JP2007123013A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの非運転時に長期にわたり両極を不活性状態に保持することを可能とし、性能劣化を抑制することを課題とする。
【解決手段】燃料電池スタック１の燃料極２のガス圧力と、燃料電池スタック１の酸化剤極３のガス圧力とに基づいて、燃料極２に供給される水素の供給を制御する水素供給開閉弁９と、酸化剤極３に供給される空気の供給を制御する空気供給開閉弁１１と、燃料極２から排出される未使用の水素の排気を制御する水素排気開閉弁１２と、酸化剤極３から排出される未使用の空気の排気を制御する空気排気制御弁１３を開閉制御し、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池スタック１の燃料極２ならびに酸化剤極３に大気圧以上の窒素を封入して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、システムの非運転時に燃料電池のアノード（燃料）極ならびにカソード（酸化剤）極を非活性状態にして保持する燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池システムがシャットダウンされる場合に、オンされたスイッチを介して燃料電池スタックと電気負荷を電気的に接続し、燃料電池スタックに残存する反応ガスで発生する電気を電気負荷で消費させ、燃料極ならびに酸化剤極の両極の周辺を非活性状態に維持し、安全で長寿命な燃料電池システムを提供している。
特開２００４−１３９９５０

上記従来の燃料電池システムにおいては、システムの運転停止時に燃料電池スタックに電気負荷を接続して、アノード側に残留する水素とカソード側に残存する酸素とを反応させている。これにより、アノード側は大気圧以下の圧力状態となり、外部から空気が混入しやすくなっていた。

また、上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックと電気負荷との接続による電荷消費動作後に、開放された連結バルブを介して水素排出路と空気排出路を連結し、両極を連結している。これにより、アノード側に残存する水素とカソード側に残存する酸素が混在し、電解質膜の劣化が促進されるおそれがあった。

このように従来の燃料電池システムでは、長時間にわたり両極を非活性状態に保つことは困難であると同時に、システムの停止時に性能劣化を促進させてしまうおそれがあるという問題点があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの非運転時に長期にわたり両極を不活性状態に保持することを可能とし、性能劣化を抑制し得る燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段によりアノード極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段によりカソード極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池のアノード極に供給される燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給制御弁と、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの供給を制御する酸化剤ガス供給制御弁と、前記燃料電池のアノード極から排出される未使用燃料ガスの排気を制御する燃料ガス排気制御弁と、前記燃料電池のカソード極から排出される未使用酸化剤ガスの排気を制御する酸化剤ガス排気制御弁と、前記アノード極のガス圧力と、前記カソード極のガス圧力とに基づいて、前記燃料ガス供給制御弁、前記酸化剤ガス供給制御弁、前記燃料ガス排気制御弁、ならびに前記酸化剤ガス排気制御弁を開閉制御し、前記燃料電池に不活性ガスを封入する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池のアノード極とカソード極との両極を連結することなく大気圧以上の圧力で不活性ガスを燃料電池に封入し、燃料電池システムを停止状態にすることが可能となる。これにより、燃料電池システムの停止時の性能劣化を抑制できると共に、長期にわたり両極を不活性状態に保つことができ、システムの停止時、保管時ならびに起動時の性能劣化を抑制することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料極２に燃料ガスの水素の供給を受け、酸化剤極３に酸化剤ガスの空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備えている。なお、この実施例１ならびに以下に説明する実施例２〜４では、図示していないが燃料電池は固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極２側及び酸化剤極３側の触媒層とガス拡散電極により挟持された固体電解質膜から成る膜電極接合体と、燃料極２及び酸化剤極３にそれぞれ水素及び空気を供給するためのガス流路と、膜電極接合体を挟持するセパレータとを備えている。

燃料極２及び酸化剤極３における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示すようになる。

（化１）
燃料（アノード）極： Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
酸化剤（カソード）極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
全体： Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
燃料電池システムの水素系では、高圧水素タンク８から水素供給開閉弁９を備えた水素供給配管４を介して燃料電池スタック１の燃料極２に水素が供給される。燃料極２の出口側には、燃料極２から排出された水素を系外に排気する水素排気配管６と、水素排気配管６を開閉する水素排気開閉弁１２が設けられている。水素排気開閉弁１２の上流側の水素排気配管６は、水素循環配管１４を介して水素供給開閉弁９の下流側の水素供給配管４に接続され、水素循環配管１４には燃料電池スタック１から排出された水素オフガスを入口側に戻して循環させるための水素循環ブロアー１５が設けられている。水素供給開閉弁９の下流側の水素供給配管４には、燃料極２内の窒素濃度を検知する窒素濃度センサ（Ｃ）１６と、燃料極２内の圧力を検知する燃料極圧力センサ（Ｐ）１７が設けられている。

燃料電池システムの空気系では、空気供給ブロアー１０を備え、空気供給ブロアー１０は空気供給配管５を介して燃料電池スタック１の酸化剤極３に圧縮空気を供給する。空気供給配管５には、空気供給配管５を開閉する空気供給開閉弁１１が設けられている。酸化剤極３の出口側には、酸化剤極３から排出された空気を系外に排気する空気排気配管７と、空気排気配管７を開閉する空気排気開閉弁１３が設けられている。空気供給開閉弁１１の下流の空気供給配管５には、酸化剤極３内の圧力を検知する酸化剤極圧力センサ１８が設けられている。

燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１の発電電力を消費するための電荷消費装置（Ｒ）１９が接続されている。

燃料電池システムは、図示しないがコントールユニットを備えている。コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、水素供給開閉弁９，空気供給開閉弁１１、水素排気開閉弁１２ならびに空気排気開閉弁１３を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明する燃料電池スタック１の不活性化処理の動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

図２は実施例１に係る処理の手順を示すフローチャートであり、図３は図２に示すフローチャートの各ステップで使用される算出式を示す図である。

図３に示す算出式は、図２に示すフローチャートの各ステップ（Ｓ１〜Ｓ２７）において、制御判断に必要な判断値（燃料極側水素分圧ＰH2、燃料極側窒素分圧ＰN2、酸化剤極酸素分圧ＰO2ならびに酸化剤極側窒素分圧ＰNC）を算出する計算式を示したものである。

図２に示す各ステップにおいて、図３に示すステップの範囲にある場合は、燃料極圧力センサ１７及び酸化剤極圧力センサ１８の計測値（燃料極圧力ＰA 、酸化剤極圧力ＰC ）に応じて図３に示す計算がコントロールユニットで実行される。図３において、Ｐｘ’は一つ前の計算結果を示し、ΔＰｘは現在の圧力値と一つ前の圧力値の差を示している。計算は圧力センサにより新たな計測値が計測されるごとに実行される。計算された値Ｐｘは、コントロールユニットに記憶され、次の計算の際には初期値Ｐｘ’として用いられると共に、図２のフローチャートに示す処理の判断値として用いられる。

図２のフローチャートに示す一連の処理は、図１に示す燃料電池システムに対して運転の停止指令が入力されるのに応じて開始され、先ず水素供給開閉弁９、水素排気開閉弁１２、空気供給開閉弁１１、空気排気開閉弁１３を閉じると共に、水素循環ブロアー１５を作動させる（ステップＳ１）。

次に、燃料極２と酸化剤極３の両極の差圧が過大となることを防ぐための処理（ステップＳ２〜ステップＳ６）を実行する。先ず燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が両極の許容圧力、例えば５０［ｋＰａ］程度以下であるか否かを判断する（ステップＳ２）。燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC の差圧が５０［ｋＰａ］以上である場合は、差圧により電解質膜が破損するおそれがあるので、差圧を解消する動作を行うための処理を行う。この処理では、先ず燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC のどちらが大きいかを判断し（ステップＳ３）、燃料極圧力ＰA が大きい場合は、空気供給開閉弁１１を開き（ステップＳ４）酸化剤極圧力ＰC を上昇させる一方、酸化剤極圧力ＰC が大きい場合には、水素供給開閉弁９を開き（ステップＳ６）燃料極圧力ＰA を上昇させる。

その後、再び先のステップＳ２の処理を実行する。実行の結果、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC の差圧が５０［ｋＰａ］以下となった場合には、先のステップＳ４またはステップＳ５の処理において開放された水素供給開閉弁９または空気供給開閉弁１１を閉じる。なお、ステップＳ４またはステップＳ５の処理が行われなかった場合には、当然水素供給開閉弁９または空気供給開閉弁１１を閉じる動作は行われない。

次に、燃料極側窒素分圧ＰNAを大気圧以上とする処理（ステップＳ７〜ステップＳ１１）を実行する。先ずシステム停止時に大気圧以上の窒素を燃料極２側に封入するため、燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧以上であるか否かを判断する（ステップＳ７）。判断の結果、燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧に満たない場合は、空気供給開閉弁１１を開く（ステップＳ８）。

その後、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が５０［ｋＰａ］以下であるか否かを判断する（ステップＳ９）。判断の結果、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が５０［ｋＰａ］以下であれば、先のステップＳ７の処理を実行する一方、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が５０［ｋＰａ］以上であれば、空気供給開閉弁１１を閉じて（ステップＳ１０）、差圧を５０［ｋＰａ］以下にする。

このステップＳ７〜ステップＳ１０の一連の処理を繰り返すことで、酸化剤極圧力ＰC を燃料極圧力ＰA に比べて５０［ｋＰａ］程度高く保つことができる。これにより、酸化剤極３側から燃料極２側への窒素の移動を促進させ、燃料極側窒素分圧ＰNAを大気圧以上に高める。燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧以上となった時、これら一連の処理は完了する。

完了後、空気供給開閉弁１１が開放状態であればこれを閉じ（ステップＳ１１）、空気供給開閉弁１１が閉状態であれば特別な動作は行われない。

次に、酸化剤極側窒素分圧ＰNCを大気圧以上とする処理（ステップＳ１２〜ステップＳ１４）を実行する。先ずシステム停止時に大気圧以上の窒素を酸化剤極３側に封入するため、酸化剤極側窒素分圧ＰNCが大気圧以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。判断の結果、酸化剤極側窒素分圧ＰNCが大気圧に満たない場合は、空気供給開閉弁１１を開き（ステップＳ１３）、先のステップＳ１２の処理を実行する。一方、判断の結果、酸化剤極側窒素分圧ＰNCが大気圧以上である場合には、空気供給開閉弁１１が開放状態であればこれを閉じる動作を行い（ステップＳ１４）、空気供給開閉弁１１が閉状態であれば特別な動作は行われない。

次に、燃料極２に残存する水素と酸化剤極３に残存する酸素を当量とする処理（ステップＳ１５〜ステップＳ１９）を実行する。先ず燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素が当量であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。この判断は、燃料極２側の水素分圧
ＰH2と燃料極２側の体積ＶA との積（ＰH2×ＶA）と、酸化剤極３側の酸素分圧ＰO2と酸化剤極３側の体積ＶC との積（ＰO2×ＶC ）との比が２：１であるか否かを判別する。
判断の結果、燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素が当量でない場合は、続いて燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素のどちらが過多かであるかを判断する（ステップＳ１６）。判断の結果、燃料極２側の水素が酸化剤極３側の酸素より多い場合は、空気供給開閉弁１１を開き（ステップＳ１７）、燃料極２側の水素に対して酸化剤極３側の酸素不足を解消する。一方、酸化剤極３側の酸素が燃料極２側の水素より多い場合には、水素供給開閉弁９を開き（ステップＳ１８）、酸化剤極３側の酸素に対して燃料極２側の水素不足を解消する。

その後、先のステップＳ１５の判断処理を実行する。判断の結果、燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素が当量である場合には、水素供給開閉弁９または空気供給開閉弁１１が開放状態であればこれを閉じ（ステップＳ１９）、水素供給開閉弁９または空気供給開閉弁１１が閉状態であれば特別な動作は行われない。

次に、燃料極２に残存する水素と酸化剤極３に残存する酸素を消費する処理と、この処理により両極の差圧が過大となることを防ぐ処理、ならびに差圧解消のための操作により燃料極２に残存する水素と酸化剤極３に残存する酸素が当量の関係を満足しなくなる場合に、燃料極２に残存する水素と酸化剤極３に残存する酸素を当量とする処理（ステップＳ２０〜ステップＳ２７）を同時に実行する。

先ず、燃料電池スタック１に接続された電荷消費装置１９を作動させ（ステップＳ２０）、燃料極２に残存した水素と酸化剤極３に残存した酸素を消費する。

続いて、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が５０［ｋＰａ］以下であるか否かを判断する（ステップＳ２１）。判別の結果、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が５０［ｋＰａ］以上である場合は空気排気開閉弁１３を開く（ステップＳ２２）。ここで、酸化剤ガスである空気は７９％程度の窒素を含むため、先に説明したように燃料極２に残存する水素と酸化剤極３に残存する酸素が当量となる制御を行うと、酸化剤極側窒素分圧ＰNCよりも燃料極側窒素分圧ＰNAが大きくなる。このため、ステップＳ２２の処理では、空気排気開閉弁１３を開くことで両極の差圧を解消している。

空気排気開閉弁１３を開いた後、再びステップＳ２１の判断処理を実行し、燃料極圧力ＰA と酸化剤極圧力ＰC との差圧が５０［ｋＰａ］以下になると、空気供給開閉弁１１または空気排気開閉弁１３が開放状態であればこれを閉じ（ステップＳ２３）、空気供給開閉弁１１または空気排気開閉弁１３が閉状態であれば特別な動作は行われない。

次に、先のステップＳ１５と同様にして燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素が当量であるか否かを判断する（ステップＳ２４）。燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素が当量でない場合は、空気供給開閉弁１１を開く（ステップＳ２５）。これは、先のステップＳ２２で空気排気開閉弁１３を開いて残存酸素を排出し酸素が不足したものと推定し、不足した酸素を補うために空気供給開閉弁１１を開く。

その後、再びステップＳ２１の判断処理を実行する。一方、ステップＳ２４の判断処理の結果、燃料極２側の水素と酸化剤極３側の酸素が当量である場合には、続いて燃料極２側に残存する水素と酸化剤極３側に残存する酸素が、それぞれ残存する窒素に対して例えば１％程度以内であるか否かを、（ＰH2／ＰNA）＜０．０１、（ＰO2／ＰNC）＜０．０１として判断する（ステップＳ２６）。

判断の結果、燃料極２側に残存する水素ならびに酸化剤極３側に残存する酸素のいずれか一方または双方が、それぞれの極に残存する窒素に対して１％以上である場合は、先のステップＳ２１の処理を実行する。一方、判断の結果、１％以下である場合には、燃料極２側に残存する水素と酸化剤極３側に残存する酸素が十分に消費されたものと推定し、電荷消費装置１９及び水素循環ブロアー１５を停止し（ステップＳ２７）、実施例１における燃料電池システムの制御動作を終了する。

このように、上記実施例１においては、燃料極２の圧力、酸化剤極３の圧力、ならびに燃料極側窒素分圧を制御し、電荷消費装置１９で水素及び酸素を消費することで、燃料極２ならびに酸化剤極３の両極を連結することなく大気圧以上の圧力で両極に窒素の不活性ガスを封入することが可能となる。これにより、システムの停止時及び保管時等の非運転時に外部より空気が混入することを抑制することができ、停止時、保管時ならびに起動時における局部電池形成に伴う燃料電池スタック１の性能劣化を抑制することができる。

酸素濃度計などを設置せずに、燃料電池スタック１における残存酸素量を算出することが可能である。これにより、簡素なシステムで上記性能劣化の抑制効果を得ることができる。

酸化剤極３の圧力を燃料極２の圧力より高く保つことで、酸化剤極３側の窒素の燃料極２側への透過を促進することができるため、燃料極２中の窒素濃度を高めることができる。これにより、燃料極２の窒素濃度を制御することができ、確実に上記性能劣化の抑制効果を得ることができる。

水素ならびに酸素が当量となるように燃料極２の圧力と酸化剤極３の圧力とを制御することにより、両極に高濃度の窒素を封入することが可能となる。これにより、上記性能劣化の抑制効果を高めることができる。

図４は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図４に示す実施例１のシステムは、図４に示すように、先の図１に示す実施例１の燃料電池システムの構成に加えて、水素排気開閉弁１２の下流の水素排気配管６ならびに空気排気開閉弁１３の下流の空気排気配管７に、未反応水素を燃焼させ外部に水素を排出させないための燃料消費手段２２が設けられている。

また、燃料消費手段２２の下流側と水素循環配管１４が、排気ガス導入配管２３を介して接続され、排気ガス導入配管２３には排気ガス導入開閉弁２４が設置されている。ここで、排気ガス導入配管２３は、水素循環配管１４に設置された水素循環ブロアー１５の直前に接続されている。

図５は実施例２に係る処理の手順を示すフローチャートであり、図６は図５に示すフローチャートの所定のステップで使用される算出式を示す図である。

図６に示す算出式は、図５に示すフローチャートのステップ（Ｓ２９〜Ｓ３１）において、制御判断に必要な判断値（燃料極側水素分圧ＰH2、燃料極側窒素分圧ＰN2、酸化剤極酸素分圧ＰO2ならびに酸化剤極側窒素分圧ＰNC）を算出する計算式を示したものである。

図５に示す各ステップにおいて、図６に示すステップの範囲にある場合は、燃料極圧力センサ１７及び酸化剤極圧力センサ１８の計測値（燃料極圧力ＰA 、酸化剤極圧力ＰC ）に応じて図６に示す計算がコントロールユニットで実行される。なお、図６に表示されていないステップの計算式は、図３に示すステップの計算式と同様である。

図６において、Ｐｘ’は一つ前の計算結果値を示し、ΔＰｘは現在の圧力値と一つ前の圧力値の差を示している。計算は圧力センサにより新たな計測値が計測されるごとに実行される。計算された値Ｐｘは、コントロールユニットに記録され、次の計算の際には初期値Ｐｘ’として用いられると共に、図５のフローチャートに示す処理の判断値として用いられる。

図５のフローチャートに示す一連の処理は、図２に示すステップＳ２〜ステップＳ１８の内、ステップＳ８〜ステップＳ１１をステップＳ２９〜ステップＳ３１に置き換え、他は図２と同様であり、燃料電池システムに対して停止指令が入力される以前から実行するようにしたものである。これにより、システムに停止信号が入力されてから電荷消費装置１９を作動させるまでの時間を短縮し、ひいては燃料電池システムの停止時間を短縮することができる。

以下、実施例１と異なるステップＳ２９〜ステップＳ３１の処理について説明する。

燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧以上であるか否かの判断（ステップＳ７）の結果、燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧に満たない場合は、排気ガス導入開閉弁２４を開き（ステップＳ２９）、燃料消費手段２２から排出された排気ガスを燃料極２側へと導入する。酸化剤極３において酸素が消費され窒素リッチとなった排気酸化剤ガスは、燃料消費手段２２に導入されて水素の燃焼反応でさらに酸素が消費されるため、燃料消費手段２２から排出された排気ガスは極めて窒素濃度の高いガスとなっている。このガスを燃料極２側に導入することにより、燃料極側窒素分圧ＰNAを高めることができる。

しかし、燃料消費手段２２から排出された排気ガスは、窒素だけでなく微量の酸素も含有するため、多量の排気ガスを燃料極２に導入すると燃料電池スタック１で性能劣化が引き起こされるおそれがある。

そこで、少量の空気を燃料極２側に混合し、水素と空気の様々な混合率における性能劣化の度合いを実験により検証したところ、水素に対して空気の混合比率が概ね３０％程度以下であれば、大幅な性能劣化は引き起こされないことが判明した。

この検証結果を考慮すると、性能劣化を引き起こさないためには、燃料極２側へ２１％程度の酸素を含む酸化剤ガスの空気を導入する際に、水素のモル量に対して酸素のモル量を６．３％程度（許容量）以下に制御することが必要となる。なお、この実施例２では、水素のモル量に対する酸素のモル量の許容量を６％程度に設定する。

したがって、排気ガス導入開閉弁２４を開いた後に、燃料極２の酸素のモル量が上記許容量の６％程度を越えないように排気ガス導入開閉弁２４の開閉を制御するために、上記許容量が６％程度に達したか否かを判断する（ステップＳ３０）。この判断は、以下に示す判別式が成立したか否かで判断する。

ここで、ＰH2は先に触れたように燃料極水素分圧を表し、ＰO2(ex)は排気ガス中に含まれる酸素の分圧を表し、その積分値はステップＳ２９〜ステップＳ３０の間、すなわち排気ガス導入開閉弁２４を開いている期間に燃料極２に導入された酸素量を表している。なお、ＰO2(ex)はシステムの運転状態により変化するので、その都度算出する必要がある。

ステップＳ３０の判断の結果、上記判別式が成立すると、排気ガス導入開閉弁２４を閉じ（ステップＳ３１）、先のステップＳ７に戻る。

このように、上記実施例２においては、システムの停止動作を行う前に、先の実施例１で実行した処理の内、ステップＳ１、ならびにステップＳ２０〜ステップＳ２７の水素と酸素の消費処理を除く処理を実施することで、制御時間を短縮することができる。これにより、システム停止動作をより短時間で完了させることができる。

燃料電池システムの排気ラインに設置された燃料消費手段２２から排出された酸素を含む窒素リッチなガスを、燃料極２に酸化剤ガスとして導入することで、より短時間で燃料極２側の窒素濃度を高めることができる。これにより、両極の不活性化処理をより短時間で行うことができる。

図７は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例３のシステムは、図７に示すように、先の図１に示す実施例１の燃料電池システムの構成に加えて、水素排気開閉弁１２の上流側の水素排気配管６と空気排気開閉弁１３の上流側の空気排気配管７とが、酸化剤導入配管２０を介して接続されており、酸化剤導入配管２０には酸化剤導入配管２０を開閉する酸化剤導入開閉弁２１が設置されている。

図８は実施例３に係る処理の手順を示すフローチャートであり、図９は図８に示すフローチャートの所定のステップで使用される算出式を示す図である。

図９に示す算出式は、図８に示すフローチャートのステップ（Ｓ３２〜Ｓ３５）において、制御判断に必要な判断値（燃料極側水素分圧ＰH2、燃料極側窒素分圧ＰN2、酸化剤極酸素分圧ＰO2ならびに酸化剤極側窒素分圧ＰNC）を算出する計算式を示したものである。

図８に示す各ステップにおいて、図９に示すステップの範囲にある場合は、燃料極圧力センサ１７及び酸化剤極圧力センサ１８の計測値（燃料極圧力ＰA 、酸化剤極圧力ＰC ）に応じて図９に示す計算がコントロールユニットで実行される。なお、図９に表示されていないステップの計算式は、図３に示すステップの計算式と同様である。

図９において、Ｐｘ’は一つ前の計算結果値を示し、ΔＰｘは現在の圧力値と一つ前の圧力値の差を示している。計算は圧力センサにより新たな計測値が計測されるごとに実行される。計算された値Ｐｘは、コントロールユニットに記録され、次の計算の際には初期値Ｐｘ’として用いられると共に、図８のフローチャートに示す処理の判断値として用いられる。

図８のフローチャートに示す一連の処理は、図２に示すステップＳ１〜ステップＳ２７の内、ステップＳ８〜ステップＳ１１をステップＳ３２〜ステップＳ３６に置き換えたものであり、他は図２と同様である。

したがって、以下実施例１と異なるステップＳ３２〜ステップＳ３６の処理について説明する。このステップＳ３２〜ステップＳ３６の処理は、燃料極側窒素分圧ＰNAを大気圧以上とするために実行される処理である。

先ず、燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧以上であるか否かの判断（ステップＳ７）の結果、燃料極側窒素分圧ＰNAが大気圧に満たない場合は、続いて酸化剤極圧力ＰC が燃料極圧力ＰA よりも高いか否かを判断する（ステップＳ３２）。判断の結果、酸化剤極圧力ＰC が燃料極圧力ＰA よりも低い場合は、空気供給開閉弁１１を開き（ステップＳ３３）、酸化剤極圧力ＰC を上昇させる。

一方、酸化剤極圧力ＰC が燃料極圧力ＰA よりも高い場合は、空気供給開閉弁１１が開いている場合には閉じ、かつ酸化剤導入開閉弁２１を開き（ステップＳ３４）、酸化剤導入開閉弁２１を介して酸化剤極３中の酸化剤ガスを燃料極２側へと導入する。酸化剤極３中の酸化剤ガスを燃料極２へと導入すると、燃料極２中の水素と導入された酸化剤ガス中の酸素とが反応し、導入された酸化剤ガス中の窒素が残る。これにより、燃料極側窒素分圧ＰNAを高めることができる。

しかし、酸化剤極３中の酸化剤ガスは、窒素だけでなく酸素も含有するため、多量の酸化剤ガスを燃料極２へ導入すると性能劣化が引き起こされる。そこで、先にも触れたように、性能劣化を引き起こさないためには、燃料極２側へ酸化剤ガスを導入する際に水素のモル量に対し酸素のモル量を６．３％程度以下に制御することが必要となる。したがって、先の実施例２の図５におけるステップＳ３５と同様に、６％程度に設定した許容量に応じて酸化剤導入開閉弁２１の開閉を制御し、判断処理を行う（ステップＳ３５）。この判断は、以下に示す判別式が成立したか否かで判断する。

ここで、ＰH2は先に触れたように燃料極水素分圧を表し、ΔＰC ・（ＰO2／ＰC ）の積分値は、ステップＳ３４〜ステップＳ３５の間、すなわち酸化剤導入開閉弁２１を開いている期間に燃料極２に導入された酸素量を表している。

ステップＳ３５の判断の結果、上記判別式が成立すると、酸化剤導入開閉弁２１を閉じ（ステップＳ３６）、先のステップＳ７に戻る。

このように、上記実施例３においては、燃料極２に性能劣化を及ぼさない程度の空気を導入して水素と反応させることにより、燃料極２中の窒素濃度を高めることができる。これにより、燃料極２中の窒素濃度を制御することが可能となり、燃料極２ならびに酸化剤極３の両極を連結することなく大気圧以上の圧力で両極に窒素の不活性ガスを封入することが可能となる。したがって、システムの非運転時に外部より空気が混入することを抑制することができ、局部電池形成に伴う燃料電池スタック１の性能劣化を抑制することができる。

燃料極２に導入する酸化剤ガス中の酸素濃度を所定値以下に制御することにより、酸化剤ガスを燃料極２に導入しても、性能劣化を引き起こすことは回避される。これにより、性能劣化を引き起こすことなく、両極に窒素の不活性ガスを封入することができる。

酸化剤極３より排出された窒素リッチな酸化剤ガスを燃料極２側に導入することで、より短時間で燃料極２側の窒素濃度を高めることが可能となり、より短時間で窒素の封入制御を行うことができる。

図１０は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１０に示す実施例４のシステムは、図１０に示すように、先の図１に示す実施例１の燃料電池システムの構成に加えて、空気循環配管２５を介して空気排気開閉弁１３の上流側の空気排気配管７と空気供給開閉弁１１の下流側の空気供給配管５とが接続され、空気循環配管２５には、燃料電池スタック１から空気排気配管７に排出された酸化剤ガスを燃料電池スタック１の空気入口側に戻して循環させる空気循環ブロアー２６が設けられている。

図１１は実施例４に係る処理の手順を示すフローチャートである。図１１のフローチャートに示す一連の処理は、図２に示すステップＳ１〜ステップＳ２７の内、ステップＳ２０をステップＳ３７に置き換え、ステップＳ２７をステップＳ３８に置き換えたものであり、他は図２と同様である。

したがって、以下実施例１と異なるステップＳ３７とステップＳ３８の処理について説明する。

ステップＳ１９の処理が終了した後、電荷消費装置１９を作動させると同時に空気循環ブロアー２６を作動させる（ステップＳ３７）。空気循環ブロアー２６を作動させることで酸化剤極３中の残存酸素の対流が促進され、電荷消費装置１９による酸素消費をより短時間で実施することが可能となる。これにより、燃料電池システムの停止時間を短縮することができる。

最後に、電荷消費装置１９を停止すると同時に空気循環ブロアー２６も停止する（ステップＳ３８）。

このように、上記実施例４においては、電荷消費装置１９が作動している時に水素だけでなく空気も循環させることにより、より短時間で確実に水素と酸素の反応ガスを消費することが可能となる。これにより、より短時間で窒素の封入処理を行うことができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１で用いられる計算式を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２で用いられる計算式を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例３で用いられる計算式を示す図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料極
３…酸化剤極
４…水素供給配管
５…空気供給配管
６…水素排気配管
７…空気排気配管
８…高圧水素タンク
９…水素供給開閉弁
１０…空気供給ブロアー
１１…空気供給開閉弁
１２…水素排気開閉弁
１３…空気排気開閉弁
１４…水素循環配管
１５…水素循環ブロアー
１７…燃料極圧力センサ
１８…酸化剤極圧力センサ
１９…電荷消費装置
２０…酸化剤導入配管
２１…酸化剤導入開閉弁
２２…燃料消費手段
２３…排気ガス導入配管
２４…排気ガス導入開閉弁
２５…空気循環配管
２６…空気循環ブロアー

Claims (11)

1. 燃料ガス供給手段によりアノード極に供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段によりカソード極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池のアノード極に供給される燃料ガスの供給を制御する燃料ガス供給制御弁と、
   前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの供給を制御する酸化剤ガス供給制御弁と、
   前記燃料電池のアノード極から排出される未使用燃料ガスの排気を制御する燃料ガス排気制御弁と、
   前記燃料電池のカソード極から排出される未使用酸化剤ガスの排気を制御する酸化剤ガス排気制御弁と、
   前記アノード極のガス圧力と、前記カソード極のガス圧力とに基づいて、前記燃料ガス供給制御弁、前記酸化剤ガス供給制御弁、前記燃料ガス排気制御弁、ならびに前記酸化剤ガス排気制御弁を開閉制御し、前記燃料電池に不活性ガスを封入する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池のアノード極に供給される燃料ガスに含まれる不活性ガスの濃度を検知する不活性ガス濃度検知手段を備え、
   前記制御手段は、前記アノード極のガス圧力、前記カソード極のガス圧力、ならびに前記不活性ガス濃度検知手段で検知された不活性ガス濃度に基づいて、前記燃料ガス供給制御弁、前記酸化剤ガス供給制御弁、前記燃料ガス排気制御弁、ならびに前記酸化剤ガス排気制御弁を開閉制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの運転停止時に前記アノード極に残存する燃料ガスの残存量、前記カソード極に残存する酸化剤ガスの残存量、ならびに前記不活性ガス濃度検知手段で検知された不活性ガス濃度に基づいて、前記アノード極のガス圧力ならびに前記カソード極のガス圧力を制御し、前記燃料電池システムの運転停止時の前記アノード極のガス圧力、前記カソード極のガス圧力、ならびに前記不活性ガス濃度検知手段で検知された不活性ガス濃度に基づいて、前記酸化剤ガスの残存量を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムの運転停止動作を行う前に、前記燃料電池のアノード極の不活性ガス濃度を所定値以上に制御する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の発電により得られた電力を消費することで、前記アノード極の燃料ガスと前記カソード極の酸化剤ガスとを消費する電荷消費手段を備え、
   前記燃料電池のアノード極の不活性ガス濃度が所定値に満たない場合は、前記アノード極に所定量以下の酸化剤ガスを導入し、前記電荷消費手段で燃料ガスと不活性ガスを含む酸化剤ガスとを消費して、前記アノード極の不活性ガス濃度を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記アノード極に導入される酸化剤ガスは、酸化剤ガスに含まれる前記カソード極の酸素のモル量が前記アノード極の燃料ガスの水素のモル量の６．３％程度以下となるように調整制御される
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記アノード極に導入される酸化剤ガスは、前記カソード極から排出された未使用の酸化剤ガスである
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
8. 前記アノード極から排出された未使用燃料ガスと前記カソード極から排出された未使用の酸化剤ガスとを反応させて、燃料ガスを消費する燃料消費手段を備え、
   前記アノード極に導入される酸化剤ガスは、前記燃料消費手段から排出されたガスである
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
9. 前記アノード極の不活性ガス濃度が所定値に満たない場合は、前記カソード極のガス圧力を前記アノード極のガス圧力よりも高くする
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、前記アノード極の燃料ガスの水素と前記カソード極の酸化剤ガスに含まれる酸素が当量となり、かつ前記アノード極のガス圧力と前記カソード極のガス圧力との差圧が所定値以下となるように制御する
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記カソード極から排出される未使用酸化剤ガスを前記燃料電池の入口側のカソード極に戻して循環させる酸化剤ガス循環手段を備え、
    前記酸化剤ガス循環手段は、前記電荷消費手段が燃料ガスと酸化剤ガスとを消費しているときに酸化剤ガスを循環させる
    ことを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images