(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水素ガス循環流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】本願の燃料電池システム（１００）は、燃料電池スタック（１）に水素を供給する水素ガス供給流路（２）と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路（６）と、アノード（１ａ）から排出された未使用燃料ガスを水素ガス供給流路に循環させる水素ガス循環流路（３）と、を備えている。水素ガス供給流路を流通する水素含有ガスの窒素分圧と、酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧とを略等しくすることで、窒素の移動を抑制する。【選択図】図１
2019175644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んでアノードとカソードとが対設され、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に、前記燃料ガスを供給する水素ガス供給流路と、
前記燃料電池スタックに、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記アノードから排出された未使用燃料ガスを前記水素ガス供給流路に循環させる、水素ガス循環流路と、を備え、
前記水素ガス供給流路を流通する燃料ガスの窒素分圧と、前記酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧とを略等しくするようにした燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素ガス供給流路を流通する燃料ガスの窒素分圧と、前記酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧との分圧差を、所定範囲に設定するように構成された請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素ガス供給流路に供給される燃料ガスの窒素濃度を４０％以上に維持する、請求項１または２のいずれか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、発電に利用されずに燃料電池から排出される未反応の水素を循環させて使用する燃料電池システムにおいて、水素の排出を抑制する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムは、窒素がカソードから電解質膜を通ってアノードに移動するため、アノードで発電に利用されなかった水素を水素ガス循環流路内に循環させると、水素ガス循環流路内に窒素が蓄積し、水素ガス循環流路内の窒素濃度が上昇する。ここで、水素ガス循環流路とは、アノードで発電に利用されなかった水素を再度アノードに供給し、再利用するための流路である。水素ガス循環流路内の窒素濃度が上昇すると、アノードに供給される水素含有ガス中の窒素濃度が上昇する。アノードに供給される水素含有ガス中の窒素濃度が上昇すると、燃料電池での発電が不安定になるため、水素ガス循環流路からガスをパージすることで窒素を排出する。水素ガス循環流路からパージされるガスには水素が含まれるので、カソードから排出される空気と混合し、水素濃度を低減してから大気に排出するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載された従来の燃料電池システムのシステム構成図である。
図５に示すように燃料電池システム４００は、電解質膜３０ｃの両側に、アノード３０ａと、カソード３０ｂとが対設された燃料電池スタック３０と、制御装置４０と、パージ弁３１と、パージ水素希釈装置３２と、水素センサ３３から構成されている。
【０００４】
パージ弁３１を開放したときに排出されるパージガスには窒素だけでなく、水素が含まれるので、パージ水素希釈装置３２で水素センサ３３の検出結果に基づいてカソード１ｂから排出されるガスと混合し、パージガスを希釈して排出ガス水素濃度を適正に管理した上で排出するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２７６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、パージにより排出されるガスの水素濃度を低減するためのパージ水素希釈装置が必要であり、燃料電池システムが大型化するという課題を有していた。
【０００７】
ここで、燃料電池スタックのアノードに水素含有ガスを供給する流路を水素ガス供給流路とする。また、燃料電池スタックのカソードに酸素を含んだ酸化剤ガスを供給する流路を酸化剤ガス供給流路とする。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素ガス供給流路を流通する水素含有ガス中の窒素分圧と酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧とを略等しくすることで、アノードとカソードとの間の窒素の移動量を減らす。
【０００９】
これによって、窒素を水素ガス循環流路からパージすることが不要となり、パージ時に窒素とともに排出されていた水素が排出されず、パージ水素希釈装置を設ける必要がない、コンパクトな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】
【００１０】
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、電解質を挟んでアノードとカソードとが対設され、水素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、燃料電池スタックに、水素を供給する水素ガス供給流路と、燃料電池スタックに、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、アノードから排出された未使用の水素を水素ガス供給流路に循環させる、水素ガス循環流路と、を備え、水素ガス供給流路を流通する水素含有ガスの窒素分圧と、酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧とを略等しくすることにより、アノードとカソードとの間の窒素の移動量を減らすものである。
【００１１】
これによって、窒素の水素ガス循環流路からのパージが不要となり、パージ時に窒素とともに排出されていた水素が排出されず、パージ水素希釈装置を設ける必要がない、コンパクトな燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、パージ水素希釈装置を設ける必要のない、小型の燃料電池システムを提供することができる。さらに、可燃ガスである水素を排出しないので安全性も高く、需要家も安心して使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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システム構成図
【図２】本発明の実施の形態２における燃料電池システムのシステム構成図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における燃料電池システムの水素濃度と時間の関係を示す図            （ｂ）本発明の実施の形態２における燃料電池システムの燃料電池スタックのアノード入口とアノード出口の水素濃度と時間の関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態３における燃料電池システムのシステム構成図
【図５】従来の燃料電池システムのシステム構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、電解質を挟んでアノードとカソードとが対設され、水素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、燃料電池スタックに、水素を供給する水素ガス供給流路と、燃料電池スタックに、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、アノードから排出された未使用の水素を水素ガス供給流路に循環させる、水素ガス循環流路と、を備え、水素ガス供給流路を流通する水素含有ガスの窒素分圧と、酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧とを略等しくすることにより、窒素がアノードとカソード間の電解質膜を通って移動する量が減り、窒素の水素ガス循環流路からのパージが不要となる。これにより、パージ時に窒素とともに排出されていた水素が排出されなくなるため、パージ水素希釈装置を設ける必要がなくなる。その結果、小型化した燃料電池システムが実現できる。
【００１５】
第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムを、水素ガス供給流路を流通する水素含有ガスの窒素分圧と、酸化剤ガス供給流路を流通する酸化剤ガスの窒素分圧との分圧差を、所定範囲に設定する。窒素の移動は、水素含有ガスの窒素分圧と酸化剤ガスの窒素分圧の分圧差により発生する。そして、分圧差が大きいほど、窒素の移動は多くなる。そのため、分圧差を所定範囲に設定することにより、窒素がアノードとカソード間の電解質膜を通って移動する量を減らすことが出来る。窒素の移動量を減らし、窒素濃度の上昇を抑えることで、燃料電池スタックが発電できる水素濃度を確保できるため、窒素の水素ガス循環流路からのパージが不要となり、パージ時に窒素とともに排出されていた水素が排出されず、パージ水素希釈装置を設ける必要がなくなるので、小型化した燃料電池システムが実現できる。さらに、水素含有ガスに含まれる窒素の濃度を所定範囲に制御し、燃料電池スタックでの発電を安定させることができる。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の燃料電池システムを、水素ガス供給流路に供給される燃料ガスの窒素濃度を４０％以上に維持することにより、窒素がアノードとカソード間の電解質膜を通って移動する量を確実に減らし、窒素の水素ガス循環流路からのパージが不要となり、パージ時に窒素とともに排出されていた水素が排出されず、パージ水素希釈装置を設ける必要がなくなるので、小型化した燃料電池システムが実現できる。
【００１７】
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。
（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システム構成図を示すものである。
【００１８】
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、アノード１ａと、電解質膜１ｃと、カソード１ｂと、水素ガス供給流路２と、水素ガス循環流路３と、水素ガス循環手段４と、酸化剤ガス供給手段５と、酸化剤ガス供給流路６と、酸化剤ガス排気流路７を備えている。
【００１９】
燃料電池スタック１は、水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質からなる電解質膜１ｃと、電解質膜１ｃを挟むように設けられたアノード１ａと、カソード１ｂで構成される燃料電池セルを複数積層して構成される固体高分子型燃料電池である。
【００２０】
アノード１ａは、電解質膜１ｃの一方の面に形成され、白金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置されたカーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成されている。
【００２１】
カソード１ｂは、電解質膜１ｃのもう一方の面に形成され、白金粒子が担持されたカーボンと水素イオン伝導性を有する高分子電解質からなる触媒層と、その触媒層に積層されるように配置されたカーボンとフッ素樹脂からなる導電性のガス拡散層で構成されている。
【００２２】
水素ガス供給流路２は、燃料電池スタック１のアノード１ａに、燃料ガスである水素を供給する配管である。
【００２３】
水素ガス循環流路３は、燃料電池スタック１で発電に利用されなかった水素含有ガスを、水素ガス供給流路２に戻すための配管である。
【００２４】
水素ガス循環手段４は、水素ガス循環流路３に水素含有ガスを流すためのポンプである。
【００２５】
酸化剤ガス供給手段５は、燃料電池スタック１のカソード１ｂに、酸化剤ガスである空気を供給するためのポンプである。
【００２６】
酸化剤ガス供給流路６は、空気をカソード１ｂへ供給する配管である。
【００２７】
酸化剤ガス排気流路７は、発電に利用されなかった空気を燃料電池スタック１のカソード１ｂから大気へ排気する配管である。
【００２８】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００２９】
まず、水素をアノード１ａに供給し、空気を酸化剤ガス供給手段５によって、カソード１ｂに供給すると、アノード１ａで電気化学反応により発生した水素イオンが、電解質膜１ｃを通過してカソード１ｂまで移動し、カソード１ｂで酸素と反応した結果、燃料電池スタック１で発電が行われる。
【００３０】
発電に利用されなかった未反応の水素は、水素ガス循環流路３に排出される。
【００３１】
また、発電に利用されなかった空気は、酸化剤ガス排気流路７に排出される。
【００３２】
ここで、水素ガス供給流路２中の水素含有ガスの圧力を所定圧に設計することで、アノード１ａ内に同じ圧力をかけることができる。その結果、アノード１ａ内の窒素濃度に応じて、アノード１ａ内の窒素分圧が決まる。また、酸化剤ガス供給流路６中の空気の圧力を所定圧に設計することで、カソード１ｂ内に同じ圧力をかけることができる。その結果、カソード１ｂ内の窒素濃度に応じて、カソード１ｂ内の窒素分圧が決まる。
【００３３】
アノード１ａ内の窒素分圧とカソード１ｂ内の窒素分圧との分圧差により、電解質膜１ｃを通して窒素の移動は発生する。窒素の移動は窒素分圧が高い側から窒素分圧が低い側へと生じる。
【００３４】
発電開始当初は、水素ガス供給流路２に供給される水素含有ガスには窒素が混入していない。そのため、酸化剤ガス供給流路６中の空気の窒素分圧が、水素ガス供給流路２中の水素含有ガスの窒素分圧より高くなり、燃料電池スタック１が発電を継続して行うと、カソード１ｂに供給される空気中の窒素が、電解質膜１ｃを通ってアノード１ａに移動する。移動した窒素は、発電に利用されなかった未反応の水素とともに、水素ガス循環流路３に排出され、水素ガス循環手段４によって循環され、水素ガス供給流路２に合流し、燃料電池システム１００の外部から供給される水素と合流して、再び燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される。
【００３５】
このように、発電を継続すると、電解質膜１ｃを通ってアノード１ａに窒素が移動することで、次第に水素ガス供給流路２を流通する水素含有ガスの窒素分圧が高まり、酸化剤ガス供給流路６を流通する空気の窒素分圧と等しくなる。
【００３６】
水素ガス供給流路２を流通する水素含有ガスの窒素分圧と、酸化剤ガス供給流路６を流通する空気の窒素分圧が等しくなると、窒素がカソード１ｂから電解質膜１ｃを通ってアノード１ａに移動しなくなる。
【００３７】
本実施の形態では、酸化剤ガス供給流路６中の空気の圧力を１１０ｋＰａになるように設計すると、カソード１ｂ内に同じ圧力である１１０ｋＰａをかけることが出来る。空気の組成は、酸素：窒素：その他＝２１：７８：１であるので、カソード１ｂに供給される空気の窒素分圧は、８５．８ｋＰａとなる。また、水素ガス供給流路２中の水素含有ガスの圧力を１５０ｋＰａに設計すると、アノード１ａ内に同じ圧力である１５０ｋＰａをかけることが出来る。発電開始当初は、アノード１ａに供給される水素含有ガスには窒素が混入していないため、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧は０ｋＰａとなる。燃料電池スタック１が発電を継続して行うと、カソード１ｂに供給される空気中の窒素が、電解質膜１ｃを通ってアノード１ａに移動する。その結果、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧は、カソード１ｂに供給される空気の窒素分圧と同じ８５．８ｋＰａに向かって増加する。アノード１ａに供給される水素含有ガスの圧力は１５０ｋＰａであり、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧が８５．８ｋＰａまで増加した結果、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素濃度は５７．２％になる。このことから、アノード１ａに供給される水素含有ガスの圧力と、カソード１ｂに供給される空気の圧力とを設計することで、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧及び窒素濃度を決めることが出来る。ここで、燃料電池スタック１で安定して発電するためには、アノード１ａに供給する窒素濃度を７０％以下に抑える必要がある。アノード１ａに供給する窒素濃度が高すぎると、窒素が阻害物質となり、発電を継続出来なくなるためである。
【００３８】
アノード１ａの水素含有ガスの窒素分圧とカソード１ｂの空気の窒素分圧とを略等しくするように燃料電池システム１００を構成するとともに、アノード１ａに供給される水素含有ガスの圧力をカソード１ｂに供給される空気の圧力よりも高く設計する。これにより、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素濃度を、燃料電池スタック１で安定して発電を行える窒素濃度に維持することが出来る。燃料電池スタック１が安定して発電を行えることにより、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素濃度を低減するために、窒素をパージする必要がなくなる。
【００３９】
これによって、窒素をパージする時に同時に水素が排出されることもなくなるので、パージ水素希釈装置を設ける必要がない。
【００４０】
なお、燃料電池スタック１で安定して発電するために、アノード１ａに供給する窒素濃度は、燃料電池スタック１の構成により異なるため、如何なる値であっても構わない。
【００４１】
以上のように、本実施の形態においては、水素ガス供給流路２の窒素分圧と酸化剤ガス供給流路６の窒素分圧とを略等しくするようにしたことにより、窒素をパージする必要がなくなる。その結果、パージによる水素の排出も無くすことが出来るため、パージ水素希釈装置を設ける必要がなく、燃料電池システムを小型化することができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムのシステム構成図を示すものである。
【００４２】
図２において、燃料電池システム２００は、水素ガス圧力調整手段１１と、水素ガス入口圧力センサ１２と、酸化剤ガス入口圧力センサ１３と、制御装置２０とを備えている。
【００４３】
水素ガス圧力調整手段１１は、水素ガス供給流路２に供給される水素の圧力を調整できるものである。
【００４４】
水素ガス入口圧力センサ１２は、アノード１ａに流入する水素の圧力を検知するセンサである。酸化剤ガス入口圧力センサ１３は、酸化剤ガス供給手段５から供給される空気の圧力を検知するセンサである。
【００４５】
制御装置２０は、演算処理部（ＣＰＵ）と制御プログラムを記憶する記憶部（メモリ）を備え、制御機能を有する。
【００４６】
図１に示した燃料電池システム１００と同様の構成については、同じ番号を付与し説明を省略する。
【００４７】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００４８】
水素ガス入口圧力センサ１２にて検知された値は制御装置２０に取り込まれ、水素ガス圧力調整手段１１と、水素ガス循環手段４とを制御し、水素ガス供給流路２の圧力を調整する。
【００４９】
また、酸化剤ガス入口圧力センサ１３にて検知された値は、制御装置２０に取り込まれ、酸化剤ガス供給手段５を制御し、酸化剤ガス供給流路６内の空気の圧力を調整する。
【００５０】
カソード１ｂに供給される空気の圧力をＰＣＡとすると、空気の組成は、酸素：窒素：その他＝２１：７８：１であるので、カソード１ｂに供給される空気の窒素分圧ＰＣＮは、（数１）で表される。
【００５１】
【数１】
2019175644.tif 000003
【００５２】
また、アノード１ａに供給される水素の圧力をＰＡＨ、アノード１ａに供給される水素中の水素濃度をＮＡＨ（％）、窒素濃度をＮＡＮ（％）とすると、アノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧ＰＡＮは（数２）で表される。
【００５３】
【数２】
2019175644.tif 000004
【００５４】
次に、図２のように水素ガス循環流路３を備えた燃料電池システムの発電量を一定にした状態で、燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される水素含有ガス中の水素濃度が経時的にどのように変化するかを、複数の水素の圧力（Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３）で検討した結果が図３（ａ）である。図３（ａ）は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの水素濃度と時間の関係を示す図である。
【００５５】
図３（ａ）のように、発電時間とともに水素濃度は安定する傾向であること、及び水素含有ガスの圧力が高ければ高いほど、水素濃度が高くなることを見出した。
【００５６】
しかし、同時に、アノード１ａに供給される水素の水素圧力が高くなるにつれて、アノード１ａからカソード１ｂへ水素が移動する量が増えるため、水素のロスが増加し、発電効率が悪くなる。
【００５７】
そこで、燃料電池スタック１のアノード１ａからカソード１ｂへ水素を移動させず、同時に、燃料電池スタック１で発電を行う際に、水素濃度が低くなり過ぎないようにするためには、水素濃度をどこまで低減することができるかについて検討した。
【００５８】
その結果が図３（ｂ）である。図３（ｂ）は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの燃料電池スタックのアノード入口とアノード出口の水素濃度と時間の関係を示す図である。
【００５９】
図３（ｂ）のように、燃料電池スタック１のアノード１ａ入口の水素濃度が４０％未満になると、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口の水素濃度が０％近くまで下がることがわかり、燃料電池スタック１で発電を行うために必要なアノード１ａ入口の水素濃度は、４０％が限界であることがわかった。
【００６０】
これにより、（数２）において、アノード１ａの水素濃度をＮＡＨ＝４０（％）、アノード１ａの窒素濃度ＮＡＮ  ＝６０（％）とすることができる。
【００６１】
カソード１ｂからアノード１ａに窒素を移動させないためには、（数１）のカソードに供給される空気の窒素分圧ＰＣＮと、（数２）のアノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧ＰＡＮとが等しくなるようにすればよいので、下記のようになる。
【００６２】
【数３】
2019175644.tif 000005
【００６３】
【数４】
2019175644.tif 000006
【００６４】
【数５】
2019175644.tif 000007
【００６５】
つまり、アノード１ａに流入する水素圧力を、カソード１ｂに流入する空気圧力の１．９５倍に設定するように、制御装置２０は水素ガス循環手段４を制御すれば、アノード１ａの水素含有ガスの窒素分圧ＰＡＮとカソード１ｂの空気の窒素分圧ＰＣＮとが略等しくなるので、アノード１ａとカソード１ｂとの間の窒素の移動量を減らすことができる。
【００６６】
以上のように、本実施の形態においては、アノード１ａに流入する水素含有ガスの窒素分圧ＰＡＮを、カソード１ｂに流入する空気の窒素分圧ＰＣＮと等しくして、窒素の移動が起こらないようにするために、アノード１ａに流入する水素の水素分圧を、カソード１ｂに流入する空気圧力の１．９５倍に設定するように、制御装置２０は水素ガス循環手段４を制御すればよいことがわかった。
【００６７】
なお、本実施の形態２では、アノード１ａ内の窒素分圧とカソード１ｂ内の窒素分圧との分圧差をゼロにする場合について述べた。分圧差は常にゼロにする必要はなく、例えば、±１ｋＰａなどの幅で変動するようにしてもかまわない。適切な分圧差は燃料電池システム３００の構成によって異なるため、構成に応じて設定すれば良い。
【００６８】
このように制御を行うことにより、窒素をパージする必要がなくなる。その結果、パージによる水素の排出も無くすことが出来るため、パージ水素希釈装置を設ける必要がなく、燃料電池システムを小型化することができる。
（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における燃料電池システムのシステム構成図を示すものである。
【００６９】
図４において、燃料電池システム３００は、水素ガス圧力調整手段１１と、水素濃度センサ１４と、制御装置２０とを備えている。
【００７０】
水素ガス濃度センサ１４は、アノード１ａに流入する水素の濃度を検知するセンサである。
【００７１】
図１に示した燃料電池システム１００と同様の構成については、同じ番号を付与し説明を省略する。
【００７２】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００７３】
本実施の形態においては、発電に利用されなかった未反応の水素を水素ガス循環手段４にて循環させ、燃料電池システム３００の外部から供給される水素と合流させた後の水素ガス供給流路中の水素の水素濃度の値を、水素濃度センサ１４にて検知し、制御装置２０へ取り込む。
【００７４】
実施の形態２で示したように、燃料電池スタック１のアノード１ａからカソード１ｂへの水素の移動量を減らし、同時に燃料電池スタック１で発電を行う際に、水素が不足しないようにする必要がある。そのために、水素濃度をどこまで低減することができるかについて検討した。その結果、燃料電池スタック１のアノード１ａ入口の水素濃度が４０％未満になると、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口の水素濃度が０％近くまで下がることがわかった。そこから、燃料電池スタック１で発電を行うために必要なアノード１ａ入口の水素濃度は、４０％以上必要であることがわかった。そこで、アノード１ａ入口の水素濃度を４５％で制御することで、アノード１ａとカソード１ｂとの間の窒素の移動量を減らすことを行った。
【００７５】
カソード１ｂからアノード１ａに窒素を移動させないためには、（数１）のカソード１ｂに供給される空気の窒素分圧ＰＣＮと、（数２）のアノード１ａに供給される水素含有ガスの窒素分圧ＰＡＮとが等しくなるようにすればよいので、下記のようになる。
【００７６】
【数６】
2019175644.tif 000008
【００７７】
【数７】
2019175644.tif 000009
【００７８】
【数８】
2019175644.tif 000010
【００７９】
つまり、アノード１ａに流入する水素圧力を、カソード１ｂに流入する空気圧力の１．７３倍に設定するように、制御装置２０は水素ガス循環手段４を制御すれば、アノード１ａの水素含有ガスの窒素分圧ＰＡＮとカソード１ｂの空気の窒素分圧ＰＣＮとが略等しくなるので、アノード１ａとカソード１ｂとの間の窒素の移動量を減らすことができる。
【００８０】
アノード１ａ入口の水素濃度を４５％に制御するために、水素濃度センサ１４と水素ガス圧力調整手段１１を用いる。水素濃度センサ１４で検知した水素濃度が４５％になるように、水素ガス圧力調整手段１１を制御する。例えば、水素濃度センサ１４で検知した水素濃度が４５％を超えるときは、水素ガス圧力調整手段１１によりアノード１ａに供給する水素の圧力を上昇させる。また、水素濃度センサ１４で検知した水素濃度が４５％を下回るときは、水素ガス圧力調整手段１１によりアノード１ａに供給する水素の圧力を低下させる。ここで、水素濃度センサ１４で検知した水素濃度を４５％に制御する上で、水素濃度は４０％〜５０％の幅で変動するように設計しても構わない。このように制御する場合は、例えば、アノード１ａ内の窒素分圧とカソード１ｂ内の窒素分圧との分圧差を±１ｋＰａの範囲に入るように制御すれば良い。適切な分圧差は燃料電池システム３００の構成によって異なるため、構成に応じて設定すれば良い。
【００８１】
以上のように、本実施の形態においては、水素ガス供給流路２に供給される水素含有ガスの窒素濃度を４５％に制御することで、窒素をパージする必要がなくなる。その結果、パージによる水素の排出も無くすことが出来るため、パージ水素希釈装置を設ける必要がなく、燃料電池システムを小型化することができる。
【００８２】
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】
【００８３】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、パージ水素希釈装置を設ける必要のない小型の燃料電池システム構成が可能になるので、家庭用や業務用、及び車載用等の燃料電池システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１００  燃料電池システム
１      燃料電池スタック
１ａ    アノード
１ｂ    カソード
１ｃ    電解質膜
２      水素ガス供給流路
３      水素ガス循環流路
４      水素ガス循環手段
５      酸化剤ガス供給手段
６      酸化剤ガス供給流路
７      酸化剤ガス排気流路
１１    水素ガス圧力調整手段
１２    水素ガス入口圧力センサ  
１３    酸化剤ガス入口圧力センサ
１４    水素ガス濃度センサ
２０    制御装置
【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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