JP2008251491A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料室内のガスをより早く置換する。
【解決手段】停止時には、コンプレッサ２５で圧縮された外気を、燃料電池スタック１００内の燃料室に供給し、酸化ガスと置換しているので、燃料室内を空気に置換する時間を短縮することができる。また、起動時には、外部の圧力を検出し、検出された外部の圧力に基づいて、置換するのに必要十分に燃料ガスをコンプレッサ２５で圧縮するための圧縮圧力を算出する。そして、算出された圧縮圧力まで燃料ガスを圧縮して燃料室に充填するので、無駄な燃料ガスの供給を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムにかかり、より詳細には、燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池システムに関する。

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムでは、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として空気中の酸素）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。
このような燃料電池システムにおいては、停止後に、燃料室に燃料ガスが残存していると、不必要な化学反応が生じ、電解質膜が劣化する。そこで、停止時には、燃料室内に酸化ガスを充填させる必要がある。そのため、燃料室内を負圧にし、燃料室内の燃料ガスを外部へ排出し、酸化ガスに置換している（特許文献１）。

しかしながら、停止時に、上記のように、燃料室内を負圧にすることにより、燃料室内の燃料ガスを外部へ排出しても、燃料ガス、主として水素は、分子量が小さいので、水素を外部へ排出するのに時間がかかる。
なお、上記燃料電池システムでは、起動時には燃料ガスの供給圧を利用して、燃料室内の酸化ガスを外気領域へ排出し、燃料ガスを供給する。しかし、この場合、起動時の供給圧は通常の運転時の供給圧よりも高く設定されているので、起動時専用の燃料ガス流路を別に設けなければならなかった。
特開２００６−１５６２６１号

本発明の目的は、上記事実に鑑みて成されたものであり、燃料室内をより速く置換することの可能な燃料電池システムを提供することにある。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１） 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
前記酸化ガス室に接続され、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給路と、
前記燃料ガス或いは酸化ガスを圧縮して前記燃料供給路に供給可能な圧縮手段と、
前記圧縮手段により圧縮されたガスが燃料ガス供給路に供給され、該圧縮されたガスが供給されたときに前記燃料室に存在するガスが外気領域に排出される構成と、
を備えた燃料電池システム。

（２） 前記圧縮手段は、前記燃料電池が停止する際に、酸化ガスを圧縮することを特徴とする上記（１）記載の燃料電池システム。

（３） 前記圧縮手段は、前記燃料電池が起動する際に、燃料ガスを圧縮することを特徴とする上記（１）記載の燃料電池システム。

（４） 外気圧を検出する検出手段と、
前記圧縮された燃料ガスが燃料ガス供給路を介して前記燃料室に供給された場合に、該供給された燃料ガスが燃料室から外気領域に所定量以上排出されないための圧縮圧力を前記検出された外気圧に基づいて算出し、算出された圧縮圧力まで前記燃料ガスが圧縮されるように前記圧縮手段を制御する制御手段と、
を更に備えたことを特徴とする上記（３）記載の燃料電池システム。

請求項１記載の発明によれば、圧縮されたガスが供給されたときに燃料室に存在するガスが外部に排出される構成を採用するので、燃料室に存在するガスを圧縮されたガスでより速く置換することができる。
請求項２記載の発明によれば、燃料電池が停止する際に、酸化ガスを圧縮するので、燃料電池が停止する際に、燃料室に存在する燃料ガスを酸化ガスでより速く置換することができる。

請求項３記載の発明によれば、燃料電池が起動する際に、燃料ガスを圧縮するので、燃料電池が起動する際に、燃料室に存在する酸化ガスを燃料ガスでより速く置換することができる。
請求項４記載の発明によれば、圧縮された燃料ガスが燃料ガス供給路を介して燃料室に供給された場合に、該供給された燃料ガスが燃料室から外気領域に所定量以上排出されないための圧縮圧力を算出し、算出された圧縮圧力まで燃料ガスが圧縮して燃料室に供給するので、該供給された燃料ガスが燃料室から外気領域に排出されることを防止でき、必要十分な燃料ガスの供給に止めることができる。

次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７に大略構成される。
図２および図３に基づいて燃料電池スタック１００の構成について説明する。図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 燃料電池スタック１００は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。

セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。
集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。

集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５（燃料室３１５）が形成される。

凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。

燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。

各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。一対の燃料ガス排出通路３１９ａ、３１９ｂの一方は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、他方は、ガス循環流路２０２に接続される。

集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５（空気室３２５）が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。

両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２１と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。このように構成された燃料電池スタック１００の鉛直上側には、空気マニホールド５４が設けられている。空気流入部３２６の集合体によって導入口４３が構成され、空気流出部３２７によって導出口４４が構成される。

次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。まず、燃料供給系１０を説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１は、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口ＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、第１ガス供給弁２０、二次圧センサＳ１、水素調圧弁２８、及び第２ガス供給弁２９が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、コンプレッサ２５、バッファタンク３０Ｂ、圧縮圧力センサＳ５、第３供給電磁弁２３Ｔ、及び安全弁３５が順に設けられた燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。

燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口ＩＮに接続されている。燃料電池スタック１００のガス排出口ＯＵＴには、ガス排出流路２０２の一端が接続され、その他端側は分岐して、一方は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。他方は、空気導入電磁弁３０Ｔを介して外部に開放されている。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口ＯＵＴ側から順に、トラップ２４、循環電磁弁２６が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。バッファタンク３０Ｂからは水素停止排気電磁弁３２を備えた排気流路２０４が、ガス導出路２０３に伸びている。

次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３、空気マニホールド５４、空気排出路である空気ダクト１２４等を備えている。空気導入路１２３には、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。
空気導入路１２３内には、空気マニホールド５４内の直前位置に、水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。液体接触手段としての噴霧装置であるノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。ノズル５５は、霧状にした水を噴射する。噴射された霧状水は、空気導入路１２３の横断面全域に渡って充満するように、噴射される。また、水は可能な限り細かい粒子となるように噴射される。

空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の空気室３２５の導入口に空気を分割して流入させる。
燃料電池スタック１００の空気室３２５の導出口には、排気マニホールドが接続され、導出口から排出された空気は、排気マニホールドによって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。また、排気マニホールドは、導出口から滴り落ちる水を回収する。

空気ダクト１２４は、導出口から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。排気マニホールド５３Ａ１で回収された水と、凝縮器５１で回収された水は、後述するように、水タンク５３１へ回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。

次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、排気マニホールドと凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６と、回収した水から不純物を取り除く不純物回収装置を有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、不純物回収装置であるフィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。

フィルタ６４は、活性炭等の吸着作用により不純物を分離する材料や、中空糸膜のように不純物をろ過する材料、或いは、イオン交換樹脂が用いられる。これらの構成要素を有する不純物回収装置は、例えば、水タンク５３１内に収容されていてもよい。不純物回収装置によって不純物が除かれた水は、再びノズル５５から霧状に噴射される。

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、切換回路である双方向コンバータ７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
図４に示すように、本実施形態における主要な制御系は、上記コンプレッサ２５、圧縮圧力センサＳ５、外気圧センサＳ１００、上記各電磁源などが接続された制御回路４０を備えている。

次に、本実施形態にかかる起動処理ルーチンを、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態にかかる燃料電池システムの起動時に実行される起動処理ルーチンを示したフローチャートである。
なお、水素貯留タンク１１からは、燃料ガスが、例えば２０又は３５ＭＰａの圧力で供給され、これを、レギュレータ１９で、０．３ＭＰａまで減圧し、水素調圧弁２８で、さらに、０．１ＭＰａまで減圧する。

まず、ステップＳ８０で、外気圧センサＳ１００から、外気圧ＰＯＵＴに取り込み、ステップＳ８１で、燃料室３１５の状態を、内部の空気を排出し、燃料ガスが所定量以上（燃料ガスの浪費防止のため好ましくは０）外部に排出されずに充填される状態にするための圧縮圧力Ｐ０を、外気圧ＰＯＵＴに基づいて算出する。
ステップＳ８２で、燃料ガス供給流路２０１Ａの水素元バルブ１８〜第２ガス供給弁２９を開放し、ステップＳ８３で、第３供給電磁弁２３Ｔを閉止する。これにより、水素貯留タンク１１から供給される燃料ガスは、各電磁弁を通過し、コンプレッサ２５、バッファタンク３０Ｂを介し、第３供給電磁弁２３Ｔまで到達する。

ステップＳ８４で、コンプレッサ２５を稼動し、ステップＳ８５で、燃料ガスの圧力Ｐが、上記圧縮圧力Ｐ０以上となったか否かを判断し、燃料ガスの圧力Ｐが圧縮圧力Ｐ０以上であると判断された場合に、ステップＳ８６で、排気電磁弁２７を開放し、ステップＳ８７で第３供給電磁弁２３Ｔを開放する。これにより、コンプレッサ２５により圧縮圧力Ｐ０まで圧縮された燃料ガスが、燃料室に供給され、燃料室内の空気がガス導出路２０３を介し外部に排出される。ステップＳ８８で、第３供給電磁弁２３Ｔが開放されたときからの経過時間ｔが、酸素室内に燃料ガスが充填される時間ｔ０以上か否かを判断し、経過時間ｔが充填時間ｔ０以上と判断された場合に、ステップＳ８９で、コンプレッサ２５を減少稼動する。すなわち、圧縮圧力が０．１ＭＰＡとなるようにコンプレッサ２５を駆動する。これは、燃料電池システムから排出された反応水素を再度供給側に循環させるためである。そして、ステップＳ９０で、排気電磁弁２７を閉止し、ステップＳ９１で、燃料電池スタックの電圧ＦＣが、所定の始動電圧(規定値)以上の電圧まで達すると、通常運転モードに切り換える。

次に、燃料電池システム１００を停止する際の停止処理を、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態にかかる燃料電池システムの停止時に実行される停止処理ルーチンを示したフローチャートである。
まず、ステップＳ１００で、第２ガス供給弁２９と、第３ガス供給電磁弁２３Ｔを閉止する。これにより、バッファタンク３０Ｂへの水素の供給が止められ、またバッファタンク３０Ｂと燃料室との接続も遮断され、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給が止められる。

ステップＳ１０１で、空気導入電磁弁３０Ｔと水素停止排気電磁弁３２とを開放する。これにより、外気が空気導入電磁弁３０Ｔ、燃料ガス供給流路２０１Ｂ、コンプレッサ２５、バッファタンク３０Ｂ、水素停止排気電磁弁３２を介し排気流路２０４に供給される。ステップＳ１０２で、コンプレッサ２５を稼動し、ステップＳ１０３で、コンプレッサ２５を稼動してからの経過時間ｔが、燃料ガス供給流路２０１Ｂ内が空気に置換される置換時間Ｔ以上か否かを判断し、経過時間ｔが置換時間Ｔ以上と判断された場合に、ステップＳ１０４で、水素停止排気電磁弁３２を閉止する。これにより、外気が排気流路２０４に供給されず、燃料供給流路２０１ Ｂ以内にとどまる。

ステップＳ１０６で、燃料供給流路２０１Ｂ内の圧力Ｐが、酸素室３１５内を空気で充填するための圧縮圧力ＰＸ以上か否かを判断する。圧力Ｐが圧縮圧力ＰＸ以上と判断された場合に、ステップＳ１０７で排気電磁弁２７を開放し、ステップＳ１０８で、第３供給電磁弁２３Ｔを開放する。これにより、圧縮圧力ＰＸまで圧縮された空気が燃料室３１５に供給され、燃料室内の燃料ガスがガス導出路２０３を介して外部へ排出される。
ステップＳ１０９で、第３供給電磁弁２３Ｔを開放してから、燃料電池の電圧が所定の終了電圧より低くなると、酸素室内の燃料ガスが空気に置換されたものとみなされ、ステップＳ１１０でコンプレッサ２５を停止する。

以上説明したように、本実施形態では、まず、停止時に、従来では、燃料室を負圧にし、燃料室内の燃料ガスを外部へ排出するようにしており、これに時間がかかっていたのを、本実施形態では、コンプレッサで圧縮された外気を、燃料室に供給し、酸化ガスと置換しているので、燃料室内を空気に置換する時間を短縮することができる。

また、本実施形態では、起動時に、外部の圧力を検出し、検出された外部の圧力に基づいて、所定量以上排出されずに置換するに必要十分に燃料ガスを圧縮して燃料室に充填するので、無駄な燃料ガスの供給を防止することができる。

次に、本発明の第２の発明形態を説明する。なお、本第２の実施形態は、前述した第１の実施形態と同様の構成部分を有するので、同一部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図７は、本実施形態にかかる燃料電池システムにかかる燃料電池システムを示すブロック図である。図７に示すように、空気流路２２０には、その下流側に向かって、コンプレッサＣ、冷却器ＡＣが設けられている。冷却器ＡＣにて最適な運転温度に設定され、その下流で空気流路２２０は分岐し、一方の空気流路２２０Ａは、空気電磁弁Ａ２を介して、燃料電池スタック１００内の空気室３２５に接続され、空気室３２５は、排気電磁弁Ｈ６を介して空気流路２２０に接続され循環経路が形成されている。空気流路２２０には、図示しない空気供給ポンプが設けられている。燃料電池スタック１００内の空気室３２５には、水タンクＷ１からの水がポンプＫ２によって供給される。なお、空気室３２５に供給された水は、水流路２３０を介して水タンクＷ１に戻る。

水素タンクＨＴには、燃料ガス供給流路２１０が接続され、下流側に向かって、水素元バルブＨ１、レギュレータＨ２が設けられ、レギュレータＨ３と電磁弁Ｈ４とが並列接続され、燃料ガス供給流路２１２Ａに接続される。これにより、水素タンクＨＴの燃料ガスが燃料電池スタック１００内の燃料室３１５に供給され、供給された燃料ガスは、燃料ガス供給流路２１２Ｂを介して、循環される。燃料ガス供給流路２１２Ｂには、循環ポンプＫ１が設けられている。

本実施形態では、通常運転時には、空気室３２５には、空気流路２２０、空気流路２２０Ａを介して空気が供給され、燃料室３１５には、水素タンクＨＴ内の燃料ガスが、燃料ガス供給流路２１０、燃料ガス供給流路２１２Ａを介して供給される。

一方、停止時には、詳細な説明は後述（第３の実施形態において説明）するが、燃料室への燃料ガスの供給を停止しかつ空気室への空気の供給を停止すると共に、空気電磁弁Ａ２を閉止し、切替電磁弁Ａ３を開放することにより、空気供給流路の経路を切り替えて、すなわち、他方の流路である空気流路２２０Ｂを介して、コンプレッサＣにより圧縮された空気を、置換可能な容量を持つサージタンクＡ１にて圧縮貯留された空気を、燃料ガス供給流路２１２Ａを介して燃料室に、瞬時に供給する。

次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態の構成は、前述した第２の実施形態と同様の構成部分を有するので、同一部分には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分を説明する。
図８は、本実施形態にかかる燃料電池システムにかかる燃料電池システムを示すブロック図である。本実施形態では、第２の実施形態における通常の電解質膜に代えて、高温かつ無加湿で耐久性のある固体高分子電解室膜を用いている点と、これにより、図８に示すように、冷却器ＡＣ及び水の供給排出系を省略した構成である点で相違する。

上記固体高分子電解質膜は、高温域でプロトン伝導度が十分に得られる高温膜が用いられる。すなわち、この高温膜は、雰囲気が高温・低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、またはそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であれば良い。

具体的なプロトン伝導度の一例を挙げると、温度が摂氏50〜140℃の範囲内で、湿度が0〜50％の雰囲気下において、一般的な固体高分子（摂氏50度以下、湿度50％以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1S/cm以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、摂氏120℃、湿度20％の雰囲気下において、プロトン伝導性が0.1S/cm以上であるものが好ましい。
固体高分子電解質膜において、燃料として供給された水素と酸化剤として供給された酸素が反応し、電力が得られるとともに、生成水が発生する。この電解質膜の反応効率が良好な温度領域は、１００度以上であるため、この温度領域で発電反応を行うことで、生成水は水蒸気となり、燃料ガスや空気とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。発電反応が可能となる温度領域が、水の沸点以上である電解室膜を用いることによって、生成水を気化させて排出させることが可能となる。

以上のような高温でも耐久制のある固体高分子電解室膜を用いることによって、発電反応によって発生する生成水が気化し、燃料ガスや酸化ガスとともに排出されるため、燃料電池スタック内に水が溜まることがなく、このため、図７、図８を比較して理解されるように、冷却器ＡＣ及び水の供給排出のための構造を省略している。

次に、第２及び第３の実施形態の停止時における停止処理を、図９を参照して説明する。
図９は、本実施形態にかかる燃料電池システムの停止時に実行される停止処理ルーチンを示したフローチャートである。図９に示すように、イグニッションがオフされると、ステップＳ１５１で、水素元バルブＨ１と排気電磁弁Ｈ６を閉止し、ステップＳ１５２で、空気電磁弁Ａ２、切替電磁弁Ａ３を閉止し、ステップＳ１５３で、圧縮空気の圧力Ｐが、燃料室内の燃料ガスを空気に置換するための圧力αＭＰａより大きいか否かを判断し、圧力Ｐが圧力αＭＰａより大きいと判断された場合に、ステップＳ１５４で、コンプレッサＣを停止し、切替電磁弁Ａ３を開放する。

ステップＳ１５５で、排気電磁弁Ｈ６を開放し、ステップＳ１５６で、排気電磁弁Ｈ６を開放したときからの経過時間Ｔが０．１秒より大きいか否かを判断し、Ｔが０．１秒より大きいと判断された場合に、ステップＳ１５７で、燃料電池システムから供給される電力の圧力が規定値より小さいか否かを判断し、供給電力の圧力が規定値より小さいと判断された場合に、ステップＳ１５８で、全ての電磁弁を閉じる。

前述した第２の実施形態では、燃料電池の動作温度が１００度以下である。この場合は、燃料電池スタックを水冷機構や空冷機構にて適温に保つこと、供給加圧空気温度を低下させ加湿させることが必要であるため複雑なシステム構造をとる必要があった。これに対し、本実施形態では、動作温度が１００度以上の高温膜を利用しているので、冷却器ＡＣ及び水の供給排出系を省略することができ、劇的にシステムを簡略化することができ、コストパフォーマンスを非常に良くすることができる。

本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図である。 燃料電池スタックの部分断面側面図である。 燃料電池スタックの部分斜視図である。 本実施形態における主要な制御系を示したブロック図である。 本実施形態にかかる燃料電池システムの起動時に実行される起動処理ルーチンを示したフローチャートである。 本実施形態にかかる燃料電池システムの停止時に実行される停止処理ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムにかかる燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムにかかる燃料電池システムを示すブロック図である。 本実施形態にかかる燃料電池システムの停止時に実行される停止処理ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３１５ 燃料室
３２５ 空気室
２０１Ａ、２０１Ｂ 燃料ガス供給流路
１２３ 空気導入路
２５ コンプレッサ
３０Ｂ バッファタンク
Ｓ１００ 外気圧センサ
４０ 制御回路

Claims (4)

1. 燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される酸化ガス室とを電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料室に接続され、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路と、
   前記酸化ガス室に接続され、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給路と、
   前記燃料ガス或いは酸化ガスを圧縮して前記燃料供給路に供給可能な圧縮手段と、
   前記圧縮手段により圧縮されたガスが燃料ガス供給路に供給され、該圧縮されたガスが供給されたときに前記燃料室に存在するガスが外気領域に排出される構成と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記圧縮手段は、前記燃料電池が停止する際に、酸化ガスを圧縮す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. 前記圧縮手段は、前記燃料電池が起動する際に、燃料ガスを圧縮することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 外気圧を検出する検出手段と、
   前記圧縮された燃料ガスが燃料ガス供給路を介して前記燃料室に供給された場合に、該供給された燃料ガスが燃料室から外気領域に所定量以上排出されないための圧縮圧力を前記検出された外気圧に基づいて算出し、算出された圧縮圧力まで前記燃料ガスが圧縮されるように前記圧縮手段を制御する制御手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

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