(57)【要約】【課題】未反応燃料ガスを再び燃料電池に燃料ガスとして供給する燃料電池システムの信頼性を向上させると共に、燃料電池システムの高効率化を実現する。【解決手段】未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料電池１に供給するための未反応燃料ガス循環経路４に、容積を変更可能なバッファタンク８を設け、制御器１０１が、燃料電池システム１００の停止中に、バッファタンク８の容積を第１容積にし、発電中は、バッファタンク８の容積を第１容積よりも大きい第２容積にすると共に、未反応燃料ガス循環経路４を流れる未反応燃料ガスの不純物ガス濃度が、予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガスパージ弁６を開いて、未反応燃料ガス循環経路４の不純物ガスを未反応燃料ガスパージ経路５から外部にパージする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記燃料電池の前記アノードから排出される未反応燃料ガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス循環経路と、
前記未反応燃料ガス循環経路に設けられ前記未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、
前記未反応燃料ガス循環経路から分岐する未反応燃料ガスパージ経路と、
前記未反応燃料ガスパージ経路を開閉する未反応燃料ガスパージ弁と、
前記未反応燃料ガス循環経路に設けられ、容積を変更可能なバッファタンクと、
前記バッファタンクの容積を変える容積変更手段と、
制御器と、
を備え、
前記制御器は、停止中には、前記バッファタンクの容積が前記第１容積になるように前記容積変更手段を制御し、発電時には、前記バッファタンクの容積が前記第１容積よりも大きい第２容積になるように前記容積変更手段を制御すると共に、前記未反応燃料ガス循環経路を流れる前記未反応燃料ガスの不純物ガス濃度が、予め設定された前記不純物ガス濃度の上限値に達する前に、前記未反応燃料ガスパージ弁を開きパージするように制御することを特徴とする、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記容積変更手段として、前記バッファタンク内に水を供給する水供給器と、前記バッファタンク内の水を排出する水排出弁と、を備え、
前記バッファタンクにおける前記未反応燃料ガス循環経路への前記未反応燃料ガスの流出口を、前記バッファタンク内の最高水位よりも高い位置に配置し、
前記制御器は、停止中に前記バッファタンクの容積が前記第１容積になるように、発電時は前記バッファタンクの容積が前記第１容積よりも大きい第２容積になるように、前記バッファタンク内の水の量を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記バッファタンクの容積が前記第１容積になるときの前記バッファタンク内の水位と、前記バッファタンクの容積が前記第２容積になるときの前記バッファタンク内の水位と、を検知する水位検知器を備え、
前記制御器は、前記水位検知器の検知水位に基づいて、前記水供給器と前記水排出弁とを制御する、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、前記バッファタンクの前記第１容積を、停止時間に応じて変更するように制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
前記燃料電池の前記アノードから排出される未反応燃料ガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス循環経路と、
前記未反応燃料ガス循環経路に設けられ前記未反応燃料ガスを前記燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、
前記未反応燃料ガス循環経路から分岐する未反応燃料ガスパージ経路と、
前記未反応燃料ガスパージ経路を開閉する未反応燃料ガスパージ弁と、
前記未反応燃料ガス循環経路に設けられ、容積を変更可能なバッファタンクと、
前記バッファタンクの容積を変える容積変更手段と、
を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
停止中に、前記容積変更手段によって前記バッファタンクの容積を前記第１容積にし、発電時は、前記容積変更手段によって前記バッファタンクの容積を前記第１容積よりも大きい第２容積にすると共に、前記未反応燃料ガス循環経路を流れる前記未反応燃料ガスの不純物ガス濃度が、予め設定された前記不純物ガス濃度の上限値に達する前に、前記未反応燃料ガスパージ弁を開きパージすることを特徴とする、
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、燃料電池のアノードから排出される未反応燃料ガスを、再び燃料ガスとしてアノードに供給するための未反応燃料ガス循環経路が設けられ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】
燃料電池システムでは、例えば、燃料電池のアノードに供給される水素を含有する燃料ガスを有効利用して、燃料電池システムの発電効率を高めるために、燃料電池で発電に利用されずにアノードから排出される未反応燃料ガスが、再び燃料電池のアノードに供給されるように、未反応燃料ガス循環経路を備えている。
【０００３】
電解質膜を用いた燃料電池に未反応燃料ガス循環経路を設けると、カソードに供給された酸化剤ガス（空気）に含まれる窒素などの不純物ガスが、カソード側からアノード側に透過して未反応燃料ガス循環経路を循環する燃料ガスにおいて濃縮されて、燃料電池の発電を阻害し、燃料電池の発電電圧が低下して、燃料電池の発電効率が大きく低下する。
【０００４】
そこで、未反応燃料ガス循環経路に、未反応燃料ガスを大気に放出するための未反応燃料ガス大気開放経路と、この未反応燃料ガス大気開放経路を開閉する大気開放弁（パージ弁）とを設け、周期的に所定条件を満たした場合に大気開放弁（パージ弁）を開いて未反応燃料ガス循環経路中の不純物ガスを未反応燃料ガスと共に大気開放（パージ）する。
【０００５】
ここで、燃料電池の発電開始からの時間経過と共に燃料ガスに濃縮される不純物ガスによって、燃料電池のセル電圧が所定状態よりも低下したときに、大気開放弁（パージ弁）を開くことによって所定時間だけ不純物ガスを未反応燃料ガスと共にパージすることで、燃料電池の発電電圧の低下を抑制する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４４２７８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記従来の構成では、発電中は、不純物ガスによる電圧低下を抑制するために、燃料電池のセル電圧の低下を検知して、パージ弁を開放し不純物ガスパージを行っている。そして、酸化剤ガス側から燃料ガス側に透過する不純物ガスの量は、未反応燃料ガス循環経路の容積によらず同じである。
【０００８】
パージ弁の耐久性を高めるために、発電中のパージ弁の作動回数を減らして、不純物ガス濃度の上昇を抑制する方法として、未反応燃料ガス循環経路の容積を大きくする方法がある。
【０００９】
また、停止中はパージ弁を閉じているため、未反応燃料ガス循環経路中の不純物ガスが多くなり、起動時に不純物ガスパージを行う。発電効率の向上のため、起動時の不純物ガスパージを行わないように、停止中のみ未反応燃料ガス循環経路の容積を小さくする方法がある。
【００１０】
前記従来技術では、未反応燃料ガス循環経路の容積が一定であるため、パージ弁の耐久性の向上と発電効率の向上とを両立できないという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、パージ弁の耐久性の向上と発電効率の向上とを両立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】
【００１２】
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、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池のアノードから排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス循環経路と、未反応燃料ガス循環経路に設けられ未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス循環経路から分岐する未反応燃料ガスパージ経路と、未反応燃料ガスパージ経路を開閉する未反応燃料ガスパージ弁と、未反応燃料ガス循環経路に設けられ、容積を変更可能なバッファタンクと、バッファタンクの容積を変える容積変更手段と、制御器と、を備え、制御器が、停止中には、バッファタンクの容積が第１容積になるように容積変更手段を制御し、発電時には、バッファタンクの容積が第１容積よりも大きい第２容積になるように容積変更手段を制御すると共に、未反応燃料ガス循環経路を流れる未反応燃料ガスの不純物ガス濃度が、予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガスパージ弁を開きパージするように制御するように構成されている。
【００１３】
これにより、発電時は、未反応燃料ガス循環経路のバッファタンクの容積を大きくすることで、不純物ガス濃度の上昇が抑えられるので、未反応燃料ガスパージ弁の作動回数が削減できる。
【００１４】
さらに、停止時は、未反応燃料ガス循環経路のバッファタンクの容積を小さくし、起動して発電する時は未反応燃料ガス循環経路のバッファタンクの容積を大きくするので、起動時の不純物濃度を低くでき、従来起動時に行っていた不純物ガスパージを行う必要がなくなり、未反応燃料ガスパージ弁の耐久性の向上と発電効率の向上とを両立することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、発電時は、未反応燃料ガス循環経路の容積を大きくすることで、未反応燃料ガスパージ弁の作動回数を削減して未反応燃料ガスパージ弁の耐久性を向上し、燃料電池システムとしての信頼性が向上する。
【００１６】
また、停止時には、未反応燃料ガス循環経路の容積を小さくし、起動して発電する時には、未反応燃料ガス循環経路の容積を大きくするので、起動時の不純物濃度を低くでき、従来起動時に行っていた不純物ガスパージを行う必要がなくなる。
【００１７】
これにより、起動時間が短縮できると共に、不純物ガスパージの際に用いていた燃料ガスを削減できるため、燃料電池システムの高効率化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１および３における燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図２】（ａ）燃料電池システムの停止中の図１におけるＡ部のバッファタンク内の容積とバッファタンク内の水位を示す概略図（ｂ）燃料電池システムの発電中の図１におけるＡ部のバッファタンク内の容積とバッファタンク内の水位を示す概略図
【図３】本発明の実施の形態１および３における燃料電池システムの運転方法を示すフローチャート
【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概略構成を示すブロック図
【図５】（ａ）燃料電池システムの停止中の図４におけるＢ部のバッファタンク内の容積とバッファタンク内の水位を示す概略図（ｂ）燃料電池システムの発電中の図４におけるＢ部のバッファタンク内の容積とバッファタンク内の水位を示す概略図
【図６】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を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態３における燃料電池システムの停止時間と停止中のバッファタンクの第１容積の関係を示す特性図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池のアノードから排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス循環経路と、未反応燃料ガス循環経路に設けられ未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス循環経路から分岐する未反応燃料ガスパージ経路と、未反応燃料ガスパージ経路を開閉する未反応燃料ガスパージ弁と、未反応燃料ガス循環経路に設けられ、容積を変更可能なバッファタンクと、バッファタンクの容積を変える容積変更手段と、制御器と、を備え、制御器は、停止中に、バッファタンクの容積が第１容積になるように容積変更手段を制御し、発電時は、バッファタンクの容積が第１容積よりも大きい第２容積になるように容積変更手段を制御すると共に、未反応燃料ガス循環経路を流れる未反応燃料ガスの不純物ガス濃度が、予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガスパージ弁を開きパージするように制御する燃料電池システムである。
【００２０】
この構成とすることで、燃料電池のアノードから排出される未反応燃料ガスを、再びアノードに燃料ガスとして供給する未反応燃料ガス循環経路に容量可変のバッファタンクを備えた燃料電池システムにおいて、発電時は、未反応燃料ガス循環経路に設けられたバッファタンクの容積を大きくなるように変更させる。
【００２１】
その結果、バッファタンクを含む未反応燃料ガス循環経路の未反応燃料ガス中の不純物ガスの濃縮速度を抑制させることが可能となり、未反応燃料ガスパージ弁の作動回数を抑制することで未反応燃料ガスパージ弁の耐久性が向上し、燃料電池システムとしての信頼性が向上する。
【００２２】
また、停止中は、未反応燃料ガス循環経路のバッファタンクの容積を小さくなるように変更させ、燃料電池システムを起動して発電する時には、未反応燃料ガス循環経路のバッファタンクの容積を大きくする。
【００２３】
その結果、起動時は、バッファタンクを含む未反応燃料ガス循環経路に濃縮する不純物ガスの濃度を低くすることが可能となり、従来起動時に行っていた不純物ガスパージを行う必要がなくなる。これにより、燃料電池システムの起動時間を短縮できると共に、不純物ガスパージの際に用いていた燃料ガスを削減できるため、燃料電池システムの高効率化が可能となる。
【００２４】
第２の発明は、特に第１の発明における容積変更手段として、バッファタンク内に水を供給する水供給器と、バッファタンク内の水を排出する水排出弁と、を備え、バッファタンクにおける未反応燃料ガス循環経路への未反応燃料ガスの流出口を、バッファタンク内
の最高水位よりも高い位置に配置し、制御器は、停止中にバッファタンクの容積が第１容積になるように、発電時はバッファタンクの容積が第１容積よりも大きい第２容積になるように、バッファタンク内の水の量を制御する燃料電池システムである。
【００２５】
この構成とすることで、容易に入手可能な水をバッファタンクの容積変更手段として利用することが可能となる。これにより、タンク構成を変化させることなく、バッファタンク内の水の量を制御することで、発電時は、バッファタンクの容積を大きくなるように変更できる。
【００２６】
その結果、バッファタンクを含む未反応燃料ガス循環経路の未反応燃料ガス中の不純物ガスの濃縮速度を抑制させることが可能となり、未反応燃料ガスパージ弁の作動回数を抑制することで未反応燃料ガスパージ弁の耐久性が向上し、燃料電池システムとしての信頼性が向上する。
【００２７】
また、停止中もタンク構成を変化させることなく、バッファタンク内の水の量を制御することで、バッファタンクの容積を小さくなるように変更できる。その結果、起動時は、バッファタンクを含む未反応燃料ガス循環経路を循環する燃料ガスに濃縮する不純物ガスの濃度を低くすることが可能となり、従来起動時に行っていた不純物ガスパージを行う必要がなくなる。
【００２８】
これにより、燃料電池システムの起動時間を短縮できると共に、不純物ガスパージの際に用いていた燃料ガスを削減できるため、燃料電池システムの高効率化が可能となる。
【００２９】
第３の発明は、特に第２の発明に加えて、バッファタンクの容積が第１容積になるときのバッファタンク内の水位と、バッファタンクの容積が第２容積になるときのバッファタンク内の水位と、を検知する水位検知器を備え、制御器は、水位検知器の検知水位に基づいて、水供給器と水排出弁とを制御する燃料電池システムである。
【００３０】
この構成とすることで、バッファタンクの容積を水位検知器で検知することにより、より正確にバッファタンクの容積を設定することが可能となる。これにより、未反応燃料ガスパージ弁の作動回数をより抑制することで未反応燃料ガスパージ弁の耐久性が向上し、燃料電池システムとしての信頼性を更に向上させることが可能となる。
【００３１】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明における制御器が、バッファタンクの第１容積を、停止時間に応じて変更するように制御する燃料電池システムである。
【００３２】
この構成とすることで、バッファタンクの第１容積を、停止時間に応じて変更し、バッファタンクの第２容積との容積差を不要に大きくする必要がなくなることから、停止中にバッファタンクの第２容積から第１容積へと変更するための時間と、容積を変更するために必要な機器の消費電力を抑制できることから、燃料電池システムの更なる高効率化が可能となる。
【００３３】
第５の発明は、アノードに供給される燃料ガスとカソードに供給される酸化剤ガスとを反応させることで発電を行う燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、燃料電池のアノードから排出される未反応燃料ガスを燃料ガスとして燃料ガス供給経路に供給するための未反応燃料ガス循環経路と、未反応燃料ガス循環経路に設けられ未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路に供給する搬送手段と、未反応燃料ガス循環経路から分岐する未反応燃料ガスパージ経路と、未反応燃料ガスパージ経路を開閉する未反応燃料ガスパージ弁と、未反応燃料ガス循環経路に設けられ、容積を変更可能なバッファタンクと、バッファタンクの容積を変える容積変更手段と、を備えた燃料電池システム
の運転方法であって、停止中に、容積変更手段によってバッファタンクの容積を第１容積にし、発電時は、容積変更手段によってバッファタンクの容積を第１容積よりも大きい第２容積にすると共に、未反応燃料ガス循環経路を流れる未反応燃料ガスの不純物ガス濃度が、予め設定された不純物ガス濃度の上限値に達する前に、未反応燃料ガスパージ弁を開きパージすることを特徴とする。
【００３４】
この運転方法とすることにより、発電時は、バッファタンクの容積を大きくなるように変更させる。その結果、バッファタンクを含む未反応燃料ガス循環経路の未反応燃料ガス中の不純物ガスの濃縮速度を抑制させることが可能となり、未反応燃料ガスパージ弁の作動回数を抑制することで未反応燃料ガスパージ弁の耐久性が向上し、燃料電池システムとしての信頼性が向上する。
【００３５】
また、停止中は、バッファタンクの容積を小さくなるように変更させ、燃料電池システムを起動して発電する時にはバッファタンクの容積を大きくする。その結果、起動時は、バッファタンクを含む未反応燃料ガス循環経路に濃縮する不純物ガスの濃度を低くすることが可能となり、従来起動時に行っていた不純物ガスパージを行う必要がなくなる。
【００３６】
これにより、起動時間が短縮できると共に、不純物ガスパージの際に用いていた燃料ガスを削減できるため、燃料電池システムの高効率化が可能となる燃料電池システムの運転方法を提供できる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態を具体的に例示する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３８】
また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００３９】
（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を示すブロック図である。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停止中と発電中のそれぞれの図１におけるＡ部のバッファタンク内の容積とバッファタンク内の水位を示す概略図である。図３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を示すフローチャートである。
【００４０】
図１に示すように、実施の形態１の燃料電池システム１００は、燃料電池１と、燃料ガス供給経路２と、酸化剤ガス供給経路３と、未反応燃料ガス循環経路４と、未反応燃料ガスパージ経路５と、未反応燃料ガスパージ弁６と、搬送手段７と、バッファタンク８と、水供給器９と、水排出弁１０と、制御器１０１とを備える。
【００４１】
燃料電池１は、アノードに供給される水素を含有する燃料ガス及びカソードに供給される酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電するものである。燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれの供給装置（図示せず）により供給する。
【００４２】
本実施の形態では、燃料ガスとして純水素ガスを用い、燃料電池システム内で発生する圧力損失よりも高い圧力で燃料ガスを燃料電池１のアノードに供給する。また、酸化剤ガスとして空気を用いる。燃料電池１には、固体高分子形燃料電池を用いる。
【００４３】
燃料ガス供給経路２は、燃料電池１のアノードに純水素ガスを供給するための経路である。また、酸化剤ガス供給経路３は、燃料電池１のカソードに空気を供給するための経路
である。
【００４４】
また、未反応燃料ガス循環経路４は、燃料電池１のアノードから排出された未反応燃料ガスを再び燃料電池１のアノードへ燃料ガスとして供給するための経路であり、燃料電池１のアノードから排出された未反応燃料ガスが、燃料ガス供給経路２を流れる燃料ガスと合流するように、未反応燃料ガス循環経路４の流出側の端部が燃料ガス供給経路２と連通している。
【００４５】
未反応燃料ガスパージ経路５は、未反応燃料ガス循環経路４から分岐して、未反応燃料ガス循環経路４内の未反応燃料ガスを外部へパージするための経路である。本実施の形態では、パージした未反応燃料ガスを空気で希釈することで、未反応燃料ガスに含まれる水素の濃度を可燃範囲以下に下げて、大気にパージする。
【００４６】
未反応燃料ガスパージ弁６は、未反応燃料ガスパージ経路５の途中に設けられており、未反応燃料ガス循環経路４内の未反応燃料ガスを外部へパージするために経路を開閉する開閉弁である。本実施の形態では、未反応燃料ガスパージ弁６に電磁弁を使用する。
【００４７】
搬送手段７は、未反応燃料ガス循環経路４の未反応燃料ガスを循環させる（燃料電池１のアノードから未反応燃料ガス循環経路４に排出された未反応燃料ガスを燃料ガス供給経路２に搬送する）ために、未反応燃料ガスパージ経路５との分岐点よりも上流側で未反応燃料ガス循環経路４に設けられたポンプである。
【００４８】
バッファタンク８は、搬送手段７よりも上流側で未反応燃料ガス循環経路４に設けられており、未反応燃料ガス循環経路４の経路内の容積を変更させることが可能なタンクである。本実施の形態では、バッファタンク８を固形のタンクとし、バッファタンク８内の水の量でバッファタンク８の容積を擬似的に変更する。以降、本実施の形態では、バッファタンク８の容積は、バッファタンク８内の水の量で変更した容積として記載する。
【００４９】
水供給器９は、バッファタンク８に水を供給するために、バッファタンク８に接続するように設けられている。
【００５０】
水排出弁１０は、バッファタンク８の水を排出するために、バッファタンク８の底部に接続するように設けられている。
【００５１】
制御器１０１は、燃料電池システム１００を制御するための制御機能を有し、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。演算処理部には、ＣＰＵを備えている。記憶部には、メモリーを備えている。
【００５２】
固体高分子形燃料電池は、一般的に、ＭＥＡをセパレータで挟持した構造であり、本実施の形態では、ＭＥＡは、ガス拡散層、カソード触媒層、固体高分子電解質膜、アノード触媒層、およびガス拡散層が積層した構造を有する。電池反応は、触媒と、触媒を担持する担体、およびアイオノマー（イオン伝導性高分子）とからなるカソード触媒層とアノード触媒層において進行する。
【００５３】
燃料電池１は、燃料電池１内のガス流路のガス拡散の性能などから、供給された純水素ガスを全て発電に使用することが困難であり、燃料電池１からは未反応燃料ガスが排出される。この排出された未反応燃料ガスをそのまま捨ててしまうと、純水素ガスを無駄にして燃料電池システム１００の発電効率が低下するため、燃料電池１で利用されなかった未反応燃料ガスを再び燃料電池１の燃料ガス供給経路２に循環させる。
【００５４】
このとき、燃料電池１内の電解質膜を通して酸化剤ガス側から燃料ガス側に、空気に含まれる窒素などの不純物ガスが透過して濃縮されるため、発電開始からの時間経過と共に未反応燃料ガス不純物ガスが濃縮される。
【００５５】
このため、濃縮される不純物ガスの量を予め実験で把握し、不純物ガスの量が所定量溜まる所定時間の間隔で定期的に不純物ガスを未反応燃料ガスと共にパージし、必要以上に未反応燃料ガスをパージすることを防止すると共に、燃料電池１の発電電圧が低下して、燃料電池１の発電効率が大きく低下することを防止する。
【００５６】
バッファタンク８の容積は、予め実験によって設定された水供給器９の水供給時間と水排出弁１０の水排出時間から、バッファタンク８内の水の量で設定する。本実施の形態では、未反応燃料ガス循環経路４の容積は２００ｃｃ、停止中のバッファタンク８の第１容積Ｖ１は５０ｃｃ、発電中のバッファタンク８の第２容積Ｖ２は３００ｃｃで設定する。
【００５７】
このとき、停止中の未反応燃料ガス循環経路４内の容積は２５０ｃｃ、発電中の未反応燃料ガス循環経路４内の容積は５００ｃｃとなる。バッファタンク８の容積は、バッファタンク８内の水の量で変化するため、バッファタンク８の容積は、バッファタンク８内の水位と比例関係となる。
【００５８】
ここでは、第１容積Ｖ１のときの水位を第１水位Ｈ２、第２容積Ｖ２のときの水位を第２水位Ｈ１とする。また、未反応燃料ガスパージ弁６を開き、パージする間隔は、予め実験によって設定された未反応燃料ガス循環経路４内の容積に応じた、燃料電池１の発電開始からの時間と窒素濃度の傾きから設定する。
【００５９】
ここでは、未反応燃料ガス循環経路４内の容積が２５０ｃｃの場合、燃料電池１の発電開始からの時間１５分に対し、窒素濃度が４０％上昇する傾きとなる。また、未反応燃料ガス循環経路４内の容積が５００ｃｃの場合、燃料電池１の発電開始からの時間１５分に対し、窒素濃度が２０％上昇する傾きとなる。
【００６０】
また、未反応燃料ガス循環経路４内の未反応燃料ガス中の窒素濃度を所定濃度以下に低減するために、未反応燃料ガス循環経路４内の未反応燃料ガスを、未反応燃料ガスパージ経路５からパージする。未反応燃料ガスパージ動作は、未反応燃料ガスパージ弁６を開放し、未反応燃料ガスパージ経路５から未反応燃料ガスをパージする。
【００６１】
本実施の形態では、未反応燃料ガスパージ経路５から未反応燃料ガスパージ動作を実施するか否かを、未反応燃料ガス循環経路４内の未反応燃料ガス中の窒素濃度により決定する。
【００６２】
未反応燃料ガス循環経路４内の未反応燃料ガス中の窒素濃度が第１所定濃度であれば、燃料電池１が純水素ガス中の窒素ガスにより電圧が低下し発電効率が低下するため、未反応燃料ガスパージ動作を実施する。
【００６３】
未反応燃料ガスパージ動作を実施し、正常に未反応燃料ガス循環経路４の窒素濃度が、第１所定濃度よりも低い濃度に設定された第２所定濃度に低下すると、燃料電池１の電圧が回復することで燃料電池１の発電効率が上昇する。
【００６４】
本実施の形態では、第１所定濃度を５０％とし、第２所定濃度を５％とする。また、燃料電池１の発電開始からの時間を発電時間ｔ１、窒素濃度をαとし、未反応燃料ガスパージ弁６を開放し未反応燃料ガスパージ経路５から未反応燃料ガスをパージする時間を開放時間ｔ２とする。
【００６５】
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、図１、図２および図３を参照しながら説明する。
【００６６】
図３に示すように、制御器１０１は、燃料電池システム１００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。
【００６７】
制御器１０１は、燃料電池１の発電時間ｔ１を取得開始し、水排出弁１０を所定時間開放し、バッファタンク８内の水を排出することで、バッファタンク８の容積を第２容積Ｖ２に変更させる（Ｓ１０１）。
【００６８】
次に、発電時間ｔ１から窒素濃度αを、予め実験で取得した燃料電池１の発電時間ｔ１と窒素濃度αの傾きの関係から算出する（Ｓ１０２）。そして、窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より高いか判定する（Ｓ１０３）。窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より低ければＳ１０２に戻り、窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より高ければ、未反応燃料ガスパージ弁６を開放すると共に開放時間ｔ２を取得開始する（Ｓ１０４）。
【００６９】
次に、開放時間ｔ２から窒素濃度αを、予め実験で取得した燃料電池１の未反応燃料ガスパージ弁６の開放時間ｔ２と窒素濃度αの傾きの関係から算出する（Ｓ１０５）。そして、窒素濃度αが第２所定濃度の５％より低いか判定する（Ｓ１０６）。
【００７０】
窒素濃度αが第２所定濃度の５％より高ければ、Ｓ１０５に戻り、窒素濃度αが第２所定濃度の５％より低ければ、未反応燃料ガスパージ弁６を閉止（Ｓ１０７）し、発電時間ｔ１、開放時間ｔ２の取得を終了する。
【００７１】
燃料電池１の発電停止の指示がない場合（Ｓ１０８）は、発電時間ｔ１、開放時間ｔ２をリセットし、発電時間ｔ１の再取得を開始（Ｓ１０９）してからＳ１０２に戻る。燃料電池１の発電停止の指示がある場合（Ｓ１０８）は、燃料電池１を停止すると共に、水供給器９から水を予め設定した所定時間供給し、バッファタンク８の容積を第１容積Ｖ１に変更させ（Ｓ１１０）、燃料電池システム１００の発電が停止され、終了となる。
【００７２】
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すみやかに移行するようにする。
【００７３】
このように、発電時は、バッファタンク８の容積を３００ｃｃとして未反応燃料ガス循環経路４の容積を大きくし、停止時は、バッファタンク８の容積を５０ｃｃとして未反応燃料ガス循環経路４の容積を小さくする動作を行うと、従来一定に固定されていた未反応燃料ガス循環経路４内の容積を、発電時と停止時で変更する運転ができる。
【００７４】
以上のように、本実施の形態においては、未反応燃料ガス循環経路４の容積を、発電時は、バッファタンク８の容積を第２容積Ｖ２になるように変更することで、未反応燃料ガス循環経路４内に濃縮した窒素を純水素ガスで希釈し、窒素濃度αを第１所定濃度の５０％より低くして、発電中の未反応燃料ガス中の不純物ガスの濃縮する速度を抑制することが可能となる。
【００７５】
これにより、未反応燃料ガスパージ弁６の作動回数を抑制し、未反応燃料ガスパージ弁６の耐久性を確保することで、燃料電池システム１００の信頼性が向上する。
【００７６】
さらに、停止中は、バッファタンク８の容積を第１容積Ｖ１になるように変更して、起動して発電する時には第２容積にＶ２に変更することで、未反応燃料ガス循環経路４内に
濃縮する不純物ガスの濃度を低くでき、燃料電池１の起動時の未反応燃料ガスのパージが必要なくなり、燃料電池システム１００の高効率化を実現することが可能となる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、バッファタンク８を固形のタンクとしたが、これに限らずタンク自体が変形可能で、タンク自体の変形により、バッファタンク８の容積を変更可能な構成であっても構わない。
【００７８】
また、本実施の形態では、不純物ガスを、燃料電池１の電解質膜を通して空気側から純水素ガス側に透過する空気に含まれる窒素ガスとしたが、これに限らず純水素ガス中に含有していた二酸化炭素や一酸化炭素、アンモニアなどであっても構わない。
【００７９】
さらに、未反応燃料ガス循環経路４に燃料ガスを循環させるために、未反応燃料ガス循環経路４にポンプを設置せず、燃料ガス供給経路２と未反応燃料ガス循環経路４が合流する部位にエゼクタやインジェクタを設置しても構わない。
【００８０】
また、未反応燃料ガスパージ動作を継続する時間は未反応燃料ガス循環経路４から不純物ガスをパージし、所定濃度より低くすることができれば、いかなる時間であっても構わない。
【００８１】
また、本実施の形態では、バッファタンク８の容積を、第１容積Ｖ１は５０ｃｃ、第２容積Ｖ２は３００ｃｃで設定したが、これに限定されず、第１容積Ｖ１は容積が小さいほどよく、第２容積Ｖ２は、未反応燃料ガス循環経路４内の容積に対して、起動時に不純物ガスの濃度が必要十分に希釈される容積であればよい。
【００８２】
また、本実施の形態では、バッファタンク８の容積を変更させる構成として、水供給器９と水排出弁１０を例示したが。これに限らず、燃料電池システム１００内に水タンクを設け、水タンクから水の給排水を行ってもよい。
【００８３】
さらに、本実施の形態では、燃料電池１の発電停止の指示有無の判断と停止動作を、未反応燃料ガスパージ弁６を閉止（Ｓ１０７）した後に行ったが、これに限らず、いかなる場所であっても構わない。
【００８４】
（実施の形態２）
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について、図４、図５および図６を用いて説明する。
【００８５】
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概略構成を示すブロック図である。図５は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの停止中と発電中のそれぞれの図４におけるＢ部のバッファタンク内の容積とバッファタンク内の水位を示す概略図である。図６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を示すフローチャートである。
【００８６】
なお、実施の形態２の燃料電池システム２００において、図１に示す実施の形態１の燃料電池システム１００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。
【００８７】
図４に示す燃料電池システム２００においては、バッファタンク８内に水位検知器１１を備え、制御器２０１が、水位検知器１１により検知された水位を基に燃料電池システム２００を制御する点で、実施の形態１の燃料電池システム１００と異なっている。
【００８８】
水位検知器１１は、バッファタンク８内の水位に応じて上下動するフロートを利用してバッファタンク８内の水位を検知する検知器である。
【００８９】
本実施の形態における燃料電池システム２００を構成する各機器の動作は、実施の形態１と同様であるため説明を省略するが、制御器２０１が、水位検知器１１により検知された水位をもとに、運転動作中のバッファタンク８内の水位を予め設定したバッファタンク８の容積となるように、水供給器９による水の供給量と水排出弁１０による水の排出量を変更させる点が異なっている。
【００９０】
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、図４、図５および図６を参照しながら説明する。
【００９１】
図６に示すように、制御器２０１は、燃料電池システム２００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。
【００９２】
制御器２０１は、燃料電池１の発電時間ｔ１を取得開始し、水位検知器１１で検知したバッファタンク８の容積が、第２容積Ｖ２に相当する第２水位Ｈ１に変更されるまで、水排出弁１０を開放する（Ｓ２０１）。
【００９３】
次に、発電時間ｔ１から窒素濃度αを、予め実験で取得した燃料電池１の発電時間ｔ１と窒素濃度αの傾きの関係から算出する（Ｓ２０２）。そして、窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より高いか判定する（Ｓ２０３）。窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より低ければＳ２０２に戻り、窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より高ければ、未反応燃料ガスパージ弁６を開放すると共に開放時間ｔ２を取得開始する（Ｓ２０４）。
【００９４】
次に、開放時間ｔ２から窒素濃度αを、予め実験で取得した燃料電池１の未反応燃料ガスパージ弁６の開放時間ｔ２と窒素濃度αの傾きの関係から算出する（Ｓ２０５）。そして、窒素濃度αが第２所定濃度の５％より低いか判定する（Ｓ２０６）。
【００９５】
窒素濃度αが第２所定濃度の５％より高ければ、Ｓ２０５に戻り、窒素濃度αが第２所定濃度の５％より低ければ、未反応燃料ガスパージ弁６を閉止（Ｓ２０７）し、発電時間ｔ１、開放時間ｔ２の取得を終了する。
【００９６】
燃料電池１の発電停止の指示がない場合（Ｓ２０８）は、発電時間ｔ１、開放時間ｔ２をリセットし、発電時間ｔ１の再取得を開始（Ｓ２０９）してからＳ２０２に戻る。燃料電池１の発電停止の指示がある場合（Ｓ２０８）は、燃料電池１を停止すると共に、水位検知器１１で検知したバッファタンク８の容積が、第１容積Ｖ１に相当する第１水位Ｈ２に変更されるまで、水供給器９から水を供給（Ｓ２１０）し、燃料電池システム１００の発電が停止され、終了となる。
【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すみやかに移行するようにする。
【００９８】
このように、発電時はバッファタンク８の容積を３００ｃｃとして未反応燃料ガス循環経路４の容積を大きくし、停止時はバッファタンク８の容積を５０ｃｃとして未反応燃料ガス循環経路４の容積を小さくする動作を行うと、従来一定に固定されていた未反応燃料ガス循環経路４の容積を、発電時と停止時で変更する運転ができる。
【００９９】
以上のように、本実施の形態においては、未反応燃料ガス循環経路４の容積を、発電時は、水位検知器１１で検知したバッファタンク８の容積を第２容積に相当する第２水位Ｈ
２に変更し、未反応燃料ガス循環経路４内に濃縮した窒素を純水素ガスで希釈し、窒素濃度αが第１所定濃度の５０％より低くすることが可能となるため、発電中の未反応燃料ガス中の不純物ガスの濃縮する速度を抑制することが可能となる。
【０１００】
これにより、未反応燃料ガスパージ弁６の作動回数を抑制することで、未反応燃料ガスパージ弁６の耐久性の確保が可能となり、燃料電池システム１００の信頼性が向上する。
【０１０１】
さらに、停止中は、水位検知器１１で検知したバッファタンク８の容積を第１容積Ｖ１に相当する第１水位Ｈ２に変更して、起動して発電する時に第２容積Ｖ２に相当する第２水位Ｈ１に変更することで、未反応燃料ガス循環経路４内に濃縮する不純物ガスの濃度を低くでき、燃料電池１の起動時の未反応燃料ガスのパージが必要なくなり、燃料電池システム２００の高効率化を実現することが可能となる。
【０１０２】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムの停止時間と停止中のバッファタンクの第１容積の関係を示す特性図である。
【０１０３】
本発明の実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システム１００における停止中のバッファタンク８の第１容積Ｖ１を、燃料電池システム１００の停止時間に応じて変更するものであり、実施の形態３の燃料電池システムのブロック図は、図１に示した実施の形態１の燃料電池システム１００と同様である。
【０１０４】
また、停止中のバッファタンク８の第１容積Ｖ１を、燃料電池システム１００の停止時間に応じて変更する点を除いた実施の形態３の燃料電池システムの運転方法は、図３に示した実施の形態１の燃料電池システム１００と同様である。
【０１０５】
実施の形態３の燃料電池システム１００において、図１に示す実施の形態１の燃料電池システム１００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。
【０１０６】
本発明の実施の形態３の燃料電池システム１００において、実施の形態１の燃料電池システム１００と異なる点について、図７を参照しながら説明する。
【０１０７】
図７に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム１００の停止中のバッファタンク８の第１容積Ｖ１を、燃料電池システム１００の停止時間に応じて変更する。すなわち、燃料電池システム１００の停止時間が長くなるのに伴って、第１容積Ｖ１を小さく変更し、その結果、第２容積との差が大きくなるように変更する。さらに、一定時間経過後は、最小容積で一定とする。
【０１０８】
この構成とすることで、燃料電池システム１００の停止中のバッファタンク８の第１容積Ｖ１を、停止時間に応じて変更し、バッファタンク８の第２容積Ｖ２との容積差を不要に大きくする必要がなくなる。
【０１０９】
これにより、停止中にバッファタンク８の第２容積Ｖ２から第１容積Ｖ１へと変更するための時間と、容積を変更するために必要な機器の消費電力を抑制でき、燃料電池システム１００の更なる高効率化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明の燃料電池システムは、未反応燃料ガス循環経路の容積を運転状態に応じて変更することで、未反応燃料ガス循環経路を備えた燃料電池システムの信頼性が向上すると共
に、燃料電池システムの高効率化を実現させることが可能となる。そのため、長期間にわたって安定した発電を行いたい用途、例えば、家庭用または業務用の燃料電池システムの分野で有用である。
【符号の説明】
【０１１１】
１  燃料電池
２  燃料ガス供給経路
３  酸化剤ガス供給経路
４  未反応燃料ガス循環経路
５  未反応燃料ガスパージ経路
６  未反応燃料ガスパージ弁
７  搬送手段
８  バッファタンク
９  水供給器
１０  水排出弁
１１  水位検知器
１００，２００  燃料電池システム
１０１，２０１  制御器
【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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