JP7241280B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池システムでは、燃料電池スタックのカソード極における電気化学反応、即ちアノード極側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化剤ガス中の酸素との反応により水が生成される。電気化学反応により生成された水の多くは燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスに含まれて大気中に放出されるが、一部の生成水は電解質膜を透過してアノード極に移動する。そして、アノード極側に移動した生成水は、燃料電池スタックのアノード極から、アノードオフガスに含まれて排出される。
ここで、燃料電池システムがアノードオフガスを、リサイクルガス経路を介してアノード極側に戻す構成となっている場合、アノードオフガスをアノード極に還流させる循環系内に水が滞留していくことになる。循環系内での水の滞留はアノード極へのアノードオフガスの供給を阻害することとなり、燃料電池スタックの発電性能の低下を招く原因となる。
そこで、アノードオフガスから水分を回収する構成を有した燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料オフガス（アノードオフガス）を流すための燃料オフガス流路と、燃料オフガス流路に配設された排出弁と、排出弁から排出される排水量を検出する水量センサとを備え、水量センサが検出する排水量に基づいて燃料オフガス流路の貯留水量を推定し、その推定貯留水量に基づいて排出弁を開閉制御する。この構成により特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料オフガス流路に貯留している水量を高精度に推定し、排出弁の開閉を制御することができる。
特開２００８－５９９３３号公報
本発明は、一例として、製造コストを抑制することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明に係る燃料電池システムの一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に戻すリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路を流通するアノードオフガスから分離された水を貯える貯水器と、前記貯水器に貯えられた水を排出する排出経路と、前記排出経路に設けられた弁と、前記アノードオフガスの流量の履歴に基づいて、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する制御器と、を備える。
本発明に係る燃料電池の一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に戻すリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路を流通するアノードオフガスから分離された水を貯える貯水器と、前記貯水器に貯えられた水を排出する排出経路と、前記排出経路に設けられた弁と、前記燃料電池の発電量の履歴に基づいて、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する制御器と、を備える。
本発明は、以上に説明したように構成され、製造コストを抑制することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムが備える貯水器における貯留水量と、アノードオフガス中の水蒸気の割合またはアノードオフガス流量との一般的な相関関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムが備える貯水器における貯留水量と、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度との一般的な関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムが備える貯水器における貯留水量と、凝縮により水が分離した後のアノードオフガスの温度との一般的な関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおける第一排出経路から排出される水の排水速度とアノードオフガスの温度または圧力との一般的な関係を示すグラフである。 図１に示す燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。 実施の形態３に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１～３に係る燃料電池システムにおける燃料ガスおよびアノードオフガスの流通経路の一例を示すブロック図である。 実施の形態１～３に係る燃料電池システムにおける燃料ガスおよびアノードオフガス、ならびに酸化剤ガスおよびカソードオフガスの流通経路の一例を示すブロック図である。 実施の形態１～３に係る燃料電池システムにおける冷却水の流通経路の一例を示すブロック図である。
（本発明の基礎となる知見）
本発明者等は燃料電池システムの製造コストの抑制を図るために鋭意検討をした。この結果、本発明者等は従来技術（特許文献１）に開示された燃料電池システムは、水量センサを別途設ける必要があるため、燃料電池システムの製造コストが上昇するという問題があることを見出した。より具体的には、従来技術では、排出弁を開閉制御するためには、水量センサによって排出弁から排出される排水量を検出する必要がある。このため、水量センサを設ける必要があり、その結果、燃料電池システムの製造コストが高くなるという問題を見出した。
そこで、このような燃料電池システムの製造コストの上昇を抑制するためには、アノードオフガスの凝縮水を排出する弁の開閉制御に関連して設けられるセンサ数を可能な限り少なくすることが望ましい。
ところで、アノードオフガスの流量が変化すると、その変化に応じて排出経路に蓄積する凝縮水の量も変化する。そこで、本発明者らは、アノードオフガスの流量に基づき、水量センサを用いることなく凝縮水の量を把握することができることを見出した。
上記した本発明者らの知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。そこで、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に戻すリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路を流通するアノードオフガスから分離された水を貯える貯水器と、前記貯水器に貯えられた水を排出する排出経路と、前記排出経路に設けられた弁と、前記アノードオフガスの流量の履歴に基づいて、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する制御器と、を備える。
上記構成によると、制御器が、アノードオフガスの流量の履歴に基づいて、排水時間を求めることができ、排水時間に基づいて前記弁を開放する時間を決定することができる。このため、弁の開閉制御をおこなうために、例えば、水量センサを別途、設ける必要が無い。
なお、アノードオフガスの流量は、アノードオフガス内に含まれる水蒸気量と相関しており、例えば、単位時間あたりのアノードオフガスの流量が増えると貯水器に貯えられる単位時間あたりの水量も増加する。アノードオフガスの流量は、例えば、流量計等によって直接、検知して得てもよいし、アノードオフガスの流量の変化量と相関するパラメータ（例えば、発電量等）を検知して、求める構成であってもよい。
したがって、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、製造コストを抑制することができるという効果を奏する。
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記アノードオフガスの流量の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記アノードオフガスの流量の積算値よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも増加させるように構成されていてもよい。
ここで、弁を閉止している間のアノードオフガスの流量の積算値が、前回の弁の開放前のアノードオフガスの流量の積算値よりも増加すると、貯水器に貯えられる水量も増加する。このため、制御器は、貯水器に貯えられた水量の増加分に応じて排水時間を長くすることができる。
本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの流量を推定してもよい。
ここで、単位時間あたりの燃料電池の発電量と燃料電池のアノードに供給される単位時間あたりの燃料ガスの流量は相関する。具体的には発電量の増減に伴い燃料電池のアノードに供給される燃料ガスの単位時間あたりの流量は増減する。また、燃料ガスの流量の変化量とアノードオフガスの流量の変化量とは相関する。具体的には燃料電池に供給される燃料ガスの流量の増減に伴いアノードオフガスの流量は増減する。
上記構成によると、発電量に基づきアノードオフガスの流量を推定することができる。このため、アノードオフガスの流量を直接検知する検知器等を設けることなくアノードオフガスの流量を把握することができる。
本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記制御器は、前記燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの流量に基づき前記アノードオフガスの流量を推定してもよい。
上記構成によると、燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの流量に基づきアノードオフガスの流量を推定することができるため、アノードオフガスの流量を直接検知する検知器等を設けることなくアノードオフガスの流量を把握することができる。
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第４の態様のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記燃料電池の発電量の履歴も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定するように構成されていてもよい。
上記構成によると、さらに発電量の履歴も考慮し、貯水器に貯えられた水を排水するために弁を開放する時間を決定することができる。このように、燃料電池の発電に伴って生成される水の量も考慮して弁を開放する時間を決定するため、より精度よく、貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を決定することができる。
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第５の態様において、前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記燃料電池の発電量の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記燃料電池の発電量の積算値よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも増加させてもよい。
上記構成によると、燃料電池の発電量が増加すると、発電に伴い生成される水も増加するが、その水の増加分を加味して弁を開放する時間を、前回の弁の開放時よりも増加させることができる。
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１から第６の態様のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記アノードオフガスの温度の履歴も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定してもよい。
ここでアノードオフガスの温度とは、アノードオフガスが排出される燃料電池の出口のアノードオフガスの温度であってもよいし、アノードオフガスが凝縮され、アノードオフガスから水が分離された後のアノードオフガスの温度であってもよい。前者のアノードオフガスの温度では、温度が高くなればなるほどアノードオフガスに含まれる水蒸気量が多くなるという関係が成り立つ。一方、後者のアノードオフガスの温度では、温度が低くなればなるほどアノードオフガスから分離され貯水器に貯えられる水量が大きくなるという関係が成り立つ。
上記構成によると、制御器は、アノードオフガスの温度の履歴をさらに考慮して弁を開放する時間を決定することができる。すなわち、アノードオフガスの温度が、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度である場合、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量をさらに考慮して貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を決定することができる。一方、アノードオフガスの温度が、アノードオフガスから水が分離された後のアノードオフガス温度である場合、アノードオフガスから分離され貯水器に貯えられる水量をさらに考慮して貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を決定することができる。
したがって制御器は、より精度よく貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を決定することができる。
本発明の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記アノードオフガスの温度の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記アノードオフガスの温度の積算値よりも減少すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも減少させるように構成されてもよい。
アノードオフガスの温度が、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度である場合、アノードオフガスの温度が減少するにつれ、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量も減少する。上記構成によると、制御器は、弁を閉止している間のアノードオフガスの温度の積算値が、前回の弁の開放前のアノードオフガスの温度の積算値よりも減少すると、弁を開放する時間を前回の弁の開放時よりも減少させる。このため、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の減少に応じて、貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を減少させることができる。
本発明の第９の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７または第８の態様において、前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの温度を推定してもよい。
ここで、燃料電池における発電量と、この発電に伴い生じる発熱量とは相関する関係にある。つまり、燃料電池の発電量が増大すると、発熱量も増大する。また、燃料電池における発熱量と燃料電池の出口のアノードオフガスの温度とは相関する関係にある。つまり、燃料電池における発熱量が増大すると、燃料電池から排出されるアノードオフガスの温度は増大する。したがって、燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの温度を推定することができる。
よって、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度を直接検知することなく、発電量から推定することができる。
本発明の第１０の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７または第８の態様において、前記制御器は、前記燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの温度に基づき前記アノードオフガスの温度を推定するように構成してもよい。
ここで、燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの温度は、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度と相関する。つまり、燃料ガス供給経路の入口における燃料ガスの温度が高くなれば、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度も高くなる。
よって、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度を直接検知することなく、燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの温度から推定することができる。
本発明の第１１の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１－第１０の態様のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の履歴も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定してもよい。
ここで、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量は、貯水器に貯えられる単位時間あたりの水量と相関する。上記構成によると、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の履歴をさらに考慮するため、制御器は、より精度よく貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を決定することができる。
本発明の第１２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１１の態様において、前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも増加させてもよい。
上記構成によると、制御器は、弁を閉止している間のアノードオフガスの水蒸気量の積算値が、前回の弁の開放前のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値よりも増加すると、弁を開放する時間を前回の弁の開放時よりも増加させる。このため、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の増加に応じて、貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を増加させることができる。
本発明の第１３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１１または第１２の態様において、前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの水蒸気量を推定してもよい。
ここで、燃料電池の発電量とアノードオフガスの温度とは相関する。また、燃料電池がフル加湿条件下で運転をしている場合、燃料電池の出口のアノードオフガスの温度からアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。このため、制御器は、例えば水蒸気量を検知する湿度センサを設けることなく、燃料電池の発電量に基づきアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。
本発明の第１４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１１または第１２の態様において、前記制御器は、前記燃料ガス供給経路の入口の燃料ガス中に含まれる水蒸気量に基づき前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定してもよい。
ここで、燃料ガス供給経路の入口での燃料ガス中に含まれる水蒸気量は、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量と相関する。また、燃料電池がフル加湿条件下で運転をしている場合、燃料ガスの温度から燃料ガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。このため、制御器は、例えば水蒸気量を検知する湿度センサを設けることなく、燃料ガス中に含まれる水蒸気量に基づきアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。
本発明の第１５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１－第１４のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記弁の開放時の前記アノードオフガスの圧力も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定してもよい。
ここで、アノードオフガスの圧力の大きさは、貯水器からの排水速度と相関する。つまり、アノードオフガスの圧力が大きくなると、貯水器からの排水速度は速くなる。このため、アノードオフガスの圧力に基づき、貯水器からの排水速度を推定することができる。
上記構成によると、弁の開放時のアノードオフガスの圧力をさらに考慮するため、上記した態様において推定した貯水器における水量に加え、排水速度をさらに考慮して弁を開放する時間を決定することができる。したがって制御器は、より精度よく貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を決定することができる。
本発明の第１６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１５の態様において、前記制御器は、前記弁の開放時の前記アノードオフガスの圧力が前回の前記弁の開放時よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも減少させてもよい。
上記構成によると、制御器は、排水速度の増加に応じて貯水器に貯えられた水を排水するための弁の開放時間を短くすることができる。
本発明の第１７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１５または第１６の態様において、前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの圧力を推定してもよい。
上記構成によると燃料電池の発電量に基づきアノードオフガスの圧力を推定することができるため、アノードオフガスの圧力を求めるにあたり例えば、圧力計等を備える必要がない。
なお、燃料ガス供給経路の入口での燃料ガスの圧力は一定であるが、燃料電池の発電量に応じて、燃料電池の出口におけるアノードオフガスの圧力は変動する。このように、燃料電池の発電量と燃料電池の出口におけるアノードオフガスの圧力とは相関があり、発電量からアノードオフガスの圧力を推定することができる。
本発明の第１８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１－第１７のいずれか１つの態様において、前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水が排出された後も前記弁を開放させ、前記貯水器及び前記排出経路を介して、前記アノードオフガスを排出してもよい。
上記構成によると、アノードオフガスの排出経路と水の排出経路とを兼ねることができるため、燃料電池システムの構成を簡略化することができるとともに、製造コストを抑制することができる。
本発明の第１９の態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に戻すリサイクルガス経路と、前記リサイクルガス経路を流通するアノードオフガスから分離された水を貯える貯水器と、前記貯水器に貯えられた水を排出する排出経路と、前記排出経路に設けられた弁と、前記燃料電池の発電量の履歴に基づいて、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する制御器と、を備える。
上記構成によると、制御器が、燃料電池の発電量の履歴に基づいて、排水時間を求めることができ、排水時間に基づいて弁を開放する時間を決定することができる。このため、弁の開閉制御をおこなうために、例えば、水量センサを別途、設ける必要が無い。
なお、燃料電池の発電量は、アノードオフガス内に含まれる水蒸気量と相関するアノードオフガスの流量と相関しており、例えば、燃料電池の発電量の増加に伴い、単位時間あたりのアノードオフガスの流量が増える。また、単位時間あたりのアノードオフガスの流量が増えると、貯水器に貯えられる単位時間あたりの水量が増加する。
したがって、本発明の第１９の態様に係る燃料電池システムは、製造コストを抑制することができるという効果を奏する。
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、以下では、全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
［実施の形態１］
（燃料電池システムの構成）
実施の形態１に係る燃料電池システム１００について、図１を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１のアノードから排出されたアノードオフガスを、再び燃料電池１のアノードに戻して循環させる、所謂、リサイクル方式の構成となっている。
図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１、燃料ガス供給経路２、リサイクルガス経路３、貯水器４、第一排出経路５（排出経路）、弁６、および制御器２０を備えている。
燃料電池１は、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを電気化学的に反応させて、発電する装置である。燃料電池１は、複数のセル（不図示）が積層されたスタック（不図示）を備える。セルは、高分子電解質膜を用いた電解質、およびこれを挟むように配置された一対の電極（アノード、カソード）により構成されている。燃料電池１は、各セルのアノードに供給する燃料ガスが流通するアノード流路（不図示）と、カソードに供給する酸化剤ガスが流通するカソード流路（不図示）と、スタックを冷却するための冷却水が流通する冷却水流路（不図示）が備えられている。
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する流路であって、燃料ガス供給源（不図示）と燃料電池１のアノード流路の入口とを接続している。この燃料ガスは、水蒸気を含む水素または水蒸気を含む水素を含有するガスであって、例えば、都市ガス等の原料ガスを改質器にて改質反応して得られる改質ガス、または水電解等から得られる水素が用いられる。なお、燃料ガス供給経路２には、燃料ガスを加湿する加湿器（不図示）が設けられていてもよい。
リサイクルガス経路３は、一方の端部が燃料電池１のアノード流路の出口に接続され、他方の端部が燃料ガス供給経路２に接続されており、アノードから排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給経路２に戻すための循環流路である。図１に示すようにリサイクルガス経路３は、燃料ガス供給経路２の途中に接続されており、アノードオフガスを、燃料ガス供給経路２を流通する燃料ガスに合流させることができる。
燃料電池１では燃料ガス中の水素が発電に用いられるが、燃料電池１から排出されるアノードオフガスには発電に用いられなかった水素が含まれている。このため、燃料電池システム１００では、アノードオフガスを燃料ガスとして再利用するように構成されている。すなわち、燃料電池１のアノード流路の出口から排出されたアノードオフガスは、リサイクルガス経路３を介して燃料ガス供給経路２に戻されて、燃料ガス供給経路２を流通する燃料ガスと合流する。そして、燃料ガスとアノードオフガスとが混合された状態で燃料電池１のアノードに再び供給される。
貯水器４は、リサイクルガス経路３を流通するアノードオフガスから分離された水（凝縮水）を、貯留する機器である。例えば、貯水器４は、タンクや配管などから構成される。リサイクルガス経路３を流通するアノードオフガスから分離された凝縮水を貯留する貯水器４の配置の一例として図１に示すように、リサイクルガス経路３に設けられていてもよい。また、アノードオフガスの流れにおいて貯水器４の上流側にアノードオフガスから水（凝縮水）を分離するための気液分離器（不図示）が設けられていてもよい。
すなわち、燃料電池システム１００では、燃料電池１における水素と酸素との電気化学反応により生成された水、あるいは加湿器により燃料ガスに添加された水が、電解質膜を透過してカソードおよびカソード流路からアノードおよびアノード流路に侵入する。これらの水は、発電中は燃料電池１が高温となるため、水蒸気として存在するが、リサイクルガス経路３を流通する際の放熱により凝縮して貯水器４に貯留される。
第一排出経路５は、一方の端部が貯水器４と接続されており、貯水器４に貯留した水（凝縮水）を排出する流路である。第一排出経路５は、他方の端部が冷却水流路（不図示）と接続されており、第一排出経路５を流通する水を、冷却水流路を流通する冷却水に合流させる構成としてもよい。あるいは、第一排出経路５は、他方の端部は大気開放されており、第一排出経路５を通じて水を系外に排出させる構成としてもよい。なお、水が除去されたアノードオフガスは、この第一排出経路５を通じて排出される構成であってもよいし、第一排出経路５とは別の排出経路を設け、この別の排出経路を通じて排出される構成であってもよい。
弁６は、第一排出経路５に設けられ、前記第一排出経路５を流れる凝縮水の流量を調節する装置である。弁６は、第一排出経路５の流路を開いて貯水器４に貯留された水を外部に排出させたり、第一排出経路５の流路を閉じて水の排出を停止させたりすることできる装置であれば特に限定されない。弁６としては、例えば、ソレノイド式の電磁弁が用いてもよい。なお、弁６は調節弁であっても、開閉弁であってもよい。
制御器２０は、ＣＰＵ等の演算部（図示せず）、およびＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部（図示せず）を備えてなる構成である。記憶部には燃料電池システム１００が備える各部を動作させる基本プログラム、および各種固定データ等の情報が記憶されており、演算部はこの基本プログラム等のソフトウェアを読み出して実行することにより、制御器２０は各部の各種動作を制御することができる。なお、制御器２０は、集中制御する単独の制御器によって構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御する複数の制御器によって構成されていてもよい。
燃料電池システム１００では、例えば、所定の時間経過または操作者からの指示等に応じて、制御器２０が、弁６を開くよう指令を出して、弁６を開状態とすることができる。また、アノードオフガスの流量に基づいて、制御器２０が貯水器４に貯留された水の排出時間を算出し、算出した排出時間に基づき弁６を閉じるように指令を出して、弁６を閉状態としたりすることができる。
また、燃料電池システム１００ではアノードオフガスが循環する中で、燃料電池１の高分子電解質膜を通過してきた不純物がアノードオフガスに蓄積されていく。不純物の濃度が高くなるにつれて、燃料電池１の発電効率が低下するため、あるタイミングで不純物を排出するためにアノードオフガスを排出する必要がある。そこで、燃料電池システム１００では、第一排出経路５を介して不純物が蓄積されたアノードオフガスを排出する構成としてもよいし、リサイクルガス経路３または貯水器４から分岐した、第一排出経路５とは別の排出経路（図示せず）を設け、この別の排出経路からアノードオフガスを排出する構成としてもよい。
（運転方法）
燃料電池システム１００の運転方法、特には、燃料電池システム１００における第一排出経路５の弁６の開閉制御方法について、図２を参照して説明する。図２は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。この運転方法の各ステップは、制御器２０が基本プログラムを読み出し、実行して各機器を制御することにより実施することができる。なお、本発明の実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いるものとする。
まず、燃料電池システム１００では、制御器２０がアノードオフガスの排出が要求されたか否か判定する（ステップＳ１１）。なお、アノードオフガスの排出の要求は、操作者による入力指示によって要求されてもよいし、燃料電池１の運転状態に応じて所定の時間間隔で要求されるように構成されていてもよい。例えば、燃料電池１が定格出力で運転している場合、１０分ごとにアノードオフガスの排出が要求されるように構成されていてもよい。
ここで、アノードオフガスの排出が要求されたと判定した場合（ステップＳ１１において「Ｙｅｓ」）、制御器２０は、第一排出経路５の弁６を開くように制御する（ステップＳ１２）。これにより、貯水器４に貯留されている水が第一排出経路５を介して弁６を通り外部へ排出される。なお、制御器２０は、弁６を開くように制御するとともに、弁６が開いたときからの経過時間を計測するように計時部（不図示）を制御するように構成されている。また、制御器２０は、排出が要求されていない間（ステップＳ１１において「Ｎｏ」）は、ステップＳ１１の判定を繰り返す。
次に制御器２０は、第一排出経路５を通じて貯水器４に貯留された水を全て排出するときにかかる排水時間をアノードオフガスの流量の履歴に基づき推定し、弁６の開放時間を決定する（ステップＳ１３）。すなわち、制御器２０は、弁６が閉止されている間のアノードオフガスの流量の経時的変化を履歴情報として記録しており、アノードオフガスの流量の積算値から排水時間を推定する。そして、この推定した排水時間に基づき、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定する。
貯水器４において貯留されている貯留水量の決定は、図３に示す関係が用いられる。図３は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００が備える貯水器４における貯留水量と、アノードオフガス中の水蒸気の割合またはアノードオフガス流量との一般的な相関関係を示すグラフである。図３では、横軸がアノードオフガス中の水蒸気の割合またはアノードオフガスの流量であり、縦軸が貯水器４における貯留水量であり、両者の一般的な関係が示されている。
制御器２０は、ステップＳ１３で決定した弁６の開放時間と、計時部により計測している経過時間とを比較して、弁６を開状態としている時間（開放時間）が排水時間に達したか否か判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１３で決定した弁６の開放時間が排水時間に達したと判定した場合、（ステップＳ１４において「Ｙｅｓ」）、制御器２０は弁６を閉じるように制御する（ステップＳ１５）。一方、ステップＳ１３で決定した弁６の開放時間が排水時間に達していないと判定している間（ステップ１４において「Ｎｏ」と判定している間）は、弁６の開放時間が排水時間に達したか否か判定する制御を繰り返す。
なお、上記した燃料電池システム１００の運転方法では、制御器２０は、弁６を開くように制御してから弁６の開放時間を算出していたが、ステップＳ１３とＳ１２との順番を入れ替えて、弁６を開く前に弁６の開放時間を算出してもよい。
なお、ステップＳ１１において、制御器２０が、排出が要求されていないと判定している間（ステップＳ１１において「Ｎｏ」と判定している間）は、制御器２０は、排出が要求されたか否か判定する制御を繰り返す。
以上のように、実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、貯水器４に貯留された水の排水時間を、アノードオフガスの流量の履歴に基づき推定する。ところで、アノードオフガスの流量は、燃料電池１の発電量と相関する。そこで、アノードオフガスの流量を直接求めるのではなく、燃料電池１の発電量の履歴から貯水器４に貯留された水の排水時間を指定する構成としてもよい。
（実施の形態１の変形例１）
実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００について図４を参照して説明する。図４は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例1に係る燃料電池システム１００では、制御器２０がアノードオフガスの排出が要求されたか否か判定する（ステップＳ２１）。ここで、アノードオフガスの排出が要求されたと判定した場合（ステップＳ２１において「Ｙｅｓ」）、制御器２０は、第一排出経路５の弁６を開くように制御する（ステップＳ２２）。これにより、貯水器４に貯留されている水が第一排出経路５を介して弁６を通り外部へ排出される。なお、制御器２０は、弁６を開くように制御するとともに、弁６が開いたときからの経過時間を計測するように計時部（不図示）を制御するように構成されている。また、制御器２０は、排出が要求されていない間（ステップＳ２１において「Ｎｏ」）は、ステップＳ２１の判定を繰り返す。
次に制御器２０は、以前に弁６を開放したことがあるか否か判定する（ステップＳ２２）。ここで、今回、初めて、弁６を開放する場合（ステップＳ２３において「Ｎｏ」）、ステップＳ２４にすすむ。ステップＳ２４は、図２に示すステップＳ１３と同様の処理となるため説明は省略する。
一方、制御器２０が、以前、弁６を開放したことがあると判定した場合（ステップＳ２３において「Ｙｅｓ」）、弁６を閉止している間のアノードオフガスの流量の積算値が、前回の弁６の開放前において弁６を閉止している間のアノードオフガスの流量の積算値よりも増加しているか否か判定する（ステップＳ２５）。
ここで、制御器２０が、アノードオフガスの流量の積算値が、前回のアノードオフガスの流量の積算値よりも増加していると判定した場合（ステップＳ２５において「Ｙｅｓ」）、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間よりも増加させる（ステップＳ２６）。
また、ステップＳ２５において「Ｎｏ」の場合、すなわち、アノードオフガスの流量の積算値が、前回のアノードオフガスの流量の積算値と同じか、または減少している場合は、制御器２０は、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間と同じか、または減少させる（ステップＳ２７）。
このように、前回求めたアノードオフガスの流量の積算値と今回求めたアノードオフガスの流量の積算値との比較により、容易に貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。これ以降のステップＳ２８、Ｓ２９の処理は、図２に示すステップＳ１４、Ｓ１５と同様の処理であるため、説明は省略する。また、ステップＳ２３－Ｓ２７の処理は、ステップＳ２２よりも前に実行する構成であってもよい。
（実施の形態１の変形例２）
実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００について図５を参照して説明する。図５は図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図５に示すステップＳ３１、Ｓ３２、Ｓ３４－Ｓ３６の各ステップについては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転方法におけるステップＳ１１－Ｓ１５の各ステップと同様であるため説明は省略し、ステップＳ３３について説明する。
実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、貯水器４に貯留された水の排水時間を、アノードオフガスの流量の履歴に基づき推定していた。これに対して、実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００では、ステップＳ３３において、燃料電池１の発電量に基づきアノードオフガスの流量を推定する。そして、この推定したアノードオフガスの流量の履歴に基づいて貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する。
すなわち、燃料電池１の発電量と燃料電池１のアノードに供給される燃料ガスの流量は相関する。例えば、発電量の増加に伴い、燃料電池１のアノードに供給される単位時間あたりの燃料ガスの流量は増加する傾向にある。また、燃料ガスの流量の変化量とアノードオフガスの流量の変化量とは相関する。例えば、燃料ガスの単位時間あたりの流量が増加すると、アノードオフガスの単位時間あたりの流量も増加する。
そこで、これらの相関関係から燃料電池１の発電量に基づきアノードオフガスの流量を推定することができる。このため、実施の形態１の変形例２に係る燃料電池システム１００は、アノードオフガスの流量を直接検知する検知器等を設けることなくアノードオフガスの流量を把握することができる。
（実施の形態１の変形例３）
実施の形態１の変形例３に係る燃料電池システム１００について図６を参照して説明する。図６は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例３に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例３に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図６に示すステップＳ４１、Ｓ４２、Ｓ４４－Ｓ４６の各ステップについては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転方法におけるステップＳ１１－Ｓ１５の各ステップと同様であるため説明は省略し、ステップＳ４３について説明する。
すなわち、実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、貯水器４に貯留された水の排水時間を、アノードオフガスの流量の履歴に基づき推定していた。これに対して、実施の形態１の変形例３に係る燃料電池システム１００では、ステップＳ４３において、燃料ガス供給経路２の入口の燃料ガスの流量に基づきアノードオフガスの流量を推定する。そして、この推定したアノードオフガスの流量の履歴に基づいて貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する構成となっている。
燃料ガス供給経路２の入口の燃料ガスの流量の変化量は、上記したように燃料電池１から排出されるアノードオフガスの流量の変化量に相関する。そこで、この相関関係から燃料ガスの流量に基づきアノードオフガスの流量を推定することができる。このため、実施の形態１の変形例３に係る燃料電池システム１００は、アノードオフガスの流量を直接検知する検知器等を設けることなくアノードオフガスの流量を把握することができる。
（実施の形態１の変形例４）
実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００について図７を参照して説明する。図７は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図７に示すステップＳ５１、Ｓ５２、Ｓ５４、Ｓ５５の各ステップについては、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の運転方法におけるステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５の各ステップと同様であるため説明は省略し、ステップＳ５３について説明する。
実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量の履歴に基づいて貯水器４に貯留された水の排水時間を推定していた。これに対して、実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００は、アノードオフガスの流量の履歴に加えて、さらに燃料電池１の発電量の履歴も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する。
すなわち、燃料電池１の発電に伴って水が生成される。さらに、燃料電池１の発電量の履歴を考慮することで、この生成される水の増減も考慮することができる。このように、燃料電池１の発電に伴って生成される水の量も考慮して貯水器４に貯えられた水を排水するために弁６を開放する時間を決定することができる。よって、実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００は、より精度よく貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
（実施の形態１の変形例５）
実施の形態１の変形例５に係る燃料電池システム１００について図８を参照して説明する。図８は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例５に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例５に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図８に示すステップＳ６１－Ｓ６３、ステップＳ６８、Ｓ６９の各ステップについては、図４に示す実施の形態１の変形例１に係る燃料電池システム１００の運転方法における、ステップＳ２１－Ｓ２３、ステップＳ２８、Ｓ２９の各ステップと同様となるためこれらのステップについての説明は省略する。
図８に示すステップＳ６３において、制御器２０は、以前に弁６を開放したことがあるか否か判定し、今回、初めて、弁６を開放する場合（ステップＳ６３において「Ｎｏ」）、ステップＳ６４に進む。ステップＳ６４は、図７に示すステップＳ５３と同様の処理となるため説明は省略する。
一方、制御器２０が、以前、弁６を開放したことがあると判定した場合（ステップＳ６３において「Ｙｅｓ」）、弁６を閉止している間の燃料電池１の発電量（今回の発電量）の積算値が、前回の弁６の開放前において弁６を閉止している間の燃料電池１の発電量（前回の発電量）の積算値よりも増加しているか否か判定する（ステップＳ６５）。
ここで、制御器２０が発電量の積算値が、前回の発電量の積算値よりも増加していると判定した場合（ステップＳ６５において「Ｙｅｓ」）、弁６の開放時間を前回の開放時間よりも増加させる（ステップＳ６６）。
また、ステップＳ６５において「Ｎｏ」の場合、すなわち、発電量の積算値が前回の発電量の積算値と同じか、または減少している場合は、制御器２０は、弁６の開放時間を前回の開放時間と同じか、または減少させる（ステップＳ６７）。
このように、前回求めた発電量の積算値と今回求めた発電量の積算値との比較により、容易に貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
（実施の形態１の変形例６）
実施の形態１の変形例６に係る燃料電池システム１００について図９を参照して説明する。図９は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例６に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例６に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図９に示すステップＳ７１、Ｓ７２、Ｓ７４、Ｓ７５の各ステップについては、実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００の運転方法におけるステップＳ５１、Ｓ５２、Ｓ５４、Ｓ５５の各ステップと同様であるため説明は省略し、ステップＳ７３について説明する。
実施の形態１の変形例４に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に基づいて貯水器４に貯留された水の排水時間を推定していた。これに対して、実施の形態１の変形例６では、制御器２０がアノードオフガスの流量の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に加えて、さらにアノードオフガスの温度の履歴も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する。
ここでアノードオフガスの温度とは、燃料電池１の出口におけるアノードオフガスの温度であってもよいし、凝縮により水が分離された後のアノードオフガスの温度であってもよい。なお、燃料電池１の出口とは、リサイクルガス経路３においてアノードオフガスが燃料電池１から排出される部分である。
前者のアノードオフガスの温度の場合、図１０に示すように、アノードオフガスの温度が高くなればなるほどアノードオフガス中に含まれる水蒸気量が多くなり、貯水器４に貯えられる水量が大きくなるという関係が成り立つ。一方、後者のアノードオフガスの温度の場合は、図１１に示すように、アノードオフガスの温度が低くなればなるほどアノードオフガスから分離され貯水器４に貯えられる水量が大きくなるという関係が成り立つ。
図１０は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００が備える貯水器４における貯留水量と、燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度との一般的な関係を示すグラフである。図１１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００が備える貯水器４における貯留水量と、凝縮により水が分離した後のアノードオフガスの温度との一般的な関係を示すグラフである。図１０、１１では、横軸がアノードオフガスの温度、縦軸が貯水器４における貯留水量であり、両者の一般的な関係が示されている。
すなわち、アノードオフガスの温度が、燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度である場合、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量をさらに考慮して貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。一方、アノードオフガスの温度が、アノードオフガスから水が分離された後のアノードオフガス温度である場合、アノードオフガスから分離され貯水器４に貯えられる水量をさらに考慮して貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
なお、実施の形態１の変形例６に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に加えて、さらにアノードオフガスの温度の履歴も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する構成であった。しかしながら、制御器２０は、これら３つのパラメータのいずれか１つで排水時間を推定してもよいし、これら３つのパラメータの任意の組合せによって排水時間を推定してもよい。
（実施の形態１の変形例７）
実施の形態１の変形例７に係る燃料電池システム１００について図１２を参照して説明する。図１２は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例７に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例７に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図１２に示すステップＳ８１－Ｓ８３、ステップＳ８８、Ｓ８９の各ステップについては、図８に示す、実施の形態１の変形例５に係る燃料電池システム１００の運転方法における、ステップＳ６１－Ｓ６３、ステップＳ６８、Ｓ６９の各ステップと同様となるためこれらのステップについての説明は省略する。
図１２に示すように、ステップＳ８３において、制御器２０は、以前に弁６を開放したことがあるか否か判定し、今回、初めて、弁６を開放する場合（ステップＳ８３において「Ｎｏ」）、ステップＳ８４にすすむ。ステップＳ８４は、図９に示すステップＳ７３と同様の処理となるため説明は省略する。なお、実施の形態１の変形例７では、アノードオフガスの温度は、燃料電池１の出口のアノードオフガス温度とする。
一方、制御器２０が、以前、弁６を開放したことがあると判定した場合（ステップＳ８３において「Ｙｅｓ」）、弁６を閉止している間のアノードオフガスの温度の積算値が、前回の弁６の開放前において弁６を閉止している間のアノードオフガスの温度の積算値よりも減少しているか否か判定する（ステップＳ８５）。
ここで、制御器２０がアノードオフガスの温度の積算値が、前回のアノードオフガスの温度の積算値よりも減少していると判定した場合（ステップＳ８５において「Ｙｅｓ」）、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間よりも減少させる（ステップＳ８６）。
また、ステップＳ８５において「Ｎｏ」の場合、すなわち、アノードオフガスの温度の積算値が前回のアノードオフガスの温度の積算値と同じか、または増加している場合は、制御器２０は、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間と同じか、または増加させる（ステップＳ８７）。
このように、前回求めたアノードオフガスの温度の積算値と今回求めたアノードオフガスの温度の積算値との比較により、容易に貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
なお、制御器２０は、燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度を、以下下のように推定する構成であってもよい。
すなわち、制御器２０は、燃料電池１の発電量に基づきアノードオフガスの温度を推定する構成であってもよい。また、制御器２０は、燃料ガス供給経路２の入口の燃料ガスの温度に基づきアノードオフガスの温度を推定する構成であってもよい。
（実施の形態１の変形例８）
実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００について図１３を参照して説明する。図１３は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図１３に示すステップＳ９１、Ｓ９２、Ｓ９４、Ｓ９５の各ステップについては、図９に示す実施の形態１の変形例６に係る燃料電池システム１００の運転方法におけるステップＳ７１、Ｓ７２、Ｓ７４、Ｓ７５の各ステップと同様であるため説明は省略し、ステップＳ９３について説明する。
実施の形態１の変形例６に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量・温度の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に基づいて貯水器４に貯留された水の排水時間を推定していた。これに対して、実施の形態１の変形例８は、アノードオフガスの流量・温度の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に加えて、さらにアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の履歴も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する。
なお、アノードオフガスの温度とは、燃料電池１の出口におけるアノードオフガスの温度であってもよいし、凝縮により水が分離された後のアノードオフガスの温度であってもよい。
ここで、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量は、凝縮されて生成される水量と相関する。つまり、貯水器４に貯留される水量と相関する。実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００は、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の履歴をさらに考慮するため、制御器２０は、より精度よく貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
なお、実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量・温度の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に加えて、さらにアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の履歴も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する構成であった。しかしながら、制御器２０は、これら４つのパラメータのいずれか１つで排水時間を推定してもよいし、これら４つのパラメータの任意の組合せによって排水時間を推定してもよい。
（実施の形態１の変形例９）
実施の形態１の変形例９に係る燃料電池システム１００について図１４を参照して説明する。図１４は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例９に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例９に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図１４に示すステップＳ１０１－Ｓ１０３、ステップＳ１０８、Ｓ１０９の各ステップについては、図１２に示す実施の形態１の変形例７に係る燃料電池システム１００の運転方法における、ステップＳ８１－Ｓ８３、ステップＳ８８、Ｓ８９の各ステップと同様となるためこれらのステップについての説明は省略する。
図１４に示すように、ステップＳ１０３において、制御器２０は、以前に弁６を開放したことがあるか否か判定し、今回、初めて、弁６を開放する場合（ステップＳ１０３において「Ｎｏ」）、ステップＳ１０４にすすむ。ステップＳ１０４は、図１３に示すステップＳ９３と同様の処理となるため説明は省略する。なお、実施の形態１の変形例９では、アノードオフガスの温度は、燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度であってもよいし、凝縮により水が分離された後のアノードオフガスの温度であってもよい。
一方、制御器２０が、以前、弁６を開放したことがあると判定した場合（ステップＳ１０３において「Ｙｅｓ」）、弁６を閉止している間のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値が、前回の弁６の開放前において弁６を閉止している間のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量（前回のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量）の積算値よりも増加しているか否か判定する（ステップＳ１０５）。
ここで、制御器２０がアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値が、前回のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値よりも増加していると判定した場合（ステップＳ１０５において「Ｙｅｓ」）、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間よりも増加させる（ステップＳ１０６）。
また、ステップＳ１０５において「Ｎｏ」の場合、すなわち、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値が前回のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値と同じか、または減少している場合は、制御器２０は、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間と同じか、または減少させる（ステップＳ１０７）。
このように、前回のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値と今回のアノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値との比較により、容易に貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
なお、制御器２０は以下のようにアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定する構成であってもよい。すなわち、制御器２０は、燃料電池１の発電量に基づき、アノードオフガスの水蒸気量を推定してもよい。つまり、燃料電池１の発電量と燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度とは相関する。また、燃料電池１がフル加湿条件下で運転をしている場合、燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度からアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。このため、制御器２０は、例えば水蒸気量を検知する湿度センサを設けることなく、燃料電池１の発電量に基づきアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。
あるいは、燃料ガス供給経路２の入口の燃料ガスの水蒸気量に基づきアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定してもよい。つまり、燃料ガス供給経路２の入口での燃料ガス中に含まれる水蒸気量は、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量と相関する。また、燃料電池１がフル加湿条件下で運転をしている場合、燃料ガスの温度から燃料ガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。
このため、制御器２０は、例えば、水蒸気量を検知する湿度センサを設けることなく、燃料ガス中に含まれる水蒸気量を推定し、さらにこの推定した燃料ガス中に含まれる水蒸気量に基づきアノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定することができる。
（実施の形態１の変形例１０）
実施の形態１の変形例１０に係る燃料電池システム１００について図１５を参照して説明する。図１５は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例１０に係る燃料電池システム１００の装置構成は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例１０に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図１５に示すステップＳ１１１、Ｓ１１２、Ｓ１１４、Ｓ１１５の各ステップについては、図１３に示す実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００の運転方法におけるステップＳ９１、Ｓ９２、Ｓ９４、Ｓ９５の各ステップと同様であるため説明は省略し、ステップＳ１１３について説明する。
実施の形態１の変形例８に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量・温度・水蒸気量の履歴、および燃料電池１の発電量の履歴に基づいて貯水器４に貯留された水の排水時間を推定していた。これに対して、実施の形態１の変形例１０は、アノードオフガスの流量・温度・水蒸気量の履歴、および燃料電池１の発電量の履歴に加えて、さらに弁６の開放時のアノードオフガスの圧力も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する。
ここで、アノードオフガスの圧力の大きさは、図１６に示すように貯水器４からの排水速度と相関する。つまり、アノードオフガスの圧力が大きくなると、貯水器４からの排水速度は速くなる。このため、アノードオフガスの圧力から貯水器４からの排水速度を推定することができる。
図１６は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００における第一排出経路５から排出される水の排水速度とアノードオフガスの温度または圧力との一般的な関係を示すグラフである。図１６では、縦軸が第一排出経路５を通じて貯水器４に貯留された水が排出される際の水の流速であり、横軸がアノードオフガスの温度または圧力であり、両者の一般的な関係が示されている。
図１６に示すように、アノードオフガスの圧力が最も低い場合、排水速度が最も小さくなり、逆に、アノードオフガスの圧力が最も高い場合、排水速度が最も大きくなる。
実施の形態１の変形例１０に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、弁６の開放時のアノードオフガスの圧力をさらに考慮するため、貯水器４に貯えられた水量に加え、貯水器４からの排水速度をさらに考慮して、貯水器４に貯えられた水を排水するために弁６を開放させる時間を決定することができる。したがって制御器２０は、より精度よく貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
なお、実施の形態１の変形例１０に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、アノードオフガスの流量・温度・水蒸気量の履歴および燃料電池１の発電量の履歴に加えて、さらに弁６の開放時のアノードオフガスの圧力も考慮して貯水器４に貯留された水の排水時間を推定する構成であった。しかしながら、制御器２０は、これら５つのパラメータのいずれか１つで排水時間を推定してもよいし、これら５つのパラメータの任意の組合せによって排水時間を推定してもよい。
（実施の形態１の変形例１１）
実施の形態１の変形例１１に係る燃料電池システム１００について図１７を参照して説明する。図１７は、図１に示す燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態１の変形例１１に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と装置構成は同様となるため、各部の説明は省略する。
（運転方法）
実施の形態１の変形例１１に係る燃料電池システム１００の運転方法では、図１７に示すステップＳ１２１－Ｓ１２３、ステップＳ１２８、Ｓ１２９の各ステップについては、図１４に示す実施の形態１の変形例９に係る燃料電池システム１００の運転方法における、ステップＳ１０１－Ｓ１０３、ステップＳ１０８、Ｓ１０９の各ステップと同様となるためこれらのステップについての説明は省略する。
図１７に示すように、ステップＳ１２３において、制御器２０は、以前に弁６を開放したことがあるか否か判定し、今回、初めて、弁６を開放する場合（ステップＳ１２３において「Ｎｏ」）、ステップＳ１２４にすすむ。ステップＳ１２４は、図１５に示すステップＳ１１３と同様の処理となるため説明は省略する。なお、実施の形態１の変形例１１では、アノードオフガスの温度は、燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度であってもよいし、凝縮により水が分離された後のアノードオフガスの温度であってもよい。
一方、制御器２０が、以前、弁６を開放したことがあると判定した場合（ステップＳ１２３において「Ｙｅｓ」）、弁６の開放時のアノードオフガスの圧力が前回の弁６の開放時のアノードオフガスの圧力より増加したか否か判定する（ステップＳ１２５）。
ここで、制御器２０が弁６の開放時におけるアノードオフガスの圧力が、前回の弁６の開放時におけるアノードオフガスの圧力よりも増加していると判定した場合（ステップＳ１２５において「Ｙｅｓ」）、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間よりも減少させる（ステップＳ１２６）。
また、ステップＳ１２５において「Ｎｏ」の場合、すなわち、アノードオフガスの圧力が前回のアノードオフガスの圧力と同じか、または減少している場合は、制御器２０は、貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を前回の開放時間と同じか、または増加させる（ステップＳ１２７）。
このように、弁６の開放時における前回のアノードオフガスの圧力と今回のアノードオフガスの圧力との比較により、容易に貯水器４に貯えられた水を排水するための弁６の開放時間を決定することができる。
なお、制御器２０は以下のようにアノードオフガスの圧力を推定する構成であってもよい。すなわち、制御器２０は燃料電池１の発電量に基づきアノードオフガスの圧力を推定してもよい。燃料ガス供給経路２を通じて一定の圧力で燃料ガスが燃料電池１に供給されている場合、燃料電池１から排出されるアノードオフガスの圧力が燃料電池１の発電量に応じて変動する。そこで、この燃料電池１の発電量とアノードオフガスの圧力との相関関係を利用して燃料電池１の発電量からアノードオフガスの圧力を推定する。
このため、制御器２０は、例えば、アノードオフガスの圧力を検知する圧力センサを設けることなく、燃料電池１の発電量に基づきアノードオフガスの圧力を推定することができる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池システム１００について図１８を参照して説明する。図１８は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００の要部構成の一例を概略的に示すブロック図である。
実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、図１８に示すように、リサイクルガス経路３から分岐する第二排出経路７をさらに備えている点で実施の形態１に係る燃料電池システム１００と異なるが、それ以外は同様の構成となる。実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様な構成についてはその説明については省略する。
すなわち、実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と比較して、図１８で示すように、リサイクルガス経路３から分岐し、貯水器４と接続する第二排出経路７をさらに備えた構成となっている。
実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、リサイクルガス経路３を流通するアノードオフガスから凝縮された凝縮水は、第二排出経路７を通って、貯水器４に導かれるように構成されている。そして、貯水器４に貯えられた凝縮水は第一排出経路５を介して系外に排出される、あるいは冷却水経路１０（後述する図２２参照）に供給される。なお、第二排出経路７は、例えば、配管および継手などから構成することができる。
このように、実施の形態２に係る燃料電池システム１００では、第二排出経路７を備えるため、リサイクルガス経路３と貯水器４との相対的な位置関係を自由に設計することができ、燃料電池システム１００内部の設計の自由度を向上させることができる。また、設計の自由度が向上するため燃料電池システム１００のサイズを小さくすることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池システム１００では、第一排出経路５が貯水器４内の凝縮水とアノードオフガスとを排出する構成となっており、それ以外の構成については、図１に示す実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様である。そして、実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、以下図１９に示すフローによって凝縮水およびアノードオフガスの排出を行う。
（運転方法）
図１９は、実施の形態３に係る燃料電池システム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。なお、図１９示す運転方法のうちのステップＳ２０１からステップＳ２０４は、図２に示す運転方法のステップＳ１１からステップＳ１４と同様の処理となるため説明は省略する。
ステップＳ２０４において弁６の開放時間が排水時間に達したと判定されると（ステップＳ２０４において「Ｙｅｓ」）、制御器２０は、次にアノードオフガスの排気時間を決定する（ステップＳ２０５）。この時、アノードオフガスの排気時間は、アノードオフガスの排出量に基づいて算出してもよいし、その他の方法に基づいて決定してもよい。その他の方法としては、例えば、排気時間を所定時間として予め決定していてもよい。一方、ステップＳ２０４において弁６の開放時間が排水時間に達していないと判定している間（ステップＳ２０４において「Ｎｏ」と判定している間）は、弁６の開放時間が排水時間に達したか否か判定する制御を繰り返す。
さらに、ステップＳ２０２で弁６が開かれてからの経過時間が、決定されたアノードオフガスの排気時間に達したか否かを制御器２０が判定する（ステップＳ２０６）。そして、弁６が開かれてからの経過時間が決定されたアノードオフガスの排気時間に達したと判定した場合（ステップＳ２０６において「Ｙｅｓ」）、アノードオフガスの排気が完了したと判断し、制御器２０は弁６を閉じるように制御する（ステップＳ２０７）。一方、弁６が開かれてからの経過時間が、決定されたアノードオフガスの排気時間に達していないと判定している間（ステップＳ２０６において「Ｎｏ」と判定している間）は、弁６が開かれてからの経過時間が、決定されたアノードオフガスの排気時間に達したか否か判定する制御を繰り返す。
なおステップＳ２０１において、貯水器４に貯えられた凝縮水の排出が要求されていないと判定している間（ステップＳ２０１において「Ｎｏ」と判定している間）は、排出が要求されたか否か判定する制御を繰り返す。
このように、実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、第一排出経路５によって凝縮水およびアノードオフガスを排出させることができる。このため、凝縮水を排出させるための排出経路とアノードオフガスを排出させるための排出経路とを別々に設ける必要がなく、燃料電池システム１００の製造コストの上昇を抑制できる。
（排水時間の算出処理の具体例）
排水時間は、貯水器４の貯留水量に反比例し、第一排出経路５を介して弁６を通る速度（排水速度）に比例する。また、貯留水量と排水速度は、アノードオフガスの流量の経時的な変動に応じて変動する。
例えば、アノードオフガス中に含まれる水蒸気の割合が大きくなるほど、アノードオフガス中に含まれる水蒸気の量も多くなる。このため、凝縮する水の量が多くなり、貯水器４の貯留水量が多くなるため、排水時間は長くなる。
また、アノードオフガスの流量が多くなるほど、アノードオフガス中に含まれる水蒸気の量も多くなる。このため、凝縮する水の量も多くなり、貯水器４の貯留水量が多くなるため、排水時間は長くなる。
また、凝縮され水が生成された後のアノードオフガスの温度が高くなるほど、水蒸気の状態で存在する水の割合が多くなり凝縮する水の量が少なくなる。このため、貯水器４の貯留水量が少なくなるため排水時間は短くなる。逆に、リサイクルガス経路３における燃料電池１の出口のアノードオフガスの温度が高くなるほど、アノードオフガス中に含まれる水蒸気量が多くなり、凝縮により生成される水の量が多くなる。このため貯水器４の貯留水量が多くなるため排水時間が長くなる。
また、アノードオフガスの圧力が高くるほど、排水速度が大きくなり、排水時間は短くなる。
上記した関係を利用して、燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電量に応じてアノードオフガス中の水蒸気の割合、アノードオフガスの流量、温度、および圧力を求め、これらの値に基づき貯留水量および排水速度を求める。そして、この求めた貯留水量と排水速度から排水時間を算出する。
以下において、貯留水量および排水速度を求め、排水時間を算出する算出方法の一例について説明する。
つまり、上記したアノードオフガス中の水蒸気の割合、アノードオフガスの流量、温度、および圧力に基づき求められる貯水器４における貯留水量Ｖ（cc）および貯留された水の排水速度ｖ（cc/sec）を用いることで、排水時間ｔe（sec）＝Ｖ／ｖを計算できる。これにより、水量センサを使用することなく、適切な時間で弁６を閉止することができ、コストの上昇を抑制することができる。
燃料電池システム１００では、燃料電池１の発電量に応じた、燃料ガス供給経路２の入口における状態量に基づき求められた、アノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒ、流量Ｑ、温度Ｔ、および圧力Ｐの値から貯留水量Ｖおよび排水速度ｖを求める。そして、この求めた貯留水量Ｖと排水速度ｖとから排水時間ｔeを決定するように構成されている。
なお、燃料ガス供給経路２の入口とは、例えば、以下の位置とすることができる。例えば、燃料ガス供給経路２にガバナが設けられており、このガバナによって燃料電池１に供給される燃料ガスの流量が調整される構成の場合は、このガバナ（不図示）部分を燃料ガス供給経路２の入口としてもよい。また、燃料ガス供給経路２と接続された改質器（不図示）を備え、改質器によって改質された改質ガスを燃料ガスとして燃料電池１に供給する構成の場合は、改質器の出口部を、燃料ガス供給経路２の入口としてもよい。また、燃料ガス供給経路２に接続された水素貯蔵タンクから燃料電池１に燃料ガスとして水素が供給される構成の場合は、水素貯蔵タンクの出口部を、燃料ガス供給経路２の入口としてもよい。また、水素貯蔵タンクに貯蔵された水素を昇圧させて燃料電池１に燃料ガスとして供給する構成の場合は、昇圧器の出口部を、燃料ガス供給経路２の入口としてもよい。
また、燃料ガス供給経路２の入口の状態量とは、この入口部分における燃料ガスの圧力、流量、アノードオフガス中の水蒸気の割合、および温度等に相当する。
まず以下では、制御器２０が計算モデルを用いてアノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒ、流量Ｑ、温度Ｔ、および圧力Ｐを決定する構成について説明する。なお、本明細書では、計算モデルとは、燃料電池システム１００のデバイス特性を表す、物理式や実験式のことを意味する。
（アノードオフガスの流量）
まず、アノードオフガスの流量Ｑの決定方法についての詳細を説明する前に、この決定方法の前提となる燃料ガスおよびアノードオフガスの流通経路に関する構成について図２０を参照して説明する。図２０は、実施の形態１～３に係る燃料電池システム１００における燃料ガスおよびアノードオフガスの流通経路の一例を示すブロック図である。図２０では、燃料ガスおよびアノードオフガスの流通に関係しない部材は省略して示している。
燃料電池システム１００では、図２０に示すように、アノードオフガスを昇圧させるリサイクルガス用循環器８がリサイクルガス経路３に設けられている。そして、リサイクルガス用循環器８によって昇圧されたアノードオフガスは、リサイクルガス経路３を介して、燃料ガス供給経路２を流通する燃料ガスと合流するように構成されている。
このような構成において、アノードオフガスの流量Ｑは、燃料ガス供給経路２の入口に供給される燃料ガスの流量Ｑfuel（mol/s）と、発電に伴って変化する燃料ガスの流量の変化量Ｑu（mol/s）と、リサイクルガス経路３を流通するアノードオフガスの流量であるリサイクルガス流量Ｑr（mol/s）とに基づいて決定される。
燃料ガス供給経路２に供給される燃料ガスの流量Ｑfuel（mol/s）は、燃料電池１の発電量Ｗ（W）に基づいて以下の数式（１）により求めることができる。
Ｑfuel＝Ａ×Ｗ ・・・（１）
なお、数式（１）において、Ａは燃料電池１の発電特性と燃料ガスの利用率に基づいて決まる関数であり、燃料電池１の発電において所望の発電量を得るために必要となる燃料ガスの流量を求めるための係数である。
なお、燃料ガス供給経路２にガバナを設けた構成では、燃料電池１において消費された流量だけ低圧で燃料ガスが燃料電池１に供給される構成となる。このため、燃料ガス供給経路２の入口がガバナである場合、燃料ガスの利用率は１００％（＝１）となる。一方、燃料ガス供給経路２の入口がポンプなどの昇圧器の出口部である場合、燃料ガスの利用率は例えば７０％とすることができる。
次に、燃料電池１の発電に伴って変化する、燃料ガスの流量の変化量Ｑu（mol/s）は、燃料電池１の発電量Ｗ（W）に基づいて以下の数式（２）により求めることができる。
Ｑu＝Ｂ×Ｗ ・・・（２）
ここで、Ｂは燃料電池１の発電特性に基づいて決まる関数であり、燃料電池１の発電により生じる電流値に比例する値である。
リサイクルガス流量Ｑr（mol/s）は、燃料電池１の発電量に基づいて決定される燃料ガスの循環器操作量Ｕ（％）に基づいて以下の数式（３）により求めることができる。
Ｑr＝Ｃ×Ｕ ・・・（３）
ここで、Ｃはリサイクルガス用循環器８の種類や性能、アノードオフガスのガス中の水蒸気の割合に基づいて決まる関数である。つまり、リサイクルガス流量Ｑrは、リサイクルガス用循環器８に印加する電圧（操作量）を決めることで決定される値であると言える。
以上のようにして求めた、燃料電池システム１００に流入する燃料ガスの流量Ｑfuelと、発電に伴う燃料ガスの流量の変化量Ｑuと、リサイクルガス流量Ｑrとに基づいて以下の数式（４）によってアノードオフガスの流量Ｑを決定することができる。
Ｑ＝Ｑfuel＋Ｑr－Ｑu ・・・（４）
（アノードオフガス中の水蒸気の割合）
次に、アノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒの決定方法についての詳細を説明する前に、この決定方法の前提となる燃料ガスおよびアノードオフガス、ならびに酸化剤ガスおよびカソードオフガスの流通経路に関する構成について図２１を参照して説明する。図２１は、実施の形態１～３に係る燃料電池システム１００における燃料ガスおよびアノードオフガス、ならびに酸化剤ガスおよびカソードオフガスの流通経路の一例を示すブロック図である。図２１では、燃料ガスおよびアノードオフガス、ならびに酸化剤ガスおよびカソードオフガスの流通に関係しない部材は省略して示している。図２１に示すように燃料電池１のアノードに燃料ガスが供給され、アノードから排出されたアノードオフガスがリサイクルガス用循環器８によって昇圧され燃料ガスと合流し、再度、燃料電池１に供給されるように構成されている。また、燃料電池１のカソードには酸化剤ガスが供給され、カソードから排出されたカソードオフガスは系外に排気されるように構成されている。
このような構成において、アノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒは、燃料電池１のアノードの入口部に流入する燃料ガスの流量であるアノード入口流量Ｑanode（mol/s）と、燃料電池１の発電に伴い変化する燃料ガスの流量の変化量Ｑu（mol/s）と、カソードからアノードへの不純物透過量Ｑc（mol/s）とに基づいて決定する。
まず、アノード入口流量Ｑanode（mol/s）は、燃料電池システム１００に流入する燃料ガスの流量Ｑfuel（mol/s）と、リサイクルガス流量Ｑr（mol/s）とに基づいて以下の数式（５）によって求めることができる。
Ｑanode＝Ｑfuel＋Ｑr ・・・（５）
また、燃料電池１の発電に伴い変化する燃料ガスの流量の変化量Ｑu（mol/s）は、上記した数式（２）で求めることができる（Ｑu＝Ａ×Ｗ）。
燃料電池１におけるカソードからアノードへの不純物透過量Ｑc（mol/s）は、燃料電池１のカソード入口圧力Ｐcathode（Pa）と、燃料電池１のアノード入口圧力Ｐanode（Pa）とに基づき、以下の数式（６）により求めることができる。
Ｑc＝Ｄ×（Ｐcathode－Ｐanode） ・・・（６）
ここで、Ｄは高分子電解質膜の温度や含水率に基づいて決まる関数である。また、燃料電池１のカソード入口圧力Ｐcathode（Pa）は、燃料電池１の発電量Ｗ（W）に基づいて決まる、燃料電池１のカソードの入口部に供給される空気の流量であるカソード入口流量Ｑcathode（mol/s）と、大気圧Ｐatm（Pa）と、昇圧器（不図示）により昇圧されたカソード空気の圧力Ｐcathode（Pa）と、昇圧器の出口部から燃料電池１のカソード入口までの間における圧力損失Ｐloss_c（Pa）とに基づいて決定される。
また、燃料電池１のアノード入口圧力Ｐanodeは、燃料電池１の発電量Ｗ（W）に基づいて決まる燃料ガスの流量Ｑfuel（mol/s）から求められる燃料ガス供給経路２の入口から燃料電池１のアノード入口までの圧力損失Ｐloss_a（Pa）と、燃料ガス供給経路２の入口における燃料ガスの圧力Ｐin（Pa）とに基づいて決定される（後述する数式（１１）参照）。
ここで、カソード入口流量Ｑcathode（mol/s）は、以下の数式（７）により求めることができる。数式（７）においてＥは燃料電池１の発電特性とカソード空気の利用率とに基づいて決まる関数である。
Ｑcathode＝Ｅ×Ｗ ・・・（７）
また、圧力損失Ｐloss_c（Pa）は、損失係数をＦとして以下の数式（８）により求めることができる。なお、損失係数Ｆは、カソード空気経路（不図示）の形状および長さに基づいて決まる関数である。なお、ここでいうカソード空気経路とは、空気供給器の出口部から燃料電池１のカソードの入口部までの間の経路である。
Ｐloss_c＝Ｆ×Ｑcathode ２ ・・・（８）
また、カソード入口圧力Ｐcathode（Pa）は、以下の数式（９）により求めることができる。すなわち、カソード入口圧力Ｐcathode（Pa）は、大気圧Ｐatm（Pa）と、昇圧器（不図示）によってカソード空気を昇圧させる圧力の大きさＰboostと、圧力損失Ｐloss_c（Pa）とに基づき求めることができる。
Ｐcathode＝Ｐatm＋Ｐboost－Ｐloss_c ・・・（９）
一方、アノード入口圧力Ｐanode（Pa）は、上記の数式（１）で求めた燃料ガス供給経路２の入口に供給される燃料ガスの流量Ｑfuel（mol/s）（Ｑfuel＝Ａ×Ｗ）と、燃料ガス供給経路２の入口における燃料ガスの圧力Ｐin（Pa）と、燃料ガス供給経路２の入口から燃料電池１のアノード入口までの間における圧力損失Ｐloss_a（Pa）に基づいて決まる。
ここで、燃料ガス供給経路２の入口における燃料ガスの圧力Ｐin（Pa）は、一般的に固定値で与えられている（Ｐin＝const.）。
また、圧力損失Ｐloss_a（Pa）は、以下の数式（１０）により求めることができる。すなわち、燃料ガス供給経路２の入口に供給される燃料ガスの流量Ｑfuelと損失係数Ｇとに基づき求めることができる。なお、損失係数Ｇは、燃料ガス供給経路２の長さおよび形状に基づいて決まる関数である。なお、ここでいう燃料ガス供給経路２の長さとは、燃料ガス供給経路２上にガバナが設けられており、このガバナによって燃料電池１に供給される燃料ガスの流量が調整される構成の場合は、このガバナから燃料電池１のアノード入口までの間の経路の長さであってもよい。また、改質器（不図示）を備え、改質器によって改質された改質ガスを燃料ガスとして燃料電池１に供給する構成の場合は、改質器の出口部から燃料電池１のアノード入口までの間の経路の長さであってもよい。また、水素貯蔵タンクから燃料電池１に燃料ガスとして水素が供給される構成の場合は、水素貯蔵タンクの出口部から燃料電池１のアノード入口までの間の経路の長さであってもよい。
また、アノード入口圧力Ｐanodeは、以下の数式（１１）により求めることができる。
Ｐloss_a＝Ｇ×（Ｑfuel＋Ｑr）２ ・・・（１０）
Ｐanode＝Ｐin－Ｐloss_a ・・・（１１）
以上、数式（１）から（１１）によって算出した、アノード入口流量Ｑanodeと、燃料電池１の発電に伴って変化する、燃料ガスの流量の変化量Ｑuと、カソードからアノードへの不純物透過量Ｑcとに基づいて、以下の数式（１２）によってアノードオフガス中の水蒸気の割合を決定する。すなわち、アノード入口流量Ｑanodeと燃料ガスの流量の変化量Ｑuとを足し合わせた値とカソードからアノードへの不純物透過量Ｑcとの比を取ることにより不純物として窒素の割合をもとめることができる。
Ｑc／（Ｑanode＋Ｑｕ） ・・・（１２）
さらに、アノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒは、燃料ガスの流量の変化量Ｑuとカソードからアノードへの不純物透過量Ｑcと、燃料電池１のアノードの入口部に流入する燃料ガス中に含まれる水素の流量であるアノード入口水素流量ＱHと、アノード入口流量Ｑanodeとに基づいて、以下の数式（１３）により求めることができる。
Ｒ＝１－（Ｑc＋ＱH＋Ｑu）／（Ｑanode＋Ｑｕ） ・・・（１３）
（アノードオフガスの温度）
次に、アノードオフガスの温度の決定方法についての詳細を説明する。ここで決定するアノードオフガスの温度とは、燃料電池１の出口におけるアノードオフガスの温度である。まず、この決定方法の前提となる冷却水の流通経路に関する構成について図２２を参照して説明する。図２２は、実施の形態１～３に係る燃料電池システム１００における冷却水の流通経路の一例を示すブロック図である。図２２では、冷却水の流通に関係しない部材は省略して示している。
図２２に示すように、実施の形態１～３に係る燃料電池システム１００は、冷却水を循環させて燃料電池１に供給する冷却水用循環器９と、冷却水を流通させる冷却水経路１０を備え、冷却水用循環器９を稼働させて冷却水を燃料電池１に供給させる構成となっている。
なお、アノードオフガスの温度Ｔ（℃）は、燃料電池１に供給された冷却水の、燃料電池１の出口温度とほぼ同じ温度である。このため、冷却水の燃料電池１の出口温度をアノードオフガスの温度Ｔ（℃）とみなして算出する。
まず、燃料電池１の入口部における冷却水の温度である、冷却水の燃料電池入口温度ＴW（℃）を求める。
冷却水の燃料電池入口温度ＴW（℃）は、燃料電池１の発電量Ｗ（W）に基づいて決定される冷却水流量ＱW（mol/s）と、冷却水用循環器９の出口部から燃料電池１の入口部までの間で冷却水が吸熱する熱量ｑ（W）と、冷却水用循環器９の出口部における冷却水の温度である、冷却水の循環器出口温度ＴW0（℃）に基づいて求めることができる。まず、冷却水流量ＱW（mol/s）は、以下の数式（１４）によって求めることができる。数式（１４）におけるＨは、燃料電池１の発電特性と燃料電池１から外部への放熱に基づいて決まる関数である。
ＱW＝Ｈ×Ｗ ・・・（１４）
また、冷却水が吸熱する熱量ｑ（W）は、以下の数式（１５）によって求めることができる。数式（１５）におけるＩは、燃料電池１の発電特性、冷却水経路１０の周りを取り巻く外部温度、冷却水経路１０の外部放熱に基づいて決まる関数である。
ｑ＝Ｉ×Ｗ ・・・（１５）
そして、上記した数式（１４）、（１５）で求めた値を用いて、冷却水の燃料電池入口温度ＴW（℃）を以下の数式（１６）によって求めることができる。なお、数式（１６）において、Ｊは単位換算の係数、ＣWは水の比熱、ρWは水の密度である。
ＴW＝ＴW0－Ｊ×ＱW×ｑ×ＣW×ρW ・・・（１６）
また、燃料電池１内部の冷却水の温度上昇ｄＴ（℃）は、燃料電池１の発電量Ｗ（W）から決まる燃料電池１の発熱量ｑst（W）に基づいて求めることができる。まず、燃料電池１の発熱量は以下の数式（１７）により求めることができる。ここで、Ｋは燃料電池１の発電特性に基づいて決まる関数である。この数式（１７）により求めた、燃料電池１の発熱量ｑst（W）と、水の比熱ＣW（J/（kg・K））と、水の密度ρW（Kg/m3）とに基づき、数式（１８）によって燃料電池１内部の冷却水の温度上昇ｄＴ（℃）を求める。なお、数式（１８）において、Ｌは燃料電池１の外部放熱に基づいて決まる関数である。
ｑst＝Ｋ×Ｗ ・・・（１７）
ｄＴ＝Ｌ×ＱW×ｑst÷ＣW×ρW ・・・（１８）
数式（１６）により求めた、冷却水の燃料電池入口温度ＴWと、数式（１８）により求めた燃料電池１内部の冷却水の温度上昇ｄＴとに基づいて、数式（１９）によりアノードオフガスの温度Ｔを決定する。
Ｔ＝ＴW＋ｄＴ ・・・（１９）
（アノードオフガスの圧力）
次に、アノードオフガスの圧力の決定方法について説明する。
アノードオフガスの圧力Ｐ（Pa）は、燃料ガス供給経路２の入口に供給される燃料ガスの圧力Ｐin（Pa）と、燃料ガス供給経路２の入口から燃料電池１のアノード入口までの間における圧力損失Ｐloss_a（Pa）と、燃料電池１での燃料ガスの圧力損失Ｐa2に基づいて決定される。
ここで、燃料ガス供給経路２の入口に供給される燃料ガスの圧力Ｐin（Pa）は、上記したように一般的に固定値で与えられる。また、燃料ガス供給経路２の入口から燃料電池１のアノード入口まで間における圧力損失Ｐloss_a（Pa）は、上記した数式（１０）により求めることができる。
燃料電池１での燃料ガスの圧力損失Ｐa2（Pa）は、燃料ガスの流量Ｑfuel（mol/s）に基づいて以下の数式（２０）によって求めることができる。なお、数式（２０）におけるＭは燃料電池１内のアノード流路（不図示）の形状および長さに基づいて決定される関数である。
Ｐa2＝Ｍ×Ｑfuel ２ ・・・（２０）
以上のようにして求めた燃料ガスの圧力Ｐin（Pa）と、圧力損失Ｐloss_a（Pa）とに基づいて、以下の数式（２１）によりアノードオフガスの圧力Ｐ（Pa）を決定することができる。
Ｐ＝Ｐin－Ｐloss_a－Ｐa2 ・・・（２１）
（排水時間の算出）
以上のようにして燃料電池１の発電量に応じた、燃料ガス供給経路２の入口における状態量に基づき求められた、アノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒ、流量Ｑ、温度Ｔ、および圧力Ｐの値から貯留水量Ｖおよび排水速度ｖを求める。そして、この求めた貯留水量Ｖと排水速度ｖとから排水時間ｔeを決定するように構成されている。
まず、排水速度ｖ[cc/sec]は、以下の数式（２２）に示すように、アノードオフガスの圧力Ｐ（Pa）および第一排出経路５の長さおよび形状に基づき規定される関数ｆで表される。
ｖ＝ｆ（Ｐ） ・・・（２２）
一方、貯留水量Ｖ[cc]は、アノードオフガスの流量Ｑと、アノードオフガス中に含まれる水素の流量Ｑ（Ｈ２）と、アノードオフガスの温度Ｔおよびアノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒに基づく関数ｆ（Ｔ，Ｒ）と、アノードオフガスの温度Ｔに基づく関数ｆ（Ｔ）とに基づく以下の数式（２３）を用いて、各時間ステップで算出される。
Ｖ（ｔ）＝Ｖ（ｔ－１）＋ｄｔ×（Ｑ×ｆ（Ｔ，Ｒ）―Ｑ（Ｈ２）×ｆ（Ｔ））・・・（２３）
なお、数式（２３）におけるＶ（ｔ）は、ある特定の時間ステップｔの貯留水量を、Ｖ（ｔ－１）は時間ステップｔの１つ前の時間ステップ（ｔ－１）における貯留水量を、ｄｔは時間ステップの幅を示している。
以上で決定した排水速度ｖ[cc/sec]および貯留水量Ｖ[cc]を用いて、以下の数式（２４）により排水時間ｔe[sec]を決定することができる。
ｔe＝Ｖ／ｖ ・・・（２４）
以上のように、本実施の形態１～３に係る燃料電池システム１００では、上記した数式（１）～（２４）から構成される計算モデルを用いることでアノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒ、流量Ｑ、温度Ｔ、および圧力Ｐ、またそれらの値から決定された貯留水量Ｖ、排水速度ｖおよび排水時間ｔeのいずれかの値を取得することができる。このため、これらの値を取得するために必要となるセンサを削減できるため、燃料電池システム１００のコスト上昇を抑制することができる。
なお、上記では計算モデルを用いてアノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒ、流量Ｑ、温度Ｔ、および圧力Ｐを決定する構成について説明したがこれに限定されるものではない。例えば、これらのパラメータのうちの少なくとも１つのパラメータの値を直接的に求めることができるセンサを備え、センサによる検知結果をアノードオフガス中の水蒸気の割合Ｒ、流量Ｑ、温度Ｔ、および圧力Ｐのうちの少なくとも１つの値として利用する構成であってもよい。
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施の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、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、コスト上昇の抑制が可能な燃料電池システムとして有用であり、例えば、定置用または車載用の燃料電池システムに適用可能である。
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 貯水器
５ 第一排出経路
６ 弁
７ 第二排出経路
８ リサイクルガス用循環器
９ 冷却水用循環器
１０ 冷却水経路
２０ 制御器
１００ 燃料電池システム

Claims (18)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス供給経路と、
    前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料ガス供給経路に戻すリサイクルガス経路と、
    前記リサイクルガス経路を流通するアノードオフガスから分離された水を貯える貯水器と、
    前記貯水器に貯えられた水を排出する排出経路と、
    前記排出経路に設けられた弁と、
    前記アノードオフガスの流量の履歴に基づいて、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する制御器と、を備える、
    燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記アノードオフガスの流量の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記アノードオフガスの流量の積算値よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも増加させる、請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの流量を推定する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、前記燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの流量に基づき前記アノードオフガスの流量を推定する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量の履歴も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する、
    請求項１－４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記燃料電池の発電量の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記燃料電池の発電量の積算値よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも増加させる、請求項５記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御器は、前記アノードオフガスの温度の履歴も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する、
    請求項１－６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記アノードオフガスの温度の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記アノードオフガスの温度の積算値よりも減少すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも減少させる、請求項７記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの温度を推定する、請求項７または８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記制御器は、前記燃料ガス供給経路の入口の燃料ガスの温度に基づき前記アノードオ
    フガスの温度を推定する、請求項７または８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御器は、前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の履歴も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する、
    請求項１－１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する前に前記弁を閉止している間の前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値が、前回の前記弁の開放前の前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量の積算値よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも増加させる、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの水蒸気量を推定する、請求項１１または１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記制御器は、前記燃料ガス供給経路の入口の燃料ガス中に含まれる水蒸気量に基づき前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気量を推定する、請求項１１または１２に記載の燃料電池システム。
  15. 前記制御器は、前記弁の開放時の前記アノードオフガスの圧力も考慮し、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を決定する、
    請求項１－１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  16. 前記制御器は、前記弁の開放時の前記アノードオフガスの圧力が前回の前記弁の開放時よりも増加すると、前記貯水器に貯えられた水を排水するために前記弁を開放する時間を前回の前記弁の開放時よりも減少させる、請求項１５記載の燃料電池システム。
  17. 前記制御器は、前記燃料電池の発電量に基づき前記アノードオフガスの圧力を推定する、請求項１５または１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記制御器は、前記貯水器に貯えられた水が排出された後も前記弁を開放させ、前記貯水器及び前記排出経路を介して、前記アノードオフガスを排出する、
    請求項１－１７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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