JP4676553B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に、アノードにおける触媒の耐ＣＯ被毒性の低下防止を図ったものに関する。
燃料電池システムは、一般に、セル（単電池）が複数積層された構造を有しており、各セルは、イオンを輸送する電解質層と、この電解質層を挟むように配置された、触媒を含むアノード及びカソードと、アノードに接触しながら燃料ガスが流れるように形成された燃料ガス流路と、カソードに接触しながら酸化剤ガスが流れるように形成された酸化剤ガス流路とを備えている。このような燃料電池システムに使用される燃料ガスである水素ガスは、インフラが整備されていないので、家庭用の燃料電池には、一般に燃料処理器が併設される。この燃料処理器は、一般には、インフラが整備された都市ガスを水素リッチな改質ガスに改質する改質器を備えている。しかし、この改質ガスは副生物として一酸化炭素（以下、ＣＯという）を多く含むため、通常は、改質器の下流に変成器及び浄化器が設置されて、そのＣＯ濃度が１０ｐｐｍ以下に低減され、これが燃料ガスとして燃料電池のアノードに供給される。
一方、アノードに含まれる触媒の材料としては、一般に白金が用いられるが、この白金は、燃料電池の動作温度領域において、ＣＯにより被毒し、その触媒活性が低下する。このため、アノードの触媒は、通常、白金−ルテニウム合金等の耐ＣＯ被毒性を有する材料で構成される。
しかしながら、このような耐ＣＯ被毒性を有する材料でアノードの触媒を構成しても、その触媒活性を確保するためには、燃料ガスのＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下に抑制しなければならない。そこで、上述のように燃料処理器に変成器及び浄化器を設置して改質ガス中に含まれるＣＯの濃度を１０ｐｐｍ以下に低減している。これにより、アノードの触媒の触媒活性の低下の防止が図られている。
ところで、燃料電池内の酸化剤ガスをパージガスで置換するという点で、本発明と関連する技術として、起動停止時に酸化剤ガスを不活性ガスで置換す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）。特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池内を燃料ガスと不活性ガスを封入した状態で停止するので、アノード及びカソードの電位を低く保つことができ、電極の酸化及び溶解による劣化を抑制することができる。
また、燃料電池内の水分を除去するという点で本発明と関連する技術として、運転を停止しようとする場合に、通常の運転時より低い加湿度の酸化剤ガスを供給して発電し、燃料電池内の残留水分を低減する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池内に残留する水分の除去処理時間を短縮することができ、０℃以下における燃料電池の停止時に、残留した水分の凍結による被害を防止することができる。また、燃料電池の運転を停止させるときに、乾燥した反応ガスをパージガスとして燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給することにより、燃料電池内の水分パージを行うことができる。また、酸素が通過する空気経路あるいは水素が通過する水素経路の少なくとも一方に吸着剤を備えた水分吸着部を設けた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転停止後に、空気経路および水素経路の両端部を遮断して、水分吸着部により燃料電池内部の水分を吸着させることにより、燃料電池内部の水分を除去することができる。さらに、燃料電池から排出されるカソードガスを燃料電池のカソード側へカソード循環ガスとして循環させる循環手段と、カソード循環ガス中の水分を除去する水分除去手段と、を備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献５参照）。特許文献５に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池の停止時に、カソードガス及びアノードガスの供給を停止し、燃料電池のカソード側を密閉した後に、カソード循環ガス中の水分を水分除去手段により除去しながらカソード循環ガスを循環させることにより、燃料電池内部の水分量を減少させることができる。
特開２００５−７１７７８号公報 特開２００６−１５６０８５号公報 特開２００４−２６５６８４号公報 特開２００２−２０８４２９号公報 特開２００７−３２３８６３号公報
しかしながら、上記従来の燃料電池システムであっても、長時間運転された場合のアノードの濡れ性の変化やそれに伴う耐ＣＯ被毒性の低下を防止する観点からは、未だ改善の余地があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、アノードの濡れ性の劣化及びアノードの触媒の耐ＣＯ被毒性の劣化を回復可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、０℃以下における燃料電池の停止時に、燃料電池内に残留した水分の凍結による高分子電解質膜の破損等を抑制することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを第２の目的とする。
本発明者等は、上述の課題を解決すべく、高分子電解質形燃料電池を用いて鋭意研究した結果、長時間運転によって著しく耐ＣＯ被毒性が劣化した燃料電池のアノードに乾燥したガスを供給すると、耐ＣＯ被毒性が回復することを発見した。耐ＣＯ被毒性の劣化は、燃料電池の出力電圧の低下として現れるが、燃料ガスのＣＯ濃度を変化させて出力電圧の変化を測定する等して、この燃料電池の出力電圧の低下がアノードの劣化に起因していることは確認している。
しかしながら、乾燥ガスを供給することによってアノードの触媒の耐ＣＯ被毒性が回復するメカニズムは解明されていない。本発明者等は、このメカニズムは以下のようであると推定している。すなわち、燃料電池の長時間運転によってアノードの表面が親水化し、それによりアノードに多量の水が保持されることとなり、この多量の水がアノードの耐ＣＯ被毒性を低下させ、その結果、出力電圧の低下が大きくなる。それ故、乾燥ガスをアノードに供給することによってその多量の水が乾燥ガスにより除去されると、アノードの耐ＣＯ被毒性が回復する。
また、以下のことを注記する。
第１に、乾燥ガスは、燃料電池が発電していないときにアノードに供給する必要がある。本発明者等は、燃料電池が発電しているときに、アノードに乾燥ガスを供給してもアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化は回復しないことを確認している。また、発電中に乾燥ガスをアノードに供給すると、高分子電解質膜の損傷等を招くおそれがある。従って、特許文献２に開示された、運転を停止しようとする場合に、通常の運転時より低い加湿度の酸化剤ガスを供給して発電し、燃料電池内の残留水分を低減する技術では、発電中に水分除去を行うので、この技術によってアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化を回復することはできないと考えられる。
第２に、乾燥ガスの乾燥の程度に関して、加湿したガスと加湿していないガスとは、乾燥の程度が顕著に相違することに注意する必要がある。加湿していないガスの露点は氷点下の温度であるが、加湿したガスの露点は室温以上の温度である。従って、低加湿であっても、加湿したガスをアノードに供給してもアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化をほとんど回復することができないと本発明者等は考えている。従って、特許文献２に記載されている技術では、水分除去のために加湿（低加湿）したガスを用いているので、この観点からもこの技術によってアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化を回復することはできないと考えられる。
第３に、パージガスは、アノードとカソードとの少なくともいずれかに供給すれば有効であるということである。例えば、カソードのみに乾燥ガスを供給した場合、カソード中の残留水分が除去されると、アノードとカソードとの水の濃度差によって電解質層を介してアノードからカソードに水分が移動し、結果的にアノードとカソードとの両方の水分が除去されるからである。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明に係る燃料電池システムは、触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、前記酸化剤ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨がって設けられ、前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスとの間で水分交換を行うための水分交換器と、前記酸化剤ガス排出路の前記水分交換器より下流側の部分（以下、第１の部分）と、前記酸化剤ガス供給路の前記水分交換器より下流に位置する第１の接続点と、を接続し及び切り離すことによって、閉じたガス循環路を形成し及び解消するガス循環路形成／解消器と、前記ガス循環路内のガスを循環させるための送風器と、前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点と前記水分交換器との間の部分（以下、第２の部分）を大気に連通し及び遮断する大気連通／遮断器と、を備え備え、前記燃料電池システムの停止動作において、前記ガス循環路形成／解消器は、前記酸化剤ガス排出路の前記第１の部分と、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点と、を接続して、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点より下流の部分と、前記酸化剤ガス内部流路と、前記酸化剤ガス排出路の第１の部分と、酸化剤ガス排出路上流部と、前記水分交換器の二次流路と、で前記ガス循環路を形成させ、前記大気連通／遮断器は、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通させ、前記送風器は、前記ガス循環路内のガスを循環させることによって、前記水分交換器で前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流する前記ガスとの間で水分交換を行わせる。ここで、本発明において、ガス循環路内のガスとは、ガス循環路内に存在するガスであって、少なくとも酸化剤ガスを含むガスをいう。
これにより、燃料電池システム停止時に、水分交換器内では、酸化剤ガス供給器から供給された乾燥した酸化剤ガスが、ガス循環路内のガスに保持された水分を吸収して除去されるため、ガス循環路内のガスを循環させることによって、運転時にカソード及びアノードに保持された水分を除去することができる。このため、ガス拡散層のガス拡散性を回復することができ、また、運転により劣化したアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化を回復することができる。さらに、燃料電池システムの環境温度が、低温（例えば、０℃以下）になったような場合でも、発電時にカソード及びアノードに保持された水分を乾燥した酸化剤ガスが吸収して除去することにより、燃料電池内に残留した水分の凍結による高分子電解質膜の破損等を抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、制御器と、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通させるガス排出路と、を備え、前記ガス循環路形成／解消器は、前記酸化剤ガス排出路の前記第１の部分に設けられ、前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点と、前記第１の部分の下流端側の部分と、に選択的に接続する第１の三方弁であり、前記大気連通／遮断器は、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分に設けられ、前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を、前記第２の部分の前記第１の接続点側の部分と、前記ガス排出路と、に選択的に接続する第２の三方弁であり、前記制御器は、前記酸化剤ガス供給器、第１の三方弁、及び第２の三方弁を制御してもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御器は、前記燃料電池システムの停止動作において、前記第１の三方弁に前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続させ、その後、前記第２の三方弁に前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続させ、かつ、前記酸化剤ガス供給器に前記酸化剤ガスを供給させてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の温度を検出するための温度検出器をさらに備え、前記制御器は、前記温度検出器で検出された前記燃料電池の温度が予め設定された閾値以下になった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記ガス循環路内の前記ガスの循環を停止させてもよい。
これにより、燃料電池の水分除去操作を的確に行うことが可能となり、省エネルギー性の効果を有するうえに、電解質層の過度の乾燥を避けることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記ガス循環路内の前記ガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、前記制御器は、前記圧力検出器で検出される前記ガス循環路内の圧力が負圧になった場合に、前記第２の三方弁に前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記第２の部分の前記第１の接続点側の部分に接続させて補圧を行わせてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧の回数を記憶する記憶部を備え、前記制御器は、前記補圧の回数が所定の回数以上となった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記ガスの循環を停止させてもよい。
これにより、燃料電池の水分除去操作を的確に行うことが可能となり、省エネルギー性の効果を有するうえに、電解質層の過度の乾燥を避けることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記ガス循環路にその下流端が接続されたパージガス供給路と、前記パージガス供給路の上流端に接続されたパージガス供給器と、をさらに備え、前記制御器は、前記パージガス供給器を制御してもよい。
これにより、燃料電池システム停止時に、パージガス供給器からパージガスをパージガス循環路に供給することによって、運転時にカソード及びアノードに保持された水分を乾燥したパージガスが吸収して除去するので、ガス拡散層のガス拡散性を回復することができ、また、運転により劣化したアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化を回復することができる。さらに、燃料電池システムの環境温度が、低温（例えば、０℃以下）になったような場合でも、発電時にカソード及びアノードに保持された水分を乾燥したパージガスが吸収して除去することにより、燃料電池内に残留した水分の凍結による高分子電解質膜の破損等を抑制することができる。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記パージガス供給路の下流端は、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点より下流の部分に接続され、前記制御器は、前記燃料電池システムの停止動作において、前記第２の三方弁に前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続させ、かつ、前記酸化剤ガス供給器に前記酸化剤ガスを供給させ、
その後、前記パージガス供給器に前記パージガスを供給させて、前記酸化剤ガス内部流路及び前記酸化剤ガス排出路の前記ガスをパージさせ、その後、前記第１の三方弁に前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続させ、その後、前記パージガス供給器に前記パージガスの供給を停止させ、その後、前記送風器を作動させて前記ガス循環路を通って前記パージガスを循環させてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池の温度を検出するための温度検出器をさらに備え、前記制御器は、前記温度検出器で検出された前記燃料電池の温度が予め設定された閾値以下になった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記パージガスの循環を停止させてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記パージガス循環路内の前記ガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、前記制御器は、前記圧力検出器で検出される前記ガス循環路内の圧力が負圧になった場合に、前記パージガス供給器に前記パージガスを供給させて補圧を行わせてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記補圧の回数を記憶する記憶部を備え、
前記制御器は、前記補圧の回数が所定の回数以上となった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記パージガスの循環を停止させてもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、原料ガスを供給する原料供給器と、前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料処理器と、前記原料供給器と前記燃料処理器を接続する原料ガス供給路と、を備え、前記パージガス供給器は前記原料供給器であってもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記パージガスは水素ガスであってもよい。
さらに、本発明に係る燃料電池システムでは、前記水分交換器は全熱交換器であってもよい。
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、前記酸化剤ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨がって設けられ、前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスとの間で水分交換を行うための水分交換器と、前記酸化剤ガス排出路の前記水分交換器より下流側の部分（以下、第１の部分）と、前記酸化剤ガス供給路の前記水分交換器より下流に位置する第１の接続点と、を接続し及び切り離すことによって、閉じたガス循環路を形成し及び解消するガス循環路形成／解消器と、前記ガス循環路を通ってガスを循環させるための送風器と、前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点と前記水分交換器との間の部分（以下、第２の部分）を大気に連通し及び遮断する大気連通／遮断器と、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通させるガス排出路と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの停止動作において、前記ガス循環路形成／解消器が前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続するステップと、前記大気連通／遮断器が前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続するステップと、前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスを供給するステップと、前記送風器が前記ガス循環路内のガスを循環させることによって前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスの間で水分交換を行わせるステップと、からなる。
これにより、燃料電池システム停止時に、水分交換器内では、酸化剤ガス供給器から供給された乾燥した酸化剤ガスが、ガス循環路内のガスに保持された水分を吸収して除去されるため、ガス循環路内のガスを循環させることによって、運転時にカソード及びアノードに保持された水分を除去することができる。このため、ガス拡散層のガス拡散性を回復することができ、また、運転により劣化したアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化を回復することができる。さらに、燃料電池システムの環境温度が、低温（例えば、０℃以下）になったような場合でも、発電時にカソード及びアノードに保持された水分を乾燥した酸化剤ガスが吸収して除去することにより、燃料電池内に残留した水分の凍結による高分子電解質膜の破損等を抑制することができる。
さらに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、前記酸化剤ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する酸化剤ガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨がって設けられ、前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスとの間で水分交換を行うための水分交換器と、前記酸化剤ガス排出路の前記水分交換器より下流側の部分（以下、第１の部分）と、前記酸化剤ガス供給路の前記水分交換器より下流に位置する第１の接続点と、を接続し及び切り離すことによって、閉じたガス循環路を形成し及び解消するガス循環路形成／解消器と、前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点と前記水分交換器との間の部分（以下、第２の部分）を大気に連通させるガス排出路と、前記ガス循環路の前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点より下流の部分にその下流端が接続されたパージガス供給路と、前記パージガス供給路の上流端に接続されたパージガス供給器と、前記ガス循環路を通って前記パージガスを循環させるための送風器と、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通し及び遮断する大気連通／遮断器と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムの停止動作において、前記大気連通／遮断器が前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続するステップと、前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスを供給するステップと、前記パージガス供給器が前記パージガスを供給して、前記酸化剤ガス内部流路及び前記酸化剤ガス排出路のガスをパージするステップと、前記ガス循環路形成／解消器が前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続するステップと、前記パージガス供給器が前記パージガスの供給を停止するステップと、前記送風器が作動して、前記パージガスが前記ガス循環路を通って循環するステップと、からなる。
これにより、燃料電池システム停止時に、パージガス供給器からパージガスを酸化剤ガス内部流路に供給することによって、運転時にカソード及びアノードに保持された水分を乾燥したパージガスが吸収して除去するので、ガス拡散層のガス拡散性を回復することができ、また、運転により劣化したアノードの耐ＣＯ被毒性の劣化を回復することができる。さらに、燃料電池システムの環境温度が、低温（例えば、０℃以下）になったような場合でも、発電時にカソード及びアノードに保持された水分を乾燥したパージガスが吸収して除去することにより、燃料電池内に残留した水分の凍結による高分子電解質膜の破損等を抑制することができる。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の燃料電池システム及びその使用方法によれば、アノードの耐ＣＯ被毒性を充分に回復することができる。また、燃料電池の電極のガス拡散性を回復することができる。これにより、燃料電池の発電効率を維持し、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図２は、図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図１に示す燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。 図４は、図１に示す燃料電池システムの停止動作におけるパージガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示す図である。 図５は、図１に示す燃料電池システムの停止動作におけるパージガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図７は、実施の形態２に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。 図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図９は、実施の形態３に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。 図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図１１は、実施の形態４に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。 図１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図１３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図１４は、本実施の形態６に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。 図１５は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図１６は、本実施の形態７に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における反応ガスの流れを模式的に示している。
[燃料電池システムの構成]
図１に示すように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０、燃料ガス供給系統、酸化剤ガス供給系統、冷却系統、及び制御器８１を備えている。燃料ガス供給系統は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するように構成されており、原料ガス供給器（パージガス供給器）２１と、燃料処理器（燃料ガス供給器）２２と、凝縮器２４と、を有している。また、酸化剤ガス供給系統は、燃料電池１０に酸化剤ガスを供給するように構成されており、酸化剤ガス供給器３１と全熱交換器（水分交換器）３２を有している。
まず、燃料電池１０の構成について説明する。
燃料電池１０は、ここでは、高分子電解質形燃料電池で構成されており、燃料電池１０は、板状の全体形状を有するセル９が、その厚み方向に積層されてなるセルスタックで構成されている。ここで、セル９について、図２を参照しながら説明する。
図２は、図１に示す燃料電池システム１００における燃料電池１０のセルスタックの概略構成を模式的に示す断面図である。
図２に示すように、セル９は、ＭＥＡ３（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質層−電極積層体）と、ガスケット４と、アノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂと、を有している。ＭＥＡ３は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜（電解質層）１と、アノード２ａと、カソード２ｂと、を有しており、アノード２ａ及びカソード２ｂ（これらを、ガス拡散電極という）が、高分子電解質膜１の両面に、その周縁部より内方に位置するように設けられている。アノード２ａ及びカソード２ｂは、それぞれ、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層（図示せず）と、触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層（図示せず）と、を有している。
また、アノード２ａ及びカソード２ｂの周囲には、高分子電解質膜１を挟んで一対のリング状のゴム製のガスケット４が配設されている。そして、ＭＥＡ３とガスケット４を挟むように、導電性のアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｂが配設されている。アノードセパレータ５ａのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流する溝状の燃料ガス流路６が設けられており、一方、カソードセパレータ５ｂのＭＥＡ３と当接する主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流する溝状の酸化剤ガス流路７が設けられている。また、アノードセパレータ５ａ及びカソードセパレータ５ｂ（以下、これらをセパレータ５ａ、５ｂという）の外面には、それぞれ、セルスタック内を適切な温度に調節するための第１熱媒体が通流する第１熱媒体流路８が設けられている。
なお、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂの周囲には、それぞれ、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホールド孔、燃料ガス排出用マニホールド孔、酸化剤ガス供給用マニホールド孔、酸化剤ガス排出用マニホールド孔、第１熱媒体供給用マニホールド孔、及び第１熱媒体排出用マニホールド孔が設けられている（いずれも、図示せず）。
そして、このように形成したセル９をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成され、セル積層体の両端に集電板、絶縁板、及び端板（いずれも図示せず）を配置し、締結具（図示せず）で締結することでセルスタック９０が形成される。このとき、高分子電解質膜１、ガスケット４、及びセパレータ５ａ、５ｂに設けられた燃料ガス供給用マニホールド孔等のマニホールド孔は、セル９を積層したときに厚み方向につながって、燃料ガス供給用マニホールド等のマニホールドがそれぞれ形成される。なお、燃料ガス供給用マニホールドと、燃料ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各アノードセパレータ５ａに設けられた燃料ガス流路６と、から燃料ガス内部流路１１が構成され、酸化剤ガス供給用マニホールドと、酸化剤ガス排出用マニホールドと、これらを接続するように各カソードセパレータ５ｂに設けられた酸化剤ガス流路７と、から酸化剤ガス内部流路１２が構成され、また、第１熱媒体供給用マニホールドと、第１熱媒体排出マニホールドと、これらを接続するように設けられた第１熱媒体流路８と、から第１熱媒体内部流路１３が構成される（図１参照）。
次に、燃料ガス供給系統の構成について、図１を参照しながら説明する。
燃料ガス供給系統は、原料ガス供給路５１を備えている。原料ガス供給路５１の上流端には、原料ガス供給器（パージガス供給器）２１が配設されている。ここでは、原料ガスとして、メタンを主成分とする都市ガスが用いられており、原料ガス供給器２１の入口は都市ガスの配管（図示せず）に接続される。原料ガス供給器２１は、図示されない脱硫器とプランジャーポンプを有している。脱硫器は、原料ガスに付臭剤として含まれる硫黄化合物を吸着除去（脱硫）し、プランジャーポンプは、脱硫した原料ガスをその流量を調整しながら原料ガス供給路５１に流す。
原料ガス供給路５１の下流端には、燃料処理器２２が接続されている。なお、ここでは、原料ガス供給器とパージガス供給器をひとつの機器で構成したが、これに限定されず、各々を独立して構成してもよい。
燃料処理器２２は、処理ガスの流れ方向に順に設けられた改質器、変成器、及び浄化器（いずれも図示せず）を備えている。改質器は、改質触媒を備えていて、この改質器の入口に、原料ガス供給路５１が接続されている。改質器には、バーナ２３が設けられている。バーナ２３は、燃料電池１０から供給されるオフガス（後述する）を燃焼空気供給器（図示せず）から供給される燃焼用の空気によって燃焼させる。そして、改質器では、バーナ２３で生成された燃焼ガスの伝熱を利用して、原料ガス供給路５１から供給される原料ガスと、後述する水タンク２５から供給される水と、を改質反応させることにより、水素リッチな改質ガスを生成する。変成器及び浄化器では、改質器で生成された改質ガスを、変成反応及び選択反応させることにより、一酸化炭素が１０ｐｐｍ以下にまで低減した燃料ガス（水蒸気を含む）が生成される。
燃料処理器２２の浄化器の出口には、燃料ガス供給路５３の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池１０の燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス供給用マニホールド）の入口に接続されている。これにより、燃料処理器２２で生成された燃料ガスが、燃料電池１０内のアノード２ａに供給され、カソード２ｂに別途供給された酸化剤ガスと反応して、水が生成され、電気と熱が発生する。
また、燃料電池１０の燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス排出用マニホールド）の出口には、燃料ガス排出路５４の上流端が接続されており、その下流端は、バーナ２３に接続され、その途中には、凝縮器２４が設けられている。これにより、未反応の燃料ガス及び水分（水蒸気と水）が、燃料ガス排出路５４を介して凝縮器２４に流出する。
凝縮器２４は、水蒸気を凝縮して水に液化することにより、未反応の燃料ガスと水分とを分離するように構成されている。そして、凝縮器２４で分離された未反応の燃料ガスは、オフガスとしてバーナ２３に供給され、上述したように、バーナ２３で燃焼される。
一方、分離された水分は、凝縮器２４内で、不純物がろ過されて凝縮水供給路７３を介して、水タンク２５に供給される。水タンク２５には、改質用水供給路７４の上流端が接続されており、その下流端は、燃料処理器２２の改質器に接続されている。これにより、水タンク２５から燃料処理器２２の改質器に水が供給されて、この水が改質反応に用いられる。なお、ここでは、水タンク２５から改質反応に用いられる水が供給されるとしたが、これに限定されず、別途、改質器に水を供給する手段を設けてもよい。
次に、酸化剤ガス供給系統の構成について、図１を参照しながら説明する。
酸化剤ガス供給系統は、酸化剤ガス供給器３１を備えている。酸化剤ガスとして、ここでは空気が用いられ、酸化剤ガス供給器３１は、例えば、ブロアで構成されている。酸化剤ガス供給器３１には、第１酸化剤ガス供給路６１の上流端が接続されており、その下流端は、全熱交換器３２の一次流路３２ａの入口と接続されている。また、全熱交換器３２の一次流路３２ａの出口には、第２酸化剤ガス供給路上流部６２ａの上流端が接続されており、その下流端は、三方弁からなる第１切り替え弁（大気連通／遮断器：第２の三方弁）３３の第１ポート３３ａに接続されている。第１切り替え弁３３の第２ポート３３ｂには、ガス排出路６３が接続され、第３ポート３３ｃには、第２酸化剤ガス供給路下流部６２ｂの上流端が接続されており、その下流端には、第３酸化剤ガス供給路６４の上流端が接続されている。また、第３酸化剤ガス供給路６４の下流端は、燃料電池１０の酸化剤ガス内部流路１２（正確には、酸化剤ガス供給用マニホールド）の入口と接続されている。これにより、第１切り替え弁３３及び後述する第２切り替え弁３４が所定の切り替え状態にある場合に、酸化剤ガス供給器３１を通じて、燃料電池１０のカソード２ｂに酸化剤ガスが供給され、上述したようにアノード２ａに供給された燃料ガスと反応して、水が生成され、電気と熱が発生する。なお、第２酸化剤ガス供給路上流部６２ａ及び第２酸化剤ガス流路下流部６２ｂから第２酸化剤ガス供給路（酸化剤ガス供給路の第２の部分）６２が構成され、第１乃至第３酸化剤ガス供給路６１、６２、６４から酸化剤ガス供給路が構成される。
燃料電池１０の酸化剤ガス内部流路１２（正確には、酸化剤ガス排出用マニホールド）の出口には、酸化剤ガス排出路上流部６５の上流端が接続されており、その下流端は、全熱交換器３２の二次流路３２ｂの入口と接続されている。また、全熱交換器３２の二次流路３２ｂの出口には、酸化剤ガス排出路中流部（酸化剤ガス排出路の第１の部分）６６の上流端が接続されており、その下流端は、三方弁からなる第２切り替え弁（ガス循環路形成／解消器：第１の三方弁）３４の第１ポート３４ａに接続されている。そして、第２切り替え弁３４の第２ポート３４ｂには、酸化剤ガス排出路下流部６７が接続されている。これにより、酸化剤ガス供給器３１から燃料電池１０に供給される酸化剤ガス（以下、供給酸化剤ガス）が、全熱交換器３２で燃料電池１０から排出された酸化剤ガス（以下、排出酸化剤ガス）と熱交換をし、また、排出酸化剤ガスに含まれる水分が供給酸化剤ガスに移動して、供給酸化剤ガスが加湿される。そして、排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路下流部６７から燃料電池システム１００外に排出される。なお、酸化剤ガス排出路中流部６６の途中には、第１ポンプ（送風器）３５が設けられている。この第１ポンプ３５は、公知のポンプ使用することができる。また、ここでは、第１ポンプ３５は、酸化剤ガス排出路中流部６６の途中に設けているが、これに限定されず、後述するパージガス循環路を構成する各流路の途中であれば、どの位置に設けてもよい。なお、本実施の形態１においては、送風器として、ポンプを例示したが、これに限定されず、例えば、ブロワ、またはファン等を使用することができる。
一方、第２切り替え弁３４の第３ポート３４ｃには、接続路６８の上流端が接続されており、その下流端は、第３酸化剤ガス供給路６４の上流端と接続されている。なお、この第３酸化剤ガス供給路６４と接続路６８との接続点を第１の接続点６９といい、第１の接続点６９には、第２酸化剤ガス供給路下流部６２ｂの下流端が接続されている。
また、第３酸化剤ガス供給路６４における第１接続点６９と下流端の間には、その上流端が原料ガス供給路５１に接続されたパージガス供給路５２の下流端が接続されており、パージガス供給路５２の途中には、パージガス開閉弁３６が設けられている。なお、この第３酸化剤ガス供給路６４とパージガス供給路５２との接続点を第２接続点７０といい、第３酸化剤ガス供給路６４の第１接続点６９から第２接続点７０までを第３酸化剤ガス供給路上流部６４ａといい、第２接続点７０から下流端までを第３酸化剤ガス供給路下流部６４ｂという。
そして、接続路６８、第３酸化剤ガス供給路６４、酸化剤ガス内部流路１２、酸化剤ガス排出路上流部６５、二次流路３２ｂ、及び酸化剤ガス排出路中流部６６からパージガス循環路（ガス循環路）が構成される。このパージガス循環路におけるガスの流れは後述する。
次に、冷却系統の構成について、図１を参照しながら説明する。
冷却系統は、第１熱媒体往路７１ａを有している。第１熱媒体往路７１ａの上流端は、燃料電池１０の第１熱媒体内部流路１３の出口と接続されており、その下流端は、熱交換器４１の一次流路４１ａの入口と接続されている。熱交換器４１の一次流路４１ａの出口は、第１熱媒体復路７１ｂを介して第１熱媒体内部流路１３の入口に接続されている。なお、第１熱媒体往路７１ａには、ポンプが設けられており（図示せず）、第１熱媒体が、第１熱媒体内部流路１３、第１熱媒体往路７１ａ、一次流路４１ａ及び、第１熱媒体復路７１ｂを通って循環する。
また、熱交換器４１の二次流路４１ｂの入口には、第２熱媒体往路７２ａの下流端が接続され、一方、二次流路４１ｂの出口には、第２熱媒体復路７２ｂの上流端が接続されている。そして、第２熱媒体往路７２ａの上流端及び第２熱媒体復路７２ｂの下流端は、それぞれ貯湯タンク４２に接続されている。なお、第２熱媒体往路７２ａには、ポンプが設けられており（図示せず）、第２熱媒体が、貯湯タンク４２、第２熱媒体往路７２ａ、二次流路４１ｂ、及び第２熱媒体復路７２ｂを通って循環する。
これにより、第１熱媒体が燃料電池１０から排熱を回収し、熱交換器４１で第２熱媒体と熱交換することで、燃料電池１０を冷却して、適当な温度に維持するとともに、回収された排熱が貯湯タンクに蓄積されて、所定の用途に利用される。なお、ここでは、第１熱媒体及び第２熱媒体として水が使用されている。なお、ここでは、第１熱媒体として水を使用したが、例えば、エチレングリコール等を含む不凍液を使用することもできる。
次に、制御器８１について説明する。
制御器８１は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、及び時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１００に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータを処理する。
ここで、本明細書において、制御器とは、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群をも意味する。このため、制御器８１は、単独の制御器から構成される必要はなく、複数の制御器が分散配置され、それらが協働して燃料電池システムを制御するように構成されていてもよい。
[燃料電池システムの動作（運転方法）]
まず、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００における燃料電池１０で発電時の一般的動作（運転方法）について、図１を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器８１が燃料電池システム１００を制御することにより遂行される。
発電時においては、原料ガス（パージガス）が、第３酸化剤ガス供給路６４を通流しないように、パージガス開閉弁３６が閉められる。また、第１切り替え弁３３は、第１ポート３３ａを第３ポート３３ｃと連通させ、かつ、第２ポート３３ｂを遮断して、供給酸化剤ガスが第２及び第３酸化剤ガス供給路６２、６４を通流するように作動される。さらに、第２切り替え弁３４は、第１ポート３４ａを第２ポート３４ｂと連通させ、かつ、第３ポート３４ｃを遮断して、排出酸化剤ガスを酸化剤ガス排出路下流部６７から燃料電池システム１００外へ排出するように作動される。
これにより、図１に示すように、原料ガス供給器２１から、原料ガスが燃料処理器２２に供給されて、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５３を通流して燃料電池１０のアノード２ａに供給される。また、酸化剤ガス供給器３１から、酸化剤ガスが第１酸化剤ガス供給路６１、一次流路３２ａ、第２及び第３酸化剤ガス供給路６２、６４を順に通流して、燃料電池１０のカソード２ｂに供給される。このとき、上述したように、供給酸化剤ガスは、全熱交換器３２で排出酸化剤ガスと熱交換及び水分交換を行う。
燃料電池１０に供給された燃料ガスと酸化剤ガスは、その内部で反応して水が生成される。また、未反応の燃料ガスは、燃料ガス排出路５４を介して凝縮器２４に供給され、水分と分離されて、オフガスとしてバーナ２３に供給される。一方、未反応の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路上流部６５、二次流路３２ｂ、酸化剤ガス排出路中流部６６、酸化剤ガス排出路下流部６７を順に通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
また、燃料電池１０には、第１熱媒体復路７１ｂから第１熱媒体内部流路１３に第１熱媒体が供給され、燃料電池１０の内部を所定の温度に保たれる。具体的には、第１熱媒体が、第１熱媒体復路７１ｂ、第１熱媒体内部流路１３、第１熱媒体往路７１ａ、一次流路４１ａの順で循環し、一次流路４１ａを通流する第１熱媒体が、二次流路を通流する第２熱媒体と熱交換することにより、燃料電池１０の内部が所定の温度に保たれる。第１熱媒体と熱交換した第２熱媒体は、図示されないヒータで加熱されて、第２熱媒体復路７２ｂを介して貯湯タンク４２に供給され、利用者にお湯として供給される。
次に、燃料電池システム１００の停止動作について、図３乃至図５を参照しながら説明する。
図３は、図１に示す燃料電池システム１００における制御器８１の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。図４及び図５は、図１に示す燃料電池システムの停止動作におけるパージガス及び酸化剤ガスの流れを模式的に示す図である。
まず、制御器８１の演算処理部は、発電を停止して停止動作を開始する（ステップＳ１）。本発明においては、停止動作を、制御器８１が停止信号を出力してから、燃料電池システム１００がその動作を停止するまでの動作として定義する。制御器８１は、停止ボタンによって停止指令が入力されたとき、及び負荷からの発電要求が無くなったときに、停止信号を出力する。また、発電の停止は、図示されない燃料電池１０の発電電力を外部に出力するためのインバータの出力をゼロにするとともに、インバータにより燃料電池１０を負荷から電気的に切り離すことによって行われる。
次に、演算処理部は、燃料処理器２２に停止指令を出力する（ステップＳ２）。これにより、燃料処理器２２は、燃料電池１０のアノード２ａに燃料ガスの供給を停止する。ついで、演算処理部は、パージガス開閉弁３６に開放指令を出力する（ステップＳ３）。これにより、パージガス開閉弁３６が開放され、原料ガス供給路５１が、パージガス供給路５２を介して第３酸化剤ガス供給路６４と連通する。次に、演算処理部は、第１切り替え弁３３を制御して、第２酸化剤ガス供給路上流部６２ａから第２酸化剤ガス供給路下流部６２ｂへの酸化剤ガスの通流を停止させ、酸化剤ガスを第２酸化剤ガス供給路上流部６２ａからガス排出路６３へ通流させる（ステップＳ４）。具体的には、第１切り替え弁３３は、第１ポート３３ａを、第２ポート３３ｂと連通し、かつ、第３ポート３３ｃを遮断する。
これにより、パージガス供給路５２から原料ガス（パージガス）が供給され、パージガス循環路に存在する酸化剤ガスは、パージガスにパージされ、酸化剤ガス排出路下流部６７から燃料電池システム１００外に排出される。また、酸化剤ガス供給器３１から供給される酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給路６１、一次流路３２ａ、第２酸化剤ガス流路上流部６２ａ、ガス排出路６３を順に通流して、燃料電池システム１００外に排出される（図４参照）。このとき、全熱交換器３２では、酸化剤ガス供給器３１から供給された乾燥した酸化剤ガスに、パージガス循環路に存在する水分を含む酸化剤ガス又はパージガス（ガス循環路内のガス）から水分が移動する（水分の交換が起こる）。なお、ステップＳ３とステップＳ４の順序を逆にしてもよい。
次に、制御器８１の演算処理部は、時計部から時間情報Ｔ１を取得し（ステップＳ５）、パージガス開閉弁３６の弁を開放してからの時間が、記憶部に記憶されている所定の時間Ｊ１以上になったかどうかを判断する（ステップＳ６）。所定時間Ｊ１未満の場合には、ステップＳ５に戻り、所定時間Ｊ１以上になるまでステップＳ５、Ｓ６を繰り返す。一方、所定時間Ｊ１以上になると、ステップＳ７に進む。なお、処置時間Ｊ１は、パージガス循環路内に存在する酸化剤ガスが、充分にパージガスで置換されるまでの時間であって、実験により予め求められた時間である。
ステップＳ７では、演算処理部は、第２切り替え弁３４を制御して、酸化剤ガス排出路下流部６７からの酸化剤ガスの排出を停止させ、酸化剤ガス排出路中流部６６等のガス流路内に存在する少量の酸化剤ガス及びパージガスを酸化剤ガス排出路中流部６６からバイパス流路６８へ通流させる。具体的には、第２切り替え弁３４は、第１ポート３４ａを、第３ポート３４ｃと連通し、かつ、第２ポート３４ｂと遮断する。次に、演算処理部は、パージガス開閉弁３６に閉鎖指令を出力し（ステップＳ８）、原料ガス供給器２１に停止指令を出力する（ステップＳ９）。これにより、原料ガス供給器２１は、第３酸化剤ガス供給路６４へのパージガスの供給を停止する。そして、接続路６８、第３酸化剤ガス供給路上流部６４ａ、第３酸化剤ガス供給路下流部６４ｂ、酸化剤ガス内部流路１２、酸化剤ガス排出路上流部６５、二次流路３２ｂ、及び酸化剤ガス排出路中流部６６から構成されるパージガス循環路が形成される（図５参照）。なお、ステップＳ７〜Ｓ９の順番は、任意に設定することができる。
次に、制御器８１の演算処理部は、第１ポンプ３５に作動指令を出し（ステップＳ１０）、第１ポンプ３５は、運転を開始する。これにより、パージガスがパージガス循環路内を循環する。このとき、全熱交換器３２の二次流路３２ｂを通流する水分を含むパージガスは、一次流路３２ａを通流する酸化剤ガス供給器３１から供給された乾燥した酸化剤ガスと水分の交換を行い、除湿される。除湿されたパージガスは、燃料電池１０の酸化剤ガス内部流路１２内に供給され、パージガスが、酸化剤ガス内部流路１２内を通流する間に、燃料電池１０のカソード２ｂに保持された水分が除去される（運び去られる）。そして、全熱交換器３２の二次流路３２ｂを通流する間に除湿される。このようにして、燃料電池１０のカソード２ｂに保持された水分が、除去される。また、アノード２ａに保持された水分は、カソード２ｂとアノード２ａとの水の濃度差によって高分子電解質膜１を介してアノードか２ａからカソード２ｂに水分が移動することにより、アノード２ａに保持された水分も除去される。
次に、演算処理部は、時計部から時間情報Ｔ２を取得して（ステップＳ１１）、第１ポンプ３５を作動してからの時間が、記憶部に記憶されている所定の時間Ｊ２以上になったかどうかを判断する（ステップＳ１２）。所定時間Ｊ２未満の場合には、ステップＳ１１に戻り、所定時間Ｊ２以上になるまでステップＳ１１、Ｓ１２を繰り返す。一方、所定時間Ｊ２以上になると、ステップＳ１３に進む。なお、所定時間Ｊ２は、パージガス循環路及び燃料電池１０内に存在する水分が、アノード２ａのＣＯ被毒性を回復し、また、ガス拡散層のガス拡散性を回復し、かつ、高分子電解質膜１が過度に乾燥されないように、充分に除去する時間であって、実験により予め求められた時間である。
ステップＳ１３では、演算処理部は、第１ポンプ３５の運転停止指令を出力する。これにより、第１ポンプ３５は運転を停止し、これに伴い、パージガス循環路内のパージガスの循環が停止する。ついで、演算処理部は、酸化剤ガス供給器３１に運転停止指令を出力して（ステップＳ１４）、本プログラムを終了する。これにより、酸化剤ガス供給器３１の運転が停止し、燃料電池システム１００が停止する。なお、ステップＳ１３、Ｓ１４の順序を逆にしてもよい。
このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の運転停止時に燃料電池１０内の水分を除去することにより、高分子電解質膜１が過度に乾燥されることを防止しながら、アノード２ａの耐ＣＯ被毒性を充分に回復することができ、また、アノード２ａ及びカソード２ｂにおけるガス拡散層のガス拡散性を回復することができる。さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の運転停止時に燃料電池１０内の水分を除去することにより、燃料電池システム１００の環境温度（周囲の温度）が、低温（例えば、０℃以下）になったような場合でも、発電時にカソード２ｂ及びアノード２ａに保持された水分を乾燥した酸化剤ガスが吸収して除去することにより、燃料電池１０内に残留した水分の凍結による高分子電解質膜１の破損等を抑制することができる。
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における反応ガスの流れを模式的に示している。図７は、本実施の形態２に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
図６に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、電圧検出器８２が設けられている点が異なる。具体的には、電圧検出器８２は、燃料電池１０の一対の電気出力端子（図示せず）間に接続される。そして、電圧検出器８２は、検出した電圧値を制御器８１に伝達する。なお、電圧検出器８２として、公知の電圧検出器を使用することができる。
また、図７に示すように、本実施の形態２に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムでは、図３に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムにおけるステップＳ５及びステップＳ６が、ステップＳ４５及びステップＳ４６で置換されている。具体的には、ステップＳ４５では、制御器８１の演算処理部は、電圧検出器８２から燃料電池１０の電圧値Ｖを取得する。次に、演算処理部は、ステップＳ４５で取得した電圧値Ｖが、記憶部に記憶されている所定の電圧値以下であるかの判断を行う（ステップＳ４６）。電圧値Ｖが、所定の電圧値よりも大きい場合には、ステップＳ４５に戻り、所定の電圧値以下になるまでステップＳ４５、Ｓ４６を繰り返す。一方、所定の電圧値以下になると、ステップＳ７に進む。
なお、所定の電圧値とは、パージガス循環路内に存在する酸化剤ガスが、充分にパージガスで置換されたときの燃料電池１０の電圧値であって、予め実験で求められた値である。これは、燃料電池１０の酸化剤ガス内部流路１２やパージガス循環路内に存在する酸化剤ガスが、原料ガス等の不活性ガスに置換されると、カソード２ｂの電位が下がることを利用したものである。
このような実施の形態２によっても、実施の形態１と同じ効果が得られる。
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における反応ガスの流れを模式的に示している。図９は、本実施の形態３に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
図８に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、温度検出器８４が設けられている点が異なる。具体的には、温度検出器８４は、燃料電池１０の温度を検出できるように、第１熱媒体往路７１ａの途中に設けられており、燃料電池１０から排出される第１熱媒体の温度を燃料電池１０の温度として検出するように構成されている。そして、温度検出器８４は、検出した温度を制御器８１に伝達する。なお、温度検出器８４として、公知の温度検出器を使用することができる。ここでは、サーミスタを使用しており、例えば、熱電対であってもよい。
また、図９に示すように、本実施の形態３に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムでは、図３に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムにおけるステップＳ１１及びステップＳ１２が、ステップＳ４１及びステップＳ４２に置換されている。具体的には、ステップＳ４１では、制御器８１の演算処理部は、温度検出器８４から燃料電池１０の温度Ｋを取得する。次に、演算処理部は、ステップＳ４１で取得した温度Ｋが、記憶部に記憶されている所定の温度以下であるかの判断を行う（ステップＳ４２）。温度Ｋが、所定の温度よりも大きい場合には、ステップＳ４１に戻り、所定の温度以下になるまでステップＳ４１、Ｓ４２を繰り返す。一方、所定の温度以下になると、ステップＳ１３に進む。
なお、所定温度とは、パージガス循環路及び燃料電池１０内に存在する水分が、アノード２ａのＣＯ被毒性を回復し、また、ガス拡散層のガス拡散性を回復し、かつ、高分子電解質膜１が過度に乾燥されないように、充分に除去されたときの燃料電池１０の温度であって、実験により予め求められた温度である。これは、燃料電池１０が発電中には、温度が一定に保たれる（例えば、８０度）が、発電を停止すると、時間の経過と共に燃料電池１０内の温度が下がることを利用したものである。
このような実施の形態３によっても、実施の形態１と同じ効果が得られる。
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における反応ガスの流れを模式的に示している。図１１は、本実施の形態４に係る燃料電池システムにおける制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
図１０に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００は、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、圧力検出器８５が設けられている点が異なる。具体的には、圧力検出器８５は、酸化剤ガス排出路中流部６６の途中に設けられており、酸化剤ガス排出路中流部６６を通流するパージガスの圧力を検出するように構成されている。そして、圧力検出器８５は、検出した圧力を制御器８１に伝達する。なお、圧力検出器８５は、公知の圧力検出器を使用することができる。また、圧力検出器８５を、ここでは、酸化剤ガス排出路中流部６６に設けているが、これに限定されず、パージガス循環路を構成するガス流路であればどのガス流路に設けてもよい。
また、図１１に示すように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムは、図３に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムとステップＳ１乃至ステップＳ１０までは同じであるが、ステップＳ１１以降の動作が異なる。以下、ステップＳ１０以降の動作について、説明する。
制御器８１の演算処理部は、第１ポンプ３５に作動指令を出力し（ステップＳ１０）、第１ポンプ３５は、運転を開始する。これにより、パージガス（少量の酸化剤ガスを含む）が、パージガス循環路内を循環する。そして、演算処理部は、圧力検出器８５からパージガス循環路（ここでは、酸化剤ガス排出路中流部６６）内の圧力を取得し（ステップＳ２１）、記憶部に記憶されている所定の圧力未満であるかの判断を行う（ステップＳ２２）。取得した圧力が、所定の圧力以上の場合には、ステップＳ２１に戻り、所定の圧力未満になるまでステップＳ２１、Ｓ２２を繰り返す。一方、所定の圧力未満になると、ステップＳ２３に進む。ここで、所定の圧力とは、パージガス循環路内が負圧になる圧力をいい、パージガス循環路内が負圧になる原因としては、水分の減少やパージガス循環路や燃料電池１０内の温度の低下によるパージガス（酸化剤ガス及び水蒸気を含む）の体積低下が挙げられる。
ステップＳ２３では、演算処理部は、原料ガス供給器２１に作動指令を出力し、ついで、パージガス開閉弁３６に弁開放指令を出力する（ステップＳ２４）。これにより、原料ガス供給器２１から、原料ガス（パージガス）がパージガス循環路に供給され、パージガス循環路内の圧力が増加する。なお、ステップＳ２３、Ｓ２４の動作を補圧操作といい、演算処理部は、記憶部に補圧操作を行ったことを記憶させる。また、このステップＳ２３、Ｓ２４を逆にしてもよい。
そして、演算処理部は、圧力検出器８５からパージガス循環路（ここでは、酸化剤ガス排出路中流部６６）内の圧力を再び取得し（ステップＳ２５）、記憶部に記憶されている所定の圧力以上であるかの判断を行う（ステップＳ２６）。取得した圧力が、所定の圧力未満の場合には、ステップＳ２５に戻り、所定の圧力以上になるまでステップＳ２５、Ｓ２６を繰り返す。一方、所定の圧力以上になると、ステップＳ２７に進む。
ステップＳ２７では、演算処理部は、原料ガス供給器２１に停止指令を出力し、ついで、パージガス開閉弁３６に弁閉鎖指令を出力する（ステップＳ２８）。これにより、原料ガス供給器２１からのパージガスの供給が停止され、パージガス循環路内の圧力を必要以上に増加させないようにする。なお、ステップＳ２７、Ｓ２８を逆にしてもよい。
次に、制御器８１の演算処理部は、記憶部から運転停止動作プログラムを開始してから補圧操作を行った回数Ｎを取得し（ステップＳ２９）、記憶部に記憶されている所定回数であるかの判断を行う（ステップＳ３０）。取得した回数Ｎが、所定回数未満である場合には、ステップＳ２１に戻り、所定回数に達するまで、ステップＳ２１〜Ｓ３０を繰り返す。一方、所定回数になると、ステップＳ３１に進む。
ステップＳ３１では、演算処理部は、第１ポンプ３５の運転停止指令を出力する。これにより、第１ポンプ３５が、運転を停止し、この運転停止に伴い、パージガス循環路内のパージガスの循環が停止する。ついで、演算処理部は、酸化剤ガス供給器３１に運転停止指令を出力して（ステップＳ３２）、本プログラムを終了する。これにより、酸化剤ガス供給器３１の運転が停止し、燃料電池システム１００が停止する。なお、ステップＳ３１、Ｓ３２の順序を逆にしてもよい。
このように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、補圧操作を行うことで、より安全に燃料電池システム１００の運転を行うと共に、補圧操作の回数によって水分除去動作を行う時間を計り、水分除去動作を的確に行い、省エネルギー性の効果と高分子電解質膜１の過度の乾燥を防止することができる。
（実施の形態５）
図１２は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図であり、燃料電池発電時における反応ガスの流れを模式的に示している。
図１２に示すように、本実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるが、燃料ガス供給系統が異なり、パージガス供給器と燃料ガス供給器を１つの機器（水素貯蔵タンク２１ａ）で構成している。
実施の形態５に係る燃料電池システム１００の燃料ガス供給系統は、水素貯蔵タンク２１ａ、凝縮器２４、逆止弁２６、及び第２ポンプ２７を有しており、水素貯蔵タンク２１ａから燃料電池１０の燃料ガス内部流路１１に燃料ガス（水素ガス）が、供給されるように構成されている。
具体的には、水素貯蔵タンク２１ａの出口と燃料ガス内部流路１１（正確には、燃料ガス供給用マニホールド）の入口とを燃料ガス供給路５３が接続している。燃料ガス供給路５３の途中には、逆止弁２６が設けられており、水素貯蔵タンク２１ａへの燃料ガスの流入を防止するように構成されている。また、燃料ガス供給路５３の逆止弁２６の下流側の部分にパージガス供給路５２の上流端が接続されている。
そして、燃料ガス排出路５４の下流端は、燃料ガス供給路５３の逆止弁２６の下流側の部分と接続されており、また、燃料ガス排出路５４の途中には、第２ポンプ２７が設けられている。これにより、凝縮器２４で水分を分離されたオフガスが、第２ポンプ２７により、燃料ガス供給路５３を介して燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０で消費された燃料ガスが、水素貯蔵タンク２１ａから補給される。
なお、このように構成された実施の形態５に係る燃料電池システムの諸動作は、水素貯蔵タンク２１ａから燃料ガスが燃料電池１０に供給され、また、パージガスとして水素ガスが使用される点を除いて、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同じであるので、その詳細な説明を省略する。
このような実施の形態５によっても、実施の形態１と同じ効果が得られる。
（実施の形態６）
図１３は、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図であり、燃料電池システムの停止動作における酸化剤ガスの流れを模式的に示す図である。
図１３に示すように、本発明の実施の形態６に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、酸化剤ガス内部流路１２にパージガスを供給しないように構成されている点が異なる。具体的には、パージガス開閉弁３６及びパージガス供給路５２が設けられておらず、これにより、原料ガス供給器２１からパージガスとしての原料ガスが酸化剤ガス内部流路１２に供給されない。
次に、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００の停止動作を図１４を参照しながら説明する。
図１４は、本実施の形態６に係る燃料電池システム１００における制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
まず、制御器８１の演算処理部は、発電を停止して停止動作を開始する（ステップＳ１０１）。ついで、制御器８１の演算処理部は、原料ガス供給器２１に停止指令を出力し（ステップＳ１０２）、また、燃料処理器２２に停止指令を出力する（ステップＳ１０３）。これにより、原料ガス供給器２１から燃料処理器２２への原料ガスの供給が停止し、燃料処理器２２は、燃料電池１０のアノード２ａに燃料ガスの供給を停止する。なお、ステップＳ１０２とステップＳ１０３の順序を逆にしてもよい。
次に、制御器８１の演算処理部は、第１切り替え弁３３を制御して、第２酸化剤ガス供給路上流部６２ａから第２酸化剤ガス供給路下流部６２ｂへの酸化剤ガスの通流を停止させ、酸化剤ガスを第２酸化剤ガス供給路上流部６２ａからガス排出路６３へ通流させる（ステップＳ１０４）。具体的には、第１切り替え弁３３は、第１ポート３３ａを、第２ポート３３ｂと連通し、かつ、第３ポート３３ｃを遮断する。ついで、演算処理部は、第２切り替え弁３４を制御して、酸化剤ガス排出路中流部６６から酸化剤ガス排出路下流部６７への酸化剤ガスの通流を停止させ、酸化剤ガスを酸化剤ガス排出路中流部６６から接続路６８へ通流させる（ステップＳ１０５）。具体的には、第２切り替え弁３４は、第１ポート３４ａを、第３ポート３４ｃと連通し、かつ、第２ポート３４ｂと遮断する。次に、演算処理部は、第１ポンプ３５に作動指令を出し（ステップＳ１０６）、第１ポンプ３５は、運転を開始する。なお、ステップＳ１０４〜Ｓ１０６の順番は、任意に設定することができる。
これにより、接続路６８、第３酸化剤ガス供給路上流部６４ａ、第３酸化剤ガス供給路下流部６４ｂ、酸化剤ガス内部流路１２、酸化剤ガス排出路上流部６５、二次流路３２ｂ、及び酸化剤ガス排出路中流部６６から構成されるガス循環路が形成される。そして、ガス循環路内に存在する酸化剤ガスは、ガス循環路を通流し、また、酸化剤ガス供給器３１から供給される酸化剤ガスは、第１酸化剤ガス供給路６１、一次流路３２ａ、第２酸化剤ガス流路上流部６２ａ、ガス排出路６３を順に通流して、燃料電池システム１００外に排出される。
このとき、燃料ガス内部流路１１に存在する燃料ガス中の水素及び酸化剤ガス内部流路１２に存在する酸化剤ガス（空気）中の酸素は、高分子電解質膜１を透過して、互いにリークする。リークした反応ガスは、アノード２ａ及びカソード２ｂに設けられている触媒によって反応して、水が生成される。このため、酸化剤ガス中の酸素は消費されて、不活性ガスである窒素が酸化剤ガスの大部分を占めることとなり、カソード２ｂの電位が下がる。
また、全熱交換器３２では、酸化剤ガス供給器３１から供給された乾燥した酸化剤ガスに、ガス循環路に存在する水分を含む酸化剤ガス（ガス循環路内のガス）から水分が移動し（水分の交換が起こる）、除湿される。
除湿された酸化剤ガスは、燃料電池１０の酸化剤ガス内部流路１２内に供給され、この除湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス内部流路１２内を通流する間に、燃料電池１０のカソード２ｂに保持された水分が除去される（運び去られる）。そして、カソード２ｂに保持された水分を保持した酸化剤ガスは、全熱交換器３２の二次流路３２ｂを通流する間に除湿される。このようにして、燃料電池１０のカソード２ｂに保持された水分が、除去される。また、アノード２ａに保持された水分は、カソード２ｂとアノード２ａとの水の濃度差によって高分子電解質膜１を介してアノードか２ａからカソード２ｂに水分が移動することにより、アノード２ａに保持された水分も除去される。
次に、制御器８１の演算処理部は、時計部から時間情報Ｔ３を取得し（ステップＳ１０７）、第１ポンプ３５を作動させてからの時間が、記憶部に記憶されている所定の時間Ｊ３以上になったかどうかを判断する（ステップＳ１０８）。所定時間Ｊ３未満の場合には、ステップＳ１０７に戻り、所定時間Ｊ３以上になるまでステップＳ１０７、Ｓ１０８を繰り返す。一方、所定時間Ｊ３以上になると、ステップＳ１０９に進む。なお、所定時間Ｊ３は、ガス循環路及び燃料電池１０内に存在する水分が、アノード２ａのＣＯ被毒性を回復し、また、ガス拡散層のガス拡散性を回復し、かつ、高分子電解質膜１が過度に乾燥されないように、充分に除去する時間であって、実験により予め求められた時間である。
ステップＳ１０９では、制御器８１の演算処理部は、第１ポンプ３５の運転停止指令を出力する。これにより、第１ポンプ３５は運転を停止し、これに伴い、ガス循環路内の酸化剤ガスの循環が停止する。ついで、演算処理部は、酸化剤ガス供給器３１に運転停止指令を出力して（ステップＳ１１０）、本プログラムを終了する。これにより、酸化剤ガス供給器３１の運転が停止し、燃料電池システム１００が停止する。なお、ステップＳ１０９、Ｓ１１０の順序を逆にしてもよい。
このような実施の形態６によっても、実施の形態１と同じ効果が得られる。なお、本実施の形態においては、ステップＳ１０７で時計部から時間情報Ｔ３を取得して、ガス循環路及び燃料電池１０内に存在する水分が、アノード２ａのＣＯ被毒性を回復し、また、ガス拡散層のガス拡散性を回復し、かつ、高分子電解質膜１が過度に乾燥されないように、充分に除去されたかの判断を行ったが、これに限定されない。例えば、実施の形態３に係る燃料電池システム１００のように、温度検知器８４を設けて、該温度検知器８４で取得した温度に基づいて、上記判断を行ってもよい。
（実施の形態７）
図１５は、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図であり、燃料電池システムの停止動作における酸化剤ガスの流れを模式的に示す図である。また、 図１６は、本実施の形態７に係る燃料電池システム１００における制御器の記憶部に格納された運転停止動作プログラムの内容を概略的に示すフローチャートである。
図１５に示すように、本発明の実施の形態７に係る燃料電池システム１００は、実施の形態６に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、圧力検出器８５が設けられている点が異なる。具体的には、圧力検出器８５は、酸化剤ガス排出路中流部６６の途中に設けられており、酸化剤ガス排出路中流部６６を通流する酸化剤ガスの圧力を検出するように構成されている。そして、圧力検出器８５は、検出した圧力を制御器８１に伝達する。なお、圧力検出器８５は、公知の圧力検出器を使用することができる。また、圧力検出器８５を、ここでは、酸化剤ガス排出路中流部６６に設けているが、これに限定されず、ガス循環路を構成するガス流路であればどのガス流路に設けてもよい。
また、図１６に示すように、本実施の形態７に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムは、図１４に示す実施の形態６に係る燃料電池システム１００の運転停止動作プログラムとステップＳ１０１乃至ステップＳ１０６までは同じであるが、ステップＳ２０７以降の動作が異なる。以下、ステップＳ１０６以降の動作について、説明する。
制御器８１の演算処理部は、第１ポンプ３５に作動指令を出力し（ステップＳ１０６）、第１ポンプ３５は、運転を開始する。これにより、水分を含む酸化剤ガスが、ガス循環路内を循環する。
次に、制御器８１の演算処理部は、圧力検出器８５からガス循環路（ここでは、酸化剤ガス排出路中流部６６）内の圧力を取得し（ステップＳ２０７）、記憶部に記憶されている所定の圧力未満であるかの判断を行う（ステップＳ２０８）。取得した圧力が、所定の圧力以上の場合には、ステップＳ２０７に戻り、所定の圧力未満になるまでステップＳ２０７、Ｓ２０８を繰り返す。一方、所定の圧力未満になると、ステップＳ２０９に進む。ここで、所定の圧力とは、ガス循環路内が負圧になる圧力をいい、ガス循環路内が負圧になる原因としては、水分の減少やガス循環路や燃料電池１０内の温度の低下による酸化剤ガス及び水蒸気の体積低下等が挙げられる。
ステップＳ２０９では、制御器８１の演算処理部は、第１切り替え弁３３の第１ポート３３ａを第３ポート３３ｃと連通させ、かつ、第２ポート３３ｂを遮断させる。また、演算処理部は、原料ガス供給器２１に作動指令を出力する。これにより、酸化剤ガス供給器３１から酸化剤ガスが補圧ガスとして、第１酸化剤ガス供給路６１及び第２酸化剤ガス供給路６２を通流してガス循環路に供給され、ガス循環路内の圧力が増加する。また、原料ガス供給器２１から、原料ガス（補圧ガス）が燃料ガス内部流路１１に供給され、燃料ガス内部流路１１内の圧力が増加する。なお、ステップＳ２０９の動作を補圧操作といい、演算処理部は、記憶部に補圧操作を行ったことを記憶させる。
次に、制御器８１の演算処理部は、圧力検出器８５からガス循環路（ここでは、酸化剤ガス排出路中流部６６）内の圧力を再び取得し（ステップＳ２１０）、記憶部に記憶されている所定の圧力以上であるかの判断を行う（ステップＳ２１１）。取得した圧力が、所定の圧力未満の場合には、ステップＳ２１０に戻り、所定の圧力以上になるまでステップＳ２１０、Ｓ２１１を繰り返す。一方、所定の圧力以上になると、ステップＳ２１１に進む。
ステップＳ２１１では、制御器８１の演算処理部は、第１切り替え弁３３の第１ポート３３ａを第２ポート３３ｂと連通させ、かつ、第３ポート３３ｃを遮断させる。また、演算処理部は、原料ガス供給器２１に停止指令を出力する。これにより、酸化剤ガス供給器３１からガス循環路への酸化剤ガスの供給が停止され、原料ガス供給器２１からの燃料ガス内部流路１１への原料ガスの供給が停止され、ガス循環路及び燃料ガス内部流路１１内の圧力を必要以上に増加させないようにする。
次に、制御器８１の演算処理部は、記憶部から運転停止動作プログラムを開始してから補圧操作を行った回数Ｎを取得し（ステップＳ２１３）、記憶部に記憶されている所定回数であるかの判断を行う（ステップＳ２１４）。ステップＳ２１３で取得した回数Ｎが、所定回数未満である場合には、ステップＳ２０７に戻り、所定回数に達するまで、ステップＳ２０７〜Ｓ２１４を繰り返す。一方、所定回数になると、ステップＳ２１５に進む。
ステップＳ２１５では、演算処理部は、第１ポンプ３５の運転停止指令を出力する。これにより、第１ポンプ３５が、運転を停止し、この運転停止に伴い、ガス循環路内の酸化剤ガスの循環が停止する。ついで、演算処理部は、酸化剤ガス供給器３１に運転停止指令を出力して（ステップＳ２１６）、本プログラムを終了する。これにより、酸化剤ガス供給器３１の運転が停止し、燃料電池システム１００が停止する。なお、ステップＳ２１５、Ｓ２１６の順序を逆にしてもよい。
このように、本実施の形態７に係る燃料電池システム１００では、実施の形態６と同様の効果が得られるとともに、補圧操作を行うことで、より安全に燃料電池システム１００の運転を行うと共に、補圧操作の回数によって水分除去動作を行う時間を計り、水分除去動作を的確に行い、省エネルギー性の効果と高分子電解質膜１の過度の乾燥を防止することができる。
なお、上記実施の形態１〜４に係る燃料電池システム１００では、原料ガスをパージガスとして供給する構成としたが、これに限定されず、燃料処理器２２で生成された水素ガス（燃料ガス）をパージガスとして供給する構成としてもよい。また、原料ガスとしては、都市ガスに限定されず、メタンやＬＰＧ等を用いることができる。また、パージガスとしては、上記原料ガス及び水素ガスに限定されず、例えば、窒素やヘリウム等の不活性ガスを用いてもよい。この場合、別途不活性ガスを貯蔵するタンクを設ける構成となる。
また、上記実施の形態１においては、第１ポンプ３５によるパージガス循環路内を通流するパージガスの流れの方向を、図５に示すように、酸化剤ガス内部流路１２の入口から出口に通流するようにしたが、これに限定されず、パージガスの流れを反対方向、すなわち、酸化剤ガス内部流路１２の出口から入口に通流するようにしてもよい。
また、上記実施の形態１〜５においては、第１及び第２切り替え弁３３、３４は、制御器８１で制御される構成としたが、これに限定されず、第１及び第２切り替え弁３３、３４自身に制御機能を有するように構成されてもよい。
また、第２切り替え弁３４は、パージガス循環路内に存在する酸化剤ガスの量を減らす観点から、酸化剤ガス排出路中流部６６の下流側に設けられていることが好ましい。換言すると、接続路６８の流路長が短くなるように構成されていることが好ましい。
さらに、燃料ガス内部流路１１から排出される排出燃料ガスは、燃料ガス排出路５４を介して凝縮器２４に供給され、水分と分離される構成としたが、これに限られない。例えば、燃料ガス供給路５３を通流する供給酸化剤ガスと燃料ガス排出路５４を通流する排出燃料ガスとの間で、全熱交換器によって排出酸化剤ガスと熱交換及び水分交換を行うように構成されていてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係る燃料電池システム及びその運転方法によれば、長期にわたり安定した発電効率を維持することが可能となり、例えば、家庭用のコージェネレーションシステムや自動車用の電源として有用である。
１ 高分子電解質膜
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極接合体）
４ ガスケット
５ａ アノードセパレータ
５ｂ カソードセパレータ
６ 燃料ガス流路
７ 酸化剤ガス流路
８ 第１熱媒体流路
９ セル
１０ 燃料電池
１１ 燃料ガス内部流路
１２ 酸化剤ガス内部流路
１３ 第１熱媒体内部流路
２１ 原料ガス供給器（パージガス供給器）
２１ａ 水素貯蔵タンク
２２ 燃料処理器
２３ バーナ
２４ 凝縮器
２５ 水タンク
２６ 逆止弁
２７ 第２ポンプ
３１ 酸化剤ガス供給器
３２ 全熱交換器（水分交換器）
３２ａ 一次流路
３２ｂ 二次流路
３３ 第１切り替え弁（大気連通／遮断器：第２の三方弁）
３３ａ 第１ポート
３３ｂ 第２ポート
３３ｃ 第３ポート
３４ 第２切り替え弁（ガス循環路形成／解消器：第１の三方弁）
３４ａ 第１ポート
３４ｂ 第２ポート
３４ｃ 第３ポート
３５ 第１ポンプ（送風器）
３６ パージガス開閉弁
４１ 熱交換器
４１ａ 一次流路
４１ｂ 二次流路
４２ 貯湯タンク
５１ 原料ガス供給路
５２ パージガス供給路
５３ 燃料ガス供給路
５４ 燃料ガス排出路
５５ オフガス供給路
６１ 第１酸化剤ガス供給路
６２ 第２酸化剤ガス供給路（第２の部分）
６２ａ 第２酸化剤ガス供給路上流部
６２ｂ 第２酸化剤ガス供給路下流部
６３ ガス排出路
６４ 第３酸化剤ガス供給路
６４ａ 第３酸化剤ガス供給路上流部
６４ｂ 第３酸化剤ガス供給路下流部
６５ 酸化剤ガス排出路上流部
６６ 酸化剤ガス排出路中流部
６７ 酸化剤ガス排出路下流部
６８ 接続路
６９ 第１の接続点
７０ 第２の接続点
７１ａ 第１熱媒体往路
７１ｂ 第１熱媒体復路
７２ａ 第２熱媒体往路
７２ｂ 第２熱媒体復路
７３ 凝縮水供給路
７４ 改質用水供給路
８１ 制御器
８２ 電圧検出器
８３ 電気配線
８４ 温度検出器
８５ 圧力検出器
９０ セルスタック
１００ 燃料電池システム

Claims (16)

  1. 燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池システムは、
    触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、
    前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、
    前記酸化剤ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する酸化剤ガス排出路と、
    前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨がって設けられ、前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスとの間で水分交換を行うための水分交換器と、
    前記酸化剤ガス排出路の前記水分交換器より下流側の部分（以下、第１の部分）と、前記酸化剤ガス供給路の前記水分交換器より下流に位置する第１の接続点と、を接続し及び切り離すことによって、閉じたガス循環路を形成し及び解消するガス循環路形成／解消器と、
    前記ガス循環路内のガスを循環させるための送風器と、
    前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点と前記水分交換器との間の部分（以下、第２の部分）を大気に連通し及び遮断する大気連通／遮断器と、を備え、
    前記燃料電池システムの停止動作において、
    前記ガス循環路形成／解消器は、前記酸化剤ガス排出路の前記第１の部分と、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点と、を接続して、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点より下流の部分と、前記酸化剤ガス内部流路と、前記酸化剤ガス排出路の第１の部分と、酸化剤ガス排出路上流部と、前記水分交換器の二次流路と、で前記ガス循環路を形成させ、
    前記大気連通／遮断器は、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通させ、
    前記送風器は、前記ガス循環路内のガスを循環させることによって、前記水分交換器で前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流する前記ガスとの間で水分交換を行わせる、燃料電池システム。
  2. 制御器と、
    前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通させるガス排出路と、を備え、
    前記ガス循環路形成／解消器は、前記酸化剤ガス排出路の前記第１の部分に設けられ、前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点と、前記第１の部分の下流端側の部分と、に選択的に接続する第１の三方弁であり、
    前記大気連通／遮断器は、前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分に設けられ、前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を、前記第２の部分の前記第１の接続点側の部分と、前記ガス排出路と、に選択的に接続する第２の三方弁であり、
    前記制御器は、前記酸化剤ガス供給器、第１の三方弁、及び第２の三方弁を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記燃料電池システムの停止動作において、
    前記第１の三方弁に前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続させ、
    その後、前記第２の三方弁に前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続させ、かつ、前記酸化剤ガス供給器に前記酸化剤ガスを供給させる、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池の温度を検出するための温度検出器をさらに備え、
    前記制御器は、前記温度検出器で検出された前記燃料電池の温度が予め設定された閾値以下になった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記ガス循環路内の前記ガスの循環を停止させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記ガス循環路内の前記ガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
    前記制御器は、前記圧力検出器で検出される前記ガス循環路内の圧力が負圧になった場合に、前記第２の三方弁に前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記第２の部分の前記第１の接続点側の部分に接続させて補圧を行わせる、請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記補圧の回数を記憶する記憶部を備え、
    前記制御器は、前記補圧の回数が所定の回数以上となった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記ガス循環路内の前記ガスの循環を停止させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記ガス循環路にその下流端が接続されたパージガス供給路と、
    前記パージガス供給路の上流端に接続されたパージガス供給器と、をさらに備え、
    前記制御器は、前記パージガス供給器を制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
  8. 前記パージガス供給路の下流端は、前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点より下流の部分に接続され、
    前記制御器は、前記燃料電池システムの停止動作において、
    前記第２の三方弁に前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続させ、かつ、前記酸化剤ガス供給器に前記酸化剤ガスを供給させ、
    その後、前記パージガス供給器に前記パージガスを供給させて、前記酸化剤ガス内部流路及び前記酸化剤ガス排出路の前記ガスをパージさせ、
    その後、前記第１の三方弁に前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続させ、
    その後、前記パージガス供給器に前記パージガスの供給を停止させ、
    その後、前記送風器を作動させて前記ガス循環路を通って前記パージガスを循環させる、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池の温度を検出するための温度検出器をさらに備え、
    前記制御器は、前記温度検出器で検出された前記燃料電池の温度が予め設定された閾値以下になった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記パージガスの循環を停止させる、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記パージガス循環路内の前記ガスの圧力を検出する圧力検出器をさらに備え、
    前記制御器は、前記圧力検出器で検出される前記ガス循環路内の圧力が負圧になった場合に、前記パージガス供給器に前記パージガスを供給させて補圧を行わせる、請求項８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記補圧の回数を記憶する記憶部を備え、
    前記制御器は、前記補圧の回数が所定の回数以上となった場合に、前記酸化剤ガス供給器による前記酸化剤ガスの供給及び前記送風器による前記パージガスの循環を停止させる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 原料ガスを供給する原料供給器と、
    前記原料ガスを改質して燃料ガスを生成する燃料処理器と、
    前記原料供給器と前記燃料処理器を接続する原料ガス供給路と、を備え、
    前記パージガス供給器は前記原料供給器である、請求項７に記載の燃料電池システム。
  13. 前記パージガスは水素ガスである、請求項７に記載の燃料電池システム。
  14. 前記水分交換器は全熱交換器である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  15. 触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、
    前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、
    前記酸化剤ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する酸化剤ガス排出路と、
    前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨がって設けられ、前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスとの間で水分交換を行うための水分交換器と、
    前記酸化剤ガス排出路の前記水分交換器より下流側の部分（以下、第１の部分）と、前記酸化剤ガス供給路の前記水分交換器より下流に位置する第１の接続点と、を接続し及び切り離すことによって、閉じたガス循環路を形成し及び解消するガス循環路形成／解消器と、
    前記ガス循環路内のガスを循環させるための送風器と、
    前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点と前記水分交換器との間の部分（以下、第２の部分）を大気に連通し及び遮断する大気連通／遮断器と、
    前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通させるガス排出路と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池システムの停止動作において、
    前記ガス循環路形成／解消器が前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続するステップと、
    前記大気連通／遮断器が前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続するステップと、
    前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスを供給するステップと、
    前記送風器が前記ガス循環路内のガスを循環させることによって前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスの間で水分交換を行わせるステップと、からなる燃料電池システムの運転方法。
  16. 触媒をそれぞれ含み、ガス拡散性を有するアノード及びカソードと、燃料ガスが前記アノードに接触して流れるように形成された燃料ガス内部流路と、酸化剤ガスが前記カソードに接触して流れるように形成された酸化剤ガス内部流路と、を有する燃料電池と、
    前記酸化剤ガス内部流路の上流端にその下流端が連通する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路の上流端に接続され該酸化剤ガス供給路を通じて前記酸化剤ガス内部流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給器と、
    前記酸化剤ガス内部流路の下流端にその上流端が連通する酸化剤ガス排出路と、
    前記酸化剤ガス供給路と前記酸化剤ガス排出路とに跨がって設けられ、前記酸化剤ガス供給路を通流する酸化剤ガスと、前記酸化剤ガス排出路を通流するガスとの間で水分交換を行うための水分交換器と、
    前記酸化剤ガス排出路の前記水分交換器より下流側の部分（以下、第１の部分）と、前記酸化剤ガス供給路の前記水分交換器より下流に位置する第１の接続点と、を接続し及び切り離すことによって、閉じたガス循環路を形成し及び解消するガス循環路形成／解消器と、
    前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点と前記水分交換器との間の部分（以下、第２の部分）を大気に連通させるガス排出路と、
    前記ガス循環路の前記酸化剤ガス供給路の第１の接続点より下流の部分にその下流端が接続されたパージガス供給路と、
    前記パージガス供給路の上流端に接続されたパージガス供給器と、
    前記ガス循環路を通って前記パージガスを循環させるための送風器と、
    前記酸化剤ガス供給路の前記第２の部分を大気に連通し及び遮断する大気連通／遮断器と、を備える、燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池システムの停止動作において、
    前記大気連通／遮断器が前記第２の部分の前記水分交換器側の部分を前記ガス排出路に接続するステップと、
    前記酸化剤ガス供給器が前記酸化剤ガスを供給するステップと、
    前記パージガス供給器が前記パージガスを供給して、前記酸化剤ガス内部流路及び前記酸化剤ガス排出路のガスをパージするステップと、
    前記ガス循環路形成／解消器が前記第１の部分の前記水分交換器側の部分を前記酸化剤ガス供給路の前記第１の接続点に接続するステップと、
    前記パージガス供給器が前記パージガスの供給を停止するステップと、
    前記送風器が作動して、前記パージガスが前記ガス循環路を通って循環するステップと、からなる、燃料電池システムの運転方法。
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