JP2007103224A - 燃料電池システムおよびその圧力低下方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの遮断後、アノードガス圧力を好適に低下可能な燃料電池システムおよびその圧力低下方法を提供する。
【解決手段】アノード流路１２ａおよびカソード流路１３ａを有する燃料電池１０と、遮断弁２２と、燃料電池１０から排出された未反応の燃料ガスを循環させる配管２４ｃと、アノードガス圧力を検出する圧力センサ２７と、カソード流路１３ａに酸化剤ガスを供給するコンプレッサ３１と、アノード流路１２ａ内のガスを排出するドレン弁２５およびパージ弁２６と、ＥＣＵ５０と、を備え、燃料ガスの供給が遮断された場合、カソード流路１３ａを掃気する燃料電池システム１であって、カソード流路１３ａの掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、コンプレッサ３１によるカソード流路１３ａへの酸化剤ガスの供給を継続しつつ、ドレン弁２５およびパージ弁２６によりアノード流路１２ａ内のガスを排出してアノードガス圧力を下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素の遮断後、アノードガス圧力を低下させる燃料電池システムおよびその圧力低下方法に関する。

近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）などの燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。

燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されて構成されたスタックである。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、ＭＥＡのアノードに水素が、カソードに酸素を含む空気がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続するモータ等の外部負荷と導通すると、燃料電池が発電する。

このような燃料電池では、その出力を高めるため、一般に、高圧の水素および空気が供給される。しかしながら、燃料電池システムの運転停止後、燃料電池内に高圧の水素等が存在すると、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）等のデバイスが高圧に曝されるため好ましくない。ところが、運転停止時おいて、水素の供給を遮断した後に、残留する水素をそのまま排出することは望ましくない。

そこで、燃料電池システムの運転停止後において、水素の供給を遮断した後も、空気（掃気ガス）の供給を継続してカソードを掃気しつつ、発電を継続させて、残留する水素を消費し、燃料電池のアノード側の流路の圧力（以下、アノードガス圧力）を低下させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
ここで、掃気とは、掃気ガスにより、発電の際に生成した水などを燃料電池外に押し出すことであり、空気パージとも称される。また、掃気ガスとは、このような掃気を行うために燃料電池に送り込まれるガスであり、例えば、燃料電池のカソードに空気を供給するコンプレッサが掃気ガス源として利用される。
特開２００４−３６２７９０号公報（段落番号００４４〜００４５、図１）

しかしながら、前記した特許文献１に記載の技術では、水素の遮断後において、燃料電池の発電量が小さく、残留水素の消費率が低い場合、アノードガス圧力を所定圧力まで低下させるために、長時間を要する場合があった。また、水素の遮断後に、燃料電池の発電を継続できない場合もあった。

そこで、本発明は、このような問題を解決するため、水素等の燃料ガスの遮断後、アノードガス圧力を好適に低下可能な燃料電池システムおよびその圧力低下方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、アノード流路およびカソード流路を有し、前記アノード流路に燃料ガスが、前記カソード流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記アノード流路への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを循環させる循環手段と、前記アノード流路内のアノードガス圧力を検出する圧力検出手段と、前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記アノード流路内のガスを排出し、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流させる排出手段と、前記酸化剤ガス供給手段および前記排出手段を制御する制御手段と、を備え、前記遮断手段により燃料ガスの供給が遮断された場合、前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、当該カソード流路を掃気する燃料電池システムであって、前記カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合（つまり、アノードガス圧力が所定圧力より高い場合）、前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段による前記カソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、前記排出手段により前記アノード流路内のガスを排出してアノードガス圧力を下げることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、制御手段は、酸化剤ガス供給手段によるカソード流路への酸化剤ガスの供給を継続するため、燃料電池から酸化剤ガスが排出される。これに並行して、制御手段は、排出手段によりアノード流路内のガスを排出する。これにより、アノードガス圧力を所定圧力以下に下げることができる。また、排出手段により、排出されたガスは、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流し、混合・希釈される。これにより、高濃度の燃料ガスが外部に排出することは防止される。なお、排出手段による排出量は、混合・希釈後に排出されるガスが、所定燃料ガス濃度以下となるように設定する。

このように、請求項１に係る燃料電池システムによれば、燃料ガスの供給を遮断した後、燃料電池の発電を継続しなくても、排出手段によって、アノード流路内のガスを適宜に排出することで、アノードガス圧力を所定圧力以下に、速やかに下げることができる。ただし、燃料ガスの遮断後、燃料電池を発電継続可能であれば、後記する実施形態のように、発電を継続し、この発電により燃料ガスを消費することによっても、アノードガス圧力の低下を図ることが望ましい。
その後、酸化剤ガス供給手段と停止し、カソード流路のカソードガス圧力を適宜に下げることで、ＭＥＡの両側間の差圧を好適に小さくすることができる。その結果として、燃料電池の耐久性および信頼性の向上を図ることができる。

請求項２に係る発明は、前記アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合において、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの流量に対応して、前記排出手段による排出量を決定する排出量決定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、排出量決定手段により、燃料電池から排出される酸化剤ガスの流量に対応して、排出手段による排出量を決定することができる。すなわち、例えば、燃料電池から大流量の酸化剤ガスが排出される場合、排出手段による排出量を多くすることで、アノードガス圧力をさらに速やかに下げることができる。

請求項３に係る発明は、前記酸化剤ガス供給手段が異常を示す場合、前記排出手段による排出を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、禁止手段は、酸化剤ガス供給手段の異常を示す場合、排出手段による排出を禁止する。これにより、高濃度の燃料ガスが外部に排出されることを防止できる。

請求項４に係る発明は、アノード流路およびカソード流路を有し、前記アノード流路に燃料ガスが、前記カソード流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記アノード流路への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを循環させる循環手段と、前記アノード流路内のアノードガス圧力を検出する圧力検出手段と、前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記アノード流路内のガスを排出し、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流させる排出手段と、を備え、前記遮断手段により燃料ガスの供給が遮断された場合、前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、当該カソード流路を掃気する燃料電池システムにおいて、前記カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合（つまり、アノードガス圧力が所定圧力より高い場合）、前記酸化剤ガス供給手段による前記カソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、前記排出手段により前記アノード流路内のガスを排出してアノードガス圧力を下げることを特徴とする燃料電池システムの圧力低下方法である。

このような燃料電池システムの圧力低下方法によれば、カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、酸化剤ガス供給手段によるカソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、排出手段により前記アノード流路内のガスを排出することによって、アノードガス圧力を好適に下げることができる。

本発明によれば、水素等の燃料ガスの遮断後、アノードガス圧力を好適に低下可能な燃料電池システムおよびその圧力低下方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図７を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続した走行モータ４１を備えており、燃料電池自動車は燃料電池１０の発電電力によって走行モータ４１を駆動し、走行するようになっている。

燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給・排出するアノード系２０と、燃料電池１０に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給・排出するカソード系３０と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系４０と、これらを電子制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜１１（固体高分子膜）の両面をアノード１２（燃料極）およびカソード１３（空気極）で挟んでなるＭＥＡと、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、で構成されている。セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素または酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔などが形成されており、これら溝などがアノード流路１２ａ、カソード流路１３ａとして機能している。すなわち、アノード流路１２ａには水素（燃料ガス）が流通し、各アノード１２に供給されるようになっている。一方、カソード流路１３ａには酸素を含む空気（酸化剤ガス）が流通し、各カソード１３に供給されるようになっている。

そして、燃料電池１０のアノード１２に水素が、カソード１３に酸素を含む空気が、それぞれ供給されると、アノード１２、カソード１３に含まれる触媒（Ｐｔなど）上で電気化学反応が起こり、その結果、各単セルで電位差が発生するようになっている。そして、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、走行モータ４１などの外部負荷から発電要求があり、後記するＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）が制御されると、燃料電池１０が発電するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系２０は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２（遮断手段）と、エゼクタ２３と、気液分離器２４と、ドレン弁２５（排出手段）と、パージ弁２６（排出手段）と、圧力センサ２７（圧力検出手段）と、を主に備えている。
水素タンク２１は配管２１ａを介して遮断弁２２に接続されており、遮断弁２２は配管２２ａを介してエゼクタ２３に接続されている。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード流路１２ａに接続されている。配管２２ａには、減圧弁（図示しない）が設けられている。そして、ＥＣＵ５０の制御部５１によって、遮断弁２２が開かれると、水素が前記減圧弁で減圧された後、アノード流路１２ａに供給されるようになっている。

圧力センサ２７は、アノード流路１２ａ内のアノードガス圧力を検出するように配管２３ａに設けられている。そして、圧力センサ２７は、ＥＣＵ５０の制御部５１と接続されており、制御部５１はアノードガス圧力を監視するようになっている。

次に、アノード流路１２ａの下流側は、配管２４ａを介して気液分離器２４に接続されており、アノード流路１２ａから排出された水分および未反応の水素を含むアノードオフガスが、気液分離器２４に送られるようになっている。なお、前記水分は、発電によりカソード１３で生成した水などの一部が、電解質膜１１を透過したものである。

気液分離器２４（キャッチタンク）は、このように送られるアノードオフガス中の水分を分離するための機器であり、例えば、アノードオフガスを適宜に冷却して水分を分離するため、冷媒が流通する冷媒配管（図示しない）を内蔵している。ただし、気液分離器２４の気液分離方式はこれに限定されず、例えば、遠心力により分離する方式であってもよい。

そして、気液分離器２４で分離された水分は、気液分離器２４の適所（底壁など）に設けられた配管２４ｂを介して、ドレン弁２５に送られるようになっている。ドレン弁２５は、配管２５ａを介して希釈器３２に接続されると共に、制御部５１により適宜に開／閉され、ドレン弁２５が開かれると、気液分離器２４内の水が希釈器３２に送られるようになっている。また、後記するように、ドレン弁２５は、遮断弁２２が閉じた後、アノード流路１２ａのアノードガス圧力を下げる場合にも開かれ、この場合は、アノード流路１２ａ内のガスが配管２４ｂ、ドレン弁２５、配管２５ａを介して、希釈器３２に送られるようになっている。

一方、気液分離器２４で分離された水素は、気液分離器２４の適所（上壁など）に設けられた配管２４ｃ（循環手段）を介して、エゼクタ２３に戻され、水素が循環するようになっている。

また、配管２４ａの途中である途中点Ｊ１は配管２４ｄを介してパージ弁２６に接続されており、さらに、パージ弁２６は配管２６ａを介して希釈器３２に接続されている。そして、パージ弁２６は、制御部５１と接続されており、制御部５１により適宜に開／閉されるようになっている。さらに説明すると、パージ弁２６は、燃料電池システム１の通常運転時は閉じられ、未反応の水素が配管２４ｃを経由することで循環し、水素の利用効率が高められるようになっている。
一方、燃料電池１０の出力が低下し、アノードオフガスに含まれる不純物（水、窒素など）が多いと推定される場合、パージ弁２６が開かれ、アノードオフガスが希釈器３２に排出されるようになっている。

さらに、本実施形態では、パージ弁２６は、後記するように遮断弁２２が閉じられた後において、アノードガス圧力を下げるために、適宜に開かれる設定となっている。

ここで、配管２４ｄと、パージ弁２６と、配管２６ａとを通るライン（以下、パージ弁ライン）の流路最小断面積は、途中点Ｊ１の下流側の配管２４ａと、気液分離器２４と、配管２４ｂと、ドレン弁２５と、配管２５ａとを通るライン（以下、ドレン弁ライン）の流路最小断面積よりも、大きい設定となっている。そして、後記するように、カソード流路１３ａの掃気後であって、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０よりも高い場合に、ドレン弁２５をパージ弁２６よりも先に開くことで、水素を含むガスが大量に希釈器３２に供給されにくいようになっている。これにより、高濃度の水素が外部に排出されにくくなってりる。

＜カソード系＞
カソード系３０は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給手段）と、希釈器３２と、流量計３３とを主に備えている。コンプレッサ３１は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソード１３に向けて送る機器であり、配管３１ａを介してカソード流路１３ａに接続されている。配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード１３に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。なお、アノード系２０の遮断弁２２が閉じられた後は、コンプレッサ３１からの空気が前記加湿器を迂回し、非加湿の空気である掃気ガスが、カソード流路１３ａに供給されるようになっている。

一方、カソード１３の下流側は、配管３２ａを介して、希釈器３２が接続されている。希釈器３２は、アノード系２０からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、カソード１３から排出されたカソードオフガス（希釈用ガス）と、アノード系２０からの水素を含むアノードオフガスとが導入され、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスに合流し希釈され、所定水素濃度以下に低下した希釈ガスとなった後、排気されるになっている。

流量計３３は、配管３１ａ上に設けられており、カソード流路１３ａ（つまり希釈器３２）に供給される酸化剤ガス（カソードオフガス）の流量を検出するようになっている。そして、流量計３３は、ＥＣＵ５０の排出量決定部５２と接続されており、排出量決定部５２は希釈器３２に供給されるカソードオフガスの流量を監視するようになっている。
ただし、流量計３３の位置は、希釈器３２に供給されるカソードオフガスの流量を検出可能であればよく、燃料電池１０の下流側の配管３２ａに設けられてもよい。

＜電力消費系＞
電力消費系４０は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続されており、燃料電池１０で発生した電力を消費する系である。電力消費系４０は、燃料電池自動車を走行させる走行モータ４１（外部負荷）と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）と、を主に備えている。この他、コンプレッサ３１のモータも、電力消費系４０に含まれる。

走行モータ４１は、ＶＣＵ４２を介して燃料電池１０の出力端子に接続されている。ＶＣＵ４２は、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を制御する電流電圧制御器である。言い換えると、ＶＣＵ４２は、電流を適宜に取り出すことによって燃料電池１０を発電させる機器である。このようなＶＣＵ４２は、例えば、コンタクタ（リレー）、ＤＣ−ＤＣコンバータなどを備えている。そして、ＶＣＵ４２は制御部５１と接続されており、制御部５１は出力電流および出力電圧を制御自在となっている。すなわち、例えば、制御部５１が出力電流を０にすれば、燃料電池１０は発電しない設定となっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成され、制御部５１（制御手段）と、排出量決定部５２（排出量決定手段）と、禁止部５３（禁止手段）とを主に備えている。

［制御部］
制御部５１は、アノード系２０の遮断弁２２、ドレン弁２５およびパージ弁２６と、カソード系３０のコンプレッサ３１と、電力消費系４０のＶＣＵ４２とに接続されており、これらを適宜に制御するようになっている。また、制御部５１は、圧力センサ２７と接続されており、アノード流路１２ａ内のアノードガス圧力を監視するようになっている。

［排出量決定部］
排出量決定部５２は、流量計３３を介して、希釈器３２に送られるカソードオフガス（酸化剤ガス）の流量を監視している。そして、排出量決定部５２は、流量計３３が検出した流量と、その内部に記憶された排出量マップとに基づいて、ドレン弁２５またはパージ弁２６を開いて、希釈器３２に排出するアノードオフガスの排出量を決定するようになっている。

排出量マップは、カソードオフガスの流量と、ドレン弁２５またはパージ弁２６が開かれたことで排出される排出量（具体的には、ドレン弁２５等の開時間や開度）とが関連付けられたマップである。なお、排出量マップは、カソードオフガスの流量が多くなると、ドレン弁２５等の開による排出量が多くなるという関係を有している。そして、カソードオフガスの流量とアノードオフガスの排出量とが、前記関係を満たせば、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスによって好適に希釈され、希釈器３２の下流側に高濃度の水素が排出されない設定となっている。その結果として、高濃度の水素の排出を防止しつつ、アノードガス圧力が速やかに低下するようになっている。

［禁止部］
禁止部５３は、コンプレッサ３１と接続されており、コンプレッサ３１が異常であるか否かを監視するようになっている。そして、禁止部５３は、コンプレッサ３１が異常である場合、制御部５１にドレン弁２５およびパージ弁２６を開くことを禁止する指令を送るようになっている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作と共に、本実施形態に係る燃料電池システム１の圧力低下方法について、図２、図３を主に参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１の圧力低下方法は、遮断弁２２が閉じた後、カソード流路１３ａを掃気し、この掃気後、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下でない場合、コンプレッサ３１によるカソード流路１３ａへの掃気ガス（酸化剤ガス）の供給を継続しつつ、ドレン弁２５、パージ弁２６を適宜に開きアノード流路１２ａ内のガスを排出し、アノードガス圧力を下げることを特徴とする。

なお、図２に示すフローチャートは、運転（発電）中の燃料電池システム１において、遮断弁２２が閉じられるとスタートするようになっている。また、本発明では、遮断弁２２がどのような場合に閉じられるかは、特に限定されず、例えば、燃料電池自動車（燃料電池システム１）の起動スイッチであるＩＧ（イグニション）のＯＦＦに連動して制御部５１が遮断弁２２を閉じる場合や、コンプレッサ３１の異常を検知して制御部５１が遮断弁２２を閉じる場合がある。さらに、本実施形態では、遮断弁２２が閉じた後も燃料電池１０の発電を継続させることで、残存する水素を消費し、アノードガス圧力の低下を図っている。

ステップＳ１０１において、制御部５１は、コンプレッサ３１が正常であるか否かを判定する。なお、この判定は、例えば、コンプレッサ３１から正常な動作信号が送られているか否かに基づいて行う。コンプレッサ３１は正常であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進む。一方、コンプレッサ３１は正常でない、つまり、異常であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ステップＳ１１５に進む。

ステップＳ１０２において、制御部５１は、所定時間ｔ１の間、カソード掃気を行う。具体的に説明すると、カソード流路１３ａに、掃気ガス（つまり、非加湿の空気）を送り込み、カソード流路１３ａ内の水分を、燃料電池１０の外に押し出す。所定時間ｔ１は、カソード流路１３ａの容積や、コンプレッサ３１から送られる掃気ガスの流量に関係し、予備実験等により求められる。なお、本実施形態では、遮断弁２２が閉じられた後、カソード掃気を含め一連の処理を行う間、コンプレッサ３１の回転速度を高め、掃気ガスが大流量となるように設定されており、掃気時間の短縮化等が図られている。

ステップＳ１０３において、制御部５１は、アノード流路１２ａ内のアノードガス圧力が、その内部に記憶された所定圧力Ｐ０以下であるか否かを判定する。アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下であると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１１６に進む。一方、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下でない、つまり、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０より高いと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ステップＳ１０４に進む。

なお、所定圧力Ｐ０は、例えば、アノード流路１２ａ内がこの圧力以下になれば、燃料電池システム１の停止後、残存する水素が電解質膜１１をカソード１３側に透過しないと推定される圧力であり、予備実験等により求められる。

ステップＳ１０４において、排出量決定部５２は、ドレン弁２５を開いて排出するガスの排出量を、希釈器３２に供給されるカソードオフガスの流量に対応して算出する。具体的に説明すると、排出量決定部５２は、流量計３３を介して希釈器３２に供給されるカソードオフガスの流量を読み込み、これと排出量マップとに基づいて、ドレン弁２５の開時間（排出量）を決定する。そして、排出量決定部５２は、決定したドレン弁２５の開時間を制御部５１に送る。

なお、後記する動作例では、遮断弁２２が閉じられた後、コンプレッサ３１が一定の回転速度で作動し、カソードオフガスが一定流量である場合を例示するが、ステップＳ１０４や後記するステップＳ１１０において、アノードガス圧力を低下させるため、ドレン弁２５またはパージ弁２６を開き、ガスを排出する際に、コンプレッサ３１の回転速度を高め、希釈器３２に供給されるカソードオフガスを増量すると共に、ドレン弁２５等の開による排出量も増量し、アノードガス圧力を速やかに低下させる構成としてもよい。

ステップＳ１０５において、制御部５１は、排出量決定部５２から送られたドレン弁２５の開時間に従って、ドレン弁２５を開く。これにより、アノード流路１２ａ、気液分離器２４、配管２３ａ、２４ａ、２４ｃ内のガスが排出される。その結果として、アノードガス圧力が低下する。ドレン弁２５の開により排出されたガスは、希釈器３２に送られ、カソードオフガスと合流する。そして、所定に希釈された後に、外部に排気される。したがって、高濃度の水素が排出されることは防止される。

ステップＳ１０６において、制御部５１は、ステップＳ１０３と同様に、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下であるか否かを判定する。アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下であると判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ステップＳ１１７に進む。一方、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下でない、つまり、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０より高いと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７において、制御部５１は、所定時間ｔ２の間、カソードオフガスを希釈器３２に送る。これにより、ステップＳ１０５においてドレン弁２５の開によって希釈器３２に排出された水素が、カソードオフガスによって希釈される。その結果として、高濃度の水素が外部に排出されることは防止される。
なお、所定時間ｔ２は、ドレン弁２５が開かれたことによって、希釈器３２に排出された排出量と、カソードオフガスの供給量とに関係する。したがって、例えば、制御部５１は、ドレン弁２５の開による排出量と、コンプレッサ３１の回転速度と、これらが関連付けられ、その内部に記憶されたマップとに基づいて、所定時間ｔ２を算出する。

ステップＳ１０８において、制御部５１は、内蔵するクロックを利用して、遮断弁２２の閉後、所定時間ｔ４が経過したか否かを判定する。そして、所定時間ｔ４が経過したと判定した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０に進む。一方、所定時間ｔ４が経過していないと判定した場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ステップＳ１０９に進む。

なお、所定時間ｔ４は、遮断弁２２が閉じた後、アノードガス圧力を低下させるため、ドレン弁２５、パージ弁２６を開いたにも関わらず、遮断弁２２の閉から所定時間ｔ４経過した場合、ドレン弁２５等が故障しているおそれがあると判定するための時間である。このような所定時間ｔ４は、遮断弁２２の下流側において、遮断弁２２の閉後に残存する水素が存在し得る流路の容積と、ドレン弁２５、パージ弁２６の開により排出される基準水素排出量と、ドレン弁２５、パージ弁２６を開く基準排出インターバルとに関係し、予備実験等により求められる。

ステップＳ１０９において、排出量決定部５２は、パージ弁２６を開いて排出するガスの排出量を、希釈器３２に供給されるカソードオフガス量に対応して算出する。具体的に説明すると、排出量決定部５２は、流量計３３を介して希釈器３２に供給されるカソードオフガスの量を読み込み、これと排出量マップとに基づいて、パージ弁２６の開時間（排出量）を決定する。そして、排出量決定部５２は、決定したパージ弁２６の開時間を制御部５１に送る。

ステップＳ１１０において、制御部５１は、排出量決定部５２から送られたパージ弁２６の開時間に従って、パージ弁２６を開く。これにより、アノード流路１２ａ、気液分離器２４、配管２３ａ、２４ａ、２４ｃ内のガスが排出される。その結果として、アノードガス圧力が低下する。

また、このように、アノードガス圧力を下げるために、（１）まず、ドレン弁２５を含み、流路最小断面積が小さいドレン弁ラインを利用し（Ｓ１０５）、（２）次に、ドレン弁ラインよりも流路最小断面積が大きいパージ弁ラインを利用することにより（Ｓ１１０）、すなわち、アノードガス圧力が高いと推定される場合、まず、流路最小断面積が小さいラインを利用して排出することによって、希釈器３２に大流量の水素が送り込まれ、希釈されずに排気されることを防止できる。

ステップＳ１１１において、制御部５１は、ステップＳ１０３、Ｓ１０６と同様に、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下であるか否かを判定する。
アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下であると判定した場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、ステップＳ１１２に進む。そして、ステップＳ１１２において、制御部５１は、アノードガス圧力が好適に低下したため、発電の継続により水素を消費しなくてよいと推定し、ＶＣＵ４２を制御して燃料電池１０の発電を停止する。
一方、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下でない、つまり、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０より高いと判定した場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、ステップＳ１１９に進む。

ステップＳ１１３において、制御部５１は、所定時間ｔ３の間、カソードオフガスを希釈器３２に送り続ける。これにより、ステップＳ１１０においてパージ弁２６が開かれたことにより希釈器３２に排出された水素が、カソードオフガスによって希釈される。その結果として、高濃度の水素が外部に排出されることは防止される。
なお、所定時間ｔ３は、パージ弁２６が開かれたことによって、希釈器３２に排出されたガスの排出量と、コンプレッサ３１の作動による希釈器３２へのカソードオフガスの供給量とに関係する。したがって、例えば、制御部５１は、パージ弁２６の開による排出量と、コンプレッサ３１の回転速度と、これらが関連付けられ、その内部に記憶されたマップとに基づいて、所定時間ｔ３を算出する。

ステップＳ１１４において、制御部５１は、コンプレッサ３１を停止させることによって、燃料電池システム１を停止させる。そして、エンドに進み、遮断弁２２の閉後の制御を終了する。

＜コンプレッサが異常を示す場合＞
ステップＳ１１５において、制御部５１は、ステップＳ１１２と同様に、ＶＣＵ４２を制御して燃料電池１０の発電を停止する。また、このようにコンプレッサ３１が異常である場合、制御部５１が警報装置（図示しない）を作動させ、運転者にコンプレッサ３１の異常を警告することが好ましい。そして、ステップＳ１１４に進む。

また、このようにコンプレッサ３１が異常を示し、希釈器３２にカソードオフガスが供給されているか否か不明である場合、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０より高くても、ステップＳ１０５、Ｓ１１０を経由せず、アノード系２０から水素を含むガスを排出しないことにより、高濃度の水素が外部に排出されることを防止できる。

＜カソード掃気後、アノードガス圧力が低下した場合＞
ステップＳ１１６において、制御部５１は、ステップＳ１１２と同様に、ＶＣＵ４２を制御して燃料電池１０の発電を停止する。そして、ステップＳ１１４に進む。

＜ドレン弁の開により、アノードガス圧力が低下した場合＞
ステップＳ１１７において、制御部５１は、ステップＳ１１２と同様に、燃料電池１０の発電を停止する。そして、ステップＳ１１８に進む。
ステップＳ１１８において、制御部５１は、ステップＳ１０７と同様に、ステップＳ１０５におけるドレン弁２５の開により、希釈器３２に排出された水素を希釈する。そして、ステップＳ１１４に進む。

＜パージ弁の開により、アノードガス圧力が低下しない場合＞
ステップＳ１１９において、制御部５１は、ステップＳ１１３と同様に、ステップＳ１１０におけるパージ弁２６の開により、希釈器３２に排出された水素を希釈する。そして、ステップＳ１０８に戻る。

＜遮断弁の閉から所定時間ｔ４経過した場合＞
ステップＳ１２０において、制御部５１は、ステップＳ１１２と同様に、ＶＣＵ４２を制御して燃料電池１０の発電を停止する。そして、ステップＳ１１４に進む。
なお、このように遮断弁２２を閉じた後、ドレン弁２５、パージ弁２６を開き、アノードガス圧力の低下を図っているにも関わらず、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下せずに所定時間ｔ４が経過した場合、遮断弁２２、ドレン弁２５、パージ弁２６や、圧力センサ２７が異常であるおそれがある。したがって、制御部５１は警報装置（図示しない）を作動させ、運転者にアノードのドレン弁２５等の異常を警告することが好ましい。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の動作例Ａ〜Ｄについて、図４から図７を主に参照して説明する。

＜動作例Ａ＞
まず、図４を参照して、ＩＧのＯＦＦに連動して遮断弁２２が閉じ、カソード掃気が行われ後、ドレン弁２５が開かれたことにより、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下する動作例Ａについて説明する。

燃料電池自動車を停止させるために、運転者によってＩＧがＯＦＦされると、制御部５１が、ＩＧのＯＦＦ信号を受け、遮断弁２２を閉じる。そして、燃料電池１０の発電を継続したまま、コンプレッサ３１の回転速度はカソード掃気に対応して高められ、所定時間ｔ１の間、カソード掃気が行われる（Ｓ１０２）。所定時間ｔ１後、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下していないため（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ドレン弁２５が所定時間にて開かれる（Ｓ１０５）。

ドレン弁２５が開かれたことによって、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０に低下したため（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、燃料電池１０の発電は停止される（Ｓ１１７）。その後、所定時間ｔ２の間、希釈器３２に送り込まれた水素が希釈される（Ｓ１１８）。そして、所定時間ｔ２後、コンプレッサ３１が停止される（Ｓ１１４）。

＜動作例Ｂ＞
次に、図５を参照して、ＩＧのＯＦＦに連動して遮断弁２２が閉じ、カソード掃気が行われ後、ドレン弁２５、パージ弁２６が順次に開かれたことにより、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下する動作例Ｂについて説明する。なお、ドレン弁２５が開かれるまでは、動作例Ａと同じであるため、ここでの説明は省略する。

ドレン弁２５が開かれたことによっても、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下していないため（Ｓ１０６・Ｎｏ）、燃料電池１０の発電は継続される。そして、所定時間ｔ２の間、希釈器３２に送り込まれた水素が希釈される（Ｓ１０７）。その後、パージ弁２６が開かれる（Ｓ１１０）。

パージ弁２６が開かれたことによって、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０に低下したため（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、燃料電池１０の発電が停止される（Ｓ１１２）。その後、所定時間ｔ３の間、希釈器３２に送り込まれた水素が希釈される（Ｓ１１３）。そして、所定時間ｔ３後、コンプレッサ３１が停止される（Ｓ１１４）。

＜動作例Ｃ＞
次に、図６を参照して、ＩＧのＯＦＦに連動して遮断弁２２が閉じ、カソード掃気が行われ後、ドレン弁２５、パージ弁２６を順次に開いたものの、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下せず、タイムアウトする動作例Ｃについて説明する。なお、パージ弁２６の１回目の開までは、動作例Ｂと同じであるため、ここでの説明は省略する。

パージ弁２６が開かれたことによっても、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下していないため（Ｓ１１１・Ｎｏ）、燃料電池１０の発電は継続される。そして、所定時間ｔ３の間、希釈器３２に送り込まれた水素が希釈される（Ｓ１１９）。その後、２回目のパージ弁２６の開を行う（Ｓ１１０）。

このようにパージ弁２６の２回目の開が行われたことによっても、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下していないため（Ｓ１１１・Ｎｏ）、燃料電池１０の発電は継続される。その後、２回目の所定時間ｔ３における希釈が行われる（Ｓ１１９）。このような、パージ弁２６の開による排出（Ｓ１１０）と、所定時間ｔ３における希釈（Ｓ１１９）とが、アノードガス圧力が所定圧力Ｐ０以下に低下しないため、繰り返される。

そして、４回目の所定時間ｔ３における希釈後（Ｓ１１９）、遮断弁２２が閉じてから所定時間ｔ４が経過したため（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、燃料電池１０の発電が停止し（Ｓ１２０）、コンプレッサ３１が停止する（Ｓ１１４）。

＜動作例Ｄ＞
次に、図７を参照して、ＩＧのＯＦＦに連動するのではなく、遮断弁２２が閉じた際に、コンプレッサ３１が異常を示す場合について説明する。このように遮断弁２２が閉じる場合は、例えば、コンプレッサ３１の異常を示す異常信号を制御部５１が検知して、制御部５１が遮断弁２２を閉じる場合が挙げられる。
この場合、遮断弁２２が閉じた際に、コンプレッサ３１が異常を示しているため（Ｓ１０１・Ｎｏ）、燃料電池１０の発電は停止される（Ｓ１１５）。また、このようにコンプレッサ３１が異常を示す場合、ドレン弁２５およびパージ弁２６を開かないため、高濃度の水素が排出されることはない。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば、次のように変更することもできる。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合について例示したが、燃料電池システムの使用態様はこれに限定されず、その他の移動体（例えば自動二輪車）に搭載された場合であってもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムであってもよい。

前記した実施形態では、圧力センサ２７が燃料電池１０の上流側に位置する場合を例示したが、アノード流路１２ａのアノードガス圧力を検出可能であれば、この位置に限定されない。すなわち、圧力センサ２７は、例えば、燃料電池１０に設けられてもよいし、燃料電池１０の下流側の配管２４ａに設けられてもよい。

前記した実施形態では、遮断弁２２が閉じた後も、燃料電池１０の発電を継続させることで、水素を消費し、アノードガス圧力の低下を図る場合を例示したが、燃料電池１０の発電を停止させる構成であってもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートの前半部分である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートの後半部分である。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ アノード
１２ａ アノード流路
１３ カソード
１３ａ カソード流路
２２ 遮断弁（遮断手段）
２４ｃ 配管（循環手段）
２５ ドレン弁（排出手段）
２６ パージ弁（排出手段）
２７ 圧力センサ（圧力検出手段）
３１ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２ 希釈器
４１ 走行モータ
５０ ＥＣＵ
５１ 制御部（制御手段）
５２ 排出量決定部（排出量決定手段）
５３ 禁止部（禁止手段）

Claims (4)

1. アノード流路およびカソード流路を有し、前記アノード流路に燃料ガスが、前記カソード流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
   前記アノード流路への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、
   前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを循環させる循環手段と、
   前記アノード流路内のアノードガス圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記アノード流路内のガスを排出し、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流させる排出手段と、
   前記酸化剤ガス供給手段および前記排出手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記遮断手段により燃料ガスの供給が遮断された場合、前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、当該カソード流路を掃気する燃料電池システムであって、
   前記カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、
   前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段による前記カソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、前記排出手段により前記アノード流路内のガスを排出してアノードガス圧力を下げることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合において、
   前記燃料電池から排出される酸化剤ガスの流量に対応して、前記排出手段による排出量を決定する排出量決定手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化剤ガス供給手段が異常を示す場合、前記排出手段による排出を禁止する禁止手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. アノード流路およびカソード流路を有し、前記アノード流路に燃料ガスが、前記カソード流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
   前記アノード流路への燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、
   前記燃料電池から排出された未反応の燃料ガスを循環させる循環手段と、
   前記アノード流路内のアノードガス圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記カソード流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記アノード流路内のガスを排出し、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスに合流させる排出手段と、
   を備え、
   前記遮断手段により燃料ガスの供給が遮断された場合、前記酸化剤ガス供給手段は酸化剤ガスを前記カソード流路に供給し、当該カソード流路を掃気する燃料電池システムにおいて、
   前記カソード流路の掃気後、アノードガス圧力が所定圧力以下でない場合、
   前記酸化剤ガス供給手段による前記カソード流路への酸化剤ガスの供給を継続しつつ、前記排出手段により前記アノード流路内のガスを排出してアノードガス圧力を下げることを特徴とする燃料電池システムの圧力低下方法。

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