JP6761955B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを循環し、再び燃料電池スタックに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、燃料電池スタックで使用されなかった燃料ガスを再び燃料電池スタックに供給するように、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が濃縮され、燃料電池スタックでの発電を阻害し、燃料電池スタックの発電電圧が低下したり、燃料電池スタックが発電出来なくなったりする。そこで、燃料ガス循環経路には、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出経路が設けられ、燃料ガス循環経路に流通する不純物を燃料ガスとともに排出する。

ここで、燃料電池スタックで使用されなかった燃料ガスは、水蒸気を含有しており、燃料ガス循環経路内で燃料ガスの温度が低下すると、水蒸気が凝縮し、水が発生する。この水が燃料ガス循環経路に発生すると、燃料ガス排出経路から燃料ガスを排出し難くなるため、燃料ガス循環経路に水が発生していると推定される場合には、水が未発生時に比べて、燃料ガス排出経路から燃料ガスを排出する動作の間隔を短くしたり、排出時間を長く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１１は、特許文献１に記載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１１に示すように、燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２０１、燃料ガス循環経路２０３、パージ弁２０４、燃料ガス排出経路２０５及び制御部２０８から構成されている。燃料電池スタック２０１に供給された燃料ガスのうち、発電に使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス循環経路２０３を通して、燃料電池スタック２０１に再度供給される。燃料ガス循環経路２０３内に蓄積する不純物を放出するために、制御部２０８は、所定のタイミングでパージ弁２０４を開放し、燃料ガス排出経路２０５を通して、不純物を含んだ燃料ガスを排出する。

従来の燃料電池システム２００において、制御部２０８は、燃料ガス循環経路２０３内に水が凝縮しているかどうかを推定し、燃料ガス循環経路２０３内に水が発生している場合には、水の未発生時に比べて、パージ弁２０４を開放して燃料ガスを排出する動作の間隔を短くしたり、排出時間を長くすることで、パージ弁２０４又は燃料ガス排出経路２０５にて水詰まりが発生し、燃料ガス排出経路２０５から燃料ガスを排出出来ない不具合が発生することを防止している。

特開２００８−３００２６１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、燃料ガス循環経路で発生した水を燃料ガス排出経路から燃料ガスとともに排出しようとするが、パージ弁又は燃料ガス排出経路に付着した水の状態が、液層と気層とが混在するような状態であったり、液層の数が多数に及んでいる場合では、液層が１つ又は少数である場合に比べて、水の表面張力が強くなり、パージ弁を開放して燃料ガスを排出する時間を長くしても、水を排出することが出来ないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、パージ弁又は燃料ガス排出経路に水詰まりが発生した場合は、燃料ガス循環経路の圧力を通常時よりも高くして、水詰まりが発生している部位の燃料ガスの流れに対して上流部と下流部との差圧を高めることで、水の表面張力を上回る力で水を押すことが可能となり、パージ弁又は燃料ガス排出経路の水詰まりを解消可能な燃料電池システム及びその運転方法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、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が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給する燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁と、パージ弁の下流に接続された燃料ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、燃料ガス循環経路の圧力を燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に高めて、燃料ガス排出経路から燃料ガスを排出するパージ動作を行うように設定されているものである。

これによって、燃料ガス循環経路に設けた燃料ガス排出経路にて水詰まりが発生しても、水詰まりを解消可能とし、燃料ガス排出経路からの燃料ガス排出量を所定値以上に保つことで、燃料ガス循環経路の不純物濃度の上昇を抑制できるため、燃料電池スタックの電圧低下による発電効率の低下を防止することが出来る。また、スタック電圧低下によるスタック異常停止及びスタック劣化を防止することが出来る。

また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、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が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給する燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁と、パージ弁の下流に接続された燃料ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、燃料ガス循環経路の圧力を燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に高めて、燃料ガス排出経路から燃料ガスを排出するパージ動作を行うように設定されている。

これによって、燃料電池システムにて、燃料ガス循環経路から不純物を所定量排出出来ない異常が発生しても、異常を検知し、異常を自ら解消することが可能となるため、燃料電池システムの信頼性を向上させることが出来る。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、燃料ガス排出経路又はパージ弁にて、水による詰まりが発生して、燃料ガス循環経路に蓄積された不純物を排出出来なくなっても、燃料ガス循環経路の圧力を調整し、通常時よりも強い力を水詰まり部分に加えることで、水詰まりを解消することが出来るため、燃料ガス循環経路に蓄積された不純物を排出することが可能となり、燃料電池システムを安定して運転することが可能となるとともに、燃料電池システムが劣化して寿命が短くなることを防止することが出来る。

実施の形態１における燃料電池システムの構成のブロック図 実施の形態１における燃料電池システムの運転方法のフローチャート 実施の形態２における燃料電池システムの構成のブロック図 実施の形態２における燃料電池システムの運転方法のフローチャート 実施の形態３における燃料電池システムの構成のブロック図 実施の形態３における燃料電池システムの運転方法のフローチャート 実施の形態４における燃料電池システムの構成のブロック図 実施の形態４における燃料電池システムの運転方法のフローチャート 実施の形態５における燃料電池システムの構成のブロック図 実施の形態５における燃料電池システムの運転方法のフローチャート 従来の燃料電池システムの構成のブロック図

第１の発明は、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が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給する燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁と、パージ弁の下流に接続された燃料ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、燃料ガス循環経路の圧力を燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に高めて、燃料ガス排出経路から燃料ガスを排出するパージ動作を行うように設定されていることにより、パージ弁又は燃料ガス排出経路に水詰まりが発生して、燃料ガス排出動作を正常に行うことが出来ない場合でも、燃料ガス循環経路の圧力を正常発電時よりも高くすることで、水詰まり部位の上流と下流とで正常発電時よりも大きな圧力差をつけることが可能となり、パージ動作により詰まっている水を排出でき、水詰まりを解消することができる。

「燃料電池スタックの正常発電時」は、例えば、燃料ガス排出動作又はパージ動作を行っている間を除いた燃料電池スタックの発電時を意味する。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、パージ弁を閉じて、燃料ガス循環経路の圧力を第一設定圧力に高めてから、パージ弁を開放して、パージ動作を行うように設定されていることにより、燃料ガス循環経路の圧力を燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に上げる際、パージ弁を通じて燃料ガスが流出することがなくなり、燃料ガス循環経路の圧力を上昇させ易くすることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に対して供給されている燃料ガスの供給圧力が、第一設定圧力よりも高い燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料ガス供給経路に流通する燃料ガスの流量を燃料電池スタックの正常発電時よりも少なくすることで、燃料ガス循環経路の圧力を第一設定圧力に高めることにより、燃料ガス循環経路の圧力を正常発電時よりも高めることになり、パージ弁又は燃料ガス排出経路の水詰まりを解消することができる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に対して供給されている燃料ガスの供給圧力が、第一設定圧力よりも高い燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池スタックの発電量を下げることで、燃料ガス循環経路の圧力を第一設定圧力に高めることにより、燃料ガス循環経路の圧力を正常発電時よりも高めることになり、パージ弁又は燃料ガス排出経路の水詰まりを解消することができる。

第５の発明は、特に、第３または第４の発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池スタックの発電を停止することで、燃料ガス循環経路の圧力を第一設定圧力に高めることにより、燃料ガス供給経路に流通するガスをさらに減少させ、又は、停止させることになり、燃料ガス循環経路の圧力を上昇させ易くすることができる。

第６の発明は、特に、第５の発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に設けられた燃料ガス遮断弁を備え、制御部は、燃料電池スタックの発電を通常に停止した場合には、燃料ガス遮断弁を閉止することにより、通常に発電を停止した場合は、燃料ガス遮断弁を閉止して燃料ガスが流通し続けることを防止することになり、燃料ガスの消費量を抑制することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料ガス排出経路からの燃料ガス排出動作としてのパージ弁の開放動作を、所定周期で実施することにより、燃料ガス循環経路に不純物が濃縮され続けることを防止することとなり、燃料電池スタックの電圧が低下したり、燃料電池スタックが劣化することを防ぐことができる。

第８の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料ガス排出経路からの燃料ガス排出動作としてのパージ弁の開放動作を、燃料電池スタックのスタック電圧が第一所定電圧まで低下したときに実施することにより、燃料ガス循環経路に流通する燃料ガス中の不純物の濃度が上昇し、燃料電池スタックに影響を及ぼす場合には、不純物を含んだ燃料ガスを排出することとなり、燃料電池スタックに多量の不純物が供給されることを防止することができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、パージ弁を開放しても燃料電池スタックのスタック電圧が第二所定電圧まで上昇しない場合は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、パージ動作を行うことにより、燃料ガスの排出動作を行っても、水詰まりにより燃料ガスの排出が正常に行われていない場合には、水詰まりを解消するためにパージ動作を行うこととなり、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

第１０の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に流通する燃料ガスの流量を計測する燃料ガス流量計を備え、制御部は、パージ弁を開放しても燃料ガス流量計の出力値が第一所定流量まで上昇しない場合は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、パージ動作を行うことにより、燃料ガスの排出動作を行っても排出動作が正常に行われないことを燃料ガス流量計で検知できるようになり、パージ弁または燃料ガス循環経路の水詰まりを解消するパージ動作を行うことができるため、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

第１１の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、燃料ガス排出経路に流通する燃料ガスの流量を計測する排出ガス流量計を備え、制御部は、パージ弁を開放しても排出ガス流量計の出力値が第二所定流量まで上昇しない場合は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、パージ動作を行うことにより、燃料ガスの排出動作を行っても排出動作が正常に行われないことを排出ガス流量計で検知できるようになり、パージ弁又は燃料ガス循環経路の水詰まりを解消するパージ動作を行うことができるため、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

第１２の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、燃料ガス排出経路の圧力を計測する排出経路ガス圧力計を備え、制御部は、パージ弁を開放しても排出経路ガス圧力計の出力値が第一所定圧力まで上昇しない場合は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、パージ動作を行うことにより、燃料ガスの排出動作を行っても排出動作が正常に行われないことを排出経路ガス圧力計で検知できるようになり、パージ弁又は燃料ガス循環経路の水詰まりを解消するパージ動作を行うことができるため、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

第１３の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、燃料ガス循環経路の圧力を計測する循環経路ガス圧力計を備え、制御部は、パージ弁を開放しても循環経路ガス圧力計の出力値が第二所定圧力まで下降しない場合は、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、パージ動作を行うことにより、燃料ガスの排出動作を行っても排出動作が正常に行われないことを循環経路ガス圧力計で検知できるようになり、パージ弁又は燃料ガス循環経路の水詰まりを解消するパージ動作を行うことができるため、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

第１４の発明は、特に、第１〜第１３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料ガス循環経路の圧力を第一設定圧力に高めて、パージ動作を行っても、燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、燃料ガス循環経路の圧力を第一設定圧力よりも高い第二設定圧力に高めて、再度パージ動作を行うことにより、燃料ガス循環経路の圧力を所定圧力に上げてパージ動作を行っても水詰まりが解消しない場合には、さらに燃料ガス循環経路の圧力を上昇させてパージ動作を行うこととなり、水詰まりの異常を解消させ易くなるため、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。

第１５の発明は、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が供給され、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再び燃料電池スタックへ供給する燃料ガス循環経路と、燃料ガス循環経路内の燃料ガスを外部へ排出するパージ弁と、パージ弁の下流に接続された燃料ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、パージ弁を開放しても燃料ガスが燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、燃料ガス循環経路の圧力を燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に高めて、燃料ガス排出経路から燃料ガスを排出するパージ動作を行うように設定されていることにより、パージ弁又は燃料ガス排出経路に水詰まりが発生して、燃料ガス排出動作を正常に行うことが出来ない場合でも、燃料ガス循環経路の圧力を正常発電時よりも高くすることで、水詰まり部位の上流と下流とでのガス圧力差を正常発電時よりも大きくすることが可能となり、パージ動作により詰まっている水を排出でき、水詰まりを解消することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（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構成のブロック図を示すものである。

図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給経路２と、燃料ガス循環経路３と、パージ弁４と、燃料ガス排出経路５と、燃料ガス遮断弁６と、ポンプ７と、制御部８とを備える。

燃料電池スタック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とは、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た。燃料電池スタック１には、例えば、固体高分子型燃料電池を用いる。

燃料ガス供給経路２は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給するための経路である。

燃料ガス循環経路３は、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスを再び燃料電池スタック１へ供給するための経路である。

パージ弁４は、燃料ガス循環経路内の燃料ガスを外部へ排出するために経路を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。

燃料ガス排出経路５は、パージ弁４の下流に接続され、パージ弁４を開放した際に、燃料ガス循環経路３からパージ弁４を通過して燃料ガスが排出される経路である。本実施の形態では、排出した燃料ガスを空気で希釈することで、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、大気に放出する。

燃料ガス遮断弁６は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２に設けられ、燃料ガスの供給を遮断する弁である。本実施の形態では、電磁弁を用いた。燃料電池システム１００の運転停止時に、燃料ガス遮断弁６を閉止することで、燃料電池スタック１に燃料ガスが供給され続けることを防止する。

ポンプ７は、燃料ガス循環経路３に燃料ガスを循環させるために、燃料ガス循環経路３に設置したポンプである。

制御部８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が例示される。記憶部には、メモリーが例示される。

固体高分子型燃料電池の構成は、一般的に、ＭＥＡをセパレータで挟持した構造となっている。ＭＥＡは、一般的には、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層及びガス拡散層が積層した構造を有する。電池反応は、触媒、触媒を担持する担体及びアイオノマー（イオン伝導性高分子）からなる触媒層において進行する。

燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された燃料ガスを全て発電に使用することが困難であり、燃料電池スタック１からは燃料ガスが排出される。この排出された燃料ガスを捨ててしまうと、燃料ガスを無駄にしてしまうため、燃料電池システム１００の効率が低下してしまう。そこで、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスを、燃料ガス循環経路３を通して、ポンプ７により、再び燃料電池スタック１に供給することで、燃料ガスの無駄をなくし、燃料電池システム１００を高効率化することができる。

しかしながら、燃料ガスを燃料ガス循環経路３にて循環させると、燃料ガスに元々含まれていた不純物が、燃料電池システム１００の運転を継続するにつれ、濃縮されてしまう。

このように、燃料ガス中に不純物が濃縮されると、燃料電池スタック１での発電を阻害する原因となり、燃料電池スタック１の発電時のスタック電圧が低下して、燃料電池システム１００の発電効率が低下する。さらに、燃料ガス中の不純物の濃度によっては、燃料電池スタック１が発電出来なくなり、燃料電池システム１００が運転出来なくなってしまう。

そこで、燃料ガス循環経路３の燃料ガス中の不純物濃度を所定濃度以下に低減するために、燃料ガス循環経路３内の不純物を燃料ガスとともに、燃料ガス排出経路５から排出する。燃料ガス排出動作は、パージ弁４を開放し、燃料ガス排出経路５から燃料ガスを排出する動作である。本実施の形態では、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作を実施するか否かを燃料電池スタック１のスタック電圧により決定する。スタック電圧が第一所定電圧以下であれば、燃料電池スタック１が燃料ガス中の不純物により性能低下していると考えられるため、燃料ガス排出動作を実施する。燃料ガス排出動作を実施し、正常に燃料ガス循環経路３の燃料ガス中の不純物濃度が低下したならば、燃料電池スタック１のスタック電圧は、第二所定電圧以上に回復するが、燃料電池スタック１のスタック電圧が第二所定電圧未満であれば、燃料ガス排出動作は、燃料ガス排出経路５又はパージ弁４での水詰まりにより正常に実施出来ていない。その場合は、以下で述べる水詰まりを解消する動作を実施する。本実施の形態では、第一所定電圧を１３Ｖとし、第二所定電圧を１５Ｖとした。燃料電池システム１００の定格運転時における燃料電池スタック１の定格出力電圧がＶ０であるとき、第一所定電圧Ｖ１は、例えば、０．８Ｖ０≦Ｖ１≦０．９Ｖ０の範囲内で定められる閾値電圧である。第二所定電圧Ｖ２は、第一所定電圧よりも高い閾値電圧であり、例えば、０．９Ｖ０＜Ｖ２≦Ｖ０の範囲内で定められる。

ここで、燃料電池スタック１内には発電に伴い生成する水が存在し、その水が燃料電池スタック１のアノード側にも水蒸気として存在する。そのため、燃料ガス循環経路３を流通する燃料ガス中には水蒸気が存在し、燃料ガス循環経路３における配管での放熱などで内部に流通する燃料ガスの温度が低下すると、水蒸気が凝縮し、液体となる可能性がある。この液体である水が、燃料ガス排出動作を行う際、パージ弁４又は燃料ガス排出経路５に流通することになる。パージ弁４又は燃料ガス排出経路５に水滴が１つ付着しても、燃料ガス循環経路３の圧力と燃料ガス排出経路５の排出先の圧力との圧力差により、水滴を下流に飛ばして排出するように設計したとしても、水滴の付着状態によっては、例えば、液層と気層とが交互に複数個存在するような状態も起こりうる。そのようになると、パージ弁４又は燃料ガス排出経路５内のガス流路と水滴との間で発生する表面張力の力が液層の数だけ増すことになり、通常運転時の燃料ガス循環経路３の圧力では水滴を排出出来なくなる。水滴を排出出来なくなると、パージ弁４を開放する燃料ガス排出動作を行っても、燃料ガスを排出出来ないため、燃料ガス循環経路３内の不純物濃度は時間経過とともに上昇してしまい、いずれ燃料電池システム１００は、発電を行うことが出来なくなる。このような異常発生を防止するために、燃料ガス排出動作が正常に実施出来ていない場合には、燃料ガス循環経路３の圧力を通常運転時の圧力よりも高い第一設定圧力に上げる。本実施の形態では通常運転時の圧力を５ｋＰａとし、第一設定圧力を１０ｋＰａとした。燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａ以上として、燃料ガス循環経路３の圧力と燃料ガス排出経路５の排出先の圧力との圧力差を通常運転時よりも高くすることで、水滴の表面張力を上回る力を水滴に加え、水滴を燃料ガス排出経路５から外部へ排出することが可能となる。

これにより、燃料ガスを燃料ガス排出経路５から安定して排出することができるようになり、燃料電池システム１００を安定して運転することが可能となる。このように、水滴を排出した上で燃料ガス中の不純物を排出する動作をパージ動作と呼ぶ。すなわち、本実施形態では、燃料ガス排出動作にて所定の動作が実現しない場合、燃料ガス循環経路３の圧力を高め、パージ動作を行っている。本実施の形態では、燃料ガス排出動作を３０秒間継続し、パージ動作を６０秒間継続することとした。パージ動作は、水滴を排出する時間と、燃料ガスを排出する時間とが必要なため、燃料ガス排出動作よりも時間を長く設定した。

ここで、燃料電池システム１００が燃料ガス排出動作を実施しても、所定の動作として燃料電池スタック１の電圧が回復しない場合には、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上昇させるが、その際、パージ弁４を閉止しておく。そうすることで、燃料ガス循環経路３の圧力を上昇させている間に、燃料ガス排出経路５を通して、燃料ガスが流れ出ることを防止することができる。燃料ガスが燃料ガス循環経路３から外部に流通することがなくなるため、燃料ガス循環経路３の圧力をより上昇させ易くすることが出来る。そして、燃料ガス循環経路３の圧力が第一設定圧力１０ｋＰａを上回った場合に、パージ弁４を開放することで、水詰まりを解消させるパージ動作を実施することができる。

燃料ガス循環経路３内の圧力を上昇させる方法は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガス流量を正常発電時よりも少なくすることである。そうすることで、燃料ガス供給経路２の配管や部品類の流路にて発生する圧力損失を低減することが出来る。ここで、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力は、燃料ガス供給経路２に供給された燃料ガスが保有していた圧力から燃料ガス供給経路２での圧力損失により失われた圧力を引いた圧力である。燃料ガス供給経路２に供給される燃料ガスは一定の圧力を保有しているため、燃料ガス流量を減らすことで、燃料ガス供給経路２での圧力損失が減り、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力を正常発電時よりも高めることができる。燃料ガス流量を減らす手段として、燃料電池スタック１にて通常時よりも少ない発電電力を生み出すように運転することで、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスを減らすことが出来る。燃料電池スタックが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で発電する燃料電池スタック１を１００Ｗで発電することとした。

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を参照しながら説明する。

図２は、本実施の形態１の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。この動作は、制御部８の制御によって実行される。

図２に示すように、制御部８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。

制御部８は、燃料電池スタック１のスタック電圧を確認する（Ｓ１０１）。次に、スタック電圧が第一所定電圧１３Ｖ以下であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。スタック電圧が第一所定電圧１３Ｖより大きければＳ１０１に戻り、スタック電圧が第一所定電圧１３Ｖ以下であれば、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作としてパージ弁４を開放する（Ｓ１０３）。３０秒間継続後、スタック電圧が第二所定電圧未満か否かを確認し（Ｓ１０４）、スタック電圧が第二所定電圧１５Ｖ以上であれば、パージ弁４を閉止して（Ｓ１０５）、Ｓ１０１に戻る。次に、スタック電圧が第二所定電圧１５Ｖ未満であれば、パージ弁４を閉止する（Ｓ１０６）。次に、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガス流量を正常発電時よりも少なくするために、燃料電池スタック１の発電量を下げる（Ｓ１０７）。具体的には、燃料電池スタック１から取り出す電力を低下させる。次に、パージ動作としてパージ弁４を開放し、６０秒間継続する（Ｓ１０８）。その後、パージ弁４を閉止して（Ｓ１０９）、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瞬時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、燃料電池スタック１のスタック電圧に基づき、燃料ガス排出動作を実施することで、燃料ガス循環経路３の燃料ガス中の不純物が燃料電池スタック１に影響していることを検知し、不純物を排出することが出来る。また、不純物の排出が不十分なために燃料電池スタック１への影響があることを、燃料電池スタック１の電圧により検知可能となり、パージ動作を実施することで、改善することが出来る。さらに、燃料ガス循環経路３の燃料ガスを排出する燃料ガス排出動作が水詰まりなどにより正常に行えず、燃料電池スタック１の電圧が第一所定電圧１３Ｖ以下に低下する場合には、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上げることで、パージ動作にて水詰まりを解消することができ、燃料ガス循環経路３から安定して燃料ガスを排出することが可能となり、燃料ガス循環経路３の燃料ガス中の不純物濃度が上昇し過ぎて、燃料電池システム１００が発電出来なくなることを防止することが出来る。

これらの動作により、燃料電池システム１００を安定して運転させることが可能となる。

なお、スタック電圧は、燃料電池スタック１全体の電圧であっても構わないし、ある特定のセルの電圧であっても構わない。

また、本実施の形態では、スタック電圧の値そのもので判定したが、正常時のスタック電圧に対する変化率、変化幅などで判定しても構わない。

なお、燃料ガス循環経路３に燃料ガスを循環させるために、燃料ガス循環経路３にポンプを設置せず、燃料ガス供給経路２と燃料ガス循環経路３とが合流する部位にエジェクタ又はインジェクタを設置しても構わない。

なお、燃料ガス排出動作を継続する時間は、燃料ガス循環経路３から不純物を排出することが出来れば、いかなる時間であっても構わない。

また、パージ動作を継続する時間は、パージ弁４又は燃料ガス排出経路５での水詰まりを解消し、燃料ガス循環経路３内の不純物を排出することが出来れば、いかなる時間であっても構わない。

なお、第一設定圧力１０ｋＰａは、通常運転時の圧力よりも高く、パージ動作により、液滴が抜け易くなれば、いかなる圧力であっても構わない。

なお、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上昇させても、パージ動作により水詰まりが解消しない場合には、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａよりも高い第二設定圧力に上昇させて、再度パージ動作を実施してもよい。さらに、第二設定圧力に上昇させても水詰まりを解消出来ない場合には、燃料ガス循環経路３の圧力を第二設定圧力よりも高い第三設定圧力に上昇させて、再度パージ動作を実施しても構わない。このように設定圧力を上昇させるパージ動作を水詰まりが解消されるまで繰り返し行っても構わない。

また、第一所定電圧１３Ｖ及び第二所定電圧１５Ｖは、燃料電池システム１００を安定して運転できれば、いかなる設定値であってもかまわない。

（実施の形態２）
実施の形態２における燃料電池システムの構成について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態２における燃料電池システムの構成のブロック図である。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３に示す燃料電池システム１００は、燃料ガス供給経路２に、燃料ガスの流れ方向に対して燃料ガス遮断弁６の下流側に、燃料ガス流量計９を備える点で実施の形態１と異なっている。

燃料ガス流量計９は、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスの流量を計測する流量計である。

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、制御部８は、燃料ガス排出動作をある所定時間おきに周期的に実施する。所定時間は、３０分とする。

燃料ガス排出動作が正常に行われたか否かは、制御部８が、燃料ガス流量計９により計測された流量値をもとに検知する。燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われると、燃料ガス排出経路５から燃料ガスが排出されるため、燃料ガス供給経路２を流れる燃料ガスは、排出された燃料ガスに相当する流量分増加する。その流量の変化を燃料ガス流量計９で計測することにより、燃料ガスがどれくらい排出されたかを検知することができる。本実施の形態では、燃料ガス排出動作が正常に行われると、燃料ガス流量計９の値が第一所定流量以上に増加するように設定されている。そこで、燃料ガス流量計９の値が第一所定流量未満であるときに、燃料ガス排出動作が正常に行われなかったとして、パージ動作を実施する。本実施の形態では、第一所定流量を８Ｌ／ｍｉｎと設定したが、燃料電池システム１００を安定に運転できれば、いかなる値でもかまわない。

燃料電池システム１００が燃料ガス排出動作を実施しても、所定の動作が実現しない場合には、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上昇させる。燃料ガス循環経路３内の圧力を上昇させる方法は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガス流量を正常発電時よりも少なくすることである。そうすることで、燃料ガス供給経路２の配管又は部品類の流路にて発生する圧力損失を低減することが出来る。ここで、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力は、燃料ガス供給経路２に供給された燃料ガスが保有していた圧力から燃料ガス供給経路２での圧力損失により失われた圧力を引いた圧力である。燃料ガス供給経路２に供給される燃料ガスは一定の圧力を保有しているため、燃料ガス流量を減らすことで、燃料ガス供給経路２での圧力損失が減り、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力を正常発電時よりも高めることができる。

そこで、燃料ガスの供給量を低減するために、燃料電池スタック１にて、通常時よりも少ない発電電力を生み出すように運転することで、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスを減らすことが出来る。燃料電池スタックが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で発電する燃料電池スタック１を２００Ｗで発電することとした。

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４を参照しながら説明する。

図４は、本実施の形態２の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。この動作は制御部８の制御によって実行される。図４に示すように、制御部８は、燃料電池システム１００の発電が開始された時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御部８は、燃料ガス排出動作タイマをリセットする（Ｓ２０１）。

次に、燃料ガス排出動作タイマをスタートする（Ｓ２０２）。次に、燃料ガス排出動作タイマが所定時間を経過したか否かを判定する（Ｓ２０３）。所定時間は、３０分とした。所定時間が経過した場合には、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作としてパージ弁４を開放する（Ｓ２０４）。６０秒経過後、燃料ガス流量計９の値を確認する（Ｓ２０５）。次に、燃料ガス流量計９の値が第一所定流量８Ｌ／ｍｉｎ未満であるか否かを確認する（Ｓ２０６）。燃料ガス流量計９の値が第一所定流量８Ｌ／ｍｉｎ以上であれば、パージ弁４を閉止し（Ｓ２０７）、Ｓ２０１に戻る。また、第一所定流量８Ｌ／ｍｉｎ未満であれば、パージ弁４を閉止する（Ｓ２０８）。次に、燃料電池スタック１が発電する発電量を下げる（Ｓ２０９）。次に、パージ動作としてパージ弁４を開放し、１２０秒間継続する（Ｓ２１０）。次に、パージ弁４を閉止する（Ｓ２１１）。その後、Ｓ２０１に戻る。各ステップは、各ステップを実施完了後、瞬時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、燃料ガス循環経路３の燃料ガスを排出する燃料ガス排出動作を所定の周期で実施することが出来るため、燃料ガス循環経路３の燃料ガス中に不純物が濃縮され続けることを防止することが出来る。さらに、燃料ガス流量計９で計測する燃料ガスの流量値にもとづき、燃料ガス排出動作により燃料ガスがどれくらい排出されたか分かるため、より確実に燃料ガス排出動作の異常を検知することが可能となり、燃料電池システム１００の信頼性を高めることができる。さらに、燃料ガス循環経路３の燃料ガスを排出する燃料ガス排出動作が水詰まりなどにより正常に行えない場合には、パージ弁４を閉止した上で、燃料電池スタック１の発電量を下げ、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上げることで、圧力を高め易くし、パージ動作を実施する前に、パージ弁４を開放することで、パージ動作にて水詰まりを解消することができ、燃料ガス循環経路３から安定して燃料ガスを排出することが可能となり、燃料ガス循環経路３の燃料ガス中の不純物濃度が上昇し過ぎて、燃料電池システム１００が発電出来なくなることを防止することが出来る。

なお、第一所定流量８Ｌ／ｍｉｎは、燃料電池システム１００の構成によって、異なってくるため、燃料ガス排出動作が正常かどうかを確認することができれば、いかなる流量値であってもかまわない。第一所定流量は、固定値である必要はなく、燃料電池システム１００の発電量に応じて変化させてもかまわない。

また、第一所定流量は絶対値でなくてもよく、例えば、燃料ガス排出動作前後での燃料ガス流量計９の流量値の変化量であっても構わない。

なお、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上昇させるために、発電量をどの程度下げる必要があるかは、燃料電池システム１００の設計による。本実施の発電量に限るものではなく、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上昇でき、かつ、燃料電池スタック１の発電が安定すれば、いかなる発電量であっても構わない。

（実施の形態３）
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、実施の形態３における燃料電池システムの構成のブロック図である。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１００は、燃料ガス排出経路５に排出ガス流量計１０を備える点で実施の形態１と異なっている。

排出ガス流量計１０は、燃料ガス排出経路５に流通する燃料ガスの流量を計測する流量計である。

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、制御部８が、排出ガス流量計１０により計測された流量値をもとに、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われたか否かを検知する点が異なっている。燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われると、燃料ガス排出経路５に燃料ガスが流通するため、その流量を排出ガス流量計１０で計測することにより、燃料ガスがどれくらい排出されたかを計測することができる。本実施の形態では、燃料ガス排出動作が正常に行われると、排出ガス流量計１０の値が第二所定流量以上に増加するように設定されている。そこで、排出ガス流量計１０の値が第二所定流量未満であるときに、燃料ガス排出動作が正常に行われなかったとして、パージ動作を実施する。

本実施の形態では、第二所定流量を１Ｌ／ｍｉｎとしたが、燃料電池システム１００を安定に運転できれば、いかなる値であってもかまわない。

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のフローチャートである。この動作は、制御部８の制御によって実行される。図６に示すように、制御部８は、燃料電池システム１００に発電が開始された時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御部８は、燃料ガス排出動作タイマをリセットする（Ｓ３０１）。次に、燃料ガス排出動作タイマをスタートする（Ｓ３０２）。次に、燃料ガス排出動作タイマが所定時間を経過したか否かを判定する（Ｓ３０３）。所定時間は、１時間とした。所定時間が経過した場合には、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作としてパージ弁４を開放する（Ｓ３０４）。１５秒経過後に、排出ガス流量計１０の値を確認する（Ｓ３０５）。次に、排出ガス流量計１０の値が第二所定流量１Ｌ／ｍｉｎ未満であるか否かを確認する（Ｓ３０６）。排出ガス流量計１０の値が第二所定流量１Ｌ／ｍｉｎ以上であれば、パージ弁４を閉止し（Ｓ３０７）、Ｓ３０１に戻る。また、第二所定流量１Ｌ／ｍｉｎ未満であれば、パージ弁４を閉止する（Ｓ３０８）。次に、燃料電池スタック１の発電を停止する（Ｓ３０９）。燃料電池スタック１の発電を停止することで、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスの流量を減らし、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａまで上昇させる。次に、燃料ガス遮断弁６の開放を継続する（Ｓ３１０）。燃料ガス遮断弁６を閉止すると、燃料ガス供給経路２を通した燃料電池スタック１への燃料ガスの移動が無くなるため、燃料ガス循環経路３の圧力を上昇させることが出来なくなる。それを防止するために、燃料ガス遮断弁６を開放し続ける。次に、パージ動作としてパージ弁４を開放し、３０秒間継続する（Ｓ３１１）。次に、パージ弁４を閉止する（Ｓ３１２）。その後、Ｓ３０１に戻る。各ステップは、各ステップを実施完了後、即、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、排出ガス流量計１０で計測する燃料ガスの流量値にもとづき、燃料ガス排出動作により燃料ガスがどれくらい排出されたかを計測できるため、より確実に燃料ガス排出動作の異常を検知することが可能となり、燃料電池システム１００の信頼性を高めることができる。さらに、燃料ガス排出動作が水詰まりなどにより正常に行えない場合には、パージ弁４を閉止した上で、燃料電池スタック１の発電を停止することで、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスの流量を低減し、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａに上げ易くなり、燃料ガス循環経路３の燃料ガス中の不純物濃度が上昇し過ぎて、燃料電池システム１００が発電出来なくなることを防止することが出来る。

なお、燃料ガス排出動作タイマの時間は、燃料電池システム１００の構成によって異なるため、燃料電池システム１００が安定した発電を継続出来るならば、いかなる時間であってもかまわない。

（実施の形態４）
実施の形態４における燃料電池システムの構成について、図７を用いて説明する。図７は、実施の形態４における燃料電池システムの構成のブロック図である。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７に示す燃料電池システム１００は、燃料ガス排出経路５に排出経路ガス圧力計１１を備える点で実施の形態１と異なっている。

排出経路ガス圧力計１１は、燃料ガス排出経路５に流通する燃料ガスの圧力を計測する圧力計である。

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、制御部８が、排出経路ガス圧力計１１により計測された圧力値をもとに、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われたか否かを検知する点が異なっている。燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われると、燃料ガス排出経路５に燃料ガスが流通するため、燃料ガス排出経路５内のガスの圧力が上昇する。この圧力変化は、燃料ガスの流通量により変化し、流通量が多いほど圧力が高くなる。そこで、この圧力の変化を排出経路ガス圧力計１１で計測することにより、燃料ガスが正常に排出されたかを検知することができる。本実施の形態では、燃料ガス排出動作が正常に行われると、排出経路ガス圧力計１１の値が第一所定圧力以上に増加するように設定されている。そこで、排出経路ガス圧力計１１の値が第一所定圧力未満であるときに、燃料ガス排出動作が正常に行われなかったとして、パージ動作を実施する。

本実施の形態では、第一所定圧力を１ｋＰａと設定したが、燃料電池システム１００を安定に動作できれば、いかなる値であってもかまわない。

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８を参照しながら説明する。

図８は、本実施の形態４の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。この動作は、制御部８の制御によって実行される。図８に示すように、制御部８は、燃料電池システム１００に発電が開始された時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御部８は、燃料ガス排出動作タイマをリセットする（Ｓ４０１）。次に、燃料ガス排出動作タイマをスタートする（Ｓ４０２）。次に、燃料ガス排出動作タイマが所定時間を経過したか否かを判定する（Ｓ４０３）。所定時間は、１５分とした。所定時間が経過した場合には、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作としてパージ弁４を開放した後（Ｓ４０４）、２０秒経過後に、排出経路ガス圧力計１１の値を確認する（Ｓ４０５）。次に、排出経路ガス圧力計１１の値が第一所定圧力１ｋＰａ未満であるか否かを確認する（Ｓ４０６）。排出経路ガス圧力計１１の値が第一所定圧力１ｋＰａ以上であれば、パージ弁４を閉止し（Ｓ４０７）、Ｓ４０１に戻る。また、第一所定圧力１ｋＰａ未満であれば、パージ弁４を閉止する（Ｓ４０８）。次に、燃料電池スタック１の発電を停止する（Ｓ４０９）。燃料電池スタック１の発電を停止することで、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスの流量を減らし、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａまで上昇させる。次に、燃料ガス遮断弁６の開放を継続する（Ｓ４１０）。燃料ガス遮断弁６を閉止すると、燃料ガス供給経路２を通した燃料電池スタック１への燃料ガスの移動が無くなるため、燃料ガス循環経路３の圧力を上昇させることが出来なくなる。それを防止するために、燃料ガス遮断弁６を開放し続ける。次に、パージ動作としてパージ弁４を開放し、４０秒間継続する（Ｓ４１１）。次に、パージ弁４を閉止する（Ｓ４１２）。その後、Ｓ４０１に戻る。各ステップは、各ステップを実施完了後、瞬時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、排出経路ガス圧力計１１で計測する燃料ガスの圧力値にもとづき、燃料ガス排出動作により燃料ガスが正常に排出出来たか否かを検知できるため、燃料ガス排出動作の異常を検知することが可能となり、燃料電池システム１００の信頼性を高めることができる。

（実施の形態５）
実施の形態５における燃料電池システムの構成について、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態５における燃料電池システムの構成のブロック図である。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９に示す燃料電池システム１００は、燃料ガス循環経路３に循環経路ガス圧力計１２を備える点で実施の形態１と異なっている。

循環経路ガス圧力計１２は、燃料ガス循環経路３に流通する燃料ガスの圧力を計測する圧力計である。

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、制御部８が、循環経路ガス圧力計１２により計測された圧力値をもとに、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われたか否かを検知する点が異なっている。燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作が正常に行われると、燃料ガス排出経路５から放出される燃料ガスに相当する量の燃料ガスが燃料ガス供給経路２から燃料電池スタック１に供給されることになり、燃料電池スタック１に流通する燃料ガス流量は過渡的に増加する。燃料電池スタック１に流通する燃料ガス流量が増加すると、燃料電池スタック１及びその周辺配管などで発生する圧力損失が増加する。そのため、燃料電池スタック１の下流側にある燃料ガス循環経路４内の燃料ガスの圧力は、燃料ガス流量が増加すると低下する。この圧力低下を循環経路ガス圧力計１２により検知することで、燃料ガス排出動作が正常に行われたか否かを検知する。本実施の形態では、燃料ガス排出動作が正常に行われると、循環経路ガス圧力計１２の値が第二所定圧力以下に低下するように設定されている。そこで、循環経路ガス圧力計１２の値が第二所定圧力より大きいときに、燃料ガス排出動作が正常に行われなかったとして、パージ動作を実施する。

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１０を参照しながら説明する。

本実施の形態では、第二所定圧力を４ｋＰａと設定したが、燃料電池システム１００を安定に運転できれば、いかなる値であってもかまわない。

図１０は、本実施の形態５の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。この動作は制御部８の制御によって実行される。図１０に示すように、制御部８は、燃料電池システム１００の発電が開始された時点をスタートとし、常時以下の動作を行う。

制御部８は、燃料ガス排出動作タイマをリセットする（Ｓ５０１）。次に、燃料ガス排出動作タイマをスタートする（Ｓ５０２）。次に、燃料ガス排出動作タイマが所定時間を経過したか否かを判定する（Ｓ５０３）。所定時間は、４０分とした。所定時間が経過した場合には、燃料ガス排出経路５からの燃料ガス排出動作としてパージ弁４を開放する（Ｓ５０４）。１２０秒経過後に、循環経路ガス圧力計１２の値を確認する（Ｓ５０５）。次に、パージ弁４を閉止する（Ｓ５０６）。次に、循環経路ガス圧力計１２の値が第二所定圧力４ｋＰａより大きいか否かを確認する（Ｓ５０７）。循環経路ガス圧力計１２の値が第二所定圧力４ｋＰａ以下であれば、Ｓ５０１に戻り、第二所定圧力４ｋＰａより大きければ、燃料電池スタック１の発電を停止する（Ｓ５０８）。燃料電池スタック１の発電を停止することで、燃料ガス供給経路２に流通する燃料ガスの流量を減らし、燃料ガス循環経路３の圧力を第一設定圧力１０ｋＰａまで上昇させる。次に、燃料ガス遮断弁６の開放を継続する（Ｓ５０９）。燃料ガス遮断弁６を閉止すると、燃料ガス供給経路２を通した燃料電池スタック１への燃料ガスの移動が無くなるため、燃料ガス循環経路３の圧力を上昇させることが出来なくなる。それを防止するために、燃料ガス遮断弁６を開放し続ける。次に、パージ動作としてパージ弁４を開放し、１８０秒間継続する（Ｓ５１０）。次に、パージ弁４を閉止する（Ｓ５１１）。その後、Ｓ５０１に戻る。各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間なく即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、循環経路ガス圧力計１２で計測する燃料ガスの圧力値にもとづき、燃料ガス排出動作により燃料ガスが正常に排出出来たか否かを検知できるため、燃料ガス排出動作の異常を検知することが可能となり、燃料電池システム１００の信頼性を高めることができる。

本実施の形態及び上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良及び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、本発明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。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池スタックで使用されなかった燃料ガスを再度燃料電池スタックに循環させることで水素の利用率を向上させ、発電効率を向上させながら、燃料ガス循環経路に不純物が濃縮し続けることを防止することが可能となるので、長期間にわたり安定した発電を行いたい用途、例えば、家庭用又は業務用の燃料電池システムの用途にも適用できる。

１ 燃料電池スタック
２ 燃料ガス供給経路
３ 燃料ガス循環経路
４ パージ弁
５ 燃料ガス排出経路
６ 燃料ガス遮断弁
７ ポンプ
８ 制御部
９ 燃料ガス流量計
１０ 排出ガス流量計
１１ 排出経路ガス圧力計
１２ 循環経路ガス圧力計
１００ 燃料電池システム

Claims (15)

1. 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が供給され、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを再び前記燃料電池スタックへ供給する燃料ガス循環経路と、
   前記燃料ガス循環経路内の前記燃料ガスを外部へ排出するパージ弁と、
   前記パージ弁の下流に接続された燃料ガス排出経路と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に高めて、前記燃料ガス排出経路から前記燃料ガスを排出するパージ動作を行うように設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、前記パージ弁を閉じて、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記第一設定圧力に高めてから、前記パージ弁を開放して、前記パージ動作を行うように設定されてい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. 前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に対して供給されている前記燃料ガスの供給圧力が、前記第一設定圧力よりも高い燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料ガス供給経路に流通する前記燃料ガスの流量を前記燃料電池スタックの正常発電時よりも少なくすることで、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記第一設定圧力に高めることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に対して供給されている前記燃料ガスの供給圧力が、前記第一設定圧力よりも高い燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電量を下げることで、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記第一設定圧力に高めることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電を停止することで、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記第一設定圧力に高めることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する前記燃料ガス供給経路に設けられた燃料ガス遮断弁を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電を通常に停止した場合には、前記燃料ガス遮断弁を閉止することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部は、前記燃料ガス排出経路からの燃料ガス排出動作としての前記パージ弁の開放動作を、所定周期で実施することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記制御部は、前記燃料ガス排出経路からの燃料ガス排出動作としての前記パージ弁の開放動作を、前記燃料電池スタックのスタック電圧が第一所定電圧まで低下したときに実施することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記燃料電池スタックのスタック電圧が第二所定電圧まで上昇しない場合は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、前記パージ動作を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路に流通する前記燃料ガスの流量を計測する燃料ガス流量計を備え、
    前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガス流量計の出力値が第一所定流量まで上昇しない場合は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、前記パージ動作を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料ガス排出経路に流通する前記燃料ガスの流量を計測する排出ガス流量計を備え、
    前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記排出ガス流量計の出力値が第二所定流量まで上昇しない場合は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、前記パージ動作を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料ガス排出経路の圧力を計測する排出経路ガス圧力計を備え、
    前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記排出経路ガス圧力計の出力値が第一所定圧力まで上昇しない場合は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、前記パージ動作を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料ガス循環経路の圧力を計測する循環経路ガス圧力計を備え、
    前記制御部は、前記パージ弁を開放しても前記循環経路ガス圧力計の出力値が第二所定圧力まで下降しない場合は、前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合であると判断して、前記パージ動作を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池システム。
14. 前記制御部は、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記第一設定圧力に高めて、前記パージ動作を行っても、前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記第一設定圧力よりも高い第二設定圧力に高めて、再度前記パージ動作を行うことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
15. 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が供給され、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックから排出された前記燃料ガスを再び前記燃料電池スタックへ供給する燃料ガス循環経路と、
    前記燃料ガス循環経路内の前記燃料ガスを外部へ排出するパージ弁と、
    前記パージ弁の下流に接続された燃料ガス排出経路と、
    を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    前記パージ弁を開放しても前記燃料ガスが前記燃料ガス排出経路から正常に排出されない場合、前記燃料ガス循環経路の圧力を前記燃料電池スタックの正常発電時よりも高い第一設定圧力に高めて、前記燃料ガス排出経路から前記燃料ガスを排出するパージ動作を行う燃料電池システムの運転方法。

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