燃料電池システムの運転停止方法
【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０の運転停止方法は、燃料電池スタック１２に水素ガス及び空気を供給しながら、前記燃料電池スタック１２を発電させる工程と、前記燃料電池スタック１２の停止指令を検出した際、前記水素ガスの供給を停止する一方、前記空気を、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池スタック１２に供給しながら、前記燃料電池スタック１２を発電させる工程と、前記燃料電池スタック１２の発電により得られる発電電力を、バッテリ１７に供給する工程とを有する。
【解決手段】燃料電池システム１０の運転停止方法は、燃料電池スタック１２に水素ガス及び空気を供給しながら、前記燃料電池スタック１２を発電させる工程と、前記燃料電池スタック１２の停止指令を検出した際、前記水素ガスの供給を停止する一方、前記空気を、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池スタック１２に供給しながら、前記燃料電池スタック１２を発電させる工程と、前記燃料電池スタック１２の発電により得られる発電電力を、バッテリ１７に供給する工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図８に示すように、燃料電池１と、前記燃料電池１に水素ガス及び空気を供給するアノードガス供給ライン２及びカソードガス供給ライン３と、前記燃料電池１のアノード出口ガス及びカソード出口ガスを、それぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン２ａ及びカソード循環ライン３ａと、前記燃料電池１及び各ライン２、２ａ、３及び３ａを不活性ガスによりパージするパージライン４と、前記燃料電池１の出力電路を運転停止時に遮断する遮断手段５と、を備えている。
【０００６】
アノードガス供給ライン２は、水素貯蔵装置である図示しない水素タンクから燃料電池１のアノード側入口に接続される入口管路Ａ１中に、入口遮断弁６ａ、ブロア７ａを、この順に配置して備えている。また、燃料電池１のアノード側出口から図示しない燃料再生装置に接続される出口管路Ａ２中に、パージ弁６ｂ及び出口遮断弁６ｃを、この順に直列に配置して備えている。
【０００７】
アノードガス供給ライン２は、燃料電池１の運転中、入口遮断弁６ａ、出口遮断弁６ｃ及びパージ弁６ｂを開放させており、水素タンクから送られる水素ガスをブロア７ａを介して前記燃料電池１のアノード極１Ａに供給している。
【０００８】
カソードガス供給ライン３は、圧縮空気を充填した図示しない空気タンクから燃料電池１のカソード側入口に接続される入口管路Ｃ１中に、入口遮断弁６ｄ、ブロア７ｂを、この順に配置して備えている。また、燃料電池１のカソード側出口から図示しない生成水分離装置に接続される出口管路Ｃ２中に、出口遮断弁６ｅを配置して備えている。
【０００９】
カソードガス供給ライン３は、燃料電池１の運転中、入口遮断弁６ｄ及び出口遮断弁６ｅを開放させており、空気タンクから送られる空気をブロア７ｂを介して前記燃料電池１のカソード極１Ｃに供給している。
【００１０】
そして、アノード循環ライン２ａは、アノードガス供給ライン２の入口遮断弁６ａ及び出口遮断弁６ｃが、燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁６ｆを開放して、前記燃料電池１のアノード出口ガスをブロア７ａにより吸引して前記燃料電池１の上流側に循環させるように機能している。
【００１１】
一方、カソード循環ライン３ａは、カソード供給ライン３の入口遮断弁６ｄ及び出口遮断弁６ｅが、燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁６ｇを開放して、前記燃料電池１のカソード出口ガスをブロア７ｂにより吸引して前記燃料電池１の上流側に循環させるように機能している。
【００１２】
この特許文献１では、運転停止時に、カソード側への反応ガスの供給を入口遮断弁で遮断し、カソード側排ガスを循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで、窒素ガスの不活性ガスを燃料電池内のカソード側及びアノード側のパージに利用する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２２４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献１では、アノードガス供給ライン２及びカソードガス供給ライン３に、燃料電池１のアノード出口ガスとカソード出口ガスを、それぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン２ａ及びカソード循環ライン３ａが設けられている。さらに、カソード循環ライン３ａには、不活性ガスである窒素ガスを蓄積するために、ガス容積部であるタンク８が配設されている。
【００１５】
そして、燃料電池１内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで、窒素ガス等の不活性ガスを前記燃料電池１内のカソード側及びアノード側のパージに利用している。このため、燃料電池システム全体の構成が複雑化且つ大型化するとともに、コストが高騰するという問題がある。
【００１６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に接続自在な蓄電装置とを備える燃料電池システムの運転停止方法に関するものである。
【００１８】
この運転停止方法は、燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、前記燃料電池の停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、前記燃料電池の発電により得られる発電電力を、蓄電装置に供給する工程とを有している。
【００１９】
また、この運転停止方法では、低酸素ストイキによる発電時に取り出される電流は、電解質膜を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスが移動することを阻止する値に設定されることが好ましい。
【００２０】
さらに、この運転停止方法では、発電時の発電電圧が設定電圧値以下に低下した際、蓄電装置への発電電力の供給を停止する一方、酸化剤ガス供給装置を構成するポンプにのみ前記発電電力を供給することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この運転停止方法では、低酸素ストイキの酸化剤ガスは、前記低酸素ストイキが１前後に設定されることが好ましい。
【００２２】
また、この運転停止方法では、外気温度が低いほど、低酸素ストイキを大きく設定することが好ましい。
【００２３】
さらに、この運転停止方法では、燃料電池に対し低酸素ストイキの酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池内の残留ガスのみで該燃料電池を発電させる工程を有することが好ましい。
【００２４】
さらにまた、この運転停止方法では、燃料電池内の残留ガスのみで前記燃料電池を発電させて得られた電力を、燃料電池用補機に供給することが好ましい。
【００２５】
また、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池から使用済みの酸化剤ガスを排出する排出配管を備えるとともに、前記排出配管には、酸化剤ガスの圧力を調整するためのノーマルクローズ型背圧弁が配置され、運転停止処理が終了した後、前記ノーマルクローズ型背圧弁により前記排出配管を閉塞することが好ましい。
【００２６】
さらに、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、排出配管には、ノーマルクローズ型背圧弁の上流に位置して開閉弁が配置されるとともに、運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記排出配管を閉塞することが好ましい。
【００２７】
さらにまた、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、排出配管には、ノーマルクローズ型背圧弁の下流に位置して希釈ボックスが配置されるとともに、運転停止処理時に、前記ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックスに貯留することが好ましい。
【００２８】
また、この運転停止方法では、排出配管には、希釈ボックスの下流に位置して貯蔵バッファが配置され、運転停止処理時に、ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックス及び前記貯蔵バッファ部に貯留することが好ましい。
【００２９】
さらに、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給配管を備えるとともに、前記供給配管には、開閉弁が配置され、運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記供給配管を閉塞することが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明では、燃料電池内に残存する燃料ガスと低酸素ストイキの酸化剤ガスとにより発電されるため、排ガスとして窒素濃度の高い不活性ガスが発生する一方、燃料電池内の前記燃料ガスの水素濃度が低下する。従って、カソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池及びガス配管内を前記窒素ガスにより満たすことができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】前記運転停止方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】前記燃料電池システムの動作説明図である。
【図５】前記燃料電池システムの動作説明図である。
【図６】電流値及び電圧値と水素移動量との関係説明図である。
【図７】前記燃料電池システム内の窒素置換状態の説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に接続自在なバッテリ（蓄電装置）１７と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。
【００３３】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００３４】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００３５】
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００３６】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００３７】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
【００３９】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉塞される）背圧弁により構成されることが好ましい。
【００４０】
空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。空気供給流路５２及び空気排出流路５６には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに近接して開閉弁６１ａ、６１ｂが配設される。
【００４１】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路６４には、遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００４２】
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、前記オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続され、前記排出流路７４に貯蔵バッファ７６が配設される。貯蔵バッファ７６には、排気流路７８が接続される。
【００４３】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン８０の一端が接続されるとともに、前記バスライン８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、バスライン８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記バスライン８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。
【００４４】
バスライン８０には、ＦＣコンタクタ８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。バスライン８０には、電力線８８の一端が接続され、前記電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンダクタ９２を介装してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、前記分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介装して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。
【００４５】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４６】
先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００４７】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。
【００４８】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００４９】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００５０】
一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ７６に排出される。
【００５１】
次いで、燃料電池システム１０の運転停止方法について、図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００５２】
図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチがオフされると、燃料電池システム１０の運転停止処理が開始される。
【００５３】
イグニッションスイッチがオフされてから、例えば、故障検知時間を含む所定の時間が経過した後、遮断弁６５が閉塞される一方、背圧制御弁５８は、開度制御が停止されて閉塞される（図４参照）。さらに、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。
【００５４】
一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続され、発電電圧（ＦＣ電圧）は、通常発電時よりも高圧に設定されるとともに、前記燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される（後述する）。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンダクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。
【００５５】
上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が要求される一方、遮断弁６５の閉塞により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ（図３中、バッテリ ＤＣＨＧ）されている。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧Ｎ１（Ｖ）（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。
【００５６】
これにより、燃料電池スタック１２内では、アノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力が所定の圧力以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンダクタ９２がオフされる。
【００５７】
このため、図５に示すように、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、背圧制御弁５８が一旦開放（大気圧）されるとともに、ＦＣコンタクタ８６がオフされる。
【００５８】
この場合、本実施形態では、イグニッションスイッチがオフされると、背圧制御弁５８、エアポンプ５０及び遮断弁６５が操作されている。従って、燃料電池スタック１２では、この燃料電池スタック１２内に残存する水素ガスと低酸素ストイキの空気とにより発電が行われ、発電電力がバッテリ１７に供給されてディスチャージされている。
【００５９】
これにより、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素濃度が減少するとともに、カソード側では、酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇している。このため、カソード側には、排ガスとして高濃度の窒素ガスが発生し、前記窒素ガスが希釈ボックス６０及び貯蔵バッファ７６に供給される。一方、アノード側では、水素濃度の低下により負圧状態となり、カソード側からアノード側に窒素ガスの透過が行われる。
【００６０】
従って、燃料電池スタック１２及びこの燃料電池スタック１２に接続されるガス配管内には、不活性ガスである窒素ガスを満たすことができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２０の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００６１】
ここで、低酸素ストイキによる発電時に取り出される電流及び電圧は、アノード側からカソード側に水素が移動しない程度の一定値に設定されている。発電電流とセル電圧及び水素移動量とは、例えば、図６に示す関係を有しており、電圧をコントローラする必要がある。図６から了解されるように、水素移動量は、電圧値に依存するため、電流値を可変させて制御する必要がある。そして、水素移動量を制御するためには、電圧制御により運転することがより好ましい。
【００６２】
さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１２の発電時の発電電圧が、設定電圧値Ｎ１（Ｖ）以下に低下した際、バッテリ１７への前記発電電力の供給を停止する一方、エアポンプ５０にのみ前記発電電力が供給されている。このため、バッテリ１７への電力の供給ができなくなった後にも、エアポンプ５０に電力の供給が行われ、発電を継続することが可能になる。
【００６３】
さらにまた、酸素ガスは、低酸素ストイキが１前後に設定されている。従って、発電時に、酸素を略完全に消費して窒素ガス濃度を有効に高めることができるとともに、酸素供給不足によるアノード側からカソード側への水素の透過を抑制することが可能になる。
【００６４】
また、酸素ストイキは、外気温が低いほど大きな値に設定されることが好ましい。燃料電池システム１０の停止温度が低い場合には、燃料電池スタック１２や加湿器５４の温度低下により、外部からのガス吸い込み量（空気吸い込み量）が少なくなるため、システム内の酸素減少量が少なくても、所望の効果が得られるからである。
【００６５】
さらにまた、本実施形態では、エアポンプ５０をオフすることにより、空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電されている（図３中、Ｄ/Ｖ ＤＣＨＧ）。
【００６６】
このため、図７に示すように、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、範囲Ｂ及び範囲Ｃまでであるのに対し、前記エアポンプ５０を停止した後、前記燃料電池スタック１２の発電を行うと、該燃料電池スタック１２の入口側である範囲Ａまで窒素ガスによる置換範囲が拡大している。これにより、燃料電池システム１０は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。
【００６７】
また、燃料電池スタック１２では、空気の供給を停止した後、発電が行われる際に、前記燃料電池スタック１２から１２Ｖ電源９８に電力が供給されている。従って、１２Ｖ電源９８から燃料電池用補機に電圧供給が行われ、発電電力の消費（ディスチャージ）が確実に遂行される。
【００６８】
さらに、燃料電池システム１０の停止後には、背圧制御弁５８が一旦開放され、希釈ボックス６０及び貯蔵バッファ７６に供給されている窒素ガスを、負圧の作用下に燃料電池スタック１２に充填することが可能になる。
【００６９】
次いで、背圧制御弁５８への電力を供給を停止することにより、ノーマルクローズ型の前記背圧制御弁５８が閉塞される。このため、背圧制御弁５８の制御が簡素化するとともに、燃料電池スタック１２内に酸素が導入されることを阻止することができる。
【００７０】
さらにまた、酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに近接して、開閉弁６１ａ、６１ｂを備えている。そして、燃料電池システム１０の停止後に、開閉弁６１ａ、６１ｂが閉塞されることにより、燃料電池スタック１２内への空気の導入が可及的に阻止される。
【００７１】
また、背圧制御弁５８の下流側には、希釈ボックス６０が配置されており、燃料電池システム１０の低酸素ストイキの空気を使用した発電時に発生する窒素ガスが、前記希釈ボックス６０に貯留されている。これにより、燃料電池システム１０の停止後に、燃料電池スタック１２内が負圧になる際には、希釈ボックス６０から前記燃料電池スタック１２内に窒素ガスが供給（吸引）され、酸素の混入が良好に阻止される。
【００７２】
その際、希釈ボックス６０の下流には、貯蔵バッファ７６が設けられている。従って、この貯蔵バッファ７６に貯留されている窒素を燃料電池スタック１２に供給することも可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１７…バッテリ １８…コントローラ
２０…燃料電池 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５４…加湿器 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ６０…希釈ボックス
６１ａ、６１ｂ…開閉弁 ６２…水素タンク
６４…水素供給流路 ６５…遮断弁
６６…エゼクタ ６８…水素循環路
７０…オフガス流路 ７２…パージ弁
７４…排出流路 ７６…貯蔵バッファ
７８…排気流路 ８６…ＦＣコンタクタ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ９２…バッテリコンダクタ
９６…ダウンバータ ９８…１２Ｖ電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図８に示すように、燃料電池１と、前記燃料電池１に水素ガス及び空気を供給するアノードガス供給ライン２及びカソードガス供給ライン３と、前記燃料電池１のアノード出口ガス及びカソード出口ガスを、それぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン２ａ及びカソード循環ライン３ａと、前記燃料電池１及び各ライン２、２ａ、３及び３ａを不活性ガスによりパージするパージライン４と、前記燃料電池１の出力電路を運転停止時に遮断する遮断手段５と、を備えている。
【０００６】
アノードガス供給ライン２は、水素貯蔵装置である図示しない水素タンクから燃料電池１のアノード側入口に接続される入口管路Ａ１中に、入口遮断弁６ａ、ブロア７ａを、この順に配置して備えている。また、燃料電池１のアノード側出口から図示しない燃料再生装置に接続される出口管路Ａ２中に、パージ弁６ｂ及び出口遮断弁６ｃを、この順に直列に配置して備えている。
【０００７】
アノードガス供給ライン２は、燃料電池１の運転中、入口遮断弁６ａ、出口遮断弁６ｃ及びパージ弁６ｂを開放させており、水素タンクから送られる水素ガスをブロア７ａを介して前記燃料電池１のアノード極１Ａに供給している。
【０００８】
カソードガス供給ライン３は、圧縮空気を充填した図示しない空気タンクから燃料電池１のカソード側入口に接続される入口管路Ｃ１中に、入口遮断弁６ｄ、ブロア７ｂを、この順に配置して備えている。また、燃料電池１のカソード側出口から図示しない生成水分離装置に接続される出口管路Ｃ２中に、出口遮断弁６ｅを配置して備えている。
【０００９】
カソードガス供給ライン３は、燃料電池１の運転中、入口遮断弁６ｄ及び出口遮断弁６ｅを開放させており、空気タンクから送られる空気をブロア７ｂを介して前記燃料電池１のカソード極１Ｃに供給している。
【００１０】
そして、アノード循環ライン２ａは、アノードガス供給ライン２の入口遮断弁６ａ及び出口遮断弁６ｃが、燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁６ｆを開放して、前記燃料電池１のアノード出口ガスをブロア７ａにより吸引して前記燃料電池１の上流側に循環させるように機能している。
【００１１】
一方、カソード循環ライン３ａは、カソード供給ライン３の入口遮断弁６ｄ及び出口遮断弁６ｅが、燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁６ｇを開放して、前記燃料電池１のカソード出口ガスをブロア７ｂにより吸引して前記燃料電池１の上流側に循環させるように機能している。
【００１２】
この特許文献１では、運転停止時に、カソード側への反応ガスの供給を入口遮断弁で遮断し、カソード側排ガスを循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで、窒素ガスの不活性ガスを燃料電池内のカソード側及びアノード側のパージに利用する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−２２４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記の特許文献１では、アノードガス供給ライン２及びカソードガス供給ライン３に、燃料電池１のアノード出口ガスとカソード出口ガスを、それぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン２ａ及びカソード循環ライン３ａが設けられている。さらに、カソード循環ライン３ａには、不活性ガスである窒素ガスを蓄積するために、ガス容積部であるタンク８が配設されている。
【００１５】
そして、燃料電池１内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで、窒素ガス等の不活性ガスを前記燃料電池１内のカソード側及びアノード側のパージに利用している。このため、燃料電池システム全体の構成が複雑化且つ大型化するとともに、コストが高騰するという問題がある。
【００１６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムの運転停止方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に接続自在な蓄電装置とを備える燃料電池システムの運転停止方法に関するものである。
【００１８】
この運転停止方法は、燃料電池に酸化剤ガス及び燃料ガスを供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、前記燃料電池の停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、前記燃料電池の発電により得られる発電電力を、蓄電装置に供給する工程とを有している。
【００１９】
また、この運転停止方法では、低酸素ストイキによる発電時に取り出される電流は、電解質膜を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスが移動することを阻止する値に設定されることが好ましい。
【００２０】
さらに、この運転停止方法では、発電時の発電電圧が設定電圧値以下に低下した際、蓄電装置への発電電力の供給を停止する一方、酸化剤ガス供給装置を構成するポンプにのみ前記発電電力を供給することが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この運転停止方法では、低酸素ストイキの酸化剤ガスは、前記低酸素ストイキが１前後に設定されることが好ましい。
【００２２】
また、この運転停止方法では、外気温度が低いほど、低酸素ストイキを大きく設定することが好ましい。
【００２３】
さらに、この運転停止方法では、燃料電池に対し低酸素ストイキの酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池内の残留ガスのみで該燃料電池を発電させる工程を有することが好ましい。
【００２４】
さらにまた、この運転停止方法では、燃料電池内の残留ガスのみで前記燃料電池を発電させて得られた電力を、燃料電池用補機に供給することが好ましい。
【００２５】
また、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池から使用済みの酸化剤ガスを排出する排出配管を備えるとともに、前記排出配管には、酸化剤ガスの圧力を調整するためのノーマルクローズ型背圧弁が配置され、運転停止処理が終了した後、前記ノーマルクローズ型背圧弁により前記排出配管を閉塞することが好ましい。
【００２６】
さらに、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、排出配管には、ノーマルクローズ型背圧弁の上流に位置して開閉弁が配置されるとともに、運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記排出配管を閉塞することが好ましい。
【００２７】
さらにまた、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、排出配管には、ノーマルクローズ型背圧弁の下流に位置して希釈ボックスが配置されるとともに、運転停止処理時に、前記ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックスに貯留することが好ましい。
【００２８】
また、この運転停止方法では、排出配管には、希釈ボックスの下流に位置して貯蔵バッファが配置され、運転停止処理時に、ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックス及び前記貯蔵バッファ部に貯留することが好ましい。
【００２９】
さらに、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する供給配管を備えるとともに、前記供給配管には、開閉弁が配置され、運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記供給配管を閉塞することが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明では、燃料電池内に残存する燃料ガスと低酸素ストイキの酸化剤ガスとにより発電されるため、排ガスとして窒素濃度の高い不活性ガスが発生する一方、燃料電池内の前記燃料ガスの水素濃度が低下する。従って、カソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池及びガス配管内を前記窒素ガスにより満たすことができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】前記運転停止方法を説明するタイミングチャートである。
【図４】前記燃料電池システムの動作説明図である。
【図５】前記燃料電池システムの動作説明図である。
【図６】電流値及び電圧値と水素移動量との関係説明図である。
【図７】前記燃料電池システム内の窒素置換状態の説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る運転停止方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に接続自在なバッテリ（蓄電装置）１７と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。
【００３３】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００３４】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００３５】
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００３６】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００３７】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
【００３９】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉塞される）背圧弁により構成されることが好ましい。
【００４０】
空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。空気供給流路５２及び空気排出流路５６には、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに近接して開閉弁６１ａ、６１ｂが配設される。
【００４１】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路６４には、遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００４２】
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、前記オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続され、前記排出流路７４に貯蔵バッファ７６が配設される。貯蔵バッファ７６には、排気流路７８が接続される。
【００４３】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン８０の一端が接続されるとともに、前記バスライン８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、バスライン８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記バスライン８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。
【００４４】
バスライン８０には、ＦＣコンタクタ８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。バスライン８０には、電力線８８の一端が接続され、前記電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンダクタ９２を介装してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、前記分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介装して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。
【００４５】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４６】
先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００４７】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。
【００４８】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００４９】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００５０】
一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ７６に排出される。
【００５１】
次いで、燃料電池システム１０の運転停止方法について、図３に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００５２】
図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチがオフされると、燃料電池システム１０の運転停止処理が開始される。
【００５３】
イグニッションスイッチがオフされてから、例えば、故障検知時間を含む所定の時間が経過した後、遮断弁６５が閉塞される一方、背圧制御弁５８は、開度制御が停止されて閉塞される（図４参照）。さらに、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。
【００５４】
一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続され、発電電圧（ＦＣ電圧）は、通常発電時よりも高圧に設定されるとともに、前記燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される（後述する）。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンダクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。
【００５５】
上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が要求される一方、遮断弁６５の閉塞により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ（図３中、バッテリ ＤＣＨＧ）されている。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧Ｎ１（Ｖ）（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。
【００５６】
これにより、燃料電池スタック１２内では、アノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力が所定の圧力以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンダクタ９２がオフされる。
【００５７】
このため、図５に示すように、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、背圧制御弁５８が一旦開放（大気圧）されるとともに、ＦＣコンタクタ８６がオフされる。
【００５８】
この場合、本実施形態では、イグニッションスイッチがオフされると、背圧制御弁５８、エアポンプ５０及び遮断弁６５が操作されている。従って、燃料電池スタック１２では、この燃料電池スタック１２内に残存する水素ガスと低酸素ストイキの空気とにより発電が行われ、発電電力がバッテリ１７に供給されてディスチャージされている。
【００５９】
これにより、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素濃度が減少するとともに、カソード側では、酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇している。このため、カソード側には、排ガスとして高濃度の窒素ガスが発生し、前記窒素ガスが希釈ボックス６０及び貯蔵バッファ７６に供給される。一方、アノード側では、水素濃度の低下により負圧状態となり、カソード側からアノード側に窒素ガスの透過が行われる。
【００６０】
従って、燃料電池スタック１２及びこの燃料電池スタック１２に接続されるガス配管内には、不活性ガスである窒素ガスを満たすことができ、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２０の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００６１】
ここで、低酸素ストイキによる発電時に取り出される電流及び電圧は、アノード側からカソード側に水素が移動しない程度の一定値に設定されている。発電電流とセル電圧及び水素移動量とは、例えば、図６に示す関係を有しており、電圧をコントローラする必要がある。図６から了解されるように、水素移動量は、電圧値に依存するため、電流値を可変させて制御する必要がある。そして、水素移動量を制御するためには、電圧制御により運転することがより好ましい。
【００６２】
さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１２の発電時の発電電圧が、設定電圧値Ｎ１（Ｖ）以下に低下した際、バッテリ１７への前記発電電力の供給を停止する一方、エアポンプ５０にのみ前記発電電力が供給されている。このため、バッテリ１７への電力の供給ができなくなった後にも、エアポンプ５０に電力の供給が行われ、発電を継続することが可能になる。
【００６３】
さらにまた、酸素ガスは、低酸素ストイキが１前後に設定されている。従って、発電時に、酸素を略完全に消費して窒素ガス濃度を有効に高めることができるとともに、酸素供給不足によるアノード側からカソード側への水素の透過を抑制することが可能になる。
【００６４】
また、酸素ストイキは、外気温が低いほど大きな値に設定されることが好ましい。燃料電池システム１０の停止温度が低い場合には、燃料電池スタック１２や加湿器５４の温度低下により、外部からのガス吸い込み量（空気吸い込み量）が少なくなるため、システム内の酸素減少量が少なくても、所望の効果が得られるからである。
【００６５】
さらにまた、本実施形態では、エアポンプ５０をオフすることにより、空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電されている（図３中、Ｄ/Ｖ ＤＣＨＧ）。
【００６６】
このため、図７に示すように、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、範囲Ｂ及び範囲Ｃまでであるのに対し、前記エアポンプ５０を停止した後、前記燃料電池スタック１２の発電を行うと、該燃料電池スタック１２の入口側である範囲Ａまで窒素ガスによる置換範囲が拡大している。これにより、燃料電池システム１０は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。
【００６７】
また、燃料電池スタック１２では、空気の供給を停止した後、発電が行われる際に、前記燃料電池スタック１２から１２Ｖ電源９８に電力が供給されている。従って、１２Ｖ電源９８から燃料電池用補機に電圧供給が行われ、発電電力の消費（ディスチャージ）が確実に遂行される。
【００６８】
さらに、燃料電池システム１０の停止後には、背圧制御弁５８が一旦開放され、希釈ボックス６０及び貯蔵バッファ７６に供給されている窒素ガスを、負圧の作用下に燃料電池スタック１２に充填することが可能になる。
【００６９】
次いで、背圧制御弁５８への電力を供給を停止することにより、ノーマルクローズ型の前記背圧制御弁５８が閉塞される。このため、背圧制御弁５８の制御が簡素化するとともに、燃料電池スタック１２内に酸素が導入されることを阻止することができる。
【００７０】
さらにまた、酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに近接して、開閉弁６１ａ、６１ｂを備えている。そして、燃料電池システム１０の停止後に、開閉弁６１ａ、６１ｂが閉塞されることにより、燃料電池スタック１２内への空気の導入が可及的に阻止される。
【００７１】
また、背圧制御弁５８の下流側には、希釈ボックス６０が配置されており、燃料電池システム１０の低酸素ストイキの空気を使用した発電時に発生する窒素ガスが、前記希釈ボックス６０に貯留されている。これにより、燃料電池システム１０の停止後に、燃料電池スタック１２内が負圧になる際には、希釈ボックス６０から前記燃料電池スタック１２内に窒素ガスが供給（吸引）され、酸素の混入が良好に阻止される。
【００７２】
その際、希釈ボックス６０の下流には、貯蔵バッファ７６が設けられている。従って、この貯蔵バッファ７６に貯留されている窒素を燃料電池スタック１２に供給することも可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１７…バッテリ １８…コントローラ
２０…燃料電池 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５４…加湿器 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ６０…希釈ボックス
６１ａ、６１ｂ…開閉弁 ６２…水素タンク
６４…水素供給流路 ６５…遮断弁
６６…エゼクタ ６８…水素循環路
７０…オフガス流路 ７２…パージ弁
７４…排出流路 ７６…貯蔵バッファ
７８…排気流路 ８６…ＦＣコンタクタ
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ９２…バッテリコンダクタ
９６…ダウンバータ ９８…１２Ｖ電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池に接続自在な蓄電装置と、
を備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
前記燃料電池に前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、
前記燃料電池の停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、
前記燃料電池の発電により得られる発電電力を、前記蓄電装置に供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転停止方法において、前記低酸素ストイキによる発電時に取り出される電流は、電解質膜を透過して前記アノード側から前記カソード側に前記燃料ガスが移動することを阻止する値に設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の運転停止方法において、前記発電時の発電電圧が設定電圧値以下に低下した際、前記蓄電装置への前記発電電力の供給を停止する一方、前記酸化剤ガス供給装置を構成するポンプにのみ前記発電電力を供給することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記低酸素ストイキの前記酸化剤ガスは、前記低酸素ストイキが１前後に設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の運転停止方法において、外気温度が低いほど、前記低酸素ストイキを大きく設定することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記燃料電池に対し前記低酸素ストイキの前記酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池内の残留ガスのみで該燃料電池を発電させる工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項７】
請求項６記載の運転停止方法において、前記燃料電池内の残留ガスのみで該燃料電池を発電させて得られた電力を、燃料電池用補機に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する排出配管を備えるとともに、前記排出配管には、酸化剤ガスの圧力を調整するためのノーマルクローズ型背圧弁が配置され、
運転停止処理が終了した後、前記ノーマルクローズ型背圧弁により前記排出配管を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項９】
請求項８記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記排出配管には、前記ノーマルクローズ型背圧弁の上流に位置して開閉弁が配置されるとともに、
運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記排出配管を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記排出配管には、前記ノーマルクローズ型背圧弁の下流に位置して希釈ボックスが配置されるとともに、
運転停止処理時に、前記ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックスに貯留することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の運転停止方法において、前記排出配管には、前記希釈ボックスの下流に位置して貯蔵バッファ部が配置され、
運転停止処理時に、前記ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックス及び前記貯蔵バッファに貯留することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する供給配管を備えるとともに、前記供給配管には、開閉弁が配置され、
運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記供給配管を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池に接続自在な蓄電装置と、
を備える燃料電池システムの運転停止方法であって、
前記燃料電池に前記酸化剤ガス及び前記燃料ガスを供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、
前記燃料電池の停止指令を検出した際、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで前記燃料電池に供給しながら、前記燃料電池を発電させる工程と、
前記燃料電池の発電により得られる発電電力を、前記蓄電装置に供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項２】
請求項１記載の運転停止方法において、前記低酸素ストイキによる発電時に取り出される電流は、電解質膜を透過して前記アノード側から前記カソード側に前記燃料ガスが移動することを阻止する値に設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の運転停止方法において、前記発電時の発電電圧が設定電圧値以下に低下した際、前記蓄電装置への前記発電電力の供給を停止する一方、前記酸化剤ガス供給装置を構成するポンプにのみ前記発電電力を供給することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記低酸素ストイキの前記酸化剤ガスは、前記低酸素ストイキが１前後に設定されることを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の運転停止方法において、外気温度が低いほど、前記低酸素ストイキを大きく設定することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記燃料電池に対し前記低酸素ストイキの前記酸化剤ガスの供給を停止した後、前記燃料電池内の残留ガスのみで該燃料電池を発電させる工程を有することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項７】
請求項６記載の運転停止方法において、前記燃料電池内の残留ガスのみで該燃料電池を発電させて得られた電力を、燃料電池用補機に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池から使用済みの前記酸化剤ガスを排出する排出配管を備えるとともに、前記排出配管には、酸化剤ガスの圧力を調整するためのノーマルクローズ型背圧弁が配置され、
運転停止処理が終了した後、前記ノーマルクローズ型背圧弁により前記排出配管を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項９】
請求項８記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記排出配管には、前記ノーマルクローズ型背圧弁の上流に位置して開閉弁が配置されるとともに、
運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記排出配管を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記排出配管には、前記ノーマルクローズ型背圧弁の下流に位置して希釈ボックスが配置されるとともに、
運転停止処理時に、前記ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックスに貯留することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の運転停止方法において、前記排出配管には、前記希釈ボックスの下流に位置して貯蔵バッファ部が配置され、
運転停止処理時に、前記ノーマルクローズ型背圧弁を開放させて排ガスを前記希釈ボックス及び前記貯蔵バッファに貯留することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する供給配管を備えるとともに、前記供給配管には、開閉弁が配置され、
運転停止処理が終了した後、前記開閉弁により前記供給配管を閉塞することを特徴とする燃料電池システムの運転停止方法。
【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２０１２−６９４４２（Ｐ２０１２−６９４４２Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１４５０２（Ｐ２０１０−２１４５０２）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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