JP5513760B2 - 燃料電池システムの運転停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤ガス及び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停止方法に関する。

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（ＭＥＡ）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、電極触媒が劣化す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システムが知られている。この燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの酸化剤極側の上流及び下流に設けられ、弁閉されることで酸化剤極側への外気の流入を規制する規制弁と、前記燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御する負荷取り出し手段と、前記規制弁の開閉及び前記負荷取り出し手段の電流の取り出しを制御する制御手段とを備えている。そして、制御手段は、システム停止時に規制弁を閉じ、前記規制弁を閉じた後に負荷取り出し手段を作動させて電流を取り出している。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの酸化剤極側の上流及び下流に設けられ、弁閉されることで酸化剤極側への外気の流入を規制する規制弁と、前記燃料電池スタックから電流を取り出すときの電流値又は前記燃料電池スタックから電流を取り出す際の電圧値を制御する負荷取り出し手段と、前記規制弁の開閉及び負荷取り出し手段の電流の取り出しを制御する制御手段とを備えている。そして、制御手段は、システム停止時に負荷取り出し手段を作動させて電流を取り出し、電流取り出し開始後に規制弁を閉じている。

特開２００８−１０１９８号公報 特開２００８−１０１８８号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、システム停止時に、先ず、酸化剤極側の上流及び下流の規制弁を閉じることにより、前記酸化剤極側を封止した状態で、負荷取り出し手段による電流取り出し（ディスチャージ）を行うため、電流取り出し後に、前記酸化剤極側が相当な負圧状態となっている。このため、燃料電池システムの運転停止中に、酸化剤極側に外部から空気が流入するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、システム停止時に負荷取り出し手段による電流の取り出しが行われた後、酸化剤極側の上流及び下流の規制弁が閉じられている。従って、電流の取り出し時に、酸化剤極側の下流から空気が逆流する場合がある。これにより、酸化剤極の下流から塵埃等の混入した空気が流入し易く、例えば、規制弁のシール性に影響を及ぼすという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、カソード側に外部空気が不要に流入することを確実に阻止し、良好なディスチャージ処理を行うことが可能な燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給通路に配置される第１開閉弁と、前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出通路に配置される第２開閉弁と、前記燃料電池から電気的出力を得る電気的出力部とを備える燃料電池システムの運転停止方法に関するものである。

この運転停止方法は、燃料電池の運転を停止するか否かを判断する工程と、前記燃料電池の運転を停止すると判断した際に、酸化剤ガス供給部を停止させる工程と、前記酸化剤ガス供給部が停止された後、第１開閉弁を開放させた状態で、第２開閉弁を閉塞させる工程と、前記第２開閉弁が閉塞された後、電気的出力部により電気的出力を取り出す工程とを有している。

また、この運転停止方法は、電気的出力の取り出しが設定条件を満たしたと判断された際に、前記電気的出力の取り出しを停止する工程と、前記電気的出力の取り出しが停止された後、第１開閉弁を閉塞させる工程とを有することが好ましい。

さらに、この運転停止方法は、電気的出力の取り出しが第１の設定条件を満たしたと判断された際に、第１開閉弁を閉塞させる工程と、前記電気的出力の取り出しが第２の設定条件を満たしたと判断された際に、前記電気的出力の取り出しを停止する工程と有することが好ましい。

さらにまた、この運転停止方法は、第１の設定条件が、電気的出力部により取り出される電気的出力である電流の積算値に基づいて設定されることが好ましい。

本発明では、酸化剤ガス供給部が停止された後、第２開閉弁が閉塞されてカソードの出口側のみが閉塞される。この状態で、電気的出力部により電気的出力が取り出されてディスチャージ処理が行われるため、第１開閉弁側からの空気の流入が許容される。従って、カソードの出口側からの空気の逆流が可及的に阻止され、外部の塵埃等が流入することを抑制することができ、例えば、第２開閉弁のシール性に影響を与えることがない。

しかも、ディスチャージ処理時には、第１開閉弁が開放されている。これにより、カソードが密封されることがなく、前記カソードに過大な負圧状態が発生することを阻止することが可能になる。このため、システム停止中に、カソード側に外部の空気が流入することを可及的に阻止することができる。

本発明に係る運転停止方法が適用され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停止方法を説明するフローチャートである。 前記運転停止方法を説明するタイムチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。 前記運転停止方法を説明するタイムチャートである。

図１に示すように、本発明に係る運転停止方法が適用される燃料電池システム１０は、酸化剤ガス（以下、単に空気ともいう）及び燃料ガス（以下、単に水素ともいう）の電気化学反応により発電する燃料電池１２と、前記燃料電池１２に水素を供給する燃料ガス供給装置１４と、前記燃料電池１２に空気を供給する空気供給装置１６とを備える。

燃料電池１２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１７を、カソード電極１８ａとアノード電極１８ｂとで挟持して構成される。

カソード電極１８ａ及びアノード電極１８ｂは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１７の両面に形成される。

燃料ガス供給装置１４は、図示しないが、高圧水素を貯留する水素タンクを備え、この水素タンクから水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノード電極１８ｂに水素を供給する。

空気供給装置１６は、酸化剤ガス供給部であるエアポンプ（又はスーパチャージャ）２２を備え、このエアポンプ２２から出力される圧縮空気は、空気供給通路（酸化剤ガス供給通路）２４を介して燃料電池１２のカソード電極１８ａに供給される。

カソード電極１８ａの出口側には、空気排出通路（酸化剤ガス排出通路）２６が接続される。空気供給通路２４には、第１開閉弁２８が配置されるとともに、空気排出通路２６には、第２開閉弁３０が配置される。燃料電池１２には、前記燃料電池１２から電気的出力、例えば、電流を得るために、負荷（電気的出力部）３２が接続されるとともに、前記燃料電池１２の出力電流を検出するための電流計３４が設けられる。

燃料電池システム１０は、燃料ガス供給装置１４、エアポンプ２２、第１開閉弁２８、第２開閉弁３０及び負荷３２を制御するための制御部３６を備える。この制御部３６には、電流計３４から燃料電池１２の出力電流信号が入力される。

このように構成される燃料電池システム１０において、本発明の第１の実施形態に係る運転停止方法について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートに沿って、以下に説明する。

燃料電池システム１０の運転時には、燃料ガス供給装置１４から水素供給通路２０を介して燃料電池１２のアノード電極１８ｂに水素が供給される。一方、空気供給装置１６を構成するエアポンプ２２の駆動作用下に、空気供給通路２４に導出された圧縮空気は、第１開閉弁２８及び第２開閉弁３０の開放作用下に、前記燃料電池１２のカソード電極１８ａに供給される。これにより、アノード電極１８ｂに供給される水素と、カソード電極１８ａに供給される空気中の酸素とが、電気化学的に反応して発電が行われる。

次いで、燃料電池システム１０の運転を停止する際には、制御部３６は、この燃料電池システム１０の運転が停止されるか否かを判断する（ステップＳ１）。

制御部３６では、例えば、図示しない電源スイッチ、あるいはイグニッションスイッチがオフされることにより、燃料電池システム１０の運転が停止されると判断すると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、空気供給装置１６を構成するエアポンプ２２を停止させる。

次に、ステップＳ３に進んで、カソード電極１８ａの出口側である第２開閉弁３０が閉弁（閉塞）される。この状態で、負荷３２は、燃料電池１２からの電流の取り出し、すなわち、ディスチャージを開始する（ステップＳ４）。制御部３６では、燃料電池１２から取り出される電流が電流計３４により検出され、負荷３２を介して取り出し電流を所定の電流値ｎＡになるように調整する。

さらに、ステップＳ５に進んで、制御部３６では、燃料電池１２からの電流の取り出しが設定条件を満たしているか否かを判断する。

ここで、設定条件とは、例えば、燃料電池１２の電圧が所定電圧以下であるか否かにより判断してもよく、又は、ディスチャージ開始からの経過時間により判断してもよい。

そして、電流の取り出しが設定条件を満たしていると判断した際、すなわち、ディスチャージが終了したと判断した際には（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、カソード電極１８ａの入口側である第１開閉弁２８が閉弁（閉塞）される。

このように、第１の実施形態では、燃料電池システム１０の運転が停止される際、先ず、エアポンプ２２が停止された後、カソード電極１８ａの出口側である第２開閉弁３０が閉塞される。この状態で、負荷３２により燃料電池１２から電流を取り出している。

従って、電流の取り出し時、すなわち、ディスチャージ時には、第２開閉弁３０によりカソード電極の出口側のみが閉塞されている。このため、第１開閉弁２８側からの空気の流入が許容され、カソード電極１８ａには、第２開閉弁３０側から空気が逆流することを可及的に阻止することができる。

これにより、外部の塵埃等を含んだ空気が、カソード電極１８ａの出口側から流入することを確実に抑制することができ、例えば、第２開閉弁３０のシール性に影響を与えることがないという効果が得られる。

しかも、燃料電池１２のディスチャージ時には、カソード電極１８ａの入口側である第１開閉弁２８が開放されている。このため、カソード電極１８ａが密封されることがなく、ディスチャージ処理によって前記カソード電極１８ａに過大な負荷状態が発生することを阻止することが可能になる。従って、燃料電池システム１０の停止中に、カソード電極１８ａ側に外部の空気が流入することを可及的に阻止することができる。

なお、運転停止時には、エアポンプ２２の停止と第２開閉弁３０の閉弁と負荷３２によるディスチャージとを、略同時に行うことも可能である。また、図示しないが、エアポンプ２２の上流に塵埃を捕捉するフィルタを備えていれば、カソード電極１８ａや第１及び第２開閉弁２８、３０への塵埃抑制の効果が一層得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートであり、図５は、この第２の実施形態のタイムチャートである。

なお、第１の実施形態に係る運転停止方法と同様の工程については、その詳細な説明は省略する。

先ず、制御部３６は、燃料電池システム１０の運転停止信号を受けると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２〜ステップＳ１４の処理を第１の実施形態のステップＳ２〜ステップＳ４と同様に行う。

そして、ステップＳ１５に進んで、制御部３６は、燃料電池１２からの取り出し電流（ディスチャージ電流）の積算値が、所定値以上であるか否か、すなわち、第１の設定条件を満たしているか否かを判断する。

燃料電池１２からのディスチャージ電流の積算値が所定値以上であると判断すると（ステップＳ１５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１６に進んで、カソード電極１８ａの入口側である第１開閉弁２８が閉弁（閉塞）される。この状態では、ディスチャージ処理が継続されている。

制御部３６は、ディスチャージ開始からの経過時間、あるいは燃料電池１２の電圧等を検出し、その検出結果に基づいて、前記燃料電池１２のディスチャージ処理が終了したか否かを判断する（ステップＳ１７）。

このように、第２の実施形態では、燃料電池１２のディスチャージ開始時には、第２開閉弁３０のみが閉塞されるため、カソード電極１８ａの入口側からの空気の流入が許容され、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、第２の実施形態では、燃料電池１２のディスチャージの途上で、例えば、ディスチャージ電流の積算値に基づいて第１開閉弁２８を閉弁した後、さらに、前記燃料電池１２のディスチャージ処理が継続されている。このため、第１開閉弁２８が閉弁された後、カソード電極１８ａの圧力低下量（負圧レベル）を一定に調整することが可能になり、運転停止中に、カソード電極１８ａに流入する空気流入量を一定に維持することができる。

これにより、燃料電池システム１０を起動する際には、燃料電池１２内のガス濃度が安定し、起動性が大幅に向上するという効果が得られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…燃料ガス供給装置 １６…空気供給装置
１７…固体高分子電解質膜 １８ａ…カソード電極
１８ｂ…アノード電極 ２０…水素供給通路
２２…エアポンプ ２４…空気供給通路
２６…空気排出通路 ２８、３０…開閉弁
３２…負荷 ３４…電流計
３６…制御部

Claims (1)

1. 酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給通路に配置され、全開または全閉のいずれかを選択的に実施する第１開閉弁と、
   前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出通路に配置され、全開または全閉のいずれかを選択的に実施する第２開閉弁と、
   前記燃料電池から電気的出力を得る電気的出力部と、
   を備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
   前記燃料電池の運転を停止するか否かを判断する工程と、
   前記燃料電池の運転を停止すると判断した際に、前記酸化剤ガス供給部を停止させる工程と、
   前記酸化剤ガス供給部が停止された後、前記第１開閉弁を開放させた状態で、前記第２開閉弁を閉塞させる工程と、
   前記第２開閉弁が閉塞された後、前記電気的出力部により前記電気的出力を取り出す工程と、
   前記電気的出力の取り出しが第１の設定条件を満たしたと判断された際に、前記第１開閉弁を閉塞させる工程と、
   前記電気的出力の取り出しが第２の設定条件を満たしたと判断された際に、前記電気的出力の取り出しを停止する工程と、
   を有し、
   前記第１の設定条件は、前記電気的出力部により取り出される前記電気的出力である電流の積算値に基づいて設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。

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