本発明は水素を含む燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードとの間に電解質膜を設けて構成される燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、電解質を燃料極(アノード)と空気極(カソード)で挟持してセルを構成し、アノードに水素を含む燃料ガスを、カソードに酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により、電気エネルギーを得て、発電を行うもので、小型で高効率な発電が可能であり、近年、一般家庭用をはじめ、車載用や、業務用としても用いられるようになってきている。

燃料電池システムは、一般的に、必要な電力量に合わせて、起動と停止を繰り返しながら運転が行われる。例えば車載用では、起動時はアクセルを踏み込むことによって、アノードに供給する水素を含む燃料ガスの量が調整され、発電が行われる。一方、停止時は、水素を含む燃料ガスのアノードへの供給が停止され、発電は行われない。

燃料電池システムで発電と停止を行う場合、発電停止状態の燃料電池スタック内への外気混入を防ぐために燃料排出弁を閉じたまま、定期的に燃料ガス供給弁を開閉し、燃料電池スタック内へ燃料ガスを供給するものが知られている。(例えば、特許文献1参照) 図5は、特許文献1に記載された従来の燃料電池システム200の構成図である。図5に示すように、燃料電池システム200は、アノード14、カソード15、電解質膜16で構成される燃料電池スタック13と、燃料処理器25、加湿器26、開閉弁29、開閉弁30、燃料ガス供給経路27、未反応燃料ガス排出経路28から構成されている。

従来の燃料電池システム200は、発電中は、燃料ガスである炭化水素を燃料処理器25によって水素に改質し、開閉弁29と開閉弁30を開放することで燃料ガスが改質された水素を燃料ガス供給経路27、加湿器26を通過して燃料電池スタック13のアノード14へ供給する。

また、発電停止中は、カソード15から電解質膜16を介してアノード14へ大気中の空気が侵入してアノード14が劣化することを防ぐ為に開閉弁30は常時閉止状態で、定期的に開閉弁29を開いている。これによって、燃料ガスである炭化水素を定期的に燃料電池スタック13のアノード14へ供給することが可能となり、アノード14の圧力が大気圧あるいはカソード15に対して正圧となるようにしている。

特許第5735606号

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムの発電停止時に、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、水素をアノードに供給して大気圧に対して正圧で維持すると、水素が電解質膜を透過してカソード側に流れ、カソードオフガス中の水素濃度が上昇し、カソードオフガスの水素濃度が可燃限界(4%)以上のまま大気中に排出される恐れがあるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電停止中の燃料電池スタックのアノード内を大気圧に対して正圧に維持する圧力維持手段を作動させて、所定のタイミングで、希釈手段によりカソードオフガスを希釈し、水素濃度を可燃限界(4%)以下に希釈してから、大気中に排気することで、発電停止維持を安全に行なうことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの一態様は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池スタックと、発電停止された燃料電池スタックのアノード内を大気圧に対して正圧に維持する圧力維持手段と、燃料電池スタックのカソードから、カソードオフガス経路を介して排出されるカソードオフガスを希釈ガスで希釈する希釈手段と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックが発電停止後、圧力維持手段を作動させて燃料電池スタックのアノード内を大気圧に対して正圧に維持し、所定タイミングで希釈手段によりカソードオフガスを希釈し、大気中に排気する構成を備えている。

これによって、燃料電池システムの発電停止後のアノード内の圧力を正圧に保つ間、カソードオフガスの水素濃度が可燃限界(4%)以上のまま大気中に排気されることを防止することができ、発電停止維持を安全に行なうことができる燃料電池システムを提供することができる。また、カソードオフガス経路に封止弁を設置しないことで、流路抵抗の増加を抑えることができるので、酸化剤ガスの供給手段の消費電力を抑えることができる。

本発明の燃料電池システムは、圧力維持手段を作動させることで発電停止状態の燃料電池スタック内を大気圧に対して正圧に維持し、所定のタイミングで希釈手段によりカソードオフガスを希釈し、水素濃度を可燃限界(4%)以下に希釈してから、大気中に排気する構成を備えているので、発電停止維持を安全に行なうことができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施の形態1および2、および3における燃料電池システムの構成図

本発明の実施の形態1における燃料電池システムの動作を示すフローチャート

本発明の実施の形態2における燃料電池システムの動作を示すフローチャート

本発明の実施の形態3における燃料電池システムの動作を示すフローチャート

特許文献1に記載された従来の燃料電池システムの構成図

第1の発明は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう燃料電池スタックと、発電停止された燃料電池スタックのアノード内を大気圧に対して正圧に維持する圧力維持手段と、燃料電池スタックのカソードから、カソードオフガス経路を介して排出されるカソードオフガスを希釈ガスで希釈する希釈手段と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックが発電停止後、圧力維持手段を作動させて燃料電池スタックのアノード内を大気圧に対して正圧に維持し、所定タイミングで希釈手段によりカソードオフガスを希釈し、大気中に排気する構成を備えたことにより、燃料電池システムのカソードオフガスの水素濃度が可燃限界(4%)以上のまま大気中に排気されることを防止することができ、発電停止維持を安全に行なうことができる燃料電池システムを提供することができる。また、カソードオフガス経路に封止弁を設置しないことで、流路抵抗の増加を抑えることができるので、酸化剤ガスの供給手段の消費電力を抑えることができる。

第2の発明は、特に、第1の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池スタックの発電停止後、圧力維持手段の作動回数が所定回数に達する毎に、希釈手段によりカソードオフガスを希釈し、大気中に排気する構成を備えたことにより、希釈手段を連続ではなく、圧力維持手段の動作が所定回数に達する度に動作させるので、希釈手段の消費電力を抑えることができる。

第3の発明は、特に、第1の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池スタックの発電停止後、所定の時間間隔で、希釈手段によりカソードオフガスを希釈し、大気中に排気する構成を備えたことにより、希釈手段を連続ではなく、所定の時間間隔で動作させるので、希釈手段の消費電力を抑えることができるとともに制御を簡素化できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

(実施の形態1) 図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成図を示すものである。

図1において、燃料電池システム100は、アノード経路11と、電磁弁12と、燃料電池スタック13と、アノード14と、カソード15と、電解質膜16と、アノードリサイクル経路17と、カソード経路18と、カソードオフガス経路19と、ファン20と、排気部21と、制御部22と、空気加圧ポンプ24と、これらを収納する筐体23を備えている。

アノード経路11は、燃料電池システム100に燃料ガス(水素)を供給するもので、筐体23外部から、電磁弁12を経て、燃料電池スタック13のアノード14へつながる配管である。本実施の形態では、水素への耐性が高いSUS316Lを用いている。

電磁弁12は、筐体23内に設けられ、燃料電池スタック13へ水素の供給と停止を行うものである。

燃料電池スタック13は、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質からなる電解質膜16と、電解質膜16を挟むように設けられたアノード14及びカソード15で構成される燃料電池セルを複数積層して構成される固体高分子型燃料電池である。

アノード14は、電解質膜16の一方の面に形成され、白金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置されたカーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成されている。

カソード15は、電解質膜16のもう一方の面に形成され、白金ルテニウム合金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置された、カーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成されている。

アノードリサイクル経路17は、アノード14の出口から排出されるアノードオフガスを、電磁弁12の下流のアノード経路11に戻すための配管である。本実施の形態では、アノード経路11と同様に水素への耐性が高いSUS316Lを用いている。

カソード経路18は、酸化剤ガスである大気中の空気を、カソード15へ供給するための配管であり、筐体23外部から、燃料電池スタック13のカソード15をつなぐものである。

カソードオフガス経路19は、カソード15の出口から排気されるカソードオフガスを排気部21へ供給する配管である。

排気部21は、ファン20とセットで構成されており、ファン20は大気中の空気を供給し、カソードオフガス経路19から排気されるカソードオフガスを希釈して、筐体23外へ排気するものである。

空気加圧ポンプ24は、カソード15へ加圧した空気を送るものである。

以上のように構成された燃料電池システムにおいて、以下にその動作、作用を説明する。

図2は、本発明の実施の形態1における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

本実施の形態においては、まず、電源がONされると、発電指示の有無を確認する(S101)、発電指示があった場合、電磁弁12を開く(S102)。これにより、図示しない水素ボンベ等の水素供給手段から、大気圧に対して正圧である水素がアノード経路11を通って、アノード14へ供給された後、アノードリサイクル経路17を経由して、再度、アノード経路11に合流する。供給される水素の圧力は大気圧に対して正圧であるので、電磁弁12より下流のアノード経路11とアノード14、アノードリサイクル経路17にも大気圧より高い圧力がかかる。

次に、カソード経路18から、空気加圧ポンプ24により、大気圧に対して正圧の空気をカソード15へ供給する(S103)と、酸素と、電解質膜16を通った水素イオンとの電気化学反応により発電が行われる(S104)。発電に利用されなかった水素は、アノードリサイクル経路17により、電磁弁12の下流のアノード経路11に戻され、リサイクルすることで、水素利用率を高めることができる。

次に、燃料電池システム100の発電停止維持について説明する。

まず、制御部22から、燃料電池スタック13の発電を停止する指示(S105)がなされれば、S104へ戻り、そのまま発電を継続する。

また、発電停止指示(S105)があれば、発電を停止する(S106)。

次に、カソード15への空気の供給を停止する(S107)と、カソード経路18からカソード15、カソードオフガス経路19までの圧力は、大気圧と等しくなる。

次に、電磁弁12を閉じる(S108)と、アノード14への水素の供給が停止され、電磁弁12の下流からのアノード経路11とアノード14、アノードリサイクル経路17は、経路内に大気圧に対して正圧である水素が充填された状態となる。

電磁弁12を閉じた(S108)後、ファン20の作動を停止する(S109)。

その後、発電停止中、時間の経過とともに、大気圧に対して正圧である水素が、微量ずつ、アノード14から電解質膜16を透過して、カソード15へ流れ、カソード15内の水素濃度が上昇する恐れがある。

また、水素がアノード14から電解質膜16を透過してカソード15へ流れる状態が続くと、当初は大気圧に対して正圧であった水素の圧力が低下し、最終的には大気圧と等しくなる。

アノード経路11内の圧力とアノードリサイクル経路17内の圧力が大気圧と等しくなると、電解質膜16、カソード15、カソードオフガス経路19までが等しい圧力となるため、アノード14の触媒層が酸素により劣化し、燃料電池スタック13の寿命を低下させる可能性がある。

ここで、P0を大気圧(P0=101.3[kPa])、アノード経路11内の圧力をPAh[kPa]とし、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係になっているかを1分毎に確認する(S110)。

アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たす場合、電磁弁12を10秒間開いた(S111)後、電磁弁12を再度閉じる(S112)。

一方、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数2)の関係を満たす場合には、ファン20でカソードオフガスを希釈する動作を30分間に30秒の割合で実施する。

例えば、カソードオフガス2Lを200L/minの風量の空気で30秒間希釈することで、水素濃度を2%以下に希釈し(S113)、希釈後のガスを大気中に排気した(S114)後、発電指示が継続されているか確認(S101)し、以降は指示に基づいた運転を行う。

以上のように、本実施の形態において、発電停止後、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数2)の関係を満たす場合、電磁弁12を10秒間開いた後、ファン20により、カソードオフガスを4%以下に希釈し、大気中に排気する構成を備えたことにより、発電停止維持を安全に行うことができ、燃料電池システムの安全性を向上できる。また、カソードオフガス経路に封止弁を設置しないことで、流路抵抗の増加を抑えることができるので、酸化剤ガスの供給手段の消費電力を抑えることができる。

なお、本実施の形態では、発電停止中のファン20を動作させるタイミングを30分間に30秒としたが、これは燃料電池スタック13の特性によって変更してもよい。

(実施の形態2) 次に、実施の形態2について説明する。本実施の形態2の燃料電池システムの構成図は実施の形態1と同じであり、実施の形態2の構成図は図1に示すものである。

図3は、本発明の実施の形態2における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

本実施の形態においては、まず、電源がONされると、発電指示の有無を確認する(S201)、発電指示があった場合、電磁弁12を開く(S202)。これにより、図示しない水素ボンベ等の水素供給手段から、大気圧に対して正圧である水素がアノード経路11を通って、アノード14へ供給された後、アノードリサイクル経路17を経由して、再度、アノード経路11に合流する。供給される水素の圧力は大気圧に対して正圧であるので、電磁弁12より下流のアノード経路11とアノード14、アノードリサイクル経路17にも大気圧より高い圧力がかかる(S202)。

次に、カソード経路18から、空気加圧ポンプ24により、大気圧に対して正圧の空気をカソード15へ供給する(S103)と、酸素と、電解質膜16を通った水素イオンとの電気化学反応により発電が行われる(S104)。発電に利用されなかった水素は、アノードリサイクル経路17により、電磁弁12の下流のアノード経路11に戻され、リサイクルすることで、水素利用率を高めることができる。

次に、燃料電池システム100の発電停止維持について説明する。

まず、制御部22から、燃料電池スタック13の発電を停止する指示(S205)がなければ、S204へ戻り、そのまま発電を継続する。

また、発電停止指示(S205)があれば、発電を停止する(S206)。

次に、カソード15への空気の供給を停止する(S207)と、カソード経路18からカソード15、カソードオフガス経路19までの圧力は、大気圧と等しくなる。

次に、電磁弁12を閉じる(S208)と、アノード14への水素の供給が停止され、電磁弁12の下流からのアノード経路11とアノード14、アノードリサイクル経路17経路内に大気圧に対して正圧である水素が充填された状態となる。電磁弁12を閉じた(S208)後、ファン20の作動を停止する(S209)。

その後、発電停止中、時間の経過とともに、大気圧に対して正圧である水素が、微量ずつ、アノード14から電解質膜16を透過して、カソード15へ流れ、カソード15内の水素濃度が上昇する恐れがある。

また、水素がアノード14から電解質膜16を透過してカソード15へ流れる状態が続くと、当初は大気圧に対して正圧であった水素の圧力が低下し、最終的には大気圧と等しくなる。

アノード経路11内の圧力とアノードリサイクル経路17内の圧力が大気圧と等しくなると、電解質膜16、カソード15、カソードオフガス経路19までが等しい圧力となるため、アノード14の触媒層が酸素により劣化し、燃料電池スタック13の寿命を低下させる可能性があるので、S209でファン20の作動を停止する。

ここで、P0を大気圧(P0=101.3[kPa])、アノード経路11内の圧力をPAh[kPa]とし、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係になっているかを確認する(S210)。

アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たす場合、電磁弁12を10秒間開いた(S211)後、電磁弁12を再度閉じる(S212)。ここで、電磁弁12の弁開放回数がカウントされる(S213)。

次に、再度、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たすかどうかを確認し(S210)、再度、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)を満たす場合には、同様に電磁弁12を10秒間開いた(S211)後、電磁弁12を再度閉じる(S212)と同時に、電磁弁12の弁開放回数のカウントが1プラスされる(S213)。

また、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数2)を満たす場合(S210)には、電磁弁12の弁開放回数カウントが4回未満(S214)であれば、再度、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)を満たすかどうかを確認する。

ここで、電磁弁12の弁開放回数カウントが4回以上(S214)であれば、ファン20でカソードオフガスを4%以下に希釈(S215)し、希釈後のガスを大気中に排気した(S216)後、電磁弁12の弁開放回数カウントをリセット(S217)した後、発電指示が継続されているか確認(S201)し、以降は指示に基づいた運転を行う。

以上のように、本実施の形態においては、発電停止後、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たし、電磁弁12の作動回数が4回以上に達すると、ファン20によりカソードオフガスを4%以下に希釈し、大気中に排気する構成を備えたことにより、発電停止維持を安全に行えるとともに、希釈手段を連続ではなく、圧力維持手段の動作が所定回数になる毎に動作させるので、希釈手段の消費電力を抑えることができる。

(実施の形態3) 次に、実施の形態3について説明する。本実施の形態3の燃料電池システムの構成図は、実施の形態1と同じであり、実施の形態3の構成図は図1に示すものである。

図4は、本発明の実施の形態3における燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

本実施の形態においては、まず、電源がONされると、発電指示の有無を確認する(S301)、発電指示があった場合、電磁弁12を開く(S302)。これにより、図示しない水素ボンベ等の水素供給手段から、大気圧に対して正圧である水素がアノード経路11を通って、アノード14へ供給された後、アノードリサイクル経路17を経由して、再度、アノード経路11に合流する。供給される水素の圧力は大気圧に対して正圧であるので、電磁弁12より下流のアノード経路11とアノード14、アノードリサイクル経路17にも大気圧より高い圧力がかかる(S302)。

次に、カソード経路18から、空気加圧ポンプ24により、大気圧に対して正圧の空気をカソード15へ供給する(S303)と、酸素と、電解質膜16を通った水素イオンとの電気化学反応により発電が行われる(S304)。発電に利用されなかった水素は、アノードリサイクル経路17により、電磁弁12の下流のアノード経路11に戻され、リサイクルすることで、水素利用率を高めることができる。

次に、燃料電池システム100の発電停止維持について説明する。

まず、制御部22から、燃料電池スタック13の発電を停止する指示(S305)がなければ、S304へ戻り、そのまま発電を継続する。

また、発電停止指示があれば(S305)、発電を停止する(S306)。

次に、カソード15への空気の供給を停止する(S307)と、カソード経路18からカソード15、カソードオフガス経路19までの圧力は、大気圧と等しくなる。

次に、電磁弁12を閉じる(S308)と、アノード14への水素の供給が停止され、電磁弁12の下流からのアノード経路11とアノード14、アノードリサイクル経路17は、経路内に大気圧に対して正圧である水素が充填された状態となる。

次に、電磁弁12を閉じた(S308)後、ファン20の作動を停止する(S309)。

その後、発電停止中、時間の経過とともに、大気圧に対して正圧である水素が、微量ずつ、アノード14から電解質膜16を透過して、カソード15へ流れ、カソード15内の水素濃度が上昇する恐れがある。

また、水素がアノード14から電解質膜16を透過してカソード15へ流れる状態が続くと、当初は大気圧に対して正圧であった水素の圧力が低下し、最終的には大気圧と等しくなる。

アノード経路11内の圧力とアノードリサイクル経路17内の圧力が大気圧と等しくなると、電解質膜16、カソード15、カソードオフガス経路19までが等しい圧力となるため、アノード14の触媒層が酸素により劣化し、燃料電池スタック13の寿命を低下させる可能性があるので、S309でファン20の作動を停止する。

ここで、P0を大気圧(P0=101.3[kPa])、アノード経路11内の圧力をPAh[kPa]とし、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たすかを確認する(S310)。

アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たす場合、電磁弁12を10秒間開いた(S311)後、電磁弁12を再度閉じる(S312)。ここで、最初に電磁弁12を開いてからの経過時間が60分以上かを確認するための60分タイマが起動しているかの確認(S313)の後、起動していれば再度、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)を満たすかを確認する。

また、60分タイマが起動していなければ起動(S314)し、同様に、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)を満たすかの確認を行う(S310)。60分タイマが60分以上経過していなければ、再度、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)を満たすかどうかを確認し、60分以上経過していれば、ファン20でカソードオフガスを4%以下に希釈(S316)し、希釈後のガスを大気中に排気した(S317)後、60分タイマをリセット(S318)して、発電指示が継続されているか確認(S301)し、以降は指示に基づいた運転を行う。

以上のように、本実施の形態においては、発電停止後、アノード経路11内の圧力と大気圧の関係が(数1)の関係を満たす場合、電磁弁12を最初に開いてからの経過時間が60分以上になると、ファン20によりカソードオフガスを4%以下に希釈し、大気中に排気する構成を備えたことにより、発電停止維持を安全に行えるとともに、希釈手段を連続ではなく、定期的に動作させるので、希釈手段の消費電力を抑えることができる。

以上のように、本実施の形態においては、アノード経路11に設けられた電磁弁12を作動させることで発電停止状態の燃料電池スタック13のアノード14内を大気圧に対して正圧に維持し、制御部22で所定のタイミングや、電磁弁12の作動回数によって、ファン20によりカソード15及びカソードオフガス経路19に溜まった水素を、可燃限界(4%以下)に希釈してから、大気中に排気することで、停止状態維持を安全に行うことができる。また、希釈手段を連続ではなく、所定の時間間隔で動作させるので、希釈手段の消費電力を抑えることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、起動、停止を繰り返しながら長時間の発電を行う形態、例えば一般家庭用または業務用の燃料電池システムに有用である。

11 アノード経路 12 電磁弁 13 燃料電池スタック 14 アノード 15 カソード 16 電解質膜 17 アノードリサイクル経路 18 カソード経路 19 カソードオフガス経路 20 ファン 21 排気部 22 制御部 23 筐体 24 空気加圧ポンプ 25 燃料処理器 26 加湿器 27 燃料ガス供給経路 28 未反応燃料ガス排出経路 100 燃料電池システム 200 燃料電池システム