(57)【要約】【課題】効率の良い酸素富化装置を備える燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃流電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ１９と、コンプレッサ１９から酸素極に空気を供給する酸素極入口配管３と、を備えた燃料電池システムにおいて、酸素入口配管３に、圧力に応じて窒素を吸着する酸素富化装置６と、燃料電池スタック１の負荷応じて酸素富化装置６の圧力を変化させ、酸素富化装置６の窒素吸着量を制御する圧力制御弁８を制御する。【選択図】        図１
2005100967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の空気極に酸化剤を供給するための酸化剤供給装置と、
前記酸化剤供給装置から前記空気極に酸化剤を供給する配管と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記配管に介装され、圧力に応じて窒素を吸着する吸着剤を有する酸素富化装置と、
前記燃料電池の負荷に応じて前記酸素富化装置の圧力を変化させ、前記酸素富化装置における前記窒素の吸着量を制御する圧力制御装置と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御装置による前記酸素富化装置の圧力は、前記燃料電池の負荷が大きいほど高くし、前記燃料電池の出力が小さいときに低くす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】
前記圧力制御装置による前記酸素富化装置の圧力制御は、前記燃料電池の出力電流に基づいて行う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４】
前記燃料電池は電解質膜の両面に燃料極及び、空気極のガス拡散電極をそれぞれ配置する膜電極接合体を備え、
前記酸素富化装置の圧力制御は、前記燃料電池の出力電流または出力電圧の変動が所定値を超えた場合に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸素富化装置の圧力が所定値を超えると、前記圧力制御を中止し、前記酸素富化装置の圧力を開放し、前記燃料電池の空気極に前記酸素富化装置内の前記酸化剤を供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧力制御装置が前記酸素富化装置の下流側に設ける圧力制御弁であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムの起動時に、前記酸素富化装置に吸着した窒素を前記吸着剤から脱離させ前記空気極に供給した後に、前記燃料極に燃料を供給することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化剤供給装置とは別に、前記酸素富化装置に前記酸化剤を供給して前記酸素富化装置を加圧する加圧装置を備え、
前記圧力制御装置による前記酸素富化装置の加圧量が大きくなると前記加圧装置によって加圧を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池で得られる発電エネルギーとは異なるエネルギーによって前記加圧装置を駆動することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムの起動時に、前記加圧装置によって前記酸素富化装置に前記窒素を吸着させ、
その後前記酸素富化装置の圧力を下げて前記酸素富化装置に吸着した前記窒素を前記吸着剤から脱離させ前記空気極に供給した後に、前記燃料極に燃料を供給することを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムの起動時に、前記酸素富化装置から脱離した前記窒素を前記空気極に供給した後に前記酸化剤の供給を停止し、
前記燃料を供給してから所定時間経過後に再び前記酸化剤の供給を開始することを特徴とする請求項７または１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記所定時間は前記燃料極に前記燃料が満たされる時間であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記配管と並列に分岐配管を設け、前記分岐配管中に前記酸素富化装置を備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記酸素富化装置内に酸素富化ガスを溜めておき、前記酸素富化装置を使用する際に前記酸素富化ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記酸素富化装置が単槽式であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記酸素富化装置における吸着剤がゼオライト系材料またはモレキュラシーブ材であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記酸素富化装置が膜透過式の酸素富化装置であることを特徴とする請求項１から１６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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸素富化装置を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力スイング吸着法の酸素富化装置を燃料電池スタックに設け、富化酸素を燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックの性能を向上させるものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２６０４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、富化酸素を得るために必要な窒素吸着槽を２つ使用するのでシステムが大きくなり制御が複雑である。また、燃料電池スタックの出力が小さい場合は窒素吸着の効果が得られないばかりか、総合効率が低くなるといった問題点がある。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、小型で効率の良い酸素富化装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、燃料電池の空気極に配管を介して酸化剤を供給する酸化剤供給装置を備えた燃料電池システムにおいて、不純物を吸着する吸着剤を有する酸素富化装置と、酸素富化装置の圧力を制御する圧力制御装置と、を備え、圧力制御装置は燃料電池の負荷に応じて酸素富化装置の圧力を変化させ、吸着剤に吸着する不純物の量を調整する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料電池スタックの出力に応じて酸素富化装置の圧力を制御するので効率の良い運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成を図１を用いて説明する。
【０００８】
本発明の燃料電池システムは水素と酸素との反応によって発電する燃料電池セル２０を積層した燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の酸素極に供給する空気（酸化剤）を酸素濃度の高い空気にする酸素富化装置６と、酸素富化装置６内のガスを外部へと排出する大気開放弁７と、酸素富化装置６の圧力を調整し燃料電池スタック１への空気供給量を制御する圧力制御弁８と、燃料電池スタック１の運転状態を検知する負荷検出装置９と、負荷検出装置９からの信号を検知し大気開放弁７と圧力制御弁８を制御する演算装置１１とから構成する。
【０００９】
ここで、燃料電池セル２０の概略構成について図８を用いて説明する。燃料電池セル２０は電解質膜２１の両面に燃料極のガス拡散電極２２、酸素極のガス拡散層電極２３をそれぞれ片方づつ配置してなる膜電極接合体２４を積層し、その外側にセパレータ２５を備える。なお、セパレータ２５にはガス拡散層電極２２、２３にそれぞれ水素、空気を供給するための流路（図示せず）を設ける。また、ガス拡散電極２２、２３はカーボンに白金などの触媒を担持させている。
【００１０】
燃料電池セル２０は燃料極入口配管２を介して水素供給装置である水素ボンベ１８から燃料極に供給された水素と、酸素極入口配管３を介して酸化剤供給装置であるコンプレッサ１９から酸素富化装置６に供給され、酸素富化装置６によって酸素富化になり酸素極に供給された空気によって発電を行う。反応に使用されなかった水素と空気は、それぞれ燃料極出口配管４と酸素極出口配管５から排出される。
【００１１】
酸素富化装置６は、圧力を高くすることにより窒素が吸着し、圧力を下げることにより窒素を脱離する圧力スイング吸着方式（ＰＳＡ方式）の窒素吸着層を一つ設け、コンプレッサ１９によって供給される空気中の窒素を図示しない吸着剤に吸着させ、酸素濃度の高い酸素富化ガスを燃料電池スタック１の酸素極へ供給する。酸素富化装置６内の圧力は大気開放弁７と圧力制御弁８によって調整される。空気の酸素濃度を高めるときには圧力制御弁８の開度を小さくし、酸素富化装置６内の圧力を高くし吸着剤に窒素を吸着させる。一方、大気開放弁７を開くことにより酸素富化装置６内の圧力を下げ、吸着剤に吸着している窒素を脱離する。ここで吸着剤としてはゼオライト系材料やレキュラシーブ剤を使用する。また、酸素富化装置６は膜透過式のものであっても良い。
【００１２】
負荷検出装置９は負荷ケーブル１０によって燃料電池スタック１の両端に接続し出力電流や出力電圧から燃料電池スタック１の運転状態を検出する。検出した燃料電池スタック１の運転状態は演算装置１１に伝達される。
【００１３】
演算装置１１は負荷検出装置９から伝達された燃料電池スタック１の運転状態に基づいて、酸素富化装置６における空気中の酸素濃度が燃料電池スタック１の運転状態に適応するように大気開放弁７と圧力制御弁８を制御する。
【００１４】
演算装置１１における大気開放弁７と圧力制御弁８との制御を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００１５】
まず、ステップＳ１で負荷検出装置９において燃料電池スタック１の運転状態を検知する。
【００１６】
その後、ステップＳ２で負荷検出装置９によって検知された運転状態に基づいて、演算装置１１から大気開放弁７と圧力制御弁８の開度を制御し、酸化富化装置６の圧力を調整する。
【００１７】
燃料電池スタック１の負荷が急に上がった時や、フラッディングなどの燃料電池スタック１の出力がある所定値を超えて変動（振動）する時、つまり性能不安定時には、負荷検出装置９において燃料電池スタック１の運転状態を検出し、その状態に基づいて圧力制御弁８の開度を小さくすることによって酸素富化装置６内の圧力を高くし、空気中の窒素を吸着剤に吸着させ、酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１に供給する。これにより、空気（酸素）の拡散性を高め、燃料電池スタック１の安定した出力を得ることができる。ここで燃料電池の出力は燃料電池の出力電流でも、出力電圧でもよい。
【００１８】
また、燃料電池スタック１の負荷が下がったとき（例えば電流密度が０．１Ａ／ｃｍ2以下）には、大気開放弁７を開放し、酸素富化装置６内の圧力を低くすることで吸着剤からの窒素脱離速度を速め、十分に窒素が脱離した後は大気開放弁７を閉じる。また、燃料電池スタック１の負荷が下がった場合に、予め酸素富化装置６を加圧し、酸素富化装置６に酸素濃度の高い酸化剤を溜めてもよい。これにより負荷が急激に増加した場合に、酸素濃度の高い酸化剤を酸素極に供給することができ、燃料電池スタック１の負荷応答性を良くすることができる。
【００１９】
また、この実施形態では燃料電池システムの起動時に酸素富化装置６を介して酸素濃度の低いガスを供給し、燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。
【００２０】
ここで、燃料電池システム起動時の燃料電池１について図９を用いて説明する。燃料電池スタック１の燃料電池スタック１の運転を停止、特に長時間停止した場合には、燃料極に空気が外部より混入している場合がある。燃料電池システムが起動され、燃料電池スタック１の燃料極に水素が供給されると、燃料極の上流側では水素が燃料極入口配管２から供給され、水素と空気の界面となる水素／空気フロントよりも下流側では水素がまだ到達せずに、空気が存在することになる。
【００２１】
このとき水素が到達した燃料極の上流側では、
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-    式（１）
の反応が起こり、また酸素極では、
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ    式（２）
の反応が起こり、水が生成される。一方、水素が到達していない燃料極の下流側では、空気中の酸素が
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ    式（３）
の反応を起こし、この箇所では電位が低下し、酸素極との電位差が大きくなる。このため酸素極では、ガス拡散電極２２のカーボンが、
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-    式（４）
の反応を起こして、ガス拡散電極２２に劣化が生じる。
【００２２】
この実施形態では、燃料電池システムの起動時に、式（４）による酸素極の劣化を抑制する。
【００２３】
次にこの実施形態の燃料電池システムの起動方法について図１０のフローチャートを用いて説明する。
【００２４】
ステップＳ１００では、圧力制御弁８を閉じ、大気開放弁７を絞り、コンプレッサ１９から酸素富化装置６へ空気を供給し、酸素富化装置６を加圧する。これによって酸素富化装置６では吸着剤に空気中の窒素が吸着し、酸素を含む空気は大気開放弁７より外部へ放出される。
【００２５】
ステップＳ１０１では、図示しない圧力センサを用いて酸素富化装置６の圧力Ｖを検出する。そして圧力Ｖを予め設定した所定圧力Ｖ１と比較し、圧力Ｖが所定圧力Ｖ１よりも大きい場合にはステップＳ１０２へ進む。所定圧力Ｖ１は、後述するステップＳ１０３で燃料極へ水素の供給を開始した場合に水素／空気フロントが燃料極の下流へ移動し、燃料極の空気を水素でパージするまで、酸素極を酸素濃度の低いガス（空気）で充填することのできる窒素量を吸着剤に吸着させた場合の圧力である。
【００２６】
ステップＳ１０２では、圧力制御弁８を開き、大気開放弁７を閉じる。圧力制御弁８を開くので、酸素富化装置６内の圧力が下がり、酸素富化装置６に吸着していた窒素が吸着剤から脱離する。脱離した窒素は空気とともに酸素極に供給される。このとき空気は脱離した窒素の混入により低酸素濃度のガスとなる。
【００２７】
ステップＳ１０３では、水素ボンベ１８から水素を燃料極へ供給する。このとき酸素極には酸素濃度の低いガスが供給されるので、酸素極において式（２）の反応が起こり難く、水の生成量が少なくなる。そのため式（４）の反応が抑制され、ガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。その後、水素／空気フロントが下流に移動し、燃料極内の空気が水素によってパージされ、更にコンプレッサ１９によって酸素極内には通常の空気が供給されるので、燃料電池スタック１の全体で式（１）、（２）の反応が起こり、発電を行う。
【００２８】
以上の制御により、燃料電池システムの起動時にガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。
【００２９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００３０】
図７に本発明の燃料電池システムを含まない比較例の構成図を示す。
【００３１】
比較例では酸素富化装置６によって窒素を吸着剤に吸着させ酸素濃度が高くなった空気を燃料電池スタック１へ供給するが、酸素富化装置６内の圧力は大気開放弁７の開度を調整するだけである。このために燃料電池スタック１の急激な変化やフラッディングなどの燃料電池スタック１の性能不安定時に素早く対応することができない。
【００３２】
この実施形態では、酸素富化装置６と燃料電池スタック１との間に圧力制御弁８を設けることで酸素富化装置６内の圧力を制御でき、圧力の変化によって酸素富化装置６の吸着剤の窒素吸着、脱離を調整するので、空気中の酸素濃度を燃料電池スタック１の運転状態に応じて素早く制御できる。
【００３３】
燃料電池スタック１の出力が安定しない場合に、酸素濃度の高い空気を供給するので空気の拡散性を高めることができ、燃料電池スタックの出力を安定させることができる。
【００３４】
燃料電池システムを起動する場合に、圧力制御弁８を閉じて、大気開放弁７を絞る事で酸素富化装置６の吸着剤に窒素を吸着させ、残りの空気を大気開放弁７から外部へ放出する。そして、その後圧力制御弁８を開き酸素富化装置６の圧力を低下させて、吸着させた窒素を吸着剤から脱離させ、その窒素を含んだ酸素濃度の低いガスを酸素極へ供給し、その後水素ボンベ１８から水素を燃料極へ供給する。これによって、燃料電池システムの停止中に燃料極へ水素が混入し、水素供給開始時に水素／空気フロントが燃料極へ存在している場合の式（４）の反応を抑制することができ、ガス拡散電極２２の劣化を抑制することができる。
【００３５】
次に本発明の第２実形態について図３を用いて説明する。
【００３６】
第２実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
第２実施形態では酸素富化装置６に加圧装置１３を設ける。加圧装置１３はコンプレッサ１９とは異なる圧力で酸素富化装置６に空気を供給することができる。また、酸素極入口配管３には図示しない逆支弁などを設け、加圧装置１３による加圧が、コンプレッサ１９による加圧よりも大きくなる場合でも、空気がコンプレッサ１９に逆流しないようにする。
【００３８】
負荷検出装置９によって燃料電池スタック１の運転状態を検知し、高い酸素濃度が必要となった場合には、圧力制御弁８の開度を小さくし酸素富化装置６の圧力を高め、酸素濃度の高い酸化ガスを燃料電池スタック１へ供給するが、酸素富化装置６において吸着剤に窒素を吸着できなくなり、酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１へ供給できず、燃料電池スタック１の出力が上がらない場合は、加圧装置１３によって徐々に酸化富化装置６内の圧力を高くし、同時に圧力制御弁８の開度を小さくすることで酸素富化装置６内の圧力を更に高くすることができ、更に窒素吸着を行い酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１へ供給することができる。
【００３９】
加圧装置１３による加圧や、圧力制御弁８の開度を小さくしても燃料電池スタック１の出力が上がらない場合は、燃料電池スタック１のフラッディングや、吸着剤が窒素を吸着できなくなっていること事が原因であるが、圧力制御弁８を一気に開放して燃料電池スタック１に大量のガスを流すことによって、フラッディングを解消する。またこの時、酸素富化装置６の圧力が減圧するので酸素富化装置６内の吸着剤から窒素が脱離する。
【００４０】
燃料電池システム起動時については第１実施形態と同じなのでここでの説明は省略するが、この実施形態では、コンプレッサ１９に加えて、加圧装置１３によって酸素富化装置６の圧力を高くしてもよい。これによって素早く酸素富化装置６に窒素を吸着させることができる。
【００４１】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４２】
酸素富化装置６の圧力を高くし、酸素濃度の高い酸化ガスを燃料電池スタック１へ供給する場合、コンプレッサ１９は酸素富化装置６に高い圧力をかけることができるように大型となる。大型のコンプレッサ１９を動作させると、酸素富化装置６に高い圧力をかける必要がない場合でも比較的大きな電力が必要となるが、コンプレッサ１９とは別に加圧装置１３を設けることでコンプレッサ１９を小型にすることができ、消費電力を抑えることができる。また、酸素富化装置６に高い圧力をかける場合は、加圧装置１３を使用することで酸素富化装置６内の圧力を高くし、空気中の窒素を吸着させ、酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１へ供給することができる。
【００４３】
フラッディングなどで燃料電池スタック１の出力が不安定になった場合は、加圧装置１３で酸素富化装置６内の圧力を高くすると同時に、圧力制御弁８の開度を小さくすることで酸素濃度を高くし、燃料電池スタック１の反応面へのガス拡散性を増すことができ、燃料電池スタック１の出力を安定させることができる。
【００４４】
酸素富化装置６内の圧力を高くしても、燃料電池スタック１の出力が得られない場合は、圧力制御弁８を一気に開放することで、大量のガスを燃料電池スタック１へ流すことができ、短い時間でフラッディングを解消することができる。また、このとき酸素富化装置６内の圧力も下がるので、吸着剤に吸着している窒素を脱離し、排出することができる。
【００４５】
燃料電池システムの起動時には第１実施形態の効果に加えて、加圧装置１３によって酸素富化装置６の圧力を素早く高くし、窒素を酸素富化装置６に素早く吸着させることができ、燃料電池システムの起動時間を速くすることができる。
【００４６】
次に本発明の第３実形態について図４を用いて説明する。
【００４７】
第３実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。
【００４８】
第３実施形態は酸素極入口配管３に電磁弁１５ａと、電磁弁１５ａの上流で配管を分岐し、酸素極入口配管３と並列に酸素富化装置６と接続する分岐配管１４ａと、酸素富化装置６と接続し、電磁弁の１５ａの下流で酸素極入口配管３と合流する合流配管１４ｂと、を設ける。また、分岐配管１４ａには電磁弁１５ｂが設けられ、合流配管１４ｂには圧力制御弁８が設けられている。
【００４９】
第３実施形態では燃料電池スタック１の負荷が小さい場合は、電磁弁１５ａを開き、電磁弁１５ｂと圧力制御弁８を閉じ、大気開放弁７を開放する。これにより、空気は酸素富化装置６を通らずに燃料電池スタック１へと供給される。このとき大気開放弁７は開放しているので、酸素富化装置６の吸着剤には窒素が吸着されない。燃料電池スタック１の負荷が大きくなり所定の値を超えた場合（例えば電流密度０．５Ａ／ｃｍ2）は、大気開放弁７と電磁弁１５ａを閉じ、電磁弁１５ｂと圧力制御弁８を開くことで、空気は酸素富化装置６を通り、酸素富化装置６で窒素を吸着させ、酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１に供給する。また、負荷が小さくなると、電磁弁１５ｂと圧力制御弁８を閉じ、大気開放弁７と電磁弁１５ａを開き、空気は酸素富化装置６を通らずに燃料電池スタック１へと供給される。このとき酸素富化装置６内の圧力は減圧するので吸着剤から窒素が脱離する。
【００５０】
また、酸素富化装置６に空気を通す判断は、燃料電池スタック１の出力電圧が振動する（±５０ｍＶ）場合、もしくは出力電流が振動する（±５０ｍＡ／ｃｍ2）場合としてもよい。
【００５１】
なお、負荷が小さい場合に電磁弁１５ｂを開き酸素富化装置６に空気を供給し、窒素を吸着剤に吸着させ、酸素濃度の高い酸化剤を酸素富化装置６に酸素濃度の高い酸化剤を溜めても良い。そして負荷が増加した場合に酸素富化装置６に溜まった酸素濃度の高い酸化剤を燃料電池スタック１へ供給する。これによって、燃料電池スタック１の負荷応答をよくすることができる。
【００５２】
次にこの実施形態の燃料電池システムの起動方法について図１１のフローチャートを用いて説明する。
【００５３】
ステップＳ２００では燃料電池システムに起動指令が伝達されると、圧力制御弁８と電磁弁１５ａを閉じて、電磁弁１５ｂを開き、大気開放弁７の開度を絞りコンプレッサ１９から酸素富化装置６へ空気を供給する。これによって酸素富化装置６では吸着剤に空気中の窒素が吸着し、酸素を含む空気は大気開放弁７より外部へ放出する。
【００５４】
ステップＳ２０１では、図示しない圧力センサを用いて酸素富化装置６の圧力Ｖを検出する。そして圧力Ｖを予め設定した所定圧力Ｖ１と比較し、圧力Ｖが所定圧力Ｖ１よりも大きい場合にはステップＳ２０２へ進む。所定圧力Ｖ１は、後述するステップＳ１０４で燃料極へ水素の供給を開始した場合に水素／空気フロントが燃料極の下流へ移動し、燃料極の空気を水素でパージするまで、酸素極を酸素濃度の低いガスで充填することのできる窒素量を吸着剤に吸着させた場合の圧力である。
【００５５】
ステップＳ２０２では、圧力制御弁８を開き、大気開放弁７を閉じる。圧力制御弁８を開くので酸素富化装置６内の圧力が低下し、吸着剤に吸着していた窒素が吸着剤から脱離する。脱離した窒素は空気とともに酸素極に供給される。このとき空気は脱離した窒素の混入により低酸素濃度のガスとなる。
【００５６】
ステップＳ２０３では、水素ボンベ１８から水素を燃料極へ供給する。このとき酸素極には酸素濃度の低い空気が供給されるので、酸素極において式（２）の反応が起こり難く、水の生成量が少なくなる。そのため式（４）の反応が抑制され、ガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。その後、水素／空気フロントが下流に移動し、燃料極内の空気が水素によってパージされ、更にコンプレッサ１９によって酸素極内には通常の空気が供給されるので、燃料電池スタック１の全体で式（１）、（２）の反応が起こり、発電を行う。
【００５７】
以上の制御により、燃料電池システムの起動時にガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。
【００５８】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００５９】
酸素富化装置６を酸素極入口配管３と並列となるように配置し、燃料電池スタック１の運転状態に合わせて圧力制御弁８や電磁弁１５ａ、１５ｂの開閉度を調整し、酸素富化装置６での圧力を調整することで、空気中の酸素濃度を正確に制御することができる。また、必要なときだけ酸素富化装置６を使用するので、酸素富化装置６を使用する際に生じる圧力損失を抑えることができる。
【００６０】
酸素富化装置６に空気を流していないときに、酸素富化装置６を予め加圧し、酸素濃度の高い空気を溜めておくことで、燃料電池スタック１の出力が急に変化した場合でも酸素濃度の高い空気を素早く供給することができる。
【００６１】
燃料電池スタック１の出力が小さい場合は、空気を酸素富化装置６を通さずに燃料電池スタック１へ供給し、更に大気開放弁７を開放するので酸素富化装置６には窒素が吸着されていない状態を保つことができる。
【００６２】
燃料電池スタック１の出力がフラッディングなどにより不安定になった場合に酸素富化装置６に空気を通すことにより、フラッディングなどの燃料電池スタック１の出力が不安定になるのを抑えることができる。
【００６３】
燃料電池システムの起動時には、第１実施形態と同じようにガス拡散電極２２の劣化を抑制することができる。
【００６４】
次に本発明の第４実形態について図５を用いて説明する。
【００６５】
第４実施形態については図４と異なる部分を中心に説明する。
【００６６】
第４実施形態では酸素富化装置６に加圧装置１３を設ける。加圧装置１３はコンプレッサ１９とは異なる圧力で酸素富化装置６に空気を供給することができる。また、酸素極入口配管３には図示しない逆支弁などを設け、加圧装置１３による加圧が、コンプレッサ１９による加圧よりも大きくなる場合でも、空気がコンプレッサ１９に逆流しないようにする。
【００６７】
負荷検出装置９によって燃料電池スタック１の運転状態を検知し、高い酸素濃度が必要となった場合には、電磁弁１５ａを閉じ、電磁弁１５ｂと圧力制御弁８を開き空気が酸素富化装置６へ流れるようにする。酸素富化装置６において吸着剤に窒素が吸着し、酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１へ供給できず、燃料電池スタック１の出力が上がらない場合は、加圧装置１３によって徐々に酸化富化装置６内の圧力を高くし、同時に圧力制御弁８の開度を小さくすることで酸素富化装置６内の圧力を更に高くすることができ、更に窒素吸着を行い酸素濃度の高い空気を燃料電池スタック１へ供給することができる。
【００６８】
加圧装置１３による加圧や、圧力制御弁８の開度を小さくすることによる加圧を行っても燃料電池スタック１の出力が上がらない場合は、燃料電池スタック１のフラッディングや、吸着剤が窒素を吸着できなくなっていることが原因であるが、圧力制御弁８を一気に開放して燃料電池スタック１に大量のガスを流すことによって、フラッディングを解消する。またこの時、酸素富化装置６の圧力が減圧するので酸素富化装置６内の吸着剤から窒素が脱離する。
【００６９】
次にこの実施形態の燃料電池システムの起動方法について図１２のフローチャートを用いて説明する。
【００７０】
ステップＳ３００では燃料電池システムに起動指令が伝達されると、圧力制御弁８と電磁弁１５ａを閉じて、大気開放弁７と電磁弁１５ｂを開き、コンプレッサ１９から酸素富化装置６へ空気を供給する。なお、ここでは大気開放弁７の開度を絞ってもよい。
【００７１】
ステップＳ３０１では、加圧装置１３を起動して、酸素富化装置６を加圧する。これによって酸素富化装置６では吸着剤に空気中の窒素が吸着し、酸素を含む空気は大気開放弁７より外部へ放出される。
【００７２】
ステップＳ３０２では、図示しない圧力センサを用いて加圧装置１３によって加圧した酸素富化装置６の圧力Ｖを検出する。そして圧力Ｖを予め設定した所定圧力Ｖ１と比較し、圧力Ｖが所定圧力Ｖ１よりも大きい場合にはステップＳ２０３へ進む。所定圧力Ｖ１は、後述するステップＳ３０４で燃料極へ水素の供給を開始した場合に水素／空気フロントが燃料極の下流へ移動し、燃料極の空気を水素でパージするまで、酸素極を酸素濃度の低い空気で充填することのできる窒素量を吸着剤に吸着させた場合の圧力である。
【００７３】
ステップＳ３０３では、加圧装置１３による加圧を終了し、圧力制御弁８を開き、大気開放弁７を閉じる。加圧装置１３による加圧が行われず、かつ圧力制御弁８を開くので酸素富化装置６内の圧力が低下し、吸着剤に吸着していた窒素が吸着剤から脱離する。脱離した窒素は空気とともに酸素極に供給される。このとき空気は脱離した窒素の混入により低酸素濃度のガスとなる。
【００７４】
ステップＳ３０４では、水素ボンベ１８から水素を燃料極へ供給する。このとき酸素極には酸素濃度の低い空気が供給されるので、酸素極において式（２）の反応が起こり難く、水の生成量が少なくなる。そのため式（４）の反応が抑制され、ガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。その後、水素／空気フロントが下流に移動し、燃料極内の空気が水素によってパージされ、更に酸素極内には通常の空気が供給されるので、燃料電池スタック１の全体で式（１）、（２）の反応が起こり、発電を行う。
【００７５】
以上の制御により、燃料電池システムの起動時にガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。
【００７６】
本発明の第４実施形態の効果について説明する。
【００７７】
酸素富化装置６を酸素極入口配管３と並列となるように配置し、燃料電池スタック１の運転状態に合わせて圧力制御弁８や電磁弁１５ａ、１５ｂの開閉度を調整し、酸素富化装置６での圧力を調整し、更に加圧装置１３によっても圧力を調整できるので、空気中の酸素濃度を、より正確に制御することができる。
【００７８】
燃料電池システムの起動時にはこの実施形態においても第２実施形態と同じようにガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。
【００７９】
次に本発明の第５実施形態について説明する。この実施形態の構成については第４実施形態と同じなので、ここでの説明は省略し、燃料電池システムの起動方法について図１３のフローチャートを用いて説明する。なお、ステップＳ４００からステップＳ４０３の制御については第４実施形態のステップＳ３００からステップＳ３０３の制御と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００８０】
ステップＳ４０４では、所定時間Ｔ１経過後に、コンプレッサ１９から空気供給を停止する。ここで所定時間Ｔ１は、酸素富化装置６の吸着剤に吸着した窒素が脱離し、吸着剤に吸着した窒素量が少なくなる時間である。この制御では酸素富化装置６から脱離する窒素量が少なくなるとコンプレッサ１９から空気を新たに供給しないので、酸素極の酸素濃度を低く保つことができる。また、ここでは図示しない圧力センサによって圧力Ｖを検出し、その圧力と吸着剤に吸着した窒素量が少なくなる所定圧力Ｖ２とを比較してもよい。
【００８１】
ステップＳ４０５では、水素ボンベ１８から水素を燃料極へ供給する。このとき酸素極には酸素濃度の低い空気が酸素富化装置６から供給され、新たな空気が供給されないので、酸素極において式（２）の反応が起こり難く、水の生成量が少なくなり、式（４）の反応がより抑制され、ガス拡散層電極２２の劣化を抑制することができる。
【００８２】
ステップＳ４０６は、所定時間Ｔ２を経過するとコンプレッサ１９から空気を供給し、発電を開始する。ここで所定時間Ｔ２は水素／空気フロントが下流に移動し、燃料極内の空気がパージされる時間である。
【００８３】
以上の制御により、ガス拡散層電極２２の劣化をより抑制することができる。
【００８４】
なお、ステップＳ４０３において圧力制御弁８を開き吸着剤に吸着した窒素を吸着剤より脱離させ、酸素極に供給する場合に、コンプレッサ１９からの空気供給を停止し、電磁弁１５ｂを閉じてもよい。この場合でも加圧装置による加圧が終了し、圧力制御弁８を開くので、酸素富化装置６は減圧し、窒素を吸着剤から脱離させ、酸素極へ窒素を多く含んだ酸素濃度の低いガスを供給することができる。また、コンプレッサ１９から空気の供給を行わないので、酸素極にさらに酸素濃度の低いガスを供給することができ、ガス拡散層電極２２の劣化をより抑制することができる。
【００８５】
また、この実施形態、つまり酸化富化装置６から窒素を多く含む低酸素濃度のガスを供給した後に、一旦コンプレッサ１９を停止し、水素を供給し、その後コンプレッサ１９から空気を供給する制御は、第１実施形態から第３実施形態について用いてもよい。
【００８６】
本発明の第５実施形態の効果について説明する。
【００８７】
この実施形態では、燃料電池システムの起動時に酸素富化装置６の吸着剤に吸着した窒素を脱離させ、酸素極へ酸素濃度の低い空気を供給する場合に酸素富化装置６に吸着した窒素量が少なくなると、コンプレッサ１９からの空気供給を停止するので、酸素極へ新たな空気を供給せずに、式（４）の反応をより抑制し、ガス拡散層電極２２の劣化をより抑制することができる。
【００８８】
次に本発明の第６実形態について図６を用いて説明する。
【００８９】
第６実施形態については図５と異なる部分を中心に説明する。
【００９０】
第６実施形態では回生エネルギー装置１６を電気ケーブル１７を介して負荷検出装置９と加圧装置１３に接続している。
【００９１】
回生エネルギー装置１６は例えば自動車の回生エネルギーなどを回収する装置であり、その一部を加圧装置１３に供給し加圧装置１３を稼働させる。加圧装置１３を稼働させない場合は、回生エネルギーを駆動力に用いたり、二次電池に蓄電する。
【００９２】
本発明の第５実施形態の効果について説明する。
【００９３】
回生エネルギーを加圧装置１３に用いることにより、消費電力を抑えることができる。
【００９４】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本願発明は、燃料電池の酸素極に窒素を含む空気を供給する燃料電池システムに利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システム概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態の演算装置におけるフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態の燃料電池システム概略図である。
【図４】本発明の第３実施形態の燃料電池システム概略図である。
【図５】本発明の第４実施形態の燃料電池システム概略図である。
【図６】本発明の第６実施形態の燃料電池システム概略図である。
【図７】本発明の比較例の燃料電池システム概略図である。
【図８】本発明の燃料電池セルの概略図である。
【図９】燃料電池システム起動時の燃料電池スタックを説明する図である。
【図１０】本発明の第１実施形態の燃料電池システム起動時のフローチャートである。
【図１１】本発明の第３実施形態の燃料電池システム起動時のフローチャートである。
【図１２】本発明の第４実施形態の燃料電池システム起動時のフローチャートである。
【図１３】本発明の第５実施形態の燃料電池システム起動時のフローチャートである。
【符号の説明】
【００９７】
１      燃料電池スタック
６      酸素富化装置
７      大気開放弁
８      圧力制御弁
９      負荷検出装置
１１    演算装置
１３    加圧装置
【図１】
2005100967.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005100967.tif 000005
【図４】
2005100967.tif 000006
【図５】
2005100967.tif 000007
【図６】
2005100967.tif 000008
【図７】
2005100967.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005100967.tif 000011
【図１０】
2005100967.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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