(57)【要約】【課題】不純物の逆流による発電性能の低下や燃料電池の劣化を抑える。【解決手段】複数の積層されたセルを有する燃料電池システムにおいて、セルは、少なくとも電解質膜の両面に設けられた反応電極を有する膜―電極接合体と膜―電極接合体のアノード極側に接する面内に設けられた燃料流路とを備える。この燃料電池システムは、燃料流路の面内における最下流部に配置され、燃料流路の最下流部を開放又は遮断する第１遮断手段と、第１バルブより上流側に配置され、前記燃料流路の下流側と上流側とを連通又は遮断する第２遮断手段と、第１遮断手段と前記第２遮断手段とを、それぞれ独立して制御する制御手段と備える。【選択図】図２
2008177123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積層されたセルを有する燃料電池システムであって、
前記セルは、
少なくとも電解質膜の両面に設けられた反応電極を有する膜―電極接合体と、
該膜―電極接合体のアノード極側に接する面内に設けられた燃料流路と、
を備え、
前記燃料流路の前記面内における最下流部に配置され、前記燃料流路の前記最下流部を開放又は遮断する第１遮断手段と、
前記第１遮断手段より上流側に配置され、前記燃料流路の下流側と上流側とを連通又は遮断する第２遮断手段と、
前記第１遮断手段と前記第２遮断手段とを、それぞれ独立して制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記第１遮断手段を遮断状態とすると共に、前記第２遮断手段を連通状態とする第１制御モードと、
前記第２遮断手段を遮断状態とすると共に、前記第１遮断手段を開放状態とする第２制御モードと、
を切り替えて制御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】
前記燃料流路の前記第１遮断手段と前記第２遮断手段との間の蓄積窒素量を推定する蓄積窒素量推定手段と、
前記蓄積窒素量推定手段により推定された蓄積窒素量が、基準窒素量より大きいか否かを判定する窒素量判定手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、前記蓄積窒素量が、前記基準窒素量より大きいと判定された場合に、前記第１制御モードから前記第２制御モードに制御モードを切り替え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、燃料電池の燃料排ガスを循環させず、燃料電池の内部に止めた状態で運転を行うことができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特開２００５−３５３５６９号公報には、燃料電池の燃料流路内の燃料排ガス（アノードオフガス）を外部に排出せず、燃料電池内部に止めた状態で燃料電池の運転を行う燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池に燃料を供給する燃料供給源としての高圧水素タンクと、高圧水素タンクと燃料電池の燃料導入部とを接続する燃料ガス供給管とを有している。燃料ガス供給管には遮断弁と調圧弁とが設けられている。一方、燃料流路の排出部には排出管が接続されている。排出管には上流側遮断弁と下流側遮断弁とが設けられている。
【０００３】
この燃料電池システムの運転時には、燃料ガス供給管に設けられた遮断弁が開弁されて、高圧水素タンクと燃料ガス供給管及び燃料電池の燃料導入部が連通状態とされる。そして調圧弁により、高圧水素タンクから供給される水素が所定の圧力まで減圧され、燃料電池の導入部から燃料流路に供給される。このとき、排出管の上流側遮断弁は開弁状態、下流側遮断弁は閉弁状態とされる。従って、燃料電池システムの運転時、水素の通路は、燃料流路の下流に接続する排出管の下流側遮断弁の位置で遮断された状態となる。
【０００４】
この燃料電池システムの運転中は、燃料電池の燃料流路内は調圧弁で決定される圧力に維持されることとなる。従って、起電反応に伴って水素が消費されて燃料流路内の圧力が低下すると、調圧弁の作用によって新たな燃料が供給される。つまり水素の消費量に見合った燃料が高圧水素タンクから供給されることとなる。
【０００５】
この状態で燃料電池システムが運転されている間、燃料流路内には、カソード極側のエア流路から電解質膜を透過してきた水、窒素等の不純物が混入する。混入した不純物の多くは供給される水素に押されて下流側に移動する。この燃料電池システムでは、燃料流路の排出口の下流側に更に排出管が配置され、燃料電池の運転中は、燃料流路と排出管とが下流側遮断弁の位置まで連通した状態とされている。このため、上記従来技術では、燃料電池システムの運転中、不純物の多くを排出管内に滞留した状態とすることができるとしている。
【０００６】
また、排出管内の不純物量が増加して、もはや排出管内に不純物を滞留できない状態となると、燃料流路の下流側にも次第に不純物が滞留することとなり、発電性能の低下を招く場合がある。これに対し上記従来技術のシステムでは、排出管内の不純物の濃度が基準値以上となった時には、排出管に設置された上流側遮断弁を閉弁状態とし、下流側遮断弁を開弁状態とする。これにより、上流側遮断弁より下流側の排出管内に蓄積した不純物が外部に放出される。このとき、上流側遮断弁は閉鎖されているため、水素の通路は排出管の上流側遮断弁の位置で閉鎖された状態とされている。従って、上記従来技術によれば、不純物放出時の水素の外部への流出が少量に抑えられるものとしている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３５３５６９号公報
【特許文献２】特開２００３−３１７７７０号公報
【特許文献３】特開２００５−３５３３０３号公報
【特許文献４】特開２００５−２４３４７７号公報
【特許文献５】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】
【０００８】
上記従来技術のように、燃料流路内に混入する不純物は燃料流路の燃料の流れによって下流側に滞留する。ここで、上記従来技術において燃料電池内には複数のセルが積層され、各セルの燃料流路の入口と燃料流路の出口とは、それぞれ、共通のマニホールドで接続されている。このような構造の燃料電池においてはセル毎の製造バラツキなどにより圧力損失のバラツキが生じる。このため燃料電池の運転中に、圧力損失の小さいセルの燃料流路の下流側に移動した不純物が、圧力損失の大きいセルの燃料流路の下流側から逆流する場合がある。その結果、その各セルの面内での不純物の蓄積に大きなバラツキが生じることとなる。
【０００９】
上記従来技術においては、燃料流路の出口側のマニホールドの更に出口に、不純物蓄積用の排出管が設けられている。しかし、このような構造では、不純物が下流側の排出管で蓄積されずに、圧力損失の大きいセルの燃料流路内に逆流し、燃料流路内に蓄積した状態となる場合がある。この場合、セル間又はセル面内で不純物の蓄積量にバラツキ発生することとなる。このような不純物の蓄積量のバラツキは、発電性能の低下や発電ムラによる燃料電池の劣化を招く場合があり、好ましいものではない。
【００１０】
従って、この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、不純物の逆流による発電性能の低下や燃料電池の劣化を抑えるように改良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】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の積層されたセルを有する燃料電池システムであって、
前記セルは、
少なくとも電解質膜の両面に設けられた反応電極を有する膜―電極接合体と、
該膜―電極接合体のアノード極側に接する面内に設けられた燃料流路と、
を備え、
前記燃料流路の前記面内における最下流部に配置され、前記燃料流路の前記最下流部を開放又は遮断する第１遮断手段と、
前記第１遮断手段より上流側に配置され、前記燃料流路の下流側と上流側とを連通又は遮断する第２遮断手段と、
前記第１遮断手段と前記第２遮断手段とを、それぞれ独立して制御する制御手段と、
を備える。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、
前記第１遮断手段を遮断状態とすると共に、前記第２遮断手段を連通状態とする第１制御モードと、
前記第２遮断手段を遮断状態とすると共に、前記第１遮断手段を開放状態とする第２制御モードと、
を切り替えて制御する。
【００１３】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃料流路の前記第１遮断手段と前記第２遮断手段との間の蓄積窒素量を推定する蓄積窒素量推定手段と、
前記蓄積窒素量推定手段により推定された蓄積窒素量が、基準窒素量より大きいか否かを判定する窒素量判定手段と、
を更に備え、
前記制御手段は、前記蓄積窒素量が、前記基準窒素量より大きいと判定された場合に、前記第１制御モードから前記第２制御モードに制御モードを切り替える。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、複数のセルの燃料流路には、それぞれ、その面内における最下流部を開放又は遮断する第１遮断手段と、第１遮断手段より上流側の位置において、燃料流路の下流側と上流側とを連通又は遮断する第２遮断手段が備えられている。このような燃料電池システムによれば、例えば、第１遮断手段を遮断状態とすることにより、複数のセルの燃料流路のそれぞれを、そのセルの面内において遮断することができる。即ち、複数のセルの燃料流路を下流側で閉じて、他のセルの燃料流路とは接続しない状態とすることができる。これにより、燃料電池の運転中のセル間での圧力損失のバラツキがあっても、圧力損失の大きいセルの燃料流路に、圧力損失の小さいセルから排出されたガスが逆流するのを防ぐことができる。
【００１５】
第２の発明によれば、第１遮断手段を遮断状態とすると共に、第２遮断手段を連通状態とする第１制御モードと、第２遮断手段を遮断状態とすると共に、第１遮断手段を開放状態とする第２制御モードとが切り替えて制御される。これにより、第１制御モード又は第２制御モードで燃料電池が運転されている状態では、各セルの燃料流路が第１遮断手段又は第２遮断手段のいずれかの位置において遮断されている状態を確保することができる。従って、圧力損失の低いセルから高いセルへの不純物の逆流を抑えた状態での燃料電池の運転を確保すると共に、燃料の無駄な流出を抑えることができる。
【００１６】
燃料電池の運転中には、上流から供給される燃料の流れに押し出されて、窒素が、燃料流路下流側の第２遮断手段と第１遮断手段との間に多く蓄積している。第３の発明よれば、この蓄積量が基準窒素量より多くなった時点で、第２遮断手段が遮断状態とされる。これにより、窒素滞留量の少ない第２遮断手段の上流側の燃料流路と、窒素滞留量の多い下流側の燃料流路とが一旦遮断された状態となる。同時に、第１遮断手段が開放状態とされる。これにより、第２遮断手段より下流側に蓄積された窒素を、効率良く外部に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】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１８】
実施の形態．
[実施の形態の燃料電池システムの構成]
図１は、この発明の実施の形態における燃料電池システムについて説明するための模式図である。図１に示す実施の形態の燃料電池システムは燃料電池２を備えている。燃料電池２は、積層された複数のセル４を有している。
【００１９】
燃料電池２の水素導入口(H2In)には水素供給経路１０が接続されている。水素供給経路１０には、燃料供給源としての高圧水素タンク１２が接続されている。水素供給経路１０の高圧水素タンク１２の下流にはレギュレータ１４（供給圧制御手段）が配置されている。レギュレータ１４は、高圧水素タンク１２から供給された高圧の水素を設定された水素供給圧にまで減圧し、燃料電池２の水素導入口（H2In）から供給する。また、必要に応じて水素供給経路１０を閉鎖することで、高圧水素タンク１２と水素導入口（H2In）との連通を遮断できる。
【００２０】
燃料電池２の水素排出口(H2Out)は排出経路１６に接続されている。排出経路１６は、その下流側において大気に開放されている。従って、排出経路１６内に排出されたガスは、排出経路１６を介して大気に排出される。
【００２１】
実施の形態の燃料電池システムは制御装置としてのＣＰＵ２０を有している。ＣＰＵ２０は、各種センサからの入力信号を受けて、燃料電池２の運転状態等に関する種々の情報を検出すると共に、燃料電池２の運転において必要な制御信号を出力して燃料電池２の運転を制御する。具体的に、ＣＰＵ２０はレギュレータ１４に接続され、これらに制御信号を発することにより水素供給圧等を制御する。
【００２２】
燃料電池２の複数のセル４は、電解質膜（電解質）の両側を一対の電極、即ち、アノード極とカソード極とで挟んで構成される膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、膜−電極接合体を挟む一対のセパレータを有している。なお、膜−電極接合体の各電極表面に拡散層等が形成されているものであってもよい。
【００２３】
図２は、この発明の実施の形態における燃料電池の各セルのアノード極側に配置されるセパレータについて説明するための図である。図２に示すように、アノード極側に配置されるセパレータ３０のアノード極に接する面のＭＥＡ設置領域（面内）には水素流路３２が形成されている。水素流路３２の上流側は、ＭＥＡ設置領域外部に形成された水素入口孔３４に接続されている。また水素流路３２の下流側端部は、ＭＥＡ設置領域外部に形成された水素出口孔３６に接続されている。水素流路３２の下流側端部には第１バルブ３８（第１遮断手段）が設置されている。第１バルブ３８は、その開閉状態を変化させることにより、水素出口孔３６と水路流路３２との連通を開放又は遮断することができる。
【００２４】
水素流路３２の途中、即ち第１バルブ３８よりも上流側には、第２バルブ４０（第２遮断手段）が配置されている。第２バルブ４０は、その開閉状態を変化させることにより、燃料流路の第２バルブ４０の上流側と下流側との連通状態を、連通状態又は遮断状態とすることができる。
【００２５】
セパレータ３０のＭＥＡ設置領域外部には、大気が流入するための大気入口孔５０と大気が排出される大気出口孔５２、冷却水が流入するための冷却水入口孔５４と冷却水が排出される冷却水出口孔５６とが形成されている。
【００２６】
一方、カソード極側に配置されるセパレータのＭＥＡに接する面側には大気流路が形成されている。このセパレータのＭＥＡ設置領域外部の、図２に示すアノード極側のセパレータ３０と同じ位置には、水素入口孔３４、水素出口孔３６、大気入口孔５０、大気出口孔５２、冷却水入口孔５４及び冷却水出口孔５６がそれぞれ形成される。ただし、このセパレータのカソード極側に接する面には、水素流路の代わりに大気流路が形成されており、大気流路は大気流路の最上流側、最下流側の各端部において、大気入口孔５０、大気出口孔５２にそれぞれ接続している。
【００２７】
このように構成されたセパレータに挟持されたセル４が複数積層されると、セパレータのＭＥＡ設置領域外部が連結して必要なマニホールドを形成する。具体的に、例えば、水素入口孔３４が連結することで水素供給マニホールドが形成され、このマニホールドの入口が燃料電池２の水素導入口(H2In)において水素供給経路１０に接続される。水素出口孔３６が連結することで、水素排出マニホールドが構成され、このマニホールドの出口が燃料電池２の水素排出口(H2Out)において排出経路１６に接続される。
【００２８】
[従来の燃料電池の運転時の状態について]
ところで、燃料オフガスの排出や循環を行わずに運転される所謂デットエンド型の従来の燃料電池は、各セルの燃料流路の最下流は、水素出口孔が連結して構成される水素排出マニホールドに直接接続され、水素排出マニホールドの下流側の出口が遮断できる状態となっている。このような従来のデットエンド型の燃料電池の通常運転中は、水素の通路は燃料電池の下流側に設けられた出口付近で遮断された状態とされる。
【００２９】
燃料電池の運転中の各セルでの起電反応において、アノード極に供給された水素は電極中で水素イオンとなって、電解質膜を通過してカソード極に到達する。つまり、アノード側に供給される水素は、燃料電池の起電反応によって消費され減少することとなる。水素流路内はレギュレータの作用により設定された水素供給圧に調整されている。このため、水素流路で水素が消費されて圧力が低下すると、その低下分の水素が高圧水素タンクから供給されることとなる。従って、燃料電池の水素流路には常に発電量に応じた水素が供給されることとなる。
【００３０】
ここで、燃料電池の各セルの水素流路の両端は、それぞれ水素供給マニホールドと水素排出マニホールドとに接続されている。燃料となる水素は水素導入口から水素供給マニホールドを通って各セルの水素流路に供給される。また、各セルの水素流路から排出される水素オフガスは各セルの水素流路から水素排出マニホールドに押し出される。
【００３１】
ところで、水素流路内には、燃料として供給される水素以外に、カソード極側から電解質膜を透過してきた窒素等の不純物が混入する。水素流路内に混入する不純物の多くは窒素であると考えられるため、以下の実施の形態では、特に必要な場合を除き、混入した全不純物を代表させて「窒素」として記載することとする。
【００３２】
図３及び図４は、従来の燃料電池の運転中におけるガスの流れについて説明するための模式図である。なお、図３及び図４では、説明のため、燃料電池内の一部のセルの水素流路のみを模式的に表している。
【００３３】
図３に示すように、各セル４ａの水素流路に滞留した窒素(N)は、供給される水素の流れに押し出されて水素流路の下流側に移動する。水素流路下流側に移動した窒素は、水素排出マニホールド３６ａ内に排出される。ここで、水素排出マニホールド３６ａの出口側が遮断状態とされている場合、あるいは水素排出マニホールド３６ａからの外部への排出量を微量としている状態では、水素排出マニホールド３６ａ内に窒素を含むオフガスが滞留する。
【００３４】
この状態では、図３に示すように、圧力損失の小さい(水素流路内の圧力が高い)セル４ａの水素流路からは、下流側に滞留する窒素(N)が水素排出マニホールド３６ａ内に押し出されて水素排出マニホールド３６ａ内に移動する。しかし、圧力損失の大きい（水素流路内の圧力が低い）セル４ｂでは、下流側に滞留した窒素(N)を水素排出マニホールド３６ａ側に押し出すことが困難となる。更に、圧力損失バラツキが大きくなると、水素オフガスの流れと共に水素排出マニホールド３６ａ内に移動した圧力損失の小さいセル４ａの窒素(N)が、圧力損失の大きいセル４ｂの水素流路内に逆流する場合がある。このように窒素(N)の逆流が発生するような場合、圧力損失の大きいセルでの蓄積窒素量が許容範囲を越えて大きくなり、そのセルでの電圧の低下が無視できない程度に大きくなることが考えられる。
【００３５】
このため、例えば、図４に示すように、一時的に水素排出マニホールド３６ａ下流の出口を十分に開放することで、水素流路内の水素オフガスを円滑に外部に排出することができる。これにより、圧力損失の大きいセル４ｂからも十分に窒素(N)が外部に排出されるため、蓄積窒素量の増加による電圧低下を抑制することができる。しかし、このように圧力損失の大きいセルからも窒素(N)を排出するように設定した場合、蓄積窒素量の少ない（即ち、圧力損失の小さい）セルからは無駄に未使用の水素が排出されることとなる。
【００３６】
[この発明の実施の形態における特徴的な制御]
そこで、この発明の実施の形態におけるシステムは、窒素の逆流による蓄積窒素量の増加と、燃料消費量の増加とを同時に抑えることができるように、次のような制御を行う。図５〜図７は、この発明の実施の形態における各セルの水素流路内のガスの流れについて説明するための模式図である。図５及び図６は燃料電池の通常運転中の状態を表し、図７は窒素排出時の状態を表している。また、図５〜図７では、説明のため燃料電池内の一部のセルの水素流路のみを模式的に表している。
【００３７】
図５に示すように、この実施の形態において、燃料電池２の運転中は燃料電池２の各セル４の水素流路３２にそれぞれ設けられた第１バルブ３８が閉弁状態とされ、水素流路の途中に配置された第２バルブ４０が開弁状態とされる。第２バルブ４０は、水素流路３２の途中に配置されている。第２バルブ４０が開弁状態とされることで、水素流路３２は最上流側から最下流側まで連通した状態となる。一方、第１バルブ３８は、水素流路３２と水素出口孔３６との間に配置されているため、第１バルブ３８が閉弁状態とされることで、水素流路３２と水素出口孔３６により構成される水素排出マニホールドとの連通が遮断されることとなる。つまり、各セル４の水素流路３２は他のセルの水素流路３２とは、下流側では接続していない状態となる。
【００３８】
このような状態で燃料電池２の運転を続けた場合、図６に示すように、水素流路３２に混入した窒素(N)は、次第に水素流路３２の下流側に移動する。ここで、水素流路３２はその下流側の端部で遮断状態となっているため、各セル４の水素流路３２内に混入した窒素(N)は、それぞれの水素流路３２内の下流に蓄積することとなる。
【００３９】
一方、水素流路３２の下流側の蓄積窒素量が多くなり窒素濃度がある程度高くなると、図７に示すように、第２バルブ４０が閉弁状態とされ、その後、第１バルブ３８が開弁状態とされる。その結果、各セル４の水素流路３２は第２バルブ４０の位置で上流側と下流側に分断された状態となる。つまり、水素流路３２は第２バルブ４０の位置で遮断された状態となる。
【００４０】
この状態で第１バルブ３８が開弁状態とされると、各セル４の水素流路３２の第２バルブ４０より下流側の部分（以下、「下流部分４４」とする）のみが水素排出マニホールド３６Ａに連通し、排出経路１６に接続された状態となる。ここで、燃料電池２の運転中は水素流路３２内は大気圧より高い圧力に維持されている。従って、燃料流路３２の下流部分４４が第１バルブ３８の開放により水素排出マニホールド３６Ａに接続されると、蓄積された窒素(N)が水素排出マニホールド３６Ａ側に放出されることとなる。この状態で、十分に窒素が放出された後は、再び第１バルブ３８が閉弁状態とされて、第２バルブ４０が開弁状態とされ（図５参照）、運転が継続される。
【００４１】
このように、燃料電池２の通常運転の際には、水素流路３２の下流側端部を第１バルブ３８により遮断することで、圧力損失の大きいセルへの窒素の逆流を防止することができ、セル間での蓄積窒素量のバラツキを小さくすることができる。従って、圧力損失の大きいセルにおける電圧低下を抑えることができる。また、水素流路３２の最下流部において水素流路を遮断した状態で燃料電池の運転が行われる。このため、セル間での圧力損失バラツキの影響を小さくすることができる。また、水素流路３２の下流側をセル面内の端部で遮断した状態で燃料電池の運転が行われるため、供給される水素を有効に利用することができる。
【００４２】
また、蓄積窒素量が多くなり、水素流路３２から窒素を排出させる際には、水素流路３２の途中に設けられた第２バルブ４０を閉弁した状態で、第１バルブ３８を開弁状態とすることで、窒素を開放する。従って、水素流路３２内に蓄積した窒素を効率良く外部に放出することができると共に、無駄に排出される水素の量を小さく抑えることができる。
【００４３】
また、窒素の排出時、下流部分４４の上流側端部は、第２バルブ４０により遮断された状態となっている。即ち、水素流路３２の下流部分４４は、その上流側では互いに他のセルの水素流路３２とは遮断された状態となっている。従って、下流部分４４を水素排出マニホールド３６Ａと連通状態としても、第２バルブ４０より上流部分においては他のセル水素流路３２からの窒素の逆流は抑えることができる。また、燃料電池の運転時には水素流路３２内の圧力は外部に対して高く設定されている。従って、窒素排出時、下流部分４４が外部に開放されると、下流部分４４においてもセル間での窒素の逆流を起こすことなく、確実に窒素を外部に排出することができる。
【００４４】
[本実施の形態の具体的な制御]
図８は、この発明の実施の形態においてシステムが実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図８のルーチンは所定期間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図８のルーチンは、まず水素流路３２内の蓄積窒素量が演算される（Ｓ１０２）。ここでは、前回窒素排出処理が行われてからの発電中の温度、圧力、膜含水量等に基づいて、透過量が推定されることで、蓄積窒素量が積算される。
【００４５】
次に、蓄積窒素量が基準窒素量より大きいか否かが判定される（Ｓ１０４）。基準窒素量は、水素流路３２の下流部分４４における窒素の濃度が、排出が必要な程度に大きいと判断される下限の値であり、予め定められてシステムに記憶されている。
【００４６】
ステップＳ１０４において、蓄積窒素量＞基準窒素量の成立が認められない場合、今回の窒素排出処理を行う必要がない。従って、第１バルブ３８が閉弁とされる（Ｓ１１２）。第１バルブ３８はＣＰＵ２０からの制御信号に応じて閉弁され、その結果、各セル４の水素流路３２が下流端部が遮断状態とされる。
【００４７】
次に、第２バルブ４０が開弁される（Ｓ１１４）。第２バルブ４０はＣＰＵ２０からの制御信号に応じて開弁され、その結果水素流路３２の第２バルブ４０の上流側と下流側とが連通状態とされる。即ち、各セル４の水素流路３２が、最下流側まで連通し、最下流側端部で遮断された状態となる。この状態で、今回の処理が終了し、燃料電池の通常運転が行われる。
【００４８】
一方、ステップＳ１０４において、蓄積窒素量＞基準窒素量の成立が認められると、次に、第２バルブ４０が閉弁状態とされる（Ｓ１０６）。第２バルブ４０はＣＰＵ２０からの制御信号に応じて閉弁され、その結果、各セル４の水素流路３２が下流側の途中の位置で遮断される。
【００４９】
次に、第１バルブ３８が開弁状態とされる（Ｓ１０８）。第１バルブ３８はＣＰＵ２０からの制御信号に応じて開弁され、その結果水素流路３２の下流部分４４が、水素排出マニホールド３６Ａに連通し、水素排出マニホールド３６Ａを介して排出経路１６に接続されることとなる。これにより、水素流路３２の下流部分４４に蓄積した窒素(N)が、その圧力差により水素排出マニホールド３６Ａに押し出され、排出経路１６を介して外部に排出される。
【００５０】
次に、第１バルブ３８を開弁状態とし、第２バルブ４０を閉弁状態としてからの経過時間が、基準時間以上となったか否かが判定される（Ｓ１１０）。基準時間は水素流路３２に蓄積した窒素が排出されるのに十分な時間として、予めＣＰＵ２０に記憶されている。経過時間≧基準時間の成立が認められない場合には、再びステップＳ１１０に戻り経過時間の判定が行われる。このルーチンでは、経過時間≧基準時間の成立が認められるまで、第１バルブ３８の開弁状態及び第２バルブ４０の閉弁状態が維持されて、経過時間の判定が行われる。
【００５１】
一方、ステップＳ１１０において経過時間≧基準時間の成立が認められると、次に、第１バルブ３８が閉弁状態とされ（Ｓ１１２）、その後、第２遮断弁が開弁状態とされる（Ｓ１１４）。これにより、通常の運転モードに戻される。
【００５２】
なお、実施の形態１では、水素流路３２を連通/遮断する遮断手段として、第１バルブ３８と第２バルブ４０について説明した。このような遮断手段は、従来の種々のバルブ利用することで実現することができる。具体的には、例えば、遮断手段として、第１バルブ３８及び第２バルブ４０の設置位置にそれぞれ圧電素子を設置し、この圧電素子への電圧印加を制御することで、水素流路３２の連通状態と遮断状態とを制御することができる。
【００５３】
また、例えば、水素排出マニホールド３６Ａを円柱形状とし、この円柱形状に合わせて中空の円柱部材を配置する。この円柱部材には、水素排出マニホールド３６Ａ内の各セル４の水素流路３２の端部の間隔と等しい間隔で一列に開口を設けておく。そして、第１バルブ３８を開弁状態とする場合には、この開口を水素流路３２端部に合致させる位置に円柱部材を回転させ、一方、遮断状態とする場合には、開口と水素流路３２の端部が一致しない位置に円柱部材を回転すればよい。このようにしても、第１遮断手段を実現することができる。また、第２バルブ４０の設置位置に円柱形状の中間マニホールドを形成して、円柱形状の同様のバルブを配置することで、第２遮断手段とすることができる。但し、第２遮断手段（第２バルブ４０）は、そのセル４内の水素流路３２を連通又は遮断状態とするものである。従って、他のセル間での水素流路３２を連通状態としないように、バルブを中空にせず、そのセルの水素流路の連通/遮断のみを行うことができるように円柱部材に形成する開口形状を構成する必要がある。
【００５４】
また、実施の形態においては、燃料電池はＭＥＡの両側にセパレータが配置される場合について説明した。しかし、この発明において燃料電池は、電解質膜の両側に一対の電極が配置され各電極に反応ガスを供給する流路を有するものが、積層状態に設置されていればよく、実施の形態において説明した構造に限るものではない。
【００５５】
また、他の構成についても同様に、実施の形態において言及した各要素の個数、数量、量、範囲等の数は、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、この発明を限定するものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。これについては、以下の実施の形態においても同様である。
【００５６】
なお、例えば図８のルーチンにおいて、ステップＳ１０２が実行されることで、この発明の「蓄積窒素量推定手段」が実現し、ステップＳ１０４が実行されることで「窒素量判定手段」が実現し、ステップＳ１０６、Ｓ１０８、Ｓ１１２、又はＳ１１４が実行されることで「制御手段」が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における燃料電池のセパレータについて説明するための図である。
【図３】従来の燃料電池の運転中の燃料の流れについて説明するための図である。
【図４】従来の燃料電池において燃料流路に滞留した不純物を排出する際の状態を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態における燃料電池システムの通常運転中の燃料の流れについて説明するための模式図である。
【図６】この発明の実施の形態における燃料電池システムの通常運転中の燃料流路中の窒素の滞留状態について説明するための模式図である。
【図７】この発明の実施の形態における燃料電池システムの窒素排出時の燃料の流れについて説明するための模式図である。
【図８】この発明の実施の形態においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
２  燃料電池
４  セル
１０  水素供給経路
１２  高圧水素タンク
１４  レギュレータ
１６  排出経路
２０  ＣＰＵ
３０  セパレータ
３２  水素流路
３４  水素入口孔
３６  水素出口孔
３８  第１バルブ
４０  第２バルブ
４４  下流部分
５０  大気入口孔
５２  大気出口孔
５４  冷却水入口孔
５６  冷却水出口孔
【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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