JPH07272738A

JPH07272738A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JPH07272738A
Application number: JP6063703A
Authority: JP
Inventors: Nariyuki Kawazu; 成之河津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料電池システム停止保管時に各部温度差の
発生によってガス体積が変化しても、アノード極とカソ
ード極の間及びそれらの各極と燃料電池容器との間を許
容圧力差以下にする燃料電池システムを提供する。【構成】燃料電池１のアノード極側ガス供給路及びア
ノード極側排ガス流路には、バルブ１１、１２が設けら
れ、一方燃料電池１のカソード極側ガス供給路及びカソ
ード極側排ガス流路には、バルブ１３、１４が設けられ
ている。従って、バルブ１１、１２及びバルブ１３、１
４を閉じるとアノード極密閉路４０とカソード極密閉路
４１が形成される。更に、アノード極密閉路４０とカソ
ード極密閉路４１との流路間は、連結路４４で連結さ
れ、この連結路４４には、所定のクラッキング圧に設定
された一対の逆止弁２０、２１が流れ方向を反対にする
ように並設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池システム、特に
燃料電池システム停止保管時に各部温度差の発生によっ
てガス体積が変化しても、アノード極とカソード極の間
及びそれらの各極と燃料電池容器との間を許容圧力差以
下にする燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気化学反応により発電方式を用いた燃
料電池は、高効率と優れた環境特性を有することから、
小出力電池として近年脚光を浴びている。燃料電池の原
理は、水の電気分解の逆反応、すなわち水素と酸素が結
び付いて水を生成する際の発生する電気エネルギーを利
用している。実際の燃料電池発電システムは、発電を行
う燃料電池本体を中心とし、燃料電池本体へ水素リッチ
ガスを供給するための改質器と、該水素リッチガスに水
分を添加する加湿装置等の周辺装置で構成されている。

【０００３】燃料電池としては、無機酸であるリン酸を
電解質とするリン酸型燃料電池と、炭酸リチウムと炭酸
カリウムとの混合炭酸塩を含浸させた電解質板を用いる
溶融炭酸塩型燃料電池と、リン酸水溶液や溶融炭酸塩の
ような液体状材料の代わりに酸素イオン導電性を有する
固体の安定化ジルコニアを電解質とし作動温度１０００
℃の固体電解質型燃料電池と、水酸化カリウム水溶液を
電解質とするアルカリ型燃料電池と、水素イオン導電性
のフッ素樹脂系のイオン交換膜（例えばナフィオン（Na
fion デュポン社の登録商標））を電解質とし作動温度
が８０〜９０℃である固体高分子型燃料電池がある。

【０００４】近年、特に電解質の逸散・保持等の問題が
なく、常温で起動しかつ起動時間が極めて早い等の利点
を有する固体高分子型燃料電池が注目されている。この
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ:Polymer Electrolyte
Fuel Cells ）は、イオン交換膜型燃料電池(IEMFC:Ion
Exchange Membrane Fuel Cells)、プロトン交換膜型燃
料電池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell
s）、固体高分子電解質型燃料電池(SPEFC:Solid Polyme
r Electrolyte Fuel Cells ）とも呼ばれ、構造の概要
は図７に示す通りである。なお、図７は、単一セルの燃
料電池の構造である。

【０００５】すなわち、固体高分子電解質膜６１の両側
面には、ガス拡散能を有する多孔質のカーボンペーパー
やカーボンクロスからなるアノード電極６２とカソード
電極６３が配置され、更に両極の外側面には、固体高分
子電解質膜６１を挟持するようにアノード極側緻密カー
ボンプレート６４とカソード極側緻密カーボンプレート
６５とが配置されている。そして、このアノード極側緻
密カーボンプレート６４とカソード極側緻密カーボンプ
レート６５の外郭には、それぞれ例えば銅のような導電
性の高い金属からなる集電体６６、６７が配置されてい
る。そして、各部材は相互に接合されて配置されてい
る。更に、アノード極側緻密カーボンプレート６４のア
ノード極６２と接する側には、リブ状の複数の溝からな
るアノード極側ガス流路６８が形成され、このアノード
極側ガス流路６８には改質器から電気化学反応の燃料ガ
スとして供給される水素リッチガスの改質ガスが流通す
る。一方、カソード極側緻密カーボンプレート６５のカ
ソード極６３と接する側には、リブ状の複数の溝からな
るカソード極側ガス流路６９が形成され、このカソード
極側ガス流路６９には電気化学反応の燃料ガスとして供
給される酸素ガス又は空気が流通する。

【０００６】そして、アノード電極６２においては、次
式の水素酸化反応が起こる。

【０００７】Ｈ₂→ ２Ｈ⁺＋２ｅ^- 発生した水素イオンＨ⁺は、固体高分子電解質１を通過
してカソード極６３に移動する。一方、カソード極６３
では、供給された酸素又は空気と水素イオンＨ⁺とが次
式のように反応する。

【０００８】１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→ Ｈ₂Ｏこれらの電気化学的反応により、固体高分子型燃料電池
は起電力を呈する。

【０００９】通常、所望の出力電圧を確保するために、
燃料電池は単一セルを複数枚積層している。図８には、
単一セルを電気的に直列に３枚積層した燃料電池の集合
体、いわゆる３セルスタックの構造が示されている。図
８のような３セルスタックは、上述の図７と異なり各セ
ル間は、両面に異なる燃焼ガスを流通させるリブ付きセ
パレータ７４によって仕切られている。また、スタック
の両端には、発電による発熱を吸収し燃料電池を所定反
応温度に保つための冷却水流路７０と、その外郭に集電
体６６、６７と、その外郭に絶縁体（インシュレータ）
７１、エンドプレート７２が配置され、各部材は締め付
けボルト７３により密着接合されている。

【００１０】上述の固体高分子型燃料電池を例えば自動
車に搭載する場合、自動車の運転・停止に応じて固体高
分子型燃料電池の運転・停止、すなわち間欠運転を頻繁
に行う。固体高分子型燃料電池を停止すると、燃料電池
内部を不活性雰囲気にするためのパージガス、及び冷却
水によって燃料電池本体は冷却される。この燃料電池本
体の冷却に伴い燃料電池内部のガス温度が低下する。一
方、アノード極側ガス流路及びカソード極側ガス流路に
は、水蒸気が存在し、その残存水蒸気量は異なる場合が
ある。ここで、燃料電池の停止によるガス温度の低下に
伴いアノード側及びカソード側の水蒸気が凝集し水とな
る。更に、車両に搭載する場合、パージガスの消費を押
さえるために、パージ後燃料電池本体は密閉状態にされ
る。従って、燃料電池の密閉空間の内部圧力が低下する
と共に、残存水蒸気量が異なるカソード極密閉路及びア
ノード極密閉路内の圧力も低下し更に両密閉路間に圧力
差が生じる。

【００１１】このアノード極密閉路とカソード極密閉路
とに圧力差により、例えば固体電解質膜と電極との接合
体が一方向から圧力を加えられることとなる。このた
め、固体電解質膜と電極との接合体が、例えば対向する
セパレータに設けられたリブ状の複数溝の角部分に押し
つけられ、変形したり、場合によっては切断されてしま
う恐れがある。このような場合、通常、０．２〜３ｍｍ
程度と薄く、また強度的にも弱い固体高分子電解質膜が
影響を受けやすい。

【００１２】更に、停止により内部圧力が低下した燃料
電池に、次の起動の際に加圧した燃料ガスを導入する
と、急激な圧力変化が生じるため、一度に多量の燃料ガ
スが流れ込んでしまう。その結果、固体高分子電解質膜
及び固体高分子型燃料電池の各部にダメージを与える恐
れがある。

【００１３】このような問題が生じると、燃料電池の耐
久性を十分確保できない恐れがあった。

【００１４】そこで、特開平３−２９７０６４号公報の
「燃料電池内の圧力差をバランスさせる方法」には、ア
ノード極側とカソード極側、電池収納容器の各々の間の
圧力を常にバランスさせるためのベローズ式バランサを
設置する方法が記載されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平３
−２９７０６４号公報の構成では、ベローズ式バランサ
として、制御すべき両者の圧力差に応じたガスを、吸収
バランスさせるだけの内部容量を設置する必要がある。
そして、このベローズ式バランサは、巨大なアコーディ
オンのようなものである。

【００１６】従って、例えば出力が１０ｋＷ級の固体高
分子型燃料電池を仮定すると、その配管内部の空間容積
から、このベローズ式バランサに求められる内部容積は
１０リットル以上にもなり、固体高分子型燃料電池本体
のサイズに匹敵するほどの巨大なベローズ式バランサを
設置しなければならない。すなわち、固体高分子型燃料
電池の出力規模を大きくすると、ベローズ式バランサも
それに比例して大きくしなければならず、これでは自動
車のように限られたスペース内に燃料電池を搭載するこ
とは難しい。

【００１７】本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、小型でかつ燃料電池システ
ム停止保管時に各部温度差の発生によってガス体積が変
化しても、アノード極とカソード極の間及びそれらの各
極と燃料電池容器との間を許容圧力差以下にする燃料電
池システムを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る燃料電池システムは、以下のことを特
徴とする。

【００１９】（１）燃料電池システムの停止後、パージ
ガスにより燃料電池を不活性雰囲気に置換し、その後燃
料電池本体を密閉状態にする燃料電池システムにおい
て、アノード極側ガス流路を密閉して形成されたアノー
ド極密閉路と、カソード極側ガス流路を密閉して形成さ
れたカソード極密閉路と、前記アノード極密閉路とカソ
ード極密閉路との流路間を連結する連結路と、前記連結
路にガスの流れ方向を反対にして並設され所定のクラッ
キング圧に設定された一対の逆止弁と、を有し、燃料電
池システムの停止保管時に燃料電池本体のアノード極密
閉路とカソード極密閉路との間の圧力差を一定に保持す
る。

【００２０】（２）上記（１）記載の燃料電池システム
において、更に、前記アノード極密閉路とカソード極密
閉路とからなる燃料電池密閉路にパージガスを供給する
パージガス供給路と、前記燃料電池密閉路に設けられ所
定のクラッキング圧に設定され、かつ前記燃料電池密閉
路に向かってパージガスが流れるように設置された逆止
弁と、を有し、燃料電池システムの停止保管時に燃料電
池への燃料ガス供給路と燃料電池密閉路との間の圧力差
を一定に保持する。

【００２１】（３）上記（２）記載の燃料電池システム
において、更に、前記燃料電池を収納する燃料電池本納
容器と、前記燃料電池収納容器にパージガスを供給する
第２のパージガス供給路と、前記燃料電池収納容器と前
記アノード極密閉路又はカノード極密閉路のいずれか一
方とを連結する第２の連結路と、前記第２の連結路に流
れ方向を反対にして並設され所定のクラッキング圧に設
定された一対の逆止弁と、前記第２のパージガス供給路
に設けられ所定のクラッキング圧に設定され、かつ前記
燃料電池収納容器及びアノード極密閉路又はカソード極
密閉路のいずれか一方に向かってパージガスが流れるよ
うに設置された逆止弁と、を有し、燃料電池システムの
停止保管時にアノード極密閉路及びカソード極密閉路と
燃料電池容器との間の圧力差を一定に保持する。

【００２２】

【作用】上記燃料電池システムの構成によれば、アノー
ド極密閉路とカソード極密閉路との流路間を連結する連
結路と、前記連結路にガスの流れ方向を反対にして並設
され所定のクラッキング圧に設定された一対の逆止弁と
を有するので、燃料電池の停止保管中に冷却に伴って生
じる燃料電池のアノード極側とカソード極側との圧力差
を一定、所定のクラッキング圧に保持することができ
る。

【００２３】更に、上記構成に加え、アノード極密閉路
とカソード極密閉路とからなる燃料電池密閉路にパージ
ガスを供給するパージガス供給路と、前記燃料電池密閉
路に設けられ所定のクラッキング圧に設定され、かつ前
記燃料電池密閉路に向かってパージガスが流れるように
設置された逆止弁とを有するので、燃料電池の停止保管
中に冷却に伴って生じる燃料電池の内部圧力の低下に応
じて、燃料電池密閉路にパージガスを供給して、燃料ガ
ス供給路と燃料電池密閉路との間の圧力差を一定に保つ
ことができる。従って、次の起動における燃料電池への
燃料ガスの急激な流入を防止することができる。

【００２４】更に、上記構成において、更に、燃料電池
を燃料電池本納容器に収納する場合、燃料電池収納容器
にパージガスを供給する第２のパージガス供給路と、燃
料電池収納容器と燃料電池密閉路とを連結する第２の連
結路と、前記第２の連結路に流れ方向を反対にして並設
され所定のクラッキング圧に設定された一対の逆止弁
と、前記第２のパージガス供給路に設けられ所定のクラ
ッキング圧に設定され、かつ前記燃料電池収密閉路に向
かってパージガスが流れるように設置された逆止弁と、
を有するので、燃料電池システムの停止保管時に燃料電
池の内圧が低下した場合、燃料電池収納容器内から燃料
電池密閉路にパージガスを供給し、燃料電池内の内圧低
下を速やかに一定圧に保持することができる。更に、圧
力低下を生じた燃料電池収納容器にもパージガスが供給
されるので、結果として、燃料電池密閉路と燃料電池容
器との間の圧力差を一定に保持することができる。

【００２５】

【実施例】以下図面に基づいて、本発明の好適な実施例
を説明する。

【００２６】第１の実施例図１には、燃料電池の停止保管中に冷却に伴って生じる
燃料電池のアノード極側とカソード極側との圧力差をバ
ランスするブロック構成図が示されている。

【００２７】図１に示すように、固体高分子型燃料電池
１（以下「燃料電池１」と略す）のアノード側入口２に
は、水素リッチガスである改質ガスを供給するアノード
極側ガス供給路が設けられており、一方、燃料電池１の
カソード側入口４には、酸素ガス又は空気を供給するカ
ソード極側ガス供給路が設けられている。また、燃料電
池１のアノード側出口３には、燃料電池１で消費された
排ガスを排出するアノード極側排ガス流路が設けられて
おり、一方燃料電池１のカソード側出口５には、燃料電
池１で消費された酸素又は空気を含む水蒸気を排出する
カソード極側排ガス流路が設けられている。そして、そ
れぞれにバルブ１１、１３、１２、１４が設けられてい
る。

【００２８】従って、バルブ１１、１２を閉じるとアノ
ード極密閉路４０、及びバルブ１３、１４を閉じるとカ
ソード極密閉路４１が形成される。

【００２９】更に、アノード極密閉路４０とカソード極
密閉路４１との流路間は、連結路４４で連結されてい
る。そして、この連結路４４には、所定のクラッキング
圧に設定された一対の逆止弁２０、２１が流れ方向を反
対にするように並設されている。なお、矢印は許容され
るガスの流れ方向を示す。また、連結路４４には、連結
路４４の流路を開閉させるバルブ１９が設けられてい
る。

【００３０】なお、本実施例において、バルブ１１、１
２、１３、１４、１９は電磁弁であって、図示しない制
御部の電気信号によってラッチされ、駆動する。

【００３１】次に、本実施例の燃料電池システムの動作
を説明する。

【００３２】燃料電池１の運転時には、アノード側のバ
ルブ１１とカソード側のバルブ１３とを開け、燃料ガス
を燃料電池１に供給し発電させる。この時連結路４４の
流路を閉じるためバルブ１９は閉じられている。

【００３３】一方、燃料電池１の停止時には、燃料電池
の内部を不活性雰囲気に置換するために、アノード側の
バルブ１１とカソード側のバルブ１３を閉じ、燃料電池
１にパージタンク（図示せず）よりパージガスを供給す
る。この時もバルブ１９は閉じておく。

【００３４】パージが完了したら、バルブ１２、１４を
閉じ、バルブ１９を開ける。この状態で、アノード極密
閉路４０とカソード極密閉路４１とからなる燃料電池密
閉路が形成される。そして、燃料電池１の冷却に伴い、
アノード極密閉路４０のガス圧力とカソード極密閉路４
１のガス圧力とが一定以上の圧力差、即ち逆止弁２０、
２１のクラッキング圧力以上になると、逆止弁２０又は
逆止弁２１が開き、圧力の高い方から低い方へガスが流
れる。更に、一対の逆止弁２０、２１は対向して並設さ
れているので、アノード側、カソード側のどちらの圧力
が高くなっても、あるいはどちらの圧力が低くなっても
逆止弁が開き、圧力差が一定になるようになる。特に、
運転時、一般にはカソード極側はアノード極側に比べ加
圧（例えば２気圧加圧）されており、クラッキング圧を
この加圧分（例えば２気圧）にしておけば、運転時及び
停止保管時に固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質
膜は常時同じ方向から同じ圧力で保持されることとな
り、起動時に固体高分子電解質膜が圧力差によって動揺
することがない。従って、固体高分子電解質膜が変形、
切断等の損傷を受けることがない。

【００３５】ここで、アノード側もカソード側も既にパ
ージガスでパージされているので、逆止弁２０、２１が
開いて相互に流入するガスはパージガス（窒素あるいは
アルゴン）である。従って、燃料ガス（アノード系統に
おいては水素、カソード系統においては酸素または空
気）が流入し合うことはない。

【００３６】なお、燃料電池１の入口側に上記逆止弁２
０、２１を設けても同様の効果が得られる。

【００３７】第２の実施例図２には、燃料電池の停止保管中に冷却に伴って生じる
燃料電池の内部圧力の低下に応じて、燃料電池密閉路に
パージガスを供給して、燃料電池への燃料ガス供給路と
燃料電池密閉路との間の圧力差を一定に保持するブロッ
ク構成図が示されている。なお、第１の実施例と同様の
構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。

【００３８】本実施例の特徴は、更にパージガスタンク
８０からアノード極密閉路４０及びカソード極密閉路４
１にパージガスを供給するパージガス供給路が設けら
れ、パージ供給路は、アノード側パージガス供給路５０
とカソード側パージガス供給路５２に分岐している。ま
た、アノード側パージガス供給路５０とカソード側パー
ジガス供給路５２には、それぞれ所定のクラッキング圧
に設定され、かつパージガスタンク８０から燃料電池１
へパージガスが流れるようにアノード側逆止弁１８とカ
ソード側逆止弁２２が設置されている。更にパージガス
供給路の上流には、バルブ６０が設置されている。この
バルブ６０は、本実施例では電磁弁である。

【００３９】次に、本実施例の燃料電池システムの動作
を説明する。なお、燃料電池１の運転時の動作は、第１
の実施例と同様である。

【００４０】本実施例は、更に燃料電池の冷却に伴っ
て、アノード極密閉路４０とカソード極密閉路４１とか
らなる燃料電池密閉路が一定圧力以下になることを防止
することができる。すなわち、パージガスの置換完了後
もそのままバルブ６０を開けておく。次に、バルブ１
２、１４を閉じ、バルブ１９を開ける。この状態で、ア
ノード極密閉路４０とカソード極密閉路４１とからなる
燃料電池密閉路が形成される。そして、燃料電池１の冷
却に伴い、アノード極密閉路４０のガス圧力とカソード
極密閉路４１のガス圧力とが逆止弁２０、２１のクラッ
キング圧力以上になると、逆止弁２０又は逆止弁２１が
開き、圧力の高い方から低い方へガスが流れ、圧力差が
一定になるようになる。

【００４１】更に、アノード側逆止弁１８とカソード側
逆止弁２２のクラッキング圧を、例えば燃料ガスを供給
するアノード極側ガス供給路とカソード極側ガス供給路
とのガス圧に設定しておけば、燃料電池密閉路の圧力の
圧力低下に応じてパージガスが燃料電池密閉路に供給さ
れる。

【００４２】これにより、次の起動における燃料電池へ
の燃料ガスの急激な流入とそれにともなう圧力の急激な
変動を防止することができる。更に、両極の全体的な圧
力低下を不要に高めることがないため、外気の燃料電池
内への侵入を阻止できると共に、内外の圧力差によるシ
ール部や構成材の破損等が抑制され、安定的な保管状態
を保つことができる。

【００４３】なお、本実施例において、燃料電池１の入
口側に上記逆止弁２０、２１を設け、パージガス供給路
を出口側に設けてもよく、更に逆止弁２０、２１とパー
ジガス供給路を同じ側に設けても同様の効果が得られ
る。

【００４４】第３の実施例図３には、燃料電池システムの停止保管時に燃料電池密
閉路と燃料電池容器との間の圧力差を一定に保持するブ
ロック構成図が示されている。なお、第１及び第２の実
施例と同様の構成要素には同一の符号を付しその説明を
省略する。

【００４５】本実施例は、更に、燃料電池１は燃料電池
収納容器６に収納され、この燃料電池収納容器６には、
パージガス供給路５１を介してパージガスが供給され
る。また、燃料電池収納容器６とアノード極密閉路４０
とは、第２の連結路４６によって連結されている。ま
た、第２の連結路４６には、所定のクラッキング圧に設
定された一対の逆止弁２５、２６が流れ方向を反対にし
て並設され、更に第２の連結路４６を開閉するバルブ２
４が設けられている。更に、パージガス供給路５１に
は、所定のクラッキング圧に設定され、かつ燃料電池収
納容器６に向かってパージガスが流れるように設置され
た逆止弁２３と、第２のパージガス供給路５１を開閉す
るバルブ６１とが設けられている。

【００４６】次に、本実施例の燃料電池システムの動作
を説明する。なお、燃料電池１の運転時の動作は、第１
の実施例と同様である。

【００４７】本実施例は、更に燃料電池の冷却に伴っ
て、アノード極密閉路４０とカソード極密閉路４１とか
らなる燃料電池密閉路と燃料電池収納容器とが一定圧力
以下になることを防止することができる。すなわち、パ
ージガスの置換完了後もそのままバルブ６０、６１を開
けておく。次に、バルブ１２、１４を閉じる。この状態
で、アノード極密閉路４０とカソード極密閉路４１とか
らなる燃料電池密閉路が形成される。次に、バルブ１
９、２４を開ける。そして、燃料電池１の冷却に伴い、
アノード極密閉路４０のガス圧力とカソード極密閉路４
１のガス圧力とが逆止弁２０、２１のクラッキング圧力
以上になると、逆止弁２０又は逆止弁２１が開き、圧力
の高い方から低い方へガスが流れると共に、アノード極
密閉路４０のガス圧力と燃料電池収納容器６のガス圧力
とが逆止弁２５、２６のクラッキング圧力以上になる
と、逆止弁２５又は逆止弁２６が開き、圧力の高い方か
ら低い方へガスが流れる。また、燃料電池収納容器６か
らパージガスが流出し、圧力が低下すると、パージガス
供給路５１を介してパージガスが燃料電池収納容器６に
供給される。これにより、燃料電池密閉路と燃料電池収
納容器６との間の圧力差が一定に保たれ、燃料電池本体
に損傷を与えることがない。

【００４８】また、第２の実施例同様に、アノード側逆
止弁１８とカソード側逆止弁２２のクラッキング圧を、
例えば燃料ガスを供給するアノード極側ガス供給路とカ
ソード極側ガス供給路とのガス圧に設定しておけば、燃
料電池密閉路と燃料ガス供給路との間の圧力差も一定に
できる。このため、次の起動における燃料電池への燃料
ガスの急激な流入と、それにともなう圧力の急激な変動
を防止することができる。更に、両極の全体的な圧力低
下を不要に高めることがないため、外気の燃料電池内へ
の侵入を阻止できると共に、内外の圧力差によるシール
部や構成材の破損等が抑制され、安定的な保管状態を保
つことができる。

【００４９】なお、本実施例において、燃料電池１の入
口側に上記逆止弁２０、２１、２５、２６を設け、２つ
のパージガス供給路を出口側に設けてもよく、更に逆止
弁２０、２１、２５、２６と２つのパージガス供給路を
同じ側に設けても同様の効果が得られる。

【００５０】第４の実施例図４には、第３の実施例に加えて、固体高分子型燃料電
池の冷却水系統をも一定圧力差に保持するブロック構成
図が示されている。なお、第１、第２及び第３の実施例
と同様の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略
する。

【００５１】本実施例の場合、更に燃料電池１に冷却水
を供給する冷却水供給路４８と、燃料電池１から冷却水
を流出させる冷却水排出路４９とからなる冷却配管が設
けられている。更に、冷却水供給路４８に合流し冷却水
供給路４８にパージガスを供給するパージガス供給路５
３が設けられている。パージガス供給路５３を設けたの
は、冷却水に溶解している酸素が冷却水配管を腐食する
のを防止するためである。

【００５２】次に、本実施例の燃料電池システムの動作
を説明する。なお、燃料電池１の運転時の動作は、第１
の実施例と同様である。

【００５３】本実施例は、更に燃料電池１の冷却に伴っ
て、燃料電池密閉路と冷却システムとが一定圧力以下に
なることを防止することができる。すなわち、パージガ
スの置換完了後もそのままパージガスを供給路は開にし
ておく。次に、バルブ１２、１４を閉じる。この状態
で、アノード極密閉路４０とカソード極密閉路４１とか
らなる燃料電池密閉路が形成される。次に、バルブ１
９、２４、３０を開ける。そして、燃料電池１の冷却に
伴い、アノード極密閉路４０のガス圧力とカソード極密
閉路４１のガス圧力とが逆止弁２０、２１のクラッキン
グ圧力以上になると、逆止弁２０又は逆止弁２１が開
き、圧力の高い方から低い方へガスが流れると共に、ア
ノード極密閉路４０のガス圧力と燃料電池収納容器６の
ガス圧力とが逆止弁２５、２６のクラッキング圧力以上
になると、逆止弁２５又は逆止弁２６が開き、圧力の高
い方から低い方へガスが流れる。更に、カソード極密閉
路４１のガス圧力と冷却水排出路４９のガス圧力とが逆
止弁３１、３２のクラッキング圧力以上になると、逆止
弁３１又は逆止弁３２が開き、圧力の高い方から低い方
へガスが流れる。また、燃料電池収納容器６からパージ
ガスが流出し、また冷却配管の圧力が低下すると、パー
ジガス供給路５１、５３を介してパージガスが燃料電池
収納容器６及び冷却配管に供給される。これにより、燃
料電池密閉路と燃料電池収納容器６、燃料電池密閉路と
冷却配管との間の圧力差が一定に保たれ、燃料電池本体
に損傷を与えることがない。また、冷却系と反応極側や
容器内との間の圧力差が抑制されるため、冷却板の変形
によって電極や膜が押圧され破損することが防止でき
る。尚、冷却系は冷却効率を高めるため、反応系と近接
して構成されるため、影響が大きい。

【００５４】第５の実施例図５には、改質器と燃料電池密閉路との間の圧力差を一
定に保つ燃料電池システムのブロック構成図である。な
お、第１の実施例と同様の構成要素には同一の符号を付
しその説明を省略する。

【００５５】図５に示すように、加湿器７は燃料電池１
に供給される燃料ガス（ここで言う燃料ガスにはアノー
ド側ガス（Ｈ₂）及びカソード側ガス（Ｏ₂又は空気）
両方を含む）を加湿するものである。加湿することによ
って、固体高分子電解質膜における水素イオンＨ⁺の移
動が促進され、燃料電池の電池抵抗が低下し、より多く
の出力電流を取り出すことができる。加湿器７を介して
燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路には、
バルブ９、１０、１１が設けられている。また、加湿器
７と燃料電池１とを連絡する配管には、加湿された燃料
ガスが所定温度に保たれるように、ヒータ８が設けられ
ている。燃料電池の停止時には、加湿器７もパージガス
により置換される。従って、加湿器７にもパージガス供
給路５４を介してパージガスが供給される。パージガス
供給路５４には、パージガス供給路５４を開閉するバル
ブ１５が設けられている。更に、パージガス供給路５４
は分岐して、それぞれ加湿器７の上流と、加湿器７とヒ
ータ８との間、ヒータ８と燃料電池１との間にパージガ
スを供給する。そして、分岐したそれぞれのパージガス
供給路には、逆止弁１６、１７、１８が設けられてい
る。通常、加湿器７の内部には、加湿用に多量の水が
蓄えられている。更に、他の金属配管部分に比べ加湿器
７の冷却速度が遅く、従って加湿器７の内部の圧力が、
相対的な関係として見かけ上、その前後の区画の圧力よ
り高くなり、次に燃料電池１を始動するためにバルブ
９、１０、１１を開けたとき、その圧力差によって、加
湿器７の内部の水が次の区画に流れ出したり、前の区画
に逆流してしまう恐れがある。なお、すべての機器が常
温となった時点での他の機器間との圧力関係は、加湿器
内の圧力が最も低くなる。

【００５６】図５を参照しながら、一例を挙げて本実施
例のシステムの動作を説明する。

【００５７】燃料電池１の運転時のガス圧力が２気圧で
あって、逆止弁１６、１７、１８のクラッキング圧を
０．５気圧とし、パージガス圧力を２気圧とした場合を
例にとって説明する。なお、燃料電池１の停止時は、２
気圧から常圧に戻る。

【００５８】まず、通常の運転時においては、バルブ１
５を閉じてパージガス供給路５４を遮断しておく。そし
て、バルブ９、１０、１１を開けて、ガス圧力が２気圧
になるようにバルブ１２を調整して、系統内の内圧力を
保持する。

【００５９】次に、燃料電池１の運転を停止する場合に
は、バルブ１５を閉じたまま、ヒータ８を停止させる。
この時、バルブ１０、１１を開けたままで、バルブ１２
を全開して系統内を下げ、ガス圧力を常圧（１気圧）に
する。

【００６０】その後、バルブ９を閉じ、バルブ１０、１
１、１２を開けておく。次に、バルブ１５を開けてパー
ジガス供給路５４より不活性なパージガスを系統内に供
給する。このときのパージガスは、ガス圧力を２気圧で
注入する。

【００６１】そして、パージ後、バルブ９、１０、１
１、１２を閉じて、バルブ１５のみをパージガス供給路
５４より継続してガス圧力を２気圧でバージガスを注入
し続ける。これにより、「２気圧（パージガス圧力）−
０．５気圧（クラッキング圧）＝１．５気圧（系統内
圧）」で系統内を１．５気圧にすることができる。

【００６２】この状態で、例えば加湿器７の内部圧力が
低下して、１．２気圧になると、逆止弁１６よりパージ
ガスが流入して、加湿器７の内部は１．５気圧になる。
なお、パージガス圧力は、２気圧に限るものではなく、
パージガス圧力が、逆止弁１６、１７、１８のクラッキ
ング圧と大気圧との和より大きい関係が成り立てばよ
く、このような圧力にしておけば、パージガス圧力を途
中で変える必要はない。

【００６３】第６の実施例図６には、停止時に周囲の金属配管との冷却速度の相違
によって、加湿器の内部圧力が上昇した時に、系統外に
ガスを放出させるシステム構成が示されている。なお、
第１の実施例と同様の構成要素には同一の符号を付しそ
の説明を省略する。

【００６４】図６に示すように、加湿器７は燃料電池１
に供給される燃料ガスを加湿するものである。加湿する
ことによって、固体高分子電解質膜における水素イオン
Ｈ⁺の移動が促進され、燃料電池の効率が促進される。
加湿器７を介して燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料
ガス供給路には、バルブ９、１０、１１が設けられてい
る。また、加湿器７と燃料電池１の間には、加湿された
燃料ガスが所定温度に保たれるように、ヒータ８が設け
られている。更に、加湿器７または、燃料電池の停止時
には、加湿器７もパージガスにより置換される。従っ
て、加湿器７にもパージガス供給路５４を介してパージ
ガスが供給される。パージガス供給路５４には、パージ
ガス供給路５４を開閉するバルブ１５が設けられてい
る。更に、パージガス供給路５４は分岐して、それぞれ
加湿器７の下流と、バルブ１０とヒータ８との間、ヒー
タ８と燃料電池１との間にパージガスを供給する。そし
て、分岐したそれぞれのパージガス供給路には、逆止弁
３３、１７、１８が設けられている。また、逆止弁３３
を有する分岐パージガス供給路は、更に分岐し、バルブ
９と加湿器７との間から分岐したガス抜き流路１００に
合流している。そして、分岐パージガス供給路には、バ
ルブ９９が設けられ、一方、ガス抜き流路１００の合流
点より下流には、逆止弁３４が設けられている。この逆
止弁３４は、逆止弁３３と流れる方向が逆になるように
設けられている。

【００６５】図６を参照しながら、一例を挙げて本実施
例のシステムの動作を説明する。

【００６６】燃料電池１の運転時のガス圧力が２気圧で
あって、逆止弁３３、１７、１８のクラッキング圧を
０．５気圧とし、パージガス圧力を２気圧とした場合を
例にとって説明する。なお、燃料電池１の停止時は、２
気圧から常圧に戻る。

【００６７】まず、通常の運転時においては、バルブ１
５を閉じてパージガス供給路５４を遮断しておく。そし
て、バルブ９、１０、１１、９９を開けて、ガス圧力が
２気圧になるようにバルブ１２を調整して、系統内の内
圧力を保持する。

【００６８】次に、燃料電池１の運転を停止する場合に
は、バルブ９９を閉じてバルブ１５を閉じたまま、ヒー
タ８を停止させる。この時、バルブ１０、１１を開けた
ままで、バルブ１２を全開して系統内を下げ、ガス圧力
を常圧（１気圧）にする。

【００６９】その後、バルブ９を閉じ、バルブ１０、１
１、１２を開けておく。次に、バルブ１５を開けてパー
ジガス供給路５４より不活性なパージガスを系統内に供
給する。このときのパージガスは、ガス圧力を２気圧で
注入する。

【００７０】そして、パージ後、バルブ９、１０、１
１、１２、９９を閉じて、バルブ１５のみをパージガス
供給路５４より継続してガス圧力を２気圧でバージガス
を注入し続ける。これにより、「２気圧（パージガス圧
力）−０．５気圧（クラッキング圧）＝１．５気圧（系
統内圧）」で系統内を１．５気圧にすることができる。
この状態で、例えば加湿器７の内部圧力が低下して、
１．２気圧になると、逆止弁１６よりパージガスが流入
して、加湿器７の内部は１．５気圧になる。なお、上述
したように、パージガス圧力は、２気圧に限るものでは
なく、パージガス圧力が、逆止弁３３、１７、１８のク
ラッキング圧と大気圧との和より大きい関係が成り立て
ばよく、このような圧力にしておけば、パージガス圧力
を途中で変える必要はない。

【００７１】本実施例の特徴は、バルブ９９を介して加
湿器７の入口からもパージガスを流入させることであ
る。例えば、加湿器７の出口のみにパージガスを注入
し、バルブ９を閉じたままにすると、加湿器７の内部圧
力が上昇し、これに伴って加湿器７の入口から水が溢れ
てしまう。本実施例のように、加湿器７の入口を開放に
しパージガスを流入させれば、加湿器７より水が溢れる
恐れがない。

【００７２】更に、本実施例の特徴は、ガス抜き用の逆
止弁３４を設けたことである。加湿器７の内部圧力が所
定のパージ後の系統内圧力（上記の例でいえば１．５気
圧）より高くなったときに、逆止弁３４によって加湿器
７の内部圧力を速やかに、所定圧力にすることができ
る。また、図６のように逆止弁３４を配置し、外部放出
する形態としたことにより、例えば加湿器７の内部圧力
の上昇が急激であって加湿器７より水が溢れてしまった
場合にも、溢れた水を燃料電池１に向かう配管に流出さ
せることなく、速やかに外部に放出することができる。

【００７３】本発明では、その内容を平易に説明するた
め、固体高分子型燃料電池のアノード側の材料ガス供給
源の詳細を図示しなかったが、高圧水素ガスボンベによ
る供給、メタノール改質法による水素発生器からの供
給、水素吸蔵合金からの供給、液体水素タンクからの供
給など、固体高分子型燃料電池のアノード側材料ガスの
供給方法として用いられているいずれの方式にも適用す
ることができる。

【００７４】同様にカソード側の材料ガスの供給源にお
いても、高圧酸素（または空気）ガスボンベによる供
給、コンプレッサーによる大気加圧供給、液体酸素（ま
たは空気）タンクからの供給など、固体高分子型燃料電
池のカソード側材料ガスの供給方法として用いられてい
るいずれの方式にも適用することができる。

【００７５】図５、図６では、その内容を平易に説明す
るため、固体高分子型燃料電池の材料ガスの加湿につい
て、加湿器としてのみ図示し、その詳細については述べ
なかった。ここでは一般的に示したバブリング法による
加湿器だけでなく、水を直接ガス気流中で霧化する方式
や、特開平３−２３９９５８号公報に述べられているよ
うな気体状の水は通すが、液体状の水は通さない多孔質
膜により、気化させる方式などいずれの加湿方法にも適
用することが可能である。

【００７６】なお、アノード側に改質器（メタノール改
質器またはメタン改質器）を用いた場合、一般には改質
反応に必要とされる水分以上の水分量を投入して改質反
応を行うので、改質器から得られた改質ガスは、既に一
定量の水蒸気を含有している。従って、この水蒸気含有
量で不足する場合にのみ加湿器を設ければよい。

【００７７】図５、図６では「燃料ガス」とのみ表記し
たが、これはアノード側材料ガス、カソード側材料ガス
のいずれでもかまわない。従って、図５、図６はアノー
ド、またはカソードのいずれか片方の配管系統のみを示
したが、図示しなかった別の材料ガス系統に対しても同
様に適用することができる。

【００７８】上述の実施例では、その内容を平易に説明
するため、一つの燃料電池システムが一つの燃料電池ス
タックから構成されている場合があり、この時、これら
のスタックは相互に電気的に直列又は並列に（さらには
それらの組合わせ）接続されている。しかし、このよう
な場合での材料ガスや冷却水は各スタックを並列に接続
して供給することが一般的である。こうした複数個の燃
料電池スタックからなるシステムにおいても本発明をそ
のまま適用できる。無論、各スタックごとに実施例で述
べた、「ガス連結路にガスの流れ方向と反対に並列さ
れ、所定のクラッキング圧に設定された逆止弁を有す
る」構成にしてもよいし、燃料電池全体で一箇所だけ
「ガス連結路にガスの流れ方向と反対に並列され、所定
のクラッキング圧に設定された逆止弁を有する」構成に
してもよい。スタック相互間の配管が長く、これらの配
管中の圧力変動も当該燃料電池に対して影響を与える可
能性があると予見される場合には、各スタックごとに設
置した方がよい。

【００７９】上述の実施例では、その内容を平易に説明
するため、材料ガスを加熱する手段を明示しなかった
が、固体高分子型燃料電池は８０℃〜１００℃で運転さ
れるので、材料ガスも固体高分子型燃料電池と同じか、
あるいは少し高い温度まで加熱することが望ましい。た
だし、アノード側材料ガスを改質器による改質ガスを用
いる場合は、改質器の運転温度が２００℃以上であるか
ら、別に加熱手段を設ける必要はない。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
電池システムによれば、アノード極密閉路とカソード極
密閉路との流路間を連結する連結路と、前記連結路にガ
スの流れ方向を反対にして並設され所定のクラッキング
圧に設定された一対の逆止弁とを有するので、燃料電池
の停止保管中に冷却に伴って生じる燃料電池のアノード
極側とカソード極側との圧力差を一定、例えばクラッキ
ング圧に保持することができる。

【００８１】更に、上記構成に加え、アノード極密閉路
とカソード極密閉路とからなる燃料電池密閉路にパージ
ガスを供給するパージガス供給路と、前記燃料電池密閉
路に設けられ所定のクラッキング圧に設定され、かつ前
記燃料電池密閉路に向かってパージガスが流れるように
設置された逆止弁とを有するので、燃料電池の停止保管
中に冷却に伴って生じる燃料電池の内部圧力の低下に応
じて、燃料電池密閉路にパージガスを供給して、燃料ガ
ス供給路と燃料電池密閉路との間の圧力差を一定に保つ
ことができる。従って、次の起動における燃料電池への
燃料ガスの急激な流入を防止することができる。

【００８２】更に、上記構成において、更に、燃料電池
を燃料電池本納容器に収納する場合、燃料電池収納容器
にパージガスを供給する第２のパージガス供給路と、燃
料電池収納容器と燃料電池密閉路とを連結する第２の連
結路と、前記第２の連結路に流れ方向を反対にして並設
され所定のクラッキング圧に設定された一対の逆止弁
と、前記第２のパージガス供給路に設けられ所定のクラ
ッキング圧に設定され、かつ前記燃料電池収密閉路に向
かってパージガスが流れるように設置された逆止弁と、
を有するので、燃料電池システムの停止保管時に燃料電
池の内圧が低下した場合、燃料電池収納容器内から燃料
電池密閉路にパージガスを供給し、燃料電池内の内圧低
下を速やかに一定圧に保持することができる。更に、圧
力低下を生じた燃料電池収納容器にもパージガスが供給
されるので、結果として、燃料電池密閉路と燃料電池容
器との間の圧力差を一定に保持することができる。

【００８３】本発明の燃料電池システムを燃料電池に適
用すると、例えば以下のような効果を有する。

【００８４】すなわち、自動車に搭載した固体高分子型
燃料電池のように、繰り返し、運転、停止を行う用途に
おいても、高い信頼性を確保することが出来る。

【００８５】また、従来技術に比べ、容易にまた低コス
トで実現可能で、かつ耐久性能に優れている。

【００８６】更に、本発明を適用すべき固体高分子型燃
料電池が大型になっても、圧力を一定に制御すべき部分
つまり逆止弁のサイズはパージガス配管径に対応した程
度のものであれば充分で、従来技術が持っていた、固体
高分子型燃料電池のサイズ（出力規模）が大きくなる
と、ベローズ式バランサもそれに比例して大きくしなけ
ればならない。とか、ベローズ式バランサの内部容積を
越えては、圧力制御が出来ず、いかなる場合にも圧力制
御するためには、充分余裕のあるベローズ式バランサ即
ち、巨大なベローズ式バランサを用意しなければならな
い。といった問題を解決することができる。

【００８７】固体高分子型燃料電池（電池本体及びシス
テムを構成する配管）の長期的な性能低下を防止し、長
寿命の固体高分子型燃料電池を提供することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例の燃料電池システム
のブロック構成図である。

【図２】本発明に係る第２の実施例の燃料電池システム
のブロック構成図である。

【図３】本発明に係る第３の実施例の燃料電池システム
のブロック構成図である。

【図４】本発明に係る第４の実施例の燃料電池システム
のブロック構成図である。

【図５】本発明に係る第５の実施例の燃料電池システム
のブロック構成図である。

【図６】本発明に係る第６の実施例の燃料電池システム
のブロック構成図である。

【図７】単一セルの燃料電池の構造を示す断面図であ
る。

【図８】３セルスタックの構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１燃料電池２アノード側入口３アノード側出口４カソード側入口５カソード側出口１１、１３、１２、１４、１９バルブ２０、２１逆止弁４０アノード極密閉路４１カソード極密閉路４４連結路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池システムの停止後、パージガス
により燃料電池を不活性雰囲気に置換し、その後燃料電
池本体を密閉状態にする燃料電池システムにおいて、アノード極側ガス流路を密閉して形成されたアノード極
密閉路と、カソード極側ガス流路を密閉して形成されたカソード極
密閉路と、前記アノード極密閉路とカソード極密閉路との流路間を
連結する連結路と、前記連結路にガスの流れ方向を反対にして並設され所定
のクラッキング圧に設定された一対の逆止弁と、を有し、燃料電池システムの停止保管時に燃料電池本体
のアノード極密閉路とカソード極密閉路との間の圧力差
を一定に保持することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池システムにおい
て、更に、前記アノード極密閉路とカソード極密閉路とから
なる燃料電池密閉路にパージガスを供給するパージガス
供給路と、前記燃料電池密閉路に設けられ所定のクラッキング圧に
設定され、かつ前記燃料電池密閉路に向かってパージガ
スが流れるように設置された逆止弁と、を有し、燃料電池システムの停止保管時に燃料電池密閉
路と燃料ガス供給路との間の圧力差を一定に保持するこ
とを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】請求項１記載の燃料電池システムにおい
て、更に、前記燃料電池を収納する燃料電池本納容器と、前記燃料電池収納容器にパージガスを供給する第２のパ
ージガス供給路と、前記燃料電池収納容器と前記アノード極密閉路又はカノ
ード極密閉路のいずれか一方とを連結する第２の連結路
と、前記第２の連結路に流れ方向を反対にして並設され所定
のクラッキング圧に設定された一対の逆止弁と、前記第２のパージガス供給路に設けられ所定のクラッキ
ング圧に設定され、かつ前記燃料電池収納容器及びアノ
ード極密閉路又はカソード極密閉路のいずれか一方に向
かってパージガスが流れるように設置された逆止弁と、を有し、燃料電池システムの停止保管時にアノード極密
閉路及びカソード極密閉路と燃料電池容器との間の圧力
差を一定に保持することを特徴とする燃料電池システ
ム。