JP2007115504A

JP2007115504A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007115504A
Application number: JP2005305243A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Iiyama; 繁飯山; Sayuri Ohira; 小百合大平
Original assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Current assignee: Idemitsu Kosan Co Ltd; Corona Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】本発明は、窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要で、ＭＥＡの劣化を有効に防止できる、簡易な構成の燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気中の酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池２と、燃料電池２のカソード出口７から排出される空気オフガスを、アノードに燃料ガスを供給する燃料電池２のアノード入口４に送り込むアノード掃気経路Ｒとを備える燃料電池システムＳ１であって、
前記電気化学的反応での酸素利用率が９０％以上になるように、前記カソードに供給される前記空気の流量、および前記燃料電池２での発電量の少なくともいずれか一方を制御する制御手段を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、改質型の燃料電池システムが検討されている。従来の改質型の燃料電池システムでは、まず灯油等の炭化水素と水から得られた水素リッチガスに含まれる一酸化炭素が、シフト反応器およびＣＯ選択酸化器によって除去される。精製後の水素は、燃料電池のＭＥＡ（膜電極構造体）を構成するアノードに供給される。その一方で、ＭＥＡを構成するカソードには、空気（酸素）が供給される。そして、水素と空気（酸素）とがアノードおよびカソードに担持された触媒の存在下で電気化学的に反応することによって、この燃料電池システムは発電する。

この燃料電池システムの運転を停止する時は、安全のため、燃料電池のアノード側に残留している可燃性の水素をパージする必要がある。そこで、アノード側に空気を送り込んでアノードに残留する水素をパージすることが考えられるが、アノードで水素と空気（酸素）とが共存すると、水素と酸素とが触媒の存在下で反応（燃焼）する。その結果、この反応によってＭＥＡが劣化しやすいという問題がある。
また、イナートガス（不活性ガス）である窒素で、アノードに残留する水素をパージする燃料電池システムも知られているが、この燃料電池システムでは、窒素ボンベ等のイナートガス供給装置（窒素供給装置）を具備する必要がある。したがって、この燃料電池システムでは、例えば家庭用定置型分散発電や電気自動車用電源等の場合、大きなスペースが必要となるという不具合が生じる。また、窒素ボンベを定期的に交換、補充する必要も生じる。

また、窒素供給装置を不要にするための手段として、特許文献１には中空糸状の窒素分離膜を束ねてモジュール化した構成等の窒素分離発生装置を備えるとともに、この窒素分離発生装置によって、空気から分離された窒素でパージする燃料電池システムが開示されている。
特開２００２−１１０２０７号公報（段落００３７、図１）

しかしながら、この特許文献１に係る燃料電池システムは、新たに窒素分離発生装置を設ける必要があり、燃料電池システムの小型化や低コスト化の観点からは好ましくない。

本発明は、以上の点に鑑み、窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要で、ＭＥＡの劣化を有効に防止できる、簡易な構成の燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気中の酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソード出口から排出される空気オフガスを、前記アノードに前記燃料ガスを供給する前記燃料電池のアノード入口に送り込むアノード掃気経路とを備える燃料電池システムであって、前記電気化学的反応での酸素利用率が９０％以上になるように、前記カソードに供給される前記空気の流量、および前記燃料電池での発電量の少なくともいずれか一方を制御する制御手段を備えることを特徴とする。

ここで、「酸素利用率」とは、カソードに供給される酸素量とカソードで消費される酸素量との比であり、カソードで消費される酸素量は燃料電池での発電量に比例するものである。
この燃料電池システムでは、制御手段が、カソードに供給される空気の流量、および燃料電池での発電量の少なくともいずれかを制御することによって、燃料電池での酸素利用率が９０％以上となるので、カソード出口から排出される空気オフガスは、アノードに対して活性を有する酸素が消費されて、アノードに対して不活性な窒素を主に含んだ窒素リッチガス（窒素の他にアノードに対して不活性な水蒸気と、微量のアルゴン、二酸化炭素等を含んでいてもよい）となる。
この燃料電池システムでは、簡易な構成で窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要となるので簡易な構成となって、コンパクト化を図ることができる。
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池のアノードに残留する燃料ガスを掃気するためのパージガス（掃気ガス）として、アノードに対して不活性な窒素を主に含んだ窒素リッチガスが使用されるので、ＭＥＡの劣化が有効に防止される。また、このような窒素リッチガスが使用されるので、窒素ボンベを使用した従来の燃料電池システムと異なって、窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要となり、ボンベ交換等の作業も必要ない。

このような燃料電池システムにおいては、前記アノード掃気経路上に、前記空気オフガスを貯留する貯留手段をさらに備えていることが望ましい。

この燃料電池システムでは、貯留手段に空気オフガスを貯留することで、空気オフガスをアノードに安定して供給することができる。

また、このような燃料電池システムにおいては、改質ガス中の一酸化炭素を除去することで前記燃料ガスを調製する一酸化炭素選択酸化器と、前記一酸化炭素選択酸化器に空気を供給する空気供給装置とをさらに備えており、前記空気供給装置が、前記アノード入口に送り込む空気オフガスの輸送手段を兼ねていることが望ましい。

この燃料電池システムによれば、改質型の燃料電池システムに適用した場合に、一酸化炭素選択酸化器に空気を供給する空気供給装置と、アノード入口に送り込む空気オフガスの輸送手段とを兼用することができるので、さらなるコンパクト化を図ることができる。

本発明によれば、窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要で、ＭＥＡの劣化を有効に防止できる、簡易な構成の燃料電池システムを提供することができる。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態の燃料電池システムについて、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成説明図、図２は、第１実施形態に係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。

図１に示すように、本実施形態での燃料電池システムＳ１は、改質型のものであり、主に、燃料供給装置１、送風機２４、固体高分子型の燃料電池２、バーナ９、アノード掃気経路Ｒ、およびコントロールユニット３を主に備えて構成されている。なお、コントロールユニット３は、特許請求の範囲にいう「制御手段」に相当する。

燃料供給装置１は、公知の構造を有するものでよく、例えば、図示しない燃料タンク、改質器、シフト反応器、およびＣＯ（一酸化炭素）選択酸化器等を備えている。ちなみに、燃料タンク内に貯蔵された、例えば、灯油、ガソリン等の炭化水素系燃料は、脱硫器（図示せず）で、一定レベル以下まで硫黄分を除去した後に改質器に供給されて、触媒の存在下に水と反応することによって、改質ガス（水素、一酸化炭素、二酸化炭素、およびメタンを含む）を生成する。なお、この水素および一酸化炭素を主に含む改質ガスは、特許請求の範囲にいう「燃料ガス」に相当する。そして、改質器で生成した改質ガスは、シフト反応器に送り込まれるとともに、一酸化炭素が低減される。シフト反応器で水素リッチになった改質ガスは、ＣＯ選択酸化器に送り込まれて一酸化炭素が除去される。つまり、ＣＯ選択酸化器では、図示しないポンプから供給された空気と改質ガスとが触媒の存在下で反応することによって、後記する燃料電池２の図示しない燃料極および酸化剤極に使用される触媒（白金）の触媒毒となる一酸化炭素が改質ガスから除去されることとなる。

このような燃料供給装置１は、一酸化炭素が除去された改質ガスを、自動弁１１を介して、燃料電池２のアノード入口４からアノード（図示せず）に送り込む。その一方で、送風機２４は、空気（主に、酸素および窒素）を、燃料電池２のカソード入口５からカソード（図示せず）に送り込む。この送風機２４は、後記するコントロールユニット３からの指令によって、その出力が調節されて、燃料電池２のカソードに送り込む空気の流量が調節可能になっている。ちなみに、本実施形態では送風機２４が使用されているが、本発明は、送風機２４に代えてコンプレッサ等の他のエア供給機が使用されてもよい。この送風機２４とカソード入口５とを繋ぐ配管Ｃ１には、流量検出手段としての流量計２１が配置されており、この流量計２１は、送風機２４から燃料電池２側に供給される空気の流量を検出している。そして、燃料電池２は、送り込まれた水素と酸素との電気化学反応によって発電する。詳しくは、アノードではアノード反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）が発生し、カソードではカソード反応（１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が発生することで発電する。ちなみに、本実施形態では、燃料電池２における、定格発電時の酸素利用率が２０〜８０％程度に設定されている。そして、空気オフガスを後記するイナートガス溜り８に貯留する際、つまり、アノードパージシーケンス（図２参照）が実行されるときには、酸素利用率が９０％以上となるように設定されることとなる。なお、ここでの「酸素利用率」とは、カソードに供給される酸素量とカソードで消費される酸素量との比をいう。
燃料電池２から取り出される電流は、電流検出手段としての電流計２０によって検出される。なお、前記送風機２４の回転数と空気の流量との相関データを予め実験等により求めておけば、送風機２４の回転数を検知するのみで送風機２４から燃料電池２側に供給される空気の流量を検出することもできる。

発電に使用されて、燃料電池２のアノード出口６から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、逆止弁１６および逆止弁１７を介してバーナ９に送り込まれる。そして、アノードオフガスに含まれる水素は、バーナ９で燃焼される。また、改質初期段階のような燃料供給装置１で生成するガス品質が良くない場合や、燃料電池２での発電を停止した場合には、燃料電池２への改質ガス供給を停止し、改質ガスを直接バーナ９で燃焼できるように、逆止弁１６と逆止弁１７とを繋ぐ配管Ｃ５には、燃料供給装置１と自動弁１１とを繋ぐ配管Ｃ６から分岐するバイパス経路としての配管Ｃ７が接続されており、この配管Ｃ７には、自動弁１４が配置されている。

その一方で、発電に使用されて、燃料電池２のカソード出口７から排出された空気オフガスは、自動弁１５を介して燃料電池システムＳ１の外部に排出される。このように空気オフガスが燃料電池システムＳ１の外部に排出されるときは、燃料電池２の定格発電時に相当しており、燃料電池２での空気中の酸素利用率が２０〜８０％程度となるようにコントロールユニット３によって制御されている。

アノード掃気経路Ｒは、燃料電池２のカソード出口７と自動弁１５とを繋ぐ配管Ｃ２から分岐するとともに、自動弁１１と燃料電池２のアノード入口４とを繋ぐ配管Ｃ３に合流する配管Ｃ４で形成されている。

このアノード掃気経路Ｒは、後記するように、カソード出口７から排出される空気オフガスをアノード入口４に配管Ｃ３を介して供給するものである。つまり、アノード掃気経路Ｒは、例えば、燃料電池システムＳ１の動作終了時に、燃料電池２のアノード（図示せず）に残留する改質ガスや水を燃料電池２から排出するものである。ちなみに、アノード掃気経路Ｒに流入する空気オフガスは、後記するアノードパージシーケンス（図２参照）が実行されることによって、アノードに対して活性を有する酸素が消費されて、アノードに対して不活性な窒素を主に含んだ窒素リッチガス（窒素の他にアノードに対して不活性な水蒸気と、微量のアルゴン、二酸化炭素等を含んでいてもよい）となっており、このときの燃料電池２での酸素利用率は、コントロールユニット３によって制御されることによって９０％以上となっている。

このアノード掃気経路Ｒには、配管Ｃ２側から、自動弁１２、昇圧ポンプ１０、逆止弁１８、イナートガス溜り８、および自動弁１３がこの順番で配設されている。なお、イナートガス溜り８は、特許請求の範囲にいう「貯留手段」に相当する。

昇圧ポンプ１０は、燃料電池２のカソード出口７から排出される空気オフガス（前記窒素リッチガス）を、配管Ｃ２、および開かれた自動弁１２を介してイナートガス溜り８に送り込むものである。そして、空気オフガスは、自動弁１３および自動弁１５が閉じられるとともに、自動弁１５が開かれた状態で、逆止弁１８を介してイナートガス溜り８に流れ込んでいく。イナートガス溜り８には、圧力検出手段としての圧力計１９が配置されており、この圧力計１９は、イナートガス溜り８に貯留される空気オフガス（前記窒素リッチガス）の圧力を検出するようになっている。

コントロールユニット３は、後記する手順に従って、電流計２０で検出された電流値、流量計２１で検出された空気の流量、および圧力計１９で検出された圧力値に基づいて、自動弁１１，１２，１３，１４，１５の開閉を制御し、送風機２４の出力を制御し、そして昇圧ポンプ１０の運転および停止を制御するようになっている。

次に、燃料電池システムＳ１の動作について、図１および図２を適宜参照しながら説明する。

この燃料電池システムＳ１では、燃料電池２のアノード（図示せず）の掃気が必要となった際に、図２に示すように、アノードパージのシーケンスがスタートする。コントロールユニット３は、自動弁１１および自動弁１５が開かれ、自動弁１２、自動弁１３、および自動弁１４が閉じられるように、各自動弁１１，１２，１３，１４，１５に指令信号を出力する（ステップＳ１）。ちなみに、このような各自動弁１１，１２，１３，１４，１５の開閉状態は、燃料電池２の通常の発電時と変わりはなく、このステップＳ１の工程は省略することもできる。

次に、コントロールユニット３は、電流計２０で検出された燃料電池２の電流値（発電電流値）を読み込む（ステップＳ２）とともに、流量計２１で検出された空気の流量、つまり、送風機２４から燃料電池２のカソード（図示せず）に供給される空気量を読み込む（ステップＳ３）。

そして、コントロールユニット３は、読み込んだ電流値、および空気量に基づいて、燃料電池２が発電するために利用した空気中の酸素の利用率を算出する（ステップＳ４）。この酸素の利用率は、例えば、燃料電池２の発電の電流値における、燃料電池２のカソード（図示せず）に供給される空気量と、供給された空気中の酸素の利用率との関係を示すマップを予めコントロールユニット３に格納しておき、コントロールユニット３が、読み込んだ電流値、および空気量に基づいてマップを参照することによって算出することができる。なお、燃料電池２の電流値およびカソードに供給される空気量から予め記憶させておいた計算式により算出するようにしてもよい。

次に、コントロールユニット３は、算出した酸素利用率が９０％未満か否かを判定する（ステップＳ５）。そして、酸素利用率が９０％未満である場合（ステップＳ５のＹｅｓ）には、コントロールユニット３は、送風機２４の出力が低下するように指令することで、燃料電池２のカソード（図示せず）に供給する空気量を減少させる（ステップＳ６）。次いで、コントロールユニット３は、ステップＳ３からステップＳ５の手順を繰り返す。一方、酸素利用率が９０％未満でない場合（ステップＳ５のＮｏ）には、コントロールユニット３は、自動弁１２が開かれ、自動弁１５が閉じられるように、各自動弁１２，１５に指令信号を出力する（ステップＳ７）。ちなみに、自動弁１１、自動弁１３、および自動弁１４は、ステップＳ１の開閉状態が維持される。

そして、コントロールユニット３は、昇圧ポンプ１０の運転を開始する（ステップＳ８）。その結果、燃料電池２のカソード出口７から排出される空気オフガス（窒素リッチガス）は、配管Ｃ２および配管Ｃ４を介してイナートガス溜り８に貯留される。次いで、コントロールユニット３は、圧力計１９が検出する、イナートガス溜り８内の空気オフガスの圧力値を読み込む（ステップＳ９）とともに、読み込んだ圧力値が、予め設定した規定値を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０）。この規定値は、イナートガス溜り８に貯留された空気オフガスが、燃料電池２のアノード（図示せず）を掃気するために必要な量となるように適宜に設定される。

そして、圧力値が、規定値を超えていない場合（ステップＳ１０のＮｏ）には、コントロールユニット３は、ステップＳ８からステップＳ１０の手順を繰り返すことで、イナートガス溜り８に空気オフガスを貯めていく。一方、圧力値が、規定値を超えている場合（ステップＳ１０のＹｅｓ）には、コントロールユニット３は、昇圧ポンプ１０の運転を終了し、次のステップＳ１１の手順を実行する。つまり、コントロールユニット３は、自動弁１１および自動弁１２が閉じられ、自動弁１３、自動弁１４、および自動弁１５が開かれるように、各自動弁１１，１２，１３，１４，１５に指令信号を出力する（ステップＳ１１）ことによって、このアノードパージのシーケンスは終了する。その結果、イナートガス溜り８の空気オフガスは、配管Ｃ３を介してアノード入口４から燃料電池２に流れ込むとともに、燃料電池２のアノード（図示せず）側に残留する改質ガスを掃気する。ちなみに、アノード側に残留する改質ガス中には還元性ガスである水素ガスが多く含まれ、停止時にそのまま水素ガスを滞留させると燃料電池２内の電解質膜（図示せず）に電荷が残留して燃料電池２内の電解質膜が損傷するおそれがある。この燃料電池システムＳ１では、運転の停止時にアノード側に残留する改質ガスをパージすることで電解質膜の損傷を回避することができる。そして、燃料電池２のアノード出口６から排出された空気オフガスは、配管Ｃ５を通じてバーナ９側に送り込まれるとともに、バーナ９を介して燃料電池システムＳ１の外部に放出される。また、燃料供給装置１から供給される改質ガスは、配管Ｃ７および配管Ｃ５を介してバーナ９に送り込まれることで燃焼されて安全にシステム外に排出される。

以上のような燃料電池システムＳ１によれば、簡易な構成で窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要となるので、簡易な構成となって、コンパクト化を図ることができる。

また、この燃料電池システムＳ１によれば、燃料電池２のアノード（図示せず）に残留する改質ガスを掃気するための掃気ガスとして、燃料電池２から排出される、アノードに対して不活性な窒素を主に含んだ窒素リッチガスである空気オフガスが使用されるので、ＭＥＡの劣化が有効に防止される。また、窒素ボンベを使用した従来の燃料電池システムと異なって、窒素ボンベ等のイナートガス供給装置が不要となり、ボンベ交換等の作業も必要がない。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の燃料電池システムについて、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図３は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成説明図、図４は、第２実施形態に係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。なお、本実施形態では、第１実施形態に係る燃料電池システムＳ１（図１参照）と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳ２では、アノード掃気経路Ｒにおける昇圧ポンプ１０が、自動弁１３の下流側に配置されている以外は、第１実施形態に係る燃料電池システムＳ１と同様の構造を有している。

つまり、この燃料電池システムＳ２では、燃料電池２のカソード出口７における空気オフガスの圧力と、イナートガス溜り８内の圧力との差で、空気オフガスがイナートガス溜り８に送り込まれるようになっている。

次に、燃料電池システムＳ２の動作について、主に図３および図４を適宜参照しながら説明する。
この燃料電池システムＳ２では、燃料電池２のアノード（図示せず）の掃気が必要となった際に、図４に示すように、アノードパージのシーケンスがスタートする。そして、コントロールユニット３ａは、第１実施形態でのコントロールユニット３（図１参照）と同様にして、ステップＳ１からステップＳ７（図１参照）の手順を実行する。その結果、燃料電池２のカソード出口７から排出される空気オフガス（窒素リッチガス）は、配管Ｃ２および配管Ｃ４を介してイナートガス溜り８に貯留される。次いで、コントロールユニット３ａは、圧力計１９が検出する、イナートガス溜り８内の空気オフガスの圧力値を読み込む（ステップＳ８）とともに、読み込んだ圧力値が、予め設定した規定値を超えているか否かを判定する（ステップＳ９）。

そして、圧力値が、規定値を超えていない場合（ステップＳ９のＮｏ）には、コントロールユニット３ａは、ステップＳ８およびステップＳ９の手順を繰り返す。一方、圧力値が、規定値を超えている場合（ステップＳ９のＹｅｓ）には、コントロールユニット３ａは、昇圧ポンプ１０の運転を開始する（ステップＳ１０）とともに、次のステップＳ１１の手順を実行する。つまり、コントロールユニット３ａは、自動弁１１および自動弁１２が閉じられ、自動弁１３、自動弁１４、および自動弁１５が開かれるように、各自動弁１１，１２，１３，１４，１５に指令信号を出力する（ステップＳ１１）。その結果、イナートガス溜り８の空気オフガスは、配管Ｃ３を介してアノード入口４から燃料電池２に流れ込むとともに、燃料電池２のアノード（図示せず）側に残留する改質ガスを掃気する。そして、燃料電池２のアノード出口６から排出された空気オフガスは、配管Ｃ５を通じてバーナ９側に送り込まれるとともに、バーナ９を介して燃料電池システムＳ２の外部に放出される。また、燃料供給装置１から供給される改質ガスは、配管Ｃ７および配管Ｃ５を介してバーナ９に送り込まれることで燃焼されて安全にシステム外に排出される。

次に、コントロールユニット３ａは、イナートガス溜り８内の空気オフガスの圧力値を読み込む（ステップＳ１２）とともに、読み込んだ圧力値が、前記した規定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。

そして、圧力値が、規定値未満でない場合（ステップＳ１３のＮｏ）には、コントロールユニット３ａは、ステップＳ１２およびステップＳ１３の手順を繰り返す。一方、圧力値が、規定値未満である場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）には、コントロールユニット３ａは、昇圧ポンプ１０の運転を終了する（ステップＳ１４）ことによってアノードパージのシーケンスを終了する。

以上のような燃料電池システムＳ２によれば、第１実施形態に係る燃料電池システムＳ１と同様の作用効果を奏することができるとともに、昇圧ポンプ１０の出力でイナートガス溜り８の空気オフガスが燃料電池２のアノード（図示せず）に送り込まれるので、空気オフガスの流量を調節することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の燃料電池システムについて、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成説明図、図６は、第３実施形態に係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。なお、本実施形態では、第１実施形態に係る燃料電池システムＳ１（図１参照）と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムＳ３では、第１実施形態に係る燃料電池システムＳ１のアノード掃気経路Ｒ（図１参照）に代えて、アノード掃気経路Ｒａが形成されている。

このアノード掃気経路Ｒａは、配管Ｃ２から分岐して配管Ｃ３に合流する配管Ｃ４に、配管Ｃ２側から、自動弁１２、逆止弁１８、イナートガス溜り８、三方切替弁１３ａ、ポンプ１０ｂ、および三方切替弁１３ｂがこの順番で配設されている。なお、ポンプ１０ｂ
は、特許請求の範囲にいう「空気供給手段」に相当し、後記するようにアノード入口４に送り込む空気オフガスの輸送手段を兼ねている。

三方切替弁１３ａは、そのＩ側からII側に向けて流れる流路と、III側からII側に向けて流れる流路とを、後記するコントロールユニット３ｂからの指令で切り替えられるようになっている。そして、三方切替弁１３ａのIII側には、配管Ｃ８を介してエアフィルタ２３が繋げられている。

三方切替弁１３ｂは、そのＩ側からII側に向けて流れる流路と、Ｉ側からIII側に向けて流れる流路とを、後記するコントロールユニット３ｂからの指令で切り替えられるようになっている。そして、三方切替弁１３ｂのIII側は、後記する一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器２２と配管Ｃ９で繋げられている。なお、以下の一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化器２２は、特許請求の範囲にいう「一酸化炭素選択酸化器」に相当し、以下、単に「ＣＯ選択酸化器２２」という。

なお、符号１ａは、第１実施形態での燃料供給装置１（図１参照）における、図示しない燃料タンク、改質器、およびシフト反応器と同様のものを備えたユニットであって、このユニットとＣＯ選択酸化器２２とが接続されることで、図５に示す燃料供給装置１は、第１実施形態での燃料供給装置１（図１参照）と同様に構成されている。

次に、燃料電池システムＳ３の動作について、主に図５および図６を適宜参照しながら説明する。
この燃料電池システムＳ３では、燃料電池２のアノード（図示せず）の掃気が必要となった際に、図６に示すように、アノードパージのシーケンスがスタートする。コントロールユニット３ｂは、自動弁１１および自動弁１５が開かれ、自動弁１２および自動弁１４が閉じられ、三方切替弁１３ａがIII側からII側に向けて流れるように流路が切り替えられ、そして、三方切替弁１３ｂがＩ側からIII側に向けて流れるように流路が切り替えられるように、各自動弁１１，１２，１３，１４，１５および各三方切替弁１３ａ，１３ｂに指令信号を出力する（ステップＳ１）。その後、第２実施形態でのコントロールユニット３ａ（図３参照）と同様にして、ステップＳ２からステップＳ７（図４参照）の手順を実行する。その結果、燃料電池２のカソード出口７から排出される空気オフガス（窒素リッチガス）は、配管Ｃ２および配管Ｃ４を介してイナートガス溜り８に貯留される。このとき、ポンプ１０ｂは、エアフィルタ２３から空気を吸気するとともに、この空気をＣＯ選択酸化器２２に供給する。その結果、ＣＯ選択酸化器２２では、前記したように、改質ガス中の一酸化炭素が除去されることとなる。

次いで、コントロールユニット３ｂは、第２実施形態でのコントロールユニット３ａ（図３参照）と同様にして、ステップＳ８からステップＳ１０（図４参照）の手順を実行することによって、ポンプ１０ｂの運転を開始する。それとともに、コントロールユニット３ｂは、自動弁１１および自動弁１２が閉じられ、自動弁１４、および自動弁１５が開かれ、三方切替弁１３ａがＩ側からII側に向けて流れるように流路が切り替えられ、そして、三方切替弁１３ｂがＩ側からII側に向けて流れるように流路が切り替えられるように、各自動弁１１，１２，１３，１４，１５および各三方切替弁１３ａ，１３ｂに指令信号を出力する（ステップＳ１１）。その結果、イナートガス溜り８の空気オフガスは、配管Ｃ３を介してアノード入口４から燃料電池２に流れ込むとともに、燃料電池２のアノード（図示せず）側に残留する改質ガスを掃気する。つまり、ポンプ１０ｂは、ＣＯ選択酸化器２２の空気供給装置と、空気オフガスを燃料電池２のアノード（図示せず）に送り込むポンプ（第２実施形態での昇圧ポンプ１０に対応する）とを兼ねている。

そして、燃料電池２のアノード出口６から排出された空気オフガスは、配管Ｃ５を通じてバーナ９側に送り込まれるとともに、バーナ９を介して燃料電池システムＳ３の外部に放出される。また、燃料供給装置１から供給される改質ガスは、配管Ｃ７および配管Ｃ５を介してバーナ９に送り込まれることで燃焼される。

次に、コントロールユニット３ｂは、イナートガス溜り８内の空気オフガスの圧力値を読み込む（ステップＳ１２）とともに、読み込んだ圧力値が、前記した規定値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。

そして、圧力値が、規定値未満でない場合（ステップＳ１３のＮｏ）には、コントロールユニット３ｂは、ステップＳ１２およびステップＳ１３の手順を繰り返す。一方、圧力値が、規定値未満である場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）には、コントロールユニット３ｂは、ポンプ１０ｂの運転を終了する（ステップＳ１４）ことによってアノードパージのシーケンスを終了する。

以上のような燃料電池システムＳ３によれば、第１実施形態に係る燃料電池システムＳ１と同様の作用効果を奏することができるとともに、ＣＯ選択酸化器２２の空気供給装置としてのポンプ１０ｂが、空気オフガスを燃料電池２のアノード（図示せず）に送り込むポンプ（第２実施形態での昇圧ポンプ１０に対応する）を兼ねているので、第１実施形態の燃料電池システムＳ１や第２実施形態の燃料電池システムＳ２と比較して、さらなるコンパクト化を図ることができる。

以上、本発明の第１実施形態乃至第３実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。
例えば、前記実施形態では、燃料電池２のカソードに供給する空気の流量を減少させることによって、アノードに対して活性を有する酸素を燃料電池２で充分に消費することで、空気オフガスをアノードに対して不活性な窒素を主に含んだ窒素リッチガスにしているが、本発明は燃料電池２での発電量をアノードでの水素利用率が増大するように調整してカソード側の空気利用率を９０％以上にすることで空気オフガスを窒素リッチガスにするものであってもよい。ここで、「水素利用率」とは、アノードに供給される水素量とアノードで消費される水素量との比であり、アノードで消費される水素量は燃料電池での発電量に比例するものである。ちなみに、このような燃料電池システムでは、コントロールユニットが、発電量を調節することとなる。また、発電量とカソード空気量の両方を調整してカソード側の空気利用率を９０％以上にするようにしてもよい。

また、前記実施形態では、改質型の燃料電池システムＳ１，Ｓ２，Ｓ３を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料供給装置１が高圧の水素ガスを貯留した水素ボンベを有するものであってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成説明図である。第１実施形態に係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。第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成説明図である。第２実施形態に係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。第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す構成説明図である。第３実施形態に係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。

符号の説明

２燃料電池
３コントロールユニット（制御手段）
３ａコントロールユニット（制御手段）
３ｂコントロールユニット（制御手段）
４アノード入口
５カソード入口
６アノード出口
７カソード出口
Ｓ１燃料電池システム
Ｓ２燃料電池システム
Ｓ３燃料電池システム
１０昇圧ポンプ
１０ｂポンプ（空気供給手段）
２２ＣＯ選択酸化器（一酸化炭素酸化器）
２４送風機
Ｒアノード掃気経路
Ｒａアノード掃気経路

Claims

アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される空気中の酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソード出口から排出される空気オフガスを、前記アノードに前記燃料ガスを供給する前記燃料電池のアノード入口に送り込むアノード掃気経路とを備える燃料電池システムであって、
前記電気化学的反応での酸素利用率が９０％以上になるように、前記カソードに供給される前記空気の流量、および前記燃料電池での発電量の少なくともいずれか一方を制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記アノード掃気経路上に、前記空気オフガスを貯留する貯留手段をさらに備え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。
改質ガス中の一酸化炭素を除去することで前記燃料ガスを調製する一酸化炭素選択酸化器と、前記一酸化炭素選択酸化器に空気を供給する空気供給装置とをさらに備えており、前記空気供給装置が、前記アノード入口に送り込む空気オフガスの輸送手段を兼ねていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。