JP5241187B2

JP5241187B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5241187B2
Application number: JP2007252018A
Authority: JP
Inventors: 光雄唐金; 收田島; 陽濱田; 淳小川
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP2009087568A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。

燃料極：Ｈ_２→２Ｈ^＋+２ｅ⁻ ・・・（１）
空気極：１／２Ｏ_２+２Ｈ^＋+２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
アノードよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、膜電極接合体が構成される。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。

アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。

固体高分子形燃料電池において、固体高分子電解質膜は加湿状態において良好なプロトン伝導性を発揮する。このため、燃料電池の運転温度を５０〜１００℃程度とし、反応ガスに水蒸気を飽和させて各単セルに供給して運転する方法が採られている。一方、単セルでは、電気化学反応に伴って生成水が生じるので、反応ガスには生成水に対応した水分が加わり、反応ガスの流路では下流側になるほど多量の水分が含まれることになる。したがって、飽和した水蒸気が供給された反応ガスは流路の下流側で過飽和となり、過剰な水分が凝縮、結露してガス流路内に滞留する。このように、ガス流路に滞留水が付着すると、反応ガスの円滑な流れが阻害され、反応ガスの供給量が不足して発電特性が低下するので、滞留水の効果的な除去が必要となる。

このため、特許文献１では、ガス流路に結露する滞留水を除去する方法として、反応ガス経路にバイパス経路を設け、乾湿ガスの切り替え運転により滞留水を除去する方法が採られている。
特開平１０−６４５６９号公報

ガス流路に結露した凝縮水を除去するために、ガス流路に乾燥ガスを流す場合には、乾燥ガスでの運転時間が水分量などの規定により定められている。ガス流路に結露する凝縮水は付着状況により異なるため、乾燥ガスのみの運転を行っても、凝縮水を除去するのに時間を要する場合があるという欠点がある。乾燥ガスでの運転時間が長くなると、電解質膜が乾燥し発電特性が低下すること懸念される。このため、乾燥ガスでの運転時間はなるべく短い方が好ましく、より効率的に凝縮水を除去し、短時間でガス流路の滞留水の状態を見極める必要がある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成によってガス流路内に凝縮、結露した凝縮水を除去し、安定して運転できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様は、燃料電池システムである。燃料電池システムは、電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟みこんで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池と、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記セル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止する手段と、燃料電池の運転停止後に、燃料電池のガス流路に通常運転時の反応ガスに比べて圧力が高い加圧反応ガスを流通させる加圧反応ガス供給手段と、を備え、前記加圧反応ガス供給手段は、燃料ガス用のガス流路からのガスの排出を遮断し、改質装置で生成された改質ガスを用いて、加圧反応ガスを生成した後、ガス流路から加圧反応ガスを排出させ、当該加圧反応ガス供給手段によって、加圧反応ガスがガス流路に流通された後、ガス流路に乾燥状態の乾燥反応ガスを流通させる一方の乾燥反応ガス流通手段と、一方の乾燥反応ガスが一方のガス流路に流通する状態で、再起動され発電が開始された燃料電池のセル電圧をセル電圧検出手段により検出し、セル電圧が所定の基準電圧より低いか否かを判定する一方のセル電圧判定手段と、を備え、一方の乾燥反応ガスが一方のガス流路に流通する状態で、当該一方のセル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止し、当該燃料電池の運転停止後に、一方のガス流路に対向する他方のガス流路に乾燥状態の他方の乾燥反応ガスを流通させる他方の乾燥反応ガス流通手段と、他方の乾燥反応ガスが他方のガス流路に流通する状態で、再起動され発電が開始された燃料電池のセル電圧をセル電圧検出手段により検出し、セル電圧が所定の基準電圧より低いか否かを判定する他方のセル電圧判定手段と、を備え、他方の乾燥反応ガスが他方のガス流路に流通する状態で、当該他方のセル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止することを特徴とする。

この態様によれば、セル電圧の低下を見極めた上で、燃料電池のガス流路に加圧反応ガスを流通させることにより、ガス流路に滞留した凝縮水をガス圧にて強制的に短時間で排出することができる。これにより、燃料電池システムの動作安定性を向上させることができる。さらに、ガス流路に滞留した凝縮水を排出させるための加圧ガスとして反応ガスを用いているため、凝縮水の排出に要する構成を簡便化することができる。
また、上記態様において、加圧反応ガス供給手段によって、加圧反応ガスがガス流路に流通された後、ガス流路に乾燥状態の乾燥反応ガスを流通させる一方の乾燥反応ガス流通手段と、一方の乾燥反応ガスが一方のガス流路に流通する状態で、再起動され発電が開始された燃料電池のセル電圧をセル電圧検出手段により検出し、セル電圧が所定の基準電圧より低いか否かを判定する一方のセル電圧判定手段と、を備え、一方の乾燥反応ガスが一方のガス流路に流通する状態で、当該セル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止し、当該燃料電池の運転停止後に
、一方のガス流路に対向する他方のガス流路に乾燥状態の他方の乾燥反応ガスを流通させる他方の乾燥反応ガス流通手段と、他方の乾燥反応ガスが他方のガス流路に流通する状態で、再起動され発電が開始された燃料電池のセル電圧をセル電圧検出手段により検出し、セル電圧が所定の基準電圧より低いか否かを判定する他方のセル電圧判定手段と、を備え、他方の乾燥反応ガスが他方のガス流路に流通する状態で、当該他方のセル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止することが好ましい。

上記態様において、加圧反応ガス供給手段は、燃料ガス用のガス流路からのガスの排出を遮断し、改質装置に供給される原燃料を用いて加圧反応ガスを生成した後、ガス流路から加圧反応ガスを排出させてもよい。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、簡単な構成によってガス流路内に凝縮、結露した凝縮水を除去し、燃料電池システムの動作安定性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、改質装置４０、燃料電池５０、燃料用湿熱交換器６０、酸化剤用湿熱交換器７０、コンバータ９０、インバータ９２、制御装置１００を有する。本実施の形態の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、タンクに貯留された水を用いて加湿対象の気体をバブリングすることにより、加湿対象の気体を所定の湿度に加湿することができる。

改質装置４０には、水処理装置４２で水処理が施された上水が改質用水として供給される。水処理装置４２は、逆浸透膜とイオン交換樹脂を用いて上水からの水を水処理する。水処理装置４２で水処理が施された水は、改質装置４０が有する改質器の水蒸気改質に用いられる。改質装置４０には、プロパンガス、天然ガスなどの炭化水素系の原燃料が供給される。なお、原燃料は、脱硫器４６を経由して硫黄成分が除去された後、改質装置４０に供給される。原燃料の一部は、改質装置４０のバーナ用として用いられ、改質装置４０で燃焼される。また、改質装置４０には、燃料電池５０で消費されなかった改質ガスが電池オフガスとして供給され、バーナで燃焼される。これにより、電池オフガスを燃焼排気ガスとして系外に放出することができる。また、改質装置４０には、外部から空気が供給される。改質装置４０は、原燃料と改質用水を用いて原燃料の水蒸気改質を行い、水素ガスリッチな改質ガスを生成する。改質装置４０において、水蒸気改質により得られた改質ガスは、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器（ともに、不図示）により一酸化炭素濃度が低減される。

燃料電池５０で未反応のまま排出される改質ガスである電池オフガスは、気液分離装置４４を経由して改質装置４０に送られる。気液分離装置４４において、電池オフガスの気体成分のみが取り出されて改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。また、気液分離装置４４は、電池オフガスと改質用水とが熱交換可能な熱交換機能を兼ね備え、電池オフガスの熱により改質用水が加熱される。

燃料電池５０は、燃料極であるアノード５２と酸化剤極であるカソード５６との間に電解質膜５４が設けられたセルが複数積層された構造を有する。燃料電池５０にて発生した直流電力は、コンバータ９０により所定電圧（たとえば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、インバータ９２によって交流電力（たとえば１００Ｖ）に変換される。インバータ９２で変換された交流電力は系統９４へ出力される。また、コンバータ９０で変換された所定電圧の直流電力は、制御装置１００などの電源として利用される。

燃料電池５０には、各セルの出力電圧（セル電圧）を検出するための電圧センサ３００が設けられている。電圧センサ３００で検出されたセル電圧の値は、制御装置１００へ送信される。

脱硫器４６と改質装置４０とを接続する配管に脱硫された原燃料の流れを制御する電磁弁などのバルブ２００が設けられている。バルブ２００を閉じると、改質装置４０への原燃料の流れが遮断される。また、燃料用湿熱交換器６０と燃料電池５０のアノード５２とを接続する配管に改質ガスの流れを制御する電磁弁などのバルブ２１０が設けられている。バルブ２１０を閉じると、燃料電池５０への改質ガスの流れが遮断される。また、燃料電池５０のアノード５２と気液分離装置４４とを接続する配管にバルブ２２０が設けられている。バルブ２２０を閉じると、燃料電池５０のアノード５２からの電池オフガスの流れが遮断される。

また、バルブ２２０の上流側の配管に、配管内のガスの圧力を検出するための圧力センサ３１０が設けられている。圧力センサ３１０で検出されたガスの圧力の値は、制御装置１００に送信される。

制御装置１００は、改質装置４０から供給される燃料の供給量および外部から取り込まれる空気の供給量を調節して、燃料電池５０による発電量を制御する。この他に、制御装置１００は、コンバータ９０およびインバータ９２等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。また、制御装置１００は、電圧センサ３００から送信されたセル電圧の値、および圧力センサ３１０から送信されたガス圧の値に基づいて、バルブ２００、２１０および２２０の開閉を制御する。また、制御装置１００は、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０のタンク内の水の量を制御することにより、改質ガスおよび空気の加湿状態を制御することができる。制御装置１００はリモートコントローラ９６と赤外線通信が可能である。ユーザは、リモートコントローラ９６を用いて、燃料電池システム１０の動作設定をすることができる。

ここで、燃料電池システム１０の運転動作について説明する。なお、燃料電池システム１０の運転動作は、制御装置１００により管理および制御されている。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池システムの運転動作を示すフローチャートである。

まず、燃料電池５０の運転が開始され、燃料電池５０に負荷が接続されるとともに、改質ガスおよび空気が供給され、燃料電池５０において電気化学反応による発電が行われる（Ｓ１０）。

燃料電池の発電中に、燃料電池に設けられた電圧センサ３００により燃料電池のセル電圧Ｖが検出される（Ｓ２０）。セル電圧Ｖは制御装置１００に送信され、セル電圧Ｖが所定の基準電圧Ｖ１（たとえば、０．７Ｖ）より低いか否かが判定される（Ｓ３０）。このセル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１以上である高い場合には（Ｓ３０のＮｏ）、セル電圧Ｖが再度検出され（Ｓ２０）、セル電圧Ｖが所定の基準電圧Ｖ１より低いかが再度判定される（Ｓ３０）。一方、セル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１より低い場合には（Ｓ３０のＹｅｓ）、燃料電池と負荷との接続が遮断され、燃料電池の運転が停止される（Ｓ４０）。

燃料電池の運転停止後に、第１の水詰まり解消操作が行われる（Ｓ５０）。図３は、第１の水詰まり解消操作を示すフローチャートである。まず、バルブ２２０を閉じて、改質ガスの圧力を通常運転時に比べて高くする（Ｓ６０）。バルブ２２０を閉じることにより、残存改質ガスにより燃料電池のアノードおよび配管内の改質ガスの圧力が加圧され一時的に上昇する。バルブ２２０を閉じた状態で、圧力センサ３１０にて配管内の圧力が検出される（Ｓ７０）。圧力センサ３１０で検出された圧力が、所定の第１の基準圧力（たとえば、５ｋＰａ）以上であるか否かが判定される（Ｓ８０）。圧力センサ３１０で検出された圧力が基準圧力以上と判定されると（Ｓ８０のＹｅｓ）、バルブ２２０が開放される（Ｓ９０）。これにより、加圧された改質ガスが燃料電池のアノード流路を勢いよく流れ、アノード流路に滞留した凝縮水がアノード流路から排出される。一方、圧力センサ３１０で検出された圧力が基準圧力より低い場合には（Ｓ８０のＮｏ）、圧力センサ３１０にて配管内の圧力が検出される（Ｓ７０）。

なお、第１の水詰まり解消操作は２回以上行われてもよい。この場合には、バルブ２２０が開放された後、圧力センサ３１０で検出された圧力が所定の第２の基準圧力（たとえば、１ｋＰａ）以下に低下した後、バルブ２２０が再度閉じられる。この後、上述した手順（Ｓ６０〜Ｓ９０）にしたがって水詰まり解消操作が再度行われる。第１の水詰まり解消操作は、所定の回数に達するまで繰り返し行われる。これによれば、アノード流路に滞留した凝縮水がより確実に排出される。なお、アノード流路から排出された残存改質ガスは、改質器において燃料処理されることが望ましい。これによれば、燃料の利用効率を向上させることができる。

なお、第１の水詰まり解消操作におけるバルブ２２０の開閉時間は、予め定められていてもよい。すなわち、バルブ２２０が閉じられた後、所定の時間（たとえば、５秒）が経過した後に、バルブ２２０が開放される。第１の水詰まり解消操作は２回以上行われる場合には、バルブ２２０が開放された後、さらに所定の時間（たとえば、１秒）が経過した後に、バルブ２２０が再度閉じられる。この後、第１の水詰まり解消操作が再度行われる。第１の水詰まり解消操作は、所定の回数に達するまで繰り返し行われる。

図２（Ａ）のフローチャートに戻り、第１の水詰まり解消操作が行われた後、アノードに供給する燃料ガスを加湿せずに、乾燥ガスとした状態で燃料電池５０が再起動され、発電が開始される（Ｓ１００、アノードドライ運転）。アノードドライ運転では、燃料ガスを乾燥ガスとするために、燃料用湿熱交換器６０から加湿水が排出された状態で、燃料ガスが燃料用湿熱交換器６０を通って燃料電池のアノードに供給される。

次に、燃料電池に設けられた電圧センサにより燃料電池のセル電圧Ｖが検出される（Ｓ１１０）。このセル電圧Ｖが所定の基準電圧Ｖ１より低いか否かが判定される（Ｓ１２０）。セル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１以上である高い場合には（Ｓ１２０のＮｏ）、アノードへの加圧ガスの供給によりアノードの水詰まりが解消されているため、通常の運転状態に切り替えられる。このとき、燃料電池の運転を一旦停止した後、所定の時間（たとえば、５分）経過後に再起動してもよい。

一方、セル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１より低い場合には（Ｓ１２０のＹｅｓ）、セル電圧低下の原因として、
(1)アノードの水詰まりが解消していないケース
(2)カソードの水詰まりが生じているケース
が考えられる。そこで、まず、セル電圧低下の原因がカソード側の水詰まりにあるのか否かを判断するために、燃料電池の運転を一旦停止した後、カソードに供給する空気を加湿せず、乾燥ガスとした状態で再起動を行う（Ｓ１４０、カソードドライ運転）。カソードドライ運転では、空気を乾燥ガスとするために、酸化剤用湿熱交換器７０から加湿水が排出された状態で、空気が酸化剤用湿熱交換器７０を通って燃料電池のカソードに供給される。

続いて、燃料電池に設けられた電圧センサ３００により燃料電池のセル電圧Ｖが検出される（Ｓ１５０）。このセル電圧Ｖが所定の基準電圧Ｖ１より低いか否かが判定される（Ｓ１６０）。セル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１以上である場合には（Ｓ１６０のＮｏ）、セル電圧低下の原因となっていたカソードの水詰まりが解消されているため、通常の運転状態に切り替えられる。このとき、燃料電池の運転を一旦停止した後、所定の時間（たとえば、５分）経過後に再起動してもよい。

一方、セル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１より低い場合には（Ｓ１６０のＹｅｓ）、セル電圧低下の原因として、
(1)アノードの水詰まりが解消していないケース
(2)カソードの水詰まりが生じているケース
が考えられる。そこで、図２（Ｂ）に移り、上記(1)のアノードの水詰まりを解消するために、Ｓ５０で説明した第１の水詰まり解消操作を再度実施する（Ｓ１８０）。その上で、セル電圧低下の原因がアノード側またはカソード側の水詰まりにあるのか否かを判断するために、燃料電池の運転を一旦停止した後、アノードに供給される燃料ガス、およびカソードに供給する空気をともに加湿せず、乾燥ガスとした状態で再起動を行う（Ｓ１９０、アノード／カソードドライ運転）。

続いて、燃料電池に設けられた電圧センサ３００により燃料電池のセル電圧Ｖが検出される（Ｓ２００）。このセル電圧Ｖが所定の基準電圧Ｖ１より低いか否かが判定される（Ｓ２１０）。セル電圧Ｖが基準電圧Ｖ１以上である場合には（Ｓ２１０のＮｏ）、セル電圧低下の原因となっていたアノードまたはカソードの水詰まりが解消されているため、通常の運転状態に切り替えられる。このとき、燃料電池の運転を一旦停止した後、所定の時間（たとえば、５分）経過後に再起動してもよい。

一方、セル電圧Ｖが依然として基準電圧Ｖ１より低い場合には（Ｓ２１０のＹｅｓ）、セル電圧低下の原因がアノードまたはカソードの水詰まり以外の原因により発生しているため、燃料電池の運転が停止される（Ｓ２３０）。

以上説明した燃料電池システムによれば、セル電圧が低下した場合に加圧された燃料ガスをアノードのガス流路に流通させることにより、アノードのガス流路に滞留した凝縮水が速やかに排出される。上述したように、アノードのガス流路に滞留した凝縮水を排出するために、バルブ操作にて燃料ガスの圧力を高めるという簡便な構成にて燃料電池の水詰まりを解消することができる。これにより、燃料電池システムの動作安定性が向上する。

また、アノードの水詰まり乾燥操作を実行したのち、アノードドライ運転においてセル電圧が低下したか否かを判定することにより、セル電圧の低下が水詰まり乾燥操作によって解消したか否かを確認することができる。

また、アノードドライ運転においてセル電圧が低下している場合に、カソードドライ運転を行うことにより、セル電圧の低下がカソード側にあるか否かを確認することができる。

これにより、セル電圧の低下の原因をより適切に把握し、セル電圧の低下の原因に応じて燃料電池の動作を設定することができる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る燃料電池システムの運転動作を示すフローチャートである。

本実施の形態では、第１の水詰まり解消操作（Ｓ５０）が繰り返され、その回数が所定の回数に達した後、アノードドライ運転が開始される。具体的には、第１の水詰まり解消操作（Ｓ５０）が実施された後に、第１の水詰まり解消操作の回数が所定の回数（たとえば、３回）に達したか否かが判定される。なお、第１の水詰まり解消操作の回数はメモリなどを用いてカウントすることができる。第１の水詰まり解消操作の回数が所定の回数に達していない場合には（Ｓ２４０のＮｏ）、燃料電池が再起動される（Ｓ１０）。一方、水詰まり解消操作の回数が所定の回数に達した場合には（Ｓ２４０のＹｅｓ）、アノードドライ運転が開始される（Ｓ１００）。アノードドライ運転開始後の処理は、実施の形態１と同様である。セル電圧の判定（Ｓ１６０）の後、図２（Ｂ）で説明した処理が行われる。

これによれば、所定回数未満の水詰まり解消操作にてアノードの水詰まりが解消される場合において、燃料電池の運転を速やかに再開させることができる。

（実施の形態３）
なお、上述の各実施の形態では、第１の水詰まり解消操作において加圧された残存改質ガスがアノードに供給されるが、水詰まり解消操作はこれに限られない。図５は、実施の形態３に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す概略図である。本実施の形態の燃料電池システムでは、上述した第１の水詰まり解消操作に代えて第２の水詰まり解消操作が可能である。本実施の形態では、図５に示すように、バルブ２００の上流側の分岐点４００で原燃料の流れが分岐し、バルブ２１０の下流側の合流点４１０で改質ガスと合流する。分岐点４００と合流点４１０との間には、バルブ２３０が設けられている。

図６は、第２の水詰まり解消操作を示すフローチャートである。第２の水詰まり解消操作として、具体的には、まず、バルブ２００、バルブ２１０およびバルブ２２０を閉とし、バルブ２３０を開放することにより原燃料の圧力を通常運転時の改質ガスの圧力に比べて高くする（Ｓ３００）。バルブ２２０が閉じられているため、アノードが加圧された原燃料で満たされる。バルブ２２０を閉じた状態で、圧力センサ３１０にて配管内の圧力が検出される（Ｓ３１０）。圧力センサ３１０で検出された圧力が、所定の第１の基準圧力（たとえば、５ｋＰａ）以上であるか否かが判定される（Ｓ３２０）。圧力センサ３１０で検出された圧力が基準圧力以上と判定されると（Ｓ３２０のＹｅｓ）、バルブ２２０が開放される（Ｓ３３０）。これにより、加圧された原燃料が燃料電池のアノード流路を勢いよく流れ、アノード流路に滞留した凝縮水がアノード流路から排出される。一方、圧力センサ３１０で検出された圧力が基準圧力より低い場合には（Ｓ３２０のＮｏ）、圧力センサ３１０にて配管内の圧力が検出される（Ｓ３１０）。

なお、第２の水詰まり解消操作は２回以上行われてもよい。この場合には、バルブ２２０が開放された後、圧力センサ３１０で検出された圧力が所定の第２の基準圧力（たとえば、１ｋＰａ）以下に低下した後、バルブ２２０が再度閉じられる。この後、上述した手順（Ｓ３００〜Ｓ３３０）にしたがって水詰まり解消操作が再度行われる。第２の水詰まり解消操作は、所定の回数に達するまで繰り返し行われる。これによれば、アノード流路に滞留した凝縮水がより確実に排出される。なお、アノード流路から排出された原燃料は、改質器において燃料処理されることが望ましい。これによれば、燃料の利用効率を向上させることができる。

なお、第２の水詰まり解消操作におけるバルブ２２０の開閉時間は、予め定められていてもよい。すなわち、バルブ２２０が閉じられた後、所定の時間（たとえば、５秒）が経過した後に、バルブ２２０が開放される。第２の水詰まり解消操作は２回以上行われる場合には、バルブ２２０が開放された後、さらに所定の時間（たとえば、１秒）が経過した後に、バルブ２２０が再度閉じられる。この後、第２の水詰まり解消操作が再度行われる。第２の水詰まり解消操作は、所定の回数に達するまで繰り返し行われる。

また、上述した第１の水詰まり解消操作および第２の水詰まり解消操作は、いずれか一方のみが行われてもよく、第１の水詰まり解消操作および第２の水詰まり解消操作の両方が順番に（ただし、順不同）実施されてもよい。

上述の各実施の形態では、アノードにおいて水詰まり解消操作が行われていたが、同様な操作をカソード側において行ってもよい。すなわち、カソード側で水詰まり解消操作が行われる場合には、加圧反応ガスとして加圧された空気が用いられる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

実施の形態１に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。実施の形態１に係る燃料電池システムの運転動作を示すフローチャートである。実施の形態１に係る燃料電池システムの運転動作を示すフローチャートである。第１の水詰まり解消操作を示すフローチャートである。実施の形態２に係る燃料電池システムの運転動作を示すフローチャートである。実施の形態３に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。第２の水詰まり解消操作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池システム、４０改質装置、４６脱硫器、５０燃料電池、５２アノード、５４電解質膜、５６カソード、６０燃料用湿熱交換器、７０酸化剤用湿熱交換器、９２インバータ、１００制御装置

Claims

電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟みこんで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池と、
前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記セル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止する手段と、
燃料電池の運転停止後に、燃料電池のガス流路に通常運転時の反応ガスに比べて圧力が高い加圧反応ガスを流通させる加圧反応ガス供給手段と、
を備え、
前記加圧反応ガス供給手段は、燃料ガス用のガス流路からのガスの排出を遮断し、改質装置で生成された改質ガスを用いて、加圧反応ガスを生成した後、ガス流路から加圧反応ガスを排出させ、
当該加圧反応ガス供給手段によって、加圧反応ガスがガス流路に流通された後、ガス流路に乾燥状態の乾燥反応ガスを流通させる一方の乾燥反応ガス流通手段と、一方の乾燥反応ガスが一方のガス流路に流通する状態で、再起動され発電が開始された燃料電池のセル電圧をセル電圧検出手段により検出し、セル電圧が所定の基準電圧より低いか否かを判定する一方のセル電圧判定手段と、を備え、
一方の乾燥反応ガスが一方のガス流路に流通する状態で、当該一方のセル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止し、
当該燃料電池の運転停止後に、一方のガス流路に対向する他方のガス流路に乾燥状態の他方の乾燥反応ガスを流通させる他方の乾燥反応ガス流通手段と、
他方の乾燥反応ガスが他方のガス流路に流通する状態で、再起動され発電が開始された燃料電池のセル電圧をセル電圧検出手段により検出し、セル電圧が所定の基準電圧より低いか否かを判定する他方のセル電圧判定手段と、を備え、
他方の乾燥反応ガスが他方のガス流路に流通する状態で、当該他方のセル電圧検出手段により検出されたセル電圧が所定の基準電圧より低くなったときに、燃料電池の運転を停止することを特徴とする燃料電池システム。
前記加圧反応ガス供給手段は、ガス流路からのガスの排出を遮断し、改質装置に供給さ
れる原燃料を用いて、加圧反応ガスを生成した後、ガス流路から加圧反応ガスを排出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。