CN103098280B - 燃料电池系统及其运转方法 - Google Patents

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Abstract

负极气体非循环型的燃料电池系统具备：燃料电池堆，其是层叠多个燃料电池单元而构成的；缓冲罐，其用于将从燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部；杂质气体浓度检测部，其检测缓冲罐的内部的杂质气体浓度；以及负极气体供给器，其向燃料电池堆供给负极气体。在利用负极气体供给器使供给压力脉动来将燃料电池堆内的杂质气体加压输送至缓冲罐时进行如下启动控制：根据由杂质气体浓度检测部检测出的缓冲罐内的杂质气体浓度，利用负极气体供给器使供给负极气体时的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化。根据上述燃料电池系统，能够在启动时确保燃料电池堆内的氢气浓度并去除杂质气体。

Description

燃料电池系统及其运转方法
技术领域
本发明涉及负极(anode)气体非循环型的燃料电池系统及其运转方法。
背景技术
下述专利文献1所公开的以往的负极气体非循环型燃料电池系统具备层叠多个燃料电池单元[fuel cells]而构成的燃料电池堆[fuel cell stack]，具备氢罐、供给切断阀以及压力调节阀作为对该燃料电池堆供给负极气体的供给系统。另外，具备存留罐(缓冲罐)、排出切断阀(净化阀)作为从燃料电池堆排出负极排出气体的排出系统。
在上述燃料电池系统中，设定向燃料电池堆的负极气体的供给量少的第一控制状态和供给量多的第二控制状态，重复第一控制状态和第二控制状态来使负极气体的供给压力脉动。其结果，抑制杂质蓄积在一部分燃料电池单元中，并且将负极排出气体排出到存留罐。
专利文献1：日本特开2008-97966号公报
发明内容
一般来说，在负极气体非循环型燃料电池系统中，当系统长时间停止时，有在燃料电池堆内部残留大量的杂质气体[impurity gas](主要为氮气)的趋势。当在电池堆内部残留有大量的杂质气体的状况下启动燃料电池系统时，随着燃料电池堆内部被置换为氢气，残留杂质气体被排出到缓冲罐，缓冲罐内的残留杂质气体(氮气)浓度变高。
因此，当在系统启动时使负极气体供给压力脉动时，存在以下的情况：在供给压力下降时高浓度的杂质气体(氮气)从缓冲罐反向流动至燃料电池堆内。其结果，存在以下的问题：在燃料电池堆的作用区域(发电区域)的负极气体出口侧处氢分压不足而燃料电池单元电压降低，或者在最坏的情况下，燃料电池单元劣化。
本发明的目的在于提供一种能够在负极气体非循环型燃料电池系统启动时确保燃料电池堆内的氢气浓度并去除杂质气体的燃料电池系统的运转方法。
本发明的第一特征提供了一种负极气体非循环型的燃料电池系统，其特征在于，具备：燃料电池堆，其是层叠多个燃料电池单元而构成的；缓冲罐，其用于将从上述燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部；杂质气体浓度检测部，其检测上述缓冲罐的内部的杂质气体浓度；以及负极气体供给器，其向上述燃料电池堆供给负极气体，其中，在利用上述负极气体供给器使供给压力脉动来将上述燃料电池堆内的杂质气体加压输送至上述缓冲罐时，根据由上述杂质气体浓度检测部检测出的上述缓冲罐内的杂质气体浓度，利用上述负极气体供给器使供给负极气体时的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化，来进行启动控制。
本发明的第二特征提供了一种燃料电池系统的运转方法，该燃料电池系统具备层叠多个燃料电池单元而构成的燃料电池堆以及用于将从上述燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部的缓冲罐，并且该燃料电池系统是具有通过使对上述燃料电池堆供给的负极气体的供给压力脉动来将上述燃料电池堆内的杂质气体加压输送至上述缓冲罐的构造的负极气体非循环型的燃料电池系统，上述燃料电池系统还具备检测上述缓冲罐的内部的杂质气体浓度的杂质气体浓度检测器，在该燃料电池系统的运转方法中，进行以下的启动控制：根据由上述杂质气体浓度检测器检测出的上述缓冲罐内的杂质气体浓度，使供给至上述燃料电池堆的负极气体的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化。
附图说明
图1是负极气体非循环型的燃料电池系统的实施方式的结构图。
图2是燃料电池单元的分解平面图。
图3是燃料电池单元的平面图。
图4是燃料电池系统的运转方法的实施方式的流程图。
图5是表示负极流路中的氮气浓度的时间变化的图表。
图6是用于求出脉动压力的基本对应表。
图7是用于求出脉动压力的校正对应表。
图8是用于求出脉动周期的对应表。
图9中，(a)是表示脉动压力控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示脉动压力控制下的时间-堆温度的关系的图表、(c)是表示脉动压力控制下的时间-缓冲罐内氮气浓度的关系的图表，以及(d)是表示脉动压力控制下的时间-堆内氮气浓度的关系的图表。
图10中，(a)是表示脉动周期控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示脉动周期控制下的时间-堆温度的关系的图表，(c)是表示脉动周期控制下的时间-缓冲罐内氮气浓度的关系的图表，以及(d)是表示脉动周期控制下的时间-堆内氮气浓度的关系的图表。
图11中，(a)是表示其它脉动压力控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示其它脉动压力控制下的时间-堆温度的关系的图表，(c)是表示其它脉动压力控制下的时间-缓冲罐内氮气浓度的关系的图表，以及(d)是表示其它脉动压力控制下的时间-堆内氮气浓度的关系的图表。
图12中，(a)是表示其它脉动周期控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示其它脉动周期控制下的时间-堆温度的关系的图表，(c)是表示其它脉动周期控制下的时间-缓冲罐内氮气浓度的关系的图表，以及(d)是表示其它脉动周期控制下的时间-堆内氮气浓度的关系的图表。
图13中，(a)是表示与生成水相应的通常脉动控制下的时间-负极气体供给压力的关系的图表，(b)是表示与生成水相应的通常脉动控制下的时间-堆温度的关系的图表，(c)是表示与生成水相应的通常脉动控制下的时间-单元内生成水量的关系的图表，以及(d)是表示与生成水相应的通常脉动控制下的时间-负极流路生成水的关系的图表。
具体实施方式
图1中示出了能够应用燃料电池系统的运转方法的一个实施方式的燃料电池系统。该燃料电池系统是负极气体非循环型的系统，在该负极气体非循环型的系统中，负极气体沿一个方向从供给侧向排出侧流通。
燃料电池系统具备层叠多个(单位)燃料电池单元FC而构成的燃料电池堆FS。另外，燃料电池堆FS上连接有正极(cathode)气体(氧化剂气体[oxidant gas]：空气)供给路径31和排出路径32、负极气体(燃料气体[fuel gas]：氢气)供给路径33和排出路径34、以及冷却流体[coolant]循环路径35。
如图2和图3所示，燃料电池单元FC具备膜电极结构体[membrane electrode structure]2和两块隔板3，其中，该膜电极结构体2在周围具有框架1，该两块隔板3夹持框架1和膜电极结构体2。
框架1通过树脂成形(例如喷出成形)而与膜电极结构体2形成为一体，在本实施方式中，具有将膜电极结构体2配置于中央的长方形状。另外，在框架1的两端上分别形成有三个歧管孔[manifold holes]H1～H6。歧管孔与膜电极结构体2之间的区域为后述的扩散部[diffuser section]D。
膜电极结构体2一般被称为MEA(Membrane ElectrodeAssembly：膜电极组件)，例如具有以燃料极层[fuel electrodelayer](负极)和空气极层[oxidant electrode layer](正极)挟持由固体高分子[solid polymer]构成的电解质层[electrolyte layer]的构造。
各隔板3都是具有与框架1大致相等的纵横尺寸的长方形状，与框架1和膜电极结构体2之间分别形成正极气体流路和负极气体流路。隔板3是分别对不锈钢等金属板进行冲压成形而形成的，该隔板3的与膜电极结构体2对应的中央部分在短边方向的截面形成为波形状。该波形状形成为在长边方向上连续，其内面凸部与膜电极结构体2接触，并且，其内面凹部形成气体流路。
另外，各隔板3的两端还分别形成有与框架1的歧管孔H1～H6同等的歧管孔H1～H6。歧管孔与截面为波形状的部分之间的区域为后述的扩散部D。
框架1和膜电极结构体2以及一对隔板3相重叠来构成燃料电池单元FC。如图3所示那样，燃料电池单元FC在中央具备作为膜电极结构体2的区域的发电部[power section]G。在发电部G的两侧，分别设置有进行反应气体[reactant gas]的供给或排出的歧管部[manifold section]M以及在歧管部M与发电部G之间的扩散部D。
当层叠多个燃料电池单元FC时，歧管孔H1～H6分别在层叠方向上形成流路。在图3中左侧的一方的歧管部M中，歧管孔H1形成正极气体供给流路，歧管孔H2形成冷却流体供给流路，歧管孔H3形成负极气体供给流路。另外，在图3中的右侧的另一方的歧管部M中，歧管孔H4形成负极气体排出流路，歧管孔H4形成冷却流体排出流路，歧管孔H6形成正极气体排出流路。此外，也可以将供给流路和排出流路的一部分或全部配置成相反的位置关系。
将多个上述的燃料电池单元FC如图1所示那样层叠并在两侧安装端板E，来构成燃料电池堆FS。此时，在燃料电池堆FS中，利用安装在一方的端板E上的弹性体来在层叠方向上对层叠的燃料电池单元FC加压，由此对各燃料电池单元FC施加规定的接触面压力，以维持良好的气体密封性、导电性等。
在具备上述的燃料电池堆FS的燃料电池系统中，在正极气体供给路径31上设置有压缩机等空气供给器[air supply unit]36以及对来自空气供给器36的供气进行加湿的加湿器[humidifier]37。另外，正极气体排出路径32将从燃料电池堆FS排出的正极气体(正极排气[cathode off-gas])中所包含的水蒸气供给到加湿器37，在加湿器37的下游通过背压调整阀[backpressure regulation valve]38将正极排气释放到大气中。
负极气体供给路径33设置为从氢罐39到燃料电池堆FS，在其中途设置有氢调整阀40和氢压力传感器41。在此，氢罐39、负极气体供给路径33、氢调整阀40以及氢压力传感器41作为向燃料电池堆FS供给负极气体(氢气)的负极气体供给器而发挥功能。另外，负极气体排出路径34设置为从燃料电池堆FS到缓冲罐42。从燃料电池堆FS排出的负极气体(负极排气[anodeoff-gas])中含有氮气、水蒸气等杂质气体，因此通过负极气体排出路径34将负极排气排出到缓冲罐42。
缓冲罐42具备：水平传感器43，其用于检测存留于该缓冲罐42内部的水的量，排水阀[drain valve]44，其用于将水排出到外部；以及氮净化阀45，其用于将氮气释放到大气中。
冷却流体循环路径35使经散热器46冷却过的冷却流体循环。在冷却流体循环路径35上设置有循环泵47以及三通阀49。冷却流体循环路径35上连接有将散热器46旁路的旁通路径48，三通阀49配置于旁通路径48的上游端与循环路径35的连接点。另外，在燃料电池堆FS中设置有用于检测其内部的温度(堆温度)的堆温度检测器[stack temperature detector](温度传感器[temperature sensor])50。
并且，燃料电池系统具备用于对空气供给器36、氢调整阀40、排水阀44、氮净化阀45、循环泵47以及三通阀49等进行控制的控制器51。
控制器51中存储有各种设备的控制程序，控制器51具备用于执行本实施方式的运转方法的启动控制部52以及测量系统停止时间的计时器53。另外，将来自氢压力传感器41、水平传感器43以及堆温度检测器50的检测信号、燃料电池堆FS的电流值以及各燃料电池单元FC的电流值等输入到控制器51。
启动控制部52中存储有表示堆温度与杂质气体的产生量之间的关系的数据以及负极气体用的供给压力对应表等。供给压力对应表是根据燃料电池堆FS的温度、负荷来适当地设定负极气体的供给压力的基准对应表。
在此，考虑燃料电池堆FS的运转温度(约80℃)以及在冰点下的环境以停止状态长时间放置的情况，将燃料电池堆FS的动作温度范围假设为-20～80℃。通过基于堆温度进行估计，能够检测氮气浓度。另外，能够基于大气温度、系统停止时间等来间接地估计启动时的堆温度、氮气浓度。
控制器51的启动控制部52具有通过估计来检测燃料电池堆FS、缓冲罐42的内部的氮气浓度的功能，作为杂质气体浓度检测部而发挥功能。即，启动控制部52利用预先存储的各种数据来估计氮气浓度从而检测氮气浓度。
在本实施方式的燃料电池系统的运转方法中，通过使用启动控制部52的氮气浓度的检测功能，来进行启动控制。在启动控制过程中，基于堆温度来改变负极气体的脉动压力ΔP和脉动周期ΔT的至少一方。
在此，脉动压力ΔP是指脉动的上限压力与下限压力之差(参照图9的(a))。因而，脉动压力ΔP的设定也就是对上限压力和下限压力进行设定。另外，脉动周期ΔT既可以是维持上限压力的时间(参照图10的(a))，也可以是由上限压力和下限压力形成的一个间距的量的时间。
具体地说，在由堆温度检测器50检测出的堆温度未达到规定温度Ts的情况下，进行使脉动压力ΔP比通常脉动控制的脉动压力小的启动控制和/或使脉动周期ΔT比通常脉动控制的脉动周期长的启动控制。
并且，除了上述控制以外，在由计时器53测量出的停止时间大于等于规定时间ts的情况下，进行使脉动压力ΔP比通常脉动控制的脉动压力小的启动控制和/或使脉动周期ΔT比通常脉动控制的脉动周期长的启动控制。此外，当然也能够对脉动压力ΔP和脉动周期ΔT这两方进行控制。
参照图4所示的流程图，来说明本实施方式的燃料电池系统的运转方法。本实施方式能够适当地应对在燃料电池堆FS内部的杂质气体残留量多的状态下启动时的不合适。即，本实施方式能够适当地应对在低温环境下长时间停止后启动时由负极气体的供给压力的脉动所引起的杂质气体的反向流动。因而，在本实施方式中，首先进行停止时间的判断。
当启动系统时，判断由计时器53测量出的停止时间是否大于等于规定时间(步骤S1)。在此，基于存储在启动控制部52中的上述的数据来设定规定时间。
在停止时间未达到规定时间的情况下(步骤S1：“否”)，视作燃料电池堆FS内的杂质气体残留量少，进行使负极气体的供给压力脉动的通常脉动控制(步骤S5)。对燃料电池堆FS供给负极气体，将燃料电池堆FS内的杂质气体(氮气)排出到缓冲罐42。由于启动时的燃料电池堆FS内的氮气残留量少，因此排出到缓冲罐42的氮气量也少，即使进行通常脉动控制也不会产生从缓冲罐42向燃料电池堆FS的反向流动。
另一方面，在停止时间大于等于规定时间的情况下(步骤S1：“是”)，视作燃料电池堆FS内的氮气残留量多，进行使上述的负极气体的脉动压力ΔP、脉动周期ΔT变化的启动控制。
此外，如图5所示，燃料电池堆FS(负极流路)内的氮气浓度在系统停止后渐渐增加，但是系统停止后到规定时间ts之前氮气浓度都较低。因而，在系统在规定时间ts内重新启动的情况下，即使进行通常脉动控制，氮气残留量也较少，不会对发电产生影响。因此，如上所述那样在步骤S1中判断停止时间。在此，负极流路意味着包括燃料电池单元FC、燃料电池堆FS以及配管系统在内的所有负极侧的气体流通区域。
在步骤S1为肯定的情况下，为了进行用于抑制氮气从缓冲罐42的反向流动的启动控制，对负极气体的脉动压力ΔP、脉动周期ΔT进行设定(步骤S2)。具体地说，基于图6所示的表示堆温度与负极气体供给压力的关系的对应表，根据堆温度来获取脉动上限压力和脉动下限压力的值。此时，需要根据燃料电池堆FS的负荷(电流值)来对获取到的脉动上限压力和脉动下限压力的值进行校正，使用基于图7所示的对应表求出的压力校正系数来进行校正。另外，基于图8所示的对应表来求出脉动周期ΔT。像这样根据燃料电池堆FS的温度来设定负极气体的脉动压力ΔP、脉动周期ΔT的理由如下。
在缓冲罐42内的氮气浓度高的状态下启动时，通过一边进行负极气体的脉动和净化一边持续发电，缓冲罐42内的氮气浓度降低，并且由于发电而燃料电池堆FS的温度上升。因而，在设想启动时的情况下，能够以燃料电池堆FS的温度来代替缓冲罐42内的氮气浓度。燃料电池堆FS的温度越高，缓冲罐42内的氮气浓度越稀薄，因此越难以产生氮气的反向流动，越能够使脉动压力ΔP比启动初期大。
另外，如果燃料电池堆FS的温度变高则从正极侧的氮气的透过量变大。因此，以启动初期的较小脉动压力ΔP无法将从正极侧透过的氮气(正极排气)充分排出到缓冲罐42内。在这种情况下，存在无法确保发电区域的氢分压的可能性。因此，将燃料电池堆FS的温度作为氮气浓度(透过度)的替代值，燃料电池堆FS的温度越高，将脉动压力ΔP设定得越大。如果这样，则即使从正极侧透过的氮气(正极排气)量增加，也能够确保发电区域的氢分压。
这样，能够基于图6和图7的对应表，根据燃料电池堆FS的温度来设定考虑到缓冲罐42内的氮气浓度以及从正极侧的氮气的透过量的最优的脉动压力ΔP。
更具体地说，如图9的(a)所示，脉动压力ΔP设定为比通常脉动控制时的脉动压力小。如图10的(a)所示，脉动周期ΔT设定为比通常脉动控制时的脉动周期长。在步骤S2之后，基于所设定的脉动压力ΔP和/或脉动周期ΔT来执行启动控制(步骤S3)。
在启动控制的期间，判断由堆温度检测器50检测出的堆温度是否大于等于规定温度Ts(步骤S4)。在堆温度大于等于规定温度Ts的情况下(步骤S4：“是”)，视作燃料电池堆FS(燃料电池单元FC)内的氮气浓度已足够低，转变为通常脉动控制(步骤S5)。
另一方面，在堆温度未达到规定温度Ts的情况下(步骤S4：“否”)，视作氮气的透过量变少且缓冲罐42内的氮气浓度尚未足够低，继续持续进行使用脉动压力ΔP和/或脉动周期ΔT的启动控制(步骤S3)。这样，为了对负极气体的脉动条件进行校正，根据堆温度来切换为启动控制或通常脉动控制，将负极气体的脉动条件校正为适于启动时的条件。
当如图9的(a)所示那样减小脉动压力ΔP来启动燃料电池系统时，如图9的(b)所示那样，由于燃料电池堆FS的发电而堆温度上升，如图9的(c)所示那样，缓冲罐42内的氮气浓度减少。缓冲罐42内的氮气浓度减少是由于：燃料电池堆FS内的氮气被所供给的负极气体排出缓冲罐42，并且，利用负极排气将缓冲罐42内的氮气通过氮净化阀45排出到外部。
另外，燃料电池堆FS内的氮气浓度如图9的(d)所示那样，随着紧接在启动之后的负极气体供给压力的增加而急速减少，之后，由于启动控制过程中的较小的脉动压力ΔP的压力脉动而有极少量的氮气从缓冲罐42反向流动而发生微小变动。但是，由于脉动压力ΔP小，因此反向流动量极少，燃料电池堆FS内的氮气浓度被维持为较低，氮气浓度不会对发电造成影响。而且，在转变为通常脉动控制之后，通过以较大的脉动压力ΔP充分排出，燃料电池堆FS内的氮气浓度大致变为零。此外，在转变为通常脉动控制时，缓冲罐42内的氮气浓度低，即使增大脉动压力ΔP，氮气也不会从缓冲罐42反向流动。
当如图10的(a)所示那样延长脉动周期ΔT来启动燃料电池系统时，如图10的(b)所示，由于燃料电池堆FS的发电而堆温度上升，如图10的(c)所示，缓冲罐42内的氮气浓度减少(理由如上所述)。另外，燃料电池堆FS内的氮气浓度如图10的(d)所示那样，随着紧接在启动之后的负极气体供给压力的增加而急速减少，之后，由于启动控制过程中的较长脉动周期ΔT的压力脉动而有极少量的氮气从缓冲罐42反向流动而发生微小变动。但是，由于脉动周期ΔT长，因此反向流动量极少(反向流动频度小)，燃料电池堆FS内的氮气浓度被维持为较低，氮气浓度不会对发电造成影响。而且，在转变为通常脉动控制转变之后，通过以较短的脉动周期ΔT充分排出，燃料电池堆FS内的氮气浓度大致变为零。此外，在转变为通常脉动控制时，缓冲罐42内的氮气浓度低，即使缩短脉动周期ΔT，氮气也不会从缓冲罐42反向流动。
在本实施方式的燃料电池系统的运转方法中，检测缓冲罐42内的杂质气体(主要为氮气)的浓度，进行使负极气体的脉动压力ΔP和/或脉动周期ΔT与通常脉动控制不同的启动控制。因而，降低在长时间停止后启动时杂质气体从缓冲罐42的反向流动量，从而能够充分确保燃料电池堆FS内的氢气浓度并去除杂质气体。另外，根据上述的杂质气体浓度的检测方法，能够利用最低限度的传感器类来进行控制，系统简化等也成为可能。
此外，在由大量的燃料电池单元FC构成的燃料电池堆FS的内部残留较多杂质气体的环境下，在各燃料电池单元FC的负极侧处凝结的残留水量存在偏差。当在这种状况下由于负极气体供给压力的脉动而产生杂质气体的反向流动时，在残留水量多的燃料电池单元FC中，负极气体出口侧处的氢分压不足更为显著
在本实施方式的燃料电池系统的运转方法中，即使各燃料电池单元FC的残留水量存在偏差，杂质气体从缓冲罐42的反向流动量也较少，因此解除了各燃料电池单元FC中氢分压不足，从而能够防止燃料电池单元FC的电压的降低、燃料电池单元FC的劣化。
另外，通过基于堆温度来控制负极气体供给压力，能够根据启动时的燃料电池堆FS的状况来进行更高精度的控制。并且，通过基于系统的停止时间来控制负极气体供给压力，也能够根据启动时的燃料电池堆FS的状况来进行更高精度的控制。
此外，在本实施方式中，在启动控制过程中堆温度变为规定温度Ts以上时(步骤S4：“是”)，转变为通常脉动控制(步骤S5)。但是，也可以在从启动起经过规定时间之后从启动控制转变为通常脉动控制。
另外，也能够随着由堆温度检测器50检测出的堆温度的上升，来进行使脉动压力ΔP渐渐增大的启动控制以及使脉动周期ΔT渐渐变短的启动控制过程中的至少一方。此外，当然也能够对脉动压力ΔP和脉动周期ΔT这两方进行控制。
具体地说，如图11的(a)所示，随着堆温度上升，启动控制过程中的脉动压力ΔP逐渐增大。如图11的(b)所示，堆温度由于燃料电池堆FS的发电而上升，如图11的(c)所示，缓冲罐42内的氮气浓度减少(理由如上所述)。
另外，燃料电池堆FS内的氮气浓度如图11的(d)所示那样，随着紧接在启动之后的负极气体供给压力的增加而急速减少，之后，紧接在启动之后由于较小的脉动压力ΔP的压力脉动而有极少量的氮气从缓冲罐42反向流动而发生微小变动。但是，由于脉动压力ΔP小，因此反向流动量极少，燃料电池堆FS内的氮气浓度被维持为较低，氮气浓度不会对发电造成影响。之后，配合缓冲罐42内的氮气浓度的降低，使脉动压力ΔP渐渐增大。但是，即使由于脉动压力ΔP的增大而气体从缓冲罐42的反向流动量增加，氮气的反向流动量也由于缓冲罐42内的氮气浓度降低而不会增加。因而，更快地充分发挥以下效果：解除由于脉动而使杂质蓄积在燃料电池单元FC内的情况。
如图12的(a)所示，随着堆温度上升来渐渐缩短启动控制过程中的脉动周期ΔT。由此，如图12的(b)所示，由于燃料电池堆FS的发电而堆温度上升，如图12的(c)所示，缓冲罐42内的氮气浓度减少(理由如上所述)。
另外，燃料电池堆FS内的氮气浓度如图12的(d)所示那样，随着紧接在启动之后的负极气体供给压力的增加而急速减少，之后，紧接在启动之后由于较长脉动周期ΔT的压力脉动而有极少量的氮气从缓冲罐42反向流动而发生微小变动。但是，由于脉动周期ΔT长，因此反向流动量极少(反向流动频度小)，燃料电池堆FS内的氮气浓度被维持为较低，氮气浓度不会对发电造成影响。之后，配合缓冲罐42内的氮气浓度的降低，渐渐缩短脉动周期ΔT(反向流动频度增加)。但是，即使由于脉动周期ΔT的缩短(反向流动频度增加)而气体从缓冲罐42的反向流动量增加，氮气的反向流动量也由于缓冲罐42内的氮气浓度降低而不会增加。因而，更快地充分发挥以下效果：解除由于脉动而使杂质蓄积在燃料电池单元FC内的情况。
此外，图9所示的脉动压力控制能够与图10或图12的脉动压力控制同时进行。同样地，图11所示的脉动压力控制也能够与图10或图12的脉动压力控制同时进行。
另外，在上述的燃料电池系统中，在燃料电池堆FS的负极流路中产生生成水的情况下，能够进行将负极气体的脉动压力ΔP、脉动周期ΔT维持为固定的通常脉动控制。使用生成水检测功能(生成水检测器)来估计生成水的产生。
在这种情况下，生成水随着发电而增加，另外，每个燃料电池单元FC的产生生成水量也预先获知。因此，能够估计出包括燃料电池堆FS、配管系统在内的整个负极流路中的生成水量。控制器51的启动控制部52作为通过估计来检测负极流路中的生成水的产生的生成水估计器而发挥功能。
具体地说，如图13的(d)所示那样检测到负极流路中的生成水产生。在进行上述的启动控制(图9～图12所示的控制以及它们的组合控制)之后，转变为通常脉动控制。然后，在通常脉动控制过程中，在检测到生成水的产生的情况下，将脉动压力ΔP和/或脉动周期ΔT维持为固定。
此时，如图13的(b)所示，由于燃料电池堆FS的发电而堆温度上升，如图13的(c)所示，随着发电而燃料电池单元FC内的生成水量增加，但是通过通常脉动控制将生成水从燃料电池堆FS排出。
根据上述的实施方式，防止了在长时间停止后启动时杂质气体从缓冲罐42的反向流动，从而能够充分确保燃料电池堆FS内的氢气浓度并去除杂质气体。
燃料电池系统的运转方法并不限定于上述实施方式。例如。也可以如图1中虚线所示那样设置检测缓冲罐42内的氮气浓度的氮气检测器54来代替启动控制部52的杂质气体浓度估计功能。使用氮气传感器来作为氮气检测器54。在这种情况下，以由氮气检测器54检测出的氮气浓度代替由启动控制部52估计出的杂质气体浓度来用于控制过程中。
另外，也可以如图1中虚线所示那样设置检测燃料电池堆FS的负极侧的氮气浓度的氮气检测器55。使用氮气传感器来作为氮气检测器55。在这种情况下，将由氮气检测器55检测出的氮气浓度而不是估计出的氮气浓度用于控制过程中。
由于通过氮气检测器54、氮气检测器55对缓冲罐42内、燃料电池堆FS内的氮气浓度进行实际测量，因此能够进行与启动时的燃料电池系统的状况对应的高精度的控制。
此外，负极气体的浓度为：“氢浓度≈100-氮浓度-水蒸气浓度”。能够基于燃料电池的运转状态来在某种程度上对水蒸气浓度进行估计。即，只要知道氮浓度就知道氢浓度，因此也能够使用氢浓度传感器来估计氮气浓度。因而，也能够使用氢气检测器来代替氮气检测器54、氮气检测器55。
日本专利申请第2010-202267号(2010年9月9日申请)的全部内容作为参照被本说明书引用。通过参照本发明的实施方式来如上所述那样对本发明进行了说明，但是本发明并不限定于上述的实施方式。本发明的范围是依照权利要求书来决定的。

Claims (8)

1.一种负极气体非循环型的燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池堆，其是层叠多个燃料电池单元而构成的；
缓冲罐，其用于将从上述燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部；
杂质气体浓度检测部，其检测上述缓冲罐的内部的杂质气体浓度；以及
负极气体供给器，其向上述燃料电池堆供给负极气体，
其中，在利用上述负极气体供给器使供给压力脉动来将上述燃料电池堆内的杂质气体加压输送至上述缓冲罐时进行如下启动控制：根据由上述杂质气体浓度检测部检测出的上述缓冲罐内的杂质气体浓度，利用上述负极气体供给器使供给负极气体时的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化，上述脉动压力是脉动的上限压力与下限压力之差，
上述负极气体供给器在上述启动控制过程中，在上述杂质气体浓度高时与上述杂质气体浓度低时相比，将上述脉动压力设定得小、或者将上述脉动周期设定得长。
2.一种燃料电池系统的运转方法，该燃料电池系统具备层叠多个燃料电池单元而构成的燃料电池堆以及用于将从上述燃料电池堆排出的负极排气所包含的杂质气体排出到外部的缓冲罐，并且该燃料电池系统是具有通过使对上述燃料电池堆供给的负极气体的供给压力脉动来将上述燃料电池堆内的杂质气体加压输送至上述缓冲罐的构造的负极气体非循环型的燃料电池系统，
上述燃料电池系统还具备检测上述缓冲罐的内部的杂质气体浓度的杂质气体浓度检测器，
在该燃料电池系统的运转方法中进行如下的启动控制：根据由上述杂质气体浓度检测器检测出的上述缓冲罐内的杂质气体浓度，使供给至上述燃料电池堆的负极气体的脉动压力和脉动周期中的至少一方发生变化，上述脉动压力是脉动的上限压力与下限压力之差，
在上述启动控制过程中，在上述杂质气体浓度高时与上述杂质气体浓度低时相比，将上述脉动压力设定得小、或者将上述脉动周期设定得长。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，
上述杂质气体浓度检测器是检测上述燃料电池堆的温度的堆温度检测器，在由上述堆温度检测器检测出的上述燃料电池堆的温度未达到规定温度的情况下，将上述脉动压力设定得小。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，
在上述启动控制过程中，使上述脉动压力渐渐变大。
5.根据权利要求2所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，
上述杂质气体浓度检测器是检测上述燃料电池堆的温度的堆温度检测器，在由上述堆温度检测器检测出的上述燃料电池堆的温度未达到规定温度的情况下，将上述脉动周期设定得长。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，
在上述启动控制过程中，使上述脉动周期渐渐变短。
7.根据权利要求2所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，
上述燃料电池系统还具备测量该燃料电池系统的停止时间的计时器，在由上述计时器测量出的停止时间大于等于规定时间的情况下，执行上述启动控制。
8.根据权利要求2所述的燃料电池系统的运转方法，其特征在于，
上述燃料电池系统还具备检测负极流路中是否存在生成水的生成水检测器，在由上述生成水检测器检测到生成水的情况下，进行将上述脉动压力和上述脉动周期中的至少一方维持为固定的通常脉动控制。
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