燃料電池システムおよびその制御方法
【課題】窒素ガスなどのパージガスを用いなくても安全に起動停止するとともに、外部からの酸素の進入を確実に防いで起動停止に伴う性能の低下を防止でき、かつ酸素の消費にかかる時間を短縮する、簡素で安価な燃料電池システムを得る。
【解決手段】制御手段が燃料電池システムの停止の際、（１）本来の外部負荷を切断。（２）酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止。（３）酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止。（４）酸素除去手段を制御することにより燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去。（５）燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止。（６）冷却水ポンプを停止することにより、前記セパレータを経て冷却水で各流通路を充満。
【解決手段】制御手段が燃料電池システムの停止の際、（１）本来の外部負荷を切断。（２）酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止。（３）酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止。（４）酸素除去手段を制御することにより燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去。（５）燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止。（６）冷却水ポンプを停止することにより、前記セパレータを経て冷却水で各流通路を充満。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
近年、水素などの燃料と酸素などの酸化剤の電気化学反応で電力を得る燃料電池の開発が進み、燃料電池は、その開発段階などに応じ複数の種類が存在する。そのうち、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムでは、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給して発電を行うが、発電の開始（起動）および終了（停止）の際には、不活性ガスを燃料極および酸化剤極に供給し、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどの反応ガスを除去（パージ）することにより、保管中の安全を確保している。
【０００２】
このときに、不活性ガスとして窒素を用いるのが一般的であるが、この場合は、燃料ガスおよび酸化剤ガスとは別に窒素供給源、例えば窒素ガスボンベが必要になり、燃料電池システムの維持コスト低減の観点から好ましくない。この窒素によるパージに替わる方法として、酸化剤極で水素を生成しパージする方法や、空気でパージする方法、水でパージする方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、運転停止時に酸化剤ガスの供給を停止し、燃料ガスの供給と発電を継続して酸化剤極の酸素を消費し、さらに外部電源により水分を電気分解し、酸化剤極に水素を生成してパージ処理する方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２では、燃料電池スタックよりも高い位置に冷却水バッファや冷却水タンクを設置し、運転停止時に導電性多孔質板を介して冷却水を燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に供給することで、冷却水によるパージを行うことが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−９３４４８号
【特許文献２】特開２００６−５９７３４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような特許文献１の技術では、発電による酸素消費処理中に酸化剤極に水素を生成し、かつ水の電気分解により水素を生成してパージ処理を行うが、外部電源や燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路を閉止する遮断弁が４個必要になり、システムが複雑になりコストアップとなる課題があった。
【０００６】
また、特許文献２の技術では、運転停止後に、酸化剤ガス流路中の残留酸素が高分子電解質膜中を拡散して、燃料ガス中の水素と反応して消費された後に水パージを行っているが、この拡散による消費では１０〜６０分と長い時間がかかることに加え、酸化剤ガス供給経路および排出経路は開放されており、消費の間に外部から拡散により侵入する酸素を防ぐことが出来ないという課題があった。
【０００７】
また、上記特許文献２に開示の別の方法では、酸化剤ガス流通路と冷却水供給手段および排出手段を連通する２つのガス流通路パージ手段を設けて、酸化剤ガスを積極的に水パージして外部からの酸素の侵入を防いでいるが、この場合は、ガス流通路に設けられた遮断弁２個と、酸化剤ガス供給経路および排出経路に設けられた遮断弁２個の、計４個の弁が必要となり、コストアップとなる課題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するもので、その目的は、窒素ガスなどのパージガスを用いなくても安全に起動停止するとともに、外部からの酸素の侵入を確実に防いで起動停止に伴う性能の低下を防止でき、かつ酸素の消費にかかる時間を短縮する、簡素で安価な燃料電池システムを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、単位電池であって、固体高分子電解質膜を挟持した２枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータと、を用いた単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給手段と、前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段と、前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に、かつ、前記燃料電池スタックよりも高い位置に、設ける冷却水タンクと、を有する燃料電池システムにおいて、この燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段と、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段と、を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、運転停止時に燃料電池スタックから酸素を除去すると共に、燃料電池スタックより高い位置に設けた冷却水タンクから高低差による重力で容易にスタック内空隙を水パージした上、外部からの酸素の侵入も遮断することにより、酸素と水素の共存による部分電池の腐食が防止でき、起動・停止を繰り返しても、窒素ガスを用いることなく、従来の窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための複数の最良の実施形態について、図面を引用しながら説明する。なお、背景技術や課題での説明と共通の前提事項については、適宜省略する。また、本出願において「○○からなり」「○○より構成され」といった表現は、「○○を有する」「○○を備えた」の意であり、構成要素を限定する趣旨ではない。
【００１２】
〔１．第１実施形態の構成〕…請求項１〜４，７に対応
まず、図１に、第１実施形態の構成を示す。この図に示すように、第１実施形態の燃料電池システム（以下「本システム」と呼ぶ）は、固体高分子型燃料電池スタック１００と、燃料ガス供給手段１１１と、酸化剤ガス供給手段１２１と、燃料ガス排出手段１１８と、酸化剤ガス排出手段１２８と、冷却水供給手段１３１と、冷却水排出手段１３３と、を有する。これら各供給手段や排出手段は、必要な管、弁、ポンプ、断熱部材などを含む。
【００１３】
〔１−１．流路の構成〕
次に、図２に、固体高分型燃料電池スタック１００内のガスおよび冷却水の流れを示す。すなわち、燃料電池スタック１００のうち、フレームなどを除くスタックの実体（起電部と呼ぶ）の周りには、ガスおよび冷却水マニホールドが装着されており、それぞれ起電部のガスおよび冷却水流通路と連通している。
【００１４】
具体的には、起電部の図２左側面には燃料入口マニホールドＭ１１が装着されており、細かい破線矢印で示した燃料ガス流通路Ｒ１と連通していて、この燃料ガス流通路Ｒ１に燃料ガスを供給する構成をなしている。一方、起電部の図２右側面には、燃料出口マニホールドＭ１２が装着されており、燃料ガス流通路Ｒ１と連通し、この燃料ガス流通路Ｒ１から未反応の燃料ガスを排出するよう構成されている。
【００１５】
また、起電部の図２上側面には、空気入口マニホールドＭ２１及び冷却水出口マニホールドＭ３２が装着されており、このうち空気入口マニホールドＭ２１が、粗い破線矢印で示した酸化剤ガス流通路Ｒ２と連通し、また、冷却水出口マニホールドＭ３２が、実線矢印で示した冷却水流通路Ｒ３と連通している。
【００１６】
さらに、起電部の図２下側面には、空気出口マニホールドＭ２２及び冷却水入口マニホールドＭ３１が装着されており、このうち空気出口マニホールドＭ２２が、粗い破線矢印で示した前記酸化剤ガス流通路Ｒ２と連通し、冷却水入口マニホールドＭ３１が、実線矢印で示した前記冷却水流通路Ｒ３と、それぞれ連通している。
【００１７】
〔１−２．起電部の構成〕
また、図３は、固体高分子型燃料電池スタック１００の起電部について、図２に示したＡ−Ａ’部分の断面を示している。すなわち、この図３に示すように、燃料電池スタック１００の主要部である起電部は、複数積層した単位電池１０１で構成されており、この単位電池１０１は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０８を両側から、アノード側セパレータ１０５およびカソード側セパレータ１０６で挟持して構成されている。
【００１８】
さらに、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０８は、固体高分子電解質膜１０２を、２枚のガス拡散電極、すなわちアノードガス拡散電極（「アノード電極」とも呼ぶ）１０３ならびにカソードガス拡散電極（「カソード電極」とも呼ぶ）１０４と、で挟持した構成であり、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素の電気化学反応により、発電を行う部分である。
【００１９】
また、各ガス拡散電極１０３，１０４にそれぞれ接して燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を配置する。すなわち、各ガス拡散電極１０３，１０４にそれぞれ接して配置されたアノード側セパレータ１０５およびカソード側セパレータ１０６は、導電性多孔質材料である導電性多孔質カーボン板の片面（電極と接する面）に流路溝が形成されたもので、これら流路溝が、燃料ガス流通路１０３ｃ（スタック単位では図２の符号Ｒ１に対応）と、空気ガス流通路すなわち酸化剤ガス流通路１０４ｃ（スタック単位では図２の符合Ｒ２に対応）となっている。
【００２０】
そして、燃料ガス流通路１０３ｃまたは酸化剤ガス流通路１０４ｃのうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料のセパレータで隔離して水流通路を設ける。すなわち、アノード側セパレータ１０５又はカソード側セパレータ１０６の各裏面の少なくとも一方には、流路溝が形成されており、これが冷却水流通路１０７ｃ（スタック単位では図２の符号Ｒ３に対応）となっている。
【００２１】
〔１−３．燃料ガスの供給手段と排出手段〕
次いで、燃料ガス供給手段１１１（図１）は、燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路Ｒ１（図２）と連通しており、水素を含む燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給するものである。また、酸化剤ガス供給手段１２１（図１）は、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス流通路Ｒ２（図２）と連通しており、空気など酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池スタック１００に供給するものである。
【００２２】
また、燃料ガス排出手段１１８（図１）は、燃料電池スタック１００の燃料ガス流路Ｒ１（図２）と流通していて、未反応の燃料ガスを排出するものであり、酸化剤ガス排出手段１２８（図１）は、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス流路Ｒ２（図２）と流通していて、未反応の酸化剤ガスを燃料電池スタック１００から排出するものである。
【００２３】
〔１−４．冷却水の供給手段と排出手段〕
また、冷却水供給手段１３１（図１）は、電磁弁などの流量調節手段１３５および冷却水供給配管より構成され、冷却水タンク１３２および燃料電池スタック１００の冷却水入口マニホールドＭ３１（図２）と連通しており、冷却水タンク１３２内の冷却水を燃料電池スタック１００に供給するものである。
【００２４】
また、冷却水排出手段１３３（図１）は、冷却水ポンプ１３４および冷却水排出配管より構成され、燃料電池スタック１００の冷却水出口マニホールドＭ３２（図２）および冷却水タンク１３２と連通しており、冷却水を冷却水ポンプ１３４により冷却水タンク１３２へと吐出することにより燃料電池スタック１００から排出するものである。
【００２５】
そして、発電時には、冷却水タンク１３２の上部は大気圧に開放されており、冷却水供給配管から燃料電池スタック１００の冷却水流通路Ｒ３、冷却水ポンプ１３４の入口までは、配管の圧力損失により、大気圧よりも低い圧力、すなわち負圧となっている。また、冷却水タンク１３２は、燃料電池システムのパッケージ内のうち、冷却水ポンプ１３４と冷却水供給手段１３１の間で、かつ、燃料電池スタック１００よりも高い位置に設置されている。
【００２６】
〔１−５．酸素の除去手段と遮断手段〕
また、第１実施形態では、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス流通路Ｒ２内について、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池スタック１００の酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段として、外部のダミー負荷（ダミーロード）Ｄを接続することにより、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス中の酸素を消費して除去する。
【００２７】
また、第１実施形態では、停止保管中及び運転起動時の燃料電池スタック１００について外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段として、遮断弁をガス供給手段または酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に設ける。ここでは、一方ではなく両方に、すなわち酸化剤ガス供給手段１２１には酸化剤ガス供給弁１２２を設け、また、酸化剤ガス排出手段１２８には酸化剤ガス排出弁１２３を設けたものとする。
【００２８】
〔１−６．制御手段〕
また、本システムは、本システムの発電運転を停止及び起動するコントローラなどの制御手段Ｃを有する。この制御手段Ｃについては、ワイヤードロジック等の電子回路又はコンピュータなどの演算制御部もしくはこれらの組合せにより、どのように実現実装してもよいが、少なくとも燃料電池システムについてその停止の際、次の各段階の制御を行うように構成する。
（１）本来の外部負荷を切断。
（２）酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止。
（３）酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止。
（４）酸素除去手段を制御することにより燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去。
（５）燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止。
（６）冷却水ポンプを停止することにより、各セパレータを経て冷却水で各流通路を充満。
【００２９】
なお、制御手段Ｃ及びダミー負荷Ｄについては、図６以降の他の構成図では省略する。
【００３０】
〔２．第１実施形態の作用〕
上記のように構成した第１実施形態は、以下のように作用する。
〔２−１．発電停止の流れ〕
まず、図４と図５を用いて、第１実施形態で発電運転を停止する際における、制御フロー（図４）および燃料電池スタックの電圧変化（図５）を説明する。すなわち、発電運転停止の制御は、通常運転時の状態、つまりスタック電圧がＡ（図５）の状態において、制御手段Ｃ（図１）が開始し、以下のように進める。
【００３１】
まず、燃料電池スタック１００の起電力による発電電力を消費している本来の外部負荷を切断し（図４のステップＳ１１）、燃料電池スタック１００は無負荷、つまり燃料電池スタック１００の電圧が開路電圧Ｂに等しい状態になる。次に、空気供給源を遮断して(
ステップＳ１２）、燃料電池スタック１００への空気の供給を止め、同時に、酸化剤ガス供給弁１２２と酸化剤ガス排出弁１２３を閉じる(ステップＳ１２）。これにより、酸化
剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に残留している空気中の酸素が、固体高分子膜１０２（図３）を介して燃料ガス流通路１０３ｃに拡散し、燃料ガス中の水素と反応して消費されるが、このような消費のみだと、電圧が低下するまで１０〜６０分と時間がかかってしまう。
【００３２】
そこで、前記酸素除去手段として、燃料電池スタック１００に外部のダミー負荷Ｄを接続することにより（ステップＳ１３）、燃料電池スタック１００内に残留する酸化剤ガスすなわち空気中の酸素を強制的に短時間に消費させることにより、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に存在する酸素はその分圧が低下して除去され、燃料電池スタック１００の電圧はＣに近づく。
【００３３】
次に、燃料ガス供給源を遮断し、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給を止める（ステップＳ１４）。これにより、燃料電池スタック１００の電圧はさらに低いＤに近づく。この時点で、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）には未反応の水素が残っているが、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）については、酸素がほとんど消費され、残りの空気成分、つまり窒素を主成分とする不活性ガスで満たされている。また、冷却水ポンプ１３４の運転が行われているので、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）の冷却水の圧力は大気圧よりも低い負圧であり、冷却水が燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）および酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に染み出すこともない。
【００３４】
次に、冷却水ポンプ１３４を停止することにより（ステップＳ１５）、ポンプ入口の吸引圧力を無くし、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）の冷却水の圧力を常圧とする。さらに、燃料電池スタック１００よりも上部に冷却水タンク１３２があるため、そのヘッド差により冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）の冷却水が加圧され、冷却水タンク１３２に貯蔵されている冷却水が導電性多孔質材料である各セパレータ１０５，１０６を介して燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）および酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に供給され、水パージが行われる。
【００３５】
以上のように、第１実施形態において燃料電池システムを停止する際には、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層１０３ａおよびカソード触媒層１０４ａに酸素が触れることなく、燃料電池スタック１００内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路１０３ｃ内の水素が燃料電池スタック１００外へと除去されるため、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことが出来る。また、燃料電池スタック１００の両極から水素および酸素が除去されるため、スタック電圧はさらに低下し、電圧０（＝Ｄ）に近づく。
【００３６】
以上で発電運転停止の制御は終了する。図６は、燃料電池システムが停止した状態を示す図である。すなわち、燃料電池スタック１００よりも上部にある冷却水タンク１３２は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）を満たして水素や酸素の進入を防いでいる。
【００３７】
〔２−２．起動の流れ〕
続いて、図７及び図８を用いて、第１実施形態の燃料電池システムについて、起動時における制御フロー（図７）および燃料電池スタック１００の電圧変化（図８）を説明する。すなわち、起動の制御は、停止の状態、つまりスタック電圧がＥ（図８）の状態で制御手段Ｃにより開始される。そして、最初に、燃料供給源より燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給し、直後に冷却水ポンプ１３４を起動する（ステップＳ２１）。
【００３８】
すると、燃料ガスの供給により燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水が押し出されるが、直後に冷却水ポンプ１３４を起動することにより、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）内の冷却水が負圧になり、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）の水が導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれる。このように冷却水が取り除かれた燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）には、燃料ガス供給手段１１１および燃料ガス排出手段１１８に残存する水素を含む燃料ガスが供給され、次いで燃料ガス供給手段１１１により後続の新たな燃料ガスが供給される。
【００３９】
この際、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）については、酸化剤ガス供給弁１２２と酸化剤ガス排出弁１２３が閉じられているため、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水が負圧になりそのまま保持される。そして、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）および燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に酸素がない状態で燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことが出来る。この時点では、スタック電圧はＣの状態に保たれる。
【００４０】
次に、酸化剤ガス供給弁１２２と酸化剤ガス排出弁１２３を開くことで（ステップＳ２２）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）の圧力が大気圧となり、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水が導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれる。また、酸化剤ガス供給手段１２１により酸化剤ガス、具体的には空気を酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）へ導入する（ステップＳ２２）。この時点では、スタック電圧は開路電圧Ｂに保持される。最後に、外部負荷が接続され（ステップＳ２３）、燃料電池スタック１００の起電力による発電が開始され、スタック電圧は電圧Ａに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。
【００４１】
〔３．第１実施形態の実験結果と効果〕
以上の通り、１００回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べた。一方、比較のため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする従来技術によっても、同じく１００回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べた。この結果に基づき、図９に、スタック電圧と起動停止回数の関係を示す。すなわち、第１実施形態にしたがって起動停止した場合、起動停止回数とともにスタック電圧が低下する傾向は示したが、その傾きは、窒素パージによる従来技術と同程度であり、すなわち、第１実施形態によれば、窒素ガスを用いることなく、窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となった。
【００４２】
以上のように、第１実施形態では、運転停止時に燃料電池スタック１００から酸素を除去すると共に、燃料電池スタック１００より高い位置に設けた冷却水タンク１３２から高低差による重力で容易にスタック内空隙を水パージした上、外部からの酸素の侵入も遮断することにより、酸素と水素の共存による部分電池の腐食が防止でき、起動・停止を繰り返しても、窒素ガスを用いることなく、従来の窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となる。
【００４３】
特に、第１実施形態では、運転停止時に燃料電池スタック１００の酸素ガスを消費し除去するために、ダミーの外部負荷を用いることにより、本来の負荷とタイミングなどの制約条件を生じることなしに、簡易な構成で容易に迅速な停止処理が実現可能となる。
【００４４】
また、第１実施形態では、酸素遮断手段として、遮断弁を用いることにより、部品の形状や配置関係に制約条件を生じることなく、酸素の侵入を迅速確実に所望のタイミングで遮断可能となる。
【００４５】
〔４．第２実施形態〕…請求項５に対応
第２実施形態は、酸素遮断手段として、燃料電池システムの起動時に燃料ガス流通路から水を除去するタイミングと酸化剤ガス流通路から水を除去するタイミングをずらすための酸化剤ガスバッファ（「冷却水バッファ」とも呼ぶ）を、酸化剤ガス供給手段または酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に設ける例である。
【００４６】
具体的には、図１０に示すように、第１実施形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガス供給弁１２２と排出弁１２３（図２）を、それぞれ酸化剤ガスバッファ（冷却水バッファ）Ｂに置き換えた例について、この部分の作用を中心に、第１実施形態との相違点を説明する。
【００４７】
まず、第２実施形態での発電運転停止における、制御フローを図１１、燃料電池スタック１００の電圧変化を図１２に示す。この第２実施形態では、外部ダミー負荷の接続、燃料ガス供給源の遮断、冷却水ポンプの停止による水パージ、については第１実施形態と同様であるが、外部負荷の切断についで（ステップＳ３１）、空気供給源の遮断はするが（ステップＳ３２）、同時に酸化剤ガスの供給弁と排出弁の閉鎖は不要である。
【００４８】
この第２実施形態では、冷却水タンク１３２に貯蔵されていた冷却水が、燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）を満たして水素や酸素の侵入を防いでいることに加え、酸化剤ガス供給手段１２１と排出手段１２８にある冷却水バッファＢも水パージされ、水で満たされている。
【００４９】
また、第２実施形態における起動について、制御フローを図１４）、燃料電池スタック１００の電圧変化を図１６に示す。すなわち、燃料ガスの供給と冷却水ポンプの起動により（ステップＳ４１）、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）の水を燃料ガスに置き換え、また、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水も導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれるが、酸化剤ガスの供給弁や排出弁とその制御に代え（ステップＳ４２）、冷却水バッファＢ内の水があるため、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水除去よりも酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水除去の方が時間を要し、後のタイミングとなる。ここで、図１５に、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水が先に取り除かれた時点の燃料電池システムの状態を示す。
【００５０】
すなわち、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）の水は、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に水素を含む燃料ガスが供給された後になってから、完全に除去されるというタイミングとなる。冷却水が取り除かれた酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）には、停止時にバッファＢからパージされた残留空気が侵入し、開路電圧が生じる。この開路電圧の検知をまって空気を供給し、スタック電圧は開路電圧Ｂに保持される。その後、外部負荷が接続、発電の開始以降は第１実施形態と同様である。
【００５１】
第２実施形態でも、１００回の起動・停止を行ってスタック電圧の変化を調べた結果、第１実施形態と同様の効果が確認できた。特に、第２実施形態では、酸化剤ガス供給手段１２１と排出手段１２８に冷却水バッファＢを設けることで、弁などの遮断機構を設けずに起動時の酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）の水を保持しつつ、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に燃料を導入可能となる。これにより、可動部やその制御を削減して、燃料電池スタック１００外部からの酸素の混入を所期のタイミングまで簡便確実に防止可能となる。
【００５２】
特に、冷却水バッファＢは容積があれば大径のホース配管などで良く、遮断機構よりも安価であり、かつ制御する必要がなくシステムが簡素になるとともに、制御に必要な基板の入力・出力数を削減することができ、コストダウンに加え、システムの信頼性がいっそう改善できる。
【００５３】
〔５．第３実施形態〕…請求項６に対応
第３実施形態は、本発明の燃料電池システムにおける酸素遮断手段を、配管に設けたＵ字形部（「Ｕ字シール」と呼ぶ）に置き換えた例である。このＵ字シールは、酸化剤ガス供給手段または酸化剤ガス排出手段の配管に、凝縮水を滞留させて燃料電池スタック１００外部からの酸素の侵入を防止するものである。
【００５４】
具体的には、第３実施形態は、図１７に示すように、酸化剤ガス供給手段１２１にある冷却水バッファ（図１３，１５）を削除し、酸化剤ガス排出手段１１８にある冷却水バッファをＵ字シール１２４に置き換えたもので、発電運転停止時における制御フローならびに燃料電池スタック１００の電圧変化は第２実施形態と同様（図１１及び図１２）であるから説明を省略する。
【００５５】
ここで、図１８は、停止時における燃料電池システムの構成を示す図である。この状態では、燃料電池スタック１００よりも上部にある冷却水タンク１３２は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）を満たして水素や酸素の侵入を防いでいる。また、酸化剤ガス排出手段１２８にあるＵ字シール１２４も水パージされ、上部を除いて水で満たされている。
【００５６】
また、第３実施形態における燃料電池システムの起動時についても、制御フローおよび燃料電池スタック１００の電圧変化は第２実施形態（図１４及び図１６）に準じるが、異なる特徴として、制御手段により起動時に冷却水の負圧について二段階の制御を行う。まず、第一の段階では、Ｕ字形部１２４の水面の高低差で決まる耐差圧が、冷却水の負圧に打ち勝つように冷却水ポンプ１３４を制御し、続く第二の段階では、冷却水の負圧が、Ｕ字形部１２４の前記耐差圧に打ち勝つように冷却水ポンプ１３４を制御する。
【００５７】
より具体的には、第３実施形態では、まず最初に、燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック１００に供給され、直後に冷却水ポンプ１３４が起動する際の冷却水系における負圧が、酸化剤ガス排出手段１２８にあるＵ字シール１２４における水面の高低差で決まる耐差圧よりも小さくなるように、冷却水ポンプ１３４の駆動制御などにより設定する。この圧力状態は、起動の制御すなわち起動シーケンス開始直後の第一の段階である。
【００５８】
これにより、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内が負圧になっても、起動開始から一定時間の間は、水が導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれず、外部からの酸素の侵入を防ぐことが出来る。図１９は、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水が先行して取り除かれた、第一の段階における燃料電池システムの状態を示す。
【００５９】
続いて、燃料ガス流通路に水素を含む燃料ガスが供給された後に冷却水系の負圧を、酸化剤ガス排出手段にあるＵ字シール１２４の水面の高低差で決まる耐差圧よりも大きくなるように設定することにより、酸化剤ガス流通路の水を完全に除去する。この圧力状態が、起動シーケンス後半の第二の段階である。
【００６０】
こうして冷却水が取り除かれた酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）には、停止時にバッファからパージされた残留空気が侵入し、開路電圧が生じる。この閉路電圧の検知を契機として空気を供給し、スタック電圧は閉路電圧Ｂに保持される。最後に、外部負荷を接続し、燃料電池スタック１００の起電力による発電を開始し、以降、スタック電圧は電圧Ａに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。
【００６１】
以上説明した方法により、１００回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べた。この結果、第３実施形態に沿って起動停止した場合についても、起動停止回数とともにスタック電圧は低下する傾向を示したが、その傾きは従来の窒素パージによる方法と同程度であり、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となった。
【００６２】
以上のように、第３実施形態では、酸化剤ガス排出手段１２８のみにＵ字シール１２４を設け、この部分に凝縮水を滞留させてシールするという簡便な構成により、安く確実に酸素の進入を防止可能となる。より具体的には、起動の際の冷却水系の負圧を２段階に制御することで、弁などの遮断機横を設けずに起動時の酸化剤ガス流通路の水を保持して燃料ガス流通路に燃料を導入することができる。
【００６３】
特に、Ｕ字シール１２４は所定の高低差があれば大径のホース配管などで良く、遮断機構よりも安価であり、かつ制御する必要がなくシステムが簡素になるとともに、制御に必要な基板の入力・出力数を削減することができ、コスト低減、信頼性向上などの効果も得られる。
【００６４】
〔６．他の実施形態〕
なお、上記各実施形態は例示に過ぎず、本発明は以下に例示するもの及びそれ以外を含む他の実施形態も包含するものである。例えば、酸化剤ガスの遮断弁を供給手段と排出手段の両方にも受けることや、同様に、酸化剤ガスバッファ（冷却水バッファ）についても、供給側と排出側の両方に設けることは必須ではない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図
【図２】本発明の第１実施形態における燃料電池スタックを示す図
【図３】本発明の第１実施形態における燃料電池スタックのＡ−Ａ’断面を示す図
【図４】本発明の第１実施形態における運転停止の制御フロー図
【図５】本発明の第１実施形態における運転停止中の燃料電池スタックの電圧を示す 図
【図６】本発明の第１実施形態における停止中の燃料電池システムの構成を示す図
【図７】本発明の第１実施形態における起動の制御フロー図
【図８】本発明の第１実施形態における起動中の燃料電池スタックの電圧を示す図
【図９】本発明の第１実施形態における起動停止回数とスタック電圧の関係を示す図
【図１０】本発明の第２実施形態における発電運転中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１１】本発明の第２実施形態における運転停止の制御フロー図
【図１２】本発明の第２実施形態における運転停止中の燃料電池スタックの電圧を示 す図
【図１３】本発明の第２実施形態における停止中の燃料電池システムの構成を示す図
【図１４】本発明の第２実施形態における起動の制御フロー図
【図１５】本発明の第２実施形態における起動制御中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１６】本発明の第２実施形態における起動中の燃料電池スタックの電圧を示す図
【図１７】本発明の第３実施形態における発電運転中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１８】本発明の第３実施形態における停止制御中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１９】本発明の第３実施形態において、燃料ガス流通路内の水が取り除かれた時 の状態を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１００…固体高分子型燃料電池スタック
１０１…単位電池
１０２…固体高分子電解質膜
１０３…アノード電極
１０３ａ…アノード触媒層
１０３ｂ…アノードカーボン平板
１０３ｃ…（単位電池の）燃料ガス流通路
１０４…カソード電極
１０４ａ…カソード触媒層
１０４ｂ…カソードカーボン平板
１０４ｃ…（単位電池の）酸化剤ガス流通路
１０５…燃料ガス流通路付のアノード側セパレータ
１０６…酸化剤ガス流通路付のカソード側セパレータ
１０７…冷却板
１０７ｃ…（単位電池の）冷却水流通路
１０８…膜電極複合体（ＭＥＡ）
１１１…燃料ガス供給手段
１１７…燃料ガス水パージ弁
１１８…燃料ガス排出手段
１２１…酸化剤ガス供給手段
１２２…酸化剤ガス供給弁
１２３…酸化剤ガス排出弁
１２４…Ｕ字シール
１２８…酸化剤ガス排出手段
１３１…冷却水供給手段
１３２…冷却水タンク
１３３…冷却水排出手段
１３４…冷却水ポンプ
１３５…冷却水バッファ
Ｒ１…（スタックの）燃料ガス流通路
Ｒ２…（スタックの）酸化剤ガス流通路
Ｒ３…（スタックの）冷却水流通路
Ｂ…バッファ
【背景技術】
【０００１】
近年、水素などの燃料と酸素などの酸化剤の電気化学反応で電力を得る燃料電池の開発が進み、燃料電池は、その開発段階などに応じ複数の種類が存在する。そのうち、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池システムでは、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給して発電を行うが、発電の開始（起動）および終了（停止）の際には、不活性ガスを燃料極および酸化剤極に供給し、燃料ガスおよび酸化剤ガスなどの反応ガスを除去（パージ）することにより、保管中の安全を確保している。
【０００２】
このときに、不活性ガスとして窒素を用いるのが一般的であるが、この場合は、燃料ガスおよび酸化剤ガスとは別に窒素供給源、例えば窒素ガスボンベが必要になり、燃料電池システムの維持コスト低減の観点から好ましくない。この窒素によるパージに替わる方法として、酸化剤極で水素を生成しパージする方法や、空気でパージする方法、水でパージする方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、運転停止時に酸化剤ガスの供給を停止し、燃料ガスの供給と発電を継続して酸化剤極の酸素を消費し、さらに外部電源により水分を電気分解し、酸化剤極に水素を生成してパージ処理する方法が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２では、燃料電池スタックよりも高い位置に冷却水バッファや冷却水タンクを設置し、運転停止時に導電性多孔質板を介して冷却水を燃料ガス流路および酸化剤ガス流路に供給することで、冷却水によるパージを行うことが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−９３４４８号
【特許文献２】特開２００６−５９７３４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような特許文献１の技術では、発電による酸素消費処理中に酸化剤極に水素を生成し、かつ水の電気分解により水素を生成してパージ処理を行うが、外部電源や燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路を閉止する遮断弁が４個必要になり、システムが複雑になりコストアップとなる課題があった。
【０００６】
また、特許文献２の技術では、運転停止後に、酸化剤ガス流路中の残留酸素が高分子電解質膜中を拡散して、燃料ガス中の水素と反応して消費された後に水パージを行っているが、この拡散による消費では１０〜６０分と長い時間がかかることに加え、酸化剤ガス供給経路および排出経路は開放されており、消費の間に外部から拡散により侵入する酸素を防ぐことが出来ないという課題があった。
【０００７】
また、上記特許文献２に開示の別の方法では、酸化剤ガス流通路と冷却水供給手段および排出手段を連通する２つのガス流通路パージ手段を設けて、酸化剤ガスを積極的に水パージして外部からの酸素の侵入を防いでいるが、この場合は、ガス流通路に設けられた遮断弁２個と、酸化剤ガス供給経路および排出経路に設けられた遮断弁２個の、計４個の弁が必要となり、コストアップとなる課題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の課題を解決するもので、その目的は、窒素ガスなどのパージガスを用いなくても安全に起動停止するとともに、外部からの酸素の侵入を確実に防いで起動停止に伴う性能の低下を防止でき、かつ酸素の消費にかかる時間を短縮する、簡素で安価な燃料電池システムを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の一態様は、単位電池であって、固体高分子電解質膜を挟持した２枚のガス拡散電極と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータと、を用いた単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給手段と、前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段と、前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に、かつ、前記燃料電池スタックよりも高い位置に、設ける冷却水タンクと、を有する燃料電池システムにおいて、この燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段と、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段と、を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、運転停止時に燃料電池スタックから酸素を除去すると共に、燃料電池スタックより高い位置に設けた冷却水タンクから高低差による重力で容易にスタック内空隙を水パージした上、外部からの酸素の侵入も遮断することにより、酸素と水素の共存による部分電池の腐食が防止でき、起動・停止を繰り返しても、窒素ガスを用いることなく、従来の窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための複数の最良の実施形態について、図面を引用しながら説明する。なお、背景技術や課題での説明と共通の前提事項については、適宜省略する。また、本出願において「○○からなり」「○○より構成され」といった表現は、「○○を有する」「○○を備えた」の意であり、構成要素を限定する趣旨ではない。
【００１２】
〔１．第１実施形態の構成〕…請求項１〜４，７に対応
まず、図１に、第１実施形態の構成を示す。この図に示すように、第１実施形態の燃料電池システム（以下「本システム」と呼ぶ）は、固体高分子型燃料電池スタック１００と、燃料ガス供給手段１１１と、酸化剤ガス供給手段１２１と、燃料ガス排出手段１１８と、酸化剤ガス排出手段１２８と、冷却水供給手段１３１と、冷却水排出手段１３３と、を有する。これら各供給手段や排出手段は、必要な管、弁、ポンプ、断熱部材などを含む。
【００１３】
〔１−１．流路の構成〕
次に、図２に、固体高分型燃料電池スタック１００内のガスおよび冷却水の流れを示す。すなわち、燃料電池スタック１００のうち、フレームなどを除くスタックの実体（起電部と呼ぶ）の周りには、ガスおよび冷却水マニホールドが装着されており、それぞれ起電部のガスおよび冷却水流通路と連通している。
【００１４】
具体的には、起電部の図２左側面には燃料入口マニホールドＭ１１が装着されており、細かい破線矢印で示した燃料ガス流通路Ｒ１と連通していて、この燃料ガス流通路Ｒ１に燃料ガスを供給する構成をなしている。一方、起電部の図２右側面には、燃料出口マニホールドＭ１２が装着されており、燃料ガス流通路Ｒ１と連通し、この燃料ガス流通路Ｒ１から未反応の燃料ガスを排出するよう構成されている。
【００１５】
また、起電部の図２上側面には、空気入口マニホールドＭ２１及び冷却水出口マニホールドＭ３２が装着されており、このうち空気入口マニホールドＭ２１が、粗い破線矢印で示した酸化剤ガス流通路Ｒ２と連通し、また、冷却水出口マニホールドＭ３２が、実線矢印で示した冷却水流通路Ｒ３と連通している。
【００１６】
さらに、起電部の図２下側面には、空気出口マニホールドＭ２２及び冷却水入口マニホールドＭ３１が装着されており、このうち空気出口マニホールドＭ２２が、粗い破線矢印で示した前記酸化剤ガス流通路Ｒ２と連通し、冷却水入口マニホールドＭ３１が、実線矢印で示した前記冷却水流通路Ｒ３と、それぞれ連通している。
【００１７】
〔１−２．起電部の構成〕
また、図３は、固体高分子型燃料電池スタック１００の起電部について、図２に示したＡ−Ａ’部分の断面を示している。すなわち、この図３に示すように、燃料電池スタック１００の主要部である起電部は、複数積層した単位電池１０１で構成されており、この単位電池１０１は、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０８を両側から、アノード側セパレータ１０５およびカソード側セパレータ１０６で挟持して構成されている。
【００１８】
さらに、膜電極複合体（ＭＥＡ）１０８は、固体高分子電解質膜１０２を、２枚のガス拡散電極、すなわちアノードガス拡散電極（「アノード電極」とも呼ぶ）１０３ならびにカソードガス拡散電極（「カソード電極」とも呼ぶ）１０４と、で挟持した構成であり、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素の電気化学反応により、発電を行う部分である。
【００１９】
また、各ガス拡散電極１０３，１０４にそれぞれ接して燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を配置する。すなわち、各ガス拡散電極１０３，１０４にそれぞれ接して配置されたアノード側セパレータ１０５およびカソード側セパレータ１０６は、導電性多孔質材料である導電性多孔質カーボン板の片面（電極と接する面）に流路溝が形成されたもので、これら流路溝が、燃料ガス流通路１０３ｃ（スタック単位では図２の符号Ｒ１に対応）と、空気ガス流通路すなわち酸化剤ガス流通路１０４ｃ（スタック単位では図２の符合Ｒ２に対応）となっている。
【００２０】
そして、燃料ガス流通路１０３ｃまたは酸化剤ガス流通路１０４ｃのうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料のセパレータで隔離して水流通路を設ける。すなわち、アノード側セパレータ１０５又はカソード側セパレータ１０６の各裏面の少なくとも一方には、流路溝が形成されており、これが冷却水流通路１０７ｃ（スタック単位では図２の符号Ｒ３に対応）となっている。
【００２１】
〔１−３．燃料ガスの供給手段と排出手段〕
次いで、燃料ガス供給手段１１１（図１）は、燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路Ｒ１（図２）と連通しており、水素を含む燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給するものである。また、酸化剤ガス供給手段１２１（図１）は、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス流通路Ｒ２（図２）と連通しており、空気など酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池スタック１００に供給するものである。
【００２２】
また、燃料ガス排出手段１１８（図１）は、燃料電池スタック１００の燃料ガス流路Ｒ１（図２）と流通していて、未反応の燃料ガスを排出するものであり、酸化剤ガス排出手段１２８（図１）は、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス流路Ｒ２（図２）と流通していて、未反応の酸化剤ガスを燃料電池スタック１００から排出するものである。
【００２３】
〔１−４．冷却水の供給手段と排出手段〕
また、冷却水供給手段１３１（図１）は、電磁弁などの流量調節手段１３５および冷却水供給配管より構成され、冷却水タンク１３２および燃料電池スタック１００の冷却水入口マニホールドＭ３１（図２）と連通しており、冷却水タンク１３２内の冷却水を燃料電池スタック１００に供給するものである。
【００２４】
また、冷却水排出手段１３３（図１）は、冷却水ポンプ１３４および冷却水排出配管より構成され、燃料電池スタック１００の冷却水出口マニホールドＭ３２（図２）および冷却水タンク１３２と連通しており、冷却水を冷却水ポンプ１３４により冷却水タンク１３２へと吐出することにより燃料電池スタック１００から排出するものである。
【００２５】
そして、発電時には、冷却水タンク１３２の上部は大気圧に開放されており、冷却水供給配管から燃料電池スタック１００の冷却水流通路Ｒ３、冷却水ポンプ１３４の入口までは、配管の圧力損失により、大気圧よりも低い圧力、すなわち負圧となっている。また、冷却水タンク１３２は、燃料電池システムのパッケージ内のうち、冷却水ポンプ１３４と冷却水供給手段１３１の間で、かつ、燃料電池スタック１００よりも高い位置に設置されている。
【００２６】
〔１−５．酸素の除去手段と遮断手段〕
また、第１実施形態では、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス流通路Ｒ２内について、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池スタック１００の酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段として、外部のダミー負荷（ダミーロード）Ｄを接続することにより、燃料電池スタック１００の酸化剤ガス中の酸素を消費して除去する。
【００２７】
また、第１実施形態では、停止保管中及び運転起動時の燃料電池スタック１００について外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段として、遮断弁をガス供給手段または酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に設ける。ここでは、一方ではなく両方に、すなわち酸化剤ガス供給手段１２１には酸化剤ガス供給弁１２２を設け、また、酸化剤ガス排出手段１２８には酸化剤ガス排出弁１２３を設けたものとする。
【００２８】
〔１−６．制御手段〕
また、本システムは、本システムの発電運転を停止及び起動するコントローラなどの制御手段Ｃを有する。この制御手段Ｃについては、ワイヤードロジック等の電子回路又はコンピュータなどの演算制御部もしくはこれらの組合せにより、どのように実現実装してもよいが、少なくとも燃料電池システムについてその停止の際、次の各段階の制御を行うように構成する。
（１）本来の外部負荷を切断。
（２）酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止。
（３）酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止。
（４）酸素除去手段を制御することにより燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去。
（５）燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止。
（６）冷却水ポンプを停止することにより、各セパレータを経て冷却水で各流通路を充満。
【００２９】
なお、制御手段Ｃ及びダミー負荷Ｄについては、図６以降の他の構成図では省略する。
【００３０】
〔２．第１実施形態の作用〕
上記のように構成した第１実施形態は、以下のように作用する。
〔２−１．発電停止の流れ〕
まず、図４と図５を用いて、第１実施形態で発電運転を停止する際における、制御フロー（図４）および燃料電池スタックの電圧変化（図５）を説明する。すなわち、発電運転停止の制御は、通常運転時の状態、つまりスタック電圧がＡ（図５）の状態において、制御手段Ｃ（図１）が開始し、以下のように進める。
【００３１】
まず、燃料電池スタック１００の起電力による発電電力を消費している本来の外部負荷を切断し（図４のステップＳ１１）、燃料電池スタック１００は無負荷、つまり燃料電池スタック１００の電圧が開路電圧Ｂに等しい状態になる。次に、空気供給源を遮断して(
ステップＳ１２）、燃料電池スタック１００への空気の供給を止め、同時に、酸化剤ガス供給弁１２２と酸化剤ガス排出弁１２３を閉じる(ステップＳ１２）。これにより、酸化
剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に残留している空気中の酸素が、固体高分子膜１０２（図３）を介して燃料ガス流通路１０３ｃに拡散し、燃料ガス中の水素と反応して消費されるが、このような消費のみだと、電圧が低下するまで１０〜６０分と時間がかかってしまう。
【００３２】
そこで、前記酸素除去手段として、燃料電池スタック１００に外部のダミー負荷Ｄを接続することにより（ステップＳ１３）、燃料電池スタック１００内に残留する酸化剤ガスすなわち空気中の酸素を強制的に短時間に消費させることにより、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に存在する酸素はその分圧が低下して除去され、燃料電池スタック１００の電圧はＣに近づく。
【００３３】
次に、燃料ガス供給源を遮断し、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給を止める（ステップＳ１４）。これにより、燃料電池スタック１００の電圧はさらに低いＤに近づく。この時点で、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）には未反応の水素が残っているが、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）については、酸素がほとんど消費され、残りの空気成分、つまり窒素を主成分とする不活性ガスで満たされている。また、冷却水ポンプ１３４の運転が行われているので、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）の冷却水の圧力は大気圧よりも低い負圧であり、冷却水が燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）および酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に染み出すこともない。
【００３４】
次に、冷却水ポンプ１３４を停止することにより（ステップＳ１５）、ポンプ入口の吸引圧力を無くし、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）の冷却水の圧力を常圧とする。さらに、燃料電池スタック１００よりも上部に冷却水タンク１３２があるため、そのヘッド差により冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）の冷却水が加圧され、冷却水タンク１３２に貯蔵されている冷却水が導電性多孔質材料である各セパレータ１０５，１０６を介して燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）および酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）に供給され、水パージが行われる。
【００３５】
以上のように、第１実施形態において燃料電池システムを停止する際には、ガス流通路からマニホールドへと水パージされるので、アノード触媒層１０３ａおよびカソード触媒層１０４ａに酸素が触れることなく、燃料電池スタック１００内の空隙が水で満たされ、燃料ガス流通路１０３ｃ内の水素が燃料電池スタック１００外へと除去されるため、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことが出来る。また、燃料電池スタック１００の両極から水素および酸素が除去されるため、スタック電圧はさらに低下し、電圧０（＝Ｄ）に近づく。
【００３６】
以上で発電運転停止の制御は終了する。図６は、燃料電池システムが停止した状態を示す図である。すなわち、燃料電池スタック１００よりも上部にある冷却水タンク１３２は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）を満たして水素や酸素の進入を防いでいる。
【００３７】
〔２−２．起動の流れ〕
続いて、図７及び図８を用いて、第１実施形態の燃料電池システムについて、起動時における制御フロー（図７）および燃料電池スタック１００の電圧変化（図８）を説明する。すなわち、起動の制御は、停止の状態、つまりスタック電圧がＥ（図８）の状態で制御手段Ｃにより開始される。そして、最初に、燃料供給源より燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給し、直後に冷却水ポンプ１３４を起動する（ステップＳ２１）。
【００３８】
すると、燃料ガスの供給により燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水が押し出されるが、直後に冷却水ポンプ１３４を起動することにより、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）内の冷却水が負圧になり、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）の水が導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれる。このように冷却水が取り除かれた燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）には、燃料ガス供給手段１１１および燃料ガス排出手段１１８に残存する水素を含む燃料ガスが供給され、次いで燃料ガス供給手段１１１により後続の新たな燃料ガスが供給される。
【００３９】
この際、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）については、酸化剤ガス供給弁１２２と酸化剤ガス排出弁１２３が閉じられているため、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水が負圧になりそのまま保持される。そして、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）および燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に酸素がない状態で燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に水素を含む燃料ガスが供給されるため、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に酸素と水素が共存することで起こる部分電池による腐食を防ぐことが出来る。この時点では、スタック電圧はＣの状態に保たれる。
【００４０】
次に、酸化剤ガス供給弁１２２と酸化剤ガス排出弁１２３を開くことで（ステップＳ２２）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）の圧力が大気圧となり、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水が導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれる。また、酸化剤ガス供給手段１２１により酸化剤ガス、具体的には空気を酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）へ導入する（ステップＳ２２）。この時点では、スタック電圧は開路電圧Ｂに保持される。最後に、外部負荷が接続され（ステップＳ２３）、燃料電池スタック１００の起電力による発電が開始され、スタック電圧は電圧Ａに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。
【００４１】
〔３．第１実施形態の実験結果と効果〕
以上の通り、１００回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べた。一方、比較のため、起動・停止時に両極を窒素ガスによりパージする従来技術によっても、同じく１００回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べた。この結果に基づき、図９に、スタック電圧と起動停止回数の関係を示す。すなわち、第１実施形態にしたがって起動停止した場合、起動停止回数とともにスタック電圧が低下する傾向は示したが、その傾きは、窒素パージによる従来技術と同程度であり、すなわち、第１実施形態によれば、窒素ガスを用いることなく、窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となった。
【００４２】
以上のように、第１実施形態では、運転停止時に燃料電池スタック１００から酸素を除去すると共に、燃料電池スタック１００より高い位置に設けた冷却水タンク１３２から高低差による重力で容易にスタック内空隙を水パージした上、外部からの酸素の侵入も遮断することにより、酸素と水素の共存による部分電池の腐食が防止でき、起動・停止を繰り返しても、窒素ガスを用いることなく、従来の窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となる。
【００４３】
特に、第１実施形態では、運転停止時に燃料電池スタック１００の酸素ガスを消費し除去するために、ダミーの外部負荷を用いることにより、本来の負荷とタイミングなどの制約条件を生じることなしに、簡易な構成で容易に迅速な停止処理が実現可能となる。
【００４４】
また、第１実施形態では、酸素遮断手段として、遮断弁を用いることにより、部品の形状や配置関係に制約条件を生じることなく、酸素の侵入を迅速確実に所望のタイミングで遮断可能となる。
【００４５】
〔４．第２実施形態〕…請求項５に対応
第２実施形態は、酸素遮断手段として、燃料電池システムの起動時に燃料ガス流通路から水を除去するタイミングと酸化剤ガス流通路から水を除去するタイミングをずらすための酸化剤ガスバッファ（「冷却水バッファ」とも呼ぶ）を、酸化剤ガス供給手段または酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に設ける例である。
【００４６】
具体的には、図１０に示すように、第１実施形態の燃料電池システムにおける酸化剤ガス供給弁１２２と排出弁１２３（図２）を、それぞれ酸化剤ガスバッファ（冷却水バッファ）Ｂに置き換えた例について、この部分の作用を中心に、第１実施形態との相違点を説明する。
【００４７】
まず、第２実施形態での発電運転停止における、制御フローを図１１、燃料電池スタック１００の電圧変化を図１２に示す。この第２実施形態では、外部ダミー負荷の接続、燃料ガス供給源の遮断、冷却水ポンプの停止による水パージ、については第１実施形態と同様であるが、外部負荷の切断についで（ステップＳ３１）、空気供給源の遮断はするが（ステップＳ３２）、同時に酸化剤ガスの供給弁と排出弁の閉鎖は不要である。
【００４８】
この第２実施形態では、冷却水タンク１３２に貯蔵されていた冷却水が、燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）を満たして水素や酸素の侵入を防いでいることに加え、酸化剤ガス供給手段１２１と排出手段１２８にある冷却水バッファＢも水パージされ、水で満たされている。
【００４９】
また、第２実施形態における起動について、制御フローを図１４）、燃料電池スタック１００の電圧変化を図１６に示す。すなわち、燃料ガスの供給と冷却水ポンプの起動により（ステップＳ４１）、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）の水を燃料ガスに置き換え、また、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水も導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれるが、酸化剤ガスの供給弁や排出弁とその制御に代え（ステップＳ４２）、冷却水バッファＢ内の水があるため、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水除去よりも酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内の水除去の方が時間を要し、後のタイミングとなる。ここで、図１５に、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水が先に取り除かれた時点の燃料電池システムの状態を示す。
【００５０】
すなわち、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）の水は、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に水素を含む燃料ガスが供給された後になってから、完全に除去されるというタイミングとなる。冷却水が取り除かれた酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）には、停止時にバッファＢからパージされた残留空気が侵入し、開路電圧が生じる。この開路電圧の検知をまって空気を供給し、スタック電圧は開路電圧Ｂに保持される。その後、外部負荷が接続、発電の開始以降は第１実施形態と同様である。
【００５１】
第２実施形態でも、１００回の起動・停止を行ってスタック電圧の変化を調べた結果、第１実施形態と同様の効果が確認できた。特に、第２実施形態では、酸化剤ガス供給手段１２１と排出手段１２８に冷却水バッファＢを設けることで、弁などの遮断機構を設けずに起動時の酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）の水を保持しつつ、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）に燃料を導入可能となる。これにより、可動部やその制御を削減して、燃料電池スタック１００外部からの酸素の混入を所期のタイミングまで簡便確実に防止可能となる。
【００５２】
特に、冷却水バッファＢは容積があれば大径のホース配管などで良く、遮断機構よりも安価であり、かつ制御する必要がなくシステムが簡素になるとともに、制御に必要な基板の入力・出力数を削減することができ、コストダウンに加え、システムの信頼性がいっそう改善できる。
【００５３】
〔５．第３実施形態〕…請求項６に対応
第３実施形態は、本発明の燃料電池システムにおける酸素遮断手段を、配管に設けたＵ字形部（「Ｕ字シール」と呼ぶ）に置き換えた例である。このＵ字シールは、酸化剤ガス供給手段または酸化剤ガス排出手段の配管に、凝縮水を滞留させて燃料電池スタック１００外部からの酸素の侵入を防止するものである。
【００５４】
具体的には、第３実施形態は、図１７に示すように、酸化剤ガス供給手段１２１にある冷却水バッファ（図１３，１５）を削除し、酸化剤ガス排出手段１１８にある冷却水バッファをＵ字シール１２４に置き換えたもので、発電運転停止時における制御フローならびに燃料電池スタック１００の電圧変化は第２実施形態と同様（図１１及び図１２）であるから説明を省略する。
【００５５】
ここで、図１８は、停止時における燃料電池システムの構成を示す図である。この状態では、燃料電池スタック１００よりも上部にある冷却水タンク１３２は空になり、貯蔵されていた冷却水が燃料電池スタック１００の燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）、冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）を満たして水素や酸素の侵入を防いでいる。また、酸化剤ガス排出手段１２８にあるＵ字シール１２４も水パージされ、上部を除いて水で満たされている。
【００５６】
また、第３実施形態における燃料電池システムの起動時についても、制御フローおよび燃料電池スタック１００の電圧変化は第２実施形態（図１４及び図１６）に準じるが、異なる特徴として、制御手段により起動時に冷却水の負圧について二段階の制御を行う。まず、第一の段階では、Ｕ字形部１２４の水面の高低差で決まる耐差圧が、冷却水の負圧に打ち勝つように冷却水ポンプ１３４を制御し、続く第二の段階では、冷却水の負圧が、Ｕ字形部１２４の前記耐差圧に打ち勝つように冷却水ポンプ１３４を制御する。
【００５７】
より具体的には、第３実施形態では、まず最初に、燃料供給源より燃料ガスが燃料電池スタック１００に供給され、直後に冷却水ポンプ１３４が起動する際の冷却水系における負圧が、酸化剤ガス排出手段１２８にあるＵ字シール１２４における水面の高低差で決まる耐差圧よりも小さくなるように、冷却水ポンプ１３４の駆動制御などにより設定する。この圧力状態は、起動の制御すなわち起動シーケンス開始直後の第一の段階である。
【００５８】
これにより、酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）内が負圧になっても、起動開始から一定時間の間は、水が導電性多孔質材料を介して冷却水流通路１０７ｃ（Ｒ３）へと取り除かれず、外部からの酸素の侵入を防ぐことが出来る。図１９は、燃料ガス流通路１０３ｃ（Ｒ１）内の水が先行して取り除かれた、第一の段階における燃料電池システムの状態を示す。
【００５９】
続いて、燃料ガス流通路に水素を含む燃料ガスが供給された後に冷却水系の負圧を、酸化剤ガス排出手段にあるＵ字シール１２４の水面の高低差で決まる耐差圧よりも大きくなるように設定することにより、酸化剤ガス流通路の水を完全に除去する。この圧力状態が、起動シーケンス後半の第二の段階である。
【００６０】
こうして冷却水が取り除かれた酸化剤ガス流通路１０４ｃ（Ｒ２）には、停止時にバッファからパージされた残留空気が侵入し、開路電圧が生じる。この閉路電圧の検知を契機として空気を供給し、スタック電圧は閉路電圧Ｂに保持される。最後に、外部負荷を接続し、燃料電池スタック１００の起電力による発電を開始し、以降、スタック電圧は電圧Ａに保持される。以上で起動の制御は終了し、定常の発電運転に移行する。
【００６１】
以上説明した方法により、１００回の起動・停止を行い、スタック電圧の変化を調べた。この結果、第３実施形態に沿って起動停止した場合についても、起動停止回数とともにスタック電圧は低下する傾向を示したが、その傾きは従来の窒素パージによる方法と同程度であり、窒素ガスを用いずに窒素パージと同程度の電圧劣化に抑えることが可能となった。
【００６２】
以上のように、第３実施形態では、酸化剤ガス排出手段１２８のみにＵ字シール１２４を設け、この部分に凝縮水を滞留させてシールするという簡便な構成により、安く確実に酸素の進入を防止可能となる。より具体的には、起動の際の冷却水系の負圧を２段階に制御することで、弁などの遮断機横を設けずに起動時の酸化剤ガス流通路の水を保持して燃料ガス流通路に燃料を導入することができる。
【００６３】
特に、Ｕ字シール１２４は所定の高低差があれば大径のホース配管などで良く、遮断機構よりも安価であり、かつ制御する必要がなくシステムが簡素になるとともに、制御に必要な基板の入力・出力数を削減することができ、コスト低減、信頼性向上などの効果も得られる。
【００６４】
〔６．他の実施形態〕
なお、上記各実施形態は例示に過ぎず、本発明は以下に例示するもの及びそれ以外を含む他の実施形態も包含するものである。例えば、酸化剤ガスの遮断弁を供給手段と排出手段の両方にも受けることや、同様に、酸化剤ガスバッファ（冷却水バッファ）についても、供給側と排出側の両方に設けることは必須ではない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図
【図２】本発明の第１実施形態における燃料電池スタックを示す図
【図３】本発明の第１実施形態における燃料電池スタックのＡ−Ａ’断面を示す図
【図４】本発明の第１実施形態における運転停止の制御フロー図
【図５】本発明の第１実施形態における運転停止中の燃料電池スタックの電圧を示す 図
【図６】本発明の第１実施形態における停止中の燃料電池システムの構成を示す図
【図７】本発明の第１実施形態における起動の制御フロー図
【図８】本発明の第１実施形態における起動中の燃料電池スタックの電圧を示す図
【図９】本発明の第１実施形態における起動停止回数とスタック電圧の関係を示す図
【図１０】本発明の第２実施形態における発電運転中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１１】本発明の第２実施形態における運転停止の制御フロー図
【図１２】本発明の第２実施形態における運転停止中の燃料電池スタックの電圧を示 す図
【図１３】本発明の第２実施形態における停止中の燃料電池システムの構成を示す図
【図１４】本発明の第２実施形態における起動の制御フロー図
【図１５】本発明の第２実施形態における起動制御中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１６】本発明の第２実施形態における起動中の燃料電池スタックの電圧を示す図
【図１７】本発明の第３実施形態における発電運転中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１８】本発明の第３実施形態における停止制御中の燃料電池システムの構成を示 す図
【図１９】本発明の第３実施形態において、燃料ガス流通路内の水が取り除かれた時 の状態を示す図
【符号の説明】
【００６６】
１００…固体高分子型燃料電池スタック
１０１…単位電池
１０２…固体高分子電解質膜
１０３…アノード電極
１０３ａ…アノード触媒層
１０３ｂ…アノードカーボン平板
１０３ｃ…（単位電池の）燃料ガス流通路
１０４…カソード電極
１０４ａ…カソード触媒層
１０４ｂ…カソードカーボン平板
１０４ｃ…（単位電池の）酸化剤ガス流通路
１０５…燃料ガス流通路付のアノード側セパレータ
１０６…酸化剤ガス流通路付のカソード側セパレータ
１０７…冷却板
１０７ｃ…（単位電池の）冷却水流通路
１０８…膜電極複合体（ＭＥＡ）
１１１…燃料ガス供給手段
１１７…燃料ガス水パージ弁
１１８…燃料ガス排出手段
１２１…酸化剤ガス供給手段
１２２…酸化剤ガス供給弁
１２３…酸化剤ガス排出弁
１２４…Ｕ字シール
１２８…酸化剤ガス排出手段
１３１…冷却水供給手段
１３２…冷却水タンク
１３３…冷却水排出手段
１３４…冷却水ポンプ
１３５…冷却水バッファ
Ｒ１…（スタックの）燃料ガス流通路
Ｒ２…（スタックの）酸化剤ガス流通路
Ｒ３…（スタックの）冷却水流通路
Ｂ…バッファ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電池であって、
固体高分子電解質膜を挟持した２枚のガス拡散電極と、
前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、
前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータと、
を用いた単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給手段と、
前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段と、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に、かつ、前記燃料電池スタックよりも高い位置に、設ける冷却水タンクと、
を有する燃料電池システムにおいて、
この燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段と、
燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段と、
を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムの発電運転を停止及び起動する制御手段であって、その停止の際に燃料電池システムについて、
本来の外部負荷を切断し、
前記酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止し、
前記酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止し、
前記酸素除去手段を制御することにより前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去し、
前記燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止し、
前記冷却水ポンプを停止することにより、前記セパレータを経て冷却水で各流通路を充満させる
制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸素除去手段は、運転停止時に燃料電池スタックにダミーの外部負荷を接続することにより、燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素ガスを消費して除去する
ように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸素遮断手段は、
前記酸化剤ガス供給手段または前記酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に、燃料電池スタック外部からの酸素の侵入を防止する遮断弁を設けたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸素遮断手段は、
燃料電池システムの起動時に燃料ガス流通路から水を除去するタイミングと酸化剤ガス流通路から水を除去するタイミングをずらすための冷却水バッファを、前記酸化剤ガス供給手段または前記酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に設けたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸素遮断手段は、
前記酸化剤ガス供給手段または前記酸化剤ガス排出手段のうち少なくとも一方の配管に、凝縮水を滞留させて燃料電池スタック外部からの酸素の侵入を防止するＵ字形部を設けた
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時に、
第一の段階では、前記Ｕ字形部の耐差圧が、冷却水の負圧に打ち勝つように前記冷却水ポンプを制御し、
続く第二の段階では、冷却水の負圧が、前記Ｕ字形部の前記耐差圧に打ち勝つように前記冷却水ポンプを制御すること
を特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
単位電池であって、
固体高分子電解質膜を挟持した２枚のガス拡散電極と、
前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、
前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータと、
を用いた単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給手段と、
前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段と、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に、かつ、前記燃料電池スタックよりも高い位置に、設ける冷却水タンクと、
この燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段と、
燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段と、
燃料電池システムの発電運転を停止及び起動する制御手段と、
を有し、
前記制御手段により、燃料電池システムについてその停止の際に、
本来の外部負荷を切断する処理ステップと、
前記酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止する処理ステップと、
前記酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する処理ステップと、
前記酸素除去手段を制御することにより前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去する処理ステップと、
前記燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止する処理ステップと、
前記冷却水ポンプを停止することにより、前記セパレータを経て冷却水で各流通路を充満させる処理ステップと、
を実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
単位電池であって、
固体高分子電解質膜を挟持した２枚のガス拡散電極と、
前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、
前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータと、
を用いた単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給手段と、
前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段と、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に、かつ、前記燃料電池スタックよりも高い位置に、設ける冷却水タンクと、
を有する燃料電池システムにおいて、
この燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段と、
燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段と、
を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムの発電運転を停止及び起動する制御手段であって、その停止の際に燃料電池システムについて、
本来の外部負荷を切断し、
前記酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止し、
前記酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止し、
前記酸素除去手段を制御することにより前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去し、
前記燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止し、
前記冷却水ポンプを停止することにより、前記セパレータを経て冷却水で各流通路を充満させる
制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸素除去手段は、運転停止時に燃料電池スタックにダミーの外部負荷を接続することにより、燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素ガスを消費して除去する
ように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸素遮断手段は、
前記酸化剤ガス供給手段または前記酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に、燃料電池スタック外部からの酸素の侵入を防止する遮断弁を設けたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸素遮断手段は、
燃料電池システムの起動時に燃料ガス流通路から水を除去するタイミングと酸化剤ガス流通路から水を除去するタイミングをずらすための冷却水バッファを、前記酸化剤ガス供給手段または前記酸化剤ガス排出手段の少なくとも一方に設けたこと
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸素遮断手段は、
前記酸化剤ガス供給手段または前記酸化剤ガス排出手段のうち少なくとも一方の配管に、凝縮水を滞留させて燃料電池スタック外部からの酸素の侵入を防止するＵ字形部を設けた
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、燃料電池システムの起動時に、
第一の段階では、前記Ｕ字形部の耐差圧が、冷却水の負圧に打ち勝つように前記冷却水ポンプを制御し、
続く第二の段階では、冷却水の負圧が、前記Ｕ字形部の前記耐差圧に打ち勝つように前記冷却水ポンプを制御すること
を特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
単位電池であって、
固体高分子電解質膜を挟持した２枚のガス拡散電極と、
前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置された燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と、
前記燃料ガス流通路または酸化剤ガス流通路のうち少なくともいずれか一方の流通路に対し、導電性多孔質材料で隔離して設けた水流通路を有するセパレータと、
を用いた単位電池を所定数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックに冷却水を供給する冷却水供給手段と、
前記燃料電池スタックから燃料ガスを排出する燃料ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出手段と、
前記燃料電池スタックから冷却水ポンプにより冷却水を排出する冷却水排出手段と、
前記冷却水ポンプと前記冷却水供給手段の間に、かつ、前記燃料電池スタックよりも高い位置に、設ける冷却水タンクと、
この燃料電池システムの運転停止時に、前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を取り除く酸素除去手段と、
燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する酸素遮断手段と、
燃料電池システムの発電運転を停止及び起動する制御手段と、
を有し、
前記制御手段により、燃料電池システムについてその停止の際に、
本来の外部負荷を切断する処理ステップと、
前記酸化剤ガス供給手段を制御することによって、酸化剤ガスの供給を停止する処理ステップと、
前記酸素遮断手段を制御することによって、燃料電池スタックへの外部からの酸素の侵入を防止する処理ステップと、
前記酸素除去手段を制御することにより前記燃料電池スタックの酸化剤ガス中の酸素を除去する処理ステップと、
前記燃料ガス供給手段を制御することによって、燃料ガスの供給を停止する処理ステップと、
前記冷却水ポンプを停止することにより、前記セパレータを経て冷却水で各流通路を充満させる処理ステップと、
を実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−２３４８３７（Ｐ２０１２−２３４８３７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１９３４６７（Ｐ２０１２−１９３４６７）
【出願日】平成２４年９月３日（２０１２．９．３）
【分割の表示】特願２００７−２６５９５２（Ｐ２００７−２６５９５２）の分割
【原出願日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月３日（２０１２．９．３）
【分割の表示】特願２００７−２６５９５２（Ｐ２００７−２６５９５２）の分割
【原出願日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【出願人】（３０１０６０２９９）東芝燃料電池システム株式会社 (358)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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