(57)【要約】【課題】  燃料極の酸化剤ガスを燃料ガスに置換する置換速度を向上し、電池性能の劣化抑制効果を高めることを課題とする。【解決手段】  燃料電池システムの起動時発電前に、燃料電池スタック１の燃料極２内に燃料ガスが流入可能な体積と燃料極２内の燃料ガスの圧力とを乗算した積値以上の燃料ガスを予め燃料ガス貯留部８に貯留し、貯留した燃料ガスを燃料極２に供給するように構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの起動時発電前に、前記燃料極内に燃料ガスが流入可能な体積と前記燃料極内の燃料ガスの圧力とを乗算した積値以上の燃料ガスを、前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給手段は、
燃料ガスが貯蔵された燃料ガス貯蔵手段から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられ、前記燃料ガス供給配管を流通する燃料ガスの前記燃料極への供給／遮断を制御する燃料ガス供給弁と、
前記燃料ガス供給弁より上流側の前記燃料ガス供給配管に連結され、前記燃料ガス貯蔵手段から導出された燃料ガスを、前記積値を満足する第１の所定圧力まで貯留可能な燃料ガス貯留部とを備えて構成され、
前記燃料電池システム起動時発電前に、前記燃料ガス貯留部に第１の所定圧力の燃料ガスを貯留した後前記燃料ガス供給弁を開き、前記燃料ガス貯留部に貯留された燃料ガスを前記燃料極に供給する制御手段
を有す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】
前記燃料極から排出された未使用の燃料ガスを外部に導出して排気する燃料ガス排気配管と、
前記燃料ガス排気配管に設けられ、前記燃料ガス排気配管を流通する燃料ガスの排気／遮断を制御する燃料ガス排気弁とを備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス供給弁を開いて燃料ガスを前記燃料極に供給する前に、前記燃料ガス排気弁を開き、燃料ガスが前記燃料極に供給されて前記燃料ガス貯留部に貯留された燃料ガスの圧力が第２の所定圧力以下に低下すると、前記燃料ガス排気弁を閉じる
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムの起動時発電前に、前記酸化剤ガス極内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を有し、
前記酸化剤ガス供給手段は、
酸化剤ガスが貯蔵された酸化剤ガス貯蔵手段から前記酸化剤ガス極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、
前記酸化剤ガス供給配管に設けられ、前記酸化剤ガス供給配管を流通する酸化剤ガスの前記酸化剤ガス極への供給／遮断を制御する酸化剤ガス供給弁と、
前記酸化剤ガス供給弁より上流側の前記酸化剤ガス供給配管に連結され、前記酸化剤ガス貯蔵手段から導出された酸化剤ガスを、第３の所定圧力まで貯留可能な酸化剤ガス貯留部とを備えて構成され、
前記制御手段は、前記燃料ガス貯留部に第１の所定圧力の燃料ガスが貯留され、かつ前記燃料ガス貯留部に貯留された燃料ガスの圧力と前記酸化剤ガス貯留部に貯留された酸化剤ガスの圧力との差圧が所定値以下になると、前記燃料ガス供給弁ならびに前記酸化剤ガス供給弁を同時に開き、前記燃料極に燃料ガス供給し、かつ前記酸化剤ガス極に酸化剤ガスを供給する
ことを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムの起動時発電前に、前記燃料極内に燃料ガスが流入可能な体積と前記燃料極内を流れる燃料ガスの流量とを乗算した積値以上の燃料ガスを、前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段を有し、
前記燃料ガス供給手段は、
燃料ガスが貯蔵された燃料ガス貯蔵手段から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管と、
前記燃料ガス供給配管に設けられ、前記燃料ガス供給配管を流通する燃料ガスの前記燃料極への供給／遮断を制御する燃料ガス供給弁と、
前記燃料ガス供給弁より上流側の前記燃料ガス供給配管に連結され、前記燃料ガス貯蔵手段から導出された燃料ガスを、前記積値を満足する第１の所定流量まで貯留可能な燃料ガス貯留部とを備えて構成され、
前記燃料電池システム起動時発電前に、前記燃料ガス貯留部に第１の所定流量の燃料ガスが貯留された後前記燃料ガス供給弁を開き、前記燃料ガス貯留部に貯留された燃料ガスを前記燃料極に供給する制御手段
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料極から排出された未使用の燃料ガスを外部に導出して排気する燃料ガス排気配管と、
前記燃料ガス排気配管に設けられ、前記燃料ガス排気配管を流通する燃料ガスの排気／遮断を制御する燃料ガス排気弁とを備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス供給弁を開いて燃料ガスを前記燃料極に供給する前に、前記燃料ガス排気弁を開き、燃料ガスが前記燃料極に供給されて前記燃料ガス貯留部に貯留された燃料ガスの流量が第２の所定流量以下に低下すると、前記燃料ガス排気弁を閉じる
ことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムの起動時発電前に、前記酸化剤ガス極内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段を有し、
前記酸化剤ガス供給手段は、
酸化剤ガスが貯蔵された酸化剤ガス貯蔵手段から前記酸化剤ガス極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、
前記酸化剤ガス供給配管に設けられ、前記酸化剤ガス供給配管を流通する酸化剤ガスの前記酸化剤ガス極への供給／遮断を制御する酸化剤ガス供給弁と、
前記酸化剤ガス供給弁より上流側の前記酸化剤ガス供給配管に連結され、前記酸化剤ガス貯蔵手段から導出された酸化剤ガスを、第３の所定流量まで貯留可能な酸化剤ガス貯留部とを備えて構成され、
前記制御手段は、前記燃料ガス貯留部に貯留された燃料ガスの流量ならびに前記酸化剤ガス貯留部に貯留された酸化剤ガスの流量が共に所定流量になると、前記燃料ガス供給弁ならびに前記酸化剤ガス供給弁を同時に開き、前記燃料極に燃料ガス供給し、かつ前記酸化剤ガス極に酸化剤ガスを供給する
ことを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料極から排出された未使用の燃料ガスを外部に導出して排気する燃料ガス排気配管と、
前記燃料ガス排気配管に設けられ、前記燃料ガス排気配管を流通する燃料ガスの排気／遮断を制御する燃料ガス排気弁と、
前記燃料燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料ガス供給弁を開いて燃料ガスを前記燃料極に供給する前に、前記燃料ガス排気弁を開き、前記電圧検出手段で検出された電圧が所定値以上になると、前記燃料ガス排気弁を閉じる
ことを特徴とする請求項２，４，５及び７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス貯留部と前記燃料ガス供給配管とを連結する燃料ガス分岐部配管に設けられ、前記燃料ガス分岐部配管を開放／遮断する開閉弁
を有することを特徴とする請求項２，３，５，６及び８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤ガス貯留部と前記酸化剤ガス供給配管とを連結する酸化剤ガス分岐部配管に設けられ、前記酸化剤ガス分岐部配管を開放／遮断する開閉弁
を有することを特徴とする請求項４又は７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料ガス貯留部と前記燃料ガス供給配管とを連結する燃料ガス分岐部配管に設けられ、前記燃料ガス分岐部配管を開放／遮断する開閉弁と、
前記酸化剤ガス貯留部と前記酸化剤ガス供給配管とを連結する酸化剤ガス分岐部配管に設けられ、前記酸化剤ガス分岐部配管を開放／遮断する開閉弁と
を有することを特徴とする請求項４又は７に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料ガス排気配管に、前記燃料電池から排出された未使用の燃料ガスの燃料ガス濃度を低減する燃料処理装置を備える
ことを特徴とする請求項３，６及び８のいずれか１項に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、システムの起動時に、燃料電池内に残留する酸化剤ガスを燃料ガスで置換する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電中には，燃料極と酸化剤極にそれぞれ燃料ガスの例えば水素と酸化剤ガスの例えば空気との反応ガスが供給されているが，燃料電池の停止時には反応ガスの供給を停止する。燃料ガスの供給が停止された燃料極内は、酸化剤極からの空気のクロスオーバーや燃料電池外部からの大気の進入により、停止後ある時間を経過した後に空気に置換される。
【０００３】
また、燃料電池システムの起動時には、燃料電池の燃料極に燃料ガスを導入することにより、燃料極内部に残留した空気を燃料電池の外部に排出し、空気と燃料ガスとを置換する操作がなされていた。このような置換処理において、燃料極内部に残留空気と燃料ガスが併存する状態が発生すると、燃料極内に局部電池が形成されることになる。これにより、酸化剤極の電極触媒が腐食し、電池性能の著しい劣化を招くという問題があった。
【０００４】
そこで、例えば以下に示す特許文献１に記載された従来の燃料電池システムでは、システムの起動時に、水素導出路に配置された水素ポンプを駆動して、燃料電池スタックの燃焼室から水素を吸引する圧力を発生させて燃焼室を負圧とし、通常の発電時よりも高い供給圧力で水素ガスを負圧になっている燃焼室に水素ガスを供給している。これにより、燃料室内に残留していた酸素は、供給された水素ガスによって押し出され、また水素ポンプによって吸い出され、燃料電池スタックの外部に排出され、燃焼室内に残留する酸素と水素ガスとを短時間に置換していた。
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４
【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においては、燃料供給系の配管内容積は、燃料電池の燃料極の内部容積よりも相対的に小さくなっている。このため、燃料電池に供給される置換用の燃料ガスの供給量が制限され、燃料ガスの加圧供給による置換速度の向上には限界が生じ、十分な劣化抑制効果が得られないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料極の酸化剤ガスを燃料ガスに置換する置換速度を向上し、電池性能の劣化抑制効果を高めた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時発電前に、前記燃料極内に燃料ガスが流入可能な体積と前記燃料極内の燃料ガスの圧力とを乗算した積値以上の燃料ガスを、前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料極内部に残留する酸化剤ガスと燃料ガスが燃料極内で併存する時間を従来に比べて短縮することが可能となり、局部電池形成にともなう電池性能の劣化を大幅に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料極２及び酸化剤極３が固体高分子膜を介してセパレータで挟み構成された単セルが複数積層されてなる燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に対して水素等の燃料ガスの供給ならびに排気を行う燃料ガス系、ならびにこの燃料電池スタック１に対して空気等の酸化剤ガスの供給ならびに排気を行う酸化剤ガス系を備えて構成されている。
【００１１】
燃料ガス系では、燃料ガスを貯蔵する高圧燃料タンク４と燃料電池スタック１とを繋ぐ燃料ガス供給配管７に、燃料ガスの供給圧力を調整する燃料ガス調圧弁５、燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁６、燃料ガスを燃料電池スタック１に供給制御する燃料ガス供給弁１４が、この順に上流側から設置されている。
【００１２】
燃料ガス供給量調整弁６と燃料ガス供給弁１４との間の燃料ガス供給配管７には、燃料ガス分岐部配管９が接続され、燃料ガス分岐部配管９の他端には燃料ガス貯留部８が設置され、燃料ガス貯留部８には、燃料ガス貯留部８に貯留された燃料ガスの圧力を計測する燃料ガス圧力検出手段２３が設置されている。燃料ガス分岐部配管９には、燃料ガス分岐部配管９を遮断制御する燃料ガス分岐部開閉弁１０が設置されている。
【００１３】
燃料電池スタック１の燃料ガス出口側と接続された燃料ガス排気配管１８には、燃料ガス排気弁１９が設置されている。また、燃料ガス供給弁１４と燃料電池スタック１の燃料ガス入口側との間の燃料ガス供給配管７と、燃料電池スタック１の燃料ガス出口側と燃料ガス排気弁１９との間の燃料ガス排気配管１８とには、両者を連結する燃料ガス循環配管１５が設置されている。燃料ガス循環配管１５には、例えばコンプレッサからなる燃料ガス循環ポンプ１７が設置され、燃料ガス供給配管７と燃料ガス循環配管１５との連結点と燃料ガス循環ポンプ１７との間には、燃料ガス循環部開閉弁１６が設置されている。
【００１４】
一方、酸化剤ガス系では、燃料電池スタック１の酸化剤極３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管２１が燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口側に接続され、酸化剤ガス供給配管２１には、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガスポンプ２０が設置されている。また、燃料電池スタック１の酸化剤ガス出口側には、燃料電池スタック１から排気された酸化剤ガスを燃料電池スタック１の外部に導出する酸化剤ガス排気配管２２が接続されている。
【００１５】
さらに、燃料電池スタック１は、制御装置２４を備えている。制御装置２４は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御装置２４は、本システムにおける燃料ガス圧力検出手段２３を含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁、各ポンプを含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する燃料ガスと酸化剤ガスとの置換処理を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
【００１６】
このような構成において、システムの通常運転では、先ず燃料極２に燃料ガス供給配管７を通じて、高圧燃料タンク４から燃料ガス調圧弁５、燃料ガス供給量調整弁６、燃料ガス供給弁１４を介して燃料ガスが供給される。燃料電池スタック１から排出された未使用の燃料ガスは、燃料ガス排気弁１９が開放されている場合には、燃料ガス排気配管１８から排気される一方、燃料ガス排気弁１９が閉塞されている場合には、燃料ガス循環部開閉弁１６を開放し、かつ燃料ガス循環ポンプ１７を稼動し、燃料ガス循環配管１５を介して再び燃料極２へ供給される。
【００１７】
一方、燃料電池スタック１の酸化剤極３には、酸化剤ガスポンプ２０を稼動することで酸化剤ガス供給配管２１を介して酸化剤ガスが供給され、燃料電池スタック１から排出された未使用の酸化剤ガスは酸化剤ガス排気配管２２から外部に排気される。
【００１８】
上記したように、システムの通常運転が行われる前に、システムを起動する準備作業として、燃料極２に残留する酸化剤ガスを燃料ガスに置換する置換処理が、図２のフローチャートに示す手順にしたがって実施される。
【００１９】
図２において、起動の準備作業が開始されると、先ず燃料ガス供給弁１４を閉塞し、燃料ガス分岐部開閉弁１０を開放する（ステップＳ２１）。続いて、高圧燃料タンク４から所定の圧力となるように調圧された燃料ガス調圧弁５ならびに所定の供給量に調整された燃料ガス供給量調整弁６を介して、燃料ガスが燃料ガス分岐部配管９に流通する。燃料ガス分岐部配管９に流通した燃料ガスは、燃料ガス分岐部開閉弁１０を介して燃料ガス貯留部８に供給され、燃料ガス貯留部８に貯留される（ステップＳ２２）。
【００２０】
その後、燃料ガス圧力検出手段２３は燃料ガス貯留部８に貯留された燃料ガスの圧力Ｐｆを検出し、検出した圧力Ｐｆを制御装置２４に与える（ステップＳ２３）。制御装置２４は、貯留された燃料ガスの圧力Ｐｆが予め設定された所定値Ｐｉｎ１以上に達したか否かを判別する（ステップＳ２４）。
【００２１】
ここで、燃料ガスの圧力の所定値Ｐｉｎ１は、燃料極２内で燃料ガスが流れることのできる体積（Ｖｃｅｌｌ）と、燃料極２内の燃料ガスの圧力（Ｐｃｅｌｌ）と、燃料ガス供給量調整弁６と燃料ガス供給弁１４との間の燃料ガス供給配管７の配管容量（Ｖｉｎ）に基づいて算出し、少なくとも次式（１）を満足するものとする。
【００２２】
（数１）
Ｐｉｎ１×Ｖｉｎ＞Ｐｃｅｌｌ×Ｖｃｅｌｌ  …（１）
ステップＳ２４の判別の結果、燃料ガスの圧力Ｐｆが所定値Ｐｉｎ１以上に達した場合には、燃料ガス調圧弁５を閉塞して、燃料ガスの燃料ガス貯留部８への供給を停止する（ステップＳ２５）。
【００２３】
次に、燃料ガス循環部開閉弁１６を閉塞し、かつ燃料ガス排気弁１９を開放した後（ステップＳ２６）、燃料ガス供給弁１４を瞬時に開放する（ステップＳ２７）。これにより、燃料極２内に燃料ガスが流入可能な体積と燃料極２内の燃料ガスの圧力とを乗算した積値以上の（体積×圧力）の燃料ガスを燃料電池スタック１の燃料極２に供給する。この結果、燃料極２内部に残留する酸化剤ガスが燃料電池スタック１の燃料極２から燃料ガス排気配管１８に押し出され、燃料ガス排気弁１９を介して燃料電池スタック１の外部に排気され、燃料極２に残留する酸化剤ガスが供給された燃料ガスに置換される。
【００２４】
その後、燃料ガス圧力検出手段２３で検出された燃料ガスの圧力が予め設定された所定値Ｐｉｎ２以下に達すると、燃料ガス分岐部開閉弁１０を閉塞し（ステップＳ２８）、続いて、燃料ガス循環部開閉弁１６を開放し、燃料ガス排気弁１９を閉塞する（ステップＳ２９）。
【００２５】
ここで、燃料ガス分岐部開閉弁１０を閉塞する、燃料ガス貯留部８に貯留された燃料ガスの圧力Ｐｉｎ２は、少なくとも次式を満足する値に設定される。
【００２６】
（数２）
（Ｐｉｎ１−Ｐｉｎ２）×Ｖｉｎ＞Ｐｃｅｌｌ×Ｖｃｅｌｌ  …（１）
上記処理手順を実施して、燃料極２に残留する酸化剤ガスを燃料ガスに置換し、システムの起動準備が終了する。
【００２７】
なお、万が一、燃料ガス圧力検出手段２３で検出された燃料ガスの圧力が大気圧付近になっても、燃料電池スタック１の単セルに設けられた電圧計（図示せず）で計測された単セルの電圧が、予め設定された所定値まで上昇していない場合には、単セルの電圧が所定値以上になるまで、再度上記手順の動作を繰り返すようにしてもよい。
【００２８】
以上説明したように、上記実施例１においては、燃料電池システムの起動時に、燃料極２内に燃料ガスが流入可能な体積と燃料極２内の圧力との積値以上の燃料ガスを供給することで、燃料極２内部に残留する酸化剤ガスと燃料ガスが燃料極２内で併存する時間を従来に比べて短縮することが可能となり、背景技術の欄で説明した局部電池形成にともなう電池性能の劣化を大幅に抑制することができる。
【００２９】
燃料電池システムの起動時において、燃料極２の燃料ガス排気弁１９を開放しておき、圧力を高めた燃料ガスを燃料ガス供給弁１４を瞬時に開放することで、圧力差を最大限に利用して燃料ガスを燃料極２に供給することができるので、燃料極２に残留する酸化剤ガスを燃料ガスに迅速に置換することができる。
【００３０】
また、燃料ガス圧力検出手段２３で検出された燃料ガスの圧力が、所定の圧力Ｐｉｎ２に達した時に燃料ガス排気弁１９を閉じることで、置換時間を最小限にとどめることが可能となる。これにより、排気される燃料ガスの量が少なくなり、燃費の向上、ならびに排燃料処理を容易にすることができる。この結果、システムの起動時の電池性能の劣化が少ない、信頼性の高い燃料電池システムを得ることができる。
【００３１】
燃料ガス分岐部開閉弁１０を設けることで、通常運転時においては燃料ガス分岐部開閉弁１０を閉塞して燃料ガス供給系の無駄な容積を低減することができる。これにより、通常運転時における燃料ガス圧力ならびに燃料ガス流量の過渡応答性を向上させることができる。さらに、燃料ガス供給弁１４を開く際に、高圧燃料タンク４からの燃料ガスの供給を一時的に停止するので、燃料ガス圧力検出手段２３では安定して燃料ガスの圧力を測定することができる。
【００３２】
なお、上記実施例１では、置換時に燃料極２に燃料ガスを供給する際に、燃料ガス圧力に代えて燃料ガスの供給流量を用いて、燃料ガスの供給流量と配管容量（Ｖｉｎ）とを乗算した積値が、燃料極２内に流入可能な燃料ガスの体積と燃料極２内の流量との積値を上回る燃料ガスの供給流量で燃料ガスを燃料極２に供給するようにしてもよい。この場合に、燃料ガス圧力検出手段２３に代えて、燃料ガス貯留部８の燃料ガスの流量を検出する手段を設け、燃料ガス貯留部８には、上記供給流量以上の燃料ガスを貯留し、貯留した後燃料ガス供給弁１４を開放して燃料ガスを燃料極２に供給し、貯留した燃料ガスの供給流量が予め設定された所定の流量に低下した際に燃料ガス排気弁１９を閉塞する。
【００３３】
燃料ガスと酸化剤ガスとの置換処理は、燃料電池システムの起動時のみでなく、システムの稼働時に燃料電池スタック１に一旦燃料ガスの供給を停止した後、例えばアイドルストップ後に実行してもよい。燃料ガス貯留部８への燃料ガスの貯留は、燃料電池スタックの１の発電中に行ってもよい。燃料ガス分岐部開閉弁１０を省略することも可能である。
【００３４】
燃料ガス排気弁１９を閉じるタイミングは、燃料ガス圧力検出手段２３で検出された燃料ガスの圧力に代えて、燃料ガス貯留部８から供給される燃料ガスの流量が所定値以下になったときに燃料ガス排気弁１９を閉じるようにしてもよい。あるいは、単セルに設置された電圧計で計測された燃料電池スタック１のセル電圧に基づいて設定するようにしてもよい。すなわち、燃料ガス排気弁１９は、燃料電池スタック１の電圧が所定電圧以上になった場合に閉じ、所定電圧としては例えば０．８Ｖ程度が望ましい。なお、上記のように燃料ガスの流量又は単セルの電圧に基づいて、燃料ガス排気弁を閉じるタイミングを設定する手法は、以下に説明する実施例２、実施例３、実施例４で採用してもよい。
【実施例２】
【００３５】
図３は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図３に示す実施例２のシステムは、先の実施例１に比べて、図１に示す燃料ガス分岐部配管９、燃料ガス分岐部開閉弁１０に代えて、燃料ガスバイパス部配管１１、燃料ガスバイパス部開閉弁１２，１３を設置し、他は図１と同様である。
【００３６】
燃料ガス供給量調整弁６と燃料ガス供給弁１４との間の燃料ガス供給配管７には、燃料ガス供給配管７をバイパスして燃料ガスバイパス部配管１１が接続され、この燃料ガスバイパス部配管１１に、図１と同様の燃料ガス圧力検出手段２３を備えた燃料ガス貯留部８が設置されている。さらに、燃料ガス貯留部８の上流側ならびに下流側の燃料ガスバイパス部配管１１には、燃料ガスバイパス部開閉弁１２，１３が設置されている。
【００３７】
このような構成において、実施例１と同様な置換処理は、図４のフローチャートに示す手順にしたがって実施される。なお、図４において、図２と同様の処理（ステップＳ２２〜Ｓ２７，Ｓ２９）では同様の符号を付している。
【００３８】
図４において、起動の準備作業が開始されると、先ず燃料ガス供給弁１４を閉塞し、燃料ガスバイパス部開閉弁１２，１３を開放する（ステップＳ４１）。続いて、実施例１と同様なステップＳ２２〜Ｓ２７で示す処理が行われる。
【００３９】
その後、燃料ガス圧力検出手段２３で検出された燃料ガスの圧力が予め設定された所定値Ｐｉｎ２以下に達すると、燃料ガスバイパス部開閉弁１２，１３を閉塞し（ステップＳ４８）、続いて、燃料ガス循環部開閉弁１６を開放し、燃料ガス排気弁１９を閉塞する（ステップＳ２９）。
【００４０】
上記処理手順を実施して、燃料極２に残留する酸化剤ガスを燃料ガスに置換し、システムの起動準備が終了する。
【００４１】
以上説明したように、上記実施例２では、先の実施例１と同様の効果を得ることができる。また、システムの通常運転時には、燃料ガスバイパス部開閉弁１２，１３を双方とも閉塞して燃料ガス供給系の無駄な容積を低減することにより、通常運転時における燃料ガス圧力ならびに燃料ガス流量の過渡応答性を向上させることができる。
【実施例３】
【００４２】
図５は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図５に示す実施例３のシステムは、先の実施例１に比べて、図１に示す燃料ガス分岐部開閉弁１０ならびに燃料ガス圧力検出手段２３を削除して構成し、他は図１と同様である。
【００４３】
このような構成において、実施例１と同様な置換処理は、図６のフローチャートに示す手順にしたがって実施される。
【００４４】
図６において、起動の準備作業が開始されると、先ず燃料ガス供給弁１４を閉塞し、燃料ガス供給量調整弁６を全開にする（ステップＳ６１）。続いて、燃料ガス調圧弁５の調圧目標値を予め設定された起動時固有の所定値とし、流通する燃料ガスを調圧制御する（ステップＳ６２）。これにより、高圧燃料タンク４から燃料ガス貯留部８に燃料ガス調圧弁５で所定の圧力に調圧された燃料ガスを供給して貯留する。燃料ガスが調圧されて予め設定された所定時間が経過した後、燃料ガス供給量調整弁６を全閉し、燃料ガスの貯留を停止する（ステップＳ６３）。
【００４５】
その後、燃料ガス循環部開閉弁１６を閉塞し、かつ燃料ガス排気弁１９を開放した後（ステップＳ６４）、燃料ガス供給弁１４を開放する（ステップＳ６５）。これにより、実施例１と同様に燃料ガスを燃料電池スタック１の燃料極２に供給し、燃料極２内部に残留する酸化剤ガスが燃料電池スタック１の燃料極２から燃料ガス排気配管１８に押し出され、燃料ガス排気弁１９を介して燃料電池スタック１の外部に排気され、燃料極２に残留する酸化剤ガスが供給された燃料ガスに置換される。
【００４６】
その後、燃料ガス調圧弁５の調圧目標値を予め設定された通常運転時の所定値とする（ステップＳ６６）。続いて、燃料ガス循環部開閉弁１６を開放し、燃料ガス排気弁１９を閉塞する（ステップＳ６７）。
【００４７】
上記処理手順を実施して、燃料極２に残留する酸化剤ガスを燃料ガスに置換し、システムの起動準備が終了する。
【００４８】
以上説明したように、上記実施例３においては、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。さらに加えて、燃料ガス貯留部８に貯留される燃料ガスの圧力を検出する圧力計や、流量を検出する流量計を設けることなく、システムの運転に最低限必要な既存の構成で置換処理に必要な圧力の燃料ガスを貯留することが可能となる。これにより、システムの大型化を招くことなく、上述した効果を得ることができる。
【実施例４】
【００４９】
図７は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例４のシステムは、先の実施例１に比べて、酸化剤ガス系に対して図１に示す燃料ガス分岐部配管９、燃料ガス分岐部開閉弁１０、燃料ガス貯留部８、燃料ガス圧力検出手段２３、燃料ガス供給弁１４ならびに燃料ガス排気弁１９と同様に機能する構成を設置している。
【００５０】
すなわち、酸化剤ガスポンプ２０と燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口との間の酸化剤ガス供給配管２１には、酸化剤ガス分岐部配管２５が接続され、酸化剤ガス分岐部配管２５の他端には酸化剤ガス貯留部２６が設置され、酸化剤ガス貯留部２６には、酸化剤ガス貯留部２６に貯留された酸化剤ガスの圧力を計測する酸化剤ガス圧力検出手段２７が設置されている。酸化剤ガス分岐部配管２５には、酸化剤ガス分岐部配管２５を遮断制御する酸化剤ガス分岐部開閉弁２８が設置されている。酸化剤ガス供給配管２１と酸化剤ガス分岐部配管２５との連結点と燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口側との間の酸化剤ガス供給配管２１には、酸化剤ガス供給弁２９が設置されている。
【００５１】
また、燃料電池スタック１の酸化剤ガス出口側と接続された酸化剤ガス排気配管２２には、通常運転時に燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス排気弁３０が設置されている。さらに、燃料ガス排気弁１９の下流側の燃料ガス排気配管１８には、燃料電池スタック１から排出された未使用の燃料ガスのガス濃度を低減する燃料処理手段３１が設置されている。この燃料処理手段３１は、例えば燃料ガスを希釈する燃料希釈装置で構成される。なお、この燃料処理手段３１は、先の実施例１、実施例２、実施例３で採用してもよい。
【００５２】
このような構成において、上述した置換処理は、先の実施例１と同様にして実施される。さらに、この実施例４では、置換処理と並行して、酸化剤ガスを燃料電池スタック１の酸化剤極３に供給するようにしている。
【００５３】
すなわち、燃料ガス貯留部８への燃料ガスの貯留と並行して、酸化剤ガス貯留部２６に貯留される酸化剤ガスの圧力が、燃料ガス貯留部８に貯留された燃料ガスの圧力と同じ圧力（燃料電池スタック１に供給時の許容差圧）になるまで、酸化剤ガスポンプ２０を作動させ、酸化剤ガス分岐部開閉弁２８を介して酸化剤ガス貯留部２６に酸化剤ガスを貯留する。なお、燃料ガス貯留部８に所定流量の燃料ガスが貯留される場合には、酸化剤ガス貯留部２６には、燃料ガス貯留部８に貯留される所定流量と同等の所定流量になるまで酸化剤ガス貯留部２６に酸化剤ガスを貯留する。上記圧力の酸化剤ガスが酸化剤ガス貯留部２６に貯留されると、酸化剤ガスポンプ２０を停止し、貯留を止める。
【００５４】
その後、燃料ガス供給弁１４を開くと同時に酸化剤ガス供給弁２９を開き、酸化剤ガス貯留部２６に貯留された酸化剤ガスを燃料電池スタック１の酸化剤極３に供給する。これにより、酸化剤極３側の圧力を高め、高い圧力の燃料ガスを燃料極２に供給することによる燃料極２と酸化剤極３との極間差圧の増大を抑える。また、置換処理によって燃料極２から排出される燃料ガスは燃料処理手段３１で消費されて排気される。
【００５５】
次に、燃料ガス排気弁１９を閉じると同時に、酸化剤ガスポンプ２０により予め設定された流量の酸化剤ガスが燃料電池スタック１の酸化剤極３に供給されるように設定する。ここで、酸化剤ガスの流量は、燃料処理手段３１内の燃料ガス濃度が最大４％以内となるように設定するのが望ましい。
【００５６】
以上説明したように、上記実施例４においては、酸化剤極３に酸化剤を供給することで、極間差圧の増大によるセルの電解質膜の破損及び劣化を抑制することができる。燃料ガス排気配管１８に燃料処理手段３１を設けることで、置換処理の際に燃料極２へ供給する燃料ガスの供給量を増やすことが可能となり、先の実施例１〜実施例３に比べて効果をより高めることができる。
【００５７】
燃料処理手段３１を燃料希釈装置で構成することで、比較的容易なシステムにすることができるので、燃料電池システムを簡略化することができる。燃料処理手段３１における燃料ガス濃度を所定値以下となるように、酸化剤極３に供給する酸化剤の流量を設定することで、未使用の燃料ガスを確実に処理することが可能となり、燃料電池システムの信頼性を高めることができる。
【００５８】
なお、上記実施例４の応用例として、先の実施例１に対して先の実施例２が実施したと同様に、実施例４に対して酸化剤ガス分岐部配管２５、酸化剤ガス分岐部開閉弁２８に代えて、酸化剤ガスバイパス部配管、２つの酸化剤ガスバイパス部開閉弁を設置するようにしてもよい。また、先の実施例１に対して先の実施例３が実施したと同様に、実施例４に対して酸化剤ガス圧力検出手段２７ならびに酸化剤ガス分岐部開閉弁２８を削除するようにしてもよい。
【００５９】
さらに、先の実施例２もしくは実施例３において、上記実施例４で説明した酸化剤ガス系の構成、あるいは上記実施例４の応用例で示した酸化剤ガス系の構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施例１に係る置換処理の実施手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】実施例２に係る置換処理の実施手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図６】実施例３に係る置換処理の実施手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１…燃料電池スタック
２…燃料極
３…酸化剤極
４…高圧燃料タンク
５…燃料ガス調圧弁
６…燃料ガス供給量調整弁
７…燃料ガス供給配管
８…燃料ガス貯留部
９…燃料ガス分岐部配管
１０…燃料ガス分岐部開閉弁
１１…燃料ガスバイパス部配管
１２，１３…燃料ガスバイパス部開閉弁
１４…燃料ガス供給弁
１５…燃料ガス循環配管
１６…燃料ガス循環部開閉弁
１７…燃料ガス循環ポンプ
１８…燃料ガス排気配管
１９…燃料ガス排気弁
２０…酸化剤ガスポンプ
２１…酸化剤ガス供給配管
２２…酸化剤ガス排気配管
２３…燃料ガス圧力検出手段
２４…制御装置
２５…酸化剤ガス分岐部配管
２６…酸化剤ガス貯留部
２７…酸化剤ガス圧力検出手段
２８…酸化剤ガス分岐部開閉弁
２９…酸化剤ガス供給弁
３０…酸化剤ガス排気弁
３１…燃料処理手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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