(57)【要約】【課題】純水素および空気を燃料とする固体高分子型燃料電池の運転停止時のパージを可能とする。【解決手段】運転停止時にカソード側への反応ガスの供給を入口遮断弁で遮断し、カソード側排ガスを循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで窒素ガスの不活性ガスを燃料電池内のカソード側およびアノード側のパージに利用する。【選択図】　　図１
2004022487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード出口ガスを上流側に循環させるカソード循環ラインを備え、
燃料電池の運転停止時に燃料電池のカソード側への反応ガスの供給を遮断し、
カソード側排ガスをカソード循環ラインを経由して上流側に循環させて燃料電池内の電池反応を継続させ、
カソード側排ガス中の酸素を消費することで得られる不活性ガスを燃料電池内のカソード側およびアノード側のパージに利用することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、燃料電池のアノード出口ガスを上流側に循環させるアノード循環ラインを備え、
燃料電池の運転停止時に燃料電池のアノード側への反応ガスの供給を遮断し、
アノード側排ガスをアノード循環ラインを経由して上流側に循環させて燃料電池内の電池反応を継続させ、
アノード側排ガス中の燃料を消費させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電池反応は、カソード側排ガス中の酸素が一定濃度まで消費されるまで継続され、前記電池反応を維持するためにアノード側の反応ガスが不足するときには燃料供給用遮断弁を制御してアノードガスを供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記アノード側のセル内の圧力は、燃料供給用遮断弁および排気用遮断弁の開閉により調整可能であり、カソード側のセル内の圧力と同等となるよう制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の継続された電池反応による発電電力は、二次電池に充電されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソード循環ラインは、酸素濃度検知手段を備え、酸素濃度検知手段により不活性ガスの生成を判定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記カソード循環ラインには、パージに必要な容量の不活性ガスを収容可能なガス容積部を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、アノード側およびカソード側の上流にガスを燃料電池へ供給するブロアを夫々備え、各循環ラインは前記ブロアの上流に循環された排ガスを導くよう構成したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソード側およびアノード側のパージは、燃料電池内のパージの後に循環ラインをパージすることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記各循環ラインは、凝縮手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転停止時等において、燃料電池への反応ガス供給を遮断し、既に供給した反応ガスを燃料電池内から排除する燃料電池システムに関し、特に、外部から不活性ガスを供給することなく反応ガスを排除可能な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から運転停止時等において、燃料電池への反応ガス供給を遮断し、外部から不活性ガスを供給することなく燃料電池内の反応ガスを排除可能とした燃料電池システムは知られており、例えば、特開平１０−３２０１３号公報に開示されるものがある。
【０００３】
これは、運転停止時に反応ガスの供給を遮断した後、燃料電池のアノード極とカソード極の出口ガスをそれぞれ上流側に循環させることで、燃料電池内の電池反応を継続させて燃料電池内の反応ガスを不活性ガスに置換するものである。なお、電池反応による発電出力はバイパス負荷により消費するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、溶融状態にある炭酸塩を電解質とし、炭酸イオン（ＣＯ３２−）の移動によりアノード側でも二酸化炭素（ＣＯ２）等の不活性ガスが生成される溶融炭酸塩型燃料電池システムを対象とするものであり、純水素および空気を燃料ガスとしアノード側に何ら不活性ガスを生成しない固体高分子型燃料電池には適用できないものであった。
【０００５】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、純水素および空気を燃料とする固体高分子型燃料電池の運転停止時の反応ガスの排除に好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池の運転停止時に燃料電池のカソード側への反応ガスの供給を遮断し、カソード側排ガスをカソード循環ラインを経由して上流側に循環させて燃料電池内の電池反応を継続させ、カソード側排ガス中の酸素を消費させて得られる不活性ガスを燃料電池内のカソード側およびアノード側のパージに利用することを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
したがって、本発明では、燃料電池の運転停止時にカソード側への反応ガスの供給を遮断した状態でカソード側排ガスを上流側に循環させて燃料電池内の電池反応を継続させてカソード側排ガス中の酸素を消費することで得られる不活性ガスを燃料電池内のカソード側およびアノード側のパージに利用する。このため、純水素および空気を燃料とする固体高分子型燃料電池においても、パージガスボンベや燃焼器等の付帯設備を備えることなく、燃料電池の運転停止時のパージが行える。
【０００８】
さらに、燃料電池の運転停止時にアノード側への反応ガスの供給を遮断してアノード側排ガスをアノード循環ラインを経由して上流側に循環させてアノード排ガス中の燃料を消費させると、燃料の消費を最小限に抑えることができる。
【０００９】
しかも、カソード循環ラインにガス容積部を備えて充分な量の不活性ガスを溜めると、燃料電池運転停止時等にカソード側およびアノード側の流路および配管をパージするのに十分な量の不活性ガスを確保できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明を適用した燃料電池システムの第１の実施形態を示し、図１は燃料電池システムの構成図、図２は制御システム図、図３はコントローラにおいて実行される制御フローチャートである。
【００１２】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１に燃料を供給するアノードガス供給ライン２およびカソードガス供給ライン３と、燃料電池１のアノード出口ガスとカソード出口ガスをそれぞれ上流側に循環させるアノード循環ライン４およびカソード循環ライン５と、燃料電池１および各ライン２〜５を不活性ガスによりパージするパージライン６と、燃料電池１の出力電路を運転停止時に遮断する遮断手段７と、を備えている。
【００１３】
前記燃料電池１は、アノードガス供給ライン２から供給される燃料ガスとしての水素ガスを電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノード極１Ａに、カソードガス供給ライン３から供給される酸素を含む空気を前記一対の電極のうちカソード側１Ｃに夫々供給することで電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取出すよう構成している。燃料電池１の発電出力はセル電圧センサ８により検出される。
【００１４】
前記アノードガス供給ライン２は、水素貯蔵装置である図示しない燃料タンクから燃料電池１のアノード側入口へと接続する入口管路Ａ１中に入口遮断弁１１、ブロア１２をこの順に配置して備える。また、燃料電池１のアノード側出口から図示しない燃料再生装置へ接続する出口管路Ａ２中にパージ弁１３および出口遮断弁１４をこの順に直列に配置して備える。前記アノードガス供給ライン２は、燃料電池１の運転中は、前記入口遮断弁１１、出口遮断弁１４、およびパージ弁１３を開放して、燃料タンクよりの水素ガスをブロア１２により燃料電池１のアノード極１Ａへ供給する。そして、アノード側出口からの排出ガスを燃料再生装置へ戻すようにしている。
【００１５】
前記カソードガス供給ライン３は、圧縮空気を充填した図示しない燃料タンクから燃料電池１のカソード側入口へと接続する入口管路Ｃ１中に入口遮断弁１５、ブロア１６をこの順に配置して備える。また、燃料電池１のカソード側出口から図示しない生成水分離装置へ接続する出口管路Ｃ２中に出口遮断弁１７を配置して備える。前記カソードガス供給ライン３は、燃料電池１の運転中は、前記入口遮断弁１５および出口遮断弁１７を開放させて、燃料タンクよりの空気をブロア１６により燃料電池１のカソード側へ供給する。そして、カソード側出口からの排出ガスを生成水分離装置へ戻すようにしている。
【００１６】
前記アノード循環ライン４は、前記アノードガス供給ライン２のパージ弁１３と出口遮断弁１４との間の出口管路Ａ２に接続した循環管路Ａ３を、循環遮断弁１８を介して前記アノードガス供給ライン２の入口遮断弁１１とブロア１２との間の入口管路Ａ１に接続して構成している。アノード循環ライン４は、アノードガス供給ライン２の入口遮断弁１１および出口遮断弁１４が燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁１８を開放して、燃料電池１のアノード出口ガスをブロア１２により吸引して燃料電池１の上流側に循環させるよう機能する。アノード循環ライン４は、前記循環遮断弁１８およびブロア１２をバイパスしてアノードガス供給ライン２の入口管路Ａ１に接続したバイパス通路Ａ４を備え、バイパス通路Ａ４にはパージ遮断弁１９が配置され、後述する燃料電池１のパージ時に、パージガスはバイパス通路Ａ４およびパージ遮断弁１９を流れる。アノード循環ライン４には、また、アノードガス供給ライン２の出口管路Ａ２と循環遮断弁１８との間に、流通するアノード出口ガスを冷却してガス中に含まれる水分を分離する凝縮器２０を配置して備える。
【００１７】
前記カソード循環ライン５は、前記カソードガス供給ライン３における出口遮断弁１７上流の出口管路Ｃ２に接続した循環通路Ｃ３を循環遮断弁２１およびガス容積部としてのタンク２２を介して前記カソードガス供給ライン３の入口遮断弁１５とブロア１６との間の入口管路Ｃ１に接続して構成している。カソード循環ライン５は、カソード供給ライン３の入口遮断弁１５および出口遮断弁１７が燃料電池１の運転停止により閉じられた時、循環遮断弁２１を開放して、燃料電池１のカソード出口ガスをブロア１６により吸引して燃料電池１の上流側に循環させるよう機能する。ガス容積部としてのタンク２２には、蓄積されたガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２３が設けられている。カソード循環ライン５には、また、カソードガス供給ライン３の出口管路Ｃ２と循環遮断弁２１との間に配置して、流通するカソード出口ガスを冷却することで、ガス中に含まれる水分を分離する凝縮器２４を備える。
【００１８】
前記パージライン６は、カソード循環ライン５の凝縮器２４と循環遮断弁２１との間にパージ遮断弁２５を介して一端を接続したパージ管路Ｃ４を備える。パージ管路Ｃ４の他端は逆止弁２６を経由してアノードガス供給ライン２の出口管路Ａ２におけるパージ弁１３の上流に接続して設ける。前記パージライン６は、燃料電池１のパージ時にカソード循環ライン５のガス容積部であるタンク２２に蓄積した不活性ガスである窒素ガスをブロア１６によりカソードガス供給ライン３からカソード循環ライン５を経由させてパージライン６に導く。次いで、逆止弁２６を介してアノードガス供給ライン２の出口管路Ａ２に供給するよう機能する。アノードガス供給ライン２に導かれたパージガスは燃料電池１のアノード極１Ａを逆流してバイパスラインＡ４からアノード循環ライン４を逆流して排出させる。
【００１９】
前記遮断手段７は、燃料電池１と出力電路７Ｃとの間に遮断接点７Ａを備える。遮断接点７Ａは、コントローラ９により制御される駆動装置７Ｂにより導通位置・遮断位置が切換制御される。即ち、遮断接点７Ａは、燃料電池１の運転時には導通位置として燃料電池１の発電出力を図示しないモータ等に出力させ、燃料電池１の運転停止時には遮断位置として燃料電池１を出力電路７Ｃから遮断する。燃料電池１の発電出力は、遮断接点７Ａが遮断位置となっても、出力電路７Ｃをバイパスして二次電池１０に充電されるよう構成している。
【００２０】
図２において、コントローラ９には、ガス容積部としてのタンク２２のガス中に含まれる酸素濃度センサ２３よりの酸素濃度信号と、燃料電池１の発電出力を検出するセル電圧センサ８よりのセル電圧信号と、燃料電池１の運転モード信号が入力される。前記運転モード信号には、運転モード、停止モード等の信号がオペレータ等から入力される。
【００２１】
コントローラ９は、また、前記運転モード信号等の入力信号に応じて、前記各遮断弁（１１、１３〜１５、１７〜１９、２１、２５）の開閉指令出力、供給ブロア１２、１６の作動指令、および、遮断手段７への作動指令を出力する。
【００２２】
次に、コントローラにおいて一定周期毎に実行される燃料電池システムの図３に示す制御フローチャートに基づき、本発明のパージ運転について説明する。一定周期である制御周期は、遮断弁の開度を調整することができて、制御性についても満足できる間隔として、例えば、１秒毎に実行される。
【００２３】
先ず、ステップＳ１において、燃料電池１の運転モード信号が停止モードとなったか否かを判断し、停止モードとならない場合にはステップＳ２の運転モードにより燃料電池１を運転する。運転モードにおいては、パージ弁１３および入口・出口遮断弁１１、１４、１５、１７は開放し、循環遮断弁１８、２１およびパージ遮断弁１９、２５は閉じ、ブロア１２、１６は送風作動されており、燃料電池１による発電出力は導通位置にある遮断手段７を介してモータ等の負荷に供給する。
【００２４】
前記ステップＳ１において、燃料電池１の運転モード信号が停止モードとなったと判断された場合には、ステップＳ３を経由してステップＳ４に進む。
【００２５】
ステップＳ３では、遮断手段７を導通位置から遮断位置に切換えて燃料電池１を出力電路７Ｃから遮断し、その発電出力を出力電路７Ｃにバイパスしてつながっている二次電池１０に蓄える。
【００２６】
ステップＳ４では、酸素濃度センサ８よりの酸素濃度信号を監視し、酸素濃度が予め設定した所定値以下となったか否かを判断する。この判断は、タンク２２に不活性ガスとしての窒素ガスが生成完了したかどうかを酸素濃度の所定値で判断するものであり、この場合の所定値は、発火や爆発の危険が無い程度でパージに支障ない酸素濃度である５％程度とする。５％の酸素濃度であっても燃料電池１において０．４Ｖ程度の電圧は維持可能である。ステップＳ４で酸素濃度が設定値以上であると判断された場合にはステップＳ５に進む。
【００２７】
ステップＳ５〜Ｓ７は、燃料電池１を入口・出口遮断弁１１、１４、１５、１７を閉じることでシステム内に残留した燃料ガスにより運転し、カソード側に酸素を消費し尽くした空気即ち窒素ガスによる不活性ガスを生成するステップである。
【００２８】
ステップＳ５では、燃料電池１に供給されている水素燃料が足りているか否かを判断する。これは、セル電圧センサ８よりのセル電圧により、逆電圧がかかってスタックを破損することのないセル電圧（例えば、０．４Ｖ）を超えているか否かにより判断する。停止モードにおいては、あまり多くの水素を供給すると最後に排気されて無駄になる一方、水素が無いのに負荷をかけ続けていると逆電圧が生じてしまう。このステップＳ５において、水素燃料が不足していない場合にはステップＳ６に進み、不足している場合にはステップＳ７へ進む。
【００２９】
ステップＳ６においては、入口・出口遮断弁１１、１４、１５、１７を閉じ、パージ弁１３および循環遮断弁１８、２１を開放し、両ブロア１２、１６を作動させる指令を出力する。パージ弁１３と循環遮断弁１８、２１のみが開放状態になる。各ブロア１２、１６により供給される各燃料ガスは、夫々アノード循環ライン４およびカソード循環ライン５を経てブロア１２、１６に戻り、再び燃料電池１に供給される。燃料電池１はアノード極１Ａで水素を消費し、カソード極１Ｃで酸素を消費して発電出力をバッテリ１０に充電する。カソード側を循環する空気中の酸素濃度はそれが燃料電池１で消費されることにより減少してゆき窒素ガスの割合が徐々に高くなる。これらの循環ガスは凝縮器２０、２４により冷却されて循環ガス中の水分を凝縮除去される。従って、燃料電池１内での電池反応により生成される水が除去され、燃料電池１内の流路に水が残り流路をふさぐことによって循環ガスが流れにくくなり電池反応が起こらないという不具合（フラッディング）が防止できる。
【００３０】
上記ステップＳ６での水素の消費が進むと、ステップＳ５での判断が水素燃料が不足しているとされてステップＳ７へ進む。
【００３１】
ステップ７では、ステップＳ６での作動に加えて、入口遮断弁１１が微少開度だけ開放される。このため供給される水素を消費しつつ、カソード側においては循環する空気の酸素濃度を低下させてゆく。タンク２２に満たされた空気中における酸素濃度も同時に低下し空気中に含まれている窒素に置換されてゆく。酸素濃度は酸素濃度センサ８により検出されてコントローラ９に入力される。酸素濃度の低下がステップＳ４で設定値以下であると判断された場合にはステップＳ８に進む。
【００３２】
ステップＳ８、Ｓ９は燃料電池１のパージ動作を示すものであり、制御周期毎にカウント値Ｉを増加させてゆき所定カウント値Ｎ（所定時間）に達すると、ステップＳ１０のパージ完了動作を行わせるようにしている。
【００３３】
ステップＳ８では、タイムカウンタをスタートさせ、カウンタ値Ｉが所定数Ｎを超えたか否かを判断する。カウンタ値Ｉが所定数Ｎに満たない場合には燃料電池１内のパージ作動を開始若しくは継続するステップＳ９に進み、所定数Ｎを超える場合には前記パージを完了させるステップＳ１０へ進む。前記所定数Ｎは、制御周期を乗算して所定時間と言い換えることもでき、パージ完了の判断基準とする時間である。このパージ完了時間はアノード循環ライン４、カソード循環ライン５、および、パージライン６等の配管の長さや配管レイアウトに合わせて決められる。
【００３４】
ステップＳ９では、出口遮断弁１４およびパージ遮断弁１９、２５を開放し、パージ弁１３が閉じられ、ブロア１２が停止され、カウンタ値Ｉを一つ増加させる。従って、出口遮断弁１４とパージ遮断弁１９、２５のみが開放し、ブロア１６のみが作動している。タンク２２の不活性ガスとしての窒素ガスは、ブロア１６に送られて燃料電池１のカソード側に至り、カソード出口からカソード循環ライン５、パージ遮断弁２５、パージライン６を経由して燃料電池１のアノード側ガス出口に至る。アノード側ガス出口に至った不活性ガスとしての窒素ガスは、燃料電池１のアノード側を逆流し、ブロア１２手前からバイパス通路Ａ４およびパージ遮断弁１９を介してアノード循環ライン４を逆流して出口遮断弁１４を通って外部へ排出される。ステップＳ９でのパージ作動が前記所定数Ｎの制御周期に亙り実施されると、ステップＳ８ではカウンタ値Ｉが所定数Ｎを超えると判断してステップＳ１０へ進む。
【００３５】
ステップＳ１０では、カウンタ値Ｉを「１」とし、全ての遮断弁を閉じ、ブロア１２、１６を停止させ、燃料電池１の運転停止状態とする。
【００３６】
このパージ方法では、不活性ガス生成時、つまり、燃料循環時には、アノード側の入口遮断弁１１の開閉を制御することによって、カソードガス中の酸素濃度が発火や爆発の危険のない程度に下がる前に、アノード側の循環ライン４中に燃料ガスがなくなり、カソード側の酸素が消費されずに不活性ガスが生成されないという状況を回避することができる。
【００３７】
また、各循環ライン４、５は夫々アノード側のブロア１２およびカソード側のブロア１６の上流に接続され、アノード側、カソード側とも排ガスを循環させるためだけのブロアを持つ必要がなく、運転時に使用されるブロア１２、１６によりパージのための不活性ガス生成のための循環を行える。
【００３８】
また、カソード循環ライン５の下流にガス容積部としてのタンク２２を備えているので、アノード側とカソード側の両方をパージするのに十分な量の不活性ガスを確保することができる。
【００３９】
また、前記アノード循環ライン４及びカソード循環ライン５の途中に、凝縮器２０，２４を備え、これにより循環ガス中の水分を凝縮除去する。凝縮器２０、２４によって燃料電池１内での電池反応により生成される水を除去し、燃料電池１内の流路に水が残り流路を塞ぐことによって循環ガスが流れにくくなり電池反応が起こらないという不具合（フラッディング）もない。
【００４０】
本実施形態にあっては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４１】
（ア）燃料電池１の運転停止時にカソード側への反応ガスの供給を入口遮断弁１１により遮断した状態でカソード側排ガスをカソード循環ライン５を経由して上流側に循環させて燃料電池１内の電池反応を継続させる。電池反応の継続は、カソード側排ガス中の酸素を消費し、得られる不活性ガスとしての窒素ガスを燃料電池１内のカソード側およびアノード側のパージに利用する。このため、純水素および空気を燃料とする固体高分子型燃料電池においても、パージガスボンベやカソード排ガスをアノード燃料ガスを用いて燃焼させる燃焼器等の付帯設備を備えることなく、燃料電池システムの運転停止時のパージが行える。
【００４２】
（イ）燃料電池１の運転停止時に、アノード側への反応ガスの供給を入口遮断弁１１により遮断してアノード側排ガスをアノード循環ライン４を経由して上流側に循環させてアノード排ガス中の燃料ガス（水素）を消費させる。このため、カソード側排ガスの不活性ガスへの置換時にアノード側において消費される燃料としての水素の消費を最小限に抑えることができる。
【００４３】
（ウ）運転停止後の電池反応をカソード側排ガス中の酸素が一定濃度まで消費されるまで継続させ、前記電池反応を維持するためにアノード側の反応ガスが不足するときには燃料供給用の入口遮断弁１１を制御してアノードガスを供給するようにしている。このため、カソード側排ガスの酸素が一定濃度まで消費されて不活性ガスとして生成される前にアノード側燃料ガスがなくなるのを防止できる。
【００４４】
（エ）カソード循環ライン５にパージに必要な容量の不活性ガスを収容可能なガス容積部としてのタンク２２を備えたため、燃料電池１の運転停止時等にカソード側およびアノード側両方の流路および配管をパージするのに十分な量の不活性ガスを溜めることができる。
【００４５】
（オ）アノード側およびカソード側の上流にガスを燃料電池１へ供給するブロア１２、１６を夫々備え、各循環ライン４、５は前記ブロア１２、１６の上流に排ガスを循環するようにしている。このため、燃料電池１の運転時および運転停止時に同じブロア１２、１６を用いることができ、システム全体として単純になり、コスト的に有利であり、システム全体の容量や体積等を減らし小型化できる。
【００４６】
（カ）カソード側およびアノード側のパージは、燃料電池１内のパージの後に循環ライン４、５をパージするため、不活性ガスの濃度が高く僅かながら不活性ガスの総流量も多い上流の不活性ガスで燃料電池１内部をより効果的にパージすることができる。しかも、パージの始めのうちは、流路等の残存ガスを押し出す状態となり下流ほど残存ガスの通過量が増大するので、不活性ガスの総流量はより上流にある流路ほど多く上流位置にある燃料電池１を効果的にパージできる。言換えれば、内部の構造が複雑で一般流路配管に比べてパージし難い燃料電池１をなるべく上流に位置させて効果的なパージを行うことができる。
【００４７】
（キ）各循環ライン４、５に凝縮手段としての凝縮器２０、２４を備えるため、循環時の燃料電池１内での電池反応で生成される水分を凝縮除去して燃料循環中に燃料電池１内の流路に水が残り流路を塞ぐことによってガスが流れにくくなり電池反応が起こらないという不具合（フラッディング）を防止できる。
【００４８】
（ク）燃料電池１の継続された電池反応による発電電力を二次電池１０に充電するため、不活性ガスを生成するための燃料消費を電気エネルギとして有効に利用することができる。
【００４９】
（ケ）カソード循環ライン５は酸素濃度検知手段としての酸素濃度センサ２３を備え、酸素濃度センサ２３により不活性ガスの生成を判定するため、カソード側排ガスが完全な不活性ガスになる前にパージに利用してしまうのを防止できる。
【００５０】
（第２実施形態）
図４〜図６は、本発明を適用した燃料電池はステムの第２の実施形態を示し、不活性ガス生成過程における燃料電池１の運転を、セル電圧センサ８に基づく発電状態に応じて行わせるものに代えて、アノード側とカソード側との圧力差を所定値以内に制御しつつ行わせるようにしたものである。図４は燃料電池システムの構成図、図５は制御システム図、図６はコントローラにおいて実行される制御フローチャートである。図１〜図３と同じ部品や同じ処理については同一符号を付して説明を省略し、相違する部品および相違する処理について詳細に説明する。
【００５１】
図４において、燃料電池１のアノード側の入口と出口に連通したアノード供給ライン２の入口管路Ａ１および出口管路Ａ２の圧力を検出する圧力センサ２８、２９を配置し、各圧力値を、図５に示すように、コントローラ９に入力する。また、燃料電池１のカソード側の入口と出口に連通したカソード供給ライン３の入口管路Ｃ１および出口管路Ｃ２の圧力を検出する圧力センサ３０、３１を配置し、各圧力値を、図５に示すように、コントローラ９に入力する。
【００５２】
図６において、ステップＳ１１、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１２が不活性ガス生成過程であり、ステップＳ１３〜Ｓ１５がパージ過程である。
【００５３】
コントローラ９は、ステップＳ４に続くステップＳ１１（図３のステップＳ５に相当）において、カソード側圧力ＰＣとアノード側圧力ＰＡとを比較する。この場合のカソード側圧力ＰＣは圧力センサ３０、３１の圧力値の中間値とする。また、アノード側においても、アノード側圧力ＰＡは圧力センサ２８、２９の圧力値の中間値とする。この圧力値の比較により、両者間に所定範囲以上の差異がない場合にはステップＳ６に進み、カソード側圧力ＰＣがアノード側圧力ＰＡより所定値以上高い場合にはステップＳ７に進む。逆に、アノード側圧力ＰＡがカソード側圧力ＰＣより所定値以上高い場合にはステップＳ１２へ進む。前記所定値は、燃料電池１の電解質膜に悪影響を与えない圧力差の上限値であり、例えば、３０ｋＰａに設定している。このように燃料電池１のカソード側とアノード側との間に圧力差が生じる原因としては、不活性ガス生成時には、燃料循環ラインが外部と遮断されるため、燃料循環時に消費されるアノード側の水素のアノード側排ガスに占める体積比率とカソード側で消費される酸素のカソード側排ガスに占める体積比率が互に異なることにより生じる。
【００５４】
ステップＳ６では、入口・出口遮断弁１１、１４、１５、１７を閉じ、循環遮断弁１８、２１を開放し、両ブロア１２、１６を作動させる指令を出力して、パージ弁１３と循環遮断弁１８、２１のみを開放状態とする。各ブロア１２、１６により供給される各燃料ガスは、夫々アノード循環ライン４およびカソード循環ライン５を経てブロア１２、１６に戻り、再び燃料電池１に供給される。燃料電池１はアノード側で水素を消費し、カソード側で酸素を消費して発電出力をバッテリ１０に充電する。カソード側を循環する空気中の酸素濃度はそれが燃料電池１で消費されることにより減少され、アノード側を循環する水素も減少してゆく。これらの循環ガスは凝縮器２０、２４により冷却されて循環ガス中の水分を凝縮除去される。従って、燃料電池１内での電池反応により生成される水が除去され、燃料電池１内の流路に水が残り流路をふさぐことによって循環ガスが流れにくくなり電池反応が起こらないという不具合（フラッディング）が防止できる。一方、カソード側圧力ＰＣがアノード側圧力ＰＡに対して所定値以上高くなると、ステップＳ７において、アノード供給ライン２の入口遮断弁１１を微少開度で開放して、アノード側に供給する水素ガスを増加させてアノード側の圧力を増大させてカソード側圧力ＰＣと釣合わせる。他方、アノード側圧力ＰＡが所定値以上高くなると、ステップ１２において、アノード供給ライン２の出口遮断弁１４を微少開度開放して、アノード側から排出する残留ガスを増加させてアノード側の圧力を減少させてカソード側圧力とＰＣ釣合わせる。このように、アノード側圧力ＰＡとカソード側圧力ＰＣとを釣合わせることによって、電解質膜への悪影響が緩和され、電解質膜が損傷するのを防ぐことができる。
【００５５】
ステップＳ４に続くステップＳ１３（図３のステップＳ８に相当）においては、パージ完了をアノード側およびカソード側の圧力値が大気圧以下となることで判断している。即ち、アノード側およびカソード側の圧力値が大気圧に等しいかそれ以下となるまでステップＳ１４によりパージ作動を継続させ、アノード側およびカソード側の圧力値が大気圧に等しいかそれ以下となる場合にステップＳ１５に進み、パージ作動を終了させる。
【００５６】
ステップＳ１４でのパージ作動は、前記ステップＳ９と同様、出口遮断弁１４およびパージ遮断弁１９、２５が開放され、パージ弁１３が閉じられ、ブロア１２が停止される。従って、出口遮断弁１４とパージ遮断弁１９、２５のみが開放し、ブロア１６のみが作動している。タンク２２の不活性ガスとしての窒素ガスは、ブロア１６に送られて燃料電池１のカソード側に至り、カソード出口からカソード循環ライン５、パージ遮断弁２５、パージライン６を経由して燃料電池１のアノード側ガス出口に至る。アノード側ガス出口に至った不活性ガスとしての窒素ガスは、燃料電池１のアノード側を逆流し、ブロア１２手前からバイパス通路Ａ４およびパージ遮断弁１９を介してアノード循環ライン４を逆流して出口遮断弁１４を通って外部へ排出される。
【００５７】
ステップＳ１５でのパージ完了動作は、ステップＳ１０と同様、全ての遮断弁を閉じ、ブロア１２、１６を停止させ、燃料電池１の運転停止状態とする。
【００５８】
このパージ方法では、燃料電池前後に取り付けられたアノード燃料圧力センサ２８，２９と、カソード燃料圧力センサ３０、３１を備え、アノード側の燃料圧力ＰＡがカソード側の燃料圧力ＰＣと略等しくなるようにアノード側の入口・出口遮断弁１１、１４が開閉制御される。
【００５９】
本実施形態においては、第１の実施形態における効果（ア）、（イ）、（エ）〜（ケ）に加えて下記に記載した効果を奏することができる。
【００６０】
（コ）アノード側のセル内の燃料圧力ＰＡを、カソード側のセル内の燃料圧力ＰＣと同等となるよう燃料供給用の入口遮断弁１１および排気用の出口遮断弁１４の開閉により制御する。このため、外界から独立した循環系内でカソード側の酸素及びアノード側の水素が反応し消費されてしまうことによって、燃料電池セル内の膜にかかるアノード側の圧力ＰＡとカソード側の圧力ＰＣに差が生じ、膜が損傷してしまうのを防止することができる。
【００６１】
（サ）また、パージ完了を大気圧と比較して判定するため、確実に完了判定が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。
【図２】同じく制御システム図。
【図３】コントローラにおいて実行される制御フローチャート。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。
【図５】同じく制御システム図。
【図６】コントローラにおいて実行される制御フローチャート。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　アノードガス供給ライン
３　カソードガス供給ライン
４　アノード循環ライン
５　カソード循環ライン
６　パージライン
７　遮断手段
８　セル電圧センサ
９　コントローラ
１０　二次電池
１１、１５　入口遮断弁
１２、１６　ブロア
１４、１７　出口遮断弁
１８、２１　循環遮断弁
１９、２５　パージ遮断弁
２０、２４　凝縮手段としての凝縮器
２２　ガス容積部としてのタンク
２８〜３１　圧力センサ
【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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