(57)【要約】  本発明は、高い効率で電力を生じさせることのできる、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。  燃料電池２は、燃料オフガスの流路１０を閉じた状態で運転される。時間ｔ０から時間ｔ１までは、アノードに供給する水素の圧力をＰ１とする。但し、Ｐ１は、燃料電池２の発電に必要な最低限の量の水素をアノードに供給できる圧力とすることが好ましい。このような圧力であれば、電解質膜を透過して水素がカソード側に移動してしまうのを最小限にすることができる。  燃料電池２の電圧低下を抑制するために、運転から所定時間ｔ１を経過した後は、水素の圧力をＰ１からＰ２（但し、Ｐ２＞Ｐ１）に変更する。しかし、水素の圧力を高くすると、電解質膜１５を透過する水素の量が増えることによって、水素の利用効率が低下してしまう。したがって、燃料電池２の電圧低下と水素の利用効率の低下とをともに考慮して、アノードに供給する水素の圧力Ｐ２と、圧力を高くするタイミングｔ１とを決定するのがよい。
2007119621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、該電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを備え、該アノードに燃料ガスを、該カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給されて起電力を生じる燃料電池と、
前記燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段とを有し、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する閉塞モードを有する燃料電池システムであって、
前記圧力制御手段によって、前記閉塞モードによる運転の開始から時間ｔ１が経過するまでの前記燃料ガスの圧力をＰ１とし、時間ｔ１を経過した後は、前記燃料ガスの圧力をＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料オフガスの流路を開いて該流路のパージを行うパージ手段を有し、
前記パージ手段によるパージがなされたら、該パージの直後に前記閉塞モードが開始されたものと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】
前記圧力制御手段は、圧力Ｐ２を段階的に大きくなるように変化させる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４】
前記圧力制御手段は、圧力Ｐ２を連続的に大きくなるように変化させる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】
圧力がＰ１であるときに、前記燃料電池の電圧低下による前記燃料電池が発電する電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和をＸ１とし、圧力がＰ２であるときに、前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和をＸ２とすると、時間ｔ１を経過した後は、
Ｘ２＜Ｘ１
となることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
圧力Ｐ１は、前記燃料電池の発電に必要な最低限の量の前記燃料ガスを前記アノードに供給できる圧力であり、
時間ｔ１は、時間と前記燃料電池が発電する電力の総損失量とを座標軸とするグラフにおいて、圧力がＰ１であるときの前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第１の曲線と、圧力がＰ２であるときの前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第２の曲線との交点の時間座標に相当することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
時間ｔ２（ｔ１＜ｔ２）を経過した後は、前記燃料ガスの圧力をＰ３（但し、Ｐ２＜Ｐ３）とするとともに前記燃料オフガスの流路を開いてパージを行うことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
圧力Ｐ３は、前記燃料オフガスの流路に蓄積した不純物ガスを十分に排出できる圧力であることを特徴とする請求項７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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。【０００３】
一般に、アノードには、高圧水素タンクに貯蔵された水素が供給される。一方、カソードには、コンプレッサによって外気から取り込まれた空気が供給される。そして、燃料電池の高出力化や水素の利用効率の向上を図るために、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環して、再び燃料電池に供給することが行われている。【０００４】
しかし、燃料電池から排出された燃料オフガスを循環させるポンプに異常が発生すると、アノードに水素を供給することができなくなって、燃料電池を継続して運転することが困難になるという問題があった。【０００５】
そこで、ポンプの異常が検出された場合には、燃料オフガスの循環経路を閉鎖して、燃料オフガスを閉鎖された経路内に閉じ込めるようにした燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、アノードに水素を供給する方式を、循環方式からいわゆるデッドエンド方式に変えることによって、アノードで消費された水素に相当する量の水素がアノードに供給されることになるので、ポンプに異常が発生しても燃料電池の運転を継続できるとされる。【０００６】
【特許文献１】日本特開２００５−３２６５２号公報
【特許文献１】日本特開２００３−７７５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
デッドエンド方式では、アノードの水素流路の下流側が閉塞された状態で発電が行われる（以下、このような状態を、「閉塞モード」とも呼称する）。【０００８】
特許文献１では、デッドエンド方式とすることによって、水素流路の出口側末端で水素以外の成分が増加し、これにより水素の分圧が低下して燃料電池の電圧が低下するのを防ぐために、燃料電池の運転条件を変更したり、運転時に出力制限を行うよう制御内容の切り替えを行ったりしている。【０００９】
具体的には、燃料電池の運転圧力が循環方式での運転時より高められるように、燃料電池の運転条件が設定されるとともに、これに応じて、アノードやカソードに反応ガスを供給する手段の動作制御が行われる。これにより、アノードに供給する水素の圧力が高められるので、水素以外の成分の割合が増加しても、水素の圧力をできるだけ高い状態に維持できるとされる。【００１０】
その結果、水素流路内の水素以外の成分（不純物質）の割合が増加した場合でも、電圧低下が抑制され、デッドエンド方式による発電を継続することができる。【００１１】
しかしながら、水素の圧力を高めると、電解質膜を通じてカソード側に透過する水素の量が増えるため、水素の利用効率が低下してしまうという問題があった。
デッドエンド方式を用いるにあたって、上述した電圧低下の防止のみならず、このような水素の利用効率低下の問題にも対処し、高い発電効率を得ることが望まれる。【００１２】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、高い効率で電力を生じさせることのできる、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムを提供することにある。【００１３】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜と、該電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、該電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを備え、該アノードに燃料ガスを、該カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給されて起電力を生じる燃料電池と、
前記燃料ガスの圧力を制御する圧力制御手段とを有し、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する閉塞モードを有する燃料電池システムであって、
前記圧力制御手段によって、前記閉塞モードによる運転の開始から時間ｔ１が経過するまでの前記燃料ガスの圧力をＰ１とし、時間ｔ１を経過した後は、前記燃料ガスの圧力をＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）とすることを特徴とするものである。【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料オフガスの流路を開いて該流路のパージを行うパージ手段を有し、
前記パージ手段によるパージがなされたら、該パージの直後に前記閉塞モードが開始されたものとすることができる。【００１６】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記圧力制御手段は、圧力Ｐ２を段階的に大きくなるように変化させることができる。【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記圧力制御手段は、圧力Ｐ２を連続的に大きくなるように変化させることもできる。【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、圧力がＰ１であるときに、前記燃料電池の電圧低下による前記燃料電池が発電する電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和をＸ１とし、圧力がＰ２であるときに、前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の和をＸ２とすると、時間ｔ１を経過した後は、
Ｘ２＜Ｘ１
となることが好ましい。【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、圧力Ｐ１は、前記燃料電池の発電に必要な最低限の量の前記燃料ガスを前記アノードに供給できる圧力であり、
時間ｔ１は、時間と前記燃料電池が発電する電力の総損失量とを座標軸とするグラフにおいて、圧力がＰ１であるときの前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第１の曲線と、圧力がＰ２であるときの前記燃料電池の電圧低下による前記電力の総損失量の変化と、前記燃料ガスが前記電解質膜を透過することによる前記電力の総損失量の変化とを足し合わせた第２の曲線との交点の時間座標に相当するものとすることができる。【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、時間ｔ２（ｔ１＜ｔ２）を経過した後は、前記燃料ガスの圧力をＰ３（但し、Ｐ２＜Ｐ３）とするとともに前記燃料オフガスの流路を開いてパージを行うことができる。この場合、圧力Ｐ３は、前記燃料オフガスの流路に蓄積した不純物ガスを十分に排出できる圧力とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池システムによれば、閉塞モード開始から時間ｔ１までの燃料ガスの圧力をＰ１とし、時間ｔ１を経過した後は燃料ガスの圧力をＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）とするので、高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１における燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施の形態１における燃料電池のセルの断面模式図である。
【図３】実施の形態１において、電圧低下による電力の総損失量の時間変化を示す図である。
【図４】実施の形態１において、水素透過による電力の総損失量の時間変化を示す図である。
【図５】実施の形態１において、電圧低下と水素透過による電力の総損失量の時間変化を示す図である。
【図６】（ａ）は、実施の形態１において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示す一例であり、（ｂ）は、（ａ）で燃料電池の電圧の時間変化を示す図である。
【図７】実施の形態１において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示す他の例である。
【図８】実施の形態１において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示す他の例である。
【図９】従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の電圧の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  コンプレッサ
４  加湿器
５  空気調圧弁
６  水素タンク
７  水素調圧弁
８  パージ弁
９  圧力制御手段
１０  流路
１１  セル
１２  膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ
１３，１４  セパレータ
１５  電解質膜
１６  アノード
１７  カソード
１８，１９  ガス拡散層
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。尚、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。【００２５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器４と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁７と、燃料オフガスの流路１０を開閉するパージ弁８と、水素調圧弁７の弁開度を変えて水素の圧力を制御する圧力制御手段９とを有する。パージ弁８を開くことによって、燃料電池２から排出された燃料オフガスをパージすることができる。【００２６】
燃料電池システム１では、アノード（図示せず）への水素の供給は、デッドエンド方式によって行われる。すなわち、パージ弁８を閉じると、燃料オフガスの流路が閉塞されて、水素の供給は、水素タンク６からの供給のみによって行われる。このようなデッドエンド方式によれば、供給された水素は、燃料電池２での反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。【００２７】
燃料電池２は、固体高分子型燃料電池であるとする。但し、これに限られるものではなく、例えば、アルカリ型燃料電池とすることもできる。【００２８】
図２は、燃料電池２を構成するセルの断面模式図である。この図に示すように、セル１１は、膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ（ＭＥＧＡ；ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）１２と、反応ガスの流路が形成されたセパレータ１３，１４とが積層されてなる。膜−電極−ガス拡散層アッセンブリ１２は、固体高分子からなる電解質膜１５と、電解質膜１５の一方の面に設けられた触媒層からなるアノード１６と、電解質膜１５の他方の面に設けられた触媒層からなるカソード１７と、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられたガス拡散層１８，１９とからなる。そして、セパレータ１３，１４は、ガス拡散層１８，１９を介して、アノード側およびカソード側のそれぞれに設けられている。【００２９】
アノード１６に水素が供給されることによって、アノード１６では、
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
の反応が起こり、Ｈ＋が生成する。そして、このＨ＋は、電解質膜１５を透過してカソード側に移動した後、カソード１７に供給された酸素との間で
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
の反応を起こす。【００３０】
すなわち、両電極間において、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応が起こることによって起電力が発生する。また、このとき、カソード側では水が生成する。生成した水は、電解質膜１５を透過してアノード側にも蓄積される。【００３１】
また、カソード１７に供給される空気には窒素も含まれているが、この窒素も電解質膜１５を透過してアノード側に蓄積される。【００３２】
したがって、燃料電池２を運転すると、次第に、図１のアノード側の流路１０に水や窒素が溜まって行く。これにより、水素の分圧の低下が起こって、燃料電池２の電圧が低下してしまう。【００３３】
そこで、本実施の形態では、燃料電池２の電圧低下を抑制するために、運転から所定時間を経過した後は、アノード１６に供給する水素の圧力が高くなるようにする。しかし、水素の圧力を高くすると、電解質膜１５を透過する水素の量が増えることによって、水素の利用効率が低下してしまう。したがって、燃料電池２の電圧低下と水素の利用効率の低下とをともに考慮して、アノード１６に供給する水素の圧力と、圧力を高くするタイミングとを決定するのがよい。【００３４】
図３は、燃料電池の電圧が低下することによる電力の総損失量の経時変化を模式的に示したものである。【００３５】
デッドエンド方式による燃料電池で電圧低下が起こる要因としては、カソードからの水や窒素の透過量、電解質膜の面積、燃料電池スタックを構成するセルの数およびガス流路の特性が挙げられる。カソードからの水や窒素の透過量は、電解質膜やガス拡散層の物性によって変化する。また、ガス流路の特性は、流路を通過するガスの拡散性に影響を与える。【００３６】
一例として、厚さが４５μｍであるＧｏｒｅ社製のフッ素系固体高分子電解質膜を用いたセルを積層し、アノードに供給する水素の圧力を１２０ｋＰａとして、デッドエンド方式による燃料電池システムを１分間運転したところ、電力の損失量は、２．５０ｍＷ／ｃｍ２・セルであった。また、この燃料電池システムにおいて、水素の圧力を１５０ｋＰａに変えて１分間運転を行ったところ、電力の損失量は１．３９ｍＷ／ｃｍ２・セルであった。【００３７】
図３において、横軸は時間（分）であり、縦軸は、燃料電池の電圧低下による電力の総損失量（Ｗ・分）である。時間の経過とともに、流路に蓄積された水や窒素の量が増えるので、電圧の低下量は大きくなる。また、アノードに供給する水素の圧力が小さいと、電圧の低下量はさらに大きくなる。このため、図３に示すように、水素の圧力が小さい方が、電力の損失量の時間変化が大きくなり、電力の総損失量も大きくなる結果となる。【００３８】
一方、図４は、電解質膜を水素が透過することによる電力の総損失量の経時変化を模式的に示したものである。【００３９】
電解質膜を透過する水素の量は、水素の圧力が一定であれば、電解質膜の物性、電解質膜の面積および燃料電池スタックを構成するセルの数によって定められる。一例として、厚さが４５μｍであるＧｏｒｅ社製のフッ素系固体高分子電解質膜を用いたセルを積層し、アノードに供給する水素の圧力を１２０ｋＰａとして、デッドエンド方式による燃料電池システムを運転した場合、単位時間あたりの電力の損失量は１．９４ｍＷ／ｃｍ２・セルとなる。【００４０】
図４において、横軸は時間（分）であり、縦軸は、電解質膜を水素が透過することによる電力の総損失量（Ｗ・分）である。アノードに供給する水素の圧力が大きいほど、水素の透過量が多くなるので、単位時間当たりの電力の損失量も大きくなる。このため、図４に示すように、水素の圧力が大きい方が電力の総損失量が大きくなる結果となる。【００４１】
本実施の形態においては、図３と図４の双方を考慮して、アノードに供給する水素の圧力と、圧力を高くするタイミングとを決定する。【００４２】
図５は、電圧低下と水素透過による電力の総損失量の経時変化を示したものである。第１の曲線（Ａ）は、図３と図４で圧力がＰ１である場合の変化を足し合わせて得られたものである。一方、第２の曲線（Ｂ）は、図３と図４で圧力がＰ２である場合の変化を足し合わせて得られたものである。時間ｔ１までは、曲線Ａの方が電力の総損失量は小さい。しかし、時間ｔ１より後になると、曲線Ｂの方が電力の総損失量が小さくなることが分かる。【００４３】
そこで、本実施の形態においては、時間ｔ０では、アノードに供給する水素の圧力をＰ１とし、時間ｔ１で、水素の圧力をＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）に変更する。特に、圧力がＰ１であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量と、水素が電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和をＸ１とし、圧力がＰ２であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量と、水素が電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和をＸ２とすると、時間ｔ１を経過した後は、
Ｘ２＜Ｘ１
となるように圧力を変化させることが好ましい。【００４４】
図１の燃料電池システム１においては、パージ弁８が閉じた状態で燃料電池２の運転が行われる。そして、運転開始から所定時間を経過した後に、パージ弁８が開かれることによってパージが行われる。上記の時間ｔ０は、このパージが行われた直後の時間である。尚、燃料電池２が起動される前にはパージが行われるので、時間ｔ０には、燃料電池２の起動時も含まれるものとする。【００４５】
図６（ａ）は、本実施の形態において、アノードに供給する水素の圧力の時間変化を示したものである。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のように水素の圧力を変化させたときに、燃料電池の電圧が変化する様子を示したものである。【００４６】
図６（ａ）に示すように、時間ｔ０から時間ｔ１までは、アノードに供給する水素の圧力をＰ１とする。但し、Ｐ１は、水素が通過する流路の圧損より大きい圧力でなければならないが、燃料電池２の発電に必要な最低限の量の水素をアノードに供給できる圧力とすることが好ましい。このような圧力であれば、電解質膜を透過して水素がカソード側に移動してしまうのを最小限にすることができる。【００４７】
図６（ａ）で、時間ｔ１になったところで、水素の圧力をＰ１からＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）に変更する。時間の経過とともに、図６（ｂ）に示すように、燃料電池の電圧は低下するが、アノードに供給する水素の圧力を高くすることによって、電圧低下を抑制することができる。【００４８】
このように、アノードに供給する水素の圧力をＰ１からＰ２に変えることによって、電圧低下と水素透過による電力の総損失量を小さくした状態で燃料電池を運転することが可能となる。尚、図１の例では、圧力制御手段９により水素調圧弁７の弁開度を調整することによって、水素の圧力を変えることができる。【００４９】
圧力Ｐ２で運転を続けていくと、アノード側のガス流路に蓄積された水や窒素の量が次第に増えて行く。そこで、適当な時点でパージを行う。パージを行うことによって、アノード側のガス流路に溜まった水や窒素などを排出することができる。【００５０】
ところで、特許文献１では、パージが必要と判断されたときに、パージ弁を所定時間開放する制御が行われる。この制御により、ガス流路に溜まった水や水素以外の成分を排出できるので、これらによる影響を小さくして、燃料電池の特性が低下するのを防止できるとされる。【００５１】
しかしながら、パージによって水素が排出されると、水素の利用効率が低下してしまうという問題があった。一方、１回のパージで水や窒素が十分に排出されない場合には、水素の分圧の低下が速くなることによって、燃料電池の電圧の低下も速くなり、パージを行う間隔が次第に短くなってしまうという問題もあった。【００５２】
図９は、従来の燃料電池システムにおいて、時間の経過とともに、燃料電池の電圧が変化する様子を示したものである。パージの際の水素の圧力が十分でない場合には、水や窒素がガス流路に残存することによって、水素の分圧が速く低下するようになる。したがって、図９に示すように、時間の経過とともに、電圧は速く低下するようになる。このため、時間ｔ０から時間ｔ１が経過したところでパージを行っても、次のパージは、時間ｔ１から時間ｔ２（ｔ１＞ｔ２）が経過したところで行わなければならず、さらに、その次のパージは、時間ｔ２から時間ｔ３（ｔ２＞ｔ３）が経過したところで行わなければならない。このように、パージの際の水素の圧力が十分でないと、パージを行う間隔が次第に短いものとなってしまう。【００５３】
そこで、実施の形態１では、以下の手法により、上述のパージに関する問題を解決することとする。【００５４】
具体的には、図６において、時間ｔ２で水素の圧力をＰ３に変更するとともにパージ弁８を開く。ここで、圧力Ｐ３は、圧力Ｐ２より大きい値であって、水や窒素などの不純物ガスを排出するのに十分な圧力であるとする。Ｐ３の値は、電圧低下と水素透過による電力の総損失量を考慮せずに決定することができる。尚、Ｐ３をこのようにして決定すると、パージの際の水素の圧力が高くなることによって、水素の利用効率が低下して、燃料電池の発電効率が一時的に低下する結果となる。しかし、水や窒素の排出効率は向上するので、総合的に見れば、燃料電池の発電効率を向上させることができる。【００５５】
圧力Ｐ３でパージを行うことにより、アノード側のガス流路から、水や窒素を十分に排出することが可能となる。したがって、水や窒素がガス流路に残存することによって、水素の分圧が速く低下してしまうのを防ぐことができる。すなわち、燃料電池の電圧の低下が速くなるのを抑制できるので、パージを行う間隔が次第に短くなってしまうのを防ぐことができる。【００５６】
時間ｔ２は、流路１０に蓄積した水および窒素の濃度が、予め定められた値に達する時間とする。尚、水や窒素の濃度は、燃料電池２の運転条件から推定可能である。【００５７】
パージは、水や窒素の濃度が高くなることによって、燃料電池の電圧が所定値まで低下したときに必要となる。したがって、上記の「予め定められた値に達する時間」とは、燃料電池２の電圧が所定値まで低下する時間と言い換えることもできる。図６（ｂ）の例では、電圧ｖ０が電圧ｖ１まで低下する時間ｔ２である。【００５８】
パージ弁８は、流路１０から水や窒素を排出するのに十分な時間が経過した後に閉じられる。これにより、燃料電池システム１は、再び、燃料オフガスの流路が閉塞された状態で運転される。そして、燃料電池２の電圧は、低下する前の電圧であるＶ０または略これに近い値にまで回復する。【００５９】
その後、アノードに供給する水素の圧力をＰ１に戻し、この時間をｔ０として上記の操作を繰り返す。【００６０】
以上述べたように、本実施の形態の燃料電池システムによれば、パージの直後を時間ｔ０として時間ｔ０から時間ｔ１までの燃料ガスの圧力をＰ１とし、時間ｔ１を経過した後は燃料ガスの圧力をＰ１より高い圧力Ｐ２とするので、電解質膜を透過する水素の量と、電圧測定手段によって得られる燃料電池の電圧の低下量とから求められる燃料電池の電力の総損失量を低くして燃料電池を運転することが可能となる。したがって、高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムとすることができる。【００６１】
本実施の形態において、圧力がＰ１であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和をＸ１とし、圧力がＰ２であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の和をＸ２とすると、時間ｔ１を経過した後は、
Ｘ２＜Ｘ１
となることが好ましい。【００６２】
また、本実施の形態において、圧力Ｐ１を、燃料電池の発電に必要な最低限の量の燃料ガスをアノードに供給できる圧力とした場合には、時間ｔ１は、時間と燃料電池が発電する電力の総損失量とを座標軸とするグラフにおいて、圧力がＰ１であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量の変化と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の変化とを足し合わせた第１の曲線と、圧力がＰ２であるときの燃料電池の電圧低下による電力の総損失量の変化と、燃料ガスが電解質膜を透過することによる電力の総損失量の変化とを足し合わせた第２の曲線との交点の時間座標に相当することが好ましい。【００６３】
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。【００６４】
例えば、水素の圧力を制御する圧力制御手段は、図６（ａ）に示すように、時間ｔ１から時間ｔ２までの水素の圧力が段階的に大きくなるように変化させることができるが、水素の圧力が連続的に大きくなるように変化させることもできる。【００６５】
また、図６（ａ）の例では、水素の圧力をＰ１→Ｐ２→Ｐ３の２段階に変える例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージを行う前に変更される水素の圧力は、Ｐ１→Ｐ２の１段階に限られるものではなく、２段階、３段階、・・・などの複数の段階としてもよく、あるいは、不連続ではなく連続的に変化するようにしてもよい。【００６６】
図７は、パージを行う前に、水素の圧力を２段階に変更する例である。この例では、パージの直後を時間ｔ０とし、時間ｔ０から時間ｔ１までは、アノードに供給する水素の圧力をＰ１とする。次いで、時間ｔ１になったところで、水素の圧力をＰ１からＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）に変更する。さらに、時間ｔ２になったところで、水素の圧力をＰ２からＰ３（但し、Ｐ２＜Ｐ３）に変更する。その後、時間ｔ３で水素の圧力をＰ４に変更するとともに、パージ弁を開いてパージを行う。圧力Ｐ４は、圧力Ｐ３より大きい値であって、水や窒素を排出するのに十分な圧力であるとする。そして、水や窒素を排出するのに十分な時間が経過したところでパージ弁を閉じる。その後は、水素の圧力をＰ１に戻して上記の操作を繰り返す。【００６７】
図８は、パージを行う前に、水素の圧力を連続的に変化させる例である。この例では、パージの直後を時間ｔ０とし、時間ｔ０から時間ｔ１までは、アノードに供給する水素の圧力をＰ１とする。次いで、時間ｔ１から時間ｔ２までは、圧力がＰ１からＰ２まで一次関数的に増加するようにする。そして、時間ｔ２になったところで、水素の圧力をＰ２からＰ３に変更するとともにパージ弁を開いてパージを行う。圧力Ｐ３は、圧力Ｐ２より大きい値であって、水や窒素を排出するのに十分な圧力であるとする。そして、水や窒素を排出するのに十分な時間が経過したところでパージ弁を閉じる。その後は、水素の圧力をＰ１に戻して上記の操作を繰り返す。【００６８】
このように、水素の圧力を変化させる回数を多くしたり、あるいは、水素の圧力を連続的に変化させることによって、よりきめ細かく、燃料電池の電力の総損失量を低くする圧力で運転することが可能となる。したがって、図７や図８の例によれば、図６（ａ）の例に比べて、一層高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムとすることができる。【００６９】
また、上記の実施の形態では、アノードに供給する燃料ガスを水素としたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、アノードに供給する水素源として、炭化水素系化合物の改質反応によって生成する改質ガスを利用することもできる。【００７０】
実施の形態２．
実施の形態１の燃料電池システムでは、燃料電池２を、所定時間、アノード側のガス流路の下流（燃料オフガスの流路の下流）を閉じた状態（閉塞モード）で運転し、当該所定時間が経過したら当該ガス流路のパージを行うこととした。実施の形態２では、パージを行わずに燃料電池２を運転する点において、実施の形態１と相違する（以下、実施の形態２のシステムを「完全デッドエンド型燃料電池システム」とも呼称する）。【００７１】
実施の形態２のシステムは、図１のシステムと同様の構成において、パージ弁８および流路１０が設けられない構成とし、燃料電池２のアノード側のガス流路の下流が閉塞されている構成とすることで実現できる。従って、以下の説明では、特に実施の形態２の構成を図示せず、また、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略または簡略する。【００７２】
完全デッドエンド型燃料電池システムは、燃料電池２のアノード１６側のガス流路内に、発電に寄与しない不純物質（窒素など）が溜まることを許容するシステムである。以下、不純物質のうち、窒素にのみ着目して説明する。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。【００７３】
アノード１６側のガス流路の窒素分圧がある程度まで上昇すると、当該窒素分圧は、カソード１７側のガス流路内の窒素分圧に等しくなる。この場合には、アノード側のガス流路の窒素分圧は、それ以上、上昇しなくなる。完全デッドエンド型燃料電池システムは、このように窒素分圧が平衡した状態で燃料電池２を運転するシステムである。【００７４】
以下、実施の形態２にかかる圧力制御について述べる。実施の形態２における完全デッドエンド型システムでも、実施形態１で述べた図３、４の関係が成立する。つまり、図３に示すように、アノードにおける水素の圧力が小さいほうが、流路内の不純物質による電圧低下の影響が少ない。また、図４に示すように、アノードにおける水素の圧力が大きいほど、水素の透過量が多くなる。そこで、実施の形態２においても、この点を考慮し、アノードの水素圧力の制御を行うこととする。【００７５】
具体的には、完全デッドエンド型燃料電池システムにおいては、燃料電池２の起動時、アノード側のガス流路内の窒素分圧が低くなる傾向にある。よって、アノード側の燃料ガスの圧力を低圧力Ｐ１として、水素が電解質膜を介してカソード１７側に透過するのを抑える。これにより、実施の形態１と同様に、水素透過量が過大となるのを防ぎ、水素の利用効率を高めることができる。【００７６】
そして、窒素分圧が上昇するのに応じて、アノード側の燃料ガスの圧力をＰ２（但し、Ｐ１＜Ｐ２）まで増加する。そして、圧力増加後、上述したように窒素分圧が平衡した状態で、発電を継続する。これにより、実施の形態１と同様に、窒素などの不純物質の過度な蓄積による電圧の低下を抑制できる。なお、このような圧力制御は、具体的には、燃料電池２を始動した時間をｔ０に設定して、実施の形態１と同様に燃料ガスの圧力を制御することにより実現可能である。時間ｔ１、ｔ２、ｔ３の設定についても、実施の形態１と同様の手法で行うことができる。【００７７】
このようにすることで、実施の形態１と同様に、高い効率で電力を生じさせることのできる燃料電池システムを得ることができる。【００７８】
なお、実施の形態２について、実施の形態１と同様の変形を加えることができる。つまり、実施の形態１で述べた圧力Ｐ１、Ｐ２における電力の総損失量Ｘ１、Ｘ２に基づく圧力制御の手法を、実施の形態２に用いることができる。また、圧力Ｐ１、Ｐ２における総損失量の変化に関する第１、２の曲線の交点の時間座標に相当するように、圧力変化のタイミングを設定することもできる。また、アノードの水素圧力の変化を段階的に、または連続的に行う手法など、実施の形態１に含まれる種々の圧力制御の手法を、実施の形態２の圧力制御に応用することができる。【００７９】
実施の形態３．
実施の形態１、２の構成を組み合わせたシステムに、本発明を適用することができる。例えば、燃料電池２が所定の低負荷域で運転されているときはアノード側のガス流路下流を閉塞して発電を行い（実施の形態２）、かつ、燃料電池２が所定の高負荷域で運転されているときにアノード側ガス流路内の不純物質を適宜パージしつつ発電を行う（実施の形態１）ような燃料電池システムに、本発明を適用することができる。この場合には、完全デッドエンド型燃料電池システムでの運転時には、アノード側のガス流路を閉塞して発電を開始した時間をｔ０とし、パージを併用するシステムでの運転時には、パージ直後の時間をｔ０とすることができる。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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