JP2011129395A - 固体高分子形燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電運転の停止時に使用する不活性ガスの使用量を大幅に低減して、設置スペースを小さくすることができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】発電運転停止信号に基づいて、スタック１１１の酸化極側を封じ切るように弁１３９ａ〜１３９ｃを閉鎖制御した後、スタック１１１と抵抗１８１とを接続してスタック１１１の酸化極側の酸素ガス３を消費させるように切換スイッチ１８２を切換制御し、圧力計１９２ｂからの情報に基づいて、スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oがスタック１１１の周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aよりも小さい酸化極側規定値Ｐ_O1になると、スタック１１１への燃料極側を封じ切るように弁１４９ａ〜１４９ｃを閉鎖制御する制御装置１９１を備える固体高分子形燃料電池発電システム１００とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システムに関する。

従来の固体高分子形燃料電池発電システムの概略構成を図１０に示す。
図１０に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子膜をガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルを複数積層したスタック１１の燃料ガス供給部には、燃料ガスである水素ガス２を送給する水素ガスボンベ２１が圧調弁２９ａを介して接続されている。上記圧調弁２９ａと上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、水素ガス２を加湿する加湿器２２が配設されている。上記加湿器２２と上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、接続弁２９ｂが介在している。

前記スタック１１の酸化ガス供給部には、酸化ガスである酸素ガス３を送給する酸素ガスボンベ３１が圧調弁３９ａを介して接続されている。上記圧調弁３９ａと上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、酸素ガス３を加湿する加湿器３２が配設されている。上記加湿器３２と上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、接続弁３９ｂが介在している。

前記スタック１１の燃料ガス排出部には、ドレンポット２３が接続弁２９ｃを介して接続されている。上記スタック１１の酸化ガス排出部には、ドレンポット３３が接続弁３９ｃを介して接続されている。

前記スタック１１の燃料ガス供給部と前記接続弁２９ｂとの間には、不活性ガスである窒素ガス４を送給する窒素ガスボンベ４１が圧調弁４９ａを介して接続されている。上記圧調弁４９ａと上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、窒素ガス４を加湿する加湿器４２が配設されている。上記加湿器４２と上記スタック１１の燃料ガス供給部との間には、接続弁４９ｂが介在している。

前記スタック１１の酸化ガス供給部と前記接続弁３９ｂとの間には、窒素ガスボンベ５１が圧調弁５９ａを介して接続されている。上記圧調弁５９ａと上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、窒素ガス４を加湿する加湿器５２が配設されている。上記加湿器５２と上記スタック１１の酸化ガス供給部との間には、接続弁５９ｂが介在している。

このような従来の固体高分子形燃料電池発電システム１０の作動を次に説明する。
発電運転を行う場合には、前記圧調弁２９ａで圧調して前記接続弁２９ｂ，２９ｃを開放することにより、前記水素ガスボンベ２１から水素ガス２が送出されて、前記加湿器２２内の水１中へ送給されて飽和状態にまで加湿された後、前記スタック１１の燃料ガス供給部へ供給されると共に、前記圧調弁３９ａで圧調して前記接続弁３９ｂ，３９ｃを開放することにより、前記酸素ガスボンベ３１から酸素ガス３が送出されて、前記加湿器３２内の水１中へ送給されて飽和状態にまで加湿された後、前記スタック１１の酸化ガス供給部へ供給され、当該水素ガス２と当該酸素ガス３とが当該スタック１１内で電気化学的に反応して、電力が得られる。

前記スタック１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス２は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１の燃料ガス排出部から排出され、前記ドレンポット２３で上記水１を除去された後、再利用等される。また、前記スタック１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス３は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１の酸化ガス排出部から排出され、前記ドレンポット３３で上記水１を除去された後、再利用等される。

そして、発電運転を停止する場合には、前記弁２９ａ，２９ｂ，３９ａ，３９ｂを閉鎖して、前記スタック１１内への前記水素ガスボンベ２１からの水素ガス２及び前記酸素ガスボンベ３１からの酸素ガス３の供給を停止した後、前記圧調弁４９ａ，５９ａで圧調して前記接続弁４９ｂ，５９ｂを開放して、前記窒素ガスボンベ４１，５１から窒素ガス４を送給し、前記加湿器４２，５２内の水１中へ送給して飽和状態にまで加湿した後、前記スタック１１の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部へ供給し、当該スタック１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を燃料ガス排出部及び酸化ガス排出部からパージすると共に、当該スタック１１内を窒素ガス４に置換したら、前記弁２９ｃ，３９ｃ，４９ａ，４９ｂ，５９ａ，５９ｂを閉鎖して、当該スタック１１内を飽和水蒸気の窒素ガス４の雰囲気とすることにより、セルの固体高分子膜の乾燥を防止しつつ、残存する水素ガス２及び酸素ガス３による余計な反応に伴う固体高分子膜や電極中の触媒等の劣化を抑制するようにしている（例えば、下記特許文献１等参照）。

特開平６−２５１７８８号公報 特開２００７−２６５７８６号公報

前述したような従来の固体高分子形燃料電池発電システム１０においては、発電運転を停止した後に、スタック１１内に残存している水素ガス２及び酸素ガス３を窒素ガス４でパージして、当該スタック１１内を窒素ガス４に置換するため、発電運転を停止するにあたって、窒素ガス４を大量に使用してしまうことから（スタック１１の前記ガス２，３の流路系の容積の約４〜５倍）、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合、窒素ガス４の使用量が非常に多くなり、ランニングコストが高くなってしまうと共に、窒素ガスボンベ４１，５１を多数本設置したり、窒素ガスボンベ４１，５１の大容量化を図ったりしなければならず、多大な設置スペースが必要になってしまう。

このようなことから、本発明は、発電運転の停止時に使用する不活性ガスの使用量を大幅に低減して、設置スペースを小さくすることができる固体高分子形燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルが複数積層されて当該燃料極へ供給する燃料ガスの供給部及び排出部を有すると共に当該酸化極へ供給する酸化ガスの供給部及び排出部を有するスタックと、前記スタックの前記燃料ガス供給部へ弁を介して接続されて前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記スタックの前記酸化ガス供給部へ弁を介して接続されて前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記スタックの前記燃料ガス排出部へ弁を介して接続されて当該スタック内から前記ガスを当該スタックの外部へ排気する燃料ガス排気手段と、前記スタックの前記酸化ガス排出部へ弁を介して接続されて当該スタック内から前記酸化ガスを当該スタックの外部へ排気する酸化ガス排気手段と、前記スタックの前記酸化極側の圧力を計測する酸化極側圧力計測手段と、前記スタックの酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように当該スタックの内部での当該酸化ガスと前記燃料ガスとの電気化学的反応を生じさせる自己消費手段と、発電運転停止信号に基づいて、前記スタックの前記酸化極側への前記酸化ガスの供給を停止するように前記酸化ガス供給手段の前記弁を閉鎖制御すると共に、当該スタックの当該酸化極側からの前記酸化ガスの排気を停止するように前記酸化ガス排気手段の前記弁を閉鎖制御した後、当該スタックの当該酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように前記自己消費手段を作動制御し、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの当該酸化極側の圧力Ｐ_Oが当該スタックの周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aよりも小さい酸化極側規定値Ｐ_O1になると、当該スタックの前記燃料極側への前記燃料ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段の上記弁を閉鎖制御すると共に、当該スタックの当該酸化極側からの前記燃料ガスの排気を停止するように前記燃料ガス排気手段の前記弁を閉鎖制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段を備えると共に、前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように前記自己消費手段を作動制御した後、さらに、前記酸化極側圧力計測手段及び前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ当該燃料極側の圧力Ｐ_Hと当該酸化極側の圧力Ｐ_Oとの差圧ΔＰを規定値以下とするように、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を制御するものであることを特徴とする。

第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続されて不活性ガスを供給する燃料極用不活性ガス供給手段を備えると共に、前記制御手段が、前記スタックの前記燃料極側への前記燃料ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段の前記弁を閉鎖制御すると共に、当該スタックの当該燃料極側からの前記燃料ガスの排気を停止するように前記燃料ガス排気手段の前記弁を閉鎖制御した後、さらに、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの当該燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように、前記燃料極用不活性ガス供給手段からの前記不活性ガスの供給を制御するものであることを特徴とする。

第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第二番目の発明において、前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oが前記酸化極側規定値Ｐ_O1になると、さらに、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を制御するものであることを特徴とする。

第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段を備えると共に、前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように前記自己消費手段を作動制御した後、さらに、前記酸化極側圧力計測手段及び前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとなるように、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を制御するものであることを特徴とする。

第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続されて不活性ガスを供給する酸化極用不活性ガス供給手段を備えると共に、前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oが前記酸化極側規定値Ｐ_O1になると、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、さらに、当該酸化極側の圧力Ｐ_Oを当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように、前記酸化極用不活性ガス供給手段からの不活性ガスの供給を制御するものであることを特徴とする。

第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記酸化極側規定値Ｐ_O1が、前記スタックの温度における飽和水蒸気圧であることを特徴とする。

第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、前記スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aが、大気圧であることを特徴とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムによれば、発電運転停止後に、酸化ガス供給手段及び酸化ガス排気手段の前記弁を閉鎖することにより、スタックの酸化極側を外部から遮断するように封じ切り、スタックの酸化極側に残存する水素ガスを自己消費手段で消費、すなわち、スタックの酸化極側に残存する水素ガスを当該スタック内で酸素ガスと電気化学的に反応させて消費させて、当該スタックの酸化極側から水素ガスを除去した後に、燃料ガス供給手段及び燃料ガス排気手段の前記弁を閉鎖することにより、スタックの燃料極側を封じ切ることから、スタック内から酸素ガスをパージするにあたって、使用する不活性ガスの量を従来よりも大幅に少なくすることができるので、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合であっても、不活性ガスの使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、設置スペースを小さくすることができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。 図１の固体高分子形燃料電池発電システムの運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の概略構成図である。 図３の固体高分子形燃料電池発電システムの運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの他の実施形態における運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の他の例における運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の他の例における運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの他の実施形態の他の例における運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態のさらに他の例における運転停止の際のスタック内部の燃料極側及び酸化極側の圧力変化を示すグラフである。 従来の固体高分子形燃料電池発電システムの一例の概略構成図である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１，２に基づいて説明する。

図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子膜をガス透過性及び導電性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルを複数積層したスタック１１１の燃料ガス供給部には、燃料ガスである水素ガス２を送給する水素ガスボンベ１２１が圧調弁１２９ａを介して接続されている。上記圧調弁１２９ａと上記スタック１１１の燃料ガス供給部との間には、水素ガス２を加湿する加湿器１２２が配設されている。上記加湿器１２２と上記スタック１１１の燃料ガス供給部との間には、接続弁１２９ｂが介在している。

前記スタック１１１の酸化ガス供給部には、酸化ガスである酸素ガス３を送給する酸素ガスボンベ１３１が圧調弁１３９ａを介して接続されている。上記圧調弁１３９ａと上記スタック１１１の酸化ガス供給部との間には、酸素ガス３を加湿する加湿器１３２が配設されている。上記加湿器１３２と上記スタック１１１の酸化ガス供給部との間には、接続弁１３９ｂが介在している。

前記スタック１１１の燃料ガス排出部には、ドレンポット１２３が接続弁１２９ｃを介して接続されている。上記スタック１１１の酸化ガス排出部には、ドレンポット１３３が接続弁１３９ｃを介して接続されている。

前記スタック１１１の燃料ガス供給部と前記接続弁１２９ｂとの間には、不活性ガスである窒素ガス４を送給する窒素ガスボンベ１４１が圧調弁１４９ａ及び接続弁１４９ｂを介して接続されている。前記スタック１１１の酸化ガス供給部と前記接続弁１３９ｂとの間には、窒素ガスボンベ１５１が圧調弁１５９ａ及び接続弁１５９ｂを介して接続されている。

前記スタック１１１には、各種の外部負荷Ｌ及び自己消費用の抵抗１８１が切換スイッチ１８２を介して電気的に接続されており、当該切換スイッチ１８２は、上記スタック１１１に対する上記外部負荷Ｌと当該抵抗１８１との電気的な接続を切り換えることができるようになっている。

また、前記スタック１１１の燃料ガス供給部と前記接続弁１２９ｂ，１４９ｂとの間には、燃料極側圧力計測手段である圧力計１９２ａが配設されている。前記スタック１１１の酸化ガス供給部と前記接続弁１３９ｂ，１５９ｂとの間には、酸化極側圧力計測手段である圧力計１９２ｂが配設されている。これら圧力計１９２ａ，１９２ｂは、制御手段である制御装置１９１の入力部にそれぞれ電気的に接続している。

前記制御装置１９１の出力部は、前記弁１１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃ，１４９ａ，１４９ｂ，１５９ａ，１５９ｂ及び前記切換スイッチ１８２に電気的に接続しており、当該制御装置１９１は、上記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報等に基づいて、上記弁１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃ，１４９ａ，１４９ｂ，１５９ａ，１５９ｂの開閉作動及び上記切換スイッチ１８２の切換作動等を制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

なお、本実施形態においては、前記水素ガスボンベ１２１、前記加湿器１２２、前記圧調弁１２９ａ、前記接続弁１２９ｂ等により、本発明に係る燃料ガス供給手段を構成し、前記酸素ガスボンベ１３１、前記加湿器１３２、前記圧調弁１３９ａ、前記接続弁１３９ｂ等により、本発明に係る酸化ガス供給手段を構成し、前記ドレンポット１２３、前記接続弁１２９ｃ等により、本発明に係る燃料ガス排気手段を構成し、前記ドレンポット１３３、前記接続弁１３９ｃ等により、本発明に係る酸化ガス排気手段を構成し、前記窒素ガスボンベ１４１、前記圧調弁１４９ａ、前記接続弁１４９ｂ等により、本発明に係る燃料極用不活性ガス供給手段を構成し、前記窒素ガスボンベ１５１、前記圧調弁１５９ａ、前記接続弁１５９ｂ等により、本発明に係る酸化極用不活性ガス供給手段を構成し、前記抵抗１８１、切換スイッチ１８２等により、本発明に係る自己消費手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。

発電運転を開始する旨の信号が制御装置１９１に入力されると、当該制御装置１９１は、前記スタック１１１を外部負荷Ｌに接続するように前記切換スイッチ１８２を切換制御すると共に、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１内に水素ガス２及び酸素ガス３を規定の運転圧力Ｐ_D（例えば、約１００〜６００ｋＰａ（ａｂｓ））で供給するように、前記圧調弁１２９ａ，１３９ａの圧調制御及び前記接続弁１２９ｂ，１２９ｃ，１３９ｂ，１３９ｃを開放制御する。

これにより、前記水素ガスボンベ１２１から送出された水素ガス２は、前記加湿器１２２内の水１中へ供給されて飽和状態にまで加湿され、前記スタック１１１の燃料ガス供給部へ供給されると共に、前記酸素ガスボンベ１３１から送出された酸素ガス３は、前記加湿器１３２内の水１中へ供給されて飽和状態にまで加湿され、前記スタック１１１の酸化ガス供給部へ供給されて、当該水素ガス２と当該酸素ガス３とが当該スタック１１１内で電気化学的に反応し、当該スタック１１１から外部負荷Ｌに対して給電することができる。

そして、前記スタック１１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の水素ガス２は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１１の燃料ガス排出部から排出され、前記ドレンポット１２３で上記水１を除去された後、再利用等される。また、前記スタック１１１内で上記電気化学反応に関与しなかった残余の酸素ガス３は、上記電気化学反応によって生じた余剰の水１等と共に当該スタック１１１の酸化ガス排出部から排出され、前記ドレンポット１３３で上記水１を除去された後、再利用等される。

このようにして発電運転を行なっている際に、発電運転を停止する旨の信号が前記制御装置１９１に入力されると、当該制御装置１９１は、前記弁１３９ａ〜１３９ｃを閉鎖するように制御して、前記スタック１１１の酸化極側への前記酸素ガスボンベ１３１からの酸素ガス３の供給を停止すると共に、当該スタック１１１の酸化極側からの酸素ガス３の排気を停止することにより、当該スタック１１１の酸化極側（酸素ガス３の流通系統）を外部から遮断し、さらに、当該スタック１１１を前記抵抗１８１に接続するように前記切換スイッチ１８２を切換制御する。

これにより、前記スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３は、スタック１１１内で水素ガス２と電気化学的反応を生じて上記抵抗１８１で電力消費されることで消費されて減少し、これに併せて、図２に示すように、当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐｏも減少する。

すると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ（Ｐ_H＞Ｐ_O）当該燃料極側の圧力Ｐ_Hと当該酸化極側の圧力Ｐ_Oとの差圧ΔＰ（Ｐ_H−Ｐ_O）を規定値（例えば、２０ｋＰａ（ａｂｓ））以下とするように、前記圧調弁１２９ａの圧調制御を行って、前記水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２の供給を制御する。

このようにして前記スタック１１１の酸化極側の酸素ガス３を自己消費していき、当該スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３がほぼすべて（９９％以上）消費されて、当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oが当該スタック１１１の周辺雰囲気の圧力Ｐ_A（例えば、大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ）））よりも小さい酸化極側規定値Ｐ_O1（例えば、スタック１１１の温度（約１０〜８０℃）における飽和水蒸気圧（約１〜５０ｋＰａ（ａｂｓ））程度）になると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１の燃料極側への前記水素ガスボンベ１４１からの水素ガス２の供給を停止するように前記弁１２９ａ，１２９ｂを閉鎖制御する。

続いて、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１の燃料極側及び酸化極側に前記窒素ガスボンベ１３１，１４１からの窒素ガス４を供給するように、前記圧調弁１４９ａ，１５９ａを圧調制御すると共に、前記接続弁１４９ｂ，１５９ｂを開放制御する。

そして、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_H及び酸化極側の圧力Ｐ_Oが窒素ガス４により当該スタック１１１の周辺雰囲気の圧力Ｐ_A（例えば、大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ）））にまで達すると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記弁１４９ａ，１４９ｂ，１５９ａ，１５９ｂを閉鎖制御し、当該スタック１１１の燃料極側及び酸化極側を当該スタック１１１の上記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aで窒素ガス４に置換（窒素ガス雰囲気化）する。

つまり、従来は、発電運転停止後に、スタック１１内に窒素ガス４を送給して当該スタック１１内に残存する水素ガス２及び酸素ガス３を外部へパージすることにより、当該スタック１１内から上記ガス２，３を除去すると同時に当該スタック１１内を窒素ガス４で置換するようにしていたが、本実施形態では、発電運転停止後に、スタック１１１の酸化極側を外部から遮断するように封じ切って当該スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３を自己消費、すなわち、スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３を当該スタック１１１内で水素ガス２と電気化学的に反応させて消費させることにより、当該スタック１１１の酸化極側から酸素ガス３を除去すると共に、当該酸素ガス３の自己消費に伴う当該スタック１１１の酸化極側の圧力低下に合わせて、当該スタック１１１の燃料極側へ供給する水素ガス２の圧力も低下させることにより、当該スタック１１１の燃料極側からも水素ガス２を除去した後、当該スタック１１１の酸化極側及び燃料極側に窒素ガス４を供給して当該スタック１１１内を窒素ガス４で置換するようにしたのである。

このため、本実施形態においては、前記スタック１１１内に供給する窒素ガス４の量を従来よりも大幅に少なくすることができる（スタック１１１の前記ガス２，３の流路系の容積の１〜１．５倍程度）ので、発電運転の起動と停止とを長期にわたって頻繁に繰り返すような場合であっても、窒素ガス４の使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、窒素ガスボンベ１４１，１５１を省スペースで設置することができる。

したがって、本実施形態によれば、発電運転の停止時に使用する窒素ガス４の使用量を大幅に低減することができると共に、設置スペースを小さくすることができる。

また、前記スタック１１１内に窒素ガス４を流通させて水素ガス２及び酸素ガス３をパージする必要がなく、当該スタック１１１への窒素ガス４の供給量を必要最小限量で抑えることができるので、当該スタック１１１へ供給する窒素ガス４を加湿しなくても、当該スタック１１１のセルの固体高分子膜を乾燥させて劣化させてしまうことがない。このため、従来のような窒素ガス４用の加湿器４２，５２等を省略することができるので、設置スペースのさらなるコンパクト化を図ることができる。

また、ブロア等の補器動力を利用することなく酸素ガス３等を自己消費させることができることから、装置コストの上昇を抑えることができると共に、自己消費に要する電力を不要とすることができるので、システム全体の消費電力を削減することができ、システム全体の効率を高めることができる。

また、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ水素ガス２の供給量を減少させるようにしたことから、当該スタック１１１内で生成した前記水１の有無等による当該スタック１１１の燃料極側及び酸化極側の容積のそれぞれの変化に左右されることなく燃料極側の水素ガス２の量を酸化極側の酸素ガス３の量よりも常に多くしながら減少させることができるので、当該スタック１１１での前記電気化学反応（２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏ）による上記酸化極側からの酸素ガス３の除去をより確実に行うことができ（９９％以上除去）、当該酸化極側に残留する酸素ガス３が水素極側に拡散することによる発電運転起動時の不適合（セル内に高電位箇所が局所的に発生して触媒に電気腐食を生じさせるおそれ）を未然に防止することが簡単にできる。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図３，４に基づいて説明する。ただし、前述した実施形態の場合と同様な部分については、前述した実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００は、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子電解質形燃料電池発電システム１００において、前記窒素ガスボンベ１４１、前記圧調弁１４９ａ、前記接続弁１４９ｂ等の燃料極用不活性ガス供給手段を省くと共に、前記制御装置１９１に代えて、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報等に基づいて、前記弁１２９ａ〜１２９ｃ，１３９ａ〜１３９ｃ，１５９ａ，１５９ｂの開閉作動及び前記切換スイッチ１８２の切換作動等の制御を行う（詳細は後述する）制御手段である制御装置２９１を設けるようにしたものである。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００においては、発電運転を開始する旨の信号が前記制御装置２９１に入力されると、当該制御装置２９１が前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合と同様な制御を行って、前記スタック１１１から外部負荷Ｌに対して給電する。

このようにして発電運転を行なっている際に、発電運転を停止する旨の信号が前記制御装置２９１に入力されると、当該制御装置２９１は、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００の場合と同様な制御を行って、前記スタック１１１の酸化極側への酸素ガスボンベ１３１からの酸素ガス３の供給を停止すると共に、当該スタック１１１の酸化極側からの酸素ガス３の排気を停止することにより、当該スタック１１１の酸化極側（酸素ガス３の流通系統）を外部から遮断し、さらに、当該スタック１１１を前記抵抗１８１に接続するように前記切換スイッチ１８２を切換制御する。

これにより、前記スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３は、スタック１１１内で水素ガス２と電気化学的反応を生じて上記抵抗１８１で電力消費されることで消費されて減少し、これに併せて、図４に示すように、当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐｏも減少する。

すると、前記制御装置２９１は、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ（Ｐ_H＞Ｐ_O）当該スタック１１１の前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_A（例えば、大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ）））となるように、前記圧調弁１２９ａの圧調制御を行って、前記水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２の供給を制御する。

このようにして前記スタック１１１の酸化極側の酸素ガス３を自己消費していき、当該スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３がほぼすべて（９９％以上）消費されて、当該スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oが当該スタック１１１の前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_A（例えば、大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ）））よりも小さい酸化極側規定値Ｐ_O1（例えば、スタック１１１の温度（約１０〜８０℃）における飽和水蒸気圧（約１〜５０ｋＰａ（ａｂｓ））程度）になると、前記制御装置２９１は、前記圧力計１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１の酸化極側に前記窒素ガスボンベ１３１から窒素ガス４を供給するように、前記圧調弁１５９ａを圧調制御すると共に、前記接続弁１５９ｂを開放制御する。

そして、前記スタック１１１の酸化極側の圧力Ｐ_Oが窒素ガス４により当該スタック１１１の前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_A（例えば、大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ）））にまで達すると、前記制御装置１９１は、前記圧力計１９２ｂからの情報に基づいて、前記弁１５９ａ，１５９ｂを閉鎖制御し、当該スタック１１１の酸化極側を当該スタック１１１の前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aで窒素ガス４に置換（窒素ガス雰囲気化）する。

また、前記制御装置２９１は、これと併せて、前記圧力計１９２ａ，１９２ｂからの情報に基づいて、前記スタック１１１の燃料極側への前記水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２の供給を停止するように前記弁１２９ａ，１２９ｂを閉鎖制御することにより、当該スタック１１１の燃料極側を当該スタック１１１の前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_A（例えば、大気圧（約１００ｋＰａ（ａｂｓ）））で水素ガス２に置換（水素ガス雰囲気化）する。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１００では、スタック１１１の燃料極側の水素ガス２を酸化極側の酸素ガス３の減少に合わせて減少させた後に、当該燃料極側に窒素ガス４を供給して当該燃料極側を前記圧力Ｐ_Aで窒素ガス４の雰囲気に保持するようにしたが、本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２００では、スタック１１１の燃料極側の水素ガス２を前記圧力Ｐ_Aで維持しながら酸化極側の酸素ガス３を消費させることにより、当該燃料極側を前記圧力Ｐ_Aで水素ガス２の雰囲気のままに保持するようにしたのである。

このため、本実施形態においては、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、前記スタック１１１内に供給する窒素ガス４の量をさらに少なくすることができる。

したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、前述した第一番目の実施形態の場合よりも、発電運転の停止時に使用する窒素ガス４の使用量をさらに低減することができ、設置スペースをさらに小さくすることができる。

また、前記スタック１１１の燃料極側を水素ガス２の雰囲気（還元雰囲気）で保持するようにしたので、空気中の酸素等の酸化ガスが系外から当該スタック１１１の燃料極側に拡散したとしても、当該酸化ガスによる燃料極側の電極触媒等の劣化を未然に防止することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した第一番目の実施形態においては、前記スタック１１１の燃料極側と酸化極側とにそれぞれ異なる窒素ガスボンベ１４１，１５１から窒素ガス４を供給するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１の燃料極側と酸化極側とに同一の窒素ガスボンベから窒素ガス４を供給するようにすることも可能である。

また、前述した第一番目の実施形態においては、酸素ガス３の自己消費に伴う前記スタック１１１の酸化極側の圧力低下に合わせて、当該スタック１１１の燃料極側へ供給する水素ガス２の圧力も低下させて、当該スタック１１１の燃料極側から水素ガス２を除去した後、当該スタック１１１の酸化極側及び燃料極側の両方に窒素ガス４をそれぞれ送給して当該スタック１１１の酸化極側及び燃料極側の両方を窒素ガス４の雰囲気とするようにしたが、他の実施形態として、例えば、酸素ガス３の自己消費に伴う前記スタック１１１の酸化極側の圧力低下に合わせて、当該スタック１１１の燃料極側へ供給する水素ガス２の圧力も低下させて、当該スタック１１１の燃料極側から水素ガス２を除去した後、当該スタック１１１の酸化極側に窒素ガス４を送給して当該スタック１１１の酸化極側を窒素ガス４の雰囲気とする一方、当該スタック１１１の燃料極側に水素ガス２を送給して当該スタック１１１の燃料極側を水素ガス２の雰囲気とするようにすることも可能である。

また、前述した第二番目の実施形態においては、前記スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３を当該スタック１１１内で水素ガス２と電気化学的反応を生じさせて自己消費させて減少させるにあたって、図４に示したように、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタック１１１の周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２の供給を調整するようにしたが、他の実施形態として、例えば、図５に示すように、前記スタック１１１の酸化極側に残存する酸素ガス３を当該スタック１１１内で水素ガス２と電気化学的反応を生じさせて自己消費させて減少させるにあたって、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_Hをそのまま変化させることなく水素ガスボンベ１２１から水素ガス２を供給して、当該スタック１１１の燃料極側を水素ガス２の雰囲気でそのままの圧力に保持するようにすることも可能である。

しかしながら、前述した第二番目の実施形態の場合のように、前記スタック１１１の燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタック１１１の周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように水素ガスボンベ１２１からの水素ガス２の供給を調整する方が、安全性の観点から好ましい。

また、前述した実施形態においては、図２，４，５に示したように、前記スタック１１１の酸化極側から酸素ガス３を除去した後、当該スタック１１１の酸化極側に窒素ガス４を送給して当該スタック１１１の酸化極側を窒素ガス４の雰囲気とするようにしたが、他の実施形態として、例えば、図６〜８に示すように、前記スタック１１１の酸化極側から酸素ガス３を除去した後、当該スタック１１１の酸化極側に窒素ガス４を供給することなくそのまま封じ切ってしまうようにすると、窒素ガスの使用量をさらに削減することが可能となる。

さらに、図９に示しているように、前記スタック１１１の燃料極側から水素ガス２を除去した後、当該スタック１１１の酸化極側に水素ガス２や窒素ガス４を供給することなくそのまま封じ切ってしまうようにすることも可能である。

また、前述した実施形態においては、前記スタック１１１に切換スイッチ１８２を介して抵抗１８１を接続するようにしたが、他の実施形態として、例えば、スタック１１１のセルが多数積層されている場合には、各セル毎に切換スイッチ１８２を介して抵抗１８１をそれぞれ接続すると好ましい。

また、前述した実施形態においては、前記スタック１１１に切換スイッチ１８２を介して抵抗１８１を電気的に接続することにより、当該スタック１１１内に残存する酸素ガス３を消費させる自己消費手段を構成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記スタック１１１に電流を印加する電流印加手段や、前記スタック１１１に電圧を印加する電圧印加手段等によって、当該スタック１１１内に残存する酸素ガス３を消費させる自己消費手段を構成することも可能である。

また、前述した実施形態においては、前記ガス２，３を充填した前記ガスボンベ１２１，１３１から当該ガス２，３を送給するようにしたが、他の実施形態として、例えば、前記ガス２，３を発生させる発生装置で当該ガス２，３を発生させて送給するようにすることも可能である。

また、前述した実施形態においては、不活性ガスとして窒素ガス４を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ヘリウムガスやアルゴンガス等のような他の不活性ガスを適用することも可能である。しかしながら、不活性ガスとして窒素ガス４を適用すると、最も低コスト化を図ることができるので、最も好ましい。

また、前述した実施形態においては、水素ガス２を燃料ガスとして適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、天然ガスや灯油等の炭化水素を改質して水素ガスを含有させたもの等のように、水素ガスを含有する燃料ガスであれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。しかしながら、前述した実施形態のように、燃料ガスが水素ガス２の場合であると、本発明による効果を最も顕著に得ることができるため、非常に好ましい。

また、前述した実施形態においては、酸素ガス３を酸化ガスとして適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、空気等のように、酸素ガスを含有する酸化ガスであれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。しかしながら、前述した実施形態のように、酸化ガスが酸素ガス３の場合であると、本発明による効果を最も顕著に得ることができるため、非常に好ましい。

また、本発明は、前述した実施形態のみに限らず、前述した実施形態を必要に応じて適宜組み合わせて適用することも可能である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、不活性ガスの使用量を大幅に抑えることができ、ランニングコストを低減させることができると共に、設置スペースを小さくすることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

Ｌ 外部負荷
１ 水
２ 水素ガス
３ 酸素ガス
４ 窒素ガス
１００ 固体高分子形燃料電池発電システム
１１１ スタック
１２１ 水素ガスボンベ
１２２ 加湿器
１２３ ドレンポット
１２９ａ 圧調弁
１２９ｂ，１２９ｃ 接続弁
１３１ 酸素ガスボンベ
１３２ 加湿器
１３３ ドレンポット
１３９ａ 圧調弁
１３９ｂ，１３９ｃ 接続弁
１４１，１５１ 窒素ガスボンベ
１４９ａ，１５９ａ 圧調弁
１４９ｂ，１５９ｂ 接続弁
１８１ 抵抗
１８２ 切換スイッチ
１９１ 制御装置
１９２ａ，１９２ｂ 圧力計
２００ 固体高分子形燃料電池発電システム
２９１ 制御装置

Claims (8)

1. 固体高分子膜を燃料極及び酸化極で挟んだセルが複数積層されて当該燃料極へ供給する燃料ガスの供給部及び排出部を有すると共に当該酸化極へ供給する酸化ガスの供給部及び排出部を有するスタックと、
   前記スタックの前記燃料ガス供給部へ弁を介して接続されて前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記スタックの前記酸化ガス供給部へ弁を介して接続されて前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記スタックの前記燃料ガス排出部へ弁を介して接続されて当該スタック内から前記ガスを当該スタックの外部へ排気する燃料ガス排気手段と、
   前記スタックの前記酸化ガス排出部へ弁を介して接続されて当該スタック内から前記酸化ガスを当該スタックの外部へ排気する酸化ガス排気手段と、
   前記スタックの前記酸化極側の圧力を計測する酸化極側圧力計測手段と、
   前記スタックの酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように当該スタックの内部での当該酸化ガスと前記燃料ガスとの電気化学的反応を生じさせる自己消費手段と、
   発電運転停止信号に基づいて、前記スタックの前記酸化極側への前記酸化ガスの供給を停止するように前記酸化ガス供給手段の前記弁を閉鎖制御すると共に、当該スタックの当該酸化極側からの前記酸化ガスの排気を停止するように前記酸化ガス排気手段の前記弁を閉鎖制御した後、当該スタックの当該酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように前記自己消費手段を作動制御し、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの当該酸化極側の圧力Ｐ_Oが当該スタックの周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aよりも小さい酸化極側規定値Ｐ_O1になると、当該スタックの前記燃料極側への前記燃料ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段の上記弁を閉鎖制御すると共に、当該スタックの当該酸化極側からの前記燃料ガスの排気を停止するように前記燃料ガス排気手段の前記弁を閉鎖制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
2. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段を備えると共に、
   前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように前記自己消費手段を作動制御した後、さらに、前記酸化極側圧力計測手段及び前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ当該燃料極側の圧力Ｐ_Hと当該酸化極側の圧力Ｐ_Oとの差圧ΔＰを規定値以下とするように、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
3. 請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記スタックの前記燃料ガス供給部へ接続されて不活性ガスを供給する燃料極用不活性ガス供給手段を備えると共に、
   前記制御手段が、前記スタックの前記燃料極側への前記燃料ガスの供給を停止するように前記燃料ガス供給手段の前記弁を閉鎖制御すると共に、当該スタックの当該燃料極側からの前記燃料ガスの排気を停止するように前記燃料ガス排気手段の前記弁を閉鎖制御した後、さらに、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの当該燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように、前記燃料極用不活性ガス供給手段からの前記不活性ガスの供給を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
4. 請求項２に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oが前記酸化極側規定値Ｐ_O1になると、さらに、前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
5. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記スタックの前記燃料極側の圧力を計測する燃料極側圧力計測手段を備えると共に、
   前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の前記酸化ガスを消費させるように前記自己消費手段を作動制御した後、さらに、前記酸化極側圧力計測手段及び前記燃料極側圧力計測手段からの情報に基づいて、当該スタックの前記燃料極側の圧力Ｐ_Hを当該スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oよりも大きくしつつ当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとなるように、前記燃料ガス供給手段からの前記燃料ガスの供給を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記スタックの前記酸化ガス供給部へ接続されて不活性ガスを供給する酸化極用不活性ガス供給手段を備えると共に、
   前記制御手段が、前記スタックの前記酸化極側の圧力Ｐ_Oが前記酸化極側規定値Ｐ_O1になると、前記酸化極側圧力計測手段からの情報に基づいて、さらに、当該酸化極側の圧力Ｐ_Oを当該スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aとするように、前記酸化極用不活性ガス供給手段からの不活性ガスの供給を制御するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記酸化極側規定値Ｐ_O1が、前記スタックの温度における飽和水蒸気圧である
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記スタックの前記周辺雰囲気の圧力Ｐ_Aが、大気圧である
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。

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