JP2009289540A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止中にスタックケースからセル内へ空気中の酸素が浸入し、次回起動時に燃料電池スタックが劣化することを防止する。
【解決手段】燃料電池システム停止時に、燃料電池スタック２の発電を継続した状態でカソード４から排出される酸素濃度が低下した酸化剤極排気を生成する。酸化剤極排気は、排気導入管１９，ケース導入弁２０，ケース導入配管２１を介して、スタックケース５の内部空間へ導入される。スタックケース５中の空気は、ケース排出配管２２、ケース排出弁２３を介して外気へ押し出される。スタックケース中のガス置換が終わると、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を閉じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池システム及びその運転方法に係り、特に、燃料電池の劣化を抑制することができる燃料電池システム及びその運転方法に関する。

車載用の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体である燃料電池スタックは、通常スタックケースに収納されている。これは、飛び石等の外力による機械的な損傷から燃料電池スタックを保護するためである。

従来の燃料電池システムは、主要負荷の遮断によってシャットダウンしたときに、空気供給を遮断し、燃料供給制御し（燃料供給の遮断も含む）、ガス排気制御し、セル中の全酸素を水素との反応で消費する。少なくとも０．０００１％（体積比）の水素、望ましくは１．０％〜４．０％（体積比）未満の間の水素とし、残りのガスが窒素や不活性で燃料電池に悪影響を与えないガスの気体組成で全セルが平衡状態になるようにする。シャットダウンしている間にセルの中へ空気が浸入し反応して消費された分だけ水素を加えて補うことで、そのガス組成はシャットダウン中もセル内で維持される。このシャットダウン手順により、燃料電池スタックの劣化を防止している（例えば、特許文献１）。
米国特許６６３５３７０

しかしながら上記従来技術においては、燃料電池スタック内の酸素を消費してセル内のガス組成を水素を含有する還元性としても、停止中には徐々にスタックケースからセル内へ空気中の酸素が浸入する。このため、次回起動時に燃料電池スタック内の酸化剤ガスが多い状態でアノードに燃料ガスを供給すると、アノード内部における局部電池反応により燃料電池スタックの劣化を招く虞があるという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックを覆うスタックケースと、スタックケース内に酸素濃度が低い低酸素濃度ガスを導入する低酸素濃度ガス導入手段と、制御装置とを備えている。そして、燃料電池システムの停止時に、低酸素濃度ガス導入手段により低酸素濃度ガスをスタックケース内へ導入するように制御し、燃料電池システム停止中にスタックケース内の酸素分圧を大気中よりも低くすることを要旨としている。

上記構成の本発明によれば、燃料電池システムの停止時にスタックケース内に低酸素濃度ガスを導入しているので、システム停止後に、スタックケースから燃料電池スタック内へガス漏れが生じても燃料電池スタック内の酸素分圧の上昇を抑制することができる。従って、燃料電池システム起動時に、アノードへ燃料ガス供給したときの燃料電池の劣化を防止することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、起動停止が比較的頻繁に行われる燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、固体高分子型の燃料電池本体である燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、燃料ガスとして水素が供給されるアノード（燃料極）３と、酸化剤ガスとして空気が供給されるカソード（酸化剤極）４を備える。アノード３、カソード４では、次に示す電気化学反応により発電する。
［アノード］：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- （化１）
［カソード］：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ (1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （化２）
燃料電池スタック２は、燃料電池スタック２を機械的な外力から保護するためにスタックケース５へ納められている。

水素供給装置６は、燃料ガスとして水素を供給するものである。水素供給装置６は、例えば、各種の水素貯蔵装置や原燃料を改質して水素を発生する燃料改質装置等が利用可能である。水素供給弁７は、水素供給装置６から供給される水素の圧力・流量を調整する。水素供給弁７で圧力・流量が調整された水素は、水素供給路８を介してアノード３へ供給される。アノード３で消費されなかった水素は、水素循環路９及び水素循環ポンプ１０を介してアノード３へ戻される。また、水素循環路９に接続する水素排出路１２と水素排出路１２を開閉するパージ弁１１が設けられている。

水素循環路９，水素循環ポンプ１０及びアノード３からなる水素循環系に、液水や窒素等の不純物ガスが蓄積すると、水素循環を妨げたり、水素分圧が低下して発電効率する。このような場合に、パージ弁１１が開かれ、液水や不純物ガスを水素循環系から放出可能となっている。

空気供給装置１３は、酸化剤ガスとして空気を供給するものである。空気供給装置１３は、必要なカソード圧力に応じてブロアや空気コンプレッサを利用する。空気供給装置１３は、開閉弁を用いた空気供給弁１４、空気供給路１５を介して、カソード４へ空気を供給する。カソード４は、供給された空気中の酸素を発電のために消費する。酸素の一部が発電により消費された酸化剤極排気（カソードオフガス）は、空気排出路１６、空気圧力調整弁１７及び排気管１８を介して外気へ排出される。空気圧力調整弁１７は、カソード背圧を調整することにより、カソード４における空気圧力を調整する弁である。

排気管１８には、排気導入管１９の一端が接続されている。排気導入管１９の他端はケース導入弁２０を介してケース導入配管２１の一端に接続されている。ケース導入配管２１の他端は、スタックケース５の内部に開口している。また、スタックケース５には、スタックケース５から排気するためのケース排出管２２が設けられている。ケース排出管２２には、開閉弁を用いたケース排出弁２３が設けられている。

ここで、排気導入管１９、ケース導入弁２０、ケース導入配管２１、ケース排出管２２、及びケース排出弁２３は、スタックケース５の内部へ低酸素濃度ガスを導入する低酸素濃度ガス導入手段を構成している。

制御装置４０は、燃料電池システム１の全体を制御して、燃料電池システムの起動、運転、停止を制御する装置である。また制御装置４０は、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を制御して、燃料電池システムの停止時または停止予測時に、スタックケース５の内部へ、燃料電池システムが曝される大気の酸素分圧より酸素分圧が低い低酸素濃度ガスを導入して、燃料電池システムを停止する。より好ましくは、燃料電池システム起動時においても大気中の酸素分圧より低くなるように燃料電池システムを停止する。又は、燃料電池システム停止中は大気中の酸素分圧より低くなるように維持する制御を行うこととしてもよい。

燃料電池システムを搭載した車両の場合、この車両の停止シーケンス中に、低酸素濃度ガスをスタックケース５内へ導入してもよい。

制御装置４０は、燃料電池システムの停止あるいは燃料電池車両の停止を予測する停止予測手段４１を備えている。また、制御装置４０には、車速センサ４２，ナビゲーション装置４３，パーキングブレーキセンサ４４，及びセレクトレバーポジションセンサ４５が接続されている。

制御装置４０は、特に限定されないが、本実施例では、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして制御装置４０の制御機能は、プログラムＲＯＭに格納された制御プログラムをＣＰＵが実行することにより実現される。

停止予測手段４１は、例えば次の（１）〜（３）のいずれかの条件が成立したときに燃料電池システムあるいは燃料電池車両の停止を予測する。（１）車速センサ４２が検出した車速が０ｋｍ／ｈの状態が一定時間以上継続したとき、（２）ナビゲーション装置４３による経路誘導中に目的地へ車両が到達したとき、（３）燃料電池車両のアイドルストップ条件が成立したとき。

さらに停止予測手段４１は、制御装置４０が車両が走行できないモードを検出したとき、例えば、（４）パーキングブレーキセンサ４４がパーキングブレーキが掛けられたことを検出した場合、（５）セレクトレバーポジションセンサ４５がパーキングポジションあるいはバックポジションを検出した場合にも停止を予測する。

制御装置４０は、燃料電池システムの停止時あるいは停止予測時に、低酸素濃度ガス導入手段によりスタックケース５の内部へ低酸素濃度ガスを導入する制御を行う。

燃料電池システムが停止することを予測して、スタックケース内へ低酸素濃度ガスの導入を開始すると、燃料電池システムを停止させるまでの所要時間を増加させることなく、燃料電池スタックの耐久性を向上することができるという効果がある。

尚、燃料電池システム１には、燃料電池スタック２を発電に適した温度に維持するために冷却液を循環させる冷却系が設けられている。また燃料電池スタック２から発電電力を取り出すための電力系が設けられている。これら冷却系及び電力系は、通常の燃料電池システムと特に変わりがないので図示を省略する。

次に、図１２のフローチャート例を参照して、本実施例における燃料電池システム停止時の制御装置による処理を詳細に説明する。この処理は、燃料電池システムの停止時、あるいは停止予測手段４１により燃料電池システムまたは燃料電池車両の停止が予測されたときに呼び出されて、制御装置４０により実行される処理である。

図１２のフローチャートに記載した処理は、通常の燃料電池システム停止処理の前に、低酸素濃度ガスを生成する生成過程、低酸素濃度ガスをスタックケースへ導入する導入過程、及び導入した低酸素濃度ガスをスタックケース内に密閉する密閉過程を実行することに特徴がある。

まず最初に、ステップ（以下ステップをＳと略す）１０において、制御装置４０は燃料電池スタック２の発電を継続して低酸素濃度ガスである酸化剤極排気を生成する。燃料電池スタック２の発電を継続した状態とは、アノード３に水素を供給し、カソード４に空気を供給し、燃料電池スタック２から出力を取り出し、冷却液を燃料電池スタック２へ循環させる状態である。このとき、冷却系を制御して燃料電池スタック２の温度を上昇させることにより、酸化剤極排気の温度を上昇させてもよい。酸化剤極排気の温度を上昇させると、この酸化剤極排気をスタックケース内へ密封した後に温度が下がり、スタックケース内の圧力が下がる効果がある。

Ｓ１０における燃料電池スタック２の負荷は、発電停止前の低負荷運転状態であるとすれば、酸化剤極排気は、例えば、７〜１４％の酸素濃度となっている。これは空気中の酸素濃度約２１％より十分低い酸素濃度の低酸素濃度ガスである。Ｓ１０が低酸素濃度ガス生成過程である。

次いでＳ１２で、制御装置４０は、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を開く。次いでＳ１４で、低酸素濃度ガスである酸化剤極排気が空気圧力調整弁１７、排気導入管１９、ケース導入弁２０、及びケース導入配管２１を介してスタックケース５の内部へ導入される。同時に、スタックケース５内部の空気は、酸化剤極排気によりケース排出配管２２、ケース排出弁２３を介して外気へ押し出される。こうして、スタックケース５内が酸化剤極排気に置換される。このとき、スタックケース５へ導入されない酸化剤極排気は排気管１８より外気へ排出される。

次いでＳ１６で、スタックケース５内への低酸素濃度ガスの導入が完了したか否かを判定する。Ｓ１６の判定で、低酸素濃度ガス導入完了条件が成立していなければ、Ｓ１４へ戻る。この判定には、酸化剤極排気を導入し始めてからの経過時間や、スタックケース５内に設けた酸素濃度センサによる検出値を用いる。この経過時間や酸素濃度の判定値は、燃料電池の発電状態やスタックケース５内の空間容量、配管の断面積、長さ、弁の開口面積等により異なる。従って、実機による実験やシミュレーションにより求める。

この実験は、例えば、通常の空気をスタックケース５に満たした状態から始める。そして燃料電池スタック２を発電停止前の低負荷状態に設定する。この低負荷状態とは、例えば燃料電池車両では、アイドルストップ直前の負荷状態である。より具体的には、燃料電池スタックから車両用駆動電力を取り出すことなく、燃料電池の補機消費電力を燃料電池スタックの発電電流で賄っている状態である。この低負荷状態に応じた反応ガス供給、冷却液供給を継続した状態で、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を開く。そして、一定時間毎にスタックケース５内の酸素濃度を計測する。この酸素濃度の計測値は、計測を開始してから時間経過とともに酸素濃度が低下する。そして酸素濃度の低下速度は、時間経過とともに遅くなり、最終的には酸化剤極排気の酸素濃度に収束する。しかし、スタックケース内の低酸素濃度ガス置換に十分時間をかけることは燃費と時間の無駄である。従って、最終的な酸素濃度低下幅の例えば９割程度、酸素濃度が低下したときまでの経過時間をＳ１６で用いる終了判定用の経過時間値に設定する。酸素濃度センサをスタックケース内に設置する場合も同様の考え方とする。最終的な酸素濃度低下幅の例えば９割程度、酸素濃度が低下したときの酸素濃度を終了判定値とする。Ｓ１２からＳ１６までが低酸素濃度ガス導入過程である。

Ｓ１６の判定で、低酸素濃度ガス導入完了条件が成立していれば、Ｓ１８へ進み、ケース排出弁２３を閉じる。次いでＳ２０でケース導入弁２０を閉じる。Ｓ１８〜Ｓ２０がスタックケースを密閉する密閉過程である。

このように、本実施例では、外気よりも高温多湿な酸化剤極排気を低酸素濃度ガスとして、スタックケース５へ密閉する。酸化剤極排気をスタックケース５に密閉して放置すると、スタックケース５を介して放熱して、温度が低下する。この温度低下により、酸化剤極排気に含まれる水蒸気は、一部が凝縮して液水となる。また酸化剤極排気中のガス成分の温度も低下するので、スタックケース５の内部圧力は、密閉直後よりも時間の経過ととも低下する。これにより、スタックケース５の内部空間から燃料電池スタック２の内部へ漏洩する酸素量をより一層低下させることができるという効果がある。

次いで、Ｓ２２からＳ２６までの通常の発電停止処理が行われる。Ｓ２２では、水素供給弁７を閉じ、水素循環ポンプ１１を停止させる。同時に、空気供給装置１３を停止させ、空気供給弁１４及び空気圧力調整弁１７を閉じる。次いで、Ｓ２４で、燃料電池スタック２からの電流取り出しを停止し、Ｓ２６で冷却水循環ポンプを停止させる。

以上説明した実施例１によれば、燃料電池システム停止時に、酸素濃度が低くなった酸化剤極排気を低酸素濃度ガスとしてスタックケース内へ導入しているので、特別な低酸素濃度ガス供給手段を設けることなく、燃料電池スタックの劣化を防止することができるという効果がある。

尚、本実施例の変形例１として、空気圧力調整弁１７の上流から酸化剤極排気をケース導入弁２０へ供給することもできる。この場合、排気導入管は、図１の破線で示した１９ａの接続となる。この変形例１によれば、空気圧力調整弁１７の上流の圧力の高い酸化剤極排気をスタックケース５へ導入することができるので、短時間でスタックケース５内の空気を酸化剤極排気に置換することができるという効果がある。変形例１の密閉過程では、図１２のＳ２０のケース導入弁を閉じてから、Ｓ１８のケース排出弁を閉じる動作を行うことにより、大気圧で酸化剤極排気をスタックケース５内へ封入することができる。

また本実施例の変形例２として、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を用いることなく、ケース導入配管２１及びケース排出配管２２を流れるガスの流量を規制することも考えられる。例えば、ケース導入配管２１及びケース排出配管２２にそれぞれオリフィスを設ける。これらのオリフィスにより、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３がなくても、スタックケース５へ導入した低酸素濃度ガス（酸化剤極排気）と外気とが入れ替わる時間を遅くすることができる。この変形例２は、燃料電池システムを停止してから、次の起動までの間隔が短い場合に有効である。

更に本実施例の変形例３として、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３もオリフィスを用いないことが考えられる。この場合、ケース導入配管２１及びケース排出配管２２の一部の配管径を絞ることにより、変形例２と同等の効果を期待できる。

更に本実施例の変形例４として、スタックケース５の内部に燃焼触媒を配置することが可能である。運転停止時にスタックケース５へ酸化剤極排気を導入した後、燃料電池スタック２からスタックケース５の空間に漏れ出た水素は、燃焼触媒で酸化剤極排気中の酸素と燃焼する。この燃焼により、スタックケース５中に封入された酸化剤極排気中の酸素はさらに減少させることができるという効果がある。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を示すシステム構成図である。本実施例は、実施例１に対して、排気管１８に触媒燃焼器２４を追加している点が異なる。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例では、パージ弁１１及び水素排出路１２を介して排出される水素は、触媒燃焼器２４へ導入される。触媒燃焼器２４は、酸化剤極排気と水素とを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成する。これにより、酸化剤極排気中の酸素濃度を更に低下させた燃焼ガスを得ることができる。

排気管１８は、この燃焼ガスを触媒燃焼器２４から外気へ排出する。実施例１と同様に、排気管１８には、排気導入管１９の一端が接続されている。排気導入管１９の他端はケース導入弁２０を介してケース導入配管２１の一端に接続されている。ケース導入配管２１の他端は、スタックケース５の内部に開口している。従って、触媒燃焼器２４で燃焼させた燃焼ガスを低酸素濃度ガスとしてスタックケース５へ導入することができる。

図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の変形例を示すシステム構成図である。本変形例は、実施例２に対して、触媒燃焼器２４の後段に冷却器２５を追加している点が異なる。冷却器２５は、図示しない冷却系により冷却液が流通して冷却されるようになっている。その他の構成は、実施例２と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本変形例では、触媒燃焼器２４で生成した低酸素濃度ガスである燃焼ガスを冷却器２５で冷却して温度を下げてからスタックケース５へ導入する。これにより、排気導入管１９、ケース導入弁２０、ケース導入管２１、スタックケース５等の耐熱性が高くなくても酸化剤極排気より更に酸素濃度を低減した燃焼ガスをスタックケース内へ導入することができる。

以上説明した実施例２及びその変形例によれば、実施例１の効果に加えて、さらに酸素濃度を低減した低酸素濃度ガスをスタックケースに導入することができ、燃料電池スタックの劣化を更に防止することができるという効果がある。

図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を示すシステム構成図である。本実施例は、実施例１に対して、空気排出路１６から空気供給路１５へ空気を圧送する空気循環ポンプ２６が追加され、排気導入管１９の一端が空気圧力調整弁１７の上流に接続されていることである。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例において低酸素濃度ガスを生成する場合、空気循環ポンプ２６は、空気排出路１６から酸化剤極排気を吸い込み、空気供給路１５へ排出する。このとき、空気供給装置１３は停止し、空気供給弁１４、空気圧力調整弁１７、及びケース導入弁２０は閉止しておく。これにより、同じ空気が繰り返しカソード４に再循環して発電反応に利用される。

この結果、空気中の酸素をカソード４が十分消費し、酸素濃度が例えば１０％以下に低下した酸化剤極排気である低酸素濃度ガスを生成することができる。その後、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を開いて、低酸素濃度ガスをスタックケース５の内部へ導入する。導入後、ケース導入弁２０及びケース排出弁２３を閉じる。

空気循環ポンプ２６により酸化剤極排気をカソード４へ再循環させる時間は、予め実機による実験やシミュレーションにより、酸化剤極排気を再循環させて目標酸素濃度（例えば１０％）まで低下する時間を求める。求めた時間を制御装置４０に終了判定時間として記憶しておく。そして、空気循環ポンプ２６による酸化剤極排気の再循環開始からの経過時間を計測し、経過時間が終了判定時間に達したら、再循環を停止する。その後低酸素濃度となった酸化剤極排気をスタックケース５へ導入する。

図５は、実施例３の変形例１を示すシステム構成図である。変形例１では、酸化剤極排気を再循環させる空気循環ポンプ２６、及び遮断弁２７がスタックケース５の内部に配置されている。そして酸化剤極排気が再循環する経路に、スタックケース５の内部空間が含まれていることに特徴がある。その他の構成は実施例３と同様である。

空気循環ポンプ２６は、空気排出路１６から酸化剤極排気を吸い込み、スタックケース５の内部空間へ酸化剤極排気を放出する。遮断弁２７は、スタックケース５の内部空間と、酸化剤極排気戻り配管２８との間を開閉する。酸化剤極排気戻り配管２８は、空気供給路１５に接続されている。この構成により、酸化剤極排気が再循環する経路に、スタックケース５の内部空間が含まれることになる。

この変形例１において、酸化剤極排気を再循環させる場合、空気供給装置１３は停止し、空気供給弁１４及び空気圧力調整弁１７は閉止しておく。そして遮断弁２７を開き、空気循環ポンプ２６を作動させる。これにより、カソード４、空気循環ポンプ２６、ケース導入配管２１、スタックケース５の内部空間、遮断弁２７、酸化剤極排気戻り配管２８、空気供給路１５、カソード４という酸化剤極排気循環路が形成される。発電時間が経過するとともに、カソード４で酸素が消費され、スタックケース５の内部空間の酸素濃度が低下する。空気循環ポンプ２６による再循環継続時間は、実施例３と同様に設定すればよい。再循環が終了すると、遮断弁２７を閉止してスタックケース５の内部空間を密閉する。この変形例１によれば、低酸素濃度ガスの生成過程と、低酸素濃度ガスのスタックケースへの導入過程とが同時進行する。このためスタックケース５内の酸素濃度を均一に維持しながら酸素濃度を低下させることができるという効果がある。尚、図５において、空気循環ポンプ２６と、遮断弁２７の配置を互いに入れ替えても同様の動作を実現できる。

図６は、実施例３の変形例２を示すシステム構成図である。変形例２では、酸化剤極排気を再循環させる空気循環ポンプ２６と直列に遮断弁２７が配置されている。そして空気循環ポンプ２６と遮断弁２７との間に、排気導入管１９が接続されている。その他の構成は、実施例３と同様である。

変形例２において、酸化剤極排気を再循環させる場合、空気供給装置１３は停止し、空気供給弁１４、ケース導入弁２０及び空気圧力調整弁１７は閉止しておく。そして遮断弁２７を開き、空気循環ポンプ２６を作動させる。これにより、カソード４、空気循環ポンプ２６、遮断弁２７が酸化剤極排気循環路となり、発電時間が経過するとともに、酸化剤極排気循環路内の酸素濃度が低下する。空気循環ポンプ２６による再循環継続時間は、実施例３と同様に設定すればよい。再循環が終了すると、遮断弁２７を閉止して、ケース導入弁２０、ケース排出弁２３を開いて、酸化剤極排気をスタックケース５の内部空間へ導入する。

実施例３では、空気循環ポンプ２６により空気排出路１６から空気供給路１５へ酸化剤極排気を圧送する。このため、通常発電中は停止している空気循環ポンプ２６の漏れが多いと、空気供給装置１３の効率が低下し、燃料電池システムの燃費効率が低下する。

しかし、変形例２によれば、空気循環ポンプ２６の停止中の漏れが多くても、遮断弁２７により遮断されているので、通常発電中の空気供給装置１３の効率低下を防止することができるという効果がある。

図７は、実施例３の変形例３を示すシステム構成図である。変形例３では、酸化剤極排気を再循環させる空気循環ポンプ２６の配置及び接続が実施例３と異なる。そして酸化剤極排気が再循環する経路に、スタックケース５の内部空間が含まれていることに特徴がある。空気循環ポンプ２６は、空気排出路１６から酸化剤極排気を吸い込み、ケース導入配管２１を介してスタックケース５の内部空間へ酸化剤極排気を圧送するように配置される。ケース導入管２１にはケース導入弁を設けない。また、酸化剤極排気戻り配管２８は、ケース排出配管２２のケース排出弁２３の上流に一端が接続され、他端が空気供給路１５に接続されている。その他の構成は、実施例３と同様である。

この変形例３において、酸化剤極排気を再循環させる場合、空気供給装置１３は停止し、空気供給弁１４、空気圧力調整弁１７及びケース排出弁２３は閉止しておく。そして空気循環ポンプ２６を作動させる。これにより、カソード４、空気排出路１６、空気循環ポンプ２６、ケース導入配管２１、スタックケース５の内部空間、酸化剤極排気戻り配管２８、空気供給路１５、カソード４という酸化剤極排気循環路が形成される。発電時間が経過するとともに、カソード４で酸素が消費され、スタックケース５の内部空間の酸素濃度が低下する。空気循環ポンプ２６による再循環継続時間は、実施例３と同様に設定すればよい。再循環が終了すると、ケース排出弁２３を短時間開いて、スタックケース５の内部圧力を大気圧まで低下させてからケース排出弁２３を閉じて、スタックケース５の内部空間を密閉する。この変形例３によれば、低酸素濃度ガスの生成過程と、低酸素濃度ガスのスタックケースへの導入過程とが同時進行する。このためスタックケース内の酸素濃度を均一に維持しながら酸素濃度を低下させることができるという効果がある。また、変形例３によれば、ケース導入弁２０が不要となるので、使用する弁の数を減らすことができるという効果がある。またスタックケース５に封入する酸化剤極排気の圧力を大気圧まで減じ、スタックケース５内の酸素分圧を低下させることができる。

図８は、実施例３の変形例４を示すシステム構成図である。変形例４では、酸化剤極排気を再循環させる空気循環ポンプ２６の配置及び接続が実施例３と異なる。そして酸化剤極排気が再循環する経路に、スタックケース５の内部空間が含まれていることに特徴がある。スタックケース５の内部空間と空気排出路１６とを接続するケース導入配管２１には、ケース導入弁に代えてオリフィス３０が設けられている。また、酸化剤極排気戻り配管２８は、ケース排出配管２２のケース排出弁２３の上流に一端が接続され、他端が空気供給路１５に接続されている。この酸化剤極排気戻り配管２８上に、遮断弁２９と空気循環ポンプ２６とが直列に配置されている。その他の構成は、実施例３の変形例３と同様である。

この変形例４において、酸化剤極排気を再循環させる場合、空気供給装置１３は停止し、空気供給弁１４、空気圧力調整弁１７及びケース排出弁２３は閉止しておく。そして遮断弁２９を開き、空気循環ポンプ２６を作動させる。これにより、カソード４、空気排出路１６、オリフィス３０，ケース導入配管２１、スタックケース５の内部空間、酸化剤極排気戻り配管２８、遮断弁２９、空気循環ポンプ２６、空気供給路１５、カソード４という酸化剤極排気循環路が形成される。発電時間が経過するとともに、カソード４で酸素が消費され、スタックケース５の内部空間の酸素濃度が低下する。空気循環ポンプ２６による再循環継続時間は、実施例３と同様に設定すればよい。再循環が終了すると、ケース排出弁２３を短時間開いて、スタックケース５の内部圧力を大気圧まで低下させてからケース排出弁２３を閉じて、スタックケース５の内部空間を密閉する。

この変形例４によれば、低酸素濃度ガスの生成過程と、低酸素濃度ガスのスタックケースへの導入過程とが同時進行する。このためスタックケース内の酸素濃度を均一に維持しながら酸素濃度を低下させることができるという効果がある。また、変形例４によれば、スタックケース５に封入する酸化剤極排気の圧力を大気圧まで減じ、スタックケース５内の酸素分圧を低下させることができる。また変形例４によれば、空気循環ポンプ２６の停止中の漏れが多くても、遮断弁２９により遮断されているので、通常発電中の空気供給装置１３の効率低下を防止することができるという効果がある。

以上説明した実施例３及びそ３の変形例１〜４によれば、燃料電池スタックのカソードを通過した低酸素濃度の酸化剤極排気を空気循環ポンプによりカソードへ再循環させる。これにより酸素濃度を更に低下させた酸化剤極排気をスタックケース内へ導入することができるという効果がある。

図９（ａ）は、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を示すシステム構成図である。本実施例は、実施例１に対して、酸化剤極排気が排出される経路及び酸化剤極排気のスタックケース５内への導入経路が異なっている。本実施例は、実施例１の排気導入管１９、ケース導入配管２０，ケース導入弁２１は備えていない。その代わりに以下の構成要素を備えている。

空気排出路１６上の空気圧力調整弁１７は、スタックケース５の内部へ配置される。空気圧力調整弁１７の下流の排気管１８には、遮断弁２９が設けられる。さらに、空気圧力調整弁１７の直前の空気排出路１６には、ベンチュリ３１とノズル３２が設けられる。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

図９（ｂ）は、空気圧力調整弁１７における酸化剤極排気が高流量（実験にて求められる第１所定流量）時の様子を示す模式断面図、図９（ｂ）は、空気圧力調整弁１７における酸化剤極排気が低流量（実験にて求められる第１所定流量より少ない第２所定流量）時の様子を示す模式断面図である。図９（ｂ）に示すように、ベンチュリ３１は、空気圧調整弁１７が高流量時に、空気排出路１６の断面積を絞って、流速を高め負圧を生じさせる。ノズル３１は、空気排出路１６の負圧が生じる箇所に開口してスタックケース５の内部空間と連通させるものである。高流量時にはベンチュリ３１に生じた負圧により、スタックケース５の内部空間のガスは吸い出される。

これとは逆に、図９（ｃ）に示すように、空気圧調整弁１７が絞られて低流量の時には、空気圧力調整弁１７に圧力損失により、ベンチュリ３１に圧力が高くなる。このため、
酸化剤極排気は、ノズル３１からスタックケース５の内部空間へ導入される。

燃料電池システムの運転停止の直前に、低負荷の発電を行うと、図９（ｃ）の状態となり、低酸素濃度ガスである酸化剤極排気がスタックケース５の内部空間へ導入される。この後、遮断弁２９及びケース排出弁２３を閉じて、低酸素濃度ガスをスタックケース内へ封入することができる。

以上説明した実施例４によれば、空気圧力調整弁をスタックケース内に配置し、空気圧力調整弁の直前にベンチュリとノズルを設けるという簡素な構成により低酸素濃度ガスである酸化剤極排気をスタックケース内へ導入することができる。従って、部品点数の低減、レイアウト性の向上を図ることができるという効果がある。

図１０は、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を示すシステム構成図である。本実施例は、実施例１に対して、スタックケース５から排気する排気ポンプ３３が追加されている。その他の構成は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

排気ポンプ３３は、ケース排出配管２２のケース排出弁２３の下流に配置されている。実施例１と同様に、低酸素濃度ガスとして酸化剤極排気をスタックケース５へ導入した後、ケース導入弁２０を閉じる。次いで、ケース排出弁２３を開いて、排気ポンプ３３を駆動する。これにより、スタックケース５の内部空間から酸化剤極排気が排出され、スタックケース５内の圧力が低下する。所定時間が経過するか、あるいはスタックケース５内に設けた圧力センサの検出値が所定圧力まで低下したときに、ケース排出弁２３を閉じる。同時に、排気ポンプ３３を停止させる。所定時間または所定圧力は、実機による実験あるいはシミュレーションにより求める。

以上説明した実施例５によれば、排気ポンプ３３によりスタックケース５から低酸素濃度ガスを排出することができ、スタックケース５内の酸素分圧をさらに低減することができるという効果がある。

図１１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例６を示すシステム構成図である。本実施例は、実施例１に対して、スタックケース５の底面５ａを水平から傾いた傾斜面としている。そして、スタックケース５から排気するケース排出配管２２をスタックケース底面５ａの最も低い位置に配置している。またケース排出配管２２を鉛直下向きに設けている。その他の構成及び動作は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

実施例６によれば、ケース排出配管２２をスタックケース５の底面の最も低い位置に配置しているので、酸化剤極排気から凝縮した水分をスタックケース内からケース排出配管２２を介して外部へ排水することができるという効果がある。また、スタックケースの底面を水平から傾いた傾斜面としたので、ケース排出配管へ効率的に凝縮水を集めて排水することが可能となるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を示すシステム構成図である。 実施例２の変形例の構成を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を示すシステム構成図である。 実施例３の変形例１の構成を示すシステム構成図である。 実施例３の変形例２の構成を示すシステム構成図である。 実施例３の変形例３の構成を示すシステム構成図である。 実施例３の変形例４の構成を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例５の構成を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例６の構成を示すシステム構成図である。 実施例１の動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池スタック、３…アノード、４…カソード、５…スタックケース、６…水素供給装置、７…水素供給弁、８…水素供給路、９…水素循環路、１０…水素循環ポンプ、１１…パージ弁、１２…水素排出路、１３…空気供給装置、１４…空気供給弁、１５…空気供給路、１６…空気排出路、１７…空気圧力調整弁、１８…排気管、１９…排気導入管（低酸素濃度ガス導入手段）、２０…ケース導入弁（低酸素濃度ガス導入手段）、２１…ケース導入配管（低酸素濃度ガス導入手段）、２２…ケース排出弁（低酸素濃度ガス導入手段）、２３…ケース排出弁（低酸素濃度ガス導入手段）、２４…触媒燃焼器、２５…冷却器、２６…空気循環ポンプ、２７…遮断弁、２８…酸化剤極排気戻り配管、２９…遮断弁、３０…オリフィス、３１…ベンチュリ、３２…ノズル、３３…排気ポンプ、４０…制御装置、４１…停止予測手段、４２…車速センサ、４３…ナビゲーション装置、４４…パーキングブレーキセンサ、４５…セレクトレバーポジションセンサ。

Claims (17)

1. 燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックを覆うスタックケースと、
   前記スタックケース内に酸素濃度が低い低酸素濃度ガスを導入する低酸素濃度ガス導入手段と、
   燃料電池システム停止時に、前記低酸素濃度ガス導入手段により前記低酸素濃度ガスを前記スタックケース内へ導入するように制御する制御装置と、
   を備え、燃料電池システム停止中に前記スタックケース内の酸素分圧を大気中よりも低くすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記低酸素濃度ガスは、前記燃料電池スタックの酸化剤極から排出される酸化剤極排気であ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. 前記燃料電池スタックの酸化剤極から排出される酸化剤極排気に燃料ガスを加えて燃焼させる燃焼手段を更に備え、
   該燃焼手段により前記酸化剤極排気中の酸素濃度を更に低下させた燃焼ガスを前記低酸素濃度ガスとして前記スタックケースへ導入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。
4. 前記燃焼手段で燃焼させた燃焼ガスを冷却する冷却器を更に備え、
   前記燃焼ガスを冷却してから前記スタックケース内へ導入することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤極排気を酸化剤極へ再循環させる空気循環ポンプを更に備え、 再循環させた酸化剤極排気を前記スタックケース内へ導入することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤極排気が再循環する経路は、前記スタックケース内を経由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. 前記スタックケースから排気する排気ポンプを備え、
   前記スタックケースに低酸素濃度ガスを導入した後に、前記排気ポンプによりスタックケースから排気することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 酸化剤極排気経路の圧損を制御することにより酸化剤極の空気圧力を調整する空気圧力調整弁と、
   該空気圧力調整弁の上流の空気流路の断面積を小さくするベンチュリと、
   該ベンチュリに開口するノズルと、を備え、
   スタックケースの内部空間とノズルとが連通し、
   前記空気圧力調整弁の第１所定流量以上の時には、ベンチュリの負圧によりスタックケース内部のガスが吸い出され、
   前記空気圧力調整弁の前記第１所定流量より少ない第２所定流量以下の時には、前記空気圧調整弁の圧損により酸化剤極排気が前記スタックケース内へ導入されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
9. 前記低酸素濃度ガス導入手段は、
   前記スタックケースへ低酸素濃度ガスを導入するケース導入配管と、
   該ケース導入配管を開閉するケース導入弁と、
   前記スタックケースからガスを排出するケース排出配管と、
   該ケース排出配管を開閉するケース排出弁と、を備え、
   前記ケース導入弁及び前記ケース排出弁を開いて前記スタックケース内へ低酸素濃度ガスを導入した後に、前記ケース導入弁及び前記ケース排出弁を閉止することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記低酸素濃度ガス導入手段は、
    前記スタックケースへ低酸素濃度ガスを導入するケース導入配管と、
    前記スタックケースからガスを排出するケース排出配管と、
    を備え、
    前記ケース導入配管及び前記ケース排出配管を流れるガスの流量を規制することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記ケース導入配管及び前記ケース排出配管には、それぞれオリフィスを備えた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. 前記ケース導入配管及び前記ケース排出配管の一部の配管径を絞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。
13. 前記ケース導入管及び前記ケース排出管の向きを鉛直下向きに配置したことを特徴とする請求項９乃至請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
14. 前記スタックケース底面を水平から傾いた傾斜面とし、
    前記ケース排出管を前記傾斜面の最も低い位置に配置したことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 燃料電池システムを搭載した車両の停止シーケンス中に、前記低酸素濃度ガスを前記スタックケース内へ導入することを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
16. 前記制御装置は、燃料電池システム又はこれを搭載した車両の停止を予測する停止予測手段を備え、
    該停止予測手段が停止を予測した場合に、前記低酸素濃度ガスを前記スタックケース内へ導入することを特徴とする請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
17. 燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを覆うスタックケースと、該スタックケース内へ空気より酸素濃度が低い低酸素濃度ガスを導入する低酸素濃度ガス導入手段と、備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    燃料電池システムの運転停止時に、酸化剤極で酸素が消費され酸素濃度が低下した低酸素濃度ガスを生成する低酸素濃度ガス生成過程と、
    該低酸素濃度ガス生成過程で生成された低酸素濃度ガスを前記スタックケース内へ導入する低酸素濃度ガス導入過程と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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