WO2007066485A1 - 燃料電池システムおよびその停止方法 - Google Patents

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Nobuo Fujita
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the fuel cell system is a system that supplies fuel gas to the fuel cell through these paths and uses the reactions of these in the cell body to generate electricity. Water is generated in the cell body during this reaction, but this water is contained in fuel gas (fuel gas discharged from the fuel cell body) or gas (gas discharged from the fuel cell body).
  • fuel gas fuel gas discharged from the fuel cell body
  • gas gas discharged from the fuel cell body
  • the battery cell system even if the battery cell system is started, it may not be able to operate, or if it can be operated, normal operation may not be possible.
  • the gas equipment such as the pump freezes, it will not be possible to supply the fuel gas, and it will take a considerable amount of time before the stem body can be started.
  • Patent No. 2 the antifreezing treatment is considered only for the hydrogen pump, and the moisture remaining in other parts such as the fuel cell body is not considered.
  • the gas passage containing the fuel cell body and the hydrogen pump is used as the passage, and the operation of Patent 2 is performed.
  • the fuel battery main body will flow into the pump or other system components installed in the gas, so that there is a problem in that the part in the gas cannot be effectively discharged.
  • 007 is regarded as this problem, and its purpose is to provide a fuel cell system capable of effectively preventing the formation of fuel gas or each component such as a pump installed in the gas when the system is operated.
  • the fuel cell system is provided with a fuel cell main body, a gas for supplying the fuel cell gas, and an adjusting component for adjusting the gas state of the gas.
  • a fuel cell system characterized by comprising at least two systems of paths, including the fuel cell body of (2), and being formed with the fuel cell body of (2) as a sheet.
  • the conditioning components mean pumps ,,, humidifiers, and piping system products installed at the locations where the gas that supplies and outputs the gas is displaced.
  • the fuel cell system two paths are provided in the fuel cell system.Therefore, when the system is stopped, the road including the fuel cell main body must be used, and the two paths including the fuel cell main body must be used. It becomes possible to receive the influence of the water discharged from the fuel cell body. In other words, it is possible to efficiently discharge the gas from the target gas path.
  • the path including the fuel cell body can be covered when the system is stopped, and the two paths including the pump can be opened without being affected by the fuel cell body. It is possible to go to.
  • the fuel cell stem 2 has an additional
  • It may be connected between the pump and the pump, and may be connected between the fuel cell main body and the pump.
  • the above-mentioned charge battery system and / or 2 may be provided.
  • the water remaining in the reaction gas is discharged to the system after being collected by the device, so that the adjustment parts can be made more efficient.
  • the fuel cell system is characterized in that, before the system, ⁇ step is executed on the road of ⁇ and ⁇ step is executed on the road of 2 Law is provided.
  • the battery battery system further has a detection stage for detecting the temperature at a predetermined place, and when the temperature detected by the stage is below the reference, It's okay if you go to the second road.
  • the stem be enabled because the above steps are performed only when the system is at a low temperature where it may freeze.
  • the water remaining in the fuel cell system can be efficiently discharged, and the life of the pump and other components in the system state can be suppressed. It will be possible to move slowly.
  • FIG. 3 is a diagram showing a second state of the battery cell system of FIG.
  • 002 shows the structure of the fuel cell system according to Ming.
  • This system has a fuel cell main body, and the electric power generated in the fuel cell main body can be used as, for example.
  • the fuel cell system also includes a gas 2 for circulating a fuel gas, a gas 3 for circulating a gas (), and a control 4 in the system.
  • a system that uses gas as the fuel gas supplied to the fuel cell will be described as an example.
  • the 002 gas 2 includes, for example, a gas 2 for supplying a gas from a hydrogen source to the fuel cell main body such as a pressurized hydrogen tank 2 and an ogas 23 for discharging the gas from the fuel cell main body.
  • the Ogas 23 is essentially, and is connected to the Fuel Gas 2 from the side of the fuel cell main body via 22 and a hydrogen pump 2 described later.
  • This Augustine 2 3 is also called 2 3.
  • 2 3 and 2 7 and 2 2 9 are connected to 002.
  • a permanent electromagnetic 23 is arranged at the outlet of the high-pressure hydrogen tank 2, and Decompression 232 and electromagnetic 234 are arranged in this order toward the side.
  • 24, 22 and hydrogen pumps 2 and 242 are normally arranged in this order from the side of the fuel cell body.
  • 27 is connected to 22 and the electromagnetic 244 is arranged in it.
  • 2 2 9 is connected to 2 3 between 2 3 gas 2 of hydrogen pons. Electromagnetics (di 246 and 25 are placed in 2 of 29 and dilution of 25 in 2 of 29 , Ogas 3 3 which will be described later is connected. It should be noted that 27 of these are connected to Ogas 33.
  • the acid gas 3 is used for supplying the acid gas to the fuel cell main body.
  • Ogas 33 has acid ogas 32 downstream of 27 described above, and this ogas 32 is connected to 25 described above. However, dilution 25 Ogas 32 may be omitted.
  • the 002 4 controls the 234 24 244 246 23 232 339, the hydrogen pump 2 and the pump 3 5 etc., respectively, in response to the temperature sensor 4 and the temperature sensor 4 installed at the above-mentioned fixed locations. Furthermore, the control 4 is the electromagnetic 5 5 described later. Controls are omitted to make the surface easier to see.
  • the supplied hydrogen gas is consumed as an electric reaction in the fuel cell and is then emitted as hydrogen gas.
  • the released hydrogen gas passes through 23, is dewatered at 22, is returned to fuel gas 2 through the hydrogen pump 2, and is supplied again to the main body of the fuel cell. Since a 242 is provided between the hydrogen gas 2 2 3 and the hydrogen pump 2, the hydrogen gas does not flow backwards. Normally, and 2 2 2 7 2 9 244 and 246 are closed, but when these are opened as needed, the
  • the system for example, pumps, various types, humidification, and piping
  • the system may be stopped before or after the system and the fuel gas 2 may be discharged with fuel gas or the like to discharge the residue.
  • the hydrogen pump will continue to be powered by fuel. Since the flow comes from the pond body side, the operation will be repeated until the fuel cell body is dried and further the hydrogen pump is dried. In particular, it usually takes more time to remove the hydrogen pump than other parts. However, with this method, the rate of the hydrogen pump is bad, and it takes a considerable time to stop the system.
  • the Ming method two paths are configured and the second floor operation is performed when the fuel cell system is stopped at low temperature.
  • the fuel cell body is dried by draining water on the road that includes the fuel cell body, and then in the second floor work, the fuel cell body is not included. It is possible to operate the hydrogen pump 2 on the second road, so that the hydrogen pump can be removed efficiently.
  • 003372 is a diagram showing the stem when the fuel cell stem is stopped.
  • step S the outside air temperature or the target (for example, the deviation in the fuel gas 2) is determined by the temperature sensor or other detection, and in Control 4, the constant temperature 4 is determined.
  • the work for the freeze prevention is judged.
  • the constant temperature 4 is as follows, it is judged that the operation of fuel gas 2 is necessary in control 4, and the next step Proceed to.
  • the stem is stopped without any special operation, since water is not released from control 4.
  • the stem can be learned. It should be noted that some normal stems may have a built-in work on the second road before the stem as a normal dog. In such a system, if in step S the measured temperature 4 exceeds, then only on the path before the system is carried out.
  • the electromagnetic 23 5 decompression 232 is closed (or confirmed closed) and the electromagnetic 234 4 is opened (or confirmed open). 6 is formed.
  • the hydrogen pon 2 will also be turned on within 6 of. As a result, the water remaining in 6 including the fuel cell body is recovered by 22.
  • Step 3 it is judged whether the quantity in the road is below the standard. If it is judged that the quantity exceeds the standard, the operation is continued on the first road. On the other hand, if it is determined that the residual amount has dropped below the standard, the process is completed on the first road and the process proceeds to step 4.
  • Control 4 there are the following methods as a method to judge that the quantity of the road has become below the standard.
  • step S4 the electromagnetic control 234 4 is closed and the electromagnetic control 5 5 is opened by the command of control 4 to form 6 of 2. Even on this road, fuel is turned on by the hydrogen pump 2.
  • Step 5 it is judged that the residual amount in 6 of 2 is below the standard. If it is determined that the quantity exceeds the standard, the second option within 6 is continued. On the other hand, if it is judged that the residual amount is below the standard, the system in (2)-(6) is completed and the system is stopped. Also in this step, a method similar to the method of residual quantity in 6 mentioned above can be used. By the steps described in 004, it becomes possible to reliably and efficiently construct the components such as the water pump in the fuel gas 2.
  • the positions of the above-mentioned is different. That is, it is connected between is 53, fuel gas 2, and electromagnetic 234 connections (gas 2 23) (). In addition, it is connected between the hydrogen pon 2222 of Is 53 and 23 (C). In addition, even in the 004 system configuration where the electromagnetic 525 is arranged on the is 53, the
  • the stem of the battery cell of the present invention is used only when the stem is stopped. For example, if the freezing battery system is stopped at a low temperature and there is a risk of freezing, the above-mentioned operation (2) can be performed as necessary. In this case, the gas from the high-pressure hydrogen tank 2 may be used instead of the fuel as if it were inside the two systems.
  • the structure of (2) contains the hydrogen cell 2 battery main body
  • the circuit of 2 (2) contains the hydrogen cell 2 and not the fuel cell body.
  • Ming's two systems are not limited to this structure.
  • it is not limited to the systems and hydrogen pumps that will be used for the sake of clarity.
  • the path of is configured so that the fuel cell body is included (it may or may not be included), and the path of 2 is included. It is also possible to have a structure that includes the parts and does not include the fuel cell body.
  • the battery cell system used for Ming Ming It is also an example of the battery cell system used for Ming Ming, and does not limit Ming.
  • the product with the electromagnetic piping position may be placed even if it is not installed, or conversely, the product shown in 3 may be installed. There is a need to.

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Abstract

　燃料電池システムは、燃料電池本体と、該燃料電池へ反応ガスを供給および排出するガス流路と、該ガス流路におけるガス流通状態を調整する調整部品とを備え、さらに、前記ガス流路の一部を掃気する少なくとも２系統の掃気経路を備え、第１の掃気経路は燃料電池本体を含むように形成され、第２の掃気経路は燃料電池本体をバイパスするように形成される。

Description

燃料電池システムおよびその停止方法
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池システムおよびその停止方法に関し、特にガス流路に設けら れたポンプ、バルブ等のシステム構成部品の凍結を抑制することの可能な燃料電池 システムおよびその停止方法に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスをこれらのガスの供給経路を介して燃 料電池に供給し、電池本体でのこれらのガスの電気化学反応を利用して発電を行う システムである。この電気化学反応によって電池本体では水が生成されるが、この水 は、燃料オフガス (燃料電池本体カゝら排出される燃料ガス)や酸化剤オフガス (燃料 電池本体から排出される酸化剤ガス）中に含まれた状態で電池本体から排出される
[0003] 従って、燃料電池システムの停止中等に外気の温度が例えば氷点下にまで低下 すると、システムのガス流路に設けられた弁や配管等に残留するガス中の水分が凝 縮して、これらの構成部品が凍結する場合がある。このような場合、その後燃料電池 システムを始動させようとしても、始動させることができなカゝつたり、始動させることがで きても正常な作動を行うことができなくなる恐れがある。特にポンプ等のようなガス供 給系装置が凍結してしまうと、燃料ガスや酸化剤ガスの供給が行えなくなり、システム 全体が始動できるまで相当な時間を要してしまう。
[0004] この問題の対策として、例えば水素ポンプの吸込口または吐出部に液体貯留部を 設け、水素ポンプのポンプ室内に水分が残留しにくい構造にするとともに、システム 停止直前に水素ポンプ内を乾燥水素ガスで掃気して、残留水分を除去する方法が 示されている (特許文献 1)。
[0005] また、別の方法として、水素ポンプの凍結を防止するため、システム停止段階にお いて、所定のタイミングで水素ポンプ内に乾燥した水素ガスをパージして、残留水分 を排出する方法が提案されて ヽる (特許文献 2)。 特許文献 1 :特開 2003— 178782号公報
特許文献 2 :特開 2005— 158426号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながら特許文献 1、 2では、水素ポンプのみを対象に凍結防止処置が検討さ れており、燃料電池本体など他の部位に残留する水分にっ 、ては考慮されて 、な 、 。従って、システム停止時に、燃料電池本体および Zまたは水素ポンプを含むシステ ムのガス流路における凍結の問題を回避しょうとして、例えば燃料電池本体と水素ポ ンプを含むガス経路を掃気経路として、特許文献 1、 2の操作を行った場合、燃料電 池本体内の水分力 S、ガスの流れの下流側に設けられたポンプおよび Zまたはバルブ 等のシステム構成部品に流入してしまうため、ガス流路内の水分を効果的に排出さ せることができな ヽと 、う問題があった。
[0007] 本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、システム起動時に、燃料ガスお よび Zまたは酸化剤ガス流路に設置された、ポンプ等の各構成部品の凍結を効果 的に防止することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0008] 上記の目的を達成するため、本発明では、燃料電池本体と、該燃料電池へ反応ガ スを供給および排出するガス流路と、該ガス流路におけるガス流通状態を調整する 調整部品と、を備える燃料電池システムであって、前記ガス流路の一部を掃気する 少なくとも 2系統の掃気経路を備え、第 1の掃気経路は燃料電池本体を含むように形 成され、第 2の掃気経路は燃料電池本体をバイパスするように形成されることを特徴 とする燃料電池システムが提供される。
[0009] ここで、「調整部品」とは、前記反応ガスを供給および排出するガス流路の 、ずれか の箇所に設置された、ポンプ、バルブ、気液分離器、加湿器、配管等のシステム構成 部品を意味することに留意する必要がある。本発明では、燃料電池システムに、この ような少なくとも 2系統の掃気経路を設けたため、システム停止時に、燃料電池本体 を含む第 1の掃気経路での掃気を行ってから、燃料電池本体を含まな!/、第 2の掃気 経路での掃気を行うことが可能となり、燃料電池本体から排出される水分の影響を受 けることなぐ対象ガス流路力 残留水分を効率的に排出させることが可能となる。
[0010] ここで、第 1の掃気経路と、第 2の掃気経路は、同一の調整部品を有することが好ま しい。これにより、当該調整部品を効率的に乾燥させることが可能となる。
[0011] また、前記反応ガスを排出するガス流路は、排出された反応ガスを、循環ポンプに よって、前記反応ガスを供給するガス流路に戻す循環流路を備え、第 1および第 2の 掃気経路は、循環ポンプを含むように形成されても良い。この構成では、システム停 止時に燃料電池本体を含む第 1の掃気経路の掃気を行ってから、燃料電池本体の 影響を受けな 、状態で、循環ポンプを含む第 2の掃気経路の掃気を行うことができる ため、循環ポンプの乾燥を効率的に行うことが可能となる。
[0012] ここで、燃料電池システムの第 2の掃気経路は、さらにバイパス流路を有し、該バイ パス流路の一端は、前記循環流路の、循環ポンプと前記供給流路の間に接続され、 前記バイパス流路の他端は、前記循環流路の、燃料電池本体と循環ポンプの間に 接続されても良い。
[0013] さらに前述の燃料電池システムにおいて、第 1および Zまたは第 2の掃気経路は、 気液分離装置を有しても良い。この場合、反応ガス流路内に残留する水分は、気液 分離装置によって回収後、系外に排出されるため、調整部品をより効率的に乾燥さ せることができる。
[0014] また第 2の掃気経路は、燃料電池本体に流通されて!ヽな 、「新鮮な」反応ガスで掃 気されても良い。この場合、水分を含まない乾燥反応ガスで第 2の掃気経路を掃気 することができるため、より効率的な調整部品の乾燥を行うことができる。
[0015] さらに本発明では、前述のいずれかの特徴を有する燃料電池システムの停止方法 であって、システム停止前に、第 1の掃気経路で掃気を行うステップと、第 2の掃気経 路で掃気を行うステップと、が実行されることを特徴とする燃料電池システムの停止方 法が提供される。本方法では、燃料電池本体の乾燥後に、燃料電池本体と切り離さ れた状態で構成部品の乾燥を行うことが可能となるため、効率的な乾燥処理が可能 となる。
[0016] ここで前記燃料電池システムはさらに、所定箇所の温度を検出する検出手段を有し 、該検出手段により検出された温度が基準値以下となった場合に、第 1の掃気経路と 第 2の掃気経路の両方で掃気が行われても良い。この方法では、好ましくは、システ ムが凍結の生じる恐れのある低温環境下に置かれているときにのみ、前述のステップ が実行されるため、システムの省エネ化が可能となる。
[0017] また上記の燃料電池システムの停止方法において、第 1の掃気経路の残留水分量 が基準値以下になったと判断された場合に、第 1の掃気経路で掃気を行うステップか ら、第 2の掃気経路で掃気を行うステップに移行しても良い。これにより、より確実かつ 効率的に対象構成部品の乾燥を行うことができる。
発明の効果
[0018] 本発明の燃料電池システムでは、流路内に残留する水分が効率的に排出され、シ ステム停止状態におけるポンプおよびその他の構成部品での凍結発生を抑制するこ とができるため、次回起動時に燃料電池システムの低温環境での速やかな始動が可 能となる。
図面の簡単な説明
[0019] [図 1]本発明の燃料電池システムの構成図である。
[図 2]本発明の燃料電池システムにおけるシステム停止時の動作を示すフローチヤ一 トである。
[図 3]本発明の燃料電池システムの第 2の実施形態を示す図である。
符号の説明
[0020] 1 燃料電池本体、 2 燃料ガス流路、 3 酸化剤ガス流路、 4 制御部、
200 高圧水素タンク、 201 燃料ガス供給流路、 203 循環流路、 207 第 1の分岐流路、 209 第 2の分岐流路、 210 水素ポンプ、
220 燃料オフガス用気液分離器、
230、 234、 240、 244、 246 電磁弁、 232 減圧弁、
242 逆止弁、 250 希釈器、 301 酸化剤ガス供給流路、
303 酸化剤オフガス排出流路、 305 コンプレッサ、 309 電磁弁、 325 加湿器、 312 酸化剤オフガス分岐流路、 400 圧力測定結果、 401 温度測定結果、 515、 525 電磁弁、
520、 530 バイパス流路、 600 第 1の掃気経路、 610 第 2の掃気経路
発明を実施するための最良の形態
[0021] 以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお以下の例では、本発 明を燃料ガスの供給、排出（または循環)流路に適用したシステムを用いて説明する 。ただし、本発明は酸化剤ガス側の経路にも適用できる。
[0022] 図 1には、本発明による燃料電池システムの一構成例を示す。このシステムは、燃 料電池本体 1を有し、この燃料電池本体 1で発生した電力を、例えば車両等の駆動 源として利用することができる。またこの燃料電池システムは、システム内で燃料ガス を流通させるための燃料ガス流路 2と、酸化剤ガス (空気）を流通させるための酸化剤 ガス流路 3と、制御部 4とを備えている。なお以下の説明では、燃料電池に供給する 燃料ガスとして水素ガスを使用するシステムを例に説明する。
[0023] 燃料ガス流路 2は、例えば高圧水素タンク 200のような水素燃料源からの燃料ガス を燃料電池本体 1に供給するための燃料ガス供給流路 201と、燃料電池本体 1から 燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出流路 203とを備えて ヽる。ただし燃 料オフガス排出流路 203は、実質的には循環流路となっており、燃料電池本体 1側 から、後述する気液分離器 220および水素ポンプ 210を介して燃料ガス供給流路 20 1に接続されて！、る。以降この燃料オフガス排出流路 203を循環流路 203とも呼ぶ。 循環流路 203には、第 1の分岐流路 207と、第 2の分岐流路 209とが接続されている
[0024] また、燃料ガス流路 2の燃料ガス供給流路 201には、高圧水素タンク 200の放出口 に常閉電磁弁 230が配置されており、燃料電池本体 1側に向かって順に、減圧弁 23 2、常閉電磁弁 234が配置されている。一方循環流路 203には、燃料電池本体 1側 力も見てこの順に常閉減圧弁 240、気液分離器 220、水素ポンプ 210および逆止弁 242が配置されている。また第 1の分岐流路 207は、気液分離器 220と接続されてお り、その途中には常閉電磁弁 244が配置されている。第 2の分岐流路 209は、水素ポ ンプ 210の出口側と、循環流路 203と燃料ガス供給流路 201の接続点 Aの間で、循 環流路 203に接続されている。第 2の分岐流路 209には常閉電磁弁 (パージ弁） 246 および希釈器 250が配置されており、希釈器 250の出口側の第 2の分岐流路 209の 他端は、後述する酸化剤オフガス排出流路 303と接続されている。なお第 1の分岐 流路 207の他端も、酸化剤オフガス排出流路 303と接続されて 、る。
[0025] なお、循環流路 203には、水素ポンプ 210と接続点 A (循環流路 203と燃料ガス供 給流路 201の接続点）の間に、循環流路 203から分岐したバイパス流路 520が接続 されており、該バイパス流路 520は、電磁弁 515を介して再度、電磁弁 240と気液分 離器 220の間で循環流路 203に接続されている。
[0026] 一方、酸化剤ガス流路 3は、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤 ガス供給流路 301と、燃料電池本体 1から酸化剤オフガスを排出するための酸化剤 オフガス排出流路 303とを備えて 、る。
[0027] 酸化剤ガス供給流路 301には、コンプレッサ 305と加湿器 325とが配置されている 。また酸化剤オフガス排出流路 303には、前述の加湿器 325が設置され、加湿器 32 5と燃料電池本体 1の間には電磁弁 (エア調圧弁） 309が配置されている。また酸ィ匕 剤オフガス排出流路 303は、前述の分岐流路 207との接続点よりも下流側に酸化剤 オフガス分岐流路 312を有し、この酸化剤オフガス分岐流路 312は前述の希釈器 25 0と接続される。ただし、希釈器 250と酸化剤オフガス分岐流路 312は、省略される場 合もある。
[0028] 制御部 4は、前述の各流路の所定の箇所に設置された圧力センサと温度センサか らの圧力測定結果 400、温度測定結果 401を受けて、各弁 234、 240、 244、 246、 230、 232、 309、水素ポンプ 210およびコンプレッサ 305等をそれぞれ制御する。さ らに制御部 4は、後述する電磁弁 515の制御も行う。なお図面を見やすくするため、 制御線等は省略されて 、る。
[0029] ここで、酸化剤ガスの通常の流れにっ 、て簡単に説明する。燃料電池システムの 通常の運転時には、制御部 4によって、コンプレッサ 305を駆動させることにより、大 気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれ、酸化剤ガス供給流路 301を通り、加湿器 325を介して燃料電池 1に供給される。供給された酸化剤ガスは、燃料電池 1内にお いて電気化学反応により消費された後、酸化剤オフガスとして排出される。排出され た酸化剤オフガスは、酸化剤オフガス排出流路 303を通り、外部に排出される。
[0030] 次に水素ガスの流れについて説明する。通常の運転時には、制御部 4によって電 磁弁 230が開かれ、高圧水素タンク 200から水素ガスが放出され、その放出された 水素ガスは、燃料ガス供給流路 201を通って、減圧弁 232で減圧された後、電磁弁 234を介して燃料電池本体 1に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池 1内で 電気化学反応に消費された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフ ガスは、循環流路 203を通り、気液分離器 220で水分が除去された後、水素ポンプ 2 10を介して燃料ガス供給流路 201に戻され、再び燃料電池本体 1に供給される。な お燃料ガス供給流路 201と循環流路 203の接続点 Aと水素ポンプ 210との間には逆 止弁 242が設けられているため、循環している水素オフガスは、逆流しない。なお通 常は、第 1および第 2の分岐流路 207、 209の電磁弁 244および 246は閉じているが 、必要に応じてこれらのバルブが開かれると、それぞれの分岐流路から、気液分離器 220で処理された水分を多く含むガスおよび循環させる必要のなくなった水素オフガ スが排出される。これらの液体および Zまたは気体は、酸化剤オフガス排出流路 303 を介して系外に排出される。
[0031] 次に本発明の燃料電池システム構成部品の凍結防止のための動作を、水素ボン プを例に説明する。
[0032] 一般に燃料電池システムが低温環境下で停止された場合、システム内に残留する 水分を含むガス力ゝらの水分の凝縮によってシステム構成部品（例えばポンプ、各種バ ルブ、気液分離器、加湿器、配管等）が凍結し、次回起動時に速やかなシステム始 動が行えなくなる可能性がある。このようなシステム構成部品の凍結を回避するため 、システム停止前あるいは停止中に、燃料ガス流路 2に燃料オフガス等をパージして 、残留水分を排出させておくことが考えられる。
[0033] 例えば水素ポンプ 210を乾燥させるため、燃料電池本体 1を含む燃料ガス流路全 体を対象とした、 1系統の掃気経路 (以降に示す、第 1の掃気経路 600)を構成するこ とが考えられる。し力しながら、この場合、残留水分量が一定値以下となったと確認さ れるまで水素オフガスの循環掃気を繰り返すと、水素ポンプには、継続的に燃料電 池本体側から残留水分が流入するため、燃料電池本体の乾燥、さらには水素ポンプ の乾燥の両方が完了するまで掃気操作が繰り返されることになる。特に通常、水素ポ ンプの残留水分を除去するには、他の部品に比べてより多くの時間が必要となるた め、このような方法では、水素ポンプの乾燥効率が悪ぐシステムの停止までに相当 の時間がかかってしまう。
[0034] これに対して本発明の方法では、掃気経路を 2系統で構成し、燃料電池システムが 低温環境下で停止される際に、 2段階の水分除去操作を行う。この場合、第 1段階の 水分除去操作では、予め燃料電池本体 1を含む第 1の掃気経路で水分除去を実施 して、燃料電池本体 1の乾燥を行っておき、次に第 2段階の水分除去操作では、燃 料電池本体 1を含まない第 2の掃気経路で、水素ポンプ 210の水分除去操作を行う という操作が可能となるため、水素ポンプの水分除去を効率的に行うことが可能とな る。
[0035] この 2段階の水分除去操作の方法をより詳しく説明する。まず最初の段階では、図 1の破線で示す第 1の掃気経路 600内で燃料オフガスが循環される。すなわち、水 素ポンプ 210によって、循環流路 203— A点から燃料電池本体 1までの燃料ガス供 給流路 201—燃料電池本体 1 とつながる経路で燃料オフガスが循環され、系内の 残留水分が気液分離器 220で回収除去される（この段階では減圧弁 234および電 磁弁 240は開いており、電磁弁 230、 232、 515は閉じている）。この燃料オフガスの 循環操作によって、燃料電池本体 1に残留していた水分が十分に排出される。次に 、第 2段階では、燃料電池本体 1をバイパスした経路、すなわち図 1において二重破 線で示す第 2の掃気経路 610で、水素ポンプ 210によって燃料オフガスが循環され、 気液分離器 220によって残留水分が除去される（この段階では減圧弁 234および電 磁弁 240は閉止され、電磁弁 515は開かれている）。これにより、燃料電池本体 1の 影響を受けずに水素ポンプ 210を効率的に乾燥させることができる。
[0036] この動作を図 2に示すフローチャートを例に、詳しく説明する。
[0037] 図 2は、燃料電池システムを停止する際のシステムの動作フローを示した図である。
まずステップ S10では、温度センサ等の検出手段によって、外気温度または対象配 管温度 (例えば図 1の、燃料ガス流路 2内のいずれかの配管温度）が測定され、制御 部 4では、この測定温度 401と予め設定された閾値との比較により、凍結防止のため の水分除去操作の必要有無が判断される。測定温度 401が閾値以下の場合には、 制御部 4において、燃料ガス流路 2の水分除去操作が必要と判断され、次のステップ S20に進む。一方、測定温度が閾値を上回る場合には、制御部 4から水分除去操作 のための指令はされないため、特別な操作がされずにシステムが停止される。従って 、このような判断ステップ S 10を設けることにより、システムの省エネ化が可能となる。 なお通常のシステムの中には、通常の停止モードとして、システム停止前に第 1の掃 気経路で掃気を行う操作が組み込まれて 、る場合もあり得る。そのようなシステムで は、ステップ S10において、測定温度 401が閾値を上回った場合、システム停止直 前に、第 1の掃気経路での掃気だけが実施される。
[0038] 次にステップ S20においては、電磁弁 230、 515と減圧弁 232が閉じられ（あるいは 閉じていることが確認され)るとともに、電磁弁 234、 240が開かれ (あるいは開いてい ることが確認され)、第 1の掃気経路 600が形成される。また水素ポンプ 210が稼動し て、第 1の掃気経路 600内での燃料オフガスの循環が開始される。これにより、燃料 電池本体 1を含む第 1の掃気経路 600内に残留して ヽる水分が、気液分離器 220に よって回収処理される。
[0039] 次にステップ S30では、第 1の掃気経路内の残留水分量が基準値以下となってい るかどうかが判断される。残留水分量が基準値を超えていると判断された場合、第 1 の掃気経路内での燃料オフガスの循環が継続される。一方、残留水分量が基準値 以下に低下していると判断された場合、第 1の掃気経路での残留水分除去操作は完 了して、ステップ 40に移行する。ここで、制御部 4において、第 1の掃気経路の残留 水分量が基準値以下となったことを判断する方法として、以下のような方法がある。 ( 1)予め制御部 4に、水素ポンプの作動時間と水分除去量の関係を記憶させておき、 水素ポンプが所定の作動時間に達したときに、経路内の水分が基準値以下になった と判断する方法、（2)気液分離器に液面センサ等を設置しておき、第 1の掃気経路 での燃料オフガスの循環により回収された水分除去量の変化をモニターし、この経 時変化が予め設定した変化量以下となった場合に、経路内の水分が基準値以下に なったと判断する方法等である。なお（1)の方法の場合、水素ポンプの作動時間と水 分除去量の関係は、燃料電池の発電量や冷却水温など、燃料電池の作動状態によ つても変化するため、制御部 4には、各種条件下での複数の関係を記憶させておくこ とが好ましい。 [0040] ステップ S40では、制御部 4の指令により、電磁弁 234、 240が閉じられ、電磁弁 51 5が開かれて、第 2の掃気経路 610が形成される。この経路においても、水素ポンプ 2 10によって、燃料オフガスの循環が行われる。
[0041] 次にステップ S50では、第 2の掃気経路 610内の残留水分量が基準値以下となつ た力どうかが判断される。残留水分量が基準値を超えていると判断された場合、第 2 の掃気経路 610内での燃料オフガスの循環が継続される。一方、残留水分量が基準 値以下となったと判断された場合には、第 2の掃気経路 610での燃料オフガスの循 環操作は完了して、システムが停止される。なおこのステップにおいても、前述の第 1 の掃気経路 600内の残留水分量の判断方法と同様の方法を利用することができる。
[0042] 上記のステップによって、燃料ガス流路 2内の水素ポンプ等の構成部品を確実か つ効率的に乾燥させることが可能となる。
[0043] 本発明の燃料電池システムの別の実施例は、図 3に示されている。
[0044] この例では、先に示した図 1とはバイパス流路の位置が異なっている。すなわち、バ ィパス流路 530の一端は、燃料ガス供給流路 201の、電磁弁 234と接続点 A (燃料 ガス供給流路 201と循環流路 203の接続点）の間に接続される (接続点 B)。また、バ ィパス流路 530の他端は、循環流路 203の、水素ポンプ 210と気液分離器 220の間 に接続される (接続点 C)。なおバイノス流路 530には電磁弁 525が配置されて ヽる
[0045] このシステム構成においても、第 1段階の水分除去操作の際には、第 1の掃気経路 600内で、前述の経路により、同様に燃料オフガスが循環される。しかし第 2段階の 水分除去が行われる場合、このシステムでは、電磁弁 234、 240が閉じられ、電磁弁 230、 246, 525、減圧弁 232力 S開力れる。すなわち、乾燥した水素ガス力 高圧水 素タンク 200—燃料ガス供給流路とバイパス流路 530の接続点 B—バイパス流路 53 0と循環流路 203の接続点 C一の経路で水素ポンプ 210に流入され、水素ポンプ 21 0に含まれる残留水分が排出される。水素ポンプ 210から排出された水分を含む水 素ガスは、電磁弁 246および希釈器 250を介して排出される。このシステムの場合、 水素ポンプ 210内の残留水分の除去に新鮮な乾燥水素が用いられるため、より効率 的な水分除去を行うことが可能となる。 [0046] なお、本発明の燃料電池システムによるシステム停止操作は、システムが稼動状態 力も停止されるときにのみ適用されるものと解してはならない。例えば燃料電池システ ムが低温環境下で停止されている状態において、凍結が生じる恐れがある場合に必 要に応じて前述の（図 2の）操作を行うようにすることも可能である。この場合、 2系統 の掃気経路内を循環させるガスとして、燃料オフガスの代わりに高圧水素タンク 200 力 の水素ガスが用いられても良 、。
[0047] 上記の本発明の実施例では、水素ポンプ 210を対象として、これを効率的に乾燥さ せる例について説明した。すなわち、第 1の掃気経路には水素ポンプ 210と燃料電 池本体 1が含まれ、第 2の掃気経路には水素ポンプ 210が含まれ、燃料電池本体 1 が含まれない構成について示した。し力しながら、本発明による 2系統の掃気経路は このような構成に限られるものではない。さらに本発明の適用対象となるシステム構成 部品は、水素ポンプに限られるものではない。例えば、反応ガス流路に設置されてい る別の構成部品 (バルブ、加湿器、配管等)を対象として、第 1の掃気経路を燃料電 池本体が含まれるように構成し (前記構成部品は含んでも含まなくても良い）、第 2の 掃気経路をそのような部品が含まれ、燃料電池本体が含まれな 、構成とすることも可 能である。
[0048] また、本発明の説明のために使用した燃料電池システムの構成は一例であって、 本発明を限定するものではない。例えば、実際の燃料電池システムでは、示されてい ない箇所にも、電磁弁や配管等他の構成部品が配設される場合があり、逆に図 1ま たは 3に示したいくつかの構成部品が省略される場合もあり得ることに留意する必要 がある。
[0049] なお、本願 ίま、 2005年 12月 5曰に出願した曰本国特許出願 2005— 350551号 に基づく優先権を主張するものであり、同日本国出願の全内容を本願に参照により 援用する。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料電池本体と、該燃料電池へ反応ガスを供給および排出するガス流路と、該ガ ス流路におけるガス流通状態を調整する調整部品と、を備える燃料電池システムで あって、
前記ガス流路の一部を掃気する少なくとも 2系統の掃気経路を備え、
第 1の掃気経路は燃料電池本体を含むように形成され、第 2の掃気経路は燃料電 池本体をバイパスするように形成されることを特徴とする燃料電池システム。
[2] 第 1および第 2の掃気経路は、同一の調整部品を有することを特徴とする請求項 1 に記載の燃料電池システム。
[3] 前記反応ガスを排出するガス流路は、排出された反応ガスを、循環ポンプによって
、前記反応ガスを供給するガス流路に戻す循環流路を備え、
第 1および第 2の掃気経路は、循環ポンプを有することを特徴とする請求項 1に記 載の燃料電池システム。
[4] 第 2の掃気経路は、さらにバイパス流路を有し、該バイパス流路の一端は、前記循 環流路の、循環ポンプと前記供給流路の間に接続され、前記バイパス流路の他端は
、前記循環流路の、燃料電池本体と循環ポンプの間に接続されることを特徴とする請 求項 3に記載の燃料電池システム。
[5] 第 1および Zまたは第 2の掃気経路は、気液分離装置を有することを特徴とする請 求項 1に記載の燃料電池システム。
[6] 第 2の掃気経路は、燃料電池本体に流通されて!ヽな 、反応ガスで掃気されることを 特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
[7] 請求項 1に記載の燃料電池システムの停止方法であって、
システム停止前に、
第 1の掃気経路で掃気を行うステップと、
第 2の掃気経路で掃気を行うステップと、が実行されることを特徴とする燃料電池シ ステムの停止方法。
[8] 前記燃料電池システムはさらに、所定箇所の温度を検出する検出手段を有し、該 検出手段により検出された温度が基準値以下となった場合に、第 1の掃気経路と第 2 の掃気経路の両方で掃気が行われることを特徴とする請求項 7に記載の燃料電池シ ステムの停止方法。
第 1の掃気経路の残留水分量が基準値以下になったと判断された場合に、第 1の 掃気経路で掃気を行うステップから、第 2の掃気経路で掃気を行うステップに移行す ることを特徴とする請求項 7に記載の燃料電池システムの停止方法。
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