(57)【要約】【課題】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、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、アノード側ガス流路内の不純物質を排出することができる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】燃料電池２のアノード側ガス流路４２下流側端部に、排気弁１４を接続する。排気弁１４は、アノード側ガス流路４２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排気モードを備える。燃料電池２の発電停止要求の後、燃料電池２の出力電流値を所定値まで増大する。そして、遅くとも前述の出力電流値の増大時までに排気弁１４を排気モードとし、当該出力電流値の増大に応じて排気弁１４の排気流量を増加する。【選択図】図５
2008204848.tif 000002
【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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続され、前記アノード側ガス流路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排気モードを備えた排気機構と、
前記燃料電池の発電停止要求の後、該燃料電池の出力電流値を所定値まで増大する出力制御手段と、
遅くとも前記出力制御手段による出力電流値の増大時までに前記排気機構を前記排気モードとする排気制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排気機構は排気流量が可変であり、
前記排気制御手段は、前記出力制御手段による出力電流値の増大に応じて前記排気機構の排気流量を増加す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３】
前記燃料電池に接続された蓄電装置を備え、
前記出力制御手段の出力電流値の増大による出力電力の増加分の少なくとも一部を前記蓄電装置に蓄電することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続され、該アノード側ガス流路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排気モードを備えた排気機構と、
前記燃料電池のパージの実行要求の有無を判別するパージ要求判別手段と、
前記パージ実行要求があると判別された後、該燃料電池の出力電流値を所定値まで増大する出力制御手段と、
遅くとも前記出力制御手段による出力電流値の増大時までに前記排気機構を前記排気モードとする排気制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記パージ要求判別手段は、前記燃料電池の運転を該燃料電池の発電を間欠的に停止する間欠運転へと切替える要求があったら前記燃料電池のパージ実行要求がなされたと判別する間欠運転時パージ要求判別手段を含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排気機構は排気流量が可変であり、
前記排気制御手段は、前記出力制御手段による出力電流値の増大に応じて前記排気機構の排気流量を増加することを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続され、前記アノード側ガス流路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排気モードを備えた排気機構と、
前記アノード側ガス流路内の燃料ガスの流速に関連する物理量を計測する第１計測手段と、
前記アノード側ガス流路内の不純物質の拡散速度に関連する物理量を計測する第２計測手段と、
前記燃料電池の発電停止要求の後、前記アノード側ガス流路内の燃料ガスの流速が該アノード側ガス流路内の前記不純物質の拡散速度よりも大きくなるように該燃料ガスの流速を増大する流速制御手段と、
遅くとも前記流速制御手段による燃料ガスの流速の増大時までに前記排気機構を前記排気モードとする排気制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続された排気機構と、
前記燃料電池のパージの実行要求の有無を判別するパージ要求判別手段と、
前記パージ実行要求があったと判別された後、該燃料電池の出力電流値を所定値まで増大する出力制御手段と、
前記燃料電池のパージ実行要求があったと判別された後、少なくとも前記出力制御手段による出力電流値の増大までは前記排気機構を閉じ、該出力電流値の増大以後に前記排気機構の開放状態への切り替えを行う排気制御手段と、
を備えることを特徴とす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、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た燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００５−３５３５６９号公報に開示されているように、燃料電池の内部に燃料ガスを止めて運転す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。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弁を開き、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。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３５３５６９号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３３０３号公報
【特許文献３】特開２００５−２４３４７７号公報
【特許文献４】特開平９−３１２１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のシステムでは、排気弁を開いたとき、不純物質だけでなくアノード側ガス流路内の燃料ガスも一緒に排気されてしまう。燃費の向上の観点からは、燃料ガスの無駄な排出は抑えたい。
【０００５】
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、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、アノード側ガス流路内の不純物質を排出することができ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】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続され、前記アノード側ガス流路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排気モードを備えた排気機構と、
前記燃料電池の発電停止要求の後、該燃料電池の出力電流値を所定値まで増大する出力制御手段と、
遅くとも前記出力制御手段による出力電流値の増大時までに前記排気機構を前記排気モードとする排気制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気機構は排気流量が可変であり、
前記排気制御手段は、前記出力制御手段による出力電流値の増大に応じて前記排気機構の排気流量を増加することを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、前記第１または第２の発明において、
前記燃料電池に接続された蓄電装置を備え、
前記出力制御手段の出力電流値の増大による出力電力の増加分の少なくとも一部を前記蓄電装置に蓄電することを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、燃料電池システムであって、
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続され、前記アノード側ガス流路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排気モードを備えた排気機構と、
前記燃料電池のパージの実行要求の有無を判別するパージ要求判別手段と、
前記パージ実行要求があると判別された後、該燃料電池の出力電流値を所定値まで増大する出力制御手段と、
遅くとも前記出力制御手段による出力電流値の増大時までに前記排気機構を前記排気モードとする排気制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記パージ要求判別手段は、前記燃料電池の運転を該燃料電池の発電を間欠的に停止する間欠運転へと切替える要求があったら前記燃料電池のパージ実行要求がなされたと判別する間欠運転時パージ要求判別手段を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第４または５の発明において、
前記排気機構は排気流量が可変であり、
前記排気制御手段は、前記出力制御手段による出力電流値の増大に応じて前記排気機構の排気流量を増加することを特徴とする。
【００１２】
また、第７の発明は、燃料電池システムであって、
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続され、前記アノード側ガス流路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排気モードを備えた排気機構と、
前記アノード側ガス流路内の燃料ガスの流速に関連する物理量を計測する第１計測手段と、
前記アノード側ガス流路内の不純物質の拡散速度に関連する物理量を計測する第２計測手段と、
前記燃料電池の発電停止要求の後、前記アノード側ガス流路内の燃料ガスの流速が該アノード側ガス流路内の前記不純物質の拡散速度よりも大きくなるように該燃料ガスの流速を増大する流速制御手段と、
遅くとも前記流速制御手段による燃料ガスの流速の増大時までに前記排気機構を前記排気モードとする排気制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また第８の発明は、燃料電池システムであって、
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、
前記アノード側のガス流路の下流側端部に接続された排気機構と、
前記燃料電池のパージの実行要求の有無を判別するパージ要求判別手段と、
前記パージ実行要求があったと判別された後、該燃料電池の出力電流値を所定値まで増大する出力制御手段と、
前記燃料電池のパージ実行要求があったと判別された後、少なくとも前記出力制御手段による出力電流値の増大までは前記排気機構を閉じ、該出力電流値の増大以後に前記排気機構の開放状態への切り替えを行う排気制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、アノード側ガス流路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で、燃料ガスの無駄な排気を抑えつつアノード側ガス流路の下流側端部に溜まる不純物質を系外に少しずつ排気できる。これにより、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、アノード側ガス流路内の不純物質を排出することができる。さらに、排気機構を排気モードとした運転においては、燃料ガスの流速が大きくなるほど、アノード側ガス流路内の不純物質量が少なくなる。第１の発明によれば、運転停止要求の後このような状態を意図的に作り出すことができるので、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路内の不純物質を低減して、燃料電池を停止することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、燃料電池の出力電流値の増加によるアノード側ガス流路下流側の不純物質量の増加に応じて、排気流量を増加することができる。これにより、水素の無駄な排出を抑えつつ不純物質を排気する際に、アノード側ガス流路下流の不純物質濃度の過度な上昇を抑えることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、不純物質をアノード側ガス流路の下流側に集める際に増加した発電電力を無駄なく利用することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、アノード側ガス流路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で、燃料ガスの無駄な排気を抑えつつアノード側ガス流路の下流側端部に溜まる不純物質を系外に少しずつ排気することができる。これにより、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、アノード側ガス流路内の不純物質を排出することができる。さらに、排気機構を排気モードとした運転においては、燃料ガスの流速が大きくなるほど、アノード側ガス流路内の不純物質量が少なくなる。第４の発明によれば、パージ実行要求の後このような状態を意図的に作り出すことができるので、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路内の不純物質を排出することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、間欠運転開始の要求の後、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路内の不純物質を低減することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、燃料電池の出力電流値の増加によるアノード側ガス流路下流側の不純物質量の増加に応じて、排気流量を増加することができる。これにより、水素の無駄な排出を抑えつつ不純物質を排気する際に、アノード側ガス流路下流の不純物質濃度の過度な上昇を抑えることができる。
【００２０】
第７の発明によれば、第１の発明と同様に、燃料ガスの無駄な排気を抑えつつアノード側ガス流路の下流側端部に溜まる不純物質を系外に少しずつ排気することができる。そして、第１の発明と同様に、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路内の不純物質を低減して、燃料電池を停止することができる。
【００２１】
第８の発明によれば、燃料電池のパージ実行要求の後に、出力電流値を増大させて不純物質をアノード側ガス流路の下流側に集めた状態で、排気を行うことができる。これにより、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、アノード側ガス流路内の不純物質を排出することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。通常、燃料電池２は、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。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している。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。なお、各単位燃料電池の構成の詳細については、後述する実施の形態１の動作の説明の中で、単位燃料電池内で生ずる物理現象とともに説明する。
【００２３】
燃料電池２には、高圧水素タンク４から燃料電池２に水素を供給するための水素供給管６が接続されている。水素供給管６の途中には、その上流から水素調圧弁８と水素入口弁１０が順に配置されている。水素は調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された水素は、燃料電池２内に形成された供給マニホールド（図示略）によって各単位燃料電池のアノードに分配される。
【００２４】
本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池２内からアノードガスを抜き出すための排気管１２を備えている。この排気管１２は、燃料電池２内に形成された排気マニホールド（図示略）を介して、各単位燃料電池のアノード側ガス流路の下流側端部に接続されている。アノード側ガス流路内のガス（アノードガス）は、排気マニホールドに集められて排気管１２に排出される。排気管１２の先端は大気に開放されるか、若しくは、希釈器に接続されている。
【００２５】
排気管１２には、排気管１２の連通状態を切り替える排気機構として、デューティ制御が可能な電磁式の排気弁１４が設けられている。排気弁１４は、好ましくは、流量の制御性に優れるインジェクタ式とする。排気弁１４の動作としては、完全に閉状態（つまり、デューティ比がゼロ）とされる閉塞モードと、所定のデューティ比で開制御される排気モードとが択一的に選択可能である。閉塞モードが選択されたとき、燃料電池２のアノード側ガス流路と系外との連通は遮断される。
【００２６】
一方、排気モードが選択されたときは、アノード側ガス流路と系外との連通が実現されてアノードガスの系外への排気が可能になる。ただし、排気モードでのデューティ比は小さく、系外へ排気されるアノードガスの流量はアノード側ガス流路内での水素の消費量に比較して極微小な値に調整されている。以下、閉塞モード選択時の燃料電池システムの運転を「アノードデッドエンド運転」と言い、排気モード選択時の燃料電池システムの運転を「少量排気運転」と言う。また、以下の説明では、排気弁１４から系外へと単位時間当たりに排出されるガスの量を「排気流量」とも呼称する。
【００２７】
燃料電池２には、空気を供給するための空気供給管３０が接続されている。空気供給管３０には空気ポンプ３２が配置されている。空気ポンプ３２の作動によって空気供給管３０に空気が取り込まれ燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された空気は、燃料電池２内に形成された供給マニホールドによって各単位燃料電池のカソードに分配される。各単位燃料電池のカソードを通過した空気は、燃料電池２内に形成された排気マニホールドに集められて排気管３４に排出される。
【００２８】
実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０を備えている。ＥＣＵ２０には、燃料電池２に接続された電流計２２、温度センサ２４が接続されている。また、水素供給管６には、圧力センサ２６が備えられている。圧力センサ２６は、ＥＣＵ２０に接続されている。また、排気弁１４はＥＣＵ２０と接続されている。ＥＣＵ２０は、上記の閉塞モードと排気モードを含む排気流量制御を実現すべく、排気弁１４へと制御信号を送信する。
【００２９】
実施の形態１のシステムでは、燃料電池２に負荷５０が接続されている。また、燃料電池２は、コンバータ５２を介して蓄電装置５４にも接続されている。負荷５０は、燃料電池２から供給される電力を消費する例えばモータ等とすることができる。本実施形態のシステムでは、燃料電池２からの電力を、適宜、負荷５０や蓄電装置５４へと供給することができる。なお、このような燃料電池システムを構成する技術は既に公知であるため、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
［実施の形態１の通常運転時の動作］
以下、図２を用いて、本実施形態のシステムの通常運転時の動作、および、当該通常運転時に燃料電池２内部において生ずる現象について説明する。以下の説明では、先ず、アノードデッドエンド型システムにおいて、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不純物質が蓄積されていく様子の説明を行う。続いて、本実施形態の通常運転時制御として、連続少量排気運転とアノードデッドエンド運転とについてそれぞれ説明し、それら二つの運転状態の切替手法について述べる。
【００３１】
図２は、燃料電池２を構成する単位燃料電池の内部構造と、そこで起きている現象を模式的に示す図である。図２では、本発明の特徴に特に係る部分を示し、集電体やマニホールド等、本発明の特徴以外の部分については図示を省略している。以下、図１とあわせて図２も参照して説明する。
【００３２】
図２に示すように、膜電極接合体４０の各面に沿ってガス流路４２，４４が形成されている。通常運転時、膜電極接合体４０のアノード側のガス流路４２には、水素が供給される。膜電極接合体４０のカソード側のガス流路４４には、空気が供給される。その結果、膜電極接合体４０を介した電気化学的反応により、発電が行われる。なお、これらガス流路４２，４４の形状や構成には限定はない。例えば、集電体（セパレータ）の表面に溝を形成し、その溝をガス流路４２，４４としてもよい。また、集電体と膜電極接合体４０との間に導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってガス流路４２，４４を形成してもよい。
【００３３】
カソード側ガス流路４４に供給される空気には、発電に使用される酸素（O2）のほかに窒素（N2）が含まれている。窒素は不活性ガスであって発電には供されず、そのままカソード側ガス流路４４から系外に排気される。しかし、一部の窒素は、図２中に矢印で模式的に示すように膜電極接合体４０を透過してアノード側ガス流路４２に侵入してしまう。このとき窒素をアノード側ガス流路４２側に移動させる駆動力となるのは、カソード側ガス流路４４とアノード側ガス流路４２との間での窒素の分圧差である。膜電極接合体４０を透過した窒素（N2）は、アノード側ガス流路４内の水素（H2）の流れによって、図２中に矢印で模式的に示すようにアノード側ガス流路４２の下流へと流されていく。
【００３４】
なお、空気には窒素以外にも水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物質が含まれている。しかし、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば極微小であるので、ここでは不純物質として窒素にのみ着目するものとする。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。
【００３５】
分圧差により透過してきた窒素が膜電極接合体４０の表面を覆ってしまうと、触媒における起電反応が阻害される。これに起因して、出力電圧の低下や、異常電位による膜電極接合体４０の劣化を招く場合がある。そこで本実施形態では、排気弁１２を排気モードとすることによる連続少量排気運転によって、アノード側ガス流路４２の下流端部への窒素の蓄積を防止することとする。
【００３６】
排気弁１４を排気モードとすることで、アノード側ガス流路４２内での水素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。このようにすることで、アノード側ガス流路４２の下流側端部に溜まる窒素を、系外に少しずつ排気することができる。その結果、水素の無駄な排気を抑えつつ、燃料電池性能の低下を招くほどに窒素が蓄積されるのを防止することができる。
【００３７】
アノード側ガス流路内の不純物質の分布は、種々の要因によって変化する。図３は、アノードデッドエンド運転時のアノード側ガス流路４２内の水素濃度分布を示す図である。水素濃度の１００％に対する差が窒素濃度を表している。アノード側ガス流路４２の下流端部に窒素が蓄積されると、水素濃度分布は図３中に実線で示すようになる。上記の連続少量排気運転による効果は、このようにアノード側ガス流路４２の下流端部に窒素が蓄積され得る状況において得られる効果である。
【００３８】
アノード側ガス流路４２における窒素の分布は、アノード側ガス流路４２内での窒素の流れの状態によって決まる。図２中に矢印で模式的に示すように、窒素がアノード側ガス流路４２を下流方向に流れている場合には、必然的に窒素が下流端部に蓄積され得る状況となる。アノード側ガス流路４２内の窒素の流れは、アノード側ガス流路４２内の窒素の拡散速度と、アノード側ガス流路４２内の水素の流速とによって決まる。水素の流速が窒素の拡散速度よりも大きければ、膜電極接合体４０を透過してきた窒素はアノード側ガス流路４２の上流に拡散することなく下流へ流されていくことになる。その結果、図３中に実線で示すような水素濃度分布ができることになる。
【００３９】
水素の流速が窒素の拡散速度よりも小さければ、アノード側ガス流路４２の上流まで窒素が拡散していき、例えば、図３中に破線で示すような水素濃度分布ができることになる。水素濃度分布が図３中に破線で示すようになっている場合、つまり、窒素がアノード側ガス流路４２中に分散しているような状況では、排気を行うと水素を無駄に排出してしまうことになる。アノード側ガス流路４２の下流端部に窒素が蓄積されていないからである。このような状況では、アノードデッドエンド運転を選択することにより、水素の排出を抑えることができる。
【００４０】
アノードデッドエンド運転と連続少量排気運転のどちらを選択するかは、窒素がアノード側ガス流路４２の下流端部に蓄積され得る状況か否かによって判断する必要がある。そこで、本実施の形態の燃料電池システムでは、以下に説明する方法によって、アノード側ガス流路４２内での窒素の下流方向への流れを間接的に検出する。
【００４１】
まず、アノード側ガス流路４２内の窒素の流れは、アノード側ガス流路４２内の窒素の拡散速度と、アノード側ガス流路４２内の水素の流速とによって決まる。水素の流速が窒素の拡散速度よりも大きければ、膜電極接合体４０を透過してきた窒素はアノード側ガス流路４２の上流に拡散することなく下流へ流されていくことになる。その結果、図３中に実線で示すような水素濃度分布ができることになる。一方、水素の流速が窒素の拡散速度よりも小さければ、アノード側ガス流路４２の上流まで窒素が拡散していき、図３中に破線で示すような水素濃度分布ができることになる。
【００４２】
本実施の形態の燃料電池システムでは、アノード側ガス流路４２内の水素の流速を直接測定するのではなく、水素の流速に関連する物理量として燃料電池２の出力電流の値を計測する。アノード側ガス流路４２に流入する水素の流速は、アノード側ガス流路４２の流路形状が一定であるならば、燃料電池２の出力電流から一義的に決まる。燃料電池２の電流値は、燃料電池２に取り付けられた電流計２２によって計測される。
【００４３】
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、アノード側ガス流路４２内の窒素の拡散速度を直接測定するのではなく、窒素の拡散速度に関連する物理量としてアノード側ガス流路４２内のガス圧力とガス温度の各値を計測する。窒素の拡散速度は、アノード側ガス流路４２内のガス温度とガス圧力の関数として表すことができる。アノード側ガス流路４２内のガス圧力は、水素供給管６における燃料電池２の入口に取り付けられた圧力センサ２６によって計測される。アノード側ガス流路４２内のガス温度は、燃料電池２の全体温度と略等しいことから、燃料電池２に取り付けられた温度センサ２４によって間接的に計測することができる。勿論、アノード側ガス流路４２内のガス温度を直接計測することとしてもよい。
【００４４】
本実施の形態の燃料電池システムでは、ＥＣＵ２０が、圧力センサ２６及び温度センサ２４の各計測値から参照値を計算し、電流計２２の計測値から参照値と比較すべき比較対象値（参照値と同次元）を計算する。そして、参照値と比較対象値を比較することで、アノード側ガス流路４２の下流側端部に窒素が溜まり得る状況か否かを正確に判定し、その判定結果に基づいて排気弁１４の動作モードを切り替えることとする。
【００４５】
［実施の形態１のシステム停止時の動作］
次に、本実施形態のシステムにおける停止時の動作について説明する。上述したように、本実施形態のシステムでは、アノード側ガス流路内に窒素（不純物）が存在している。窒素の蓄積量が多い状態で燃料電池システムが停止されると、次回のシステム始動時に、アノード側ガス流路内の水素濃度が低い状態となってしまう。このため、始動性が悪化するおそれがある。
【００４６】
これを防止する観点からは、システムの停止処理として、不純物質を積極的に排出する（パージする）ことが効果的である。しかしながら、アノード側ガス流路内で窒素と水素とが混在している状況では、排気弁を開くと、不純物質だけでなく水素をも一緒に排気することになる。特に、図３の点線のように、アノード側ガス流路内に水素が広く分布している状態では、無駄に排出される水素の量が多くなってしまう。通常運転時で述べたのと同様に、燃費向上の観点からは、無駄な水素の排出は抑えたい。
【００４７】
ところで、図３で示したように、アノード側ガス流路内の窒素の分布は、水素の流速によって変化する。水素流速は、アノード側ガス流路４２の流路形状が一定であるならば、燃料電池２の出力電流から一義的に決まる。そして、水素流速が窒素の拡散速度よりも大きく、かつ、その差が大きいほど、窒素の濃度勾配は急になる。
【００４８】
連続少量排気運転によれば、窒素がアノード側ガス流路下流へと押し込まれて窒素濃度勾配が急になっている状態ほど、アノード側ガス流路内の窒素量が少なくなる。そこで、本実施形態では、このような連続少量排気運転の特徴を活かし、以下の手法により窒素の排気を行うこととする。先ず、負荷５０若しくはコンバータ５２を制御して、燃料電池２に対する負荷を増大し、出力電流値を増大する。これにより、水素流速が増大し、窒素濃度勾配が急になる。その結果、アノード側ガス流路内の不純物質量が少なくなっている状態が、意図的に作り出されることになる。これにより、燃料電池２の停止の際に、水素の無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路４２内の窒素を低減することができる。
【００４９】
また、水素流速が増加して窒素濃度勾配が急になると、アノード側ガス流路下流側では、窒素濃度が上昇し、同時に水素濃度が低下する。上述したように、アノード側ガス流路下流の窒素濃度が過大となることは好ましくない。そこで、本実施形態では、水素流速の増加に応じて排気流量を増加させる。このようにすることで、下流側における窒素量の増加分を相殺するように、排気流量を増加することができる。その結果、アノード側ガス流路下流の窒素濃度が過大となるのを防ぎつつ、同時に、水素の無駄な排出を抑えるという、優れた排気制御が可能となる。
【００５０】
図４は、本実施形態における不純物排気制御のイメージを説明するための図である。図４において、点線で示した分布は、アノード側ガス流路内に窒素が広く分布している状態を示している。本実施形態では、このような状態から、出力電流を増加し、これに応じて排気弁の排気流量を増加する。その結果、図４の矢印に示すように、窒素がアノード側ガス流路下流に押し込まれながら排気されていく。図４で符号６０を付した領域は、排出前の窒素が存在していた領域に相当している。下流側の窒素量の増加に応じて排気流量も増加するので、アノード側ガス流路下流の水素濃度が所定値に確保された状態で、窒素が排気されている。最終的には、図４の実線のように、アノード側ガス流路内の窒素量が低減される。
【００５１】
以上述べたように、本実施形態の手法によれば、燃料電池の発電停止の要求の後に、出力電流値を増大させて、アノード側ガス流路内の不純物質量を低減することができる。これにより、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路内の不純物質を排出した上で、燃料電池を停止することができる。その結果、次回の運転開始時に、良好な始動性を確保することができる。
【００５２】
また、従来、燃料電池システムには、系外へ排出されるガス中の水素濃度を低くする観点から、希釈器が設けられている。本実施形態では、水素の排出を抑えることで、系外へと排出される排気ガス中の水素濃度を抑えることができる。よって、このような希釈器を、小型化または省略することが可能になる。
【００５３】
また、燃料電池２の出力電流値の増大に応じて排気流量を増加することで、水素の無駄な排出を抑えつつ窒素を排気する際に、アノード側ガス流路下流の窒素濃度が過大となるのを効果的に防止することができる。
【００５４】
［実施の形態１の具体的処理］
以下、図５を用いて、実施の形態１のシステムが行う具体的処理を説明する。図５は、実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。このフローは、実施の形態１のシステムの運転中に実行される。なお、図５のルーチンには示していないが、当該ルーチンの特別な制御が割り込むまでは、本実施形態のシステムは、上記説明した通常運転時の動作のとおりに制御されているものとする。
【００５５】
また、本実施形態では、予め、図６に示すようなマップをＥＣＵ２０に記憶させておく。図６は、予め実験などにより求められた、燃料電池２の出力電流値とアノード側ガス流路４２内の不純物質量（不純ガス量）との対応関係のマップである。図６のマップは、排気流量一定の排気モードで、出力電流値を変化させつつ、アノード側ガス流路４２内に存在する不純物量を実験的に求めることにより得られるものである。図６のマップにあるように、連続少量排気運転によれば、燃料電池２の出力電流値が大きいほど、アノード側ガス流路内に存在する不純物質量が少なくなる。本実施形態では、このような連続少量排気運転の特徴を利用して、不純物質の効果的な排出を行うこととしている。図５のルーチン実行中においては、図６のマップが適宜参照される。
【００５６】
図５に示すルーチンでは、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Ｓ１００）。このステップは、燃料電池２の停止要求の有無を判別するためのものである。ステップＳ１００の条件の成立が認められない場合には、システムは未だ通常の運転制御を実行すべき状況にあると判断され、当該条件の成立が待たれる。
【００５７】
ステップＳ１００の条件の成立が認められた場合には、システムの停止要求を取得したとの判断が下される。この場合、図５のルーチンでは、燃料電池２のアノード側ガス流路４２内の不純物質を排出すべく、ステップＳ１０２以降の処理が実行される。ステップＳ１０２の処理では、現在の負荷状態における燃料電池２内の不純物質量Ｖｏｉが算出される。具体的には、先ず、図６のマップが参照され、現在の出力電流値Ｉｉに対応する不純物質量Ｖｏｉが取得される。次に、同じく図６のマップが参照され、現在の出力電流値Ｉｉに所定の増大分ΔＩを加えた出力電流値（Ｉｉ＋ΔＩ）に対応する不純物質量Ｖｏｉ＋１が算出される（ステップＳ１０４）。
【００５８】
続いて、不純物質量の増加分ΔＶＯ（すなわち、Ｖｏｉ−Ｖｏｉ＋１）だけ多くの排気が行われるように排気流量を増加しつつ、出力電流値をＩｉ＋ΔＩまで増大する処理がなされる（ステップＳ１０６）。具体的には、先ず、排気弁１４が排気モードにおかれる。そして、現在の排気流量から予想される排気量（定常排気量）に加え、更にΔＶＯだけ排気量が増加するように、排気弁１４が制御される。出力電流値の増加は、負荷５０やコンバータ５２を制御することにより行われる。
【００５９】
出力電流を所定量ΔＩだけ増加した場合、水素流速が増大してアノード側ガス流路４２の下流側の不純物質濃度が上昇することが予想される。ステップＳ１０６の処理によれば、このような濃度上昇を抑制するように排気流量を増加することができる。なお、図５のフローチャートには示さないが、本実施形態では、ステップＳ１０６の出力電流値の増大による余剰電力を、蓄電装置５４に蓄えることとする。
【００６０】
続いて、現在の出力電流値が所定の停止時目標値以上になっているか否かが判別される（ステップＳ１０８）。具体的には、出力電流値Ｉｉ＋ΔＩが停止時目標値ＩＡ以上になっているか否かが判別される。停止時目標値ＩＡは、予め図６のマップ内に規定される値であって、不純物質の排気が完了したか否かの判断の基礎となる値である。
【００６１】
ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理によれば、アノード側ガス流路４２内における不純物質量は、出力電流の変化に応じて図６に示すように変化する。その結果、出力電流が大きくなるほど、アノード側ガス流路４２内における不純物質量が少なくなっていく。そこで、不純物質量の目標値ＶＡを十分に小さな値として規定し、この目標値ＶＡに対応する停止時目標値ＩＡを求めておく。出力電流値が目標値ＩＡ以上となるまでステップＳ１０２からの処理を繰り返して行うことにより、不純物質の低減を確実に行うことができる。
【００６２】
ステップＳ１０８の条件の成立が認められない場合には、現在のアノード側ガス流路４２内の不純物質は未だ十分に低減されていないと判断される。この場合には、再びステップＳ１０２からの処理が実行される。ステップＳ１０８の条件の成立が認められた場合には、不純物質の排出が十分に行われたと判断できる。このため、システム停止処理Ｓ１１０へと移行し、今回のルーチンが終了する。
【００６３】
以上の処理によれば、系外への水素の無駄な排出を抑えつつ不純物質を排出した上で、燃料電池２を停止することができる。また、燃料電池２の出力電流値の増大に応じて排気流量を増加することで、アノード側ガス流路下流の窒素濃度が過大となるのを効果的に防止することができる。また、ステップＳ１０６の出力電流値の増大による余剰電力を蓄電装置５４に蓄えることで、発電電力を無駄なく利用することができる。
【００６４】
なお、実施の形態１では、ステップＳ１０６内で、排気弁１４が排気モードに切り替えられる場合について説明した。しかしながら、本実施形態の通常運転時制御によれば、排気弁１４が排気モードにあるか閉塞モードにあるかは、燃料電池２の出力に左右される。このため、ステップＳ１０６で排気弁１４の状態を確認する処理を行い、排気弁１４が既に排気モードにある場合には、そのまま排気モードを継続すればよい。また、排気弁１４が閉塞モードにある状態でステップＳ１０２以降の処理が開始された場合には、遅くともステップＳ１０６の出力電流増大までに、排気モードへと切り替えることとすればよい。
【００６５】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池２が前記第１の発明における「燃料電池」に、排気弁１４が前記第１の発明における「排気機構」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１の具体的処理のステップＳ１０２〜Ｓ１０８において、出力電流値の制御が前記第１の発明における「出力制御手段」に、排気弁１４の制御が前記第１の発明における「排気制御手段」に、停止時目標値ＩＡが前記第１の発明における「所定値」に、それぞれ相当している。
【００６６】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、システムの通常運転時の制御手法として、アノードデッドエンド運転と連続少量排気運転を所定条件で切り替える手法を用いている。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、本実施形態にかかる運転停止時の排気制御を、例えば、通常運転時に常に連続少量排気を行うシステムに適用してもよい。アノード側ガス流路への不純物質の透過が生じ、アノード側ガス流路内に不純物質の濃度勾配が生じうるシステム（つまり、アノードデッドエンド型システム）であれば、実施の形態１の運転停止時の排気制御を適用することができる。
【００６７】
（第２変形例）
実施の形態１では、燃料電池の発電停止の要求の後に、出力電流値を所定値まで増大させるとともに、燃料電池２の出力電流値の増大に応じて排気流量を増加している。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、燃料電池の発電停止の要求の後、出力電流値を所定値まで増大させる際に、必ずしも出力電流値の増大に応じた排気流量増加を行わなくとも良い。具体的には、図５のルーチンのステップＳ１０６において、出力電流値の増加（負荷５０による負荷の増大）のみを行っても良い。この場合には、排気弁１４は必ずしも排気流量可変であるものに限られない。
【００６８】
（その他の変形例）
実施の形態１では、ステップＳ１０６の出力電流値の増大による余剰電力を蓄電装置５４に蓄えることとしている。しかしながら、必ずしも蓄電装置５４へと供給しなくともよい。電力の増大分を、例えば、システムを構成する他の機器などで消費しても良い。
【００６９】
なお、停止時目標値ＩＡは、アノード側ガス流路４２内の水素流速と窒素拡散速度との関係に影響を受ける値である。水素流速と窒素拡散速度が均衡する出力電流値を基準値として、停止時目標値ＩＡがこの基準値よりも大きいほど、アノード側ガス流路４２内の不純物質量が低減されることになる。窒素の拡散速度の変動を考慮する観点からは、図６のマップや停止時目標値ＩＡは、アノード側ガス流路４２内のガス温度やガス圧力に基づいて設定、補正することが好ましい。
【００７０】
実施の形態２．
実施の形態１では、システムの停止処理時に不純物質の排出を行った。これに対して、実施の形態２では、システムに対して間欠運転の実行要求がなされた際に、同様の排気制御を行う。なお、実施の形態２のシステムの構成は、実施の形態１のシステムの構成と同様とする。以下の説明では、実施の形態２のシステムが図１の構成であることを前提とし、重複する事項については説明を省略する。
【００７１】
燃料電池２の運転方法としては、燃料電池２による発電を常時行う連続運転と、燃料電池２による発電を間欠的に停止する間欠運転とがある。負荷５０側から要求される電力量が小さい場合には、燃料電池２の発電を間欠的に停止することで、水素の消費を抑制し、燃費を向上させることができる。実施の形態２では、必要に応じ、ＥＣＵ２０がこれらの運転状態を相互に切り替えるべく、各構成機器に制御信号を発する。なお、間欠運転に関する技術は既に公知となっているため、その詳細な説明は省略する。
【００７２】
このような間欠運転は、アノード側ガス流路４２内をパージした上で開始することが好ましい。そこで実施の形態２のシステムでは、間欠運転実行要求の有無を判定しつつ通常運転を行う。そして、間欠運転要求があった場合には、実施の形態１における不純物の排気を行ってから間欠運転を開始することとする。
【００７３】
以下、図７のフローチャートを用いて、実施の形態２の具体的処理について説明する。図７は、図５のフローチャートのステップＳ１００、Ｓ１０８、Ｓ１１０を、ステップＳ２００、Ｓ２０８、Ｓ２１０にそれぞれ置き換えたものである。なお、実施の形態２においても、ＥＣＵ２０が図６に示したようなマップを予め記憶している。そして、図７のルーチンの実行の際、実施の形態１と同様に、このマップが参照されるものとする。また、実施の形態２においても、実施の形態１で目標値ＩＡを定めたのと同様の思想に基づき、間欠運転開始のために十分に不純物の低減が行われたか否かの判断の基礎となる値として、予め、出力電流の目標値を決定しておく。
【００７４】
図７のルーチンでは、先ず、間欠運転を開始する要求があったか否かが判別される（ステップＳ２００）。間欠運転の要求が未だ得られていない場合には、連続運転が継続される。ステップＳ２００の条件の成立が認められた場合には、実施の形態１と同様に、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理が実行される。
【００７５】
ステップＳ１０６の処理が実行されると、続いて、現在の負荷が目標値以上となっているか否かが判別される（ステップＳ２０８）。実施の形態２においても、実施の形態１で目標値ＩＡを定めたのと同様の思想に基づいて、出力電流目標値を予め決定しておく。このステップにより、間欠運転開始前に、不純物の低減が十分に行われたか否かを判断することができる。ステップＳ２０８の条件の成立が認められるまで、ステップＳ１０２からの処理が繰り返し実行される。ステップＳ２０８の条件の成立が認められた場合には、間欠運転の開始処理へと処理が移行し（ステップＳ２１０）、今回のルーチンが終了する。
【００７６】
以上説明したように、実施の形態２によれば、間欠運転開始の要求の後、系外への水素の無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路４２内の不純物質を排出することができる。これにより、水素の無駄な排出を抑えつつ不純物質量を低減した上で、燃料電池２の運転を間欠運転へと切り替えることができる。
【００７７】
なお、実施の形態２を実施の形態１と組み合わせて用いてもよい。また、実施の形態２に対して、実施の形態１と同様の変形を加えることができる。即ち、通常運転の方法を、アノードデッド運転と連続少量排気運転を所定条件で切り替える手法や、連続少量排気のみを行う手法などから、適宜選択することができる。また、実施の形態１で述べた変形例を、実施の形態２のシステムに同様に適用することができる。
【００７８】
実施の形態３．
上述のように、実施の形態１では運転停止時に、実施の形態２では間欠運転開始に、不純物質をアノード側ガス流路４２の下流側に集めた状態での排気（パージ）をそれぞれ行っている。実施の形態３では、当該排気制御をより広範囲に適用する観点から、パージ実行要求の有無を判定し、当該要求があった時に上述の排気制御処理を行う。なお、実施の形態３のシステムの構成は、実施の形態１のシステムの構成と同様とする。以下の説明では、実施の形態３のシステムが図１の構成であることを前提とし、重複する事項については説明を省略する。
【００７９】
図８は、実施の形態３のシステムが実行するルーチンのフローチャートである。図８のルーチンは、図５のフローチャートのステップＳ１００、Ｓ１０８、Ｓ１１０を、ステップＳ３００、Ｓ３０８、Ｓ３１０にそれぞれ置き換えたものである。実施の形態３のシステムにおいても、実施の形態１、２と同様に、図６に例示したマップおよび出力電流の目標値が定められている。
【００８０】
図８のルーチンでは、先ず、パージ実行要求の有無が判別される（ステップＳ３００）。パージ実行要求は未だ得られていないとの判定がなされた場合は、現在の状態を維持したままパージ実行要求が待たれる。ステップＳ３００でパージ実行要求の成立が認められた場合には、実施の形態１と同様、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理が実行される。
【００８１】
ステップＳ１０６の処理が実行されると、続いて、現在の出力が目標値以上となっているか否かが判別される（ステップＳ３０８）。このステップにより、不純物の低減が十分に行われたか否かを判断することができる。ステップＳ３０８の条件の成立が認められるまでは、ステップＳ１０２からの処理が繰り返し実行される。ステップＳ３０８の条件の成立が認められた場合には、パージを完了し（ステップＳ３１０）、今回のルーチンが終了する。
【００８２】
以上説明した実施形態３の手法によれば、燃料電池のパージ実行要求の後に、系外への燃料ガスの無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路内の不純物質を排出することができる。
【００８３】
なお、実施の形態３では、ステップＳ３００の処理が、前記第４の発明における「パージ要求判別手段」に相当している。
【００８４】
なお、実施の形態３において、燃料電池２の停止要求があったときに前記燃料電池のパージ実行要求がなされたと判別することとすれば、実施の形態１と同様の制御が実現される。また、実施の形態３において、燃料電池２の間欠運転開始要求があったときに前記燃料電池のパージ実行要求がなされたと判別することとすれば、実施の形態２と同様の制御が実現される。すなわち、燃料電池の制御内容、運転状態に基づいてパージ要求の有無を判別する種々のシステムに、実施の形態３を利用することができる。また、実施の形態３においても、実施の形態１、２と同様に、燃料電池の通常運転の方法を適宜変更することができる。また、実施の形態１、２で述べたのと同様の変形を行うことができる。
【００８５】
実施の形態４．
実施の形態１乃至３では、アノード側ガス流路４２の下流端部に設けた排気弁１４を排気モードとした状態で、燃料電池２の出力電流を増大した。実施の形態４は、燃料電池２への発電停止要求の後、燃料電池２の出力電流値の増大を行う点では実施の形態１乃至３と同様であるが、排気弁１４の制御の点でそれらの実施形態と相違する。なお、以下の説明では、実施の形態４のシステムは実施の形態１のシステム（図１）と同様の構成であるものとし、重複説明を避ける。
【００８６】
図９は、実施の形態４のシステムが実行するルーチンのフローチャートである。実施の形態４のシステムでは、排気弁１４が通常運転時に閉塞モードとされており、図９のルーチンはこのような通常運転中に実行される。図９のルーチンでは、先ず、パージ要求の有無が判別される（ステップＳ４００）。このステップでは、前述した実施の形態３の処理のステップＳ３００と同様に、燃料電池２のパージの実行要求があったか否かが判別される。パージ実行要求の判別は、実施の形態３で述べたのと同様に、例えば、燃料電池２の停止要求に関連付けて行ったり、燃料電池２の間欠運転の実行要求に関連付けて行ったりすることができる。
【００８７】
パージ実行要求があった場合には、燃料電池２の出力電流を増大し、その後、排気弁４１４を開く。排気弁４１４を開くタイミングは、出力電流値の増大以後（増大と同時若しくは増大の後）とすることができる。上述したように、出力電流値を増大することで、アノード側ガス流路４２下流端部に不純物が集まる。実施の形態４によれば、このようにして不純物質をアノード側ガス流路４２の下流側に集めた状態で、排気を行うことができる。これにより、系外への水素の無駄な排出を抑えつつアノード側ガス流路４２内の不純物質を排出することができる。
【００８８】
なお、実施の形態４の排気弁１４を単に開閉のみを行うパージ弁とすることもできる。この場合には、システムの通常運転は、実施の形態１乃至３とは異なり、排気モードを含まない運転となる。つまり、アノードデッドエンド運転を行いつつ上述したパージを実行するというシステムとなる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【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説明するための図である。
【図２】単位燃料電池の内部の構造とそこで起きている現象を模式的に示す図である。
【図３】アノード側ガス流路内の水素濃度の分布と電流値との関係について示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の排気制御によるアノード側ガス流路内の排気のイメージ図である。
【図５】本発明の実施の形態において実施される排気制御のためのルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１の連続少量排気運転中における、燃料電池の出力とアノード側ガス流路内の不純物質量との関係を示したマップである。
【図７】実施の形態２において実施される排気弁の制御のためのルーチンを示すフローチャートである。
【図８】実施の形態３において実施される排気弁の制御のためのルーチンを示すフローチャートである。
【図９】実施の形態４において実施される排気弁の制御のためのルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９０】
２  燃料電池スタック
４  高圧水素タンク
６  水素供給管
８  水素調圧弁
１０  水素入口弁
１２  排気管
１４  排気弁
２０  制御装置
２２  電流計
２４  温度センサ
２６  圧力センサ
３０  空気供給管
３２  空気ポンプ
３４  排気管
４０  膜電極接合体
４２  アノード側ガス流路
４４  カソード側ガス流路
５０  負荷
５２  コンバータ
５４  蓄電装置
【図１】
2008204848.tif 000003
【図２】
2008204848.tif 000004
【図３】
2008204848.tif 000005
【図４】
2008204848.tif 000006
【図５】
2008204848.tif 000007
【図６】
2008204848.tif 000008
【図７】
2008204848.tif 000009
【図８】
2008204848.tif 000010
【図９】
2008204848.tif 000011