JP5483162B2 - 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、固体酸化物型の燃料電池とこの燃料電池から外部負荷へ電力供給を行う前に燃料電池の空気極及び燃料極に電流を印加するための通電手段を備えた燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。
燃料電池システムの運転方法としては、例えば特許文献１に記載されているように、固体酸化物型燃料電池の運転に先立って、少なくとも１．０Ａ／ｃｍ２以上の電流をセルに印加することにより、出力の向上を図ったものがある。燃料電池に電流を印加すると出力が向上することは、通電効果として一般に知られており、高電流の印加により大きな通電効果が得られることも周知である。
特開２００４−２５９６４１号公報
しかしながら、上記したような従来の燃料電池システム及びその運転方法にあっては、起動時において大きな通電効果を得るために燃料電池に高電流を印加すると、これに伴って大量の燃料ガスを消費することから、燃費が低下するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、通電時において燃料電池に低電流を印加しても大きな通電効果を得ることができ、燃費の向上を実現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目的としている。
本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガス及び燃料ガスを導入して電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から外部負荷へ電力供給を行う前に燃料電池の空気極及び燃料極に電流を印加するための通電手段と、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段と、通電手段の作動時における酸化剤ガス中の酸素分圧が燃料電池の通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように酸素分圧調整手段を制御する制御手段と、燃料電池の空気極側の酸化剤ガス中の酸素分圧を検出する第１酸素分圧検出手段と、燃料電池の燃料極に導入する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整手段と、燃料電池の燃料極側の酸素分圧を検出する第２酸素分圧検出手段とを備え、酸素分圧調整手段が、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中に、燃料電池の空気極及び燃料極のうちの少なくとも一方からの排出ガスを混入させる排出ガス混合手段を備えており、制御手段が、第１酸素分圧検出手段による検出値に基づいて、通電手段の作動時における酸化剤ガス中の酸素分圧が燃料電池の通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように酸素分圧調整手段を制御すると共に、第２酸素分圧検出手段による検出値に基づいて、通電手段の作動時における燃料ガスの流量を燃料流量調整手段により制御する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記の燃料電池システムを運転する方法である。そして、燃料電池システムの運転方法は、通電手段の作動時において、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を通常運転時の酸素分圧よりも減少させると共に、燃料電池の燃料極側の酸素分圧を検出し、その検出値が所定値を越えた場合に燃料電池の燃料極に導入する燃料ガスの流量を増加させることを特徴としている。
本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、通電時において燃料電池に低電流を印加しても大きな通電効果（出力向上）を得ることができ、通電時の燃料ガス消費量を減少させて、燃費の向上を実現することができる。
また、上記の燃料電池システムは、第１及び第２の酸素分圧検出手段を用いて酸素分圧調整手段及び燃料流量調整手段をフィードバック制御するので、酸素分圧の調整がより正確に行われ、燃料ガスが減少し過ぎた際に燃料ガスを増加させることで、燃料極を還元雰囲気に戻し、これにより燃料極の酸化を防止することができる。
さらに、上記の燃料電池システムは、酸素分圧の調整に燃料電池の排出ガスを循環利用するので、特別なガス供給源が不要であり、構造の小型軽量化を図ることができ、例えば車載型の燃料電池システムのように容積が限られたシステムで非常に有効なものとなる。
本発明の燃料電池システムの運転方法において、酸化剤ガス中の酸素分圧のみを制御する場合の基本構成を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの運転方法において、酸化剤ガス中の酸素分圧と燃料ガスの流量の両方を制御する場合の基本構成を説明するフローチャートである。 本発明の燃料電池システムの第１実施形態を説明するブロック図（Ａ）及び燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）である。 本発明の燃料電池システムの第２実施形態を説明するブロック図（Ａ）及び燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）である。 本発明の燃料電池システムの第３実施形態を説明するブロック図（Ａ）、燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）、及び排出ガス混合手段の他の例を示す説明図（Ｃ）である。 本発明の燃料電池システムの第４実施形態を説明するブロック図（Ａ）及び燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）である。 本発明の燃料電池システムの第５実施形態を説明するブロック図（Ａ）及び燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）である。 本発明の燃料電池システムの第６実施形態を説明するブロック図（Ａ）及び燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）である。 本発明の燃料電池システムの第７実施形態を説明するブロック図（Ａ）及び燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャート（Ｂ）である。 本発明の燃料電池システム及びその運転方法の実験結果を示すグラフである。
本発明の燃料電池システムは、基本構成として、酸化剤ガス及び燃料ガスを導入して電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池から外部負荷へ電力供給を行う前に燃料電池の空気極及び燃料極に電流を印加するための通電手段と、燃料電池に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段と、酸素分圧調整手段を制御する制御手段を備えている。この燃料電池システムの具体的な構成は、後記する各実施形態において説明する。
上記燃料電池システムの運転方法は、燃料電池から外部負荷へ電力供給を行う前に燃料電池に通電を行う際、燃料電池に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧のみを制御する。また、より望ましくは、酸素分圧の制御に加えて、燃料電池に導入する燃料ガスの流量をも制御する。
すなわち、図１に示す燃料電池システムの運転方法は、酸化剤ガス中の酸素分圧の制御を行うものである。まず、ステップＳ１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ２において、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧が通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように調整する。
ここで、酸化剤ガス中の酸素分圧は、酸化剤ガスの流量計、分圧計及び酸素センサなどで検出することができると共に、実験により適正値を求めて予め設定しておくこともできる。また、酸化剤ガス中の酸素分圧を調整する手段としては、酸化剤ガスの流量（絶対量）を変化させて酸素分圧を調整するものや、酸化剤ガス中に別のガスを混合して酸素分圧を調整するものを用いることができる。
次に、燃料電池システムの運転方法は、ステップＳ３において、空気極側の酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ２に戻る。また、酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ４において所定の通電処理をしたか否かを判定する。
ここで、ステップＳ４における通電処理の判定は、時間経過、電圧値（又は電圧増加率）、電流値（又は電流増加率）、及び抵抗値（又は抵抗減少率）のいずれかにより判定することができると共に、実験により適正値を求めて予め設定しておくこともできる。
そして、ステップＳ４において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ５に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ６において燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧が通常運転時の値となるように調整し、ステップＳ７において通常運転時の酸素分圧になったか否かを判定する。ステップＳ７において、通常運転時の酸素分圧ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ６に戻り、通常運転時の酸素分圧であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ８に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムの運転方法では、通電手段の作動時において、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を通常運転時の酸素分圧よりも減少させることで、燃料電池に印加する電流が低くても大きな通電効果を得ることができる。これにより、通電時の燃料ガス消費量が減少し、燃費が向上すると共に、出力の向上や高電流での劣化防止などの効果がある。
図２に示す本発明の燃料電池システムの運転方法は、酸化剤ガス中の酸素分圧の制御と燃料電池に導入する燃料ガスの流量の制御の両方を行うものである。まず、ステップＳ１１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ１２において、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧が通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように調整すると共に、燃料電池の燃料極に導入する燃料ガスの流量を調整する。
ここで、燃料ガスの流量は、実験により適正値を求めて予め設定しておくこともできるし、燃料電池に流れる電流を電流計で検知し、その電流値を基に算出した燃料ガス消費量に基づいて調整しても良い。
次に、燃料電池システムの運転方法は、ステップＳ１３において、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１２に戻る。また、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内であるか否かを判定する。
ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内ではないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１５において燃料ガスの流量を増加させてから、ステップＳ１４に戻る。また、燃料極側の酸素分圧が所定値以内であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ１６において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１７に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ１８において燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧、及び燃料極に導入する燃料ガスの流量が、いずれも通常運転時の値となるように調整し、ステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧になったか否かを判定する。このステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１８に戻り、通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムの運転方法では、通電手段の作動時において、酸化剤ガス中の酸素分圧の制御に加えて、燃料電池の燃料極に導入する燃料ガスの流量の節約モードを有するものとなり、燃料ガス消費量をより減少させて燃費のさらなる向上を実現する。
また、上記の燃料電池システムの運転方法では、ステップＳ１４及びＳ１５の工程、すなわち燃料極側の酸素分圧を検出し、その検出値が所定値を越えた場合（所定値以内ではない場合）に燃料ガスの流量を増加させる。これにより、燃料極の酸化を防止することができる。つまり、上記運転方法では、燃料ガスの流量を減少させるのであるが、減少させ過ぎて燃料極が酸化雰囲気になると、燃料極が劣化する場合がある。そこで、燃料ガスが減少し過ぎた際（酸素分圧が高くなった際）に燃料ガスを増加させることで、燃料極を還元雰囲気に戻すようにしている。
以下、図面に基づいて、本発明に係わる燃料電池システム及びその運転方法の実施形態をより具体的に説明する。
図３は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第１実施形態を説明する図である。図３（Ａ）に示す燃料電池システムＡ１は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、通電手段１１と、酸素分圧調整手段としての電磁バルブ１２と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵを備えている。
燃料電池ＦＣは、内部の図示を省略したが、電解質の両側に空気極（カソード）及び燃料極（アノード）を設けた固体酸化物型セルを複数積層したスタック構造を有し、酸化剤ガス（空気）及び燃料ガス（含水素ガス）を導入して電気化学反応により発電する。
外部負荷１０は、燃料電池ＦＣから電力供給されるモータ等であり、負荷接断スイッチ１４を含む接続回路１５を介して、燃料電池ＦＣに接続してある。なお、図１における外部負荷１０は、「電球」を模して表示している。
通電手段１１は、燃料電池ＦＣから外部負荷１０に電力供給を行う前に燃料電池ＦＣの燃料極及び空気極に電流を印加するものである。この実施形態の通電手段１１は、燃料電池ＦＣの燃料極と空気極とを短絡させることで通電を行う構成になっていて、開閉スイッチ１６を備えている。なお、通電手段１１は、後記する実施形態（図４）に示すように、燃料電池ＦＣの燃料極及び空気極に電流を印加する電源を備えたものでも良い。
酸素分圧調整手段は、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を調整するためのものである。この実施形態の酸素分圧調整手段は、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスの流量を変化させることにより酸素分圧を調整するものであり、具体的には先述の如く電磁バルブ１２である。
第１酸素分圧検出手段１３は、燃料電池ＦＣの空気極側の酸化剤ガス中の酸素分圧を検出するものであり、具体的には、酸化剤ガスの流量計、分圧計及び酸素センサなどを用いることができる。
コントロールユニット（制御手段）ＣＵは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等から成る中央制御部、ハードディスク、及び半導体メモリ等から成るメモリとを備えたものである。そして、コントロールユニットＣＵは、中央制御部に所要の機能を発揮させるためのプログラムが記憶させてある。
この実施形態におけるコントロールユニットＣＵは、通電手段１１の作動時における酸化剤ガス中の酸素分圧が燃料電池ＦＣの通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように電磁バルブ（酸素分圧調整手段）１２を制御する。この際、第１酸素分圧検出手段１３による検出値に基づいて電磁バルブ１２を制御する
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ１の運転方法を図３（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図１で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ２において燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスの流量を調整する。すなわち、酸素分圧調整手段である電磁バルブ１２の開度を小さくして酸化剤ガスの流量を減少させることで、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を、通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少させる。
次に、燃料電池システムの運転方法は、ステップＳ３において、空気極側の酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定する。この際、酸素分圧は、第１酸素分圧検出手段１３により検出する。その後、ステップＳ３において、酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ２に戻り、酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ４において所定の通電処理をしたか否かを判定する。このように、この実施形態の運転方法では、第１酸素分圧検出手段１３による検出値により電磁バルブ１２の開度をフィードバック制御する。
そして、ステップＳ４において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ５に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ６において燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスの流量を調整する。すなわち、電磁バルブ１２の開度を大きくして酸化剤ガスの流量を増大させることで、酸化剤ガス中の酸素分圧が通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ７において通常運転時の酸素分圧になったか否かを判定する。ステップＳ７において、通常運転時の酸素分圧ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ６に戻り、通常運転時の酸素分圧であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ８に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムＡ１及びその運転方法では、通電手段１１の作動時において、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスの流量を減少させることで、酸化剤ガス中の酸素分圧を通常運転時の酸素分圧よりも減少させる。これにより、非常に簡単な構造であるうえに、燃料電池ＦＣに印加する電流が低くても大きな通電効果を得ることができ、通電時の燃料ガス消費量を減少させて燃費を向上させることができる。また、第１酸素分圧検出手段１３を用いて電磁バルブ（酸素分圧調整手段）１２をフィードバック制御するので、酸素分圧の調整がより正確に行われる。
図４は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第２実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図４（Ａ）に示す燃料電池システムＡ２は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、通電手段１１と、酸素分圧調整手段としてのガス供給手段１７と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵを備えている。
ガス供給手段１７は、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガス中に、その酸素分圧よりも低い酸素分圧のガスを混入させることで、酸素分圧を調整するものであり、ガスボンベ等のガス貯蔵機器や配管類により構成される。この低酸素分圧のガスとしては、とくに限定されるものではないが、不活性なガスがより好ましく、具体的にはＮ２，Ａｒ，ＣＯ２などのガスを使用することができる。
この実施形態の通電手段１１は、電源１８を備えており、燃料電池ＦＣの燃料極及び空気極に電流を印加する。
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ２の運転方法を図４（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図１で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ２において燃料電池ＦＣの酸化剤ガスの導入経路に対して、ガス供給手段１７から低酸素分圧のガスを供給する。これにより、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を、通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少させる。
次に、燃料電池システムの運転方法は、ステップＳ３において、第１酸素分圧検出手段１３により、空気極側の酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定する。ステップＳ３において、酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ２に戻り、酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ４において所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ４において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ５に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ６において燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスの酸素分圧を調整する。すなわち、ガス供給手段１７による低酸素分圧のガスの供給を停止して、酸化剤ガス中の酸素分圧が通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ７において通常運転時の酸素分圧になったか否かを判定する。ステップＳ７において、通常運転時の酸素分圧ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ６に戻り、通常運転時の酸素分圧であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ８に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムＡ２及びその運転方法にあっても、先の実施形態と同様に、燃料電池ＦＣに印加する電流が低くても大きな通電効果を得ることができ、通電時の燃料ガス消費量を減少させて燃費を向上させることができる。
図５は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第３実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図５（Ａ）に示す燃料電池システムＡ３は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、短絡により通電を行う通電手段１１と、酸素分圧調整手段としての排出ガス混合手段１９と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵを備えている。
排出ガス混合手段１９は、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガス中に、燃料電池ＦＣの空気極の排出ガスを混入させて、酸化剤ガス中の酸素分圧を減少させるものである。この実施形態の排出ガス混合手段１９は、燃料電池ＦＣの空気極の排出ガスを導入側に戻すリターン配管２０、電磁バルブ２１及び排出ガスを加圧するブロア２２を備えている。排出ガスは、燃料電池ＦＣの電極反応で酸素が消費されるため、空気極に導入する酸化剤ガスよりも酸素濃度が低くなっている。
また、この実施形態では、燃料電池ＦＣの空気極に対して、電磁バルブ１２及び第１酸素分圧検出手段１３が設けてあり、他方、燃料極に対して、導入する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整手段としての電磁バルブ２３を備えている。さらに、この実施形態では、通電手段１１の作動時における燃料ガスの流量が予め設定してあり、上記電磁バルブ２３を一定の開度にする。
この実施形態のコントロールユニット（制御手段）ＣＵは、通電手段１１の作動時における酸化剤ガス中の酸素分圧が燃料電池ＦＣの通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように排出ガス混合手段（酸素分圧調整手段）１９を制御すると共に、電磁バルブ（燃料流量調整手段）２３で燃料ガス流量を制御する。
また、この実施形態の燃料電池システムＡ３は、燃料流量調整手段である電磁バルブ２３と、燃料電池ＦＣの燃料極側の酸素分圧を検出する第２酸素分圧検出手段２４を備えている。コントロールユニット（制御手段）ＣＵは、第２酸素分圧検出手段２４による検出値に基づいて電磁バルブ（燃料流量調整手段）２３を制御する。
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ２の運転方法を図５（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図２で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御と燃料ガスの流量の制御の両方を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ１２において、燃料電池ＦＣの空気極に対して、酸化剤ガスの流量を制御すると共に、排出ガス混合手段１９による排出ガスの加圧供給を開始し、且つ燃料極に対して、燃料ガスの流量を制御する。すなわち、電磁バルブ１２の開度及び排出ガス混合手段１９のブロア２２を制御して、空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を、通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少させ、さらに、燃料ガスの導入経路における電磁バルブ２３の開度を小さくして、燃料ガスの流量も減少させる。
次に、ステップＳ１３において、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１２に戻る。また、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において、第２酸素分圧検出手段２４により燃料極側の酸素分圧が所定値以内であるか否かを判定する。
ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内ではないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１５において燃料ガスの流量を増加させてから、ステップＳ１４に戻る。また、燃料極側の酸素分圧が所定値以内であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ１６において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１７に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ１８において、排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を停止すると共に、燃料電池ＦＣに導入する酸化剤ガス中の酸素分圧及び燃料ガスの流量が、いずれも通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量になったか否かを判定する。このステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１８に戻り、通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
ここで、上記の実施形態では、酸素分圧調整手段である排出ガス混合手段１９が、ブロア２２を備えていて、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスのガス流路に対して排出ガスを加圧により供給するものとなっている。この排出ガス混合手段１９は、上記ブロア２２のほかに、燃料電池ＦＣの空気極に導入する酸化剤ガスのガス流路を減圧することで排出ガスを負圧により供給するものでも良い。
具体的な構成としては、図５（Ｃ）に示すように、燃料電池ＦＣへの酸化剤ガスの導入管２５に小径部２５Ａを設けて、この小径部２５Ａにリターン管２０を接続する。図示の構造においては、小径部２５Ａにおいて酸化剤ガスの流速が増加し、これにより圧力が低下するので、その負圧によりリターン管２０から排出ガスが吸引されて酸化剤ガスと排出ガスとが混合し、酸化剤ガス中の酸素分圧を減少させることとなる。
上記の燃料電池システムＡ３及びその運転方法にあっても、先の実施形態と同様に、燃料電池ＦＣに印加する電流が低くても大きな通電効果を得ることができるうえに、通電時において、酸化剤ガス中の酸素分圧の制御に加えて、燃料電池ＦＣの燃料極に導入する燃料ガスの流量を節約モードに設定することにより燃費のさらなる向上を実現する。
さらに、上記の燃料電池システムＡ３の運転方法では、酸素分圧の調整に燃料電池の排出ガスを循環利用するので、特別なガス供給源が不要であり、構造の小型軽量化を図ることができる。本実施形態は、例えば車載型の燃料電池システムのように容積が限られたシステムで非常に有効なものとなる。
さらに、上記の燃料電池システムＡ３及びその運転方法では、第１及び第２の酸素分圧検出手段１３，２４を用いて酸素分圧調整手段（電磁バルブ１２）及び燃料流量調整手段（電磁バルブ２３）をフィードバック制御するので、酸素分圧の調整がより正確に行われる。また、上記の燃料電池システムＡ３及びその運転方法では、燃料ガスが減少し過ぎた際（燃料極側の酸素分圧が高くなった際）に燃料ガスを増加させることで、燃料極を還元雰囲気に戻し、これにより燃料極の酸化を防止する。
図６は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第４実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図６（Ａ）に示す燃料電池システムＡ４は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、通電手段１１と、酸素分圧調整手段としての排出ガス混合手段１９と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵを備えている。
また、この実施形態の燃料電池システムＡ４は、燃料流量調整手段である電磁バルブ２３と、燃料電池ＦＣの燃料極側の酸素分圧を検出する第２酸素分圧検出手段２４を備えている。コントロールユニット（制御手段）ＣＵは、第２酸素分圧検出手段２４による検出値に基づいて電磁バルブ（燃料流量調整手段）２３を制御する。
この実施形態の排出ガス混合手段１９は、先の実施形態のもの（図５参照）と同様に、リターン配管２０、電磁バルブ２１及びブロア２２から成るものであるが、先の実施形態では空気極の排出ガスを循環利用したのに対して、この実施形態では燃料極の排出ガスを循環利用する。このため、排出ガス混合手段１９は、酸化剤ガスと排出ガスの混合器２６を備えている。この燃料極の排出ガスにあっても、空気極に導入する酸化剤ガスよりも酸素濃度が低く、先の実施形態の低酸素分圧のガスと同等である。
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ４の運転方法を図６（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図２で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御と燃料ガスの流量の制御の両方を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ１２において、燃料電池ＦＣに流れる電流値に基づいて、燃料ガス消費量を演算する。その演算結果に基づいて、燃料ガスの流量を制御すると共に、排出ガス混合手段１９による排出ガスの加圧供給を開始し、且酸化剤ガスの流量を制御する。すなわち、電磁バルブ１２の開度及び排出ガス混合手段１９のブロア２２を制御して、空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を、通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少させ、さらに、燃料ガスの導入経路における電磁バルブ２３の開度を小さくして、燃料ガスの流量も減少させる。
次に、ステップＳ１３において、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１２に戻る。また、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において、第２酸素分圧検出手段２４により燃料極側の酸素分圧が所定値以内であるか否かを判定する。
ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内ではないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１５において燃料ガスの流量を増加させてから、ステップＳ１４に戻る。また、燃料極側の酸素分圧が所定値以内であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ１６において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１７に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ１８において、排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を停止すると共に、燃料電池ＦＣに導入する酸化剤ガス中の酸素分圧及び燃料ガスの流量が、いずれも通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量になったか否かを判定する。このステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１８に戻り、通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムＡ４及びその運転方法にあっても、先の実施形態と同様に、燃料電池ＦＣに印加する電流が低くても大きな通電効果を得ることができるうえに、通電時の燃料ガス消費量をさらに減少させて燃費のさらなる向上を実現することができる。また、酸素分圧の調整に燃料電池ＦＣの排出ガスを循環利用するので、特別なガス供給源が不要であり、構造の小型軽量化を図ることができる。この実施形態の構成は、例えば車載型の燃料電池システムのように容積が限られたシステムで非常に有効なものとなる。
さらに、上記の燃料電池システムＡ４及びその運転方法では、第１及び第２の酸素分圧検出手段１３，２４を用いて酸素分圧調整手段（電磁バルブ１２）及び燃料流量調整手段（電磁バルブ２３）をフィードバック制御するので、酸素分圧の調整がより正確に行われる。また、上記の燃料電池システムＡ４及びその運転方法では、燃料ガスが減少し過ぎた際（燃料極側の酸素分圧が高くなった際）に燃料ガスを増加させることで、燃料極を還元雰囲気に戻し、これにより、燃料極の酸化を防止する。
そしてさらに、上記の燃料電池システムＡ４及びその運転方法では、燃料電池ＦＣの燃料極の排出ガスを循環利用することから、その排出ガスに含まれる燃料成分と酸化剤ガスとを混合燃焼させて、その熱を燃料電池ＦＣへの熱供給に利用することができる。例えば、その熱を燃料電池ＦＣの起動時の昇温などに用いることにより、総合的な効率がより高められる。
図７は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第５実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図７（Ａ）に示す燃料電池システムＡ５は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、通電手段１１と、酸素分圧調整手段としての排出ガス混合手段１９と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵと、燃料流量調整手段である電磁バルブ２３と、第２酸素分圧検出手段２４を備えている。
この実施形態の排出ガス混合手段１９は、燃料電池ＦＣの空気極及び燃料極の両方の排出ガスを循環利用するものである。すなわち、排出ガス混合手段１９は、空気極からの第１リターン管２０Ａ及び電磁バルブ２１Ａと、燃料極からの第２リターン管２０Ｂ及び電磁バルブ２１Ｂを備えている。また、排出ガス混合手段１９は、空気極及び燃料極からの排出ガスを導入する熱交換器２７と、加熱器２８と、加熱器２８に並列なバイパス管２９及び電磁バルブ３０と、混合器２６を備えている。
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ５の運転方法を図７（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図２で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御と燃料ガスの流量の制御の両方を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ１２において、燃料電池ＦＣに流れる電流値に基づいて、燃料ガス消費量を演算する。その演算結果に基づいて、燃料ガスの流量を制御すると共に、排出ガス混合手段１９による排出ガスの加圧供給を開始し、酸化剤ガスの流量を制御する。
この際、この実施形態の燃料電池システムＡ５では、排出ガス混合手段１９において、空気極の排出ガスと燃料極の排出ガスとを熱交換器２７に導入し、これらの排出ガスを混合燃焼させる。そして、燃焼ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行って、燃料電池ＦＣに導入する酸化剤ガスを予熱し、高効率化を図る。また、上記の燃焼ガスは、酸素濃度が低いので、酸化剤ガスに混合することで、酸化剤ガス中の酸素分圧を減少させることができる。
次に、ステップＳ１３において、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１２に戻る。また、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において、第２酸素分圧検出手段２４により燃料極側の酸素分圧が所定値以内であるか否かを判定する。
ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内ではないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１５において燃料ガスの流量を増加させてから、ステップＳ１４に戻る。また、燃料極側の酸素分圧が所定値以内であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ１６において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１７に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ１８において、排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を停止すると共に、燃料電池ＦＣに導入する酸化剤ガス中の酸素分圧及び燃料ガスの流量が、いずれも通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量になったか否かを判定する。このステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１８に戻り、通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムＡ５及びその運転方法にあっても、先の実施形態と同様に、大きな通電効果の確保、燃費のさらなる向上、酸素分圧のより正確な調整、燃料極の酸化防止、及び排出ガス利用による熱効率の向上を実現することができる。
図８は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第６実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図８（Ａ）に示す燃料電池システムＡ６は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、通電手段１１と、酸素分圧調整手段としての排出ガス混合手段１９と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵと、第２酸素分圧検出手段２４を備えている。
この実施形態の燃料電池システムＡ６は、燃料電池ＦＣの空気極及び燃料極の両方の排出ガスを循環利用するものである。すなわち、空気極からの第１リターン管２０Ａ及び電磁バルブ２１Ａと、燃料極からの第２リターン管２０Ｂ及び電磁バルブ２１Ｂを備えている。また、空気極及び燃料極からの排出ガスを導入する熱交換器２７と、燃料ガスの改質器３１を備えている。
この実施形態の排出ガス混合手段１９は、上記の熱交換器２７を経た排出ガス（燃焼ガス）を低酸素分圧ガスとして酸化剤ガスに混合させるための電磁バルブ３２及びブロア２２を備えている。
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ６の運転方法を図８（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図２で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御と燃料ガスの流量の制御の両方を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ１２において、空気極に導入する酸化剤ガスの流量と、燃料極に導入する燃料ガスの流量を制御すると共に、空気極に排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を開始する。
この際、この実施形態の燃料電池システムＡ６では、空気極の排出ガスと燃料極の排出ガスとを熱交換器２７に導入し、これらの排出ガスを混合燃焼させる。そして、燃焼ガスと燃料ガスとの間で熱交換を行って、改質器３１に導入する燃料ガスを予熱し、この燃料ガスを改質器３１で改質して燃料極に導入する。また、排出ガス混合手段（酸素分圧調整手段）１９により、上記の熱交換後の燃焼ガスを酸化剤ガスに供給することで、酸化剤ガス中の酸素分圧を減少させる。
次に、ステップＳ１３において、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１２に戻る。また、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において、第２酸素分圧検出手段２４により燃料極側の酸素分圧が所定値以内であるか否かを判定する。
ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内ではないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１５において燃料ガスの流量を増加させてから、ステップＳ１４に戻る。また、燃料極側の酸素分圧が所定値以内であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ１６において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１７に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ１８において、排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を停止すると共に、燃料電池ＦＣに導入する酸化剤ガス中の酸素分圧及び燃料ガスの流量が、いずれも通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量になったか否かを判定する。このステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１８に戻り、通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムＡ６及びその運転方法にあっても、先の実施形態と同様に、大きな通電効果の確保、燃費のさらなる向上、酸素分圧のより正確な調整、燃料極の酸化防止、及び排出ガス利用による熱効率の向上を実現することができる。
そしてさらに、上記の燃料電池システムＡ６及びその運転方法では、燃料電池ＦＣの空気極及び燃料極の排出ガスを混合燃焼させて、その熱を燃料改質の熱供給に用いている。特に、通電時のように高電流で運転する際には、多くの燃料改質熱が必要となる。すなわち、本実施形態のように改質に燃焼ガスの熱を用いることで、さらなる熱効率の向上を実現することができる。
図９は、本発明の燃料電池システム及びその運転方法の第７実施形態を説明する図である。先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。図９（Ａ）に示す燃料電池システムＡ７は、燃料電池ＦＣと、外部負荷１０と、通電手段１１と、酸素分圧調整手段としての排出ガス混合手段１９と、第１酸素分圧検出手段１３と、コントロールユニット（制御手段）ＣＵと、第２酸素分圧検出手段２４を備えている。
この実施形態の燃料電池システムＡ７は、燃料電池ＦＣの空気極及び燃料極の両方の排出ガスを循環利用するものである。すなわち、第１リターン管２０Ａ及び電磁バルブ２１Ａ、第２リターン管２０Ｂ及び電磁バルブ２１Ｂ、熱交換器２７及び改質器３１を備え、さらに、熱交換器２７と改質器３１の間に燃焼器３３を備えている。
次に、上記構成を備えた燃料電池システムＡ７の運転方法を図９（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。この実施形態の運転方法は、図２で説明した運転方法すなわち酸化剤ガス中の酸素分圧の制御と燃料ガスの流量の制御の両方を行う運転方法を基本とするものである。
まず、ステップＳ１１において燃料電池への通電を開始すると、ステップＳ１２において、燃料電池ＦＣに流れる電流値に基づいて、燃料ガス消費量を演算する。その演算結果に基づいて、燃料極に導入する燃料ガスの流量を制御すると共に、空気極に排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を開始する。
この際、この実施形態の燃料電池システムＡ７では、空気極の排出ガスと燃料極の排出ガスとを熱交換器２７に導入し、これらの排出ガスを熱交換器２７で混合燃焼させる。そして、燃焼ガスと燃料ガスとの間で熱交換を行って、燃料電池ＦＣに導入する燃料ガスを予熱し、この燃料ガスを改質器３１で改質して燃料極に導入する。また、排出ガス混合手段（酸素分圧調整手段）１９により、上記の熱交換後の燃焼ガスを酸化剤ガスに供給することで、酸化剤ガス中の酸素分圧を減少させる。
次に、ステップＳ１３において、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値まで減少したか否かを判定し、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達していないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１２に戻る。また、燃料ガスの流量及び酸素分圧が所定値に達したと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１４において、第２酸素分圧検出手段２４により燃料極側の酸素分圧が所定値以内であるか否かを判定する。
ステップＳ１４において燃料極側の酸素分圧が所定値以内ではないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１５において燃料ガスの流量を増加させてから、ステップＳ１４に戻る。また、燃料極側の酸素分圧が所定値以内であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に移行して所定の通電処理をしたか否かを判定する。
そして、ステップＳ１６において所定の通電処理をしていないと判定した場合（ＮＯ）には、ステップＳ１２に戻り、所定の通電処理をしたと判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１７に移行して通電処理を終了する。
その後は、ステップＳ１８において、排出ガス混合手段１９による排出ガスの供給を停止すると共に、燃料電池ＦＣに導入する酸化剤ガス中の酸素分圧及び燃料ガスの流量が、いずれも通常運転時の値となるように調整する。そして、ステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量になったか否かを判定する。このステップＳ１９において通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量ではないと判定した場合（ＮＯ）にはステップＳ１８に戻り、通常運転時の酸素分圧及び燃料ガス流量であると判定した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に移行して燃料電池の通常運転を開始する。
上記の燃料電池システムＡ６及びその運転方法にあっても、先の実施形態と同様に、大きな通電効果の確保、燃費のさらなる向上、酸素分圧のより正確な調整、燃料極の酸化防止、及び排出ガス利用による熱効率の向上を実現することができる。
また、一般に、燃料電池は、高電流を要する際や起動時には、多くの燃料が必要になると共に、その燃料の改質や燃料電池の昇温に多くの熱需要が生じる。これに対して、当該燃料電池システムでは、低電流でも大きな通電効果が得られるので、燃料ガスを節約することができ、さらに、図７〜図９に示す第５〜第７の実施形態のように、燃料電池の排出ガスを熱交換、加熱及び改質の熱供給に利用すれば、加熱用に供給する新規の燃料ガスの供給量を減らすことができ、燃料ガスのさらなる節約を実現することができる。これにより燃費も大幅に向上する。
さらに、本発明に係わる燃料電池システム及びその運転方法による効果を実験により確認した。
従来例として、酸化剤ガスに空気（酸素分圧０．２ａｔｍ）を使用し、２Ａ／ｃｍ２の電流を６０分通電したときの通電前と通電後の出力密度を求めた。また、本発明の実施例として、酸素分圧を０．０５ａｔｍとした酸化剤ガスを使用し、１Ａ／ｃｍ２の電流を６０分通電したときの通電前と通電後の出力密度を求めた。その結果を図１０に示す。
図１０から明らかなように、実施例では、酸素分圧を従来例の四分の一に減少させると、電流値を従来例の二分の一にしても、同等の通電効果を得ることができた。これにより、本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、燃料ガスの流量を減少させて燃費の向上を実現し得ることを確認した。
なお、本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、具体的な構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能であり、各実施形態の構成（手段等）を組み合わせることも可能である。
Ａ１〜Ａ７ 燃料電池システム
ＣＵ コントロールユニット（制御手段）
ＦＣ 燃料電池
１０ 外部負荷
１１ 通電手段
１２ 電磁バルブ（酸素分圧調整手段）
１３ 第１酸素分圧検出手段
１６ 開閉スイッチ（通電手段）
１７ ガス供給手段（酸素分圧調整手段）
１８ 電源（通電手段）
１９ 排出ガス混合手段（酸素分圧調整手段）
２３ 電磁バルブ（燃料流量調整手段）
２４ 第２酸素分圧検出手段

Claims (3)

  1. 酸化剤ガス及び燃料ガスを導入して電気化学反応により発電する燃料電池と、
    燃料電池から外部負荷へ電力供給を行う前に燃料電池の空気極及び燃料極に電流を印加するための通電手段と、
    燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を調整するための酸素分圧調整手段と、
    通電手段の作動時における酸化剤ガス中の酸素分圧が燃料電池の通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように酸素分圧調整手段を制御する制御手段と、
    燃料電池の空気極側の酸化剤ガス中の酸素分圧を検出する第１酸素分圧検出手段と、
    燃料電池の燃料極に導入する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整手段と、
    燃料電池の燃料極側の酸素分圧を検出する第２酸素分圧検出手段とを備え、
    酸素分圧調整手段が、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中に、燃料電池の空気極及び燃料極のうちの少なくとも一方からの排出ガスを混入させる排出ガス混合手段を備えており、
    制御手段が、第１酸素分圧検出手段による検出値に基づいて、通電手段の作動時における酸化剤ガス中の酸素分圧が燃料電池の通常運転時における酸化剤ガス中の酸素分圧よりも減少するように酸素分圧調整手段を制御すると共に、第２酸素分圧検出手段による検出値に基づいて、通電手段の作動時における燃料ガスの流量を燃料流量調整手段により制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 排出ガス混合手段が、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガスのガス流路に対して排出ガスを加圧により供給する手段、及び燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガスのガス流路を減圧することで排出ガスの負圧により供給する手段のいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムを運転するに際し、
    通電手段の作動時において、燃料電池の空気極に導入する酸化剤ガス中の酸素分圧を通常運転時の酸素分圧よりも減少させると共に、燃料電池の燃料極側の酸素分圧を検出し、その検出値が所定値を越えた場合に燃料電池の燃料極に導入する燃料ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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