(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池が排出する不活性ガスを含む混合ガスを蓄えておき、再度前記燃料電池に供給することにより、燃費の向上を目的とする。【解決手段】燃料電池１において、前記燃料電池の発電反応後、燃料極が排出する混合ガスを前記供給通路へと環流するガス循環系５と、前記燃料電池が排出した前記混合ガスを蓄えるガス貯蔵手段６と、前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段２８と、前記ガス循環系の前記燃料電池が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を検出または推定するガス濃度測定手段２７を備える。前記ガス循環系５の混合ガスが含有する不活性ガスの濃度が、前記燃料電池の負荷に対応して設定した所定値より高いときはガス循環系の混合ガスを前記ガス貯蔵手段６へ貯蔵し、前記所定値より低いときは前記燃料電池が排出した混合ガスをガス循環系５を通じて前記燃料電池に再供給する。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に燃料極および酸化剤極を配置する燃料電池と、
前記燃料電池の発電反応後、燃料極が排出する反応ガスと酸化剤極より混入する不活性ガスとの混合ガスを前記供給通路へと環流するガス循環系と、
前記燃料電池から排出される前記混合ガスを蓄えるガス貯蔵手段と、
前記燃料電池の下流または前記ガス貯蔵手段の下流に前記混合ガスを燃料電池システムの外部へ排出するガス排出手段と、
前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、
前記ガス循環系の前記燃料電池が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を検出または推定するガス濃度測定手段を備え、
前記ガス循環系の混合ガスが含有する不活性ガスの濃度が、前記燃料電池の負荷に対応して設定した所定値より高いときはガス循環系の混合ガスを前記ガス貯蔵手段へ貯蔵し、前記所定値より低いときは前記燃料電池が排出した混合ガスをガス循環系を通じて前記燃料電池に再供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス循環系の混合ガスを前記ガス貯蔵手段に蓄えるときに検出した前記燃料電池の負荷と、ガス貯蔵手段に前記混合ガスを貯蔵したときに検出した前記燃料電池の負荷との平均値が、前記燃料電池の負荷より大きいとき、前記ガス貯蔵手段に蓄えた混合ガスを前記燃料電池に供給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。
【請求項３】
前記燃料電池のアイドル運転時、前記ガス貯蔵手段に蓄えた前記混合ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ガス濃度測定手段で検出した不活性ガス濃度が予め定めた許容値より高いときは、前記燃料電池が排出した混合ガスを前記燃料電池システムの外部へ排出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
さらに前記燃料電池が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を検出または推定する燃料電池排出ガス濃度測定手段と、
前記ガス貯蔵手段が蓄えた混合ガスが包含する不活性ガスの濃度を検出または推定する貯蔵ガス濃度測定手段を備え、
前記燃料電池の排出した混合ガス中の不活性ガスの濃度よりも、ガス貯蔵手段に蓄えた混合ガス中の不活性ガスの濃度のほうが高いときは、ガス貯蔵手段に蓄えた混合ガスを燃料電池システムの外部へ排出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。
【請求項６】
前記燃料電池が排出した混合ガス中の不活性ガスの濃度よりも前記貯蔵ガス手段に蓄えた混合ガス中の不活性ガスの濃度のほうが低いときは、ガス貯蔵手段に蓄えた混合ガスを排出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。
【請求項７】
前記燃料電池が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を検出または推定する燃料電池排出ガス濃度測定手段と、
前記ガス貯蔵手段が蓄えた混合ガスが包含する不活性ガスの濃度を検出または推定する貯蔵ガス濃度測定手段を備え、
前記燃料電池が排出する混合ガスが含有する不活性ガスの濃度が所定値より低く、前記燃料電池排出ガス濃度測定手段よりも前記貯蔵ガス濃度測定手段が検出または推定した不活性ガスの濃度が高いときは、ガス貯蔵手段に蓄えた混合ガスをガス循環系に供給し前記燃料電池が再利用することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池が排出する混合ガスを蓄え、そのガスを再利用する燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムの制御方法においては、燃料電池が排出する未反応のガスを循環通路に流し、再度燃料電池にそのガスを供給するものが知られている。これによれば、燃料電池の運転状態によらず過不足のない反応ガスを燃料電池に供給することで、十分な反応ガスの循環量を確保して高効率を達成している。（例えば、特許文献１、参照。）
【特許文献１】特開２００３−１５１５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記従来の燃料電池が排出する未反応のガスを再利用する循環通路を備えた燃料電池システムにおいて、循環ガス中に含まれる不活性ガスの濃度が高くなると所定のタイミングで循環通路に存在する未反応のガスの一部または全部を廃棄していたため、燃料の消費が悪化するといった問題があった。
【０００４】
そこで本発明では、上記問題を鑑みて、燃料電池の燃費のロスを抑制する燃料電池システムの制御を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池本体において、前記燃料電池の発電反応後、燃料極が排出する反応ガスと酸化剤極より混入する不活性ガスとの混合ガスを前記供給通路へと環流するガス循環系と、前記燃料電池が排出した前記混合ガスを蓄えるガス貯蔵手段と、前記燃料電池の下流または前記ガス貯蔵手段の下流に前記混合ガスを燃料電池システムの外部へ排出するガス排出手段と、前記燃料電池の負荷を検出する負荷検出手段と、前記ガス循環系の前記燃料電池が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を検出または演算により推定するガス濃度測定手段を備える。前記ガス循環系の混合ガスが含有する不活性ガスの濃度が、前記燃料電池の負荷に対応して設定した所定値より高いときはガス循環系の混合ガスを前記ガス貯蔵手段へ貯蔵し、前記所定値より低いときは前記燃料電池が排出した混合ガスをガス循環系を通じて前記燃料電池に再供給する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、不活性ガス濃度センサにより検出した燃料ガス循環系の混合ガスが含有する不活性ガスの濃度とそのときの負荷検出手段より検出した燃料電池の負荷の信号に基づいてガス貯蔵の可否を判断する。燃料電池の負荷と混合ガスが含有する不活性ガスの濃度によっては、燃料ガス循環系の混合ガスをガス貯蔵手段に蓄え、あるいは蓄えた混合ガスを再度燃料電池に供給することによって、燃料電池の性能を低下させることなく、著しい燃費の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。
【０００８】
本実施形態において、反応ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１を備える。反応ガスとしては水素ガスを、また酸化剤ガスとしては空気を用いる。なお、反応ガスおよび酸化剤ガスはこの限りではなく、例えば反応ガスとしては改質装置により改質された水素含有ガス、酸化剤ガスとしては酸素等を用いることもできる。
【０００９】
燃料電池１は発電反応時に、燃料ガスおよび酸化剤ガスを消費する。そのとき、燃料電池１の燃料極には、発電反応の必要量よりも燃料ガスを過剰に供給する。また、酸化剤極においては、酸化剤ガスに含まれる不活性ガス（窒素ガス）が微量ではあるが燃料電池１の電解質膜を介し、燃料極へとクロスリークし燃料ガスと混入する。
【００１０】
したがって、燃料電池１は発電反応に対し余剰な燃料ガスと酸化剤極から燃料極へとクロスリークした不活性ガスとの混合ガスを排出する。
【００１１】
燃料電池１の発電反応を行うため、図示しない燃料ガスのタンクから燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料ガス供給通路２および空気を燃料電池１に供給する酸化剤供給通路３を備える。さらに燃料電池１が発電反応に使用しなかった酸化剤ガスを排出する酸化剤排出通路１０、および燃料電池１の発電反応に余剰な燃料ガスと酸化剤極からクロスリークした不活性ガスとの混合ガスを前記燃料ガス供給通路２に再供給する燃料ガス循環通路５を備える。燃料ガス循環通路５の燃料ガス供給通路２への接続部には燃料ガス供給通路２を流れるガスの流体エネルギーを利用して燃料ガス循環通路５の混合ガスを吸引するイジェクター１３を設ける。
【００１２】
燃料電池１が排出した混合ガスを循環する燃料ガス循環通路５と並列な分岐通路２４を設け、その途中に混合ガスの一部を貯蔵するガス貯蔵装置６を設ける。分岐通路２４は燃料ガス循環通路５の下流からバルブ８を介し分岐し、また、分岐通路２４の燃料ガス供給通路２への接続部にはイジェクター１２を備える。ただし、燃料電池１への混合ガスの供給がより円滑になるようイジェクター１２は、燃料ガス供給通路２においてイジェクター１３の上流に設置する。
【００１３】
ここで、ガス貯蔵装置６は、ガスを貯蔵できる空間であればよく、配管そのものもガス貯蔵装置６としての役割を果たす。
【００１４】
分岐通路２４にはガス貯蔵装置６の下流でイジェクター１２の上流にバルブ７を設置し、さらにガス貯蔵装置６の下流でバルブ７の上流からガス排出通路４を分岐し、この分岐部にはバルブ１１を設ける。
【００１５】
燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガスの濃度が高まり、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えるには、バルブ１１を閉じ、バルブ７とバルブ８を開くことにより、燃料電池１が排出した混合ガスがガス貯蔵装置６を通過し、その後にバルブ７とバルブ８を閉じることによってガス貯蔵装置６に混合ガスの一部を貯蔵する。また、ガス貯蔵装置６が貯蔵した混合ガスを燃料電池１へと供給するには、バルブ１１を閉じ、バルブ７のみを開いてもよいし、バルブ７とバルブ８を開いてもよい。
【００１６】
さらに、燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガスの濃度が高まり、燃料電池１の出力が十分得られないときは、バルブ７を閉じ、バルブ８とバルブ１１を開くことにより、燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６を通り燃料電池システムの外部へ排出される。混合ガスの排出を停止するときは、バルブ８とバルブ１１を閉じる。このとき、混合ガスの一部がガス貯蔵装置６に蓄えられる。
【００１７】
このような制御を行うために、マイクロコンピュータで構成されるコントロールユニット２６が備えられる。また、燃料電池１への混合ガス中の不活性ガスの濃度を検出する不活性ガス濃度センサ２７と、燃料電池１の負荷を検出する負荷センサ２８が設けられ、これらの検出信号がコントロールユニット２６に入力する。なお、不活性ガス濃度センサ２７の代わりに演算により不活性ガス濃度を推定するようにしてもよい（以下同じ）。コントロールユニット２６は、これらの検出信号に基づき、予め設定した燃料電池１の負荷と、燃料電池１が排出する混合ガス中の不活性ガスの許容濃度との関係から、燃料ガス循環通路５を循環する混合ガスをガス貯蔵装置６に貯蔵するか否かを判定する。
【００１８】
燃料電池１に供給される燃料ガスの供給量は、発電負荷（発電端出力）が５％以下では、燃料ガス循環流量が一定となり、発電負荷（以下単に負荷という）が５％以上では燃料電池１から取り出す電流値によらず、燃料ガスの利用率が一定となるように制御される。したがって、図２にも示すように、負荷が大きくなると、燃料ガス循環流量が増すために燃料ガス循環通路圧力も高くなる。
【００１９】
しかし、不活性ガスの濃度が高くなると、相対的に燃料ガスが減少し、燃料電池１の出力も不十分となるので、そのときの燃料電池１の負荷によって許容される不活性ガス濃度を超えたときには、循環する混合ガスをガス貯蔵手段６に貯蔵し、燃料ガス循環通路５を循環する混合ガス中の不活性ガス濃度を低下させ、燃料ガスの循環量を回復する。
【００２０】
燃料電池１の負荷に応じて許容される不活性ガスの濃度は、予め実験および計算により求めておき、データベースとして記憶しておくが、許容される不活性ガスの濃度は、燃料電池１に十分な発電出力を確保するために、負荷が高くなるほど小さくなる。
【００２１】
また、ガス貯蔵手段６に貯蔵した混合ガス中には燃料ガスも含まれ、燃料電池１の負荷によってはこの貯蔵された混合ガスを供給しても十分な出力を発生できる。したがって、負荷の低いときに、ガス貯蔵手段６に貯蔵した混合ガスを燃料電池１に供給することにより、混合ガス中に含まれる燃料ガスを再利用することができ、トータルの燃費効果を向上させられる。
【００２２】
また、図２に示したように、燃料電池１が高い負荷（発電端出力）で運転している際は、燃料ガス循環通路５の圧力が高く、燃料電池１が低い負荷で運転している際は、燃料ガス循環通路５の圧力が低い。したがって、燃料電池１の負荷が高いときにガス貯蔵手段６に蓄えた高圧の混合ガスを、燃料電池１の負荷が低いとき燃料電池１に再供給する。ガス貯蔵装置６のほうが燃料ガス循環通路５より圧力が高いため、圧力差の関係からガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料ガス循環通路５に供給しやすい。
【００２３】
この燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２６が実行する排出ガス循環制御を図３のフローチャートにしたがって説明する。
【００２４】
ステップＳ３０１において、初期状態としてバルブ７、バルブ８およびバルブ１１を閉じる。これにより、燃料電池１が排出した混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り、燃料電池１へと再供給される。
【００２５】
ステップＳ３０２、ステップＳ３０３において燃料電池１の負荷Ａと燃料電池１が排出した混合ガスが含有する不活性ガス濃度を検出する。
【００２６】
次にステップＳ３０４において、燃料ガス循環通路５の混合ガス中における不活性ガス濃度センサ２７より検出した不活性ガスの濃度が、負荷センサ２８より検出した燃料電池１の負荷に対応して設定した所定値より高いか否か判断する。
【００２７】
不活性ガス濃度センサ２７で検出した燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より低い場合は、ステップＳ３０５へ進みＳ３０１の状態を維持し、燃料電池１が排出した混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り燃料電池１へ再供給される。
【００２８】
一方、燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より高い場合は、ステップＳ３０６へ進み、バルブ７とバルブ８を開き、バルブ１１を閉じ、燃料電池１が排出した混合ガスをの一部の混合ガスを分岐通路２４へ流し循環させる。
【００２９】
ステップＳ３０７へ進み、燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に十分行き渡る程度の所定時間（例えば、１０ｓ程度）の経過を待つ。ここに、燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に十分行き渡る程度の所定時間は、予め実験および計算等より求めておき、データベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。
【００３０】
そして、ステップＳ３０８において燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に行き渡るとバルブ７、バルブ８およびバルブ１１を閉じることで燃料ガス循環通路５の混合ガスの一部をガス貯蔵装置に蓄え、もとの循環状態を維持する。
【００３１】
ステップＳ３０９において、負荷センサ２８よりガス貯蔵装置６にガスを蓄えたときの燃料電池１の負荷Ａ′を検出し、負荷Ａと負荷Ａ′との平均負荷Aavgを算出する。
【００３２】
次にステップＳ３１０へ進み、燃料電池システムの運転中、負荷センサ２８より燃料電池１の負荷Ｂを検出し、ステップＳ３１１において、前記ガス貯蔵装時の平均負荷Aavgが負荷Ｂより大きい値を示しているか否か判断する。
【００３３】
平均負荷Aavgのほうが負荷Bより小さいときは、ステップＳ３１２へ進み、ガス貯蔵装置６に貯蔵した混合ガスを燃料電池１に供給することなく、燃料ガス循環通路５のみを利用して燃料電池１が排出した混合ガスを循環し、燃料電池１に再供給する。
【００３４】
一方、平均負荷Aavgのほうが負荷Bより大きいときは、ステップＳ３１３へ進み、バルブ７とバルブ８を開き、バルブ１１は閉じた状態を維持する。これによって、ガス貯蔵装置６に貯蔵した混合ガスを燃料電池１に再供給する。
【００３５】
ステップＳ３１４へ進み、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスが燃料電池システムに行き渡るまでの所定時間（例えば、１０ｓ程度）の経過を待つ。ここに、ガス貯蔵装置６に貯蔵した混合ガスが本システムに行き渡る程度の所定時間は、予め実験および計算等より求めておき、データベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。
【００３６】
最後にステップＳ３１５へ進み、バルブ７、バルブ８およびバルブ１１を閉じ、燃料ガス循環通路５のみを利用して燃料電池１が排出した混合ガスを再度燃料電池１へ循環し供給する。
【００３７】
このように、燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガス濃度を検出し、その濃度と燃料電池１の負荷との関係から混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えるか否か判断する。
【００３８】
燃料電池１の負荷に対して燃料電池１が排出する混合ガスが含有する不活性ガス濃度が所定値より高いときは、ガス貯蔵装置６に燃料ガス循環通路５の混合ガスを蓄える。これにより、燃料電池１に供給される燃料ガスの濃度が相対的に高められる。
【００３９】
また、ガス貯蔵装置６に蓄え始めと蓄えた直後の燃料電池１の負荷の平均値と運転中の燃料電池１の負荷との関係からガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料電池１に再供給するか否か判断する。
【００４０】
上述の負荷の平均値に対して燃料電池１の負荷が低いときは、許容不活性ガス濃度が高くまた循環ガス圧力が共に低いので、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料ガス供給通路２に供給する。
【００４１】
以上の操作を行い、燃料電池１が排出する混合ガスが含有する燃料ガスを再利用し、無駄に捨てることを抑制する。
【００４２】
第１実施形態の効果について説明する。
【００４３】
本実施形態では、不活性ガス濃度センサ２７により検出した燃料ガス循環通路５の混合ガスが含有する不活性ガスの濃度とそのときの負荷センサ２８より検出した燃料電池１の負荷の信号に基づいてガス貯蔵可否を判断する。燃料電池１の負荷と混合ガスが含有する不活性ガスの濃度によっては、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄え、あるいは蓄えた混合ガスを再度燃料電池１に供給することによって、燃料電池１の性能を低下させることなく、著しい燃費の向上が図れる。
【００４４】
また、燃料電池１が高い負荷で運転している際は、燃料ガス循環通路５の圧力が高く、燃料電池１が低い負荷で運転している際は、燃料ガス循環通路５の圧力が低い。したがって、ガス貯蔵装置６のほうが燃料ガス循環通路５より圧力が高いため、圧力差の関係からガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料ガス循環通路５に供給しやすい。
【００４５】
次に第２の実施形態について、第１実施形態と異なる部分を中心に図４を参照して説明する。
【００４６】
燃料電池１の下流から上流の燃料ガス供給通路２へ混合ガスを導入し、さらに燃料電池１へその混合ガスを再供給する燃料ガス循環通路５を備える。燃料ガス循環通路５の入口側にはバルブ１８を設置し、その下流には循環ポンプ１９を備える。
【００４７】
また、燃料電池１の下流の燃料ガス循環通路５から混合ガスを本システムの外へ排出するガス排出通路２２を燃料電池１の下流に備える。ガス排出通路２２にはバルブ１７を設置する。
【００４８】
燃料電池１が排出した混合ガスを循環する燃料ガス循環通路５と並列な分岐通路２５を設け、その途中にバルブ１５を介してガス貯蔵装置６を設け、分岐通路２５は燃料ガス循環通路５に設置したガス循環ポンプ１９の上流にバルブ１６を介して接続する。さらに、ガス貯蔵装置６にはバルブ１４を介してガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料電池システムの外へ排出するためガス排出通路２３を備える。
【００４９】
図５に本システムを運転する際の燃料電池１の負荷（NET出力）を増加したとき、燃料電池本体における燃料ガス循環通路２５の圧力と関係を示している。NET出力とは、自動車等の移動システムにおいては移動速度がゼロのときの燃料電池１の負荷のことをいい、発電機としての燃料電池システムであれば送電端出力に相当する。本システムではNET出力によらず燃料ガスの利用率を一定とした制御を行う。したがって、NET出力が増すと燃料電池１への燃料ガスの循環が増加するため、燃料ガス循環通路５の圧力も増加する。
【００５０】
このような燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２６が実行する排出ガス循環制御を図６のフローチャートにしたがって説明する。
【００５１】
ステップＳ６０１において、初期状態としてバルブ１４〜バルブ１７をすべて閉じ、バルブ１８を開く。この状態は燃料電池１が排出した混合ガスが燃料ガス循環通路５を通り燃料電池１に再供給する循環状態である。
【００５２】
ステップＳ６０２において、燃料電池１が排出した混合ガスが含有する不活性ガス濃度を検出する。
【００５３】
次に、ステップＳ６０３において、燃料ガス循環通路５の混合ガス中における不活性ガス濃度センサ２７より検出した不活性ガスの濃度が、負荷センサ２８より検出した燃料電池１の負荷に対応して設定した所定値より高いか否か判断する。
【００５４】
不活性ガス濃度センサ２７で検出した燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より低い場合は、ステップＳ６０４へ進み、ステップＳ６０１の状態を維持し、燃料電池１が排出した混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り燃料電池１へ再供給される。
【００５５】
一方、燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より高い場合は、ステップＳ６０５へ進み、バルブ１５を開き、バルブ１４、バルブ１６とバルブ１７を閉じ、バルブ１８の開度を小さくする。
【００５６】
そして、ステップＳ６０６へ進み、燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に十分行き渡る程度の所定時間（例えば、１０ｓ程度）の経過を待つ。ここに、燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に十分行き渡る程度の所定時間は、予め実験および計算等により求めておき、データベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。
【００５７】
ステップＳ６０７において燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に行き渡るとバルブ１４〜バルブ１７を閉じて、バルブ１８の開度を開くことで燃料ガス循環通路５の混合ガスの一部をガス貯蔵装置６に蓄え、元の循環状態を維持する。
【００５８】
次にステップＳ６０８へ進み、車両停止時の燃料電池システムの運転中（アイドリング時）、負荷センサ２８より燃料電池１のNET出力Ｂ（アイドリング時の出力）を検出し、NET出力Ｂが０であるか否か判断する。
【００５９】
NET出力Ｂが０でない場合は、ステップＳ６０９へ進み、混合ガスの循環状態を維持する。
【００６０】
NET出力Ｂが０の場合は、ステップＳ６１０へ進み、バルブ１５とバルブ１６を開き、バルブ１４とバルブ１７を閉じ、さらにバルブ１８の開度を最大に開く。したがって、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料ガス循環通路５に導入し、燃料電池１に再供給する。
【００６１】
次に、ステップＳ６１１に進み、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスが燃料電池システムに行き渡るまでの所定時間（例えば、１０ｓ程度）の経過を待つ。ここに、ガス貯蔵装置６に貯蔵した混合ガスが本システムに行き渡る程度の所定時間は、予め実験および計算等より求めておき、データベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。
【００６２】
ステップＳ６１２へ進み、バルブ１４〜バルブ１７を閉じ、燃料電池１が排出した混合ガスを燃料電池１に再供給する循環状態へと戻る。
【００６３】
このように、燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガス濃度を検出し、その濃度と燃料電池１の負荷との関係から混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えるか否か判断する。
【００６４】
燃料ガス循環通路５の混合ガスが含有する不活性ガス濃度が所定値より高いとき、燃料ガス循環通路５の混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄える。
【００６５】
また、燃料電池１がアイドル状態のとき、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料ガス循環通路５に導入する。
【００６６】
以上の操作を行い、燃料電池１が排出する混合ガスが含有する燃料ガスを再利用し無駄に捨てることを抑制する。
【００６７】
本実施形態では、燃料電池１の運転時にバルブ１５を開き、バルブ１４、バルブ１６とバルブ１７を閉じ、バルブ１８の開度を小さくすることによって、燃料ガス循環通路５の混合ガスの一部をガス貯蔵装置６に蓄える。燃料電池１の負荷が低いアイドリング時にバルブ１５とバルブ１６を開き、バルブ１４とバルブ１７を閉じ、バルブ１８の開度を最大にすることによって、ガス貯蔵装置６に貯蔵した混合ガスを燃料電池１へ再供給することができる。したがって、本システム稼動時で最も負荷が小さいときにガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを燃料電池１に再供給することによって、燃料電池１が排出する混合ガスが不活性ガスを余剰に含有する場合であっても、燃料電池１にその混合ガスを供給することで、燃料ガスの欠乏による燃料極の腐食現象の発生を抑制することが可能である。
【００６８】
次に第３実施形態について、第２実施形態と異なる部分について図７を参照しながら説明する。
【００６９】
燃料ガス循環通路５を循環している混合ガスの一部を蓄えるガス貯蔵装置６に、その蓄えたガスの不活性ガス濃度を検出する不活性ガス濃度センサ２０を設け、燃料電池１が排出する混合ガスの不活性ガスの濃度を検出するため、燃料電池１が混合ガスを排出する出口近辺に不活性ガス濃度センサ２１を設ける。したがって、不活性ガス濃度センサ２０によりガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスの不活性ガス含有濃度を、また、不活性ガス濃度センサ２１により燃料電池１が排出する混合ガスの不活性ガス含有濃度を直接検出することができる。
【００７０】
このような燃料電池システムにおいて、コントロールユニット２６が実行する排出ガス循環制御を図８のフローチャートにしたがって説明する。
【００７１】
ステップＳ８０１において、初期状態としてバルブ１４〜バルブ１７をすべて閉じ、バルブ１８を開く。これにより、燃料電池１が排出した混合ガスが燃料ガス循環通路５を通り燃料電池１に再供給される。
【００７２】
ステップＳ８０２において、燃料電池１が排出した混合ガスが含有する不活性ガス濃度を検出する。
【００７３】
次に、ステップＳ８０３において、燃料ガス循環通路５の混合ガス中における不活性ガス濃度センサ２７より検出した不活性ガス濃度が、負荷センサ２８より検出した燃料電池１の負荷に対応して設定した所定値より高いか否か判断する。
【００７４】
不活性ガス濃度センサ２７で検出した燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より低い場合は、ステップＳ８０４へ進み、ステップＳ８０１の状態を維持し、燃料電池１が排出した混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り燃料電池１へ再供給される。
【００７５】
一方、燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より高い場合は、ステップＳ８０５へ進み、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスが含有する不活性ガス濃度ｃ１を検出する。次に、ステップＳ８０６において燃料ガス循環通路５の混合ガスが含有する不活性ガス濃度ｃ２を検出する。
【００７６】
そして、ステップＳ８０７へ進み、不活性ガス濃度ｃ１と不活性ガス濃度ｃ２の高低の判断を行う。不活性ガス濃度ｃ１が不活性ガス濃度ｃ２より低いとき、ステップＳ８０８へ進み、バルブ１７を開き、バルブ１４、バルブ１５とバルブ１６は閉じる。したがって、燃料電池１が排出した混合ガスの一部はそのまま燃料電池システムの外部へ排出され、残りの混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り燃料供給通路２へ導入し燃料電池１に再供給される。
【００７７】
一方、不活性ガス濃度ｃ１が不活性ガス濃度ｃ２以上のとき、ステップＳ８０９へ進みバルブ１４とバルブ１５を開き、バルブ１６とバルブ１７は閉じる。したがって、燃料電池１が排出した混合ガスの一部はガス貯蔵装置６を通り燃料電池システムの外部へ排出され、残りの混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り燃料供給通路２へ導入し燃料電池１に再供給される。
【００７８】
ステップＳ８１０では燃料電池システムの外部へ燃料電池１が排出した混合ガス分のガスを補うため燃料ガスの供給量を増加する。
【００７９】
ステップＳ８１１において燃料電池１が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度がｃ２以下に到達するまで、燃料電池システムの外部へ混合ガスを排出する。
【００８０】
最後にＳ８１２に進み、燃料電池１が排出する混合ガスが含有する不活性ガスの濃度ｃ２が所定値以下になると、バルブ１４〜バルブ１７をすべて閉じ、燃料ガス循環通路５のみを利用して燃料電池１が排出した混合ガスを再度燃料電池１へ循環し供給する。
【００８１】
このように、燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガス濃度を検出し、その濃度と燃料電池１の負荷との関係から混合ガスを燃料ガス循環通路５を循環させるか否か判断する。
【００８２】
燃料ガス循環通路５を循環させない場合には、ガス貯蔵装置６あるいは、燃料ガス循環通路５の混合ガスを排出し、燃料電池１が排出する混合ガスが含有する不活性ガスの濃度が所定値以下となるまで燃料ガス供給通路２より燃料ガスを同時に供給する。
【００８３】
不活性ガス濃度ｃ２が所定値となったとき、燃料電池１が排出した混合ガスを燃料ガス循環通路５から燃料供給通路２に循環させ燃料電池１に再度供給する。
【００８４】
以上の操作を行い、燃料電池１が排出する混合ガスが含有する燃料ガスを再利用し、無駄に捨てることを抑制する。
【００８５】
本実施形態では、燃料電池１が排出する混合ガスおよびガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を不活性ガス濃度センサ２０および不活性ガス濃度センサ２１を用いて、混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を常に監視し、燃料電池１に供給する混合ガスが含有する不活性ガスの濃度が高く、十分な負荷を得ることができないとき、混合ガスを燃料電池システムの外部へ排出するが、そのとき、ガス貯蔵装置６と燃料電池１が排出する混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を比較し、不活性ガスの濃度が比較的高い混合ガスを排出することによって、必要な燃料ガスの排出を抑制することで燃費が著しく向上する。
【００８６】
次に第４実施形態について説明する。
【００８７】
本実施形態について、システムのブロック図は、第３実施形態を示す図７と同じであり、したがって、第３実施形態と異なる部分を中心にコントロールユニット２６が実行する排出ガス循環制御を図９のフローチャートにしたがって説明する。
【００８８】
ステップＳ９０１において、初期状態としてバルブ１４〜バルブ１７はすべて閉じる。これにより、燃料電池１が排出した混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り、燃料電池１へと再供給される。
【００８９】
ステップＳ９０２において、燃料電池１が排出した混合ガスが含有する不活性ガス濃度を検出する。
【００９０】
次にステップＳ９０３において、燃料ガス循環通路５の混合ガス中における不活性ガス濃度センサ２７より検出した不活性ガスの濃度が、負荷センサ２８より検出した燃料電池１の負荷に対応して設定した所定値より高いか否か判断する。
【００９１】
不活性ガス濃度センサ２７で検出した燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より高い場合は、ステップＳ９０４〜ステップＳ９１２と同様の処理を行う。
【００９２】
一方、不活性ガス濃度センサ２７で検出した燃料ガス循環通路５の混合ガスの不活性ガス濃度が所定値より低い場合は、ステップＳ９０５へ進み、ガス貯蔵層装置６に蓄えた混合ガスが含有する不活性ガス濃度ｃ１を推定し、ステップＳ９０６へ進み、燃料ガス循環通路５の混合ガスが含有する不活性ガス濃度ｃ２を推定する。
【００９３】
ステップＳ９０７において、不活性ガス濃度ｃ１と不活性ガス濃度ｃ２との高低を比較し、不活性ガス濃度ｃ２が不活性ガス濃度ｃ１より低いときは、ステップＳ９０８へ進み、燃料電池１が排出した混合ガスは燃料ガス循環通路５を通り燃料電池１へ再供給される。
【００９４】
一方、不活性ガス濃度ｃ２が不活性ガス濃度ｃ１以上のときはステップＳ９０９へ進み、バルブ１５とバルブ１６とを開き、バルブ１４とバルブ１７を閉じ、バルブ１８の開度を小さくする。したがって、燃料電池１が排出した混合ガスはガス貯蔵装置６を通り、燃料電池１へ再供給される。
【００９５】
次にＳ９１０において燃料電池１が排出した混合ガスがガス貯蔵装置６に十分行き渡る程度の所定時間（例えば、１０ｓ程度）の経過を待つ。ここに、燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に十分行き渡る程度の所定時間は、予め実験および計算等により求めておき、データベースとしてマイクロコンピュータに記憶しておく。
【００９６】
そして燃料ガス循環通路５の混合ガスがガス貯蔵装置６に行き渡ると、ステップＳ９１１において、バルブ１４〜バルブ１７は閉じ、バルブ１８の開度を戻すことによって、燃料ガス循環通路５の混合ガスの一部をガス貯蔵装置６に蓄え、もとの循環状態を維持する。
【００９７】
このように、燃料ガス循環通路５の混合ガス中の不活性ガス濃度を検出し、その濃度と燃料電池１の負荷との関係から混合ガスをガス貯蔵装置６に蓄えるか否か判断する。
【００９８】
次に、ガス貯蔵装置６および燃料ガス循環通路５の混合ガスが含有する不活性ガスの濃度を比較し、燃料電池１が排出した混合ガスが含有する不活性ガスの濃度のほうが高いとき、ガス貯蔵装置６に燃料ガス循環通路５の混合ガスを蓄える。
【００９９】
以上の操作を行い、燃料電池１が排出する混合ガスが含有する燃料ガスを再利用し、無駄に捨てることを抑制する。
【０１００】
本実施形態では、燃料ガス循環通路５の混合ガスが含有する不活性ガス濃度がガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスが含有する不活性ガスの濃度より高いとき、バルブ１８の開度を小さくし、バルブ１５とバルブ１６を開くことによって、ガス貯蔵装置６に蓄えた混合ガスを再利用する。それによって、燃料ガスを含有する混合ガスを燃料電池システムの外部へ排出する必要がないため著しい燃費の向上が図れる。
【０１０１】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざまな改良、変更が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】第１の実施形態のシステムのブロック図である。
【図２】燃料電池の発電端出力と燃料ガス循環通路圧力との関係を示す特性図である。
【図３】第１の実施形態の混合ガスの循環の制御をするフローチャートである。
【図４】第２の実施形態のシステムのブロック図である。
【図５】燃料電池の発電端出力と燃料ガス循環通路圧力との関係を示す特性図である。
【図６】第２の実施形態の混合ガスの循環の制御をするフローチャートである。
【図７】第３の実施形態のシステムのブロック図である。
【図８】第３の実施形態の混合ガスの排出の制御をするフローチャートである。
【図９】第４の実施形態の混合ガスの循環の制御をするフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０３】
１    燃料電池
２    燃料ガス供給通路
３    酸化剤ガス供給通路
４    ガス排出通路（ガス排出手段）
５    燃料ガス循環通路（ガス循環系）
６    ガス貯蔵装置（ガス貯蔵手段）
７    バルブ
８    バルブ
１１    バルブ
１２    イジェクター
１３    イジェクター
１４    バルブ
１５    バルブ
１６    バルブ
１７    バルブ
１８    バルブ
１９    ガス循環ポンプ（ガス循環装置）
２０    不活性ガス濃度センサ（燃料電池排出ガス濃度測定手段）
２１    不活性ガス濃度センサ（貯蔵ガス濃度測定手段）
２２    ガス排出手段
２３    ガス排出手段
２７    負荷センサ（負荷検出手段）
２８    不活性ガス濃度センサ（ガス濃度推定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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