燃料電池システムのパージ方法
本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、スタック内部の酸素を容易に除去することができるように、燃料電池システムのスタックに供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップと、前記スタックに供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップと、負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素で前記スタックの内部を充填する窒素充填ステップと、前記燃料の供給を中断する停止ステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのパージ方法に関し、より詳細には、スタック内部の酸素を容易に排出させることができる燃料電池システムのパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）とを用いて電気化学的に電力を生産する装置であって、外部から持続的に供給される燃料と酸化剤とを電気化学反応によって直接電気エネルギーに変換させる装置である。
【０００３】
燃料電池の酸化剤としては、純酸素を用いるか、酸素が多量含まれている空気を用い、燃料としては、純水素または炭化水素系燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＨ３ＯＨ）または炭化水素系燃料を改質して生成された水素が多量含まれている改質ガスを使用する。
【０００４】
このような燃料電池は、大別して、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）と、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｙｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）とに分けられる。
【０００５】
高分子電解質型燃料電池は、燃料電池スタック（以下、「スタック」という。）と呼ばれる燃料電池本体を含み、改質器から供給される水素ガスと、空気ポンプまたはファンの稼働によって供給される空気との電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる構造となる。ここで、改質器は、燃料を改質して、この燃料から水素ガスを発生させ、この水素ガスをスタックに供給する燃料処理装置としての機能を果たす。
【０００６】
直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは異なり、水素ガスを用いることなく、燃料のアルコール類を直接受けて、この燃料中に含まれている水素と、別途に供給される空気との電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる構造となる。直接メタノール型燃料電池は、直接酸化型燃料電池のうち、メタノールを燃料として使用する電池を指す。
【０００７】
以下、説明の便宜上、このような燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池を中心に説明する。高分子電解質型燃料電池は、出力密度およびエネルギー転換効率が高く、８０℃以下の低い温度で作動可能であり、小型化、密閉化が可能で、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装置、軍事用装置、医療機器など、非常に多様な分野の電源として使用されている。
【０００８】
このような高分子電解質型燃料電池は、改質器を備えることにより、燃料から水素を多量含む改質ガスを生産し、スタックを備えることにより、前記改質ガスで電気を生産する。
【０００９】
スタックには、改質ガスとともに、空気が供給され、空気中の酸素と水素との反応で電気を生産する。このような燃料電池システムにおいて、運転停止時に、改質ガスおよび酸素がスタック内に残留すると、高分子電解質膜やアノード極とカソード極に形成されている触媒層が劣化するという問題があった。
【００１０】
燃料電池システムの再起動時に、アノード触媒では、還元雰囲気を作って酸化物を除去することができるが、カソード触媒では、継続して酸化物が結合されている状態であり、再起動時に、リバース（ｒｅｖｅｒｓｅ）電流によってカソード触媒支持体の腐食現象などが発生し、スタックの耐久性が低下するという問題があった。
【００１１】
このように、燃料電池システムの停止時には、アノード極よりカソード極の方で残留する酸素により、カソード触媒支持体の腐食や高分子電解質膜の分解など、燃料電池の耐久性を阻害するという問題がより深刻になる。
【００１２】
これを防止するために、従来では、改質ガスの供給を中断し、不活性ガスの窒素（Ｎ２）を供給することにより、燃料電池スタック内に残留する改質ガスをパージ（ｐｕｒｇｅ）していた。
【００１３】
しかし、窒素を用いたパージ方法は、窒素ガスを外部から供給しなければならないという不便さとともに、これによる付帯装置が構成されなければならないため、製作費用が増加するだけでなく、窒素容器を設ける空間上の制約により、燃料電池の商品化のハードルとなっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の一側面は、容易に燃料電池スタックをパージすることができる燃料電池システムのパージ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、燃料電池システムのスタックに供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップと、前記スタックに供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップと、負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素で前記スタックの内部を充填する窒素充填ステップと、前記燃料の供給を中断する停止ステップとを含む。
【００１６】
前記燃料供給減少ステップは、負荷で消耗する電力を線形的に減少させるステップを含むことができ、前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給を減少させた後に、負荷との電気的接続を遮断するステップを含むことができる。
【００１７】
前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給量を正常運転時の１／５〜１／３に減少させることができ、前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を正常運転時の３０％〜５０％に減少させることができる。
【００１８】
前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を減少させて供給しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を上限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記上限圧力より大きい場合は空気の供給を中断し、前記空気供給圧力が前記上限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給しながら、空気供給圧力を上限圧力と比較することができ、前記上限圧力は、８ｋＰａ〜１５ｋＰａであり得る。
【００１９】
前記窒素充填ステップは、電圧減少器とスタックとを接続して酸素を消耗するステップを含むことができ、前記窒素充填ステップは、電圧減少器を用いて、前記スタックを構成するセルの触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷を適用することができる。
【００２０】
前記窒素充填ステップは、窒素を充填しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を下限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記下限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給した後、窒素を充填することができる。ここで、前記下限圧力は、２ｋＰａ〜５ｋＰａであり得る。
【００２１】
前記停止ステップは、空気をスタックに供給する空気ポンプの作動を中止し、電圧減少器とスタックとの接続を遮断するステップを含むことができる。
【００２２】
また、前記燃料電池システムは、スタックに燃料を供給する燃料供給管と、スタックから排出された燃料を回収する回収管と、前記燃料供給管と回収管とを接続するバイパス管とを含み、前記停止ステップは、前記バイパス管と前記燃料供給管とを接続し、前記燃料供給管および前記回収管と前記スタックとの接続を遮断するステップを含むことができる。
【００２３】
前記停止ステップは、前記スタックのセル電圧を基準電圧と比較して、前記セル電圧が前記基準電圧よりも大きい場合は前記窒素充填ステップを繰り返し、前記セル電圧が基準電圧より小さい場合は燃料の供給を中断することができる。ここで、前記基準電圧は、０．１Ｖ〜０．４Ｖであり得る。また、前記スタックに空気を供給する空気供給管には、加湿器が設置可能である。
【発明の効果】
【００２４】
このように、本発明の実施形態によれば、別途の貯蔵容器に貯蔵された窒素を用いることなく、空気中に含まれている窒素で燃料電池スタックをパージすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【００２８】
図１を参照して説明すると、本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料を改質して水素を発生させ、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）方式を採用することができる。
【００２９】
ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、燃料電池システムは、メタノールと酸素との直接的な反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）からなることができる。
【００３０】
また、燃料電池システムは、６００℃以上の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ、Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）、または固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）、または２００℃以下の比較的低温で作動するリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）からなることができる。
【００３１】
このような燃料電池システムに使用される燃料とは、メタノール、エタノール、または天然ガス、ＬＰＧなどのように、液状または気体状態となる炭化水素系燃料を通称する。
【００３２】
そして、本燃料電池システムは、水素と反応する酸化剤として空気を使用する。
【００３３】
本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器１２０と、改質器１２０に接続され、改質ガスと酸化剤とを用いて電力を発生させるスタック１１０と、スタック１１０に接続された負荷１６１および電圧減少器１６３とを含む。
【００３４】
改質器１２０とは、燃料を改質して、この燃料から水素ガスを発生させ、水素ガスをスタック１１０に供給する燃料処理装置を指す。改質器１２０には、燃料を供給するポート１３１と、水を供給するポート１３２と、空気を供給する空気供給源１３５とが連設されている。
【００３５】
改質器１２０は、供給された燃料を用いて熱を発生させ、発生した熱を用いて、燃料と触媒層との酸化反応によって燃料から水素を多量含む改質ガスを発生させる。
【００３６】
改質ガスは、スタック１１０と改質器１２０との間に設けられた燃料供給管１５２を介してスタック１１０に供給される。本実施形態にかかるスタック１１０は、複数のセル（図示せず）が積層されて酸化還元反応によって電力を生産する通常の構造のスタック１１０からなる。本発明の燃料電池システムには、多様な構造のスタック１１０が適用可能であり、特定の構造に限定されるものではない。
【００３７】
スタック１１０は、改質ガスとともに、空気ポンプ１４１を介して酸素を含む空気を受けるが、空気に含まれている酸素と、改質ガスに含まれている水素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
【００３８】
このようなスタック１１０は、電気エネルギーを発生させる最小単位の電池セルを備えるが、この電池セルは、膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を中心に置き、その両面にセパレータを密着配置して構成できる。
【００３９】
スタック１１０で発生した電気エネルギーを消費する負荷１６１がスタック１１０と電気的に連設されるが、負荷１６１は、自動車のモータ、直流電気を交流電気に変換するインバータ、または家庭用電熱機器など、多様な電気機器となることができる。
【００４０】
また、スタック１１０には、電圧減少器１６３が連設されるが、電圧減少器１６３は、スタック１１０をパージする時、電気エネルギーを消費し、セル電圧を減少させながら、セル電圧を監視する役割を果たす。
【００４１】
本実施形態にかかる電圧減少器１６３は、スタック１１０の各セルに微細な負荷（ｌｏａｄ）をかけることができる機器であって、電圧減少器１６３の動作は、動作命令信号が入力されると、４つの単位セル束からなっている回路が直列に接続されて同時に動作し、直列に接続されたフォトカプラ（ｐｈｏｔｏ ｃｏｕｐｌｅｒ）のフォトダイオード側に電流を流して動作させることにより、フォトカプラの内部トランジスタが導通して電圧減少器の回路が動作することができる。電圧減少器１６３は、スタックの損傷を防止することができるように、触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷がかけられるように行われる。
【００４２】
また、スタック１１０には、スタック１１０の駆動を制御する制御器１６５が連設されるが、制御器１６５は、負荷１６１と電圧減少器１６３とに連設され、負荷１６１および電圧減少器１６３の作動を制御することができる。
【００４３】
一方、改質器１２０とスタック１１０との間には、燃料供給管１５２のほか、スタック１１０で消耗していない未反応の改質ガスを改質器１２０に回収することができるように、スタック１１０の出口端と改質器１２０とを接続する回収管１５４と、回収管１５４と燃料供給管１５２とを接続するバイパス管１５６とが設けられる。
【００４４】
バイパス管１５６は、三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）１５１を媒介として燃料供給管１５２に設けられるが、三方バルブ１５１は、燃料供給管１５２とスタック１１０との連通を制御し、燃料供給管１５２とバイパス管１５６との連通を制御する。また、回収管１５４には、回収管１５４とスタック１１０との連通を制御する回収バルブ１５３が設けられる。
【００４５】
本実施形態では、三方バルブ１５１が設けられたものとして示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、燃料供給管１５２とバイパス管１５６にそれぞれバルブが設置可能である。
【００４６】
バイパス管１５６は、回収バルブ１５３よりも改質器１２０に隣接して配置されるが、これにより、燃料供給管１５２がバイパス管１５６にのみ連通し、回収バルブ１５３が閉鎖されると、改質器１２０から出た改質ガスは、バイパス管１５６を介して再び改質器１２０に移動することができる。そして、前記三方バルブ１５１と回収バルブ１５３は、ソレノイドバルブ（ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ）からなる。
【００４７】
スタック１１０には、空気の供給のための空気供給管１４２が連設されるが、空気供給管１４２には、空気を押し出す空気ポンプ１４１と、空気の流量を測定する空気流量計１４３と、空気の湿度を上昇させる加湿器１４６とが設けられる。
【００４８】
空気ポンプ１４１は、通常、スタック１１０に空気を供給するポンプからなることができ、本実施形態にかかる空気ポンプ１４１は、最大圧力が１０ｋＰａ〜１５ｋＰａとなることができる。
【００４９】
加湿器１４６とスタック１１０との間には、空気供給管１４２の圧力を測定する圧力計１４５が設けられる。
【００５０】
また、スタック１１０には、空気排出管１４４が設けられるが、空気排出管１４４は、加湿器１４６に接続され、加湿器１４６に水分を供給して外部に排出される。空気排出管１４４には、空気の排出を制御する排出バルブ１４７が設けられる。
【００５１】
図２は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【００５２】
図２を参照して説明すると、本実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、スタック１１０に供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップ（Ｓ１０１）と、スタック１１０と負荷１６１との電気的接続を遮断する遮断ステップ（Ｓ１０２）と、スタック１１０に供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップ（Ｓ１０３）と、負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素でスタック１１０の内部を充填する窒素充填ステップ（Ｓ１０４）と、燃料の供給を中断する停止ステップ（Ｓ１０５）とを含む。
【００５３】
燃料供給減少ステップ（Ｓ１０１）において、燃料の量は、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料量の１／５〜１／３水準に減少させることができ、好ましくは、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料の量の１／４水準に減少させることができる。燃料の供給を減少させながら、負荷で消耗する電力も減少させるが、負荷１６１の電力および燃料の供給は線形的に減少する。このように線形的に減少させると、スタック１１０に無理が発生することを防止することができる。
【００５４】
負荷１６１の電力が線形的に減少すると、スタック１１０と負荷１６１との接続を遮断する（Ｓ１０２）。前記接続が遮断される負荷１６１とは、スタック１１０の正常運転時にスタック１１０に接続され、電力を消耗する主な負荷を意味する。
【００５５】
本実施形態では、負荷１６１との電気的接続を遮断し、電圧減少器１６３を接続するものとして示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、一部の負荷１６１と接続を維持しながら、負荷１６１を用いて電圧を減少させることもできる。
【００５６】
空気供給減少ステップ（Ｓ１０３）では、空気ポンプ１４１の出力を低くして少量の空気をスタック１１０に供給し、空気の供給量を減少させながら排出バルブ１４７を閉鎖するため、スタック１１０から空気が排出されない。
【００５７】
この時、空気ポンプ１４１は、最大供給圧力が１０ｋＰａ〜１５ｋＰａのポンプを使用するが、これにより、スタック１１０に大きい圧力がかかってスタック１１０が破損するのを防止することができる。
【００５８】
空気の量は、正常運転時にスタック１１０に供給される空気量の３０％〜５０％水準に減少させることができ、好ましくは、正常運転時にスタック１１０に供給される空気の量の４０％水準に減少させることができる。
【００５９】
窒素充填ステップでは、電圧減少器１６３とスタック１１０とを接続して負荷を接続することによって酸素を消耗し、空気中の窒素でスタックの内部を充填する。この時、負荷とは、スタック１１０に接続され、スタック１１０で生成された電力を消費する全種類の電気機器となり得、本実施形態では、電圧減少器１６３となる。
【００６０】
電圧減少器１６３は、スタック１１０で発生した電力を消耗して、スタック１１０が低負荷で発電を行うようにし、スタックを構成するセルの触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷がかけられるように電力を消耗する。
【００６１】
触媒活性面積に適用された負荷が５ｍＡ／ｃｍ２よりも小さいと、酸素がうまく減少しないという問題があり、触媒活性面積に適用された負荷が２０ｍＡ／ｃｍ２よりも大きいと、触媒活性領域が損傷するという問題がある。
【００６２】
空気中には、酸素が２１％程度、窒素が７８％程度含まれているが、発電を通して酸素を消耗すると、スタック１１０の内部は次第に不活性ガスの窒素で満たされる。この時、窒素の充填は、スタック１１０のセル電圧が０．１Ｖ〜０．４Ｖになるまで持続する。セル電圧が０．４Ｖより大きいと、残留酸素量が多くて触媒が酸化するという問題があり、セル電圧が０．１Ｖより小さいと、セルに逆電圧がかかってむしろ触媒が酸化するという問題が発生し得る。この時、セル電圧とは、スタックを構成するセルの平均電圧を意味する。
【００６３】
停止ステップ（Ｓ１０５）は、空気ポンプ１４１の作動を中止し、電圧減少器１６３とスタック１１０との接続を遮断するステップと、バイパス管１５６と燃料供給管１５２とを接続し、燃料供給管１５２とスタック１１０との接続を遮断するステップとを含む。
【００６４】
停止ステップ（Ｓ１０５）では、空気排出管１４４に設けられた排出バルブ１４７を閉鎖して、窒素の流出および酸素の流入を遮断し、空気ポンプ１４１の作動が中止されると、加湿器１４６の圧力損失（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）により、それ以上スタック１１０に空気が流入するのを防止することができる。この状態で電圧減少器１６３とスタック１１０との接続を遮断すると、スタック１１０は、それ以上発電を行わずに停止する。
【００６５】
また、燃料供給管１５２とスタック１１０との接続を遮断すると、燃料がそれ以上スタック１１０に流入せず、燃料供給管１５２とバイパス管１５６とを接続させると、燃料がバイパス管１５６を介して改質器１２０に回収される。この時、回収管１５４の回収バルブ１５３を閉鎖して、燃料電池スタック１１０と改質器１２０との接続を完全に遮断する。
【００６６】
本実施形態のように、酸素を消耗して空気中の窒素でスタック１１０の内部を満たすと、酸素によってカソード触媒などが酸化するのを安定的に防止することができる。また、空気中の窒素を用いてパージすることにより、別途に窒素貯蔵装置などを設ける必要がない。
【００６７】
図３は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略的な構成図である。
【００６８】
図３を参照して説明すると、本第２実施形態にかかる燃料電池システムは、空気供給管１４２に設けられた空気供給バルブ１４８を含む。前記空気供給バルブ１４８を除けば、上述した第１実施形態にかかる燃料電池システムと同一の構造からなるので、同一の構造に関する重複説明は省略する。
【００６９】
空気供給バルブ１４８は、圧力計１４５と加湿器１４６との間に設けられる。このように空気供給バルブ１４８を設けると、発電を完全に停止した後に、空気供給バルブ１４８を閉鎖して、拡散などによって空気中の酸素がスタック１１０に流入するのを安定的に防止することができる。 図４は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【００７０】
図４を参照して説明すると、本第２実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、スタック１１０に供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップ（Ｓ２０１）と、負荷１６１との電気的接続を遮断する遮断ステップ（Ｓ２０２）と、空気量を減少させてスタック１１０に供給する空気供給減少ステップ（Ｓ２０３）と、空気供給圧力を上限圧力と比較する第１圧力比較ステップ（Ｓ２０４）と、空気の供給を中断する空気供給中断ステップ（Ｓ２０５）と、酸素を消耗して窒素を充填する窒素充填ステップ（Ｓ２０６）と、空気供給圧力を下限圧力と比較する第２圧力比較ステップ（Ｓ２０７）と、セル電圧を基準電圧と比較する電圧比較ステップ（Ｓ２０８）とを含む。
【００７１】
燃料供給減少ステップ（Ｓ２０１）において、燃料の量は、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料量の１／５〜１／３水準に減少させることができ、好ましくは、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料の量の１／４水準に減少させることができる。
【００７２】
第１圧力比較ステップ（Ｓ２０４）で、空気の排出を防止し、空気量を減少させて供給する時、圧力計１４５を用いて空気供給管１４２内の圧力上昇を検出する。空気を過度に多く供給すると、スタック１１０が破損したり損傷することがあるからである。空気量を減少させて供給するにあたり、空気供給圧力が上限圧力より大きいと、空気の供給を中断し（Ｓ２０７）、空気供給圧力が上限圧力より小さいと、空気を供給し続ける（Ｓ２０５）。
【００７３】
ここで、上限圧力は、８ｋＰａ〜１５ｋＰａに設定される。上限圧力が８ｋＰａよりも小さいと、スタック１１０の内部に空気が十分に供給されないという問題があり、上限圧力が１５ｋＰａよりも大きいと、スタック１１０に大きい圧力がかかってスタック１１０が破損するという問題がある。
【００７４】
空気供給中断ステップ（Ｓ２０７）は、空気供給圧力が上限圧力より大きい時、空気供給バルブ１４８を閉鎖して、空気がスタック１１０に流入するのを遮断する。
【００７５】
このように、第１圧力比較ステップと空気供給中断ステップは、空気供給減少ステップで空気を供給する過程でほぼ同時に実施でき、第１圧力比較ステップと空気供給中断ステップは、空気供給減少ステップに含まれる。
【００７６】
空気の供給が中断されると、電圧減少器１６３とスタック１１０とを接続して負荷を接続することによって酸素を消耗し、空気中の窒素でスタック１１０の内部を充填する（Ｓ２０６）。
【００７７】
窒素を充填する過程で酸素が消耗すると、スタック内の圧力が減少するが、第２圧力比較ステップ（Ｓ２０７）で空気供給管１４２の圧力と下限圧力とを比較して空気供給圧力が下限圧力より大きいと、空気供給バルブ１４８を開放して再び空気を供給し、上限圧力と比較して空気が十分に満たされたと判断されると、空気の供給を中断し、負荷である電圧減少器をかけて酸素を消耗しながら、窒素を充填する。ここで、下限圧力は、２ｋＰａ〜５ｋＰａとなる。
【００７８】
第２圧力比較ステップは、窒素を充填する過程で窒素充填ステップと同時に実施でき、第２圧力比較ステップは、窒素充填ステップに含まれる。
【００７９】
このようにスタック１１０の圧力変化によって空気の供給と遮断を繰り返すと、スタック１１０の損傷を防止しながら、持続的にスタック１１０の内部に空気を供給することができる。
【００８０】
また、供給された空気中で酸素のみを消耗し、窒素でスタック１１０の内部を充填することにより、スタック１１０のカソード極流路内の酸素を安定的に除去し、スタック１１０内の触媒層が劣化するのを防止することができる。
【００８１】
電圧比較ステップ（Ｓ２０８）では、窒素を充填しながら、セルの電圧を基準電圧と比較してセル電圧が基準電圧より大きいと、窒素を充填し続け、充填しながら圧力を比較して空気供給圧力が下限圧力より低くなると、再び空気を供給した後、窒素を充填する。このように窒素を充填するステップを行うにあたり、第２圧力比較ステップと電圧比較ステップは同時に実施できる。
【００８２】
基準電圧は、０．１Ｖ〜０．４Ｖとなる。電圧比較ステップは、スタック１１０の内部に残存する酸素の量を確認するステップであって、セルの電圧が基準圧力以下となるようにすると、スタック１１０内部の酸素を安定した水準に除去し、触媒層で酸化現象が発生することを防止することができる。
【００８３】
ここで、電圧比較によってスタック１１０のセル電圧が基準電圧より小さいと、電圧減少器１６３とスタック１１０との接続を遮断し、燃料の供給を中断する。燃料供給の中断は、バイパス管１５６と前記燃料供給管１５２とを接続し、燃料供給管１５２とスタック１２０との接続を遮断し、回収バルブ１５３を閉鎖して、改質器１２０とスタック１１０との接続を遮断する。これにより、燃料は、燃料供給管１５２とバイパス管１５６および回収管１５４を経て再び改質器１２０に回収される。
【００８４】
上記では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのパージ方法に関し、より詳細には、スタック内部の酸素を容易に排出させることができる燃料電池システムのパージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（水素または改質ガス）と酸化剤（酸素または空気）とを用いて電気化学的に電力を生産する装置であって、外部から持続的に供給される燃料と酸化剤とを電気化学反応によって直接電気エネルギーに変換させる装置である。
【０００３】
燃料電池の酸化剤としては、純酸素を用いるか、酸素が多量含まれている空気を用い、燃料としては、純水素または炭化水素系燃料（ＬＮＧ、ＬＰＧ、ＣＨ３ＯＨ）または炭化水素系燃料を改質して生成された水素が多量含まれている改質ガスを使用する。
【０００４】
このような燃料電池は、大別して、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）と、直接酸化型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｏｘｙｄａｔｉｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）と、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）とに分けられる。
【０００５】
高分子電解質型燃料電池は、燃料電池スタック（以下、「スタック」という。）と呼ばれる燃料電池本体を含み、改質器から供給される水素ガスと、空気ポンプまたはファンの稼働によって供給される空気との電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる構造となる。ここで、改質器は、燃料を改質して、この燃料から水素ガスを発生させ、この水素ガスをスタックに供給する燃料処理装置としての機能を果たす。
【０００６】
直接酸化型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは異なり、水素ガスを用いることなく、燃料のアルコール類を直接受けて、この燃料中に含まれている水素と、別途に供給される空気との電気化学的反応によって電気エネルギーを発生させる構造となる。直接メタノール型燃料電池は、直接酸化型燃料電池のうち、メタノールを燃料として使用する電池を指す。
【０００７】
以下、説明の便宜上、このような燃料電池のうち、高分子電解質型燃料電池を中心に説明する。高分子電解質型燃料電池は、出力密度およびエネルギー転換効率が高く、８０℃以下の低い温度で作動可能であり、小型化、密閉化が可能で、無公害自動車、家庭用発電システム、移動通信装置、軍事用装置、医療機器など、非常に多様な分野の電源として使用されている。
【０００８】
このような高分子電解質型燃料電池は、改質器を備えることにより、燃料から水素を多量含む改質ガスを生産し、スタックを備えることにより、前記改質ガスで電気を生産する。
【０００９】
スタックには、改質ガスとともに、空気が供給され、空気中の酸素と水素との反応で電気を生産する。このような燃料電池システムにおいて、運転停止時に、改質ガスおよび酸素がスタック内に残留すると、高分子電解質膜やアノード極とカソード極に形成されている触媒層が劣化するという問題があった。
【００１０】
燃料電池システムの再起動時に、アノード触媒では、還元雰囲気を作って酸化物を除去することができるが、カソード触媒では、継続して酸化物が結合されている状態であり、再起動時に、リバース（ｒｅｖｅｒｓｅ）電流によってカソード触媒支持体の腐食現象などが発生し、スタックの耐久性が低下するという問題があった。
【００１１】
このように、燃料電池システムの停止時には、アノード極よりカソード極の方で残留する酸素により、カソード触媒支持体の腐食や高分子電解質膜の分解など、燃料電池の耐久性を阻害するという問題がより深刻になる。
【００１２】
これを防止するために、従来では、改質ガスの供給を中断し、不活性ガスの窒素（Ｎ２）を供給することにより、燃料電池スタック内に残留する改質ガスをパージ（ｐｕｒｇｅ）していた。
【００１３】
しかし、窒素を用いたパージ方法は、窒素ガスを外部から供給しなければならないという不便さとともに、これによる付帯装置が構成されなければならないため、製作費用が増加するだけでなく、窒素容器を設ける空間上の制約により、燃料電池の商品化のハードルとなっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の一側面は、容易に燃料電池スタックをパージすることができる燃料電池システムのパージ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、燃料電池システムのスタックに供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップと、前記スタックに供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップと、負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素で前記スタックの内部を充填する窒素充填ステップと、前記燃料の供給を中断する停止ステップとを含む。
【００１６】
前記燃料供給減少ステップは、負荷で消耗する電力を線形的に減少させるステップを含むことができ、前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給を減少させた後に、負荷との電気的接続を遮断するステップを含むことができる。
【００１７】
前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給量を正常運転時の１／５〜１／３に減少させることができ、前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を正常運転時の３０％〜５０％に減少させることができる。
【００１８】
前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を減少させて供給しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を上限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記上限圧力より大きい場合は空気の供給を中断し、前記空気供給圧力が前記上限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給しながら、空気供給圧力を上限圧力と比較することができ、前記上限圧力は、８ｋＰａ〜１５ｋＰａであり得る。
【００１９】
前記窒素充填ステップは、電圧減少器とスタックとを接続して酸素を消耗するステップを含むことができ、前記窒素充填ステップは、電圧減少器を用いて、前記スタックを構成するセルの触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷を適用することができる。
【００２０】
前記窒素充填ステップは、窒素を充填しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を下限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記下限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給した後、窒素を充填することができる。ここで、前記下限圧力は、２ｋＰａ〜５ｋＰａであり得る。
【００２１】
前記停止ステップは、空気をスタックに供給する空気ポンプの作動を中止し、電圧減少器とスタックとの接続を遮断するステップを含むことができる。
【００２２】
また、前記燃料電池システムは、スタックに燃料を供給する燃料供給管と、スタックから排出された燃料を回収する回収管と、前記燃料供給管と回収管とを接続するバイパス管とを含み、前記停止ステップは、前記バイパス管と前記燃料供給管とを接続し、前記燃料供給管および前記回収管と前記スタックとの接続を遮断するステップを含むことができる。
【００２３】
前記停止ステップは、前記スタックのセル電圧を基準電圧と比較して、前記セル電圧が前記基準電圧よりも大きい場合は前記窒素充填ステップを繰り返し、前記セル電圧が基準電圧より小さい場合は燃料の供給を中断することができる。ここで、前記基準電圧は、０．１Ｖ〜０．４Ｖであり得る。また、前記スタックに空気を供給する空気供給管には、加湿器が設置可能である。
【発明の効果】
【００２４】
このように、本発明の実施形態によれば、別途の貯蔵容器に貯蔵された窒素を用いることなく、空気中に含まれている窒素で燃料電池スタックをパージすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について当業者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。
【００２７】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。
【００２８】
図１を参照して説明すると、本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料を改質して水素を発生させ、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）方式を採用することができる。
【００２９】
ただし、本発明は、これに限定されるものではなく、燃料電池システムは、メタノールと酸素との直接的な反応によって電気エネルギーを発生させる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）からなることができる。
【００３０】
また、燃料電池システムは、６００℃以上の高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ、Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）、または固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）、または２００℃以下の比較的低温で作動するリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）からなることができる。
【００３１】
このような燃料電池システムに使用される燃料とは、メタノール、エタノール、または天然ガス、ＬＰＧなどのように、液状または気体状態となる炭化水素系燃料を通称する。
【００３２】
そして、本燃料電池システムは、水素と反応する酸化剤として空気を使用する。
【００３３】
本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器１２０と、改質器１２０に接続され、改質ガスと酸化剤とを用いて電力を発生させるスタック１１０と、スタック１１０に接続された負荷１６１および電圧減少器１６３とを含む。
【００３４】
改質器１２０とは、燃料を改質して、この燃料から水素ガスを発生させ、水素ガスをスタック１１０に供給する燃料処理装置を指す。改質器１２０には、燃料を供給するポート１３１と、水を供給するポート１３２と、空気を供給する空気供給源１３５とが連設されている。
【００３５】
改質器１２０は、供給された燃料を用いて熱を発生させ、発生した熱を用いて、燃料と触媒層との酸化反応によって燃料から水素を多量含む改質ガスを発生させる。
【００３６】
改質ガスは、スタック１１０と改質器１２０との間に設けられた燃料供給管１５２を介してスタック１１０に供給される。本実施形態にかかるスタック１１０は、複数のセル（図示せず）が積層されて酸化還元反応によって電力を生産する通常の構造のスタック１１０からなる。本発明の燃料電池システムには、多様な構造のスタック１１０が適用可能であり、特定の構造に限定されるものではない。
【００３７】
スタック１１０は、改質ガスとともに、空気ポンプ１４１を介して酸素を含む空気を受けるが、空気に含まれている酸素と、改質ガスに含まれている水素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
【００３８】
このようなスタック１１０は、電気エネルギーを発生させる最小単位の電池セルを備えるが、この電池セルは、膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を中心に置き、その両面にセパレータを密着配置して構成できる。
【００３９】
スタック１１０で発生した電気エネルギーを消費する負荷１６１がスタック１１０と電気的に連設されるが、負荷１６１は、自動車のモータ、直流電気を交流電気に変換するインバータ、または家庭用電熱機器など、多様な電気機器となることができる。
【００４０】
また、スタック１１０には、電圧減少器１６３が連設されるが、電圧減少器１６３は、スタック１１０をパージする時、電気エネルギーを消費し、セル電圧を減少させながら、セル電圧を監視する役割を果たす。
【００４１】
本実施形態にかかる電圧減少器１６３は、スタック１１０の各セルに微細な負荷（ｌｏａｄ）をかけることができる機器であって、電圧減少器１６３の動作は、動作命令信号が入力されると、４つの単位セル束からなっている回路が直列に接続されて同時に動作し、直列に接続されたフォトカプラ（ｐｈｏｔｏ ｃｏｕｐｌｅｒ）のフォトダイオード側に電流を流して動作させることにより、フォトカプラの内部トランジスタが導通して電圧減少器の回路が動作することができる。電圧減少器１６３は、スタックの損傷を防止することができるように、触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷がかけられるように行われる。
【００４２】
また、スタック１１０には、スタック１１０の駆動を制御する制御器１６５が連設されるが、制御器１６５は、負荷１６１と電圧減少器１６３とに連設され、負荷１６１および電圧減少器１６３の作動を制御することができる。
【００４３】
一方、改質器１２０とスタック１１０との間には、燃料供給管１５２のほか、スタック１１０で消耗していない未反応の改質ガスを改質器１２０に回収することができるように、スタック１１０の出口端と改質器１２０とを接続する回収管１５４と、回収管１５４と燃料供給管１５２とを接続するバイパス管１５６とが設けられる。
【００４４】
バイパス管１５６は、三方バルブ（３−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）１５１を媒介として燃料供給管１５２に設けられるが、三方バルブ１５１は、燃料供給管１５２とスタック１１０との連通を制御し、燃料供給管１５２とバイパス管１５６との連通を制御する。また、回収管１５４には、回収管１５４とスタック１１０との連通を制御する回収バルブ１５３が設けられる。
【００４５】
本実施形態では、三方バルブ１５１が設けられたものとして示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、燃料供給管１５２とバイパス管１５６にそれぞれバルブが設置可能である。
【００４６】
バイパス管１５６は、回収バルブ１５３よりも改質器１２０に隣接して配置されるが、これにより、燃料供給管１５２がバイパス管１５６にのみ連通し、回収バルブ１５３が閉鎖されると、改質器１２０から出た改質ガスは、バイパス管１５６を介して再び改質器１２０に移動することができる。そして、前記三方バルブ１５１と回収バルブ１５３は、ソレノイドバルブ（ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ）からなる。
【００４７】
スタック１１０には、空気の供給のための空気供給管１４２が連設されるが、空気供給管１４２には、空気を押し出す空気ポンプ１４１と、空気の流量を測定する空気流量計１４３と、空気の湿度を上昇させる加湿器１４６とが設けられる。
【００４８】
空気ポンプ１４１は、通常、スタック１１０に空気を供給するポンプからなることができ、本実施形態にかかる空気ポンプ１４１は、最大圧力が１０ｋＰａ〜１５ｋＰａとなることができる。
【００４９】
加湿器１４６とスタック１１０との間には、空気供給管１４２の圧力を測定する圧力計１４５が設けられる。
【００５０】
また、スタック１１０には、空気排出管１４４が設けられるが、空気排出管１４４は、加湿器１４６に接続され、加湿器１４６に水分を供給して外部に排出される。空気排出管１４４には、空気の排出を制御する排出バルブ１４７が設けられる。
【００５１】
図２は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【００５２】
図２を参照して説明すると、本実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、スタック１１０に供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップ（Ｓ１０１）と、スタック１１０と負荷１６１との電気的接続を遮断する遮断ステップ（Ｓ１０２）と、スタック１１０に供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップ（Ｓ１０３）と、負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素でスタック１１０の内部を充填する窒素充填ステップ（Ｓ１０４）と、燃料の供給を中断する停止ステップ（Ｓ１０５）とを含む。
【００５３】
燃料供給減少ステップ（Ｓ１０１）において、燃料の量は、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料量の１／５〜１／３水準に減少させることができ、好ましくは、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料の量の１／４水準に減少させることができる。燃料の供給を減少させながら、負荷で消耗する電力も減少させるが、負荷１６１の電力および燃料の供給は線形的に減少する。このように線形的に減少させると、スタック１１０に無理が発生することを防止することができる。
【００５４】
負荷１６１の電力が線形的に減少すると、スタック１１０と負荷１６１との接続を遮断する（Ｓ１０２）。前記接続が遮断される負荷１６１とは、スタック１１０の正常運転時にスタック１１０に接続され、電力を消耗する主な負荷を意味する。
【００５５】
本実施形態では、負荷１６１との電気的接続を遮断し、電圧減少器１６３を接続するものとして示しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、一部の負荷１６１と接続を維持しながら、負荷１６１を用いて電圧を減少させることもできる。
【００５６】
空気供給減少ステップ（Ｓ１０３）では、空気ポンプ１４１の出力を低くして少量の空気をスタック１１０に供給し、空気の供給量を減少させながら排出バルブ１４７を閉鎖するため、スタック１１０から空気が排出されない。
【００５７】
この時、空気ポンプ１４１は、最大供給圧力が１０ｋＰａ〜１５ｋＰａのポンプを使用するが、これにより、スタック１１０に大きい圧力がかかってスタック１１０が破損するのを防止することができる。
【００５８】
空気の量は、正常運転時にスタック１１０に供給される空気量の３０％〜５０％水準に減少させることができ、好ましくは、正常運転時にスタック１１０に供給される空気の量の４０％水準に減少させることができる。
【００５９】
窒素充填ステップでは、電圧減少器１６３とスタック１１０とを接続して負荷を接続することによって酸素を消耗し、空気中の窒素でスタックの内部を充填する。この時、負荷とは、スタック１１０に接続され、スタック１１０で生成された電力を消費する全種類の電気機器となり得、本実施形態では、電圧減少器１６３となる。
【００６０】
電圧減少器１６３は、スタック１１０で発生した電力を消耗して、スタック１１０が低負荷で発電を行うようにし、スタックを構成するセルの触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷がかけられるように電力を消耗する。
【００６１】
触媒活性面積に適用された負荷が５ｍＡ／ｃｍ２よりも小さいと、酸素がうまく減少しないという問題があり、触媒活性面積に適用された負荷が２０ｍＡ／ｃｍ２よりも大きいと、触媒活性領域が損傷するという問題がある。
【００６２】
空気中には、酸素が２１％程度、窒素が７８％程度含まれているが、発電を通して酸素を消耗すると、スタック１１０の内部は次第に不活性ガスの窒素で満たされる。この時、窒素の充填は、スタック１１０のセル電圧が０．１Ｖ〜０．４Ｖになるまで持続する。セル電圧が０．４Ｖより大きいと、残留酸素量が多くて触媒が酸化するという問題があり、セル電圧が０．１Ｖより小さいと、セルに逆電圧がかかってむしろ触媒が酸化するという問題が発生し得る。この時、セル電圧とは、スタックを構成するセルの平均電圧を意味する。
【００６３】
停止ステップ（Ｓ１０５）は、空気ポンプ１４１の作動を中止し、電圧減少器１６３とスタック１１０との接続を遮断するステップと、バイパス管１５６と燃料供給管１５２とを接続し、燃料供給管１５２とスタック１１０との接続を遮断するステップとを含む。
【００６４】
停止ステップ（Ｓ１０５）では、空気排出管１４４に設けられた排出バルブ１４７を閉鎖して、窒素の流出および酸素の流入を遮断し、空気ポンプ１４１の作動が中止されると、加湿器１４６の圧力損失（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）により、それ以上スタック１１０に空気が流入するのを防止することができる。この状態で電圧減少器１６３とスタック１１０との接続を遮断すると、スタック１１０は、それ以上発電を行わずに停止する。
【００６５】
また、燃料供給管１５２とスタック１１０との接続を遮断すると、燃料がそれ以上スタック１１０に流入せず、燃料供給管１５２とバイパス管１５６とを接続させると、燃料がバイパス管１５６を介して改質器１２０に回収される。この時、回収管１５４の回収バルブ１５３を閉鎖して、燃料電池スタック１１０と改質器１２０との接続を完全に遮断する。
【００６６】
本実施形態のように、酸素を消耗して空気中の窒素でスタック１１０の内部を満たすと、酸素によってカソード触媒などが酸化するのを安定的に防止することができる。また、空気中の窒素を用いてパージすることにより、別途に窒素貯蔵装置などを設ける必要がない。
【００６７】
図３は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略的な構成図である。
【００６８】
図３を参照して説明すると、本第２実施形態にかかる燃料電池システムは、空気供給管１４２に設けられた空気供給バルブ１４８を含む。前記空気供給バルブ１４８を除けば、上述した第１実施形態にかかる燃料電池システムと同一の構造からなるので、同一の構造に関する重複説明は省略する。
【００６９】
空気供給バルブ１４８は、圧力計１４５と加湿器１４６との間に設けられる。このように空気供給バルブ１４８を設けると、発電を完全に停止した後に、空気供給バルブ１４８を閉鎖して、拡散などによって空気中の酸素がスタック１１０に流入するのを安定的に防止することができる。 図４は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法を示すフローチャートである。
【００７０】
図４を参照して説明すると、本第２実施形態にかかる燃料電池システムのパージ方法は、スタック１１０に供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップ（Ｓ２０１）と、負荷１６１との電気的接続を遮断する遮断ステップ（Ｓ２０２）と、空気量を減少させてスタック１１０に供給する空気供給減少ステップ（Ｓ２０３）と、空気供給圧力を上限圧力と比較する第１圧力比較ステップ（Ｓ２０４）と、空気の供給を中断する空気供給中断ステップ（Ｓ２０５）と、酸素を消耗して窒素を充填する窒素充填ステップ（Ｓ２０６）と、空気供給圧力を下限圧力と比較する第２圧力比較ステップ（Ｓ２０７）と、セル電圧を基準電圧と比較する電圧比較ステップ（Ｓ２０８）とを含む。
【００７１】
燃料供給減少ステップ（Ｓ２０１）において、燃料の量は、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料量の１／５〜１／３水準に減少させることができ、好ましくは、正常運転時にスタック１１０に供給される燃料の量の１／４水準に減少させることができる。
【００７２】
第１圧力比較ステップ（Ｓ２０４）で、空気の排出を防止し、空気量を減少させて供給する時、圧力計１４５を用いて空気供給管１４２内の圧力上昇を検出する。空気を過度に多く供給すると、スタック１１０が破損したり損傷することがあるからである。空気量を減少させて供給するにあたり、空気供給圧力が上限圧力より大きいと、空気の供給を中断し（Ｓ２０７）、空気供給圧力が上限圧力より小さいと、空気を供給し続ける（Ｓ２０５）。
【００７３】
ここで、上限圧力は、８ｋＰａ〜１５ｋＰａに設定される。上限圧力が８ｋＰａよりも小さいと、スタック１１０の内部に空気が十分に供給されないという問題があり、上限圧力が１５ｋＰａよりも大きいと、スタック１１０に大きい圧力がかかってスタック１１０が破損するという問題がある。
【００７４】
空気供給中断ステップ（Ｓ２０７）は、空気供給圧力が上限圧力より大きい時、空気供給バルブ１４８を閉鎖して、空気がスタック１１０に流入するのを遮断する。
【００７５】
このように、第１圧力比較ステップと空気供給中断ステップは、空気供給減少ステップで空気を供給する過程でほぼ同時に実施でき、第１圧力比較ステップと空気供給中断ステップは、空気供給減少ステップに含まれる。
【００７６】
空気の供給が中断されると、電圧減少器１６３とスタック１１０とを接続して負荷を接続することによって酸素を消耗し、空気中の窒素でスタック１１０の内部を充填する（Ｓ２０６）。
【００７７】
窒素を充填する過程で酸素が消耗すると、スタック内の圧力が減少するが、第２圧力比較ステップ（Ｓ２０７）で空気供給管１４２の圧力と下限圧力とを比較して空気供給圧力が下限圧力より大きいと、空気供給バルブ１４８を開放して再び空気を供給し、上限圧力と比較して空気が十分に満たされたと判断されると、空気の供給を中断し、負荷である電圧減少器をかけて酸素を消耗しながら、窒素を充填する。ここで、下限圧力は、２ｋＰａ〜５ｋＰａとなる。
【００７８】
第２圧力比較ステップは、窒素を充填する過程で窒素充填ステップと同時に実施でき、第２圧力比較ステップは、窒素充填ステップに含まれる。
【００７９】
このようにスタック１１０の圧力変化によって空気の供給と遮断を繰り返すと、スタック１１０の損傷を防止しながら、持続的にスタック１１０の内部に空気を供給することができる。
【００８０】
また、供給された空気中で酸素のみを消耗し、窒素でスタック１１０の内部を充填することにより、スタック１１０のカソード極流路内の酸素を安定的に除去し、スタック１１０内の触媒層が劣化するのを防止することができる。
【００８１】
電圧比較ステップ（Ｓ２０８）では、窒素を充填しながら、セルの電圧を基準電圧と比較してセル電圧が基準電圧より大きいと、窒素を充填し続け、充填しながら圧力を比較して空気供給圧力が下限圧力より低くなると、再び空気を供給した後、窒素を充填する。このように窒素を充填するステップを行うにあたり、第２圧力比較ステップと電圧比較ステップは同時に実施できる。
【００８２】
基準電圧は、０．１Ｖ〜０．４Ｖとなる。電圧比較ステップは、スタック１１０の内部に残存する酸素の量を確認するステップであって、セルの電圧が基準圧力以下となるようにすると、スタック１１０内部の酸素を安定した水準に除去し、触媒層で酸化現象が発生することを防止することができる。
【００８３】
ここで、電圧比較によってスタック１１０のセル電圧が基準電圧より小さいと、電圧減少器１６３とスタック１１０との接続を遮断し、燃料の供給を中断する。燃料供給の中断は、バイパス管１５６と前記燃料供給管１５２とを接続し、燃料供給管１５２とスタック１２０との接続を遮断し、回収バルブ１５３を閉鎖して、改質器１２０とスタック１１０との接続を遮断する。これにより、燃料は、燃料供給管１５２とバイパス管１５６および回収管１５４を経て再び改質器１２０に回収される。
【００８４】
上記では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施可能であり、これも本発明の範囲に属するのは当然である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムのスタックに供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップと、
前記スタックに供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップと、
負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素で前記スタックの内部を充填する窒素充填ステップと、
前記燃料の供給を中断する停止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パージ方法。
【請求項２】
前記燃料供給減少ステップは、負荷で消耗する電力を線形的に減少させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項３】
前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給を減少させた後に、負荷との電気的接続を遮断するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項４】
前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給量を正常運転時の１／５〜１／３に減少させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項５】
前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を正常運転時の３０％〜５０％に減少させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項６】
前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を減少させて供給しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を上限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記上限圧力より大きい場合は空気の供給を中断し、前記空気供給圧力が前記上限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項７】
前記上限圧力は、８ｋＰａ〜１５ｋＰａであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項８】
前記窒素充填ステップは、電圧減少器とスタックとを接続して酸素を消耗するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項９】
前記窒素充填ステップは、前記電圧減少器を用いて、前記スタックを構成するセルの触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷を適用することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１０】
前記停止ステップは、空気をスタックに供給する空気ポンプの作動を中止し、前記電圧減少器と前記スタックとの接続を遮断するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１１】
前記窒素充填ステップは、窒素を充填しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を下限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記下限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給した後、窒素を充填することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１２】
前記下限圧力は、２ｋＰａ〜５ｋＰａであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１３】
前記燃料電池システムは、スタックに燃料を供給する燃料供給管と、スタックから排出された燃料を回収する回収管と、前記燃料供給管と回収管とを接続するバイパス管とを含み、
前記停止ステップは、前記バイパス管と前記燃料供給管とを接続し、前記燃料供給管および前記回収管と前記スタックとの接続を遮断するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１４】
前記スタックのセル電圧を基準電圧と比較して、前記セル電圧が前記基準電圧よりも大きい場合は前記窒素充填ステップに移動し、前記セル電圧が基準電圧より小さい場合は燃料の供給を中断するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１５】
前記基準電圧は、０．１Ｖ〜０．４Ｖであることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１６】
前記スタックに空気を供給する空気供給管には、加湿器が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１】
燃料電池システムのスタックに供給される燃料の供給量を減少させる燃料供給減少ステップと、
前記スタックに供給される空気の供給量を減少させながら、空気の排出を防止する空気供給減少ステップと、
負荷をかけて酸素を消耗しながら、空気中の窒素で前記スタックの内部を充填する窒素充填ステップと、
前記燃料の供給を中断する停止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パージ方法。
【請求項２】
前記燃料供給減少ステップは、負荷で消耗する電力を線形的に減少させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項３】
前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給を減少させた後に、負荷との電気的接続を遮断するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項４】
前記燃料供給減少ステップは、前記燃料の供給量を正常運転時の１／５〜１／３に減少させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項５】
前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を正常運転時の３０％〜５０％に減少させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項６】
前記空気供給減少ステップは、空気の供給量を減少させて供給しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を上限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記上限圧力より大きい場合は空気の供給を中断し、前記空気供給圧力が前記上限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項７】
前記上限圧力は、８ｋＰａ〜１５ｋＰａであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項８】
前記窒素充填ステップは、電圧減少器とスタックとを接続して酸素を消耗するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項９】
前記窒素充填ステップは、前記電圧減少器を用いて、前記スタックを構成するセルの触媒活性面積に５ｍＡ／ｃｍ２〜２０ｍＡ／ｃｍ２の負荷を適用することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１０】
前記停止ステップは、空気をスタックに供給する空気ポンプの作動を中止し、前記電圧減少器と前記スタックとの接続を遮断するステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１１】
前記窒素充填ステップは、窒素を充填しながら、前記スタックに供給される空気供給圧力を下限圧力と比較して、前記空気供給圧力が前記下限圧力より小さい場合は空気の供給量を減少させて供給した後、窒素を充填することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１２】
前記下限圧力は、２ｋＰａ〜５ｋＰａであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１３】
前記燃料電池システムは、スタックに燃料を供給する燃料供給管と、スタックから排出された燃料を回収する回収管と、前記燃料供給管と回収管とを接続するバイパス管とを含み、
前記停止ステップは、前記バイパス管と前記燃料供給管とを接続し、前記燃料供給管および前記回収管と前記スタックとの接続を遮断するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１４】
前記スタックのセル電圧を基準電圧と比較して、前記セル電圧が前記基準電圧よりも大きい場合は前記窒素充填ステップに移動し、前記セル電圧が基準電圧より小さい場合は燃料の供給を中断するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１５】
前記基準電圧は、０．１Ｖ〜０．４Ｖであることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【請求項１６】
前記スタックに空気を供給する空気供給管には、加湿器が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムのパージ方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公表番号】特表２０１２−５１７６６６（Ｐ２０１２−５１７６６６Ａ）
【公表日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４９０５８（Ｐ２０１１−５４９０５８）
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／０００３２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９３１２７
【国際公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（５０６３０５５５１）フュエルセル・パワー・インコーポレイテッド (5)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２０１０／０００３２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０９３１２７
【国際公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（５０６３０５５５１）フュエルセル・パワー・インコーポレイテッド (5)
【Ｆターム（参考）】
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