JP5118370B2 - 燃料電池のアノード系掃気システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のアノード電極およびその近くの燃料ガス(水素)供給路を含むアノード系の残留水素を掃気する燃料電池のアノード系掃気システムに関する。

一般に、燃料電池は、高分子電解質膜を挟んで一方側に空気中の酸素が供給されるカソード電極を区画するとともに他方側に水素が供給されるアノード電極を区画したセルを、多数直列に積層したスタック構造で構成されている。そして、燃料電池は、各セルの電気化学反応によってそれぞれ発電し、各セルを直列に接続したスタックの発電の電気エネルギーを負荷に供給している。なお、燃費を改善する等の理由により、燃料電池から排出した水素をスタック直前の燃料ガス供給路である水素供給路に配設したエゼクタ等を用いて再循環している。

燃料電池は、電気化学反応を促進するため、電極に白金等の触媒を使用している。しかし、燃料電池の発電が停止された際、スタックの各セルに水素が残留すると触媒および高分子電解質膜の性能が劣化することから、カソードガス供給装置より、スタックおよびスタック近くのアノード系内に空気を供給して、スタックおよび該アノード系内の残留水素を排出する掃気が行われている。

従来、アノード系内を掃気する際、掃気のための空気の流量を確保するため、スタックのカソード電極直前の空気供給路とスタックのアノード電極直前であってエゼクタ下流の水素供給路とを連結する管路に掃気弁を設置している。一方、燃料電池の発電停止時にスタックに連結されるアノード系内の管路を閉じる２次遮断弁は、エゼクタから上流の熱交換器、フィルタ、および２次レギュレータを介した水素供給路に配置している。

なお、本願に係わる文献公知発明としては、下記の特許文献１、特許文献２がある。
特開２００６−１４７２１３号公報(図１参照) 特開２００５−３０２６０９号公報(図１参照)

ところで、前記従来の構成によれば、カソードガス供給装置から空気を供給する掃気により、スタックおよびエゼクタからスタックに続く管路内は掃気されるが、エゼクタから上流の熱交換器、フィルタ、２次レギュレータ、および２次遮断弁に至る管路内の水素は、掃気時にも封じ込まれたままとなり掃気することができない。そのため、掃気後、封じ込まれた水素がスタック内に自然拡散してスタック内の水素ガス濃度が最大５％程度となることがある。

図７は、燃料電池システムが停止中のスタック内の水素ガス濃度[％](横軸)とカソード極電位[Ｖ](縦軸)の関係を示した図である。

図7に示すように、スタックに残留水素が所定濃度(例えば、ガス濃度０．５％)以上残っていると、スタックにおけるカソード極電位が大きく上昇する。すると、電極中の触媒の金属の一部がイオン化して高分子電解質膜内に移動する現象が発生し、高分子電解質膜内においてイオン化した金属と酸素および水素との化学反応によってＯＨラジカルが発生して高分子電解質膜を分解する。そのため、電極中の触媒の性能が劣化するとともに、高分子電解質膜が劣化する可能性がある。

本発明は前記実状に鑑み、燃料電池システムが停止中のアノード系内の残留水素による触媒の性能の劣化および高分子電解質膜の劣化を防止し、性能および耐久性の向上を図れる燃料電池のアノード系掃気システムの提供を目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明に関わる燃料電池のアノード系掃気システムは、アノード電極に燃料ガス供給路を通して供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応により得られた電流を外部負荷回路に供給する燃料電池を有し、アノード電極およびその近傍の燃料ガス供給路を酸化剤ガスにより掃気処理を行う燃料電池のアノード系掃気システムであって、燃料ガス供給路に設けられ、燃料電池の停止時にアノード電極への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、遮断手段直後の燃料ガス供給路に接続され、第１の掃気処理時にカソード電極への酸化剤ガス供給路から酸化剤ガスを燃料ガス供給路に供給する第1導入部と、第１の掃気処理時に第1導入部による酸化剤ガスの導入を可能とする一方、第２の掃気処理時に酸化剤ガスの導入を不可能とする第1弁と、燃料ガス供給路に接続され第２の掃気処理時に酸化剤ガス供給路から酸化剤ガスを、燃料ガス供給路において遮断手段とアノード電極との間に設けられたエゼクタとアノード電極との間からアノード電極へ導入する第２導入部と、第２導入部による酸化剤ガスの導入を可能とする第２弁と、アノード電極から排出された燃料排出ガスを、エゼクタを介してアノード電極に循環させる循環流路と、第１の掃気処理と第２の掃気処理とを制御する制御装置とを備え、第1導入部は、遮断手段直後でかつエゼクタよりも上流の燃料ガス供給路に接続され、制御装置は、第１の掃気処理時、遮断手段、第２弁を閉弁し、酸化剤ガスを第1導入部から遮断手段直後の燃料ガス供給路に供給し、第２の掃気処理時、遮断手段を閉弁するとともに、第２弁を開弁し、酸化剤ガスを第２導入部からエゼクタ下流の燃料ガス供給路に導入してアノード電極に供給し、燃料電池の発電停止時において、第１の掃気処理を行った後に第２の掃気処理を行うよう制御している。

本発明の請求項１に関わる燃料電池のアノード系掃気システムによれば、第1導入部および第1弁を設けたので、燃料電池のアノード電極およびその近傍の燃料ガス供給路を含むアノード系を掃気する際に、燃料ガス供給路内の遮断手段からスタック入口のアノード電極までの掃気が困難な燃料ガス供給路の残留水素を確実に掃気でき、スタックの膜劣化および触媒の劣化を防止可能である。

また、燃料電池のスタック内の掃気路の第２導入部と、燃料ガス供給路の遮断手段からスタック入口のアノード電極までの掃気路の第1導入部とに弁をそれぞれ分けて設置したことにより、それぞれの流路に対する掃気流量の調整および掃気タイミングの制御が可能であり、最適な掃気が行える。

本発明の請求項２に関わる燃料電池のアノード系掃気システムによれば、第1弁が簡単な逆止弁で構成され、コストが低減できる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

本発明を適用した実施形態の燃料電池システム１は、その全体構成概念図の図１に示すように、走行モータ等の外部負荷回路の負荷に電気エネルギーを供給する燃料電池２と、該燃料電池２のスタック(後記)２Ｓのカソード電極(酸素極)２ｃに酸化剤ガスの空気中の酸素を供給するカソードガス供給装置３と、燃料電池２のスタック２Ｓのアノード電極(水素極)２ｂに燃料ガスの水素を供給するアノードガス供給装置４と、両供給装置３、４および外部負荷回路等を制御する制御装置５とを備え構成されている。

燃料電池２は、イオン導電性を有する固体高分子電解質膜２ａの一方の片面を触媒を含んでなるアノード電極２ｂと他方の片面を触媒を含んでなるカソード電極２ｃとで挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ）の両面を導電性のセパレータ(図示せず)で挟んだセルが、多数、例えばセルが２００枚直列に積層されたスタック２Ｓの構造に形成されている。前記セパレータには水素の通路、空気の通路、冷却水の通路が形成されており、カソードガス供給装置３、アノードガス供給装置４および冷却水循環装置(図示せず)からそれぞれ供給される空気、水素、水が混合しないように通流されている。

この燃料電池２は、アノードガス供給装置４からアノード電極２ｂに水素が供給されるとともにカソードガス供給装置３からカソード電極２ｃに空気が供給され、負荷から電流が要求されることにより、水素と酸素との電気化学反応が進行し燃料電池２から負荷へ電流が取り出され、供給された水素及び酸素が消費される。なお、燃料電池２から電流が取り出されない場合は、供給された水素及び酸素は消費されることなく、そのまま燃料電池２から、排水素、排空気として排出される。また、燃費を改善するため等の理由により、燃料電池２から排出された水素をスタック直前の水素供給路に配設したエゼクタ(後記)を用いて再循環して使用している。

ここで、燃料電池システム１においては、燃料電池２の発電停止中のスタック２Ｓおよびスタック２Ｓに接続する配管中の残留水素による触媒の劣化および高分子電解質膜の劣化に起因する燃料電池２の性能低下を防止することを目的として、燃料電池２の発電停止中にスタック２Ｓおよびスタック２Ｓ近くの水素供給路(燃料ガス供給路)内の残留水素を希釈ボックス(後記)に排出する掃気処理が行われている。

［第１実施形態(参考実施形態)］
図２は、第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池２のスタック１２Ｓとスタック１２Ｓ近傍のアノードガス供給装置４廻りの構成、および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図である。

第１実施形態の燃料電池システムのスタック１２Ｓとスタック１２Ｓ近傍のアノードガス供給装置４は、図２に示すように、高圧水素タンク等の水素供給源からの水素供給路に設けられ水素の圧力調整を行う２次レギュレータ１３と、２次レギュレータ１３下流直近に設けられスタック１２Ｓへの異物の混入を防ぐフィルタ１４と、フィルタ１４下流の水素供給路に設けられ供給される水素を燃料電池２の電気化学反応に適した温度に加熱する熱交換器１５と、熱交換器１５下流の水素供給路に設けられ燃料電池２の停止時に水素の供給を遮断する２次遮断弁(遮断手段)１６と、２次遮断弁１６下流直近に設けられスタック１２Ｓから排出された水素を再循環するエゼクタ１７と、エゼクタ１７下流の配管が接続され供給される水素および供給される酸素との電気化学反応により発電するスタック１２Ｓと、スタック１２Ｓのアノード電極(水素極)１２ｂに水素を供給する配管Ｈ１に接続され掃気用の空気を供給する掃気用配管(第1導入部)Ｓ１と、掃気用配管Ｓ１に設けられ掃気時に開く入掃気弁(第1弁)１８と、スタック１２Ｓと希釈ボックスＢ間の配管に配設され掃気時に開いて掃気ガスを希釈ボックスＢに排出させる出掃気弁１９とを備え構成されている。

この第１実施形態の燃料電池システムにおける発電は、次のように行われる。なお、燃料電池２の発電中は、２次遮断弁１６は開かれ燃料ガスの水素が供給されるとともに、掃気処理は行われないため入掃気弁１８および出掃気弁１９は閉じられている。

水素供給源から２次レギュレータ１３に送られた水素は、２次レギュレータ１３において１ＭＰａに減圧されるとともにフィルタ１４により異物が除去された後、矢印に示すように、配管を通して熱交換器１５に送られる。熱交換器１５に送られた水素は、燃料電池２の電気化学反応に適した温度、例えば８０度〜９０度に加熱され、矢印に示すように、配管を通して２次遮断弁１６に送られ、エゼクタ１７を介して、矢印に示すように、配管を通してスタック１２Ｓのアノード電極(水素極)１２ｂに送られる。なお、スタック１２Ｓのアノード電極(水素極)１２ｂに送られた水素は、１３０ｋＰａに減圧されている。

一方、カソードガス供給装置３から供給される空気は、配管を通して矢印に示すように、スタック１２Ｓのカソード電極(酸素極)１２ｃに送られる。そして、燃料電池２が負荷から電流を要求されると、スタック１２Ｓのアノード電極(水素極)１２ｂに供給された水素とカソード電極(酸素極)１２ｃに供給された空気中の酸素とがスタック１２Ｓ中の各セルで固体高分子電解質膜１２ａを介して電気化学反応を行い発電し、負荷に要求された電流を供給する。

次に、燃料電池システムの停止中に行われる掃気処理について説明する。なお、燃料電池システムは停止中であるので、２次遮断弁１６は閉じられ水素供給源からの水素の供給が停止されるとともに、掃気が行われるため入掃気弁１８および出掃気弁１９は開かれている。

掃気に際しては、掃気用の空気がカソードガス供給装置３から配管を通して、矢印ａ11に示すように、スタック１２Ｓのカソード電極(酸素極)１２ｃに送られるとともに、掃気用配管Ｓ１を通して、矢印ａ12に示すように、入掃気弁１８を介してエゼクタ１７下流の配管Ｈ１に送られ、矢印ａ13に示すように、スタック１２Ｓのアノード電極(水素極)１２ｂに送られる。

こうして、スタック１２Ｓに送られた掃気用の空気は、スタック１２Ｓ内の残留水素を掃気して、矢印ａ14に示すように、出掃気弁１９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。また、スタック１２Ｓに送られ掃気した空気の一部は、矢印ａ15に示すように、配管を通してエゼクタ１７に送られ、再び矢印ａ13に示すように、配管Ｈ１を通してスタック１２Ｓのアノード電極(水素極)１２ｂに送られ、掃気が行われる。

第１実施形態の構成によれば、図２に示すように、２次遮断弁１６をエゼクタ１７真近の水素供給路上流に配置するとともに、掃気処理の掃気をエゼクタ１７下流の配管Ｈ１に導く掃気用配管Ｓ１および入掃気弁１８を設け、発電停止時の残留水素の掃気システム(矢印ａ11、ａ12、ａ13、ａ14、ａ15の掃気の流れ)を、スタック１２Ｓの発電停止後に遮断される２次遮断弁１６下流真近に配置したシステムとしている。

そのため、掃気時のエゼクタ１７上流の水素供給配管の容積を事実上、無くすことができるので、アノード掃気する際に掃気が困難であった２次遮断弁１６からスタック１２Ｓの入口までの水素供給路内の残留水素を確実に掃気できる。従って、燃料電池２における高分子電解質膜の劣化および電極中の触媒の性能の劣化を防止可能であり、燃料電池２の性能の向上および耐久性の向上が図れる。

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池２のスタック２２Ｓとスタック２２Ｓ近傍のアノードガス供給装置４廻りの構成および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図である。

第２実施形態は、第１実施形態(図２参照)における２次遮断弁１６の位置を変更するとともに、掃気用配管(請求項１の第1導入部)Ｓ21および追加入掃気弁(請求項１の第1弁)２１を設けた構成であり、その他の構成は第１実施形態の構成と同じであるので、同様な構成要素には、第１実施形態の図２の付番の１０の位を２０の位の数に変更して示し、詳細な説明は省略する。

図３に示すように、第２実施形態においては、２次遮断弁２６を水素供給配管における２次レギュレータ２３の上流に設けている。また、掃気用空気を供給する掃気用配管Ｓ21を、２次レギュレータ２３および２次遮断弁２６を接続する水素供給配管Ｈ21に接続するように配設し、この掃気用配管Ｓ21に追加入掃気弁２１を設けている。

第２実施形態の燃料電池システムの燃料電池２の発電に際しては、水素を供給するために２次遮断弁２６を開くとともに、入掃気弁２８、出掃気弁２９、および追加入掃気弁２１を閉じる。そして、燃料ガスの水素を、アノードガス供給装置４を構成する２次遮断弁２６、２次レギュレータ２３、フィルタ２４、熱交換器２５、およびエゼクタ２７を介して水素供給配管を通してスタック２２Ｓのアノード電極(水素極)２２ｂに供給するとともに、空気をカソードガス供給装置３からスタック２２Ｓのカソード電極２２ｃ(酸素極)に供給し、スタック２２Ｓ中の各セルで発電して負荷に電流を供給する。

次に、第２実施形態の燃料電池システムの発電停止中に行われる掃気処理について説明する。

発電が停止されているため、２次遮断弁２６が閉じられており、アノードガス供給装置４からスタック２２Ｓのアノード電極(水素極)２２ｂへの水素の供給が停止されている。掃気に際しては、まず、水素供給配管の残留水素の掃気が行われる。すなわち、入掃気弁２８を閉じるとともに出掃気弁２９および追加入掃気弁２１を開き、カソードガス供給装置３から空気を追加入掃気弁２１を介して掃気用配管Ｓ21を通して、矢印ａ21、ａ22に示すように、２次レギュレータ２３および２次遮断弁２６を接続する水素供給配管Ｈ21に供給する。供給された空気は、その後、矢印ａ23に示すように、２次レギュレータ２３、フィルタ２４、熱交換器２５、およびエゼクタ２７を介して水素供給配管を通してスタック２２Ｓのアノード電極(水素極)２２ｂに送られ、２次遮断弁２６下流の水素供給路が掃気される。その後、アノード電極(水素極)２２ｂに送られた空気は、さらにスタック２２Ｓ内を掃気した後、矢印ａ24に示すように、出掃気弁２９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。

続いて、循環部の掃気が行われる。すなわち、追加掃気入弁２１を閉じるとともに入掃気弁(請求項２の第２弁)２８を開き、掃気用の空気を、カソードガス供給装置３から、矢印ａ25に示すように、配管を通してスタック２２Ｓのカソード電極(酸素極)２２ｃに送るとともに、矢印ａ26に示すように、入掃気弁２８を介して掃気用配管(請求項２の第２導入部)Ｓ22を通してエゼクタ２７下流の配管Ｈ22に送り、矢印ａ23に示すように、配管Ｈ22を通してスタック２２Ｓのアノード電極(水素極)２２ｂに送る。その後、スタック２２Ｓに送られた掃気用の空気は、スタック２２Ｓ内の残留水素を掃気して、矢印ａ24に示すように、出掃気弁２９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。また、スタック２２Ｓに送られた掃気用の空気の一部は、スタック２２Ｓ内を掃気した後、再び矢印ａ27に示すように、配管を通してエゼクタ２７に送られ、再び矢印ａ23に示すように、水素供給用配管Ｈ22を通してスタック２２Ｓのアノード電極(水素極)２２ｂに送られ、スタック２２Ｓ内の掃気が行われる。

第２実施形態によれば、掃気処理において、まず、追加入掃気弁２１を開き、掃気用の空気を配管Ｓ21を通して送り、２次遮断弁２６下流からスタック２２Ｓ入り口のアノード電極(水素極)２２ｂまでの水素供給路を掃気し、その後、追加入掃気弁２１を閉じるとともに入掃気弁２８を開き、掃気用の空気によりスタック２２Ｓおよびエゼクタ２７を有する循環部を掃気する。そのため、残留水素が残る全系内の掃気が可能である。

また、スタック２２Ｓを含む循環部の掃気と、２次遮断弁２６からスタック２２Ｓまで水素供給路内の掃気とを分けて、それぞれの掃気流路に入掃気弁２８と追加掃気入弁２１とを設置することにより、それぞれの掃気流路に対する掃気流量の調整および掃気タイミングを制御可能となり、最適な掃気が可能である。

［第３実施形態(参考実施形態)］
図４は、第３実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池２のスタック３２Ｓとスタック３２Ｓ近傍のアノードガス供給装置４廻りの構成および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図である。

第３実施形態は、第１実施形態(図２参照)における２次遮断弁１６に代えて逆流防止弁３１を設けた構成であり、その他の構成は第１実施形態の構成と同じであるので、同様な構成要素には、第１実施形態の図２の付番の１０の位を３０の位の数に変更して示し、詳細な説明は省略する。

図４に示すように、第３実施形態においては、熱交換器３５とエゼクタ３７とを接続する水素供給配管に逆流防止弁３１を設けており、２次レギュレータ３３の上流の水素供給路に遮断弁３６を設けている。ここで、逆流防止弁３１は、水素供給路上流の熱交換器３５側から水素供給路下流のエゼクタ３７側への流体の流入を可能とし、水素供給路下流のエゼクタ３７から水素供給路上流の熱交換器３５側への流体の流入を不可能とするものである。また、逆流防止弁３１は、水素の供給停止時には、逆流防止弁３１より上流の熱交換器３５側の水素供給路内の水素が、逆流防止弁３１より下流のエゼクタ３７側の水素供給路に流れ込まないように設定されている。

第３実施形態の燃料電池システムの燃料電池２の発電に際しては、水素を供給するために遮断弁３６を開き、入掃気弁３８、出掃気弁３９を閉じて、水素をアノードガス供給装置４を構成する遮断弁３６、２次レギュレータ３３、フィルタ３４、熱交換器３５、およびエゼクタ３７を介して水素供給配管を通してスタック３２Ｓのアノード電極(水素極)３２ｂに供給するとともに、空気をカソードガス供給装置３からスタック３２Ｓのカソード電極３２ｃ(酸素極)に供給して、スタック３２Ｓ中の各セルで発電して負荷に電流を供給する。

次に、第３実施形態の燃料電池システムの発電停止中に行われる掃気処理について説明する。

発電が停止されているので、遮断弁３６を閉じられており、アノードガス供給装置４からスタック３２Ｓのアノード電極(水素極)３２ｂへの水素の供給が停止されている。掃気処理に際しては、入掃気弁３８を開き、掃気用の空気を、カソードガス供給装置３から、矢印ａ31に示すように、配管を通してスタック３２Ｓのカソード電極(酸素極)３２ｃに送るとともに、矢印ａ32に示すように、入掃気弁３８を介して掃気用配管Ｓ３を通してエゼクタ３７下流の配管Ｈ31に送り、配管Ｈ31を通して、矢印ａ33に示すように、スタック３２Ｓのアノード電極(水素極)３２ｂに送る。こうして、スタック３２Ｓに送られた掃気用の空気は、スタック３２Ｓ内の残留水素を掃気して、矢印ａ34に示すように、出掃気弁３９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。また、スタック３２Ｓに送られた掃気の一部は、スタック３２Ｓ内を掃気した後、再び矢印ａ35に示すように、配管(請求項３の循環流路)Ｈ32を通してエゼクタ３７に送られ、矢印ａ33に示すように、配管Ｈ31を通してスタック３２Ｓのアノード電極(水素極)３２ｂに送られ、スタック３２Ｓ内の掃気が行われる。この場合、エゼクタ３７上流の水素供給用配管に逆流防止弁３１が設けられており、掃気が逆流防止弁３１より上流の水素供給用路に残留水素が流れ込む逆流が防止される。また、逆流防止弁３１は、水素の供給が停止されているので、逆流防止弁３１より上流の水素供給路内の水素が、逆流防止弁３１より下流の水素供給路に流れ込むことを防止するので、逆流防止弁３１より下流のスタック３２Ｓ、エゼクタ３７を含む循環部の掃気が円滑に行われる。

第３実施形態によれば、逆流防止弁３１により、掃気処理時にスタック３２Ｓおよびエゼクタ３７を有する循環部と逆流防止弁３１より上流の水素供給路間の流体の行き来が遮断され、逆流防止弁３１下流の循環部の残留水素が円滑に掃気され、逆流防止弁３１より上流の水素供給路内の残留水素が循環部に拡散することを防止できる。すなわち、逆流防止弁３１を設けた簡単な構成により、掃気が困難であった水素供給路の残留水素がスタック３２Ｓ側へ拡散することを防止できる。

［第４実施形態］
図５は、第４実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池２のスタック４２Ｓおよびスタック４２Ｓ近傍のアノードガス供給装置４廻りの構成および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図である。

図５に示すように、第４実施形態は、第１実施形態(図２参照)における２次遮断弁１６の位置を変更するとともに、掃気用配管Ｓ41および追加掃気チェック弁(請求項２の逆止弁)４１を設けた構成であり、その他の構成は第１実施形態の構成と同じであるので、同様な構成要素には、第１実施形態の図２の付番中の１０の位を４０の位の数に変更して示し、詳細な説明は省略する。

第４実施形態においては、２次遮断弁４６を水素供給配管における２次レギュレータ４３の上流に設けている。また、スタック４２Ｓのカソード電極４２ｃ(酸素極)に接続され空気を供給する配管と２次レギュレータ４３および２次遮断弁４６を接続する水素供給配管Ｈ41とを接続する掃気用配管Ｓ41を配設し、この掃気用配管Ｓ41中に追加掃気チェック弁４１を設けている。ここで、追加掃気チェック弁４１は、水素供給路中の水素が掃気用配管Ｓ41を通して空気供給路側に流れることを防止している。また、追加掃気チェック弁４１は、発電が停止され掃気用配管Ｓ41に掃気用空気を送る掃気時、空気供給路側の空気の圧力が水素供給配管Ｈ41を含む水素供給路の水素の圧力より大きくなり、掃気用空気が水素供給路側に流れるように構成されている。

第４実施形態の燃料電池システムの燃料電池２を発電するに際しては、水素を供給するために２次遮断弁４６を開くとともに、入掃気弁４８および出掃気弁４９を閉じる。そして、高圧水素タンク等の水素供給源の水素を、アノードガス供給装置４を構成する２次遮断弁４６、２次レギュレータ４３、フィルタ４４、熱交換器４５、およびエゼクタ４７を介して水素供給配管を通してスタック４２Ｓのアノード電極(水素極)４２ｂに供給するとともに、空気をカソードガス供給装置３からスタック４２Ｓのカソード電極４２ｃ(酸素極)に供給して、スタック４２Ｓ中の各セルで発電して負荷に電流を供給する。

ここで、発電中は、掃気用配管Ｓ41中の追加掃気チェック弁４１を境として、掃気用配管Ｓ41の空気供給路側の空気の圧力より水素供給路側の水素の圧力の方が大きいので、追加掃気チェック弁４１が閉じた状態を維持し、空気供給側の空気が掃気用配管Ｓ41を通して水素供給配管Ｈ41に流れ込むことが防止されている。

次に、第４実施形態の燃料電池システムの燃料電池２の発電停止中に行われる残留水素の掃気処理について説明する。

発電が停止されているので、２次遮断弁４６が閉じられ、アノードガス供給装置４からスタック４２Ｓのアノード電極(水素極)４２ｂへの水素の供給が停止されている。掃気処理に際しては、まず、２次遮断弁４６下流の水素供給路の掃気が行われる。すなわち、入掃気弁４８を閉じた状態において、カソードガス供給装置３から掃気用の空気を、矢印ａ41に示すように、掃気用配管Ｓ41を通して追加掃気チェック弁４１を介して、２次遮断弁４６および２次レギュレータ４３を接続する水素供給配管Ｈ41に供給する。すると、掃気用の空気は、その後、矢印ａ42、ａ43に示すように、２次レギュレータ４３、フィルタ４４、熱交換器４５、およびエゼクタ４７を介して水素供給配管を通してスタック４２Ｓのアノード電極(水素極)４２ｂに供給され、２次遮断弁４６下流のアノード電極(水素極)４２ｂまでの水素供給路内が掃気される。その後、掃気用の空気は、スタック４２Ｓ内を掃気して、矢印ａ44に示すように、出掃気弁４９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。

ここで、この掃気中は、２次遮断弁４６が閉じられており、掃気用配管Ｓ41中の追加掃気チェック弁４１を境として、掃気用配管Ｓ41の水素供給路側の水素の圧力より掃気用配管Ｓ41の空気供給路側の空気の圧力の方が大きいので、空気供給側の掃気用の空気が、追加掃気チェック弁４１を介して、掃気用配管Ｓ41を通して水素供給配管Ｈ41に流れ込む。

その後、スタック４２Ｓおよびエゼクタ４７を含む循環部の掃気が行われる。すなわち、掃気用の空気を、カソードガス供給装置３から、矢印ａ45示すように、配管を通してスタック４２Ｓのカソード電極(酸素極)４２ｃに送るとともに、矢印ａ46に示すように、入掃気弁４８を開き、入掃気弁４８を介して掃気用配管Ｓ42を通してエゼクタ４７下流の配管Ｈ42に送り、矢印ａ43に示すように、配管Ｈ42を通してスタック４２Ｓのアノード電極(水素極)４２ｂに送る。こうして、スタック４２Ｓに送られた掃気用の空気は、スタック４２Ｓ内の残留水素を掃気して、矢印ａ44に示すように出掃気弁４９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。また、スタック４２Ｓに送られた掃気用の空気の一部は、スタック４２Ｓ内を掃気した後、再び矢印ａ47に示すように、配管を通してエゼクタ４７に送られ、再び矢印ａ43に示すように、配管Ｈ42を通してスタック４２Ｓのアノード電極(水素極)４２ｂに送られ、スタック４２Ｓ内の掃気が行われる。

第４実施形態によれば、２次遮断弁４６および２次レギュレータ４３を接続する水素供給配管Ｈ41に、掃気用の空気を供給する掃気用配管Ｓ41を接続し、この掃気用配管Ｓ41に追加掃気チェック弁４１を設ける。そして、この追加掃気チェック弁４１により、掃気時に２次遮断弁４６および２次レギュレータ４３を接続する水素供給配管Ｈ41に、掃気用空気を追加掃気チェック弁４１を介して送るため、掃気が困難であった２次遮断弁２６からスタック２２Ｓ入り口のアノード電極(水素極)４２ｂまでの水素供給路内の残留水素の掃気が可能である。

また、簡単な逆止弁である追加掃気チェック弁４１で、第２実施形態で例示した追加入掃気弁２１を代替でき、コスト低減が行える。

［第５実施形態(参考実施形態)］
図６は、第５実施形態の燃料電池システムに係わる燃料電池２のスタック５２Ｓおよびスタック５２Ｓ近傍のアノードガス供給装置４廻りの構成および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図である。

図６に示すように、第５実施形態は、第２実施形態(図２参照)における２次遮断弁１６の位置を変更するとともに、新たに掃気用配管Ｓ51および追加出掃気弁５１を設けた構成であり、その他の構成は第１実施形態の構成と同じであるので、同様な構成要素には、第１実施形態の図２の付番中の１０の位を５０の位の数に変更して示し、詳細な説明は省略する。

第５実施形態においては、２次遮断弁５６を水素供給配管における２次レギュレータ５３の上流に設けている。また、２次遮断弁５６および２次レギュレータ５３を接続する水素供給用配管Ｈ51と出掃気弁５９および希釈ボックスＢとを接続する配管とを接続する掃気用配管Ｓ51を配設し、この掃気用配管Ｓ51中に追加出掃気弁５１を設けている。

第５実施形態の燃料電池システムの燃料電池２を発電するに際しては、水素を供給するため２次遮断弁５６を開き、入掃気弁５８、出掃気弁５９、および追加出掃気弁５１を閉じる。そして、高圧水素タンク等の水素供給源の水素を、アノードガス供給装置４を構成する２次遮断弁５６、２次レギュレータ５３、フィルタ５４、熱交換器５５、およびエゼクタ５７を介して水素供給配管を通してスタック５２Ｓのアノード電極(水素極)５２ｂに供給するとともに、空気をカソードガス供給装置３からスタック５２Ｓのカソード電極５２ｃ(酸素極)に供給して、スタック５２Ｓ中の各セルで発電して負荷に電流を供給する。

次に、第５実施形態の燃料電池システムの燃料電池２の発電停止中に行われる残留水素の掃気処理について説明する。

発電が停止されているので、２次遮断弁５６が閉じられ、アノードガス供給装置４からスタック５２Ｓのアノード電極(水素極)５２ｂへの水素の供給が停止されている。そして、掃気を行うため、入掃気弁５８、出掃気弁５９、および追加出掃気弁５１を開き、カソードガス供給装置３から掃気用の空気を、矢印ａ51に示すように、スタック５２Ｓのカソード電極５２ｃ(酸素極)に流すとともに、矢印ａ52に示すように、入掃気弁５８を介して掃気用配管(請求項５の第２導入部)Ｓ52を通して、エゼクタ５７とスタック５２Ｓとを接続する水素供給用配管Ｈ52に流す。この水素供給用配管Ｈ52に送られた掃気用の空気は分流され、矢印ａ53に示すように、スタック５２Ｓのアノード電極(水素極)５２ｂに流されるとともに、水素供給用路を、波線の矢印ａ54に示すように逆流して、エゼクタ５７、熱交換器５５、フィルタ５４、２次レギュレータ５３を介して水素供給配管を通して水素供給路の上流に向かって流される。

こうして、スタック５２Ｓのアノード電極(水素極)５２ｂに送られた一方の掃気用の空気は、カソード電極５２ｃ(酸素極)に送られた掃気用の空気とともに、スタック５２Ｓ内の残留水素を掃気して、矢印ａ55に示すように、出掃気弁５９を介して配管を通して希釈ボックスＢに排出される。また、スタック５２Ｓに送られた掃気用の空気の一部は、スタック５２Ｓ内を掃気した後、再び矢印ａ56に示すように、配管を通してエゼクタ５７に送られ、再び矢印ａ53に示すように、水素供給用配管Ｈ52を通してスタック５２Ｓのアノード電極(水素極)５２ｂに送られ、スタック５２Ｓ内の掃気が行われる。

一方、波線の矢印ａ54に示すように、水素供給路の上流に向かって流された他方の掃気用の空気は、エゼクタ５７、熱交換器５５、フィルタ５４、２次レギュレータ５３を介して水素供給配管を通った後、矢印ａ56に示すように、追加出掃気弁５１を介して掃気用配管Ｓ51を通って、出掃気弁５９と希釈ボックスＢを接続する配管に流され、希釈ボックスＢに排出される。

第５実施形態によれば、掃気処理において、掃気用の空気によって、残留水素が抜けにくい２次遮断弁５６下流の水素供給路のエゼクタ５７、熱交換器５５、フィルタ５４、２次レギュレータ５３およびこれらを接続する水素供給配管から、残留水素を系外に排出することができる。

また、エゼクタ５７、スタック５２Ｓを含む循環部が掃気できるので、循環部と掃気が困難な水素供給路の両方の掃気が可能である。

なお、出掃気弁は、燃料電池２から排出された水素をエゼクタに導く循環経路の途中に設けられるパージ弁を兼ねるようにしてもよい。

本発明に関わる実施形態の燃料電池システムを示す全体構成概念図。 第１実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池のスタックとスタック近傍のアノードガス供給装置廻りの構成、および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図。 第２実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池のスタックとスタック近傍のアノードガス供給装置廻りの構成、および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図。 第３実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池のスタックとスタック近傍のアノードガス供給装置廻りの構成、および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図。 第４実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池のスタックとスタック近傍のアノードガス供給装置廻りの構成、および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図。 第５実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池のスタックとスタック近傍のアノードガス供給装置廻りの構成、および配管内の水素、空気、および掃気の流れを矢印で表した概念的構成図。 燃料電池システムが停止中のスタック内の水素ガス濃度[％](横軸)とカソード極電位[Ｖ](縦軸)の関係を示した図。

符号の説明

２ 燃料電池
１２ｂ アノード電極(水素極)
１２ｃ カソード電極(酸素極)
１６ ２次遮断弁(遮断手段)
１８ 入掃気弁(第1弁)
２１ 追加入掃気弁(請求項２の第1弁)
２８ 入掃気弁(請求項２の第２弁)
３１ 逆流防止弁(請求項３の逆止弁)
３７ エゼクタ(請求項３の循環手段)
４１ 追加掃気チェック弁(請求項４の逆止弁)
５１ 追加出掃気弁(請求項５の第３弁)
５６ ２次遮断弁(請求項５の遮断手段)
５８ 入掃気弁(請求項５の第２弁)
１２ｂ アノード電極(水素極)
１２ｃ カソード電極(酸素極)
Ｈ32 配管(請求項３の循環流路)
Ｓ１ 掃気用配管(第1導入部)
Ｓ21 掃気用配管(請求項２の第1導入部)
Ｓ22 掃気用配管(請求項２の第２導入部)
Ｓ51 掃気用配管(請求項５の排出部)
Ｓ52 掃気用配管(請求項５の第２導入部)

Claims (2)

1. アノード電極に燃料ガス供給路を通して供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応により得られた電流を外部負荷回路に供給する燃料電池を有し、前記アノード電極およびその近傍の前記燃料ガス供給路を前記酸化剤ガスにより掃気処理を行う燃料電池のアノード系掃気システムであって、
   前記燃料ガス供給路に設けられ、前記燃料電池の停止時に前記アノード電極への前記燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、
   該遮断手段直後の燃料ガス供給路に接続され、第１の前記掃気処理時に前記カソード電極への酸化剤ガス供給路から前記酸化剤ガスを前記燃料ガス供給路に供給する第1導入部と、
   前記第１の掃気処理時に前記第1導入部による前記酸化剤ガスの導入を可能とする一方、第２の前記掃気処理時に前記酸化剤ガスの導入を不可能とする第1弁と、
   前記燃料ガス供給路に接続され前記第２の掃気処理時に前記酸化剤ガス供給路から前記酸化剤ガスを、前記燃料ガス供給路において前記遮断手段と前記アノード電極との間に設けられたエゼクタと前記アノード電極との間から前記アノード電極へ導入する第２導入部と、
   前記第２導入部による酸化剤ガスの導入を可能とする第２弁と、
   前記アノード電極から排出された燃料排出ガスを、前記エゼクタを介して前記アノード電極に循環させる循環流路と、
   前記第１の掃気処理と前記第２の掃気処理とを制御する制御装置とを備え、
   前記第1導入部は、前記遮断手段直後でかつ前記エゼクタよりも上流の燃料ガス供給路に接続され、
   前記制御装置は、
   前記第１の掃気処理時、前記遮断手段、前記第２弁を閉弁し、前記酸化剤ガスを前記第1導入部から前記遮断手段直後の燃料ガス供給路に供給し、
   前記第２の掃気処理時、前記遮断手段を閉弁するとともに、前記第２弁を開弁し、前記酸化剤ガスを前記第２導入部から前記エゼクタ下流の前記燃料ガス供給路に導入して前記アノード電極に供給し、
   前記燃料電池の発電停止時において、前記第１の掃気処理を行った後に前記第２の掃気処理を行うよう制御する
   ことを特徴とする燃料電池のアノード系掃気システム。
2. 前記第１弁は、前記第１の掃気処理時にのみ前記酸化剤ガスが連通可能な逆止弁である
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のアノード系掃気システム。

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