(57)【要約】【課題】燃料電池セルを保護するための保護装置を、不純物から保護する方法を提供する。【解決手段】燃料電池セルの保護装置は、改質ガスが流入される流入口と、流入口に接続された第一配管系統と、第一配管系統に接続された第一流出口と、第一配管系統に接続された第二配管系統と、第一配管系統内に設けれた第一バルブと、第二配管系統に接続された不純物センサと、第二配管系統に接続された第三配管系統と、第三配管系統に接続され水素ガスを供給する水素ガス供給部と、第三配管系統内に設けられた第二バルブと、不純物センサで検知された検知結果が入力され、第一バルブ及び第二バルブの開閉制御を行う制御部とを備える。不純物センサは、供給されるガスに応じて発生した電位に基づいて当該ガスに含まれる不純物の濃度を検出する構成である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルの保護装置であって、
水素を含む改質ガスが流入される流入口と、
前記流入口に接続された第一配管系統と、
前記第一配管系統に接続された第一流出口と、
前記流入口と前記第一流出口の間において前記第一配管系統に接続された第二配管系統と、
前記第一配管系統内において、当該第一配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記第一流出口との間に設けられた第一バルブと、
前記第二配管系統に接続された不純物センサと、
前記第一配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記不純物センサとの間において、前記第二配管系統に接続された第三配管系統と、
前記第三配管系統に接続され、水素ガスを供給する水素ガス供給部と、
前記第三配管系統内において、当該第三配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記水素ガス供給部との間に設けられた第二バルブと、
前記不純物センサで検知された検知結果が入力されると共に、前記第一バルブ及び前記第二バルブの開閉制御を行う制御部とを備え、
前記不純物センサは、供給されるガスに応じて発生した電位に基づいて当該ガスに含まれる不純物の濃度を検出する構成であり、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第一バルブの前記第一流出口側を閉状態、前記第二バルブを開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記不純物センサの許容被毒レベルの範囲内である第一濃度を下回った時点で前記第二バルブを閉状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第一濃度よりも低い値であって、前記燃料電池セルの許容被毒レベルの範囲内である第二濃度を下回った時点で、前記第一バルブの前記第一流出口側を開状態として前記第一流出口から前記改質ガスを流出させることを特徴とする燃料電池セルの保護装置。
【請求項２】
前記第一配管系統に接続された、前記第一流出口とは異なる第二流出口を有し、
前記第一バルブは、流入したガスを、前記第一流出口側に導くか、前記第二流出口側に導くかを選択する三方弁で構成され、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第一バルブの前記第一流出口側の弁を閉状態、前記第二流出口側の弁を開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第二濃度を下回った時点で、前記第一バルブの前記第一流出口側の弁を開状態とし、前記第二流出口側の弁を閉状態とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルの保護装置。
【請求項３】
前記不純物センサは、ＭＥＡ型の不純物センサで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルの保護装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記不純物センサの検出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を算出し、当該算出結果が前記第一濃度を下回った時点で前記第二バルブを閉状態とし、当該算出結果が前記第二濃度を下回った時点で前記第一バルブの前記第一流出口側を開状態とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルの保護装置。
【請求項５】
前記制御部は、タイマー及び記憶部を有し、
前記記憶部は、前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回るまでの第一時間、及び、前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第二濃度を下回るまでの第二時間に関する情報を記憶しており、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記第一時間が経過すると前記第二バルブを閉状態とし、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記第二時間が経過すると前記第一バルブの前記第一流出口側を開状態とすることを特徴とする１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルの保護装置。
【請求項６】
前記第一配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記不純物センサとの間において、前記第二配管系統を分岐するように当該第二配管系統と２箇所で接続された第四配管系統と、
前記第二配管系統内において、前記第四配管系統と接続される２箇所の接続点の間に設けられた第三バルブと、
前記第四配管系統内に設けられた第四バルブとを有し、
前記第二バルブと前記第四バルブを開状態とし、前記第三バルブを閉状態としたときに前記不純物センサに供給されるガスの流量と、前記第二バルブと前記第四バルブを閉状態とし、前記第三バルブを開状態としたときに前記不純物センサに供給されるガスの流量とが、同一となるように、前記第二バルブ、前記第三バルブ、及び前記第四バルブの開度が予め設定されており、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第一バルブを閉状態、前記第二バルブを開状態、前記第三バルブを閉状態、前記第四バルブを開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回った時点で前記第二バルブを閉状態、前記第三バルブを開状態、前記第四バルブを閉状態とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セルの保護装置。
【請求項７】
前記第二配管系統内において、当該第二配管系統と前記第一配管系統との接続点と、当該第二配管系統と前記第三配管系統との接続点との間に設けられた第三バルブを備え、
前記第二バルブ及び前記第三バルブは、前記制御部によって開度の調整が可能な構成であり、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第二バルブと前記第三バルブとを共に所定の開度で開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回った時点で、前記第二バルブを閉状態とし、前記第三バルブを、直前において前記不純物センサに供給されていたガスの流量と同一の流量となるように開度の調整を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セルの保護装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セルの保護装置と、
前記第一流出口と連絡された前記燃料電池セルとを有し、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第二濃度を下回った時点で、前記第一流出口から前記燃料電池セルに対して前記改質ガスが供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
燃料電池セルの駆動方法であって、
供給されるガスに応じて発生した電位に基づいて当該ガスに含まれる不純物の濃度を検出する不純物センサを準備する工程（ａ）と、
水素を含む改質ガスを前記燃料電池セルには供給せず、前記改質ガスと水素ガスとを混合して前記不純物センサに供給する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の実行中において、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記不純物センサの許容被毒レベルの範囲内である第一濃度を下回った時点で、前記水素ガスの供給を停止して、前記改質ガスを前記不純物センサに供給する工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）の実行中において、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第一濃度よりも低い値であって、前記燃料電池セルの許容被毒レベルの範囲内である第二濃度を下回った時点で、前記改質ガスを前記燃料電池セルに供給する工程（ｄ）とを有することを特徴とする燃料電池セルの駆動方法。
【請求項１０】
前記不純物センサは、ＭＥＡ型の不純物センサで構成されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池セルの駆動方法。
【請求項１１】
前記工程（ｃ）は、前記不純物センサの検出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を算出し、当該算出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回っているか否かを判定する工程を含み、
前記工程（ｄ）は、前記不純物センサの検出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を算出し、当該算出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第二濃度を下回っているか否かを判定する工程を含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池セルの駆動方法。
【請求項１２】
前記工程（ｃ）は、前記改質ガスの供給が開始してから、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回るまでの第一時間が経過したか否かを判定する工程を含み、
前記工程（ｄ）は、前記改質ガスの供給が開始してから、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第二濃度を下回るまでの第二時間が経過したか否かを判定する工程を含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載の燃料電池セルの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを保護するための保護装置、及びこの保護装置を備えた燃料電池に関する。また、本発明は、燃料電池セルを保護しながら駆動するための駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代の発電システムとして、燃料電池が注目を浴びている。燃料電池は、水素、酸化剤ガス（空気、酸素富化空気、酸素など）を燃料として、水の電気分解の逆反応を起こさせることにより電気を生み出す発電システムであり、地球環境への環境負荷が低い。また、従来の発電システムと比較すると、エネルギー変換効率が高く、低騒音であるという特徴を有する。特に、室温付近といった低温でも作動可能な固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：polymer electrolyte fuel cell）は、車載用電源や家庭用定置電源、地域発電システムなどへの使用が有望視されている。
【０００３】
図８は、ＰＥＦＣの概略構成図である。上述したように、ＰＥＦＣ１００は、カソード電極１０３とアノード電極１０５とが固体高分子電解質膜１０１を挟むように配置されている。
【０００４】
固体高分子電解質膜１０１は、陽イオン交換膜（カチオン交換膜）であり、（Ａ）スチレン−ジビニルベンゼンをフルオロカーボンのマトリックスにクロスリンクさせた後スルフォン化した膜、（Ｂ）（Ａ）の膜でαＣ−Ｈ結合を含まない膜、（Ｃ）トリフルオロスチレンスルフォン酸の重合膜、（Ｄ）フルオロカーボンマトリックスにトリフルオロエチレンをグラフト化した膜、（Ｅ）パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂膜、など、各種が提案されている。具体的には、フッ素系のカチオン交換膜（例えば、デュポン社製のナフィオン膜）が使用されることが多い。
【０００５】
カソード電極１０３は、電極基材を構成するガス拡散層１１１と触媒層１１３とを有して構成される。触媒層１１３を構成する材料としては白金（Ｐｔ）、白金を含む合金又はパラジウムが挙げられ、これらは単独又はその複数種がカーボン粒子に担持されて用いられる。それらの貴金属は高価であることから、例えば粉状の導電性カーボンブラックの表面に担持させて使用される。
【０００６】
ガス拡散層１１１は、触媒の担体としてカーボンブラック等のカーボン粒子が用いられる。より詳細には、ガス拡散層１１１は、カーボン粒子に貴金属つまり活性金属を担持した触媒粒子、電解質及び撥水化剤を含む触媒層をペーパー又はシート上に形成したガス拡散電極に対して適用される。ガス拡散層１１１は、白金担持のカーボンブラックに結着機能と撥水性を備えたフッ素樹脂、例えばポリテトラフルオロエチレン系ポリマーと高分子膜と同成分のイオノマーを混合して形成される。
【０００７】
アノード電極１０５は、カソード電極１０３とほぼ同様の構造を有する。すなわち、アノード電極１０５は、電極基材を構成するガス拡散層１２１と触媒層１２３とを有して構成される。なお、アノード側の触媒層１２３は、Ｐｔに加えてルテニウム（Ｒｕ）が用いられることがある。
【０００８】
通常、ＰＥＦＣ１００においては、固体高分子電解質膜１０１、カソード電極１０３、及びアノード電極１０５が一体化した構造を示す。このような構造は、特に、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質膜−電極接合体）と呼ばれる。
【０００９】
ＰＥＦＣ１００は、以下のように発電を行う。
【００１０】
まず、アノード側端子部１３１に設けられているガス路１３３からアノード電極１０５に水素ガスを含む燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス（水素含有ガス）は、アノード側のガス拡散層１２１を通過して、アノード側の触媒層１２３に到達する。アノード側の触媒層１２３に到達した燃料ガス（水素含有ガス）は酸化され、下記式に従ってプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）になる。
Ｈ２→ ２Ｈ＋＋ ２ｅ−
【００１１】
プロトン（Ｈ＋）は、アノード側の触媒層１２３と接触している固体高分子電解質膜１０１を通過し、当該固体高分子電解質膜１０１と接触しているカソード側の触媒層１１３に到達する。一方、電子（ｅ−）は、アノード側端子部１３１、負荷１１０、カソード側端子部１４１を経由し、カソード側の触媒層１１３に到達する。
【００１２】
カソード側の触媒層１１３に到達したプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）は、カソード側端子部１４１に設けられているガス路１４３から供給される酸化剤ガスに含まれる酸素（Ｏ２）と反応し、下記式に従って水（Ｈ２Ｏ）を生成する。
２Ｈ＋＋ ２ｅ−＋ （１／２）Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
【００１３】
ＰＥＦＣ１００は、このような電気化学的反応を通して、電気を外部に取り出すことを可能とする。
【００１４】
ＰＥＦＣ１００に供給される燃料ガスは、一般的に改質ガスが用いられる。より具体的には、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＰＧ（液化石油ガス）の主成分であるメタン（ＣＨ４）を改質して取り出された水素を含むガスが燃料ガスとして利用される。
【００１５】
改質ガスとは、燃料ガスに対して改質と呼ばれる処理が施されることで得られたガスを指す。改質は、所定の燃料改質装置によって行われる。燃料改質装置は、一例として、上流側から順に、脱硫器、燃料改質器、ＣＯ変成器、及びＣＯ除去器が配置されて構成される。
【００１６】
ＬＮＧやＬＰＧには、ガス漏洩時の保安上の目的で、硫黄成分を含有する付臭剤（硫黄化合物）が添加されるのが一般的である。脱硫器は上記した付臭剤を除去するものである。除去プロセスは、例えば以下のようなプロセスから構成される。
【００１７】
（１）ＬＮＧ，ＬＰＧに添加されている硫黄化合物（Ｈ３Ｃ−Ｓ−ＣＨ３）を触媒上で水素と反応させ、硫化水素（Ｈ２Ｓ）に変換する。反応させるときの温度は、例えば２５０〜４００℃である。
（２）硫化水素を酸化亜鉛（ＺｎＯ）と反応させ、硫化亜鉛（ＺｎＳ）とし、硫化物を除去する。反応させるときの温度は、例えば３５０〜４００℃である。
以上のプロセスでメタン（ＣＨ４）を得る。
【００１８】
燃料改質器は、上記プロセスで得られたメタンから、水素（Ｈ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、及び一酸化炭素（ＣＯ）を生成するものである。変換プロセスとしては、例えば、メタンを水蒸気と共に触媒上で反応させて、Ｈ２，ＣＯ２，ＣＯを得る。
【００１９】
上記したように、燃料電池に用いられる触媒（１１３，１２３）としては、白金（Ｐｔ）が用いられることが多い。Ｐｔ触媒は、水素化に活性が高い触媒であるが、ＣＯを強く吸着する特性があり当該ＣＯによりＰｔ触媒は被毒しやすい。ＣＯにより被毒されると、ＰＥＦＣ１００の発電効率が低下してしまう。このため、ＰＥＦＣ１００に供給される水素（Ｈ２）は、ＣＯを殆ど含まない水素であることが望ましい。
【００２０】
ＣＯ変成器は、燃料改質器で得られたＨ２，ＣＯ２，ＣＯのうち、ＣＯの濃度を低減させるものである。低減プロセスは、例えば、ＣＯと水蒸気（Ｈ２Ｏ）とを触媒上で反応させて、上記ＣＯをＨ２とＣＯ２とに変換することで、当該ＣＯ濃度を低減させるものである。
【００２１】
ＣＯ除去器は、ＣＯ変成器で変換できなかった微量のＣＯを除去するためのものである。除去プロセスは、例えば、ＣＯ変成器からのガスに空気を添加し、貴金属触媒上でＣＯと酸素（Ｏ２）とを反応させてＣＯをＣＯ２に変換することで、ＣＯを酸化除去するものである。
【００２２】
上述したように、ＰＥＦＣ１００を初めとする燃料電池の原料ガスである水素には、燃料電池に含まれる触媒の被毒を抑制するために、原料ガス中のＣＯ等の濃度をできるだけ低減する必要がある。よって、ＣＯ等の不純物を低減した燃料改質装置が正常に機能しているかどうかを、不純物センサでモニタリングすることが要求される。
【００２３】
図９は、下記特許文献１に記載されている不純物センサの構成例である。この不純物センサ１５０は、図８に示したＰＥＦＣ１００と同等の構造を有している。すなわち、不純物センサ１５０は、カソード電極１５３とアノード電極１５５とが固体高分子電解質膜１５１を挟むように配置されている。そして、図９に示す構造では、上述したように、固体高分子電解質膜１５１、電極（１５３，１５５）が一体化したＭＥＡ構造を構成している。カソード電極１５３は、電極基材を構成するガス拡散層１６１と触媒層１６３とを有して構成される。アノード電極１５５も、同様にガス拡散層１７１と触媒層１７３とを有して構成される。
【００２４】
不純物センサ１５０における固体高分子電解質膜、カソード、アノードの構造は、ＰＥＦＣ１００と同等であるので説明を省略する。なお、触媒層１７３においては、例えばルテニウム（Ｒｕ）は用いず、カーボンで担持された白金（Ｐｔ）のみが用いられる。
【００２５】
不純物センサ１５０の検出原理は以下の通りである。
【００２６】
まず、アノード電極１５５側に燃料ガス（水素ガス）を導入して、アノード電極１５５−カソード電極１５３間に直流電流を流す。すると、燃料電池のときと同様、アノード電極１５５側の触媒電極で酸化された水素ガスは、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）になり、プロトン（Ｈ＋）のみ固体高分子電解質膜１５１を通過して、カソード電極１５３まで移動して水素（Ｈ２）に戻る。
【００２７】
すなわち、アノード電極１５５側では、下記式に示されるような水素電界反応が生じる。
Ｈ２→ ２Ｈ＋＋ ２ｅ−
【００２８】
一方、カソード電極１５３側では、下記式に示されるような水素生成反応が生じる。
２Ｈ＋＋ ２ｅ−→ Ｈ２
【００２９】
この原理を利用して、アノード電極１５５とカソード電極１５３間の電圧を計測する。不純物を含まない純水素ガスを使用したときの電圧Ｖ０と、不純物（例えば、ＣＯ）を含む水素ガスを使用したときの電圧Ｖ１（≦Ｖ０）とを比較し、電圧降下分Ｖ０−Ｖ１が不純物の濃度に相当する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特許第５５９７００４号公報
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】藤木広志，“都市ガスからのＰＥＦＣシステム向け水素製造技術”，水素エネルギーシステムVo1. 37 ，No.1 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
上記したように、燃料改質装置は、触媒を用いた化学反応によってＣＯの低減・除去を行っている。このような化学反応は、触媒の温度を数百度といった高温で行われることが予定されている。具体的には、例えば、上記非特許文献１によれば、燃料改質器の触媒使用温度は６５０〜７００℃、ＣＯ変成器の触媒使用温度は３００〜４５０℃、ＣＯ除去器の触媒使用温度は１５０〜２００℃とされている。
【００３３】
ところが、燃料改質装置の立ち上がり時は、各触媒の温度が低温であるので、化学反応が進まず、当該燃料改質装置から供給される水素ガスに含まれるＣＯ等の不純物濃度が高い。よって、上記特許文献１に記載されたような不純物センサ１５０を用いて不純物濃度（不純物量）をセンシングする場合、触媒層（１６３，１７３）の被毒が進行して短時間で劣化するおそれがある。
【００３４】
また、このように不純物センサ１５０の触媒層（１６３，１７３）が劣化してしまうと、ガスに含まれる不純物量を正しく検知できなくなり、不純物量が多いにもかかわらず、燃料電池側にガスを供給してしまうといった誤動作を行うおそれもある。この場合、燃料電池セルの触媒層の被毒も進むので、燃料電池セルを劣化させるおそれがある。
【００３５】
本発明は、上記の課題に鑑み、燃料電池セルを保護するための保護装置を、不純物から保護する方法を提供することを目的とする。また、燃料電池の触媒の被毒を防止することが可能な、燃料電池セルの駆動方法、及び燃料電池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】
【００３６】
本発明に係る燃料電池セルの保護装置は、
水素を含む改質ガスが流入される流入口と、
前記流入口に接続された第一配管系統と、
前記第一配管系統に接続された第一流出口と、
前記流入口と前記第一流出口の間において前記第一配管系統に接続された第二配管系統と、
前記第一配管系統内において、当該第一配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記第一流出口との間に設けられた第一バルブと、
前記第二配管系統に接続された不純物センサと、
前記第一配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記不純物センサとの間において、前記第二配管系統に接続された第三配管系統と、
前記第三配管系統に接続され、水素ガスを供給する水素ガス供給部と、
前記第三配管系統内において、当該第三配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記水素ガス供給部との間に設けられた第二バルブと、
前記不純物センサで検知された検知結果が入力されると共に、前記第一バルブ及び前記第二バルブの開閉制御を行う制御部とを備え、
前記不純物センサは、供給されるガスに応じて発生した電位に基づいて当該ガスに含まれる不純物の濃度を検出する構成であり、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第一バルブの前記第一流出口側を閉状態、前記第二バルブを開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記不純物センサの許容被毒レベルの範囲内である第一濃度を下回った時点で前記第二バルブを閉状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第一濃度よりも低い値であって、前記燃料電池セルの許容被毒レベルの範囲内である第二濃度を下回った時点で、前記第一バルブの前記第一流出口側を開状態として前記第一流出口から前記改質ガスを流出させることを特徴とする。
【００３７】
上記構成によれば、改質ガスに含まれる不純物量が多い段階においては、純度の高い水素ガスが混合されることで当該ガス自体に含まれる不純物濃度が低下される。このため、不純物センサ自体が不純物によって被毒するおそれを回避できる。また、改質ガスに含まれる不純物濃度が低下した段階、すなわち、前記濃度が不純物センサの許容被毒レベルの範囲内に収まった段階において、水素ガスの供給が停止されるため、センシングのために用いられる水素ガスの量を最小限に抑制することができ、ランニングコストが抑えられる。そして、改質ガスに含まれる不純物濃度が更に低下して、燃料電池セルの許容被毒レベルの範囲内に達した後に、燃料電池セルに改質ガスが供給される。このため、燃料電池セルが不純物によって被毒する可能性が低下する。
【００３８】
前記不純物センサは、ＭＥＡ型の不純物センサで構成されるものとすることができる。特に、燃料電池セルと同タイプの素子構造とすることで、種々の不純物のセンシングが可能となる。不純物の一例としては、ＣＯが挙げられるが、他に、ＳＯ２、Ｈ２Ｓなどの硫化物、ＨＣＨＯなどのアルデヒド類、ＨＣＯＯＨなどのカルボン酸類、ＮＨ４＋（アンモニウムイオン）など、いわゆる触媒毒となる物質なども検出することができる。
【００３９】
前記燃料電池セルの保護装置は、更に前記第一配管系統に接続された、前記第一流出口とは異なる第二流出口を有し、
前記第一バルブは、流入したガスを、前記第一流出口側に導くか、前記第二流出口側に導くかを選択する三方弁で構成され、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第一バルブの前記第一流出口側の弁を閉状態、前記第二流出口側の弁を開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第二濃度を下回った時点で、前記第一バルブの前記第一流出口側の弁を開状態とし、前記第二流出口側の弁を閉状態とするものとしても構わない。
【００４０】
この場合、供給される改質ガスの流量を一定にした状況であっても、各バルブの開閉制御を行う前後における各配管系統内の気圧を一定に保持することができる。
【００４１】
前記制御部は、
前記不純物センサの検出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を算出し、当該算出結果が前記第一濃度を下回った時点で前記第二バルブを閉状態とし、当該算出結果が前記第二濃度を下回った時点で前記第一バルブの前記第一流出口側を開状態とするものとしても構わない。
【００４２】
また、別の構成として、
前記制御部は、タイマー及び記憶部を有し、
前記記憶部は、前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回るまでの第一時間、及び、前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第二濃度を下回るまでの第二時間に関する情報を記憶しており、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記第一時間が経過すると前記第二バルブを閉状態とし、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始してから前記第二時間が経過すると前記第一バルブの前記第一流出口側を開状態とするものとしても構わない。
【００４３】
前記燃料電池セルの保護装置は、更に、
前記第一配管系統と前記第二配管系統との接続点と、前記不純物センサとの間において、前記第二配管系統を分岐するように当該第二配管系統と２箇所で接続された第四配管系統と、
前記第二配管系統内において、前記第四配管系統と接続される２箇所の接続点の間に設けられた第三バルブと、
前記第四配管系統内に設けられた第四バルブとを有し、
前記第二バルブと前記第四バルブを開状態とし、前記第三バルブを閉状態としたときに前記不純物センサに供給されるガスの流量と、前記第二バルブと前記第四バルブを閉状態とし、前記第三バルブを開状態としたときに前記不純物センサに供給されるガスの流量とが、同一となるように、前記第二バルブ、前記第三バルブ、及び前記第四バルブの開度が予め設定されており、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第一バルブを閉状態、前記第二バルブを開状態、前記第三バルブを閉状態、前記第四バルブを開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回った時点で前記第二バルブを閉状態、前記第三バルブを開状態、前記第四バルブを閉状態とする構成とすることができる。
【００４４】
上記の構成によれば、開度の調整ができない簡易なバルブを採用することができるため、安価に装置を構成することができる。
【００４５】
また、別の構成として、
前記燃料電池セルの保護装置は、
前記第二配管系統内において、当該第二配管系統と前記第一配管系統との接続点と、当該第二配管系統と前記第三配管系統との接続点との間に設けられた第三バルブを備え、
前記第二バルブ及び前記第三バルブは、前記制御部によって開度の調整が可能な構成であり、
前記制御部は、
前記流入口より前記改質ガスの流入が開始する時点において、前記第二バルブと前記第三バルブとを共に所定の開度で開状態とし、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回った時点で、前記第二バルブを閉状態とし、前記第三バルブを、直前において前記不純物センサに供給されていたガスの流量と同一の流量となるように開度の調整を行うものとしても構わない。
【００４６】
上記構成の場合、バルブの数を少なくできるため、装置構成が簡素化される。
【００４７】
また、本発明に係る燃料電池は、
前記燃料電池セルの保護装置と、
前記第一流出口と連絡された前記燃料電池セルとを有し、
前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第二濃度を下回った時点で、前記第一流出口から前記燃料電池セルに対して前記改質ガスが供給されることを特徴とする。
【００４８】
また、本発明に係る燃料電池セルの駆動方法は、
供給されるガスに応じて発生した電位に基づいて当該ガスに含まれる不純物の濃度を検出する不純物センサを準備する工程（ａ）と、
水素を含む改質ガスを前記燃料電池セルには供給せず、前記改質ガスと水素ガスとを混合して前記不純物センサに供給する工程（ｂ）と、
前記工程（ｂ）の実行中において、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記不純物センサの許容被毒レベルの範囲内である第一濃度を下回った時点で、前記水素ガスの供給を停止して、前記改質ガスを前記不純物センサに供給する工程（ｃ）と、
前記工程（ｃ）の実行中において、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が、前記第一濃度よりも低い値であって、前記燃料電池セルの許容被毒レベルの範囲内である第二濃度を下回った時点で、前記改質ガスを前記燃料電池セルに供給する工程（ｄ）とを有することを特徴とする。
【００４９】
前記不純物センサは、ＭＥＡ型の不純物センサで構成することができる。
【００５０】
前記工程（ｃ）は、前記不純物センサの検出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を算出し、当該算出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回っているか否かを判定する工程を含み、
前記工程（ｄ）は、前記不純物センサの検出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度を算出し、当該算出結果に基づいて前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第二濃度を下回っているか否かを判定する工程を含むものとしても構わない。
【００５１】
別の方法として、
前記工程（ｃ）は、前記改質ガスの供給が開始してから、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第一濃度を下回るまでの第一時間が経過したか否かを判定する工程を含み、
前記工程（ｄ）は、前記改質ガスの供給が開始してから、前記改質ガスに含まれる不純物の濃度が前記第二濃度を下回るまでの第二時間が経過したか否かを判定する工程を含むものとしても構わない。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、保護装置内の不純物センサの被毒を防止しながらも、燃料電池セルの被毒を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】第一実施形態の燃料電池セルの保護装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】第一実施形態の燃料電池セルの保護装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】第二実施形態の燃料電池セルの保護装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】第二実施形態の燃料電池セルの保護装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】別実施形態の燃料電池セルの保護装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図６】別実施形態の燃料電池セルの保護装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図７】別実施形態の燃料電池セルの保護装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図８】ＰＥＦＣの概略構成図である。
【図９】不純物センサの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明に係る燃料電池セルの保護装置、燃料電池、及び燃料電池セルの駆動方法につき、図面を参照して説明する。
【００５５】
［第一実施形態］
図１は、燃料電池セルの保護装置の構成を模式的に示すブロック図である。保護装置１は、改質装置４３と燃料電池セル４５の間に配置される。改質装置４３は、原料ガス源４１から供給される原料ガス（例えばＬＮＧやＬＰＧなど）に対して改質処理を行って、改質ガスを生成する装置であり、詳細な構造は上述したため割愛する。
【００５６】
図１に示される保護装置１は、流入口３、第一流出口４、第二流出口５、及び第三流出口６を備える。流入口３は、改質装置４３から供給される改質ガスを保護装置１の内部に導く。各流出口（４，５，６）は、保護装置１から外部にガスを流出するために設けられている。
【００５７】
保護装置１は、複数の配管系統（１１，１２，１３，１４）を有している。第一配管系統１１は、流入口３と第一流出口４とを連絡する配管系統である。第一流出口４は、燃料電池セル４５に連絡されている。
【００５８】
第二配管系統１２は、流入口３と第一流出口４の間において、第一配管系統１１に接続するように構成されている。より詳細には、第二配管系統１２は、図１における接続点５１において、第一配管系統１１から分岐するように構成されている。第二配管系統１２は、後述する不純物センサ３３へと連絡されている。
【００５９】
保護装置１は、第三配管系統１３に接続された水素ガス供給部３５を備える。水素ガス供給部３５は、純度の高い水素ガスを貯留しており、第三配管系統１３を介して水素ガスを通流させることができる。図１に示すように、第三配管系統１３は、不純物センサ３３と接続点５１との間の位置（接続点５２）において第二配管系統１２と接続されている。すなわち、水素ガス供給部３５から供給される水素ガスは、第三配管系統１３を介して接続点５２より第二配管系統１２内へと送り込むことができる構成である。
【００６０】
本実施形態では、保護装置１は第四配管系統１４を備えている。第四配管系統１４は、第二配管系統１２と２箇所の接続点（５２，５３）で接続されることで、第二配管系統１２を一部の箇所で分岐するように構成されている。なお、図１では、接続点５２において、第三配管系統１３及び第四配管系統１４が、第二配管系統１２と接続されているが、それぞれの接続点が別の場所に設けられていても構わない。
【００６１】
保護装置１は、バルブ（２１，２２，２３，２４，２５）を備える。各バルブは、当該バルブが設置されている配管系統内を通流するガスの流量を制御する役目を有する。
【００６２】
第一バルブ２１は、第一配管系統１１内に設置されている。本実施形態において、第一バルブ２１は三方弁を構成する。より詳細には、第一バルブ２１は、流入してきたガスを、第一流出口４側に導くか、第二流出口５側に導くかを制御することができる。
【００６３】
第二バルブ２２は、第三配管系統１３内に設置されている。第二バルブ２２は、水素ガス供給部３５内に貯留された水素ガスを、第三配管系統１３内に通流させるか否かを制御することができる。
【００６４】
第三バルブ２３は、第二配管系統１２内に設置されている。より詳細には、第三バルブ２３は、第二配管系統１２と、第三配管系統１３及び第四配管系統１４とが合流する接続点５２よりも上流側に設置されている。第三バルブ２３は、接続点５２よりも上流側における第二配管系統１２内に、改質ガスを通流させるか否かを制御することができる。
【００６５】
第四バルブ２４は、第四配管系統１４内に設置されており、第四配管系統１４内に改質ガスを通流させるか否かを制御することができる。
【００６６】
第五バルブ２５は、第二配管系統１２内に設置されている。より詳細には、第五バルブ２５は、第二配管系統１２と、第三配管系統１３及び第四配管系統１４とが合流する接続点５２よりも下流側で、不純物センサ３３よりも上流側に設置されている。第五バルブ２５は、第二配管系統１２を介して通流するガスを不純物センサ３３に供給するか否かを制御することができる。
【００６７】
本実施形態において、第二バルブ２２は、開状態の下で通流させるガス流量を決定する流量制御バルブ２２ａを備えている。第三バルブ２３も同様に、流量制御バルブ２３ａを備えており、第四バルブ２４も同様に流量制御バルブ２４ａを備えている。
【００６８】
不純物センサ３３は、例えば図９に示した不純物センサ１５０と同様の構造を有し、供給されるガスに応じてアノード電極−カソード電極間に電圧を生じさせる。ガスに含まれる不純物濃度が高いほど前記電圧が低くなり、不純物濃度が低いほど前記電圧が高くなる。このため、不純物センサ３３は、アノード電極−カソード電極間に発生した電圧に応じて、ガスに含まれる不純物濃度を検知することができる。
【００６９】
なお、不純物センサ３３は、供給されるガスに含まれる不純物濃度に応じた電圧を発生させる構造であればよい。すなわち、不純物センサ３３は、図９に図示したようなＭＥＡ型の構造でなくても構わない。
【００７０】
保護装置１は、各バルブ（２１，２２，２３，２４，２５）の開閉制御を行う制御部３１を備えている。制御部３１は、不純物センサ３３で検知された情報が入力される構成である。本実施形態の保護装置１は、制御部３１は、不純物センサ３３での検知結果に基づいて制御信号を生成し、各バルブ（２１，２２，２３，２４，２５）の開閉制御を行う。
【００７１】
保護装置１の動作について、図２のタイミングチャートを参照して説明する。図２は、改質装置４３の運転状態、第一配管系統１１内における接続点５１での不純物濃度、不純物センサ３３の出力値、及び各バルブ（２１，２２，２３，２４，２５）の開閉状態を、各時刻毎に示したものである。
【００７２】
改質装置４３の運転が開始する時刻Ｔ１において、制御部３１は、第一バルブ２１に対して、第二流出口５側（大気側）にガスを導くように設定する。また、制御部３１は、時刻Ｔ１において、第二バルブ２２を開状態、第三バルブ２３を閉状態、第四バルブ２４を開状態にそれぞれ設定する。
【００７３】
流量制御バルブ（２２ａ，２３ａ，２４ａ）は、それぞれ予め所定の流量のガスが後段に排出されるように設定されている。本実施形態において、各流量制御バルブ（２２ａ，２３ａ，２４ａ）の設定値は固定である。
【００７４】
流量制御バルブ２２ａの後段に排出されるガスの流量をＶ２２、流量制御バルブ２３ａの後段に排出されるガスの流量をＶ２３、流量制御バルブ２４ａの後段に排出されるガスの流量をＶ２４とする。また、不純物センサ３３で検出可能なガス流量をＶｓとする。このとき、以下の各式を満たすように、各流量制御バルブ（２２ａ，２３ａ，２４ａ）は設定されている。
Ｖ２２＋Ｖ２３≧Ｖｓ
Ｖ２２＞Ｖ２３
Ｖ２４≧Ｖｓ
Ｖ２４≒Ｖ２２＋Ｖ２３
【００７５】
時刻Ｔ１で改質装置４３の動作が開始すると、改質装置４３から排出された改質ガスは、流入口３を介して保護装置１内に供給される。具体的には、この改質ガスは、第一配管系統１１及び第二配管系統１２を介して通流する。
【００７６】
第一配管系統１１によって通流される改質ガスは、第一バルブ２１を介して第二流出口５へと向かい、大気に排出される。なお、第二流出口５から排出される改質ガスを改質装置４３に循環させる構成としても構わない（図１内の二点鎖線）。
【００７７】
接続点５１より第二配管系統１２側に流入した改質ガスは、開状態である第四バルブ２４を通じて第四配管系統１４内に流入する。なお、時刻Ｔ１において、第三バルブ２３が閉状態であるため、接続点５１より第二配管系統１２側に流入した改質ガスは、全て第四配管系統１４内へと流入する。また、時刻Ｔ１において、第二バルブ２２が開状態であるため、水素ガス供給部３５より供給される水素ガスが、第三配管系統１３内に流入する。そして、第四配管系統１４内を通流する改質ガス、及び第三配管系統１３内を通流する水素ガスが接続点５２から第二配管系統１２へと排出されて、当該第二配管系統１２内で混合される。
【００７８】
時刻Ｔ１において第五バルブ２５は開状態であるため、改質ガスと水素ガスの混合ガスは不純物センサ３３に供給される。上述したように、第二バルブ２２を通過するガスの流量と、第四バルブ２４を通過するガスの流量との合計値は、不純物センサ３３で不純物の検出が可能な流量Ｖｓ以上の値に設定されている。このため、不純物センサ３３は、供給される混合ガスに含まれる不純物濃度の検出が可能である。
【００７９】
改質装置４３の稼働を開始してからあまり時間が経過していない時点においては、改質装置４３内の温度が十分高くなっていない。この結果、改質ガスに含まれる不純物、特にＣＯの濃度が高くなってしまう。一方、時間の経過と共に改質装置４３内の温度が上昇するに連れ、改質ガスに含まれる不純物の濃度は低下する。この点は、図２の２段目のタイミングチャートにも現れている。
【００８０】
上述したように、不純物センサ３３には水素ガスと改質ガスの混合ガスが供給される。この結果、不純物センサ３３に供給されるガス（混合ガス）に含まれる不純物が希釈される。流量制御バルブ２２ａで設定される流量Ｖ２２、及び流量制御バルブ２４ａで設定される流量Ｖ２４は、第二バルブ２２を通じて排出された水素ガスと第四バルブ２４を通じて排出された改質ガスが混合されることで得られた混合ガス中に含まれる不純物の濃度が、不純物センサ３３のセルの許容被毒レベルρ１を下回るように設定されている。一例として、Ｖ２２はＶ２４の数十倍〜数百倍程度に設定される。
【００８１】
この結果、時刻Ｔ１において不純物センサ３３で検出された不純物濃度の値自体は、許容被毒レベルρ１を下回る。また、時刻Ｔ１から時間が経過するごとに、不純物センサ３３で検出される不純物濃度の値は更に低下する。この内容は、図２の３段目のタイミングチャートに現れている。
【００８２】
制御部３１は、不純物センサ３３の検出結果に関する情報を取得し、当該検出結果に基づいて、改質ガスに含まれる不純物濃度を演算によって算出する。不純物センサ３３で検出された不純物濃度は、第三配管系統１３を介して流入した水素ガスによって改質ガス中の不純物が希釈されている。制御部３１は、流量制御バルブ２２ａで設定されている流量Ｖ２２、及び流量制御バルブ２４ａで設定される流量Ｖ２４の値を記憶している。このとき、制御部３１は、上記Ｖ２２とＶ２４の値、及び不純物センサ３３で検出された不純物濃度の値に基づいて、演算によって実際に改質装置４３から供給された改質ガスに含まれる不純物濃度を算出することができる。一例として、水素ガスによって改質ガスが１／１００に希釈されている場合には、制御部３１は、不純物センサ３３の検出結果を１００倍することで、改質ガス中に含まれる不純物濃度を算出することができる。このようにして算出された不純物濃度の値が、図２の２段目のタイミングチャートに図示されている。
【００８３】
上述したように、時刻Ｔ１から時間が経過するに連れ、改質ガスに含まれる不純物濃度は低下する。このことは、図２の２段目及び３段目に現れている。
【００８４】
制御部３１は、上述した方法によって、断続的又は逐次連続的に、改質ガスに含まれる不純物濃度を算出する動作を繰り返し実行する。そして、制御部３１は、改質ガスに含まれる不純物濃度が、不純物センサ３３の許容被毒レベルの範囲内である第一濃度ρ１を下回ったことを認識すると（時刻Ｔ２）、第二バルブ２２を閉状態、第三バルブ２３を開状態、第四バルブ２４を閉状態にそれぞれ制御する。第一濃度ρ１の値は、例えば０．５ｐｐｍである。
【００８５】
時刻Ｔ２以後において、第二バルブ２２が閉じられるため、第二配管系統１２内には水素ガスが供給されなくなる。この結果、不純物センサ３３には改質ガスのみが供給される。なお、第四バルブ２４が閉じられ、第三バルブ２３が開かれるため、不純物センサ３３に供給されるガス全体の流量としては、時刻Ｔ２の前後でほとんど変化しない。なぜなら、上述したように、流量制御バルブ２３ａで設定されている流量Ｖ２３は、Ｖ２２とＶ２４の合計値にほぼ等しくなるように設定されているためである。
【００８６】
時刻Ｔ２の時点で、不純物センサ３３には改質ガスのみが供給され、水素ガスの供給は停止される。すなわち、この時点で不純物の希釈が停止されるため、不純物センサ３３の出力値は少し上昇する。この状況は、図２の３段目のタイミングチャートに図示されている。
【００８７】
なお、上述したように、時刻Ｔ２における改質ガスに含まれる不純物濃度は、不純物センサ３３の許容被毒レベルの範囲内である第一濃度ρ１を下回っているため、水素ガスの供給を行わなくても、不純物センサ３３のセルを被毒することがない。
【００８８】
制御部３１は、引き続き、上述した方法によって、所定のタイミングで改質ガスに含まれる不純物濃度を算出する動作を繰り返し実行する。そして、制御部３１は、改質ガスに含まれる不純物濃度が、燃料電池セル４５の許容被毒レベルの範囲内である第二濃度ρ２を下回ったことを認識すると（時刻Ｔ３）、第一バルブ２１に対して、第一流出口４側にガスを導くように制御する。これにより、時刻Ｔ３以後、改質ガスが燃料電池セル４５に対して供給される。この時点では、改質ガスに含まれる不純物濃度が燃料電池セル４５の許容被毒レベルを下回っているため、燃料電池セル４５を被毒することがない。第二濃度ρ２の値は、例えば０．２ｐｐｍである。
【００８９】
上記構成によれば、燃料電池セル４５を不純物によって被毒することを回避しつつ、更に、不純物センサ３３に対しても不純物による被毒を防止することができる。
【００９０】
［第二実施形態］
第二実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所のみを説明する。図３は、燃料電池セルの保護装置の第二実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。図３において、第一実施形態と共通の構成については、同一の符号を付している。
【００９１】
第二実施形態の保護装置１は、第一実施形態と比較して、第四配管系統１４及び第四バルブ２４を備えない点が異なる。また、第二バルブ２２及び第三バルブ２３は、制御部３１によって流量の調整が可能な構成である。一例として、第二バルブ２２及び第三バルブ２３は、マスフローコントローラで構成される。
【００９２】
本実施形態の保護装置１の動作について、図４のタイミングチャートを参照して説明する。図４は、改質装置４３の運転状態、第一配管系統１１内における接続点５１での不純物濃度、不純物センサ３３の出力値、及び各バルブ（２１，２２，２３，２５）の開閉状態を、各時刻毎に示したものである。
【００９３】
改質装置４３の運転が開始する時刻Ｔ１において、制御部３１は、第一バルブ２１に対して、第二流出口５側（大気側）にガスを導くように設定する。また、制御部３１は、時刻Ｔ１において、第二バルブ２２を流量Ｖ２２になるように設定し、第三バルブを流量Ｖ２３ａになるように設定する。なお、現実的には、制御部３１が流量設定値の信号を各バルブ（２２，２３）に出力してから、当該各バルブ（２２，２３）において正しく設定されるまでの間に所定のタイムラグが発生し、この間は各バルブ（２２，２３）を通流するガス流量が逓増する。この点が、図４の５段目及び６段目のタイミングチャートに図示されている。
【００９４】
なお、ここでいう流量Ｖ２２及びＶ２３ａの値は、以下の関係を示すように設定される。不純物センサ３３で検出可能なガス流量をＶｓとしたときに、
Ｖ２２＋Ｖ２３ａ≧Ｖｓ
Ｖ２２＞Ｖ２３ａ
を満たすように各値Ｖ２２，Ｖ２３ａが設定される。
【００９５】
時刻Ｔ１で改質装置４３の動作が開始すると、改質装置４３から排出された改質ガスは、流入口３を介して保護装置１内に供給される。具体的には、この改質ガスは、第一配管系統１１及び第二配管系統１２を介して通流する。
【００９６】
接続点５１より第二配管系統１２側に流入した改質ガスは、通過流量をＶ２３ａに設定された第三バルブ２３を介して通流する。また、水素ガス供給部３５より供給される水素ガスが、通過流量をＶ２２に設定された第二バルブ２２を介して第三配管系統１３内を通流する。そして、第二配管系統１２内を通流する改質ガス、及び第三配管系統１３内を通流する水素ガスが接続点５２で合流して混合され、この混合ガスが不純物センサ３３に供給される。
【００９７】
上述したように、第二バルブ２２を通過するガスの流量Ｖ２２と、第三バルブ２３を通過するガスの流量Ｖ２３ａとの合計値は、不純物センサ３３で不純物の検出が可能な流量Ｖｓ以上の値に設定されている。このため、不純物センサ３３は、供給される混合ガスに含まれる不純物濃度の検出が可能である。
【００９８】
改質装置４３の稼働を開始してからあまり時間が経過していない時点においては、改質装置４３内の温度が十分高くなっていない。この結果、改質ガスに含まれる不純物、特にＣＯの濃度が高くなってしまう。一方、時間の経過と共に改質装置４３内の温度が上昇するに連れ、改質ガスに含まれる不純物の濃度は低下する。この点は、図２の２段目のタイミングチャートにも現れている。
【００９９】
第一実施形態と同様の理由により、時刻Ｔ１において不純物センサ３３で検出された不純物濃度の値自体は、不純物センサ３３の許容被毒レベルの範囲内である第一濃度ρ１を下回る。また、時刻Ｔ１から時間が経過するごとに、不純物センサ３３で検出される不純物濃度の値は更に低下する。この内容は、図４の３段目のタイミングチャートに現れている。
【０１００】
制御部３１は、不純物センサ３３の検出結果に関する情報を取得し、当該検出結果に基づいて、改質ガスに含まれる不純物濃度を演算によって算出する。具体的には、制御部３１は、上記Ｖ２２とＶ２３ａの値、及び不純物センサ３３で検出された不純物濃度の値に基づいて、演算によって実際に改質装置４３から供給された改質ガスに含まれる不純物濃度を算出することができる。このようにして算出された不純物濃度の値が、図４の２段目のタイミングチャートに図示されている。
【０１０１】
制御部３１は、上述した方法によって、所定のタイミングで改質ガスに含まれる不純物濃度を算出する動作を繰り返し実行する。そして、制御部３１は、改質ガスに含まれる不純物濃度が、不純物センサ３３の許容被毒レベルの範囲内である第一濃度ρ１を下回ったことを認識すると（時刻Ｔ２）、第二バルブ２２の通過流量を０に設定し、第三バルブ２３の通過流量をＶ２３ｂになるように設定する。このＶ２３ｂの値は、不純物センサ３３で検出可能なガス流量Ｖｓ以上の値であり、好ましくは、Ｖ２２とＶ２３ａの合計値に等しい。
【０１０２】
時刻Ｔ２以後において、第二バルブ２２が閉じられるため、第二配管系統１２内には水素ガスが供給されなくなる。この結果、不純物センサ３３には改質ガスのみが供給される。また、Ｖ２３ｂの値がＶ２２とＶ２３ａとの合計値にほぼ等しく設定されることで、不純物センサ３３に供給されるガス全体の流量としては、時刻Ｔ２の前後でほとんど変化しない。
【０１０３】
時刻Ｔ２の時点で、不純物センサ３３には改質ガスのみが供給され、水素ガスの供給は停止される。すなわち、この時点で不純物の希釈が停止されるため、不純物センサ３３の出力値は少し上昇する。この状況は、図２の３段目のタイミングチャートに図示されている。
【０１０４】
なお、上述したように、時刻Ｔ２における改質ガスに含まれる不純物濃度は、不純物センサ３３の許容被毒レベルの範囲内である第一濃度ρ１を下回っているため、水素ガスの供給を行わなくても、不純物センサ３３のセルを被毒することがない。
【０１０５】
制御部３１は、引き続き、上述した方法によって、所定のタイミングで改質ガスに含まれる不純物濃度を算出する動作を繰り返し実行する。そして、制御部３１は、改質ガスに含まれる不純物濃度が、燃料電池セル４５の許容被毒レベルの範囲内である第二濃度ρ２を下回ったことを認識すると（時刻Ｔ３）、第一バルブ２１に対して、第一流出口４側にガスを導くように制御する。すなわち、時刻Ｔ３以後、改質ガスが燃料電池セル４５に対して供給される。この時点では、改質ガスに含まれる不純物濃度が燃料電池セル４５の許容被毒レベルを下回っているため、燃料電池セル４５のセルを被毒することがない。
【０１０６】
上記構成によれば、燃料電池セル４５を不純物によって被毒することを回避しつつ、更に、不純物センサ３３に対しても不純物による被毒を防止することができる。
【０１０７】
［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。なお、以下の別実施形態は、相互に組み合わせることが可能である。
【０１０８】
〈１〉上記の実施形態では、制御部３１が不純物センサ３３の検出結果に基づいて各バルブの開閉又は開度調整の制御を行うものとした。しかし、改質装置４３で生成される改質ガスに含まれる不純物濃度の低下傾向が予め認識できている場合には、制御部３１は、各バルブを経過時間に基づいて制御するものとしても構わない。
【０１０９】
図５は、第一実施形態の保護装置１の別構成を示すブロック図である。制御部３１が、記憶部６１とタイマー６２とを備えている。記憶部６１には、予め時間ｔ、及び時間（ｔ＋Δｔ）に関する情報が記憶されている。なお、時間ｔとは、図２における時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの経過時間であり、「第一時間」に対応する。また、時間（ｔ＋Δｔ）とは、図２における時刻Ｔ１から時刻Ｔ３までの経過時間であり、「第二時間」に対応する。
【０１１０】
制御部３１は、改質装置４３が運転を開始したことを認識すると、タイマー６２を作動させる。そして、タイマー６２が時間ｔの経過を検知すると、制御部３１は、第二バルブ２２を閉状態、第三バルブ２３を開状態、第四バルブ２４を閉状態、にそれぞれ制御する。また、タイマー６２が時間（ｔ＋Δｔ）の経過を検知すると、制御部３１は、第一バルブ２１に対して、第一流出口４側にガスを導くように制御する。
【０１１１】
第二実施形態の保護装置１においても、同様に制御部３１が経過時間に応じてバルブ（２１，２２，２３）の制御を行うものとしても構わない。
【０１１２】
〈２〉図１に示した保護装置１では、不純物センサ３３を通過したガスは第三流出口６から大気に開放され、時刻Ｔ３までの間に第一バルブ２１を通過したガスは第二流出口５から大気に開放されるものとした。しかし、図６に示すように、こ純物センサ３３を通過したガスを第二流出口５から排出しても構わない。第二実施形態についても同様である。
【０１１３】
〈３〉図７に示すように、保護装置１は、不純物センサ３３の手前に設けられている第五バルブ２５を設けない構成としても構わない。第二実施形態についても同様である。なお、第五バルブ２５は、例えば改質装置４３から改質ガスが供給されていない場合であって、第二配管系統１２内に残存するガスによって不純物センサ３３を作動させるのを防止する機能を有する。
【０１１４】
〈４〉上述した実施形態では、第一バルブ２１が三方弁で構成されるものとして説明した。しかし、単に開閉のみが制御できるバルブで構成されていても構わない。
【０１１５】
〈５〉第一濃度ρ１は、不純物センサ３３の許容被毒レベルの下限値としても構わないし、下限値に対して所定の小さい余裕度ε１を加えた値に設定しても構わない。同様に、第二濃度ρ２は、不純物センサ３３の許容被毒レベルの下限値としても構わないし、下限値に対して所定の小さい余裕度ε２を加えた値に設定しても構わない。
【符号の説明】
【０１１６】
１      ：    保護装置
３      ：    流入口
４      ：    第一流出口
５      ：    第二流出口
６      ：    第三流出口
１１      ：    第一配管系統
１２      ：    第二配管系統
１３      ：    第三配管系統
１４      ：    第四配管系統
２１      ：    第一バルブ
２２      ：    第二バルブ
２３      ：    第三バルブ
２４      ：    第四バルブ
２５      ：    第五バルブ
３１      ：    制御部
３３      ：    不純物センサ
３５      ：    水素ガス供給部
４１      ：    原料ガス源
４３      ：    改質装置
４５      ：    燃料電池セル
５１、５２，５３      ：    接続点
６１      ：    記憶部
６２      ：    タイマー
１００      ：    ＰＥＦＣ
１０１      ：    固体高分子電解質膜
１０３      ：    カソード電極
１０５      ：    アノード電極
１１０      ：    負荷
１１１      ：    ガス拡散層
１１３      ：    触媒層
１２１      ：    ガス拡散層
１２３      ：    触媒層
１３１      ：    アノード側端子部
１３３      ：    ガス路
１４１      ：    カソード側端子部
１４３      ：    ガス路
１５０      ：    不純物センサ
１５１      ：    固体高分子電解質膜
１５３      ：    カソード電極
１５５      ：    アノード電極
１６１      ：    ガス拡散層
１６３      ：    触媒層
１７１      ：    ガス拡散層
１７３      ：    触媒層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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