JP6681552B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

燃料電池システムでは、例えば水素を含有する燃料ガスを有効利用し、燃料電池システムの発電効率を高めるために、燃料電池で利用されなかった未反応燃料ガスを再び燃料電池に燃料ガスとして供給するように燃料ガス循環経路が設けられる。

燃料ガスが燃料ガス循環経路を循環するように構成すると、燃料ガス中に含有していた不純物ガスや、燃料電池の電解質膜を通して酸化剤ガス側から燃料ガス側に、空気に含まれる窒素などの不純物ガスが透過して濃縮され、燃料電池の発電を阻害し、燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下する。

そこで、燃料ガス循環経路に未反応燃料ガスを排出するための未反応燃料ガス排出経路を設けて、未反応燃料ガス循環経路に通流する不純物ガスを未反応燃料ガスと共に周期的に排出する。

ここで、燃料電池の発電開始からの時間経過と共に燃料ガスに濃縮される空気中の窒素ガスの量を予め実験等で把握し、窒素ガスの量が所定量溜まる時間である、所定時間の間隔で定期的に窒素ガスを未反応燃料ガスと共に排出することで、必要以上に未反応燃料ガスを排出することを防止する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に開示された従来の燃料電池システムの構成のブロック図である。図７に示すように、燃料電池システム３００は、燃料電池３０１と、燃料ガス供給経路３０２と、酸化剤ガス供給経路３０３と、未反応燃料ガス供給経路３０４と、未反応燃料ガス排出経路３０５と、未反応燃料ガス排出弁３０６と、エゼクタ３０７と、制御器３０８から構成されている。

燃料電池３０１に供給された燃料ガスのうち、発電に使用されなかった未反応燃料ガスは、未反応燃料ガス供給経路３０４、エゼクタ３０７を通して、燃料電池３０１に再び供給する。

そのため、未反応燃料ガス供給経路３０４内に蓄積する窒素ガスを排出するために、制御器３０８は、所定時間の間隔で未反応燃料ガス排出弁３０６を開放し、未反応燃料ガス排出経路３０５を通して、窒素ガスを含んだ燃料ガスを排出する。

特開２００８−３００２６１号公報

前記従来の構成では、未反応燃料ガスは一定の供給量となるように運転されるのが一般的である。このような場合、未反応燃料ガスの循環運転中は、燃料電池の発電開始からの時間の経過と共に燃料ガスに、図８に示す従来の燃料電池の燃料消費率の変化を表すタイ
ミングチャートのように窒素ガスが濃縮していき、運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ｕｆが大きく変動する。ここで、燃料電池の燃料消費率Ｕｆは（数１）で表現される。

（数１）のように燃料電池の燃料消費率Ｕｆを定義すると、高燃料消費率側では、燃料不足による燃料電池の発電電圧の低下の観点で、低燃料消費量側では、循環量を確保するための循環ポンプの消費電力増大による燃料電池システムの発電効率の低下の観点で、それぞれ課題があった。

また、燃料電池の燃料消費率Ｕｆの変動幅を小さくする方法として、不純物ガスを未反応燃料ガスと共に排出する周期を短くする方法が考えられるが、排出弁の作動回数が多くなって、排出弁の耐久性の観点で課題があった。

本発明は、排出弁の耐久性を低下させることなく、燃料電池の発電効率を安定させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス供給経路と、未反応燃料ガス供給経路から未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス供給経路から分岐する未反応燃料ガス排出経路と、未反応燃料ガス排出経路を開閉する未反応燃料ガス排出弁と、制御器と、を備え、制御器は、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量を変動させるものである。

この構成とすることで、燃料電池の安定した発電が可能になると共に、未反応燃料ガスの排出弁の耐久信頼性の確保が可能となる。

本発明によれば、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムにおいて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ｕｆを一定に保ち、燃料電池の安定した発電が可能になると共に、未反応燃料ガスの排出弁の作動回数を抑制することで、排出弁の耐久信頼性の確保が可能となり、燃料電池システムの信頼性が向上する。

本発明の実施の形態１および２における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおける燃料電池の燃料消費率と未反応燃料ガスの供給量と未反応燃料ガス中の窒素濃度と未反応燃料ガス排出弁の発電開始からの時間経過に伴う変化を表すタイミングチャート 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート 従来の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図 従来の燃料電池システムにおける燃料電池の燃料消費率と未反応燃料ガスの供給量と未反応燃料ガス中の窒素濃度と未反応燃料ガス排出弁の発電開始からの時間経過に伴う変化を表すタイミングチャート

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス供給経路と、未反応燃料ガス供給経路から未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス供給経路から分岐する未反応燃料ガス排出経路と、未反応燃料ガス排出経路を開閉する未反応燃料ガス排出弁と、制御器と、を備え、制御器が、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量を変動させることを特徴とする、燃料電池システムである。

この構成とすることで、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムにおいて、未反応燃料ガスの供給量を、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて変動することで、燃料電池に供給される燃料ガス量を一定に保つことが可能となる。

これにより運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ｕｆを一定に保つことが可能となり、燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、制御器が、未反応燃料ガスに含まれる窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量を変動させることを特徴とするものである。

この構成とすることで、燃料電池から排出される未反応燃料ガスに含まれる不純物ガスの中でも、特に、燃料電池の燃料消費率Ｕｆの変動に大きな影響を与える窒素濃度に応じて、未反応燃料ガスの供給量を変動することで、より効果的に燃料電池に供給される燃料ガス量を一定に保つことが可能となる。

これにより運転動作中の燃料電池の燃料消費率Ｕｆを一定に保つことが可能となり、より燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、制御器が、不純物ガスの濃度が予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とするものである。

この構成とすることで、予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料排出弁を開くことが可能となることから、不純物ガス濃度の上昇により、燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下することを抑制することが可能となる。これにより、より燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。

第４の発明は、特に、第２の発明において、制御器が、窒素濃度が、予め設定された窒素濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とするものである。

この構成とすることで、燃料電池から排出される未反応燃料ガスに含まれる不純物ガスの中でも、特に、燃料電池の燃料消費率Ｕｆの変動に大きな影響を与える窒素濃度に応じて、予め設定された窒素濃度の上限値に達する前に、未反応燃料排出弁を開くことが可能となることから、窒素濃度の上昇により燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下することを抑制することが可能となる。

これにより、より燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。

第５の発明は、特に、第１の発明において、制御器が、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量が搬送手段の供給量上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とするものである。

この構成とすることで、搬送手段による未反応燃料ガスの供給量が搬送手段の供給量上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁を開くことが可能となることから、搬送手段の供給量不足による燃料電池の燃料消費率Ｕｆの上昇を抑制することが可能となる。

これにより、さらに燃料電池の安定した発電が可能となる燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には、同一符号を付して、その重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。

図３は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムにおける燃料電池の燃料消費率と未反応燃料ガスの供給量と未反応燃料ガス中の窒素濃度と未反応燃料ガス排出弁の発電開始からの時間経過に伴う変化を表すの変化を表すタイミングチャートである。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料ガス供給経路２と、酸化剤ガス供給経路３と、未反応燃料ガス供給経路４と、未反応燃料ガス排出経路５と、未反応燃料ガス排出弁６と、搬送手段７と、制御器１０１とを備える。

燃料電池１は、水素を含有する燃料ガス及び酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電するものである。燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれの供給装置（図示せず）により供給する。本実施の形態では、燃料ガスとして純水素ガスを用い燃料電池システム内で発生する圧力損失よりも高い圧力で供給する。また、酸化剤ガスとして空気を用いる。燃料電池１には、固体高分子形燃料電池を用いる。

燃料ガス供給経路２は、燃料電池１に純水素ガスを供給するための経路である。酸化剤
ガス供給経路３は、燃料電池１に空気を供給するための経路である。未反応燃料ガス供給経路４は、燃料電池１から排出された未反応燃料ガスを再び燃料電池１へ燃料ガスとして供給するための経路である。

未反応燃料ガス排出経路５は、未反応燃料ガス供給経路４から分岐して、未反応燃料ガス供給経路４内の未反応燃料ガスを外部へ排出するための経路である。

本実施の形態では、未反応燃料ガス排出経路５から排出される未反応燃料ガスは、空気で希釈して、未反応燃料ガスに含まれる水素の濃度を可燃範囲以下に下げてから、大気に排出する。

未反応燃料ガス排出弁６は、未反応燃料ガス排出経路５の経路内に設けられており、未反応燃料ガス供給経路４内の未反応燃料ガスを、未反応燃料ガス供給経路４内の不純物ガスと共に、外部へ排出するために経路を周期的に開閉する開閉弁である。本実施の形態では、電磁弁を使用する。

搬送手段７は、未反応燃料ガス供給経路４から燃料ガス供給経路２を介して燃料電池１に未反応燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス供給経路４の経路内に設けられたポンプである。

制御器１０１は、燃料電池システム１００を制御するための制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部には、ＣＰＵを備えている。記憶部には、メモリーを備えている。

固体高分子形燃料電池は、一般的に、ＭＥＡをセパレータで挟持した構造であり、本実施の形態では、ＭＥＡは、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層を順に積層した構造を有する。電池反応は、触媒と、触媒を担持する担体、およびアイオノマー（イオン伝導性高分子）とからなるカソード触媒層とアノード触媒層において進行する。

燃料電池１は、燃料電池１内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された純水素ガスを全て発電に使用することが困難であり、燃料電池１からは未反応燃料ガスが排出される。

この排出された未反応燃料ガスをそのまま捨ててしまうと、純水素ガスを無駄にして燃料電池システム１００の発電効率が低下するため、燃料電池１で利用されなかった未反応燃料ガスを再び燃料電池１の燃料ガス供給経路２に循環させる。

そして、燃料電池１の発電開始からの時間経過と共に未反応燃料ガスに濃縮される不純物ガスの量を予め実験で把握し、不純物ガスの量が所定量溜まる時間である、所定時間の間隔で定期的（周期的）に不純物ガスを未反応燃料ガスと共に排出し、必要以上に未反応燃料ガスを排出することを防止する。

その際に、未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆが略一定になるように、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量を変動させる。

本実施の形態では、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量は、予め実験によって設定された燃料電池１の発電開始からの時間と窒素濃度の傾きから設定される。ここでは、燃料電池１の発電開始からの時間１５分に対し、窒素濃度が４０％上昇する傾きであるた
め、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量は、窒素濃度の変動に合わせ、燃料電池１の発電開始からの時間１５分に対し、４０％上昇する傾きで設定する。

これにより、燃料電池１に供給される純水素ガス量を一定に保つことが可能となる。また、未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の窒素濃度を所定濃度以下に低減するために、未反応燃料ガス供給経路４内の未反応燃料ガスを、未反応燃料ガス排出経路５から排出する。

未反応燃料ガス排出動作は、未反応燃料ガス排出弁６を開放し未反応燃料ガス排出経路５から未反応燃料ガスを排出する。本実施の形態では、未反応燃料ガス排出経路５から未反応燃料ガス排出動作を実施するか否かを未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の窒素濃度により決定する。

窒素濃度が第１所定濃度であれば、燃料電池１が純水素ガス中の窒素ガスにより電圧が低下し発電効率が低下するため、未反応燃料ガス排出動作を実施する。未反応燃料ガス排出動作を実施し、正常に未反応燃料ガス供給経路４の窒素濃度が第２所定濃度に低下すると、燃料電池１の電圧が回復することで燃料電池１の発電効率が上昇する。本実施の形態では、第１所定濃度を５０％とし、第２所定濃度を５％とした。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を、図２および図３を参照しながら説明する。

図２に示すように、制御器１０１は、燃料電池システム１００が発電を開始した時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御器１０１は、燃料電池１の発電開始と共に発電時間ｔ１を取得開始する（Ｓ１０１）。次に、発電時間ｔ１から窒素濃度α１を、予め実験で取得した燃料電池１の発電時間と窒素濃度の傾きβ１の関係から算出する（Ｓ１０２）。そして、窒素濃度の傾きβ１に合わせ、搬送手段７の供給量Ｌ１を変動させる（Ｓ１０３）。

窒素濃度α１が第１所定濃度５０％より高いか判定する（Ｓ１０４）。窒素濃度α１が第１所定濃度５０％より低ければＳ１０２に戻り、窒素濃度α１が第１所定濃度５０％より高ければ、未反応燃料ガス排出弁６を開放する（Ｓ１０５）。そして、窒素濃度α１が第２所定濃度５％より低いか判定する（Ｓ１０６）。

窒素濃度α１が第２所定濃度５％より高ければＳ１０５に戻り、窒素濃度α１が第２所定濃度５％より低ければ、未反応燃料ガス排出弁６を閉止（Ｓ１０７）して、Ｓ１０１に戻る。各ステップは各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに速やかに移行するようにする。このような動作を行うと、図３に示すタイミングチャートに示すようになり、燃料電池１の燃料消費率Ｕｆを一定に保つ運転ができる。

以上のように、本実施の形態において、未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆが略一定になるように、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量を変動させることで、燃料電池１に供給される純水素ガス量を一定に保つことが可能となることから、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆを一定に保つことが可能となる。

そのため、燃料電池１の安定した発電が可能となる。また、窒素濃度が、予め設定された窒素濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁６を開くように制御する。そのため、窒素濃度の上昇により燃料電池１の発電電圧が低下して、燃料電池１の発電効率が
大きく低下することを抑制することが可能となる。

これにより、より燃料電池１の安定した発電が可能となる燃料電池システム１００を提供することができる。これらの動作により、燃料電池システム１００の安定した発電が可能になる。

また、本実施の形態では、燃料電池１の発電開始からの経過時間から窒素濃度を算出して、窒素濃度に合わせ、供給量を変動させたが、これに限らず燃料電池１の発電開始からの経過時間で供給量を変動させても構わない。

さらに、本実施の形態では、不純物ガスを、燃料電池１の電解質膜を通して空気側から純水素ガス側に透過する空気に含まれる窒素ガスとしたが、これに限らず純水素ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。

なお、未反応燃料ガス供給経路４に燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス供給経路４にポンプを設置せず、燃料ガス供給経路２と未反応燃料ガス供給経路４が合流する部位にエゼクタやインジェクタを設置しても構わない。

なお、未反応燃料ガス排出動作を継続する時間は、未反応燃料ガス供給経路４から不純物ガスを排出し、所定濃度より低くすることができれば、いかなる時間であっても構わない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の燃料電池システムの概略構成を示すブロック図は、図１に示した実施の形態１との燃料電池システム１００と同じである。

図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。なお、実施の形態１と同様の構成要素については同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。

本実施の形態における燃料電池システム１００を構成する各機器の動作にて、実施の形態１と異なる点について述べる。

本実施の形態では、未反応燃料ガス排出経路５から未反応燃料ガス排出動作を実施するか否かを未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の窒素濃度と、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量により決定する。

窒素濃度が第１所定濃度であれば、燃料電池１が純水素ガス中の窒素により電圧が低下し発電効率が低下するため、未反応燃料ガス排出動作を実施する。また、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量が第１所定流量であれば、搬送手段７の供給量の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出動作を実施する。

未反応燃料ガス排出動作を実施し、正常に未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の窒素濃度が第２所定濃度に低下すると、燃料電池１の電圧が回復することで燃料電池１の発電効率が上昇する。

また、未反応燃料ガス排出動作を実施し、正常に搬送手段７の未反応燃料ガスの供給量が、第２所定流量に低下したならば、搬出手段７の供給量が上限に達するのを防止することが可能となる。

本実施の形態では、第１所定濃度を５０％とし、第２所定濃度を５％とした。また、第１所定流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、第２所定流量を３Ｌ／ｍｉｎとした。

これにより、未反応燃料ガス排出弁６の作動間隔を供給量上限まで長く設定することが可能となり、未反応燃料ガス排出弁６の作動回数を抑制することが可能となると共に、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量が搬送手段７の供給量上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁６を開くことが可能となることから、搬送手段７の供給量不足による燃料電池１の燃料消費率Ｕｆの上昇を抑制することが可能となる。

そのため、より燃料電池１の安定した発電が可能となる燃料電池システム１００を提供することが可能となる。

燃料電池１から発電する電力の量のことを本実施の形態では発電量と呼ぶ。本実施の形態では通常７００Ｗで発電する。７００Ｗで発電する際の、燃料電池１で使用される純水素ガス量は７Ｌ／ｍｉｎである。

以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を、図４を参照しながら説明する。

図４に示すように、制御器１０１は、燃料電池システム１００が発電を開始した時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御器１０１は、燃料電池１の発電開始と共に発電時間ｔ１を取得開始する（Ｓ２０１）。次に、発電時間ｔ１から窒素濃度α１を、予め実験で取得した燃料電池１の発電時間と、窒素濃度の傾きβ１の関係から算出する（Ｓ２０２）。

そして、窒素濃度の傾きβ１に合わせ、搬送手段７の供給量Ｌ１を変動させる（Ｓ２０３）。窒素濃度α１が第１所定濃度５０％より高いか、また、供給量Ｌ１が第１所定流量１０Ｌ／ｍｉｎより高いか判定する（Ｓ２０４）。窒素濃度α１が第１所定濃度５０％より低ければＳ２０２に戻り、窒素濃度α１が第１所定濃度５０％より高ければ、未反応燃料ガス排出弁６を開放する（Ｓ２０５）。

また、供給量Ｌ１が第１所定流量１０Ｌ／ｍｉｎより低ければＳ２０３に戻り、供給量Ｌ１が第１所定流量１０Ｌ／ｍｉｎより高ければ、未反応燃料ガス排出弁６を開放する（Ｓ２０５）。そして、窒素濃度α１が第２所定濃度５％より低いか、また供給量Ｌ１が第２所定流量３Ｌ／ｍｉｎより低いか判定する（Ｓ２０６）。

窒素濃度α１が第２所定濃度５％より高いか、供給量Ｌ１が第２所定流量３Ｌ／ｍｉｎより高ければＳ２０５に戻り、窒素濃度α１が第２所定濃度５％より低いか、供給量Ｌ１が第２所定流量３Ｌ／ｍｉｎより低ければ、未反応燃料ガス排出弁６を閉止（Ｓ２０７）して、Ｓ２０１に戻る。各ステップは各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに速やかに移行するようにする。

以上のように、本実施の形態において、未反応燃料ガス供給経路４の燃料ガス中の窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆが略一定になるように、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量を変動させることで、燃料電池１に供給される純水素ガス量を一定に保つことが可能となることから、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆを一定に保つことが可能となる。

そのため、燃料電池１の安定した発電が可能となる。また、搬送手段７の供給量が、予
め設定された供給量の上限値に達する前に、未反応燃料ガス排出弁６を開くように制御する。

これにより、未反応燃料ガス排出弁６の作動回数を抑制することが可能となると共に、搬送手段７の供給量不足による燃料電池１の燃料消費率Ｕｆの上昇を抑制することが可能となる。

これらの動作により、燃料電池システム１００の、より安定した発電が可能になると共に、未反応燃料ガス排出弁６の耐久信頼性の確保が可能となる。

また、本実施の形態では、燃料電池１の発電開始からの経過時間から窒素濃度を算出して、窒素濃度に合わせ、供給量を変動させたが、これに限らず燃料電池１の発電開始からの経過時間で供給量を変動させても構わない。

さらに、本実施の形態では、不純物ガスを、燃料電池１の電解質膜を通して空気側から純水素ガス側に透過する空気に含まれる窒素ガスとしたが、これに限らず燃料ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。

なお、未反応燃料ガス供給経路４に未反応燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス供給経路４にポンプを設置せず、燃料ガス供給経路２と未反応燃料ガス供給経路４が合流する部位にエゼクタやインジェクタを設置しても構わない。

なお、未反応燃料ガス排出動作を継続する時間は、未反応燃料ガス供給経路４から不純物ガスを排出し、所定濃度より低くすることができれば、いかなる時間であっても構わない。

なお、搬送手段７の供給量は、第１所定流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、第２所定流量を３Ｌ／ｍｉｎで設定したが、燃料電池システム１００の構成によって異なってくるため、燃料電池１が安定して発電することができれば、いかなる流量値であっても構わない。

また、第一所定流量は絶対値でなくてもよく、例えば、未反応燃料ガス排出動作前後の未反応燃料ガスの流量値変化量であっても構わない。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池システムの構成について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図６は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。なお、実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明はここでは省略する。

図５に示す燃料電池システム２００においては、未反応燃料ガス供給経路４にガスセンサ８を備える点で実施の形態１と異なっている。

ガスセンサ８は、未反応燃料ガスに流通する未反応燃料ガス中の窒素濃度を計測する濃度計である。

本実施の形態における燃料電池システム２００を構成する各機器の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略するが、制御器１０２が、ガスセンサ８により計測された濃度値をもとに、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆが略一定になるように、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量を変動させる点が異なっている。

以上のように構成された燃料電池システム２００について、以下その動作、作用を、図６を参照しながら説明する。

図６は、本実施の形態３の燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。

図６に示すように、制御器１０２は、燃料電池システム２００が発電を開始した時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御器１０２は、燃料電池１の発電開始と共にガスセンサ８で窒素濃度α２の計測を開始する（Ｓ３０１）。そして、窒素濃度の傾きβ２に合わせ、搬送手段７の供給量Ｌ２を変動させる（Ｓ３０２）。窒素濃度α２が第１所定濃度５０％より高いか判定する（Ｓ３０３）。窒素濃度α２が第１所定濃度５０％より低ければＳ３０２に戻り、窒素濃度α２が第１所定濃度５０％より高ければ、未反応燃料ガス排出弁６を開放する（Ｓ３０４）。

そして、窒素濃度α２が第２所定濃度５％より低いか判定する（Ｓ３０５）。窒素濃度α２が第２所定濃度５％より高ければＳ３０４に戻り、窒素濃度α２が第２所定濃度５％より低ければ、未反応燃料ガス排出弁６を閉止（Ｓ３０６）して、Ｓ３０１に戻る。各ステップは各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに速やかに移行するようにする。

以上のように、本実施の形態においては、ガスセンサ８によって計測した未反応燃料ガス供給経路４の未反応燃料ガス中の窒素濃度に応じて、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆが略一定になるように、搬送手段７による未反応燃料ガスの供給量を変動させることで、燃料電池１に供給される純水素ガス量をより一定に保つことが可能となることから、運転動作中の燃料電池１の燃料消費率Ｕｆをより一定に保つことが可能となる。

そのため、燃料電池１の安定した発電が可能となる。これらの動作により、燃料電池システム２００のより安定した発電が可能となる。

また、本実施の形態では、ガスセンサ８で計測する濃度を窒素としたが、これに限らず純水素ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。さらに、未反応燃料ガス中に含有している不純物ガスを間接的に計測できれば水素濃度であっても構わない。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出される未反応燃料ガスを、再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムにおいて、未反応燃料ガスの供給量を、未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて変動することで、燃料電池の安定した発電が可能となる。そのため、長期間にわたり安定した発電を行いたい用途、例えば、家庭用または業務用の燃料電池システムの分野で有用である。

１ 燃料電池
２ 燃料ガス供給経路
３ 酸化剤ガス供給経路
４ 未反応燃料ガス供給経路
５ 未反応燃料ガス排出経路
６ 未反応燃料ガス排出弁
７ 搬送手段
８ ガスセンサ
１００ 燃料電池システム
１０１ 制御器
１０２ 制御器
２００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記燃料電池から排出される未反応燃料ガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス供給経路と、
   前記未反応燃料ガス供給経路から前記未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、
   前記未反応燃料ガス供給経路から分岐する未反応燃料ガス排出経路と、
   前記未反応燃料ガス排出経路を開閉する未反応燃料ガス排出弁と、
   制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記未反応燃料ガスに含まれる不純物ガス濃度に応じて、運転動作中の前記燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、前記搬送手段による前記未反応燃料ガスの供給量を変動させることを特徴とする、
   燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記未反応燃料ガスに含まれる窒素濃度に応じて、運転動作中の前記燃料電池の燃料消費率が略一定になるように、前記搬送手段による前記未反応燃料ガスの供給量を変動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. 前記制御器は、前記不純物ガス濃度が、予め設定された前記不純物ガス濃度の上限値に達する前に、前記未反応燃料ガス排出弁を開くように制御す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。
4. 前記制御器は、前記窒素濃度が、予め設定された前記窒素濃度の上限値に達する前に、前記未反応燃料ガス排出弁を開くように制御することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記搬送手段による前記未反応燃料ガスの供給量が搬送手段の供給量上限値に達する前に、前記未反応燃料ガス排出弁を開くように制御す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。

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