(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、アノードの不純物濃度増大時の運転による寿命低下を抑制する。【解決手段】燃料電池の運転停止時のスタック温度と外気温との差、および起動時のスタック温度と外気温との差を求め。温度比を「起動時の温度差／停止時の温度差」と定義する。この温度比によって燃料電池の運転停止からの経過時間、ひいてはカソードからアノードに電解質膜を透過した窒素の濃度を推定する。また、窒素濃度の推定値に応じて、燃料電池スタックの出力値を制限する。こうすることで、アノードの不純物濃度が高い状態での過度の発電を抑制できる。【選択図】  図２
2004172026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素および酸素の供給を受けて発電する燃料電池システムであって、
電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を備える燃料電池スタックと、
前記水素極に水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に酸素を供給する酸素供給部と、
前記水素極に供給される気体中の不純物濃度に関連する所定のパラメータに応じて該燃料電池システムの出力制限を設定する制限設定部と、
前記出力制限を超えない範囲で発電するよう、前記水素供給部、酸素供給部を制御する運転制御部とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの運転停止からの経過時間を計測するためのタイマを備え、
前記パラメータは、該経過時間に基づいて定まる値である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部を備え、
前記パラメータは、該燃料電池システムの運転停止からの温度変化に基づいて定まる値である燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
外気温を基準とする前記燃料電池スタックの相対温度を検出する相対温度検出部を備え、
前記パラメータは、該燃料電池システムの運転停止からの前記相対温度の変化に基づいて定まる値である燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
前記制限設定部は、運転中の前記燃料電池スタックの温度が所定温度を超えなかった場合には、前記パラメータに関わらず前記出力制限を所定の制限値に設定する燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水素供給部は、
前記水素極から排出された排気を該水素極に循環する循環経路と、
該循環経路上に設けられ、該排気の一部を該循環経路外に排出する排出弁とを有し、
前記不純物濃度を低減するよう前記排出弁を開閉制御する排出制御部とを備える燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記排出制御部は、前記燃料電池スタックが所定の低温状態および高負荷状態の少なくとも一方に相当すると判断される場合に、前記排出弁の開き量を増大させる燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記排出弁から排出された排気を、所定の希釈ガスによって希釈する希釈部を備え、
前記排出制御部は、該希釈ガスの供給量が所定の基準値に満たない場合には、前記排出弁を閉じた状態に保持する燃料電池システム。
【請求項９】
請求項６記載の燃料電池システムであって、
前記制限設定部は、前記排出弁の開き量に応じて前記出力制限を緩和する燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記酸素供給部は前記酸素極に空気を供給し、
前記不純物は、前記酸素極から前記水素極に前記電解質を透過した窒素である燃料電池システム。
【請求項１１】
水素および酸素の供給を受けて発電する燃料電池システムの運転制御方法であって、
該燃料電池システムは、
電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を備える燃料電池スタックと、
前記水素極に水素を供給する水素供給部と、
前記酸素極に酸素を供給する酸素供給部とを備え、
前記水素極に供給される気体中の不純物濃度に関連する所定のパラメータに応じて該燃料電池システムの出力制限を設定する工程と、
前記出力制限を超えない範囲で発電するよう、前記水素供給部、酸素供給部を制御する工程とを備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池の運転制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池は、電解質を挟んで水素極と酸素極が配置された構成となっている。水素極に水素リッチな燃料ガスが供給され、酸素極に空気などの酸化ガスが供給されると、これらのガス中の水素と酸素が反応して発電する。発電時に消費されずに水素極から排出された水素を有効活用するため、再び水素極に循環させるシステム構成も提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２６８８３７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池では、酸素極から水素極に、窒素など水素極にとって不純物に相当するガスが電解質を透過することがある。これらの不純物は発電によっては消費されないため、水素極からの排気を循環させるシステム構成では、水素極側の不純物濃度が徐々に高くなる可能性がある。従来は、不純物濃度が高い状態、即ち、相対的に水素の濃度が低い状態で、燃料電池から過度の出力を得ようとすることにより、燃料電池の寿命を縮めるなどの弊害を招くおそれがあった。
【０００５】
かかる課題は、特に、燃料電池を長時間、運転停止した後、再起動する際に顕著であった。また、水素極からの排気を循環させないシステムにおいても、不純物の透過が起きる限り、同様の課題が生じ得た。本発明は、これらの課題を考慮し、燃料電池において、水素極側の不純物濃度増大による弊害を回避することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタック、水素供給部、酸素供給部を備えることにより、水素および酸素の供給を受けて発電する。燃料電池スタックは、電解質を挟んで配置された水素極および酸素極を備える。水素供給部は水素極に水素を供給する機構、酸素供給部は酸素極に酸素を供給する機構であり、例えば、配管、ポンプ、バルブなどが含まれる。水素極に供給される気体は、純水素である必要はなく、水素リッチな燃料ガスであればよい。酸素極に供給される気体は、純酸素である必要はなく、酸素を含有する酸化ガス、例えば、空気などであればよい。
【０００７】
本発明の燃料電池システムの運転は、制限設定部と、運転制御部によって制御される。制限設定部は、水素極に供給される気体中の不純物濃度に関連する所定のパラメータに応じて燃料電池システムの出力制限を設定する。パラメータと出力制限との関係は、例えば、予めマップまたは数式などの形式で記憶させておく方法を採ることができる。運転制御部は、こうして設定された出力制限を超えない範囲で発電するよう、水素供給部、酸素供給部を制御する。運転制御部は、更に、燃料電池システムへの要求電力を入力し、要求電力と出力制限の低い方に相当する発電を行わせるよう制御してもよい。
【０００８】
本発明によれば、燃料電池システムは、水素極に供給される気体中の不純物濃度に基づいて出力を制限することができる。従って、不純物濃度が高い場合に過度の発電を抑制することができ、燃料電池スタックへの損傷を低減することができる。
【０００９】
本発明の制御は、不純物または水素の濃度センサを水素極に備え、その検出値をパラメータとして用いることにより、燃料電池システムの運転中に適用することができる。濃度センサに代えて、水素極の圧力センサを設け、圧力の検出値をパラメータとして用いてもよい。
【００１０】
水素極の不純物濃度は、運転停止中に酸素極から水素極に電解質を透過する不純物によって増加することが多いため、本発明の制御は、燃料電池システムの起動時に有用である。かかる場合には、燃料電池システムの運転停止からの経過時間に関連する種々の値をパラメータとして用いることができる。
【００１１】
例えば、燃料電池システムの運転停止からの経過時間を計測するタイマを備えている場合には、この経過時間に基づいて定まる値をパラメータとしてもよい。
【００１２】
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部を備えている場合には、燃料電池システムの運転停止からの温度変化に基づいて定まる値をパラメータとしてもよい。温度変化は、運転停止からの経過時間と相関があるからである。例えば、運転停止時の温度と、現在の温度との差分、比などをパラメータとすることができる。
【００１３】
外気温を基準として燃料電池スタックの相対温度を検出する相対温度検出部を備えている場合には、燃料電池システムの運転停止からの相対温度の変化に基づいて定まる値をパラメータとしてもよい。運転停止からの温度の時間変化は、外気温によって影響を受けるため、外気温を考慮することによって、経過時間、ひいては不純物濃度を精度良く評価することができる。精度をより向上するため、燃料電池システムが設置されている場所の外気温を用いることが好ましい。
【００１４】
パラメータ値の算出に、燃料電池スタックの温度を用いる場合においては、運転中の燃料電池スタックの温度が所定温度を超えなかった時は、パラメータに関わらず出力制限を所定の制限値に設定するようにしてもよい。所定温度とは、例えば、燃料電池スタックが暖機済みとするための判断基準温度とすることができる。運転中の温度が低いまま運転が停止された場合、運転停止時からの経過時間が長くても温度変化が十分に現れず、運転停止からの経過時間が短いと誤判定される可能性がある。上記制御によれば、かかる誤判定に基づき出力制限値が不当に高く設定されることを回避することができる。かかる観点から、上記制御における所定の制限値は、燃料電池システムを不純物濃度に関わらず安全に運転可能な範囲の上限値に設定することができる。
【００１５】
水素極から排出された排気を水素極に循環する循環経路を有する燃料電池システムでは、不純物濃度が高くなり易いため、本発明の有用性が高い。この循環経路上には、排気の一部を循環経路外に排出する排出弁を備え、不純物濃度を低減するよう排出弁を開閉制御することが好ましい。排出弁は、定期的に開けてもよいし、水素極側の圧力や不純物濃度などに応じて開けてもよい。排出弁を開いた状態では、不純物と併せて水素も排出されるため、水素の浪費を抑制するため、排出弁の開き量はできるだけ抑制することが好ましい。
【００１６】
排出弁を備える場合、燃料電池スタックが所定の低温状態および高負荷状態の少なくとも一方に相当すると判断される場合には、排出弁の開き量を増大させることが好ましい。低温状態は、燃料電池スタックの温度、燃料電池システムの起動開始後の経過時間などに基づいて予め設定しておくことができる。高負荷状態は、要求電力、水素極または酸素極に供給されるガス流量などに基づいて予め設定しておくことができる。低温状態、高負荷状態における開き量は、複数段階に分けて増大させてもよいし、連続的に増大させてもよい。
【００１７】
低温状態、高負荷状態では、一般に、不純物による弊害が大きいため、開き量を増大させることにより、速やかに不純物濃度を低減することができる。開き量の増大は、排出弁の開度を増大してもよいし、開き間隔を密にしてもよいし、１回当たりの開き時間を増大してもよい。
【００１８】
本発明においては、排出弁からの排気を、空気など所定の希釈ガスによって希釈する希釈部を備えてもよい。この場合には、希釈ガスの供給量が所定の基準値に満たない場合には、排出弁を閉じた状態に保持することが好ましい。こうすることにより、排気中に含まれる水素が希釈されずに排出されるのを回避することができる。基準値は、排気中に含まれる水素が環境面での基準を満たす程度に希釈可能な範囲で設定することができ、予め設定された固定値としてもよいし、排気中の水素濃度の推定値に応じて変動する値としてもよい。
【００１９】
希釈ガスの供給量が上述の基準値を上回る場合には、更に、希釈ガスの流量増に応じて、排出弁に許容される開き量を増大させてもよい。こうすることにより、高い濃度の水素の排出を回避しつつ、不純物濃度を効率的に低減させることができる。
【００２０】
本発明では、排出弁の開き量に応じて出力制限を緩和することが好ましい。例えば、排出弁の開き量と不純物濃度の低減量との関係を予め記憶しておき、この関係に基づいて不純物濃度を推定し、この推定値に基づいて出力制限を段階的または連続的に緩和する方法を採ることができる。また、排出弁の総開き量が所定量に達した時点で出力制限を解除するようにしてもよい。
【００２１】
本発明において、例えば、酸素極に空気を供給している場合には、酸素極から水素極に電解質を透過した窒素、酸素が不純物として挙げられる。また、アルコール、炭化水素などの原料を改質して水素を生成する場合には、改質時に混入する水蒸気、二酸化炭素なども不純物に相当する。
【００２２】
本発明において、上述した種々の特徴は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成に限らず、燃料電池システムの運転を制御する制御装置、制御方法など種々の態様で構成することができる。いずれの態様においても、上述した各特徴を適宜、適用可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について以下の順序で説明する。
Ａ．装置構成：
Ｂ．出力制限用のマップ：
Ｃ．起動処理：
Ｄ．変形例：
【００２４】
Ａ．装置構成：
図１は実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者がアクセルを操作すると、アクセル開度センサ１０１によって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２６】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。配管３５には、吸気温を検出するための温度センサ１０２が設けられている。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと称する）は、配管３６およびマフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧は、配管３６に設けられた圧力センサ５３で検出され、調圧バルブ２７の開度によって制御される。
【００２７】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３２を介して水素タンク２０に貯蔵された高圧水素から水素が供給される。水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００２８】
水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、高圧バルブ２３、低圧バルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと称する）は、配管３３に流出する。アノードの出口には、圧力センサ５１およびバルブ２５が設けられており、アノードへの供給圧力および量の制御に利用される。
【００２９】
配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続される。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３３にはアノードオフガスを加圧するためのポンプ４５が設けられている。
【００３０】
排出管３４に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。
【００３１】
アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通り、希釈器４４で空気によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。
【００３２】
燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。燃料電池スタック１０からの出口には、冷却水の温度を検出するための温度センサ１０３が設けられている。
【００３３】
燃料電池システムの運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット１００に入出力される信号の一例を破線で示した。入力としては、例えば、温度センサ１０２、温度センサ１０３、アクセル開度センサ１０１の検出信号が挙げられる。出力としては、例えば、低圧バルブ２４、排出バルブ２６が挙げられる。
【００３４】
Ｂ．出力制限用のマップ：
燃料電池スタック１０では、カソードに供給された空気中の窒素が、アノードに電解質膜を透過する。本実施例では、この透過窒素のアノード中の濃度に応じて燃料電池スタック１０の出力を制限する。透過窒素の濃度は、アノードをガスが流れていない状態、即ち、燃料電池システムが運転停止している間に高くなりやすいため、本実施例では起動時に出力制限を行うものとした。以下、この出力制限について説明する。
【００３５】
図２は出力制限用のマップを示す説明図である。このマップは、制御ユニット１００に予め記憶されており、起動処理時に参照される。このマップは、図の上方に示した温度比Ｒｔと窒素濃度との関係を示すマップ（以下、「窒素濃度推定マップ」と称する）、下方に示した窒素濃度と出力制限との関係を示すマップ（以下、「出力制限マップ」と称する）の２種類から構成される。
【００３６】
温度比Ｒｔは、次式（１）によって定義される。
Ｒｔ＝（ＴＣｓ−ＴＡｓ）／（ＴＣｅ−ＴＡｅ）…（１）；
ＴＣ…燃料電池スタック１０の温度（以下、スタック温度と称する）；
ＴＡ…外気温；
添え字「ｓ」は起動時の値であることを意味し、「ｅ」は運転終了時の値であることを意味する。
【００３７】
本実施例では、スタック温度としては温度センサ１０３で検出された冷却水の温度を用い、外気温としては温度センサ１０２で検出された吸気の温度を用いるものとした。スタック温度として、アノードまたはカソードからの排気温度を用いても良い。温度センサ１０２が車両からの排熱の影響を受けやすい部位に設けられている場合には、かかる排熱の影響を無視できる程度の速度で車両が走行している条件下で、運転終了時の外気温を測定しておくことが好ましい。
【００３８】
先に説明した通り、アノードの窒素濃度は、燃料電池スタック１０の運転停止からの経過時間に応じて増大する。燃料電池スタック１０の温度は、経過時間に応じて低下するため、上述の温度比Ｒｔと窒素濃度との間には相関がある。窒素濃度推定マップは、この相関を表したものであり、燃料電池システムごとに実験または解析によって設定することができる。燃料電池スタック１０の温度変化は、外気温によって影響を受けるため、本実施例では、外気温を基準とする相対温度を用いて温度比Ｒｔを定義したが、燃料電池スタック１０の温度のみを用いて温度比を定義してもよい。
【００３９】
出力制限マップは、窒素濃度と出力制限との関係を表している。本実施例では、燃料電池スタック１０の最大出力比に対する割合で出力制限を設定した。窒素濃度が高いほど、アノードには十分な水素が供給されないことになるため、出力が制限される。出力制限マップは、燃料電池スタック１０の温度にも依存する２次元マップとして構成されており、温度が低い程、出力が制限される設定となっている。これらの出力制限は、それぞれの窒素濃度および温度において、燃料電池スタック１０の寿命を著しく損ねることなく運転可能な出力範囲を、実験的または解析的に求めることにより設定可能である。
【００４０】
上述の２つのマップを参照することにより、運転停止時および起動時の温度状態に応じて出力制限を設定することができる。図示する通り、温度比Ｒｔが０．６と求められた場合には、窒素濃度推定マップを参照することにより、窒素濃度が約３０％と求められる。また、出力制限マップを参照することにより、燃料電池スタック１０の温度に応じて、出力制限Ｌ２０（％）、Ｌ４０（％）、Ｌ６０（％）が求められる。
【００４１】
出力制限用のマップは、図の例に限らず、種々の態様で設定可能である。例えば、窒素濃度の推定を省略し、温度比と出力制限との関係を直接与える単一のマップとして構成してもよい。図に例示した他に、種々のパラメータを考慮した多次元的なマップとして構成してもよい。これらのマップは、テーブル形式、数式などの形式で用意しても差し支えない。
【００４２】
Ｃ．起動処理：
図３は起動処理のフローチャートである。運転者が燃料電池システムの起動操作を行った際に、制御ユニット１００が実行する処理である。この処理に先立って、別途用意された制御処理において、燃料電池システムの運転を停止する際に、スタック温度ＴＣｅおよび外気温ＴＡｅが検出され、制御ユニット１００のメモリ内に記憶されているものとする。
【００４３】
この処理が開始されると、制御ユニット１００は、上述のスタック温度ＴＣｅ、外気温ＴＡｅを読み込む。また、温度センサ１０２、１０３から起動時の燃料電池スタック１０の温度ＴＣｓ、および外気温ＴＡｓを読み込む（ステップＳ１０）。
【００４４】
停止時のスタック温度ＴＣｅが所定温度Ｔｈｔよりも高い場合（ステップＳＳ１１）、制御ユニット１００は、先に説明した式（１）に基づいて温度比Ｒｔを算出し（ステップＳ１２）、図２に示したマップを参照して、窒素濃度ＤＮを推定する（ステップＳ１３）。一方、スタック温度ＴＣｅが所定温度Ｔｈｔ以下である場合（ステップＳ１１）には、これらの処理に代えて、窒素濃度ＤＮを最大値と仮定する（ステップＳ１４）。本実施例では、最大値として５０％を用いるものとした。
【００４５】
燃料電池システムは、起動した後、暖機が完了する前に運転停止されることがある。かかる場合には、運転停止時と起動時でスタック温度に大きな差が生じず温度比が値１に近づくため、運転停止からの経過時間が実際よりも短く誤判定される可能性がある。本実施例では、運転停止時のスタック温度が低い場合には、温度比Ｒｔに関わらず窒素濃度を最大値に設定することにより、かかる誤判定により出力制限が実際の窒素濃度に合わないほど緩く設定されるのを回避している。
【００４６】
所定温度Ｔｈｔは、経過時間の誤判定を生じるか否かの判断基準となる温度であり、実験等によって適宜設定することができる。一例として、燃料電池スタック１０の暖機が完了したと判断できる温度を採用してもよい。
【００４７】
窒素濃度ＤＮが推定されると、制御ユニット１００は、図２に示したマップを参照して、出力制限値（％）を設定し、この範囲で燃料電池スタック１０の発電を行わせる（ステップＳ１５）。制御ユニット１００は、出力制限値（％）と燃料電池スタック１０の最大出力とから、出力可能な最大電力を求め、アクセル開度に基づいて設定される要求電力とこの最大電力のうち小さい方を目標電力として発電を行わせる。
【００４８】
このように出力を制限するとともに、制御ユニット１００は、適宜、後述する通り、排出バルブ２６を開けて、窒素濃度を低減する処理を行う（ステップＳ２０）。この処理の結果、窒素濃度が十分に低下したと判断されると、制御ユニット１００は通常運転モードへの移行指示を行って（ステップＳ３０）、起動処理を完了する。
【００４９】
図４は窒素低減処理のフローチャートである。図３のステップＳ２０における処理を詳述したものである。制御ユニット１００は、推定された窒素濃度ＤＮが所定値Ｔｈｄ以下となるまで、この処理を実行する（ステップＳ２１）。所定値Ｔｈｄは、通常の運転に支障がないと判断できる窒素濃度であり、任意に設定可能である。例えば、出力制限値が８０％以上となる濃度を所定値Ｔｈｄに設定することができる。
【００５０】
窒素濃度ＤＮが所定値Ｔｈｄよりも大きい場合には、排出バルブ２６を開けて、窒素濃度を低減する処理を実行する。アノードオフガス中には窒素だけでなく、水素も含まれているから、排出バルブ２６は、水素を十分希釈可能な空気が希釈器４４に供給されている状態で開けることが望ましい。本実施例では、かかる観点から、空気流量が十分に希釈可能と判断される所定値Ｔｈａを超えるまでは、排出バルブ２６を開かずに待機する（ステップＳ２２）。空気流量は、例えば、コンプレッサ４１の動作状態、カソードの出口圧力などから判断することができる。空気流量が低い場合でも、車速が十分に高い場合には、車両周りの流れによって十分に水素が希釈可能であるため、ステップＳ２２では、代わりの条件、または「ＯＲ」条件として「車速が所定値以上か？」という条件を考慮してもよい。
【００５１】
空気流量が所定値Ｔｈａを超えている場合には（ステップＳ２２）、排出バルブ２６を開ける（ステップＳ２３）。本実施例では、排出バルブ２６を開けている時間密度、即ち開デューティＲｏｐを窒素濃度および起動時のスタック温度に基づいて設定する。図中に、開デューティＲｏｐを設定するためのマップを例示した。窒素濃度が高く、スタック温度が低いほど開デューティＲｏｐが高くなるよう設定されている。これらの運転状態での発電は、燃料電池スタック１０の寿命を縮める恐れがあるため、速やかに窒素濃度を低減させることが好ましいからである。
【００５２】
制御ユニット１００は、開デューティＲｏｐに応じて、排出バルブ２６の開閉を制御する。開デューティＲｏｐに相当する期間、排出バルブ２６を連続的に開けておくものとしてもよいし、排出バルブ２６を所定の頻度で開閉してもよい。アノード側の圧力の急変を回避するという観点からは、後者の方が好ましい。
【００５３】
開デューティＲｏｐの設定は、図示した例に限らない。窒素濃度等に関わらず一定の開デューティＲｏｐを用いるものとしてもよいし、スタック温度に代えて、またはスタック温度とともに、要求電力を考慮して開デューティＲｏｐを設定してもよい。例えば、要求電力が大きくなる程、開デューティＲｏｐを大きく高くするよう設定することができる。
【００５４】
制御ユニット１００は、排出バルブ２６の開デューティＲｏｐに応じて、窒素濃度の推定値ＤＮを補正し、推定値ＤＮを低減させる（ステップＳ２４）。補正は、例えば、次式によって行うことができる。
ＤＮ＝ＤＮ０−ΔＤＮ×Ｒｏｐ；
ＤＮ０…補正前の窒素濃度；
ΔＤＮ…単位デューティ当たりの窒素濃度の低減量；
Ｒｏｐ…開デューティ；
【００５５】
以上の処理を繰り返し実行することによって、制御ユニット１００は、アノード側の窒素濃度を低減させることができる。
【００５６】
以上で説明した実施例の燃料電池システムによれば、起動時にアノード側の窒素濃度を推定し、出力制限を設けることにより、窒素濃度が高い状態での発電量を抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１０の寿命低下を抑制することができる。
【００５７】
Ｄ．変形例：
窒素濃度は、実施例で用いたスタック温度に依らず種々のパラメータによって推定可能である。例えば、圧力センサ５１で検出されるアノードの出口圧力に基づいて窒素濃度を推定してもよい。
【００５８】
図５はアノードの出口圧力の時間変化を示す説明図である。図の上方には、燃料電池スタック１０を模式的に示した。先に説明した通り、燃料電池スタック１０は、カソード１１とアノード１２が電解質膜１３を挟んで配置された構造となっている。燃料電池スタック１０の運転を停止すると、アノード１２からカソード１１へ電解質膜を水素が透過する。また、カソード１１からアノード１２へは窒素が電解質膜を透過する。水素の方が窒素よりも透過しやすいため、アノード１２の圧力は、図の下方に示す通り、運転停止直後から低下する。経過時間Ｔｂにおいて圧力が最低値となった後は、窒素の透過によって徐々に圧力は増加する。最低値となる経過時間Ｔｂは、燃料電池スタック１０ごとで相違するが、概ね３０分程度である。
【００５９】
このような圧力変動を予めマップなどの形で用意しておくことにより、アノード圧力ｐを計測すれば、経過時間ｔを求めることができる。図示する通り、圧力ｐに相当する時間は、２通りの解が得られるが、図中に矢印で示した領域、即ち経過時間Ｔｂよりも大きい範囲で解を求めておけばよい。こうすることにより、経過時間、ひいては窒素濃度を誤って過小に推定することを回避することができる。
【００６０】
別の例として、燃料電池スタック１０の運転停止からの経過時間をタイマで計測し、この経過時間に基づいて窒素濃度を推定してもよい。また、濃度センサによって、窒素濃度を直接計測してもよい。
【００６１】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、上述の制御処理は、ソフトウェアに依らず、ハードウェア的に実現しても構わない。本発明は、窒素に限らず、アノードに混入する種々の不純物に対して適用可能である。本発明は、アノードオフガスを循環せずに排出する構成の燃料電池システムにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【図２】出力制限用のマップを示す説明図である。
【図３】起動処理のフローチャートである。
【図４】窒素低減処理のフローチャートである。
【図５】アノードの出口圧力の時間変化を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック
１１…カソード
１２…アノード
１３…電解質膜
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…高圧バルブ
２４…低圧バルブ
２５…バルブ
２６…排出バルブ
２７…調圧バルブ
２８…逆止弁
３２、３３、３５〜３７…配管
３４…排出管
３８…ラジエータ
４０…フィルタ
４１…コンプレッサ
４２…加湿器
４３…マフラ
４４…希釈器
４５、４６…ポンプ
５１、５３…圧力センサ
１００…制御ユニット
１０１…アクセル開度センサ
１０２…温度センサ
１０３…温度センサ
【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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