JP2012114056A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２による通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタック１２のカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタック１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化剤ガス流路からカソード側に供給される空気及び燃料ガス流路からアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池に前記空気を供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。

ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池装置が知られている。この燃料電池装置は、少なくとも改質装置、アノード電極からなるアノードラインと、少なくともカソード電極を備えるカソードラインと、前記アノードラインの改質装置とアノード電極及び前記カソードラインのカソード電極に当該電池の起動時及び停止時に窒素ガスでパージするための窒素ガス導入ラインとを備えている。

そして、この燃料電池装置は、アノード電極及びカソード電極のそれぞれに窒素ガスが各々の電極を迂回して流れるバイパスラインを備えるとともに、前記バイパスラインに前記窒素ガスの流通を遮断する遮断弁を備えている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムの運転方法では、燃料電池のカソード電極に空気が供給され、空気中の酸素が消費された後のガスが再度、循環されてアノード電極に供給されている。これにより、濃縮窒素が生成され、該濃縮窒素によるパージ処理が行われている。

特公平８−１５０９１号公報 米国特許第６，９３９，６３３号明細書

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池装置が燃料電池車両に搭載される際、窒素ボンベを使用する必要がある。このため、定期的に窒素ボンベに窒素を補充する作業を行わなければならず、この種の作業が煩雑化するという問題がある。

また、上記の特許文献２では、システム容量が相当に大きくなり、消費電力が増大して経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤ガス流路からカソード側に供給される空気及び燃料ガス流路からアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池に前記空気を供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムは、燃料電池スタックによる通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタックのカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタックを備えている。

また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの酸化剤ガス流路と補助燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路とは、酸化剤ガス供給装置に対して並列に接続されることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの酸化剤ガス流路と補助燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路とは、酸化剤ガス供給装置に対して直列に接続されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池システムでは、補助燃料電池スタックの酸化剤ガス流路から排出される排ガスを加圧貯蔵するとともに、前記排ガスを少なくとも燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路に供給自在な排ガス貯蔵装置を備えることが好ましい。

本発明では、補助燃料電池スタックが低酸素ストイキの酸化剤ガスにより発電されるため、前記補助燃料電池スタックのカソード側出口には、窒素リッチ（窒素濃度の高い）な排ガスが生成される。従って、窒素リッチな排ガスは、燃料電池スタックの、例えば、酸化剤ガス流路をパージするためのパージガスとして利用することができる。

このため、燃料電池スタックのカソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池及びガス配管内を前記窒素ガスにより満たすことが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の劣化を可及的に抑制することが可能になる。

しかも、酸化剤ガスが低酸素ストイキで供給される補助燃料電池スタックでは、発電が行われている。このため、補助燃料電池スタックの発電により発生した電力は、補器類の駆動電源として有効に利用することができ、エネルギロスを可及的に抑制して経済的である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する補助燃料電池スタックのガス流路説明図である。 前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。 前記燃料電池システムの動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２による通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタック１２のカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタック１８と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。燃料電池システム１０は、図示しないが、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。補助燃料電池スタック１８は、酸化剤ガス供給装置１４に対して並列に接続される。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２２を積層して構成される。各燃料電池２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２４をカソード電極２６とアノード電極２８とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３０を備える。

カソード電極２６及びアノード電極２８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金（又は白金合金等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２４の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体３０は、カソード側セパレータ３２及びアノード側セパレータ３４で挟持される。カソード側セパレータ３２及びアノード側セパレータ３４は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ３２と電解質膜・電極構造体３０との間には、酸化剤ガス流路３６が設けられるとともに、アノード側セパレータ３４と前記電解質膜・電極構造体３０との間には、燃料ガス流路３８が設けられる。

燃料電池スタック１２には、各燃料電池２２の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（コンプレッサ）５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２は、開閉弁５４ａを介装するとともに、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁（背圧弁）５８が設けられる。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６０を備える。水素タンク６０は、水素供給流路６２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４２ａに連通するとともに、前記水素供給流路６２に開閉弁５４ｂが配設される。この水素供給流路６２には、遮断弁６４及びエゼクタ６６が設けられる。

エゼクタ６６は、水素タンク６０から供給される水素ガスを、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４２ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、前記オフガス流路７０には、パージ弁である開閉弁５４ｃを介して図示しない希釈ボックスが接続される。希釈ボックスには、必要に応じて空気排出流路５６から希釈用空気が供給される。

補助燃料電池スタック１８は、燃料電池システム１０に交換可能に装着されるとともに、複数の燃料電池２２ａを積層して構成される。各燃料電池２２ａは、固体高分子電解質膜２４ａをカソード電極２６ａとアノード電極２８ａとで挟持した電解質膜・電極構造体３０ａを備える。電解質膜・電極構造体３０ａは、カソード側セパレータ３２ａ及びアノード側セパレータ３４ａで挟持される。

カソード側セパレータ３２ａと電解質膜・電極構造体３０ａとの間には、酸化剤ガス流路３６ａが設けられるとともに、アノード側セパレータ３４ａと前記電解質膜・電極構造体３０ａとの間には、燃料ガス流路３８ａが設けられる。酸化剤ガス流路３６ａと燃料電池スタック１２の酸化剤ガス流路３６とは、酸化剤ガス供給装置１４に対して並列に接続される。

補助燃料電池スタック１８には、各燃料電池２２ａの積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔７２ａ、燃料ガス入口連通孔７４ａ、冷却媒体入口連通孔（図示せず）、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂ、燃料ガス出口連通孔７４ｂ及び冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。

図２に示すように、燃料電池２２ａは、低酸素ストイキで発電可能な均一なガス分布になるように、すなわち、供給される反応ガスの濃度分布が生じ難い構造となるように、酸化剤ガス入口連通孔７２ａ、燃料ガス入口連通孔７４ａ、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂ及び燃料ガス出口連通孔７４ｂが各辺に沿って流路幅よりも長尺に形成される。酸化剤ガス流路３６ａと燃料ガス流路３８ａとは、互いに公差、好ましくは、互いに直交する。

さらに、酸化剤ガス流路３６ａ及び燃料ガス流路３８ａは、それぞれ複数本の直線状溝部を有するとともに、電極面積が小さく設定される。補助燃料電池スタック１８は、燃料電池スタック１２よりも低出力に設定され、電極面積が前記燃料電池スタック１２の数分の１程度で、積層数も少なく設定される。

図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔７２ａには、空気供給分岐流路７６の一端が接続されるとともに、前記空気供給分岐流路７６の他端は、開閉弁５４ａの上流に位置して空気供給流路５２に接続される。この空気供給分岐流路７６には、開閉弁５４ｄが配設される。

酸化剤ガス出口連通孔７２ｂには、空気排出分岐流路７８の一端が接続されるとともに、前記空気排出分岐流路７８の他端は、開閉弁５４ａの下流に位置して空気供給流路５２に接続される。空気排出分岐流路７８には、逆止弁付きポンプ８０、窒素ガスタンク（排ガス貯蔵装置）８４及び開閉弁５４ｅが配設される。なお、窒素ガスタンク８４の下流には、減圧弁（図示せず）を設けてもよい。

燃料ガス入口連通孔７４ａには、水素供給分岐流路８６の一端が接続されるとともに、前記水素供給分岐流路８６の他端は、開閉弁５４ｂの上流に位置して水素供給流路６２に接続される。この水素供給分岐流路８６には、開閉弁５４ｆが配設される。燃料ガス出口連通孔７４ｂには、水素排出分岐流路８８の一端が接続されるとともに、前記水素排出分岐流路８８の他端は、オフガス流路７０に接続される。水素排出分岐流路８８には、開閉弁５４ｇが配設される。

図３に示すように、燃料電池スタック１２には、バスライン９０の一端が接続されるとともに、前記バスライン９０の他端がインバータ９２に接続される。インバータ９２には、三相の車両走行用の駆動モータ９４が接続される。なお、バスライン９０は、実質的には、プラスとマイナスの２本の電線が用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記バスライン９０で記載する。

バスライン９０には、ＦＣコンタクタ９６が配設されるとともに、電力線９８の一端が接続され、前記電力線９８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００及びバッテリコンタクタ１０２を介装して二次電池１０４が接続される。バスライン９０には、ＦＣコンタクタ１０６及びＤＣ／ＤＣコンバータ１０８を介して補助燃料電池スタック１８が接続される。

補助燃料電池スタック１８は、補器類１１０に余剰電力を供給可能であるとともに、電力不足時には、二次電池１０４から前記補器類１１０に電力の供給が行われる。補器類１１０は、エアポンプ５０、逆止弁付きポンプ８０、開閉弁５４ａ〜５４ｇ、背圧制御弁５８及び遮断弁６４等を含む。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の運転開始時には、二次電池１０４から補器類１１０に電力が供給されて燃料電池スタック１２の発電が開始される。この燃料電池スタック１２では、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４０ａに供給され、各燃料電池２２に設けられている酸化剤ガス流路３６に沿って移動することにより、カソード電極２６に供給される。

使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから空気排出流路５６に排出された後、背圧制御弁５８を介して排出される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、遮断弁６４が開放されることにより、水素タンク６０から減圧弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６２を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２２の燃料ガス流路３８に沿って移動することにより、アノード電極２８に供給される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４２ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２６に供給される空気とアノード電極２８に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。このため、燃料電池スタック１２から駆動モータ９４に電力が供給され、燃料電池車両が走行可能になる。

次いで、補助燃料電池スタック１８の発電が開始される。補助燃料電池スタック１８では、開閉弁５４ｄが開放されることにより、酸化剤ガス供給装置１４が酸化剤ガス流路３６ａに連通し、この酸化剤ガス流路３６ａに空気が供給される。その際、供給される空気は、通常運転よりも低酸素ストイキに設定される。燃料電池スタック１２よりもストイキが低い。さらに、補助燃料電池スタック１８では、開閉弁５４ｆ、５４ｇが開放されることにより、燃料ガス供給装置１６が燃料ガス流路３８に連通する。

これにより、各燃料電池２２ａでは、カソード電極２６ａに供給される空気とアノード電極２８ａに供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。そして、補助燃料電池スタック１８から補器類１１０に電力が供給される一方、二次電池１０４は、放電モードから充電モードに移行する。

補助燃料電池スタック１８に供給される空気は、該空気中の酸素ストイキが通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキに設定されている。具体的には、低酸素ストイキは、１〜１．２程度に設定される。従って、補助燃料電池スタック１８では、Ｏ_２リーンの状態で発電が行われ、カソード側では、酸素濃度が減少して窒素濃度が上昇し、排ガスとして高濃度（例えば、９０％以上）の窒素ガスが発生する。

窒素リッチガスである排ガスは、空気排出分岐流路７８に排出され、逆止弁付きポンプ８０の駆動作用下に、窒素ガスタンク８４内に圧入される。窒素ガスタンク８４内に充填された排ガスの圧力が設定圧力に至ると、補助燃料電池スタック１８への水素及び空気の供給が停止される。

次に、燃料電池システム１０の運転が停止される際には、図４に示すように、開閉弁５４ａ、５４ｂ及び遮断弁６４が閉塞されて、燃料電池スタック１２と酸化剤ガス供給装置１４及び燃料ガス供給装置１６とが遮断される。この状態で、開閉弁５４ｅが開放されると、窒素ガスタンク８４内に圧入されている排ガス（窒素リッチガス）が、空気供給流路５２から燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス流路３６に供給される。

このため、燃料電池スタック１２では、残存する空気中の酸素と水素ガスとにより発電（ディスチャージ）が行われ、アノード側の水素濃度が減少する一方、カソード側には、窒素リッチガスが供給されている。従って、アノード側では、水素濃度の低下により負圧状態となり、カソード側からアノード側に窒素ガスの透過が行われる。燃料電池スタック１２内に窒素リッチガスが十分に供給された後、開閉弁５４ｅが閉塞されて前記窒素リッチガスの供給が停止される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２とは個別に且つ交換自在に補助燃料電池スタック１８が設けられている。補助燃料電池スタック１８は、低酸素ストイキの酸化剤ガス（空気）で発電されるため、前記補助燃料電池スタック１８のカソード側出口には、窒素リッチ（窒素濃度の高い）な排ガスが生成されている。

排ガスは、窒素ガスタンク８４内に圧入されており、燃料電池スタック１２の、例えば、停止時に、残存する水素及び酸素を排出するためのパージガスとして利用することができる。このため、カソード側には、窒素ガスが充満して酸素濃度が低下し、燃料電池２２及びガス配管内を不活性ガスである前記窒素ガスにより満たすことが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２２の劣化を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、酸化剤ガスが低酸素ストイキで供給される補助燃料電池スタック１８では、発電が行われている。このため、補助燃料電池スタック１８の発電により発生した電力は、補器類１１０の駆動電源として有効に利用することができ、エネルギロスを可及的に抑制して経済的である。その上、窒素リッチガスは、窒素ガスタンク８４に加圧貯蔵されているため、多量の前記窒素リッチガスを効率的に貯蔵することが可能になる。

さらに、補助燃料電池スタック１８を構成する燃料電池２２ａでは、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔７２ａ、燃料ガス入口連通孔７４ａ、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂ及び燃料ガス出口連通孔７４ｂが各辺に沿って長尺に形成されるとともに、酸化剤ガス流路３６ａ及び燃料ガス流路３８ａは、それぞれ複数本の直線状溝部を有している。従って、燃料電池２２ａは、低酸素ストイキで発電可能な均一なガス分布になり、ストイキ１程度でも、電極触媒層にダメージを与えることなく、効率的に濃縮窒素を製造することが可能になる。

さらにまた、補助燃料電池スタック１８では、発電出力が、燃料電池スタック１２よりも低く発電出力の５％〜５０％程度であり、定格電流密度が、前記補助燃料電池スタック１２よりも低く２０％〜３０％程度であり、使用電位域が、触媒担体腐食電位の０．８Ｖ以下に設定されている。

発電出力が５％未満であると、酸素消費可能なガス量が不足して燃料電池スタック１２内の酸素排出に必要なガス生成に時間が掛かってしまう。一方、発電出力が５０％を超えると、補助燃料電池スタック１８が劣化し易くなり、この補助燃料電池スタック１８の交換頻度が高くなって経済的ではない。

また、補助燃料電池スタック１８の定格電流密度は、小さ過ぎると触媒担体の腐食が惹起する一方、大き過ぎると生成水量が増加し、流路溝の詰まりが発生して電極面で均一な発電がなされないという問題がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０は、燃料電池スタック１２２と、前記燃料電池スタック１２２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１２４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１２６と、前記燃料電池スタック１２２による通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタック１２２のカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタック１２８と、前記燃料電池システム１２０全体の制御を行うコントローラ２０とを備える。

燃料電池スタック１２２には、酸化剤ガス流路３６に連通する窒素ガス入口連通孔１３０ａ及び窒素ガス出口連通孔１３０ｂと、燃料ガス流路３８に連通する窒素ガス入口連通孔１３２ａ及び窒素ガス出口連通孔１３２ｂとが設けられる。

酸化剤ガス供給装置１２４を構成する空気排出流路５６には、補助燃料電池スタック１２８、逆止弁付きポンプ８０、窒素ガスタンク８４及び背圧制御弁５８が設けられる。

空気排出流路５６は、補助燃料電池スタック１２８の酸化剤ガス入口連通孔７２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔７２ｂに連通する。補助燃料電池スタック１２８の燃料ガス入口連通孔７４ａ及び燃料ガス出口連通孔７４ｂには、水素供給分岐流路８６及び水素排出分岐流路８８が接続される。

窒素ガスタンク８４には、窒素ガス排出路１３４、１３６の一端が接続される。窒素ガス排出路１３４、１３６の他端は、燃料電池スタック１２２の窒素ガス入口連通孔１３０ａ、１３２ａに接続される。窒素ガス出口連通孔１３０ｂ、１３２ｂには、開閉弁５４ｈ、５４ｉが配設される。窒素ガス排出路１３４、１３６は、減圧弁（図示せず）により減圧されたガスを窒素ガス入口連通孔１３０ａ、１３２ａに供給することが好ましい。

第１の実施形態では、補助燃料電池スタック１８が酸化剤ガス供給装置１４に対して並列に接続されるのに対し、第２の実施形態では、補助燃料電池スタック１２８が酸化剤ガス供給装置１２４に対して直列に接続される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１２２による通常発電時に、前記燃料電池スタック１２２の酸化剤ガス流路３６に供給された空気は、排ガスとして酸化剤ガス出口連通孔４０ｂから補助燃料電池スタック１２８の酸化剤ガス流路３６ａに送られる。この排ガスは、補助燃料電池スタック１２８を通って窒素ガスタンク８４に導入され、背圧制御弁５８を介して排出される。

一方、燃料電池システム１２０の停止時には、補助燃料電池スタック１２８の酸化剤ガス流路３６ａに燃料電池スタック１２２の酸化剤ガス流路３６から排出された酸素濃度が低い空気が供給されるとともに、燃料ガス流路３８ａに燃料ガス供給装置１２６から水素が供給される。このため、補助燃料電池スタック１２８で発電が開始され、酸素が殆ど消費されて酸化剤ガス出口連通孔７２ｂから窒素リッチな排ガスが排出される。

この排ガスは、窒素ガスタンク８４に加圧貯蔵されるとともに、窒素ガス排出路１３４、１３６から燃料電池スタック１２２の窒素ガス入口連通孔１３０ａ、１３２ａに供給される。排ガスは、燃料電池スタック１２２内の酸化剤ガス流路３６及び燃料ガス流路３８に導入され、酸素及び水素を前記燃料電池スタック１２２から排出する。

これにより、第２の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池２２の劣化を可及的に抑制することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、通常発電時には、逆止弁付きポンプ８０及び窒素ガスタンク８４をバイパスして、酸化剤ガス出口連通孔７２ｂと背圧制御弁５８とを直接連結してもよい。

１０、１２０…燃料電池システム １２、１２２…燃料電池スタック
１４、１２４…酸化剤ガス供給装置 １６、１２６…燃料ガス供給装置
１８、１２８…補助燃料電池スタック ２０…コントローラ
２２、２２ａ…燃料電池 ２４、２４ａ…固体高分子電解質膜
２６、２６ａ…カソード電極 ２８、２８ａ…アノード電極
３０、３０ａ…電解質膜・電極構造体
３２、３２ａ、３４、３４ａ…セパレータ
３６、３６ａ…酸化剤ガス流路 ３８、３８ａ…燃料ガス流路
４０ａ、７２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
４０ｂ、７２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４２ａ、７４ａ…燃料ガス入口連通孔 ４２ｂ、７４ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５４ａ〜５４ｉ…開閉弁 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ６０…水素タンク
６２…水素供給流路 ６４…遮断弁
６６…エゼクタ ６８…水素循環路
７６…空気供給分岐流路 ７８…空気排出分岐流路
８０…逆止弁付きポンプ ８４…窒素ガスタンク
８６…水素供給分岐流路 ８８…水素排出分岐流路
９４…駆動モータ １１０…補器類
１３０ａ、１３２ａ…窒素ガス入口連通孔
１３０ｂ、１３２ｂ…窒素ガス出口連通孔
１３４、１３６…窒素ガス排出路

Claims (4)

1. 酸化剤ガス流路からカソード側に供給される空気及び燃料ガス流路からアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池に前記空気を供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックによる通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで運転を行うとともに、カソード出口側に前記燃料電池スタックのカソード側出口よりも窒素リッチな排ガスを生成する補助燃料電池スタックを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路と前記補助燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路とは、前記酸化剤ガス供給装置に対して並列に接続されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路と前記補助燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路とは、前記酸化剤ガス供給装置に対して直列に接続されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記補助燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路から排出される排ガスを加圧貯蔵するとともに、前記排ガスを少なくとも前記燃料電池スタックの前記酸化剤ガス流路に供給自在な排ガス貯蔵装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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