JP5449680B2 - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤ガス供給装置及び燃料ガス供給装置と、燃料電池とを有するとともに、前記燃料ガス供給装置は、アノード側電極から排出される燃料ガスを、循環流路を介して前記アノード側電極の入口側に戻す燃料ガス循環用ポンプを設ける燃料電池システム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が開始される際に水素と空気とが混在し、カソード側電極がさらに高電位となり易い。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、簡単且つ経済的に、燃料電池の減圧処理及び置換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の運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤ガス流路を介してカソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置及び燃料ガス流路を介してアノード側電極に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とを有するとともに、前記燃料ガス供給装置は、前記アノード側電極から排出される前記燃料ガスを、循環流路を介して前記アノード側電極の入口側に戻す燃料ガス循環用ポンプを設け、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給するエアポンプを設け、前記燃料ガス流路の入口側と前記酸化剤ガス流路の入口側とが、前記エアポンプよりも前記燃料電池側に設けられる分岐流路を介して接続されてい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停止時に、燃料ガス流路の入口側を閉塞した状態で燃料ガス循環用ポンプが駆動されることにより、前記燃料ガス流路を吸引して減圧する第１減圧工程と、前記燃料ガス循環用ポンプを停止した状態で、自然空気掃気によって、少なくとも前記燃料ガス流路を空気に置換する第１置換工程と、前記第１置換工程の後に、エアポンプを用いた強制空気掃気により分岐流路を介して前記燃料ガス流路に空気を導入する工程と、を有している。

また、この運転方法は、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス流路の入口側を閉塞した状態で燃料ガス循環用ポンプが駆動されることにより、前記燃料ガス流路を吸引して減圧する第２減圧工程と、前記燃料ガス流路を燃料ガスに置換する第２置換工程とを有している。

さらに、この運転方法は、第２減圧工程及び第２置換工程の後に、前記第２減圧工程が所定回数だけ行われたか否かを判断する工程を有し、前記第２減圧工程が前記所定回数行われなかった場合には再度前記第２減圧工程及び前記第２置換工程を行うことが好ましい。

本発明では、燃料電池システムの停止時に、燃料ガス循環用ポンプを介して燃料ガス流路の減圧処理が行われている。従って、燃料ガス流路に残存する燃料ガスや滞留水が除去されるとともに、前記燃料ガス流路が減圧されているため、前記燃料ガスを空気に迅速且つ確実に置換することができる。このため、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可能になる。これにより、燃料ガス流路におけるガス交換性の向上及び生成水の排水性の向上が容易に図られる。

また、本発明では、燃料電池システムの起動時に、燃料ガス循環用ポンプを介して燃料ガス流路の減圧処理が行われている。従って、燃料ガス流路に残存する空気や滞留水が除去されるとともに、前記燃料ガス流路が減圧されているため、前記空気を燃料ガスに迅速且つ確実に置換することができる。このため、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可能になる。これにより、燃料ガス流路におけるガス交換性の向上及び生成水の排水性の向上が容易に図られる。

しかも、燃料電池システムの停止時や始動時において、燃料ガス流路の減圧処理は、燃料ガス循環用ポンプにより行われている。このため、減圧処理専用のポンプを設ける必要がなく、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できる。

図１は、本発明の第１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の上流側の端部は、アノード側空気導入流路４６と共に空気導入流路４８に合流する。

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。

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５６を備える。この空気排出流路５６は、加湿器５０を介して希釈装置５８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６０を備え、この水素タンク６０は、水素供給流路６２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６２には、レギュレータ６４及びエゼクタ６６が設けられるとともに、前記水素供給流路６２の途上には、アノード側空気導入流路４６が合流する。アノード側空気導入流路４６と空気供給流路４４のエアポンプ４２の下流とは、分岐流路６８を介して連通可能である。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０は、水トラップ７２を介装して希釈装置５８に接続される一方、前記水トラップ７２の排水路７４は、前記オフガス流路７０の途上に接続される。オフガス流路７０には、水トラップ７２の下流に水素循環路７６が接続されるとともに、前記水素循環路７６は、燃料ガス循環用ポンプ７８を介してエゼクタ６６に連通する。

エゼクタ６６は、水素タンク６０から供給される水素ガスを、水素供給流路６２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。

水素循環路７６の途上には、燃料ガス循環用ポンプ７８の下流に位置してアノード側排気流路７９の一端が接続される。このアノード側排気流路７９の他端は、排水路７４と同様にオフガス流路７０に接続される。

開閉弁装置１８は、第１開閉バルブ８０ａ〜第８開閉バルブ８０ｈを備える。具体的には、第１開閉バルブ８０ａは、水素供給流路６２に配置され、第２開閉バルブ８０ｂは、アノード側排気流路７９に配置される。第３開閉バルブ８０ｃは、アノード側空気導入流路４６に配置され、第４開閉バルブ８０ｄは、分岐流路６８に配置される。

第５開閉バルブ８０ｅは、排水路７４に配置され、第６開閉バルブ８０ｆは、オフガス流路７０に水トラップ７２の下流に位置して配置される。第７開閉バルブ８０ｇは、空気排出流路５６に配置され、第８開閉バルブ８０ｈは、バイパス流路５４に配置される。

空気供給流路４４及び水素供給流路６２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８２ａと第２圧力センサ８２ｂ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、第１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２開閉バルブ８０ｂ〜第６開閉バルブ８０ｆ及び第８開閉バルブ８０ｈが閉じられる一方、第１開閉バルブ８０ａ及び第７開閉バルブ８０ｇ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６０から水素供給流路６２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６４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７０に排出される燃料ガスは、水トラップ７２で水分が除去された後、水素循環路７６を通ってエゼクタ６６に吸引され、水素供給流路６２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５６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に導入される。

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１開閉バルブ８０ａが閉じられるとともに、第２開閉バルブ８０ｂ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、燃料ガス流路３６の減圧処理（アノード極減圧）が行われる。この減圧処理時には、燃料ガス循環用ポンプ７８が駆動され、燃料ガス流路３６が吸引される一方、前記燃料ガス流路３６の燃料ガス入口連通孔４０ａ側が閉塞されている。

従って、燃料ガス流路３６が吸引されることにより、この燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスは、水素循環路７６からアノード側排気流路７９を通って希釈装置５８に排出される。これにより、燃料ガス流路３６が減圧される。

第２圧力センサ８２ｂを介して、燃料ガス流路３６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の空気置換（アノード自然空気掃気）に移行する（ステップＳ４）。このアノード自然空気掃気時には、図３及び図６に示すように、燃料ガス循環用ポンプ７８が停止され、第２開閉バルブ８０ｂが閉じられるとともに、第３開閉バルブ８０ｃ及び第８開閉バルブ８０ｈが開放される。

このため、減圧された燃料ガス流路３６は、燃料ガス入口連通孔４０ａ側がアノード側空気導入流路４６からエアフィルタ５２に連通している。従って、外部空気は、パージ用空気として燃料ガス流路３６に吸引される。

燃料ガス流路３６の空気置換が行われ、この燃料ガス流路３６が大気圧に至った後、ステップＳ５に進んで、酸化剤ガス流路３４及び前記燃料ガス流路３６の強制空気掃気（カソード強制空気掃気）が行われる。図３及び図７に示すように、カソード強制空気掃気時には、第３開閉バルブ８０ｃが閉じられるとともに、第４開閉バルブ８０ｄが開放される一方、エアポンプ４２が駆動される。

これにより、エアポンプ４２を介して空気供給流路４４に外部の空気が送られ、前記空気の一部分は、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから酸化剤ガス流路３４に強制的に供給される。空気の残余の部分は、分岐流路６８及び水素供給流路６２を介して燃料ガス入口連通孔４０ａから燃料ガス流路３６に強制的に供給される。

従って、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の空気掃気が行われる。酸化剤ガス流路３４から排出される空気は、空気排出流路５６を通って希釈装置５８に排出される。

上記のカソード強制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８に示すように、掃気終了時には、エアポンプ４２が停止されるとともに、第４開閉バルブ８０ｄ、第７開閉バルブ８０ｇ及び第８開閉バルブ８０ｈが閉じられる。

そして、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、燃料ガス流路３６の減圧処理が施される。図３及び図９に示すように、第２開閉バルブ８０ｂが開放されるとともに、燃料ガス循環用ポンプ７８が駆動される。従って、燃料ガス循環用ポンプ７８の回転作用下に、燃料ガス流路３６内の空気が吸引され、前記燃料ガス流路３６が減圧される。

そして、燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至った後、ステップＳ９に進んで、前記燃料ガス流路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、燃料ガス循環用ポンプ７８が停止され、第２開閉バルブ８０ｂが閉じられるとともに、第１開閉バルブ８０ａが開放される。このため、水素タンク６０から水素供給流路６２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に吸引される。

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７開閉バルブ８０ｇが開放される一方、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５６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、第１の実施形態では、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、燃料ガス流路３６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、燃料電池システム１０の停止時や起動時に、アノード側電極２８に空気と燃料ガスとの混在が発生すると、図１２に示すような反応や、触媒燃焼による固体高分子電解質膜２４の劣化や、触媒のシンタリングによる劣化等が誘発される。

従って、燃料電池システム１０の発電停止後に燃料ガス流路３６を減圧し、次に、この燃料ガス流路３６に空気を供給してエアパージを行うことにより、前記燃料ガス流路３６での空気と燃料ガスとの混在を防止するとともに、滞留水の積極的な除去が可能になる。このため、空気と燃料ガスの混在によるカソード側電極２６のさらなる高電位の発生を阻止することが可能になる。これにより、燃料ガス流路３６における燃料ガスから空気へのガス交換性の向上及び生成水の排水性の向上が容易に図られるという効果が得られる。

さらに、燃料電池システム１０の起動前に、燃料ガス流路３６を減圧した後、この燃料ガス流路３６に燃料ガスを供給することにより、前記燃料ガス流路３６での空気と燃料ガスとの混在を防止している。従って、アノード側電極２８側の水素基準電位の到達遅れによるカソード側電極２６側下流部の一時的な高電位の発生を抑制することができる。

しかも、燃料電池システム１０の停止時や始動時において、燃料ガス流路３６の減圧処理は、燃料ガス循環用ポンプ７８により行われている。このため、減圧処理専用のポンプを設ける必要がなく、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が可能になるという利点がある。

その際、燃料ガス循環用ポンプ７８の吸い込み口側には、水トラップ７２が配置されている。これにより、燃料ガス循環用ポンプ７８に水が混入することを確実に阻止することができ、前記燃料ガス循環用ポンプ７８を長期間にわたって良好に使用することが可能になる。

図１３は、本発明の第２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り、図１４は、そのタイミングチャートである。

なお、この第２の実施形態は、燃料電池システム１０を用いており、第１の実施形態と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、燃料電池システム１０の発電（ステップＳ２１）から停止後の燃料ガス流路３６の減圧処理、ソーク、起動前の前記燃料ガス流路３６の減圧処理、前記燃料ガス流路３６の水素投入（ステップＳ２９）までの処理は、第１の実施形態のステップＳ１〜ステップＳ９と同様に行われる。

そして、ステップＳ２９の後、ステップＳ３０に進んで、起動前に燃料ガス流路３６の減圧処理が所定の回数だけ行われたか否かが判断される。ここで、減圧処理が所定の回数に満たないと判断されると（ステップＳ３０中、ＮＯ）、ステップＳ２８に戻って、再度、燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。この減圧処理は、図９に示すように行われる。

さらに、ステップＳ２９に進んで、燃料ガス流路３６の水素投入が行われた後、ステップＳ３０で上記のステップＳ２８及びステップＳ２９が所定の回数だけ行われたか否かが判断される。その際、ステップＳ２８及びステップＳ２９が所定の回数だけ繰り返されたと判断されると（ステップＳ３０中、ＹＥＳ）、ステップＳ３１に進んで、酸化剤ガス流路３４に空気が導入される（図１１参照）。

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、燃料電池システム１０の起動が開始される（ステップＳ３２）。

この場合、第２の実施形態では、ステップＳ２８〜ステップＳ３０に示すように、燃料ガス流路３６の減圧処理と前記燃料ガス流路３６の水素パージ（水素投入）処理とが、所定の回数だけ繰り返し行われている。これにより、燃料電池システム１０の起動時に、燃料電池スタック１２内の排水性の一層の向上を図るとともに、前記燃料電池システム１０のガス置換能力の向上が容易に図られるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第３の実施形態に係る運転方法を実施するための燃料電池システム９０の概略構成図である。なお、燃料電池システム１０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。

燃料電池システム９０は、分岐流路６８を削除するとともに、開閉弁装置１８に代えて開閉弁装置９２を備える。開閉弁装置９２は、第１開閉バルブ９４ａ〜第７開閉バルブ９４ｇを設ける。第１開閉バルブ９４ａ〜第７開閉バルブ９４ｇは、開閉弁装置１８を構成する第１開閉バルブ８０ａ〜第３開閉バルブ８０ｃと同一である一方、第４開閉バルブ９４ｄ〜第７開閉バルブ９４ｇは、第５開閉バルブ８０ｅ〜第８開閉バルブ８０ｈと同一である。

このように構成される燃料電池システム９０の動作について、本発明の第３の実施形態に係る運転方法との関連で、図１６に示すフローチャート及び図１７に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。なお、燃料電池システム９０の具体的な動作は、上記の燃料電池システム１０と同様であり、その詳細な動作説明は省略する。

先ず、燃料電池システム９０の発電時には、図１７及び図１８に示すように、第２開閉バルブ９４ｂ〜第５開閉バルブ９４ｅ及び第７開閉バルブ９４ｇが閉じられる一方、第１開閉バルブ９４ａ及び第６開閉バルブ９４ｆ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Ｓ１０１）。

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Ｓ１０２）、図１７及び図１９に示すように、第１開閉バルブ９４ａが閉じられるとともに、第２開閉バルブ９４ｂ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Ｓ１０３に進んで、燃料ガス流路３６の減圧処理（アノード極減圧）が行われた後（図１９参照）、前記燃料ガス流路３６の空気置換（アノード自然空気掃気）に移行する（ステップＳ１０４）。このアノード空気掃気時には、図１７及び図２０に示すように、燃料ガス循環用ポンプ７８が停止されるとともに、第２開閉バルブ９４ｂが閉塞される一方、第３開閉バルブ９４ｃ及び第７開閉バルブ９４ｇが開放される。

このため、減圧された燃料ガス流路３６には、エアフィルタ５２からの外部空気がパージ用空気として吸引される。燃料ガス流路３６の空気置換が行われ、この燃料ガス流路３６が大気圧に至った後、第３開閉バルブ９４ｃが閉じられる（図１７及び図２１参照）。これにより、アノード空気掃気が終了する（ステップＳ１０５）。

その後、図１７及び図２２に示すように、第６開閉バルブ９４ｆ及び第７開閉バルブ８０ｇが閉じられる。そして、燃料ガス流路３６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Ｓ１０６）。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９０の起動が開始される際には、先ず、ステップＳ１０７に進んで、燃料ガス流路３６の減圧処理が施される。図１７及び図２３に示すように、第２開閉バルブ９４ｂが開放されるとともに、燃料ガス循環用ポンプ７８が駆動される。従って、燃料ガス循環用ポンプ７８の回転作用下に、燃料ガス流路３６内の空気が吸引され、前記燃料ガス流路３６が減圧される。

そして、燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至った後、ステップＳ１０８に進んで、前記燃料ガス流路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Ｓ１０８では、図１７及び図２４に示すように、燃料ガス循環用ポンプ７８が停止され、第２開閉バルブ９４ｂが閉じられるとともに、第１開閉バルブ９４ａが開放される。このため、水素タンク６０から水素供給流路６２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に吸引される。

次いで、ステップＳ１０９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Ｓ１０９では、図１７及び図２５に示すように、第６開閉バルブ９４ｆが開放される一方、エアポンプ４２が回転駆動される。これにより、エアフィルタ５２から吸引された空気は、各酸化剤ガス流路３４に送られる。

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９０の起動が開始される（ステップＳ１１０）。

この場合、第３の実施形態では、燃料ガス流路３６における燃料ガスから空気へのガス交換性の向上及び生成水の排水性の向上が容易に図られるとともに、燃料電池システム９０全体を簡略且つ経済的に構成することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図２６は、本発明の第４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り、図２７は、そのタイミングチャートである。

なお、この第４の実施形態は、燃料電池システム９０を用いており、第３の実施形態と同一の工程については、その詳細な説明は省略する。

この第４の実施形態では、燃料電池システム９０の発電（ステップＳ１２１）から停止後の燃料ガス流路３６の減圧処理及び前記燃料ガス流路３６の自然空気掃気（ステップＳ１２４）までの処理は、第３の実施形態のステップＳ１０１〜ステップＳ１０４と同様に行われる。

そして、ステップＳ１２４の後、ステップＳ１２５に進んで、発電停止後に燃料ガス流路３６の減圧処理が所定の回数だけ行われたか否かが判断される。ここで、減圧処理が所定の回数に満たないと判断されると（ステップＳ１２５中、ＮＯ）、ステップＳ１２３に戻って、再度、燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。

さらに、ステップＳ１２４に進んで、燃料ガス流路３６の自然空気掃気が行われた後、ステップＳ１２５で上記のステップＳ１２３及びステップＳ１２４が所定の回数だけ行われたか否かが判断される。その際、ステップＳ１２３及びステップＳ１２４が所定の回数だけ繰り返されたと判断されると（ステップＳ１２５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２６に進む。従って、第３開閉バルブ９４ｃが閉じられることにより掃気が終了され（ステップＳ１２６）、ソーク処理に移行する（ステップＳ１２７）。

次いで、燃料電池システム９０の起動が開始される際には、第３の実施形態のステップＳ１０７〜ステップＳ１１０と同様に、ステップＳ１２８〜ステップＳ１３１が行われる。

この場合、第４の実施形態では、ステップＳ１２３〜ステップＳ１２５に示すように、発電停止後に燃料ガス流路３６の減圧処理と前記燃料ガス流路３６の自然空気掃気処理とが、所定の回数だけ繰り返し行われている。これにより、燃料電池システム１０の停止時に、燃料電池スタック１２内の排水性の一層の向上を図るとともに、前記燃料電池システム１０のガス置換能力の向上が容易に図られるという効果が得られる。

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。 本発明の第１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。 前記第１の実施形態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減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムのアノード側の自然空気掃気時の説明図である。 自然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ソーク時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧時の説明図である。 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。 本発明の第２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。 前記第２の実施形態におけるタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る運転方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。 前記第３の実施形態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減圧時の説明図である。 前記燃料電池システムのアノード側の自然空気掃気時の説明図である。 前記自然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ソーク時の説明図である。 前記燃料電池システムの減圧停止時の説明図である。 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。 本発明の第４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。 前記第４の実施形態におけるタイミングチャートである。

符号の説明

１０、９０…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、９２…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
４４…空気供給流路 ５０…加湿器
５６…空気排出流路 ６０…水素タンク
６２…水素供給流路 ６６…エゼクタ
６８…分岐流路 ７０…オフガス流路
７２…水トラップ ７６…水素循環路
７８…燃料ガス循環用ポンプ ７９…アノード側排気流路
８０ａ〜８０ｈ、９４ａ〜９４ｇ…開閉バルブ

Claims (3)

1. 酸化剤ガス流路を介してカソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置及び燃料ガス流路を介してアノード側電極に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とを有するとともに、前記燃料ガス供給装置は、前記アノード側電極から排出される前記燃料ガスを、循環流路を介して前記アノード側電極の入口側に戻す燃料ガス循環用ポンプを設け、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給するエアポンプを設け、前記燃料ガス流路の入口側と前記酸化剤ガス流路の入口側とが、前記エアポンプよりも前記燃料電池側に設けられる分岐流路を介して接続されてい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停止時に、前記燃料ガス流路の入口側を閉塞した状態で前記燃料ガス循環用ポンプが駆動されることにより、前記燃料ガス流路を吸引して減圧する第１減圧工程と、
   前記燃料ガス循環用ポンプを停止した状態で、自然空気掃気によって、少なくとも前記燃料ガス流路を空気に置換する第１置換工程と、
   前記第１置換工程の後に、前記エアポンプを用いた強制空気掃気により前記分岐流路を介して前記燃料ガス流路に空気を導入する工程と、
   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。
2. 請求項１記載の運転方法において、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス流路の入口側を閉塞した状態で前記燃料ガス循環用ポンプが駆動されることにより、前記燃料ガス流路を吸引して減圧する第２減圧工程と、
   前記燃料ガス流路を前記燃料ガスに置換する第２置換工程と、
   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、前記第２減圧工程及び前記第２置換工程の後に、前記第２減圧工程が所定回数だけ行われたか否かを判断する工程を有し、前記第２減圧工程が前記所定回数行われなかった場合には再度前記第２減圧工程及び前記第２置換工程を行う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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