(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される水素ガスあるいは水素含有ガスと、カソードに供給される酸素ガスあるいは酸素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、アノード側の排ガスを選択的に系外に排出する弁手段と、アノードガス中の不純ガスをパージするときに、燃料電池の負荷電流をアノードガス中の水素ガス量を消費させる目標値に制御しつつ、燃燃料電池の発電を継続しながらアノード側の排ガスを系外に排出させ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】
前記弁手段は、アノード側の排ガスをアノードガス供給系に循環させる系路と、系外に排出させる系路とに選択的に切り替える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記弁手段は、アノード側の排ガスを遮断する系路と、系外に排出させる系路とに選択的に切り替える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
水素分離装置により分離された水素ガスを前記アノードガスとして供給する請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、アノードガスに含まれる不純ガスの濃度が許容値を越えたことを判定したら前記パージを行う請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記不純ガスの濃度の判定は、燃料電池の発電特性を基準値と比較して行う請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値が、アノードガス中の水素が消費される電流値またはそれ以上の電流値となるように制御する請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
水素が消費される電流値は、アノードに流入する水素流量に基づいて算出される請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値を、燃料電池セルの拡散過電圧による電圧降下が顕著となる領域の電流値にまで増大させるように制御する請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値を、燃料電池セルの電圧が所定の低電圧となる領域の電流値にまで増大させるように制御する請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記パージ発電時に、燃料電池の正極と負極とを電気的に短絡させる請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記パージ時に燃料電池に対するアノードガスの供給を遮断した状態でアノード側の系路内に残存する水素ガス量を算出し、算出された水素ガス量を消費するために燃料電池から取り出さねばならない電荷量を算出し、パージ時の負荷電流の積分値が上記電荷量と一致するまで前記パージ発電を行う請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記弁手段の切り替えにより系外に排出される排ガスは燃料電池のカソード側に供給される酸素ガスに混入される請求項１〜12のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記アノードの上流側に第２の弁手段を設け、この第２の弁手段より前記パージ時にアノードガスの供給量を減少または供給を停止する請求項１〜13のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素系燃料を改質して水素リッチガスを生成し、この水素と酸素との電気化学反応により発電を行う燃料電池システムがある。特開２００１−２３６７３号公報によれば、このような燃料電池システムにおいて、水素透過膜を用いた水素分離装置により水素を分離してアノードガスとして燃料電池に供給している。このような燃料電池システムでは、燃料消費率を向上させる目的などから、燃料電池より排出される未反応のアノードガスは再び燃料電池の反応ガスとして用いるべく、燃料電池の上流に循環させるように構成できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが実際の水素分離膜には、製法上ピンホールを生じることが避け難く、水素分子よりも大きな一酸化炭素、メタン、二酸化炭素など不純ガスの一部を透過してしまうという問題がある。燃料電池から排出される未反応のアノードガスを循環させる場合、燃料電池では水素だけが消費され、供給ガス中に混在していた不純ガスは循環系内に蓄積されることになるので、燃料電池の運転時間が増えるほど循環系内の不純ガス濃度は増大する。不純ガス濃度の増大はアノードガス中の水素分圧を低下させ、燃料電池の発電効率を悪化させるだけでなく、不純ガスに一酸化炭素が含まれる場合には、一酸化炭素が電極上の触媒と結合（被毒）する確率を高め、水素のイオン化反応を阻害して燃料電池の性能に顕著な悪影響を与えることにもなりかねない。
【０００４】
これらの問題は改質ガスを生成して供給する燃料電池システムに限ったことではなく、タンクに貯蔵された水素ガスを供給する燃料電池システムにおいても、工業的に１００％の純度をもった水素を生産することが不可能であることからも生じる問題である。さらに不純ガスの濃度増大の原因は、不純ガスがアノードガスに混ざって流入することにあるだけでなく、微量ではあるもののカソードガス成分が電解質膜を通してアノードに流入することが原因となることもあり、不活性ガスの窒素が蓄積することがある。またガスを加湿したことにより存在する水蒸気も水素分圧を低下させることになる。
【０００５】
これらの不純ガスを大気開放してパージする場合、多量の水素が一緒に排出されることになるため燃費が悪化するとともに、可燃ガスである水素を例えば燃焼させる等して不燃化処理するために追加的な設備を必要としていた。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、不純ガスをシステム系内から外部に排出するときに、システム構成を複雑化することなく、かつ水素の排出をできるだけ減じることを可能とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、アノードに供給される水素ガスあるいは水素含有ガスと、カソードに供給される酸素ガスあるいは酸素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、アノード側の排ガスを選択的に系外に排出する弁手段と、アノードガス中の不純ガスをパージするときに、燃料電池の負荷電流をアノードガス中の水素ガス量を消費させる目標値に制御しつつ、燃料電池の発電を継続しながらアノード側の排ガスを系外に排出させる制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記弁手段は、アノード側の排ガスをアノードガス供給系に循環させる系路と、系外に排出させる系路とに選択的に切り替える。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記弁手段は、アノード側の排ガスを遮断する系路と、系外に排出させる系路とに選択的に切り替える。
【００１０】
第４の発明は、第１から第３の発明において、水素分離装置により分離された水素ガスを前記アノードガスとして供給する。
【００１１】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記制御手段は、アノードガスに含まれる不純ガスの濃度が許容値を越えたことを判定したら前記パージを行う。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、前記不純ガスの濃度の判定は、燃料電池の発電特性を基準値と比較して行う。
【００１３】
第７の発明は、第１から第６の発明において、前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値が、アノードガス中の水素が消費される電流値またはそれ以上の電流値となるように制御する。
【００１４】
第８の発明は、第７の発明において、水素が消費される電流値は、アノードに流入する水素流量に基づいて算出される。
【００１５】
第９の発明は、第１から第６の発明において、前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値を、燃料電池セルの拡散過電圧による電圧降下が顕著となる領域の電流値にまで増大させるように制御する。
【００１６】
第１０の発明は、第１から第６の発明において、前記制御手段は、前記パージ発電時の負荷電流値を、燃料電池セルの電圧が所定の低電圧となる領域の電流値にまで増大させるように制御する。
【００１７】
第１１の発明は、第１から第６の発明において、前記制御手段は、前記パージ発電時に、燃料電池の正極と負極とを電気的に短絡させる。
【００１８】
第１２の発明は、第１から第６の発明において、前記制御手段は、前記パージ時に燃料電池に対するアノードガスの供給を遮断した状態でアノード側の系路内に残存する水素ガス量を算出し、算出された水素ガス量を消費するために燃料電池から取り出さねばならない電荷量を算出し、パージ時の負荷電流の積分値が上記電荷量と一致するまで前記パージ発電を行う。
【００１９】
第１３の発明は、第１から第１２の発明において、前記弁手段の切り替えにより系外に排出される排ガスは燃料電池のカソード側に供給される酸素ガスに混入される。
【００２０】
第１４の発明は、第１から第１３の発明において、前記アノードの上流側に第２の弁手段を設け、この第２の弁手段より前記パージ時にアノードガスの供給量を減少または供給を停止する。
【００２１】
【作用・効果】
第１から第４の発明によれば、アノードガス中の不純ガス、たとえば一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどを排除するパージ時には、水素ガスが発電反応により消費されるため、排ガス中に水素がほとんど含まれず、水素を除去するためのシステムを簡略化でき、また、水素を発電反応により処理するので、燃料の無駄がなく、燃費効率が高められる。
【００２２】
第５、第６の発明によれば、不純ガスの濃度を的確に判断し、パージ処理を行うので、常に良好な発電効率を維持することができる。
【００２３】
第７、第８の発明によれば、パージ発電により、アノードガス中に含まれる水素の全量または大部分を消費することができ、外部に排出される水素量をそれだけ減らすことができる。
【００２４】
第９、第１０の発明によれば、パージ発電時の負荷電流を燃料電池のセル電圧に基づいて適切に設定し、水素を確実に発電反応によって消費し、外部に排出される水素量を確実に減らすことができる。
【００２５】
第１１の発明によれば、パージ発電時の負荷電流値を簡単な構成によって増大させることが可能で、水素を発電反応により的確に消費できる。
【００２６】
第１２の発明によれば、パージ発電時に、アノードガス中に含まれる水素の全量または大部分をほぼ確実に消費することが可能で、また、水素が無いのに電流を取り出すことによる燃料電池の損傷も確実に防止できる。
【００２７】
第１３の発明によれば、アノード側の排ガスをカソード側に循環させて反応させるので、不純ガスなどを確実に無害化してから排出することも可能となる。
【００２８】
第１４の発明によれば、パージ発電時の水素ガスの供給量を減らすことにより、パージに必要な発電反応のみを行うことができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１において、１は燃料電池であり、通常は複数のセルが積層されて構成されるスタックであるが、図では模式的に、水素が供給されるアノード１ａ、酸素が供給されるカソード１ｃ、及びこれらの間に配置される電解質１ｂのみが示されている。
【００３１】
アノード１ａに供給する水素ガスを生成するために改質器２が備えられ、含水素化合物（たとえばエタノール、ガソリンなどの炭化水素燃料）を水素リッチな改質ガスに改質する。改質器２の下流には改質ガスから水素のみを取り出すための水素分離装置３が配置される。
【００３２】
水素分離装置３は上流室３ａと下流室３ｂとが水素透過膜３ｃで隔てられ、水素ガスのみを水素透過膜３ｃを通して下流室３ｂに流入させる。水素透過膜３ｃは、たとえばパラジウムの薄膜で構成され、水素分子をいったんプロトンにイオン化して透過させるか、あるいは他の気体分子よりも小さい水素分子のみをふるいのように分離して透過させるメカニズムであり、理想的には純水素のみが下流室３ｂに流入するはずである。しかし、実際の水素透過膜は製造時にピンホールが発生しやすく、このピンホールを通して微量ではあるが、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの不純ガスも下流室３ｂに流入する。
【００３３】
水素分離装置３の上流室３ａの水素濃度の低下したガスは、図示しないが、廃熱を回収したり、改質器２を加熱するための燃料として用いられたのち、燃料電池システムの外部に排出される。
【００３４】
また、水素分離装置３の下流室３ｂの高濃度の水素ガスは、燃料電池１のアノード１ａに供給され、カソード１ｂに供給される含酸素ガス（主に空気）と反応して発電を行う。アノード側に供給された高濃度の水素ガスは発電反応により全部が消費されるわけではなく、余剰のガスとして排出される。
【００３５】
この余剰の水素ガスを再度燃料電池１に供給するために、アノード１ａの出口側には三方弁４が配置され、排ガスを循環通路５を介してアノード１ａの入口側、この例では水素分離装置３の下流室３ｂに導く。
【００３６】
また、三方弁４は水素ガス中の不純ガスである一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの濃度が許容値を超えたときには、後述するコントローラ１０からの信号により切り替わり、排ガスを排気通路６に導く。このとき、排ガス中に含まれる水素ガスを極力減らすために、コントローラ１０により燃料電池１の負荷電流が増加され、水素ガスのほとんどを発電のために消費する。
【００３７】
また、前記改質器２と水素分離装置３との間には改質ガスの流量を制御する流量調整弁７が設けられ、これについてもコントローラ１０が制御を行うようになっている。
【００３８】
燃料電池システムの通常運転時には、燃料電池１は水素分離装置３から供給される高濃度水素ガスにより発電が行われる。燃料電池１のアノード１ａから排出される余剰の水素ガスを含む排ガスは、三方弁４により循環通路５に導かれ、再び燃料電池１のアノード１ａに循環される。
【００３９】
水素分離装置３により分離された水素ガスには微量の一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの不純ガスを含むが、アノード側で発電反応により消費される成分は水素ガスのみであるため、循環ガス中に含まれる不純ガスの濃度は運転時間の経過に伴い高くなっていく。
【００４０】
アノード側のガス全圧が、ある所定値を越えないという条件で発電を行うとして、不純ガスの濃度が高まるにつれて水素ガスの分圧が低下し、燃料電池１の発電効率が低下する。また、不純ガスのうち一酸化炭素はアノード１ａの電極触媒を被毒させるため、これによっても発電効率の低下を招く。
【００４１】
この燃料電池の性能低下の現象を、図２に示す、燃料電池性能の代表的なグラフであるＩ−Ｖ特性曲線により説明する。
【００４２】
図の横軸には燃料電池の負荷電流を反応面の面積で割った電流密度を、縦軸にはセル電圧（１セル）をとり、全負荷運転状態のときのこれらの値をＩ−Ｖカーブ（特性曲線）として示す。なお、このＩ−Ｖカーブは運転温度、圧力により若干異なった値をとる。
【００４３】
ここで、Ｗ１は純粋な水素ガスが供給されているときの初期状態の燃料電池特性であり、運転時間の経過に伴い、不純ガスの濃度が高くなるに従って燃料電池性能は低下し、これらを順次、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４として示す。
【００４４】
なお、セル電圧は電流密度がゼロのときに最大となり、電流密度が高くなるにつれて低下し、とくに電流密度が高い領域において電圧の降下が顕著となる。これは電極表面への反応ガスの供給が追いつかず、電極表面の反応ガス分圧が低下することによるもので、拡散過電圧による電圧降下と称される。
【００４５】
このように運転時間の経過と共に低下した燃料電池１の性能を回復するために、コントローラ１０により三方弁４を排気通路６側に切り替えて、水素ガス中の不純ガスを外部に排除するパージを行う。ただし、このときに水素ガスも一緒に外部に排出されるのを防ぐために、コントローラ１０は三方弁４を切り替えている間は、燃料電池１の負荷電流を高い値に維持して、アノード１ａに供給される水素ガスのほとんどが発電のために消費されてしまうようにする。
【００４６】
コントローラ１０で実行されるこの不純ガスのパージ制御について図３のフローチャートにしたがって説明する。
【００４７】
まず、ステップＳ２において、燃料電池システムが運転を開始し、通常運転モードに入る。この状態では三方弁４は循環通路５に排ガスを導き、アノード側に循環させる。ステップＳ３ではアノード側に供給される水素ガス中に含まれる不純ガスの濃度が許容値内がどうか判断し、許容範囲内ならば通常運転モードを維持する。
【００４８】
不純ガス濃度の判定ロジックとしては、たとえば燃料電池１の電流値と電圧値とを監視し、図２のＩ−Ｖカーブと比較し、ある電流密度におけるセル電圧が、許容値である、たとえばＷ４の特性値よりも高いときは、不純ガス濃度は許容範囲内と判定する。
【００４９】
セル電圧が低下し、ステップＳ３で不純ガス濃度が許容値よりも高いと判定されたときは、ステップＳ４に進んでパージ運転モードに入る。
【００５０】
パージ運転モードに移行すると、まずステップＳ５で三方弁４を排気通路６側に切り替え、アノード１ａからの排ガスを排気通路６へと導く。次いで、排ガス中の水素濃度を減少させるために、燃料電池１の負荷電流を上げて水素消費量を増やすのであるが、このためには、まずステップＳ６で目標とする電流値を算出するが、この目標電流値はたとえば、アノード側に流入する水素ガス量に基づいて決められる。
【００５１】
改質器２から水素分離装置３を経由してアノード１ａに供給される水素ガスのモル流量をｎ（ｍｏｌ／ｓ）とすると、このとき流入するすべての水素を燃料電池で消費するために必要な負荷電流値は、理論上、２ｎＦ（Ａ）と計算される。ここで、Ｆはファラディー定数である。
【００５２】
ステップＳ７で負荷電流を所定値だけ増加し、ステップＳ８で負荷電流を目標電流値と比較しながら、目標値と一致するまで負荷電流を増やす。電流値が目標値に達したならば、ステップＳ９で予め設定した待ち時間を発生させ、その状態を維持したまま、この待ち時間内に不純ガスを含む排ガスを三方弁４から排気通路６へと排出する。
【００５３】
このようにすると、パージ運転時に燃料電池１より排気通路６に排出されるガスは、水素ガスがほとんど消費された、不純ガスを主体とする排ガスとなり、このため特別な燃焼器などを設けなくてもよく、あるいは簡略化することが可能となる。また、水素ガスは発電反応に用いられるので、無駄に外部に捨てたり、あるいは燃焼処理したりするのに比較して燃料の消費効率もよい。
【００５４】
ところで、上記パージ制御にあっては、流量調整弁７の開度をそのままにしているので、パージ運転時にも通常運転時と同等のガス量が燃料電池１に流れ、この慣性力により不純ガスが排出される。ただし、水素を消費するために負荷電流として大電流を取り出す必要があるが、電気回路の耐電流値を低く抑えたいときは、パージ運転のときに流量調整弁７の開度を絞り、燃料電池１に供給されるガス量を減らすこともできる。
【００５５】
この場合には、パージ運転に移行したら、ステップＳ５で三方弁４を切り替えると共に、流量調整弁７の開度を絞り込む。そして、このときのガス流量に応じて目標電流値を決めればよい。この場合、目標とする電流値がガス流量を絞る前よりも低くなることもありうるが、パージ運転時の目標電流値はあくまでも水素ガスを消費するために必要な電流値であり、パージ直前の運転時に比較して電流値が低くなったとしても、本発明の主旨とは矛盾しない。
【００５６】
なお、流量調整弁７はアノード１ａの上流側であれば、改質器２と水素分離装置３との間ではなく、他の部位に配置することもできる。
【００５７】
次に図４によって第２の実施形態を説明する。この例では、パージ運転での目標電流値の設定の方法のみが前記第１の実施形態と異なる。
【００５８】
ステップＳ６ａで目標電流値を決めるのに、ガス流量から電流値を算出するのではなく、電池性能に基づいて予めＲＯＭに設定された値を読み込んで電流値を算出している。
【００５９】
この予め設定された目標電流値は、燃料電池セルの拡散過電圧の傾向に基づいて決められる。図２のＩ−Ｖカーブにおいて拡散過電圧よってセル電圧が急激に低下する領域は、反応ガスが電極面に十分に供給されていない状態であり、換言すると、反応ガスがほとんど消費されつくしている状態である。したがってこの拡散過電圧による電圧降下が顕著となる領域までパージ運転時の電流値を高めれば、所望の水素消費効果が得られる。
【００６０】
このために、不純ガス濃度が許容値まで増大したときの、図２のＩ−ＶカーブにおいてＷ４として示す特性を基準にして、拡散過電圧の効果が大きくなる領域の電流値Ｃ１を目標電流値としている。
【００６１】
ただし、上記したように、流量調整弁７により水素ガスの供給量を低下させるときには、拡散過電圧が顕著となる領域は低電流密度側にシフトし、Ｗ４’となり、この場合には、そのときの電流値Ｃ２が目標電流値となる。
【００６２】
この実施の形態ではパージ運転時の目標電流値は予め実験的にＩ−Ｖ特性を測定した結果に基づいて設定しているが、運転時にリアルタイムに設定することも可能である。このときには、高電流密度側まで負荷電流を増大させたときのセル電圧の傾向（すなわちＩ−Ｖカーブ）をメモリに随時設定しておき、この記憶された特性に基づいて同様にして目標電流値を算出すればよい。
【００６３】
図５に第３の実施形態を示す。
【００６４】
この実施形態もパージ運転時の目標電流値の設定の方法のみが上記と異なるものであり、セル電圧を監視しながら電流値をフィードバック制御している。
【００６５】
ステップＳ５までは第１、第２の実施形態と同じであり、ステップＳ６ｂ１で負荷電流を所定値だけ増加させ、ステップＳ６ｂ２でセル電圧を予め設定した値である、たとえば０．５Ｖと比較し、セル電圧が設定値よりも高ければ、それ以下になるまで負荷電流を所定値だけ増やす動作を繰り返す。
【００６６】
セル電圧は、燃料電池１のアノード１ａに流入した水素がほとんど消費され、拡散過電圧による電圧降下が発生したときのセル電圧値であり、この実施形態では典型的な燃料電池の特性に基づき０．５Ｖとしてある。もちろんこの電圧値は燃料電池の特性に対応して任意に設定されうる。
【００６７】
図６、図７により第４の実施形態を説明する。
【００６８】
図６は基本的には図１と同じであるが、模式的に図示された燃料電池１は、他のセル積層部として、１ｄ、１ｅが、さらに電流を取り出すための金属端子２０ａ、２０ｂが示されている。
【００６９】
金属端子２０ａ、２０ｂと回路２１を介して電気負荷２２が接続され、さらにこの電気負荷２２と並列に短絡回路２３が接続され、この短絡回路２３にはスイッチ２４が介装される。電気負荷は車両用の燃料電池システムにあっては、走行用モータを制御するインバータであり、バッテリの充電器であり、あるいはそれらやその他の補機を制御するためのパワーマネージャを含めたシステム一式であったりする。
【００７０】
そして、本実施形態では、パージ運転時にスイッチ２４を閉成することにより、負荷電流値を一時的に増大させるようになっている。
【００７１】
図７に示すように、ステップＳ５までは既に述べた他の実施形態と同じであるが、ステップＳ６ｃにおいて、スイッチ２４を閉じることにより、負荷電流を増加させ、それにより燃料電池１での水素の消費量を増やし、排ガス中にほとんど水素が含まれることのないようにする。
【００７２】
なお、ステップＳ７では、待ち時間を設定しているが、水素が消費されて燃料電池のセル電圧が十分に降下し、電流値も降下するのを検出してから次のステップ進むようにしてもよい。
【００７３】
なお、スイッチ２４を閉じることにより流れる電流値が大きくなり過ぎ、電気回路や燃料電池の不具合が懸念される場合には、スイッチ２４と直列に抵抗を挿入して電流値を抑制することもできる。
【００７４】
次に図８に示す第５の実施形態を説明する。
【００７５】
基本的には上記各実施形態と同じ構成であるが、三方弁４の下流の排気通路６を外部に接続するのではなく、燃料電池１のカソード１ｃに空気を供給する通路３１にエジェクタ３２を介して接続する。これによりパージ運転時の排ガスをエジェクタ３２を利用して空気中に還流し、カソード１ｃ側で酸化させる。
【００７６】
パージ運転時にアノード１ａから排出するガス中の水素濃度は低いが、このように排ガスをカソード１ｃ側に循環し、空気と混合しながら酸化することで不燃状態で外部に排出させることができる。
【００７７】
このための制御について図９によって説明する。
【００７８】
ステップＳ２４でパージ運転モードに入ったら、ステップＳ２５で流量調整弁７を閉じ、アノード１ａへのガスの供給を停止する。
【００７９】
ステップＳ２６でアノードガス循環系路内に残存する水素ガスのモル量を算出する。残存水素ガスのモル量は、既知のアノードガス循環系路の容積（水素分離装置３の下流室３ｂ、燃料電池１のアノード１ａ、循環通路５、その他の配管などの容積合計）と、水素分圧との積で求められる。ここで水素分圧は直前の燃料電池の運転状態におけるセル電圧、アノードガス循環系の圧力（全圧）から推定可能である。
【００８０】
ステップＳ２７でパージ運転時にとりだせる目標電荷量を算出する。この目標電荷量は、ステップＳ２６で求めた残存水素ガスのモル量にファラディー定数を乗じることで求められる。
【００８１】
次にステップＳ２８で燃料電池の負荷電流値を決定するが、これは予めパージ運転時の目標電流の時刻暦データを記憶させておくものとし、これをマップから読み出す。ステップＳ２９では電流値の時間積分を開始し、さらにステップＳ３０で負荷電流値をマップに指定された値に切り換える。
【００８２】
そして、ステップＳ３１で設定した所定の待ち時間を経過したら、ステップＳ３２で電流値の積分値とステップＳ２７で求めた目標電荷量を比較し、電流積分値の方が低ければ、ステップＳ３０に戻る。ステップＳ３０からステップＳ３２を繰り返すことにより、パージ運転中に目標電荷量と同じだけの電荷が負荷電流によって取り出されるまで、予め指定された時刻暦マップ通りの負荷電流値を制御する状態を継続する。
【００８３】
ステップＳ３２で所定の電荷量だけ放電が完了したと判断されると、ステップＳ３３で三方弁４を排気通路６側に切り替え、かつ所定の待ち時間を設定し、アノード側の排ガスをイジェクタ３２を介してカソード側の空気に混入する。このとき、ステップＳ３２までの放電制御によりアノードガス中に残存していた水素は、ほぼ１００％消費されており、アノード１ａからの排ガスはほとんどが一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの不純ガスだけとなる。そして、不純ガスのうちの一酸化炭素、メタンなどはカソード側で空気と混合され、酸化することにより無害なガスとしてカソード側の排気ラインから排出され、また仮にアノードガス中に水素が含まれていたとしても、カソード側で酸化されて不燃状態で排出される。
【００８４】
所定の待ち時間が経過したらステップＳ３４で三方弁４を通常運転時の位置に切り替え、ステップＳ３５で電流積分値をクリアし、ステップＳ３６で通常運転に復帰させる。
【００８５】
本実施の形態では、パージ運転中もアノード上流から水素ガスを供給する場合とは異なり、完全にアノードガスを遮断するので、アノードガスを大気に直接的に放出する場合には、排ガスの圧力に依存せざるを得ないが、イジェクタ３２を利用して空気の供給量に応じた吸引力を作用させるので、残存排ガスを確実にカソード側に導入することができる。
【００８６】
なお、電流値を積分して目標電荷量と比較することでパージ運転時の水素の完全消費を判定しているが、第１の実施の形態と同じように負荷電流を設定するシステムにも適用できることは言うまでもない。
【００８７】
次に上記の各実施形態では、改質器２により生成した改質ガスを燃料電池に供給するシステムであるが、タンクに貯蔵した純水素を直接的に燃料電池に供給するシステムについても本発明を適用することはできる。
【００８８】
純水素ガスを供給する場合でも、電解質膜を透過してカソード側の反応ガスである空気中の窒素などが微量づつではあるが、アノード側に移動することにより、運転時間の経過と共に不純ガスの濃度が高まり、同じような問題が生じる。
【００８９】
図１０によって純水素ガスを直接的に燃料電池に供給する場合の第６の実施形態を説明する。
【００９０】
水素タンク４１に貯蔵された水素ガスが圧力レギュレータ４２で調圧され、流量調整弁７、エジェクタ４３を介してアノード１ａに供給される。燃料電池１のアノード側の排ガスは、三方弁４から循環通路５を経由してエジェクタ４３に戻される。
【００９１】
そして、この場合にも、不純ガスの濃度が許容値を越えたならば、上記各実施形態と同じように、パージ運転モードに移行し、燃料電池の負荷電流をかけながら不純ガスのパージを行うのである。
【００９２】
また、図１１に示す実施形態は、アノード側の排ガスの循環系統がなく、いわゆる行き止まりの系路が構成されているものである。
【００９３】
燃料電池１のアノード１ａの出口側には開閉弁４４が設けられ、開閉弁４４が閉じているときには、アノード排ガスは外部に放出されることはない。アノード１ａでの水素ガスの利用率を１００％とすることで、発電反応により常に供給された水素ガスの全部が消費されるように水素ガス供給量が制御されるようになっている。
【００９４】
この場合にも、上記のとおりカソード側からアノード側に漏れ出る不純ガスがあり、また水素タンク４１から供給される水素ガスにも不純ガスが含まれる可能性が否定できないため、系内の不純ガス濃度が許容値に達したならば、パージ運転モードに移行し、このときには開閉弁４４を開いて排ガスを外部に排出し、燃料電池の発電効率を回復させるのである。
【００９５】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成図である。
【図２】燃料電池の代表的な性能曲線であるＩ−Ｖ特性図である。
【図３】第１の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図５】第３の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図６】第４の実施形態の概略構成図である。
【図７】第４の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図８】第５の実施形態の概略構成図である。
【図９】第５の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図１０】第６の実施形態の概略構成図である。
【図１１】第７の実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
１ａ  アノード
１ｃ  カソード
２  改質器
３  水素分離装置
３ａ  上流室
３ｂ  下流室
３ｃ  水素透過膜
４  三方弁
５  循環通路
６  排気通路
７  流量調整弁
１０  コントローラ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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