(57)【要約】【課題】発電モジュールを備える燃料電池システムの発電停止後において、アノードにおける残留燃料ガスが多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに検出する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、燃料ガス供給路と、燃料電池スタックのアノード側オフガスを排出するアノード側オフガス排出路と、アノード側オフガス排出路と燃料ガス供給路とを連通するバイパス流路と、バイパス流路に配置された循環用ポンプと、燃料電池スタックに燃料ガスが供給されていない状態において循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させるポンプ制御部と、複数の発電モジュールのうち、少なくとも１つの発電モジュールにおける燃料ガスの入口側における第１の濃度関連値を検出する第１の検出部とを備える。【選択図】図１
2011222337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜を有して燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電を行う発電モジュールが複数積層された燃料電池スタックであって、各発電モジュールにおいて、前記燃料ガスの流れと前記酸化剤ガスの流れとは、前記電解質膜に沿って互いに逆向きである燃料電池スタックと、
前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池スタックとを連通する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池スタックと接続され、前記燃料電池スタックのアノード側オフガスを排出するアノード側オフガス排出路と、
前記アノード側オフガス排出路と前記燃料ガス供給路とを連通するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置され、正転駆動により前記アノード側オフガス排出路から前記燃料ガス供給路に前記燃料ガスを流通させ、逆転駆動により前記燃料ガス供給路から前記アノード側オフガス排出路に前記燃料ガスを流通させる循環用ポンプと、
前記燃料ガス供給部により前記燃料電池スタックに前記燃料ガスが供給されていない状態において、前記循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させるポンプ制御部と、
前記複数の発電モジュールのうち、少なくとも１つの発電モジュールにおける前記燃料ガスの入口側における前記燃料ガスの濃度に関する値である第１の濃度関連値を検出する第１の検出部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ポンプ制御部は、前記第１の濃度関連値の示す前記燃料ガスの濃度が、低下して所定の濃度しきい値に達するまで前記循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させ、前記所定の濃度しきい値以下となった場合に前記循環用ポンプを連続的に逆転駆動させる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記複数の発電モジュールのうち、少なくとも１つの発電モジュールにおける前記燃料ガスの入口側とは異なる部分の前記燃料ガスの濃度に関する値である第２の濃度関連値を検出する第２の検出部を備え、
前記ポンプ制御部は、前記第１の濃度関連値と前記第２の濃度関連値とに基づき、前記第１の濃度関連値の示す濃度と、前記第２の濃度関連値の示す濃度との濃度差分に関する濃度差分関連値を求め、前記濃度差分関連値の示す濃度差分が、所定の差分しきい値に達するまで前記循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させ、前記所定の差分しきい値以上となった場合に前記循環用ポンプを連続的に逆転駆動させる、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックと接続され、前記燃料電池スタックのカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路を備え、
各発電モジュールは、電解質膜と、前記発電モジュールのアノード側に配置された燃料ガス流路と、前記発電モジュールのカソード側に配置された酸化剤ガス流路と、を有し、
各発電モジュール内において、前記燃料ガス流路の入口部と、前記酸化剤ガス流路の出口部とは、互いに前記電解質膜を挟んで対向する位置に配置されており、
前記第１の検出部は、前記複数の発電モジュールのうち、前記カソード側オフガス排出路に最も近い発電モジュールである最端発電モジュールの近傍に位置する所定の発電モジュールにおいて、前記燃料ガス流路の入口部の電位と、前記燃料ガス流路の出口部の電位とをそれぞれ測定し、
前記第２の検出部は、前記所定の発電モジュール内における前記燃料ガス流路の中央部の電位である中央部電位を測定し、
前記濃度差分関連値は、前記第１の検出部により検出される電位と、前記第２の検出部により検出される前記中央部電位との電位差であり、
前記ポンプ制御部は、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の入口部の電位との電位差、または、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の出口部の電位との電位差の少なくとも一方が、それぞれに予め設定されている所定の電位差しきい値に達するまで、前記循環用ポンプの間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを、交互に実行させ、前記所定の電位差しきい値以上となった場合に、前記循環用ポンプの連続的な逆転駆動、または、前記循環用ポンプの連続的な正転駆動を実行させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ポンプ制御部は、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の入口部の電位との電位差が前記所定の電位差しきい値以上となった場合に、前記循環用ポンプの連続的な逆転駆動を実行させ、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の出口部の電位との電位差が前記所定の電位差しきい値以上となった場合に、前記循環用ポンプの連続的な正転駆動を実行させる、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の発電モジュールは、前記最端発電モジュールである、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、
前記カソード側オフガス排出路に配置され、前記燃料ガスの濃度に関する第２の濃度関連値を検出する第２の検出部と、
を備え、
前記第１の検出部は、前記燃料ガス供給路に配置され、
前記ポンプ制御部は、前記第１の濃度関連値の示す濃度、または、前記第２の濃度関連値の示す濃度の少なくとも一方が低下して所定の濃度しきい値に達するまで、前記循環用ポンプの間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に実行させ、前記第１の濃度関連値の示す濃度が前記所定の濃度しきい値以下となった場合に前記循環用ポンプの連続的な逆転駆動を実行させ、前記第２の濃度関連値の示す濃度が前記所定の濃度しきい値以下となった場合に前記循環用ポンプの連続的な正転駆動を実行させる、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、燃料電池における残留燃料ガスの濃度測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型電解質膜を備え、水素ガスと空気とを反応ガスとして用いる発電モジュール（単セルともいう）では、発電停止後にカソードからアノードへの空気（酸素）の透過に起因して、アノードにおいて、残留水素ガスが多く存在する部分と残留水素が少なく存在する部分とが偏在する状態が起こり得る。これは、酸素透過量の多い部分において残留水素ガスが空気中の酸素と反応することにより消費され易いためである。このような偏在状態が発生すると、カソードにおいて、アノードにおける残留水素ガスが少ない部分に対応する箇所で触媒層の劣化（カーボン酸化）が起こり得る。そこで、アノードの出口付近に水素濃度計を配置し、測定した水素濃度の低下により前述の偏在状態を検出して、燃料ガスの循環用ポンプを駆動させてアノード内のガスを循環させることにより、偏在状態を解消させる燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４２４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アノードの出口付近に水素濃度計を配置する技術では、自然拡散により水素濃度計に到達した水素ガスに基づき濃度が判定されるため、アノードにおいて実際に水素濃度が低下しても、その水素濃度の変化を検知するまでに長期間を要することとなる。その結果、水素濃度の低下（上述した偏在状態）を検知するまでの期間においてカーボン酸化が発生するおそれがあった。また、燃料電池（単セル）内において、水素ガスの流れと空気の流れとが互いに逆向きとなるように構成されているシステムでは、アノードの入口側において残留水素がより消費され、出口側において残留水素が多く存在することとなる。したがって、出口側に水素濃度計が配置された構成では、水素濃度の低下（偏在状態）を検知するまでに長期間を要するという問題があった。なお、上述した問題は、任意の燃料ガス及び酸化剤ガスを用いる発電モジュールにおいて発生し得る。
【０００５】
本発明は、発電モジュールを備える燃料電池システムの発電停止後において、アノードにおける残留燃料ガスが多い部分と少ない部分との偏在を、短期間のうちに検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、電解質膜を有して燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電を行う発電モジュールが複数積層された燃料電池スタックであって、各発電モジュールにおいて、前記燃料ガスの流れと前記酸化剤ガスの流れとは、前記電解質膜に沿って互いに逆向きである燃料電池スタックと、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料ガス供給部と前記燃料電池スタックとを連通する燃料ガス供給路と、前記燃料電池スタックと接続され、前記燃料電池スタックのアノード側オフガスを排出するアノード側オフガス排出路と、前記アノード側オフガス排出路と前記燃料ガス供給路とを連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置され、正転駆動により前記アノード側オフガス排出路から前記燃料ガス供給路に前記燃料ガスを流通させ、逆転駆動により前記燃料ガス供給路から前記アノード側オフガス排出路に前記燃料ガスを流通させる循環用ポンプと、前記燃料ガス供給部により前記燃料電池スタックに前記燃料ガスが供給されていない状態において、前記循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させるポンプ制御部と、前記複数の発電モジュールのうち、少なくとも１つの発電モジュールにおける前記燃料ガスの入口側における前記燃料ガスの濃度に関する値である第１の濃度関連値を検出する第１の検出部と、を備える燃料電池システム。
【０００８】
適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックに燃料ガスが供給されていない状態において、循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させるので、発電モジュール内のガスを、第１の検出部に積極的に向かわせることができ、発電モジュール（アノード）における燃料ガスの入口側における濃度低下を早期に検出することができる。ここで、燃料電池に燃料ガスが供給されていない状態において、カソードでは、アノードから電解質膜を透過して移動する燃料ガスとカソードに残留する酸化剤ガスとが反応し、酸化剤ガスが消費される。このとき、発電モジュールにおける酸化剤ガスの出口から酸化剤ガスがカソードに流入し易いため、かかる酸化剤ガスが電解質膜を透過してアノードに移動し、アノードにおいて残留燃料ガスが消費される。各発電モジュールにおいて、燃料ガスの流れと酸化剤ガスの流れとは電解質膜に沿って互いに逆向きであるので、アノードの燃料ガスの入口側において、残留燃料ガスの消費が促進されて燃料ガス濃度が低下する。これに対し、燃料ガスの出口側では、入口側に近い位置に比べて残留燃焼ガスの消費が少ない。したがって、アノードにおいて残留燃料ガスが多い部分と少ない部分との偏在が発生し易い。適用例１の燃料電池システムでは、発電モジュールの入口側における燃料ガスの濃度に関する値を検出する第１の検出部を設けると共に、循環ポンプを逆転駆動させるので、上記偏在を早期に、かつ、確実に検出することができる。
【０００９】
加えて、適用例１の燃料電池システムでは循環用ポンプを間欠的に駆動するので、連続的に駆動する構成に比べて循環用ポンプの駆動電力を抑えることができる。また、間欠的に駆動することにより、連続的に駆動する構成に比べて、アノードにおける残留燃焼ガスの消費速度を抑えることができる。したがって、循環用ポンプを連続的に駆動する構成に比べて、燃料電池スタック内や燃料ガス供給路やアノード側オフガス排出路に残留する燃料ガスの消費を抑えることができ、燃料電池スタックの次回起動時における応答性及び燃費を向上させることができる。すなわち、適用例１の燃料電池システムでは、循環用ポンプを間欠的に駆動させることにより、少なくともアノードにおいて残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在が検知できる程度に循環ポンプを駆動することにより、かかる偏在の検知と、次回起動時における応答性及び燃費の向上とを両立させることができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記ポンプ制御部は、前記第１の濃度関連値の示す前記燃料ガスの濃度が、低下して所定の濃度しきい値に達するまで前記循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させ、前記所定の濃度しきい値以下となった場合に前記循環用ポンプを連続的に逆転駆動させる、燃料電池システム。
【００１１】
このような構成により、各発電モジュールのアノードにおける燃料ガスの入口側の燃料ガスの濃度低下を早期に検出することができる。また、所定の濃度しきい値以下となった場合に循環用ポンプを連続的に逆転駆動させるので、燃料電池スタック内等に残留する燃料ガスをより短期間のうちに消費することができ、アノードにおける残留燃料ガスが多い部分と少ない部分との偏在を早期に解消することができる。アノードにおける燃料ガス流路の入口部の燃料ガス濃度が低い状態においては、アノードにおける残留燃焼ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生している可能性が高い。この場合、次回起動時の応答性や燃費の向上よりも、かかる偏在に起因する弊害（例えば、カソード側触媒層の劣化）の解消の要請が高い。そこで、上記構成では、循環用ポンプを連続的に駆動することにより、残留する燃焼ガスを、各発電モジュールのアノードにおいて、カソードから電解質膜を透過して移動してきた酸化剤ガスと反応させ、アノードにおいて全体的に燃焼ガス濃度を下げて上記偏在を解消させることができる。
【００１２】
［適用例３］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記複数の発電モジュールのうち、少なくとも１つの発電モジュールにおける前記燃料ガスの入口側とは異なる部分の前記燃料ガスの濃度に関する値である第２の濃度関連値を検出する第２の検出部を備え、前記ポンプ制御部は、前記第１の濃度関連値と前記第２の濃度関連値とに基づき、前記第１の濃度関連値の示す濃度と、前記第２の濃度関連値の示す濃度との濃度差分に関する濃度差分関連値を求め、前記濃度差分関連値の示す濃度差分が、所定の差分しきい値に達するまで前記循環用ポンプを間欠的に逆転駆動させ、前記所定の差分しきい値以上となった場合に前記循環用ポンプを連続的に逆転駆動させる、燃料電池システム。
【００１３】
このような構成により、各発電モジュールのアノードにおける燃料ガスが多い部分と少ない部分との偏在の発生を確実に検出することができる。カソードにおいて、アノードから電解質膜を透過して移動した燃料ガスとの反応により残留酸化剤ガスが消費されると、酸化剤ガスの出口に加えて入口からも酸化剤ガスがカソードへと流入し得る。この場合、アノードにおいて全体的に燃料ガスの消費が進み、残留燃焼ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生しない可能性もある。そこで、上記構成を採用することで、各発電モジュールにおける燃料ガスの流路の入口側の燃料ガス濃度が、他の部分の燃料ガスの濃度よりも所定の差分しきい値以上低下したことにより、上記偏在の発生を確実に検出することができる。
【００１４】
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池スタックと接続され、前記燃料電池スタックのカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路を備え、各発電モジュールは、電解質膜と、前記発電モジュールのアノード側に配置された燃料ガス流路と、前記発電モジュールのカソード側に配置された酸化剤ガス流路と、を有し、各発電モジュール内において、前記燃料ガス流路の入口部と、前記酸化剤ガス流路の出口部とは、互いに前記電解質膜を挟んで対向する位置に配置されており、前記第１の検出部は、前記複数の発電モジュールのうち、前記カソード側オフガス排出路に最も近い発電モジュールである最端発電モジュールの近傍に位置する所定の発電モジュールにおいて、前記燃料ガス流路の入口部の電位と、前記燃料ガス流路の出口部の電位とをそれぞれ測定し、前記第２の検出部は、前記所定の発電モジュール内における前記燃料ガス流路の中央部の電位である中央部電位を測定し、前記濃度差分関連値は、前記第１の検出部により検出される電位と、前記第２の検出部により検出される前記中央部電位との電位差であり、前記ポンプ制御部は、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の入口部の電位との電位差、または、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の出口部の電位との電位差の少なくとも一方が、それぞれに予め設定されている所定の電位差しきい値に達するまで、前記循環用ポンプの間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを、交互に実行させ、前記所定の電位差しきい値以上となった場合に、前記循環用ポンプの連続的な逆転駆動、または、前記循環用ポンプの連続的な正転駆動を実行させる、燃料電池システム。
【００１５】
このような構成により、循環用ポンプは間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に行うので、各発電モジュールにおける燃料ガス流路の入口部の燃料ガス濃度の低下、または、燃料ガス流路の出口部の燃料ガス濃度の低下を電位差の低下として短期間のうちに検出することができ、燃料ガス流路の入口部及び出口部のいずれかが残留燃料ガスの少ない部分となり、他方が多い部分となる偏在が発生しても、短期間のうちに偏在を検出することができる。
【００１６】
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、前記ポンプ制御部は、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の入口部の電位との電位差が前記所定の電位差しきい値以上となった場合に、前記循環用ポンプの連続的な逆転駆動を実行させ、前記中央部電位と前記燃料ガス流路の出口部の電位との電位差が前記所定の電位差しきい値以上となった場合に、前記循環用ポンプの連続的な正転駆動を実行させる、燃料電池システム。
【００１７】
このような構成により、各発電モジュールにおいて燃料ガス流路の入口部の燃料ガス濃度が低下して中央部電位と入口部の電位との電位差が所定の電位差しきい値以上となった場合に、循環用ポンプを連続的に逆転駆動させるので、燃料ガス流路の出口部やアノード側オフガス排出路の残留燃料ガスを、短期間のうちに燃料ガス流路の入口部に送ることができる。したがって、残留燃料ガスを燃料ガス流路の入口部において短期間のうちに消費させることができ、アノードにおける残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに解消させることができる。同様に、各発電モジュールにおいて燃料ガス流路の出口部の燃料ガス濃度が低下して中央部電位と出口部の電位との電位差が所定の電位差しきい値以上となった場合に、循環用ポンプを連続的に正転駆動させるので、燃料ガス流路の入口部や燃料ガス供給路の残留燃料ガスを、短期間のうちに燃料ガス流路の出口部に送ることができる。したがって、残留燃料ガスを燃料ガス流路の出口部において短期間のうちに消費させることができ、アノードにおける残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに解消させることができる。
【００１８】
［適用例６］適用例４または適用例５に記載の燃料電池システムにおいて、前記所定の発電モジュールは、前記最端発電モジュールである、燃料電池システム。
【００１９】
このような構成により、カソード側オフガス排出路に最も近い発電モジュールにおいて、電位差に基づき残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在を判定することができる。一般に、カソードにおいて残留酸化剤ガスが消費された場合に、酸化剤ガス流路の入口部に比べて出口部からより多くの酸化剤ガスがカソードに流入し得る。これは、一般に、燃料電池システムにおいて、カソード側オフガス排出路は大気解放され得るからである。したがって、最端発電モジュールでは、他の発電モジュールに比べてカソードに酸化剤ガスがより流入し易いため、アノードに移動する酸化剤ガスの量も多く、アノードにおいて消費される燃料ガスの量も多くなる。それゆえ、最端発電モジュールでは、他の発電モジュールに比べて残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生し易いので、上記構成を採用することにより、各発電モジュールにおける偏在の発生をより確実に、また、より早期に検出することができる。
【００２０】
［適用例７］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池のカソード側オフガスを排出するカソード側オフガス排出路と、前記カソード側オフガス排出路に配置され、前記燃料ガスの濃度に関する第２の濃度関連値を検出する第２の検出部と、を備え、前記第１の検出部は、前記燃料ガス供給路に配置され、前記ポンプ制御部は、前記第１の濃度関連値の示す濃度、または、前記第２の濃度関連値の示す濃度の少なくとも一方が低下して所定の濃度しきい値に達するまで、前記循環用ポンプの間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に実行させ、前記第１の濃度関連値の示す濃度が前記所定の濃度しきい値以下となった場合に前記循環用ポンプの連続的な逆転駆動を実行させ、前記第２の濃度関連値の示す濃度が前記所定の濃度しきい値以下となった場合に前記循環用ポンプの連続的な正転駆動を実行させる、燃料電池システム。
【００２１】
このような構成により、各発電モジュールにおいて燃料ガスの入口側の燃料ガス濃度が低下して第１濃度関連値の示す濃度が所定のしきい値以下となった場合に、循環用ポンプを連続的に逆転駆動させるので、燃料ガス流路の出口側やアノード側オフガス排出路の残留燃料ガスを、短期間のうちに燃料ガスの入口側に送ることができる。したがって、残留燃料ガスを燃料ガス流路の入口側において短期間のうちに消費させることができ、アノードにおける残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに解消させることができる。同様に、各発電モジュールにおいて燃料ガスの出口側の燃料ガス濃度が低下して第２濃度関連値の示す濃度が所定のしきい値以下となった場合に、循環用ポンプを連続的に正転駆動させるので、燃料ガスの入口側や燃料ガス供給路の残留燃料ガスを、短期間のうちに燃料ガスの出口側に送ることができる。したがって、残留燃料ガスを各発電モジュールにおける燃料ガスの出口側において短期間のうちに消費させることができ、アノードにおける残留燃料ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに解消させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示す単セルの詳細構成を示す断面図。
【図３】本実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャート。
【図４】燃料電池スタックの発電停止直後における単セル内のガスの流れを示す説明図。
【図５】単セルのアノード側及びカソード側において圧力が低下した場合のガスの流れを示す説明図。
【図６】ステップＳ１１５により循環用ポンプを逆転駆動させた際の単セルにおけるガスの流れを示す説明図。
【図７】偏在抑制処理における水素濃度センサでの検知水素濃度の一例及び循環用ポンプの駆動信号の一例を示す説明図。
【図８】第２実施例の燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図９】第２実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャート。
【図１０】第３実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャート。
【図１１】第３実施例のステップＳ２２０を実行する際の循環用ポンプの駆動信号を示す説明図。
【図１２】第４実施例の燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１３】図１２に示す最端セルの詳細構成を示す説明図。
【図１４】第４実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャート。
【図１５】第５実施例における最端セルの詳細構成を示す説明図。
【図１６】第５実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素タンク６１と、エアコンプレッサ６２と、水素濃度センサ７３と、遮断弁７１と、調圧弁７２と、燃料ガス供給路８１と、燃料ガス排出路８２と、バイパス流路８３と、酸化剤ガス供給路８７と、酸化剤ガス排出路８８と、循環用ポンプ６３と、制御ユニット９０とを備えている。
【００２４】
燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である単セル（発電モジュールともいう）２０が複数積層された構成を有し、燃料ガスとしての純水素と、酸化剤ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
【００２５】
水素タンク６１は、高圧水素ガスを貯蔵している。水素タンク６１としては、例えば、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。エアコンプレッサ６２は、酸化剤ガス供給路８７に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック１０に供給する。
【００２６】
遮断弁７１は、水素タンク６１の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。調圧弁７２は、燃料ガス供給路８１に配置されており、水素タンク６１から排出された高圧水素ガスを、所定の圧力まで低下させる。
【００２７】
燃料ガス供給路８１は、水素タンク６１と燃料電池スタック１０とを連通し、水素タンク６１から供給される水素ガスを燃料電池スタック１０に導くための流路である。燃料ガス排出路８２は、燃料電池スタック１０から余剰水素ガス（アノード側オフガス）を排出するための流路である。バイパス流路８３は、燃料ガス供給路８１と燃料ガス排出路８２とを連通し、通常運転の際には、燃料ガス排出路８２から排出される余剰水素ガスを燃料ガス供給路８１へと導く。
【００２８】
酸化剤ガス供給路８７は、エアコンプレッサ６２と燃料電池スタック１０とを連通し、エアコンプレッサ６２から供給される圧縮空気を燃料電池スタック１０に導くための流路である。酸化剤ガス排出路８８は、燃料電池スタック１０から排出される余剰空気（カソード側オフガス）及び生成水を外部（大気）に排出するための流路である。水素濃度センサ７３は、燃料ガス供給路８１において、燃料電池スタック１０の近傍に配置されており、水素濃度を検出する。
【００２９】
循環用ポンプ６３は、バイパス流路８３に配置され、正転駆動と逆転駆動とのいずれも可能である。循環用ポンプ６３が正転駆動する場合に、水素ガスは、図１において破線で示す正転方向ｄ１に流通する。正転方向ｄ１では、水素ガスは、燃料ガス排出路８２，バイパス流路８３，燃料ガス供給路８１，燃料電池スタック１０の順序で循環する。また、循環用ポンプ６３が逆転駆動する場合には、水素ガスは、図１において破線で示す逆転方向ｄ２に流通する。逆転方向ｄ２では、燃料電池スタック１０，燃料ガス供給路８１，バイパス流路８３，８２の順序で循環する。
【００３０】
制御ユニット９０は、循環用ポンプ６３，エアコンプレッサ６２，遮断弁７１，及び調圧弁７２と電気的に接続されており、これらの各要素を制御する。また、制御ユニット９０は、水素濃度センサ７３と接続されており、水素濃度センサ７３において測定された水素濃度を取得する。
【００３１】
制御ユニット９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３とを備えている。ＲＯＭ９２には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ９１は、ＲＡＭ９３を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、ポンプ制御部９１ａとして機能する。ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３の駆動を制御する。
【００３２】
図２（ａ），（ｂ）は、図１に示す単セルの詳細構成を示す断面図である。図２（ａ）は、単セル２０内における反応ガス（水素ガス及び空気）の流れと直交する断面を表わし、図２（ｂ）は、単セル２０内における反応ガスの流れに沿った断面を表わしている。なお、図２（ａ），（ｂ）に示す反応ガスの流れは、燃料電池スタック１０が発電を行っている際の流れを示す。
【００３３】
単セル２０は、電解質膜２２と、カソード側触媒層２３ｃと、カソード側ガス拡散層２４ｃと、カソード側セパレータ２５ｃと、アノード側触媒層２３ａと、アノード側ガス拡散層２４ａと、アノード側セパレータ２５ａとを備えている。
【００３４】
電解質膜２２は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、Flemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、電解質膜２２としては、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。
【００３５】
カソード側触媒層２３ｃは、電解質膜２２に接して配置されている。このカソード側触媒層２３ｃは、触媒を導電性粒子に担持させた部材と、プロトン導電体であるアイオノマとを用いて構成されている。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維などを用いることができる。アイオノマとしては、スルホン酸基を含むフッ素樹脂を採用することができる。
【００３６】
カソード側ガス拡散層２４ｃは、反応ガスである空気を拡散し、また、電気化学反応等により生じた水を排出するために多孔質部材により構成されている。具体的には、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体により構成されている。
【００３７】
カソード側セパレータ２５ｃは、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。カソード側セパレータ２５ｃは、凹凸形状を有しており、カソード側セパレータ２５ｃとカソード側ガス拡散層２４ｃとが接することにより、カソード側セパレータ２５ｃとカソード側ガス拡散層２４ｃとの間に酸化剤ガス流路２７ｃが形成される。
【００３８】
図２（ｂ）に示すように、酸化剤ガス流路２７ｃは、燃料電池スタック１０内に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃ及び酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃと接続されている。酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃは、図１に示す酸化剤ガス供給路８７と接続されている。酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃは、図１に示す酸化剤ガス排出路８８と接続されている。酸化剤ガス流路２７ｃは、酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃから供給される空気を、カソード側ガス拡散層２４ｃに導くと共に、カソード側ガス拡散層２４ｃから排出されるガス（余剰空気及び水蒸気）を酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃへと排出する。
【００３９】
アノード側の構成は、カソード側の構成と同様である。すなわち、アノード側触媒層２３ａは、カソード側触媒層２３ｃと同じ構成を有している。また、アノード側ガス拡散層２４ａはカソード側ガス拡散層２４ｃと、アノード側セパレータ２５ａはカソード側セパレータ２５ｃと、それぞれ同じ構成を有している。図２（ｂ）に示すように、燃料ガス流路２７ａは、燃料電池スタック１０内に設けられた燃料ガス供給マニホールド３１ａ及び燃料ガス排出マニホールド３２ａと接続されている。燃料ガス供給マニホールド３１ａは、図１に示す燃料ガス供給路８１と接続されている。燃料ガス排出マニホールド３２ａは、図１に示す燃料ガス排出路８２と接続されている。燃料ガス流路２７ａは、発電の際に、燃料ガス供給マニホールド３１ａから供給される水素ガスをアノード側ガス拡散層２４ａに導くと共に、アノード側ガス拡散層２４ａから排出されるガス（余剰水素ガス）を燃料ガス排出マニホールド３２ａへと排出する。なお、燃料ガス流路２７ａは、循環用ポンプ６３が逆転駆動し、水素ガスの流れる方向が図１に示す逆転方向ｄ２の場合には、アノード側ガス拡散層２４ａから排出されるガスを燃料ガス供給マニホールド３１ａへと排出する。
【００４０】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０での発電停止後において、後述する偏在抑制処理を実行することにより、各単セル２０のアノードにおいて、残留水素ガスが多い部分と少ない部分との偏在を抑制することができる。
【００４１】
前述の水素タンク６１は、請求項における燃料ガス供給部に相当する。また、単セル２０は請求項における発電モジュールに、水素濃度センサ７３は請求項における第１の検出部に、水素濃度センサ７３が測定する燃料ガス供給路８１の燃料電池スタック１０近傍における水素濃度は請求項における第１の濃度関連値に、それぞれ相当する。
【００４２】
Ａ２．偏在抑制処理：
図３は、本実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０での発電が停止すると、偏在抑制処理が開始される。
【００４３】
図１に示すポンプ制御部９１ａは、水素濃度センサ７３から通知される水素濃度に基づき、燃料電池スタック１０の入口の水素濃度を取得し（ステップＳ１０５）、得られた水素濃度が所定の第１濃度しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
【００４４】
後述するように、燃料電池スタック１０のアノード側の水素濃度は、発電停止後において徐々に低下する。このとき、特に入口側において低下が著しいため、アノード面内において残留水素が多い部分と少ない部分との偏在が発生し得る。そこで、このような偏在が起こり得る燃料電池スタック１０入口の水素濃度を、予め実験により求め、第１濃度しきい値としてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。
【００４５】
図４は、燃料電池スタックの発電停止直後における単セル内のガスの流れを示す説明図である。図３において、アノード側入口部Ｐａ１は、アノード側触媒層２３ａとアノード側ガス拡散層２４ａとアノード側セパレータ２５ａとのうち、それぞれ燃料ガス供給マニホールド３１ａに近い部分であり、アノード側出口部Ｐａ２は、アノード側触媒層２３ａとアノード側ガス拡散層２４ａとアノード側セパレータ２５ａとのうち、それぞれ燃料ガス排出マニホールド３２ａに近い部分である。また、カソード側出口部Ｐｃ２は、カソード側触媒層２３ｃとカソード側ガス拡散層２４ｃとカソード側セパレータ２５ｃとのうち、それぞれ酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃに近い部分であり、カソード側入口部Ｐｃ１は、カソード側触媒層２３ｃとカソード側ガス拡散層２４ｃとカソード側セパレータ２５ｃとのうち、それぞれ酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃに近い部分である。
【００４６】
燃料電池スタック１０の発電停止直後においては、各単セル２０のアノード側には水素ガスが残留しており、カソードには空気が残留している。図４に示すように、アノード側に残留している水素ガスは、アノードの全面において電解質膜２２を透過してカソードに移動する。例えば、アノード側入口部Ｐａ１から電解質膜２２を透過してカソード側出口部Ｐｃ２に水素ガスが移動する。また、例えば、アノード側出口部Ｐａ２から電解質膜２２を透過してカソード側入口部Ｐｃ１に水素ガスが移動する。したがって、単セル２０のアノード側において水素ガス濃度は徐々に低下する。カソード（カソード側触媒層２３ｃ）では、全面において、アノードから移動してきた水素ガスとカソードに残留している空気とにより下記式１に示す反応が起こり、水素ガスと空気とが消費される。
【００４７】
【数１】
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【００４８】
各単セル２０のアノード側では、残留水素ガスが電解質膜２２を透過してカソード側に移動することにより、圧力が低下する。また、各単セル２０のカソード側では、残留空気が消費されるために圧力が低下する。
【００４９】
図５は、単セルのアノード側及びカソード側において圧力が低下した場合のガスの流れを示す説明図である。図５に示すように、アノード側の圧力が低下して負圧となると、カソード側の残留空気が電解質膜２２を介してアノード側に移動し、アノードの全面において前述の式１に示す反応が起こる。カソード側の残留空気がなくなり、負圧となると、酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃ内の空気が吸引されて、カソード側出口部Ｐｃ２に供給されることとなる。このように酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃ内の空気が吸引されるのは、酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃの接続先の酸化剤ガス排出路８８が大気解放されているために、酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃの圧力がカソード側の圧力よりも高いからである。
【００５０】
酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃ内の空気がカソード側に流入すると、専らカソード側出口部Ｐｃ２において上記式１の反応により空気中の酸素が消費されるとともに、カソード側出口部Ｐｃ２から電解質膜２２を透過してアノード側入口部Ｐａ１に空気が移動する。したがって、酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃに流入した空気（酸素）は、カソード側入口部Ｐｃ１にはほとんど送られない。このように、カソード側出口部Ｐｃ２において空気が消費されるとカソード側の圧力が低下するために、酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃからの空気の流入（吸引）が連続的に起こることとなる。
【００５１】
アノード側入口部Ｐａ１では、カソード側出口部Ｐｃ２から移動してきた空気（酸素）と、残留水素とが、上記式１の反応により消費される。したがって、アノード側入口部Ｐａ１において残留水素ガスの消費が促進され、アノード側入口部Ｐａ１における水素濃度は急激に低下する。
【００５２】
カソード側が負圧となった場合に、酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃからカソード側への空気の吸引は抑制される。これは、酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃは、接続先の酸化剤ガス供給路８７において、エアコンプレッサ６２が抵抗となって大気からの空気の流入が抑制されるためである。カソード側入口部Ｐｃ１への空気の流入が抑制されるので、カソード側入口部Ｐｃ１からアノード側出口部Ｐａ２への電解質膜２２を介した空気（酸素）の移動が抑制される。それゆえ、アノード側出口部Ｐａ２において上記式１の反応が抑制され、アノード側入口部Ｐａ１に比べて水素ガスの消費が抑制される。したがって、アノードにおいて、アノード側入口部Ｐａ１で残留水素量が少なく、アノード側出口部Ｐａ２で残留水素量が多くなり、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生し得る。
【００５３】
図３のステップＳ１１０において、水素濃度センサ７３により測定された水素濃度が第１濃度しきい値よりも大きい場合、ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３を所定期間だけ間欠的に逆転駆動させる（ステップＳ１１５）。
【００５４】
図６は、ステップＳ１１５により循環用ポンプを逆転駆動させた際の単セルにおけるガスの流れを示す説明図である。
【００５５】
図６に示すように、循環用ポンプ６３を逆転駆動させた場合には、アノードにおける燃料ガスの流れは、図２に示す燃料ガスの流れとは逆となる。すなわち、燃料ガス排出マニホールド３２ａ内の残留水素ガスが燃料ガス流路２７ａに流入し、燃料ガス流路２７ａ内のガスが、燃料ガス供給マニホールド３１ａに排出される（押し出される）。
【００５６】
ここで、燃料ガス供給マニホールド３１ａの先には、燃料ガス供給路８１において水素濃度センサ７３が配置されている。したがって、燃料電池システム１００では、循環用ポンプ６３を逆転駆動させてアノード側入口部Ｐａ１内のガスを積極的に水素濃度センサ７３まで送ることにより、アノード側入口部Ｐａ１内における水素濃度の低下を短期間で検出できるようにしている。特に、燃料ガス流路２７ａにおいて、水素濃度の低下はアノード側入口部Ｐａ１において起こるので、水素濃度センサ７３を燃料ガス供給路８１において燃料電池スタック１０の近傍に配置するとともに、循環用ポンプ６３を逆転駆動させることにより、アノード側入口部Ｐａ１における水素濃度の低下を、自然拡散によって検出する構成に比べて短期間で検出することができる。
【００５７】
循環用ポンプ６３を間欠的に駆動するのは、以下の理由による。循環用ポンプ６３を当初より連続的に駆動した場合に比べて、循環用ポンプ６３の駆動電力を抑えることができるからである。また、循環用ポンプ６３を連続的に駆動すると、残留水素ガスは、図１に示す逆転方向ｄ２に連続的に循環することとなるため、各単セル２０のアノードにおいて、殆どの残留水素ガスが消費され得る。この場合、燃料電池スタック１０の次回起動時において、水素ガスが各単セル２０に流入した際に、アノード側において水素ガスの多い部分と水素ガスの少ない部分との偏在が起こるため、カソード側においてカーボン酸化が発生するおそれがある。また、残留水素ガスがほとんどないので、各流路（燃料ガス供給路８１，燃料ガス排出路８２，バイパス流路８３）を水素ガスで満たす必要があるため、応答性が低下するとともに、燃費の劣化を招く。これに対し、間欠的に駆動することにより、各流路内の残留水素ガスの消費を抑えることができるので、連続駆動する構成に比べて、応答性及び燃費を向上させることができるからである。
【００５８】
図３に示すステップＳ１１０において、水素濃度が第１濃度しきい値以下であると判定すると、ポンプ制御部９１ａは、水素濃度が第２しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。水素濃度が第２しきい値よりも高いと判定した場合、ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３を所定期間だけ連続的に逆転駆動させ（ステップＳ１２５）、ステップＳ１０５に戻る。これに対し、水素濃度が第２しきい値以下であると判定した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、偏在抑制処理は終了する。
【００５９】
ステップＳ１２５において循環用ポンプ６３を連続的に逆転駆動させるのは、以下の理由による。既にステップＳ１１０により、アノードにおいて残留水素が多い部分と少ない部分との偏在の発生を検出している。したがって、このままでは、カソードにおいてカーボン酸化が生じることとなる。そこで、この場合、循環用ポンプ６３を連続的に駆動させることにより、残留水素を連続的に循環させて残留水素をすべて消費させ、かかる偏在を解消してカーボン酸化の発生を抑制する。
【００６０】
前述の第２濃度しきい値は、水素濃度が十分に低いため、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在に起因するカソード側でのカーボン酸化が起こらない水素濃度であり、予め実験により求めて設定することができる。なお、ステップＳ１２５を実行する時点において、水素濃度はすでに第１濃度しきい値を下回っているので、ステップＳ１０５に戻った後にはステップＳ１１０，Ｓ１２０を順番に実行し、水素濃度が第２濃度しきい値以下であるか否かを判定することとなる。
【００６１】
図７は、偏在抑制処理における、水素濃度センサでの検知水素濃度の一例、及び循環用ポンプの駆動信号の一例を示す説明図である。図７において、上段は水素濃度センサの経時変化を示し、下段は駆動信号の経時変化を示す。図７上段において、横軸は時刻を示し、縦軸は水素濃度センサ７３で検知される水素濃度を示す。また、図７下段において、横軸は時刻を示し、縦軸は駆動信号の電圧を示す。図７上段では、本実施例の検知水素濃度の一例を実線で示し、比較例の検知水素濃度の一例を破線で示している。比較例とは、水素濃度センサを燃料電池スタックの出口に配置すると共に、自然拡散されるガスの濃度を水素濃度センサで測定することにより水素濃度の低下を検知する例を示す。なお、図７下段に示すように、循環用ポンプ６３の駆動信号は、正転の場合には正となり、逆転の場合には負となる。
【００６２】
図７上段の実線に示すように、本実施例では、偏在抑制処理の開始（時刻Ｔ０）と共に、水素濃度が低下している。このとき、比較例に比べて水素濃度の低下速度が高いのは、比較例では、燃料ガス流路２７ａ内のガスが自然拡散により水素濃度センサ７３に到着するまで長期間を要するのに対し、本実施例では、循環用ポンプ６３を逆転駆動させて燃料ガス流路２７ａ内のガスを積極的に水素濃度センサ７３に送るため、燃料ガス流路２７ａ内のガスが水素濃度センサ７３に到着するまでの期間が短いためである。
【００６３】
時刻Ｔ１では、アノード側及びカソード側が負圧となり、酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃからカソード側への連続的な空気供給（吸引）が開始される。したがって、カソード側出口部Ｐｃ２からアノード側入口部Ｐａ１への空気（酸素）の移動が急増し、アノード側入口部Ｐａ１での残留水素ガスの消費速度が急激に高まる。その結果、水素濃度が急激に低下し、時刻Ｔ２において、水素濃度が第１濃度しきい値Ｃ１以下となる。そうすると、図７下段に示すように、循環用ポンプ６３には、逆転駆動用の駆動信号が継続的に供給される。
【００６４】
時刻Ｔ２の後、水素濃度は一時的に上昇し、その後低下する。これは、以下の理由による。循環用ポンプ６３の連続的な逆転駆動により、アノード側出口部Ｐａ２の残留水素や、燃料ガス排出マニホールド３２ａ及び燃料ガス排出路８２内の残留水素（純水素）が水素濃度センサ７３に届くため、一時的に濃度が上昇する。その後、各単セル２０のアノードにおいて、残留水素が上記式１の反応により消費されるので、水素濃度は低下する。そして、時刻Ｔ３において、水素濃度が第２濃度しきい値Ｃ２以下となると、偏在抑制処理が終了し、図７下段に示すように、循環用ポンプ６３の駆動信号は出力されなくなる。
【００６５】
図７上段の破線で示すように、比較例では、水素濃度センサ７３における検知水素濃度が第１濃度しきい値以下となるのは、時刻Ｔ２よりもかなり遅れた時刻ｔ１１である。前述のように、少なくとも時刻Ｔ２において、実際の水素濃度は第１濃度しきい値Ｃ１以下となり、残留水素ガスの多い部分と少ない部分の偏在が発生している。したがって、時刻ｔ１１では、かかる偏在が発生してから長期間を経ているため、各単セル２０のカソード側においてカーボン酸化が進んでいる。これに対し、本実施例では、より早い時刻Ｔ２において残留水素ガスの多い部分と少ない部分の偏在を検知して、かかる偏在を解消するようにしているので、カーボン酸化の発生を抑制できる。
【００６６】
以上説明したように、第１実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１０の発電停止後において、循環用ポンプ６３を間欠的に逆転駆動させるので、燃料ガス流路２７ａ内のガスを積極的に水素濃度センサ７３に送ることができ、アノード側入口部Ｐａ１における水素濃度の低下を早期に検出することができる。その結果、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに検出することができる。加えて、水素濃度センサ７３を、燃料ガス供給路８１において燃料電池スタック１０の近傍に配置するので、残留水素ガスの消費が激しいアノード側入口部Ｐａ１に近い位置に配置することができる。したがって、アノード側入口部Ｐａ１における水素濃度の変化をより短期間のうちに検出することができる。
【００６７】
また、水素濃度が第１濃度しきい値まで低下するまでの間において、循環用ポンプ６３を間欠的に駆動するので、当初より連続的に駆動する構成に比べて駆動電力を抑えることができる。また、間欠的に駆動することにより、残留水素ガスの消費速度の上昇を抑えることができるため、アノード側出口部Ｐａ２，燃料ガス供給路８１，燃料ガス排出路８２，及びバイパス流路８３内に残留する水素ガスの消費を抑えることができる。したがって、連続駆動する構成に比べて、次回起動時における応答性及び燃費を向上させることができる。
【００６８】
また、水素濃度が第１濃度しきい値以下となった場合には、循環用ポンプ６３を連続駆動させるので、残留水素を連続的に循環させて残留水素ガスをすべて消費させ、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を解消させることができる。その結果、かかる偏在に起因するカーボン酸化の発生を抑制できる。
【００６９】
Ｂ．第２実施例：
図８は、第２実施例の燃料電池システムの構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１００ａは、燃料ガス排出路８２において燃料電池スタック１０の近傍に第２水素濃度センサ７４を備えている点と、水素濃度センサ７３（以下、本実施例において「第１水素濃度センサ７３」と呼ぶ）の検知水素濃度と第２水素濃度センサ７４の検知水素濃度の濃度差を利用して残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を検知する点とにおいて、図１に示す燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。
【００７０】
図８に示す第２水素濃度センサ７４は、第１水素濃度センサ７３と同様の構成を有し、燃料ガス排出路８２において燃料電池スタック１０近傍の水素濃度を検出して、制御ユニット９０に通知する。なお、第２水素濃度センサ７４は、請求項における第２の検出部に相当する。
【００７１】
図９は、第２実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャートである。第２実施例の偏在抑制処理は、ステップＳ１０５に代えてステップＳ１０５ａを実行する点、また、ステップＳ１１０に代えてステップＳ１１０ａを、ステップＳ１２０に代えてステップＳ１２０ａを、それぞれ実行する点において、第１実施例の偏在抑制処理と異なり、他の処理は図３に示す第１実施例の手順と同じである。
【００７２】
ステップＳ１０５ａでは、ポンプ制御部９１ａは、燃料電池スタック１０のアノード側入口の水素濃度（すなわち、各単セル２０のアノード側入口部Ｐａ１の水素濃度、以下「入口水素濃度」と呼ぶ）を、第１水素濃度センサ７３から通知される水素濃度に基づき取得すると共に、燃料電池スタック１０のアノード側出口の水素濃度（すなわち、各単セル２０のアノード側出口部Ｐａ２の水素濃度、以下「出口水素濃度」と呼ぶ）を、第２水素濃度センサ７４から通知される水素濃度に基づき取得する。
【００７３】
ステップＳ１１０ａでは、燃料電池スタック１０の入口水素濃度と、出口水素濃度との濃度差が、所定の第１濃度差しきい値以上であるか否かを判定する。濃度差が第１濃度差しきい値よりも小さい場合には、前述のステップＳ１１５（循環用ポンプ６３の間欠的な逆転駆動）を実行し、濃度差が第１濃度しきい値以上になった場合には、濃度差が第２濃度しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２０ａ）。濃度差が第２濃度しきい値よりも大きい場合には、前述のステップＳ１２５（循環用ポンプ６３の連続的な逆転駆動）を実行し、第２濃度しきい値以下である場合には、偏在抑制処理が終了する。
【００７４】
第１濃度差しきい値は、第１実施例の第１濃度しきい値と同様に、アノードにおいて残留水素が多い部分と少ない部分との偏在が起こり得る燃料電池スタック１０の入口及び出口の濃度差を示し、予め実験により求めてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。第２濃度差しきい値は、燃料電池スタック１０の入口及び出口の濃度差が十分に小さいため、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在に起因するカソード側でのカーボン酸化が起こらない濃度差を示し、予め実験により求めてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。
【００７５】
このように、燃料電池スタック１０の入口及び出口の濃度差により、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の有無を検出するのは、以下の理由による。カソード側が負圧となった場合に、エアコンプレッサ６２が抵抗となり、大気からの空気の流入は抑制されるものの、酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃからカソードに若干の空気の流入は発生し得る。したがって、アノード側出口部Ｐａ２にも、カソード側入口部Ｐｃ１から電解質膜２２を透過して空気（酸素）が移動し、アノード側出口部Ｐａ２側の水素濃度も低下し得ることとなる。それゆえ、酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃからカソード側入口部Ｐｃ１への空気の流入量（吸引量）によっては、アノード側出口部Ｐａ２も、アノード側入口部Ｐａ１と同様に残留水素ガスが少ない部分となり、アノードにおいて残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在しない可能性もある。そこで、本実施例では、燃料電池スタック１０のアノード入口側とアノード出口側の濃度差を検出することにより、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の発生を確実に検知するようにしている。すなわち、濃度差が大きい場合には、偏在が発生していると判定し、濃度差が小さい場合には、偏在が発生していないと判定するようにしている。
【００７６】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、燃料電池スタック１０のアノード入口側の濃度と出口側の濃度との濃度差に基づき、アノード側における残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の発生の有無を判定するので、偏在の発生をより確実に判定することができる。したがって、偏在が発生していないのにも関わらず循環用ポンプ６３の連続駆動により残留水素ガスを消費してしまうことを抑制できる。なお、本実施例において、第２水素濃度センサ７４は、請求項における第２の検出部に相当し、第２水素濃度センサ７４が測定する燃料ガス排出路８２の燃料電池スタック１０近傍における水素濃度は、請求項における第２の濃度関連値に相当する。
【００７７】
Ｃ．第３実施例：
図１０は、第３実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例の燃料電池システムは、偏在抑制処理において、燃料電池スタック１０の入口水素濃度と、出口水素濃度とを、それぞれ測定し、いずれか一方の濃度がしきい値以下となった場合に、アノード側における残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生したと判定する点において、前述の第２実施例の燃料電池システム１００ａと異なり、他の構成は、第２実施例と同じである。
【００７８】
図１０に示す偏在抑制処理では、まず、ポンプ制御部９１ａは、燃料電池スタック１０の入口水素濃度を、第１水素濃度センサ７３から通知される水素濃度に基づき取得すると共に、燃料電池スタック１０の出口水素濃度を、第２水素濃度センサ７４から通知される水素濃度に基づき取得する（ステップＳ２０５）。
【００７９】
ポンプ制御部９１ａは、入口水素濃度が第１濃度しきい値以下であるか否かを判定し（ステップＳ２１０）、第１濃度しきい値よりも高い場合には、出口水素濃度が第１しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１５）。これらステップＳ２１０，Ｓ２１５における第１濃度しきい値は、第１実施例の第１濃度しきい値と同じである。
【００８０】
出口水素濃度が第１しきい値よりも高い場合（ステップＳ２１５：ＮＯ）、ポンプ制御部９１ａは、所定期間だけ、循環用ポンプ６３の間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に実行し（ステップＳ２２０）、ステップＳ２０５に戻る。
【００８１】
図１１は、第３実施例のステップＳ２２０を実行する際の循環用ポンプの駆動信号を示す説明図である。図１１における縦軸及び横軸は、図７下段の縦軸及び横軸と同じである。
【００８２】
図１１に示すように、ステップＳ２２０においては、循環用ポンプ６３の駆動信号として、逆転用の駆動信号が間欠的に出力された後（すなわち、パルス状の負の駆動信号が出力された後）、正転用の駆動信号が間欠的に出力される（すなわち、パルス状の正の駆動信号が出力される）。そして、これら間欠的な逆転用駆動信号の出力と、間欠的な正転用駆動信号の出力とが交互に繰り返される。
【００８３】
このような駆動信号を出力するのは、以下の理由による。第３実施例で述べたように、酸化剤ガス供給マニホールド３１ｃからカソードへの空気の流入量（吸引量）によっては、アノード側出口部Ｐａ２において残留水素ガスの量がより少なくなり得る。したがって、第１実施例とは逆に、アノード側出口部Ｐａ２が残留水素ガスの少ない部分となり、アノード側入口部Ｐａ１が残留水素ガスの多い部分となるような偏在状態が起こり得る。そこで、本実施例では、逆転駆動により、第１実施例同様に、アノード側入口部Ｐａ１内のガスを積極的に第１水素濃度センサ７３に送ることで、アノード側入口部Ｐａ１内の水素濃度の低下を早期に検出するようにすると共に、正転駆動により、アノード側出口部Ｐａ２内のガスを積極的に第２水素濃度センサ７４に送ることで、アノード側出口部Ｐａ２内の水素濃度の低下を早期に検出するようにしている。
【００８４】
前述のステップＳ２１０において、入口水素濃度が第１濃度しきい値以下であると判定した場合、ポンプ制御部９１ａは、入口水素濃度が第２濃度しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２５）。ステップＳ２２５における第２濃度しきい値は、第３実施例のステップＳ１２０ａにおける第２濃度しきい値と同じである。
【００８５】
入口水素濃度が第２濃度しきい値よりも高い場合には（ステップＳ２２５：ＮＯ）、ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３を所定期間だけ連続的に逆転駆動させる（ステップＳ２３０）。これにより、入口側水素濃度は、第１実施例（図７上段）と同様に、しばらく上昇した後低下することとなる。ステップＳ２３０の後、ポンプ制御部９１ａは、燃料電池スタック１０の入口側の水素濃度を取得し（ステップＳ２３５）、ステップＳ２２５に戻る。なお、入口水素濃度が第２濃度しきい値以下であると判定した場合には、偏在抑制処理は終了する。
【００８６】
前述のステップＳ２１５において、出口水素濃度が第１濃度しきい値以下であると判定した場合、ポンプ制御部９１ａは、出口水素濃度が第２濃度しきい値以下であるかを判定する（ステップＳ２４０）。出口水素濃度が第２濃度しきい値よりも高い場合（ステップＳ２４０：ＮＯ）、ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３を所定期間だけ連続的に正転駆動させる（ステップＳ２４５）。これにより、出口側水素濃度は、第１実施例（図７上段）と同様に、しばらく上昇した後低下することとなる。ステップＳ２４５の後、ポンプ制御部９１ａは、燃料電池スタック１０の出口側の水素濃度を取得し（ステップＳ２５０）、ステップＳ２４０に戻る。なお、ステップＳ２４０において、出口水素濃度が第２濃度しきい値以下であると判定した場合には、偏在抑制処理は終了する。
【００８７】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、循環用ポンプ６３の間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に実行するので、アノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２の少なくとも一方における水素濃度の低下を短期間のうちに検出することができ、アノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２のいずれが残留水素ガスの少ない部分となり、他方が多い部分となる偏在が発生しても、短期間のうちに偏在を検出することができる。
【００８８】
また、アノード側入口部Ｐａ１の水素濃度低下を検出した場合に、循環用ポンプ６３を連続的に逆転駆動させるので、アノード側出口部Ｐａ２の残留水素ガスや、燃料ガス排出路８２内の残留水素ガスを、短期間のうちにアノード側入口部Ｐａ１に送ることができる。したがって、残留水素ガスをアノード側入口部Ｐａ１において短期間のうちに消費させることができ、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに解消させることができる。同様に、アノード側出口部Ｐａ２の水素濃度低下を検出した場合に、循環用ポンプ６３を連続的に正転駆動させるので、アノード側入口部Ｐａ１の残留水素ガスや、燃料ガス供給路８１内の残留水素ガスを、短期間のうちにアノード側出口部Ｐａ２に送ることができる。したがって、残留水素ガスをアノード側出口部Ｐａ２において短期間のうちに消費させることができ、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を短期間のうちに解消させることができる。
【００８９】
Ｄ．第４実施例：
図１２は、第４実施例の燃料電池システムの構成を示す説明図である。第４実施例の燃料電池システム１００ｂは、水素濃度センサ７３に代えて電圧センサ（セルモニタ）７８を備えている点と、電圧センサ７８により得られる電圧値（後述の電位差）を利用して残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を検知する点とにおいて、図１に示す燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。
【００９０】
図１２に示す電圧センサ７８は、燃料電池スタック１０を構成する各単セル２０のうち、酸化剤ガス排出路８８に最も近い単セル（以下「最端セル２０Ｅ」と呼ぶ）に配置されている。電圧センサ７８は、最端セル２０Ｅに配置された図示しないモニタ端子における電位を測定し、制御ユニット９０に通知する。
【００９１】
図１３は、図１２に示す最端セルの詳細構成を示す説明図である。この最端セル２０Ｅは、アノード側セパレータ２５ａに２つのモニタ端子（第１モニタ端子ｍｔ１及び第２モニタ端子ｍｔ２）を備えている点において、図２に示す第１実施例の単セル２０と異なり、他の構成は第１実施例の単セル２０と同じである。
【００９２】
第１モニタ端子ｍｔ１は、アノード側セパレータ２５ａにおいて、アノード側入口部Ｐａ１に配置されている。また、第２モニタ端子ｍｔ２は、アノード側セパレータ２５ａにおいて、アノード側出口部Ｐａ２に配置されている。これら２つのモニタ端子ｍｔ１，ｍｔ２は、それぞれ図１２に示す電圧センサ７８に接続されている。
【００９３】
図１３において、最端セル２０Ｅにおける各部分（アノード側入口部Ｐａ１，アノード側出口部Ｐａ２，カソード側入口部Ｐｃ１，カソード側出口部Ｐｃ２）における反応と、各部分における電位とを示す。なお、図１３では、アノード側において、第１実施例の図５に示す残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が進んだ状態における、各部分での反応を示している。
【００９４】
残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生すると、アノード側出口部Ｐａ２では下記式２に示す反応が起こり、アノード側入口部Ｐａ１及びカソード側入口部Ｐｃ１では下記式３に示す反応が起こり、カソード側出口部Ｐｃ２では、下記式４に示す反応が起こる。
【００９５】
【数２】
2011222337.tif 000004
【００９６】
【数３】
2011222337.tif 000005
【００９７】
【数４】
2011222337.tif 000006
【００９８】
なお、アノード側入口部Ｐａ１における反応では、アノード側出口部Ｐａ２における反応により生じた電子が用いられる。同様に、カソード側入口部Ｐｃ１における反応では、カソード側出口部Ｐｃ２における反応により生じた電子が用いられる。
【００９９】
最端セル２０Ｅの各部分において上述した各反応が起こっている場合、図１３の例では、アノード側入口部Ｐａ１における電位は＋０．５Ｖである。また、アノード側出口部Ｐａ２における電位は＋０．０５Ｖであり、カソード側入口部Ｐｃ１における電位は＋０．８５Ｖであり、カソード側出口部Ｐｃ２における電位は＋１．３Ｖである。このように、アノードにおいて残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が生じると、アノード側入口部Ｐａ１とアノード側出口部Ｐａ２とで異なる反応が起こるため、電位が大きくことなる。そこで、本実施例では、アノード側入口部Ｐａ１の電位及びアノード側出口部Ｐａ２の電位の電位差が所定のしきい値以上となった場合に、アノードにおいて残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生したものと判定する。
【０１００】
図１４は、第４実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャートである。第４実施例の偏在抑制処理は、ステップＳ１０５に代えてステップＳ３０５を実行する点、また、ステップＳ１１０に代えてステップＳ３１０を、ステップＳ１２０に代えてステップＳ３２０を、それぞれ実行する点において、第１実施例の偏在抑制処理と異なり、他の処理は図３に示す第１実施例の手順と同じである。
【０１０１】
ポンプ制御部９１ａは、電圧センサ７８から通知される第１モニタ端子ｍｔ１の電位及び第２モニタ端子ｍｔ２の電位に基づき、最端セル２０Ｅのアノードにおけるアノード側入口部Ｐａ１の電位及びアノード側出口部Ｐａ２の電位の電位差を求める（ステップＳ３０５）。
【０１０２】
ポンプ制御部９１ａは、ステップＳ３０５により求めた電位差が、第１電位差しきい値以上であるか否かを判定し（ステップＳ３１０）、第１電位差しきい値よりも小さい場合には、前述のステップＳ１１５（循環用ポンプ６３の間欠的な逆転駆動）を実行し、電位差が第１電位差しきい値以上となった場合には、電位差が第２電位差しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３２０）。ステップＳ３２０において電位差が第２電位差しきい値よりも大きいと判定した場合には、ポンプ制御部９１ａは、前述のステップＳ１２５（循環用ポンプ６３の連続的な逆転駆動）を実行し、第２電位差しきい値以下であると判定した場合には、偏在抑制処理が終了する。
【０１０３】
第１電位差しきい値は、第１実施例の第１電位しきい値と同様に、アノードにおいて残留水素が多い部分と少ない部分との偏在が起こり得る場合のアノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２の電位差を示し、予め実験により求めてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。第２電位差しきい値は、燃料電池スタック１０の入口及び出口の濃度差が十分に小さいため、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在に起因するカソード側でのカーボン酸化が起こらない場合のアノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２の電位差を示し、予め実験により求めてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。
【０１０４】
このように、アノード側入口部Ｐａ１の電位とアノード側出口部Ｐａ２の電位との電位差により、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の有無を検出するのは、第２実施例においてアノード側入口部Ｐａ１の水素濃度とアノード側出口部Ｐａ２の水素濃度との濃度差により残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の有無を検出するのと同じ理由である。
【０１０５】
また、最端セル２０Ｅにおけるアノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２の電位差を測定するのは、以下の理由による。第１実施例において述べたように、カソードが負圧となった場合に、酸化剤ガス排出路８８が大気解放されているために、カソード側には酸化剤ガス排出マニホールド３２ｃから空気が流入され易い。特に、各単セル２０のうち、最も酸化剤ガス排出路８８に近い最端セル２０Ｅには多くの空気が流入するので、最端セル２０Ｅのアノードにおいて残留水素の多い部分と少ない部分との偏在が起こり易い。したがって、第４実施例の燃料電池システム１００ｂでは、より偏在が起こり易い最端セル２０Ｅにおいて偏在の発生の有無を判定することにより、各単セル２０における偏在の発生をより確実に抑制するようにしている。
【０１０６】
以上の構成を有する第４実施例の燃料電池システム１００ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、燃料電池スタック１０のアノード入口側の電位と出口側の電位との電位差に基づき、アノード側における残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の発生の有無を判定するので、各単セル２０における偏在の発生をより確実に抑制することができる。また、各単セル２０のうち、酸化剤ガス排出路８８に最も近く、空気が供給され易い最端セル２０Ｅにおいて偏在の発生の有無を判定するので、各単セル２０における偏在の発生を、より確実に抑制することができる。また、最端セル２０Ｅにおいて電位差を測定するので、アノード面内における電位差、すなわち、アノード側における残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在をダイレクトに検出できるため、より早期に偏在を検出でき、カーボン酸化の発生を最小限に抑えることができる。
【０１０７】
Ｅ．第５実施例：
図１５は、第５実施例における最端セルの詳細構成を示す説明図である。第５実施例の燃料電池システムは、最端セル２０Ｅにおいて第３モニタ端子ｍｔ３を備えている点と、最端セル２０Ｅにおける入口側電位差と、出口側電位差とを、それぞれ測定し、いずれか一方の電位差がしきい値以上となった場合に、アノード側における残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生したと判定する点において、前述の第４実施例の燃料電池システム１００ｂと異なり、他の構成は、第４実施例と同じである。
【０１０８】
図１５に示すように、第５実施例では、最端セル２０Ｅのアノード側セパレータ２５ａには、上述した第１モニタ端子ｍｔ１及び第２モニタ端子ｍｔ２に加えて、第３モニタ端子ｍｔ３が配置されている。第３モニタ端子ｍｔ３は、アノード側入口部Ｐａ１とアノード側出口部Ｐａ２との中間部分（燃料ガス流路２７ａの中央部分）に配置されており、電圧センサ７８は、かかる部分における電位を測定することができる。
【０１０９】
図１６は、第５実施例の偏在抑制処理の手順を示すフローチャートである。ポンプ制御部９１ａは、アノード側入口部Ｐａ１の電位と中央部分の電位との電位差（以下、「入口電位差」と呼ぶ）を、第１モニタ端子ｍｔ１の電位と第３モニタ端子ｍｔ３の電位とに基づき求めると共に、アノード側出口部Ｐａ２の電位と中央部分の電位との電位差（以下、「出口電位差」と呼ぶ）を、第２モニタ端子ｍｔ２の電位と第３モニタ端子ｍｔ３の電位とに基づき求める（ステップＳ４０５）。
【０１１０】
ポンプ制御部９１ａは、入口電位差が第３電位差しきい値以上であるか否かを判定し（ステップＳ４１０）、第３電位差しきい値よりも小さい場合には、出口電位差が第３電位差しきい値以上であるか否かを判定する（ステップＳ４１５）。第３電位差しきい値は、アノードにおいて残留水素が多い部分と少ない部分との偏在が起こり得る場合の入口電位差及び出口電位差を示し、予め実験により求めてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。
【０１１１】
入口側電位差及び出口側電位差のいずれもが第３電位差しきい値よりも小さい場合には（ステップＳ４１５：ＹＥＳ）、前述のステップＳ２２０（循環用ポンプ６３の間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に実行する）を実行し、ステップＳ４０５に戻る。このようにステップＳ２２０を実行するのは、第３実施例と同様に、アノード側入口部Ｐａ１における水素濃度の低下と、アノード側出口部Ｐａ２における水素濃度の低下とを、いずれも早期に検出するためである。
【０１１２】
前述のステップＳ４１０において、入口電位差が第３電位差しきい値以上であると判定した場合、ポンプ制御部９１ａは、入口電位差が第４電位差しきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ４２５）。ステップＳ４２５における第４電位差しきい値は、燃料電池スタック１０の入口及び出口の濃度差が十分に小さいため、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在に起因するカソード側でのカーボン酸化が起こらない場合における、アノード側入口部Ｐａ１及び中央部分の電位差を示し、予め実験により求めてＲＯＭ９２又はＲＡＭ９３に格納しておくことができる。
【０１１３】
入口電位差が第４電位差しきい値よりも大きい場合には（ステップＳ４２５：ＹＥＳ），ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３を所定期間だけ連続的に逆転駆動させる（ステップＳ２３０）。ステップＳ２３０の後、ポンプ制御部９１ａは、入口電位差を取得し（ステップＳ４３５）、前述のステップＳ４２５に戻る。入口電位差が第４電位差しきい値以下の場合（ステップＳ４２５：ＹＥＳ）には、偏在抑制処理は終了する。
【０１１４】
前述のステップＳ４１５において、出口電位差が第３電位差しきい値以上であると判定した場合、ポンプ制御部９１ａは、出口電位差が第４電位差しきい値以下であるかを判定する（ステップＳ４４０）。ステップＳ４４０における第４電位差しきい値は、前述のステップＳ４２５における第４電位差しきい値と同じである。出口電位差が第４電位差しきい値よりも大きい場合（ステップＳ４４０：ＮＯ）、ポンプ制御部９１ａは、循環用ポンプ６３を所定期間だけ連続的に正転駆動させる（ステップＳ２４５）。ステップＳ２４５の後、ポンプ制御部９１ａは、出口側電位差を取得し（ステップＳ４５０）、前述のステップＳ４４０に戻る。出口電位差が第４電位差しきい値以下の場合（ステップＳ４４０：ＹＥＳ）には、偏在抑制処理は終了する。
【０１１５】
以上の構成を有する第５の実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、第３実施例の燃料電池システムと同様に、循環用ポンプ６３の間欠的な逆転駆動と間欠的な正転駆動とを交互に実行するので、アノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２の少なくとも一方における水素濃度の低下を短期間のうちに検出することができ、アノード側入口部Ｐａ１及びアノード側出口部Ｐａ２のいずれが残留水素ガスの少ない部分となり、他方が多い部分となる偏在が発生しても、短期間のうちに偏在を検出することができる。
【０１１６】
Ｆ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１１７】
Ｆ１．変形例１：
第１〜３実施例では、水素濃度の低下を検出するために水素濃度センサ７３（及び第２水素濃度センサ７４）を用い、第４，５実施例では、水素濃度の低下を検出するために電圧センサ７８を用いていたが、本発明は、これらに限定されるものではない。例えば、第１実施例における水素濃度センサ７３に代えて、酸素濃度センサを採用することができる。この構成では、アノード側入口部Ｐａ１における水素濃度の低下が発生するときには、カソード側出口部Ｐｃ２からアノード側入口部Ｐａ１に流入する空気（酸素）により、アノード側入口部Ｐａ１における酸素濃度は上昇する。すなわち、アノード側入口部Ｐａ１における酸素濃度とアノード側入口部Ｐａ１における水素濃度とは、互いに関連性を有する。したがって、酸素濃度センサにより測定された酸素濃度が所定のしきい値以上となった場合に、アノード側入口部Ｐａ１において水素濃度の低下が発生し、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生したと判定することができる。すなわち、一般には、燃料ガスの濃度に関する値である濃度関連値を検出する任意の検出部を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
【０１１８】
Ｆ２．変形例２：
第１実施例では、水素濃度センサ７３における測定値が第１濃度しきい値以下となった場合に循環用ポンプ６３を連続的に逆転駆動していたが、これに代えて、連続的に正転駆動させることもできる。かかる構成においても、燃料電池スタック１０，燃料ガス排出路８２，バイパス流路８３，及び燃料ガス供給路８１に残留する水素ガスを、図１に示す正転方向ｄ１に循環させることができるので、各単セル２０において残留水素ガスを消費させることができ、残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を解消させることができる。同様に、他の実施例においても、循環用ポンプ６３を連続的に駆動する処理（例えば、第３，５実施例におけるステップＳ２３０，Ｓ２４５）において、正転又は逆転の任意の方向に駆動することができる。
【０１１９】
また、例えば、水素濃度センサ７３における測定値が第１濃度しきい値以下となった場合であっても、引き続き循環用ポンプ６３を間欠的に逆転駆動させることもできる。この構成においても、僅かずつではあるが残留水素ガスを循環させることができ、上記偏在の発生を抑制できると共に、偏在抑制処理をシンプルにすることができる。また、この構成では、水素濃度センサ７３を省略でき、燃料電池システム１００の構築費用を抑えることができる。
【０１２０】
Ｆ３．変形例３：
第３実施例では、ステップＳ２１０における入口水素濃度のしきい値と、ステップＳ２１５における出口水素濃度のしきい値とは、いずれも第１濃度しきい値で同じであったが、これに代えて、それぞれ異なるしきい値を設定することもできる。実験結果として、それぞれ異なるしきい値により、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在を検出できる場合には、これら異なるしきい値を、入口水素濃度のしきい値及び出口水素濃度のしきい値として設定することにより、より正確に偏在の発生の有無を判定することができる。また、同様に、ステップＳ２２５における入口水素濃度のしきい値及びステップＳ２４０における出口水素濃度のしきい値についても、互いに異なるしきい値を設定することができる。また、第５実施例において用いる第３，４電位差しきい値についても、入口側と出口側とで互いに異なるしきい値を設定することもできる。
【０１２１】
Ｆ４．変形例４：
第４実施例では、第１モニタ端子ｍｔ１及び第２モニタ端子ｍｔ２は、いずれもアノード側セパレータ２５ａに配置されていたが、これに代えて、カソード側セパレータ２５ｃに配置することもできる。具体的には、第１モニタ端子ｍｔ１をカソード側出口部Ｐｃ２に配置し、第２モニタ端子ｍｔ２をカソード側入口部Ｐｃ１に配置することもできる。図１３に示すように、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在が発生している場合、カソード側入口部Ｐｃ１の電位（＋０．８５Ｖ）と、カソード側出口部Ｐｃ２の電位（＋１．３Ｖ）とは、大きく異なる。したがって、かかる２点間の電位差により、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の発生の有無を検出することができる。
【０１２２】
Ｆ５．変形例５：
第４実施例のモニタ端子ｍｔ１，ｍｔ２及び第５実施例のモニタ端子ｍｔ１，ｍｔ２，ｍｔ３は、いずれも、最端セル２０Ｅに配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。最端セル２０Ｅに代えて、任意の単セル２０に配置することができる。なお、最端セル２０Ｅや、最端セル２０Ｅの隣りの単セル２０など、最端セル２０Ｅの近傍の単セル２０に配置することにより、アノードにおける残留水素ガスの多い部分と少ない部分との偏在の発生をより早期に検出することができ、カソードにおけるカーボン酸化の発生を、より確実に抑制することができる。
【０１２３】
Ｆ６．変形例６：
各実施例では、燃料電池システム１００，１００ａ，１００ｂは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック１０を定置型電源として用い、燃料電池システム１００，１００ａ，１００ｂをビルや一般住宅等の建物に適用することもできる。
【０１２４】
Ｆ７．変形例７：
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２５】
１０…燃料電池スタック、２０…単セル、２０Ｅ…最端セル、２２…電解質膜、２３ａ…アノード側触媒層、２３ｃ…カソード側触媒層、２４ａ…アノード側ガス拡散層、２４ｃ…カソード側ガス拡散層、２５ａ…アノード側セパレータ、２５ｃ…カソード側セパレータ、２７ａ…燃料ガス流路、２７ｃ…酸化剤ガス流路、３１ａ…燃料ガス供給マニホールド、３１ｃ…酸化剤ガス供給マニホールド、３２ａ…燃料ガス排出マニホールド、３２ｃ…酸化剤ガス排出マニホールド、６１…水素タンク、６２…エアコンプレッサ、６３…循環用ポンプ、７１…遮断弁、７２…調圧弁、７３…水素濃度センサ（第１水素濃度センサ）、７４…第２水素濃度センサ、７８…電圧センサ、８１…燃料ガス供給路、８２…燃料ガス排出路、８３…バイパス流路、８７…酸化剤ガス供給路、８８…酸化剤ガス排出路、９０…制御ユニット、９１…ＣＰＵ、９１ａ…ポンプ制御部、９２…ＲＯＭ、９３…ＲＡＭ、１００，１００ａ，１００ｂ…燃料電池システム、ａ１…アノード側入口部、Ｐａ２…アノード側出口部、Ｐｃ１…カソード側入口部、Ｐｃ２…カソード側出口部、ｍｔ１…第１モニタ端子、ｍｔ２…第２モニタ端子、ｍｔ３…第３モニタ端子、ｄ１…正転方向、ｄ２…逆転方向
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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