JP2007157492A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】構成の複雑化や大型化を招くことなく簡素な構成でシステム内部で不活性ガスを精製し、精製した不活性ガスによるパージで触媒担持カーボンの腐食を抑制し、起動性を向上することを課題とする。
【解決手段】燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池１に空気を供給し、水素循環路を閉ループとして発電を行い、発電終了後燃料電池１の触媒上で水素と酸素との燃焼反応により窒素ガスを精製し、精製した窒素ガスを燃料電池１内を除く水素循環ループに封入して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、システム内部でパージガスとなる不活性ガスを精製し、精製した不活性ガスをパージに使用する燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１に記載された技術では、燃料電池のカソード側に反応ガスのオフガスを燃料電池の入口に循環させる空気循環系を有し、システムの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、オフガスを循環させながら燃料電池内の電池反応を継続させて不活性ガスの窒素ガスを精製している。精製した窒素ガスは、触媒担持カーボンの腐食を抑制するためにカソード、アノードへパージしている。

また、特許文献２に記載された技術では、アノード系にのみ水素の循環系を有する燃料電池システムにおいて、システム停止時に発電ならびにカソードへの空気供給を停止して、燃料電池を外部抵抗に接続した状態でアノードへの水素供給を継続させながら、カソード内の酸素を消費することで窒素ガスを精製している。窒素ガスの精製後、水素の循環を継続した状態で水素の供給を遮断し、触媒上の水素と酸素の燃焼反応によってアノード系で完全に水素を消費する。これにより、アノード経路も窒素ガスと水蒸気との混合状態にし、システム停止時ならびに放置時の触媒担持カーボンの腐食を抑制している。
特開２００４−２２４８７ 特表２００４−５２１４４７

以上説明したように、上記従来の燃料電池システムにおいては、双方ともに窒素ガスの精製、またはカソード、アノードへ精製した窒素ガスをパージするための補機類の構成が多く、車両等の移動手段のような容積の決まった場所に収納するには不向きなシステムであった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の複雑化や大型化を招くことなく簡素な構成でシステム内部で不活性ガスを精製し、精製した不活性ガスによるパージで触媒担持カーボンの腐食を抑制し、起動性を向上した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとを電解質膜と触媒との複合体に与えて生じる電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された未使用の燃料オフガスを、循環経路を介して前記燃料電池に戻して再供給する循環手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの運転停止時に、前記酸化剤ガス供給手段により前記燃料電池に酸化剤を供給し、前記循環手段の前記循環経路を閉ループとして発電を行い、発電終了後前記触媒上で燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応により不活性ガスを精製し、精製した不活性ガスを前記燃料電池内を除く閉ループの前記循環経路に封入する制御手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、システムの停止時に、不活性ガスを精製して循環経路内に封入し、次回起動時に封入した不活性ガスで燃料電池をパージすることで、起動時における触媒担持カーボンの腐食を防ぐことができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と略記）１を有している。

この燃料電池１に酸化剤ガスを流す酸化剤経路は、燃料電池１に酸化剤ガスとして例えば空気を供給する空気供給経路２と、空気供給経路２に設けられて燃料電池１に空気を圧送するコンプレッサ３と、燃料電池１から未使用の空気オフガスを排出するための空気排気経路４と、空気排気経路４に設けられて燃料電池１に供給される空気の圧力を可変調整する空気調圧弁５を備えている。

燃料ガスを流す燃料経路は、燃料ガスの例えば水素を貯蔵する水素タンク６と、その下流に設けられて水素を供給する水素供給経路７と、水素供給経路７に設けられて上流側から順に、水素の供給を遮断するシャット弁８と、水素の供給圧力を可変調整する水素調圧弁９と、水素供給経路７を流通するガスの濃度を推定するガス濃度推定手段１０と、水素供給経路７を流通するガスの圧力を検出する圧力センサ１１と、シャット弁１２を備えている。

燃料電池１の水素排出口から延びる水素循環経路１３は、水素調圧弁９とガス濃度推定手段１０との間に接続され、水素循環経路１３と水素供給経路７の一部によって水素循環ループを形成している。水素循環経路１３には、燃料電池１側の上流側から水素循環ポンプ１４、シャット弁１５の順に配置されている。水素循環ポンプ１４には、ポンプの回転数を検出する回転数センサ（図示せず）が備えられいる。

水素循環ポンプ１４とシャット弁１５との間には、空気排気経路４の空気調圧弁５の下流に向かって、起動時以外の通常発電時に使用する第１のパージ経路１６が延び、第１のパージ経路１６には通常時に使用する第１のパージ弁１７が設置されている。また、第１のパージ経路１６の第１のパージ弁１７の上流部から、空気排気経路４の空気調圧弁５の下流に向かって第２のパージ経路１８が延びており、この第２のパージ経路１８には起動時に使用される第２のパージ弁１９が設置されている。第２のパージ弁１９は第１のパージ弁１７に比べて弁の径が大きく設定されている。

また、この燃料電池システムは、コントロールユニット（図示せず）を備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニット（制御手段）は、上記センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁、コンプレッサ３、水素循環ポンプ１４を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明するシステムの起動ならびに停止動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

ここで、燃料電池１内の空気経路と水素経路内がともに空気で満たされている状態から、水素経路に水素を導入すると、燃料電池セル上において水素の入口の上流と出口の下流との間で電位分布が異なる。これにより、カソード上の触媒を担持しているカーボンが腐食されてしまうことが従来から知られている。

そこで、本発明の実施例１〜４の特徴するところは、水素循環ループにシャット弁１２，１５を設け、水素循環ループで高圧状態の不活性ガスの窒素ガスを精製制御し、システム停止中に高圧で精製した窒素ガスを水素循環ループの配管内に封入するようにしたことにある。さらに、システム停止後次回の起動時に、封入した高圧の窒素ガスをパージガスとして使用することで、燃料電池１内の水素経路に滞留している空気を排出し、カーボン腐食が発生する条件を回避するようにしている。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、システムの停止制御の手順を説明する。

図２において、先ず燃料電池１が通常の発電状態において（ステップＳ１）、燃料電池１を停止させるために停止指令信号を燃料電池システムに供給する。この燃料電池システムが例えば燃料電池車両に搭載されている場合にはＩＧＮ（イグニッション）をＯＦＦにする（ステップＳ２）。その後、第１のパージ弁１７を閉とし（ステップＳ３）、シャット弁８を閉とし（ステップＳ４）、水素タンク６からの水素供給を遮断する。

次に、空気圧力、水素圧力を予め設定された所定の圧力Ｐ１まで増加させる（ステップＳ５）。このとき、水素タンク６からの水素供給は遮断されているが、シャット弁８と水素調圧弁９との間に滞留している水素を使用して水素経路の圧力を増加させる。その後、水素調圧弁９を閉とし（ステップＳ６）、水素循環ループを閉じきりにし、水素循環ポンプ１４を最高回転数まで増加させ（ステップＳ７）、循環させる水素量を最大にする。

次に、発電電流Ｉ１を演算し（ステップＳ８）、先のステップＳ７の状態で水素不足が発生しない程度の発電を行うことで、水素の消費速度、すなわち窒素ガスの精製速度を上昇させる。

ここで、図３のフローチャートを参照して、ステップＳ８の発電電流Ｉ１の演算の手順を説明する。図３において、先ずガス濃度推定手段１０で水素循環ループのガス濃度を推定し（ステップＳ８−１）、圧力センサ１１で水素循環ループのガス圧を検知し（ステップＳ８−２）、水素循環ループのガス濃度、ガス圧力、更に水素循環ポンプ１４の回転数から水素循環量を推定する（ステップＳ８−３）。

その後、先のステップＳ８−３で推定した水素循環量と発電要求水素ストイキ比とに基づいて、発電電流Ｉ１を算出する（ステップＳ８−４）。ただし、算出される発電電流Ｉ１は余裕代を含んだ値に設定する。算出後、燃料電池１の発電電流を先のステップＳ８−３で算出した発電電流Ｉ１に設定し（ステップＳ８−５）、図２のステップＳ９に示す処理を実行する。

図２に戻って、燃料電池１で発電する電流を発電電流Ｉ１に設定した後、発電電流を電流Ｉ１から燃料電池システムがアイドル状態にあるときのアイドル電流にまで低下させる制御を行う（ステップＳ９）。

この電流低下の制御は、図４に示すフローチャートに基づいて実行される。図４において、先ずガス濃度推定手段１０で水素循環ループのガス濃度を推定し（ステップＳ９−１）、圧力センサ１１で水素循環ループのガス圧力を検知し（ステップＳ９−２）、水素循環ループのガス濃度、ガス圧力、更に水素循環ポンプ１４の回転数ならびに発電電流とに基づいて、水素ストイキ比ＳＲ１を算出する（ステップＳ９−３）。

その後、算出した水素ストイキ比ＳＲ１に基づいて、発電電流を引き下げるか否かを判断する（ステップＳ９−４）。算出した水素ストイキ比ＳＲ１が発電電流における要求水素ストイキ比αよりも小さい場合は、発電電流の引き下げが必要と判断する一方、要求水素ストイキ比αよりも大きい場合は、発電電流の引き下げが不要であると判断する。ここで、要求水素ストイキ比αは余裕代を有した値に設定される。

判断の結果、電流の引き下げが不要の場合には、先のステップＳ９−１に戻る一方、電流引き下げが必要であると判断された場合には、図３のステップＳ８−４，Ｓ８−５，Ｓ８−６と同様なステップＳ９−５，Ｓ９−６，Ｓ９−７に示す処理を行った後、ステップＳ９−６で算出した電流Ｉ２まで発電電流を引き下げる。

次に、発電電流Ｉ２とアイドル発電電流とを比較する。比較の結果、発電電流Ｉ２がアイドル発電電流となっていない場合は、先のステップＳ９−１に示す処理を行う一方、発電電流Ｉ２がアイドル発電電流となった場合には、図２のフローチャートに戻って、燃料電池１から電流の引き出しを解除して発電を停止するか否かを判断する（ステップＳ１０）。

この判断は、図５に示すフローチャートに基づいて行われる。図５において、先ず図４に示すステップＳ９−１〜Ｓ９−３と同様して水素ストイキ比ＳＲ２を算出する（ステップＳ１０−１〜Ｓ１０−３）。続いて、算出した水素ストイキ比ＳＲ２に基づいて、電流引き出し解除を判断する（ステップＳ１０−４）。すなわち、水素ストイキ比ＳＲ２がアイドル発電電流における要求水素ストイキ比βよりも大きい場合は、発電停止が不要と判断して先のステップＳ１０−１に示す処理を行う一方、要求水素ストイキ比βよりも小さい場合は、発電停止が必要と判断して、燃料電池１からの電流の引き出しを解除し発電を停止する（ステップＳ１０−５）。ここで、アイドル発電電流における要求水素ストイキ比βは余裕代を有した値に設定される。

再び図２に示すフローチャートに戻って、燃料電池１の発電が停止すると、ガス濃度推定手段１０で水素循環ループの水素濃度Ｄ１を推定する（ステップＳ１１）。その後、推定した水素濃度Ｄ１に基づいて、水素循環ポンプ１４を停止するか否かを判断する（ステップＳ１２）。すなわち、推定した水素濃度Ｄ１と所定水素濃度γとを比較し、水素濃度Ｄ１が所定水素濃度γよりも大きい場合は、水素循環ポンプ１４の停止が不要と判断して先のステップＳ１に示す処理を実行する。一方、水素濃度Ｄ１が所定水素濃度γよりも小さい場合には、水素循環ポンプ１４の停止が必要と判断して水素循環ポンプ１４を停止する（ステップＳ１３）。上記所定水素濃度γは、燃料電池１の空気系、水素系がともに空気で満たされている場合に水素経路に水素ガス（不純ガスとして窒素、酸素、水蒸気を含む）を投入しても、燃料電池１のＰｔ触媒を担持しているカーボンが腐食しない水素濃度ならびに水素の可燃濃度から決定される水素濃度よりも低い値に設定する。

次に、シャット弁１２を閉にし（ステップＳ１４）、シャット弁１５を閉にする（ステップＳ１５）。シャット弁１２，１５を閉にすることで、先のステップＳ１〜Ｓ１３に示す処理を実行した結果水素循環ループに精製した窒素ガスを、燃料電池１を含まない側のシャット弁１２とシャット弁１５との間の水素循環ループに封入することができる。

その後、第１のパージ弁１７を開にして（ステップＳ１６）、燃料電池１内の圧力を脱圧し、コンプレッサ３を停止する（ステップＳ１７）。さらに、空気調圧弁５を開放し（ステップＳ１８）、空気系の燃料電池１内の圧力を脱圧する。最後に、第１のパージ弁１７を閉にして（ステップＳ１９）、燃料電池システムの停止が完了する（ステップＳ２０）。

次に、図６に示すフローチャートを参照して、上述した停止制御によって停止された燃料電池システムを起動する際の制御手順を説明する。図６において、先ず燃料電池システムを起動する起動信号、例えば燃料電池車両の場合にはイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）をオンにした後（ステップＳ３１）、水素循環ポンプ１４を起動する（ステップＳ３２）。ここで、水素循環ポンプ１４の回転数は水素循環ポンプ１４に大きな負荷がかからない程度の値に設定する。

続いて、第２のパージ弁１９を開として（ステップＳ３３）、燃料電池１の水素経路内に滞留するガスを放出する準備をする。引き続いて、シャット弁１２を開とし（ステップＳ３４）、システム停止時に燃料電池１を含まないシャット弁１２とシャット弁１５との間の水素循環ループに封入されていた窒素ガスを燃料電池１内に導入し、燃料電池１内に滞留していた空気をシステム外へ排出する。

その後、圧力センサ１１で水素循環ループの圧力Ｐ２を検知し（ステップＳ３５）、検知した圧力に基づいて第２のパージ弁１９を閉じるか否かを判断する（ステップＳ３６）。すなわち、検知された圧力Ｐ２と所定の圧力値δとを比較し、圧力Ｐ２が所定の圧力値δよりも大きい場合は、先のステップＳ３１に示す処理を実行する一方、圧力Ｐ２が所定の圧力値δよりも小さい場合は、第２のパージ弁１９を閉とし（ステップＳ３７）、システム外への空気のパージを終了する。

その後、シャット弁１５を開とし（ステップＳ３８）、空気の供給、水素の供給を開始して（ステップＳ３９）、通常発電を開始する（ステップＳ４０）。

以上説明したように、上記実施例１においては、システム停止時に水素循環ループに窒素ガスを生成して封入し、次回起動時に封入した窒素ガスを燃料電池１に導入して水素系路に滞留する空気をパージすることが可能となる。これにより、燃料電池１の空気経路内に酸素が存在する状態でシステムを起動した際に、酸素／水素ガス境界が燃料電池１のアノード極側で発生し、この酸素／水素ガス境界が燃料電池１の水素経路内を通過することを防止することができる。この結果、起動時における燃料電池１のＰｔ触媒担持カーボンの腐食を防ぐことができる。

通常発電時に用いる第１のパージ弁１７と起動時に用いる第２のパージ弁１９の２つのパージ弁を備え、第２のパージ弁１９は第１のパージ弁１７よりも径を大きくすることで、起動時に水素循環ループに存在する水素以外の不純物ガスの排出速度が向上し、起動時間を短くすることができる。

燃料電池１を含まないシャット弁１２とシャット弁１５との間水素循環ループの体積に窒素ガスを所定圧力で封入させた場合の封入された窒素ガスの標準体積が、燃料電池１内の水素系路容積よりも大きくなるように設定する。これにより、システム起動時に燃料電池１内の水素経路内をすべて置換することのできる窒素ガスを、燃料電池１を含まない水素循環ループに封入することができる。

ここで、窒素ガスの封入圧力は、システムの通常運転時に燃料電池１が許容できる最低水素濃度と、燃料電池１が許容できる反応ガスの最高の圧力とに基づいて算出される水素ガス以外のガス分圧に設定する。これにより、窒素ガスを封入する際に、シャット弁１２とシャット弁１５に挟まれた燃料電池１を含まない側の水素循環ループを構成する配管ならびに容積部の容積を可能な限り小さくすることができる。

通常運転時に定常的に許容される燃料電池１内の各経路の耐圧と、空気系と水素系との間の耐差圧との双方を満足させ、かつ水素系よりも空気系の圧力が高くなるように空気系、水素系の圧力を設定してシステムを停止する制御手法を採用することで、空気系から水素系に透過してくる酸素量が多くなり、水素経路での透過してきた酸素と水素との触媒上燃焼による水素消費速度を速めることができる。また、空気系から水素系に透過してくる窒素量が多くなり、水素経路内への窒素蓄積速度を速くすることができる。

ガス濃度推定手段１０と水素循環ポンプ１４の回転数とに基づいて推定される循環水素の発電要求水素量に対する過剰率（ストイキ比）が、所定の値以下になった場合に電流の引き出しを解除することで、水素スタベーションを起こすことなく、迅速に水素を消費して水素循環ループを窒素ガスに置換することができる。

水素循環ループの水素ガス濃度が所定値以下に低下したときに、水素循環ポンプ１４を停止して精製した窒素を封入することで、水素循環ループの水素を完全に消費することを防ぎ、水素循環ループに酸素が存在してしまうことを防止することができる。

水素循環ポンプ１４を停止する際の水素ガス濃度の上記所定値は、燃料電池１の空気系、水素系がともに空気で満たされている場合に水素経路に水素ガス（不純ガスとして窒素、酸素、水蒸気を含む）を投入しても、Ｐｔ触媒を担持しているカーボンが腐食しない程度の水素濃度で、かつ可燃濃度以下の水素濃度よりも低い値に設定することで、水素循環ループの水素を完全に消費することを防ぎ、水素循環ループに酸素が存在してしまうことを防止することができる。さらに、水素に対する安全を確保することができるため、システム起動時に水素循環ループに封入された窒素ガスで燃料電池１内をパージし、パージガスをそのまま水素循環ループから大気へ放出する際に、水素の希釈手段を用意しなくてもよい。

圧力センサ１１で検知された水素循環経路１３のガス圧力が、大気圧よりも高い値に設定された所定値以下になったときに、第２のパージ弁１９を閉じて窒素ガスによるパージを終了することで、第２のパージ弁１９を介してシステム外から空気が逆流してくるのを防ぐことができる。

燃料電池システムの通常発電時の運転圧力は、定常的に許容される最大圧力までの範囲の一定圧運転、または燃料電池の運転負荷や温度に基づく可変圧運転とし、システムのアイドル時またはアイドルストップ時など停止シーケンスに遷移する直前の燃料電池１の運転状態においては、定常的に水素ストイキ比を確保可能な最高窒素濃度となるように空気圧力、水素圧力、窒素パージ条件を設定する手法を採用することで、この手法を採用しない場合に比べて停止シーケンス中の窒素ガス精製時間が短くなり、システムの停止時間を短縮することができる。

図７は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例２のシステムの特徴とするところは、先の図１に示す実施例１の構成に比べて、水素循環ポンプ１４をシャット弁１５の下流の水素循環経路１３に配置したことにあり、他は図１と同様である。

このような構成を採用することで、水素循環ポンプ１４内の容積を窒素ガスを封入するバッファ部（容積部）として利用することが可能となり、バッファ部の容積としての配管容積を抑えることができる。

図８は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図８に示す実施例３のシステムの特徴とするところは、先の図１に示す実施例１の構成に比べて、水素循環ループに窒素ガスを封入する際のバッファ部（容積部）として機能するタンク３０を設けたことにあり、他は図１と同様である。

このような構成を採用することで、窒素ガス精製時の圧力を低く抑えることができる。

図９は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図９に示す実施例４のシステムの特徴とするところは、先の図１に示す実施例１の構成に比べて、図９に示すようにコンプレッサ３の下流に可変弁２０を設け、この可変弁２０の下流の空気供給経路２とシャット弁１２の上流の水素循環ループとの間を連結する配管２１を設け、この配管２１にシャット弁２２を設けたことにある。さらに、水素循環ポンプ１４をシャット弁１５の下流に配置し、水素循環ポンプ１４とシャット弁１５との間の水素循環経路１３と空気調圧弁５の上流の空気排気経路４との間を連結する配管２３を設け、この配管２３にシャット弁２４を設けたことにあり、他は先の図１と同様である。

次に、図１０に示すフローチャートを参照して、この実施例２におけるシステムの停止制御の手順を説明する。

図１０において、先ず燃料電池１が通常の発電状態において（ステップＳ５１）、燃料電池１を停止させるために停止指令信号を燃料電池システムに供給する。この燃料電池システムが例えば燃料電池車両に搭載されている場合にはＩＧＮ（イグニッション）をＯＦＦにし（ステップＳ５２）、燃料電池１の発電を停止する（ステップＳ５３）。

その後、第１のパージ弁１７を閉とし（ステップＳ５４）、シャット弁８を閉とし（ステップＳ５５）、水素調圧弁９を閉として水素循環ループを閉じきりとし（ステップＳ５６）、シャット弁１２を閉とし（ステップＳ５７）、シャット弁１５を閉とする（ステップＳ５８）。続いて、シャット弁２２を開け（ステップＳ５９）、シャット弁２４を開ける（ステップＳ６０）。これにより、燃料電池１を含まない側のシャット弁１２とシャット弁１５との間の水素経路と燃料電池１の空気経路が連結され、後述する図１２の太線ａで示す空気系と水素系を介した循環経路（閉ループ）が形成される。

次に、水素循環ポンプ１４を最高回転数で回転させ（ステップＳ６１）、可変弁２０の開度を調節して（ステップＳ６２）、空気系と水素系を介した循環経路に空気を供給し、圧力を所定値Ｐ３まで上昇させる（ステップＳ６３）。ここで、所定値Ｐ２は燃料電池１の耐圧によって決まるものであり、ここでは余裕代を持って設定される。その後、可変弁２０を閉とし（ステップＳ６４）、空気系と水素系を介した循環経路を閉じきりとして、窒素ガスの精製を行う（ステップＳ６５）。

次に、図１１のフローチャートを参照して、この窒素ガスの精製制御の手順を説明する。図１１において、先ず窒素ガスの精製制御が開始されると（ステップＳ６５−１）、ガス濃度推定手段１０で水素濃度Ｄｈと酸素濃度Ｄｏを推定する（ステップＳ６５−２）。その後、推定した濃度に基づいて水素濃度が低下しているか否かを判断する（ステップＳ６５−３）。すなわち、水素濃度Ｄｈを窒素ガス精製終了判断しきい値の一つである所定の水素濃度Ｄｉと比較し、水素濃度Ｄｈが所定の水素濃度Ｄｉよりも小さい場合は、水素濃度が低下しているものと判断する。一方、水素濃度Ｄｈが所定の水素濃度Ｄｉよりも大きい場合には、水素濃度は低下していないものと判断する。ここで、所定の水素濃度Ｄｉは、燃料電池１の空気系、水素系がともに空気で満たされている場合に水素経路に水素ガス（不純ガスとして窒素、酸素、水蒸気を含む）を投入しても、Ｐｔ触媒を担持しているカーボンが腐食しない水素濃度で、かつ水素の可燃濃度よりも低い値に設定する。

上記判別の結果、水素濃度が低下しているものと判断された場合には、続いて先のステップＳ６５−２で推定された酸素濃度Ｄｏが低下しているか否かを判断する（ステップＳ６５−４）。すなわち、酸素濃度Ｄｏによって窒素ガス精製終了判断要素の一つである酸素の有無を判定する。酸素濃度Ｄｏが検知されなければ、窒素ガスの精製は終了したものと判断する。一方、酸素濃度Ｄｏが検知されれば、相対的に水素ガスが不足していたものと判断する。

なお、酸素濃度Ｄｏが検知されたガスをバッファ部へ封入し、次回起動時にパージガスとしてそのガスを使用した場合には、白金を担持しているカーボンの腐食を引き起こすおそれがある。

酸素濃度が低下していないものと判断された場合には、酸素に対して相対的に水素が不足しているものと判断し、不足している水素の量を制御して供給する。先ず、圧力センサ１１でガス圧力を検知し（ステップＳ６５−６）、このガス圧とステップＳ６５−２で推定したガス濃度ならびに水素循環ポンプ１４の回転数とに基づいて、各ガスの循環量を推定する（ステップＳ６５−７）。その後、推定した各ガスの循環量に基づいて供給水素量を算出し（ステップＳ６５−８）、算出した供給水素量を燃料電池１に供給する（ステップＳ６５−９）。

一方、先のステップＳ６５−３で示す判断処理において、水素濃度が低下していないものと判断された場合には、窒素ガスの精製が不完全であることはすでにわかっているため、窒素ガス精製に必要な酸素が不足しているか否かを判断するために酸素濃度が低下しているか否かを判断する（ステップＳ６５−１０）。すなわち、酸素濃度Ｄｏが検知されなければ、窒素ガス精製に必要な酸素が不足しているものと判断する一方、酸素濃度Ｄｏが検知されれば酸素は不足していないものと判断し先のステップＳ６５−１に示す処理に戻る。 先のステップＳ６５−１０の判断結果において、酸素が不足しているものと判断された場合には、水素に対して相対的に酸素が不足しているものと判断し、不足している酸素の量を制御して供給する。先ず、圧力センサ１１でガス圧力を検知し（ステップＳ６５−１１）、このガス圧とステップＳ６５−２で推定したガス濃度ならびに水素循環ポンプ１４の回転数とに基づいて、各ガスの循環量を推定する（ステップＳ６５−１２）。その後、推定した各ガスの循環量に基づいて供給空気量を算出し（ステップＳ６５−１３）、算出した供給空気量を燃料電池１に供給する（ステップＳ６５−１４）。

一方、先のステップＳ６５−４の判断結果において、酸素濃度が低下している、すなわち酸素が検知されなかった場合には、窒素ガスの精製は終了し、図１０のステップＳ６６に示す処理を実行する（ステップＳ６５−５）。

図１０に戻って、窒素ガスの精製が終了すると、精製後の窒素ガスの封入とシステム停止動作に移行する。すなわち、シャット弁２２を閉とし（ステップＳ６６）、シャット弁２４を閉とし（ステップＳ６７）、水素循環ポンプ１４を停止する（ステップＳ６８）。引き続いて、空気調圧弁５を開にし（ステップＳ６９）、可変弁２０を開にし（ステップＳ７０）、コンプレッサ３を停止し（ステップＳ７１）、燃料電池システムを停止する（ステップＳ７２）。

以上説明したように、上記実施例４においては、先の実施例１で得られる効果に加えて、図１０の符号ａの太線で示す、水素供給経路７、配管２１、燃料電池１の空気系経路、配管２３ならびに水素循環ポンプ１４が配置された水素循環経路１３で構成されるガス流通経路に、水素と空気の混合ガスを循環させることが可能となる。これにより、燃料電池１のカソード触媒上で混合ガスを燃焼反応させることで、窒素ガスの精製時間はガスのクロスオーバ速度で律則されるが、先の図１の構成に比べて精製時間を短縮することが期待できる。

また、混合ガスの燃焼反応により、循環経路内の圧力は低下するが、可変弁２０や水素調圧弁９の開度を調整することで、空気や水素の供給が可能なため、最も高い圧力で窒素ガスを封入することが可能となる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例４に係る動作の手順を示すフローチャートである。 実施例４における閉ループを示す図である。

符号の説明

１…燃料電池
２…空気供給経路
３…コンプレッサ
４…空気排気経路
５…空気調圧弁
６…水素タンク
７…水素供給経路
８，１２，１５，２２，２４…シャット弁
９…水素調圧弁
１０…ガス濃度推定手段
１１…圧力センサ
１３…水素循環経路
１４…水素循環ポンプ
１６…第１のパージ経路
１７…第１のパージ弁
１８…第２のパージ経路
１９…第２のパージ弁
２０…可変弁
２１，２３…配管
３０…タンク

Claims (13)

1. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとを電解質膜と触媒との複合体に与えて生じる電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池から排出された未使用の燃料オフガスを、循環経路を介して前記燃料電池に戻して再供給する循環手段と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの運転停止時に、前記酸化剤ガス供給手段により前記燃料電池に酸化剤を供給し、前記循環手段の前記循環経路を閉ループにして発電を行い、発電終了後前記触媒上で燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応により不活性ガスを精製し、精製した不活性ガスを前記燃料電池内を除く閉ループの前記循環経路に封入する制御手段
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記循環経路に連結され、前記燃料電池の通常発電時にパージ処理を行う際に開放される第１のパージ弁と、
   前記第１のパージ弁と並列に前記循環経路に連結され、弁径が前記第１のパージ弁よりも大きく設定され、前記燃料電池システムの起動時に前記循環経路に封入された不活性ガスを前記燃料電池に導入してパージを行う際に開放される第２のパージ弁と
   を有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。
3. 前記循環経路に封入された前記不活性ガスの体積は、燃料ガスが流通する前記燃料電池内の容積よりも大きく設定されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環経路に封入される不活性ガスの封入圧力は、前記燃料電池システムの通常運転時において前記燃料電池が許容できる燃料ガスの最低濃度と、前記燃料電池が許容できる最高圧力とに基づいて算出される燃料ガス以外のガス分圧とする
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、
   前記燃料電池システムの運転を停止する際に、先ず前記燃料電池の燃料ガスならびに酸化剤ガスの流通経路の圧力をそれぞれ所定の圧力にする第１のステップと、
   前記酸化剤ガス供給手段で前記燃料電池に酸化剤ガスを供給し、前記循環経路を閉ループの状態で燃料ガスを循環させて前記燃料電池を発電させて電流を取り出す第２のステップと、
   電流の取り出しを停止する第３のステップと、
   前記不活性ガスの精製後前記循環手段による燃料ガスの循環を停止し、精製した不活性ガスを前記循環経路に封入する第４のステップと、
   前記燃料電池内の燃料ガスならびに酸化剤ガスの流通経路の圧力を大気圧とし、前記燃料電池システムの運転を停止する第５のステップと
   を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１のステップの所定の圧力は、前記燃料電池システムの通常運転時に定常的に許容される前記燃料電池内の燃料ガスならびに酸化剤ガスのそれぞれの流通経路の耐圧と、燃料ガスの流通経路と酸化剤ガスの流通経路との間の耐差圧の範囲内で、かつ燃料ガスの流通経路よりも酸化剤ガスの流通経路の圧力が高くなるように設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記循環経路に設けられ、前記循環経路を流通するガスの濃度を推定するガス濃度推定手段と、
   前記循環手段に含まれて燃料ガスを循環させる循環ポンプの回転数を検出する回転数検出手段とを備え、
   前記ガス濃度推定手段で推定されたガス濃度と前記回転数検出手段で検出された回転数とに基づいて推定される前記循環経路を循環する燃料ガスに対する前記燃料電池発電時要求燃料ガス量の過剰率（ストイキ比）が、予め設定された所定値以下になった場合に前記第３のステップで電流の取り出しを停止する
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記循環経路に設けられ、前記循環経路を流通するガスの濃度を推定するガス濃度推定手段を備え、
   前記ガス濃度推定手段で推定された燃料ガスの濃度が予め設定された所定値以下になった場合に、前記第４のステップで燃料ガスの循環を停止する
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
9. 前記所定値は、前記燃料電池内の燃料ガスの流通経路ならびに酸化剤ガスの流通経路がともに酸化剤ガスで満たされた状態で燃料ガスの流通経路に燃料ガスを投入した場合に、前記触媒を担持しているカーボンが腐食しない程度の燃料ガス濃度で、かつ可燃濃度以下を満足させる濃度よりも低い濃度に設定される
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記循環経路に連結され、前記燃料電池の通常発電時にパージ処理を行う際に開放される第１のパージ弁と、
    前記第１のパージ弁と並列に前記循環経路に連結され、弁径が前記第１のパージ弁よりも大きく設定され、前記燃料電池システムの起動時に前記循環経路に封入された不活性ガスを前記燃料電池に導入してパージを行う際に開放される第２のパージ弁とを備え、
    前記制御手段は、
    前記第２のパージ弁を開放する第１のステップと、
    前記燃料電池に前記循環経路に封入された燃料ガスを導入し、燃料電池内を導入した不活性ガスで置換し、開放された前記第２のパージ弁を介して燃料電池内に残留していたガスを前記燃料電池システム外へ放出する第２のステップと、
    前記第２のパージ弁を閉じてパージ処理を終了する第３のステップと、
    通常運転時の圧力、流量で燃料ガスならびに酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、発電により得られた電流を取り出す第３のステップと
    を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記循環経路に設けられ、前記循環経路を流通するガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
    前記圧力検出手段で検出された圧力が、大気圧よりも高い値に設定された圧力以下になった場合に前記第２のステップから前記第３のステップに遷移する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池システムの通常発電時の運転圧力は、定常的に許容される最大圧力までの範囲の一定圧運転、または燃料電池の運転負荷や温度に基づく可変圧運転とし、前記燃料電池システムが運転状態から停止シーケンスに移行する直前の前記燃料電池システムの運転状態においては、定常的に燃料ガスのストイキ比を確保可能な最高の不活性ガス濃度となるように燃料ガスの圧力、酸化剤ガスの圧力、ならびに不活性ガスによるパージ条件を設定する
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
13. 燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとを電解質膜と触媒との複合体に与えて生じる電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池から排出された未使用の燃料オフガスを、循環経路を介して前記燃料電池に戻して再供給する循環手段と
    を有する燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池内の燃料ガスの流通経路を除く前記循環経路と前記燃料電池の酸化剤ガスの流通経路とを選択的に連結し、前記燃料電池内の燃料ガスの流通経路を除く前記循環経路と前記燃料電池の酸化剤ガスの流通経路とで閉ループを形成する閉ループ形成手段と、
    前記燃料電池システムの運転停止時に、前記閉ループ形成手段で形成された閉ループに燃料ガスまたは酸化剤ガスを導入して燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを前記閉ループに循環させ、前記触媒上で燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼反応により不活性ガスを精製し、精製した不活性ガスを前記燃料電池内を除く閉ループの前記循環経路に封入する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。

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