(57)【要約】【課題】ＯＣＶパージを適正に実施し、固体高分子電解質膜型燃料電池の劣化防止および発電の安定性を図る。【解決手段】燃料電池１の起動時に、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８を新たな水素に置き換える初回のＯＣＶパージを行った後、参照電極１４によって燃料電池１のアノードの電位を計測し、このアノード電位の計測値が閾値以上の場合にガス置換が不十分であると判定するとともに、予め定められたアノード電位とガス置換量との関係を示すマップに基づいて、前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８に対してＯＣＶパージを再実施する。【選択図】図１
2012004032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料電池の前記アノードの電位を計測するアノード電位計測手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記アノード電位計測手段によって前記アノードの電位を計測し、このアノード電位の計測値が閾値以上の場合に、予め定められたアノード電位とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料電池から排出された燃料の濃度を確認する燃料濃度確認手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記燃料濃度確認手段によって前記燃料電池から排出される燃料の濃度を確認し、確認された燃料濃度値が閾値以下の場合に、予め定められた燃料濃度とガス置換量との関係に基づいて前記燃料濃度値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料電池から排出された燃料を前記燃料流路に合流させる燃料循環路と、
前記燃料循環路または前記燃料流路であって前記燃料循環路との合流箇所より下流側における燃料の濃度を確認する燃料濃度確認手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記燃料濃度確認手段によって前記燃料の濃度を確認し、確認された燃料濃度値が閾値以下の場合に、予め定められた燃料濃度とガス置換量との関係に基づいて前記燃料濃度値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記電圧計測手段によって前記燃料電池の電圧を計測し、この電圧の計測値が閾値以下の場合に、予め定められた電圧とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料電池への燃料供給量を計測する燃料供給量計測手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行い、この初回のガス置換の開始から終了までに前記燃料流路に供給された燃料供給量を前記燃料供給量計測手段によって計測し、この燃料供給量の計測値と設定ガス供給量との割合が閾値以下の場合に、予め定められた前記割合とガス置換量との関係に基づいて前記割合に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を循環しつつ供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料電池の燃料入口圧力と燃料出口圧力との圧力差を計測する燃料差圧計測手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行い、この初回のガス置換終了時における前記燃料入口圧力と燃料出口圧力との圧力差を前記燃料差圧計測手段によって計測し、この圧力差の計測値が閾値以上の場合に、予め定められた圧力差とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を循環しつつ供給する燃料流路と、
前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段と、
前記燃料流路上に配置された燃料ポンプと、
前記燃料ポンプの消費電力を計測するポンプ消費電力計測手段と、
前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行い、この初回のガス置換の開始から終了までの前記燃料ポンプの消費電力を前記ポンプ消費電力計測手段によって計測し、この消費電力の計測値が閾値以上の場合に、予め定められた消費電力量とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御す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、固体高分子電解質膜型燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を有し、アノードに水素（燃料）が供給され、カソードに酸素（酸化剤）を含む空気が供給されて発電をする燃料電池では、燃料電池の起動時に、早期に安定した発電を行うことができるようにするため、発電を行う前に、燃料流路内に水素を供給して、燃料供給路内の溜まっていたガスや水を押し出して排出し、燃料流路内を水素で置換するガス置換（ＯＣＶパージということもある）を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。従来のＯＣＶパージは、一定時間あるいは一定流量だけ水素を流して終了としており、このＯＣＶパージ終了後、発電を開始する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１２０５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のような画一的にＯＣＶパージを行うだけでは、燃料電池システムの個々の状況に対応できていないため、ＯＣＶパージによる排出量が不十分となり、燃料流路や燃料電池のアノードにおける水素濃度を所望する濃度まで高めることができない場合がある。
【０００５】
ＯＣＶパージによる排出量が不十分となる原因は種々考えられるが、その一つにＯＣＶパージによる排出量の制限がある。１回のＯＣＶパージで排出できる水素の排出量の上限は、この水素を希釈して大気に排出する希釈器の容量によって決まってしまい、この上限を越えて排出することはできない。一方、例えば燃料電池車両に搭載される燃料電池システムでは、搭載スペースが限られるため前記希釈器に対する小型化の要求が大きく、そのため希釈器の容量は益々減少傾向にあり、これに伴ってＯＣＶパージの排出量の上限値も益々減少傾向にある。
【０００６】
また、燃料電池の停止中には、固体高分子電解質膜型を介してアノードからカソードへ、カソードからアノードへガスの透過（クロスオーバー）があり、ＯＣＶパージの目的の一つとして、カソードからアノードに透過してきた不純ガスの排出がある。しかしながら、このカソードからアノードへの不純ガスのクロスオーバー量は、固体高分子電解質膜の湿潤状態、燃料電池の停止期間、停止期間中の外気温度、停止時にアノードを空気で置換する掃気処理の有無等の条件によって異なるため、ＯＣＶパージの実施直前のアノードのガス状態（不純ガスのクロスオーバー量）は一様でない。そのため、アノード内に不純ガスが多い場合には、従来のＯＣＶパージによる排出量では不足し、アノードの水素濃度が所望する濃度まで高めることができない場合がある。
【０００７】
また、ＯＣＶパージにおいてガスの排出は排出弁を開いて行うが、この排出弁が水で詰まっていたり、開度不良など故障していた場合も、ＯＣＶパージの排出量不足が生じる。
【０００８】
このように、ＯＣＶパージの排出量不足により、アノードの水素濃度不足（置換不足）が生じると、その後の発電運転（暖機運転を含む）に移行したときに、アノードに酸素が存在することにより固体高分子電解質膜の劣化が起こり易くなったり、発電が不安定になり易いという課題がある。
【０００９】
また、ＯＣＶパージの排出量不足によりアノードが水素濃度不足の状態であるにも関わらず、発電運転に移行し高負荷の発電を行うと、益々アノードが水素不足となってアノード電位が急激に上昇し、その結果、燃料電池は電圧低下を引き起こし、不安定な発電状態が長引いてしまう虞がある。
【００１０】
そこで、この発明は、燃料電池起動時における燃料流路のガス置換の適正化を図り、固体高分子電解質膜の劣化防止および発電の安定性を確保することができる燃料電池システム提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料電池の前記アノードの電位を計測するアノード電位計測手段（例えば、後述する実施例における参照電極１４）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記アノード電位計測手段によって前記アノードの電位を計測し、このアノード電位の計測値が閾値以上の場合に、予め定められたアノード電位とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料電池から排出された燃料の濃度を確認する燃料濃度確認手段（例えば、後述する実施例における水素センサ２４）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記燃料濃度確認手段によって前記燃料電池から排出される燃料の濃度を確認し、確認された燃料濃度値が閾値以下の場合に、予め定められた燃料濃度とガス置換量との関係に基づいて前記燃料濃度値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
請求項３に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料電池から排出された燃料を前記燃料流路に合流させる燃料循環路（例えば、後述する実施例におけるアノードオフガス流路１８）と、前記燃料循環路または前記燃料流路であって前記燃料循環路との合流箇所より下流側における燃料の濃度を確認する燃料濃度確認手段（例えば、後述する実施例における水素センサ２８）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記燃料濃度確認手段によって前記燃料の濃度を確認し、確認された燃料濃度値が閾値以下の場合に、予め定められた燃料濃度とガス置換量との関係に基づいて前記燃料濃度値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１４】
請求項４に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段（例えば、後述する実施例における電圧センサ２５）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行った後、前記電圧計測手段によって前記燃料電池の電圧を計測し、この電圧の計測値が閾値以下の場合に、予め定められた電圧とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
請求項５に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料電池への燃料供給量を計測する燃料供給量計測手段（例えば、後述する実施例における水素フローメータ２６）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行い、この初回のガス置換の開始から終了までに前記燃料流路に供給された燃料供給量を前記燃料供給量計測手段によって計測し、この燃料供給量の計測値と設定ガス供給量との割合が閾値以下の場合に、予め定められた前記割合とガス置換量との関係に基づいて前記割合に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
請求項６に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を循環しつつ供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料電池の燃料入口圧力と燃料出口圧力との圧力差を計測する燃料差圧計測手段（例えば、後述する実施例における差圧センサ２７）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行い、この初回のガス置換終了時における前記燃料入口圧力と燃料出口圧力との圧力差を前記燃料差圧計測手段によって計測し、この圧力差の計測値が閾値以上の場合に、予め定められた圧力差とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１７】
請求項７に係る発明は、固体高分子電解質膜を有しアノードに燃料をカソードに酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に燃料を循環しつつ供給する燃料流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８）と、前記燃料流路内の流体を新たな燃料により置き換える燃料流路ガス置換手段（例えば、後述する実施例における遮断弁２０、パージ弁２１）と、前記燃料流路上に配置された燃料ポンプ（例えば、後述する実施例における水素ポンプ３２）と、前記燃料ポンプの消費電力を計測するポンプ消費電力計測手段（例えば、後述する実施例における消費電力計測手段３３）と、前記燃料流路ガス置換手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料流路ガス置換手段により前記燃料流路の初回のガス置換を行い、この初回のガス置換の開始から終了までの前記燃料ポンプの消費電力を前記ポンプ消費電力計測手段によって計測し、この消費電力の計測値が閾値以上の場合に、予め定められた消費電力量とガス置換量との関係に基づいて前記計測値に応じたガス置換量を求め、求められたガス置換量で前記燃料流路のガス置換を再度実施するように前記燃料流路ガス置換手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明によれば、初回のガス置換後のアノードの電位に基づいて燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かを判定することができ、アノード電位の計測値が閾値以上の場合にはガス置換が不足していると判定して、アノード電位の計測値に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができ、その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００１９】
請求項２に係る発明によれば、初回のガス置換後に燃料電池から排出される燃料の濃度に基づいて燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かを判定することができ、確認された燃料濃度値が閾値以下の場合にはガス置換が不足していると判定して、燃料濃度値に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができ、その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００２０】
請求項３に係る発明によれば、初回のガス置換後に燃料電池から排出され循環する燃料の計測濃度に基づいて、燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かをより精度よく判定することができる。そして、確認された燃料濃度値が閾値以下の場合にはガス置換が不足していると判定して、燃料濃度値に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができる。よって、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化防止および発電の安定性を確実に確保することができる。
【００２１】
請求項４に係る発明によれば、初回のガス置換後の燃料電池の電圧に基づいて燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かを判定することができ、電圧の計測値が閾値以下の場合にはガス置換が不足していると判定して、前記電圧の計測値に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができ、その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００２２】
請求項５に係る発明によれば、初回のガス置換の開始から終了までに燃料流路に供給された実測の燃料供給量と設定ガス供給量との割合に基づいて燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かを判定することができ、前記割合が閾値以下の場合にはガス置換が不足していると判定して、前記割合に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができ、その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００２３】
請求項６に係る発明によれば、初回のガス置換終了時における燃料入口圧力と燃料出口圧力との圧力差に基づいて燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かを判定することができ、前記圧力差の計測値が閾値以上の場合にはガス置換が不足していると判定して、前記圧力差の計測値に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができ、その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００２４】
請求項７に係る発明によれば、初回のガス置換の開始から終了までの燃料ポンプの消費電力に基づいて燃料流路のガス置換が十分に行われたか否かを判定することができ、前記消費電力の計測値が閾値以上の場合にはガス置換が不足していると判定して、前記消費電力の計測値に応じたガス置換量で燃料流路のガス置換を再度実施するので、燃料流路のガス置換を適正に行うことができ、その結果、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例１における概略構成図である。
【図２】実施例１の燃料電池システムにおけるＯＣＶパージ制御を示すフローチャートである。
【図３】実施例１のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図４】この発明に係る燃料電池システムの実施例２から実施例６における概略構成図である。
【図５】実施例２の燃料電池システムにおけるＯＣＶパージ制御を示すフローチャートである。
【図６】実施例２のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図７】実施例３のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図８】実施例４のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図９】実施例５のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図１０】実施例６のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図１１】この発明に係る燃料電池システムの実施例７における概略構成図である。
【図１２】実施例６のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図１３】この発明に係る燃料電池システムの実施例８において、アノードの水素濃度算出の原理を説明する図である。
【図１４】実施例８において用いられるパージ弁の流量特性マップである。
【図１５】実施例８において用いられるアノード内部水素濃度マップである。
【図１６】実施例８のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図１７】別の実施例のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【図１８】さらに別の実施例のＯＣＶパージ制御において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図１８の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
【００２７】
初めに、この発明に係る燃料電池システムの実施例１を図１から図３の図面を参照して説明する。
図１は、実施例１における燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード側の燃料流通路５に燃料として水素を供給し、カソード側の酸化剤流通路６に酸化剤として酸素を含む空気を供給すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１の酸化剤流通路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈器１１へ排出される。
【００２８】
一方、水素タンク１５から供給される水素は燃料供給流路１７を介して燃料電池１の燃料流通路５に供給される。燃料供給流路１７には、上流側から順に、遮断弁２０、レギュレータ１６、エゼクタ１９が設けられており、水素タンク１５から供給された水素はレギュレータ１６によって所定圧力に減圧されて燃料電池１の燃料流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路（燃料循環路）１８を通ってエゼクタ１９に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池１の燃料流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１８、およびエゼクタ１９よりも下流の燃料供給流路１７を通って、燃料電池１を循環する。
【００２９】
アノードオフガス流路１８には、アノードオフガスに含まれる凝縮水を捕集するキャッチタンク１２が設けられており、エゼクタ１９には凝縮水を除去された水素が供給されるようになっている。キャッチタンク１２は排水弁１３を有し、キャッチタンク１２に所定量の水が溜まると排水弁１３が開いて排水するようになっている。
【００３０】
また、キャッチタンク１２よりも下流のアノードオフガス流路１８からは、パージ弁２１を備えたパージ流路２２が分岐し、パージ流路２２は希釈器１１に接続されている。パージ弁２１は燃料電池１の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを希釈器１１へ排出する。また、パージ弁２１は、燃料電池システムの起動時に、燃料供給流路１７、アノードオフガス流路１８、および燃料電池１の燃料流通路５内の流体を新たな水素に置き換える、いわゆるＯＣＶパージを行うときに開かれて、ガス置換を行う。
また、キャッチタンク１２の排水弁１３から排水された水もパージ流路２２を介して希釈器１１に排出される。
【００３１】
そして、希釈器１１において、アノードオフガスは圧力制御弁１０から排出される空気によって希釈され、希釈されたガスが希釈器１１から排気管２３を介して大気に排出される。排気管２３には、排出されるガスの水素濃度を計測する水素センサ２４が設けられている。
燃料電池１のセルには参照電極（アノード電位計測手段）１４が接続されている。参照電極１４は、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノードの電位（以下、アノード電位という）を計測するものである。なお、参照電極としては例えば、ＤＨＥ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を用いることができる。参照電極１４は、予め設定された代表的な１つのセルに設置してもよいし、あるいは、所定のセル積層数毎にブロック分けし、各ブロック毎に設定した代表セルにそれぞれ設置してもよい。参照電極１４は計測したアノード電位を制御装置（制御部）３０に出力する。
【００３２】
制御装置３０は、イグニッションスイッチ３１から入力したＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて燃料電池システムの起動・停止を制御し、燃料電池１の出力制御等、制御内容に応じて、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、遮断弁２０、パージ弁２１等の作動を制御する。
この実施例１において、燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８は、燃料電池１に燃料（水素）を供給する燃料流路を構成し、遮断弁２０とパージ弁２１は燃料流路内の流体を新たな燃料に置き換える燃料流路ガス置換手段を構成する。
【００３３】
このように構成された実施例１の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池１で発電を行う前にＯＣＶパージを行い、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８内に残留している流体を押し出し新たな水素に置き換えるのであるが、このＯＣＶパージの適正化を図るため、起動時に初回のＯＣＶパージを行った後、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８内が新たな水素に置換されたか否か（すなわち、ガス置換されたか否か）を判定し、その結果、ガス置換不足と判定された場合には、その不足度に応じたガス置換量で再度ＯＣＶパージを実施する。
【００３４】
そして、実施例１では、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かの判定に、初回のＯＣＶパージ終了直後の燃料電池１のアノード電位を用いる。
燃料電池１のアノードが水素濃度１００％の雰囲気にあるときにはアノード電位はほぼ０Ｖであるが、アノードが不純物の存在する雰囲気にあるときにはアノード電位は０よりも大きくなり、不純物濃度が高いほど（換言すると水素濃度が低いほど）アノード電位は高くなる。
つまり、初回のＯＣＶパージ終了直後の燃料電池１のアノード電位が高いほど、燃料電池１のアノードの雰囲気は水素濃度が低いということができる。したがって、初回のＯＣＶパージ終了直後の燃料電池１のアノード電位から、ガス置換の不足度を推定することができる。
【００３５】
次に、図２のフローチャートに従って、ＯＣＶパージ制御を説明する。このＯＣＶパージ制御は制御装置３０によって実行される。
まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチ３１がＯＮか否かを判定する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」である場合には、スタートに戻る。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ１０２に進み、燃料電池１から電流を引かない状態で、初回のＯＣＶパージを実施する。初回のＯＣＶパージは、燃料電池システムの停止期間（時間）と、イグニッションスイッチ３１がＯＮされたときの外気温度とに基づいて、予め用意された図示しないマップ等を参照して、パージ時間（期間）を決定する。燃料電池システムの停止時間が長くなるほど、燃料電池１内での固体高分子電解質膜を介するアノードとカソード間のクロスオーバー量が多くなるので、パージ時間を長くし、外気温度が低いほど、流路内のガスが結露し易く水が溜まり易い環境であったので、パージ時間を長くする。なお、前記マップにおけるパージ時間は、希釈器１１の容量を考慮して設定されている。
【００３６】
そして、決定されたパージ時間だけ遮断弁２０およびパージ弁２１を開き、水素タンク１５から新鮮な水素を、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８内に供給し、これら流路内に残留していた流体をパージ流路２２を介して希釈器１１に排出する。また、これと同時に、圧力制御弁１０を開きコンプレッサ７を運転して、希釈器１１に空気を供給し、希釈器１１に排出されたガスを空気で希釈する。
前記パージ時間が経過したとき、パージ弁２１を閉じて、初回のＯＣＶパージを終了する。
【００３７】
初回のＯＣＶパージの終了後、ステップＳ１０３に進み、参照電極１４により燃料電池１のアノード電位を計測する。
次に、ステップＳ１０４に進み、計測されたアノード電位に基づいて、初回のＯＣＶパージでガス置換が十分に行われたか否か、換言するとＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定する。さらに、初回のＯＣＶパージではガス置換が不足であると判定された場合には、換言するとＯＣＶパージを再実施する必要があると判定された場合には、計測されたアノード電位に基づいて、ＯＣＶパージを再度実施する際のパージ量を算出する。
【００３８】
図３に、実施例１において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、アノード電位が０．１Ｖ未満の領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、アノード電位が０．１Ｖ以上の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。但し、閾値であるアノード電位０．１Ｖは一例であり、これに限るものではない。
【００３９】
また、置換不足領域には、アノード電位に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、アノード電位が大きくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図３に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００４０】
ステップＳ１０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、この後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
ステップＳ１０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ１０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いてＯＣＶパージを再実施する。そして、ステップＳ１０４で設定したパージ量が排出される時間が経過したときに、パージ弁２１を閉じて、ＯＣＶパージの再実施を終了し、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、この後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００４１】
この実施例１の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００４２】
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例２から実施例６を図４から図１０の図面を参照して説明する。
図４は、実施例２から実施例６における燃料電池システムの概略構成図である。基本的な構成は実施例１の燃料電池システムと同じであり、同一態様部分に同一符号を付してその説明を省略し、実施例１のものと相違する点だけを以下に説明する。
【００４３】
燃料電池１には参照電極１４が設けられていない。
燃料電池１には、最低セル電圧あるいは燃料電池１の総電圧を計測する電圧センサ（電圧計測手段）２５が設けられている。
燃料供給流路１７には、レギュレータ１６とエゼクタ１９との間に、水素の供給量を計測する水素フローメータ（燃料供給量計測手段）２６が設けられている。
エゼクタ１９よりも下流の燃料供給流路１７とキャッチタンク１２よりも上流のアノードオフガス流路１８との間には、燃料電池１の水素入口圧力と水素出口圧力との圧力差を計測する差圧センサ（燃料差圧計測手段）２７が設けられている。
電圧センサ２５、水素フローメータ２６、差圧センサ２７、水素センサ２４は、それぞれ計測値に応じた電気信号を制御装置３０に出力する。
【００４４】
このように構成された実施例２〜実施例６の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時に、燃料電池１で発電を行う前にＯＣＶパージを行い、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８内に残留している流体を押し出し新たな水素に置き換えるのであるが、このＯＣＶパージの適正化を図るため、起動時に初回のＯＣＶパージを行った後、燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８内が新たな水素に置換されたか否か（すなわち、ガス置換されたか否か）を判定し、その結果、ガス置換不足と判定された場合には、その不足度に応じたガス置換量で再度ＯＣＶパージを実施する。
【００４５】
そして、実施例２から実施例６では、初回のＯＣＶパージ終了時に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を計測あるいは推定し、この水素濃度の計測値あるいは推定値を、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かの判定に用いる。
初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われた場合には、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されたガスの水素濃度は１００％に近く、一方、初回のＯＣＶパージではガス置換が不十分な場合には、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されたガスの水素濃度は低下する。このことから、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度に基づいて、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することができ、ガス置換の不足度を推定することができる。
【００４６】
次に、図５のフローチャートに従って、実施例２におけるＯＣＶパージ制御を説明する。このＯＣＶパージ制御は制御装置３０によって実行される。
まず、ステップＳ２０１において、イグニッションスイッチ３１がＯＮか否かを判定する。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＮＯ」である場合には、スタートに戻る。
ステップＳ２０１における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ２０２に進み、燃料電池１から電流を引かない状態で、初回のＯＣＶパージを実施する。初回のＯＣＶパージについては実施例１と同じであるので説明を省略する。
【００４７】
初回のＯＣＶパージの終了後、ステップＳ２０３に進み、水素センサ２４により燃料電池１から排出されたガスの水素濃度を計測する。
次に、ステップＳ２０４に進み、計測されたガスの水素濃度に基づいて、初回のＯＣＶパージでガス置換が十分に行われたか否か、換言するとＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定する。さらに、初回のＯＣＶパージではガス置換が不足であると判定された場合には、換言するとＯＣＶパージを再実施する必要があると判定された場合には、計測されたガスの水素濃度に基づいて、ＯＣＶパージを再度実施する際のパージ量を算出する。
【００４８】
図６に、実施例２において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、排出水素濃度（燃料電池１から排出されるガスの水素濃度）が９０００ｐｐｍを越える領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、排出水素濃度が９０００ｐｐｍ以下の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。但し、閾値である排出水素濃度９０００ｐｐｍは一例であり、これに限るものではない。
【００４９】
また、置換不足領域には、排出水素濃度に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、排出水素濃度が小さくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図６に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００５０】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、この後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いてＯＣＶパージを再実施する。そして、ステップＳ２０４で設定したパージ量が排出される時間が経過したときに、パージ弁２１を閉じて、ＯＣＶパージの再実施を終了し、本ルーチンの実行を一旦終了する。そして、この後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００５１】
この実施例２の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００５２】
前記実施例２では、ステップＳ２０３において、初回のＯＣＶパージ終了後、水素センサ２４により直接に、燃料電池１から排出されたガスの水素濃度を計測したが、実施例３から実施例６では、ステップＳ２０３において、初回のＯＣＶパージ終了後に計測される別の物理量に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度（換言すると、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード内の水素濃度）を推定し、ステップＳ２０４において、この推定水素濃度を用いて、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定する。以下、それぞれの実施例を具体的に説明する。
【００５３】
実施例３では、初回のＯＣＶパージ終了後に電圧センサ２５により計測される燃料電池１の総電圧に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を推定する。
初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われ、アノードの水素濃度が１００％に近い場合には、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１のアノード電位はほぼ０Ｖであるので各セル電圧はほぼ１Ｖとなり、燃料電池１の総電圧はほぼセルの積層数×１Ｖとなる。一方、初回のＯＣＶパージではガス置換が不十分でアノードの水素濃度が低い場合には、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１のアノード電位が０Ｖよりも大きくなるので各セル電圧が１Ｖよりも小さくなり、燃料電池１の総電圧はセルの積層数×１Ｖよりも小さくなり、ガス置換の不足度が大きいほど燃料電池１の総電圧は小さくなる。このことから、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１の総電圧に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を推定することができ、この推定水素濃度を基に初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することができ、ガス置換の不足度を推定することができる。
【００５４】
図７に、実施例３において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、横軸を推定水素濃度の代わりに燃料電池１の総電圧としており、燃料電池１の総電圧が所定の閾値を越える領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、燃料電池１の総電圧が前記閾値以下の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。ここで、前記閾値は事前にテストを行って決定するのが好ましいが、例えば、０．９Ｖ×セル積層数とすることができる。
【００５５】
また、置換不足領域には、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１の総電圧に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、燃料電池１の総電圧が小さくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図７に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００５６】
実施例３におけるＯＣＶパージ制御を、図５のフローチャートを援用して説明すると、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例２の場合と同じであり、ステップＳ２０３において、電圧センサ２５により初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１の総電圧を計測し、ステップＳ２０４において、計測された燃料電池１の総電圧に基づき図７のマップを参照して、ＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定するとともに、再実施が必要と判定された場合には再実施時のパージ量を算出する。
【００５７】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
また、ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いて、算出された前記パージ量だけＯＣＶパージを再実施し、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００５８】
この実施例３の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００５９】
実施例４では、初回のＯＣＶパージ終了後に電圧センサ２５により計測される燃料電池１の最低セル電圧に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度（換言すると、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード内の水素濃度）を推定する。
初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われ、アノードの水素濃度が１００％に近い場合には、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１のアノード電位はほぼ０Ｖであるので最低セル電圧はほぼ１Ｖである。一方、初回のＯＣＶパージではガス置換が不十分でアノードの水素濃度が低い場合には、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１のアノード電位は０Ｖよりも大きくなるので最低セル電圧が１Ｖよりも小さくなり、ガス置換の不足度が大きいほど最低セル電圧は小さくなる。このことから、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１の最低セル電圧に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を推定することができ、この推定水素濃度を基に初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することができ、ガス置換の不足度を推定することができる。
なお、最低セル電圧は、総てのセル電圧を計測して求めてもよいし、あるいは、個々の燃料電池システムによって予め最低セル電圧となり易いセルを特定することができるので、この特定されたセルのセル電圧のみを計測してこれを最低セル電圧としてもよい。
【００６０】
図８に、実施例４において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、横軸を推定水素濃度の代わりに燃料電池１の最低セル電圧としており、燃料電池１の最低セル電圧が所定の閾値を越える領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、燃料電池１の最低セル電圧が前記閾値以下の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。ここで、前記閾値は事前にテストを行って決定するのが好ましいが、例えば、０．８Ｖとすることができる。
【００６１】
また、置換不足領域には、初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１の最低セル電圧に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、燃料電池１の最低セル電圧が小さくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図８に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００６２】
実施例４におけるＯＣＶパージ制御を、図５のフローチャートを援用して説明すると、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例２の場合と同じであり、ステップＳ２０３において、電圧センサ２５により初回のＯＣＶパージ終了後の燃料電池１の最低セル電圧を計測し、ステップＳ２０４において、計測された燃料電池１の最低セル電圧に基づき図８のマップを参照して、ＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定するとともに、再実施が必要と判定された場合には再実施時のパージ量を算出する。
【００６３】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
また、ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いて、算出された前記パージ量だけＯＣＶパージを再実施し、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００６４】
この実施例４の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００６５】
実施例５では、初回のＯＣＶパージ終了後に水素フローメータ２６により計測される水素供給量を用いて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度（換言すると、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード内の水素濃度）を推定する。
初回のＯＣＶパージにおいて予め設定された水素供給量が実際に供給されている場合には、初回のＯＣＶパージで十分にガス置換が行われるはずであるので、燃料電池１から排出されるガスの水素濃度はほぼ１００％となる。一方、初回のＯＣＶパージのときに実際に供給された水素供給量が予め設定された水素供給量（以下、設定水素供給量という場合もある）よりも少ない場合には、ガス置換が不十分となり、燃料電池１から排出されるガスの水素濃度は低くなる。このことから、初回のＯＣＶパージの開始から終了までに実際に供給された水素供給量と設定された水素供給量との割合に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を推定することができ、この推定水素濃度を基に初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することができ、ガス置換の不足度を推定することができる。
【００６６】
図９に、実施例５において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、横軸を推定水素濃度の代わりに水素供給量の割合（実際の水素供給量を設定された水素供給量で割った値）としており、この割合が所定の閾値を越える領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、水素供給量が前記閾値以下の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。ここで、前記閾値は、例えば０．９であり、予め設定された初回のＯＣＶパージでの水素供給量より実測の水素供給量が若干少ない量のときの割合とすることができる。
【００６７】
また、置換不足領域には、初回のＯＣＶパージの開始から終了までの実測の水素供給量と設定水素供給量との割合に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、初回ＯＣＶパージの実測の水素供給量が設定水素供給量よりも少なくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図９に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００６８】
実施例５におけるＯＣＶパージ制御を、図５のフローチャートを援用して説明すると、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例２の場合と同じであり、ステップＳ２０３において、水素フローメータ２６により初回のＯＣＶパージの開始から終了までに供給された水素供給量を計測し、ステップＳ２０４において、計測された水素供給量を用いて設定水素供給量との割合（実測水素供給量／設定水素供給量）を算出し、図９のマップを参照して、ＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定するとともに、再実施が必要と判定された場合には再実施時のパージ量を算出する。
【００６９】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
また、ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いて、算出された前記パージ量だけＯＣＶパージを再実施し、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００７０】
この実施例５の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００７１】
実施例６では、初回のＯＣＶパージ終了時に差圧センサ２７により計測される燃料電池１の水素入口圧力と水素出口圧力との圧力差（以下、アノード前後差圧と略す）に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度（換言すると、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード内の水素濃度）を推定する。
例えば、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われた場合には、ＯＣＶパージにおいてガスの流れが良いので、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード前後差圧は小さい。一方、パージ弁２１が水詰まりしていたり、燃料電池１の燃料流通路５に水が残っている場合には、ＯＣＶパージにおいてガスの流れが悪いので、初回のＯＣＶパージで十分にガス置換が行われず、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード前後差圧が大きくなる。このことから、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード前後差圧に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を推定することができ、この推定水素濃度を基に初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することができ、ガス置換の不足度を推定することができる。
【００７２】
図１０に、実施例６において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、横軸を推定水素濃度の代わりにアノード前後差圧としており、アノード前後差圧が所定の閾値より下回る領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、アノード前後差圧が前記閾値以上の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。ここで、前記閾値は事前にテストを行って決定するのが好ましいが、例えば、３ｋＰａとすることができる。
【００７３】
また、置換不足領域には、初回のＯＣＶパージ終了時のアノード前後差圧に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、アノード前後差圧が大きくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図１０に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００７４】
実施例６におけるＯＣＶパージ制御を、図５のフローチャートを援用して説明すると、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例２の場合と同じであり、ステップＳ２０３において、差圧センサ２７により初回のＯＣＶパージ終了時のアノード前後差圧を計測し、ステップＳ２０４において、計測されたアノード前後差圧に基づき図１０のマップを参照して、ＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定するとともに、再実施が必要と判定された場合には再実施時のパージ量を算出する。
【００７５】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
また、ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いて、算出された前記パージ量だけＯＣＶパージを再実施し、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００７６】
この実施例６の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
なお、前述した実施例６では、燃料電池１の水素入口圧力と水素出口圧力との圧力差を差圧センサ２７によって計測したが、燃料電池１の水素入口圧力と水素出口圧力をそれぞれ個別の圧力センサで計測し、両圧力センサの計測値の差から圧力差を算出してもよい。
【００７７】
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例７を図１１および図１２の図面を参照して説明する。
図１１は、実施例７における燃料電池システムの概略構成図である。基本的な構成は実施例１の燃料電池システムと同じであり、同一態様部分に同一符号を付してその説明を省略し、実施例１のものと相違する点だけを以下に説明する。
実施例７の燃料電池システムには、燃料電池１に参照電極１４が設けられていない。また、実施例７の燃料電池システムでは、燃料供給流路１７の途中に、エゼクタ１９に代えて水素ポンプ（燃料ポンプ）３２が設けられており、この水素ポンプ１９で、水素タンク１５の水素を燃料電池１の燃料流通路５に供給するとともに、燃料電池１から排出されるアノードオフガスを吸引して再び燃料電池１の燃料流通路５に供給する。そして、この水素ポンプ３２の消費電力を計測する消費電力計測手段３３が設けられており、消費電力計測手段３３は計測した消費電力を制御装置３０に出力する。
この実施例７において、燃料供給流路１７とアノードオフガス流路１８は、燃料電池１に燃料（水素）を循環しつつ供給する燃料流路を構成する。
【００７８】
そして、実施例７では、初回のＯＣＶパージの開始から終了までに水素ポンプ３２で消費された消費電力量に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を推定し、この水素濃度の推定値を、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かの判定に用いる。
【００７９】
これは、初回のＯＣＶパージでガスの置換が不十分な場合には、水素ポンプ３２の消費電力が大きくなることに基づく。つまり、ガスの置換が十分である場合にはガスは分子量が小さい水素にほぼ１００％置換されるが、ガスの置換が不十分な場合にはガス中に窒素などの不純ガスが含まれるため、ガスの平均分子量が大きくなり、分子量の大きいガスを送り出すために大きなエネルギーが必要となり、水素ポンプ３２の消費電力が大きくなる。また、パージ弁２１が水詰まりしていたり、燃料電池１の燃料流通路５に水が残っている場合も、ガスの流れが悪くなるので、ガスの置換が十分に行われなくなり、また、水素ポンプ３２の負荷が大きくなって消費電力が大きくなる。
【００８０】
このことから、初回のＯＣＶパージの開始から終了までに水素ポンプ３２で消費された消費電力量に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度（換言すると、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノード内の水素濃度）を推定することができ、この推定水素濃度を基に初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することができ、ガス置換の不足度を推定することができる。
【００８１】
図１２に、実施例７において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、横軸を推定水素濃度の代わりに水素ポンプ３２の消費電力量としており、消費電力量が所定の閾値より下回る領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、消費電力量が前記閾値以上の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。ここで、前記閾値は事前にテストを行って決定するのが好ましい。
【００８２】
また、置換不足領域には、初回のＯＣＶパージの開始から終了までの水素ポンプ３２の消費電力量に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、水素ポンプ３２の消費電力量が大きくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図１２に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００８３】
実施例７におけるＯＣＶパージ制御を、図５のフローチャートを援用して説明すると、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例２の場合と同じであり、ステップＳ２０３において、消費電力計測手段３３により初回のＯＣＶパージにおける水素ポンプ３２の消費電力量を計測し、ステップＳ２０４において、計測された消費電力量に基づき図１２のマップを参照して、ＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定するとともに、再実施が必要と判定された場合には再実施時のパージ量を算出する。
【００８４】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
また、ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いて、算出された前記パージ量だけＯＣＶパージを再実施し、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００８５】
この実施例７の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００８６】
次に、この発明に係る燃料電池システムの実施例８を図１３から図１６の図面を参照して説明する。
実施例８では、初回のＯＣＶパージを実施するまでに燃料電池システムを停止していた時間、初回のＯＣＶパージ開始時における燃料電池１のアノード出口圧力、初回のＯＣＶパージ開始時における希釈器１１の入口圧力、初回のＯＣＶパージ開始時に発生した単位時間当たりのアノード出口圧力の変化値に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了時の燃料電池１のアノードにおける水素濃度を算出推定し、この推定水素濃度を、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度の代わりに用いて、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定する。
【００８７】
図１３は、初回のＯＣＶパージ終了時のアノードの水素濃度算出の原理を説明する図であり、初回のＯＣＶパージで供給される水素供給量をＱｉｎ（ＮＬ／ｍｓｅｃ）、初回のＯＣＶパージで排出されるガス量（パージ量）をＱｏｕｔ（ＮＬ／ｍｓｅｃ）、初回のＯＣＶパージ終了時における燃料電池１のアノードに存在する水素量をＭＨ２（ｍｏｌ）、初回のＯＣＶパージ終了時におけるアノードの水素濃度をＣＯＮＨ２（％）、燃料電池１のアノード出口圧力をＰＨ２ＳＴＫＩＮ（ｋＰａ）、アノード出口温度をＴ（Ｋ）、希釈器１１の入口圧力をＰＡＤＩＬＢＯＸ（ｋＰａ）、アノード（燃料流通路５）の体積をＶ（ＮＬ）、初回のＯＣＶパージ終了時にアノードに存在するガスのガス定数をＲとする。なお、ガス定数Ｒは、初期値として、後述の図１５に示されるアノード内部水素濃度マップを用いて水素濃度を求め、この水素濃度から得られる水素量を用いて、状態方程式により算出される。以降は都度、微小時間前のガス定数を設定しておく。
【００８８】
初めに、初回のＯＣＶパージ開始時における燃料電池１のアノード出口圧力ＰＨ２ＳＴＫＩＮと希釈器１１の入口圧力ＰＡＤＩＬＢＯＸとの差圧に基づき、図１４に示すパージ弁２１の流量特性マップを参照して、パージ量Ｑｏｕｔを算出する（Ｑｏｕｔ＝ｆ（ＰＨ２ＳＴＫＩＮ−ＰＡＤＩＬＢＯＸ））。なお、図１４に示す流量特性マップは、パージ弁２１の仕様（オリフィス径等）により予め決定されるものである。
【００８９】
次に、初回のＯＣＶパージで供給される水素供給量をＱｉｎを、初回のＯＣＶパージ初期に発生した単位時間当たりのアノード出口圧力の変化値ΔＰＨ２ＳＴＫＩＮと、前記パージ量Ｑｏｕｔから、式（１）に基づいて算出する。
Ｑｉｎ＝（（ΔＰＨ２ＳＴＫＩＮ）×Ｖ／ＲＴ）＋Ｑｏｕｔ  ・・・  式（１）
式（１）において、（（ΔＰＨ２ＳＴＫＩＮ）×Ｖ／ＲＴ）は圧力上昇に使われる分であり、Ｑｏｕｔは圧力を維持するために供給される分（換言すると捨てられる分）である。
【００９０】
次に、式（２）に基づいて、水素供給量Ｑｉｎから微小時間前のパージ量を減算して、アノード内部の水素の変化量ｄＭ／ｄｔを算出する。なお、微小時間前のパージ量は、微小時間前のアノード内部の水素濃度ＣＯＮＨ２’にパージ量Ｑｏｕｔを乗じて算出する。
ｄＭ／ｄｔ＝Ｑｉｎ−（ＣＯＮＨ２’／１００）×Ｑｏｕｔ  ・・・  式（２）
【００９１】
また、微小時間前のアノード内部の水素濃度ＣＯＮＨ２’の初期値は、初回のＯＣＶパージを開始する前のアノード内部の水素濃度であり、初回のＯＣＶパージを実施するまでに燃料電池システムを停止していた時間に基づき、図１５に示されるアノード内部水素濃度マップを参照して算出する。燃料電池システムを停止していた時間とアノード内部の水素濃度は一定の関係があり、燃料電池１のセルの仕様によって異なるので、予め使用する燃料電池１に応じたアノード内部水素濃度マップを実験等により求めておく。
【００９２】
次に、式（３）に基づいて、微小時間前の水素量ＭＨ２’とアノード内部の水素の変化量ｄＭ／ｄｔを加算して、ＯＣＶパージ終了後の水素量ＭＨ２を算出する。
ＭＨ２＝ＭＨ２’＋ｄＭ／ｄｔ  ・・・  式（３）
なお、初期値としての水素量ＭＨ２’は初期のアノード内部の水素濃度ＣＯＮＨ２とアノード体積Ｖから算出する。
次に、式（４）の状態方程式に基づいて、初回のＯＣＶパージ終了時における燃料電池１のアノード出口圧力ＰＨ２ＳＴＫＩＮとアノード出口温度Ｔから、初回のＯＣＶパージ終了時にアノードに存在するガスの全体の物質量を計算する。
Ｍ＝（ＰＨ２ＳＴＫＩＮ）×Ｖ／（Ｒ×Ｔ）  ・・・  式（４）
次に、式（５）に基づいて、ＯＣＶパージ終了時のアノード水素濃度ＣＯＮＨ２を算出する。
ＣＯＮＨ２＝（ＭＨ２／Ｍ）×１００  ・・・  式（５）
【００９３】
図１６に、実施例８において用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、推定アノード水素濃度（図１４では推定内部水素濃度と記す）が９０％を越える領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、推定アノード水素濃度が９０％以下の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。但し、閾値である推定アノード水素濃度９０％は一例であり、これに限るものではない。
【００９４】
また、置換不足領域には、推定アノード水素濃度に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量を算出するためのマップが記載されている。ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、推定アノード水素濃度が小さくなるにしたがって大きくなるように設定されている。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムにより予め定められるものであり、希釈器１１の容量等も考慮して設定されている。この図１６に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【００９５】
実施例８におけるＯＣＶパージ制御を、図５のフローチャートを援用して説明すると、ステップＳ２０１，Ｓ２０２は実施例２の場合と同じであり、ステップＳ２０３において、推定アノード水素濃度を計算し、ステップＳ２０４において、計算された推定アノード水素濃度に基づき図１６マップを参照して、ＯＣＶパージの再実施が必要か否かを判定するとともに、再実施が必要と判定された場合には再実施時のパージ量を算出する。
【００９６】
ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換は十分でＯＣＶパージの再実施不要であるという場合には、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
また、ステップＳ２０４における判定結果が、ガス置換が不足でＯＣＶパージの再実施が必要であるという場合には、ステップＳ２０５に進み、燃料電池１から電流を引かない状態でパージ弁２１を開いて、算出された前記パージ量だけＯＣＶパージを再実施し、本ルーチンの実行を一旦終了する。その後、燃料電池システムは、燃料電池１の発電運転に移行する。
【００９７】
この実施例８の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく適正に行われることとなり、燃料電池１のアノードを含み燃料供給流路１７およびアノードオフガス流路１８が新たな水素に十分に置換されるので、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止することができ、発電運転に移行したときに安定した発電を行うことができる。
【００９８】
なお、実施例１における初回のＯＣＶパージ終了直後の燃料電池１のアノード電位と、実施例２から実施例８における初回のＯＣＶパージ終了時に燃料電池１から排出されるガスの水素濃度の計測値または推定値の両方を用いて、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かを判定することも可能である。図１７は、このようにした場合に用いられるＯＣＶパージ再実施判定マップの一例を示す。このマップでは、アノード電位が第１の所定値より下回るとともに、燃料電池１から排出されるガスの水素濃度が第２の所定値より上回る領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、これ以外の領域、すなわち、アノード電位が前記第１の所定値以上と燃料電池１から排出されるガスの水素濃度が前記第２の所定値以下の少なくともいずれか一方を満足する領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）としている。なお、ＯＣＶパージ再実施時のパージ量は、アノード電位または燃料電池１から排出されるガスの水素濃度に基づいて算出することができる。
【００９９】
さらに、実施例２から実施例６では、燃料電池１から排出されるガスの水素濃度を用いていたが、ガスクロマトグラフ等による高純度ガスの計測が可能な水素濃度測定機器を使用可能な場合には、アノードオフガス流路１８に、または燃料供給流路１７であってアノードオフガス流路１８の合流箇所よりも下流の位置に、水素センサ２８（燃料濃度確認手段、図４参照）を配置して水素濃度を計測し、確認し、この水素濃度値を用いてＯＣＶパージの適正化に利用してもよい。
【０１００】
すなわち、初回のＯＣＶパージ終了時に燃料電池１から排出され循環するガスの水素濃度を計測し、この水素濃度の計測値を、初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われたか否かの判定に用いる。この判定は、例えば、実施例２で排出水素濃度値を用いた判定と入れ替えて利用することができる。
【０１０１】
初回のＯＣＶパージで十分なガス置換が行われた場合には、初回のＯＣＶパージ終了後に燃料電池１から排出され循環するガスの水素濃度は１００％に近く、ガス置換が不十分な場合にはガスの水素濃度は低下する。このことから、図１８のＯＣＶパージ再実施判定マップの一例で示すように、計測水素濃度（燃料電池１から排出され循環するガスの水素濃度）が９０％を越える領域を、ガス置換が十分に行われておりＯＣＶパージの再実施を不要とする領域（置換完了領域）とし、計測水素濃度が９０％以下の領域を、ガス置換が不足でありＯＣＶパージの再実施を必要とする領域（置換不足領域）として用いることができる。
【０１０２】
図１８に示すＯＣＶパージ再実施判定マップの置換不足領域には、計測水素濃度に基づいてＯＣＶパージ再実施時のパージ量（ガス置換量）を算出することができるようにマップが記載されている点は、図６と同様である。このマップ上のパージ量は、個々の燃料電池システムによりテスト等で予め定められるものであり、図１８に示されるＯＣＶ再実施判定マップが予め制御装置３０の記憶部に記憶されている。
【０１０３】
こうした判定方法を用いた燃料電池システムによれば、燃料電池を循環する水素の濃度を空気で希釈しない状態で直接計測していることから、燃料電池システムの起動時に、ＯＣＶパージが不足なく、よりいっそう適正に行われることとなる。したがって、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化をさらに防止することができ、発電運転に移行したときにもことさら安定した発電状態を得ることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１  燃料電池
１４  参照電極（アノード電位計測手段）
１７  燃料供給流路（燃料流路）
１８  アノードオフガス流路（燃料流路）
２０  遮断弁（燃料流路ガス置換手段）
２１  パージ弁（燃料流路ガス置換手段）
２５  電圧センサ（電圧計測手段）
２６  水素フローメータ（燃料供給量計測手段）
２７  差圧センサ（燃料差圧計測手段）
２４，２８  水素センサ（燃料濃度確認手段）
３０  制御装置（制御部）
３２  水素ポンプ（燃料ポンプ）
３３  消費電力計測手段
【図１】
2012004032.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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