WO2007119621A1

WO2007119621A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2007119621A1
Application number: PCT/JP2007/057177
Authority: WO
Inventors: Tomohiro Ogawa; Yasushi Araki
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2007-10-25
Also published as: DE112007000575T5; US20090092870A1; CA2634927A1; CN101390239B; CA2634927C; CN101390239A; JPWO2007119621A1

Description

明細書

燃料電池システム技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池システムに関する。

背景技術

[0002] 燃料電池は、アノードと力ソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素 (燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）力 S接触することによって起こる。

[0003] 一般に、アノードには、高圧水素タンクに貯蔵された水素が供給される。一方、カソードには、コンプレッサによって外気から取り込まれた空気が供給される。そして、燃料電池の高出力化や水素の利用効率の向上を図るために、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環して、再び燃料電池に供給することが行われてレ、る。

[0004] しかし、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させるポンプに異常が発生すると、アノードに水素を供給することができなくなって、燃料電池を継続して運転することが困難になるという問題があった。

[0005] そこで、ポンプの異常が検出された場合には、燃料オフガスの循環経路を閉鎖して、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めるようにした燃料電池システムが提案されている（特許文献 1参照）。この燃料電池システムでは、アノードに水素を供給する方式を、循環方式からいわゆるデッドエンド方式に変えることによって、アノードで消費された水素に相当する量の水素がアノードに供給されることになるので、ポンプに異常が発生しても燃料電池の運転を継続できるとされる。

[0006] 特許文献 1 :日本特開 2005— 32652号公報

特許文献 1 :日本特開 2003— 77506号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] デッドエンド方式では、アノードの水素流路の下流側が閉塞された状態で発電が行われる（以下、このような状態を、「閉塞モード」とも呼称する）。

[0008] 特許文献 1では、デッドエンド方式とすることによって、水素流路の出口側末端で水素以外の成分が増加し、これにより水素の分圧が低下して燃料電池の電圧が低下するのを防ぐために、燃料電池の運転条件を変更したり、運転時に出力制限を行うよう制御内容の切り替えを行ったりしている。

[0009] 具体的には、燃料電池の運転圧力が循環方式での運転時より高められるように、燃料電池の運転条件が設定されるとともに、これに応じて、アノードや力ソードに反応ガスを供給する手段の動作制御が行われる。これにより、アノードに供給する水素の圧力が高められるので、水素以外の成分の割合が増加しても、水素の圧力をできるだけ高い状態に維持できるとされる。

[0010] その結果、水素流路内の水素以外の成分（不純物質）の割合が増加した場合でも

、電圧低下が抑制され、デッドエンド方式による発電を継続することができる。

[0011] し力しながら、水素の圧力を高めると、電解質膜を通じて力ソード側に透過する水素の量が増えるため、水素の利用効率が低下してしまうという問題があった。

デッドエンド方式を用いるにあたって、上述した電圧低下の防止のみならず、このような水素の利用効率低下の問題にも対処し、高い発電効率を得ることが望まれる。

[0012] 本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、高い効率で電力を生じさせることのできる、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムを提供することにある。

[0013] 本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

課題を解決するための手段

[0014] 本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、該電解質膜の他方の面に設けられた力ソードとを備え、該アノードに燃料ガスを、該カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給されて起電力を生じる燃料電池と、前記燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段とを有し、

前記燃料電池から排出される燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する閉塞モードを有する燃料電池システムであって、

前記圧力制御手段によって、前記閉塞モードによる運転の開始から時間 tが経過するまでの前記燃料ガスの圧力を Pとし、時間を経過した後は、前記燃料ガスの圧

1 1

力を P (但し、 P < P )とすることを特徴とするものである。

2 1 2

[0015] 本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料オフガスの流路を開いて該流路のパージを行うパージ手段を有し、

前記パージ手段によるパージがなされたら、該パージの直後に前記閉塞モードが開始されたものとすることができる。

[0016] 本発明の燃料電池システムにおいて、前記圧力制御手段は、圧力 Pを段階的に

2

大きくなるように変化させることができる。

[0017] 本発明の燃料電池システムにおいて、前記圧力制御手段は、圧力 Pを連続的に

2

大きくなるように変ィ匕させることもできる。

[0018] 本発明の燃料電池システムにおいて、圧力が Pであるときに、前記燃料電池の電

1

圧低下による前記燃料電池が発電する電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和を Xとし、圧力が Pであるとき

1 2 に、前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和を Xとすると、時間 tを経

2 1 過した後は、

X <x

2 1

となることが好ましい。

[0019] 本発明の燃料電池システムにおいて、圧力 Pは、前記燃料電池の発電に必要な最低限の量の前記燃料ガスを前記アノードに供給できる圧力であり、

時間は、時間と前記燃料電池が発電する電力の総損失量とを座標軸とするダラフにおいて、圧力が Pであるときの前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第 1の曲線と、圧力が Pであるときの前記燃料電池の

2

電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第 2の曲線との交点の時間座標に相当するものとすることができる。

[0020] 本発明の燃料電池システムにおいて、時間 (t <t )を経過した後は、前記燃料ガスの圧力を P (但し、 P < P )とするとともに前記燃料オフガスの流路を開いてパー

3 2 3

ジを行うことができる。この場合、圧力 Pは、前記燃料オフガスの流路に蓄積した不

3

純物ガスを十分に排出できる圧力とすることが好ましい。

発明の効果

[0021] 本発明の燃料電池システムによれば、閉塞モード開始から時間 tまでの燃料ガスの圧力を Pとし、時間 tを経過した後は燃料ガスの圧力を P (但し、 P < P )とするの

1 1 2 1 2 で、高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムとすることができる。図面の簡単な説明

[0022] [図 1]実施の形態 1における燃料電池システムの構成図である。

[図 2]実施の形態 1における燃料電池のセルの断面模式図である。

[図 3]実施の形態 1において、電圧低下による電力の総損失量の時間変化を示す図である。

[図 4]実施の形態 1において、水素透過による電力の総損失量の時間変化を示す図である。

[図 5]実施の形態 1において、電圧低下と水素透過による電力の総損失量の時間変化を示す図である。

[図 6] (a)は、実施の形態 1において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示す一例であり、（b)は、（a)で燃料電池の電圧の時間変化を示す図である。

[図 7]実施の形態 1において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示す他の例である。

[図 8]実施の形態 1において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示す他の例である。

[図 9]従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の電圧の時間変化を示す図である。

符号の説明

[0023] 1 燃料電池システム

2 燃料電池

3 コンプレッサ 4 加湿器

5 空気調圧弁

6 水素タンク

7 水素調圧弁

8 パージ弁

9 圧力制御手段

10 流路

11 セル

12 膜—電極—ガス拡散層アッセンプリ

13， 14 セパレータ

15 電解質膜

16 アノード

17 力ソード

18, 19 ガス拡散層

発明を実施するための最良の形態

[0024] 実施の形態 1.

図 1は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。尚、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

[0025] 図 1に示すように、燃料電池システム 1は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池 2と、燃料電池 2に圧縮空気を供給するコンプレッサ ₃と、燃料電池 2から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池 2に供給する空気を加湿する加湿器 4と、コンプレッサ 3から燃料電池 2に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁 5と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク 6と、水素タンク 6から燃料電池 2に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁 7と、燃料オフガスの流路 10を開閉するパージ弁 8と、水素調圧弁 7の弁開度を変えて水素の圧力を制御する圧力制御手段 9とを有する。パージ弁 8 を開くことによって、燃料電池 2から排出された燃料オフガスをパージすることができる。 [0026] 燃料電池システム 1では、アノード（図示せず）への水素の供給は、デッドエンド方式によって行われる。すなわち、パージ弁 8を閉じると、燃料オフガスの流路が閉塞されて、水素の供給は、水素タンク 6からの供給のみによって行われる。このようなデッドエンド方式によれば、供給された水素は、燃料電池 2での反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。

[0027] 燃料電池 2は、固体高分子型燃料電池であるとする。但し、これに限られるものではなぐ例えば、アルカリ型燃料電池とすることもできる。

[0028] 図 2は、燃料電池 2を構成するセルの断面模式図である。この図に示すように、セル

11は、膜—電極—ガス拡散層アッセンブリ（MEGA ; membrane electrode gas diffusion layer assembly) 12と、反応ガスの流路が形成されたセパレータ 13， 1 4とが積層されてなる。膜—電極—ガス拡散層アッセンプリ 12は、固体高分子からなる電解質膜 15と、電解質膜 15の一方の面に設けられた触媒層力なるアノード 16と、電解質膜 15の他方の面に設けられた触媒層からなる力ソード 17と、アノード側および力ソード側のそれぞれに設けられたガス拡散層 18, 19とからなる。そして、セパレータ 13, 14は、ガス拡散層 18, 19を介して、アノード側および力ソード側のそれぞれに設けられている。

[0029] アノード 16に水素が供給されることによって、アノード 16では、

H→2H⁺ + 2e"

2

の反応が起こり、 H+が生成する。そして、この H⁺は、電解質膜 15を透過して力ソード側に移動した後、力ソード 17に供給された酸素との間で

(1/2) 0 + 2H+ + 2e—→H O

2 2

の反応を起こす。

[0030] すなわち、両電極間において、

H + (1/2) 0→H O

2 2 2

の電気化学反応が起こることによって起電力が発生する。また、このとき、力ソード側では水が生成する。生成した水は、電解質膜 15を透過してアノード側にも蓄積される

[0031] また、力ソード 17に供給される空気には窒素も含まれているが、この窒素も電解質膜 15を透過してアノード側に蓄積される。

[0032] したがって、燃料電池 2を運転すると、次第に、図 1のアノード側の流路 10に水や窒素が溜まって行く。これにより、水素の分圧の低下が起こって、燃料電池 2の電圧が低下してしまう。

[0033] そこで、本実施の形態では、燃料電池 2の電圧低下を抑制するために、運転から所定時間を経過した後は、アノード 16に供給する水素の圧力が高くなるようにする。しかし、水素の圧力を高くすると、電解質膜 15を透過する水素の量が増えることによつて、水素の利用効率が低下してしまう。したがって、燃料電池 2の電圧低下と水素の利用効率の低下とをともに考慮して、アノード 16に供給する水素の圧力と、圧力を高くするタイミングとを決定するのがよい。

[0034] 図 3は、燃料電池の電圧が低下することによる電力の総損失量の経時変化を模式的に示したものである。

[0035] デッドエンド方式による燃料電池で電圧低下が起こる要因としては、力ソードからの水や窒素の透過量、電解質膜の面積、燃料電池スタックを構成するセルの数およびガス流路の特性が挙げられる。力ソードからの水や窒素の透過量は、電解質膜ゃガス拡散層の物性によって変化する。また、ガス流路の特性は、流路を通過するガスの拡散性に影響を与える。

[0036] 一例として、厚さ力 ¾5 μ mである Gore社製のフッ素系固体高分子電解質膜を用いたセルを積層し、アノードに供給する水素の圧力を 120kPaとして、デッドエンド方式による燃料電池システムを 1分間運転したところ、電力の損失量は、 2. 50mW/cm² 'セルであった。また、この燃料電池システムにおいて、水素の圧力を 150kPaに変えて 1分間運転を行ったところ、電力の損失量は 1. 39mWZcm²'セルであった。

[0037] 図 3において、横軸は時間（分)であり、縦軸は、燃料電池の電圧低下による電力の総損失量 (W'分）である。時間の経過とともに、流路に蓄積された水や窒素の量が増えるので、電圧の低下量は大きくなる。また、アノードに供給する水素の圧力が小さいと、電圧の低下量はさらに大きくなる。このため、図 3に示すように、水素の圧力が小さい方が、電力の損失量の時間変化が大きくなり、電力の総損失量も大きくなる結果となる。 [0038] 一方、図 4は、電解質膜を水素が透過することによる電力の総損失量の経時変化を模式的に示したものである。

[0039] 電解質膜を透過する水素の量は、水素の圧力が一定であれば、電解質膜の物性、電解質膜の面積および燃料電池スタックを構成するセルの数によって定められる。一例として、厚さが 45 μ mである Gore社製のフッ素系固体高分子電解質膜を用いたセルを積層し、アノードに供給する水素の圧力を 120kPaとして、デッドエンド方式による燃料電池システムを運転した場合、単位時間あたりの電力の損失量は 1. 94m WZ cm²'セルとなる。

[0040] 図 4において、横軸は時間（分)であり、縦軸は、電解質膜を水素が透過することによる電力の総損失量 (W'分)である。アノードに供給する水素の圧力が大きいほど、水素の透過量が多くなるので、単位時間当たりの電力の損失量も大きくなる。このため、図 4に示すように、水素の圧力が大きい方が電力の総損失量が大きくなる結果となる。

[0041] 本実施の形態においては、図 3と図 4の双方を考慮して、アノードに供給する水素の圧力と、圧力を高くするタイミングとを決定する。

[0042] 図 5は、電圧低下と水素透過による電力の総損失量の経時変化を示したものである。第 1の曲線 (A)は、図 3と図 4で圧力が Pである場合の変化を足し合わせて得られたものである。一方、第 2の曲線 (B)は、図 3と図 4で圧力が Pである場合の変化を足

2

し合わせて得られたものである。時間 tまでは、曲線 Aの方が電力の総損失量は小さ

1

レ、。しかし、時間より後になると、曲線 Bの方が電力の総損失量が小さくなることが分かる。

[0043] そこで、本実施の形態においては、時間 tでは、アノードに供給する水素の圧力を

0

Pとし、時間 tで、水素の圧力を P (但し、 P < P )に変更する。特に、圧力が Pであ

1 1 2 1 2 1 るときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量と、水素が電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和を Xとし、圧力が Pであるときの燃料電池の電圧低

1 2

下による電力の総損失量と、水素が電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和を Xとすると、時間を経過した後は、

2 1

X <x となるように圧力を変化させることが好ましい。

[0044] 図 1の燃料電池システム 1においては、パージ弁 8が閉じた状態で燃料電池 2の運転が行われる。そして、運転開始から所定時間を経過した後に、パージ弁 8が開かれることによってパージが行われる。上記の時間 tは、このパージが行われた直後の時

0

間である。尚、燃料電池 2が起動される前にはパージが行われるので、時間 tには、

0 燃料電池 2の起動時も含まれるものとする。

[0045] 図 6 (a)は、本実施の形態において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示したものである。また、図 6 (b)は、図 6 (a)のように水素の圧力を変化させたときに、燃料電池の電圧が変化する様子を示したものである。

[0046] 図 6 (a)に示すように、時間から時間 tまでは、アノードに供給する水素の圧力を

0 1

Pとする。但し、 Pは、水素が通過する流路の圧損より大きい圧力でなければならなレ、が、燃料電池 2の発電に必要な最低限の量の水素をアノードに供給できる圧力とすることが好ましい。このような圧力であれば、電解質膜を透過して水素が力ソード側に移動してしまうのを最小限にすることができる。

[0047] 図 6 (a)で、時間になったところで、水素の圧力を P力 P (但し、 P < P )に変更

1 1 2 1 2 する。時間の経過とともに、図 6 (b)に示すように、燃料電池の電圧は低下するが、ァノードに供給する水素の圧力を高くすることによって、電圧低下を抑制することができる。

[0048] このように、アノードに供給する水素の圧力を P力 Pに変えることによって、電圧

1 2

低下と水素透過による電力の総損失量を小さくした状態で燃料電池を運転することが可能となる。尚、図 1の例では、圧力制御手段 9により水素調圧弁 7の弁開度を調整することによって、水素の圧力を変えることができる。

[0049] 圧力 Pで運転を続けていくと、アノード側のガス流路に蓄積された水や窒素の量が

2

次第に増えて行く。そこで、適当な時点でパージを行う。パージを行うことによって、アノード側のガス流路に溜まった水や窒素などを排出することができる。

[0050] ところで、特許文献 1では、パージが必要と判断されたときに、パージ弁を所定時間開放する制御が行われる。この制御により、ガス流路に溜まった水や水素以外の成分を排出できるので、これらによる影響を小さくして、燃料電池の特性が低下するのを防止できるとされる。

[0051] し力しながら、パージによって水素が排出されると、水素の利用効率が低下してしまうという問題があった。一方、 1回のパージで水や窒素が十分に排出されない場合には、水素の分圧の低下が速くなることによって、燃料電池の電圧の低下も速くなり、パージを行う間隔が次第に短くなつてしまうという問題もあった。

[0052] 図 9は、従来の燃料電池システムにおいて、時間の経過とともに、燃料電池の電圧が変化する様子を示したものである。パージの際の水素の圧力が十分でない場合には、水や窒素がガス流路に残存することによって、水素の分圧が速く低下するようになる。したがって、図 9に示すように、時間の経過とともに、電圧は速く低下するようになる。このため、時間 tから時間 tが経過したところでパージを行っても、次のパージ

0 1

は、時間 tから時間 t (t >t )が経過したところで行わなければならず、さらに、その

1 2 1 2

次のパージは、時間 tから時間 t (t >t )が経過したところで行わなければならない

2 3 2 3

。このように、パージの際の水素の圧力が十分でないと、パージを行う間隔が次第に短いものとなってしまう。

[0053] そこで、実施の形態 1では、以下の手法により、上述のパージに関する問題を解決することとする。

[0054] 具体的には、図 6において、時間 tで水素の圧力を Pに変更するとともにパージ弁

2 3

8を開く。ここで、圧力!³は、圧力!³より大きい値であって、水や窒素などの不純物ガ

3 2

スを排出するのに十分な圧力であるとする。 Pの値は、電圧低下と水素透過による電

3

力の総損失量を考慮せずに決定することができる。尚、 Pをこのようにして決定すると

3

、パージの際の水素の圧力が高くなることによって、水素の利用効率が低下して、燃料電池の発電効率が一時的に低下する結果となる。しかし、水や窒素の排出効率は向上するので、総合的に見れば、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

[0055] 圧力 Pでパージを行うことにより、アノード側のガス流路から、水や窒素を十分に排

3

出すること力 s可能となる。したがって、水や窒素がガス流路に残存することによって、水素の分圧が速く低下してしまうのを防ぐことができる。すなわち、燃料電池の電圧の低下が速くなるのを抑制できるので、パージを行う間隔が次第に短くなつてしまうのを防ぐことができる。 [0056] 時間は、流路 10に蓄積した水および窒素の濃度が、予め定められた値に達する

2

時間とする。尚、水や窒素の濃度は、燃料電池 2の運転条件から推定可能である。

[0057] パージは、水や窒素の濃度が高くなることによって、燃料電池の電圧が所定値まで低下したときに必要となる。したがって、上記の「予め定められた値に達する時間」とは、燃料電池 2の電圧が所定値まで低下する時間と言い換えることもできる。図 6 (b) の例では、電圧 Vが電圧 Vまで低下する時間 tである。

0 1 2

[0058] パージ弁 8は、流路 10から水や窒素を排出するのに十分な時間が経過した後に閉じられる。これにより、燃料電池システム 1は、再び、燃料オフガスの流路が閉塞された状態で運転される。そして、燃料電池 2の電圧は、低下する前の電圧である Vまた

0 は略これに近レ、値にまで回復する。

[0059] その後、アノードに供給する水素の圧力を Pに戻し、この時間を tとして上記の操

1 0

作を繰り返す。

[0060] 以上述べたように、本実施の形態の燃料電池システムによれば、パージの直後を時間として時間 tから時間 tまでの燃料ガスの圧力を Pとし、時間 tを経過した後

0 0 1 1 1 は燃料ガスの圧力を Pより高い圧力 Pとするので、電解質膜を透過する水素の量と

1 2

、電圧測定手段によって得られる燃料電池の電圧の低下量とから求められる燃料電池の電力の総損失量を低くして燃料電池を運転することが可能となる。したがって、高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムとすることができる。

[0061] 本実施の形態において、圧力が Pであるときの燃料電池の電圧低下による電力の

1

総損失量と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和を Xと

1 し、圧力が!³であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量と、燃料ガス

2

が電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和を Xとすると、時間 tを経過し

2 1 た後は、

X <x

2 1

となることが好ましい。

[0062] また、本実施の形態において、圧力 Pを、燃料電池の発電に必要な最低限の量の

1

燃料ガスをアノードに供給できる圧力とした場合には、時間 tは、時間と燃料電池が

1

発電する電力の総損失量とを座標軸とするグラフにおいて、圧力が Pであるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量の変化と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の変化とを足し合わせた第 1の曲線と、圧力が!³である

2 ときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量の変化と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の変化とを足し合わせた第 2の曲線との交点の時間座標に相当することが好ましい。

[0063] 尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなぐ本発明の趣旨を逸脱しなレ、範囲内におレ、て、種々変形して実施することができる。

[0064] 例えば、水素の圧力を制御する圧力制御手段は、図 6 (a)に示すように、時間 tか

1 ら時間 tまでの水素の圧力が段階的に大きくなるように変化させることができるが、水

2

素の圧力が連続的に大きくなるように変化させることもできる。

[0065] また、図 6 (a)の例では、水素の圧力を P→P→Pの 2段階に変える例について述

1 2 3

ベたが、本発明はこれに限られるものではなレ、。例えば、パージを行う前に変更される水素の圧力は、 P→Pの 1段階に限られるものではなぐ 2段階、 3段階、…など

1 2

の複数の段階としてもよぐあるいは、不連続ではなく連続的に変化するようにしてもよい。

[0066] 図 7は、パージを行う前に、水素の圧力を 2段階に変更する例である。この例では、パージの直後を時間 tとし、時間 tから時間 tまでは、アノードに供給する水素の圧

0 0 1

力を Pとする。次いで、時間 tになったところで、水素の圧力を P力 P (但し、 Pく

1 1 1 2 1

P )に変更する。さらに、時間 tになったところで、水素の圧力を P力 P (但し、 P

2 2 2 3 2 く P )に変更する。その後、時間で水素の圧力を Pに変更するとともに、パージ弁

3 3 4

を開いてパージを行う。圧力 Pは、圧力 Pより大きい値であって、水や窒素を排出す

4 3

るのに十分な圧力であるとする。そして、水や窒素を排出するのに十分な時間が経過したところでパージ弁を閉じる。その後は、水素の圧力を Pに戻して上記の操作を

1

繰り返す。

[0067] 図 8は、パージを行う前に、水素の圧力を連続的に変化させる例である。この例では、パージの直後を時間 tとし、時間 tから時間 tまでは、アノードに供給する水素の

0 0 1

圧力を pとする。次いで、時間 tから時間 tまでは、圧力が p力 pまで一次関数的

1 1 2 1 2 に増加するようにする。そして、時間 tになったところで、水素の圧力を P力 Pに変更するとともにパージ弁を開いてパージを行う。圧力 Pは、圧力 Pより大きい値であ

3 2

つて、水や窒素を排出するのに十分な圧力であるとする。そして、水や窒素を排出するのに十分な時間が経過したところでパージ弁を閉じる。その後は、水素の圧力を P

1 に戻して上記の操作を繰り返す。

[0068] このように、水素の圧力を変化させる回数を多くしたり、あるいは、水素の圧力を連続的に変化させることによって、よりきめ細かぐ燃料電池の電力の総損失量を低くする圧力で運転することが可能となる。したがって、図 7や図 8の例によれば、図 6 (a)の例に比べて、一層高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムとすること力 Sできる。

[0069] また、上記の実施の形態では、アノードに供給する燃料ガスを水素としたが、本発明はこれに限られるものではなレ、。例えば、アノードに供給する水素源として、炭化水素系化合物の改質反応によって生成する改質ガスを利用することもできる。

[0070] 実施の形態 2.

実施の形態 1の燃料電池システムでは、燃料電池 2を、所定時間、アノード側のガス流路の下流 (燃料オフガスの流路の下流）を閉じた状態（閉塞モード)で運転し、当該所定時間が経過したら当該ガス流路のパージを行うこととした。実施の形態 2では、パージを行わずに燃料電池 2を運転する点において、実施の形態 1と相違する（以下、実施の形態 2のシステムを「完全デッドエンド型燃料電池システム」とも呼称する）

[0071] 実施の形態 2のシステムは、図 1のシステムと同様の構成において、パージ弁 8および流路 10が設けられない構成とし、燃料電池 2のアノード側のガス流路の下流が閉塞されている構成とすることで実現できる。従って、以下の説明では、特に実施の形態 2の構成を図示せず、また、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略する。

[0072] 完全デッドエンド型燃料電池システムは、燃料電池 2のアノード 16側のガス流路内に、発電に寄与しない不純物質 (窒素など）が溜まることを許容するシステムである。以下、不純物質のうち、窒素にのみ着目して説明する。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。 [0073] アノード 16側のガス流路の窒素分圧がある程度まで上昇すると、当該窒素分圧は、力ソード 17側のガス流路内の窒素分圧に等しくなる。この場合には、アノード側のガス流路の窒素分圧は、それ以上、上昇しなくなる。完全デッドエンド型燃料電池システムは、このように窒素分圧が平衡した状態で燃料電池 2を運転するシステムである。

[0074] 以下、実施の形態 2にかかる圧力制御について述べる。実施の形態 2における完全デッドエンド型システムでも、実施形態 1で述べた図 3、 4の関係が成立する。つまり、図 3に示すように、アノードにおける水素の圧力が小さいほうが、流路内の不純物質による電圧低下の影響が少ない。また、図 4に示すように、アノードにおける水素の圧力が大きいほど、水素の透過量が多くなる。そこで、実施の形態 2においても、この点を考慮し、アノードの水素圧力の制御を行うこととする。

[0075] 具体的には、完全デッドエンド型燃料電池システムにおいては、燃料電池 2の起動時、アノード側のガス流路内の窒素分圧が低くなる傾向にある。よって、アノード側の燃料ガスの圧力を低圧力 Pとして、水素が電解質膜を介して力ソード 17側に透過す

1

るのを抑える。これにより、実施の形態 1と同様に、水素透過量が過大となるのを防ぎ

、水素の利用効率を高めることができる。

[0076] そして、窒素分圧が上昇するのに応じて、アノード側の燃料ガスの圧力を P (但し、

2

P < P )まで増加する。そして、圧力増加後、上述したように窒素分圧が平衡した状

1 2

態で、発電を継続する。これにより、実施の形態 1と同様に、窒素などの不純物質の過度な蓄積による電圧の低下を抑制できる。なお、このような圧力制御は、具体的には、燃料電池 2を始動した時間を tに設定して、実施の形態 1と同様に燃料ガスの圧

0

力を制御することにより実現可能である。時間 t、 t、 tの設定についても、実施の形

1 2 3

態 1と同様の手法で行うことができる。

[0077] このようにすることで、実施の形態 1と同様に、高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムを得ることができる。

[0078] なお、実施の形態 2について、実施の形態 1と同様の変形を加えることができる。つまり、実施の形態 1で述べた圧力 P、 Pにおける電力の総損失量 X、 Xに基づく圧

1 2 1 2 力制御の手法を、実施の形態 2に用いることができる。また、圧力 P、 Pにおける総損失量の変化に関する第 1、 2の曲線の交点の時間座標に相当するように、圧力変化のタイミングを設定することもできる。また、アノードの水素圧力の変化を段階的に、または連続的に行う手法など、実施の形態 1に含まれる種々の圧力制御の手法を、実施の形態 2の圧力制御に応用することができる。

実施の形態 3.

実施の形態 1、 2の構成を組み合わせたシステムに、本発明を適用することができる。例えば、燃料電池 2が所定の低負荷域で運転されているときはアノード側のガス流路下流を閉塞して発電を行レ、（実施の形態 2)、かつ、燃料電池 2が所定の高負荷域で運転されているときにアノード側ガス流路内の不純物質を適宜パージしつつ発電を行う（実施の形態 1)ような燃料電池システムに、本発明を適用することができる。この場合には、完全デッドエンド型燃料電池システムでの運転時には、アノード側のガス流路を閉塞して発電を開始した時間を tとし、パージを併用するシステムでの運転

0

時には、パージ直後の時間を tとすることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、該電解質膜の他方の面に設けられた力ソードとを備え、該アノードに燃料ガスを、該カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給されて起電力を生じる燃料電池と、

前記燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段とを有し、

前記圧力制御手段によって、前記閉塞モードによる運転の開始から時間 tが経過

1 するまでの前記燃料ガスの圧力を Pとし、時間を経過した後は、前記燃料ガスの圧

1 1

力を P (但し、 P < P )とすることを特徴とする燃料電池システム。

2 1 2

[2] 前記燃料オフガスの流路を開いて該流路のパージを行うパージ手段を有し、前記パージ手段によるパージがなされたら、該パージの直後に前記閉塞モードが開始されたものとす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] 前記圧力制御手段は、圧力!³を段階的に大きくなるように変化させることを特徴と

2

する請求項 1または 2に記載の燃料電池システム。

[4] 前記圧力制御手段は、圧力 Pを連続的に大きくなるように変化させることを特徴と

2

する請求項 1または 2に記載の燃料電池システム。

[5] 圧力が Pであるときに、前記燃料電池の電圧低下による前記燃料電池が発電する

1

電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和を Xとし、圧力が Pであるときに、前記燃料電池の電圧低下による前

1 2

記電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和を Xとすると、時間 tを経過した後は、

2 1

X <x

2 1

となることを特徴とする請求項 1〜4のいずれ力 4項に記載の燃料電池システム。

[6] 圧力 Pは、前記燃料電池の発電に必要な最低限の量の前記燃料ガスを前記ァノードに供給できる圧力であり、

時間は、時間と前記燃料電池が発電する電力の総損失量とを座標軸とするダラフにおいて、圧力が Pであるときの前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第 1の曲線と、圧力が!³であるときの前記燃料電池の

2

電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第 2の曲線との交点の時間座標に相当することを特徴とする請求項 1〜4のいずれ力、 1項に記載の燃料電池システム。

[7] 時間 t (t <t )を経過した後は、前記燃料ガスの圧力を P (但し、 P < P )とすると

2 1 2 3 2 3 ともに前記燃料オフガスの流路を開いてパージを行うことを特徴とする請求項 2〜6のレ、ずれ力ゝ 1項に記載の燃料電池システム。

[8] 圧力 Pは、前記燃料オフガスの流路に蓄積した不純物ガスを十分に排出できる圧

3

力であることを特徴とする請求項 7に記載の燃料電池システム。