JP4887603B2

JP4887603B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4887603B2
Application number: JP2004144636A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2024-05-14
Also published as: JP2005327596A

Description

本発明は、燃料電池内の不純物量を推定してガスの供給／排出の制御を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに適用される燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、燃料ガスとして水素が供給されるアノード極（燃料極）と、空気が供給されるカソード極（酸素極）を備える燃料電池スタックを本体として、アノード極に供給する水素等の燃料ガスを貯蔵したタンクや、未使用の燃料ガスを含む排ガスを元のアノード極に戻すためのポンプ等が付設されたシステムである。燃料電池スタックでは、水素と空気に含まれる酸素が反応して電力が生成される。

ここで、燃料電池においては反応が進むにつれて、カソード極からカソードガス（空気）中の窒素や反応による生成水などが電解質膜を通りアノード極側へと滲み出してくることが知られている。これにより、アノード極において窒素や水蒸気の分圧が上昇して燃料ガス（水素）の濃度が低下し、燃料電池の発電能力が低下してしまう。

そのため、一般的には、アノード極の排出流路に設けられた排出弁を開弁し、未使用の水素や不純物を含むガスを排出していた。例えば、特許文献１には、混合ガスの超音波伝播時間より不純物ガス濃度を演算して、不純物ガス濃度・圧力・温度に基づいて不純物ガス存在量を演算して、不純物ガス存在量が所定量以上であるときにパージを行う（排出弁を開く）といった技術が記載されている。また、特許文献２には、燃料ガスの水素濃度を検出して所定濃度以下の際、及び燃料電池の出力が低下した際に排出弁を開くといった技術が記載されている。特許文献３には、水素循環ラインの圧力が所定圧力より高くなったら不純物ガスが溜まっていると判断して排出弁を開くという技術が記載されている。その他に、特許文献４には、セル電圧の低下・所定時間経過・スタックの層電圧の低下を判断要素として、水素のパージを行う技術が開示されている。

しかしながら、上記の特許文献１に記載された技術では、超音波受発信器が必要でありコストがかかるという問題があった。また、特許文献２及至４に記載された技術では、現在のアノード極内の状況を考慮に入れて不純物濃度を推定しないため、無駄に未使用の水素が排出されてしまうという問題があった。そのため、燃費の低下等に繋がっていた。

特開２００３−３１７７５２号公報特開２００３−７７５０６号公報特開２０００−５８０９２号公報特開２００２−２４６０４５号公報

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池におけるアノード極内の不純物量を正確に推定し、燃料ガス量を適切に調整することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の１つの観点では、燃料電池システムは、燃料電池に設けられた酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路と、単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量を推定する第１のガス透過量推定手段と、前記第１のガス透過量推定手段が推定した不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路に設けられた排出弁を開弁する制御、又は前記燃料ガス通路内における燃料ガス量を増加する制御を行う制御手段と、単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出手段と、単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出手段と、単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過するガス透過量を推定する第２のガス透過量推定手段と、を備え、前記第１のガス透過量推定手段は、前記消費水素量検出手段が検出した水素量と、前記第２のガス透過量推定手段が推定したガス透過量とを加算した量から、前記供給水素量検出手段が検出した水素量を減じた量を、単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定し、前記第２のガス透過量推定手段は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、前記燃料電池の発電量の各々が増加するほど、前記ガス透過量が大きくなるように前記ガス透過量を推定する。

上記の燃料電池システムは、燃料電池自動車などに搭載される。燃料電池システムは、燃料電池に設けられた酸化剤ガス通路と燃料ガス通路とを有する。更に、燃料電池システムは、単位時間当たりに酸化剤ガス通路から燃料電池の電解質（例えば、電解質膜）を介して燃料ガス通路に透過する不純物ガス量を推定する第１のガス透過量推定手段を有する。燃料電池システムは、第１のガス透過量推定手段が推定した不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路内の燃料ガス量を調整する。これにより、発電効率の低下を防止することができる。また、上記の不純物ガス量の推定は、通常の燃料電池システムが有する装置を利用することができるので、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。
具体的には、燃料電池システムは、燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量と、燃料電池で消費される水素量と、燃料ガス通路から燃料電池の電解質を介して酸化剤ガス通路に透過するガス（燃料ガスなど）の量と、に基づいて不純物ガス量を推定する。透過燃料ガス量、即ち透過水素量の推定は、透過不純物ガス量、即ち透過窒素量を直接推定するよりも推定精度が高い。これは、酸化剤ガス通路から燃料ガス通路に透過する窒素量は、燃料ガス通路から酸化剤ガス通路へ透過する水素量に比べて少ないため、窒素透過量をマップなどの直接的な手段で推定しても推定精度が低くなりやすいためである。よって、透過燃料ガス量を用いて不純物ガス量を推定することにより、不純物ガス量の推定精度が向上する。更に、この場合も、通常の燃料電池システムが有する装置を利用することができるので、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。
また、第２のガス透過量推定手段は、燃料電池の温度と、燃料電池内の湿度と、燃料電池の発電量と、燃料ガス通路から燃料電池の電解質を介して酸化剤ガス通路に透過するガスの量との関係を示すマップに基づいて推定を行う。したがって、酸化剤ガス通路に透過するガスの量を精度良く推定することができる。
更に、制御手段は、不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、燃料ガス通路に設けられた排出弁を開弁する制御を行うことができる。この場合、制御手段は、不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときのみ、排出弁を開いて燃料ガス通路内のガスを排出するので、無駄に排出弁を開弁して未使用の燃料ガスなどを排出することがない。よって、燃費を低下させることなく、発電効率の低下を防止することができる。他方で、制御手段は、不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、上記のように排出弁を開弁する制御を行う代わりに、燃料ガス通路内における燃料ガス量を増加する制御を行うことができる。このように燃料ガス量を増加させることにより、発電効率の低下を防止することができる。

上記の燃料電池システムにおいては、好適には、前記第１のガス透過量推定手段は、前記不純物として窒素と水蒸気の量を推定する。燃料電池の燃料ガス通路には、不純物として、酸化剤通路側から侵入する窒素や、発電のための反応により生じる水蒸気などが溜まるので、これらの量を推定して燃料ガス量の調整を行う。

本発明の他の観点では、酸化剤ガス通路と、燃料ガス通路と、を有する燃料電池における不純物ガス量推定方法は、単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出工程と、単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出工程と、単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過する透過ガス量を推定する透過ガス量推定工程と、前記消費水素量検出工程により検出された水素量と、前記透過ガス量推定工程により推定された透過ガス量とを加算した量から、前記供給水素量検出工程により検出された水素量を減じた量を、単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定する工程と、を備え、前記透過ガス量推定工程は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、前記燃料電池の発電量の各々が増加するほど、前記透過ガス量が大きくなるように前記透過ガス量を推定する。

上記の不純物ガス量推定方法によれば、燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量と燃料電池で消費される水素量と、燃料ガス通路から燃料電池の電解質を介して酸化剤ガス通路に透過するガス（燃料ガスなど）の量と、に基づいて不純物ガス量が推定される。透過燃料ガス量、即ち透過水素量の推定は、透過不純物ガス量、即ち透過窒素量を直接推定するよりも推定精度が高い。よって、透過燃料ガス量を用いて不純物ガス量を推定することにより、不純物ガス量の推定精度が向上する。更に、この場合も、通常の燃料電池システムが有する装置を利用することができるので、燃料電池システムを簡易な構成にすることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の１つの実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。

燃料電池システム５０は、主に、調圧弁３と、温度センサ５と、電流センサ６と、排出弁８と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０と、供給流路１１、１２と、排出流路１３、１４と、を備える。燃料電池システム５０は、燃料電池自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）などに搭載され、燃料電池（燃料電池スタック）１に対して種々の制御を行うシステムである。

燃料電池１は、電解質膜１ｃの両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた出力電圧を取り出すことができる。図中には、説明の便宜のため電解質膜１ｃ面にカソード極（空気極）１ａと、アノード極（燃料極）１ｂが形成された電池セルの構造のみを示している。図示のように、カソード極１ａには供給流路１１より酸化剤ガスとしての空気が供給され、アノード極１ｂには供給流路１２より燃料ガスとしての水素が供給される。これによって、電力が生成される。

燃料電池１は、車両駆動用のモータの給電源であり、３００Ｖ程度の直流の高電圧を発生するようになっている。また、燃料電池１の発電電圧は、電源ケーブル１５を通り、モータに指令トルク等に応じた電流を供給するインバータや、車両に搭載される種々の補機や、この補機への給電用の二次電池であるバッテリー（これら全てを含めて、「負荷７」として示している）に出力するようになっている。

供給流路１１には空気が流通し、供給流路１２には水素が流通する。そして、排出流路１３にはカソード極１ａより排出されるガスが流通し、排出流路１４にはアノード極１ｂより排出されるガス（未使用の水素、及び、不純物としての水、窒素などが含まれる）が流通する。以上のように、供給流路１１と排出流路１３は前述した酸化剤ガス通路として機能し、供給流路１２と排出流路１４は前述した燃料ガス通路として機能する。なお、酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路は、燃料電池１内に設けてあるガスが流通する流路（例えば、セパレータ上に設けられた通路など）も含むものとする。

上記した供給流路１２上には、流量計２と調圧弁３が配設されている。流量計２は、供給流路１２を流通する水素の流量（以下、「供給水素量」とも呼ぶ）を検出する装置である。即ち、流量計２が検出する流量は、アノード極１ｂに供給する水素量に相当する。この流量計２が検出した流量に対応する信号Ｓ１は、ＥＣＵ１０に出力される。

調圧弁３は、アノード極１ｂに供給する水素の流量（水素量）を調節する弁である。調圧弁３は、圧力を一定に維持したまま、アノード極１ｂに水素を供給するようにする。調圧弁３は、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ２により制御される。なお、調圧弁３が精度よく開度量の調節が可能な弁であれば、上記のように流量を直接検出する流量計２を用いずに、供給弁３の開度量から、アノード極１ｂへの供給水素量を求めるようにしてもよい。更に、調圧弁３がインジェクタ等で構成される場合（即ち、通電される制御パルスのデューティ比により開閉の制御が行われる弁を用いる場合）も流量計２を用いずに、上流圧と上流温度と弁の開信号とに基づいて供給水素量を求めてもよい。

燃料電池１には温度センサ５が配設されている。即ち、温度センサ５は、燃料電池１の温度を検出する。温度センサ５が検出した温度に相当する信号Ｓ４は、ＥＣＵ１０に出力される。なお、燃料電池１の温度の検出方法は、温度センサ５を燃料電池１に直接配設することに限定されない。例えば、燃料電池１に供給する冷却剤の温度を燃料電池１の温度として用いても良い。即ち、燃料電池１の温度を直接検出せずとも、燃料電池１内の水素の温度を精度良く反映している温度を用いればよい。

電源ケーブル１５には、電流センサ６が設けられている。電流センサ６は、燃料電池１が発電した電流値を検出するセンサである。電流センサ６が検出した電流値に相当する信号Ｓ５は、ＥＣＵ１０に出力される。この電流センサの出力信号Ｓ５は、燃料電池１の発電量に対応する。更に、排出流路１４には、排出弁８が配設されている。排出弁８は、アノード極１ｂより未使用の水素や不純物（窒素、水など）を含むガスを排出させることが可能な弁である。排出弁８は、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ６により制御される。

ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを含んで構成される。ＥＣＵ１０は、上記したように、流量計２と温度センサ５と電流センサ６からの検出信号Ｓ１、Ｓ４、Ｓ５に基づいて、調圧弁３と排出弁８を制御する。即ち、調圧弁３と排出弁８に制御信号Ｓ２、Ｓ６を供給する。本実施形態では、ＥＣＵ１０は、電解質膜１ｃを透過してカソード極１ａからアノード極１ｂに移動した不純物の量（不純物ガス量）を推定して、推定された不純物ガス量が所定量以上である場合に排出弁８を開弁するよう制御する。

ここで、ＥＣＵ１０が上記のような制御を行う意義について、図２を用いて説明する。図２は、燃料電池１の運転の継続時間とともに、燃料電池１内の不純物が増加する様子を示した図である。図において、横軸は時間を示し、縦軸は水素の流量を示している。また、破線で表した直線Ｂ１は水素の予測必要流量を示し、実線で表した曲線Ｂ２は実際の水素の流量を示している。これより、燃料電池１の運転の継続時間が増加するにつれ、実際の水素の流量は予測必要流量から離れていくことがわかる。これは、カソード極１ａから電解質膜１ｃを透過した不純物（窒素や水蒸気など）がアノード極１ｂ内に溜まるためである。即ち、予測必要流量と実際の流量との差を表す斜線領域Ｂ３は、不純物の量を示している。

アノード極１ｂ内に不純物が多量に溜まると燃料電池１の発電効率が低下するため、排出弁８を開弁して不純物を排出する必要がある。しかし、不純物が多量（燃料電池１の発電効率に悪影響を与えるほどの量）に溜まっていないにも拘らず、排出弁８を開弁すると燃料電池１の利用効率が低下してしまう。このような観点から、本実施形態では、アノード極１ｂ内の不純物ガス量を精度よく推定して、適切に排出弁８を制御する。また、本実施形態では、精度良く不純物ガス量を推定するために、電解質膜１ｃを透過してアノード極１ｂからカソード極１ａへ移動したガス（水素など）の量を推定し、このガスの量に基づいて不純物ガス量を推定する。ＥＣＵ１０が行う処理の詳細は、後述する。以上のように、ＥＣＵ１０は、不純物ガス量を推定する第１のガス透過量推定手段と、ガス量（カソード極１ａへ移動したガスの量）を推定する第２のガス透過量推定手段と、不純物ガス量に基づいて排出弁８を開弁する制御手段として機能する。

［不純物ガス量の推定方法］
以下では、ＥＣＵ１０が行う不純物ガス量の推定方法、及び、この推定結果に基づく排出弁８の制御方法について具体的に説明する。

図３は、ＥＣＵ１０が行う処理を示すフローチャートである。なお、この処理は燃料電池１の使用中に所定の周期で繰り返し実行される。例えば、１Ｈｚ以上の周期で処理を行うことが好適である。更に、以下では「不純物ガス量」の推定を行う処理を示すが、これに限定はせず、「不純物濃度」の推定としてもよい。燃料電池１の容積は一定であるため、ガスの濃度と量は一対一で対応するからである。また、以下では、不純物が窒素のみから成るものとして説明する。こうしたのは、窒素は、燃料電池１の発電安定性に最も影響を及ぼすからである。

まず、ステップＳ１１では、ＥＣＵ１０は、アノード極１ｂ内の窒素量の初期値（窒素量（初期値））、及び透過水素量の積算値を設定する。ステップＳ１１の処理は、主に燃料電池１の起動時などに行うものとする。一定時間停止した後の燃料電池１内の窒素濃度は、概ね１００％となっている。よって、窒素量の初期値は、アノード極１ｂの容積に基づいて定められる。また、窒素量の初期値は、供給流路１２又は排出流路１４上に設けられる圧力計などが検出した圧力値に設定してもよい。一方、透過水素量は電解質膜１ｃを透過しアノード極１ｂからカソード極１ａに移動した水素の量であり、燃料電池１の起動時などにおいては「０」に設定される。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ＥＣＵ１０は、燃料電池１で発電に消費された水素量（以下、単に「消費水素量」とも呼ぶ）を求める。ＥＣＵ１０は、燃料電池１の発電量に対応する信号Ｓ５（電流センサ６の出力信号である）に基づいて、消費水素量を求める。そして、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、ＥＣＵ１０は、アノード極１ｂから電解質膜１ｃを透過してカソード極１ａに移動した単位時間当りの透過水素量の積算値を求める。この透過水素量の算出方法について、図４を用いて説明する。

図４は、透過水素量を求める際に用いるマップの具体例を示している。具体的には、図４（ａ）は燃料電池１内の温度と透過水素量の関係（マップＡ１１とする）を示しており、図４（ｂ）は燃料電池１内の湿度と透過水素量の関係（マップＡ１２とする）を示しており、図４（ｃ）は燃料電池１の発電量と透過水素量の関係（マップＡ１３とする）を示している。図４（ａ）より、燃料電池１内の温度が上昇すると、透過水素量は多くなっていくことがわかる。また、図４（ｂ）より、燃料電池１内の湿度が上昇すると、透過水素量は多くなっていくことがわかる。更に、図４（ｃ）より、燃料電池１内の発電量が大きくなると、透過水素量は多くなっていくことがわかる。なお、燃料電池１の湿度は温度と発電量から求めることができるので、マップＡ１２を用いないでマップＡ１１とマップＡ１３のみを用いて透過水素量を求めてもよい。よって、ＥＣＵ１０は、温度センサ５からの出力信号Ｓ４と電流センサ６からの出力信号Ｓ５を取得し、マップＡ１１とマップＡ１３を用いて透過水素量を求めることができる。

このようにして求まった透過水素量を、ＥＣＵ１０は、前回までの透過水素量の積算値に積算する。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１４に進む。なお、上記したマップＡ１１〜Ａ１３は、ＥＣＵ１０内のメモリなどに記憶されている。

ステップＳ１４では、ＥＣＵ１０は、以上のステップＳ１２とステップＳ１３で求めた水素量を用いて、透過窒素量を求める。この透過窒素量は、カソード極１ａから電解質膜１ｃを透過してアノード極１ｂに移動した単位時間当りの窒素量（即ち、不純物ガス量）である。具体的には、以下の式（１）を用いて透過窒素量を求める。

（透過窒素量）＝（消費水素量）＋（透過水素量）−（供給水素量）式（１）
式（１）中の「供給水素量」は、圧力一定下で単位時間当たりにアノード極１ｂに供給された水素量であり、流量計２からの出力信号Ｓ１から求められる。また、「消費水素量」はステップＳ１２にて求められた水素量であり、「透過水素量」はステップＳ１３にて求められた水素量である。即ち、水素の供給は圧力一定で行われるので、発電に使用された水素量とカソード極１ａへ移動した水素量とを加算した量から、供給された水素量を差し引いた量は、アノード極１ｂへ入ってきた窒素量に他ならない。以上のような透過窒素量を求める処理が終了すると、処理はステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、ＥＣＵ１０は、アノード極１ｂに存在する現在の窒素量を求める。現在の窒素量は、本ルーチンの前回までの処理で求めた窒素量にステップＳ１４にて求めた透過窒素量を加算した値である。そして、処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、ＥＣＵ１０は、許容最大窒素量を求める。この許容最大窒素量は、アノード極１ｂ内で安定に発電を継続することが可能な窒素量の最大値である。即ち、アノード極１ｂ内に許容最大窒素量を超える量の窒素が存在すれば、燃料電池１の発電は不安定になる。この許容最大窒素量の算出方法について、図５を用いて説明する。

図５は、横軸に燃料電池１の発電量を示し、縦軸に燃料電池１の温度を示している。図５において複数の曲線Ａ２は、発電量と、燃料電池１の温度と、許容最大窒素量との関係を示す特性曲線（以下、「マップＡ２」とも呼ぶ）を表している。この許容最大窒素量は、濃度にて示してある（濃度が４０％、３０％、２０％、１０％であるものを示している）。図示のように、許容最大窒素量は、燃料電池１の発電量と温度に依存している。具体的には、発電量が大きいほど、必要な燃料ガス（水素）量が大きくなるので、許容最大窒素量は少なくなる傾向にある。また、燃料電池１の温度が低いときほど、発電のための反応が生じにくくなるので、必要な燃料ガス（水素）量が大きくなり、許容最大窒素量は少なくなる傾向にあることがわかる。以上のように、ステップＳ１６ではＥＣＵ１０は、電流センサ６から燃料電池１の発電量を取得し、温度センサ５から燃料電池１の温度を取得し、これら取得した値とマップＡ２を用いて許容最大窒素量を求める。そして、処理はステップＳ１７に進む。なお、上記したマップＡ２も、ＥＣＵ１０内のメモリなどに記憶されている。

ステップＳ１７では、ＥＣＵ１０は、現在の窒素量が許容最大窒素量以上であるか否かを判定する。現在の窒素量はステップＳ１５で求めた量であり、許容最大窒素量はステップＳ１６で求めた量である。ステップＳ１７での処理は、現在のアノード極１ｂ内にある窒素量が、燃料電池１の発電が不安定になるほど存在しているか否かの判定を行っている。よって、現在の窒素量が許容最大窒素量より少ない場合は（ステップＳ１７；Ｎｏ）、処理はステップＳ１２に戻り再度処理を行う。即ち、アノード極１内には燃料電池１の発電が不安定になるほどの窒素量が存在していないので、排出弁８を開弁しない。

一方、現在の窒素量が許容最大窒素量以上である場合は（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１８に進む。ステップ１８では、ＥＣＵ１０は、排出弁８を開弁する。この場合は、不純物量は許容最大窒素量以上になっているため、ＥＣＵ１０は排出弁８を開き、アノード極１ｂ内の流体（アノード極１ｂに存在する水素、窒素、水（ガスと液体含む）など）を排出するようにする。こうするのは、不純物を排出して燃料電池１の発電安定性を確保するためである。なお、ＥＣＵ１０は、アノード極１ｂ内の圧力値などに基づいて排出弁８を制御する（例えば、排出弁８の開弁時間（又は、デューティ比）などを決定する）。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、ＥＣＵ１０は、窒素量の初期値（窒素量（初期値））と透過水素量の積算値の設定を再設定する。具体的には、ＥＣＵ１０は、窒素量の初期値を「（現在の窒素量）−（排気した窒素量）」に設定し、透過水素量の積算値を「０」に設定する。窒素量の初期値における「排気した窒素量」は、ステップＳ１８の処理時における排出弁８の開け方などにより決定される。以上の処理が終了すると、ステップＳ１２に戻り再度処理を行う。

以上のように、本実施形態では、現在の燃料電池１のアノード極１ｂの状態に基づいて不純物ガス量を推定しているため、推定精度が向上する。また、この推定結果に基づいてアノード極１ｂのガスの供給／排出を制御しているので、燃料電池１の発電安定性を確保し、かつ、不必要な燃料ガスの排出を低減することができる。更に、本実施形態に係る不純物ガス量の推定方法は、通常の燃料電池システムが有するセンサ・制御装置を用いて行なうことができるため、新たな装置を設ける必要がないので、簡易な構成にて実行することができる。よって、コストが高くなることはない。

更に、排気した窒素量と同様に水素の排出量も計算することができるので、水素処理器への空気供給量が不足している場合には供給する水素を増量すればよいので、水素処理器の能力を最大限に利用することが可能となる。

［変形例］
以下では、前述した実施形態に関する変形例について説明する。

上記では、現在の窒素量が許容最大窒素量以上である場合には排出弁８を開弁するようにしたが、その代わりに、アノード極１ｂへの水素供給圧を上昇させることとしてもよい。即ち、排出弁８は閉じたまま調圧弁３を更に開弁して、供給する水素量を増量する。上記の実施形態では、アノード極１ｂ内の圧力を一定に維持しているため、アノード極１ｂ内の不純物ガス量が増加すると相対的に水素量が減少し、発電効率が低下してしまう。よって、不純物を排出する代わりに、一時的に水素の供給圧を増加させ、十分な水素をアノード極１ｂに供給してやれば発電効率の低下を防止することができる。なお、水素量を増量する場合は、燃料電池１の機械的強度などを考慮に入れて制御する必要がある。

更に、上記では不純物ガス量の推定に「窒素量」を用いる方法を示したが、これに限定されることはなく、「窒素濃度」を用いてもよい。これは、アノード極内の圧力を一定に維持しているため、窒素量と窒素濃度とは対応関係にあるからである。

また、不純物として窒素量のみを推定して制御を行う例について示したが、不純物に窒素だけでなく水蒸気量も考慮してもよい。その場合、水蒸気量は、燃料電池システム５０が備える気液分離器の分離率のマップと水素系の出口温度、又はその代用値にて求めることができる。この場合、ＥＣＵ１０は、現在のアノード極１ｂ内の窒素量と水蒸気量を推定し、この推定された量が燃料電池１が安定して発電可能な最大の不純物ガス量以上であるか否かの判定を行えばよい。具体例としては、上記の例においては、図３の許容最大窒素量を求めるステップＳ１６において、図５を参照して求めた許容最大窒素量から、上記のようにして求めた水蒸気量を減算した値を新たな許容最大窒素量としてステップＳ１７の処理を行えばよい。

更に、図１に示した燃料電池システム５０は排出された水素が循環されないシステムで構成されるものについて示しているが、燃料電池システムを水素循環系（排出された未使用のガスを再利用するシステム）にして、これに対して上記の不純物ガス量の推定を行い、水素の排出／供給を制御してもよい。

更に、燃料電池スタックに使用される電解質膜の透過水素量が小さい場合には、透過水素量を無視し、透過窒素量を以下の式（２）を用いて求めてもよい。式（２）は、例えばハイドロカーボン系の電解質膜など、その性質上透過水素量が比較的小さい燃料電池１などに用いることが好ましい。

（透過窒素量）＝（消費水素量）−（供給水素量）式（２）
また、透過窒素量を供給水素量や消費水素量などから計算せずに、単位時間当りの窒素透過量のマップを用いて窒素透過量を積算してもよい。この場合、透過窒素量は、時間（前回に排出弁８を開弁してからの時間など）と、燃料電池１の温度と、燃料電池１の単位時間当りの発電量と、燃料電池１の湿度と、に基づいて求めることができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池内に不純物が溜まっていく様子を示した図である。本発明の実施形態に係る不純物ガス量の推定を行うフローチャートである。透過水素量を求めるためのマップを示す。許容最大窒素量を求めるためのマップを示す。

符号の説明

１燃料電池
１ａカソード極
１ｂアノード極
２流量計
３調圧弁
５温度センサ
６電流計
８排出弁
１０ＥＣＵ
１１、１２供給流路
１３、１４排出流路
５０燃料電池システム

Claims

燃料電池に設けられた酸化剤ガス通路及び燃料ガス通路と、
単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量を推定する第１のガス透過量推定手段と、
前記第１のガス透過量推定手段が推定した不純物ガス量を積算した量が所定量以上のときに、前記燃料ガス通路に設けられた排出弁を開弁する制御、又は前記燃料ガス通路内における燃料ガス量を増加する制御を行う制御手段と、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出手段と、
単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出手段と、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過するガス透過量を推定する第２のガス透過量推定手段と、を備え、
前記第１のガス透過量推定手段は、前記消費水素量検出手段が検出した水素量と、前記第２のガス透過量推定手段が推定したガス透過量とを加算した量から、前記供給水素量検出手段が検出した水素量を減じた量を、単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定し、
前記第２のガス透過量推定手段は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、前記燃料電池の発電量の各々が増加するほど、前記ガス透過量が大きくなるように前記ガス透過量を推定することを特徴とする燃料電池システム。
前記第１のガス透過量推定手段は、前記不純物として窒素と水蒸気の量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
酸化剤ガス通路と、燃料ガス通路と、を有する燃料電池における不純物ガス量推定方法であって、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路に圧力一定下で供給された水素量を検出する供給水素量検出工程と、
単位時間当たりに前記燃料電池で消費される水素量を検出する消費水素量検出工程と、
単位時間当たりに前記燃料ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記酸化剤ガス通路に透過する透過ガス量を推定する透過ガス量推定工程と、
前記消費水素量検出工程により検出された水素量と、前記透過ガス量推定工程により推定された透過ガス量とを加算した量から、前記供給水素量検出工程により検出された水素量を減じた量を、単位時間当たりに前記酸化剤ガス通路から前記燃料電池の電解質を介して前記燃料ガス通路に透過する不純物ガス量と推定する工程と、を備え、
前記透過ガス量推定工程は、前記燃料電池の温度、前記燃料電池内の湿度、前記燃料電池の発電量の各々が増加するほど、前記透過ガス量が大きくなるように前記透過ガス量を推定することを特徴とする燃料電池の不純物ガス量推定方法。