JP5922981B2 - 燃料電池システム及びその洗浄方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応ガスである酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両に搭載される燃料電池スタックと、車載状態の前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給して発電させる反応ガス供給装置と、車載状態の前記燃料電池スタック内に洗浄液を供給して洗浄するための洗浄装置とを備える燃料電池システム及びその洗浄方法に関する。

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。

燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

この種の燃料電池では、例えば、運転条件により生成水が少量であると、発生する過酸化水素やラジカルが濃縮されて電解質膜が劣化するおそれがある。さらに、濃縮された生成水は、導電率が高くなるとともに、ＰＨが低いため、金属セパレータの腐食やゴムシールの劣化が惹起されてしまう。

そこで、燃料電池内に発生する不純物を除去し、前記燃料電池の発電性能の低下を抑制するために、洗浄作業が行われている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の洗浄方法及び装置が知られている。この特許文献１では、燃料電池のスタック内に洗浄用流体を注入してセパレータ、水素極又は空気極、及び電極膜の各部を通過させて流し、外部に排出することにより、前記洗浄用流体により前記スタック内の前記各部に付着した不純物を除去して洗浄することを特徴としている。

これにより、燃料電池を分解して、各部を洗浄し、その後再び組み立てる、という従来の一連の非常に多くの工数を要する作業を不要としながら、前記燃料電池の性能回復ができるようにして、前記燃料電池のメンテナンスを極めて容易化することが可能になる、としている。

特開２００８−１６６２１８号公報

上記の特許文献１では、燃料電池の洗浄装置が、洗浄用流体の加圧装置と、電源装置と、乾燥気体供給装置と、水素供給装置と、サーキットテスタ、電磁開閉弁と、洗浄用流体のリザーブタンクとを備えている。このため、車載用燃料電池を洗浄する際には、燃料電池を車両から一旦取り外した後、前記燃料電池を洗浄装置に接続する必要がある。

従って、燃料電池のメンテナンス作業に相当に多くの時間がかかってしまい、前記燃料電池の洗浄作業を効率的且つ容易に遂行することができ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、燃料電池の洗浄作業を迅速且つ容易に行うことができ、前記燃料電池のメンテナンスが効率的に遂行可能な燃料電池システム及びその洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明は、反応ガスである酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両に搭載される燃料電池スタックと、車載状態の前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給して発電させる反応ガス供給装置と、車載状態の前記燃料電池スタック内に洗浄液を供給して洗浄するための洗浄装置とを備える燃料電池システム及びその洗浄方法に関するものである。

この燃料電池システムでは、反応ガス供給装置は、燃料電池スタックの反応ガス入口に反応ガスを供給する反応ガス供給配管と、前記燃料電池スタックの反応ガス出口から前記反応ガスが排出される反応ガス排出配管と、前記反応ガス供給配管の途上及び前記反応ガス排出配管の途上に配置される反応ガス供給側封止弁及び反応ガス排出側封止弁と、前記反応ガス供給配管及び前記反応ガス排出配管に、前記反応ガス供給側封止弁及び前記反応ガス排出側封止弁と前記燃料電池スタックとの間に位置して設けられる洗浄液循環路とを備えている。そして、洗浄液循環路は、洗浄液を供給する第１ポートと、前記洗浄液を排出する第２ポートと、を有し、洗浄装置は、前記洗浄液循環路の前記第１ポート及び前記第２ポートに着脱自在に構成されている。

また、この燃料電池システムでは、洗浄液循環路は、反応ガス供給配管と反応ガス排出配管とに両端が接続される循環配管を有するとともに、前記循環配管には、洗浄液を前記洗浄液循環路に沿って循環させる循環ポンプが配設されることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、洗浄液循環路に沿って循環する洗浄液の導電度を検出する導電度検出部を備えることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムの洗浄方法は、反応ガス供給装置から燃料電池スタックの反応ガス入口に反応ガスを供給する反応ガス供給配管の途上に配置される反応ガス供給側封止弁、及び前記燃料電池スタックの反応ガス出口から前記反応ガスが排出される反応ガス排出配管の途上に配置される反応ガス排出側封止弁を閉塞することにより、前記燃料電池スタック内の反応ガス流路系を前記反応ガス供給装置から遮断する工程と、前記反応ガス供給配管及び前記反応ガス排出配管に、前記反応ガス供給側封止弁及び前記反応ガス排出側封止弁と前記燃料電池スタックとの間に位置して洗浄液循環路が設けられており、前記洗浄液循環路の前記洗浄液を供給する第１ポート及び前記洗浄液を排出する第２ポートに前記洗浄装置を連結し、該洗浄液循環路に前記洗浄液を循環させることにより、前記燃料電池スタック内を洗浄する工程とを有している。

また、この洗浄方法では、洗浄液循環路は、反応ガス供給配管と反応ガス排出配管とに両端が接続される循環配管を有し、前記循環配管に配設される循環ポンプにより、洗浄液を前記洗浄液循環路に沿って循環させることが好ましい。

さらに、この洗浄方法では、洗浄液循環路に沿って循環する洗浄液の導電度を検出し、検出された前記導電度が所定値以下になった際、前記洗浄液の循環を停止して洗浄作業を終了する工程を有することが好ましい。

さらにまた、この洗浄方法では、燃料電池スタック内の一方の反応ガス流路系に供給されて前記一方の反応ガス流路系の洗浄に使用された洗浄液を、前記燃料電池スタック内の他方の反応ガス流路系に供給することにより、前記一方の反応ガス流路系から前記他方の反応ガス流路系に亘って直列に洗浄することが好ましい。

また、この洗浄方法では、燃料電池スタック内の一方の反応ガス流路系と、前記燃料電池スタック内の他方の反応ガス流路系とに、洗浄液を同時に且つ並列して供給することにより、前記一方の反応ガス流路系と前記他方の反応ガス流路系とを同時に洗浄することが好ましい。

本発明では、車載状態の燃料電池スタックに反応ガスを供給して発電させる反応ガス供給装置は、洗浄液循環路を有するとともに、洗浄装置は、前記洗浄液循環路に着脱自在に構成されている。すなわち、燃料電池スタックが車両に搭載された状態で、洗浄装置は、洗浄液循環路に取り付けられる。

このため、燃料電池スタックは、車載状態で、洗浄装置による洗浄作業を良好に行うことが可能になる。これにより、燃料電池の洗浄作業を迅速且つ容易に行うことができ、前記燃料電池のメンテナンスが効率的に遂行可能になる。

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説明図である。 前記燃料電池システムによるカソード流路系の洗浄方法の説明図である。 前記燃料電池システムによるアノード流路系の洗浄方法の説明図である。 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説明図である。 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説明図である。 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説明図である。 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説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、車両、例えば、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、複数の燃料電池１２が積層される燃料電池スタック１４と、車載状態の前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガス（反応ガス）を供給する酸化剤ガス供給装置（反応ガス供給装置）１６と、車載状態の前記燃料電池スタック１４に燃料ガス（反応ガス）を供給する燃料ガス供給装置（反応ガス供給装置）１８と、車載状態の前記燃料電池スタック１４に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置（図示せず）と、車載状態の前記燃料電池スタック１４内に洗浄液を供給して洗浄するための洗浄装置２０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（又は、炭化水素系電解質膜）２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）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た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２２の両面に形成される。

燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２８のカソード電極２４に沿って酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給するための酸化剤ガス流路３０と、前記電解質膜・電極構造体２８のアノード電極２６に沿って燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給するための燃料ガス流路３２とを有する。酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路３２は、それぞれセパレータ（図示せず）と電解質膜・電極構造体２８の両面との間に形成される。

酸化剤ガス流路３０の入口側には、酸化剤ガス入口連通孔３４ａが連通するとともに、前記酸化剤ガス流路３０の出口側には、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが連通する。燃料ガス流路３２の入口側には、燃料ガス入口連通孔３６ａが連通するとともに、前記燃料ガス流路３２の出口側には、燃料ガス出口連通孔３６ｂが連通する。

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ３８を備え、前記エアポンプ３８は、酸化剤ガス供給配管４０に配設される。酸化剤ガス供給配管４０には、エアポンプ３８の下流に酸化剤ガス供給側封止弁４２ａが配設されるとともに、前記酸化剤ガス供給配管４０は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３４ｂに連通する酸化剤ガス排出配管４４を備える。酸化剤ガス排出配管４４には、下流に向かって開閉弁４６及び酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂが配設される。酸化剤ガス排出配管４４には、開閉弁４６と酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂとの間に位置して酸化剤ガス循環配管４８の一端が連結される。

酸化剤ガス循環配管４８の他端は、酸化剤ガス供給配管４０に、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａの下流に位置して連結されるとともに、前記酸化剤ガス循環配管４８には、酸化剤ガス循環ポンプ５０が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、第１洗浄液循環路５２を備える。第１洗浄液循環路５２は、酸化剤ガス循環配管４８を有するとともに、酸化剤ガス排出配管４４には、前記酸化剤ガス循環配管４８と開閉弁４６との間に第１ポート５４ａが設けられる。酸化剤ガス排出配管４４には、開閉弁４６と酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとの間に第２ポート５４ｂが設けられる。第１ポート５４ａ及び第２ポート５４ｂには、ジョイント部５６ａ及び５６ｂが設けられ、前記ジョイント部５６ａ、５６ｂは、非接続状態で、出入り口が封止される。

燃料ガス供給装置１８は、燃料ガスである高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ_２タンク）６０を備える。この水素タンク６０は、燃料ガス供給配管６２を介して燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔３６ａに連通する。燃料ガス供給配管６２には、ガス流れ方向に沿って燃料ガス供給側封止弁（遮断弁）６４ａとエゼクタ６６とが配置される。

燃料ガス供給装置１８は、燃料電池１２の燃料ガス出口連通孔３６ｂに連通する燃料ガス排出配管６８を備える。燃料ガス排出配管６８には、排ガス流れ方向下流側に向かって開閉弁７０及び燃料ガス排出側封止弁（パージバルブ）６４ｂが接続される。

燃料ガス排出配管６８には、開閉弁７０と燃料ガス排出側封止弁６４ｂとの間に位置して燃料ガス循環配管７２の一端が連結される。燃料ガス循環配管７２の他端は、燃料ガス供給配管６２に配設されたエゼクタ６６に連結されるとともに、前記燃料ガス循環配管７２には、燃料ガス循環ポンプ７４が配設される。

燃料ガス供給装置１８は、第２洗浄液循環路７６を備える。第２洗浄液循環路７６は、燃料ガス循環配管７２を有するとともに、燃料ガス排出配管６８には、燃料ガス出口連通孔３６ｂと開閉弁７０との間に第３ポート７８ａが設けられる。燃料ガス排出配管６８には、燃料ガス循環配管７２と開閉弁７０との間に第４ポート７８ｂが設けられる。第３ポート７８ａ及び第４ポート７８ｂには、ジョイント部８０ａ及び８０ｂが設けられ、前記ジョイント部８０ａ、８０ｂは、非接続状態で、出入り口が封止される。

洗浄装置２０は、温水を貯留する温水タンク８２を備えるとともに、前記温水タンク８２は、洗浄液循環配管８４に配設される。温水タンク８２は、例えば、図示しないヒータを内装して貯留水を加温している。洗浄液循環配管８４には、温水タンク８２の上流に位置してイオン交換器８６及び導電率計（又は、ＰＨ計）８８が配置される。洗浄液循環配管８４の出口には、ジョイント部９０ａが設けられる一方、前記洗浄液循環配管８４の入口には、ジョイント部９０ｂが設けられる。

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、以下に説明する。

先ず、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ３８を介して、酸化剤ガス供給配管４０に空気が送られる。この空気は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３４ａから酸化剤ガス流路３０に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂから酸化剤ガス排出配管４４に排出され、例えば、図示しない希釈ボックスに排出される。希釈ボックスは、燃料電池スタック１４の燃料ガス出口連通孔３６ｂから排出される燃料ガス（燃料オフガス）を廃棄する際、この燃料オフガスを空気により所定の水素濃度以下に希釈する機能を有する。

一方、燃料ガス供給装置１８では、水素タンク６０から燃料ガス供給配管６２に水素ガス（燃料ガス）が供給される。この水素ガスは、燃料ガス供給配管６２を通って燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される。燃料電池１２内に供給された水素ガスは、燃料ガス流路３２に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。

使用済み（未反応の水素ガスを含む）の水素ガス（以下、水素オフガスともいう）は、燃料ガス出口連通孔３６ｂから燃料ガス排出配管６８に排出される。この水素オフガスは、燃料ガス循環配管７２を介して燃料ガス循環ポンプ７４及びエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池１２に供給される。従って、燃料電池１２では、カソード電極２４に供給される空気中の酸素とアノード電極２６に供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。これにより、発生した電力が駆動モータに供給され、燃料電池電気自動車（図示せず）は、走行可能になる。

次いで、燃料電池システムの洗浄方法について、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０内のカソード流路系側（酸化剤ガス流路３０側）を洗浄する方法について説明する。図２に示すように、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、開閉弁４６、７０、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。このため、燃料電池スタック１４内のカソード流路系は、酸化剤ガス供給装置１６から遮断される。

一方、洗浄装置２０において、第１ポート５４ａのジョイント部５６ａには、洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ａが接続されるとともに、第２ポート５４ｂのジョイント部５６ｂには、前記洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ｂが接続される。従って、酸化剤ガス供給装置１６の第１洗浄液循環路５２は、洗浄装置２０に接続される。

そこで、酸化剤ガス循環ポンプ５０が駆動されると、温水タンク８２に貯留されている温水（洗浄液）は、洗浄液循環配管８４の出口から第１ポート５４ａ及び酸化剤ガス循環配管４８を通って酸化剤ガス供給配管４０に供給される。温水は、酸化剤ガス供給配管４０から燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに導入される。

そして、温水は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから各燃料電池１２の酸化剤ガス流路３０を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂから第２ポート５４ｂを通って洗浄液循環配管８４の入口に導入される。

洗浄液循環配管８４に戻された温水は、各燃料電池１２のカソード流路系の不純物等を含有している。このため、洗浄装置２０に設けられている導電率計（又は、ＰＨ計）８８は、温水の導電率（又は、ＰＨ）を検出した後、前記温水をイオン交換器８６に供給する。温水は、イオン交換器８６により含有する不純物が除去された後、温水タンク８２に戻される。さらに、温水は、再度、洗浄液として第１洗浄液循環路５２に供給される。

上記のように、洗浄液が循環する際、カソード流路系の不純物は、イオン交換器８６を介して除去されるため、前記カソード流路系の洗浄が進行する。そして、導電率計（又は、ＰＨ計）８８による検出値が、設定値以下になった際、すなわち、カソード流路系が清浄になったことが検出された際、酸化剤ガス循環ポンプ５０が停止される。

さらに、洗浄装置２０は、第１洗浄液循環路５２から取り外される。なお、カソード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。

次に、燃料電池システム１０内のアノード流路系側（燃料ガス流路３２側）を洗浄する作業が行われる。図３に示すように、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、開閉弁４６、７０、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。これにより、燃料電池スタック１４内のアノード流路系は、燃料ガス供給装置１８から遮断される。

洗浄装置２０において、第３ポート７８ａのジョイント部８０ａには、洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ｂが接続されるとともに、第４ポート７８ｂのジョイント部８０ｂには、前記洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ａが接続される。このため、燃料ガス供給装置１８の第２洗浄液循環路７６は、洗浄装置２０に接続される。

そこで、燃料ガス循環ポンプ７４が駆動されると、温水タンク８２に貯留されている温水は、洗浄液循環配管８４の出口から第４ポート７８ｂ及び燃料ガス循環配管７２を通ってエゼクタ６６から燃料ガス供給配管６２に供給される。温水は、燃料ガス供給配管６２から燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔３６ａに導入される。

従って、温水は、燃料ガス入口連通孔３６ａから各燃料電池１２の燃料ガス流路３２を流通した後、燃料ガス出口連通孔３６ｂから第３ポート７８ａを通って洗浄液循環配管８４の入口に導入される。洗浄液循環配管８４に戻された温水は、洗浄装置２０に設けられている導電率計（又は、ＰＨ計）８８に送られて、前記温水の導電率（又は、ＰＨ）が検出されている。

温水は、イオン交換器８６により含有する不純物が除去された後、温水タンク８２に戻された後、再度、洗浄液として第２洗浄液循環路７６に供給される。

上記のように、洗浄液が循環する際、アノード流路系の不純物は、イオン交換器８６を介して除去されるため、前記アノード流路系の洗浄が進行する。そして、導電率計（又は、ＰＨ計）８８による検出値が、設定値以下になった際、すなわち、アノード流路系が清浄になったことが検出された際、燃料ガス循環ポンプ７４が停止される。

さらに、洗浄装置２０は、第２洗浄液循環路７６から取り外される。なお、アノード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。

この場合、第１の実施形態では、車載状態の燃料電池スタック１４に、酸化剤ガス及び燃料ガスを供給して発電させる酸化剤ガス供給装置１６及び燃料ガス供給装置１８は、第１洗浄液循環路５２及び第２洗浄液循環路７６を有している。そして、洗浄装置２０は、第１洗浄液循環路５２と第２洗浄液循環路７６とに着脱自在に構成されている。すなわち、燃料電池スタック１４が車両に搭載された状態で、洗浄装置２０は、第１洗浄液循環路５２と第２洗浄液循環路７６とに、順次、取り付けられている。

このため、燃料電池スタック１４は、車載状態で、洗浄装置２０による洗浄作業を良好に行うことが可能になる。これにより、燃料電池スタック１４を着脱する作業が不要になり、燃料電池１２の洗浄作業を迅速且つ容易に行うことができ、前記燃料電池１２のメンテナンスが効率的に遂行可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム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。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では、酸化剤ガス供給装置１６及び燃料ガス供給装置１８は、洗浄装置１０２に並列に接続される単一の洗浄液循環路１０４を備える。酸化剤ガス排出配管４４に設けられる第２ポート５４ｂと、燃料ガス排出配管６８に設けられる第３ポート７８ａとは、連結配管１０６により連通する。

連結配管１０６の一端は、開閉弁１０８ａを介して第２ポート５４ｂに接続されるとともに、前記連結配管１０６の途上は、開閉弁１０８ｂを介して第３ポート７８ａに接続される。連結配管１０６の他端には、ジョイント部１１０が設けられる。

洗浄装置１０２は、洗浄液循環配管８４を備え、前記洗浄液循環配管８４の出口側は、第１分岐配管１１２ａと第２分岐配管１１２ｂとに分割される。第１分岐配管１１２ａは、ジョイント部１１４ａを介して第１ポート５４ａのジョイント部５６ａに接続される一方、第２分岐配管１１２ｂは、ジョイント部１１４ｂを介して第４ポート７８ｂのジョイント部８０ｂに接続される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池システム１００のカソード流路系及びアノード流路系が、洗浄装置１０２により同時に且つ並列して洗浄される。具体的には、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、開閉弁４６、７０、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。一方、開閉弁１０８ａ、１０８ｂが開放される。このため、カソード流路系とアノード流路系とが連通する洗浄液循環配管８４が形成される。

次に、酸化剤ガス循環ポンプ５０及び燃料ガス循環ポンプ７４が駆動される。従って、温水タンク８２内の温水の一部は、酸化剤ガス循環ポンプ５０の回転作用下に、第１分岐配管１１２ａを通って酸化剤ガス循環配管４８に送られる。一方、温水タンク８２内の温水の他の一部は、燃料ガス循環ポンプ７４の回転作用下に、第２分岐配管１１２ｂを通って燃料ガス循環配管７２に送られる。

これにより、それぞれ分流された温水は、燃料電池スタック１４内で各燃料電池１２の酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路３２を通って洗浄した後、連結配管１０６に排出されて洗浄液循環配管８４に戻される。そして、洗浄装置１０２に設けられている導電率計（又は、ＰＨ計）８８の検出値により、循環する温水（洗浄水）が清浄であると判断されると、酸化剤ガス循環ポンプ５０及び燃料ガス循環ポンプ７４が停止される。

さらに、洗浄装置１０２は、洗浄液循環路１０４から取り外される。なお、カソード流路系及びアノード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。

このように、第２の実施形態では、燃料電池スタック１４が車両に搭載された状態で、洗浄装置１０２は、洗浄液循環路１０４に取り付けられている。このため、燃料電池スタック１４は、車載状態で、洗浄装置１０２による洗浄作業を良好に行うことが可能になり、燃料電池１２の洗浄作業を迅速且つ容易に行うことができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、カソード流路系及びアノード流路系が、洗浄装置１０２により同時に且つ並列して洗浄されるため、作業時間が良好に短縮されるという利点が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１２０では、酸化剤ガス供給装置１６及び燃料ガス供給装置１８は、洗浄装置２０に直列に接続される単一の洗浄液循環路１２２を備える。酸化剤ガス排出配管４４に設けられる第２ポート５４ｂと、燃料ガス排出配管６８に設けられる第４ポート７８ｂとは、連結配管１２４により連通する。

連結配管１２４には、開閉弁１２６が配設されるとともに、ジョイント部５６ｂ、８０ｂに接続されるジョイント部１２８ａ、１２８ｂを有する。洗浄液循環配管８４の出口側は、第１ポート５４ａに接続されるとともに、前記洗浄液循環配管８４の入口側は、第３ポート７８ａに接続される。

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１２０のカソード流路系及びアノード流路系が、洗浄装置２０により直列して連続的に洗浄される。具体的には、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、開閉弁４６、７０、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。一方、開閉弁１２６は、開放される。

次に、酸化剤ガス循環ポンプ５０及び燃料ガス循環ポンプ７４が駆動される。なお、酸化剤ガス循環ポンプ５０又は燃料ガス循環ポンプ７４の一方のみを駆動してもよい。

従って、温水タンク８２内の温水は、酸化剤ガス循環配管４８に送られる。温水は、第１ポート５４ａから酸化剤ガス循環配管４８を通って燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに導入される。温水は、酸化剤ガス流路３０を流通した後、第２ポート５４ｂに排出される。さらに、温水は、連結配管１２４を通って第４ポート７８ｂに導入され、燃料ガス供給配管６２に供給される。

温水は、燃料電池スタック１４の燃料ガス入口連通孔３６ａに導入され、燃料ガス流路３２を流通した後、第３ポート７８ａを通って洗浄液循環配管８４の入口に導入される。洗浄液循環配管８４に戻された温水は、導電率計（又は、ＰＨ計）８８により導電率（又は、ＰＨ）が検出され、循環する温水（洗浄水）が清浄であると判断されると、酸化剤ガス循環ポンプ５０及び燃料ガス循環ポンプ７４が停止される。

次いで、洗浄装置２０は、洗浄液循環路１２２から取り外される。なお、カソード流路系及びアノード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。

なお、第３の実施形態では、温水がカソード流路系からアノード流路系に向かって流れているが、これとは逆に、前記アノード流路系からカソード流路系に向かって温水を流してもよい。但し、汚れの程度が比較的軽微な側から温水を流すことが好ましい。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１３０は、酸化剤ガス供給装置（反応ガス供給装置）１３２と、燃料ガス供給装置（反応ガス供給装置）１３４と、洗浄装置１３６とを備える。酸化剤ガス供給装置１３２は、酸化剤ガス供給配管４０に、酸化剤ガス循環配管４８と酸化剤ガス入口連通孔３４ａとの間に位置して第１ポート５４ａを設ける。燃料ガス供給装置１３４は、燃料ガス供給配管６２に、エゼクタ６６と燃料ガス入口連通孔３６ａとの間に位置して第３ポート７８ａを設ける。

洗浄装置１３６では、洗浄液循環配管８４に、上流側から導電率計（又は、ＰＨ計）８８、イオン交換器８６、温水タンク８２及び水ポンプ１３８が配設される。

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１３０内のカソード流路系側（酸化剤ガス流路３０側）を洗浄する際には、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。

洗浄装置１３６において、第１ポート５４ａのジョイント部５６ａには、洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ａが接続されるとともに、第２ポート５４ｂのジョイント部５６ｂには、前記洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ｂが接続される。

そこで、水ポンプ１３８が駆動されると、温水タンク８２に貯留されている温水は、洗浄液循環配管８４の出口から第１ポート５４ａ及び酸化剤ガス供給配管４０を通って燃料電池スタック１４の酸化剤ガス入口連通孔３４ａに導入される。このため、温水は、各燃料電池１２の酸化剤ガス流路３０を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂから第２ポート５４ｂを通って洗浄液循環配管８４の入口に導入される。

洗浄液循環配管８４に戻された温水は、導電率計（又は、ＰＨ計）８８により導電率（又は、ＰＨ）が検出されている。そして、導電率計（又は、ＰＨ計）８８による検出値が、設定値以下になった際、又は、所定時間が経過した際、酸化剤ガス循環ポンプ５０が停止される。

さらに、洗浄装置１３６は、第１洗浄液循環路５２から取り外される。なお、カソード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。

また、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ及び酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂを開放させた状態で、エアポンプ３８を所定時間だけ駆動させることにより、カソード流路系の掃気を行ってもよい。一方、アノード流路系では、上記のカソード流路系と同様に、洗浄作業及び掃気処理が遂行される。

このように、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７は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略構成説明図である。なお、第４の実施形態に係る燃料電池システム１３０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１５０では、酸化剤ガス循環配管４８に、酸化剤ガス循環ポンプ５０に代えて開閉弁１５２が配設される。

このように構成される第５の実施形態では、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、開閉弁４６、７０、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。一方、開閉弁１５２が開放される。

そして、洗浄装置１３６において、第１ポート５４ａのジョイント部５６ａには、洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ａが接続されるとともに、第２ポート５４ｂのジョイント部５６ｂには、前記洗浄液循環配管８４のジョイント部９０ｂが接続される。従って、酸化剤ガス供給装置１６の第１洗浄液循環路５２は、洗浄装置１３６に接続される。

そこで、水ポンプ１３８が駆動されると、温水タンク８２に貯留されている温水は、洗浄液循環配管８４の出口から第１ポート５４ａ及び酸化剤ガス循環配管４８を通って酸化剤ガス供給配管４０に供給される。このため、温水は、各燃料電池１２の酸化剤ガス流路３０を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔３４ｂから第２ポート５４ｂを通って洗浄液循環配管８４の入口に導入される。

導電率計（又は、ＰＨ計）８８による検出値が、設定値以下になった際、又は、所定時間が経過した際、酸化剤ガス循環ポンプ５０が停止される。さらに、洗浄装置１３６は、第１洗浄液循環路５２から取り外される。なお、カソード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。一方、アノード流路系では、上記のカソード流路系と同様に、洗浄作業及び掃気処理が遂行される。

このように、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。

図８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１６０の概略構成説明図である。なお、第１以降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。

燃料電池システム１６０は、洗浄装置１６２を備えるとともに、前記洗浄装置１６２は、洗浄液循環配管８４に水ポンプ１６４を配置する。酸化剤ガス循環配管４８には、酸化剤ガス循環ポンプ５０に代えて開閉弁１５２が配置される一方、燃料ガス循環配管７２には、燃料ガス循環ポンプ７４が設けられていない。

この燃料電池システム１６０では、カソード流路系及びアノード流路系が、洗浄装置１６２により同時に且つ並列して洗浄される。具体的には、酸化剤ガス供給側封止弁４２ａ、酸化剤ガス排出側封止弁４２ｂ、開閉弁４６、７０、燃料ガス供給側封止弁６４ａ及び燃料ガス排出側封止弁６４ｂが閉塞される。一方、開閉弁１０８ａ、１０８ｂ及び１５２が開放される。このため、カソード流路系とアノード流路系とが連通する洗浄液循環配管８４が形成される。

次に、水ポンプ１６４が駆動される。従って、温水タンク８２内の温水の一部は、第１分岐配管１１２ａを通って酸化剤ガス循環配管４８に送られる。一方、温水タンク８２内の温水の他の一部は、第２分岐配管１１２ｂを通って燃料ガス循環配管７２に送られる。

これにより、それぞれ分流された温水は、燃料電池スタック１４内で各燃料電池１２の酸化剤ガス流路３０及び燃料ガス流路３２を通って洗浄した後、連結配管１０６に排出されて洗浄液循環配管８４に戻される。そして、洗浄装置１０２に設けられている導電率計（又は、ＰＨ計）８８の検出値により、循環する温水（洗浄水）が清浄であると判断されると水ポンプ１６４が停止される。

さらに、洗浄装置１６２は、洗浄液循環路１０４から取り外される。なお、カソード流路系及びアノード流路系には、必要に応じて、清浄エアや不揮発性ガス（窒素ガスやヘリウムガス）によるパージ処理が施される。

このように構成される第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００、１２０、１３０、１５０、１６０…燃料電池システム
１２…燃料電池 １４…燃料電池スタック
１６、１３２…酸化剤ガス供給装置 １８、１３４…燃料ガス供給装置
２０、１０２、１３６、１６２…洗浄装置
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…電解質膜・電極構造体
３０…酸化剤ガス流路 ３２…燃料ガス流路
３４ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３６ａ…燃料ガス入口連通孔 ３６ｂ…燃料ガス出口連通孔
３８…エアポンプ ４０…酸化剤ガス供給配管
４２ａ、４２ｂ、６４ａ、６４ｂ…封止弁
４４…酸化剤ガス排出配管
４６、７０、１０８ａ、１０８ｂ、１２６、１５２…開閉弁
４８…酸化剤ガス循環配管 ５０…酸化剤ガス循環ポンプ
５２、７６、１０４、１２２…洗浄液循環路
５４ａ、５４ｂ、７８ａ、７８ｂ…ポート
６０…水素タンク ６２…燃料ガス供給配管
６８…燃料ガス排出配管 ７２…燃料ガス循環配管
７４…燃料ガス循環ポンプ ８２…温水タンク
８４…洗浄液循環配管 ８６…イオン交換器
８８…導電率計 １０６、１２４…連結配管
１１２ａ、１１２ｂ…分岐配管 １３８、１６４…水ポンプ

Claims (8)

1. 反応ガスである酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両に搭載される燃料電池スタックと、車載状態の前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給して発電させる反応ガス供給装置と、車載状態の前記燃料電池スタック内に洗浄液を供給して洗浄するための洗浄装置とを備える燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給装置は、前記燃料電池スタックの反応ガス入口に前記反応ガスを供給する反応ガス供給配管と、
   前記燃料電池スタックの反応ガス出口から前記反応ガスが排出される反応ガス排出配管と、
   前記反応ガス供給配管の途上及び前記反応ガス排出配管の途上に配置される反応ガス供給側封止弁及び反応ガス排出側封止弁と、
   前記反応ガス供給配管及び前記反応ガス排出配管に、前記反応ガス供給側封止弁及び前記反応ガス排出側封止弁と前記燃料電池スタックとの間に位置して設けられる洗浄液循環路と、
   を備えるとともに、
   前記洗浄液循環路は、前記洗浄液を供給する第１ポートと、
   前記洗浄液を排出する第２ポートと、
   を有し、
   前記洗浄装置は、前記洗浄液循環路の前記第１ポート及び前記第２ポートに着脱自在に構成され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、前記洗浄液循環路は、前記反応ガス供給配管と前記反応ガス排出配管とに両端が接続される循環配管を有するとともに、
   前記循環配管には、前記洗浄液を前記洗浄液循環路に沿って循環させる循環ポンプが配設されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記洗浄液循環路に沿って循環する前記洗浄液の導電度を検出する導電度検出部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 反応ガスである酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて車両に搭載される燃料電池スタックと、車載状態の前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給して発電させる反応ガス供給装置と、車載状態の前記燃料電池スタック内に洗浄液を供給して洗浄するための洗浄装置とを備える燃料電池システムの洗浄方法であって、
   前記反応ガス供給装置から前記燃料電池スタックの反応ガス入口に前記反応ガスを供給する反応ガス供給配管の途上に配置される反応ガス供給側封止弁、及び前記燃料電池スタックの反応ガス出口から前記反応ガスが排出される反応ガス排出配管の途上に配置される反応ガス排出側封止弁を閉塞することにより、前記燃料電池スタック内の反応ガス流路系を前記反応ガス供給装置から遮断する工程と、
   前記反応ガス供給配管及び前記反応ガス排出配管に、前記反応ガス供給側封止弁及び前記反応ガス排出側封止弁と前記燃料電池スタックとの間に位置して洗浄液循環路が設けられており、前記洗浄液循環路の前記洗浄液を供給する第１ポート及び前記洗浄液を排出する第２ポートに前記洗浄装置を連結し、該洗浄液循環路に前記洗浄液を循環させることにより、前記燃料電池スタック内を洗浄する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの洗浄方法。
5. 請求項４記載の洗浄方法において、前記洗浄液循環路は、前記反応ガス供給配管と前記反応ガス排出配管とに両端が接続される循環配管を有し、前記循環配管に配設される循環ポンプにより、前記洗浄液を前記洗浄液循環路に沿って循環させることを特徴とする燃料電池システムの洗浄方法。
6. 請求項４又は５記載の洗浄方法において、前記洗浄液循環路に沿って循環する前記洗浄液の導電度を検出し、検出された前記導電度が所定値以下になった際、前記洗浄液の循環を停止して洗浄作業を終了する工程を有することを特徴とする燃料電池システムの洗浄方法。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の洗浄方法において、前記燃料電池スタック内の一方の反応ガス流路系に供給されて前記一方の反応ガス流路系の洗浄に使用された前記洗浄液を、前記燃料電池スタック内の他方の反応ガス流路系に供給することにより、前記一方の反応ガス流路系から前記他方の反応ガス流路系に亘って直列に洗浄することを特徴とする燃料電池システムの洗浄方法。
8. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の洗浄方法において、前記燃料電池スタック内の一方の反応ガス流路系と、前記燃料電池スタック内の他方の反応ガス流路系とに、前記洗浄液を同時に且つ並列して供給することにより、前記一方の反応ガス流路系と前記他方の反応ガス流路系とを同時に洗浄することを特徴とする燃料電池システムの洗浄方法。
   
   

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