JP2020009598A - 燃料電池システム並びにその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アノードから水素を排出せずにアノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を低減し、希釈器を設けないことで小型化すること。【解決手段】燃料電池スタック（１）と、燃料電池スタックのアノード（１ａ）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路（２）と、燃料電池スタックのカソード（１ｂ）に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部（３）と、カソードと酸化剤ガス供給部とを接続する酸化剤ガス供給経路（４）と、カソードから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路（５）と、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間に電流を供給する電流供給手段（６）と、制御部（７）と、を備え、制御部は、発電停止時、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、電流供給手段によりアノードからカソードへ水素を供給することにより、アノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を所定範囲内に収める。【選択図】図１

Description

本発明は水素含有ガスを用いて発電する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、この種燃料電池システムは、停止期間にアノード内に蓄積した窒素対策として、停止期間からの復帰時に、燃料ガス供給経路から供給する燃料ガスで、アノード内の不純物を含む燃料ガスをパージし、パージ経路から排出することで、アノード内の不純物を含む燃料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５は、前記公報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５に示すように、燃料電池システム５００は、燃料電池スタック１０１、燃料ガス供給経路１０２、酸化剤ガス供給部１０３、酸化剤ガス供給経路１０４、酸化剤ガス排出経路１０５、未反応燃料ガス循環経路１０６、パージ弁１０７、希釈器１０８から構成されている。

燃料電池システム５００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１０１のアノードや未反応燃料ガス循環経路１０６に蓄積した燃料ガスを含む窒素を、パージ弁１０７を開いてパージガスとして希釈器１０８へ導入する。さらに、パージガスは燃料電池スタック１０１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５００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からの復帰時に、アノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度が低減されるまでパージガスとして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、燃料電池システムの発電停止時にアノードからカソードへ水素を移動させ、カソード内の酸化剤ガス中の窒素を酸化剤ガス排出経路から排出する。カソード内のガス中の窒素濃度を低減することで、燃料電池システムの停止期間に、カソードからアノードへの窒素の移動を低減することができ、アノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を低減する。停止期間にアノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を低減することによって、アノードから水素を排出することなくアノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を低減することができ、希釈器を設けることなく、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、水素を含む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、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部とを接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路と、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間に電流を供給する電流供給手段と、制御部と、を備え、制御部は、発電停止時、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、電流供給手段によりアノードとカソードとの間に所定の電流を供給して、アノードからカソードへ水素を供給するようにしたものである。

発電停止時に、アノードからカソードへ水素を供給することによって、カソード内の酸化剤ガス中の窒素濃度を低減することができ、停止期間中に、カソードからアノードへの電解質膜を介した窒素の透過を低減することが出来る。さらに、窒素濃度を低減するためにアノードからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システムを小型化することとなる。

本発明の燃料電池システムは、発電停止時にアノードとカソードとの間に電流を供給し、アノードからカソードへ水素を移動させ、カソード内の酸化剤ガス中の窒素を酸化剤ガス排出経路から排出し、発電停止期間のアノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を低減する。これによって、停止期間からの復帰時に、アノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度を低減できているため、希釈器を設ける必要がなく、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 本発明の実施の形態４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、水素を含む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、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部とを接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路と、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間に電流を供給する電流供給手段と、制御部と、を備え、制御部は、発電停止時、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、電流供給手段によりアノードとカソードとの間に所定の電流を供給して、アノードからカソードへ水素を供給するとしたものである。これによって、電気化学的に、電解質膜を通して、アノードからカソードへ水素を移動させることができ、カソード内の酸化剤ガス中の窒素濃度を低減することとなり、停止期間中に、カソードからアノードへの電解質膜を介した窒素の透過を低減することができる。さらに、窒素濃度を低減するためにアノードからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システムを小型化することができる。

また、電気化学的に、電解質膜を通して、アノードからカソードへ水素を移動させることで、アノードからカソードへ水素を物理的に供給する場合に比べて、配管やポンプを削減し、小型化することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、制御部は、電流供給手段によりアノードとカソードとの間に流れる電流が所定電流量に達したとき、電流供給手段による電流供給を止めるとしたものである。これによって、アノードからカソードへ水素を所定量供給することとなり、カソード内の酸化剤ガス中の窒素を確実に排出するとともに、過剰に水素を供給することを防止することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、制御部は、電流供給手段により電流供給が止まってから所定の条件が満たされたとき、カソードを封止するとしたものである。これによって、カソードから水素により窒素を排出した後に、大気からカソードに窒素が浸入することを防止することができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の燃料電池システムを、制御部は、電流供給手段により電流供給が止まってから所定時間が経過した後、カソードを封止するとしたものである。これによって、カソードへ水素を供給中にカソードを封止することがなくなり、カソード内のガスの圧力が上昇し過ぎ、カソードが劣化することを防止することができる。

第５の発明は、特に、第３の発明の燃料電池システムを、制御部は、酸化剤ガス排出経路に設けられた水素ガス濃度検知手段を備え、電流供給手段により電流供給が止まって、水素ガス濃度検知手段の検知値が所定値以下になった後、カソードを封止するとしたものである。これによって、カソード内のガス中の水素の濃度が低下し過ぎることを防ぐこととなり、カソード内のガス中の窒素の濃度が上昇することを防止することができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明の燃料電池システムを、酸化剤ガス供給経路のカソードの上流側に設けた分岐部で分岐し、カソードを迂回して酸化剤ガス排出経路の合流部で合流するバイパス経路を備えるとしたものである。これによって、カソードに酸化剤ガスを供給することなく、酸化剤ガス排出経路に酸化剤ガスを供給することが出来ることになり、カソードに酸化剤ガスに含まれる窒素を供給することを防止することができる。

第７の発明は、特に、第６の発明の燃料電池システムを、制御部は、発電停止時において、少なくとも電流供給手段によりアノードとカソードとの間に所定の電流を供給してアノードからカソードへ水素を供給している期間、バイパス経路を介して酸化剤ガス排出経路に酸化剤ガスを供給するとしたものである。これによって、カソードから窒素とともに水素が排出されても、酸化剤ガスにより水素を希釈して安全に排出することができる。

第８の発明は、水素を含む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、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部とを接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路と、燃料電池スタックのアノードとカソードとの間に電流を供給する電流供給手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、発電停止時、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、電流供給手段によりアノードとカソードとの間に所定の電流を供給して、アノードからカソードへ水素を供給するとしたものである。これによって、カソード内の酸化剤ガス中の窒素濃度を低減することができ、停止期間中に、カソードからアノードへの電解質膜を介した窒素の透過を低減することができる。さらに、窒素濃度を低減するためにアノードからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システムを小型化することができる。

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、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給経路２と、酸化剤ガス供給部３と、酸化剤ガス供給経路４と、酸化剤ガス排出経路５と、電流供給手段６と、制御部７とを備える。

燃料電池スタック１は、固体高分子型であり、アノード１ａとカソード１ｂとによって電解質膜１ｃ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。

アノード１ａ内、カソード１ｂ内にはそれぞれ経路が構成されており、アノード１ａ内の経路は燃料ガスである水素が流通し、カソード１ｂ内の経路は酸化剤ガスである空気が流通する。また、アノード１ａ、カソード１ｂは電流を流す電極である。

燃料ガス供給経路２は、燃料ガスである水素を燃料電池スタック１のアノード１ａに供給するための経路である。本実施の形態では、アノード１ａに供給した水素のうち、使用されなかった水素はアノード１ａから排出した後、燃料ガス供給経路２に戻して再利用する未反応燃料ガス循環経路を設ける。

酸化剤ガス供給部３は、酸化剤ガスである空気を供給するポンプである。

酸化剤ガス供給経路４は、酸化剤ガス供給部３と接続されており、酸化剤ガス供給部３により供給された空気を燃料電池スタック１のカソード１ｂへ供給する経路である。

酸化剤ガス排出経路５は、燃料電池スタック１のカソード１ｂから排出される未使用の空気が通る配管経路であり、酸化剤ガス排出経路５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。

電流供給手段６は、アノード１ａとカソード１ｂとの間に電力を供給し電流を流すものである。

制御部７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の発電時の動作について述べる。燃料電池スタック１のアノード１ａに水素を供給し、燃料電池スタック１のカソード１ｂに空気を酸化剤ガス供給部３から供給する。アノード１ａに供給された水素は、アノード１ａに存在する触媒により、プロトンと電子になる。プロトンは電解質膜１ｃを介して、カソード１ｂに供給される。燃料電池スタック１の外部に設けられたインバータ（図示せず）により、電子はアノード１ａから取り出され、インバータを通過して、カソード１ｂを経て、カソード１ｂに供給される。カソード１ｂにて、空気に含まれる酸素とプロトンと電子とが反応することで、水が生成される。インバータにて電流を引くことで、燃料電池システム１００は発電することができ、インバータにて直流電力を交流電力に変換して、燃料電池システム１００から交流電力が供給される。

次に、燃料電池システム１００の発電停止時の動作について述べる。インバータで電流を引くのを停止することで、燃料電池システム１００は発電を停止する。燃料電池スタック１に供給していた水素と空気は、発電停止後に供給を停止する。ここで、カソード１ｂ内に残留する空気には窒素が含まれている。カソード１ｂ内の空気中の窒素は、カソード１ｂ内の空気中の窒素分圧と、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素分圧との分圧差により、電解質膜１ｃを介して、カソード１ｂからアノード１ａに移動する。ここで、停止時のカソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を７９％、カソード１ｂ内の空気の圧力を大気圧とすると、カソード１ｂ内の空気中の窒素分圧は８０ｋＰａとなる。アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を２０％、アノード１ａ内の不純物を含む水素の圧力を大気圧に対して５０ｋＰａとすると、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素分圧は３０ｋＰａとなる。よって、カソード１ｂ内の空気中の窒素分圧と、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素分圧との分圧差は５０ｋＰａとなる。

停止時に、窒素の分圧差によって、カソード１ｂからアノード１ａに窒素が移動することで、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素量が増加し、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が上昇する。アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が上昇し、所定濃度以上になると、次に、燃料電池システム１００を発電する時に、発電を阻害する。本実施の形態では、所定濃度を２０％とした。そこで、カソード１ｂからアノード１ａへの電解質膜１ｃを介した窒素の移動量を削減するために、発電停止時に、アノード１ａからカソード１ｂに水素を供給し、カソード１ｂ内の窒素を排出する動作を実施する。

燃料電池システム１００での発電を停止した後、電流供給手段６により、アノード１ａとカソード１ｂとの間に電力を供給し、電流を流す。アノード１ａからカソード１ｂへ電流を流すことで、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素がプロトンとして電解質膜１ｃを流れ、カソード１ｂにてプロトンと電子が結び付き水素となることで、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素がカソード１ｂ内へ移動する。アノード１ａからカソード１ｂへ流す電流の積算値により、アノード１ａからカソード１ｂへの水素の移動量を規定することができる。よって、電流値および電流を流す時間を制御することで、カソード１ｂに供給する水素量を制御することが出来る。カソード１ｂへの酸化剤ガスの供給は停止しておくことで、カソード１ｂ内の空気は水素により置換されていき、カソード１ｂ内の空気中に存在した窒素は酸化剤ガス排出経路５に排出される。カソード１ｂに供給される水素量は、電流供給手段６で供給する電流の積算値に比例する。そのため、カソード１ｂ内の空気中の窒素を十分に置換し、窒素濃度を低減できたかは、電流供給手段６にて供給した電流の積算値から判断できる。そこで、電流供給手段６が流した電流の積算値が所定の電流の積算値に達したときに、カソード１ｂ内の空気中の窒素の濃度が所定値以下に低減できたと判断し、電流供給手段６からの電力の供給を停止し、電流の流通を停止する。本実施の形態では、カソード１ｂ内の経路の容積に相当する量の水素を供給するように電流供給手段６が供給する電流の積算値を決定した。カソード１ｂ内の経路の内容積は１００ｃｃとし、電流は０．２Ａを５分間流通することとした。

なお、電流供給手段６が電流を流している間は、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素が消費されるため、燃料ガス供給経路２から水素を供給し続けておく。

カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を所定値以下に低減することで、燃料電池システム１００の停止期間にカソード１ｂからアノード１ａに電解質膜１ｃを介して透過する窒素量を低減することができる。その結果、次に、燃料電池システム１００を発電開始するときに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を低減できるため、すぐに、燃料電池システム１００を発電することが可能となる。本実施の形態では、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が２０％以下になるように、カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を３０％以下にするように設定した。なお、このときのアノード１ａ内の圧力は大気圧に対して５０ｋＰａ、カソード１ｂ内の圧力は大気圧同等とした。カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を７９％から２０％に低減するためには、アノード１ａからカソード１ｂに供給する水素により、カソード１ｂ内の空気の７５％以上を追い出せば良い。

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、水素を含む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１と、燃料電池スタック１のアノード１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２と、燃料電池スタック１のカソード１ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部３と、カソード１ｂと酸化剤ガス供給部３とを接続する酸化剤ガス供給経路４と、カソード１ｂから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路５と、燃料電池スタック１のアノード１ａとカソード１ｂとの間に電流を供給する電流供給手段６と、制御部７とすることにより、発電停止時に、カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を低減することができ、停止期間中に、カソード１ｂからアノード１ａへの電解質膜１ｃを介した窒素の透過を低減することが出来る。その結果、燃料電池システム１００を発電開始するときに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を低減できるため、すぐに、燃料電池システム１００を発電することが可能となる。さらに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を低減するためにアノード１ａからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システム１００を小型化することができる。

なお、本実施の形態では、未反応燃料ガス循環経路を設けたが、未反応燃料ガス循環経路は必ずしも設ける必要はなく、アノード１ａの後で封止する構成としても構わない。
（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、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給経路２と、酸化剤ガス供給部３と、酸化剤ガス供給経路４と、酸化剤ガス排出経路５と、電流供給手段６と、制御部７と、カソード上流開閉弁８と、カソード下流開閉弁９と、を備える。実施の形態１と同一の構成要素については、その説明はここでは省略する。

カソード上流開閉弁８は、酸化剤ガス供給経路４の経路上に設けられており、酸化剤ガス供給部３からカソード１ｂへの空気の供給を行ったり、停止したりすることが出来る電磁弁である。

カソード下流開閉弁９は、酸化剤ガス排出経路５の経路上に設けられており、カソード１ｂを大気に開放したり、大気と隔離したりすることが出来る電磁弁である。

アノード１ａの下流は封止構成とし、未反応燃料ガス循環経路は設けていない。

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。

燃料電池システム２００の発電停止時の動作について述べる。燃料電池システム２００での発電を停止した後、カソード１ｂへの空気の供給を停止する。空気を停止するために、酸化剤ガス供給部３を停止するとともに、カソード上流開閉弁８を閉止する。次に、電流供給手段６により、アノード１ａとカソード１ｂとの間に電力を供給し、電流を流す。アノード１ａからカソード１ｂへ電流を流すことで、アノード１ａ内の水素がプロトンとして電解質膜１ｃを流れ、カソード１ｂにてプロトンと電子が結び付き水素となることで、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素がカソード１ｂ内へ移動する。カソード１ｂ内の経路は水素により置換されていき、カソード１ｂ内の経路に存在した窒素は酸化剤ガス排出経路５に排出される。電流供給手段６が流した電流の積算値が所定の電流の積算値に達したときに、カソード１ｂ内の空気中の窒素の濃度が所定値以下に低減できたと判断し、電流供給手段６からの電力の供給を停止し電流の流通を停止する。本実施の形態では、カソード１ｂ内の経路の内容積は１００ｃｃとし、電流は１Ａを１分間流通することとした。これにより、カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を３０％以下に低減できる。その結果、燃料電池システム２００の停止期間に、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が２０％以下になるようにできる。

なお、電流供給手段６が電流を流している間は、アノード１ａ内の水素が消費されるため、燃料ガス供給経路２から水を供給し続けておく。

電流供給手段６からの電力の供給を停止し、電流の流通を停止してから、時間が経過すると、大気からの拡散により酸化剤ガス排出経路５を経由して、カソード１ｂに空気が流入し、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度が上昇する可能性がある。そこで、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度が上昇することを防止するために、電流供給手段６による電流供給を止めてから所定時間が経過した場合は、カソード上流開閉弁８とカソード下流開閉弁９とを閉止することで、カソード１ｂを封止する。所定時間は、３０秒とした。

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、電流供給手段６により電力の供給が停止し、電流の流通が止まってから所定の条件が満たされたとき、カソード１ｂをカソード上流開閉弁８とカソード下流開閉弁９とを閉止することで封止するものとする。これによって、発電停止時にカソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を低減出来るとともに、停止期間に、大気からカソード１ｂに窒素が浸入し、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度が上昇することを防止できる。その結果、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を所定濃度以下に低減し、燃料電池システム２００を発電開始するときに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が低減出来ているため、すぐに、燃料電池システム２００を発電することが可能となる。さらに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を低減するためにアノード１ａからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システム２００を小型化することができる。

なお、カソード１ｂを封止する条件は、所定時間だけでなく、温度条件であったり、窒素濃度であっても構わない。カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度を所定濃度以下に抑えることが出来れば如何なる方法であっても構わない。
（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、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給経路２と、酸化剤ガス供給部３と、酸化剤ガス供給経路４と、酸化剤ガス排出経路５と、電流供給手段６と、制御部７と、カソード上流開閉弁８と、カソード下流開閉弁９と、水素ガス濃度検知手段１０と、を備える。実施の形態２と同一の構成要素については、その説明はここでは省略する。

水素ガス濃度検知手段１０は、酸化剤ガス排出経路５に設けられており、酸化剤ガス排出経路５に存在するガス中の窒素濃度を検知するものである。

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。

燃料電池システム３００の発電停止時の動作について述べる。燃料電池システム３００での発電を停止した後、カソード１ｂへの空気の供給を停止する。空気を停止するために、酸化剤ガス供給部３を停止するとともに、カソード上流開閉弁８を閉止する。次に、電流供給手段６により、アノード１ａとカソード１ｂとの間に電力を供給し、電流を流す。アノード１ａからカソード１ｂへ電流を流すことで、アノード１ａ内の水素がプロトンとして電解質膜１ｃを流れ、カソード１ｂにてプロトンと電子が結び付き水素となることで、アノード１ａ内の水素がカソード１ｂ内へ移動させる。カソード１ｂ内の空気は水素により置換されていき、カソード１ｂ内に存在した窒素は酸化剤ガス排出経路５に排出される。電流供給手段６が流した電流の積算値が所定の電流の積算値に達したときに、カソード１ｂ内の空気中の窒素の濃度が所定値以下に低減できたと判断し、電流供給手段６からの電力の供給を停止し電流の流通を停止する。本実施の形態では、カソード１ｂ内の経路の内容積は１００ｃｃとし、電流は２Ａを３０秒間流通することとした。これにより、カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を３０％以下に低減できる。その結果、燃料電池システム３００の停止期間に、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が２０％以下になるようにできる。

なお、電流供給手段６が電流を流している間は、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素が消費されるため、燃料ガス供給経路２から水素を供給し続けておく。

電流供給手段６からの電力の供給を停止し電流の流通を停止してから、時間が経過すると、大気からの拡散によりカソード１ｂに空気が流入し、カソード１ｂ内の窒素濃度が上昇する可能性がある。そこで、水素ガス濃度検知手段１０により、酸化剤ガス排出経路５内の水素濃度を検知し、酸化剤ガス排出経路５内の水素濃度が所定値以上あるか確認する。酸化剤ガス排出経路５内のガス中の水素濃度が所定値より大きければ、大気からカソード１ｂへの空気侵入の影響はほとんどないと判断する。また、酸化剤ガス排出経路５内のガス中の水素濃度が所定値以下であれば、これ以上大気からカソード１ｂに空気が浸入すると窒素濃度上昇という影響が出てくると考えられるため、空気の浸入を防ぐために、カソード上流開閉弁８とカソード下流開閉弁９とを閉止することで、カソード１ｂを封止する。

本実施の形態では、カソード１ｂ内の窒素濃度３０％以下を保証するために、カソード１ｂ内の窒素濃度を９０％に低減しており、水素ガス濃度検知手段１０により検知される水素濃度が８０％になったときに、カソード上流開閉弁８とカソード下流開閉弁９とを閉止することで、カソード１ｂを封止することとした。

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、電流供給手段６により電力の供給が停止し電流の流通が止まってから水素ガス濃度検知手段１０の検知値が所定値以下になったとき、カソード１ｂをカソード上流開閉弁８とカソード下流開閉弁９とを閉止することで封止するものとする。これによって、発電停止時にカソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を低減出来るとともに、停止期間に、大気からカソード１ｂに窒素が浸入し、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度が上昇することを防止できる。その結果、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を所定濃度以下に低減し、燃料電池システム３００を発電開始するときに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が低減出来ているため、すぐに、燃料電池システム３００を発電することが可能となる。さらに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を低減するためにアノード１ａからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システム３００を小型化することができる。

なお、水素ガス濃度検知手段１０はカソード１ｂ内のガス中の水素濃度を検知または推定出来れば、設置場所は酸化剤ガス排出経路５に限るものではなく、カソード１ｂ内や酸化剤ガス供給経路４に設置しても構わない。また、水素濃度を検知するのではなく、窒素濃度を検知し、窒素濃度から水素濃度を推定しても構わない。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４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４において、燃料電池システム４００は、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給経路２と、酸化剤ガス供給部３と、酸化剤ガス供給経路４と、酸化剤ガス排出経路５と、電流供給手段６と、制御部７と、カソード上流開閉弁８と、カソード下流開閉弁９と、水素ガス濃度検知手段１０と、分岐部１１と、合流部１２と、バイパス経路１３と、を備える。実施の形態２と同一の構成要素については、その説明はここでは省略する。

分岐部１１は、酸化剤ガス供給経路４に設けられており、酸化剤ガス供給部３から供給された空気をカソード１ｂではなく、別の経路に供給するために分岐するものである。分岐部１１は、カソード上流開閉弁８の上流側に設置する。

合流部１２は酸化剤ガス排出経路５に設けられており、カソード１ｂから排出される空気と、別の経路から供給される空気とを合流するものである。合流部１２は、カソード下流開閉弁９の下流側に設置する。

バイパス経路１３は、分岐部１１と合流部１２とを結ぶ経路であり、カソード１ｂを経由せずに、酸化剤ガス供給部３により供給された空気を酸化剤ガス排出経路５に供給する経路である。

バイパス弁１４は、バイパス経路１３に設けられており、バイパス経路１３を開閉するための電磁弁である。

以上のように構成された燃料電池システム４００について、以下その動作、作用を説明する。

燃料電池システム４００の発電停止時の動作について述べる。燃料電池システム４００での発電を停止した後、カソード１ｂへの空気の供給を停止するために、カソード上流開閉弁８を閉止するとともに、バイパス弁１４を開放する。ここで、酸化剤ガス供給部３の動作は継続させる。これにより、酸化剤ガス供給部３で供給された空気はバイパス経路１３を通り、酸化剤ガス排出経路５を経て、燃料電池システム４００外へ排出される。

次に、電流供給手段６により、アノード１ａとカソード１ｂとの間に電力を供給し電流を流す。アノード１ａからカソード１ｂへ電流を流すことで、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素がプロトンとして電解質膜１ｃを流れ、カソード１ｂにてプロトンと電子が結び付き水素となることで、アノード１ａ内の水素がカソード１ｂ内へ移動する。カソード１ｂ内の空気は水素により置換されていき、カソード１ｂ内に存在した空気中の窒素は酸化剤ガス排出経路５に排出される。酸化剤ガス排出経路５には酸化剤ガス供給部３から供給される空気も流れており、空気により、カソード１ｂから排出されるガスを希釈排気することが出来る。ここで、酸化剤ガス排出経路５に排出されるガスには窒素だけではなく、一部水素が含まれる可能性がある。この水素も燃料電池システム４００の外に希釈排気されるため、安全に排出することが可能となる。

電流供給手段６が流した電流の積算値が所定の電流の積算値に達したときに、カソード１ｂ内の空気中の窒素の濃度が所定値以下に低減できたと判断し、電流供給手段６からの電力の供給を停止し電流の流通を停止する。本実施の形態では、カソード１ｂ内の経路の内容積は１００ｃｃとし、電流は４Ａを１５秒間流通することとした。これにより、カソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を３０％以下に低減できる。その結果、燃料電池システム４００の停止期間に、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が２０％以下になるようにできる。なお、電流供給手段６が電流を流している間は、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の水素が消費されるため、燃料ガス供給経路２から水素を供給し続けておく。

電流供給手段６からの電力の供給を停止し電流の流通を停止した後も、酸化剤ガス供給部３により空気を供給し続けると、空気の拡散により、カソード下流開閉弁９を経由して、カソード１ｂに空気が浸入する可能性がある。そこで、酸化剤ガス供給部３を停止するとともに、カソード下流開閉弁９を閉止する。このように、カソード１ｂを封止することで、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度を低減し、かつ、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度が再び上昇することを防止できる
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４００の構成を、カソード１ｂをバイパスするバイパス経路１３とバイパス弁１４を設けるものとする。これによって、発電停止時にカソード１ｂ内の空気中の窒素濃度を低減出来るとともに、カソード１ｂから排出されるガスを安全に希釈排気することが出来る。さらに、停止期間に、カソード１ｂに窒素が浸入し、カソード１ｂ内のガス中の窒素濃度が上昇することを防止できる。その結果、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を所定濃度以下に低減し、燃料電池システム４００を発電開始するときに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度が低減出来ているため、すぐに、燃料電池システム４００を発電することが可能となる。本実施の形態では、アノード１ａ内のガス中の窒素濃度を２０％以下になるようにした。さらに、アノード１ａ内の不純物を含む水素中の窒素濃度を低減するためにアノード１ａからパージガスを排出することがないため、希釈器を設けることなく、燃料電池システム４００を小型化することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システム並びにその運転方法は、停止期間においてアノードからカソードに水素を供給することにより、停止期間のカソード内の空気中の窒素濃度を低減することが可能となるので、停止期間にアノード内の不純物を含む燃料ガス中の窒素濃度の上昇を防止す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
５００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック
１ａ アノード
１ｂ カソード
１ｃ 電解質膜
２ 燃料ガス供給経路
３ 酸化剤ガス供給部
４ 酸化剤ガス供給経路
５ 酸化剤ガス排出経路
６ 電流供給手段
７ 制御部
８ カソード上流開閉弁
９ カソード下流開閉弁
１０ 水素ガス濃度検知手段
１１ 分岐部
１２ 合流部
１３ バイパス経路
１４ バイパス弁
１０１ 燃料電池スタック
１０２ 燃料ガス供給経路
１０３ 酸化剤ガス供給部
１０４ 酸化剤ガス供給経路
１０５ 酸化剤ガス排出経路
１０６ 未反応燃料ガス循環経路
１０７ パージ弁
１０８ 希釈器

Claims (8)

1. 水素を含む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、
   前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記カソードと前記酸化剤ガス供給部とを接続する酸化剤ガス供給経路と、
   前記カソードから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路と、
   前記燃料電池スタックの前記アノードと前記カソードとの間に電流を供給する電流供給手段と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、発電停止時、前記カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、前記電流供給手段により前記アノードと前記カソードとの間に所定の電流を供給して、前記アノードから前記カソードへ水素を供給する、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記電流供給手段により前記アノードと前記カソードとの間に流れる電流が所定電流量に達したとき、前記電流供給手段による電流供給を止める、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記電流供給手段により電流供給が止まってから所定の条件が満たされたとき、前記カソードを封止する、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記電流供給手段により電流供給が止まってから所定時間が経過した後、前記カソードを封止する、請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記酸化剤ガス排出経路に設けられた水素ガス濃度検知手段を備え、
   前記電流供給手段により電流供給が止まって、前記水素ガス濃度検知手段の検知値が所定値以下になった後、前記カソードを封止する、請求項３記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤ガス供給経路の前記カソードの上流側に設けた分岐部で分岐し、前記カソードを迂回して前記酸化剤ガス排出経路の合流部で合流するバイパス経路を備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部は、発電停止時において、少なくとも前記電流供給手段により前記アノードと前記カソードとの間に所定の電流を供給して前記アノードから前記カソードへ水素を供給している期間、前記バイパス経路を介して前記酸化剤ガス排出経路に酸化剤ガスを供給する、請求項６記載の燃料電池システム。
8. 水素を含む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、
   前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
   前記カソードと前記酸化剤ガス供給部とを接続する酸化剤ガス供給経路と、
   前記カソードから未反応酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出経路と、
   前記燃料電池スタックの前記アノードと前記カソードとの間に電流を供給する電流供給手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   発電停止時、
   前記カソードへの酸化剤ガスの供給を停止し、前記電流供給手段により前記アノードと前記カソードとの間に所定の電流を供給して、前記アノードから前記カソードへ水素を供給する工程を含む、燃料電池システムの運転方法。

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