(57)【要約】【課題】  希釈器を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電性能の低下を抑制しつつ、混合ガスの水素濃度が所定濃度より高くなることを抑制する。【解決手段】  燃料電池システムであり、燃料電池と、アノードオフガス排出流路と、アノードオフガス排出流路と接続され、アノードオフガスを導入・希釈して外部へ排出する希釈部と、カソードガス供給流路と、アノードオフガス排出流路およびカソードガス供給流路と接続され希釈部に向かうアノードオフガスをカソードガス供給流路に導入するカソード導入流路と、カソード導入流路上に設けられ、カソードガス供給流路へアノードオフガスが導入されるのを遮断する導入遮断弁と、水素濃度判断部と、水素濃度判断部により、希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が所定濃度より高いと判断された場合に、導入遮断弁を開弁させ希釈部に向かうアノードオフガスをカソードガス供給流路へ導入させる遮断弁制御部とを備える。【選択図】        図３
2007080723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノードおよびカソードを備えた燃料電池と、
前記アノードで電気化学反応に供された後のアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出流路と、
前記アノードオフガス排出流路と接続され、前記アノードオフガスを導入し、希釈して外部へ排出するための希釈部と、
電気化学反応に供するためのカソードガスを前記カソードに供給するためのカソードガス供給流路と、
前記アノードオフガス排出流路および前記カソードガス供給流路と接続され、前記希釈部に向かう前記アノードオフガスを前記カソードガス供給流路に導入するためのカソード導入流路と、
前記カソード導入流路上に設けられ、前記カソードガス供給流路へ、前記アノードオフガスが導入されるのを遮断する導入遮断弁と、
前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が所定濃度より高いか否かを判断する水素濃度判断部と、
前記水素濃度判断部により、前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が前記所定濃度より高いと判断された場合には、前記導入遮断弁を開弁させて、前記希釈部に向かう前記アノードオフガスを前記カソードガス供給流路へ導入させる遮断弁制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガス排出流路を流れる前記アノードオフガスを再度前記アノードへ供給するための循環ポンプと、
前記循環ポンプの異常を検知するポンプ検知部と、
を備え、
前記水素濃度判断部は、
前記ポンプ検知部が、前記循環ポンプの異常を検知した場合には、前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が所定濃度より高いと判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記希釈部と接続され、前記カソードで電気化学反応に供された後のカソードオフガス、または、前記カソードで電気化学反応に供する前のカソードガスを前記希釈部に導入するためのカソード系ガス導入流路を備え、
前記希釈部は、
前記アノードオフガスを希釈する場合には、前記カソード系ガス導入流路から導入される前記カソードオフガス、または、前記カソードガスを用いて前記アノードオフガスを希釈することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記カソードガス供給流路上において、前記カソード導入流路が接続する位置よりも前記カソードガスの供給方向に対して下流側の位置に水透過膜を介して加湿を行う加湿器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムから排出する水素濃度を所定濃度以下に保つための排出水素濃度維持方法であって、
前記燃料電池システムは、
アノードおよびカソードを備えた燃料電池と、
前記アノードで電気化学反応に供された後のアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出流路と、
前記アノードオフガス排出流路と接続され、前記アノードオフガスを導入し、希釈して外部へ排出するための希釈部と、
電気化学反応に供するためのカソードガスを前記カソードに供給するためのカソードガス供給流路と、
前記アノードオフガス排出流路および前記カソードガス供給流路と接続され、前記希釈部に向かう前記アノードオフガスを前記カソードガス供給流路に導入するためのカソード導入流路と、
前記カソード導入流路上に設けられ、前記カソードガス供給流路へ、前記アノードオフガスが導入されるのを遮断する導入遮断弁と、
から構成され、
前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が所定濃度より高いか否かを判断する工程と、
前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が前記所定濃度より高いと判断された場合には、前記導入遮断弁を開弁させて、前記希釈部に向かう前記アノードオフガスを前記カソードガス供給流路へ導入させる工程と、
を備えたことを特徴とする排出水素濃度維持方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムから外部に排出する水素の濃度を低減させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しいエネルギ源として、水素を含む燃料ガス（以下、アノードガスと呼ぶ。）と酸素を含む酸化ガス（以下、カソードガスと呼ぶ。）とを用いて発電を行う燃料電池が注目されている。この燃料電池内に配される流路であって、アノードガスが流れる流路をアノード流路と呼ぶ。この燃料電池の燃料極（以下、アノードと呼ぶ。）では、アノードガスが電気化学反応に供された後、排ガスがアノードオフガスとして排出される。このアノードオフガスには、電気化学反応に供されなかった水素が含まれる。そこで、この燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば、未反応の水素を含むアノードオフガスを、新鮮なアノードガスと混合し、再度アノードに供給（循環供給）して、未反応の水素を再利用することにより、水素の利用率を向上させている。なお、以下では、燃料電池の酸素極をカソードと呼び、カソードでカソードガスが電気化学反応に供された後の排ガスをカソードオフガスと呼ぶ。
【０００３】
ところで、上記燃料電池のアノードでは、窒素等の不純ガスがカソード側から電解質膜を透過してくる場合がある。このようにして透過してきた不純ガスは、アノードオフガスに混入する。そして、上述のごとく水素の再利用のため、不純ガスが混入したアノードオフガスをアノードに循環供給することを繰り返すと、アノードに供給するアノードガス中の不純ガスの濃度が上昇し、燃料電池の発電性能が低下する場合がある。
【０００４】
従って、このような問題を解決するため、上述の燃料電池システムでは、アノードガス（またはアノードオフガス）に混入した不純ガスを、アノードガスやアノードオフガスと共に燃料電池システムの外部に排出するようにしている。しかし、これらのガス中には水素も含まれおり、そのまま大気に放出するのは好ましくない。そこで、希釈器を用いて、排出するアノードガス若しくはアノードオフガス（以下、これらを排出アノード系ガスと呼ぶ。）を、カソードで電気化学反応に供されて排出されたカソードオフガスと混合して水素濃度を所定濃度以下に低下させた後、大気に放出する技術が提案されている。なお、以下では、希釈器において、カソードオフガスと排出アノード系ガスとが混合したガスを、単に混合ガスと呼ぶ。
【０００５】
例えば、下記特許文献１に記載の技術には、このような希釈器を備える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、排出アノード系ガスを希釈器で希釈して、希釈器から排出される混合ガスの水素濃度を低下させるようにしているが、混合ガスの水素濃度が高くなってくると、排出アノード系ガスの排出を禁止し、混合ガスの水素濃度が所定濃度より高くなることを抑制するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−５５２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、排出アノード系ガスの排出を禁止してしまうと、アノードガス（またはアノードオフガス）に混入した不純ガス等が排出されず、燃料電池の発電性能が低下するという問題があった。
【０００８】
なお、上述した希釈器であるが、排出アノード系ガスを希釈する場合に、カソードオフガスと混合して、排出アノード系ガスに含まれる水素を希釈するようにしているが、排出アノード系ガスを希釈する場合に、カソードガスと混合して希釈するような仕組みでもよいし、コンプレッサ等で送風されてくる他の所定のガスと混合して希釈するような仕組みであってもよい。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、希釈器を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電性能の低下を抑制しつつ、混合ガスの水素濃度が所定濃度より高くなることを抑制することが可能な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】
【００１０】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
燃料電池システムであって、
アノードおよびカソードを備えた燃料電池と、
前記アノードで電気化学反応に供された後のアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出流路と、
前記アノードオフガス排出流路と接続され、前記アノードオフガスを導入し、希釈して外部へ排出するための希釈部と、
電気化学反応に供するためのカソードガスを前記カソードに供給するためのカソードガス供給流路と、
前記アノードオフガス排出流路および前記カソードガス供給流路と接続され、前記希釈部に向かう前記アノードオフガスを前記カソードガス供給流路に導入するためのカソード導入流路と、
前記カソード導入流路上に設けられ、前記カソードガス供給流路へ、前記アノードオフガスが導入されるのを遮断する導入遮断弁と、
前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が所定濃度より高いか否かを判断する水素濃度判断部と、
前記水素濃度判断部により、前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が前記所定濃度より高いと判断された場合には、前記導入遮断弁を開弁させて、前記希釈部に向かう前記アノードオフガスを前記カソードガス供給流路へ導入させる遮断弁制御部と、
を備えたことを要旨とする。
【００１１】
上記構成の燃料電池システムによれば、希釈部から排出される排出ガスの水素濃度が所定濃度より高い場合には、希釈部に向かうアノードオフガスをカソードガス供給流路へ導入するようにしている。このようにすれば、カソードガス供給流路へ導入されたアノードオフガス中の水素は、カソードガスで希釈され、また、カソードで燃焼した後、燃料電池システムの外部に排出されるので、燃料電池システムの外部に排出されるアノードオフガス中の水素濃度が所定濃度より高くなることを抑制することができる。また、このようにすれば、アノードオフガスの燃料電池システムの外部への排出を停止することなく、アノードオフガスの排出は継続されたままであるので、アノードオフガス中の不純ガスの濃度の上昇等に起因する燃料電池の発電性能の低下を抑制することができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガス排出流路を流れる前記アノードオフガスを再度前記アノードへ供給するための循環ポンプと、
前記循環ポンプの異常を検知するポンプ検知部と、
を備え、
前記水素濃度判断部は、
前記ポンプ検知部が、前記循環ポンプの異常を検知した場合には、前記希釈部で希釈された希釈ガスの水素濃度が所定濃度より高いと判断するようにしてもよい。
【００１３】
循環ポンプに異常があると、循環ポンプによりアノードオフガスが再度アノードへ供給されなくなり、アノードオフガス中の水素濃度が上昇する場合がある。一方、以上のようにすれば、アノードオフガス中の水素を、カソードガスで素早く希釈することができ、また、カソードで燃焼させることができるので、その水素濃度を低下させることができる。従って、以上のようにすれば、アノードオフガス中の水素濃度が高くなっても、迅速にアノードオフガス中の水素を希釈して、燃料電池システムの外部に排出することができる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、
前記希釈部と接続され、前記カソードで電気化学反応に供された後のカソードオフガス、または、前記カソードで電気化学反応に供する前のカソードガスを前記希釈部に導入するためのカソード系ガス導入流路を備え、
前記希釈部は、
前記アノードオフガスを希釈する場合には、前記カソード系ガス導入流路から導入される前記カソードオフガス、または、前記カソードガスを用いて前記アノードオフガスを希釈するようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、希釈部は、燃料電池の電気化学反応に供した後のカソードオフガスや、燃料電池の電気化学反応に供する前のカソードガスを用いて、アノードオフガス中の水素を希釈することができる。従って、アノードオフガスを希釈する場合に、燃料電池システム外から新たに希釈用のガスを希釈部に供給する必要がないので、手間やコストを抑制することができる。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、
前記カソードガス供給流路上において、前記カソード導入流路が接続する位置よりも前記カソードガスの供給方向に対して下流側の位置に水透過膜を介して加湿を行う加湿器を備えるようにしてもよい。
【００１７】
このようにすれば、カソードガス供給流路に導入されたアノードオフガスが加湿器を通る際に、アノードオフガス中の水素を希釈することができる。
【００１８】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池システムにおける排出水素濃度維持方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００１９】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の手順で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
Ａ２．アノードオフガス希釈処理：
Ｂ．変形例：
【００２１】
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１００は、主に燃料電池１０と、水素タンク２０と、ブロワ３０と、加湿器４０と、循環ポンプ５０と、希釈器６０と、気液分離器７０と、エゼクタ８０と、水素濃度センサ９０と、水素遮断弁２００と、調圧弁２２０と、アノードオフガス排出弁２４０と、カソードオフガス調圧弁２５０と、還流弁２６０と、制御回路４００と、を備えている。
【００２２】
燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、構成単位である単セル（以下単にセルと呼ぶ。）を複数積層したスタック構造を有している。各セルは、電解質膜（図示せず）を挟んでアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した構成となっている。燃料電池１０は、各々のセルのアノード側に水素を含有するアノードガスを供給し、カソード側に酸素を含有するカソードガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０は、生じた電力を燃料電池１０に接続される所定の負荷（例えば、モータや蓄電池。）に供給する。なお、燃料電池１０としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。以下では、燃料電池１０のアノードガスが流れる流路をアノード流路２５と呼び、カソードガスが流れる流路をカソード流路３５と呼ぶ。
【００２３】
水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、アノードガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード流路２５に接続されている。アノードガス供給流路２４上において、水素タンク２０から近い順番に、水素遮断弁２００と、調圧弁２２０とが設けられている。水素遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１０に水素ガスをアノードガスとして供給する。なお、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。
【００２４】
気液分離器７０は、アノードオフガス流路２６とガス循環流路２７と接続されており、アノードで電気化学反応に供された後のアノードオフガスがアノードオフガス流路２６を介して流入するようになっている。気液分離器７０に流入したアノードオフガスのうち、アノードオフガスに含まれる水蒸気は、凝縮して水となり、気液分離器７０内に貯留される。また、水蒸気が除去されたアノードオフガスは、ガス循環流路２７上に設けられる循環ポンプ５０によりガス循環流路２７を介して、アノードガス供給流路２４に再度供給される。このようにして、アノードオフガスに含まれる水素は、循環して、アノードガスとして再び発電に使用される。以下では、アノードオフガスに含まれる水素が循環する流路、すなわち、ガス循環流路２７、アノードガス供給流路２４、アノード流路２５、アノードオフガス流路２６から形成される流路を水素循環系流路と呼ぶ。
【００２５】
また、気液分離器７０の下部には、パージ流路２８が接続されている。パージ流路２８上には、アノードオフガス排出弁２４０が設けられている。アノードオフガスに含まれる水素以外の不純ガス（窒素等）は、水素循環系流路を循環するうちに、濃度が徐々に増加してしまい、その結果、燃料電池１０の電池性能の低下を招く。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、アノードオフガス排出弁２４０を定期的に開弁する。そうすると、まず、気液分離器７０内の貯留水がパージ流路２８に排出され、貯留水が無くなると、続いて、気液分離器７０内に流入したアノードオフガスがパージ流路２８に排出される。このようにパージ流路２８に排出された貯留水やアノードオフガスについての詳細は、後述する。
【００２６】
ブロワ３０は、空気をカソードガスとして燃料電池１０のカソード（図示せず）に供給するための装置である。ブロワ３０は、カソードガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード流路３５に接続されている。カソードガス供給流路３４上には、ブロワ３０に近い順番に、エゼクタ８０、加湿器４０がそれぞれ設けられている。この加湿器４０として、水透過膜としての中空糸を用いた中空糸加湿器を利用している。ブロワ３０で圧縮された空気は、加湿器４０を通過する際に加湿され、燃料電池１０に供給される。
【００２７】
また、燃料電池１０のカソード流路３５は、カソードオフガス流路３６と接続されており、カソードで電気化学反応に供された後のカソードオフは、カソードオフガス流路３６に排出される。カソードオフガス流路３６上には、カソードオフガス調圧弁２５０が設けられており、また、カソードオフガス流路３６は、加湿器４０内を通過する。
【００２８】
希釈器６０は、アノードオフガス中に含まれる水素をカソードオフガスと混合させて希釈する装置であり、カソードオフガス流路３６と、パージ流路２８と、混合ガス排出流路４５とそれぞれ接続されている。パージ流路２８において、アノードオフガス排出弁２４０と希釈器６０との間の中間付近で、還流流路２９と接続しており、還流流路２９は、他端がエゼクタ８０とも接続している。また、還流流路２９上には、還流弁２６０が設けられている。
【００２９】
図２は、本実施例における希釈器６０の詳細を説明するための図である。この図２に示すように、希釈器６０は、多孔質セラミックから成る流通板６１によって２つの部屋に区切られ、パージ流路２８からのアノードオフガスが流入し滞留する滞留室６２と、カソードオフガス流路３６からのカソードオフガスが流入する希釈室６３とを備えている。
【００３０】
還流弁２６０が閉弁状態の場合、気液分離器７０から排出されたアノードオフガスは、パージ流路２８を介して、希釈器６０の滞留室６２へ流入し、滞留する。この場合、希釈器６０において、希釈室６３に流入したカソードオフガスは、そのまま通過して、混合ガス排出流路４５を介して外部に排出されるが、この際、滞留室６２に滞留しているアノードオフガスは、カソードオフガスの通過により、多孔質な流通板６１を介して希釈室６３へ徐々に吸い込まれていき、希釈室６３でカソードオフガスと混合する。その結果、希釈器６０の希釈室６３からは、カソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガスが、混合ガス排出流路４５を介して燃料電池システム１００の外部に排出されることとなる。
【００３１】
一方、還流弁２６０が開弁状態の場合、カソードガス供給流路３４にカソードガスが流れている時には、気液分離器７０から排出されたアノードオフガスは、エゼクタ８０のジョットポンプ効果により吸引され、還流流路２９を介してカソードガス供給流路３４に流入（還流）する。この場合、エゼクタ８０の吸引作用により、希釈器６０の滞留室６２内に滞留するアノードオフガスも、パージ流路２８を逆流し、還流流路２９を介してカソードガス供給流路３４に流入（還流）する。
【００３２】
また、図１に示すように、混合ガス排出流路４５上には、混合ガスの水素濃度を検出するための水素濃度センサ９０が備えられている。
【００３３】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備え、ブロワ３０、加湿器４０、循環ポンプ５０、水素遮断弁２００、カソードオフガス調圧弁２５０、アノードオフガス排出弁２４０、および、還流弁２６０などの燃料電池システム１００に関する種々の制御を行う。
【００３４】
また、制御回路４００は、弁制御部４１０、および、水素濃度検出部４２０として機能し、後述のアノードオフガス希釈処理を実行する。水素濃度検出部４２０は、水素濃度センサ９０から混合ガスの水素濃度を検出する。
【００３５】
なお、アノードオフガス流路２６、および、パージ流路２８は、請求項におけるアノードオフガス排出流路に該当する。希釈器６０は、請求項における希釈部に該当する。還流流路２９は、請求項におけるカソード導入流路に該当する。還流弁２６０は、請求項における導入遮断弁に該当する。弁制御部４１０は、請求項における水素濃度判断部および遮断弁制御部に該当する。カソードガス供給流路３４またはカソード流路３５は、請求項におけるカソードガス供給流路に該当する。カソードオフガス流路３６は、請求項におけるカソード系ガス導入流路に該当する。
【００３６】
Ａ２．アノードオフガス希釈処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１００が行うアノードオフガス希釈処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の始動時や運転中において、定期的に行われる処理であり、制御回路４００は、所定のタイミングになると、このアノードオフガス希釈処理を実行する。なお、この処理の前提条件として、ブロワ３０および循環ポンプ５０が稼動中であり、水素遮断弁２００は開弁状態である。また、アノードオフガス排出弁２４０および還流弁２６０は、閉弁状態となっている。
【００３７】
弁制御部４１０は、所定のタイミングになると、アノードオフガス排出弁２４０を開弁する（ステップＳ１０）。そうすると、最初は、還流弁２６０が閉弁状態であるので、まず、気液分離器７０内のアノードオフガスは、パージ流路２８を介して、希釈器６０の滞留室６２へ流入する。還流弁２６０が開弁状態となった場合についての詳細は、後述する。
【００３８】
次に、水素濃度検出部４２０は、水素濃度センサ９０から希釈器６０から排出される混合ガスの水素濃度Ｋを検出する（ステップＳ２０）。
【００３９】
続いて、弁制御部４１０は、検出した水素濃度Ｋが、所定値Ｋｔより高いか否かを判断する（ステップＳ３０）。この所定値Ｋｔは、下記式（１）より求められ、予め定められる基準値Ｋｕから微小値Δｋを減算した値である。なお、基準値Ｋｕは、燃料電池システム１００の具体的な設計や社会的に要求される値等に基づいて決定される。
Ｋｔ＝Ｋｕ−Δｋ・・・（１）
【００４０】
弁制御部４１０は、検出した水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くない、すなわち、検出した水素濃度Ｋが所定値Ｋｔ以下の場合（ステップＳ３０：ＮＯ）には、アノードオフガス排出弁２４０を開弁してから所定時間Ｔｍ経過したか否かを判断する（ステップＳ７０）。弁制御部４１０が、所定時間Ｔｍ経過していないと判断すると（ステップＳ７０：ＮＯ）、水素濃度検出部４２０が、再度、ステップＳ２０の処理を行う。このように、弁制御部４１０は、アノードオフガス排出弁２４０開弁後に所定時間Ｔｍ経過していない状態において、水素濃度検出部４２０が検出した水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くならないかを常に監視している。
【００４１】
弁制御部４１０は、検出した水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くならず、そのまま所定時間Ｔｍ経過した場合（ステップＳ７０：ＹＥＳ）には、アノードオフガス排出弁２４０を閉弁する（ステップＳ８０）。そうすると、気液分離器７０からアノードオフガスが排出されなくなり、希釈器６０の滞留室６２へのアノードオフガスの流入も停止する。その後、このアノードオフガス希釈処理を終了する。
【００４２】
一方、弁制御部４１０は、検出した水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなったと判断すると（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、還流弁２６０を開弁する（ステップＳ４０）。そうすると、気液分離器７０内のアノードオフガスは、パージ流路２８、還流流路２９、および、エゼクタ８０を介して、カソードガス供給流路３４を流れるカソードガスに混入し、カソードガスと共に、加湿器４０を介してカソード流路３５へ流入する。また、希釈器６０の滞留室６２内に滞留するアノードオフガスも、エゼクタ８０の吸引作用により、パージ流路２８を逆流し、還流流路２９およびエゼクタ８０を介してカソードガス供給流路３４を流れるカソードガスに混入し、カソードガスと共に、加湿器４０を介してカソード流路３５へ流入する。この場合、カソードガスに混入したアノードオフガス中の水素は、カソードが触媒となり、カソード上でカソードガス中の酸素と共に燃焼する。そして、アノードオフガスは、カソードオフガスと共に、カソードオフガス流路３６、希釈器６０、および、混合ガス排出流路４５を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。なお、アノードオフガスがカソードオフガスと共に希釈器６０の希釈室６３に流入した場合において、滞留室６２には、ほとんどアノードオフガスが滞留していないので、滞留室６２から希釈室６３へのアノードオフガスの流入はほとんどなく、希釈室６３に流入したアノードオフガスおよびカソードオフガスは、希釈室６３をそのまま通過して混合ガス排出流路４５に排出される。このように、希釈器６０の希釈室６３をそのまま通過するガスであるアノードオフガスとカソードオフガスが混合したガスも、以下では、混合ガスと呼ぶ。
【００４３】
続いて、弁制御部４１０は、アノードオフガス排出弁２４０を開弁後、所定時間Ｔｍ経過したか否かを判断する（ステップＳ５０）。弁制御部４１０は、アノードオフガス排出弁２４０を開弁させた後、所定時間Ｔｍ経過していない場合（ステップＳ５０：ＮＯ）には、そのまま待機する。
【００４４】
弁制御部４１０は、還流弁２６０を開弁させた後、所定時間Ｔｍ経過した場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）には、還流弁２６０およびアノードオフガス排出弁２４０を閉弁する（ステップＳ６０）。そうすると、気液分離器７０からアノードオフガスが排出されなくなり、また、アノードオフガスのカソードガスへの混入も停止する。その後、このアノードオフガス希釈処理を終了する。
【００４５】
以上のように、上述の燃料電池システム１００では、アノードオフガス希釈処理（図３）において、混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くならないかを常に監視し、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなると、還流弁２６０を開弁させるようにしている。そして、気液分離器７０内のアノードオフガスを、カソードガスに混入して、カソードへ送り、その後、混合ガス（アノードオフガスおよびカソードオフガスの混合ガス）として燃料電池システム１００の外部に排出するようにしている。このようにすれば、アノードオフガス中の水素は、カソードガスに混入されることにより希釈され、また、カソード上で燃焼するので、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度を低下させることができる。その結果、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度が基準値Ｋｕ（所定値Ｋｔ＋Δｋ）より高くなることを抑制することができる。また、この場合、アノードオフガス排出弁２４０は、開弁したままであり、すなわち、気液分離器７０から、アノードオフガスの排出は継続されたままであるので、アノードオフガス中の不純ガスの濃度の上昇等に起因して燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができる。さらに、以上のようにすれば、希釈器６０の滞留室６２の大きさをある程度小型化し、アノードオフガスの滞留量を小さくしても、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなった場合に、気液分離器７０内のアノードオフガスを、カソードガスに混入して、カソードへ送り、アノードオフガス中の水素を燃焼させて、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度が基準値Ｋｕ（所定値Ｋｔ＋Δｋ）より高くなることを抑制することができる。その結果、希釈器６０を小型化しても、燃料電池１０の電池性能の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、上述の燃料電池システム１００では、アノードオフガス希釈処理（図３）において、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなると、還流弁２６０を開弁させ、希釈器６０の滞留室６２内に滞留するアノードオフガスを、エゼクタ８０の吸引作用により、パージ流路２８を逆流させ、還流流路２９およびエゼクタ８０を介してカソードガス供給流路３４を流れるカソードガスに混入し、カソードガスと共に、加湿器４０を介してカソード流路３５へ流入させるようにしている。このようにすれば、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなった場合に、希釈器６０の滞留室６２内に滞留するアノードオフガスの滞留量を少なくとも軽減させることができる。その結果、次のタイミングに、アノードオフガス希釈処理を行う場合に、滞留室６２に新たなアノードオフガスが気液分離器７０から導入された場合であっても、すぐに混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなることを抑制することができる。
【００４７】
上述の燃料電池システム１００では、加湿器４０内を、カソードガス供給流路３４およびカソードオフガス流路３６が通過している。また、アノードオフガス希釈処理（図３）において、混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなると、アノードオフガスを加湿器４０よりもカソードガスの流れ方向に対して上流のカソードガスに混入するようにしている。このようにすれば、アノードオフガスが混入したカソードガスは、加湿器４０を通過する際に、アノードオフガス中の水素が中空糸を介してカソードオフガスに拡散するので、カソードガスに混入したアノードオフガス中の水素濃度は低下する。その結果、混合ガスの水素濃度Ｋが基準値Ｋｕより高くなることを抑制することができる。
【００４８】
上述の燃料電池システム１００では、希釈器６０で滞留室６２に滞留するアノードオフガスを希釈する場合に、カソードから排出されるカソードオフガスを希釈室６３に導入して、アノードオフガスを希釈するようにしている。従って、アノードオフガスを希釈する場合に、燃料電池システム１００外から、新たに希釈用の所定のガスを希釈器６０に導入する必要がないので、手間やコストを抑制することができる。
【００４９】
ところで、特開２００４−３１９３１８号公報には、希釈器を備えない燃料電池システムであり、アノードオフガスを排出する場合において、常にアノードオフガスをカソードガスに混入して、カソードへ送り、カソード上でアノードオフガス中の水素を燃焼し、カソードオフガスと共に燃料電池システムの外部に排出する技術が開示されている。しかしながら、このように、アノードオフガスを排出する場合において、常にアノードオフガスをカソードガスに混入して、カソードへ送り、カソード上で燃焼反応を生じさせると、この燃焼反応で、カソードガス中の酸素も消費されるので、カソードへ供給される酸素が減少し、その結果、燃料電池の電池性能が低下することが考えられる。また、アノードオフガス中には不純ガスが混じっているので、アノードオフガスを排出する場合において、常にアノードオフガスをカソードガスに混入して、カソードへ送ると、不純ガスの混入により、カソードガス中の酸素の分圧が減少し、その結果、燃料電池の電池性能が低下するということが考えられる。一方、上述の燃料電池システム１００では、アノードオフガスを排出する場合、アノードオフガス希釈処理（図３）において、混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋ以下の場合は、希釈器６０で希釈しており、混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなった場合に限り、アノードオフガスをカソードガスに混入するようにしている。このようにすれば、燃料電池１０の電池性能の低下を抑制しつつ、混合ガス排出流路４５を通過する混合ガスの水素濃度が基準値Ｋｕ（所定値Ｋｔ＋Δｋ）より高くなることを抑制することができる。
【００５０】
Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００５１】
Ｂ１．変形例１：
図４は、本変形例１の燃料電池システム１００が行うアノードオフガス希釈処理のフローチャートである。本変形例の燃料電池システム１００は、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を行う際に、循環ポンプ５０の異常（駆動不能等）を検知した場合には、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を行わず、図４に示す、本変形例のアノードオフガス希釈処理を実行する。また、本変形例の燃料電池システム１００において、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を行っている際に、循環ポンプ５０の異常（駆動不能等）を検知した場合には、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を終了し、本変形例のアノードオフガス希釈処理を実行する。なお、本変形例の燃料電池システム１００において、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を行う際、または、既に、行っている場合に、循環ポンプ５０が正常に作動している時に、そのまま、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を行う。
【００５２】
具体的には、弁制御部４１０は、循環ポンプ５０の異常を検知すると、図４に示すように、アノードオフガス排出弁２４０および還流弁２６０を開弁する（ステップＳ１００）。そうすると、気液分離器７０内のアノードオフガスは、パージ流路２８、還流流路２９、および、エゼクタ８０を介して、カソードガス供給流路３４を流れるカソードガスに混入し、カソードガスと共に、加湿器４０を介してカソード流路３５へ流入する。また、希釈器６０の滞留室６２内に滞留するアノードオフガスも、エゼクタ８０の吸引作用により、パージ流路２８を逆流し、還流流路２９およびエゼクタ８０を介してカソードガス供給流路３４を流れるカソードガスに混入し、カソードガスと共に、加湿器４０を介してカソード流路３５へ流入する。この場合、カソードガスに混入したアノードオフガス中の水素は、カソードが触媒となり、カソード上でカソードガス中の酸素と共に燃焼する。そして、アノードオフガスは、カソードオフガスと共に、カソードオフガス流路３６、希釈器６０、および、混合ガス排出流路４５を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００５３】
続いて、弁制御部４１０は、開弁後、所定時間Ｔｏ経過したか否かを判断する（ステップＳ１１０）。弁制御部４１０は、開弁後、所定時間Ｔｏ経過していない場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）には、そのまま待機する。
【００５４】
弁制御部４１０は、開弁後、所定時間Ｔｏ経過した場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）には、還流弁２６０およびアノードオフガス排出弁２４０を閉弁する（ステップＳ１２０）。そうすると、気液分離器７０からアノードオフガスが排出されなくなり、また、アノードオフガスのカソードガスへの流入も停止する。その後、このアノードオフガス希釈処理を終了する。
【００５５】
ところで、循環ポンプ５０の異常（駆動不能等）を起こした状態で、燃料電池システム１００の運転をしていると、アノードオフガスは、水素循環系流路を循環せず、気液分離器７０内に滞留し、再度アノードで消費されることがないのでそのアノードオフガス中の水素濃度は、高くなってしまう。そこで、以上のように、本変形例の燃料電池システム１００では、上記実施例のアノードオフガス希釈処理（図３）を行う際、または、行っている際に、循環ポンプ５０の異常（駆動不能等）を検知した場合には、アノードオフガス中の水素濃度が高くなり、その結果、混合ガスの水素濃度Ｋも所定値Ｋｔより高いと予測・判断して、本変形例のアノードオフガス希釈処理（図４）を行い、混合ガスの水素濃度検出の結果如何によらず、気液分離器７０からアノードオフガスをカソードガスに混入して、カソードへ送り、その後、混合ガスとして燃料電池システム１００へ排出するようにしている。このようにすれば、アノードオフガス中の水素を、カソードガスで素早く希釈することができ、また、カソードで燃焼させることができるので、その水素濃度を低下させることができる。従って、循環ポンプ５０の異常に起因して、アノードオフガス中の水素濃度が高くなっても、迅速にアノードオフガス中の水素を希釈して、燃料電池システムの外部に排出することができるので、混合ガスの水素濃度が基準値Ｋｕを超えるのを抑制することができる。なお、弁制御部４１０は、請求項におけるポンプ検知部に該当する。
【００５６】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例の燃料電池システム１００のアノードオフガス希釈処理（図３）において、混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔより高くなった場合に、還流弁２６０を開弁させて、気液分離器７０内のアノードオフガスをカソードガスに混入した後、混合ガスの水素濃度Ｋが所定値Ｋｔ以下となった場合には、還流弁２６０を閉弁し、気液分離器７０内のアノードオフガスを希釈器６０の滞留室６２に導入するようにしてもよい。このようにしても、混合ガスの水素濃度が基準値Ｋｕ（所定値Ｋｔ＋Δｋ）より高くなることを抑制することができる。また、この場合、アノードオフガス排出弁２４０は、開弁したままであり、すなわち、気液分離器７０から、アノードオフガスの排出は継続されたままであるので、アノードオフガス中の不純ガスの濃度の上昇等に起因して燃料電池１０の発電性能の低下を抑制することができる。
【００５７】
Ｂ３．変形例３：
図５は、本変形例３の燃料電池システム１００の概略構成図である。上記実施例の燃料電池システム１００において、還流流路２９は、パージ流路２８において、アノードオフガス排出弁２４０と希釈器６０との間に接続されているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、図５に示すように、還流流路２９は、パージ流路２８において、アノードオフガス排出弁２４０と気液分離器７０との間に接続されるようにしてもよい。
【００５８】
また、図５に示すように、還流流路２９上において、還流弁２６０とエゼクタ８０との間に逆止弁９５を設けるようにしてもよい。このようにすれば、還流流路２９において、還流弁２６０を開弁している場合に、カソードガス供給流路３４を流れるカソードガスがパージ流路２８へ逆流するのを防止することができる。
【００５９】
Ｂ４．変形例４：
図６は、本変形例４の燃料電池システム１００の概略構成図である。上記実施例の燃料電池システム１００において、エゼクタ８０は、カソードガス供給流路３４において、ブロワ３０と加湿器４０との間に設けられているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、図６に示すように、エゼクタ８０は、カソードガス供給流路３４上において、加湿器４０と燃料電池１０との間に設けるようにしてもよい。この場合、エゼクタ８０は、できるだけ燃料電池１０に近くなるように設けることが好ましい。このようにすれば、エゼクタ８０と接続する還流流路２９も燃料電池１０に近くなり、還流流路２９の流路長を短縮することができ、その結果、燃料電池システム１００の構成を簡略化することができる。
【００６０】
Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池システム１００において、希釈器６０は、気液分離器７０から排出されるアノードオフガスを希釈する場合に、カソードオフガスと混合して、アノードオフガスを希釈するようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、希釈器６０は、気液分離器７０から排出されるアノードオフガスを希釈する場合に、カソードガス供給流路３４から燃料電池１０を通さずに希釈器６０にカソードガスを供給する流路（この流路は、請求項におけるカソード系ガス導入流路に該当する。）を設け、その流路から供給したカソードガスと混合して希釈するようにしてもよいし、所定のコンプレッサ等で送風されてくる他の所定のガスと混合して希釈するようにしてもよい。
【００６１】
Ｂ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池システム１００の制御回路４００において、ソフトウェア的に構成されているものを、ハードウェア的に構成するようにしてもよいし、ハードウェア的に構成されているものを、ソフトウェア的に構成するようにしてもよい。
【００６２】
Ｂ７．変形例７：
上記実施例の燃料電池システム１００では、アノードオフガスをカソードガス供給流路３４に導入させる場合には、アノードオフガスをエゼクタ８０のジェットポンプ効果により吸引し、カソードガス供給流路３４へ導入させるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、エゼクタ８０を設けず、ブロワ３０を、加湿器４０よりもカソードガスの供給方向に対して上流側（以下、カソード上流側と呼ぶ。）のカソードガス供給流路３４上に設け、さらに、還流流路２９を、カソードガス供給流路３４においてブロワ３０のカソード上流側に接続させるようにして、アノードオフガスをカソードガス供給流路３４に導入させるようにしてもよい。また、還流流路２９上に所定のポンプを設け、そのポンプによりアノードオフガスをカソードガス供給流路３４に導入するようにしてもよい。
【００６３】
Ｂ８．変形例８：
上記実施例の燃料電池システム１００では、アノードオフガス希釈処理（図３）において、混合ガスの水素濃度Ｋを水素濃度センサ９０により検出しているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、カソードオフガス流路３６から希釈器６０に流入するガスの流量Ｈ１および水素濃度Ｒ１、パージ流路２８から希釈器６０に流入するアノードオフガスの流量Ｈ２および水素濃度Ｒ２、希釈室６３において、ガスの流量Ｈ１に対して滞留室６２から希釈室６３へ吸い込まれるアノードオフガス量Ｈ３等を検出し、それらの検出結果から混合ガスの水素濃度Ｋを推算するようにしてもよい。なお、この場合、例えば、ガスの流量Ｈ１は、ブロワ３０の回転数等から推算可能であり、アノードオフガスの流量Ｈ２は、パージ流路２８において、アノードオフガス排出弁２４０の上流側および下流側の位置を流れるアノードオフガスの圧力値から推算可能である。
【００６４】
Ｂ９．変形例９：
上記実施例の燃料電池システム１００では、加湿器４０として中空糸加湿器を用いているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、加湿器４０は、中空糸とは異なる水透過膜を利用して加湿を行う加湿器であってもよい。このようにしても、アノードオフガスが混入したカソードガスは、加湿器４０を通過する際に、アノードオフガス中の水素が水透過膜を介してカソードオフガスに拡散するので、カソードガスに混入したアノードオフガス中の水素濃度は低下する。その結果、混合ガスの水素濃度Ｋが基準値Ｋｕより高くなることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。
【図２】実施例における希釈器６０の詳細を説明するための図である。
【図３】実施例の燃料電池システム１００が行うアノードオフガス希釈処理のフローチャートである。
【図４】変形例１の燃料電池システム１００が行うアノードオフガス希釈処理のフローチャートである。
【図５】変形例３の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【図６】変形例４の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０...燃料電池
２０...水素タンク
２４...アノードガス供給流路
２５...アノード流路
２６...アノードオフガス流路
２７...ガス循環流路
２８...パージ流路
２９...還流流路
３０...ブロワ
３４...カソードガス供給流路
３５...カソード流路
３６...カソードオフガス流路
４０...加湿器
４５...混合ガス排出流路
５０...循環ポンプ
６０...希釈器
７０...気液分離器
８０...エゼクタ
９０...水素濃度センサ
９５...逆止弁
１００...燃料電池システム
２１０...気液分離器
２４０...アノードオフガス排出弁
２５０...カソードオフガス調圧弁
２６０...還流弁
４００...制御回路
４１０...弁制御部
４２０...水素濃度検出部
【図１】
2007080723.tif 000003
【図２】
2007080723.tif 000004
【図３】
2007080723.tif 000005
【図４】
2007080723.tif 000006
【図５】
2007080723.tif 000007
【図６】
2007080723.tif 000008