JP2009163920A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、燃料電池の起動処理や運転停止処理を効率的に遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、開閉弁装置１８と、前記燃料電池システム１０全体を制御するコントローラ２０とを備える。酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するとともに、正逆両方向に回転可能なエアポンプ４２を備える。エアポンプ４２が正転されると、酸化剤ガス流路３４に空気が供給される一方、前記エアポンプ４２が逆転されると、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が減圧される。
【選択図】図１

Description

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池では、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード側電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード側電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中に、カソード側が高電位に保持されてしまい、電極触媒層が劣化するという問題がある。

そこで、例えば、アノード側電極中に残存する燃料ガスを、空気や窒素等の不活性ガスで強制的にパージする方法が行われている。このため、燃料電池スタックの停止時には、カソード側電極及びアノード側電極には、例えば、空気が存在している。

また、上記のパージ処理を行わない場合にも、燃料電池スタックを長時間にわたって停止させていると、カソード側から電解質膜を透過した空気がアノード側に移動し、カソード側電極及びアノード側電極に空気が存在する状態になってしまう。

この状態で、燃料電池スタックを起動させると、アノード側電極に燃料ガスの供給を開始する際、水素と空気とが混在するため、カソード側電極が高電位となり易い。これにより、前記カソード側電極の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下が惹起されるという問題がある（特許文献１）。

このため、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料室にガスを供給するガス供給口と、前記燃料室からガスを排出するガス排出口と、ガス排出口からガスを吸引する吸引装置と、前記吸引装置を介してガス排出口とガス供給口とを連結する循環経路と、前記吸引装置を介してガス排出口と外部ガス放出口とを連結する放出経路とを備えている。

特表２００６−５０７６４７号公報 特開２００３−１０９６３０号公報

しかしながら、上記の特許文献２では、ガス排出口からガスを吸引する吸引装置の下流側に、循環経路と放出経路とが切替可能に接続されている。このため、燃料電池システムの構成の簡素化が図られないという問題がある。しかも、酸素室側の処理を行うことができず、例えば、前記酸素室内に滞留する生成水の除去等は、専用のパージ機構を用いる必要がある。これにより、システム全体の簡素化が容易に遂行されず、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池の起動処理や運転停止処理を効率的に遂行することが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムは、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガス流路にポンプを介して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、少なくとも前記酸化剤ガス流路を減圧させるために、前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路に接続可能な切替接続装置とを備えている。

また、切替接続装置は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を減圧させるために、ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に接続可能な複数のバルブを備えることが好ましい。

さらに、燃料電池システムは、ポンプの一次側に水トラップが配設されることが好ましい。

さらにまた、燃料電池システムは、ポンプにより少なくとも酸化剤ガス流路を減圧させる際に、前記酸化剤ガス流路の減圧速度を調整するための外気を導入する外気導入経路を備えることが好ましい。

また、本発明は、カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法に関するものである。

この運転方法は、ポンプの二次側を酸化剤ガス流路に接続することにより、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する工程と、前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路に接続することにより、前記酸化剤ガス流路を減圧させる工程とを有している。

さらに、この運転方法は、ポンプの一次側を酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に接続することにより、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を減圧させることが好ましい。

さらにまた、この運転方法は、ポンプにより少なくとも酸化剤ガス流路を減圧させる際に、外気を導入して減圧速度を調整することが好ましい。

また、本発明の運転方法は、ポンプを一方向に回転させることにより、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する工程と、前記ポンプを前記一方向とは逆の他方向に回転させることにより、前記酸化剤ガス流路を減圧させる工程とを有している。

さらに、この運転方法は、ポンプを他方向に回転させることにより、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を減圧させる工程と、前記ポンプの回転を停止させ、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に掃気用空気を供給する工程とを有することが好ましい。

さらにまた、この運転方法は、燃料電池システムの停止時に、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の減圧工程と、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路の掃気用空気による掃気工程とを、繰り返すことが好ましい。

また、この運転方法は、ポンプを他方向に回転させることにより、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を減圧させる工程と、前記ポンプの回転を停止させ、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する工程とを有することが好ましい。

さらに、この運転方法は、燃料電池システムの起動時に、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の減圧工程と、前記酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給及び前記燃料ガス流路への燃料ガスの供給工程とを、繰り返すことが好ましい。

本発明では、ポンプを介して酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給される一方、切替接続装置の作用下に前記ポンプの一次側と前記酸化剤ガス流路とが接続されることにより、前記酸化剤ガス流路が減圧されている。このため、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給の他、前記酸化剤ガス流路の減圧によるガス交換性の向上及び生成水の排水性の向上が容易に可能になる。

また、本発明では、ポンプの二次側を酸化剤ガス流路に接続して前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する一方、前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路に接続して前記酸化剤ガス流路を減圧している。従って、簡単な工程で、酸化剤ガス流路の減圧や前記酸化剤ガス流路内の生成水の除去が良好に遂行される。

さらに、本発明では、ポンプを一方向に回転させて酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する一方、前記ポンプを前記一方向とは逆の他方向に回転させて前記酸化剤ガス流路を減圧している。これにより、ポンプは、酸化剤ガスの供給用ポンプの機能と減圧用ポンプの機能とを有することができ、簡単な構成及び工程で、酸化剤ガス流路の減圧や前記酸化剤ガス流路内の生成水の除去等が良好に遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、開閉弁装置１８と、前記燃料電池システム１０全体を制御するコントローラ２０とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２２を積層して構成される。各燃料電池２２は、固体高分子電解質膜２４をカソード側電極２６とアノード側電極２８とで挟持した電解質膜・電極構造体３０を備え、前記電解質膜・電極構造体３０を一対のセパレータ３２ａ、３２ｂで挟持する。電解質膜・電極構造体３０とセパレータ３２ａとの間には、カソード側電極２６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３４が形成されるとともに、前記電解質膜・電極構造体３０とセパレータ３２ｂとの間には、アノード側電極２８に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３６が形成される。

燃料電池スタック１２の積層方向一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３４に供給するための酸化剤ガス入口連通孔３８ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを燃料ガス流路３６に供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａとが形成される。燃料電池スタック１２の積層方向他端部には、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路３４から排出するための酸化剤ガス出口連通孔３８ｂと、燃料ガスを燃料ガス流路３６から排出するための燃料ガス出口連通孔４０ｂとが形成される。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するとともに、正逆両方向に回転可能なエアポンプ４２を備え、前記エアポンプ４２が空気供給流路（パージ流路を兼用）４４に配設される。空気供給流路４４のエアポンプ４２の上流側の端部には、連結流路４６を介して空気導入流路４８が接続される。なお、図示しないが、空気供給流路４４の途上には、加湿器が設けられる。

空気導入流路４８は、加湿器５０を介してエアフィルタ５２に連通するとともに、前記空気導入流路４８には、前記加湿器５０をバイパスするバイパス流路５４が設けられる。連結流路４６には、希釈流路５６が連通し、前記希釈流路５６が希釈装置５８に接続されるとともに、前記希釈装置５８では、燃料ガスが酸化剤ガスにより希釈されて排出される。空気供給流路４４は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通するとともに、この空気供給流路４４には、水トラップ６０が配設される。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路６２を備える。この空気排出流路６２は、加湿器５０を介して希釈装置５８に接続される。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク６４を備え、この水素タンク６４は、水素供給流路６６を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。水素供給流路６６には、レギュレータ６８及びエゼクタ７０が設けられるとともに、前記エゼクタ７０の下流と空気供給流路４４とは、分岐流路７２、７４を介して連通可能である。分岐流路７２の途上には、空気導入流路４８の端部が連結される。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７５が連通するとともに、前記オフガス流路７５に水素循環路７６が連通する。オフガス流路７５は、希釈装置５８に接続される一方、水素循環路７６は、エゼクタ７０に連通する。

エゼクタ７０は、水素タンク６４から供給される水素ガスを、水素供給流路６６を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路７６から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

開閉弁装置１８は、第１開閉バルブ８０ａ〜第１０開閉バルブ８０ｊを備える。具体的には、第１開閉バルブ８０ａは、分岐流路７４に配置され、第２開閉バルブ８０ｂは、空気供給流路４４に前記分岐流路７４の下流に位置して配置される。第３開閉バルブ８０ｃは、分岐流路７２に空気導入流路４８と空気供給流路４４との間に位置して配置され、第４開閉バルブ８０ｄは、前記分岐流路７２に前記空気導入流路４８と水素供給流路６６との間に位置して配置される。

第５開閉バルブ８０ｅは、水素供給流路６６にレギュレータ６８とエゼクタ７０との間に位置して配置される。第６開閉バルブ８０ｆは、連結流路４６に配置される一方、第７開閉バルブ８０ｇは、希釈流路５６に配置される。第８開閉バルブ８０ｈは、バイパス流路５４に配置され、第９開閉バルブ８０ｉは、空気排出流路６２に加湿器５０の上流側に位置して配置され、さらに、第１０開閉バルブ８０ｊは、オフガス流路７５に配置される。

水トラップ６０には、ドレン用弁８２が配置されるとともに、空気供給流路４４及び水素供給流路６６には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａに近接して、第１圧力センサ８４ａと第２圧力センサ８４ｂとが配置される。

燃料電池スタック１２には、例えば、車両駆動モータ、エアポンプ駆動モータ等の負荷８６が、スイッチ８８を介して電気的に切断及び接続可能に設けられる。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、本発明の第１の実施形態に係る運転方法との関連で、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の発電時には、図３及び図４に示すように、第１開閉バルブ８０ａ、第３開閉バルブ８０ｃ、第４開閉バルブ８０ｄ、第７開閉バルブ８０ｇ及び第８開閉バルブ８０ｈが閉じられる一方、第２開閉バルブ８０ｂ、第５開閉バルブ８０ｅ、第６開閉バルブ８０ｆ、第９開閉バルブ８０ｉ及び第１０開閉バルブ８０ｊが開放される。さらに、スイッチ８８が閉じられて、負荷８６が燃料電池スタック１２に電気的に接続されることにより、この燃料電池スタック１２による発電が開始される（ステップＳ１）。

具体的には、水素タンク６４から水素供給流路６６に燃料ガス（水素ガス）が供給され、この燃料ガスは、レギュレータ６８で減圧された後、燃料電池スタック１２の燃料ガス流路３６に供給される。この燃料ガスは、各燃料電池２２のアノード側電極２８に沿って供給される。

一方、エアポンプ４２が駆動され、エアフィルタ５２を通った空気（酸化剤ガス）は、加湿器５０で加湿された後、空気導入流路４８及び空気供給流路４４を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路３４に送られる。この空気は、各燃料電池２２のカソード側電極２６に沿って供給される。このため、カソード側電極２６に供給される空気と、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが電気化学的に反応して、発電が行われる。

燃料ガス流路３６からオフガス流路７５に排出される燃料ガスは、水素循環路７６を通ってエゼクタ７０に吸引され、水素供給流路６６から再度、前記燃料ガス流路３６に送られる。また、酸化剤ガス流路３４から空気排出流路６２に排出される空気は、加湿器５０を通って使用前の空気を加湿した後、希釈装置５８に供給される。

そして、燃料電池スタック１２による発電が停止される際には（ステップＳ２）、図３及び図５（図５中、矢印の無い状態）に示すように、第５開閉バルブ８０ｅ、第６開閉バルブ８０ｆ、第９開閉バルブ８０ｉ及び第１０開閉バルブ８０ｊが閉じられるとともに、第１開閉バルブ８０ａ、第７開閉バルブ８０ｇ及び第８開閉バルブ８０ｈが開放される。さらに、第３開閉バルブ８０ｃは、開度調整が行われ、例えば、半開状態になる。ここで、スイッチ８８が開放されることにより、燃料電池スタック１２の負荷８６から電気的に切断され、この燃料電池スタック１２から外部への電力供給が停止される。

次に、ステップＳ３に進んで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。この減圧処理時には、エアポンプ４２が逆転される（図３参照）。このため、図５に示すように、エアポンプ４２の一次側（吸い込み側）は、空気供給流路４４を介して酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通するとともに、分岐流路７４を介して燃料ガス入口連通孔４０ａに連通している。

従って、エアポンプ４２が逆転を開始すると、酸化剤ガス流路３４が吸引され、この酸化剤ガス流路３４に残存する酸化剤ガスが希釈装置５８に排出される。これにより、酸化剤ガス流路３４が減圧される。一方、燃料ガス流路３６が吸引され、この燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスが希釈装置５８に排出される。このため、燃料ガス流路３６が減圧される。

その際、空気導入流路４８を介して、空気供給流路４４に希釈用の空気が導入されている。従って、燃料ガス流路３６からこの空気供給流路４４に排出される燃料ガスが良好に希釈され、排ガスとして希釈装置５８から排出することができるとともに、外気の導入により減圧速度を調整することが可能になる。

第１圧力センサ８４ａ及び第２圧力センサ８４ｂを介して、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至ったことが確認されると、所定時間保持された後に、自然空気掃気に移行する（ステップＳ４）。この自然空気掃気時には、図３及び図６に示すように、エアポンプ４２が停止される一方、第３開閉バルブ８０ｃ及び第４開閉バルブ８０ｄが開放される。このため、空気導入流路４８が分岐流路７２を介して空気供給流路４４及び水素供給流路６６に連通する。

従って、所定の減圧状態に保持されている酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６には、エアフィルタ５２から空気導入流路４８に導入された空気が吸引される。これにより、自然空気掃気が行われる。

そこで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が大気圧に至ると、図３及び図７に示すように、第１開閉バルブ８０ａ〜第４開閉バルブ８０ｄが閉じられる。これにより、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６は、出入口両端が閉じられるため、空気が封じ込まれてソークが行われる（ステップＳ５）。このソーク時には、カソード側電極２６とアノード側電極２８とが同電位になるため、電極触媒層の腐食による劣化も抑制することができる。

次いで、燃料電池システム１０の起動が開始される際には、先ず、ステップＳ６に進んで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が施される。図３及び図８に示すように、第１開閉バルブ８０ａ及び第２開閉バルブ８０ｂが開放されるとともに、エアポンプ４２が逆転される。このため、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６に封入されていた空気は、エアポンプ４２の吸引作用下に、前記酸化剤ガス流路３４及び前記燃料ガス流路３６から吸引されて希釈装置５８に排出される。従って、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が減圧される。

そして、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至った後、所定の時間だけ保持される。すなわち、図３及び図９に示すように、第１開閉バルブ８０ａが閉塞されるとともに、エアポンプ４２が停止される。これにより、減圧が停止される（ステップＳ７）。

さらに、ステップＳ８に進んで、燃料ガス流路３６に燃料ガスの供給が開始される。このステップＳ８では、図３及び図１０に示すように、第５開閉バルブ８０ｅが開放されるとともに、第３開閉バルブ８０ｃが開放される。このため、水素タンク６４から水素供給流路６６に燃料ガスが導出され、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に供給される。一方、第３開閉バルブ８０ｃが開放されることにより、空気導入流路４８から分岐流路７２を通って空気供給流路４４に空気が吸引される。この空気は、酸化剤ガス流路３４に供給される。

次に、ステップＳ９に進んで、酸化剤ガス流路３４に空気が強制的に供給される。このステップＳ９では、図３及び図１１に示すように、第６開閉バルブ８０ｆ、第９開閉バルブ８０ｉ及び第１０開閉バルブ８０ｊが開放されるとともに、第３開閉バルブ８０ｃ、第７開閉バルブ８０ｇ及び第８開閉バルブ８０ｈが閉じられる。そして、エアポンプ４２が正転方向に回転を開始する。

これにより、エアフィルタ５２から吸引された空気は、加湿器５０を通って空気導入流路４８に送られ、さらにエアポンプ４２に吸引されて空気供給流路４４から酸化剤ガス流路３４に送られる。酸化剤ガス流路３４から排出された空気は、空気排出流路６２から加湿器５０を通って希釈装置５８に排出される。

一方、水素タンク６４から水素供給流路６６に供給される燃料ガスは、燃料ガス流路３６に供給された後、水素循環路７６を介してエゼクタ７０に吸引されるとともに、一部がオフガス流路７５から希釈装置５８に排出される。さらに、スイッチ８８が閉じられて、負荷８６が燃料電池スタック１２に接続されることにより、燃料電池システム１０の起動が開始される（ステップＳ１０）。

この場合、第１の実施形態では、エアポンプ４２を正方向（一方向）に回転させることにより、酸化剤ガス流路３４に空気が供給される一方、前記エアポンプ４２を逆方向（他方向）に回転させることにより、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が減圧されている。このため、エアポンプ４２は、酸化剤ガス流路３４への酸化剤ガスの供給用ポンプとしての機能と、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧用のポンプとしての機能を有することができる。従って、簡単な構成及び工程で、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が効率的に遂行されるという効果が得られる。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートであり、図１３は、そのタイミングチャートである。

なお、この第２の実施形態は、燃料電池システム１０を用いており、第１の実施形態と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、燃料電池システム１０の発電（ステップＳ２１）から酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理、自然空気掃気及びソーク（ステップＳ２５）までの処理は、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ５と同様に行われる。

さらに、燃料電池システム１０の起動前処理を行うために、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理からこの燃料ガス流路３６に水素を供給するまでの処理（ステップＳ２６〜ステップＳ２８）は、第１の実施形態のステップＳ６〜ステップＳ８と同様に行われる。そして、ステップＳ２９において、酸化剤ガス流路３４に空気を自然投入した後（図１０参照）、ステップＳ３０に進んで、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧が行われる。この減圧は、ステップＳ２６の減圧と同様に、図５に示すように行われる。

ステップＳ３１では、上記のステップＳ２６〜ステップＳ３０が所定回数だけ行われたか否かが判断される。ここで、ステップＳ２６〜ステップＳ３０が所定の回数だけ繰り返されたと判断されると（ステップＳ３１中、ＹＥＳ）、ステップＳ３２に進んで、減圧停止処理が行われる（図１４参照）。次いで、ステップＳ３３に進んで、燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給された後（図１０参照）、ステップＳ３４に進んで、酸化剤ガス流路３４に空気が導入される（図１１参照）。

さらに、スイッチ８８が閉じられて、負荷８６が燃料電池スタック１２に電気的に接続されることにより、燃料電池システム１０の起動が開始される（ステップＳ３５）。

この場合、第２の実施形態では、ステップＳ２６〜ステップＳ３０に示すように、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧を行った後、前記酸化剤ガス流路３４に空気を自然投入する一方、前記燃料ガス流路３６に燃料ガスを投入する。次に、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧を行うとともに、これらの処理が所定の回数だけ繰り返し行われている。

これにより、燃料電池システム１０の停止時に、燃料電池スタック１２内の排水性の向上を図るとともに、前記燃料電池システム１０の停止時及び起動時におけるガス置換能力の向上が容易に図られるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートであり、図１６は、そのタイミングチャートである。

第３の実施形態では、燃料電池システム１０の発電開始から自然空気掃気までの処理（ステップＳ４１〜ステップＳ４４）が、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ４と同様に行われる。具体的には、図１６及び図４〜図６に示されている。そして、ステップＳ４５に進み、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。

この減圧処理は、図５に示すように、エアポンプ４２が逆方向に回転され、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が吸引されることにより行われる。さらに、ステップＳ４４及びステップＳ４５が所定の回数だけ行われたと判断されると（ステップＳ４６中、ＹＥＳ）、ステップＳ４７に進んで、減圧処理が停止される。この状態は、図９に示されている。

さらに、ステップＳ４８及びステップＳ４９に進んで、燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス流路３４に空気が供給される。この状態で、燃料電池システム１０の起動が行われる（ステップＳ５０）。

このように、第３の実施形態では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理と、空気によるパージ処理とが、間欠的に繰り返し行われるため、特に燃料電池スタック１２内の排水性が有効に向上する。しかも、燃料電池スタック１２内の減圧が行われるため、燃料電池システム１０の停止時や起動時のガス置換性が向上する等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１７は、本発明の第４の実施形態に係る運転方法を実施するための燃料電池システム１００の概略構成図である。なお、燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給装置１０２を備え、この酸化剤ガス供給装置１０２を構成するエアポンプ１０４が、空気供給流路４４に配設される。エアポンプ１０４は、一方向にのみ回転駆動され、一次側（吸い込み側）１０４ａと、二次側（吐出側）１０４ｂとを有する。空気供給流路４４には、エアポンプ１０４の上流側に水トラップ６０が配置されるとともに、この水トラップ６０と前記空気供給流路４４の途上（エアポンプ１０４の下流側）とに、分岐流路１０６が接続される。

希釈流路５６は、空気供給流路４４にエアポンプ１０４と分岐流路１０６との間に位置して連結される。空気導入流路４８の途上と空気供給流路４４の途上とに、分岐流路１０７が接続される。

燃料電池システム１００は、エアポンプ１０４の二次側１０４ｂを酸化剤ガス流路３４に接続する一方、前記エアポンプ１０４の一次側１０４ａを前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６に接続可能な切替接続装置１０８を備える。

切替接続装置１０８は、第１開閉バルブ８０ａ〜第１２開閉バルブ８０ｌを備える。具体的には、第１開閉バルブ８０ａと第２開閉バルブ８０ｂとは、それぞれ分岐流路７４と空気供給流路４４とに配置され、第３開閉バルブ８０ｃと第４開閉バルブ８０ｄとは、それぞれ連結流路４６と分岐流路７２とに配設される。第５開閉バルブ８０ｅは、水素供給流路６６に配置され、第６開閉バルブ８０ｆは、分岐流路１０６に配置されるとともに、第７開閉バルブ８０ｇは、希釈流路５６に配置される。

第８開閉バルブ８０ｈは、バイパス流路５４に配置され、第９開閉バルブ８０ｉは、空気排出流路６２に配置される。第１０開閉バルブ８０ｊは、オフガス流路７５に配置されるとともに、第１１開閉バルブ８０ｋは、分岐流路１０７に配設される。第１２開閉バルブ８０ｌは、空気供給流路４４に、空気導入流路４８及び希釈流路５６の合流部位間に位置して配設される。

このように構成される燃料電池システム１００の動作について、本発明の第４との実施形態に係る運転方法との関連で、図１８に示すフローチャート及び図１９に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１００の発電時には、図１９及び図２０に示すように、第１開閉バルブ８０ａ、第４開閉バルブ８０ｄ、第６開閉バルブ８０ｆ〜第８開閉バルブ８０ｈ及び第１１開閉バルブ８０ｋが閉じられる一方、第２開閉バルブ８０ｂ、第３開閉バルブ８０ｃ、第５開閉バルブ８０ｅ、第９開閉バルブ８０ｉ、第１０開閉バルブｊ及び第１２開閉バルブ８０ｌが開放される。

さらに、スイッチ８８が閉じられて、負荷８６が燃料電池スタック１２に電気的に接続され、この燃料電池スタック１２による発電が開始される（ステップＳ６１）。このため、水素タンク６４から各燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給される一方、エアポンプ１０４の二次側１０４ｂが酸化剤ガス流路３４に接続されており、このエアポンプ１０４の回転作用下に、前記酸化剤ガス流路３４に空気が供給される。

そして、燃料電池スタック１２による発電が停止される際には（ステップＳ６２）、図１９及び図２１（図２１中、矢印の無い状態）に示すように、エアポンプ１０４が停止されるとともに、第５開閉バルブ８０ｅ、第９開閉バルブ８０ｉ、第１０開閉バルブ８０ｊ及び第１２開閉バルブ８０ｌが閉じられる。一方、第１開閉バルブ８０ａ、第６開閉バルブ８０ｆ〜第８開閉バルブ８０ｈが開放されるとともに、第３開閉バルブ８０ｃが開度調整される。

この発電停止状態からエアポンプ１０４の運転が開始されることにより、減圧処理が開始される（ステップＳ６３）。すなわち、切替接続装置１０８の切り換え作用下に、エアポンプ１０４の一次側１０４ａは、分岐流路１０６、空気供給流路４４及び分岐流路７４を介して、酸化剤ガス流路３４と燃料ガス流路３６とに接続される。

従って、エアポンプ１０４が回転駆動されると、一次側１０４ａに接続されている酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が吸引され、前記酸化剤ガス流路３４に残存する空気及び前記燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスは、エアポンプ１０４から希釈流路５６を通って希釈装置５８に排出される。その際、空気導入流路４８からエアポンプ４２の一次側１０４ａに外部空気が導入されて、減圧速度の調整が行われる。

酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至ると、所定の時間だけ経過した後に自然空気掃気処理に移行する（ステップＳ６４）。

図１９及び図２２に示すように、エアポンプ１０４が停止される一方、第４開閉バルブ８０ｄ及び第１１開閉バルブ８０ｋが開放される。これにより、外部空気は、空気導入流路４８から分岐流路７２及び水素供給流路６６を通って燃料ガス流路３６に導入されるとともに、分岐流路１０７及び空気供給流路４４を通って酸化剤ガス流路３４に導入される。

次いで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が大気圧に至ると、ソークに移行する（ステップＳ６５）。図１９及び図２３に示すように、ソーク処理時には、第１開閉バルブ８０ａ、第２開閉バルブ８０ｂ、第４開閉バルブ８０ｄ及び第１１開閉バルブ８０ｋが閉じられる。このため、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６は、両端が閉塞されて、それぞれの内部に空気が封じ込められる。

さらに、燃料電池システム１００の起動を行うために、ステップＳ６６に進んで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。この減圧処理は、図１９及び図２１に示すように、上述した減圧処理と同様である。

減圧停止処理では（ステップＳ６７）、図１９及び図２４に示すように、第１開閉バルブ８０ａが閉じられるとともに、エアポンプ１０４が停止される。そして、ステップＳ６８に進んで、燃料ガス流路３６に燃料ガスの供給が開始される。

具体的には、図１９及び図２５に示すように、第５開閉バルブ８０ｅが開放されるとともに、第３開閉バルブ８０ｃ及び第１１開閉バルブ８０ｋが全開される。このため、水素タンク６４から水素供給流路６６に燃料ガスが供給され、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に導入される。一方、外部空気は、空気導入流路４８から分岐流路１０７及び空気供給流路４４を通って、各酸化剤ガス流路３４に自然供給される。

その後、ステップＳ６９に進んで、酸化剤ガス流路３４に空気が強制的に供給される。図１９及び図２６に示すように、第９開閉バルブ８０ｉ、第１０開閉バルブ８０ｊ及び第１２開閉バルブ８０ｌが開放される一方、第６開閉バルブ８０ｆ〜第８開閉バルブ８０ｈ及び第１１開閉バルブ８０ｋが閉じられる。この状態で、エアポンプ１０４が運転を開始すると、外部空気は、空気導入流路４８、連結流路４６及び空気供給流路４４を介して、酸化剤ガス流路３４に強制的に供給され、余剰の空気は空気排出流路６２から希釈装置５８に排出される。

次いで、スイッチ８８が閉じられて、負荷８６が燃料電池スタック１２に接続されることにより、この燃料電池スタック１２が起動される（ステップＳ７０）。

この場合、燃料電池システム１００では、切替接続装置１０８を備えており、エアポンプ１０４の二次側１０４ｂが、酸化剤ガス流路３４と接続されることにより、前記酸化剤ガス流路３４に空気が供給される一方、前記エアポンプ１０４の一次側１０４ａが、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６に接続されることにより、前記酸化剤ガス流路３４及び前記燃料ガス流路３６が減圧されている。

このため、エアポンプ１０４は、酸化剤ガス供給用のポンプとしての機能と、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧用ポンプとしての機能とを有することができ、燃料電池システム１００全体の構成が簡素化されて、経済的であるという効果が得られる。

これにより、酸化剤ガス流路３４への空気の供給の他、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧によるガス交換性の向上及び生成水の排水性の向上が容易に可能になる。これにより、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 前記第１の実施形態におけるタイミングチャートである。 前記燃料電池システムの発電時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムの自然空気掃気時の説明図である。 前記燃料電池システムのソーク時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧停止時の説明図である。 前記燃料電池システムの水素投入時の説明図である。 前記燃料電池システムの空気投入時の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 前記第２の実施形態におけるタイミングチャートである。 前記燃料電池システムの減圧停止時の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 前記第３の実施形態におけるタイミングチャートである。 本発明の第４の実施形態に係る運転方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。 前記第４の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 前記第４の実施形態におけるタイミングチャートである。 前記燃料電池システムの発電時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムの自然空気掃気時の説明図である。 前記燃料電池システムのソーク時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧停止時の説明図である。 前記燃料電池システムの水素投入時の説明図である。 前記燃料電池システムの空気投入時の説明図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４、１０２…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…開閉弁装置 ２０…コントローラ
２２…燃料電池 ２４…固体高分子電解質膜
２６…カソード側電極 ２８…アノード側電極
３０…電解質膜・電極構造体 ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ４２…エアポンプ
５８…希釈装置 ６０…水トラップ
６４…水素タンク ７０…エゼクタ
８０ａ〜８０ｌ…開閉バルブ １０４…エアポンプ
１０４ａ…一次側 １０４ｂ…二次側
１０８…切替接続装置

Claims (12)

1. カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記酸化剤ガス流路にポンプを介して前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   少なくとも前記酸化剤ガス流路を減圧させるために、前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路に接続可能な切替接続装置と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記切替接続装置は、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を減圧させるために、前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に接続可能な複数のバルブを備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記ポンプの一次側には、水トラップが配設されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ポンプにより少なくとも前記酸化剤ガス流路を減圧させる際に、前記酸化剤ガス流路の減圧速度を調整するための外気を導入する外気導入経路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   ポンプの二次側を前記酸化剤ガス流路に接続することにより、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する工程と、
   前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路に接続することにより、前記酸化剤ガス流路を減圧させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
6. 請求項５記載の運転方法において、前記ポンプの一次側を前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に接続することにより、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を減圧させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
7. 請求項５又は６記載の運転方法において、前記ポンプにより少なくとも前記酸化剤ガス流路を減圧させる際に、外気を導入して減圧速度を調整することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
8. カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路及びアノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   ポンプを一方向に回転させることにより、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する工程と、
   前記ポンプを前記一方向とは逆の他方向に回転させることにより、前記酸化剤ガス流路を減圧させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 請求項８記載の運転方法において、前記ポンプを前記他方向に回転させることにより、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を減圧させる工程と、
   前記ポンプの回転を停止させ、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路に掃気用空気を供給する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 請求項９記載の運転方法において、前記燃料電池システムの停止時に、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路の減圧工程と、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路の前記掃気用空気による掃気工程とを、繰り返すことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
11. 請求項８〜１０のいずれか１項に記載の運転方法において、前記ポンプを前記他方向に回転させることにより、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を減圧させる工程と、
    前記ポンプの回転を停止させ、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する工程と、
    を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
12. 請求項１１記載の運転方法において、前記燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路の減圧工程と、前記酸化剤ガス流路への前記酸化剤ガスの供給及び前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給工程とを、繰り返す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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