JP2020123496A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の性能劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、酸化ガス配管系２０と、燃料ガス配管系４０と、燃料ガス配管系４０から外部への燃料ガスの排出を許容又は遮断する第１バルブ５０と、酸化ガス配管系２０と燃料ガス配管系４０とを連通する連通配管６０と、連通配管６０に設けられた第２バルブ６１と、燃料電池１０の発電停止時に、酸化ガス配管系２０の圧力が燃料ガス配管系４０の圧力よりも高いように各々酸化ガス、燃料ガスを酸化ガス配管系２０、燃料ガス配管系４０に封止し、酸化ガスの酸素濃度をクロスリークによって所定濃度に低下させた後、第２バルブ６１を開弁して酸化ガスを酸化ガス配管系２０から燃料ガス配管系４０に流入させ、酸化ガス配管系２０のガス圧が所定圧力まで低下又は燃料ガス配管系４０のガス圧が所定圧力まで上昇した後に第１バルブ５０を開弁する制御ユニット７０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池では、発電後に温度が低下することで水蒸気が凝縮して水が発生することがある。この発生した水が燃料電池内に残留すると、水詰まりの要因になるとともに、低温下では凍結してガス流路を閉塞することがある。そこで、発電停止時に、燃料電池にガスを供給して燃料電池内の水分を掃気することが行われている。例えば、燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス排出流路と燃料電池に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給流路とを連通する連通流路を介して酸化オフガス排出流路から燃料ガス供給流路に酸化ガスを流入させ、この酸化ガスを利用して燃料電池のアノード側の水分を掃気することが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２５２４７８号公報

特許文献１では、所定供給量の酸化ガスを燃料電池に供給しながら連通流路を介して燃料ガス供給流路に酸化ガスを流入させて燃料電池のアノード側の掃気を行っている。この場合、燃料電池のアノード極の触媒が減少して、燃料電池の性能が劣化してしまうことがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の性能劣化を抑制することを目的とする。

本発明は、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスが流れる酸化ガス供給配管と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス排出配管と、を含む酸化ガス配管系と、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが流れる燃料ガス供給配管と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給配管に循環させる燃料オフガス循環配管と、を含む燃料ガス配管系と、前記燃料ガス配管系から外部への前記燃料ガスの排出を許容又は遮断する第１バルブと、前記酸化ガス配管系と前記燃料ガス配管系とを連通する連通配管と、前記連通配管に設けられた第２バルブと、前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化ガス配管系の前記酸化ガスの圧力が前記燃料ガス配管系の前記燃料ガスの圧力よりも高い状態で前記酸化ガスを前記酸化ガス配管系に封止し且つ前記燃料ガスを前記燃料ガス配管系に封止して前記酸化ガス配管系の前記酸化ガスの酸素濃度をクロスリークによって所定濃度に低下させた後、前記第２バルブを開弁して酸素濃度が低下した前記酸化ガスを前記酸化ガス配管系から前記連通配管を介して前記燃料ガス配管系に流入させ、前記酸化ガス配管系のガス圧が所定圧力まで低下又は前記燃料ガス配管系のガス圧が所定圧力まで上昇した後に前記第１バルブを開弁する制御ユニットと、を備える燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図２は、実施例１における掃気処理の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施例１における掃気処理の一例を示すタイミングチャートである。 図４は、実施例１の変形例における掃気処理の一例を示すフローチャートである。 図５は、実施例１の変形例における掃気処理の一例を示すタイミングチャートである。 図６は、実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図７は、実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図８は、実施例３における掃気処理の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図１０は、実施例４における掃気処理の一例を示すフローチャートである。 図１１は、実施例５に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システムは、燃料電池車両及び定置用燃料電池装置などに用いられ、要求電力に応じて電力を出力する発電システムである。図１のように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化ガス配管系２０と、燃料ガス配管系４０と、連通配管６０と、制御ユニット７０と、を備える。燃料電池システム１００は、燃料電池１０を冷却する冷媒を循環させる冷媒配管も備えるが、ここでは図示及び説明を省略する。

燃料電池１０は、反応ガスとして空気などの酸化ガス（カソードガスとも称される）と水素などの燃料ガス（アノードガスとも称される）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセルが積層されたスタック構造をしている。各セルは、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１対のセパレータと、を備える。

電解質膜は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成される固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態において良好なプロトン伝導性をアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（白金又は白金−コバルト合金など）が担持されている。各セルには、反応ガスを流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、セパレータによって形成されるガス流路を介して、各セルの発電領域に供給される。

酸化ガス配管系２０は、酸化ガス供給配管２１、コンプレッサ２２、酸化オフガス排出配管２３、調圧弁２４、及び圧力センサ２５を備える。酸化ガス供給配管２１は、燃料電池１０のカソードガス供給マニホールドの入口に接続されている。コンプレッサ２２は、酸化ガス供給配管２１を介して燃料電池１０と接続されていて、外気を取り込んで圧縮した空気を酸化ガスとして燃料電池１０に供給する。酸化オフガス排出配管２３は、燃料電池１０のカソードガス排出マニホールドの出口に接続されていて、燃料電池１０で消費されなかった酸化オフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁２４は、酸化オフガス排出配管２３に設けられている。調圧弁２４は、例えば電磁弁であり、制御ユニット７０からの指令により開閉して酸化オフガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力センサ２５は、調圧弁２４よりも上流側で酸化オフガス排出配管２３に取り付けられ、酸化オフガスの圧力を計測し、制御ユニット７０に送信する。

燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給配管４１、水素タンク４２、主止弁４３、レギュレータ４４、圧力センサ４５、燃料オフガス循環配管４６、気液分離器４７、循環ポンプ４８、燃料オフガス排出配管４９、及び排気排水弁５０を備える。

水素タンク４２は、燃料ガス供給配管４１を介して燃料電池１０のアノードガス供給マニホールドの入口と接続されている。主止弁４３、レギュレータ４４、及び圧力センサ４５は、燃料ガス供給配管４１にこの順序で上流側（水素タンク４２側）から設けられている。主止弁４３は、例えば電磁弁であり、制御ユニット７０からの指令により開閉し、水素タンク４２からの水素の供給を許容又は遮断する。レギュレータ４４は、水素の圧力を予め設定した圧力に調圧する減圧弁である。圧力センサ４５は、レギュレータ４４の下流側での水素の圧力を計測し、制御ユニット７０に送信する。

燃料オフガス循環配管４６は、一端が燃料電池１０のアノードガス排出マニホールドの出口に接続され、燃料電池１０から排出されて発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素又は窒素など）を含む燃料オフガスが流れる。燃料オフガス循環配管４６の他端は、燃料ガス供給配管４１のレギュレータ４４よりも下流側に接続されている。燃料オフガス循環配管４６には気液分離器４７が設けられている。気液分離器４７は、燃料電池１０から排出された燃料オフガスに含まれる気体成分と水分とを分離する。気液分離器４７において分離された気体成分に含まれる水素は、燃料オフガス循環配管４６に設けられた循環ポンプ４８によって燃料ガス供給配管４１へと送り出される。気液分離器４７において分離された水分は、燃料オフガス排出配管４９を介して外部へと排出される。排気排水弁５０は、例えば電磁弁であり、制御ユニット７０からの指令に応じて開閉する。排気排水弁５０が特許請求の範囲における第１バルブに相当する。

連通配管６０は、一端が調圧弁２４よりも上流側で酸化オフガス排出配管２３に接続し、他端が燃料オフガス循環配管４６の合流点よりも下流側で燃料ガス供給配管４１に接続されている。すなわち、連通配管６０は、酸化ガス配管系２０と燃料ガス配管系４０とを連通している。連通配管６０には、酸化オフガス排出配管２３から燃料ガス供給配管４１への酸化ガスの供給を許容又は遮断又する連通弁６１が設けられている。連通弁６１が、特許請求の範囲における第２バルブに相当する。

制御ユニット７０は、燃料電池システム１００全体を統括制御する。制御ユニット７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びメモリなどを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。メモリは、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）又はフラッシュメモリなどの不揮発性メモリである。制御ユニット７０は、入力される各センサ信号に基づき、燃料電池システム１００の各部を統合的に制御して、燃料電池システム１００の運転を制御する。メモリには、燃料電池システム１００の運転プログラム、並びに、燃料電池システム１００の制御に用いられる各種マップ及び各種閾値が記憶されている。制御ユニット７０は、例えば各センサ信号などに基づいて、各種弁、循環ポンプ、及びコンプレッサなどを制御して、燃料電池システム１００の運転を制御する。また、制御ユニット７０は、燃料電池１０の発電停止時に、燃料電池１０内の水分を外部に排出する掃気処理を実行する。なお、燃料電池１０の発電停止時には、燃料電池１０の発電を停止させるとき及び燃料電池１０の発電を停止させているときが含まれる。

図２は、実施例１における掃気処理の一例を示すフローチャートである。図３は、実施例１における掃気処理の一例を示すタイミングチャートである。図３の横軸は経過時間であり、縦軸はガス圧である。図３の横軸に図２のフローチャートのステップが実行されるタイミングを図示している。なお、酸化ガス配管系のガス圧は圧力センサ２５から取得され、燃料ガス配管系のガス圧は圧力センサ４５から取得される。

図２のように、制御ユニット７０は、コンプレッサ２２及び調圧弁２４を制御し、且つ、主止弁４３及び排気排水弁５０を制御して、酸化ガス配管系の酸化ガスの圧力が燃料ガス配管系の燃料ガスの圧力よりも高くなるようにする（ステップＳ１０）。例えば、図３のように、制御ユニット７０は、主止弁４３及び排気排水弁５０を制御して、燃料ガス配管系の燃料ガスの圧力をＰａにする。制御ユニット７０は、コンプレッサ２２及び調圧弁２４を制御して、酸化ガス配管系の酸化ガスの圧力をＰａよりも高いＰｂにする。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系に酸化ガスを封止し、燃料ガス配管系に燃料ガスを封止する（ステップＳ１２）。すなわち、制御ユニット７０は、コンプレッサ２２を停止し且つ調圧弁２４を閉弁することで、酸化ガス供給配管２１及び酸化オフガス排出配管２３に酸化ガスを封止する。制御ユニット７０は、主止弁４３及び排気排水弁５０を閉弁することで、燃料ガス供給配管４１及び燃料オフガス循環配管４６に燃料ガスを封止する。酸化ガス供給配管２１及び酸化オフガス排出配管２３に酸化ガスを封止し且つ燃料ガス供給配管４１及び燃料オフガス循環配管４６に燃料ガスを封止することで、図３のように、燃料ガス配管系の燃料ガスの圧力はＰａから低下し、酸化ガス配管系の酸化ガスの圧力はＰｂから低下する。

このように、燃料ガス配管系の燃料ガスの圧力及び酸化ガス配管系の酸化ガスの圧力が低下するのは以下の理由によるものである。燃料電池１０のアノード極に燃料ガスが存在し、カソード極に酸化ガスが存在する場合、アノード極及びカソード極での水素の濃度差によってアノード極の水素が電解質膜を通過してカソード極に拡散するクロスリークが発生し、カソード極において水素と酸素が化学反応して消費される。これにより、水素分圧と酸素分圧が低下し、燃料ガス配管系の燃料ガスの圧力及び酸化ガス配管系の酸化ガスの圧力が低下する。また、水素と酸素が化学反応して消費されることで、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が低下する。

制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下するまで待機する（ステップＳ１４）。例えば、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が所定の圧力に低下するまで待機する。上述したように、水素と酸素が反応して酸素が消費されることで酸素分圧が低下する。つまり、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度と圧力とは相関がある。したがって、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が所定の圧力に低下することをもって、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下したと判断することができる。例えば、図３のように、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力がＰｂからＰｃになるまで待機する。圧力Ｐｃは、酸化ガス配管系２０の酸化ガスに含まれる酸素が化学反応により消費されて無くなったときの値である場合が好ましい。

制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下した後（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、連通配管６０に設けられた連通弁６１を開弁する（ステップＳ１６）。酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力よりも高い状態にあるため、連通弁６１を開弁することで、酸化オフガス排出配管２３から連通配管６０を介して燃料ガス供給配管４１に酸化ガスが流入する。すなわち、ポンプなどを用いることなく、酸化オフガス排出配管２３から燃料ガス供給配管４１に酸化ガスを流入させることができる。これにより、図３のように、酸化ガス配管系２０のガス圧は低下し、燃料ガス配管系４０のガス圧は上昇する。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第１所定圧力に低下するまで待機する（ステップＳ１８）。例えば、図３のように、酸化ガス配管系２０のガス圧がＰｄに低下し、燃料ガス配管系４０のガス圧がＰｄに上昇するまで待機する。圧力Ｐｄは大気圧よりも高い圧力である。なお、ここでは、酸化ガス配管系２０のガス圧と燃料ガス配管系４０のガス圧が同じ大きさになるまで待機する場合を例に示しているが、同じ大きさになるまで待機せず、酸化ガス配管系２０のガス圧が図３における圧力ＰｃとＰｄの間に位置する圧力に低下するまで待機する場合でもよい。

制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第１所定圧力に低下した後（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）、連通弁６１を閉弁し、その後、排気排水弁５０を開弁する（ステップＳ２０）。これにより、燃料ガス配管系４０のガス圧と大気圧との圧力差によって燃料電池１０内の水分が掃気される。すなわち、連通配管６０を介して酸化オフガス排出配管２３から燃料ガス供給配管４１に流入した酸化ガスを利用して燃料電池１０内の水分が掃気される。排気排水弁５０を開弁することで、図３のように、燃料ガス配管系４０のガス圧は低下する。一方、連通弁６１が閉弁となっているため、酸化ガス配管系２０のガス圧はほとんど変化しない。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力より低いか否かを判断する（ステップＳ２２）。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力よりも低い場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、掃気処理を終了する。一方、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力以上である場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）、排気排水弁５０を閉弁した後、連通弁６１を開弁する（ステップＳ２４）。例えば、図３のように、ステップＳ２０で連通弁６１を閉弁し、排気排水弁５０を開弁した後に、酸化ガス配管系２０のガス圧Ｐｄが第２所定圧力であるＰｅ以上である場合、排気排水弁５０を閉弁した後に連通弁６１を開弁する。これにより、酸化ガス配管系２０のガス圧は低下し、燃料ガス配管系４０のガス圧は上昇する。酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力以上である場合、連通弁６１を開弁することで、燃料ガス配管系４０のガス圧が燃料電池１０内の水分を掃気できるのに十分な高さになる。したがって、第２所定圧力は、連通弁６１を開弁した後での燃料ガス配管系４０のガス圧が燃料電池１０内の水分を掃気できる程度の高さにすることができる圧力値である。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第３所定圧力に低下するまで待機する（ステップＳ２６）。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第３所定圧力に低下した後（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、連通弁６１を閉弁した後、排気排水弁５０を開弁する（ステップＳ２８）。なお、必要に応じて、ステップＳ２２以降と同様な処理をステップＳ２８の後に繰り返し行ってもよい。

実施例１によれば、燃料電池１０の発電停止時に、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力よりも高い状態で、酸化ガスを酸化ガス配管系２０に封止し且つ燃料ガスを燃料ガス配管系４０に封止する（ステップＳ１０、１２）。酸化ガス配管系２０に封止された酸化ガスの酸素濃度がクロスリークによって所定濃度に低下した後、連通弁６１を開弁して、酸素濃度が低下した酸化ガスを酸化ガス配管系２０から連通配管６０を介して燃料ガス配管系４０に流入させる（ステップＳ１４、１６）。その後、酸化ガス配管系２０のガス圧が所定圧力まで低下した後に排気排水弁５０を開弁する（ステップＳ１８、２０）。

酸化ガス配管系２０に酸化ガスを封止し燃料ガス配管系４０に燃料ガスを封止して酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度を所定濃度に低下させた後に連通弁６１を開弁することで、酸素濃度が低下した酸化ガスを酸化ガス配管系２０から燃料ガス配管系４０に流入させることができる。酸素を含む酸化ガスが燃料ガス配管系４０に流入する場合、燃料電池１０のアノード極でＨ_２＋１／２・Ｏ_２→Ｈ_２Ｏの化学反応が起こった後に、Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の化学反応が起こる。Ｃは、アノード極のカーボン担体を構成する物質である。このため、Ｃが化学反応によって消費されることで、カーボン担体がやせ細って小さくなり、カーボン担体に担持される触媒が減少する。このため、燃料電池１０の性能が劣化する。

酸素濃度の高い酸化ガスが酸化ガス配管系２０から燃料ガス配管系４０に流入する場合、上記の化学反応が起こり易いため、カーボン担体が小さくなり易く、その結果、触媒の減少量が大きくなる。一方、実施例１によれば、酸素濃度が低下した酸化ガスが酸化ガス配管系２０から燃料ガス配管系４０に流入するため、上記の化学反応によってカーボン担体が小さくなることを抑制でき、触媒の減少を抑制できる。よって、燃料電池１０の性能劣化を抑制することができる。

また、実施例１によれば、燃料電池１０のアノード極の掃気に酸化ガスを利用しているため、水素の消費量を抑えることができる。さらに、実施例１によれば、燃料電池１０を発電させることなく、酸素濃度が低下した酸化ガスを燃料ガス配管系４０に流入させることができる。燃料電池１０を発電させることで酸素濃度が低下した酸化ガスを生成することも考えられるが、モータなどの負荷が停止している場合には発電電力を二次電池などに充電する必要があるため、二次電池の充電状態によっては発電を実施できないことがある。実施例１では、燃料電池１０を発電させることなく酸素濃度が低下した酸化ガスを生成するため、二次電池の充電状態に関係なく酸素濃度が低下した酸化ガスを生成できる。

図２のステップＳ１８、２０では、酸化ガス配管系２０のガス圧が所定圧力まで低下した後に排気排水弁５０を開弁している。しかしながら、この場合に限られず、燃料ガス配管系４０のガス圧が所定圧力まで上昇した後に排気排水弁５０を開弁してもよい。この場合、図３のように、燃料ガス配管系４０のガス圧が酸化ガス配管系２０のガス圧と同じ大きさになるまで上昇した後に排気排水弁５０を開弁してもよいし、燃料ガス配管系４０のガス圧が圧力Ｐｄよりも低い圧力まで上昇した後に排気排水弁５０を開弁してもよい。

図２のステップＳ１４では、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が所定の圧力まで低下したことで、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度まで低下したと判断する場合を例に示したが、その他の方法で判断してもよい。例えば、燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力が所定の圧力まで低下したことで、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度まで低下したと判断してもよい。例えば、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力の低下速度（圧力勾配）が所定値以下（例えば略ゼロ）になったことで、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度まで低下したと判断してもよい。例えば、燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力の低下速度（圧力勾配）が所定値以下（例えば略ゼロ）になったことで、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度まで低下したと判断してもよい。

図４は、実施例１の変形例における掃気処理の一例を示すフローチャートである。図５は、実施例１の変形例における掃気処理の一例を示すタイミングチャートである。図５の横軸は経過時間であり、縦軸はガス圧である。図５の横軸に図４のフローチャートのステップが実行されるタイミングを図示している。

図４のように、制御ユニット７０は、図２のステップＳ１０〜Ｓ１４と同じ処理であるステップＳ３０〜Ｓ３４を実行する。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下した後（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、排気排水弁５０を開弁する（ステップＳ３６）。これにより、図５のように、燃料ガス配管系４０のガス圧が低下する。次いで、制御ユニット７０は、排気排水弁５０を開弁してから所定時間経過した後に、排気排水弁５０を閉弁する（ステップＳ３８）。その後、制御ユニット７０は、ステップＳ４０〜Ｓ５２を実行するが、これらは図２のステップＳ１６〜Ｓ２８と同じ処理であるため説明を省略する。

実施例１の変形例では、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下した後、連通弁６１を開弁する前に、排気排水弁５０を開弁し、所定時間経過後に閉弁する。これにより、図５のように、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力と燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力との差が大きくなる。よって、連通弁６１を開弁したときに、酸化ガス配管系２０から燃料ガス配管系４０に酸化ガスが流入し易くなる。

図６は、実施例２に係る燃料電池システム２００の構成を示す概略図である。図６のように、燃料電池システム２００は、酸化オフガス排出配管２３に調圧弁２４よりも上流側で酸素濃度センサ２６が取り付けられている。酸素濃度センサ２６は、酸化オフガス排出配管２３の酸化ガスの酸素濃度を計測し、制御ユニット７０に送信する。その他の構成は、図１の燃料電池システム１００と同じであるため説明を省略する。実施例２における掃気処理は、図２のステップＳ１４及び図４のステップＳ３４が異なる点以外は図２及び図４で説明した処理が実行される。実施例２では、図２のステップＳ１４及び図４のステップＳ３４において、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下したか否かを、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力によって判断することに代えて又はこれと併用して、酸素濃度センサ２６で計測された酸素濃度によって判断する。

実施例２によれば、酸化ガス配管系２０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度センサ２６を備える。これにより、図２のステップＳ１４及び図４のステップＳ３４において、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下したか否かの判断を精度良く行うことができる。

図７は、実施例３に係る燃料電池システム３００の構成を示す概略図である。図７のように、燃料電池システム３００は、酸化ガス供給配管２１と酸化オフガス排出配管２３との間に内部が空洞の筐体からなるガス溜め部２７が接続されている。ガス溜め部２７と酸化ガス供給配管２１のコンプレッサ２２よりも下流側の部分との間を接続する配管に流入弁２８が設けられ、ガス溜め部２７と酸化オフガス排出配管２３の連通配管６０との合流点よりも上流側の部分との間を接続する配管に流入弁２９が設けられている。流入弁２８及び２９は、例えば電磁弁であり、制御ユニット７０からの指令に応じて開閉する。流入弁２８及び２９は、燃料電池１０の通常の発電時には閉じていて、掃気処理のときに開く。その他の構成は、図１の燃料電池システム１００と同じであるため説明を省略する。

図８は、実施例３における掃気処理の一例を示すフローチャートである。図８のように、制御ユニット７０は、コンプレッサ２２及び調圧弁２４を制御し、且つ、主止弁４３及び排気排水弁５０を制御して、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力よりも高くなるようにする（ステップＳ６０）。

次いで、制御ユニット７０は、流入弁２８及び２９を開弁する（ステップＳ６２）。流入弁２８及び２９を開弁することで、ガス溜め部２７に酸化ガスが流入し、酸化ガスでガス溜め部２７が充満するようになる。その後、制御ユニット７０はステップＳ６４からＳ８０を行うが、ステップＳ６４からＳ８０は、図２のステップＳ１２からＳ２８と同じ処理であるため説明を省略する。

実施例３によれば、図７のように、酸化ガス配管系２０は、酸化ガス供給配管２１と酸化オフガス排出配管２３との間に接続されたガス溜め部２７を備える。ガス溜め部２７を備えることで、図８のステップＳ６４において、エアコンプレッサ２２を停止し且つ調圧弁２４を閉弁して酸化ガス配管系２０に酸化ガスを封止したときに、封止される酸化ガスのガス量を増大させることができる。よって、掃気処理に用いる酸化ガスのガス量を増大させることができる。

図９は、実施例４に係る燃料電池システム４００の構成を示す概略図である。図９のように、燃料電池システム４００では、酸化オフガス排出配管２３と燃料ガス供給配管４１とを連通する連通配管６０は設けられていない。燃料オフガス排出配管４９が酸化オフガス排出配管２３に接続されている。酸化オフガス排出配管２３には、燃料オフガス排出配管４９の合流点よりも下流側に排気排水弁３０が設けられている。排気排水弁３０は、例えば電磁弁であり、制御ユニット７０からの指令に応じて開閉する。実施例４では、燃料オフガス排出配管４９に設けられた排気排水弁５０を第１排気排水弁５０と称し、酸化オフガス排出配管２３に設けられた排気排水弁３０を第２排気排水弁３０と称すこととする。実施例４では、燃料オフガス排出配管４９が、特許請求の範囲における連通配管に相当する。第１排気排水弁５０が、特許請求の範囲における第２バルブに相当する。第２排気排水弁３０が、特許請求の範囲における第１バルブに相当する。その他の構成は、図１の燃料電池システム１００と同じであるため説明を省略する。

図１０は、実施例４における掃気処理の一例を示すフローチャートである。図１０のように、制御ユニット７０は、コンプレッサ２２及び調圧弁２４を制御し、且つ、主止弁４３及び第１排気排水弁５０を制御して、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの圧力が燃料ガス配管系４０の燃料ガスの圧力よりも高くなるようにする（ステップＳ９０）。なお、このとき、第２排気排水弁３０は開いた状態にある。

次いで、制御ユニット７０は、コンプレッサ２２を停止し、調圧弁２４を開弁し、且つ第２排気排水弁３０を閉弁することで、酸化ガス配管系２０に酸化ガスを封止し、主止弁４３及び第１排気排水弁５０を閉弁することで、燃料ガス配管系４０に燃料ガスを封止する（ステップＳ９２）。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下するまで待機する（ステップＳ９４）。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０の酸化ガスの酸素濃度が所定濃度に低下した後（ステップＳ９４：Ｙｅｓ）、第１排気排水弁５０を開弁する（ステップＳ９６）。これにより、酸化ガスが燃料オフガス排出配管２３から燃料オフガス排出配管４９を介して燃料オフガス循環配管４６に流入する。なお、酸化ガスが燃料オフガス排出配管４９を介して燃料オフガス循環配管４６に流入できるように、掃気処理を行う前に、気液分離器４７内の液水を除去しておく。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第１所定圧力に低下するまで待機する（ステップＳ９８）。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第１所定圧力に低下した後（ステップＳ９８：Ｙｅｓ）、調圧弁２４を閉弁した後、第２排気排水弁３０を開弁する（ステップＳ１００）。これにより、燃料ガス配管系４０のガス圧と大気圧との圧力差によって燃料電池１０内の水分が掃気される。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力より低いか否かを判断する（ステップＳ１０２）。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力よりも低い場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、掃気処理を終了する。一方、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第２所定圧力以上である場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、第２排気排水弁３０を閉弁した後、調圧弁２４を開弁する（ステップＳ１０４）。これにより、酸化ガスが燃料オフガス排出配管２３から燃料オフガス排出配管４９を介して燃料オフガス循環配管４６に流入する。

次いで、制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第３所定圧力に低下するまで待機する（ステップＳ１０６）。制御ユニット７０は、酸化ガス配管系２０のガス圧が第３所定圧力に低下した後（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、調圧弁２４を閉弁し、その後、第２排気排水弁３０を開弁する（ステップＳ１０８）。なお、必要に応じて、ステップＳ１０２以降と同様な処理をステップＳ１０８の後に繰り返し行ってもよい。

実施例４の燃料電池システム４００においても、酸素濃度が低下した酸化ガスを利用して燃料電池１０内の水分を掃気することができる。

図１１は、実施例５に係る燃料電池システム５００の構成を示す概略図である。図１１のように、燃料電池システム５００は、燃料電池１０に交流電圧が印加されたときの燃料電池１０の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測器８０を備える。インピーダンス計測器８０は、制御ユニット７０からの指令に応じて、燃料電池１０のアノードとカソードの間に交流電圧が印加されたときの燃料電池１０の交流インピーダンスを計測し、制御ユニット７０に送信する。例えば、インピーダンス計測器８０は、燃料電池１０に１０Ｈｚ以下の低周波の交流電圧が印加されたときの燃料電池１０の交流インピーダンスを計測する。低周波の交流インピーダンスの虚部は、燃料電池１０を構成するセル内の残留水の量に応じて変化する値であり、虚部の値が増大するほど残留水の量が多いことを示す。その他の構成は、図１の燃料電池システム１００と同じであるため説明を省略する。

燃料電池システム５００のように、燃料電池１０の交流インピーダンスを計測するインピーダンス計測器８０を備えていてもよい。制御ユニット７０は、インピーダンス計測器８０で計測された交流インピーダンスの値に基づいて掃気処理を実行するか否かを判断してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 燃料電池
２０ 酸化ガス配管系
２１ 酸化ガス供給配管
２２ コンプレッサ
２３ 酸化オフガス排出配管
２４ 調圧弁
２５ 圧力センサ
２６ 酸素濃度センサ
２７ ガス溜め部
２８、２９ 流入弁
３０ 排気排水弁
４０ 燃料ガス配管系
４１ 燃料ガス供給配管
４２ 水素タンク
４３ 主止弁
４４ レギュレータ
４５ 圧力センサ
４６ 燃料オフガス循環配管
４７ 気液分離器
４８ 循環ポンプ
４９ 燃料オフガス排出配管
５０ 排気排水弁
６０ 連通配管
６１ 連通弁
７０ 制御ユニット
８０ インピーダンス計測器
１００、２００、３００、４００、５００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される前記酸化ガスが流れる酸化ガス供給配管と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス排出配管と、を含む酸化ガス配管系と、
   前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが流れる燃料ガス供給配管と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給配管に循環させる燃料オフガス循環配管と、を含む燃料ガス配管系と、
   前記燃料ガス配管系から外部への前記燃料ガスの排出を許容又は遮断する第１バルブと、
   前記酸化ガス配管系と前記燃料ガス配管系とを連通する連通配管と、
   前記連通配管に設けられた第２バルブと、
   前記燃料電池の発電停止時に、前記酸化ガス配管系の前記酸化ガスの圧力が前記燃料ガス配管系の前記燃料ガスの圧力よりも高い状態で前記酸化ガスを前記酸化ガス配管系に封止し且つ前記燃料ガスを前記燃料ガス配管系に封止して前記酸化ガス配管系の前記酸化ガスの酸素濃度をクロスリークによって所定濃度に低下させた後、前記第２バルブを開弁して酸素濃度が低下した前記酸化ガスを前記酸化ガス配管系から前記連通配管を介して前記燃料ガス配管系に流入させ、前記酸化ガス配管系のガス圧が所定圧力まで低下又は前記燃料ガス配管系のガス圧が所定圧力まで上昇した後に前記第１バルブを開弁する制御ユニットと、を備える燃料電池システム。

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