(57)【要約】【課題】本発明は、補機損の増大等に起因するエネルギ効率の低下を伴うことなく、電解質膜の含水量の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制すると共に、水素濃度の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制することを目的とする。【解決手段】  燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２２と、不純物排出部（排ガス排出路６４およびパージバルブ２７）と、アノードガス圧調節部（インジェクタ６２）と、不純物排出部およびアノードガス圧調節部を制御する制御部（ＣＰＵ７４）と、を備える。制御部は、燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、不純物排出部を制御して、アノードガス中の不純物を排出させる場合には、その排出前に、アノードガス圧調節部を制御して、アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる。【選択図】図１
2008269910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
前記不純物排出部および前記アノードガス圧調節部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる場合には、その排出前に、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させることを特徴とす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であって、
前記制御部は、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定し、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定したときに、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池に要求される負荷が、所定の負荷要求値よりも大きい場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池の内部温度が、所定の温度以上である場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力を調節する出力調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記出力調節部を制御して、前記燃料電池の出力を所定の出力値に制限することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の内部温度を調節する内部温度調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記内部温度調節部を制御して、前記燃料電池の内部温度を所定の温度に低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を調節することを特徴とす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であって、
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおける前記燃料電池のアノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる不純物排出方法であって、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定する第１の工程と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記第１の工程において、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定された場合は、前記アノード側におけるガス圧を正圧に上昇させる第２の工程と、
前記第２の工程おいて、前記アノード側におけるガス圧が正圧に上昇された後に、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる第３の工程と、
を備える不純物排出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体高分子型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】
水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池では、燃料電池の運転中に、燃料電池内の種々の状態変化によって、電池性能が低下することが考えられる。
例えば、燃料電池の中には、水素極の排気ガス（以下、アノード排ガスと呼ぶ）を循環させて、再び水素極に供給する循環流路を設けて、アノード排ガスに含まれる残留水素を有効活用するようにしているものがある。このような燃料電池の場合、アノード排ガス中には、例えば、水蒸気、窒素なども含まれるため、アノード排ガスを長期間に亘って循環させ続けると、これらの成分濃度が高くなり、相対的に水素濃度が低減して、電池性能が低下するおそれがある。そのため、従来は、循環流路に、アノード排ガスの一部を外気へ排出するためのパージバルブを設け、パージバルブを定期的に開くことにより、窒素および水蒸気の濃度を低減させて、水素濃度の低下に起因する電池性能の低下を回避する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、固体高分子型燃料電池では、電解質膜の含水量が低下すると、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下して膜抵抗が増大し、その結果、出力電圧が低下して電池性能が低下する。このような不都合を抑制するために、電解質膜の含水量低下時における対策としては、カソード側におけるガス圧力を、より高める制御を行なう構成が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１５１５９２号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
カソード側におけるガス圧力を高めると、アノード側に対してカソード側のガス圧が相対的に高くなるため、カソード側で生成される水が、アノード側に移動する。そのため、電解質膜の含水量を増加させることができるようになる。しかしながら、カソード側へのガス供給は、通常、ポンプ等を用いて空気を加圧供給することによって行なわれるため、カソード側のガス圧力を高めると、ポンプ等の消費電力、すなわち、補機損が増大することになる。このように補機損が増大すると、システム全体のエネルギ効率が低下する。
【０００６】
そこで、本発明は、補機損の増大等に起因するエネルギ効率の低下を伴うことなく、電解質膜の含水量の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制すると共に、水素濃度の低下に起因する燃料電池の性能低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］  固体高分子電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
アノードガス中の不純物を排出させる不純物排出部と、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧を調節するアノードガス圧調節部と、
前記不純物排出部および前記アノードガス圧調節部を制御する制御部と、
を、さらに備え、
前記制御部は、
前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記不純物排出部を制御して、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる場合には、その排出前に、前記アノードガス圧調節部を制御して、前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させることを要旨とする。
【０００９】
例えば、アノード側におけるガス圧（以下、アノード内圧ともいう。）が負圧のときに、アノードガス中の不純物を大気中へ排出しようとしても、圧力差により、不純物を大気中に排出することができない。本発明の燃料電池システムによれば、アノード内圧が負圧の場合には、アノードガス中の不純物を排出するに先立って、アノード内圧を正圧に制御しているため、良好に不純物を大気中へ排出することができる。従って、アノードガス中の不純物を大気中に排出して、アノードガス中の水素濃度を高めることによって、電池性能の低下を抑制することができる。
【００１０】
なお、アノードガス中の不純物を排出させるタイミングとしては、例えば、燃料電池の運転開始後、所定の時間間隔で定期的に排出させるようにしてもよいし、アノードガス中の不純物濃度に基づいて排出させるようにしてもよい。また、外部から排出の指示があった場合に排出させるようにしてもよい。その他、種々の基準に基づいて、アノードガス中の不純物を排出させるタイミングを定めることができる。
【００１１】
ところで、本発明の燃料電池システムでは、アノード内圧を負圧に設定している。通常、カソード内圧は正圧に維持されているため、アノード内圧を負圧にすると、カソードからアノードへの水の移動が促進されて、電解質膜の含水量の低下を抑制することができる。したがって、電解質膜の含水量低下に伴う膜抵抗の増大を抑制することができ、出力電圧の低下が抑制され、電池性能の低下を抑制することができる。
【００１２】
また、アノード内圧を負圧にすると、アノード内圧が正圧の場合に比べ、アノードガスの流速が大きくなり、アノードガスの流れによって、燃料電池内のアノード側に滞留している液体の水を燃料電池外へ排出し易くなるため、アノード側におけるフラッディングを抑制することができる。したがって、アノードガスの流通が改善されるため、燃料電池の性能低下を抑制することができる。すなわち、本発明の燃料電池システムによれば、総合的に、電池性能の低下を抑制することができる。さらに、アノード内圧を負圧に制御する際にはエネルギ消費の増大を伴う必要がないため、エネルギ効率を低下させることなく、電池性能の低下を抑制することができる
【００１３】
［適用例２］  適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であるか否かを判定し、前記不純物濃度が上昇した状態であると判定したときに、前記アノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させるようにしてもよい。
【００１４】
アノードガス中の不純物を排出する場合に、アノードガス中の水素も共に排出される場合がある。例えば、所定の時間間隔で定期的にアノードガス中の不純物を排出する場合には、アノードガス中の不純物濃度が小さい場合にも排出される可能性があり、そのような場合には、アノードガス中の水素を無駄に排出することになる。燃料電池内のアノードガス中の不純物濃度が上昇した状態であると判定された場合に、アノードガス中の不純物を燃料電池システム外へ排出させるように制御すると、不必要にアノーガス中の不純物の排出行なうことがないため、アノードガス中の水素を無駄に排出することを抑制することができる。
【００１５】
［適用例３］  適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池に要求される負荷が、所定の負荷要求値よりも大きい場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないようにしてもよい。
【００１６】
図７に、燃料電池の電流―電圧曲線の一例を示す。アノード内圧が所定の正圧値の場合を一点鎖線で、アノード内圧が所定の負圧値の場合を実線で示す。図７に示すように、アノード内圧が正圧の場合と負圧の場合とを比べると、電流が一定の場合は、アノード内圧が正圧の場合の方が、電圧が低くなる傾向にある。また、いずれの場合も、電流が大きいときには、電圧が急激に低下する傾向にある。したがって、燃料電池に対する負荷要求が大きく、要求される電流が大きい場合に、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、電圧が急激に低下して、燃料電池が運転できなくなるおそれがある。
【００１７】
そこで、燃料電池に対する負荷要求が、所定値よりも大きい場合には、アノードガス中の不純物を排出させないようにする。すなわち、燃料電池に対する負荷要求が小さい場合にのみ、アノードガス圧を上昇させることになるため、電圧の低下により燃料電池の運転を継続できなくなることを回避することができるようになる。
【００１８】
［適用例４］  適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池のアノード側におけるガス圧が負圧に設定されている場合であって、前記燃料電池の内部温度が、所定の温度以上である場合には、前記アノードガス中の不純物を排出させないようにしても良い。
【００１９】
アノード内圧が負圧に設定されているときに、アノードガス中の不純物を排出させる場合には、上記したようにアノード内圧を正圧に設定しなければならない。しかしながら、燃料電池の内部温度が所定の温度以上の場合には、アノード内圧を正圧に設定することによって、カソード側の水がアノード側に移動し難くなるため、電解質膜の含水量が低下して、燃料電池性能が低下するおそれがある。
【００２０】
そこで、燃料電池の内部温度が所定の温度以上の場合には、アノードガス中の不純物を排出させないようにすると、燃料電池の内部温度が所定の温度以下の場合にのみ、アノード内圧を上昇させることになる。そのため、アノードガス中の不純物を排出させる際の、電解質膜の含水量低下に伴う燃料電池性能の低下を抑制することができるようになる。
【００２１】
［適用例５］  適用例１ないし４のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力を調節する出力調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記出力調節部を制御して、前記燃料電池の出力を所定の出力値に制限するようにしてもよい。
【００２２】
上記したように、燃料電池に対する負荷要求が大きい場合に、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、出力電圧が低下して、燃料電池の運転を継続できない場合がある。適用例５の燃料電池システムによれば、たとえ、負荷要求が大きい場合であっても、燃料電池の出力を、燃料電池が運転を継続するのに充分な程度の出力値に制限することによって、アノード内圧を正圧にして、アノードガス中の不純物を排出することができ、かつ、燃料電池の運転を継続することができる。
【００２３】
［適用例６］  適用例１ないし５のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部温度を調節する内部温度調節部を、
さらに備え、
前記制御部は、
前記アノード側におけるガス圧を正圧まで上昇させる前に、前記内部温度調節部を制御して、前記燃料電池の内部温度を所定の温度に低下させるようにしてもよい。
【００２４】
上記したように、燃料電池の内部温度が高い場合に、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、電解質膜の含水量が低下して、燃料電池性能が低下するおそれがある。適用例６の燃料電池システムによれば、たとえ、燃料電池の内部温度が所定の温度以上であっても、燃料電池の内部温度を、燃料電池の性能低下が許容できる程度の温度に低下させることによって、アノード内圧を正圧にして、アノードガス中の不純物を排出することができ、かつ、燃料電池の性能低下を抑制することができる。なお、燃料電池内を流通する冷却水の流通速度を速くしたり、燃料電池に対する負荷要求を小さく制限したりすることによって、燃料電池の内部温度を低下させることができる。
【００２５】
［適用例７］  適用例１ないし６のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池のアノードに対して、水素ガスを供給する水素ガス供給路と、
前記燃料電池のアノードから排出されたガスを前記水素ガス供給路へと導くアノード排ガス路と
を備え、
前記水素ガス供給路の一部と、前記アノード排ガス路とは、前記燃料電池の内部との間で水素を循環させる循環流路を形成し、
前記アノードガス圧調節部は、前記アノード側におけるガス圧力として、前記循環流路内の圧力を調節するようにしても良い。
【００２６】
このような構成とすれば、燃料ガスとして水素ガスを用いる燃料電池システムにおいて、水素ガスを効率良く利用しつつ、燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００２７】
［適用例７］  適用例６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス圧調節部は、
前記水素ガス供給路において前記循環流路よりも上流に設けられ、前記水素ガスを前記循環流路側へと吐出する吐出口と、該吐出口を開閉するバルブと、を有するインジェクタを備え、
前記制御部は、
前記インジェクタの前記バルブによる前記吐出口の開閉状態を調節させることによって、前記アノード側におけるガス圧を正圧から負圧に低下させるように前記アノードガス調節部を制御するようにしても良い。
【００２８】
このような構成とすれば、バルブによる吐出口の開閉状態を調節することにより、アノード側におけるガス圧力を、容易に所望の圧力へと調節することができる。
【００２９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムにおける燃料電池のアノードガス中の不純物を前記燃料電池システム外へ排出させる不純物排出方法などの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
Ａ．第１の実施例：
Ａ１．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２２と、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック２２に供給して、燃料電池スタック２２から排出された排ガス（以下、アノード排ガスともいう。）を大気へ排出する水素給排系と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２２に供給して、燃料電池スタック２２から排出された排気ガスを大気へ排出する空気給排系と、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０と、を備える。
【００３１】
燃料電池スタック２２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り、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。
【００３２】
水素供給系は、水素タンク２３と、水素供給路６０と、アノード排ガス路６３と、排ガス排出路６４と、から主に構成される。
【００３３】
水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベである。あるいは、代わりに、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。
【００３４】
水素供給路６０には、圧力調整弁６１と、インジェクタ６２とが設けられている。水素タンク２３に貯蔵される水素ガスは、水素タンク２３に接続する水素供給路６０に放出された後、圧力調整弁６１によって所定の圧力に調整（減圧）され、インジェクタ６２を介して、燃料電池スタック２２を構成する各単セルのアノードに燃料ガスとして供給される。なお、圧力調整弁６１は、図１では単一の弁として記載されているが、水素タンク２３から供給される高圧の水素ガスを、所望の圧力に減圧してインジェクタ６２に供給できれば良く、必要な数の圧力調整弁を設けたものを用いてもよい。
【００３５】
インジェクタ６２は、吐出口と、吐出口を開閉する電磁弁であるバルブとを備え、バルブの開放時に、インジェクタ６２の前後にかかる差圧に応じた水素ガスを吐出口から噴射する装置である。そのため、インジェクタ６２が備えるバルブの開弁時間によって、アノード側に供給する水素ガス量を調節することができる。具体的には、後述する制御部７０からインジェクタ６２に対して駆動信号（パルス信号）が送出され、インジェクタ６２に入力された駆動信号がＯＮのときにインジェクタ６２のバルブが開弁され、ＯＦＦのときにバルブが閉弁される。この駆動信号のパルス幅（すなわちデューティー比）を調節することによって、インジェクタ６２から噴射される水素ガス量を調節して、アノードに供給する水素ガス量を調節している。
【００３６】
また、インジェクタ６２のバルブの開閉状態を制御することにより、アノード内圧を制御することができる。図２は、アノード内圧とインジェクタ６２の動作との関係を表わす説明図である。インジェクタ６２におけるバルブの開閉制御は、例えば、インジェクタ６２に入力される駆動信号において、一定の周波数ｆでパルス幅を変更することによって行なうことができる。図２に示すように、バルブによって吐出口が開放状態になる間は、アノード内圧は上昇し、閉鎖状態になる間は、循環流路内の水素が発電のために消費されることによってアノード内圧は低下する。そのため、バルブを開閉することによって、アノード内圧は、図２に示すΔＰの圧力差の範囲で脈動する。したがって、インジェクタ６２におけるデューティー比を制御することで、アノード内圧は、微細に脈動しつつ、全体として所望の圧力に維持される。なお、本実施例におけるインジェクタ６２が、請求項におけるアノードガス圧調節部に相当する。
【００３７】
アノード排ガス路６３には、水素ポンプ６５が設けられており、燃料電池スタック２２のアノードから排出されるアノード排ガスを、水素供給路６０においてインジェクタ６２が配置される位置の下流側に再び流入させる。したがって、アノード排ガス中の残余の水素は、アノード排ガス路６３と、水素供給路６０の一部と、燃料電池スタック２２内の流路と、から成る流路（以下、循環流路と呼ぶ）内を循環して再度電気化学反応に供される。このとき、電極反応による水素消費量（発電量や負荷要求に基づいて求められる）に応じて、インジェクタ６２におけるデューティー比が調節され、水素消費量に相当する水素が、インジェクタ６２を介して水素タンク２３から循環流路へと補充される。また、アノード内圧に基づいて、インジェクタ６２におけるデューティー比がフィードバック制御され、アノード内圧は、所定の略一定値に保たれている。なお、循環流路を構成する水素供給路６０には、アノード内圧を計測するアノード内圧センサ５０が設けられている。
【００３８】
排ガス排出路６４は、アノード排ガス路６３から分岐して、設けられている。排ガス排出路６４にはパージバルブ２７が設けられており、パージバルブ２７が開弁されると、アノード排ガス路６３内を流れるアノード排ガスの一部が排ガス排出路６４を介して、外部に排出される。これにより、循環する水素含有ガスの一部を外部に排出して、水素含有ガス中の不純物濃度（電解質膜を介してアノード側に移動した、酸化ガスである空気中の窒素等の濃度）の上昇を抑えることができる。なお、本実施例におけるパージバルブ２７および排ガス排出路６４が、請求項における不純物排出部に相当する。
【００３９】
パージバルブ２７の開閉は、アノード排ガス路６３内のアノード排ガス中の窒素濃度に基づいて制御されている。アノード排ガス中の窒素濃度は、例えば、以下のように求める。燃料電池スタック２２内を流通する冷却水（後述する）の水温と、燃料電池スタック２２の出力に応じた窒素濃度を予め測定して、その関係をマップとして制御部７０（後述する）に記憶しておく。そして、燃料電池スタック２２の運転中に上記水温および出力を計測して、上記マップを参照することにより、そのときの窒素濃度を求めることができる。なお、窒素濃度は、窒素濃度センサを用いて直接計測する等、種々の方法によって求めることができる。
【００４０】
また、排ガス排出路６４は、希釈器２６に接続されている。この希釈器２６は、アノード排ガスを外部に排出する際に、排出に先立って、アノード排ガス中の水素をカソード排ガスによって希釈するために設けられている。
【００４１】
空気給排系は、エアコンプレッサ２４と、酸化ガス供給路６７と、カソード排ガス路６８と、から主に構成されている。
【００４２】
エアコンプレッサ２４は、エアクリーナ２８を介して外部から取り込んだ空気を加圧して、この加圧空気を、酸化ガス供給路６７を介して酸化ガスとして燃料電池スタック２２のカソードに供給する。
【００４３】
カソード排ガス路６８は、カソードから排出されたカソード排ガスを外部に排出させる。カソード排ガス路６８および酸化ガス供給路６７は、加湿モジュール２５を経由している。加湿モジュール２５では、水蒸気透過性を有する膜によって酸化ガス供給路６７とカソード排ガス路６８とが隔てられており、水蒸気を含有するカソード排ガスを用いて、カソードに供給する加圧空気の加湿を行なっている。また、カソード排ガス路６８は、上記した希釈器２６に接続されている。したがって、希釈器２６において、アノード排ガスと、カソード排ガスとが混合され、アノード排ガスが希釈されて、外部に排出される。
【００４４】
制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ７４と、ＣＰＵ７４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ７５と、同じくＣＰＵ７４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ７６と、各種の信号を入出力する入出力ポート７８等を備える。この制御部７０は、燃料電池システム１０に設けた各種センサ（例えば、アノード内圧センサ５０や温度センサ５２や電圧センサ５４）の計測信号や、燃料電池スタック２２に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム１０が備えるインジェクタ６２、エアコンプレッサ２４、水素ポンプ６５、あるいはパージバルブ２７など、燃料電池スタック２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、本実施例におけるＣＰＵ７４が、請求項における制御部として機能する。
【００４５】
また、燃料電池スタック２２は、その内部に、冷却水が循環する冷却水流路を備えている（図示せず）。燃料電池スタック２２内部に形成される冷却水流路と、図示しないラジエータとの間で冷却水を循環させることによって、燃料電池スタック２２の内部温度は、所定の温度範囲に保たれる。ここで、上記冷却水流路における燃料電池スタック２２からの出口部近傍には、燃料電池スタック２２の内部温度を計測するための温度センサとして、冷却水の出口温度を計測する温度センサ５２が設けられている。なお、燃料電池スタック２２の内部温度を計測する温度センサとしては、冷却水の出口温度を計測するセンサ以外のセンサを設けても良く、例えば、燃料電池スタック２２の温度を直接計測する熱電対としても良い。また、燃料電池システム１０には、燃料電池スタック２２からの出力電圧を計測するための電圧センサ５４が設けられている。
【００４６】
本実施例の燃料電池システム１０におけるアノード内圧は、燃料電池スタック２２が定常運転を行なっているときには、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が変動して水素消費量が最大となる場合にも充分な水素量が確保できる値であって、カソード側のガス圧との釣り合いを考慮した正圧値として設定されている。ここで、燃料電池スタック２２が定常運転を行なっているときとは、燃料電池スタック２２の温度が充分に昇温しており、電解質膜の含水量が充分であって、負荷要求に応じて必要な電力を燃料電池スタック２２によって支障なく発電可能な状態をいう。
【００４７】
Ａ２．膜含水量低下時における制御：
本実施例の燃料電池システム１０は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値（負圧）に設定する制御を行なっている。図３は、燃料電池システム１０が備える制御部７０のＣＰＵ７４において実行される膜含水量低下時処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池スタック２２の発電中に、所定の間隔で繰り返し実行される。
【００４８】
膜含水量低下時処理ルーチンが起動されると、ＣＰＵ７４は、まず、燃料電池スタック２２が所定の高温条件に該当するか否かを判定する（ステップＳ１１０）。本実施例では、燃料電池スタック２２の内部温度として温度センサ５２の計測温度を用い、内部温度が９０℃以上の場合には、燃料電池スタック２２が所定の高温条件に該当すると判定している。燃料電池スタック２２の内部温度が高くなると、飽和蒸気圧が高くなることにより電解質膜の含水量が低下した状態になると考えられる。通常、内部温度が９０℃未満で運転されている場合には、燃料電池性能の低下がほとんど見られないため、電解質膜の含水量の低下状態が、許容範囲内であると考えられる。そのため、高温条件の判定基準を９０℃としている。すなわち、ステップＳ１１０では、燃料電池スタック２２の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量の低下状態を判断している。
【００４９】
ステップＳ１１０において、所定の高温条件に該当すると判定したときには、ＣＰＵ７４は、アノード内圧の設定値を負圧まで低下させる制御を行なう（ステップＳ１２０）。上記したように、アノード内圧は、燃料電池スタック２２が定常運転を行なっているとき（すなわち、ステップＳ１２０の処理が実行されるまで）は、カソード側のガス圧との釣り合いを考慮した一定の正圧値として設定されている。アノード内圧を負圧に設定する制御は、具体的には、制御部７０からインジェクタ６２へと駆動信号を出力することによって、アノード内圧センサ５０における計測値が大気圧よりも低い所定の値となるように、インジェクタ６２におけるデューティー比を調節することによって行なう。
【００５０】
後に詳述するように、電解質膜の含水量が低下した状態の場合には、アノード内圧を低下させることによって、電解質膜の含水量を増加させることができ、結果として、燃料電池性能の低下を抑制することができる。そこで、ステップＳ１１０において、所定の高温条件に該当する（すなわち、電解質膜の含水量が低下している）と判定された場合は、アノード内圧を低下させる制御（ステップＳ１２０）を行なっている。
【００５１】
その後、ＣＰＵ７４は、アノードガス中の不純物濃度が上昇しているか否かを判定する（ステップＳ１３０）。本実施例においては、アノードガス中の不純物濃度として、循環流路内の窒素濃度を用いている。窒素濃度としては、上記したように、燃料電池スタック２２の運転中に冷却水の水温および燃料電池スタック２２の出力を計測して、マップを参照することにより求めた値を用いている。窒素濃度が所定の高濃度判定基準値を上回った場合は、ステップＳ１３０において、不純物濃度が上昇していると判定される。
【００５２】
ステップＳ１３０において、不純物濃度が上昇していると判定されると、ＣＰＵ７４は、アノード内圧が負圧か否かを判定する（ステップＳ１４０）。本実施例において、アノード内圧が負圧か否かは、アノード内圧センサ５０による計測値に基づいて判定される。ステップＳ１４０において、アノード内圧が負圧と判定された場合は、ＣＰＵ７４は、さらに、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が小さいか否か判定する（ステップＳ１５０）。本実施例において、負荷要求が小さいか否かは、燃料電池スタック２２の出力電圧に基づいて判定する。具体的には、電圧センサ５４によって測定された出力電圧に基づいて算出された燃料電池１つ当りの出力電圧が、例えば、０．７Ｖ以上の場合は、負荷要求が小さいと判定する。負荷要求の判定基準となる出力電圧値は、０．７Ｖに限定されず、例えば、燃料電池の種類等に応じて、異なる値に設定できる。本実施例においては、出力電圧が０．６Ｖ以下になると、燃料電池スタック２２の運転が継続できない可能性があるため、余裕を見て、判定基準の出力電圧を、０．７Ｖに設定している。
【００５３】
ステップＳ１５０において、負荷が小さいと判定されると、ＣＰＵ７４は、アノード内圧を定常運転時と同様の正圧値に設定する制御を行なう（ステップＳ１６０）。具体的には、制御部７０からインジェクタ６２へと駆動信号を出力することによって、アノード内圧センサ５０における計測値が定常運転時と同じ、所定の値となるように、インジェクタ６２におけるデューティー比を調節することによって行なう。
【００５４】
また、ＣＰＵ７４は、アノード内圧を正圧に設定した後、アノード排ガス中の不純物を排出させるように制御する（ステップＳ１７０）。具体的には、ＣＰＵ７４からパージバルブ２７へ駆動信号を出力することによって、パージバルブ２７を開弁して、アノード排ガスの一部を排出させ、所定の時間経過した後、パージバルブ２７を閉弁する。
【００５５】
ところで、ステップＳ１５０において、負荷要求が大きいと判定された場合（すなわち、出力電圧が０．７Ｖ未満の場合）は、アノード排ガスを排気せず、ステップＳ１１０に戻る。ステップＳ１３０において、アノードガス中の不純物濃度が上昇していると判断されているため、アノード排ガスの排気（ステップＳ１７０）を行なうのが好ましいが、負荷要求が大きい場合に、アノード内圧を正圧に上昇させると、図７に矢印で示すように、電圧が急激に降下して、燃料電池スタック２２が運転できなくなるおそれがあるため、アノード排ガスの排気を行なわない。
【００５６】
また、ステップＳ１３０において、アノードガス中の不純物濃度が上昇していると判定されなかった場合も、ステップＳ１４０〜２５０を行なわず（すなわち、アノード排ガスを排気せず）、ステップＳ１１０に戻る。不純物濃度が、所定の高濃度判定基準値を上回っていない場合は、アノードガス中の水素濃度の低下に基づく電池性能の低下が、許容範囲内であるため、アノード排ガスの排気をする必要がないと考えられるからである。
【００５７】
以上、ステップＳ１１０において、所定の高温条件に該当すると判定された場合の、制御の流れについて説明した。一方、ステップＳ１１０において、所定の高温条件に該当しないと判定された場合（すなわち、燃料電池スタック２２の内部温度が９０℃未満の場合）は、アノード内圧を定常運転時の所定の正圧値に設定し（ステップＳ１８０）、ステップＳ１３０に移行する。
【００５８】
ステップＳ１３０において、アノードガス中の不純物濃度が上昇していると判定された場合は、ＣＰＵ７４は、アノード内圧が負圧か否かを判定する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１８０において、アノード内圧は定常運転時の正圧値に設定されているため、ＣＰＵ７４は、ステップＳ１５０、１６０を行なわず、アノード排ガスを排気させて（ステップＳ１７０）、ステップＳ１１０に戻る。アノード内圧が正圧の場合には、アノード内圧を調節しなくても、アノード排ガスの排気を行なうことができるからである。
【００５９】
このように、本実施例における膜含水量低下時処理ルーチンでは、燃料電池スタック２２の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量の低下状態を判定し、含水量が低下している場合には、アノード内圧を負圧まで低下させることによって、膜含水量の低下を抑制している。
【００６０】
また、アノードガス中の窒素濃度に基づいて、アノードガス中の不純物濃度の上昇状態を判定し、アノードガス中の不純物濃度が上昇している場合であって、アノード内圧が負圧に制御されている場合には、アノード内圧を正圧まで上昇させて、その後、アノード排ガスを排出させている。アノード排ガスの一部を排出させ、新たに純水素が供給されることによって、アノードガス中の不純物濃度が低減されて、アノードガス中の水素濃度が上昇する。アノード内圧を正圧に上昇させるのは、アノード内圧が負圧の状態のままでは、パージバルブ２７を開弁したとしても、循環路内の圧力が、外気圧より低いため、逆に、外気が循環路内に流入してしまい、アノード排ガスを排気することができないからである。
【００６１】
さらに、本実施例においては、燃料電池スタック２２に対する負荷要求の大小を、出力電圧に基づいて判定し、負荷要求が小さいと判定された場合にのみ、上記したように、アノード内圧を正圧に制御すると共に、アノード排ガスを排出させている。したがって、アノード内圧を負圧から正圧に制御することによって、電圧低下が生じても、燃料電池スタック２２が停止するようなことを回避することができる。
【００６２】
以上のように、本実施例における膜含水量低下時処理ルーチンを実行することにより、電解質膜の含水量低下およびアノードガス中の水素濃度の低下に伴う燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００６３】
Ａ３．アノード内圧と膜抵抗との関係：
本実施例の燃料電池システム１０は、固体高分子電解質膜における含水量の低下時には、含水量の低下に起因する電池性能の低下を抑制するために、アノード内圧を、定常運転時とは異なる、大気圧より低い値（負圧）に設定する制御を行なっている。そこで、燃料電池における内部抵抗（セル抵抗）とアノード内圧との関係について、以下に説明する。
【００６４】
図５は、アノード内圧と、セル抵抗およびセル電圧との関係を調べた結果を示す図である。ここでは、燃料電池として単セル（１対のセパレータで、ＭＥＡ（膜電極接合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を挟持したもの）を用いており、燃料ガスである水素ガスの循環は行なっていない。そして、単セルを一定の負荷に接続しつつ、すなわち、出力電流値を一定値に保ちつつ、アノード側に供給する水素ガスの圧力（アノード内圧）を次第に変化させて、セル抵抗およびセル電圧を測定した。また、カソードに供給する酸化ガスとしては空気を用いており、単セル内の酸化ガス流路を流れる空気の圧力、すなわちカソード内圧は一定とした。また、単セル内には冷却水が流れる冷却水流路を設け、冷却水の出口温度を調節することによって、単セル内の温度を略一定に維持した。また、燃料ガスおよび酸化ガスの加湿条件としては、アノード内圧をカソード内圧と釣り合う圧力に設定する場合に、電解質膜の含水量が低下するような条件として設定した。
【００６５】
ここで、燃料電池における内部抵抗としては、燃料電池の構成部材間における接触抵抗に起因するものと、燃料電池の各構成部材そのものが有する抵抗とがある。これら個々の抵抗を計測することは困難であるが、これらの抵抗の内、燃料電池の発電中に燃料電池の発電条件に応じて大きく変化し得るのは、含水量が変化することで値が変動する電解質膜の抵抗、すなわち膜抵抗である。そして、この膜抵抗は、電解質膜の含水量が低下して、電解質膜におけるプロトン伝導性が低下することによって値が上昇する。そのため、図５に示す結果においては、電解質膜の含水量の低下に起因する膜抵抗の増大を、燃料電池スタック２２の内部抵抗の増加として計測している。
【００６６】
燃料電池の内部抵抗であるセル抵抗は、交流インピーダンス法により求めた。すなわち、単セルに対して、比較的周波数の高い（例えば１０ｋＨｚ）微弱な交流定電流を印加し、出力電圧から、フィルタ（コンデンサ）を用いて上記交流電流に起因する交流成分を分離して、交流成分の電圧値である交流インピーダンスを、セル抵抗として求めた。
【００６７】
図５に示すように、アノード内圧を低くすれば低くするほど、単セルにおけるセル抵抗が低下すると共に、セル電圧が上昇する結果が得られた。
【００６８】
このように、アノード内圧を低下させるほど、セル抵抗が低下するのは、アノード内圧を低下させることにより、カソード内圧に対してアノード内圧が相対的に低くなって、両者間の差圧が大きくなるためであると考えられる。アノード内圧とカソード内圧との差圧が大きくなると、カソード側からアノード側へと向かう電解質膜内における水の移動が促進され、結果的に電解質膜の含水量が増加して、膜抵抗が低下するためであると考えられる。
【００６９】
以上のように、図５の結果から、電解質膜の含水量が低下した場合に、アノード内圧を低下させると、低下させるほどに、セル抵抗を低下させることができ、その結果、セル電圧を上昇させることができるという知見が得られた。そこで、本実施例の燃料電池システム１０では、以上の知見を利用して、電解質膜の含水量の低下時に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御を行なうことで、電池性能の維持を図っている。
【００７０】
なお、一般的に、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化ガスとして酸素濃度が比較的低い空気を用いて燃料電池を運転する際には、アノード内圧は、カソード内圧との釣り合いを考慮して設定されるため、所望の電力を得るために必要な値に比べて過剰となっている。したがって、負荷要求に応じた発電を行なうためには充分な範囲でアノード内圧を負圧まで低下させることにより、所望の電力を得つつ、セル抵抗の低下およびセル電圧の上昇を図ることができる。
【００７１】
Ａ４．第１の実施例の効果：
図４は、膜含水量低下時処理ルーチンによる制御の影響を示すグラフである。図４（ａ）はアノードガス中の窒素濃度、（ｂ）は出力電圧、（ｃ）はアノード内圧、（ｄ）はパージバルブの開閉状態を、それぞれ示す。なお、図４では、（ａ）〜（ｄ）全てのグラフについて、横軸に時間を取って、同じ時間軸で示している。また、図４では、上記したステップＳ１２０において、アノード内圧が負圧に設定された後、燃料電池スタック２２に対する負荷要求を変化させた場合を示している。
【００７２】
燃料電池スタック２２のアノードガス中の窒素濃度が高濃度判定基準値を超えたとき（すなわち、上記のステップＳ１３０において、不純物濃度が上昇していると判定されたとき：図４（ａ）時間ｔ１）、図４（ｂ）に示す、出力電圧が低負荷判定基準値を超えているため、負荷要求が小さいと判定されると、アノード内圧が定常運転時の所定の正圧値に設定される（図４（ｃ））と共に、パージバルブ２７が開弁される（図４（ｄ））。パージバルブ２７が開弁されると、アノード排ガスの一部が大気中に放出され、その分、純水素が供給されるため、アノードガス中の窒素濃度が低下する（図４（ａ））。
【００７３】
なお、本実施例において、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させる際に、同時にパージバルブ２７を開弁して、アノード排ガスの排気を行なっているが、同時でなくてもよい。アノード内圧が正圧に設定された後、所定の時間経過後に、パージバルブ２７を開弁するように制御してもよい。また、アノード内圧を負圧から徐々に正圧に上昇させる場合には、アノード内圧が正圧に設定された後に、パージバルブ２７を開弁する必要がある。
【００７４】
パージバルブ２７が閉弁されると（図４（ｄ））、アノード内圧は再び、負圧に設定される（図４（Ｃ））。なお、アノード排ガスの排気処理が終了した後、上記したステップＳ１１０において、所定の高温条件に該当しないと判定されれば、アノード内圧は、定常運転時の所定の正圧値に維持されるが、図４では、ステップＳ１１０において、所定の高温条件に該当すると判定されたものとする。
【００７５】
パージバルブ２７が閉弁されると、アノードガス中の窒素濃度は再び上昇し、高濃度判定基準値を上回る（図４（ａ）時間ｔ２）。しかしながら、このとき（時間ｔ２）、出力電圧は、低負荷判定基準値を超えていない（図４（ｂ））。すなわち、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が大きいため、アノード排ガスの排出は実行されない（図４（ｄ））。したがって、アノード内圧も負圧に維持されている（図４（ｃ））。パージバルブ２７は閉弁されているため、その後もアノードガス中の窒素濃度は、上昇し続ける（図４（ａ））。その後、出力電圧が低負荷判定基準値を上回ると（図４（ｂ）時間ｔ３）、ＣＰＵ７４は、アノード内圧を定常運転時の正圧値に設定し（図４（ｃ））、パージバルブ２７を開弁する（図４（ｄ））。パージバルブ２７を開弁することにより、上述したように、アノードガス中の窒素濃度が低下する（図４（ａ））。
【００７６】
一般的に、図７に示すように、負荷要求が大きくなると（すなわち、要求電流が大きくなると）、出力電流が急激に落ちる傾向にある。したがって、負荷要求が大きいときに、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させると、燃料電池スタック２２が運転を継続できない程度に、出力電圧が低下してしまうおそれがある。
【００７７】
本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンにおいては、アノードガス中の窒素濃度が上昇することによって（すなわち、アノードガス中の水素濃度が低下することによって）、燃料電池性能が低下するのを抑制するために、アノード排ガスの一部を排気する制御を行なうが、その前に、負荷要求の大きさを、出力電圧に基づいて判定し、負荷要求が小さい場合にのみ、アノード排ガスの排気制御を行なっている。
【００７８】
したがって、アノード排ガスの排気を行なう際に、アノード内圧を所定の正圧値に設定することによって、出力電圧が大きく低下するのを抑制することができる。したがって、燃料電池スタック２２が運転できなくなるのを回避することができる。
【００７９】
さらに、インジェクタ６２のバルブの開閉時間を調節することによってアノード内圧を低下させているため、エネルギ消費の増大を伴う必要がない。そのため、エネルギ効率を低下させることなく、電解質膜の含水量低下に起因する電池性能の低下を抑制することができる。
【００８０】
また、本実施例では、インジェクタ６２のバルブの開閉制御という簡便な動作により、アノード内圧を容易に所望の値へと制御することができる。なお、インジェクタ６２のバルブの開閉時間を調節する方法以外の方法によって、アノード内圧を調節してもよい。例えば、バルブの開度を調節することで、アノード内圧を調節しても良い。
【００８１】
Ｂ．第２の実施例：
本発明の第２の実施例の燃料電池システムは、図１に示す第１の実施例の燃料電池システム１０と、同様の構成を成しているが、本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンの一部が、第１の実施例の膜含水量低下時処理ルーチンと異なっている。図６は、第２の実施例における膜含水量低下時処理ルーチンの一部を示すフローチャートである。本実施例では、図３に示す膜含水量低下時処理ルーチンにおけるステップＳ１５０に代えて、図６に示すステップＳ２５０を行う。
【００８２】
本実施例の膜含水量低下時処理ルーチンは、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が大きいと判定された場合の制御が、第１の実施例の膜含水量低下時処理ルーチンと異なる。第１の実施例においては、図３に示すように、ステップＳ１５０において、ＣＰＵ７４が、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が大きいと判断した場合に、アノード排ガスの排気を行なわず、ステップＳ１１０に戻っている。一方、本実施例では、図６に示すように、ステップＳ２５０において、ＣＰＵ７４が、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が大きいと判断した場合には、さらに、緊急排気が必要か否かを判定し、緊急排気の要否に基づいて、アノード排ガスの排気制御を行なっている。
【００８３】
具体的には、図６に示すように、ステップＳ２５０において、第１の実施例と同様に、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が小さいか否かを判定し、負荷が大きいと判定されると（すなわち、出力電圧が０．７Ｖ未満の場合）、ＣＰＵ７４は、さらに、アノード排ガスの緊急排気が必要か否かを判定する（ステップＳ２６０）。ステップＳ１３０では、アノードガス中の窒素濃度が、所定の基準値を上回った場合に、不純物濃度が上昇していると判定しているが、この判定基準は、窒素濃度の上昇によって、燃料電池スタック２２の発電効率が低下するため、排気処理を実行するのが好ましいものの、即刻実行しなくても、燃料電池スタック２２の運転が停止するような事態を招くものではないという、ある程度の余裕を含む値に設定されている。一方、ステップＳ２６０において、緊急排気が必要と判定される基準値は、アノード排ガスの排気処理を行わなければ、燃料電池スタック２２が発電不可能となるおそれがあるという、Ｕ２１０における判定基準値よりも高い基準値が設定されている。
【００８４】
ステップＳ２６０において、緊急排気が必要と判定された場合、ＣＰＵ７４は、燃料電池スタック２２の出力を所定の制限値に制限する（ステップＳ２７０）。所定の制限値とは、アノード内圧を正圧に制御したとしても、燃料電池スタック２２が停止しない程度の出力である。ＣＰＵ７４は、Ｕ２６０において、緊急排気が必要と判定された場合には、実際に必要な負荷要求値に代えて、制限値を用いて、燃料電池スタック２２の電極反応を制御する。例えば、出力電圧が０．７Ｖになるように、エアコンプレッサ２４およびインジェクタ６２を制御する。このようにすることによって、燃料電池スタック２２は、要求されている負荷よりは小さいものの、所定の出力を維持することができ、運転を継続することができる。このように、ステップＳ２７０の処理を実行する際には、エアコンプレッサ２４およびインジェクタ６２が、請求項における出力調節部として機能する。
【００８５】
続いて、ＣＰＵ７４は、アノード内圧を定常運転時と同様の正圧値に設定する制御を行なう（図３のステップＳ１６０）と共に、アノード排ガス中の不純物を排出させるように制御する（図３のステップＳ１７０）。
【００８６】
このように本実施例の燃料電池システムによれば、第１の実施例における効果を奏すると共に、さらに、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が大きい場合であっても、出力制限を行なうことによって、アノード内圧を正圧に設定して、アノードガス中の不純物を大気中に放出することができる。したがって、燃料電池スタック２２の運転が停止するのを回避しつつ、アノードガス中の不純物濃度の上昇による燃料電池性能の低下を抑制することができる。
【００８７】
Ｃ．変形例：
なお、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。
【００８８】
（１）上記した第１の実施例では、アノードガス中の窒素濃度が上昇していても、負荷要求が大きい場合には、アノード排ガスを排出する制御を行なわないようにしているが、燃料電池スタック２２の内部温度が高い場合に、アノード排ガスを排出する制御を行なわないようにしてもよい。
【００８９】
例えば、燃料電池スタック２２の内部温度が、９３℃より低ければ、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させても燃料電池スタック２２の性能低下が許容できる範囲内であるとすると、上記した実施例のステップＳ１１０において用いる温度（例えば、９０℃）よりも高い温度になる。したがって、内部温度が９３℃以上の場合にはアノード排ガスを排出する制御をしないようにすると、燃料電池スタック２２の内部温度が９０〜９３℃の場合には、アノード内圧を負圧から正圧に上昇させて、アノード排ガスを排気することになる。このようにすると、アノード排ガスを排出させる処理を行う際の、燃料電池スタック２２の性能低下を許容範囲内に収めつつ、アノードガス中の不純物濃度を低下させることができる。
【００９０】
（２）上記した第２の実施例では、負荷要求が大きい場合であっても、緊急排気が必要な場合には、出力を所定の値に制限した後に、アノード排ガスを排気させる処理を行っているが、燃料電池スタック２２の内部温度が高い場合に、緊急排気が必要なときは、燃料電池スタック２２の内部温度を所定の温度に低下させた後に、アノード排ガスを排出させる処理を行うようにしてもよい。すなわち、ステップＳ２５０で内部温度が低温か否か判定し、高温と判定された場合には、ステップＳ２７０で、燃料電池スタック２２の内部温度を低下させる処理を行う。例えば、燃料電池スタック２２内を流通する冷却水の流通速度を速くすることによって、燃料電池の内部温度を低下させることができる。このようにしても、アノード排ガスを排出させる処理を行う際の、燃料電池スタック２２の性能低下を許容範囲内に収めつつ、アノードガス中の不純物濃度を低下させることができる。
【００９１】
（３）上記した実施例では、燃料電池スタック２２の出力電圧に基づいて、燃料電池スタック２２に対する負荷要求が小さいか否かを判定しているが、その他の方法で負荷要求の大きさを判定してもよい。例えば、出力電流に基づいて判定してもよいし、燃料電池の内部温度に基づいて判定してもよい。負荷要求が小さくなれば、燃料電池の内部温度も下がると考えられるからである。
【００９２】
（４）上記した実施例では、燃料電池スタック２２の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判断し、電解質膜の含水量が低下していると判断された場合に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御を行なっているが、その他の場合に、アノード内圧を負圧まで低下させるようにしてもよい。
【００９３】
例えば、アノード側でフラッディングを起こしていると考えられる場合に、アノード内圧を負圧まで低下させる制御をするようにしてもよい。具体的には、ステップＳ１１０において、フラッディングの状態になりうる低温条件（例えば、８０℃以下）か否かを判定し、低温条件に該当した場合には、出力電圧の低下状態を判定して、所定の割合以上低下している場合には、フラッディングの状態になっていると判定する。
【００９４】
出力電圧の低下状態を判定する方法としては、例えば、以下のように判定することができる。電圧センサ５４が計測した燃料電池スタック２２の出力電圧値を取得すると共に、図示しない電流センサが計測した燃料電池スタック２２の出力電流値を取得する。一般に、定常運転を行なっている燃料電池は、出力電流値に応じて出力電圧値が一義的に定まる性質を有しており、出力電流値と出力電圧値との間には、一定の関係が成立する（電流―電圧特性）。ＣＰＵ７４は、取得した出力電流値と、制御部７０に予め記憶されている燃料電池スタック２２の電流―電圧特性と、に基づいて、定常運転時における出力電圧値の基準値である基準電圧値を求める。そして、求めた基準電圧値と、電圧センサ５４から取得した出力電圧値の計測値とを比較して、出力電圧の低下状態を判定する。
【００９５】
そして、ステップＳ１１０において、フラッディングの状態と判定された場合には、アノード内圧を負圧にする制御を行なう（ステップＳ１２０）。
【００９６】
アノード内圧を負圧まで低下させると、アノードガスの流速が速くなるため、燃料電池スタック２２内に滞留している水を排出し易くなり、フラッディングを抑制することができる。
【００９７】
（５）上記した実施例では、図３のステップＳ１１０において燃料電池スタック２２の内部温度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しているが、異なる基準に基づいて行なっても良い。
【００９８】
例えば、燃料電池スタック２２の出力電圧に基づいて、電解質膜の含水量が低下しているか否かを判定してもよい。（４）に述べたように、基準電圧値と、電圧センサ５４から取得した出力電圧値の計測値とを比較して、基準電圧値に比べて実際の計測値が所定の割合以上低下している場合には、電解質膜の含水量が低下した状態であると判定してもよい。
【００９９】
あるいは、電解質膜の膜抵抗に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。上記したように、電解質膜の含水量が低下すると電解質膜の膜抵抗が上昇するため、膜抵抗が所定値以上に上昇しているときには、含水量低下状態であると判定することができる。
【０１００】
また、カソードに供給される酸化ガスにおける圧損（カソード圧損）に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしても良い。膜含水量が少ないときには、酸化ガスの流路内においても水が少ない状態となり、液水による酸化ガス流れの阻害が少なくなって圧損が小さくなるため、カソード圧損が小さい場合には、含水量低下状態と判定することができる。同様に、アノードに供給される燃料ガスにおける圧損（アノード圧損）に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定することとしてもよい。
【０１０１】
また、排ガス（カソード排ガスあるいはアノード排ガス）の湿度に基づいて、電解質膜の含水量低下状態を判定しても良い。燃料電池においては、温度が比較的低いときには、排ガスにおける水蒸気圧は飽和蒸気圧となっている。しかしながら、燃料電池の温度が上昇して、電解質膜が含水量低下状態となり得るときには、排ガス中の水蒸気圧は飽和蒸気圧よりも低下する。そこで、含水量低下状態を判定するための基準となる排ガス湿度を予め定めておき、この基準となる排ガス湿度よりも、計測値に基づいて求めた排ガス湿度が下回るとき、電解質膜が含水量低下状態であると判定することができる。
【０１０２】
（６）上記した実施例では、循環流路に水素ガスを補充するためにインジェクタ６２を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、インジェクタ６２に代えて減圧弁を設け、減圧弁により、燃料電池スタック２２に供給する燃料ガス圧を調節して、アノード内圧を低下させる制御を行なっても良い。
【０１０３】
（７）上記した実施例では、水素給排系では、循環流路を構成して、アノード排ガスを水素供給路６０に戻す構成を示したが、アノード排ガスを循環させない構成としてもよい。例えば、アノード排ガス路６３を設けず、排ガス排出路６４が、燃料電池スタック２２に直接接続される構成としてもよい。このような構成とした場合も、パージバルブ２７を開弁することによって、燃料電池スタック２２内のアノードガス中の不純物を排出することができる。このような構成にすると、例えば、供給された水素が、全て電極反応に用いられる場合等に、好適である。
【０１０４】
（８）上記した実施例では、水素を含有する燃料ガスとして、水素タンク２３に貯蔵した水素ガスを用いたが、異なる構成としても良い。例えば、アルコールや炭化水素などの燃料から、水蒸気改質反応のような改質反応を利用して得られる水素リッチな改質ガスを、燃料ガスとして用いることとしても良い。この場合にも、電解質膜の含水量低下時には、アノード内圧を低下させる制御を行なうことによって電解質膜における抵抗の上昇を抑え、出力電圧を確保することにより、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の好適な一実施例としての燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。
【図２】アノード内圧とインジェクタ６２の動作との関係を表わす説明図である。
【図３】燃料電池システム１０において実行される膜含水量低下時処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】膜含水量低下時処理ルーチンによる制御の影響を示すグラフである。
【図５】アノード内圧とセル抵抗およびセル電圧との関係を調べた結果を示す図である。
【図６】第２の実施例における膜含水量低下時処理ルーチンの一部を示すフローチャートである。
【図７】燃料電池の電流―電圧特性の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…燃料電池システム
２２…燃料電池スタック
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２５…加湿モジュール
２６…希釈器
２７…パージバルブ
２８…エアクリーナ
５０…アノード内圧センサ
５２…温度センサ
５４…電圧センサ
６０…水素供給路
６１…圧力調整弁
６２…インジェクタ
６３…アノード排ガス路
６４…排ガス排出路
６５…水素ポンプ
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部
７４…ＣＰＵ
７８…入出力ポート
【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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