燃料電池システム及びその運転停止方法
【課題】経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、電解質膜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は、燃料電池１２と、前記燃料電池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１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６とを備える。酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管３８と、前記燃料電池１２から前記酸化剤ガスを排出するとともに、前記燃料電池１２の運転が停止された後、大気圧に開放される酸化剤ガス排出配管４４と、前記燃料電池１２の運転が停止された後、前記酸化剤ガス供給配管３８を大気に開放する大気開放手段４３とを備える。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池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１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６とを備える。酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管３８と、前記燃料電池１２から前記酸化剤ガスを排出するとともに、前記燃料電池１２の運転が停止された後、大気圧に開放される酸化剤ガス排出配管４４と、前記燃料電池１２の運転が停止された後、前記酸化剤ガス供給配管３８を大気に開放する大気開放手段４３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池のアノード側に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運転停止方法に関する。
【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、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、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る場合、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。
【０００５】
具体的には、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１がカソード電極２及びアノード電極３に挟持された電解質膜・電極構造体４には、前記カソード電極２側に酸化剤ガス流路５が設けられる一方、前記アノード電極３側に燃料ガス流路６が設けられている。発電停止時には、酸化剤ガス流路５及び燃料ガス流路６に空気による掃気が行われている。
【０００６】
そこで、酸化剤ガス流路５の上流側から下流側に酸化剤ガス（空気）が供給される一方、燃料ガス流路６の上流側から下流側に燃料ガス（水素ガス）が供給されると、反応Ａ、反応Ｂ、反応Ｃ及び反応Ｄの順に電位挙動が発生する。
【０００７】
すなわち、燃料ガス流路６の上流側では、燃料ガスが供給されることにより、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応Ａが惹起され、この２Ｈ＋は、電解質膜・電極構造体４を透過して酸化剤ガス流路５側に移動する。酸化剤ガス流路５では、酸化剤ガスが供給されており、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応Ｂが発生する。
【０００８】
酸化剤ガス流路５の下流側では、残存している水分により、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−及びＨ２Ｏ＋１／２Ｃ（電極触媒層中のＣ）→１／２ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応Ｃが惹起される。一方、燃料ガス流路６の下流側では、酸化剤ガス流路５の下流側から透過する２Ｈ＋により、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応Ｄが発生する。反応Ｃは、律速段階となっており、水分が多くなることによって全ての反応Ａ〜反応Ｄが促進され、高電位が発生する。
【０００９】
従って、カソード電極２から白金が溶出し、溶出した前記白金が固体高分子電解質膜１中で還元されて金属に戻り、白金バンドが形成される。このため、白金バンド上で固体高分子電解質膜１を透過して水素分子と酸素分子とが反応することにより、例えば、ヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）が発生し、前記固体高分子電解質膜１を劣化させるという問題がある。
【００１０】
ＯＨラジカル反応は、触媒上での水素分子と酸素分子との反応により発生するものであり、上記の白金バンドの他、例えば、アノード側ガスライン系内から膜透過した水素分子が、カソード電極中で酸素分子と反応して発生するものがある。また、カソード側ガスライン系内から膜透過した酸素分子が、アノード電極中で水素分子と反応して発生するものがある。
【００１１】
そこで、この種のＯＨラジカル反応を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されているシステムが知られている。このシステムでは、図１１に示すように、アノード触媒１ａに隣接して流れるように水素燃料を導くためのアノード流路２ａが、前記アノード触媒１ａと流体連通し、燃料電池３ａのカソード触媒４ａに隣接して流れるように酸化剤を導くためのカソード流路５ａが、前記カソード触媒４ａに流体連通している。
【００１２】
水素燃料は、アノード流路２ａとカソード流路５ａの間で移送されている。燃料電池３ａの動作の間に水素を受け入れ、且つ、貯蔵し、前記燃料電池３ａが運転停止されるときは、常に、水素を該燃料電池３ａに放出させるために水素貯蔵器６ａがアノード流路２ａと流体連通して取り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特表２００７−５３４１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池３ａの運転が停止されるときに、アノード流路２ａ及びカソード流路５ａに水素が供給されている。このため、水素が無駄に消費されてしまい、不経済であるとともに、前記運転停止時に供給された水素を希釈して大気に放出させる必要がある。このため、希釈構造が大型且つ複雑化するという問題がある。
【００１５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、電解質膜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及びそ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】
【００１６】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池のアノード側に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運転停止方法に関するものである。
【００１７】
この運転停止方法は、酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス供給配管から燃料電池に酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス供給配管から前記燃料電池に燃料ガスを供給して発電を行うとともに、前記燃料電池から前記酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス排出配管に前記酸化剤ガスを排出する一方、前記燃料電池から前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス排出配管に前記燃料ガスを排出する発電工程と、前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス排出配管及び前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放工程とを有している。
【００１８】
また、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を開放することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放することが好ましい。
【００１９】
さらに、この運転停止方法では、酸化剤ガス排出配管は、バイパス流路を介して酸化剤ガス供給配管に連通することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放することが好ましい。
【００２０】
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、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管とを備えている。
【００２１】
そして、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酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出するとともに、前記燃料電池の運転が停止された後、大気圧に開放される酸化剤ガス排出配管と、前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放手段とを備えている。
【００２２】
さらに、この燃料電池システムでは、大気開放手段は、酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を備えることが好ましい。
【００２３】
さらにまた、この燃料電池システムでは、大気開放手段は、酸化剤ガス排出配管と酸化剤ガス供給配管とを連通させるバイパス流路を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、燃料電池の運転が停止された後、酸化剤ガス排出配管及び酸化剤ガス供給配管が、大気に開放される。このため、燃料電池の入口側と出口側とに、電解質膜の膜劣化反応を分散させることが可能になる。しかも、含水量が多い下流側の劣化を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、電解質膜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】
【００２５】
【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説明図である。
【図２】前記燃料電池システムによる第１の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記運転停止方法を行った際、酸化剤ガス流路における酸素濃度及び膜劣化量の関係図である。
【図４】従来方法を行った際、前記酸化剤ガス流路における酸素濃度及び膜劣化量の関係図である。
【図５】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説明図である。
【図６】前記燃料電池システムによる第２の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図７】前記運転停止方法を行った際、前記酸化剤ガス流路における酸素濃度及び膜劣化量の関係図である。
【図８】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説明図である。
【図９】前記燃料電池システムによる第３の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図１０】起動時の燃料電池内部の電位挙動の説明図である。
【図１１】特許文献１に開示されているシステムの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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、例えば、車載用燃料電池システムを構成し、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００２７】
燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池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１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置（図示せず）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。
【００２８】
燃料電池１２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２０をカソード電極２２とアノード電極２４とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６を備える。
【００２９】
カソード電極２２及びアノード電極２４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２０の両面に形成される。
【００３０】
燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極２２に沿って酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給するための酸化剤ガス流路２８と、前記電解質膜・電極構造体２６のアノード電極２４に沿って燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給するための燃料ガス流路３０とを有する。
【００３１】
酸化剤ガス流路２８の入口側には、酸化剤ガス入口連通孔３２ａが連通するとともに、前記酸化剤ガス流路２８の出口側には、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂが連通する。燃料ガス流路３０の入口側には、燃料ガス入口連通孔３４ａが連通するとともに、前記燃料ガス流路３０の出口側には、燃料ガス出口連通孔３４ｂが連通する。
【００３２】
なお、酸化剤ガス流路２８及び燃料ガス流路３０は、それぞれセパレータ（図示せず）により形成されるとともに、複数の燃料電池１２が積層されて燃料電池スタックを構成している。
【００３３】
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（又はスーパーチャージャ）３６を備え、前記エアポンプ３６は、酸化剤ガス供給配管３８に配設される。酸化剤ガス供給配管３８は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに連通するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔３２ａの近傍で分岐配管４０が分岐する。分岐配管４０には、開閉弁４２が配設されており、大気開放手段４３が構成される。
【００３４】
酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに連通する酸化剤ガス排出配管４４を備える。この酸化剤ガス排出配管４４には、保圧弁４６が配設される。保圧弁４６は、燃料電池１２の運転停止時（ソーク時）に開弁されることにより、酸化剤ガス排出配管４４を大気圧に開放する。
【００３５】
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）４８を備える。この水素タンク４８は、燃料ガス供給配管５０を介して燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する。燃料ガス供給配管５０には、エゼクタ５２が設けられる。
【００３６】
燃料ガス供給装置１６は、燃料電池１２の燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する燃料ガス排出配管５４を備える。燃料ガス排出配管５４には、パージ弁５６が配設されるとともに、前記パージ弁５６の上流側とエゼクタ５２とには、循環配管５８が接続される。
【００３７】
エゼクタ５２は、水素タンク４８から供給される水素ガスを、燃料ガス供給配管５０を通って燃料電池１２に供給するとともに、燃料電池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、循環配管５８から吸引して、再度、前記燃料電池１２に燃料ガスとして供給する。
【００３８】
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、第１の実施形態に係る運転停止方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３９】
先ず、燃料電池システム１０は、通常運転される（ステップＳ１）。通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ３６を介して、酸化剤ガス供給配管３８に空気が送られる。この空気は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａから酸化剤ガス流路２８に沿って移動することにより、カソード電極２２に供給される。
【００４０】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂから酸化剤ガス排出配管４４に排出され、保圧弁４６により供給圧力が保持された状態で、外部に排出される。
【００４１】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク４８から燃料ガス供給配管５０に水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料ガス供給配管５０を通って燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔３４ａに供給される。燃料電池１２内に供給された水素ガスは、燃料ガス流路３０に沿って移動することにより、アノード電極２４に供給される。
【００４２】
使用済み（未反応の水素ガスを含む）の水素ガス（以下、水素オフガスともいう）は、燃料ガス出口連通孔３４ｂから燃料ガス排出配管５４に排出される。この水素オフガスは、循環配管５８を介してエゼクタ５２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２２に供給される空気中の酸素とアノード電極２４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。
【００４３】
一方、循環配管５８を循環する水素オフガスには、不純物が蓄積し易い。このため、不純物を混在する水素オフガスは、パージ弁５６が開放されることによって排出される。
【００４４】
次いで、燃料電池１２の運転が停止されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、酸化剤ガス供給装置１４による酸化剤ガスの供給が停止されるとともに、燃料ガス供給装置１６による燃料ガスの供給が停止される。
【００４５】
さらに、酸化剤ガス供給装置１４に設けられている保圧弁４６が開放されて保圧が停止される（ステップＳ３）。そして、ステップＳ４に進んで、大気開放手段４３を構成する開閉弁４２が開放される。従って、分岐配管４０から外部空気が吸気され、酸化剤ガス供給配管３８から燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに前記外部空気が導入される。
【００４６】
一方、酸化剤ガス排出配管４４では、保圧弁４６が開放されている。このため、酸化剤ガス排出配管４４には、外部空気が導入され、この外部空気は、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂから導入される。
【００４７】
従って、燃料電池１２の内部では、入口側及び出口側の酸素濃度が中央部の酸素濃度に比べて高くなり、酸化剤ガス流路２８（Ｃａ経路）では、図３に示す酸素濃度となる。さらに、この酸素濃度に追随して、酸素と水素との反応量、すなわち、膜劣化量が入口側と出口側とで略均等化する。
【００４８】
これに対して、大気開放手段４３を設けずに、運転停止時に酸化剤ガス出口連通孔３２ｂのみから外気が導入される従来方式では、図４に示すように、酸化剤ガス流路２８の出口側の酸素濃度及び膜劣化量が他の部位に比べて相当に大きな値となっている。このため、従来方式（出口のみ開放）では、固体高分子電解質膜２０の膜劣化が著しくなる。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜２０の膜劣化の集中を阻止することができる。すなわち、図３及び図４から諒解されるように、燃料電池１２全体としての水素と酸素との反応量は、従来方式と変化しないものの、酸素濃度の偏りが低減されるため、固体高分子電解質膜２０の膜劣化反応を分散させることが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、固体高分子電解質膜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。
【００５０】
図２に示すように、開閉弁４２が所定の時間だけ開放された後、燃料電池１２のソーク（運転停止状態）に移行する（ステップＳ５）。これにより、燃料電池システム１０の運転停止処理が終了する。
【００５１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム７０の概略構成説明図である。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。
【００５２】
燃料電池システム７０は、酸化剤ガス供給装置７２を備える。酸化剤ガス供給装置７２は、酸化剤ガス供給配管３８と酸化剤ガス排出配管４４とを連通させるバイパス流路７４を備えるとともに、前記バイパス流路７４には、開閉弁７６が配設される。バイパス流路７４及び開閉弁７６により大気開放手段７７が構成される。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム７０の運転停止方法について、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００５４】
燃料電池システム７０は、通常運転走行を行うとともに（ステップＳ１０１）、燃料電池１２がアイドル状態か否かが判断される（ステップＳ１０２）。アイドル状態とは、例えば、イグニッションスイッチがオンされた状態で、車両走行用モータの電気的負荷が所定時間、所定値以下である状態をいう。例えば、走行用モータの回転数が、ゼロを含む所定の低速回転数である状態、燃料電池電気自動車の減速時に回生制御力を発生している状態、自動的に速度を一定に保持する走行を行っている状態等が該当する。
【００５５】
アイドル状態であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進んで、アイドル停止制御が行われる。このアイドル停止制御は、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の所定量の酸化剤ガスを、カソード側に供給して発電するとともに、発電電流を外部負荷に電流を供給することによりディスチャージする。このため、燃料電池１２では、水素と酸素との電気化学的な反応が遂行され、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂから酸化剤ガス排出配管４４に排出される酸化剤オフガスは、酸素濃度が低く、窒素ガスで満たされたガスとなる。
【００５６】
さらに、燃料電池１２の停止が判断されて（ステップＳ１０４中、ＹＥＳ）、反応ガス供給停止及び保圧停止が行われた後（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、開閉弁７６が開放され、酸化剤ガス排出配管４４に残存する酸素濃度の低いガスが、バイパス流路７４から酸化剤ガス供給配管３８を通って、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給される。
【００５７】
この場合、第２の実施形態では、酸化剤ガス排出配管４４には、低酸素濃度のガスが残存しており、この低酸素濃度のガスは、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂと、バイパス流路７４を介して酸化剤ガス入口連通孔３２ａとに供給されている。
【００５８】
従って、酸化剤ガス流路２８では、図７に示すように、入口側及び出口側の酸素濃度が通常の酸素濃度に比べて低減されるため、水素と酸素との反応量、すなわち、膜劣化量を全体として低減させることができる。
【００５９】
しかも、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂのみを大気開放する従来例に比べて、固体高分子電解質膜２０の劣化集中が良好に抑制される。これにより、固体高分子電解質膜２０の劣化が可及的に抑制されるという効果が得られる。
【００６０】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０及び第２の実施形態に係る燃料電池システム７０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。
【００６１】
燃料電池システム９０は、酸化剤ガス供給装置９２を備えるとともに、この酸化剤ガス供給装置９２は、大気開放手段４３、７７を併用する。
【００６２】
このように構成される燃料電池システム９０による運転停止方法は、図９に示すフローチャートに沿って、行われる。
【００６３】
この第３の実施形態では、実質的に、上記の第２の実施形態と同様に、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６が行われた後、ステップＳ２０７に進む。このステップＳ２０７では、大気開放手段４３を構成する開閉弁４２が開放されることにより、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに外部空気が導入される。
【００６４】
すなわち、第３の実施形態では、先ず、大気開放手段７７を構成する開閉弁７６が開放されることにより、酸化剤ガス排出配管４４に残存された低酸素濃度の窒素ガスが、バイパス流路７４から燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給されている。次いで、開閉弁４２の開放作用下に、酸化剤ガス入口連通孔３２ａに外部空気が導入されている。
【００６５】
このため、燃料電池１２では、入口及び出口の酸素濃度が低下されて電極面内の酸素濃度分布が低減された後、入口側及び出口側共に大気開放されている。これにより、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、７０、９０…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…固体高分子電解質膜
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質膜・電極構造体 ２８…酸化剤ガス流路
３０…燃料ガス流路 ３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…エアポンプ
３８…酸化剤ガス供給配管 ４０…分岐配管
４２、７６…開閉弁 ４３…大気開放手段
４４…酸化剤ガス排出配管 ４６…保圧弁
４８…水素タンク ５０…燃料ガス供給配管
５２…エゼクタ ５４…燃料ガス排出配管
５８…循環配管 ７２、９２…酸化剤ガス供給装置
７４…バイパス流路 ７７…大気開放手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池のアノード側に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運転停止方法に関する。
【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、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、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る場合、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。
【０００５】
具体的には、図１０に示すように、固体高分子電解質膜１がカソード電極２及びアノード電極３に挟持された電解質膜・電極構造体４には、前記カソード電極２側に酸化剤ガス流路５が設けられる一方、前記アノード電極３側に燃料ガス流路６が設けられている。発電停止時には、酸化剤ガス流路５及び燃料ガス流路６に空気による掃気が行われている。
【０００６】
そこで、酸化剤ガス流路５の上流側から下流側に酸化剤ガス（空気）が供給される一方、燃料ガス流路６の上流側から下流側に燃料ガス（水素ガス）が供給されると、反応Ａ、反応Ｂ、反応Ｃ及び反応Ｄの順に電位挙動が発生する。
【０００７】
すなわち、燃料ガス流路６の上流側では、燃料ガスが供給されることにより、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−の反応Ａが惹起され、この２Ｈ＋は、電解質膜・電極構造体４を透過して酸化剤ガス流路５側に移動する。酸化剤ガス流路５では、酸化剤ガスが供給されており、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応Ｂが発生する。
【０００８】
酸化剤ガス流路５の下流側では、残存している水分により、Ｈ２Ｏ→１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−及びＨ２Ｏ＋１／２Ｃ（電極触媒層中のＣ）→１／２ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−の反応Ｃが惹起される。一方、燃料ガス流路６の下流側では、酸化剤ガス流路５の下流側から透過する２Ｈ＋により、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏの反応Ｄが発生する。反応Ｃは、律速段階となっており、水分が多くなることによって全ての反応Ａ〜反応Ｄが促進され、高電位が発生する。
【０００９】
従って、カソード電極２から白金が溶出し、溶出した前記白金が固体高分子電解質膜１中で還元されて金属に戻り、白金バンドが形成される。このため、白金バンド上で固体高分子電解質膜１を透過して水素分子と酸素分子とが反応することにより、例えば、ヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）が発生し、前記固体高分子電解質膜１を劣化させるという問題がある。
【００１０】
ＯＨラジカル反応は、触媒上での水素分子と酸素分子との反応により発生するものであり、上記の白金バンドの他、例えば、アノード側ガスライン系内から膜透過した水素分子が、カソード電極中で酸素分子と反応して発生するものがある。また、カソード側ガスライン系内から膜透過した酸素分子が、アノード電極中で水素分子と反応して発生するものがある。
【００１１】
そこで、この種のＯＨラジカル反応を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されているシステムが知られている。このシステムでは、図１１に示すように、アノード触媒１ａに隣接して流れるように水素燃料を導くためのアノード流路２ａが、前記アノード触媒１ａと流体連通し、燃料電池３ａのカソード触媒４ａに隣接して流れるように酸化剤を導くためのカソード流路５ａが、前記カソード触媒４ａに流体連通している。
【００１２】
水素燃料は、アノード流路２ａとカソード流路５ａの間で移送されている。燃料電池３ａの動作の間に水素を受け入れ、且つ、貯蔵し、前記燃料電池３ａが運転停止されるときは、常に、水素を該燃料電池３ａに放出させるために水素貯蔵器６ａがアノード流路２ａと流体連通して取り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特表２００７−５３４１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池３ａの運転が停止されるときに、アノード流路２ａ及びカソード流路５ａに水素が供給されている。このため、水素が無駄に消費されてしまい、不経済であるとともに、前記運転停止時に供給された水素を希釈して大気に放出させる必要がある。このため、希釈構造が大型且つ複雑化するという問題がある。
【００１５】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、電解質膜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及びそ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】
【００１６】
本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池のアノード側に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運転停止方法に関するものである。
【００１７】
この運転停止方法は、酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス供給配管から燃料電池に酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス供給配管から前記燃料電池に燃料ガスを供給して発電を行うとともに、前記燃料電池から前記酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス排出配管に前記酸化剤ガスを排出する一方、前記燃料電池から前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス排出配管に前記燃料ガスを排出する発電工程と、前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス排出配管及び前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放工程とを有している。
【００１８】
また、この運転停止方法では、酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を開放することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放することが好ましい。
【００１９】
さらに、この運転停止方法では、酸化剤ガス排出配管は、バイパス流路を介して酸化剤ガス供給配管に連通することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放することが好ましい。
【００２０】
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、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管とを備えている。
【００２１】
そして、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酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出するとともに、前記燃料電池の運転が停止された後、大気圧に開放される酸化剤ガス排出配管と、前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放手段とを備えている。
【００２２】
さらに、この燃料電池システムでは、大気開放手段は、酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を備えることが好ましい。
【００２３】
さらにまた、この燃料電池システムでは、大気開放手段は、酸化剤ガス排出配管と酸化剤ガス供給配管とを連通させるバイパス流路を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明では、燃料電池の運転が停止された後、酸化剤ガス排出配管及び酸化剤ガス供給配管が、大気に開放される。このため、燃料電池の入口側と出口側とに、電解質膜の膜劣化反応を分散させることが可能になる。しかも、含水量が多い下流側の劣化を抑制することができる。従って、簡単且つ経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、電解質膜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】
【００２５】
【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説明図である。
【図２】前記燃料電池システムによる第１の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図３】前記運転停止方法を行った際、酸化剤ガス流路における酸素濃度及び膜劣化量の関係図である。
【図４】従来方法を行った際、前記酸化剤ガス流路における酸素濃度及び膜劣化量の関係図である。
【図５】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説明図である。
【図６】前記燃料電池システムによる第２の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図７】前記運転停止方法を行った際、前記酸化剤ガス流路における酸素濃度及び膜劣化量の関係図である。
【図８】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説明図である。
【図９】前記燃料電池システムによる第３の実施形態に係る運転停止方法を説明するフローチャートである。
【図１０】起動時の燃料電池内部の電位挙動の説明図である。
【図１１】特許文献１に開示されているシステムの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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、例えば、車載用燃料電池システムを構成し、燃料電池電気自動車（図示せず）に搭載される。
【００２７】
燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、前記燃料電池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１２に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給装置（図示せず）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。
【００２８】
燃料電池１２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２０をカソード電極２２とアノード電極２４とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２６を備える。
【００２９】
カソード電極２２及びアノード電極２４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２０の両面に形成される。
【００３０】
燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極２２に沿って酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給するための酸化剤ガス流路２８と、前記電解質膜・電極構造体２６のアノード電極２４に沿って燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給するための燃料ガス流路３０とを有する。
【００３１】
酸化剤ガス流路２８の入口側には、酸化剤ガス入口連通孔３２ａが連通するとともに、前記酸化剤ガス流路２８の出口側には、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂが連通する。燃料ガス流路３０の入口側には、燃料ガス入口連通孔３４ａが連通するとともに、前記燃料ガス流路３０の出口側には、燃料ガス出口連通孔３４ｂが連通する。
【００３２】
なお、酸化剤ガス流路２８及び燃料ガス流路３０は、それぞれセパレータ（図示せず）により形成されるとともに、複数の燃料電池１２が積層されて燃料電池スタックを構成している。
【００３３】
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（又はスーパーチャージャ）３６を備え、前記エアポンプ３６は、酸化剤ガス供給配管３８に配設される。酸化剤ガス供給配管３８は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに連通するとともに、前記酸化剤ガス入口連通孔３２ａの近傍で分岐配管４０が分岐する。分岐配管４０には、開閉弁４２が配設されており、大気開放手段４３が構成される。
【００３４】
酸化剤ガス供給装置１４は、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに連通する酸化剤ガス排出配管４４を備える。この酸化剤ガス排出配管４４には、保圧弁４６が配設される。保圧弁４６は、燃料電池１２の運転停止時（ソーク時）に開弁されることにより、酸化剤ガス排出配管４４を大気圧に開放する。
【００３５】
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）４８を備える。この水素タンク４８は、燃料ガス供給配管５０を介して燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔３４ａに連通する。燃料ガス供給配管５０には、エゼクタ５２が設けられる。
【００３６】
燃料ガス供給装置１６は、燃料電池１２の燃料ガス出口連通孔３４ｂに連通する燃料ガス排出配管５４を備える。燃料ガス排出配管５４には、パージ弁５６が配設されるとともに、前記パージ弁５６の上流側とエゼクタ５２とには、循環配管５８が接続される。
【００３７】
エゼクタ５２は、水素タンク４８から供給される水素ガスを、燃料ガス供給配管５０を通って燃料電池１２に供給するとともに、燃料電池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、循環配管５８から吸引して、再度、前記燃料電池１２に燃料ガスとして供給する。
【００３８】
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、第１の実施形態に係る運転停止方法との関連で、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。
【００３９】
先ず、燃料電池システム１０は、通常運転される（ステップＳ１）。通常運転時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ３６を介して、酸化剤ガス供給配管３８に空気が送られる。この空気は、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａから酸化剤ガス流路２８に沿って移動することにより、カソード電極２２に供給される。
【００４０】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂから酸化剤ガス排出配管４４に排出され、保圧弁４６により供給圧力が保持された状態で、外部に排出される。
【００４１】
一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク４８から燃料ガス供給配管５０に水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料ガス供給配管５０を通って燃料電池１２の燃料ガス入口連通孔３４ａに供給される。燃料電池１２内に供給された水素ガスは、燃料ガス流路３０に沿って移動することにより、アノード電極２４に供給される。
【００４２】
使用済み（未反応の水素ガスを含む）の水素ガス（以下、水素オフガスともいう）は、燃料ガス出口連通孔３４ｂから燃料ガス排出配管５４に排出される。この水素オフガスは、循環配管５８を介してエゼクタ５２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２２に供給される空気中の酸素とアノード電極２４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。
【００４３】
一方、循環配管５８を循環する水素オフガスには、不純物が蓄積し易い。このため、不純物を混在する水素オフガスは、パージ弁５６が開放されることによって排出される。
【００４４】
次いで、燃料電池１２の運転が停止されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、酸化剤ガス供給装置１４による酸化剤ガスの供給が停止されるとともに、燃料ガス供給装置１６による燃料ガスの供給が停止される。
【００４５】
さらに、酸化剤ガス供給装置１４に設けられている保圧弁４６が開放されて保圧が停止される（ステップＳ３）。そして、ステップＳ４に進んで、大気開放手段４３を構成する開閉弁４２が開放される。従って、分岐配管４０から外部空気が吸気され、酸化剤ガス供給配管３８から燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに前記外部空気が導入される。
【００４６】
一方、酸化剤ガス排出配管４４では、保圧弁４６が開放されている。このため、酸化剤ガス排出配管４４には、外部空気が導入され、この外部空気は、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂから導入される。
【００４７】
従って、燃料電池１２の内部では、入口側及び出口側の酸素濃度が中央部の酸素濃度に比べて高くなり、酸化剤ガス流路２８（Ｃａ経路）では、図３に示す酸素濃度となる。さらに、この酸素濃度に追随して、酸素と水素との反応量、すなわち、膜劣化量が入口側と出口側とで略均等化する。
【００４８】
これに対して、大気開放手段４３を設けずに、運転停止時に酸化剤ガス出口連通孔３２ｂのみから外気が導入される従来方式では、図４に示すように、酸化剤ガス流路２８の出口側の酸素濃度及び膜劣化量が他の部位に比べて相当に大きな値となっている。このため、従来方式（出口のみ開放）では、固体高分子電解質膜２０の膜劣化が著しくなる。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、固体高分子電解質膜２０の膜劣化の集中を阻止することができる。すなわち、図３及び図４から諒解されるように、燃料電池１２全体としての水素と酸素との反応量は、従来方式と変化しないものの、酸素濃度の偏りが低減されるため、固体高分子電解質膜２０の膜劣化反応を分散させることが可能になる。これにより、簡単且つ経済的な構成及び工程で、電極面内の酸素濃度分布を低減させることができ、固体高分子電解質膜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。
【００５０】
図２に示すように、開閉弁４２が所定の時間だけ開放された後、燃料電池１２のソーク（運転停止状態）に移行する（ステップＳ５）。これにより、燃料電池システム１０の運転停止処理が終了する。
【００５１】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム７０の概略構成説明図である。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。
【００５２】
燃料電池システム７０は、酸化剤ガス供給装置７２を備える。酸化剤ガス供給装置７２は、酸化剤ガス供給配管３８と酸化剤ガス排出配管４４とを連通させるバイパス流路７４を備えるとともに、前記バイパス流路７４には、開閉弁７６が配設される。バイパス流路７４及び開閉弁７６により大気開放手段７７が構成される。
【００５３】
このように構成される燃料電池システム７０の運転停止方法について、図６に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００５４】
燃料電池システム７０は、通常運転走行を行うとともに（ステップＳ１０１）、燃料電池１２がアイドル状態か否かが判断される（ステップＳ１０２）。アイドル状態とは、例えば、イグニッションスイッチがオンされた状態で、車両走行用モータの電気的負荷が所定時間、所定値以下である状態をいう。例えば、走行用モータの回転数が、ゼロを含む所定の低速回転数である状態、燃料電池電気自動車の減速時に回生制御力を発生している状態、自動的に速度を一定に保持する走行を行っている状態等が該当する。
【００５５】
アイドル状態であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０３に進んで、アイドル停止制御が行われる。このアイドル停止制御は、アノード側に燃料ガスを流通させながら、走行可能な電力が得られる通常発電時に供給される酸化剤ガス量未満の所定量の酸化剤ガスを、カソード側に供給して発電するとともに、発電電流を外部負荷に電流を供給することによりディスチャージする。このため、燃料電池１２では、水素と酸素との電気化学的な反応が遂行され、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂから酸化剤ガス排出配管４４に排出される酸化剤オフガスは、酸素濃度が低く、窒素ガスで満たされたガスとなる。
【００５６】
さらに、燃料電池１２の停止が判断されて（ステップＳ１０４中、ＹＥＳ）、反応ガス供給停止及び保圧停止が行われた後（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０６に進む。このステップＳ１０６では、開閉弁７６が開放され、酸化剤ガス排出配管４４に残存する酸素濃度の低いガスが、バイパス流路７４から酸化剤ガス供給配管３８を通って、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給される。
【００５７】
この場合、第２の実施形態では、酸化剤ガス排出配管４４には、低酸素濃度のガスが残存しており、この低酸素濃度のガスは、燃料電池１２の酸化剤ガス出口連通孔３２ｂと、バイパス流路７４を介して酸化剤ガス入口連通孔３２ａとに供給されている。
【００５８】
従って、酸化剤ガス流路２８では、図７に示すように、入口側及び出口側の酸素濃度が通常の酸素濃度に比べて低減されるため、水素と酸素との反応量、すなわち、膜劣化量を全体として低減させることができる。
【００５９】
しかも、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂのみを大気開放する従来例に比べて、固体高分子電解質膜２０の劣化集中が良好に抑制される。これにより、固体高分子電解質膜２０の劣化が可及的に抑制されるという効果が得られる。
【００６０】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム９０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０及び第２の実施形態に係る燃料電池システム７０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。
【００６１】
燃料電池システム９０は、酸化剤ガス供給装置９２を備えるとともに、この酸化剤ガス供給装置９２は、大気開放手段４３、７７を併用する。
【００６２】
このように構成される燃料電池システム９０による運転停止方法は、図９に示すフローチャートに沿って、行われる。
【００６３】
この第３の実施形態では、実質的に、上記の第２の実施形態と同様に、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６が行われた後、ステップＳ２０７に進む。このステップＳ２０７では、大気開放手段４３を構成する開閉弁４２が開放されることにより、燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに外部空気が導入される。
【００６４】
すなわち、第３の実施形態では、先ず、大気開放手段７７を構成する開閉弁７６が開放されることにより、酸化剤ガス排出配管４４に残存された低酸素濃度の窒素ガスが、バイパス流路７４から燃料電池１２の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給されている。次いで、開閉弁４２の開放作用下に、酸化剤ガス入口連通孔３２ａに外部空気が導入されている。
【００６５】
このため、燃料電池１２では、入口及び出口の酸素濃度が低下されて電極面内の酸素濃度分布が低減された後、入口側及び出口側共に大気開放されている。これにより、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１０、７０、９０…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…固体高分子電解質膜
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質膜・電極構造体 ２８…酸化剤ガス流路
３０…燃料ガス流路 ３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３４ａ…燃料ガス入口連通孔
３４ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３６…エアポンプ
３８…酸化剤ガス供給配管 ４０…分岐配管
４２、７６…開閉弁 ４３…大気開放手段
４４…酸化剤ガス排出配管 ４６…保圧弁
４８…水素タンク ５０…燃料ガス供給配管
５２…エゼクタ ５４…燃料ガス排出配管
５８…循環配管 ７２、９２…酸化剤ガス供給装置
７４…バイパス流路 ７７…大気開放手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のアノード側に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の運転停止方法であって、
前記酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス供給配管から前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス供給配管から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給して発電を行うとともに、
前記燃料電池から前記酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス排出配管に前記酸化剤ガスを排出する一方、前記燃料電池から前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス排出配管に前記燃料ガスを排出する発電工程と、
前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス排出配管及び前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放工程と、
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、前記酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を開放することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放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３】
請求項１又は２記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス排出配管は、バイパス流路を介して前記酸化剤ガス供給配管に連通することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放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】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のアノード側に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、
前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、
を備え、
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酸化剤ガス供給配管と、
前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出するとともに、前記燃料電池の運転が停止された後、大気圧に開放される酸化剤ガス排出配管と、
前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記大気開放手段は、前記酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、前記大気開放手段は、前記酸化剤ガス排出配管と前記酸化剤ガス供給配管とを連通させるバイパス流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のアノード側に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の運転停止方法であって、
前記酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス供給配管から前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する一方、前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス供給配管から前記燃料電池に前記燃料ガスを供給して発電を行うとともに、
前記燃料電池から前記酸化剤ガス供給装置を構成する酸化剤ガス排出配管に前記酸化剤ガスを排出する一方、前記燃料電池から前記燃料ガス供給装置を構成する燃料ガス排出配管に前記燃料ガスを排出する発電工程と、
前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス排出配管及び前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放工程と、
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、前記酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を開放することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放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３】
請求項１又は２記載の運転停止方法において、前記酸化剤ガス排出配管は、バイパス流路を介して前記酸化剤ガス供給配管に連通することにより、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放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】
電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のアノード側に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、
前記燃料ガス供給装置は、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出配管と、
を備え、
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酸化剤ガス供給配管と、
前記燃料電池から前記酸化剤ガスを排出するとともに、前記燃料電池の運転が停止された後、大気圧に開放される酸化剤ガス排出配管と、
前記燃料電池の運転が停止された後、前記酸化剤ガス供給配管を大気に開放する大気開放手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記大気開放手段は、前記酸化剤ガス供給配管に配設される開閉弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池システムにおいて、前記大気開放手段は、前記酸化剤ガス排出配管と前記酸化剤ガス供給配管とを連通させるバイパス流路を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２３０８０７（Ｐ２０１２−２３０８０７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７９１３（Ｐ２０１１−９７９１３）
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【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２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２６日（２０１１．４．２６）
【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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