(57)【要約】【課題】複数の燃料電池を備えたシステムで、燃料電池の信頼性を維持しつつ、酸化剤ガス供給装置の耐久性を向上させる。【解決手段】燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３の不純物ガス濃度が、一つでも所定濃度を超えた場合に排出弁４−１、４−２、４−３を同時に開放し、酸化剤ガス供給装置１の出力を上げることで、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の発電性能低下を抑制しつつ、酸化剤ガス供給装置１の出力を上げる回数を減らし、酸化剤ガス供給装置１の耐久性を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池と、
複数の前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
複数の前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
複数の前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス流路に戻す燃料オフガス循環経路と、
複数の前記燃料オフガス循環経路から分岐し、前記燃料オフガス循環経路を循環する前記燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出経路と、
複数の前記燃料オフガス排出経路に設けられた排出弁と、
複数の前記燃料電池に前記酸化剤ガス流路を介して前記酸化剤ガスを供給する一つの酸化剤ガス供給装置と、
複数の前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排出経路と、
複数の前記燃料オフガス排出経路から排出された前記燃料オフガスを前記複数の酸化剤オフガス排出経路から排出された前記酸化剤オフガスで希釈し大気に放出させる希釈装置と、
前記酸化剤ガス供給装置と複数の前記排出弁を制御する制御器と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記制御器は、複数の前記燃料オフガス循環経路の前記燃料オフガスの不純物ガス濃度が、一つでも所定濃度を超えた場合に、複数の前記排出弁を同時に開放し、前記酸化剤ガス供給装置の酸化剤ガス供給量を開放前よりも増やすことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、複数の前記排出弁を、一定時間が経過するごとに開放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】
複数の前記燃料オフガス循環経路に前記燃料オフガスの不純物ガス濃度を検知する不純物ガスセンサをさらに備え、
前記制御器は、前記不純物ガス濃度が所定濃度以上となった場合に、複数の前記排出弁を開放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４】
複数の前記燃料オフガス循環経路に、回転数が一定で動作して前記燃料オフガスを循環させる燃料オフガス循環装置と、前記燃料オフガス循環装置から排出される前記燃料オフガスの流量を測定する流量計と、をさらに備え、
前記制御器は、前記流量計で測定した前記燃料オフガスの流量が一つでも所定流量以下となった場合に、複数の前記排出弁を開放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５】
複数の燃料電池と、
複数の前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
複数の前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
複数の前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス流路に戻す燃料オフガス循環経路と、
複数の前記燃料オフガス循環経路から分岐し、前記燃料オフガス循環経路を循環する前記燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出経路と、
複数の前記燃料オフガス排出経路に設けられた排出弁と、
複数の前記燃料電池に前記酸化剤ガス流路を介して前記酸化剤ガスを供給する一つの酸化剤ガス供給装置と、
複数の前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排出経路
と、
複数の前記燃料オフガス排出経路から排出された前記燃料オフガスを前記複数の酸化剤オフガス排出経路から排出された前記酸化剤オフガスで希釈し大気に放出させる希釈装置と、
を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
複数の前記燃料オフガス循環経路の前記燃料オフガスの不純物ガス濃度が、一つでも所定濃度を超えた場合に、複数の前記排出弁を同時に開放し、前記酸化剤ガス供給装置の酸化剤ガス供給量を開放前よりも増やす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、燃料ガスを酸化剤ガスと反応させて、電力を生み出す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。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池システムは、電解質膜を水素極と空気極で挟んで配置した燃料電池セルを、複数個積層させて構成された燃料電池を備えている。この燃料電池は、水素極には、例えば燃料ガス供給装置によって水素タンクから純水素ガスを供給すると共に、空気極には酸化剤ガス供給装置によって空気を供給することにより、電力を発生させる。
【０００３】
水素循環型のシステムでは燃料電池システムの発電効率を高めるために発電に使用されなかった燃料オフガスを、再び燃料ガスの供給側に戻すように燃料オフガス循環経路を設けている。
【０００４】
このような水素循環型の燃料電池システムでは、運転を継続すると酸化剤ガスに含まれる不純物ガスが空気極側から電解質膜を透過して水素極側に移動することで、燃料ガスにも不純物ガスが存在する状態になる。燃料ガス中に不純物ガスが混入し続け、水素濃度が低下すると、燃料電池の発電電圧が低下したり、燃料電池が発電できなくなるなど、燃料電池の発電性能が低下する。
【０００５】
そこで、燃料ガス中の不純物ガスを所定濃度以上に上昇させないように燃料オフガス循環経路には発電に使用されなかった燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出経路を設け、燃料オフガス循環経路に流通する燃料オフガスに含まれる水素濃度と電圧を測定し、水素濃度と電圧が所定値以上になったら不純物ガスを含んだ燃料オフガスを一時的に排出することで燃料ガス中の不純物ガス濃度を上昇させないようにしている。
【０００６】
さらに、燃料オフガスを排出する際は、高濃度の水素ガスが排出されないように、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を増やすことで、酸化剤ガスのうち発電に使用されずに燃料電池から排出される酸化剤オフガス量を増やし、燃料オフガスと混合・希釈して排出することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３８４３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、複数の燃料電池を備えたシステムに一つの酸化剤ガス供給装置を備えた場合、各々の燃料電池ごとに不純物ガスを所定濃度以上に上昇させないように燃料オフガスを排出する際に、高濃度の水素ガスが排出されないように、各々の燃料電池毎に酸化剤ガス供給装置の出力を上げ、燃料電池から排出される酸化剤オフガス量を増やし、燃料オフガスと混合・希釈して排出する。
【０００９】
各々の燃料電池毎に酸化剤オフガス量を増やすので、酸化剤ガス供給装置の出力を上げる回数が多くなり、酸化剤ガス供給装置の耐久性低下の懸念があった。
【００１０】
本発明は、従来技術の課題を解決するもので、複数の燃料電池を備えたシステムで、燃
料電池の信頼性を維持しつつ、酸化剤ガス供給装置の耐久性を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、複数の燃料電池と、複数の燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、複数の燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、複数の燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス流路に戻す燃料オフガス循環経路と、複数の燃料オフガス循環経路から分岐し、燃料オフガス循環経路を循環する燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出経路と、複数の燃料オフガス排出経路に設けられた排出弁と、複数の燃料電池に酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスを供給する一つの酸化剤ガス供給装置と、複数の燃料電池から排出される酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排出経路と、複数の燃料オフガス排出経路から排出された燃料オフガスを複数の酸化剤オフガス排出経路から排出された酸化剤オフガスで希釈し大気に放出させる希釈装置と、酸化剤ガス供給装置と複数の排出弁を制御する制御器と、を備えた燃料電池システムであって、制御器は、複数の燃料オフガス循環経路の燃料オフガスの不純物ガス濃度が、一つでも所定濃度を超えた場合に、複数の排出弁を同時に開放し、酸化剤ガス供給装置の酸化剤ガス供給量を開放前よりも増やすことを特徴とするものである。
【００１２】
これによって、各燃料電池の燃料オフガスに含まれる窒素ガス濃度を常に所定濃度以下にすることが出来るため、水素濃度の低下による燃料電池の発電電圧の低下や、燃料電池の発電停止など、燃料電池の発電性能低下を抑制しつつ、排出タイミングが全ての燃料電池で同時になるため、酸化剤ガス供給装置の出力を上げる回数を減らすことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法は、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、不純物ガスの濃度が一つでも所定濃度を超えると、すべての排出弁を開放して、酸化剤ガスを希釈して大気に放出するため、各燃料電池の信頼性を維持しつつ、酸化剤ガス供給装置の耐久性を向上させることができる。
【００１４】
また、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、燃料電池システムの寿命が短くなることを防止し、耐久性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転方法のフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略構成図
【図４】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの運転方法のフローチャート
【図５】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの概略構成図
【図６】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの運転方法のフローチャート
【図７】本発明の実施の形態４における燃料電池システムの概略構成図
【図８】本発明の実施の形態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
【発明を実施するための形態】
【００１６】
第１の発明は、複数の燃料電池と、複数の燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、複数の燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、複数の燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス流路に戻す燃料オフガス循環経路と、複数の燃料オフガス
循環経路から分岐し、燃料オフガス循環経路を循環する燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出経路と、複数の燃料オフガス排出経路に設けられた排出弁と、複数の燃料電池に酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスを供給する一つの酸化剤ガス供給装置と、複数の燃料電池から排出される酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排出経路と、複数の燃料オフガス排出経路から排出された燃料オフガスを複数の酸化剤オフガス排出経路から排出された酸化剤オフガスで希釈し大気に放出させる希釈装置と、酸化剤ガス供給装置と複数の排出弁を制御する制御器とを備えた燃料電池システムであって、制御器が、複数の燃料オフガス循環経路の燃料オフガスの不純物ガス濃度が、一つでも所定濃度を超えた場合に、複数の排出弁を同時に開放し、酸化剤ガス供給装置の酸化剤ガス供給量を開放前よりも増やすものである。
【００１７】
これにより、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、高濃度の不純物ガスによる発電電圧の低下や、燃料電池が発電できなくなるなどの燃料電池の発電性能低下を抑制しつつ、酸化剤ガス供給装置の耐久性を向上させることができる。
【００１８】
第２の発明は、特に、第１の発明における制御器が、複数の排出弁を、一定時間が経過するごとに開放するものであり、不純物ガス濃度を測定する特別な計測手段を追加で設けなくても、燃料オフガス循環経路に不純物ガスが濃縮され続けることを防止し、より確実に発電電圧の低下や、燃料電池が発電できなくなるなどの燃料電池の発電性能低下を抑制することができる。
【００１９】
第３の発明は、特に、第１の発明における複数の燃料オフガス循環経路に燃料オフガスの不純物ガス濃度を検知する不純物ガスセンサをさらに備え、制御器が、不純物ガス濃度が所定濃度以上となった場合に、複数の排出弁を開放するものである。
【００２０】
これにより、不純物ガス濃度を正確に測定して、燃料電池に多量の不純物ガスが供給されることを防ぐことができる。これにより、燃料電池の電圧が低下したり、発電できなくなることを防止し、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。
【００２１】
第４の発明は、特に、第１の発明における複数の燃料オフガス循環経路に、回転数が一定で動作して燃料オフガスを循環させる燃料オフガス循環装置と、燃料オフガス循環装置から排出される燃料オフガスの流量を測定する流量計と、をさらに備え、制御器が、流量計で測定した燃料オフガスの流量が一つでも所定流量以下となった場合に、複数の排出弁を開放するものである。
【００２２】
これにより、不純物ガスセンサを用いなくても、燃料電池の電圧低下による発電効率の低下をより確実に防止することが出来るようになり、燃料電池システムの信頼性をより確保しやすくなる。
【００２３】
第５の発明は、複数の燃料電池と、複数の燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、複数の燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、複数の燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料ガス流路に戻す燃料オフガス循環経路と、複数の燃料オフガス循環経路から分岐し、燃料オフガス循環経路を循環する燃料オフガスを排出する燃料オフガス排出経路と、複数の燃料オフガス排出経路に設けられた排出弁と、複数の燃料電池に酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガスを供給する一つの酸化剤ガス供給装置と、複数の燃料電池から排出される酸化剤オフガスを排出する酸化剤オフガス排出経路と、複数の燃料オフガス排出経路から排出された燃料オフガスを複数の酸化剤オフガス排出経路から排出された酸化剤オフガスで希釈し大気に放出させる希釈装置と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、複数の燃料オフガス循環経路の燃料オフガスの不純物ガス濃度が、一つでも所定濃度を超えた場合に、複数の排出弁を同時に開放し、酸化剤ガス供給装置の酸
化剤ガス供給量を開放前よりも増やすものである。
【００２４】
これにより、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、高濃度の不純物ガスが燃料電池に供給されることで起こる発電電圧の低下や、燃料電池が発電できなくなるなどの燃料電池の発電性能低下を抑制しつつ、酸化剤ガス供給装置の耐久性を向上させる運転を行うことができる。
【００２５】
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。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図を示すものである。図２は、本発明の実施の形態１における燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。
【００２７】
図１に示すように本実施の形態の燃料電池システム１２は、電解質膜を水素極と空気極で挟んで配置した燃料電池セルを、複数個積層させて構成された燃料電池１１−１、１１−２、１１−３と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の空気極に空気を供給する酸化剤ガス流路７−１、７−２、７−３と、酸化剤ガス流路７−１、７−２、７−３に空気を供給する酸化剤ガス供給装置１と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３から排出された発電に使用されなかった空気を排出するための酸化剤オフガス排出経路６−１、６−２、６−３と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の水素極に水素ガスを供給する燃料ガス流路８−１、８−２、８−３と、燃料ガス流路８−１、８−２、８−３に水素タンク（図示しない）から水素ガスを供給する燃料ガス供給装置２−１、２−２、２−３と、で構成されている。
【００２８】
燃料電池１１−１、１１−２、１１−３に供給された水素ガスのうち、反応に使用されず排出された水素オフガスは燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３を通じて再び燃料電池１１−１、１１−２、１１−３へ供給され、反応に用いられる。
【００２９】
ここで、本実施の形態の燃料電池システム１２では、水素ガスを燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３にて循環させた状態で運転を継続すると、空気に含まれる窒素ガスが不純物ガスとして空気極側から電解質膜を透過して水素極側に移動し、水素ガス中の水素濃度が低下してくる。このように、水素ガス中の水素濃度が低下すると燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の発電を阻害する原因となり、発電時の燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の電圧が低下して、燃料電池システム１２の発電効率が低下する。そこで周期的に窒素ガスを未反応の水素ガスと共に排出する。
【００３０】
このような動作を行うため、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３から反応に使用されず排出された水素オフガスを燃料電池システム１２の外に排出するための燃料オフガス排出経路１０−１、１０−２、１０−３が設けられ、そのガス経路には各々、排出弁４−１、４−２、４−３が備えられている。
【００３１】
また、燃料オフガス排出経路１０−１、１０−２、１０−３に導かれた各々の水素オフガスと、酸化剤オフガス排出経路６−１、６−２、６−３に排出された空気オフガスとを混合・希釈し、排出するための希釈装置３が設けられている。
【００３２】
さらに、排出弁４−１、４−２、４−３と、酸化剤ガス供給装置１と、を制御するための制御器５が設けられている。
【００３３】
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム１２について、以下、その動作、作用を図１、図２を参照しながら説明する。この動作は制御器５の制御によって実行される。また、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の少なくとも一つが発電を開始した時点をスタートとし、以下の動作を行う。
【００３４】
まず制御器５は、ｉに１を入力する（Ｓ１０１）。次に制御器５は、燃料電池１１−ｉの発電時間が３０分経過したかどうかを判定する。（Ｓ１０２）。３０分を経過していないと判定した場合、制御器５は、ｉが３かどうかを判定する（Ｓ１０３）。判定の結果、ｉが３でない場合、制御器５は、ｉにｉ＋１を入力しＳ１０２に戻る（Ｓ１０４）。また判定の結果、ｉが３の場合、制御器５は、ｉに１を入力しＳ１０４に戻る（Ｓ１０５）。
【００３５】
Ｓ１０２で燃料電池１１−ｉの発電時間が３０分経過したと判定した場合は、制御器５は、酸化剤ガス供給装置１の出力を３倍に上げる（Ｓ１０６）。次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に開放し、３０秒保持する（Ｓ１０７）。
【００３６】
次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に閉じる（Ｓ１０８）。次に、制御器５は、酸化剤ガス供給装置１の出力を１／３に下げて、元に戻す（Ｓ１０９）。次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を閉じてから３０分が経過したかどうかを判定する（Ｓ１１０）。
【００３７】
判定の結果、３０分経過していない場合、再びＳ１１０に戻る。また、判定の結果、３０分経過した場合、Ｓ１０６に戻る（Ｓ１１０）。各ステップは一つ前のステップを実施完了後、待機時間を設けずにすみやかに移行するようにする。
【００３８】
以上のように本実施の形態においては、一つの酸化剤ガス供給装置１と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３と、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３と、排出弁４−１、４−２、４−３と、酸化剤ガス供給装置１と、排出弁４−１、４−２、４−３の作業制御を行う制御器５と、を備える燃料電池システム１２を構成し、発電時間が３０分経過すると、制御器５によって排出弁４−１、４−２、４−３を同時に３０秒間開放し、制御器５によって酸化剤ガス供給装置１の出力を開放前よりも３倍に上げ、酸化剤オフガスと共に燃料オフガスを排出することにより、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３において窒素ガス濃度が所定濃度以上になることを抑制することができる。
【００３９】
さらに各々の燃料電池ごとに不純物ガスを所定濃度以上に上昇させないように燃料オフガスを排出する場合に比べ、本実施の形態では酸化剤ガス供給装置１の出力を上げる回数を低減させることが可能であるため、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の信頼性と酸化剤ガス供給装置１の耐久性を向上させることができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３に燃料オフガス循環装置を設置していないが、燃料オフガス循環装置を設置することもできる。
【００４１】
なお、発電を開始後に、酸化剤ガス供給装置１の出力を上げるまでの時間間隔、排出弁４−１、４−２、４−３の開放時間、排出弁４−１、４−２、４−３を閉じてから酸化剤ガス供給装置１の出力を上げるまでの時間間隔、および酸化剤ガス供給装置１の出力の上昇量は、燃料電池を構成する材料や運転条件（電流値、発電電圧、要求発電出力、供給ガス量）、燃料ガス供給連結部材の体積、ガス配管の体積、セパレータの燃料ガス流路の体積、などの燃料電池構造設計に応じて、適宜設定することが可能である。
【００４２】
また、本実施の形態では燃料電池システム１２に備える燃料電池の台数は３台としているが、本発明はこれに限定されない。燃料電池システム１２に２台以上の燃料電池を備え
ている場合に、本発明は効果を発揮する。
【００４３】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略構成図を示すものである。図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。
【００４４】
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、重複する説明はここでは省略する。
【００４５】
図３に示す燃料電池システム２２においては、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３に不純物ガスセンサ１３−１、１３−２、１３−３を備える点で実施の形態１と異なっている。
【００４６】
不純物ガスセンサ１３−１、１３−２、１３−３は燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３に流通する燃料オフガスに含まれる不純物ガス濃度を測定するセンサである。本発明において不純物ガスセンサ１３−１、１３−２、１３−３は、窒素ガス濃度を測定するセンサである。
【００４７】
本実施の形態における燃料電池システム２２を構成する各機器の動作、作用を図３、図４を参照しながら説明する。
【００４８】
この動作は制御器５の制御によって実行される。また、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の少なくとも一つが発電を開始した時点をスタートとし、以下の動作を行う。
【００４９】
まず制御器５は、ｉに１を入力する（Ｓ２０１）。次に制御器５は、不純物ガスセンサ１３−ｉの測定した窒素ガス濃度が１０％以上かどうかを判定する。（Ｓ２０２）。１０％以上でないと判定した場合、制御器５は、ｉが３かどうかを判定する（Ｓ２０３）。判定の結果、ｉが３でない場合、制御器５は、ｉにｉ＋１を入力しＳ２０２に戻る（Ｓ２０４）。
【００５０】
また判定の結果、ｉが３の場合、制御器５は、ｉに１を入力しＳ２０２に戻る（Ｓ２０５）。Ｓ２０２で不純物ガスセンサ１３−ｉの測定した窒素ガス濃度が１０％以上であると判定した場合は、制御器５は、酸化剤ガス供給装置１の出力を３倍に上げる（Ｓ２０６）。次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に開放し、３０秒保持する（Ｓ２０７）。
【００５１】
次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に閉じる（Ｓ２０８）。次に、制御器５は、酸化剤ガス供給装置１の出力を１／３に下げて元に戻し、再びＳ２０１に戻る（Ｓ２０９）。各ステップは一つ前のステップを実施完了後、待機時間を設けずにすみやかに移行するようにする。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、一つの酸化剤ガス供給装置１と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３と、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３と、排出弁４−１、４−２、４−３と、不純物ガスセンサ１３−１、１３−２、１３−３と、酸化剤ガス供給装置１と、排出弁４−１、４−２、４−３の作業制御を行う制御器５と、を備える燃料電池システム２２を構成し、制御器５によって不純物ガスセンサ１３−１、１３−２、１３−３が測定した燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３に流通する燃料オフガスに含まれる窒素ガス濃度が一つでも１０％以上となった場合に、制御器５によって排出弁４−１、４−２、４−３を同時に３０秒間開放し、酸化剤ガス供給装置１の出力を
３倍に上げ、酸化剤オフガスと共に燃料オフガスを排出することにより、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３において窒素ガス濃度が所定濃度以上になることを抑制し、多量の不純物ガスが供給されることを防ぐことができ、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の電圧が低下したり、発電できなくなることを防止することが出来る。
【００５３】
さらに各々の燃料電池ごとに不純物ガスを所定濃度以上に上昇させないように燃料オフガスを排出する場合に比べ、本実施の形態では酸化剤ガス供給装置１の出力を上げる回数を低減させることが可能であるため、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の信頼性と酸化剤ガス供給装置１の耐久性を向上させることができる。これにより燃料電池システム２２の信頼性を向上させることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、制御器５が判定する純物ガスセンサ１３の測定する窒素ガス濃度、排出弁４−１、４−２、４−３の開放時間、排出弁４−１、４−２、４−３を閉じてから酸化剤ガス供給装置１の出力を上げるまでの時間間隔、および酸化剤ガス供給装置１の出力の上昇量は、燃料電池を構成する材料や運転条件（電流値、発電電圧、要求発電出力、供給ガス量）、燃料ガス供給連結部材の体積、ガス配管の体積、セパレータの燃料ガス流路の体積、などの燃料電池構造設計に応じて、適宜設定することが可能である。
【００５５】
また、本実施の形態では燃料電池システム２２に備える燃料電池の台数は３台としているが、本発明はこれに限定されない。燃料電池システム２２に２台以上の燃料電池を備えている場合に、本発明は効果を発揮する。
【００５６】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの概略構成図を示すものである。図６は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。
【００５７】
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、重複する説明はここでは省略する。
【００５８】
図５に示すように本実施の形態の燃料電池システム３２においては、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３に回転数が一定で動作する燃料オフガス循環装置１４−１、１４−２、１４−３と、流量計１５−１、１５−２、１５−３と、を備える点で実施の形態１と異なっている。
【００５９】
流量計１５−１、１５−２、１５−３は燃料オフガス循環装置１４−１、１４−２、１４−３から排出される燃料オフガスの流量を測定する流量計である。
【００６０】
本実施の形態における燃料電池システム３２を構成する各機器の動作、作用を図５、図６を参照しながら説明する。この動作は制御器５の制御によって実行される。また、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の少なくとも一つが発電を開始した時点をスタートとし、以下の動作を行う。
【００６１】
まず制御器５は、ｉに１を入力する（Ｓ３０１）。次に制御器５は、流量計１５−ｉの測定した流量が８Ｌ／ｍｉｎ以上かどうかを判定する（Ｓ３０２）。判定の結果、８Ｌ／ｍｉｎ未満であると判定した場合は、制御器５は、ｉが３かどうかを判定する（Ｓ３０３）。判定の結果、ｉが３でない場合、制御器５は、ｉにｉ＋１を入力しＳ３０２に戻る（Ｓ３０４）。
【００６２】
また判定の結果、ｉが３の場合、制御器５は、ｉに１を入力しＳ３０２に戻る（Ｓ３０
５）。Ｓ３０２で流量計１５−ｉの測定した流量が８Ｌ／ｍｉｎ以上であると判定した場合、制御器５は、酸化剤ガス供給装置１の出力を３倍に上げる（Ｓ３０６）。次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に開放し、３０秒保持する（Ｓ３０７）。
【００６３】
次に制御器５は、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に閉じる（Ｓ３０８）。次に、制御器５は、酸化剤ガス供給装置１の出力を１／３に下げて元に戻し、Ｓ３０１に戻る（Ｓ３０９）。各ステップは一つ前のステップを実施完了後、待機時間を設けずにすみやかに移行するようにする。
【００６４】
以上のように、本実施の形態においては、一つの酸化剤ガス供給装置１と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３と、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３と、排出弁４−１、４−２、４−３と、燃料オフガス循環装置１４−１、１４−２、１４−３と、流量計１５−１、１５−２、１５−３と、酸化剤ガス供給装置１と、排出弁４−１、４−２、４−３の作業制御を行う制御器５と、を備える燃料電池システム３２を構成し、制御器５によって、流量計１５−１、１５−２、１５−３で測定した燃料オフガスの流量が一つでも８Ｌ／ｍｉｎ以下となった場合に、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に３０秒間開放し、酸化剤オフガスと共に燃料オフガスを排出することにより、不純物ガスセンサを用いなくても、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３おいて窒素ガス濃度が所定濃度以上になることを抑制し、電圧低下による発電効率の低下をより確実に防止することが出来る。
【００６５】
さらに各々の燃料電池ごとに不純物ガスを所定濃度以上に上昇させないように燃料オフガスを排出する場合に比べ、本実施の形態では酸化剤ガス供給装置１の出力を上げる回数を低減させることが可能であるため、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の信頼性と酸化剤ガス供給装置１の耐久性を向上させることができる。これにより燃料電池システム３２の信頼性をより確保することができる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、制御器５が判定する流量計１５−ｉの測定した流量、排出弁４−１、４−２、４−３の開放時間、排出弁４−１、４−２、４−３を閉じてから酸化剤ガス供給装置１の出力を上げるまでの時間間隔、および酸化剤ガス供給装置１の出力の上昇量は、燃料電池を構成する材料や運転条件（電流値、発電電圧、要求発電出力、供給ガス量）、燃料ガス供給連結部材の体積、ガス配管の体積、セパレータの燃料ガス流路の体積、などの燃料電池構造設計に応じて、適宜設定することが可能である。
【００６７】
また、本実施の形態では燃料電池システム３２に備える燃料電池の台数は３台としているが、本発明はこれに限定されない。燃料電池システム３２に２台以上の燃料電池を備えている場合に、本発明は効果を発揮する。
【００６８】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４における燃料電池システムの概略構成図を示すものである。図８は、本発明の実施の形態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である。
【００６９】
図７に示すように本実施の形態の燃料電池システム４２は、電解質膜を水素極と空気極で挟んで配置した燃料電池セルを、複数個積層させて構成された燃料電池１１−１、１１−２、１１−３と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の空気極に空気を供給する酸化剤ガス流路７−１、７−２、７−３と、酸化剤ガス流路７−１、７−２、７−３に空気を供給する酸化剤ガス供給装置１と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３から排出された発電に使用されなかった空気を排出するための酸化剤オフガス排出経路６−１、６−２、６−３と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の水素極に水素ガスを供給する燃
料ガス流路８−１、８−２、８−３と、燃料ガス流路８−１、８−２、８−３に水素タンク（図示しない）から水素ガスを供給する燃料ガス供給装置２−１、２−２、２−３と、で構成されている。
【００７０】
燃料電池１１−１、１１−２、１１−３に供給された水素ガスのうち、反応に使用されず排出された水素オフガスは燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３を通じて再び燃料電池１１−１、１１−２、１１−３へ供給され、反応に用いられる。
【００７１】
ここで、本実施の形態の燃料電池システム４２では、水素ガスを燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３にて循環させた状態で運転を継続すると、空気に含まれる窒素ガスが不純物ガスとして空気極側から電解質膜を透過して水素極側に移動し、水素ガス中の水素濃度が低下してくる。このように、水素ガス中の水素濃度が低下すると燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の発電を阻害する原因となり、発電時の燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の電圧が低下して、燃料電池システム４２の発電効率が低下する。そこで、周期的に窒素ガスを未反応の水素ガスと共に排出する。
【００７２】
このような動作を行うため、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３から反応に使用されず排出された水素オフガスを燃料電池システム４２の外に排出するための燃料オフガス排出経路１０−１、１０−２、１０−３が設けられ、そのガス経路には各々、排出弁４−１、４−２、４−３が備えられている。
【００７３】
また、燃料オフガス排出経路１０−１、１０−２、１０−３に導かれた各々の水素オフガスと、酸化剤オフガス排出経路６−１、６−２、６−３に排出された空気オフガスとを混合・希釈し、排出するための希釈装置３が設けられている。
【００７４】
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム４２について、以下、その動作、作用を、図７、図８を参照しながら説明する。この動作は、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の少なくとも一つが発電を開始した時点をスタートとし、以下の動作を行う。
【００７５】
まずｉに１を入力する（Ｓ４０１）。次に、燃料電池１１−ｉの発電時間が３０分経過したかどうかを判定する。（Ｓ４０２）。判定の結果、３０分を経過していない場合、ｉが３かどうかを判定する（Ｓ４０３）。判定の結果、ｉが３でない場合、ｉにｉ＋１を入力しＳ４０２に戻る。（Ｓ４０４）。また判定の結果、ｉが３の場合、ｉに１を入力しＳ４０４に戻る（Ｓ４０５）。
【００７６】
燃料電池１１−ｉの発電時間が３０分経過したと判定した場合、酸化剤ガス供給装置１の出力を３倍に上げる（Ｓ４０６）。次に、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に開放し、３０秒保持する（Ｓ４０７）。次に、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に閉じる（Ｓ４０８）。次に、酸化剤ガス供給装置１の出力を１／３に下げて、元に戻す（Ｓ４０９）。
【００７７】
次に、排出弁４−１、４−２、４−３を閉じてから３０分が経過したかどうかを判定する（Ｓ４１０）。判定の結果、３０分経過していない場合、再びＳ４１０に戻る。また、判定の結果、３０分経過した場合、Ｓ４０６に戻る（Ｓ４１０）。各ステップは一つ前のステップを実施完了後、待機時間を設けずにすみやかに移行するようにする。
【００７８】
以上のように本実施の形態においては、一つの酸化剤ガス供給装置１と、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３と、燃料オフガス循環経路９−１、９−２、９−３と、排出弁４−１、４−２、４−３と、を備える燃料電池システム４２を構成し、発電時間が３０分
経過すると、排出弁４−１、４−２、４−３を同時に３０秒間開放し、酸化剤ガス供給装置１の出力を開放前よりも３倍に上げ、酸化剤オフガスと共に燃料オフガスを排出することにより、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３において窒素ガス濃度が所定濃度以上になることを抑制することができる。
【００７９】
さらに各々の燃料電池ごとに不純物ガスを所定濃度以上に上昇させないように燃料オフガスを排出する場合に比べ、本実施の形態では酸化剤ガス供給装置１の出力を上げる回数を低減させることが可能であるため、燃料電池１１−１、１１−２、１１−３の信頼性と酸化剤ガス供給装置１の耐久性とを向上させることができる。
【００８０】
なお、発電を開始した燃料電池１１から酸化剤ガス供給装置１の出力を上げるまでの時間間隔、排出弁４−１、４−２、４−３の開放時間、排出弁４−１、４−２、４−３を閉じてから酸化剤ガス供給装置１の出力を上げるまでの時間間隔、および酸化剤ガス供給装置１の出力の上昇量は、燃料電池を構成する材料や運転条件（電流値、発電電圧、要求発電出力、供給ガス量）、燃料ガス供給連結部材の体積、ガス配管の体積、セパレータの燃料ガス流路の体積、などの燃料電池構造設計に応じて、適宜設定することが可能である。
【００８１】
また、本実施の形態では燃料電池システム４２に備える燃料電池の台数は３台としているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、燃料電池システム４２に２台以上の燃料電池を備えている場合に、本発明は効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池で使用されなかった水素ガスを再度燃料電池に循環させることで水素の利用率を向上させ燃料電池システムの発電効率を向上させながら、燃料電池の発電性能や耐久性を確保しつつ、ことが可能となるので、長期にわたり安定した発電を行いたい用途、例えば、家庭用燃料電池や業務用燃料電池、燃料電池車両等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００８３】
１  酸化剤ガス供給装置
２−１、２−２、２−３  燃料ガス供給装置
３  希釈装置
４−１、４−２、４−３  排出弁
５  制御器
６−１、６−２、６−３  酸化剤オフガス排出経路
７−１、７−２、７−３  酸化剤ガス流路
８−１、８−２、８−３  燃料ガス流路
９−１、９−２、９−３  燃料オフガス循環経路
１０−１、１０−２、１０−３  燃料オフガス排出経路
１１−１、１１−２、１１−３  燃料電池
１２、２２、３２、４２  燃料電池システム
１３−１、１３−２、１３−３  不純物ガスセンサ
１４−１、１４−２、１４−３  燃料オフガス循環装置
１５−１、１５−２、１５−３  流量計
【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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