JP2012079633A - 燃料電池システムおよびその停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの触媒層に付着した硫化物の洗浄除去の効率を従来例よりも改善できる燃料電池システムおよびその停止方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システム２００は、空気供給配管２０５Ｓと冷却液供給配管２０６Ｓとの連通に用いる連絡配管２２０と、空気供給部１０２からの空気の供給先を切り替える第１切替部２１０と、燃料電池スタック１０３の冷却液流路に供給される流体を、冷却液から空気に切り替える第２切替部２１１と、燃料電池スタック１０３の発電の停止時に、連絡配管２２０を用いて冷却液流路に空気を供給できるよう、第１切替部２１０および第２切替部２１１の切替動作および空気供給部１０２の動作を制御する制御部２１５と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関する。特に、本発明は、燃料電池スタックの触媒層に付着した硫化物除去の改良に関する。

従来の燃料電池は、イオン伝導性を持つ電解質の両側に一対の電極であるアノードとカソードとを備える。そして、これらの電解質および電極の対は、導電性を持つ多孔体であるガス拡散層によって両側から挟持され、これにより、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）が形成されている。

ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続できる導電性のセパレータが配置される。

セパレータは、グラファイトなどの導電性材料からなる板状に構成されており、セパレータのＭＥＡと接触する表面（おもて面）には、電極に反応ガスを供給するとともに、反応ガスからの生成水や余剰の反応ガスを運び去ることができるガス流路が形成されている。つまり、アノード側のセパレータの表面には、燃料（例えば、水素ガスあるいはエタノール）を流す燃料流路が形成され、カソード側のセパレータの表面には、酸化剤（例えば、酸素あるいは空気）を流す酸化剤流路が形成されている。

以上により、燃料および酸化剤が、上記のセパレータを用いてＭＥＡに供給されると、これらの反応物質が持つ化学エネルギーが、各電極上で起こる酸化あるいは還元反応によって、電気エネルギーに変換され、これにより、電力（電流）が抽出される。

ところで、このような燃料電池の中には、電解質膜として水素イオン伝導性を持つ固体高分子電解質膜を用い、燃料として水素あるいは水素を主成分とする混合ガスを用い、酸化剤として酸素あるいは空気などのガスを用いる方式のものがある。

本方式の燃料電池では、アノードにおいて、水素ガスが、下記（１）式の反応により酸化され、電子と水素イオンが発生する。水素イオンは固体高分子電解質膜中を移動してカソードに達し、電子は外部回路を通ってカソードに達する。そして、カソードにおいて、空気中の酸素と電子および水素イオンが、下記（２）式の反応により還元され、その結果、水が生成される。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ・・・（１）
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）
ここで、上記固体高分子電解質膜では、湿潤状態でのみイオン導電性が発揮される。このため、固体高分子電解質膜が高い発電性能を維持するのに、上記（２）の反応によって生成する水分のみでは、固体高分子電解質膜の水分不足に陥る場合がある。この場合、外部から固体高分子電解質膜に水分を補給する必要がある。そこで、一般的には、燃料電池の本体内部あるいは外部に、燃料電池に供給されるガスを加湿できる装置を設け、このような加湿装置にガスを通すことによって、燃料電池の運転に必要な水分を供給する方法が取られる。また、メタンガスなどの水蒸気改質によって、燃料ガスを生成するシステムにおいては、改質時の余剰水蒸気によって燃料ガスの加湿がなされる。更に、（２）式の反応で発生する反応熱を回収するため、冷却液（例えば、冷却水）をセパレータに流す方法が取られている。

以上の燃料電池を備えた従来の燃料電池システムとして、例えば、図５に示した装置構成が知られている（例えば、特許文献１参照）
図５に示すように、従来の燃料電池システム１００は、燃料ガス供給部１０１（ここでは、改質器）から供給される燃料ガス中の水素と、空気供給部１０２（例えば、ブロアー）から供給される空気中の酸素と、を用いて発電する燃料電池スタック１０３を備える。なお、この場合、燃料ガスは、燃料ガス供給部１０１（改質器）での水蒸気改質反応によって加湿され、空気は、加湿器１１１を通すことによって加湿されている。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０３の電極反応によって発電した直流電力を交流に変換するインバータ１０９を備える。これにより、燃料電池スタック１０３の発電電力を家庭用の様々な電気機器に給電できる。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０３内部に冷却水タンク１１２の冷却水を導くようにして、この冷却水を循環できる冷却水循環ポンプ１０８を備える。よって、燃料電池スタック１０３の電極反応によって発生した熱が、冷却水を用いて回収される。熱回収がなされた高温の冷却水は、熱交換器１１０において、貯湯循環ポンプ１０７によって循環される水に熱を与える。これにより、貯湯槽１０６に適温のお湯を貯蔵でき、貯湯槽１０６のお湯を家庭用の様々な給湯機器に供給できる。

なお、燃料電池システム１００では、反応ガスの化学エネルギーを効率的に使用する目的で、ＣＰＵやメモリを内蔵するマイコンなどからなる制御部１１５の制御により、電力供給先の電力需要に応じて運転出力を変化させたり、燃料電池システム１００の起動および停止を繰り返したりする。

特表２００８−５２２３６７号公報

ところで、従来の燃料電池では、燃料電池の電極反応効率を高める目的で、アノードおよびカソードともに、白金を主成分とする触媒層を用いているが、このような白金を主成分とする触媒層は、様々な不純物によって被毒されることが多い。例えば、白金を主成分とする触媒層は、酸化剤ガス（反応ガス）としての空気中に含まれるＳＯ_ＸやＨ_２Ｓなどの硫化物によって被毒される。すると、触媒層の触媒能が著しく低下する。

このような硫化物による触媒層の被毒を防止するのに、燃料電池スタックに供給される反応ガス流路内にフィルターを設け、硫化物の燃料電池スタックへの進入を抑制する工夫が行われている。

しかし、フィルターを通したガス中にも僅かに硫化物が残留することがあり、燃料電池システムの長期に亘る発電において、このような僅かな硫化物が徐々に蓄積することにより、燃料電池システムの発電性能が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの触媒層に付着した硫化物の洗浄除去の効率を従来例よりも改善できる燃料電池システムおよびその停止方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、
燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのカソードに前記空気を供給する空気供給部と、
前記空気供給部から前記カソードへの前記空気の供給に用いる空気供給配管と、
前記燃料電池スタックの冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給部と、
前記冷却液供給部から前記冷却液流路への前記冷却液の供給に用いる冷却液供給配管と、
前記空気供給配管と前記冷却液供給配管との連通に用いる連絡配管と、
前記空気供給配管と前記連絡配管との結合部に設けられ、前記空気供給部からの前記空気の供給先を切り替える第１切替部と、
前記冷却液供給配管と前記連絡配管との結合部に設けられ、前記冷却液流路に供給される流体を、前記冷却液から前記空気に切り替える第２切替部と、
前記燃料電池スタックの発電の停止時に、前記連絡配管を用いて前記冷却液流路に前記空気を供給できるよう、前記第１切替部および前記第２切替部の切替動作および前記空気供給部の動作を制御する制御部と、を備える。

以上の構成により、燃料電池スタックの冷却液流路に、空気供給部からの空気が強制的に送られる。すると、冷却液流路内の高温の冷却液が、この空気によって押し出され、空気とともに外部に強制的に排出される。この冷却液の強制排出により、燃料電池スタックの熱容量が大幅に下がるので、燃料電池スタックの温度を急激に低下できる。このため、燃料電池スタックにおいて、触媒層表面に存在する反応ガス（燃料ガス、空気）中の水蒸気の結露が促進される。

よって、本発明の燃料電池システムでは、上述の結露水の生成促進により、触媒層表面に付着した硫化物を従来例よりも効率的に洗い流すことができる。

また、燃料電池スタックの内部が空気によって強制冷却（空冷）され、燃料電池スタックの内部の温度降下を加速できる。

つまり、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの内部を空冷するという方法を取っているので、燃料電池スタックの内部に結露水を集めることができ、これにより、触媒層表面に付着した硫化物を従来例よりも効率的に洗い流すことができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記燃料電池スタックは、２以上の単セルを積層してもよい。そして、前記単セルは、電解質膜の両側をカソードおよびアノードを配して一体化された膜電極接合体を、前記カソードに前記空気を供給する空気流路、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路、および、前記冷却液流路のうちの少なくとも一つが形成されたセパレータで挟まれた構造を有してもよい。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの温度を測定できる温度測定部を備えてもよい。そして、前記制御部は、前記温度測定部により測定された温度に基づいて、前記第１切替部および前記第２切替部の切替動作および前記空気供給部の動作を制御してもよい。

これにより、硫化物の洗浄除去効果が得られる温度にまで燃料電池スタックの内部が冷えた段階で速やかに空気供給部の動作を停止できる。よって、燃料電池スタックの空冷に要するエネルギー効率を改善できる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記温度測定部を、前記冷却液流路が主面に形成された前記セパレータの、前記主面と反対の面に接するように設けてもよい。

これにより、温度測定部は、冷却水流路に流れる空冷用の空気と、燃料電池スタックの触媒層との間に配されるので、触媒層の温度を高精度で知ることができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記温度測定部を、前記冷却液流路に前記空気を流したときの流れ方向において、前記冷却液流路の下流側に設けてもよい。

これにより、燃料電池スタックの略全域を冷却できているか否かを知ることができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記温度測定部を収容する溝を、前記セパレータに設けてもよい。

これにより、単セルを複数個、積層方向に重ねて燃料電池スタックを製造する際に、各セパレータ間の密着性の低下を防止できる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記温度測定部を、前記単セルの積層方向において、前記燃料電池スタックの略中央部に設けてもよい。

これにより、燃料電池スタックの空冷中に、燃料電池スタックが最も高温状態にある燃料電池スタックの中央部の温度を知ることができる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記冷却液流路から前記冷却液供給部への前記冷却液の戻りに用いる冷却液戻り配管と、前記冷却液戻り配管内の流体の外部排出に用いる排出配管と、前記排出配管を開閉できる開閉部と、を備えてもよい。

そして、本発明の燃料電池システムでは、前記冷却液戻り配管に配された気液分離部を備えてもよく、前記気液分離部において冷却液から分離された空気を、前記排出配管を用いて外部に排気してもよい。

これにより、冷却液と空気（気泡）とが混在した状態の冷却液戻り配管において、冷却液戻り配管内の空気（気泡）を外部（大気中）に排気でき、その結果、冷却液供給部が冷却液戻り配管の冷却液を適切に送ることができる。

また、本発明の燃料電池システムでは、前記気液分離部を、前記燃料電池スタックよりも重力の作用する方向において下方に配置してもよい。

これにより、冷却液戻り配管への冷却液の排出が低い空気圧で行える。

また、本発明の燃料電池システムの停止方法は、燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのカソードに前記空気を供給する空気供給部と、
前記燃料電池スタックの冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給部と、
前記燃料電池スタックの温度を測定できる温度測定部と、
を備える方法であって、
前記燃料電池スタックの発電を停止し、その後、前記冷却液流路に、前記冷却液供給部からの前記冷却液の供給に代えて、前記空気供給部からの前記空気を供給し、前記温度測定部により測定された温度が所定の設定温度以下になったときに、前記空気供給部からの前記空気の供給を停止する方法である。

以上により、燃料電池スタックの冷却液流路に、空気供給部からの空気が強制的に送られる。すると、冷却液流路内の高温の冷却液が、この空気によって押し出され、空気とともに外部に強制的に排出される。この冷却液の強制排出により、燃料電池スタックの熱容量が大幅に下がるので、燃料電池スタックの温度を急激に低下できる。このため、燃料電池スタックにおいて、触媒層表面に存在する反応ガス（燃料ガス、空気）中の水蒸気の結露が促進される。

よって、本発明の燃料電池システムの停止方法では、上述の結露水の生成促進により、触媒層表面に付着した硫化物を従来例よりも効率的に洗い流すことができる。

また、燃料電池スタックの内部が空気によって強制冷却（空冷）され、燃料電池スタックの内部の温度降下を加速できる。

つまり、本発明の燃料電池システムの停止方法では、燃料電池スタックの内部を空冷するという方法を取っているので、燃料電池スタックの内部に結露水を集めることができ、これにより、触媒層表面に付着した硫化物を従来例よりも効率的に洗い流すことができる。

また、本発明の燃料電池システムの停止方法では、硫化物の洗浄除去効果が得られる温度にまで燃料電池スタックの内部が冷えた段階で速やかに空気供給部の動作を停止しているので、燃料電池スタックの空冷に要するエネルギー効率を改善できる。

本発明によれば、燃料電池スタックの触媒層に付着した硫化物の洗浄除去の効率を従来例よりも改善できる燃料電池システムおよびその停止方法が得られる。

本発明の実施の形態による燃料電池システムの燃料電池スタックを構成する単電池（単セル）の横断面図である。 本発明の実施の形態による燃料電池システムの構成例を示した図である。 本発明の実施の形態による燃料電池システムの停止時の硫化物の洗浄除去動作例を示したフローチャート図である。 本発明の変形例２による燃料電池システムの構成例を示した図である。 従来の燃料電池システムの構成例を示した図である。

以下、本発明の実施の形態の具体例について、図面を参照しながら説明する。

なお、全ての図面を通じて、同一ないし相当する構成要素には同じ参照番号を付し、以下、このような構成要素の重複的記載を省略する場合がある。

また、本発明は、以下の実施の形態に限定されない。つまり、以下の具体的な説明は、本発明の燃料電池システムの特徴を例示しているに過ぎない。よって、本発明の燃料電池システムを特定した用語と同一ないし相当する用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する本発明の燃料電池システムの構成要素の一例である。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態による燃料電池システムの燃料電池スタックを構成する単電池（単セル）の横断面図である。

図１に示すように、燃料電池システム２００の燃料電池スタック１０３（いずれも図２参照）の単電池に相当する単セル１０は、水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜１１と、固体高分子電解質膜１１の両面に形成されているアノードＡ（触媒層）およびカソードＣ（触媒層）の対を備える。

なお、固体高分子電解質膜１１には、パーフルオロスルホン酸の市販品（デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ膜）を用いることができ、アノードＡおよびカソードＣの触媒にはＰｔ担持カーボンを用いることができる。

また、アノードガス拡散層１３（以下、「ガス拡散層１３」と略す）、および、カソードガス拡散層１２（以下、「ガス拡散層１２」と略す）のそれぞれが、これらのガス拡散層１２、１３に対応する触媒層のそれぞれを外側から挟み込むようにして配されている。

なお、上述のとおり、固体高分子電解質膜１１と一対の触媒層と一対のガス拡散層１２、１３とによって構成される部材が、通常、ＭＥＡ１８（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）と呼ばれている。

図１に示すように、アノード側導電性セパレータ１７は、ガス拡散層１３に接して配され、そのガス拡散層１３との接触面には、平面視においてサーペンタイン状の燃料ガス流路１５が複数個、形成されている。

これにより、燃料ガス流路１５を流れる燃料ガス（例えば、水素ガス）をガス拡散層１３、ひいては、アノードＡに供給できる。

また、カソード側導電性セパレータ１６は、ガス拡散層１２に接して配され、そのガス拡散層１２との接触面には、平面視においてサーペンタイン状の酸化剤ガス流路１４が複数個、形成されている。

これにより、酸化剤ガス流路１４（例えば、空気流路）を流れる酸化剤ガス（例えば、空気）をガス拡散層１２、ひいてはカソードＣに供給できる。

なお、図１に示すように、各セパレータ１６、１７間の、ＭＥＡ１８の周囲には、ガスケット１９が、ＭＥＡ１８を囲むように環状に配されている。また、カソード側導電性セパレータ１６では、ガス拡散層１２との接触面と反対側の主面に、冷却水が流れる複数の冷却水流路２２が設けられ、アノード側導電性セパレータ１７では、ガス拡散層１３との接触面と反対側の主面にも、冷却水が流れる複数の冷却水流路２３が設けられている。

次に、本実施の形態の燃料電池システム２００の構成について説明する。

図２は、本発明の実施の形態による燃料電池システムの構成例を示した図である。

本実施の形態の燃料電池システム２００は、燃料ガス供給部１０１（例えば、改質器）から供給される燃料ガス中の水素と、空気供給部１０２（例えば、ブロアー）から供給される空気中の酸素と、を用いて発電する燃料電池スタック１０３を備える。

なお、図２の燃料電池スタック１０３は、図１に示した単セル１０を複数個、その積層方向に重ねることによって製造されているが、このような燃料電池スタック１０３の内部の構成は周知である。よって、燃料電池スタック１０３内の詳細な図示および説明は省略する。

図２の点線で示すように、燃料電池システム２００は、空気供給部１０２から燃料電池スタック１０３のカソードＣへの空気供給に用いる空気供給配管２０５Ｓを備える。

この空気供給配管２０５Ｓと連絡配管２２０（図２の太い実線参照；詳細は後述）の一端との結合部には、第１切替部２１０（例えば、三方弁；詳細は後述）が設けられ、第１切替部２１０の下流に位置する空気供給配管２０５Ｓ上には加湿器１１１が設けられている。

以上の構成により、第１切替部２１０を用いて空気供給部１０２と加湿器１１１との間が連通すると（つまり、空気供給部１０２と連絡配管２２０との間が遮断すると）、高加湿状態の空気が、燃料電池スタック１０３に供給される。

なお、燃料電池スタック１０３には、カソード入口２０５Ａおよびカソード出口２０５Ｂが設けられている。カソード入口２０５Ａは、燃料電池スタック１０３に形成された酸化剤ガス供給マニホールド（図示せず）を介して単セル１０のそれぞれの酸化剤ガス流路１４（図１参照）の一端に連通し、カソード出口２０５Ｂは、燃料電池スタック１０３に形成された酸化剤ガス排出マニホールド（図示せず）を介して上記酸化剤ガス流路１４の他端に連通している。

このため、カソード入口２０５Ａを通過した空気が、燃料電池スタック１０３内の酸化剤ガス流路１４を流れ、その一部が、燃料電池スタック１０３で消費されずに、カソード出口２０５Ｂから外部に排出される。

また、図２の細い実線で示すように、燃料電池システム２００は、燃料ガス供給部１０１から燃料電池スタック１０３のアノードＡへの燃料ガス供給に用いる燃料ガス供給配管２０４Ｓを備える。燃料ガス供給部１０１では、天然ガスなどの原料ガスが、水素リッチな燃料ガスに水蒸気改質され、この水蒸気改質によって加湿された燃料ガスが、燃料電池スタック１０３に供給される。

なお、燃料電池スタック１０３には、アノード入口２０４Ａおよびアノード出口２０４Ｂが設けられている。アノード入口２０４Ａは、燃料電池スタック１０３に形成された燃料ガス供給マニホールド（図示せず）を介して単セル１０のそれぞれの燃料ガス流路１５（図１参照）の一端に連通し、アノード出口２０４Ｂは、燃料電池スタック１０３に形成された燃料ガス排出マニホールド（図示せず）を介して上記燃料ガス流路１５の他端に連通している。

このため、アノード入口２０４Ａを通過した燃料ガスが、燃料電池スタック１０３内の燃料ガス流路１５を流れ、その一部が、燃料電池スタック１０３で消費されずに、アノード出口２０４Ｂから外部に排出される。

また、図２の一点鎖線で示すように、燃料電池システム２００は、冷却水循環ポンプ１０８（冷却液供給部）から燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３（図１参照）への冷却水供給に用いる冷却水供給配管２０６Ｓを備える。この冷却水供給配管２０６Ｓと連絡配管２２０の他端との結合部には、第２切替部２１１（例えば、三方弁；詳細は後述）が設けられている。更に、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３から冷却水循環ポンプ１０８への冷却水戻りに用いる冷却水戻り配管２０６Ｒを備える。

以上の構成により、第２切替部２１１を用いて冷却水を循環させる経路が形成されると（つまり、連絡配管２２０と冷却水供給配管２０６Ｓとの間が遮断すると）、冷却水タンク１１２の冷却水が、冷却水循環ポンプ１０８を用いて燃料電池システム２００内の冷却水流路２２、２３に導かれるようにして、冷却水供給配管２０６Ｓおよび冷却水戻り配管２０６Ｒを循環する。

なお、燃料電池スタック１０３には、冷却水入口２０６Ａおよび冷却水出口２０６Ｂが設けられている。冷却水入口２０６Ａは、燃料電池スタック１０３に形成された冷却水供給マニホールド（図示せず）を介して単セル１０のそれぞれの冷却水流路２２、２３の一端に連通し、冷却水出口２０６Ｂは、燃料電池スタック１０３に形成された冷却水排出マニホールド（図示せず）を介して上記冷却水流路２２、２３の他端に連通している。

このため、冷却水入口２０６Ａを通過した低温の冷却水が、燃料電池スタック１０３内の冷却水流路２２、２３を流れる際に、当該冷却水が、燃料電池スタック１０３内の熱を回収した後、冷却水出口２０６Ｂから外部に排出される。熱回収が行われた高温の冷却水は、熱交換器１１０において貯湯循環ポンプ１０７によって循環される水に熱を与える。

また、図２に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック１０３の温度を測定できる温度測定部２１６と、制御部２１５と、を備える。

温度測定部２１６は、例えば、熱電対、サーミスタ、白金測温抵抗体などにより構成され、制御部２１５は、例えば、ＣＰＵやメモリを内蔵するマイコンなどをにより構成されている。そして、制御部２１５は、燃料電池システム２００の様々な検知器からの信号に基づいて、燃料電池システム２００の様々な制御対象機器の動作を制御することができる。例えば、制御部２１５は、上記温度測定部２１６により測定された温度に基づいて、第１切替部２１０および第２切替部２１１の切替動作や空気供給部１０２の動作を制御することができる（詳細は後述する）。なお、制御部２１５は、単独でも複数でもよい。

次に、本実施の形態の燃料電池システム２００の特徴部である連絡配管２２０、および、第１切替部２１０および第２切替部２１１の構成について述べる。

図２に示すように、連絡配管２２０は、空気供給配管２０５Ｓと冷却水供給配管２０６Ｓとの連通に用いることができる。

つまり、上述のとおり、連絡配管２２０の一端と、空気供給配管２０５Ｓ（ここでは、空気供給部１０２と加湿器１１１との間の配管部分）と、の結合部において、空気供給部１０２からの空気の供給先を切り替えることができる第１切替部２１０が設けられている。また、連絡配管２２０の他端と、冷却水供給配管２０６Ｓ（ここでは、冷却水タンク１１２と冷却水入口２０６Ａとの間の配管部分）と、の結合部において、冷却水流路２２、２３に供給される流体を、冷却水から空気に切り替えることができる第２切替部２１１が設けられている。

よって、第１切替部２１０を用いて空気供給部１０２と連絡配管２２０との間を連通でき（つまり、空気供給部１０２と加湿器１１１と、を遮断でき）、第２切替部２１１を用いて連絡配管２２０と冷却水入口２０６Ａとの間を連通できる（つまり、冷却水を循環させる経路を遮断できる）。

すると、空気供給部１０２からの空気を連絡配管２２０に通して、冷却水入口２０６Ａから燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３に供給できる。

以上により、燃料電池スタック１０３の触媒層に付着した硫化物の洗浄除去の効率を従来例よりも改善できるが、その理由は、以下の燃料電池システム２００の硫化物の洗浄除去動作において述べる。

次に、本発明の実施の形態による燃料電池システム２００の硫化物の洗浄除去動作例を説明する。

図３は、本発明の実施の形態による燃料電池システムの硫化物の洗浄除去動作例を示したフローチャート図である。

図３に示した各動作フローは、予めプログラムされて、予め設定された設定温度Ｔ（ステップＳ３０７参照）とともに、制御部２１５のメモリに記憶されている。

なお、ここで、上記設定温度Ｔは、温度測定部２１６の測定温度との比較に用いられる燃料電池スタック１０３内の基準温度（閾値温度）であり、燃料電池システム２００において硫化物の洗浄除去効果を発揮できる温度に相当する。例えば、設定温度Ｔは、４０℃〜５０℃程度に設定される。

制御部２１５のＣＰＵからの指令に基づいて、上記プログラムおよび上記設定温度Ｔが、制御部２１５のメモリからＣＰＵに読み出され、このプログラムが、以下の動作を燃料電池システム２００の各部を制御しながら遂行する。

燃料電池システム２００の運転（発電）中に、適宜のタイミング（負荷の減少時や手動操作時など）で発電停止信号が受信されると（ステップＳ３０１）、以下の硫化物の洗浄除去動作が開始する。

まず、インバータ１０９と燃料電池スタック１０３と、が解列される（ステップＳ３０２）。

次いで、燃料電池スタック１０３への流体の供給停止のため、燃料電池システム２００の各ポンプおよび各供給部の動作が停止する（ステップＳ３０３）。例えば、燃料ガス供給部１０１、空気供給部１０２、貯湯循環ポンプ１０７、および、冷却水循環ポンプ１０８の動作が停止する。これにより、燃料電池スタック１０３の発電が停止する。

次いで、第１切替部２１０および第２切替部２１１が、硫化物の洗浄除去動作時の設定に切り替わる（ステップＳ３０４）。具体的には、空気供給部１０２と連絡配管２２０との間を連通できるよう、第１切替部２１０の切替動作がなされる。これにより、空気供給部１０２からの空気の供給先が連絡配管２２０となる。また、連絡配管２２０と冷却水入口２０６Ａとの間を連通できるよう、第２切替部２１１の切替動作がなされる。これにより、燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３に供給される流体が冷却水から空気に切り替わる。

その後、空気供給部１０２の動作が開始する（ステップＳ３０５）。すると、燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３に、空気供給部１０２からの空気が強制的に供給される（ステップＳ３０６）。これにより、冷却水流路２２、２３内の高温の冷却水が、この空気によって押し出され、空気とともに外部（ここでは、冷却水戻り配管２０６Ｒ）に強制的に排出される。

この冷却水の強制排出により、燃料電池スタック１０３の熱容量が大幅に下がるので、燃料電池スタック１０３の温度を急激に低下できる。このため、燃料電池スタック１０３において、触媒層表面に存在する反応ガス（燃料ガス、空気）中の水蒸気の結露が促進される。

通常、燃料電池システムの発電時の触媒層表面には、反応ガスを触媒と効率良く接触させるために、触媒層表面に付着した硫化物（被毒物質）を充分に洗浄できる結露水は存在していない。これに対し、本実施の形態の燃料電池システム２００では、上述の結露水の生成促進により、触媒層表面に付着した硫化物を従来例よりも効率的に洗い流すことができる。

また、冷却水流路２２、２３内の冷却水が排出された後でも、空気供給部１０２から燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３への低温の空気供給が継続される（ステップＳ３０６、ステップＳ３０７）。

つまり、ステップＳ３０７において、燃料電池スタック１０３の温度（温度測定部２１６の測定温度）が、設定温度Ｔ以下であるか否かが判定され、燃料電池スタック１０３の温度が設定温度Ｔを超えている場合（ステップＳ３０７において「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ３０６の空気の供給が継続される。

これにより、燃料電池スタック１０３の内部が空気によって強制冷却（空冷）され、燃料電池スタック１０３の内部の温度降下を加速できる。

特に、従来例の如く、燃料電池スタックを自然冷却した場合、燃料電池スタックは外気に触れる外周部から冷却されるので、結露水は燃料電池スタックの外側に近い部分から生成される。すると、相対的に高温となっている燃料電池スタックの内部の触媒層近傍の水分が奪われる。これに対し、本実施の形態の燃料電池システム２００では、燃料電池スタック１０３の内部を空冷するという方法を取っているので、燃料電池スタック１０３の内部に結露水を集めることができ、これにより、触媒層表面に付着した硫化物を従来例よりも効率的に洗い流すことができる。

一方、ステップＳ３０７において、燃料電池スタック１０３の温度が設定温度Ｔ以下となった場合（ステップＳ３０７において「Ｙｅｓ」の場合）、空気供給部１０２の動作を停止する（ステップＳ３０８）。

これにより、硫化物の洗浄除去効果が得られる温度にまで燃料電池スタック１０３の内部が冷えた段階で速やかに空気供給部１０２の動作を停止できる。よって、燃料電池スタック１０３の空冷に要するエネルギー効率を改善できる。

最後に、第１切替部２１０および第２切替部２１１が、燃料電池システム２００の通常停止時の設定に切り替わり（ステップＳ３０９）、燃料電池システム２００の一連の硫化物の洗浄除去動作例が終了する。具体的には、空気供給部１０２と加湿器１１１との間を連通できるよう、第１切替部２１０の切替動作がなされる。これにより、空気供給部１０２からの空気の供給先が加湿器１１１となる。また、冷却水を循環させる経路を形成できるよう、第２切替部２１１の切替動作がなされる。これにより、燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３に供給される流体が空気から冷却水に切り替わる。

以上のように、本実施の形態の燃料電池システム２００では、制御部２１５が、燃料電池スタック１０３の発電の停止時に、連絡配管２２０を用いて冷却水流路２２、２３に空気供給部１０２からの空気を供給できるよう、第１切替部２１０および第２切替部２１１の切替動作および空気供給部１０２の動作を制御している。

これにより、燃料電池スタック１０３の触媒層に付着した硫化物の洗浄除去の効率を従来例よりも改善できる。よって、硫化物の被毒による燃料電池スタック１０３の電圧低下を適切に回復でき、その結果、耐久性に優れた燃料電池システム２００が得られる。

また、本実施の形態の燃料電池システム２００では、制御部２１５は、温度測定部２１６により測定された温度に基づいて、第１切替部２１０および第２切替部２１１の切替動作および空気供給部１０２の動作を制御している。

これにより、硫化物の洗浄除去効果が得られる温度にまで燃料電池スタック１０３の内部が冷えた段階で速やかに空気供給部１０２の動作を停止できる。よって、燃料電池スタック１０３の空冷に要するエネルギー効率を改善できる。

（変形例１）
本実施の形態の燃料電池システム２００では、温度測定部２１６を用いて燃料電池スタック１０３内の温度を知ることができるが、本変形例では、温度測定部２１６の配置について幾つかの重要な設計指針を述べる。

第１に、温度測定部２１６を、冷却水流路２２が主面に形成されたカソード側導電性セパレータ１６の、当該主面と反対の面（つまり、ガス拡散層１２との接触面）、或いは、冷却水流路２３が主面に形成されたアノード側導電性セパレータ１７の、当該主面と反対の面（つまり、ガス拡散層１３との接触面）に接するように設けるとよい。

これにより、温度測定部２１６は、冷却水流路２２、２３に流れる空冷用の空気と、燃料電池スタック１０３の触媒層との間に配されるので、触媒層の温度を高精度で知ることができる。

第２に、温度測定部２１６を、冷却水流路２２、２３に空気を流したときの流れ方向において、冷却水流路２２、２３の下流側に設けるとよい。

これにより、燃料電池スタック１０３の略全域を冷却できているか否かを知ることができる。

第３に、温度測定部２１６を収容する溝（図示せず）をカソード側導電性セパレータ１６或いはアノード側導電性セパレータ１７に設けるとよい。

これにより、単セル１０を複数個、積層方向に重ねて燃料電池スタック１０３を製造する際に、各セパレータ１６、１７間の密着性の低下を防止できる。

第４に、温度測定部２１６を、単セル１０の積層方向において、燃料電池スタック１０３の略中央部に設けるとよい。

これにより、燃料電池スタック１０３の空冷中に、燃料電池スタック１０３が最も高温状態にある燃料電池スタック１０３の中央部の温度を知ることができる。

（変形例２）
図４は、本発明の変形例２による燃料電池システムの構成例を示した図である。

本実施の形態（図２）の燃料電池システム２００では、燃料電池スタック１０３の発電停止中に、燃料電池スタック１０３の冷却水流路２２、２３内の冷却水が、空気供給部１０２からの空気によって押し出され、空気とともに冷却水戻り配管２０６Ｒに強制的に排出されている。この場合、冷却水戻り配管２０６Ｒでは、水と空気（気泡）とが混在した状態となっているので、冷却水戻り配管２０６Ｒの気泡の存在により、冷却水を適切に循環できなくなる場合がある。例えば、冷却水循環ポンプ１０８の気泡のかみこみにより、冷却水循環ポンプ１０８が冷却水を適切に送出し難くなることがある。

そこで、本変形例の燃料電池システム３００は、図４に示すように、冷却水戻り配管２０６Ｒに配された気液分離部３０１と、気液分離部３０１に接続され、冷却水戻り配管２０６Ｒ内の流体（ここでは、空気（気泡））の外部排出に用いる排出配管３０３と、排出配管３０３を開閉できる開閉弁３０２と、を備える。

なお、気液分離部３０１は、燃料電池スタック１０３よりも下方（重力の作用する方向において下側）に配置するとよい。これにより、冷却水戻り配管２０６Ｒへの冷却水の排出が低い空気圧で行える。

ここで、開閉弁３０２は、気液分離部３０１の空気（気泡）抜き弁として機能するとともに、気液分離部３０１の封止弁としても機能する。つまり、開閉弁３０２を開くと、気液分離部３０１において冷却水から分離された空気（気泡）を、排出配管３０３を用いて外部（大気中）に排気でき、開閉弁３０２を閉じると、気液分離部３０１を封止できる。

開閉弁３０２の開閉動作のタイミングについては、図３のステップＳ３０４において、第１切替部２１０および第２切替部２１１の切替動作とともに開閉弁３０２を開くとよい。また、図３のステップ３０９において、第１切替部２１０および第２切替部２１１の切替動作とともに開閉弁３０２を閉じるとよい。なお、このような開閉弁３０２の開閉動作は、制御部３１５によって制御される。

以上により、冷却水と空気（気泡）とが混在した状態の冷却水戻り配管２０６Ｒにおいて、冷却液戻り配管２０６Ｒ内の空気（気泡）を外部（大気中）に排気でき、その結果、冷却水循環ポンプ１０８が冷却水戻り配管２０６Ｒの冷却水を適切に送ることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの触媒層に付着した硫化物の洗浄除去の効率を従来例よりも改善できる燃料電池システムおよびその停止方法が得られる。よって、本発明は、例えば、燃料電池コージェネレーションシステム、自動車の動力源として利用できる。

１０ 単セル
１１ 固体高分子電解質膜
１２ カソードガス拡散層
１３ アノードガス拡散層
１４ 酸化剤ガス流路
１５ 燃料ガス流路
１６ カソード側導電性セパレータ
１７ アノード側導電性セパレータ
１８ ＭＥＡ
１９ ガスケット
２２、２３ 冷却水流路
１０１ 燃料ガス供給部
１０２ 空気供給部
１０３ 燃料電池スタック
１０６ 貯湯槽
１０７ 貯湯循環ポンプ
１０８ 冷却水循環ポンプ
１０９ インバータ
１１０ 熱交換器
１１１ 加湿器
１１２ 冷却水タンク
２０４Ａ アノード入口
２０４Ｂ アノード出口
２０４Ｓ 燃料ガス供給配管
２０５Ａ カソード入口
２０５Ｂ カソード出口
２０５Ｓ 空気供給配管
２０６Ａ 冷却水入口
２０６Ｂ 冷却水出口
２０６Ｓ 冷却水供給配管
２０６Ｒ 冷却水戻り配管
２１０ 第１切替部
２１１ 第２切替部
２１６ 温度測定部
２２０ 連絡配管
３０１ 気液分離部
３０２ 開閉弁
３０３ 排出配管
１１５、２１５、３１５ 制御部
１００、２００、３００ 燃料電池システム

Claims (11)

1. 燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックのカソードに前記空気を供給する空気供給部と、
   前記空気供給部から前記カソードへの前記空気の供給に用いる空気供給配管と、
   前記燃料電池スタックの冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給部と、
   前記冷却液供給部から前記冷却液流路への前記冷却液の供給に用いる冷却液供給配管と、
   前記空気供給配管と前記冷却液供給配管との連通に用いる連絡配管と、
   前記空気供給配管と前記連絡配管との結合部に設けられ、前記空気供給部からの前記空気の供給先を切り替える第１切替部と、
   前記冷却液供給配管と前記連絡配管との結合部に設けられ、前記冷却液流路に供給される流体を、前記冷却液から前記空気に切り替える第２切替部と、
   前記燃料電池スタックの発電の停止時に、前記連絡配管を用いて前記冷却液流路に前記空気を供給できるよう、前記第１切替部および前記第２切替部の切替動作および前記空気供給部の動作を制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、２以上の単セルが積層されており、
   前記単セルは、電解質膜の両側をカソードおよびアノードを配して一体化された膜電極接合体を、前記カソードに前記空気を供給する空気流路、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路、および、前記冷却液流路のうちの少なくとも一つが形成されたセパレータで挟まれた構造を有している請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックの温度を測定できる温度測定部を備え、
   前記制御部は、前記温度測定部により測定された温度に基づいて、前記第１切替部および前記第２切替部の切替動作および前記空気供給部の動作を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記温度測定部は、前記冷却液流路が主面に形成された前記セパレータの、前記主面と反対の面に接するように設けられている請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記温度測定部は、前記冷却液流路に前記空気を流したときの流れ方向において、前記冷却液流路の下流側に設けられている請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記温度測定部を収容する溝が、前記セパレータに設けられている請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記温度測定部は、前記単セルの積層方向において、前記燃料電池スタックの略中央部に設けられている請求項３に記載の燃料電池システム。
8. 前記冷却液流路から前記冷却液供給部への前記冷却液の戻りに用いる冷却液戻り配管と、
   前記冷却液戻り配管内の流体の外部排出に用いる排出配管と、
   前記排出配管を開閉できる開閉部と、
   を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記冷却液戻り配管に配された気液分離部を備え、
   前記気液分離部において冷却液から分離された空気が、前記排出配管を用いて外部に排気される請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記気液分離部は、前記燃料電池スタックよりも重力の作用する方向において下方に配置されている請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 燃料ガスと空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックのカソードに前記空気を供給する空気供給部と、
    前記燃料電池スタックの冷却液流路に冷却液を供給する冷却液供給部と、
    前記燃料電池スタックの温度を測定できる温度測定部と、
    を備える燃料電池システムの停止方法であって、
    前記燃料電池スタックの発電を停止し、その後、前記冷却液流路に、前記冷却液供給部からの前記冷却液の供給に代えて、前記空気供給部からの前記空気を供給し、前記温度測定部により測定された温度が所定の設定温度以下になったときに、前記空気供給部からの前記空気の供給を停止する燃料電池システムの停止方法。
    

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