JP5186867B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、運転停止時に燃料電池内の残存燃料ガスを消費してから運転を停止する燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開２００６−１８５９０４号公報に記載されているように、運転停止時、燃料電池内の残存燃料ガスを消費してから停止するようにした燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、運転停止時に燃料ガスの供給を停止した後も燃料電池による発電を行い、燃料電池内の電池反応を継続させることで残存燃料ガスを消費するようにしている。
特開２００６−１８５９０４号公報 特開２００６−１７２８８９号公報 特開２００６−１２０４３０号公報 特許２５０１８７２号公報 特開平９−２５９９１３号公報

しかしながら、燃料ガスの供給を停止した状態で電池反応を継続させる場合、燃料ガスの残存量が低下するに従って発電面上での燃料ガスの分布にムラが生じやすくなる。その結果、発電面上において燃料ガスが存在する部分と、燃料ガスが欠乏している部分とができてしまう可能性が有る。

上記のような部分的な燃料ガスの欠乏が発電時に起こった場合、燃料電池の耐久性に深刻な影響を与えてしまうおそれがある。図１０は、燃料電池内にて部分的に燃料ガス（ここでは水素）が欠乏したときに生じる現象を模式的に示した図である。この図に示すように、水素が足りている部分と水素が欠乏した部分とがある場合、水素が足りている部分ではアノード側でもカソード側でも下記の正常な反応が起きている。この正常な電池反応によってアノードとカソードとの間に電圧が発生する。
（アノード） Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（カソード） １／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ

一方、水素が欠乏している部分では以下のような反応が起き、通常とは逆方向に向けて電流が流れることになる。
（アノード） １／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ
（カソード） Ｈ₂Ｏ → １／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-

さらに、水素が足りている部分での正常反応によってカソードが高電位になる結果、水素が欠乏している部分では、以下のような異常反応も起きてしまう。これらの異常な反応は触媒を劣化させて当該燃料電池の耐久性を著しく低下させてしまう。
（カーボンの酸化反応） １／２Ｃ＋Ｈ₂Ｏ → １／２ＣＯ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（Ｐｔの溶出反応） Ｐｔ → Ｐｔ²⁺＋２ｅ^-

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、運転の停止時、燃料電池の耐久性を低下させるような異常反応を生じさせることなく、燃料電池内の電池反応によって残存燃料ガスを消費できるようにした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、アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有し、運転停止時には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、発電によって前記燃料電池内の残存燃料ガスを消費させてから運転を停止する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から流れ出る、或いは、前記燃料電池に流れ込む電流を前記燃料電池の発電面に平行な面上に設置された複数の計測ポイントにて計測する部分電流計測手段と、
前記燃料電池のアノードガス流路の末端部に接続されて前記アノードガス流路内のガスを排出する排気弁と、
運転の停止処理時、少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が燃料ガスの欠乏を示す所定の基準値以下となったときには、前記排気弁の開度を周期的に変化させて前記アノードガス流路内に周期的な圧力変動を生じさせることで前記アノードガス流路内のガス流動を強化するガス流動強化手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有し、運転停止時には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、発電によって前記燃料電池内の残存燃料ガスを消費させてから運転を停止する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池から流れ出る、或いは、前記燃料電池に流れ込む電流を前記燃料電池の発電面に平行な面上に設置された複数の計測ポイントにて計測する部分電流計測手段と、
燃料ガスの供給源と前記燃料電池との間に設けられて前記供給源と前記燃料電池との連通を許容或いは遮断する供給弁と、
運転の停止処理時、少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が燃料ガスの欠乏を示す所定の基準値以下となったときには、前記供給弁の開度を周期的に変化させて前記燃料電池のアノードガス流路内に周期的な圧力変動を生じさせることで前記アノードガス流路内のガス流動を強化するガス流動強化手段と、
を備えることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
運転の停止処理時、少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が前記基準値よりも高い第２基準値以下となったときには、前記燃料電池の負荷電流を抑制する負荷電流抑制手段をさらに備えることを特徴としている。

また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有し、運転停止時には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、発電によって前記燃料電池内の残存燃料ガスを消費させてから運転を停止する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電面上における燃料ガスの欠乏を監視する監視手段と、
燃料ガスの供給源と前記燃料電池との間に設けられて前記供給源と前記燃料電池との連通を許容或いは遮断する供給弁と、
運転の停止処理時、前記監視手段によって燃料ガスの欠乏が検知若しくは推定されたときには、前記供給弁を開いて前記燃料電池への燃料ガスの供給を実施するとともに、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力に脈動を生じさせるように前記供給弁の開度を周期的に変動させる燃料ガス供給手段と、
を備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、運転の停止処理時に少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が燃料ガスの欠乏を示した場合には、排気弁の開度を周期的に変化させてアノードガス流路内に周期的な圧力変動を生じさせアノードガス流路内のガス流動を強化することによって燃料ガスの濃度分布を変化させることができ、それにより当該計測ポイントでの燃料ガスの欠乏を速やかに解消することができる。

第２の発明によれば、運転の停止処理時に少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が燃料ガスの欠乏を示した場合には、供給弁の開度を周期的に変化させてアノードガス流路内に周期的な圧力変動を生じさせアノードガス流路内のガス流動を強化することによって燃料ガスの濃度分布を変化させることができ、それにより当該計測ポイントでの燃料ガスの欠乏を速やかに解消することができる。

第３の発明によれば、運転の停止処理時に少なくとも１つの計測ポイントにおいて燃料ガスの欠乏が生じそうになったら負荷電流が抑制されるので、部分的な燃料ガスの欠乏が生じる確率を低減することができる。

また、第４の発明によれば、運転の停止処理時に燃料ガスの欠乏が検知若しくは推定された場合には、供給弁の開度を変動させることによってアノードガス流路内のガス圧力に脈動を与えることができ、その脈動の効果によってアノードガス流路内の燃料ガスの濃度分布の変化を促進することによって燃料ガスの欠乏を速やかに解消することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。

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模式的に示す図である。通常、燃料電池は、図１に示すように、複数の単位電池３０を積層してなる燃料電池スタック２として使用される。燃料電池システムは、この燃料電池スタック２によって発電してその電力をモータ等の電気的負荷６２に供給するシステムである。

単位電池３０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を一対の集電板で挟んだ構成になっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒電極が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位電池は、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。

燃料電池スタック２には、酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給路２０が接続されている。空気供給路２０にはエアコンプレッサ２２が配置されている。エアコンプレッサ２２の作動によって空気供給路２０に空気が取り込まれ燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給された空気は、燃料電池スタック２内に形成された供給マニホールドによって各単位電池３０のカソードに分配される。各単位電池３０のカソードを通過したガス（カソードガス）は、燃料電池スタック２内に形成された排出マニホールドに集められてカソードガス排出路２４に排出される。カソードガス排出路２４には背圧調整弁２６と希釈器２８が配置されている。

燃料電池スタック２には、燃料ガスとしての水素を供給するための水素供給路６が接続されている。水素は高圧水素タンク等の水素供給源４に蓄えられている。水素供給路６の途中には、その上流からシャット弁（供給弁）１０と可変調圧弁８が順に配置されている。水素は可変調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給された水素は、燃料電池スタック２内に形成された供給マニホールドによって各単位電池３０のアノードに分配される。各単位電池３０のアノードを通過したガス（アノードガス）は、燃料電池スタック２内に形成された排出マニホールドに集められてアノードガス循環路１２に排出される。

アノードガス循環路１２は、その先端を水素供給路６における可変調圧弁８の下流に接続され、その途中には循環ポンプ１４が配置されている。循環ポンプ１４を作動させることで、燃料電池スタック２から排出されたアノードガスは水素供給路６に送り込まれ、再び燃料電池スタック２に供給されることとなる。アノードガス循環路１２における循環ポンプ１４の上流には、アノードガス排出路１６がアノードガス循環路１２から分岐して設けられている。アノードガス排出路１６は、その先端を希釈器２８に接続され、途中には排気弁１８が配置されている。排気弁１８は閉状態をその基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合にのみ開くように制御されている。

さらに、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック２内に電流計測セル３２を備えている。電流計測セル３２は単位電池３０と同じ大きさであり、単位電池３０とともに積層されている。電流計測セル３２には複数の電流センサが埋め込まれていて、計測セル３２に隣接する単位電池３０から流れ出る、若しくは、単位電池３０に流れ込む電流（部分電流）を複数の計測ポイントにて計測できるようになっている。電流計測セル３２により計測された各計測ポイントでの計測電流値は、システムを制御する制御装置６０に送られるようになっている。

電流計測セル３２は、それが隣接する単位電池（以下、検査対象電池）３０の内部で生じる部分的な水素欠の検知に利用される。図２は、検査対象電池３０ａにおいて部分的な水素欠が生じた場合の検査対象電池３０ａの内部での電流の流れと、検査対象電池３０ａと隣接単位電池３０ｂ，３０ｃとの間での電流の流れとを模式的に示す図である。この図に示すように、電流計測セル３２は、電流の流れの方向（図中に白抜き矢印で示す）において計測対象電池３０ａの上流側に配置されている。

検査対象電池３０ａを含む各単位電池３０は、図２に示すように、電解質膜４０をカソード触媒層４２とアノード触媒層４４とで挟んで構成された膜電極接合体を備えている。そして、発電面であるカソード触媒層４２に沿って、カソード触媒層４２に空気を供給するためのカソードガス流路４６が形成されている。また、発電面であるアノード触媒層４２に沿って、アノード触媒層４４に水素を供給するためのアノードガス流路４８が形成されている。電流計測セル３２によって検知したい水素欠とは、アノードガス流路４８内の水素濃度の分布に偏りが生じ、それによって一部の領域において発電に必要な水素をアノード触媒層４４に供給できなくなることによって生じる現象である。

図２に示すように、検査対象電池３０ａのアノードガス流路４８において、その一部で水素が欠乏すると、その部分に接する膜電極接合体では、アノード触媒層４４での水素の欠乏を補うようにカソード触媒層４２側からアノード触媒層４４へ水素を供給する反応が起きてしまう。その結果、この部分では通常とは逆方向に向けて電流が流れることになる。図２中には、検査対象電池３０ａの内部における電流の流れを黒矢印で示している。

検査対象電池３０ａ内において電流が逆方向に流れている水素欠乏部分は、それを外部から観測したときには電池反応の無い欠陥部分となる。このため、隣接単位電池３０ｂからの電流は、水素欠乏部分を避けて水素のある部分に流れ込むことになる。検査対象電池３０ａと隣接単位電池３０ｂとの間に配置された電流計測セル３２では、隣接単位電池３０ｂから検査対象電池３０ａに流れ込む電流を複数の電流センサ３４ａ，３４ｂ，３４ｃによって計測する。このとき、水素のある部分に対応する位置の電流センサ３４ｂ，３４ｃでは電流が計測される。しかし、水素欠乏部分に対応する位置の電流センサ３４ａでは、検査対象電池３０ａに流れ込む電流がないために計測電流値はゼロとなる。

以上のように、複数の電流センサ３４ａ，３４ｂ，３４ｃを有する電流計測セル３２を検査対象電池３０ａに接して配置し、計測電流値がゼロとなった電流センサ３４ａを検出することで、検査対象電池３０ａ内での部分的な水素欠の発生を検知することができる。また、計測電流値がゼロとなった電流センサ３４ａのアノードガス流路４８上での位置によって、水素欠の発生位置を特定することもできる。

図３は、電流計測セル３２に埋め込まれている複数の電流センサ３４の位置を単位電池３０のアノードガス流路４８上に投影して示す平面図である。アノードガス流路４８は水素の供給マニホールド５０とオフガスの排出マニホールド５２とを接続している。ただし、図３はあくまでも模式図であって、アノードガス流路４８の形状や構成には限定はない。例えば、セパレータ（図示略）の表面に溝を形成し、その溝をアノードガス流路４８としてもよい。また、導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってアノードガス流路４８を形成してもよい。

図３に示すように、電流センサ３４は、アノードガス流路４８に沿ってその上流端から末端まで適宜の間隔で配置されている。このように発電面上での水素の流れに沿って電流計測セル３２を配置しておくことで、水素欠がどの部分で生じたとしても漏れなく検知することが可能になる。また、水素欠が生じる部分が水素の流れに沿って移動した場合でも、それを速やかに検知することができる。さらに、水素の流れに沿った部分電流の分布を計ることもできる。

なお、電流計測セル３２は、全ての単位電池３０のそれぞれに対応させて設けることもできる。しかし、通常、１つの燃料電池スタック２を構成する単位電池３０の数は数百枚にもなるため、それら全てについて電流計測セル３２を設けることはコストを著しく増大させてしまう。したがって、全単位電池３０のうち、最も水素欠が起こりやすい単位電池３０に限定して電流計測セル３２を設けることでもよい。図１に示す例では、燃料電池スタック２の水素供給口から遠い位置にあって、供給された水素が届きにくい単位電池３０にのみ電流計測セル３２を付設している。

次に、燃料電池システムの運転を停止する際の処理について説明する。運転停止時には、シャット弁１０を閉じて燃料電池スタック２への水素の供給を停止する。ただし、負荷６２への電流の供給は停止せず、水素の供給を停止した状態で発電を継続する。また、循環ポンプ１４によるアノードガスの循環も継続させる。これにより、循環系内に残存している水素は各単位電池３０の電池反応によって次第に消費されていき、やがて、循環系内のガスは不活性ガスに置き換わるようになる。そして、循環系内の残存水素が略消費されたことが確認されたら、燃料電池スタック２による発電を停止する。

上記の運転停止処理と併せて、本実施の形態の燃料電池システムでは、アノードガス流路４８内での部分的な水素欠を検知し、解消するための処理も実施される。水素の供給を停止した状態で電池反応を継続させる場合、水素の残存量が低下するに従ってアノードガス流路４８内での水素の濃度分布にムラが生じ、結果、部分的に水素が欠乏してしまう可能性が高くなるからである。部分的な水素欠を解消するための処理としては、アノードガス流路４８内のガスの流動を強化し、それにより水素濃度分布を強制的に変化させることが行われる。

図４は、本実施の形態で実行される水素欠解消制御のルーチンを示すフローチャートである。図４に示すルーチンは、システムの運転停止時に実行されるルーチンであり、システムを制御する制御装置６０によって一定の周期で実行されている。

図４に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、部分的な水素欠の発生の有無が判定される。電流センサ３４によって水素欠が検知された計測ポイント、つまり、電流センサ３４による部分電流の計測値がゼロになっている計測ポイントが存在する場合には、部分的な水素欠が発生していると判断される。図５には、部分的な水素欠が生じた場合の電流分布の一例を実線で示している。

判定の結果、部分的な水素欠の発生が認められた場合には、ステップＳ１０２の処理が実施される。ステップＳ１０２では、制御装置６０からの指令信号によって循環ポンプ１４の回転数が高められ、アノードガスの循環流量が増やされる。アノードガスの循環流量が増えることで、アノードガス流路４８内のガスの流動が強化されて水素濃度分布は均一化されていく。これにより、アノードガス流路４８内に生じていた部分的な水素の欠乏は解消される。図５には、循環流量の増量によって水素欠を解消した場合の電流分布の一例を破線で示している。

一方、ステップＳ１００の判定の結果、部分的な水素欠の発生が認められなかった場合には、次にステップＳ１０４の判定が行われる。ステップＳ１０４では、部分的な水素欠が発生するおそれの有無が判定される。電流センサ３４による部分電流の計測値が所定の基準値αまで低下した場合、部分的な水素欠が発生するおそれがあると判断される。なお、基準値αは水素欠の判定基準値であるゼロよりも大きい値に設定されている。図６には、部分的な水素欠が発生するおそれがある場合の電流分布の一例を実線で示している。

判定の結果、部分的な水素欠の発生のおそれが認められた場合には、ステップＳ１０６の処理が実施される。ステップＳ１０６では、制御装置６０からの指令信号によって負荷６２に供給される負荷電流が抑制される。負荷電流の抑制によって発電面上での水素の消費が緩和される結果、水素濃度分布の偏りは改善されていく。これにより、アノードガス流路４８内で部分的な水素の欠乏が生じる確率を低減することができる。図６には、負荷電流の抑制によって水素欠を回避した場合の電流分布の一例を破線で示している。なお、ステップＳ１０４の判定の結果、水素欠の発生のおそれも無い場合には本ルーチンは終了となる。

以上説明したルーチンが運転の停止処理と併せて実行されることで、本実施の形態の燃料電池システムによれば、単位電池３０の耐久性を低下させるような異常反応を生じさせることなく、単位電池３０の電池反応によって残存水素を処分してから運転を停止することができる。

なお、本実施の形態では、電流計測セル３２が本発明にかかる「部分電流計測手段」に相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。

図７は、本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。図７において実施の形態１の燃料電池システムと共通する部位又は部品については同一の符号を付している。また、それら共通する部位や部品についての説明は、その必要がある場合を除いて省略し、実施の形態１とは異なる構成について重点的に説明する。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１とはシステムの運転方法に違いが有る。実施の形態１の燃料電池システムでは、アノードガスを循環させながら発電する運転方法が採られている。これに対し、本実施の形態の燃料電池システムでは、アノードガスを燃料電池スタック２内に止めた状態で発電する運転方法が採られている。このため、図７に示すように、本実施の形態の燃料電池システムはアノードガスを循環させる構成を有しておらず、燃料電池スタック２にはアノードガス排出路６６が直接接続されている。アノードガス排出路６６は、その先端を希釈器２８に接続され、途中には排気弁６８が配置されている。排気弁６８は閉状態をその基本状態とし、制御装置６０からの指令信号によって開閉動作するように構成されている。

図８は、本実施の形態で実行される水素欠解消制御のルーチンを示すフローチャートである。図８に示すルーチンは、システムの運転停止時に実行されるルーチンであり、システムを制御する制御装置６０によって一定の周期で実行されている。なお、図８に示すルーチンにおいて実施の形態１で実行されるルーチンと同一内容の処理については、同一のステップ番号を付している。以下の説明では、実施の形態１とは異なる内容の処理について重点的に説明する。

図８に示すルーチンにおいて実施の形態１と異なるのは、ステップＳ１００の判定の結果、部分的な水素欠の発生が認められた場合の処理である。図８に示すルーチンではステップＳ１０８の処理が実施される。

ステップＳ１０８では、制御装置６０からの指令信号によって排気弁６８が周期的に開閉される。図９は、排気弁６８の動作とアノードガス流路４８内の圧力との関係を示した図である。この図に示すように、排気弁６８を周期的に開閉することによってアノードガス流路４８内の圧力にも周期的な変動が生じる。この圧力変動の作用によってアノードガス流路４８内のガスの流動が強化され、それにより水素濃度分布が変化することでアノードガス流路４８内に生じていた部分的な水素の欠乏は解消される。

ステップＳ１００の判定の結果、部分的な水素欠の発生が認められなかった場合には、ステップＳ１０２，Ｓ１０４の処理が実施される。これらの処理の内容は実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

以上説明したルーチンが運転の停止処理と併せて実行されることで、本実施の形態のように、アノードガスを燃料電池スタック２内に止めた状態で発電する燃料電池システムであっても、単位電池３０の耐久性を低下させるような異常反応を生じさせることなく、単位電池３０の電池反応によって残存水素を処分してから運転を停止することができる。

なお、本実施の形態では、制御装置６０によって図８に示すルーチンのステップＳ１００及びＳ１０８の処理が実行されることで、第１の発明にかかる「ガス流動強化手段」が実現されている。本実施の形態では排気弁６８を周期的に開閉させているが、「ガス流動強化手段」としては排気弁６８を開いた状態でその開度を周期的に変化させることでもよい。また、制御装置６０によってステップＳ１０４及びＳ１０６の処理が実行されることで、第３の発明にかかる「負荷電流抑制手段」が実現されている。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、電流センサ３４の計測電流値がゼロになっている計測ポイントの有無で水素欠の発生を判定している。しかし、電流センサ３４の出力値には誤差が含まれている可能性もあるので、その出力誤差を考慮してゼロよりも僅かに高い値を水素欠の判定基準値として設定してもよい。

また、上記実施の形態では、アノードガス流路４８に沿ってその上流端から末端まで適宜の間隔で電流センサ３４を配置しているが、特に水素欠が生じやすい部分に限定して電流センサ３４を配置するのでもよい。例えば、アノードガス流路４８の末端部と、ガスの流れに淀みが生じやすい部分とである。淀み部分はアノードガス流路４８の形状や構成によって予め特定しておくことができる。

また、ガスの流動を強化する手段としては、シャット弁（開閉弁）１０を一時的に開いてその開度を変化させることでもよい。シャット弁１０が開かれることで欠乏分を補うだけの水素がアノードガス流路４８内に供給される。さらに、シャット弁１０の開度を周期的に変化させることによってアノードガス流路４８内の圧力にも周期的な変動が生じる。この圧力変動の作用によってアノードガス流路４８内のガスの流動が強化され、それにより水素濃度分布が変化することでアノードガス流路４８内に生じていた部分的な水素の欠乏は速やかに解消される。

また、上記実施の形態では、電流センサ３４によって部分電流を計測することで燃料ガスの欠乏を監視しているが、燃料電池モデルを用いた燃料ガス濃度分布の推定計算によって監視してもよい。つまり、燃料ガスの欠乏を監視する監視手段としては、燃料ガスの欠乏を実際に検知するものの他、燃料電池３０の内部状態に関する種々の情報から推定するものであってもよい。燃料ガスの欠乏が検知若しくは推定されたときにシャット弁１０を開くようにすることで、第４の発明に係る「燃料ガス供給手段」が実現されることになる。その際、好ましくはシャット弁１０の開度を変動させ、アノードガス流路４８内のガス圧力に脈動を生じさせるようにする。

本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 部分的な水素欠が生じたときの単位電池内部における電流の流れと隣接する単位電池間の電流の流れとを模式的に示す図である。 電流センサの位置をアノードガス流路上に投影して示す平面図である。 本発明の実施の形態１で実行される水素欠解消制御のルーチンを示すフローチャートである。 部分的な水素欠が生じた場合の電流分布と、循環流量の増量によって水素欠を解消した場合の電流分布とを比較して示す図である。 水素欠のおそれがある場合の電流分布と、負荷電流の抑制によって水素欠を回避した場合の電流分布とを比較して示す図である。 本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２で実行される水素欠解消制御のルーチンを示すフローチャートである。 排気弁を開閉することによる効果を示す図である。 燃料電池内にて部分的に水素が欠乏したときに生じる現象を模式的に示した図である。

符号の説明

２ 燃料電池スタック
４ 水素供給源
６ 水素供給路
８ 可変調圧弁
１０ シャット弁
１２ アノードガス循環路
１４ 循環ポンプ
１６ アノードガス排出路
１８ 排気弁
２０ 空気供給路
２２ エアコンプレッサ
２４ カソードガス排出路
２６ 背圧調整弁
２８ 希釈器
３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 単位電池（燃料電池）
３２ 電流計測セル
３４，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ 電流センサ
４０ 電解質膜
４２ カソード触媒層
４４ アノード触媒層
４６ カソードガス流路
４８ アノードガス流路
５０ 供給マニホールド
５２ 排出マニホールド
６０ 制御装置
６２ 負荷
６６ アノードガス排出路
６８ 排気弁

Claims (4)

1. アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有し、運転停止時には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、発電によって前記燃料電池内の残存燃料ガスを消費させてから運転を停止する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から流れ出る、或いは、前記燃料電池に流れ込む電流を前記燃料電池の発電面に平行な面上に設置された複数の計測ポイントにて計測する部分電流計測手段と、
   前記燃料電池のアノードガス流路の末端部に接続されて前記アノードガス流路内のガスを排出する排気弁と、
   運転の停止処理時、少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が燃料ガスの欠乏を示す所定の基準値以下となったときには、前記排気弁の開度を周期的に変化させて前記アノードガス流路内に周期的な圧力変動を生じさせることで前記アノードガス流路内のガス流動を強化するガス流動強化手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有し、運転停止時には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、発電によって前記燃料電池内の残存燃料ガスを消費させてから運転を停止する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から流れ出る、或いは、前記燃料電池に流れ込む電流を前記燃料電池の発電面に平行な面上に設置された複数の計測ポイントにて計測する部分電流計測手段と、
   燃料ガスの供給源と前記燃料電池との間に設けられて前記供給源と前記燃料電池との連通を許容或いは遮断する供給弁と、
   運転の停止処理時、少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が燃料ガスの欠乏を示す所定の基準値以下となったときには、前記供給弁の開度を周期的に変化させて前記燃料電池のアノードガス流路内に周期的な圧力変動を生じさせることで前記アノードガス流路内のガス流動を強化するガス流動強化手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 運転の停止処理時、少なくとも１つの計測ポイントにおいて部分電流の計測値が前記基準値よりも高い第２基準値以下となったときには、前記燃料電池の負荷電流を抑制する負荷電流抑制手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有し、運転停止時には、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、発電によって前記燃料電池内の残存燃料ガスを消費させてから運転を停止する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電面上における燃料ガスの欠乏を監視する監視手段と、
   燃料ガスの供給源と前記燃料電池との間に設けられて前記供給源と前記燃料電池との連通を許容或いは遮断する供給弁と、
   運転の停止処理時、前記監視手段によって燃料ガスの欠乏が検知若しくは推定されたときには、前記供給弁を開いて前記燃料電池への燃料ガスの供給を実施するとともに、前記燃料電池に供給される燃料ガスの圧力に脈動を生じさせるように前記供給弁の開度を周期的に変動させる燃料ガス供給手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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