(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されたアノードオフガスを該燃料電池で再利用するために循環させる循環経路を有する燃料電池システムの不純物濃縮制御装置であって、
電解質膜をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体を介して対設されるアノード側室及びカソード側室を含み、前記アノードオフガスを導入路から該アノード側室に取り込み、該アノード側室内のアノードオフガス中の水素を、前記膜電極接合体に電流を流すことで生じる電気化学反応により該アノード側室から該カソード側室へ移動させることによりアノードオフガス中の水素と水素以外の不純物とを分離させる水素分離手段と、
前記アノード側室内の滞留ガスを前記循環経路外へ導く排気路へ排気する排気手段と、
前記膜電極接合体への印加電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出される印加電圧に応じて、前記アノード側室内の水素が前記排気路へ排気されず前記膜電極接合体への印加電圧が、該膜電極接合体の作動領域の最小電圧値となるように前記排気手段における滞留ガスの排気量を制御する第１運転モードと、前記膜電極接合体への印加電圧が該第１運転モードで取得された最小印加電圧より低くならない量の該滞留ガスを排出する第２運転モードと、を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする不純物濃縮制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記第１運転モードにおいて、前記電圧検出手段により検出された印加電圧が前記膜電極接合体の作動領域の所定最大電圧になることにより前記排気手段を前記アノード側室内の不純物を排気するための所定最大排気量に制御した後、所定時間経過後に該不純物の濃縮を行うための所定排気量に前記排気手段を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の不純物濃縮制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第２運転モードの実行を、所定継続時間で停止し、又は、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体の温度に応じて停止し、前記第１運転モードの実行後に、該第２運転モードを再開する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の不純物濃縮制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記第１運転モードの実行に応じて前記電圧検出手段により検出された最小印加電圧値を保持し、前記第２運転モードにおいて、前記電圧検出手段により検出される印加電圧値が、該最小印加電圧値に第１所定調整値を加算した値から、該最小印加
電圧値に第２所定調整値を加算して得られる、前記所定最大電圧よりも低い値までの間に収まるように、前記排気手段における滞留ガスの排気量を制御する、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の不純物濃縮制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第２運転モードを前記第１運転モードにおいて前記膜電極接合体への印加電圧が最小となった直後に実行し、該第２運転モードにおいて、前記電圧検出手段により検出された印加電圧の変化率に応じて前記排気手段における滞留ガスの排気量を制御する、
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の不純物濃縮制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの不純物濃縮制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには、燃料電池において発電に供されなかった水素ガスを燃料電池に再度供給する水素ガス循環経路が設けられたものがある。この水素ガス循環経路には、燃料電池の燃料ガス電極（アノード）からの排気ガス（以降、アノードオフガスと表記する）が送り込まれる。アノードオフガスには窒素等の水素以外の不純物が含まれるため、循環されるうちに当該アノードオフガス中の水素濃度は低下する。
【０００３】
これにより、アノードオフガスから水素ガスを選択的に取り出し水素以外の不純物を効率よく排気するための手法が提案されている。例えば、電気化学的水素ポンプと呼ばれる不純物濃縮器を水素ガス循環経路に設け、この不純物濃縮器により化学反応を用いて水素ガスを選択的に取り出し、不純物排気バルブを制御することにより水素以外の不純物を濃縮し排出する手法が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９１２１号公報
【特許文献２】特開２００１−２２９９５１号公報
【特許文献３】特開２００５−３２７５９７号公報
【特許文献４】特開２００６−１９１２３号公報
【特許文献５】特開２００６−１９１２４号公報
【特許文献６】特開２００３−１５１５９２号公報
【特許文献７】特開２００６−１９１２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような従来手法では、不純物排気バルブを適切に制御し効率よく不純物ガスのみを排気することは困難であった。不純物排気バルブを必要以上に開いた場合には、水素ガスが排出されることになり燃費の悪化に繋がる。逆に、不純物排気バルブを必要以上に閉じた場合には、アノードオフガスの水素濃度が低下し、上記不純物濃縮器へ印加される電圧の増加や不純物濃縮器内の触媒の劣化等を引き起こす可能性がある。
【０００６】
本発明の課題は、このような問題点に鑑み、水素循環経路内の不純物を適切に排出しつつ、アノードオフガスに含まれる水素を効率よく循環させる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における各態様は、上述した課題を解決するために以下の手段をそれぞれ採用する。即ち、本発明の第１態様は、燃料電池から排出されたアノードオフガスを該燃料電池で再利用するために循環させる循環経路を有する燃料電池システムの不純物濃縮制御装置に関する。第１態様に係る不純物濃縮制御装置は、電解質膜をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体を介して対設されるアノード側室及びカソード側室を含み、アノードオフガスを導入路からアノード側室に取り込み、アノード側室内のアノードオフガス中の水素を電気化学反応によりアノード側室からカソード側室へ移動させることによりアノードオフガス中の水素と水素以外の不純物とを分離させる水素分離手段と、アノード側室内の滞留ガスを循環経路外へ導く排気路へ排気する排気手段と、上記膜電極接合体への印加電圧を検出
する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出される印加電圧に応じて、アノード側室内の水素が上記排気路へ排気されず膜電極接合体への印加電圧が最低となるように上記排気手段における滞留ガスの排気量を制御する第１運転モードと、膜電極接合体への印加電圧が第１運転モードで取得された最低印加電圧より低くならないように滞留ガスの排気量を制御する第２運転モードと、を実行する制御手段と、を備える。
【０００８】
第１態様に係る不純物濃縮制御装置では、水素分離手段のアノード側室において、燃料電池から排出されたアノードオフガスが取り込まれ、このアノードオフガスから水素が分離されて残った不純物又は分離されずに残る水素が滞留ガスとして滞留する。水素分離手段における膜電極接合体への印加電圧は、例えば、この滞留ガスの水素濃度分布(又は不
純物分布)に応じて変化する。そこで、第１態様では、水素分離手段における膜電極接合
体への印加電圧が電圧検出手段により検出されこの検出された印加電圧が、制御手段における当該滞留ガスの排気量制御に用いられる。なお、制御手段による排気量制御とは、例えば、排気手段が排気弁として実現される場合には弁開度の制御又は弁の開閉制御である。
【０００９】
制御手段で実行される第１運転モードでは、アノード側室内の水素が排気されず膜電極接合体への印加電圧が最低となるように排気手段における滞留ガスの排気量が制御される。よって、この第１運転モードによれば、水素が排気されることに伴う燃費の悪化を防ぐことのできる不純物濃縮の制御開始点を得ることができる。なお、ここでのアノード側室内の水素が排気路へ排気されない状態とは、水素が全く排気されない状態であることが最も望ましいものの、燃費が悪化しない程度の微小の水素が排気ガスに含まれる状態を含む。
【００１０】
制御手段で実行される第２運転モードでは、膜電極接合体への印加電圧が、第１運転モードで取得された不純物濃縮の制御開始点を示す膜電極接合体への最低印加電圧より低くならないように滞留ガスの排気量が制御される。
【００１１】
このような制御によれば、アノードオフガス中の水素が循環経路外へ排気されることを防ぐことができ、かつ、アノード側室内で濃縮される不純物を適切に排気することができる。更に、水素分離手段によりアノードオフガス中に含まれる水素をカソード側室へ同アノードオフガスに含まれる水素以外の不純物をアノード側室へと分離することができ、このカソード側室へ取り出された水素を循環経路で再利用することができる。
【００１２】
従って、第１態様によれば、水素循環経路内の不純物を適切に排出しつつ、アノードオフガスに含まれる水素を効率よく循環させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素循環経路内の不純物を適切に排出しつつ、アノードオフガスに含まれる水素を効率よく循環させる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１における燃料電池システムの一部構成例を示す図。
【図２】不純物濃縮器７の詳細構成例を示す概念図。
【図３Ａ】不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図。
【図３Ｂ】不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図。
【図３Ｃ】不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図。
【図４】印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物濃縮度合との関係を示すグラフ。
【図５】排気弁１７の開度が所定開度θ２に設定された際における排気弁１７から排出されるガスの積算流量を示すグラフ。
【図６】実施例１における燃料電池システムの不純物濃縮制御を示す図。
【図７】実施例１のおけるＥＣＵ２０の不純物濃縮制御処理を示すフローチャート。
【図８】印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物濃縮度合との関係、及び、実施例１及び２における不純物濃縮器７の各作動領域をそれぞれ示すグラフ。
【図９】実施例３における燃料電池システムの不純物濃縮制御を示す図。
【図１０】実施例３におけるＥＣＵ２０の不純物濃縮制御処理を示すフローチャート。
【図１１】実施例２及び３の変形例における燃料電池システムの一部構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態としての燃料電池システムについて具体例を挙げ説明する。なお、以下に述べる各実施例の構成はそれぞれ例示であり、本実施形態は以下の実施例の構成に限定されない。
【実施例１】
【００１６】
以下、実施例１における燃料電池システムについて説明する。
【００１７】
〔システム構成〕
図１は、実施例１における燃料電池システムの一部構成例を示す図である。実施例１における燃料電池システムは、水素ガス供給装置１、燃料電池３、気液分離器５、不純物濃縮器７、循環ポンプ９、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２０等を備える。
【００１８】
水素ガス供給装置１は、燃料ガスとしての水素ガスを供給する。水素ガス供給装置１から供給される水素ガスは、図示しない流量調整弁等により流量制御され、配管２２へ送り出される。
【００１９】
燃料電池３は、電解質膜の両面をガス拡散電極（燃料ガス電極（アノード）及び酸化剤ガス電極（カソード））で挟み更にその両側をガス供給路の設けられたセパレータで挟むようにしてそれぞれ形成されるセルが複数積層されることにより構成されている。なお、このセルでは、電解質膜と燃料ガス電極及び酸化剤ガス電極との接合体としてＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を用いるようにしてもよいしＭＥＧＡ（Membrane Electrode ＆ Gas Diffusion Layer Assembly）を用いるようにしてもよい。
【００２０】
燃料電池３は、各セルにおいて、供給された水素ガスと酸化剤ガスとを電解質膜を介してそれぞれ反応させることにより発電を行う。ここで発電に供されなかったアノードオフガスは、アノードオフガス出口から排出され、配管２４を通り、気液分離器５へ送られる。
【００２１】
気液分離器５は、配管２４を通るアノードオフガスから液層成分（生成水）を除去する。気液分離器５は、機器内に取り込まれたアノードオフガスに含まれる水蒸気を壁面等で凝縮させることにより気液分離する。液層成分の除去されたアノードオフガスは、配管２５へ送り出される。
【００２２】
不純物濃縮器７は、配管２５から送り込まれるアノードオフガスを化学反応により水素とそれ以外の不純物とに分離させる。この不純物には主に窒素が含まれる。以降、この不
純物を不純物ガス、窒素、窒素ガス等と表記する。不純物濃縮器７は、アノードオフガスから選択的に取り出された水素ガスを配管２８へ送り、水素以外の不純物ガスを濃縮し、配管２７へ送る。なお、不純物濃縮器７の詳細構成については後述する。
【００２３】
循環ポンプ９は、回転駆動用のモータ等を備え、配管２８とアノードオフガスを再度燃料電池３へ循環させる配管２９との間に配置される。循環ポンプ９は、燃料電池３から排出され配管２８を通ってきたアノードオフガスを燃料電池３へ再供給するために、当該アノードオフガスを水素ガス供給装置１から供給された水素ガスが通る配管２２へ送り出す。これにより、循環ポンプ９により送り出されたアノードオフガスは、水素ガス供給装置１から供給される水素ガスと配管２２により混合され、燃料電池３へ再供給される。
【００２４】
このように、実施例１における燃料電池システムでは、燃料電池３から発電に供されず送出されたアノードオフガスが再び燃料電池３へ供給される水素ガス循環経路が形成されている。この水素ガス循環経路は、配管２４、気液分離器５、配管２５、不純物濃縮器７、配管２８、循環ポンプ９、配管２９等により形成される。なお、水素ガス循環経路には、気液分離器５を通過したアノードオフガスを不純物濃縮器７を回避して循環ポンプ９方向へ送る迂回配管２６が設けられる。
【００２５】
〔不純物濃縮器〕
図２は、不純物濃縮器７の詳細構成例を示す概念図である。図２に示すように、不純物濃縮器７は、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んだ膜電極接合体３１を挟んで対設されるアノード側室３２及びカソード側室３３、排気弁１７、駆動回路１２等を備える。アノード側室３２は、一端で燃料電池から排出されたアノードオフガスを取り込む導入配管２５に接続され、他端でアノード側室３２内のガスを排気する排気配管２７に接続される。カソード側室３３は、燃料電池３の水素ガス入口側の配管２８に繋がる。排気弁１７は排気配管２７に設置される。
【００２６】
不純物濃縮器７は、導入配管２５からアノード側室３２に取り込まれたアノードオフガスからカソード側室３３に水素ガスを選択的に取り出し、この水素ガスを配管２８に導く。一方で、不純物濃縮器７は、アノード側室３２において分離された水素以外の不純物ガスを排気配管２７に導く。不純物濃縮器７は、排気弁１７を閉じることによりこの不純物ガスをアノード側室３２内に滞留させることにより不純物濃縮を行う。
【００２７】
不純物濃縮器７における水素と不純物との分離は以下のように行われる。アノード側室３２に導かれたアノードオフガス中の水素は、膜電極接合体３１のアノードを構成する触媒層における酸化反応により水素イオン（プロトン）と電子とに分離され、プロトンは電解質膜を透過してカソードに移動し、電子は配線１３を通りカソードに移動する。カソードでは、カソードを構成する触媒層において、プロトンと電子とによる還元反応が行われ水素が生成される。これにより水素ガスがカソード側室３３へ取り出され、水素ガス循環経路に送られる。一方、アノード側室３２において水素が取り除かれた不純物ガスは、排気弁１７が閉じられることにより滞留し、排気弁１７が開かれると排気弁１７を通過して水素ガス循環経路の外部へ送られる。
【００２８】
不純物濃縮器７内の膜電極接合体３１には、アノード側室３２内のアノードオフガスから水素を選択的に取り出すために配線１３に所望の電流が流れるように制御する駆動回路１２が接続されている。更に、この駆動回路１２に電圧センサ１５が接続され、不純物濃縮器７に印加される電圧が検出される。
【００２９】
電圧センサ１５で検出される印加電圧は、不純物濃縮器７内の電解質膜を透過するプロトンの量などに応じて変化する。ここで、この印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室
３２内の水素濃度との関係について図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃ、並びに図４を用いて説明する。図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、不純物濃縮器７のアノード側室３２内のアノードオフガスとプロトン移動との関係を示す概念図であり、図４は、印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物濃縮度合との関係を示すグラフである。
【００３０】
燃料電池システムの起動直後、排気弁１７の所定時間開放後などのような不純物濃縮の開始時点では、不純物濃縮器７のアノード側室３２内に滞留する不純物が少なく、配管２５から導入されるアノードオフガスがそのまま不純物濃縮器７のアノード側室３２に滞留される。よって、アノード側室３２内のアノードオフガスの水素濃度は略一様となるため、電解質膜の略全領域において化学反応が生ずる（図３Ａ参照）。従って、この図３Ａに示される状態における不純物濃縮器７への印加電圧は、主に、酸化還元反応における活性化エネルギ、及び、プロトン伝導及び電子移動に伴う抵抗に影響される（図４の印加電圧Ｖ０）。
【００３１】
不純物濃縮が進行すると、水素が取り除かれた不純物が排気配管２７内及びアノード側室３２の排気配管２７側に滞留する（図３Ｂ参照）ため、アノード側室３２内の水素量は、排気配管２７側で少なくなる。よって、電解質膜の反応領域が導入配管２５側へ偏り、結果として反応領域の電流密度が変化する。従って、図３Ｂに示される状態における不純物濃縮器７への印加電圧は、反応領域の電流密度変化に伴い、図３Ａの場合から緩やかに増加する（図４の符号４１参照）。
【００３２】
不純物濃縮が更に進行すると、不純物ガスのアノード側室３２内への滞留が進み、アノード側室３２内の略全域において不純物ガスが充満する。不純物ガスが充満すると水素分圧が低下するため、不純物濃縮器７では、プロトンを得るために水の電気分解が始まる。この水は、例えば、気液分離器５で除去されずにアノードオフガスと共にアノード側室３２内に導かれ、膜電極接合体３１の触媒に付着したものである。これにより、図３Ｃに示される状態における不純物濃縮器７への印加電圧は、当該電気分解エネルギに伴い、図３Ｂの状態から急上昇する（図４の符号４２参照）。
【００３３】
このような特性により、不純物濃縮器７への印加電圧に応じて、不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物分布を推定することができる。
【００３４】
〔ＥＣＵ〕
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ、入出力インタフェース等
により構成される。ＥＣＵ２０は、メモリに格納された制御プログラムをＣＰＵに実行させることにより以下に説明する不純物濃縮制御を行う。この不純物濃縮制御において、ＥＣＵ２０は、水素ガス循環経路内の不純物ガスを適切に排出しつつ、アノードオフガスに含まれる水素ガスが効率よく循環するように、排気弁１７の開閉又は開度を制御する。この不純物濃縮制御において、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１５から送られる不純物濃縮器７への印加電圧値に基づいて不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物分布を推定する。以降、電圧センサ１５から送られる不純物濃縮器７への印加電圧値を単に検出電圧値と表記する場合もある。
【００３５】
ところで、燃費を向上させるためには、不純物濃縮器７から排気弁１７を通して排出される水素量が少ないことが好ましい。よって、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮された状態（図３Ｃの状態）で排気弁１７を開き、アノード側室３２内のガスを排出することが望ましい。
【００３６】
しかしながら、上述したように、図３Ｃの状態では、不純物濃縮器７への印加電圧が急上昇することでエネルギーロスが増加し燃費を逆に悪くしてしまう。更に、図３Ｃの状態
において水の電気分解が進んだ場合、膜電極接合体３１の触媒の劣化を引き起こす可能性がある。従って、不純物濃縮器７で十分に不純物が濃縮されたタイミングでの不純物排出は望ましくない。
【００３７】
一方で、不純物濃縮器７での濃縮開始直後の状態（図３Ａの状態）では、不純物濃縮器７への印加電圧は低いものの、不純物のみでなく水素も排出されてしまう。よって、不純物濃縮器７における濃縮開始直後での不純物排出もまた望ましくない。
【００３８】
従って、実施例１におけるＥＣＵ２０は、図４に示す符号４５の領域を不純物濃縮器７の作動領域とするように、所定電圧Ｖ１、所定開度θ１及びθ２、並びに所定開度θ２を継続する時間（以降、所定開弁時間と表記する）ＴＡを用いて、排気弁１７を制御する。これら、所定電圧Ｖ１、所定開度θ１及びθ２、並びに所定開弁時間ＴＡはそれぞれメモリに予め保持される。以下、所定電圧Ｖ１、規定開度θ１及びθ２、並びに規定開弁時間ＴＡについて説明する。
【００３９】
ＥＣＵ２０は、排気弁１７の開度を所定開度θ１と所定開度θ２との間で制御する。
【００４０】
所定開度θ２は、濃縮された不純物を不純物濃縮器７から排出するための排気弁１７の最大開度として設定される。すなわち、排気弁１７が所定開度θ２で開いている場合には、不純物濃縮器７のアノード側室３２は、図３Ｃの状態から図３Ａの状態へ状態遷移する。ＥＣＵ２０は、検出電圧値が所定電圧Ｖ１以上となると、排気弁１７の開度を所定開度θ２に設定する。
【００４１】
所定電圧Ｖ１は、緩やかな電圧変化の作動領域（図３Ｂの状態）（図４の領域４１）であって、触媒劣化のリスクが少なく、排出される水素量を少なくすることのできる値に設定される。この所定電圧Ｖ１は、例えば、不純物濃縮器７の構造、素材などを加味したシミュレーションにより決定される。
【００４２】
ＥＣＵ２０は、所定開度θ２に設定した後、所定開弁時間ＴＡ経過後、排気弁１７の開度を所定開度θ１に戻す。所定開弁時間ＴＡは、排気弁１７が所定開度θ２に設定されたことで、水素が排出されないような時間に設定される。なお、ここでの水素が排出されないとは、水素が全く排出されない状態であることが最良であるが、燃費が悪化しない程度の微小の水素が排気ガスに含まれる状態を含む。
【００４３】
図５は、排気弁１７の開度が所定開度θ２に設定された際における排気弁１７から排出されるガスの積算流量を示すグラフである。図５には、排出されるガスが不純物としての窒素のみの場合の積算流量と、窒素と水素との混合ガスの場合の積算流量と、水素のみの場合の積算流量と、が長鎖線により示される。図５に示されるように、分子量の違いなどから、窒素のみが排出される場合のほうが水素を含むガスが排出される場合に較べてその流量は小さくなる。従って、排気弁１７が所定開度θ２に設定された直後には、窒素に関する流量係数に応じた所定流量のガスが排出されるが、所定開度θ２に設定されてから所定時間経過後、排出ガス中に水素が混じり始めると、急激に排出ガスの流量は増大する。つまり、排出ガス中に水素が混じり始めると、排出される水素量が急激に増大することになる。
【００４４】
そこで、実施例１では、排気弁１７の開度が所定開度θ２に設定されてから水素が排出され始める前までの時間として、所定開弁時間ＴＡが決定される。この所定開弁時間ＴＡは、不純物濃縮器７のアノード側室３２の容積（印加電圧が所定電圧Ｖ１時における窒素量）、大気との差圧、排気弁１７の流量係数（窒素などの不純物）などに応じてシミュレーション等により予め決定される。
【００４５】
また、排気弁１７の開度が小さい程、不純物の滞留量が増えるため、不純物濃縮時間、即ち上述の図３Ａから図３Ｃへの状態遷移に係る時間が短くなり、結果として、印加電圧が急上昇するまでの時間が短くなる。不純物濃縮時間が短くなると、高密度及び高精度の電圧検出が必要となるなど、上述のような不純物濃縮制御が難しくなる。
【００４６】
従って、実施例１では、不純物濃縮時間、即ち、図４に示す作動領域４５を長くするために、排気弁１７の最低開度として所定開度θ１を設定する。所定開度θ１は、図３Ａの状態から図３Ｃの状態へ徐々に近づく程度の開度となる。実施例１では、不純物濃縮時においても連続的に少量のガスを排出することにより、不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物滞留量を調整する。
【００４７】
〔動作例〕
以下、実施例１における燃料電池システムの動作例について図６及び７を用いて説明する。図６は、実施例１における燃料電池システムの不純物濃縮制御を示す図であり、図６のグラフ（Ａ）が不純物濃縮器７への印加電圧の変化を示し、図６のグラフ（Ｂ）が排気弁１７の開度の制御状態を示す。
【００４８】
図６のグラフ（Ｂ）に示すように、不純物濃縮開始時には、排気弁１７は所定開度θ１に設定されている。排気弁１７が所定開度θ１に設定されている場合、不純物濃縮器７のアノード側室３２内に滞留する不純物が徐々に増加する。これにより、不純物濃縮器７における電解質膜の反応面積が徐々に減少することにより、図６のグラフ（Ａ）に示すように、不純物濃縮器７への印加電圧が徐々に増加する。
【００４９】
このように実施例１では、不純物濃縮時においても排気弁１７は所定開度θ１開かれる。これにより不純物濃縮時間が長くなり、結果として、不純物濃縮制御を簡易にし、安定した制御とすることができる。
【００５０】
不純物濃縮が更に進むと、不純物濃縮器７への印加電圧が所定電圧Ｖ１に達する。当該印加電圧が所定電圧Ｖ１になったことが検知されると、排気弁１７の開度が所定開度θ２に設定される。このとき、不純物濃縮器７のアノード側室３２の排気配管２７側には不純物が滞留している。よって、排気弁１７の開度が所定開度θ２に設定されると、不純物濃縮器７のアノード側室３２内に滞留する不純物ガスが排気弁１７を通り排出されるため、不純物濃縮器７における電解質膜の反応面積が拡大する。結果として、図６のグラフ（Ａ）に示すように、不純物濃縮器７への印加電圧が所定電圧Ｖ１から急激に低下する。
【００５１】
このように実施例１では不純物濃縮が進み過ぎることを防止することにより、不純物濃縮器７への印加電圧の急上昇に伴うエネルギーロス及び不純物濃縮器７の触媒劣化を防ぐことができる。
【００５２】
排気弁１７は、所定開度θ２を所定開弁時間ＴＡ継続した後、所定開度θ１に戻される。これにより、水素の排出を防ぐことができる。以降、上述と同様に、排気弁１７の開度が所定開度θ１と所定開度θ２との間で制御される。
【００５３】
このように実施例１によれば、水素ガス循環経路内の不純物を適切に排出しつつ、燃費を悪化させることなく水素が効率よく循環される不純物濃縮制御を実現する。
【００５４】
図７は、実施例１におけるＥＣＵ２０の不純物濃縮制御処理を示すフローチャートである。上述のような不純物濃縮制御を実現するために、実施例１におけるＥＣＵ２０は、以下のような処理を実行する。
【００５５】
ＥＣＵ２０は、不純物濃縮制御が開始されると、排気弁１７の開度を所定開度θ１に設定する（Ｓ７０１）。ＥＣＵ２０は、電圧センサ１５から検出電圧値を受けている。ＥＣＵ２０は、常時、又は所定の周期、或いは電圧センサ１５から検出電圧値を受けた時点で、その検出電圧値と所定電圧Ｖ１とを比較する（Ｓ７０２）。ＥＣＵ２０は、検出電圧値が所定電圧Ｖ１より低いと判断すると（Ｓ７０２；ＹＥＳ）、排気弁１７の開度を所定開度θ１のまま維持する（Ｓ７０１）。
【００５６】
一方で、ＥＣＵ２０は、検出電圧値が所定電圧Ｖ１以上であると判断すると（Ｓ７０２；ＮＯ）、開弁タイマをセットし（Ｓ７０３）、排気弁１７の開度を所定開度θ２に設定する（Ｓ７０４）。この開弁タイマは、例えば、ＥＣＵ２０内のクロック情報を用いて実現される。
【００５７】
ＥＣＵ２０は、開弁タイマを監視し、開弁タイマが所定開弁時間ＴＡ内の間（Ｓ７０５；ＹＥＳ）、排気弁１７の開度を所定開度θ２に維持する（Ｓ７０４）。ＥＣＵ２０は、開弁タイマが所定開弁時間ＴＡを越えたと判断すると（Ｓ７０５；ＮＯ）、排気弁１７の開度を所定開度θ１に戻す（Ｓ７０１）。以降、上述と同様の処理が繰り返される。
【実施例２】
【００５８】
以下、実施例２における燃料電池システムについて説明する。上述の実施例１では、排気弁１７を所定開度θ１とθ２との間で制御することで、水素ガス循環経路内の不純物を適切に排出しつつ、燃費を悪化させないように水素を効率よく循環する不純物濃縮制御が実現されていた。実施例２では、不純物濃縮器７への印加電圧が低い状態で維持されるように排気弁１７の開度を所定開度θ１周辺で変更することで、実施例１の効果を踏襲しつつ更に燃費向上を図る。
【００５９】
図８は、印加電圧と不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物濃縮度合との関係、及び、実施例１及び２における不純物濃縮器７の各作動領域をそれぞれ示すグラフである。実施例１では、排気弁１７を所定開度θ１とθ２との間で制御することにより不純物濃縮器７の作動領域４５を実現していた。従って、実施例１の作動領域４５では、不純物濃縮器７への印加電圧の最大値が所定電圧Ｖ１となっていた。実施例２では、実施例１の作動領域４５よりも当該印加電圧の変化幅を狭くし、不純物濃縮器７への印加電圧を低い状態で維持させるべく作動領域８１を実現する。
【００６０】
実施例２における燃料電池システムのシステム構成及び各機器の構成はそれぞれ実施例１と同様であるため、ここでは説明を省略する。実施例２では、ＥＣＵ２０の不純物濃縮制御が実施例１と異なる。以下、実施例１と異なる点について主に説明する。
【００６１】
実施例２におけるＥＣＵ２０は、上述の不純物濃縮器７の作動領域８１を実現するために、不純物濃縮制御として状態確認モードと燃費向上モードとを実行する。ＥＣＵ２０は、不純物濃縮器７における不純物濃縮が開始されると状態確認モードを実行する。
【００６２】
状態確認モードでは、ＥＣＵ２０は、実施例１における１制御サイクル、即ち、排気弁１７の開度を所定開度θ１に設定してから所定開度θ２に設定し、再度、所定開度θ１に戻すまでのサイクルを実行する。実施例２におけるＥＣＵ２０は、所定開度θ１に戻された直後における不純物濃縮器７への印加電圧値を最小電圧値ＶMINとして保持する。
【００６３】
所定開度θ１に戻された直後の不純物濃縮器７のアノード側室３２内の状態は、実施例１で説明したように、水素が排出されない範囲で不純物が出来る限り排出された状態となっている。このため、所定開度θ１に戻された直後の不純物濃縮器７への印加電圧は、実
施例１の作動領域４５の最小電圧値となる。この最小電圧値ＶMINは、プロトン伝導及び
電子移動に伴う抵抗に影響される値であるため、電解質膜の乾燥状態に主に影響される。そこで、実施例２におけるＥＣＵ２０は、状態確認モードを所定のタイミングで実行することにより、そのときの電解質膜の乾燥状態が反映された最小電圧値ＶMINを保持する。
【００６４】
ＥＣＵ２０は、最小電圧値ＶMINを取得すると、燃費向上モードを実行する。燃費向上
モードでは、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１５から送られる検出電圧値を監視することにより、不純物濃縮器７への印加電圧が作動領域８１内で変動するように排気弁１７の開度を変更する。具体的には、当該検出電圧値が、上記状態確認モードで保持された最小電圧値ＶMINに所定調整値αを加算した電圧値からＶMINに所定調整値βを加算した電圧値の範囲に収まるように、排気弁１７の開度を変更する。
【００６５】
この所定調整値αは、当該不純物濃縮制御の制御速度等に基づいて判定遅れにより印加電圧が最小電圧値ＶMINより低くならないような値に設定される。また、所定調整値βは
、不純物濃縮器７への印加電圧を実施例１の作動領域４５よりも低い状態に維持するために設定される。この所定調整値βは、例えば、最小電圧値ＶMINに所定調整値βを加算し
た値が所定電圧Ｖ１の２分の１の値よりも小さい値に設定される。実施例２における不純物濃縮制御は当該印加電圧の変化量が小さく印加電圧の小さい変化で制御点が大きく変わる状態での制御であるため、所定調整値βとαとの差は可能な限りに小さい値に設定されることが望ましい。このような所定調整値α及びβは、排気弁１７、電圧センサ１５、ＥＣＵ２０等の仕様に基づく制御実現精度などを考慮したシミュレーション等により予め決められ、メモリ等に保持される。
【００６６】
ＥＣＵ２０は、検出電圧値と所定電圧値（ＶMIN＋α）及び（ＶMIN＋β）との関係から排気弁１７の開度を決定する。実施例２での燃費向上モードでの排気弁１７の開度制御は、実施例１のそれに較べて細かい制御幅で実施される。
【００６７】
ＥＣＵ２０は、このような燃費向上モードの継続時間（以降、所定継続時間と表記する）を予め保持する。ＥＣＵ２０は、上述のような燃費向上モードの実行時間を計測し、この実行時間が所定継続時間になると、燃費向上モードを停止し、状態確認モードを実行する。これにより、ＥＣＵ２０は、所定継続時間、燃費向上モードを実行した後に、最小電圧値ＶMINを最新の状態に更新する。この所定継続時間を設けることにより、電解質膜の
乾燥状態の変化を新たに取り込んだ最小電圧値ＶMINを得ることにより、不純物濃縮器７
のアノード側室３２内の不純物分布を正確に推定し直すことができるため、適切な不純物濃縮制御を継続することができる。この所定継続時間は、例えば、３０分又は１時間に設定される。但し、水素ガス循環経路による水素ガス循環の停止及び起動時には、不純物濃縮器７のアノード側室３２内の不純物分布の推定が困難であるため、状態確認モードが実行されることが望ましい。
【００６８】
このように実施例２では、実施例１における不純物濃縮制御を状態確認モードとして用いることにより、水素が排出されない範囲で不純物が出来る限り排出された状態、すなわち不純物濃縮制御における最も不純物濃縮がなされていない状態を示す印加電圧値（最小電圧値ＶMIN）が保持される。そして、この最小電圧値ＶMINに所定調整値αを加算した値から最小電圧値ＶMINに所定調整値βを加算した値までの間で印加電圧が変化するように
排気弁１７が制御される。
【００６９】
従って、実施例２によれば、実施例１に較べて不純物濃縮器７への印加電圧が低い状態で維持することができるため、不純物濃縮が進み過ぎることによる不純物濃縮器７への印加電圧の上昇に伴うエネルギーロスを一層防ぐことができる。
【００７０】
また、実施例２では、状態確認モードが所定タイミングで行われることにより、最小電圧値ＶMINがその時々の電解質膜の乾燥状態を反映した値に更新される。
【００７１】
これにより、当該印加電圧の変化量が小さく印加電圧の小さい変化で制御点が大きく変わる状態での不純物濃縮制御を正確に行うことができる。
【実施例３】
【００７２】
以下、実施例３における燃料電池システムについて説明する。上述の実施例２における不純物濃縮制御では、電圧センサ１５により検出される電圧値の絶対値が用いられていた。実施例３では、当該検出電圧値の変化率により排気弁１７の開度が制御される。なお、実施例３における燃料電池システムのシステム構成及び各機器の構成はそれぞれ実施例１及び２と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００７３】
ＥＣＵ２０は、実施例２と同様に、状態確認モードと燃費向上モードとを実行する。なお、実施例３では、状態確認モードにおいて最小電圧値ＶMINは保持されないでよい。
【００７４】
ＥＣＵ２０は、状態確認モードが完了すると燃費向上モードを実行する。実施例３における燃費向上モードでは、ＥＣＵ２０は、電圧センサ１５から送られる検出電圧値の変化率に応じて排気弁１７の開度を制御する。具体的には、ＥＣＵ２０は、検出電圧値の変化率が負の値を示す場合、即ち検出電圧値が減少している場合には、排気弁１７の開度を所定開度幅Ｋ閉じる。また、ＥＣＵ２０は、検出電圧値の変化率が正の値でその変化率が所定変化率閾値Ａを超える場合には、排気弁１７の開度を所定開度幅Ｋ開くように制御する。更に、ＥＣＵ２０は、検出電圧値の変化率が正の値でその変化率が所定変化率閾値Ａよりも小さい場合には排気弁１７の開度を維持する。
【００７５】
検出電圧値の変化率は、所定単位時間当りの検出電圧の変化量である。この変化率は、例えば、検出された電圧値を都度保持するようにして保持される検出電圧値を用いて算出される。なお、検出電圧値の変化率の判定タイミングは例えば所定周期で実行される。
【００７６】
所定変化率閾値Ａ及び所定開度幅Ｋは、排気弁１７、電圧センサ１５、ＥＣＵ２０等の仕様に基づく制御実現精度などを考慮したシミュレーション等により予め決められ、メモリ等に保持される。
【００７７】
〔動作例〕
以下、実施例１における燃料電池システムの動作例について図９を用いて説明する。図９は、実施例３における燃料電池システムの不純物濃縮制御を示す図であり、図９のグラフ（Ａ）が不純物濃縮器７への印加電圧の変化を示し、図９のグラフ（Ｂ）が排気弁１７の開度の制御状態を示す。
【００７８】
状態確認モードにおいて、実施例１における１制御サイクル、即ち、排気弁１７の開度を所定開度θ１に設定してから所定開度θ２に設定し、再度、所定開度θ１に戻すまでの制御サイクルが実行される。よって、この所定開度θ１に戻された直後の不純物濃縮器７のアノード側室３２内の状態は、実施例１で説明したように、水素が排出されない範囲で不純物が出来る限り排出された状態となっている。
【００７９】
状態確認モードが実行されると、次に、燃費向上モードが実行される。このとき、排気弁１７の開度は所定開度θ１に設定されているため、不純物濃縮器７のアノード側室３２内に滞留する不純物が徐々に増加し、結果として、実施例１で説明したように、不純物濃縮器７への印加電圧が徐々に増加する。これにより、電圧センサ１５から送られる検出電圧値の変化率が正の値でその変化率が所定変化率閾値Ａを超えると判断され、排気弁１７
の開度が所定開度幅Ｋ開かれる。
【００８０】
図９のグラフ（Ａ）の例では、排気弁１７の開度が所定開度幅Ｋ開かれることにより、電圧センサ１５から送られる検出電圧値の変化率が所定開度θ１の時に較べて小さくなる。これにより、当該検出電圧値の変化率が正の値で所定変化率閾値Ａよりも小さいと判断され、排気弁１７の開度が維持される。
【００８１】
このような燃費向上モードの実行により、実施例１に較べて不純物濃縮器７への印加電圧を低いエリアで維持する時間を長くすることができるため、実施例１に較べて不純物濃縮器７への印加電圧の上昇に伴うエネルギーロスを一層防ぐことができる。
【００８２】
図９のグラフ（Ｂ）に示すように、このような燃費向上モードは、所定継続時間実行された後、停止され、再度、状態確認モードが実行される。すなわち、排気弁１７の開度が所定開度θ１に戻され、当該検出電圧値が所定電圧値Ｖ１となると所定開度θ２に設定され、所定開度θ２に設定されてから所定開弁時間ＴＡ経過後、再度、所定開度θ１に戻される。
【００８３】
これにより、不純物濃縮器７のアノード側室３２内の状態を、水素が排出されない範囲で不純物が出来る限り排出された状態に戻すことができる。結果として、正確な状態から再度燃費向上モードの制御を開始することができるため、当該印加電圧の変化量が小さく印加電圧の小さい変化で制御点が大きく変わる状態での不純物濃縮制御を正確に行うことができる。
【００８４】
図１０は、実施例３におけるＥＣＵ２０の不純物濃縮制御処理を示すフローチャートである。
【００８５】
実施例３におけるＥＣＵ２０は、不純物濃縮制御が開始されると、まず、状態確認モードを実行する。この状態確認モードでは、図７に示す実施例１における（Ｓ７０１）から（Ｓ７０５）までの処理が実行される。実施例３におけるＥＣＵ２０は、開弁タイマが所定開弁時間ＴＡを越えたと判断すると（Ｓ７０５；ＮＯ）、排気弁１７の開度を所定開度θ１に戻した後（Ｓ１００１）、以下に示す燃費向上モードを実行する。
【００８６】
ＥＣＵ２０は、継続タイマ（TIME2）をセットした後（Ｓ１００２）、電圧センサ１５
から送られる検出電圧値に応じてその電圧変化率を取得する。ＥＣＵ２０は、この電圧変化率が負の値となるか否かを判定する（Ｓ１００３）。ＥＣＵ２０は、電圧変化率が負の値となると判定すると（Ｓ１００３；ＹＥＳ）、排気弁１７の開度を所定開度幅Ｋ閉じるように制御する（Ｓ１０１０）。
【００８７】
一方で、ＥＣＵ２０は、電圧変化率が負の値でないと判定すると（Ｓ１００３；ＮＯ）、続いて、当該電圧変化率が所定変化率閾値Ａより大きいか否かを判定する（Ｓ１００４）。ＥＣＵ２０は、当該電圧変化率が所定変化率閾値Ａより大きいと判定すると（Ｓ１００４；ＹＥＳ）、排気弁１７の開度を所定開度幅Ｋ開くように制御する（Ｓ１０１２）。
【００８８】
ＥＣＵ２０は、電圧変化率が負の値でなく（Ｓ１００３；ＮＯ）、所定変化率閾値Ａより小さいと判定すると（Ｓ１００４；ＮＯ）、排気弁１７の開度を現在開度に維持する（Ｓ１０１１）。ＥＣＵ２０は、継続タイマを監視しており、この継続タイマが所定継続時間ＴＢ内の間（Ｓ１０１５；ＹＥＳ）、上述のような電圧変化率に応じた排気弁１７の開度制御を繰り返す。
【００８９】
ＥＣＵ２０は、継続タイマが所定継続時間ＴＢを越えたと判断すると（Ｓ１０１５；Ｎ
Ｏ）、状態確認モードに移行する（Ｓ７０１に戻る）。以降、上述と同様の処理が繰り返される。
【００９０】
[変形例]
上述の実施例２及び３では、燃費向上モードが所定継続時間経過することにより停止され、状態確認モードに移行されていた。状態確認モードへの移行は、不純物濃縮器７内の電解質膜の最新乾燥状態を現在の制御に反映させるためのものである。従って、燃料電池３を冷却するための冷却媒体の温度を計測し、この冷却媒体の温度変化又は温度値が所定値以上となった場合に強制的に状態確認モードへ移行するようにしてもよい。水素ガス循環系の温度は、燃料電池３の運転温度に主に依存し、この温度に応じて不純物濃縮器７内の電解質膜の乾燥状態も変化するからである。
【００９１】
図１１は、実施例２及び３の変形例における燃料電池システムの一部構成例を示す図である。変形例における燃料電池システムは、燃料電池３内の各セルの熱を奪い加熱された冷却媒体が冷却器９２により冷却され、再度燃料電池３へ供給されるという冷却水循環系を持つ。更に、変形例では、燃料電池３から送出された冷却媒体の温度を計測するための温度センサ９１が燃料電池３の冷却媒体出口付近に配置される。温度センサ９１は、燃料電池３の各セルから熱を奪うことで加熱され燃料電池３から出された冷却媒体の温度を検出する。検出された冷却媒体の温度はＥＣＵ２０へ送られる。なお、本発明は、燃料電池３の各セルの発する熱が反映された冷却媒体の温度を測定することができれば、この温度センサ９１の設置位置や温度検出原理等を限定するものではない。
【００９２】
本変形例におけるＥＣＵ２０は、温度センサ９１により検出される冷却媒体温度を監視し、この冷却媒体温度が所定閾値を超えると判断すると、燃費向上モードを停止し状態確認モードを実行する。また、ＥＣＵ２０は、温度センサ９１により検出される冷却媒体温度の変化率を監視し、この冷却媒体温度の変化率に応じて状態確認モードへの移行を判断するようにしてもよい。この判断に利用される所定閾値は、シミュレーション等により予め決められ、メモリ等に保持される。本変形例におけるＥＣＵ２０は、燃費向上モードの所定継続時間の経過と共にこの冷却媒体温度によるモード移行判断を行ってもよいし、この冷却媒体温度のみでモード移行判断を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
３  燃料電池
７  不純物濃縮器
１２  駆動回路
１３  配線
１５  電圧センサ
１７  排気弁
２０  ＥＣＵ（Electric Control Unit）
２５  導入配管
２７  排気配管
３１  膜電極接合体
３２  アノード側室
３３  カソード側室
９１  温度センサ
【図１】
0005434294.tif 000002
【図２】
0005434294.tif 000003
【図３Ａ】
0005434294.tif 000004
【図３Ｂ】
0005434294.tif 000005
【図３Ｃ】
0005434294.tif 000006
【図４】
0005434294.tif 000007
【図５】
0005434294.tif 000008
【図６】
0005434294.tif 000009
【図７】
0005434294.tif 000010
【図８】
0005434294.tif 000011
【図９】
0005434294.tif 000012
【図１０】
0005434294.tif 000013
【図１１】
0005434294.tif 000014