(57)【要約】【課題】発電中にアノードの窒素濃度を所定範囲に維持するために未反応燃料ガス循環経路を流れるガスを排出する際、排出ガスを可燃範囲未満まで希釈する必要があり、燃料電池システムが大型になる。【解決手段】アノード（１ａ）から排出された水素をアノードに循環させる未反応燃料ガス循環流路（４）を有する燃料電池システム（１００）において、燃料電池スタック（１）が発電中の全期間中または所定期間に、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソード（１ｂ）を流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部（３）を調整する。これによって、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うこととなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、
前記アノードから排出された未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、
前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記カソードと前記酸化剤ガス供給部を接続する酸化剤ガス供給経路と、
前記カソードから未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス供給経路に圧力検出手段を備え、
前記制御部は、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、
前記燃料電池スタックのセル電圧に基づいて前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素濃度を推定し、
該窒素濃度から前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス供給経路と前記未反応燃料ガス循環流路との合流部よりも下流側に設けられ、前記アノードに供給される燃料ガス中の窒素濃度を検知するアノード窒素濃度検知手段を備え、
前記アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度から前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記未反応燃料ガス循環流路に設けられ、前記未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガス中の窒素濃度を検知するアノード窒素濃度検知手段を備え、
前記アノードに供給される燃料ガスの前記未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガスと、前記燃料ガス供給経路から供給される燃料ガスの混合率と、前記アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度から前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、
前記アノードから排出された未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、
前記燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路および酸化剤ガス供給手段と、
前記カソードから排出された排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、前記アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧が前記カソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように前記燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含む、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】
本発明はアノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路を備えた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】
従来、この種燃料電池システム及びその運転方法は、燃料電池システムの発電中、燃料電池スタックのカソードから電解質膜を介してアノードに窒素が透過し、アノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路を流れるガスの窒素濃度が増加することで発電性能が低下する。このため、燃料電池システムでは、アノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路を流れるガスの窒素濃度を算出して所定濃度以上になると窒素を外部に排出している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３２４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では、発電中にアノードの窒素濃度が所定値に減少するまでアノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路内のガス排出を継続するため、アノードから排出された水素含有ガスをアノードに戻す流路中の高濃度の水素を排出することとなる。そのため水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器が必要となり、燃料電池システムが大型になるという課題を有していた。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、発電中にアノードの窒素分圧を調整することで、アノードの窒素を燃料電池スタックの電解質膜を介してカソードへ排出し、アノードの窒素濃度を所定値まで低減させる。これによって、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行い、小型化した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】
【０００６】
前記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、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部を接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整するとしたものである。
【０００７】
これによって、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うこととなる。
【０００８】
また、本発明の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を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路および酸化剤ガス供給手段と、カソードから排出された排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、を備え、燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含むものである。
【０００９】
これによって、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うこととなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、発電中の燃料電池スタックのアノードの窒素分圧を調整することによって、アノードの窒素をスタックの電解質膜を透過させてカソードへ排出することができる。これによって、アノードの窒素濃度を所定値まで低減させることができるため、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行い、小型化した燃料電池システムが実現できる。
【００１１】
また燃料である水素を燃料電池システム外へ排出することがなくなるため、より安全性の高い燃料電池システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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構成のブロック図
【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構成のブロック図
【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構成のブロック図
【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構成のブロック図
【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
【図９】本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成のブロック図
【図１０】本発明の実施の形態５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】
【００１３】
第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、カソードと酸化剤ガス供給部を接続する酸化剤ガス供給経路と、カソードから未反応酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、制御部と、を備え、制御部は、燃料電池スタックが発電中の全期間中または所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、燃料ガス供給経路に圧力検出手段を備え、制御部は、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。
【００１５】
第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、制御部は、燃料電池スタックのセル電圧に基づいてアノードを流れる燃料ガス中の窒素濃度を推定し、該窒素濃度からアノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、セル電圧に基づき、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ正確に透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。
【００１６】
第４の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、燃料ガス供給経路と未反応燃料ガス循環流路との合流部よりも下流側に設けられ、アノードに供給される燃料ガス中の窒素濃度を検知するアノード窒素濃度検知手段を備え、アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度からアノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧を推定し、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、実測した窒素濃度に基づき、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ正確に透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。
【００１７】
第５の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、未反応燃料ガス循環流路に設けられ、未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガス中の窒素濃度を検知するアノード窒素濃度検知手段を備え、アノードに供給される燃料ガスの未反応燃料ガス循環流路を流れる燃料ガスと、燃料ガス供給経路から供給される燃料ガスとの混合率と、アノード窒素濃度検知手段が検知した窒素濃度からアノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧とを推定し、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整することにより、推定した分圧に基づき、アノードを流れる燃料ガス中の圧力を所定の圧力に正しく制御できることでアノードを流れる燃料ガスの窒素濃度を精度よく調整できる。このように、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ正確に透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。
【００１８】
第６の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、アノードに供給される燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整部と、アノードから排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路へ合流させる未反応燃料ガス循環流路と、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給経路および酸化剤ガス供給手段と、カソードから排出された排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出経路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池スタックが発電中の所定期間、アノードを流れる燃料ガス中の窒素分圧がカソードを流れる酸化剤ガス中の窒素分圧よりも高くなるように燃料ガス圧力調整部を調整する工程を含むことにより、燃料電池スタックの電解質膜を介して、アノードを流れる燃料ガスに含まれる窒素をカソードへ透過させることとなり、水素を可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を設けることなく発電を行うことができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
（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構成のブロック図を示すものである。
【００２２】
図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と燃料ガス供給経路２と燃料ガス圧力調整部３と、未反応燃料ガス循環流路４と、混合ガス供給経路５と、エジェクタ６と、酸化剤ガス供給部７と、酸化剤ガス供給経路８と、酸化剤ガス排出経路９と、制御部１０と、を備える。
【００２３】
燃料電池スタック１は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電するものである。燃料ガスは純水素ガス、酸化剤ガスは空気を用いる。燃料電池スタック１は純水素ガスが供給されるアノード１ａと空気が供給されるカソード１ｂと生成したプロトンを移動させる電解質膜と、を備える。燃料電池スタック１は固体高分子型燃料電池を用いる。
【００２４】
燃料ガス供給経路２は、燃料電池システム１００の外部から燃料電池システム１００の内部へ純水素ガスを供給するための経路である。
【００２５】
燃料ガス圧力調整部３は、燃料ガス供給経路２に接続し、燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整するものである。純水素ガスは、燃料ガス圧力調整部３の上流から供給されるものとする。
【００２６】
未反応燃料ガス循環流路４は、アノード１ａの下流から燃料ガス供給経路２に接続し、アノード１ａから排出されるガスを燃料ガス供給経路２から供給する純水素ガスと混合するための経路である。
【００２７】
混合ガス供給経路５は、燃料ガス供給経路２の下流に接続し、アノード１ａの上流に接続し、燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスと未反応燃料ガス循環流路４を流れるガスとを混合したガスをアノード１ａに供給するための経路である。混合ガス供給経路５を流れるガスを混合ガスと呼ぶ。また未反応燃料ガス循環流路４を流れるガスを未反応混合ガスと呼ぶ。燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整することで、混合ガス供給経路５を流れる混合ガスの圧力を調整することができ、これによりアノード１ａを流れる混合ガスの圧力を調整することができる。
【００２８】
エジェクタ６は、燃料ガス供給経路２と未反応燃料ガス循環流路４の合流部に接続し、純水素ガスと未反応混合ガスを混合するものである。
【００２９】
酸化剤ガス供給部７は、カソード１ｂに空気を供給するものである。
【００３０】
酸化剤ガス供給経路８は、酸化剤ガス供給部７と接続し、カソード１ｂに空気を供給するための経路である。
【００３１】
酸化剤ガス排出経路８はカソード１ｂから排出する空気を燃料電池システム１００の外部へ排出する経路である。
【００３２】
制御部１０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
【００３３】
燃料電池スタック１は、アノード１ａ内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された混合ガスを全て発電に使用することが困難であり、アノード１ａから発電に使われなかった未反応混合ガスが排出される。この排出された未反応混合ガスを捨ててしまうと、供給する純水素ガスを無駄にしてしまうため、燃料電池システム１００の効率が低下してしまう。そこで制御部１０は、エジェクタ６で、未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスと燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスとを混合させて、アノード１ａに供給する。
これにより純水素ガスの無駄をなくし、燃料電池システム１００を高効率化することができる。
【００３４】
以上のように構成された燃料電池システム１００について、以下その動作、作用を説明する。
【００３５】
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を示すものである。この動作は、燃料電池システム１００が発電中のときに制御部１０の制御によって行う。
【００３６】
制御部１０は酸化剤ガス供給部７で空気を供給し、燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整する（Ｓ１０１）。ここでは空気の圧力を１１１．３ｋＰａ、純水素ガスの圧力を１１１．３ｋＰａにする場合を示す。空気の成分を酸素：窒素：その他ガス＝２１：７８：１である。このとき、酸化剤ガス供給部７から供給する空気に含まれる窒素分圧は、８６．８ｋＰａである。また純水素ガスの成分を水素：窒素＝１００：０である。このとき、純水素ガスに含まれる窒素の分圧は０ｋＰａである。カソード１ｂを流れる空気の窒素分圧のほうがアノード１ａを流れる混合ガスの窒素分圧より大きいため、燃料電池スタック１の電解質膜を介してカソード１ｂを流れる空気に含まれる窒素がアノード１ａへ透過する。そのため、アノード１ａから排出する未反応混合ガスの窒素濃度が増加し、未反応燃料ガス循環流路４を通して燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスと混合することでアノード１ａに供給する混合ガスの窒素濃度が増加してしまう。
【００３７】
次に制御部１０は一定時間経過したか判定する（Ｓ１０２）。この一定時間とは、アノード１ａを流れる混合ガスに含まれる窒素の濃度が上昇し、燃料電池システム１００の発電量の低下や燃料電池スタック１の劣化が起こらないようにあらかじめ設定した時間である。ここでは３０分の場合を示す。
【００３８】
次に制御部１０はアノード１ａに流れる混合ガスの窒素分圧がカソード１ｂに流れる空気の窒素分圧より高くなるようにあらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部３を制御することで燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整する（Ｓ１０３）。ここではアノード１ａに流れる混合ガスの窒素濃度を２０％まで下げる場合を示す。カソード１ｂを流れる空気の窒素分圧は８６．８ｋＰａであり、混合ガスの窒素濃度が２０％での窒素分圧が８６．８ｋＰａとなる混合ガスの圧力は４３４ｋＰａである。よって燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を４３４ｋＰａにすると混合ガスの窒素濃度が２０％を超える窒素を燃料電池スタック１の電解質膜を介してアノード１ａを流れる混合ガスからカソード１ｂへ透過させることができる。
【００３９】
次に制御部１０は一定時間経過したか判定する（Ｓ１０４）。この一定時間とは、アノード１ａを流れる混合ガスからカソード１ｂへ混合ガスに含まれる窒素を透過させて、混合ガスの窒素濃度が減少するまでのあらかじめ設定した時間である。ここでは１０分の場合を示す。１０分経過していれば、Ｓ１０１に戻る。
【００４０】
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。
【００４１】
以上のように、本実施の形態においては、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード１ｂへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック１の電解質膜を介してカソード１ｂへ流れる空気へ透過させることとなり、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム１００から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
【００４２】
なお、アノード１ａを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード１ｂを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
【００４３】
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
（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構成のブロック図である。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、その説明はここでは省略する。
【００４４】
図３において、燃料電池システム２００は、未反応燃料ガス昇圧部１１と、圧力検出部１２と、制御部１３と、を備える。
【００４５】
未反応燃料ガス昇圧部１１は、未反応燃料ガス循環流路４に接続し、未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスの圧力を調整するものである。
【００４６】
圧力検出部１２は、混合ガス供給経路５に接続し、混合ガス供給経路５を流れる混合ガスの圧力を測定するものである。
【００４７】
制御部１３は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
【００４８】
燃料電池スタック１は、アノード１ａ内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された混合ガスを全て発電に使用することが困難であり、アノード１ａから発電に使われなかった未反応混合ガスが排出される。この排出された未反応混合ガスを捨ててしまうと、供給する純水素ガスを無駄にしてしまうため、燃料電池システム２００の効率が低下してしまう。そこで制御部１３は、未反応燃料ガス昇圧部１１で未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスを昇圧し、未反応混合ガスと燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスとを混合させて、アノード１ａに供給する。
これにより純水素ガスの無駄をなくし、燃料電池システム２００を高効率化することができる。
【００４９】
以上のように構成された燃料電池システム２００について、以下その動作、作用を説明する。
【００５０】
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を示すものである。この動作は、燃料電池システム２００が発電中のときに制御部１３の制御によって行う。
【００５１】
制御部１３は、酸化剤ガス供給部７で空気を供給し、燃料ガス圧力調整部３で純水素ガスの圧力を調整し、未反応燃料ガス昇圧部１１で未反応混合ガスの圧力を昇圧させる（Ｓ２０１）。ここでは空気の圧力を１１１．３ｋＰａ、純水素ガスの圧力を１１１．３ｋＰａ、未反応混合ガスの圧力を１１１．３ｋＰａにする場合を示す。
【００５２】
次に制御部１３は、一定時間経過したか判定する（Ｓ２０２）。この一定時間とは、アノード１ａを流れる混合ガスに含まれる窒素の濃度が上昇し、燃料電池システム２００の発電量の低下や燃料電池スタック１の劣化が起こらないようにあらかじめ設定した時間である。ここでは３０分の場合を示す。
【００５３】
次に制御部１３は、圧力検出部１２で混合ガスの圧力を測定する。アノード１ａへ供給する混合ガスの窒素分圧がカソード１ｂに流れる空気の窒素分圧より高くなるようにする（Ｓ２０３）。ここでは、混合ガスの窒素濃度を３０％以下にする場合を示す。カソード１ｂを流れる空気の窒素分圧は８６．８ｋＰａであり、混合ガスの窒素濃度が３０％での窒素分圧が８６．８ｋＰａとなる混合ガスの圧力は２８９ｋＰａである。よって燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を２８９ｋＰａにし、未反応燃料ガス昇圧部１１で未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスの圧力を２８９ｋＰａにすることで、混合ガスの窒素濃度が３０％を超える窒素は燃料電池スタック１の電解質膜を介してアノード１ａからカソード１ｂへ透過させることができる。
【００５４】
次に制御部１３は、一定時間経過したか判定する（Ｓ２０４）。この一定時間とは、アノード１ａを流れる混合ガスに含まれる窒素をカソード１ｂへ透過させて、混合ガスの窒素濃度が減少するまでのあらかじめ設定した時間である。ここでは１０分の場合を示す。１０分経過していれば、Ｓ２０１に戻る。
【００５５】
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。
【００５６】
以上のように、本実施の形態においては、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード１ｂへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部３を制御することで
燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、混合ガスの圧力を測定して、圧力を調整するため、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック１の電解質膜を介してカソード１ｂへ正確に透過させることとなる。これによりアノード１ａへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム２００から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
【００５７】
なお、アノード１ａを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード１ｂを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
【００５８】
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
（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構成のブロック図である。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、その説明はここでは省略する。
【００５９】
図５において、燃料電池システム３００は制御部１４を備える。
【００６０】
制御部１４は、制御機能を有するもので、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。また、燃料電池スタック１で発生した電圧をセル電圧と呼び、セル電圧を測定できるものである。
【００６１】
以上のように構成された燃料電池システム３００について、以下その動作、作用を説明する。
【００６２】
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を示すものである。この動作は、燃料電池システム３００が発電中のときに制御部１４の制御によって行う。
【００６３】
制御部１４は、酸化剤ガス供給部７で空気を供給し、燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整する（Ｓ３０１）。ここでは空気の圧力を１１１．３ｋＰａ、純水素ガスの圧力を１１１．３ｋＰａにする場合を示す。
【００６４】
次に制御部１４は、燃料電池スタック１のセル電圧を測定する。アノード１ａに供給する混合ガスの窒素濃度が増加すると、燃料電池スタック１のセル電圧が低下し、燃料電池スタック１の劣化が起こる。燃料電池システム４００の発電量の低下や燃料電池スタック１の劣化が起こらないようにあらかじめ設定したセル電圧の下限値未満になっていないかを判定する（Ｓ３０２）。このセル電圧の下限値とは、発電中の通常時のセル電圧を０．７Ｖとし、その９０％の０．６３Ｖをセル電圧の下限値とする。
【００６５】
次に制御部１４は、アノード１ａに流れる混合ガスの窒素分圧がカソード１ｂに流れる空気の窒素分圧より高くなるようにする（Ｓ３０３）。ここでは、混合ガスの窒素濃度が３２％以下にする場合を示す。カソード１ｂを流れる空気の窒素分圧は８６．８ｋＰａであり、混合ガスの窒素濃度が３２％での窒素分圧が８６．８ｋＰａとなる混合ガスの圧力は２７１ｋＰａである。よって燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を２７１ｋＰａにすると混合ガスの窒素濃度が３２％を超える窒素は燃料電池スタック１の電解質膜を介してアノード１ａからカソード１ｂへ透過させることができる。
【００６６】
次に制御部１４は、燃料電池スタック１のセル電圧を測定し、セル電圧が０．７Ｖより大きくなっているか判定する（Ｓ３０４）。セル電圧が０．７Ｖより大きくなっていればＳ３０１に戻る。
【００６７】
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。
【００６８】
以上のように、本実施の形態においては、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード１ｂへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部３を制御することで燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、セル電圧を測定し、混合ガスの窒素濃度を推定することで、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック１の電解質膜を介してカソード１ｂへ正確に透過させることとなる。これにより、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム３００から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
【００６９】
なお、アノード１ａを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード１ｂを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
【００７０】
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
【００７１】
なお、測定するセル電圧は燃料電池スタック１の全てのセルまたは一部のセルの電圧であってもよい。
（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構成のブロック図である。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、その説明はここでは省略する。
【００７２】
図７において、燃料電池システム４００は、未反応燃料ガス昇圧部１１と、窒素濃度検出部１５と、制御部１６と、を備える。
【００７３】
未反応燃料ガス昇圧部１１は、未反応燃料ガス循環流路４に接続し、未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスの圧力を調整するものである。
【００７４】
窒素濃度検出部１５は、混合ガス供給経路５に接続し、混合ガス供給経路５を流れる混合ガスの窒素濃度測定するものである。
【００７５】
制御部１６は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
【００７６】
以上のように構成された燃料電池システム４００について、以下その動作、作用を説明する。
【００７７】
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を示すものである。この動作は、燃料電池システム４００が発電中のときに制御部１６の制御によって行う。
【００７８】
制御部１６は、酸化剤ガス供給部７で空気を供給し、燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整し、未反応燃料ガス昇圧部１１で未反応混合ガスの圧力を昇圧させる（Ｓ４０１）。ここでは空気の圧力を１１１．３ｋＰａ、純水素ガスの圧力を１１１．３ｋＰａ、未反応混合ガスの圧力を１１１．３ｋＰａにする場合を示す。
【００７９】
次に制御部１６は、窒素濃度検出部１５で測定した窒素濃度から燃料電池システム５００の発電量の低下や燃料電池スタック１の劣化が起こらないようにあらかじめ設定した窒素濃度以上になっていないかを判定する（Ｓ４０２）。ここでは、アノード１ａを流れる混合ガスの窒素濃度５０％を上限値とする。測定した窒素濃度が５０％以上になっていれば、混合ガスの窒素分圧が空気の窒素分圧より高くなるようにする。ここでは、混合ガスの窒素濃度を３３％以下にする場合を示す。カソード１ｂを流れる空気の窒素分圧は８６．８ｋＰａであり、混合ガスの窒素濃度が３３％での窒素分圧が８６．８ｋＰａとなる混合ガスの圧力は２６３ｋＰａである。よって燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を２６３ｋＰａにし、未反応燃料ガス昇圧部１１で未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスの圧力を２６３ｋＰａにすることで、混合ガスの窒素濃度が３３％を超える窒素は燃料電池スタック１の電解質膜を介してアノード１ａからカソード１ｂへ透過させることができる。
【００８０】
次に制御部１６は、燃料ガス圧力調整部３で純水素ガスの圧力を２６３ｋＰａになるように制御する（Ｓ４０３）。
【００８１】
次に制御部１６は、窒素濃度検出部１５で測定した窒素濃度が３６％未満になっているか判定する（Ｓ４０４）。ここでは、判定する窒素濃度を調整したい混合ガスの窒素濃度の３３％に対して＋３％の幅を持たせている。窒素濃度が３６％未満になっていればＳ４０１に戻る。
【００８２】
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。
【００８３】
以上のように、本実施の形態においては、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード１ｂへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部３を制御することで燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、混合ガスの窒素濃度を測定することで、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック１の電解質膜を介してカソード１ｂへ正確に透過させることとなり、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム４００から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
【００８４】
なお、アノード１ａを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード１ｂを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
【００８５】
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５における燃料電池システムの構成のブロック図である。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、その説明はここでは省略する。
【００８６】
図９において、燃料電池システム５００は、窒素濃度検出部１７と、制御部１８と、を備える。
【００８７】
窒素濃度検出部１７は、未反応燃料ガス循環流路４に接続し、未反応燃料ガス循環流路４を流れる未反応混合ガスの窒素濃度を測定するものである。
【００８８】
制御部１８は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
【００８９】
以上のように構成された燃料電池システム５００について、以下その動作、作用を説明する。
【００９０】
図１０は、本発明の実施の形態５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を示すものである。この動作は、燃料電池システム５００が発電中のときに制御部１８の制御によって行う。
【００９１】
制御部１８は、酸化剤ガス供給部７で空気を供給し、燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整する（Ｓ５０１）。ここでは空気の圧力を１１１．３ｋＰａ、純水素ガスの圧力を１１１．３ｋＰａにする場合を示す。
【００９２】
次に制御部１８は、窒素濃度検出部１７で測定した未反応混合ガスの窒素濃度から、燃料ガス供給経路２から供給される純水素ガスと未反応燃料ガス循環流路４に流れる未反応混合ガスと合流されたあとの混合ガスの窒素分圧を推定する（Ｓ５０２）。まず、発電量に相当する純水素ガスが燃料ガス供給経路２から供給され、未反応燃料ガス循環流路４には所定流量が流れるように設定されている。本実施の形態では、純水素ガス流量を４０Ｌ/ｍｉｎ、未反応混合ガス流量を６０Ｌ/ｍｉｎとした。ここで、窒素濃度検出部１７で測定した未反応混合ガスの窒素濃度が７５％であるときは、混合ガスの窒素濃度は４５％と推定され、窒素分圧は５０．１ｋＰａと推定とされる。
【００９３】
次に制御部１８は、Ｓ５０２で推定した窒素分圧が５０．１ｋＰａ以上であるか判定する（Ｓ５０３）。
【００９４】
次に制御部１８は、アノード１ａへ供給する混合ガスの窒素分圧がカソード１ｂへ供給する空気の窒素分圧より高くなるようにする（Ｓ５０４）。ここでは、混合ガスの窒素濃度を３５％以下にする場合を示す。カソード１ｂを流れる空気の窒素分圧は８６．８ｋＰａであり、混合ガスの窒素濃度が３５％での窒素分圧が８６．８ｋＰａとなる混合ガスの圧力は２４８ｋＰａである。よって燃料ガス圧力調整部３で燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を２４８ｋＰａにすると混合ガスの窒素濃度が３５％を超える窒素は燃料電池スタック１の電解質膜を介してアノード１ａからカソード１ｂへ透過させることができる。圧力検出部１２で測定し、圧力が２４８ｋＰａになるように、燃料ガス圧力調整部３でアノード１ａを流れる純水素ガスの圧力を２４８ｋＰａになるように制御する。
【００９５】
次に制御部１８は、窒素濃度検出部１７で未反応混合ガスの窒素濃度を測定し、混合ガスの窒素濃度を推定する（Ｓ５０５）。
【００９６】
次に制御部１８は、Ｓ５０５で推定した窒素濃度が３８％未満になっているか判定する（Ｓ５０６）。ここでは、判定する窒素濃度を調整したい混合ガスの窒素濃度の３５％に対して＋３％の幅を持たせている。窒素濃度が３８％未満になっていればＳ５０１に戻る。
【００９７】
各ステップは、各ステップを実施完了後、待機時間を設けずに瞬時に移行するようにする。
【００９８】
以上のように、本実施の形態においては、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素分圧をカソード１ｂへ流れる空気の窒素分圧より大きくすることにより、あらかじめ設定した操作量に燃料ガス圧力調整部３を制御することで
燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整するのではなく、未反応混合ガスの窒素濃度を測定し、アノード１ａへ流れる混合ガスに含まれる窒素濃度を推定することで、混合ガスに含まれる窒素を燃料電池スタック１の電解質膜を介してカソード１ｂへ正確に透過させることとなり、アノード１ａへ流れる混合ガスの窒素濃度を減少させるために混合ガスを燃料電池システム５００から外部へ排出する必要がなくなり、混合ガスの可燃範囲未満まで希釈するための希釈器を不要にすることができる。
【００９９】
なお、アノード１ａを流れる混合ガスの窒素分圧はカソード１ｂを流れる空気の窒素の分圧より大きくすれば、その分だけ窒素の透過を早くすることができる。
【０１００】
また、ここでは所定期間のみ燃料ガス供給経路２を流れる純水素ガスの圧力を調整しているが、発電中の全期間で行ってもよい。
【０１０１】
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、その構造及び／又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】
【０１０２】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システム及びその運転方法は、発電中の燃料電池スタックのアノードの窒素分圧を調整することによって、アノードの窒素をスタックの電解質膜を透過させてカソードへ排出することができるので、水素の系外への排出を抑制でき、希釈器が不要になる。これによって、燃料電池システムを小型化でき、安全性を向上できるので、家庭用燃料電池システム、商業用燃料電池システムなどに適用できる。
【符号の説明】
【０１０３】
１    燃料電池スタック
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
２    燃料ガス供給経路
３    燃料ガス圧力調整部
４    未反応燃料ガス循環流路
５    混合ガス供給経路
６    エジェクタ
７    酸化剤ガス供給部
８    酸化剤ガス供給経路
９    酸化剤ガス排出経路
１０、１３、１４、１６、１８    制御部
１１    未反応燃料ガス昇圧部
１２    圧力検出部
１５    窒素濃度検出部
１７    窒素濃度検出部
１００、２００、３００、４００、５００    燃料電池システム
【図１】
2019169443.tif 000003
【図２】
2019169443.tif 000004
【図３】
2019169443.tif 000005
【図４】
2019169443.tif 000006
【図５】
2019169443.tif 000007
【図６】
2019169443.tif 000008
【図７】
2019169443.tif 000009
【図８】
2019169443.tif 000010
【図９】
2019169443.tif 000011
【図１０】
2019169443.tif 000012