(57)【要約】  従来の燃料電池システムでは、起動時にアノードガスの供給圧力を脈動させると、バッファタンクから不純物ガスが逆流し、単位セル電圧の低下などが生じるという問題点があった。  単位セルＦＣを複数積層して成る燃料電池スタックＦＳを備え、アノードガスの供給圧力を脈動させて燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガスをバッファタンク４２に圧送するアノードガス非循環型の燃料電池システムを運転するに際し、カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度に応じて、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力の脈動振幅若しくは脈動周期を設定する運転方法とすることにより、起動時において、アノードガスの供給圧力の不要な脈動を抑制して、単位セルを構成する膜電極構造体の機械的強度の悪化を防止しつつ、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を最適に維持する。
2012053324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルを複数積層して成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アノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクを備え、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることにより燃料電池スタック内の不純物ガスをバッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムを運転するに際し、
カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度に応じて、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力の脈動振幅若しくは脈動周期を設定することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になる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の運転方法。
【請求項３】
単位セルを複数積層して成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アノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクを備え、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることにより燃料電池スタック内の不純物ガスをバッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムを運転するに際し、
バッファタンク内の不純物ガスの濃度を推定する不純物ガス濃度推定手段と、
燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する窒素ガス透過度推定手段を用い、
バッファタンク内の不純物ガスの濃度が所定値以上であり且つ燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段を用い、燃料電池スタックの温度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
システムの停止後の放置時間を計測するタイマを用い、放置時間が所定値以上である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段を用い、燃料電池スタックの温度が所定値以上に達したところで、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を一定にする制御からアノードガスの供給圧力を脈動させる制御に移行することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記不純物ガス濃度推定手段に代えて、バッファタンク内の水素ガスの濃度を検出するタンク用水素ガス検出手段を用い、バッファタンク内の不純物ガスの推定濃度をバッファタンク内の水素ガスの検出濃度から算出して判定を行うことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記窒素ガス透過度推定手段に代えて、燃料電池スタックのアノード側の水素ガスの濃度を検出する電池用水素ガス検出手段を用い、燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの推定透過度を燃料電池スタックのアノード側の水素ガスの検出濃度から算出して判定を行うことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、起動から所定時間の経過後に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードガス非循環型の燃料電池システムの運転方法に関し、とくに、システムの起動時に行うのに好適な燃料電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来において、アノードガス非循環型の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池システムは、単位セルを複数積層して成る燃料電池スタックを備え、この燃料電池スタックへのアノードガスの供給系として、水素タンク、供給遮断弁及び調圧弁を備えている。また、燃料電池スタックからのアノード排ガスの排出系として、貯留タンク（バッファタンク）や排出遮断弁（パージ弁）を備えている。【０００３】
上記燃料電池システムでは、燃料電池スタックへのアノードガスの供給量が少ない第１制御状態と、供給量が多い第２制御状態とを設定して、第１及び第２の制御状態を繰り返す。つまり、アノードガスの供給圧力を脈動させる。これにより、上記燃料電池システムでは、不純物が一部の単位セルに蓄積されるのを抑制し、アノード排ガスを貯留タンクに圧送して排出するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９７９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、アノードガス非循環型の燃料電池システムでは、単位セルにおいて、カソード側からアノード側への不純物ガス（主に窒素ガス）の透過量が増大すると、当然のことながらアノード側に蓄積される不純物ガスの量も多くなる。そこで、不純物ガスをバッファタンクに排出して、燃料電池スタック内の水素濃度を高く維持するには、上記従来のようにアノードガスの供給圧力を脈動させることが有効である。【０００６】
しかし、カソード側からアノード側への不純物ガスの透過量が少ない場合には、アノードガスの供給圧力を脈動させる必要性は低くなり、この際に、バッファタンク内の不純物ガスの濃度が高いと、脈動の降圧に伴って不純物ガスが逆流する虞があるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。【０００７】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、アノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、起動時におけるアノードガスの供給圧力の不要な脈動を抑制して、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を最適に維持することができる燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムの運転方法は、単位セルを複数積層して成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アノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクを備え、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることにより燃料電池スタック内の不純物ガスをバッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、これを運転する方法である。【０００９】
そして、燃料電池システムの運転方法は、カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度に応じて、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力の脈動振幅若しくは脈動周期を制御することを特徴としている。【００１０】
また、燃料電池システムの運転方法は、より好ましい実施形態として、カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムの運転方法によれば、アノードガス非循環型の燃料電池システムにおいて、起動時におけるアノードガスの供給圧力の不要な脈動を抑制して、単位セルを構成する膜電極構造体の機械的強度の悪化を防止しつつ、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を最適に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】アノードガス非循環型の燃料電池システムの一実施形態を示す説明図である。
【図２】単位セルを説明する分解状態の平面図である。
【図３】単位セルを説明する平面図である。
【図４】燃料電池システムの運転方法の一実施形態を説明するフローチャートである。
【図５】起動時におけるアノードガス供給圧力（Ａ）、燃料電池スタック温度（Ｂ）、バッファタンク窒素ガス濃度（Ｃ）、及び燃料電池スタック内の窒素ガス濃度（Ｄ）の夫々の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの運転方法が適用可能な燃料電池システムの一実施形態を示す図である。図示の燃料電池システムは、アノードガスの流通が供給側から排出側への一方向であるアノードガス非循環型のシステムである。
【００１４】
燃料電池システムは、単位セルＦＣを複数積層して成る燃料電池スタックＦＳを備えると共に、この燃料電池スタックＦＳに対して、カソードガス（酸化剤ガスである空気）の供給路３１及び排出路３２と、アノードガス（燃料ガスである水素ガス）の供給路３３及び排出路３４と、冷却流体の循環路３５を備えている。
【００１５】
単位セルＦＣは、図２及び図３に示すように、周囲にフレーム１を有する膜電極構造体２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３，３を備えている。
【００１６】
フレーム１は、樹脂成形（例えば射出成形）により膜電極構造体２と一体化してあり、この実施形態では、膜電極構造体２を中央にして長方形状を成している。また、フレーム１は、両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６が配列してあり、各マニホールド穴群から膜電極構造体２に至る領域が後記するディフューザ部Ｄに相当する。
【００１７】
膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane  Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、例えば固体高分子から成る電解質層を燃料極層（アノード）と空気極層（カソード）とで挟持した構造を有している。
【００１８】
両セパレータ３，３は、いずれもフレーム１とほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状であって、フレーム１及び膜電極構造体２との間に、カソードガスの流路及びアノードガスの流路を夫々形成する。このセパレータ３は、夫々ステンレス等の金属板をプレス成形したものであって、膜電極構造体２に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は、長辺方向に連続しており、凸部分で膜電極構造体２に接触すると共に、凹部分でガス流路を形成する。
【００１９】
また、各セパレータ３は、両端部に、フレーム１の各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６同等のマニホールド穴Ｈ１〜Ｈ６を有し、各マニホールド穴群から断面波形状の部分に至る領域が後記するディフューザ部Ｄに相当する。
【００２０】
上記のフレーム１及び膜電極構造体２と両セパレータ３，３は、重ね合わせて燃料電池セルＦＣを構成する。このとき、燃料電池セルＦＣは、とくに図３に示すように、中央に、膜電極構造体２の領域である発電部Ｇを備えている。そして、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給及び排出を行うマニホールド部Ｍ，Ｍと、各マニホールド部Ｍから発電部Ｇに至るディフューザ部Ｄ，Ｄを備えたものとなっている。
【００２１】
図３の左側に示す一方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ１〜Ｈ３は、カソードガス供給用（Ｈ１）、冷却流体供給用（Ｈ２）及びアノードガス供給用（Ｈ３）であり、積層方向に夫々の流路を形成する。また、図３の右側に示す他方のマニホールド部Ｍにおいて、各マニホールド穴Ｈ４〜Ｈ６は、アノードガス排出用（Ｈ４）、冷却流体排出用（Ｈ５）及びカソードガス排出用（Ｈ６）であり、積層方向に夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。
【００２２】
上記構成を備えた燃料電池セルＦＣは、図１に示すように、複数枚を積層し、その両側にエンドプレートＥ，Ｅを配置して燃料電池スタックＦＳを構成する。このとき、燃料電池スタックＦＳは、片方のエンドプレートに装着した弾性体によって積層方向に加圧され、個々の燃料電池セルＦＣに所定の接触面圧を加えて、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
【００２３】
上記の燃料電池スタックＦＳを備えた燃料電池システムにおいて、カソードガスの供給路３１には、コンプレッサ等の空気供給手段３６と、空気供給手段３６からの給気を加湿する加湿器３７が設けてある。また、カソードガスの排出路３２は、排出空気中に含まれる水蒸気を加湿器３７に供給し、その下流において、背圧調整弁３８により大気に開放される。
【００２４】
他方、アノードガスの供給路３３は、水素タンク３９から燃料電池スタックＦＳに至るもので、途中に水素調整弁４０及び水素圧力センサ４１が設けてある。また、カソードガスの排出路３４は、バッファタンク４２に至るものである。ここで、燃料電池スタックＦＳから排出されたアノードガス（アノードオフガス）には、窒素ガスや水蒸気などの不純物ガスが含まれている。したがって、カソードガスの排出路３４は、上記のカソードオフガスをバッファタンク４２に排出するものである。
【００２５】
バッファタンク４２は、貯留した水量を検出するためのレベルセンサ４３を備えると共に、水を外部に排出するための水捨て弁４４と、窒素ガスを大気に開放する窒素パージ弁４５を備えている。
【００２６】
冷却流体の循環路３５は、ラジエーター４６で冷却した冷却流体（冷却水）を循環させるものであって、冷却水循環ポンプ４７と、ラジエーター４６をバイパスするバイパス路４８と、循環路３５とバイパス路４８を接続する三方弁４９を備えている。また、燃料電池スタックＦＳには、その内部の温度を検出するためのスタック温度検出手段（温度センサ）５０が設けてある。
【００２７】
さらに、燃料電池システムは、空気供給手段３６、水素調整弁４０、水捨て弁４４、窒素パージ弁４５、冷却水循環ポンプ４７、及び三方弁４９などを制御するためのコントローラ５１を備えている。
【００２８】
このコントローラ５１には、各種機器の制御プログラムが記憶させてあり、とくに、本発明の運転方法を実行するための起動制御部５２と、システムの停止後の放置時間を計測するタイマ５３を備えている。また、コントローラ５１には、水素圧力センサ４１、レベルセンサ４３及びスタック温度検出手段５０からの検出信号のほか、燃料電池スタックＦＳの電流値や各単位セルＦＣの電流値などを入力する。
【００２９】
起動制御部５２には、燃料電池スタックＦＳの温度と不純物ガスの発生量との関係や、燃料電池スタックＦＳの温度とカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度との関係を示すデータ、及びアノードガス用の供給圧力マップが記憶させてある。前記供給圧力マップは、燃料電池スタックＦＳの温度や負荷に応じてアノードガスの供給圧力が適切なものとなるように、その供給圧力を設定する基準となるものである。
【００３０】
ここで、燃料電池システムでは、燃料電池スタックＦＳの運転温度（約８０℃）と、氷点下の環境で停止させ且つ長時間放置することを考慮して、燃料電池スタックＦＳの温度範囲を−２０〜８０℃と想定している。また、燃料電池システムでは、燃料電池スタックＦＳの温度の上昇に伴い、アノード側への窒素ガスの透過度が増大する傾向であることが周知である。窒素ガスの透過度は、より正しくは、単位セルＦＣにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過速度であり、これが増大すれば単位時間あたりの窒素ガスの透過量も増大し、その結果、アノード側の窒素ガスの濃度が高くなる。
【００３１】
したがって、燃料電池スタックＦＳの温度を把握していれば、その時点でのアノード側への窒素ガスの透過度を推定することが可能である。また、燃料電池スタックＦＳの温度だけでなく、大気温度やシステムの停止時間などに基づいて、燃料電池スタックＦＳの起動時の温度、窒素ガスの濃度、及び窒素ガスの透過度を間接的に推定することも可能である。
【００３２】
そこで、前記コントローラ５１の起動制御部５２は、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度を推定する機能（不純物ガス濃度推定手段）と、燃料電池スタックＦＳにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する機能（窒素ガス透過度推定手段）を有している。つまり、起動制御部５２は、予め記憶した各種データを利用して、窒素ガスの初期濃度や窒素ガスの透過度を推定する。
【００３３】
上記構成を備えた燃料電池システムの運転方法は、カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度に応じて、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力の脈動振幅若しくは脈動周期を設定する。具体的には、窒素ガスの透過度が大きいほど脈動振幅を大きくし、若しくは、窒素ガスの透過度が大きいほど脈動周期を短くする。また、カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。
【００３４】
より具体的には、燃料電池システムの運転方法は、起動制御部５２の機能すなわち不純物ガス濃度推定手段と窒素ガス透過度推定手段を用い、バッファタンク４２内の初期の窒素ガス濃度が所定値以上であり且つ燃料電池スタックＦＳにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。
【００３５】
また、燃料電池システムの運転方法は、より好ましい実施形態として、上記制御に加えて、燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段５０を用い、燃料電池スタックＦＳの温度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。
【００３６】
さらに、燃料電池システムの運転方法は、より好ましい実施形態として、上記制御に加えて、システムの停止後の放置時間を計測するタイマ５３を用い、放置時間が所定値以上である場合に、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。
【００３７】
次に、図４に示すフローチャートに基づいて、上記の燃料電池システムの運転方法をより具体的に説明する。上記の燃料電池システムは、燃料電池スタックＦＳの内部に不活性ガスが多く残留している状態から起動した際の不具合、例えば、長時間放置した後に起動した際、アノードガスの供給圧力の脈動による不純物ガスの逆流に対処するものである。よって、以下に述べる運転方法の実施形態では、放置時間の判定を先に行う。
【００３８】
図４に示す燃料電池システムの運転方法では、システムを起動すると、ステップＳ１において、タイマ５３で計測した停止後の放置時間が所定値以上であるか否かを判定する。ここで、図４中の夫々の所定値１，２は、起動制御部５２が記憶するデータ、すなわち燃料電池スタックＦＳの温度と窒素ガスの透過度との関係を示すデータに基づいて設定してある。
【００３９】
ステップＳ１において、放置時間が所定値１未満である場合（Ｎｏ）には、燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガスの残留量も少ないと見なし、ステップＳ８に移行してアノードガスの供給圧力を脈動させる制御を行う。これにより、燃料電池スタックＦＳにおいて、アノードガスを供給すると共に、カソード側からアノード側に透過した窒素ガスをバッファタンク４２に排出する。
【００４０】
また、ステップＳ１において、放置時間が所定値以上である場合（Ｙｅｓ）には、燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガスの残留量が多いと見なし、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力を設定するために次のステップＳ２に移行する。
【００４１】
ステップＳ２においては、起動圧力制御として、燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガスをバッファタンク４２に排出できるようにアノードガスの供給圧力を設定する。この場合の供給圧力は、例えばステップＳ１で脈動制御すると判定した場合（Ｎｏ）の脈動時上限圧力よりも高圧に設定する。また、その圧力値はアノード流路容積の割合、つまり、燃料電池スタックＦＳ内のアノード流路容積とバッファタンク４２内のアノード流路容積との比を考慮して決定する。例えば、燃料電池スタックＦＳ内のアノード流路の最下流部より上流側の容積と下流側の容積との比が１：１である場合には、初期アノード圧に対して、２倍の圧力となるように水素ガスを供給する。
【００４２】
ステップＳ３においては、スタック温度検出手段５０で燃料電池スタックＦＳの温度を検出する。そして、ステップＳ４においては、スタック温度検出手段５０で検出した燃料電池スタックＦＳの温度から、その温度での単位時間の不純物ガス（窒素ガス）透過量、つまり不純物ガス（窒素ガス）透過度を起動制御部５２において算出する。
【００４３】
ステップＳ５においては、ステップＳ４で算出した窒素ガスの透過度を時々刻々積分して、アノード流路内に溜まっていく不純物ガス（窒素ガス）透過量の総量を算出する。具体的には、ステップＳ２における制御により、燃料電池スタックＦＳ内のアノード流路は水素ガスに置換されているため、初期不純物ガス（窒素ガス）の量を０ｃｃとし、その時点での燃料電池スタックＦＳの温度により、透過度が０．１ｃｃ／ｓｅｃであれば計算周期を乗算し、初期値に加算する。その後は、同様にして不純物ガス透過量を積分していく。ここで、初期不純物ガスの量は安全率を考慮して０ｃｃよりも大きい値とすることも可能である。
【００４４】
ステップＳ６においては、ステップＳ５で算出した不純物ガス（窒素ガス）透過量の総量（透過窒素ガス積分値）が所定値２以下であるか否かを判定する。前記総量が所定値２以下である場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ７に移行してアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。具体的には、水素圧力センサ４１の検出値が一定になるように水素調整弁４０をフィードバック制御する。また、ステップＳ５で算出した前記総量が所定値２を超える場合（Ｎｏ）には、ステップＳ８に移行してアノードガスの供給圧力を脈動させる制御を行う。
【００４５】
さらに、燃料電池システムの運転方法では、図４に示すステップＳ３〜Ｓ７を繰り返しており、ステップＳ６でＮｏと判定したところで、アノードガスの供給圧力を一定にする制御（ステップＳ７）から供給圧力を脈動させる制御（ステップＳ８）に移行する。または、図５（Ａ）にアノードガスの供給圧力の変化を示すように、起動から所定時間Ｔの経過後に、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力を脈動させる。
【００４６】
上記の如く燃料電池システムを起動すると、燃料電池スタックＦＳにおけるアノードガスの水素濃度が増加し、また、燃料電池スタックＦＳの温度も、図５（Ｂ）に示すように、発電に伴って増加する。
【００４７】
バッファタンク４２内の窒素ガス濃度は、図５（Ｃ）に示すように、水素ガスの供給圧力の上昇とともに減少する。これは、燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガス（主に窒素ガス）が水素ガスに置換され、バッファタンク４２において水素ガスとこれに押し出された不純物ガスが窒素パージ弁４５により外部に排出されるためである。
【００４８】
燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は、図５（Ｄ）に示すように、アノードガスの供給圧力の増加に伴って減少し、同供給圧力が一定値に達した以降には、燃料電池スタックＦＳの温度上昇に伴う窒素ガスの透過度増加により若干増えるものの、その後の脈動運転により規則的に増減する。つまり、単位セルＦＣ内の窒素ガスを規則的に排出する。
【００４９】
このように、上記実施形態の燃料電池システムの運転方法では、バッファタンク４２内の不純物ガスの濃度及び燃料電池スタックＦＳにおける窒素ガスの透過度を推定して、アノードガスの供給圧力を一定にする制御、又は供給圧力を脈動させる制御を行う。これにより、とくに、長期放置後の起動時において、バッファタンク４２からの不純物ガスの逆流を防止して、燃料電池スタックＦＳ内の水素ガス濃度を確保しながら、不純物ガスを除去することができる。また、上記の如く不純物ガスの濃度及び窒素ガスの透過度を推定する方法では、最小限のセンサ類による制御が可能であり、システム構造の簡略化等にも貢献することができる。また、起動時における不要な脈動を行うことがないので、単位セルを構成する膜電極構造体の機械的強度の悪化を抑制することができる。
【００５０】
ところで、多数の単位セルＦＣから成る燃料電池スタックＦＳを備えた燃料電池システムでは、燃料電池スタックＦＳの内部に不純物ガスが多く残留する環境において、各単位セルＦＣのアノード側で凝縮した残留水量にばらつきがある。このような状況において、アノードガスの供給圧力の脈動により不純物ガスの逆流が生じると、残留水量が多い単位セルＦＣではアノードガス出口側での水素分圧不足がより顕著になる。
【００５１】
これに対して、上記の燃料電池システムの運転方法では、各単位セルＦＣの残留水量にばらつきがあるとしても、起動時にアノードガスの供給圧力を一定にする制御を行い、換言すれば起動直後に供給圧力を脈動させる制御を行わないので、バッファタンク４２から不純物ガスが逆流することも無く、残留水を含む不純物ガスをアノードガスによって円滑に排出する。これにより、各単位セルＦＣにおける圧損のばらつきによる水素分圧の不足が解消され、単位セルＦＣの電圧の低下や単位セルＦＣの劣化を防止することができる。
【００５２】
また、燃料電池システムの運転方法では、燃料電池スタックＦＳの温度に基づいてアノードガスの供給圧力を制御することで、起動時の燃料電池スタックＦＳの状況に応じたより高精度な制御を行うことができる。さらに、燃料電池システムの運転方法では、システムの停止後の放置時間に基づいてアノードガスの供給圧力を制御することによっても、起動時の燃料電池スタックＦＳの状況に応じたより高精度な制御を行うことができる。
【００５３】
そしてさらに、燃料電池システムの運転方法では、起動から所定時間Ｔの経過後に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させるようにし、とくに、燃料電池スタックの温度に基づいて、アノードガスの供給圧力を一定にする制御から脈動させる制御に移行する。これにより、燃料電池スタックＦＳにおいてカソード側からアノード側に透過した窒素ガスを速やかに排出する。
【００５４】
なお、各単位セルＦＣでは、アノード側からカソード側へ窒素ガスが透過しており、透過した窒素ガスがアノード側触媒層付近に留まりやすい状態になる。そこで、上記の燃料電池システムでは、アノードガスの供給圧力を一定にする制御から脈動させる制御に移行することで、アノード側に透過した窒素ガスを速やかに排出し、アノード側触媒層の表面におけるアノードガス濃度を確保する。
【００５５】
本発明の燃料電池システムの運転方法は、上記の実施形態では、図４に示すフローチャートにおいて、ステップＳ６で不純物ガス透過量の総量が所定値２以下である場合に、アノードガスの供給圧力を一定にする制御を行ったが、これに対して、アノードガスの供給圧力の脈動振幅若しくは脈動周期を設定する制御を行うこともできる。
【００５６】
すなわち、本発明の燃料電池システムの運転方法は、他の実施形態として、上記の如く供給圧力を一定にするのみでなく、不純物ガスの透過度に応じてアノードガスの供給圧力の脈動振幅若しくは脈動周期を設定する制御を行うことが可能である。このとき、不純物ガスの透過度は、単位時間当たりの透過量や、所定期間の総量に置き換えても良い。具体的には、不純物ガスの透過度が大きくなるほど、アノードガスの供給圧力の脈動振幅を大きくする。若しくは、不純物ガスの透過度が大きくなるほど、アノードガスの供給圧力の脈動周期を短くする。このようにしても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００５７】
本発明に係る燃料電池システムの運転方法のさらに他の実施形態としては、起動制御部５２の不純物ガス濃度推定手段に代えて、図１中に点線で示すように、バッファタンク４２内の水素ガスの濃度を検出するタンク用水素ガス検出手段５４を用いることができる。タンク用水素ガス検出手段５４には、例えば水素濃度センサを用いる。この場合には、図４中のステップＳ３において、バッファタンク４２内の不純物ガスの推定濃度を、検出された水素濃度を用いて判定を行う。この場合、水素濃度が所定値（例えば３０％）以下のときは、つまりは窒素濃度が所定値（例えば７０％）以上とみなすことが可能である。
【００５８】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法のさらに他の実施形態としては、起動制御部５２の窒素ガス透過度推定手段に代えて、図１中に点線で示すように、燃料電池スタックＦＳのアノード側の水素ガスの濃度を検出する電池用水素ガス検出手段５５を用いることができる。電池用水素ガス検出手段５５には、例えば水素濃度センサを用いる。この場合には、図４中のステップＳ３において、燃料電池スタックＦＳにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの推定透過度を水素ガスの検出濃度に代えて判定を行う。なお、上記水素濃度センサの代わりに窒素濃度センサを用いても同様の効果を発揮できる。
【００５９】
これらの実施形態においても、先の実施形態と同等の作用及び効果を得ることができると共に、タンク用水素ガス検出手段５４及び電池用水素ガス検出手段５５により、バッファタンク４２内や燃料電池スタックＦＳ内の水素ガス濃度を実測するので、起動時の燃料電池スタックＦＳの状況に対応した高精度な制御を行うことができる。
【００６０】
なお、本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムの構成を含めて上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
ＦＣ  単位セル
ＦＳ  燃料電池スタック
４２  バッファタンク
５２  起動制御部（不純物ガス濃度推定手段・窒素ガス透過度推定手段）
５０  スタック温度検出手段
５３  タイマ
５４  タンク用水素ガス検出手段
５５  電池用水素ガス検出手段
【図１】
2012053324.tif 000003
【図２】
2012053324.tif 000004
【図３】
2012053324.tif 000005
【図４】
2012053324.tif 000006
【図５】
2012053324.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月6日(2012.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
単位セルを複数積層して成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アノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクを備え、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることにより燃料電池スタック内の不純物ガスをバッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムを運転するに際し、
バッファタンク内の不純物ガスの濃度を推定する不純物ガス濃度推定手段と、
燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する窒素ガス透過度推定手段を用い、
バッファタンク内の不純物ガスの濃度が所定値以上であり且つ燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段を用い、燃料電池スタックの温度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
システムの停止後の放置時間を計測するタイマを用い、放置時間が所定値以上である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段を用い、燃料電池スタックの温度が所定値以上に達したところで、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を一定にする制御からアノードガスの供給圧力を脈動させる制御に移行することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記不純物ガス濃度推定手段に代えて、バッファタンク内の水素ガスの濃度を検出するタンク用水素ガス検出手段を用い、バッファタンク内の不純物ガスの推定濃度をバッファタンク内の水素ガスの検出濃度から算出して判定を行うことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記窒素ガス透過度推定手段に代えて、燃料電池スタックのアノード側の水素ガスの濃度を検出する電池用水素ガス検出手段を用い、燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの推定透過度を燃料電池スタックのアノード側の水素ガスの検出濃度から算出して判定を行うことを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、起動から所定時間の経過後に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月12日(2013.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位セルを複数積層して成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アノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクを備え、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることにより燃料電池スタック内の不純物ガスをバッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムを運転するに際し、
予め設定された燃料電池スタックの温度と不純物ガスの発生量との関係からバッファタンク内の不純物ガスの濃度を推定する不純物ガス濃度推定手段と、
燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する窒素ガス透過度推定手段を用い、
バッファタンク内の不純物ガスの濃度が所定値以上であり且つ燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度の積分値が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段を用い、燃料電池スタックの温度が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になる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の運転方法。
【請求項３】
システムの停止後の放置時間を計測するタイマを用い、放置時間が所定値以上である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になる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の運転方法。
【請求項４】
燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出手段を用い、燃料電池スタックの温度が所定値以上に達したところで、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を一定にする制御からアノードガスの供給圧力を脈動させる制御に移行することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記不純物ガス濃度推定手段に代えて、バッファタンク内の水素ガスの濃度を検出するタンク用水素ガス検出手段を用い、バッファタンク内の不純物ガスの推定濃度をバッファタンク内の水素ガスの検出濃度から算出して判定を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記窒素ガス透過度推定手段に代えて、燃料電池スタックのアノード側の水素ガスの濃度を検出する電池用水素ガス検出手段を用い、燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの推定透過度を燃料電池スタックのアノード側の水素ガスの検出濃度から算出して判定を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法において、起動から所定時間の経過後に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力を脈動させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、アノードガス非循環型の燃料電池システムの起動時において、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を最適に維持しながら不純物ガスを除去することができる燃料電池システムの運転方法を提供することを目的としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
そして、燃料電池システムの運転方法は、予め設定された燃料電池スタックの温度と不純物ガスの発生量との関係からバッファタンク内の不純物ガスの濃度を推定する不純物ガス濃度推定手段と、燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する窒素ガス透過度推定手段を用い、バッファタンク内の不純物ガスの濃度が所定値以上であり且つ燃料電池スタックにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度の積分値が所定値以下である場合に、燃料電池スタックに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御することを特徴としている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の燃料電池システムの運転方法によれば、アノードガス非循環型の燃料電池システムの起動時において、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を最適に維持しながら不純物ガスを除去することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
そこで、前記コントローラ５１の起動制御部５２は、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度を推定する機能（不純物ガス濃度推定手段）と、燃料電池スタックＦＳにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する機能（窒素ガス透過度推定手段）を有している。つまり、各ガス流路やバッファタンク４２の容積は当然一定であるから、起動制御部５２は、予め記憶した各種データを利用して、バッファタンク４２内の窒素ガスの初期濃度や、カソード側からアノード側への窒素ガスの透過度を推定する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
より具体的には、燃料電池システムの運転方法は、起動制御部５２の機能すなわち不純物ガス濃度推定手段と窒素ガス透過度推定手段を用い、バッファタンク４２内の初期の窒素ガス濃度が所定値以上であり且つ燃料電池スタックＦＳにおけるカソード側からアノード側への窒素ガスの透過度の総量（透過窒素ガス積分値）が所定値以下である場合に、燃料電池スタックＦＳに対するアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図４に示す燃料電池システムの運転方法では、システムを起動すると、ステップＳ１において、タイマ５３で計測した停止後の放置時間が所定値以上であるか否かを判定する。ここで、図４中の夫々の所定値１，２，３は、起動制御部５２が記憶するデータ、すなわち、先述した燃料電池スタックＦＳの温度と不純物ガスの発生量との関係や、燃料電池スタックＦＳの温度と窒素ガスの透過度との関係を示すデータに基づいて設定してある。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
ステップＳ３においては、スタック温度検出手段５０で燃料電池スタックＦＳの温度を検出する。そして、ステップＳ４においては、スタック温度検出手段５０で検出した燃料電池スタックＦＳの温度から、その温度での単位時間の不純物ガス（窒素ガス）透過量、つまり不純物ガス（窒素ガス）透過度を起動制御部５２において算出する。この起動制御部５２では、先述したように、燃料電池スタックＦＳの温度と不純物ガスの発生量との関係に基づいて、バッファタンク４２内の不純物ガス（窒素ガス）の濃度を推定する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
ステップＳ６においては、ステップＳ４で推定したバッファタンク４２内の不純物ガス（窒素ガス）の濃度が所定値３以上であるか否かを判定すると共に、ステップＳ５で算出した不純物ガス（窒素ガス）透過量の総量（透過窒素ガス積分値）が所定値２以下であるか否かを判定する。前記不純物ガスの濃度が所定値３以上で且つ透過量の総量が所定値２以下である場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ７に移行してアノードガスの供給圧力が一定になるように制御する。具体的には、水素圧力センサ４１の検出値が一定になるように水素調整弁４０をフィードバック制御する。また、ステップＳ５で算出した前記総量が所定値２を超える場合（Ｎｏ）には、ステップＳ８に移行してアノードガスの供給圧力を脈動させる制御を行う。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
このように、上記実施形態の燃料電池システムの運転方法では、バッファタンク４２内の不純物ガスの濃度及び燃料電池スタックＦＳにおける窒素ガスの透過度の総量（透過窒素ガス積分値）を推定して、アノードガスの供給圧力を一定にする制御、又は供給圧力を脈動させる制御を行う。これにより、とくに、長期放置後の起動時において、バッファタンク４２からの不純物ガスの逆流を防止して、燃料電池スタックＦＳ内の水素ガス濃度を確保しながら、不純物ガスを除去することができる。また、上記の如く不純物ガスの濃度及び窒素ガスの透過度を推定する方法では、最小限のセンサ類による制御が可能であり、システム構造の簡略化等にも貢献することができる。また、起動時における不要な脈動を行うことがないので、単位セルを構成する膜電極構造体の機械的強度の悪化を抑制することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2012053324.tif 000008
【国際調査報告】
2012053324.tif 000009
2012053324.tif 000010
2012053324.tif 000011
2012053324.tif 000012
2012053324.tif 000013
2012053324.tif 000014
2012053324.tif 000015
2012053324.tif 000016