WO2012033003A1 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

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池添　圭吾
雅士 佐藤
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Definitions

  • the present invention relates to an anode gas non-circulating fuel cell system and an operation method thereof.
  • the conventional anode gas non-circulating fuel cell system disclosed in Patent Document 1 below includes a fuel cell stack [fuel cell stack] configured by stacking a plurality of fuel cells [fuel cells].
  • a fuel cell stack [fuel cell stack] configured by stacking a plurality of fuel cells [fuel cells].
  • a hydrogen tank As an anode gas supply system to the battery stack, a hydrogen tank, a supply cutoff valve and a pressure regulating valve are provided.
  • a storage tank (buffer tank) and a discharge shut-off valve (purge valve) are provided as an anode exhaust gas discharge system from the fuel cell stack.
  • the first control state in which the anode gas supply amount to the fuel cell stack is small and the second control state in which the supply amount is large are set, and the first and second control states are repeated to make the anode
  • the gas supply pressure is pulsated.
  • accumulation of impurities in some fuel cells is suppressed, and the anode exhaust gas is discharged to the storage tank.
  • anode gas non-circulating fuel cell system a large amount of impurity gas (mainly nitrogen gas) tends to remain in the fuel cell stack when the system is stopped for a long time.
  • impurity gas mainly nitrogen gas
  • the residual impurity gas is discharged to the buffer tank as the inside of the fuel cell stack is replaced with hydrogen gas.
  • the residual impurity gas (nitrogen gas) concentration in the tank is increased.
  • An object of the present invention is to provide a method of operating a fuel cell system that can remove impurity gas while ensuring the hydrogen gas concentration in the fuel cell stack when the anode gas non-circulating fuel cell system is started.
  • a first feature of the present invention is an anode gas non-circulating fuel cell system, in which a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells and an anode off-gas discharged from the fuel cell stack.
  • a buffer tank for discharging the contained impurity gas to the outside, an impurity gas concentration detector for detecting the impurity gas concentration inside the buffer tank, an anode gas supplier for supplying an anode gas to the fuel cell stack, And the impurity gas in the buffer tank detected by the impurity gas concentration detector when the impurity gas in the fuel cell stack is pumped to the buffer tank while pulsating the supply pressure by the anode gas supplier.
  • at least one of the pulsation pressure and the pulsation cycle during anode gas supply is Nodogasu activation controlled by changing the supply takes place, to provide a fuel cell system, characterized in that.
  • a second feature of the present invention is a fuel cell stack configured by stacking a plurality of fuel cells, and a buffer tank for discharging impurity gas contained in the anode off-gas discharged from the fuel cell stack to the outside And a method for operating an anode gas non-circulating fuel cell system having a structure in which the impurity gas in the fuel cell stack is pumped to the buffer tank by pulsating the supply pressure of the anode gas to the fuel cell stack
  • the fuel cell system further includes an impurity gas concentration detector for detecting an impurity gas concentration inside the buffer tank, and the impurity gas in the buffer tank detected by the impurity gas concentration detector.
  • the pulsation pressure and pulsation of the anode gas supplied to the fuel cell stack Performing the cause activation control change at least one of the phases, provides a method of operating a fuel cell system.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of an anode gas non-circulating fuel cell system.
  • FIG. It is an exploded top view of a fuel cell. It is a top view of a fuel cell. It is a flowchart of embodiment of the operation method of a fuel cell system. It is a graph which shows the time change of the nitrogen gas concentration in an anode channel. It is a basic map for calculating
  • (A) a graph showing the relationship between time and anode gas supply pressure in normal pulsation control according to generated water, (b) a graph showing the relationship between time and stack temperature, and (c) a relationship between time and the amount of generated water in the cell.
  • 2 is a graph showing a relationship between (d) time and anode channel generation water.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system to which an embodiment of a fuel cell system operation method can be applied.
  • This fuel cell system is an anode gas non-circulation system in which anode gas is circulated in one direction from the supply side to the discharge side.
  • the fuel cell system includes a fuel cell stack FS configured by stacking a plurality of (unit) fuel cell cells FC.
  • the fuel cell stack FS includes a cathode gas (oxidant gas) supply path 31 and a discharge path 32, an anode gas (fuel gas [hydrogen gas]: hydrogen gas) supply path 33, and a discharge path 34. And a cooling fluid circuit 35 is connected.
  • the fuel cell FC includes a membrane electrode structure 2 having a frame 1 around it and two separators sandwiching the frame 1 and the membrane electrode structure 2 3 is provided.
  • the frame 1 is integrated with the membrane electrode structure 2 by resin molding (for example, injection molding).
  • the frame 1 has a rectangular shape with the membrane electrode structure 2 arranged in the center.
  • three manifold holes H1 to H6 are formed.
  • a region between the manifold hole and the membrane electrode structure 2 is a diffuser section [diffuser section] D described later.
  • the membrane electrode structure 2 is generally called MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • an electrolyte layer composed of a solid polymer [electrolyte layer] is a fuel electrode layer (anode) and air. It has a structure sandwiched between oxidant-electrode-layer (cathode).
  • Each separator 3 has a rectangular shape having vertical and horizontal dimensions substantially equal to those of the frame 1, and provides a cathode gas channel and an anode gas channel between the frame 1 and the membrane electrode structure 2.
  • the separator 3 is formed by press-molding a metal plate such as stainless steel, and the central portion corresponding to the membrane electrode structure 2 is formed in a wave shape in the short-side cross section. This wave shape is continuously formed along the long side direction, its inner surface convex portion is in contact with the membrane electrode structure 2, and its inner surface concave portion forms a gas flow path.
  • manifold holes H1 to H6 equivalent to the manifold holes H1 to H6 of the frame 1 are also formed at both ends of each separator 3, respectively.
  • a region between the manifold hole and the corrugated portion is a diffuser portion D described later.
  • the fuel cell FC is configured by superimposing the frame 1 and the membrane electrode structure 2 and the pair of separators 3. As shown in FIG. 3, the fuel cell FC includes a power generation section [power section] G that is a region of the membrane electrode structure 2 at the center thereof. On both sides of the power generation section G, there are provided a manifold section M for supplying or discharging the reaction gas [reactant gas] and a diffuser section D between the manifold section M and the power generation section G. Yes.
  • the manifold holes H1 to H6 each form a flow path in the stacking direction.
  • the manifold hole H1 forms a cathode gas supply channel
  • the manifold hole H2 forms a cooling fluid supply channel
  • the manifold hole H3 forms an anode gas supply channel.
  • the manifold hole H4 forms an anode gas discharge channel
  • the manifold hole H4 forms a cooling fluid discharge channel
  • the manifold hole H6 has a cathode gas discharge channel.
  • a part or all of the supply flow path and the discharge flow path may be arranged in a reverse positional relationship.
  • a plurality of the above-described fuel cells FC are stacked as shown in FIG. 1 and end plates E are attached on both sides to constitute a fuel cell stack FS.
  • a predetermined contact surface pressure is applied to each fuel cell FC by pressurizing the fuel cells FC stacked by the elastic body attached to one end plate E in the stacking direction. Therefore, the gas sealability, conductivity, etc. are maintained well.
  • an air supply unit [air31supply unit] 36 such as a compressor and a humidifier that humidifies the supply air from the air supply unit 36 are provided on the cathode gas supply path 31 [ humidifier] 37.
  • the cathode gas discharge path 32 supplies water vapor contained in the cathode gas (cathode-off-gas) discharged from the fuel cell stack FS to the humidifier 37, and back pressure downstream of the humidifier 37.
  • the cathode off-gas is released to the atmosphere via a regulating valve [back pressure regulation valve] 38.
  • the anode gas supply path 33 is provided from the hydrogen tank 39 to the fuel cell stack FS, and a hydrogen regulating valve 40 and a hydrogen pressure sensor 41 are provided in the middle thereof.
  • the hydrogen tank 39, the anode gas supply path 33, the hydrogen regulating valve 40, and the hydrogen pressure sensor 41 function as an anode gas supplier that supplies anode gas (hydrogen gas) to the fuel cell stack FS.
  • the cathode gas discharge path 34 is provided from the fuel cell stack FS to the buffer tank 42.
  • the anode gas (anode off-gas) discharged from the fuel cell stack FS contains impurity gas such as nitrogen gas or water vapor, so that the cathode off gas passes through the cathode gas discharge path 34 to the buffer tank 42. Discharged.
  • the buffer tank 42 includes a level sensor 43 for detecting the amount of water stored therein, a drain valve 44 for discharging the water to the outside, and a nitrogen purge for releasing nitrogen gas to the atmosphere. And a valve 45.
  • the cooling fluid circulation path 35 circulates the cooling fluid cooled by the radiator 46.
  • a circulation pump 47 and a three-way valve 49 are provided on the cooling fluid circulation path 35.
  • a bypass path 48 that bypasses the radiator 46 is connected to the cooling fluid circulation path 35, and the three-way valve 49 is disposed at a connection point between the upstream end of the bypass path 48 and the circulation path 35.
  • the fuel cell stack FS is provided with a stack temperature detector (temperature sensor [temperature sensor]) 50 for detecting the internal temperature (stack temperature).
  • the fuel cell system further includes a controller 51 for controlling the air supplier 36, the hydrogen regulating valve 40, the drain valve 44, the nitrogen purge valve 45, the circulation pump 47, the three-way valve 49, and the like.
  • the controller 51 stores control programs for various devices, and the controller 51 includes a start control unit 52 for executing the operation method of the present embodiment and a timer 53 for measuring the system stop time.
  • the controller 51 receives detection signals from the hydrogen pressure sensor 41, the level sensor 43, and the stack temperature detector 50, the current value of the fuel cell stack FS, the current value of each fuel cell FC, and the like.
  • the start control unit 52 stores data indicating the relationship between the stack temperature and the amount of impurity gas generated, a supply pressure map for the anode gas, and the like.
  • the supply pressure map is a reference map that appropriately sets the supply pressure of the anode gas according to the temperature and load of the fuel cell stack FS.
  • the operating temperature range of the fuel cell stack FS is assumed to be ⁇ 20 to 80 ° C. in consideration of the operating temperature of the fuel cell stack FS (about 80 ° C.) and standing in a sub-freezing environment for a long time. ing. Detection is possible by estimating the nitrogen gas concentration based on the stack temperature. Further, it is possible to indirectly estimate the stack temperature and nitrogen gas concentration at the time of startup based on the atmospheric temperature, the system shutdown time, and the like.
  • the activation control unit 52 of the controller 51 has a function of detecting the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS and the buffer tank 42 by estimation, and functions as an impurity gas concentration detector. That is, the activation control unit 52 estimates and detects the nitrogen gas concentration using various data stored in advance.
  • the activation control is performed by using the nitrogen gas concentration detection function of the activation control unit 52.
  • the startup control at least one of the pulsation pressure ⁇ P and the pulsation period ⁇ T of the anode gas is changed based on the stack temperature.
  • the pulsation pressure ⁇ P is the difference between the upper limit pressure and the lower limit pressure of the pulsation (see FIG. 9A). Therefore, the setting of the pulsation pressure ⁇ P is also to set the upper limit pressure and the lower limit pressure.
  • the pulsation cycle ⁇ T may be a time for maintaining the upper limit pressure (see FIG. 10A), or may be a time for one pitch including the upper limit pressure and the lower limit pressure.
  • the start control and / or the pulsation cycle ⁇ T that makes the pulsation pressure ⁇ P smaller than the normal pulsation control are controlled.
  • the start-up control is made longer.
  • the start control and / or the pulsation cycle ⁇ T that makes the pulsation pressure ⁇ P smaller than the normal pulsation control
  • the starting control is made longer.
  • the operation method of the fuel cell system of this embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
  • the present embodiment can suitably cope with a problem at the start-up when the amount of residual impurity gas inside the fuel cell stack FS is large. That is, this embodiment can suitably cope with the backflow of the impurity gas due to the pulsation of the supply pressure of the anode gas at the time of starting after a long stop in a low temperature environment. Therefore, in the present embodiment, the stop time is first determined.
  • step S1 When the system is activated, it is determined whether or not the stop time measured by the timer 53 is equal to or longer than a predetermined time (step S1).
  • the predetermined time is set based on the above-described data stored in the activation control unit 52.
  • step S5 When the stop time is less than the predetermined time (No in step S1), it is considered that the residual amount of impurity gas in the fuel cell stack FS is small, and normal pulsation control is performed to pulsate the supply pressure of the anode gas (step). S5).
  • the anode gas is supplied to the fuel cell stack FS, and the impurity gas (nitrogen gas) in the fuel cell stack FS is discharged to the buffer tank 42. Since the amount of nitrogen gas remaining in the fuel cell stack FS at the time of startup is small, the amount of nitrogen gas discharged to the buffer tank 42 is small, and even if normal pulsation control is performed, the backflow from the buffer tank 42 to the fuel cell stack FS does not occur. Does not occur.
  • step S1 when the stop time is equal to or longer than the predetermined time (Yes in step S1), it is considered that the residual amount of nitrogen gas in the fuel cell stack FS is large, and the pulsation pressure ⁇ P and the pulsation period ⁇ T of the anode gas are changed. Start control is performed.
  • the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS gradually increases after the system is stopped, but the nitrogen gas concentration is low until a predetermined time ts after the system is stopped. Therefore, when the system is restarted within the predetermined time ts, the residual amount of nitrogen gas is small even if normal pulsation control is performed, and power generation is not affected. For this reason, as described above, the stop time is determined in step S1.
  • the anode flow path means all anode-side gas flow areas including the fuel cell FC, the fuel cell stack FS, and the piping system.
  • step S1 the anode gas pulsation pressure ⁇ P and the pulsation period ⁇ T are set in order to perform start-up control for suppressing the backflow of nitrogen gas from the buffer tank 42 (step S2).
  • values of the pulsation upper limit pressure and the pulsation lower limit pressure are acquired according to the stack temperature from the map showing the relationship between the stack temperature and the anode gas supply pressure shown in FIG.
  • the pulsation period ⁇ T is obtained from the map shown in FIG.
  • the reason for setting the pulsation pressure ⁇ P and the pulsation period ⁇ T of the anode gas in accordance with the temperature of the fuel cell stack FS is as follows.
  • the power generation is continued while performing pulsation and purging of the anode gas, so that the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 is lowered and the fuel cell stack is generated by power generation.
  • the temperature of FS rises. Therefore, assuming the start-up time, the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 can be substituted with the temperature of the fuel cell stack FS. As the temperature of the fuel cell stack FS becomes higher, the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 becomes thinner. Therefore, the backflow of nitrogen gas is less likely to occur, and the pulsation pressure ⁇ P can be made larger than the initial stage of startup.
  • the temperature of the fuel cell stack FS is set as a substitute value of the nitrogen gas concentration (permeability), and the pulsation pressure ⁇ P is set to be larger as the temperature of the fuel cell stack FS is higher. In this way, the hydrogen partial pressure in the power generation region due to an increase in the amount of nitrogen gas (cathode offgas) permeating from the cathode side can be secured.
  • the optimum pulsation pressure ⁇ P considering the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 and the permeation amount of nitrogen gas from the cathode side according to the temperature of the fuel cell stack FS. Can be set.
  • the pulsation pressure ⁇ P is set to be smaller than that during normal pulsation control.
  • the pulsation cycle ⁇ T is set to be longer than that during normal pulsation control.
  • step S4 it is determined whether or not the stack temperature detected by the stack temperature detector 50 is equal to or higher than a predetermined temperature Ts (step S4).
  • the stack temperature is equal to or higher than the predetermined temperature Ts (Yes in step S4), it is considered that the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS (fuel cell FC) has sufficiently decreased, and the normal pulsation control is performed ( Step S5).
  • step S4 when the stack temperature is lower than the predetermined temperature Ts (No in step S4), it is considered that the nitrogen gas permeation amount is small and the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 is not yet sufficiently lowered. Subsequently, the activation control using the pulsation pressure ⁇ P and / or the pulsation cycle ⁇ T is continued (step S3). In this way, in order to correct the pulsation condition of the anode gas, the start-up control or the normal pulsation control is switched according to the stack temperature, and the pulsation condition of the anode gas is corrected to a condition suitable for the start-up.
  • the stack temperature rises due to the power generation of the fuel cell stack FS, as shown in FIG. 9B.
  • the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 decreases.
  • the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 is reduced by discharging the nitrogen gas in the fuel cell stack FS to the buffer tank 42 by the supplied anode gas, and further reducing the nitrogen gas in the buffer tank 42 by the nitrogen purge valve 45 by the anode off gas. This is because it is discharged to the outside.
  • the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS decreases rapidly with an increase in the anode gas supply pressure immediately after startup, and then a small pulsation pressure ⁇ P during startup control. Due to the pressure pulsation, a very small amount of nitrogen gas flows backward from the buffer tank 42 and slightly fluctuates. However, since the pulsation pressure ⁇ P is small, the back flow rate is very small, the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS is kept low, and the nitrogen gas concentration does not affect the power generation. After the transition to the normal pulsation control, the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS becomes almost zero due to sufficient discharge due to the large pulsation pressure ⁇ P. When the normal pulsation control is performed, the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 is low, and the nitrogen gas does not flow backward from the buffer tank 42 even if the pulsation pressure ⁇ P is increased.
  • the stack temperature rises due to the power generation of the fuel cell stack FS as shown in FIG. 10 (b).
  • the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 decreases (the reason is described above).
  • the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS rapidly decreases with an increase in the anode gas supply pressure immediately after startup, and then has a long pulsation period ⁇ T during startup control. Due to the pressure pulsation, a very small amount of nitrogen gas flows backward from the buffer tank 42 and slightly fluctuates.
  • the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS is kept low, and the nitrogen gas concentration does not affect power generation. Then, after shifting to normal pulsation control, the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS becomes substantially zero by sufficient discharge with a short pulsation period ⁇ T.
  • the normal pulsation control is performed, the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 is low, and the nitrogen gas does not flow back from the buffer tank 42 even if the pulsation cycle ⁇ T is shortened.
  • the concentration of the impurity gas (mainly nitrogen gas) in the buffer tank 42 is detected, and the pulsation pressure ⁇ P and / or the pulsation period ⁇ T of the anode gas is the normal pulsation control. Different activation control is performed. Therefore, the impurity gas can be removed while the hydrogen gas concentration in the fuel cell stack FS is sufficiently secured by reducing the reverse flow rate of the impurity gas from the buffer tank 42 at the time of starting after a long stop. Further, according to the impurity gas concentration detection method described above, it is possible to perform control with a minimum of sensors, and to simplify the system.
  • the back flow rate of the impurity gas from the buffer tank 42 is small, so the hydrogen content in each fuel cell FC is Insufficient pressure is eliminated, and voltage drop and deterioration of the fuel cell FC can be prevented.
  • the anode gas supply pressure based on the stack temperature, it is possible to perform more accurate control according to the state of the fuel cell stack FS at the time of startup. Furthermore, even when the anode gas supply pressure is controlled based on the system stop time, more accurate control can be performed according to the state of the fuel cell stack FS at the time of startup.
  • Step S5 when the stack temperature becomes equal to or higher than the predetermined temperature Ts during the start-up control (Yes in Step S4), the normal pulsation control is performed (Step S5). However, after a predetermined time has elapsed from the start, the start control may be shifted to the normal pulsation control.
  • start control for gradually increasing the pulsation pressure ⁇ P and start control for gradually shortening the pulsation period ⁇ T can be performed as the stack temperature detected by the stack temperature detector 50 increases.
  • the pulsation pressure ⁇ P during the start-up control is gradually increased as the stack temperature rises.
  • the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS decreases rapidly with an increase in the anode gas supply pressure immediately after startup, and then has a small pulsation pressure ⁇ P immediately after startup. Due to the pressure pulsation, a very small amount of nitrogen gas flows backward from the buffer tank 42 and slightly fluctuates. However, since the pulsation pressure ⁇ P is small, the back flow rate is very small, the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS is kept low, and the nitrogen gas concentration does not affect the power generation. Thereafter, the pulsation pressure ⁇ P is gradually increased as the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 decreases.
  • the pulsation period ⁇ T during the start-up control is gradually shortened as the stack temperature rises.
  • the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS decreases rapidly with an increase in the anode gas supply pressure immediately after startup, and then has a long pulsation period ⁇ T immediately after startup. Due to the pressure pulsation, a very small amount of nitrogen gas flows backward from the buffer tank 42 and slightly fluctuates. However, since the pulsation cycle ⁇ T is long, the back flow rate is very small (the back flow frequency is low), the nitrogen gas concentration in the fuel cell stack FS is kept low, and the nitrogen gas concentration does not affect the power generation. Thereafter, as the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 decreases, the pulsation cycle ⁇ T is gradually shortened (the backflow frequency increases).
  • the pulsation pressure control shown in FIG. 9 can be performed simultaneously with the pulsation pressure control of FIG. 10 or FIG.
  • the pulsation pressure control shown in FIG. 11 can be performed simultaneously with the pulsation pressure control of FIG. 10 or FIG.
  • the activation control unit 52 of the controller 51 functions as a generated water estimator that detects generation of generated water in the anode flow path by estimation.
  • the generation of generated water in the anode flow path is detected.
  • the routine proceeds to normal pulsation control.
  • the pulsation pressure ⁇ P and / or the pulsation cycle ⁇ T are kept constant.
  • the stack temperature rises due to the power generation of the fuel cell stack FS as shown in FIG. 13B, and the amount of water generated in the fuel cell FC increases with the power generation as shown in FIG. 13C.
  • the generated water is discharged from the fuel cell stack FS by normal pulsation control.
  • the impurity gas is removed while preventing the backflow of the impurity gas from the buffer tank 42 and ensuring the hydrogen gas concentration in the fuel cell stack FS sufficiently at the time of startup after a long stop. be able to.
  • the operation method of the fuel cell system is not limited to the above embodiment.
  • a nitrogen gas detector 54 that detects the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 may be provided as shown by a dotted line in FIG.
  • a nitrogen gas sensor is used as the nitrogen gas detector 54.
  • the nitrogen gas concentration detected by the nitrogen gas detector 54 is used for control.
  • a nitrogen gas detector 55 for detecting the nitrogen gas concentration on the anode side of the fuel cell stack FS may be provided.
  • a nitrogen gas sensor is used as the nitrogen gas detector 55. In this case, not the estimated nitrogen gas concentration but the nitrogen gas concentration detected by the nitrogen gas detector 55 is used for control.
  • the nitrogen gas concentration in the buffer tank 42 and the fuel cell stack FS is actually measured by the nitrogen gas detector 54 and the nitrogen gas detector 55, it is possible to perform highly accurate control corresponding to the state of the fuel cell system at the time of startup. it can.
  • the concentration of the anode gas is “hydrogen concentration ⁇ 100 ⁇ nitrogen concentration ⁇ water vapor concentration”.
  • the water vapor concentration can be estimated to some extent from the operating state of the fuel cell. That is, if the nitrogen concentration is known, the hydrogen concentration can be known, so that the nitrogen gas concentration can be estimated using a hydrogen concentration sensor. Therefore, a hydrogen gas detector can be used in place of the nitrogen gas detector 54 and the nitrogen gas detector 55.

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Abstract

　アノードガス非循環型の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクと、バッファタンクの内部の不純物ガス濃度を検出する不純物ガス濃度検出部と、燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給器と、を備えている。アノードガス供給器によって供給圧力を脈動させつつ燃料電池スタック内の不純物ガスをバッファタンクに圧送する際に、不純物ガス濃度検出部によって検出されたバッファタンク内の不純物ガス濃度に応じて、アノードガス供給時の脈動圧力及び脈動周期のうちの少なくとも一方をアノードガス供給器によって変化させて起動制御が行われる。上記燃料電池システムによれば、起動時に、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を確保しつつ不純物ガスを除去することができる。

Description

燃料電池システム及びその運転方法
　本発明は、アノードガス非循環型の燃料電池システム及びその運転方法に関する。
　下記特許文献１に開示された従来のアノードガス非循環型燃料電池システムは、複数の燃料電池セル[fuel cells]を積層して構成された燃料電池スタック[fuel cell stack]を備えており、燃料電池スタックへのアノードガス供給系として、水素タンク、供給遮断弁及び調圧弁を備えている。また、燃料電池スタックからのアノード排ガス排出系として、貯留タンク（バッファタンク）や排出遮断弁（パージ弁）を備えている。
　上記燃料電池システムでは、燃料電池スタックへのアノードガス供給量が少ない第１制御状態と、供給量が多い第２制御状態とが設定されており、第１及び第２制御状態が繰り返されてアノードガス供給圧力が脈動される。この結果、不純物が一部の燃料電池セルに蓄積されるのが抑制され、かつ、アノード排ガスが貯留タンクに排出される。
日本国特開２００８－９７９６６号公報
　一般に、アノードガス非循環型燃料電池システムは、システムの長時間停止時に、燃料電池スタック内部に多量の不純物ガス[impurity gas]（主に窒素ガス）が残留する傾向がある。電池スタック内部に多量の不純物ガスが残留している状況で燃料電池システムを起動すると、燃料電池スタック内部が水素ガスに置換されるのに伴って、残留不純物ガスがバッファタンクに排出されて、バッファタンク内の残留不純物ガス（窒素ガス）濃度が高くなる。
　このため、システム起動時にアノードガス供給圧力を脈動させると、供給圧力降下時にバッファタンクから燃料電池スタック内に高濃度の不純物ガス（窒素ガス）が逆流することがある。この結果、燃料電池スタックのアクティブエリア（発電領域）のアノードガス出口側で水素分圧が不足して燃料電池セル電圧が低下したり、最悪、燃料電池セルが劣化するという問題点があった。
　本発明の目的は、アノードガス非循環型燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタック内の水素ガス濃度を確保しつつ不純物ガスを除去することができる燃料電池システムの運転方法を提供するである。
　本発明の第１の特徴は、アノードガス非循環型の燃料電池システムであって、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクと、前記バッファタンクの内部の不純物ガス濃度を検出する不純物ガス濃度検出部と、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給器と、を備え、前記アノードガス供給器によって供給圧力を脈動させつつ前記燃料電池スタック内の不純物ガスを前記バッファタンクに圧送する際に、前記不純物ガス濃度検出部によって検出された前記バッファタンク内の不純物ガス濃度に応じて、アノードガス供給時の脈動圧力及び脈動周期のうちの少なくとも一方を前記アノードガス供給器によって変化させて起動制御が行われる、ことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
　本発明の第２の特徴は、複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクとを備え、前記燃料電池スタックへのアノードガスの供給圧力を脈動させることによって前記燃料電池スタック内の不純物ガスを前記バッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムが、前記バッファタンクの内部の不純物ガス濃度を検出する不純物ガス濃度検出器をさらに備えており、前記不純物ガス濃度検出器によって検出された前記バッファタンク内の不純物ガス濃度に応じて、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスの脈動圧力及び脈動周期のうちの少なくとも一方を変化させる起動制御を行う、燃料電池システムの運転方法を提供する。
アノードガス非循環型の燃料電池システムの実施形態の構成図である。 燃料電池セルの分解平面図である。 燃料電池セルの平面図である。 燃料電池システムの運転方法の実施形態のフローチャートである。 アノード流路での窒素ガス濃度の時間変化を示すグラフである。 脈動圧力を求めるための基本マップである。 脈動圧力を求めるための補正マップである。 脈動周期を求めるためのマップである。 脈動圧力制御での（ａ）時間－アノードガス供給圧力の関係を示すグラフ、（ｂ）時間－スタック温度の関係を示すグラフ、（ｃ）時間－バッファタンク内窒素ガス濃度の関係を示すグラフ、及び、（ｄ）時間－スタック内窒素ガス濃度の関係を示すグラフである。 脈動周期制御での（ａ）時間－アノードガス供給圧力の関係を示すグラフ、（ｂ）時間－スタック温度の関係を示すグラフ、（ｃ）時間－バッファタンク内窒素ガス濃度の関係を示すグラフ、及び、（ｄ）時間－スタック内窒素ガス濃度の関係を示すグラフである。 他の脈動圧力制御での（ａ）時間－アノードガス供給圧力の関係を示すグラフ、（ｂ）時間－スタック温度の関係を示すグラフ、（ｃ）時間－バッファタンク内窒素ガス濃度の関係を示すグラフ、及び、（ｄ）時間－スタック内窒素ガス濃度の関係を示すグラフである。 他の脈動周期制御での（ａ）時間－アノードガス供給圧力の関係を示すグラフ、（ｂ）時間－スタック温度の関係を示すグラフ、（ｃ）時間－バッファタンク内窒素ガス濃度の関係を示すグラフ、及び、（ｄ）時間－スタック内窒素ガス濃度の関係を示すグラフである。 生成水に応じた通常脈動制御での（ａ）時間－アノードガス供給圧力の関係を示すグラフ、（ｂ）時間－スタック温度の関係を示すグラフ、（ｃ）時間－セル内生成水量の関係を示すグラフ、及び、（ｄ）時間－アノード流路生成水の関係を示すグラフである。
　燃料電池システムの運転方法の一実施形態が適用可能な燃料電池システムを図１に示す。この燃料電池システムは、アノードガスが供給側から排出側へと一方向に流通されるアノードガス非循環型システムである。
　燃料電池システムは、複数の（単位）燃料電池セルＦＣを積層して構成された燃料電池スタックＦＳを備えている。また、燃料電池スタックＦＳには、カソードガス（酸化剤ガス[oxidant gas]：空気）供給路３１及び排出路３２、アノードガス（燃料ガス[fuel gas]：水素ガス）供給路３３及び排出路３４、並びに、冷却流体[coolant]循環路３５が接続されている。
　燃料電池セルＦＣは、図２及び図３に示されるように、フレーム１を周囲に有する膜電極構造体[membrane electrode structure]２と、フレーム１及び膜電極構造体２を挟持する二枚のセパレータ３とを備えている。
　フレーム１は、樹脂成形（例えば射出成形）によって膜電極構造体２と一体化されており、本実施形態では、膜電極構造体２が中央に配された長方形状を有している。また、フレーム１の両端には、三つのマニホールド孔[manifold holes]Ｈ１～Ｈ６がそれぞれ形成されている。マニホールド孔と膜電極構造体２との間の領域が、後述するディフューザ部[diffuser section]Ｄである。
　膜電極構造体２は、一般に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)と呼ばれ、例えば、固体高分子[solid polymer]からなる電解質層[electrolyte layer]が燃料極層[fuel electrode layer]（アノード）及び空気極層[oxidant electrode layer]（カソード）で挟まれた構造を有している。
　各セパレータ３は、フレーム１とほぼ同等の縦横寸法を有する長方形状を有しており、フレーム１及び膜電極構造体２との間に、カソードガス流路及びアノードガス流路をする。セパレータ３はステンレス等の金属板をプレス成形して形成されていおり、膜電極構造体２に対応するその中央部分は短辺方向断面において波状に形成されている。この波形状は長辺方向にそって連続形成されており、その内面凸部が膜電極構造体２と接触し、かつ、その内面凹部がガス流路を形成する。
　また、各セパレータ３の両端にも、フレーム１のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６と同等のマニホールド孔Ｈ１～Ｈ６はそれぞれ形成されている。マニホールド孔と断面波形状部との間の領域が、後述するディフューザ部Ｄである。
　フレーム１及び膜電極構造体２と一対のセパレータ３とが重ね合わられて燃料電池セルＦＣが構成される。燃料電池セルＦＣは、図３に示されるように、その中央に膜電極構造体２の領域である発電部[power section]Ｇを備えている。発電部Ｇの両側のそれぞれには、反応ガス[reactant gas]の供給又は排出を行うマニホールド部[manifold section]Ｍと、マニホールド部Ｍから発電部Ｇとの間のディフューザ部Ｄとが設けられている。
　複数の燃料電池セルＦＣが積層されると、マニホールド孔Ｈ１～Ｈ６はそれぞれ積層方向に流路を形成する。図３中左側の一方のマニホールド部Ｍにおいては、マニホールド孔Ｈ１はカソードガス供給流路を形成し、マニホールド孔Ｈ２は冷却流体供給流路を形成し、マニホールド孔Ｈ３はアノードガス供給流路を形成する。また、図３中の右側の他方のマニホールド部Ｍにおいては、マニホールド孔Ｈ４はアノードガス排出流路を形成し、マニホールド孔Ｈ４は冷却流体排出流路を形成し、マニホールド孔Ｈ６はカソードガス排出流路を形成する。なお、供給流路及び排出流路の一部又は全部は、逆の位置関係で配置されても良い。
　複数の上述した燃料電池セルＦＣは、図１に示されるように積層されて両側にエンドプレートＥが取り付けられて、燃料電池スタックＦＳを構成する。このとき、燃料電池スタックＦＳでは、一方のエンドプレートＥに装着された弾性体によって積層された燃料電池セルＦＣを積層方向に加圧することで各燃料電池セルＦＣに所定の接触面圧を作用させて、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。
　上述した燃料電池スタックＦＳを備える燃料電池システムにおいて、カソードガス供給路３１上には、コンプレッサ等の空気供給器[air supply unit]３６と、空気供給器３６からの給気を加湿する加湿器[humidifier]３７とが設けられている。また、カソードガス排出路３２は、燃料電池スタックＦＳから排出されたカソードガス（カソードオフガス[cathode off-gas]）中に含まれる水蒸気を加湿器３７に供給し、加湿器３７の下流で背圧調整弁[back pressure regulation valve]３８を介してカソードオフガスを大気に開放する。
　アノードガス供給路３３は、水素タンク３９から燃料電池スタックＦＳまで設けられており、その途中に水素調整弁４０及び水素圧力センサ４１が設けられている。ここでは、水素タンク３９、アノードガス供給路３３、水素調整弁４０及び水素圧力センサ４１が、燃料電池スタックＦＳにアノードガス（水素ガス）を供給するアノードガス供給器として機能している。また、カソードガス排出路３４は、燃料電池スタックＦＳからバッファタンク４２まで設けられている。燃料電池スタックＦＳから排出されたアノードガス（アノードオフガス[anode off-gas]）には窒素ガスや水蒸気などの不純物ガスが含まれているので、カソードオフガスはカソードガス排出路３４を通してバッファタンク４２に排出される。
　バッファタンク４２は、その内部に貯留された水の量を検出するためのレベルセンサ４３と、水を外部に排出するための排水弁[drain valve]４４と、窒素ガスを大気に開放する窒素パージ弁４５とを備えている。
　冷却流体循環路３５は、ラジエーター４６で冷却される冷却流体を循環させる。冷却流体循環路３５上には、循環ポンプ４７と、三方弁４９とが設けられている。冷却流体循環路３５には、ラジエーター４６をバイパスするバイパス路４８が接続されており、三方弁４９は、バイパス路４８の上流端と循環路３５との接続点に配設されている。また、燃料電池スタックＦＳには、その内部温度（スタック温度）を検出するためのスタック温度検出器[stack temperature detector]（温度センサ[temperature sensor]）５０が設けられている。
　さらに、燃料電池システムは、空気供給器３６、水素調整弁４０、排水弁４４、窒素パージ弁４５、循環ポンプ４７、及び、三方弁４９などを制御するためのコントローラ５１を備えている。
　コントローラ５１には各種機器の制御プログラムが記憶されており、コントローラ５１は、本実施形態の運転方法を実行するための起動制御部５２と、システム停止時間を計測するタイマ５３とを備えている。また、コントローラ５１には、水素圧力センサ４１、レベルセンサ４３及びスタック温度検出器５０からの検出信号、燃料電池スタックＦＳの電流値、及び、各燃料電池セルＦＣの電流値などが入力される。
　起動制御部５２には、スタック温度と不純物ガスの発生量との関係を示すデータ、及び、アノードガス用の供給圧力マップなどが記憶されている。供給圧力マップは、燃料電池スタックＦＳの温度や負荷に応じてアノードガスの供給圧力を適切に設定する基準マップである。
　ここで、燃料電池スタックＦＳの運転温度（約８０℃）と氷点下の環境で停止状態での長時間放置とを考慮して、燃料電池スタックＦＳの動作温度範囲は－２０～８０℃と想定されている。スタック温度に基づいて、窒素ガス濃度を推定することで検出可能である。また、大気温度やシステム停止時間などに基づいて、起動時のスタック温度や窒素ガス濃度を間接的に推定可能である。
　コントローラ５１の起動制御部５２は、燃料電池スタックＦＳやバッファタンク４２の内部の窒素ガス濃度を推定によって検出する機能を有しており、不純物ガス濃度検出器として機能する。つまり、起動制御部５２は、予め記憶された各種データを利用して、窒素ガス濃度を推定して検出する。
　本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、起動制御部５２の窒素ガス濃度の検出機能を用いることで、起動制御が行われる。起動制御では、アノードガスの脈動圧力ΔＰ及び脈動周期ΔＴの少なくとも一方がスタック温度に基づいて変化される。
　ここで、脈動圧力ΔＰとは、脈動の上限圧力と下限圧力との差である（図９（ａ）参照）。したがって、脈動圧力ΔＰの設定とは、上限圧力及び下限圧力を設定することでもある。また、脈動周期ΔＴは、上限圧力を維持する時間（図１０（ａ）参照）でも良いし、上限圧力及び下限圧力から成る１ピッチ分の時間でも良い。
　具体的には、スタック温度検出器５０によって検出されたスタック温度が所定温度Ｔｓ未満である場合には、脈動圧力ΔＰを通常脈動制御よりも小さくする起動制御及び／又は脈動周期ΔＴを通常脈動制御よりも長くする起動制御が行われる。
　さらに、上記制御に加えて、タイマ５３によって計測された停止時間が所定時間ｔｓ以上である場合には、脈動圧力ΔＰを通常脈動制御よりも小さくする起動制御及び／又は脈動周期ΔＴを通常脈動制御よりも長くする起動制御が行なわれる。なお、脈動圧力ΔＰ及び脈動周期ΔＴの両方を制御することも当然可能である。
　図４に示されるフローチャートを参照しつつ、本実施形態の燃料電池システムの運転方法を説明する。本実施形態は、燃料電池スタックＦＳ内部の不純物ガス残留量が多い状態での起動時の不具合に好適に対処できる。即ち、本実施形態は、低温環境での長時間停止後の起動時における、アノードガスの供給圧力の脈動による不純物ガスの逆流に好適に対処できる。従って、本実施形態では、停止時間の判定がまず行われる。
　システムが起動されると、タイマ５３で計測された停止時間が所定時間以上であるか否かが判定される（ステップＳ１）。ここで、所定時間は、起動制御部５２に記憶されている上述のデータに基づいて設定される。
　停止時間が所定時間未満である場合（ステップＳ１でＮｏ）には、燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガス残留量は少ないとみなして、アノードガスの供給圧力を脈動させる通常脈動制御が行われる（ステップＳ５）。燃料電池スタックＦＳにアノードガスが供給され、燃料電池スタックＦＳ内の不純物ガス（窒素ガス）がバッファタンク４２に排出される。起動時の燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス残留量が少ないので、バッファタンク４２に排出される窒素ガス量も少なく、通常脈動制御が行われてもバッファタンク４２から燃料電池スタックＦＳへの逆流は生じない。
　一方、停止時間が所定時間以上である場合（ステップＳ１でＹｅｓ）には、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス残留量は多いとみなして、上述したアノードガスの脈動圧力ΔＰや脈動周期ΔＴを変化させる起動制御が行われる。
　なお、図５に示されるように、燃料電池スタックＦＳ（アノード流路）内の窒素ガス濃度は、システム停止後徐々に増加するが、システム停止後所定時間ｔｓまでは窒素ガス濃度は低い。したがって、システムが所定時間ｔｓ内に再起動された場合は、通常脈動制御を行っても窒素ガス残留量は少なく、発電に影響を与えない。このため、上述したようにステップＳ１おいて停止時間を判定している。ここで、アノード流路とは、燃料電池セルＦＣ、燃料電池スタックＦＳ及び配管系を含む全てのアノード側のガス流通域を意味する。
　ステップＳ１が肯定された場合、バッファタンク４２からの窒素ガスの逆流を抑制するための起動制御を行うべく、アノードガスの脈動圧力ΔＰや脈動周期ΔＴが設定される（ステップＳ２）。具体的には、図６に示されるスタック温度とアノードガス供給圧力との関係を示すマップから、スタック温度に応じて脈動上限圧力及び脈動下限圧力の値が取得される。この際、燃料電池スタックＦＳの負荷（電流値）に応じて取得された脈動上限圧力及び脈動下限圧力の値を補正する必要があり、図７に示されるマップから求められる圧力補正係数を用いて補正される。また、図８に示されるマップから脈動周期ΔＴが求められる。このように、燃料電池スタックＦＳの温度に応じてアノードガスの脈動圧力ΔＰや脈動周期ΔＴを設定する理由は次の通りである。
　バッファタンク４２内の窒素ガス濃度が高い状態での起動では、アノードガスの脈動とパージとを行いながら発電を継続することで、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度が低下すると共に発電によって燃料電池スタックＦＳの温度が上昇する。従って、起動時を想定した場合、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度を燃料電池スタックＦＳの温度で代用することができる。燃料電池スタックＦＳの温度が高くなるほどバッファタンク４２内の窒素ガス濃度は薄くなるので、窒素ガスの逆流が生じにくくなり、脈動圧力ΔＰを起動初期よりも大きくできる。
　また、燃料電池スタックＦＳの温度が高くなればカソード側からの窒素ガスの透過量が大きくなる。このため、起動初期の小さな脈動圧力ΔＰのままではカソード側から透過する窒素ガス（カソードオフガス）をバッファタンク４２内に十分に排出させることができない。この場合、発電領域の水素分圧を確保できない可能性がある。そこで、燃料電池スタックＦＳの温度を窒素ガス濃度（透過度）の代用値とし、燃料電池スタックＦＳの温度が高いほど脈動圧力ΔＰを大きく設定する。このようにすれば、カソード側から透過する窒素ガス（カソードオフガス）量の増加による発電領域の水素分圧を確保できる。
　このように、図６及び図７のマップから、燃料電池スタックＦＳの温度に応じて、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度とカソード側からの窒素ガスの透過量とを考慮した最適な脈動圧力ΔＰを設定できる。
　より具体的には、脈動圧力ΔＰは、図９（ａ）に示されるように、通常脈動制御時よりも小さくなるように設定される。脈動周期ΔＴは、図１０（ａ）に示されるように、通常脈動制御時よりも長くなるように設定される。ステップＳ２の後、設定された脈動圧力ΔＰ及び／又は脈動周期ΔＴに基づいて起動制御が実行される（ステップＳ３）。
　起動制御の間、スタック温度検出器５０で検出されたスタック温度が所定温度Ｔｓ以上であるか否かが判定される（ステップＳ４）。スタック温度が所定温度Ｔｓ以上である場合（ステップＳ４でＹｅｓ）には、燃料電池スタックＦＳ（燃料電池セルＦＣ）内の窒素ガス濃度が十分に低下したとみなして、通常脈動制御に移行する（ステップＳ５）。
　一方、スタック温度が所定温度Ｔｓ未満である場合（ステップＳ４でＮｏ）には、窒素ガスの透過量が少なく、かつ、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度がまだ十分に低下していないとみなして、引き続き脈動圧力ΔＰ及び／又は脈動周期ΔＴを用いた起動制御が継続される（ステップＳ３）。このようにして、アノードガスの脈動条件を補正するために、スタック温度に応じて起動制御か通常脈動制御かを切り替えて、アノードガスの脈動条件を起動時に適した条件に補正している。
　図９（ａ）に示されるように脈動圧力ΔＰを小さくして燃料電池システムを起動すると、図９（ｂ）に示されるように燃料電池スタックＦＳの発電によりスタック温度が上昇し、図９（ｃ）に示されるようにバッファタンク４２内の窒素ガス濃度が減少する。バッファタンク４２内の窒素ガス濃度減少は、供給されたアノードガスによって燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガスがバッファタンク４２に排出され、さらに、アノードオフガスによってバッファタンク４２内の窒素ガスが窒素パージ弁４５を通して外部に排出されるためである。
　また、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は、図９（ｄ）に示されるように、起動直後のアノードガス供給圧力の増加に伴って急速に減少した後、起動制御中の小さな脈動圧力ΔＰの圧力脈動によってごく少量の窒素ガスがバッファタンク４２から逆流して微小変動する。しかし、脈動圧力ΔＰが小さいので逆流量はごく少なく、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は低く維持され、窒素ガス濃度が発電に影響を及ぼすことはない。そして、通常脈動制御移行後は大きな脈動圧力ΔＰによる十分な排出によって燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度はほぼゼロとなる。なお、通常脈動制御に移行したときには、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度は低く、脈動圧力ΔＰを大きくしてもバッファタンク４２から窒素ガスは逆流しない。
　図１０（ａ）に示されるように脈動周期ΔＴを長くして燃料電池システムを起動すると、図１０（ｂ）に示されるように燃料電池スタックＦＳの発電によりスタック温度が上昇し、図１０（ｃ）に示されるようにバッファタンク４２内の窒素ガス濃度が減少する（理由は上述した）。また、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は、図１０（ｄ）にされるように、起動直後のアノードガス供給圧力の増加に伴って急速に減少した後、起動制御中の長い脈動周期ΔＴの圧力脈動によってごく少量の窒素ガスがバッファタンク４２から逆流して微小変動する。しかし、脈動周期ΔＴが長いので逆流量はごく少く（逆流頻度が少なく）、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は低く維持され、窒素ガス濃度が発電に影響を及ぼすことはない。そして、通常脈動制御移行後は短い脈動周期ΔＴによる十分な排出によって燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度はほぼゼロとなる。なお、通常脈動制御に移行したときには、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度は低く、脈動周期ΔＴを短くしてもバッファタンク４２から窒素ガスは逆流しない。
　本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、バッファタンク４２内の不純物ガス（主に窒素ガス）の濃度を検出して、アノードガスの脈動圧力ΔＰ及び／又は脈動周期ΔＴを通常脈動制御とは異ならせた起動制御が行われる。従って、長時間停止後の起動時において、バッファタンク４２からの不純物ガスの逆流量を低減して、燃料電池スタックＦＳ内の水素ガス濃度を充分に確保しつつ不純物ガスを除去できる。また、上述した不純物ガス濃度の検出方法によれば、最小限のセンサ類による制御が可能であり、システムの簡略化等も可能となる。
　なお、多数の燃料電池セルＦＣで構成された燃料電池スタックＦＳの内部に不純物ガスが多く残留する環境では、各燃料電池セルＦＣのアノード側で凝縮した残留水量に差が生じる。このような状況でアノードガス供給圧力の脈動によって不純物ガスの逆流が生じると、残留水量が多い燃料電池セルＦＣではアノードガス出口側での水素分圧不足がより顕著になる。
　本実施形態の燃料電池システムの運転方法では、各燃料電池セルＦＣの残留水量に差が生じていても、バッファタンク４２からの不純物ガスの逆流量が少ないので、各燃料電池セルＦＣにおける水素分圧不足が解消され、燃料電池セルＦＣの電圧低下や劣化を防止できる。
　また、スタック温度に基づいてアノードガス供給圧力を制御することで、起動時の燃料電池スタックＦＳの状況に応じて、より高精度な制御を行うことができる。さらに、システムの停止時間に基づいてアノードガス供給圧力を制御することでも、起動時の燃料電池スタックＦＳの状況に応じて、より高精度な制御を行うことができる。
　なお、本実施形態では、起動制御中にスタック温度が所定温度Ｔｓ以上になったところ（ステップＳ４でＹｅｓ）で、通常脈動制御に移行する（ステップＳ５）。しかし、起動から所定時間の経過後に、起動制御から通常脈動制御に移行するようにしても良い。
　また、スタック温度検出器５０によって検出されたスタック温度の上昇に伴って、脈動圧力ΔＰを徐々に大きくする起動制御及び脈動周期ΔＴを徐々に短くする起動制御の少なくとも一方を行うこともできる。なお、脈動圧力ΔＰ及び脈動周期ΔＴの両方を制御することも当然可能である。
　具体的には、図１１（ａ）に示されるように、スタック温度上昇に伴って起動制御中の脈動圧力ΔＰが次第に増大される。図１１（ｂ）に示されるようにスタック温度は燃料電池スタックＦＳの発電により上昇し、図１１（ｃ）に示されるようにバッファタンク４２内の窒素ガス濃度が減少する（理由は上述した）。
　また、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は、図１１（ｄ）に示されるように、起動直後のアノードガス供給圧力の増加に伴って急速に減少した後、起動直後は小さな脈動圧力ΔＰの圧力脈動によってごく少量の窒素ガスがバッファタンク４２から逆流して微小変動する。しかし、脈動圧力ΔＰが小さいので逆流量はごく少なく、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は低く維持され、窒素ガス濃度が発電に影響を及ぼすことはない。その後、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度の低下に合わせて、脈動圧力ΔＰが徐々に大きくされる。しかし、脈動圧力ΔＰの増大によってバッファタンク４２からのガス逆流量が増えたとしても、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度が低下しているので窒素ガスの逆流量は増えない。従って、より早期に、脈動による不純物の燃料電池セルＦＣ内へ蓄積解消効果が十分に発揮される。
　図１２（ａ）に示されるように、スタック温度上昇に伴って起動制御中の脈動周期ΔＴが次第に短くされる。これにより、図１２（ｂ）に示されるように燃料電池スタックＦＳの発電によりスタック温度が上昇し、図１２（ｃ）に示されるようにバッファタンク４２内の窒素ガス濃度が減少する（理由は上述した）。
　また、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は、図１２（ｄ）に示されるように、起動直後のアノードガス供給圧力の増加に伴って急速に減少した後、起動直後は長い脈動周期ΔＴの圧力脈動によってごく少量の窒素ガスがバッファタンク４２から逆流して微小変動する。しかし、脈動周期ΔＴが長いので逆流量はごく少なく（逆流頻度が少なく）、燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度は低く維持され、窒素ガス濃度が発電に影響を及ぼすことはない。その後、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度の低下に合わせて、脈動周期ΔＴが徐々に短くされる（逆流頻度が増える）。しかし、脈動周期ΔＴの短縮（逆流頻度が増加）によってバッファタンク４２からのガス逆流量が増えたとしても、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度が低下しているので窒素ガスの逆流量は増えない。従って、より早期に、脈動による不純物の燃料電池セルＦＣ内へ蓄積解消効果が十分に発揮される。
　なお、図９に示される脈動圧力制御は、図１０又は図１２の脈動圧力制御と同時に行うことが可能である。同様に、図１１に示される脈動圧力制御も、図１０又は図１２の脈動圧力制御と同時に行うことが可能である。
　また、上述した燃料電池システムでは、燃料電池スタックＦＳのアノード流路に生成水が発生した場合、アノードガスの脈動圧力ΔＰや脈動周期ΔＴを一定に維持する通常脈動制御を行うことができる。生成水の発生は、生成水検出機能（生成水検出器）を用いて推定される。
　この場合、生成水は発電に伴って増加し、また、燃料電池セルＦＣあたりの発生生成水量も予め分かっている。このため、燃料電池スタックＦＳや配管系を含むアノード流路全体での生成水量を推定することができる。コントローラ５１の起動制御部５２は、アノード流路での生成水の発生を推定によって検出する生成水推定器として機能する。
　具体的には、図１３（ｄ）に示されるようにアノード流路での生成水発生が検出される。上述した起動制御（図９～図１２に示される制御、及び、それらの組み合わせ制御）が行なわれてから、通常脈動制御に移行する。そして、通常脈動制御では、生成水の発生が検出された場合、脈動圧力ΔＰ及び／又は脈動周期ΔＴが一定に維持される。
　このとき、図１３（ｂ）に示されるように燃料電池スタックＦＳの発電によりスタック温度が上昇し、図１３（ｃ）に示されるように発電に伴って燃料電池セルＦＣ内の生成水量が増加するが、通常脈動制御によって生成水が燃料電池スタックＦＳから排出される。
　上述した実施形態によれば、長時間停止後の起動時に、バッファタンク４２からの不純物ガスの逆流を防止して、燃料電池スタックＦＳ内の水素ガス濃度を充分に確保しつつ不純物ガスを除去することができる。
　燃料電池システムの運転方法は上記実施形態に限定されない。例えば、起動制御部５２の不純物ガス濃度推定機能に代えて、図１中に点線で示されるように、バッファタンク４２内の窒素ガス濃度を検出する窒素ガス検出器５４を設けてもよい。窒素ガス検出器５４として、窒素ガスセンサが用いられる。この場合、起動制御部５２によって推定された不純物ガス濃度に代えて、窒素ガス検出器５４によって検出された窒素ガス濃度が制御に用いられる。
　また、図１中に点線で示すように、燃料電池スタックＦＳのアノード側の窒素ガス濃度を検出する窒素ガス検出器５５を設けてもよい。窒素ガス検出器５５として、窒素ガスセンサが用いられる。この場合、推定された窒素ガス濃度ではなく、窒素ガス検出器５５によって検出された窒素ガス濃度が制御に用いられる。
　窒素ガス検出器５４や窒素ガス検出器５５によってバッファタンク４２内や燃料電池スタックＦＳ内の窒素ガス濃度を実測するので、起動時の燃料電池システムの状況に対応した高精度な制御を行うことができる。
　なお、アノードガスの濃度は、『水素濃度≒１００－窒素濃度－水蒸気濃度』である。水蒸気濃度は、燃料電池の運転状態からある程度推定することができる。つまり、窒素濃度が分かれば水素濃度が分かるので、水素濃度センサを使用して窒素ガス濃度を推定することも可能である。したがって、窒素ガス検出器５４や窒素ガス検出器５５に代えて、水素ガス検出器を用いることもできる。
　日本国特許出願第２０１０－２０２２６７号（２０１０年９月９日出願）の全ての内容は、ここに参照されることで本明細書に援用される。本発明の実施形態を参照することで上述のように本発明が説明されたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲に照らして決定される。

Claims (8)

  1. 　アノードガス非循環型の燃料電池システムであって、
    　複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックと、
    　前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクと、
    　前記バッファタンクの内部の不純物ガス濃度を検出する不純物ガス濃度検出部と、
    　前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給器と、を備え、
    　前記アノードガス供給器によって供給圧力を脈動させつつ前記燃料電池スタック内の不純物ガスを前記バッファタンクに圧送する際に、前記不純物ガス濃度検出部によって検出された前記バッファタンク内の不純物ガス濃度に応じて、アノードガス供給時の脈動圧力及び脈動周期のうちの少なくとも一方を前記アノードガス供給器によって変化させて起動制御が行われる、ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　複数の燃料電池セルを積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスに含まれる不純物ガスを外部に排出するためのバッファタンクとを備え、前記燃料電池スタックへのアノードガスの供給圧力を脈動させることによって前記燃料電池スタック内の不純物ガスを前記バッファタンクに圧送する構造を有するアノードガス非循環型の燃料電池システムの運転方法であって、
    　前記燃料電池システムが、前記バッファタンクの内部の不純物ガス濃度を検出する不純物ガス濃度検出器をさらに備えており、
    　前記不純物ガス濃度検出器によって検出された前記バッファタンク内の不純物ガス濃度に応じて、前記燃料電池スタックに供給されるアノードガスの脈動圧力及び脈動周期のうちの少なくとも一方を変化させる起動制御を行う、燃料電池システムの運転方法。
  3. 　前記不純物ガス濃度検出器が、前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出器であり、前記スタック温度検出器によって検出された前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である場合に、前記脈動圧力を小さく設定する、請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  4. 　前記起動制御中において、前記脈動圧力を徐々に大きくする、請求項３に記載の燃料電池システムの運転方法。
  5. 　前記不純物ガス濃度検出器が、前記燃料電池スタックの温度を検出するスタック温度検出器であり、前記スタック温度検出器によって検出された前記燃料電池スタックの温度が所定温度未満である場合に、前記脈動周期を長く設定する、請求項２～４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
  6. 　前記起動制御中において、前記脈動周期を徐々に短くする、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
  7. 　前記燃料電池システムが、当該燃料電池システムの停止時間を計測するタイマをさらに備えており、前記タイマによって計測された停止時間が所定時間以上である場合に、前記起動制御を実行する、請求項２～６のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
  8. 　前記燃料電池システムが、アノード流路での生成水の有無を検出する生成水検出器をさらに備えており、前記生成水検出器によって生成水が検出された場合に、前記脈動圧力及び前記脈動周期の少なくとも一方を一定に維持する通常脈動制御を行う、請求項２～７のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
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