(57)【要約】【課題】燃料電池システムの発電効率を向上させる。【解決手段】第１のバルブＶＬ１及び第３のバルブＶＬ３を開き、カソード電極層１１には酸素タンク３１から酸素を充填し、アノード電極層１２には水素タンク２１から水素を充填する。３つのバルブＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ３が全て閉じた状態で燃料電池スタック１０は発電を行う。所定の発電量が得られたときに第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２を開き、カソード電極層１１に待機中であったエアコンプレッサ３２を稼働させて高圧空気による排水処理を行う。酸素濃度の高い酸化ガスによる発電を行うことによって燃料電池スタック１０の発電効率は向上する。またエアコンプレッサ３２が待機状態にあるときは燃料電池システム１００Ａの補機損失が低減する。さらに排水処理に用いられる酸素量を抑制することができ、システム全体の発電効率が向上する。【選択図】図２
2008041516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソード電極に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部と、
前記燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、
前記酸化ガスの前記燃料電池への流入を制御する第１のバルブと、
前記燃料電池からのカソード排ガスの流出を制御する第２のバルブと、
前記燃料電池システムの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
（ａ）少なくとも前記第１のバルブが開いた状態で前記酸化ガスを前記燃料電池内に充填する工程と、
（ｂ）前記第１と第２のバルブを閉じる工程と、
（ｃ）前記第１と第２のバルブを閉じた状態で所定の発電を行った後に前記第１と第２のバルブを開く工程と、
を繰り返し行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料ガスの前記燃料電池への流入を制御する第３のバルブを備え、
前記制御部は、
前記工程（ａ）において、前記第１のバルブに加えて前記第３のバルブが開いた状態で前記燃料電池内に前記燃料ガスを充填し、
前記工程（ｂ）において、前記第３のバルブを閉じた状態とする、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガスは、大気中の酸素濃度より高い酸素濃度を有する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス供給部は、酸素濃度の異なる複数種類の酸化ガスの一つを選択的に供給することが可能であり、
前記制御部は、前記工程（ａ）において、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの供給量を前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの酸素濃度に応じて制御する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記酸化ガス供給部は、空気中の酸素と窒素を分離する窒素分離装置を備え、
前記燃料ガス供給部は、前記窒素分離装置によって分離された窒素分子と燃料電池反応で消費される燃料ガス分子とを混合した混合気体を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池で発電した電力を充電するバッテリを備える、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池システムに接続された負荷装置の負荷変動の有無に関わらず、前記燃料電池が一定の発電量での発電を繰り返すように、前記工程（ａ）〜（ｃ）の制御を実行する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて酸化ガスや燃料ガスの供給工程を工夫することによって発電効率を向上している様々な燃料電池システムが提案されている（特許文献１等）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２７２６９４
【特許文献２】特開２００４−５５２６０
【特許文献３】特開２００５−１６０１２７
【特許文献４】特開２００４−２２４８７
【特許文献５】特開２００２−２３１２９３
【特許文献６】特開２００４−３６２９１５
【０００４】
例えば、その一つとして、エアコンプレッサにより高圧化された空気を供給することによって燃料電池スタックに供給される反応ガスの量を増す燃料電池システムが広く知られている。しかし、そうした燃料電池システムであっても、供給された高圧空気の一部を電気化学反応によって燃料電池スタック内部に発生した水分の排出などに用いている場合もあり、高圧空気の全てを電気化学反応に用いているわけではない。また、エアコンプレッサなどの補機の電力消費による補機損失も生じている。
【０００５】
また、燃料電池システムに酸素タンクを備え、燃料電池スタックに高濃度酸素ガスを供給することによって高効率発電を行う燃料電池システムもある。しかし、そのような燃料電池システムを車両のような移動体に搭載する場合には酸素タンクによるシステムの重量増加などの不都合も生じる。
【０００６】
このように燃料電池スタックの発電効率が向上したとしても、燃料電池システム全体の効率が十分に向上しない場合がある。しかし、これまでそうした問題に対して充分な工夫がなされていないのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、燃料電池システムの発電効率を向上させる技術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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池のカソード電極に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部と、前記燃料電池のアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、前記酸化ガスの前記燃料電池への流入を制御する第１のバルブと、前記燃料電池からのカソード排ガスの流出を制御する第２のバルブと、前記燃料電池システムの動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、
（ａ）少なくとも前記第１のバルブが開いた状態で前記酸化ガスを前記燃料電池内に充填する工程と、
（ｂ）前記第１と第２のバルブを閉じる工程と、
（ｃ）前記第１と第２のバルブを閉じた状態で所定の発電を行った後に前記第１と第２のバルブを開く工程と、を繰り返し行うことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池内に酸化ガスを充填して高効率発電を行った後に、工程（ｃ）において酸化ガスによって燃料電池内に発生した水分を排出することができる。従って工程（ａ）において充填した酸化ガスを電気化学反応にのみ用いることができ、燃料電池システムの発電効率が向上する。
【００１０】
上記燃料電池システムは、さらに、前記燃料ガスの前記燃料電池への流入を制御する第３のバルブを備え、前記制御部は、前記工程（ａ）において、前記第１のバルブに加えて前記第３のバルブが開いた状態で前記燃料電池内に前記燃料ガスを充填し、前記工程（ｂ）において、前記第３のバルブを閉じた状態とするものとしても良い。
【００１１】
この構成によれば、燃料電池内に充填した燃料ガスを無駄なく発電に供することができ、高効率な発電を行うことができる。
【００１２】
前記酸化ガスは、大気中の酸素濃度より高い酸素濃度を有するものとしても良い。
【００１３】
この構成によれば、酸素と水素の電気化学反応によって発電する燃料電池において、燃料電池に充填された酸化ガスの中の酸素分子の量を増すことができ、さらに高効率な発電を行うことができる。
【００１４】
前記酸化ガス供給部は、酸素濃度の異なる複数種類の酸化ガスの一つを選択的に供給することが可能であり、前記制御部は、前記工程（ａ）において、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの供給量を前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの酸素濃度に応じて制御するものとしても良い。
【００１５】
この構成によれば、燃料電池に対して無駄なく燃料ガスを供給することになり、燃料電池システムの発電効率が向上する。
【００１６】
前記カソードガス供給部は、空気中の酸素と窒素を分離する窒素分離装置を備え、前記アノードガス供給部は、前記窒素分離装置によって分離された窒素分子と燃料電池反応で消費される燃料ガス分子とを混合した混合気体を前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給するものとしても良い。
【００１７】
この構成によれば、アノード電極において燃料電池反応によって消費される燃料ガス分子の濃度が低くなり、クロスリークの発生の可能性が低減する。また、カソード電極層に供給される酸化ガスの酸素濃度が高くなり高効率な発電となり、燃料電池システムの発電効率は向上する。
【００１８】
上記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池で発電した電力を充電するバッテリを備えるものとしても良い。
【００１９】
この構成によれば、燃料電池の高効率発電（例えば、高電圧・低電流密度の発電）によって得られた電力をバッテリに蓄えておくことができる。
【００２０】
前記制御部は、前記燃料電池システムに接続された負荷装置の負荷変動の有無に関わらず、前記燃料電池が一定の発電量での発電を繰り返すように、前記工程（ａ）〜（ｃ）の制御を実行するものとしても良い。
【００２１】
この構成によれば、燃料電池システムは、外部負荷装置の負荷変動に影響を受けることなく、発電量を一定に保ちつつ発電を繰り返すことができる。
【００２２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．参考例：
Ｂ．第１実施例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第３実施例：
Ｅ．変形例：
【００２４】
Ａ．参考例：
図１は参考例として燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、アノードガス供給部２０と、カソードガス供給部３０とを備えている。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池スタック１０は、単セルを積層したスタック構造を有している。単セルとは、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜を２つの電極層１１、１２で挟持した膜電極接合体（ＭＥＡ）を後述する２枚のセパレータで挟持した発電モジュールである。
【００２６】
燃料電池スタック１０は、カソード電極層１１に空気などの酸素含有ガス（酸化ガス）が供給され、アノード電極層１２に水素含有ガス（燃料ガス）が供給されて発電する。２つの電極層１１、１２には電気化学反応を促進するため触媒層が設けられているものとしても良い。
【００２７】
セパレータは、薄い金属板で構成され、膜電極接合体の各電極触媒層への燃料ガス及び酸化ガス（両者を併せて「反応ガス」と呼ぶ）の供給と、電気化学反応に供されなかった反応ガスの排気とを行うためのガス通路溝を有する。また、セパレータは、冷却水の通路溝を有することによってＭＥＡを冷却する機能を持ち、さらに金属板で構成されることにより集電機能をも併せ持つ。なお、燃料電池スタック１０としては、セパレータにガス通路溝を設けたものではなく、２つの電極層１１、１２に反応ガスを電極層全体に拡散するためのガス拡散層を設けたものとしても良い。
【００２８】
アノードガス供給部２０は、水素タンク２１と、アノードガス供給配管２２と、アノードガス循環配管２３とを備えている。水素タンク２１は、高圧水素ガスが充填されており、アノードガス供給配管２２を介して燃料電池スタック１０のアノード電極層１２に水素を供給する。水素は水素タンク２１に設けられたレギュレータ（図示せず）によって減圧されて供給される。
【００２９】
アノード電極層１２で電気化学反応に供されることのなかった水素は、燃料電池スタック１０から排出されアノードガス循環配管２３を介して再びアノードガス供給配管２２へと循環する。アノードガス循環配管２３には水素をアノードガス供給配管２２へと誘導するためのポンプなどが設けられているものとしても良い。
【００３０】
カソードガス供給部３０は、酸素タンク３１と、エアコンプレッサ３２と、酸素供給配管３４ｏと、空気供給配管３４ａと、カソードガス供給配管３４ｃと、加湿器３５とを備えている。酸素タンク３１には高圧酸素が充填されている。酸素タンク３１は酸素供給配管３４ｏと接続しており、エアコンプレッサ３２は空気供給配管３４ａと接続している。
【００３１】
カソードガス供給配管３４ｃは燃料電池スタック１０と接続しており、カソード電極層１１に酸化ガスを供給する。なお、カソードガス供給配管３４ｃには加湿器３５が設けられており、燃料電池スタック１０に供給される酸化ガスの湿度が調整される。
【００３２】
カソード供給配管３４ｃは三方弁３３と接続しており、三方弁３３は、酸素供給配管３４ｏと空気供給配管３４ａと接続している。従って、燃料電池システム１００の酸化ガスの種類は、エアコンプレッサ３２によって高圧化された空気（高圧空気）又は酸素タンク３１から供給される酸素（高濃度酸素）のいずれか一方を三方弁３３を切り替えることによって選択できる。ここで、燃料電池スタック１０が、高圧空気によって発電する場合を「高圧空気発電」と呼び、高濃度酸素によって発電する場合を「高濃度酸素発電」と呼ぶ。即ち、燃料電池システム１００は高濃度酸素発電と高圧空気発電とを切り替えることができる。なお、高濃度酸素発電時には、エアコンプレッサ３２は停止又は随時稼働可能な待機状態にある。
【００３３】
高濃度酸素発電時は酸素濃度がほぼ１００％の酸化ガスによる発電であるため、酸素濃度が約２２％程度（大気中の酸素濃度）である高圧空気発電よりも単位時間あたりの発電量は増加する。従って、燃料電池システム１００は、高圧空気発電のみを行う燃料電池システムよりも発電効率が向上する。
【００３４】
また、一般にエアコンプレッサが常時稼働している燃料電池システムのエアコンプレッサによる補機損失は当該システムの燃料電池スタックの全発電量のうち５〜１０％程度を占めている場合がある。燃料電池システム１００では、高濃度酸素発電時にはエアコンプレッサ３２が待機状態となるため、高圧空気発電のみを行うシステムよりもエアコンプレッサ３２による電力消費（補機損失）を低減できる。
【００３５】
ところで、発電効率を向上するためには、燃料電池反応によってカソード電極層に発生した水分を燃料電池スタックの外部へと排出することが好ましい。そのため、燃料電池システムでは、反応に供されることのなかった酸化ガスと共に水分を排出する排水処理を行う場合がある。そのような燃料電池システムでは、電気化学反応に必要な酸化ガスより多くの量（例えば１．５〜２倍程度の量）の酸化ガスを供給している。
【００３６】
従って、排水時にも酸素タンクからの酸素を酸化ガスとして供給する燃料電池システムでは、それだけ余分な酸素が排出されていることになる。また、そうしたシステムでは、それだけ余分な酸素を搭載するために酸素タンクの容量や重量が増加する傾向にあり、燃料電池システムの発電効率が低下している可能性がある。
【００３７】
参考例の燃料電池システム１００では、高濃度酸素発電を行った後に高圧空気発電に切り替えることによって、高濃度酸素発電時に発生した水分を高圧空気発電時にカソード電極層１１に接続するカソードガス排出配管３６から排出することができる。このような構成とすれば、酸素タンク３１内の酸素を節約でき、システム全体の発電効率の低下を抑制できる。
【００３８】
上述した燃料電池システム１００の考え方をもとに、さらに具体的な構成によって発電効率を向上することが可能な燃料電池システムを以下の実施例において説明する。
【００３９】
Ｂ．第１実施例：
図２は、本発明の第１実施例として燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図である。この第１実施例は、第１のバルブＶＬ１と、第２のバルブＶＬ２と、第３のバルブＶＬ３とが設けられている点と、アノードガス循環配管２３が設けられていない点以外は図１に示した参考例と同じである。
【００４０】
第１のバルブＶＬ１は、カソードガス供給配管３４ｃに設けられている。第１のバルブＶＬ１は、燃料電池スタック１０への酸化ガスの流入を制御できる。即ち、第１のバルブＶＬ１が開いた状態のときに燃料電池スタック１０には酸化ガスが供給され、閉じた状態のときは燃料電池スタック１０には酸化ガスは供給されない。
【００４１】
第２のバルブＶＬ２は、カソードガス排出配管３６に設けられている。第２のバルブＶＬ２は、燃料電池スタック１０からの酸化ガスおよび電気化学反応によって発生した水分の排出を制御している。即ち、第２のバルブＶＬ２が閉じた状態のときは燃料電池スタック１０の上記排出処理は行われない。
【００４２】
第３のバルブＶＬ３は、アノードガス供給配管２２に設けられている。第３のバルブＶＬ３は、燃料電池スタック１０への水素タンク２１からの水素の流入を制御できる。即ち、第３のバルブＶＬ３が開いた状態のときに燃料電池スタック１０には水素が供給され、閉じた状態のときは燃料電池スタック１０には水素は供給されない。
【００４３】
上述の３つのバルブＶＬ１〜ＶＬ３は、制御部２００によってその開閉状態が制御されている。なお、制御部２００は、燃料電池システム１００Ａ全体の運転を制御しているものとしても良く、エアコンプレッサ３２の稼働状態及び三方弁３３の切替処理も同じく制御部２００によって制御されているものとしても良い。なお、制御部２００は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを含むマイクロコンピュータとして構成できる。
【００４４】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、燃料電池システム１００Ａの電気的構成を示すブロック図である。このシステムは、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４３、４４と、２つのバッテリＢｍ、Ｂｓと、４つのスイッチ機構４５ａ〜４５ｄとを備え、燃料電池スタック１０と外部の負荷５０とを接続している。
【００４５】
図３（Ａ）は、メインバッテリＢｍが外部負荷５０と接続されて放電し、サブバッテリＢｓが燃料電池スタック１０によって充電されている第１出力態様を示している。図３（Ｂ）は、サブバッテリＢｓが外部負荷５０と接続されて放電し、メインバッテリＢｍが燃料電池スタック１０によって充電されている第２出力態様を示している。なお、メインバッテリＢｍは、例えばリチウムイオンバッテリのような高容量のバッテリとし、サブバッテリＢｓは、高出力型のバッテリとしても良い。
【００４６】
第１出力態様と第２出力態様との切替は、スイッチ機構４５ａ〜４５ｄによって行っている。具体的には、第１出力態様のときは、第１のスイッチ機構４５ａ及び第２のスイッチ機構４５ｂによって燃料電池スタック１０とサブバッテリＢｓとが接続状態となる。また、第３のスイッチ機構４５ｃ及び第４のスイッチ機構４５ｄによってメインバッテリＢｍと外部負荷５０とが接続状態となる。一方、第２出力態様のときは、第１のスイッチ機構４５ａ及び第２のスイッチ機構４５ｂによって燃料電池スタック１０とメインバッテリＢｍとが接続状態となる。また、第３のスイッチ機構４５ｃ及び第４のスイッチ機構４５ｄによってサブバッテリＢｓと外部負荷５０とが接続状態となる。
【００４７】
なお、第１のスイッチ機構４５ａと第３のスイッチ機構４５ｃとは、リンクして動作する機構であり、スイッチ駆動部４６ａによって交互に２つのバッテリＢｍ、Ｂｓをスイッチする。同じく、第２のスイッチ機構４５ｂと第４のスイッチ機構４５ｄとは、リンクして動作する機構であり、スイッチ駆動部４６ｂによって交互に２つのバッテリＢｍ、Ｂｓをスイッチする。スイッチ駆動部４６ａ、４６ｂは、制御部２００の指示によって動作し、第１出力態様と第２出力態様とを切り替える。
【００４８】
第１のＤＣ／ＤＣコンバータ４３は、燃料電池スタック１０と２つのバッテリＢｍ、Ｂｓとの間に設けられており、２つのバッテリＢｍ、Ｂｓへの充電時の電圧を調整する。第２のＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、２つのバッテリＢｍ、Ｂｓと外部負荷５０との間に設けられ、２つのバッテリＢｍ、Ｂｓからの放電の際に用いられ、負荷５０に適したレベルの電圧を維持する。２つのＤＣ／ＤＣコンバータ４３、４４は、制御部２００によって制御されている。
【００４９】
図４は、燃料電池システム１００Ａの発電工程を示したフローチャートである。図４の工程に従って、本実施例における燃料電池システム１００Ａの運転動作を説明する。
【００５０】
燃料電池システム１００Ａの運転が開始されると、制御部２００は２つのバッテリＢｍ、Ｂｓの充電状態によって出力部２００を第１出力態様あるいは第２出力態様に切り替える（ステップＳ１００）。例えば、メインバッテリＢｍが所定の充電量に達していない場合や、メインバッテリＢｍの充電量がサブバッテリＢｓの充電量より低い場合には、制御部２００はシステムを第２出力態様に切り替えるものとしても良い。
【００５１】
次に制御部２００は、第１のバルブＶＬ１及び第３のバルブＶＬ３を開き、第２のバルブＶＬ２を閉じる（ステップＳ１１０）。また、制御部２００は、三方弁３３を酸素タンク３１の酸素がカソードガス供給配管３４ｃへ流入するように切り替える。また、水素タンク２１及び酸素タンク３１のレギュレータ（図示せず）などを制御し、アノード電極層１２及びカソード電極層１１にそれぞれ水素と酸素とを充填する（ステップＳ１２０）。
【００５２】
なお、第２のバルブはステップＳ１１０、Ｓ１２０で閉じられている必要はなく、開いた状態で保持されていても良い。この場合は、燃料電池スタック１０に所定の酸素量が供給された時点で閉じられるものとしても良い。この説明からも理解できるように、酸化ガスの給排気配管上の２つのバルブＶＬ１、ＶＬ２のうち、少なくとも第１のバルブＶＬ１が開いた状態で酸化ガスを燃料電池内に充填することができる。
【００５３】
水素及び酸素の所定量の充填が終了すると制御部２００は、第１のバルブＶＬ１及び第３のバルブＶＬ３を閉じる（ステップＳ１３０）。ここで「所定量」とは、予め制御部２００に設定された供給量としても良く、制御部２００が２つのバッテリＢｍ、Ｂｓの充電状態から必要な発電量を判断し計算するものとしても良い。
【００５４】
燃料電池スタック１０は、充填された反応ガスの量に応じた所定の発電量の発電を実行することができる。この所定の発電量に達したときに、制御部２００は、第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２を開く（ステップＳ１４０〜ステップＳ１５０）。ステップＳ１４０における判断基準は、燃料電池スタック１０の起電力が規定の値まで低下したときとしても良く、所定の時間の経過後としても良い。
【００５５】
制御部２００は、ステップＳ１５０の処理とともに三方弁３３を切り替え、エアコンプレッサ３２を稼働させる。するとカソードガス供給配管３４ｃを介してカソード電極層１１には高圧空気が流入する。このとき、第２のバルブＶＬ２が開いているため、ステップＳ１２０〜ステップＳ１４０の発電（高濃度酸素発電）において発生した水分が、高圧空気とともにカソードガス排出配管３６から排出される（ステップＳ１６０）。なお、この排水処理の間にも燃料電池スタック１０ではアノード電極層１２に残っている水素と高圧空気によって高圧空気発電が行われるものとしても良い。
【００５６】
燃料電池システム１００Ａが運転を継続するのであれば、制御部２００は、燃料電池システム１００Ａに上記工程を繰り返し行わせることになる（ステップＳ１７０）。燃料電池システム１００Ａは、例えば、以下に記載の具体例のような基準をもとに上記工程を繰り返すものとしても良い。
【００５７】
例えば、燃料電池システム１００Ａを車両に搭載する場合を想定する。燃料電池スタック１０は５００個の単セルを積層したものであるとし、アノード電極層１２は１セルあたり１０ｃｃの容量があるものとする。この場合燃料電池スタック１０には８０℃の温度（燃料電池の平均的作動温度）で１０気圧の水素を１．７２ｍｏｌ充填できる。ここで、水素の低位発熱量（ＬＨＶ）を、一般に知られている２４７ｋＪ／ｍｏｌとして計算する。すると発電効率が７０％の燃料電池スタックにおいては、１．７２ｍｏｌの水素で２９８ｋＪの仕事量に相当する発電、即ち、０．０８２ｋｗｈの発電が可能である。
【００５８】
一般に重量が約１．５ｔの車両は、１ｋｗｈの発電で約４ｋｍ程度の走行が可能であることが知られているので、０．０８２ｋｗｈの発電では約３３０ｍ程度の走行が可能であると期待できる。従って、図４の処理工程は、前期車両が３３０ｍ走行するごとに繰り返されるようにステップＳ１４０の条件などを設定するものとしても良い。なお、この数値はあくまで一例であり、実験等によって得られた結果などを参考に状況に応じた最も効率の良い条件を選択するものとしても良い。
【００５９】
この燃料電池システム１００Ａでは、上記参考例で述べたように、高濃度酸素発電による発電効率の向上、エアコンプレッサ３２等による補機損失の低減などの効果が得られる。また、排水処理は高圧空気によって行っているため、排水処理に用いられる酸素量を低減している。従ってシステム全体の発電効率増加に伴って、水素タンク２１及び酸素タンク３１の容量を低減することも可能であり、燃料電池システム１００Ａを例えば車両などの限られた狭い空間に搭載する場合に有利である。また、燃料電池システム１００Ａは、外部負荷５０における負荷の変動の有無に関わらず常に一定の電力量での発電を繰り返し実行することができる。
【００６０】
Ｃ．第２実施例：
図５は本発明の第２実施例として燃料電池システム１００Ｂの構成を示す概略図である。この第２実施例は、カソードガス供給部３０に酸素タンク３１及び三方弁３３が設けられておらず、これらの代わりに酸素窒素分離器３７が設けられている点と、窒素供給配管６０と、逆止弁６１と、第３のバルブＶＬ３と、窒素排出配管６２と、第４のバルブＶＬ４とが追加されている点以外は図２に示した第１実施例とほぼ同じである。なお、この燃料電池システム１００Ｂの電気的構成は、第１実施例と同じである。
【００６１】
酸素窒素分離器３７は空気供給配管３４ａと接続しており、エアコンプレッサ３２から排出される高圧空気のうち窒素のみを分離する。分離した窒素ガスは接続する窒素供給配管６０に流入する。また、高圧空気から窒素が除かれた酸素リッチガスは酸素窒素分離器３７からカソードガス供給配管３４ｃへと流入する。
【００６２】
酸素窒素分離器３７としては、膜分離法を利用した装置を採用するものとしても良い。具体的には、例えば高分子ポリイミドからなる中空糸膜の束を圧力容器に収納して酸素窒素分離器３７を構成することができる。中空糸膜は高圧空気を供給されると気体分子の透過速度の差によって窒素ガスと酸素リッチガスとを分離することができる。なお、酸素窒素分離器３７としては、これ以外にＰＳＡ法（吸着法）や、深冷分離法を利用した装置を採用しても良く、他の方法を利用した装置でも良い。
【００６３】
窒素供給配管６０は、アノードガス供給配管２２に接続している（接続部２５）。従って、燃料電池スタック１０のアノード電極層１２には水素と窒素との混合気体が供給されることになる。なお、窒素供給配管６０には、アノードガス供給配管２２との接続部２５より上流側に逆止弁６１が設けられている。逆止弁６１は、アノードガス供給配管２２の水素が窒素供給配管６０へ逆流することを防止している。
【００６４】
アノード電極層１２にはアノード排ガス排出配管６２が設けられている。アノード排ガス排出配管６２には第４のバルブＶＬ４が設けられている。制御部２００は、第４のバルブＶＬ４によってアノード電極層１２から燃料電池反応に供されることのなかった燃料ガス（主に窒素を含んでおり、以後「アノード排ガス」と呼ぶ）の排出を制御する。
【００６５】
図６は、燃料電池システム１００Ｂの発電工程を示したフローチャートである。図６は、同一の符号が付された工程は図４と同じである。図６の工程に従って以下に燃料電池システム１００Ｂの運転動作を説明する。
【００６６】
制御部２００は、２つのバッテリＢｍ、Ｂｓの切替（ステップＳ１００）を行った後、第１のバルブＶＬ１及び第３のバルブＶＬ３を開くとともに、第２のバルブＶＬ２及び第４のバルブＶＬ４を閉じる（ステップＳ１１１）。すると、カソード電極層１１には酸素リッチガスが充填され、アノード電極層１２には水素と窒素の混合気体が充填される（ステップＳ１２１）。所定の量の反応ガスの充填がされたとき、制御部２００は第１のバルブＶＬ１及び第３のバルブＶＬ３を閉じる（ステップＳ１３０）。
【００６７】
制御部２００は、規定の発電量が得られた後に（ステップＳ１４０）、３つのバルブＶＬ１、ＶＬ２、ＶＬ４を開く（ステップＳ１５１）。カソード電極層１１には再び酸素リッチガスが流入し、カソード電極層１１に発生した水分と電気化学反応に供されることのなかった酸化ガスがカソードガス排出配管３６から排出される。アノード電極層１２からは、アノード排ガスがアノード排ガス排出配管６２から排出される。なお、アノード排ガス排出配管６２には、アノード排ガスの排出処理を行うためのポンプなどが設けられているものとしても良い。
【００６８】
燃料電池システム１００Ｂは上記工程の繰り返しによって発電処理を行う。このような構成とすると、アノード電極層１２に充填される水素の濃度は窒素が混合される分だけ低下する。しかし、カソード電極層１１には酸素リッチガスが充填されているので高濃度酸素発電となり、結果として燃料電池スタック１０の発電効率は向上する。
【００６９】
具体的には、高圧水素ガスに窒素ガスが混合され水素濃度が３０％〜５０％程度まで低減された場合、水素分圧が低下するため、水素濃度１００％の発電に較べ発電量は２０分の１から３０分の１程度にまで減少する場合がある。しかし、酸素リッチガス（例えば酸素濃度９９％以上のもの）による発電を行うことで０．８〜０．９Ｖのセル電圧を実現でき、結果的に６０〜６５％の発電効率を期待できる。なお、通常の高圧水素ガスと高圧空気との発電の発電効率は５０％以下となる場合もある。
【００７０】
また、第２実施例では、アノード電極層１２の水素濃度が低下したことによって燃料電池スタック１０におけるクロスリークの可能性が低減され、クロスリークによる発電効率の低下の可能性を低減できる。ここで、「クロスリーク」とは、アノード電極層に供給された燃料ガスの一部が発電に供されることなく電解質膜を透過してカソード電極層に移動する現象のことを指す。
【００７１】
Ｄ．第３実施例：
図７は本発明の第３実施例として燃料電池システム１００Ｃの構成を示す概略図である。この第３実施例は、第３のバルブＶＬ３が設けられておらず、アノードガス循環配管２３が設けられている点以外は図２に示した第１実施例とほぼ同じである。なお、アノードガス循環配管２３は、図１の燃料電池システム１００に設けられているものと同じでる。また、第３実施例の電気的構成は、第１実施例と同じである。
【００７２】
図８は、燃料電池システム１００Ｃの発電工程を示すフローチャートである。図８は、ステップＳ１１０〜ステップＳ１３０の替わりにステップＳ１１２〜ステップＳ１３２を行っている点以外は図４と同じである。
【００７３】
即ち、燃料電池システム１００Ｃではカソードガス供給部３０及びカソード電極層１１における工程は第１実施例の燃料電池システム１００Ａと同じである。一方、アノードガス供給部２０及びアノード電極層１２においては上記参考例の燃料電池システム１００と同様に発電に供されることのなかった水素が再びアノードガス供給配管２２へと流入する水素循環型のシステムとなっている。
【００７４】
このような構成としても第１実施例と同様の効果を得ることができる。また、アノード電極層１２には一定して燃料ガスが供給されているため、ステップＳ１６０における排水処理のときに通常の高圧空気発電と同等の発電を行うことができる。従って、燃料電池システム１００ｃの発電効率はさらに向上する。
【００７５】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７６】
Ｅ１．変形例１：
第１実施例において、ステップＳ１６０の排水処理の間に第３のバルブＶＬ３は閉じられたままとなっているが、ステップＳ１５０において第３のバルブＶＬ３も第１のバルブＶＬ１及び第２のバルブＶＬ２とともに開かれるものとしても良い。このような工程とすることによって、ステップＳ１６０の排水処理の間にも発電を継続することができる。
【００７７】
Ｅ２．変形例２：
第１実施例において、制御部２００は、ステップＳ１６０の排水処理時にカソード電極層１１に供給される高圧空気の量に対して燃料電池反応に必要な量の水素をアノード電極層１２に充填するものとしても良い。この場合に、ステップＳ１２０で充填される酸化ガスとステップＳ１６０で供給される酸化ガスとでは酸素濃度が異なるので、燃料電池スタック１０内に供給される酸素量は異なる。この酸素量に応じて、アノード電極層１２に供給されるべき水素量を変更しても良い。また、酸化ガスとしては２種類に限られず、酸素濃度の異なる３種以上の酸化ガスのいずれかを選択的に供給するようにシステムを構成することが可能である。即ち、制御部２００は、酸素濃度の異なる２種以上の酸化ガスが選択されて供給される燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１０に供給された酸化ガスの酸素濃度に応じて燃料電池スタック１０に供給する水素量を制御することができる。
【００７８】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例において、燃料電池システム１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃには２つのバッテリＢｍ、Ｂｓを備えた出力部２００が設けられていたが、バッテリは１つのみ設けられているものとしても良い。この場合、燃料電池システム１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、例えば、そのバッテリに充電を行う充電装置として実現することもできる。
【００７９】
Ｅ４．変形例４：
上記実施例において、アノードガス供給部２０には水素タンク２１の替わりに水素含有ガスを改質によって生成する改質機などを備えているものとしても良い。その場合、燃料電池スタック１０は、アノード電極層１２に水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた水素分離膜電池とすることができる。
【００８０】
Ｅ５．変形例５：
第２実施例において、燃料電池システム１００Ｂの運転時は常に水素と窒素とが混合されていたが、通常は混合することなく水素のみをアノード電極層１２に供給し、クロスリークの発生が多いとき（例えば発電停止中）に窒素を混合するものとしても良い。
【００８１】
Ｅ６．変形例６：
上記実施例において、反応ガスとして水素及び酸素を用いる燃料電池スタック１０を採用していたが、他の反応ガスを用いる燃料電池を採用するものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】参考例としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図。
【図２】第１実施例における燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図。
【図３】燃料電池システム１００Ａの電気的構成を示すブロック図。
【図４】燃料電池システム１００Ａの処理手順を示すフローチャート。
【図５】第２実施例における燃料電池システム１００Ｂの構成を示す概略図。
【図６】燃料電池システム１００Ｂの処理手順を示すフローチャート。
【図７】第３実施例における燃料電池システム１００Ｃの構成を示す概略図。
【図８】燃料電池システム１００Ｃの処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００８３】
１０…燃料電池スタック
１１…カソード電極層
１２…アノード電極層
２０…アノードガス供給部
２１…水素タンク
２２…アノードガス供給配管
２３…アノードガス循環配管
２５…接合部
３０…カソードガス供給部
３１…酸素タンク
３２…エアコンプレッサ
３３…三方弁
３４ａ…空気供給配管
３４ｃ…カソードガス供給配管
３４ｏ…酸素供給配管
３５…加湿器
３６…カソードガス排出配管
３７…酸素窒素分離器
４３…第１のＤＣ／ＤＣコンバータ
４４…第２のＤＣ／ＤＣコンバータ
４５ａ〜４５ｄ…スイッチ機構
４６ａ、ｂ…スイッチ駆動部
５０…外部負荷
６０…窒素供給配管
６１…逆止弁
６２…窒素排出配管
１００…燃料電池システム
１００Ａ…燃料電池システム
１００Ｂ…燃料電池システム
１００Ｃ…燃料電池システム
２００…制御部
Ｂｍ…メインバッテリ
Ｂｓ…サブバッテリ
ＶＬ１〜ＶＬ４…バルブ
【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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【図８】
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