(57)【要約】【課題】カーボン腐食反応をより抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスが導入される燃料ガス室３と、酸化剤ガスが導入される酸化剤ガス室２を有する燃料電池１と、燃料ガス室３と酸化剤ガス室２とを接続するパージ流路５１と、パージ流路５１を選択的に遮断するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスの各室２、３への導入を選択的に遮断する回路切り替え手段を備える。ここでは、回路切り替え手段としては、三方弁２３、２８を備える。また、燃料ガス室３のパージ時に、燃料ガス室３と酸化剤ガス室２への燃料ガスと酸化剤ガスの導入を遮断した状態で、燃料ガス室３のガスを吸引してパージ流路５１を介して、酸化剤ガス室２へ導入するコンプレッサ２１を備える。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが導入される燃料ガス室と、酸化剤ガスが導入される酸化剤ガス室を有する燃料電池と、
前記燃料ガス室と前記酸化剤ガス室とを接続するパージ流路と、
前記パージ流路を選択的に遮断するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスの前記各室への導入を選択的に遮断する回路切り替え手段と、
前記燃料ガス室のパージ時に、前記燃料ガス室と前記酸化剤ガス室への燃料ガスと酸化剤ガスの導入を遮断した状態で、前記燃料ガス室のガスを吸引して前記パージ流路を介して、前記酸化剤ガス室へ導入する吸引手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記吸引手段は、前記燃料電池の起動時に作動して前記燃料ガス室を減圧する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備え、
前記燃料ガス室内が所定の減圧状態となったら前記燃料ガス室内の吸引を終了し、通常運転時よりも少ない所定量の燃料ガスを供給する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス室に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備え、
前記燃料ガス室内が所定の減圧状態となったら前記燃料ガス室内の吸引を終了し、通常運転時よりも少ない所定量の燃料ガスを供給してから、所定時間燃料ガス室を閉塞する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
通常運転時よりも少ない所定量の燃料ガスは、
減圧後の前記燃料ガス室内に存在する酸素量に応じた量であって、前記燃料ガス室中に残存する酸素を標準状態に換算した酸素体積をＶとすると、所定の供給燃料ガス中の水素ガス量ＶHを
ＶH（標準状態体積量）≧２×ＶO
とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス室内に存在する酸素と、燃料ガスとの混合気体が爆発限界範囲となるように前記所定量を設定する請求項３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】
前記燃料ガス室を、燃料ガスの流通路である燃料ガス流路と、燃料ガスを拡散し、触媒反応を生じる燃料電極層と、から構成する請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記吸引手段を、前記パージ流路と酸化剤ガス室との間に配置され、前記燃料電池の発電時には前記酸化剤ガス室に酸化剤ガスを圧送する圧送手段で構成し、パージ時には前記圧送手段により前記パージ流路を介して前記燃料ガス室から吸引したガスを酸化剤ガス室に導入する請求項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９】
前記吸引手段を、前記燃料電池の発電時に前記燃料ガス室を流通したガスを出口側から入口側に循環させる循環手段で構成し、パージ時には、前記循環手段により前記パージ流路を介して前記燃料ガス室の出口側から吸引したガスを酸化剤ガス室に導入する請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。特に、電解質として固体高分子電解質膜を用いた燃料電池において、起動時の触媒劣化を抑制するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、酸化剤極側に空気等の酸化剤ガスが存在し、燃料極側に空気等の酸化剤ガスが存在する領域と水素等の燃料ガスとが存在する領域とが形成される場合がある。例えば、燃料極、酸化剤極内に空気が混入した状態からシステムを起動させる場合、燃料ガス流路への水素の供給開始初期には、燃料ガス流路内に水素が存在する領域と存在しない領域が形成される。燃料極に水素が存在する領域においては、通常の動作状態と同様の反応が起こり、酸化剤極側には０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、燃料極に水素が存在しない領域では、これに対峙する酸化剤極で、
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ- ・・・（１）
という反応が生じる。その結果、Ｐｔ等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、酸化剤極の電極触媒が大きく劣化し、その後の燃料電池の性能を低下させる要因となる。このとき燃料極側の空気が存在する領域では、
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
という反応が起こり、水が生成される。
【０００３】
従来の燃料電池システムにおいては、この現象による酸化剤極の劣化を防止するために、短時間（１秒以下）で、燃料極内の水素が存在する領域と存在しない領域の境界（以後、水素／空気フロントと呼称）が、燃料ガス流路中を通過するように水素を供給することが提案されている（特許文献１、参照。）。
【０００４】
または、吸引手段を水素循環系に持ち、この吸引手段によって起動時に燃料極内を吸引し、酸素量を減少させてから水素供給を開始するものも提案されている（特許文献２、参照。）。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書
【特許文献２】特開２００３−１０９６３０号公報
【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、米国特許出願公開第２００２／００７６５８２号明細書記載のように短時間で水素／空気フロントを通過させるためには、水素を燃料極ガス流路に供給するためのコンプレッサを大容量にしなければならず、コストが高くなるとともに、燃料電池システム全体として大型化するという問題がある。
【０００６】
他方、起動時に循環系の吸引手段によって燃料極側の酸素を吸引する方法においては、循環燃料極流路中の酸素量の低下により水素／空気フロントの形成が抑制されるものの、酸化剤極側のカーボン腐食反応を十分に防ぐことは困難であった。
【０００７】
そこで本発明は、カーボン腐食反応をより抑制できる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】
【０００８】
本発明は、燃料ガスが導入される燃料ガス室と、酸化剤ガスが導入される酸化剤ガス室を有する燃料電池と、前記燃料ガス室と前記酸化剤ガス室とを接続するパージ流路と、前記パージ流路を選択的に遮断するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスの前記各室への導入を選択的に遮断する回路切り替え手段と、を備える。また、前記燃料ガス室のパージ時に、前記燃料ガス室と前記酸化剤ガス室への燃料ガスと酸化剤ガスの導入を遮断した状態で、前記燃料ガス室のガスを吸引して前記パージ流路を介して、前記酸化剤ガス室へ導入する吸引手段を備える。
【発明の効果】
【０００９】
吸引手段により燃料ガス室のガスを吸引して、減圧することができるので、燃料ガス供給時に水素／空気フロントの形成を抑制することができるとともに、吸引したガスをパージ流路を介して酸化剤ガス室へ導入するので、酸化剤ガス室内の水を除去することができ、カーボン腐食反応をより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】
【００１０】
第１の実施形態について説明する。図１に、燃料電池１を構成する単位セル１ａの一般的な構成を示す。燃料電池１を複数の単位セル１ａを積層することにより構成する。なお、燃料電池１は、一つの単位セル１ａから構成してもよい。
【００１１】
プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）１０を、一対の電極である酸化剤電極層１１と燃料電極層１２により狭持する。電極層１１、１２を、電解質膜１０側から、Ｐｔ等の触媒を担持したカーボン担体からなる触媒層１１ｂ、１２ｂと、カーボン繊維等の多孔質体よりなるガス拡散層１１ａ、１２ａとから構成する。さらにその外側に、酸化剤ガスセパレータ１５、燃料ガスセパレータ１６を配置する。電極層１１、１２とセパレータ１５、１６との間には、それぞれ酸化剤ガス流路１３、燃料ガス流路１４を設ける。酸化剤ガス流路１３、燃料ガス流路１４を流通する酸化剤ガス、燃料ガスそれぞれの流通方向を略同一とするがこの限りではない。酸化剤ガスとして空気を、燃料ガスとして水素ガスを用いる。
【００１２】
通常運転時には、酸化剤ガス流路１３に酸化剤ガスを、燃料ガス流路１４に燃料ガスを流通させることにより以下の反応を生じる。
【００１３】
燃料極側  ：Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  ・・・（３）
酸化剤極側：２Ｈ+  ＋  １／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（４）
（３）式の反応で生じたプロトンは、電解質膜１０内を拡散して酸化剤電極層１１側に移動し、電子は図示しない外部回路を流れて出力として取り出される。電解質膜１０内を拡散したプロトン、図示しない外部回路を介して移動した電子、空気中の酸素により酸化剤電極層１１で三相界面が形成され、（４）式の反応が生じる。
【００１４】
このような燃料電池１を自動車等の移動体に搭載した場合には、起動／停止が頻繁に繰り返される。停止中には、燃料電池１への水素ガスおよび空気の供給が停止された状態、または、不活性ガス等により充満された状態で放置される。システムが長時間放置された場合には、外部より燃料ガス流路１４内に大気が浸入する可能性があり、この場合には、次回のシステム起動時に燃料ガス流路１４内に空気が存在する。
【００１５】
燃料ガス流路１４に空気が存在している状態からシステムを起動すると、起動初期に単位セル１ａ内は、図２に示すような状態となる。
【００１６】
燃料ガス流路１４には供給された水素が存在する領域Ａと空気が存在する領域Ｃが形成され、水素と空気の界面である水素／空気フロントＢが形成される。酸化剤ガス流路１３側には空気が存在するので、領域Ａにおいては通常の動作と同様の反応が起こり、酸化剤極側に０．８Ｖ以上の電位が立つ。一方、水素／空気フロントＢを境にして、領域Ｃにおいては、酸化剤電極層１１側で、前述した（１）式の反応が、燃料電極層１２側で（２）式の反応が生じる。つまり、酸化剤電極層１１側で、カーボン担体の腐食が起こる。これにより、酸化剤電極層１１が大きく劣化し、単位セル１ａの性能が劣化してしまう。
【００１７】
そこで、図３に示すようにシステムを構成することにより、酸化剤電極層１１の劣化を抑制する。
【００１８】
通常運転時に、燃料電池１内に酸化剤ガスが導入される領域、ここでは、酸化剤ガス流路１３および酸化剤電極層１１を、酸化剤ガス室２とする。また、燃料ガスが導入される領域、ここでは燃料ガス流路１４および燃料電極層１２を、燃料ガス室３とする。
【００１９】
酸化剤ガス室２に空気を導入するコンプレッサ２１を備える。コンプレッサ２１の吸込側に三方弁２３を設ける。三方弁２３と後述する三方弁２８を連通するパージ流路５１を備える。三方弁２３を、一方がコンプレッサ２１の吸込側に接続し、もう一方が大気側か後述するように燃料ガス室３の上流に配置された三方弁２８側かに選択的に接続するように構成する。つまり、三方弁２３は、コンプレッサ２１により大気を吸引するか、燃料ガス室３内のガスを吸引するかを選択する。大気の吸引口にはフィルタ２２を設ける。
【００２０】
一方、燃料電池１に供給する水素を貯蔵する水素ボンベ２５を備える。水素は、水素ボンベ２５から減圧弁２６を通り、流量計２７を通って燃料電池１の燃料ガス室３に供給される。流量計２７と燃料電池１との間に三方弁２８を設ける。三方弁２８を、一方が燃料電池１の燃料ガス室３の入口側に接続し、もう一方が、三方弁２３側か流量計２７側に選択的に接続するように構成する。つまり、三方弁２８は、燃料ガス室３をコンプレッサ２１の吸込側に接続するか、水素供給側に接続するかを選択する。三方弁２３、２８により、パージ流路５１を連通するか遮断するかを選択する。
【００２１】
また、燃料ガス流路１４内の圧力を検出する圧力センサ３０と温度を検出する温度センサ３１を備える。酸化剤ガス室２の下流側にはシャットオフ弁２４を、燃料ガス室３の下流側にはシャットオフ弁２９を備え、さらにその下流側には、排空気、排水素を燃焼処理する排気触媒３２を備える。
【００２２】
さらに、コントローラ３３を備え、各シャットオフ弁２４、２９の開閉および各三方弁２３、２８の切り替え、コンプレッサ２１の稼動や、流量計２７の出力に応じた減圧弁２６の制御、圧力センサ３０と温度センサ３１からの信号入力に応じた演算を行う。
【００２３】
このような燃料電池システムにおいて燃料ガス室３の下流側をシャットオフ弁２９で遮断するとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給側を遮断し、コンプレッサ２１によって燃料ガス室３内をパージし、パージしたガスを酸化剤ガス室２を介して排出する。ここでは、起動時に、燃料ガスの供給を開始する以前に、燃料ガス室３内のガスを吸引し、酸化剤ガス室２を介して排出する。これにより、燃料ガス室３内に存在する酸素量を低減して（２）式の反応を抑制するとともに、酸化剤ガス室２内に存在する水を除去して（１）式の反応を抑制する。
【００２４】
燃料電池システムの起動制御を、図４のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでは、停止時には、シャットオフ弁２４、２９は開、三方弁２３は大気側に、三方弁２８は水素供給側に設定されているものとする。
【００２５】
ステップＳ１にて酸化剤ガス室２の上流の三方弁２３を三方弁２８方向に切り替える。次に、ステップＳ２にて、三方弁２８を三方弁２３方向に切り替える。これにより、パージ流路５１を連通して燃料電池１の燃料ガス室３側とコンプレッサ２１の吸込側とが繋げるとともに、水素供給側および酸化剤供給側を遮断する。
【００２６】
ステップＳ３にてシャットオフ弁２９を閉じ、コンプレッサ２１から三方弁２３、２８を介して燃料ガス室３内までを閉じた空間とする。この状態からステップＳ４にてコンプレッサ２１を稼動し、燃料ガス室３内を吸引して減圧すると同時に、吸引したガスを酸化剤ガス室２側に流通させる。なお、このときシャットオフ弁２４は開となっており、酸化剤ガス室２を流れたガスは排気触媒３２を介して排出される。このように、燃料電池システム起動初期にコンプレッサ２１を起動させることによって、燃料ガス室３内の酸素量を低減すると同時に、酸化剤ガス室２内に存在する水を低減する。
【００２７】
ステップＳ５にて、圧力センサ３０の出力値が所定圧力以下になるまでコンプレッサ２１を稼動させた後、ステップＳ６にて三方弁２８を水素供給側へ切り替えるとともに、三方弁２３を大気側に切り替える。これにより、パージ流路５１が遮断されて燃料ガス室３と酸化剤ガス室２との間が遮断されるとともに、それぞれが水素供給側と酸化剤ガス供給側に連通される。
【００２８】
次に、ステップＳ７において、供給する燃料ガスの所定量を設定する。ここで、所定量は、燃料ガス室３内に残存する酸素を消費するのに必要な量とする。なお、所定量の設定方法については、後に詳細する。
【００２９】
ステップＳ８において、燃料ガスの供給を開始する。ここでは、流量計２７の出力に応じて減圧弁２６を調整することにより、燃料ガス室３への燃料ガスの供給を開始する。このとき、流量計２７により検出される流量が通常運転時より小さくなるように設定する。または、供給開始初期に最も流量を小さく、経過時間に伴って増大するように設定してもよい。
【００３０】
ステップＳ９において、所定量の燃料ガスが供給されたか否かを判断する。所定量の燃料ガスが供給されたら、ステップＳ１０において、燃料ガスの供給を停止する。つまり、燃料ガス室３内に供給された水素を滞留させて、燃料電極層１２に残存する酸素と反応させる。
【００３１】
ステップＳ１１において、所定の待機時間が経過したか否かを判断する。ここで、待機時間は、所定量の水素が燃料ガス室３に残存する酸素と反応するまでに必要な時間とする。この反応時間は燃料ガス室３の体積にもよるが、通常、水素は拡散性が高く、水素と酸素の反応性も非常に高いことから通常車両搭載可能な容量の燃料電池であれば１秒程度以下の待機時間となる。
【００３２】
待機時間が経過したら、ステップＳ１２において、燃料ガスの供給を再開する。なお、このときは、通常運転時と同様に、供給する燃料ガスの流量を設定する。ステップＳ１３において、圧力センサ３０の出力から、燃料ガス室３内が所定圧力まで上昇したか否かを判断する。ここでは、所定圧力を大気圧程度とする。所定圧力まで上昇したら、ステップＳ１４において、シャットオフ弁２９を開として、ステップＳ１５において、負荷電流の取り出しを開始し、起動制御を終了して通常運転に移行する。
【００３３】
なお、ここでは燃料ガスの供給を停止して所定時間待機したが（Ｓ１１）、この限りではなく、所定時間の間、燃料ガスの供給を継続してもよい。
【００３４】
次に、ステップＳ７における燃料ガスの所定量の算出方法について説明する。なお、ここでは水素の所定量を求めるが、燃料ガスとして水素以外の物質を含む場合には、水素の所定量から燃料ガスの所定量に換算すればよい。
【００３５】
燃料ガス室３内の酸素は式（５）に示す燃焼反応によってすべて消費する必要がある。
Ｈ2  ＋１／２Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ・・・（５）
（５）式より、燃料ガス室３の空間内に存在する標準状態に換算した酸素量をＶOとし、標準状態での供給水素量ＶHとすると、必要な最低水素量ＶHｍｉｎは
ＶHｍｉｎ＝２×ＶO・・・（６）
となる。
【００３６】
この一方で、標準気体での水素と酸素の爆発限界は水素濃度４％から７５％であり、爆発限界の範囲内では反応が早く、速やかに酸素を消費させることができる。逆に、水素濃度が爆発限界の範囲を超えても水素と酸素の燃焼反応は促進されない。このことから、所定供給水素量ＶHの上限ＶHｍａｘは、燃料ガス室３内の水素／酸素混合ガスが爆発限界の範囲内となる濃度である。
【００３７】
ここでは、コンプレッサ２１起動後に燃料ガスを供給する時点で、燃料ガス室３内の酸素燃焼反応に必要な最低量ＶHｍｉｎ、または、それより僅かに多い程度の水素を含む燃料ガスを供給することで、水素／空気フロントＢの形成に使用される水素量を抑制し、燃料電極層１２側で、（２）式の反応が生じるのを抑制する。
【００３８】
所定水素量の計算は、圧力センサ３０から得られる圧力の値、温度センサ３１から得られる温度の値をもとに、燃料ガス室３内の酸素濃度を２０．９％とすることで、気体の状態方程式から簡易的に求めることができる。
【００３９】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４０】
燃料ガスが導入される燃料ガス室３と、酸化剤ガスが導入される酸化剤ガス室２を有する燃料電池１と、燃料ガス室３と酸化剤ガス室２とを接続するパージ流路５１と、パージ流路５１を選択的に遮断するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスの各室２、３への導入を選択的に遮断する回路切り替え手段を備える。ここでは、回路切り替え手段としては、三方弁２３、２８を備える。また、燃料ガス室３のパージ時に、燃料ガス室３と酸化剤ガス室２への燃料ガスと酸化剤ガスの導入を遮断した状態で、燃料ガス室３のガスを吸引してパージ流路５１を介して、酸化剤ガス室２へ導入する吸引手段（コンプレッサ２１）を備える。これにより、燃料ガス室３に残存する空気を低減するとともに、酸化剤ガス室２の水を除去することができる。これにより、（１）、（２）式に示す反応を抑制して酸化剤電極層１１のカーボン腐食を抑制することができる。
【００４１】
ここでは特に、吸引手段を、パージ流路５１と酸化剤ガス室２との間に配置され、燃料電池１の発電時には酸化剤ガス室２に酸化剤ガスを圧送するコンプレッサ２１で構成し、パージ時にはコンプレッサ２１によりパージ流路５１を介して燃料ガス室３から吸引したガスを酸化剤ガス室２に導入する。既存するコンプレッサ２１を吸引手段として用いることで、コストを抑えて、かつ、大型化を防ぐことができる。コンプレッサ２１は、比較的容量が大きいので、効率的に燃料ガス室３内を減圧して酸素量を低減することができ、また酸化剤ガス室２内の水を除去することができる。特に、除去されにくい燃料電極層１１内の酸素を、効果的に除去することができ、（２）式に示す反応が生じるのを抑制することができる。
【００４２】
コンプレッサ２１は、燃料電池１の起動時に作動して燃料ガス室３の減圧を行う。これにより、起動時に生成される水素／空気フロントの生成を抑制することができるとともに、停止時に酸化剤ガス室２内に付着した水を除去することができる。
【００４３】
燃料ガス室３に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備える。ここでは、燃料ガス供給手段として、水素ボンベ２５、減圧弁２６、流量計２７を備える。燃料ガス室３内が所定の減圧状態となったら、燃料ガス室３の吸引を終了し、通常運転時よりも少ない所定量の燃料ガスを供給する。電解質膜１０や燃料電極層１２に溶存する酸素があるので、すぐに通常発電量のガスを供給すると劣化を生じる可能性が残っている。そこで、通常運転時よりも少ない量をまず供給することにより劣化をより好ましく防ぐことができる。なお、このとき、供給量を徐々に増加してもよい。
【００４４】
また、燃料ガス室３に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段を備える。燃料ガス室３内が所定の減圧状態となったら、燃料ガス室３の吸引を終了し、通常運転時よりも少ない所定量の燃料ガスを供給してから、所定の待機時間、燃料ガス室３を閉塞する。燃料ガス室３内に所定量の水素を滞留させることで、電解質膜１０や燃料電極層１２に溶存する酸素をより確実に反応させることができ、劣化を好ましく防ぐことができる。
【００４５】
通常運転時よりも少ない所定量の燃料ガスは、減圧後の燃料ガス室３に存在する酸素量に応じた量であって、燃料ガス室３中に残存する酸素を標準状態に換算した酸素体積をＶOとすると、所定の供給燃料ガス中の水素ガス量ＶHをＶH（標準状態体積量）≧２×ＶOとする。これにより、反応により、酸素を無くすことができる最低限の量を入れることができる。残存酸素量は、温度センサ３１と圧力センサ３０等により、燃料ガス室３内の温度と圧力を推定することで行う。
【００４６】
燃料ガス室３内に存在する酸素と、燃料ガスとの混合気体が爆発限界範囲となるように所定量を設定する。これにより、燃料ガス室３内の酸素を燃焼反応により速やかに消費することができる。
【００４７】
ここでは、燃料ガス室３を、燃料ガスの流通路である燃料ガス流路１４と、燃料ガスを拡散し、触媒反応を生じる燃料電極層１２と、から構成する。つまり、燃料電池１内の燃料ガスが導入される領域を燃料ガス室３とする。これにより、燃料ガス流路１４のみではなく、燃料電極層１２に残存する酸素も考慮に入れて、酸素除去に用いるための水素の所定量を設定することができる。
【００４８】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４９】
燃料ガス室３側を循環型に構成する。燃料ガス室３から排出された燃料ガスを再度燃料ガス室３の上流に還流する還流路４６を備える。還流路４６の一端は、三方弁４２を介して燃料ガス室３の上流側に、もう一端は三方弁４４を介して燃料ガス室３の下流側に接続する。三方弁４２を、一方が燃料ガス室３の上流側に接続し、もう一方が、水素供給側または還流路４６に選択的に接続するように構成する。また、三方弁４４を、一方が燃料ガス室３の下流側に接続し、もう一方が、排出側または還流路４６側に選択的に接続するように構成する。還流路４６には、燃料ガスを下流から上流に還流する循環ポンプ４５を備える。
【００５０】
さらに、還流路４６の循環ポンプ４５の下流側から酸化剤ガス室２の上流側に分岐するパージ流路４７を備える。パージ流路４７の一端は、三方弁４３を介して還流路４６に接続し、もう一端は、三方弁４１を介して酸化剤ガス室２の上流側に接続する。三方弁４３を、一方が循環ポンプ４５の吐出側に接続し、もう一方が三方弁４２を介して燃料ガス室３の上流側、または、三方弁４１を介して酸化剤ガス室２の上流側に選択的に接続するように構成する。三方弁４１を、一方が酸化剤ガス室２の入口に接続し、もう一方が、コンプレッサ２１の吐出側、または、三方弁４３を介して還流路４６側に選択的に接続するように構成する。ここでは、三方弁４１をコンプレッサ２１と酸化剤ガス室２との間に配置する。
【００５１】
通常運転時には、三方弁４２、三方弁４４を還流路４６側に切り替え、循環ポンプ４５を稼動することにより、燃料ガス室３内の燃料ガスを循環させる。所定時間毎、または燃料ガス室３内の水素濃度や、図示しない窒素センサ等により検出した窒素濃度に応じて、三方弁４２を水素供給側に、三方弁４４を排出側に設定し、燃料ガス室３のパージを行う。
【００５２】
一方、起動時のパージ時には、酸化剤電極層１１のカーボン劣化を抑制するために、燃料ガス室３内のガスを吸引して、酸化剤ガス室２を介して排出する。ここでは、燃料ガスの供給側と排出側を遮断し、また酸化剤ガスの供給側を遮断し、パージ流路４７を連通して循環ポンプ４５を稼動することにより、燃料ガス室３内をパージする。起動時の制御方法を図６のフローチャートを用いて説明する。なお、停止時には、シャットオフ弁２４を開、三方弁４１を大気側、三方弁４２を水素供給側、三方弁４３を三方弁４２側、三方弁４４を排出側に設定しているものとする。
【００５３】
ステップＳ２１にて、三方弁４１を三方弁４３側に切り替える。ステップＳ２２において、三方弁４３を三方弁４１側に切り替える。これにより、パージ流路４７を連通した状態となる。次に、ステップＳ２３において、三方弁４４を還流路４６側に切り替える。さらに、ステップＳ２４において、三方弁４２を還流路４６側に切り替える。これにより、燃料ガス室３の上流側が閉じた状態となるとともに、下流側が酸化剤ガス室２の上流側のみに接続した状態となる。
【００５４】
ステップＳ２５において、循環ポンプ４５を稼動して、燃料ガス室３のパージを行う。燃料ガス室３内の空気が吸引され、酸化剤ガス室２を介して排出されるので、燃料ガス室３内の酸素量を低減するとともに、酸化剤ガス室２に存在する水をパージすることができる。ステップＳ２６において、圧力センサ３０により燃料ガス室３内が所定圧力まで減圧されたことが確認されたら、ステップＳ２７にて、三方弁４３を三方弁４２側に切り替える。次に、ステップＳ２８にて、循環ポンプ４５を停止し、ステップＳ２９にて、三方弁４２を水素供給側に切り替える。
【００５５】
ステップＳ３０〜Ｓ３４において、ステップＳ７〜Ｓ１１と同様に、燃料ガス室３に所定量の水素を含む燃料ガスを導入して残存する酸素を消費する。燃料ガスの供給を停止してから所定の待機時間が経過したら、酸素が消費されたと判断して、ステップＳ３５に進む。
【００５６】
ステップＳ３５にて、水素の供給を再開する。ここでは、通常運転時の供給流量となるように設定する。ステップＳ３６において、圧力センサ３０で検出される燃料ガス室３内の圧力が、所定圧力に達したか否かを判断する。ここでは、所定圧力を通常運転時の圧力とする。所定に達したら、ステップＳ３７において三方弁４２を還流路４６に切り替え、ステップＳ３８において循環ポンプ４５を稼動する。ステップＳ３９において、負荷電流の取り出しを開始して、起動運転から通常運転へ移行する。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００５８】
吸引手段を、燃料電池１の発電時に燃料ガス室３を流通したガスを出口側から入口側に循環させる循環ポンプ４５で構成し、パージ時には、循環ポンプ４５によりパージ流路４７を介して燃料ガス室３の出口側から吸引したガスを酸化剤ガス室２に導入する。このように既存する循環ポンプ４５を吸引手段として用いることで、コストを抑えて、かつ、大型化を防ぐことができる。
【００５９】
なお、ここでは、燃料ガス室３の上流側を酸化剤ガス室２側に選択的に連通可能としたがこの限りではない。燃料ガス室３内が、選択的に酸化剤ガス室２の上流側のみに接続可能に構成すればよく、下流側で接続してもよい。
【００６０】
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、燃料電池システムに適用することができる。特に、水素／酸素フロントの形成により、カーボン劣化が生じる燃料電池システムにおける起動に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】一般的な燃料電池を構成する単位セルの構成図である。
【図２】起動時における触媒劣化が生じる状態を示す図である。
【図３】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図４】第１の実施形態における起動制御のフローチャートである。
【図５】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの構成図である。
【図６】第２の実施形態における起動制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００６３】
１    燃料電池
２    酸化剤ガス室
３    燃料ガス室
１０  電解質膜
１１  酸化剤電極層（酸化剤極）
１２  燃料電極層（燃料極）
１３  酸化剤ガス流路
１４  燃料ガス流路
２１  コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
２３  三方弁（回路切り替え手段）
２５  水素ボンベ（水素供給手段）
２６  減圧弁（水素供給手段）
２７  流量計（水素供給手段）
２８  三方弁（回路切り替え手段）
４１  三方弁（回路切り替え手段）
４３  三方弁（回路切り替え手段）
４５  循環ポンプ
４７  パージ流路
５１  パージ流路
【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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