JP2009158120A - 燃料電池システム、その運転停止方法及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤ガス流路内における酸化剤ガスと燃料ガスとの置換処理を、短時間で確実に行うことを可能にする。
【解決手段】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とともに、運転停止時に、酸化剤ガス流路３４に前記燃料ガスを供給可能な前記燃料ガス供給装置１６と、前記酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６を吸引する減圧装置１８と、前記減圧装置１８で吸引される前記燃料ガスを空気により希釈するための希釈装置２０とを備える。
【選択図】図１

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、その運転停止方法及びその起動方法に関する。

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。

しかしながら、燃料電池を長時間にわたって停止させている間に、アノード側電極にも空気が侵入し、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、特に、カソード側電極が高電位となり易い。これにより、前記アノ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パワープラントの停止方法では、燃料電池から負荷を切断し、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスの供給を停止した後、前記酸化剤ガス流路に燃料ガスを供給することにより、前記酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に前記燃料ガスを充填している。

特表２００６−５０７６４７号公報 米国特許第７，１４１，３２４号明細書

しかしながら、上記の特許文献２では、燃料電池の運転停止時に、酸化剤ガス流路に残存する酸化剤ガスを燃料ガスに置換させるために、比較的長時間を要してしまう。これにより、燃料電池の運転が完全に停止されるまでに、相当に時間がかかってしまい、効率的な運転停止処理が遂行され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、酸化剤ガス流路内の酸化剤ガスと燃料ガスとの置換処理を、短時間で確実に行うことができ、燃料電池の運転停止処理や起動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、その運転停止方法及びその起動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とともに、運転停止時に酸化剤ガス流路に前記燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給装置と、少なくとも前記酸化剤ガス流路を吸引する減圧装置と、前記減圧装置により吸引される前記燃料ガスを、空気により希釈するための希釈装置とを備えている。

また、減圧装置は、酸化剤ガス流路を吸引する第１減圧ポンプと、燃料ガス流路を吸引する第２減圧ポンプとを個別に備えることが好ましい。

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、燃料電池から外部への電力供給を停止する工程と、酸化剤ガス流路への酸化剤ガスの供給を停止するとともに、燃料ガス流路への燃料ガスの供給を停止する工程と、少なくとも前記酸化剤ガス流路を吸引して前記酸化剤ガス流路を減圧する工程と、少なくとも前記酸化剤ガス流路に前記燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を前記燃料ガスで満たす工程とを有している。

さらにまた、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、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記燃料ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法に関するものである。

この起動方法は、少なくとも酸化剤ガス流路に残存する燃料ガスを吸引して前記酸化剤ガス流路を減圧する工程と、燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電させる工程とを有している。

本発明では、減圧装置を介して酸化剤ガス流路が吸引されてこの酸化剤ガス流路が減圧されるため、前記酸化剤ガス流路に所望のガスを迅速且つ確実に置換することができる。しかも、酸化剤ガス流路に燃料ガスが残存している際、減圧装置で吸引される燃料ガスは、希釈装置を介して空気により希釈される。従って、燃料ガスが直接外部に放出されることがなく、排ガス処理が良好に遂行可能になる。

また、本発明では、少なくとも酸化剤ガス流路を吸引して前記酸化剤ガス流路が減圧された後、前記酸化剤ガス流路に燃料ガスが導入されるため、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が、前記燃料ガスにより短時間で満たされる。このため、燃料電池の運転停止処理が、迅速且つ確実に遂行されるとともに、カソード側電極が高電位となることがなく、電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下を良好に抑制することができる。

さらに、本発明では、少なくとも酸化剤ガス流路に残存する燃料ガスが吸引され、前記酸化剤ガス流路が減圧されるため、前記酸化剤ガスに酸化剤ガスを迅速且つ確実に供給することが可能になる。これにより、燃料電池の起動処理が迅速且つ確実に遂行される。

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、後述する酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６を吸引する減圧装置１８と、燃料ガスを空気により希釈する希釈装置２０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２１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には、エアポンプ４２の上流側にエアフィルタ４６が配置される。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に連通するとともに、エアポンプ４２の下流側から希釈流路４８が分岐され、この希釈流路４８が希釈装置２０に接続される。なお、エアポンプ４２の下流と酸化剤ガス入口連通孔３８ａとの間には、図示しないが、加湿器が配設される。

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５０を備える。この空気排出流路５０は、希釈装置２０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５２を備え、この水素タンク５２は、水素供給流路５４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５４には、レギュレータ５６及びエゼクタ５８が設けられるとともに、前記エゼクタ５８の下流と空気供給流路４４とは、分岐流路５９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６０が連通するとともに、前記オフガス流路６０に水素循環路６２が連通する。オフガス流路６０は、希釈装置２０に接続される一方、水素循環路６２は、エゼクタ５８に接続される。

エゼクタ５８は、水素タンク５２から供給される水素ガスを、水素供給流路５４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６２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。

減圧装置１８は、酸化剤ガス流路３４を吸引する第１減圧ポンプ６６ａと、燃料ガス流路３６を吸引する第２減圧ポンプ６６ｂとを個別に備える。第１減圧ポンプ６６ａは、第１減圧流路６８ａに配設されるとともに、この第１減圧流路６８ａは、空気排出流路５０と希釈装置２０とに接続される。第２減圧ポンプ６６ｂは、第２減圧流路６８ｂに配置されるとともに、この第２減圧流路６８ｂは、オフガス流路６０と希釈装置２０とに接続される。

燃料電池システム１０には、第１開閉バルブ７０ａ〜第１０開閉バルブ７０ｊが配設される。具体的には、第１開閉バルブ７０ａは、分岐流路５９に配置され、第２開閉バルブ７０ｂは、空気供給流路４４に前記分岐流路５９の上流に位置して配置される。第３開閉バルブ７０ｃは、水素供給流路５４にレギュレータ５６とエゼクタ５８との間に位置して配置される。

第４開閉バルブ７０ｄは、オフガス流路６０の燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に位置して配置される一方、第５開閉バルブ７０ｅは、前記オフガス流路６０に希釈装置２０の近傍に位置して配置される。第６開閉バルブ７０ｆは、空気排出流路５０に酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に位置して配置されるとともに、第７開閉バルブ７０ｇは、前記空気排出流路５０に希釈装置２０の近傍（第１減圧流路６８ａの下流）に位置して配置される。

第８開閉バルブ７０ｈは、第１減圧流路６８ａに第１減圧ポンプ６６ａの上流に位置して配置される一方、第９開閉バルブ７０ｉは、第２減圧流路６８ｂに第２減圧ポンプ６６ｂの上流に位置して配置される。第１０開閉バルブ７０ｊは、希釈流路４８に配置される。

空気供給流路４４には、第２開閉バルブ７０ｂと酸化剤ガス入口連通孔３８ａとの間に位置して第１圧力センサ７２ａが配置される。水素供給流路５４には、燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍に位置して第２圧力センサ７２ｂが配置される。第１圧力センサ７２ａは、酸化剤ガス流路３４の圧力を検出し、第２圧力センサ７２ｂは、燃料ガス流路３６の圧力を検出する。

燃料電池スタック１２には、例えば、駆動モータ等の負荷７４が、スイッチ７６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、本発明の第１の実施形態に係る起動方法及び運転停止方法との関連で、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。

燃料電池システム１０では、後述するように、運転停止された状態で、燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３４及び各燃料ガス流路３６が燃料ガスで満たされている。このため、燃料電池システム１０を起動させる際には、先ず、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる（ステップＳ１）。

具体的には、図３及び図４に示すように、第１開閉バルブ７０ａ〜第３開閉バルブ７０ｃ、第５開閉バルブ７０ｅ及び第７開閉バルブ７０ｇが閉じられる一方、第４開閉バルブ７０ｄ、第６開閉バルブ７０ｆ及び第８開閉バルブ７０ｈ〜第１０開閉バルブ７０ｊが開放される。この状態で、減圧装置１８を構成する第１減圧ポンプ６６ａ及び第２減圧ポンプ６６ｂが駆動されるとともに、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ４２が同時に駆動される。

第１減圧ポンプ６６ａは、酸化剤ガス流路３４に連通しており、この酸化剤ガス流路３４が吸引される。従って、酸化剤ガス流路３４に残存する燃料ガスは、第１減圧ポンプ６６ａにより吸引されて希釈装置２０に排出されるため、前記酸化剤ガス流路３４が減圧される。この酸化剤ガス流路３４の減圧状態は、第１圧力センサ７２ａにより検出される。

一方、第２減圧ポンプ６６ｂは、燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスを吸引し、この燃料ガスを希釈装置２０に排出する。これにより、燃料ガス流路３６が減圧される。この燃料ガス流路３６の減圧状態は、第２圧力センサ７２ｂにより検出される。

また、エアポンプ４２を介して、外部空気が希釈流路４８から希釈装置２０に供給される。このため、希釈装置２０では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６から吸引された燃料ガスが空気によって十分に希釈された後、外部に排出される。

酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が所定の減圧状態に至った後、減圧が停止され（ステップＳ２）、所定の時間だけ保持される。この減圧停止状態は、図３及び図５に示すように、第８開閉バルブ７０ｈ〜第１０開閉バルブ７０ｊが閉塞されることにより維持される。

次に、ステップＳ３に進んで、燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給される。そして、この燃料ガスの供給が開始されて所定の時間だけ経過した後、各酸化剤ガス流路３４への酸化剤ガスの供給が開始される（ステップＳ４）。

具体的には、図３及び図６に示すように、第３開閉バルブ７０ｃが開放された後、時間Ｔが経過すると、第２開閉バルブ７０ｂ及び第７開閉バルブ７０ｇが開放されるとともに、第５開閉バルブ７０ｅが断続的に（又は所定の開度だけ）開放される。

従って、先ず、水素タンク５２から水素供給流路５４に燃料ガス（水素ガス）が供給される。この燃料ガスは、レギュレータ５６で減圧された後、燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に供給される。燃料ガス流路３６から排出される燃料ガスは、水素循環路６２を通ってエゼクタ５８に吸引され、水素供給流路５４から再度、前記燃料ガス流路３６に供給される。

その後、エアポンプ４２が駆動されるため、空気（酸化剤ガス）は、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に供給される。酸化剤ガス流路３４から排出される空気は、希釈装置２０に送られる。

そこで、スイッチ７６が閉じられて、負荷７４が燃料電池スタック１２に電気的に接続される。これにより、燃料電池スタック１２による発電が開始される（ステップＳ５）。

この発電時には、酸化剤ガスは、各燃料電池２２の酸化剤ガス流路３４に送られ、各カソード側電極２６に沿って供給される。一方、燃料ガスは、燃料電池２２の各燃料ガス流路３６に供給され、各アノード側電極２８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、電気化学的に反応することにより、発電が行われる。

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Ｓ６）、スイッチ７６が開放されることにより、燃料電池スタック１２が負荷７４から電気的に切断される。このため、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。一方、図３及び図７に示すように、第２開閉バルブ７０ｂ及び第３開閉バルブ７０ｃが閉塞されて、燃料電池スタック１２への空気及び燃料ガスの供給が停止される。

さらに、ステップＳ７に進んで、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６の減圧処理が行われる。この減圧処理時には、図３及び図８に示すように、第５開閉バルブ７０ｅ及び第７開閉バルブ７０ｇが閉じられる一方、第８開閉バルブ７０ｈ及び第９開閉バルブ７０ｉが開放される。

従って、第１減圧ポンプ６６ａの作用下に、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２０に排出されることにより、前記酸化剤ガス流路３４が減圧される。また、第２減圧ポンプ６６ｂの作用下に、燃料ガス流路３６が吸引され、この燃料ガス流路３６に残存する燃料ガスが希釈装置２０に排出されることにより、前記燃料ガス流路３６が減圧される。その際、希釈装置２０には、酸化剤ガス流路３４に残存する空気が導入されるため、燃料ガス流路３６から排出される燃料ガスを良好に希釈することができる。

酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６は、所定の減圧状態に至った際に、減圧処理が停止される（ステップＳ８）。このステップＳ８では、図３及び図５に示すように、第８開閉バルブ７０ｈ及び第９開閉バルブ７０ｉが閉塞される。これにより、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６は、所定の減圧状態に維持されており、所定時間経過後に、水素パージ処理が行われる。

具体的には、図３及び図９に示すように、第４開閉バルブ７０ｄ及び第６開閉バルブ７０ｆが閉じられる一方、先ず、第３開閉バルブ７０ｃが開放される。このため、水素タンク５２から水素供給流路５４に燃料ガスが供給され、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に充填される（ステップＳ９）。

第３開閉バルブ７０ｃが開放された後、所定の時間Ｔだけ経過すると、第１開閉バルブ７０ａが開放される。従って、水素タンク５２から導出される燃料ガスは、一部が分岐流路５９に分岐されて燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３４に充填される（ステップＳ１０）。

そして、燃料ガス流路３６及び酸化剤ガス流路３４に充填される燃料ガス圧が、大気圧に至った後、第１開閉バルブ７０ａ及び第３開閉バルブ７０ｃが閉塞されることにより、燃料電池システム１０全体の運転停止（全停止）がなされる（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の運転停止時に、図８に示すように、減圧装置１８を構成する第１減圧ポンプ６６ａを介して酸化剤ガス流路３４が減圧されるとともに、第２減圧ポンプ６６ｂを介して燃料ガス流路３６が減圧されている。次いで、水素タンク５２から燃料ガス流路３６に燃料ガスが供給された後、所定の時間Ｔだけ経過すると、この燃料ガスが酸化剤ガス流路３４に供給されている。

その際、燃料ガス流路３６及び酸化剤ガス流路３４は、減圧状態に維持されており、燃料ガスが強制的に吸引されるため、前記燃料ガス流路３６及び前記酸化剤ガス流路３４には、前記燃料ガスが迅速に充填される。このため、燃料電池システム１０の運転停止処理は、迅速且つ確実に遂行されるという効果が得られる。

しかも、燃料ガス流路３６に燃料ガスが投入された後、酸化剤ガス流路３４に前記燃料ガスが投入されている。これにより、特にカソード側電極２６の電位上昇を阻止することができ、各燃料電池２２では、電極触媒層の性能劣化による発電性能の低下を良好に抑制することが可能になる。

また、第１の実施形態では、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６が燃料ガスにより満たされた状態で、燃料電池システム１０が起動される際、先ず、前記酸化剤ガス流路３４及び前記燃料ガス流路３６に減圧処理が施されている（図４参照）。従って、燃料ガス流路３６に燃料ガスを迅速且つ確実に供給するとともに、酸化剤ガス流路３４に空気を迅速且つ確実に供給することができる。このため、燃料電池スタック１２の起動処理は、効率的に開始されるという効果がある。

さらに、減圧処理後に、先ず、燃料ガス流路３６に燃料ガスを所定の時間Ｔだけ供給した後、酸化剤ガス流路３４に空気を供給している。これにより、カソード側電極２６が高電位となることがなく、電極触媒層の性能劣化を良好に抑制することが可能になる。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成図である。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。

燃料電池システム８０は、減圧装置８２を備えており、この減圧装置８２は、酸化剤ガス流路３４を吸引する減圧ポンプ６６を有する。

燃料電池システム８０は、第１開閉バルブ８４ａ〜第１０開閉バルブ８４ｊを備える。第１開閉バルブ８４ａは、分岐流路５９に配置され、第２開閉バルブ８４ｂは、空気供給流路４４に配置される。第３開閉バルブ８４ｃは、水素供給流路５４に燃料ガス入口連通孔４０ａの近傍に位置して配置される一方、第４開閉バルブ８４ｄは、前記水素供給流路５４にレギュレータ５６とエゼクタ５８との間に位置して配置される。

第５開閉バルブ８４ｅは、オフガス流路６０に燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に位置して配置される一方、第６開閉バルブ８４ｆは、前記オフガス流路６０に希釈装置２０の近傍に位置して配置される。第７開閉バルブ８４ｇは、空気排出流路５０に酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に位置して配置されるとともに、第８開閉バルブ８４ｈは、前記空気排出流路５０に希釈装置２０の近傍に位置して配置される。第９開閉バルブ８４ｉは、減圧流路６８に配置されるとともに、第１０開閉バルブ８４ｊは、希釈流路４８に配置される。

このように構成される燃料電池システム８０の動作について、図１１に示すフローチャート及び図１２に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。

燃料電池システム８０では、上記の燃料電池システム１０と同様に、酸化剤ガス流路３４及び燃料ガス流路３６に燃料ガスが充填された状態で、停止されている。このため、起動時には、先ず、酸化剤ガス流路３４の減圧処理が行われる（ステップＳ２１）。

図１２及び図１３に示すように、第１開閉バルブ８４ａ〜第６開閉バルブ８４ｆ及び第８開閉バルブ８４ｈが閉塞される一方、第７開閉バルブ８４ｇ、第９開閉バルブ８４ｉ及び第１０開閉バルブ８４ｊが開放される。この状態で、減圧ポンプ６６及びエアポンプ４２が同時に駆動される。

これにより、酸化剤ガス流路３４が吸引され、この酸化剤ガス流路３４に残存する水素ガスは、減圧ポンプ６６の吸引作用下に希釈装置２０に排出される。また、希釈装置２０には、エアポンプ４２を介して外部の空気が導入される。従って、希釈装置２０では、燃料ガスが希釈された後に外部に放出される一方、酸化剤ガス流路３４は、所定の減圧状態に至る。

そして、減圧が停止された後（ステップＳ２２）、所定の時間だけ保持される。この減圧停止時は、図１２及び図１４に示すように、第９開閉バルブ８４ｉ及び第１０開閉バルブ８４ｊが閉塞されることにより、酸化剤ガス流路３４の出入り口が閉塞される。

次いで、ステップＳ２３に進んで、燃料ガス流路３６に燃料ガスの供給が開始される。図１２及び図１５に示すように、先ず、第３開閉バルブ８４ｃ〜第５開閉バルブ８４ｅが開放されるとともに、第６開閉バルブ８４ｆが断続的に開閉（又は所定の開度に調整）される。このため、燃料ガスが、水素タンク５２から水素供給流路５４を介して燃料電池スタック１２の各燃料ガス流路３６に供給され、この燃料ガス流路３６から排出される燃料ガスは、水素循環路６２を介して、再度、燃料ガス流路３６に供給される。

所定の時間Ｔだけ経過した後に、第２開閉バルブ８４ｂ及び第８開閉バルブ８４ｈが開放される。従って、エアポンプ４２の作用下に、燃料電池スタック１２の各酸化剤ガス流路３４に空気が送られる（ステップＳ２４）。この酸化剤ガス流路３４から放出される空気は、希釈装置２０に排出される。この状態で、スイッチ７６が閉じられて、燃料電池スタック１２に負荷７４が電気的に接続されることにより、燃料電池スタック１２による発電が開始される（ステップＳ２５）。

さらに、図１２及び図１６に示すように、燃料電池システム１０の発電が停止されると（ステップＳ２６）、ステップＳ２７に進んで、酸化剤ガス流路３４の減圧が開始される。この減圧処理は、図１２及び図１７に示すように、第５開閉バルブ８４ｅ、第６開閉バルブ８４ｆ及び第８開閉バルブ８４ｈが閉塞されるとともに、第９開閉バルブ８４ｉが開放される。

このため、減圧ポンプ６６の作用下に、酸化剤ガス流路３４が吸引され、この酸化剤ガス流路３４に残存する空気が希釈装置２０に排出されることにより、前記酸化剤ガス流路３４が減圧される。この酸化剤ガス流路３４が所定の減圧状態に至ると、図１２及び図１４に示すように、減圧停止が行われる（ステップＳ２８）。

そして、減圧状態で所定の時間だけ保持された後、酸化剤ガス流路３４に燃料ガスの供給が開始される（ステップＳ２９）。具体的には、図１２及び図１８に示すように、第７開閉バルブ８４ｇが閉塞される一方、第１開閉バルブ８４ａ及び第４開閉バルブ８４ｄが開放される。これにより、水素タンク５２から供給される燃料ガスは、分岐流路５９を通って酸化剤ガス流路３４に吸引される。

次に、酸化剤ガス流路３４内の燃料ガス圧が大気圧に至った際、燃料電池システム８０全体の運転が停止される（ステップＳ３０）。この状態では、第１開閉バルブ８４ａ〜第１０開閉バルブ８４ｊが全て閉塞されている。

この場合、第２の実施形態では、燃料電池システム８０の運転停止時に、酸化剤ガス流路３４を減圧した後、この酸化剤ガス流路３４に燃料ガスを供給している。このため、酸化剤ガス流路３４への燃料ガスの充填処理は、短時間で確実に遂行される。これにより、燃料電池システム８０の運転停止処理が、迅速且つ確実に遂行される等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、第２の実施形態では、燃料電池システム８０の起動時には、先ず、酸化剤ガス流路３４を減圧して、この酸化剤ガス流路３４に残存する燃料ガスを吸引した後、前記酸化剤ガス流路３４に空気が導入されている。従って、減圧状態の酸化剤ガス流路３４に空気が充填されるため、この空気を迅速且つ確実に充填することができる。このため、燃料電池システム８０の起動が効率的に開始される等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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の実施形態に係る起動方法及び運転停止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減圧時の説明図である。 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。 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パージ時の説明図である。 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図である。 本発明の第２の実施形態に係る起動方法及び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。 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減圧停止時の説明図である。 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。 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パージ時の説明図である。

符号の説明

１０、８０…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…減圧装置 ２０…希釈装置
２１…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
３２ａ、３２ｂ…セパレータ ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２…エアポンプ
４４…空気供給流路 ４８…希釈流路
５０…空気排出流路 ５２…水素タンク
５４…水素供給流路 ５８…エゼクタ
５９…分岐流路 ６０…オフガス流路
６２…水素循環路 ６６、６６ａ、６６ｂ…減圧ポンプ
６８、６８ａ、６８ｂ…減圧流路
７０ａ〜７０ｊ、８４ａ〜８４ｊ…開閉バルブ
７２ａ、７２ｂ…圧力センサ ８２…減圧装置

Claims (4)

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とともに、運転停止時に前記酸化剤ガス流路に前記燃料ガスを供給可能な燃料ガス供給装置と、
   少なくとも前記酸化剤ガス流路を吸引する減圧装置と、
   前記減圧装置により吸引される前記燃料ガスを、空気により希釈するための希釈装置と、
   を備え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、前記減圧装置は、前記酸化剤ガス流路を吸引する第１減圧ポンプと、
   前記燃料ガス流路を吸引する第２減圧ポンプと、
   を個別に備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 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停止方法であって、
   前記燃料電池から外部への電力供給を停止する工程と、
   前記酸化剤ガス流路への前記酸化剤ガスの供給を停止するとともに、前記燃料ガス流路への前記燃料ガスの供給を停止する工程と、
   少なくとも前記酸化剤ガス流路を吸引して前記酸化剤ガス流路を減圧する工程と、
   少なくとも前記酸化剤ガス流路に前記燃料ガスを供給し、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路を前記燃料ガスで満たす工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
4. 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、前記酸化剤ガス流路及び前記燃料ガス流路が前記燃料ガスで満たされた状態で運転停止される燃料電池システムの起動方法であって、
   少なくとも前記酸化剤ガス流路に残存する前記燃料ガスを吸引して前記酸化剤ガス流路を減圧する工程と、
   前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給するとともに、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池を発電させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。

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