JP2007280755A - 燃料電池システム及びその運転方法並びに移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料消費量の増大を抑制しながら、燃料電池内部の生成水を効果的に排出して低温環境下における始動性能を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２０と、燃料ガス供給源３０及び酸化ガス供給源４０と、燃料ガス供給源３０及び酸化ガス供給源４０から各々供給される燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池２０へと導くためのアノード系流路（水素供給流路７４等）及びカソード系流路（空気供給流路７１等）と、を備えた燃料電池システム１において、燃料ガス供給源３０からアノード系流路を経由した燃料電池２０への燃料ガスの供給を遮断する燃料遮断手段（制御部５０及び水素遮断弁Ｈ１００）と、酸化ガス供給源４０からカソード系流路を経由して燃料電池２０へと供給される酸化ガスをアノード系流路に導く酸化ガス導入手段（空気導入流路７８及び空気遮断弁Ｈ２４）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法並びに移動体に関する。

現在、例えば固体高分子電解質型の燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムは、膜・電極接合体やセパレータを有する単電池を複数積層して構成した燃料電池を備えており、この燃料電池のアノード電極とカソード電極に各々燃料ガスと酸化ガスが供給されることにより、電気化学反応による発電を行っている。また、かかる電気化学反応により水が生成される。

ところで、燃料電池システムの運転中または運転停止後において、電気化学反応によって生成した水（以下「生成水」という）は、燃料電池システムの燃料電池の内部や各種流路の内部に残留する。このため、燃料電池システムが氷点下等の低温環境下におかれると、残留した生成水が凍結してシステムの始動が不可能になる場合がある。かかる問題を解決するため、近年においては、外気温度に基づいて反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を制御して、燃料電池の内部の生成水を排出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４‐１９３１０２号公報

しかし、前記特許文献１に記載されたような技術を採用すると、燃料電池の内部の生成水を排出するために燃料ガス（水素ガス等）を消費するので、燃料消費量が増大してしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料消費量の増大を抑制しながら、燃料電池内部の生成水を効果的に排出して低温環境下における始動性能を向上させ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する。

前記目的を達成するため、本発明に係る第１の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給源及び酸化ガス供給源と、燃料ガス供給源及び酸化ガス供給源から各々供給される燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池へと導くためのアノード系流路及びカソード系流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給源からアノード系流路を経由した燃料電池への燃料ガスの供給を遮断する燃料遮断手段と、酸化ガス供給源からカソード系流路を経由して燃料電池へと供給される酸化ガスをアノード系流路に導く酸化ガス導入手段と、を備えるものである。

かかる構成を採用すると、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を遮断することができる。また、酸化ガス導入手段によってアノード系流路に導入された酸化ガスが燃料電池のアノード側に供給されることにより、燃料電池内部に残留した生成水を燃料電池外部に排出することができる。従って、燃料消費量の増大を抑制することができるとともに、低温環境下における始動性能を向上させることが可能となる。

前記第１の燃料電池システムにおいて、アノード系流路に排水要求がなされた際（例えば、燃料電池の発電を停止させる際、燃料電池の発電中や間欠運転中にアノード系流路に排水要求がなされた際等）に、燃料ガスの供給を遮断するとともに酸化ガスをアノード系流路に導くように燃料遮断手段及び酸化ガス導入手段を制御するガス制御手段を備えることができる。

かかる構成を採用すると、アノード系流路に排水要求がなされた際に、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を自動的に遮断し、酸化ガスをアノード系流路に導いて燃料電池内部に残留した生成水を自動的に排出することができる。

また、前記第１の燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと導く供給流路と、燃料電池から排出されたガスを供給流路に導く循環流路と、を有するアノード系流路を採用するとともに、カソード系流路から分岐してアノード系流路の循環流路に接続される分岐配管と、この分岐配管内のガスの流通を遮断及び許容する遮断弁と、を有する酸化ガス導入手段を採用することができる。かかる場合において、循環流路の内部のガスを供給流路へと循環させるポンプを循環流路に設け、酸化ガス導入手段の分岐配管を、循環流路におけるポンプの上流側に接続することが好ましい。また、分岐配管を介して循環流路に酸化ガスを供給する際に、ポンプを作動させるようにポンプ及び遮断弁の動作を制御する循環制御手段を備えることができる。

また、前記第１の燃料電池システムにおいて、循環流路の内部の流体を循環流路の外部に排出するための排出流路と、この排出流路に設けられたパージ弁と、を備えることができる。かかる場合において、分岐配管を介して循環流路に酸化ガスを供給する際に、排出流路を介して循環流路の内部の流体を循環流路の外部に排出させるようにパージ弁及び遮断弁の動作を制御する排出制御手段を備えることができる。

また、前記第１の燃料電池システムにおいて、酸化ガス供給源としてエアコンプレッサを採用することができる。

また、本発明に係る第２の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス供給源と、この燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと導くアノード系流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、アノード系流路は、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを燃料電池へと導く供給流路と、燃料電池から排出されたガスを供給流路に導く循環流路と、を有し、循環流路に設けられて循環流路の内部のガスを供給流路へと循環させるポンプと、循環流路におけるポンプの上流側に接続された外気導入流路と、外気導入流路に設けられた外気遮断弁と、循環流路の内部の流体を循環流路の外部に排出する排出流路と、排出流路に設けられたパージ弁と、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を遮断する燃料遮断手段と、外気導入流路を介して循環流路に外気を導入するとともに、排出流路を介して循環流路の内部の流体を循環流路の外部に排出させるようにポンプ、外気遮断弁及びパージ弁の動作を制御する外気導入制御手段と、を備えるものである。

かかる構成を採用すると、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を遮断することができる。また、外気導入流路を介して導入された外気を用いて、燃料電池内部や流路内部に残留した生成水を、燃料電池外部や流路外部に排出することができる。従って、燃料消費量の増大を抑制することができるとともに、低温環境下における始動性能を向上させることが可能となる。

また、本発明に係る移動体は、前記第１又は第２の燃料電池システムを備えるものである。

かかる構成を採用すると、燃料消費量の増大を抑制しながら燃料電池内部や流路内部の生成水を効果的に排出することが可能な燃料電池システムを備えているため、移動体の航続性能と低温環境下における始動性能との双方を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池と、燃料ガス供給源及び酸化ガス供給源と、燃料ガス供給源及び酸化ガス供給源から各々供給される燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池へと導くためのアノード系流路及びカソード系流路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、アノード系流路に排水要求がなされた際（例えば、燃料電池の発電を停止させる際、燃料電池の発電中や間欠運転中にアノード系流路に排水要求がなされた際等）に、燃料ガス供給源からアノード系流路を経由した燃料電池への燃料ガスの供給を遮断する第１の工程と、酸化ガス供給源からカソード系流路を経て燃料電池へと供給される酸化ガスをアノード系流路に導く第２の工程と、を含むものである。

かかる方法によれば、燃料ガス供給源から燃料電池への燃料ガスの供給を遮断し、酸化ガス供給源からカソード系流路を経て燃料電池へと供給される酸化ガスをアノード系流路に導くことができ、このアノード系流路に導入された酸化ガスにより燃料電池内部に残留した生成水を燃料電池外部に排出することができる。従って、燃料消費量の増大を抑制することができるとともに、燃料電池内部の生成水を効果的に排出して低温環境下における始動性能を向上させることが可能となる。

本発明によれば、燃料消費量の増大を抑制しながら、燃料電池内部の生成水を効果的に排出することができる。また、低温環境下における始動性能を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

＜第１実施形態＞
まず、図１及び図２を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）が供給されることにより発電を行う燃料電池２０、燃料電池２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素供給源３０、燃料電池２０に酸化ガスとしての空気を供給するためのエアコンプレッサ４０、システム全体を統合制御する制御部５０等を備えて構成されている。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタックとされている。燃料電池２０が発生した電力は、図示していないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、インバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。

燃料電池２０の空気供給口には、図１に示すように、空気供給流路７１を介して、酸化ガスとしての空気（外気）が供給される。空気供給流路７１には、図１に示すように、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するエアコンプレッサ４０、空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１等が設けられている。エアコンプレッサ４０は、図示されていないモータによって駆動され、制御部５０がエアコンプレッサ４０のモータ回転数を調整することによって燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。エアコンプレッサ４０は本発明における酸化ガス供給源の一実施形態であり、空気供給流路７１は本発明におけるカソード系流路の一実施形態である。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気流路７２を経て外部に放出される。排気流路７２には、加湿器Ａ２１の熱交換器、気液分離器Ａ２２及び水素希釈器Ａ２３が設けられている。気液分離器Ａ２２からは排水流路７３が分岐し、排気流路７２中の排水が気液分離器Ａ２２で分離されて外部に排水されるようになっている。

燃料電池２０の水素供給口には、図１に示すように、水素供給源３０から水素供給流路７４を介して燃料ガスとしての水素ガスが供給される。水素供給源３０は本発明における燃料ガス供給源の一実施形態である。水素供給源３０としては、例えば高圧水素タンクを採用することができる。また、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等を水素供給源３０として採用してもよい。水素供給流路７４には、図１に示すように、水素供給源３０から燃料電池２０への水素ガスの供給を許容又は遮断する水素遮断弁Ｈ１００や、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧する図示していない水素調圧弁等が設けられている。各弁の動作は制御部５０によって制御される。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環流路７５に排出され、水素供給流路７４の水素遮断弁Ｈ１００の下流側に戻される。そして、水素オフガスは、水素供給流路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。水素循環流路７５には、図１に示すように、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２と、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０と、が設けられている。気液分離器Ｈ４２からは排水流路７６が分岐し、水素循環流路７５中の排水が気液分離器Ｈ４２で分離されて外部に排出されるようになっている。水素供給流路７４及び水素循環流路７５により本発明におけるアノード系流路の一実施形態が構成される。

また、気液分離器Ｈ４２の下流側には、水素循環流路７５の内部の流体を水素循環流路７５の外部に排出する排出流路７７が分岐接続されている。排出流路７７は排気流路７２の水素希釈器Ａ２３上流側に合流している。また、排出流路７７にはパージ弁Ｈ２３が設けられている。遮断弁Ｈ１００、水素ポンプＨ５０及びパージ弁Ｈ２３の動作は、制御部５０によって制御され、パージ弁Ｈ２３が開放されることにより、パージ流路７７を介して水素オフガスが外部に排出（パージ）される。かかるパージ動作を間欠的に行うことによって、アノード側の水素ガスの不純物濃度の増加と、これに伴うセル電圧の低下と、を抑制することができる。

また、空気供給流路７１のエアコンプレッサ４０の下流位置には空気導入流路７８が分岐接続されている。空気導入流路７８は、水素循環流路７５の水素ポンプＨ５０の上流位置にも接続されており、エアコンプレッサ４０によって加圧された空気を水素循環流路７５に導入する。空気導入流路７８には、空気導入流路７８内の空気の流通を遮断又は許容する空気遮断弁Ｈ２４が設けられている。エアコンプレッサ４０及び空気遮断弁Ｈ２４の動作は、制御部５０によって制御される。空気導入流路７８は本発明における分岐配管の一実施形態であり、空気導入流路７８及び空気遮断弁Ｈ２４により本発明における酸化ガス導入手段の一実施形態が構成される。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷媒としての冷却水を循環させる図示していない冷却水流路が接続されている。冷却水流路には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ、冷却水を加圧して循環させるポンプ等が設けられている。ラジエータには、モータによって回転駆動される冷却ファンが設けられている。ポンプや冷却ファンの動作は制御部５０によって制御される。

制御部５０は、図示していない車両のアクセル信号や、各センサ（圧力センサや温度センサ等）で検出された情報を受け取り、システム内の各種電子機器（各弁やモータ）の運転を制御する。本実施形態における制御部５０は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御部５０は、水素遮断弁Ｈ１００を制御してその開度を調整することにより、水素供給源３０から燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断する。すなわち、制御部５０及び水素遮断弁Ｈ１００により、本発明における燃料遮断手段の一実施形態が構成されることとなる。また、制御部５０は、燃料電池２０の発電停止信号が検出された場合に、水素ガスの供給を遮断した後、空気を水素循環流路７５に導くように水素遮断弁Ｈ１００及び空気遮断弁Ｈ２４を制御する。すなわち、制御部５０は本発明におけるガス制御手段の一実施形態としても機能する。

また、制御部５０は、空気導入流路７８を介して水素循環流路７５に空気を供給した際に、水素ポンプＨ５０を作動させるように水素ポンプＨ５０及び水素遮断弁Ｈ１００の動作を制御する。すなわち、制御部５０は本発明における循環制御手段の一実施形態としても機能する。また、制御部５０は、空気導入流路７８を介して水素循環流路７５に空気を供給した際に、排出流路７７を介して水素循環流路７５の内部の流体を水素循環流路７５の外部に排出させるようにパージ弁Ｈ２３及び空気遮断弁Ｈ２４の動作を制御する。すなわち、制御部５０は本発明における排出制御手段の一実施形態としても機能する。

続いて、図２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、制御部５０が水素遮断弁Ｈ１００やエアコンプレッサ４０等を駆動制御することにより、水素供給源３０から水素ガスが水素供給流路７４を介して燃料電池２０のアノード極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路７１を介して燃料電池２０のカソード極に供給されて、発電が行われる。この際、燃料電池２０から引き出すべき電力（要求電力）が制御部５０で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池２０内に供給されるようになっている。

かかる通常運転中、燃料電池システム１の制御部５０は、燃料電池車両の搭乗者のアクセルオフ動作等に基づいて発生する発電停止信号の有無を判定する（発電停止判定工程：Ｓ１）。そして、制御部５０は、発電停止信号が検出されない場合にはそのまま燃料電池２０での発電を続行する。一方、制御部５０は、発電停止信号が検出された場合に、水素遮断弁Ｈ１００を閉じるように制御することにより、水素供給源３０から水素供給流路７４を経た燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断する（燃料遮断工程：Ｓ２）。

燃料遮断工程Ｓ２に次いで、制御部５０は、エアコンプレッサ４０を駆動するとともに、空気遮断弁Ｈ２４を開くように制御することにより、エアコンプレッサ４０から空気供給流路７１を経て燃料電池２０へと供給される空気を、空気導入流路７８を介して水素循環流路７５に導く（空気導入工程：Ｓ３）。かかる空気導入工程Ｓ３において、制御部５０は、水素ポンプＨ５０を駆動して、水素循環流路７５に導入された空気を水素供給流路７４内及び燃料電池２０内に循環させることにより、燃料電池２０内や流路内の生成水を排出する。

また、制御部５０は、空気導入工程Ｓ３の実施とともに、パージ弁Ｈ２３を所定時間間隔で開閉制御して、水素循環流路７５内の流体（生成水やオフガス）を、排出流路７７を介して外部に排出する（パージ工程：Ｓ４）。パージ工程Ｓ４におけるパージ弁Ｈ２３の制御態様はこれに限られるものではない。例えば、制御部５０は、水素循環流路７５内の圧力が所定の閾値以上となった場合にパージ弁Ｈ２３を開くように制御することもできる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、発電停止信号が送られて燃料電池２０の発電を停止する際に、制御部５０が水素遮断弁Ｈ１００を閉じることにより、水素供給源３０から燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断することができる。また、この際、制御部５０が、空気遮断弁Ｈ２４を開けることにより、空気導入流路７８を介して水素循環流路７５に空気を導入し、この空気を燃料電池２０のアノード側に供給して、燃料電池２０の内部に残留した生成水を燃料電池２０の外部に排出することができる。従って、燃料消費量の増大を抑制することができるとともに、低温環境下における始動性能を向上させることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、空気導入流路７８を介して水素循環流路７５に空気を供給する際に、制御部５０が水素ポンプＨ５０を作動させるので、水素ポンプＨ５０の吸引力で空気を水素循環流路７５内に吸引し、この吸引した空気を水素供給流路７４に循環させて燃料電池２０に供給することができる。この結果、燃料電池２０の内部の生成水をより効率良く排出することができる。また、水素循環流路７５の水素ポンプＨ５０上流側近傍から空気を導入しているので、送気抵抗を減少させることができ、水素ポンプＨ５０における電力消費量を低減させることができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、空気導入流路７８を介して水素循環流路７５に空気を供給する際に、制御部５０がパージ弁Ｈ２３を開閉制御するので、排出流路７７を介して、水素循環流路７５内の流体（生成水やオフガス）を外部に排出することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両は、燃料消費量の増大を抑制しながら燃料電池２０内や水素循環流路７５内の生成水を効果的に排出することが可能な燃料電池システム１を備えているため、高い航続性能と低温環境下における始動性能との双方を兼ね備えるものとなる。

＜第２実施形態＞
次に、図３及び図４を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１で採用した酸化ガス導入手段（空気導入流路７８等）に代えて、水素循環流路７５に外気を導入する構成を採用したものであり、その他の構成については第１実施形態と実質的に同一である。このため、変更した構成を中心に説明することとし、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付すこととする。

本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、図３に示すように、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）が供給されることにより発電を行う燃料電池２０、燃料電池２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するための水素供給源３０、燃料電池２０に酸化ガスとしての空気を供給するためのエアコンプレッサ４０、システム全体を統合制御する制御部５０Ａ等を備えて構成されている。また、燃料電池システム１Ａは、燃料電池２０に酸化ガスとしての空気を供給するためのカソード系流路や、燃料電池２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給するためのアノード系流路や、アノード系流路からのパージを行うための構成を備えている。これらの構成は第１実施形態と実質的に同一であるので、詳細な説明を省略する。

燃料電池システム１Ａの水素循環流路７５における水素ポンプＨ５０の上流側には、外気を水素循環流路７５に導入するための外気導入流路７９が接続されている。また、この外気導入流路７９には、外気の流通を遮断又は許容する外気遮断弁Ｈ２５が設けられている。外気遮断弁Ｈ２５の動作は、制御部５０Ａによって制御される。

燃料電池システム１Ａの制御部５０Ａは、システム内の各種電子機器の運転を制御する。具体的には、制御部５０Ａは、燃料電池２０の発電停止信号が検出された場合に、水素遮断弁Ｈ１００を制御してその開度を調整することにより、水素供給源３０から燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断する。すなわち、制御部５０Ａ及び水素遮断弁Ｈ１００により、本発明における燃料遮断手段の一実施形態が構成されることとなる。

また、制御部５０Ａは、燃料電池２０の発電停止信号が検出された場合に、水素ポンプＨ５０を作動させるとともに外気遮断弁Ｈ２５を開くことにより、外気導入経路７９を介して水素循環流路７５に外気を導入する。さらに、制御部５０Ａは、外気導入流路７９を介して水素循環流路７５に外気を導入した際に、排出流路７７を介して水素循環流路７５の内部の流体を外部に排出させるようにパージ弁Ｈ２３の動作を制御する。すなわち、制御部５０Ａは本発明における制御手段の一実施形態として機能する。

続いて、図４のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａの運転方法について説明する。

燃料電池システム１Ａの通常運転時においては、制御部５０Ａが水素遮断弁Ｈ１００やエアコンプレッサ４０等を駆動制御することにより、水素供給源３０から水素ガスが水素供給流路７４を介して燃料電池２０のアノード極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路７１を介して燃料電池２０のカソード極に供給されて、発電が行われる。この際、燃料電池２０から引き出すべき電力（要求電力）が制御部５０Ａで演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池２０内に供給されるようになっている。

かかる通常運転中、燃料電池システム１Ａの制御部５０Ａは、燃料電池車両の搭乗者のアクセルオフ動作等に基づいて発生する発電停止信号の有無を判定する（発電停止判定工程：Ｓ１１）。そして、制御部５０Ａは、発電停止信号が検出されない場合にはそのまま燃料電池２０での発電を続行する。一方、制御部５０Ａは、発電停止信号が検出された場合に、水素遮断弁Ｈ１００を閉じるように制御することにより、水素供給源３０から水素供給流路７４を経た燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断する（燃料遮断工程：Ｓ１２）。

燃料遮断工程Ｓ１２に次いで、制御部５０Ａは、外気遮断弁Ｈ２５を開くように制御するとともに水素ポンプＨ５０を駆動することにより、外気導入流路７９を介して外気を水素循環流路７５に導く（外気導入工程：Ｓ１３）。かかる外気導入工程Ｓ１３においては、水素ポンプＨ５０により水素循環流路７５に導入された外気が水素供給流路７４内及び燃料電池２０内に循環して、燃料電池２０内や流路内の生成水を排出することができる。また、制御部５０Ａは、外気導入工程Ｓ１３の実施とともに、パージ弁Ｈ２３を所定時間間隔で開閉制御して、水素循環流路７５内の流体（生成水やオフガス）を、排出流路７７を介して外部に排出する（パージ工程：Ｓ１４）。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいては、発電停止信号が送られた場合に、制御部５０Ａが水素遮断弁Ｈ１００を閉じることにより、水素供給源３０から燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断することができる。また、この際、制御部５０Ａが、外気遮断弁Ｈ２５を開けるとともに水素ポンプＨ５０を駆動することにより、外気導入流路７９を介して水素循環流路７５に空気が導入され、この空気が燃料電池２０のアノード側に供給され、燃料電池２０の内部に残留した生成水を燃料電池２０の外部に排出することができる。従って、燃料消費量の増大を抑制することができるとともに、低温環境下における始動性能を向上させることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１Ａにおいては、外気導入流路７９を介して水素循環流路７５に空気を供給する際に、制御部５０Ａがパージ弁Ｈ２３を開閉制御するので、排出流路７７を介して、水素循環流路７５内の流体（生成水やオフガス）を外部に排出することができる。

なお、以上説明した各実施形態においては、水素ポンプＨ５０の上流側近傍位置に空気（外気）を導入しているが、空気（外気）の導入位置はこれに限られるものではない。例えば、水素供給流路７４の遮断弁Ｈ１００下流側、水素循環流路７５の水素ポンプＨ５０下流側、水素循環流路７５の気液分離器Ｈ４２上流側、等の各位置に空気（外気）を導入することもできる。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

さらに、以上の実施形態においては、アノード系流路に排水要求がなされた際の例として、燃料電池の発電停止信号が送られてきた場合について説明したが、本発明はかかる場合に限定されることなく、例えば、燃料電池の発電中や間欠運転中にアノード系流路に排水要求がなされた場合にも適用可能である。

本発明の第１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る。 図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２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る。 図３に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１・１Ａ…燃料電池システム、２０…燃料電池、３０…水素供給源（燃料ガス供給源）、４０…エアコンプレッサ（酸化ガス供給源）、５０…制御部（燃料遮断手段、ガス制御手段、循環制御手段、排出制御手段）、５０Ａ…制御部（燃料遮断手段、制御手段）、７１…空気供給流路（カソード系流路）、７４…水素供給流路（アノード系流路）、７５…水素循環流路（アノード系流路）、７７…排出流路、７８…空気導入流路（分岐配管、酸化ガス導入手段）、７９…外気導入流路、Ｈ２３…パージ弁、Ｈ２４…空気遮断弁（酸化ガス導入手段）、Ｈ２５…外気遮断弁、Ｈ５０…水素ポンプ、Ｈ１００…水素遮断弁（燃料遮断手段）。

Claims (9)

1. 燃料電池と、燃料ガス供給源及び酸化ガス供給源と、前記燃料ガス供給源及び前記酸化ガス供給源から各々供給される燃料ガス及び酸化ガスを前記燃料電池へと導くためのアノード系流路及びカソード系流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給源から前記アノード系流路を経由した前記燃料電池への燃料ガスの供給を遮断する燃料遮断手段と、
   前記酸化ガス供給源から前記カソード系流路を経由して前記燃料電池へと供給される酸化ガスを前記アノード系流路に導く酸化ガス導入手段と、
   前記アノード系流路に排水要求がなされた際に、前記燃料ガスの供給を遮断するとともに前記酸化ガスを前記アノード系流路に導くように前記燃料遮断手段及び前記酸化ガス導入手段を制御するガス制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記アノード系流路は、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと導く供給流路と、前記燃料電池から排出されたガスを前記供給流路に導く循環流路と、を有し、
   前記酸化ガス導入手段は、前記カソード系流路から分岐して前記アノード系流路の前記循環流路に接続される分岐配管と、この分岐配管内のガスの流通を遮断及び許容する遮断弁と、を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環流路に設けられて前記循環流路の内部のガスを前記供給流路へと循環させるポンプを備え、
   前記酸化ガス導入手段の前記分岐配管は、前記循環流路における前記ポンプの上流側に接続されてなる請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記分岐配管を介して前記循環流路に酸化ガスを供給する際に、前記ポンプを作動させるように前記ポンプ及び前記遮断弁の動作を制御する循環制御手段を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記循環流路の内部の流体を前記循環流路の外部に排出するための排出流路と、
   前記排出流路に設けられたパージ弁と、
   前記分岐配管を介して前記循環流路に酸化ガスを供給する際に、前記排出流路を介して前記循環流路の内部の流体を前記循環流路の外部に排出させるように前記パージ弁及び前記遮断弁の動作を制御する排出制御手段と、
   を備える請求項２から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化ガス供給源は、エアコンプレッサである請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池と、燃料ガス供給源と、この燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと導くアノード系流路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記アノード系流路は、前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを前記燃料電池へと導く供給流路と、前記燃料電池から排出されたガスを前記供給流路に導く循環流路と、を有し、
   前記循環流路に設けられて前記循環流路の内部のガスを前記供給流路へと循環させるポンプと、
   前記循環流路における前記ポンプの上流側に接続された外気導入流路と、
   前記外気導入流路に設けられた外気遮断弁と、
   前記循環流路の内部の流体を前記循環流路の外部に排出する排出流路と、
   前記排出流路に設けられたパージ弁と、
   前記燃料ガス供給源から前記燃料電池への燃料ガスの供給を遮断する燃料遮断手段と、
   前記外気導入流路を介して前記循環流路に外気を導入するとともに、前記排出流路を介して前記循環流路の内部の流体を前記循環流路の外部に排出させるように前記ポンプ、前記外気遮断弁及び前記パージ弁の動作を制御する外気導入制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
8. 請求項１から７の何れか一項に記載の燃料電池システムを備える移動体。
9. 燃料電池と、燃料ガス供給源及び酸化ガス供給源と、前記燃料ガス供給源及び前記酸化ガス供給源から各々供給される燃料ガス及び酸化ガスを前記燃料電池へと導くためのアノード系流路及びカソード系流路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記アノード系流路に排水要求がなされた際に、前記燃料ガス供給源から前記アノード系流路を経由した前記燃料電池への燃料ガスの供給を遮断する第１の工程と、
   前記酸化ガス供給源から前記カソード系流路を経て前記燃料電池へと供給される酸化ガスを前記アノード系流路に導く第２の工程と、
   を含む燃料電池システムの運転方法。

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