(57)【要約】【課題】デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、カソードの側から電解質膜を透過してアノードの側に蓄積した不純物の量を推定する。【解決手段】燃料電池システムは、カソードの側から電解質膜を透過してアノードの側に蓄積した不純物の量を推定する手段と、不純物の量が所定値に達したところでパージを行う手段とを有する。不純物の量を推定する手段は、燃料電池の電流密度と不純物が蓄積する速度との関係を予め求めておき、所定時間毎に電流密度を検出して、電流密度と前記関係とから不純物の蓄積量を推定する手段とすることができる。【選択図】図７
2008146877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードの側から前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する手段を有しており、
前記不純物の量を推定する手段は、前記燃料電池の電流密度と前記不純物が蓄積する速度との関係を予め求めておき、所定時間毎に前記燃料電池の電流密度を検出して、該電流密度と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
推定された不純物の量が所定値に達したら前記アノードから外部に不純物を排出するパージ手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の電流密度に応じて前記所定値を変化させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードの側から前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する手段を有しており、
前記不純物の量を推定する手段は、前記燃料電池の発電量と前記不純物が蓄積する速度との関係を予め求めておき、所定時間毎に前記燃料電池の発電量を検出して、該発電量と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
推定された不純物の量が所定値に達したら前記アノードから外部に不純物を排出するパージ手段をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の電流密度に応じて前記所定値を変化させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えており、前記カソードの側から電解質膜を透過して前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する不純物蓄積量推定方法であって、
前記燃料電池の電流密度と前記不純物が蓄積する速度との関係を求める工程と、
所定時間毎に前記燃料電池の電流密度を検出して、該電流密度と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する工程とを有することを特徴とする燃料電池システムの不純物蓄積量推定方法。
【請求項８】
アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えており、前記カソードの側から電解質膜を透過して前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する不純物蓄積量推定方法であって、
前記燃料電池の発電量と前記不純物が蓄積する速度との関係を求める工程と、
所定時間毎に前記燃料電池の発電量を検出して、該発電量と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する工程とを有することを特徴とする燃料電池システムの不純物蓄積量推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの不純物蓄積量推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。
【０００３】
一般に、カソードには、コンプレッサによって外気から取り込まれた空気が供給される。一方、アノードには、高圧水素タンクに貯蔵された水素が供給される。このアノードへの水素の供給方法の１つに、いわゆるデッドエンド方式がある（例えば、特許文献１参照。）。この方式では、水素の流路の下流が閉塞された状態で運転が行われ、アノードには、消費された水素に相当する量の水素が供給される。
【０００４】
デッドエンド方式による燃料電池システムの場合、時間の経過とともに、燃料ガスの流路に溜まる不純物の量が増えていく。具体的には、カソードに供給される空気に含まれる窒素などが、電解質膜を透過してアノード側に蓄積されるようになる。このため、特許文献１に開示された燃料電池システムには、燃料ガスの流路から不純物を周期的に排出するパージバルブが設けられている。そして、燃料電池の電圧が所定値よりも低い場合には、このパージバルブを開くことによって電圧が回復するようにしている。
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５３６４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、上記以外の原因による電圧低下であってもパージを行ってしまう場合があった。この理由について、以下に詳述する。
【０００７】
燃料電池では、アノードに水素が供給されることにより、アノードで
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
の反応が起こってＨ＋が生成する。そして、このＨ＋は、電解質膜を透過してカソード側に移動した後、カソードに供給された酸素との間で
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
の反応を起こす。すなわち、両電極間において、
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
の電気化学反応が起こることによって、燃料電池で起電力が発生する。
【０００８】
上記の反応を円滑に進行させるには、電解質膜を適度な湿潤状態に保持して、水素ガスをイオン化する必要がある。それ故、燃料ガスや酸化剤ガスといった反応ガスは、通常、水蒸気を含んだ状態で燃料電池に供給される。ここで、反応ガス中の水分が減少して電解質膜が乾燥すると、電気化学反応が円滑に進まなくなり、燃料電池の出力は低下する。一方、反応ガスが水分を過剰に含む場合には、水の凝縮が起こり、反応ガスの流路は凝縮した水によって塞がれてしまう。これにより、燃料電池への反応ガスの供給が阻害されて、電気化学反応が円滑に進行しなくなる。したがって、この場合にも、上記と同様に燃料電池の出力は低下する。
【０００９】
このように、燃料電池の電圧は、電解質膜を通ってカソード側からアノード側にガスが透過する以外の理由によっても低下する。したがって、特許文献１のように、出力電圧をモニターし、この値が低下した時点でパージを行う方法では、アノード側に不純物が殆ど蓄積していないにもかかわらず、パージを行うことになる場合があった。また、不純物が蓄積している場合であっても、出力電圧が低下してからパージを行うので、安定した電圧が得られ難いという問題もあった。
【００１０】
一方、モニターした燃料電池の電圧の値に応じて、パージバルブを開くタイミングを決定するのではなく、一定の時間間隔で開くようにした燃料電池システムもある。しかしながら、この場合、アノード側に不純物が蓄積する前にパージが行われると、高濃度の水素が排出されることになる。このため、燃費の低下を招いたり、水素を可燃限界未満の濃度に希釈するための装置が大型化したりするなどの問題を生じていた。
【００１１】
本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、デッドエンド方式を用いた燃料電池システムにおいて、カソードの側から電解質膜を透過してアノードの側に蓄積した不純物の量を推定することにある。
【００１２】
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様は、アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードの側から前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する手段を有しており、
前記不純物の量を推定する手段は、前記燃料電池の電流密度と前記不純物が蓄積する速度との関係を予め求めておき、所定時間毎に前記燃料電池の電流密度を検出して、該電流密度と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する手段であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第１の態様は、推定された不純物の量が所定値に達したら前記アノードから外部に不純物を排出するパージ手段をさらに有することが好ましい。
また、この場合、前記燃料電池の電流密度に応じて前記所定値を変化させることが好ましい。
【００１５】
本発明の第２の態様は、アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードの側から前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する手段を有しており、
前記不純物の量を推定する手段は、前記燃料電池の発電量と前記不純物が蓄積する速度との関係を予め求めておき、所定時間毎に前記燃料電池の発電量を検出して、該発電量と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する手段であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第２の態様は、推定された不純物の量が所定値に達したら前記アノードから外部に不純物を排出するパージ手段をさらに有することが好ましい。
また、この場合、前記燃料電池の電流密度に応じて前記所定値を変化させることが好ましい。
【００１７】
本発明の第３の態様は、アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えており、前記カソードの側から電解質膜を透過して前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する不純物蓄積量推定方法であって、
前記燃料電池の電流密度と前記不純物が蓄積する速度との関係を求める工程と、
所定時間毎に前記燃料電池の電流密度を検出して、該電流密度と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する工程とを有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第４の態様は、アノードに燃料ガスを、カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給し、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池を備えており、前記カソードの側から電解質膜を透過して前記アノードの側に蓄積した不純物の量を推定する不純物蓄積量推定方法であって、
前記燃料電池の発電量と前記不純物が蓄積する速度との関係を求める工程と、
所定時間毎に前記燃料電池の発電量を検出して、該発電量と前記関係とから前記不純物の蓄積量を推定する工程とを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、カソードの側から電解質膜を透過してアノードの側に蓄積した不純物の量を推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。尚、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池２から排出された酸化剤オフガスに含まれる水分を回収して、燃料電池２に供給する空気を加湿する加湿器４と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁５と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク６と、水素タンク６から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁７と、燃料電池２から排出された燃料オフガスをパージするパージ弁８と、燃料電池２の電流密度を測定する電流密度測定手段９とを有する。
【００２２】
パージ弁８は、本発明におけるパージ手段を構成する。燃料電池システム１では、パージ弁８を開くことによって、燃料電池２から排出された燃料オフガスをパージすることができる。
【００２３】
アノード（図示せず）への水素の供給は、デッドエンド方式によって行われる。すなわち、パージ弁８を閉じると、燃料オフガスの流路１０が閉塞されて、水素の供給は、水素タンク６からの供給のみによって行われる。このようなデッドエンド方式によれば、供給された水素は、燃料電池２での反応によって全て消費される。そして、消費された分の水素のみが、新たにアノードに供給されることになる。尚、本発明において、アノードの下流側が閉塞された状態で運転可能な燃料電池とは、アノード面内に形成されているガス流路の下流側が構造的に（恒久的に）閉塞された状態の燃料電池とすることができる。また、アノードの下流側に燃料オフガスを燃料電池の外部に排出するための排出流路を形成し、この排出流路に設けた開閉弁を閉弁することで、アノードの下流を（一時的に）閉塞された燃料電池とすることもできる。
【００２４】
アノードに供給する燃料ガスは、水素に限られるものではない。例えば、アノードに供給する水素源として、炭化水素系化合物の改質反応によって生成する改質ガスを利用することもできる。この場合、炭化水素系化合物としては、メタンを主成分とする天然ガス、メタノールなどのアルコールまたはガソリンなどが用いられる。そして、使用する炭化水素系化合物の種類に応じて、改質反応に適した触媒や温度が選択される。これにより、水素、二酸化炭素および水を含む水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２５】
上述したように、燃料電池システム１は、アノードへの水素の供給にデッドエンド方式を採用しているため、運転は、燃料オフガスの流路１０が閉塞された状態で行われる。一方、空気の流路１１は、開放された状態で運転される。このため、アノード側には、電解質膜（図示せず）を介して、カソード側から拡散した不純物が蓄積しやすい。それ故、時間の経過とともに、カソード（図示せず）に供給される空気に含まれる窒素が、電解質膜を透過して、アノード側流路の下流（図１の例では流路１０）に蓄積（存在）するようになる。ここで、水素の圧力は、水素調圧弁７によって所定の値となるように調整されているので、燃料オフガス中で不純物の濃度が高くなると、水素の分圧は相対的に低下してしまう。これにより、アノード側流路の下流では、水素が欠乏した状態（以下、水素欠と称す。）となって、燃料電池の出力電圧が低下する。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、カソード側から電解質膜を透過してアノード側に蓄積した不純物の量を推定し、この量が所定値に達したところでパージを行うようにする。このようにすれば、アノード側に不純物が殆ど蓄積していない状態ではパージが行われない。したがって、高濃度の水素が排出されることによって、燃費の低下を招いたり、水素を可燃限界未満の濃度に希釈するための装置が大型化したりするなどの問題を回避することができる。また、出力電圧の低下を待たずにパージを行うので、安定した電圧が得られるようにもなる。
【００２７】
アノード側に蓄積した不純物の量は、具体的には、以下に述べるようにして推定することができる。
【００２８】
まず、燃料電池の電流密度と、アノード側に不純物が蓄積する速度との関係のマップを作成する。この関係は、例えば、ＣＦＤ解析などによって得ることができる。
【００２９】
図２は、上記関係の一例を示したものである。この図から分かるように、燃料電池の電流密度が小さいほど、不純物の蓄積速度は遅くなる。尚、燃料電池の電流密度と不純物の蓄積との関係について、以下に詳しく説明する。
【００３０】
アノード側流路において、ガスは、燃料電池の上流から下流に向かう流れと、拡散とによって輸送される。ここで、流れによる輸送は、ガスの流速と濃度に比例する。そして、ガスの流速は、流路長と燃料電池の電流密度に比例する。一方、拡散による輸送は、濃度勾配と拡散係数に比例する。また、濃度勾配は、流路長に反比例する。
【００３１】
したがって、電流密度が一定である場合には、流路長が長いほど、流れによる輸送が支配的になる。一方、流路長が短くなると、流れによる輸送の影響が小さくなる代わりに、濃度勾配が大きくなることによって、拡散による輸送の影響が大きくなる。そして、拡散による輸送は、流路長が短いほど支配的となる。
【００３２】
図３は、電流密度を０．１Ａ／ｃｍ２として、流路長とガスの移動速度との関係を示した例である。この図に示すように、流路長が短いと、拡散によるガスの移動速度の方が、流れによる移動速度より大きい。一方、流路長が長くなると、拡散による移動速度は小さくなり、代わって、流れによる移動速度が大きくなる。このことは、流路長が短い場合には、拡散によって下流から上流へのガスの移動が起こり得ることを示しており、下流に不純物が蓄積して水素欠となるのを緩和する効果が期待される。
【００３３】
次に、流路長を一定として、電流密度と移動速度との関係について考える。図４は、流路長を１０ｃｍとした例である。この図に示すように、電流密度が大きくなると、流れによるガスの移動速度も大きくなる。一方、拡散によるガスの移動速度は、電流密度が変化しても一定のままである。電流密度が小さい場合には、拡散によるガスの移動速度の方が、流れによる移動速度より大きくなる。したがって、下流から上流へガスが移動することによって、下流への不純物の蓄積が抑制されることが期待される。しかし、電流密度が大きくなると、流れによる移動速度の方が大きくなるので、ガスは、上流から下流に向かって流れるようになる。
【００３４】
図５は、アノード側の流路におけるガスの分布を示したものである。横軸は、流路の入口からの距離であり、縦軸は、燃料オフガス中に含まれる不純物の割合である。不純物の割合が１になると、水素が含まれなくなるので、電気化学反応は起こらない。
【００３５】
図５から分かるように、いずれの電流密度においても、流路の入口から遠くなるにしたがって、すなわち、下流になるほど不純物の割合が多くなる。この傾向は、電流密度が大きくなるほど顕著である。これは、電流密度が小さくなると、拡散によるガスの移動が支配的となるため、下流から上流へ不純物が移動することにより、流路全体におけるガスの分布が平均化されるためと考えられる。
【００３６】
図６は、時間ｔ＝０から所定時間経過後における、水素の実質反応面積比率を示したものである。電流密度がいずれの場合であっても、時間の経過とともに、水素の実質反応面積比率は小さくなっていく。これは、時間が経過すると不純物の割合が多くなり、水素が反応する面積が相対的に減少するためである。但し、変化の程度は電流密度の大きさによって異なり、電流密度が小さいほど、実質反応面積比率は低下し難くなる。
【００３７】
以上をまとめると、流路長が一定であるならば、電流密度が小さいほど、ガスの移動は拡散によるものが支配的となる。このため、電流密度が小さいほど、流路内でのガスの分布は平均化され、水素の実質反応面積比率の低下も小さくなる。すなわち、電流密度が小さいほど、下流での不純物の蓄積速度は遅くなる。ここで、電流密度は発電量に相関することから、発電量が小さいほど不純物の蓄積速度は遅くなると言える。また、こうしたことは、図２に示す通りである。したがって、燃料電池の電圧が所定値よりも低くなったところでパージを行う従来法では、電流密度の違いによって電圧低下の度合いが異なるために、制御が困難になるという問題も生じる。
【００３８】
本実施の形態では、カソード側から電解質膜を透過してアノード側に蓄積した不純物の量を推定し、この量が所定値に達したところでパージを行うようにする。この方法によれば、従来法に比較して、適切なタイミングでパージを行うことが可能となる。
【００３９】
次に、本実施の形態における所定値について説明する。
【００４０】
例えば、図６において、水素の実質反応面積比率が０．８となるときの不純物の量を所定値とすれば、各電流密度の曲線について、実質面積比率が０．８となるまでの時間が所定値に達するまでの時間に対応する。本実施の形態では、この時間の逆数を、各電流密度における不純物の蓄積速度として、図２に示すマップを得ることができる。
【００４１】
所定値は、電流密度の値に関わらず一定とすることができるが、電流密度の値に応じて変えることもできる。例えば、図６において、実質反応面積比率が０．８となるときの不純物の量を所定値とした場合には、各電流密度の曲線と直線Ａとの交点が、所定値に達するまでの時間となる。一方、電流密度の値に応じて所定値を変える場合には、各電流密度の曲線と曲線Ｂとの交点が、所定値に達するまでの時間となる。曲線Ｂを用いた方が、実際の不純物量に近い値となるので、より適切なタイミングでパージできる。したがって、不純物とともに水素が排出されるのを抑制でき、燃費を向上させることが可能となる。
【００４２】
所定値を設定し、燃料電池の電流密度と、アノード側における不純物の蓄積速度との関係のマップを作成した後は、図７に示すようにして、アノード側に蓄積した不純物の量を推定し、パージを行うタイミングを決定する。
【００４３】
図７のフローチャートにおいて、スタートは、パージを行った直後とする。したがって、この時点での不純物の蓄積量Ｑ１は、ゼロとすることができる。
【００４４】
まず、所定の時間間隔（Δｔ）で、燃料電池の電流密度を検出する（ステップ１０１）。図１の燃料電池システム１では、電流密度測定手段９によって検出することができる。電流密度は、例えば、燃料電池２を構成する各セルについて電流を測定し、これをセルの面積で割ることにより求められる。また、セル全体の電流を測定することによって求めてもよい。
【００４５】
次に、電流密度と不純物の蓄積速度との関係のマップを用いて、検出した電流密度から、蓄積速度ｖを求める（ステップ１０２）。
【００４６】
上記の時間間隔Δｔと蓄積速度ｖとから、スタート時より増加した蓄積量Δｑを求める（ステップ１０３）。但し、Δｑ＝ｖ×Δｔである。
【００４７】
増加した蓄積量Δｑを用いて、現在の蓄積量Ｑ２を推定する（ステップ１０４）。但し、Ｑ２＝Ｑ１＋Δｑである。
【００４８】
次に、得られた蓄積量Ｑ２が所定値ＱＬに達しているか否かを判定する（ステップ１０５）。Ｑ２＞ＱＬである場合には、ステップ１０６に進んでパージを行う。そして、Ｑ２＝Ｑ１＝０としてスタートに戻り、上記のステップを繰り返す。一方、Ｑ２＞ＱＬでない場合には、Ｑ１の値をゼロからＱ２に更新して、ステップ１０１に戻る。
【００４９】
以上の工程によれば、アノード側に不純物が殆ど蓄積していない状態でパージが行われることはない。また、出力電圧の低下を待たなくとも、適切なタイミングでパージを行うことができる。これを図１の燃料電池システム１で行うには、電流密度測定手段９で検出したデータを制御装置１２に送り、制御装置１２で上記のステップ１０１〜１０５の処理を行う。そして、Ｑ２＞ＱＬと判断した場合には、パージ弁９を開いてパージが行われるようにすればよい。
【００５０】
図８は、燃料電池の電流密度および不純物の蓄積量と、パージのタイミングとの関係を示したものである。この図に示すように、時間の経過とともに不純物の蓄積量は増えていくので、蓄積量が所定値に達したところでパージを行えばよい。
【００５１】
ところで、図８において、電流密度が変化すると、不純物の蓄積量の変化の度合いに違いが現れる。すなわち、電流密度が増加すると、蓄積量の変化の度合いは大きくなり、電流密度が減少すると、蓄積量の変化の度合いは小さくなる。そこで、電流密度の値に応じて所定値を変えて、パージを行うタイミングを決定する例を図９に示す。
【００５２】
図９のフローチャートにおいて、スタートは、パージを行った直後とする。したがって、この時点での不純物の蓄積量Ｑ１は、ゼロとすることができる。
【００５３】
まず、所定の時間間隔（Δｔ）で、燃料電池の電流密度を検出する（ステップ２０１）。図１の燃料電池システム１では、電流密度測定手段９によって検出することができる。
【００５４】
次に、電流密度と不純物の蓄積速度との関係のマップを用いて、検出した電流密度から蓄積速度ｖを求めるとともに、所定値ＱＬを決定する（ステップ２０２）。
【００５５】
上記の時間間隔Δｔと蓄積速度ｖとから、スタート時より増加した蓄積量Δｑを求める（ステップ２０３）。但し、Δｑ＝ｖ×Δｔである。
【００５６】
増加した蓄積量Δｑを用いて、現在の蓄積量Ｑ２を推定する（ステップ２０４）。但し、Ｑ２＝Ｑ１＋Δｑである。
【００５７】
次に、得られた蓄積量Ｑ２が所定値ＱＬに達しているか否かを判定する（ステップ２０５）。Ｑ２＞ＱＬである場合には、ステップ２０６に進んでパージを行う。そして、Ｑ２＝Ｑ１＝０としてスタートに戻り、上記のステップを繰り返す。一方、Ｑ２＞ＱＬでない場合には、Ｑ１の値をゼロからＱ２に更新して、ステップ２０１に戻る。
【００５８】
以上の工程によれば、電流密度の値に応じて所定値を設定し、不純物の蓄積量（存在量）が所定値に達したところでパージを行うので、パージのタイミングをより適切なものとすることができる。したがって、不純物が過剰に溜まりすぎたり、あるいは、不純物とともに水素が排出されたりするのを防ぎ、安定した出力と高い燃費を得ることが可能となる。
【００５９】
図１０は、燃料電池の電流密度および不純物の蓄積量と、パージのタイミングとの関係を示したものである。この図に示すように、不純物の蓄積量の変化の度合いは、電流密度の値に応じて変わる。そこで、電流密度の値に応じて所定値を変え、蓄積量が所定値に達したところでパージを行うことにより、燃料電池の運転状況に応じた適切なタイミングでパージを行うことが可能となる。
【００６０】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【００６１】
例えば、上記実施の形態では、電流密度と不純物の蓄積速度との関係を求め、所定の時間間隔で燃料電池の電流密度を検出し、得られた値と上記関係とから、不純物の蓄積速度を求めた。これに対して、本実施の形態では、電流密度に代えて、燃料電池の発電量を用いてもよい。
【００６２】
すなわち、図１の燃料電池システム１において、電流密度測定手段９に代えて発電量測定手段を設け、所定の時間間隔で燃料電池の発電量を検出する。発電量は、例えば、燃料電池２を構成する各セルを流れる電流値を求めることにより得られる。また、セル全体を流れる電流値を求めてもよい。一方、予め、発電量と不純物の蓄積速度との関係を求めておき、この関係と、検出した発電量の値とから、不純物の蓄積速度を求める。そして、蓄積速度から推定される蓄積量が所定値に達したところで、パージを行うようにすることにより、上記と同様の効果が得られる。この場合、発電量に応じて所定値を変えることにより、より適切なタイミングでパージを行えることも上記と同様である。尚、具体的な操作は、図７および図９に示すフローチャートにしたがって行うことができる。但し、これらの図における電流密度は、発電量に置き換えるものとする。
【００６３】
さらに、本発明によって得られた不純物の蓄積量は、パージのみならず、反応ガスの供給や燃料電池の発電制御などにも反映させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の電流密度とアノード側に不純物が蓄積する速度との関係を示す図である。
【図３】流路長とガスの移動速度との関係を示す図である。
【図４】電流密度とガスの移動速度との関係を示す図である。
【図５】アノード側の流路におけるガスの分布を示す図である。
【図６】水素の実質反応面積比率の経時変化を示す図である。
【図７】本実施の形態において、パージのタイミングを決定する動作の一例を示す図である。
【図８】燃料電池の電流密度および不純物の蓄積量と、パージのタイミングとの関係を示す一例である。
【図９】本実施の形態において、パージのタイミングを決定する動作の一例を示す図である。
【図１０】燃料電池の電流密度および不純物の蓄積量と、パージのタイミングとの関係を示す一例である。
【符号の説明】
【００６５】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  コンプレッサ
４  加湿器
５  空気調圧弁
６  水素タンク
７  水素調圧弁
８  パージ弁
９  電流密度測定手段
１０，１１  流路
１２  制御装置
【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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