JP4442429B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、単電池からなる燃料電池、または単電池が複数積層されてなる燃料電池を含む燃料電池システムに関する。

燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池（例えば、特許文献１参照）では、燃料電池の運転時間の経過と共に、燃料電池内に残留する窒素、水分といった不純物によって、電極触媒が被覆される。この結果、電極触媒における起電反応が阻害され、出力電圧が低下するという問題を有していた。

この問題に対して、従来の燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池では、出力電圧が所定の基準電圧以下となった場合に、燃料電池内（アノード側）の不純物を含むアノード排ガスを燃料電池外に排出することによって出力電圧の回復が図られていた。

特開平９−３１２１６７号公報

しかしながら、従来の燃料電池内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池では、特に燃料電池スタックの各セル末端では燃料ガスの流れ・拡散がほとんどなく、不純物が滞留し易いために、十分な発電が行われ難い。この結果、燃料電池の出力電圧は頻繁に低下し、燃料電池内に滞留する不純物の排出頻度を高めなければ必要な出力電圧を得ることができないという問題がある。かかる場合には、不純物の排出と共に、燃料電池内の燃料ガスも排出されるため、燃料電池の燃費性能が低下するという問題が生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、燃料電池の燃費性能の向上を目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、燃料電池システムを提供する。本発明に係る燃料電池システムは、アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出口を有する燃料電池と、前記燃料電池のアノード排ガス排出口に接続されているアノード排ガス排出管と、前記アノード排ガス排出管上に配置されていると共に、連通状態または非連通状態に切り換え可能な複数の連通機構と、前記燃料電池の通常運転時には、前記複数の連通機構のうち、最も下流側に配置されている最下流連通機構を非連通状態にすると共に、前記最下流連通機構を連通状態とする場合には、残りの前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を非連通状態とする連通機構制御部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムは、アノード排ガス排出管上に配置されていると共に、連通状態または非連通状態に切り換え可能な複数の連通機構と、燃料電池の通常運転時には、複数の連通機構のうち、最も下流側に配置されている最下流連通機構を非連通状態にすると共に、最下流連通機構を連通状態とする場合には、残りの複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を非連通状態とする連通機構制御部を備えるので、燃料電池から排出される水素量を低減することができる。この結果、アノード排ガスを内部に止めて運転する燃料電池において、燃料電池性能の低下の抑制、燃料電池の燃費性能の向上を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムはさらに、前記最下流連通機構よりも上流側における前記アノード排ガス排出管内の不純物濃度を検出する不純物濃度検出器を備え、前記連通機構制御部は、前記不純物濃度検出器により検出された不純物濃度が第１の所定濃度よりも高い場合には、前記燃料電池が通常運転されていても、前記最下流連通機構を連通状態にしても良い。この構成を備えることにより、アノード排ガス排出管に貯まったアノード排ガス中の不純物を燃料電池外部に排出することができる。この結果、燃料電池末端部に滞留するアノード排ガス中の不純物のアノード排ガス排出管への移動を促すことができる。また、アノード排ガス排出管における不純物が第１の所定濃度よりも高い場合にのみ最下流連通機構が連通状態とされるので、燃料電池から排出される水素量を低減することができる。

本発明に係る燃料電池システムはさらに、前記最下流連通機構よりも上流側における前記アノード排ガス排出管内の圧力を検出する上流側圧力検出部と、前記最下流連通機構よりも下流側における前記アノード排ガス排出管内の圧力を検出する下流側圧力検出部とを備え、前記連通機構制御部は、前記不純物濃度検出器により検出された不純物濃度が第１の所定濃度よりも高くなり前記最下流連通機構が連通状態となっている際に、前記上流側圧力検出部で検出された圧力と前記下流側圧力検出部で検出された圧力との差が所定値以下になった場合に、前記最下流連通機構を非連通状態にしても良い。この構成を備えることによって、不純物濃度に応じて最下流連通機構を非連通状態とする時期を判定することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記不純物濃度検出器は、前記最下流連通機構と、前記最下流連通機構が連通状態になっているときに非連通となっている連通機構との間における前記アノード排ガス排出管内の不純物濃度を検出しても良い。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記連通機構制御部は、前記第１の所定濃度よりも高くなった不純物濃度が、第２の所定濃度よりも低くなった場合には、前記最下流連通機構を非連通状態としても良い。この構成を備えることによって、不純物濃度に応じて最下流連通機構を非連通状態とする時期を判定することができる。また、最下流連通機構の連通および非連通状態の切り替え判定を共に不純物濃度検出器の検出結果を用いて実行することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記連通機構制御部は、前記最下流連通機構を非連通状態にする場合には、前記最下流連通機構を非連通状態にすると共に、残りの前記複数の連通機構を連通状態としても良い。この構成を備えることによってアノード排ガス排出管からの水素の排出量を低減することができる。

本発明に係る燃料電池システムはさらに、前記最下流連通機構より下流側における前記アノード排ガス排出管を流れるアノード排ガス流量を検出するアノード排ガス流量検出手段を備え、前記連通機構制御部は、前記最下流連通機構が連通状態になっており、前記検出されたアノード排ガス流量が所定流量未満の場合に、前記最下流連通機構を非連通状態としても良い。この構成を備えることによって、アノード排ガス排出管におけるアノード排ガス流量に基づいて最下流連通機構を非連通状態とするタイミングを判定することができる。また、不純物濃度検出器と併用することによって、不純物濃度検出器およびアノード排ガス流量検出手段のいずれか一方に不具合が発生しても、他方を利用することによって最下流連通機構の非連通状態への切換を判定することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記複数の連通機構は、前記最下流連通機構と、前記最下流連通機構より上流側に配置されている上流側連通機構の２つの連通機構であっても良い。この構成を備える場合には、簡易な構成によって燃料電池性能の低下の抑制、燃料電池の燃費性能の向上を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池に対して一定圧力にて燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備えても良い。この構成を備えることによって、燃料電池に対して常に所定量の燃料ガスを供給することができる。

本発明は、燃料電池に接続されているアノード排ガス排出管上に配置されていると共に連通状態または非連通状態に切り換え可能な複数の連通機構を備え、前記複数の連通機構のうち、最も下流側に配置されている最下流連通機構は前記燃料電池の通常運転時には非連通状態とされる、燃料電池システムにおける連通機構の制御方法としても実現され得る。本発明に係る燃料電池システムにおける連通機構の制御方法は、前記最下流連通機構よりも上流側における前記アノード排ガス排出管内の不純物濃度を検出し、前記検出した不純物濃度が第１の所定濃度よりも高い場合には、残りの前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を非連通状態とし、前記最下流連通機構を連通状態とすることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムにおける連通機構の制御方法によれば、本発明に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができると共に、本発明に係る燃料電池システムにおける連通機構の制御方法は、本発明に係る燃料電池システムと同様にして種々の態様にて実現され得る。また、本発明に係る燃料電池システムにおける連通機構の制御方法は、コンピュータによって実行されるプログラム、そのプログラムを格納したコンピュータが読み取り可能な記録媒体としても実現され得る。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

図１を参照して本実施例に係る燃料電池システムの概略構成について説明する。図１は本実施例に係る燃料電池システムの一構成例を模式的に示す説明図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０、高圧水素タンク３０、高圧水素タンク遮断弁４０、アノード排ガス排出管５０、制御回路６０、上流側遮断弁６１、下流側遮断弁６２を備えている。

燃料電池２０は、例えば、複数の単セルがスタック状に積層されてなる。各単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するアノードセパレータとカソードセパレータとを備えている。膜電極接合体は、例えば、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の両面に形成された触媒層および拡散層（電極）を備えている。燃料電池２０によって発電された電力は、電気モータ等の負荷６６に給電される。

燃料電池２０は、各単セルに対して燃料ガスを供給するための燃料ガス流路２１（燃料ガスマニホールド）、各単セルに対して酸化ガスを供給するための酸化ガス流路２２（酸化ガスマニホールド）を備えている。燃料ガス流路２１に供給された燃料ガスは、各単セル内に形成されているセル内燃料ガス流路（図示しない）に供給される。燃料ガス流路２１の上流端には、高圧水素タンク３０から供給された燃料ガスを燃料ガス流路２１へと導入するための燃料ガス導入部２１１が備えられ、燃料ガス流路２１の下流端には、燃料ガス流路２１を流れる燃料ガスを燃料電池２０外部へ排出するための燃料ガス排出部２１２が備えられている。酸化ガス流路２２の上流端には、酸化ガスを酸化ガス流路２２へと導入するための酸化ガス導入部２２１が備えられ、酸化ガス流路２２の下流端には、酸化ガス流路２２を流れる酸化ガスを燃料電池２０外部へ排出するための酸化ガス排出部２２２が備えられている。

高圧水素タンク３０は、燃料ガスとしての水素を貯蔵する。高圧水素タンク３０は、燃料ガス供給管３１を介して燃料電池２０の燃料ガス導入部２１１と連通されている。本実施例では、燃料ガス供給源として、高圧水素タンク３０を用いているが、この他にも、水素吸蔵合金を利用した水素タンク、水素リッチガスを貯蔵する水素リッチガス貯蔵器または水素リッチガスを生成する水素リッチガス生成器を燃料ガス供給源として用いても良い。

燃料ガス供給管３１には、高圧水素タンク遮断弁４０および水素調圧弁４１が配置されている。高圧水素タンク遮断弁４０は、高圧水素タンク３０と燃料ガス供給管３１とを連通・非連通状態とする。水素調圧弁４１は、燃料ガスの圧力を高圧から所定圧力まで減圧し、所定圧力にて燃料ガスを燃料電池２０に供給する。したがって、本実施例では、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量は、燃料電池２０における消費量に見合った成り行き量となる。

燃料電池２０の燃料ガス排出部２１２にはアノード排ガス排出管５０が接続されている。本実施例に係る燃料電池システム１０では、燃料電池２０内部の不純物ＩＭは、燃料電池２０の末端領域（下流領域）ＤＳではなく、アノード排ガス排出管５０に蓄積される。詳細に説明すると、燃料電池２０（燃料ガス流路２１）において生成された不純物ＩＭは、燃料電池２０の燃料ガス流路２１を流動する燃料ガスによって燃料ガス流路２１の末端領域ＤＳへと移動させられる。燃料電池２０の燃料ガス流路２１の末端領域ＤＳに到達した不純物ＩＭは、燃料ガス流路２１を末端領域ＤＳへと流動する燃料ガスによって燃料電池２０の上流側への移動、並びに濃度拡散が規制されるため、逐次、アノード排ガス排出管５０へと濃度拡散によって移動する。

アノード排ガス排出管５０の上流側（燃料電池２０との接続端側）には、上流側遮断弁６１が配置され、下流側には下流側遮断弁６２が配置されている。上流側遮断弁６１は、制御回路６０からの制御信号に従って、燃料電池２０内部とアノード排ガス排出管５０とを連通または非連通状態のいずれかに切り換える。下流側遮断弁６２は、制御回路６０からの制御信号に従って、アノード排ガス排出管５０と大気とを連通または非連通状態のいずれかの状態に切り換える。

アノード排ガス排出管５０における上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２との間にはアノード排ガス排出管５０中の不純物濃度を検出するための水素濃度センサ６３が備えられている。水素濃度センサ６３によって、アノード排ガス排出管５０中の水素濃度を検出することによって、相対的にアノード排ガス排出管５０中の不純物濃度（窒素濃度）を検出することができる。すなわち、燃料電池２０の運転開始当初、アノード排ガス排出管５０中の水素濃度は高く、不純物ＩＭの発生および蓄積に伴って、水素濃度センサ６３によって検出される水素濃度は低下（不純物濃度は増加）する。

アノード排ガス排出管５０における上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２との間にはさらに、上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２との間におけるアノード排ガス排出管５０中の圧力を検出する第１の圧力センサ６４が配置されている。アノード排ガス排出管５０における下流側遮断弁６２の下流側には、下流側遮断弁６２の下流側におけるアノード排ガス排出管５０中の圧力を検出する第２の圧力センサ６５が配置されている。

本実施例に係る燃料電池２０は、上流側遮断弁６１を連通状態（開弁状態）として、下流側遮断弁６２を非連通状態（閉弁状態）にて運転することによって、アノード排ガスを燃料電池２０に循環して供給することなく運転するアノード排ガス非循環型の燃料電池として機能する。本実施例に係る燃料電池２０においては、燃料ガス排出部２１２から排出されるアノード排ガスは、再度、燃料ガス導入部２１１に投入されない。また、下流側遮断弁６２が連通（開弁）状態とされることにより、アノード排ガスと共にアノード排ガス排出管５０（燃料電池２０）内部に滞留する不純物ＩＭを燃料電池システム１０の外部に排出することができる。なお、アノード排ガスとは、起電反応に用いられた、水分、窒素といった不純物ＩＭを含む燃料ガスを意味する。なお、燃料電池２０の末端領域（下流領域）とは、不純物ＩＭが滞留する、燃料電池２０における燃料ガス排出部２１２近傍の領域を意味する。

制御回路６０は、燃料電池システム１０の動作を制御するための制御手段であり、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等を備える。制御回路６０は、上流側遮断弁６１、下流側遮断弁６２、水素濃度センサ６３、第１および第２の圧力センサ６４、６５と信号線を介して接続されている。

本実施例に係る燃料電池システム１０の動作について簡単に説明する。燃料電池２０の燃料ガス導入部２１１に対しては、高圧水素タンク３０から所定圧力にて燃料ガスが供給されている。したがって、起電反応に伴い燃料電池２０において燃料ガスが消費され、燃料電池２０の燃料ガス流路２１の圧力（燃料ガス供給管３０内の圧力によって判断しても良い）が所定圧力を下回ると、水素調圧弁４１の作用によって燃料電池２０内の圧力が所定圧力に到達するまで新たな燃料ガスが供給される。言い換えれば、燃料電池２０にて消費された量に相当する量の新たな燃料ガスが、高圧水素タンク３０から燃料電池２０の燃料ガス導入部２１１へと供給されことになるが、実際には、燃料電池２０の酸化ガス流路２２から燃料ガス流路２１へ水、窒素を含む不純物が固体電解質膜を透過してくるので、燃料電池２０にて消費された量よりも少ない燃料ガスが高圧水素タンク３０から燃料電池２０の燃料ガス導入部へと供給される。

燃料電池２０の燃料ガス流路２１には、酸化ガス流路２２から水、窒素を含む不純物ＩＭが濃度拡散によって固体電解質膜を透過してくる。燃料電池２０の燃料ガス流路２１に透過した不純物ＩＭは、供給される燃料ガスに押されて燃料ガス流路２１の下流領域ＤＳへと移動する。燃料電池２０の通常運転時には、上流側遮断弁６１は連通状態（開弁状態）、下流側遮断弁６２は非連通状態（閉弁状態）とされている。したがって、燃料ガス流路２１の下流領域ＤＳに移動させられた不純物ＩＭは、濃度拡散によって下流側遮断弁６２より上流側のアノード排ガス排出管５０に蓄積される。下流側遮断弁６２より上流側のアノード排ガス排出管５０に蓄積された不純物ＩＭは、以下の手順によってアノード排ガス排出管５０外部、すなわち、燃料電池システム１０の外部に排出される。

図２〜図６を参照して本実施例に係る燃料電池システム１０における、不純物ＩＭの排出動作について説明する。図２は本実施例の燃料電池２０におけるアノード排ガス排出処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図３〜図５は本実施例に係る燃料電池システム１０における不純物ＩＭの蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。図６は本実施例のアノード排ガス排出管内部における水素濃度および不純物濃度の時間変化を模式的に示す説明図である。

制御回路６０は、図２に示す処理ルーチンを所定時間間隔にて繰り返し実行する。制御回路６０は、上流側遮断弁６１を開弁状態（連通状態）、下流側遮断弁６２を閉弁状態（非連通状態）にて燃料電池２０の運転を開始する。制御回路６０は、本処理ルーチンを開始すると、水素濃度センサ６３を介して、下流側遮断弁６２より上流側におけるアノード排ガス排出管５０内部の水素濃度Ｄhを取得する（ステップＳ１００）。複数の物質を含む不純物の濃度である不純物濃度を直接検出することは容易でないので、本実施例では、水素濃度を検出することによって間接的に不純物濃度を検出する。すなわち、例えば、水素濃度Ｄｈ（％）に対して不純物濃度＝１００−Ｄｈとして求めることができる。制御回路６０は、取得した水素濃度Ｄhが下流側遮断弁６２の開弁基準濃度Ｄhrefo未満であるか否かを判定し（ステップＳ１１０）、Ｄh＜Ｄhrefoでないと判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。水素濃度Ｄh≧Ｄhrefoの場合には、例えば、アノード排ガス排出管５０内部は、図３に示す状況にある。すなわち、アノード排ガス排出管５０内部は未だ不純物ＩＭによって満たされておらず、さらに不純物ＩＭを蓄積することができる状態にある。

制御回路６０は、Ｄh＜Ｄhrefoであると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、上流側遮断弁６１に対して閉弁（非連通）指示を送り（ステップＳ１２０）、下流側遮断弁６２に対して開弁（連通）指示を送る（ステップＳ１３０）。なお、下流側遮断弁６２は、上流側遮断弁６１の閉弁と同時に開弁されても良く、あるいは、上流側遮断弁６１が完全に閉弁された後に開弁されても良い。

このとき、例えば、アノード排ガス排出管５０内部は、図４に示す状況にある。すなわち、アノード排ガス排出管５０内部は、ほぼ不純物ＩＭによって満たされており、さらなる不純物ＩＭを蓄積することができない状態にある。この状態では、濃度拡散による、燃料電池２０の下流領域ＤＳからアノード排ガス排出管５０への不純物ＩＭの移動を期待することができず、燃料電池２０の発電性能の低下を招くおそれがある。

制御回路６０は、第１および第２の圧力センサ６４、６５によって検出される圧力Ｐ１、Ｐ２の圧力差、すなわち、上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２との間におけるアノード排ガス排出管５０の圧力と大気圧との差圧（Ｐ１−Ｐ２）が下流側遮断弁閉弁基準差圧α未満となるまで待機する（ステップＳ１４０：Ｎｏ）。すなわち、アノード排ガス排出管５０内の不純物の排出状況を、差圧（Ｐ１−Ｐ２）によって検出する。差圧（Ｐ１−Ｐ２）が高い場合には、不純物はアノード排ガス排出管５０から大気へと勢いよく流れ、不純物の効率的な排出を期待することができる。一方、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が低くなるにつれてアノード排ガス排出管５０から大気への不純物の流れは弱くなり、アノード排ガス排出管５０から大気への不純物の効率的な排出を期待できなくなる。

そこで、本実施例では、アノード排ガス排出管５０から大気への不純物の効率的な排出を期待できなくなる差圧を、下流側遮断弁閉弁基準差圧αとし、差圧（Ｐ１−Ｐ２）を用いて、下流側遮断弁６２の適切な閉弁時期を判定する。

制御回路６０は、Ｐ１−Ｐ２＜αになると（ステップＳ１４０：Ｙｅｓ）、下流側遮断弁６２に対して閉弁指示を送り（ステップＳ１５０）、上流側遮断弁６１に対して開弁指示を送り（ステップＳ１６０）、本処理ルーチンを終了する。なお、上流側遮断弁６１は、下流側遮断弁６２の閉弁と同時に開弁されても良く、あるいは、下流側遮断弁６２が完全に閉弁された後に開弁されても良い。

Ｐ１−Ｐ２＜αの場合には、例えば、アノード排ガス排出管５０内部は、図５に示す状況にある。すなわち、アノード排ガス排出管５０内に滞留していた不純物ＩＭは、燃料電池システム１０の外部へと排出され、アノード排ガス排出管５０内部の不純物濃度は低減する。

本実施例における、アノード排ガス排出管５０内の水素濃度（不純物濃度）は、たとえば、図６に示すように変動する。なお、下流側遮断弁閉弁基準差圧αは、必ずしもアノード排ガス排出管５０内の不純物濃度（水素濃度）と一義的な関係にはないが、図６における下流側遮断弁閉弁基準値Ｄhrefsは、差圧（Ｐ１−Ｐ２）が下流側遮断弁閉弁基準差圧αの場合におけるアノード排ガス排出管５０内の不純物濃度（水素濃度）にほぼ相当する。また、下流側遮断弁６２の開弁または閉弁によってアノード排ガス排出管５０内の不純物濃度（水素濃度）は図６に示すように変化する。

すなわち、燃料電池２０の運転当初は、アノード排ガス排出管５０内には水素で満たされており、燃料電池２０の運転時間の経過と共にバッファ５０内における不純物ＩＭの濃度が増加する（水素濃度が低下する）。水素濃度Ｄhが下流側遮断弁開弁基準濃度Ｄhrefo未満となり、上流側遮断弁６１が閉弁され、下流側遮断弁６２が開弁されると、アノード排ガス排出管５０内の不純物ＩＭは、濃度勾配およびアノード排ガス排出管５０の圧力と大気圧との圧力差とによって、アノード排ガス排出管５０から大気へと排出される。この結果、アノード排ガス排出管５０の不純物濃度を燃料電池２０の運転当初のレベルまで回復することができる。

以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システム１０は、燃料電池２０の燃料ガス排出部２１２と連通されているアノード排ガス排出管５０に上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２を備える。制御回路６０は、両遮断弁６１、６２の開弁、閉弁時期を、両遮断弁６１、６２間のアノード排ガス排出管５０の水素濃度（不純物濃度）、および両遮断弁６１、６２間のアノード排ガス排出管５０の圧力と大気圧との差圧とを用いて制御する。したがって、従来の燃料電池システム１０においては、燃料電池２０の末端領域ＤＳ近傍に存在する不純物ＩＭが、濃度拡散によってアノード排ガス排出管５０へと導かれ、燃料電池２０（燃料ガス流路２１）から不純物が除去される。この結果、不純物に起因する、燃料ガス流路２１における燃料ガスの拡散性の低下を解消することが可能となり、また、滞留する不純物によるアノード電極の被覆を防止することができる。よって、不純物の影響を受けることなく、燃料電池２０の出力電圧を常に略一定値に維持することが可能となり、安定した出力電圧を出力させることができる。さらに、燃料電池２０の末端領域ＤＳにおける各単セルの発電効率をさらに高めることができると共に、燃料電池２０としてさらに安定した電力を供給することができる。

また、本実施例では、下流側遮断弁６２が開弁（連通状態）にあるときには、上流側遮断弁６１が閉弁（非連通状態）にあるので、アノード排ガス排出管５０内の不純物を排出する際に、不純物と共に燃料電池２０内の水素が排出されることがない。すなわち、制御回路６０は、下流側遮断弁６２と上流側遮断部６１とが同時に全開とならないように両制御弁６１、６２の開弁・閉弁制御を実行する。この結果、燃料電池２０から排出される水素量を低減することが可能となり、燃料電池の運転効率を向上させることができる。

・その他の実施例：
（１）上記実施例では、上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２との間におけるアノード排ガス排出管５０の圧力と大気圧との差圧（Ｐ１−Ｐ２）を用いて、アノード排ガス排出管５０内の不純物の排出状況を検出しているが、差圧に代えてアノード排ガス排出管５０内の不純物濃度（水素濃度）を用いても良い。この実施例について図７を参照して説明する。図７は他の実施例の燃料電池におけるアノード排ガス排出処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。なお、上記実施例において説明済みのステップについては同一のステップ番号を付して詳細な説明を省略し、本実施例における特徴的なステップを中心に説明する。

この実施例では、制御回路６０は、ステップＳ１１０において、アノード排ガス排出管５０内の水素濃度Ｄｈが下流側遮断弁６２の開弁基準濃度Ｄhrefo未満であるか否かを判定し、水素濃度Ｄh＜Ｄhrefoの場合には、上流側遮断弁６１に対して閉弁（非連通）指示を送り（ステップＳ１２０）、下流側遮断弁６２に対して開弁（連通）指示を送る（ステップＳ１３０）。

制御回路６０は、アノード排ガス排出管５０内の水素濃度Ｄｈが下流側遮断弁６２の閉弁基準濃度Ｄhrefs以上となるまで待機する（ステップＳ１４５）。制御回路６０は、水素濃度Ｄh≧Ｄhrefsであることを検出すると、下流側遮断弁６２に対して閉弁（非連通）指示を送り（ステップＳ１５０）、上流側遮断弁６１に対して開弁（連通）指示を送る（ステップＳ１６０）。なお、図６に示す例では、アノード排ガス排出管５０内の水素濃度Ｄｈが下流側遮断弁６２の閉弁基準濃度Ｄhrefsに等しくなると下流側遮断弁６２が閉弁されるが、アノード排ガス排出管５０内の水素濃度Ｄｈが下流側遮断弁６２の閉弁基準濃度Ｄhrefsを超えてから下流側遮断弁６２が閉弁されても良い。

この実施例によれば、上流側遮断弁６１および下流側遮断弁６２の開弁、閉弁制御をアノード排ガス排出管５０内の水素濃度（不純物濃度）のみを用いて実行することができる。なお、不純物濃度に対する判定値である第１の所定濃度は閉弁基準濃度Ｄhrefsに該当し、同様に第２の所定濃度は開弁基準濃度Ｄhrefoに該当する。また、第２の所定濃度（開弁基準濃度Ｄhrefo）は第１の所定濃度（閉弁基準濃度Ｄhrefs）よりも低い濃度であり、開弁を実行する濃度と、閉弁を実行する濃度とは異なる濃度である。

（２）上記実施例では、下流側遮断弁６２と上流側遮断弁６１の２つの遮断弁を備える燃料電池システム１０を用いて説明しているが、この他にも１ないし多数の遮断弁を備えてもよい。この場合には、上記実施例における下流側遮断弁６２は最下流側遮断弁となり、上流側遮断弁６１は最下流遮断弁を除く残りの遮断弁のいずれかとなる。最下流側遮断弁が、開弁（連通状態）にあるときに、残りの遮断弁のいずれかが閉弁（非連通状態）にあれば、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

（３）上記実施例では、不純物濃度（水素濃度）を濃度センサである水素濃度センサ６３によって検出しているが、予め燃料電池２０の出力電圧と不純物濃度との相関関係を取得しておき、燃料電池２０の出力電圧を検出する電圧センサから得られる出力電圧によって不純物濃度を検出しても良い。また、上記実施例では、上流側遮断弁６１と下流側遮断弁６２との間におけるアノード排ガス排出管５０の圧力と大気圧との差圧によって、アノード排ガス排出管５０におけるアノード排ガスの流量（排出度合い）、を検知しているが、この他に、流量計を用いて流量を検知しても良い。

（４）上記実施例では、固体高分子電解質膜を備える燃料電池２０を例によって説明したが、この他にも、金属製、非金属性の分離膜を備える燃料電池２０を用いても良い。例えば、燃料電池２０の耐圧性が分離膜によって規定される場合には、分離膜として、機械的強度の高いものを用いると、燃料電池２０の出力が低下した際にアノードに供給する水素圧を高くして水素量を増加させることで、相対的に不純物濃度を低減することができるので、遮断弁６２の開弁回数を低減することができる。

（５）上記実施例では、単セルがスタック状に積層された燃料電池を例にとって説明したが、本発明は、単セル型の燃料電池においても適用可能である。

（６）上記実施例では、酸化ガスの供給態様について詳細に説明されていないが、例えば、外部の気体ポンプによってそれぞれ供給され得る。

以上、実施例に基づき本発明に係る燃料電池システムを説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本実施例に係る燃料電池システムの一構成例を模式的に示す説明図である。 本実施例の燃料電池におけるアノード排ガス排出処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 本実施例に係る燃料電池システムにおける不純物の蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。 本実施例に係る燃料電池システムにおける不純物の蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。 本実施例に係る燃料電池システムにおける不純物の蓄積・排出の様子を模式的に示す説明図である。 本実施例のアノード排ガス排出管５０内部における水素濃度および不純物濃度の時間変化を模式的に示す説明図である。 他の実施例の燃料電池におけるアノード排ガス排出処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２１…燃料ガス流路
２１１…燃料ガス導入部
２１２…燃料ガス排出部
２２…酸化ガス流路
２２１…酸化ガス導入部
２２２…酸化ガス排出部
３０…高圧水素タンク
３１…燃料ガス供給管
４０…高圧水素ガス遮断弁
４１…水素調圧弁
５０…アノード排ガス排出管
６０…制御回路
６１…上流側遮断弁
６２…下流側遮断弁
６３…水素濃度センサ
６４…第１の圧力センサ
６５…第２の圧力センサ
６６…負荷

Claims (10)

1. 燃料電池システムであって、
   アノード排ガスを排出するためのアノード排ガス排出口を有する燃料電池と、
   前記燃料電池のアノード排ガス排出口に接続されているアノード排ガス排出管と、
   前記アノード排ガス排出管上に配置されていると共に、連通状態または非連通状態に切り換え可能な複数の連通機構と、
   前記燃料電池の通常運転時には、前記複数の連通機構のうち、最も下流側に配置されている最下流連通機構を非連通状態にすると共に、前記最下流連通機構を連通状態とする場合には、残りの前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を非連通状態とする連通機構制御部とを備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記最下流連通機構よりも上流側における前記アノード排ガス排出管内の不純物濃度を検出する不純物濃度検出器を備え、
   前記連通機構制御部は、前記不純物濃度検出器により検出された不純物濃度が第１の所定濃度よりも高い場合には、前記燃料電池が通常運転されていても、前記最下流連通機構を連通状態にする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記最下流連通機構よりも上流側における前記アノード排ガス排出管内の圧力を検出する上流側圧力検出部と、
   前記最下流連通機構よりも下流側における前記アノード排ガス排出管内の圧力を検出する下流側圧力検出部とを備え、
   前記連通機構制御部は、前記不純物濃度検出器により検出された不純物濃度が第１の所定濃度よりも高くなり前記最下流連通機構が連通状態となっている際に、前記上流側圧力検出部で検出された圧力と前記下流側圧力検出部で検出された圧力との差が所定値以下になった場合に、前記最下流連通機構を非連通状態にする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記不純物濃度検出器は、前記最下流連通機構と、前記最下流連通機構が連通状態になっているときに非連通となっている連通機構との間における前記アノード排ガス排出管内の不純物濃度を検出する燃料電池システム。
5. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記連通機構制御部は、前記第１の所定濃度よりも高くなった不純物濃度が、第２の所定濃度よりも低くなった場合には、前記最下流連通機構を非連通状態とする燃料電池システム。
6. 請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記連通機構制御部は、前記最下流連通機構を非連通状態にする場合には、前記最下流連通機構を非連通状態にすると共に、残りの前記複数の連通機構を連通状態にする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムはさらに、
   前記最下流連通機構より下流側における前記アノード排ガス排出管を流れるアノード排ガス流量を検出するアノード排ガス流量検出手段を備え、
   前記連通機構制御部は、前記最下流連通機構が連通状態になっており、前記検出されたアノード排ガス流量が所定流量未満の場合に、前記最下流連通機構を非連通状態とする燃料電池システム。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記複数の連通機構は、前記最下流連通機構と、前記最下流連通機構より上流側に配置されている上流側連通機構の２つの連通機構である燃料電池システム。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
   前記燃料電池に対して一定圧力にて燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を備える燃料電池システム。
10. 燃料電池に接続されているアノード排ガス排出管上に配置されていると共に連通状態または非連通状態に切り換え可能な複数の連通機構を備え、前記複数の連通機構のうち、最も下流側に配置されている最下流連通機構は前記燃料電池の通常運転時には非連通状態とされる、燃料電池システムにおける連通機構の制御方法であって、
    前記最下流連通機構よりも上流側における前記アノード排ガス排出管内の不純物濃度を検出し、
    前記検出した不純物濃度が第１の所定濃度よりも高い場合には、残りの前記複数の連通機構のうち少なくとも１つの連通機構を非連通状態とし、前記最下流連通機構を連通状態とする燃料電池システムにおける連通機構の制御方法。

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