燃料電池システムおよびその残留ガスパージ方法
【課題】 燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素の消費を少なくすること。
【解決手段】 燃料電池１と、燃料電池１への水素供給手段３と、燃料電池１への酸素供給手段５とを備える燃料電池システムであって、燃料電池１の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンク１９に貯留するとともに、燃料電池１の停止後に、貯留タンク１９に貯留した不活性ガスにより燃料電池１および水素供給経路２内に残留した残留ガスをパージする。
【解決手段】 燃料電池１と、燃料電池１への水素供給手段３と、燃料電池１への酸素供給手段５とを備える燃料電池システムであって、燃料電池１の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンク１９に貯留するとともに、燃料電池１の停止後に、貯留タンク１９に貯留した不活性ガスにより燃料電池１および水素供給経路２内に残留した残留ガスをパージする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムおよびその残留ガスパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池と、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段と、燃料電池へ酸素を供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止時にシステム内に水素及び空気が残留し、外部回路との電気的接続が絶たれると、電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等が起こることが知られている。
【０００３】
この課題を解決する残留ガスパージ装置は、特許文献１などで種々提案されている。特許文献１の残留ガスパージ装置は、水素を空気と反応させ不活性ガスを得るための水素燃焼器を有し、燃料電池の停止時に水素燃焼器に水素及び空気を送給し、得られた不活性ガスを燃料電池に送給するものである。
【０００４】
残留ガスのパージは、固体高分子形燃料電池の停止後に直ちに行うことが望ましい。固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤としての酸素を、負極に還元剤としての水素を供給することにより発電するものである。運転を停止すると、電極反応で酸素および水素が消費されなくなり、ガス分圧が高くなってイオン交換膜から酸素および水素がリークする。リークしたガスは、触媒により反応して、正極側および負極側で過酸化水素（H2O2）を生成する。この過酸化水素は、イオン交換膜を分解するので、燃料電池の劣化を引き起こす。よって、残留ガスのパージは、固体高分子形燃料電池においては、運転停止後直ちに行うことが望ましい。
【０００５】
ところで、特許文献１の残留ガスパージ装置は、専用の不活性ガスタンクが不要であるが、燃料電池の停止時に水素燃焼器へ水素及び空気を送給し、不活性ガスを生成するので、パージ開始までに時間遅れが生じ、電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等を生ずるという課題がある。
【０００６】
なお、固体高分子形以外の燃料電池においても水素がシステム内に残留することは安全上好ましくはないので、固体高分子形以外の燃料電池を用いた燃料電池システムにおいても燃料電池の運転停止後速やかに残留ガスのパージを行うことが望ましい。
【０００７】
また、特許文献１の残留ガスパージ装置は、不活性ガスの生成のために、燃料電池の運転と別に水素を消費するので、水素の消費量が多くなるという課題がある。
【特許文献１】特開２００２−５０３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする課題は、燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素の消費を少なくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転時の排ガスを
完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留手段と、前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする残留ガスパージ手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、前記燃料電池の運転時に前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池の停止後、速やかに残留ガスをパージすることができるとともに、不活性ガスは、前記燃料電池の運転時に生ずる排ガスを用いて生成しているので、前記燃料電池の運転に使用する水素以外に水素を消費せず、水素使用量を少なくできるという効果を奏する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池とされ、前記水素供給経路の前記燃料電池上流側に加湿器を備え、前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の運転開始前に前記加湿器を作動させた状態で、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを前記水素供給経路に流すことを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記燃料電池の運転開始前の加湿を前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて行うことができるとともに、イオン交換膜の劣化を防止することができるという効果を奏する。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含むことを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、前記燃料電池の運転時に前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池の停止後、速やかに残留ガスをパージすることができるとともに、不活性ガスは、前記燃料電池の運転時に生ずる排ガスを用いて生成しているので、前記燃料電池の運転に使用する水素以外に水素を消費せず、水素使用量を少なくできるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素ガスの消費を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施例１の概略構成を説明する説明図である。
【図２】同実施例１の制御手順を説明するフローチャート図である。
【図３】同実施例１の運転状態と構成要素の動作との関係を説明する図である。
【図４】同実施例１の不活性ガス貯留運転の状態を説明する概略構成図である。
【図５】同実施例１の排ガス排出運転の状態を説明する概略構成図である。
【図６】同実施例１のポストパージ運転の状態を説明する概略構成図である。
【図７】同実施例１の運転停止の状態を説明する概略構成図である。
【図８】同実施例１のプレパージ運転の状態を説明する概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、この発明の燃料電池システムの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池を含む燃料電池システムに好適に実施される。
【００１８】
この実施の形態を具体的に説明する。この実施の形態の燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、前記燃料電池へ水素を水素供給経路により供給する水素供給手段と、前記燃料電池へ酸素を第一酸素供給経路により供給する第一酸素供給手段とを含んで構成されている。
【００１９】
この実施の形態の特徴部分は、不活性ガス生成・貯留手段と残留ガスパージ手段とを備えたところにある。前記不活性ガス生成・貯留手段は、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する手段である。また、前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする手段である。
【００２０】
この発明の実施の形態によれば、まず、前記不活性ガス生成・貯留手段により、前記燃料電池の運転時、前記燃料電池から排出される排ガスを完全燃焼させて生成された水素と酸素を含まない不活性ガスが前記貯留タンクに貯留される。そして、運転停止後、前記残留ガスパージ手段により、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスがパージされる。
【００２１】
こうして、この実施の形態においては、前記燃料電池の運転時に生じた排ガスを原料として不活性ガスを生成して貯留し、貯留した不活性ガスを用いて前記燃料電池の運転停止時のポストパージを行うので、前記燃料電池の運転停止時、速やかに残留ガスをパージすることができる。
【００２２】
ここで、この実施の形態の構成要素について説明する。前記燃料電池は、好ましくは、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）とする。固体高分子形燃料電池は、両側に触媒層を設けたイオン交換膜（高分子膜で、固体高分子膜ともいう。）を挟んで、正極（酸素極）に酸化剤としての酸素を、負極（水素極）へ還元剤としての水素を供給することにより発電するように構成されている。そして、イオン交換膜の水素極側および酸素極側には、それぞれ電極触媒層を形成している。
【００２３】
前述のように、水素および酸素を含む残留ガスが存在すると、前記燃料電池のイオン交換膜を分解し、燃料電池の劣化を引き起こす。よって、運転停止時直ちに残留ガスをパージできるこの実施の形態は、前記燃料電池を固体高分子形燃料電池とした場合に好適である。
【００２４】
前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池，例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）とすることができる。その場合、残留ガスによって前述のイオン交換膜の分解を生ずることはないが、前記燃料電池および前記水素供給経路内に爆発のおそれのある水素が残留することは、安全上好ましくない。よって、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池においては、安全性向上の目的においてこの実施の形態のポストパージを行うことは有効である。
【００２５】
前記水素供給手段は、前記燃料電池の負極へ水素を水素供給経路により供給するものである。前記水素供給経路の一端には、水素源が接続される。前記水素源としては、純水素貯留タンクや純水素貯留ボンベとすることもできるが、通常は燃料ガスを改質器により改質して得られる水素ガスとする。
【００２６】
また、前記水素供給経路は、必要に応じて、第一開閉弁，流量調整弁，加湿器などが設けられる。前記第一開閉弁は、水素の供給、停止を制御するもので、手動弁および／または電磁弁が採用される。前記流量調整弁は、水素の流量および不活性ガスの流量を調整する弁である。前記加湿器は、前記イオン交換膜を加湿するためのものである。
【００２７】
前記水素供給手段にて供給された水素は、前記負極側で反応して排ガスとなって排ガス経路から排出されるように構成されている。
【００２８】
前記第一酸素供給手段は、前記第一酸素供給経路により前記燃料電池の正極側へ酸素を供給するものである。酸素の供給は、純酸素の供給だけでなく、大気の供給によって実現できる。前記第一酸素供給経路には、大気を押し込む送風機（ファン，ブロワと称することができる。）と、酸素の流れを制御する開閉弁を設ける。
【００２９】
前記不活性ガス生成・貯留手段は、前記水素供給手段と、前記第一酸素供給手段と、前記燃料電池と、前記排ガス経路と、前記排ガス経路を流れる排ガスを完全燃焼させる完全燃焼手段とを含み、完全燃焼して得られた不活性ガスを前記貯留タンクへ貯留するように構成される。
【００３０】
前記完全燃焼手段は、前記排ガス経路へ第二酸素供給経路を通して酸素を供給する前記第一酸素供給手段（または別の第二酸素供給手段）と、酸素が供給された排ガスを燃焼させる燃焼器とを含み、前記排ガス経路を流れる排ガス中に含まれる水素を完全燃焼させるように前記酸素供給手段による酸素供給量を制御するように構成される。前記第二酸素供給経路は、好ましくは、前記第一酸素供給経路から分岐して形成され、送風機および第二開閉弁を備える。前記燃焼器は、好ましくは、触媒による燃焼器とする。
【００３１】
前記貯留手段は、前記排ガス経路の前記燃焼器の下流側と前記水素供給経路の前記加湿器上流側とを連絡する不活性ガス経路と、前記不活性ガス経路に設けた貯留タンクと、前記貯留タンクの上流側に設けられ不活性ガスを昇圧して前記貯留タンクへ供給する昇圧機（送風機、ファン，ブロワと称することができる。）と、水素，酸素，排ガスおよび不活性ガスの流れを制御する制御弁機構とを含んで構成される。
【００３２】
前記制御弁機構は、前記第一開閉弁と、前記第二開閉弁と、前記排ガス経路の前記不活性ガス経路との接続部より下流側に設ける第三開閉弁と、前記不活性ガス経路の前記昇圧機の上流側に設ける第四開閉弁と、前記不活性ガス経路の前記貯留タンクの下流側に設ける第五開閉弁と、前記第一酸素供給経路の開閉弁（第六開閉弁）と、前記不活性ガス経路および前記水素供給経路の接続部に設ける切替弁とを含んで構成される。前記切替弁は、好ましくは、一つの三方弁とするが、複数の開閉弁に代えることができる。また、第三開閉弁および前記第四開閉弁は、一つの三方弁とすることができる。前記各開閉弁は、好ましくは、電磁開閉弁（電磁弁）とする。
【００３３】
前記不活性ガス生成・貯留手段と前記残留ガスパージ手段は、制御手段により予め記憶した制御手順により制御される。前記制御手順は、前記燃料電池の運転制御手順と、前記燃料電池の停止制御手順と、プレパージ制御手順とを含んで構成される。前記運転制御手順には、前記貯留タンク内の圧力が設定値未満のとき実行される不活性ガス貯留運転制御手順と、前記貯留タンク内の圧力が設定値以上のとき実行される排ガス排出運転制御手順とを含む。
【００３４】
前記不活性ガス貯留運転制御手順には、排ガスを前記燃焼器にて完全燃焼させる完全燃焼制御手順が含まれる。前記完全燃焼制御手順は、前記燃焼器を触媒とした場合、触媒出
口の排ガス温度を測定しながら空気の送風量を制御することができる。具体的には、水素を空気比=1で燃焼させるために必要な空気量は、水素1Nm3/hに対して、2.38Nm3/hとなる。水素流量当たりの発熱量及び空気量が一定であるので、触媒反応部での排ガスの温度上昇ΔTが一定となり、触媒出口の排ガス温度により空燃比を制御できる。空気比１で完全燃焼させる制御は、触媒出口の排ガス温度による制御以外にも可能であり、例えば、酸素濃度センサを用いることにより行うことができる。
【００３５】
以上説明した燃料電池システムの実施の形態は、つぎの燃料電池システムの残留ガスパージ方法の実施の形態を実現する。この燃料電池システムの残留ガスパージ方法の実施の形態は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、前記燃料電池へ水素を水素供給経路により供給する水素供給手段と、前記燃料電池へ酸素を酸素供給経路により供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクへ貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含む。
【実施例１】
【００３６】
ついで、この発明の燃料電池システムの実施例１を図面に従い説明する。図１は、この発明の実施例１の概略構成を説明する説明図であり、図２は、同実施例１の制御手順を説明するフローチャート図であり、図３は、同実施例１の運転状態と構成要素の動作との関係を説明する図であり、図４〜図８は、同実施例１の異なる運転の状態を説明する概略構成図である。図４〜図８において、実線矢示は、気体の流れ方向を示し、弁の黒塗り部は当該部分を閉じていることを示している。
【００３７】
＜実施例１の構成＞
この実施例１の燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池という。）１と、燃料電池１へ水素を水素供給経路２により供給する水素供給手段３と、燃料電池１へ酸素を第一酸素供給経路４により供給する第一酸素供給手段５と、不活性ガス生成・貯留手段６と、残留ガスパージ手段７と、これらの手段を制御する制御手段としての制御器８とを主要部として備えている。
【００３８】
燃料電池１は、公知のもので、イオン交換膜９を挟んで、酸素極１０と水素極１１とを備え、酸素極１０に酸化剤としての酸素を、水素極１１に還元剤としての水素を供給することにより発電する。イオン交換膜９の酸素極１０側および水素極１１側には、それぞれ電極触媒層１２，１３を形成している。
【００３９】
水素供給手段２は、その一端に、水素源１４が接続される。水素源１４は、説明を簡単にするために、ここでは純水素貯留ボンベとする。勿論、純水素ではなく、燃料ガスを改質器により改質して得られる水素ガスを用いることができる。
【００４０】
そして、水素供給経路２には、第一電磁弁１５，流量調整弁１６，加湿器１７を設けている。第一電磁弁１５は、水素の供給、停止を制御するためものであり、流量調整弁１６は、水素の流量および不活性ガスの流量を調整するためのものである。加湿器１７は、イオン交換膜９を加湿するためのものである。この加湿器１７は、透湿膜式のものやヒータ加熱によるものやバブリング方式のものが採用されるが、制御器８により運転が制御される。
【００４１】
水素極１１には、水素極１１で反応して生成される排ガスが流れる排ガス経路１８が接
続されている。
【００４２】
第一酸素供給手段５は、第一酸素供給経路４を備えている。第一酸素供給経路４は、後記第二酸素供給経路２１の送風機２５と第二電磁弁２６の間から分岐して形成しているが、第二酸素供給経路２１から分岐することなく別経路とすることができる。
【００４３】
不活性ガス生成・貯留手段６は、燃料電池１の運転（発電）時に排ガス経路１８を通して排出される排ガスを触媒２４で完全燃焼させて不活性ガス化し、生成した不活性ガスを貯留タンク１９に貯留する手段である。
【００４４】
不活性ガス生成・貯留手段６は、水素供給手段３と、第一酸素供給手段５と、燃料電池１と、排ガス経路１８と、排ガス経路１８を流れる排ガスを完全燃焼させる完全燃焼手段６Ａと、完全燃焼して得られた不活性ガスを貯留タンク１９へ貯留する貯留手段６Ｂとを含んで構成されている。
【００４５】
完全燃焼手段６Ａは、排ガス経路１８へ第二酸素供給経路２２を通して酸素を供給する第二酸素供給手段２３と、酸素が供給された排ガスを燃焼させる燃焼器としての触媒２４とを含んでいる。第二酸素供給経路２２には、大気を押し込む送風機２５と第二電磁弁２６とを設けている。排ガス経路１８と第二酸素供給経路２２との合流部には、第二酸素供給経路２２を流れる大気を駆動源とするエゼクタ２７を設けている。
【００４６】
また、排ガス経路１８の触媒２４の下流側には、熱交換器２８，脱水器２９を設けている。熱交換器２８は、触媒２４で燃焼した排ガスの温度を低減するためのものである。脱水器２９は、後流の機器のウォーターハンマーや腐食を防止するためのものである。排ガス経路１８の燃料電池１とエゼクタ２７との間にも脱水器３０を設けている。脱水器２９、３０は、サイクロン式のものや重力分離式ものなどが採用され、分離した水を排出する排出路（図示省略）に備えた弁（図示省略）の開閉が制御器８により制御される。
【００４７】
そして、完全燃焼手段６Ａは、制御器８による後記の完全燃焼制御手順により、触媒２４の下流側の排ガス温度を検出する温度センサ３１の検出信号に基づき、排ガス経路１８を流れる排ガス中に含まれる余剰水素を完全燃焼させるように、送風機２５による酸素供給量が制御される。
【００４８】
貯留手段６Ｂは、排ガス経路１８の脱水器２９下流側と水素供給経路２の加湿器１７上流側（具体的には流量調整弁１６の上流側）とを連絡する不活性ガス経路３２と、貯留タンク１９と、貯留タンク１９の上流側に設けられ不活性ガスを昇圧して貯留タンク１９へ供給する昇圧機３３と、酸素，水素，排ガスおよび不活性ガスの流れを制御する制御弁機構とを含んで構成される。
【００４９】
前記制御弁機構は、第一電磁弁１５と、第二電磁弁２６と、排ガス経路１８の不活性ガス経路３２との接続部よりも下流側に設ける第三電磁弁３４と、不活性ガス経路３２の昇圧機３３の上流側に設ける第四電磁弁３５と、不活性ガス経路３２の貯留タンク１９の下流側に設ける第五電磁弁３６と、不活性ガス経路３２および水素供給経路２の接続部に設ける三方弁３７と、第一酸素供給経路４に設ける第六電磁弁３８とを含んで構成される。三方弁３７は、第一接続口３７Ａと第二接続口３７Ｂとを連通する水素供給位置（図４参照）と、第一接続口３７Ａと第三接続口３７Ｃとを連通接続する水素遮断位置（図６参照）とに切り替えられる。水素供給位置では、水素が水素供給経路２を流れることを許容するとともに、不活性ガス経路３２と燃料電池１とを連通を遮断する。また、水素遮断位置では、水素が水素供給経路２を流れることを遮断するとともに、不活性ガス経路３２と燃料電池１とを連通接続する。この弁制御機構は、制御器８により、運転状態（運転工程ま
たは運転ステージと称することができる。）に応じて、図３にように開閉が制御される。
【００５０】
残留ガスパージ手段７は、燃料電池１の運転停止後に、貯留タンク１９に貯留した不活性ガスにより燃料電池１および水素供給経路２，排ガス経路１８内に残留した残留ガスをパージする手段である。
【００５１】
制御器８は、予め記憶した図２に示す制御手順により、図３のように前記制御弁機構を制御して、不活性ガス生成・貯留手段６と残留ガスパージ手段７などを制御する。制御器８の制御手順は、燃料電池１の運転制御手順と、燃料電池１の停止制御手順と、プレパージ制御手順とを含んで構成されている。運転制御手順には、貯留タンク１９内の圧力を検出する圧力センサ３９の検出値が設定値Ｐ０未満のとき（設定値Ｐ０よりディファレンシャル分ΔＰだけ低い値となると）実行される貯留運転制御手順と、貯留タンク１９内の圧力が設定値Ｐ０以上のとき実行される排ガス排出運転制御手順とを含む。
【００５２】
前記貯留運転制御手順には、排ガスを完全燃焼させる制御手順が含まれる。前記完全燃焼制御手順は、触媒２出口の排ガス温度上昇ΔＴが一定となるように送風機２５による送風量を制御するものである。
【００５３】
＜実施例１の動作＞
以上の構成を備える実施例１の動作を図面に基づき説明する。
【００５４】
（燃料電池の運転）
図２を参照して、処理ステップＳ１（以下、処理ステップＳＮは、単にＳＮと称する。）において、運転開始スイッチ（図示省略）が操作されたかどうかを判定する。ＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、プレパージを行う。プレパージを行うには、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されている必要がある。今、燃料電池１が運転され、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されているものとする。なお、燃料電池１の最初の運転時には、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されていないので、貯留タンク１９内に不活性ガスを補充しておく。Ｓ２の動作は、後で説明するとして、Ｓ３以降の説明を先に行う。
【００５５】
Ｓ３では、貯留タンク１９内の圧力が設定値（Ｐ０−ΔＰ）以下かどうかを判定する。貯留タンク１９内の不活性ガスを用いてＳ２のプレパージが行われた後は、設定値（Ｐ０−ΔＰ）以下であるので、Ｓ３にてＹＥＳが判定される。するとＳ４へ移行して、Ｓ４の不活性ガス貯留運転が行われる。
【００５６】
（燃料電池運転−不活性ガス貯留運転）
Ｓ４では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：開放，第二電磁弁２６：開放，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：開放，第五電磁弁３６：閉止，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素供給位置，送風機２５：運転，昇圧機３３：運転に制御される。この制御状態は、図４に示される。
【００５７】
図４において、水素源１４からの水素は、第一電磁弁１５，三方電磁弁，流量調整弁１６を経て、加湿器１７で加湿されて、水素極１１へ供給される。一方、第二酸素経路２２の送風機２５により送風される空気が、第一酸素供給経路５の第六電磁弁３８を経て酸素極１０へ供給されて、燃料電池１にて、定格電圧を出力する。
【００５８】
この燃料電池１の運転時、水素極１１において余剰水素を含んだ排ガスが生成される。生成された排ガスは、送風機２５からの空気流を駆動源とするエゼクタ２７に吸引される。その結果、排ガスは、脱水器３０で脱水された後、触媒２４へ送られる。
【００５９】
触媒２４では、排ガスに含まれる余剰水素が送風機２５から送られる空気により完全燃焼する。この完全燃焼は、触媒２４出口での空気比が1となるように、触媒燃焼により行われる。その結果、触媒２４出口での排ガスの組成比（体積比％）は、例えば、完全燃焼前において、窒素：55.07％，酸素：14.76％，アルゴン：0.65％，水素：29.52％であったものを、完全燃焼後には、窒素：98.83％，酸素：0.00％，アルゴン：1.17％，水素：0.00％とすることができる。この成分比から完全燃焼後の排ガスは、不活性ガスとして機能することが言える。
【００６０】
不活性ガスとなった高温の排ガスは、熱交換器２８にて冷却され、脱水器２９にて脱水された後、昇圧機３３にて昇圧されて、貯留タンク１９に貯留される。
【００６１】
ついで、Ｓ５にて、圧力センサ３９の検出圧力が設定以上となったかどうかが判定される。Ｓ５でＮＯが判定されると、Ｓ６で燃料電池の運転停止操作がなされたかどうかを判定し、Ｓ６でＮＯが判定されると、Ｓ４へ戻って、不活性ガス貯留運転が継続される。
【００６２】
（燃料電池運転−排ガス排出運転）
Ｓ５で、ＹＥＳが判定されると、Ｓ７へ移行して、排ガス排出運転が行われる。Ｓ７では、図３に示すように、制御器８により、それまで閉止であった第三電磁弁３４が開放され、開放であった第四電磁弁３５が閉止されるとともに、昇圧機３３が停止される。その他の構成要素の制御は、Ｓ４と同様である。この制御状態は、図５に示される。
【００６３】
図５を参照して、この排ガス排出運転では、触媒２４にて生成された不活性ガスは、第三電磁弁３４を備える排ガス経路１８を通して、燃料電池システム外へ排出される。Ｓ４で貯留された不活性ガスは、第四電磁弁３５と第五電磁弁３６の閉止により、貯留タンク１９内に密閉状態で貯留される。
【００６４】
（ポストパージ運転）
Ｓ６で、ＹＥＳが判定されると、Ｓ８へ移行して、ポストパージ運転が実行される。Ｓ８では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：開放，第四電磁弁３５：閉止，第五電磁弁３６：開放，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：停止に制御される。この制御状態は、図６に示される。この時、加湿器１７は運転し、触媒２４は運転停止である。
【００６５】
このポストパージ運転では、貯留タンク１９に貯留された不活性ガスが、第五電磁弁３６，三方電磁弁３７，流量調整弁１６を経て燃料電池１の水素極１１へ供給される。その後、燃料電池１から排ガス経路１８を経てエゼクタ２７に至り、エゼクタ２７の下流側の排ガス経路１８を通して、システム外へ排出される。この不活性ガスの流れにより、水素供給経路２，燃料電池１の水素極１１，排ガス経路１８内に残留する余剰水素を含む残留ガスが速やかにパージされる。S４にて貯留タンク１９へ貯留する不活性ガス量は、ポストパージ運転とその後に行われるプレパージ運転に必要な不活性ガス量より十分大きい値にしておくことは言うまでもない。
【００６６】
（燃料電池の運転停止）
所定時間のポストパージ運転が行われた後、処理は、Ｓ９へ移行して、運転停止処理が行われる。Ｓ９では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：閉止，第五電磁弁３６：閉止（開放でもよい），第六電磁弁３８：閉止，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：停止に制御される。この制御状態は、図７に示される。
【００６７】
（プレパージ運転）
Ｓ９の運転停止後、Ｓ１でＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、プレパージ運転が行われる。Ｓ２では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：開放，第五電磁弁３６：開放，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：運転に制御される。この制御状態は、図８に示される。この時、加湿器１７は運転し，触媒２４は運転停止である。
【００６８】
このプレパージ運転では、貯留タンク１９に貯留された不活性ガスが、第五電磁弁３６，三方電磁弁３７を経て、流量調整弁１６，加湿器１７を燃料電池１の水素極１１へ供給される。その後、燃料電池１から排ガス経路１８を経てエゼクタ２７に至り、エゼクタ２７の下流側の排ガス経路１８を流れ、その後、不活性ガス経路３２の第五電磁弁３５を経て、再び貯留タンク１９へ戻る。こうして、不活性ガスが加湿されながら昇圧機３３により循環して流れることになる。その結果、燃料電池１のイオン交換膜９を加湿状態とし、つぎのＳ４およびＳ７の燃料電池１の発電を効果的に行うことができる。
【００６９】
以上の実施例１によれば、燃料電池１の運転時に生じた排ガスを原料として不活性ガスを生成して貯留タンク１９に貯留し、その貯留した不活性ガスを用いて燃料電池１の運転停止時のポストパージを行うので、燃料電池１の運転停止時、速やかにシステムに残留する水素を含む残留ガスをパージすることができる。その結果、残留ガス中の水素が燃料電池１のイオン交換膜９を分解することによる燃料電池１の劣化が防止される。また、ポストパージ運転およびプレージ運転には、燃料電池１の運転時に生じた排ガスを原料として生成した不活性ガスを用いるので、ポストパージのために水素を余分に消費しないので、水素の消費量を低減できる。
【００７０】
この発明は、前記実施例１に限定されるものではなく、種々変更可能であり、例えば、エゼクタ２７を用いることなく、脱水器３０の下流側に均圧弁（図示省略）を設けたものとすることができる。前記均圧弁は、流路（配管）の合流部で２流路を流れる流体の圧力を等しくする機能を有する弁で、図１でいえば、脱水器３０を設けた排ガス経路１８を流れる排ガスと、第二空気供給経路２２を流れる空気とを圧力を等しくして合流させることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 固体高分子形燃料電池（燃料電池）
２ 水素供給経路
３ 水素供給手段
４ 第一酸素供給経路（酸素供給経路）
５ 第一酸素供給手段（酸素供給手段）
６ 不活性ガス生成・貯留手段
７ 残留ガスパージ手段
８ 制御器（制御手段）
１９ 貯留タンク
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムおよびその残留ガスパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池と、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段と、燃料電池へ酸素を供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止時にシステム内に水素及び空気が残留し、外部回路との電気的接続が絶たれると、電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等が起こることが知られている。
【０００３】
この課題を解決する残留ガスパージ装置は、特許文献１などで種々提案されている。特許文献１の残留ガスパージ装置は、水素を空気と反応させ不活性ガスを得るための水素燃焼器を有し、燃料電池の停止時に水素燃焼器に水素及び空気を送給し、得られた不活性ガスを燃料電池に送給するものである。
【０００４】
残留ガスのパージは、固体高分子形燃料電池の停止後に直ちに行うことが望ましい。固体高分子形燃料電池は、イオン交換膜を挟んで、正極に酸化剤としての酸素を、負極に還元剤としての水素を供給することにより発電するものである。運転を停止すると、電極反応で酸素および水素が消費されなくなり、ガス分圧が高くなってイオン交換膜から酸素および水素がリークする。リークしたガスは、触媒により反応して、正極側および負極側で過酸化水素（H2O2）を生成する。この過酸化水素は、イオン交換膜を分解するので、燃料電池の劣化を引き起こす。よって、残留ガスのパージは、固体高分子形燃料電池においては、運転停止後直ちに行うことが望ましい。
【０００５】
ところで、特許文献１の残留ガスパージ装置は、専用の不活性ガスタンクが不要であるが、燃料電池の停止時に水素燃焼器へ水素及び空気を送給し、不活性ガスを生成するので、パージ開始までに時間遅れが生じ、電極触媒の劣化や電池構成部品の腐食等を生ずるという課題がある。
【０００６】
なお、固体高分子形以外の燃料電池においても水素がシステム内に残留することは安全上好ましくはないので、固体高分子形以外の燃料電池を用いた燃料電池システムにおいても燃料電池の運転停止後速やかに残留ガスのパージを行うことが望ましい。
【０００７】
また、特許文献１の残留ガスパージ装置は、不活性ガスの生成のために、燃料電池の運転と別に水素を消費するので、水素の消費量が多くなるという課題がある。
【特許文献１】特開２００２−５０３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明が解決しようとする課題は、燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素の消費を少なくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転時の排ガスを
完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留手段と、前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする残留ガスパージ手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、前記燃料電池の運転時に前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池の停止後、速やかに残留ガスをパージすることができるとともに、不活性ガスは、前記燃料電池の運転時に生ずる排ガスを用いて生成しているので、前記燃料電池の運転に使用する水素以外に水素を消費せず、水素使用量を少なくできるという効果を奏する。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記燃料電池が固体高分子形燃料電池とされ、前記水素供給経路の前記燃料電池上流側に加湿器を備え、前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の運転開始前に前記加湿器を作動させた状態で、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを前記水素供給経路に流すことを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記燃料電池の運転開始前の加湿を前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて行うことができるとともに、イオン交換膜の劣化を防止することができるという効果を奏する。
【００１３】
さらに、請求項３に記載の発明は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含むことを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、前記燃料電池の運転時に前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池の停止後、速やかに残留ガスをパージすることができるとともに、不活性ガスは、前記燃料電池の運転時に生ずる排ガスを用いて生成しているので、前記燃料電池の運転に使用する水素以外に水素を消費せず、水素使用量を少なくできるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、燃料電池の運転停止後に速やかに不活性ガスにより残留ガスのパージを行うことができるとともに、水素ガスの消費を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施例１の概略構成を説明する説明図である。
【図２】同実施例１の制御手順を説明するフローチャート図である。
【図３】同実施例１の運転状態と構成要素の動作との関係を説明する図である。
【図４】同実施例１の不活性ガス貯留運転の状態を説明する概略構成図である。
【図５】同実施例１の排ガス排出運転の状態を説明する概略構成図である。
【図６】同実施例１のポストパージ運転の状態を説明する概略構成図である。
【図７】同実施例１の運転停止の状態を説明する概略構成図である。
【図８】同実施例１のプレパージ運転の状態を説明する概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
つぎに、この発明の燃料電池システムの実施の形態について説明する。この発明の実施の形態は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池を含む燃料電池システムに好適に実施される。
【００１８】
この実施の形態を具体的に説明する。この実施の形態の燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、前記燃料電池へ水素を水素供給経路により供給する水素供給手段と、前記燃料電池へ酸素を第一酸素供給経路により供給する第一酸素供給手段とを含んで構成されている。
【００１９】
この実施の形態の特徴部分は、不活性ガス生成・貯留手段と残留ガスパージ手段とを備えたところにある。前記不活性ガス生成・貯留手段は、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する手段である。また、前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする手段である。
【００２０】
この発明の実施の形態によれば、まず、前記不活性ガス生成・貯留手段により、前記燃料電池の運転時、前記燃料電池から排出される排ガスを完全燃焼させて生成された水素と酸素を含まない不活性ガスが前記貯留タンクに貯留される。そして、運転停止後、前記残留ガスパージ手段により、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスを用いて、前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスがパージされる。
【００２１】
こうして、この実施の形態においては、前記燃料電池の運転時に生じた排ガスを原料として不活性ガスを生成して貯留し、貯留した不活性ガスを用いて前記燃料電池の運転停止時のポストパージを行うので、前記燃料電池の運転停止時、速やかに残留ガスをパージすることができる。
【００２２】
ここで、この実施の形態の構成要素について説明する。前記燃料電池は、好ましくは、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）とする。固体高分子形燃料電池は、両側に触媒層を設けたイオン交換膜（高分子膜で、固体高分子膜ともいう。）を挟んで、正極（酸素極）に酸化剤としての酸素を、負極（水素極）へ還元剤としての水素を供給することにより発電するように構成されている。そして、イオン交換膜の水素極側および酸素極側には、それぞれ電極触媒層を形成している。
【００２３】
前述のように、水素および酸素を含む残留ガスが存在すると、前記燃料電池のイオン交換膜を分解し、燃料電池の劣化を引き起こす。よって、運転停止時直ちに残留ガスをパージできるこの実施の形態は、前記燃料電池を固体高分子形燃料電池とした場合に好適である。
【００２４】
前記燃料電池は、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池，例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）とすることができる。その場合、残留ガスによって前述のイオン交換膜の分解を生ずることはないが、前記燃料電池および前記水素供給経路内に爆発のおそれのある水素が残留することは、安全上好ましくない。よって、固体高分子形燃料電池以外の燃料電池においては、安全性向上の目的においてこの実施の形態のポストパージを行うことは有効である。
【００２５】
前記水素供給手段は、前記燃料電池の負極へ水素を水素供給経路により供給するものである。前記水素供給経路の一端には、水素源が接続される。前記水素源としては、純水素貯留タンクや純水素貯留ボンベとすることもできるが、通常は燃料ガスを改質器により改質して得られる水素ガスとする。
【００２６】
また、前記水素供給経路は、必要に応じて、第一開閉弁，流量調整弁，加湿器などが設けられる。前記第一開閉弁は、水素の供給、停止を制御するもので、手動弁および／または電磁弁が採用される。前記流量調整弁は、水素の流量および不活性ガスの流量を調整する弁である。前記加湿器は、前記イオン交換膜を加湿するためのものである。
【００２７】
前記水素供給手段にて供給された水素は、前記負極側で反応して排ガスとなって排ガス経路から排出されるように構成されている。
【００２８】
前記第一酸素供給手段は、前記第一酸素供給経路により前記燃料電池の正極側へ酸素を供給するものである。酸素の供給は、純酸素の供給だけでなく、大気の供給によって実現できる。前記第一酸素供給経路には、大気を押し込む送風機（ファン，ブロワと称することができる。）と、酸素の流れを制御する開閉弁を設ける。
【００２９】
前記不活性ガス生成・貯留手段は、前記水素供給手段と、前記第一酸素供給手段と、前記燃料電池と、前記排ガス経路と、前記排ガス経路を流れる排ガスを完全燃焼させる完全燃焼手段とを含み、完全燃焼して得られた不活性ガスを前記貯留タンクへ貯留するように構成される。
【００３０】
前記完全燃焼手段は、前記排ガス経路へ第二酸素供給経路を通して酸素を供給する前記第一酸素供給手段（または別の第二酸素供給手段）と、酸素が供給された排ガスを燃焼させる燃焼器とを含み、前記排ガス経路を流れる排ガス中に含まれる水素を完全燃焼させるように前記酸素供給手段による酸素供給量を制御するように構成される。前記第二酸素供給経路は、好ましくは、前記第一酸素供給経路から分岐して形成され、送風機および第二開閉弁を備える。前記燃焼器は、好ましくは、触媒による燃焼器とする。
【００３１】
前記貯留手段は、前記排ガス経路の前記燃焼器の下流側と前記水素供給経路の前記加湿器上流側とを連絡する不活性ガス経路と、前記不活性ガス経路に設けた貯留タンクと、前記貯留タンクの上流側に設けられ不活性ガスを昇圧して前記貯留タンクへ供給する昇圧機（送風機、ファン，ブロワと称することができる。）と、水素，酸素，排ガスおよび不活性ガスの流れを制御する制御弁機構とを含んで構成される。
【００３２】
前記制御弁機構は、前記第一開閉弁と、前記第二開閉弁と、前記排ガス経路の前記不活性ガス経路との接続部より下流側に設ける第三開閉弁と、前記不活性ガス経路の前記昇圧機の上流側に設ける第四開閉弁と、前記不活性ガス経路の前記貯留タンクの下流側に設ける第五開閉弁と、前記第一酸素供給経路の開閉弁（第六開閉弁）と、前記不活性ガス経路および前記水素供給経路の接続部に設ける切替弁とを含んで構成される。前記切替弁は、好ましくは、一つの三方弁とするが、複数の開閉弁に代えることができる。また、第三開閉弁および前記第四開閉弁は、一つの三方弁とすることができる。前記各開閉弁は、好ましくは、電磁開閉弁（電磁弁）とする。
【００３３】
前記不活性ガス生成・貯留手段と前記残留ガスパージ手段は、制御手段により予め記憶した制御手順により制御される。前記制御手順は、前記燃料電池の運転制御手順と、前記燃料電池の停止制御手順と、プレパージ制御手順とを含んで構成される。前記運転制御手順には、前記貯留タンク内の圧力が設定値未満のとき実行される不活性ガス貯留運転制御手順と、前記貯留タンク内の圧力が設定値以上のとき実行される排ガス排出運転制御手順とを含む。
【００３４】
前記不活性ガス貯留運転制御手順には、排ガスを前記燃焼器にて完全燃焼させる完全燃焼制御手順が含まれる。前記完全燃焼制御手順は、前記燃焼器を触媒とした場合、触媒出
口の排ガス温度を測定しながら空気の送風量を制御することができる。具体的には、水素を空気比=1で燃焼させるために必要な空気量は、水素1Nm3/hに対して、2.38Nm3/hとなる。水素流量当たりの発熱量及び空気量が一定であるので、触媒反応部での排ガスの温度上昇ΔTが一定となり、触媒出口の排ガス温度により空燃比を制御できる。空気比１で完全燃焼させる制御は、触媒出口の排ガス温度による制御以外にも可能であり、例えば、酸素濃度センサを用いることにより行うことができる。
【００３５】
以上説明した燃料電池システムの実施の形態は、つぎの燃料電池システムの残留ガスパージ方法の実施の形態を実現する。この燃料電池システムの残留ガスパージ方法の実施の形態は、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、前記燃料電池へ水素を水素供給経路により供給する水素供給手段と、前記燃料電池へ酸素を酸素供給経路により供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクへ貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含む。
【実施例１】
【００３６】
ついで、この発明の燃料電池システムの実施例１を図面に従い説明する。図１は、この発明の実施例１の概略構成を説明する説明図であり、図２は、同実施例１の制御手順を説明するフローチャート図であり、図３は、同実施例１の運転状態と構成要素の動作との関係を説明する図であり、図４〜図８は、同実施例１の異なる運転の状態を説明する概略構成図である。図４〜図８において、実線矢示は、気体の流れ方向を示し、弁の黒塗り部は当該部分を閉じていることを示している。
【００３７】
＜実施例１の構成＞
この実施例１の燃料電池システムは、水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池という。）１と、燃料電池１へ水素を水素供給経路２により供給する水素供給手段３と、燃料電池１へ酸素を第一酸素供給経路４により供給する第一酸素供給手段５と、不活性ガス生成・貯留手段６と、残留ガスパージ手段７と、これらの手段を制御する制御手段としての制御器８とを主要部として備えている。
【００３８】
燃料電池１は、公知のもので、イオン交換膜９を挟んで、酸素極１０と水素極１１とを備え、酸素極１０に酸化剤としての酸素を、水素極１１に還元剤としての水素を供給することにより発電する。イオン交換膜９の酸素極１０側および水素極１１側には、それぞれ電極触媒層１２，１３を形成している。
【００３９】
水素供給手段２は、その一端に、水素源１４が接続される。水素源１４は、説明を簡単にするために、ここでは純水素貯留ボンベとする。勿論、純水素ではなく、燃料ガスを改質器により改質して得られる水素ガスを用いることができる。
【００４０】
そして、水素供給経路２には、第一電磁弁１５，流量調整弁１６，加湿器１７を設けている。第一電磁弁１５は、水素の供給、停止を制御するためものであり、流量調整弁１６は、水素の流量および不活性ガスの流量を調整するためのものである。加湿器１７は、イオン交換膜９を加湿するためのものである。この加湿器１７は、透湿膜式のものやヒータ加熱によるものやバブリング方式のものが採用されるが、制御器８により運転が制御される。
【００４１】
水素極１１には、水素極１１で反応して生成される排ガスが流れる排ガス経路１８が接
続されている。
【００４２】
第一酸素供給手段５は、第一酸素供給経路４を備えている。第一酸素供給経路４は、後記第二酸素供給経路２１の送風機２５と第二電磁弁２６の間から分岐して形成しているが、第二酸素供給経路２１から分岐することなく別経路とすることができる。
【００４３】
不活性ガス生成・貯留手段６は、燃料電池１の運転（発電）時に排ガス経路１８を通して排出される排ガスを触媒２４で完全燃焼させて不活性ガス化し、生成した不活性ガスを貯留タンク１９に貯留する手段である。
【００４４】
不活性ガス生成・貯留手段６は、水素供給手段３と、第一酸素供給手段５と、燃料電池１と、排ガス経路１８と、排ガス経路１８を流れる排ガスを完全燃焼させる完全燃焼手段６Ａと、完全燃焼して得られた不活性ガスを貯留タンク１９へ貯留する貯留手段６Ｂとを含んで構成されている。
【００４５】
完全燃焼手段６Ａは、排ガス経路１８へ第二酸素供給経路２２を通して酸素を供給する第二酸素供給手段２３と、酸素が供給された排ガスを燃焼させる燃焼器としての触媒２４とを含んでいる。第二酸素供給経路２２には、大気を押し込む送風機２５と第二電磁弁２６とを設けている。排ガス経路１８と第二酸素供給経路２２との合流部には、第二酸素供給経路２２を流れる大気を駆動源とするエゼクタ２７を設けている。
【００４６】
また、排ガス経路１８の触媒２４の下流側には、熱交換器２８，脱水器２９を設けている。熱交換器２８は、触媒２４で燃焼した排ガスの温度を低減するためのものである。脱水器２９は、後流の機器のウォーターハンマーや腐食を防止するためのものである。排ガス経路１８の燃料電池１とエゼクタ２７との間にも脱水器３０を設けている。脱水器２９、３０は、サイクロン式のものや重力分離式ものなどが採用され、分離した水を排出する排出路（図示省略）に備えた弁（図示省略）の開閉が制御器８により制御される。
【００４７】
そして、完全燃焼手段６Ａは、制御器８による後記の完全燃焼制御手順により、触媒２４の下流側の排ガス温度を検出する温度センサ３１の検出信号に基づき、排ガス経路１８を流れる排ガス中に含まれる余剰水素を完全燃焼させるように、送風機２５による酸素供給量が制御される。
【００４８】
貯留手段６Ｂは、排ガス経路１８の脱水器２９下流側と水素供給経路２の加湿器１７上流側（具体的には流量調整弁１６の上流側）とを連絡する不活性ガス経路３２と、貯留タンク１９と、貯留タンク１９の上流側に設けられ不活性ガスを昇圧して貯留タンク１９へ供給する昇圧機３３と、酸素，水素，排ガスおよび不活性ガスの流れを制御する制御弁機構とを含んで構成される。
【００４９】
前記制御弁機構は、第一電磁弁１５と、第二電磁弁２６と、排ガス経路１８の不活性ガス経路３２との接続部よりも下流側に設ける第三電磁弁３４と、不活性ガス経路３２の昇圧機３３の上流側に設ける第四電磁弁３５と、不活性ガス経路３２の貯留タンク１９の下流側に設ける第五電磁弁３６と、不活性ガス経路３２および水素供給経路２の接続部に設ける三方弁３７と、第一酸素供給経路４に設ける第六電磁弁３８とを含んで構成される。三方弁３７は、第一接続口３７Ａと第二接続口３７Ｂとを連通する水素供給位置（図４参照）と、第一接続口３７Ａと第三接続口３７Ｃとを連通接続する水素遮断位置（図６参照）とに切り替えられる。水素供給位置では、水素が水素供給経路２を流れることを許容するとともに、不活性ガス経路３２と燃料電池１とを連通を遮断する。また、水素遮断位置では、水素が水素供給経路２を流れることを遮断するとともに、不活性ガス経路３２と燃料電池１とを連通接続する。この弁制御機構は、制御器８により、運転状態（運転工程ま
たは運転ステージと称することができる。）に応じて、図３にように開閉が制御される。
【００５０】
残留ガスパージ手段７は、燃料電池１の運転停止後に、貯留タンク１９に貯留した不活性ガスにより燃料電池１および水素供給経路２，排ガス経路１８内に残留した残留ガスをパージする手段である。
【００５１】
制御器８は、予め記憶した図２に示す制御手順により、図３のように前記制御弁機構を制御して、不活性ガス生成・貯留手段６と残留ガスパージ手段７などを制御する。制御器８の制御手順は、燃料電池１の運転制御手順と、燃料電池１の停止制御手順と、プレパージ制御手順とを含んで構成されている。運転制御手順には、貯留タンク１９内の圧力を検出する圧力センサ３９の検出値が設定値Ｐ０未満のとき（設定値Ｐ０よりディファレンシャル分ΔＰだけ低い値となると）実行される貯留運転制御手順と、貯留タンク１９内の圧力が設定値Ｐ０以上のとき実行される排ガス排出運転制御手順とを含む。
【００５２】
前記貯留運転制御手順には、排ガスを完全燃焼させる制御手順が含まれる。前記完全燃焼制御手順は、触媒２出口の排ガス温度上昇ΔＴが一定となるように送風機２５による送風量を制御するものである。
【００５３】
＜実施例１の動作＞
以上の構成を備える実施例１の動作を図面に基づき説明する。
【００５４】
（燃料電池の運転）
図２を参照して、処理ステップＳ１（以下、処理ステップＳＮは、単にＳＮと称する。）において、運転開始スイッチ（図示省略）が操作されたかどうかを判定する。ＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、プレパージを行う。プレパージを行うには、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されている必要がある。今、燃料電池１が運転され、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されているものとする。なお、燃料電池１の最初の運転時には、貯留タンク１９内に不活性ガスが貯留されていないので、貯留タンク１９内に不活性ガスを補充しておく。Ｓ２の動作は、後で説明するとして、Ｓ３以降の説明を先に行う。
【００５５】
Ｓ３では、貯留タンク１９内の圧力が設定値（Ｐ０−ΔＰ）以下かどうかを判定する。貯留タンク１９内の不活性ガスを用いてＳ２のプレパージが行われた後は、設定値（Ｐ０−ΔＰ）以下であるので、Ｓ３にてＹＥＳが判定される。するとＳ４へ移行して、Ｓ４の不活性ガス貯留運転が行われる。
【００５６】
（燃料電池運転−不活性ガス貯留運転）
Ｓ４では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：開放，第二電磁弁２６：開放，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：開放，第五電磁弁３６：閉止，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素供給位置，送風機２５：運転，昇圧機３３：運転に制御される。この制御状態は、図４に示される。
【００５７】
図４において、水素源１４からの水素は、第一電磁弁１５，三方電磁弁，流量調整弁１６を経て、加湿器１７で加湿されて、水素極１１へ供給される。一方、第二酸素経路２２の送風機２５により送風される空気が、第一酸素供給経路５の第六電磁弁３８を経て酸素極１０へ供給されて、燃料電池１にて、定格電圧を出力する。
【００５８】
この燃料電池１の運転時、水素極１１において余剰水素を含んだ排ガスが生成される。生成された排ガスは、送風機２５からの空気流を駆動源とするエゼクタ２７に吸引される。その結果、排ガスは、脱水器３０で脱水された後、触媒２４へ送られる。
【００５９】
触媒２４では、排ガスに含まれる余剰水素が送風機２５から送られる空気により完全燃焼する。この完全燃焼は、触媒２４出口での空気比が1となるように、触媒燃焼により行われる。その結果、触媒２４出口での排ガスの組成比（体積比％）は、例えば、完全燃焼前において、窒素：55.07％，酸素：14.76％，アルゴン：0.65％，水素：29.52％であったものを、完全燃焼後には、窒素：98.83％，酸素：0.00％，アルゴン：1.17％，水素：0.00％とすることができる。この成分比から完全燃焼後の排ガスは、不活性ガスとして機能することが言える。
【００６０】
不活性ガスとなった高温の排ガスは、熱交換器２８にて冷却され、脱水器２９にて脱水された後、昇圧機３３にて昇圧されて、貯留タンク１９に貯留される。
【００６１】
ついで、Ｓ５にて、圧力センサ３９の検出圧力が設定以上となったかどうかが判定される。Ｓ５でＮＯが判定されると、Ｓ６で燃料電池の運転停止操作がなされたかどうかを判定し、Ｓ６でＮＯが判定されると、Ｓ４へ戻って、不活性ガス貯留運転が継続される。
【００６２】
（燃料電池運転−排ガス排出運転）
Ｓ５で、ＹＥＳが判定されると、Ｓ７へ移行して、排ガス排出運転が行われる。Ｓ７では、図３に示すように、制御器８により、それまで閉止であった第三電磁弁３４が開放され、開放であった第四電磁弁３５が閉止されるとともに、昇圧機３３が停止される。その他の構成要素の制御は、Ｓ４と同様である。この制御状態は、図５に示される。
【００６３】
図５を参照して、この排ガス排出運転では、触媒２４にて生成された不活性ガスは、第三電磁弁３４を備える排ガス経路１８を通して、燃料電池システム外へ排出される。Ｓ４で貯留された不活性ガスは、第四電磁弁３５と第五電磁弁３６の閉止により、貯留タンク１９内に密閉状態で貯留される。
【００６４】
（ポストパージ運転）
Ｓ６で、ＹＥＳが判定されると、Ｓ８へ移行して、ポストパージ運転が実行される。Ｓ８では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：開放，第四電磁弁３５：閉止，第五電磁弁３６：開放，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：停止に制御される。この制御状態は、図６に示される。この時、加湿器１７は運転し、触媒２４は運転停止である。
【００６５】
このポストパージ運転では、貯留タンク１９に貯留された不活性ガスが、第五電磁弁３６，三方電磁弁３７，流量調整弁１６を経て燃料電池１の水素極１１へ供給される。その後、燃料電池１から排ガス経路１８を経てエゼクタ２７に至り、エゼクタ２７の下流側の排ガス経路１８を通して、システム外へ排出される。この不活性ガスの流れにより、水素供給経路２，燃料電池１の水素極１１，排ガス経路１８内に残留する余剰水素を含む残留ガスが速やかにパージされる。S４にて貯留タンク１９へ貯留する不活性ガス量は、ポストパージ運転とその後に行われるプレパージ運転に必要な不活性ガス量より十分大きい値にしておくことは言うまでもない。
【００６６】
（燃料電池の運転停止）
所定時間のポストパージ運転が行われた後、処理は、Ｓ９へ移行して、運転停止処理が行われる。Ｓ９では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：閉止，第五電磁弁３６：閉止（開放でもよい），第六電磁弁３８：閉止，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：停止に制御される。この制御状態は、図７に示される。
【００６７】
（プレパージ運転）
Ｓ９の運転停止後、Ｓ１でＹＥＳが判定されると、Ｓ２へ移行して、プレパージ運転が行われる。Ｓ２では、図３に示すように、制御器８により、第一電磁弁１５：閉止，第二電磁弁２６：閉止，第三電磁弁３４：閉止，第四電磁弁３５：開放，第五電磁弁３６：開放，第六電磁弁３８：開放，三方電磁弁３７：水素遮断位置，送風機２５：停止，昇圧機３３：運転に制御される。この制御状態は、図８に示される。この時、加湿器１７は運転し，触媒２４は運転停止である。
【００６８】
このプレパージ運転では、貯留タンク１９に貯留された不活性ガスが、第五電磁弁３６，三方電磁弁３７を経て、流量調整弁１６，加湿器１７を燃料電池１の水素極１１へ供給される。その後、燃料電池１から排ガス経路１８を経てエゼクタ２７に至り、エゼクタ２７の下流側の排ガス経路１８を流れ、その後、不活性ガス経路３２の第五電磁弁３５を経て、再び貯留タンク１９へ戻る。こうして、不活性ガスが加湿されながら昇圧機３３により循環して流れることになる。その結果、燃料電池１のイオン交換膜９を加湿状態とし、つぎのＳ４およびＳ７の燃料電池１の発電を効果的に行うことができる。
【００６９】
以上の実施例１によれば、燃料電池１の運転時に生じた排ガスを原料として不活性ガスを生成して貯留タンク１９に貯留し、その貯留した不活性ガスを用いて燃料電池１の運転停止時のポストパージを行うので、燃料電池１の運転停止時、速やかにシステムに残留する水素を含む残留ガスをパージすることができる。その結果、残留ガス中の水素が燃料電池１のイオン交換膜９を分解することによる燃料電池１の劣化が防止される。また、ポストパージ運転およびプレージ運転には、燃料電池１の運転時に生じた排ガスを原料として生成した不活性ガスを用いるので、ポストパージのために水素を余分に消費しないので、水素の消費量を低減できる。
【００７０】
この発明は、前記実施例１に限定されるものではなく、種々変更可能であり、例えば、エゼクタ２７を用いることなく、脱水器３０の下流側に均圧弁（図示省略）を設けたものとすることができる。前記均圧弁は、流路（配管）の合流部で２流路を流れる流体の圧力を等しくする機能を有する弁で、図１でいえば、脱水器３０を設けた排ガス経路１８を流れる排ガスと、第二空気供給経路２２を流れる空気とを圧力を等しくして合流させることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１ 固体高分子形燃料電池（燃料電池）
２ 水素供給経路
３ 水素供給手段
４ 第一酸素供給経路（酸素供給経路）
５ 第一酸素供給手段（酸素供給手段）
６ 不活性ガス生成・貯留手段
７ 残留ガスパージ手段
８ 制御器（制御手段）
１９ 貯留タンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留手段と、
前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする残留ガスパージ手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池が固体高分子形燃料電池とされ、
前記水素供給経路の前記燃料電池上流側に加湿器を備え、
前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の運転開始前に前記加湿器を作動させた状態で、前記不活性ガスタンクに貯留した不活性ガスを前記水素供給経路に流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、
前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、
前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの残留ガスパージ方法。
【請求項１】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留手段と、
前記燃料電池の停止後に、前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージする残留ガスパージ手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池が固体高分子形燃料電池とされ、
前記水素供給経路の前記燃料電池上流側に加湿器を備え、
前記残留ガスパージ手段は、前記燃料電池の運転開始前に前記加湿器を作動させた状態で、前記不活性ガスタンクに貯留した不活性ガスを前記水素供給経路に流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素と酸素の化学反応を利用して電気を取り出す燃料電池と、水素を水素供給経路により前記燃料電池へ供給する水素供給手段と、酸素を酸素供給経路により前記燃料電池へ供給する酸素供給手段とを備える燃料電池システムの残留ガスパージ方法であって、
前記燃料電池の運転時の排ガスを完全燃焼させて不活性ガスを生成し、生成した不活性ガスを貯留タンクに貯留する不活性ガス生成・貯留ステップと、
前記燃料電池の停止後に、前記不活性ガス生成・貯留ステップにて前記貯留タンクに貯留した不活性ガスにより前記燃料電池および前記水素供給経路内に残留した残留ガスをパージするパージステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの残留ガスパージ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３３６７３（Ｐ２０１３−３３６７３Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９７７２（Ｐ２０１１−１６９７７２）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【Ｆターム（参考）】
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