JP2016035865A

JP2016035865A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2016035865A
Application number: JP2014158797A
Authority: JP
Inventors: 敦雄飯尾; Atsuo Iio
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2016-03-17

Abstract

【課題】燃料電池スタックの作動停止中での空気の侵入に対してカソード極が劣化することを抑制する。【解決手段】燃料電池システムＡは、水素ガス通路内のアノード極と、空気通路内のカソード極とを有し、アノード極の水素ガスとカソード極の空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池スタック１０と、空気通路入口に連結された空気供給管４１と、空気通路出口に連結されたカソードオフガス管４６と、カソードオフガスから窒素ガスを分離する窒素分離装置８２と、分離された窒素ガスを蓄えるバッファタンク８４と、バッファタンクとカソードオフガス管又は空気供給管とを連結する窒素供給管８１とを備える。燃料電池スタックの作動中に、カソードオフガスから窒素ガスを分離しバッファタンクに蓄え、燃料電池スタックの作動停止中に、アノード極とカソード極との電位差の上昇速度が大きくなったとき、バッファタンクから空気通路へ窒素ガスを供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

水素ガス通路と、水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、空気通路内に設けられたカソード極とを有し、アノード極に供給される水素ガスとカソード極に供給される空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、空気通路の入口に連結された空気供給管と、空気供給管内に配置されたエア入口シャット弁と、空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガス管内に配置されたエア出口シャット弁と、を備え、燃料電池スタックを作動停止すべきときには、エア入口シャット弁及びエア出口シャット弁が閉弁される、燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

燃料電池システムでは、燃料電池スタックの作動停止中に、空気供給管及びカソードオフガス管を介してカソード極に空気が侵入すると、侵入した空気中の酸素ガスが電解質を透過してアノード極に拡散し、カソード極において好ましくなく電気化学反応が生じ、カソード極が劣化して発電性能が低下するおそれがある。そこで、特許文献１の燃料電池システムでは、空気供給管及びカソードオフガス管に気密性の高いエア入口シャット弁及びエア出口シャット弁を配置することで、燃料電池スタックの作動停止中に、空気がカソード極に侵入し難くなるようにしている。

特開２０１０−１４６７８８号公報

しかし、特許文献１のようにシャット弁を設けたとしても、空気の侵入を完全に阻止するのは困難である。また、気密性が高いシャット弁は高価であるためコストが高くなってしまう。燃料電池スタックの作動停止中に空気の侵入がある場合でもカソード極の劣化を抑制する技術が望まれる。

本発明によれば、水素ガス通路と、前記水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、前記空気通路内に設けられたカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素ガスと前記カソード極に供給される空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記空気通路の入口に連結された空気供給管と、前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、カソードオフガスから窒素ガスを分離する窒素分離装置と、前記窒素分離装置で分離された窒素ガスを蓄えるバッファタンクと、前記バッファタンクと前記カソードオフガス管又は前記空気供給管とを連結する窒素供給管と、を備え、前記燃料電池スタックの作動中に、前記窒素分離装置によりカソードオフガスから窒素ガスを分離して、分離された窒素ガスを前記バッファタンクに蓄え、前記燃料電池スタックの作動停止中に、前記アノード極に対する前記カソード極の電位差の上昇速度が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、前記バッファタンクから前記窒素供給管を介して前記カソードオフガス管又は前記空気供給管へ窒素ガスを供給し、それにより前記空気通路へ供給する、燃料電池システムが提供される。

燃料電池スタックの作動停止中に空気の侵入がある場合でもカソード極の劣化を抑制することができる。

燃料電池システムの全体図である。セル電圧の変化を示すタイムチャートである。分離・貯蔵のときの窒素ガスの動きを示す模式図である。カソード極保護制御のときの窒素ガスの動きを示す模式図である。カソード極保護制御を説明するタイムチャートである。カソード極保護制御を実行するルーチンを示すフローチャートである。別の実施例の燃料電池システムの全体図である。分離・貯蔵のときの窒素ガスの動きを示す模式図である。カソード極保護制御のときの窒素ガスの動きを示す模式図である。

図１を参照すると、燃料電池システムＡは燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０は積層方向に互いに積層された複数の燃料電池単セルを備える。各燃料電池単セルは膜電極接合体２０を含む。膜電極接合体２０は膜状の電解質と、電解質の一側に形成されたアノード極と、電解質の他側に形成されたカソード極とを備える。カソード極は例えば白金粒子を担持したカーボン粒子から形成される。

複数の燃料電池単セルは直列又は並列に電気的に接続されている。燃料電池スタック１０の電極はＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ１２に電気的に接続され、インバータ１２はモータジェネレータ１３に電気的に接続される。また、燃料電池システムＡは蓄電器１４を備えており、この蓄電器１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して上述のインバータ１２に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は燃料電池スタック１０からの電圧を高めてインバータ１２に送るためのものであり、インバータ１２はＤＣ／ＤＣコンバータ１１又は蓄電器１４からの直流電流を交流電流に変換するためのものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は燃料電池スタック１０又はモータジェネレータ１３から蓄電器１４への電圧を低くし、又は蓄電器１４からモータジェネレータ１３への電圧を高くするためのものである。図１に示される燃料電池システムＡでは蓄電器１４はバッテリから構成される。燃料電池スタック１０のカソード極及びアノード極には、アノード極に対するカソード極の電位差をセル電圧として検出するセル電圧センサ１６が電気的に接続される。図示されない別の実施例では、セル電圧センサ１６は、燃料電池スタック１０の複数の燃料電池単セルの各々について、アノード極に対するカソード極の電位差をセル電圧として検出する。図示されない更に別の実施例では、セル電圧センサ１６は、燃料電池スタック１０の複数の燃料電池単セルを代表する一つの燃料電池単セルについて、アノード極に対するカソード極の電位差をセル電圧として検出する。

また、燃料電池単セル内には、アノード極に水素ガスを供給するための水素ガス流通路と、カソード極に空気を供給するための空気流通路と、燃料電池単セルに冷却水を供給するための冷却水流通路とがそれぞれ形成される。複数の燃料電池単セルの水素ガス流通路、空気流通路、及び冷却水流通路をそれぞれ直列又は並列に接続することにより、燃料電池スタック１０には水素ガス通路３０、空気通路４０、及び冷却水通路５０がそれぞれ形成される。

水素ガス通路３０の入口には水素ガス供給管３１が連結され、水素ガス供給管３１は水素ガス源である水素タンク３２に連結される。水素ガス供給管３１内には上流側から順に、遮断弁３３と、水素ガス供給管３１内の水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、水素タンク３２からの水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための水素ガスインジェクタ３５と、が配置される。一方、水素ガス通路３０の出口にはアノードオフガス管３６が連結される。遮断弁３３が開弁され、水素ガスインジェクタ３５が開弁されると、水素タンク３２内の水素ガスが水素ガス供給管３１を介して燃料電池スタック１０内の水素ガス通路３０内に供給される。このとき水素ガス通路３０から流出するガス、すなわちアノードオフガスはアノードオフガス管３６内に流入する。アノードオフガス管３６内にはアノードオフガス管３６内を流れるアノードオフガスの量を制御するアノードオフガス排出弁３７が配置される。

また、空気通路４０の入口には空気供給管４１が連結され、空気供給管４１は空気源である大気４２に連結される。空気供給管４１内には上流側から順に、エアクリーナ４３と、空気を圧送する空気供給器ないしコンプレッサ４４と、コンプレッサ４４から燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却するためのインタークーラ４５と、が配置される。一方、空気通路４０の出口にはカソードオフガス管４６が連結され、カソードオフガス管４６にはマフラー９０が連結される。コンプレッサ４４が駆動されると、空気が空気供給管４１を介して燃料電池スタック１０内の空気通路４０内に供給される。このとき空気通路４０から流出するガス、すなわちカソードオフガスはカソードオフガス管４６内に流入し、マフラー９０から外部へ排出される。カソードオフガス管４６内にはカソードオフガス管４６内を流れるカソードオフガスの量又は燃料電池スタック１０の空気通路４０内の圧力を制御するカソードオフガス制御弁４７が配置される。カソードオフガス管４６のカソードオフガス制御弁４７の下流側と、空気供給管４１のインタークーラ４５の下流側とは、空気バイパス管４９により互いに連結される。空気バイパス管４９の入口には空気バイパス制御弁４８が配置される。空気バイパス制御弁４８は、燃料電池スタック１０を迂回して空気供給管４１からカソードオフガス管４６へ流れる空気の量を制御する。図１に示される燃料電池システムＡでは空気バイパス制御弁４８は三方弁から形成される。

カソードオフガス制御弁４７上流側のカソードオフガス管４６内にはカソードオフガスから窒素ガスを分離する窒素分離装置８２が配置されている。窒素分離装置８２には分離された窒素ガスを送出するための窒素供給管８１が連結され、窒素供給管８１には燃料電池スタック１０近傍のカソードオフガス管４６が連結される。図１に示される実施例では、窒素分離装置８２は窒素分離膜を有する。窒素分離装置８２は、窒素ガス、酸素ガス、水分などを含むカソードオフガスを供給され、窒素ガス及び酸素ガス・水分などのうちの一方が窒素分離膜を透過し、他方が窒素分離膜を透過しないことにより、高濃度の窒素ガスを得る。窒素供給管８１には窒素分離装置８２側から順に、窒素供給弁８３と、窒素分離装置８２で分離された高濃度窒素ガスを蓄えるバッファタンク８４と、窒素送出弁８５とが配置されている。窒素供給弁８３及び窒素送出弁８５はストップバルブや逆止弁に例示される。燃料電池スタック１０の作動中、燃料電池スタック１０からカソードオフガス管４６へカソードオフガスが送出されるとき、カソードオフガス制御弁４７及び窒素供給弁８３が開弁され、窒素分離装置８２によりカソードオフガスから窒素ガスと酸素ガス・水分などとが互いに分離され、高濃度窒素ガスが窒素供給管８１を通りバッファタンク８４に蓄えられ、酸素ガス・水分などが窒素分離装置８２下流のカソードオフガス管４６及びマフラー９０を介して外部へ排出される。

図１に示される実施例では、コンプレッサ４４の停止時に、わずかな空気がコンプレッサ４４を通過可能になっている。また、空気バイパス制御弁４８により空気バイパス制御弁４８上流の空気供給管４１が空気バイパス管４９に接続されかつ空気バイパス制御弁４８下流の空気供給管４１が空気バイパス制御弁４８上流の空気供給管４１から遮断されたとしても、空気バイパス制御弁４８を介してわずかな空気が空気バイパス制御弁４８下流の空気供給管４１内に侵入可能になっている。更に、カソードオフガス制御弁４７を閉弁したときに、すなわちカソードオフガス制御弁４７の開度を最小にしたときに、わずかな空気がカソードオフガス制御弁４７を通過可能になっている。言い換えると、コンプレッサ４４が停止され、空気バイパス制御弁４８でコンプレッサ４４と燃料電池スタック１０とを連通させず、かつカソードオフガス制御弁４７が閉弁されているときであっても、燃料電池スタック１０の空気通路４０は完全には封止されておらず、すなわち空気通路４０には大気４２及びカソードオフガス管４６下流のマフラー９０側から空気が侵入可能になっている。このような気密性の低いコンプレッサ４４、空気バイパス制御弁４８及びカソードオフガス制御弁４７を用いると、燃料電池システムＡのコストを大幅に低減することができる。

また、冷却水通路５０の入口には冷却水供給管５１の一端が連結され、冷却水供給管５１の出口には冷却水供給管５１の他端が連結される。冷却水供給管５１内には冷却水を圧送する冷却水ポンプ５２と、ラジエータ５３とが配置される。ラジエータ５３上流の冷却水供給管５１と、ラジエータ５３と冷却水ポンプ５２間の冷却水供給管５１とはラジエータバイパス管５４により互いに連結される。また、ラジエータバイパス管５４内を流れる冷却水量を制御するラジエータバイパス制御弁５５が設けられる。図１に示される燃料電池システムＡではラジエータバイパス制御弁５５は三方弁から形成され、ラジエータバイパス管５４の入口に配置される。冷却水ポンプ５２が駆動されると、冷却水ポンプ５２から吐出された冷却水は冷却水供給管５１を介して燃料電池スタック１０内の冷却水通路５０内に流入し、次いで冷却水通路５０を通って冷却水供給管５１内に流入し、ラジエータ５３又はラジエータバイパス管５４を介して冷却水ポンプ５２に戻る。

電子制御ユニット６０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス６１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）６２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６４、入力ポート６５及び出力ポート６６を具備する。上述のセル電圧センサ１６の出力信号は対応するＡＤ変換器６７を介して入力ポート６５に入力される。一方、出力ポート６６は対応する駆動回路６８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１１、インバータ１２、モータジェネレータ１３、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、遮断弁３３、レギュレータ３４、水素ガスインジェクタ３５、アノードオフガス排出弁３７、コンプレッサ４４、カソードオフガス制御弁４７、空気バイパス制御弁４８、窒素供給弁８３、窒素送出弁８５に電気的に接続される。ここで、図１に示される燃料電池システムＡでは、電子制御ユニット６０は、一方では車両操作者により操作されるイグニッションスイッチ７０を介して電源７２に電気的に接続され、他方では電子制御ユニット６０の消勢時に一定時間間隔で電子制御ユニット６０を一定時間に亘り起動するスイッチ回路７１を介して電源７２に接続する。

さて、燃料電池スタック１０で発電を行うべきとき、すなわち燃料電池スタック１０を作動すべきときには、遮断弁３３、水素ガスインジェクタ３５及びアノードオフガス排出弁３７が開弁され、したがって水素ガスが燃料電池スタック１０に供給される。また、コンプレッサ４４が駆動され、空気バイパス制御弁４８によりコンプレッサ４４と燃料電池スタック１０とが連通され、カソードオフガス制御弁４７が開弁され、したがって空気が燃料電池スタック１０に供給される。その結果、燃料電池単セルにおいて電気化学反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻，（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）が起こり、電気エネルギが発生される。この発生された電気エネルギはモータジェネレータ１３に送られる。その結果、モータジェネレータ１３が車両駆動用の電気モータとして作動され、車両が駆動される。一方、例えば車両制動時にはモータジェネレータ１３が回生装置として作動し、このとき回生された電気エネルギは蓄電器１４に蓄えられる。

これに対し、燃料電池スタック１０の作動を停止すべきときには、遮断弁３３、水素ガスインジェクタ３５及びアノードオフガス排出弁３７が閉弁され、したがって燃料電池スタック１０への水素ガスの供給及びスタックからの排出が停止される。また、コンプレッサ４４が停止され、空気バイパス制御弁４８により空気バイパス制御弁４８上流の空気供給管４１が空気バイパス管４９に接続されかつ空気バイパス制御弁４８下流の空気供給管４１が空気バイパス制御弁４８上流の空気供給管４１から遮断され、カソードオフガス制御弁４７が閉弁され、したがって燃料電池スタック１０への酸素ガスの供給が停止される。なお、燃料電池スタック１０の作動停止中にはアノード極とカソード極とは互いに短絡されている。

図２は、図１に示される燃料電池システムＡにおいて、燃料電池スタック１０の作動が停止される直前から停止された後のアノード極に対するカソード極の電位差であるセル電圧を示している。なお、図２に示される例では、アノード極の電位はゼロに保持されているので、セル電圧はカソード極の電位を示している。

図２においてＸ１で示されるタイミングでは、燃料電池スタック１０は作動中である。この場合、電解質の一側にあるアノード極には水素ガスが供給されており、電解質の他側にあるカソード極には空気が供給されており、燃料電池スタック１０では上述した電気化学反応が行われている。その結果、セル電圧ＣＶはＣＶ１となる。

次いで、図２においてＸ２で示されるように燃料電池スタック１０の作動が停止されると、上述したように燃料電池スタック１０への水素ガス及び空気の供給が停止される。燃料電池スタック１０への水素ガス及び空気の供給が停止されても、アノード極に残存する水素ガス及びカソード極に残存する酸素ガスにより上述の電気化学反応ないし発電作用が継続されており、セル電圧ＣＶは直ちに低下しない。ただし、残存水素ガス量及び残存酸素ガス量が次第に減少するので、図２にＸ３で示されるようにセル電圧ＣＶは次第に低下する。また、残存酸素ガスの減少により、カソード極及びそれに連なる空気通路４０、バイパス制御弁４８下流の空気供給管４１及びカソードオフガス制御弁４７上流のカソードオフガス管４６は大気圧に対して負圧になる。

次いで、残存水素ガスに対して残存酸素ガスが不足すると、発電作用が停止し、したがって図２にＸ４で示されるようにセル電圧がゼロとなる。このとき、アノード極にはわずかに水素ガスが残存している。また、残存酸素ガスの更なる減少により、カソード極及びそれに連なる空気通路４０、空気供給管４１及びカソードオフガス管４６は大気圧に対して更に負圧になる。

燃料電池スタック１０のカソード極に酸素ガスが存在しない限り、図２においてＸ５で示されるように、セル電圧ＣＶはゼロに維持される。ところが、上述したように、図１に示される燃料電池スタック１０では、燃料電池スタック１０の停止時、すなわちコンプレッサ４４の停止時に燃料電池スタック１０の空気通路４０内に空気が侵入し、したがってカソード極に空気が到達しうる。特に、残存酸素ガスの消費により、カソード極及びそれに連なる空気通路４０、空気供給管４１及びカソードオフガス管４６が大気圧に対して負圧になっているため、空気が侵入し易くなっている。ただし、アノード極からカソード極へ透過する水素ガス量がカソード極に侵入する空気中の酸素ガス量の２倍（水素酸素比：２）よりも大きいときには、侵入した酸素ガスは水素ガスにより消費される。この際には、カソード極の電位は上昇せず、したがってセル電圧はゼロに維持される。

ところが、残存水素ガス量が次第に少なくなって透過する水素ガス量が減少し水素酸素比が２よりも小さくなると、空気がカソード極内に滞留し、電解質を透過してアノード極に到るようになる。その結果、アノード極にはわずかな水素と空気が存在し、カソード極には空気が存在することになる。このような状態では、カソード極が好ましくなく酸化され、したがって劣化するおそれがある。そのとき、カソード極が酸化されるにつれて、カソード極の電位が急激に上昇し、したがって図２においてＸ６で示されるようにセル電圧ＣＶが急激に上昇する。

そこで図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の作動停止中にセル電圧ＣＶの上昇速度が予め設定された上限電圧上昇速度よりも大きくなったときには、カソード極の酸化が発生したと判断し、カソード極を保護するカソード極保護制御を行うようにしている。次に、図３〜図５を参照しながらカソード極保護制御について説明する。

カソード極保護制御は、空気通路４０を介してカソード極へ窒素ガスを供給する制御である。ただし、窒素ガスはバッファタンク８４に予め蓄えられた高濃度窒素ガスが用いられる。すなわち、窒素ガスは、図３に示すように、燃料電池スタック１０が発電中で、窒素供給弁８３が開弁され（窒素送出弁８５は閉弁）、窒素分離装置８２によりアノードオフガスから分離されてバッファタンク８４へ蓄えられた高濃度窒素ガスである。そして、カソード極保護制御は、燃料電池スタック１０の作動停止中、すなわちコンプレッサ４４が作動停止され、カソードオフガス制御弁４７が閉弁された状態で行われる。すなわち、セル電圧センサ１６で計測されるアノード極に対するカソード極の電位差の上昇速度が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、窒素送出弁８５が開弁され（窒素供給弁８３は閉弁）、図４に示すように、バッファタンク８４から窒素供給管８１を介して燃料電池スタック１０近傍のカソードオフガス管４６へ窒素ガスが供給され、それにより空気通路４０へ窒素ガスが供給される。

具体的には、まず、燃料電池スタック１０の作動停止中、図５の時間ｔ１においてセル電圧ＣＶが急激に上昇し始め、時間ｔ２でその上昇速度ｖＣＶが上限電圧上昇速度ｖＵＬよりも大きくなると、窒素送出弁８５が一時的に開弁され、したがってバッファタンク８４の窒素ガスがカソードオフガス管４６に供給される。この場合、カソードオフガス制御弁４７は閉弁状態に保持される。その結果、窒素ガスがカソードオフガス管４６及び燃料電池スタック１０内の空気通路４０を介してカソード極に供給され、カソード極における酸素分圧が低下すると共に、電解質を拡散した窒素ガスによりアノード極における酸素分圧も低下する。それにより、カソード極の酸化反応が抑制され、セル電圧ＣＶの上昇が停止し、やがて下降に転じる。図１及び図３の記載の実施例では、上昇速度ｖＣＶが上限電圧上昇速度ｖＵＬよりも大きくなるとバッファタンク８４の窒素ガスがカソードオフガス管４６に供給される。図示されない別の実施例では、セル電圧ＣＶが予め設定された閾値電圧より大きくなると、カソード極の酸化が発生したと判断され、バッファタンク８４の窒素ガスがカソードオフガス管４６に供給される。

このようにカソードオフガス管４６を介してカソード極に窒素ガスが供給されると、セル電圧ＣＶは次第に低下する。次いで、時間ｔ３においてセル電圧ＣＶが閾値電圧ＣＶＬＬよりも小さくなると、空気通路４０への窒素ガス供給が停止される。図２に示される実施例では、セル電圧ＣＶの閾値電圧は０Ｖである。

以上のように、図１に示される燃料電池システムＡでは、システム停止中にセル電圧ＣＶが異常な上昇を示した場合、空気通路４０へ窒素ガスを供給する。それにより、カソード極及びアノード極における酸素分圧を低下させて、カソード極の酸化反応を抑制し、カソード電位の異常な上昇を抑えて、カソード極の劣化を抑制できる。また、カソード保護制御が終了した後に、空気通路４０、空気供給路４１及びカソードオフガス管４６に空気が再侵入するおそれがある。しかし、窒素ガスの供給により、空気通路４０、空気供給路４１及びカソードオフガス管４６での負圧が解消されるため、コンプレッサ４４やカソードオフガス制御弁４７を介した空気の再侵入を抑制できる。また、空気の再侵入が抑制されているため、カソード電位の異常な上昇が発生するまでの時間を延長できる。それにより、燃料電池スタック１０の劣化を長期的に抑制することができる。このように、図１に示される燃料電池システムＡでは、燃料電池スタック１０の作動停止中に空気の侵入がある場合でも、カソード極の劣化を抑制することができる。加えて、バイパス制御弁４８から空気供給管４１を通過して燃料電池スタック１０の空気通路４０へ流入した空気を、窒素ガスにより燃料電池スタック１０外のバイパス制御弁４８へ押し戻すことができる。

図６は上述したカソード極保護制御を実行するルーチンを示している。このルーチンは電子制御ユニット６０が起動されるごとに１回だけ実行される。
図６を参照すると、ステップ１００では、燃料電池スタック１０が作動停止中であるか否かが判別される。燃料電池スタック１０が作動中のとき（電動車両のイグニッションがオンのときを含む）には処理サイクルを終了する。燃料電池スタック１０が作動停止中のときにはステップ１００からステップ１０１に進み、時間をずらして複数回のセル電圧ＣＶの測定が行われ上昇速度ｖＣＶが算出される。続くステップ１０２ではセル電圧ＣＶの上昇速度ｖＣＶが上限電圧上昇速度ｖＵＬよりも高いか否かが判別される。ｖＣＶ≦ｖＵＬのときには処理サイクルを終了する。ｖＣＶ＞ｖＵＬのときにはステップ１０２からステップ１０３に進み、窒素ガスの供給が開始される。続くステップ１０４ではセル電圧ＣＶが閾値電圧ＣＶＬＬ以下であるか否かが判別される。ＣＶ＞ＣＶＬＬのときには、ＣＶ≦ＣＶＬＬになるまで窒素ガスの供給が続けられる。ＣＶ≦ＣＶＬＬのときにはステップ１０５に進み、窒素ガスの供給が停止される。

次に、図７〜図９を参照して、別の実施例について説明する。

図７に示される燃料電池システムＡは、窒素供給管８１の連通する箇所が空気供給管４１である点で、図１に示される燃料電池システムＡと相違している。すなわち、図７に示されるように、窒素供給管８１の一方の端には窒素分離装置８２が連結され、他方の端には空気供給路４１が連結されている。

燃料電池スタック１０の作動中には、図８に示されるように、燃料電池スタック１０からカソードオフガス管４６へカソードオフガスが送出され、窒素分離装置８２によりカソードオフガスから窒素ガスと酸素ガス・水分などとが互いに分離され、分離された窒素ガスが窒素供給管８１を通りバッファタンク８４に蓄えられ、分離された酸素ガス・水分などが窒素分離装置８２下流のカソードオフガス管４６及びマフラー９０を通り外部へ排出される。

一方、燃料電池スタック１０の作動停止中には、図９に示されるように、セル電圧センサ１６で計測されるアノード極に対するカソード極の電位差の上昇速度が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、バッファタンク８４から窒素供給管８１を介して燃料電池スタック１０近傍の空気供給管４１へ窒素ガスが供給され、それにより空気通路４０へ窒素ガスが供給される。

この場合にも、図１に示される燃料電池システムＡと同様の効果を得ることができる。
加えて、カソードオフガス制御弁４７及びカソードオフガス管４６を通過してマフラー９０から燃料電池スタック１０の空気通路４０へ流入した空気を、窒素ガスにより燃料電池スタック１０外のマフラー９０へ押し戻すことができる。

１０燃料電池スタック
４１空気供給管
４６カソードオフガス管
８１窒素供給管
８２窒素分離装置
８４バッファタンク

Claims

水素ガス通路と、前記水素ガス通路内に設けられたアノード極と、空気通路と、前記空気通路内に設けられたカソード極とを有し、前記アノード極に供給される水素ガスと前記カソード極に供給される空気中の酸素ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記空気通路の入口に連結された空気供給管と、
前記空気通路の出口に連結されたカソードオフガス管と、
カソードオフガスから窒素ガスを分離する窒素分離装置と、
前記窒素分離装置で分離された窒素ガスを蓄えるバッファタンクと、
前記バッファタンクと前記カソードオフガス管又は前記空気供給管とを連結する窒素供給管と、
を備え、
前記燃料電池スタックの作動中に、前記窒素分離装置によりカソードオフガスから窒素ガスを分離して、分離された窒素ガスを前記バッファタンクに蓄え、
前記燃料電池スタックの作動停止中に、前記アノード極に対する前記カソード極の電位差の上昇速度が予め設定された上限値よりも大きくなったときには、前記バッファタンクから前記窒素供給管を介して前記カソードオフガス管又は前記空気供給管へ窒素ガスを供給し、それにより前記空気通路へ供給する
燃料電池システム。