JP2007095450A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止時にカソードを乾燥空気でパージし、アノードを湿潤な空気でパージすることによって電解質膜を均一に乾燥させるとともに、起動時に必要な水分をアノードに確保することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器５を備え、システムの停止時に第１三方弁Ｖ１によって加湿器５をバイパスさせ、乾燥した状態の酸化剤ガスをカソードに供給し、カソードから排出された湿潤なガスを第２三方弁Ｖ２によってアノードに供給してパージすることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器を備えた燃料電池システムに係り、特に燃料電池の停止時に加湿器をバイパスさせた乾燥空気で燃料電池をパージする燃料電池システムに関する。

燃料電池は水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。

このような固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜で燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させるためには、電解質膜を湿潤状態に保ち、乾燥を防ぐ必要がある。その一方で燃料電池の反応で生成した水分をセパレータに滞留させておくと、氷点下で凍結したりフラッディングを起こしたりするので取り除く必要もあった。

そこで、従来では燃料電池の停止後にドライガスによってセパレータ流路のパージを行なって水分を除去するようにしており、このような燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００３−３１２５４号公報（特許文献１）が開示されている。

この従来例では、燃料電池へ反応ガスの供給を停止した後、燃料電池スタックの入口にあるバルブを切替えてアノ−ド、あるいはカソ−ドの出口側からドライガスを導入してパージを実施し、セパレ−タ流路の水分除去を行なうようにしている。
特開２００３−３１２５４号公報

上述した特許文献１で開示された従来例では、燃料電池スタックの出口側からドライガスでパージしただけなので、セパレ−タ流路の水分除去に効果はあるものの、膜電極接合体内を乾燥させるには不十分であった。特に、氷点下の起動において乾燥させる必要のあるカソ−ド触媒層と電解質膜の乾燥は十分ではなかった。さらに、アノ−ド触媒層を乾燥させすぎると、プロトン伝導に必要となる水分がなくなり、発電が不可能になってしまうという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池と、前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムであって、システムの停止時に前記加湿器をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスを前記カソードに供給し、カソードから排出された湿潤なガスをアノードに供給してパージすることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、システムの停止時に加湿器をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスをカソードに供給し、カソードから排出された湿潤なガスをアノードに供給してパージするので、カソード触媒層と電解質膜の乾燥を短時間で均一に行うことができるとともに、アノード触媒層に水分を残すことによってプロトン伝導に必要な水を確保することができ、氷点下で起動する場合にアノード触媒層に水がないために発電停止に陥ることを防止できる。

また、現在の燃料電池システムをそのまま利用してカソードへの乾燥ガス導入と、アノードへの湿潤ガス導入を同時に実現することができる。

さらに、パージの際のカソードからアノードへの膜内水移動は、電解質膜の特性によるところが大きく、例えば水移動が少ない電解質膜を使用している場合には、電解質膜を通したカソードからアノードへの水移動を期待することはできないが、本発明の燃料電池システムであれば、燃料電池スタックの外部を経由して、カソードからアノードへ水移動を行うことができる。

以下、本発明に係わる燃料電池システムの実施例を図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の第１の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本実施例に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、酸化剤ガスである空気を加圧して送出する空気コンプレッサ３と、加圧された空気を冷却するアフタークーラー４と、カソードに供給される空気を加湿する加湿器５と、加湿器５へ空気を供給する経路と加湿器５をバイパスする経路とを切り替える第１三方弁Ｖ１と、燃料電池スタック２のカソード入口における湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）Ｈ１と、カソード出口における湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）Ｈ２と、カソードから排出されたカソードオフガスを加湿器５へ供給する経路とアノード入口へ供給する経路とに切り替える第２三方弁Ｖ２と、燃料電池スタック２のアノード入口における湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）Ｈ３と、アノード出口における湿度を検出する湿度センサ（湿度検出手段）Ｈ４と、燃料電池スタック２で使用されない不純物や水分を排出するパージ弁Ｖ３と、燃料電池スタック２で消費されなかった水素ガスを再循環させる循環流路の流れを遮断する第１閉止弁Ｖ４と、循環流路内の水素ガスを循環させる水素循環ポンプ６と、アノードへの水素ガスの供給を遮断する第２閉止弁Ｖ５とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

アノード（燃料極） ：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
また、燃料電池スタック２は燃料電池単セルを複数積層して構成されており、この燃料電池単セルを構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）の構成としては、一般的に知られているものでよく、以下その構成を説明する。

まず、ＭＥＡを構成する電解質膜は、一般的に使用されているパーフルオロスルホン酸系電解質膜の他に炭化水素系電解質膜を使用してもよい。また、電解質膜の厚さ、水透過性、吸水速度等の大小によって触媒層、カーボン層（マイクロポーラスレイヤー、以下ＭＩＬと示す）、ＧＤＬ（ガス拡散層）基材の撥水性を調整する。

ここで、触媒層は、白金をカーボン（カーボンブラック、ケッチェンブラック等、グラファイト化したものでもよい）に担持したものに、電解質膜と同じパーフルオロスルホン酸系（または炭化水素系）電解質溶液（アイオノマ）と、撥水剤としてのテフロン（登録商標）又はフッ化カーボン等を混入して形成する。

また、ＭＩＬは、カーボン（アセチレンブラック、カーボンブラック等）に撥水剤としてテフロン（登録商標）を混入したものを用いる。

ＧＤＬ基材には、カーボンペーパー、カーボンクロス、不織布等の炭素繊維で形成された材料に撥水剤としてテフロン（登録商標）を含浸したものを用いる。ＭＥＡの排水特性によってはＧＤＬ基材の撥水処理を行わなくてもよい、または親水処理を行ってもよい。

そして、ＭＩＬを乾式塗布または湿式塗布により、撥水処理されたＧＤＬ基材の上に形成してガス拡散層（ＧＤＬ）を作製する。

ＭＥＡの製作方法としては、電解質膜に触媒層をホットプレスで転写したもの、あるいはスプレー塗布したものにＧＤＬ（ＭＩＬ＋ＧＤＬ基材）を接合する方法と、ＧＤＬに触媒層をスプレー塗布したものを電解質膜にホットプレスによって接合する方法のどちらでも構わない。このとき、電解質膜やアイオノマにパーフルオロスルホン酸系を使用するか、炭化水素系を使用するかによって、ホットプレス等の接合条件を変更させるようにする。

次に、図１に示した燃料電池システム１の通常発電時における水素供給系のガスの流れについて説明する。

まず、水素タンクから減圧弁（図示せず）や第２閉止弁Ｖ５、水素供給弁（図示せず）などを通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給されており、水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池スタック２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。このとき第２閉止弁Ｖ５は開放されている。そして、燃料電池スタック２のアノードで消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ６によって循環流路を通じて燃料電池スタック２のアノードに再循環されている。したがって、通常発電時には第１閉止弁Ｖ４は開放されている。

一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、空気コンプレッサ３によって空気が加圧して送出され、送出された空気はアフタークーラー４を通って第１三方弁Ｖ１へ送られる。ここで、通常発電時の第１三方弁Ｖ１は、加湿器５へ空気を供給する経路に切り替えられており、乾燥した空気は加湿器５で適度な湿度に加湿されて燃料電池スタック２のカソードに供給される。このときカソードにおける空気圧は図示していない空気圧力センサによって検出され、その検出値に基づいて空気コンプレッサ３の回転数及び空気調圧弁（図示せず）の開口面積が調節されてカソードにおける空気圧が制御されている。そして、燃料電池スタック２のカソードから排出されたカソードオフガスは、第２三方弁Ｖ２を通って加湿器５に送られ、その水分を加湿器５で外部から導入された乾燥空気に移動させている。

次に、本実施例の燃料電池システム１による停止時のパージ処理について説明する。

まず、燃料電池システム１が停止すると、第１三方弁Ｖ１を切り替えて空気コンプレッサ３から送出された乾燥空気が、加湿器５をバイパスする経路へ送られて直接カソード入口へ供給されるようにする。

こうして燃料電池スタック２へ導入された乾燥空気は、カソード触媒層と電解質膜の水分を除去してカソード出口から排出される。このとき、カソードから排出されたガスはカソードで除去した水分によって湿潤な空気となっている。

そして、第２三方弁Ｖ２の開度を調節して、カソードから排出された湿潤ガスの一部をアノード入口へ導入する。燃料電池スタック２へ導入された湿潤空気は、アノード触媒層を適度に湿らせた後にアノード出口から排出され、パージ弁Ｖ３を通して大気へ排気される。なお、パージ処理中には水素循環系に設置された第１閉止弁Ｖ４と第２閉止弁Ｖ５は閉じられている。

ここで、上述したパージ処理による膜電極接合体（ＭＥＡ）内の水移動を説明する。従来では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、カソードとアノード共に乾燥空気でパージしていたので、カソード触媒層と電解質膜の乾燥が均一ではなく、特にカソード触媒層に水が残りやすかった。そこで、カソード触媒層の水を完全に取り除くために長時間のパージを行なうと、アノード触媒層の水が完全に取り除かれてしまい、起動時のプロトン伝導に必要となる水分を確保することができないという問題があった。

これに対して本実施例の燃料電池システム１では、システム停止時にパージ処理を行なうと、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、カソードには乾燥空気が導入され、アノードにはカソードで適度に湿った湿潤ガスが導入される。したがって、アノードに湿潤ガスを導入したことにより、カソード触媒層と電解質膜の乾燥が一部に集中せずに、電解質膜内を均一に乾燥することができる。さらに、起動時のプロトン伝導に必要なアノードの水分を確保することも可能となる。なお、図３では電解質膜内の水移動が非常に小さい場合を想定している。したがって、パージ中の電解質膜を通したカソードからアノードへの水移動はほとんどなく、燃料電池スタック２の外部を経由してカソードからアノードへ水移動が起きている様子を表している。

ここで、上述したパージ処理において、すべての空気が加湿器５をバイパスしてカソードに供給されるのではなく、第１三方弁Ｖ１の開度を調整して一部の空気が加湿器５を通過するようにして、カソ−ド入口へ導入される空気に一部湿潤な空気を混入させるようにしてもよい。これによりカソード側の電解質膜や触媒層、ＧＤＬの特性によって、乾燥した空気だけではカソード触媒層や電解質膜の乾燥を均一に行えない場合でも、乾燥した空気と湿潤な空気を混入してカソードに導入することによって均一に乾燥が行なえるようにできる。

また、カソードの出入口及びアノードの出入口にそれぞれ設置された湿度センサＨ１〜Ｈ４の検出値に基づいて第２三方弁Ｖ２の開度を調節してアノード入口へ導入する湿潤な空気の量を変化させるようにしてもよい。

これにより、アノード触媒層の湿潤状態を容易に調整することができる。

次に、パージ処理を終了するか否かの判断方法を図４に基づいて説明する。

カソード入口に導入された乾燥空気は、カソード触媒層や電解質膜の水分を取り除いた後に湿潤な空気としてカソード出口から排出されるが、カソード側の乾燥に伴ってカソード出口の湿度は徐々に低下する。一方、アノード出口はアノード入口（カソード出口）と同様な変化になるので、パージが進むにつれてアノード出口の湿度（アノード触媒層保水量）も低下してくる。このままパージを続けるとアノード触媒層まで乾燥させてしまうことになる。

そこで、カソード触媒層は乾燥させて、アノード触媒層は適度に湿っているという状態を実現するためには、図４に示すように、カソード出口湿度の目標値を、アノード出口湿度の目標値よりも小さな値に設定し、これらの目標値に到達した時点Ｔ１でパージを終了するようにすればよい。ただし、目標値になったところでパージを終了させるためには、カソード出口湿度（アノード入口湿度）がアノード出口湿度の目標値を下回るポイントＴ２の少し前の時点、例えばＴ３の時点でアノード入口への湿潤空気の量を低減させるか、あるいは停止させるように制御する。このような制御を行うことにより、カソード出口湿度が目標値に到達する時点Ｔ１において、アノード出口湿度も目標値に到達するように調節することができる。

なお、カソード出口湿度の目標値、アノード出口湿度の目標値は、ＭＥＡの特性と氷点下起動性に求められるレベルによって変わってくるので、予めＭＥＡの特性などを考慮して設定しておくようにする。このとき、アノード出口湿度が高すぎると、起動時にアノードフラッディングが発生する可能性があるので、この点についても考慮する必要がある。さらに、水移動を無視することのできない電解質膜を使用した場合には、パージ中にアノードからカソードへの水移動が発生し、せっかく乾燥させたカソード触媒層を再び濡らしてしまう可能性もあるため、ＭＥＡの特性に合った目標値の設定が必要となる。

このように、本実施例の燃料電池システム１では、システムの停止時に加湿器５をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスをカソードに供給し、カソードから排出された湿潤なガスをアノードに供給してパージするので、カソード触媒層と電解質膜の乾燥を短時間で均一に行うことができるとともに、アノード触媒層に水分を残すことによって起動時のプロトン伝導に必要な水を確保することができ、氷点下で起動する場合にアノード触媒層に水がないために発電停止に陥ることを防止できる。また、現在の燃料電池システムをそのまま利用してカソードへの乾燥ガス導入と、アノードへの湿潤ガス導入を同時に実現することができる。 さらに、パージの際のカソードからアノードへの膜内水移動は、電解質膜の特性によるところが大きく、例えば水移動が少ない電解質膜を使用している場合には、電解質膜を通したカソードからアノードへの水移動を期待することはできないが、本発明の燃料電池システムであれば、燃料電池スタックの外部を経由して、カソードからアノードへ水移動を行うことができる（請求項１の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム１では、第１三方弁Ｖ１の開度を調節することによってカソードに供給する酸化剤ガスの湿度を調節するので、電解質膜や触媒層、ＧＤＬの特性により乾燥空気だけではカソード触媒層や電解質膜を均一に乾燥することが困難な場合でも、加湿器５を通した湿潤な空気を一部導入することによって、カソード触媒層や電解質膜を均一に乾燥することができる（請求項２の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池システム１では、カソードの出入口及びアノードの出入口にそれぞれ設置された湿度センサＨ１〜Ｈ４の検出値に基づいて第２三方弁Ｖ２の開度を調節するので、アノード触媒層の湿潤状態を容易に調整することができる（請求項３の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム１では、カソードの出口に設置された湿度センサＨ２とアノード出口に設置された湿度センサＨ４の検出値に基づいてパージが完了したか否かを判断するので、カソード出口湿度とアノード出口湿度の変化に基づいて、カソード触媒層と電解質膜の乾燥状況及びアノード触媒層の湿潤状態を判断することができ、氷点下起動に適したＭＥＡ内の含水分布を実現することができる（請求項４の効果）。

次に、本発明の実施例２を図５に基づいて説明する。図５は、実施例２の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施例の燃料電池システム５１は、第２三方弁Ｖ２の代わりに第３三方弁Ｖ６が設置されたことが実施例１と異なっており、その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。

実施例１では、パージ処理を実施する際にカソードから排出された湿潤空気の一部を第２三方弁Ｖ２でアノード入口に供給していたが、本実施例では第１三方弁Ｖ１で一部の乾燥空気を加湿器５へ供給し、加湿器５を通過した湿潤な空気を第３三方弁Ｖ６でアノード入口に供給するようにしている。

このように構成された本実施例の燃料電池システム５１において、通常発電時には、空気コンプレッサ３によって送出された空気はアフタークーラー４を通って第１三方弁Ｖ１へ送られ、第１三方弁Ｖ１は加湿器５へ空気を供給する経路に切り替えられており、乾燥した空気は加湿器５で適度な湿度に加湿される。ここで、第３三方弁Ｖ６はカソードへ空気を供給する経路に切り替えられており、加湿器５で加湿された湿潤な空気は燃料電池スタック２のカソードに供給される。そして、燃料電池スタック２のカソードから排出されたカソードオフガスは加湿器５に送られ、その水分を加湿器５で外部から導入された乾燥空気に移動させて排気されている。

一方、水素供給系では水素タンクから第２閉止弁Ｖ５を通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給され、燃料電池スタック２のアノードで消費されなかった水素ガスは第１閉止弁Ｖ４を通って水素循環ポンプ６によって循環流路を通じて燃料電池スタック２のアノードに再循環されている。

次に、本実施例の燃料電池システム５１による停止時のパージ処理について説明する。

まず、燃料電池システム１が停止されると、第１三方弁Ｖ１の開度を調整して空気コンプレッサ３から送出された乾燥空気の一部は加湿器５へ送られるようにし、残りの乾燥空気は加湿器５をバイパスする経路へ送られるようにして直接カソード入口へ供給されるようにする。

こうしてカソード入口へ導入された乾燥空気は、カソード触媒層と電解質膜の水分を除去してカソード出口から排出され、カソードの水分によって湿潤になった空気は加湿器５を通過して、その水分を乾燥空気へ移動させて大気へ排出されている。

一方、加湿器５で加湿された空気は、第３三方弁Ｖ６を通じてアノード入口へ導入され、導入された湿潤空気はアノード触媒層を適度に湿らせた後にアノード出口から排出され、パージ弁Ｖ３を通じて大気へ排気される。なお、パ−ジ処理中には第１閉止弁Ｖ４と第２閉止弁Ｖ５は閉じられている。

また、第３三方弁Ｖ６を調整してカソード入口へ導入する空気の一部に加湿器５を通過した湿潤な空気を混入させるようにしてもよい。これによりカソード側の電解質膜や触媒層、ＧＤＬの特性によって、乾燥した空気だけではカソード触媒層や電解質膜の乾燥を均一に行えない場合でも、乾燥した空気と湿潤な空気を混入してカソードに導入することによって、カソードを均一に乾燥できるようにしている。

このように、本実施例の燃料電池システム５１では、システムの停止時に加湿器５をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスをカソードに供給し、アノードには加湿器５を通過させて加湿した状態の酸化剤ガスを供給してパージするので、カソード触媒層と電解質膜の乾燥を短時間で均一に行うことができるとともに、アノード触媒層に水分を残すことによって起動時のプロトン伝導に必要な水を確保することができ、氷点下で起動する場合にアノード触媒層に水がないために発電停止に陥ることを防止できる。また、現在の燃料電池システムをそのまま利用してカソードへの乾燥ガス導入と、アノードへの湿潤ガス導入を同時に実現することができる。さらに、パージの際のカソードからアノードへの膜内水移動は、電解質膜の特性によるところが大きく、例えば水移動が少ない電解質膜を使用している場合には、電解質膜を通したカソードからアノードへの水移動を期待することはできないが、本実施例の燃料電池システムであれば、燃料電池スタックの外部を経由して、カソードからアノードへ水移動を行うことができる（請求項５の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム５１では、第３三方弁Ｖ６の開度を調節して加湿器５を通過したガスの一部をカソードに供給するので、電解質膜や触媒層、ＧＤＬの特性により乾燥空気だけではカソード触媒層や電解質膜を均一に乾燥することが困難な場合でも、加湿器５を通した湿潤な空気を一部導入することによって、カソード触媒層や電解質膜を均一に乾燥することができる（請求項６の効果）。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。図６は、実施例３の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施例の燃料電池システム６１は、アノード出口に設置された第４三方弁Ｖ７と、カソード入口と加湿器５との間に設置された第５三方弁Ｖ８と、カソード出口に設置された第６三方弁Ｖ９と、アノード入口と加湿器５との間に設置された第３閉止弁Ｖ１０とをさらに備えたことが実施例１と異なっており、その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。

上述した実施例１では、パージ処理のときにカソード入口からカソード出口、アノード入口、アノード出口の順にガスを循環させてパージを行なっていたのに対して、本実施例の燃料電池システム６１では、カソード出口からカソード入口、アノード出口、アノード入口の順にガスを循環させてパージを行うようにしている。

このように構成された本実施例の燃料電池システム６１において、通常発電時には、空気コンプレッサ３によって送出された空気はアフタークーラー４を通って第１三方弁Ｖ１へ送られ、第１三方弁Ｖ１は加湿器５へ空気を供給する経路に切り替えられており、乾燥した空気は加湿器５で適度な湿度に加湿される。ここで、第５三方弁Ｖ８はカソード入口へ空気を供給する経路に切り替えられており、加湿器５で加湿された湿潤な空気は燃料電池スタック２のカソード入口に供給される。そして、カソード出口から排出されたカソードオフガスは第６三方弁Ｖ９によって加湿器５に送られ、その水分を加湿器５で外部から導入された乾燥空気に移動させている。このとき第３閉止弁Ｖ１０は閉じられている。

一方、水素供給系では水素タンクから第２閉止弁Ｖ５を通じて燃料電池スタック２のアノード入口に水素ガスが供給され、アノードで消費されなかった水素ガスはアノード出口から排出され、第４三方弁Ｖ７を通じて循環流路へ送られる。そして、循環流路では第１閉止弁Ｖ４を通って水素循環ポンプ６によって循環され、アノード入口へ再循環されている。

次に、本実施例の燃料電池システム６１による停止時のパージ処理について説明する。

まず、燃料電池システム１が停止されると、第１三方弁Ｖ１を切り替えて空気コンプレッサ３から送出された乾燥空気が第６三方弁Ｖ９へ送られるようにする。第６三方弁Ｖ９は、送られてきた乾燥空気をカソード出口へ供給するように切り替えられる。

こうしてカソード出口へ導入された乾燥空気は、カソード触媒層と電解質膜の水分を除去してカソード入口から排出され、第５三方弁Ｖ８を通って第４三方弁Ｖ７へ送られる。ここで、第４三方弁Ｖ７の開度を調節して、カソードから排出された湿潤ガスの一部はアノード出口へ導入され、残りの湿潤空気はパージ弁Ｖ３を通して大気へ排気される。アノード出口へ導入された湿潤空気はアノード触媒層を適度に湿らせた後にアノード入口から排出され、第３閉止弁Ｖ１０を通って加湿器５へ送られ、加湿器５で水分を乾燥空気へ移動させてから大気へ排出される。

ここで、上述したパージ処理による膜電極接合体（ＭＥＡ）内の水移動を図７に基づいて説明する。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施例の燃料電池システム６１では、システム停止時に行われるパージ処理によってカソード出口に乾燥空気が導入され、アノード出口にカソードで適度に湿った湿潤ガスが導入される。したがって、アノードに湿潤ガスを導入したことにより、カソード触媒層と電解質膜の乾燥が一部に集中せずに、電解質膜内を均一に乾燥することができ、起動時のプロトン伝導に必要なアノードの水分を確保することができる。また、発電時に最も濡れているカソード出口側を最初に乾燥空気でパージできるので、電解質膜内の乾燥をより均一に行うことが可能になる。なお、図７では電解質膜内の水移動が非常に小さい場合を想定している。したがって、パージ中の電解質膜を通したカソードからアノードへの水移動はほとんどなく、燃料電池スタック２の外部を経由してカソードからアノードへ水移動が起きている様子を表している。

また、カソードの出入口及びアノードの出入口にそれぞれ設置された湿度センサＨ１〜Ｈ４の検出値に基づいて第４三方弁Ｖ７の開度を調節してアノード出口へ導入する湿潤な空気の量を変化させるようにしてもよい。

これにより、アノード触媒層の湿潤状態を容易に調整することができる。

さらに、カソードの入口（パージ方向としては出口）に設置された湿度センサＨ１とアノード入口（パージ方向としては出口）に設置された湿度センサＨ３の検出値に基づいて、パージが完了したか否かを判断するようにしてもよい。この判断方法としては図４で説明した実施例１と同一の方法で判断すればよい。

このように、本実施例の燃料電池システム６１では、システムの停止時に加湿器５をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスをカソード出口に供給し、カソード入口から排出された湿潤なガスをアノード出口に供給してパージするので、カソード触媒層と電解質膜の乾燥を短時間で均一に行うことができるとともに、アノード触媒層に水分を残すことによって起動時のプロトン伝導に必要な水を確保することができ、氷点下で起動する場合にアノード触媒層に水がないために発電停止に陥ることを防止できる。とくに、発電時に最も濡れているカソード出口側を最初に乾燥空気でパージすることができるので、電解質膜内の乾燥をより均一に行うことができる。また、現在の燃料電池システムをそのまま利用してカソードへの乾燥ガス導入と、アノードへの湿潤ガス導入を同時に実現することができる。さらに、パージの際のカソードからアノードへの膜内水移動は、電解質膜の特性によるところが大きく、例えば水移動が少ない電解質膜を使用している場合には、電解質膜を通したカソードからアノードへの水移動を期待することはできないが、本発明の燃料電池システムであれば、燃料電池スタックの外部を経由して、カソードからアノードへ水移動を行うことができる（請求項７の効果）。

また、本実施例の燃料電池システム６１では、カソードの出入口及びアノードの出入口にそれぞれ湿度センサＨ１〜Ｈ４を設置し、これらの検出値に基づいて第４三方弁Ｖ７の開度を調節するので、アノード触媒層の湿潤状態を容易に調整することができる（請求項８の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池システム６１では、カソードの入口に設置された湿度センサＨ１とアノードの入口に設置された湿度センサＨ３の検出値に基づいてパージが完了したか否かを判断するので、カソード入口湿度とアノード入口湿度の変化に基づいて、カソード触媒層と電解質膜の乾燥状況及びアノード触媒層の湿潤状態を判断することができ、氷点下起動に適したＭＥＡ内の含水分布を実現することができる（請求項９の効果）。

以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来のパージ処理による膜電極接合体（ＭＥＡ）内の水移動を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例１に係る燃料電池システムのパージ処理による膜電極接合体（ＭＥＡ）内の水移動を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムのパージ処理の終了判断を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例３に係る燃料電池システムのパージ処理による膜電極接合体（ＭＥＡ）内の水移動を説明するための図である。

符号の説明

１、５１、６１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 空気コンプレッサ
４ アフタークーラー
５ 加湿器
６ 水素循環ポンプ
Ｖ１ 第１三方弁
Ｖ２ 第２三方弁
Ｖ３ パージ弁
Ｖ４ 第１閉止弁
Ｖ５ 第２閉止弁
Ｖ６ 第３三方弁
Ｖ７ 第４三方弁
Ｖ８ 第５三方弁
Ｖ９ 第６三方弁
Ｖ１０ 第３閉止弁
Ｈ１〜Ｈ４ 湿度センサ（湿度検出手段）

Claims (9)

1. アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池と、前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムであって、
   システムの停止時に前記加湿器をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスを前記カソードに供給し、カソードから排出された湿潤なガスをアノードに供給してパージすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記加湿器へ酸化剤ガスを供給する経路と前記加湿器をバイパスする経路とを切り替える第１三方弁を備え、
   前記第１三方弁の開度を調節することによって前記カソードに供給する酸化剤ガスの湿度を調節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. 前記カソードから排出されたガスの前記アノードへの供給量を調節する第２三方弁を備え、
   前記カソードの出入口及び前記アノードの出入口にそれぞれ湿度検出手段を設置し、前記湿度検出手段の検出値に基づいて前記第２三方弁の開度を調節することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記カソードの出口に設置された湿度検出手段と前記アノードの出口に設置された湿度検出手段の検出値に基づいて、パージが完了したか否かを判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池と、前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムであって、
   システムの停止時に前記加湿器をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスを前記カソードに供給し、アノードには前記加湿器を通過させて加湿した状態の酸化剤ガスを供給してパージすることを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記加湿器を通過したガスを前記アノードへ供給する経路と前記カソードへ供給する経路とに切り替える第３三方弁を備え、
   前記第３三方弁の開度を調節して前記加湿器を通過したガスの一部を前記カソードに供給することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する燃料電池と、前記カソードに供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムであって、
   システムの停止時に前記加湿器をバイパスさせて乾燥した状態の酸化剤ガスをカソード出口に供給し、カソード入口から排出された湿潤なガスをアノード出口に供給してパージすることを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記カソード入口から排出されたガスの前記アノード出口への供給量を調節する第４三方弁を備え、
   前記カソードの出入口及び前記アノードの出入口にそれぞれ湿度検出手段を設置し、前記湿度検出手段の検出値に基づいて前記第４三方弁の開度を調節することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記カソードの入口に設置された湿度検出手段と前記アノードの入口に設置された湿度検出手段の検出値に基づいて、パージが完了したか否かを判断することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
   

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