(57)【要約】【課題】燃料電池に関する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、アノード、カソードおよび電解質膜を備え、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化ガスとによって発電を行う燃料電池と、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、要求される電力量に応じて供給される所定の流量の燃料ガスおよび酸化ガスによって燃料電池が発電を行っている通常発電時に、アノードから排出されるアノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出する酸素検出部と、酸素の含有量に基づいてアノードでのフラッディングの発生状態を判断するフラッディング判断部とを備える。【選択図】図１
2012009182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノード、カソードおよび電解質膜を備え、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化ガスとによって発電を行う燃料電池と、
前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
要求される電力量に応じて供給される所定の流量の前記燃料ガスおよび前記酸化ガスによって前記燃料電池が発電を行っている通常発電時に、前記アノードから排出されるアノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出する酸素検出部と、
前記酸素の含有量に基づいて前記アノードでのフラッディングの発生状態を判断するフラッディング判断部と
を備え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、
前記フラッディング判断部は、前記フラッディングの発生状態の判断に基づき、前記燃料ガス供給部が供給する前記燃料ガスの流量を調整するフラッディング抑制部を備える燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記フラッディング抑制部は、前記酸素の含有量が所定の値以上の場合に、前記燃料ガス供給部を制御することにより、前記通常発電時よりも供給する前記燃料ガスの流量を増加する
燃料電池システム。
【請求項４】
アノード、カソードおよび電解質膜を備え、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化ガスとによって発電を行う燃料電池の発電方法であって、
要求される電力量に応じて供給される所定の流量の前記燃料ガスおよび前記酸化ガスによって前記燃料電池が発電を行っている通常発電時において、
前記アノードに前記燃料ガスを供給し、
前記アノードから排出されるアノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出し、
検出した前記酸素の含有量に基づいて供給する前記燃料ガスの流量を調整する
発電方法。
【請求項５】
要求される電力量に応じてアノードおよびカソードの各々に供給される所定の流量の燃料ガスおよび酸化ガスによって燃料電池が発電を行っている通常発電時において、前記燃料電池に生じるフラッディングの発生状態を判断するフラッディング判断方法であって、
前記アノードに前記燃料ガスを供給し、
前記アノードから排出される前記アノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出し、
検出した前記酸素の含有量に基づいて前記アノードでのフラッディングの発生状態を判断する
フラッディング判断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（例えば、水素）と酸化ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、通常、電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。
【０００３】
水素を燃料、酸素を酸化剤とする固体高分子電解質型燃料電池において、通常の発電時には（以下、通常発電時とも呼ぶ）、アノードでは式（１）の反応が進行する。なお、「通常発電時」とは、燃料電池に対して要求される電力量に応じて、アノードおよびカソードの各々に供給される所定の流量の燃料ガスおよび酸化ガスによって、燃料電池が発電を行っている状態をいう。
【０００４】
２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-…（１）
式（１）で生じた電子は、外部に電流として取り出される。一方、式（１）で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノードからカソード側に移動する。
【０００５】
一方、カソードでは式（２）の反応が進行する。
４Ｈ+＋Ｏ2＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ…（２）
すなわち、電池全体としては、式（３）の反応が進行し発電する。
２Ｈ2＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ…（３）
【０００６】
しかし、アノードにおいて、何らかの原因、例えば、アノードのガス流路に液水が滞留することによって、アノード上を液水が局所的に覆い、アノード上で水素ガスが局所的に欠乏する状態（以下、水素欠という）が発生すると、電池特性が低下する。このように電気化学反応が阻害され、燃料電池の出力電圧が低下してしまう現象を「フラッディング」という。水素ガスの供給状態に異常が生じ、水素欠が発生した単セルでは、水素ガスの酸化により生成するプロトンと電子が不足する。結果として、アノードの電位が上昇し、下記式（４）に示すように、電極を構成している炭素材料（例えば、電極触媒を担持している炭素粒子など）の酸化腐食反応が進行し、電子とプロトンを補給する。
１／２Ｃ＋Ｈ2Ｏ→１／２ＣＯ2＋２Ｈ+＋２ｅ-…（４）
この炭素材料の酸化腐食反応は、触媒反応面積の減少や触媒劣化現象を生じ、発電性能を劣化させる。
このようなフラッディングを抑制する技術としては下記特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記技術は、燃料電池の発電始動時のフラッディングを抑制する技術である。燃料電池の発電始動時と通常発電時とでは、フラッディングの生じるメカニズムが異なるため、上記説明した燃料電池の通常発電時のフラッディングの抑制には対応していない。
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の通常発電時に生じるフラッディングの発生状態を判断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。
【００１１】
［適用例１］
燃料電池システムであって、アノード、カソードおよび電解質膜を備え、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化ガスとによって発電を行う燃料電池と、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、要求される電力量に応じて供給される所定の流量の前記燃料ガスおよび前記酸化ガスによって前記燃料電池が発電を行っている通常発電時に、前記アノードから排出されるアノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出する酸素検出部と、前記酸素の含有量に基づいて前記アノードでのフラッディングの発生状態を判断するフラッディング判断部とを備える燃料電池システム。
【００１２】
燃料電池における通常発電時、正常な発電時には、各単セルでは上記説明したように、式（１）〜式（３）の反応が起きているが、アノード上に局所的に液水が滞留しフラッディングが生じた場合、アノードでは水素欠が発生し、水素ガスの酸化により生成するプロトンと電子が不足する。この不足したプロトンと電子を補給するため、単セルでは、下記式（５）に示すようにアノードに存在する水分、或いは、電解質膜が保持している水分の電気分解が進行する。
Ｈ2Ｏ→２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2…（５）
このとき、当該単セルのアノードの電位は、水の電気分解電位まで上昇し、その結果、アノードとカソードの電位が逆転する逆電位現象が発生する。アノードにおける水の電気分解によって、プロトンと電子を十分に補給することができている間は、アノードの電位は安定しているが、水の電気分解だけではプロトンと電子が十分に確保されない場合、さらにアノードの電位が上昇し、式（４）で説明したように、電極を構成している炭素材料の酸化腐食反応が進行し、電子とプロトンを補給する。
【００１３】
適用例１の燃料電池システムは、通常発電時にフラッディングが生じた場合に、式（５）の反応によって生じる酸素のアノードオフガス中の含有量を検出する。従って、この酸素の含有量からフラッディングの発生状態、つまり式（５）の進行の程度を判断することが可能である。また、フラッディングがさらに進行すると、水の電気分解反応（式（５））から電極の炭素材料の酸化腐食反応へと、アノードでのフラッディングの発生状態が遷移する。酸化腐食反応では酸素は生じない（式（４）参照）。このように、フラッディングの進行の程度によって、アノードオフガス中の酸素の含有量は異なる。このことから、フラッディングの発生状態を判断することが可能である。
【００１４】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記フラッディング判断部は、前記フラッディングの発生状態の判断に基づき、前記燃料ガス供給部が供給する前記燃料ガスの流量を調整するフラッディング抑制部を備える燃料電池システム。
この燃料電池システムによると、フラッディングの発生状態を判断し、所定の発生状態の場合には、燃料ガスの流量を調整することにより、アノード上での燃料ガスの圧を変化させ、滞留している液水の状態を変えることにより、フラッディングの発生を抑制することが可能である。
【００１５】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記フラッディング抑制部は、前記酸素の含有量が所定の値以上の場合に、前記燃料ガス供給部を制御することにより、前記通常発電時よりも供給する前記燃料ガスの流量を増加する燃料電池システム。
この燃料電池システムによると、酸素の含有量が所定の値以上の場合に、通常発電時よりも供給する燃料ガスの流量を増加するので、アノードに供給される燃料ガスの圧の上昇によって滞留している液水を除去し、フラッディングの抑制をすることができうる。
【００１６】
［適用例４］
アノード、カソードおよび電解質膜を備え、前記アノードに供給された燃料ガスと前記カソードに供給された酸化ガスとによって発電を行う燃料電池の発電方法であって、要求される電力量に応じて供給される所定の流量の前記燃料ガスおよび前記酸化ガスによって前記燃料電池が発電を行っている通常発電時において、前記アノードに前記燃料ガスを供給し、前記アノードから排出されるアノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出し、検出した前記酸素の含有量に基づいて供給する前記燃料ガスの流量を調整する発電方法。
【００１７】
この発電方法によると、アノードオフガス中の酸素の含有量を検出するので、フラッディングの発生状態を判断することが可能であり、また、供給する燃料ガスの流量を調整することによって、フラッッディングの原因であるアノード上に滞留している液水の状態を変化させることが可能である。よって、結果として、フラッディングを抑制しながら発電することが可能である。
【００１８】
［適用例５］
要求される電力量に応じてアノードおよびカソードの各々に供給される所定の流量の燃料ガスおよび酸化ガスによって燃料電池が発電を行っている通常発電時において、前記燃料電池に生じるフラッディングの発生状態を判断するフラッディング判断方法であって、前記アノードに前記燃料ガスを供給し、前記アノードから排出される前記アノードオフガスに含まれる酸素の含有量を検出し、検出した前記酸素の含有量に基づいて前記アノードでのフラッディングの発生状態を判断するフラッディング判断方法。
このフラッディング判断方法によると、フラッディングの発生状態を判断しながら発電することが可能である。
【００１９】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の制御方法および装置、フラッディング検出装置、フラッディングを制御するシステムおよびそれらの方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。
【図２】単セル７０の構成を説明する説明図である。
【図３】発電処理の流れを示したフローチャートである。
【図４】単セル７０が正常に発電している様子を説明する説明図である。
【図５】フラッディング発生時の単セル７０での発電の様子を説明する説明図である。
【図６】水素ガス流量の増加により燃料電池システム１０が正常な発電状態に遷移する様子を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
Ａ．第１実施例：
（Ａ１）燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。
【００２２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、制御部３０、酸素濃度検出部４０、水素タンク５０、水素流量調整部５５、コンプレッサ６０を備える。燃料電池スタック２０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル７０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル７０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード７１、および、カソード７２を接合した膜電極接合体を、セパレータ（図１では図示省略）によって挟持した構成となっている。単セル７０の構成については後で詳しく説明する。
【００２３】
燃料電池スタック２０内には、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０内に導入するための供給口２１、導入した水素ガスを各単セル７０に分配して供給するための水素供給マニホールド２２、各単セル７０のアノード７１から排出されるアノードオフガスを集合させるアノードオフガス排出マニホールド２４、アノードオフガスを燃料電池スタック２０から排出する排出口２３が形成されている。また、燃料電池スタック２０内には酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０内に導入するための供給口２５、導入した空気を各単セル７０に分配して供給するための空気供給マニホールド（図示省略）、各単セル７０のカソード７２から排出されるカソードオフガスを集合させるカソードオフガス排出マニホールド（図示省略）、カソードオフガスを燃料電池スタック２０から排出する排出口２６が形成されている。
【００２４】
水素タンク５０は、高圧水素ガスを貯蔵している。水素タンク５０の水素ガスは、水素流量調整部５５で流量が調整され供給口２１を介して燃料電池スタック２０内に供給される。また、コンプレッサ６０は空気を圧縮し燃料電池スタック２０に圧縮空気を供給する。圧縮空気は酸素を含有した酸化ガスとして供給口２５を介して燃料電池スタック２０に供給される。
【００２５】
酸素濃度検出部４０は、酸化触媒４１、入口温度センサ４２、出口温度センサ４３、酸素濃度検出装置４５を備える。酸素濃度検出部４０は、酸化触媒４１を図１に示すようにアノードオフガス排出マニホールド２４と排出口２３との境界付近に備える。酸化触媒４１のアノードオフガス排出マニホールド２４側には入口温度センサ４２を備え、排出口２３側には出口温度センサ４３を備える。本実施例においては、酸化触媒４１として白金を用いる。その他、酸化触媒４１としてはロジウムやパラジウムなどを用いることができる。入口温度センサ４２はアノードオフガス排出マニホールド２４から排出口２３に向かって流れるアノードオフガスのうち、酸化触媒４１を通過する手前のアノードオフガスの温度（以下、入口温度Ｔ１とも呼ぶ）を測定する。出口温度センサ４３は酸化触媒４１を通過した後のアノードオフガスの温度（以下、出口温度Ｔ２とも呼ぶ）を測定する。アノードオフガスに酸素が含まれる場合、酸化触媒４１は、その酸素とアノードオフガスに含まれる水素ガスとを反応させてアノードオフガスの温度を上昇させる。酸素濃度検出装置４５は入口温度センサ４２および出口温度センサ４３と接続されており、入口温度センサ４２および出口温度センサ４３で測定した入口温度Ｔ１および出口温度Ｔ２の値を取得し、Ｔ１、Ｔ２に基づいてアノードオフガスに含有する酸素の濃度を算出する。なお、Ｔ１、Ｔ２に基づく酸素の濃度の算出方法については後で詳しく説明する。
【００２６】
制御部３０は、燃料電池システム１０の運転を制御する。燃料電池システム１０は内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、コンプレッサ６０の駆動制御、酸素濃度検出部４０の制御、水素流量調整部５５の動作制御を行う。
【００２７】
次に、単セル７０の構成について説明する。図２は、単セル７０の構成を説明する説明図である。単セル７０は、電解質膜７３、アノード側触媒層７４ａ、アノード側ガス拡散層７５ａ、アノード側セパレータ７６ａ、カソード側触媒層７４ｃ、カソード側ガス拡散層７５ｃ、カソード側セパレータ７６ｃを備えている。アノード側触媒層７４ａおよびアノード側ガス拡散層７５ａがアノード７１（図１参照）に対応し、カソード側触媒層７４ｃおよびカソード側ガス拡散層７５ｃがカソード７２に対応する。
【００２８】
電解質膜７３は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、本実施例では、電解質膜７３として、パーフルオロスルホン酸膜であるナフィオン（登録商標）を用いる。また、その他、Flemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、電解質膜７３としては、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。
【００２９】
アノード側触媒層７４ａは、電解質膜７３に接して配置されている。このアノード側触媒層７４ａは、触媒を導電性粒子に担持させた部材と、プロトン導電体であるアイオノマとを用いて構成されている。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維などを用いることができる。アイオノマとしては、スルホン酸基を含むフッ素樹脂を採用することができる。アノード側ガス拡散層７５ａは、水素ガスを拡散する。
【００３０】
アノード側セパレータ７６ａは、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。アノード側セパレータ７６ａは、凹凸形状を有しており、アノード側セパレータ７６ａとアノード側ガス拡散層７５ａとが接することにより、アノード側セパレータ７６ａとアノード側ガス拡散層７５ａとの間に燃料ガス流路７７ａが形成される。燃料ガス流路７７ａは、燃料電池スタック２０内に設けられた水素供給マニホールド２２及びアノードオフガス排出マニホールド２４と接続されている。
【００３１】
カソード側の構成は、アノード側の構成と同様である。すなわち、カソード側触媒層７４ｃは、アノード側触媒層７４ａと同じ構成を有している。また、カソード側ガス拡散層７５ｃはアノード側ガス拡散層７５ａと、カソード側セパレータ７６ｃはアノード側セパレータ７６ａと、それぞれ同じ構成を有している。酸化ガス流路７７ｃは、燃料電池スタック２０内に設けられた空気供給マニホールド及びカソードオフガス排出マニホールドと接続されている。以上、燃料電池システム１０の構成を説明した。
【００３２】
（Ａ２）発電処理：
次に、制御部３０が行う発電処理について説明する。本実施例における制御部３０が行う発電処理は、燃料電池システム１０の通常発電時のフラッディングを抑制しながら発電をする処理である。図３は制御部３０が行う発電処理の流れを示したフローチャートである。発電処理は、燃料電池システム１０を搭載した電気自動車の運転者によるスタータ操作をトリガとして、制御部３０が開始する。発電処理が開始すると、制御部３０は水素流量調整部５５およびコンプレッサ６０の動作を制御し、供給口２１および供給口２５を介して燃料電池スタック２０内の水素ガスおよび空気を供給する（ステップＳ１１０）。具体的にはアノードには水素ガスが供給され、カソードには空気が供給され、上記式（１）および式（２）で示した電気化学反応が進行し発電をする。なお、発電には、空気に含有される酸素が用いられる。
【００３３】
図４は、燃料電池システム１０の通常発電時に、単セル７０が正常に発電している様子（以下、正常状態とも呼ぶ）を説明する説明図である。理解を容易にするため、図４には、単セル７０におけるアノード７１、カソード７２、電解質膜７３のみを示した。燃料電池システム１０が定常運定時、アノード７１に水素ガスが供給されると式（１）に示した電気化学反応により、プロトン（Ｈ+）がアノード７１から電解質膜７３を介してカソード７２に移動し、カソード７２において、空気に含まれる酸素と式（２）の電気化学反応をする。その際、水素ガスにおける電子は電気回路上に接続された負荷を介してカソード７２に移動することにより正常状態における発電が行われる。また、アノード７１に供給された水素ガスのうち、式（１）に示した電気化学反応をしなかった水素ガスは、アノードオフガス排出マニホールド２４を介して排出口２３より排出される。
【００３４】
通常発電時には、なんらかの原因により、燃料ガス流路７７ａ（図２参照）に液水が滞留し、液水が局所的にアノード７１を覆い、式（１）に示す電気化学反応を阻害するフラッディングの状態が生じることがある。図５は、フラッディング状態時の単セル７０での発電の様子を説明する説明図である。液水（Ｈ2Ｏ）がアノード７１を局所的に覆うと、アノード７１ではプロトンと電子を供給するために、式（５）に示した水の電気分解が生じる。この水の電気分解によって、アノード上では酸素ガスが発生する。そして、フラッディングによって発生した酸素ガスは、アノードオフガス排出マニホールド２４を介して排出口２３より排出される。その際、酸素ガスは酸化触媒４１を通過する。酸化触媒４１は、酸素ガスと水素ガスとを反応させて、水素ガスの温度を上昇させる作用がある。つまり、フラッディングが生じている場合は、酸化触媒４１を通過する前と、通過した後とでは、排出されるアノードオフガスの温度が異なる。
【００３５】
本実施例では、この温度差を利用して酸素濃度を算出し、通常発電時におけるフラッディングの発生状態を検知する。具体的には、発電処理において通常運転開始後（図３：ステップＳ１１０）、制御部３０が酸素濃度検出部４０を制御することによって、酸化触媒４１を通過する前のアノードオフガスの温度である入口温度Ｔ１を入口温度センサ４２によって測定し、酸化触媒４１を通過した後のアノードオフガスの温度である出口温度Ｔ２を出口温度センサ４３によって測定する（図３：ステップＳ１２０）。
【００３６】
その後、制御部３０が酸素濃度検出装置４５を制御することによって、入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２の値から下記式（６）に基づいてアノードオフガスにおける酸素濃度を算出する。
ρ・Ｃｐ・ＶH2・ΔＴ＝ｑ・ＶO2…（６）
ΔＴ＝Ｔ２―Ｔ１
【００３７】
式（６）において、ρは水素ガスの密度、Ｃｐは水素ガスの定容比熱、ＶH2は水素流量、ｑは水素と酸素が反応したときの熱量、ＶO2は水の電気分解で発生した酸素流量を示す。酸素濃度検出装置４５は、式（６）によって、取得した入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２とから、酸素流量であるＶO2を算出することにより、アノードオフガス中の酸素濃度を算出する（ステップＳ１３０）。例えば、発明者らによる実験では、所定の条件において、酸素濃度１００ｐｐｍのとき、ΔＴ＝２℃という実験結果を得た。
【００３８】
制御部３０は、酸素濃度検出装置４５から酸素濃度の値を取得すると、その酸素濃度の値が予め設定した所定の閾値以上か否かを判断する（ステップＳ１４０）。酸素濃度の値が閾値以上の場合（ＹＥＳ：ステップＳ１４０）、水素流量調整部５５によって燃料電池スタック２０を流れる水素ガスの流量を一時的に増加させる（ステップＳ１５０）。水素ガスの流量を増加させると、燃料ガス流路７７ａにおいても水素ガスの流量は増加し、その勢いによってアノード上に局所的に滞留していた液水は除去される。図６は、水素流量の増加によって、局所的に滞留した液水が除去され、燃料電池システム１０が正常な発電状態に遷移する様子を説明する説明図である。図に示すように、水素ガスの流量が増加すると、その勢いでアノード７１に滞留していた液水は除去される。すると、アノード７１に正常に水素ガスが接触するようになり、フラッディングは解消される。その後、車両の運転者による運転停止の指示が入力されるまで（ステップＳ１６０）、制御部３０は発電処理を継続する。
【００３９】
一方、ステップＳ１４０において、酸素濃度が閾値以下の場合（ＮＯ：ステップＳ１４０）は、水素ガスの流量の増加は行わずに、車両の運転者による運転停止の指示が入力されるまで制御部３０は発電処理を継続する。
【００４０】
ここで、制御部３０が水素ガスの流量を増加させるか否かの判断に用いる酸素濃度の閾値について説明する。発電処理において、フラッディングが生じ始めると、上記式（５）に示した電気化学反応が進行し始め、酸素ガスを生じる。そして式（５）の反応速度が速くなると酸素濃度も上昇する。しかし、それ以上に反応速度が上昇すると、式（４）に示した反応が進行しはじめ、アノード７１が腐食する酸化腐食反応を生じる。式（４）に示すように、酸化腐食反応では、酸素ガスは発生しない。すなわち、フラッディングによる反応速度が早まるにつれて酸素濃度はピーク値をもち、そのピーク値を境に減少する。
【００４１】
本実施例においては、予め実験データとして得たピーク値を、ステップＳ１４０における酸素濃度の閾値として制御部３０に設定する。つまり、このように設定すると、水の電気分解の段階でのフラッディングは許容することになるが、燃料電池システム１０の運転における水素ガスの消費量削減という観点との兼ね合いから、このように設定する。水の電気分解の段階におけるフラッディングの場合、電極の腐食を生じずに発電を行うことが可能である（式（５）参照）。よって、発電における支障は比較的軽微である。仮に、フラッディングが生じ始めた初期段階の酸素濃度、つまり酸素濃度の比較的低い値を、閾値として設定すると、頻繁にステップＳ１５０の水素ガス流量増加の処理を行うことになり、燃料電池システム１０の通常発電時における水素ガスの消費量の増大に繋がる。本実施例では上記説明した観点から、ステップＳ１４０における閾値を設定している。
【００４２】
以上説明したように、本実施例における燃料電池システム１０は、アノードオフガスにおける酸素濃度を検出することによって、通常発電時のアノードにおけるフラッディングの発生状態を検出することができる。また、検出した酸素濃度に基づいて、水素ガスの流量を一時的に増加し、アノード７１上に局所的に滞留している液水を除去し、フラッディングを抑制する。さらに、検出した酸素濃度が予め設定した所定の閾値以下の場合は、供給する水素ガスの流量を増加せず、発生しているフラッディングを許容する。このように制御することによって、アノード７１での酸化腐食反応を防止しつつ、燃料電池システム１０の通常発電時における水素ガスの消費量を削減することが可能である。
【００４３】
特許請求の範囲との対応関係としては、水素タンク５０および水素流量調整部５５が、特許請求の範囲に記載の燃料ガス供給部に相当し、排出口２３およびアノードオフガス排出マニホールド２４が、特許請求の範囲に記載のアノードオフガス排出部に相当し、酸素濃度検出部４０が、特許請求の範囲に記載の酸素検出部に相当する。また、制御部３０による酸素濃度が閾値以上か否かの判断（図３：ステップＳ１４０）が、特許請求の範囲に記載のフラッディング判断部に相当し、水素ガスの流量の増加の処理（図３：ステップＳ１５０）及びそれによる水素流量調整部５５による実際の水素ガスの流量の制御が、特許請求の範囲に記載のフラッディング抑制部に相当する。
【００４４】
Ｂ．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。
【００４５】
（Ｂ１）変形例１：
上記実施例では、酸素濃度の検出方法として、酸化触媒４１および入口温度センサ４２、出口温度センサ４３を用いたが、これに限ることなく他の方法採用することも可能である。具体的には、ジルコニア方式や熱線式の酸素濃度計を用いることが可能である。また半導体生産ライン等に用いられる微量の酸素を検出可能な酸素濃度計を用いることで、高精度に通常発電時にアノードで発生しているフラッディングの発生状態を検出可能である。
【００４６】
（Ｂ２）変形例２：
上記実施例では、図３の発電処理で説明したように、フラッディングを抑制するための水素ガスの流量増加は（図３：ステップＳ１５０）、酸素濃度の値が所定の閾値以上か否かの判断によって決定しているが（ステップＳ１４０）、そのような判断に限ることなく、水素タンク５０から供給される水素ガスの流量と、検出したアノードオフガス中の酸素の含有量との対応関係を表したマップやルックアップテーブル等のフラッディングの発生状態を判断可能なデータを備えており、通常発電時に供給している水素ガス流量と、検出した酸素の流量とから、そのデータに基づいて、水素ガスの流量を増加するか否か、およびその増加量を判断してもよい。また、通常発電時に、「流量の増加」と判断しない場合においても、０（ゼロ）に近い値または有意な値の流量の増減を行っているとしてもよく、「流量の増加」と判断した場合に通常発電時の流量から連続的に増減させるものとしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
（Ｂ３）変形例３：
上記実施例においては、燃料ガスとして水素を、酸化ガスとして空気を用いているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料ガスとして、改質ガスを用いてもよい。また、酸化ガスとして、酸素を含んだガスであればよく、例えば、空気と酸素との混合ガスを用いても良い。改質ガスとしては、正常な通常発電時に、アノードにおいて電気化学反応として酸素を発生しないガスであれば用いることが可能であり、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池スタック
２１…供給口
２２…水素供給マニホールド
２３…排出口
２４…アノードオフガス排出マニホールド
２５…供給口
２６…排出口
３０…制御部
４０…酸素濃度検出部
４１…酸化触媒
４２…入口温度センサ
４３…出口温度センサ
４５…酸素濃度検出装置
５０…水素タンク
５５…水素流量調整部
６０…コンプレッサ
７０…単セル
７１…アノード
７２…カソード
７３…電解質膜
７４ａ…アノード側触媒層
７４ｃ…カソード側触媒層
７５ａ…アノード側ガス拡散層
７５ｃ…カソード側ガス拡散層
７６ａ…アノード側セパレータ
７６ｃ…カソード側セパレータ
７７ａ…燃料ガス流路
７７ｃ…酸化ガス流路
【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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