JP2007265910A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低負荷の発電時にカソード電位を低下させて、カソード材料の劣化を抑制し、且つガス流路の水詰まりを防止する燃料電池システム及びその運転方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、アノード及びカソードを有する複数のセルが直列に接続されて構成されたセルスタックを備える燃料電池発電部（１）と、入力される酸化剤をカソードに供給する酸化剤供給手段（３１〜３３）と、酸素濃度が約２１％以下の低酸素濃度ガス（窒素ガス）を酸化剤に混合する低酸素濃度ガス供給手段（３５、３６）と、セルスタックの電圧を測定して平均セル電圧を算出し、得られた平均セル電圧が所定の閾値電圧よりも大きい場合に、低酸素濃度ガスを酸化剤に混合して酸化剤供給手段（３１〜３３）に入力するように低酸素濃度ガス供給手段（３５、３６）を制御するセル電圧計測制御部（１０）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と酸化剤とを供給し発電を行う燃料電池システム及びその運転方法に関し、より詳細には、酸化剤を供給するカソードの劣化を抑制し、流路の水詰まりを防止することができる燃料電池システム及びその運転方法に関する。

燃料電池は、電解質膜を介装するアノード（燃料極）とカソード（酸素極）とを有するセルを備え、アノード側に燃料ガスである水素含有ガスを供給し、カソード側に酸化剤である酸素含有ガスを供給することにより、電気エネルギーを出力する装置である。アノード及びカソードは、それぞれ、触媒を備え、燃料ガスや酸化剤を触媒に接触させ、電解質膜に伝達させるために多孔質状に形成されている。このような燃料電池の開発においては、電極材料の劣化による性能低下を抑制することが重要な課題となっている。

燃料電池の性能低下のアノード側における原因は、電極触媒（白金）の一酸化炭素被毒による電極材料の劣化である。この原因については、現在、アノード側の触媒である白金（Ｐｔ）にルテニウム（Ｒｕ）を加えることにより、一酸化炭素被毒を抑制するように対策がなされている。

一方、カソード側における原因は、電極が高電位状態（約０．８Ｖ以上）になることによる電極材料の劣化であると考えられている。これは、カソード周辺に多く存在する酸素によって、担体であるカーボンが酸化し、白金触媒が機能しなくなるためであると考えられている。例えば、特許文献１に記載の発明においては、触媒金属（Ｐｔ）と、この触媒金属を担持する導電性担体（カーボン）とから成る電極触媒に、金属炭化物を付着させることによって、導電性担体の腐食を阻止し、劣化を防止している。
特開２００４−１７２１０７号公報

開回路電圧（ＯＣＶ）時や電位が約０．８Ｖ以上となる低負荷の発電時、および燃料電池システムの起動又は停止時には、カソード電極が高電位状態になることが避けられず、上記したように電極材料の劣化が生じるという問題がある。これに対して、特許文献１に記載の発明により対処することも考えられるが、特殊な電極触媒を形成しなければならず、余分な製造工程が必要であり製造費用も高くなる。

一方、固体高分子材料を電解質膜とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）においては、性能面及び耐久性面の両面から、電解質膜を十分に湿らせておく必要があり、燃料電池セルに供給するガスの露点を上げることが必要である。しかしながら、露点の高いガス中の水蒸気は結露し易く、結露が生じると、ガス流路の水詰まりが発生し、これによって電池電圧が低下したり、電池がダメージを受けたりする。特に、カソード側では発電時に起きる電気化学反応により水が生成されるため、水詰まりの問題はより深刻なものとなる。また、低負荷の発電時には酸化剤ガスの流量を減少させて運転するため、特にこの傾向が顕著になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極等に特殊な加工処理を施すことなく、カソード電位を低下させて、カソード材料の劣化を抑制することにある。

また、本発明の別の目的は、低負荷の発電時にガス流路の水詰まりを防止することにある。

電極材料の腐食は電位の上昇と共に指数関数的に速度を速めるため、カソード電位を下げることは、カソードの劣化速度を低下させるために非常に有効であると考えられる。本願発明者はこの点に注目し、本発明をするに至った。

即ち、上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、アノード及びカソードを有する複数のセルが直列に接続されて構成されたセルスタックを備える燃料電池発電部と、入力される酸化剤を前記カソードに供給する酸化剤供給手段と、酸素濃度が約２１％以下の低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合する低酸素濃度ガス供給手段と、前記セルスタックの電圧を測定して平均セル電圧を算出し、得られた前記平均セル電圧が所定の閾値電圧よりも大きい場合に、前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御するセル電圧計測制御部とを備えることを特徴とする。

前記低酸素濃度ガスは、窒素ガス、アルゴンガス、及び前記燃料電池発電部から排出される排ガスからなる群から選択されるガスであることができる。

前記酸化剤供給手段は、入力される前記酸化剤を出力して前記燃料電池発電部に供給する酸化剤供給ポンプを備え、前記排出ガス混合手段が、前記燃料電池発電部から排出される前記排ガスを排出するカソード側排ガス路、前記カソード側排ガス路に設けられた排気バルブ、前記燃料電池発電部と前記排気バルブとの間の前記カソード側排ガス路から延伸し、前記酸化剤供給ポンプの出力側に接続された第１排ガス供給路、及び前記第１排ガス供給路に設けられた排ガス供給ポンプを備えることができる。

また、前記酸化剤供給手段は、入力される前記酸化剤を出力して前記燃料電池発電部に供給する酸化剤供給ポンプを備え、前記排出ガス混合手段が、前記燃料電池発電部から排出される前記排ガスを排出するカソード側排ガス路、前記カソード側排ガス路に設けられた排気バルブ、及び前記燃料電池発電部と前記排気バルブとの間の前記カソード側排ガス路から延伸し、前記酸化剤供給ポンプの入力側に接続された第２排ガス供給路を備えてもよい。

前記閾値電圧は、約０．７５Ｖ以上であることができる。

前記燃料電池発電部は固体高分子形燃料電池であり、前記セル電圧計測制御部は、各セルのセル電圧を測定し、少なくとも１つのセル電圧が所定の下限値よりも小さい場合に、前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御することができる。

前記下限値は、前記セルスタックの電圧から求めた前記平均セル電圧から約０．０２Ｖ以上小さい値であることができる。

また、上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、アノード及びカソードを有する複数のセルが直列に接続されて構成されたセルスタックを備える燃料電池発電部と、入力される酸化剤を前記カソードに供給する酸化剤供給手段と、酸素濃度が約２１％以下の低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合する低酸素濃度ガス供給手段と、セル電圧計測制御部とを備える燃料電池システムの運転方法であって、前記セル電圧計測制御部が、前記セルスタックの電圧を測定し、測定したセルスタックの電圧値を前記セルスタックを構成するセルの数で除算して平均セル電圧を求める第１ステップと、前記セル電圧計測制御部が、前記平均セル電圧が所定の閾値電圧よりも大きいか否かを判断する第２ステップと、前記セル電圧計測制御部が、前記平均セル電圧が前記閾値電圧より大きいと判断した場合に、低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第３ステップとを含むことを特徴とする。

上記の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムの停止前に、前記セル電圧計測制御部が、前記低酸素濃度ガスを前記燃料電池発電部内に密封するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第４ステップと、前記燃料電池システムの起動時に、前記セル電圧計測制御部が、前記燃料電池発電部内に密封された前記低酸素濃度ガスのみを前記酸化剤供給手段に入力する、又は前記燃料電池発電部内に密封された前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第５ステップとを更に含むことができる。

上記の燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池発電部が固体高分子形燃料電池であり、前記セル電圧計測制御部が、前記セル毎のセル電圧を測定する第６ステップと、前記セル電圧計測制御部が、前記第１ステップで測定した前記平均セル電圧から約０．０２Ｖ以上の値を減算して下限値を求め、前記セル電圧が前記下限値以下の場合に、前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第７ステップとを更に含むことができる。

本発明によると、燃料電池セルに供給される酸化剤の酸素濃度を低下させることによって、カソード電位を低下させるので、カソード材料の劣化を抑制することができる。

また、低負荷の発電時に、酸化剤の供給量を増大させることなくカソードに供給するガスの流量を増大させることができるので、固体高分子形燃料電池システムにおいて、カソード電位を上昇させずにガス流路の水詰まりを防止することができる。

また、固体高分子形燃料電池システムにおいて、一部のセルに電圧の低下が検知された場合に、低酸素濃度ガスを酸化剤に混合することにより、カソード電極を劣化させることなく、発生した水詰まりを修復することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の説明及び図面において、同じ参照符号は同じ又は同様の構成要素を示すこととし、よって、同じ又は同様の構成要素に関する説明を省略する。また、電力を供給するために燃料電池システムに必要となる周知の構成及びその機能についても説明を省略する。また、以下の実施の形態の説明においては、特にことわりの無い限り、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に本願発明を適用する場合について説明する。

（第１の実施の形態）
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を説明するためのブロック図を示す。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池発電部１、セル電圧計測制御部１０、燃料供給部２０、及び酸化剤供給排出部３０を備える。

燃料電池発電部１は、電解質膜を介装するアノードとカソードとを有するセル（図示せず）を備え、複数のセルが直列に接続されてセルスタックを構成している。燃料電池発電部１のアノード側に燃料ガスが供給され、カソード側に酸化剤が供給されることにより、燃料ガスと酸化剤とが電気化学反応し、アノード及びカソード間に電位差が生成される。

セル電圧計測制御部１０は、セル電圧計測部１１及び制御部１２を備える。セル電圧計測部１１が、燃料電池発電部１内に備えられたセルスタックの電圧を測定して、制御部１２が、直列に接続されたセルの数から各セルのアノード及びカソード間の電位差の平均値（以下、平均セル電圧とも記す）を算出し、得られた平均セル電圧の大きさを基に、酸化剤供給排出部３０の各構成部分に制御信号を送信して、酸化剤供給排出部３０の各構成部分の動作を制御する。尚、制御部１２は、少なくともＣＰＵ及びメモリを備え、カソード電位以外に燃料電池システム全体を制御する。

燃料供給部２０は、燃料ガスである水素含有ガスを燃料電池発電部１に供給する手段である。原燃料供給路２３から導入される原燃料ガス（例えば、ＣＨ_４等）と、原料水供給路２２から導入される原料水（Ｈ_２Ｏ）とが燃料ガス生成部２１により改質処理され、燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス供給路２５を通じて燃料電池発電部１内のアノード（図示せず）に供給され、所定の排気路（図示せず）を介して排出される。燃料ガスの供給量は、燃料電池発電部１の発電状況に応じて、原燃料供給量調節バルブ２４により調節される。なお、燃料供給部２０は、燃料ガス供給路２５の途中に燃料ガス加湿部（図示せず）を備えていても良い。

酸化剤供給排出部３０は、酸化剤である酸素含有ガスを燃料電池発電部１に供給し、反応後のガスを排出する手段である。酸化剤供給路３１から導入される酸化剤（例えば、空気）は、酸化剤供給路３１の途中に配置された加湿部３３によって加湿され、酸化剤供給路３１の途中に配置された酸化剤供給ポンプ３２により燃料電池発電部１内のカソード（図示せず）に供給される。反応後に燃料電池発電部１内に残存する酸化剤を含むガス（以下、単に排ガスとも記す）は、カソード側排ガス路３４を通じて排出される。

ここで、燃料電池発電部１のアノードに対するカソード電位（以下、単にカソード電位とも記す）を低下させ、カソード材料の劣化を抑制するために、第１の実施の形態に係る燃料電池システムの酸化剤供給排出部３０は、更に、窒素ガス貯蔵部（図示せず）、窒素ガス供給路３５、及び窒素ガス供給路３５の途中に配置された窒素ガス供給量調節バルブ３６を備える。窒素ガス貯蔵部（例えば、窒素ガスボンベ）に貯蔵された窒素ガスは、窒素ガス貯蔵部から延伸し、酸化剤供給ポンプ３２と加湿部３３との間の酸化剤供給路３１に接続された窒素ガス供給路３５を通じて、窒素ガス供給量調節バルブ３６により、その混合割合が調節されて、酸化剤に混合される。

以下、第１の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明する。図２に、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートを示す。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部１２は、図２に示すフローチャートに従い、所定の時間間隔（例えば、約５秒）で平均セル電圧をモニターして酸化剤供給排出部３０の各構成部分を制御し、窒素ガスを酸化剤に混合することでカソード電位を閾値電圧以下に調節する。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの起動前には、酸化剤供給ポンプ３２は停止し、窒素ガス供給量調節バルブ３６は閉じている。

本燃料電池システムを起動すると、ステップＳ１において、制御部１２は、酸化剤供給ポンプ３２を起動する。

次に、ステップＳ２において、セル電圧計測部１１はセルスタックの電圧を測定し、制御部１２は、セル電圧計測部１１から取得したセルスタックの電圧値を、予め制御部１２内のメモリに記録されているセル数で除算して平均セル電圧Ｖを求める。

次に、ステップＳ３において、制御部１２が、求めた平均セル電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖ_ｔｈ（例えば、約０．８Ｖ）を越えるか否かを判断する。平均セル電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖ_ｔｈより大きい場合にはステップＳ４の処理を行い、閾値電圧Ｖ_ｔｈ以下の場合にはステップＳ５の処理を行う。

ステップＳ４において、制御部１２は窒素ガス供給量調節バルブ３６を開放し、所定の流量で窒素ガスを供給する。

ステップＳ５において、制御部１２は窒素ガス供給量調節バルブ３６を閉じ、窒素ガスの供給を停止させる。

ステップＳ４又はステップＳ５の処理が行われた後は、制御部１２は、所定の時間間隔で上記ステップＳ２〜Ｓ５の処理を繰り返し、燃料電池発電部１の負荷の変動により生じる平均セル電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖ_ｔｈを越えると窒素ガスを酸化剤に混合し、カソード電位を低下させる。

特に、燃料電池システムの起動直後及び停止直前には、燃料電池システムの負荷が低く、アノードに対するカソード電位が約０．８Ｖ以上の高電位になるため、制御部１２は、ステップＳ４の処理により窒素ガスを酸化剤に混合し、カソード電位を低下させる。

一方、停止信号が入力されると、ステップＳ６において、制御部１２は燃料電池システムの運転終了の指示と判断し、ステップＳ７において、制御部１２は酸化剤供給ポンプ３２を停止して酸化剤の供給を停止する。同時に、終了直前の状態は負荷が小さく、窒素ガスが酸化剤に混合されているので、制御部１２は、窒素ガス供給量調節バルブ３６を閉じて窒素ガスの供給を停止する。

ここで、カソード側排ガス路３４に排気バルブを設けて、停止の際に排気バルブを閉じて燃料電池発電部１内に窒素ガスを密封してもよい。窒素ガスを燃料電池発電部１内に密封することで、燃料電池システム停止後のカソード材料の劣化を抑制することができる。又は酸化剤に窒素ガスが混合されることにより得られる酸素濃度の低いガスを燃料電池発電部１内に密封して、燃料電池システム停止後のカソード材料の劣化を抑制するようにしても良い。即ち、窒素ガス又は酸素濃度の低いガスは、担体カーボンの酸化による劣化を抑制するためのパージガスとして燃料電池発電部１内に密封される。

以上のように、第１の実施の形態に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、平均セル電圧が所定の閾値電圧を越える場合に、窒素ガス供給量調節バルブ３６を制御して、燃料電池発電部１に供給される酸化剤に窒素ガスを混合することにより、酸化剤と窒素ガスとの混合ガス（以下、単に混合ガスとも記す）全体の酸素濃度を低下させ、カソード電位を低下させることができる。

特に、通常の燃料電池システムでは、起動直後、停止直前、及び低負荷の運転中には、カソードが長時間高電位にさらされる。しかし、本燃料電池システム及び本運転方法であれば、カソードが高電位になるのを抑制することができるので、カソード材料の劣化を抑制することができる。

また、酸化剤に窒素ガスを混合することで、燃料電池発電部１に供給される混合ガスの酸素濃度が低下し、流量が増大する。このため、本燃料電池システム及び本運転方法によれば、カソード電位の上昇を抑制できるだけではなく、ガス流路の水詰まりを防止及び修復することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態（図１）において、窒素ガス貯蔵部（図示せず）に貯蔵された窒素ガスを用いずに、反応後に燃料電池発電部１から排出される酸化剤を含むガス（以下、排ガスとも記す）を酸化剤と混合し、酸化剤と排ガスとの混合ガス全体の酸素濃度を低下させる態様である。尚、燃料電池発電部１から排出される排ガスは、燃料電池発電部１内での反応により酸素が消費されるため、酸素濃度は空気よりも薄くなっている。

即ち、排ガスは、酸素濃度が約２１％以下の、酸素濃度の低いガスであり、第１の実施の形態において、酸素濃度を低下させるために酸化剤に混合した窒素ガスの代替となり得る。例えば、燃料電池発電部１の酸化剤利用率が約７０％であれば、排ガスは、酸素濃度が約７％のガスとなる。

図３に、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を説明するためのブロック図を示す。図３に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、酸化剤供給排出部３０の構成のみが第１の実施の形態に係る燃料電池システムと異なり、窒素ガス供給路３５及び窒素ガス供給量調節バルブ３６の代わりに、排気バルブ３７、第１排ガス供給路３８ａ、及び第１排ガス供給路３８ａの途中に配置された排ガス供給ポンプ４０を備える。カソード側排ガス路３４の途中に排気バルブ３７が設けられ、燃料電池発電部１と排気バルブ３７との間のカソード側排ガス路３４から延伸し、酸化剤供給ポンプ３２と加湿部３３との間の酸化剤供給路３１に接続された第１排ガス供給路３８ａを通じて、排気バルブ３７及び排ガス供給ポンプ４０により排ガスの混合割合が調節されて、酸化剤と排ガスとの混合ガスが再び燃料電池発電部１に供給される。

以下、第２の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明する。第２の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートは、図２に示す第１の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法と同じであるので省略する。以下では、燃料電池システムの構成が異なることによる第１の実施の形態の各ステップとの相違点を中心に、図２のフローチャートを用いて説明する。

第２の実施の形態に係る燃料電池システムの起動前には、酸化剤供給ポンプ３２は停止し、後述する停止時の密封処理により排気バルブ３７は閉じており、排ガス供給ポンプ４０は停止している。

ステップＳ１において、制御部１２は、酸化剤供給ポンプ３２及び排ガス供給ポンプ４０を起動し、停止時に第１排ガス供給路３８ａに密封された排ガスを酸化剤に混合する。

ステップＳ２及びＳ３の処理は、第１の実施の形態と同じである。

ステップＳ４において、制御部１２は、排気バルブ３７を閉鎖し、且つ排ガス供給ポンプ４０を起動して排ガスを第１排ガス供給路３８ａに導入し、所定の流量で酸化剤と混合させる排ガスを供給する。ここで、バルブの閉鎖とは、バルブを開放状態から閉鎖状態にすることを意味するだけでなく、バルブが閉鎖状態にあればその状態を維持することをも意味する（以下、同じ）。

ステップＳ５において、制御部１２は、排気バルブ３７を開放し、且つ排ガス供給ポンプ４０を停止して排ガスを排出し、酸化剤への排ガスの混合を停止させる。起動直後には、上記したように排気バルブ３７が閉鎖され、排ガスが酸化剤に混合されるが、時間が経過して平均セル電圧Ｖが所定の閾値Ｖ_ｔｈ以下になると、排気バルブ３７が開放される。ここで、バルブの開放とは、バルブを閉鎖状態から開放状態にすることを意味するだけでなく、バルブが開放状態にあればその状態を維持することをも意味する（以下、同じ）。

ステップＳ６の処理は、第１の実施の形態と同じである。

ステップＳ７において、制御部１２は酸化剤供給ポンプ３２を停止して酸化剤の供給を停止する。同時に、終了直前の状態は負荷が小さく、排気バルブ３７が閉鎖状態にあり、排ガスが酸化剤に混合されているので、制御部１２は、排気バルブ３７の閉鎖状態を維持したまま排ガス供給ポンプ４０を停止し、燃料電池発電部１内及び第１排ガス供給路３８ａ内に排ガスを密封する。密封された排ガスは、再び本燃料電池システムが起動される際に、ステップＳ１において酸化剤と混合される。

以上のように、第２の実施の形態に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、平均セル電圧が所定の閾値電圧を越える場合に、排気バルブ３７及び排ガス供給ポンプ４０を制御して、燃料電池発電部１に供給される酸化剤に排ガスを混合することにより、酸素濃度を低下させ、カソード材料の劣化を抑制し、且つガス流路の水詰まりを防止及び修復することができる。

特に、第２の実施の形態においては、窒素ガスの代わりに排ガスを用いることにより、窒素ガス貯蔵部等を設けて窒素ガスを供給する場合よりも小規模な燃料電池システムを実現することができ、また、窒素ガス貯蔵部への定期的な窒素ガスの補充等の設備維持の労力及び費用も不要とすることができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、第２の実施の形態（図３）において、酸化剤供給ポンプ３２に排ガス供給ポンプ４０の役割を持たせる態様である。

図４に、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を説明するためのブロック図を示す。図４に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、酸化剤供給排出部３０の構成のみが第２の実施の形態に係る燃料電池システムと異なり、第１排ガス供給路３８ａ及び排ガス供給ポンプ４０の代わりに第２排ガス供給路３８ｂ及び酸化剤供給量調節バルブ４１を備える。酸化剤供給ポンプ３２の上流の、酸化剤供給路３１の途中に酸化剤供給量調節バルブ４１が設けられ、燃料電池発電部１と排気バルブ３７との間のカソード側排ガス路３４から延伸し、酸化剤供給量調節バルブ４１と酸化剤供給ポンプ３２との間の酸化剤供給路３１に接続された第２排ガス供給路３８ｂを通じて、酸化剤供給量調節バルブ４１及び排気バルブ３７により排ガスの混合割合が調節されて、酸化剤と排ガスとの混合ガスが再び燃料電池発電部１に供給される。

以下、第３の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を説明する。第３の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートは、図２に示す第１の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法と同じであるので省略する。以下では、燃料電池システムの構成が異なることによる第１の実施の形態の各ステップとの相違点を中心に、図２のフローチャートを用いて説明する。

第３の実施の形態に係る燃料電池システムの起動前には、酸化剤供給ポンプ３２は停止し、後述する停止時の密封処理により排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１は閉じている。

ステップＳ１において、制御部１２は、酸化剤供給ポンプ３２を起動し、停止時に燃料電池発電部１内及び第２排ガス供給路３８ｂ内に密封された排ガスを循環させる。

ステップＳ２及びＳ３の処理は、第１の実施の形態と同じである。

ステップＳ４において、制御部１２は、排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１を閉じて排ガスを第２排ガス供給路３８ｂに導入し、所定の流量で酸化剤と混合させる排ガスを供給する。

ステップＳ５において、制御部１２は、排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１を開放して、酸化剤への排ガスの混合を停止させる。起動直後には、上記したように排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１が閉鎖され、排ガスが酸化剤に混合されるが、時間が経過して平均セル電圧Ｖが所定の閾値Ｖ_ｔｈ以下になると、排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１が開放される。

ステップＳ６の処理は、第１の実施の形態と同じである。

ステップＳ７において、制御部１２は酸化剤供給ポンプ３２を停止して酸化剤の供給を停止する。このとき、終了直前の状態は負荷が小さく、排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１が閉鎖状態にあり、排ガスが酸化剤に混合されているので、燃料電池発電部１内及び第２排ガス供給路３８ｂ内に排ガスが密封される。密封された排ガスは、再び本燃料電池システムが起動される際に、ステップＳ１において酸化剤と混合される。

以上のように、第３の実施の形態に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、酸化剤供給ポンプ３２に排ガス供給ポンプ４０の役割を持たせて、排気バルブ３７及び酸化剤供給量調節バルブ４１を用いて排ガスを酸化剤と混合することにより、酸素濃度を低下させ、カソード材料の劣化を抑制し、且つガス流路の水詰まりを防止及び修復することができる。

また、酸化剤供給ポンプ３２に排ガス供給ポンプ４０の役割を持たせることにより、第２の実施の形態と同様の効果が得られるのに加えて、第２の実施の形態よりも小規模な燃料電池システムを実現することができ、設備維持の労力及び費用を低減することができる。

尚、上記したように酸化剤供給量調節バルブ４１を備えていることが望ましいが、酸化剤供給量調節バルブ４１を備えていなくても、酸化剤供給ポンプ３２の起動／停止と排気バルブ３７の開閉とによって、排ガスの混合を制御することができる。

以上、第１の実施の形態においては、酸化剤に混合するガスに窒素（Ｎ_２）ガスを用い、第２及び第３の実施の形態においては排ガスを用いる場合を説明したが、酸化剤に混合するガスはこれらに限定されない。即ち、本発明において、酸化剤に混合するガスは、カソードを劣化させない、酸素濃度が約２１％以下（酸素を全く含んでいない場合を含む）の低酸素濃度ガスであれば良い。例えば、低酸素濃度ガスとして、アルゴン（Ａｒ）等の化学的活性の低いガス（希ガス）を用いても良い。

また、上記した第１〜第３の実施の形態においては、セルスタックの電圧を測定して平均セル電圧Ｖを求めたが、セルスタック中の一部のセルの電圧を測定して平均セル電圧Ｖを求めても良い。例えば、直列に接続された複数のセルのセットの電圧Ｖ_ｓ、又はセル毎の電圧Ｖ_ｉを測定し、それらの値から平均セル電圧を求めても良い。

また、上記した第１〜第３の実施の形態においては、平均セル電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも大きい場合に酸化剤に低酸素濃度ガスを混合し、水詰まりを防止及び修復したが、更に、各セルの電圧を観測することによって、発生した水詰まりを修復することもできる。特定のセルで水詰まりが発生した場合、セルスタックの電圧は正常な範囲内の値であるが、水詰まりが発生したセルの電圧は低くなる。従って、各セルの電圧Ｖ_ｉを測定し、Ｖ_ｉが予め設定した下限値Ｖ_ｍｉｎ以下のセルがあった場合に、平均セル電圧Ｖが所定の閾値電圧Ｖ_ｔｈよりも大きい場合と同様に、酸化剤に低酸素濃度ガスを混合する。これによって、水詰まりを容易に検出し、発生した水詰まりを修復することができる。

尚、下限値Ｖ_ｍｉｎは、予め所定の値を設定せずに、個別に測定したセル毎の電圧Ｖ_ｉ、複数のセルのセットの電圧Ｖ_ｓ、及びセルスタック電圧から求めた平均セル電圧Ｖを組み合わせて決定するのが望ましい。例えば、セルスタック電圧から求めた平均セル電圧Ｖと所定の電圧Ｖ_ｃとを用いてＶ_ｍｉｎ＝Ｖ−Ｖ_ｃとすれば。負荷状態に依存せずより的確に水詰まりの発生したセルを特定して、ガス流路の水詰まりを修復することができる。

また、上記した第１〜第３の実施の形態においては、低酸素濃度ガスの流量制御に用いる好ましい閾値電圧Ｖ_ｔｈを約０．８Ｖとしたが、約０．７５Ｖ以上であれば良い。また、所定の電圧Ｖ_ｃは約０．０２Ｖ〜約０．１Ｖの範囲とすることができる。

また、上記実施の形態においては、バルブの開閉又はポンプの起動／停止のみで酸化剤と窒素ガス又は排ガスとの混合割合を調節したが、各バルブの開閉量又は各ポンプの起動時の能力を、平均セル電圧Ｖと閾値電圧Ｖ_ｔｈとの差に応じて、連続的に若しくは複数段階に調節しても良い。

また、上記した各実施の形態の説明においては、酸化剤供給排出部に加湿部を備える固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）システムについて説明しているが、燃料及び酸化剤に水素含有ガス及び酸素含有ガスを用い、電極材料にカーボン材を用いる燃料電池システムであれば、別の燃料電池システムにも本発明を適用することができる。カソード電位が上昇するとカソード材料である担体カーボンが腐食することは、燃料電池の種類によらず共通する問題であるからである。

図５は、本発明に係る運転方法の有効性を示すセル電圧−電流密度特性のグラフである。燃料電池システムの運転条件は、電池温度が約７０℃、燃料利用率Ｕｆが約７５％（フル加湿）、酸化剤利用率Ｕｏが約６０％（フル加湿）であった。

図５に示すように、酸化剤に窒素ガスを混合（本発明に係る運転方法）して、カソードに供給するガスの酸素濃度を約１５％とした場合のセル電圧（■）は、空気（酸素濃度約２１％）のみを酸化剤としてカソードに供給（従来の運転方法）した場合のセル電圧（◆）と比較して、電流密度にほとんど依存せずに約１０ｍＶ低下していることがわかる。これは、カソード電位が約１０ｍＶ低下したことを意味する。また、カソードに供給するガスの酸素濃度をさらに低下させることにより、約１０ｍＶ以上カソード電位を低下させることができる。

ガス流路の水詰まりの修復に関して本発明の有効性を示すために、図６に、本発明に係る燃料電池システムが備えるセル毎のセル電圧Ｖ_ｉのグラフを示す。実験に用いた燃料電池システムは直列に接続された５０枚以上のセルを備え、図６に示すグラフには、個別に電圧が測定されたセルのうちの連続して直列に接続された特定の３枚のセル（セル１〜セル３）のセル電圧Ｖ_ｉが示されている。図６において、横軸は運転中に任意に設定した時刻からの経過時間を表す。燃料電池システムの運転条件は、電流密度が約５０ｍＡ／ｃｍ^２、電池温度が約６０℃、燃料利用率Ｕｆが約６０％（フル加湿）、酸化剤利用率Ｕｏが約５０％（フル加湿）であった。

電流密度が約５０ｍＡ／ｃｍ^２と低い状態で運転したために、図６に示したように、セル１及びセル３の間に位置するセル２のガス流路に水詰まりが発生し、セル電圧Ｖ_ｉが低下した。そこで、運転時間１２０秒で示す時点で酸化剤に低酸素濃度ガスを混合し、カソードに供給するガスの流量を増大させた。これにより、セル２のグラフに示すように、セル電圧が上昇し、ガス流路の水詰まりが修復されたことがわかる。尚、単に酸化剤の流量を増大させると、酸素流量が増加してセル1及びセル３のカソード電位も上昇し、カソード材料を劣化させる結果となる。これに対して本実験では、酸化剤に低酸素濃度ガスを混合させたので、カソードに供給されるガスの酸素濃度が低下し、流量が増大した。このため、水詰まりが発生していないセル１及びセル３のカソード電位の上昇を抑制して、カソード材料の劣化を進行させること無く、セル２のガス流路の水詰まりを修復することができた。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係る運転方法の有効性を示すセル電圧−電流密度特性のグラフである。 本発明に係る燃料電池システムが備えるセル毎のセル電圧のグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池発電部
１０ セル電圧計測制御部
１１ セル電圧計測部
１２ 制御部
２０ 燃料供給部
２１ 燃料ガス生成部
２２ 原料水供給路
２３ 原燃料供給路
２４ 原燃料供給量調節バルブ
２５ 燃料ガス供給路
３０ 酸化剤供給排出部
３１ 酸化剤供給路
３２ 酸化剤供給ポンプ
３３ 加湿部
３４ カソード側排ガス路
３５ 窒素ガス供給路
３６ 窒素ガス供給量調節バルブ
３７ 排気バルブ
３８ａ 第１排ガス供給路
３８ｂ 第２排ガス供給路
４０ 排ガス供給ポンプ
４１ 酸化剤供給量調節バルブ

Claims (10)

1. アノード及びカソードを有する複数のセルが直列に接続されて構成されたセルスタックを備える燃料電池発電部と、
   入力される酸化剤を前記カソードに供給する酸化剤供給手段と、
   酸素濃度が約２１％以下の低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合する低酸素濃度ガス供給手段と、
   前記セルスタックの電圧を測定して平均セル電圧を算出し、得られた前記平均セル電圧が所定の閾値電圧よりも大きい場合に、前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御するセル電圧計測制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記低酸素濃度ガスが、窒素ガス、アルゴンガス、及び前記燃料電池発電部から排出される排ガスからなる群から選択されるガスであ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。
3. 前記酸化剤供給手段が、入力される前記酸化剤を出力して前記燃料電池発電部に供給する酸化剤供給ポンプを備え、
   前記排出ガス混合手段が、
   前記燃料電池発電部から排出される前記排ガスを排出するカソード側排ガス路、
   前記カソード側排ガス路に設けられた排気バルブ、
   前記燃料電池発電部と前記排気バルブとの間の前記カソード側排ガス路から延伸し、前記酸化剤供給ポンプの出力側に接続された第１排ガス供給路、
   及び前記第１排ガス供給路に設けられた排ガス供給ポンプを備え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. 前記酸化剤供給手段が、入力される前記酸化剤を出力して前記燃料電池発電部に供給する酸化剤供給ポンプを備え、
   前記排出ガス混合手段が、
   前記燃料電池発電部から排出される前記排ガスを排出するカソード側排ガス路、
   前記カソード側排ガス路に設けられた排気バルブ、
   及び前記燃料電池発電部と前記排気バルブとの間の前記カソード側排ガス路から延伸し、前記酸化剤供給ポンプの入力側に接続された第２排ガス供給路を備え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。
5. 前記閾値電圧が、約０．７５Ｖ以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池発電部が固体高分子形燃料電池であり、
   前記セル電圧計測制御部が、各セルのセル電圧を測定し、少なくとも１つのセル電圧が所定の下限値よりも小さい場合に、前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記下限値が、前記セルスタックの電圧から求めた前記平均セル電圧から約０．０２Ｖ以上小さい値であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. アノード及びカソードを有する複数のセルが直列に接続されて構成されたセルスタックを備える燃料電池発電部と、入力される酸化剤を前記カソードに供給する酸化剤供給手段と、酸素濃度が約２１％以下の低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合する低酸素濃度ガス供給手段と、セル電圧計測制御部とを備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記セル電圧計測制御部が、前記セルスタックの電圧を測定し、測定したセルスタックの電圧値を前記セルスタックを構成するセルの数で除算して平均セル電圧を求める第１ステップと、
   前記セル電圧計測制御部が、前記平均セル電圧が所定の閾値電圧よりも大きいか否かを判断する第２ステップと、
   前記セル電圧計測制御部が、前記平均セル電圧が前記閾値電圧より大きいと判断した場合に、低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第３ステップとを含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
9. 前記燃料電池システムの停止前に、前記セル電圧計測制御部が、前記低酸素濃度ガスを前記燃料電池発電部内に密封するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第４ステップと、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記セル電圧計測制御部が、前記燃料電池発電部内に密封された前記低酸素濃度ガスのみを前記酸化剤供給手段に入力する、又は前記燃料電池発電部内に密封された前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第５ステップとを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの運転方法。
10. 前記燃料電池発電部が固体高分子形燃料電池であり、
    前記セル電圧計測制御部が、前記セル毎のセル電圧を測定する第６ステップと、
    前記セル電圧計測制御部が、前記第１ステップで測定した前記平均セル電圧から約０．０２Ｖ以上の値を減算して下限値を求め、前記セル電圧が前記下限値以下の場合に、前記低酸素濃度ガスを前記酸化剤に混合して前記酸化剤供給手段に入力するように前記低酸素濃度ガス供給手段を制御する第７ステップとを更に含むことを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池システムの運転方法。

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