(57)【要約】【課題】  水素透過性金属層を備える燃料電池において、水素透過性金属層の劣化を抑制する。【解決手段】  燃料電池システム２００は、アノードが水素透過性金属を有する燃料電池２１０と、燃料電池システム２００の運転状態を制御する燃料電池制御部２３０と、水素透過性金属層の温度パラメータを取得する温度パラメータ取得部とを備えている。燃料電池制御部２３０は、温度パラメータで表される水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲から外れた場合、アノードに燃料ガスを供給するアノード流路２１２中の水素分圧を低減し水素透過性金属層の劣化を抑制する水素透過性金属層劣化抑制部を作動させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、
前記アノード流路中の水素の分圧を低減することによって、前記水素透過性金属層の劣化を抑制する水素透過性金属層劣化抑制部と、
前記水素透過性金属層の温度に関するパラメータを取得する温度パラメータ取得部と、
前記燃料電池システムの運転状態を制御する燃料電池制御部と、
を備え、
前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲から外れた場合に前記透過性金属層劣化抑制部を作動させる劣化抑制モードを有する、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、
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記アノード流路への前記燃料ガスの供給量を低減することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減するガス供給量低減部を有する、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、
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、燃料ガス中の水素を分離する水素分離装置を備え、前記アノード流路に前記水素分離装置により水素濃度が低減された燃料ガスを供給することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減する水素濃度低減部を有する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、さらに、前記アノード流路への前記燃料ガスの供給量を低減することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減するガス供給量低減部を有しており、
前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の下限温度以下の場合に前記水素濃度低減部を作動させ、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の上限温度以上の場合に前記ガス供給量低減部を作動させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記アノード流路に前記燃料ガスよりも水素の濃度が低いガスを供給することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減する低水素濃度ガス供給部を有する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記水素透過性金属層の昇温を促進する昇温促進部を備え、
前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が前記所定の温度範囲の下限温度以下の場合に前記昇温促進部を作動させる昇温モードを有する、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、
前記燃料電池は、酸化触媒が設けられたガス流路である加熱流路を有しており、
前記昇温促進部は、前記加熱流路に可燃性成分と支燃性成分とを含むガスを供給することにより前記水素透過性金属層を加熱する水素透過性金属層加熱部を有する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記水素透過性金属層の降温を促進する降温促進部を備え、
前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が前記所定の温度範囲の上限温度以上の場合に、前記降温促進部を作動させる降温モードを有する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
水素元素を有する改質原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備え、
前記燃料電池制御部は、前記改質器の運転を継続しつつ前記水素透過性金属層劣化抑制部を作動させる、燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池に供給されるガスの温度を調節することによって、前記水素透過性金属層の劣化を抑制する水素透過性金属層劣化抑制部と、
前記水素透過性金属層の温度に関するパラメータを取得する温度パラメータ取得部と、
前記燃料電池システムの運転状態を制御する燃料電池制御部と、
を備え、
前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲から外れた場合に前記透過性金属層劣化抑制部を作動させる劣化抑制モードを有する、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の燃料電池システムであって、
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記燃料電池に供給されるガスを冷却する供給ガス冷却部を備えており、
前記燃料電池制御部は、前記水素透過性金属層の温度が所定の上限温度以上の場合に前記供給ガス冷却部を作動させる、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１０または１１記載の燃料電池システムであって、
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記燃料電池に供給されるガスを加熱する供給ガス加熱部を備えており、
前記燃料電池制御部は、前記水素透過性金属層の温度が所定の下限温度以下の場合に前記供給ガス加熱部を作動させる、燃料電池システム。
【請求項１３】
燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料電池の作動温度よりも低温のガスを供給する低温ガス供給部と、
を備え、
前記低温ガス供給部は、前記低温のガスを前記燃料電池の作動温度に至らない範囲で加熱することによって、前記低温のガスで冷却されることに起因する前記水素透過性金属層の劣化を抑制する低温ガス加熱部を備える、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池システムの運転に伴って温度が上昇する補機を備え、
前記低温ガス加熱部は、前記低温のガスにより前記補機を冷却することにより前記低温のガスを加熱する、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１３または１４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池に前記燃料電池の作動温度よりも高温のガスを供給する高温ガス供給部を備え、
前記高温ガス供給部は、前記高温のガスを前記燃料電池の作動温度に至らない範囲で冷却することによって、前記高温のガスで加熱されることに起因する前記水素透過性金属層の劣化を抑制する高温ガス冷却部を備える、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記低温のガスと前記高温のガスとの熱交換を行う熱交換器を備え、
前記低温ガス加熱部は前記熱交換器により前記低温のガスを加熱し、前記高温ガス冷却部は前記熱交換器により前記高温のガスを冷却する、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、水素透過膜型燃料電池の水素透過性金属層の劣化を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系の改質原料から生成される改質ガスを燃料とする燃料電池システムでは、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を低減するため改質ガスの精製が行われる。改質ガスの精製は、改質器に設けられた選択酸化部や水素透過膜を備える水素精製器等の精製装置によって行われる。このような精製装置を設けることによる燃料電池システムの複雑化を避けるため、精製されていない改質ガスを燃料に使用可能な電解質層に水素透過性金属層を備える燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５号公報
【特許文献２】特開２００３−９５６０８号公報
【０００４】
しかしながら、水素透過性金属は、低温では水素に接すると水素を吸収して水素脆化を生じる。また、高温で燃料電池反応が進行すると温度上昇により水素透過性金属層の金属拡散が生じる。そのため、水素透過性金属層を備える燃料電池では、水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲を外れた場合に水素を供給すると、水素透過性金属層が劣化することにより燃料電池の耐久性が損なわれる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層を備える燃料電池において、水素透過性金属層の劣化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】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、前記アノード流路中の水素の分圧を低減することによって、前記水素透過性金属層の劣化を抑制する水素透過性金属層劣化抑制部と、前記水素透過性金属層の温度に関するパラメータを取得する温度パラメータ取得部と、前記燃料電池システムの運転状態を制御する燃料電池制御部と、を備え、前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲から外れた場合に前記透過性金属層劣化抑制部を作動させる劣化抑制モードを有することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、アノード流路中の水素分圧の低減により、水素透過性金属層の劣化を抑制することができる。
【０００８】
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記アノード流路への前記燃料ガスの供給量を低減することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減するガス供給量低減部を有するものとしてもよい。
【０００９】
この構成によれば、アノード流路中の水素分圧の低減ができるので、水素透過性金属層の劣化を抑制することができる。
【００１０】
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、燃料ガス中の水素を分離する水素分離装置を備え、前記アノード流路に前記水素分離装置により水素濃度が低減された燃料ガスを供給することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減する水素濃度低減部を有するものとしてもよい。
【００１１】
この構成によっても、アノード流路中の水素分圧の低減ができるので、水素透過性金属層の劣化を抑制することができる。
【００１２】
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、さらに、前記アノード流路への前記燃料ガスの供給量を低減することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減するガス供給量低減部を有しており、前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の下限温度以下の場合に前記アノード流路に供給される燃料ガス中の水素濃度を低減し、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の上限温度以上の場合に前記アノード流路への前記燃料ガスの供給量を低減するものとしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度に応じて、より適切にアノード流路中の水素分圧の低減ができる。
【００１４】
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記燃料ガスよりも水素の濃度が低いガスを供給することにより前記アノード流路中の水素の分圧を低減する低水素濃度ガス供給部を有するものとしてもよい。
【００１５】
この構成によっても、アノード流路中の水素分圧の低減ができるので、水素透過性金属層の劣化を抑制することができる。
【００１６】
前記燃料電池システムは、さらに、前記水素透過性金属層の昇温を促進する昇温促進部を備え、前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が前記所定の温度範囲の下限温度以下の場合に前記昇温促進部を作動させる昇温モードを有するものとしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度が下限温度以下となった場合に水素透過性金属層が加熱できるので、水素透過性金属層の温度の所定の温度範囲への回復が容易となる。
【００１８】
前記燃料電池は、酸化触媒が設けられたガス流路である加熱流路を有しており、前記昇温促進部は、前記加熱流路に可燃性成分と支燃性成分とを含むガスを供給することにより前記水素透過性金属層を加熱する水素透過性金属層加熱部を有するものとしてもよい。
【００１９】
この構成によれば、可燃性成分と支燃性成分の燃焼反応により水素透過性金属層を加熱できるので、水素透過性金属層の温度の所定の温度範囲への回復が容易となる。
【００２０】
前記燃料電池システムは、さらに、前記水素透過性金属層の降温を促進する降温促進部を備え、前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が前記所定の温度範囲の上限温度以上の場合に、前記降温促進部を作動させる降温モードを有するものとしてもよい。
【００２１】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度が上限温度以上となった場合に水素透過性金属層が冷却できるので、水素透過性金属層の温度の所定の温度範囲への回復が容易となる。
【００２２】
前記燃料電池システムは、さらに、水素元素を有する改質原料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備え、前記燃料電池制御部は、前記改質器の運転を継続しつつ前記水素透過性金属層劣化抑制部を作動させるものとしてもよい。
【００２３】
この構成によれば、水素透過性金属層の劣化を抑制している場合でも改質器の温度低下が抑制できるので、燃料電池システムの運転が容易となる。
【００２４】
本発明の第２の燃料電池システムは、電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、前記燃料電池に供給されるガスの温度を調節することによって、前記水素透過性金属層の劣化を抑制する水素透過性金属層劣化抑制部と、前記水素透過性金属層の温度に関するパラメータを取得する温度パラメータ取得部と、前記燃料電池システムの運転状態を制御する燃料電池制御部と、を備え、前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲から外れた場合に前記透過性金属層劣化抑制部を作動させる劣化抑制モードを有することを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度が所定の温度範囲から外れた場合に、水素透過性金属層の温度を所定の温度範囲へ回復させることができる。
【００２６】
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記燃料電池に供給されるガスを冷却する供給ガス冷却部を備えており、前記燃料電池制御部は、前記水素透過性金属層の温度が所定の上限温度以上の場合に前記供給ガス冷却部を作動させるものとしてもよい。
【００２７】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度が上限温度以上となった場合に水素透過性金属層が冷却できるので、水素透過性金属層の温度の所定の温度範囲への回復が容易となる。
【００２８】
前記水素透過性金属層劣化抑制部は、前記燃料電池に供給されるガスを加熱する供給ガス加熱部を備えており、前記燃料電池制御部は、前記水素透過性金属層の温度が所定の下限温度以下の場合に前記供給ガス加熱部を作動させるものとしてもよい。
【００２９】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度が下限温度以下となった場合に水素透過性金属層が加熱できるので、水素透過性金属層の温度の所定の温度範囲への回復が容易となる。
【００３０】
本発明の第３の燃料電池システムは、電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料電池の作動温度よりも低温のガスを供給する低温ガス供給部と、を備え、前記低温ガス供給部は、前記低温のガスを前記燃料電池の作動温度に至らない範囲で加熱することによって、前記低温のガスで冷却されることに起因する前記水素透過性金属層の劣化を抑制する低温ガス加熱部を備えることを特徴とする。
【００３１】
この構成によれば、水素透過性金属層の局所的な温度低下が抑制できるので、水素透過性金属層の劣化を抑制することができる。
【００３２】
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池システムの運転に伴って温度が上昇する補機を備え、前記低温ガス加熱部は、前記低温のガスにより前記補機を冷却することにより前記低温のガスを加熱するものとしてもよい。
【００３３】
この構成によれば、低温のガスを加熱するためのエネルギが低減できるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００３４】
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池に前記燃料電池の作動温度よりも高温のガスを供給する高温ガス供給部を備え、前記高温ガス供給部は、前記高温のガスを前記燃料電池の作動温度に至らない範囲で冷却することによって、前記高温のガスで加熱されることに起因する前記水素透過性金属層の劣化を抑制する高温ガス冷却部を備えるものとしてもよい。
【００３５】
この構成によれば、水素透過性金属層の局所的な温度上昇が抑制できるので、水素透過性金属の拡散による劣化を抑制することができる。
【００３６】
前記燃料電池システムは、さらに、前記低温のガスと前記高温のガスとの熱交換を行う熱交換器を備え、前記低温ガス加熱部は前記熱交換器により前記低温のガスを加熱し、前記高温ガス冷却部は前記熱交換器により前記高温のガスを冷却する、燃料電池システム。
【００３７】
この構成によれば、水素透過性金属層の局所的な温度低下と温度上昇とが抑制できるので、水素透過性金属層の劣化を抑制することができる。
【００３８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御装置または制御方法、その制御装置を備えた車両、その制御装置または制御方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．第７実施例：
Ｈ．第８実施例：
Ｉ．第９実施例：
Ｊ．変形例：
【００４０】
Ａ．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車１００は、電源システム１５を備えている。電源システム１５は、配線４０を介して高圧補機２８と、駆動インバータ２６とに接続されている。駆動インバータ２６に接続される駆動モータ３０は、この電気自動車１００の推進力を発生するためのものである。この駆動モータ３０と高圧補機２８とは、電源システム１５の負荷となる。
【００４１】
電源システム１５は、燃料電池システム２００と、２次電池２２とを備えている。２次電池２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して配線４０に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と燃料電池２１０とは、上記配線４０に対して並列に接続されている。
【００４２】
２次電池２２は、燃料電池システム２００の始動時に、燃料電池システム２００の各部を駆動するための電力を供給し、また、燃料電池システム２００の暖機運転が完了するまでの間、各負荷に対して電力を供給する。また、２次電池２２は、燃料電池２１０の電力供給量が不足するときに、その不足分の電力を供給する。２次電池２２には、２次電池２２の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２３が設けられている。残存容量モニタ２３としては、２次電池２２における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータや、電圧センサを利用することができる。
【００４３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、出力側の目標電圧値を設定することによって、配線４０における電圧を調節する。燃料電池２１０の出力側の電圧である配線４０における電圧が調節されることにより、燃料電池２１０からの出力電力が調節される。
【００４４】
駆動モータ３０は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。電源システム１５から供給される電力は、駆動インバータ２６によって三相交流に変換されて、駆動モータ３０に供給される。駆動モータ３０の出力軸３４は、減速ギヤ３２を介して車両駆動軸３６に接続している。駆動軸３６には、車速センサ３７が設けられている。
【００４５】
高圧補機２８は、電源システム１５から供給される３００Ｖ以上の電圧をそのまま利用する。高圧補機２８としては、例えば、燃料電池２１０に空気を供給するためのポンプや、改質原料を供給するためのポンプを挙げることができる。これらの装置は、燃料電池システム２００に含まれる装置であるが、図１においては、電源システム１５の外側に、高圧補機２８として示した。さらに、高圧補機２８としては、燃料電池システム２００に含まれるものの他に、例えば電気自動車１００が備える空調装置（エアコン）が含まれる。
【００４６】
電気自動車１００は、制御部５０をさらに備えている。制御部５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部５０が取得する入力信号としては、既述した残存容量モニタ２３が出力する信号や、車速センサ３７が出力する信号が挙げられる。さらに制御部５０には、駆動モータ３０の起動スイッチのオン・オフ信号や、電気自動車１００におけるシフト位置、フットブレーキのオン・オフ、アクセル開度を示す信号等が入力される。これらの信号を取得して、制御部５０は、種々の制御処理を実行し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４、燃料電池システム２００の各部、駆動インバータ２６、高圧補機２８などに駆動信号を出力する。
【００４７】
図２は、第１実施例における燃料電池システム２００の構成を示す説明図である。燃料電池システム２００は、燃料電池制御部２３０と、燃料電池２１０と、改質器２２０と、浄化器２３２とを備えている。
【００４８】
燃料電池２１０は、アノード流路２１２と、カソード流路２１４と、冷却ガス流路２１６とを備えている。なお、燃料電池２１０は、アノードと、カソードと、電解質とを有する単セル（後述する）を複数積層した燃料電池スタックを有しているが、図２では図示の便宜上簡略化して描かれている。
【００４９】
アノード流路２１２に導入される燃料ガスには燃料として水素が含まれ、カソード流路２１４に導入される酸化剤ガスには酸化剤として酸素が含まれている。これらの水素と酸素は、それぞれ単セル中のアノードとカソードに供給され燃料電池反応により消費される。燃料電池反応により水素濃度が低下した燃料ガスは、アノードオフガスとして燃料電池２１０から排出される。同様に、酸素濃度が低下した酸化剤ガスは、カソードオフガスとして燃料電池２１０から排出される。
【００５０】
アノード流路２１２の第１の流路端２１２ａは、第２の燃料ガス配管２４４を介して燃料ガスバイパスバルブ２９０の第２のポート２９０ｂに接続されている。燃料ガスバイパスバルブ２９０の第１のポート２９０ａは、第１の燃料ガス配管２４２を介して燃料ガスの供給源である改質器２２０に接続されている。
【００５１】
改質器２２０は、炭化水素系の改質原料と別途供給される水蒸気および空気とを反応させることにより改質原料を改質する改質部２２２と、改質部２２２を加熱するための加熱部２２４とを備えている。これらの改質部２２２と加熱部２２４に供給される改質原料は、改質原料供給ポンプ２８０により外部の改質原料供給部から改質原料配管２４０を介して改質器に供給される。
【００５２】
加熱部２２４は、改質原料と別途供給される空気との触媒燃焼により熱を生成する。加熱部２２４で生成された熱は、改質部２２２に伝達され改質反応に使用される。改質原料と空気との燃焼で生じた高温の排気は、図示しない配管を通して外部に排出される。
【００５３】
アノード流路２１２の第２の流路端２１２ｅは、アノードオフガス配管２７０を介して浄化器２３２に接続されている。浄化器２３２は、アノードオフガス中の可燃性の成分を燃焼させて不活性化した後、その排気を大気中に放出する。
【００５４】
アノードオフガス配管２７０は、アノード流路２１２の第２の流路端２１２ｅと浄化器２３２との間に分岐を有している。この分岐に接続された燃料ガスバイパス配管２４６は、燃料ガスバイパスバルブ２９０の第３のポート２９０ｃに接続される。第１実施例におけるガス供給量低減部である、燃料ガスバイパス配管２４６と燃料ガスバイパスバルブ２９０の使用方法については後述する。
【００５５】
カソード流路２１４の第１の流路端２１４ａは、酸化剤ガス配管２５０を介して第１の空気供給ポンプ２８４に接続されている。第１の空気供給ポンプ２８４は、酸化剤ガスとしての空気を加圧してカソード流路２１４に供給する。カソードオフガスは、カソード流路２１４の第２の流路端２１４ｅから図示しない配管を通して大気中に排出される。
【００５６】
冷却ガス流路２１６の第１の流路端２１６ａは、冷却ガス配管２６０を介して第２の空気供給ポンプ２８２に接続されている。冷却ガス流路２１６の第１の流路端２１６ａから供給された空気は冷却ガス流路２１６を通過する際に燃料電池２１０を冷却し、冷却ガス流路２１６の第２の流路端２１６ｅから排出される。
【００５７】
燃料電池システム２００は、燃料電池制御部２３０によって制御される。燃料電池制御部２３０は、燃料電池２１０に接続された温度センサ２８６等から得られる燃料電池システム２００各部の温度を取得する。そして、燃料電池制御部２３０は、取得した燃料電池システム各部の温度と、制御部５０（図１）からの指示とに基づいてポンプ２８０，２８２，２８４やバルブ２９０等の燃料電池システム２００の各部を制御する。なお、燃料電池制御部２３０は、制御部５０に組み込まれるものとしても良く、制御部５０とは別個のマイクロコンピュータとして構成されても良い。
【００５８】
燃料電池制御部２３０は、通常運転モードとバイパスモードとを有している。通常運転モードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０の第１と第２のポート２９０ａ，２９０ｂは開かれ、第３のポート２９０ｃは閉じられる。このとき燃料ガスバイパスバルブ２９０の第１のポート２９０ａと第２のポート２９０ｂは連通するので、第１の燃料ガス配管２４２から供給される燃料ガスは第２の燃料ガス配管２４４を介してアノード流路２１２に供給される。
【００５９】
バイパスモードでは、燃料電池制御部２３０は、燃料ガスバイパスバルブ２９０の第２のポート２９０ｂを閉じるとともに、燃料ガスバイパスバルブ２９０の第１と第３のポート２９０ａ，２９０ｃを開ける。燃料ガスバイパスバルブ２９０が切り換えられることにより、アノード流路２１２への燃料ガスの供給は停止され、燃料ガスは浄化器２３２に送られる。
【００６０】
バイパスモードの実行中は、アノード流路２１２には燃料ガスが供給されない。そのため、燃料電池２１０での発電は停止する。この燃料電池２１０の発電停止中には、高圧補機２８（図１）や駆動インバータ２６（図１）等の負荷で使用される電力は、コンバータ２４（図１）を介して配線４０に接続された２次電池２２（図１）から供給される。
【００６１】
図３は、燃料電池２１０を構成する単セル４００の構造を示す断面模式図である。燃料電池２１０は、単セル４００が積層された燃料電池スタックを有している。単セル４００は、電解質層４１０と、電解質層４１０を両側から挟み込む２枚のセパレータ４２２，４２４とを備えている。これら２枚のセパレータ４２２，４２４は、プレス成形されたカーボンなどのガス不透性と導電性とを有する材料で形成されている。
【００６２】
電解質層４１０は、固体酸化物からなる電解質４１４と、白金（Ｐｔ）を含むカソード４１２と、パラジウム（Ｐｄ）を含むアノード４２０とを有している。電解質４１４としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系や、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いることができる。なお、本実施例では、本実施例ではカソードに白金を使用しているが、ロジウム（Ｒｈ）等の他の貴金属やＬａＧａＭｎＯ3等の導電性セラミックスをカソードに使用しても良い。
【００６３】
アノード４２０は、水素分子を解離させるための水素分子解離層４１８と水素透過性金属層４１６とを有している。水素分子解離層４１８としては、例えば、パラジウムの薄膜を使用することができる。水素透過性金属層４１６の材料としては、例えば、パラジウムやバナジウム（Ｖ）等の単体金属、もしくは、パラジウムやバナジウムを含む合金を使用することができる。
【００６４】
第１のセパレータ４２２と第２のセパレータ４２４には、それぞれ電解質層４１０に面した側に凹部が設けられている。第１のセパレータ４２２に設けられた凹部は、カソード４１２との間に酸化剤ガス流路４３２（図２のカソード流路２１４に相当する）を形成する。また、第２のセパレータ４２４に設けられた凹部は、アノード４２０との間に燃料ガス流路４３４（図２のアノード流路２１２に相当する）を形成する。
【００６５】
燃料ガス流路４３４に導入された燃料ガス中の水素分子は、水素分子解離層４１８で解離してプロトンになる。解離したプロトンは、水素透過性金属層４１６を介して電解質４１４に到達する。電解質４１４はプロトンをカソード４１２に供給する。カソード４１２では、アノード４２０側から供給されたプロトンと酸化剤ガス流路４３２に導入された酸化剤ガス中の酸素とが反応し水を生成する。この燃料電池反応は、電解質４１４を介したプロトンの移動に伴い、外部の導体を通して電子がアノード４２０からカソード４１２に移動することにより進行する。
【００６６】
図４は、第１実施例における運転モード切替ルーチンを示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池システム２００（図２）の起動時から一定時間毎に実行される。
【００６７】
ステップＳ１００では、燃料電池制御部２３０（図２）は、燃料電池２１０（図２）に設けられた温度センサ２８６（図２）の出力を基に水素透過性金属層４１６（図３）の温度を表すパラメータ（以下、「温度パラメータ」と呼ぶ）を取得する。温度パラメータは、例えば、温度センサ２８６の出力に実験的に求められた適当な換算を行うことにより求めることができる。
【００６８】
ステップＳ２００では、燃料電池制御部２３０は、温度パラメータで表される水素透過性金属層４１６の温度（以下、「水素透過性金属層温度」と呼ぶ）が、所定の上限温度以上であるか否かを判断する。水素透過性金属層温度が、所定の上限温度以上の場合には、制御がステップＳ４００に移されバイパスモードの実行が開始される。一方、水素透過性金属層温度が、所定の上限温度以下の場合には、制御はステップＳ２０２に移される。
【００６９】
なお、上限温度は、水素透過性金属層４１６の金属拡散が回避可能な温度に基づいて設定される。水素透過性金属層４１６は、高温の状態に維持されると、水素分子解離層４１８（図３）との間で金属拡散を生じる。上限温度は、こうした特性を考慮して、例えば、水素透過性金属層４１６が過度の金属拡散が生じることを回避できる上限値よりも若干低い値とすることができる。例えば、水素分子解離層４１８にパラジウムを用い水素透過性金属層４１６にバナジウムを用いた場合、上限温度は７００℃以下の任意の温度に設定できる。
【００７０】
ステップＳ２０２では、燃料電池制御部２３０は、水素透過性金属層温度が、所定の下限温度以下であるか否かを判断する。水素透過性金属層温度が、所定の下限温度以下の場合には、制御がステップＳ４００に移されバイパスモードの実行が開始される。一方、水素透過性金属層温度が、所定の下限温度以上の場合には、制御はステップＳ３００に移される。
【００７１】
なお、下限温度は、水素透過性金属層４１６の水素脆化を回避可能な温度に基づいて設定される。水素透過性金属層４１６は、低温状態で水素に接すると、水素を吸収して水素脆化を生じる。下限温度は、こうした特性を考慮して、例えば、水素透過性金属層４１６が水素に接触しても過度の水素脆化が生じることを回避できる下限値よりも若干高い値とすることができる。例えば、水素透過性金属層４１６にバナジウムを用いた場合、下限温度は２００℃以上の任意の温度に設定できる。
【００７２】
ステップＳ３００では、燃料電池制御部２３０は、運転モードがバイパスモードであるか否かを判断する。運転モードがバイパスモードの場合、ステップＳ３０２において、運転モードはバイパスモードから通常運転モードに切り換えられる。一方、運転モードがバイパスモードでない場合、このルーチンは終了する。
【００７３】
第１実施例では、燃料電池２１０（図２）の水素透過性金属層温度が所定の温度範囲から外れた場合、バイパスモードが実行される。バイパスモードの実行により、燃料ガスはアノード流路２１２（図２）から燃料ガスバイパス配管２４６（図２）にバイパスされる。また、燃料ガスをバイパスすることにより、改質器２２０での改質ガスの生成量を所定の値以上に維持し改質器２２０の運転を継続するとともに、燃料電池２１０への燃料ガスの供給を停止することができる。
【００７４】
このように、第１実施例の燃料電池システム２００（図２）では、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合、アノード流路２１２には水素を含むガスが供給されなくなる。そのため、水素透過性金属層４１６（図３）の水素脆化が抑制され、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【００７５】
また、一般に改質器２２０（図２）で生成された燃料ガスは、改質原料の改質のための反応と加熱部２２４（図２）からの熱により燃料電池２１０の作動温度よりも高くなる。第１実施例の燃料電池システム２００では、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上となった場合、高温の燃料ガスによる温度上昇が抑制される。そのため、水素透過性金属層４１６の金属拡散が抑制され、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【００７６】
なお、第１実施例では、燃料ガスの流路を燃料ガスバイパスバルブ２９０（図２）によって切り替えることによりアノード流路２１２への燃料ガスの供給を停止しているが、一般的には、アノード流路２１２への燃料ガスの供給量が低減できればよい。アノード流路２１２への燃料ガス流量は、例えば、燃料ガス流路上に燃料ガスバイパスバルブ２９０に換えて調整弁を設けることによって調整できる。
【００７７】
Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における燃料電池システム２００ａの構成を示す説明図である。第１実施例における燃料電池システム２００（図２）とは、バイパスされた燃料ガスをカソード流路２１４に供給する流路を有する点で異なっている。具体的には、燃料ガス流路に設けられた燃料ガスバイパスバルブ２９０の第３のポート２９０ｃは、第１の燃料ガスバイパス配管２４６ａを介して可燃性ガス供給バルブ２９２の第１のポート２９２ａに接続されている。可燃性ガス供給バルブ２９２の第２のポート２９２ｂは、第２の燃料ガスバイパス配管２４６ｂを介してアノードオフガス配管２７０に設けられた分岐に接続されている。酸化剤ガス配管２５０ａは、第１の空気供給ポンプ２８４と第１のカソード流路端２１４ａとの間に分岐を有している。この分岐は、可燃性ガス供給配管２４６ｃを介して可燃性ガス供給バルブ２９２の第３のポート２９２ｃに接続されている。他の構成については第１実施例とほぼ同一である。
【００７８】
燃料電池制御部２３０ａは、第１実施例と同様に、通所運転モードとバイパスモードとを有している。通常運転モードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０は第１実施例と同様に制御される。一方、バイパスモードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０の第２のポート２９０ｂは閉じられ、第１と第３のポート２９０ａ，２９０ｃは開かれる。また、可燃性ガス供給バルブ２９２の第１と第２のポート２９２ａ，２９２ｂは開かれ、第３のポート２９２ｃは閉じられる。そのため、第１の燃料ガス配管２４２から供給される燃料ガスは、第１の燃料ガスバイパス配管２４６ａと可燃性ガス供給バルブ２９２と第２の燃料ガスバイパス配管２４６ｂとを介して浄化器２３２に送られる。
【００７９】
燃料電池制御部２３０ａは、さらに、水素透過性金属層４１６（図３）を加熱するための加熱モードを有している。加熱モードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０の第２のポート２９０ｂは閉じられ、第１と第３のポート２９０ａ，２９０ｃは開かれる。また、可燃性ガス供給バルブ２９２の第２の第２のポート２９２ｂは閉じられ、第１と第３のポート２９２ａ，２９２ｃは開かれる。そのため、第１の燃料ガス配管２４２から供給される燃料ガスは、第１の燃料ガスバイパス配管２４６ａと可燃性ガス供給バルブ２９２と可燃性ガス供給配管２４６ｃとを介してカソード流路２１４に供給される。
【００８０】
可燃性ガス供給配管２４６ｃから供給される燃料ガスは、酸化剤ガス配管２５０ａから供給される空気と混合され燃焼を起こしうる混合ガスとなってカソード流路２１４に供給される。この混合ガスは、カソード流路２１４に接し酸化触媒としての活性を有するカソードの働きによりカソード流路２１４内で燃焼反応を起こす。水素透過性金属層４１６は、カソード流路２１４内での燃焼反応によって生じた熱により加熱される。
【００８１】
図６は、第２実施例における運転モード切替ルーチンを示すフローチャートである。このフローチャートは、図４に示す第１実施例のフローチャートに加熱モードに関するステップＳ３１０，Ｓ３１２，Ｓ４１０が付加されている。
【００８２】
第２実施例では、ステップＳ２０２で水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下と判断された場合、ステップＳ４１０において加熱モードの実行が開始される。そして、加熱モードの実行開始後このルーチンは終了する。
【００８３】
また、第２実施例では、ステップＳ３００で運転モードがバイパスモードでないと判断された場合、制御はステップＳ３１０に移される。ステップＳ３１０では、運転モードが加熱モードであるか否かが判断される。運転モードが加熱モードの場合、ステップＳ３１２において、運転モードが加熱モードから通常運転モードに切り換えられる。一方、運転モードが加熱モードでない場合、このルーチンは終了する。
【００８４】
このように、第２実施例では、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下の場合、カソード流路２１４（図５）内での混合ガスの燃焼により水素透過性金属層４１６（図３）が加熱される。そのため、第２実施例は、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合に水素透過性金属層４１６の昇温が促進され、水素透過性金属層温度の回復が容易である点で第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、燃料電池システムの構成がより簡単である点で第２実施例よりも好ましい。
【００８５】
なお、第２実施例では、加熱モードにおいて、カソード流路２１４に混合ガスを供給し、カソード流路２１４内での燃焼反応により水素透過性金属層４１６を加熱しているが、一般には、燃料電池２１０（図５）内の酸化触媒が設けられた流路に混合ガスを供給すればよい。例えば、冷却ガス流路２１６（図５）に酸化触媒を設け、冷却流路２１６に混合ガスを供給することにより水素透過性金属層の加熱が可能となる。また、アノード流路２１２に混合ガスを供給するものとしても良い。アノード流路２１２に混合ガスを供給する場合、混合ガス中の水素に対する支燃性成分の比が量論比よりも大きくされるのが好ましい。
【００８６】
Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例における燃料電池システム２００ｂの構成を示す説明図である。第２実施例における燃料電池システム２００ａ（図５）とは、バイパスされた燃料ガスが浄化器２３２でなく改質器２２０の加熱部２２４に供給される点で異なっている。具体的には、可燃性ガス供給バルブ２９２の第２のポート２９２ｂは、第２の可燃性ガス供給配管２４６ｄを介して加熱部２２４に接続されている。他の構成については第２実施例とほぼ同一である。
【００８７】
第３実施例では、燃料電池システム２００ｂの運転モードがバイパスモードの時、バイパスされた燃料ガスは第２の可燃性ガス供給配管２４６ｄを介して加熱部２２４に供給される。加熱部２２４では、供給された燃料ガスと別途供給される空気との燃焼反応により熱が発生する。
【００８８】
このように、第３実施例では、運転モードがバイパスモードの場合に、燃料ガスを浄化器２３２で燃焼させず、加熱部２２４で燃焼させる。そのため、第３実施例は、改質部２２２の加熱に使用される改質原料の使用量が低減され燃料電池システム２００ｂの燃費を改善できる点で第２実施例よりも好ましい。一方、第２実施例は、加熱部２２４の構成が簡単になる点で第３実施例よりも好ましい。
【００８９】
また、第３実施例は、第２実施例と同様に、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合に水素透過性金属層温度の回復が容易である点で第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、燃料電池システムの構成がより簡単である点で第３実施例よりも好ましい。
【００９０】
Ｄ．第４実施例：
図８は、第４実施例における燃料電池システム２００ｃの構成を示す説明図である。第１実施例の燃料電池システム２００（図２）とは、冷却ガスを加熱するための熱交換器２３４と熱交換器２３４に加熱部２２４からの排気を供給する配管を有している点で異なっている。具体的には、第２の空気供給ポンプ２８２は第１の冷却ガス配管２６０ａを介して熱交換器２３４の第１のガス流入口２３４ａに接続されている。第１のガス流入口２３４ａは、熱交換器２３４内部の流路を通して第１のガス流出口２３４ｅに接続されている。第１のガス流出口２３４ｅは、第２の冷却ガス配管２６０ｂを介して燃料電池２１０に設けられた第１の冷却ガス流路端２１６ａに接続されている。熱交換器２３４の第２のガス流入口２３４ｂは、第２の改質器排気配管２７４ｂを介して改質器排気流路切換バルブ２９４の第３のポート２９４ｃに接続されている。この改質器排気流路切換バルブ２９４の第１のポート２９４ａは、改質器２２０の加熱部２２４に接続されている。他の構成については第１実施例とほぼ同一である。
【００９１】
第４実施例の燃料電池制御部２３０ｃは、第２実施例の燃料電池制御部２３０ａと同様に、通常運転モードとバイパスモードと加熱モードとを有している。これらの各運転モードにおいて、燃料ガスバイパスバルブ２９０は、第２実施例の場合と同様に制御される。
【００９２】
バイパスモードでは、燃料電池制御部２３０ｃは、改質器排気流路切換バルブ２９４の第１と第２のポート２９４ａ，２９４ｂを開け、第３のポート２９４ｃを閉じる。そのため、バイバスモードでは、加熱部２２４の排気は加熱部２２４から第１の改質器排気配管２７４ａと改質器排気流路切換バルブ２９４を介して外部に排出される。
【００９３】
一方、加熱モードでは、燃料電池制御部２３０ｃは、改質器排気流路切換バルブ２９４の第２のポート２９４ｂを閉じ、第１と第３のポート２９４ａ，２９４ｃを開ける。そのため、加熱モードでは、加熱部２２４の排気は加熱部２２４から第１の改質器排気配管２７４ａと改質器排気流路切換バルブ２９４と第２の改質器排気配管２７４ｂとを介して熱交換器２３４に供給される。
【００９４】
熱交換器２３４に供給された加熱部２２４の排気は、熱交換器２３４の第２のガス流入口２３４ｂから第２のガス流出口２３４ｆを通過する間に、第１のガス流入口２３４ａから第１のガス流出口２３４ｅに流れる冷却ガスを加熱する。そして、冷却ガスを加熱した後、加熱部２２４の排気は第２のガス流出口２３４ｆから外部に排出される。
【００９５】
このように、第４実施例では、加熱モードにおいて冷却ガスが熱交換器２３４によって加熱される。そして、加熱された冷却ガスが冷却ガス流路２１６に供給されることによって水素透過性金属層４１６（図３）が加熱される。そのため、第４実施例は、第２および第３実施例と同様に、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合に水素透過性金属層４１６の昇温が促進され、水素透過性金属層温度の回復が容易である点で第１実施例よりも好ましい。
【００９６】
また、第４実施例は、高温のガスを供給することにより水素透過性金属層４１６が加熱されるので、水素透過性金属層４１６の温度をより均一にできる点で、第２および第３実施例より好ましい。一方、第１ないし第３実施例は、燃料電池システムの構成がより簡単となる点で第４実施例より好ましい。
【００９７】
なお、第４実施例では、加熱された冷却ガスによって水素透過性金属層４１６を加熱しているが、一般には、高温のガスを燃料電池２１０に設けられた流路に供給できればよい。例えば、カソード流路２１４に導入される酸化剤ガスを加熱することによって水素透過性金属層４１６を加熱するものとしてもよい。また、燃焼器によって生じる高温のガスを燃料電池２１０に設けられた流路に導入するものとしても良い。
【００９８】
また、第４実施例では、冷却ガスを加熱する熱源として加熱部２２４の排気を用いているが、他の熱源を使用することもできる。例えば、熱交換器２３４の流路に触媒を設け、燃焼しうる混合ガスを熱交換器２３４に供給して起こる燃焼反応により発生する熱を冷却ガスを加熱する熱源としても良い。
【００９９】
Ｅ．第５実施例：
図９は、第５実施例における燃料電池システム２００ｄの構成を示す説明図である。第１実施例の燃料電池システム２００（図２）とは、酸化剤ガスを冷却するための液水霧化装置２３６を備えている点で異なっている。具体的には、酸化剤ガス配管２５０ｂは、第１の空気供給ポンプ２８４と第１のカソード流路端２１４ａとの間に分岐を有している。この分岐は、液水供給配管２５２を介して液水霧化装置２３６に接続されている。他の構成については第１実施例とほぼ同一である。
【０１００】
第５実施例の燃料電池制御部２３０ｄは、第１実施例の燃料電池制御部２３０と同様に、通常運転モードとバイパスモードとを有している。これらの各運転モードにおいて、燃料ガスバイパスバルブ２９０は、第１実施例の場合と同様に制御される。
【０１０１】
燃料電池制御部２３０ｄは、水素透過性金属層温度が上述した所定の上限温度以上であった場合、液水霧化装置２３６を作動させる。液水霧化装置２３６は、外部から供給された水を霧状にして液水供給配管２５２を通して酸化剤ガス配管２５０ｂに供給する。霧状となった水の気化潜熱により、酸化剤ガスは冷却される。水素透過性金属層４１６（図３）は、このように冷却された酸化剤ガスが供給されることにより冷却される。
【０１０２】
このように、第５実施例では、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上の場合、水素透過性金属層４１６（図３）を冷却することができる。そのため、第５実施例は、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上となった場合に水素透過性金属層４１６の降温が促進され、水素透過性金属層温度の回復が容易である点で第１ないし第４実施例よりも好ましい。一方、第２ないし第４実施例は、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合に水素透過性金属層温度の回復が容易である点で第５実施例よりも好ましい。また、第１実施例は、燃料電池システムの構成が簡単になる点で第５実施例よりも好ましい。
【０１０３】
なお、第５実施例では、液水霧化装置２３６から供給される水の気化潜熱によって酸化剤ガスを供給しているが、一般には、燃料電池２１０に供給されるガスを冷却できればよい。例えば、燃料電池２１０に供給されるガスを冷媒を通した熱交換器によって冷却することによって水素透過性金属層４１６の冷却をするものとしても良い。
【０１０４】
Ｆ．第６実施例：
図１０は、第６実施例における燃料電池システム２００ｅの構成を示す説明図である。第１実施例の燃料電池システム２００（図２）とは、燃料ガスバイパスバルブ２９０に換えて水素分離装置２３８を備えている点で異なっている。
【０１０５】
具体的には、第１の燃料ガス配管２４２ａは、改質部２２２と第１の水素分離装置バイパスバルブ２９６の第１のポート２９６ａとにそれぞれ接続されている。また、第２の燃料ガス配管２４４ａは、第２の水素分離装置バイパスバルブ２９８の第２のポート２９８ｂに接続されている。第１の水素分離装置バイパスバルブ２９６の第２のポート２９６ｂと第２の水素分離装置バイパスバルブ２９８の第１のポート２９８ａとは、水素分離装置バイパス配管２４８ａで接続されている。
【０１０６】
水素分離装置２３８のガス流入口２３８ａは、第１の水素分離装置接続配管２４８ｂを介して第１の水素分離装置バイパスバルブ２９６の第３のポート２９６ｃに接続されている。水素分離装置２３８のガス流出口２３８ｂは、第２の水素分離装置接続配管２４８ｃを介して第２の水素分離装置バイパスバルブ２９８の第３のポート２９８ｃに接続されている。また、水素分離装置２３８の水素流出口２３８ｃは、水素排出配管２７２を介してアノードオフガス配管２７０に設けられた分岐に接続されている。
【０１０７】
水素分離装置２３８のガス流入口２３８ａとガス流出口２３８ｂとは、水素分離装置２３８に設けられた流路を介して互いに連通している。燃料ガス中の水素は、燃料ガスがこの流路を通過する際に、流路壁に設けられた水素透過性金属を有する隔膜を通して水素流出口２３８ｃ側に透過する。燃料ガス中の水素が水素流出口２３８ｃ側に透過することにより、燃料ガス中の水素濃度は水素分離装置２３８を通過する間に低下する。
【０１０８】
第６実施例では、燃料ガス中の水素濃度を低減する水素濃度低減部は、水素分離装置バイパスバルブ２９６，２９８と、水素分離装置接続配管２４８ｂ，２４８ｃと、水素分離装置２３８と、水素排出配管２７２とによって構成される。他の構成については、第１実施例とほぼ同一である。
【０１０９】
第６実施例の燃料電池制御部２３０ｅは、通常運転モードと水素分離モードとを有している。通常運転モードでは、燃料電池制御部２３０ｅは、第１の水素分離装置バイパスバルブ２９６の第１と第２のポート２９６ａ，２９６ｂを開き、第３のポート２９６ｃを閉じる。また、燃料電池制御部２３０ｅは、第２の水素分離装置バイパスバルブ２９８の第１と第２のポート２９８ａ，２９８ｂを開き、第３のポート２９８ｃを閉じる。改質部２２２から供給される燃料ガスは、第１の燃料ガス配管２４２ａと水素分離装置バイパス配管２４８ａと第２の燃料ガス配管２４４ａとを通して、そのままアノード流路２１２に供給される。
【０１１０】
水素分離モードでは、燃料電池制御部２３０ｅは、第１の水素分離装置バイパスバルブ２９６の第２のポート２９６ｂを閉じ、第１と第３のポート２９６ａ，２９６ｃを開ける。また、燃料電池制御部２３０ｅは、第２の水素分離装置バイパスバルブ２９８の第２のポート２９８ｂを閉じ、第１と第３のポート２９８ａ，２９８ｃを開ける。改質部２２２から供給される燃料ガスは、第１の燃料ガス配管２４２ａと第１の水素分離装置接続配管２４８ｂとを通して水素分離装置２３８に供給される。そして、水素分離装置２３８によって水素濃度が低下させられた燃料ガスは、第２の水素分離装置接続配管２４８ｃと第２の燃料ガス配管２４４ａとを通して、アノード流路２１２に供給される。
【０１１１】
第６実施例では、水素透過性金属層温度が所定の温度範囲から外れた場合、水素分離モードが実行される。水素分離モードの実行によりアノード流路２１２には水素濃度が低下した燃料ガスが供給される。また、燃料ガスの水素濃度を低減することにより、改質器２２０での改質ガスの生成量を所定の値以上に維持し改質器２２０の運転を継続するとともに、アノード流路２１２への水素の供給量を低減できる。
【０１１２】
第６実施例の燃料電池システム２００ｅでは、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合、アノード流路２１２に供給される燃料ガス中の水素濃度が低減させられる。そのため、水素透過性金属層４１６（図３）の水素脆化が抑制され、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【０１１３】
また、水素濃度が低い燃料ガスがアノード流路２１２に供給されると、燃料電池反応の反応量が低下する。したがって、第６実施例の燃料電池システム２００ｅにおいて、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上となった場合に、アノード流路２１２に供給される燃料ガス中の水素濃度を低減させると、燃料電池反応量が低下するので、燃料電池反応による温度上昇が抑制される。この結果、水素透過性金属層４１６の金属拡散が抑制され、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【０１１４】
このように、第６実施例においても、第１実施例と同様に、水素透過性金属層温度が所定の範囲から外れた場合に水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。第６実施例は、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合、燃料ガスの熱により水素透過性金属層温度の低下が抑制できる点で第１実施例よりも好ましい。
【０１１５】
なお、第６実施例では、水素分離装置２３８から排出される水素を浄化器２３２を通して排出しているが、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下の場合に、第２および第３実施例と同様にカソード流路２１４に供給するものとしても良い。この場合、水素分離装置２３８から供給される水素の燃焼により、水素透過性金属層温度の回復が容易になる点でより好ましい。
【０１１６】
また、第６実施例では、燃料ガス中の水素濃度を低減することにより水素透過性金属層４１６の劣化を抑制しているが、一般には、アノード流路２１２における水素の分圧を低減できればよい。例えば、燃料ガスよりも水素濃度が低いガス（水素を含有しないガスを含む）をアノード流路２１２に供給する低水素濃度ガス供給部を設けることによっても、水素の分圧を低減できるので水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【０１１７】
Ｇ．第７実施例：
図１１は、第７実施例における燃料電池システム２００ｆの構成を示す説明図である。第６実施例の燃料電池システム２００ｅ（図１０）とは、燃料ガスバイパスバルブ２９０を備えている点で異なっている。具体的には、第７実施例の燃料電池システム２００ｆでは、改質部２２２と第１の水素分離装置バイパスバルブ２９６の第１のポート２９２ａとが、２つの燃料ガス配管２４２ｂ，２４２ｃと燃料ガスバイパスバルブ２９０とを介して接続されている。燃料ガスバイパスバルブ２９０の第３のポート２９０ｃは、燃料ガスバイパス配管２７２ａを介して水素排出配管２７２ｂに設けられた分岐に接続されている。他の構成については第６実施例とほぼ同一である。
【０１１８】
第７実施例の燃料電池制御部２３０ｆは、通常運転モードとバイパスモードと水素分離モードとを有している。通常運転モードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０は、第１実施例の通常運転モードと同様に制御される。また、２つの水素分離装置バイパスバルブ２９６，２９８は、第６実施例の通常運転モードと同様に制御される。そのため、通常運転モードでは、改質部２２２から供給される燃料ガスは、そのままアノード流路２１２に供給される。
【０１１９】
バイパスモードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０は、第１実施例のバイパスモードと同様に制御される。また、２つの水素分離装置バイパスバルブ２９６，２９８は、第６実施例の通常運転モードと同様に制御される。そのため、バイパスモードでは、改質部２２２から供給される燃料ガスは、燃料ガスバイパス配管２７２ａと水素排出配管２７２ｂとを介して浄化器２３２に供給される。
【０１２０】
水素分離モードでは、燃料ガスバイパスバルブ２９０は、第１実施例の通常運転モードと同様に制御される。また、２つの水素分離装置バイパスバルブ２９６，２９８は、第６実施例の水素分離モードと同様に制御される。そのため、水素分離モードでは、改質部２２２から供給される燃料ガスは、水素分離装置２３８によって水素濃度が低減させられた後、アノード流路２１２に供給される。
【０１２１】
図１２は、第７実施例における運転モード切替ルーチンを示すフローチャートである。このフローチャートは、加熱モードに関するステップＳ３１０，Ｓ３１２，Ｓ４１０に換えて水素分離モードに関するステップＳ３２０，Ｓ３２２，Ｓ４２０が実行される点で図６に示す第２実施例のフローチャートと異なっている。
【０１２２】
第７実施例では、ステップＳ２０２で水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下と判断された場合、ステップＳ４２０において水素分離モードの実行が開始される。そして、水素分離モードの実行開始後このルーチンは終了する。
【０１２３】
また、第７実施例では、ステップＳ３００で運転モードがバイパスモードでないと判断された場合、制御はステップＳ３２０に移される。ステップＳ３２０では、運転モードが水素分離モードであるか否かが判断される。運転モードが水素分離モードの場合、ステップＳ３２２において、運転モードが水素分離モードから通常運転モードに切り換えられる。一方、運転モードが水素分離モードでない場合、このルーチンは終了する。
【０１２４】
水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下の場合、第７実施例では、水素分離モードが実行され、アノード流路２１２には水素濃度が低下した燃料ガスが供給される。そのため、第６実施例と同様に水素透過性金属層４１６（図３）の劣化を抑制することができる。
【０１２５】
水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上の場合、第７実施例では、バイパスモードが実行され、燃料ガスのアノード流路２１２への供給が停止される。そのため、第１実施例と同様に、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【０１２６】
このように、第７実施例においても、第１実施例と同様に、水素透過性金属層温度が所定の範囲から外れた場合に水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。第７実施例は、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合、燃料ガスの熱により水素透過性金属層温度の低下が抑制できる点で第１実施例よりも好ましい。また、第７実施例は、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上となった場合、燃料ガスの熱が燃料電池２１０に供給されないので、水素透過性金属層温度の上昇をより抑制できる点で第６実施例よりも好ましい。一方、第１および第６実施例は、燃料電池システムの構成がより簡単になる点で第７実施例よりも好ましい。
【０１２７】
Ｈ．第８実施例：
図１３は、第８実施例における燃料電池システム２００ｇの構成を示す説明図である。図２に示す第１実施例の燃料電池システム２００とは、燃料ガスをバイパスする機構を備えておらず、酸化剤ガスを加熱するための熱交換器３００を備えている点で異なっている。具体的には、第１の空気供給ポンプ２８４は、第１の酸化剤ガス配管２５４ａを介して熱交換器３００のガス流入口３００ａに接続されている。そして、熱交換器３００のガス流出口３００ｅは、第２の酸化剤ガス配管２５４ｂを介して第１のカソード流路端２１４ａに接続されている。熱交換器３００のガス流入口３００ａとガス流出口３００ｅは、熱交換器３００内に設けられたガス流路３０２によって接続されている。このガス流路３０２は、燃料電池システム２００ｇの運転に伴い温度が上昇するポンプ２８０，２８２，２８４やバルブなどの補機類に接続される。そして、酸化剤ガスがガス流路３０２を通過する間に、酸化剤ガスは補機類によって加熱される。他の構成については、第１実施例とほぼ同様である。
【０１２８】
このように、第８実施例では、燃料電池の作動温度よりも低温の酸化剤ガスを加熱できるので、低温の酸化剤ガスによる水素透過性金属層４１６（図３）の局所的な温度低下を抑制することができる。そのため、局所的な温度低下による水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【０１２９】
なお、第８実施例では、酸化剤ガスを加熱してカソード流路２１４に供給しているが、一般には、燃料電池２１０の作動温度より低温のガスを加熱できればよい。例えば、冷却ガスを加熱して冷却流路２１６に供給するものとしても、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。
【０１３０】
Ｉ．第９実施例：
図１４は、第９実施例における燃料電池システム２００ｈの構成を示す説明図である。図１３に示す第８実施例の燃料電池システム２００ｇとは、酸化剤ガスを加熱する熱交換器３００に換えて燃料ガスと冷却ガスの熱交換を行う熱交換器３１０を有している点で異なっている。具体的には、改質部２２２は、第１の燃料ガス配管２４３ａを介して熱交換器３１０の第１のガス流入口３１０ａに接続されている。そして、熱交換器３１０の第１のガス流出口３１０ｅは、第２の燃料ガス配管２４３ｂを介して第１のアノード流路端２１２ａに接続されている。第２の空気供給ポンプ２８２は、第１の冷却ガス配管２６２ａを介して熱交換器３１０の第２のガス流入口３１０ｂに接続されている。そして、熱交換器３１０の第２のガス流出口３１０ｆは、第２の冷却ガス配管２６２ｂを介して第１の冷却ガス流路端２１６ａに接続されている。他の構成については第８実施例とほぼ同一である。
【０１３１】
熱交換器３１０に供給された燃料ガスと冷却ガスとは、熱交換器３１０を通過する間に熱交換される。燃料ガスと冷却ガスとの熱交換により、燃料ガスは冷却される。また、燃料ガスと冷却ガスとの熱交換により、冷却ガスは加熱される。
【０１３２】
このように、第９実施例では、燃料電池２１０の作動温度よりも高温の燃料ガスが冷却され、燃料電池２１０の作動温度よりも低温の冷却ガスが加熱される。そのため、水素透過性金属層４１６（図３）の局所的な温度上昇と局所的な温度低下とをそれぞれ抑制できるので、水素透過性金属層４１６の劣化を抑制することができる。第９実施例は、水素透過性金属層４１６の局所的な温度低下と温度上昇のいずれもを抑制できる点で第８実施例よりも好ましい。一方、第８実施例は、燃料電池システムの構成がより簡単である点で第９実施例よりも好ましい。
【０１３３】
なお、第９実施例では、燃料ガスと冷却ガスとを熱交換することにより、燃料ガスを冷却し冷却ガスを加熱しているが、一般には、燃料電池２１０の作動温度より高温のガスを冷却し、燃料電池２１０の作動温度より低温のガスを加熱できればよい。例えば、燃料ガスと酸化剤ガスとを熱交換することにより、燃料ガスを冷却し酸化剤ガスを加熱するものとしてもよい。また、アノードオフガスや冷却流路からの排ガスによって燃料ガスを冷却し、酸化剤ガスや冷却ガスを他の熱源によって加熱するものとしてもよい。
【０１３４】
Ｊ．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。
【０１３５】
Ｊ１．変形例１：
上記第４および第５実施例では、水素透過性金属層温度が所定の温度範囲を外れた場合に燃料ガスをバイパスさせるバイパス機構を備えているが、バイパス機構を設けず水素透過性金属層温度が所定の温度範囲を外れた場合に燃料電池に供給されるガスの温度を調整するものとしてもよい。水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下の場合には、例えば、酸化剤ガスを加熱することにより水素透過性金属層の劣化を抑制できる。また、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上の場合には、例えば、燃料ガスを冷却することにより水素透過性金属層の劣化を抑制できる。この場合、燃料電池に供給されるガスの加熱は、例えば、第４実施例と同様に行うことができる。また、燃料電池に供給されるガスの冷却は、例えば、第５実施例と同様に行うことができる。
【０１３６】
Ｊ２．変形例２：
上記第２ないし第５実施例では、水素透過性金属層の劣化を抑制するため水素透過性金属層の加熱部もしくは冷却のいずれかを有しているが、これらの加熱部もしくは冷却部を同じ燃料電池システムに採用することができる。例えば、水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下の場合には第４実施例と同様に水素透過性金属層を加熱し、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上の場合には第５実施例と同様に水素透過性金属層を冷却するものとしてもよい。
【０１３７】
Ｊ３．変形例３：
上記第２ないし第５実施例では、酸化剤ガスと冷却ガスの燃料電池への供給量の調整を行っていないが、これらのガスの供給量を調整することによって水素透過性金属層の昇温もしくは降温を促進するようにすることができる。水素透過性金属層温度が所定の下限温度以下となった場合、例えば、冷却ガスの燃料電池への供給量を低減することによって水素透過性金属層の昇温が促進することができる。また、水素透過性金属層温度が所定の上限温度以上となった場合、例えば、冷却ガスの燃料電池への供給量を増加させることによって水素透過性金属層の降温を促進することができる。
【０１３８】
Ｊ４．変形例４：
上記各実施例では、燃料ガスとして改質器によって生成される改質ガスを用いているが、燃料ガスとして改質ガスでないガスを使用することができる。改質ガスでない燃料ガスとしては、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金から供給される水素ガスを使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】第１実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図３】燃料電池を構成する単セルの構造を示す断面模式図。
【図４】第１実施例における運転モード切替ルーチンを示すフローチャート。
【図５】第２実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図６】第２実施例における運転モード切替ルーチンを示すフローチャート。
【図７】第３実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図８】第４実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図９】第５実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１０】第６実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１１】第７実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１２】第７実施例における運転モード切替ルーチンを示すフローチャート。
【図１３】第８実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１４】第９実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【符号の説明】
【０１４０】
１５…電源システム
２３…残存容量モニタ
２４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２６…駆動インバータ
２８…高圧補機
３０…駆動モータ
３２…減速ギヤ
３４…出力軸
３６…車両駆動軸
３７…車速センサ
４０…配線
５０…制御部
１００…電気自動車
２００…燃料電池システム
２００ａ…燃料電池システム
２００ｂ…燃料電池システム
２００ｃ…燃料電池システム
２００ｄ…燃料電池システム
２００ｅ…燃料電池システム
２００ｆ…燃料電池システム
２００ｇ…燃料電池システム
２００ｈ…燃料電池システム
２１０…燃料電池
２１２…アノード流路
２１２ａ，２１２ｅ…アノード流路端
２１４…カソード流路
２１４ａ，２１４ｅ…カソード流路端
２１６…冷却ガス流路
２１６ａ，２１６ｅ…冷却ガス流路端
２２０…改質器
２２２…改質部
２２４…加熱部
２３０…燃料電池制御部
２３０ａ…燃料電池制御部
２３０ｃ…燃料電池制御部
２３０ｄ…燃料電池制御部
２３０ｅ…燃料電池制御部
２３０ｆ…燃料電池制御部
２３２…浄化器
２３４…熱交換器
２３６…液水霧化装置
２３８…水素分離装置
２４０…改質原料配管
２４２，２４４…燃料ガス配管
２４２ａ，２４４ａ…燃料ガス配管
２４２ｂ，２４２ｃ…燃料ガス配管
２４３ａ，２４３ｂ…第１の燃料ガス配管
２４６…燃料ガスバイパス配管
２４６ａ，２４６ｂ…燃料ガスバイパス配管
２４６ｃ…可燃性ガス供給配管
２４６ｄ…第２の可燃性ガス供給配管
２４８ａ…水素分離装置バイパス配管
２４８ｂ，２４８ｃ…水素分離装置接続配管
２５０…酸化剤ガス配管
２５０ａ，２５０ｂ…酸化剤ガス配管
２５２…液水供給配管
２５４ａ，２５４ｂ…酸化剤ガス配管
２６０…冷却ガス配管
２６０ａ，２６０ｂ…冷却ガス配管
２６２ａ，２６２ｂ…冷却ガス配管
２７０…アノードオフガス配管
２７２…水素排出配管
２７２ａ…燃料ガスバイパス配管
２７２ｂ…水素排出配管
２７４ａ，２７４ｂ…改質器排気配管
２８０…改質原料供給ポンプ
２８２，２８４…空気供給ポンプ
２８６…温度センサ
２９０…燃料ガスバイパスバルブ
２９２…可燃性ガス供給バルブ
２９４…改質器排気流路切換バルブ
２９６，２９８…水素分離装置バイパスバルブ
３００…熱交換器
３０２…ガス流路
３１０…熱交換器
４００…単セル
４１０…電解質層
４１２…カソード
４１４…電解質
４１６…水素透過性金属層
４１８…水素分子解離層
４２０…アノード
４２２，４２４…セパレータ
４３２…酸化剤ガス流路
４３４…燃料ガス流路
【図１】
2005243416.tif 000003
【図２】
2005243416.tif 000004
【図３】
2005243416.tif 000005
【図４】
2005243416.tif 000006
【図５】
2005243416.tif 000007
【図６】
2005243416.tif 000008
【図７】
2005243416.tif 000009
【図８】
2005243416.tif 000010
【図９】
2005243416.tif 000011
【図１０】
2005243416.tif 000012
【図１１】
2005243416.tif 000013
【図１２】
2005243416.tif 000014
【図１３】
2005243416.tif 000015
【図１４】
2005243416.tif 000016