JP5430856B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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、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、さらにカソード側電極が高電位となり易い。これにより、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、燃料電池の始動時に、この燃料電池のカソード側内部の少なくとも一部の空気が負圧になるように制御している。これにより、開放端電圧の上昇を抑えることができ、燃料電池のカソード側で発生する炭素被毒を抑制することが可能になる、としている。

特表２００６−５０７６４７号公報 特開２００５−１５８５５２号公報

上記の特許文献２では、燃料電池のカソード側に酸化剤ガスとして空気を供給するためのコンプレッサに、空気三方弁が接続されている。そして、コンプレッサからの空気を純水タンクに供給することで、ベンチュリー効果による負圧が発生し、カソード側の空気が前記純水タンクに吸引されることにより、前記カソード側の空気の圧力が負圧となっている。

しかしながら、上記のように、カソード側を減圧するために、大型で且つ消費電力の大きなコンプレッサを駆動させている。このため、エネルギの消費が増大し、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、燃料電池の減圧処理及び掃気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、酸化剤ガス流路に空気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、前記酸化剤ガス流路の下流に設けられる減圧ポンプとを備え、前記減圧ポンプは、前記酸化剤ガス流路の上流から前記酸化剤ガスを供給することなく前記酸化剤ガス流路の減圧処理を行った後、掃気空気を吸引し前記酸化剤ガス流路に前記掃気空気を供給するカソード掃気処理と、掃気空気を吸引し前記燃料ガス流路に前記掃気空気を供給するアノード掃気処理との少なくとも一方を行い、前記減圧ポンプの一次側は、前記酸化剤ガス流路の出口に連通するとともに、前記減圧ポンプの二次側は、前記酸化剤ガス流路の入口及び前記燃料ガス流路の入口に連通可能に構成されている。

さらに、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、燃料電池システムの発電を停止する停止工程と、前記停止工程後に、酸化剤ガス流路の出口に一次側が連通すると共に前記酸化剤ガス流路の入口及び前記燃料ガス流路の入口に二次側が連通可能な減圧ポンプが駆動されることにより、前記酸化剤ガス流路の上流から前記酸化剤ガスを供給することなく前記酸化剤ガス流路を吸引して減圧する第１減圧工程と、前記第１減圧工程後に、前記減圧ポンプが駆動されることにより、前記酸化剤ガス流路の入口に前記減圧ポンプの二次側から空気供給を行うことで前記酸化剤ガス流路への空気掃気を行うカソード空気掃気、又は前記燃料ガス流路の入口に前記減圧ポンプの二次側から空気供給を行うことで燃料ガス流路への空気掃気を行うアノード空気掃気の少なくとも一方を行う掃気工程と、を有している。

さらにまた、上記運転方法は、減圧ポンプが駆動されることにより、酸化剤ガス流路の上流から酸化剤ガスを供給することなく前記酸化剤ガス流路を吸引して減圧する第２減圧工程と、前記第２減圧工程後に、前記減圧ポンプの回転作用下に前記酸化剤ガス流路の減圧を継続しつつ、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給工程と、前記燃料ガス供給工程後に、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、前記酸化剤ガス供給工程後に、燃料電池システムを起動する起動工程と、を有することが好ましい。

本発明では、減圧ポンプを介して酸化剤ガス流路の減圧処理が行われている。このため、空気や滞留水が除去され、次いで行われる掃気時に、水素と空気との混在によるカソード側電極のさらなる高電位の発生を阻止することができる。これにより、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を抑制するとともに、始動性の向上を図ることが可能になる。

しかも、減圧処理及び掃気処理は、同一の減圧ポンプで行うことができる。従って、燃料電池システム全体を簡略且つ経済的に構成することが可能になる。特に、減圧ポンプは、酸化剤ガス供給装置を構成する空気ポンプに比べて小型化が図られるため、電力消費を良好に削減することができる。

図１は、本発明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エアポンプ４２を備え、前記エアポンプ４２が空気供給流路４４に配設される。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。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。

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。

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６０を備える。この空気排出流路６０は、加湿器５０を介して希釈装置５８に接続されるとともに、減圧流路６２に接続される。この減圧流路６２には、水トラップ６３及び減圧ポンプ６４が配設されており、前記減圧流路６２が希釈装置５８に接続される。

減圧流路６２には、減圧ポンプ６４の上流近傍に位置してパージ空気供給流路６５の一端が接続され、このパージ空気供給流路６５の他端は、バイパス流路５４に接続される。減圧流路６２には、減圧ポンプ６４の下流近傍に位置してパージ流路６６の一端が接続される一方、前記パージ流路６６の他端は、後述する水素供給流路６８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６７を備え、この水素タンク６７は、水素供給流路６８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６８には、レギュレータ６９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７２ａ、７２ｂを介して連通可能である。分岐流路７２ａ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７４が連通するとともに、前記オフガス流路７４に水素循環路７６が連通する。オフガス流路７４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６７から供給される水素ガスを、水素供給流路６８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１４開閉バルブ８０ｎを備える。具体的には、第１開閉バルブ８０ａは、分岐流路７２ｂ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７２ｂ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７２ａ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７２ａに前記空気導入流路４８と水素供給流路６８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６８にレギュレータ６９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６０に加湿器５０の上流側に位置して配置される。

第１０開閉バルブ８０ｊは、オフガス流路７４に配置されるとともに、第１１開閉バルブ８０ｋは、減圧流路６２に減圧ポンプ６４の上流側に配置される。第１２開閉バルブ８０ｌは、パージ流路６６に配置される一方、第１３開閉バルブ８０ｍは、減圧流路６２に希釈装置５８に近接して配置される。第１４開閉バルブ８０ｎは、パージ空気供給流路６５に配置される。

水トラップ６３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６８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、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、第８開閉バルブ８０ｈ及び第１１開閉バルブ８０ｋ〜第１４開閉バルブ８０ｎ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、図４に示すように、水素タンク６７から水素供給流路６８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６９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７４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６８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６０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に示すように、第５開閉バルブ８０ｅ、第６開閉バルブ８０ｆ及び第１０開閉バルブ８０ｊが閉じられるとともに、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が開放される。さらに、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の減圧処理（カソード極減圧）が行われる。この減圧処理時には、第２開閉バルブ８０ｂ及び第９開閉バルブ８０ｉが閉じられる一方、第１１開閉バルブ８０ｋ及び第１３開閉バルブ８０ｍが開放される。この状態で、減圧ポンプ６４が駆動される。このため、図６に示すように、減圧ポンプ６４の一次側（吸い込み側）は、減圧流路６２を介して酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ側が閉塞されている。

従って、減圧ポンプ６４の回転が開始されると、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。

第１圧力センサ８４ａを介して、酸化剤ガス流路３４が所定の減圧状態に至ったことが確認されると、所定の時間だけ保持された後に、燃料ガス流路３６の空気掃気（アノード空気掃気）に移行する（ステップＳ４）。このアノード空気掃気時には、図３及び図７に示すように、第１１開閉バルブ８０ｋ及び第１３開閉バルブ８０ｍが閉じられるとともに、第１０開閉バルブ８０ｊ、第１２開閉バルブ８０ｌ及び第１４開閉バルブ８０ｎが開放される。

このため、減圧ポンプ６４を介して、パージ流路６６から水素供給流路６８に空気が供給され、この空気は、燃料ガス流路３６に導入されることにより、前記燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスは、オフガス流路７４から希釈装置５８に排出される。その際、減圧ポンプ６４の一次側は、パージ空気供給流路６５からエアフィルタ５２に連通しており、外部空気をパージ用空気として吸引している。

燃料ガス流路３６の空気掃気が行われた後、ステップＳ５に進んで、酸化剤ガス流路３４の空気掃気（カソード空気掃気）が行われる。図３及び図８に示すように、カソード空気掃気時には、第１０開閉バルブ８０ｊが閉じられる一方、第１開閉バルブ８０ａ、第２開閉バルブ８０ｂ及び第９開閉バルブ８０ｉが開放される。従って、減圧ポンプ６４を介してパージ流路６６に供給される空気は、水素供給流路６８から分岐流路７２ｂを通って、空気供給流路４４に送られ、酸化剤ガス流路３４に導入される。これにより、酸化剤ガス流路３４の空気掃気が行われ、この酸化剤ガス流路３４から排出される空気は、希釈装置５８に排出される。

上記のカソード空気掃気が行われた後、ステップＳ６に進んで、掃気終了状態に至る。図３及び図９に示すように、掃気終了時には、第１開閉バルブ８０ａ、第７開閉バルブ８０ｇ、第１２開閉バルブ８０ｌ及び第１４開閉バルブ８０ｎが閉じられるとともに、第４開閉バルブ８０ｄ及び第１０開閉バルブ８０ｊが開放される。

そして、減圧ポンプ６４が停止されることにより、掃気が終了され、燃料ガス流路３６及び酸化剤ガス流路３４内の空気が大気圧になることにより、ソークに移行する（ステップＳ７）。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Ｓ８に進んで、酸化剤ガス流路３４の減圧処理が施される。図３及び図６に示すように、第２開閉バルブ８０ｂ、第４開閉バルブ８０ｄ、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７開閉バルブ８０ｇ、第１１開閉バルブ８０ｋ及び第１３開閉バルブ８０ｍが開放される。従って、減圧ポンプ６４の回転作用下に、酸化剤ガス流路３４内の空気が吸引され、前記酸化剤ガス流路３４が減圧される。

そして、酸化剤ガス流路３４が所定の減圧状態に至った後、ステップＳ９に進んで、燃料ガス流路３６に燃料ガスの供給（水素投入）が開始される。このステップＳ９では、図３及び図１０に示すように、第５開閉バルブ８０ｅ及び第１０開閉バルブ８０ｊが開放される。このため、水素タンク６７から水素供給流路６８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、酸化剤ガス流路３４では、減圧ポンプ６４の回転作用下に、減圧処理が継続して行われている。

次いで、ステップＳ１０に進んで、酸化剤ガス流路３４に空気の供給（空気投入）が開始される。このステップＳ１０では、図３及び図１１に示すように、第３開閉バルブ８０ｃ、第７開閉バルブ８０ｇ、第８開閉バルブ８０ｈ、第１１開閉バルブ８０ｋ及び第１２開閉バルブ８０ｍが閉じられる一方、第２開閉バルブ８０ｂ、第６開閉バルブ８０ｆ及び第９開閉バルブ８０ｉが開放される。そして、減圧ポンプ６４が停止されるとともに、エアポンプ４２が回転駆動される。

これにより、図１１に示すように、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から燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路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６０から加湿器５０を通って希釈装置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Ｓ１１）。

この場合、本実施形態では、燃料電池システム１０の発電停止後及び（又は）前記燃料電池システム１０の起動前に、酸化剤ガス流路３４を減圧する工程が行われている（ステップＳ３及びステップＳ８）。

ここで、図１２に示すように、燃料電池システム１０の停止時や起動時に、カソード側電極２６及びアノード側電極２８に空気が残存した状態で、前記アノード側電極２８に燃料ガスが供給されると、電解質膜・電極構造体３０内で電極反応が惹起され易い。従って、特に、反応Ｂにおいて、カソード側電極２６にさらなる高電位が発生する。

このため、燃料電池システム１０の停止時に、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６に対し空気による掃気が行われると、この燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスに空気が混在し、図１３に示すように、カソード側電極２６に高電位が発生してしまう。一方、燃料電池システム１０の起動時に、酸化剤ガス流路３４に空気が供給されるとともに、燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給されると（実ガス掃気）、この燃料ガス流路３６に残存する空気と燃料ガスとが混在し、カソード側電極２６に高電位が発生してしまう（図１４参照）。

そこで、本実施形態では、燃料電池システム１０の停止時に、先ず、酸化剤ガス流路３４に減圧処理が施されている。このため、図１２において、カソード側電極２６から酸素及び水を除去することにより、反応Ａ及び反応Ｂを抑制した状態で、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６に空気掃気処理が施されている。これにより、図１５に示すように、カソード側電極２６にさらなる高電位が発生することを確実に阻止することができる。

さらに、燃料電池システム１０の起動時には、先ず、酸化剤ガス流路３４に減圧処理が施されて、同様にカソード側電極２６から酸素及び水を除去した後、前記酸化剤ガス流路３４に空気が供給される一方、燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給されている。これにより、図１６に示すように、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給時に、カソード側電極２６にさらなる高電位が発生することを確実に阻止することができる。従って、特に、カソード側電極２６の電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下を抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、本実施形態では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理と掃気処理とは、同一の減圧ポンプ６４によって行うことができる。このため、燃料電池システム１０全体を簡略且つ経済的に構成すること可能になる。特に、減圧ポンプ６４は、燃料ガス供給装置１６を構成するエアポンプ４２に比べて小型化が図られるため、電力消費を良好に削減することができ、経済的であるという利点がある。

なお、本実施形態では、酸化剤ガス流路３４に減圧処理を施しているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料ガス流路３６のみに減圧処理を施すことにより、図１２において、アノード側電極２８の酸素を除去し、反応Ｄを抑制することができる。また、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の双方に減圧処理を施すことにより、図１２中、反応Ａ、Ｂ及びＤを抑制することが可能になる。

本発明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。 前記運転方法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発電停止時の説明図である。 酸化剤ガス流路の減圧時の説明図である。 燃料ガス流路の空気掃気時の説明図である。 前記酸化剤ガス流路の空気掃気時の説明図である。 前記空気掃気終了時の説明図である。 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。 燃料電池の電極反応の説明図である。 従来の燃料電池システム停止時の電位説明図である。 従来の燃料電池システム起動時の電位説明図である。 本実施形態の燃料電池システム停止時の電位説明図である。 本実施形態の燃料電池システム起動時の電位説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…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
５４…バイパス流路 ５８…希釈装置
６４…減圧ポンプ ６５…パージ空気供給流路
６６…パージ流路 ６７…水素タンク
６８…水素供給流路 ７０…エゼクタ
８０ａ〜８０ｎ…開閉バルブ

Claims (3)

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空気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、
   前記酸化剤ガス流路の下流に設けられる減圧ポンプと、
   を備え、
   前記減圧ポンプは、前記酸化剤ガス流路の上流から前記酸化剤ガスを供給することなく前記酸化剤ガス流路の減圧処理を行った後、掃気空気を吸引し前記酸化剤ガス流路に前記掃気空気を供給するカソード掃気処理と、掃気空気を吸引し前記燃料ガス流路に前記掃気空気を供給するアノード掃気処理との少なくとも一方を行い、
   前記減圧ポンプの一次側は、前記酸化剤ガス流路の出口に連通するとともに、
   前記減圧ポンプの二次側は、前記酸化剤ガス流路の入口及び前記燃料ガス流路の入口に連通可能に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 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、
   前記燃料電池システムの発電を停止する停止工程と、
   前記停止工程後に、前記酸化剤ガス流路の出口に一次側が連通すると共に前記酸化剤ガス流路の入口及び前記燃料ガス流路の入口に二次側が連通可能な減圧ポンプが駆動されることにより、前記酸化剤ガス流路の上流から前記酸化剤ガスを供給することなく前記酸化剤ガス流路を吸引して減圧する第１減圧工程と、
   前記第１減圧工程後に、前記減圧ポンプが駆動されることにより、前記酸化剤ガス流路の入口に前記減圧ポンプの二次側から空気供給を行うことで前記酸化剤ガス流路への空気掃気を行うカソード空気掃気、又は前記燃料ガス流路の入口に前記減圧ポンプの二次側から空気供給を行うことで前記燃料ガス流路への空気掃気を行うアノード空気掃気の少なくとも一方を行う掃気工程と、
   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。
3. 請求項２記載の運転方法において、
   前記減圧ポンプが駆動されることにより、前記酸化剤ガス流路の上流から前記酸化剤ガスを供給することなく前記酸化剤ガス流路を吸引して減圧する第２減圧工程と、
   前記第２減圧工程後に、前記減圧ポンプの回転作用下に前記酸化剤ガス流路の減圧を継続しつつ、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工程と、
   前記燃料ガス供給工程後に、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給工程と、
   前記酸化剤ガス供給工程後に、前記燃料電池システムを起動する起動工程と、
   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。

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