(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの長期にわたる発電停止状態でも燃料電池内を還元雰囲気に保ち、カーボンの腐食や触媒の劣化による電極劣化を抑制する。【解決手段】  酸化剤が供給される酸化剤電極と燃料が供給される燃料電極とで電解質を狭持した燃料電池と、燃料電池に燃料を供給するための改質器と、燃料の一部を昇圧するための燃料昇圧手段と、燃料昇圧手段によって昇圧された燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段と、燃料電池内の燃料残量を検知するための燃料残量検知器と、燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を減圧して燃料電池に供給するための燃料減圧手段とを備え、燃料電池の発電停止状態で、燃料残量検知器が燃料電池内の燃料残量が所定値より少なくなったと検知した場合に、燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を燃料減圧手段によって燃料電池に補充するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤が供給される酸化剤電極と燃料が供給される燃料電極とで電解質膜を狭持した燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料を供給するための改質器と、前記燃料の一部を昇圧するための燃料昇圧手段と、前記燃料昇圧手段によって昇圧された前記燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段と、前記燃料電池内の燃料残量を検知するための燃料残量検知器と、前記燃料貯蔵手段に貯蔵された前記燃料を減圧して前記燃料電池に供給するための燃料減圧手段とを備え、
前記燃料電池の発電停止状態で、前記燃料残量検知器が前記燃料電池内の前記燃料残量が所定値より少なくなったと検知した場合に、前記燃料貯蔵手段に貯蔵された前記燃料を前記燃料減圧手段によって前記燃料電池に補充することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料残量検知器は、高圧側ガス拡散電極と低圧側ガス拡散電極とで電解質膜を挟持し、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極との間の起電力を検出する電気化学セルであって、前記高圧側ガス拡散電極が燃料貯蔵手段と連通していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料残量検知器は、高圧側ガス拡散電極と低圧側ガス拡散電極とで電解質膜を挟持し、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極との間の起電力を検出する電気化学セルであって、前記低圧側ガス拡散電極が燃料電池と連通していることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料昇圧手段は、高圧側ガス拡散電極と低圧側ガス拡散電極とで電解質膜を挟持し、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極とを電気的に接続した際にこの接続を経由して前記高圧側ガス拡散電極から前記低圧側ガス拡散電極に電流が流れるように直流電力を供給された場合に、前記低圧側ガス拡散電極において燃料をイオンと電子に分解し、前記高圧側ガス拡散電極において前記イオンと前記電子とを再結合した際に前記燃料を昇圧できる電気化学セルであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料減圧手段は、高圧側ガス拡散電極と低圧側ガス拡散電極とで電解質膜を挟持し、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極とを電気的に接続した際にこの接続を経由して前記低圧側ガス拡散電極から前記高圧側ガス拡散電極に電流が流れるように回路形成された場合に、前記高圧側ガス拡散電極において燃料をイオンと電子に分解し、前記低圧側ガス拡散電極において前記イオンと前記電子とを再結合した際に前記燃料を減圧できる電気化学セルであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料昇圧手段と燃料検知器と燃料減圧手段とが一体化された電気化学セルを備え、前記電気化学セルは、高圧側ガス拡散電極と低圧側ガス拡散電極とで電解質膜を挟持し、前記高圧側ガス拡散電極が燃料貯蔵手段と連通し、前記低圧側ガス拡散電極が燃料電池と連通し、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極との間の起電力を検出する電気化学セルであって、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極とを電気的に接続した際にこの接続を経由して前記高圧側ガス拡散電極から前記低圧側ガス拡散電極に電流が流れるように直流電力を供給された場合には、前記低圧側ガス拡散電極において燃料をイオンと電子に分解し、前記高圧側ガス拡散電極において前記イオンと前記電子とを再結合した際に前記燃料を昇圧でき、前記高圧側ガス拡散電極と前記低圧側ガス拡散電極とを電気的に接続した際にこの接続を経由して前記低圧側ガス拡散電極から前記高圧側ガス拡散電極に電流が流れるように回路形成された場合には、前記高圧側ガス拡散電極において前記燃料を前記イオンと前記電子に分解し、前記低圧側ガス拡散電極において前記イオンと前記電子とを再結合した際に前記燃料を減圧できることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的な反応を利用して発電する燃料電池システムの技術分野に属するものであり、例えば定置型コジェネレーションシステム等の燃料電池システムにおいて、長期にわたり発電を停止する場合の電極劣化の抑制に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は周知のように、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極（燃料電極）に燃料を、他方の電極（酸化剤電極）に酸化剤を供給し、電池内で燃料を電気化学的に酸化反応させることによって化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池には電解質によりいくつかの型があるが、近年高出力の得られる燃料電池として、電解質にプロトン伝導性の固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。燃料としては水素含有ガス、酸化剤としては空気（酸素）が用いられている。
【０００３】
このような燃料電池において、燃料電極には水素が滞留し、酸化剤電極には空気が滞留した状態で発電を停止した場合、酸素によって酸化剤電極のカーボンが腐食するとともに触媒が劣化してしまう恐れがある。そこで、従来の燃料電池システムでは、この問題を解決する手段として、水素を含有するパージガスにて燃料電池内の酸素ガスを追い出したのちに密封して発電を停止している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−９３４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、発電を停止する際に酸素を十分に追い出した場合でも、長期にわたり発電を停止するとガスシール部を通じて燃料電池内部に酸素が侵入することがあった。この酸素がカーボンの腐食や触媒の劣化を引き起こす原因となるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、燃料電池システムの長期にわたる発電停止状態でも燃料電池内を還元雰囲気に保ち、カーボンの腐食や触媒の劣化による電極劣化を抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明における燃料電池システムは、酸化剤が供給される酸化剤電極と燃料が供給される燃料電極とで電解質を狭持した燃料電池と、燃料電池に燃料を供給するための改質器と、燃料の一部を昇圧するための燃料昇圧手段と、燃料昇圧手段によって昇圧された燃料を貯蔵するための燃料貯蔵手段と、燃料電池内の燃料残量を検知するための燃料残量検知器と、燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を減圧して燃料電池に供給するための燃料減圧手段とを備え、燃料電池の発電停止状態で、燃料残量検知器が燃料電池内の燃料残量が所定値より少なくなったと検知した場合に、燃料貯蔵手段に貯蔵された燃料を燃料減圧手段によって燃料電池に補充するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、長期にわたって燃料電池の発電を停止した状態でも、貯蔵された燃料ガスを燃料電池に供給することで、燃料電池の内部を常に還元雰囲気に維持できる。そのため、燃料電池の内部は酸化雰囲気にさらされることがないため、長期にわたり燃料電池の発電を停止しても電極劣化を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの実施の形態１を説明するための構成図である。燃料電池１０としては、電解質２にパーフルオロスルホン酸膜（例えばデュポン社製ナフィオン（登録商標））を使用した固体高分子形の燃料電池などを用いる。電解質２は、酸化剤電極１と燃料電極３とに挟まれている。酸化剤電極１および燃料電極３には、一般的に高比表面積のカーボンブラック担体に白金などの貴金属微粒子を担持した触媒が用いられる。酸化剤側セパレータ板４の酸化剤供給口より供給された空気は、酸化剤流路を通って酸化剤電極２に供給される。一方、燃料側セパレータ板５の燃料供給口より供給された水素含有ガスは、燃料流路より燃料電極３に供給される。なお、図のように酸化剤電極１と電解質２と燃料電極３と酸化剤側セパレータ板４と燃料側セパレータ板５とを積層したものを単電池とよび、一般には燃料電池１０の出力を高めるために単電池を複数積層する。
【００１０】
改質器２０としては、炭化水素やアルコールを主成分とする原燃料を改質する水蒸気改質型の改質器などを用いる。この燃料電池発電システムの定常発電時において、水素含有ガスを製造するために、改質器２０の改質部２１に、配管１０１を通じて原燃料を投入する。原燃料としては、炭化水素、アルコール系など水素原子を含有する燃料が使用可能である。改質部２１で改質された原燃料は、水素を主成分とする流体に変化し、一酸化炭素（ＣＯ）選択酸化部２１でＣＯを酸化除去し、配管１０２を経由して、燃料電池１０の燃料電極３に供給される。燃料電池１０の酸化剤電極１には、配管１１１を通じて空気が供給される。このとき、酸化剤電極１と燃料電極３とは電気的に外部負荷１４に接続されており、燃料電池１０は外部負荷１４に出力するために発電する。発電の際には、燃料電極側で下記（１）式の反応、酸化剤電極側で下記（２）式の反応が起こる。
Ｈ２＝２Ｈ＋＋２ｅ−                        標準電極電位０Ｖ          （１）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２＝Ｈ２Ｏ          標準電極電位１．２３Ｖ    （２）
【００１１】
発電に使用されなかった空気排ガスは、配管１１２を経由して燃料電池１０の外部に排気される。一方、発電に使用されなかった水素含有ガスは、配管１０３と燃料昇圧手段３０と配管１０４とを経由して改質器２０のバーナ２２に供給され燃焼する。この燃焼熱は改質反応の反応熱として消費される。燃焼の排気は配管１０５を通じて外部に排出される。なお、図では配管１０３と配管１０４との間に燃料昇圧手段３０を配置しているが、これに限定するものではない。例えば、配管１０３と燃料昇圧手段３０と配管１０４とを三方弁で接続し、発電に使用されなかった水素含有ガスが、燃料昇圧手段３０を経由することなくバーナ２２に供給されてもよい。また、配管１０３にバルブを設けておくとメンテナンス上便利である。
【００１２】
つぎに、水素含有ガスを貯蔵する過程の動作について説明する。まず、改質器２０から燃料電池１０に供給される水素含有ガスの流量を維持したまま、燃料電池１０から外部負荷１４に供給する出力を低下させる。このとき、燃料電池１０の下流に位置する燃料昇圧手段３０に排出される水素含有ガスの量は、燃料電池１０の出力が低下した分だけ増加する。出力低下で増加した分の水素含有ガスを、燃料昇圧手段３０で昇圧し、配管１０６を経由して燃料貯蔵手段４０に送り貯蔵する。ここで、配管１０６にバルブを設けておくとメンテナンス上便利である。水素昇圧手段３０で昇圧されなかった水素含有ガスは、バーナ２２に定常発電時と同流量が供給され、そこで燃焼されて改質器２０を加熱する。燃料電池１０の出力低下の状態は、燃料貯蔵手段４０に任意の設定量の水素含有ガスが貯蔵されるまで継続される。ここで、水素含有ガスの貯蔵量は、燃料貯蔵手段４０に取り付けられた圧力センサ４１で監視される。貯蔵が終われば、燃料昇圧手段３０の動作を停止し、燃料電池１０の出力を定常発電時の出力まで回復させるか、あるいは、後述する燃料電池１０の停止動作に移行してもよい。
【００１３】
なお、燃料電池１０の出力低下によって燃料昇圧手段３０に排出される水素含有ガスの増量分に比し、燃料昇圧手段３０によって昇圧され燃料貯蔵手段４０に貯蔵される水素含有ガスの流量が少ない場合は、バーナ２２での発熱が増大してしまう。そのため、改質器２０が過熱するので、改質触媒が劣化するとか、熱応力で改質器２０の筐体に亀裂が発生するといった懸念が生じる。また反対に、燃料電池１０の出力低下によって燃料昇圧手段３０に排出される水素含有ガスの増量分に比し、燃料昇圧手段３０によって昇圧され燃料貯蔵手段４０に貯蔵される水素含有ガスの流量が多い場合は、バーナ２２での発熱量が低下してしまう。そのため、改質器２０の温度が低下するので、改質器２０の定常運転が難しくなる。これらの理由により、燃料電池１０の出力低下分に相当する量の水素含有ガスを、燃料昇圧手段３０で昇圧し燃料貯蔵手段４０に貯蔵することが好ましい。
【００１４】
続いて、燃料電池１０の停止動作について説明する。燃料電池１０の停止とは、燃料電池１０からの出力を停止し、かつ改質器２０から燃料電池１０への燃料すなわち水素含有ガスの供給も停止している状態とする。燃料電池１０の停止時には、燃料電池１０の酸化剤電極１に通じるバルブ１１１Ｖおよび１１２Ｖ、さらに燃料電池１０の燃料電極３に通じるバルブ１０２Ｖおよび１０４Ｖが閉じられる。これによって、燃料電池１０の内部（酸化剤電極１および燃料電極３の両極）は水素含有ガスで満たされており、各バルブにより配管を通じて空気中の酸素が侵入しないようにしている。
【００１５】
仮に、燃料電池１０の内部へ酸素が侵入した場合、下記反応のように電極構成材料であるカーボンが劣化するおそれがある。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−  あるいは  Ｃ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
このような反応を抑えるためには、燃料電池１０の内部はカーボンの酸化還元電位より低い電位に維持する必要がある。水素含有ガスで燃料電池を満たした場合、上記反応におけるカーボンの酸化電位と比べて低い電位に保持されるため、カーボンの酸化劣化が進行しない。ところが、長期にわたる燃料電池１０の停止では、各バルブ等のガスシール部を通じて燃料電池１０内部に酸素が侵入してくる可能性があり、燃料電池１０内部に充填された水素含有ガスだけで還元雰囲気を維持することは難しい。
【００１６】
そこで、この実施の形態では、燃料電池１０内部に連通する部位に、燃料残量検知器として水素残量を検知するセンサ５０を設置している。これによって、燃料電池システムの停止中に、燃料電池１０内部の水素残量を監視できる。センサ５０によって水素残量が任意の設定値より少なくなったことを検知した場合は、燃料減圧手段としての減圧弁１０７Ｖを開き、配管１０７を通じて燃料貯蔵手段４０に貯蔵された水素含有ガスを減圧して、燃料電池１０内部に水素含有ガスを供給する。このとき、バルブ１０８Ｖ（燃料電池１０の発電時は閉）が開き、配管１０８を経由して酸化剤電極１に水素含有ガスが供給される。また、配管１０３を経由して燃料電極３にも水素含有ガスが供給される。センサ５０が燃料電池１０内部に充分量の水素含有ガスを補充できたことを確認したら、燃料減圧手段１０７Ｖを閉じて補充動作を停止する。
【００１７】
したがって、この実施の形態では、長期にわたって燃料電池１０の発電を停止した場合でも、燃料電池１０内部の水素残量を監視するとともに、水素残量が少なくなった場合には貯蔵された水素含有ガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０の内部を常に還元雰囲気に維持できる。そのため、燃料電池１０の内部は酸化雰囲気にさらされることがないため、長期にわたり燃料電池１０の発電を停止しても電極劣化を抑制できる。
【００１８】
なお、燃料昇圧手段３０には、ダイアフラムポンプ、スーパーチャージャなど機械的に昇圧できる手段や、電気化学セルを用いて化学的に昇圧する手段など水素含有ガスを燃料電池１０内部の圧力より高めることができるあらゆる装置を利用できる。また、燃料貯蔵手段４０としては、昇圧した水素含有ガスを高圧のまま保存する高圧ボンベのほか、水素吸蔵合金やカーボンナノチューブ、ボロハイドライドに代表される各種水素化物など水素を吸蔵する材料を充填したタンクのように、水素を高密度に貯蔵することのできるあらゆる装置を利用できる。さらにまた、燃料減圧手段１０７Ｖとしては、一般的なダイアフラム式の減圧弁や電気化学セルなどを利用できるが、万一高圧な水素含有ガスが燃料電池１０に流れ込んだ場合には燃料電池１０が破損する恐れもあるため、燃料電池１０内部と連通する位置に設置した安全弁と組み合わせて使用するのが好ましい。
【００１９】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２を説明するための燃料電池システムの構成図である。この実施の形態は、実施の形態１の変形例として、燃料昇圧手段が、燃料残量検知器と燃料減圧手段の機能を兼ね備えるものである。燃料昇圧手段３０ａとしては、電解質としてのパーフルオロスルホン酸膜を挟むようにガス拡散電極を配置した電気化学セルを使用した。
【００２０】
電気化学セル３０ａの構成の詳細について述べる。図３は、この実施の形態で使用する電気化学セルの構成図である。固体高分子電解質膜３１、低圧側ガス拡散電極３２、高圧側ガス拡散電極３３、低圧側導電性流路板３４および高圧側導電性流路板３５を、図のように積層して電気化学セル３０ａを得る。低圧側導電性流路板３４は流路溝３４ａとマニホールド３４ｂとを備え、流路溝３４ａはマニホールド３４ｂによって外部と連通している。同様に、高圧側導電性流路板３５は流路溝３５ａとマニホールド３５ｂとを備え、流路溝３５ａはマニホールド３５ｂによって外部と連通している。すなわち、高圧側ガス拡散電極３３が燃料貯蔵手段４０と連通し、低圧側ガス拡散電極３２が燃料電池１０と連通することなる。
【００２１】
この電気化学セル３０ａの高圧側ガス拡散電極３３と低圧側ガス拡散電極３２とを、直流電源３６を経由して電気的に接続する。直流電源３６の正極は低圧側ガス拡散電極３２側に、同じく負極は高圧側ガス拡散電極３３に接続されるので、高圧側ガス拡散電極３３から直流電源３６を経由して低圧側ガス拡散電極３２に電流が流れるように、直流電力が供給される。このように直流電力を供給することで、次のような電気化学反応を生じ、水素含有ガス中の水素を昇圧することができる。
低圧側反応（ａｎｏｄｅ）：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−
高圧側反応（Ｃａｔｈｏｄｅ）：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）
昇圧できる圧力は、理論的には次のネルンストの式に従い、電気化学セル３０ａに印加する直流電圧に依存する。
Ｅ＝ＲＴ／２Ｆ×ｌｎ（ＰＨ２，Ｃａｔｈｏｄｅ／ＰＨ２，ａｎｏｄｅ）
ここで、Ｅは直流電圧、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデー定数、ＰＨ２は水素分圧を示す。また、２５℃において、上記ネルンストの式は、
Ｅ＝０．０２９６×ｌｏｇ（ＰＨ２，Ｃａｔｈｏｄｅ／ＰＨ２，ａｎｏｄｅ）
となる。これより、２９．６ｍＶの電圧印加でアノードの水素分圧の１０倍、５９ｍＶで１００倍まで、理論的には昇圧可能なことがわかる。ただし、電気化学セル３０ａの耐圧にも限界があり、それによって昇圧できる圧力は制限される。よって、水素の昇圧圧力を調整するために、直流電源３６の電圧を調整する必要があり、電圧調整手段は適宜選択できる。
【００２２】
つぎに、水素含有ガスを貯蔵する過程の動作について説明する。まず、実施の形態１と同様に燃料電池１０の出力を低下させ、電気化学セル３０ａに排出される水素含有ガスの量は、燃料電池１０の出力が低下した分だけ増加する。出力低下で増加した分の水素含有ガスを、電気化学セル３０ａで昇圧し、燃料貯蔵手段４０に送り貯蔵する。電気化学セル３０ａに供給される直流電力は、外部電源としての直流電源３６の電圧を調整して供給する例を示すが、燃料電池１０の直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータなどで電圧変換して供給してもよい。
【００２３】
水素含有ガスの貯蔵量は、燃料貯蔵手段４０に取り付けられた圧力センサ４１で監視され、燃料貯蔵手段４０および電気化学セル３０ａの耐圧を超える以前に、水素含有ガスの昇圧を停止する。昇圧停止後は、燃料電池１０の出力を定常発電時の出力まで回復させてもよいし、燃料電池１０の停止動作に移行してもよい。
【００２４】
続いて、燃料電池１０の停止動作について説明する。燃料電池１０の停止時には、燃料電池１０の酸化剤電極１に通じるバルブ１１１Ｖおよび１１２Ｖ、さらに燃料電池１０の燃料電極３に通じるバルブ１０２Ｖおよび１０４Ｖが閉じられる。これによって、燃料電池１０の内部は水素含有ガスで満たされており、各バルブにより配管を通じて空気中の酸素が侵入しないようにしている。
【００２５】
さらにこの実施の形態では、電気化学セル３０ａが、燃料残量検知器として水素残量を検知するセンサとしても使用される。この電気化学セル３０ａが燃料残量を検知するセンサとしての動作について、図３を用いて説明する。
【００２６】
燃料電池１０の停止状態では、燃料貯蔵手段４０に高圧の水素含有ガスが保存されているため、電気化学セル３０ａの高圧側の電極３３と低圧側の電極３２の間には、ネルンストの式で計算される起電力が発生している。実用的な圧力領域では、その起電力は１００ｍＶ以下である。長期にわたる燃料電池１０の停止によって燃料電池１０内部の水素が消失すると、高圧側と低圧側の水素濃度差が大きくなり、起電力は徐々に大きくなる。起電力が１００ｍＶ以上の任意の設定値を上回った場合、水素残量が少なくなったとして検知できる。ここで、高圧側の電極３３は燃料貯蔵手段４０に連通していることから、基準となる高圧側の水素濃度が安定している。そのため、水素残量を精度よく検知することができる。
【００２７】
また、水素の消失に加えて外部から酸素が侵入すると、低圧側では酸素と水素イオンの間で次の平衡反応が生じる。
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２＝Ｈ２Ｏ                    標準電極電位１．２３Ｖ
その標準電極電位は１．２３Ｖと高いため、高圧側の電極３３と低圧側の電極３２との間には１００ｍＶを大きく上回る起電力を生じる。酸素の侵入による起電力の上昇は急峻な立ち上がりを見せるので、速やかに酸素の侵入を検知できる。なお、燃料電池１０への酸素侵入に対して電気化学セル３０ａによる酸素侵入検知が遅延しないように、配管１０３、１０８を適宜選択しておく。
【００２８】
このように、電気化学セル３０ａを用いて高圧側の電極３３と低圧側の電極３２の起電力を監視することで、燃料電池１０内部の水素残量を精度よく検知することができる。さらに、燃料電池１０内部へ酸素が侵入した場合も速やかに検知できる。水素残量が少なくなったことを検知した場合および酸素侵入を検知した場合は、燃料貯蔵手段４０に蓄えた高圧の水素含有ガスを減圧して燃料電池１０に送り込み補充することで、燃料電池１０内を還元雰囲気に保つことができる。
【００２９】
ここで、電気化学セル３０ａは、燃料貯蔵手段４０に蓄えた高圧の水素含有ガスを減圧して燃料電池１０に送り込むための燃料減圧手段としても使用される。減圧は基本的に昇圧の逆動作を行なう。つまり昇圧の場合と逆の電流、つまり低圧側ガス拡散電極３２から高圧側ガス拡散電極３３に電流を流せば、高圧側ガス拡散電極３３において水素を水素イオンと電子に分解し、低圧側ガス拡散電極３２において水素イオンと電子とが再結合して水素が生成される。すなわち、水素は高圧側ガス拡散電極３３から低圧側ガス拡散電極３２に移動する。開回路の状態では、高圧側ガス拡散電極３３より低圧側ガス拡散電極３２の方が電位は高いため、両極を電気的に導通させるだけで、電流は低圧側ガス拡散電極３２から高圧側ガス拡散電極３３に電流が流れ、高圧側ガス拡散電極３３から低圧側ガス拡散電極３２に水素を移動させることができる。
【００３０】
図３を用いて具体的に説明する。まず、直流電源３６と高圧側ガス拡散電極３３との間のスイッチを切り換え、低圧側ガス拡散電極３２から可変抵抗３７を経由して高圧側ガス拡散電極３３に電流が流れるように回路を形成する。ここで、高圧側ガス拡散電極３３と低圧側ガス拡散電極３２とを完全に短絡してしまうと、高圧側と低圧側が同じ水素分圧になるまで水素が移動してしまう。そのため、可変抵抗３７を用いて電流量あるいは高圧側と低圧側の電位差を制御することにより、低圧側の異常加圧を防止することができる。さらに、可変抵抗３７の代用として逆バイアスの直流電源を用いてもよい。
【００３１】
このように、この実施の形態では、長期にわたり燃料電池１０の発電を停止しても電極劣化を抑制できることに加えて、電気化学セル３０ａが燃料昇圧手段、燃料残量検知器、燃料減圧手段として機能するため、省スペース化を図ることができる。また、燃料残量検知器として電気化学セル３０ａを用いることによって、燃料電池１０内部の水素残量を精度よく検知することができるとともに、燃料電池１０内部へ酸素が侵入した場合も速やかに検知できる。さらに、燃料減圧手段として電気化学セル３０ａを用いることによって、燃料昇圧手段の逆動作を行なうだけで、燃料貯蔵手段４０に蓄えた高圧の水素含有ガスを減圧して燃料電池１０に送り込み補充できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施の形態１を説明するための燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施の形態２を説明するための燃料電池システムの構成図である。
【図３】実施の形態２を説明するための電気化学セルの構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  酸化剤電極、２  電解質、３  燃料電極、１０  燃料電池、２０  改質器、３０、３０ａ  燃料昇圧手段、  ３１  電解質膜、３２  低圧側ガス拡散電極、３３  高圧側ガス拡散電極、３６  直流電源、３７  可変抵抗、４０  燃料貯蔵手段、５０  燃料残量検知器、１０７ｖ  燃料減圧手段
【図１】
2006073377.tif 000003
【図２】
2006073377.tif 000004
【図３】
2006073377.tif 000005