JP2018098191A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部から空気が吸い込まれる可能性を低減する燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池１と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給ための燃料ガス供給経路２と、燃料電池１のアノードからオフガスを排出するためのオフガス排出経路６と、オフガス排出経路６の分岐部７から分岐し、燃料ガス供給経路２に合流するリサイクルガス経路３と、リサイクルガス経路３に設けられ、リサイクルカス経路３を流れるガスの流量を調節する流量調節器４と、分岐部７よりも下流側のオフガス排出経路６に設けられたパージ弁５と、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路７の内圧が正圧となるように流量調節器を制御する制御器２０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池１と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給ための燃料ガス供給経路２と、燃料電池１のアノードからオフガスを排出するためのオフガス排出経路６と、オフガス排出経路６の分岐部７から分岐し、燃料ガス供給経路２に合流するリサイクルガス経路３と、リサイクルガス経路３に設けられ、リサイクルカス経路３を流れるガスの流量を調節する流量調節器４と、分岐部７よりも下流側のオフガス排出経路６に設けられたパージ弁５と、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路７の内圧が正圧となるように流量調節器を制御する制御器２０と、を備える。
【選択図】図１
Description
本開示は燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池の発電により発生した電力は、自動車または家電で使用する電力負荷などで利用される。例えば、車載用の燃料電池システムにおいて、高圧の水素タンクから燃料電池のアノードに供給した水素ガスのうち、燃料電池の発電に使用されなかった水素ガス（以下、オフガスという場合がある）を燃料電池のアノードに戻すことで再利用（リサイクル）する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すると、燃料電池システムの発電効率が、オフガスをリサイクルしていない構成に比べて向上する。
ところで、オフガスのリサイクルを行う場合、燃料電池のカソードを流れる空気中の窒素ガスが、燃料電池の電解質膜を介して、燃料電池のアノードを流れる燃料ガスに混入する場合がある。
そこで、特許文献１では、不純物である窒素ガスをオフガスから除去するために、燃料電池システムの運転中の適時に、パージ弁を短時間だけ開閉する動作が行われる。すると、オフガス中の窒素ガスが、オフガスとともに外部（例えば、大気中）に放出される。これにより、オフガス中の不純物の濃度を低減することが可能となり、オフガス中の水素濃度を回復させることができる。そして、特許文献１では、循環ポンプの回転数が所定の回転数以下のときには、パージ弁を開くことを禁止している。これにより、高圧の水素タンクから送られる水素ガスが、循環ポンプを逆流することが抑制される。
しかし、従来例は、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性については検討されていない。
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性を従来よりも低減できる燃料電池システムを提供する。また、本開示の一態様は、このような燃料電池システムの運転方法を提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに前記燃料ガスを供給ための燃料ガス供給経路と、前記燃料電池のアノードからオフガスを排出するためのオフガス排出経路と、前記オフガス排出経路の分岐部から分岐し、前記燃料ガス供給経路に合流するリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路に設けられ、前記リサイクルカス経路を流れるガスの流量を調節する流量調節器と、前記分岐部よりも下流側の前記オフガス排出経路に設けられたパージ弁と、前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記流量調節器を制御する制御器と、を備える。
また、本開示の一態様の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池を用いて燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、燃料ガス供給経路を通じて前記燃料電池のアノードに前記燃料ガスを供給し、オフガス排出経路を通じて前記燃料電池のアノードからオフガスを排出し、リサイクルガス経路の昇圧器を用いて前記オフガス排出経路から前記燃料ガス供給経路に前記オフガスを戻し、前記分岐部よりも下流側の前記オフガス排出経路に設けられたパージ弁を開く際には、前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記昇圧器を制御する。
本開示の一態様の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性を従来よりも低減できるという効果を奏する。
不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
特許文献１では、パージ弁を開くことで、パージ弁の下流側圧力が大気圧近傍になると、高圧の水素タンクから送られる水素ガスが、循環ポンプを逆流することにより、パージ弁を介して大気中に水素ガスが放出する問題が記載されている。そこで、特許文献１の車載用の燃料電池システムでは、上記可能性を低減すべく、水素ガスが循環ポンプを逆方向に流れないようにパージ弁の開閉が制御されている。具体的には、循環ポンプの回転数が所定の回転数以下のときには、パージ弁を開くことを禁止する制御が行われる。
このように、特許文献１では、パージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれるという問題が想定されておらず、特許文献１に記載された発明は、本問題に対して参酌に値しない。
ところで、例えば、家庭用の燃料電池システムに、水素ガスインフラから水素ガスを供給する場合、必ずしも、車載用の水素タンクの如く、水素ガスの供給圧力が高圧になるとは限らない。例えば、水素ガスインフラから供給される水素ガスが、既存の都市ガスインフラのガス供給圧力と同様レベル（例えば、都市ガスの下限圧力：１．０ｋＰａ、上限圧力：２．５ｋＰａ、標準圧力：２．０ｋＰａ）の圧力で供給される可能性が有り得る。すると、この場合、燃料電池の圧力損失により、燃料電池とパージ弁との間のガス経路の内圧が負圧になる可能性がある。つまり、発明者らは、燃料電池の圧力損失により燃料電池とパージ弁との間のガス経路の内圧が負圧になることで、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開放しているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性を見出した。そして、これにより、不純物を含むオフガスを外部へ放出できない可能性を見出した。
なお、以上の状況への対処としては、昇圧装置などを、適宜の水素ガス経路に配置する方法がある。しかし、この場合、燃料電池システムの製造コストがかかるという問題、昇圧装置を駆動するための電力使用により燃料電池システムの発電効率が低下するという問題が生じる。
すなわち、本開示の第１の態様の燃料電池システムは、以上の知見に基づいて案出できたものであり、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに前記燃料ガスを供給ための燃料ガス供給経路と、前記燃料電池のアノードからオフガスを排出するためのオフガス排出経路と、前記オフガス排出経路の分岐部から分岐し、前記燃料ガス供給経路に合流するリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路に設けられ、前記リサイクルカス経路を流れるガスの流量を調節する流量調節器と、前記分岐部よりも下流側の前記オフガス排出経路に設けられたパージ弁と、前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記流量調節器を制御する制御器と、を備える。
また、本開示の第１の態様の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池を用いて燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、燃料ガス供給経路を通じて燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、オフガス排出経路を通じて燃料電池のアノードからオフガスを排出し、リサイクルガス経路の昇圧器を用いてオフガス排出経路から燃料ガス供給経路にオフガスを戻し、分岐部よりも下流側のオフガス排出経路に設けられたパージ弁を開く際には、パージ弁よりも上流側のオフガス排出経路の内圧が正圧となるように昇圧器が制御される。
以上により、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性を従来よりも低減できる。つまり、パージ弁よりも上流側のオフガス排出経路の内圧が負圧となると、パージ弁を開いたときに、外部の空気がパージ弁を逆流する可能性がある。すると、燃料電池のアノード出口からアノード入口に延伸する循環経路から、不純物を含むオフガスを外部へ放出することが困難となる。そこで、本態様の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法では、上記のとおり、パージ弁よりも上流側のオフガス排出経路の内圧が正圧となるように昇圧器を動作させることで、不純物を含むオフガスを外部へ適切に放出するように制御している。これにより、燃料電池システムのオフガスパージ動作の信頼性が向上する。
本開示の第２の態様の燃料電池システムは、第１の態様の燃料電池システムにおいて、制御器は、上記のオフガス排出経路の内圧が正圧である場合の流量調節器の出力の上限値を設定し、この上限値以下となるように流量調節器を制御する。
かかる構成によると、流量調節器の出力が、この上限値以下となるように流量調節器を制御するだけで、パージ弁よりも上流側のオフガス排出経路の内圧を正圧に保つことができる。よって、例えば、オフガスの流量を検知する流量検知器などを設ける必要がないので、燃料電池システムのコストアップを抑制できる。
本開示の第３の態様の燃料電池システムは、第１の態様または第２の態様の燃料電池システムにおいて、流量調節器が、前記オフガスを前記燃料ガス供給経路に圧送する昇圧器である。
本開示の第４の態様の燃料電池システムは、第３の態様の燃料電池システムにおいて、前記制御器は、前記パージ弁を開く際に、前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記昇圧器を制御する。
本開示の第５の態様の燃料電池システムは、第３の態様の燃料電池システムにおいて、昇圧器の出力の上限値は、オフガスの流量に基づいて設定される。
パージ弁よりも上流側のオフガス排出経路の圧力は、概ね燃料ガスの供給圧力から燃料電池の圧力損失を引いた差圧であり、この圧力損失は、オフガスの流量を独立変数とする従属変数となる。よって、昇圧器の出力の上限値をオフガスの流量に基づいて設定することで、昇圧器の出力の上限値を精度良く設定することができる。
本開示の第６の態様の燃料電池システムは、第３の態様の燃料電池システムにおいて、昇圧器が回転式ポンプである場合、昇圧器の出力は、回転式ポンプの回転子の回転数である。
かかる構成によると、回転式ポンプの回転数、または、制御器から回転式ポンプへの制御信号などに基づいてオフガスの流量を知ることができる。また、オフガスの流量と回転式ポンプの回転数とは比例関係にあるので、この回転数によって昇圧器の出力の上限値を精度良く設定することができる。
本開示の第７の態様の燃料電池システムは、第３の態様−第６の態様のいずれかの燃料電池システムにおいて、制御器は、昇圧器の出力が昇圧器の出力の上限値以下となるように昇圧器を制御した後、パージ弁を開放する制御を行う。
かかる構成によると、パージ弁を開いている状態で、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性を適切に回避できる。つまり、パージ弁よりも上流側のオフガス排出経路の内圧が正圧になった後、パージ弁が開放されるので、本内圧が負圧状態で、パージ弁を開くことがない。これにより、燃料電池システムのオフガスパージ動作の信頼性が更に向上する。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態について説明する。
以下で説明する第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、動作のステップおよびステップの順序などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。動作においては、必要に応じて、各ステップの順序などを変更できる。また、必要に応じて、他の公知のステップを追加できる。
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
［装置構成］
図１は、第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図１に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料ガス供給経路２と、オフガス排出経路６と、リサイクルガス経路３と、流量調節器４と、パージ弁５と、制御器２０と、を備える。
燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池１は、例えば、電解質（図示せず）と、これを挟む一対の電極（図示せず）を備える複数の単セルを含み、これらの単セルを積層させたスタック（図示せず）を備える。
燃料電池１としては、いずれの種類であってもよい。本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を例に挙げて説明しているが、これに限定されない。
燃料ガス供給経路２は、燃料電池１のアノードに燃料ガスを供給ための流路である。また、オフガス排出経路６は、燃料電池１のアノードからオフガスを排出するための流路である。燃料ガスとして、例えば、水素ガスなどを例示できる。この場合、オフガスは、オフ水素ガスである。つまり、本実施形態の燃料電池システム１００では、図示しない燃料ガス供給源から燃料ガス（水素ガス）が直接、燃料電池１のアノードに供給されている。燃料ガス供給源は、所定の供給元圧を備え、例えば、燃料ガスインフラ、燃料ガスボンベなどを例示できる。
なお、図１には示されていないが、燃料電池１の発電において必要となる機器は適宜、設けられる。例えば、燃料電池システム１００には、燃料電池１のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器が設けられている。酸化剤ガスとして、例えば、空気を例示できる。この場合、酸化剤ガス供給器として、例えば、ブロア、シロッコファンなどの送風機を例示できる。また、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給経路２を流通する途中の燃料ガスを加湿する加湿器を備えてもよい。更に、燃料ガス供給源の供給元圧が燃料電池システム１００に必要な供給圧力（燃料ガスの供給圧力）より高い場合に、燃料ガス供給経路２に、燃料ガスの圧力を下げて一定の供給圧力にするためのガバナなどを設けてもよい。
リサイクルガス経路３は、オフガス排出経路６の分岐部７から分岐し、燃料ガス供給経路２に合流する流路である。これにより、リサイクルガス経路３を用いて、燃料電池１のアノード出口からアノード入口にまで延伸する循環経路８が形成されている。すると、燃料電池１のアノードにオフガスが戻るように構成できるので、燃料電池１の高効率な発電が可能となる。
流量調節器４は、リサイクルガス経路３に設けられている。流量調節器４としては、可変オリフィス、ニードル弁、またはオフガスを燃料ガス供給経路２に圧送する昇圧器が好適に用いられる。昇圧器は、オフガスを燃料ガス供給経路２に圧送できれば、どのような構成であってもよい。例えば、昇圧器は、リサイクルガス経路３を流通するオフガスの流量を調整し得る流量調整機能を備えてもよい。なお、このようなオフガスの流量調整は、昇圧器を動作させるための制御信号を変更することで行ってもよい。昇圧器として、例えば、回転式ポンプ、往復動式ポンプなどを例示できる。
パージ弁５は、分岐部７よりも下流側のオフガス排出経路６に設けられている。パージ弁５は、オフガス排出経路６を開放および閉止できれば、どのような構成であってもよい。パージ弁５は、例えば、オフガス排出経路６の全開および全閉のみが行われる開閉弁でもよいし、オフガス排出経路６の開度調整が行われる流量調整弁（例えば、ニードル弁など）でもよい。
ここで、オフガス排出経路６の下流端は大気に連通している。よって、パージ弁５は、オフガスを大気中に放出するための機器として使用される。パージ弁５を閉じている間は、オフガスは、燃料電池１の発電に使用されるまで、燃料電池１のアノード出口からアノード入口に戻るように循環する。すると、オフガスが循環経路８を循環する過程で、オフガス中には、燃料ガス（水素ガス）以外の不純物が経時的に増加する。不純物として、例えば、燃料電池１のカソードから電解質膜を通じてアノードへ漏れる窒素ガスなどを例示できる。オフガス中の不純物が増加すると、オフガス中の水素濃度は低下するので、燃料電池１の発電中には、適時に、パージ弁５を一時的に開くことで循環経路８から不純物を含むオフガスが大気へ放出（パージ）される。これにより、オフガス中の不純物の濃度を低減することが可能となり、オフガス中の水素濃度を回復させることができる。
制御器２０は、パージ弁５を開く際には、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が正圧となるように流量調節器４を制御する。例えば、制御器２０は、上記のオフガス排出経路６の内圧が正圧である場合の流量調節器４の出力の上限値を設定し、流量調節器４の出力が、この上限値以下となるように流量調節器４を制御してもよい。このとき、流量調節器４の出力の上限値を、オフガスの流量に基づいて設定してもよい。また、流量調節器４が回転式ポンプである場合、流量調節器４の出力は、回転式ポンプの回転子の回転数であってもよい。更に、制御器２０は、流量調節器４の出力が流量調節器４の出力の上限値以下となるように流量調節器４を制御した後、パージ弁５を開放する制御を行ってもよい。
制御器２０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器２０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリなどを例示できる。制御器２０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。また、制御器２０は、燃料電池システム１００の運転を制御するように構成されていてもよい。この場合、制御器２０により、例えば、燃料電池１の温度、燃料電池１の発電量などの情報をもとに、燃料ガスの流量、酸化剤ガスの流量およびオフガスの流量が調整されることで、燃料電池システム１００の運転が適切に行われる。
［動作］
以下、本実施形態の燃料電池システム１００の動作（運転）の一例について図面を参照しながら説明する。
以下、本実施形態の燃料電池システム１００の動作（運転）の一例について図面を参照しながら説明する。
なお、以下に示す動作は、例えば、制御器２０の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。但し、以下の動作を制御器２０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部または全部の動作を行っても構わない。
図２は、第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１００では、パージ弁５が閉止されているので、流量調節器４の出力は、通常どおりに制御される。つまり、ステップＳ１００では、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘが設定されておらず、燃料電池１の発電に必要な燃料ガスおよびオフガスを燃料電池１のアノードに圧送するように流量調節器４の出力は制御されている。なお、このとき、流量調節器４の出力を、制御器２０からの予め定められた制御信号を用いて調整してもよいし、オフガスの流量を検知する流量検知器（図示せず）の検知データ、燃料電池１の発電状態から推算されたデータなどを用いてフィードバック制御を行うことで調整してもよい。
次に、ステップＳ１０１で、パージ弁５を開くためのタイミングになったか否かが判定される。上記のとおり、オフガス中の不純物が増加すると、オフガス中の水素濃度が低下するので、燃料電池１の発電中には、適時のタイミングで、パージ弁５を一時的に開く必要がある。なお、パージ弁５の開放は、前回のオフガスパージ動作時からの所定の経過時間で行われてもよいし、制御器２０がパージ弁５を開くための指示信号を、適宜の機器（図示せず）から受信した場合に行われてもよい。後者の場合、例えば、オフガスの水素濃度を検知する水素検知器の検知データに基づいて、オフガス中の水素濃度が所定の濃度以下になると、上記の指示信号が水素検知器から制御器２０に送信されてもよい。
パージ弁５を開くためのタイミングでない場合（ステップＳ１０１で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が維持される。
パージ弁５を開くためのタイミングになると（ステップＳ１０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ１０２に進み、ステップＳ１０２で、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘが設定される。
ここで、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘは、燃料電池１の各発電量において、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧を正圧に維持することで、大気中からパージ弁５を通じて空気の逆流が抑制される上限出力の値である。そして、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘを、循環経路８を循環するオフガスの流量と、オフガスが循環経路８を循環する場合に発生する圧力損失との関係に基づいて設定するとよい。
以下、このような流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘを設定するための手法の一例を説明する。
例えば、燃料ガスの供給圧力をＰｉｎ、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧をＰｏｕｔとして、両者の差圧が、燃料電池１の圧力損失ｄＰであるとする場合、以下の式（１）の関係が成り立つ。
Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ＝ｄＰ・・・（１）
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００の動作では、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎを一定と仮定する。すると、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔは、式（１）を変形することで、圧力損失ｄＰとの間の関係式（２）で表される。
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００の動作では、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎを一定と仮定する。すると、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔは、式（１）を変形することで、圧力損失ｄＰとの間の関係式（２）で表される。
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ（定数）−ｄＰ・・・（２）
また、一般に、圧力損失は、ガス経路に流通する流量の関数で表すことができる。そこで、流量調節器４により循環経路８を循環するオフガスの流量を流量Ｑと置くと、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔは、オフガスの流量Ｑを独立変数とする従属変数である圧力損失ｄＰ（Ｑ）を用いて、式（３）の如く定式化できる。また、圧力損失ｄＰは、図３のプロファイル２００に示すように、オフガスの流量Ｑの変化に対して正の相関となるように増減する。なお、燃料電池１の内部構成が特定された場合、適宜の予備実験または流体シミュレーションにより、圧力損失ｄＰ（Ｑ）とオフガスの流量Ｑとの間の相関を表すプロファイル２００を知ることができる。
また、一般に、圧力損失は、ガス経路に流通する流量の関数で表すことができる。そこで、流量調節器４により循環経路８を循環するオフガスの流量を流量Ｑと置くと、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔは、オフガスの流量Ｑを独立変数とする従属変数である圧力損失ｄＰ（Ｑ）を用いて、式（３）の如く定式化できる。また、圧力損失ｄＰは、図３のプロファイル２００に示すように、オフガスの流量Ｑの変化に対して正の相関となるように増減する。なお、燃料電池１の内部構成が特定された場合、適宜の予備実験または流体シミュレーションにより、圧力損失ｄＰ（Ｑ）とオフガスの流量Ｑとの間の相関を表すプロファイル２００を知ることができる。
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ（定数）−ｄＰ（Ｑ）・・・（３）
次に、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔが正圧であるので、式（３）から、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔが正圧となる条件式（５）が得られる。
次に、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔが正圧であるので、式（３）から、オフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔが正圧となる条件式（５）が得られる。
Ｐｏｕｔ＞０・・・（４）
Ｐｉｎ（定数）＞ｄＰ（Ｑ）・・・（５）
但し、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎと圧力損失ｄＰとが釣り合う条件では、オフガスを大気へ送出することができないので、以下の式（６）の如く、所定の余裕度αを設定する方がよい。
Ｐｉｎ（定数）＞ｄＰ（Ｑ）・・・（５）
但し、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎと圧力損失ｄＰとが釣り合う条件では、オフガスを大気へ送出することができないので、以下の式（６）の如く、所定の余裕度αを設定する方がよい。
Ｐｉｎ（定数）≧ｄＰ（Ｑ）＋α・・・（６）
（式６）より、オフガスの上限流量Ｑｍａｘは、以下の関係式（７）を満たす流量となる。
（式６）より、オフガスの上限流量Ｑｍａｘは、以下の関係式（７）を満たす流量となる。
ｄＰｍａｘ＝Ｐｉｎ（定数）−α・・・（７）
そして、圧力損失ｄＰｍａｘに対応するオフガスの上限流量Ｑｍａｘを、図４に示すように、圧力損失ｄＰ（Ｑ）とオフガスの流量Ｑとの間の関係を表す既知のプロファイル２００から導出し得る。更に、流量調節器４の出力とオフガスの流量との対応関係は、例えば、流量調節器４の設計諸元などから知ることができる。流量調節器４が、例えば、回転式ポンプである場合、回転式ポンプの回転数と流量との関係を表す図表などを制御器２０の記憶回路に記億していてもよいし、両者の関係を表す関数式を特定し、本関数式を記憶回路に記億していてもよい。
そして、圧力損失ｄＰｍａｘに対応するオフガスの上限流量Ｑｍａｘを、図４に示すように、圧力損失ｄＰ（Ｑ）とオフガスの流量Ｑとの間の関係を表す既知のプロファイル２００から導出し得る。更に、流量調節器４の出力とオフガスの流量との対応関係は、例えば、流量調節器４の設計諸元などから知ることができる。流量調節器４が、例えば、回転式ポンプである場合、回転式ポンプの回転数と流量との関係を表す図表などを制御器２０の記憶回路に記億していてもよいし、両者の関係を表す関数式を特定し、本関数式を記憶回路に記億していてもよい。
このようにして、ステップＳ１０２で、オフガスの上限流量Ｑｍａｘに対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘを設定できる。
なお、以上の流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘを設定する方法は例示であって、本例に限定されない。
この状態で、流量調節器４は、流量調節器４の出力がステップＳ１０２で設定された上限値Ｕｍａｘ以下で動作するように制御される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘを設定した時、流量調節器４の出力が本上限値Ｕｍａｘを超えている場合（ステップＳ１０３で「Ｎｏ」の場合）、流量調節器４の出力を上限値Ｕｍａｘまで低下させる（ステップＳ１０３、ステップＳ１０４）。
その後、ステップＳ１０５で、パージ弁５が開放される。これにより、循環経路８から不純物を含むオフガスが大気へ放出（パージ）される。よって、オフガス中の不純物の濃度を低減することが可能となり、オフガス中の水素濃度を回復させることができる。
次に、ステップＳ１０６で、パージ弁５を閉じるためのタイミングになったか否かが判定される。なお、パージ弁５の閉止は、パージ弁５の開放時からの所定の経過時間で行われてもよいし、制御器２０がパージ弁５を閉じるための指示信号を、適宜の機器（図示せず）から受信した場合に行われてもよい。後者の場合、例えば、オフガスの水素濃度を検知する水素検知器の検知データに基づいて、オフガス中の水素濃度が所定の濃度以上になると、上記の指示信号が水素検知器から制御器２０に送信されてもよい。
パージ弁５を閉じるためのタイミングでない場合（ステップＳ１０６で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が維持される。
パージ弁５を閉じるためのタイミングになると（ステップＳ１０６で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ１０７でパージ弁５が閉止され、ステップＳ１０８で流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘの設定が解除される。
その後、ステップＳ１００で、流量調節器４の出力は通常どおりに制御されるとともに、ステップＳ１０１で、次回のパージ弁５を開くためのタイミングになったか否かが判定される。
以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁５を開いているときに、外部からパージ弁５を通じて空気が吸い込まれる可能性を従来よりも低減できる。つまり、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が負圧となると、パージ弁５を開いたときに、外部の空気がパージ弁５を逆流する可能性がある。すると、燃料電池１のアノード出口からアノード入口にまで延伸する循環経路８から、不純物を含むオフガスを外部へ放出することが困難となる。そこで、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が正圧となるように流量調節器４を動作させることで、不純物を含むオフガスを外部へ適切に放出するように制御している。これにより、燃料電池システム１００のオフガスパージ動作の信頼性が向上する。
また、流量調節器４の出力が、この上限値以下となるように流量調節器４を制御するだけで、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧を正圧に保つことができる。よって、例えば、オフガスの流量を検知する流量検知器などを設ける必要がないので、燃料電池システム１００のコストアップを抑制できる。
また、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧は、燃料ガスの供給圧力から圧力損失を引いた差圧であり、圧力損失は、オフガスの流量を独立変数とする従属変数となる。よって、流量調節器４の出力の上限値をオフガスの流量に基づいて設定することで、流量調節器４の出力の上限値を精度良く設定することができる。
なお、流量調節器４が回転式ポンプである場合、オフガスの流量を回転式ポンプの回転数、または、制御器２０から回転式ポンプへの制御信号などに基づいて知ることができる。また、オフガスの流量と回転式ポンプの回転数とは比例関係にあるので、この回転数によって流量調節器４の出力の上限値を精度良く設定することができる。
更に、流量調節器４の出力が、流量調節器４の出力の上限値以下となるように流量調節器４を制御した後、パージ弁５を開放する制御が行われる。これにより、パージ弁５を開いている状態で、外部からパージ弁５を通じて空気が吸い込まれる可能性を適切に回避できる。つまり、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が正圧になった後、パージ弁５が開放されるので、内圧が負圧状態で、パージ弁５を開くことがない。これにより、燃料電池システム１００のオフガスパージ動作の信頼性が更に向上する。
（第２実施形態）
本実施形態の燃料電池システム１００は、本開示の第１の態様−第５の態様のいずれかの燃料電池システム１００において、燃料ガスの供給圧力を検知する圧力検知器９を備え、流量調節器４の出力の上限値は、圧力検知器９の検知データに基づいて設定される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値を圧力検知器９の検知データの変化に対して正の相関となるように設定するとよい。
本実施形態の燃料電池システム１００は、本開示の第１の態様−第５の態様のいずれかの燃料電池システム１００において、燃料ガスの供給圧力を検知する圧力検知器９を備え、流量調節器４の出力の上限値は、圧力検知器９の検知データに基づいて設定される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値を圧力検知器９の検知データの変化に対して正の相関となるように設定するとよい。
図５は、第２実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図５に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料ガス供給経路２と、オフガス排出経路６と、リサイクルガス経路３と、流量調節器４と、パージ弁５と、制御器２０と、圧力検知器９と、を備える。燃料電池１、燃料ガス供給経路２、オフガス排出経路６、リサイクルガス経路３、流量調節器４およびパージ弁５は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
圧力検知器９は、上記のとおり、燃料ガスの供給圧力を検知する装置である。圧力検知器９は、燃料ガスの供給圧力を検知できれば、どのような構成であってもよい。例えば、圧力検知器９は、図５に示す如く、リサイクルガス経路３の下流端に対応する合流部よりも上流側の燃料ガス供給経路２に設けられているが、これに限定されない。圧力検知器９は、上記合流部と燃料電池１との間の燃料ガス供給経路２に設けられていてもよいし、流量調節器４よりも下流側のリサイクルガス経路３に設けられていてもよい。圧力検知器９として、例えば、大気圧との差圧を計測する差圧計などを例示できる。
図６は、第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
図６のステップＳ２００、ステップＳ２０１、ステップＳ２０４、ステップＳ２０５、ステップＳ２０６およびステップＳ２０７は、図２のステップＳ１００、ステップＳ１０１、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６およびステップＳ１０７と同様であるので詳細な説明を省略する。
第１実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、燃料ガスの供給圧力を一定と仮定している。これに対して、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、燃料ガスの供給圧力を圧力検知器９により実測することにより、本供給圧力が一定でない場合でも適切に対応し得ることに特徴がある。
すなわち、パージ弁５を開くためのタイミングになると（ステップＳ２０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ２０２に進み、ステップＳ２０２では、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎ（ｔ）が一定であるとは限らない場合の流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ（ｔ）が設定される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ（ｔ）を圧力検知器９の検知データの変化に対して正の相関となるように設定するとよい。この場合、上記の式（１）〜式（７）は、以下の式（８）〜式（１４）に置き換えられる。これらの式（８）〜式（１４）の導出法は、式（１）〜式（７）と同様であるので詳細な説明を省略する。
Ｐｉｎ（ｔ）−Ｐｏｕｔ＝ｄＰ・・・（８）
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ（ｔ）−ｄＰ・・・（９）
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ（ｔ）−ｄＰ（Ｑ）・・・（１０）
Ｐｏｕｔ＞０・・・（１１）
Ｐｉｎ（ｔ）＞ｄＰ（Ｑ）・・・（１２）
Ｐｉｎ（ｔ）≧ｄＰ（Ｑ）＋α・・・（１３）
ｄＰｍａｘ（ｔ）＝Ｐｉｎ（ｔ）−α・・・（１４）
このようにして、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎ（ｔ）が変動する場合でも、圧力損失ｄＰｍａｘ（ｔ）に対応するオフガスの上限流量Ｑｍａｘ（ｔ）を導出し得る。よって、ステップＳ２０２で、オフガスの上限流量Ｑｍａｘ（ｔ）に対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ（ｔ）を設定できる。
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ（ｔ）−ｄＰ・・・（９）
Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ（ｔ）−ｄＰ（Ｑ）・・・（１０）
Ｐｏｕｔ＞０・・・（１１）
Ｐｉｎ（ｔ）＞ｄＰ（Ｑ）・・・（１２）
Ｐｉｎ（ｔ）≧ｄＰ（Ｑ）＋α・・・（１３）
ｄＰｍａｘ（ｔ）＝Ｐｉｎ（ｔ）−α・・・（１４）
このようにして、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎ（ｔ）が変動する場合でも、圧力損失ｄＰｍａｘ（ｔ）に対応するオフガスの上限流量Ｑｍａｘ（ｔ）を導出し得る。よって、ステップＳ２０２で、オフガスの上限流量Ｑｍａｘ（ｔ）に対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ（ｔ）を設定できる。
この状態で、流量調節器４は、流量調節器４の出力がステップＳ２０２で設定された上限値Ｕｍａｘ（ｔ）以下で動作するように制御される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ（ｔ）を設定した時、流量調節器４の出力が本上限値Ｕｍａｘ（ｔ）を超えている場合（ステップＳ２０３で「Ｎｏ」の場合）、流量調節器４の出力を上限値Ｕｍａｘ（ｔ）まで低下させる（ステップＳ２０３、ステップＳ２０４）。
また、パージ弁５を閉じるためのタイミングになると（ステップＳ２０６で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ１０７でパージ弁５が閉止され、ステップＳ２０８で流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ（ｔ）の設定が解除される。
以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、燃料ガスの供給圧力を圧力検知器９により実測することで、燃料ガスの供給圧力が一定でない場合でも適切に対応し得る。例えば、燃料ガス供給系の故障などにより燃料ガスの供給圧力が低下すると、燃料ガスの供給圧力を一定と仮定した場合、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が負圧にある可能性があるが、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、このような可能性を低減できる。これにより、本実施形態の燃料電池システム１００のオフガスパージ動作の信頼性が、燃料ガスの供給圧力を一定と仮定した場合に比べて向上する。
また、燃料ガスの供給圧力の変動に応じて、流量調節器４の出力の上限値を所望の値に設定することで、例えば、燃料ガスの供給圧力が上昇した場合には、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が正圧になるオフガスの上限流量の範囲が広がるので、オフガスの流量制御に余裕ができる。よって、本制御のロバスト性が向上する。
本実施形態の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成してもよい。また、本実施形態の燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。
（第３実施形態）
本実施形態の燃料電池システム１００は、本開示の第１の態様−第５の態様および第２実施形態のいずれかの燃料電池システム１００において、燃料ガス供給経路２に設けられ、燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整器１０を備える。
本実施形態の燃料電池システム１００は、本開示の第１の態様−第５の態様および第２実施形態のいずれかの燃料電池システム１００において、燃料ガス供給経路２に設けられ、燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整器１０を備える。
図７は、第３実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図７に示す例では、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料ガス供給経路２と、オフガス排出経路６と、リサイクルガス経路３と、流量調節器４と、パージ弁５と、制御器２０と、圧力調整器１０と、を備える。燃料電池１、燃料ガス供給経路２、オフガス排出経路６、リサイクルガス経路３、流量調節器４およびパージ弁５は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
圧力調整器１０は、上記のとおり、燃料ガス供給経路２に設けられ、燃料ガスの供給圧力を調整する装置である。圧力調整器１０は、燃料ガスの供給圧力を調整できれば、どのような構成であってもよい。圧力調整器１０として、例えば、燃料ガスの供給圧力が弁の開度の変更により所望の値に調整されるニードル弁などを用いてもよいが、これに限定されない。このような圧力調整器１０は、燃料ガス供給源の供給元圧が燃料電池システム１００に必要な供給圧力（燃料ガスの供給圧力）より高い場合に、燃料ガス供給経路２に設けられる。
図８は、第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
図８のステップＳ３００、ステップＳ３０１、ステップＳ３０４、ステップＳ３０５、ステップＳ３０６およびステップＳ３０７は、図２のステップＳ１００、ステップＳ１０１、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６およびステップＳ１０７と同様であるので詳細な説明を省略する。
第１実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、燃料ガスの供給圧力を一定と仮定している。これに対して、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法は、燃料ガスの供給圧力を圧力調整器１０により所望の値に変更することに特徴がある。
すなわち、パージ弁５を開くためのタイミングになると（ステップＳ３０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ３０９に進み、ステップＳ３０９で、圧力調整器１０による圧力調整が行われる（例えば、ニードル弁の開度が変更される）。これにより、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎを所定の圧力Ｐ２（但し、Ｐｓｕｐ≧Ｐ２）にまで上昇させる。この場合、上記の式（１）〜式（７）は、以下の式（１５）〜式（２１）に置き換えられる。これらの式（１５）〜式（２１）の導出法は、式（１）〜式（７）と同様であるので詳細な説明を省略する。
Ｐ２−Ｐｏｕｔ＝ｄＰ（但し、Ｐｓｕｐ≧Ｐ２＞Ｐｉｎ）・・・（１５）
Ｐｏｕｔ＝Ｐ２−ｄＰ・・・（１６）
Ｐｏｕｔ＝Ｐ２−ｄＰ（Ｑ）・・・（１７）
Ｐｏｕｔ＞０・・・（１８）
Ｐ２＞ｄＰ（Ｑ）・・・（１９）
Ｐ２≧ｄＰ（Ｑ）＋α・・・（２０）
ｄＰｍａｘ２＝Ｐ２−α・・・（２１）
このようにして、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎを圧力Ｐ２にまで上昇させた場合において、圧力損失ｄＰｍａｘ２に対応するオフガスの上限流量Ｑｍａｘ２を導出し得る。よって、ステップＳ３０２で、オフガスの上限流量Ｑｍａｘ２に対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ２を設定できる。
Ｐｏｕｔ＝Ｐ２−ｄＰ・・・（１６）
Ｐｏｕｔ＝Ｐ２−ｄＰ（Ｑ）・・・（１７）
Ｐｏｕｔ＞０・・・（１８）
Ｐ２＞ｄＰ（Ｑ）・・・（１９）
Ｐ２≧ｄＰ（Ｑ）＋α・・・（２０）
ｄＰｍａｘ２＝Ｐ２−α・・・（２１）
このようにして、燃料ガスの供給圧力Ｐｉｎを圧力Ｐ２にまで上昇させた場合において、圧力損失ｄＰｍａｘ２に対応するオフガスの上限流量Ｑｍａｘ２を導出し得る。よって、ステップＳ３０２で、オフガスの上限流量Ｑｍａｘ２に対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ２を設定できる。
この状態で、流量調節器４は、流量調節器４の出力がステップＳ３０２で設定された上限値Ｕｍａｘ２以下で動作するように制御される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ２を設定した時、流量調節器４の出力が本上限値Ｕｍａｘ２を超えている場合（ステップＳ３０３で「Ｎｏ」の場合）、流量調節器４の出力を上限値Ｕｍａｘ２まで低下させる（ステップＳ３０３、ステップＳ３０４）。
また、パージ弁５を閉じるためのタイミングになると（ステップＳ３０６で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ３０７でパージ弁５が閉止され、ステップＳ３０８で流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ２の設定が解除される。更に、ステップＳ３１０で圧力調整器１０による圧力調整が元の値に戻される（例えば、ニードル弁の開度が元の開度に戻される）。
以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、燃料ガス供給源の供給元圧が燃料電池システム１００に必要な供給圧力をより高い場合、パージ弁５を開くためのタイミングになると、圧力調整器１０により、燃料ガスの供給圧力を所定の圧力にまで上昇させることができる。すると、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧が正圧になるオフガスの上限流量の範囲が広がるので、オフガスの流量制御に余裕ができる。よって、本制御のロバスト性が向上する。また、このような圧力調整器１０により、燃料ガスの供給圧力の変動を抑制することができる。
本実施形態の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態または第２実施形態の燃料電池システム１００と同様に構成してもよい。また、本実施形態の燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態または第２実施形態の燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。
（第４実施形態）
第４実施形態の燃料電池システム１００は、本開示の第１の態様−第５の態様、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの燃料電池システム１００において、制御器２０は、燃料電池１の発電量が低下するように燃料電池システム１００を制御した後、流量調節器４の出力が、流量調節器４の出力の上限値以下となるように流量調節器４を制御する。
第４実施形態の燃料電池システム１００は、本開示の第１の態様−第５の態様、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの燃料電池システム１００において、制御器２０は、燃料電池１の発電量が低下するように燃料電池システム１００を制御した後、流量調節器４の出力が、流量調節器４の出力の上限値以下となるように流量調節器４を制御する。
本実施形態の燃料電池システム１００の装置構成は、制御器２０による制御内容以外は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
図９は、第４実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
図９のステップＳ４００、ステップＳ４０１、ステップＳ４０４、ステップＳ４０５、ステップＳ４０６およびステップＳ４０７は、図２のステップＳ１００、ステップＳ１０１、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６およびステップＳ１０７と同様であるので詳細な説明を省略する。
第１実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、パージ弁５を開くタイミングにおいて、燃料電池１の発電量を一定に維持している。これに対して、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、パージ弁５を開くタイミングにおいて、必要に応じて、燃料電池１の発電量を低下させることに特徴がある。
すなわち、パージ弁５を開くためのタイミングになると（ステップＳ４０１で「Ｙｅｓ」の場合）、次の判定ステップＳ４０９に進む。
ステップＳ４０９では、燃料電池１の現在の発電量Ｗｈに対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘが、燃料電池システム１００の発電継続に必要な流量調節器４の出力の下限値Ｕｍｉｎよりも小さいか否かが判定される。
燃料電池１の現在の発電量Ｗｈに対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘが、燃料電池システム１００の発電継続に必要な流量調節器４の出力の下限値Ｕｍｉｎ以上である場合（ステップＳ４０９で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ４０２に進み、ステップＳ４０２で、燃料電池の現在の発電量Ｗｈに対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ３が設定される。
一方、燃料電池１の現在の発電量Ｗｈに対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘが、燃料電池システム１００の発電継続に必要な流量調節器４の出力の下限値Ｕｍｉｎよりも小さい場合（ステップＳ４０９で「Ｙｅｓ」の場合）、燃料電池システム１００の発電を継続しながら、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧Ｐｏｕｔを正圧に保つことができない。
そこで、ステップＳ４１０で、燃料電池１の現在の発電量Ｗｈが、制御器２０の記憶回路に記億される。
その後、ステップＳ４１１で、燃料電池１の発電量を所定発電量Ｗ１に低下させるとともに、ステップＳ４０２で、燃料電池１の所定発電量Ｗ１に対応する流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ３が設定される。なお、燃料電池１の発電量Ｗと流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘとの対応関係を示す図表などが制御器２０の記憶回路に記億されていてもよい。これにより、ステップＳ４１１の動作とステップＳ４０２の動作とをほぼ同時に行うことができる。
この状態で、流量調節器４は、流量調節器４の出力がステップＳ４０２で設定された上限値Ｕｍａｘ３以下で動作するように制御される。具体的には、流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ３を設定した時、流量調節器４の出力が本上限値Ｕｍａｘ３を超えている場合（ステップＳ４０３で「Ｎｏ」の場合）、流量調節器４の出力を上限値Ｕｍａｘ３まで低下させる（ステップＳ４０３、ステップＳ４０４）。
また、パージ弁５を閉じるためのタイミングになると（ステップＳ４０６で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ４０７でパージ弁５が閉止され、ステップＳ４０８で流量調節器４の出力の上限値Ｕｍａｘ３の設定が解除される。
更に、燃料電池１の発電量をステップＳ４１０で記憶された発電量Ｗｈから変更した場合（つまり、このときの燃料電池１の発電量が、ステップＳ４１１の所定発電量Ｗ１である場合）、燃料電池１の発電量が、ステップＳ４１０で記憶された発電量Ｗｈに戻される（ステップＳ４１２、ステップＳ４１３）。
以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１００および燃料電池システム１００の運転方法では、燃料電池システム１００の発電を継続しながら、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧を正圧に保つことができない場合でも、燃料電池１の発電量を低下させることにより、本内圧が負圧になる可能性を低減できる。具体的には、燃料電池１の発電量の低下によりオフガスの流量が低減するので、パージ弁５よりも上流側のオフガス排出経路６の内圧の負圧化が抑制される。
本実施形態の燃料電池システム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態−第３実施形態のいずれかの燃料電池システム１００と同様に構成してもよい。また、本実施形態の燃料電池システム１００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態−第３実施形態のいずれかの燃料電池システム１００の運転方法と同様であってもよい。
なお、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良または他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本開示の一態様の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は、不純物を含むオフガスを外部へ放出するためのパージ弁を開いているときに、外部からパージ弁を通じて空気が吸い込まれる可能性を従来よりも低減できる。よって、本開示の一態様は、例えば、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に利用できる。
１ ：燃料電池
２ ：燃料ガス供給経路
３ ：リサイクルガス経路
４ ：流量調節器
５ ：パージ弁
６ ：オフガス排出経路
７ ：分岐部
８ ：循環経路
９ ：圧力検知器
１０ ：圧力調整器
２０ ：制御器
１００ ：燃料電池システム
２ ：燃料ガス供給経路
３ ：リサイクルガス経路
４ ：流量調節器
５ ：パージ弁
６ ：オフガス排出経路
７ ：分岐部
８ ：循環経路
９ ：圧力検知器
１０ ：圧力調整器
２０ ：制御器
１００ ：燃料電池システム
Claims (12)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに前記燃料ガスを供給ための燃料ガス供給経路と、
前記燃料電池のアノードからオフガスを排出するためのオフガス排出経路と、
前記オフガス排出経路の分岐部から分岐し、前記燃料ガス供給経路に合流するリサイクルガス経路と、
前記リサイクルガス経路に設けられ、前記リサイクルカス経路を流れるガスの流量を調節する流量調節器と、
前記分岐部よりも下流側の前記オフガス排出経路に設けられたパージ弁と、
前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記流量調節器を制御する制御器と、を備える燃料電池システム。 - 前記制御器は、前記オフガス排出経路の内圧が正圧である場合の前記流量調節器の前記流量の上限値を設定し、前記上限値以下となるように前記流量調節器を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記流量調節器は、前記オフガスを前記燃料ガス供給経路に圧送する昇圧器である請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記パージ弁を開く際に、前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記昇圧器を制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記昇圧器の出力の上限値は、前記オフガスの流量に基づいて設定される請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記昇圧器が回転式ポンプである場合、前記昇圧器の出力は、前記回転式ポンプの回転子の回転数である請求項３に記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記昇圧器の出力が前記上限値以下となるように前記昇圧器を制御した後、前記パージ弁を開放する制御を行う請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料ガスの供給圧力を検知する圧力検知器を備え、
前記昇圧器の出力の上限値は、前記圧力検知器の検知データに基づいて設定される請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記昇圧器の出力の上限値を前記圧力検知器の検知データの変化に対して正の相関となるように設定する請求項８に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料ガス供給経路に設けられ、前記燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整器を備える請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御器は、前記燃料電池の発電量が低下するように燃料電池システムを制御した後、前記昇圧器の出力が、前記上限値以下となるように前記昇圧器を制御する請求項３から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池を用いて、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、
燃料ガス供給経路を通じて前記燃料電池のアノードに前記燃料ガスを供給し、
オフガス排出経路を通じて前記燃料電池のアノードからオフガスを排出し、
リサイクルガス経路の昇圧器を用いて前記オフガス排出経路から前記燃料ガス供給経路に前記オフガスを戻し、
前記オフガス排出経路に設けられたパージ弁を開く際には、前記パージ弁よりも上流側の前記オフガス排出経路の内圧が正圧となるように前記昇圧器を制御する燃料電池システムの運転方法。
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