JP2022140992A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスに不純物ガスが含有されているか否かを精度良く判定することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御部は、燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定することを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図５
【解決手段】制御部は、燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、前記制御部は、燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定することを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図５
Description
本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池（ＦＣ）は、１つの単セル（以下、セルと記載する場合がある）又は複数の単セルを積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）で構成され、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ、以下単に拡散層と記載する場合がある）が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素（Ｈ２）が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層（ＧＤＬ、以下単に拡散層と記載する場合がある）が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素（Ｈ２）が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ２）は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、セル電圧低下の要因を特定できる燃料電池の制御システムが開示されている。
例えば特許文献１では、セル電圧低下の要因を特定できる燃料電池の制御システムが開示されている。
特許文献２では、製造コストやレイアウトの自由度を犠牲にすることなく燃料電池の故障を未然に防止することができる燃料貯留システムが開示されている。
燃料電池においては、水素を含む燃料ガスに不純物が含まれていると効率的な発電ができないだけでなく触媒の劣化による不可逆な性能低下も引き起こす。そのため、燃料電池においては、燃料ガスの純度の管理が重要である。
上記特許文献１では、不純物ガス濃度を圧力センサにより推算するものである。不純物ガスが触媒に被毒する場合の不純物ガス濃度は数百ｐｐｂのオーダーである。ガス流路内を流れるガスの圧力は変動するため、上記特許文献１では、低濃度不純物ガスによる圧力の影響を検知することが困難であり、不純物ガス含有の有無を正確に判定できない虞がある。
上記特許文献１では、不純物ガス濃度を圧力センサにより推算するものである。不純物ガスが触媒に被毒する場合の不純物ガス濃度は数百ｐｐｂのオーダーである。ガス流路内を流れるガスの圧力は変動するため、上記特許文献１では、低濃度不純物ガスによる圧力の影響を検知することが困難であり、不純物ガス含有の有無を正確に判定できない虞がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスに不純物ガスが含有されているか否かを精度良く判定することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、
前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定する。
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、
前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定する。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記第１閾値は、前記燃料ガス供給部の駆動をＯＦＦに制御した時且つ前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給前に前記燃料電池を運転したときの前記電圧センサで測定された電圧であってもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記制御部は、前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給があったか否か判定し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給があったと判定した時、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定してもよい。
前記制御部は、前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給があったと判定した時、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定してもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記不純物ガスは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素からなる群より選ばれる少なくとも一種であってもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、燃料ガスに不純物ガスが含有されているか否かを精度良く判定することができる。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、
前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定する。
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、
前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定する。
不活性ガスを所定の濃度以上含む粗悪燃料ガスが燃料電池システムの燃料タンク等の燃料ガス供給部に充填された場合、燃料タンク内の燃料ガス中の水素濃度が想定値より低くなるため、燃料電池の運転中に徐々に燃料電池内に不純物が蓄積され、不純物が触媒に吸着してしまう。その結果、燃料電池の電圧が低下し、燃料電池が劣化してしまう。
そこで、本開示においては、まず燃料電池システム停止時に燃料タンクに燃料ガスを充填し、基準値となる燃料電池の電圧を取得する。その後、外部から燃料ガスを補給された場合に、再度燃料電池の電圧を取得し、取得した燃料電池の電圧を基準値と比較することにより補給された燃料ガスに基準値を超える濃度の不純物ガスが含まれているか否か、すなわち粗悪燃料ガスであるか否かを判定する。そして、取得した燃料電池の電圧から燃料タンク内の燃料ガス中の不純物ガス濃度又は水素濃度を推定し、推定した不純物ガス濃度又は水素濃度に応じて、燃料ガス供給・排気制御を変更する。その後、粗悪燃料ガスが充填された水素ステーションを情報通信技術（ＩＣＴ）で他の車両と共有することで、他の車両の燃料タンクに粗悪燃料ガスが充填されることを回避することができる。また、ＩＣＴで他の車両と各水素ステーションで供給される燃料ガスの水素濃度情報を共有することができる。
本開示においては、燃料電池の基準電圧を取得し、燃料ガス補充後の一定燃料ガス量消費後の燃料電池の電圧を取得し、取得した電圧を基準値と比較することで所定の濃度以上の不純物ガスが燃料ガス中に含まれているか否か判定することができる。
触媒を被毒する不純物ガスは複数種類存在するが、本開示によれば、燃料ガス中に不純物ガスが含まれているか否かを燃料電池の電圧で判定するため、不純物ガスの種類によらず判定することができる。
本開示によれば、燃料ガス中に低濃度の不純物ガスが含まれる場合であっても、不純物ガスの含有の有無又は不純物ガスの濃度を精度良く判定することができるため、触媒が被毒されることを抑制することができる。
そこで、本開示においては、まず燃料電池システム停止時に燃料タンクに燃料ガスを充填し、基準値となる燃料電池の電圧を取得する。その後、外部から燃料ガスを補給された場合に、再度燃料電池の電圧を取得し、取得した燃料電池の電圧を基準値と比較することにより補給された燃料ガスに基準値を超える濃度の不純物ガスが含まれているか否か、すなわち粗悪燃料ガスであるか否かを判定する。そして、取得した燃料電池の電圧から燃料タンク内の燃料ガス中の不純物ガス濃度又は水素濃度を推定し、推定した不純物ガス濃度又は水素濃度に応じて、燃料ガス供給・排気制御を変更する。その後、粗悪燃料ガスが充填された水素ステーションを情報通信技術（ＩＣＴ）で他の車両と共有することで、他の車両の燃料タンクに粗悪燃料ガスが充填されることを回避することができる。また、ＩＣＴで他の車両と各水素ステーションで供給される燃料ガスの水素濃度情報を共有することができる。
本開示においては、燃料電池の基準電圧を取得し、燃料ガス補充後の一定燃料ガス量消費後の燃料電池の電圧を取得し、取得した電圧を基準値と比較することで所定の濃度以上の不純物ガスが燃料ガス中に含まれているか否か判定することができる。
触媒を被毒する不純物ガスは複数種類存在するが、本開示によれば、燃料ガス中に不純物ガスが含まれているか否かを燃料電池の電圧で判定するため、不純物ガスの種類によらず判定することができる。
本開示によれば、燃料ガス中に低濃度の不純物ガスが含まれる場合であっても、不純物ガスの含有の有無又は不純物ガスの濃度を精度良く判定することができるため、触媒が被毒されることを抑制することができる。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
本開示において、不純物ガスとは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示において、被毒物質とは、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示において、不純物ガスとは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示において、被毒物質とは、一酸化炭素、及び、硫化水素等であってもよい。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源として電動機を有する車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池を備える。
燃料電池は、単セルを１つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～３００個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池は、単セルを１つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２～数百個であってもよく、２～３００個であってもよく、２～２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。２枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、１つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、１つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、１つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料ガス供給部と、燃料ガス供給流路と、エジェクタと、電圧センサと、循環流路と、制御部と、を備える。
燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガスを燃料電池に供給する。具体的には燃料ガス供給部は、水素を含む燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの燃料電池への供給のＯＮ／ＯＦＦが制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料ガス供給部と燃料電池の燃料ガス入口とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
燃料ガス供給流路には、エジェクタが配置される。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路上の循環流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路上の循環流路との合流部に配置されていてもよい。エジェクタは、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池のアノードに供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。
燃料ガス供給流路の燃料ガス供給部とエジェクタとの間の領域には、調圧弁及び中圧水素センサが配置されていてもよい。
調圧弁は、燃料ガス供給部からエジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調節する。
調圧弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって調圧弁の開閉及び開度等を制御されることにより、エジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調整してもよい。
中圧水素センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、中圧水素センサによって測定された燃料電池の圧力を検知し、検知した圧力から調圧弁の開閉及び開度等を制御することにより、エジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調整してもよい。
調圧弁は、燃料ガス供給部からエジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調節する。
調圧弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって調圧弁の開閉及び開度等を制御されることにより、エジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調整してもよい。
中圧水素センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、中圧水素センサによって測定された燃料電池の圧力を検知し、検知した圧力から調圧弁の開閉及び開度等を制御することにより、エジェクタに供給される燃料ガスの圧力を調整してもよい。
電圧センサは、燃料電池の電圧を測定する。
電圧センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、電圧センサによって測定された燃料電池の電圧を検知する。
電圧センサは、従来公知の電圧計等を用いることができる。
電圧センサは、燃料電池の電圧を測定することができる限り、その配置位置は特に限定されない。
電圧センサは、制御部と電気的に接続され、制御部は、電圧センサによって測定された燃料電池の電圧を検知する。
電圧センサは、従来公知の電圧計等を用いることができる。
電圧センサは、燃料電池の電圧を測定することができる限り、その配置位置は特に限定されない。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口とエジェクタとを接続する。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする。
循環流路は、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出された燃料ガスである燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする。
循環流路は、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
循環流路には、循環ポンプが配置されていてもよい。循環ポンプは、燃料オフガスを循環ガスとして循環させる。循環ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
燃料ガス系は、燃料オフガス排出流路を備えていてもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口と燃料電池システムの外部とを接続していてもよい。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から分岐していてもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを燃料電池システムの外部に排出する。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口と燃料電池システムの外部とを接続していてもよい。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から分岐していてもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを燃料電池システムの外部に排出する。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路には、排気排水弁（燃料オフガス排出弁）が配置される。排気排水弁は、燃料オフガス排出流路の気液分離器よりも下流に配置される。
排気排水弁は、燃料オフガス及び水分等を外部（系外）へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
排気排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排気排水弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、排気排水弁の開度を調整することにより、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力（アノード圧力）を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
排気排水弁は、燃料オフガス及び水分等を外部（系外）へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
排気排水弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって排気排水弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、排気排水弁の開度を調整することにより、燃料電池のアノードに供給される燃料ガス圧力（アノード圧力）を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよい。燃料オフガスは、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
燃料オフガス排出流路には、気液分離器（アノード気液分離器）が配置されていてもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路と循環流路との分岐点に配置されていてもよい。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から気液分離器を介して分岐していてもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から気液分離器を介して分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路の排気排水弁よりも上流に配置される。
気液分離器は、燃料ガス出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料ガスを循環ガスとして循環流路に戻してもよいし、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路の排気排水弁を開弁して外部に排出してもよい。また、気液分離器により、余分な水分が循環流路に流れることを抑制することができるため、当該水分による循環ポンプ等の凍結の発生を抑制することができる。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路と循環流路との分岐点に配置されていてもよい。
燃料オフガス排出流路は、循環流路から気液分離器を介して分岐していてもよい。
循環流路は、燃料オフガス排出流路から気液分離器を介して分岐し、燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと接続することにより燃料ガス供給流路と合流してもよい。
気液分離器は、燃料オフガス排出流路の排気排水弁よりも上流に配置される。
気液分離器は、燃料ガス出口から排出される燃料ガスである燃料オフガス中に含まれる水分と燃料ガスを分離する。これにより、燃料ガスを循環ガスとして循環流路に戻してもよいし、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路の排気排水弁を開弁して外部に排出してもよい。また、気液分離器により、余分な水分が循環流路に流れることを抑制することができるため、当該水分による循環ポンプ等の凍結の発生を抑制することができる。
燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス系として、酸化剤ガス供給部を備えていてもよく、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよく、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよく、酸化剤ガスバイパス流路を備えていてもよく、バイパス弁を備えていてもよく、酸化剤ガス流量センサを備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも１つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整してもよい。
酸化剤ガスバイパス流路は、酸化剤ガス供給流路から分岐し、燃料電池を迂回し、酸化剤ガス供給流路の分岐部と酸化剤オフガス排出流路の合流部とを接続する。
酸化剤ガスバイパス流路には、バイパス弁が配置される。
バイパス弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によってバイパス弁が開弁されることにより、燃料電池への酸化剤ガスの供給が不要な場合に燃料電池を迂回して酸化剤ガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出することができる。
酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス供給流路に配置される。
酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス系内の酸化剤ガスの流量を検出する。酸化剤ガス流量センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、酸化剤ガス流量センサで検出した酸化剤ガスの流量からエアコンプレッサーの回転数を推定してもよい。酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス供給流路の酸化剤ガス供給部よりも上流に配置されていてもよい。
酸化剤ガス流量センサは、従来公知の流量計等を採用することができる。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも１つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整してもよい。
酸化剤ガスバイパス流路は、酸化剤ガス供給流路から分岐し、燃料電池を迂回し、酸化剤ガス供給流路の分岐部と酸化剤オフガス排出流路の合流部とを接続する。
酸化剤ガスバイパス流路には、バイパス弁が配置される。
バイパス弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によってバイパス弁が開弁されることにより、燃料電池への酸化剤ガスの供給が不要な場合に燃料電池を迂回して酸化剤ガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出することができる。
酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス供給流路に配置される。
酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス系内の酸化剤ガスの流量を検出する。酸化剤ガス流量センサは、制御部と電気的に接続される。制御部は、酸化剤ガス流量センサで検出した酸化剤ガスの流量からエアコンプレッサーの回転数を推定してもよい。酸化剤ガス流量センサは、酸化剤ガス供給流路の酸化剤ガス供給部よりも上流に配置されていてもよい。
酸化剤ガス流量センサは、従来公知の流量計等を採用することができる。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部を備えていてもよく、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させることを可能にする。
冷媒供給部は、制御部と電気的に接続される。冷媒供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。冷媒供給部は、制御部によって冷媒供給部から燃料電池に供給される冷媒の流量を制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷媒循環流路には、冷媒を蓄えるリザーブタンクが設けられていてもよい。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
制御部は、燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶する。対象となる不純物ガスが１種類の場合は、燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶しておくことにより、測定される燃料電池の電圧から不純物ガスの濃度を推定することができる。対象となる不純物ガスが２種類以上の場合は、燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの種類毎の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶しておくことにより、測定される燃料電池の電圧から不純物ガスの種類と濃度を推定することができる。
制御部は、燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御する。
制御部は、燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定する。
制御部は、電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を予め記憶した燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群と照らし合わせて、燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定する。
制御部は、電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値以上であると判定したときは、燃料ガス中に不純物ガスが含まれていないと判定してもよい。また、制御部は、電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値以上であると判定したときは、当該電圧を、予め記憶した燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群と照らし合わせて、燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値以下であると判定してもよい。
所定の濃度閾値とは、燃料ガス中に含まれていてもよい不純物ガスの許容濃度であってもよく、燃料電池の性能に応じて適宜設定することができる。
燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定することは、すなわち、燃料ガス中に許容濃度を超える濃度の不純物ガスが含まれていると判定することを意味する。燃料ガス中に許容濃度を超える濃度の不純物ガスが含まれていると判定することは、すなわち、燃料ガス中に不純物ガスが含まれていると判定することを意味する。
制御部は、燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定する。
制御部は、電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を予め記憶した燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群と照らし合わせて、燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定する。
制御部は、電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値以上であると判定したときは、燃料ガス中に不純物ガスが含まれていないと判定してもよい。また、制御部は、電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値以上であると判定したときは、当該電圧を、予め記憶した燃料電池の電圧と燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群と照らし合わせて、燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値以下であると判定してもよい。
所定の濃度閾値とは、燃料ガス中に含まれていてもよい不純物ガスの許容濃度であってもよく、燃料電池の性能に応じて適宜設定することができる。
燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定することは、すなわち、燃料ガス中に許容濃度を超える濃度の不純物ガスが含まれていると判定することを意味する。燃料ガス中に許容濃度を超える濃度の不純物ガスが含まれていると判定することは、すなわち、燃料ガス中に不純物ガスが含まれていると判定することを意味する。
制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給があったか否か判定し、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給があったと判定した時、燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の電圧センサで測定された燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定してもよい。これにより、燃料ガスが外部から補充される毎に、補充された燃料ガスに不純物ガスが所定の基準値を超える濃度含まれているか否かを判定することができる。
第１閾値は、燃料ガス中に不純物ガスが含有されているか否かの判定のための基準となる電圧であればよい。第１閾値は、予め記憶した規定濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用して燃料電池を発電したときの燃料電池の電圧であってもよい。また、燃料ガスが外部から補充される毎に、補充された燃料ガスに不純物ガスが所定の濃度含まれているか否かを精度良く判定するために、第１閾値は、燃料ガス供給部の駆動をＯＦＦに制御した時且つ燃料ガス供給部への燃料ガスの補給前に燃料電池を運転したときの電圧センサで測定された電圧であってもよい。
燃料ガス供給部を駆動した後の所定時間とは、燃料ガス供給部に充填された燃料ガスを燃料電池に供給し、充填された燃料ガスを使用したときの燃料電池の電圧を測定することができるようになるまでの時間であってもよい。
燃料ガス供給部を駆動した後の所定時間経過後の電圧センサで測定された燃料電池の電圧とは、燃料ガス供給部に充填された燃料ガスを燃料電池が使用したときの電圧であってもよい。
燃料ガス供給部を駆動した後の所定時間とは、燃料ガス供給部に充填された燃料ガスを燃料電池に供給し、充填された燃料ガスを使用したときの燃料電池の電圧を測定することができるようになるまでの時間であってもよい。
燃料ガス供給部を駆動した後の所定時間経過後の電圧センサで測定された燃料電池の電圧とは、燃料ガス供給部に充填された燃料ガスを燃料電池が使用したときの電圧であってもよい。
図１は、規定の水素濃度の正常な燃料ガスを使用時の燃料電池の電圧挙動の一例を示す図である。
図２は、低水素濃度の粗悪燃料ガスを使用時の燃料電池の電圧挙動の一例を示す図である。
図３は、不純物として、触媒被毒物質である硫化水素（Ｈ２Ｓ）を含む粗悪燃料ガスを使用時の電圧挙動の一例を示す図である。
図１～３に示すように、燃料ガス中の水素濃度が低い場合、燃料ガス中に不純物ガスが含まれる場合は、正常な燃料ガスを使用した場合と比較して燃料電池の電圧が低下することがわかる。
そのため、不純物ガスの種類及び濃度を判定するために、不純物ガスの種類と濃度と不純物ガスを含む燃料ガスを使用した場合の燃料電池の電圧との関係を示すデータ群を予め記憶しておいてもよい。そして、基準となる規定の濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用した場合の燃料電池の電圧を測定する。そして、充填された燃料ガスを使用したときの燃料電池の電圧を、規定の濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用した場合の燃料電池の電圧と比較することで、充填された燃料ガスに不純物ガスが含まれているか否か判定することができる。また、測定した電圧挙動から、充填された燃料ガスに含まれる不純物ガスの種類と濃度を判定することができる。
図２は、低水素濃度の粗悪燃料ガスを使用時の燃料電池の電圧挙動の一例を示す図である。
図３は、不純物として、触媒被毒物質である硫化水素（Ｈ２Ｓ）を含む粗悪燃料ガスを使用時の電圧挙動の一例を示す図である。
図１～３に示すように、燃料ガス中の水素濃度が低い場合、燃料ガス中に不純物ガスが含まれる場合は、正常な燃料ガスを使用した場合と比較して燃料電池の電圧が低下することがわかる。
そのため、不純物ガスの種類及び濃度を判定するために、不純物ガスの種類と濃度と不純物ガスを含む燃料ガスを使用した場合の燃料電池の電圧との関係を示すデータ群を予め記憶しておいてもよい。そして、基準となる規定の濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用した場合の燃料電池の電圧を測定する。そして、充填された燃料ガスを使用したときの燃料電池の電圧を、規定の濃度の水素を含有する正常な燃料ガスを使用した場合の燃料電池の電圧と比較することで、充填された燃料ガスに不純物ガスが含まれているか否か判定することができる。また、測定した電圧挙動から、充填された燃料ガスに含まれる不純物ガスの種類と濃度を判定することができる。
図４は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図４に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料ガス供給部２０と、燃料ガス供給流路２１と、燃料オフガス排出流路２２と、排気排水弁２３と、気液分離器２４と、循環流路２５と、エジェクタ２６と、制御部５０と、電圧センサ６０と、を備える。なお、図４では、燃料ガス系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、冷却系等の図示は省略する。
電圧センサ６０は、燃料電池１０の電圧を測定する。電圧センサ６０は、鎖線で示すように制御部５０と電気的に接続され、測定した燃料電池の電圧を制御部５０に与える。
気液分離器２４は、循環流路２５の燃料オフガス排出流路２２との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、循環流路２５に燃料ガスを循環ガスとして戻す。
エジェクタ２６は、燃料ガス供給流路２１の循環流路２５との合流部に配置されている。
制御部５０は、燃料ガス供給部２０と電気的に接続され、測定した燃料電池の電圧の結果に基づいて燃料ガス供給部２０からの燃料ガスの供給を制御する。
制御部５０は、排気排水弁２３と電気的に接続され、必要に応じて排気排水弁２３を開き、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路２２から外部へ排出する。
図４に示す燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料ガス供給部２０と、燃料ガス供給流路２１と、燃料オフガス排出流路２２と、排気排水弁２３と、気液分離器２４と、循環流路２５と、エジェクタ２６と、制御部５０と、電圧センサ６０と、を備える。なお、図４では、燃料ガス系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、冷却系等の図示は省略する。
電圧センサ６０は、燃料電池１０の電圧を測定する。電圧センサ６０は、鎖線で示すように制御部５０と電気的に接続され、測定した燃料電池の電圧を制御部５０に与える。
気液分離器２４は、循環流路２５の燃料オフガス排出流路２２との分岐点に配置され、アノード出口から排出される燃料ガスである燃料オフガスから、燃料ガスと水分とを分離し、循環流路２５に燃料ガスを循環ガスとして戻す。
エジェクタ２６は、燃料ガス供給流路２１の循環流路２５との合流部に配置されている。
制御部５０は、燃料ガス供給部２０と電気的に接続され、測定した燃料電池の電圧の結果に基づいて燃料ガス供給部２０からの燃料ガスの供給を制御する。
制御部５０は、排気排水弁２３と電気的に接続され、必要に応じて排気排水弁２３を開き、不要なガス及び水分等を燃料オフガス排出流路２２から外部へ排出する。
図５は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
まず制御部は、燃料ガス供給部を駆動して燃料ガスを燃料電池に供給し、所定時間燃料電池を発電させる。
そして、電圧センサは燃料電池の電圧を測定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であるか否か判定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値以上であると判定した場合、燃料ガスは正常な燃料ガスであると判定し制御を終了する。
一方、制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であると判定した場合、燃料ガスは基準値を超える濃度の不純物ガスを含む粗悪燃料ガスであると判定し、制御を終了する。
まず制御部は、燃料ガス供給部を駆動して燃料ガスを燃料電池に供給し、所定時間燃料電池を発電させる。
そして、電圧センサは燃料電池の電圧を測定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であるか否か判定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値以上であると判定した場合、燃料ガスは正常な燃料ガスであると判定し制御を終了する。
一方、制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であると判定した場合、燃料ガスは基準値を超える濃度の不純物ガスを含む粗悪燃料ガスであると判定し、制御を終了する。
図６は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
まず制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給があったか否か判定する。
そして、制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給がなかったと判定した場合、制御を終了する。
一方、制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給があったと判定した場合、燃料ガス供給部を駆動して燃料ガスを燃料電池に供給し、所定時間燃料電池を発電させる。
そして、電圧センサは燃料電池の電圧を測定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であるか否か判定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値以上であると判定した場合、燃料ガスは正常な燃料ガスであると判定し制御を終了する。
一方、制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であると判定した場合、燃料ガスは基準値を超える濃度の不純物ガスを含む粗悪燃料ガスであると判定し、制御を終了する。
まず制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給があったか否か判定する。
そして、制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給がなかったと判定した場合、制御を終了する。
一方、制御部は、燃料ガス供給部への燃料ガスの補給があったと判定した場合、燃料ガス供給部を駆動して燃料ガスを燃料電池に供給し、所定時間燃料電池を発電させる。
そして、電圧センサは燃料電池の電圧を測定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であるか否か判定する。
制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値以上であると判定した場合、燃料ガスは正常な燃料ガスであると判定し制御を終了する。
一方、制御部は、電圧センサが測定した燃料電池の電圧が所定の第１閾値未満であると判定した場合、燃料ガスは基準値を超える濃度の不純物ガスを含む粗悪燃料ガスであると判定し、制御を終了する。
制御部が、燃料ガスは粗悪燃料ガスであると判定した場合、例えば以下の制御を行ってもよい。
粗悪燃料ガス中の不純物ガスの濃度又は水素濃度を推定し、推定した不純物ガス濃度又は水素濃度に応じて、燃料ガス供給部内の水素濃度定数を変更し、燃料ガス供給制御、燃料ガス排気制御等を変更してもよい。
燃料ガス供給部内の水素濃度定数の変更とは、例えば、基準となる燃料ガスの水素濃度が９９．５％であり、推定した粗悪燃料ガス中の水素濃度が９５％であった場合、水素濃度定数を９９．５％から９５％に変更することが挙げられる。そして、変更した水素濃度定数に従って燃料ガス供給制御、燃料ガス排気制御等を変更することができる。
燃料ガス供給制御の変更としては、例えば、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を高くして、燃料電池に供給される水素の濃度を高くすること等が挙げられる。
燃料ガス排気制御の変更としては、例えば、燃料オフガス排出流路に設けられた排気排水弁の開弁頻度を上げて、不純物ガスを速やかに燃料電池システムの外部に排出すること等が挙げられる。
粗悪燃料ガス中の不純物ガスの濃度又は水素濃度を推定し、推定した不純物ガス濃度又は水素濃度に応じて、燃料ガス供給部内の水素濃度定数を変更し、燃料ガス供給制御、燃料ガス排気制御等を変更してもよい。
燃料ガス供給部内の水素濃度定数の変更とは、例えば、基準となる燃料ガスの水素濃度が９９．５％であり、推定した粗悪燃料ガス中の水素濃度が９５％であった場合、水素濃度定数を９９．５％から９５％に変更することが挙げられる。そして、変更した水素濃度定数に従って燃料ガス供給制御、燃料ガス排気制御等を変更することができる。
燃料ガス供給制御の変更としては、例えば、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力を高くして、燃料電池に供給される水素の濃度を高くすること等が挙げられる。
燃料ガス排気制御の変更としては、例えば、燃料オフガス排出流路に設けられた排気排水弁の開弁頻度を上げて、不純物ガスを速やかに燃料電池システムの外部に排出すること等が挙げられる。
制御部が、燃料ガスは粗悪燃料ガスであると判定した場合、例えば粗悪燃料ガス中に含まれる不純物ガスの種類を推定してもよい。制御部が、粗悪燃料ガス中に含まれる不純物ガスの種類が窒素であると推定した場合は、粗悪燃料ガスは、水素濃度が低い燃料ガスであると判定することができる。この場合燃料電池の発電を継続させることができる。一方、制御部が、粗悪燃料ガス中に含まれる不純物ガスの種類が一酸化炭素、硫化水素等の被毒物質であると推定した場合は、粗悪燃料ガスは、被毒物質が混入している燃料ガスであると判定することができる。この場合、燃料電池の発電を継続させると触媒が劣化してしまうため、燃料電池への燃料ガスの供給を停止し、燃料電池の発電を禁止する措置を講じてもよい。これにより燃料電池の劣化を抑制することができる。
制御部が、燃料ガスは粗悪燃料ガスであると判定した場合、その後、粗悪燃料ガスが充填された水素ステーションを車両に搭載されていてもよいデータコミュニケーションモジュール（ＤＣＭ）等の情報通信技術（ＩＣＴ）により他の車両と共有してもよい。これにより、他の車両の燃料ガス供給部に粗悪燃料ガスが充填されることを回避することができる。また、ＩＣＴにより他の車両と各水素ステーションで供給される燃料ガスの水素濃度情報を共有してもよい。
１０ 燃料電池
２０ 燃料ガス供給部
２１ 燃料ガス供給流路
２２ 燃料オフガス排出流路
２３ 排気排水弁
２４ 気液分離器
２５ 循環流路
２６ エジェクタ
５０ 制御部
６０ 電圧センサ
１００ 燃料電池システム
２０ 燃料ガス供給部
２１ 燃料ガス供給流路
２２ 燃料オフガス排出流路
２３ 排気排水弁
２４ 気液分離器
２５ 循環流路
２６ エジェクタ
５０ 制御部
６０ 電圧センサ
１００ 燃料電池システム
Claims (4)
- 燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、
水素を含む燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部と前記燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス供給流路に配置されるエジェクタと、
前記燃料電池の燃料ガス出口と前記エジェクタを接続し、前記燃料ガス出口から排出される燃料オフガスを循環ガスとして燃料電池に供給することを可能にする循環流路と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度との相関関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部の駆動のＯＮ・ＯＦＦを制御し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定し、
前記制御部は、前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であると判定したとき、当該電圧を前記データ群と照らし合わせて、前記燃料ガス中の不純物ガスの濃度が所定の濃度閾値よりも高いと判定することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第１閾値は、前記燃料ガス供給部の駆動をＯＦＦに制御した時且つ前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給前に前記燃料電池を運転したときの前記電圧センサで測定された電圧である、請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給があったか否か判定し、
前記制御部は、前記燃料ガス供給部への前記燃料ガスの補給があったと判定した時、前記燃料ガス供給部を駆動し、所定時間経過後の前記電圧センサで測定された前記燃料電池の電圧が第１閾値未満であるか否か判定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 - 前記不純物ガスは、窒素、一酸化炭素、及び、硫化水素からなる群より選ばれる少なくとも一種である、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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