(57)【要約】【課題】システムの大型化を招くことなく、またコストを抑えながら燃料ガス濃度変化を確実、且つ高速に検出することができ、燃料ガス循環経路内の状況に応じて的確にパージ制御を行うことが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガス循環経路を構成する水素環流ライン９にバイパスライン１７を接続し、このバイパスライン１７中に熱式マスフローセンサ１８を設置する。そして、水素環流ライン９を流れるアノード排ガスの一部をバイパスライン１７を介して熱式マスフローセンサ１８に導入し、この熱式マスフローセンサ１８の出力に基づいて、コントローラ１３がパージのタイミングを判断し、ガスパージ弁１２の開閉を制御する。【選択図】図１
2005302456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタックと、この燃料電池スタックでの発電に使用されなかった燃料ガスを循環させるための燃料ガス循環経路とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス循環経路内のガスを外部へ排出するためのガスパージ弁と、
前記燃料ガス循環経路内の水素濃度の変動量を検出する水素濃度変動量検出手段と、
前記水素濃度変動量検出手段による検出結果に基づいて前記ガスパージ弁の開閉を制御するガスパージ弁開閉制御手段とを備え、
前記水素濃度変動量検出手段が、水素濃度変化を反映する燃料ガスの粘性及び熱伝導度の変化を流量値の変動量として検出する熱式マスフローセンサを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス循環経路に当該燃料ガス循環経路よりも流路断面積の小さいバイパス経路が接続されていると共に、当該バイパス経路に前記熱式マスフローセンサが配置され、当該熱式マスフローセンサに前記燃料ガス循環経路を流れる燃料ガスの一部が導入されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記バイパス経路は、前記燃料電池スタックの出口側に位置して、前記燃料ガス循環経路に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス経路は、前記燃料電池スタックをバイパスするように、前記燃料ガス循環経路に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素濃度変動量検出手段が、前記バイパス経路の両端間の圧力差を測定するための圧力センサを有することを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素濃度変動量検出手段が、システム運転時に前記バイパス経路を流れる燃料ガスの温度を一定温度に保つための加熱手段を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガスパージ弁開閉制御手段は、前記燃料ガス循環経路内の水素濃度変化量が閾値を越えたときに前記ガスパージ弁を開状態とすることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガスパージ弁開閉制御部は、前記燃料電池スタックの運転状態に応じて前記閾値を決定することを特徴とする請求項７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、燃料電池スタックでの発電に使用されなかった未使用の燃料ガスを燃料ガス循環経路によって環流させて燃料電池スタックに再度供給する燃料循環型の燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料ガス循環経路におけるパージ制御の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車等の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池システムは、水素を含む燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスを燃料電池スタックの燃料極及び酸化剤極にそれぞれ供給し、燃料電池スタックで電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムでは、燃料電池スタックでの電気化学反応によって生成されるのは水のみであって、有害物質を含む排気ガスや二酸化炭素が排出されることはない。
【０００３】
燃料電池システムの構成としては、燃料ガスの利用効率を上げるための工夫として、燃料電池スタックで使用されなかった未使用の燃料ガスを、再度燃料電池スタックへと循環させて再利用する燃料循環型の燃料電池システムが知られている。
【０００４】
この燃料循環型の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの燃料極から排出された余剰の燃料ガスを循環配管を通してエゼクタに戻し、この戻した余剰の燃料ガスと別途エゼクタに導入される水素濃度の高い原燃料ガスとを混合して、再度燃料電池スタックの燃料極に供給するようにしている。
【０００５】
ところで、燃料循環型の燃料電池システムでは、燃料ガスである水素を循環させることによって燃料ガスが循環する経路内に窒素やＣＯ等の不純物が蓄積し、水素分圧が次第に降下していく。これに伴い、燃料電池スタックの発電効率が低下することから、不純物濃度が高くなった場合には、ガスパージ弁を開放して燃料ガス循環経路内のガスをパージし、循環経路内から不純物を除去することが行われている。
【０００６】
このとき、燃料ガス循環経路内のガスを必要以上にパージすると燃料ガスが無駄に排出され、逆にパージが不足すると発電効率の悪化を招くおそれがあることから、燃料ガス循環経路内の水素濃度を的確に把握し、適切なタイミングでパージを行うことが重要である。このような観点から、従来より、パージ動作を適切に行うための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００７】
特許文献１記載の技術は、燃料電池システム作動時に超音波流量計にて燃料ガスの体積流量と平均ガス密度を求め、燃料ガス循環経路内の燃料ガス（水素ガス）濃度や不純物濃度を演算し、水素質量流量が閾値以下で、不純物ガス存在量が閾値以上であるときに、パージを行わせるというものである。
【特許文献１】特開２００３−３１７７５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１記載の発明のように、超音波流量計にて燃料ガスの体積流量と平均ガス密度を求める場合には、超音波流量計を測定系内に装着するための空間が必要であり、システムが大型化するという不都合がある。また、超音波流量計は、装置自体高価であり、簡便に不純物濃度の変化を知りたい場合にも多大なコストを要するという問題点もある。
【０００９】
本発明は、このような従来のものの有する不都合、問題点を解消すべく提案されたものであり、システムの大型化を招くことなく、またコストを抑えながら燃料ガス濃度変化を確実、且つ高速に検出することができ、燃料ガス循環経路内の状況に応じて的確にパージ制御を行うことが可能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】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガス循環経路によって燃料電池スタックでの発電に使用されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環型の燃料電池システムであり、燃料ガス循環経路内のガスを外部に排出するためのガスパージ弁と、燃料ガス循環経路内の水素濃度の変動量を検出する水素濃度変動量検出手段と、この水素濃度変動手段の検出結果に基づいてガスパージ弁の開閉を制御するガスパージ弁開閉制御手段とを備える。そして、水素濃度変動量検出手段が、水素濃度変化を反映する燃料ガスの粘性及び熱伝導度の変化を流量値の変動量として検出する熱式マスフローセンサを有している。
【００１１】
以上の構成の燃料電池システムでは、燃料ガス循環経路を流れる燃料ガス中の水素濃度変化に応じてガスパージ弁の開閉状態が制御されるので、燃料ガス循環経路内の不純物（特に窒素）の蓄積・増加による燃料電池スタックの発電効率低下が抑制される。また、燃料ガス循環経路内の水素濃度の変動量を検出する手段として熱式マスフローセンサを用いているが、この熱式マスフローセンサは、超音波流量計よりも小型で安価であるため、システムの大型化、コストアップも抑制される。さらに、熱式マスフローセンサは、パラジウム等の物質内に水素を拡散させて水素選択性を持たせているガスセンサ等よりも水素濃度の変化を原理上高速に検出でき、一般的なマスフローセンサの構成上、接ガス部にリード線等の発火源を持たないので安全性の点でも有利である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、システムの大型化を招くことなく、またコストを抑えながら燃料ガス濃度変化を確実、且つ高速に検出することができ、燃料ガス循環経路内の状況に応じて的確にパージ制御を行うことが可能である。このため、燃料ガスの無駄な排出を抑えながら、循環燃料ガス中の不純物（特に窒素）の蓄積・増加による燃料電池の発電効率低下を有効に抑制することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すものである。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料ガスである水素を供給する水素供給系、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系とを備える。
【００１５】
燃料電池スタック１は、燃料ガスである水素が供給されるアノード（燃料極）１ａと酸化剤ガスである空気が供給されるカソード（酸化剤極）１ｂとが電解質１ｃを挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック１の各発電セルでは、アノード１ａに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質１ｃを通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード１ｂにそれぞれ移動する。カソード１ｂでは、供給された空気中の酸素と電解質１ｃを通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１６】
燃料電池スタック１の電解質１ｃとしては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１７】
水素供給系は、例えば、水素タンク等の水素供給装置２を有し、この水素供給装置２からの水素が水素供給バルブ３で機械的に減圧され、水素調圧弁４にて所望の圧力に調整された上で、エゼクタ５、水素供給ライン６を介して燃料電池スタック１のアノード１ａへと供給されるようになっている。水素供給ライン６を流れる水素圧力は圧力センサ７によって検出され、水素圧力制御手段８が圧力センサ７で検出された水素圧力をフィードバックして水素調圧弁４を駆動することによって、燃料電池スタック１のアノード１ａ側の圧力が所望の圧力に保たれる。アノード１ａ側の圧力を一定に制御することによって、燃料電池スタック１での発電で消費された分に相当する水素が自動的に補われることになる。
【００１８】
燃料電池スタック１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック１のアノード１ａから排出されるアノード排ガス）は、新たに水素供給装置２から供給される水素と混合されて、再度燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される。このため、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口側には水素環流ライン９が接続され、この水素環流ライン９にエゼクタ５や水素循環ポンプ１０が設置されている。エゼクタ５は、水素供給ライン６を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素環流ライン９を流れる水素を循環させるものであり、水素循環ポンプ１０は、エゼクタ５が作動しない領域を補うものである。
【００１９】
本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給ライン６と、燃料電池スタック１内のアノード１ａ側流路と、水素環流ライン９とによって、燃料ガスである水素を循環させる燃料ガス循環経路が構成され、燃料循環型の燃料電池システムとされている。
【００２０】
また、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口側には、水素環流ライン９から分岐するようにして、燃料電池スタック１からのアノード排ガスを系外に排出するための排出ライン１１が接続されており、この排出ライン１１の水素環流ライン９との分岐位置の下流側にガスパージ弁１２が設けられている。このガスパージ弁１２は、燃料電池スタック１から排出されるアノード排ガスの流路を切り替える機能を有するものであり、燃料ガス循環経路のパージを行う際にコントローラ（ガスパージ弁開閉制御手段）１３の制御のもとで開放されて、燃料電池スタック１のアノード１ａから排出される水素を排出ライン１１を介して外部に排出する。
【００２１】
上述したように水素を循環させて使用する燃料循環型の燃料電池システムでは、水素の循環に伴って燃料ガス循環経路内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック１の効率低下に繋がるので、このような場合には、コントローラ１３の制御によりガスパージ弁１２を開放して燃料ガス循環経路内のガスをパージすることで、不純物質を水素と共に系外に排出する。
【００２２】
また、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口近傍には、温度センサ１４及び圧力センサ１５が設置されており、燃料電池スタック１から排出されるアノード排ガスの温度や圧力がこれら温度センサ１４及び圧力センサ１５によって検出され、その検出結果がコントローラ１３に送られるようになっている。
【００２３】
さらに、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口側の水素環流ライン９には、温度センサ１４や圧力センサ１５の下流側に位置して、システム運転上影響を与えない程度の差圧を発生させる差圧発生器１６が設置され、この差圧発生器１６の前後に亘って、水素環流ライン９よりも流路断面積の小さいバイパスライン１７が接続されている。そして、このバイパスライン１７に熱式マスフローセンサ１８が設置され、これにより、燃料電池スタック１から排出されたアノード排ガスの一部がバイパスライン１７を介して熱式マスフローセンサ１８に導入されるようになっている。ここで、バイパスライン１７は、その径が長さに対して十分小さくされており、内部で層流をなすように形成されている。
【００２４】
熱式マスフローセンサ１８は、燃料ガス循環経路内の水素濃度変化を反映するアノード排ガスの粘性及び熱伝導度の変化を流量値の変動量として検出するものであり、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス循環経路内の水素濃度の変動量を検出するための水素濃度変動量検出手段として、この熱式マスフローセンサ１８を用いている。
【００２５】
また、バイパスライン１７には温度センサ１９が設置されていると共に、その近傍にヒータ２０が設置され、バイパスライン１７を流れるアノード排ガスの温度が温度センサ１９によって監視され、必要に応じてヒータ２０が加熱動作を行うことで、熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガスの温度が常に一定に保たれるようになっている。これにより、アノード排ガス自体の温度変動や水分凝縮及び周辺環境温度の変化が熱式マスフローセンサ１８での検出に影響を及ぼす不都合を抑制するようにしている。
【００２６】
一方、空気供給系は、外気を吸入するコンプレッサ２１を有し、このコンプレッサ２１で吸入された空気が加湿器２２によって加湿された上で、空気供給ライン２３を介して燃料電池スタック１のカソード１ｂへと供給されるようになっている。また、燃料電池スタック１のカソード１ｂ出口側には空気排出ライン２４が接続され、燃料電池スタック１のカソード１ｂから排出されるカソード排ガスが、この空気排出ライン２４から加湿器２２、空気調圧弁２５を介して外部に排出されるようになっている。
【００２７】
燃料電池スタック１のカソード１ｂから排出されるカソード排ガスは、燃料電池スタック１での発電反応によって生じる生成水により水分を多く含んだ状態で空気排出ライン２４を流れ、加湿器２２を通過する過程で水分を受け渡して乾燥した状態で、空気調圧弁２５を介して外部に排出される。空気供給系では、この空気調圧弁２５の駆動を制御することによって、燃料電池スタック１のカソード１ｂ側の圧力が所望の圧力に保たれるようにしている。また、空気供給ライン２３には温度センサ２６が設置されており、燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される空気温度を監視できるようにしている。
【００２８】
ところで、電解質１ｃに固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池スタック１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要となる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に温度センサ２６を設けて燃料電池スタック１の温度を監視すると共に、燃料電池スタック１に冷却液流路が形成された冷却板２７を接続し、冷却機構によってこの冷却板２７の冷却流路に冷却液を循環供給することで、燃料電池スタック１の加熱時にはこれを冷却して最適な温度に維持するようにしている。なお、冷却板２７は、例えば、燃料電池スタック１を構成する各発電セル毎、或いは所定の数の発電セル毎に、発電セル間に挿入される。
【００２９】
冷却機構は、冷却液を循環させる冷却液循環ライン２８及び冷却液ポンプ２９を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて、燃料電池スタック１の冷却板２７に供給する。冷却液循環ライン２８中には、ラジエータ３０及び冷却ファン３１が設けられており、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却液は、ここで冷却される。また、ラジエータ３０と並列に冷却液バイパスライン３２が設けられるとともに、分岐部分に三方弁３３が設けられており、この三方弁３３を制御することにより、冷却液バイパスライン３２を流れる冷却液の流量が制御される。
【００３０】
以上のように構成される本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給系から燃料ガスである水素、空気供給系から酸化剤ガスである空気が燃料電池スタック１のアノード１ａとカソード１ｂとにそれぞれ供給され、燃料電池スタック１内でこれら水素と空気中の酸素とが電気化学的に反応することにより、発電電力が得られる。
【００３１】
燃料循環型として構成されている本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１から排出されるアノード排ガスが、水素環流ライン９から水素供給ライン６側へと環流されることになるが、その一部が、燃料電池スタック１の出口側に位置して水素環流ライン９に接続されたバイパスライン１７を介して、熱式マスフローセンサ１８に導入される。例えばバイパスライン１７を構成する細管の半径が５ｍｍ、長さ１００ｍｍであった場合、差圧発生器１６によって２ｋＰａの差圧が確保できるならば、熱式マスフローセンサ１８には２００ｍＬ／ｍｉｎ程度のアノード排ガスが導入され、０．５ｋＰａの差圧が確保されれば、５０ｍＬ／ｍｉｎ程度のアノード排ガスが熱式マスフローセンサ１８に導入される。なお、システムの圧力分布次第では、差圧発生器１６を設置することなくアノード排ガスの一部をバイパスライン１７から熱式マスフローセンサ１８に導入することも可能である。
【００３２】
バイパスライン１７上流側のアノード排ガスの圧力は圧力センサ１５によって監視されており、差圧発生器１６の下流側は大気圧近傍であるから、圧力センサ１５の検出値からバイパスライン１７両端間の圧力差を検知できる。アノード排ガス流に不純物（主に窒素）がない状態では、この圧力差とアノード排ガスの組成に依存した流量がバイパスライン１７を流れることになる。不純物がない状態では燃料ガスは水蒸気と水素とで構成されており、燃料電池スタック１から排出されるアノード排ガスは、燃料電池スタック１での発電で消費されなかった水素と燃料電池スタック１出口温度に依存した飽和水蒸気とで成立している。
【００３３】
したがって、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口近傍に設置された温度センサ１４の検出値と、圧力センサ１５の検出値とから、パイパスライン１７を流れる不純物がない場合のアノード排ガスの流量が求められる。ここで、圧力センサ１５の出力をＰ１、バイパスライン１７の出口部の圧力をＰ２（この例では大気圧で近似できる）、温度センサ１４の出力をＴとし、また、水素の密度をρＨ２（Ｔ）、粘性をηＨ２（Ｔ）、水蒸気の密度をρＨ２Ｏ（Ｔ）、粘性をηＨ２Ｏ（Ｔ）、温度Ｔでの飽和水蒸気圧より与えられる水の体積比をＡ（Ｔ）とすると、不純物がない状態のアノード排ガスの密度ρｍｉｘ（Ｔ）、粘性ηｍｉｘ（Ｔ）は、下記式（１）〜（３）で表される。
【００３４】
ρｍｉｘ（Ｔ，Ｐａｖｅ）＝（１−Ａ（Ｔ））×ρＨ２（Ｔ，Ｐａｖｅ）＋Ａ（Ｔ）×ρＨ２Ｏ（Ｔ，Ｐａｖｅ）  ・・・（１）
ηｍｉｘ（Ｔ，Ｐａｖｅ）＝（１−Ａ（Ｔ））×ηＨ２（Ｔ，Ｐａｖｅ）＋Ａ（Ｔ）×ηＨ２Ｏ（Ｔ，Ｐａｖｅ）  ・・・（２）
Ｐａｖｅ＝（Ｐ１＋Ｐ２）／２  ・・・（３）
また、パイバスライン１７の細管半径をｄ、長さをＬとすると、バイパスライン１７を流れるアノード排ガスの体積流量Ｑは、下記式（４）で表される。
【００３５】
Ｑ＝（πｄ４／８ηｍｉｘＬ）×Ｐａｖｅ×（Ｐ１−Ｐ２）  ・・・（４）
上記の式において、ρＨ２（Ｔ）、ηＨ２（Ｔ）、ρＨ２Ｏ（Ｔ）、ηＨ２Ｏ（Ｔ）、Ａ（Ｔ）は、それぞれ温度Ｔの関数として与えられ、この関数は既知のものである。例えばバイパスライン１７両端間の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）がある値のときのバイパスライン１７を流れるアノード排ガス体積流量の温度Ｔ依存性は、図２に示すようなものとなる。
【００３６】
バイパスライン１７を流れるアノード排ガスは、このバイパスライン１７に設置された熱式マスフローセンサ１８に導入される。図３は、熱式マスフローセンサ１８の詳細を示したものである。この図３に示すように、熱式マスフローセンサ１８内には、更に毛細管３５があり、この毛細管３５の上流側に抵抗体３６、下流側に抵抗体３７を巻きつけてある。そして、熱式マスフローセンサ１８は、動作中にはこれらの抵抗体３６，３７に電流が流れて発熱するようになっている。
【００３７】
熱式マスフローセンサ１８における抵抗体３６，３７の温度変化の様子を図４に示す。この図４では、縦軸を温度、横軸を熱式マスフローセンサ１８内における毛細管３５の位置を表しており、横軸のａ点が抵抗体３６の位置、ｂ点が抵抗体３７の位置である。熱式マスフローセンサ１８内にアノード排ガスが導入されていないときには、図中破線で示すように、抵抗体３６，３７の温度がほぼ等しくなるが、熱式マスフローセンサ１８内にアノード排ガスが導入されて毛細管３５に流れが生じると、上流側の抵抗体３６にてアノード排ガスに熱量が奪われて温度が下がるのに対して、下流側の抵抗体３７ではアノード排ガスにより熱が与えられるので温度が上昇する。その結果、図中実線で示すように、上流側の抵抗体３６と下流側の抵抗体３７との間に温度差が生じ、この温度差は、熱式マスフローセンサ１８内に導入されて毛細管３５を流れるアノード排ガスの流量に応じて変化する。熱式マスフローセンサ１８は、これら抵抗体３６，３７の温度差に応じた検出値を出力する。ここで、上流側の抵抗体３６と下流側の抵抗体３７との間の温度差をΔＴ、アノード排ガスの定圧比熱をＣｐ、熱伝導度をｋとすると、これらは下記式（５）のように表すことができる。
【００３８】
ΔＴ∝Ｃｐ
∝ｋ  ・・・（５）
燃料循環型として構成された本実施形態の燃料電池システムにおいては、運転当初は、燃料ガス循環経路を循環している燃料ガス、すなわち燃料電池スタック１から排出されるアノード排ガスの組成は水素と水蒸気によって占められるが、循環を続けるに従って、上述したように、窒素に代表される不純物ガスが燃料ガス循環経路内に蓄積していくことになる。ここで、水素と窒素の粘性係数を比較した場合、約１００℃にて窒素は水素と比較して約２倍であり、バイパスライン１７を流れるアノード排ガス流量は不純物である窒素が増加するにつれて減少するため、熱式マスフローセンサ１８内の毛細管３５における温度差ΔＴは小さくなる傾向にあり、熱式マスフローセンサ１８の出力値が低下することになる。
【００３９】
バイパスライン１７を流れるアノード排ガスの流量とこのアノード排ガス中の窒素濃度との関係を図５に示す。例えば、ある燃料電池スタック１の定常運転時において、温度５０℃にて２００Ａの電流を取り出す条件下にて、燃料ガス循環経路内の許容不純物濃度（窒素濃度）が２０％であったとする。この場合に、窒素濃度が０％から２０％まで変化したときにバイパスライン１７を流れて熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガスの流量は約１７％低下し、熱式マスフローセンサ１８の出力にはこの変化が反映されて、出力値はこの間低下することになる。
【００４０】
また熱伝導度に関しても、約１００℃にて窒素の熱伝導度は水素と比較して約１／７倍であり、この熱伝導度の違いからも、熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガスの窒素濃度が増加すると抵抗体３６，３７の温度差ΔＴは小さくなる為、熱式マスフローセンサ１８の出力値は低下することになる。
【００４１】
熱式マスフローセンサ１８の出力値とアノード排ガスの不純物（窒素）蓄積に伴う粘性変化（流量変化）及び熱伝導度の変化との関係を図６に示す。この図６に示すように、熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガスの不純物濃度変化、すなわちアノード排ガスの水素濃度変化を反映する粘性変化（流量変化）と、熱伝導度の変化とに応じて、熱式マスフローセンサ１８の出力値が変化することになる。したがって、熱式マスフローセンサ１８の出力値から、当該熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガスの水素濃度変化、すなわち燃料ガス循環経路内の燃料ガスの水素濃度の変動量を検出することが可能である。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ１３が温度センサ１４や圧力センサ１５の検出値に合わせて、この熱式マスフローセンサ１８の出力値を読み込み、温度センサ１４や圧力センサ１５の検出値から求めた予想流量と熱式マスフローセンサ１８の出力値との差が閾値を越えたとき、すなわち燃料ガス循環経路内の水素濃度変化量が閾値を越えたときに、ガスパージ弁１２を閉状態から開状態へと切り替えてパージを行う。
【００４３】
ここで、ガスパージ弁１２を開状態へと切り替える閾値は、許容可能な不純物濃度（窒素濃度）に基づいて決まるが、許容可能な不純物濃度は燃料電池スタック１の運転状態にも依存しているので、燃料電池スタック１にて発生する電流値と燃料電池スタック１の温度で許容しうる最大の不純物濃度（窒素濃度）が、図７に示すようなテーブルとして、事前に作成されて記憶されている。そして、コントローラ１３は、このテーブルを参照して、燃料電池スタック１の運転状態に応じた許容不純物濃度（窒素濃度）を求め、それをもとにガスパージ弁１２を開状態へと切り替える閾値を決定するようにしている。
【００４４】
また、燃料ガス循環経路内の不純物濃度が増加すると、燃料電池スタック１での発電に必要な水素濃度が低下する事に加えて、循環している燃料ガス流量も粘性増加によって低下する場合がある。循環している燃料ガス流量の低下は、燃料電池スタック１に供給する水素量の低下を意味することから、燃料電池スタック１へ与える影響は循環している燃料ガス中の水素濃度低下に等しい。この燃料ガス流量の変化も不純物濃度（窒素濃度）によって決まることから、いずれの影響も考慮して、その運転状態で許容しうる最大不純物濃度が規定され、それに基づいてガスパージ弁１２を開状態へと切り替える閾値が決定される。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料ガス循環経路を流れる燃料ガス中の水素濃度変化、具体的には燃料電池スタック１から排出されて水素環流ライン９を流れるアノード排ガス中の水素濃度変化に応じて、コントローラ１３がガスパージ弁１２の開閉状態を制御するようにしており、不純物（特に窒素）の蓄積・増加によって水素濃度が低下したときには、ガスパージ弁１２を開放してパージを行うようにしているので、不純物の蓄積・増加に起因する燃料電池スタック１の発電効率低下を有効に抑制することができる。
【００４６】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス循環経路を流れる燃料ガス中の水素濃度変化を検出する手段として、熱式マスフローセンサ１８を用いるので、パラジウムなどの物質内に水素を拡散させて水素選択性を持たせているガスセンサ等よりも水素濃度の変化を原理上高速に検出でき、また、熱式マスフローセンサ１８の抵抗体３６、３７は毛細管３５に巻きつけた構造であり、ガスに接触する部分に半導体部やリード線を持たない構造であるため、センサ部の還元ガスによる劣化が起こらない上に、それらが発火源となることもなく、安全性を向上させることができる。さらに、熱式マスフローセンサ１８は超音波流量計よりも小型で安価なため、システムの大型化、コストアップを抑制できる。
【００４７】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料ガス循環経路の水素環流ライン９に接続されたバイパスライン１７を構成する細管内部で層流が実現されるので、熱式マスフローセンサ１８自体に層流を形成させるためのエレメントを搭載する必要がなく、装置の簡略化を図ることができると共に、バイパスライン１７を流れるアノード排ガスはその下流で水素環流ライン９に戻されるようになっているので、特別なガス排気経路を用意する必要もない。
【００４８】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、バイパスライン１７を流れて熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガスの温度を温度センサ１９で監視し、必要に応じてヒータ２０による加熱動作を行うようにしているので、アノード排ガス中の水蒸気がバイパスライン１７内で凝縮することを防ぎ、また、周辺環境温度の変化による熱式マスフローセンサ１８での検出への影響を防ぐことができる。
【００４９】
さらにまた、バイパスライン１７を構成する細管両端の圧力および燃料電池スタック１の温度から、熱式マスフローセンサ１８に導入されるアノード排ガス中に水素と飽和水蒸気のみ存在する場合の流量が計算にて予想されるため、これを予想流量とすると、熱式マスフローセンサ１８の出力値は、アノード排ガス中の不純物の増加に依存した粘性増加による前記バイパスライン１７中の流量低下と、不純物の増加による熱伝導度の低下に伴って低下し、水素濃度変化を反映したものとなるので、前記の予想値と熱式マスフローセンサ１８の出力値の変化代から、燃料ガス循環経路内の水素濃度の変動量を検出することができる。
【００５０】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、バイパスライン１７を構成する細管両端の圧力および燃料電池スタック１の温度から求めた予想流量と熱式マスフローセンサ１８の出力値との差が、許容不純物濃度から定めた閾値を越えたときにのみ、ガスパージ弁１２を開状態へと切り替えてパージを行うようにしているので、過剰なパージ操作による無用な燃料ガスの損失を防ぐことができる。さらに、ガスパージ弁１２を開状態へと切り替える閾値を、燃料電池スタック１の運転状態に応じた許容不純物濃度をもとに決定するようにしているので、最適な状態でパージを行って、燃料電池スタック１の発電効率低下を極めて効果的に抑制することができる。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した燃料電池システムの第２の実施形態について、図８を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システムは、バイパスライン１７を燃料電池スタック１の出口側ではなく、燃料電池スタック１をバイパスするように設けた点に特徴を有するものである。その他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、以下、本実施形態に特徴的な部分についてのみ簡単に説明する。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、バイパスライン１７は、その一端が燃料電池スタック１のアノード１ａ入口近傍に位置して水素供給ライン６に接続されている。また、バイパスライン１７の他端は、燃料電池スタック１のアノード１ａ出口近傍に位置して水素環流ライン９に接続されている。そして、このバイパスライン１７に熱式マスフローセンサ１８が設置され、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの一部がバイパスライン１７を介して熱式マスフローセンサ１８に導入されるようになっている。
【００５３】
また、バイパスライン１７に温度センサ１９、その近傍にヒータ２０が設置され、熱式マスフローセンサ１８に導入される燃料ガスの温度が常に一定に保たれるようにしている点は第１の実施形態ど同様である。また、本実施形態でもバイパスライン１７の両端間の圧力差が検出されるが、この圧力差の検出には圧力センサ７の出力と圧力センサ１５の出力とを用いている。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システムでは、この燃料電池スタック１をバイパスするバイパスライン１７に設置された熱式マスフローセンサ１８の出力値に基づいて燃料電池スタック１に供給される燃料ガス中の不純物濃度、すなわち水素濃度の変動量が検出され、それに応じてガスパージ弁１２の開閉が制御される。このとき、水素供給装置２から新たに供給される燃料ガスの流量は、水素調圧弁４の開度と圧力センサ７の出力とから求められるので、これを考慮して熱式マスフローセンサ１８の出力値の変化量に補正を加えることで、第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、燃料ガス循環経路内の水素濃度変化を適切に検出して、ガスパージ弁１２の開閉を精度良く制御することができる。
【００５５】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１をバイパスするようにバイパスライン１７が設けられているためバイパスライン１７の両端間には差圧が発生するので、第１の実施形態で用いたような差圧発生器１６を設置することなく燃料ガスの一部をバイパスライン１７から熱式マスフローセンサ１８に導入することができる。したがって、差圧発生器１６の設置が不要となり、その分、部品点数を削減してシステム構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】バイパスラインを流れるアノード排ガスの流量と温度との関係を示す特性図である。
【図３】熱式マスフローセンサの詳細な構成を説明する図である。
【図４】熱式マスフローセンサにおける抵抗体の温度変化の様子を示す図である。
【図５】バイパスラインを流れるアノード排ガスの流量と不純物濃度（窒素濃度）との関係を示す図である。
【図６】アノード排ガス中に不純物（窒素）が蓄積することによって熱式マスフローセンサの出力値が変化する様子を説明する図である。
【図７】燃料電池スタックにて発生する電流値及び燃料電池スタックの温度と許容不純物濃度（窒素濃度）との関係を示す図である。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池スタック
５  エゼクタ
６  水素供給ライン
７  圧力センサ
９  水素環流ライン
１２  ガスパージ弁
１３  コントローラ
１４  温度センサ
１５  圧力センサ
１６  差圧発生器
１７  バイパスライン
１８  熱式マスフローセンサ
１９  温度センサ
２０  ヒータ
【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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