０．０１％から４％の範囲で設定される。これは燃料電池ケース４内で水素が燃料電池ケース４内の空気（ガス）中の酸素と反応し、酸素を消費し、また燃料電池システム停止中に外部より空気が混入した場合に空気中の酸素と反応し、酸素を消費することが可能な水素濃度であり、その反応が穏やかに進む水素濃度である。

これによって、燃料電池ケース４内を酸素濃度の低いガス、ここでは窒素を主成分とする不活性ガスとすることができ、燃料電池１に燃料電池ケース４内のガスが混入した場合でも燃料電池１の酸素濃度を低くすることができるので、次回の燃料電池システム起動時に燃料電池１の劣化を抑制することができる。

燃料電池ケース４内で水素と酸素の反応によって生成された水はドレインタンク１９に溜められる。なお、ドレインタンク１９に溜まった水は所定水量となると放出弁２３を開いて外部へ排出される。また、水素濃度を正確に検出するために換気ファン１８によって燃料電池ケース４内の濃度を均一にする。

ステップＳ１０２では切替弁８、１０を全方向において閉じ、水素供給配管５と水素供給配管７を遮断し、水素排出配管６と水素供給配管９を遮断する。また、燃料電池システムの外部とアノード３６を遮断する。これによってアノード３６には水素が充填され、燃料電池ケース４内には不活性ガスが充填される。そして、燃料電池システム停止制御を終了する。

なお、燃料電池システム停止中にも水素濃度センサ１７によって燃料電池ケース４内の水素濃度を検出し、水素濃度が低くなった場合に切替弁８を開き、ブロア２によって水素を燃料電池ケース４内に供給し、燃料電池ケース４内の水素濃度が所定の水素濃度範囲（０．０１％〜４％）にとなるようにしてもよい。

以上の制御によって、燃料電池システム停止時に燃料電池ケース４内に水素を供給し、燃料電池ケース４内を所定の水素濃度とすることで、燃料電池ケース４内の酸素を消費し、燃料電池ケース４内に窒素を主成分とする不活性ガスで充填することができる。また、燃料電池ケース４内に外部より空気が混入した場合でも空気中の酸素を消費することができる。そのため燃料電池システムの停止中に燃料電池ケース４内のガスが水素供給配管５、燃料電池１内に混入した場合でも酸素濃度の低いガスが混入することとなり、次回の燃料電池１起動時に燃料電池１の劣化を抑制することができる。

燃料電池システム停止時間が長時間となった後の燃料電池システム起動時では、燃料電池ケース４以外から水素供給配管５に空気が混入している可能性があるが、このときには燃料電池システム起動時に切替弁８によって水素供給配管７とアノード３６を連通させ、燃料電池ケース４内のガスをアノード３６に供給し、切替弁１０によってアノード３３３６と外部を連通させ、アノード３６のガスを外部へ排出する。これによってアノード３６を窒素を主成分とする不活性ガスによってパージすることができる。

また、カソード３７についても切替弁１４によって空気供給配管１３と燃料電池１を連通させ、燃料電池ケース４内のガスをカソード３７に供給し、遮断弁１６によってカソード３７と外部を連通させ、カソード３７のガスを外部へ排出する。これによってカソード３７を窒素を主成分とする不活性ガスによってパージすることができる。なお、燃料電池ケース４内のガスはガス濃度差よってアノード３６、カソード３７へ供給（拡散）する。

アノード３６、カソード３７を一旦不活性ガスによってパージするので、その後水素、空気をそれぞれ供給した場合には、水素と空気によって不活性ガスをパージし、発電を開始するので、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

燃料電池システム稼働中には、燃料電池ケース４内の水素濃度を検出し、水素濃度が所定値（４％）よりも高くなると、切替弁１４によって燃料電池ケース４内に空気を供給し、水素と空気の酸素を反応させ、水素濃度を低くする。これによって燃料電池ケース４内に水素がリークした場合でも空気中の酸素によって水素を消費し、燃料電池ケース４内の水素濃度を低くし、燃料電池ケース４内の水素濃度が高くなるのを防ぐことができる。

また、図４、図５に示すようにアノード３６に排出水素を循環する循環流路２０と、循環流路２０への排出水素の流量を制御する流量制御弁２１を備えた燃料電池システムに用いてもよい。なお、図４は循環流路２０、流量制御弁２１を燃料電池ケース４内に設けたものであり、図５は循環流路２０、流量制御弁２１を燃料電池ケース４外に設けたものである。これらにおいてもこの実施形態を適用することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

本発明を用いない場合の燃料電池システム起動時の燃料電池について図６を用いて説明する。燃料電池の運転を停止、特に長時間停止した場合には、アノードに空気が外部より混入している場合がある。その場合に燃料電池システムが起動され、アノードに水素が供給されると、アノードの上流側では水素が供給され、水素と空気の界面となる水素／空気フロントよりも下流側では水素がまだ到達せずに、空気が存在することになる。

このとき水素が到達したアノードの上流側では、
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 式（１）
の反応が起こり、またカソードでは、
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ 式（２）
の反応が起こり、水が生成される。一方、水素が到達していないアノードの下流側では、空気中の酸素が
Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ 式（３）
の反応を起こし、この箇所では電位が低下し、カソードとの電位差が大きくなる。このためカソードでは、ガス拡散層のカーボンが、
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- 式（４）
の反応を起こして、ガス拡散層に劣化が生じる。

この実施形態では燃料電池ケース４内に水素を供給する水素供給配管７、９を備え、燃料電池システムの停止制御時に、燃料電池ケース４内の水素濃度が所定濃度となるように水素を供給する。水素を燃料電池ケース４内へ供給することで、燃料電池ケース４へ混入した空気中の酸素を反応させ、燃料電池ケース４内を窒素ガスを主成分とする不活性ガスを充填することができる。そのため、燃料電池システム停止中に燃料電池１に燃料電池ケース４内のガスが混入した場合でも、酸素濃度に低いガスが混入することになり、燃料電池１の酸素濃度を低くすることができる。そして次回の起動時にアノード３６では水素が到達していない箇所での式（３）の反応を抑制し、カソード３７では式（２）の反応を抑制することができ、その結果燃料電池１の劣化を抑制することができる。また、アノード３６には水素が充填されているので、燃料電池１を素早く起動させることができる。

また、燃料電池システム停止中に燃料電池ケース４へ空気が混入した場合でも、燃料電池ケース４内に水素が存在するので、新たに混入した空気中の酸素を消費することができ、燃料電池ケース４内を不活性ガスで保つことができる。そのため燃料電池１への酸素の混入を抑制し、燃料電池１の劣化をさらに抑制することができる。

さらに燃料電池システム停止中に燃料電池ケース４内の水素濃度を検出し、所定の水素濃度に保つことで、さらに燃料電池１への酸素の混入を抑制し、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

燃料電池システム稼働中に燃料電池ケース４内に水素がリークした場合に、空気供給配管１３から空気を供給し、空気中の酸素と水素を反応させ、水素を消費することで燃料電池ケース４の水素濃度が高くなるのを防止することができ、燃料電池システムの安全性を高めることができる。

長時間の燃料電池システム停止中に水素供給配管５に空気が混入した場合に、燃料電池ケース４内のガスで燃料電池１内をパージし、アノード３６の酸素濃度を低くすることができる。また、カソード３７もガスによってパージするので、アノード３６で水素／空気フロントの発生を防止することができ、さらにアノード３６で水素／空気フロントが生じた場合でもカソード３７が酸素濃度の低いガスで充填されているので式（２）の反応を抑制することができ、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次に本発明の第２実形態について図５を用いて説明する。この実施形態は、燃料電池ケース４内の酸素を消費する酸素消費装置（酸素消費手段）２２を備える。その他の構成については第１実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。この構成によって燃料電池ケース４内の酸素を消費することができる。

酸素消費装置２２は、燃料電池ケース４の内部と連通しており、燃料電池ケース４内のガスを取り入れ、例えば酸素透過膜などによってガス中の酸素だけを分離し、その酸素を触媒によって消費する触媒燃焼器である。なお、酸素消費装置２２は触媒燃焼器以外のものを使用してもよい。

次にこの実施形態の燃料電池システム停止制御について図６のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２００では、燃料電池システムの起動停止信号がコントローラ５０に送られると、切替弁８を制御し、水素供給配管５と水素供給配管７を連通させる。また切替弁９を制御し、水素排出配管６と水素供給配管９を連通させる。これによってブロア２によって水素供給配管６と水素供給配管９から燃料電池ケース４へ水素が供給される。これによって燃料電池ケース４内に酸素がある場合には酸素と水素が反応し、酸素が消費される。

なお、切替弁１４は空気供給配管１３に燃料電池ケース４内のガスが流れないように空気供給配管１１と空気供給配管１３を遮断する。また、遮断弁１６を閉じ、外部と燃料電池１を遮断する。

ステップＳ２０１では、酸素消費装置２２を起動し、燃料電池ケース４内の酸素を消費する。これによって燃料電池ケース４内の酸素を素早く消費することができ、燃料電池システム停止制御を素早く終了することができる。

ステップＳ２０２では、水素濃度センサ１７によって燃料電池ケース４内の水素濃度ｄを検出し、所定の水素濃度ｄ１を比較する。そして水素濃度ｄが水素濃度ｄ１となるとステップＳ２０３へ進む。所定の水素濃度ｄ１は予め設定され、０．０１％から４％の範囲で設定される。これは燃料電池ケース４内で水素が燃料電池ケース４内の空気（ガス）中の酸素と反応し、酸素を消費し、また燃料電池システム停止中に外部より空気が混入した場合に空気中の酸素と反応し、酸素を消費することが可能な水素濃度であり、また、その反応が穏やかに進む水素濃度である。

これによって、燃料電池ケース４内を酸素濃度の低いガス、ここでは窒素を主成分とする不活性ガスとすることができ、燃料電池１に燃料電池ケース４内のガスが混入した場合でも燃料電池１を劣化することがない。水素と酸素の反応によって生成された水はドレインタンク１９に溜められる。なお、ドレインタンク１９に溜まった水は所定水量となると外部へ排出される。また、水素濃度を正確に検出するために換気ファン１８によって燃料電池ケース４内の濃度を均一にする。

ステップＳ２０３では酸素消費装置２２を停止する。

ステップＳ２０４では切替弁８、１０を全方向において閉じ、水素供給配管５と水素供給配管７を遮断し、水素排出配管６と水素供給配管９を遮断する。また、外部とアノード３６を遮断する。これによってアノード３６には水素が充填され、燃料電池ケース４内には不活性ガスが充填される。そして、燃料電池システム停止制御を終了する。

以上の制御によって、燃料電池ケース４内の酸素を素早く消費することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、第１実施形態の効果に加えて酸素消費装置２２によって燃料電池ケース４内の酸素を消費するので、燃料電池システムの停止制御を素早く終了させることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池の起動、停止の回数が多い燃料電池システムに特に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略図である。 本発明の第１実施形態の単位セルの概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池システム停止制御を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの変更例である。 本発明の第１実施形態の燃料電池システムの変更例である。 本発明を用いない場合の燃料電池システム起動時の燃料電池を説明する図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムの概略図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システム停止制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
４ 燃料電池ケース（筐体）
５ 水素供給配管
６ 水素排出配管
７ 燃料電池ケース水素供給配管
８ 切替弁
９ 燃料電池ケース水素供給配管
１０ 切替弁
１７ 水素濃度センサ（水素濃度検出手段）
２２ 酸素消費装置（酸素消費手段）
２５ 水素ボンベ
３２ ガス拡散層
３３ ガス拡散層
３６ アノード
３７ カソード
５０ コントローラ

Claims (7)

1. 水素と酸化剤ガスによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を収納する筐体と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の運転停止時に前記筐体に前記水素を供給する筐体内水素供給手段を備え、
   前記燃料電池の運転停止時に前記筐体内の酸素と前記水素を反応させ、前記筐体内の前記酸素を消費し、前記筐体内を酸素濃度の低いガスで充填することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記筐体内の水素濃度を検出する水素濃度検出手段を備え、
   前記筐体内水素供給手段は、前記筐体内の水素濃度が所定の水素濃度範囲内となるように前記水素を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の運転停止中に前記水素濃度検出手段によって前記筐体内の前記水素濃度を検出し、
   前記筐体内水素供給手段は、前記燃料電池の運転停止中に前記水素濃度が前記所定の水素濃度範囲から外れた場合に前記水素を前記筐体内に供給し、前記水素濃度を前記所定の水素濃度範囲内に維持することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記筐体内の酸素を消費する酸素消費手段を備え、
   前記酸素消費手段は、前記燃料電池の停止時に前記水素濃度が前記所定の水素濃度範囲内となるように前記筐体内の酸素を消費することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸素消費手段は、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。
6. 前記所定の水素濃度範囲を０．０１％から４％とすることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池システムの起動時に前記筐体内のガスを前記燃料電池に供給し、前記燃料電池内を前記ガスで置換し、その後前記水素または前記酸化剤ガスを供給し、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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