(57)【要約】【課題】燃料電池の内部に燃料ガスを止めた状態で運転可能な燃料電池システムに関し、不純物の蓄積に起因する燃料電池性能の低下を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数の単位電池１２が積層されてなる燃料電池１０を有し、各単位電池１２の発電に供する燃料ガスを燃料電池１０の内部に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、不純物の蓄積に起因する異常が生じた場合に、各単位電池１２のアノードガス流路の下流側に連通するアノード出口マニホールド１６に燃料ガスを供給する。好ましくは、アノード入口マニホールド１４とアノード出口マニホールド１６を連通させる配管２４と、配管２４に配置されたバルブ２６と、を備え、不純物の蓄積に起因する異常が生じた場合に、バルブ２６を開弁する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電池の燃料ガス流路に連通する燃料ガス供給口を有し、前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガスを内部に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給口よりも下流側の前記燃料ガス流路に連通する第２の燃料ガス供給口と、
所定の条件の成立時に、前記第２の燃料ガス供給口から燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記単位電池が複数積層された燃料電池において、
前記第２の燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の下流側に連通する出口マニホールドであり、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に、前記出口マニホールドから燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の上流側に連通する入口マニホールドであり、
前記入口マニホールドと前記出口マニホールドを連通させる配管と、
前記配管の連通状態を切り替えるためのバルブと、を備え、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に前記バルブを開弁することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス供給手段が実行される場合に、前記燃料電池への燃料ガスの供給圧を増大させる供給圧増大手段を更に備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記出口マニホールドに燃料ガスを噴射するための複数のインジェクタを更に備え、
前記燃料ガス供給手段は、前記判定手段により前記異常が判定された場合に、前記異常が判定された単位電池に最も近い前記インジェクタから燃料ガスを供給することを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記単位電池が複数積層された燃料電池において、
前記第２の燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の中間部に連通する中間マニホールドであり、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に、前記中間マニホールドから燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の上流側に連通する入口マニホールドであり、
前記入口マニホールドと前記中間マニホールドを連通させる第２の配管と、
前記配管の連通状態を切り替えるための第２のバルブと、を備え、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に前記第２のバルブを開弁することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス供給手段が実行される場合に、前記燃料電池への燃料ガスの供給圧を増大させる供給圧増大手段を更に備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記中間マニホールドに燃料ガスを噴射するための複数の第２のインジェクタを更に備え、
前記燃料ガス供給手段は、前記判定手段により前記異常が判定された場合に、前記異常が判定された単位電池に最も近い前記第２のインジェクタから燃料ガスを供給することを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料ガス供給手段は、
前記各単位電池の電圧を取得する電圧取得手段と、
前記燃料ガス流路に不純物が蓄積することにより生じる異常を、前記電圧と所定の基準値との比較に基づいて判定する判定手段と、を含み、
前記判定手段により前記異常が判定された場合に、前記第２の燃料ガス供給口から燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
複数の単位電池が積層されてなる燃料電池を有し、各単位電池の発電に供する燃料ガスを前記燃料電池の内部に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部に形成され、各単位電池の燃料ガス流路の中間部に連通する中間マニホールドを備え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、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の内部に燃料ガスを止めた状態で運転可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００６−３５１３１８号公報に開示されるように、燃料電池内部での燃料ガス供給量のバラツキを抑制することのできる燃料電池システムが知られている。このシステムでは、燃料電池に設けられた複数の内部燃料ガス流路からの排ガスを再び複数の内部燃料ガス流路に循環させる処理を開始するとともに、循環を開始してから所定時間経過後に、複数の内部燃料ガス流路に対する燃料ガスの供給が開始される。排ガスの循環が行われると、複数の内部燃料ガス流路にガス流が発生する。このため、ガス流が発生した後に燃料ガスの供給を開始することにより、複数の内部燃料ガス流路内へ燃料ガスを良好に供給することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３５１３１８号公報
【特許文献２】特開２００６−１７２９３５号公報
【特許文献３】特開２００５−２２８４９１号公報
【特許文献４】特開２００６−１１４３７６号公報
【特許文献５】特開２００４−２２３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池内に燃料ガスを止めて運転し、発電によって消費された分の燃料ガスを燃料電池に供給するようにした燃料電池システム（以下、「デッドエンド型システム」と称する）が知られている。このデッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池を構成する各単位電池のアノードガス流路に窒素を主とした不純物が蓄積されていく。これらの不純物が膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）の表面を覆ってしまうと、電極触媒における起電反応が阻害されて、電圧の低下を招いてしまう。また、燃料ガスが一部の発電領域で不足する状態（以下、「水素欠」と称する）が発生すると、当該領域で異常電位が発生し、ＭＥＡの触媒を劣化させてしまうおそれもある。そこで、これらの不純物は、アノードガス流路から当該アノードガス流路に連通する出口マニホールド内へ排気されて、所望のタイミングで外部にパージされる仕組みになっている。
【０００５】
しかしながら、単位電池の圧力損失には個体差が存在する。このため、圧力損失の高い単位電池においては、不純物が出口マニホールドに良好に排気されない場合が想定される。このような状態が継続されると、単位電池内に多量の不純物が蓄積されて、所望の発電性能を得ることができないばかりか、水素欠による触媒劣化を招いてしまうおそれがある。
【０００６】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、不純物の蓄積に起因する燃料電池性能の低下を抑制することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、単位電池の燃料ガス流路に連通する燃料ガス供給口を有し、前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガスを内部に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給口よりも下流側の前記燃料ガス流路に連通する第２の燃料ガス供給口と、
所定の条件の成立時に、前記第２の燃料ガス供給口から燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
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、
前記単位電池が複数積層された燃料電池において、
前記第２の燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の下流側に連通する出口マニホールドであり、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に、前記出口マニホールドから燃料ガスを供給することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、
前記燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の上流側に連通する入口マニホールドであり、
前記入口マニホールドと前記出口マニホールドを連通させる配管と、
前記配管の連通状態を切り替えるためのバルブと、を備え、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に前記バルブを開弁することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、
前記燃料ガス供給手段が実行される場合に、前記燃料電池への燃料ガスの供給圧を増大させる供給圧増大手段を更に備えることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第２乃至第４のいずれか１つの発明において、
前記出口マニホールドに燃料ガスを噴射するための複数のインジェクタを更に備え、
前記燃料ガス供給手段は、前記判定手段により前記異常が判定された場合に、前記異常が判定された単位電池に最も近い前記インジェクタから燃料ガスを供給することを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、
前記第２の燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の中間部に連通する中間マニホールドであり、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に、前記中間マニホールドから燃料ガスを供給することを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第６の発明において、
前記燃料ガス供給口は、各単位電池の燃料ガス流路の上流側に連通する入口マニホールドであり、
前記入口マニホールドと前記中間マニホールドを連通させる第２の配管と、
前記配管の連通状態を切り替えるための第２のバルブと、を備え、
前記燃料ガス供給手段は、所定の条件の成立時に前記第２のバルブを開弁することを特徴とする。
【００１４】
第８の発明は、第７の発明において、
前記燃料ガス供給手段が実行される場合に、前記燃料電池への燃料ガスの供給圧を増大させる供給圧増大手段を更に備えることを特徴とする。
【００１５】
第９の発明は、第６乃至第７の何れか１つの発明において、
前記中間マニホールドに燃料ガスを噴射するための複数の第２のインジェクタを更に備え、
前記燃料ガス供給手段は、前記判定手段により前記異常が判定された場合に、前記異常が判定された単位電池に最も近い前記第２のインジェクタから燃料ガスを供給することを特徴とする。
【００１６】
第１０の発明は、第１乃至第９のいずれか１つの発明において、
前記燃料ガス供給手段は、
前記各単位電池の電圧を取得する電圧取得手段と、
前記燃料ガス流路に不純物が蓄積することにより生じる異常を、前記電圧と所定の基準値との比較に基づいて判定する判定手段と、を含み、
前記判定手段により前記異常が判定された場合に、前記第２の燃料ガス供給口から燃料ガスを供給することを特徴とする。
【００１７】
第１１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の単位電池が積層されてなる燃料電池を有し、各単位電池の発電に供する燃料ガスを前記燃料電池の内部に止めた状態で運転する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の内部に形成され、各単位電池の燃料ガス流路の中間部に連通する中間マニホールドを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明によれば、所定の条件の成立時に、燃料電池における第２の燃料ガス供給口から燃料ガスを供給することができる。第２の燃料ガス供給口に供給された燃料ガスは、濃度拡散により該燃料ガスの濃度の低い領域、すなわち、不純物が蓄積されている流路下流の領域に効率よく流れ込む。このため、本発明によれば、燃料ガス流路に不純物が蓄積されて燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、所定の条件の成立時に、燃料電池における燃料ガスの出口マニホールドに燃料ガスを供給することができる。燃料ガスの出口マニホールドに供給された燃料ガスは、濃度拡散により該燃料ガスの濃度の低い領域、すなわち、不純物が蓄積されている流路出口付近の領域に流れ込む。このため、本発明によれば、燃料ガス流路に不純物が蓄積されることにより、燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２０】
第３の発明によれば、出口マニホールドには、入口マニホールドに連通する配管が接続されている。また、当該配管には、連通状態の切り替えを行うためのバルブが配置されている。所定の条件が成立してバルブが開弁されると、入口マニホールドに供給された燃料ガスが当該配管を介して出口マニホールドへ流通する。このため、本発明によれば、簡易な構成で、出口マニホールドへ燃料ガスを供給することができる。
【００２１】
第４の発明によれば、出口マニホールドから燃料ガスを供給する場合に、燃料電池への燃料ガスの供給圧が増大される。このため、本発明によれば、入口マニホールドから出口マニホールドへの燃料ガスの流通の応答速度をより高めることができるので、燃料電池の性能が低下する事態を逸早く抑制することができる。
【００２２】
第５の発明によれば、出口マニホールドには、該出口マニホールド内に燃料ガスを噴射するための複数のインジェクタが配置されている。そして、出口マニホールドに燃料ガスを供給する場合に、異常が発生している単位電池に最も近いインジェクタから燃料ガスが噴射される。このため、本発明によれば、不純物が蓄積している領域に効率よく燃料ガスを供給することができるので、燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２３】
第６の発明によれば、所定の条件の成立時に、燃料電池における燃料ガスの中間マニホールドに燃料ガスを供給することができる。燃料ガスの中間マニホールドに供給された燃料ガスは、濃度拡散により該燃料ガスの濃度の低い領域、すなわち、不純物が蓄積されている流路出口付近の領域に流れ込む。このため、本発明によれば、燃料ガス流路に不純物が蓄積されることにより、燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２４】
第７の発明によれば、中間マニホールドには、入口マニホールドに連通する第２の配管が接続されている。また、当該第２の配管には、連通状態の切り替えを行うための第２のバルブが配置されている。所定の条件が成立して第２のバルブが開弁されると、入口マニホールドに供給された燃料ガスが当該第２の配管を介して中間マニホールドへ流通する。このため、本発明によれば、簡易な構成で、中間マニホールドへ燃料ガスを供給することができる。
【００２５】
第８の発明によれば、中間マニホールドから燃料ガスを供給する場合に、燃料電池への燃料ガスの供給圧が増大される。このため、本発明によれば、入口マニホールドから中間マニホールドへの燃料ガスの流通の応答速度をより高めることができるので、燃料電池の性能が低下する事態を逸早く抑制することができる。
【００２６】
第９の発明によれば、中間マニホールドには、該中間マニホールド内に燃料ガスを噴射するための複数のインジェクタが配置されている。そして、中間マニホールドに燃料ガスを供給する場合に、異常が発生している単位電池に最も近いインジェクタから燃料ガスが噴射される。このため、本発明によれば、不純物が蓄積している領域に効率よく燃料ガスを供給することができるので、燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２７】
第１０の発明によれば、単位電池の電圧と所定の基準電圧との比較に基づいて、燃料電池の異常有無が判定される。燃料ガス流路内に不純物が蓄積すると、単位電池の電圧が変化する。このため、本発明によれば、不純物の蓄積に起因する燃料電池の異常を精度よく判定し、当該不純物を拡散させることにより、燃料電池の性能が低下する事態を効果的に抑制することができる。
【００２８】
第１１の発明によれば、各単位電池における燃料ガス流路の中間部には、すべての単位電池の燃料ガス流路に導通する中間マニホールドが形成されている。このため、本発明によれば、中間マニホールド以降の燃料ガス配流を均一にすることができるので、燃料ガス流路の出口に不純物が蓄積する事態を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面に基づいてこの発明の幾つかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３０】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本実施の形態１の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池１０によって発電して、その電力をモータ等の負荷装置に供給するシステムである。燃料電池１０は、複数の単位電池１２を積層し、その積層方向の両端を一対のエンドプレート（図示せず）で挟んで構成されている。単位電池１２は、図示は省略するが、膜電極接合体（ＭＥＡ）を一対の集電板で挟んだ構成になっている。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面には、カーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接するＭＥＡの間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス(例えば、水素ガス)の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。
【００３１】
本実施の形態１の燃料電池システムは、燃料ガスの供給／排気系の構成、特に、供給系の構成に特徴がある。以下、燃料ガスの供給／排気系の構成とその動作について詳細に説明する。尚、本実施の形態１において、空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それについての説明は省略する。
【００３２】
燃料電池１０には、高圧水素タンク等の燃料ガス供給源１８から燃料電池１０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管２０が接続されている。燃料ガス供給管２０の途中には、燃料ガス供給源１８から供給される燃料ガスの圧力を所望の圧力に調整するためのレギュレータ２２が配置されている。燃料電池１０には、レギュレータ２２で調圧された燃料ガスが供給される。燃料電池１０に供給された燃料ガスは、燃料電池１０内に形成されたアノード入口マニホールド１４によって、各単位電池１２のアノードに分配される。尚、燃料ガス供給管２０は、直接にはエンドプレート（図示せず）に接続され、エンドプレートに形成された連通孔を介してアノード入口マニホールド１４に連通している。
【００３３】
各単位電池１２の発電面におけるアノード側には、アノードガス流路（図示せず）が形成されている。アノードガス流路の形状や構成には特に限定はなく、例えば、セパレータの表面に溝を形成し、その溝をアノードガス流路としてもよい。また、導電性材料からなる多孔体層を設け、該多孔体層内の連続する気孔によってアノードガス流路を形成してもよい。
【００３４】
各単位電池１２のアノードガス流路の出口側は、燃料電池１０の内部に形成されたアノード出口マニホールド１６に連通している。燃料ガスのオフガスは、各単位電池１２のアノードガス流路からアノード出口マニホールド１６に集められて、所望のタイミングで排気管（図示せず）から排出される。
【００３５】
本実施の形態１の燃料電池１０には、図１に示すとおり、アノード入口マニホールド１４とアノード出口マニホールドとを連通させるための配管２４が接続されている。配管２４には、当該配管２４の連通を遮断／許容するためのバルブ２６が配置されている。
【００３６】
本実施の形態１の燃料電池システムは、制御装置２８を備えている。制御装置２８の入力部には、各単位電池１２の電位を検知するための電位センサ（図示せず）を含む各種の計測機器や検出機器が接続されている。電位センサは各単位電池１２にそれぞれ取り付けられている。また、制御装置２８の出力部には、レギュレータ２２やバルブ２６等のアクチュエータが接続されている。制御装置２８は、入力された各種情報に基づいて、アクチュエータ等の各種機器を駆動する。
【００３７】
[実施の形態１の特徴的動作]
次に、図２乃至図４を参照して、実施の形態１における特徴的動作について説明する。本実施の形態１における燃料電池システムは、燃料ガスを燃料電池１０の内部に止めた状態で運転する、いわゆるデッドエンド型システムである。デッドエンド型システムでは、アノード出口マニホールド１６と外部との連通を遮断した状態で発電が行われる。より具体的には、燃料電池の発電時には、燃料ガスの供給圧力が常に所望の値となるようにレギュレータ２２が制御される。そして、燃料電池１０内のアノードでは、必要量の燃料ガスが保持された状態が保たれる仕組みになっている。
【００３８】
ここで、デッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池１０を構成する各単位電池１２のアノードガス流路内に窒素を主とした不純物が蓄積されていく。これらの不純物がＭＥＡの表面を覆ってしまうと、電極触媒における起電反応が阻害されて、電圧の低下を招いてしまう。また、燃料ガスが一部の発電領域で不足する状態（水素欠）が発生すると、当該領域で異常電位が発生し、ＭＥＡの触媒を劣化させてしまうおそれもある。
【００３９】
図２は、アノードガス流路内の燃料ガス濃度を示す図である。尚、この図に実線Ｌ１で示す曲線は、圧力損失が正常な範囲の単位電池（以下、「正常セル」と称する）の燃料ガス濃度を、鎖線Ｌ２は、圧力損失が高い単位電池（以下、「高圧損セル」と称する）の燃料ガス濃度を、それぞれ示している。この図に示すとおり、高圧損セルの燃料ガス濃度は、正常セルのそれに比して、アノードガス流路の出口側において低くなっている。燃料ガス濃度が低下した部分では、アノード出口マニホールド１６へのガス流が生じ難くなる。このため、高圧損セルでは、窒素等の不純物がアノード出口マニホールド１６へ流出せずにアノードガス流路の出口付近に蓄積されてしまい、性能低下を引き起こしてしまう。
【００４０】
そこで、本実施の形態１の燃料電池システムでは、高圧損セルに不純物が蓄積された場合に、燃料ガスをアノード出口マニホールド１６から当該高圧損セルへ供給することとする。より具体的には、何れかの単位電池１２に不純物が蓄積されていると判断された場合に、バルブ２６を開弁することとする。図３は、高圧損セルにおけるアノードガス流路内の燃料ガス濃度を示す図である。尚、この図に鎖線Ｌ２は、バルブ２６を閉弁した状態における高圧損セルの燃料ガス濃度を、実線Ｌ３で示す曲線は、バルブ２６を開弁した状態における高圧損セルの燃料ガス濃度を、それぞれ示している。
【００４１】
この図に示すとおり、バルブ２６を開弁した場合の高圧損セルの燃料ガス濃度は、バルブ２６を閉弁した場合の高圧損セルのそれに比して、アノードガス流路の出口側において高くなっている。バルブ２６を開弁すると、アノード入口マニホールド１４へ供給された燃料ガスが、配管２４を介してアノード出口マニホールド１６へ供給される。アノード出口マニホールド１６へ供給された燃料ガスは、濃度拡散によって高圧損セルの不純物蓄積部へ流れ込む。このため、コンプレッサ等の圧入機器を必要とせず、高圧損セルに発生していた水素欠を効果的に解消することができる。
【００４２】
燃料電池１０に不純物の蓄積に起因する異常が発生しているか否かは、各単位電池１２の電位の変化に基づいて判断される。図４は、燃料電池１０における不純物の蓄積に起因する異常を判定するための方法を説明するための図である。単位電池１２のアノードガス流路に不純物が蓄積すると、係る領域における発電反応が阻害される。このため、単位電池１２の電位（以下、「セル電位」と称する）Ｖｃは正常時に比して低くなる。そこで、図４に示すとおり、セル電位Ｖｃが規定電位よりも一定量下回った時点(例えば、セル電位Ｖｃが規定電位の９５％以下となった時点等)で、当該単位電池１２において不純物の蓄積に起因する電位異常が発生していると判断することができる。
【００４３】
［実施の形態１における具体的処理］
図５は、この発明の実施の形態１において、制御装置２８が定常発電時に実行するルーチンを示すフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、待機時間ｔｓ１が経過するまで処理が待機される（ステップ１００）。待機時間ｔｓ１は、制御装置２８が燃料電池１０の定常運転時において、各単位電池１２のセル電位Ｖｃを検出する間隔として予め設定された時間が使用される。
【００４４】
次に、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが取得される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、各単位電池１２に設けられた電位センサの出力信号に基づいて、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが取得される。
【００４５】
次に、各単位電池１２に電位異常が発生しているか否かが判定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において取得された各単位電池１２のセル電位Ｖｃが、所定の判定値Ｖ１より小さいか否かがそれぞれ判定される。その結果、Ｖｃ＜Ｖ１の成立が認められた場合には、当該成立が認められた単位電池１２において、電位異常が発生していると判断されて、次にステップに移行し、バルブ２６が開放される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、バルブ２６が全開に開弁されて、配管２４を介してアノード入口マニホールド１４とアノード出口マニホールド１６とが連通される。これにより、アノード入口マニホールド１４からアノード出口マニホールド１６へ燃料ガスが流通される。
【００４６】
次に、燃料ガスの供給圧力が増大される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、レギュレータ２２の調整圧力が、例えば通常時よりも２０％上昇される。次に、待機時間ｔｓ２が経過するまで処理が待機される（ステップ１１０）。待機時間ｔｓ２は、アノード出口マニホールド１６へ供給された燃料ガスが、不純物が蓄積された領域へ拡散するために要する時間として、予め設定された値が使用される。
【００４７】
次に、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが再度取得される（ステップ１１２）。次に、各単位電池１２に電位異常が発生しているか否かが判定される（ステップ１１４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２および１０４と同様の処理が実行される。その結果、Ｖｃ＜Ｖ１の成立が認められた場合には、未だ不純物が蓄積された状態が解消されていないと判断されて、再度ステップ１１０に移行し、更に待機時間ｔｓ２を経過するまで処理が待機される。
【００４８】
一方、上記ステップ１１４において、Ｖｃ＜Ｖ１の成立が認められない場合には、不純物が拡散して異常電位が解消されたと判断されて、次のステップに移行し、燃料ガスの供給圧力が通常の圧力に戻される（ステップ１１６）。ここでは、具体的には、レギュレータ２２の調整圧力が通常の制御値に戻される。次に、バルブ２６が閉弁される（ステップ１１８）。ここでは、具体的には、バルブ２６が閉弁されて、アノード入口マニホールド１４とアノード出口マニホールド１６との連通状態が遮断される。これにより、アノード入口マニホールド１４からアノード出口マニホールド１６への燃料ガスの流通が遮断される。
【００４９】
上記ステップ１０４においてＶｃ＜Ｖ１の成立が認められない場合、或いは、上記ステップ１１８の処理の後は、次のステップに移行し、燃料電池１０に対する発電停止要求が出されたか否かが判定される（ステップ１２０）。その結果、発電停止要求が出されたと判定された場合には、速やかに本ルーチンは終了される。一方、上記ステップ１２０において、発電停止要求が出されていないと判定された場合には、上記ステップ１００に再度移行し、本ルーチンにおける処理が再度実行される。
【００５０】
以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、燃料電池１０を構成する各単位電池１２に、不純物の蓄積に起因する電位異常が発生している場合に、燃料ガスがアノード出口マニホールド１６へ供給される。これにより、燃料電池１０内のアノードガス流路の出口付近に蓄積していた窒素等の不純物を拡散させて、当該領域に燃料ガスを供給することができるので、燃料電池の性能低下、すなわち、発電電圧低下や異常電位による触媒劣化等を効果的に抑制することができる。
【００５１】
また、上述した実施の形態１によれば、バルブ２６の開弁に併せて、燃料ガスの供給圧力が増大される。これにより、アノード出口マニホールド１６への燃料ガスの供給の応答速度をより高めることができるので、不純物の蓄積に起因する電位異常からの回復に要する時間を効果的に短縮することができる。
【００５２】
ところで、上述した実施の形態１においては、各単位電池１２のセル電位Ｖｃを検出し、所定の判定値Ｖ１と比較することにより、不純物の蓄積に起因する電位異常を判定することとしている。しかしながら、不純物の蓄積に起因する異常を判定する方法はこれに限らない。すなわち、各単位電池１２のアノードガス流路の出口側に燃料ガスの濃度を検知するための濃度センサを設けて、検出された濃度が低い場合に、不純物の蓄積に起因する異常を判定することとしてもよい。
【００５３】
また、上述した実施の形態１においては、燃料電池１０に電位異常が発生していると判断された場合に、バルブ２６を開弁してアノード出口マニホールド１６から燃料ガスを供給することとしているが、当該制御を行うタイミングはこれに限られない。すなわち、不純物の蓄積に起因する燃料電池の性能低下を抑制するために、所定期間毎にバルブ２４を開弁することとしてもよい。
【００５４】
また、上述した実施の形態１においては、アノード出口マニホールド１６とアノード入口マニホールド１４とを配管２４で接続し、アノード入口マニホールド１４の燃料ガスをアノード出口マニホールド１６へ供給することとしているが、アノード出口マニホールド１６へ燃料ガスを供給する構成はこれに限られない。すなわち、アノード出口マニホールド１６へ燃料ガスが供給される構成であれば、アノード出口マニホールド１６と燃料ガス供給管２０とを接続する構成でもよいし、また、他の燃料ガス供給源と接続する構成でもよい。
【００５５】
また、上述した実施の形態１においては、アノード入口マニホールド１４とアノード出口マニホールド１６とを連通させることにより、アノード出口マニホールド１６からアノードガス流路の出口に燃料ガスを供給することとしている。しかしながら、アノードガス流路の出口への燃料ガスの供給方法はこれに限らず、例えば、アノードガス流路の中間部に中間マニホールドを設け、当該中間マニホールドからアノードガス流路へ燃料ガスを供給することとしてもよい。
【００５６】
図６は、本実施の形態１の変形例としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。また、図７は、図６に示す単位電池３２のアノード側の内部構造を積層方向からみた図である。尚、図６および図７において図１に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００５７】
図６および図７に示すとおり、本実施の形態１の変形例としての燃料電池システムは、単位電池３２が複数枚積層された燃料電池３０を備えている。各単位電池３２のアノード側には、アノードガス流路４０が形成されている。アノードガス流路４０の両端は、それぞれアノード入口マニホールド１４、アノード出口マニホールド１６に連通している。また、アノードガス流路４０の中間部には、燃料電池１０の内部に形成されたアノード中間マニホールド３４に連通している。アノード中間マニホールド３４とアノード入口マニホールド１４とは、それぞれ配管３６に接続されている。配管３６には、当該配管３６の連通を遮断／許容するためのバルブ３８が配置されている。
【００５８】
このような燃料電池システムにおいて、高圧損セルに不純物が蓄積した場合に、バルブ３８が開弁される。バルブ３８が開弁されると、アノード入口マニホールド１４とアノード中間マニホールド３４とが配管３６を介して連通し、燃料ガスがアノード中間マニホールド３４へ流通する。アノード中間マニホールド３４に導入された燃料ガスは、濃度拡散作用によって不純物が蓄積されている高圧損セルのアノードガス流路に流れ込む。このため、燃料電池３０に発生している不純物の蓄積に起因する異常を効果的に解消することができる。
【００５９】
また、上記変形例の燃料電池システムによれば、バルブ３８を開弁しない場合であっても、高圧損セルに不純物が蓄積する事態を効果的に抑制することができる。すなわち、アノード中間マニホールド３４は、燃料電池３０を構成する全ての単位電池３２のアノードガス流路を中間部で導通させている。このため、当該アノード中間マニホールド３４以降のガス配流を均一にすることができるので、高圧損セルに効率よく燃料ガスを導入することができる。
【００６０】
尚、上述した実施の形態１においては、アノード入口マニホールド１４が前記第１の発明における「燃料ガス供給口」に、アノード出口マニホールド１６が前記第１の発明における「第２の燃料ガス供給口」に、アノードガス流路が前記第１の発明における「燃料ガス流路」に、それぞれ相当している。また、制御装置２８が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「燃料ガス供給手段」が実現されている。
【００６１】
また、上述した実施の形態１においては、アノード出口マニホールド１６が前記第２の発明における「出口マニホールド」に相当している。
【００６２】
また、上述した実施の形態１においては、アノード入口マニホールド１４が前記第３の発明における「入口マニホールド」に、配管２４が前記第３の発明における「配管」に、バルブ２６が前記第３の発明における「バルブ」に、それぞれ相当している。
【００６３】
また、上述した実施の形態１においては、制御装置２８が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第４または第８の発明における「供給圧増大手段」が実現されている。
【００６４】
また、上述した実施の形態１においては、アノード中間マニホールド３４が前記第６の発明における「中間マニホールド」に相当している。
【００６５】
また、上述した実施の形態１においては、アノード入口マニホールド１４が前記第７の発明における「入口マニホールド」に、配管３６が前記第９の発明における「第２の配管」に、バルブ３８が前記第９の発明における「第２のバルブ」に、それぞれ相当している。
【００６６】
また、上述した実施の形態１においては、制御装置２８が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「電圧取得手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「判定手段」が、実現されている。
【００６７】
実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御装置２８に後述する図１０に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【００６８】
燃料電池１０の停止中においては、カソードから逆拡散してきた空気がアノードガス流路に多量に滞留している。このため、燃料電池１０の起動時においては、アノードが燃料ガスに置換される過程において、一部水素欠による異常電位が発生し固体電解質膜や触媒等の劣化反応が進行するおそれがある。
【００６９】
そこで、本実施の形態２においては、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生していると判断された場合に、アノード出口マニホールド１６からアノードガス流路へ燃料ガスを導入することとする。図８は、異常電位が発生している単位電池１２におけるアノードガス流路内の燃料ガス濃度を示す図である。尚、この図に鎖線Ｌ２は、バルブ２６を閉弁した状態における単位電池１２の燃料ガス濃度を、実線Ｌ４で示す曲線は、バルブ２６を開弁した状態における単位電池１２の燃料ガス濃度を、それぞれ示している。
【００７０】
この図に示すとおり、バルブ２６を開弁した場合の単位電池１２の燃料ガス濃度は、バルブ２６を閉弁した場合の単位電池１２の燃料ガス濃度に比して、アノードガス流路の出口側において高くなっている。バルブ２６を開弁すると、アノード入口マニホールド１４へ供給された燃料ガスが、配管２４を介してアノード出口マニホールド１６へ供給される。アノード出口マニホールド１６へ供給された燃料ガスは、アノードガス流路の出口側から該流路内へ流れ込む。このため、アノードガス流路に滞留していた空気等の不純物を効果的に拡散させて、起動時における異常電位の発生を効果的に抑制することができる。
【００７１】
燃料電池１０に起動時の異常電位が発生しているか否かは、各単位電池１２の電位の変化に基づいて判断される。図９は、単位電池１２の異常電位の発生を判定するための方法を説明するための図である。単位電池１２のアノードガス流路に空気等の不純物が滞留すると、当該単位電池１２において電位が上昇する。そこで、図７に示すとおり、単位電池１２のセル電位Ｖｃが規定電位よりも一定量上回った時点(例えば、セル電位Ｖｃが規定電位の１０５％以上となった時点等)で、当該単位電池１２において異常電位が発生していると判断することができる。
【００７２】
［実施の形態２における具体的処理］
図１０は、この発明の実施の形態２において、制御装置２８が起動時に実行するルーチンを示すフローチャートである。図１０に示すルーチンでは、先ず、待機時間ｔｓ１が経過するまで処理が待機される（ステップ２００）。次に、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが取得される（ステップ２０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００および１０２と同様の処理が実行される。
【００７３】
次に、各単位電池１２に異常電位が発生しているか否かが判定される（ステップ２０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０２において取得された各単位電池１２のセル電位Ｖｃが、所定の判定値Ｖ２より大きいか否かがそれぞれ判定される。その結果、Ｖｃ＞Ｖ２の成立が認められた場合には、当該成立が認められた単位電池１２において、異常電位が発生していると判断されて、次にステップに移行し、バルブ２６が開放される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０６と同様の処理が実行される。これにより、アノード入口マニホールド１４からアノード出口マニホールド１６へ燃料ガスが流通される。
【００７４】
次に、燃料ガスの供給圧力が増大される（ステップ２０８）。次に、待機時間ｔｓ２が経過するまで処理が待機される（ステップ２１０）。次に、各単位電池１２の電位Ｖｃが再度取得される（ステップ２１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８乃至１１２と同様の処理が実行される。
【００７５】
次に、各単位電池１２に異常電位が発生しているか否かが判定される（ステップ２１４）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０４と同様の処理が実行される。その結果、Ｖｃ＞Ｖ２の成立が認められた場合には、未だ水素欠による異常電位が解消されていないと判断されて、再度ステップ２１０に移行し、更に待機時間ｔｓ２を経過するまで処理が待機される。
【００７６】
一方、上記ステップ２１４において、Ｖｃ＞Ｖ２の成立が認められない場合には、異常電位の状態が解消されたと判断されて、次のステップに移行し、燃料ガスの供給圧力が通常の圧力に戻される（ステップ２１６）。次に、バルブ２６が閉弁される（ステップ２１８）。ここでは、具体的には、上記ステップ２１６および２１８と同様の処理が実行される。
【００７７】
上記ステップ２０４においてＶｃ＞Ｖ２の成立が認められない場合、或いは、上記ステップ２１８の処理の後は、次のステップに移行し、起動完了時間ｔが経過したか否かが判定される（ステップ２２０）。起動完了時間ｔは、燃料電池１０内のガス置換が完了する時間として、予め設定された値が使用される。その結果、起動完了時間ｔが経過したと判定された場合には、本ルーチンを再度実行する必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップ２２０において、起動完了時間ｔを経過していないと判定された場合には、上記ステップ２００に再度移行し、本ルーチンにおける処理が再度実行される。
【００７８】
以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生した場合に、アノード出口マニホールド１６からアノードガス流路へ燃料ガスが供給される。これにより、アノードガス流路に滞留していた空気等の不純物を拡散させることができるので、不純物の蓄積に起因する燃料電池の性能低下を効果的に抑制することができる。
【００７９】
また、上述した実施の形態２によれば、バルブ２６の開弁に併せて、燃料ガスの供給圧力が増大される。これにより、アノード出口マニホールド１６への燃料ガスの供給の応答速度をより高めることができるので、不純物の蓄積に起因する電位異常からの回復に要する時間を効果的に短縮することができる。
【００８０】
ところで、上述した実施の形態２においては、各単位電池１２のセル電位Ｖｃを検出し、所定の判定値Ｖ２と比較することにより、不純物の蓄積に起因する電位異常を判定することとしている。しかしながら、不純物の蓄積に起因する異常を判定する方法はこれに限らない。すなわち、各単位電池１２のアノードガス流路の出口側に燃料ガスの濃度を検知するための濃度センサを設けて、検出された濃度が低い場合に、不純物の蓄積に起因する異常を判定することとしてもよい。
【００８１】
また、上述した実施の形態２においては、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生していると判断された場合に、バルブ２６を開弁してアノード出口マニホールド１６から燃料ガスを供給することとしているが、当該制御を行うタイミングはこれに限られない。すなわち、燃料電池１０の起動時に所定期間バルブ２４を開弁することとしてもよい。
【００８２】
また、上述した実施の形態２においては、アノード出口マニホールド１６とアノード入口マニホールド１４とを配管２４で接続し、アノード入口マニホールド１４の燃料ガスをアノード出口マニホールド１６へ供給することとしているが、アノード出口マニホールド１６へ燃料ガスを供給する構成はこれに限られない。すなわち、アノード出口マニホールド１６へ燃料ガスが供給される構成であれば、アノード出口マニホールド１６と燃料ガス供給管２０とを接続する構成でもよいし、また、他の燃料ガス供給源と接続する構成でもよい。
【００８３】
また、上述した実施の形態２においては、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生した場合に、アノード出口マニホールド１６からアノードガス流路の出口部へ燃料ガスを供給することとしている。しかしながら、アノードガス流路の出口部へ燃料ガスを供給する供給方法はこれに限らず、例えば、実施の形態１において上述した図６に示す燃料電池システムにおいて、アノードガス流路４０の中間部にアノード中間マニホールド３４を設け、当該中間マニホールド３４からアノードガス流路へ燃料ガスを供給することとしてもよい。
【００８４】
尚、上述した実施の形態２においては、アノード入口マニホールド１４が前記第１の発明における「燃料ガス供給口」に、アノード出口マニホールド１６が前記第１の発明における「第２の燃料ガス供給口」に、アノードガス流路が前記第１の発明における「燃料ガス流路」に、それぞれ相当している。また、制御装置２８が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「燃料ガス供給手段」が実現されている。
【００８５】
また、上述した実施の形態２においては、アノード出口マニホールド１６が前記第２の発明における「出口マニホールド」に相当している。
【００８６】
また、上述した実施の形態２においては、アノード入口マニホールド１４が前記第３の発明における「入口マニホールド」に、配管２４が前記第３の発明における「配管」に、バルブ２６が前記第３の発明における「バルブ」に、それぞれ相当している。
【００８７】
また、上述した実施の形態２においては、制御装置２８が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより、前記第４または第８の発明における「供給圧増大手段」が実現されている。
【００８８】
また、上述した実施の形態２においては、アノード中間マニホールド３４が前記第６の発明における「中間マニホールド」に相当している。
【００８９】
また、上述した実施の形態２においては、アノード入口マニホールド１４が前記第７の発明における「入口マニホールド」に、配管３６が前記第９の発明における「第２の配管」に、バルブ３８が前記第９の発明における「第２のバルブ」に、それぞれ相当している。
【００９０】
また、上述した実施の形態２においては、制御装置２８が、上記ステップ２０２の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「電圧取得手段」が、上記ステップ２０４の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「判定手段」が、実現されている。
【００９１】
実施の形態３．
［実施の形態３の構成］
次に、図１１および図１２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図１１は、本実施の形態３の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。尚、図１１において図１に示す燃料電池システムと共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００９２】
図１１に示すとおり、燃料電池１０のアノード入口マニホールド１４には、配管５２の一端が連通している。配管５２はアノード出口マニホールド１６の近傍まで延在し、他端は閉じられている。配管５２の途中には、複数のインジェクタ５０ａ，５０ｂ，および５０ｃ（以下、これらを特に区別しないときは、単に「インジェクタ５０」と称する）が配置されている。インジェクタ５０の噴射口は、単位電池１２の積層方向に沿って並んで、アノード出口マニホールド１６内に露出している。また、配管５２におけるインジェクタ５０の上流側には、当該配管５２の連通を遮断／許容するためのバルブ５４が配置されている。
【００９３】
［実施の形態３の特徴］
上述した実施の形態１においては、燃料電池１０を構成する各単位電池１２に、不純物の蓄積に起因する電位異常が発生している場合に、アノード入口マニホールド１４とアノード出口マニホールド１６とを配管２４を介して連通させて、燃料ガスをアノードガス流路の出口からも供給することとしている。これにより、窒素等の不純物が蓄積している領域に燃料ガスを効率よく供給することができる。
【００９４】
ここで、アノード出口マニホールド１６へ燃料ガスを供給する場合においては、不純物が蓄積している高圧損セルに燃料ガスが即座に供給されるようにすることが好ましい。そこで、本実施の形態３においては、不純物が蓄積している高圧損セルに最も近いインジェクタ５０から、アノード出口マニホールド１６へ燃料ガスを供給することとする。すなわち、本実施の形態３の燃料電池システムは、燃料ガスを該アノード出口マニホールド１６内へ噴射するための複数のインジェクタ５０ａ，５０ｂ，５０ｃを備えている。これらのインジェクタ５０は、単位電池１２の積層方向に沿って配置されている。そして、各単位電池１２は、対応する最も近い距離のインジェクタ５０が予め規定されている。このため、不純物が蓄積して電位異常が発生している単位電池１２が特定された場合に、当該単位電池１２に対応するインジェクタ５０から燃料を噴射することで、不純物が蓄積された領域に効率よく燃料ガスを供給することができる。
【００９５】
［実施の形態３における具体的処理］
図１２は、この発明の実施の形態３において、制御装置２８が定常発電時に実行するルーチンを示すフローチャートである。図１２に示すルーチンでは、先ず、待機時間ｔｓ１が経過するまで処理が待機される（ステップ３００）。次に、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが取得される（ステップ３０２）。次に、各単位電池１２に電位異常が発生しているか否かが判定される（ステップ３０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ１００乃至１０６と同様の処理が実行される。その結果、Ｖｃ＜Ｖ１の成立が認められた場合には、当該成立が認められた単位電池１２において、不純物の蓄積に起因する電位異常が発生していると判断されて、次にステップに移行し、バルブ５４が開放される（ステップ３０６）。ここでは、具体的には、バルブ５４が開弁されて、アノード入口マニホールド１４から配管５２へ燃料ガスが流通される。
【００９６】
次に、燃料ガスの供給圧力が増大される（ステップ３０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８と同様の処理が実行される。
【００９７】
図１２に示すルーチンでは、次に、インジェクタ５０から燃料が噴射される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、先ず、電位異常が発生している単位電池１２に対応するインジェクタ５０が選択される。単位電池１２に対応するインジェクタ５０は、当該単位電池１２に最も距離の近いインジェクタ５０として予め設定されたインジェクタ５０が選択される。次いで、当該インジェクタ５０から燃料ガスが噴射される。
【００９８】
次に、待機時間ｔｓ２が経過するまで処理が待機される（ステップ３１２）。次に、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが再度取得される（ステップ３１４）。次に、各単位電池１２に電位異常が発生しているか否かが判定される（ステップ３１６）。ここでは、具体的には、上記ステップ１１０および１１４と同様の処理が実行される。その結果、Ｖｃ＜Ｖ１の成立が認められた場合には、未だ不純物が蓄積された状態が解消されていないと判断されて、再度ステップ３１２に移行し、更に待機時間ｔｓ２を経過するまで処理が待機される。
【００９９】
一方、上記ステップ３１６において、Ｖｃ＜Ｖ１の成立が認められない場合には、不純物が拡散して異常電位が解消されたと判断されて、次のステップに移行し、インジェクタ５０の燃料ガス噴射が停止される（ステップ３１８）。
【０１００】
次に、燃料ガスの供給圧力が通常の圧力に戻される（ステップ３２０）。次に、バルブ５４が閉弁される（ステップ３２２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１１６および１１８と同様の処理が実行される。
【０１０１】
上記ステップ３０４においてＶｃ＜Ｖ１の成立が認められない場合、或いは、上記ステップ３２２の処理の後は、次のステップに移行し、燃料電池１０に対する発電停止要求が出されたか否かが判定される（ステップ３２４）。その結果、発電停止要求が出されたと判定された場合には、速やかに本ルーチンは終了される。一方、上記ステップ３２４において、発電停止要求が出されていないと判定された場合には、上記ステップ３００に再度移行し、本ルーチンにおける処理が再度実行される。
【０１０２】
以上説明したとおり、本実施の形態３のシステムによれば、燃料電池１０を構成する各単位電池１２に、不純物の蓄積に起因する電位異常が発生している場合に、当該電位異常が発生している単位電池１２に最も近いインジェクタ５０から燃料ガスが噴射される。これにより、不純物が蓄積されている領域に効率よく燃料ガスを供給することができるので、燃料電池の性能低下、すなわち、発電電圧低下や異常電位による触媒劣化等を効果的に抑制することができる。
【０１０３】
また、上述した実施の形態３によれば、インジェクタ５０からの燃料ガスの噴射に併せて、燃料ガスの供給圧力が増大される。これにより、インジェクタ５０の応答速度をより高めることができるので、不純物の蓄積に起因する電位異常からの回復に要する時間を効果的に短縮することができる。
【０１０４】
ところで、上述した実施の形態３においては、各単位電池１２のセル電位Ｖｃを検出し、所定の判定値Ｖ１と比較することにより、不純物の蓄積に起因する電位異常を判定することとしている。しかしながら、不純物の蓄積に起因する異常を判定する方法はこれに限らない。すなわち、各単位電池１２のアノードガス流路の出口側に燃料ガスの濃度を検知するための濃度センサを設けて、検出された濃度が低い場合に、不純物の蓄積に起因する異常を判定することとしてもよい。
【０１０５】
また、上述した実施の形態３においては、アノード入口マニホールド１４に接続された配管５２にインジェクタ５０を配置し、アノード入口マニホールド１４の燃料ガスをインジェクタ５０から噴射することとしているが、インジェクタ５０へ燃料ガスを供給する構成はこれに限られない。すなわち、インジェクタ５０へ燃料ガスが供給される構成であれば、配管５２を燃料ガス供給管２０に接続する構成でもよいし、また、他の燃料ガス供給源からインジェクタ５０へ燃料ガスを供給する構成でもよい。
【０１０６】
また、上述した実施の形態３においては、燃料電池１０に電位異常が発生していると判断された場合に、インジェクタ５０から燃料ガスを噴射することとしているが、当該制御を行うタイミングはこれに限られない。すなわち、不純物の蓄積に起因する燃料電池の性能低下を抑制するために、所定期間毎にインジェクタ５０から燃料ガスを噴射することとしてもよい。
【０１０７】
また、上述した実施の形態３においては、アノード出口マニホールド１６に３つのインジェクタ５０ａ，５０ｂ，５０ｃを配置することとしているが、インジェクタ５０の数量や配置はこれに限られない。すなわち、複数のインジェクタを備え、各単位電池１２に対応するインジェクタが選択される構成であれば、更に多くのインジェクタを備えることとしてもよい。また、アノードガス流路の中間部に中間マニホールドを設け、該中間マニホールドにインジェクタを配置することとしてもよい。
【０１０８】
尚、上述した実施の形態３においては、アノード入口マニホールド１４が前記第１の発明における「燃料ガス供給口」に、アノード出口マニホールド１６が前記第１の発明における「第２の燃料ガス供給口」に、アノードガス流路が前記第１の発明における「燃料ガス流路」に、それぞれ相当している。また、制御装置２８が、上記ステップ３０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「燃料ガス供給手段」が実現されている。
【０１０９】
また、上述した実施の形態３においては、アノード出口マニホールド１６が前記第２の発明における「出口マニホールド」に相当している。
【０１１０】
また、上述した実施の形態３においては、アノード入口マニホールド１４が前記第３の発明における「入口マニホールド」に、配管２４が前記第３の発明における「配管」に、バルブ２６が前記第３の発明における「バルブ」に、それぞれ相当している。
【０１１１】
また、上述した実施の形態３においては、制御装置２８が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより、前記第４の発明における「供給圧増大手段」が実現されている。
【０１１２】
また、上述した実施の形態３においては、インジェクタ５０が前記第５の発明における「インジェクタ」に相当しているとともに、制御装置２８が、上記ステップ３１０の処理を実行することにより、前記第５の発明における「燃料ガス供給手段」が実現されている。
【０１１３】
また、上述した実施の形態３においては、制御装置２８が、上記ステップ３０２の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「電圧取得手段」が、上記ステップ３０４の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「判定手段」が、実現されている。
【０１１４】
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、図１３を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態のシステムは、図１１に示すハードウェア構成を用いて、制御装置２８に後述する図１３に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【０１１５】
燃料電池１０の停止中においては、カソードから逆拡散してきた空気がアノードガス流路に多量に滞留している。このため、燃料電池１０の起動時においては、アノードが燃料ガスに置換される過程において、一部水素欠による異常電位が発生し固体電解質膜や触媒等の劣化反応が進行するおそれがある。
【０１１６】
そこで、本実施の形態４においては、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生していると判断された場合に、当該異常電位が発生している単位電池１２に対応するインジェクタ５０から燃料ガスを噴射することとする。これにより、アノードガス流路に滞留していた空気等の不純物を効果的に拡散させて、起動時における異常電位の発生を効果的に抑制することができる。
【０１１７】
［実施の形態４における具体的処理］
図１３は、この発明の実施の形態４において、制御装置２８が起動時に実行するルーチンを示すフローチャートである。図１１に示すルーチンでは、先ず、待機時間ｔｓ１が経過するまで処理が待機される（ステップ４００）。次に、各単位電池１２のセル電位Ｖｃが取得される（ステップ４０２）。ここでは、具体的には、上記ステップ３００および３０２と同様の処理が実行される。
【０１１８】
次に、各単位電池１２に異常電位が発生しているか否かが判定される（ステップ４０４）。ここでは、具体的には、上記ステップ４０２において取得された各単位電池１２のセル電位Ｖｃが、所定の判定値Ｖ２より大きいか否かがそれぞれ判定される。その結果、Ｖｃ＞Ｖ２の成立が認められた場合には、当該成立が認められた単位電池１２において、異常電位が発生していると判断されて、次にステップに移行し、バルブ５４が開放される（ステップ３０６）。ここでは、具体的には、バルブ５４が開弁されて、アノード入口マニホールド１４から配管５２へ燃料ガスが流通される。
【０１１９】
次に、燃料ガスの供給圧力が増大される（ステップ４０８）。次に、インジェクタ５０から燃料が噴射される（ステップ４１０）。次に、待機時間ｔｓ２が経過するまで処理が待機される（ステップ４１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ３０８乃至３１２と同様の処理が実行される。
【０１２０】
次に、各単位電池１２の電位Ｖｃが再度取得される（ステップ４１４）。次に、各単位電池１２に電位異常が発生しているか否かが判定される（ステップ４１６）。ここでは、具体的には、上記ステップ４０２および４０４と同様の処理が実行される。その結果、Ｖｃ＞Ｖ２の成立が認められた場合には、未だ水素欠による異常電位が解消されていないと判断されて、再度ステップ４１２に移行し、更に待機時間ｔｓ２を経過するまで処理が待機される。
【０１２１】
一方、上記ステップ４１６において、Ｖｃ＞Ｖ２の成立が認められない場合には、異常電位の状態が解消されたと判断されて、次のステップに移行し、インジェクタ５０の燃料ガス噴射が停止される（ステップ４１８）。次に、燃料ガスの供給圧力が通常の圧力に戻される（ステップ４２０）。次に、バルブ５４が閉弁される（ステップ４２２）。ここでは、具体的には、上記ステップ３１８および３２２と同様の処理が実行される。
【０１２２】
上記ステップ４０２においてＶｃ＞Ｖ２の成立が認められない場合、或いは、上記ステップ４２２の処理の後は、次のステップに移行し、起動完了時間ｔが経過したか否かが判定される（ステップ４２４）。ここでは、具体的には、上記ステップ２２０と同様の処理が実行される。その結果、起動完了時間ｔが経過したと判定された場合には、本ルーチンを再度実行する必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップ４２４において、起動完了時間ｔを経過していないと判定された場合には、上記ステップ４００に再度移行し、本ルーチンにおける処理が再度実行される。
【０１２３】
以上説明したとおり、本実施の形態４のシステムによれば、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生した場合に、当該異常電位が発生している単位電池１２に最も近いインジェクタ５０から燃料ガスが噴射される。これにより、燃料電池１０内のアノードガス流路に滞留していた空気等の不純物を効率よく拡散させて、当該領域に燃料ガスを供給することができるので、異常電位による燃料電池の性能低下を効果的に抑制することができる。
【０１２４】
また、上述した実施の形態４によれば、インジェクタ５０からの燃料ガスの噴射に併せて、燃料ガスの供給圧力が増大される。これにより、インジェクタ５０の応答速度をより高めることができるので、不純物の蓄積に起因する電位異常からの回復に要する時間を効果的に短縮することができる。
【０１２５】
ところで、上述した実施の形態４においては、各単位電池１２のセル電位Ｖｃを検出し、所定の判定値Ｖ２と比較することにより、不純物の蓄積に起因する電位異常を判定することとしている。しかしながら、不純物の蓄積に起因する異常を判定する方法はこれに限らない。すなわち、各単位電池１２のアノードガス流路の出口側に燃料ガスの濃度を検知するための濃度センサを設けて、検出された濃度が低い場合に、不純物の蓄積に起因する異常を判定することとしてもよい。
【０１２６】
また、上述した実施の形態４においては、アノード出口マニホールド１６に３つのインジェクタ５０ａ，５０ｂ，５０ｃを配置することとしているが、インジェクタ５０の数量や配置はこれに限られない。すなわち、複数のインジェクタを備え、各単位電池１２に対応するインジェクタが選択される構成であれば、更に多くのインジェクタを備えることとしてもよい。また、アノードガス流路の中間部に中間マニホールドを設け、該中間マニホールドにインジェクタを配置することとしてもよい。
【０１２７】
また、上述した実施の形態４においては、アノード入口マニホールド１４に接続された配管５２にインジェクタ５０を配置し、アノード入口マニホールド１４の燃料ガスをインジェクタ５０から噴射することとしているが、インジェクタ５０へ燃料ガスを供給する構成はこれに限られない。すなわち、インジェクタ５０へ燃料ガスが供給される構成であれば、配管５２を燃料ガス供給管２０に接続する構成でもよいし、また、他の燃料ガス供給源からインジェクタ５０へ燃料ガスを供給する構成でもよい。
【０１２８】
また、上述した実施の形態４においては、燃料電池１０の起動時に異常電位が発生していると判断された場合に、インジェクタ５０から燃料ガスを噴射することとしているが、当該制御を行うタイミングはこれに限られない。すなわち、不純物の蓄積に起因する異常電位の発生を抑制するために、燃料電池１０の起動時に所定期間インジェクタ５０から燃料ガスを噴射することとしてもよい。
【０１２９】
尚、上述した実施の形態４においては、アノード入口マニホールド１４が前記第１の発明における「燃料ガス供給口」に、アノード出口マニホールド１６が前記第１の発明における「第２の燃料ガス供給口」に、アノードガス流路が前記第１の発明における「燃料ガス流路」に、それぞれ相当している。また、制御装置２８が、上記ステップ４０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「燃料ガス供給手段」が実現されている。
【０１３０】
また、上述した実施の形態４においては、アノード出口マニホールド１６が前記第２の発明における「出口マニホールド」に相当している。
【０１３１】
また、上述した実施の形態４においては、アノード入口マニホールド１４が前記第３の発明における「入口マニホールド」に、配管２４が前記第３の発明における「配管」に、バルブ２６が前記第３の発明における「バルブ」に、それぞれ相当している。
【０１３２】
また、上述した実施の形態４においては、制御装置２８が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより、前記第４の発明における「供給圧増大手段」が実現されている。
【０１３３】
また、上述した実施の形態４においては、インジェクタ５０が前記第５の発明における「インジェクタ」に相当しているとともに、制御装置２８が、上記ステップ４１０の処理を実行することにより、前記第５の発明における「燃料ガス供給手段」が実現されている。
【０１３４】
また、上述した実施の形態３においては、制御装置２８が、上記ステップ４０２の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「電圧取得手段」が、上記ステップ４０４の処理を実行することにより、前記第１０の発明における「判定手段」が、実現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本実施の形態１の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】アノードガス流路内の燃料ガス濃度を示す図である。
【図３】圧力損失が高い単位電池１２におけるアノードガス流路内の燃料ガス濃度を示す図である。
【図４】燃料電池１０における不純物の蓄積に起因する異常を判定するための方法を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１において、制御装置２８が定常発電時に実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本実施の形態１の変形例としての燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図７】図６に示す単位電池３２のアノード側の内部構造を積層方向からみた図である。
【図８】異常電位が発生している単位電池１２におけるアノードガス流路内の燃料ガス濃度を示す図である。
【図９】単位電池１２の異常電位の発生を判定するための方法を説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態２において、制御装置２８が起動時に実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図１１】本実施の形態３の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３において、制御装置２８が定常発電時に実行するルーチンを示すフローチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態４において、制御装置２８が起動時に実行するルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１３６】
１０  燃料電池
１２  単位電池
１４  アノード入口マニホールド
１６  アノード出口マニホールド
１８  燃料ガス供給源
２０  燃料ガス供給管
２２  レギュレータ
２４，３６，５２  配管
２６，３８  バルブ
２８  制御装置
３０  燃料電池
３２  単位電池
３４  アノード中間マニホールド
４０  アノードガス流路
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ  インジェクタ
５４  バルブ
【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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【図１２】
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【図１３】
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