JP2012182090A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成及び工程で、無駄に廃棄される燃料ガスを可及的に削減させることができ、効率的な発電を行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１１が積層された燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２は、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂと燃料ガス出口連通孔３０ｂとを連通させる連結流路８６と、前記連結流路８６に配置される開閉弁８８とを備える。燃料電池システム１０は、運転停止時に燃料ガス通路３４から連結流路８６を通って酸化剤ガス通路３２に燃料ガスを供給する一方、運転起動時に前記酸化剤ガス通路３２に前記酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガス通路３２から前記連結流路８６を通って前記燃料ガス通路３４に前記燃料ガスを戻すように制御するコントローラ１９を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極を設けた電解質膜・電極構造体を有する燃料電池が、複数積層されるとともに、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と、前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔とを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

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、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。

一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。さらに、各燃料電池を構成し、互いに隣接するセパレータ間には、電極範囲内に冷却媒体を流すための冷却媒体流路が形成されている。

この種の燃料電池では、発電時に水が生成されており、発電が停止されると、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の下流側に生成水が滞留し易い。そして、燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に空気による掃気が行われる場合、起動時に、特に前記酸化剤ガス流路の下流側で高電位によりカソード側電極の劣化が惹起されるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電設備用水素不動態化運転停止システムが知られている。このシステムは、図１４に示すように、電解質１ａの両側にアノード触媒１ｂ及びカソード触媒１ｃが設けられた燃料電池１を備えている。

燃料電池１のアノード触媒１ｂに水素燃料を供給するアノード流路２は、燃料源２ａが配設される水素燃料供給ライン２ｂと、前記アノード触媒１ｂの出口側に連通する水素燃料排出ライン２ｃとを有している。水素燃料供給ライン２ｂ及び水素燃料排出ライン２ｃには、弁３ａ、３ｂが配設されている。

燃料電池１のカソード触媒１ｃに酸化剤を供給するカソード流路４は、酸化剤源４ａが配設される酸化剤供給ライン４ｂと、前記カソード触媒１ｃの出口側に連通する酸化剤排出ライン４ｃとを有している。酸化剤供給ライン４ｂには、圧縮機４ｄ及び弁３ｃが配設されるとともに、酸化剤排出ライン４ｃには、弁３ｄが配設されている。

水素燃料供給ライン２ｂと酸化剤供給ライン４ｂとには、連結ライン５の両端が連通するとともに、前記連結ライン５に弁３ｅが配設されている。弁３ｅが開放されることにより、アノード流路２とカソード流路４との間で水素燃料の流れが許容されている。

そこで、燃料電池１の運転停止中には、弁３ｅが開放されてアノード流路２から連結ライン５を通ってカソード流路４に水素燃料が流通し、前記アノード流路２及び前記カソード流路４は、前記水素燃料により満たされている。

特表２００７−５３４１０８号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池１を起動させる際に、カソード側に満たされている水素燃料が、カソード触媒１ｃの出口側に連通する酸化剤排出ライン４ｃに排出されてしまう。これにより、水素燃料が無駄に廃棄されるため、経済的ではないという問題がある。しかも、水素燃料が外部に排出されるため、この水素燃料を希釈しなければならず、希釈器が相当に大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、無駄に廃棄される燃料ガスを可及的に削減させることができ、効率的な発電を行う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、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極を設けた電解質膜・電極構造体を有する燃料電池が、複数積層されるとともに、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と、前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔とを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池スタックは、酸化剤ガス連通孔と燃料ガス連通孔とを連通させる連結流路と、前記連結流路に配置され、該連結流路を開放及び閉塞させる切り換え装置とを備えている。

そして、この燃料電池システムは、運転停止時に燃料ガス通路から連結流路を通って酸化剤ガス通路に燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス通路に残存する酸化剤ガスを前記燃料ガスと置換させるとともに、運転起動時に前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガス通路から前記連結流路を通って前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを戻すように制御する制御装置を備えている。

また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有するとともに、燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔を有し、連結流路は、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔、前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、又は前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔とを連通させることが好ましい。

さらに、この運転方法では、燃料電池システムの運転停止時に、燃料ガス通路から連結流路を通って酸化剤ガス通路に燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス通路に残存する酸化剤ガスを前記燃料ガスと置換させる工程と、前記酸化剤ガス通路を含むカソード流路系を封止する工程とを有している。

一方、燃料電池システムの運転起動時に、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給し、前記酸化剤ガス通路から連結流路を通って燃料ガス通路に燃料ガスを戻す工程と、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを供給し、燃料電池スタックの発電を開始する工程とを有している。

さらにまた、この運転方法では、酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有するとともに、燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔を有し、連結流路は、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔、前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、又は前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔とを連通させることが好ましい。

本発明では、運転停止時に、酸化剤ガス通路に燃料ガスが満たされており、運転起動時に、前記酸化剤ガス通路内の前記燃料ガスは、酸化剤ガスに押し出されて燃料ガス通路に戻されている。このため、酸化剤ガス通路内の燃料ガスを無駄にすることがなく、発電用に利用することが可能になる。これにより、簡単な構成及び工程で、廃棄される燃料ガスを可及的に削減させることができ、効率的な発電を確実に行うことが可能になる。

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。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池が積層される燃料電池スタックの斜視説明図である。 本発明の運転方法の中、停止時の処理を説明するフローチャートである。 前記停止時のシステム説明図である。 停止後の処理を示すシステム説明図である。 本発明の運転方法の中、起動時の処理を説明するフローチャートである。 前記起動時のシステム説明図である。 前記燃料電池スタック内のガス流れ説明図である。 本発明の第２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３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４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５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。 特許文献１のシステムの概略説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る運転方法が実施される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１１が積層される燃料電池スタック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、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御装置）１９とを備える。

図２に示すように、燃料電池１１は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４間に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

燃料電池１１の矢印Ｃ方向（図２中、鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１１の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス通路３２が、鉛直方向に沿って設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス通路３４が、鉛直方向に沿って設けられる。

互いに隣接する燃料電池１１を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３６が、鉛直方向に沿って設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３７ａが、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材３７ｂが、一体的に又は個別に設けられる。第１及び第２シール部材３７ａ、３７ｂは、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード側電極４０及びアノード側電極４２とを備える。

カソード側電極４０及びアノード側電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成されている。

図１に示すように、燃料電池スタック１２の積層方向両端縁部には、ターミナル４２ａ、４２ｂが設けられるとともに、前記ターミナル４２ａ、４２ｂには、例えば、走行モータ、バッテリ、補機類等を含む負荷４４が電気的に接続される。

燃料電池スタック１２は、積層方向両端にエンドプレート４６ａ、４６ｂを設けるとともに、一方のエンドプレート４６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ及び燃料ガス出口連通孔３０ｂに連通する酸化剤ガス入口４８ａ、燃料ガス入口５０ａ、酸化剤ガス出口４８ｂ及び燃料ガス出口５０ｂが形成される。

他方のエンドプレート４６ｂには、冷却媒体入口連通孔２８ａ及び冷却媒体出口連通孔２８ｂに連通する冷却媒体入口５２ａ及び冷却媒体出口５２ｂが形成されるとともに、酸化剤ガス出口４８ｂ及び燃料ガス出口５０ｂ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エアポンプ５６を備え、前記エアポンプ５６が空気供給流路５８に配設される。空気供給流路５８には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器６０と開閉弁６２とが配設されるとともに、前記空気供給流路５８は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４８ａに連通する。空気供給流路５８には、酸化剤ガス入口４８ａに近接して酸素濃度（又は水素濃度）を検出するセンサ、例えば、酸素センサ６３が配置される。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口４８ｂに連通する空気排出流路６４を備える。空気排出流路６４は、加湿器６０の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路６４には、開閉弁６６が設けられるとともに、前記開閉弁６６の下流には、希釈器６８が接続される。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ₂タンク）７０を備え、この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口５０ａに連通する。この水素供給流路７２には、レギュレータ７４、遮断弁７６及びエゼクタ７８が設けられる。レギュレータ７４は、酸化剤ガス供給装置１４における酸化剤ガスの供給量に対応して圧力調整される。

エゼクタ７８は、水素タンク７０から供給される水素ガスを、水素供給流路７２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８０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。

燃料ガス出口５０ｂには、オフガス流路８２が連通する。オフガス流路８２の途上には、水素循環路８０が連通するとともに、前記オフガス流路８２は、パージ弁８４を介して希釈器６８に接続される。

酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１２の一方のエンドプレート４６ａ側に接続される。図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１２の他方のエンドプレート４６ｂ側には、酸化剤ガス出口４８ｂと燃料ガス出口５０ｂとを連通させる連結流路８６が接続される。連結流路８６には、前記連結流路８６を開放及び閉塞させる開閉弁（切り換え装置）８８と、酸素濃度（又は水素濃度）を検出するセンサ、例えば、酸素センサ８９（図１参照）とが配置される。

冷却媒体供給装置１８は、図１に示すように、燃料電池スタック１２の他方のエンドプレート４６ｂに設けられる冷却媒体入口５２ａ及び冷却媒体出口５２ｂに連通し、冷却媒体を前記燃料電池スタック１２に循環させる冷却媒体循環路９０を備える。冷却媒体循環路９０には、ラジエータ９２及び冷媒ポンプ９４が接続される。

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、以下に説明する。

通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６を介して、空気供給流路５８に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器６０を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４８ａから酸化剤ガス入口連通孔２６ａに供給される。

このため、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス通路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向下方に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４０に供給される。

使用済みの酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス出口４８ｂから空気排出流路６４に排出され、加湿器６０に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、開閉弁６６を介して希釈器６８に導入される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７６が開放されることにより、水素タンク７０からレギュレータ７４により減圧された燃料ガス（水素ガス）が、水素供給流路７２に供給される。この燃料ガスは、水素供給流路７２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口５０ａから燃料ガス入口連通孔３０ａに供給される。

燃料ガスは、図２に示すように、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ２４の燃料ガス通路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向下方に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４２に供給される。

使用済みの燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂ及び燃料ガス出口５０ｂから水素循環路８０を介してエゼクタ７８に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。

従って、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガス中の酸素とアノード側電極４２に供給される燃料ガス中の水素とが電気化学的に反応して発電が行われる。各燃料電池１１は、電気的に直列に接続されており、前記燃料電池１１の積層方向両端に配置されているターミナル４２ａ、４２ｂから外部に電力が取り出され、例えば、図示しない走行用モータ（負荷４４）が駆動される。

また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ９４の作用下に、冷却媒体循環路９０から冷却媒体入口５２ａ及び冷却媒体入口連通孔２８ａを通って燃料電池スタック１２内に冷却媒体が導入される。冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体流路３６に沿って移動することにより、燃料電池１１を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口５２ｂから冷却媒体循環路９０に排出される。

次いで、本発明の第１の実施形態に係る運転方法について、図４以降に示すフローチャート及び概略システム図に沿って説明する。

先ず、燃料電池システム１０の停止時には、イグニッションスイッチがＯＦＦされた後（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６が停止される。このため、燃料電池スタック１２内には、酸化剤ガスの供給が停止される。

この状態では、図５に概略的に示すように、カソード側（酸化剤ガス通路３２を含む）には、酸素と窒素とが混在する一方、アノード側（燃料ガス通路３４を含む）には、水素が存在している。なお、図５以降には、概略システム図が示されているが、実際上、図１の構成を有している。

次いで、図６に示すように、酸化剤ガス供給装置１４では、例えば、開閉弁６６が閉塞される一方（ステップＳ３）、連結流路８６に配置されている開閉弁８８が開放される。従って、燃料ガス供給装置１６を構成する水素タンク７０から燃料電池スタック１２のアノード側に供給される燃料ガスは、エンドプレート４６ｂ側に設けられている燃料ガス出口連通孔３０ｂから連結流路８６を通って酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに供給される。

酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに供給された燃料ガスは、各燃料電池１１の酸化剤ガス通路３２を、図２中、矢印Ｃ方向上方に移動した後、酸化剤ガス入口連通孔２６ａを通って空気供給流路５８に排出される。これにより、カソード側では、酸化剤ガス通路３２等に残存していた酸化剤ガスが排出されて燃料ガスに置換される（ステップＳ４）。

ステップＳ５では、空気供給流路５８に配置されている酸素センサ６３により、前記空気供給流路５８に排出される酸素濃度が検出される。そして、排出される酸素濃度が規定値以下になった際、すなわち、空気が水素に置換されたと判断された際（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、開閉弁６２が閉塞されてカソード側が完全に封止される。

なお、ステップＳ６が行われた後、燃料電池スタック１２を負荷４４に接続して電流の取り出し、例えば、バッテリの充電を行うことにより、残存する酸素の消費処理を遂行してもよい。

次に、燃料電池システム１０の起動時には、図７に示すように、イグニッションスイッチがＯＮされた後（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進んで、カソード側の空気置換処理が行われる。具体的には、図８に示すように、遮断弁７６が閉塞された状態で、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６が駆動される。これにより、燃料電池スタック１２内には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから酸化剤ガスが供給される。

このため、カソード側では、酸化剤ガス通路３２等に残存していた水素は、供給される酸化剤ガスに押し出されて酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに排出される。さらに、水素は、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂから連結流路８６を通って燃料ガス出口連通孔３０ｂに戻される。従って、アノード側では、燃料ガス通路３４等に水素が加圧充填される。

連結流路８６に配置されている酸素センサ８９により、カソード側から排出される水素が減少し、水素濃度が所定値に至ったことが検出されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進む。このステップＳ１４では、開閉弁６６が開放されてカソード側が完全開放される。

さらに、ステップＳ１５では、開閉弁８８が閉塞されるとともに、燃料ガス供給装置１６を構成する水素タンク７０から燃料電池スタック１２のアノード側に燃料ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１２が起動され、例えば、燃料電池１１の開回路電圧（ＯＣＶ）が所定値に至った際、前記燃料電池スタック１２からの電流の取り出し、すなわち、通常発電処理が遂行される。

この場合、第１の実施形態では、運転停止時に、酸化剤ガス通路３２に燃料ガスが満たされている（図６参照）。そして、運転起動時に、酸化剤ガス通路３２内の燃料ガスは、連結流路８６を通って燃料ガス通路３４に戻されている（図８参照）。

このため、酸化剤ガス通路３２内の燃料ガスを、燃料ガス通路３４に戻して発電用に利用することが可能になる。これにより、簡単な構成及び工程で、廃棄される燃料ガスを可及的に削減させることができ、効率的な発電を行うことが可能になるという効果が得られる。しかも、希釈器６８は、燃料ガスの排出量が削減されるため、有効に小型化される。

さらに、第１の実施形態では、図９に示すように、燃料電池スタック１２の積層方向一端側に、酸化剤ガス入口４８ａ及び酸化剤ガス出口４８ｂが設けられるとともに、前記燃料電池スタック１２の積層方向他端側に、前記酸化剤ガス出口４８ｂが設けられている。

このため、燃料電池システム１０の停止時に、酸化剤ガス通路３２の水素置換を行う際、連結流路８６から酸化剤ガス出口４８ｂを介して酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに供給された燃料ガスが、各酸化剤ガス通路３２を矢印Ｃ方向上方に向かって流通し、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから酸化剤ガス入口４８ａに至るまでの圧力損失は、全て同一に維持することができる。従って、各酸化剤ガス通路３２に残存する酸化剤ガスを燃料ガスによって均一に押し出すことが可能になり、前記酸化剤ガス通路３２に前記燃料ガスを確実に満たすことができる。

一方、燃料電池システム１０の起動時に、酸化剤ガス通路３２等に満たされていた燃料ガスを、酸化剤ガスに置換する際には、同様に、酸化剤ガス入口４８ａから酸化剤ガス入口連通孔２６ａを介して各酸化剤ガス通路３２を通り酸化剤ガス出口連通孔２６ｂから酸化剤ガス出口４８ｂに至る圧力損失を、全て均一にすることが可能になる。これにより、カソード側から燃料ガスを確実に押し出すことができるという利点がある。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略システム図である。

なお、第１の実施形態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。また、以下に説明する第３以降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。

燃料電池システム１００は、酸化剤ガス供給装置１４を構成する空気排出流路６４と、燃料ガス供給装置１６を構成するオフガス流路８２とに近接し、酸化剤ガス出口４８ｂと燃料ガス出口５０ｂとを連通させる連結流路１０２を備える。連結流路１０２には、前記連結流路１０２を開放及び閉塞させる開閉弁１０４が配置される。

このように構成される第２の実施形態では、特に各酸化剤ガス通路３２に圧力損失の変動が発生し難い場合に良好に用いられる。この第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略システム図である。

燃料電池システム１１０は、酸化剤ガス供給装置１１２を備えるとともに、前記酸化剤ガス供給装置１１２は、エアポンプ５６に代えて、空気排出流路６４に負圧ポンプ１１４を配置する。負圧ポンプ１１４は、正逆両方向に回転可能である。

燃料電池システム１１０では、酸化剤ガス供給装置１１２を構成する空気供給流路５８と、燃料ガス供給装置１６を構成する水素供給流路７２とに近接し、酸化剤ガス入口４８ａと燃料ガス入口５０ａとを連通させる連結流路１１６を備える。連結流路１１６には、前記連結流路１１６を開放及び閉塞させる開閉弁１１８が配置される。

このように構成される第３の実施形態では、燃料電池システム１１０の停止時には、開閉弁１１８が開放されるとともに、開閉弁６２が閉塞された状態で、負圧ポンプ１１４による吸引が開始される。このため、燃料電池スタック１２のアノード側に供給される燃料ガスは、連結流路１１６を通ってカソード側に吸引され、酸化剤ガス通路３２から酸化剤ガスが排出されて燃料ガスに置換される。

一方、燃料電池システム１１０の起動時には、負圧ポンプ１１４が逆回転されることにより、酸化剤ガス入口４８ａからカソード側に圧力が付与される。従って、酸化剤ガス通路３２に満たされていた燃料ガスは、酸化剤ガス入口４８ａから連結流路１１６を通ってアノード側に戻される。これにより、第３の実施形態では、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１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略システム図である。

燃料電池システム１２０は、複数の燃料電池１１が積層される燃料電池スタック１２２を備える。燃料電池スタック１２２は、一方のエンドプレート（図示せず）に、酸化剤ガス入口４８ａと燃料ガス出口５０ｂとが形成されるとともに、他方のエンドプレート（図示せず）に、酸化剤ガス出口４８ｂと燃料ガス入口５０ａとが形成される。

燃料電池システム１２０は、酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６を備えるとともに、前記酸化剤ガス供給装置１４を構成する空気排出流路６４と、前記燃料ガス供給装置１６を構成する水素供給流路７２とに近接し、酸化剤ガス出口４８ｂと燃料ガス入口５０ａとを連通させる連結流路１２４を備える。連結流路１２４には、前記連結流路１２４を開放及び閉塞させる開閉弁１２６が配置される。

このように構成される第４の実施形態では、燃料電池システム１２０の停止時には、開閉弁６６が閉塞されるとともに、連結流路１２４に配置されている開閉弁１２６が開放される。開閉弁６２が閉塞された状態で、エアポンプ５６が停止される。

このため、燃料ガス供給装置１６を構成する水素タンク７０から燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔３０ａに供給される燃料ガスは、一部が連結流路１２４を通って酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに供給される。

一方、燃料電池システム１２０の起動時には、遮断弁７６が閉塞された状態で、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５６が駆動される。これにより、燃料電池スタック１２内には、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから酸化剤ガスが供給される。

従って、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。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略システム図である。

燃料電池システム１３０は、燃料電池スタック１２２を備えるとともに、酸化剤ガス供給装置１６を構成する空気供給流路５８と、燃料ガス供給装置１６を構成するオフガス流路８２とに近接し、酸化剤ガス入口４８ａと燃料ガス出口５０ｂとを連通させる連結流路１３２を備える。連結流路１３２には、前記連結流路１３２を開放及び閉塞させる開閉弁１３４が配置される。

このように構成される第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００、１１０、１２０、１３０…燃料電池システム
１１…燃料電池 １２、１２２…燃料電池スタック
１４、１１２…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 １９…コントローラ
２０…電解質・電極構造体 ２２、２４…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔 ２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔 ３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２…酸化剤ガス通路 ３４…燃料ガス通路
３６…冷却媒体通路 ３８…固体高分子電解質膜
４０…カソード側電極 ４２…アノード側電極
４４…負荷 ４６ａ、４６ｂ…エンドプレート
４８ａ…酸化剤ガス入口 ４８ｂ…酸化剤ガス出口
５０ａ…燃料ガス入口 ５０ｂ…燃料ガス出口
５２ａ…冷却媒体入口 ５２ｂ…冷却媒体出口
５６…エアポンプ
６２、６６、８８、１０４、１１８、１２６、１３４…開閉弁
６３、８９…酸素センサ ７０…水素タンク
８６、１０２、１１６、１２４、１３２…連結流路
１１４…負圧ポンプ

Claims (4)

1. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極を設けた電解質膜・電極構造体を有する燃料電池が、複数積層されるとともに、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と、前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔とを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、前記酸化剤ガス連通孔と前記燃料ガス連通孔とを連通させる連結流路と、
   前記連結流路に配置され、該連結流路を開放及び閉塞させる切り換え装置と、
   を備える一方、
   前記燃料電池システムは、運転停止時に前記燃料ガス通路から前記連結流路を通って前記酸化剤ガス通路に前記燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス通路に残存する前記酸化剤ガスを前記燃料ガスと置換させるとともに、
   運転起動時に前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガス通路から前記連結流路を通って前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを戻すように制御する制御装置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、前記酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有するとともに、
   前記燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔を有し、
   前記連結流路は、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔、前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、又は前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔とを連通させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極を設けた電解質膜・電極構造体を有する燃料電池が、複数積層されるとともに、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と、前記燃料電池のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔とを有する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックは、前記酸化剤ガス連通孔と前記燃料ガス連通孔とを連通させる連結流路と、前記連結流路に配置され、該連結流路を開放及び閉塞させる切り換え装置とを備えており、
   前記燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料ガス通路から前記連結流路を通って前記酸化剤ガス通路に前記燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス通路に残存する前記酸化剤ガスと前記燃料ガスと置換させる工程と、
   前記酸化剤ガス通路を含むカソード流路系を封止する工程と、
   を有する一方、
   前記燃料電池システムの運転起動時に、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給し、該酸化剤ガス通路から前記連結流路を通って前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを戻す工程と、
   前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを供給し、前記燃料電池スタックの発電を開始する工程と、
   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。
4. 請求項３記載の運転方法において、前記酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有するとともに、
   前記燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔を有し、
   前記連結流路は、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔、前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、前記酸化剤ガス出口連通孔と前記燃料ガス入口連通孔、又は前記酸化剤ガス入口連通孔と前記燃料ガス出口連通孔とを連通させる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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