JP2006210086A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に劣化反応を生じ難く、燃料電池の耐久性を損ない難い燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、固体高分子膜型の燃料電池１と、燃料供給手段と、燃料排出手段と、制御手段とを備える。配管５３には供給弁６３と供給口２１ａとの間の圧力を検知する３次圧力センサ７３が設けられている。制御手段は、燃料電池１の発電起動時、水素ガスを供給する前に起動排気弁６７及び停止排気弁６８を開くと共に、３次圧力センサ７３により水素ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、起動排気弁６７及び停止排気弁６８が開いていないと判定して警報信号を発するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

特許文献１に従来の固体高分子膜型の燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells）を適用した燃料電池システムが開示されている。

この燃料電池システムに適用される燃料電池は、イオン交換樹脂からなる電解質膜である固体高分子膜を燃料極（アノード極、水素極ともいう。）と空気極（カソード極、酸素極ともいう。）とで挟持したものであり、燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有している

燃料電池システムは、上記燃料電池の他に、燃料供給手段と圧力検出手段と燃料排出手段とを備えている。燃料供給手段は、燃料室に燃料ガスを供給するための供給路及び供給路を開閉する供給弁を有している。圧力検出手段は、燃料室に供給される直前の燃料ガスの圧力をモニタする。燃料排出手段は、燃料室から排ガスを排出するための排出路及び排出路を開閉する排気弁を有している。

このような構成である従来の燃料電池システムは、燃料電池の通常発電時において、燃料供給手段により燃料ガスが燃料電池の燃料室に供給され、それと同時に、燃料電池の空気極にも酸素を含む空気が供給される。その結果として、燃料電池の燃料極と空気極との間で起電力が生じる。

ところで、この燃料電池システムでは、燃料電池の発電起動時に、燃料室内に供給開始された燃料ガスと、燃料電池の発電停止時に燃料室内に置換されていた空気とが緩和的に混合することにより燃料室内で偏在し、燃料極の表面において反応の分布が不均一になる事態が生じるおそれがある。このような事態が生じた場合には、燃料室内で局所的な水生成反応が生じ、局部電池状態が発生する。その結果、燃料室内で異常発電状態を生じ、燃料電池が劣化する。

このため、この燃料電池システムは、上述した燃料電池の発電起動時の劣化を防止するため、燃料電池の発電起動時に、燃料室内の空気を燃料ガスの加圧供給により置換することが可能とされている。具体的には、燃料電池の発電起動時に、排出路を開状態とした後で、通常発電時よりも高い供給圧の燃料ガスを燃料室内に新たに供給し、燃料室内の空気をその燃料ガスで置換しつつ、排出路により急速に排出させることができる。こうして、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時の劣化を防止することができている。

特開２００４−１３９９８４号公報

しかし、上記特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の発電起動時に、なんらかの不具合により起動排気弁が故障して開かない異常が生じても、その異常を認知するすべがなく、対処することができなかった。このため、燃料電池の発電起動時に、起動排気弁が故障して開かないまま、燃料電池の発電起動動作が実行されてしまうことに起因する燃料電池の劣化を防止することができなかった。

すなわち、燃料電池の発電起動時、起動排気弁が開かない異常が生じて、排出路を開状態にすることができないと、発電停止時に燃料室内に置換されていた空気を排出路から排出することができなくなる。このため、燃料室内に新たに供給される燃料ガスと空気とが燃料室内において偏在する状態が顕著となり、燃料室内に局部電池が形成される。この局部電池では、正常発電時と逆向きの電流が生じるため、空気極が腐食する等、燃料電池に劣化反応が生じ、燃料電池の耐久性が損なわれることとなる。

特に、この燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電起動時に燃料室内の空気を燃料ガスの加圧供給により置換することが可能とされている場合には、下記のような不具合がさらに発生するおそれがある。

つまり、燃料電池の発電起動時、起動排気弁が開かない異常が生じ、排出路を開くことができないまま、通常発電時よりも高い供給圧の燃料ガスを燃料室内に新たに供給してしまうと、燃料室内の圧力は急激に高まることとなる。このとき、燃料室の耐圧が充分に高くない場合には、急速かつ過度な圧力上昇により、燃料室が損傷する不具合が生じるおそれがある。

この点、特許文献１とは別の特許文献である特開２００３−９２１２５号公報に、燃料電池の通常発電時において燃料排出手段の故障等の異常を検知し、警報を発する燃料電池システムが開示されている。しかし、この燃料電池システムは、通常発電時の異常検知に限定したものに過ぎず、燃料電池の発電起動時における上述のような燃料電池の劣化を解決できない。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池に劣化反応を生じ難く、燃料電池の耐久性を損ない難い燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。

請求項１に係る燃料電池は、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路及び該供給路を開閉する供給弁を有する燃料供給手段と、
該供給路内の該燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
該燃料室から排ガスを排出するための排出路及び該排出路を開閉する起動排気弁を有する燃料排出手段と、
該燃料電池の発電起動時、該燃料ガスを供給する前に該起動排気弁を開くと共に、該燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、該起動排気弁が開いていないと判定して警報信号を発する制御手段とを備えたことを特徴とする。

このような構成である請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池の通常発電時において、燃料供給手段により燃料ガスが燃料電池の燃料室に供給され、それと同時に、燃料電池の空気極にも酸素を含む空気が供給される。その結果として、燃料電池の燃料極と空気極との間で起電力が生じる。

ここで、この燃料電池システムは、燃料供給手段と圧力検出手段と燃料排出手段とを備えている。燃料供給手段は、燃料室に燃料ガスを供給するための供給路及び供給路を開閉する供給弁を有する。圧力検出手段は、供給路内の燃料ガスの圧力を検出する。燃料排出手段は、燃料室から排ガスを排出するための排出路及び排出路を開閉する排気弁を有する。

また、この燃料電池システムは、制御手段を有する。制御手段は、燃料電池の発電起動時、燃料ガスを供給する前に起動排気弁を開くと共に、燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、起動排気弁が開いていないと判定して警報信号を発する。

つまり、まず、発電停止状態の燃料電池において、制御手段により、燃料ガスを供給する前に起動排気弁が開くように制御される。

次に、所定の圧力に供給圧を調整された燃料ガスが燃料供給手段により燃料電池の燃料室に供給される。この際、圧力検出手段により供給路内の燃料ガスの圧力変化が継続的に検知される。

ここで、起動排気弁が正常に開いて、排出路を開状態にすることができていれば、供給された燃料ガスは燃料室内に徐々に充満しつつ燃料室を通過して排出路により排出される。これにより、燃料電池が発電停止状態であった時に燃料室に置換されていた空気を新たに供給する燃料ガスで置換することができる。

このため、供給路内の燃料ガスの圧力は、燃料ガスの供給圧よりもある程度低い圧力に保たれることとなる。この状態における供給路内の燃料ガスの圧力をＰ１（起動排気弁が開いている時の圧力）とし、Ｐ１に圧力変動や誤差等を考慮したマージンを上乗せした閾値をＰ２とする。

この場合、圧力検出手段により検知される圧力が閾値Ｐ２を超えなければ、制御手段は、この圧力検出手段の検出信号に基づいて「起動排気弁が開いている」と判定することができる。

「起動排気弁が開いている」と判定された場合、この燃料電池システムは、起動排気弁を閉じて、燃料電池を通常発電状態に移行させることができる。

逆に、起動排気弁になんらかの不具合が生じて開いていなければ、排出路を開状態とすることができない。このため、供給開始された燃料ガスは、燃料室内に徐々に充満していくが、燃料室内から排出路により排出されることはない。このため、供給路内の燃料ガスの圧力は、さらに上昇し、そのまま放置すれば、燃料ガスの供給圧までは上昇することとなる。

この場合、圧力検出手段により検知される圧力値は、閾値Ｐ２を超えて、さらに上昇することとなる。このため、制御手段は、この圧力検出手段の検出信号に基づいて、圧力検出手段の検知した圧力値が閾値Ｐ２に到達した時点で、「起動排気弁が開いていない」と判定して、直ちに警報信号を発するのである。

このため、燃料電池の発電起動時において、警報信号が発せられているのであれば、燃料電池の発電停止時に燃料室内に置換されていた空気を排出路により排出して燃料ガスで置換することができず、そのまま発電起動時の動作が継続されることにより空気極の腐食等の劣化を生じてしまうということが明確になる。このため、この燃料電池システムは、そのような燃料電池の劣化を最小限で又は未然に防止することを実現するため、燃料電池の発電起動時の動作を直ちに停止することを可能にするのである。そして、この燃料電池システムは、燃料電池の発電起動時の動作の停止後、異常停止動作等の適切な処置に移行することもできるのである。

特にこの燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電起動時に燃料室内の空気を燃料ガスの加圧供給により置換することが可能とされている場合には、起動排気弁が開いていない状態で、通常発電時よりも高い供給圧の燃料ガスを燃料室内に新たに供給してしまい、急速かつ過度な圧力上昇により燃料室が損傷するという不具合を未然に防止することができるのである。

したがって、請求項１に係る燃料電池システムは、燃料電池に劣化反応を生じ難く、燃料電池の耐久性を損ない難いのである。

請求項２に係る燃料電池システムにおいて、燃料排出手段は、前記起動排気弁より前記燃料電池に近い排出路に接続された副排出路及び該副排出路を開閉する停止排気弁を有し、
前記制御手段は、該燃料電池の起動時、前記燃料ガスを供給する前に前記起動排気弁及び該停止排気弁を開くと共に、該燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、該起動排気弁及び該停止排気弁が開いていないと判定して警報信号を発するものである。

この場合、この燃料電池システムにおいて、上述の起動排気弁と同様の開閉動作又は異なる開閉動作を停止排気弁に実施させて、燃料電池で生成される水や排気ガスの排出能力を高めることができる。

具体的には、例えば、排出路にドレインタンクを設けて、水が過度に滞留する前に、起動排気弁を開いて、排出路から水を排出させ、副排出路からは、主に水を含まない気体を排出させることができる。これにより、排出路と副排出路との間で役割分担が行われ、燃料電池で生成される水や燃料ガスをより確実に排出することが可能となる。

ここで、制御手段は、燃料電池の発電起動時、燃料ガスを供給する前に起動排気弁及び停止排気弁を開くと共に、燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、起動排気弁及び停止排気弁が開いていないと判定して警報信号を発する。

つまり、まず、発電停止状態の燃料電池において、制御手段により、燃料ガスを供給する前に起動排気弁及び停止排気弁が共に開くように制御される。

次に、所定の圧力に供給圧を調整された燃料ガスが燃料供給手段により燃料電池の燃料室に供給される。この際、圧力検出手段により供給路内の燃料ガスの圧力変化が継続的に検知される。

ここで、起動排気弁及び停止排気弁の少なくとも一方が正常に開いて、排出路及び副排出路の少なくとも一方を開状態にすることができていれば、供給された燃料ガスは燃料室内に徐々に充満しつつ燃料室を通過して排出路及び副排出路の少なくとも一方により排出される。これにより、燃料電池が発電停止状態であった時に燃料室に置換されていた空気を新たに供給する燃料ガスで置換することができる。

このため、供給路内の燃料ガスの圧力は、燃料ガスの供給圧よりもある程度低い圧力に保たれることとなる。この状態における供給路内の燃料ガスの圧力をＰ３（起動排気弁及び停止排気弁の少なくとも一方が開いている時の圧力）とし、Ｐ３に圧力変動や誤差等を考慮したマージンを上乗せした閾値をＰ４とする。

この場合、圧力検出手段により検知される圧力が閾値Ｐ４を超えなければ、制御手段は、この圧力検出手段の検出信号に基づいて「起動排気弁及び停止排気電磁弁の少なくとも一方が開いている」と判定することができる。

「起動排気弁及び停止排気電磁弁の少なくとも一方が開いている」と判定された場合、この燃料電池システムは、起動排気弁及び停止排気弁を閉じて、燃料電池を通常発電状態に移行させることができる。

逆に、起動排気弁及び停止排気弁になんらかの不具合が生じて開いていなければ、排出路及び副排出路を開状態とすることができない。このため、供給開始された燃料ガスは、燃料室内に徐々に充満していくが、燃料室内から排出路及び副排出路により排出されることはない。このため、供給路内の燃料ガスの圧力は、さらに上昇し、そのまま放置すれば、燃料ガスの供給圧までは上昇することとなる。

この場合、圧力検出手段により検知される圧力値は、閾値Ｐ４を超えて、さらに上昇することとなる。このため、制御手段は、この圧力検出手段の検出信号に基づいて、圧力検出手段の検知した圧力値が閾値Ｐ４に到達した時点で、「起動排気弁及び停止排気弁が開いていない」と判定して、直ちに警報信号を発するのである。

こうして、請求項２に係る燃料電池システムは、請求項１に係る燃料電池システムと同様の理由により、燃料電池に劣化反応をより生じ難く、燃料電池の耐久性をさらに損ない難いのである。

請求項３に係る燃料電池システムにおいて、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるものである。

この場合、この燃料電池システムは、燃料電池を確実に発電停止状態にすることができるので、燃料電池システムの安全性を一層高めることができる。

本発明は燃料電池システムの運転方法でもあり得る。請求項４に係る燃料電池システムの運転方法は、固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路及び該供給路を開閉する供給弁を有する燃料供給手段と、
該燃料室から排ガスを排出するための排出路及び該排出路を開閉する起動排気弁を有する燃料排出手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
前記燃料電池の発電起動時、前記燃料ガスを供給する前に前記該起動排気弁を開くように制御すると共に、該燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、該起動排気弁が開いていないと判定して警報信号を発することを特徴とする。

以下、本発明を具体化した実施例１を図面を参照しつつ説明する。

図１に示す実施例１の燃料電池システム１００は、図２に示す固体高分子膜型の燃料電池１を適用したものである。

この燃料電池１は、２枚のエンドプレート２０ａ、２０ｂの間に図示しない集電板及び絶縁板を介して積層体１０が挟持されたものである。積層体１０は、図３に示すように、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）１１をセパレータ１２で挟みながら順次積層したものである。ＭＥＡ１１は、イオン交換樹脂からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に一体に形成されたカーボンからなる燃料極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に一体に形成されたカーボンからなる空気極１１ｃとからなる。全ての燃料極１１ｂは一方の集電板に電気的に接続され、全ての空気極１１ｃは他方の集電板に電気的に接続されており、図２に示すように、両集電板の各端子１ａ、１ｂは燃料電池１から突出されている。

図３に示すように、各セパレータ１２の燃料極１１ｂ側には燃料室１２ａが形成されており、燃料室１２ａによって燃料ガスである水素ガスが燃料極１１ｂに供給されるようになっている。他方、各セパレータ１２の空気極１１ｃ側には空気室１２ｂが形成されており、空気室１２ｂによって酸素を含む空気が空気極１１ｃに供給されるようになっている。燃料室１２ａは水平方向に開口されており、空気室１２ｂは燃料室１２ａと直交する方向である垂直方向に開口されている。なお、積層体１０の両端のセパレータ１２には燃料室１２ａ又は空気室１２ｂだけが形成されている。こうして一枚のＭＥＡ１１と一対のセパレータ１２とによって個々の燃料電池のセル１０ａが構成されている。各セル１０ａの全ての燃料室１２ａは、図２に示すように、一方のエンドプレート２０ａに形成された供給口２１ａ及び他方のエンドプレート２０ｂに形成された排出口２１ｂに連通している。

そして、この燃料電池１は、図１に示すように、他の構成部品とともに組み付けられて、燃料電池システム１００を構成する。

燃料電池１の燃料室１２ａに設けられた供給口２１ａ及び排出口２１ｂには、次のような各種の構成部品が接続されて、燃料室１２ａ内への水素ガスの供給又は燃料室１２ａからの水素ガスの排出を実施したり、燃料室１２ａ内を外気で置換したりすることが可能とされている。

供給口２１ａの最も上流側には水素タンク５０があり、水素タンク５０には、接続点Ａで合流するように並列に配置された配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃが設けられている。配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃは、水素タンク５０側から、各々が水素元電磁弁６０ａ、６０ｂ、６０ｃと、１次圧力センサ７１ａ、７１ｂ、７１ｃと、水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃとを有している。

接続点Ａから接続点Ｂを介して接続点Ｃまでには配管５２ａが設けられ、接続点Ｂから接続点Ｃまでには、配管５２ａと並列に配管５２ｂが設けられている。配管５２ａは、接続点Ｂより上流に２次圧力センサ７２を有し、接続点Ｂより下流に水素２次圧レギュレータ６２ａを有している。また、配管５２ｂは水素起動電磁弁６２ｂを有している。

接続点Ｃから接続点Ｄまでには、配管５３が設けられている。配管５３は、供給弁６３を有し、その下流に３次圧力センサ７３を有している。３次圧力センサ７３は、圧力検出手段であり、供給弁６３と供給口２１ａとの間の圧力を検知することが可能とされている。

接続点Ｄから供給口２１ａまでには、配管５４が設けられている。配管５４は、配管５４内の圧力が過度に上昇した場合に開放されて、配管５４内の気体を大気に放出するリリーフ弁６４を有している。

排出口２１ｂから接続点Ｅまでには、配管５６が設けられている。配管５６は、レベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７を有し、その下流に水素ポンプ８１を有している。

配管５６の途中のドレインタンク８７から接続点Ｆを介して後述するダクト９１までには、配管５７が設けられている。配管５７は、接続点Ｆよりも上流に起動排気弁６７を有している。

水素ポンプ８１の下流側の接続点Ｅから接続点Ｆまでには、配管５８が設けられている。配管５８は、停止排気弁６８を有している。

接続点Ｅから接続点Ｇを介して接続点Ｄまでには、配管５９が設けられている。配管５９は、接続点Ｅと接続点Ｇとの間に水素循環電磁弁６９を有している。

接続点Ｇには、他端が開放されている配管５５が設けられている。配管５５は、外気導入電磁弁６５と、開放端に装着されるフィルタ５５ｂとを有している。

配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂ、５３、５４が供給路である。そして、供給路の一部である配管５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂと、水素元電磁弁６０ａ、６０ｂ、６０ｃと、１次圧力センサ７１ａ、７１ｂ、７１ｃと、水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、２次圧力センサ７２と、水素２次圧レギュレータ６２ａと、水素起動電磁弁６２ｂとが水素ガスの供給圧を調整する燃料供給圧調整手段５１である。

燃料供給圧調整手段５１は、水素起動電磁弁６２ｂを開閉することにより、水素ガスの供給圧を水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの設定圧又は水素２次圧レギュレータ６２ａの設定圧に切り替えることが可能とされている。特に、この燃料供給圧調整手段５１は、燃料電池１の発電起動時の水素ガスの供給圧を燃料電池１の通常発電時の供給圧よりも高くするものであるので、水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの設定圧が例えば０．３ＭＰａとされて、水素２次圧レギュレータ６２ａの設定圧である０．１ＭＰａよりも高く設定されている。

この燃料供給圧調整手段５１と、供給路の残りの配管５３、５４と、供給弁６３と、３次圧力センサ７３とによって、水素タンク５０から供給口２１ａに、所定の供給圧に調整された水素ガスを供給するための燃料供給手段が構成されている。３次圧力センサ７３が供給路内の水素ガスの圧力を検出する圧力検出手段である。

また、配管５６、５７が排出路であり、配管５６、５８が副排出路である。副排出路は、起動排気弁６７より燃料電池１に近い排出路に接続されている。排出路としての配管５６、５７と、レベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７と、起動排気弁６７と、副排出路としての配管５６、５８と、水素ポンプ８１と停止排気弁６８とによって、燃料室１２ａから排気水素ガスを排出するための燃料排出手段が構成されている。

さらに、配管５６、５９、５４が排出口２１ｂと供給口２１ａとを連結する循環路である。循環路としての配管５６、５９、５４と、水素ポンプ８１と、水素循環電磁弁６９とによって、供給口２１ａに排気水素ガスを再供給するための燃料循環手段が構成されている。

また、配管５５、５９、５４が外気路である。外気路としての配管５５、５９、５４と、フィルタ５５ｂと外気導入電磁弁６５とによって、供給口２１ａに外部の空気を供給し、燃料室１２ａ内を空気で置換する外気置換手段が構成されている。

また、燃料電池１の上方には、空気を取り入れる空気マニホールド４２が設けられている。この空気マニホールド４２には、フィルタ４１ａを有する空気吸入ファン４１が接続されており、空気室１２ｂ内に空気を供給可能とされている。また、空気マニホールド４２には、水噴射ノズル９９が配設されている。この水噴射ノズル９９は、配管９８によりレベルゲージ９７ａが内装された水タンク９７と接続されている。配管９８は、フィルタ９８ａ及び水直噴ポンプ８３を有している。

さらに、燃料電池１の下方には、温度センサ９０ａを有する空気排出経路９０と、凝縮器９２と、凝縮器ファン９３と、排出された空気を空気排出経路９０から凝縮器９２まで導くダクト９１とが設けられて、空気室１２ｂ内から空気を排出可能とされている。凝縮器９２は、空気と水とを分離することが可能であり、分離された空気を大気に排出するための配管９４と、フィルタ９４ａと、温度センサ９４ｂとを有しているとともに、分離された水を水タンク９７に輸送する配管９６と、水回収ポンプ８２とを有している。

燃料供給手段、燃料供給圧調整手段５１、燃料排出手段、圧力検出手段、燃料循環手段及び外気置換手段は、コントロールシステム４５と電気的に接続されて、制御可能とされている。また、空気吸入ファン４１、レベルゲージ９７ａ、水直噴ポンプ８３、温度センサ９０ａ、凝縮器ファン９３その他の構成部品も、コントロールシステム４５と電気的に接続されて、制御可能とされている。

また、コントロールシステム４５は、詳細を図４を用いて後述する制御手段を有している。制御手段は、燃料電池１の発電起動時、水素ガスを供給する前に起動排気弁６７を開くと共に、３次圧力センサ７３により水素ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、起動排気弁６７が開いていないと判定して警報信号を発するものである。また、制御手段は、警報信号を発した時、燃料電池１を所定の異常停止動作で停止させるものである。

以上の構成をした燃料電池システム１００における動作の概要を説明する。この燃料電池システム１００では、燃料電池１の通常発電時において、空気吸入ファン４１と空気マニホールド４２とにより空気が取り入れられて、図３に示すように、空気室１２ｂ内に空気が供給されるとともに、燃料供給手段により水素タンク５０から供給口２１ａを経て、燃料室１２ａ内に水素ガスが供給される。これにより、空気極１１ｃと燃料極１１ｂとの間で電気化学反応を生じさせ、起電力を得ることができる。

この間、図１に示すように、配管５６、５９、５４と、水素ポンプ８１と、水素循環電磁弁６９とによって、排気水素ガスが排出口２１ｂから供給口２１ａに再供給されたり、配管５６、５７、５８と、レベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７と、起動排気弁６７と、停止排気弁６８とによって、排気水素ガス及び生成水が燃料室１２ａの排出口２１ｂから間欠的にダクト９１を経て凝縮器９２に移送されたりして、電気化学反応を連続的に生じさせるとともに、水が燃料室１２ａ内に過度に滞留することによる性能の低下を抑制することができている。

また、水タンク９７の水が水直噴ポンプ８３により圧送されて、水噴射ノズル９９から空気マニホールド４２内に噴射される。これにより、空気極１１ｃの乾燥が防止されるとともに、燃料電池１が冷却される。さらに、燃料電池１の空気室１２ｂから排出された水を含む空気は、空気排出経路９０からダクト９１を経て凝縮器９２に移送される。そして、凝縮器９２により分離された空気は、配管９４から大気に排出され、分離された水は、水回収ポンプ８２により水タンク９７に回収される。なお、ダクト９１を経て凝縮器９２に移送された排気水素ガス及び生成水も、同様にして、水素と水とに分離され、水素は空気とともに大気に排出され、水は水タンク９７に回収される。

また、発電停止時においては、まず、供給弁６３をとじて水素タンク５０から燃料室１２ａ内への水素ガスの供給を停止させる。そして、水素循環電磁弁６９を閉じ、停止排気弁６８を開いた後、水素ポンプ８１で吸引することにより、燃料室１２ａ内からダクト９１、凝縮器９２及び配管９４を介して、水素ガスを大気に排出させる。その後、外気導入電磁弁６５を開いて、供給口２１ａに外部の空気を供給し、燃料室１２ａ内を空気で置換する。これにより、この燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電停止時に、燃料室１２ａ内の水素ガスと空気室１２ｂ内の空気とが電解質膜１１を挟んで存在するという状態を早期に解消することができる。こうして、この燃料電池システム１００は、発電停止時において、水素ガスと空気との化学的反応が燃料電池１内で継続して起こって燃料電池１が劣化するという不具合を抑制することができる。

さらに、燃料電池１の発電起動時には、後で詳細を説明するが、まず、起動排気弁６７及び停止排気弁６８の双方を開く。そして、空気吸入ファン４１と空気マニホールド４２とにより空気が取り入れられて、空気室１２ｂ内に空気が供給されるとともに、供給弁６３を開くことにより水素タンク５０から供給口２１ａを経て、燃料室１２ａ内に水素ガスが供給される。この際、燃料供給圧調整手段５１の水素起動電磁弁６２ｂを開いておくことにより、燃料室１２ａ内に高い供給圧の水素ガスを急速に流入させることができる。このため、この燃料電池システム１００は、発電停止時に燃料室１２ａ内に置換された空気を新たに供給される水素ガスで置換することを急速に実施できる。このため、空気と水素ガスとが燃料室１２ａ内で偏在する状態の発生を顕著に抑制することができる。また、燃料室１２ａ内の気体の置換にかかる所要時間も短くなり、燃料電池１の発電起動時の所要時間も短縮できる。

このように動作する燃料電池システム１００において、制御手段は、下記の手順で、燃料電池１の発電起動時、なんらかの不具合により起動排気弁６７及び停止排気弁６８が開いていない事態を判定して警報信号を発する。

まず、図４に示すプログラムに従って、燃料電池システム１００における燃料電池１の発電起動時の動作が進行する。例えば、イグニッションキーがＯＮにされる場合や、走行状況により一時的に発電停止状態とされた後、再度発電起動される場合に、コントロールシステム４５に内蔵された制御手段により、図４のプログラムが実行される。

このプログラムが実行されると、まずステップＳ１０１において、コントロールシステム４５から制御信号が発信され、起動排気弁６７及び停止排気弁６８がともに開くように制御される。これにより、燃料室１２ａ内は、排出口２１ｂと、配管５６、５７、５８と、起動排気弁６７と、停止排気弁６８とにより、ダクト９１に連通された状態となる。

次にステップＳ１０３において、水素起動電磁弁６２ｂを開く。これにより、水素タンク５０から供給口２１ａに供給される水素ガスの供給圧は水素１次圧レギュレータ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの設定圧（０．３ＭＰａ）に調整される。なお、この時点で、まだ水素供給元電磁弁６０ａ、６０ｂ、６０ｃがまだ閉じた状態であれば、同時に開くように制御される。

ステップＳ１０５において、供給弁６３を開く。これにより、水素タンク５０から供給口２１ａに、通常よりも高い供給圧で水素ガスが供給され始める。

その後、ステップＳ１０７〜Ｓ１１９において、「３次圧力センサ７３により検知された圧力値」（ｐ）と、下記の通り定めた閾値（Ｐ４）とが比較される。なお、このプログラムにおいて、ｍは、ｐとＰ４との比較回数であり、ｎは、ｐ＞Ｐ４と連続して判定した回数である。このようにするのは、３次圧力センサ７３のノイズや誤差等を排除するためである。

ここで、閾値Ｐ４は、「発電起動時に、通常発電時より高い供給圧の水素ガスが供給されている場合において、起動排気弁６７及び停止排気弁６８の少なくとも一方が開いているときの供給弁６３と供給口２１ａとの間の圧力」をＰ３として、Ｐ３に圧力変動や、３次圧力センサ７３の誤差等を考慮したマージンを上乗せした値として定められる。なお、起動排気弁６７及び停止排気弁６８の排気抵抗に大きな差がある場合、Ｐ３は、排気抵抗の小さい方が閉じ、排気抵抗の大きい方が開いているときにおける供給弁６３と供給口２１ａとの間の圧力」とすることが好ましい。

その結果、ｐとＰ４との比較回数ｍが規定回数に達した場合には、制御手段は、検知処理を終了し、「起動排気弁６７及び停止排気弁６８の少なくとも一方が開いている」と判定し、ステップＳ１２３以降のステップに移行する。

つまり、ステップＳ１２３において、水素起動電磁弁６２を閉じる。これにより、水素ガスは、発電起動時の高い供給圧から通常発電時の供給圧に切り替えられる。次に、ステップＳ１２５において、起動排気弁６７及び停止排気弁６８を閉じる。この時点では、既に燃料室１２ａ内が空気から水素ガスに完全に置換されており、それ以上、水素ガスを無駄に排出しないためである。そして、ステップＳ１２７において、３次圧力センサ７３の検出値をチェックして、通常発電時の供給圧で水素ガスが供給されていることを確認するともに、燃料電池１自体の開放電圧をチェックして、電気化学反応が正常に行われているかどうかを確認する。こうして、ステップＳ１２９において、通常運転状態に移行することとなる。なお、ステップＳ１２７において、３次圧力センサ７３の検出値が通常発電時の供給圧よりも低ければ、起動排気弁６７及び停止排気弁６８の少なくとも一方が閉じないという故障を生じて、水素ガスが排出路又は副排出路から漏出していると推測できる。その場合にも、異常停止動作等の必要な措置を実施することが可能である。

他方、ｐ＞Ｐ４と連続して判定した回数ｎが異常判定回数に達した場合に、制御手段は、ステップＳ１１５において、「起動排気弁６７及び停止排気弁６８が開いていない」と判定する。その結果、制御手段は、ステップＳ１２１において、異常を認知し、ステップＳ１３１において、警報信号を発するのである。

そして、ステップＳ１３３において、制御手段は、異常停止動作を実施する。まず、供給弁６３を閉じて、水素ガスの供給を止める。そして、外気導入電磁弁６５を開いて、外気路としての配管５５、５９、５４から供給口２１ａに、外気を導入する等の措置を実施することにより、燃料電池１を迅速に停止させ、劣化を抑制する。

こうして、実施例１の燃料電池システム１００は、異常と判定された場合には、直ちに異常停止動作を実施し、安全かつ迅速に停止できるのである。

このため、この燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池１の発電停止時に燃料室内１２ａに置換された空気を排出路及び副排出路により排出して水素ガスで置換することができず、そのまま発電起動時の動作が継続されることにより、燃料室１２ａ内に局部電池が形成されて、空気極１１ｃの腐食等の劣化を生じてしまうというような燃料電池１の劣化を最小限で又は未然に防止することができているのである。

したがって、実施例１の燃料電池システム１００は、燃料電池１に劣化反応を生じ難く、燃料電池１の耐久性を損ない難いのである。

また、この燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電起動時に、通常発電時よりも高い供給圧の水素ガスが供給されるが、起動排気弁及び停止排気弁が開いていない不具合が生じた場合でも、直ちに異常と判定し、異常停止動作に移行することができる。このため、排出口２１ａより下流が閉じたままで、高い供給圧の水素ガスが燃料室１２ａ内に急速に流入することにより、燃料室１２ａ内の内圧が急速かつ過度に上昇してしまうことを防止できる。このため、仮に燃料室１２ａの耐圧が充分に高くない場合でも、燃料室１２ａ内の内圧が燃料室１２ａの耐圧を超え、燃料室１２ａが損傷することがないのである。

なお、この燃料電池システム１００は、配管５４の途中に、リリーフ弁６４を有しているが、リリーフ弁６４は機械式であるため、上記のような状況となっても、遅延的に開放に切り替わる。このため、３次圧力センサ７３と制御手段とによる判定のほうが、リリーフ弁６４より迅速な対応を実施することができるのである。

図５に示す実施例２の燃料電池システム１０１は、図１に示す実施例１の燃料電池システム１００における燃料供給圧調整手段５１の供給圧切り替えのための配管５２ｂ及び水素起動電磁弁６２ｂと、燃料排出手段としての配管５８、停止排気弁６８及びレベルゲージ８７ａが内装されたドレインタンク８７とが設けられていないものである。その他の構成は、全て実施例１の燃料電池システム１００と同様であるので、説明は省略する。

図１に示すように、燃料供給圧調整手段５１１は、実施例１の燃料電池システム１００と異なり、発電起動時においても通常発電時と同様に水素２次圧レギュレータ６２ａにより設定された供給圧で水素ガスを供給するようにされている。

配管５６ａ、５７ａが排出路である。配管５６ａ、５７ａと、起動排気弁６７ａと、水素ポンプ８１とによって、燃料排出手段が構成されている。このため、実施例１において排出路及び副排出路が役割を分担して実施していた排気水素ガスと生成水とを排出する機能を、排出路のみで実施するようにされている。

このような構成である実施例２の燃料電池システム１０１は、実施例１の燃料電池システム１００よりも構成及び操作手順が簡便化されているため、各工程における所要時間が延びる場合があるが、性能面においては、実施例１の燃料電池システム１００とほぼ同様にして、燃料電池１の発電起動、通常発電及び発電停止を実施することができる。

このように動作する燃料電池システム１０１において、制御手段は、下記の手順で、燃料電池１の発電起動時、なんらかの不具合により起動排気弁６７ａが開いていない事態を判定して警報信号を発する。

図６に示すプログラムは、図４に示す実施例１におけるプログラムと殆ど同様であるが、水素起動電磁弁６２ｂが省かれたことにより、ステップＳ１０３、Ｓ１２３が省かれている。また、副排出路及び停止排気弁６８が省かれて、燃料排出手段の起動排気弁６７ａのみが開いていない事態を判定するように変更されことにより、図４のプログラムのステップＳ１０１、Ｓ１０９、Ｓ１２１、Ｓ１２５、Ｓ１３１が、図６のプログラムのステップＳ１０１ｂ、Ｓ１０９ｂ、Ｓ１２１ｂ、Ｓ１２５ｂ、Ｓ１３１ｂに変更されている。それ以外は、全て実施例１におけるプログラムと同様である。

この実施例２におけるプログラムでは、特にステップＳ１０９ｂにおいて、「３次圧力センサ７３により検知された圧力値」（ｐ）が下記の通り定めた閾値（Ｐ２）を超えた場合（Ｙｅｓ）に限り、ステップＳ１１３に移行する。

ここで、閾値Ｐ２は、「発電起動時に、所定の供給圧の水素ガスが供給されている場合において、起動排気弁６７ａが開いているときの供給弁６３と供給口２１ａとの間の圧力」をＰ１として、Ｐ１に圧力変動や、３次圧力センサ７３の誤差等を考慮したマージンを上乗せした値として定められる。

その結果、ｐとＰ２との比較回数ｍが規定回数に達した場合には、制御手段は、検知処理を終了し、「起動排気弁６７ａが開いている」と判定し、ステップＳ１２５以降のステップに移行する。

他方、ｐ＞Ｐ２と連続して判定した回数ｎが異常判定回数に達した場合に、制御手段は、ステップＳ１１５において、「起動排気弁６７が開いていない」と判定する。その結果、制御手段は、ステップＳ１２１ｂにおいて、異常を認知し、ステップＳ１３１ｂにおいて、警報信号を発するのである。

そして、ステップＳ１３３において、制御手段は、異常停止動作を実施する。

こうして、実施例２の燃料電池システム１０１も、異常と判定された場合には、直ちに異常停止動作を実施し、安全かつ迅速に停止できるのである。このため、実施例２の燃料電池システム１０１は、実施例１の燃料電池システム１００と同様の理由により、本発明の作用効果を奏するのである。

以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は燃料電池システムに利用可能である。

実施例１の燃料電池システムに係る模式構成図である。 実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の分解斜視図である。 実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の積層体の模式断面図である。 実施例１の燃料電池システムに係る燃料電池の発電起動時における処理プログラムのフローチャートである。 実施例２の燃料電池システムに係る模式構成図である。 実施例２の燃料電池システムに係る燃料電池の発電起動時における処理プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池
１１ａ…固体高分子膜（電解質膜）
１１ｂ…燃料極
１１ｃ…空気極
１２ａ…燃料室
１２ｂ…空気室
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５２ａ、５２ｂ、５３、５４…供給路
５１、５３、５４、６３、７３…燃料供給手段（５１、５１１…燃料供給圧調整手段、５３、５４…配管、６３…水素起動供給電磁弁、７３…圧力検出手段（３次圧力センサ）
５６、５７、５６ａ、５７ａ…排出路
５６、５８…副排出路
５６、５７、５８、６７、６８、８１、８７、８７ａ……燃料排出手段（６７、６７ａ…起動排気弁、６８…停止排気弁、８１…水素ポンプ、８７…ドレインタンク、８７ａ…レベルゲージ）
１００、１０１…燃料電池システム
Ｓ１０１〜Ｓ１３３、Ｓ１０１ｂ、Ｓ１０９ｂ、Ｓ１２１ｂ、Ｓ１２５ｂ、Ｓ１３１ｂ…制御手段

Claims (4)

1. 固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
   該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路及び該供給路を開閉する供給弁を有する燃料供給手段と、
   該供給路内の該燃料ガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
   該燃料室から排ガスを排出するための排出路及び該排出路を開閉する起動排気弁を有する燃料排出手段と、
   該燃料電池の発電起動時、該燃料ガスを供給する前に該起動排気弁を開くと共に、該燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、該起動排気弁が開いていないと判定して警報信号を発する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料排出手段は、前記起動排気弁より前記燃料電池に近い排出路に接続された副排出路及び該副排出路を開閉する停止排気弁を有し、
   前記制御手段は、該燃料電池の起動時、前記燃料ガスを供給する前に前記起動排気弁及び該停止排気弁を開くと共に、該燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、該起動排気弁及び該停止排気弁が開いていないと判定して警報信号を発するものであ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. 前記制御手段は、前記警報信号を発した時、前記燃料電池を所定の異常停止動作で停止させるもの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。
4. 固体高分子膜を燃料極と空気極とで挟持し、該燃料極に燃料ガスを供給するための燃料室を有する燃料電池と、
   該燃料室に該燃料ガスを供給するための供給路及び該供給路を開閉する供給弁を有する燃料供給手段と、
   該燃料室から排ガスを排出するための排出路及び該排出路を開閉する起動排気弁を有する燃料排出手段とを備えた燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池の発電起動時、前記燃料ガスを供給する前に前記該起動排気弁を開くように制御すると共に、該燃料ガスの供給を開始した後の圧力変化を検知し、圧力が所定値を超えて増加した場合に、該起動排気弁が開いていないと判定して警報信号を発することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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