燃料電池システム及びその発電停止方法
【課題】燃料電池システムにおいて、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池カソード側の封止領域を削減することができ、発電停止時の酸素による劣化を抑制するとともに、酸化剤ガスの再循環率の制御を良好に遂行可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０を構成する酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに連通する酸化剤ガス供給流路４４と、前記燃料電池１２の酸化剤ガス出口４０ｂに連通する酸化剤ガス排出流路４６と、前記酸化剤ガス供給流路４４に配設されるコンプレッサ４８と、前記酸化剤ガス供給流路４４に、前記コンプレッサ４８の下流に位置して配置される供給流路封止弁５２と、前記酸化剤ガス排出流路４６に配設される排出流路封止弁６２と、前記酸化剤ガス排出流路４６に、前記排出流路封止弁６２よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路４４に、前記コンプレッサ４８よりも上流に位置して連通する排出流体循環流路６４とを備える。
【解決手段】燃料電池システム１０を構成する酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに連通する酸化剤ガス供給流路４４と、前記燃料電池１２の酸化剤ガス出口４０ｂに連通する酸化剤ガス排出流路４６と、前記酸化剤ガス供給流路４４に配設されるコンプレッサ４８と、前記酸化剤ガス供給流路４４に、前記コンプレッサ４８の下流に位置して配置される供給流路封止弁５２と、前記酸化剤ガス排出流路４６に配設される排出流路封止弁６２と、前記酸化剤ガス排出流路４６に、前記排出流路封止弁６２よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路４４に、前記コンプレッサ４８よりも上流に位置して連通する排出流体循環流路６４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を備える燃料電池システム及びその発電停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、酸化剤ガス供給装置、燃料ガス供給装置及び冷却媒体供給装置等の各種補機類と関連して燃料電池電気自動車に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムを構成している。
【０００４】
この種の燃料電池システムでは、上記のように、高分子電解質膜が用いられており、この高分子電解質膜は、良好なイオン導電性を確保するために、適度な水分を保水していることが必要である。このため、燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガスや、前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスを、予め加湿することにより、固体高分子電解質膜の乾燥を阻止して所望の加湿状態を維持することが行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムでは、図６に示すように、燃料電池１ａに酸化剤ガスを供給する供給通路２ａと、前記燃料電池１ａの酸化剤極から吐出された酸化剤オフガスを流す吐出通路３ａと、前記吐出通路３ａ及び前記供給通路２ａを連通するとともに、前記燃料電池１ａから吐出された湿った酸化剤オフガスの少なくとも一部を、前記供給通路２ａに戻すオフガスリターン通路４ａとを備えている。
【０００６】
供給通路２ａとオフガスリターン通路４ａとの合流域より下流側の前記供給通路２ａには、回転式の酸化剤オフガス搬送駆動源５ａが設けられている。このため、燃料電池１ａに供給される反応前の酸化剤ガスは、反応後の湿った酸化剤オフガスにより加湿されるため、加湿器を廃止することができる、としている。
【０００７】
さらに、反応前の酸化剤ガスと反応後の酸化剤オフガスとが合流して合流流体となった後に、酸化剤オフガス搬送駆動源５ａを通過するため、前記合流流体が積極的に混合されて拡散混合性を高めることができる、としている。
【０００８】
一方、上記の燃料電池システムでは、発電時に水が生成されており、発電が停止されると、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の下流側に生成水が滞留し易い。そして、燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に空気による掃気が行われていると、起動時に、特に前記酸化剤ガス流路の下流側で高電位によりカソード側電極の劣化が惹起されるという問題がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池の発電停止方法が知られている。この発電停止方法では、図７に示すように、第１流路切替弁１ｂの開閉状態を、空気循環路２ｂとエアコンプレッサ３ｂとを接続させるように開くとともに、外気流入側を遮断している。第２流路切替弁４ｂの開閉状態は、燃料電池５ｂから排出された空気オフガスを空気循環路２ｂに流通させるように開くとともに、大気放出側を遮断している。
【００１０】
このため、燃料電池５ｂには、新たな外気が供給されることがなく、前記燃料電池５ｂのカソードから排出される空気オフガスは、前記燃料電池５ｂ、第２空気遮断弁６ｂ、第２流路切替弁４ｂ、除湿器７ｂ、第１流路切替弁１ｂ、エアコンプレッサ３ｂ、第１空気遮断弁８ｂ及び前記燃料電池５ｂに至る閉回路を循環している。
【００１１】
これにより、空気オフガス中の酸素が発電用に消費され、前記空気オフガス中の酸素濃度が低下していく。従って、発電停止後にクロスリークが生じても、水素と酸素との反応がほとんどなく、固体高分子電解質膜を保護することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２６８１１７号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、燃料電池システムでは、運転時の膜加湿用制御やストイキ制御（特許文献１）を行うとともに、カソード系内を封止する（特許文献２）機能を有することが望ましい。特に、発電停止後にカソード系を封止するとともに、該カソード系内に酸化剤ガスを循環させながら、酸素を消費させて窒素富化を行うことが好ましい。しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２では、この種の要請に対応することができないという問題がある。
【００１４】
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、カソード側の封止領域を削減することができ、発電停止時の酸素による劣化を抑制するとともに、酸化剤ガスの再循環率の制御が良好に遂行可能な燃料電池システム及びその発電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】
【００１５】
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を備える燃料電池システムに関するものである。
【００１６】
この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に配設されるコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサの下流に位置して配置される供給流路封止弁と、前記酸化剤ガス排出流路に配設される排出流路封止弁と、前記酸化剤ガス排出流路に、前記排出流路封止弁よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサよりも上流に位置して連通する排出流体循環流路とを備えている。
【００１７】
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給流路及び酸化剤ガス排出流路に跨って加湿器が配設されるとともに、供給流路封止弁は、加湿器の上流に位置して前記酸化剤ガス供給流路に配置される一方、排出流路封止弁は、前記加湿器の下流に位置して前記酸化剤ガス排出流路に配置されることが好ましい。
【００１８】
さらに、この燃料電池システムでは、排出流路封止弁は、少なくとも全開状態と、カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させるために必要な流量を維持する微小開度状態とに開度調整可能であり、前記燃料電池システムは、排出流体循環流路に配設される循環流路弁と、前記循環流路弁が開成された際、前記排出流路封止弁を前記微小開度状態にする制御装置とを備えることが好ましい。
【００１９】
さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料ガス供給装置は、燃料電池の燃料ガス入口に連通する燃料ガス供給流路を備えるとともに、酸化剤ガス供給流路に、供給流路封止弁の下流に位置して分岐流路の一端が連通し、且つ、前記分岐流路の他端が燃料ガス供給流路に連通することが好ましい。
【００２０】
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス排出流路には、排出流路封止弁の下流に位置してエキスパンダタービンが配設されるとともに、前記エキスパンダタービンは、コンプレッサに連結されて動力伝達可能であることが好ましい。
【００２１】
さらに、この発電停止方法では、燃料電池の発電停止時に、排出流路封止弁の開度を絞ることにより、カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させている。
【００２２】
さらに、この発電停止方法では、カソード側に酸化剤ガス中の窒素成分が充填された後、前記窒素成分を燃料ガス供給装置に供給して前記アノード側に充填させることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、供給流路封止弁が、コンプレッサの下流に位置して酸化剤ガス供給流路に配置されている。このため、供給流路封止弁と排出流路封止弁とにより封止されるカソード側封止領域が狭小化される。しかも、空気漏れし易いコンプレッサは、カソード側封止領域外に配置されており、発電停止時に前記カソード側封止領域内に酸素が進入することを抑制することが可能になる。従って、燃料電池は、酸素による劣化を可及的に阻止することができる。
【００２４】
さらに、排出流体循環流路の一端は、排出流路封止弁よりも上流に位置して酸化剤ガス排出流路に連通するとともに、前記排出流体循環流路の他端は、コンプレッサよりも上流に位置して酸化剤ガス供給流路に連通している。
【００２５】
これにより、排出流路封止弁の開度を制御することによって、コンプレッサに供給される新たな空気に対して循環される酸化剤オフガス（燃料電池から排出された酸化剤ガス）の比である循環比（酸化剤オフガス／新たな空気）を制御することが可能になる。このため、運転状況等に応じた循環比に容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】比較例１の燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】比較例２の燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】特許文献１に開示された燃料電池発電システムの概略説明図である。
【図７】特許文献２に開示された発電停止方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０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１２と、前記燃料電池１２に前記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１２に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、コントローラ（制御装置）１８とを備える。
【００２８】
燃料電池１２は、複数の単位セル２０を積層して構成される。各単位セル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。
【００２９】
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。
【００３０】
電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持される。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。
【００３１】
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。カソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、冷却媒体流路３８が設けられる。
【００３２】
燃料電池１２には、各燃料電池１２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４０ａ、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４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口４０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口（図示せず）が設けられる。
【００３３】
酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに連通する酸化剤ガス供給流路４４と、前記燃料電池１２の酸化剤ガス出口４０ｂに連通する酸化剤ガス排出流路４６とを備える。
【００３４】
酸化剤ガス供給流路４４には、酸化剤ガスである空気の流れ方向（矢印Ａ方向）上流側から下流側に向かって、コンプレッサ４８、加湿器５０及び供給流路封止弁５２が、順次、配置される。
【００３５】
コンプレッサ４８は、モータ５４により駆動されるとともに、エキスパンダタービン５６に連結されて動力連達可能である。このエキスパンダタービン５６は、酸化剤ガス排出流路４６に配設される。
【００３６】
加湿器５０は、酸化剤ガス供給流路４４と酸化剤ガス排出流路４６とに跨って設けられており、前記酸化剤ガス供給流路４４を矢印Ａ方向に流通する供給ガス（供給空気）と排出ガス（酸化剤オフガス）との間で、水分と熱を交換する。酸化剤ガス供給流路４４には、加湿器５０をバイパスしてバイパス流路５８が連通し、このバイパス流路５８に開閉弁６０が配設される。
【００３７】
酸化剤ガス排出流路４６には、排出される酸化剤オフガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側から下流側に向かって、排出流路封止弁６２、加湿器５０及びエキスパンダタービン５６が配設される。
【００３８】
酸化剤ガス排出流路４６には、排出流路封止弁６２よりも上流（酸化剤ガス出口４０ｂの近傍）に一端が連通し、酸化剤ガス供給流路４４には、コンプレッサ４８よりも上流に位置して他端が連通する排出流体循環流路６４が設けられる。この排出流体循環流路６４には、開閉弁６６が配設されるとともに、前記排出流体循環流路６４は、加湿器５０内に挿入される。
【００３９】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ２タンク）７０を備える。この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池１２の燃料ガス入口４２ａに連通する。水素供給流路７２には、遮断弁７４及びエゼクタ７６が設けられる。
【００４０】
燃料ガス供給装置１６は、燃料電池１２の燃料ガス出口４２ｂに連通する燃料オフガス流路７８を備える。この燃料オフガス流路７８には、エゼクタ７６に連通する水素循環路８０と遮断弁（パージ弁）８２とが設けられる。
【００４１】
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。
【００４２】
先ず、酸化剤ガス供給装置１４を構成するコンプレッサ４８を介して、酸化剤ガス供給流路４４に空気が送られる。この空気は、加湿器５０を通って加湿された後、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに供給される。この空気は、燃料電池１２内の各単位セル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。
【００４３】
未反応の空気を含む酸化剤オフガスは、酸化剤ガス出口４０ｂから酸化剤ガス排出流路４６に排出され、加湿器５０に送られることによって新たに供給される空気を加湿する。酸化剤オフガスは、エキスパンダタービン５６に駆動源として供給された後、外部に排出される。エキスパンダタービン５６は、コンプレッサ４８に動力を伝達することができる。
【００４４】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４が開放されることにより、水素タンク７０から導出された水素ガスが、水素供給流路７２に供給される。この水素ガスは、水素供給流路７２を通って燃料電池１２の燃料ガス入口４２ａに供給される。燃料電池１２内に供給された水素ガスは、各単位セル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。
【００４５】
燃料ガス流路３６から排出される水素オフガスは、燃料ガス出口４２ｂから水素循環路８０を介してエゼクタ７６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池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。
【００４６】
ここで、酸化剤ガス供給装置１４には、酸化剤ガス供給流路４４と酸化剤ガス排出流路４６とに連通する排出流体循環流路６４が設けられている。このため、排出流体循環流路６４に設けられている開閉弁６６が開放操作されると、燃料電池１２の酸化剤ガス出口４０ｂから酸化剤ガス排出流路４６に導出される酸化剤オフガスは、前記排出流体循環流路６４を通って酸化剤ガス供給流路４４に導入される。
【００４７】
これにより、酸化剤オフガスは、この酸化剤ガス供給流路４４に新たに供給される空気と混合してコンプレッサ４８に吸引され、この混合された酸化剤ガスは、加湿器５０を通って、あるいは、開閉弁６０の開放作用下にバイパス流路５８を通って、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに供給される。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス供給流路４４には、コンプレッサ４８の下流に位置して供給流路封止弁５２が配置されている。このため、供給流路封止弁５２と排出流路封止弁６２とにより封止されるカソード側封止領域が有効に狭小化される。
【００４９】
しかも、空気漏れし易いコンプレッサ４８は、カソード側封止領域外に配置されており、発電停止時に前記カソード側封止領域内に酸素が進入することを抑制することが可能になる。従って、燃料電池１２は、不要な酸素の侵入による劣化を可及的に阻止することができる。
【００５０】
さらに、排出流体循環流路６４の一端は、排出流路封止弁６２よりも上流に位置して酸化剤ガス排出流路４６に連通するとともに、前記排出流体循環流路６４の他端は、コンプレッサ４８よりも上流に位置して酸化剤ガス供給流路４４に連通している。これにより、排出流路封止弁６２の開度を調整するだけで、排出流体循環流路６４に供給される酸化剤オフガスの流量を適宜調整することができる。
【００５１】
従って、排出流路封止弁６２を全開にすれば、回生装置であるエキスパンダタービン５６に必要なエネルギ回生量が十分に確保できる一方、前記排出流路封止弁６２を微小開度に設定すれば、排出流体循環流路６４に対して極めて少量の酸化剤オフガスを循環させることも可能である。
【００５２】
特に、排出流路封止弁６２は、少なくとも全開状態と微小開度状態とに開度調整可能である。この微小開度状態とは、排出流体循環流路６４に循環させる酸化剤オフガスの流量を調整し、カソード側を常圧以上に高め、且つ、新たにコンプレッサ４８に吸引される空気を含めて全ての酸素成分を消費させるために必要な流量を維持する開度状態をいう。
【００５３】
このため、燃料電池システム１０のカソード側では、酸素成分が消費されて窒素成分が充填される（窒素富化）とともに、この窒素成分による圧力は、大気圧よりも大きく、すなわち、外部からの空気の導入を阻止し得る圧力に設定されている。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、排出流路封止弁６２の開度を制御することによって、コンプレッサ４８に供給される新たな空気に対して循環される酸化剤オフガスの比である循環比（酸化剤オフガス／新たな空気）を制御することが可能になる。従って、運転状況等に応じた循環比に、容易且つ確実に制御することができるという利点がある。
【００５５】
ここで、図２には、通常考えられ得る燃料電池システム１０ａの構成が示されており、図３には、同様に、通常考えられ得る燃料電池システム１０ｂが示されている。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
図２に示すように、燃料電池システム１０ａでは、酸化剤ガス供給流路４４と酸化剤ガス排出流路４６とに、排出流体循環流路６４ａが設けられる。この排出流体循環流路６４ａの一端は、酸化剤ガス供給流路４４にコンプレッサ４８の上流側に位置して連通するとともに、前記排出流体循環流路６４ａの他端は、酸化剤ガス排出流路４６にエキスパンダタービン５６の下流に位置して連通する。
【００５７】
このように構成される燃料電池システム１０ａでは、供給流路封止弁５２と排出流路封止弁６２とにより、カソード側封止領域が狭小化されるとともに、酸素オフガスの循環が可能である。
【００５８】
しかしながら、カソード側封止領域を封止しながら、前記カソード側封止領域内を窒素で充填することは困難である。排出流体循環流路６４ａは、酸化剤ガス排出流路４６にエキスパンダタービン５６の下流に位置して接続されるため、極小流量で内圧を高める出力制御が困難となるからである。
【００５９】
また、図３に示すように、燃料電池システム１０ｂでは、酸化剤ガス供給流路４４にコンプレッサ４８の上流に位置して供給流路封止弁５２ａが配置されるとともに、酸化剤ガス排出流路４６には、エキスパンダタービン５６の下流側に位置して、排出流路封止弁６２ａが配置される。さらに、燃料電池システム１０ａと同様に、排出流体循環流路６４ａが設けられる。
【００６０】
このように構成される燃料電池システム１０ｂでは、供給流路封止弁５２ａと排出流路封止弁６２ａとにより封止されるカソード側封止領域が相当に拡大するとともに、気密性の低いコンプレッサ４８が前記カソード側封止領域内に配置されている。従って、気密性の保持が困難になる。
【００６１】
これに対して、第１の実施形態では、特に、発電停止後において、排出流路封止弁６２を微小開度に制御することにより、微小流量の酸化剤オフガスを、排出流体循環流路６４に流通させながら発電することによって、燃料電池１２のカソード側の酸素を完全且つ均一に消費し、前記カソード側を窒素で充填することが可能になる。
【００６２】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
【００６３】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様にその詳細な説明は省略する。
【００６４】
燃料電池システム１００では、供給流路封止弁５２が、加湿器５０の上流に位置して酸化剤ガス供給流路４４に配置される一方、排出流路封止弁６２が、前記加湿器５０の下流に位置して酸化剤ガス排出流路４６に配置されている。
【００６５】
このように構成される第２の実施形態では、供給流路封止弁５２は、加湿器５０の入口側近傍に配置されており、酸化剤ガス供給流路４４に沿って流動するドライな空気に曝される。一方、排出流路封止弁６２は、加湿器５０の出口側に配置されている。このため、加湿器５０により水分が除去された酸化剤オフガスが、排出流路封止弁６２を流通する。
【００６６】
従って、供給流路封止弁５２及び排出流路封止弁６２は、低湿度のガスに曝されており、水分による影響を良好に回避することができるという効果が得られる。
【００６７】
なお、図４において、排出流路封止弁６２を加湿器５０の上流側に配置すると、例えば、この加湿器５０の膜特性によって、前記加湿器５０の内部で酸化剤ガスのクロスリークが発生するおそれがある。
【００６８】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成説明図である。
【００６９】
燃料電池システム１１０では、酸化剤ガス供給流路４４に供給流路封止弁５２の下流に位置して分岐流路１１２の一端が連通し、且つ、前記分岐流路１１２の他端が、燃料ガス供給装置１６を構成する水素供給流路７２に連通する。この分岐流路１１２には、開閉弁１１４が配置される。
【００７０】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池１２の発電停止時に、上記の第１の実施形態と同様に、カソード側封止領域に窒素成分が充填された後、開閉弁１１４が開放される。このため、窒素成分は、分岐流路１１２を介して水素供給流路７２にも送られる。
【００７１】
燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４、８２が閉塞されてアノード側封止領域が封止されており、このアノード側封止領域に窒素成分が充填される。これにより、燃料電池１２は、発電停止期間中に、カソード側及びアノード側にそれぞれ窒素が充填されており、膜劣化等の不具合が可及的に回避されるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１００、１１０…燃料電池システム
１２…燃料電池 １４…酸化剤ガス供給装置
１６…燃料ガス供給装置 １８…コントローラ
２０…単位セル 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 ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ４０ａ…酸化剤ガス入口
４０ｂ…酸化剤ガス出口 ４２ａ…燃料ガス入口
４２ｂ…燃料ガス出口 ４４…酸化剤ガス供給流路
４６…酸化剤ガス排出流路 ４８…コンプレッサ
５０…加湿器 ５２、５２ａ…供給流路封止弁
５６…エキスパンダタービン ５８…バイパス流路
６２、６２ａ…排出流路封止弁 ６４…排出流体循環流路
６６、１１４…開閉弁 １１２…分岐流路
【技術分野】
【０００１】
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を備える燃料電池システム及びその発電停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、酸化剤ガス供給装置、燃料ガス供給装置及び冷却媒体供給装置等の各種補機類と関連して燃料電池電気自動車に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムを構成している。
【０００４】
この種の燃料電池システムでは、上記のように、高分子電解質膜が用いられており、この高分子電解質膜は、良好なイオン導電性を確保するために、適度な水分を保水していることが必要である。このため、燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガスや、前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスを、予め加湿することにより、固体高分子電解質膜の乾燥を阻止して所望の加湿状態を維持することが行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池発電システムでは、図６に示すように、燃料電池１ａに酸化剤ガスを供給する供給通路２ａと、前記燃料電池１ａの酸化剤極から吐出された酸化剤オフガスを流す吐出通路３ａと、前記吐出通路３ａ及び前記供給通路２ａを連通するとともに、前記燃料電池１ａから吐出された湿った酸化剤オフガスの少なくとも一部を、前記供給通路２ａに戻すオフガスリターン通路４ａとを備えている。
【０００６】
供給通路２ａとオフガスリターン通路４ａとの合流域より下流側の前記供給通路２ａには、回転式の酸化剤オフガス搬送駆動源５ａが設けられている。このため、燃料電池１ａに供給される反応前の酸化剤ガスは、反応後の湿った酸化剤オフガスにより加湿されるため、加湿器を廃止することができる、としている。
【０００７】
さらに、反応前の酸化剤ガスと反応後の酸化剤オフガスとが合流して合流流体となった後に、酸化剤オフガス搬送駆動源５ａを通過するため、前記合流流体が積極的に混合されて拡散混合性を高めることができる、としている。
【０００８】
一方、上記の燃料電池システムでは、発電時に水が生成されており、発電が停止されると、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の下流側に生成水が滞留し易い。そして、燃料電池の停止時に、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路に空気による掃気が行われていると、起動時に、特に前記酸化剤ガス流路の下流側で高電位によりカソード側電極の劣化が惹起されるという問題がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池の発電停止方法が知られている。この発電停止方法では、図７に示すように、第１流路切替弁１ｂの開閉状態を、空気循環路２ｂとエアコンプレッサ３ｂとを接続させるように開くとともに、外気流入側を遮断している。第２流路切替弁４ｂの開閉状態は、燃料電池５ｂから排出された空気オフガスを空気循環路２ｂに流通させるように開くとともに、大気放出側を遮断している。
【００１０】
このため、燃料電池５ｂには、新たな外気が供給されることがなく、前記燃料電池５ｂのカソードから排出される空気オフガスは、前記燃料電池５ｂ、第２空気遮断弁６ｂ、第２流路切替弁４ｂ、除湿器７ｂ、第１流路切替弁１ｂ、エアコンプレッサ３ｂ、第１空気遮断弁８ｂ及び前記燃料電池５ｂに至る閉回路を循環している。
【００１１】
これにより、空気オフガス中の酸素が発電用に消費され、前記空気オフガス中の酸素濃度が低下していく。従って、発電停止後にクロスリークが生じても、水素と酸素との反応がほとんどなく、固体高分子電解質膜を保護することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２６８１１７号公報
【特許文献２】特開２００３−１１５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、燃料電池システムでは、運転時の膜加湿用制御やストイキ制御（特許文献１）を行うとともに、カソード系内を封止する（特許文献２）機能を有することが望ましい。特に、発電停止後にカソード系を封止するとともに、該カソード系内に酸化剤ガスを循環させながら、酸素を消費させて窒素富化を行うことが好ましい。しかしながら、上記の特許文献１及び特許文献２では、この種の要請に対応することができないという問題がある。
【００１４】
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、カソード側の封止領域を削減することができ、発電停止時の酸素による劣化を抑制するとともに、酸化剤ガスの再循環率の制御が良好に遂行可能な燃料電池システム及びその発電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】
【００１５】
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を備える燃料電池システムに関するものである。
【００１６】
この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給装置は、燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路に配設されるコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサの下流に位置して配置される供給流路封止弁と、前記酸化剤ガス排出流路に配設される排出流路封止弁と、前記酸化剤ガス排出流路に、前記排出流路封止弁よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサよりも上流に位置して連通する排出流体循環流路とを備えている。
【００１７】
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給流路及び酸化剤ガス排出流路に跨って加湿器が配設されるとともに、供給流路封止弁は、加湿器の上流に位置して前記酸化剤ガス供給流路に配置される一方、排出流路封止弁は、前記加湿器の下流に位置して前記酸化剤ガス排出流路に配置されることが好ましい。
【００１８】
さらに、この燃料電池システムでは、排出流路封止弁は、少なくとも全開状態と、カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させるために必要な流量を維持する微小開度状態とに開度調整可能であり、前記燃料電池システムは、排出流体循環流路に配設される循環流路弁と、前記循環流路弁が開成された際、前記排出流路封止弁を前記微小開度状態にする制御装置とを備えることが好ましい。
【００１９】
さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料ガス供給装置は、燃料電池の燃料ガス入口に連通する燃料ガス供給流路を備えるとともに、酸化剤ガス供給流路に、供給流路封止弁の下流に位置して分岐流路の一端が連通し、且つ、前記分岐流路の他端が燃料ガス供給流路に連通することが好ましい。
【００２０】
また、この燃料電池システムでは、酸化剤ガス排出流路には、排出流路封止弁の下流に位置してエキスパンダタービンが配設されるとともに、前記エキスパンダタービンは、コンプレッサに連結されて動力伝達可能であることが好ましい。
【００２１】
さらに、この発電停止方法では、燃料電池の発電停止時に、排出流路封止弁の開度を絞ることにより、カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させている。
【００２２】
さらに、この発電停止方法では、カソード側に酸化剤ガス中の窒素成分が充填された後、前記窒素成分を燃料ガス供給装置に供給して前記アノード側に充填させることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、供給流路封止弁が、コンプレッサの下流に位置して酸化剤ガス供給流路に配置されている。このため、供給流路封止弁と排出流路封止弁とにより封止されるカソード側封止領域が狭小化される。しかも、空気漏れし易いコンプレッサは、カソード側封止領域外に配置されており、発電停止時に前記カソード側封止領域内に酸素が進入することを抑制することが可能になる。従って、燃料電池は、酸素による劣化を可及的に阻止することができる。
【００２４】
さらに、排出流体循環流路の一端は、排出流路封止弁よりも上流に位置して酸化剤ガス排出流路に連通するとともに、前記排出流体循環流路の他端は、コンプレッサよりも上流に位置して酸化剤ガス供給流路に連通している。
【００２５】
これにより、排出流路封止弁の開度を制御することによって、コンプレッサに供給される新たな空気に対して循環される酸化剤オフガス（燃料電池から排出された酸化剤ガス）の比である循環比（酸化剤オフガス／新たな空気）を制御することが可能になる。このため、運転状況等に応じた循環比に容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】比較例１の燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】比較例２の燃料電池システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】特許文献１に開示された燃料電池発電システムの概略説明図である。
【図７】特許文献２に開示された発電停止方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０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１２と、前記燃料電池１２に前記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１２に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、コントローラ（制御装置）１８とを備える。
【００２８】
燃料電池１２は、複数の単位セル２０を積層して構成される。各単位セル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。
【００２９】
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。
【００３０】
電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持される。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。
【００３１】
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。カソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、冷却媒体流路３８が設けられる。
【００３２】
燃料電池１２には、各燃料電池１２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４０ａ、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４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口４０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口（図示せず）が設けられる。
【００３３】
酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに連通する酸化剤ガス供給流路４４と、前記燃料電池１２の酸化剤ガス出口４０ｂに連通する酸化剤ガス排出流路４６とを備える。
【００３４】
酸化剤ガス供給流路４４には、酸化剤ガスである空気の流れ方向（矢印Ａ方向）上流側から下流側に向かって、コンプレッサ４８、加湿器５０及び供給流路封止弁５２が、順次、配置される。
【００３５】
コンプレッサ４８は、モータ５４により駆動されるとともに、エキスパンダタービン５６に連結されて動力連達可能である。このエキスパンダタービン５６は、酸化剤ガス排出流路４６に配設される。
【００３６】
加湿器５０は、酸化剤ガス供給流路４４と酸化剤ガス排出流路４６とに跨って設けられており、前記酸化剤ガス供給流路４４を矢印Ａ方向に流通する供給ガス（供給空気）と排出ガス（酸化剤オフガス）との間で、水分と熱を交換する。酸化剤ガス供給流路４４には、加湿器５０をバイパスしてバイパス流路５８が連通し、このバイパス流路５８に開閉弁６０が配設される。
【００３７】
酸化剤ガス排出流路４６には、排出される酸化剤オフガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側から下流側に向かって、排出流路封止弁６２、加湿器５０及びエキスパンダタービン５６が配設される。
【００３８】
酸化剤ガス排出流路４６には、排出流路封止弁６２よりも上流（酸化剤ガス出口４０ｂの近傍）に一端が連通し、酸化剤ガス供給流路４４には、コンプレッサ４８よりも上流に位置して他端が連通する排出流体循環流路６４が設けられる。この排出流体循環流路６４には、開閉弁６６が配設されるとともに、前記排出流体循環流路６４は、加湿器５０内に挿入される。
【００３９】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク（Ｈ２タンク）７０を備える。この水素タンク７０は、水素供給流路７２を介して燃料電池１２の燃料ガス入口４２ａに連通する。水素供給流路７２には、遮断弁７４及びエゼクタ７６が設けられる。
【００４０】
燃料ガス供給装置１６は、燃料電池１２の燃料ガス出口４２ｂに連通する燃料オフガス流路７８を備える。この燃料オフガス流路７８には、エゼクタ７６に連通する水素循環路８０と遮断弁（パージ弁）８２とが設けられる。
【００４１】
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。
【００４２】
先ず、酸化剤ガス供給装置１４を構成するコンプレッサ４８を介して、酸化剤ガス供給流路４４に空気が送られる。この空気は、加湿器５０を通って加湿された後、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに供給される。この空気は、燃料電池１２内の各単位セル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。
【００４３】
未反応の空気を含む酸化剤オフガスは、酸化剤ガス出口４０ｂから酸化剤ガス排出流路４６に排出され、加湿器５０に送られることによって新たに供給される空気を加湿する。酸化剤オフガスは、エキスパンダタービン５６に駆動源として供給された後、外部に排出される。エキスパンダタービン５６は、コンプレッサ４８に動力を伝達することができる。
【００４４】
一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４が開放されることにより、水素タンク７０から導出された水素ガスが、水素供給流路７２に供給される。この水素ガスは、水素供給流路７２を通って燃料電池１２の燃料ガス入口４２ａに供給される。燃料電池１２内に供給された水素ガスは、各単位セル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。
【００４５】
燃料ガス流路３６から排出される水素オフガスは、燃料ガス出口４２ｂから水素循環路８０を介してエゼクタ７６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池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。
【００４６】
ここで、酸化剤ガス供給装置１４には、酸化剤ガス供給流路４４と酸化剤ガス排出流路４６とに連通する排出流体循環流路６４が設けられている。このため、排出流体循環流路６４に設けられている開閉弁６６が開放操作されると、燃料電池１２の酸化剤ガス出口４０ｂから酸化剤ガス排出流路４６に導出される酸化剤オフガスは、前記排出流体循環流路６４を通って酸化剤ガス供給流路４４に導入される。
【００４７】
これにより、酸化剤オフガスは、この酸化剤ガス供給流路４４に新たに供給される空気と混合してコンプレッサ４８に吸引され、この混合された酸化剤ガスは、加湿器５０を通って、あるいは、開閉弁６０の開放作用下にバイパス流路５８を通って、燃料電池１２の酸化剤ガス入口４０ａに供給される。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス供給流路４４には、コンプレッサ４８の下流に位置して供給流路封止弁５２が配置されている。このため、供給流路封止弁５２と排出流路封止弁６２とにより封止されるカソード側封止領域が有効に狭小化される。
【００４９】
しかも、空気漏れし易いコンプレッサ４８は、カソード側封止領域外に配置されており、発電停止時に前記カソード側封止領域内に酸素が進入することを抑制することが可能になる。従って、燃料電池１２は、不要な酸素の侵入による劣化を可及的に阻止することができる。
【００５０】
さらに、排出流体循環流路６４の一端は、排出流路封止弁６２よりも上流に位置して酸化剤ガス排出流路４６に連通するとともに、前記排出流体循環流路６４の他端は、コンプレッサ４８よりも上流に位置して酸化剤ガス供給流路４４に連通している。これにより、排出流路封止弁６２の開度を調整するだけで、排出流体循環流路６４に供給される酸化剤オフガスの流量を適宜調整することができる。
【００５１】
従って、排出流路封止弁６２を全開にすれば、回生装置であるエキスパンダタービン５６に必要なエネルギ回生量が十分に確保できる一方、前記排出流路封止弁６２を微小開度に設定すれば、排出流体循環流路６４に対して極めて少量の酸化剤オフガスを循環させることも可能である。
【００５２】
特に、排出流路封止弁６２は、少なくとも全開状態と微小開度状態とに開度調整可能である。この微小開度状態とは、排出流体循環流路６４に循環させる酸化剤オフガスの流量を調整し、カソード側を常圧以上に高め、且つ、新たにコンプレッサ４８に吸引される空気を含めて全ての酸素成分を消費させるために必要な流量を維持する開度状態をいう。
【００５３】
このため、燃料電池システム１０のカソード側では、酸素成分が消費されて窒素成分が充填される（窒素富化）とともに、この窒素成分による圧力は、大気圧よりも大きく、すなわち、外部からの空気の導入を阻止し得る圧力に設定されている。
【００５４】
これにより、第１の実施形態では、排出流路封止弁６２の開度を制御することによって、コンプレッサ４８に供給される新たな空気に対して循環される酸化剤オフガスの比である循環比（酸化剤オフガス／新たな空気）を制御することが可能になる。従って、運転状況等に応じた循環比に、容易且つ確実に制御することができるという利点がある。
【００５５】
ここで、図２には、通常考えられ得る燃料電池システム１０ａの構成が示されており、図３には、同様に、通常考えられ得る燃料電池システム１０ｂが示されている。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
図２に示すように、燃料電池システム１０ａでは、酸化剤ガス供給流路４４と酸化剤ガス排出流路４６とに、排出流体循環流路６４ａが設けられる。この排出流体循環流路６４ａの一端は、酸化剤ガス供給流路４４にコンプレッサ４８の上流側に位置して連通するとともに、前記排出流体循環流路６４ａの他端は、酸化剤ガス排出流路４６にエキスパンダタービン５６の下流に位置して連通する。
【００５７】
このように構成される燃料電池システム１０ａでは、供給流路封止弁５２と排出流路封止弁６２とにより、カソード側封止領域が狭小化されるとともに、酸素オフガスの循環が可能である。
【００５８】
しかしながら、カソード側封止領域を封止しながら、前記カソード側封止領域内を窒素で充填することは困難である。排出流体循環流路６４ａは、酸化剤ガス排出流路４６にエキスパンダタービン５６の下流に位置して接続されるため、極小流量で内圧を高める出力制御が困難となるからである。
【００５９】
また、図３に示すように、燃料電池システム１０ｂでは、酸化剤ガス供給流路４４にコンプレッサ４８の上流に位置して供給流路封止弁５２ａが配置されるとともに、酸化剤ガス排出流路４６には、エキスパンダタービン５６の下流側に位置して、排出流路封止弁６２ａが配置される。さらに、燃料電池システム１０ａと同様に、排出流体循環流路６４ａが設けられる。
【００６０】
このように構成される燃料電池システム１０ｂでは、供給流路封止弁５２ａと排出流路封止弁６２ａとにより封止されるカソード側封止領域が相当に拡大するとともに、気密性の低いコンプレッサ４８が前記カソード側封止領域内に配置されている。従って、気密性の保持が困難になる。
【００６１】
これに対して、第１の実施形態では、特に、発電停止後において、排出流路封止弁６２を微小開度に制御することにより、微小流量の酸化剤オフガスを、排出流体循環流路６４に流通させながら発電することによって、燃料電池１２のカソード側の酸素を完全且つ均一に消費し、前記カソード側を窒素で充填することが可能になる。
【００６２】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
【００６３】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様にその詳細な説明は省略する。
【００６４】
燃料電池システム１００では、供給流路封止弁５２が、加湿器５０の上流に位置して酸化剤ガス供給流路４４に配置される一方、排出流路封止弁６２が、前記加湿器５０の下流に位置して酸化剤ガス排出流路４６に配置されている。
【００６５】
このように構成される第２の実施形態では、供給流路封止弁５２は、加湿器５０の入口側近傍に配置されており、酸化剤ガス供給流路４４に沿って流動するドライな空気に曝される。一方、排出流路封止弁６２は、加湿器５０の出口側に配置されている。このため、加湿器５０により水分が除去された酸化剤オフガスが、排出流路封止弁６２を流通する。
【００６６】
従って、供給流路封止弁５２及び排出流路封止弁６２は、低湿度のガスに曝されており、水分による影響を良好に回避することができるという効果が得られる。
【００６７】
なお、図４において、排出流路封止弁６２を加湿器５０の上流側に配置すると、例えば、この加湿器５０の膜特性によって、前記加湿器５０の内部で酸化剤ガスのクロスリークが発生するおそれがある。
【００６８】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成説明図である。
【００６９】
燃料電池システム１１０では、酸化剤ガス供給流路４４に供給流路封止弁５２の下流に位置して分岐流路１１２の一端が連通し、且つ、前記分岐流路１１２の他端が、燃料ガス供給装置１６を構成する水素供給流路７２に連通する。この分岐流路１１２には、開閉弁１１４が配置される。
【００７０】
このように構成される第３の実施形態では、燃料電池１２の発電停止時に、上記の第１の実施形態と同様に、カソード側封止領域に窒素成分が充填された後、開閉弁１１４が開放される。このため、窒素成分は、分岐流路１１２を介して水素供給流路７２にも送られる。
【００７１】
燃料ガス供給装置１６では、遮断弁７４、８２が閉塞されてアノード側封止領域が封止されており、このアノード側封止領域に窒素成分が充填される。これにより、燃料電池１２は、発電停止期間中に、カソード側及びアノード側にそれぞれ窒素が充填されており、膜劣化等の不具合が可及的に回避されるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００７２】
１０、１００、１１０…燃料電池システム
１２…燃料電池 １４…酸化剤ガス供給装置
１６…燃料ガス供給装置 １８…コントローラ
２０…単位セル 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 ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ４０ａ…酸化剤ガス入口
４０ｂ…酸化剤ガス出口 ４２ａ…燃料ガス入口
４２ｂ…燃料ガス出口 ４４…酸化剤ガス供給流路
４６…酸化剤ガス排出流路 ４８…コンプレッサ
５０…加湿器 ５２、５２ａ…供給流路封止弁
５６…エキスパンダタービン ５８…バイパス流路
６２、６２ａ…排出流路封止弁 ６４…排出流体循環流路
６６、１１４…開閉弁 １１２…分岐流路
【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、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に配設されるコンプレッサと、
前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサの下流に位置して配置される供給流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に配設される排出流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に、前記排出流路封止弁よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサよりも上流に位置して連通する排出流体循環流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤ガス排出流路に跨って加湿器が配設されるとともに、
前記供給流路封止弁は、前記加湿器の上流に位置して前記酸化剤ガス供給流路に配置される一方、
前記排出流路封止弁は、前記加湿器の下流に位置して前記酸化剤ガス排出流路に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記排出流路封止弁は、少なくとも全開状態と、前記カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させるために必要な流量を維持する微小開度状態とに開度調整可能であり、
前記燃料電池システムは、前記排出流体循環流路に配設される循環流路弁と、
前記循環流路弁が開成された際、前記排出流路封止弁を前記微小開度状態にする制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池の燃料ガス入口に連通する燃料ガス供給流路を備えるとともに、
前記酸化剤ガス供給流路に、前記供給流路封止弁の下流に位置して分岐流路の一端が連通し、且つ、前記分岐流路の他端が前記燃料ガス供給流路に連通することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス排出流路には、前記排出流路封止弁の下流に位置してエキスパンダタービンが配設されるとともに、
前記エキスパンダタービンは、前記コンプレッサに連結されて動力伝達可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
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、
を備え、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に配設されるコンプレッサと、
前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサの下流に位置して配置される供給流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に配設される排出流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に、前記排出流路封止弁よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサよりも上流に位置して連通する排出流体循環流路と、
を備える燃料電池システムの発電停止方法であって、
前記燃料電池の発電停止時に、前記排出流路封止弁の開度を絞ることにより、前記カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させることを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項７】
請求項６記載の発電停止方法において、前記カソード側に前記酸化剤ガス中の窒素成分が充填された後、前記窒素成分を前記燃料ガス供給装置に供給して前記アノード側に充填させることを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
【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、
を備える燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に配設されるコンプレッサと、
前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサの下流に位置して配置される供給流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に配設される排出流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に、前記排出流路封止弁よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサよりも上流に位置して連通する排出流体循環流路と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤ガス排出流路に跨って加湿器が配設されるとともに、
前記供給流路封止弁は、前記加湿器の上流に位置して前記酸化剤ガス供給流路に配置される一方、
前記排出流路封止弁は、前記加湿器の下流に位置して前記酸化剤ガス排出流路に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記排出流路封止弁は、少なくとも全開状態と、前記カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させるために必要な流量を維持する微小開度状態とに開度調整可能であり、
前記燃料電池システムは、前記排出流体循環流路に配設される循環流路弁と、
前記循環流路弁が開成された際、前記排出流路封止弁を前記微小開度状態にする制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池の燃料ガス入口に連通する燃料ガス供給流路を備えるとともに、
前記酸化剤ガス供給流路に、前記供給流路封止弁の下流に位置して分岐流路の一端が連通し、且つ、前記分岐流路の他端が前記燃料ガス供給流路に連通することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス排出流路には、前記排出流路封止弁の下流に位置してエキスパンダタービンが配設されるとともに、
前記エキスパンダタービンは、前記コンプレッサに連結されて動力伝達可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
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、
を備え、
前記酸化剤ガス供給装置は、前記燃料電池の酸化剤ガス入口に連通する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池の酸化剤ガス出口に連通する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に配設されるコンプレッサと、
前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサの下流に位置して配置される供給流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に配設される排出流路封止弁と、
前記酸化剤ガス排出流路に、前記排出流路封止弁よりも上流に位置して連通する一方、前記酸化剤ガス供給流路に、前記コンプレッサよりも上流に位置して連通する排出流体循環流路と、
を備える燃料電池システムの発電停止方法であって、
前記燃料電池の発電停止時に、前記排出流路封止弁の開度を絞ることにより、前記カソード側を常圧以上に高め且つ全ての酸素成分を消費させることを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
【請求項７】
請求項６記載の発電停止方法において、前記カソード側に前記酸化剤ガス中の窒素成分が充填された後、前記窒素成分を前記燃料ガス供給装置に供給して前記アノード側に充填させることを特徴とする燃料電池システムの発電停止方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２２１７３１（Ｐ２０１２−２２１７３１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６１２８（Ｐ２０１１−８６１２８）
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【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１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【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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