JP2010182675A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの劣化を防止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は、燃料供給部１０と、燃料注入口３７ａと燃料排出口３７ｃとを備えた燃料電池スタック３０と、燃料供給部１０から供給された燃料を燃料排出管４３に伝達する供給バイパス管４５と、燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料を燃料排出管４３に伝達するように構成された排出バイパス管４７と、燃料供給部１０から供給された燃料を供給バイパス管４５に伝達するように構成された供給バルブ５１と、未反応燃料を排出バイパス管４７から燃料排出管４３に伝達するように構成された排出バルブ５３とを含むことを特徴とする。
【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に関し、より詳しくは、燃料電池スタックに燃料を供給する構造を改善した燃料電池システムに関する。

燃料電池とは、燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）とを利用して電気化学的に電力を生産する装置であって、外部から持続的に供給される燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）とを電気化学反応によって直接電気エネルギーに変換する装置である。水素は炭化水素系燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＨ_３ＯＨなど）を改質して生成することができる。

直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は燃料電池の例示的な一例である。直接メタノール型燃料電池は、高濃度のメタノールを燃料電池スタックに供給して、酸素との反応によって電気を生産する。

このような燃料電池システムを長い期間運転すると、燃料電池スタックの燃料流路などに不純物が積もって流路が詰まってしまうという問題が発生する。

このように流路が詰まると、スタック全体を分解して当該セルを交換するか、または修理しなければならないという不便が発生する。また、燃料電池システムの運転によってスタックの内部が劣化する現象が発生し、このような劣化は燃料電池スタックの寿命を短縮させる原因となる。

本発明の一側面は、スタックで発生した問題を容易に解決できる燃料電池システムを提供することにある。また、本発明の他の一側面は、スタックの劣化を防止できる燃料電池システムを提供することにある。

さらに、本発明のまた他の一側面は、燃料電池スタック内の不純物を除去して、スタックの劣化を防止し、寿命を向上させることのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させ、燃料が流入する燃料注入口と、燃料を排出する燃料排出口とを有する燃料電池スタックと、燃料を燃料電池スタックに供給する燃料供給部と、酸化剤を燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部と、燃料供給部と燃料電池スタックとの間に設置された燃料流入管と、燃料電池スタックから排出された未反応燃料が流れる燃料排出管と、燃料流入管と燃料排出管とを連結して設置され、燃料流入管に流入した燃料を燃料排出口に伝達する供給バイパス管と、燃料流入管と燃料排出管とを連結して設置され、燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に伝達する排出バイパス管とを含んでいる。

供給バイパス管は燃料流入管に３方向バルブからなる供給バルブを媒介して設置され、排出バイパス管は燃料排出管に３方向バルブからなる排出バルブを媒介して設置されている。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって電気エネルギーを発生させ、燃料が流入する燃料注入口と、燃料を排出する燃料排出口とを有する燃料電池スタックと、燃料を燃料電池スタックに供給する燃料供給部と、酸化剤を燃料電池スタックに供給する酸化剤供給部と、燃料供給部と燃料電池スタックとの間に設置された燃料流入管と、燃料電池スタックから排出された未反応燃料が流れる燃料排出管と、燃料流入管と燃料排出管との間に３方向バルブを媒介して連結された供給バイパス管と、燃料流入管と燃料排出管との間に３方向バルブを媒介して連結された排出バイパス管とを含んでいる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料排出口に燃料を流入させる段階と、燃料注入口から未反応燃料を排出する段階と、燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に移動させる段階とを含んでいる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタックから排出された未反応燃料に含まれている不純物を除去する段階をさらに含むことができる。

燃料排出口に燃料を流入させる段階は、燃料流入管と第１バイパス管とを連通させる段階と、燃料流入管と燃料注入口との間の連通を遮断する段階とを含むことができる。

燃料排出口に燃料を流入させる段階は、燃料流入管から第１バイパス管に燃料を伝達する段階と、第１バイパス管から燃料排出管に燃料を伝達する段階と、燃料排出管から燃料排出口に燃料を流入させる段階とをさらに含むことができる。

燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に移動させる段階は、燃料排出管と第２バイパス管とを連通させる段階と、燃料排出管と燃料排出口との間の連通を遮断する段階とを含むことができる。

燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に移動させる段階は、燃料流入管から第２バイパス管に燃料を伝達する段階と、第２バイパス管から燃料排出管に燃料を伝達する段階とをさらに含むことができる。

本発明の他の一側面による燃料電池システムは、燃料供給部と、燃料供給部と連通し、燃料注入口と燃料排出口とを備えた燃料電池スタックと、燃料供給部から供給された燃料を燃料排出口に連結された燃料排出管に伝達する第１バイパス管とを含んでいる。

前記燃料電池システムは、燃料電池スタックを燃料供給部に連結する燃料流入管を含み、燃料流入管に連結装着されたフィルターをさらに含むことができる。前記燃料電池システムは、燃料流入管に連結装着され、燃料供給部から供給された燃料を第１バイパス管に伝達するように構成された供給バルブをさらに含むことができる。供給バルブは、燃料注入口とフィルターとの間に位置することができる。前記燃料電池システムは、燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に伝達するように構成された第２バイパス管をさらに含むことができる。

前記燃料電池システムは、燃料排出管に連結装着され、未反応燃料を第２バイパス管から燃料排出管に伝達するように構成された排出バルブをさらに含むことができる。排出バルブは燃料供給部と燃料排出口との間に配置することができる。供給バルブと排出バルブのそれぞれは３方向バルブからなり、制御部に電気的に接続されている。

本発明のまた他の一側面による燃料電池システムは、燃料供給部と、燃料供給部と連通し、燃料注入口と燃料排出口とを備えた燃料電池スタックと、燃料供給部から供給された燃料を燃料排出口に連結された燃料排出管に伝達する供給バイパス管と、燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に伝達するように構成された排出バイパス管と、燃料供給部から供給された燃料を供給バイパス管に伝達するように構成された供給バルブと、未反応燃料を排出バイパス管から燃料排出管に伝達するように構成された排出バルブとを含んでいる。

本発明のまた他の一側面による燃料電池システムの運転方法は、燃料供給部から燃料の供給を受け、燃料供給部から供給された燃料を燃料電池スタックの燃料排出口に連結された燃料排出管に伝達し、燃料電池スタックの燃料注入口から未反応燃料を排出する段階を含んでいる。

前記運転方法は、燃料注入口から排出された未反応燃料を燃料排出管に伝達する段階をさらに含むことができる。

前記運転方法において、未反応燃料を燃料排出管に伝達する段階は、排出バイパス管を燃料排出管に連結し、燃料排出管と燃料排出口との間の流体伝達を遮断する段階を含むことができる。そして、未反応燃料を燃料排出管に伝達する段階は、燃料を燃料流入管から排出バイパス管に伝達し、燃料を排出バイパス管から燃料排出管に伝達する段階をさらに含むことができる。前記運転方法は、未反応燃料に含まれている不純物を除去する段階をさらに含むことができる。前記不純物を除去する段階は、燃料流入管上に連結装着されたフィルターに燃料を通過させる段階を含むことができる。前記運転方法は、燃料排出管に伝達された燃料を燃料排出口に注入する段階をさらに含むことができ、前記燃料排出口に注入する段階は、燃料流入管を供給バイパス管に連結し、燃料流入管と燃料注入口との間の流体伝達を遮断する段階を含むことができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの内部にある不純物を除去できるだけでなく、酸化した部分を還元してスタックの劣化を防止できるので、燃料電池システムの寿命を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示した構成図である。 図１に示した燃料電池スタックの構造を示した分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る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。 問題が発生した燃料電池スタックの電圧テーブルを示した写真である。 問題が解決された燃料電池スタックの電圧テーブルを示した写真である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の相異な形態を実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されるわけではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を概略的に示した構成図である。

図１を参照して説明すると、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、メタノールと酸素の直接的な反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）方式を採用することが可能である。

ただし、本発明をこれに制限するわけではなく、本実施形態に係る燃料電池システムは、エタノール、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ガソリン、ブタンガスなどの水素を含む液体または気体燃料を酸素と反応させる直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＤＯＦＣ）方式で構成することもできる。また、燃料を水素が豊富な改質ガスで改質して使用する高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）で構成することも可能である。

このような燃料電池システム１００に使用される燃料とは、メタノール、エタノールまたは天然ガス、ＬＰＧなどの液状または気体状態の炭化水素系燃料である。

そして、本燃料電池システム１００は、水素と反応する酸化剤として別途の貯蔵手段に貯蔵された酸素ガスを使用することができるとともに、空気を使用することも可能である。

本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料と酸化剤を利用して電力を発生させる燃料電池スタック３０と、燃料電池スタック３０に燃料を供給する燃料供給部１０と、電気を生成するための酸化剤を燃料電池スタック３０に供給する酸化剤供給部２０とを含んで構成されている。

燃料供給部１０は燃料電池スタック３０に連結して設置され、燃料供給部１０は、液状の燃料を貯蔵する燃料タンク１２と、燃料タンク１２に連結設置された燃料ポンプ１４とを備えている。燃料ポンプ１４は、所定のポンピング力によって燃料タンク１２に貯蔵された液状の燃料を燃料タンク１２の内部から排出する機能を有する。本実施形態で燃料供給部１０に貯蔵された燃料は高濃度メタノールからなることが可能である。

酸化剤供給部２０は燃料電池スタック３０に連結して設置され、所定のポンピング力で外部空気を吸入して燃料電池スタック３０に供給する酸化剤ポンプ２１を備えている。

図２は、図１に示した燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。

図１及び図２を参照して説明すると、本燃料電池システム１００に適用される燃料電池スタック３０は、燃料と酸化剤の酸化／還元反応を誘導して電気エネルギーを発生させる複数の電気生成部３５を備えている。

それぞれの電気生成部３５は電気を発生させる単位セルを意味し、燃料と酸化剤中の酸素を酸化／還元させる膜−電極集合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）３１と、燃料と酸化剤を膜−電極集合体３１に供給するためのセパレータ（または二極式プレート）３２、３３とを含んでいる。

電気生成部３５は、膜−電極集合体３１を中心に置いて、その両側にセパレータ３２、３３がそれぞれ配置された構造を有している。膜−電極集合体３１は、中央に配置された電解質膜と、電解質膜の一側に配置されたカソード電極と、電解質膜の他側に配置されたアノード電極とを含んでいる。

セパレータ３２、３３は、膜−電極集合体３１を介在して密着して配置され、膜−電極集合体３１の両側にそれぞれ燃料流路と酸化剤流路を形成する。このとき、燃料流路は膜−電極集合体３１のアノード電極側に配置され、酸化剤流路は膜−電極集合体３１のカソード電極側に配置されている。電解質膜は、アノード電極で生成された水素イオンをカソード電極に移動させ、カソード電極の酸素と結合して水を生成するイオン交換を可能にする。

本燃料電池システム１００は、上記のような複数の電気生成部３５が連続的に配置されることによって燃料電池スタック３０を構成する。燃料電池スタック３０の最外郭には燃料電池スタック３０を一体に固定するエンドプレート３７、３８が設けられている。

一側エンドプレート３７には、燃料を燃料電池スタック３０に供給するための燃料注入口３７ａと、酸化剤をスタックに供給するための酸化剤注入口３７ｂが形成されている。また、エンドプレート３７には、アノード電極での反応後に残った未反応燃料を排出するための燃料排出口３７ｃと、カソード電極で水素と酸素との結合反応によって生成された水分と未反応空気を排出するための酸化剤排出口３７ｄとが形成されている。

他側エンドプレート３８は、一側エンドプレート３７と対向して電気生成部３５を加圧する。本実施形態では、一側エンドプレート３７にだけ注入口３７ａ、３７ｂ及び排出口３７ｃ、３７ｄが形成されたものを例示しているが、本発明をこれに制限するわけではなく、一側エンドプレート３７に注入口３７ａ、３７ｂを形成し、他側エンドプレート３８に排出口３７ｃ、３７ｄを形成することも可能である。また、他の実施形態では、一つ以上の流入口３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄを少なくとも一つのエンドプレート３７、３８に形成しても良い。

図１に示すように、燃料供給部１０は燃料流入管１５を通じて燃料注入口３７ａに連結され、酸化剤供給部２０は酸化剤供給管２５を通じて酸化剤注入口３７ｂに連結されている。また、燃料排出口３７ｃには燃料排出管４３が連結設置され、酸化剤排出口３７ｄには酸化剤排出管４１が連結設置されている。

いずれかの実施形態では、燃料排出管４３は、燃料を回収して再び燃料電池スタック３０に供給する回収部（図示せず）に連結設置されていても良い。また、燃料流入管１５には、排出される燃料に含まれている不純物を除去するためにフィルター５６が設けられている。

一方、燃料流入管１５と燃料排出管４３との間には燃料供給部１０から伝達された燃料を燃料排出管４３に伝達する供給バイパス管４５が設けられている。また、燃料流入管１５と燃料排出管４３との間には燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料を燃料排出管４３に伝達する排出バイパス管４７が設けられている。

燃料流入管１５において、供給バイパス管４５は排出バイパス管４７より燃料供給部１０に近く設置され、排出バイパス管４７は供給バイパス管４５より燃料電池スタック３０に近く設置されている。燃料排出管４３において、供給バイパス管４５は排出バイパス管４７より燃料電池スタック３０に近く設置され、排出バイパス管４７は供給バイパス管４５よりフィルター５６に近く設置されている。そのために、供給バイパス管４５と排出バイパス管４７とは連通しないが、互いに交差する。

供給バイパス管４５は燃料流入管１５に供給バルブ５１を媒介して連結設置され、排出バイパス管４７は燃料排出管４３に排出バルブ５３を媒介して連結設置されている。図１に示した実施形態における供給バルブ５１と排出バルブ５３は、３方向バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）で構成されている。

一方、本実施形態に係る燃料電池システム１００は制御部６０をさらに含み、制御部６０は、燃料電池システム１００の運転中に異常が発生すると、供給バルブ５１を制御して燃料供給部１０と供給バイパス管４５とが燃料流入管１５を通じて連通するようにする。したがって、燃料供給部１０から伝達された燃料は、燃料流入管１５を通過し、供給バルブ５１によって供給バイパス管４５に転換されて、燃料は燃料排出口３７ｃに流入することができる。言い換えると、供給バルブ５１は、燃料流入管１５と燃料電池スタック３０の燃料注入口３７ａとの間の連結（流体伝達）を遮断して、燃料供給部１０から流入した燃料が供給バイパス管４５を通じて流れるようにする。

また、制御部６０は、排出バルブ５３を制御して排出バイパス管４７と燃料排出管４３とを連通させて、燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料を燃料排出管４３に排出する。したがって、排出バルブ５３は、燃料排出管４３と燃料電池スタック３０の燃料排出口３７ｃとの間の連結（流体伝達）を遮断して、未反応燃料が燃料電池スタック３０に流入せずに排出されるようにする。このように、燃料排出口３７ｃに燃料が注入され、燃料注入口３７ａから燃料が排出されることを逆方向運転という。一方、燃料注入口３７ａに燃料が注入され、燃料排出口３７ｃから燃料が排出されることを正方向運転という。

運転時、未反応燃料は燃料排出管４３を通過して燃料流入管１５に流入するが、ここで、未反応燃料はフィルター５６を経ることになる。未反応燃料に含まれている不純物はフィルター５６によって濾過されて除去することができる。フィルター５６は、不純物が容易に除去できるように周期的に交換しても良い。

このように一定時間逆方向運転を行った後、制御部６０は燃料流入管１５と供給バイパス管４５との連結（流体伝達）を遮断し、燃料排出管４３と排出バイパス管４７との連結（流体伝達）を遮断する。そして、燃料流入管１５と燃料注入口３７ａとを連通させ、燃料排出管４３と燃料排出口３７ｃとを連通させる。

これにより、再び燃料は燃料流入管１５を通じて燃料注入口３７ａに供給され、燃料排出口３７ｃと燃料排出管４３とが連通して未反応燃料を排出する。

本実施形態のように、供給バイパス管４５と排出バイパス管４７をそれぞれ供給バルブ５１と排出バルブ５３に連結設置すれば、高濃度の燃料が流れていた部分に低濃度の燃料が流れることになり、低濃度の燃料が流れていた部分に高濃度の燃料が流れることになる。そのため、燃料電池スタック３０が再活性化されて燃料電池スタック３０の耐久性及び寿命が向上する。また、燃料を逆に注入することにより、燃料電池スタック３０の内部に滞積した不純物を外部に排出することができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る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。

図３を参照して説明すると、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００の運転方法は、燃料排出口３７ｃに燃料を流入させる段階（Ｓ１０１）と、燃料注入口３７ａから未反応燃料を排出させる段階（Ｓ１０２）と、燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料を燃料排出管４３に移動させる段階（Ｓ１０３）と、未反応燃料に含まれている不純物を除去する段階（Ｓ１０４）とを含んでいる。

燃料排出口３７ｃに燃料を流入させる段階（Ｓ１０１）は、燃料流入管１５と供給バイパス管４５を連通させる段階と、燃料流入管１５と燃料注入口３７ａとの連通を遮断する段階とを含んでいる。

燃料流入管１５と供給バイパス管４５との間は供給バルブ５１によって連通され、燃料流入管１５と燃料注入口３７ａとの間も供給バルブ５１によって流体伝達が遮断される。つまり、供給バルブ５１は燃料流入管１５から燃料注入口３７ａの方向に連結された管を遮断し、供給バイパス管４５と連結された部分を開放する。

このように供給バルブ５１を制御すれば、燃料は燃料流入管１５を通じて供給バイパス管４５に流入し、供給バイパス管４５に流入した燃料は供給バイパス管４５と連結された燃料排出管４３を通じて燃料排出口３７ｃに流入することができる。

したがって、図３に示した燃料排出口３７ｃに燃料を流入させる段階（Ｓ１０１）は、燃料流入管１５から供給バイパス管４５に燃料を伝達する段階と、供給バイパス管４５から燃料排出管４３に燃料を伝達する段階と、燃料排出管４３から燃料排出口３７ｃに燃料を流入させる段階とをさらに含むことになる。

上記のように、燃料供給部１０から燃料流入管１５に移動した燃料は、供給バイパス管４５と燃料排出管４３とを順次通過して燃料排出口３７ｃに流入する。燃料排出口３７ｃに流入した燃料は、燃料電池スタック３０の内部で酸化剤と反応し、未反応燃料は燃料注入口３７ａに排出される。

図３に示すように、燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料を燃料排出管４３に移動させる段階（Ｓ１０３）は、燃料排出管４３と排出バイパス管４７との間を連通させる段階と、燃料排出管４３と燃料排出口３７ｃとの間の連通（流体伝達）を遮断する段階とを含んでいる。

燃料排出管４３と排出バイパス管４７との間は排出バルブ５３によって連通され、燃料排出管４３と燃料排出口３７ｃとの間も排出バルブ５３によって流体伝達が遮断できる。つまり、排出バルブ５３は、燃料排出管４３から燃料排出口３７ｃの方向に連結された管を遮断すると同時に、排出バイパス管４７と連結された部分を開放する。

このように排出バルブ５３を制御すれば、燃料注入口３７ａから排出された燃料は燃料流入管１５を通じて排出バイパス管４７に流入し、排出バイパス管４７に流入した燃料は排出バイパス管４７と連結された燃料排出管４３を通じて排出できる。したがって、図３に示したように、燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料を燃料排出管４３に移動させる段階（Ｓ１０３）は、燃料流入管１５から排出バイパス管４７に燃料を伝達する段階と、排出バイパス管４７から燃料排出管４３に燃料を伝達する段階とをさらに含むことになる。

上記のように、燃料注入口３７ａから燃料流入管１５に移動した燃料は、排出バイパス管４７と燃料排出管４３とを順次通過して排出できる。

燃料排出口３７ｃに燃料を流入させ、燃料注入口３７ａから燃料を排出すれば、逆方向に運転して老廃物を除去することができる。燃料内に含まれている不純物はフィルター５６によって濾過され、燃料電池スタック３０で生成される不純物は油圧によって放出する。しかし、燃料電池スタック３０で生成された不純物は、条件により注入口を遮断して燃料が電気生成部３５に流入しないことがある。このような状況で、注入口と排出口とが切り替われば、燃料は逆方向に流れることになり、通路の入口に位置する不純物は燃料排出管４３に放出される。その後、燃料流入管１５に伝達された不純物は、フィルター５６で濾過されて燃料電池スタック３０に再び流れて行くことはない。したがって、フィルター５６を周期的に交換することにより、燃料電池スタック３０は既存の燃料電池スタックよりも著しく長い寿命を維持することができる。逆方向運転を行う間に、燃料を逆方向に流せば、高濃度の燃料が流れていた部分に低濃度の燃料が流れることになり、低濃度の燃料が流れていた部分に高濃度の燃料が流れることになる。そのため、スタックが再活性化されてスタックの耐久性及び寿命が向上する。

図３に示すように、未反応燃料に含まれている不純物を除去する段階（Ｓ１０４）は、燃料流入管１５に設けられたフィルター５６を利用して不純物を除去する。燃料注入口３７ａから排出された未反応燃料には不純物が含まれていることがあるが、この不純物は燃料流入管１５に連結設置されたフィルター５６で濾過される。

一方、本実施形態に係る燃料電池システム１００の運転方法は、燃料流入管１５及び燃料注入口３７ａに燃料を流入させる段階と、未反応燃料を燃料排出口３７ｃ及び燃料排出管４３に排出する段階とをさらに含んでいる。このような段階を通じて、燃料を正方向に供給するが、上記した逆方向運転を一定時間持続した後に、再び正方向運転を行う。

逆方向運転は、燃料電池スタック３０の内部に問題が発生したことを感知したときに行うことができ、耐久性を向上させるために問題が発生していない場合でも周期的に一定時間逆方向運転を行うことも可能である。

制御部６０は、各電気生成部３５の電圧を監視して、特定の電気生成部３５の電圧が基準以下に低くなった場合、燃料を逆方向に供給するように供給バルブ５１と排出バルブ５３を制御することができる。

燃料を逆方向に供給して各電気生成部３５の電圧が正常に回復した場合、制御部６０は再び燃料を正方向に供給するように供給バルブ５１と排出バルブ５３を制御する。また、燃料を正方向に供給する時間と逆方向に供給する時間とを同一に設定して、正方向運転と逆方向運転とを交互に実施することができる。

図４Ａは、問題が発生した燃料電池スタックの電圧テーブルを示した写真であり、図４Ｂは、問題が解決した燃料電池スタックの電圧テーブルを示した写真である。

図４Ａ及び図４Ｂを参照して説明すると、本実験では約１．７２Ａの電流と約１７．５Ｗの出力を有する直接メタノール型燃料電池が使用された。

図４Ａに示したように、２番目の電気生成部に問題が生じて電圧が０．３３８Ｖに低くなった。電圧が低くなる理由は、燃料の流路が詰まって燃料が正常に供給できないためである。

図４Ｂは、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法により、燃料を逆方向に供給して問題が解決したことを示す。図４Ｂに示したように、燃料の流路にあった不純物が除去されて、２番目の電気生成部の電圧が０．４８５Ｖに回復した。

このように、本実施形態によれば、燃料電池の内部に問題が発生した場合でも、燃料電池スタックを解体することなく非常に容易に問題を解決することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明をこれらの実施形態に限定するわけではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これらも本発明の範囲に属するものと了解される。

１０ 燃料供給部
１５ 燃料流入管
２０ 酸化剤供給部
２５ 酸化剤供給管
３０ 燃料電池スタック
３１ 膜−電極集合体
３５ 電気生成部
３７ａ 燃料注入口
３７ｂ 酸化剤注入口
３７ｃ 燃料排出口
３７ｄ 酸化剤排出口
４１ 酸化剤排出管
４３ 燃料排出管
４５ 供給バイパス管
４７ 排出バイパス管
５１ 供給バルブ
５３ 排出バルブ
５６ フィルター
６０ 制御部
１００ 燃料電池システム

Claims (18)

1. 燃料供給部と、
   前記燃料供給部と連通し、燃料注入口と燃料排出口とを備えた燃料電池スタックと、
   前記燃料供給部から供給された燃料を前記燃料排出口に連結された燃料排出管に伝達する第１バイパス管と
   を含むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料注入口から排出された未反応燃料を前記燃料排出管に伝達するように構成された第２バイパス管をさらに含む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. 前記燃料排出管に連結装着され、前記未反応燃料を前記第２バイパス管から前記燃料排出管に伝達するように構成された排出バルブをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料供給部と前記燃料排出口との間に配置された排出バルブをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックと前記燃料供給部とを連結する燃料流入管を含み、前記燃料流入管に連結装着されたフィルターをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックと前記燃料供給部とを連結する燃料流入管を含み、前記燃料流入管に連結装着され、前記燃料供給部から供給された燃料を前記第１バイパス管に伝達するように構成された供給バルブをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記供給バルブは、前記燃料注入口と前記フィルターとの間に位置することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記供給バルブと前記排出バルブのそれぞれは３方向バルブであ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. 前記供給バルブと前記排出バルブは制御部に電気的に接続されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 燃料供給部と、
    前記燃料供給部と連通し、燃料注入口と燃料排出口とを備えた燃料電池スタックと、
    前記燃料供給部から供給された燃料を、前記燃料排出口に連結された燃料排出管に伝達する供給バイパス管と、
    前記燃料注入口から排出された未反応燃料を前記燃料排出管に伝達するように構成された排出バイパス管と、
    前記燃料供給部から供給された燃料を前記供給バイパス管に伝達するように構成された供給バルブと、
    前記未反応燃料を前記排出バイパス管から前記燃料排出管に伝達するように構成された排出バルブと
    を含むことを特徴とする燃料電池システム。
11. 燃料供給部から燃料の供給を受け、
    前記燃料供給部から供給を受けた燃料を、燃料電池スタックの燃料排出口に連結された燃料排出管に伝達し、
    前記燃料電池スタックの燃料注入口から未反応燃料を排出する段階を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
12. 前記燃料注入口から排出された未反応燃料を前記燃料排出管に伝達する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
13. 前記未反応燃料を前記燃料排出管に伝達する段階は、
    排出バイパス管を前記燃料排出管に連結し、
    前記燃料排出管と前記燃料排出口との間の流体伝達を遮断する段階を含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システムの運転方法。
14. 前記未反応燃料を前記燃料排出管に伝達する段階は、
    前記燃料を燃料流入管から前記排出バイパス管に伝達し、
    前記燃料を前記排出バイパス管から前記燃料排出管に伝達する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システムの運転方法。
15. 前記未反応燃料に含まれている不純物を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
16. 前記不純物を除去する段階は、
    前記燃料流入管に連結装着されたフィルターに燃料を通過させる段階を含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システムの運転方法。
17. 前記燃料排出管に伝達された燃料を前記燃料排出口に注入する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムの運転方法。
18. 前記燃料を前記燃料排出口に注入する段階は、
    燃料流入管を供給バイパス管に連結し、
    前記燃料流入管と前記燃料注入口との間の流体伝達を遮断する段階を含むことを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システムの運転方法。

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