(57)【要約】【課題】この発明は、より簡素化された構成の燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】アノード側ガス流路１２に燃料ガスの供給を受けカソード側ガス流路１４に空気の供給を受けて発電する燃料電池１０に対して、アノード側ガス流路１２の下流にアノードオフガス流路１３を接続する。アノードオフガス流路１３にオリフィス３０を取り付け、オリフィス３０を介してアノードオフガスを下流に排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス流路と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記ガス流路にオリフィスを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の前記アノードの上流に該アノードへの燃料ガスの供給量が可変な燃料供給機構を備え、
前記燃料供給機構がインジェクタを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノードの上流に備えられ、該アノードへの燃料ガスの供給量が可変な燃料供給機構と、
前記ガス流路を流れるガスの燃料濃度を検知する検知手段と、
前記検知手段により検知される燃料濃度が所定値以下となるように、前記燃料供給機構による燃料ガスの供給量を制御する燃料供給量制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の前記カソードを含み、その一端が系外に開放可能とされたカソード系を備え、
前記ガス流路の前記オリフィスの下流が、前記カソード系に接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソードの上流に備えられ、該カソードへの空気供給量が可変な空気供給機構と、
前記ガス流路を流れるガスの燃料濃度を検知する検知手段と、
前記検知手段により検知される燃料濃度に基づいて、前記カソード系の系外に排出されるガスの燃料濃度が所定値以下となるように、前記空気供給機構の空気供給量を制御する空気供給量制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項４項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソード系の系外に排出されるガスの燃料濃度が所定値以下となるように、前記空気供給機構の供給空気量を算出する第１算出手段と、
前記燃料電池の出力に応じた前記空気供給機構の供給空気量を算出する第２算出手段と、を備え、
前記空気供給量制御手段は、前記第１算出手段が算出した空気供給量と前記第２算出手段が算出した空気供給量との比較に基づいて前記空気供給機構を制御する比較制御手段を含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに空気の供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開平９−３１２１６７号公報に開示されているように、アノード側のガス流路内で燃料ガスを止めて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システム（以下、アノードデッドエンド型システムとも呼称する）が知られている。上記従来の燃料電池システムによれば、アノード側のガス流路の上流に燃料供給用バルブが、アノード側のガス流路の下流に排気バルブが、それぞれ備えられている。
【０００３】
燃料電池に対して燃料ガスを供給すべき量は、燃料電池への出力要求値等に応じて変化する。従って、燃料供給用バルブは、適切な量の燃料ガスを供給すべく制御される。また、アノードデッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池のアノード側ガス流路内に窒素や水分といった不純物質が蓄積されていく。このため、従来のアノードデッドエンド型システムでは、適宜のタイミングで排気バルブを開いたり、間欠的に排気バルブを開いたりするなどして、アノード側ガス流路内に蓄積された不純物質をアノードの下流端部から系外に排気していた。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１２１６７号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来のシステムでは、燃料電池の発電状態を良好な状態に確保すべく、アノードの上流と下流にバルブ機構をそれぞれ設け、これらの機構を適宜に制御している。しかしながら、システムの信頼性の向上、高いロバスト性の確保などの観点からは、システムの構成は可能な限り簡素化されることが好ましい。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、より簡素化された構成の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】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、
アノードに燃料ガスの供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス流路と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記ガス流路にオリフィスを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池の前記アノードの上流に該アノードへの燃料ガスの供給量が可変な燃料供給機構を備え、
前記燃料供給機構がインジェクタを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第１の発明において、
前記アノードの上流に備えられ、該アノードへの燃料ガスの供給量が可変な燃料供給機構と、
前記ガス流路を流れるガスの燃料濃度を検知する検知手段と、
前記検知手段により検知される燃料濃度が所定値以下となるように、前記燃料供給機構による燃料ガスの供給量を制御する燃料供給量制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至３のいずれかの発明において、
前記燃料電池の前記カソードを含み、その一端が系外に開放可能とされたカソード系を備え、
前記ガス流路の前記オリフィスの下流が、前記カソード系に接続されることを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記カソードの上流に備えられ、該カソードへの空気供給量が可変な空気供給機構と、
前記ガス流路を流れるガスの燃料濃度を検知する検知手段と、
前記検知手段により検知される燃料濃度に基づいて、前記カソード系の系外に排出されるガスの燃料濃度が所定値以下となるように、前記空気供給機構の空気供給量を制御する空気供給量制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第５の発明において、
前記カソード系の系外に排出されるガスの燃料濃度が所定値以下となるように、前記空気供給機構の供給空気量を算出する第１算出手段と、
前記燃料電池の出力に応じた前記空気供給機構の供給空気量を算出する第２算出手段と、を備え、
前記空気供給量制御手段は、前記第１算出手段が算出した空気供給量と前記第２算出手段が算出した空気供給量との比較に基づいて前記空気供給機構を制御する比較制御手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、ガス流路にオリフィスを備えることで、アノード内での燃料ガスの消費量に比較して微小量のガスを系外へ排気することができる。これにより、簡素なシステム構成で、燃料ガスの無駄な排気を抑えつつアノードの下流側端部に溜まる不純物質を系外に少しずつ排出することができる。
【００１４】
第２の発明によれば、インジェクタによって燃料ガスの供給を行うことができる。これにより、燃料ガス供給量を高精度に調整することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、アノードの下流へと排出される燃料ガスの濃度を監視しつつ、燃料供給機構を制御して、オリフィス下流へ排出される燃料ガスの量を調整することができる。アノードから排出されるガスには、不純物質だけでなく燃料ガスも含まれうる。この点、第３の発明によれば、オリフィスを用いることによるシステムの簡素化を達成するとともに、排気ガス中に含まれた燃料ガスの濃度が過大となるのを防止して、アノード内の不純物質の排出を適切に行うことができる。
【００１６】
第４の発明によれば、アノード内の不純物質を排気する際、排気ガス中に混在する燃料ガスを空気と混合したうえで系外へと排出することができる。これにより、系外へと高い燃料濃度のガスが排出されるのを防ぐことができる。
【００１７】
第５の発明によれば、アノードからその下流へと排出されるガスの燃料濃度を監視し、系外へと排出されるガスの燃料濃度が過大となるのを防止することができる。
【００１８】
第６の発明によれば、燃料電池の発電に求められる空気量の供給と、系外へと排出されるガスの燃料濃度が過大となることの防止とを両立することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
実施の形態１． 
［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムを説明するための図である。実施の形態１のシステムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、通常、複数の単位燃料電池を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。単位燃料電池は、図示は省略するが、膜電極接合体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。
【００２０】
膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能する。各単位燃料電池は、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池１０は、アノード側ガス流路１２と、カソード側ガス流路１４とを備えている。図１では、説明の便宜上、単位燃料電池の積層構造を省略して示している。実際には、燃料電池１０が複数の単位燃料電池が積層された燃料電池スタックである場合には、アノード側ガス流路１２、カソード側ガス流路１４は、各単位燃料電池が備える単位セルのガス流路が合流するアノード側マニホールド、カソード側マニホールドを含む構成である。
【００２２】
つまり、本実施形態におけるアノード側ガス流路１２は、燃料電池１０内部で燃料ガスの流れる流路を意味しており、単位燃料電池のアノードに設けられるガス流路およびアノード側マニホールドを含んでいる。カソード側ガス流路１４についても同様である。また、以下の説明では、アノード側ガス流路１２については、発電時に水素が流入する側を上流と定義し、カソード側ガス流路１４については、発電時に空気が流入する側を上流と定義する。
【００２３】
アノード側ガス流路１２は、その上流側で、インジェクタ２６と調圧弁２４を介して燃料タンク２０に接続している。燃料タンク２０には、高圧の状態で水素が貯留されている。調圧弁２４は、燃料タンク２０内の水素を適当な圧力に減圧して下流へと供給する。調圧弁２４を介して下流へと供給された水素は、インジェクタ２６から、アノード側ガス流路１２に供給される。
【００２４】
インジェクタ２６は、その開閉時間が可変であり、高周波応答性を有し、流量の制御性に優れるという特徴がある。この点において、単にその開度が可変なバルブに比較して、より精度よい燃料供給が可能となる。また、インジェクタ２６を閉状態とすることで、水素供給を遮断することができる。インジェクタ２６とアノード側ガス流路１２の入口との間には、パージバルブ２８が備えられている。所定のタイミングでパージバルブ２８を開弁することにより、アノード側ガス流路１２を含む経路が、パージバルブ２８下流の図示しない排出系と連通する。
【００２５】
アノード側ガス流路１２の下流には、アノードオフガス流路１３が接続されている。アノードオフガス流路１３には、燃料電池１０の発電に伴ってアノードから排出されるアノードオフガスが流出する。アノードオフガス流路１３には、オリフィス３０が配置されている。オリフィス３０が備える穴の径は、下流側へ排気されるガスの量がアノード側ガス流路１２内での水素の消費量に比較して極微小な値となるように設計されている。アノードデッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に、アノード内に窒素や水分といった不純物質が蓄積されていく。このような不純物質が過度に蓄積されることは、燃料電池の発電を良好に行う観点からは好ましくない。この点、本実施形態によれば、オリフィス３０下流側へ連続的に少量のガスを排気することで（連続少量排気）、アノード側ガス流路１２内に溜まる不純物質を、水素の無駄な排気を抑えつつ、排出することができる。
【００２６】
オリフィス３０の近傍には、ヒータ３２が備えられている。ヒータ３２に電力を供給することで、オリフィス３０およびその近傍の雰囲気温度を上昇させることができる。これにより、必要に応じて（例えば氷点下温度環境下などにおいて）、アノードオフガス流路１３へと流れ出る水分（燃料電池１０の生成水など）によりオリフィス３０近傍が凍結することを防止することができる。
【００２７】
カソード側ガス流路１４は、その上流で、加湿器４２を介してエアコンプレッサ４０に接続している。エアコンプレッサ４０は、空気吸入口（図示せず）側から空気を吸入し、加湿器４２側へと吐出する。加湿器４２を通って加湿された空気が、カソード側ガス流路１４へと居給される。カソード側ガス流路１４の下流には、調圧弁４６が備えられている。調圧弁４６を制御することで、当該位置よりも上流側の圧力を変化させることができる。
【００２８】
調圧弁４６は、その下流で、加湿器４２、水素濃度センサ５０を介して図示しない排気系へと接続している。燃料電池１０内で生ずる発電は水の生成を伴う。この生成水が、カソード側ガス流路１４下流へと流れるガス（カソードオフガス）に含まれて、加湿器４２へと流れ込む。加湿器４２は、このカソードオフガスの水分を、上述したエアコンプレッサ４０から供給される空気の加湿に利用する。
【００２９】
水素濃度センサ５０は、加湿器４２から流出するガスに含まれる水素量に応じて、その出力を変化させるセンサである。これにより、排気系（図示せず）へと排出されるガス中の水素濃度を監視することができる。
【００３０】
実施の形態１のシステムでは、図１に示すように、オリフィス３０の下流がカソード側ガス流路１４の上流に接続されている。このような構成によれば、アノードオフガス流路１３を流れるアノードオフガスが、カソード側ガス流路１４へと流入する。
【００３１】
上述したように、オリフィス３０は、水素の無駄な排気を抑えつつアノード側ガス流路１２内に溜まる不純物質を排出できるように設計されている。しかしながら、オリフィス３０下流へと排出されるガスには、不純物質だけではなく、アノード側ガス流路１２で発電に寄与しなかった水素（以下、「残水素」とも呼称する）も含まれうる。この点、本実施形態のシステムでは、このような残水素をカソード側ガス流路１４へと供給することができる。カソード側ガス流路１４に流入した残水素は、カソード内で空気中の酸素と反応する。その結果、系外への残水素の排出を防止することができる。
【００３２】
また、燃料電池１０内の電解質膜は、適度な湿潤状態にあると良好な電気特性を示す。この点を考慮して、本実施形態のシステムの加湿器４２のように、従来の燃料電池システムには加湿機構が設けられている。一方、本実施形態によれば、残水素を用いてカソードで水を生成し、電解質膜を加湿することが可能である。しかも、本実施形態にかかる連続少量排気運転によれば、微少量の残水素が連続的にカソード側ガス流路１４へと流れ込むこととなる。このため、本実施形態においては、残水素の供給量を電解質膜の安定した加湿に見合う量とすることで、加湿器４２の小型化または省略も可能となる。
【００３３】
実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、インジェクタ２６、パージバルブ２８、エアコンプレッサ４０、水素濃度センサ５０に接続している。また、ＥＣＵ６０は、図示しないが、調圧弁２４、４６、ヒータ３２とも接続している。また、図示しないが、本実施形態のシステムには、燃料電池１０の運転状態に関する情報（例えば、温度、出力、燃料電池１０への出力要求値を含む）を取得する各種センサが備えられている。ＥＣＵ６０は、これらのセンサに接続しており、燃料電池１０に供給すべき水素量、空気量をそれぞれ取得し、この値に基づいてインジェクタ２６、エアコンプレッサ４０を制御する。
【００３４】
［実施の形態１の動作］
（通常運転時の動作）
実施の形態１のシステムが運転される際には、燃料タンク２０側から水素が、エアコンプレッサ４０側から空気が、それぞれ燃料電池１０へと供給される。そして、燃料電池１０において電気化学的反応による発電が行われ、アノード側ガス流路１２、カソード側ガス流路１４それぞれについて、下流側にオフガスが流出する。
【００３５】
上述したように、本実施形態では、アノードオフガス流路１３に、オリフィス３０を備えている。オリフィス３０は、下流側へ、連続的に微少量のガスを排気できるように構成されている。このような構成によれば、簡素なシステム構成で、水素の無駄な排出を防止しつつ、アノード側ガス流路１２内の不純物質を排出することができる。その結果、信頼性に優れた燃料電池システムが実現されることとなる。
【００３６】
（水素濃度に応じた制御）
本実施形態にかかるシステムには、水素濃度センサ５０が備えられている。本実施形態では、この水素濃度センサ５０を利用して、図示しない排気系へと排出されるガスの水素濃度を所定値以下に保つこととする。先ず、予め、排気系へと排出されるガスの水素濃度の基準値（例えば、許容限界濃度から十分に低い値）を設定し、ＥＣＵ６０に記憶しておく。そして、当該予め設定した水素濃度の基準値と、水素濃度センサ５０の出力に基づいて得られる水素濃度との比較を行う。比較により、水素濃度センサ５０が検知した水素濃度が基準値を超えたら、水素濃度を低減すべきと判断し、次に述べる制御を行う。
【００３７】
本実施形態では、水素濃度低減の判断時には、先ず、エアコンプレッサ４０の空気供給量を増加する。既述したように、実施の形態１のシステムは、オリフィス３０の下流がカソード側ガス流路１４の上流に接続されている。従って、エアコンプレッサ４０の空気供給量を増加することで、カソード側ガス流路１４における残水素と酸素との反応量を増加することができる。また、空気量の増加に伴い、残水素が希釈される。これらの結果、系外へ排出されるガスの水素濃度を低減することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、水素濃度低減の判断時には、インジェクタ２６を制御してアノード側ガス流路１２への水素供給量を低減する。このようにすることで、オリフィス３０下流へ排出される燃料ガス量の調整を、排気側の構成の制御ではなく、燃料供給側の構成に関する制御によって達成することができる。その結果、オリフィス３０を用いることによるシステムの構成の簡素化に加えて、システムの制御の面においても簡素化を行うことができる。
【００３９】
信頼性という観点からは、可動部品が少ないほど、または、制御する対象が少ないほど、好ましいシステム構築が可能である。また、例えば氷点下の始動、運転を考えた場合、アノード側ガス流路１２下流へと流れるガス中の水分に起因して、アノード側ガス流路１２の下流の機構に凍結のおそれが生ずる。このような場合には、可動部品の制御性が低下し、システム全体の信頼性低下を招くおそれが生ずる。
【００４０】
この点、本実施形態のシステムによれば、オリフィス３０およびインジェクタ２６の上記制御により、システム構成の簡素化とともに、システムの制御の簡素化により信頼性向上、高いロバスト性の確保が可能となる。なお、インジェクタ２６の制御は、例えば、インジェクタ２６のデューティ比を変更することや、インジェクタの噴射圧力を低減させることなどの手法により実現することができる。
【００４１】
（空気供給量の調整）
また、本実施形態では、以下の手法により、燃料電池１０への空気供給を効果的に行うこととしている。上述したように、本実施形態に係るシステムでは、エアコンプレッサ４０からの空気供給量が、系外に排出されるガスの水素濃度に影響を及ぼす。従って、系外へ排出されるガスの水素濃度を適切な範囲に抑えるべく、エアコンプレッサ４０の空気供給量を適切に調整することが望まれる。一方、燃料電池１０の発電に寄与する空気量は、系外への排出ガスの水素濃度の制限から決まる空気量とは独立している。従って、燃料電池１０の発電を円滑に進める観点からは、発電を行うために必要な空気量を確保しておくことが望ましい。
【００４２】
そこで、本実施形態では、以下の手法により、上記の二つの要求に応えることとしている。本実施形態のシステムは、オリフィス３０を介してアノード側ガス流路１２からガスが排出される。当該排出されるガスの量、即ち、オリフィス３０を通過するガス量は、オリフィス３０が備えられた位置の圧力差によって決まる。本実施形態では、この点に着目し、アノード側ガス流路１２を含むアノード側の系の圧力と、カソード側ガス流路１４を含むカソード側の系の圧力とに基づいて、オリフィス３０を通過するガス量を取得する。そして、この値に基づいて、カソード側の系に流れ込んでくる残水素の量を求めることで、当該残水素量に応じた水素濃度低減用の空気供給量を算出する。
【００４３】
また、本実施形態では、燃料電池１０の発電状態を把握すべく、ＥＣＵ６０にセンサ等の各種機器が接続されている。ＥＣＵ６０は、燃料電池１０への出力要求値などに応じて、カソード側ガス流路１４へと供給すべき空気量を算出する。これにより、燃料電池１０の発電に必要な空気供給量も取得する。
【００４４】
そして、本実施形態では、上記算出した水素濃度低減用の空気供給量と、発電用の空気供給量とを比較して、これらのうち多い方の値に合わせて、空気供給を行うこととする。これにより、系外へと排出されるガスの水素濃度を少なくとも基準値以下に保ち、かつ、カソード側ガス流路１４に供給される空気量を少なくとも発電時に必要な量以上に確保することができる。その結果、燃料電池の発電に求められる空気量の供給と、系外へと排出されるガス中の燃料ガス濃度の低減とを、オリフィスを用いた極めて簡素なシステムにおいて高次元で両立することができる。
【００４５】
（パージ時の制御）
本実施形態のシステムは、上述した連続少量排気運転により、水素の無駄な排出を防止しつつ、アノード側ガス流路１２内の不純物質の排出を実現している。一方、燃料電池１０の運転終了時など、アノード側ガス流路１２内の不純物質をパージしたい場合もある。そこで、本実施形態のシステムでは、このようなパージ実行要求に応じて、パージバルブ２８を介してパージを行う。
【００４６】
具体的には、先ず、インジェクタ２６を閉状態として燃料タンク２０からの水素供給を停止する。その後、パージバルブ２８を開放すると共に、調圧弁４６を閉じ気味に制御して、カソード側の圧力を増加する。上述したように、アノードオフガス流路１３のオリフィス３０の下流は、カソード側ガス流路１４の上流に接続している。すなわち、実施の形態１のシステムでは、オリフィス３０を介して、アノード側の系とカソード側の系とが連通している。
【００４７】
このため、水素供給を停止し、かつ、カソード側の系の圧力を上昇させた場合、オリフィス３０を境としてアノード側の系の圧力よりもカソード側の系の圧力が大きくなる。その結果、高圧のカソード側から低圧のアノード側へと空気が流れ込み、当該空気はアノード側ガス流路１２を通ってパージバルブ２８から系外へと流出する。これにより、アノード側ガス流路１２をパージすることができ、アノード側ガス流路１２内の不純物質、水分などを除去することができる。
【００４８】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図２乃至４を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図２乃至４は、実施の形態１においてそれぞれ実行されるルーチンのフローチャートである。実施の形態１では、燃料電池１０の発電中に、これらのルーチンが同時に実行されているものとする。以下、それぞれのルーチンについて個別に説明する。
【００４９】
図２のフローチャートは、上述した実施の形態１の動作における、「水素濃度に応じた制御」の動作を実現するルーチンの一例を示している。図２に示すルーチンでは、先ず、水素濃度の情報が取得される（ステップＳ９０）。このステップでは、ＥＣＵ６０が、水素濃度センサ５０の出力に基づいて、現時刻において排気系（図示せず）へと流出しているガスの水素濃度Ｄを検知する。
【００５０】
続いて、上記検知された水素濃度Ｄが、予め定められた排出ガスの水素濃度の基準値以下となっているか否かが判別される（ステップＳ９２）。この条件の成立が認められたら、排気系（図示せず）へと流出するガスの水素濃度は十分に低い範囲にあると判断され、今回のルーチンが終了する。この条件の成立が認められない場合には、排出ガスの水素濃度の低減が必要であるとの判断がなされ、エア供給量増加および水素供給量低減の処理が実行される（ステップＳ９４）。このステップでは、インジェクタ２６の流量を所定量低減する処理と、エアコンプレッサ４０の流量を所定量増加する処理とが行われる。
【００５１】
Ｓ９４の処理の実行後には、再びＳ９０からの処理が実行される。これにより、排出ガスの水素濃度が十分に低くなるまで、水素濃度低減の制御が繰り返し実行される。そして、水素濃度が十分に低減されＳ９２の条件の成立が認められた時点で、今回のルーチンが終了する。
【００５２】
以上の処理によれば、系外へと排出されるガスの水素濃度を監視しつつ、水素濃度の低減を確実に行うことができる。
【００５３】
図３のフローチャートは、上述した実施の形態１の動作における、「空気供給量の調整」の動作を実現するルーチンの一例を示している。図３のルーチンでは、先ず、オリフィス通過ガス量を算出する処理が実行される（ステップＳ１００）。このステップでは、オリフィス３０を通過するガス量を把握すべく、先ず、ＥＣＵ６０が現時刻における燃料電池１０への出力（出力電流値）の情報を取得する。
【００５４】
続いて、当該取得した情報に基づいて、アノード側ガス流路１２およびアノードオフガス流路１３のオリフィス３０上流側の圧力、つまり、オリフィス３０を境としたアノード側の系の圧力を推定する。なお、調圧弁２４の状態に基づいて当該圧力を推定しても良い。続いて、オリフィス３０を境としたカソード側の系の圧力を推定する。この値は、例えば、エアコンプレッサ４０の状態や、調圧弁４６の状態から推定することができる。そして、得られた情報に基づいて、オリフィス３０を通過するガス量を算出する。
【００５５】
次に、オリフィス通過ガス量の算出値に基づいて、水素濃度低減に必要な空気供給量ＶＡが算出される（ステップＳ１１０）。本実施形態においては、予め実験などにより、所定時刻のオリフィス３０通過ガス量に応じて、水素濃度センサ５０の位置の排出ガスの水素濃度が許容値を超えないような空気供給量ＶＡを算出できるようにしておく。
【００５６】
このような空気供給量ＶＡの算出は、例えば、次のような手法で行うことができる。先ず、オリフィス３０からの通過ガス量と、当該通過ガスの残水素濃度との関係について規定した第１マップを作成しておく。そして、所定時刻においてオリフィス３０の通過ガス量が把握されたら、この第１マップを参照し、当該所定時刻においてオリフィス３０を通過してくる水素量を取得する。なお、このマップは、アノード側ガス流路１２の温度などで補正してもよい。
【００５７】
次に、所定の水素濃度と、カソード側ガス流路１４下流を流れるガスの水素濃度を所定値以下にするために必要な空気量との関係について規定した第２マップを作成しておく。この第１、２マップをＥＣＵ６０に記憶しておき、ステップＳ１１０の処理中に適宜参照することにより、カソード側ガス流路１４下流に供給すべき空気供給量ＶＡを得ることができる。
【００５８】
次に、発電に必要な空気供給量ＶＩを算出する処理が実行される（ステップＳ１２０）。このステップでは、上述したステップＳ１００でＥＣＵ６０が取得した現時刻での出力を確保するために必要な空気供給量が、空気供給量ＶＩとして設定される。その後、ＶＡがＶＩよりも大きいか否かの判定がなされる（ステップＳ１３０）。このステップでは、水素濃度低減に必要な空気供給量と、出力を確保するために必要な空気供給量との大小関係が判定される。
【００５９】
ステップＳ１３０の条件の成立が認められた場合には、水素濃度低減に必要な空気供給量が出力確保のための必要な空気供給量よりも大きいと判断され、燃料電池１０にＶＡ分の空気が供給されるようにエアコンプレッサ４０が制御される（ステップＳ１４０）。ステップＳ１３０の条件の成立が認められない場合には、この大小関係が逆であると判断され、燃料電池１０にＶＩ分の空気が供給されるようにエアコンプレッサ４０が制御される（ステップＳ１５０）。その後、今回のルーチンが終了する。
【００６０】
以上の処理によれば、系外へと排出されるガスの水素濃度を所定値以下に保ち、かつ、カソード側ガス流路１４に供給される空気量を発電時に必要な量以上に保つことができる。
【００６１】
図４のフローチャートは、上述した実施の形態１の動作における、「パージ時の制御」の動作を実現するルーチンの一例を示している。図４のルーチンでは、先ず、イグニッションがＯＦＦとなっているか否かが判別される（ステップＳ２００）。この条件の成立が認められない場合には、未だ燃料電池１０への運転停止要求がなされていないと判断され、当該停止要求が待たれる。
【００６２】
ステップＳ２００の条件の成立が認められた場合には、水素供給の停止およびカソード圧を増加する処理が実行される（ステップＳ２１０）。このステップでは、ＥＣＵ６０が制御信号を発し、インジェクタ２６を閉状態（つまり、デューティ制御におけるデューティ比が零の状態）とする。そして、調圧弁４６が閉じ気味に制御され、カソード側の系の圧力が増加される。
【００６３】
次に、パージバルブ２８が開かれる（ステップＳ２２０）。これにより、オリフィス３０を介して、上述したステップＳ２１０の処理で高圧とされたカソード側から、水素供給が停止されたアノード側へと空気が流れ込むことになる。そして、当該空気がアノード側ガス流路１２内の不純物質を押し流し、パージバルブ２８からその下流へと排出する。なお、このパージ処理を行う前に、発電によって水素を消費する制御を行って、アノード側ガス流路１２内の水素を十分に低減してもよい。また、パージバルブ２８の下流に、希釈器を備えても良い。
【００６４】
次に、パージバルブ２８を開いてから所定の時間Ｔが経過したか否かが判別される（ステップＳ２３０）。このステップでは、ステップＳ２２０からの経過時間と、予め実験などにより定められたパージが十分に成されるまでの時間Ｔとの比較により、アノード側ガス流路１２が十分にパージされたか否かが判別される。この条件の成立が認められない場合には、当該所定時間Ｔの経過が待たれる。
【００６５】
ステップＳ２４０の条件の成立が認められた場合には、十分にパージがなされたとの判断がなされ、パージ弁が閉じられ（ステップＳ２４０）、今回のルーチンが終了する。以上の処理により、アノード側ガス流路１２をパージすることができ、アノード側ガス流路１２内の不純物質、水分などを除去することができる。
【００６６】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、アノード側ガス流路１２を含むアノードの構造が前記第１の発明における「アノード」に、カソード側ガス流路１４を含むカソードの構造が前記第１の発明における「カソード」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１では、アノードオフガス流路１３が前記第１の発明における「ガス流路」に、オリフィス３０が前記第１の発明における「オリフィス」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１では、インジェクタ２６が前記第２の発明の「インジェクタ」に相当している。
【００６７】
また、上述の実施の形態１では、水素濃度センサ５０が用いられて図２のフローチャートのステップＳ９０の処理が実行されることで、前記第３の発明における「検知手段」が実現されている。また、上述した図２のフローチャートにおけるステップＳ９２、Ｓ９４の処理が実行されることで、前記第３の発明の「燃料供給量制御手段」が実現されている。
【００６８】
また、上述の実施の形態１では、アノードオフガス流路１３のオリフィス３０下流部位がカソード側ガス流路１４の上流位置に接続される構成が、前記第４の発明における「前記ガス流路の前記オリフィスの下流が、前記燃料電池のカソードを含むカソード系に接続される」という構成に相当している。また、上述した実施の形態１では、エアコンプレッサ４０が前記第５の発明における「空気供給機構」に相当し、図２のフローチャートのステップＳ９２、９４の処理が実行されることで、前記第５の発明における「空気供給量制御手段」が実現されている。
【００６９】
また、上述の実施の形態１では、図３のフローチャートのステップＳ１００、Ｓ１１０の処理が実行されることで、前記第６の発明における「第１算出手段」が、図３のフローチャートのステップＳ１２０の処理が実行されることで、前記第６の発明における「第２算出手段」が、図３のフローチャートのステップＳ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１５０の処理が実行されることで、前記第６の発明における「比較制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００７０】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１のシステムでは、アノード側ガス流路１２の下流を、カソード側の系のうち、カソード側ガス流路１４の上流に接続している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。図５は、実施の形態１の変形例の構成を説明するための図である。図５の第１変形例にかかるシステムでは、アノード側ガス流路１２の下流を、カソード側ガス流路１４の下流に接続する。このような構成において、上述した実施の形態１の思想を適用しても良い。なお、第１変形例のシステム構成では、実施形態１のシステム構成に比して、オリフィス３０下流が、カソード系の圧力が低い位置に接続されているという特徴もある。
【００７１】
（第２変形例）
実施の形態１では、上述した「水素濃度に応じた制御」において、系外へと排気されるガスの水素濃度低減のために、エアコンプレッサ４０の制御と、インジェクタ２６の制御の両方を実行している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。つまり、エアコンプレッサ４０の制御と、インジェクタ２６の制御とのいずれか一方のみで、上述した水素濃度低減を行っても良い。
【００７２】
（第３変形例）
実施の形態１のシステムでは、水素濃度センサ５０により、系外へと排気されるガスの水素濃度を監視している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。水素濃度センサを設ける代わりに、燃料電池１０の発電出力（出力電流値）、アノード側ガス流路１２の圧力、燃料電池１０の温度などに基づいた算出により、系外へと排気されるガスの水素濃度を推定してもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、水素濃度センサ５０を、カソードの系の最下流の位置に設けた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、オリフィス３０の下流の任意の位置に水素濃度センサを設けることができる。また、もしくは、アノードオフガス流路１３の任意の位置に水素濃度センサを設けることもできる。このような構成とした場合には、当該任意の位置の水素濃度から最終的にカソードの系外へと排出されるガスの水素濃度を推測することとし、当該推定値が所定値以下となるように、各種機器を制御すればよい。
【００７４】
（その他の変形例）
なお、実施の形態１のシステムに、次に述べるような変形を加えることもできる。例えば、実施の形態１の加湿器４２を、その内部に触媒を含むような加湿器としてもよい。これにより、加湿器においても残水素を反応させることができ、さらに当該反応による生成水を加湿に利用することもできる。また、実施の形態１では、オリフィス３０は、その穴径が固定のものとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、本発明から穴の径が可変なオリフィスを除外するものではない。また、本発明の思想を、水素供給用の機構としてインジェクタ以外の機構を用いたシステム、例えば、その開度を変更可能なバルブを用いたシステムに適用してもよい。また、アノードオフガス流路１３におけるオリフィス３０の上流の位置に、気液分離器を設けてもよい。
【００７５】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
実施の形態１のシステムは、アノードオフガス流路１３の下流がカソード側の系に接続する構成となっている。これに対し、実施の形態２では、実施の形態１と同様の構成のシステムであってアノードとカソードとの系の接続を行わないシステム（アノードオフガス流路１３下流が希釈器等を介して系外に開放されるシステム）において、アノードオフガス流路１３にオリフィス３０を備える構成とする。なお、図示は省略する。
【００７６】
このような構成において、水素濃度センサ５０を、オリフィス３０の下流に配置する。そして、実施の形態１と同様に、水素濃度センサ５０の出力に応じたインジェクタ２６の制御を行うこととする。これにより、実施の形態１と同様に、システムの簡素化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１のシステムが実行する第１のルーチンのフローチャートである。
【図３】実施の形態１のシステムが実行する第２のルーチンのフローチャートである。
【図４】実施の形態１のシステムが実行する第３のルーチンのフローチャートである。
【図５】実施の形態１の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０  燃料電池
１２  アノード側ガス流路
１３  アノードオフガス流路
１４  カソード側ガス流路
２０  燃料タンク
２４  調圧弁
２６  インジェクタ
２８  パージバルブ
３０  オリフィス
３２  ヒータ
４０  エアコンプレッサ
４２  加湿器
４６  調圧弁
５０  水素濃度センサ
６０  ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
【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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