JP7108822B2 - 燃料電池システム並びにその運転方法 - Google Patents

Description

本発明はアノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す経路を備えた燃料電池システム並びにその運転方法に関するものである。

従来、この種の燃料電池システムは、停止期間に蓄積したアノード内の燃料ガスを含むガスを停止期間からの復帰時にパージ経路からパージガスとして排出し、希釈器を介して所定の水素濃度まで希釈することで、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を低減している。（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムの構成を示したブロック図を示すものである。

図４に示すように、燃料電池システム４００は、燃料ガス供給経路１０１、燃料電池スタック１０２、未反応燃料ガス循環経路１０３、酸化剤ガス供給経路１０４、酸化剤ガス排出経路１０５、酸化剤ガス供給部１０６、燃料ガス供給源１０７、パージ弁１０８、希釈器１０９から構成されている。

燃料電池システム４００を停止期間から復帰する場合、停止期間に燃料電池スタック１０２のアノードや未反応燃料ガス循環経路１０３に蓄積した燃料ガスを含む窒素を、パージ弁１０８を開いてパージガスとして希釈器１０９へ導入する。さらに、パージガスは燃料電池スタック１０２と、酸化剤ガス排出経路１０５を通過したカソードオフガスによって所定の水素濃度に希釈された後に、燃料電池システム４００の外部に排出される。

特開２００７－２６８４３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料電池システムの停止期間に、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度が所定値に低減されるまでパージガスとして高濃度の水素を排出していたため、パージガス中の水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器が必要であり、燃料電池システムが大型になるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素分圧とカソード内の酸化剤ガス中の窒素分圧との差を調整することで、燃料電池システムの停止期間にアノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収める。これによって、燃料電池システム外に水素を排出することなくアノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができ、希釈器とパージ経路を設けることなく、小型化した燃料電池システム並びにその運転方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ供給する未反応燃料ガス循環経路と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス供給経路にアノードの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックの停止期間に、アノードの窒素分圧がカソードの窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を制御するようにしたものである。

これによって、パージ経路を設けずに、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができる。さらに、アノード内の燃料ガスである水素を燃料電池システム外へ排出することがないため、希釈器を省略することとなる。

本発明の燃料電池システムは、停止期間にアノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素分圧とカソード内の酸化剤ガス中の窒素分圧との差を調整することによって、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収める。これによって、燃料ガスである水素を燃料電池システム外へ排出することがないため、希釈器とパージ経路を省略することが可能となり、燃料電池システムの小型化と低コスト化を実現することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図 従来の燃料電池システムの構成を示したブロック図

第１の発明は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ供給する未反応燃料ガス循環経路と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス供給経路にアノードの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックの停止期間に、アノードの窒素分圧がカソードの窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を制御するようにしたものである。これによって、アノード内の燃料ガスを含むガスの圧力を上げることで、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素が、電解質膜を介してアノードからカソードへ透過するため、燃料電池スタックの停止期間にカソードからアノードへの窒素の透過を抑制することが可能となり、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を低減することとなり、燃料電池スタックの停止期間に燃料電池システム外に水素を排出することなくアノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができる。

第２の発明は、電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ供給する未反応燃料ガス循環経路と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス供給経路にアノードの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池スタックの停止期間に、アノードの窒素分圧がカソードの窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整するものである。これによって、アノード内の燃料ガスを含むガスの圧力を上げることで、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素が、電解質膜を介してアノードからカソードへ透過するため、燃料電池スタ
ックの停止期間にカソードからアノードへの窒素の透過を抑制することが可能となり、アノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を低減することとなり、燃料電池スタックの停止期間に燃料電池システム外に水素を排出することなくアノード内の燃料ガスを含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムのブロック図を示すものである。図１において、燃料電池システム１００は、水素供給経路１と、燃料電池スタック２と、アノード２ａと、カソード２ｂと、電解質膜２ｃと、未反応水素循環経路３と、水素圧力調整部４と、空気供給経路５と、空気排出経路６と、空気供給部７と、制御部８とを備える。

水素供給経路１は、燃料ガスである水素を燃料電池スタック２へと供給するための経路である。

燃料電池スタック２は、例えば固体高分子型であり、アノード２ａとカソード２ｂとによって電解質膜２ｃを挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。水素は水素供給経路１を通して燃料電池スタック２に供給される。アノード２ａ、カソード２ｂ内にはそれぞれ経路が構成されており、アノード２ａ内の経路は水素が流通し、カソード２ｂ内の経路は酸化剤ガスである空気が流通する。

未反応水素循環経路３は、燃料電池スタック２から排出される未使用の水素が通る配管経路であり、下端はエジェクタ等によって、水素供給経路１に接続される。

水素圧力調整部４は、水素供給経路１の経路上において未反応水素循環経路３との合流部よりも上流に設けられ、ニードル弁４ａと、圧力計４ｂと、から構成されている。ニードル弁４ａはアノード２ａに供給する水素の圧力を調圧する。圧力計４ｂは水素供給経路１の水素の圧力を計測し、制御部８へ圧力情報を送ることで、制御部８の指示でニードル弁４ａの開度を制御し、アノード２ａに供給する水素の圧力を調整する。

空気供給経路５は、燃料電池スタック２を発電するための空気をカソード２ｂへ供給する経路である。

空気排出経路６は、燃料電池スタック２から排出される未使用の空気が通る配管経路であり、空気排出経路６の下流端は燃料電池システム１００の筐体外に大気開放される。

空気供給部７は、空気供給経路５の経路上に設けられており、ポンプ７ａによって構成されている。ポンプ７ａは空気を昇圧して、燃料電池スタック２を発電するための空気をカソード２ｂへ供給する。ポンプ７ａが昇圧した空気の圧力はポンプ７ａの操作量によって、推定できるものであり、制御部８の指示でポンプ７ａの操作量の制御を実行し、空気供給経路５の圧力を調整する。

制御部８は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、燃料電池システム１００の停止期間について、発電停止直後からの停止期間の積算時間を発電停止時間Ｔ（ｓ）と定義し、例えば、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）の推定方法を述べる。

燃料電池システムの停止期間における微小な時間ｄｔ（ｓ）において、電解質膜２ｃを介してカソード２ｂからアノード２ａへ透過する窒素の透過量をＳ（ｃｍ３）、電解質膜２ｃを介して透過する窒素の透過係数をλ（ｃｍ２／（Ｐａ・ｓ））、電解質膜２ｃを介してガスが透過する際の電解質膜２ｃの膜面積をＡ（ｃｍ２）、電解質膜２ｃを介してガスが透過する際の電解質膜２ｃの膜厚をＬ（ｃｍ）とする。微小な時間ｄｔ（ｓ）におけるカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）は一定であるとみなす。

電解質膜２ｃを介してカソード２ｂとアノード２ａとの間での透過する窒素の透過量Ｓ（ｃｍ３）は以下の（数１）で表される。

例えば、ｄｔ＝０．１（ｓ）、電解質膜２ｃを介して透過する窒素の透過係数λ＝１．０１０^－９（ｃｍ^２／Ｐａ・ｓ）、電解質膜２ｃの膜面積Ａ＝１５０００（ｃｍ^２）、電解質膜２ｃの膜厚をＬ＝３×１０^－３（ｃｍ）、微小な時間０．１（ｓ）におけるカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ＝８０（ｋＰａ）、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ＝３３（ｋＰａ）である場合、０．１（ｓ）における電解質膜２ｃを介してカソード２ｂからアノード２ａへ透過する窒素の透過量はＳ＝０．０２３５（ｃｍ^３）となる。
（数１）において右辺がプラスの場合、カソード２ｂからアノード２ａへ窒素が移動することを意味し、（数１）において右辺がマイナスの場合、アノード２ａからカソード２ｂへ窒素が移動することを意味する。

アノード２ａからカソード２ｂへ窒素を移動することで、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定値まで低減できる。本実施の形態では所定値を３０％以下とした。

発電停止直後のアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度をＤ０（％）、アノード２ａ内の経路の容積と水素供給経路１における水素圧力調整部４よりも下流側の内容積と未反応水素循環経路３の内容積との合計をＷ＝１００（ｃｍ^３）とする。発電停止直後のアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ０＝３０（％）と自明であるとすると、発電停止直後から微小な時間ｄｔ＝０．１（ｓ）だけ経過後のアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ（％）は以下の（数２）で表される。

例えば、電解質膜２ｃを介してカソード２ｂからアノード２ａへ透過する窒素の透過量をＳ（ｃｍ^３）が０．０２３５（ｃｍ^３）である場合、（数２）より微小な時間０．１（ｓ）だけ経過後のアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ（％）は３０．０２３５（％）となる。

発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）に到達するまで、微小な時間ｄｔ＝０．１（ｓ）について、（数１）と（数２）の繰り返し計算を実行することで、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）における電解質膜２ｃを介してカソード２ｂからアノード２ａへ透過する窒素の透過量Ｓ（ｃｍ３）を算出することができる。これによって、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ＝４４．１（％）と推定することができる。

また、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）において、水素圧力調整部４で計測した圧力をＰ１＝１５０（ｋＰａ）とすると、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）は以下の（数３）で表される。

例えば、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ＝４４．１（％）とすると、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ＝６６．２（ｋＰａ）となる。

以上から、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ＝４４．１（％）に基づいて、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ＝６６．２（ｋＰａ）を推定することができる。

次に、発電停止時間Ｔ（ｓ）におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）とカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）との差の調整方法について述べる。例えば、発電停止時間Ｔ＝６０（ｓ）における、カソード２ｂの全圧は大気圧であるＰ０＝１０１．３（ｋＰａ）とする。カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）を、空気中の窒素濃度が７９（％）であることから、Ｐｃ＝０．７９・Ｐ０＝８０（ｋＰａ）となる。

さらに、（数３）で推定したアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）とカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）との比較を行い、（数３）で推定したアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）がカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）よりも大きい場合、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）を上昇することを行わない。（数３）で推定したアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）がカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）以下である場合、制御部８は、ニードル弁４ａの開度を制御し、アノード２ａ内の水素を含むガスの圧力をアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）がカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）よりも高くなるように上昇させる。例えば、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ＝６６．２（ｋＰａ）、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ＝８０（ｋＰａ）である場合、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ＝８５（ｋＰａ）になるまでアノード２ａ内の水素を含むガスの圧力を上昇する。これによって、（数３）で推定したアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）をカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）よりも大きくする事が可能となり、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素を、電解質膜２ｃを介してカソード２ｂへ透過することができる。アノード２ａ内の水素を含むガスの圧力を２８３ｋＰａまで昇圧することで、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素を、カソード２ｂへ透過することが可能となり、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定値である３０％以下まで低減することができる。

アノード２ａからカソード２ｂへの窒素の透過について記載する。発電停止時間Ｔ（ｓ）から発電停止時間Ｔ＋ｄｔ（ｓ）までの微小な時間ｄｔ（ｓ）において、電解質膜２ｃを介してアノード２ａからカソード２ｂへ透過する窒素の透過量をＳ１（ｃｍ３）とすると、電解質膜２ｃを介してアノード２ａからカソード２ｂへ透過する窒素の透過量Ｓ１（ｃｍ３）は（数１）の右辺が負の形の式で表される。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）とカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）との差を調整し、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）がカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）よりも大きくなるように設定することで、（数１）の右辺が負の形の式から、窒素はアノード２ａからカソード２ｂへ透過することとなり、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧ＰａＴ（ｋＰａ）をカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）よりも大きく設定し続けることで、（数２）から、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度Ｄ（％）を所定範囲内に収めることができる。

以上のように、本実施の形態においては燃料電池システム１００の構成を、電解質膜２ｃを挟んでアノード２ａとカソード２ｂとが対設され、水素と空気とを用いて発電を行う燃料電池スタック２と、アノード２ａに水素を供給する水素供給経路１と、アノード２ａから排出された未反応水素を水素供給経路１へ供給する未反応水素循環経路３と、カソード２ｂに空気を供給する空気供給部７と、制御部８とすることにより、燃料電池スタック２の停止期間に、アノード２ａの窒素分圧がカソード２ｂの窒素分圧よりも高くなるように水素圧力調整部４を調整する。これによって、燃料電池スタック２の電解質膜２ｃを介して、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素の少なくとも一部をカソード２ｂへ排出することとなり、水素を燃料電池システム１００外へ排出することなく、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができる。

なお、未反応水素循環経路３の経路中には、未反応水素を昇圧する循環ポンプが設けられていてもよい。

また、制御部８は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して、分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、燃料電池スタック２は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池、燐酸型燃料電池であってもよい。

なお、水素圧力調整部４は、オリフィスと、圧力計４ｂで構成されていても良い。

なお、空気排出経路６の下流端は燃料電池システム１００の筐体内に開放されていてもよい。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムのブロック図を示すものである。図２において、燃料電池システム２００は、水素供給経路１と、燃料電池スタック２と、アノード２ａと、カソード２ｂと、電解質膜２ｃと、未反応水素循環経路３と、水素圧力調整部１１と、空気供給経路５と、空気排出経路６と、空気供給部１３と、制御部８と、窒素分圧測定器９と、を備える。

実施の形態１と同一構成には同一符号を付与し、その説明は省略する。

水素圧力調整部１１はニードル弁１１ａによって構成されている。ニードル弁１１ａはアノード２ａに供給する水素の圧力を調圧する。

空気供給部１３は、空気供給経路５の経路上に設けられており、ポンプ１３ａと、窒素濃度測定器１３ｂと、圧力計１３ｃと、から構成されている。ポンプ１３ａは空気を昇圧して、燃料電池スタック２を発電するための空気をカソード２ｂへ供給する。窒素濃度測定器１３ｂは、空気供給経路５の窒素濃度を計測する。圧力計１３ｃは、空気供給経路５の圧力を計測する。

窒素分圧測定器９は、水素供給経路１の経路上において、未反応水素循環経路３との合流部よりも下流側に設けられる。窒素分圧測定器９は、窒素濃度測定器９ａと、圧力計９ｂと、から構成されており、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度と圧力から窒素分圧を求める。

以上のように構成された燃料電池システム２００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、燃料電池システム２００の停止期間中の任意の時間におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）について述べる。例えば、窒素分圧測定器９で測定した窒素濃度をＣ＝４４．７（％）、窒素分圧測定器９で測定した圧力をＰ３＝１９０（ｋＰａ）とする。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）は以下の（数４）で求めることができる。

（数４）から計算すると、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ＝８５（ｋＰａ）となる。

以上から、窒素分圧測定器９で測定した窒素濃度Ｃ（％）、窒素分圧測定器９で測定した圧力Ｐ３（ｋＰａ）を把握することで、燃料電池システム２００の停止期間におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）を検知することができる。

次に、燃料電池システム２００の停止期間中の任意の時間におけるカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）について述べる。例えば、窒素濃度測定器１３ｂで測定した窒素濃度をＥ＝７９（％）、圧力計１３ｃで測定した圧力をＰ４＝１０１．３（ｋＰａ）とする。

カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）は以下の（数５）で求めることができる。

（数５）から計算すると、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ＝８０（ｋＰａ）となる。

さらに、停止期間中の任意の時間における、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）と、の差の調整方法について述べる。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）との差を所定値に設定することで、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素をカソード２ｂ内の経路に移動することができるが、本実施の形態では、所定値を５ｋＰａと設定した。

（数４）から求めたアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、（数５）から求めたカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）との比較を行い、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）と、の差が所定値である５（ｋＰａ）よりも大きい場合、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の上昇は行わない。

停止期間において、時間経過が進むとアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）は低下し、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）に近づき、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）とカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）と、の差が所定値である５（ｋＰａ）と一致する。この場合、水素圧力調整部１１を調整して、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）と、の差が所定値である５（ｋＰａ）よりも大きくなるように水素圧力調整部１１を調整し、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の昇圧を継続する。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の昇圧を継続することで、全停止期間にわたって、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）とカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）と、の差を所定値である５（ｋＰａ）よりも大きく保つことができる。

また、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の上限については、高く設定しすぎると、アノード２ａ内の水素を含むガス中の水素分圧も引き上げることとなり、アノード２ａ内の水素を含むガス中の水素がカソード２ｂへ透過することとなる。（数４）で求めた窒素分圧から、アノード２ａ内の水素を含むガス中の水素分圧を算出し、カソード２ｂへ透過する水素が所定量以下になるようにアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の上限を設定する。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）と、の差が大きい程、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素をカソード２ｂへ透過させることができる。

これによって、全停止期間に渡って、窒素がアノード２ａへ侵入することを防ぎ、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に抑えることができる。

以上のように、本実施の形態においては燃料電池システム２００の構成を、電解質膜２ｃを挟んでアノード２ａとカソード２ｂとが対設され、水素と空気とを用いて発電を行う燃料電池スタック２と、アノード２ａに水素を供給する水素供給経路１と、アノード２ａから排出された未反応水素を水素供給経路１へ供給する未反応水素循環経路３と、カソード２ｂに空気を供給する空気供給部１３と、制御部８とすることにより、燃料電池スタック２の停止期間に、アノード２ａの窒素分圧がカソード２ｂの窒素分圧よりも高くなるように水素圧力調整部１１を調整する。これによって、燃料電池スタック２の電解質膜２ｃを介して、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素の少なくとも一部をカソード２ｂへ排出することとなり、水素を燃料電池システム２００外へ排出することなく、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができる。

なお、窒素分圧測定器９は、水素の分圧を測定する水素分圧測定器であってもよい。

さらに、窒素濃度測定器９ａは、水素の濃度を測定する水素濃度計であってもよい。

なお、窒素分圧測定器９は、未反応水素循環経路３の経路中に設けられていても良い。

また、燃料電池スタック２は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池、燐酸型燃料電池であってもよい。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムのブロック図を示すものである。図３において、燃料電池システム３００は、水素供給経路１と、燃料電池スタック２と、アノード２ａと、カソード２ｂと、電解質膜２ｃと、未反応水素循環経路３と、水素圧力調整部１１と、空気供給経路５と、空気排出経路６と、空気供給部１４と、制御部８と、窒素分圧測定器９と、を備える。

実施の形態１および実施の形態２と同一構成には、同一符号を付与し、その説明は省略する。

空気供給部１４は、空気供給経路５の経路上に設けられており、窒素濃度測定器１４ｂと、圧力計１４ｃと、から構成されている。窒素濃度測定器１４ｂは、空気供給経路５の窒素濃度を計測する。圧力計１４ｃは、空気供給経路５の圧力を計測する。

以上のように構成された燃料電池システム３００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、燃料電池システム３００の停止期間中の任意の時間におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）について述べる。例えば、窒素分圧測定器９で測定した窒素濃度をＦ＝４４．４（％）、窒素分圧測定器９で測定した圧力をＰ５＝１８０（ｋＰａ）とする。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）は以下の（数６）で求めることができる。

（数６）から計算すると、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３＝８０（ｋＰａ）となる。

以上から、窒素分圧測定器９で測定した窒素濃度Ｆ（％）、窒素分圧測定器９で測定した圧力Ｐ５（ｋＰａ）を把握することで、燃料電池システム３００の停止期間におけるアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）を測定することができる。

次に、燃料電池システム３００の停止期間中の任意の時間におけるカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）について述べる。例えば、窒素濃度測定器１４ｂで測定した窒素濃度をＧ＝７９（％）、圧力計１４ｃで測定した圧力をＰ６＝１０１．３（ｋＰａ）とする。

カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）は以下の（数７）で求めることができる。

（数７）から計算すると、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３＝８０（ｋＰａ）となる。

さらに、停止期間中の任意の時間における、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）とが等しくなるような調整方法について述べる。

（数６）から求めたアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）と、（数７）から求めたカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）との比較を行い、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）と、が等しい場合、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）を上昇することは行わない。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）が、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）よりも大きい場合、停止期間において、時間経過が進むとアノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）は低下し、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）に近づき、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）とカソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）と、が等しくなる。

続いて、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）が、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）よりも小さい場合、水素圧力調整部１１を調整して、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）を昇圧する。そして、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）と、が等しくなるまで、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）の昇圧を継続する。

アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）の昇圧を継続することで、全停止期間に渡って、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素分圧Ｐａ３（ｋＰａ）と、カソード２ｂ内の空気中の窒素分圧Ｐｃ３（ｋＰａ）とを等しくすることができるため、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に抑えることができる。

以上のように、本実施の形態においては燃料電池システム３００の構成を、電解質膜２ｃを挟んでアノード２ａとカソード２ｂとが対設され、水素と空気とを用いて発電を行う燃料電池スタック２と、アノード２ａに水素を供給する水素供給経路１と、アノード２ａから排出された未反応水素を水素供給経路１へ供給する未反応水素循環経路３と、カソード２ｂに空気を供給する空気供給部１４と、制御部８とすることにより、燃料電池スタック２の停止期間に、アノード２ａの窒素分圧がカソード２ｂの窒素分圧よりも高くなるように水素圧力調整部１１を調整する。これによって、燃料電池スタック２の電解質膜２ｃを介して、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素の少なくとも一部をカソード２ｂへ排出することとなり、水素を燃料電池システム３００外へ排出することなく、アノード２ａ内の水素を含むガス中の窒素濃度を所定範囲内に収めることができる。

なお、窒素分圧測定器９は、水素の分圧を測定する水素分圧測定器であってもよい。

さらに、窒素濃度測定器９ａは、水素の濃度を測定する水素濃度計であってもよい。

なお、窒素分圧測定器９は、未反応水素循環経路３の経路中に設けられていても良い。

また、燃料電池スタック２は、固体高分子型燃料電池に限らず、固体酸化物型燃料電池、燐酸型燃料電池であってもよい。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、停止期間においてアノード内の水素を含むガス中の窒素分圧とカソード内の空気中の窒素分圧との差を調整することにより、アノード内の水素を含むガス中の窒素をスタックの電解質膜を介してカソードへ排出することが可能となるので、燃料ガスである水素を燃料電池システム外へ排出することがなく、窒素を選択的に排出できる燃料電池システムとして有用であり、燃料電池システムの小型化と低コスト化等の用途にも適用できる。

１００ 燃料電池システム
２００ 燃料電池システム
３００ 燃料電池システム
４００ 燃料電池システム
１ 水素供給経路
２ 燃料電池スタック
２ａ アノード
２ｂ カソード
２ｃ 電解質膜
３ 未反応水素循環経路
４ 水素圧力調整部
４ａ ニードル弁
４ｂ 圧力計
５ 空気供給経路
６ 空気排出経路
７ 空気供給部
７ａ ポンプ
８ 制御部
９ 窒素分圧測定器
９ａ 窒素濃度測定器
９ｂ 圧力計
１１ 水素圧力調整部
１１ａ ニードル弁
１３ 空気供給部
１３ａ ポンプ
１３ｂ 窒素濃度測定器
１３ｃ 圧力計
１４ 空気供給部
１４ｂ 窒素濃度測定器
１４ｃ 圧力計
１０１ 燃料ガス供給経路
１０２ 燃料電池スタック
１０３ 未反応燃料ガス循環経路
１０４ 酸化剤ガス供給経路
１０５ 酸化剤ガス排出経路
１０６ 酸化剤ガス供給部
１０７ 燃料ガス供給源
１０８ パージ弁
１０９ 希釈器

Claims (2)

1. 電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記アノードから排出された未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路へ供給する未反応燃料ガス循環経路と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記燃料ガス供給経路に、前記アノードの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの停止期間に、前記アノードの窒素分圧が前記カソードの窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を制御する、
   燃料電池システム。
2. 電解質膜を挟んでアノードとカソードとが対設され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記アノードから排出された未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路へ供給する未反応燃料ガス循環経路と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記燃料ガス供給経路に、前記アノードの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、 を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池スタックの停止期間に、前記アノードの窒素分圧が前記カソードの窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含む、
   燃料電池システムの運転方法。

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