JP2003243020A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】不純ガスをシステム系内から外部に排出すると
きに、システム構成を複雑化することなく、水素の排出
をできるだけ減じることを可能とする。 【解決手段】含水素ガスと、含酸素ガスとの供給に基づ
いて発電する燃料電池１システムにおいて、燃料電池１
のアノード側の排ガスを選択的に系外に排出する弁手段
４と、アノードガス中の不純ガスが許容値に達したとき
には、不純ガスををパージするために、燃料電池１の発
電を継続しながらアノード側の排ガスを系外に排出させ
る制御手段１１を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池システム
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】炭化水素系燃料を改質して水素リッチガ
スを生成し、この水素と酸素との電気化学反応により発
電を行う燃料電池システムがある。特開２００１−２３
６７３号公報によれば、このような燃料電池システムに
おいて、水素透過膜を用いた水素分離装置により水素を
分離してアノードガスとして燃料電池に供給している。
このような燃料電池システムでは、燃料消費率を向上さ
せる目的などから、燃料電池より排出される未反応のア
ノードガスは再び燃料電池の反応ガスとして用いるべ
く、燃料電池の上流に循環させるように構成できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが実際の水素分
離膜には、製法上ピンホールを生じることが避け難く、
水素分子よりも大きな一酸化炭素、メタン、二酸化炭素
など不純ガスの一部を透過してしまうという問題があ
る。燃料電池から排出される未反応のアノードガスを循
環させる場合、燃料電池では水素だけが消費され、供給
ガス中に混在していた不純ガスは循環系内に蓄積される
ことになるので、燃料電池の運転時間が増えるほど循環
系内の不純ガス濃度は増大する。不純ガス濃度の増大は
アノードガス中の水素分圧を低下させ、燃料電池の発電
効率を悪化させるだけでなく、不純ガスに一酸化炭素が
含まれる場合には、一酸化炭素が電極上の触媒と結合
（被毒）する確率を高め、水素のイオン化反応を阻害し
て燃料電池の性能に顕著な悪影響を与えることにもなり
かねない。
【０００４】これらの問題は改質ガスを生成して供給す
る燃料電池システムに限ったことではなく、タンクに貯
蔵された水素ガスを供給する燃料電池システムにおいて
も、工業的に１００％の純度をもった水素を生産するこ
とが不可能であることからも生じる問題である。さらに
不純ガスの濃度増大の原因は、不純ガスがアノードガス
に混ざって流入することにあるだけでなく、微量ではあ
るもののカソードガス成分が電解質膜を通してアノード
に流入することが原因となることもあり、不活性ガスの
窒素が蓄積することがある。またガスを加湿したことに
より存在する水蒸気も水素分圧を低下させることにな
る。
【０００５】これらの不純ガスを大気開放してパージす
る場合、多量の水素が一緒に排出されることになるため
燃費が悪化するとともに、可燃ガスである水素を例えば
燃焼させる等して不燃化処理するために追加的な設備を
必要としていた。
【０００６】本発明はこのような問題を解決するために
提案されたもので、不純ガスをシステム系内から外部に
排出するときに、システム構成を複雑化することなく、
かつ水素の排出をできるだけ減じることを可能とするも
のである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、アノード
に供給される水素ガスあるいは水素含有ガスと、カソー
ドに供給される酸素ガスあるいは酸素含有ガスとを電気
化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、ア
ノード側の排ガスを選択的に系外に排出する弁手段と、
アノードガス中の不純ガスをパージするときに、燃料電
池の発電を継続しながらアノード側の排ガスを系外に排
出させる制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】第２の発明は、第１の発明において、前記
弁手段は、アノード側の排ガスをアノードガス供給系に
循環させる系路と、系外に排出させる系路とに選択的に
切り替える。
【０００９】第３の発明は、第１の発明において、前記
弁手段は、アノード側の排ガスを遮断する系路と、系外
に排出させる系路とに選択的に切り替える。
【００１０】第４の発明は、第１から第３の発明におい
て、水素分離装置により分離された水素ガスを前記アノ
ードガスとして供給する。
【００１１】第５の発明は、第１から第４の発明におい
て、前記制御手段は、アノードガスに含まれる不純ガス
の濃度が許容値を越えたことを判定したら前記パージを
行う。
【００１２】第６の発明は、第５の発明において、前記
不純ガスの濃度の判定は、燃料電池の発電特性を基準値
と比較して行う。
【００１３】第７の発明は、第１から第６の発明におい
て、前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値
が、アノードガス中の水素が消費される電流値またはそ
れ以上の電流値となるように制御する。
【００１４】第８の発明は、第７の発明において、水素
が消費される電流値は、アノードに流入する水素流量に
基づいて算出される。
【００１５】第９の発明は、第１から第６の発明におい
て、前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値
を、燃料電池セルの拡散過電圧による電圧降下が顕著と
なる領域の電流値にまで増大させるように制御する。
【００１６】第１０の発明は、第１から第６の発明にお
いて、前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値
を、燃料電池セルの電圧が所定の低電圧となる領域の電
流値にまで増大させるように制御する。
【００１７】第１１の発明は、第１から第６の発明にお
いて、前記制御手段は、前記パージ発電時に、燃料電池
の正極と負極とを電気的に短絡させる。
【００１８】第１２の発明は、第１から第６の発明にお
いて、前記制御手段は、前記パージ時にアノード側の系
路内に残存する水素ガス量を算出し、算出された水素ガ
ス量を消費するために燃料電池から取り出さねばならな
い電荷量を算出し、パージ時の負荷電流の積分値が上記
電荷量と一致するまで前記パージ発電を行う。
【００１９】第１３の発明は、第１から第１２の発明に
おいて、前記弁手段の切り替えにより系外に排出される
排ガスは燃料電池のカソード側に供給される酸素ガスに
混入される。
【００２０】第１４の発明は、第１から第１３の発明に
おいて、前記アノードの上流側に第２の弁手段を設け、
この第２の弁手段より前記パージ時にアノードガスの供
給量を減少または供給を停止する。
【００２１】
【作用・効果】第１から第４の発明によれば、アノード
ガス中の不純ガス、たとえば一酸化炭素、二酸化炭素、
メタンなどを排除するパージ時には、水素ガスが発電反
応により消費されるため、排ガス中に水素がほとんど含
まれず、水素を除去するためのシステムを簡略化でき、
また、水素を発電反応により処理するので、燃料の無駄
がなく、燃費効率が高められる。
【００２２】第５、第６の発明によれば、不純ガスの濃
度を的確に判断し、パージ処理を行うので、常に良好な
発電効率を維持することができる。
【００２３】第７、第８の発明によれば、パージ発電に
より、アノードガス中に含まれる水素の全量または大部
分を消費することができ、外部に排出される水素量をそ
れだけ減らすことができる。
【００２４】第９、第１０の発明によれば、パージ発電
時の負荷電流を燃料電池のセル電圧に基づいて適切に設
定し、水素を確実に発電反応によって消費し、外部に排
出される水素量を確実に減らすことができる。
【００２５】第１１の発明によれば、パージ発電時の負
荷電流値を簡単な構成によって増大させることが可能
で、水素を発電反応により的確に消費できる。
【００２６】第１２の発明によれば、パージ発電時に、
アノードガス中に含まれる水素の全量または大部分をほ
ぼ確実に消費することが可能で、また、水素が無いのに
電流を取り出すことによる燃料電池の損傷も確実に防止
できる。
【００２７】第１３の発明によれば、アノード側の排ガ
スをカソード側に循環させて反応させるので、不純ガス
などを確実に無害化してから排出することも可能とな
る。
【００２８】第１４の発明によれば、パージ発電時の水
素ガスの供給量を減らすことにより、パージに必要な発
電反応のみを行うことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。
【００３０】図１において、１は燃料電池であり、通常
は複数のセルが積層されて構成されるスタックである
が、図では模式的に、水素が供給されるアノード１ａ、
酸素が供給されるカソード１ｃ、及びこれらの間に配置
される電解質１ｂのみが示されている。
【００３１】アノード１ａに供給する水素ガスを生成す
るために改質器２が備えられ、含水素化合物（たとえば
エタノール、ガソリンなどの炭化水素燃料）を水素リッ
チな改質ガスに改質する。改質器２の下流には改質ガス
から水素のみを取り出すための水素分離装置３が配置さ
れる。
【００３２】水素分離装置３は上流室３ａと下流室３ｂ
とが水素透過膜３ｃで隔てられ、水素ガスのみを水素透
過膜３ｃを通して下流室３ｂに流入させる。水素透過膜
３ｃは、たとえばパラジウムの薄膜で構成され、水素分
子をいったんプロトンにイオン化して透過させるか、あ
るいは他の気体分子よりも小さい水素分子のみをふるい
のように分離して透過させるメカニズムであり、理想的
には純水素のみが下流室３ｂに流入するはずである。し
かし、実際の水素透過膜は製造時にピンホールが発生し
やすく、このピンホールを通して微量ではあるが、一酸
化炭素、二酸化炭素、メタンなどの不純ガスも下流室３
ｂに流入する。
【００３３】水素分離装置３の上流室３ａの水素濃度の
低下したガスは、図示しないが、廃熱を回収したり、改
質器２を加熱するための燃料として用いられたのち、燃
料電池システムの外部に排出される。
【００３４】また、水素分離装置３の下流室３ｂの高濃
度の水素ガスは、燃料電池１のアノード１ａに供給さ
れ、カソード１ｂに供給される含酸素ガス（主に空気）
と反応して発電を行う。アノード側に供給された高濃度
の水素ガスは発電反応により全部が消費されるわけでは
なく、余剰のガスとして排出される。
【００３５】この余剰の水素ガスを再度燃料電池１に供
給するために、アノード１ａの出口側には三方弁４が配
置され、排ガスを循環通路５を介してアノード１ａの入
口側、この例では水素分離装置３の下流室３ｂに導く。
【００３６】また、三方弁４は水素ガス中の不純ガスで
ある一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの濃度が許容
値を超えたときには、後述するコントローラ１０からの
信号により切り替わり、排ガスを排気通路６に導く。こ
のとき、排ガス中に含まれる水素ガスを極力減らすため
に、コントローラ１０により燃料電池１の負荷電流が増
加され、水素ガスのほとんどを発電のために消費する。
【００３７】また、前記改質器２と水素分離装置３との
間には改質ガスの流量を制御する流量調整弁７が設けら
れ、これについてもコントローラ１０が制御を行うよう
になっている。
【００３８】燃料電池システムの通常運転時には、燃料
電池１は水素分離装置３から供給される高濃度水素ガス
により発電が行われる。燃料電池１のアノード１ａから
排出される余剰の水素ガスを含む排ガスは、三方弁４に
より循環通路５に導かれ、再び燃料電池１のアノード１
ａに循環される。
【００３９】水素分離装置３により分離された水素ガス
には微量の一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの不純
ガスを含むが、アノード側で発電反応により消費される
成分は水素ガスのみであるため、循環ガス中に含まれる
不純ガスの濃度は運転時間の経過に伴い高くなってい
く。
【００４０】アノード側のガス全圧が、ある所定値を越
えないという条件で発電を行うとして、不純ガスの濃度
が高まるにつれて水素ガスの分圧が低下し、燃料電池１
の発電効率が低下する。また、不純ガスのうち一酸化炭
素はアノード１ａの電極触媒を被毒させるため、これに
よっても発電効率の低下を招く。
【００４１】この燃料電池の性能低下の現象を、図２に
示す、燃料電池性能の代表的なグラフであるＩ−Ｖ特性
曲線により説明する。
【００４２】図の横軸には燃料電池の負荷電流を反応面
の面積で割った電流密度を、縦軸にはセル電圧（１セ
ル）をとり、全負荷運転状態のときのこれらの値をＩ−
Ｖカーブ（特性曲線）として示す。なお、このＩ−Ｖカ
ーブは運転温度、圧力により若干異なった値をとる。
【００４３】ここで、Ｗ１は純粋な水素ガスが供給され
ているときの初期状態の燃料電池特性であり、運転時間
の経過に伴い、不純ガスの濃度が高くなるに従って燃料
電池性能は低下し、これらを順次、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４と
して示す。
【００４４】なお、セル電圧は電流密度がゼロのときに
最大となり、電流密度が高くなるにつれて低下し、とく
に電流密度が高い領域において電圧の降下が顕著とな
る。これは電極表面への反応ガスの供給が追いつかず、
電極表面の反応ガス分圧が低下することによるもので、
拡散過電圧による電圧降下と称される。
【００４５】このように運転時間の経過と共に低下した
燃料電池１の性能を回復するために、コントローラ１０
により三方弁４を排気通路６側に切り替えて、水素ガス
中の不純ガスを外部に排除するパージを行う。ただし、
このときに水素ガスも一緒に外部に排出されるのを防ぐ
ために、コントローラ１０は三方弁４を切り替えている
間は、燃料電池１の負荷電流を高い値に維持して、アノ
ード１ａに供給される水素ガスのほとんどが発電のため
に消費されてしまうようにする。
【００４６】コントローラ１０で実行されるこの不純ガ
スのパージ制御について図３のフローチャートにしたが
って説明する。
【００４７】まず、ステップＳ２において、燃料電池シ
ステムが運転を開始し、通常運転モードに入る。この状
態では三方弁４は循環通路５に排ガスを導き、アノード
側に循環させる。ステップＳ３ではアノード側に供給さ
れる水素ガス中に含まれる不純ガスの濃度が許容値内が
どうか判断し、許容範囲内ならば通常運転モードを維持
する。
【００４８】不純ガス濃度の判定ロジックとしては、た
とえば燃料電池１の電流値と電圧値とを監視し、図２の
Ｉ−Ｖカーブと比較し、ある電流密度におけるセル電圧
が、許容値である、たとえばＷ４の特性値よりも高いと
きは、不純ガス濃度は許容範囲内と判定する。
【００４９】セル電圧が低下し、ステップＳ３で不純ガ
ス濃度が許容値よりも高いと判定されたときは、ステッ
プＳ４に進んでパージ運転モードに入る。
【００５０】パージ運転モードに移行すると、まずステ
ップＳ５で三方弁４を排気通路６側に切り替え、アノー
ド１ａからの排ガスを排気通路６へと導く。次いで、排
ガス中の水素濃度を減少させるために、燃料電池１の負
荷電流を上げて水素消費量を増やすのであるが、このた
めには、まずステップＳ６で目標とする電流値を算出す
るが、この目標電流値はたとえば、アノード側に流入す
る水素ガス量に基づいて決められる。
【００５１】改質器２から水素分離装置３を経由してア
ノード１ａに供給される水素ガスのモル流量をｎ（ｍｏ
ｌ／ｓ）とすると、このとき流入するすべての水素を燃
料電池で消費するために必要な負荷電流値は、理論上、
２ｎＦ（Ａ）と計算される。ここで、Ｆはファラディー
定数である。
【００５２】ステップＳ７で負荷電流を所定値だけ増加
し、ステップＳ８で負荷電流を目標電流値と比較しなが
ら、目標値と一致するまで負荷電流を増やす。電流値が
目標値に達したならば、ステップＳ９で予め設定した待
ち時間を発生させ、その状態を維持したまま、この待ち
時間内に不純ガスを含む排ガスを三方弁４から排気通路
６へと排出する。
【００５３】このようにすると、パージ運転時に燃料電
池１より排気通路６に排出されるガスは、水素ガスがほ
とんど消費された、不純ガスを主体とする排ガスとな
り、このため特別な燃焼器などを設けなくてもよく、あ
るいは簡略化することが可能となる。また、水素ガスは
発電反応に用いられるので、無駄に外部に捨てたり、あ
るいは燃焼処理したりするのに比較して燃料の消費効率
もよい。
【００５４】ところで、上記パージ制御にあっては、流
量調整弁７の開度をそのままにしているので、パージ運
転時にも通常運転時と同等のガス量が燃料電池１に流
れ、この慣性力により不純ガスが排出される。ただし、
水素を消費するために負荷電流として大電流を取り出す
必要があるが、電気回路の耐電流値を低く抑えたいとき
は、パージ運転のときに流量調整弁７の開度を絞り、燃
料電池１に供給されるガス量を減らすこともできる。
【００５５】この場合には、パージ運転に移行したら、
ステップＳ５で三方弁４を切り替えると共に、流量調整
弁７の開度を絞り込む。そして、このときのガス流量に
応じて目標電流値を決めればよい。この場合、目標とす
る電流値がガス流量を絞る前よりも低くなることもあり
うるが、パージ運転時の目標電流値はあくまでも水素ガ
スを消費するために必要な電流値であり、パージ直前の
運転時に比較して電流値が低くなったとしても、本発明
の主旨とは矛盾しない。
【００５６】なお、流量調整弁７はアノード１ａの上流
側であれば、改質器２と水素分離装置３との間ではな
く、他の部位に配置することもできる。
【００５７】次に図４によって第２の実施形態を説明す
る。この例では、パージ運転での目標電流値の設定の方
法のみが前記第１の実施形態と異なる。
【００５８】ステップＳ６ａで目標電流値を決めるの
に、ガス流量から電流値を算出するのではなく、電池性
能に基づいて予めＲＯＭに設定された値を読み込んで電
流値を算出している。
【００５９】この予め設定された目標電流値は、燃料電
池セルの拡散過電圧の傾向に基づいて決められる。図２
のＩ−Ｖカーブにおいて拡散過電圧よってセル電圧が急
激に低下する領域は、反応ガスが電極面に十分に供給さ
れていない状態であり、換言すると、反応ガスがほとん
ど消費されつくしている状態である。したがってこの拡
散過電圧による電圧降下が顕著となる領域までパージ運
転時の電流値を高めれば、所望の水素消費効果が得られ
る。
【００６０】このために、不純ガス濃度が許容値まで増
大したときの、図２のＩ−ＶカーブにおいてＷ４として
示す特性を基準にして、拡散過電圧の効果が大きくなる
領域の電流値Ｃ１を目標電流値としている。
【００６１】ただし、上記したように、流量調整弁７に
より水素ガスの供給量を低下させるときには、拡散過電
圧が顕著となる領域は低電流密度側にシフトし、Ｗ４’
となり、この場合には、そのときの電流値Ｃ２が目標電
流値となる。
【００６２】この実施の形態ではパージ運転時の目標電
流値は予め実験的にＩ−Ｖ特性を測定した結果に基づい
て設定しているが、運転時にリアルタイムに設定するこ
とも可能である。このときには、高電流密度側まで負荷
電流を増大させたときのセル電圧の傾向（すなわちＩ−
Ｖカーブ）をメモリに随時設定しておき、この記憶され
た特性に基づいて同様にして目標電流値を算出すればよ
い。
【００６３】図５に第３の実施形態を示す。
【００６４】この実施形態もパージ運転時の目標電流値
の設定の方法のみが上記と異なるものであり、セル電圧
を監視しながら電流値をフィードバック制御している。
【００６５】ステップＳ５までは第１、第２の実施形態
と同じであり、ステップＳ６ｂ１で負荷電流を所定値だ
け増加させ、ステップＳ６ｂ２でセル電圧を予め設定し
た値である、たとえば０．５Ｖと比較し、セル電圧が設
定値よりも高ければ、それ以下になるまで負荷電流を所
定値だけ増やす動作を繰り返す。
【００６６】セル電圧は、燃料電池１のアノード１ａに
流入した水素がほとんど消費され、拡散過電圧による電
圧降下が発生したときのセル電圧値であり、この実施形
態では典型的な燃料電池の特性に基づき０．５Ｖとして
ある。もちろんこの電圧値は燃料電池の特性に対応して
任意に設定されうる。
【００６７】図６、図７により第４の実施形態を説明す
る。
【００６８】図６は基本的には図１と同じであるが、模
式的に図示された燃料電池１は、他のセル積層部とし
て、１ｄ、１ｅが、さらに電流を取り出すための金属端
子２０ａ、２０ｂが示されている。
【００６９】金属端子２０ａ、２０ｂと回路２１を介し
て電気負荷２２が接続され、さらにこの電気負荷２２と
並列に短絡回路２３が接続され、この短絡回路２３には
スイッチ２４が介装される。電気負荷は車両用の燃料電
池システムにあっては、走行用モータを制御するインバ
ータであり、バッテリの充電器であり、あるいはそれら
やその他の補機を制御するためのパワーマネージャを含
めたシステム一式であったりする。
【００７０】そして、本実施形態では、パージ運転時に
スイッチ２４を閉成することにより、負荷電流値を一時
的に増大させるようになっている。
【００７１】図７に示すように、ステップＳ５までは既
に述べた他の実施形態と同じであるが、ステップＳ６ｃ
において、スイッチ２４を閉じることにより、負荷電流
を増加させ、それにより燃料電池１での水素の消費量を
増やし、排ガス中にほとんど水素が含まれることのない
ようにする。
【００７２】なお、ステップＳ７では、待ち時間を設定
しているが、水素が消費されて燃料電池のセル電圧が十
分に降下し、電流値も降下するのを検出してから次のス
テップ進むようにしてもよい。
【００７３】なお、スイッチ２４を閉じることにより流
れる電流値が大きくなり過ぎ、電気回路や燃料電池の不
具合が懸念される場合には、スイッチ２４と直列に抵抗
を挿入して電流値を抑制することもできる。
【００７４】次に図８に示す第５の実施形態を説明す
る。
【００７５】基本的には上記各実施形態と同じ構成であ
るが、三方弁４の下流の排気通路６を外部に接続するの
ではなく、燃料電池１のカソード１ｃに空気を供給する
通路３１にエジェクタ３２を介して接続する。これによ
りパージ運転時の排ガスをエジェクタ３２を利用して空
気中に還流し、カソード１ｃ側で酸化させる。
【００７６】パージ運転時にアノード１ａから排出する
ガス中の水素濃度は低いが、このように排ガスをカソー
ド１ｃ側に循環し、空気と混合しながら酸化することで
不燃状態で外部に排出させることができる。
【００７７】このための制御について図９によって説明
する。
【００７８】ステップＳ２４でパージ運転モードに入っ
たら、ステップＳ２５で流量調整弁７を閉じ、アノード
１ａへのガスの供給を停止する。
【００７９】ステップＳ２６でアノードガス循環系路内
に残存する水素ガスのモル量を算出する。残存水素ガス
のモル量は、既知のアノードガス循環系路の容積（水素
分離装置３の下流室３ｂ、燃料電池１のアノード１ａ、
循環通路５、その他の配管などの容積合計）と、水素分
圧との積で求められる。ここで水素分圧は直前の燃料電
池の運転状態におけるセル電圧、アノードガス循環系の
圧力（全圧）から推定可能である。
【００８０】ステップＳ２７でパージ運転時にとりだせ
る目標電荷量を算出する。この目標電荷量は、ステップ
Ｓ２６で求めた残存水素ガスのモル量にファラディー定
数を乗じることで求められる。
【００８１】次にステップＳ２８で燃料電池の負荷電流
値を決定するが、これは予めパージ運転時の目標電流の
時刻暦データを記憶させておくものとし、これをマップ
から読み出す。ステップＳ２９では電流値の時間積分を
開始し、さらにステップＳ３０で負荷電流値をマップに
指定された値に切り換える。
【００８２】そして、ステップＳ３１で設定した所定の
待ち時間を経過したら、ステップＳ３２で電流値の積分
値とステップＳ２７で求めた目標電荷量を比較し、電流
積分値の方が低ければ、ステップＳ３０に戻る。ステッ
プＳ３０からステップＳ３２を繰り返すことにより、パ
ージ運転中に目標電荷量と同じだけの電荷が負荷電流に
よって取り出されるまで、予め指定された時刻暦マップ
通りの負荷電流値を制御する状態を継続する。
【００８３】ステップＳ３２で所定の電荷量だけ放電が
完了したと判断されると、ステップＳ３３で三方弁４を
排気通路６側に切り替え、かつ所定の待ち時間を設定
し、アノード側の排ガスをイジェクタ３２を介してカソ
ード側の空気に混入する。このとき、ステップＳ３２ま
での放電制御によりアノードガス中に残存していた水素
は、ほぼ１００％消費されており、アノード１ａからの
排ガスはほとんどが一酸化炭素、二酸化炭素、メタンな
どの不純ガスだけとなる。そして、不純ガスのうちの一
酸化炭素、メタンなどはカソード側で空気と混合され、
酸化することにより無害なガスとしてカソード側の排気
ラインから排出され、また仮にアノードガス中に水素が
含まれていたとしても、カソード側で酸化されて不燃状
態で排出される。
【００８４】所定の待ち時間が経過したらステップＳ３
４で三方弁４を通常運転時の位置に切り替え、ステップ
Ｓ３５で電流積分値をクリアし、ステップＳ３６で通常
運転に復帰させる。
【００８５】本実施の形態では、パージ運転中もアノー
ド上流から水素ガスを供給する場合とは異なり、完全に
アノードガスを遮断するので、アノードガスを大気に直
接的に放出する場合には、排ガスの圧力に依存せざるを
得ないが、イジェクタ３２を利用して空気の供給量に応
じた吸引力を作用させるので、残存排ガスを確実にカソ
ード側に導入することができる。
【００８６】なお、電流値を積分して目標電荷量と比較
することでパージ運転時の水素の完全消費を判定してい
るが、第１の実施の形態と同じように負荷電流を設定す
るシステムにも適用できることは言うまでもない。
【００８７】次に上記の各実施形態では、改質器２によ
り生成した改質ガスを燃料電池に供給するシステムであ
るが、タンクに貯蔵した純水素を直接的に燃料電池に供
給するシステムについても本発明を適用することはでき
る。
【００８８】純水素ガスを供給する場合でも、電解質膜
を透過してカソード側の反応ガスである空気中の窒素な
どが微量づつではあるが、アノード側に移動することに
より、運転時間の経過と共に不純ガスの濃度が高まり、
同じような問題が生じる。
【００８９】図１０によって純水素ガスを直接的に燃料
電池に供給する場合の第６の実施形態を説明する。
【００９０】水素タンク４１に貯蔵された水素ガスが圧
力レギュレータ４２で調圧され、流量調整弁７、エジェ
クタ４３を介してアノード１ａに供給される。燃料電池
１のアノード側の排ガスは、三方弁４から循環通路５を
経由してエジェクタ４３に戻される。
【００９１】そして、この場合にも、不純ガスの濃度が
許容値を越えたならば、上記各実施形態と同じように、
パージ運転モードに移行し、燃料電池の負荷電流をかけ
ながら不純ガスのパージを行うのである。
【００９２】また、図１１に示す実施形態は、アノード
側の排ガスの循環系統がなく、いわゆる行き止まりの系
路が構成されているものである。
【００９３】燃料電池１のアノード１ａの出口側には開
閉弁４４が設けられ、開閉弁４４が閉じているときに
は、アノード排ガスは外部に放出されることはない。ア
ノード１ａでの水素ガスの利用率を１００％とすること
で、発電反応により常に供給された水素ガスの全部が消
費されるように水素ガス供給量が制御されるようになっ
ている。
【００９４】この場合にも、上記のとおりカソード側か
らアノード側に漏れ出る不純ガスがあり、また水素タン
ク４１から供給される水素ガスにも不純ガスが含まれる
可能性が否定できないため、系内の不純ガス濃度が許容
値に達したならば、パージ運転モードに移行し、このと
きには開閉弁４４を開いて排ガスを外部に排出し、燃料
電池の発電効率を回復させるのである。
【００９５】本発明は上記の実施の形態に限定されず
に、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がな
しうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成図である。
【図２】燃料電池の代表的な性能曲線であるＩ−Ｖ特性
図である。
【図３】第１の実施形態の制御動作を示すフローチャー
トである。
【図４】第２の実施形態の制御動作を示すフローチャー
トである。
【図５】第３の実施形態の制御動作を示すフローチャー
トである。
【図６】第４の実施形態の概略構成図である。
【図７】第４の実施形態の制御動作を示すフローチャー
トである。
【図８】第５の実施形態の概略構成図である。
【図９】第５の実施形態の制御動作を示すフローチャー
トである。
【図１０】第６の実施形態の概略構成図である。
【図１１】第７の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池 １ａ アノード １ｃ カソード ２ 改質器 ３ 水素分離装置 ３ａ 上流室 ３ｂ 下流室 ３ｃ 水素透過膜 ４ 三方弁 ５ 循環通路 ６ 排気通路 ７ 流量調整弁 １０ コントローラ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アノードに供給される水素ガスあるいは水
    素含有ガスと、カソードに供給される酸素ガスあるいは
    酸素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池
    システムにおいて、 アノード側の排ガスを選択的に系外に排出する弁手段
    と、 アノードガス中の不純ガスをパージするときに、燃料電
    池の発電を継続しながらアノード側の排ガスを系外に排
    出させる制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池
    システム。
  2. 【請求項２】前記弁手段は、アノード側の排ガスをアノ
    ードガス供給系に循環させる系路と、系外に排出させる
    系路とに選択的に切り替える請求項１に記載の燃料電池
    システム。
  3. 【請求項３】前記弁手段は、アノード側の排ガスを遮断
    する系路と、系外に排出させる系路とに選択的に切り替
    える請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 【請求項４】水素分離装置により分離された水素ガスを
    前記アノードガスとして供給する請求項１〜３のいずれ
    か一つに記載の燃料電池システム。
  5. 【請求項５】前記制御手段は、アノードガスに含まれる
    不純ガスの濃度が許容値を越えたことを判定したら前記
    パージを行う請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料
    電池システム。
  6. 【請求項６】前記不純ガスの濃度の判定は、燃料電池の
    発電特性を基準値と比較して行う請求項５に記載の燃料
    電池システム。
  7. 【請求項７】前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷
    電流値が、アノードガス中の水素が消費される電流値ま
    たはそれ以上の電流値となるように制御する請求項１〜
    ６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  8. 【請求項８】水素が消費される電流値は、アノードに流
    入する水素流量に基づいて算出される請求項７に記載の
    燃料電池システム。
  9. 【請求項９】前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷
    電流値を、燃料電池セルの拡散過電圧による電圧降下が
    顕著となる領域の電流値にまで増大させるように制御す
    る請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システ
    ム。
  10. 【請求項10】前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷
    電流値を、燃料電池セルの電圧が所定の低電圧となる領
    域の電流値にまで増大させるように制御する請求項１〜
    ６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  11. 【請求項11】前記制御手段は、前記パージ発電時に、燃
    料電池の正極と負極とを電気的に短絡させる請求項１〜
    ６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  12. 【請求項12】前記制御手段は、前記パージ時にアノード
    側の系路内に残存する水素ガス量を算出し、 算出された水素ガス量を消費するために燃料電池から取
    り出さねばならない電荷量を算出し、 パージ時の負荷電流の積分値が上記電荷量と一致するま
    で前記パージ発電を行う請求項１〜６のいずれか一つに
    記載の燃料電池システム。
  13. 【請求項13】前記弁手段の切り替えにより系外に排出さ
    れる排ガスは燃料電池のカソード側に供給される酸素ガ
    スに混入される請求項１〜12のいずれか一つに記載の燃
    料電池システム。
  14. 【請求項14】前記アノードの上流側に第２の弁手段を設
    け、この第２の弁手段より前記パージ時にアノードガス
    の供給量を減少または供給を停止する請求項１〜13のい
    ずれか一つに記載の燃料電池システム。
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