JP2006236843A - 燃料電池システムにおけるフラッディングの解消 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムにおいてフラッディングを解消する技術を提供する。
【解決手段】 燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路と、開閉可能な開口を有し、燃料排ガスの少なくとも一部を開口を通じて燃料排ガス流路の外に排出できる排気部であって、開状態における開口の面積を変えることができる排気部と、を備えている。この燃料電池システムを運転する際には、（ａ）第１の運転モードによる燃料電池システムの運転を行う。また、（ｂ）フラッディングが生じていると判定した場合には、第１の運転モードよりも開状態における開口の面積が大きい第２の運転モードによる燃料電池システムの運転を行う。
【選択図】 図２

Description

この発明は、燃料電池システムにおいてフラッディングを解消する技術に関する。

従来より、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電を行う燃料電池システムが開発されている。特許文献１には、燃料電池システムの運転開始時に水素置換バルブの開度を大きくする技術が開示されている。燃料電池システムを運転せずに長時間放置すると、燃料電池のカソードからアノードに電解質膜を通って窒素が浸透する。そして、アノード側の燃料ガスの水素濃度が低下する。特許文献１は、長時間放置した後に燃料電池システムの運転を再開する際、水素置換バルブの開度を大きくすることで、アノード側に存在する窒素を効率的に排出して、アノード側の燃料ガスの水素濃度を高めるものである。

特開２００３−３３１８８８号公報 特開平７−２３５３２４号公報

しかし、上記の技術においては、燃料電池のスタック内のフラッディングを解消する点に関しては考慮されていなかった。

本発明は、上記の問題点を取り扱うためになされたものであり、燃料電池システムにおいてフラッディングを解消または低減する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池システムにおいて、以下のような構成を採用する。すなわち、この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路と、開閉可能な開口を有し燃料排ガスの少なくとも一部を開口を通じて燃料排ガス流路の外に排出できる排気部と、燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備える。排気部は、開口が開状態にあるときの圧損係数を変えることができる構成を有する。この燃料電池システムは、燃料電池内でフラッディングが生じていないと判定した場合に実行される第１の運転モードと、燃料電池内でフラッディングが生じていると判定した場合に実行される第２の運転モードと、を有する。第２の運転モードは、第１の運転モードよりも開状態における排気部の圧損係数が小さい運転モードである。

このような態様とすれば、フラッディングが生じているときには、排気部の圧損係数を小さくすることによって、燃料排ガスの流量を増大させることができる。その結果、燃料電池内における燃料ガスの流速が増大する。よって、流速が増大した燃料ガスによってアノード内の水を電極から除去して、フラッディングを解消または低減することができる。なお、圧損係数は、圧力損失ΔＰを流速ｖの２乗で割ることによって得られる。

なお、排気部は、開状態における開口の面積を変えることができる構成とすることができる。その様な態様において、第２の運転モードは、第１の運転モードよりも開状態における開口の面積が大きい運転モードとすることが好ましい。

このような態様とすれば、フラッディングが生じているときには、排気部の開口面積を広げることによって、燃料排ガスの流量を増大させることができる。その結果、燃料電池内における燃料ガスの流速が増大する。よって、流速が増大した燃料ガスによってアノード内の水を電極から除去して、フラッディングを解消または低減することができる。

なお、排気部は、開閉可能な第１の開口を有する第１の排気弁と、開閉可能で第１の開口よりも面積が大きい第２の開口を有する第２の排気弁と、を有する態様とすることができる。そのような態様において、第１の運転モードにおいては、第１の排気弁を使用し、第２の運転モードにおいては、第２の排気弁を使用することが好ましい。たとえば、第１の運転モードにおいては、第２の開口を閉じ、所定の条件下で第１の開口を開き、第２の運転モードにおいては、第１の開口を閉じ、所定の条件下で第２の開口を開く態様とすることができる。

このような態様とすれば、第１の排気弁と第２の排気弁を運転モードに応じて切り換えて使うことで、燃料排ガスを排出する開口の大きさを変えることができる。その結果、フラッディングが起こっているときには、開口が大きい第２の排気弁を開いてフラッディングを解消または低減することができる。

また、排気部が、開状態における開口の面積を変えることができる一つの排気弁を備えている態様とすることもできる。このような態様としても、フラッディングが起こっているときに、排気弁の開口の面積を大きくすることで、フラッディングを解消または低減することができる。

なお、燃料電池システムは、さらに、燃料電池の出力電圧を測定する電圧測定部と、 燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、を備える態様とすることができる。そのような態様において、出力電圧が所定のしきい値電圧よりも低く、インピーダンスが所定のしきい値インピーダンスよりも低い場合に、フラッディングが生じていると判定することができる。

電解質膜の湿潤状態の影響によって出力電圧が低下する原因として、フラッディングとドライアップとが考えられる。 上記の態様においては、出力電圧の低下に加えてインピーダンスの低下をも判定条件として、フラッディングの有無を判定している。このため、より正確にフラッディングの有無を判定することができる。

また、燃料電池システムは、さらに、燃料電池に酸化ガスを送る酸化ガス送出部と、燃料電池から排出された酸化ガスである酸化排ガスの少なくとも一部を、排気部から排出される燃料排ガスと混合する希釈部と、を備える態様とすることができる。このような態様において、酸化排ガスと混合された燃料排ガスを希釈部から外部に排出することが好ましい。そして、第２の運転モードにおいて排気部から燃料排ガスが排出されているときに、第１の運転モードにおいて排気部から燃料排ガスが排出されているときよりも多くの酸化ガスを燃料電池に送るように酸化ガス送出部を制御することが好ましい。

このような態様とすれば、第２の運転モードにおいては、酸化排ガスの量が増大する。そして、燃料排ガスは、外部に排出される前に第１の運転モードよりも増量された酸化排ガスと混合される。よって、第２の運転モードにおいて、第１の運転モードよりも大きな開口からより多くの燃料排ガスが排出される場合にも、外部に排出されるガス中の未反応燃料ガスの濃度の増大を防止または低減することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、燃料電池の制御方法または運転方法、燃料電池を動力源とする原動機、燃料電池を動力源とする原動機の制御方法等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．第１の開閉弁、第２の開閉弁およびエアコンプレッサの制御：
Ｃ．変形例：

Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表すブロック図である。燃料電池システム１０は、発電の本体である燃料電池２２と、燃料電池２２に供給する水素を貯蔵する水素タンク２３と、燃料電池２２に圧縮空気を供給するためのエアコンプレッサ２４と、を備えている。燃料電池２２としては種々の種類の燃料電池を用いることが可能であるが、本実施例では、燃料電池２２として固体高分子型燃料電池を用いている。この燃料電池２２は、複数の単セルを積層したスタック構造を有している。

水素タンク２３は、例えば、高圧水素を貯蔵する水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとしても良い。水素タンク２３に貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６０に放出された後、圧力調整弁６２によって所定の圧力に調整されて、燃料電池２２のアノードに供給される。なお、水素ガス供給路６０には、ＦＣ入口シャットバルブ６１が設けられている。アノードから排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス路６３に導かれて再び水素ガス供給路６０に流入する。このように、アノード排ガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。

また、アノード排ガス路６３には、気液分離器２７が設けられている。電気化学反応の進行に伴ってカソードでは水が生じる。カソードで生じた水は、電解質膜を介してアノード側のガス内にも導入される。この水は、燃料電池２２内のアノード側の電極に付着し、電極と水素ガスとの接触を阻害する。その結果、燃料電池２２における電気化学反応が阻害され、燃料電池２２の出力電圧が低下してしまう。これを「フラッディング」という。本実施例の燃料電池システム１０では、このフラッディングを防止するため、アノード排ガス中に溜まった水蒸気を、気液分離器２７によってアノード排ガス路６３中において凝縮させ、系外に排出する。なお、ここでいう「系」とは、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路６０と、燃料電池２２内の燃料ガスの流路と、燃料電池２２から排出されるアノード排ガスを再び燃料ガス供給路６０に供給するアノード排ガス路６３と、から構成されるガス流路をいう。

気液分離器２７には、第１の開閉弁５０および第２の開閉弁６６が設けられており、さらにそれらを介して気液排出路６４が接続されている。そして、気液排出路６４は、希釈器２６に接続されている。第１の開閉弁５０または第２の開閉弁６６を開状態とすることで、気液分離器２７内で凝縮された水、およびアノード排ガス路６３を流通するアノード排ガスの一部が、希釈器２６を通じて大気中に排出される。なお、第１の開閉弁５０は、通常運転時に使用される。第２の開閉弁６６は、フラッディングが生じているときに使用される。

希釈器２６は、気液排出路６４よりも断面積が大きい容器であり、一端が大気に解放されている。よって、気液分離器２７に設けられた第１の開閉弁５０または第２の開閉弁６６が開状態とされると、水が排出された後、アノード排ガス路６３中のアノード排ガスの一部が排出される。すなわち、第１の開閉弁５０および第２の開閉弁６６は、アノード排ガス路６３内のアノード排ガスをアノード排ガス路６３外に排出するための排気部を構成する。

本実施例の燃料電池システム１０は、アノード排ガス路６３を水素ガス供給路６０に接続して、アノード排ガスを再び電気化学反応に供する構成となっている。燃料電池２２においては、カソード側からアノード側に電解質膜を通じて窒素が浸透する。このため、燃料電池２２とアノード排ガス路６３との間で水素ガスを循環させると、時間の経過とともに、アノード側の窒素濃度が上昇する。そこで、燃料電池システム１０では、所定の時間間隔で第１の開閉弁５０あるいは第２の開閉弁６６を介して、アノード排ガスの一部を流路外に排出している。こうすることによって、アノード排ガス路６３内の不純物濃度の低下を図り、アノードに供給するガス中の窒素等の不純物濃度の上昇を防止している。

第１の開閉弁５０と第２の開閉弁６６は、それぞれ弁が開いた状態と弁が閉じた状態の二つの状態を取ることができる。第２の開閉弁６６は、第１の開閉弁５０よりも、弁が開状態となったときの開口面積（開口径）が大きい。よって、第２の開閉弁６６を開状態としたときの方が、第１の開閉弁５０を開状態としたときよりも、単位時間当たりのアノード排ガスの系外への排出量は多い。すなわち、第２の開閉弁６６を開状態としたときの方が、アノード排ガスの、気液排出路６４内、アノード排ガス路６３内、および燃料電池２２のアノードの流路内におけるガスの流速は、第１の開閉弁５０を開状態としたときよりも早い。

また、第２の開閉弁６６は、気液分離器２７の側面に設けられているのに対して、第１の開閉弁５０は、気液分離器２７の底部に設けられている。このため、第１の開閉弁５０が開状態となると、気液分離器２７内で凝集された水はすべて希釈器２６に排出される。そして、その水が排出された後で、アノード排ガスの一部が希釈器２６に排出される。一方、第２の開閉弁６６が開状態となると、気液分離器２７内で凝集された水が一部、気液分離器２７内に残った状態で、アノード排ガスの排出が開始される。

エアコンプレッサ２４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６７を介して燃料電池２２のカソードに供給する。エアコンプレッサ２４が空気を圧縮する際には、フィルタを備えたマスフロメータ２８を介して、外部から空気を取り込む。カソードから排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６８に導かれて外部に排出される。

カソード排ガス路６８には、前述の希釈器２６が設けられている。希釈器２６には、気液分離器２７に接続された第１の開閉弁５０または第２の開閉弁６６、ならびに気液排出路６４を介してアノード排ガスが流入する。希釈器２６に流入したアノード排ガスは、希釈器２６においてカソード排ガスと混合されることによって希釈される。その後、混合されたアノード排ガスとカソード排ガスとは、カソード排ガス路６８から大気中に排出される。その際、排出されるガス中の水素ガスの濃度が所定濃度以下となるように、エアコンプレッサ２４等の燃料電池システム１０の各機器が制御される。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池２２の運転温度が所定温度となるように燃料電池２２を冷却するための冷却部４０を備えている。冷却部４０は、冷却水路４１と、冷却ポンプ４２と、ラジエータ２９とを備えている。冷却水路４１は、燃料電池２２の内部とラジエータ２９との間で冷却水が循環するように、冷却水を導く流路である。冷却ポンプ４２は、冷却水路４１内で冷却水を循環させる。ラジエータ２９は、冷却ファンを備えており、燃料電池２２内を経由して昇温した冷却水を冷却する。

なお、既述したエアコンプレッサ２４や冷却ポンプ４２、あるいはラジエータファンや流路に設けた弁など、燃料電池２２の発電に伴って動作する装置を、以後、燃料電池補機と呼ぶ。これらの燃料電池補機は、燃料電池２２から電力を供給されて動作する。

燃料電池２２には、燃料電池２２から電力を供給される電力消費装置である負荷装置３０が接続されている。負荷装置３０には、たとえば、燃料電池２２から電力を供給されて動作する電動機が含まれる。なお、図１では、負荷装置３０は、燃料電池システム１０から独立した負荷として表わしているが、この負荷装置３０には、既述した燃料電池補機も含まれる。すなわち、図１では、エアコンプレッサ２４等の燃料電池補機を含めて、燃料電池２２から電力を供給される装置を負荷装置３０として表す。

燃料電池システム１０は、さらに、燃料電池システム１０の各部の動きを制御する制御部７０を備えている。制御部７０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成される。詳しくは、制御部７０は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。

この制御部７０は、燃料電池システム１０の各部に設けられた電流計３５、電圧計３６、インピーダンス計３７、温度センサ４３などの各センサの検出信号や、負荷装置３０における負荷要求に関する情報を取得する。また、制御部７０は、燃料電池システム１０が備えるポンプや流路に設けられた弁やラジエータファンなど、燃料電池２２の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。なお、図１では、燃料電池システム１０の構成要素と制御部７０との間で信号のやり取りがなされる様子を表すために、制御部７０を燃料電池システム１０の外部に記載している。

燃料電池システム１０は、燃料電池２２と負荷装置３０とを接続する回路において電流計３５を備えている（図１参照）。また、燃料電池システム１０は、冷却水路４１に、燃料電池２２から送出されラジエータ２９に流入する冷却水温度を検出するための温度センサ４３を備えている。制御部７０は、予め制御部７０内に記憶されている弁用マップを参照して、電流計３５によって検出される電流量、および温度センサ４３によって検出される冷却水温に基づいて、第１の開閉弁５０および第２の開閉弁６６の開閉動作の制御を、行う。本実施例では、燃料電池２２の発電量の積算値に基づいて、弁を開く時間間隔（弁を閉じている時間）と、弁を開いている時間とを定めた弁用マップが予め作成され、制御部７０内に格納されている。なお、弁用マップは、冷却水温の区分に応じた複数組のデータを有している。

なお、本実施例では、第１の開閉弁５０用の弁用マップと、第２の開閉弁６６用の弁用マップと、の２種類の弁用マップが予め作成され、制御部７０内に格納されている。ここでは、第１の開閉弁５０用のマップを「第１の弁用マップ」と呼び、第２の開閉弁６６用のマップを「第２の弁用マップ」と呼ぶ。

また、燃料電池システム１０は、燃料電池２２の出力電圧Ｅを検出する電圧計３６と、燃料電池２２のインピーダンスＺを検出するインピーダンス計３７と、を備えている（図１参照）。制御部７０は、燃料電池２２の出力電圧ＥとインピーダンスＺとに基づいて、フラッディングが発生しているか否かを判定する。そして、制御部７０は、その判定結果に基づいて第１の開閉弁５０と第２の開閉弁６６のいずれかを選択して開弁動作を行う。

また、制御部７０は、予め制御部７０内に記憶されているコンプレッサ用マップを参照し、電流計３５によって検出される電流量に基づいて、燃料電池２２に圧縮空気を供給するエアコンプレッサ２４の出力制御を行う。本実施例では、燃料電池２２の単位時間当たりの発電量に基づいてエアコンプレッサ２４の出力を定めたコンプレッサ用マップが予め作成され、制御部７０内に格納されている。

Ｂ．第１の開閉弁、第２の開閉弁およびエアコンプレッサの制御：
図２は、本発明の燃料電池システム１０の制御部７０において実行される、第１の開閉弁５０、第２の開閉弁６６およびエアコンプレッサ２４の制御ルーチンを表すフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム１０の稼働中に繰り返し実行される。

本ルーチンが実行されると、制御部７０は、ステップＳ１００において、電圧計３６から燃料電池２２の出力電圧Ｅの検出信号を取得し、インピーダンス計３７から燃料電池２２のインピーダンスＺの検出信号を取得する。

出力電圧およびインピーダンスの情報を取得すると、次に制御部７０は、取得した情報に基づいて、フラッディングが生じているか否かを判断する（ステップＳ１１０）。本実施例では、出力電圧ＥおよびインピーダンスＺのそれぞれに対して予め定められた基準値Ｅｔｈ，Ｚｔｈが制御部７０に格納されている。ステップＳ１１０では、制御部７０は、ステップＳ１００で取得した出力電圧Ｅと基準値Ｅｔｈとを比較する。また、制御部７０は、ステップＳ１００で取得したインピーダンスＺと基準値Ｚｔｈとを比較する。そして、Ｅ＜Ｅｔｈ、Ｚ＜Ｚｔｈがともに成立する場合に、制御部７０は、フラッディングが生じていると判断する。

電解質膜の湿潤状態の影響によって燃料電池２２の出力電圧Ｅが低下する原因として、電極が濡れすぎの状態であるフラッディングと、燃料電池２２のセルの電解質膜が乾きすぎの状態にあるドライアップとがある。ドライアップの場合には、燃料電池２２のセルの電解質膜の抵抗は高い。これに対して、フラッディングの場合には、燃料電池２２の電解質膜の抵抗は低い。このため、上記のように、燃料電池２２の出力電圧ＥとインピーダンスＺとに基づいてフラッディングの有無を判定することで（ステップＳ１１０参照）、正確にフラッディングの有無を判定することができる。

ステップＳ１１０において、フラッディングが生じていないと判断された場合には、制御部７０は、ステップＳ１２０において、開口面積の大きいバルブである第２の開閉弁６６を使用せずに、開口面積の小さいバルブである第１の開閉弁５０を用いることを決定する。その後、制御部７０は、第１の弁用マップを参照し、冷却水温と電流量に基づいて第１の開閉弁５０を駆動する（ステップＳ１３０）。その結果、所定の時間間隔で第１の開閉弁５０が所定時間だけ開かれ、気液分離器２７から生成水およびアノード排ガスが希釈器２６に排出される（図１参照）。

また、制御部７０は、制御部７０に記憶しておいたコンプレッサ用マップを参照し、電流計３５によって検出される電流量に基づいて、燃料電池２２に圧縮空気を供給するエアコンプレッサ２４を駆動する（ステップＳ１４０）。その後、本ルーチンを終了する。なお、コンプレッサ用マップが保持している出力値にしたがってエアコンプレッサ２４が運転されると、燃料電池システム１０の運転中に第１の開閉弁５０が開かれアノード排ガスが希釈器２６に流入しても、希釈器２６から排出されるガス中の水素の濃度は所定の濃度以下となる。

燃料電池システム１０の通常の運転、すなわち、フラッディングが生じていない状態における運転においては、ステップＳ１２０〜Ｓ１４０の制御が行われる。本実施例においては、通常運転時には、開口面積の小さい第１の開閉弁５０を使用してアノード排ガスが系外に排出される（ステップＳ１２０参照）。このため、開口面積が大きい第２の開閉弁６６を使用する場合に比べて水素の系外への排出量が少ない。よって、通常運転時には、希釈のために希釈器２６に大量の空気を送り込む必要がなく、エアコンプレッサ２４の出力を低く抑えることができる。このため、燃料電池２２を運転している間のエアコンプレッサ２４の消費電力、ひいては燃料電池システム１０全体の消費電力を低く抑えることができる。

また、本実施例においては、通常運転時には、気液分離器２７において第２の開閉弁６６よりも低い位置に設けられている第１の開閉弁５０を使用して生成水が系外に排出される（ステップＳ１２０参照）。このため、燃料電池システム１０の通常の運転において、気液分離器２７内に残留する水の量を少なくすることができる。

一方、ステップＳ１１０において、フラッディングが生じていると判断された場合には、制御部７０は、ステップＳ１７０において、第１の開閉弁５０を使用せずに、開口面積の大きいバルブである第２の開閉弁６６を用いることを決定する。その後、制御部７０は、第２の弁用マップを参照し、冷却水温と電流量に基づいて第２の開閉弁６６を駆動する（ステップＳ１８０）。その結果、所定の時間間隔で第２の開閉弁６６が所定時間だけ開かれ、気液分離器２７から生成水およびアノード排ガスが希釈器２６に排出される（図１参照）。

本実施例においては、フラッディングが生じているときには、開口面積の大きな第２の開閉弁６６を開閉する。このため、開閉弁が開いているときの排気部の圧損係数は、フラッディングが生じていない通常運転時よりも小さくなる。よって、開閉弁が開いているときの、アノード排ガス路６３における単位時間当たりのアノード排ガスの流量が、通常運転時に比べて多くなる。よって、上流である燃料電池２２内を流れる燃料ガスの単位時間当たりの流量も多くなる。その結果、燃料電池２２内を流れる燃料ガスの流速が早くなり、燃料電池２２のスタック内において電極に付着している水をより効果的に吹き飛ばすことができる。特に、閉状態から開状態への移行時において流速の増大幅が大きいため、電極に付着している水をより効果的に吹き飛ばすことができる。その結果、アノードに存在する水を燃料ガスの流路を通じて外部に除去し、効果的にフラッディングを解消することができる。

また、フラッディングが生じているときに使用される第２の開閉弁６６は、気液分離器２７において第１の開閉弁よりも上に設けられている。気液分離器２７の底部に設けられている第１の開閉弁が開かれるときには、多くの場合まず水が排出されて、その後にアノード排ガスが排出される。これに対して、第２の開閉弁６６が開かれるときには、水が排出されることなく最初からアノード排ガスが排出される可能性が高い。そのような場合には、燃料電池２２中の燃料ガスの流量を急激に増大させることができ、電極に付着している水を効果的に吹き飛ばすことができる。

図２のステップＳ１９０においては、制御部７０は、制御部７０に記憶しておいたコンプレッサ用マップを参照し、燃料電池２２の単位時間当たりの発電量に基づいて、エアコンプレッサ２４を駆動する（ステップＳ１９０）。ただし、ステップＳ１９０における処理の内容は、フラッディングが生じていない場合のステップＳ１４０の処理とは異なる。その後、本ルーチンを終了する。

図３は、フラッディングが生じている場合のコンプレッサの制御ルーチンを表すフローチャートである。制御部７０は、まず、ステップＳ２１０で、コンプレッサ用マップを参照し、エアコンプレッサ２４の出力値を得る。そして、ステップＳ２２０で、第２の開閉弁６６が開かれているか否かを判定する。

第２の開閉弁６６が開かれている場合には、処理はステップＳ２３０に進む。ステップＳ２３０において、制御部７０は、ステップＳ２１０で得た出力値に所定量だけ値を上乗せして、エアコンプレッサ２４の出力値とする。なお、出力値に上乗せされる所定の値は、第２の開閉弁６６が開状態とされたときに、希釈器２６から排出される水素ガスの濃度が通常運転時（フラッディングが生じていないときの運転）と同じ所定の濃度以下となるように、決定されている。その後、制御部７０は、ステップＳ２４０で、その出力値に従ってエアコンプレッサ２４を駆動する。そして、本ルーチンを終了する。

一方、第２の開閉弁６６が閉じている場合には、処理はステップＳ２３０を経ずにステップＳ２４０に進む。すなわち、制御部７０は、ステップＳ２４０において、ステップＳ２１０で得た出力値に従ってエアコンプレッサ２４を駆動する。その後、本ルーチンを終了する。

本実施例においては、第２の開閉弁６６が開いているときには、コンプレッサマップの出力値よりもエアコンプレッサ２４の出力を増大させる。言い換えれば、第２の開閉弁６６が開いているときには、フラッディングが発生していないときに第１の開閉弁５０が開かれているときよりも、エアコンプレッサ２４の出力を増大させる。その結果、より多くの空気が燃料電池２２に送られ、下流である希釈器２６にもより多くのカソード排ガスが流入する。このため、第１の開閉弁５０よりも開口が大きい第２の開閉弁６６が開いて、より多くのアノード排ガスが希釈器２６に流入しても、希釈器２６から大気中に排出されるガスの水素濃度が高くなってしまうことがない。

また、本実施例では、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部であるエアコンプレッサ２４の出力を制御して、アノード排ガスを希釈させるためのガスの量を調整している。このため、アノード排ガスを希釈させるためのガスの量を調整するための構成を独自に備える場合に比べて、システムの構成を簡単なものとすることができる。

本実施例においては、エアコンプレッサ２４の出力を増大させるのは、第２の開閉弁６６が開いているときである（図３のステップＳ２２０，Ｓ２３０参照）。このため、フラッディングが生じていない場合（図２のステップＳ１４０参照）に対して常にエアコンプレッサ２４の出力が高い態様に比べて、燃料電池システム１０を運転する際のエアコンプレッサ２４の消費電力を少なくすることができる。このため、そのような態様に比べて燃料電池システム１０全体の消費電力を少なくすることができる。

以上で説明したように、本実施例の燃料電池システム１０によれば、開口面積の異なる２つの開閉弁を使い分けてアノード排ガスの排出を行なうため、アノード排ガス排出の動作を、燃料電池２２の状態に応じて、適切に制御することができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池システム１０には、開口面積が異なる二つの開閉弁５０，６６が設けられていた。そして、通常運転時には開口面積が小さい第１の開閉弁５０が使用され（ステップＳ１２０参照）、フラッディングが生じている場合には開口面積が大きい第２の開閉弁６６が使用された（ステップＳ１７０参照）。しかし、アノード排ガスを系外に排出する機構は、他の構成とすることもでき、他の態様で使用することもできる。

たとえば、燃料電池システムは、複数の開閉弁をアノード排ガス路に有する態様とすることもできる。そのような態様において、フラッディングが生じている場合には、通常運転時に使用する開閉弁に加えてさらに他の開閉弁をも使用する態様とすることもできる。各弁の開口の大きさは異なっていてもよいし、等しくてもよい。

また、燃料電池システムは、開口面積が等しい複数の開閉弁をアノード排ガス路に有する態様とすることもできる。そのような態様において、フラッディングが生じている場合には、通常運転時よりも多数の開閉弁を使用する態様とすることもできる。フラッディングが生じている場合に使用する開閉弁は、通常運転時に使用する開閉弁を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。

そして、燃料電池システムは、弁の開度を変えることができる開閉弁を有する態様とすることもできる。そのような態様において、フラッディングが生じている場合には、通常運転時よりも開状態における弁の開度を大きくする態様とすることもできる。

すなわち、燃料電池システムは、フラッディングが生じていると判定した場合に、アノード排ガスを系外に排出する排気部の開口の面積が通常の運転時よりも大きい状態で、運転を行うものとすることができる。なお、排気部における「開口の面積」は、開口を通るガスの流れの方向に対して垂直な平面に投影したときの開口の面積をいう。

さらに、上記実施例では、アノード排ガスを排出する開口の面積を変えることで、排気部の圧損係数を変化させていたが、燃料電池システムは、アノード排ガスを排出する開口の面積を変えるという方法以外の方法で、アノード排ガスの流速を変える態様とすることもできる。たとえば、アノード排ガスを排出する排気部の管の長さを変えることができ、フラッディング時には管長を短くする態様とすることができる。また、アノード排ガスが流通する流路内に流通の抵抗となる構成を有し、その構成の形状や姿勢を変えることで排気部の圧損係数を変えることができる態様とすることもできる。

すなわち、燃料電池システムは、フラッディングが生じていると判定した場合に、アノード排ガスを系外に排出する排気部の圧損係数が通常の運転時よりも小さい状態で、運転を行うものとすることができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、第１の開閉弁５０および第２の開閉弁６６の開閉動作は、燃料電池２２による発電量の積算値に基づいて定められた所定の時間毎に所定の時間だけ開弁を行なうというものであった。しかし、弁の開閉動作は、他の態様とすることもできる。たとえば、一定の時間間隔で一定の時間だけ弁を開閉するものであってもよい。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、第１の開閉弁５０は、気液分離器２７の底面に設けられ、第２の開閉弁６６は、気液分離器２７の側面に設けられていた。しかし、アノード排ガスを系外に排出する機構は、気液分離器の他の場所に設けてもよい。たとえば、第１の開閉弁５０、第２の開閉弁６６ともに、気液分離器２７の底面に設けてもよいし、ともに気液分離器２７の側面に設けてもよい。すなわち、アノード排ガスを系外に排出するための、開口の面積が異なる開閉弁は、気液分離器において、高さの同じ位置に設けられていてもよいし、高さが違う位置に設けられていてもよい。

また、上記実施例では、アノード排ガスを系外に排出する機構である開閉弁は、アノード排ガス路６３の途中に設けられた気液分離器２７に設けられていた。しかし、アノード排ガスを系外に排出する機構の設置場所は気液分離器２７に限られるものではなく、アノード排ガス路の他の場所に設けてもよい。すなわち、アノード排ガスを系外に排出する機構は、アノード排ガス路を構成するパイプに設けられていてもよいし、アノード排ガス路の途中に設けられる他の構成に設けられていてもよい。そして、それらの態様においては、アノード排ガスを系外に排出する機構は、液体の水の排出に適した構成ではなく、気体のアノード排ガスを排出する構成とすることができる。

Ｃ４．変形例４：
上記実施例においては、燃料電池２２の出力電圧と、インピーダンスとに基づいて、フラッディングの有無を判定していた（ステップＳ１１０参照）。しかし、フラッディングの有無の判定は、他の方法で行うこともできる。

たとえば、燃料電池２２のセルの電圧の履歴に基づいて、フラッディングの有無を判定することもできる。フラッディングの場合には、セルの出力電圧は、多くの場合、低下と上昇を繰り返しながら全体として低下する。これに対してドライアップの場合には、セルの出力電圧は、低下と上昇を繰り返すことなく単調減少する。このため、そのような燃料電池２２のセルの電圧の履歴に基づいて、フラッディングの有無を判定することもできる。

たとえば、（１）燃料電池のセルの電圧が第１の所定値以下に低下したこと、（２）その後、燃料電池のセルの電圧が第１の所定値よりも小さい第２の所定値以下に低下したこと、（３）その後、燃料電池のセルの電圧が第２の所定値を上まわったこと、（４）その後、燃料電池のセルの電圧が第１の所定値に達することなくふたたび第２の所定値以下に低下したこと、を、複数組の第１および第２の所定値について繰り返し、その結果、燃料電池のセルの電圧が、それら複数組の第１および第２の所定値よりも小さい第３の所定値以下に低下した場合に、フラッディングが発生したと判定してもよい。

燃料電池システムは、何らかの方法でフラッディングの有無を検出し、フラッディングが発生していると判断した場合には、アノード排ガスを排出する開閉弁の開口を通常運転時よりも大きくして運転するものであればよい。

Ｃ５．変形例５：
上記実施例においては、コンプレッサ用マップは、一つ用意されていた。そして、フラッディングが生じて開口が大きい第２の開閉弁６６が開かれた場合には、コンプレッサ用マップの出力値に所定の値が上乗せされて、希釈器２６に流入するカソード排ガスが増量された。しかし、アノード排ガスを排出する開口が大きくなってアノード排ガスの量が多くなったときに、カソード排ガスの量をふやす方法は、他の方法であってもよい。

たとえば、コンプレッサ用マップとして、フラッディングが発生していないときに参照される「第１のコンプレッサ用マップ」と、フラッディングが発生しているときに参照される「第２のコンプレッサ用マップ」と、の二種類を用意してもよい。

第２のコンプレッサ用マップは、アノード排ガスが排出されているときの出力値が、同一の条件下でアノード排ガスが排出されているときの第１のコンプレッサ用マップの出力値よりも高くなるように、出力値が設定されていることが好ましい。すなわち、フラッディングの発生の有無以外の条件が等しい場合には、第２のコンプレッサ用マップを参照した場合の方が、第１のコンプレッサ用マップを参照した場合に比べて、単位時間当たりの燃料電池２２への圧縮空気の供給量は多くなるように、出力値が設定されていることが好ましい。そして、第１および第２のコンプレッサ用マップは、ともに、開閉弁が開状態とされたときに、希釈器２６から排出される水素ガスの濃度が、大気中に放出することができる程度の所定濃度以下となるように、エアコンプレッサ２４の出力値が決定されていることが好ましい。

本発明の実施例である燃料電池システム１０の構成の概略を表すブロック図である。 本発明の燃料電池システム１０の制御部７０において実行される、第１の開閉弁５０、第２の開閉弁６６およびエアコンプレッサ２４の制御ルーチンを表すフローチャートである。 フラッディングが生じている場合のコンプレッサの制御ルーチンを表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
２２…燃料電池
２３…水素タンク
２４…エアコンプレッサ
２６…希釈器
２７…気液分離器
２８…マスフロメータ
２９…ラジエータ
３０…負荷装置
３５…電流計
３６…電圧計
３７…インピーダンス計
４０…冷却部
４１…冷却水路
４２…冷却ポンプ
４３…温度センサ
５０…第１の開閉弁
６０…水素ガス供給路
６２…圧力調整弁
６３…アノード排ガス路
６４…気液排出路
６６…第２の開閉弁
６７…酸化ガス供給路
６８…カソード排ガス路
７０…制御部

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路と、
   開閉可能な開口を有し、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記開口を通じて前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気部であって、前記開口が開状態にあるときの圧損係数を変えることができる排気部と、
   前記燃料電池システムの制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池内でフラッディングが生じていないと判定した場合に実行される第１の運転モードと、
   前記燃料電池内でフラッディングが生じていると判定した場合に実行される運転モードであって、前記第１の運転モードよりも前記開状態における前記排気部の圧損係数が小さい第２の運転モードと、を有する、燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記排気部は、前記開状態における前記開口の面積を変えることができ、
   前記第２の運転モードは、前記第１の運転モードよりも前記開状態における前記開口の面積が大きい運転モードである、燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記排気部は、
   開閉可能な第１の開口を有する第１の排気弁と、
   開閉可能で前記第１の開口よりも面積が大きい第２の開口を有する第２の排気弁と、を有し、
   前記制御部は、
   前記第１の運転モードにおいては、前記第１の排気弁を使用し、
   前記第２の運転モードにおいては、前記第２の排気弁を使用する、燃料電池システム。
4. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記排気部は、前記開状態における前記開口の面積を変えることができる一つの排気弁を備えている、燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池の出力電圧を測定する電圧測定部と、
   前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記出力電圧が所定のしきい値電圧よりも低く、前記インピーダンスが所定のしきい値インピーダンスよりも低い場合に、前記フラッディングが生じていると判定する、燃料電池システム。
6. 請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池に酸化ガスを送る酸化ガス送出部と、
   前記燃料電池から排出された前記酸化ガスである酸化排ガスの少なくとも一部と、前記排気部から排出される前記燃料排ガスと、を混合する希釈部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第２の運転モードにおいて前記排気部から前記燃料排ガスが排出されているときに、前記第１の運転モードにおいて前記排気部から前記燃料排ガスが排出されているときよりも多くの前記酸化ガスを前記燃料電池に送るように前記酸化ガス送出部を制御する、燃料電池システム。
7. 燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流れる燃料排ガス流路と、
   開閉可能な開口を有し、前記燃料排ガスの少なくとも一部を前記開口を通じて前記燃料排ガス流路の外に排出できる排気部であって、前記開口が開状態にあるときの圧損係数を変えることができる排気部と、を備え、前記方法は、
   （ａ）前記燃料電池内でフラッディングが生じていないと判定した場合に、第１の運転モードによる前記燃料電池システムの運転を行う工程と、
   （ｂ）前記燃料電池内でフラッディングが生じていると判定した場合に、前記第１の運転モードよりも前記開状態における前記排気部の圧損係数が小さい第２の運転モードによる前記燃料電池システムの運転を行う工程と、を備える方法。

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