(57)【要約】      （修正有）【課題】発電効率低下の抑制およびコスト上昇の抑制が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池１、第１供給流路２、第２供給流路３、リサイクル流路４、循環器５、排出流路、貯留器７、開閉弁８および制御器２０を備える。制御器２０は、開閉弁８を開き、貯留器７に貯留されている水の貯留量、排出流路を流通して排出される前記水の排出時間および排出流路を流通して排出されるアノードオフガスの排出量に基づいて、アノードオフガスを排出するために開閉弁８が開状態である時間を開時間として決定し、開閉弁８を開けている時間が前記開時間に達すると、開閉弁８を閉じる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、
前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、
前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流入させる循環器と、
前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、
前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記開閉弁を開き、
前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量、前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間、および、前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、
前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御器は、
前記水の貯留量および前記水の排出時間に基づいて前記排出流路の圧力を決定し、
前記排出流路の圧力および前記アノードオフガスの排出量に基づいて前記開時間を決定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記排出流路の圧力が大きいほど、前記開時間を短くする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記水の排出時間が長いほど、前記開時間を長くする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器をさらに備え、
前記制御器は、前記電圧検知器により検知された電圧に基づいて前記水の排出時間を決定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記電圧が所定電圧に達すると、前記水の排出時間を決定する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記電圧の上昇速度が所定速度に達すると、前記水の排出時間を決定する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記排出流路を流通する前記アノードオフガスの温度を検知する温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、前記燃料電池から排出された前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気の流量と前記温度検知器により検知された温度に基づいて前記水の貯留量を決定する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記貯留器に貯留された前記水の水位を検知する水位検知器をさらに備え、
前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位に基づいて前記水の貯留量を決定する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御器は、前記リサイクル流路との接続点から前記燃料電池までの前記第１供給流路、前記燃料電池のアノード流路、前記リサイクル流路、前記貯留器、および前記リサイクル流路からの分岐点から前記開閉弁までの前記排出流路の容積に基づいて、前記アノードオフガスの排出量を決定する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御器は、前記アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度および流量に基づいて前記アノードオフガスの排出量を決定する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、
前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、
前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流入させる循環器と、
前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、
前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記開閉弁を開き、
前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量、前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間、および、前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、
前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる、燃料電池システムの運転方法。
【請求項１３】
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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、
前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、
前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流
通するリサイクル流路と、
前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流
入させる循環器と、
前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、
前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、
前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記電圧検知器の検知値に基づいて前記開閉弁を閉じる、燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記電圧検知器の検知値が所定の値に達すると前記開閉弁を閉じる、請求項１３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、燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化剤ガス（空気）中の酸素とを電気化学反応させて発電している。この燃料ガスの利用効率を高めるために、アノードから排出された未反応の水素を含む燃料ガスを再び燃料電池に戻して循環する方法が提案されている。
【０００３】
しかしながら、発電により水素と酸素との反応により水が生成すると共に、酸化剤ガス（空気）中の窒素が不純物としてカソードからアノードに侵入する。この不純物の濃度は燃料ガスの循環に伴って増加し、アノードに供給される燃料ガス中の水素濃度が減少して、燃料電池の発電性能が低下してしまう。
【０００４】
このため、燃料電池から排出されたアノードオフガスを再び燃料電池に供給するための燃料ガス循環流路を備える、特許文献１の燃料電池システムは、燃料ガス循環流路から燃料ガスを排出可能にする排出弁を設けている。そして、一定時間連続運転する毎、および、燃料電池の発電状況に応じて排出弁を開いてパージ動作を行っている。このパージ動作では、排出弁の入口圧と出口圧との差圧に基づいてアノードオフガスの放出速度を求め、これに応じて排出弁を開閉している。
【０００５】
また、燃料電池スタックの反応ガスを循環させる循環流路を備える、特許文献２の燃料電池システムは、凝縮水を蓄える凝縮水タンクと、凝縮水タンクおよび循環流路と連通する排出流路とをさらに備えている。この燃料電池スタックの発電を停止する際、排出流路のパージ弁を開状態にしてパージ動作を行っている。このパージ動作により、凝縮水タンクの凝縮水は排出流路を介して排出され、その後に循環流路の反応ガスが排出流路を介して排出される。この凝縮水の排出から反応ガスの排出へ推移する際に、排出流路の圧力値が低下するため、パージ弁を閉状態にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１４１９７７号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１および２に記載された従来技術について、発電効率およびコストの観点から未だ改善の余地がある。本発明は、このような問題を解決するもので、発電効率低下の抑制およびコスト上昇の抑制が可能な燃料電池システムおよびその運転方法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】
【０００８】
本発明のある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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流入させる循環器と、前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量、前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間、および、前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法において発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制するという効果を奏する。
【００１０】
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１の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３】水の排出時間、水の貯留量および第１排出流路の圧力の関係を示したグラフである。
【図４】第１排出流路の圧力、アノードオフガスの排出量および開閉弁の開時間の関係を示したグラフである。
【図５】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図６】図６Ａは、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。図６Ｂは、本発明の実施の形態３の形態の変形例に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図７】図７Ａは、本発明の実施の形態３の変形例に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。図７Ｂは、本発明の実施の形態３の形態の変形例に係る燃料電池システムの構成の一例を概略的に示すブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態５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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（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について発電効率低下の抑制およびコスト上昇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には下記のような問題があることを見出した。
【００１３】
燃料電池システムの発電効率の低下を抑制するためには、パージ動作時のアノードオフガスの排出量を必要最低限に抑えることが望ましい。このような必要最低限のアノードオフガスを排出するためには、アノードオフガスに先行して排出される凝縮水の排出量を考慮しなければならない。
【００１４】
しかしながら、発電状態に応じてアノードオフガスの排出流路の圧力状態、および排出流路に蓄積している凝縮水の量が異なり、凝縮水およびアノードオフガスを排出するための時間が変動してしまう。このため、必要最低限のアノードオフガスを排出することが困難である。
【００１５】
これに対し、特許文献１の燃料電池システムでは、排出弁の入口圧と出口圧との差圧に基づいてアノードオフガスの放出速度を求めている。しかしながら、凝縮水の排出時間が考慮されていない。また、排出弁の入口圧と出口圧とそれぞれを検出するための圧力センサが必要になり、コストが嵩む。
【００１６】
また、特許文献２の燃料電池システムでは、凝縮水の排出から反応ガスの排出へ推移する際の圧力低下によりパージ弁を閉状態にしている。このため、反応ガスの排出量は適正化されておらず、改善の余地がある。
【００１７】
本発明の一態様は、上記知見に基づいてなされたものであり、水の貯留量、水の排出時間およびアノードオフガスの排出量に基づいて、アノードオフガスを排出するための開閉弁の開時間を決定する。これにより、圧力センサを用いることなく、凝縮およびアノードオフガスを過不足なく排出できるため、燃料電池システムの発電効率低下の抑制およびコスト上昇の抑制を図ることが可能となる。
【００１８】
（実施の形態）
本発明の実施の第１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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流入させる循環器と、前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量、前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間、および、前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる。
【００１９】
この構成によれば、アノードオフガスより先に排出される水の排出状況を踏まえてアノードオフガスの排出するための時間（開時間）が設定される。これにより、適切な量のアノードオフガスを排出することができるため、燃料ガスに含まれる水素が必要以上に排出されることによる発電効率の低下が抑制される。また、圧力センサを設ける必要がなく、コスト上昇を抑制することができる。
【００２０】
本発明の実施の第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、前記制御器は、前記水の貯留量および前記水の排出時間に基づいて前記排出流路の圧力を決定し、前記排出流路の圧力および前記アノードオフガスの排出量に基づいて前記開時間を決定してもよい。この構成によれば、排出流路の圧力に応じてアノードオフガスの排出時間は変化する。よって、アノードオフガスよりも先に排出される水の貯留量および排出時間に基づいた排出流路の圧力を考慮して、アノードオフガスの排出のための開時間を決定する。これにより、適切な量のアノードオフガスを排出することができ、発電効率の低下が抑制される。
【００２１】
本発明の実施の第３態様に係る燃料電池システムは、第２態様において、前記制御器は、前記排出流路の圧力が大きいほど、前記開時間を短くしてもよい。この構成によれば、排出流路の圧力が大きいほど、アノードオフガスが排出するのに要する時間も短くなる。よって、アノードオフガスを排出するための開時間を短く設定することにより、適切な量のアノードオフガスを排出することができる。
【００２２】
本発明の実施の第４態様に係る燃料電池システムは、第１〜３のいずれかの態様において、前記制御器は、前記水の排出時間が長いほど、前記開時間を長くしてもよい。この構成によれば、水の排出時間が長いほど、排出流路の圧力が小さく、アノードオフガスが排出するのに要する時間も長くなる。よって、アノードオフガスを排出するための開時間を長く設定することにより、適切な量のアノードオフガスを排出することができる。
【００２３】
本発明の実施の第５態様に係る燃料電池システムは、第１〜４のいずれかの態様において、前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器をさらに備え、前記制御器は、前記電圧検知器により検知された電圧に基づいて前記水の排出時間を決定してもよい。この構成によれば、水が排出されてからアノードオフガスが排出され始めると、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素濃度が増加し、燃料電池の発電電圧が上昇する。よって、この発電電圧の変化に基づいて、水が排出されたことを検知して、水の排出時間を決定することができる。
【００２４】
本発明の実施の第６態様に係る燃料電池システムは、第５態様において、前記制御器は、前記電圧が所定電圧に達すると、前記水の排出時間を決定してもよい。この構成によれば、水が排出されてからアノードオフガスが排出され始めると、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素濃度が増加し、燃料電池の発電電圧が上昇して所定電圧になる。これにより、水が排出されたことを検知して、水の排出時間を決定することができる。
【００２５】
本発明の実施の第７態様に係る燃料電池システムは、第５態様において、前記制御器は、前記電圧の上昇速度が所定速度に達すると、前記水の排出時間を決定してもよい。この構成によれば、この構成によれば、水が排出されてからアノードオフガスが排出され始めると、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素濃度が増加し、燃料電池の発電電圧が上昇する。この電圧の上昇速度により、水が排出されたことを検知して、水の排出時間を決定することができる。
【００２６】
本発明の実施の第８態様に係る燃料電池システムは、第１〜７のいずれかの態様において、前記排出流路を流通する前記アノードオフガスの温度を検知する温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記燃料電池から排出された前記アノードオフガス中に含まれる水蒸気の流量と前記温度検知器により検知された温度に基づいて前記水の貯留量を決定してもよい。この構成によれば、排出流路を流通するアノードオフガスの温度からアノードオフガスの水蒸気量を求める。そして、この水蒸気量と燃料電池から排出されたアノードオフガス中の水蒸気との差分を、凝縮して貯留された水の量（貯留量）として求めることができる。
【００２７】
本発明の実施の第９態様に係る燃料電池システムは、第１〜７のいずれかの態様において、前記貯留器に貯留された前記水の水位を検知する水位検知器をさらに備え、前記制御器は、前記水位検知器により検知された水位に基づいて前記水の貯留量を決定してもよい。この構成によれば、貯留器に貯留されている水の水位から、貯留された水の量（貯留量）を求めることができる。
【００２８】
本発明の実施の第１０態様に係る燃料電池システムは、第１〜９のいずれかの態様において、前記制御器は、前記リサイクル流路との接続点から前記燃料電池までの前記第１供給流路、前記燃料電池のアノード流路、前記リサイクル流路、前記貯留器、および前記リサイクル流路からの分岐点から前記開閉弁までの前記排出流路の容積に基づいて、前記アノードオフガスの排出量を決定してもよい。この構成によれば、これらの流路および貯留器にアノードオフガスが流通することにより、この容積をアノードオフガスの排出量として求めることができる。
【００２９】
本発明の実施の第１１態様に係る燃料電池システムは、第１〜９のいずれかの態様において、前記制御器は、前記アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度および流量に基づいて前記アノードオフガスの排出量を決定してもよい。この構成によれば、アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度および流量から、不純物の濃度が所定の濃度になるようにアノードオフガスの排出量を求めることができる。
【００３０】
本発明の実施の第１２態様に係る燃料電池システムの運転方法は、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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流入させる循環器と、前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記開閉弁を開き、前記貯留器に貯留されている前記水の貯留量、前記排出流路を流通して排出される前記水の排出時間、および、前記排出流路を流通して排出される前記アノードオフガスの排出量に基づいて、前記アノードオフガスを排出するために前記開閉弁が開状態である時間を開時間として決定し、前記開閉弁を開けている時間が前記開時間に達すると、前記開閉弁を閉じる。
【００３１】
この運転方法によれば、アノードオフガスよりも先に排出される水の排出状況を踏まえてアノードオフガスの排出するための時間（開時間）が設定されるため、適切な量のアノードオフガスを排出することができる。よって、燃料ガスに含まれる水素が必要以上に排出されることによる発電効率の低下が抑制される。また、圧力センサを設ける必要がなく、コスト上昇を抑制することができる。
【００３２】
本発明の実施の第１３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前記燃料ガスが流通する第１供給流路と、前記燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤ガスが流通する第２供給流路と、前記第１供給流路と接続し、且つ、前記アノードから排出されたアノードオフガスが流通するリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガスを前記第１供給流路へ流入させる循環器と、前記リサイクル流路から分岐し、且つ、前記アノードオフガスが流通する排出流路と、前記排出流路に設けられ、且つ、前記アノードオフガス中に含まれる水を貯留する貯留器と、前記貯留器よりも下流の前記排出流路に設けられた開閉弁と、前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記電圧検知器の検知値に基づいて前記開閉弁を閉じる。
【００３３】
この構成によれば、開閉弁が開くことにより、高い濃度の不純物を含むアノードオフガスが燃料電池からリサイクル流路および排出流路を介して排出される。このため、アノードオフガスの不純物の濃度が低下し、不純物の濃度の上昇により低下していた燃料電池の電圧が上昇する。この燃料電池の電圧に基づいて開閉弁を閉じるので、確実に燃料電池の電圧を回復することができる。また、圧力センサおよび温度検知器等を設ける必要がなく、コスト上昇を抑制することができる。
【００３４】
本発明の実施の第１４態様に係る燃料電池システムは、第１３の態様において、前記制御器は、前記開閉弁を開き、前記電圧検知器の検知値が所定の値に達したら前記開閉弁を閉じる。
【００３５】
この構成によれば、パージ中のアノードオフガスの不純物濃度は、徐々に低下していく。このため、燃料電池の電圧が所定の値に達してから開閉弁を閉じても、アノードオフガス中の不純物濃度が少なくなり未利用の水素が多くなったアノードオフガスを必要以上に排出してしまうことが少ない。よって、必要以上にアノードオフガスを排出することによる発電効率の低下を抑制することができる。
【００３６】
（実施の形態１）
＜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。燃料電池システム１００は、燃料電池１、第１供給流路２、第２供給流路３、リサイクル流路４、循環器５、排出流路（第１排出流路）６、貯留器７、開閉弁８および制御器２０を備えている。燃料電池システム１００は、アノードオフガスが排出される第１排出流路６の他に、カソードオフガスが排出される排出流路(第２排出流路)１４を備えていてもよい。
【００３７】
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、電気を発生する装置である。燃料電池１は、複数のセルが積層されたスタック（図示せず）を備え、セルは、高分子電解質膜を用いた電解質、およびこれを挟む一対の電極（アノード、カソード）により構成されている。セルには、アノードに燃料ガスを供給する第１流路（アノード流路）１ａと、カソードに酸化剤ガスを供給する第２流路（カソード流路）１ｂとが備えられている。
【００３８】
第１供給流路２は、燃料電池１のアノードに供給される燃料ガスが流通する流路であって、燃料電池１の第１流路１ａの入口と燃料ガス供給源（図示せず）とに接続している。この燃料ガスは、水素または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、および、水電解等から得られる水素が用いられる。なお、第１供給流路２には、燃料ガスを加湿する加湿器（図示せず）が設けられていてもよい。また、第１供給流路２には、第１供給部９が設けられている。
【００３９】
第１供給部９は、燃料ガスを供給する機器であって、例えば、定容積型ポンプが用いられる。例えば、燃料ガスの供給源に改質器が用いられ、改質器に都市ガス等の原料ガスが供給されている場合、改質器に供給される原料ガスの圧力が低いため、改質器から第１供給流路２を介して燃料電池１に供給される燃料ガスの圧力が低くなり、燃料ガスの一次圧力が燃料電池１を流れる燃料ガスの圧力損失よりも低くなることがある。この場合、第１供給部９は、燃料ガスを昇圧する昇圧器（図示せず）を備えていてもよい。これにより、燃料ガスは適正な圧力で燃料電池１へ供給することができる。
【００４０】
一方、例えば、燃料ガスの供給源に水素タンク等が用いられる場合、供給源から供給される燃料ガスの圧力が大きくなり、燃料電池１に供給される燃料ガスの一次圧力が燃料電池１を流れる燃料ガスの圧力損失より高くなることがある。この場合、第１供給部９は、燃料ガスの圧力を調整できる圧力調整器（図示せず）を備えていてもよい。これにより、圧力損失よりも高い所定の圧力に燃料ガスを調整して燃料電池１に供給することができる。
【００４１】
第２供給流路３は、燃料電池１のカソードに供給される酸化剤ガスが流通する流路であって、燃料電池１の第２流路１ｂの入口と第２供給部１０とに接続している。酸化剤ガスには、例えば空気を用いることができ、この場合、空気を燃料電池１へ供給するための第２供給部１０が第２供給流路３に設けられていてもよい。第２供給部１０には、例えば、コンプレッサーおよび電磁誘導式のダイアフラムポンプが用いられる。なお、第２供給流路３には酸化剤ガスを加湿する加湿器が設けられていてもよい。
【００４２】
リサイクル流路４は、第１供給流路２と接続し、且つ、アノードから排出されたアノードオフガスが流通する流路であって、燃料電池１の第１流路１ａの出口と第１供給流路２とに接続している。このリサイクル流路４との接続点よりも下流側の第１供給流路２、第１流路１ａ、およびリサイクル流路４は、アノードから流出したアノードオフガスが循環する流路を構成する。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まだ多くの水素が含まれているため、アノードオフガスを燃料ガスとして再利用することができる。よって、第１流路１ａの出口から排出されたアノードオフガスを循環させて、第１供給流路２により供給される燃料ガスと混合させて燃料ガスとして第１流路１ａの入口に再び供給している。
【００４３】
循環器５は、リサイクル流路４に設けられ、且つ、アノードオフガスを第１供給流路２へ流入させるための機器であって、一般的には昇圧ポンプ等が用いられる。循環器５には、例えば、入力電圧によりアノードオフガスの流量を調整できる電磁誘導式のダイアフラムポンプが用いられる。
【００４４】
第１排出流路６は、リサイクル流路４から分岐し、且つ、アノードオフガスが流通する流路である。第１排出流路６は、循環器５よりも上流側のリサイクル流路４に接続し、燃料電池システム１００の外部へ延びている。第１排出流路６には開閉弁８が設けられている。
【００４５】
開閉弁８は、貯留器７よりも下流の第１排出流路６に設けられており、例えば、ソレノイド式の電磁弁が用いられる。開閉弁８が開放され開状態にされることにより、リサイクル流路４を流れるアノードオフガスおよび貯留器７に貯留された水等の不純物が第１排出流路６を介して開閉弁８を通り外部へ排出される。
【００４６】
貯留器７は、第１排出流路６に設けられ、且つ、アノードオフガス中に含まれる水を貯留する機器であって、例えば、タンクが用いられる。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、および、加湿器により供給された水が、電解質膜を透過してアノードおよび第１流路１ａに侵入する。これらの水は高温の燃料電池１では水蒸気として存在するが、第１排出流路６を流通する際の放熱により凝縮して貯留器７に貯留される。
【００４７】
第２排出流路１４は、燃料電池１の第２流路１ｂの出口と接続し、第２流路１ｂから排出されるカソードオフガスを排出する。例えば、第２供給流路３に加湿器が設けられている場合、カソードオフガスは水を含む。また、燃料電池１における発電の際に水が生成されるため、この水もカソードオフガスは含んでいる。
【００４８】
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）を備えている。記憶部には燃料電池システム１００の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は各部の動作を制御する。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。
【００４９】
制御器２０は、例えば、開閉弁８を開く。そして、貯留器７に貯留されている水の貯留量、および第１排出流路６を流通して排出される水の排出時間、および、第１排出流路６を流通して排出されるアノードオフガスの排出量に基づいて、燃料ガスを排出するために開閉弁８が開状態である目標時間を開時間として決定する。それから、開閉弁８を開けている時間が開時間に達すると、開閉弁８を閉じる。なお、開閉弁８の開状態は、開閉弁８を開いてから閉じるまでの開放されている状態である。また、水の貯留量、水の排出時間およびアノードオフガスの排出量については任意の方法により求められる。
【００５０】
＜水の貯留量、水の排出時間、アノードオフガスの排出量、開時間との関係＞
アノードオフガスの排出時間は、第１排出流路６の圧力によって変動する。例えば、第１排出流路６の圧力が低いほど、第１排出流路６から開閉弁８を介して外部へ排出されるアノードオフガスおよび水の速度が小さくなり、これらの排出時間が長くなる。
【００５１】
このため、貯留器７に貯留されている水の体積（貯留量）が同じ場合、水の排出時間が長いほど、第１排出流路６の圧力が低い。このため、アノードオフガスの排出量が同じ場合、水の排出時間が長いほど、アノードオフガスを排出するための開閉弁８の開時間を長く設定することができる。
【００５２】
一方、水の排出時間が同じ場合、水の貯留量が少ないほど、第１排出流路６の圧力が低いこのため、アノードオフガスの排出量が同じ場合、水の貯留量が少ないほど、開閉弁８の開時間を長く設定することができる。
【００５３】
このように、アノードオフガスの排出量が同じ場合、水の貯留量および水の排出時間に基づいてアノードオフガスを排出するための開閉弁８の開時間を求めることができる。
【００５４】
具体的には、制御器２０は、水の貯留量および水の排出時間に基づいて第１排出流路６の圧力を決定する。それから、制御器２０は、第１排出流路６の圧力およびアノードオフガスの排出量に基づいて開閉弁８の開時間を決定する。
【００５５】
この第１排出流路６の圧力の決定では、例えば、図３に示す水の貯留量、水の排出時間及び第１排出流路６の圧力についての所定の対応関係が用いられる。ここでは、水の排出時間が同じ場合、水の貯留量が「Ｚ」、「Ｙ」、「Ｘ」の順に大きくなるに伴い、第１排出流路６の圧力も大きくなる。つまり、水の貯留量が最も少ない「Ｚ」の場合の第１排出流路６の圧力が最も小さく、水の貯留量が最も多い「Ｘ」の場合の第１排出流路６の圧力が最も大きくなっている。
【００５６】
また、水の貯留量が同じ場合、水の排出時間が長くなるに伴い、第１排出流路６の圧力が小さくなっている。つまり、第１排出流路６の圧力が小さいほど、水の排出に長い時間を要する。このように、第１排出流路６の圧力は、水の貯留量および水の排出時間に基づいて推定することができる。
【００５７】
次に、開閉弁８の開時間の決定では、例えば、図４に示すアノードオフガスの排出量、第１排出流路６の圧力及び開閉弁８の開時間についての所定の対応関係が用いられる。図４に示すように、アノードオフガスの排出量が同じ場合、第１排出流路６の圧力が大きくなるに伴い、開閉弁８の開時間が短くなっている。つまり、第１排出流路６の圧力が小さいほど、アノードオフガスの排出に長い時間を要する。
【００５８】
また、第１排出流路６の圧力が同じ場合、アノードオフガスの排出量が「Ｃ」、「Ｂ」、「Ａ」の順に大きくなるに伴い、開閉弁８の開時間が長くなる。つまり、ガスの排出量が最も少ない「Ｃ」の場合の開時間が最も短く、ガスの排出量が最も多い「Ａ」の場合の開時間が最も長くなる。このように、開閉弁８の開時間は、第１排出流路６の圧力およびアノードオフガスの排出量に基づいて決定することができる。
【００５９】
＜開時間の計算方法＞
このような第１排出流路６の圧力およびアノードオフガスの排出量に基づいた開閉弁８の開時間は、以下のように計算することができる。まず、第１排出流路６の圧力が大きいほど、水の排出速度Ｋｗ（m3/sec）が大きくなる。このため、水の排出時間Ｔｗ（sec）および水の排出量Ｑｗ（m3）から水の排出速度Ｋｗ＝Ｑｗ／Ｔｗを求める。
【００６０】
そして、水の排出速度Ｋｗ（m3/sec）が大きいほど、第１排出流路６の圧力が大きいため、アノードオフガスの排出速度Ｋｇ（m3/sec）も大きくなる。このため、水の排出速度Ｋｗとアノードオフガスの排出速度Ｋｇとには相関関係があり、この関係はＫｗ＝α・Ｋｇと表せる。αは、開閉弁８の種類および流体の物性に応じて実験等によって任意に決められる値であり、定数でも関数でもよい。
【００６１】
このようにして求めたアノードオフガスの排出速度Ｋｇ（m3/sec）と、アノードオフガスの排出量Ｑｇ（m3）とから、アノードオフガスを排出するための開閉弁８の開時間Ｔｇ（sec）＝Ｑｇ／Ｋｇが求められる。
【００６２】
＜運転方法＞
燃料電池システム１００の運転方法について、図２を参照して説明する。この運転方法は、制御器２０により制御されている。ここでは、酸化剤ガスとして空気を用いた場合について説明する。
【００６３】
まず、燃料電池１の運転状態などに応じてアノードオフガスの排出が要求されると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、制御器２０は第１排出流路６の開閉弁８を開く（ステップＳ１０２）。これにより、貯留器７に貯留されている水が第１排出流路６を介して開閉弁８を通り外部へ排出される。それから、リサイクル流路４のアノードオフガスが第１排出流路６を介して開閉弁８を通り外部へ排出される。また、制御器２０は、開閉弁８が開いてからの時間の計測を開始する。
【００６４】
制御器２０は、水が排出されたか否かを判定する(ステップＳ１０３)。ここで、制御器２０は、水が排出されたと判定すると(ステップＳ１０３：ＹＥＳ)、この水が排出されたと判定されてからの時間の計測を開始する。
【００６５】
また、制御器２０は、ステップＳ１０２で開閉弁８を開いてからステップＳ１０３で水が排出されたと判定されるまでの時間（水の排出時間）を求める。そして、制御器２０は、水の貯留量、水の排出時間およびアノードオフガスの排出量に基づいて開閉弁８の開時間を算出する（Ｓ１０４）。
【００６６】
続いて、制御器２０は、ステップＳ１０３で水が排出されたと判定されてからの経過時間を求める。制御器２０は、この経過時間が開時間Ｔｇに達すると（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、排出量Ｑｇのアノードオフガスが排出されたとして、開閉弁８を閉じる(ステップＳ１０６)。
【００６７】
これにより、適切な量のアノードオフガスを排出することができ、アノードオフガスの排出量が多すぎることによる利用効率の低下を抑制しつつ、アノードオフガスの排出量が少なすぎることによる発電性能の低下を抑制することができる。また、アノードオフガスの排出を検知するための専用の電圧検出器を用いる必要がなく、コストの上昇を抑制することができる。
【００６８】
（実施の形態２）
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の各構成に加えて、図５に示すように、燃料電池１の電圧を検知する電圧検知器１１をさらに備えている。なお、実施の形態２に係る燃料電池システム１００について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様であるため、説明を省略する。
【００６９】
電圧検知器１１は、燃料電池１に設けられ、燃料電池１の電圧（発電電圧）を検知して、この検知電圧を制御器２０に出力する。制御器２０は、電圧検知器１１により検知された電圧に基づいて、水の排出時間を決定する。
【００７０】
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。この動作方法における図２のフローチャートのステップＳ１０１、Ｓ１０３およびＳ１０４以外の処理は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作方法の処理と同様であるため、その説明を省略する。
【００７１】
ステップＳ１０１の処理において、排出が要求されたと判定する(ステップＳ１０１：ＹＥＳ)。たとえば、電圧、一定の発電量、運転時間等の時間、不純物透過量等が所定値を超えた場合等に、排出が要求される。
【００７２】
ステップＳ１０３の処理において、水が排出されている間は、アノードオフガスは排出されずアノードに供給される燃料ガス中の水素濃度は大きく増加しないため、燃料電池１の発電電圧は大きく変化しない。そして、水が排出されてからアノードオフガスが排出され始めると、燃料ガス中の水素濃度は増加し始めるため、発電電圧の低下が止まり発電電圧が上昇する。よって、制御器２０は、電圧検知器１１による検知電圧が第２所定電圧に達すると、水が排出されたと判定する(ステップＳ１０３：ＹＥＳ)。第２所定電圧は、例えば、発電電圧の低下が止まった時の電圧（最低電圧）以上の電圧である。
【００７３】
そして、制御器２０は、開閉弁８を開いてから水が排出されたと判定されるまでの時間を水の排出時間として求める。制御器２０は、この水の排出時間、水の貯留量およびアノードオフガスの排出量に基づいて開閉弁８の開時間を算出する（Ｓ１０４）。
【００７４】
これによれば、電圧検知器１１は、通常、燃料電池１の発電制御に用いられている。この電圧検知器１１を水の排出時間の決定に利用すれば、水の排出時間を決定するための専用の検知器を燃料電池システム１００は備える必要がなく、燃料電池システム１００のコスト上昇の抑制につながる。
【００７５】
また、第２所定電圧を発電電圧の低下が止まった時の電圧（最低電圧）に設定すると、より迅速に開閉弁８の開時間の計測を開始することができる。このため、アノードオフガスが必要以上に排出されることが防がれ、利用効率の低下抑制がさらに図られる。一方、第２所定電圧を最低電圧より大きい値に設定すると、ノイズなどによる誤判定が防がれる。このため、適切な量より少ないアノードオフガスが排出されることが防止され、発電性能の低下抑制がさらに図られる。
【００７６】
なお、ステップＳ１０３の処理において、制御器２０は、電圧の上昇速度が所定速度に達すると、水が排出されたと判定して(ステップＳ１０３：ＹＥＳ)、開閉弁８を開いてから水が排出されたと判定されるまでの水の排出時間を求めてもよい。つまり、水が排出されてからアノードオフガスが排出され始めると、燃料ガス中の水素濃度は増加し始めるため、発電電圧の低下が止まって発電電圧は上昇する。このため、電圧の上昇速度が所定速度に達すると、水が排出されたと判定することができる。この場合も、燃料電池システム１００およびその運転方法において、発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制することができる。
【００７７】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の各構成に加えて、図６Ａに示すように、アノードオフガスの温度を検知する温度検知器１２をさらに備えている。なお、実施の形態３に係る燃料電池システム１００について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様であるため、説明を省略する。
【００７８】
温度検知器１２は、貯留器７よりも上流側の第１排出流路６に設けられ、例えば、熱電対およびサーミスタ測温体などが用いられる。温度検知器１２は、第１排出流路６を流通するアノードオフガスの温度を検知して、この検知温度を制御器２０に出力する。制御器２０は、アノードオフガスに含まれる水蒸気の流量と温度検知器１２により検知された温度に基づいて水の貯留量を決定する。
【００７９】
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。この動作方法における図２のフローチャートのステップＳ１０４以外の処理は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作方法の処理と同様であるため、その説明を省略する。
【００８０】
すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、通常、６５〜７５℃程度の高温且つ飽和状態でリサイクル流路４に排出され、それからリサイクル流路４および第１排出流路６を流通する。アノードオフガス中の水蒸気はこれらを流通する間に放熱で冷やされて凝縮し、この凝縮水が第１排出流路６に設けられた貯留器７に貯留される。
【００８１】
このように第１排出流路６において凝縮するアノードオフガスの温度を温度検知器１２により検知すると、この検知温度はアノードオフガスの露点を示す。よって、燃料電池１から排出されたアノードオフガスに含まれる水蒸気の流量から、温度検知器１２による検知温度を露点とするアノードオフガスの水蒸気量を差し引くことにより、凝縮して貯留器７に貯留された水（凝縮水）の貯留量を算出することができる。なお、燃料電池１から排出されたアノードオフガスに含まれる水蒸気の流量は、例えば、燃料電池１の温度制御手段（図示せず）により別途検知されている温度より推算することができる。
【００８２】
そして、制御器２０は、前回、水を排出してからの凝縮水の流量を累積的に積算していくことにより、貯留器７に貯留された水の量（水の貯留量）を算出することができる。この水の貯留量、アノードオフガスの排出量および水の排出時間に基づいて制御器２０は開閉弁８の開時間を算出する（Ｓ１０４）。
【００８３】
なお、温度検知器１２の検知温度により第１排出流路６を流通するアノードオフガスの温度を求められれば、温度検知器１２の位置は第１排出流路６に限定されない。例えば、温度検知器１２はリサイクル流路４に設けられてもよい。この場合、温度検知器１２の検知温度と第１排出流路６を流通するアノードオフガスの温度とに差があれば、この差を補正するように温度検知器１２の検知温度からアノードオフガスの温度を求めるようにしてもよい。
【００８４】
また、図６Ｂに示すように、温度検知器１２は実施の形態２の燃料電池システム１００に備えられていてもよい。この場合、制御器２０は、電圧検知器１１により検知された電圧に基づいて水の排出時間を決定し、温度検知器１２により検知された温度に基づいて水の貯留量を決定する。この場合も、燃料電池システム１００およびその運転方法において、発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制することができる。なお、燃料電池システム１００が温度検知器１２を有することにより、上記と同様の作用、効果を奏する。
【００８５】
（実施の形態３の変形例）
実施の形態３の変形例に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の各構成に加えて、図７Ａに示すように、貯留器７に貯留された水の水位を検知する水位検知器１３をさらに備えている。実施の形態３の変形例に係る燃料電池システム１００について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様であるため、説明を省略する。
【００８６】
水位検知器１３は、貯留器７に設けられ、例えば、フロートセンサーなどが用いられる。水位検知器１３は、貯留器７の水の推移を検知して、この検知水位を制御器２０に出力する。制御器２０は、水位検知器１３による検知水位に基づいて貯留器７に貯留されている水の貯留量を決定する。
【００８７】
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。この動作方法における図２のフローチャートのステップＳ１０４以外の処理は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作方法の処理と同様であるため、その説明を省略する。
【００８８】
制御器２０は、水位検知器１３による検知水位から水の貯留量を求め、この水の貯留量、アノードオフガスの排出量および水の排出時間に基づいて開閉弁８の開時間を算出する（Ｓ１０４）。水の貯留量は、計算および、水の水位と貯留量とを対応付ける所定のテーブル等により求められる。
【００８９】
なお、図７Ｂに示すように、水位検知器１３は実施の形態２の燃料電池システム１００に備えられていてもよい。この場合、制御器２０は、電圧検知器１１により検知された電圧に基づいて水の排出時間を決定し、水位検知器１３により検知された水位に基づいて水の貯留量を決定する。この場合も、燃料電池システム１００およびその運転方法において、発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制することができる。なお、燃料電池システム１００が水位検知器１３を有することにより、上記と同様の作用、効果を奏する。
【００９０】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る燃料電池システム１００では、制御器２０は、リサイクル流路４との接続点から燃料電池１までの第１供給流路２、燃料電池１の第１流路（アノード流路）１ａ、リサイクル流路４、貯留器７、およびリサイクル流路４からの分岐点から開閉弁８までの第１排出流路６の容積に基づいて、アノードオフガスの排出量を決定する。なお、実施の形態４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の各構成を備えており、この構成、作用及び効果については同様であるため、その説明を省略する。
【００９１】
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。この動作方法における図２のフローチャートのステップＳ１０４以外の処理は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作方法の処理と同様であるため、その説明を省略する。
【００９２】
つまり、開閉弁８が閉じられているとき、アノードオフガスは、燃料電池１の第１流路１ａの出口からリサイクル流路４に排出されて、リサイクル流路４を流通し、リサイクル流路４との接続点から第１供給流路２に流入して、第１供給流路２を流通し、第１供給流路２から第１流路１ａに流入して、第１流路１ａを流れる。また、開閉弁８が開かれると、アノードオフガスは、燃料電池１の第１流路１ａの出口からリサイクル流路４に排出されて、リサイクル流路４を流通し、リサイクル流路４との分岐点から第１排出流路６に流入して、第１排出流路６およびこれに設けられた貯留器７を流通して開閉弁８に達する。このため、アノードオフガスは、リサイクル流路４との接続点から燃料電池１までの第１供給流路２、燃料電池１の第１流路１ａ、リサイクル流路４、貯留器７、およびリサイクル流路４からの分岐点から開閉弁８までの第１排出流路６に存在する。よって、この容積をアノードオフガスの排出量として求めることができる。
【００９３】
そして、制御器２０は、このアノードオフガスの排出量、水の貯留量および水の排出時間に基づいて開閉弁８の開時間を算出する（Ｓ１０４）。これにより、アノードオフガスが流通する全ての容積分のアノードオフガスが排出されて、燃料ガスに置換されるため、燃料電池１に流入する燃料ガス中に蓄積する不純物を一掃することができる。
【００９４】
なお、この燃料電池システム１００の運転方法は、実施の形態１〜３およびその変形例のいずれの燃料電池システム１００の運転方法にも適用することができる。即ち、電圧検知器１１を備える実施の形態２、温度検知器１２、又は、電圧検知器１１及び温度検知器１２を備える実施の形態３、水位検知器１３、又は、電圧検知器１１及び水位検知器１３を備える実施の形態３の変形例のいずれかに係る燃料電池システム１００において制御器２０は上記のようにアノードオフガスの排出量を決定してもよい。この場合も、燃料電池システム１００およびその運転方法において、発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制することができる。また、実施の形態４の燃料電池システム１００において各実施の形態における同じ構成については上記と同様の作用及び効果を奏する。
【００９５】
（実施の形態４の変形例）
実施の形態４の変形例に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の各構成に加えて、図５に示すように、燃料電池１の電圧を検知する電圧検知器１１をさらに備えている。実施の形態４の変形例に係る燃料電池システム１００について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様であるため、説明を省略する。
【００９６】
電圧検知器１１は、燃料電池１に設けられ、燃料電池１の電圧（発電電圧）を検知して、この検知電圧を制御器２０に出力する。制御器２０は、アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度およびその流量に基づいてアノードオフガスの排出量を決定する。
【００９７】
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図２を参照して説明する。この動作方法における図２のフローチャートのステップＳ１０４以外の処理は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の動作方法の処理と同様であるため、その説明を省略する。
【００９８】
具体的には、アノードオフガス中に含まれる不純物の濃度が増えるほど、燃料電池１のアノードに供給される燃料ガス中の水素濃度が減少し、これに伴って燃料電池１の発電電圧が低下する。
【００９９】
また、燃料電池１の発電に用いる空気は窒素を含んでいる。また、燃料電池１の発電による水素と酸素との化学反応によって水が生成し、第１供給流路２または第２供給流路３に設けられた加湿器によって水が供給される。このため、燃料電池１の発電量が多いほど、発電に用いられる加湿器および各供給部などの内部負荷の操作量が多くなる。よって、内部負荷の操作量に基づいて燃料電池１の発電量、延いては、アノードオフガス中の窒素および水等の不純物の流量を求めることができる。なお、内部負荷の操作量と発電により生成する不純物の流量との対応関係は実験および計算などにより予め求められている。
【０１００】
よって、制御器２０は、アノードオフガス中の不純物の濃度および流量から、アノードオフガス中の不純物の濃度が所定濃度まで低下するために必要なアノードオフガスの所定の排出量を求める。そしてこのアノードオフガスの排出量、水の貯留量および水の排出時間に基づいて制御器２０は開閉弁８の開時間を算出する（Ｓ１０４）。これにより、アノードオフガスが排出されて、アノードオフガス中の不純物の濃度、延いては、燃料電池１に供給される燃料ガス中の不純物の濃度を所定濃度以下に低下させることができる。
【０１０１】
なお、この燃料電池システム１００の運転方法は、実施の形態１〜３およびその変形例のいずれの燃料電池システム１００の運転方法にも適用することができる。即ち、電圧検知器１１を備える実施の形態２、温度検知器１２、又は、電圧検知器１１及び温度検知器１２を備える実施の形態３、水位検知器１３、又は、電圧検知器１１及び水位検知器１３を備える実施の形態３の変形例のいずれかに係る燃料電池システム１００において制御器２０は上記のようにアノードオフガスの排出量を決定してもよい。この場合も、実施の形態４の変形例の燃料電池システム１００において各実施の形態における同じ構成については上記と同様の作用及び効果を奏する。このため、制御器２０は電圧検知器１１の検知電圧に基づいて水の排出時間及びアノードオフガスの排出量を求めることができる。よって、燃料電池システム１００およびその運転方法において、発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制することができる。
【０１０２】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１の各構成に加えて、図５に示すように、燃料電池１の電圧を検知する電圧検知器１１をさらに備えている。実施の形態５に係る燃料電池システム１００について、これ以外の構成、作用及び効果は実施の形態１に係る燃料電池システム１００と同様であるため、説明を省略する。
【０１０３】
電圧検知器１１は、燃料電池１に設けられ、燃料電池１の電圧（発電電圧）を検知して、この検知値を制御器２０に出力する。制御器２０は、開閉弁８を開き、電圧検知器１１により検知された電圧（検知値）に基づいて、開閉弁８を閉じる。例えば、制御器２０は、電圧検知器１１の検知値が所定の値に達すると、開閉弁８を閉じる。
【０１０４】
次に、燃料電池システム１００の動作方法について図８を参照して説明する。この動作方法における図８のフローチャートでは、図２のステップＳ１０３〜Ｓ１０５の処理に代えて、ステップＳ２０４およびＳ２０５の処理を実行する。
【０１０５】
まず、アノードオフガスの排出が要求されると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、制御器２０は第１排出流路６の開閉弁８を開く（ステップＳ１０２）。これにより、貯留器７に貯留されている水が第１排出流路６を介して開閉弁８を通り外部へ排出され、その後にリサイクル流路４のアノードオフガスが第１排出流路６を介して開閉弁８を通り外部へ排出される。
【０１０６】
このアノードオフガスの排出によって、第１供給流路２およびリサイクル流路４により構成されるアノードオフガスの循環流路における不純物の濃度が低下していく。これに伴い、第１供給流路２から燃料電池１に供給される燃料ガス中の水素濃度は増加していく。このため、不純物の濃度の上昇（燃料ガス中の水素濃度の減少）により低下していた燃料電池１の電圧が上昇していく。
【０１０７】
よって、制御器２０は、電圧検知器１１による検知値を取得する(ステップＳ２０４)。そして、検知値が所定の値に達するまで(ステップＳ２０５：ＮＯ)、制御器２０は、電圧検知器１１による検知値の取得を繰り返す(ステップＳ２０４)。一方、検知値が所定の値に達すると(ステップＳ２０５：ＹＥＳ)、水および所望量のアノードオフガスが排出されたとして、制御器２０は開閉弁８を閉じる(ステップＳ１０６)。
【０１０８】
これにより、アノードオフガスの排出量が多すぎることによる利用効率の低下を抑制しつつ、アノードオフガスの排出量が少なすぎることによる発電性能の低下を抑制することができる。また、アノードオフガスの排出を検知するための専用の圧力センサおよび温度検知器等を用いる必要がなく、コストの上昇を抑制することができる。
【０１０９】
さらに、アノードオフガスの排出によりその不純物濃度は徐々に低下していく。このため、燃料電池１の電圧が所定の値に達してから開閉弁８を閉じても、アノードオフガス中の不純物濃度が少なくなり未利用の水素を多くなったアノードオフガスを必要以上に排出してしまうことが少ない。よって、必要以上にアノードオフガスを排出することによる発電効率の低下を抑制することができる。
【０１１０】
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。例えば、実施の形態１に係る開閉弁８の開時間について、実施の形態２に係る水の排出時間、実施の形態３に係る水の貯留量、および、実施の形態４に係るアノードオフガスの排出量の少なくともいずれか１つにより算出されてもよい。また、実施の形態１に係る開閉弁８の開時間について、実施の形態２に係る水の排出時間、実施の形態３の変形例に係る水の貯留量、および、実施の形態４に係るアノードオフガスの排出量の少なくともいずれか１つにより算出されてもよい。さらに、実施の形態１に係る開閉弁８の開時間について、実施の形態２に係る水の排出時間、実施の形態３に係る水の貯留量、および、実施の形態４の変形例に係るアノードオフガスの排出量の少なくともいずれか１つにより算出されてもよい。さらに、実施の形態１に係る開閉弁８の開時間について、実施の形態２に係る水の排出時間、実施の形態３の変形例に係る水の貯留量、および、実施の形態４の変形例に係るアノードオフガスの排出量の少なくともいずれか１つにより算出されてもよい。いずれの場合も、燃料電池システム１００およびその運転方法において、発電効率低下の抑制およびコストの上昇を抑制することができる。
【０１１１】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法は、発電効率低下の抑制およびコスト上昇の抑制が可能な燃料電池システムおよびその運転方法等として有用である。
【符号の説明】
【０１１３】
１        ：燃料電池
１ａ      ：第１流路（アノード流路）
２        ：第１供給流路
３        ：第２供給流路
４        ：リサイクル流路
５        ：循環器
６        ：第１排出流路（排出流路）
７        ：貯留器
８        ：開閉弁
１１      ：電圧検知器
１２      ：温度検知器
１３      ：水位検知器
２０      ：制御器
１００    ：燃料電池システム
【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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