燃料電池システム
【課題】燃料電池の端部セルの状態に応じて最適な量の燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノードおよびカソードを有する単セル５が複数積層されてなるセル積層体６と、セル積層体６のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３１と、セル積層体６のアノード側の燃料ガス濃度を所定のパラメータに基づいて算出する制御手段４と、を備えた燃料電池システム１であって、制御手段４は、算出した燃料ガス濃度をセル積層体６の端部セル５ａ、５ｂの状態に基づいて補正し、燃料ガス供給手段３１は、補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスを供給する。
【解決手段】アノードおよびカソードを有する単セル５が複数積層されてなるセル積層体６と、セル積層体６のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３１と、セル積層体６のアノード側の燃料ガス濃度を所定のパラメータに基づいて算出する制御手段４と、を備えた燃料電池システム１であって、制御手段４は、算出した燃料ガス濃度をセル積層体６の端部セル５ａ、５ｂの状態に基づいて補正し、燃料ガス供給手段３１は、補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスを供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの燃料ガス濃度の算出に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）の両側にアノードとカソードとを備え、アノード側に例えば水素ガス等の燃料ガスを供給する一方で、カソード側に例えば空気等の酸化ガスを供給し、燃料ガス及び酸化ガス（以下、反応ガスともいう）の酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池を備えた燃料電池システムの開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、特に燃料電池を長期間停止した後などでは、カソードからアノードへ窒素等の不純物が電解質膜を通って移動してアノード側の不純物濃度が高くなり燃料ガス濃度が相対的に低くなっている。そのため、システムの起動時等においては、アノードへ新たな燃料ガスを供給するとともに窒素ガス等の不純物を含む燃料オフガスを外部に排出（パージ）することで、アノード側の燃料ガス濃度を高めるようになっている。
【０００４】
このとき、適切な燃料ガスの供給量及びパージ量を決定するためには、燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度や不純物濃度を算出する必要がある。例えば、特許文献１には、システム停止からの経過時間や温度変化を不純物濃度に関連するパラメータとして用いて、システム起動時の不純物濃度を推定する方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の濃度の算出方法においては、系の平均的な不純物濃度や燃料ガス濃度が推定されるのみであった。そして、このような平均的な濃度情報に基づいて燃料ガスの供給を行った場合、燃料ガスの供給量がセル積層体のある単セルについては十分であっても他の単セルにとっては不十分であるといったことが起りうる。より具体的には、例えばシステム起動時においては、セル積層体の両端部に位置する単セル（端部セル）に水が残留していることが多く、端部セルは他の単セルに比べて相対的に燃料ガス濃度が少なくなっている。そのため、系の平均的な燃料ガス濃度に応じてセル積層体に燃料ガスを供給した場合、端部セルにおいて燃料ガスの供給量が不足し、安定運転ができなくなってしまう。他方、常に多量の燃料ガスを供給するとすれば、燃料電池システム全体の燃費が低下してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の端部セルの状態に応じて最適な量の燃料ガスを燃料電池に供給す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】
【０００８】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、アノードおよびカソードを有する単セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記セル積層体のアノード側の燃料ガス濃度を所定のパラメータに基づいて算出する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記算出した燃料ガス濃度を前記セル積層体の端部セルの状態に基づいて補正し、前記燃料ガス供給手段は、前記補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスを供給するようになっている。
【０００９】
この構成によれば、算出した燃料ガス濃度が端部セルの状態に応じて補正され、当該補正された燃料ガス濃度に基づいてセル積層体に燃料ガスが供給されるので、特に端部セルは他の単セルに比べ温度が低下して水が溜まりやすくその分燃料ガス濃度が低下しやすいが、そのような端部セルに対しても燃料ガスを不足なく供給することができる。そして、系全体の燃料ガス濃度を算出した上で、最も条件の厳しい端部セルの状態を加味して補正しているので、他の単セルにおいて燃料ガスの供給量が不足することはないし、端部セルにおいても必要な量を超えてまで燃料ガスが供給されることはない。したがって、燃費の低下も抑制できる。
【００１０】
尚、本明細書において「端部セル」とは、典型的にはセル積層体の積層方向両端部の単セルを示すが、セル積層体の枚数や大きさ等のセル積層体の構造によっては該単セル近傍の複数個の単セルをも含む。
【００１１】
また、上記構成において、前記制御手段は、システム起動時において前記補正を行うようにしてもよい。
【００１２】
システム起動時には、アノードの燃料ガス濃度が低下しており燃料ガスを供給する必要性がそもそも高いうえ、システム起動時においては、端部セルの状態が他の単セルの状態と乖離していることが多いので（例えば、残留水の量等）、システム起動時に端部セルの状態に基づいて燃料ガス濃度を補正して燃料ガスを供給するメリットはとりわけ大きい。
【００１３】
また、上記構成において、前記所定のパラメータは、前回の運転停止時のセル積層体の温度、システム起動時のセル積層体の温度及び前回の運転停止時からシステム起動時までの経過時間を含むようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、システム起動時における系全体の燃料ガス濃度を算出することができる。
【００１５】
また、上記構成において、前記セル積層体から排出された燃料オフガスを前記セル積層体のアノード側に循環させる循環経路と、前記循環経路に設けられ、前記燃料オフガスの一部を外部に排出する排出手段と、をさらに備え、前記排出手段は、前記補正された燃料ガス濃度に応じて燃料オフガスを排出するようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、燃料オフガスを循環させることで効率が上がるとともに、補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料オフガスの一部を外部に排出するので、燃料ガスを余分に排出して燃料ガスを浪費してしまうことを防止できる。
【００１７】
また、上記構成において、前記端部セルの状態は、前記セル積層体の他の単セルに対する該端部セルの温度差であるようにしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、上記温度差から、端部セルと他の単セルの燃料ガスの濃度差を求めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池の端部セルの状態に応じて最適な量の燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて、以下の順番で説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成
２．同燃料電池システムの起動時における水素ガス濃度の算出
３．同燃料電池システムの変形例
【００２１】
１．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成について説明する。ここで、図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図、図２は、同燃料電池システムの燃料電池を模式的に示す斜視図である。なお、本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素を供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００２３】
燃料電池１０は、図２に示すように、基本単位である単セル５を積層してなるセル積層体６を有する。セル積層体６は、同一種、つまり互いに同一構造の単セル５を多数積層してなる（以下、単セル５が積層された方向を「積層方向」という）。セル積層体５の積層方向両端に位置する単セル５ａ、５ｂ（以下、「端部セル５ａ、５ｂ」という。）の外側には、それぞれ順次、集電板７、絶縁板８、及びエンドプレート９が配置される。単セル５はいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成され、また内部を冷却用の冷媒（例えばエチレングリコール等の不凍液）が環流するようになっている。
【００２４】
図１に戻って説明を続ける。カソードには、酸化ガス配管系２により所定の圧力の酸化ガス（空気）が供給され、アノードには水素ガス配管系３により所定の圧力の水素ガスが供給される。この両ガスの電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。
【００２５】
燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００２６】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する酸化ガス供給手段としての酸化ガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く酸化ガス排出流路２２と、加湿器２０から希釈器４０を介して外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。酸化ガス供給流路２１には、大気中の空気を取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。酸化ガス排出流路２２には、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を検出するためのカソード側圧力センサ２５と、一次圧の変化に応じて酸化オフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁２６が配置されている。背圧弁２６は、例えばバタフライ弁で構成される。
【００２７】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料ガス供給手段としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２８】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出するインジェクタ上流側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１の上流側には、燃料電池１０内の水素ガスの圧力を検出するためのアノード側圧力センサ４３が設けられている。
【００２９】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させている。
【００３０】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁体及び弁座を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００３１】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能になっている。
【００３２】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００３３】
循環流路３２には、気液分離器３６及びパージバルブ３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。パージバルブ３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。
【００３４】
希釈器４０は、パージバルブ３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスを、排気流路２３を介して排出される酸化オフガスによって希釈し、外部に排出するようになっている。
【００３５】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３６】
制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００３７】
具体的には、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値等）に基づいて、燃料電池１０で必要とされる酸化ガス及び水素ガスの供給量を算出する。そして、制御装置４は、背圧弁２６およびインジェクタ３５を制御することで所望の流量、圧力の酸化ガス、水素ガスを燃料電池１０に供給する。
【００３８】
２．燃料電池システムの起動時における水素ガス濃度の算出
システム起動時は、システム停止中に単セル５のカソードから電解質膜を通ってアノードに移動してきた窒素等の不純物及び残留水等により、燃料電池１０のアノード側の水素ガス濃度が低下している。そこで、制御装置４はこの水素ガス濃度を算出し、燃料電池１０のアノード側の水素ガス濃度が所定の目標濃度（燃料電池１０に固有の値で、一般には最大負荷がかかっても不足なく発電が可能な濃度）になるように、算出した水素ガス濃度に基づいて必要な水素ガスを燃料電池１０に供給する。このとき、不純物を含む水素オフガスは、算出した水素ガス濃度に基づいて必要な量だけパージバルブ３７から排出流路３８を介して希釈器４０に排出され、酸化オフガスによって希釈されたのち、燃料電池システム１の外部（本実施の形態においては、車両の外すなわち大気中）に排出される。これにより、燃料電池１０のアノード側の不純物濃度が減少し、水素ガス濃度が上昇する。制御装置４は、燃料電池１０内の水素ガス濃度が所定の目標濃度に達したらシステム起動処理を終了し、以降通常運転に移行する。
【００３９】
制御装置４は、システム起動時に算出した水素ガス濃度に基づいて、その水素ガス濃度が所定の目標濃度に達するのに必要な流量の水素ガスを燃料電池１０に供給し、あわせて水素オフガスをパージする。すなわち、システム起動処理における水素ガスの供給量及び水素オフガスのパージ量は、システムの起動時に算出した水素ガス濃度に基づいて決定される。ここで制御装置４は、上記システムの起動時における水素ガス濃度を算出する際に、燃料電池１０の端部セル５ａ、５ｂ（図２参照）の状態を加味して補正を加える。これは、システム起動時には、端部セル５ａ、５ｂに水が残留していることが多く他の単セルに比べて相対的に燃料ガス濃度が少ないためである。すなわち、こうした端部セルの状態５ａ、５ｂを加味せずに水素ガス濃度を算出し水素ガスを供給すると、端部セル５ａ、５ｂにおいて水素ガスの供給不足が生じるからである。ここで、システム起動時において端部セル５ａ、５ｂの水分量が他の単セルに比べての多いのは、端部セル５ａ、５ｂは、集電板７、絶縁板８及びエンドプレート９等からの放熱の影響を受け温度が低下し、これにより生じたセル積層体６の温度不均衡によりセル積層体６内の水蒸気が端部セル５ａ、５ｂに移動して凝縮するからである。
【００４０】
以下、この端部セル５ａ、５ｂの状態を加味した水素ガス濃度の算出につき、図３乃至図５を用いて詳細に説明する。ここで、図３は、本実施の形態にかかる燃料電池システムの終了時及び起動時の処理を示すタイムチャート、図４は、同燃料電池システムの終了時の処理を示すフローチャート、図５は、同燃料電池システムの起動時の水素ガス濃度算出処理を示すフローチャートである。
【００４１】
図３に示すように、燃料電池車両（移動体）の車載発電システムにおいて、移動体のイグニッションキー（ＩＧ）がＯＦＦにされると、一定期間経過後に燃料電池システム１の電源（ＥＣＵ）がＯＦＦにされ、燃料電池システム１の運転が停止する。この期間に制御装置４にてシステム終了時の処理Ａが行われる。
【００４２】
より具体的には、図４に示すように、制御装置４は、システム終了時の燃料電池システム１の運転状態を記憶する（ステップＳ1）。ここでは、運転状態として、セル積層体６内部を環流する冷却用の冷媒（エチレングリコール等の不凍液）の温度を測定し記憶する。そして、制御装置４は、システム終了時の時刻を測定し、記憶する（ステップＳ2）。
【００４３】
次に、システム起動時の水素ガス濃度算出処理について説明する。図３に示すように、移動体のイグニッションキー（ＩＧ）がＯＮにされると、同時に燃料電池システムの電源（ＥＣＵ）がＯＮにされ燃料電池システム１の運転か開始される。この時、制御装置４にてシステム起動時の処理Ｂが行われる。この処理Ｂについて、図５を用いて詳細に説明する。
【００４４】
はじめに、図５に示すように、制御装置４は、前トリップ（前回終了時）の運転条件を読み込む（Ｓ1）。ここでは、前回のシステム終了時に記憶された冷却用の冷媒の温度が読み込まれる。
【００４５】
次に、制御装置４は、前回のシステム終了時からの経過時間すなわちソーク時間を算出する（ステップＳ2）。ソーク時間は、記憶されている前回のシステム終了時の時刻と現在の時刻とから算出する。
【００４６】
次に、制御装置４は、燃料電池１０のアノード側の水素ガス濃度を算出する（ステップＳ3）。具体的には、燃料電池１０のアノード側圧力、アノード側の水の分圧及び不純物のＮ2分圧に基づいて水素ガス分圧を求めることにより、水素ガスの濃度を算出する。アノード側圧力は、アノード側圧力センサ４３により計測する。アノード側の水の分圧は、システム終了時の冷媒の温度及びシステム起動時の冷媒の温度をパラメータとする水分量推定マップから算出する。アノード側に移動してきた不純物のＮ2分圧については、ソーク時間をパラメータとするＮ2透過量マップを用いて算出する。これら水分量推定マップ及びＮ2透過量マップは、燃料電池システム１ごとに実験または解析によって決定することができる。尚、ここで挙げたパラメータ以外にも、水やＮ2量に相関のある他のパラメータを追加して推定算出の精度を高めるようにしてもよい。以上により求められた水素ガス濃度の算出値は、燃料電池１０のアノード側の系の平均的な水素ガス濃度を示すことになる。
【００４７】
次に、制御装置４は、端部セル５ａ、５ｂの状態を加味した端部セル濃度補正値を算出する（ステップＳ4）。より具体的には、ソーク時間、システム終了時の冷媒の温度及びシステム起動時の冷媒の温度から端部セルと他の単セルとの温度差を推定し、当該温度差から系の平均的な水素ガス濃度との差分値を算出する。これら推定及び算出には、燃料電池システム１ごとに実験または解析によって決定されるマップを用いることができる。もちろん、ここで挙げたパラメータ以外にも、端部セルの状態に相関のある他のパラメータを追加して推定算出の精度を高めるようにしてもよい。
【００４８】
次に、制御装置４は、ステップＳ3で求めた系の平均的な水素ガス濃度を、ステップＳ4により求めた端部セル濃度補正値により補正して、当該補正した水素ガス濃度（系の平均水素ガス濃度より小さくなる）に基づいて、システム起動時に水素供給流路３１から供給する水素ガス供給量及びパージバルブ３７から排出するパージ量を算出する（ステップＳ5）。
【００４９】
以上のようにして、制御装置４は、系の平均的な水素ガス濃度を端部セル５ａ、５ｂの状態を加味して補正するので次のような効果がある。すなわち、システム起動時においては、特に端部セル５ａ、５ｂは他の単セルに比べ水分量が多く、その分水素ガス濃度低くなっているが、そのような端部セル５ａ、５ｂに対しても燃料ガスを不足なく供給することができ安定運転が可能になる。そして、系全体の燃料ガス濃度を算出した上で、最も条件の厳しい端部セル５ａ、５ｂの状態を加味して補正しているので、他の単セルにおいて燃料ガスの供給が不足することもないし、端部セル５ａ、５ｂで必要な量を超えてまで燃料ガスが供給されることもない。したがって、燃料電池システム１の燃費の低下を抑制できる。
【００５０】
３．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
【００５１】
本実施の形態においては、システム起動時の処理において、水素ガス濃度を端部セルの状態を加味して補正する場合で説明したが、これに限られず、端部セル５ａ、５ｂの状態が他の単セルの状態と乖離するような場合であれば、他の燃料電池システムの運転モードでも適用可能である。
【００５２】
さらに、上記実施の形態においては、補正を加えた水素ガス濃度に基づいて、水素ガスの供給及びパージを行う場合で説明したが、これにかぎられず、例えば、当該補正を加えた水素ガス濃度に基づいて、冷媒の温度を調整する場合等にも適用可能である。すなわち、端部セル５ａ、５ｂの状態が燃料電池１０の制御条件を律即するような制御場面において幅広く適用可能である。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、循環流路３２に、水素ポンプ３９を設けて、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ循環させている。このような循環流路を有する燃料電池システムは系の不純物濃度が高くなりやすいため本発明の有用性は特に高いが、一方で、水素ポンプ３９を設けず、水素を水素供給流路３１へ循環させないような 非循環型のシステムにおいても本発明は適用可能である。
【００５４】
また、上記実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図２】同燃料電池システムの燃料電池を模式的に示す斜視図。
【図３】同燃料電池システムの終了時及び起動時の処理を示すタイムチャート
【図４】同燃料電池システムの終了時の処理を示すフローチャート
【図５】同燃料電池システムの起動時の水素ガス濃度算出処理を示すフローチャート
【符号の説明】
【００５６】
１ ……燃料電池システム
２ ……酸化ガス配管系
３ ……水素ガス配管系
４ ……制御装置
１０……燃料電池
１１……ＰＣＵ
１２……トランクションモータ
１３……電流センサ
２０……加湿器
２１……酸化ガス供給流路（酸化ガス供給手段）
２２……酸化ガス排出流路
２３……排気流路
２４……コンプレッサ
２５……カソード側圧力センサ
２６……背圧弁
２７……ステップモータ
３０……水素タンク
３１……水素供給流路（燃料ガス供給手段）
３２……循環流路
３３……遮断弁
３４……レギュレータ
３５……インジェクタ
３６……気液分離器
３７……パージバルブ
３８……排出流路
３９……水素ポンプ
４０……希釈器
４１……インジェクタ上流側圧力センサ
４２……温度センサ
４３……アノード側圧力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムの燃料ガス濃度の算出に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）の両側にアノードとカソードとを備え、アノード側に例えば水素ガス等の燃料ガスを供給する一方で、カソード側に例えば空気等の酸化ガスを供給し、燃料ガス及び酸化ガス（以下、反応ガスともいう）の酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池を備えた燃料電池システムの開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいては、特に燃料電池を長期間停止した後などでは、カソードからアノードへ窒素等の不純物が電解質膜を通って移動してアノード側の不純物濃度が高くなり燃料ガス濃度が相対的に低くなっている。そのため、システムの起動時等においては、アノードへ新たな燃料ガスを供給するとともに窒素ガス等の不純物を含む燃料オフガスを外部に排出（パージ）することで、アノード側の燃料ガス濃度を高めるようになっている。
【０００４】
このとき、適切な燃料ガスの供給量及びパージ量を決定するためには、燃料電池のアノード側の燃料ガス濃度や不純物濃度を算出する必要がある。例えば、特許文献１には、システム停止からの経過時間や温度変化を不純物濃度に関連するパラメータとして用いて、システム起動時の不純物濃度を推定する方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の濃度の算出方法においては、系の平均的な不純物濃度や燃料ガス濃度が推定されるのみであった。そして、このような平均的な濃度情報に基づいて燃料ガスの供給を行った場合、燃料ガスの供給量がセル積層体のある単セルについては十分であっても他の単セルにとっては不十分であるといったことが起りうる。より具体的には、例えばシステム起動時においては、セル積層体の両端部に位置する単セル（端部セル）に水が残留していることが多く、端部セルは他の単セルに比べて相対的に燃料ガス濃度が少なくなっている。そのため、系の平均的な燃料ガス濃度に応じてセル積層体に燃料ガスを供給した場合、端部セルにおいて燃料ガスの供給量が不足し、安定運転ができなくなってしまう。他方、常に多量の燃料ガスを供給するとすれば、燃料電池システム全体の燃費が低下してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の端部セルの状態に応じて最適な量の燃料ガスを燃料電池に供給す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】
【０００８】
本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、アノードおよびカソードを有する単セルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記セル積層体のアノード側の燃料ガス濃度を所定のパラメータに基づいて算出する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記算出した燃料ガス濃度を前記セル積層体の端部セルの状態に基づいて補正し、前記燃料ガス供給手段は、前記補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスを供給するようになっている。
【０００９】
この構成によれば、算出した燃料ガス濃度が端部セルの状態に応じて補正され、当該補正された燃料ガス濃度に基づいてセル積層体に燃料ガスが供給されるので、特に端部セルは他の単セルに比べ温度が低下して水が溜まりやすくその分燃料ガス濃度が低下しやすいが、そのような端部セルに対しても燃料ガスを不足なく供給することができる。そして、系全体の燃料ガス濃度を算出した上で、最も条件の厳しい端部セルの状態を加味して補正しているので、他の単セルにおいて燃料ガスの供給量が不足することはないし、端部セルにおいても必要な量を超えてまで燃料ガスが供給されることはない。したがって、燃費の低下も抑制できる。
【００１０】
尚、本明細書において「端部セル」とは、典型的にはセル積層体の積層方向両端部の単セルを示すが、セル積層体の枚数や大きさ等のセル積層体の構造によっては該単セル近傍の複数個の単セルをも含む。
【００１１】
また、上記構成において、前記制御手段は、システム起動時において前記補正を行うようにしてもよい。
【００１２】
システム起動時には、アノードの燃料ガス濃度が低下しており燃料ガスを供給する必要性がそもそも高いうえ、システム起動時においては、端部セルの状態が他の単セルの状態と乖離していることが多いので（例えば、残留水の量等）、システム起動時に端部セルの状態に基づいて燃料ガス濃度を補正して燃料ガスを供給するメリットはとりわけ大きい。
【００１３】
また、上記構成において、前記所定のパラメータは、前回の運転停止時のセル積層体の温度、システム起動時のセル積層体の温度及び前回の運転停止時からシステム起動時までの経過時間を含むようにしてもよい。
【００１４】
この構成によれば、システム起動時における系全体の燃料ガス濃度を算出することができる。
【００１５】
また、上記構成において、前記セル積層体から排出された燃料オフガスを前記セル積層体のアノード側に循環させる循環経路と、前記循環経路に設けられ、前記燃料オフガスの一部を外部に排出する排出手段と、をさらに備え、前記排出手段は、前記補正された燃料ガス濃度に応じて燃料オフガスを排出するようにしてもよい。
【００１６】
この構成によれば、燃料オフガスを循環させることで効率が上がるとともに、補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料オフガスの一部を外部に排出するので、燃料ガスを余分に排出して燃料ガスを浪費してしまうことを防止できる。
【００１７】
また、上記構成において、前記端部セルの状態は、前記セル積層体の他の単セルに対する該端部セルの温度差であるようにしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、上記温度差から、端部セルと他の単セルの燃料ガスの濃度差を求めることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池の端部セルの状態に応じて最適な量の燃料ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて、以下の順番で説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成
２．同燃料電池システムの起動時における水素ガス濃度の算出
３．同燃料電池システムの変形例
【００２１】
１．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成について説明する。ここで、図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図、図２は、同燃料電池システムの燃料電池を模式的に示す斜視図である。なお、本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素を供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４等を備えている。
【００２３】
燃料電池１０は、図２に示すように、基本単位である単セル５を積層してなるセル積層体６を有する。セル積層体６は、同一種、つまり互いに同一構造の単セル５を多数積層してなる（以下、単セル５が積層された方向を「積層方向」という）。セル積層体５の積層方向両端に位置する単セル５ａ、５ｂ（以下、「端部セル５ａ、５ｂ」という。）の外側には、それぞれ順次、集電板７、絶縁板８、及びエンドプレート９が配置される。単セル５はいずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対のアノードおよびカソードとで構成され、また内部を冷却用の冷媒（例えばエチレングリコール等の不凍液）が環流するようになっている。
【００２４】
図１に戻って説明を続ける。カソードには、酸化ガス配管系２により所定の圧力の酸化ガス（空気）が供給され、アノードには水素ガス配管系３により所定の圧力の水素ガスが供給される。この両ガスの電気化学反応により各単セルの起電力が得られる。
【００２５】
燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００２６】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する酸化ガス供給手段としての酸化ガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く酸化ガス排出流路２２と、加湿器２０から希釈器４０を介して外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。酸化ガス供給流路２１には、大気中の空気を取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。酸化ガス排出流路２２には、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を検出するためのカソード側圧力センサ２５と、一次圧の変化に応じて酸化オフガスの流量を調整することにより、燃料電池１０内の酸化ガスの圧力を調整する背圧弁２６が配置されている。背圧弁２６は、例えばバタフライ弁で構成される。
【００２７】
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料ガス供給手段としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２８】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出するインジェクタ上流側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１の上流側には、燃料電池１０内の水素ガスの圧力を検出するためのアノード側圧力センサ４３が設けられている。
【００２９】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。本実施形態においては、図１に示すように、インジェクタ３５の上流側にレギュレータ３４を２個配置することにより、インジェクタ３５の上流側圧力を低減させている。
【００３０】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置４から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ３５は、弁体及び弁座を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。
【００３１】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能になっている。
【００３２】
なお、本実施形態においては、図１に示すように、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００３３】
循環流路３２には、気液分離器３６及びパージバルブ３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。パージバルブ３７は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。
【００３４】
希釈器４０は、パージバルブ３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスを、排気流路２３を介して排出される酸化オフガスによって希釈し、外部に排出するようになっている。
【００３５】
制御装置４は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３６】
制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００３７】
具体的には、制御装置４は、燃料電池１０の運転状態（電流センサ１３で検出した燃料電池１０の発電時の電流値等）に基づいて、燃料電池１０で必要とされる酸化ガス及び水素ガスの供給量を算出する。そして、制御装置４は、背圧弁２６およびインジェクタ３５を制御することで所望の流量、圧力の酸化ガス、水素ガスを燃料電池１０に供給する。
【００３８】
２．燃料電池システムの起動時における水素ガス濃度の算出
システム起動時は、システム停止中に単セル５のカソードから電解質膜を通ってアノードに移動してきた窒素等の不純物及び残留水等により、燃料電池１０のアノード側の水素ガス濃度が低下している。そこで、制御装置４はこの水素ガス濃度を算出し、燃料電池１０のアノード側の水素ガス濃度が所定の目標濃度（燃料電池１０に固有の値で、一般には最大負荷がかかっても不足なく発電が可能な濃度）になるように、算出した水素ガス濃度に基づいて必要な水素ガスを燃料電池１０に供給する。このとき、不純物を含む水素オフガスは、算出した水素ガス濃度に基づいて必要な量だけパージバルブ３７から排出流路３８を介して希釈器４０に排出され、酸化オフガスによって希釈されたのち、燃料電池システム１の外部（本実施の形態においては、車両の外すなわち大気中）に排出される。これにより、燃料電池１０のアノード側の不純物濃度が減少し、水素ガス濃度が上昇する。制御装置４は、燃料電池１０内の水素ガス濃度が所定の目標濃度に達したらシステム起動処理を終了し、以降通常運転に移行する。
【００３９】
制御装置４は、システム起動時に算出した水素ガス濃度に基づいて、その水素ガス濃度が所定の目標濃度に達するのに必要な流量の水素ガスを燃料電池１０に供給し、あわせて水素オフガスをパージする。すなわち、システム起動処理における水素ガスの供給量及び水素オフガスのパージ量は、システムの起動時に算出した水素ガス濃度に基づいて決定される。ここで制御装置４は、上記システムの起動時における水素ガス濃度を算出する際に、燃料電池１０の端部セル５ａ、５ｂ（図２参照）の状態を加味して補正を加える。これは、システム起動時には、端部セル５ａ、５ｂに水が残留していることが多く他の単セルに比べて相対的に燃料ガス濃度が少ないためである。すなわち、こうした端部セルの状態５ａ、５ｂを加味せずに水素ガス濃度を算出し水素ガスを供給すると、端部セル５ａ、５ｂにおいて水素ガスの供給不足が生じるからである。ここで、システム起動時において端部セル５ａ、５ｂの水分量が他の単セルに比べての多いのは、端部セル５ａ、５ｂは、集電板７、絶縁板８及びエンドプレート９等からの放熱の影響を受け温度が低下し、これにより生じたセル積層体６の温度不均衡によりセル積層体６内の水蒸気が端部セル５ａ、５ｂに移動して凝縮するからである。
【００４０】
以下、この端部セル５ａ、５ｂの状態を加味した水素ガス濃度の算出につき、図３乃至図５を用いて詳細に説明する。ここで、図３は、本実施の形態にかかる燃料電池システムの終了時及び起動時の処理を示すタイムチャート、図４は、同燃料電池システムの終了時の処理を示すフローチャート、図５は、同燃料電池システムの起動時の水素ガス濃度算出処理を示すフローチャートである。
【００４１】
図３に示すように、燃料電池車両（移動体）の車載発電システムにおいて、移動体のイグニッションキー（ＩＧ）がＯＦＦにされると、一定期間経過後に燃料電池システム１の電源（ＥＣＵ）がＯＦＦにされ、燃料電池システム１の運転が停止する。この期間に制御装置４にてシステム終了時の処理Ａが行われる。
【００４２】
より具体的には、図４に示すように、制御装置４は、システム終了時の燃料電池システム１の運転状態を記憶する（ステップＳ1）。ここでは、運転状態として、セル積層体６内部を環流する冷却用の冷媒（エチレングリコール等の不凍液）の温度を測定し記憶する。そして、制御装置４は、システム終了時の時刻を測定し、記憶する（ステップＳ2）。
【００４３】
次に、システム起動時の水素ガス濃度算出処理について説明する。図３に示すように、移動体のイグニッションキー（ＩＧ）がＯＮにされると、同時に燃料電池システムの電源（ＥＣＵ）がＯＮにされ燃料電池システム１の運転か開始される。この時、制御装置４にてシステム起動時の処理Ｂが行われる。この処理Ｂについて、図５を用いて詳細に説明する。
【００４４】
はじめに、図５に示すように、制御装置４は、前トリップ（前回終了時）の運転条件を読み込む（Ｓ1）。ここでは、前回のシステム終了時に記憶された冷却用の冷媒の温度が読み込まれる。
【００４５】
次に、制御装置４は、前回のシステム終了時からの経過時間すなわちソーク時間を算出する（ステップＳ2）。ソーク時間は、記憶されている前回のシステム終了時の時刻と現在の時刻とから算出する。
【００４６】
次に、制御装置４は、燃料電池１０のアノード側の水素ガス濃度を算出する（ステップＳ3）。具体的には、燃料電池１０のアノード側圧力、アノード側の水の分圧及び不純物のＮ2分圧に基づいて水素ガス分圧を求めることにより、水素ガスの濃度を算出する。アノード側圧力は、アノード側圧力センサ４３により計測する。アノード側の水の分圧は、システム終了時の冷媒の温度及びシステム起動時の冷媒の温度をパラメータとする水分量推定マップから算出する。アノード側に移動してきた不純物のＮ2分圧については、ソーク時間をパラメータとするＮ2透過量マップを用いて算出する。これら水分量推定マップ及びＮ2透過量マップは、燃料電池システム１ごとに実験または解析によって決定することができる。尚、ここで挙げたパラメータ以外にも、水やＮ2量に相関のある他のパラメータを追加して推定算出の精度を高めるようにしてもよい。以上により求められた水素ガス濃度の算出値は、燃料電池１０のアノード側の系の平均的な水素ガス濃度を示すことになる。
【００４７】
次に、制御装置４は、端部セル５ａ、５ｂの状態を加味した端部セル濃度補正値を算出する（ステップＳ4）。より具体的には、ソーク時間、システム終了時の冷媒の温度及びシステム起動時の冷媒の温度から端部セルと他の単セルとの温度差を推定し、当該温度差から系の平均的な水素ガス濃度との差分値を算出する。これら推定及び算出には、燃料電池システム１ごとに実験または解析によって決定されるマップを用いることができる。もちろん、ここで挙げたパラメータ以外にも、端部セルの状態に相関のある他のパラメータを追加して推定算出の精度を高めるようにしてもよい。
【００４８】
次に、制御装置４は、ステップＳ3で求めた系の平均的な水素ガス濃度を、ステップＳ4により求めた端部セル濃度補正値により補正して、当該補正した水素ガス濃度（系の平均水素ガス濃度より小さくなる）に基づいて、システム起動時に水素供給流路３１から供給する水素ガス供給量及びパージバルブ３７から排出するパージ量を算出する（ステップＳ5）。
【００４９】
以上のようにして、制御装置４は、系の平均的な水素ガス濃度を端部セル５ａ、５ｂの状態を加味して補正するので次のような効果がある。すなわち、システム起動時においては、特に端部セル５ａ、５ｂは他の単セルに比べ水分量が多く、その分水素ガス濃度低くなっているが、そのような端部セル５ａ、５ｂに対しても燃料ガスを不足なく供給することができ安定運転が可能になる。そして、系全体の燃料ガス濃度を算出した上で、最も条件の厳しい端部セル５ａ、５ｂの状態を加味して補正しているので、他の単セルにおいて燃料ガスの供給が不足することもないし、端部セル５ａ、５ｂで必要な量を超えてまで燃料ガスが供給されることもない。したがって、燃料電池システム１の燃費の低下を抑制できる。
【００５０】
３．本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。
【００５１】
本実施の形態においては、システム起動時の処理において、水素ガス濃度を端部セルの状態を加味して補正する場合で説明したが、これに限られず、端部セル５ａ、５ｂの状態が他の単セルの状態と乖離するような場合であれば、他の燃料電池システムの運転モードでも適用可能である。
【００５２】
さらに、上記実施の形態においては、補正を加えた水素ガス濃度に基づいて、水素ガスの供給及びパージを行う場合で説明したが、これにかぎられず、例えば、当該補正を加えた水素ガス濃度に基づいて、冷媒の温度を調整する場合等にも適用可能である。すなわち、端部セル５ａ、５ｂの状態が燃料電池１０の制御条件を律即するような制御場面において幅広く適用可能である。
【００５３】
また、上記実施の形態においては、循環流路３２に、水素ポンプ３９を設けて、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ循環させている。このような循環流路を有する燃料電池システムは系の不純物濃度が高くなりやすいため本発明の有用性は特に高いが、一方で、水素ポンプ３９を設けず、水素を水素供給流路３１へ循環させないような 非循環型のシステムにおいても本発明は適用可能である。
【００５４】
また、上記実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図２】同燃料電池システムの燃料電池を模式的に示す斜視図。
【図３】同燃料電池システムの終了時及び起動時の処理を示すタイムチャート
【図４】同燃料電池システムの終了時の処理を示すフローチャート
【図５】同燃料電池システムの起動時の水素ガス濃度算出処理を示すフローチャート
【符号の説明】
【００５６】
１ ……燃料電池システム
２ ……酸化ガス配管系
３ ……水素ガス配管系
４ ……制御装置
１０……燃料電池
１１……ＰＣＵ
１２……トランクションモータ
１３……電流センサ
２０……加湿器
２１……酸化ガス供給流路（酸化ガス供給手段）
２２……酸化ガス排出流路
２３……排気流路
２４……コンプレッサ
２５……カソード側圧力センサ
２６……背圧弁
２７……ステップモータ
３０……水素タンク
３１……水素供給流路（燃料ガス供給手段）
３２……循環流路
３３……遮断弁
３４……レギュレータ
３５……インジェクタ
３６……気液分離器
３７……パージバルブ
３８……排出流路
３９……水素ポンプ
４０……希釈器
４１……インジェクタ上流側圧力センサ
４２……温度センサ
４３……アノード側圧力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する単セルが複数積層されてなるセル積層体と、
前記セル積層体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記セル積層体のアノード側の燃料ガス濃度を所定のパラメータに基づいて算出する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記算出した燃料ガス濃度を前記セル積層体の端部セルの状態に基づいて補正し、
前記燃料ガス供給手段は、前記補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスを供給する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、システム起動時において前記補正を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定のパラメータは、前回の運転停止時のセル積層体の温度、システム起動時のセル積層体の温度及び前回の運転停止時からシステム起動時までの経過時間を含む請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セル積層体から排出された燃料オフガスを前記セル積層体のアノード側に循環させる循環経路と、
前記循環経路に設けられ、前記燃料オフガスの一部を外部に排出する排出手段と、をさらに備え、
前記排出手段は、前記補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料オフガスを排出する請求項１から請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記端部セルの状態は、前記セル積層体の他の単セルに対する該端部セルの温度差である請求項１から求項４いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する単セルが複数積層されてなるセル積層体と、
前記セル積層体のアノード側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記セル積層体のアノード側の燃料ガス濃度を所定のパラメータに基づいて算出する制御手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記算出した燃料ガス濃度を前記セル積層体の端部セルの状態に基づいて補正し、
前記燃料ガス供給手段は、前記補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料ガスを供給する燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、システム起動時において前記補正を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定のパラメータは、前回の運転停止時のセル積層体の温度、システム起動時のセル積層体の温度及び前回の運転停止時からシステム起動時までの経過時間を含む請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セル積層体から排出された燃料オフガスを前記セル積層体のアノード側に循環させる循環経路と、
前記循環経路に設けられ、前記燃料オフガスの一部を外部に排出する排出手段と、をさらに備え、
前記排出手段は、前記補正された燃料ガス濃度に基づいて燃料オフガスを排出する請求項１から請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記端部セルの状態は、前記セル積層体の他の単セルに対する該端部セルの温度差である請求項１から求項４いずれかに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１４６６１９（Ｐ２００９−１４６６１９Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２０１６０（Ｐ２００７−３２０１６０）
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１１日（２００７．１２．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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