JP2008226759A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の水素不足時において、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池のアノードにおいて燃料不足が発生している場合に、燃料不足を解消するための復帰処理を行う燃料電池システムにおいて、アノードにおける燃料不足を検知する燃料不足検知手段と、燃料不足が検知された場合に、復帰処理に先立って前記燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給を停止する供給停止手段と、燃料不足が検知された場合に、復帰処理に先立ってカソードに滞留する滞留酸化ガスを減量する減量手段と、を備える。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有している。アノードに水素を含むアノードガスが接触し、カソードに酸素を含むカソードガスが接触することによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池においては、システムの要求出力に応じて、必要な量のアノードガスおよびカソードガスが供給される。しかしながら、燃料電池に接続された負荷装置の負荷上昇が急激である場合においては、ガス供給量を急激な負荷上昇に追従させて増加させることが困難となり、一時的に水素不足となるセルが発生する場合がある。このような状態を放置すると、水素不足となったセル内では電極の腐食反応等が生じ、燃料電池に不可逆な劣化が発生する事態が考えられる。

このような事態を防止するため、従来、例えば特開平６−２４３８８２号公報に開示されるように、水素不足の状態を検出し、水素不足が検出された場合には、一時的に燃料電池の発電を停止して燃料電池の保護を図るシステムが開示されている。このシステムによれば、より具体的には、燃料電池に積層されたセルを所定のセル区間ごとに区分して、各セル区間のセル電圧を検出する。その後、該セル電圧の最低値が判定電圧よりも低下している場合に、何れかのセルで水素不足状態が発生しているものとして、燃料電池の発電を停止することとしている。これにより、水素不足状態による電極および触媒の劣化等を抑制することができる。

特開平６−２４３８８２号公報 特開２００５−９３１１１号公報 特開２００５−２５９６６４号公報

しかしながら、燃料電池に水素不足が発生した場合、水素不足となったセルのアノードでは、水素の代わりにプロトンを生成するための水の電気分解反応が進行し、酸素が多く存在する状態となっている。このような水素不足状態の燃料電池に、水素不足を解消するための処理として水素燃料の拡散や強制流入処理等の処理（以下、「復帰処理」と称す）が行われ、アノードに水素が到達すると、カソードにおいて電位が上昇し、その結果、カソード拡散層の炭素や触媒における腐食反応が開始される可能性があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の水素不足時において、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池のアノードにおいて燃料不足が発生している場合に、燃料不足を解消するための復帰処理を行う燃料電池システムにおいて、
前記アノードにおける燃料不足を検知する燃料不足検知手段と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給を停止する供給停止手段と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記カソードに滞留する滞留酸化ガスを減量する減量手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記減量手段は、
前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを消費する消費手段を含むことを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記消費手段は、
前記滞留酸化ガスを前記燃料電池の発電反応により消費することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
酸化ガスが流通する流路における前記燃料電池との接続部近傍に配置された入口側開閉弁を更に備え、
前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、前記入口側開閉弁を閉弁することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記カソードから排出されたガスが流通する流路における前記燃料電池との接続部近傍に配置された出口側開閉弁を更に備え、
前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、出口側開閉弁を閉弁することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記減量手段は、
前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを前記燃料電池外部に排出する排出手段を含むことを特徴とする。

また、第７の発明は、第６の発明において、
前記排出手段は、
前記カソードの圧力を調整する圧力調整装置と、
前記燃料不足が検知された場合に、前記カソードの出口圧力を低下させるように前記圧力調整装置を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記圧力調整装置は、前記カソードから排出されたガスが流通する流路に配置された調圧弁であることを特徴とする。

また、第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において、
酸化ガスが流通する流路から分岐した分岐流路を更に備え、
前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、酸化ガスの流通先を前記分岐流路に切り替えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池において、燃料不足が検知された場合に、復帰処理に先立って燃料電池へのカソードガスの供給が停止されると共に、カソードに滞留する滞留酸素が減量される。アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応は、カソードの電位に依存する。本発明によれば、滞留酸素が減量されることにより、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの電位上昇を効果的に抑制することができるので、カソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。

第２の発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードに滞留する酸化ガスを消費することにより減量することができ、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。

第３の発明によれば、復帰処理に先立って、カソードに滞留する酸化ガスが発電反応により消費される。このため、本発明によれば、復帰処理時に発電反応が抑制されるので、カソードにおける腐食反応を確実に抑制することができる。

第４の発明によれば、燃料不足が検知された場合に、酸化ガスが流通する流路の燃料電池入口部に設けられた開閉弁が閉弁されるので、酸化ガスが燃料電池に導入されることによりカソードに滞留する酸素が増大する事態を効果的に回避することができる。

第５の発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードから排出されるガスが流通する流路の燃料電池出口部に設けられた開閉弁が閉弁されるので、カソードから排出されたガスが燃料電池内に逆流することによりカソードに滞留する酸素が増大する事態を効果的に回避することができる。

第６の発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードに滞留する酸素を排出ことにより減量することができ、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。

第７の発明によれば、燃料不足が検知された場合に、カソードの出口圧力を低下させることができるので、カソードに滞留する酸素を効果的に排出することができ、アノードにおける燃料不足の復帰処理を行う際に起きるカソードの腐食反応を効果的に抑制することができる。

第８の発明によれば、カソードから排出されるガスが流通する流路に設けられた調圧弁を制御することにより、カソードの出口圧力を効果的に低下させることができる。

第９の発明によれば、酸化ガスが流通する流路から分岐した分岐流路を備え、燃料不足が検知された場合に、酸化ガスの流通先が当該分岐流路に切り替えられる。このため、本発明によれば、燃料電池への酸化ガスの供給を瞬時に停止することができ、カソードに滞留する酸素が増大する事態を効果的に回避することができる。

以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は複数枚の燃料電池セルを積層されて構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。

燃料電池スタック１０には、発電した電力を取り出す端子が配置されている（図示せず）。燃料電池スタック１０の端子にはインバータ４２を介して負荷４４が接続されている。燃料電池スタック１０にて発電された電力は、インバータ４２に取り出されて負荷４４に供給されるようになっている。

燃料電池スタック１０には、アノードガスを供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードガス供給源(高圧水素タンクや改質器等) １６に接続され、その下流には調圧弁１８が配置されている。アノードガスは調圧弁１８で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後、システム外部に放出される。

また、燃料電池スタック１０には、カソードガスを供給するためのカソードガス流路２０と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路２２が接続されている。カソードガス流路２０の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアクリーナ２４が配置されている。また、その下流にはコンプレッサ２６が配置されている。コンプレッサ２６の作動によって吸入された空気は、カソードガス流路２０を介して燃料電池スタック１０に供給される。また、カソードオフガス流路２２には、調圧弁２８が配置されている。調圧弁２８は、燃料電池スタック１０内のカソードガスを所望の圧力に調圧することができる。燃料電池スタック１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路２２に排気される。

カソードガス流路２０における燃料電池スタック１０との接続部近傍には、カソードガス流路２０と燃料電池スタック１０との連通を制御する開閉弁３２が配置されている。また、カソードオフガス流路２２における燃料電池スタック１０との接続部近傍には、カソードオフガス流路２２と燃料電池スタック１０との連通を制御する開閉弁３４が配置されている。

さらに、燃料電池スタック１０には、電圧計４６が接続されている。電圧計４６は、後述するように、燃料電池スタック１０の燃料電池セル毎の発電電圧に応じた出力を発する。また、この燃料電池システムは制御装置４０を備えている。制御装置４０には、インバータ４２、負荷４４、調圧弁１８、２８、開閉弁３２、３４および電圧計４６のそれぞれが接続されている。制御装置４０は、負荷４４、電圧系４６などからの情報を受け、或いは必要に応じてインバータ４２、調圧弁１８、２８、開閉弁３２、３４などを制御する。

［燃料電池の発電中における水素欠の発生について］
次に、図２を参照して、燃料電池の発電中における水素欠の発生時の反応について説明する。図２の燃料電池セル５０は、プロトン伝導性の電解質膜５２の両側をアノード５４およびカソード５６で挟まれた構造を有している。尚、燃料電池セル５０は、燃料電池スタック１０に積層されている複数枚の燃料電池セルの中の一枚を示している。

図２に示すとおり、燃料電池スタック１０において発電が行われる場合、水素を含むアノードガスが燃料電池セル５０のアノード５４に供給され、酸素を含む空気が燃料電池セル５０のカソード５６に供給される。燃料電池セル５０に水素と酸素とが供給されると、アノード５４付近では次式（１）、およびカソード４６付近では次式（２）に示す電気化学反応（発電反応）が起きる。
（アノード） ：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
（カソード） ：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

上記（１）式に示すとおり、アノード５４に供給された水素（Ｈ_２）は、アノード５４の触媒作用によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分離される。プロトンは電解質膜５２内部をカソード５６に向かって移動し、電子は図示しない負荷を通ってカソード５６に向かって移動する。そして、上記（２）式に示すとおり、カソード５６に供給される空気に含まれる酸素（Ｏ_２）、負荷を通った電子、及び電解質膜５２内部を移動したプロトンは、カソード５６の触媒作用によって水分子（Ｈ_２Ｏ）を生成する。燃料電池では、このような一連の反応が行われ、空気、及び水素が連続的に供給されることによって発電を行い、負荷４４で電力が取り出される。

燃料電池スタック１０へのアノードガス供給量は、上述した発電反応によって要求された出力が得られるように設定される。しかしながら、急な高出力要求が出された場合においては、該出力要求に応じてアノードガス供給量を直ちに増減させることは困難である。また、アノードガス流路の凍結、或いは閉塞等によりアノードガスがアノード５４へ供給されない場合も想定される。このように、燃料電池スタック１０の発電中には、何れかの燃料電池セルにおいて、水素不足の状態（以下、「水素欠」と称す）が発生する場合がある。

［水素欠状態におけるアノード腐食反応について］
水素欠が発生した燃料電池セル（以下、「水素欠セル」と称す）５０では、アノード５４の触媒付近において水素が不足している。ここで、燃料電池スタック１０への負荷が継続され、水素欠セル５０に強制的に電流が流れると、水素欠セル５０のアノード５４では、不足している水素を補うために触媒作用により次式（３）に示す水の電気分解反応（水分解反応）が開始される。
（アノード） ：Ｈ_２Ｏ→１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（３）

ここで、上述した式（３）に示すアノード５４での水分解反応には、アノード５４の触媒付近の水が使用される。このため、アノード５４の水分が消費され、或いは、触媒上が水分解反応により発生する酸素により覆われると、触媒上の水分が不足し上記水分解反応を継続することが困難となる。このような状態となると、水素欠セルのアノード５４の電位は上昇し、次に、次式（４）に示すアノード４４中の炭素の反応（アノード腐食反応）が開始されてしまう。
（アノード） ：１／２Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→１／２ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（４）

以上説明したとおり、水素欠状態を放置すると、上式（４）に示すアノード５４の不可逆な腐食反応が水素欠セル５０において進行する。そこで、本実施の形態においては、燃料電池スタック１０の水素欠を検知した場合にアノードに再び水素を充填させる復帰処理が行われる。これにより、アノード５４の水素欠を解消し、上式（４）に示すアノード腐食反応を抑制することができる。尚、復帰処理の手法は本発明の本質的部分ではなく、また公知の手法であるため、その詳細な説明を省略することとする。

［復帰処理に伴うカソード腐食反応の抑制について］
次に、図３を参照して、水素欠状態からの復帰処理に伴うカソード腐食反応について説明する。図３は、アノード５４に水素欠が発生した燃料電池セル６０の状態を示す模式図である。

図３に示すとおり、水素欠状態においては、アノード５４の触媒付近において、不足した水素を生成するために水の電気分解反応が進行するため、酸素が多量に存在する状態となっている。このため、復帰処理により水素欠セルに再び水素が流入し始めた場合、アノード５４には、触媒上に水素が存在する範囲と酸素が存在する範囲とが一時的に形成されることとなる。

ここで、アノード５４の触媒上に水素が存在する範囲では、アノード５４とカソード５６との間で上式（１）および（２）に示す通常の発電反応が起きる。一方、酸素が存在する範囲においては、次式（５）に示すとおり、アノード５４に滞留する酸素と、電解質膜５２を移動して供給されるプロトンと、上式（１）にて発生した電子とが反応して水を生成する反応がアノード５４で起きると共に、カソード５６では、次式（６）に示す水の分解反応が起きる。つまり、次式（５）および（６）の反応により、水素欠セルの一部に部分電池が形成される。また、上記反応が進行しカソード５６の電位が更に上昇すると、次式（７）に示すカソード５６に含まれる炭素の腐食反応、および（８）に示す触媒の溶出反応が起きる。
（アノード） ：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・（５）
（カソード） ：Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ ・・・（６）
：１／２Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・（７）
：Ｐｔ→Ｐｔ^２＋＋２ｅ⁻ ・・・（８）

このように、水素欠からの復帰処理を行う際に、上述した一連の反応が起きると、カソード５６が腐食してしまう。そこで、本実施の形態においては、復帰処理を実行する前に、カソード５６の酸素成分を極力減少させ、カソード５６を酸素欠の状態にすることとする。カソード５６が酸素欠の状態であれば、上式（２）に示す発電反応が抑制されるため、水素欠からの復帰処理を行ったとしても水素欠セルに部分電池が形成されない。このため、水素欠からの復帰処理によりカソードの腐食反応が進行する事態を効果的に抑制することができる。

カソード５６における酸素成分減量処理は、より具体的には、先ず、カソード５６へのカソードガスの供給を停止する処理が行われる。これにより、カソード５６に酸素が導入される事態を回避することができる。また、これと並行して、上式（２）に示す発電反応によりカソード５６に滞留する酸素を消費させる処理が行われる。上式（７）、（８）に示すカソード腐食反応を抑制するためには、カソード５６における酸素を略０まで減らすことが望ましい。このため、燃料電池スタック１０の発電反応を可能な限り継続させ、カソード５６における酸素をできる限り消費させることとする。

尚、上式（５）に示す水生成反応の反応電位は０．７〜０．８Ｖであり、また、上式（７）、（８）に示すカソード腐食反応の反応電位は１．２Ｖ以上である。このため、水素欠からの復帰処理時のセル電圧が０．５Ｖ以下となるレベルまで酸素が減量されていれば、カソード５６において上式（６）に示す水分解反応が支配的に行われるため、上式（７）、（８）に示す反応を効果的に抑制することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、この発明の実施の形態１において、システムが燃料電池セルのカソード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図４のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図４に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、燃料電池システムに配置された電圧計４６の出力信号に基づいて、燃料電池セル毎に検出される。

次に、最小セル電圧が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００にて検出された各燃料電池セルの電圧値が比較され、最小の最小セル電圧が求められる。次に、燃料電池スタック１０において水素欠が発生しているセルがあるか否かが判定される（ステップ１０４）。水素欠が発生している燃料電池セルにおいては、セル電圧が低下する。このため、燃料電池セルの電圧が所定の閾値よりも小さい場合には,水素欠が発生していると判断することができる。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において求められた最小セル電圧が基準電圧（閾値）よりも小さいか否かが判定される。

上記ステップ１０４において、セル電圧＜基準電圧の成立が認められた場合、水素欠が発生しているものと判断され、カソードガスの供給が停止される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、カソードガスを供給するコンプレッサ２６の駆動が停止される。ここで、コンプレッサ２６は、その構造上停止要求に応じて即座に停止することができない。また、カソードガス流路２０、およびカソードオフガス流路２２の内部に滞留する酸素が徐々に燃料電池スタック１０内に流入する可能性がある。このため、上記ステップ１０６においては、開閉弁３２、３４を閉弁することとする。これにより、燃料電池スタック１０内への酸素の流入を効果的に抑制することができる。

次に、燃料電池スタック１０の燃料電池スタック１０の内部に滞留する酸素を消費する処理が実行される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、負荷４４により燃料電池スタック１０における発電反応が継続され、スタック内部に滞留する酸素が略ゼロとなるまで消費される。

次に、水素欠からの復帰処理が実行される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、水素欠セルのアノード５４に再び水素を充填させる処理が実行される。上記ステップ１０８の後においては、燃料電池スタック１０内部の酸素が減量され、カソード５６が酸素欠状態となっている。このため、上記の処理によりカソードの腐食反応を抑制しつつ、水素欠からの復帰処理を行うことができる。一方、上記ステップ１０４において、セル電圧＜基準電圧の成立が認められない場合、水素欠が発生していないものと判断され、本ルーチンは速やかに終了される。

以上説明したとおり、実施の形態１のシステムでは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードの腐食反応が進行しないレベルまで燃料電池スタック１０内部の酸素が消費される。これにより、水素欠からの復帰処理時に生じるカソード腐食反応を効果的に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、カソードガスの供給を停止するために、コンプレッサ２６の駆動が停止されることとしているが、カソードガスの供給停止手法はこれに限られない。すなわち、カソードガス流路２０のコンプレッサ２６の下流からカソードオフガス流路２２へのバイパス流路を配置し、カソードガスの供給停止要求時に、カソードガスがバイパス流路を介してカソードオフガス流路２２に流れるように流路を切り替えることとしてもよい。また、上記流路の切り替え制御に、更に開閉弁３２、３４の閉弁制御を組み合わせることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、燃料電池スタック１０のスタック内部に滞留する酸素が略ゼロとなるまで発電反応を継続させることとしているが、酸素消費量はこれに限られない。すなわち、復帰処理時において、カソードの酸素量が少ないほどカソードの電位上昇が抑制される。このため、カソードの電位が、上式（７）、（８）に示すカソード腐食反応の反応電位以上に上昇しないレベルまで酸素を消費させることにより、カソード腐食反応を効果的に抑制することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、制御装置４０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「燃料不足検知手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「供給停止手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「減量手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、制御装置４０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第２または３の発明における「消費手段」が、実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、開閉弁３２が、前記第４の発明における「入口側開閉弁」に相当している。

また、上述した実施の形態１においては、開閉弁３４が、前記第５の発明における「出口側開閉弁」に相当している。

また、上述した実施の形態１においては、制御装置４０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第９の発明における「供給停止手段」が、実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
実施の形態２のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、システムに、後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態１においては、水素欠からの復帰処理を行う際に、カソード５６への酸素の供給が停止され、燃料電池スタック１０の内部の酸素が消費される。これにより、カソード５６の酸素を減少させ、水素欠からの復帰処理によるカソードの腐食反応を効果的に抑制することとしている。

本実施の形態２においては、カソード５６の酸素を減少させるために、カソード５６の酸素の排出を促進させることとする。より具体的には、カソード５６への酸素の供給が停止される。また、同時にカソードオフガス流路２２に設けられた調圧弁２８が全開にされる。これにより、カソード５６の出口圧力を瞬時に低下させることができるので、カソード５６の酸素分圧を低下させ、水素欠からの復帰処理によるカソードの腐食反応を効果的に抑制するができる。

［実施の形態２における具体的処理］
図５は、この発明の実施の形態２において、システムが燃料電池セルのカソード腐食反応を抑制するために実行するルーチンを示すフローチャートである。図５のルーチンは、燃料電池スタック１０の発電中に繰り返し実行されるルーチンである。図５に示すルーチンでは、先ず、燃料電池セルの電圧が検出される（ステップ２００）。次に、最小セル電圧が算出される（ステップ２０２）。次に、燃料電池スタック１０において水素欠が発生しているセルがあるか否かが判定される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、図４に示すステップ１００乃至１０４と同様の処理が実行される。

上記ステップ２０４において、セル電圧＜基準電圧の成立が認められた場合、水素欠が発生しているものと判断され、カソードガスの供給が停止される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、図４に示すステップ１０６と同様の処理が実行される。

次に、燃料電池スタック１０の燃料電池スタック１０の内部に滞留する酸素を排出する処理が実行される（ステップ２０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０６においてカソードガスの供給が停止されたと同時にカソードオフガス流路２２に設けられた調圧弁が全開に制御される。これにより、カソードオフガス流路２２の圧力が大気圧まで瞬時に下降し、カソード５６に滞留していた酸素が排出される。

次に、水素欠からの復帰処理が実行される（ステップ２１０）。ここでは、具体的には、図４に示すステップ１１０と同様の処理が実行される。これにより本ルーチンは終了される。一方、上記ステップ２０４において、セル電圧＜基準電圧の成立が認められない場合、水素欠が発生していないものと判断され、本ルーチンは速やかに終了される。

以上説明したとおり、実施の形態２のシステムでは、燃料電池スタック１０内に水素欠セルが存在すると判定された場合に、カソードガスの供給が停止され、また、カソードオフガス流路２２の圧力が大気圧まで瞬時に下げられる。これにより、カソード５６に滞留する酸素を効果的に排出することができ、水素欠からの復帰処理時に生じるカソード腐食反応を抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、カソードガスの供給を停止するために、コンプレッサ２６の駆動が停止されることとしているが、カソードガスの供給停止手法はこれに限られない。すなわち、カソードガス流路２０のコンプレッサ２６の下流からカソードオフガス流路２２へのバイパス流路を配置し、カソードガスの供給停止要求時に、カソードガスがバイパス流路を介してカソードオフガス流路２２に流れるように流路を切り替えることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態２においては、制御装置４０が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「燃料不足検知手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「供給停止手段」が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第１の発明における「減量手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、制御装置４０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第６の発明における「排出手段」が、実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、制御装置４０が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第７の発明における「制御手段」が、実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、調圧弁２８が、前記第８の発明における「調圧弁」に相当している。

また、上述した実施の形態２においては、制御装置４０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第９の発明における「供給停止手段」が、実現されている。

本発明の実施１の構成を説明するための図である。 燃料電池の発電反応について説明するための模式図である。 水素欠状態におけるカソード腐食反応について説明するための模式図である。 本実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１２ アノードガス流路
１４ アノードオフガス流路
１６ アノードガス供給源
１８ 調圧弁
２０ カソードガス流路
２２ カソードオフガス流路
２４ エアクリーナ
２６ コンプレッサ
２８ 調圧弁
４０ 制御装置
４２ インバータ
４４ 負荷
４６ 電圧計
５０、６０ 燃料電池セル
５２ 電解質膜
５４ アノード
５６ カソード

Claims (9)

1. 燃料電池のアノードにおいて燃料不足が発生している場合に、燃料不足を解消するための復帰処理を行う燃料電池システムにおいて、
   前記アノードにおける燃料不足を検知する燃料不足検知手段と、
   前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給を停止する供給停止手段と、
   前記燃料不足が検知された場合に、前記復帰処理に先立って前記カソードに滞留する滞留酸化ガスを減量する減量手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記減量手段は、
   前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを消費する消費手段を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記消費手段は、
   前記滞留酸化ガスを前記燃料電池の発電反応により消費することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 酸化ガスが流通する流路における前記燃料電池との接続部近傍に配置された入口側開閉弁を更に備え、
   前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、前記入口側開閉弁を閉弁することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記カソードから排出されたガスが流通する流路における前記燃料電池との接続部近傍に配置された出口側開閉弁を更に備え、
   前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、出口側開閉弁を閉弁することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記減量手段は、
   前記燃料不足が検知された場合に、前記滞留酸化ガスを前記燃料電池外部に排出する排出手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
7. 前記排出手段は、
   前記カソードの圧力を調整する圧力調整装置と、
   前記燃料不足が検知された場合に、前記カソードの出口圧力を低下させるように前記圧力調整装置を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 前記圧力調整装置は、前記カソードから排出されたガスが流通する流路に配置された調圧弁であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 酸化ガスが流通する流路から分岐した分岐流路を更に備え、
   前記供給停止手段は、前記燃料不足が検知された場合に、酸化ガスの流通先を前記分岐流路に切り替えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の燃料電池システム。

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