(57)【要約】【課題】水素循環システムを有する燃料電池システムで、水素を排出せずに窒素を選択的に燃料電池システム外へ排出し、発電を開始すること。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタック（２）と、燃料ガスを供給する水素供給経路（１）と、未反応水素循環経路（３）と、酸化剤ガスを供給する空気供給部（７）と、燃料電池スタック（２）と空気供給部（７）とを接続する空気供給経路（５）と、空気排出経路（６）とを備える。発電停止中に、カソード（２ｂ）の窒素分圧がアノード（２ａ）の窒素分圧よりも低くなるように空気供給部（７）を調整し、電解質膜（２ｃ）を介して、アノード（２ａ）の窒素の少なくとも一部をカソード（２ｂ）へ排出した後、発電を開始することにより、水素を排出せずに窒素を選択的に燃料電池システム外へ排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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において、前記燃料ガスが供給されるアノードと、
前記燃料電池スタックにおいて、前記酸化剤ガスが供給されるカソードと、
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、
前記カソードから排出された未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電停止中に、前記カソードの窒素分圧が前記アノードの窒素分圧よりも低くなるように前記酸化剤ガス供給部を調整し、前記燃料電池スタックの電解質膜を介して、前記アノードの窒素の少なくとも一部を前記カソードへ排出した後、発電を開始する、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給経路に燃料ガス圧力調整部を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電停止中に、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した後、発電を開始する、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】
本発明はアノードの窒素濃度を制御して発電を開始する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種燃料電池システムは、発電停止中に不活性ガスである窒素が、カソードから電解質膜を透過してアノードに存在することがある。そのため、発電を開始する場合、発電停止中に蓄積したアノードの燃料ガスを含む窒素を、アノードと燃料電池システム外を接続するパージ経路を通過させて、パージガスとして排出することによって、アノードの窒素を燃料ガスに置換している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３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。
【０００４】
図３に示すように、燃料電池システム３００は、燃料ガス供給経路１５、燃料電池スタック２、未反応燃料ガス循環経路１６、酸化剤ガス供給経路１７、酸化剤ガス排出経路１８、酸化剤ガス供給部１９、燃料ガス供給源２０、パージ弁１０、希釈流量調整弁１１、希釈器１２、希釈ガス排出経路１３、希釈ガス導入経路１４から構成されている。
【０００５】
燃料電池システム３００の発電を開始する場合、発電停止中に燃料電池スタック２のアノードや未反応燃料ガス循環経路１６に蓄積した燃料ガスを含む窒素を、パージ弁１０を開いて希釈器１２へ導入する。その際に、希釈流量調整弁１１が開くことで酸化剤ガスが希釈ガス導入経路１４を介して希釈器１２へ導入されると、希釈器１２に滞留している燃料ガスを含む窒素は酸化剤ガスによって希釈器１２の出口側へ押し出される。そして、燃料電池スタック２と、酸化剤ガス排出経路１８を通過したカソードオフガスと合流して混ざり、燃料ガスを希釈した後に、希釈ガス排出経路１３を介して燃料電池システム３００の外部に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８７５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、発電開始時にアノードの窒素濃度が所定値に低減されるまでパージガスの排出を継続するため、パージガスに含まれる水素を高濃度で排出していた。そのため、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水素希釈手段が必要となり、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。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、カソードとアノードの窒素分圧差を調整することで、発電停止中に蓄積したアノードの窒素を燃料電池スタックの電解質膜を介してカソードへ排出し、アノードの窒素濃度を所定値まで低減した後に発電を開始する。これによって、パージ経路と水素希釈手段を用いずにアノードの窒素を排出することが可能な、小型化した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、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、燃料電池スタックにおいて、燃料ガスが供給されるアノードと、燃料電池スタックにおいて、酸化剤ガスが供給されるカソードと、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、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、カソードから排出された未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックの発電停止中に、カソードの窒素分圧がアノードの窒素分圧よりも低くなるように酸化剤ガス供給部を調整し、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードの窒素の少なくとも一部をカソードへ排出した後、発電を開始するようにしたものである。
【００１０】
これによって、パージ経路を設けずに、アノードの窒素の少なくとも一部をカソードへ排出できる。さらに、アノードの水素を燃料電池システム外へ排出することがないため、水素希釈手段を設けずに発電を開始することとなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、発電停止中にカソードとアノードの窒素分圧差を調整することによって、アノードの窒素を燃料電池スタックの電解質膜を透過させてカソードへ排出するため、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無く窒素を選択的に燃料電池システム外へ排出し、燃料電池システムの発電を開始することができる。これにより、パージ経路と水素希釈手段を設ける必要がないため、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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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
【図２】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
【図３】従来の燃料電池システムの構成を示したブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明の燃料電池システムは、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、燃料電池スタックにおいて、燃料ガスが供給されるアノードと、燃料電池スタックにおいて、酸化剤ガスが供給されるカソードと、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、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、カソードから排出された未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックの発電停止中に、カソードの窒素分圧がアノードの窒素分圧よりも低くなるように酸化剤ガス供給部を調整し、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードの窒素の少なくとも一部をカソードへ排出した後、発電を開始するようにしたものである。これによって、アノードの窒素の少なくとも一部を燃料電池スタックのカソードへ選択的に排出することとなり、パージ経路や水素希釈手段を設けずに、燃料電池システムの発電を開始することができる。
【００１４】
第２の発明の燃料電池システムは、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、燃料ガス供給経路に燃料ガス圧力調整部を備え、制御部は、燃料電池スタックの発電停止中に、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した後、発電を開始するものである。これによって、発電停止中に、カソードの窒素分圧がアノードの窒素分圧よりも高くなった場合について、燃料ガス圧力調整部を調整することで、アノードの窒素分圧をカソードの窒素分圧よりも高く設定することが可能となるため、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードの窒素の少なくとも一部をカソードへ排出することとなり、パージ経路や水素希釈手段を設けずに、燃料電池システムの発電を開始することができる。
【００１５】
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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。
【００１８】
燃料電池スタック２は、例えば固体高分子型の燃料電池スタックであり、電解質膜２ｃを導電性のセパレータ（図示せず）で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。また、酸化剤ガスである空気は、空気供給部７によって供給し、燃料電池スタック２の発電を開始する。
【００１９】
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。
【００２０】
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によって構成されている。ニードル弁４ａは水素供給経路１の水素を調圧する。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へ圧力情報を返すことで、制御部８の指示でニードル弁４ａの開度を制御し、水素供給経路１の圧力を調整する。
空気供給経路５は、空気を燃料電池スタック２へと供給するための経路である。
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の筐体内あるいは、燃料電池システム１００の筐体外に大気開放される。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
まず、燃料電池システム１００が発電停止中である場合について、アノードの窒素分圧の推定方法について述べる。
【００２５】
発電停止中の微小な時間ｄｔ（ｓ）について、電解質膜２ｃを介して透過する窒素の透過量をＳ（ｃｍ３）、窒素の電解質膜２ｃにおける透過係数をλ（ｃｍ２／（Ｐａ・ｓ））、電解質膜２ｃの膜面積をＡ（ｃｍ２）、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の窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）は一定であるとみなす。
【００２６】
電解質膜２ｃを介して透過する窒素の透過量Ｓ（ｃｍ３）は以下の（数１）で表される。
【００２７】
【数１】
2019133763.tif 000003
発電停止直後のアノード２ａの窒素濃度をＤ０（％）、アノード２ａの内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（ｃｍ３）とする。発電停止直後のアノード２ａの窒素濃度Ｄ０（％）が自明であるとすると、発電停止直後から微小な時間ｄｔ（ｓ）だけ経過後のアノード２ａの窒素濃度Ｄ（％）は以下の（数２）で表される。
【００２８】
【数２】
2019133763.tif 000004
発電停止直後から、燃料電池スタックの発電開始までの積算時間を発電停止時間Ｔと定義し、発電停止時間Ｔを制御部８にて算出する。
発電停止時間Ｔに到達するまで、発電停止中の任意の微小な時間ｄｔ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における電解質膜２ｃを介して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におけるアノード２ａの窒素濃度Ｄ（％）を推定することができる。
【００２９】
また、発電停止時間Ｔにおいて、水素圧力調整部４で計測した圧力をＰ１（ｋＰａ）とすると、発電停止時間Ｔにおけるアノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）は以下の（数３）で表される。
【００３０】
【数３】
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以上から、発電停止時間Ｔにおけるアノード２ａの窒素濃度Ｄ（％）に基づいて、発電停止時間Ｔにおけるアノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）を推定することができる。
【００３１】
次に、発電停止後に燃料電池スタック２を発電開始する場合の空気供給部７の動作時間について述べる。まずは、発電停止時間Ｔにおける、推定したアノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）よりも低くなるように、目標とするカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）を設定する。
【００３２】
空気供給部７によって、空気をカソード２ｂに供給した場合、空気中の窒素濃度は７９％であるので、空気供給部７にて昇圧する目標の圧力Ｐ１ｍ（ｋＰａ）は、Ｐ１ｍ＝Ｐｃｍ／０．７９（ｋＰａ）と計算できる。
【００３３】
以上の処理を実行後、空気供給部７にて、圧力Ｐ１ｍ（ｋＰａ）まで昇圧を行い、カソード２ｂへ空気を供給し、掃気を開始する。
【００３４】
空気供給部７による掃気時間をｔ（ｓ）とする。掃気時間ｔ（ｓ）は（数１）を変形して、以下の（数４）で近似的に表すことができる。
【００３５】
【数４】
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アノード２ａからカソード２ｂへ透過させる窒素の透過量Ｓ（ｃｍ３）を設定することによって、掃気時間ｔ（ｓ）を算出することができる。
【００３６】
アノード２ａからカソード２ｂへ透過させる窒素の透過量Ｓ（ｃｍ３）が一定である場合、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）とカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の分圧差が大きい程、掃気時間ｔ（ｓ）を短縮することが可能となる。
【００３７】
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、水素と空気とを用いて発電を行う燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２において、水素が供給されるアノード２ａと、燃料電池スタック２において、空気が供給されるカソード２ｂ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、カソード２ｂと空気供給部７とを接続する空気供給経路５と、カソード２ｂから排出された未反応空気を排出する空気排出経路６と、制御部８とすることにより、燃料電池スタック２の発電停止中において、カソード２ｂの窒素分圧がアノード２ａの窒素分圧よりも低くなるように空気供給部７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、燃料電池システム１００の発電を開始することができる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
なお、水素圧力調整部４は、オリフィスと、圧力計で構成されていても良い。さらに、水素圧力調整部４は、機械的に、一定に圧力を調整するガバナで構成されていても良い。（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、窒素分圧測定器９と、を備える。
【００４１】
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。
【００４２】
水素圧力調整部４はニードル弁４ａによって構成されている。ニードル弁４ａは水素供給経路１の水素を調圧する。
【００４３】
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と、流量計７ｂと、圧力計７ｃ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へ供給する。流量計７ｂは空気供給経路５の空気の流量を計測し、制御部８へ流量情報を返すことで、制御部８の指示でポンプ７ａの能力値を制御し、空気供給経路５の空気の流量を調整する。圧力計７ｃは、空気供給経路５の圧力を計測し、制御部８へ圧力情報を返すことで、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。
【００４４】
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によって構成されており、アノードの窒素濃度と圧力から窒素分圧を求める。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、燃料電池システム２００が停止している場合のアノード２ａにおける、窒素分圧Ｐａについて述べる。窒素分圧測定器９で測定した窒素濃度をＣ％、窒素分圧測定器９で測定した圧力をＰ３（ｋＰａ）とする。
【００４７】
アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）は以下の（数５）で求めることができる。
【００４８】
【数５】
2019133763.tif 000007
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が停止している場合のアノード２ａにおける窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）を検知することができる。
【００４９】
次に、発電停止後、燃料電池スタック２を発電開始する場合の空気供給部７の動作時間について述べる。
【００５０】
発電停止時間Ｔにおけるアノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、目標とするカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の比較を行う。空気供給部７によって、空気をカソード２ｂに供給した場合、空気中の窒素濃度は７９％であるので、空気供給部７にて昇圧する目標の圧力をＰ１ｍ（ｋＰａ）は、Ｐ１ｍ＝Ｐｃｍ／０．７９（ｋＰａ）と計算できる。
アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）が、カソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）よりも大きく、さらにアノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の差が所定値よりも大きい場合、空気供給部７を動作させ、空気供給部７にて昇圧する圧力をＰ１ｍ（ｋＰａ）に設定し、掃気を開始する。
空気供給部７による掃気時間をｔ（ｓ）とする。
【００５１】
電解質膜２ｃを介して透過する窒素の透過量をＳ（ｃｍ３）、窒素の電解質膜２ｃにおける透過係数をλ（ｃｍ２／（Ｐａ・ｓ））、電解質膜２ｃの膜面積をＡ（ｃｍ２）、電解質膜２ｃの膜厚をＬ（ｃｍ）とする。掃気時間ｔ（ｓ）におけるカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃ（ｋＰａ）、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）は一定であるとみなす。
【００５２】
掃気が完了するまで、カソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）が一定であると仮定すると、掃気時間ｔ（ｓ）は以下の（数６）で近似的に表すことができる。
【００５３】
【数６】
2019133763.tif 000008
また、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）がカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）よりも大きいが、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）とカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の差が所定値よりも小さい場合、あるいは、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）がカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）よりも小さい場合について述べる。この場合、水素圧力調整部４を調整して、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の差が所定値よりも大きくなるように設定する。
また、アノード２ａ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の水素分圧も引き上げることとなり、アノード２ａ中の水素がカソード２ｂ側へ透過することとなる。（数５）で求めた窒素分圧から、アノード２ａ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の窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の上限を設定する。
【００５４】
上記の処理を実行後、空気供給部７にて、圧力Ｐ１ｍ（ｋＰａ）まで昇圧を行い、カソード２ｂへ空気を供給し、掃気を開始する。
【００５５】
アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）と、カソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の差が所定値に到達するまで、水素圧力調整部４を調整し、アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）の昇圧を継続する。掃気時間ｔ（ｓ）は（数６）で近似的に表すことができる。
アノード２ａの窒素分圧Ｐａ（ｋＰａ）とカソード２ｂの窒素分圧Ｐｃｍ（ｋＰａ）の差が大きい程、掃気時間ｔ（ｓ）を短縮することが可能となり、発電停止後の発電開始を行うまでの時間を短縮することができる。
【００５６】
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、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、燃料電池スタック２において、水素が供給されるアノード２ａと、燃料電池スタック２において、空気が供給されるカソード２ｂ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、水素供給経路１の圧力を調整する水素圧力調整部４と、カソード２ｂに空気を供給する空気供給部７と、カソード２ｂと空気供給部７とを接続する空気供給経路５と、カソード２ｂから排出された未反応空気を排出する空気排出経路６と、制御部８とすることにより、燃料電池スタック２の発電停止中に、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、燃料電池スタック２のアノード２ａ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、燃料電池システム２００の発電を開始することができる。
【００５７】
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、窒素分圧測定器９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。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、発電停止中にカソードとアノードの窒素分圧差を調整することにより、アノードの窒素をスタックの電解質膜を介してカソードへ排出した後に発電を開始することが可能となるので、燃料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。
【符号の説明】
【００５９】
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
７ｂ      流量計
７ｃ      圧力計
８        制御部
９        窒素分圧測定器
９ａ      窒素濃度測定器
９ｂ      圧力計
１０      パージ弁
１１      希釈流量調整弁
１２      希釈器
１３      希釈ガス排出経路
１４      希釈ガス導入経路
１５      燃料ガス供給経路
１６      未反応燃料ガス循環経路
１７      酸化剤ガス供給経路
１８      酸化剤ガス排出経路
１９      酸化剤ガス供給部
２０      燃料ガス供給源
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
【図１】
2019133763.tif 000009
【図２】
2019133763.tif 000010
【図３】
2019133763.tif 000011