JP5745206B2 - 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する。

従来の燃料電池システムは、システムの停止前にアノードガス流路に空気を供給することで、アノードガス流路中の生成水を排出していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−２９９７１０号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、アノードガス流路中に酸素を供給することになるので、システムの次回起動時に水素フロントが発生して燃料電池が劣化し、発電性能が低下するという問題点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、発電性能を低下させることなく、アノードガス流路中の生成水を排出させることを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、電解質膜の一方の面にアノード電極を設け、他方の面にカソード電極を設けた燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、水素供給手段から供給される水素とカソード電極から前記アノード電極へと混入してきた不活性ガスと、を含む燃料ガスが流れる燃料ガス通路を備える。そして、燃料ガス通路からシステム外部へ排出される燃料ガスの量を調節する燃料ガス排出量調節手段と、前記燃料電池の運転負荷が変動する通常運転中か、前記燃料電池の停止前に前記カソード電極側の残留酸素を消費させる所定の運転負荷で前記燃料電池を運転する停止処理運転中か、を検出する停止処理検出手段と、前記燃料ガス排出量調節手段をデューティ制御し、運転負荷に応じて燃料ガス通路からシステム外部へ排出される前記燃料ガスの量を調節して、アノード電極内の前記燃料ガスのガス密度を調節するガス密度制御手段と、を備える。これとともにガス密度制御手段は、停止処理検出手段によって停止処理運転中であると検出された場合には、前記通常運転中の運転負荷の変動に基づいて設定されたデューティ比を、前記所定の運転負荷を確保できる範囲で不活性ガス濃度を増加させるデューティ比へ切り替えることにより、前記通常運転中に比べて、前記停止処理運転中のデューティ比を小さくして前記燃料ガスのガス密度を上昇させることを特徴とする。

本発明によれば、運転状態に応じて燃料ガス通路からシステム外部へ排出される燃料ガス量を調節することで、アノード電極内の燃料ガス中の不活性ガス濃度、燃料ガスの圧力及び流量を調節することができる。これにより、アノード電極内の燃料ガスのガス密度を増大させることができるので、アノード電極にカソードガスを供給することなくアノード電極中の生成水を排出することができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略図である。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給機構３と、カソードガス供給機構４と、コントローラ５と、を備える。

燃料電池スタック２は、積層された複数枚の燃料電池（以下「単セル」という）を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック２の詳細については、図２を参照して後述する。

アノードガス供給機構３は、水素タンク３０と、ガス供給通路３１と、流量調節弁３２と、ガス還流通路３３と、リサイクルコンプレッサ３４と、ガス排出通路３５と、アノードガス排出弁３６と、を備える。

水素タンク３０は、燃料電池スタック２に供給する水素を貯蔵する。

ガス供給通路３１は、一端部が水素タンク３０に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２７ａに接続される。ガス供給通路３１は、ガス還流通路３３との合流部３１ａを備える。このような構成によって、水素タンク３０から供給される水素と、ガス還流通路３３を通って戻されてきた未反応の水素と、同じくガス還流通路３３を通って戻されてきたカソード側からアノード側へクロスリークしてきた窒素を主成分とする不活性ガスと、の混合ガスがガス供給通路３１を通って燃料電池スタック２に供給される。以下では、この水素と不活性ガスとの混合ガスを「アノードガス」という。

流量調節弁３２は、ガス還流通路３３との合流部３１ａよりも上流のガス供給通路３１に設けられ、燃料電池スタック２に供給する水素の流量を任意の流量に調整する。流量調節弁３２は電磁弁であり、コントローラ５によって開閉される。

ガス還流通路３３は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２７ｂに接続され、他端部がガス供給通路３１に接続される。

リサイクルコンプレッサ３４は、ガス還流通路３３に設けられ、燃料電池スタック２から排出されたアノードガスをガス供給通路３１に戻す。

ガス排出通路３５は、一端部がリサイクルコンプレッサ３４よりも下流のガス還流通路３３に接続される。ガス排出通路３５を通って、アノードガスが外部へ排出される。

アノードガス排出弁３６は、ガス排出通路３５に設けられ、アノードガスをシステム外部へ排出する。アノードガス排出弁３６は電磁弁であり、コントローラ５によってデューティ制御される。アノードガス排出弁３６に印加される電圧のデューティ比が小さいときほど外部へ排出される不活性ガスの量が少なくなるので、アノードガス中の不活性ガス濃度が上昇するとともに、ガス循環通路内のアノードガスの圧力及び流量が上昇する。

カソードガス供給機構４は、コンプレッサ４０と、シャットオフ弁４１と、を備える。

コンプレッサ４０は、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック２に供給する。

シャットオフ弁４１は、内燃機関のイグニッションスイッチに相当する燃料電池システム１の起動スイッチ（以下「システム起動スイッチ」という）がオフにされたときに閉じて、後述する停止処理運転中及び燃料電池システム１の停止後に燃料電池スタック２に空気が供給されるのを抑制する。

このシャットオフ弁４１と、前述したアノードガス排出弁３６と、の下流には、燃料電池スタック２から排出されたカソードガスとアノードガスとを燃焼処理する燃焼触媒４２が設けられる。

コントローラ５は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５には、燃料電池システム１の運転状態を検出する種々のセンサからの信号が入力されている。コントローラ５は、これらの信号に基づいて、アノードガス供給機構３の流量調節弁３２、アノードガス排出弁３６及びリサイクルコンプレッサ３４を制御する。同様に、カソードガス供給機構４のコンプレッサ４０及びシャットオフ弁４１を制御する。

図２は、燃料電池スタック２の斜視図である。

燃料電池スタック２は、積層された複数の単セル２０と、一対の集電板２１ａ，２１ｂと、一対の絶縁板２２ａ，２２ｂと、一対のエンドプレート２３ａ，２３ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット２４とを有する。

単セル２０は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル２０は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル２０の構成の詳細については，図３を参照して後述する。

一対の集電板２１ａ，２１ｂは、積層された複数の単セル２０の外側にそれぞれ配置される。集電板２１ａ，２１ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成され、例えば、緻密質カーボンによって形成される。集電板２１ａ，２１ｂは、上辺の一部に出力端子２５を備える。燃料電池スタック２は、出力端子２５によって、各単セル２０で生じた電子ｅ^-を取り出して出力する。

一対の絶縁板２２ａ，２２ｂは、集電板２１ａ，２１ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板２２ａ，２２ｂは、絶縁性の部材で形成され、例えばゴムなどで形成される。

一対のエンドプレート２３ａ，２３ｂは、絶縁板２２ａ，２２ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート２３ａ，２３ｂは、剛性を備える金属性又は樹脂性の材料で形成される。

一対のエンドプレート２３ａ，２３ｂのうち、一方のエンドプレート２３ａには、冷却水の入口孔２６ａ及び出口孔２６ｂと、アノードガスの入口孔２７ａ及び出口孔２７ｂと、カソードガスの入口孔２８ａ及び出口孔２８ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔２６ａ、アノードガス出口孔２７ｂ及びカソードガス入口孔２８ａは、エンドプレート２３ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔２６ｂ、アノードガス入口孔２７ａ及びカソードガス出口孔２８ｂは、他端側（図中左側）に形成される。

ナット２４は、燃料電池スタック２の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット２４を螺合締結することで、燃料電池スタック２を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル同士の電気短絡を防止している。

図３は、図２のIII−III線の沿う単セル２０の断面の一部を示す図である。

単セル２０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）２００と、ＭＥＡ２００の表面に設けられたアノードセパレータ２０１と、裏面に設けられたカソードセパレータ２０２と、を備える。

ＭＥＡ２００は、電解質膜２００ａと、アノード電極２００ｂと、カソード電極２００ｃとを有する。ＭＥＡ２００は、電解質膜２００ａの一方の面にアノード電極２００ｂを有し、他方の面にカソード電極２００ｃを有する。

電解質膜２００ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜２００ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。

アノード電極２００ｂ及びカソード電極２００ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。

アノードセパレータ２０１は、アノード電極２００ｂと接する。アノードセパレータ２０１は、アノード電極２００ｂと接する側に、アノード電極２００ｂにアノードガスを供給するためのアノードガス流路２０３を有する。そして、アノード電極２００ｂと直接接する面２０１ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック２を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２０４を有する。

カソードセパレータ２０２も同様に、カソード電極２００ｃと接する側に、カソード電極２００ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス流路２０５を有し、カソード電極２００ｃと接する面２０２ａの反対面に冷却水流路２０６を有する。

なお、隣接するアノードセパレータ２０１とカソードセパレータ２０２とに設けられたそれぞれの冷却水流路２０４，２０６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２０４，２０６によって１つの冷却水流路２０７が形成される。

ところで、前述した（２）式の反応によってカソード電極２００ｃで生じた水（以下「生成水」という）の一部は、電解質膜２００ａを透過してアノードガス流路２０３にも拡散していく。そして、反応に利用されなかった余剰のアノードガスとともにアノードガス流路２０３を流れてアノードガス出口孔２７ｂから燃料電池スタック２の外部へ排出される。

図４は、アノードガス流路２０３を流れるアノードガスのガス密度と、アノードガス流路中の生成水が単位時間当たりに燃料電池スタック２の外部へ排出される量（以下「生成水排出量」という）と、の関係を示した図である。

図４に示すように、ガス流路を流れるガスのガス密度が大きいほどガスの運動エネルギが大きくなるため、生成水排水量は多くなる。

質量が気体の中で最も軽い水素を主成分とするアノードガスはガス密度が低いので、生成水排出量も少なくなる。そのため、運転条件等によっては、生成水がアノードガス出口孔付近のアノードガス流路２０３を塞ぎ、水詰まりが発生することがある。これにより、アノードガス流路２０３を流れるアノードガスの流れが阻害されて、アノード電極２００ｂへの水素の供給量が不十分となる。その結果、濃度過電圧が上昇するフラッディングという現象が起きて発電効率が低下する。

また、アノードガス流路２０３に生成水が残留した状態で燃料電池システム１を停止してしまうと、低温環境下では残留した生成水が凍結し、電解質膜２００ａを劣化させるおそれがある。したがって、システム起動スイッチがオフにされた後にアノードガス流路２０３に残留している生成水（以下「残留生成水」という）を排出する処理が必要となる。

ここで、例えば従来例のように、燃料電池システム１の停止後に、アノードガス流路２０３の残留生成水を、ガス密度の大きい空気（カソードガス）を使用して排出させることとすると、次回起動時にアノードガス流路２０３にカソードガスが存在する状態となる。

このような状態で燃料電池システム１を起動して、アノードガス流路２０３にアノードガスを供給すると、アノードガス流路２０３の上流にアノードガスが存在し、下流にカソードガスが存在する状態となる。そうすると、アノード電極２００ｂで局部電池が形成されて、カソード電極２００ｃの触媒層のカーボンが劣化することがある。このようなカーボン劣化は、単セル２０の出力を低下させる原因となる。以下、図５を参照して、このカーボン劣化の原理について簡単に説明する。

図５は、単セル２０の断面図であり、燃料電池システム起動時のカーボン劣化について説明する図である。

図５に示すように、アノードガス流路２０３にカソードガスが存在する状態で燃料電池システム１を起動して、アノードガス流路２０３にアノードガスを供給すると、アノードガス流路２０３の上流にアノードガスが存在し、下流にカソードガスが存在する状態となる。つまり、アノードガス流路２０３のなかで、アノードガスとカソードガスとの境界面（水素フロント）が存在する状態となる。

そうすると、単セル２０の上流側では通常の電池が形成されて、前述した以下の（１）式及び（２）式の反応が起こる。

アノード電極（上流側） ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極（上流側） ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)

一方で、アノードガス流路２０３の下流にカソードガスが存在する状態では、アノードガス流路２０３の上流をアノード電極、下流をカソード電極とした局部電池がアノード電極側に形成されることになる。これにより、単セル２０の下流側では、（１）式で発生した電子を消費するために、アノード電極２００ｂで以下の（３）式の反応が起こり、その結果、カソード電極２００ｃで以下の（４）式の反応が起こる。

アノード電極（下流側） ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(３)
カソード電極（下流側） ： Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋ＣＯ₂ …(４)

このようにして、カソード電極２００ｃの下流側で炭素が二酸化炭素になる酸化反応（（４）式の反応）が生じるため、カソード電極２００ｃの触媒層のカーボンが劣化するのである。

燃料電池を自動車用動力源として使用する場合、定置式の燃料電池システム１と比べて燃料電池システム１の起動停止回数が非常に多くなる。したがって、燃料電池システム１の起動時におけるこの水素フロントによる単セル２０の劣化を抑制する必要がある。そのため、従来例のように、燃料電池システム１の停止後に、アノードガス流路２０３の残留生成水を、カソードガスを使用して排出するのは適当ではない。

そこで、本実施形態では、運転状態に応じてアノードガス排出弁３６を制御して、アノードガスのガス密度を増加させる。これにより、単セル２０の発電反応で生じる水を速やかに燃料電池スタック２の外部へ排出し、単セル２０の発電効率を向上させる。

以下では、図６を参照して、本実施形態によるアノードガスのガス密度制御について説明する。

図６は、コントローラ５が実施するアノードガスのガス密度制御について説明するフローチャートである。コントローラ５は、本ルーチンを燃料電池システム１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。

ステップＳ１において、コントローラ５は、停止処理運転中か否かを判定する。ここで停止処理とは、システム起動スイッチをオフにした後に、アノード電極２００ｂにアノードガスを供給しつつ燃料電池スタック２から強制的に電力を取り出して、カソード電極側の残留酸素を消費する処理のことをいう。コントローラ５は、停止処理運転中であればステップＳ３に処理を移行する。一方で、停止処理運転中ではない場合、つまり走行する可能性のある通常運転中である場合にはステップＳ２に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラ５は、アノードガス排出弁３６を開閉制御して、運転負荷に基づいて算出される目標出力が得られる範囲でアノードガス中の不活性ガス濃度を調節する。具体的には、目標出力が大きいときほどアノードガス排出弁３６に印加される電圧のデューティ比を大きくして、アノードガス中の不活性ガス濃度を低くする。これは、アノードガス中の不活性ガス濃度が高くなると、その分発電に使用されるアノードガス中の水素が減少してしまうので、出力が低下してしまい、目標出力が得られなくなる可能性があるためである。

ステップＳ３において、コントローラ５は、アノードガス排出弁３６に印加される電圧のデューティ比を所定の停止処理運転時デューティ比に制御する。停止処理運転時デューティ比は、通常運転中にアノードガス排出弁３６に印加される電圧のデューティ比よりも小さい。

これは、通常運転中は、運転者によってアクセルペダルが操作されて運転負荷が変動し、予測不可能な過渡出力が要求されることがあるため、過渡時に運転者に違和感を与えないように、アノードガス中の不活性ガス濃度を低く抑えておく必要がある。

これに対して、停止処理運転中は、運転者によってアクセルペダルが操作されることはないので、予め定められた所定の運転負荷で燃料電池システム１を運転する。そのため、予め決まっている停止処理運転中の最大発電量を維持できる程度までアノードガス中の不活性ガス濃度を高くすることができるためである。

続いて、図７から図９を参照して本実施形態による作用効果について説明する。

図７は、本実施形態によるアノードガスのガス密度の動作について説明するタイムチャートである。フローチャートとの対応を明確にするため、フローチャートのステップ番号を併記して説明する。

時刻ｔ０から時刻ｔ１までの通常運転中は、目標出力に応じてアノードガス排出弁３６に印加される電圧のデューティ比が制御される（図７（Ａ）；Ｓ１でＮｏ，Ｓ２）。これにより、目標出力を達成できる範囲内で、アノードガス中の不活性ガス濃度を増加させて、アノードガスのガス密度を上昇させることができる（図７（Ｂ）（Ｃ））。したがって、アノードガス流路２０３の排水性を向上させて、発電効率の低下を抑制することができる。

時刻ｔ１で、システム起動スイッチがオフにされて停止処理運転が開始されると、コントローラ５は、アノードガス排出弁３６に印加される電圧のデューティ比を停止処理運転時デューティ比に設定する（図７（Ａ）；Ｓ１でＹｅｓ，Ｓ３）。これにより、通常運転時よりも燃料電池スタック２の外へ排出される不活性ガスの量が減少し、アノードガス中の不活性ガス濃度が増加するので通常運転時よりもアノードガスのガス密度を上昇させることができる（図７（Ｂ）（Ｃ））。

また、不活性ガスの排出量を減らすことで、ガス循環通路内のアノードガスの圧力及び流量を増加させることができる。ここで、図８及び図９に示すように、ガス循環通路内のアノードガスの圧力及び流量を増加させるほど、アノードガスのガス密度は増加する。そのため、よりアノードガスのガス密度を上昇させることができる。

その結果、停止処理運転中の排水性を向上させることができ、アノードガス流路２０３にカソードガスを供給することなく残留生成水を排出できる。したがって、水素フロントによる単セルの劣化を防止し、かつ、残留生成水の凍結による電解質膜２００ａの劣化を抑制できる。

以上説明した本実施形態によれば、運転状態に応じてアノードガス排出弁３６を制御して、アノードガスのガス密度を調整することとした。

つまり、運転負荷が小さいときには、アノードガス排出弁３６に印加する電圧のデューティ比を小さくして、アノードガス中の不活性ガス濃度、ガス循環通路内のアノードガス圧力及びガス循環通路内のアノードガス流量を増加させた。これにより、アノードガスのガス密度を増加させることができるので、アノードガス流路２０３の排水性を向上させることができる。

具体的には、通常運転中は、目標出力が小さいときほどアノードガス排出弁３６に印加する電圧のデューティ比を小さくした。ガス流量が少なくフラッディングが発生しやすい低負荷運転時のアノードガスのガス密度を上昇させて、アノードガス流路２０３の排水性を向上させることができる。

一方、停止処理運転中は、アノードガス排出弁３６に印加する電圧を通常運転中に印加される電圧よりも小さくして、通常運転時よりもアノードガスのガス密度を上昇させた。これにより、停止処理運転中におけるアノードガス流路２０３の残留生成水の排出量を増加させることができる。その結果、残留生成水の凍結による電解質膜２００ａの劣化を抑制できる。また、酸素を含むカソードガスを使用してアノードガス流路２０３の残留生成水を排出させることもないので、水度フロントによる単セルの劣化を防止することができる。さらに、排水性が向上することで、停止処理運転の時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
次に、図１２を参照して本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、ガス還流通路３３を備えない点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図１２は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１の概略図である。

図１２に示すように、本実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２７ｂにガス排出通路３５を直接接続している。

このような構成によっても、アノードガス排出弁３６を制御して、排出するアノードガス量を調整することで、燃料電池スタック２の内部のアノードガス中の不活性ガス濃度及びアノードガス圧力を調整することができる。そのため、第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、第１実施形態よりも部品点数を減らすことができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、上記実施形態では、水素供給手段として水素タンク３０を使用したが、改質装置でもよい。また、テンションロッドの雌ねじ部にナット２４を螺合させることで、燃料電池スタックを締め付けて固定していが、テンションプレートで締め付けてもよい。

また、上記実施形態では、停止処理運転中は、アノードガス排出弁３６に印加する電圧を所定の停止処理時デューティ比に制御していたが、予め停止処理運転中のガス密度の上昇代が把握できるときは、図１０に示すように、停止処理時デューティ比を０に設定してもよい。

また、アノードガス排出弁３６が中間開度の設定が可能なものであれば、図１１に示すように、停止処理運転中の不活性ガスの平均排出量が、通常運転中の平均排出量よりも少なくなるように制御すればよい。

第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 燃料電池スタックの斜視図である。 図２のIII−III線の沿う単セルの断面の一部を示す図である。 アノードガスのガス密度と単位時間当たりの生成水排出量との関係を示した図である。 燃料電池システム起動時のカーボン劣化について説明する図である。 本実施形態によるガス密度制御について説明するフローチャートである。 本実施形態によるガス密度制御の動作について説明するタイムチャートである。 アノードガス圧力とガス密度との関係を示した図である。 アノードガス流量とガス密度との関係を示した図である。 停止処理時デューティ比を０に設定したときのガス密度制御の動作について説明するタイムチャートである。 中間開度の設定が可能な制御弁を用いたときのガス密度制御の動作について説明するタイムチャートである。 第２実施形態による燃料電池システムの概略図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
３０ 水素タンク（水素供給手段）
３１ ガス供給通路（燃料ガス通路）
３３ ガス還流通路（燃料ガス通路、還流通路）
３５ ガス排出通路（燃料ガス通路）
３６ アノードガス排出弁（燃料ガス排出量調節弁）
２００ａ 電解質膜
２００ｂ アノード電極
２００ｃ カソード電極
Ｓ２ ガス密度制御手段
Ｓ３ ガス密度制御手段

Claims (5)

1. 電解質膜の一方の面にアノード電極を設け、他方の面にカソード電極を設けた燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
   水素供給手段から供給される水素と、前記カソード電極から前記アノード電極へと混入してきた不活性ガスと、を含む燃料ガスが流れる燃料ガス通路と、
   前記燃料ガス通路からシステム外部へ排出される前記燃料ガスの量を調節する燃料ガス排出量調節手段と、
   前記燃料電池の運転負荷が変動する通常運転中か、前記燃料電池の停止前に前記カソード電極側の残留酸素を消費させる所定の運転負荷で前記燃料電池を運転する停止処理運転中か、を検出する停止処理検出手段と、
   前記燃料ガス排出量調節手段をデューティ制御し、運転負荷に応じて前記燃料ガス通路からシステム外部へ排出される前記燃料ガスの量を調節して、前記アノード電極内の前記燃料ガスのガス密度を調節するガス密度制御手段と、
   を備えるとともに、
   前記ガス密度制御手段は、前記停止処理検出手段によって前記停止処理運転中であると検出された場合には、前記通常運転中の運転負荷の変動に基づいて設定されたデューティ比を、前記所定の運転負荷を確保できる範囲で不活性ガス濃度を増加させるデューティ比へ切り替えることにより、前記通常運転中に比べて、前記停止処理運転中のデューティ比を小さくして前記燃料ガスのガス密度を上昇させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ガス密度制御手段は、
   前記停止処理運転中は、前記燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、前記通常運転中に運転負荷に基づいて算出されるデューティ比よりも小さいデューティ比で前記燃料ガス排出量調節手段を開閉制御して前記燃料ガスの圧力を上昇させる
   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. 前記ガス密度制御手段は、
   前記通常運転中は、運転負荷が小さいときほど前記燃料ガスの排出量を減らして前記アノード電極内の燃料ガスのガス密度を上昇させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス密度制御手段は、
   前記停止処理運転中は、前記燃料ガス通路からシステム外部へ排出される前記燃料ガスの量を、前記通常運転中に前記燃料ガス通路からシステム外部へ排出される前記燃料ガスの量よりも少なくする
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料ガス通路は、前記燃料ガスを還流させて前記アノード電極に供給する還流通路である
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。