(57)【要約】【課題】不純物濃縮機構を用いる燃料電池システムの排気方式において、不純物ガスを定量排気する。【解決手段】燃料電池システムは、アノード側室内のアノードオフガス中の水素と水素以外の不純物とを分離させる水素分離手段と、アノード側室内のガスが流入する第１排気路と、アノード側室と第１排気路との間の開閉を行う第１排気手段と、第１排気路内のガスが流入し、大気中にガスを排出する第２排気路と、第１排気路と第２排気路との間の開閉を行う第２排気手段と、第１及び第２排気手段の開閉を制御する制御手段とを備え、制御手段は、第２排気手段を閉じた状態で第１排気手段を開くことによりアノード側室内のガスを第１排気路内に流入させた後、第１排気手段を閉じ、所定時間経過後、第１排気手段を閉じた状態で第２排気手段を開くことにより第１排気路内のガスを第２排気路内に流入させた後、第２排気手段を閉じる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記燃料電池で再利用するために循環させる循環経路を有する燃料電池システムであって、
電解質膜をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体を介して対設されるアノード側室及びカソード側室を含み、前記アノードオフガスを導入路から前記アノード側室に取り込み、前記アノード側室内のアノードオフガス中の水素を電気化学反応により前記アノード側室から前記カソード側室へ移動させることによりアノードオフガス中の水素と水素以外の不純物とを分離させる水素分離手段と、
前記アノード側室内のガスが流入する第１排気路と、
前記アノード側室と前記第１排気路との間に設けられ、前記アノード側室と前記第１排気路との間の開閉を行う第１排気手段と、
前記第１排気路内のガスが流入し、大気中にガスを排出する第２排気路と、
前記第１排気路と前記第２排気路との間に設けられ、前記第１排気路と前記第２排気路との間の開閉を行う第２排気手段と、
前記第１排気手段及び前記第２排気手段の開閉を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第２排気手段を閉じた状態で前記第１排気手段を開くことにより前記アノード側室内のガスを第１排気路内に流入させた後、前記第１排気手段を閉じ、所定時間経過後、前記第１排気手段を閉じた状態で前記第２排気手段を開くことにより前記第１排気路内のガスを前記第２排気路内に流入させた後、前記第２排気手段を閉じることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノード出口から排出されたアノードオフガスをアノード入口側へと循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、燃料電池において発電に供されなかった水素ガスを燃料電池に再度供給する水素ガス循環経路が設けられたものがある。この水素ガス循環経路には、燃料電池の燃料ガス電極（アノード）からの排気ガス（以降、アノードオフガスと表記する）が送り込まれる。アノードオフガスには窒素等の水素以外の不純物が含まれるため、循環されるうちに当該アノードオフガス中の水素濃度は低下する。
【０００３】
これにより、アノードオフガスから水素ガスを選択的に取り出し水素以外の不純物を効率よく排気するための手法が提案されている。例えば、電気化学的水素ポンプと呼ばれる不純物濃縮器を水素ガス循環経路に設け、この不純物濃縮器により化学反応を用いて水素ガスを選択的に取り出し、不純物排気バルブを制御することにより水素以外の不純物を濃縮し排出する手法が存在する（下記特許文献４及び６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１０８８０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１８８５７号公報
【特許文献３】特開２００８−９１２４３号公報
【特許文献４】特開２００６−１９１２３号公報
【特許文献５】特開２００７−１４１７２２号公報
【特許文献６】特開２００６−１９１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
不純物濃縮器によらない排気の場合、燃料電池の発電性能が悪化しない範囲での運転制約上、アノードオフガス中の水素と不純物との比率に大きな変化がない。また、不純物濃縮器によらない排気の場合、アノードオフガス中の水素と不純物との濃度が異なる場合でも、排気初期と排気後期（排気弁を開いた直後と排気弁を閉じる直前）で濃度変化がほとんどない。このため、排気時の水素排気量の誤差は、排気弁の開弁時間の誤差と等しい。また、排気されるガス中の水素濃度は、水素ガス循環経路を循環するアノードオフガス中の水素濃度と等しい。
【０００６】
不純物濃縮器による排気の場合、その濃縮メカニズムにより、排気弁を開いた直後は、排気されるガス中の水素濃度は低いが、排気弁を閉じる直前は、排気されるガス中の水素濃度は急激に上昇している。このため、排気弁の開弁時間で水素以外の不純物の排気量の制御を行う場合、開弁時間が適切な開弁時間よりも長いと、排気されるガス中の水素濃度が急上昇するに伴い、排気されるガス中の水素ガス流量が増加する。排気されるガス中の水素ガス流量が増加すると、不純物濃縮器による不純物の選択排気の実効率が低下する問題がある。また、排気弁の開弁時間で水素以外の不純物の排気量の制御を行う場合、開弁時間が適切な開弁時間よりも短いと、不純物濃縮器内の電解質膜の有効反応面積の回復不良により不純物濃縮に必要なエネルギが増加する問題がある。本発明は、不純物濃縮機構を用いる燃料電池システムの排気方式において、不純物ガスを定量排気する技術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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排出されたアノードオフガスを燃料電池で再利用するために循環させる循環経路を有する燃料電池システムであって、電解質膜をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体を介して対設されるアノード側室及びカソード側室を含み、アノードオフガスを導入路からアノード側室に取り込み、アノード側室内のアノードオフガス中の水素を電気化学反応によりアノード側室からカソード側室へ移動させることによりアノードオフガス中の水素と水素以外の不純物とを分離させる水素分離手段と、アノード側室内のガスが流入する第１排気路と、アノード側室と第１排気路との間に設けられ、アノード側室と第１排気路との間の開閉を行う第１排気手段と、第１排気路内のガスが流入し、大気中にガスを排出する第２排気路と、第１排気路と第２排気路との間に設けられ、第１排気路と第２排気路との間の開閉を行う第２排気手段と、第１排気手段及び第２排気手段の開閉を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、第２排気手段を閉じた状態で第１排気手段を開くことによりアノード側室内のガスを第１排気路内に流入させた後、第１排気手段を閉じ、所定時間経過後、第１排気手段を閉じた状態で第２排気手段を開くことにより第１排気路内のガスを第２排気路内に流入させた後、第２排気手段を閉じる。
【発明の効果】
【０００８】
不純物濃縮機構を用いる燃料電池システムの排気方式において、不純物ガスを定量排気することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態における燃料電池システムの一部構成例を示す図である。
【図２】不純物濃縮器７の詳細構成例を示す概念図である。
【図３Ａ】不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図である。
【図３Ｂ】不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図である。
【図３Ｃ】不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図である。
【図４】印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物濃縮度合との関係を示すグラフである。
【図５】排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量と第１排気弁１１の開弁時間との関係を示すグラフである。
【図６】第１排気弁１１及び第２排気弁１３の開弁時間及び閉弁時間と、配管３０内の圧力との関係を示す図である。
【図７】配管３０の形状の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明の燃料電池システムは実施形態の構成に限定されない。
【００１１】
〔システム構成〕
図１は、本実施形態における燃料電池システムの一部構成例を示す図である。本実施形態における燃料電池システムは、水素ガス供給装置１、燃料電池３、気液分離器５、不純物濃縮器７、循環ポンプ９、第１排気弁１１、第２排気弁１３、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２０等を備える。
【００１２】
水素ガス供給装置１は、燃料ガスとしての水素ガスを供給する。水素ガス供給装置１から供給される水素ガスは、図示しない流量調整弁等により流量制御され、配管２２へ送り出される。
【００１３】
燃料電池３は、電解質膜の両面をガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成されるセルが複数積層されることにより構成されている。なお、このセルでは、電解質膜と燃料ガス電極及び酸化剤ガス電極との接合体としてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を用いるようにしてもよいし、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いるようにしてもよい。
【００１４】
燃料電池３は、各セルにおいて、供給された水素ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行う。燃料電池３による発電に供されなかったアノードオフガスは、燃料電池３のアノードオフガス出口から排出され、燃料電池３に連結された配管２４を通り、気液分離器５へ送られる。
【００１５】
気液分離器５は、配管２４を通るアノードオフガスから液層成分（生成水）を除去する。気液分離器５は、気液分離器５内に取り込まれたアノードオフガスに含まれる水蒸気を壁面等で凝縮させることにより気液分離する。液層成分の除去されたアノードオフガスは、配管２５へ送り出される。
【００１６】
不純物濃縮器７は、配管２５から送り込まれるアノードオフガスを化学反応により水素とそれ以外の不純物とに分離させる。この不純物には主に窒素が含まれる。以降、この不純物を不純物ガス、窒素、窒素ガス等と表記する。不純物濃縮器７は、アノードオフガスから選択的に取り出された水素ガスを配管２８へ送り、水素以外の不純物ガスを濃縮し、排気配管２７へ送る。なお、不純物濃縮器７の詳細構成については後述する。
【００１７】
循環ポンプ９は、回転駆動用のモータ等を備え、配管２８とアノードオフガスを再度燃料電池３へ循環させる配管２９との間に配置される。循環ポンプ９は、燃料電池３から排出され配管２８を通ってきたアノードオフガスを燃料電池３へ再供給するために、アノードオフガスを水素ガス供給装置１から供給された水素ガスが通る配管２２へ送り出す。これにより、循環ポンプ９により送り出されたアノードオフガスは、水素ガス供給装置１から供給される水素ガスと配管２２にて混合され、燃料電池３へ再供給される。
【００１８】
このように、本実施形態における燃料電池システムでは、燃料電池３から送出されたアノードオフガスが再び燃料電池３へ供給される水素ガス循環経路が形成されている。この水素ガス循環経路は、配管２４、気液分離器５、配管２５、不純物濃縮器７、配管２８、循環ポンプ９、配管２９等により形成される。なお、水素ガス循環経路には、気液分離器５を通過したアノードオフガスを不純物濃縮器７を回避して配管２８に送出するための迂回配管２６が設けられている。
【００１９】
第１排気弁１１は、不純物濃縮器７と配管３０との間に設置される。より具体的には、不純物濃縮器７が備える排気配管２７と配管３０との間に設置される。第１排気弁１１を開くことにより、排気配管２７から排出されるガスは、配管３０へ送り出される。第２排気弁１３は、配管３０と配管３１との間に設置される。第２排気弁１３を開くことにより、配管３０から配管３１へガスが送り出され、大気中にガスが排出される。第１排気弁１１及び第２排気弁１３は、例えば、ＣＶ値（弁の容量を示す数値）の高いバルブである。第１排気弁１１及び第２排気弁１３としてＣＶ値の高いバルブを用いることで、単位時間当たりの第１排気弁１１及び第２排気弁１３の開閉保持時間を短縮できる。
【００２０】
〔不純物濃縮器〕
図２は、不純物濃縮器７の詳細構成例を示す概念図である。図２に示すように、不純物濃縮器７は、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体３１を挟んで対設されるアノード側室３２及びカソード側室３３、排気配管２７、駆動回路１５等を備える。アノード側室３２の一端は、燃料電池３から排出されたアノードオフガスを取り込む配管２５に接続され、アノード側室３２の他端は、アノード側室３２内のガスを排気する排気配管２７に接続される。カソード側室３３は、燃料電池３の水素ガス入口側の配管２８に繋がる。
【００２１】
不純物濃縮器７は、配管２５からアノード側室３２に取り込まれたアノードオフガスからカソード側室３３に水素ガスを選択的に取り出し、この水素ガスを配管２８に導く。一方で、不純物濃縮器７は、アノード側室３２において分離された水素以外の不純物ガスを排気配管２７に導く。不純物濃縮器７は、第１排気弁１１を閉じることでアノード側室３２内にアノードオフガスを滞留させることにより不純物濃縮を行う。
【００２２】
不純物濃縮器７における水素と不純物との分離は以下のように行われる。アノード側室３２に導かれたアノードオフガス中の水素は、膜電極接合体３１のアノードを構成する触媒層における酸化反応により水素イオン（プロトン）と電子とに分離され、プロトンは電解質膜を透過してカソードに移動し、電子は配線１７を通りカソードに移動する。カソードでは、カソードを構成する触媒層において、プロトンと電子とによる還元反応が行われ水素が生成される。これにより水素ガスがカソード側室３３へ取り出され、水素ガス循環経路に送られる。一方、アノード側室３２において水素が取り除かれた不純物ガスは、第１排気弁１１が開かれると排気配管２７及び第１排気弁１１を通過して配管３０へ送られる。
【００２３】
不純物濃縮器７内の膜電極接合体３１には、アノード側室３２内のアノードオフガスから水素を選択的に取り出すために配線１７に所望の電流が流れるように制御する駆動回路１５が接続されている。更に、この駆動回路１５に電圧センサ１９が接続され、不純物濃縮器７に印加される電圧が検出される。
【００２４】
電圧センサ１９で検出される印加電圧は、不純物濃縮器７内の電解質膜を透過するプロトンの量などに応じて変化する。ここで、この印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の水素濃度との関係について図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃ、並びに図４を用いて説明する。図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図であり、図４は、印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物濃縮度合との関係を示すグラフである。
【００２５】
燃料電池システムの起動直後、第１排気弁１１を閉じた直後などのような不純物濃縮の開始時点では、不純物濃縮器７のアノード側室３２内に滞留する不純物が少なく、配管２５から導入されるアノードオフガスがそのまま不純物濃縮器７のアノード側室３２に滞留する。よって、アノード側室３２内のアノードオフガスの水素濃度は略一様となるため、電解質膜の略全領域において化学反応が生ずる（図３Ａ参照）。従って、この図３Ａに示される状態における不純物濃縮器７への印加電圧は、主に、酸化還元反応における活性化エネルギ、及び、プロトン伝導及び電子移動に伴う抵抗に影響される（図４の印加電圧Ｖ０）。
【００２６】
不純物濃縮が進行すると、水素が取り除かれた不純物が排気配管２７内及びアノード側室３２の排気配管２７側に滞留する（図３Ｂ参照）ため、アノード側室３２内の水素量は、排気配管２７側で少なくなる。よって、電解質膜の反応領域が配管２５側へ偏り、結果として反応領域の電流密度が変化する。従って、図３Ｂに示される状態における不純物濃
縮器７への印加電圧は、反応領域の電流密度変化に伴い、図３Ａの場合から緩やかに増加する（図４の符号４１参照）。
【００２７】
不純物濃縮が更に進行すると、不純物ガスのアノード側室３２内への滞留が進み、アノード側室３２内の略全域において不純物ガスが充満する。アノード側室３２内の略全域において不純物ガスが充満すると水素分圧が低下するため、不純物濃縮器７では、プロトンを得るために水の電気分解が始まる。この水は、例えば、気液分離器５で除去されずにアノードオフガスと共にアノード側室３２内に導かれ、膜電極接合体３１の触媒に付着したものである。これにより、図３Ｃに示される状態における不純物濃縮器７への印加電圧は、当該電気分解エネルギに伴い、図３Ｂの状態から急上昇する（図４の符号４２参照）。このような特性により、不純物濃縮器７への印加電圧に応じて、不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物分布を推定することができる。
【００２８】
〔ＥＣＵ〕
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェース等
により構成される。ＥＣＵ２０は、メモリに格納された制御プログラムをＣＰＵに実行させることにより以下に説明する不純物濃縮制御を行う。この不純物濃縮制御において、ＥＣＵ２０は、水素ガス循環経路内の不純物ガスを適切に排出しつつ、アノードオフガスに含まれる水素ガスが効率よく循環するように、第１排気弁１１及び第２排気弁１３の開閉又は開度を制御する。この不純物濃縮制御において、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１９から送られる不純物濃縮器７への印加電圧値に基づいて不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物分布を推定する。
【００２９】
ところで、燃費を向上させるためには、不純物濃縮器７から排出される水素量は少ないことが好ましい。よって、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮された状態（図３Ｃの状態）で第１排気弁１１を開き、アノード側室３２内の不純物ガスを排出することが望ましい。また、アノード側室３２内に滞留している不純物ガスを排出し終えた時点で第１排気弁１１を閉じ、アノード側室３２に取り込まれたアノードオフガスに含まれる水素を排気配管２７から極力排出させないことが望ましい。
【００３０】
排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量と第１排気弁１１の開弁時間との関係について図５を用いて説明する。なお、開弁時間とは、弁を開いている間の経過時間をいう。また、弁を閉じている時間の経過時間を閉弁時間という。図５は、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮された状態（図３Ｃの状態）で第１排気弁１１を開いた場合の排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量と第１排気弁１１の開弁時間との関係を示すグラフである。
【００３１】
第１排気弁１１の開弁直後では排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量は小さいが、第１排気弁１１を開弁してから時間が経過するに従い排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量は大きくなる。第１排気弁１１の開弁直後は排気配管２７から排出されるガスに含まれる窒素が多い（水素は少ない）が、第１排気弁１１を開弁してから時間が経過するに従い排気配管２７から排出されるガスに含まれる窒素が少なくなる（水素が多くなる）。分子量の違いなどから、ガスに含まれる窒素が少ない方が、ガスに含まれる窒素が多い方に較べて排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量は大きくなる。
【００３２】
図５に示すように、所定開弁時間Ｔ１が経過した時における排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量と、所定開弁時間Ｔ２が経過した時における排気配管２７から排出されるガスの瞬時流量とでは差が生じている。そのため、所定開弁時間Ｔ２が経過した時に第１排気弁１１を閉じた場合、所定開弁時間Ｔ１が経過した時に第１排気弁１１を閉じた場合に較べて、排気配管２７から排出されるガスに含まれる水素が多い。
【００３３】
したがって、排気配管２７から排出されるガスに含まれる水素が少ない時点で第１排気弁１１を閉弁するように第１排気弁１１の開弁時間を制御する必要がある。しかし、排気配管２７から排出されるガスに含まれる水素が少ない時点で第１排気弁１１を閉弁するように第１排気弁１１の開弁時間を制御する方法では、第１排気弁１１の開弁時間を正確に制御しないと、排気配管２７から排出されるガスに含まれる水素が多くなってしまう。
【００３４】
本実施形態に係る燃料電池システムでは、第２排気弁１３を閉じた状態で第１排気弁１１を開くことにより、排気配管２７から排出されるガスを配管３０内に一次的に貯留する。そして、第１排気弁１１を閉じた状態で第２排気弁１３を開くことにより、配管３０内に貯留されているガスを第２排気弁１３及び配管３１を通して大気中に排出することにより、不純物濃縮器７内のガスを大気中に定量排気する。
【００３５】
〔動作例〕
以下、本実施形態における燃料電池システムの動作例について図６を用いて説明する。図６は、第１排気弁１１及び第２排気弁１３の開弁時間及び閉弁時間と、配管３０内の圧力との関係を示す図である。図６のグラフ（Ａ）は第１排気弁１１の開弁時間及び閉弁時間を示し、図６のグラフ（Ｂ）は第２排気弁１３の開弁時間及び閉弁時間を示し、図６のグラフ（Ｃ）は配管３０内の圧力を示す。
【００３６】
不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮されるまでは第１排気弁１１は閉じた状態であり、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮された状態（図３Ｃの状態）で第１排気弁１１を開く。また、第１排気弁１１を開く場合、第２排気弁１３は閉じた状態にしておく。図６では、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮された状態（図３Ｃの状態）における時刻を所定時刻ＴＡとする。所定時刻ＴＡで第１排気弁１１を開くまでは、配管３０内の圧力は低圧（例えば、大気圧又は大気圧と近似する圧力）となっている。
【００３７】
第１排気弁１１を開いた時点では、不純物濃縮器７内の圧力の方が配管３０内の圧力よりも高いため、図６（Ｃ）に示すように、第１排気弁１１を開いてから徐々に配管３０内の圧力が上昇する。不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力との差により、不純物濃縮器７内のガスが配管３０内に流入する。すなわち、不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力との差を駆動力として、不純物濃縮器７内のガスが配管３０内に輸送される。そして、第１排気弁１１を開いてから一定時間が経過すると、不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力とが同一となり、配管３０内の圧力は高圧となる。
【００３８】
なお、配管３０内に流入するガスの量（ガス輸送量）は、不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力との差（ΔＰ）と、配管３０の容積（Ｖｍ）との積によって決定され、不純物濃縮器７内のガスの濃度に依存しない。好ましくは、配管３０内に流入するガスの量（ガス輸送量）を不純物濃縮器７の容積（Ｖｍ）の５０〜９５％とする。
【００３９】
不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力とが同一となった状態で第１排気弁１１を閉じる。不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力とが同一となった状態で第１排気弁１１を閉じる時刻を所定時刻ＴＢとする。なお、所定時刻ＴＡから所定時刻ＴＢまでの経過時間を所定時間Ｔ１とする。例えば、この所定時間Ｔ１を実験又はシミュレーションにより求めておくとともに、ＥＣＵ２０に所定時間Ｔ１を記憶しておく。
【００４０】
ＥＣＵ２０は、所定時刻ＴＡで第１排気弁１１を開くように第１排気弁１１を制御し、所定時間Ｔ１の経過後、第１排気弁１１を閉じるように第１排気弁１１を制御する。また、不純物濃縮器７及び配管３０に圧力センサを設けて、不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力とを測定し、不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力とが同一となった場
合、第１排気弁１１を閉じるようにしてもよい。
【００４１】
所定時刻ＴＢで第１排気弁１１を閉じてから、所定時間Ｔ２の経過後、第２排気弁１３を開く。所定時刻ＴＡで第１排気弁１１を開くことによって、不純物濃縮器７内のガスが配管３０内に流入するが、不純物濃縮器７内のガスには水素が含まれている。所定時間Ｔ２では、第１排気弁１１及び第２排気弁１３が閉じられているため、配管３０内に流入したガスに含まれる水素が拡散する。配管３０内に流入するガスの水素濃度が局所的に高くなっている場合であっても、所定時間Ｔ２を経過することで、配管３０内に流入したガスに含まれる水素濃度は均一化する。したがって、所定時間Ｔ２の経過後に第２排気弁１３を開くため、配管３０内に流入するガスに含まれる水素の拡散時間が確保され、配管３１を介して大気中に排出されるガス中の水素が拡散され、水素濃度が均一化されたガスが配管３１を介して大気中に排出される。
【００４２】
この所定時間Ｔ２は、配管２５から導入されるアノードオフガスの不純物濃度、不純物濃縮器７内の電解質膜での反応量、不純物濃縮器７の容積量、第２排気弁１３を開いている時間などから実験又はシミュレーションにより決定する。なお、所定時刻ＴＢで第１排気弁１１を閉じてから、所定時間Ｔ２が経過した後に第２排気弁１３を開く時刻を所定時刻ＴＣとする。また、第２排気弁１３を開いている時間を所定時間Ｔ３とする。
【００４３】
所定時刻ＴＣで第２排気弁１３を開いてから、配管３０内の圧力と配管３１内の圧力とが同一となった状態で第２排気弁１３を閉じる。配管３０内の圧力と配管３１内の圧力とが同一となった状態で第２排気弁１３を閉じる時刻を所定時刻ＴＤとする。なお、所定時刻ＴＣから所定時刻ＴＤまでの経過時間を所定時間Ｔ３とする。例えば、この所定時間Ｔ３を実験又はシミュレーションにより求めておくとともに、ＥＣＵ２０に所定時間Ｔ３を記憶しておく。
【００４４】
ＥＣＵ２０は、所定時刻ＴＣで第２排気弁１３を開くように第２排気弁１３を制御し、所定時間Ｔ３の経過後、第２排気弁１３を閉じるように第２排気弁１３を制御する。また、配管３０及び配管３１に圧力センサを設けて、配管３０内の圧力と配管３１内の圧力とを測定し、配管３０内の圧力と配管３１内の圧力とが同一となった場合、第２排気弁１３を閉じるようにしてもよい。
【００４５】
所定時刻ＴＣで第２排気弁１３を開いた時点では、配管３０内の圧力の方が大気圧よりも高い。配管３０内の圧力と大気圧との差により、配管３０内のガスが配管３１内に流入する。すなわち、配管３０内の圧力と大気圧との差を駆動力として、配管３０内のガスが配管３１内に輸送される。配管３１内に流入したガスは大気中に排出される。所定時刻ＴＤで第２排気弁１３を閉じた後は、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮された状態（図３Ｃの状態）になるまで、ＥＣＵ２０は待機する。
【００４６】
次に、配管３０の形状について、図７（Ａ）及び（Ｂ）を用いて説明する。図７（Ａ）は、配管３０の形状の一例である。図７（Ａ）に示す配管３０は、第１排気弁１１と連結する連結口４０と、第２排気弁１３と連結する連結口４１とを備えている。連結口４０から配管３０の内部にガスが流入し、連結口４１から第２排気弁１３を介して配管３１内にガスが流入する。連結口４１の反対側は閉じられた状態となっている。配管３０内に流入するガスの水素を拡散させるため、第１排気弁１１と配管３０との連結箇所から配管３０の隔壁４２までの距離を短くする構造が望ましい。図７（Ａ）に示す配管３０は、連結口４０から連結口４１までの最短通路以外の容積を持つ構造となっている。このような構造により、図７（Ａ）に示す配管３０は、内部に流入する水素を連結口４１の方向及びその反対方向に拡散させることができる。
【００４７】
図７（Ｂ）は、配管３０の形状の一例である。図７（Ｂ）に示す配管３０は、第１排気弁１１と連結する連結口５０と、第２排気弁１３と連結する連結口５１とを備えている。連結口５０から配管３０の内部にガスが流入し、連結口５１から第２排気弁１３を介して配管３１内にガスが流入する。連結口５０の中心軸Ａから配管３０の隔壁５２までの距離が均一になっている。したがって、図７（Ｂ）に示す配管３０は、内部に流入する水素を連結口５０の中心軸Ａから全方向に拡散させることができる。
【００４８】
図７（Ｂ）に示す配管３０の隔壁５２に連結口５１が設けられている。また、連絡口５１の中心軸Ｂは、連結口５０の中心軸Ａと直交する軸Ｃから下方向にオフセットされている。したがって、図７（Ｂ）に示す配管３０は、連結口５０から配管３０の内部に流入するガスが流れる経路が長くなっているため、連結口５１から第２排気弁１３を介して配管３１内にガスが流入するまでに水素が十分に拡散する構造となっている。なお、図７（Ｂ）では、連絡口５１の中心軸Ｂを、連結口５０の中心軸Ａと直交する軸Ｃから上方向にオフセットしてもよい。
【００４９】
本実施形態における燃料電池システムによれば、不純物濃縮器７内のガスの濃度に関わらず、不純物濃縮器７内の一定量のガスを大気中に排出することができる。すなわち、第１排気弁１１を開き、不純物濃縮器７内の圧力と配管３０内の圧力とを同一とすることにより、不純物濃縮器７内の一定量のガスを配管３０内に輸送する。そして、第１排気弁１１を閉じた状態で第２排気弁１３を開き、配管３０内の圧力と配管３１内の圧力とを同一とすることにより、配管３０内の一定量のガスを配管３１内に輸送して大気中に排出することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  水素ガス供給装置
３  燃料電池
５  気液分離器
７  不純物濃縮器
９  循環ポンプ
１１  第１排気弁
１３  第２排気弁
１５  駆動回路
１７  配線
１９  電圧センサ
２０  ＥＣＵ（Electric Control Unit）
２２、２４、２５、２８、２９、３０、３１  配管
２６  迂回配管
２７  排気配管
３２  アノード側室
３３  カソード側室
４０、４１、５０、５１  連結口
４２、５２  隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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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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