JP2007005170A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、バッファタンク７０を有しており、コントローラ１００は、燃料電池システム１の停止を行う際、バッファタンク７０内の空気を酸化剤極１２に供給する。本実施形態では、適切な量の空気を酸化剤極１２に供給できるようにするために、バッファタンク７０の容量が可変とされている。ここで、容量は、燃料極１１の圧力、燃料ガスの温度、酸化剤ガスの温度、及び燃料極１１内の燃料ガス濃度などによって決められる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池スタックの空気供給配管上に一定の容量を有するバッファタンクを設け、運転停止時に燃料電池スタック内のガスをすべて窒素雰囲気とするように、バッファタンクから空気を供給してスタック内に残存する水素を完全消費させようとする燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおいてバッファタンクは、燃料電池スタック内の水素を完全に消費できるだけの酸素分子数を有する空気量を貯蔵可能な容量となっている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２７３１０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、バッファタンクの容量が固定されているため、バッファタンク内の酸素分子数は、空気温度が高い場合に少なくなり、空気温度が低い場合に多くなる。このため、運転停止時にバッファタンク内の空気を燃料電池に供給しても、空気温度が高い場合には酸素分子数が不足することとなり、水素ガスを完全消費させることができなくなってしまう。すなわち、従来の燃料電池システムでは、水素ガスを完全消費させるだけの酸素の提供を行うことができない可能性があった。また、空気温度が低い場合には酸素分子数が過剰となり、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とする事が出来ない可能性があった。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することができ、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とすることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、酸化剤ガス供給系と、バッファタンクと、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。酸化剤ガス供給系は、通常運転時において燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給するものである。バッファタンクは燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給可能なものであり、酸化剤ガスの貯蔵容量が可変とされている。制御手段は、運転停止を行うにあたり酸化剤ガス供給系によって燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給せず、バッファタンク内の酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に供給させ、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるものである。また、制御手段は、酸化剤ガスの温度などに基き、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更するものである。

本発明によれば、燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更することとしている。このため、温度状況などの要因により、単位体積あたりの酸化剤ガスの分子数が変化する状況においても、必要な分子数を含む酸化剤ガス量が求められ、その量が貯蔵されるようにバッファタンクの容量が変更される。故に、バッファタンクには燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガスが適切に貯蔵されることとなる。従って、運転停止時において燃料ガスを完全消費させることが可能な酸化剤ガスをバッファタンクから供給することができる。さらに、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とする事ができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示す燃料電池システム１は、車両の駆動動力源として用いられるものであって、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、燃料ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０とを備えている。

燃料電池１０は、燃料ガスの供給を受ける燃料極１１及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極１２を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。

燃料ガス供給系２０は、燃料電池１０に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、図示しない水素タンクに接続され、水素タンクからの水素ガスを燃料電池１０の燃料極１１に供給するものである。この燃料ガス供給系２０は、水素ガス供給配管２１と、水素加湿器２２とを備えている。水素ガス供給配管２１は、水素タンクと燃料電池１０の燃料極１１とを接続し、水素タンクからの水素ガスを燃料電池１０の燃料極１１まで導くための流路となるものである。水素加湿器２２は、燃料電池１０の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池１０に供給する空気を加湿するものであり、内部に貯水部を有し、貯水部に蓄えられる水などによって水素ガスを加湿するようになっている。

また、燃料ガス供給系２０は、水素ガス流量調整弁２３と、水素ガス供給弁２４と、第１分岐管２５と、第２分岐管２６と、水素加湿器入口弁２７と、水素加湿器出口弁２８と、燃料極入口弁２９とを備えている。水素ガス流量調整弁２３は、水素ガス供給配管２１に設けられ、開度を調整することにより水素タンクから燃料電池１０の燃料極１１に供給される水素ガス量を制御するものである。水素ガス供給弁２４は、水素ガス流量調整弁２３と燃料極１１との間の水素ガス供給配管２１に設けられ、開閉動作することにより水素ガス供給配管２１内の流路を遮断したり開放したりするものである。

第１分岐管２５は、一端が水素ガス流量調整弁２３と水素ガス供給弁２４との間の水素ガス供給配管２１（図１中の接続点Ａ）に接続され、他端が水素加湿器２２に接続されている。また、第１分岐管２５の他端は、水素加湿器２２の貯水部まで伸びており、貯水部に蓄えられる水に浸かるようになっている。第２分岐管２６は、一端が水素加湿器２２に接続され、他端が水素ガス供給弁２４と燃料極１１との間の水素ガス供給配管２１（図１中の接続点Ｂ）に接続されている。なお、第２分岐管２６の一端は、水素加湿器２２の貯水部まで伸びているが、貯水部に蓄えられる水には浸かっていない。

また、水素加湿器入口弁２７は第１分岐管２５に設けられ、開閉動作することにより第１分岐管２５内の流路を遮断したり開放したりするものである。水素加湿器出口弁２８は、第２分岐管２６に設けられ、開閉動作することにより第２分岐管２６内の流路を遮断したり開放したりするものである。燃料極入口弁２９は、接続点Ｂと燃料極１１との間の水素ガス供給配管２１に設けられ、開閉動作することにより水素ガス供給配管２１内の流路を遮断したり開放したりするものである。

このように構成されるため、燃料極入口弁２９が開放されている場合、水素ガス流量調整弁２３の開度に応じて水素ガスが燃料電池１０の燃料極１１に供給される。また、水素ガス供給弁２４が閉じられ、水素加湿器入口弁２７及び水素加湿器出口弁２８が開けられている場合、水素ガス流量調整弁２３を介して流れてきた水素ガスは、第１分岐管２５を通じて水素加湿器２２に流入し、貯水部を通過する過程で加湿されて第２分岐管２６を通り、燃料電池１０の燃料極１１に供給される。一方、水素ガス供給弁２４が開けられ、水素加湿器入口弁２７及び水素加湿器出口弁２８が閉じられている場合、水素ガスは、水素加湿器２２を介することなく、燃料極１１に供給される。

燃料ガス排出系３０は、水素ガス排出配管３１と、燃料極出口弁３２とを備えている。水素ガス排出配管３１は、燃料電池１０の燃料極１１と外部とを接続し、燃料極１１から排出されたオフガスを外部に導くものである。燃料極出口弁３２は、水素ガス排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより水素ガス排出配管３１の流路を遮断したり開放したりしてオフガスの排出を制御するものである。

燃料ガス循環系４０は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを、燃料電池１０の燃料極１１の下流から上流に循環させるものであって、水素循環配管４１と、水素循環ポンプ４２と、水素ガス脱水器（脱水手段）４３と、水素循環配管入口弁４４と、水素循環配管出口弁４５とを備えている。水素循環配管４１は、燃料極１１から排出されたオフガスを燃料極１１の下流から上流に循環させるための流路となるものであって、一端が燃料電池１０の燃料極１１と燃料極出口弁３２との間の水素ガス排出配管３１（図１中の接続点Ｃ）に接続され、他端が燃料極入口弁２９と燃料電池１０の燃料極１１との間の水素ガス供給配管２１（図１中の接続点Ｄ）に接続されている。水素循環ポンプ４２は、水素循環配管４１に設けられており、燃料電池１０の燃料極１１から排出されたオフガスを循環させて再度燃料極１１に送り込むための循環動力源となるものである。

水素ガス脱水器４３は、燃料電池１０の発電により生成された生成水を除去するものであって、例えば水素ガスに含まれる水分を凝縮して取りだすことにより生成水を除去する構成となっている。また、水素ガス脱水器４３は、凝縮して取り出した水分を不図示の配管を通じて水素加湿器２２に送るようになっている。水素循環配管入口弁４４は、接続点Ｃと水素ガス脱水器４３との間の水素循環配管４１に設けられ、開閉動作することにより水素循環配管４１内の流路を遮断したり開放したりするものである。水素循環配管出口弁４５は水素循環ポンプ４２と接続点Ｄとの間の水素循環配管４１に設けられ、開閉動作することにより水素循環配管４１内の流路を遮断したり開放したりするものである。

このような構成であるため、燃料極１１からのオフガスは、燃料極出口弁３２が開放されると外部に排出されることとなる。他方、燃料極出口弁３２が開放されていない場合、水素循環配管入口弁４４と水素循環配管出口弁４５とが開けられ、燃料極１１からのオフガスは、水素循環ポンプ４２により燃料極１１の上流に戻されることとなる。この際に、オフガスは水素ガス脱水器４３により脱水され、余分な水分が除去される。

酸化剤ガス供給系５０は、燃料電池１０に酸化剤ガスである酸素を供給するものであって、図示しないコンプレッサに接続され、コンプレッサから圧送される空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に供給するものである。この酸化剤ガス供給系５０は、空気供給配管５１と、空気加湿器５２とを備えている。空気供給配管５１は、コンプレッサと燃料電池１０の酸化剤極１２とを接続し、コンプレッサから圧送される空気を燃料電池１０の酸化剤極１２まで導くための流路となるものである。空気加湿器５２は、燃料電池１０の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池１０に供給する空気を加湿するものであり、内部に貯水部を有し、貯水部に蓄えられる水などによって空気を加湿するようになっている。

また、酸化剤ガス供給系５０は、空気流量調整弁５３と、空気供給弁５４と、第３分岐管５５と、第４分岐管５６と、空気加湿器入口弁５７と、空気加湿器出口弁５８と、酸化剤極入口弁５９とを備えている。空気流量調整弁５３は、空気供給配管５１に設けられ、開度を調整することによりコンプレッサから燃料電池１０の酸化剤極１２に供給される空気量を制御するものである。空気供給弁５４は、空気流量調整弁５３と酸化剤極１２との間の空気供給配管５１に設けられ、開閉動作することにより空気供給配管５１内の流路を遮断したり開放したりするものである。

第３分岐管５５は、一端が空気流量調整弁５３と空気供給弁５４との間の空気供給配管５１（図１中の接続点Ｅ）に接続され、他端が空気加湿器５２に接続されている。また、第３分岐管５５の他端は、空気加湿器５２の貯水部まで伸びており、貯水部に蓄えられる水に浸かるようになっている。第４分岐管５６は、一端が空気加湿器５２に接続され、他端が空気供給弁５４と酸化剤極１２との間の空気供給配管５１（図１中の接続点Ｆ）に接続されている。なお、第４分岐管５６の一端は、空気加湿器５２の貯水部まで伸びているが、貯水部に蓄えられる水には浸かっていない。

また、空気加湿器入口弁５７は、第３分岐管５５に設けられ、開閉動作することにより第３分岐管５５内の流路を遮断したり開放したりするものである。空気加湿器出口弁５８は、第４分岐管５６に設けられ、開閉動作することにより第４分岐管５６内の流路を遮断したり開放したりするものである。酸化剤極入口弁５９は、接続点Ｆと酸化剤極１２との間の空気供給配管５１に設けられ、開閉動作することにより酸化剤極入口弁５９内の流路を遮断したり開放したりするものである。

このように構成されるため、酸化剤極入口弁５９が開放されている場合、空気流量調整弁５３の開度に応じて空気が燃料電池１０の酸化剤極１２に供給される。また、空気の供給経路は２種類あり、空気供給弁５４が閉じられ、空気加湿器入口弁５７及び空気加湿器出口弁５８が開けられている場合、空気流量調整弁５３を介して流れてきた空気は、第３分岐管５５を通じて空気加湿器５２に流入し、貯水部を通過する過程で加湿されて第４分岐管５６を通り、燃料電池１０の酸化剤極１２に供給される。一方、空気供給弁５４が開けられ、空気加湿器入口弁５７及び空気加湿器出口弁５８が閉じられている場合、空気は、空気加湿器５２を介することなく、酸化剤極１２に供給される。

酸化剤ガス排出系６０は、空気排出配管６１と、酸化剤極出口弁６２とを備えている。空気排出配管６１は、燃料電池１０の酸化剤極１２と外部とを接続し、酸化剤極１２からのオフガスを外部に導くものである。酸化剤極出口弁６２は、空気排出配管６１に設けられ、開閉動作することにより空気排出配管６１内の流路を遮断したり開放したりしてオフガスの排出を制御するものである。このような構成であるため、酸化剤極１２からのオフガスは、酸化剤極出口弁６２が開放されると外部に排出されることとなる。

さらに、燃料電池システム１は、バッファタンク７０と、タンク供給配管７１と、タンク容量制御弁７２と、タンク排出配管７３と、容量調整用排出弁７４と、第１空気供給ライン８０と、第１空気供給ライン弁８１とを備えている。

バッファタンク７０は、酸化剤ガスである空気の貯蔵容量が可変とされたタンクであり、内部空間を二分する容量調整板７０ａを有している。この容量調整板７０ａは、バッファタンク７０内をスライド可能に設けられ、バッファタンク７０内部に貯蔵可能な空気量を変更可能になっている。また、バッファタンク７０のうち容量調整板７０ａにより隔てられる一方の空間側には第１空気供給ライン８０の一端が接続されている。この第１空気供給ライン８０は、他端が酸化剤極入口弁５９と燃料電池１０の酸化剤極１２との間の空気供給配管５１（図１中の接続点Ｇ）に接続されており、バッファタンク７０内部の空気を酸化剤極１２に供給するための流路となるものである。第１空気供給ライン弁８１は、第１空気供給ライン８０に設けられ、開閉動作することにより第１空気供給ライン８０内の流路を遮断したり開放したりするものである。

このように第１空気供給ライン８０及び第１空気供給ライン弁８１が設けられているため、バッファタンク７０は、燃料電池１０の酸化剤極１２にバッファタンク７０内の空気を供給可能に構成されていることとなる。

タンク供給配管７１は、コンプレッサなどから圧送される空気をバッファタンク７０に供給するための流路となるものであり、一端が例えばコンプレッサに接続され、他端が容量調整板７０ａにより隔てられる他方側の空間につながっている。タンク容量制御弁７２は、タンク供給配管７１に設けられ、開度を調整することによりコンプレッサからバッファタンク７０の他方側空間に供給される空気量を制御するものである。

また、タンク排出配管７３は、バッファタンク７０内の空気を排出するための流路となるものであり、一端が容量調整板７０ａにより隔てられる他方側の空間につながっており、他端が外部につながっている。容量調整用排出弁７４は、タンク排出配管７３に設けられ、開閉動作することによりタンク排出配管７３内の流路を遮断したり開放したりして、バッファタンク７０の他方側空間内に存在する空気の排出を制御するものである。

このように構成されるため、タンク容量制御弁７２の開度に応じて空気がバッファタンク７０の他方側の空間に供給される。このとき、容量調整板７０ａはスライドして他方側の空間を広げていく。これにより、バッファタンク７０の一方側の空間内の容量が小さくなる。また、一方側の空間内の空気圧力を高めることにもなる。また、容量調整用排出弁７４が開けられると、バッファタンク７０内の空気は外部に排出される。このとき、容量調整板７０ａはスライドして他方側の空間を狭めていく。すなわち、バッファタンク７０の一方側の空間内の容量が大きくなる。また、一方側の空間内の空気圧力を低めることにもなる。このように、バッファタンク７０は容量が可変となっており、さらには空気圧力についても可変とできる構成となっている。

また、燃料電池システム１は、第２空気供給ライン９０と、第２空気供給ライン弁９１とを備えている。第２空気供給ライン９０は、バッファタンク７０内部の空気を燃料極１１に供給するための流路となるものであり、一端がバッファタンク７０と第１空気供給ライン弁８１との間の第１空気供給ライン８０（図１中の接続点Ｈ）に接続され、他端が接続点Ｄと燃料電池１０の燃料極１１との間の水素ガス供給配管２１（図１中の接続点Ｉ）に接続されている。第２空気供給ライン弁９１は、第２空気供給ライン９０に設けられ、開閉動作することにより第２空気供給ライン９０内の流路を遮断したり開放したりするものである。

このように第２空気供給ライン９０及び第２空気供給ライン弁９１が設けられているため、バッファタンク７０は、酸化剤極１２のみならず、内部のガスを燃料極１１にも供給可能に構成されていることとなる。

さらに、燃料電池システム１は、コントローラ（制御手段）１００と、酸化剤ガス循環系１１０とを備えている。コントローラ１００は、燃料電池システム１全体を制御するものである。このコントローラ１００は、通常運転制御と停止運転制御を行えるようになっている。

通常運転制御とは、負荷側から要求される電流量に応じた発電を行う制御である。この通常運転制御においてコントローラ１００は、燃料ガス供給系２０を制御して適量の水素ガスを燃料電池１０の燃料極１１に供給する。また、コントローラ１００は、酸化剤ガス供給系５０を制御して適量の水素ガスを燃料電池１０の酸化剤極１２に供給する。

また、停止運転制御とは、燃料電池システム１を停止させる制御であり、燃料電池１０の触媒を劣化させないようにするために、燃料電池１０内の水素ガス及び酸素を可能な限り消費させる制御である。この停止運転制御においてコントローラ１００は、燃料極入口弁２９、燃料極出口弁３２、酸化剤極入口弁５９、及び酸化剤極出口弁６２を閉じる。また、コントローラ１００は、第１空気供給ライン弁８１を開け、バッファタンク７０内の空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に供給する。これにより、コントローラ１００は燃料電池１０の燃料極１１に存在する水素ガスを消費させる。

酸化剤ガス循環系１１０は、燃料電池１０の酸化剤極１２の下流からバッファタンク７０を介して酸化剤極１２の上流にガスを循環させるものであり、上記停止運転制御の際に利用されるものである。この酸化剤ガス循環系１１０は、空気循環配管１１１と、空気循環ポンプ１１２、空気脱水器（脱水手段）１１３と、空気循環配管入口弁１１４と、空気循環配管出口弁１１５とを備えている。

空気循環配管１１１は、酸化剤極１２から排出されたオフガスを酸化剤極１２の下流から上流に循環させるために、オフガスをバッファタンク７０に送り込む流路となるものである。この空気循環配管１１１は、一端が燃料電池１０の酸化剤極１２と酸化剤極出口弁６２との間の空気排出配管６１（図１中の接続点Ｊ）に接続され、他端がバッファタンク７０の一方側の空間につながっている。空気循環ポンプ１１２は、空気循環配管１１１に設けられており、燃料電池１０の酸化剤極１２から排出されたオフガスを循環させるために、バッファタンク７０に送り込むための動力源となるものである。

空気脱水器１１３は、燃料電池１０の発電により生成された生成水を除去するものであって、例えば空気に含まれる水分を凝縮して取りだすことにより生成水を除去する構成となっている。また、空気脱水器１１３は、凝縮して取り出した水分を不図示の配管を通じて空気加湿器５２に送るようになっている。空気循環配管入口弁１１４は、接続点Ｊと空気脱水器１１３との間の空気循環配管１１１に設けられ、開閉動作することにより空気循環配管１１１内の流路を遮断したり開放したりするものである。空気循環配管出口弁１１５は空気循環ポンプ１１２とバッファタンク７０との間の空気循環配管１１１に設けられ、開閉動作することにより空気循環配管１１１内の流路を遮断したり開放したりするものである。

このような構成であるため、酸化剤極１２からのオフガスは、酸化剤極出口弁６２が開放されると外部に排出されることとなるが、停止運転制御に際しては、酸化剤極出口弁６２が閉じられ、空気循環配管入口弁１１４と空気循環配管出口弁１１５とが開けられる。そして、空気循環ポンプ１１２が駆動し、酸化剤極１２からのオフガスは空気脱水器１１３により脱水されたうえでバッファタンク７０に戻されることとなる。また、停止運転制御では、バッファタンク７０内の空気は燃料電池１０の酸化剤極１２に供給されることから、バッファタンク７０内の空気は、第１空気供給ライン８０と空気循環配管１１１とを通って循環することとなる。

なお、図１に示す燃料電池１０には、負荷装置１２０、二次電池１２１、及び電圧測定器１２２が接続されている。負荷装置１２０は、例えば燃料電池車両の駆動源となるモータなどの機器である。二次電池１２１は、補助的なバッテリであって、負荷装置１２０にて消費されない余剰電力を蓄えておき、燃料電池１０にて発電を行えなかったり発電量が不足したりする場合に負荷装置１２０に電力を供給するものである。電圧測定器１２２は、燃料電池１０の発電電圧を測定するものである。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を説明する。通常運転時において燃料電池システム１は、負荷装置１２０の要求に応じた発電を行うべく、燃料ガス供給系２０と酸化剤ガス供給系５０とを制御して適量の水素ガス及び酸素を燃料電池１０に供給する。そして、車両停止など燃料電池システム１を停止させる場合、コントローラ１００は、停止運転制御を実行する。この際、コントローラ１００は、各弁２９，３２，５９，６２を閉じ、第１空気供給ライン弁８１を開けて、バッファタンク７０内の空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に供給する。ここで、従来では、バッファタンク７０が一定容量分の空気しか貯蔵できなかったため、温度変化により酸化剤ガスが膨張した場合などには、停止運転制御において燃料電池１０の酸化剤極１２に供給する空気分子数が減少して、燃料電池１０の水素ガスを消費しきることができなかった。

しかし、本実施形態では、バッファタンク７０は容量が可変となっている。このため、停止運転制御にあたり、適切な量の空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に提供できることとなる。具体的に説明すると、コントローラ１００は、燃料電池１０の停止直前における燃料極１１の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極１１内の水素ガス濃度の少なくとも１つに基づいて、燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有できる酸素量（空気量）を演算する。そして、コントローラ１００は、演算した酸素量を貯蔵する容量にバッファタンク７０の容量を変更する。これにより、運転停止時において燃料電池１０内の水素ガスを完全消費させることが可能な酸素をバッファタンク７０から供給することができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作を示すフローチャートである。なお、図２に示す処理は、停止運転制御を示すものであり、停止運転制御が行われるまえには、通常運転制御が行われているものとする。

同図に示すように、停止運転制御にあたりコントローラ１００は、まず、水素ガス供給弁２４と空気供給弁５４とを開け、水素加湿器入口弁２７と水素加湿器出口弁２８と空気加湿器入口弁５７と空気加湿器出口弁５８とを閉じる（ＳＴ１）。そして、コントローラ１００は、第１空気供給ライン弁８１、空気循環配管入口弁１１４及び空気循環配管出口弁１１５を開ける（ＳＴ２）。

その後、コントローラ１００は、燃料電池１０の停止直前における燃料極１１の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極１１内の水素ガス濃度に基づいて、燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素量（空気量）を演算する（ＳＴ３）。次に、コントローラ１００は、空気循環ポンプ１１２を起動する（ＳＴ４）。

そして、コントローラ１００は、タンク容量制御弁７２、及び容量調整用排出弁７４を制御して、演算された酸素量を取り込めるようにバッファタンク７０の容量を変化させ、該酸素量（空気量）をバッファタンク７０内に取り込む（ＳＴ５）。これにより、バッファタンク７０内に適量の空気が取り込まれる。

その後、コントローラ１００は、空気流量調整弁５３、酸化剤極入口弁５９及び酸化剤極出口弁６２を閉じ、ガスを循環させる（ＳＴ６）。次いで、コントローラ１００は、水素ガス流量調整弁２３、燃料極入口弁２９及び燃料極出口弁３２を閉じ、水素循環配管入口弁４４及び水素循環配管出口弁４５を開け、水素循環ポンプ４２を起動して、ガスを循環させる（ＳＴ７）。このように、ガスを循環させることで、水素ガスと酸素との電気化学反応を促進させて水素ガスを素早く消費し、燃料電池システム１の運転停止を早期に行うようにしている。

その後、コントローラ１００は、両脱水器４３，１１３を作動させる（ＳＴ８）。すなわち、コントローラ１００は、空気脱水器１１３を作動させることにより運転停止の処理中に生成された生成水を除去すると共に、水素ガス脱水器４３を作動させることによりクロスリークにより酸化剤極１２側に移動してきた水を除去する。これにより、水が酸化剤極１２の流路を塞いで電気化学反応に遅れが生じてしまうことを防止している。

そして、コントローラ１００は、セル電圧が一定値以下となったか否かを判断する（ＳＴ９）。すなわち、コントローラ１００は、水素ガスと酸素とが消費されて、セル電圧が小さくなったか否かを判断している。ここで、燃料電池１０のガスは完全に消費されることが望ましいため、一定値は略「０Ｖ」に設定される。なお、一定値は「０Ｖ」に限るものではない。

セル電圧が一定値以下となっていないと判断した場合（ＳＴ９：ＮＯ）、コントローラ１００は、セル電圧が一定値以下となったと判断されるまで、この処理を繰り返す。一方、セル電圧が一定値以下となったと判断した場合（ＳＴ９：ＹＥＳ）、コントローラ１００は、燃料電池１０内の水素ガス及び酸素がほぼ消費されたと判断する。すなわち、この時点で、燃料電池１０内はほぼ窒素ガスにより占められている。

そして、コントローラ１００は、第１空気供給ライン弁８１を閉じ、第２空気供給ライン弁９１を開ける（ＳＴ１０）。これにより、コントローラ１００は窒素ガスを燃料電池１０の燃料極１１に送り込む。その後、コントローラ１００は、燃料極１１と酸化剤極１２とが等圧となったか否かを判断する（ＳＴ１１）。すなわち、コントローラ１００は、両極１１，１２を等圧とし、燃料電池システム１の停止処理を完了させることができるか否かを判断している。

燃料極１１と酸化剤極１２とが等圧となっていないと判断した場合（ＳＴ１１：ＮＯ）、コントローラ１００は、燃料極１１と酸化剤極１２とが等圧となったと判断するまで、この処理を繰り返す。一方、燃料極１１と酸化剤極１２とが等圧となったと判断した場合（ＳＴ１１：ＹＥＳ）、燃料電池システム１の停止処理が完了することとなる。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素量（空気量）を演算し、演算した酸素量を貯蔵する容量にバッファタンク７０の容量を変更することとしている。このため、温度状況などの要因により、単位体積あたりの酸素分子数が変化する状況においても、必要な分子数を含む酸素量が求められ、その量が貯蔵されるようにバッファタンク７０の容量が変更される。故に、バッファタンク７０には水素ガスを消費させるだけの分子数を有する酸素が適切に貯蔵されることとなる。従って、運転停止時において水素ガスを完全消費させることが可能な酸素をバッファタンクから供給することができ、さらに、スタック内のガスを全て窒素雰囲気とすることができる。

また、バッファタンク７０内の空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に供給させて燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させた後に、バッファタンク７０内のガスを燃料電池１０の燃料極１１に供給して、燃料極１１と酸化剤極１２とを等圧とさせることとしている。このため、速やかに燃料極１１と酸化剤極１２とを等圧とし、燃料電池システム１の運転停止を早期に行うことができる。

また、バッファタンク７０内の空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に供給させて燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させるにあたり、酸化剤ガス循環系１１０（第１空気供給ライン８０を含む）及び燃料ガス循環系４０においてそれぞれのガスを循環させることとしている。このため、水素ガスと酸素との電気化学反応を促進させて水素ガスを素早く消費し、燃料電池システム１の運転停止を早期に行うことができる。

また、バッファタンク７０内の空気を燃料電池１０の酸化剤極１２に供給させて燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させるにあたり、両脱水器４３，１１３を作動させて生成水を除去するので、運転停止の処理中に生成された生成水が酸化剤極１２の流路などを塞ぐことを防止できる。これにより、電気化学反応の遅れを防止し、燃料電池システム１の運転停止を早期に行うことができる。

また、燃料極１１の圧力、水素ガスの温度、空気の温度、及び燃料極１１内の水素ガス濃度の少なくとも１つに基づいて、燃料電池１０の燃料極１１に残存する水素ガスを消費させるだけの分子数を有する空気量を演算するので、正確にバッファタンク７０の容量を演算することができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態において、燃料ガスを水素ガスとし酸化剤ガスを酸素としているが、これに限らず、他の気体であってもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 制御装置の制御内容を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…燃料極
１２…酸化剤極
２０…燃料ガス供給系
２１…水素ガス供給配管
２２…水素加湿器
２３…水素ガス流量調整弁
２４…水素ガス供給弁
２５…第１分岐管
２６…第２分岐管
２７…水素加湿器入口弁
２８…水素加湿器出口弁
２９…燃料極入口弁
３０…燃料ガス排出系
３１…水素ガス排出配管
３２…燃料極出口弁
４０…燃料ガス循環系
４１…水素循環配管
４２…水素循環ポンプ
４３…水素ガス脱水器（脱水手段）
４４…水素循環配管入口弁
４５…水素循環配管出口弁
５０…酸化剤ガス供給系
５１…空気供給配管
５２…空気加湿器
５３…空気流量調整弁
５４…空気供給弁
５５…第３分岐管
５６…第４分岐管
５７…空気加湿器入口弁
５８…空気加湿器出口弁
５９…酸化剤極入口弁
６０…酸化剤ガス排出系
６１…空気排出配管
６２…酸化剤極出口弁
７０…バッファタンク
７０ａ…容量調整板
７１…タンク供給配管
７２…タンク容量制御弁
７３…タンク排出配管
７４…容量調整用排出弁
８０…第１空気供給ライン
８１…第１空気供給ライン弁
９０…第２空気供給ライン
９１…第２空気供給ライン弁
１００…コントローラ（制御手段）
１１０…酸化剤ガス循環系
１１１…空気循環配管
１１２…空気循環ポンプ
１１３…空気脱水器（脱水手段）
１１４…空気循環配管入口弁
１１５…空気循環配管出口弁
１２０…負荷装置
１２１…二次電池
１２２…電圧測定器

Claims (4)

1. 燃料ガスの供給を受ける燃料極及び酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   通常運転時において前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系と、
   前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給可能なバッファタンクと、
   運転停止を行うにあたり前記酸化剤ガス供給系によって前記燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給せず、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させ、前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させる制御手段と、を備え、
   前記バッファタンクは、酸化剤ガスの貯蔵容量が可変とされており、
   前記制御手段は、燃料極の圧力、燃料ガスの温度、酸化剤ガスの温度、及び燃料極内の燃料ガス濃度の少なくとも１つに基づいて、前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるだけの分子数を有する酸化剤ガス量を演算し、演算した酸化剤ガス量を貯蔵する容量にバッファタンクの容量を変更する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記バッファタンクは、前記燃料電池の燃料極に酸化剤ガスを供給可能となっており、
   前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させた後に、バッファタンク内のガスを前記燃料電池の燃料極に供給して、燃料極と酸化剤極とを等圧とさせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の酸化剤極下流からバッファタンクを介して酸化剤極上流にガスを循環させる酸化剤ガス循環系と、
   前記燃料電池の燃料極の下流から上流にガスを循環させる燃料ガス循環系と、を備え、
   前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるにあたり、前記酸化剤ガス循環系及び前記燃料ガス循環系においてそれぞれガスを循環させる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池での発電により生成された生成水を除去する脱水手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記バッファタンク内の酸化剤ガスを前記燃料電池の酸化剤極に供給させて前記燃料電池の燃料極に残存する燃料ガスを消費させるにあたり、前記脱水手段を作動させて生成水を除去する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
   

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