JP5600893B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池に循環供給される燃料オフガスを適宜に排出する燃料電池システムに関する。

近年、電気自動車等の電動車両の電源装置として、燃料電池システムが注目されている。この燃料電池システムに含まれる燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化ガスである大気中の酸素とを電気化学反応させて発電させる発電装置であり、ここで発電された電力が走行用動力源であるモータの駆動電力として用いられる。

上記燃料電池では、カソード側に空気が供給される一方、アノード側に燃料タンクから送られた水素が供給される。アノード側に供給された水素は、燃料電池内で発電に供された後にアノードオフガスとして燃料電池から排気される。ここで、燃料電池内を一巡して排気されたアノードオフガス中の水素濃度が未だ高いことから、循環ポンプの作動により循環通路を経て燃料電池へ循環供給される。

燃料電池に循環供給されるうちにアノードオフガス中には、カソード側から固体高分子膜を介してアノード側に透過してきた窒素等の不純物が次第に多く含まれることになり、これに伴ってアノードオフガス中の水素濃度が低下する。また、アノードオフガス中には、燃料電池内での酸素と水素との電気化学反応によって生成された水も含まれてくる。

そこで、所定のタイミングで、アノードオフガスの少なくとも一部を水素循環系から分流させてシステム外に排出し、一方、燃料タンクからフレッシュな水素ガスを補給することにより、燃料電池に循環供給されるアノードガス中の水素濃度を所望値以上に維持して、燃料電池の発電性能を保っている。

上記アノードオフガスの一部排出は、開閉弁からなるパージ弁を一時的に開弁することによって行われることが多い（例えば、特許文献１，２等）。このとき、パージ弁を通過するアノードオフガスには水が含まれるため、車両を取り巻く環境温度が氷点下以下であるときに、開動作した弁体に付着した水が凍結して氷となって弁座との間に噛み込まれると、その後に弁体が閉動作できなくなり、その結果、開放状態となったパージ弁を介して多量の水素ガスがシステムから車外へと放出されてしまうことが起こり得る。

このような事態を解消すべく、例えば特許文献３に開示される燃料電池システムでは、パージ弁の温度が氷点下以下の場合に、パージ弁の開弁動作を禁止する制御を行っている。

特開２００８−２７０１５１号公報 特開２００７−３２６７６号公報 特開２００８−１８６６１９号公報

しかし、上記特許文献３に開示される燃料電池システムでは、パージ弁の温度が氷点下以下であるときには、アノードオフガスの排出すべきタイミングで行うことができず、これにより燃料電池の発電性能の維持に支障を来たす可能性がある。

本発明の目的は、アノードオフガスがシステム外に排出されるときに通過する排出規制部をシステム運転中は開放したままにすることで、氷噛み込みによる弁体の閉弁不良によって発生する多量の燃料ガス漏れを防止できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料ガス源から送られた燃料ガスを燃料電池に循環供給する燃料ガス供給系と、燃料電池から排気される燃料オフガスを分流してシステム外に排出するための排出規制部とを備え、前記排出規制部は、燃料オフガスの排出量を規制しつつ流通させる規制開口部を有し、この規制開口部は少なくともシステム運転中は一定開口面積で開放された状態に保持されており、前記規制開口部の一定開口面積は、前記燃料電池に循環供給される燃料ガス供給圧力と、前記燃料電池から排出されて前記規制開口部を介してシステム外に排気される燃料オフガス排出量とが、前記燃料電池に供給される燃料ガス濃度を所定値以上に維持しながら前記システム外に排気される排ガス中の燃料ガス濃度を所定値以下にする関係を満たすように、予め設定されており、前記排出規制部の規制開口部の開口面積は、燃料ガス供給系の圧力を横軸に、排出規制部での燃料オフガスの排出量を縦軸に示すグラフにおいて、排出規制部を介して排出された燃料オフガスが燃料電池から排気された酸化オフガスによって希釈された後の排ガス中の燃料ガス濃度が可燃濃度未満である所定値となる第１曲線以下の排出量領域と、燃料電池から排気された燃料オフガス中の燃料ガス濃度が所定値となる第２曲線以上の排出量領域との重複領域に含まれる燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を満たすように予め設定されていることを特徴とする。

この場合、前記排出規制部の規制開口部の開口面積は、前記重複領域のうち比較的低圧力側の領域に含まれる燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を満たすように予め設定されていることがより好ましい。

また、前記排出規制部の規制開口部の開口面積は、前記排出規制部を介して排出された燃料オフガスが燃料電池から排気された酸化オフガスによって希釈された後の排ガス中の燃料ガス濃度が所定値となる第１曲線と、前記燃料電池から排気された燃料オフガス中の燃料ガス濃度が所定値となる第２曲線との交点での燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を満たすように予め設定されていることがさらに好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記排出規制部はオリフィス部材で構成されてもよい。

さらに、本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池への燃料ガス供給圧力を調節する調圧装置と、この調圧装置を制御する制御部をさらに備え、制御部は、予め設定された一定開口面積を有する規制開口部についての燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を記憶しており、この関係に基づいて燃料ガス供給圧力が燃料電池に対する要求発電電流に応じた圧力となるよう前記調圧装置を制御してもよい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池から排気される燃料オフガスを分流してシステム外に排出するための排出規制部を備え、この排出規制部が燃料オフガスの排出量を規制しつつ流通させる規制開口部を有し、この規制開口部は少なくともシステム運転中は一定開口面積で開放された状態に保持されている構成としたことで、システム運転中に燃料オフガス排出のために弁体が開動作することがない。したがって、環境温度が氷点下以下の場合であっても、開弁した弁体に氷が噛み込まれて閉弁不良になることで多量の燃料ガスがシステム外に漏れ出るのを防止できる。

また、排出規制部の開口部は、燃料電池から排気される燃料オフガスの一部をその排出量を規制しつつ流通させるものであるため、燃料オフガスが過剰に排出されてしまうことが抑制され、これにより燃料源からの燃料ガスの過剰な補給を要することなく、燃料電池に循環供給される燃料ガス濃度を所望値以上に保持することが可能になる。

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略構成を示す図である。 図２は、図１に示す排出規制部の拡大断面図である。 図３は、排出規制部の規制開口部の開口面積がどのように設定されるかを説明するためのグラフである。 図４は、予め設定された開口面積の有する規制開口部を含む排出規制部を備えた燃料電池システムにおける水素ガス供給圧力の制御を説明するためのグラフである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、モータを走行用動力源として有する電動車両に搭載される燃料電池システム１０の全体構成を概略的に示す。燃料電池システム１０は、燃料ガスである水素と酸化ガスである酸素（空気）の供給を受けて発電する燃料電池１２と、大気から取り込んだ空気を燃料電池１２に供給するための空気供給系１４と、水素を燃料電池１２に供給するための水素供給系１６と、発電に供された後に燃料電池１２から排出される空気をシステム１０から車外に排気するための空気排気系１８と、燃料電池１２へ供給される水素の供給圧力を制御する制御部１００とを備える。

燃料電池１２は、多数の燃料電池セルを電気的に直列接続した状態で積層してなるセルスタックである。燃料電池セルは、固体高分子電解質膜と、アノード側（燃料極側）電極と、カソード側（空気極側）電極と、セパレータとから構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、高分子電解質膜を両側から挟持してサンドイッチ構造をなす拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータは、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持しつつ、アノード側電極及びカソード側電極との間にそれぞれ複数の溝状凹部からなる水素及び空気の流路を形成している。

燃料電池セルのアノード側電極は、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、固体高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有する。同様に、カソード側電極は、触媒層とガス拡散層とを有する。例えば、触媒層は、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷して形成されている。また、ガス拡散層は、例えば、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパ、又はカーボンフェルトにより形成されている。高分子電解質膜は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。

このように構成される各燃料電池セルにおいて、アノード側電極に水素が供給されてＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-で表される酸化反応が生じ、カソード側電極に空気が供給されて（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏで表される還元反応が生じ、燃料電池セル全体としてはＨ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏで表される電気化学反応が生じることになる。そして、各燃料電池セルのアノード側電極で水素から放出された電子が集電されて発電電力として燃料電池１２から出力され、図示しないモータの駆動電力として利用される。

空気供給系１４は、燃料電池１２の空気極に供給される空気が流れる空気供給通路２０を含む。空気供給通路２０には、エアフィルタ２２を介して大気中から空気を取り込むエアコンプレッサ２４と、燃料電池１２に供給される空気を適度に加湿する加湿器２６と、燃料電池１２の空気入口部２９ａに導入される空気の圧力を検出する圧力センサ２８とが設けられている。空気入口部２９ａから燃料電池１２内に流入した空気は、それに含まれる酸素の一部が各燃料電池セルにおいて発電に供された後、空気出口部２９ｂから排気される。この排気される空気には、燃料電池１２での電気化学反応により生じた水が含まれる。

水素供給系１６は、例えば高圧水素タンクなどからなる水素供給源３０と、水素供給源３０から燃料電池１２の水素入口部３９ａを介して燃料電池１２に供給される水素ガスが流れる水素供給通路３２と、燃料電池１２の水素出口部３９ｂから排気される水素オフガスが流れる水素排気通路３４と、水素排気通路３４に排出された水素オフガスを循環ポンプ３６の作動により水素供給通路３２へと循環供給するための循環通路３８とを含む。

なお、水素供給源は、高圧水素タンクに限定されるものはなく、水素吸蔵合金を用いたものであってもよい。また、水素供給源は、天然ガス等の燃料ガスを水蒸気等で改質することにより水素を生成する構成のものであってもよい。

水素供給源３０から燃料電池１２の水素入口部３９ａに接続する水素供給通路３２には、水素ガス供給方向の上流側から順に、水素供給源３０からの水素ガスの流出を遮断する遮断弁４０と、水素供給源３０から噴出する水素ガスを適度に減圧する減圧弁４１と、減圧弁４１により減圧された水素のガス圧力およびガス流量を調節して燃料電池１２への水素供給量を制御するインジェクタ（調圧装置）４２、および、燃料電池１２の水素入口部３９ａに導入される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４４が設置されている。

一方、燃料電池１２の水素出口部３９ｂに接続する水素排気通路３４は、気液分離器３５を介して循環通路３８に接続されている。気液分離器３５には、例えばサイクロン式のものが好適に用いられる。水素排気通路３４から気液分離器３５内に流入した水素オフガス中に含まれる水は、遠心分離作用によってガスと分離されて、気液分離器３５の下部から排気排水通路４５および排出規制部４６を介して希釈器４８へと送られる。なお、排出規制部４６については、後に詳述する。

気液分離器３５において水分が除去された水素オフガスの大部分は、循環通路３８および循環ポンプ３６を介して水素供給通路３２に合流し、水素供給源３０から送られてきたフレッシュ（濃度１００％）の水素ガスと混合して燃料電池１２に循環供給される。一方、燃料電池１２の水素出口部３９ｂから排気された水素オフガスの一部は、気液分離器３５において分流され、分離された水と共に排気排水通路４５および排出規制部４６を介して希釈器４８へと排出される。

空気排気系１８は、燃料電池１２の各セルにおいて発電に供された後に燃料電池１２から排気される空気が流れる空気排気通路５０を含む。空気排気通路５０は、その一端が燃料電池１２の空気出口部２９ｂに接続され、他端が車外に向けて水素混合空気を排気する排気口５１となっている。空気排気通路５０には、空気排気方向に沿って順に、空気調圧弁５２、加湿器２６、希釈器４８およびマフラ５４が設けられている。

空気調圧弁５２は、内部に含まれる弁体の開度を調整することにより、空気排気通路５０を流れる空気の流量や圧力、すなわち燃料電池１２に供給される空気の流量や圧力を制御するためのものである。加湿器２６は、燃料電池１２から排出される空気オフガス中に含まれる生成水の一部を回収して、空気供給通路２０を介して燃料電池１２に供給される空気に加湿に用いる機能を有する。

また、希釈器４８は、排気排水通路４５から導入される水素オフガスを燃料電池１２から空気排気通路５０を介して排出された空気と混合して所定値以下の水素濃度になるよう希釈する機能を有する。マフラ５４は、サイレンサまたは消音器とも呼ばれ、システム１０から排気される空気と共に騒音が車外に放散されるのを抑制する機能を有する公知構成のものである。

上記燃料電池システム１０に含まれる遮断弁４０には、制御部１００からの指令を受けて開弁または閉弁する電磁弁などが好適に用いられる。また、空気調圧弁５２やインジェクタ４２には、例えばモータ駆動力や電磁駆動力により開閉可能な弁体を有する開閉弁などにより好適に構成され、弁体の開度や開弁時間が制御されることによって通過する空気および水素のガス流量やガス圧を調整できるようになっている。

制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＡＭやＲＯＭ等のメモリ、入出力インターフェース等を含むマイクロコンピュータとして構成されることができる。制御部１００には、空気供給系１４の圧力センサ２８および水素供給系１６の圧力センサ４４から検出値が入力されると共に、アクセル開度信号や燃料電池１２に対する要求発電信号等が入力される。制御部１００は、これらの入力に基づいて、遮断弁４０、減圧弁４１および空気調圧弁５２の開閉制御、エアコンプレッサ２４および循環ポンプ３６の作動制御、インジェクタ４２による水素供給圧力制御などを実行することにより、燃料電池１２の発電動作を制御する。

次に、図２を参照して上記排出規制部４６について説明する。図２は、排出規制部４６を示す拡大断面図である。本実施形態における排出規制部４６は、略砂時計のような形状に縮径した規制開口部６０を有するオリフィス部材によって構成されている。規制開口部６０は、後述する条件を満たすような一定開口面積に予め設定されていることで、気液分離器３５から分流して排気排水通路４５を流れる水素オフガスの排出量を規制しつつ希釈器４８へと送ることができる。

このようにオリフィス部材からなる排出規制部４６は、弁体の開閉作動によって水素オフガスおよび水の流通を許容および停止する開閉弁とは異なり、開閉作動する弁体を有しない。したがって、排出規制部４６の規制開口部６０は、常に一定開口面積で開放された状態に保持されており、システム運転中に環境温度が氷点下以下になったとしても、開動作した弁体に氷が噛み込まれて閉弁不良になることで多量の水素オフガスがシステム外に排出されてしまうことがない。

また、排出規制部４６の規制開口部６０は、燃料電池１２から排気される水素オフガスを分流してシステム外に排出する際の水素オフガスの排出量を規制しつつ流通させるものであるため、水素オフガスが過剰に排出されてしまうのが抑制され、これにより水素供給源３０からの水素ガスの過剰な補給を要することなく、燃料電池１２に循環供給される水素オフガス中の水素濃度を所望値以上に保持することが可能になる。

さらに、排出規制部４６をオリフィス部材で構成することで、電磁式またはモータ駆動式の開閉弁に比べて、大幅にコスト低減できると共に、故障することがなくシステムの信頼性向上に寄与できる。

続いて、排出規制部４６の規制開口部６０の開口面積をどのように設定するかについて図３を参照して説明する。図３は、横軸に表す水素供給系１６の圧力（ｋＰａ）と、縦軸に表す排出規制部４６を通過する水素オフガスの排出量（ＮＬ（ノーマルリットル）／ｍｉｎ）との関係を示すグラグである。

図３のグラフにおいて、曲線（１）（第１曲線）は、燃料電池１２が低負荷発電状態であって燃料電池１２から排出される空気量が最少になるときに、システム１０から排出される排ガスの水素濃度が可燃濃度未満である所定値（例えば２％）となる水素供給圧力と排出量との関係を示すグラフ線である。ここで、燃料電池１２の低負荷発電状態とは、システムを搭載した電動車両が停車状態または低速走行状態あるときが想定される。したがって、このような場合でも排ガス中の水素濃度を所定値以下とするには、排出規制部４６を通過する水素オフガスを曲線（１）以下の排出量とする必要がある。

また、燃料電池１２の発電性能を最適に維持または発揮するには、燃料電池１２に循環供給される水素オフガス中の水素濃度が所定値（例えば６０％）以上に保たれている必要があり、曲線（２）（第２曲線）は水素オフガス中の水素濃度が所定値となる水素供給圧力と排出量との関係を示すグラフ線である。したがって、水素オフガス中の水素濃度を所定値以上に維持するためには、排出規制部４６を通過する水素オフガスを曲線（２）以上の排出量とする必要がある。

ここで、上記各曲線（１）および（２）は、燃料電池１２に関する特有のものであり、燃料電池１２の具体的構成が決まれば実験やシミュレーション等によって得ることができる。

以上のことから、排出規制部４６の規制開口部６０は、曲線（１）以下の排出量領域と曲線（２）以上の排出量領域との重複領域Ｓに含まれる水素供給圧力および水素オフガス排出量の関係を満たすような開口面積を有するように予め設定されている。これにより、一定開口面積の規制開口部６０を開放した状態のままで、燃料電池１２に循環供給される水素オフガス中の水素濃度を所定値以上に維持することと、システムから大気へと排気される排ガス中の水素濃度を所定値以下にすることを両立させることができる。

図３中に示す曲線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、規制開口部６０の開口面積（ｍｍ²）Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ（ここで、Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ＞Ｅ）がそれぞれ異なる５種類のオリフィス部材を用いて水素供給圧力と排出量との関係をそれぞれ調べた結果を示す曲線である。これらの曲線Ａ〜Ｅのうち、曲線（１）以下で曲線（２）以上の重複領域Ｓを通過しない曲線Ａは、本実施形態の上述した作用効果を奏し得ないため、開口面積Ａの規制開口部６０を有する排出規制部４６は不適切である。

一方、曲線Ｂ〜Ｅはいずれも上記重複領域Ｓを通過するため、本実施形態の排出規制部４６に用いられるオリフィス部材として適用可能である。しかし、燃料である水素の消費をできるだけ少なくして燃費向上を図るうえでは比較的低い水素供給圧力を使用することが望ましいことから、上記重複領域Ｓのうち比較的低圧力側領域を通過する曲線に対応する開口面積を選択することが好ましい。具体的には、曲線Ｅ（開口面積Ｅ）よりも曲線Ｄ（開口面積Ｅ）が好ましく、曲線Ｄ（開口面積Ｄ）よりも曲線Ｃ（開口面積Ｃ）がより好ましく、曲線Ｃ（開口面積Ｃ）よりも曲線（１）および（２）の交点Ｇを通過する曲線Ｂ（開口面積Ｂ）が最適である。

次に、図４を参照して本実施形態の燃料電池システム１０における水素供給圧力の制御について説明する。図４は、横軸に表す水素供給系１６の圧力（ｋＰａ）と、縦軸に表す排出規制部４６を通過する水素オフガスの排出量（ＮＬ／ｍｉｎ）との関係を示す、図３とほぼ同様のグラフを示す。図４には、図３中の曲線のうち曲線Ａを除く全ての曲線（１），（２），Ｂ〜Ｅが示されるのに加えて、必要水素確保曲線（３），（４）および（５）が示されている。

必要水素確保曲線（５）は、燃料電池１２に対して最大発電電流を出力するよう要求があったときに燃料電池１２内で発電に供される水素量を確保するために参照される水素供給圧力および排出量の関係を示す。また、曲線（４）は、燃料電池１２に対して連続定格発電電流を出力するよう要求があったときに燃料電池１２内で発電に供される水素量を確保するために参照される水素供給圧力および排出量の関係を示す。さらに、曲線（３）は、燃料電池１２に対して最小発電電流を出力（すなわち低負荷発電）するよう要求があったときに燃料電池１２内で発電に供される水素量を確保するために参照される水素供給圧力および排出量の関係を示す。

制御部１００は、必要水素確保曲線（３），（４）および（５）に加えて、各種の発電電流要求に対応した必要水素確保曲線を、マップやテーブル等の形式でメモリに予め記憶している。制御部１００は、ユーザのアクセル操作に応じて入力されるアクセル開度信号から演算される要求発電電流、あるいは、外部ＥＣＵ(Electronic Control Unit)から入力される要求発電電流指令に基づいて、必要水素確保曲線を特定して参照する。

ここで、上記排出規制部４６として曲線Ｂに対応するオリフィス部材（最適な開口面積Ｂ）が用いられている場合、上記のように特定される必要水素確保曲線と曲線Ｂとの交点で規定される水素供給圧力となるよう、制御部１００はインジェクタ４２に開度調整信号を送信して水素供給圧力を制御する。このとき、圧力センサ４４から入力される検出圧力に基づいてフィードバック制御を実行することにより、水素供給圧力を迅速かつ正確に設定することができる。このように水素供給圧力を制御することで、要求発電電流に応じた必要水素量を適切に確保できる。なお、特定された必要水素確保曲線と曲線Ｂとの交点に対応する水素オフガスの排出量は、図４のグラフ中で曲線（１）を超えた量となるが、このとき燃料電池１２から排気されて希釈器４８に送られる空気量は曲線（１）の条件である最少空気量に比べて十分に多いことから、希釈器４８で希釈されてシステム１０から排出される排ガスの水素濃度は曲線（１）に対応する所定値以下の値になる。

一方、図４中の必要水素確保曲線（３）は上記重複領域Ｓに入っていないため、このように上記重複領域Ｓにかからない必要水素確保曲線が特定された場合には、制御部１００は曲線（１）および（２）の交点Ｇで規定される水素供給圧力となるようインジェクタ４２を制御する。

なお、上記実施形態では、排出規制部４６としてオリフィス部材を用いる例について説明したが、本発明に係る燃料電池システムはこれに限定されるものではない。例えば、システム運転中は弁体の開閉動作を行わず、一定開口面積で開放させた状態に保持されるという条件の下で、排出規制部４６に開閉弁を用いてもよい。この場合、システム運転停止後に閉弁させる制御を行えば、システム運転停止時に燃料電池１２内に残存する水素が排出規制部４６を介して漏れ出るのを防止することができるメリットがある。

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１４ 空気供給系、１６ 水素供給系、１８ 空気排気系、２０ 空気供給通路、２２ エアフィルタ、２４ エアコンプレッサ、２６ 加湿器、２８，４４ 圧力センサ、２９ｂ 空気出口部、３０ 水素供給源、３２ 水素供給通路、３４ 水素排気通路、３５ 気液分離器、３６ 循環ポンプ、３８ 循環通路、３９ａ 水素入口部、３９ｂ 水素出口部、４０ 遮断弁、４１ 減圧弁、４２ インジェクタ、４５ 排気排水通路、４６ 排出規制部、４８ 希釈器、５０ 空気排気通路、５１ 排気口、５２ 空気調圧弁、５４ マフラ、６０ 規制開口部、１００ 制御部。

Claims (5)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料ガス源から送られた燃料ガスを燃料電池に循環供給する燃料ガス供給系と、燃料電池から排気される燃料オフガスを分流してシステム外に排出するための排出規制部とを備え、
   前記排出規制部は、燃料オフガスの排出量を規制しつつ流通させる規制開口部を有し、この規制開口部は少なくともシステム運転中は一定開口面積で開放された状態に保持されており、前記規制開口部の一定開口面積は、前記燃料電池に循環供給される燃料ガス供給圧力と、前記燃料電池から排出されて前記規制開口部を介してシステム外に排気される燃料オフガス排出量とが、前記燃料電池に供給される燃料ガス濃度を所定値以上に維持しながら前記システム外に排気される排ガス中の燃料ガス濃度を可燃濃度未満である所定値以下にする関係を満たすように、予め設定されており、
   前記排出規制部の規制開口部の開口面積は、燃料ガス供給系の圧力を横軸に、排出規制部での燃料オフガスの排出量を縦軸に示すグラフにおいて、排出規制部を介して排出された燃料オフガスが燃料電池から排気された酸化オフガスによって希釈された後の排ガス中の燃料ガス濃度が可燃濃度未満である所定値となる第１曲線以下の排出量領域と、燃料電池から排気された燃料オフガス中の燃料ガス濃度が所定値となる第２曲線以上の排出量領域との重複領域に含まれる燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を満たすように予め設定されていることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出規制部の規制開口部の開口面積は、前記重複領域のうち比較的低圧力側の領域に含まれる燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を満たすように予め設定されていることを特徴とする、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出規制部の規制開口部の開口面積は、前記排出規制部を介して排出された燃料オフガスが燃料電池から排気された酸化オフガスによって希釈された後の排ガス中の燃料ガス濃度が可燃濃度未満である所定値となる第１曲線と、前記燃料電池から排気された燃料オフガス中の燃料ガス濃度が所定値となる第２曲線との交点での燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を満たすように予め設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記排出規制部がオリフィス部材で構成されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料電池システムであって、
   燃料電池への燃料ガス供給圧力を調節する調圧装置と、この調圧装置を制御する制御部をさらに備え、
   制御部は、予め設定された一定開口面積を有する規制開口部についての燃料ガス供給圧力および燃料オフガス排出量の関係を記憶しており、この関係に基づいて燃料ガス供給圧力が燃料電池に対する要求発電電流に応じた圧力となるよう前記調圧装置を制御することを特徴とする燃料電池システム。

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