以下、図1乃至図6を参照して、本発明の� �施の形態について説明する。

 図1は、本発明が適用される燃料電池シス 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2によって発電して� �の電力をモータ等の負荷に供給するシステ� �である。通常、燃料電池2は、複数の単位燃� ��電池を積層してなる燃料電池スタックとし� ��使用される。単位燃料電池は、図示は省略� ��るが、膜電極接合体を一対の集電板で挟ん� ��構成になっている。膜電極接合体は、固体� ��分子電解質膜の両面に触媒が一体化された� ��のであり、さらにその各面にはカーボンシ� ��ト等で作られたガス拡散層が一体化されて� ��る。集電板は、隣接する2枚の膜電極接合体 の間を仕切るセパレータとしても機能してい る。各単位燃料電池は、アノードに燃料ガス としての水素の供給を受け、カソードに空気 の供給を受けて発電する。

 燃料電池2には、高圧水素タンク4から燃� �電池2に水素を供給するための水素供給管6が 接続されている。水素供給管6の途中には、� �の上流から水素調圧弁8と水素入口弁10が順� �配置されている。水素は調圧弁8で減圧され� ��望の圧力に調整されてから燃料電池2に供給 される。燃料電池2に供給された水素は、燃� �電池2内に形成された供給マニホールド(図示 略)によって各単位燃料電池のアノードに分� �される。

 本実施の形態の燃料電池システムは、燃� ��電池2内からアノードガスを抜き出すための 排気管12を備えている。この排気管12は、燃� �電池2内に形成された排気マニホールド(図示 略)を介して、各単位燃料電池のアノードガ� �流路(発電面内に形成されたアノードに接す� ��ガス流路)の下流側端部に接続されている。 アノードガス流路内のガス(アノードガス)は� ��排気マニホールドに集められて排気管12に� �出される。排気管12の先端は大気に開放され るか、若しくは、希釈器に接続されている。

 排気管12には、排気管12の連通状態を切り 替える排気機構として、デューティ制御が可 能な電磁式の排気弁14が設けられている。排� ��弁14は、好ましくは、流量の制御性に優れ� �インジェクタ式とする。排気弁14の動作とし ては、完全に閉状態(つまり、デューティ比� �ゼロ)とされる閉塞モードと、所定のデュー� ��ィ比で開制御される排気モードとが択一的� ��選択可能である。閉塞モードが選択された� ��き、燃料電池2のアノードガス流路と系外と の連通は遮断される。一方、排気モードが選 択されたときは、アノードガス流路と系外と の連通が実現されてアノードガスの系外への 排気が可能になる。ただし、排気モードでの デューティ比は小さく、系外へ排気されるア ノードガスの流量はアノードガス流路内での 水素の消費量に比較して極微小な値に調整さ れている。以下、閉塞モード選択時の燃料電 池システムの運転をアノードデッドエンド運 転と言い、排気モード選択時の燃料電池シス テムの運転を連続少量排気運転と言う。なお 、これら閉塞モードや排気モード以外にも、 排気弁14を完全な開状態とする全開モード等� ��他の動作モードも必要に応じて選択可能に� ��てもよい。ただし、本発明の実現にあたっ� ��は、少なくとも閉塞モードと排気モードと� ��択一的に選択可能であればよい。

 また、燃料電池2には、空気を供給するた めの空気供給管30が接続されている。空気供� ��管30には空気ポンプ32が配置されている。空 気ポンプ32の作動によって空気供給管30に空� �が取り込まれ燃料電池2に供給される。燃料� ��池2に供給された空気は、燃料電池2内に形� �された供給マニホールドによって各単位燃� �電池のカソードに分配される。各単位燃料� �池のカソードを通過した空気は、燃料電池2� ��に形成された排気マニホールドに集められ� ��排気管34に排出される。

 図2は、燃料電池2を構成する単位燃料電� �の内部構造と、そこで起きている現象を模� �的に示す図である。図2では、本発明の特徴� ��特に係る部分を示し、集電体やマニホール� ��等、本発明の特徴以外の部分については図� ��は省略している。以下、図1とあわせて図2� �参照して説明する。

 図2に示すように、単位燃料電池内では膜 電極接合体40の各面に沿ってガス流路42,44が� �成されている。膜電極接合体40のアノードの ガス流路42には、水素が供給されている。膜� ��極接合体40のカソードのガス流路44には、空 気が供給されている。なお、これらガス流路 42,44の形状や構成には限定はない。例えば、� ��電体(セパレータ)の表面に溝を形成し、そ� �溝をガス流路42,44としてもよい。また、集電 体と膜電極接合体40との間に導電性材料から� ��る多孔体層を設け、多孔体層内の連続する� ��孔によってガス流路42,44を形成してもよい� �

 カソードガス流路44に供給される空気には� �発電に使用される酸素(O ₂ )のほかに窒素(N ₂ )が含まれている。窒素は不活性ガスであっ� �発電には供されず、そのままカソードガス� �路44から系外に排気される。しかし、一部の 窒素は、図2中に矢印で模式的に示すように� �電極接合体40を透過してアノードガス流路42� ��侵入してしまう。このとき窒素をアノード� ��ス流路42側に移動させる駆動力となるのは� �カソードガス流路44とアノードガス流路42と� ��間での窒素の分圧差である。膜電極接合体4 0を透過した窒素(N ₂ )は、アノードガス流路42内の水素(H ₂ )の流れによって、図2中に矢印で模式的に示� ��ようにアノードガス流路42の下流へと流さ� �ていく。

 なお、空気には窒素以外にも水蒸気や二� ��化炭素等の発電に供されない不純物質が含� ��れている。しかし、それらの空気中におけ� ��濃度は窒素に比較すれば微小であるので、� ��こでは不純物質として窒素にのみ着目する� ��のとする。ただし、本発明が想定する不純� ��質から窒素以外の物質を除外することを意� ��するものではない。

 前述のように、本実施の形態の燃料電池� ��ステムは、排気弁14を閉塞モードとするこ� �によるアノードデッドエンド運転が可能で� �る。アノードデッドエンド運転によれば、� �料電池2に供給される水素を有効に使用する� ��とができる。しかし、その場合、アノード� ��ス中の不純物質である窒素は、図2中に模式 的に示すように、アノードガス流路42の下流� ��部に次第に蓄積されていく。窒素が膜電極� ��合体40の表面を覆ってしまうと触媒におけ� �起電反応が阻害され、電圧の低下や異常電� �による膜電極接合体40の劣化を招いてしまう 。

 この点に関し、本実施の形態の燃料電池� ��ステムでは、排気弁14を排気モードとする� �とによる連続少量排気運転によって、アノ� �ドガス流路42の下流端部への窒素の蓄積を防 止することができる。つまり、アノードガス 流路42内での水素の消費量に比較して微小量� ��ガスを系外へ排気することで、アノードガ� ��流路42の下流側端部に溜まる窒素を系外に� �しずつ排気することができる。これによれ� �、水素の無駄な排気を抑えつつ燃料電池性� �の低下を招くほどに窒素が蓄積されること� �防止できる。

 図3は、アノードデッドエンド運転時のア ノードガス流路42内の水素濃度分布を示す図� ��ある。水素濃度の100%に対する差が窒素濃度 を表している。アノードガス流路42の下流端� ��に窒素が蓄積されると、水素濃度分布は図3 中に実線で示すようになる。上記の連続少量 排気運転による効果は、このようにアノード ガス流路42の下流端部に窒素が蓄積され得る� ��況において得られる効果である。

 これに対し、水素濃度分布が図3中に破線 で示すようになっている場合、つまり、窒素 がアノードガス流路42中に分散しているよう� ��状況では、連続少量排気運転を実行すると� ��素を無駄に排気してしまうことになる。ア� ��ードガス流路42の下流端部に窒素が蓄積さ� �ていないからである。このような状況では� �アノードデッドエンド運転を選択すること� �望ましい。アノードデッドエンド運転と連� �少量排気運転のどちらを選択するかは、窒� �がアノードガス流路42の下流端部に蓄積され 得る状況か否かによって判断する必要がある 。

 窒素がアノードガス流路42の下流端部に� �積されるか否かは、アノードガス流路42内で の窒素の流れによって決まる。図2中に矢印� �模式的に示すように、窒素がアノードガス� �路42を下流方向に流れている場合には、必然 的に窒素が下流端部に蓄積され得る状況とな る。したがって、アノードガス流路42内での� ��素の下流方向への流れを検出できれば、ア� ��ードデッドエンド運転と連続少量排気運転� ��の切り替えを正しく行うことができると考� ��られる。

 本実施の形態の燃料電池システムでは、� ��下に説明する方法によって、アノードガス� ��路42内での窒素の下流方向への流れを間接� �に検出する。まず、アノードガス流路42内の 窒素の流れの大きさは、アノードガス流路42� ��の窒素の拡散速度と、アノードガス流路42� �の水素の流速とによって決まる。水素の流� �が窒素の拡散速度よりも大きければ、膜電� �接合体40を透過してきた窒素はアノードガス 流路42の上流に拡散することなく下流へ流さ� ��ていくことになる。その結果、図3中に実線 で示すような水素濃度分布ができることにな る。水素の流速が大きいほど窒素の下流方向 への流れも大きくなる。一方、水素の流速が 窒素の拡散速度よりも小さければ、アノード ガス流路42の上流まで窒素が拡散していき、� ��3中に破線で示すような水素濃度分布ができ ることになる。

 本実施の形態の燃料電池システムでは、� ��ノードガス流路42内の水素の流速を直接測� �するのではなく、水素の流速に関連する物� �量として燃料電池2の出力電流の値とアノー� ��ガス流路42内のガス圧力とを計測すること� �している。アノードガス流路42に流入する水 素の流速は、アノードガス流路42の流路形状� ��一定であるならば、燃料電池2の出力電流と アノードガス流路42内のガス圧力との関数と� ��て表すことができる。燃料電池2の電流値は 、燃料電池2に取り付けられた電流計22によっ て計測される。アノードガス流路42内のガス� ��力は、水素供給管6における燃料電池2の入� �に取り付けられた圧力センサ26によって計測 される。

 また、本実施の形態の燃料電池システム� ��は、アノードガス流路42内の窒素の拡散速� �を直接測定するのではなく、窒素の拡散速� �に関連する物理量としてアノードガス流路42 内のガス圧力とガス温度の各値を計測するこ ととしている。窒素の拡散速度は、アノード ガス流路42内のガス温度とガス圧力の関数と� ��て表すことができる。アノードガス流路42� �のガス温度は、燃料電池2の全体温度と略等� ��いことから、燃料電池2に取り付けられた温 度センサ24によって間接的に計測することが� ��きる。勿論、アノードガス流路42内のガス� �度を直接計測してもよい。

 本実施の形態の燃料電池システムでは、� ��気弁14の動作の制御は制御装置20によって行 われる。制御装置20には、電流計22、圧力セ� �サ26及び温度センサ24からそれらの計測信号� ��入力されている。制御装置20は、圧力セン� �26及び温度センサ24の各計測値から参照値を� ��算し、電流計22及び圧力センサ26の各計測値 から参照値と比較すべき比較対象値(参照値� �同次元)を計算する。そして、参照値と比較� ��象値を比較することで、アノードガス流路4 2の下流側端部に窒素が溜まり得る状況か否� �を正確に判定し、その判定結果に基づいて� �気弁14の動作モードを切り替えている。以下 、制御装置20によって実施される排気弁14の� �御のためのルーチンについて、図4のフロー� ��ャートを用いて説明する。

 図4に示すルーチンの最初のステップS2では� ��排気モードから閉塞モードへの切替判定が� ��われる。この切替判定では、次の(1)式に示� ��条件の成否が判定される。(1)式の左辺が比� ��対象値であり、右辺が参照値である。
 I×(P ₀ /P _A ) < Iswt×Iswp ・・・(1)

 (1)式において比較対象値の計算に用いるIは 電流計22によって計測される電流値である。P ₀ は標準大気圧であり、P _A は圧力センサ26によって計測されるアノード� ��路内のガス圧力である。

 (1)式において参照値の計算に用いるIswtは 温度センサ24によって計測された燃料電池2の 温度から決定される変数であり、予め用意さ れたマップを用いて決定される。図5は、マ� �プにおいて設定されている燃料電池2の温度( FC温度)と変数Iswtとの関係を示す図である。� �た、Iswpは圧力センサ26によって計測された� �ス圧力から決定される変数であり、予め用� �されたマップを用いて決定される。図6は、� ��ップにおいて設定されているアノードガス� ��路42内のガス圧力(アノード圧)と変数Iswpと� �関係を示す図である。なお、図5に示す関係� ��アノード圧が一定であることが前提であり� ��図6に示す関係はFC温度が一定であることが� ��提である。

 ステップS2の判定の結果、比較対象値が� �照値よりも小さい場合には、閉塞モードが� �択されて排気弁14は閉じられる(ステップS4)� �これにより、燃料電池システムはアノード� �ッドエンド運転で運転される。

 一方、比較対象値が参照値以上の場合に� ��、ステップS2からステップS6に進む。ステッ プS6では、閉塞モードから排気モードへの切� ��判定が行われる。この切替判定では、比較� ��象値と参照値よりもオフセット値αだけ大� �い値(Iswt×Iswp+α)との比較が行われる。比較� �象値が参照値+αよりも大きい場合には、排� �モードが選択されて排気弁14は所定のデュー ティ比で開制御される(ステップS8)。これに� �り、燃料電池システムは連続少量排気運転� �運転される。

 比較対象値が参照値以上であって参照値+ α以下の場合には、現時点での動作モードが� ��持される。つまり、現時点で閉塞モードが� ��択されている場合には、比較対象値が参照� ��+αを超えるまで排気モードには切り替えら� ��ない。一方、現時点で排気モードが選択さ� ��ている場合には、比較対象値が参照値を下� ��るまで閉塞モードには切り替えられない。� ��れにより、参照値付近での比較対象値の変� ��によって排気弁14の動作モードが頻繁に切� �替わってしまうことは防止される。

 上記のルーチンによれば、アノードガス流� ��42内の窒素の拡散速度に関連するFC温度及び アノード圧から参照値(Iswt×Iswp)が求められ、 アノードガス流路内の水素の流速に関連する 電流値とアノード圧とから比較対象値{I×(P ₀ /P _A )}が求められる。そして、これら参照値と比� ��対象値とが比較される。この比較によれば� ��アノードガス流路42の下流側端部に窒素が� �まり得る状況か否かを正確に判定すること� �できるので、比較結果に基づいて排気モー� �と閉塞モードとを切り替えることで、燃料� �池性能の低下の防止と水素の排気量の抑制� �を高次元で両立することが可能になる。

 以上、本発明の実施の形態について説明� ��たが、本発明は上記実施の形態に限定され� ��ものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない� ��囲で種々変形して実施することができる。� ��えば、次のように変形して実施してもよい� ��

 上記実施の形態では、燃料電池2の電流値 を計測しているが、燃料電池2の負荷状態を� �定することができるならば、必ずしも電流� �を計測する必要はない。燃料電池2が高負荷� ��で運転されている場合には低負荷域で運転� ��れている場合に比較して水素の消費量が大� ��くなることから、必然的にアノードガス流� ��42内の水素の流速も大きくなる。したがっ� �、燃料電池2が所定の高負荷域で運転されて� ��るときには排気モードを選択し、燃料電池2 が所定負荷域よりも低負荷域で運転されてい るときには閉塞モードを選択すればよい。な お、アノードガス流路42の下流側端部に窒素� ��溜まり得る負荷状態か否かは、そのときの� ��素の拡散速度によって左右されることから� ��前記の所定負荷域はアノードガス流路42内� �ガス温度やガス圧力に基づいて設定するの� �好ましい。