(57)【要約】【課題】  効率的に不純物ガスを排出することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１は、起動時に水素タンク２１と第１圧力調整弁２３と開閉弁３２とを制御して燃料電池スタック１０のアノード１１の圧力を上昇させる。また、燃料電池システム１は、アノード１１の圧力が所定圧力に達した場合に開閉弁３２を開弁して、燃料電池スタックのアノード内から不純物ガスを排出させる。このとき、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に発電を行いつつも不純物ガスを排出する。このため、燃料電池システム１は、水素を消費して不純物ガスの割合が高くなったガスを排出することとなり、効率的に不純物ガスを排出することができる。【選択図】      図１
2006252920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受けるアノード及び酸化剤ガスの供給を受けるカソードを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックのアノードの圧力を調整する圧力調整手段と、
起動時に前記燃料ガス供給手段と前記圧力調整手段とを制御して前記燃料電池スタックのアノードの圧力を上昇させ、該圧力が所定圧力に達した場合に前記燃料電池スタックに発電を行わせつつも前記燃料電池スタックのアノードと外部とを連通させて、前記燃料電池スタックのアノード内から不純物ガスを排出させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、該圧力が所定圧力に達した場合に前記燃料電池スタックに発電を行わせるときにはアノードと外部とを連通させてからの経過時間が長くなるに従って、発電量を小さくしていく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】
前記燃料電池スタックのアノードから排出されたガスを循環させて再度アノードに送り込むガス循環手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記アノードの圧力及び前記ガス循環手段により循環されるガスの流量の少なくとも一方が大きくなるに従って、発電量を大きくしていく
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】
前記燃料電池スタックのアノードの温度を推定する温度推定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度推定手段により推定された温度が高くなるに従って、発電量を小さくしていく
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックのアノードから排出されるガスを外部に排出するガス排出配管をさらに備え、
前記圧力調整手段は、前記燃料ガス排出配管に設けられた開閉弁を含み、
前記ガス循環手段は、前記開閉弁の上流に設けられ、
前記制御手段は、前記ガス循環手段を駆動させつつ前記開閉弁を開弁することで、前記燃料電池スタックのアノードと外部とを連通させる
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、単位時間あたりのガスの循環流量を前記ガス循環手段の性能範囲内で最大に制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
発電を中止してからの時間を検出する時間検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記時間検出手段により検出された時間が長くなるに従って、前記アノード内から不純物ガスを排出する排出時間を長くする
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８】
前記制御手段は、前記アノードの圧力が高くなるに従って、前記アノード内から不純物ガスを排出する排出時間を短くす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９】
前記制御手段は、前記温度推定手段により推定された温度が低くなるに従って、前記アノード内から不純物ガスを排出する排出時間を短くすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記ガス循環手段により循環されるガス流量が多くなるに従って、前記アノード内から不純物ガスを排出する排出時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックの発電に利用され得ないアノード内の不純物ガスついて濃度及び量の少なくとも一方を推定する不純物ガス推定手段と、
前記制御手段は、前記不純物ガス推定手段の推定値が所定値未満である場合、アノード内から不純物ガスを排出させる動作を終了させる
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１２】
前記不純物ガス推定手段は、前記燃料電池スタックのアノードと外部とを連通させてから所定時間経過ごとに、アノード内の不純物ガスついて濃度及び量の少なくとも一方を推定することを特徴とする請求項１１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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池スタックのアノード内に存在する不純物ガスを、燃料電池の起動時にアノード下流に設けられる水素パージ弁を開放することにより、排出する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムによれば、アノードの入口側の圧力を検出する圧力センサと、アノードへの水素の供給量を制御する水素遮断弁とを設け、圧力センサによる検出値に応じて、水素遮断弁の開弁開始時刻から水素パージ弁の開弁開始時刻までの時間を設定し、この時間が経過したときには、水素極の入口側の圧力が「大気圧＋数ｋＰａ」まで上昇しているものとみなし、水素パージ弁を開弁することとしている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７９０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、従来の燃料電池システムにおいて、アノードの圧力が大気圧よりも低い場合、水素パージ弁を開弁しても、不純物ガスを排出するどころか、外部から空気が流入してしまう。このため、従来の燃料電池システムでは、アノードの圧力を増大させたうえで、水素パージ弁を開弁するようにしている。
【０００４】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、アノードの圧力を上昇させるためにアノードに水素を供給するため、アノード内の不純物ガスの濃度が低下し水素濃度が上昇することとなる。この場合、パージ弁を開弁したときに排出されるガスは水素を多く含み不純物ガスの割合が小さくなってしまう。故に、従来の燃料電池システムでは、不純物ガスの排出が効率的に行われているとはいえなかった。
【０００５】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、効率的に不純物ガスを排出することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガス供給手段と、圧力調整手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受けるアノード及び酸化剤ガスの供給を受けるカソードを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。燃料ガス供給手段は、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給するものである。圧力調整手段は燃料電池スタックのアノードの圧力を調整するものである。制御手段は、起動時に燃料ガス供給手段と圧力調整手段とを制御して燃料電池スタックのアノードの圧力を上昇させるものである。また、制御手段は、アノードの圧力が所定圧力に達した場合に燃料電池スタックに発電を行わせつつも燃料電池スタックのアノードと外部とを連通させて、燃料電池スタックのアノード内から不純物ガスを排出させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、起動時にアノードの圧力を上昇させ、該圧力が所定圧力に達した場合に燃料電池スタックに発電を行わせつつもアノードと外部とを連通させて、燃料電池スタックのアノード内から不純物ガスを排出させることとしている。このため、発電によりアノード内の燃料ガスを消費し、不純物ガスの濃度を高めつつ排出することとなる。従って、効率的に不純物ガスを排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０と、冷却液循環系７０とを備えている。
【００１０】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスの供給を受けるアノード１１と、酸化剤ガスの供給を受けるカソード１２とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。ここで、本実施形態では例えば燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして酸素が用いられる。この燃料電池スタック１０のアノード１１は、燃料ガス供給系２０から燃料ガスの供給を受け、燃料ガス排出系３０からアノードオフガスを排出するようになっている。
【００１１】
燃料ガス供給系２０は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）と、燃料ガス導入配管２２と、第１圧力調整弁２３とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池スタック１０のアノード１１に燃料ガスを供給するためのものである。燃料ガス導入配管２２は水素タンク２１と燃料電池スタック１０のアノード１１とを接続し、水素タンク２１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０のアノード１１まで導くものである。第１圧力調整弁２３は、燃料ガス導入配管２２に設けられ、水素タンク２１から燃料電池スタック１０のアノード１１に供給される水素の供給量を制御できるようになっている。
【００１２】
燃料ガス排出系３０は、燃料ガス排出配管（ガス排出配管）３１と、開閉弁３２とを備えている。燃料ガス排出配管３１は、燃料電池スタック１０のアノード１１と外部とを接続し、アノードオフガスを外部に導くものである。開閉弁３２は、燃料ガス排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてアノードオフガスの排出を制御するものである。
【００１３】
ここで、上記した如く、アノード１１は、第１圧力調整弁２３の制御によって水素タンク２１から燃料ガスの供給を受け、開閉弁３２の開閉動作によりガスが排出されるようになっている。このため、第１圧力調整弁２３と開閉弁３２とは、アノード１１の圧力を制御できるようになっている。例えば、第１圧力調整弁２３を開け開閉弁３２を閉じている場合、アノード１１の圧力を高めることができる。また、第１圧力調整弁２３を閉じ開閉弁３２を開けている場合、アノード１１の圧力を低くすることができる。このように、第１圧力調整弁２３と開閉弁３２とはアノード１１の圧力を調整する圧力調整手段として機能することとなる。
【００１４】
また、ガス循環系４０は、発電に寄与することなく排出された燃料ガスを再利用するためのものであって、循環装置（ガス循環手段）４１と循環配管４２とを備えている。循環装置４１は、燃料電池スタック１０のアノード１１と開閉弁３２との間に設けられており、燃料電池スタック１０のアノード１１から排出されたオフガスを循環させて再度アノード１１に送り込むものである。循環配管４２は、一端が循環装置４１と開閉弁３２との間の燃料ガス排出配管３１に接続され、他端が第１圧力調整弁２３と燃料電池スタック１０のアノード１１との間の燃料ガス導入配管２２に接続されており、アノード１１から排出されたオフガスをアノード１１の下流から上流に循環させるためのものである。
【００１５】
また、燃料電池スタック１０のカソード１２は、酸化剤ガス供給系５０から酸化剤ガスの供給を受け、酸化剤ガス排出系６０からカソードオフガスを排出するようになっている。酸化剤ガス供給系５０は、コンプレッサ５１と、酸化剤ガス供給配管５２と、アフタークーラ５３と、加湿器５４とからなっている。
【００１６】
コンプレッサ５１は、空気を圧縮して燃料電池スタック１０に送り込むものである。酸化剤ガス供給配管５２は、コンプレッサ５１と燃料電池スタック１０のカソード１２とを接続するものであり、コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池スタック１０のカソード１２に導くものである。アフタークーラ５３は、コンプレッサ５１と燃料電池スタック１０のカソード１２との間の酸化剤ガス供給配管５２に設けられ、コンプレッサ５１から圧送される空気が燃料電池スタック１０での反応に適した温度となるまで空気を冷却するものである。加湿器５４は、アフタークーラ５３と燃料電池スタック１０のカソード１２との間の酸化剤ガス供給配管５２に設けられ、燃料電池スタック１０の電解質膜を湿潤に保つべく、燃料電池スタック１０に供給する空気を加湿するものである。
【００１７】
酸化剤ガス排出系６０は、酸化剤ガス排出配管６１と、第２圧力調整弁６２とを備えている。酸化剤ガス排出配管６１は、燃料電池スタック１０のカソード１２と外部とを接続し、カソードオフガスを外部に導くものである。第２圧力調整弁６２は、酸化剤ガス排出配管６１に設けられ、カソードオフガスの排出量を制御するものである。なお、酸化剤ガス排出配管６１上には加湿器５４が配置されている。このため、カソード１２から排出されるオフガスは、まず加湿器５４に流入した後に外部に排出されることとなる。ここで、加湿器５４による加湿ではカソード１２からのオフガスに含まれる水分が利用され、コンプレッサ５１からの空気はオフガスの水分によって加湿されることとなる。
【００１８】
冷却液循環系７０は、燃料電池スタック１０の温度が高温となり過ぎないように温度を抑制するためのものである。冷却液循環系７０は、冷却液循環配管７１と、ラジエータ７２と、ラジエータファン７３と、ポンプ７４とからなっている。
【００１９】
冷却液循環配管７１は、冷却液循環系７０において冷却液を循環させる流路となるものであり、冷却液はアフタークーラ５３、ラジエータ７２、及びポンプ７４の順に通過して再度燃料電池スタック１０に流入するようになっている。ラジエータ７２は冷却液を冷却するためのものである。ラジエータファン７３は、冷却液による冷却を促進させるべくラジエータ７２に向けて送風するものである。ポンプ７４は、冷却液循環系７０において冷却液を循環させる循環源となるものである。
【００２０】
また、燃料電池システム１は、上記構成に加えて、アノード側圧力センサ８１と、カソード側圧力センサ８２と、温度センサ８３と、システム制御装置９０（制御手段、温度推定手段）とを備えている。アノード側圧力センサ８１はアノード１１の圧力を検出するものであり、アノード１１の入口近傍に設けられている。また、カソード側圧力センサ８２はカソード１２の圧力を検出するものであり、カソード１２の入口近傍に設けられている。温度センサ８３は、燃料電池スタック１０の運転温度を検出するものであり、燃料電池スタック１０からアフタークーラ５３に至るまでの冷却液循環配管７１上に設けられている。
【００２１】
システム制御装置９０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、上記センサ８１〜８３からの信号を入力し、燃料電池システム１の各弁２３，３２，６２や、循環装置４１の駆動や、ラジエータファン７３の駆動などを制御する構成となっている。特に、システム制御装置９０は、システム１の起動時に水素タンク２１、第１圧力調整弁２３、及び開閉弁３２を制御して燃料電池スタック１０のアノード１１の圧力を上昇させる。また、システム制御装置９０は、アノード側圧力センサ８１からの信号により燃料電池スタック１０のアノード１１の圧力を監視し、燃料電池スタック１０のアノード１１の圧力が所定圧力に達したときには開閉弁３２を開け、燃料電池スタック１０のアノード１１と外部とを連通させるようになっている。これにより、起動時において燃料電池スタック１０のアノード１１内に溜まった不純物ガスを燃料電池スタック１０の外に排出したうえで発電を行うことができるようにしている。
【００２２】
詳細に説明すると、燃料電池システム１が運転を停止した場合、燃料電池スタック１０のアノード１１には水素が残存し、カソード１２には空気が残存する。これら水素及び空気は時間が経過するにつれてそれぞれクロスリークする。すなわち、アノード１１の水素はカソード１２に移動し、カソード１２の空気はアノード１１に移行することとなる。ここで、アノード１１に移動した空気のうち、酸素は水素を反応して水を生成する。
【００２３】
ところが、アノード１１に移動した空気のうち窒素はアノード１１内の気体と反応せず、残ってしまう。このような窒素などの不純物ガスが存在すると燃料電池スタック１０の発電性能は低下してしまうこととなる。また、不純物ガスが多く存在すると、循環装置４１のガスの循環量についても低下してしまう。すなわち、循環装置４１は、自己の性能とアノード１１の圧力損失と循環配管４２の圧力損失とから、循環可能なガス流量が定まっている。ところが、不純物ガスである窒素が多くなると、窒素の質量が水素の質量よりも大きいことから、循環装置４１は、水素を循環させるよりも多くのパワーを要する。この結果、循環装置４１の循環可能なガス流量は低下してしまう。このため、アノード１１側には許容可能な窒素量や窒素濃度（以下、許容窒素量及び許容窒素濃度という）があり、これを超えないようにするために、起動時に不純物ガスの排出を行っておくことは肝要となっている。
【００２４】
そこで、本実施形態に係る燃料電池システム１は、アノード１１の圧力が所定圧力に達したときに燃料電池スタック１０のアノード１１と外部とを連通させるだけでなく、発電を行いつつアノード１１と外部とを連通させるようになっている。すなわち、システム制御装置９０は、積極的に燃料電池スタック１０から電力を取り出しつつも、アノード１１と外部とを連通させて、不純物ガスを排出するようになっている。
【００２５】
図２は、燃料電池スタック１０のアノード１１の窒素濃度及び量を示すグラフであって、（ａ）はアノード１１の出口付近の窒素濃度を示し、（ｂ）はアノード１１の入口付近の窒素濃度を示し、（ｃ）はアノード１１に存在する窒素量を示している。なお、各図において横軸は開閉弁３２の開弁からの経過時間を示している。
【００２６】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、開閉弁３２の開弁によりアノード１１と外部とが連通することから、アノード１１に存在する窒素が外部に排出され、アノード１１の出口側の窒素濃度、アノード１１の入口側の窒素濃度、及びアノード１１に存在する窒素量が時間の経過とともに減少する。
【００２７】
ここで、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、発電が行われていない場合、燃料電池スタック１０での水素消費が無いため、アノード１１の出口側の窒素濃度とアノード１１の入口側の窒素濃度は同じ濃度となる。
【００２８】
一方、発電が行われている場合、燃料電池スタック１０において水素が消費される。このため、アノード１１における不純物ガスの濃度が高められることとなる。そして、この状態からアノード内のガスを排出するため、図２（ａ）に示すようにアノード１１の出口側の窒素濃度は高くなる。このように、発電を行いながらアノード１１と外部とを連通させることで、効率的に不純物ガスを排出することとなる。なお、不純物ガスが効率的に排出されることで、アノード１１の入口側の窒素濃度は減少することとなる。
【００２９】
また、図２（ｃ）に示すように、発電が行われていない場合、アノード１１の許容窒素量を下回るまでの時間はｔ３であるが、発電が行われている場合、アノード１１の許容窒素量を下回るまでの時間はｔ３よりも短いｔ２となる。すなわち、発電を行った方が発電を行わないよりも、効率的に排出できる。
【００３０】
ここで、システム制御装置９０は、発電量を最大に制御しつつ、アノード１１と外部とを連通させることが望ましい。発電量を最大にすることにより、最も効率的な不純物ガスの排出を行うことができるためである。発電量を最大とする場合、システム制御装置９０は、開閉弁３２の開弁からの経過時間、アノード１１の圧力、循環装置４１により循環されるガスの流量、及びアノード１１の温度の４つの要素から、最大となる発電量を決定する。
【００３１】
まず、１つ目の要素ついて言及する。開閉弁３２の開弁からの経過時間が長くなるとアノード内の水素量も減少していく。このため、発電によりアノード内の水素を消費して不純物ガスの濃度を高めようとしても、発電量の限界も低下してくる。よって、システム制御装置９０は、アノード１１と外部とを連通させてからの経過時間が長くなるに従って発電量を小さくすることで、この限界にあわせた発電を行い、発電量を適切とする。
【００３２】
次に、２つ目及び３つ目の要素について言及する。アノード１１の圧力が高まると水素圧も高まる。また、循環されるガス流量が多くなると、単位時間あたりにアノード１１に供給される水素量も多くなる。このため、アノード１１の圧力が高まったり循環されるガス流量が多くなったとすると、システム制御装置９０は発電量を大きくする。そして、システム制御装置９０は、発電量を大きくすることで効率よく水素を消費する。
【００３３】
また、４つ目の要素について言及する。アノード１１の温度が高くなると、アノード内の気体の飽和水蒸気量も高くなり、アノード内の気体が水分を多く含むこととなる。このため、水素の分圧が低下することとなる。よって、システム制御装置９０は、アノード１１の温度が高くなるに従って発電量を小さくすることで、水素の分圧の変化に応じた発電を行うことにより、発電量を適切とする。
【００３４】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、上記のようにして発電量を最大に制御することで、効率的に水素を消費して最も効率的に不純物ガスを排出する。また、発電量を最大とすることで、図２（ｃ）に示すようにアノード１１の窒素量が許容窒素量を下回るまでの時間をｔ１と最も短くすることができる。
【００３５】
なお、アノード１１の温度は、システム制御装置９０によって推定されるようになっている。すなわち、システム制御装置９０は、温度センサ８３からの温度情報からアノード１１の温度を推定するようになっている。このため、システム制御装置９０は、アノード１１の温度を推定する温度推定手段として機能することとなる。
【００３６】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を説明する。図３は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。同図に示すように、燃料電池システム１が起動すると、まずシステム制御装置９０は、前回の発電を中止してから今回の起動までの時間であるシステム停止時間を検出する（ＳＴ１）。そして、システム制御装置９０は、システム停止時間から開閉弁３２の開放時間Ｔｏｐｅｎ、すなわち不純物ガスを排出する排出時間を算出する（ＳＴ２）。
【００３７】
図４は、排出時間の説明図である。なお、図４において縦軸は排出時間を示し、横軸はシステム停止時間を示している。同図に示すように、システム制御装置９０は、システムの停止時間が長くなるに従って排出時間を長くする。ここで、システムの停止時間が長くなるに従って排出時間を長くするのは、図５に示すガス濃度に基づくものである。
【００３８】
図５は、システム停止時間と各ガスの濃度を示したグラフである。なお、図５において縦軸は濃度を示し、横軸はシステム停止時間を示している。同図に示すように、窒素の濃度はシステム停止時間が長くなるに従って大きくなっている。燃料電池システム１が停止すると、カソード１２に残存した空気がクロスリークして、アノード１１に至るためである。また、水素の濃度はシステム停止時間が長くなるに従って小さくなっている。カソード１２からクロスリークした酸素がアノード１１の水素と反応するためである。
【００３９】
さらに、酸素の濃度はクロスリークしても水素と反応するため一定期間の間ほぼ「０」である。ところが、アノード内の水素濃度が「０」に近づくと酸素の濃度はシステム停止時間が長くなるに従って大きくなっていく。また、燃料電池システム１が停止時において飽和状態であうと仮定した場合、水蒸気の濃度は、システム停止時間が長くなるに従って減少する。システムの停止によりアノード１１の温度が低下し、飽和水蒸気量も低下するためである。
【００４０】
ここで、上記したようにアノード１１の不純物ガス（窒素）の濃度は、システム停止時間が長くなるに従って大きくなる。このため、システム制御装置９０は、図４に示すように、システム停止時間が長くなるに従って、排出時間を長く設定する。
【００４１】
再度、図３を参照する。排出時間を算出した後、システム制御装置９０は、循環装置４１の流量を増大させる（ＳＴ３）。これにより、循環装置４１を駆動させつつ開閉弁３２を開弁したときには、開閉弁３２の上流の圧力を増大させたうえで不純物ガスを排出することとなり、効率の良い排出を行うようにしている。また、システム制御装置９０は、単位時間あたりのガスの循環流量を循環装置４１の性能範囲内で最大に制御する。これにより、圧力をより高めたうえで不純物ガスの排出を行うことができ、より効率よく排出を行うことができる。なお、循環流量は、循環装置４１の性能範囲内とせず、車室内の騒音や振動を考慮して運転者に違和感を与えないレベルまで増大させるようにしてもよい。
【００４２】
次に、システム制御装置９０は、アノード１１に水素を供給してアノード１１の圧力を増大させる（ＳＴ４）。そして、アノード側圧力センサ８１により検出される圧力値が所定圧力値に達した場合、システム制御装置９０は処理をステップＳＴ５に進める。なお、所定圧力値は、少なくとも外部よりも高い圧力であることはいうまでもない。
【００４３】
ステップＳＴ５において、システム制御装置９０は、ステップＳＴ２において求めた開放時間Ｔｏｐｅｎから発電電流を算出する（ＳＴ５）。次に、システム制御装置９０は、求められた発電電流値が得られるように発電を行う（ＳＴ６）。そして、システム制御装置９０は、開閉弁３２を開動作させる（ＳＴ７）。次いで、システム制御装置９０は、所定時間Δｔが経過した後に、開放時間Ｔｏｐｅｎのカウントダウンを行う（ＳＴ８）。次に、システム制御装置９０は、開放時間Ｔｏｐｅｎが「０」未満であるか否かを判断する（ＳＴ９）。
【００４４】
ここで、開放時間Ｔｏｐｅｎが「０」未満でないと判断した場合（ＳＴ９：ＮＯ）、処理はステップＳＴ５に戻る。そして、システム制御装置９０は、所定時間Δｔが減じられた開放時間Ｔｏｐｅｎに基づいて再度発電電流を算出する（ＳＴ５）。以後、所定時間Δｔごとに上記の処理が繰り返される。このため、システム制御装置９０は、ステップＳＴ５〜ＳＴ９の処理をループさせることにより、アノード１１と外部とを連通させてからの経過時間が長くなるに従って発電量を小さくしていくこととなる。
【００４５】
図６は、図３に示したステップＳＴ５の詳細を示す説明図である。同図に示すように、経過時間が長くなるに従って発電量を小さくしていくこととなる。また、上記したように、システム制御装置９０は、アノード１１の温度が温度が高くなるに従って発電電流を小さくしている。さらに、図示していないが、システム制御装置９０はステップＳＴ５においてアノード１１の圧力、及び循環装置４１により循環されるガスの流量の応じて発電電流値を決定するようにしてもよい。
【００４６】
ところで、ステップＳＴ９において開放時間Ｔｏｐｅｎが「０」未満であると判断した場合（ＳＴ９：ＹＥＳ）、処理は通常発電に移行する。すなわち、不純物ガスの排出が終了し、通常の通り負荷の要求に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給され、発電が行われていくこととなる。
【００４７】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、起動時にアノード１１の圧力を上昇させ、該圧力が所定圧力に達した場合に燃料電池スタック１０に発電を行わせつつもアノード１１と外部とを連通させて、燃料電池スタック１０のアノード内から不純物ガスを排出させることとしている。このため、発電によりアノード内の燃料ガスを消費し、不純物ガスの濃度を高めつつ排出することとなる。従って、効率的に不純物ガスを排出することができる。
【００４８】
また、燃料電池スタック１０に発電を行わせるときにはアノード１１と外部とを連通させてからの経過時間が長くなるに従って、発電量を小さくしていくこととしている。ここで、アノード１１と外部とを連通させると、不純物ガスと同時に燃料ガスも排出される。このため、アノード内の燃料ガスの量が減るため、発電によりアノード内の燃料ガスを消費して不純物ガスの濃度を高めようとしても、発電量の限界も低下してくる。よって、アノード１１と外部とを連通させてからの経過時間が長くなるに従って発電量を小さくすることで、この限界にあわせた発電を行うことにより、発電量を適切とすることができる。
【００４９】
また、アノード１１の圧力及び循環されるガスの流量の少なくとも一方が大きくなるに従って、発電量を大きくしていくこととしている。ここで、アノード１１の圧力が高まると燃料ガスの圧力も高まるため、発電量を大きくできる。また、循環されるガス流量が多くなると、単位時間あたりにアノード１１に供給される燃料ガスの量も多くなるため、発電量を大きくできる。このように、アノードの圧力及び循環されるガスの流量の少なくとも一方が大きくなるに従って発電量を大きくしていくことで、適切な発電量の発電を行って効率よく水素を消費することができる。従って、一層効率的に不純物ガスを排出することができる。
【００５０】
また、アノード１１の温度が高くなるに従って発電量を小さくすることとしている。ここで、アノード１１の温度が高くなると、アノード内の気体の飽和水蒸気量も高くなり、アノード内の気体が水分を多く含むこととなる。このため、燃料ガスの分圧が低下することとなる。よって、アノード１１の温度が高くなるに従って発電量を小さくすることで、燃料ガスの分圧の変化に応じた発電を行うことにより、発電量を適切とすることができる。
【００５１】
また、循環装置４１は開閉弁３２の上流に設けられている。このため、循環装置４１を駆動させることで循環装置４１から開閉弁３２までの間の圧力を高めることができる。また、循環装置４１を駆動させつつ開閉弁３２を開弁することで燃料電池スタック１０のアノード１１と外部とを連通させることとしている。このため、開閉弁３２の上流圧力を高めたうえで開閉弁３２を開弁するため、不純物ガスの排出を効率的行うことができる。
【００５２】
また、単位時間あたりのガスの循環流量を循環装置４１の性能範囲内で最大に制御することとしている。このため、開閉弁３２の上流の圧力を最大に高めたうえで開閉弁３２を開弁することができ、より一層不純物ガスの排出を効率的行うことができる。
【００５３】
また、発電を中止してからの時間（システム停止時間）が長くなるに従ってアノード内から不純物ガスを排出する排出時間を長くすることとしている。ここで、発電を中止した場合、燃料電池スタック１０のカソード１２には酸化剤ガスが残っており、発電を中止してからの時間が長くなるに従ってカソード１２から不純物ガスがクロスリークしてくる。このため、発電を中止してからの時間が長くなるとアノード１１の不純物ガスの濃度が高まることとなる。よって、発電を中止してからの時間が長くなるに従って、アノード内から不純物ガスを排出する排出時間を長くすることで、適切に不純物ガスを排出することができる。
【００５４】
なお、第１実施形態では、以下のようにしてもよい。すなわち、システム制御装置９０は、アノード１１の圧力が高くなるに従って、アノード内から不純物ガスを排出する排出時間を短くすることが望ましい。アノード１１の圧力が高くなると排出されるガスの流量が多くなるため、排出時間を短くすることで排出時間を不要に長くして通常運転に移行するまでの時間が長くなってしまうことを防止することができるためである。
【００５５】
また、システム制御装置９０は、推定したアノード１１の温度が低くなるに従って、排出時間を短くすることが望ましい。アノード１１の温度が低くなるとアノードの水蒸気量が減少する。すなわち発電に寄与しない不純物ガスの量が減少することとなる。このため、不純物ガスの量が減るのにあわせて排出時間を短くすることで、排出時間を不要に長くして通常運転に移行するまでの時間が長くなってしまうことを防止することができる。
【００５６】
また、システム制御装置９０は、循環装置４１により循環されるガス流量が多くなるに従って、排出時間を短くすることが望ましい。循環装置４１により循環されるガス流量が多くなると開閉弁３２の上流の圧力を高めることができる。このため、排出時には効率的に不純物ガスを排出できることとなる。従って、排出時間を不要に長くして通常運転に移行するまでの時間が長くなってしまうことを防止することができる。
【００５７】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態のものと同様であるが、処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００５８】
まず、第２実施形態に係る燃料電池システム２において、システム制御装置９０は、アノード１１の不純物ガスの濃度又は量を推定し、その濃度又は量が少なくなるまで不純物ガスを排出し、その後通常の運転を行うようになっている。このため、システム制御装置９０は燃料電池スタック１０の発電に利用され得ないアノード１１の不純物ガスついて濃度及び量の少なくとも一方を推定する不純物ガス推定手段として機能することとなる。
【００５９】
図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム２の詳細動作を示すフローチャートである。同図に示すように、燃料電池システム１が起動すると、まずシステム制御装置９０は、前回の発電を中止してから今回の起動までの時間であるシステム停止時間を検出する（ＳＴ１）。そして、システム制御装置９０は、システム停止時間から窒素量を推定し、排出窒素量を「０」に初期化する（ＳＴ２）。このとき、システム制御装置９０は、図８に示すデータを参照してアノード１１の窒素量を推定する。
【００６０】
図８は、システム停止時間とアノード１１の窒素量との相関関係を示す説明図である。同図に示すように、アノード１１の窒素量はシステム停止時間が長くなるに従って増大する傾向にある。システム制御装置９０は、予め図８に示すデータを記憶しており、記憶データに従って窒素量を推定することとなる。
【００６１】
再度図７を参照する。窒素量を推定した後、システム制御装置９０は、現在のアノード１１の窒素量を推定する（ＳＴ１３）。すなわち、システム制御装置９０は、窒素量＝窒素量−排出窒素量なる演算式により、現在のアノード１１の窒素量を推定する。次いで、システム制御装置９０は、現在のアノード１１の窒素量が許容窒素量（所定値）未満であるか否かを判断する（ＳＴ１４）。現在のアノード１１の窒素量が許容窒素量未満であると判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、処理は通常発電に移行する。すなわち、システム制御装置９０は、不純物ガスを排出させる動作を終了し、負荷の要求に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給し、発電を行っていく。
【００６２】
他方、現在のアノード１１の窒素量が許容窒素量未満でないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、システム制御装置９０は、目標の循環流量となるように循環装置４１を制御する（ＳＴ１５）。次いで、システム制御装置９０は、目標の圧力となるようにアノード１１の圧力を制御する（ＳＴ１６）。これらステップＳＴ１５及びＳＴ１６において、システム制御装置９０は、図９に示すデータに従って循環装置４１の循環流量及びアノード１１の圧力を制御する。
【００６３】
図９は、アノード１１の圧力と時刻との相関及びガス循環流量と時刻との相関を示すグラフであって、（ａ）はアノード１１の圧力と時刻との相関を示し、（ｂ）はガス循環流量と時刻との相関を示している。なお、図９では、ステップＳＴ１５及びＳＴ１６以外のアノード１１の圧力とガス循環流量とについても示すものとする。
【００６４】
まず、燃料電池システム２では、時刻ｔａまで、循環装置４１の循環流量を増大させつつ、アノード１１の圧力を高める。ここで、時刻ｔａまでにアノード１１の圧力及び循環流量は目標の値に達するが、システム制御装置９０はアノード１１のガス濃度を均一にすべるために一定時間アノード１１の圧力及び循環流量を維持したままでガスを循環させる。
【００６５】
そして、時刻ｔａ〜ｔｂの間に、システム制御装置９０は、アノード１１の圧力及び循環流量を減少させていく。このとき、アノード１１の圧力及び循環流量を減少させることで、車室内の騒音及び振動を抑えることができる。その後、時刻ｔｃにおいて、アノード１１の窒素量が減少していれば、ステップＳＴ１４において「ＹＥＳ」と判断されて通常発電に移行することとなる。
【００６６】
このように、システム制御装置９０は、ステップＳＴ１５及びステップＳＴ１６の処理において、図９に示すデータに従って、ガス循環流量とアノード１１の圧力とを制御することとなる。
【００６７】
再度、図７を参照する。アノード１１の圧力とガス循環流量を制御した後、システム制御装置９０は、アノード１１の圧力とアノード１１の温度と窒素量とから、アノード１１の窒素濃度を算出する。なお、窒素濃度はアノード１１の容積が既知であるために、窒素量とアノード１１の圧力とアノード１１の温度とから容易に算出できる。
【００６８】
次いで、システム制御装置９０は、アノード１１の圧力とアノード１１の温度とからアノード１１の水蒸気濃度を算出する（ＳＴ１８）。このとき、システム制御装置９０は、アノード１１のガスが飽和水蒸気量に達しているものとして水蒸気の濃度を求める。次に、システム制御装置９０は、窒素濃度と水蒸気濃度とから水素濃度を算出する（ＳＴ１９）。ここで、システム制御装置９０は、窒素濃度と水蒸気濃度が増加すると水素濃度が低下する傾向から、水素濃度を求める。
【００６９】
そして、システム制御装置９０は、水素濃度とガスの循環流量とから発電電流を算出する（ＳＴ２０）。このとき、システム制御装置９０は、図１０に示すデータに従って発電電流値を決定する。図１０は、水素濃度とガスの循環流量とから算出される発電電流値を示すグラフである。同図に示すように、水素濃度が高くなるほど発電電流値は高くされる。また、ガスの循環流量が多くなるほど発電電流値は高くされる。
【００７０】
再度、図７を参照する。発電電流値を求めた後、システム制御装置９０は発電電流値が得られるように発電を行う（ＳＴ２１）。そして、システム制御装置９０は、開閉弁３２を開動作させる（ＳＴ２２）。次いで、システム制御装置９０は、所定時間Δｔだけ待機する（ＳＴ２３）。次に、システム制御装置９０は、アノード１１の圧力及び温度と、窒素濃度と、微小時間Δｔとから排出窒素量を算出する（ＳＴ２４）。そして、処理はステップＳＴ１３に戻る。
【００７１】
その後、アノード１１の窒素量が許容窒素量未満であると判断されるまで（ＳＴ１４にて「ＹＥＳ」と判断されるまで）、上記処理が繰り返されることとなる。このため、システム制御装置９０は、ＳＴ１４にて「ＹＥＳ」と判断されるまで燃料電池スタック１０のアノード１１と外部とを連通させてから微小時間Δｔ（所定時間）経過ごとに、アノード内の不純物ガスついて濃度及び量の少なくとも一方を推定することとなる。
【００７２】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、効率的に不純物ガスを排出することができる。また、発電量を適切とすることができ、一層効率的に不純物ガスを排出することができる。
【００７３】
さらに、第２実施形態によれば、不純物ガスの濃度又は量を推定して、許容窒素量未満となった場合にアノード内から不純物ガスを排出させる動作を終了させる。このため、不純物ガスが減った段階で確実に不純物ガスの排出を停止でき、排出時間を適切とすることができる。従って、不純物ガスがアノード内に多く残ってしまうことを防止でき、且つ通常運転に移行するまでの時間が長くなってしまうことを防止することができる。なお、第２実施形態では、窒素量が許容窒素量未満である場合に、不純物ガスの排出を終了しているが、これに限らず、窒素濃度が許容窒素濃度未満となった場合に不純物ガスの排出を終了してもよい。
【００７４】
また、燃料電池スタックのアノードと外部とを連通させてから所定時間経過ごとに、アノード内の不純物ガスついて濃度及び量の少なくとも一方を推定することとしている。このため、不純物ガスの推定値を連続的に推定し、推定値が所定値以下となったタイミングで素早く不純物ガスの排出動作を終了させることが可能となる。従って、不純物ガスがアノード内に多く残ってしまうことを防止でき、且つ通常運転に移行するまでの時間が長くなってしまうことを防止することを一層効率的に行うことができる。
【００７５】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
【００７６】
例えば、本実施形態では水素タンク２１、第１圧力調整手段２３及び開閉弁３２により、アノード１１の圧力を増大させることとしているが、これに限らず、循環装置４１を加圧可能なものとして構成し、これによりアノード１１の圧力を増大させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池スタックのアノード１１の窒素濃度及び量を示すグラフであって、（ａ）はアノードの出口付近の窒素濃度を示し、（ｂ）はアノードの入口付近の窒素濃度を示し、（ｃ）はアノードに存在する窒素量を示している。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
【図４】排出時間の説明図である。
【図５】システム停止時間と各ガスの濃度を示したグラフである。
【図６】図３に示したステップＳＴ５の詳細を示す説明図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作を示すフローチャートである。
【図８】システム停止時間とアノードの窒素量との相関関係を示す説明図である。
【図９】アノードの圧力と時刻との相関及びガス循環流量と時刻との相関を示すグラフであって、（ａ）はアノードの圧力と時刻との相関を示し、（ｂ）はガス循環流量と時刻との相関を示している。
【図１０】水素濃度とガスの循環流量とから算出される発電電流値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７８】
１，２…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１１…アノード
１２…カソード
２０…燃料ガス供給系
２１…水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２…燃料ガス導入配管
２３…第１圧力調整弁（圧力調整手段）
３０…燃料ガス排出系
３１…燃料ガス排出配管（ガス排出配管）
３２…開閉弁（圧力調整手段）
４０…ガス循環系
４１…循環装置（ガス循環手段）
４２…循環配管
５０…酸化剤ガス供給系
５１…コンプレッサ
５２…酸化剤ガス供給配管
５３…アフタークーラ
５４…加湿器
６０…酸化剤ガス排出系
６１…酸化剤ガス排出配管
６２…第２圧力調整弁
７０…冷却液循環系
７１…冷却液循環配管
７２…ラジエータ
７３…ラジエータファン
７４…ポンプ
８１…アノード側圧力センサ
８２…カソード側圧力センサ
８３…温度センサ
９０…システム制御装置（制御手段、温度推定手段、時間検出手段、不純物ガス推定手段）
【図１】
2006252920.tif 000003
【図２】
2006252920.tif 000004
【図３】
2006252920.tif 000005
【図４】
2006252920.tif 000006
【図５】
2006252920.tif 000007
【図６】
2006252920.tif 000008
【図７】
2006252920.tif 000009
【図８】
2006252920.tif 000010
【図９】
2006252920.tif 000011
【図１０】
2006252920.tif 000012