(57)【要約】【課題】燃料電池システムに関し、アノードガス流路内の不純物質の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、系外への燃料ガスの排気量の抑制とを両立させる。【解決手段】アノードのガス流路の下流側端部を排気弁１４によって開閉可能とする。排気弁１４は、アノード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と、アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能にする。燃料電池２の運転時には、アノードガス流路内の不純物質の下流方向への流れを検出し、不純物質の下流方向への流れが検出されるときには排気モードを選択する。一方、不純物質の下流方向への流れが検出されるまでは閉塞モードを選択する。【選択図】図１
2008192462.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、
前記アノードのガス流路の下流側端部に接続された排気機構であって、その動作モードとして少なくとも、前記アノード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と、前記アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能な排気機構と、
前記アノードガス流路内の不純物質の下流方向への流れを検出する検出手段と、
前記排気機構の動作を制御する制御手段であって、不純物質の下流方向への流れの大きさが所定の切替基準に達しているときには前記排気モードを選択し、不純物質の下流方向への流れの大きさが前記切替基準に達していないときには前記閉塞モードを選択する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出手段は、前記燃料電池の負荷の大きさに基づいて不純物質の流れを検出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】
前記検出手段は、前記アノードガス流路内の燃料ガスの流速に関連する物理量と、前記アノードガス流路内の不純物質の拡散速度に関連する物理量とに基づいて不純物質の流れを検出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、
前記アノードのガス流路の下流側端部に接続された排気機構であって、その動作モードとして少なくとも、前記アノード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と、前記アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能な排気機構と、
前記燃料電池の負荷状態を判定する判定手段と、
前記排気機構の動作を制御する制御手段であって、前記燃料電池が所定の高負荷域で運転されているときには前記排気モードを選択し、前記燃料電池が前記所定負荷域よりも低負荷域で運転されているときには前記閉塞モードを選択する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記アノードガス流路内のガス温度に基づいて前記所定負荷域を設定する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】
前記制御手段は、前記アノードガス流路内のガス圧力に基づいて前記所定負荷域を設定することを特徴とする請求項４又は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、
前記アノードのガス流路の下流側端部に接続された排気機構であって、その動作モードとして少なくとも、前記アノード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と、前記アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能な排気機構と、
前記アノード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、
前記排気機構の動作を制御する制御手段であって、前記第２計測手段の計測値から計算される参照値と前記第１計測手段の計測値から計算される比較対象値との比較に基づいて前記排気モードと前記閉塞モードとを切り替える制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１計測手段は、前記燃料電池の電流値と前記アノードガス流路内のガス圧力とを計測することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第２計測手段は、前記燃料電池の温度を計測することを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第２計測手段は、前記アノードガス流路内のガス温度を計測することを特徴とする請求項７又は８記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第２計測手段は、前記アノードガス流路内のガス圧力を計測することを特徴とする請求項７乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、例えば下記の各特許文献に開示されるように、燃料電池の発電面内においてアノードに接するガス流路（以下、アノードガス流路）内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いう）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。これら不純物質が膜電極接合体（ＭＥＡ）の表面を覆ってしまうと電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位が膜電極接合体を劣化させてしまうおそれもある。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、アノードガス流路内に蓄積された不純物質をアノードガス流路の下流端部から系外に排気していた。
【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】
【０００３】
従来のアノードデッドエンド型システムでは、排気弁を開いたとき、不純物質だけでなくアノードガス流路内の燃料ガスも一緒に排気されてしまう。このため、排気弁を頻繁に開くことは燃費の悪化を招くことになり好ましくない。また、アノードガス流路の下流端部に不純物質が十分に蓄積された状態で排気弁を開けば、その分、無駄に排気される燃料ガスの量は抑えることができる。したがって、燃費の向上という観点からは排気弁の開弁頻度は出来る限り抑えたい。
【０００４】
その一方で燃料電池性能の維持という観点からは、アノードガス流路の下流端部に集中して不純物質が蓄積されることは好ましくはない。前述のように出力電圧の低下や膜電極接合体の劣化を生じさせてしまうからである。つまり、従来のアノードデッド型システムにとっては、不純物質の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、燃料ガスの排気量の抑制による燃費の向上とは背反する要求であり、これら二つの要求を同時に満たすことは容易ではなかった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アノードガス流路内の不純物質の蓄積に起因する燃料電池性能の低下の防止と、系外への燃料ガスの排気量の抑制とを両立できるようにした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、燃料電池システムにおいて、
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、
前記アノードのガス流路の下流側端部に接続された排気機構であって、その動作モードとして少なくとも、前記アノード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と、前記アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能な排気機構と、
前記アノードガス流路内の不純物質の下流方向への流れを検出する検出手段と、
前記排気機構の動作を制御する制御手段であって、不純物質の下流方向への流れの大きさが所定の切替基準に達しているときには前記排気モードを選択し、不純物質の下流方向への流れの大きさが前記切替基準に達していないときには前記閉塞モードを選択する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、
前記検出手段は、前記燃料電池の負荷の大きさに基づいて不純物質の流れを検出することを特徴としている。
【０００８】
第３の発明は、第１の発明において、
前記検出手段は、前記アノードガス流路内の燃料ガスの流速に関連する物理量と、前記アノードガス流路内の不純物質の拡散速度に関連する物理量とに基づいて不純物質の流れを検出することを特徴としている。
【０００９】
また、第４の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムにおいて、
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、
前記アノードのガス流路の下流側端部に接続された排気機構であって、その動作モードとして少なくとも、前記アノード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と、前記アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能な排気機構と、
前記燃料電池の負荷状態を判定する判定手段と、
前記排気機構の動作を制御する制御手段であって、前記燃料電池が所定の高負荷域で運転されているときには前記排気モードを選択し、前記燃料電池が前記所定負荷域よりも低負荷域で運転されているときには前記閉塞モードを選択する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明において、
前記制御手段は、前記アノードガス流路内のガス温度に基づいて前記所定負荷域を設定することを特徴としている。
【００１１】
第６の発明は、第４又は第５の発明において、
前記制御手段は、前記アノードガス流路内のガス圧力に基づいて前記所定負荷域を設定することを特徴としている。
【００１２】
また、第７の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムにおいて、
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、
前記アノードのガス流路の下流側端部に接続された排気機構であって、その動作モードとして少なくとも、前記アノード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と、前記アノードガス流路と系外との連通を遮断する閉塞モードとを択一的に選択可能な排気機構と、
前記アノード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、
前記排気機構の動作を制御する制御手段であって、前記第２計測手段の計測値から計算される参照値と前記第１計測手段の計測値から計算される比較対象値との比較に基づいて前記排気モードと前記閉塞モードとを切り替える制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１３】
第８の発明は、第７の発明において、
前記第１計測手段は、前記燃料電池の電流値と前記アノードガス流路内のガス圧力とを計測することを特徴としている。
【００１４】
第９の発明は、第７又は第８の発明において、
前記第２計測手段は、前記燃料電池の温度を計測することを特徴としている。
【００１５】
第１０の発明は、第７又は第８の発明において、
前記第２計測手段は、前記アノードガス流路内のガス温度を計測することを特徴としている。
【００１６】
第１１の発明は、第７乃至第１０の何れか１つの発明において、
前記第２計測手段は、前記アノードガス流路内のガス圧力を計測することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、アノード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、燃料電池性能の低下を招くほどに不純物質が蓄積されることを防止できる。しかも、アノードガス流路の下流側端部に不純物質が溜まり得る状況か否かを不純物質の下流方向への流れの大きさによって判定し、不純物質の下流方向への流れの大きさが所定の切替基準に達するまではアノードガス流路と系外との連通を遮断することで、燃料ガスが無駄に排気されることを防止できる。
【００１８】
第２の発明によれば、燃料電池の負荷の大きさを計測することで、アノードガス流路内の不純物質の下流方向への流れを間接的に検出することができる。つまり、不純物質の流れを直接検出するための専用のセンサを必要としない。
【００１９】
第３の発明によれば、アノードガス流路内の燃料ガスの流速に関連する物理量と、アノードガス流路内の不純物質の拡散速度に関連する物理量とをそれぞれ計測することで、アノードガス流路内の不純物質の下流方向への流れを間接的に検出することができる。つまり、不純物質の流れを直接検出するための専用のセンサを必要としない。
【００２０】
第４の発明によれば、アノード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、燃料電池性能の低下を招くほどに不純物質が蓄積されることを防止できる。しかも、アノードガス流路の下流側端部に不純物質が溜まり得る状況か否かを燃料電池の負荷状態によって判定し、不純物質が溜まり得る所定の高負荷域よりも低負荷域で運転されているときにはアノードガス流路と系外との連通を遮断することで、燃料ガスが無駄に排気されることを防止できる。
【００２１】
第５の発明によれば、アノードガス流路内での不純物質の拡散速度に関連するアノードガス流路内のガス温度に基づいて排気モードを選択する所定負荷域を設定することで、不純物質が溜まり得る状況での排気を正確に行うことが可能になる。
【００２２】
第６の発明によれば、アノードガス流路内での不純物質の拡散速度に関連するアノードガス流路内のガス圧力に基づいて排気モードを選択する所定負荷域を設定することで、不純物質が溜まり得る状況での排気を正確に行うことが可能になる。
【００２３】
第７の発明によれば、排気機構を排気モードで動作させてアノード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場合には、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気することができ、燃料電池性能の低下を招くほどに不純物質が蓄積されることを防止できる。また、排気機構を閉塞モードで動作させてアノードガス流路と系外との連通を遮断する場合には、アノードガス流路の下流側端部に不純物質が溜まっていない状況で燃料ガスが無駄に排気されることを防止できる。さらに、アノードガス流路内の不純物質の拡散速度に関連する物理量から計算される参照値と、アノードガス流路内の燃料ガスの流速に関連する物理量から計算される比較対象値との比較によれば、アノードガス流路の下流側端部に不純物質が溜まり得る状況か否かを正確に判定することができる。したがって、その比較に基づいて排気モードと閉塞モードとを切り替えることで、燃料電池性能の低下の防止と燃料ガスの排気量の抑制とを高次元で両立することが可能になる。
【００２４】
第８の発明によれば、燃料電池の電流値とアノードガス流路内のガス圧力とを計測することで、アノードガス流路内の燃料ガスの流速を容易に且つ正確に推定することができる。そして、その計測値に基づいて前記の比較対象値を計算することにより、排気モードと閉塞モードとを正しく切り替えるための正確な判定が可能になる。
【００２５】
第９の発明によれば、燃料電池の温度を計測することで、アノードガス流路内の不純物質の拡散速度を容易に且つ正確に推定することができる。そして、その計測値に基づいて前記の参照値を計算することにより、排気モードと閉塞モードとを正しく切り替えるための正確な判定が可能になる。
【００２６】
第１０の発明によれば、アノードガス流路内のガス温度を計測することで、アノードガス流路内の不純物質の拡散速度を容易に且つ正確に推定することができる。そして、その計測値に基づいて前記の参照値を計算することにより、排気モードと閉塞モードとを正しく切り替えるための正確な判定が可能になる。
【００２７】
第１１の発明によれば、アノードガス流路内のガス圧力を計測することで、アノードガス流路内の不純物質の拡散速度を容易に且つ正確に推定することができる。そして、その計測値に基づいて前記の参照値を計算することにより、排気モードと閉塞モードとを正しく切り替えるための正確な判定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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ガス流路（発電面内に形成されたアノードに接するガス流路）の下流側端部に接続されている。アノードガス流路内のガス（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。
【００３２】
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のアノードガス流路と系外との連通は遮断される。一方、排気モードが選択されたときは、アノード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連続少量排気運転と言う。なお、これら閉塞モードや排気モード以外にも、排気弁１４を完全な開状態とする全開モード等、他の動作モードも必要に応じて選択可能にしてもよい。ただし、本発明の実現にあたっては、少なくとも閉塞モードと排気モードとが択一的に選択可能であればよい。
【００３３】
また、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。
【００３４】
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は省略している。以下、図１とあわせて図２も参照して説明する。
【００３５】
図２に示すように、単位燃料電池内では膜電極接合体４０の各面に沿ってガス流路４２，４４が形成されている。膜電極接合体４０のアノードのガス流路４２には、水素が供給されている。膜電極接合体４０のカソードのガス流路４４には、空気が供給されている。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。
【００３６】
カソードガス流路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ガス流路４２に侵入してしまう。このとき窒素をアノードガス流路４２側に移動させる駆動力となるのは、カソードガス流路４４とアノードガス流路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、アノードガス流路４２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ガス流路４２の下流へと流されていく。
【００３７】
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。
【００３８】
前述のように、本実施の形態の燃料電池システムは、排気弁１４を閉塞モードとすることによるアノードデッドエンド運転が可能である。アノードデッドエンド運転によれば、燃料電池２に供給される水素を有効に使用することができる。しかし、その場合、アノードガス中の不純物質である窒素は、図２中に模式的に示すように、アノードガス流路４２の下流端部に次第に蓄積されていく。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、電圧の低下や異常電位による膜電極接合体４０の劣化を招いてしまう。
【００３９】
この点に関し、本実施の形態の燃料電池システムでは、排気弁１４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、アノードガス流路４２の下流端部への窒素の蓄積を防止することができる。つまり、アノードガス流路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で、アノードガス流路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。これによれば、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ことを防止できる。
【００４０】
図３は、アノードデッドエンド運転時のアノードガス流路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。
【００４１】
これに対し、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、窒素がアノードガス流路４２中に分散しているような状況では、連続少量排気運転を実行すると水素を無駄に排気してしまうことになる。アノードガス流路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が望ましい。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。
【００４２】
窒素がアノードガス流路４２の下流端部に蓄積されるか否かは、アノードガス流路４２内での窒素の流れによって決まる。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。したがって、アノードガス流路４２内での窒素の下流方向への流れを検出できれば、アノードデッドエンド運転と連続少量排気運転との切り替えを正しく行うことができると考えられる。
【００４３】
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。まず、アノードガス流路４２内の窒素の流れの大きさは、アノードガス流路４２内の窒素の拡散速度と、アノードガス流路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。水素の流速が大きいほど窒素の下流方向への流れも大きくなる。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。
【００４４】
本実施の形態の燃料電池システムでは、アノードガス流路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の出力電流の値とアノードガス流路４２内のガス圧力とを計測することとしている。アノードガス流路４２に流入する水素の流速は、アノードガス流路４２の流路形状が一定であるならば、燃料電池２の出力電流とアノードガス流路４２内のガス圧力との関数として表すことができる。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。アノードガス流路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。
【００４５】
また、本実施の形態の燃料電池システムでは、アノードガス流路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ガス流路４２内のガス圧力とガス温度の各値を計測することとしている。窒素の拡散速度は、アノードガス流路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、アノードガス流路４２内のガス温度を直接計測してもよい。
【００４６】
本実施の形態の燃料電池システムでは、排気弁１４の動作の制御は制御装置２０によって行われる。制御装置２０には、電流計２２、圧力センサ２６及び温度センサ２４からそれらの計測信号が入力されている。制御装置２０は、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及び圧力センサ２６の各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ている。以下、制御装置２０によって実施される排気弁１４の制御のためのルーチンについて、図４のフローチャートを用いて説明する。
【００４７】
図４に示すルーチンの最初のステップＳ２では、排気モードから閉塞モードへの切替判定が行われる。この切替判定では、次の（１）式に示す条件の成否が判定される。（１）式の左辺が比較対象値であり、右辺が参照値である。
Ｉ×（Ｐ0/ＰA） ＜ Ｉswt×Ｉswp  ・・・（１）
【００４８】
（１）式において比較対象値の計算に用いるＩは電流計２２によって計測される電流値である。Ｐ0は標準大気圧であり、ＰAは圧力センサ２６によって計測されるアノード流路内のガス圧力である。
【００４９】
（１）式において参照値の計算に用いるＩswtは温度センサ２４によって計測された燃料電池２の温度から決定される変数であり、予め用意されたマップを用いて決定される。図５は、マップにおいて設定されている燃料電池２の温度（ＦＣ温度）と変数Ｉswtとの関係を示す図である。また、Ｉswpは圧力センサ２６によって計測されたガス圧力から決定される変数であり、予め用意されたマップを用いて決定される。図６は、マップにおいて設定されているアノードガス流路４２内のガス圧力（アノード圧）と変数Ｉswpとの関係を示す図である。なお、図５に示す関係はアノード圧が一定であることが前提であり、図６に示す関係はＦＣ温度が一定であることが前提である。
【００５０】
ステップＳ２の判定の結果、比較対象値が参照値よりも小さい場合には、閉塞モードが選択されて排気弁１４は閉じられる（ステップＳ４）。これにより、燃料電池システムはアノードデッドエンド運転で運転される。
【００５１】
一方、比較対象値が参照値以上の場合には、ステップＳ２からステップＳ６に進む。ステップＳ６では、閉塞モードから排気モードへの切替判定が行われる。この切替判定では、比較対象値と参照値よりもオフセット値αだけ大きい値（Ｉswt×Ｉswp＋α）との比較が行われる。比較対象値が参照値＋αよりも大きい場合には、排気モードが選択されて排気弁１４は所定のデューティ比で開制御される（ステップＳ８）。これにより、燃料電池システムは連続少量排気運転で運転される。
【００５２】
比較対象値が参照値以上であって参照値＋α以下の場合には、現時点での動作モードが維持される。つまり、現時点で閉塞モードが選択されている場合には、比較対象値が参照値＋αを超えるまで排気モードには切り替えられない。一方、現時点で排気モードが選択されている場合には、比較対象値が参照値を下回るまで閉塞モードには切り替えられない。これにより、参照値付近での比較対象値の変動によって排気弁１４の動作モードが頻繁に切り替わってしまうことは防止される。
【００５３】
上記のルーチンによれば、アノードガス流路４２内の窒素の拡散速度に関連するＦＣ温度及びアノード圧から参照値（Ｉswt×Ｉswp）が求められ、アノードガス流路内の水素の流速に関連する電流値とアノード圧とから比較対象値｛Ｉ×（Ｐ0/ＰA）｝が求められる。そして、これら参照値と比較対象値とが比較される。この比較によれば、アノードガス流路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することができるので、比較結果に基づいて排気モードと閉塞モードとを切り替えることで、燃料電池性能の低下の防止と水素の排気量の抑制とを高次元で両立することが可能になる。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、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で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００５５】
上記実施の形態では、燃料電池２の電流値を計測しているが、燃料電池２の負荷状態を判定することができるならば、必ずしも電流値を計測する必要はない。燃料電池２が高負荷域で運転されている場合には低負荷域で運転されている場合に比較して水素の消費量が大きくなることから、必然的にアノードガス流路４２内の水素の流速も大きくなる。したがって、燃料電池２が所定の高負荷域で運転されているときには排気モードを選択し、燃料電池２が所定負荷域よりも低負荷域で運転されているときには閉塞モードを選択すればよい。なお、アノードガス流路４２の下流側端部に窒素が溜まり得る負荷状態か否かは、そのときの窒素の拡散速度によって左右されることから、前記の所定負荷域はアノードガス流路４２内のガス温度やガス圧力に基づいて設定するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【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５】燃料電池の温度と排気弁の動作モードの切り替え判定に用いる変数Ｉswtとの関係を示す図である。
【図６】アノードガス流路内のガス圧力と排気弁の動作モードの切り替え判定に用いる変数Ｉswpとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
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  アノードガス流路
４４  カソードガス流路
【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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