(57)【要約】【課題】燃料電池の耐久性能の低下を抑制する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１００は、燃料電池２００にアノードガス及びカソードガスを供給する。燃料電池システム１００は、燃料電池２００内を流れるアノードガスの流れ方向に振動換気の効果が得られる所定周期で振動する振動流を発生させる振動流発生器５００を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給して前記燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池内を流れるアノードガスの流れ方向に、振動換気の効果が得られる所定周期で振動する振動流を発生させる振動流発生手段を備える
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、
前記所定周期は、前記燃料電池に形成されたアノードガス流路の形状と前記アノードガスの粘性とによって定まる周期である、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定周期は、前記発電に伴う不純物を排出するのに必要な脈動幅でアノードガスを脈動させるときの脈動周期よりも短い周期である、
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、
前記振動流発生手段は、アノードガスの圧力を前記脈動幅よりも小さな振幅で昇降圧して前記振動流を発生させる、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流発生手段は、前記所定周期においてアノードガスの昇圧速度を降圧速度よりも速くして前記振動流を発生させる、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流発生手段は、前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路に設けられる、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流発生手段は、前記振動流を発生させる第１及び第２の振動流発生器を含み、
前記第１の振動流発生器は、前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路に設けられ、
前記第２の振動流発生器は、前記燃料電池内のアノードガス流路の下流側に接続される、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の振動流発生器は、前記所定周期でアノードガスの圧力を昇降圧させることにより、前記振動流を発生させ、
前記第２の振動流発生器は、前記第１の振動流発生器がアノードガスの圧力を降圧しているときにアノードガスの圧力を昇圧し、前記第１の振動流発生器がアノードガスの圧力を昇圧しているときにアノードガスの圧力を降圧することにより、前記振動流を発生させる、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池に接続される負荷に基づいてアノードガスの圧力を調整する調圧弁と、
アノードガス中の不純物に含まれる生成水の排水要求時に、前記調圧弁を制御してアノードガスの圧力を脈動させる制御部と、を含む
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流発生手段に形成された圧力室と、前記燃料電池に形成されたアノードガス流路とを連通するための連通路と、
前記連通路に設けられ、前記振動流発生手段に供給されるアノードガスの脈動上限圧力を遮断する開閉弁と、を含み、
前記制御部は、前記排水要求時には、前記開閉弁を閉じた後、アノードガスの圧力を前記脈動上限圧力まで昇圧してから前記負荷に基づく要求圧力まで降圧したとき前記開閉弁を開き、前記振動流を発生させる、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の温度と前記負荷とに基づいて前記燃料電池の湿潤度を算出する算出部と、
前記燃料電池の湿潤度に基づいて前記生成水の排水が必要か否かを判断する判断部と、
前記判断部により前記生成水の排水が必要と判断された場合には、アノードガスの圧力を前記脈動上限圧力に設定する設定部と、を含む、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記調圧弁よりも下流の前記アノードガス供給通路へ前記燃料電池から流れ出るアノードガスを循環させる循環通路と、
前記アノードガス供給通路に設けられ、前記調圧弁から流入するアノードガスの流速によって前記循環通路のアノードガスを吸入して前記燃料電池へアノードガスを供給するエゼクタと、を含み、
前記振動流発生手段は、前記エゼクタよりも下流の前記アノードガス供給通路に設けられる、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に形成されたアノードガス流路は、前記アノードガス供給通路と接続され、アノードガスを複数の電池セルのそれぞれに分配する分配通路を含み、
前記振動流発生手段は、前記分配通路又は前記アノードガス供給通路に接続される、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流発生手段は、前記分配通路の下流側に接続される、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項９から請求項１４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流を発生させるためのアノードガス圧力の昇圧は、前記振動流発生手段、及び前記調圧弁により共同で行われる、
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記振動流発生手段は、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する調圧弁である、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に供給されるカソードガスとしては、外気からの空気が使用されることが一般的であり、その空気には、発電反応に使われない窒素などの、いわゆる不活性ガスが含まれている。そのため、燃料電池内のカソードガス流路を流れる不活性ガスは、膜電極接合体を透過してアノードガス流路に流れてくる。
【０００３】
特許文献１には、アノードガス排出通路に設けられたパージ弁によって、カソードガス流路からアノードガス流路に透過してきた不活性ガスを排出する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５１７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在開発中の燃料電池システムでは、アノードガス供給通路に設けられた調圧弁によって、発電に必要な圧力でアノードガスを燃料電池に供給すると共に、燃料電池内の不活性ガスを一緒に押し出すためにアノードガスの圧力を脈動させている。
【０００６】
このような燃料電池システムでは、アノードガスの脈動幅を大きくするほど、アノードガス流路内の不活性ガスを押し出しやすくなるので、燃料電池の発電領域における不活性ガスの濃度が下がり、発電に良好な条件となる。
【０００７】
しかしながら、アノードガスの脈動幅を大きくすると、アノードガスの脈動上限圧力とカソードガス圧力との最大差圧が大きくなるため、膜電極接合体に生じる応力が大きくなる。そしてこの大きな応力がアノードガス圧力の脈動によって繰り返し膜電極接合体にかかることになるため、膜電極接合体の耐久性能が低下しやすくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池の耐久性能の低下を抑制する燃料電池システム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】
【０００９】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【００１０】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池内を流れるアノードガスの流れ方向に振動換気の効果が得られる所定周期で振動する振動流を発生させる振動流発生手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この態様によれば、振動流発生手段によって、振動換気の効果が現れる所定周期で、燃料電池内のアノードガスの流れ方向に振動流を発生させる。これにより、燃料電池内のアノードガス流路に透過してきた不活性ガスが拡散され、燃料電池内のアノードガス濃度が均一になり、全体的に不活性ガスの濃度が下がる。
【００１２】
このように、振動流によって不活性ガスの濃度を下げつつ、アノードガスの圧力変動を小さくできるので、膜電極接合体の耐圧性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックに積層された単セルを示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池を構成するアノードセパレータを示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、燃料電池を構成するカソードセパレータを示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、脈動運転によるアノードガスの圧力を示す波形図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、脈動回数とＭＥＡの許容応力との関係を示す図である。
【図６】図６は、一般的な高頻度振動換気による分子の拡散性を示す参考図である。
【図７Ａ】図７Ａは、振動流発生器による振動流の発生手法を示す観念図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、振動流発生器によるアノードガス圧力の変動を示す波形図である。
【図８】図８は、第２実施形態における振動流の生成手法を示す図である。
【図９】図９は、第３実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第４実施形態における振動流の生成手法を示す波形図である。
【図１１】図１１は、第５実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１２】図１２は、第６実施形態における振動流の生成手法を示す波形図である。
【図１３】図１３は、開閉弁の制御方法を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、排水要求の決定方法を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、燃料電池スタックの内部抵抗マップを示す図である。
【図１６】図１６は、燃料電池スタックに蓄積される液水量マップを示す図である。
【図１７】図１７は、排水要求時にアノードガス圧力を脈動させる制御手法の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、第７実施形態における振動流の生成手法を示す波形図である。
【図１９】図１９は、第８実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２０】図２０は、第９実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２１】図２１は、第１０実施形態における燃料電池システムの制御手法を示す図である。
【図２２】図２２は、第１１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタック２００を示す斜視図である。
【００１６】
燃料電池スタック２００は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータに電力を供給する電源として用いられる。燃料電池スタック２００は、複数枚の燃料電池（電池セル）を積層したものである。
【００１７】
燃料電池は、アノード電極（いわゆる燃料極）と、カソード電極（いわゆる酸化剤極）と、これらの電極に挟まれた電解質膜と、を備える。ここでは、積層された複数の燃料電池のひとつを「単セル」という。
【００１８】
燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（いわゆる燃料ガス）及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（いわゆる酸化剤ガス）を用いて発電する。燃料電池の電気化学反応、すなわち発電反応は、アノード電極及びカソード電極の両電極において、以下のとおり進行する。
【００１９】
アノード電極：  ２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−        ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
【００２０】
燃料電池スタック２００は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ及び２ｂと、一対の絶縁板３ａ及び３ｂと、一対のエンドプレート４ａ及び４ｂと、不図示の４本のテンションロッドに螺合するナット５と、を有する。
【００２１】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型の１枚の燃料電池である。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構造については図２を参照して後述する。
【００２２】
一対の集電板２ａ及び２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ及び２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成される。ガス不透過性の導電部材は、例えば緻密質カーボンである。集電板２ａ及び２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック２００は、出力端子６から単セル１ごとに生じた電子ｅ−を取り出して出力する。
【００２３】
一対の絶縁板３ａ及び３ｂは、集電板２ａ及び２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ及び３ｂは、絶縁性の部材で形成される。絶縁性の部材は例えばゴムである。
【００２４】
一対のエンドプレート４ａ及び４ｂは、絶縁板３ａ及び３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ及び４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼で形成される。
【００２５】
一対のエンドプレート４ａ及び４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。
【００２６】
ここで、アノードガス入口孔４２ａに水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法、又は、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。
【００２７】
なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が使用される。
【００２８】
ナット５は、燃料電池スタック２００の内部を貫通する４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック２００を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。
【００２９】
図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【００３０】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。
【００３１】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００３２】
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００３３】
アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００３４】
アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのアノードガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述する流路リブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック２００を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。
【００３５】
カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面（後述する流路リブ３５の頂面）３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンである。
【００３６】
なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６及び冷却水流路３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６及び冷却水流路３６によって１つの冷却水流路５１が形成される。
【００３７】
また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。
【００３８】
図３Ａは、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。
【００３９】
アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。
【００４０】
また、アノードセパレータ２０の表面には、アノードガス拡散部２１と、複数の溝状のアノードガス流路２４と、アノードガス合流部２７とが形成される。ここでは、アノードガス流路を、単に「ガス流路」という。
【００４１】
ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ２５の間に形成される流路である。なお、流路リブ２５の背面が、前述した冷却水流路２６となっている。流路リブ２５の側面２５ｂはテーパ状となっており、流路リブ頂面２５ａからガス流路底面２４ａへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、ガス流路２４を流れるガスの余分な乱流を抑制して圧力損失を低減している。
【００４２】
アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１には、アノードガスを各ガス流路２４へ均等に分配するために、アノードガス拡散部底面２１ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の突起状の拡散リブ２２２が格子状に形成される。
【００４３】
アノードガス合流部２７は、ガス流路２４とアノードガス出口孔４２ｂとの間に形成される。アノードガス合流部２７は、ガス流路２４からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。
【００４４】
アノードガス合流部２７には、アノードガス合流部底面２７ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ２８が形成される。アノードガス合流部２７は、この合流リブ２８によって複数の領域２９に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域２９を「ガス合流流路２９」という。
【００４５】
合流リブ２８は、ガス流路終端２４ｃからアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される。合流リブ２８は、アノードガス出口孔４２ｂへ行くほどガス合流流路２９の幅が狭くなるように形成される。合流リブ２８は、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ２８の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路２９の流路幅がガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長されている。
【００４６】
図３Ｂは、カソードセパレータ３０をカソード電極１１ｃ側から見た平面図である。
【００４７】
カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様の構成である。カソードセパレータ３０は、カソードガス拡散部３１と、カソードガス流路３４と、流路リブ３５と、カソードガス合流部３７とを有する。ここでは、カソードガス流路を単に「ガス流路」という。
【００４８】
カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２２が設けられる。カソードガス合流部３７には、合流リブ３８が設けられ、ガス合流流路３９が形成される。
【００４９】
カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ１１を介してアノードセパレータ２０と対向しているため、カソードセパレータ３０の一端側（図３Ｂの左側）は、アノードセパレータ２０の他端側（図３Ａの右側）となる。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図３Ｂの右側）が、アノードセパレータ２０の一端側（図３Ａの左側）となる。
【００５０】
したがって、カソードセパレータ３０の一端側（図３Ｂの左側）には、アノードセパレータ２０の他端側に形成される３つの孔と同じアノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図３Ｂの右側）にも、アノードセパレータ２０の一端側に形成される３つの孔と同じカソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。
【００５１】
図４は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。
【００５２】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２００にアノードガス及びカソードガスを供給すると共に、駆動モータなどの負荷に応じて燃料電池スタック２００を発電させる。本実施形態の燃料電池システム１００は、アノードガス非循環型の燃料電池システム、いわゆるアノードデッドエンドシステムである。
【００５３】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２００と、アノードガス供給装置３００と、コントローラ４００と、を備える。なお、燃料電池スタック２００にカソードガスを供給するカソードガス供給装置、及び燃料電池スタック２００を冷却する冷却装置については、本発明の主要部分ではないため、ここでは便宜上、図示を省略している。
【００５４】
燃料電池スタック２００は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けると共に、燃料電池スタック２００に接続される負荷に応じて発電する。燃料電池スタック２００では、積層された複数の単セル１が互いに直列に接続されているため、単セル１ごとに生じるセル電圧の総和が出力電圧となる。燃料電池スタック２００が発電した出力電力は、車両に搭載された駆動モータ等の各種電気機器（負荷）に供給される。
【００５５】
アノードガス供給装置３００は、高圧タンク３１０と、アノードガス供給通路３２０と、調圧弁３３０と、圧力センサ３４０と、アノードガス排出通路３５０と、バッファタンク３６０と、パージ通路３７０と、パージ弁３８０と、を備える。
【００５６】
高圧タンク３１０は、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００５７】
アノードガス供給通路３２０は、高圧タンク３１０から流れ出るアノードガスを燃料電池スタック２００に供給するために用いられる通路である。アノードガス供給通路３２０の一端部は高圧タンク３１０に接続され、他端部が、燃料電池スタック２００のアノードガス入口孔２１０に接続される。なお、アノードガス入口孔２１０は、図１及び図３Ａに示したアノードガス入口孔４２ａを連通した孔である。
【００５８】
調圧弁３３０は、アノードガス供給通路３２０に設けられる。調圧弁３３０は、高圧タンク３１０から押し出されるアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２００に供給する。調圧弁３３０は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁である。調圧弁３３０の開度は、コントローラ４００によって制御される。
【００５９】
圧力センサ３４０は、調圧弁３３０よりも下流のアノードガス供給通路３２０に設けられる。圧力センサ３４０は、アノードガス入口孔２１０を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、圧力センサ３４０で検出されるアノードガスの圧力は、バッファタンク３６０と、図３Ａに示したアノードガス流路２４とを含むアノード系全体の圧力として代用される。
【００６０】
アノードガス排出通路３５０は、燃料電池スタック２００のアノードガス出口孔２２０からアノードガスを排出する通路である。アノードガス排出通路３５０には、燃料電池スタック２００の発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソードガス流路３４からＭＥＡ１１を介してアノードガス流路２４にクロスリーク（透過）してきた窒素ガスや水蒸気などの不純物ガス（不活性ガス）と、が排出される。余剰のアノードガスと不純物ガスとの混合ガスのことを、以下「アノードオフガス」という。
【００６１】
バッファタンク３６０は、アノードガス排出通路３５０を通って流れてきたアノードオフガスを一時的に蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６０内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
【００６２】
パージ通路３７０は、バッファタンク３６０で分離された液水を排出する通路である。パージ通路３７０の一端部は、アノードガス排出通路３５０に接続され、パージ通路３７０の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６０に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７０を通って開口端から外気へ排出される。
【００６３】
パージ弁３８０は、パージ通路３７０に設けられる。パージ弁３８０は、連続的又は段階的に開度を調節可能な電磁弁である。パージ弁３８０の開度は、コントローラ４００によって制御される。コントローラ４００は、バッファタンク３６０内のアノードガス濃度が一定の値以下になるように、パージ弁３８０の開度を調節する。これにより、バッファタンク３６０からパージ通路３７０を介して外気へ排出されるアノードオフガスの排出量が調整される。
【００６４】
コントローラ４００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００６５】
コントローラ４００には、前述した圧力センサ３４０の他にも、燃料電池システム１００の運転状態を検出する各種センサの信号等が入力される。各種センサとしては、燃料電池スタック２００を冷却する冷却水の温度を検出する温度センサ４１０や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ４２０などがある。
【００６６】
コントローラ４００は、各種センサ等の入力信号に基づいて、調圧弁３３０及びパージ弁３８０を制御する。
【００６７】
例えば、コントローラ４００は、調圧弁３３０を周期的に開閉することにより、アノードガスの圧力を周期的に脈動させる脈動運転を実施する。これと共にコントローラ４００は、パージ弁３８０の開度を調節してバッファタンク３６０から排出されるアノードオフガスの流量を制御する。これにより、バッファタンク３６０内の不純物ガスの濃度が所定濃度以下に維持される。
【００６８】
このようにアノードガス非循環系の燃料電池システム１００では、パージ弁３８０で燃料電池スタック２００内にアノードガスを溜めた状態で発電する。そのため、アノードガス循環型の燃料電池システムに比べて燃料電池スタック２００の下流側に、カソードガス流路３４からＭＥＡ１１を介してアノードガス流路２４に透過してくる窒素ガスや、発電反応で生成される生成水などの不純物が滞留しやすい。
【００６９】
燃料電池スタック２００内に蓄積される不純物が増加すると、アノードガス流路２４内の不純物の濃度が高くなり、燃料電池スタック２００の発電効率が低下する。この対策として、調圧弁３３０の開度を制御してアノードガス圧力を脈動させることにより、アノードガス流路２４の下流側に存在する窒素ガスや生成水などの不純物を押し出している。
【００７０】
図５Ａは、脈動運転によるアノードガスの脈動圧力を示す図である。図５Ａでは、縦軸が、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスの圧力を示し、横軸が、時間を示す。なお、図５Ａでは、脈動流を連続して形成した例が示されている。
【００７１】
時刻ｔ１では、調圧弁３３０の開度が一時的に大きな値に設定され、これによってアノードガスの圧力が、脈動下限圧力から所定の脈動幅△Ｐｐ（例えば５０ｋＰａ）まで上昇する。
【００７２】
そして時刻ｔ２においてアノードガスの圧力が脈動上限圧力に到達すると、調圧弁３３０が閉じられる。その後、燃料電池スタック２００の発電に伴いアノードガスが消費されるため、アノードガスの圧力は徐々に低下する。
【００７３】
時刻ｔ３においてアノードガスの圧力が脈動下限圧力まで低下すると、再び調圧弁３３０が開かれる。
【００７４】
このように、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの脈動周期Ｔｐごとに、調圧弁３３０の開閉制御によって、アノードガスの圧力を脈動上限圧力まで上昇させその後に脈動下限圧力まで低下させる。これにより、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスの圧力が脈動する。
【００７５】
このような燃料電池システム１００では、アノードガス圧力の脈動幅△Ｐｐを大きくするほど、アノードガス流路２４に透過してきた不純物を押し出しやすくなるので、燃料電池スタック２００の発電領域内の不純物の濃度が下がり、発電に良好な状態となる。
【００７６】
しかしながら、アノードガス圧力の脈動幅△Ｐｐを大きくすると、アノードガスの脈動上限圧力とカソードガスの圧力との最大差圧によってＭＥＡ１１に生じる応力が大きくなり、その大きな応力が、アノードガス圧力の脈動によって繰り返しＭＥＡ１１にかかる。
【００７７】
図５Ｂは、アノードガス圧力の脈動回数とＭＥＡ１１の許容応力との関係を示す図である。図５Ｂでは、縦軸が、ＭＥＡ１１で許容可能な応力の限界値を示し、横軸が、ＭＥＡ１１にかかる最大差圧の繰り返し回数（振動回数）Ｎを示す。
【００７８】
図５Ｂに示すように、繰り返し回数Ｎが増えるほど、ＭＥＡ１１で許容できる応力の上限値は低下する。さらに、アノードガスの脈動上限圧力とカソードガス圧力との最大差圧が大きくなると、ＭＥＡ１１で許容できる繰り返し回数Ｎは少なくなってしまい、ＭＥＡ１１の耐久性能を低下させることになる。
【００７９】
ＭＥＡ１１に生じる応力は、アノードガス拡散部２１とアノードガス流路２４との境界部分や、アノードガス流路２４の外周部分に設けられたガスシール部材で特に大きくなる。これらの箇所でＭＥＡ１１の許容応力を超える応力が生じると、例えばガスシール部材が破れて、アノードガスや生成水などがリークしてしまう。
【００８０】
そのため、アノードガス流路２４に透過してきた窒素ガスを押し出すために、アノードガス圧力の脈動幅を大きくしようとすると、ＭＥＡ１１の耐久性が低下してしまう。
【００８１】
そこで本実施形態では、高頻度振動喚気（High Frequency Oscillation Ventilation：ＨＦＯＶ）法を利用して、燃料電池スタック２００内に振動流を発生させる。
【００８２】
高頻度振動換気法は、例えば人工呼吸器で使用されており、僅かな体積変化で肺の中の空気を換気する手法である。高頻度振動換気法では、人間が１分間に呼吸する回数よりも極めて高い頻度で肺にガスを送り込むことにより、１回で送り込むガスの換気量を減らした状態で肺の奥までガスを輸送することが可能になる。
【００８３】
図６は、一般的な高頻度振動換気法による分子の拡散特性を示す参考図である。図６では、横軸が、ガス中の分子に与えられる振動周波数αを示し、縦軸が、分子に与えられた振動によって拡散される分子の拡散性を示す。
【００８４】
分子の拡散性を表わす指標としては、実効拡散係数Ｄｅｆｆを分子拡散係数Ｄｍｏｌで除算した値が用いられている。実効拡散係数Ｄｅｆｆは、振動が与えられたガス中の分子を所定の距離だけ離れた地点で検出した結果から求められる実効値であり、分子拡散係数Ｄｍｏｌは、ガスが移動していない状態での分子の拡散性を表わす基準値である。
【００８５】
図６に示すように、分子の振動周波数αが数Ｈｚから十数Ｈｚまでの周波数範囲では、分子の拡散性（Ｄｅｆｆ／Ｄｍｏl）は、分子が振動していないときの拡散性Ｄｍｏｌに比べて、数十倍から数千倍のオーダーで著しく向上する。また、振動させる分子の濃度が高くなるほど、分子の拡散性（Ｄｅｆｆ／Ｄｍｏl）は向上する。
【００８６】
そこで本実施形態では、燃料電池スタック２００の下流側に窒素ガスが滞留するため、高頻度振動換気法を利用して、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスの水素分子を脈動周期Ｔｐよりも短い周期、つまり高い頻度で振動させて振動流を発生させる。
【００８７】
これにより、１回のアノードガス圧力の変動を抑えつつ、アノードガスの水素分子を燃料電池スタック２００の下流側まで送り込みやすくなる。
【００８８】
具体的には、図４に示すように、燃料電池スタック２００内に振動流を発生させる振動流発生器５００が、燃料電池システム１００に設けられる。振動流とは、燃料電池スタック２００内を流れるアノードガスの流れ方向に振動する波のことである。振動流発生器５００は、コントローラ４００によって制御される。
【００８９】
振動流発生器５００は、調圧弁３３０とアノードガス入口孔２１０との間のアノードガス供給通路３２０に設けられる。振動流発生器５００は、シリンダ５１１内を摺動すると共に圧力室５１２を形成するピストン５１３と、圧力室５１２とアノードガス供給通路３２０とを連通する連通路５１４と、を備える。
【００９０】
ピストン５１３は、電動モータ、例えばＡＣ（alternating current）サーボモータ等によって駆動される。圧力室５１２が収縮するようにピストン５１３が上昇する場合には、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスの流速が速くなる。一方、圧力室５１２が拡張するようにピストン５１３が下降する場合には、アノードガスの流速が遅くなる。
【００９１】
なお、振動流発生器５００としては、ピストンの代わりに空気流を振動流に変換する切換え弁、いわゆるロータリーバルブが用いられても良い。この場合には、ロータリーバルブを回転させることにより振動流を形成する。
【００９２】
振動流発生器５００で形成される振動流の振動周波数は、例えば高頻度振動換気の効果が得られる０．１Ｈｚ（ヘルツ）から数Ｈｚ程度の周波数である。この振動流の振動周波数、すなわち振動周波数の逆数で表わされる振動周期は、燃料電池スタック２００内のアノードガス流路２４の形状、流路長、流路幅や、アノードガスの粘性等によって変わるため、例えば、実験データや予測データに基づいて定められる。
【００９３】
また、振動流の形成に必要なアノードガス圧力の振幅は、アノードガスをアノードガスの流れ方向に振動させればよいので、図５Ａに示した脈動幅△Ｐｐに比べて小さくできる。そのため、振動流発生器５００によるアノードガス圧力の変動幅は、脈動幅△Ｐｐよりも１／５〜１／１０程度まで小さくできる。
【００９４】
図７Ａは、振動流発生器５００によって形成される振動流に関する観念図である。
【００９５】
振動流発生器５００では、ピストン５１３が高頻度振動換気の効果が現れる所定の振動周期で往復運動を繰り返す。具体的には、圧力室５１２が収縮するようにピストン５１３が上昇すると、アノードガスの圧力が上昇してアノードガスの流速が速くなる（増加する）。その後、圧力室５１２が拡張するようにピストン５１３が下降すると、アノードガスの圧力が低下してアノードガスの流速が遅くなる（低下する）。
【００９６】
またピストン５１３の往復運動中は、調圧弁３３０でアノードガスの圧力が一定に維持されているので、ＭＥＡ１１でアノードガスが消費されるに従って、横揺れしているアノードガスが高圧タンク３１０から燃料電池スタック２００へ移動する。
【００９７】
このように、ピストン５１３の往復運動によって、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスの流速が変化し、所定の振動周期でアノードガスに振動流が発生する。
【００９８】
図７Ｂは、振動流の発生に伴うアノードガス圧力の変動幅を示す図である。図７Ｂでは、振動流の波形が実線によって示され、振動流と比較するために、図５Ａに示した脈動流の波形が破線によって示されている。
【００９９】
図７Ｂに示すように、振動流の形成に必要なアノードガス圧力の振幅△Ｐｏは、脈動流の脈動幅△Ｐｐに比べて極めて小さい。本実施形態では、振動流発生器５００によるアノードガス圧力の変動幅△Ｐｏは、５ｋＰａ（キロパスカル）〜１０ｋＰａ程度で十分である。
【０１００】
また、振動流の振動周期Ｔｏは、脈動周期Ｔｐよりも短い周期であり、振動流についての振動回数の頻度は、脈動流の振動回数よりも高頻度である。本実施形態では、振動流の振動周波数は、０．１Ｈｚから１Ｈｚまでの周波数範囲において高頻度振動換気の効果が得られやすい。
【０１０１】
振動流発生器５００によって形成される振動流の高頻度振動換気の効果によって、アノードガス中の水素分子は拡散性が高くなるので、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスは、アノードガス流路２４の下流側へ拡散されやすくなる。
【０１０２】
さらに振動流発生器５００による振動流によって、アノードガス流路２４に滞留する窒素ガスも、アノードガスと共に振動するため、アノードガス流路２４の下流側から上流側へも窒素ガスが拡散され、アノードガスと窒素ガスとが混ざりやすくなる。
【０１０３】
以上のように、燃料電池システム１００では、アノードガス流路２４の下流側で窒素ガスが滞留するため、振動流発生器５００を駆動することにより、アノードガスの流れ方向に振動流を発生させる。
【０１０４】
この振動流によって高頻度振動換気の効果が現れるため、アノードガス圧力の僅かな振動でアノードガス供給通路３２０から流入するアノードガスが、燃料電池スタック２００の下流側に滞留する窒素ガスと混ざりやすくなる。
【０１０５】
そのため、アノードガス流路２４の下流側に滞留する窒素ガスの濃度が下がり、アノードガス流路２４全体に存在する窒素ガスの密度分布が均一化され、燃料電池スタック２００内の窒素濃度を全体的に下げることができる。
【０１０６】
したがって、アノードガス流路２４の下流側でアノードガスが不足して電解質膜１１ａのカーボンブラック粒子が発電反応に使用されてしまうことを回避できる。そのため、カーボンブラック粒子の減少に伴うＭＥＡ１１の発電性能の劣化を抑制することができる。
【０１０７】
さらに振動流発生器５００によるアノードガス圧力の変動幅△Ｐｏは、図５Ａに示した脈動幅△Ｐｐに比べて５分の１〜１０分の１程度まで小さくできる。このため、ＭＥＡ１１に生じる応力を、脈動流を発生させるときよりも小さくできるので、ＭＥＡ１１の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１０８】
したがって、アノードガスの濃度を均一にしつつ、アノードガスの圧力変動を小さく抑えることができる。すなわち、燃料電池スタック２００の発電性能を維持しつつ、ＭＥＡ１１の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１０９】
本発明の第１実施形態によれば、振動流発生器５００がアノードガス供給通路３２０に接続され、振動流発生器５００に設けられたピストン５１３の往復運動によって、アノードガスの流れ方向に振動流を発生させる。振動流の振動周期Ｔｏは、燃料電池スタック２００内のアノードガス流路２４において高頻度振動換気の効果が得られる所定の周期に設定される。
【０１１０】
アノードガス流路２４に振動周期Ｔｏの振動流を発生させることにより、アノードガスの水素分子の拡散性が高くなるので、アノードガスが燃料電池スタック２００の下流側まで拡散しやすくなる。このため、アノードガス流路２４の下流側に滞留した窒素ガスは、アノードガスとミキシングされやすくなり、アノードガス流路２４の上流側へ広がることになる。
【０１１１】
したがって、燃料電池スタック２００内のアノードガス濃度が均一になり、全体的に窒素濃度を下げることができる。
【０１１２】
さらに振動流発生器５００で振動流を発生させることによって、燃料電池スタック２００内の窒素濃度を均一にしつつ、振動流の発生に伴うアノードガスの圧力変動△Ｐｏを、図５Ａに示した脈動幅ΔＰｐより数倍も小さくできる。
【０１１３】
このため、振動流によるアノードガスの上限圧力とカソードガスの圧力との最大差圧によって生じるＭＥＡ１１の応力を小さくできるので、ＭＥＡ１１の耐久性能の低下を抑制することができる。
【０１１４】
なお、高頻度振動換気の効果が特に大きくなる振動周期Ｔｏは、アノードガスの流動性と、アノードガス流路２４の流路長や幅などの形状とによって変わる。そのため振動流の振動周期Ｔｏは、アノードガス流路２４の形状とアノードガスの粘性とによって定めることが可能である。このように振動周期Ｔｏを定めることにより、アノードガス流路２４に適した振動周期Ｔｏを設定できるようになるので、アノードガスの拡散性をより一層高めることができる。
【０１１５】
また、本実施形態では振動流発生器５００は、発電に伴う生成水を排出するのに必要な脈動幅△Ｐｐよりも小さな振幅△Ｐｏで振動流を発生させる。これにより、燃料電池スタック２００内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との最大差圧を小さくできるので、ＭＥＡ１１の耐久性の低下を抑制できる。
【０１１６】
また、本実施形態では振動流発生器５００は、燃料電池スタック２００よりも上流のアノードガス供給通路３２０に設けられる。このため、燃料電池スタック２００で生成される水蒸気が、振動流発生器５００へ到達することはなくなる。
【０１１７】
したがって、燃料電池システム１００が零下で使用される環境において、凝縮した水蒸気が氷結して振動流発生器５００が凍結することを防止できる。このため、振動流発生器５００に対する凍結対策を燃料電池システム１００に施す必要がなくなる。
【０１１８】
（第２実施形態）
燃料電池スタック２００のアノードガス流路２４には、窒素ガスの他に発電によって生成された生成水も滞留する。一般的に、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガス圧力の昇圧速度を速くするほど、アノードガス流路２４内に存在する生成水を排出しやすくなる。
【０１１９】
そこで第２実施形態では、振動流発生器５００を制御してアノードガスの昇圧速度をアノードガスの降圧速度よりも速くする。なお、本実施形態の燃料電池システムは、図４に示した燃料電池システム１００の構成と同じである。以下、図４と同じ構成については、図４で示した符号を付して説明する。
【０１２０】
具体的には振動流発生器５００において、ピストン５１３を上昇させるときの上昇速度が、ピストン５１３を下降させるときの下降速度よりも速くなるように、ピストン５１３の往復運動が設定される。
【０１２１】
図８は、本発明の第２実施形態における振動流の生成方法を示す図である。図８（ａ）は、アノードガス入口孔２１０を流れるアノードガスの流速の変化を示す図である。図８（ｂ）は、アノードガス入口孔２１０を流れるアノードガスの圧力の変化を示す図である。また、図８（ａ）及び図８（ｂ）の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１２２】
時刻ｔ１１において、振動流発生器５００で圧力室５１２が収縮するようにピストン５１３が上昇するので、図８（ａ）に示すように、アノードガスの流速が尖鋭的に上昇する。
【０１２３】
時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの上昇期間では、図８（ｂ）に示すように、ピストン５１３の上昇に伴いアノードガスの圧力が急激に上昇する。
【０１２４】
時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの下降期間では、アノードガスの流速が変わらないようにピストン５１３の上昇速度よりも遅い速度でピストン５１３が下降する。このとき、発電反応によってアノードガスが消費されて、高圧タンク３１０から燃料電池スタック２００へアノードガスが移動するので、図８（ｂ）に示すように、アノードガスの圧力は、アノードガスの昇圧速度よりも遅い速度で降下する。
【０１２５】
このように第２実施形態によれば、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガス圧力の昇圧速度を、アノードガス圧力の降圧速度よりも速くする。これにより、窒素ガスの拡散を促進すると共に、アノードガス流路２４の下流側に滞留する生成水を排出することができる。
【０１２６】
なお、本実施形態ではピストン５１３が上死点（圧力室５１２が最も収縮する状態）に達した後直ぐにピストン５１３を下降させる例について説明したが、ピストン５１３が上死点に達してから所定時間を経過した後にピストン５１３を下降させさてもよい。所定時間待機させることにより、アノードガスの圧力を十分に昇圧することができるので、燃料電池スタック２００から生成水をより排出しやすくなる。
【０１２７】
（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０１の構成を示す図である。
【０１２８】
燃料電池システム１０１では、振動流発生器５００が燃料電池スタック２００の下流側に設けられている。すなわち、図４に示した燃料電池システム１００に対して振動流発生器５００の位置が異なる。また、燃料電池スタック２００には、図３Ａに示したアノードガス出口孔４２ｂと連通する連通孔２３０が、アノードガス出口孔２２０に対して反対側に形成されている。それ以外の構成は、燃料電池システム１００と同じである。
【０１２９】
振動流発生器５００は、燃料電池スタック２００の連通孔２３０に接続される。すなわち、振動流発生器５００は、燃料電池スタック２００に形成されたアノードガス流路２４の下流側に接続されている。
【０１３０】
第３実施形態によれば、アノードガス流路２４の下流側に滞留した窒素ガスを直接振動させることができるので、第１実施形態に比べて窒素ガスの拡散性をより向上させることができる。
【０１３１】
なお、本実施形態ではアノードガス出口孔２２０に対して反対側に振動流発生器５００を配置する例について説明したが、これに限られるものではない。振動流発生器５００によってアノードガスに振動流を発生させることができれば良く、例えば、アノードガス排出通路３５０に振動流発生器５００を設けてもよい。
【０１３２】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態では、振動流発生器５００に調圧弁３３０を協調させて、振動流の昇圧を同時に行う。本実施形態の燃料電池システムの構成は、図４に示した燃料電池システム１００と同じである。
【０１３３】
図１０は、第４実施形態における振動流発生器５００及び調圧弁３３０の制御方法を示す図である。
【０１３４】
図１０では、振動流発生器５００及び調圧弁３３０で協調してアノードガスを昇圧したときの振動流が実線によって示され、比較のために振動流発生器５００のみでアノードガスを昇圧したときの振動流が破線によって示されている。また、縦軸がアノードガス入口孔２１０を流れるアノードガスの圧力を示し、横軸が時間を示す。
【０１３５】
時刻ｔ２１から時刻ｔ２２までの期間において振動流発生器５００で圧力室５１２が収縮するようにピストン５１３が上昇する。この期間にコントローラ４００は、調圧弁３３０の開度を、要求電力に基づく目標開度よりも大きくする。要求電力は、駆動モータなどの負荷の駆動に要求される電力である。
【０１３６】
これにより、アノードガス圧力を振動幅ΔＰｏまで昇圧させるときの昇圧速度を、振動流発生器５００のみでアノードガスを昇圧するときよりも速くすることができる。
【０１３７】
第４実施形態によれば、振動流発生器５００でピストン５１３の往復運動が繰り返されている状況において、コントローラ４００は、振動流発生器５００でアノードガスを昇圧するタイミングで調圧弁３３０の開度を大きくする。
【０１３８】
このように、振動流を発生させるため、振動流発生器５００及び調圧弁３３０によって共同でアノードガス圧力を昇圧することにより、アノードガスの圧力を振動流の上限圧力まで昇圧するときの昇圧速度をさらに速くすることができる。これにより、アノードガス流路２４に滞留する窒素ガスの分布が均一化されると共に、アノードガス流路２４から生成水をより一層排出しやすくなる。
【０１３９】
上記実施形態では1個の振動流発生器５００を燃料電池システム１００及び１０１に設ける例について説明したが、振動流発生器５００の個数については２個以上でもよい。そこで２つの振動流発生器５００を用いる例について説明する。
【０１４０】
（第５実施形態）
図１１は、本発明の第５実施形態における燃料電池システム１０２の構成を示す図である。
【０１４１】
燃料電池システム１０２は、振動流発生器５００に加えて振動流発生器５０１を備えている。なお、燃料電池システム１０２のうち振動流発生器５０１以外の構成は、図４に示した燃料電池システム１００と同じである。
【０１４２】
振動流発生器５０１は、図１０に示した振動流発生器５００と同じように、燃料電池スタック２００の下流側に設けられる。具体的には、振動流発生器５０１の連通路５２４が、燃料電池スタック２００の連通孔２３０に接続される。振動流発生器５０１は、振動流発生器５００と同じ構成である。
【０１４３】
また振動流発生器５０１は、振動流発生器５００によるアノードガス流れ方向の振幅が大きくなるように、振動流発生器５００と同じ振動周期Ｔｏでシリンダ５２１内のピストン５２３を往復運動させる。
【０１４４】
具体的には、振動流発生器５００で圧力室５１２が収縮するようにピストン５１３が上昇するときに、振動流発生器５０１で圧力室５２２が拡張するようにピストン５２３を下降させる。すなわち、振動流発生器５００がアノードガス流路２４よりも上流のアノードガスの圧力を降圧しているときに振動流発生器５０１は、アノードガス流路２４よりも下流のアノードガスを昇圧する。
【０１４５】
そして振動流発生器５００で圧力室５１２が拡張するようにピストン５１３が下降するときに、振動流発生器５０１で圧力室５２２が収縮するようにピストン５２３を上昇させる。すなわち、振動流発生器５００がアノードガス流路２４よりも上流のアノードガスの圧力を昇圧しているときに振動流発生器５０１は、アノードガス流路２４よりも下流のアノードガスの圧力を降圧する。
【０１４６】
このように振動流発生器５００で往復運動するピストン５１３の振動に対し、振動流発生器５０１で往復運動するピストン５２３の振動の位相を１８０度ずらすことにより、振動周期Ｔｏの振動流のアノードガス流れ方向の振幅の減衰を抑制することができる。
【０１４７】
なお、本実施形態では互いに独立した振動流発生器５００及び振動流発生器５０１を設ける例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、ピストン５１３の往復運動が１８０度ずれるようにピストン５２３を駆動可能にする機構を備える一体型の振動流発生器を用いても良い。あるいは、１つのピストンで２つの圧力室が形成され、ピストンが摺動することで一方の圧力室が収縮すると他方の圧力室が拡張するような構成の振動流発生器を用いても良い。
【０１４８】
第５実施形態によれば、燃料電池システム１０２には、燃料電池スタック２００よりも上流に第１の振動流発生器５００が設けられ、燃料電池スタック２００の下流側に第２の振動流発生器５０１が設けられる。そして振動流発生器５００に対して振動流発生器５０１の位相を１８０度ずらして駆動することにより、振動周期Ｔｏの振動流についてのアノードガス流れ方向の振幅を大きくする。
【０１４９】
これにより、振動流発生器５００で燃料電池スタック２００よりも上流のアノードガスが加圧される場合には、振動流発生器５０１によって燃料電池スタック２００の下流側のアノードガスが減圧されることになる。このため、振動周期Ｔｏの振動流を発生させることに伴う、燃料電池スタック２００内のアノードガス圧力の上昇が抑えられるので、ＭＥＡ１１にかかる応力を軽減することができる。また、燃料電池スタック２００内のアノードガス流路２４全体に生じる振動流の振幅を均一化することができる。よって、高頻度振動換気の効果がより得られやすくなる。
【０１５０】
また、第１から第４実施形態までの各実施形態と同様に、カソードガス流路３４からアノードガス流路２４に透過してきた窒素ガスが、振動周期Ｔｏの振動流によって拡散されるので、アノードガス流路２４内の窒素濃度が均一になる。このため、全体的に窒素濃度が下がるので、燃料電池スタック２００の発電効率の低下を抑制できる。
【０１５１】
なお、本実施形態では、振動流発生器５００及び振動流発生器５０１を同一の振動周期Ｔｏでアノードガスに振動流を発生させる例について説明したが、互いに異なる振動周期で振動流を発生させてもよい。
【０１５２】
例えば、振動流発生器５００では、水素分子の拡散性が高まる振動周期Ｔｏでピストン５１３を振動させ、振動流発生器５０１では、アノードガス流路２４の下流側に滞留する窒素分子の拡散性が高まる振動周期でピストン５２３を振動させてもよい。
【０１５３】
あるいは、振動流発生器５００で発生させる振動流と、振動流発生器５０１で発生させる振動流とを合成して新たな振動周期の振動流を発生させてもよい。これにより、燃料電池スタック２００の運転状態に応じて、アノードガスの拡散性が高くなるように振動周期の異なる振動流を発生させることが可能になる。
【０１５４】
次に他の実施形態について説明する。アノードデッドエンドシステムでは、発電によって生成される生成水である液水がアノードガス流路２４の下流側に溜まりやすい。この液水を排出するのに振幅ΔＰｏの振動流を発生させただけでは、アノードガスの圧力変動が小さいため、生成水の排水性を確保することが困難である。この対策について本発明の第６実施形態で説明する。
【０１５５】
（第６実施形態）
図１２は、本発明の第６実施形態における燃料電池システム１０３の構成を示す図である。
【０１５６】
本実施形態では、コントローラ４００は、調圧弁３３０の開度を制御して、生成水を排出するために必要な脈動幅ΔＰｐでアノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施する。具体的には、図５Ａで示したように脈動流を発生させる。これにより、振動流発生器５００で発生させる振幅ΔＰｏの振動流だけでは排出が困難な生成水を押し出すことができる。
【０１５７】
燃料電池システム１０３は、図４に示した燃料電池システム１００の構成に加えて開閉弁５３０を備える。開閉弁５３０以外の構成については、燃料電池システム１００と同じであるため、ここでの説明を省略する。
【０１５８】
開閉弁５３０は、燃料電池スタック２００のアノードガス入口孔２１０と、振動流発生器５００に形成される圧力室５１２とを連通するための連通路５１４に設けられる。
【０１５９】
開閉弁５３０は、調圧弁３３０によって振動流発生器５００に加えられるアノードガスの脈動上限圧力を遮断する。すなわち、開閉弁５３０は、脈動運転に伴う圧力変動によって振動流発生器５００を保護するために用いられる。開閉弁５３０は、例えば電磁弁により実現される。
【０１６０】
開閉弁５３０は、コントローラ４００によって制御される。開閉弁５３０の制御方法については図１３を参照して後述する。
【０１６１】
図１３は、コントローラ４００による開閉弁５３０の制御方法を示すフローチャートである。この制御方法は、所定間隔（例えば１００ｍｓ）で繰り返し実行される。
【０１６２】
ステップＳ９０１において、コントローラ４００は、負荷である駆動モータ等から要求される要求電力に基づいて、発電に必要なアノードガスの要求圧力を算出する。例えば、要求電力が大きくなるほど、コントローラ４００は、大きな要求圧力を算出する。コントローラ４００は、その要求圧力をアノードガスの目標圧力に設定し、圧力センサ３４０で検出された圧力値が目標圧力となるように、調圧弁３３０の開度をフィードバック制御する。すなわち、コントローラ４００は通常の圧力制御を実行する。
【０１６３】
ステップＳ９０２においてコントローラ４００は、振動流発生器５００のピストン５１３を駆動する。これにより、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスに対して振動周期Ｔｏの振動流を発生させることができる。
【０１６４】
次にステップＳ９０３においてコントローラ４００は、燃料電池スタック２００内に蓄積した液水を排出する必要があるか否か、すなわち生成水の排水要求の有無を判断する。そしてコントローラ４００は、生成水の排水要求が無い場合にはステップＳ９０１に戻り、生成水を排水する必要があると判断されるまで、ステップＳ９０１及びＳ９０２の処理を繰り返す。なお、排水要求の判断については、図１４を参照して後述する。
【０１６５】
ステップＳ９０４において、コントローラ４００は、生成水を排出する必要があると判断した場合には、開閉弁５３０を閉じる。これにより、脈動運転によって振動流発生器５００に加圧されるアノードガスの圧力変動ΔＰｐを防ぐことができるので、振動流発生器５００の故障の発生を抑制できる。
【０１６６】
ステップＳ９０５においてコントローラ４００は、アノードガス圧力の脈動運転を開始する。すなわちコントローラ４００は、生成水を排出する必要があると判断した場合には、アノードガスの目標圧力を脈動上限圧力に設定する。
【０１６７】
具体的には、コントローラ４００は、負荷から要求される要求電力に基づいて生成水の排水に必要な脈動幅ΔＰｐを算出し、その脈動幅ΔＰｐを、ステップＳ９０２で算出された要求圧力に加算してアノードガスの脈動上限圧力を算出する。コントローラ４００は、その算出した脈動上限圧力をアノードガスの目標圧力に設定し、圧力センサ３４０で検出された圧力値が目標圧力となるように、調圧弁３３０の開度をフィードバック制御する。
【０１６８】
ステップＳ９０６においてコントローラ４００は、圧力センサ３４０で検出された圧力値がアノードガスの目標圧力に到達すると、アノードガスの目標圧力を要求電力に基づく要求圧力に設定する。そしてコントローラ４００は、圧力センサ３４０で検出される電圧値が目標圧力となるように、調圧弁３３０の開度をフィードバック制御する。すなわち、脈動運転から通常の圧力制御に復帰する。
【０１６９】
ステップＳ９０７においてコントローラ４００は、圧力センサ３４０で検出される電圧値が目標圧力まで低下した場合には、開閉弁５３０を開き、連通路５１４を介して振動周期Ｔｏの振動流をアノードガスに発生させる。そしてコントローラ４００は、開閉弁５３０の制御方法を終了する。
【０１７０】
図１４は、発電に伴う生成水を排出するための排水要求の決定方法を示すフローチャートである。この決定方法は、所定間隔（例えば１００ｍｓ）で繰り返し実行される。
【０１７１】
ステップＳ９１１においてコントローラ４００は、温度センサ４１０で検出された冷却水の温度を取得する。ここでは温度センサ４１０は、燃料電池スタック２００から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。
【０１７２】
ステップＳ９１２においてコントローラ４００は、負荷から要求される要求電力を取得する。
【０１７３】
例えば、コントローラ４００は、アクセルストロークセンサ４２０で検出された踏み込み量に基づいて、駆動モータから要求される電力値を算出し、駆動モータの電力値と、燃料電池スタック２００の運転に必要な補機類の消費電力値とを加算する。コントローラ４００は、その加算した値を、負荷からの要求電力として取得する。
【０１７４】
あるいは、コントローラ４００は、駆動モータに供給される電圧値及び電流値を測定して駆動モータの実際の電力値を算出し、実際の電力値と補機類の消費電力とを加算した値を負荷の要求電力として用いても良い。
【０１７５】
なお、燃料電池スタック２００に加え、電力供給源としてバッテリを設けたシステムでは、要求電力にバッテリの充放電電力の目標値を加算してもよい。また補機類は、燃料電池スタック２００にカソードガスを供給するコンプレッサなどである。
【０１７６】
ステップＳ９１３においてコントローラ４００は、燃料電池スタック２００に対する要求電力とスタック出口水温とに基づいて、燃料電池スタック２００の内部抵抗値、いわゆるＨＦＲ（High Frequency Resistance）を取得する。
【０１７７】
例えば、燃料電池スタック２００に対する要求電力と内部抵抗値とを互いに対応付けた内部抵抗マップが、スタック出口水温ごとに予めコントローラ４００に記憶されている。そしてコントローラ４００は、要求電力の算出値とスタック出口水温の検出値とを取得すると、そのスタック出口水温の検出値によって特定される内部抵抗マップを参照し、要求電力の算出値に対応付けられた内部抵抗値を取得する。なお、内部抵抗マップについては、図１５を参照して後述する。
【０１７８】
なお、燃料電池スタック２００の内部抵抗値は、内部抵抗測定装置を用いて検出することも可能である。内部抵抗測定装置は、燃料電池スタック２００のアノード電極側出力端子６、及びカソード電極側出力端子６のそれぞれに高周波（例えば１ｋＨｚ）の交流電流を供給する。そして内部抵抗測定装置は、アノード電極側出力端子６と、燃料電池スタック２００に設けられた中途端子との端子間に生じるアノード側の交流電圧を検出すると共に、カソード電極側出力端子６と中途端子との端子間に生じるカソード側の交流電圧を検出する。なお、中途端子は、アノード電極側出力端子６の電位と、カソード電極側出力端子６の電位との中間の電位が出力される端子である。内部抵抗測定装置は、アノード側の交流電圧とカソード側の交流電圧とが互いに等しくなるように、アノード電極側出力端子６、及びカソード電極側出力端子６に供給する交流電流の振幅を調整しつつ、交流電圧及び交流電流の検出値に基づいて内部抵抗値を算出する。内部抵抗測定装置は、その内部抵抗値をコントローラ４００に出力する。
【０１７９】
ステップＳ９１４においてコントローラ４００は、燃料電池スタック２００の内部抵抗値を用いて、燃料電池スタック２００内に蓄積された液水の量を推定する。
【０１８０】
例えば、コントローラ４００には、燃料電池スタック２００の内部抵抗値と単セル１内の液水量とを互いに対応付けた液水量マップが、予め記憶されている。そしてコントローラ４００は、内部抵抗値を取得すると、その内部抵抗値に対応付けられた液水量を液水量マップから推定する。なお、液水量マップについては、図１６を参照して後述する。
【０１８１】
このようにしてコントローラ４００は、燃料電池スタック２００に対する要求電力とスタック出口水温とに基づいて、単セル１の液水量すなわち電解質膜１１ａの湿潤度を推定する。
【０１８２】
ステップＳ９１５においてコントローラ４００は、単セル１内の液水量を取得すると、その液水量に基づいて、生成水の排水が必要であるか否かを決定する。
【０１８３】
例えば、コントローラ４００は、推定した液水量が所定の排水閾値を超えた場合には、生成水を排水する必要があると判断し、排水要求情報を設定する。そして排水要求情報が設定されると、図１４に示したステップＳ９０４の処理が実行される。このように燃料電池スタックの発電状態、例えば要求電力及び温度に応じて排水量を補正するので、精度の高い排水要求を出すことができ、無用な排水要求を抑制できる。なお、排水閾値は、システム設計に応じて適宜設定される。
【０１８４】
ステップＳ９１５が終了すると、排水要求の決定方法の一連の処理が終了する。
【０１８５】
図１５は、コントローラ４００に設定される内部抵抗マップの一例を示す図である。図１５では、横軸が、負荷から要求される要求電力を示し、縦軸が、燃料電池スタック２００の内部抵抗値を示す。
【０１８６】
内部抵抗マップでは、要求電力が小さくなるほど、内部抵抗値は指数関数的に大きくなる。また、同一の要求電力においては、スタック出口水温が高くなるほど、内部抵抗値は大きくなる。なお、内部抵抗マップは、実験データ等によって設定される。
【０１８７】
図１６は、コントローラ４００に設定される液水量マップの一例を示す図である。図１６では、横軸が、燃料電池スタック２００の内部抵抗値を示し、縦軸が、単セル１内の液水量を示す。
【０１８８】
液水量マップでは、内部抵抗値が大きくなるほど、単セル１内の液水量は少なくなる。なお、内部抵抗マップは、実験データ等によって設定される。
【０１８９】
図１７は、排水要求時にアノードガスの圧力を脈動させる制御手法の一例を示す図である。アノードガス圧力の変化を示す図である。また、図１７では、横軸が時間を示し、縦軸がアノードガス入口孔２１０を流れるアノードガスの圧力を示す。
【０１９０】
時刻ｔ３１前は、開閉弁５３０が開いた状態であり、振動流発生器５００のピストン５１３によって、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスが振幅ΔＰｏで昇降圧されて振動周期Ｔｏの振動流が形成される。本実施形態では図８（ｂ）に示したように、アノードガス圧力の昇圧速度を降圧速度よりも速くして、燃料電池スタック２００から生成水を排出しやすくしている。
【０１９１】
時刻ｔ３１では、図１４で示した排水要求の決定方法によって排水要求情報が設定され、コントローラ４００は、開閉弁５３０を完全に閉じる。そしてコントローラ４００は、アノードガスの目標圧力を脈動上限圧力の算出値に設定し、圧力センサ３４０で検出された圧力値が目標圧力となるように調圧弁３３０をフィードバック制御する。
【０１９２】
その後、圧力センサ３４０で検出された圧力値が脈動上限圧力に達すると、コントローラ４００は、負荷から要求される要求電力に基づいてアノードガスの要求圧力を脈動下限圧力として算出し、その脈動下限圧力をアノードガスの目標圧力に設定する。そしてコントローラ４００は、圧力センサ３４０で検出された圧力値が目標圧力となるように調圧弁３３０をフィードバック制御する。
【０１９３】
時刻ｔ３２では、圧力センサ３４０で検出された圧力値が脈動下限圧力まで低下するので、開閉弁５３０を開ける。これにより、振動流発生器５００によって、燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスに振動周期Ｔｏの振動流が形成される。
【０１９４】
このようにコントローラ４００は、生成水の排水要求に応じて開閉弁５３０を全閉に切替え、調圧弁３３０を制御して脈動幅ΔＰｐでアノードガスを脈動させた後に開閉弁５３０を全開にする。
【０１９５】
第６実施形態によれば、調圧弁３３０を制御してアノードガスの圧力を脈動させることにより、振動流発生器５００で発生させる振幅ΔＰｏの圧力変動だけでは排出が困難な液水を押し出すことができる。
【０１９６】
したがって、振幅ΔＰｏの振動流によってアノードガス流路２４に滞留した窒素ガスを均一化しつつ、振幅ΔＰｏよりも大きな脈動幅ΔＰｐの脈動流によって、アノードガス流路２４に蓄積された液水を排出することができる。
【０１９７】
また、図７Ｂに示したような燃料電池システムでは、アノードガス流路２４に存在する液水だけでなく、窒素ガスなどの不純物についても脈動幅ΔＰｐの脈動流によって排出する。
【０１９８】
これに対して、本実施形態では、振幅ΔＰｏの振動流によってアノードガス流路２４に滞留した窒素ガスを均一化しているので、窒素ガスを排出するために脈動させていた脈動流の発生回数を減らすことができる。これにより、ＭＥＡ１１の耐久性の低下を抑制することができる。
【０１９９】
また、本実施形態では、連通路５１４に開閉弁５３０が設けられている。そしてコントローラ４００は、排水要求時には開閉弁５３０を閉じてからアノードガスの圧力を脈動させ、その後に開閉弁５３０を開き、振動流発生器５００によって燃料電池スタック２００に供給されるアノードガスに振動流を発生させる。
【０２００】
これにより、振動流発生器５００に加えられる脈動流の圧力変動ΔＰｐを回避できるので、振動流発生器５００の故障を抑制することができる。
【０２０１】
また、アノードガスの圧力を脈動させている間は開閉弁５３０を閉じることにより、脈動幅ΔＰｐの脈動流と振幅ΔＰｏの振動流とが合成されるのを防ぐことができる。
【０２０２】
これにより、振動流発生器５００によるアノードガスの昇圧によって、アノードガスの圧力が本来の脈動上限圧力を超えてしまい、ＭＥＡ１１の耐久性が低下するのを抑制できる。さらに、振動流発生器５００によるアノードガスの降圧によって、アノードガスの圧力が本来の脈動下限圧力よりも低くなり過ぎてしまい、燃料電池スタック２００の発電効率が低下することを防止できる。
【０２０３】
また、液水の排水要求に応じて開閉弁５３０を制御することにより、ピストン５１３の往復運動を排水要求の有無にかかわらず、継続することが可能となる。このため、燃料電池システム１０３の運転中に、排水要求に応じて振動流発生器５００を精度良く停止又は開始させる必要がないので、安価な部品を用いることができる。
【０２０４】
なお、本実施形態では調圧弁３３０を利用してアノードガスの圧力を脈動させる例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、図１１に示したように振動流発生器５０１を燃料電池スタック２００の下流側に設け、調圧弁３３０の代わりに、振動流発生器５０１によってアノードガスの圧力を脈動させるようにしてもよい。
【０２０５】
また、本実施形態では、図１７に示したように排水要求を受けた場合に脈動幅ΔＰｐの脈動流を１回発生させる例について説明したが、排水要求時において脈動幅ΔＰｐの脈動流を複数回発生させるようにしてもよい。
【０２０６】
また、上記実施形態ではアノードガス非循環型の燃料電池システムを例にして説明したが、本発明はアノードガス循環型の燃料電池システムにも適用することができる。
【０２０７】
（第７実施形態）
図１８は、本発明の第７実施形態における燃料電池システム１０４の構成を示す図である。
【０２０８】
燃料電池システム１０４は、アノードガス循環型の燃料電池システムである。燃料電池システム１０４は、図４に示した燃料電池システム１００の構成に加えて循環通路６１０とエゼクタ６２０とを備えている。また、燃料電池スタック２００には、アノードガス出口孔２２１と反対に連通孔２３１が設けられている。
【０２０９】
循環通路６１０は、燃料電池スタック２００の連通孔２３１から流れ出るアノードガスをアノードガス供給通路３２０に循環させる通路である。循環通路６１０は、調圧弁３３０と振動流発生器５００との間のアノードガス供給通路３２０から分岐して、燃料電池スタック２００の連通孔２３１に接続される。
【０２１０】
エゼクタ６２０は、アノードガス供給通路３２０に循環通路６１０が合流する部分に設けられる。エゼクタ６２０は、調圧弁３３０から流入するアノードガスの流速を速めることによって、循環通路６１０のアノードガスを吸入して燃料電池スタック２００にアノードガスを供給する機械式のポンプである。
【０２１１】
コントローラ４００は、燃料電池スタック２００の負荷から要求される要求電力に応じて、調圧弁３３０を制御して燃料電池スタック２００のアノードガス入口孔２１０に供給するアノードガスの圧力を調整する。
【０２１２】
一般的に、燃料電池スタック２００対する要求電力が低いときには、エゼクタ６２０に流入するアノードガスの圧力は低くなる。このため、エゼクタ６２０においては、調圧弁３３０から燃料電池スタック２００のアノードガス入口孔２１０へ流れるアノードガスの流速が遅くなり、循環通路６１０を循環するアノードガスが吸入されにくくなる。その結果、循環通路６１０を流れるアノードガスの循環が悪くなり、燃料電池スタック２００内のアノードガス流路２４に透過してくる窒素ガスや水蒸気などの不活性ガスが局所的に滞留しやすくなる。
【０２１３】
また、エゼクタ６２０に流入するアノードガスの圧力が低くても高くても、循環通路６１０からアノードガスを吸入して燃料電池スタック２００に循環させるには、設計精度の高いエゼクタを用いるか、複数のエゼクタを多段構成にしなかればならない。このような対策ではシステムの製造コストが高くなってしまう。
【０２１４】
この対策として本実施形態では、振動流発生器５００がエゼクタ６２０よりも下流のアノードガス供給通路３２０に設けられている。これにより、燃料電池スタック２００へ供給されるアノードガスに対して振動周期Ｔｏの振動流が生じるので、局所的に窒素ガスが滞留しても、振動流によって窒素ガスを拡散させることができる。
【０２１５】
したがって、エゼクタ６２０を多段構成にすることなく、燃料電池スタック２００内のアノードガス濃度が均一化されて全体的に窒素ガスの濃度が下がるので、燃料電池スタック２００の発電効率の低下を低減することができる。すなわち、製品コストの増加を抑制しつつ、エゼクタ６２０の使用に伴う燃料電池スタック２００の発電効率の低下を低減することができる。
【０２１６】
また、振動流発生器５００がアノードガス供給通路３２０に接続されることにより、振動流によって各単位セル１にアノードガスが分配されやすくなる。すなわち、各単位セル１へのアノードガスの分配量の偏りを抑制することができる。
【０２１７】
（第８実施形態）
図１９は、本発明の第８実施形態における燃料電池システム１０５の構成を示す図である。
【０２１８】
燃料電池システム１０５では、振動流発生器５００が燃料電池スタック２００の上流側であってアノードガス入口孔２１０と反対側に設けられている。すなわち、図１８に示した燃料電池システム１０４に対して振動流発生器５００の位置が異なる。また、燃料電池スタック２００には、図３Ａに示したアノードガス入口孔４２ａと連通する連通孔２４０が、アノードガス入口孔２１０に対して反対に形成されている。それ以外の構成は、燃料電池システム１０４と同じである。
【０２１９】
振動流発生器５００は、燃料電池スタック２００の連通孔２４０に接続される。なお、アノードガス入口孔２１０から連通孔２４０までの通路は、エゼクタ６２０から供給されるアノードガスを複数の単セル１のそれぞれに分配する分配通路であり、単セル１に設けられたアノードガス入口孔４２ａが積層されて形成されたものである。
【０２２０】
一般的に、燃料電池スタック２００対する要求電力が低いときには、エゼクタ６２０に流入するアノードガスの圧力は低くなり、アノードガス入口孔２１０へ流れるアノードガスの流速が遅くなる。さらにアノードガスの流速は、アノードガス入口孔２１０から連通孔２４０へ離れるほど遅くなるので、連通孔２４０近傍の単セル１のそれぞれにアノードガスが分配されにくくなり、不活性ガスが溜まりやすくなる。
【０２２１】
この対策として本実施形態では、振動流発生器５００が燃料電池スタック２００の分配通路の下流側、すなわち連通孔２４０に設けられている。これにより、負荷からの要求電力が低い場合であっても、第７実施形態に比べて、連通孔２４０側の単セル１に分配されるアノードガスに対して、確実に振動周期Ｔｏの振動流を生じさせることができる。このため、燃料電池スタック２００の連通孔２４０側の単セル１に分配されるアノードガスの拡散性が高まり、アノードガス濃度の偏りをより均一化することができる。
【０２２２】
（第９実施形態）
図２０は、本発明の第９実施形態における燃料電池システム１０６の構成を示す図である。
【０２２３】
燃料電池システム１０６は、図１８に示した燃料電池システム１０４の構成に加えて、振動流発生器５０１を備えている。
【０２２４】
振動流発生器５０１は、燃料電池スタック２００内を流れるアノードガスの下流側に設けられる。具体的には、振動流発生器５０１の連通路５２４が、燃料電池スタック２００の連通孔２３１寄りの循環通路６１０に接続される。振動流発生器５０１は、振動流発生器５００と同じ構成である。
【０２２５】
振動流発生器５０１は、図１１で述べたように、振動流発生器５００によって生成される振動流のアノードガス流れ方向の振幅が大きくなるように、振動流発生器５００と同じ振動周期Ｔｏでピストン５２３を往復運動させる。
【０２２６】
すなわち、振動流発生器５００がアノードガス流路２４よりも上流のアノードガスの圧力を降圧しているときに、振動流発生器５０１はアノードガス流路２４よりも下流のアノードガスの圧力を昇圧する。そして、振動流発生器５００がアノードガス流路２４よりも上流のアノードガスの圧力を昇圧しているときに、振動流発生器５０１は、アノードガス流路２４よりも下流のアノードガスの圧力を降圧する。
【０２２７】
このように振動流発生器５００で往復運動するピストン５１３の振動に対し、振動流発生器５０１で往復運動するピストン５２３の振動の位相を１８０度ずらすことにより、振動周期Ｔｏの振動流のアノードガス流れ方向の振幅を大きくする。
【０２２８】
これにより、エゼクタ６２０の製品コストを抑制しつつ、第５実施形態と同様にアノードガス流路２４全体に生じる振動流の振幅を均一化することができる。
【０２２９】
なお、本実施形態では調圧弁３３０によって燃料電池スタック２００に供給する圧力を、駆動モータ等の負荷からの要求圧力に応じて高くしたが、所定周期でアノードガスを昇降圧してアノードガスを循環させるシステムにも本発明を適用できる。
【０２３０】
（第１０実施形態）
図２１は、本発明の第１０実施形態における燃料電池システムの制御手法を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、基本的には、図１８に示した燃料電池システム１０４と同じ構成である。
【０２３１】
図２１（ａ）は、調圧弁３３０からエゼクタ６２０に流入するアノードガスの圧力を示す図である。図２１（ｂ）は、循環通路６１０からエゼクタ６２０に吸入されるアノードガスの流量を示す図である。図２１（ｃ）は、調圧弁３３０の開度を示す図である。図２１（ａ）から図２１（ｃ）までの各図面の横軸は、互いに共通する時間軸である
時刻ｔ４１では、図２１（ｃ）に示すように、コントローラ４００によって調圧弁３３０が開弁状態に設定される。これにより、図２１（ａ）に示すようにアノードガスの圧力が所定の循環上限圧力まで上昇し、これに伴い、図２１（ｂ）に示すようにエゼクタ６２０に循環通路６１０からアノードガスが吸入されて燃料電池スタック２００にアノードガスが循環する。
【０２３２】
時刻ｔ４２では、図２１（ｃ）に示すように、コントローラ４００によって調圧弁３３０が閉弁状態に設定される。これにより、図２１（ａ）に示すようにアノードガスの圧力が低下し、これに伴い、図２１（ｂ）に示すようにエゼクタ６２０には循環通路６１０からアノードガスが吸入されず、燃料電池スタック２００へのアノードガスの循環が停止される。
【０２３３】
時刻ｔ４３では、図２１（ａ）に示すようにアノードガスの圧力が元の圧力に戻るため、再び、燃料電池スタック２００にアノードガスを循環させるために循環上限圧力までアノードガスの圧力を上昇させる。
【０２３４】
このように本実施形態では、所定の循環周期ごとに調圧弁３３０を制御してアノードガス圧力を昇圧することにより、エゼクタ６２０によって間欠的にアノードガスを循環させる。
【０２３５】
第１０実施形態によれば、図１８乃至図２０に示したように振動流発生器５００を用いることにより、燃料電池スタック２００を循環するアノードガスの拡散性が高まるため、アノードガスの上限圧力を低くすることができる。このため、燃料電池スタック２００内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧を、振動流発生器５００が設けられていない場合に比べて小さくできるので、ＭＥＡ１１の耐久性の低下を抑制することができる。
【０２３６】
（第１１実施形態）
図２２は、本発明の第１１実施形態における燃料電池システム１０６の構成を示す図である。
【０２３７】
燃料電池システム１０６は、図１８に示した燃料電池システム１０４のエゼクタ６２０に代えて循環ポンプ６３０を備える。
【０２３８】
循環ポンプ６３０は、アノードガス供給通路３２０から分岐して連通路２３１に接続される循環通路６１０に設けられる。循環ポンプ６３０は、例えば水素循環ブロワ（ＨＲＢ）により実現される。循環ポンプ６３０は、コントローラ４００によって制御される。
【０２３９】
コントローラ４００は、振動周期Ｔｏの脈動流が発生するように循環ポンプ６３０の回転速度を制御する。例えばコントローラ４００は、循環ポンプ６３０の回転速度を正回転にさせた後に回転速度を逆回転に切り替える。コントローラ４００は、このような制御を繰り返し実行することにより、循環通路６１０を流れるアノードガスに脈動流を発生させる。
【０２４０】
第１１実施形態によれば、循環ポンプ６３０の回転方向を振動周期Ｔｏで切り替えることにより振動流を発生させる。これにより、燃料電池スタック２００内でアノードガスが拡散されるため、窒素ガスが滞留しにくくなる。これにより、局所的な窒素ガス濃度の上昇を抑制することができる。
【０２４１】
なお、本実施形態では循環ポンプ６３０によって振動流を発生させる例について説明したが、図４に示したように振動流発生器５００をアノードガス供給通路３２０に設けるようにしてもよい。
【０２４２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０２４３】
例えば、各実施形態では、振動流発生器５００によって振動流を発生させる例について説明したが、調圧弁３３０によって振動流を発生させるようにしてもよい。これにより、燃料電池システム１００に振動流発生器５００を設ける必要がないので、燃料電池システム１００の製造コストの増加を抑制しつつ、振動流を発生させることができる。
【０２４４】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０２４５】
１００〜１０６  燃料電池システム
２００  燃料電池スタック（燃料電池）
１  単セル（電池セル）
２４  アノードガス流路
３３０  調圧弁
４００  コントローラ（算出部；ステップＳ９１３、Ｓ９１４、判断部；Ｓ９１５、設定部；Ｓ９０５）
５００、５０１  振動流発生器（振動流発生手段）
５１４  連通路
５３０  開閉弁
６３０  循環ポンプ（振動流発生手段）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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