JP2007193993A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料ガスの濃度検出器を用いなくても、効率的に燃料ガスのパージを行い、発電安定性の向上を図ること。
【解決手段】燃料電池システムＳは、間欠的にパージされる燃料ガスを導入する第１の導入部と、酸化剤オフガス配管から酸化剤オフガスを分岐して希釈用ガスとして導入する第２の導入部と、前記第１の導入部および前記第２の導入部からそれぞれ導入されるガスを混合して希釈ガスとする空間部と、前記混合した希釈ガスを前記酸化剤オフガス配管へと排出する排出部と、を有する希釈器と、制御手段を備えている。そして、制御手段は、
燃料ガスの導入量、酸化剤オフガスの流量、換気率および希釈ガスの量に基づいて希釈器内の現在の残存燃料ガスの量を算出し、その現在の残存燃料ガスの量に応じて適切なパージを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池からパージされた燃料ガス（以下、代表して「水素」という）を所定の濃度以下に希釈してから外部に排出する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

近年、燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムに関する研究や開発が盛んに行われている。燃料電池システムの主要部である燃料電池では、アノード極に供給される水素と、カソード極に供給される酸化剤ガス（以下、代表して「空気」という）が電気化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが得られるようになっている。

そして、燃料電池では、電解質膜を介してカソード極から窒素や電気化学反応により生成される水などが透過してくることによって、アノード極で循環使用される水素の濃度が徐々に低下する。この水素濃度の低下による発電性能の低下を防ぐために、所定のタイミングでパージ弁を開いて、アノード極における不純物の混ざった水素をパージ（排出）する必要がある。なお、アノード極からパージされる水素は、希釈器などで、空気によって所定濃度（たとえば４％程度）以下に希釈してから大気中に放出する必要がある。

そこで、たとえば、特許文献１による技術では、希釈器から大気中に放出される気体の水素濃度を水素濃度検出器で測定し、その測定結果に応じてアノード極のパージ弁を制御することで、希釈器から大気中に放出される気体の水素濃度を所定濃度以下に維持することができる。
しかし、水素濃度検出器の使用は、燃料電池システムに必要なスペースやコストの増大、あるいは、組立工程の複雑化などの問題を招来していた。

そこで、水素濃度検出器を用いない燃料電池システムとして、外気から取り入れられ燃料電池のカソード極を経由して希釈器に流入する空気の積算値（合計値）が所定量を超えるまで、次回の水素パージを禁止する、という技術が開発されている。
これによれば、水素濃度検出器を用いなくても、希釈器内の水素濃度がある程度下がってから次回の水素パージを行うことができる。
特開２００４−２８１２３７号公報（段落０００７、図３）

しかしながら、前記した水素濃度検出器を用いない燃料電池システムでは、希釈器に流入する空気の積算値が同じでも、その空気の流量（単位時間当たりに流れる量）によって希釈器内の水素濃度の減り方は異なる。具体的には、一般に、希釈器に流入する空気の積算値が同じ場合、その空気の流量が小さいほうが、希釈器内の水素濃度の減り方は早い。

したがって、前記した空気の積算値の所定量は、希釈器に流入する空気の流量が大きい場合に合わせて、設定することになる。しかし、そうすると、希釈器に流入する空気の流量が小さい場合には、希釈器内の水素濃度がすでに低下して水素パージが可能な状態になっていても、希釈器に流入する空気の量がその所定量に達するまで水素パージを行うことができない、すなわち、効率的な水素パージができない、という問題が生じることがあった。

そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの濃度検出器を用いなくても、効率的に燃料ガスのパージを行い、発電安定性の向上を図ることができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る本発明の燃料電池システムは、間欠的にパージされる燃料ガスを導入する第１の導入部と、酸化剤オフガス配管から酸化剤オフガスを分岐して希釈用ガスとして導入する第２の導入部と、前記第１の導入部および前記第２の導入部からそれぞれ導入されるガスを混合して希釈ガスとする空間部と、前記混合した希釈ガスを前記酸化剤オフガス配管へと排出する排出部と、を有した希釈器を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージにより前記第１の導入部から導入される燃料ガスの導入量を把握する燃料ガス導入量把握手段と、前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量と前記空間部におけるガスの入換え率を表す換気率との対応関係、および前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量と前記排出される希釈ガスの量との対応関係を用いて、前記酸化剤オフガス流量に基づいて前記排出部から排出される燃料ガスの排出量を把握する燃料ガス排出量把握手段と、前記把握した燃料ガスの導入量および前記把握した燃料ガスの排出量に基づき前記空間部における残存燃料ガスの量を把握する残存燃料ガス量把握手段と、前記把握した残存燃料ガスの量に基づいてパージ弁を介して次回行うパージの量およびタイミングの少なくとも一つを調整するパージ処理手段と、を有した制御手段を備えている。

請求項１に係る本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガスの導入量、酸化剤オフガスの流量、換気率および希釈ガスの量に基づいて希釈器内の現在の残存燃料ガスの量を算出し、その現在の残存燃料ガスの量に応じて適切なパージを行うことができる。

請求項２に係る本発明の燃料電池システムでは、残存燃料ガス量把握手段が、前回行われたパージから次回行われるパージまでの間の燃料ガスの排出量を積算した積算排出燃料ガスの量に基づいて、残存燃料ガスの量を把握する。

請求項２に係る本発明の燃料電池システムによれば、各回の燃料ガスの排出量を積算することで、残存燃料ガスの量を把握することができる。

請求項３に係る本発明の燃料電池システムでは、残存燃料ガス量把握手段が、燃料ガスの導入量と前回のパージの際に排出されないで残っていた前回残存燃料ガスの量との和から、積算排出燃料ガスの量を減じることにより残存燃料ガスの量を把握する。

請求項３に係る本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガスの導入量と前回残存燃料ガスの量との和から積算排出燃料ガスの量を減じることで、残存燃料ガスの量を把握することができる。

請求項４に係る本発明の燃料電池システムでは、パージ処理手段が、残存燃料ガスの量が所定値を超える場合は、パージを禁止する。

請求項４に係る本発明の燃料電池システムによれば、希釈器内の現在の残存燃料ガスの量が所定値を超えている場合は、燃料ガスのパージに適する状況ではないものとして、パージ弁に対するパージの指示を禁止することができる。

請求項５に係る本発明の燃料電池システムは、燃料電池のセル電圧を把握する電圧把握手段を備え、パージ処理手段が、セル電圧が所定値以下である場合、現在の残存燃料ガスの量に基づいて次回可能なパージ量を算出し、この次回可能なパージ量によるパージの指示をパージ弁に与える。

請求項５に係る本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のセル電圧が所定値以下の場合は、燃料ガスのパージの必要性が高いものとして、最大限可能なパージ量での燃料ガスのパージをすぐに行うことができる。

請求項６に係る本発明は、間欠的にパージされる燃料ガスを導入する導入部、前記導入された燃料ガスを滞留させる空間部、および酸化剤オフガス配管に連通する連通部を少なくとも有し、前記空間部に滞留した燃料ガスを希釈して前記連通部を介して排出する希釈器と、パージ弁を介してパージの制御を行う制御手段と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、前記制御手段が、前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量から当該流量に対応する換気率および当該流量に対応する前記空間部から排出される排出ガスの量を決定し、この決定した前記換気率と前記排出ガスの量とに基づいて前記空間部から前記酸化剤オフガス配管へと排出される燃料ガスの排出量を把握し、この燃料ガスの排出量に基づいて前記空間部に滞留した燃料ガスの量である残存燃料ガスの量を把握し、このように把握した残存燃料ガスの量に基づいてパージの制御を行う。

請求項６に係る本発明の燃料電池システムにおける制御方法によれば、酸化剤オフガスの流量、換気率、排出ガスおよび燃料ガスの排出量から、希釈器内の現在の残存燃料ガスの量を把握し、その現在の残存燃料ガスの量に応じて適切なパージを行うことができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガスの濃度検出器を用いなくても、効率的に燃料ガスのパージを行い、発電安定性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、たとえば、燃料電池自動車などに搭載されるものである。
図１に示すように、燃料電池システムＳは、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈器４０、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０（制御手段）などを備えて構成されている。

燃料電池ＦＣは、陽イオン交換型の高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）１１を、アノード極１２とカソード極１３で挟んだ構成となっている。なお、図１では、燃料電池ＦＣは、単セルの構成として図示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続した構成となっている。

そして、燃料電池ＦＣでは、アノード極１２に燃料ガスとしての水素が供給され、カソード極１３に酸化剤ガスとしての空気（酸素）が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。燃料電池（セル）ＦＣで発電された電流の電圧値（セル電圧の値）は、電圧センサＶによって検出され、その検出結果はＥＣＵ５０の制御部５１に送信される。

アノード系２０は、燃料電池ＦＣのアノード極１２に水素を供給し、また、アノード極１２から濃度の下がった水素を間欠的にパージ（排出）するものであり、水素タンク２１、水素供給配管２１ａ、遮断弁２２、水素供給配管２２ａ、エゼクタ２３、水素循環配管２３ａ、水素パージ弁２４（パージ弁）、水素循環配管２４ａ，２４ｂ、水素排出配管２４ｃおよび圧力センサＰ１，Ｐ２を備えて構成される。なお、第１の導入部は、希釈器４０において、水素排出配管２４ｃの下流側が接続されている部分に相当する。

水素タンク２１は、高純度の水素を高圧（たとえば３５０ＭＰａ程度）で充填しており、水素供給配管２１ａに対して水素を供給する。
遮断弁２２は、水素タンク２１からアノード極１２への水素の供給を遮断することができるものであり、ＥＣＵ５０の制御部５１によって開閉が制御される。なお、この遮断弁２２は、水素タンク２１と一体に設けられたインタンク式のものであってもよい。

エゼクタ２３は、水素供給配管２２ａの下流に設けられ、水素供給配管２２ａから供給される水素と水素循環配管２４ｂから循環されてくる水素を、水素循環配管２３ａに排出する。
水素パージ弁２４は、ＥＣＵ５０の制御部５１によって制御され、開弁することで、水素循環配管２４ａ，２４ｂの水素を水素排出配管２４ｃにパージする。
圧力センサＰ１，Ｐ２は、それぞれ、水素循環配管２４ａ、水素排出配管２４ｃの圧力を測定し、その測定結果をＥＣＵ５０の制御部５１に送信する。

カソード系３０は、燃料電池ＦＣのカソード極１３に空気を供給し、また、カソード極１３から空気を排出するものであり、コンプレッサ３１、空気供給配管３１ａ、加湿器３２、空気供給配管３２ａ、空気排出配管３２ｂ、空気排出配管３２ｃ（酸化剤オフガス配管）および流量センサＷを備えて構成される。

コンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等で、ＥＣＵ５０の制御部５１により制御されるものであり、圧縮した空気（外気）を、空気供給配管３１ａなどを介してカソード極１３に供給する。
加湿器３２は、カソード極１３から排出されて湿度が高くなっている空気排出配管３２ｂの空気（カソードオフガス（「酸化剤オフガス」ともいう））を利用して、空気供給配管３１ａの空気を加湿し空気供給配管３２ａに供給する。

流量センサＷは、空気排出配管３２ｃに設けられ、希釈器４０に供給される空気の流量（単位時間当たりに流れる量）を測定し、その測定結果をＥＣＵ５０の制御部５１に送信する。

希釈器４０は、水素排出配管２４ｃから供給された水素を、空気排出配管３２ｃから供給された空気と混合することによって、その濃度を所定値（たとえば４％）以下に下げ、排出ガスとして排出ガス用配管４０ａから排出するものであり、詳細は図２の説明とともに後記する。

なお、図示していないが、この燃料電池システムＳには、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出する冷却系が設けられていてもよい。冷却系は、たとえば、冷却媒体循環用配管、ラジエータ、循環ポンプなどにより構成することができる。

ＥＣＵ５０は、制御部５１と記憶部５２を備えて構成される。制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などから構成され、遮断弁２２、水素パージ弁２４およびコンプレッサ３１に対する制御を行い、また、圧力センサＰ１，Ｐ２、電圧センサＶおよび流量センサＷからそれらの測定結果を受信する。記憶部５２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、各種制御プログラムや各種データを記憶する。

次に、図２を参照しながら、希釈器の構造について説明する（適宜図１参照）。図２は、希釈器の構造を示した図である。
図２では、希釈器４０は、略円柱形の形状をしているが、直方体などの他の形状でもよく、また、水素と空気がよく混ざるように、気体の流路を長くするための仕切り板などを内部に供えていてもよい。

希釈器４０は、その内部に空間部４３を有している。その空間部４３には、水素排出配管２４ｃから水素ガスが供給される。また、希釈器４０の外部の下方には、配管（空気排出配管３２c、狭径管４０bおよび排出ガス用配管４０a：以下同様）が配置され、空気排出配管３２cに設けられた分岐部４１と希釈器４０が分岐管４１aによって接続され、また、排出ガス用配管４０aに設けられた合流部４２（排出部（「連通部」ともいう））が合流管４２aによって接続されている。なお、第２の導入部は、希釈器４０における分岐管４１aとの接続部分に相当する。

分岐部４１および合流部４２は孔であり、気体の出入が可能となっている。狭径管４０bは、空気排出配管３２cや排出ガス用配管４０aよりも内径が狭くなっている。
空気排出配管３２ｃを通過するカソードオフガス（流量Ｑ（m³/s））は、狭径管４０bによる圧力損失（圧損）の影響で、その一部が分岐部４１から分岐管４１aを経由して希釈用ガス（流量ｑ（m³/s））として希釈器４０の空間部４３に流入し、その残り（流量Ｑ−ｑ（m³/s））が空気排出配管３２cの内部を直進する。

分岐部４１から空間部４３に流入した希釈用ガス（流量ｑ（m³/s））は、パージの際に水素排出配管２４ｃから空間部４３に入り込んだ水素ガスと混合され、希釈ガス（流量をｑ（m³/s）とみなす（説明は後記）。「排出ガス」ともいう）として合流部４２から合流管４２aを経由して排出ガス用配管４０aの内部に入る。
なお、空間部４３の容積に比べて希釈用ガスの流量は小さく、かつ、空間部４３の容積はパージの際に入り込む水素を充分収容できるものである。このため、希釈ガスの流量は、希釈用ガスの流量とほぼ同じ（入りも出も流量ｑ（m³/s））とみなすことができる。

ここで、分岐部４１から合流部４２までについて、気体（カソードオフガス）が配管の内部を通過する場合の主に狭径管４０bによる圧損係数をＫ１とし、気体（カソードオフガス）が空間部４３を通過する場合の圧損係数をＫ２とする。そうすると、圧損＝圧損係数×流量の二乗、という関係から、次の数式（１）が成り立つ。
Ｋ１×（Ｑ−ｑ）^２＝Ｋ２×ｑ^２ ・・・（１）

圧損係数Ｋ１およびＫ２は、希釈器４０の形状、配管の形状、狭径管４０bの断面積、分岐部４１および合流部４２の開口面積などから決まるものであり、予め実験により求め、ＥＣＵ５０の記憶部５２に記憶しておくことができる。
つまり、圧損係数Ｋ１およびＫ２が既知であれば、空気排出配管３２ｃを通過するカソードオフガスの流量Ｑ（m³/s）さえわかれば、希釈器４０の内部に流量センサなどを設けなくても、数式（１）により、分岐部４１から空間部４３に流入する希釈用ガスの流量ｑ（m³/s）を算出することができる。

排出ガス用配管４０aの内部における合流部４２の近傍において、直進してきたガス（流量Ｑ−ｑ（m³/s））と水素ガスを含んだ希釈ガス（流量ｑ（m³/s））が合流し、排出ガス（流量Ｑ（m³/s））として外部に排出される。

次に、図３を参照しながら、希釈用ガスの流量と希釈器の空間部における換気率との関係を示す換気率マップについて説明する(適宜図１、図２参照)。図３は、その換気率マップを示した図である。
なお、ここで、換気率とは、ある空間において、所定時間ごとに入れ替わる気体の率を表わすものである。たとえば、換気率が５０％であれば、ある空間において、最初に水素ガス濃度が１００％であったとすると、水素ガス濃度は所定時間ごとに、５０％、２５％、１２.５％、６.２５％、・・・、と推移することになる。また、この換気率マップは、ＥＣＵ５０の記憶部５２に記憶される。

この換気率マップは、予め実験することにより作成することができる。実験では、所定の時間長（たとえば1/100秒）を設定し（きざみ時間の設定）、そのきざみ時間に希釈器４０に流入した希釈用ガスの流量の値を測定して横軸にとり、そのきざみ時間における空間部４３の換気率を、合流部４２の近傍に設けた水素濃度センサ（不図示）などを用いて測定することなどにより求め、その値を縦軸にとる。そして、様々なカソードオフガス流量での実験を繰り返すことで、この換気率マップを作成することができる。なお、図３に示したように、希釈用ガスの流量が多いほど、換気率は高くなる。

続いて、図４を参照しながら、配管を通過するカソードオフガスの流量と水素パージ弁が１回に行う水素パージの可能量（可能水素パージ量）との関係を示す可能水素パージ量マップについて説明する(適宜図１、図２参照)。図４は、その可能水素パージ量マップを示す図である。

希釈器４０の空間部４３が収容できる水素ガス量には上限があり、可能水素パージ量は、そのときに空間部４３に残存している水素量（残存水素量）に依存するものであるが、さらに、配管を通過するカソードオフガスの流量にも依存する。したがって、予め様々な条件下で実験することにより、残存水素量とカソードオフガス流量と可能水素パージ量の関係を求めることができる。なお、この可能水素パージ量マップは、ＥＣＵ５０の記憶部５２に記憶される。

図４に示した可能水素パージ量マップでは、カソードオフガス流量を横軸にとり、可能水素パージ量を縦軸にとっている。そして、カソードオフガス流量が多いほど可能水素パージ量も多くなり、また、希釈器４０内の残存水素量が多いほど可能水素パージ量は少なくなる。

次に、図５を参照しながら、水素パージを行う場合の、ＥＣＵの制御部による処理について説明する(適宜図１〜図４参照)。図５は、その場合の制御部の処理を示すフローチャートである。

まず、制御部５１は、空気排出配管３２ｃを通過するカソードオフガスの流量Ｑ（m³/s）（流量センサＷにより測定したもの）と計算式（前記数式（１））によって、分岐部４１から空間部４３に流入する希釈用ガスの流量ｑ（m³/s）を算出する（ステップＳ１）。
これにより、希釈器４０の内部に流量センサなどを設けなくても、希釈用ガスおよび希釈ガスの流量ｑ（m³/s）の値を得ることができる。

次に、制御部５１は、希釈用ガスの流量ｑ（m³/s）と記憶部５２に記憶された換気率マップ（図３参照）によって、空間部４３における換気率を算出する（ステップＳ２）。
これにより、希釈器４０の内部に水素濃度センサなどを設けなくても、空間部４３における換気率を把握することができる。

続いて、制御部５１（燃料ガス導入量把握手段）は、水素パージ弁２４の前後の差圧（圧力センサＰ１から得た圧力値と圧力センサＰ２から得た圧力値の差）と、予め設定された水素パージ弁２４の開弁時間から、その条件でパージした場合に排出される水素の量（予定水素パージ量）を算出する（ステップＳ３）。

次に、制御部５１（燃料ガス排出量把握手段）は、単位時間（たとえば、この図５のフローチャートの処理が1/100秒で１周する場合は、その1/100秒間）当たりに合流部４２から排出ガス用配管４０aに入る希釈ガスにおける水素量を、ステップＳ２で算出した換気率、単位時間、および、前回残存水素量（１周前のステップＳ１１で算出）を用いて算出する（ステップＳ４）。具体的には、前回残存水素量に単位時間当たりの換気率（１００％を１に変換）を乗算すれば、希釈ガスにおける水素量が求まる。
このようにして、単位時間当たりの希釈ガス中の水素量、すなわち、このフローチャートでステップＳ４からステップＳ４まで１周する間に希釈器４０から流出する水素ガスの量を算出することができる。

続いて、制御部５１（残存燃料ガス量把握手段）は、前回水素パージが行われたときからの積算排出水素量、すなわち、希釈器４０から流出した水素ガスの総量を、ステップＳ４で求めた水素量を積算することにより算出する（ステップＳ５）。

次に、制御部５１（残存燃料ガス量把握手段）は、前回水素パージ量（１周前のステップＳ１２で算出）に前回残存水素量（１周前のステップＳ１１で算出）を加え、さらに、その値からステップＳ５で算出した積算排出水素量を減じることで、現在の残存水素量を算出する（ステップＳ６）。
このようにして、希釈器４０の内部に残存水素量を計測するためのセンサなどを設けなくても、現在の残存水素量を得ることができる。

続いて、制御部５１（電圧把握手段）は、電圧センサＶから得ている燃料電池ＦＣの電圧値（セル電圧）が、予め記憶部５２に記憶された所定値（所定ボルト）以下であるか否かを判断する（ステップＳ７）。
燃料電池ＦＣの電圧値が所定値以下でなかった場合（ステップＳ７でＮｏ）、燃料電池ＦＣの動作は正常であると考えられるので、制御部５１は、ステップＳ８以下の通常の処理を行う。

ステップＳ８において、制御部５１は、ステップＳ６で算出した希釈器４０の残存水素量が、予め記憶部５２に記憶された所定値（たとえば１リットル）以下であるか否かを判断する。ここで、所定値としては、水素パージ弁２４の開弁による通常の水素パージを行ってよいか否かを判断するために適切な値が設定される。

残存水素量が所定値以下でなかった場合（ステップＳ８でＮｏ）、希釈器４０の中の残存水素量が多くて水素パージに適さない状態であると考えられるので、制御部５１（パージ処理手段）は、水素パージを禁止、すなわち、水素パージ弁２４に対して水素パージの指示を行わず（ステップＳ９）、ステップＳ１に戻る。

残存水素量が所定値以下であった場合（ステップＳ８でＹｅｓ）、希釈器４０の中の残存水素量が少なくて水素パージに適する状態であると考えられるので、制御部５１（パージ処理手段）は、ステップＳ３で算出した予定水素パージ量での水素パージを水素パージ弁２４に指示する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０の後、制御部５１は、ステップＳ６で算出した残存水素量を「前回残存水素量」として記憶部５２に記憶し（ステップＳ１１）、ステップＳ１０で行った水素パージ量を「前回水素パージ量」として記憶部５２に記憶し（ステップＳ１２）、さらに、ステップＳ５で算出し記憶部５２に記憶している積算排出水素量を「０」にリセットする（ステップＳ１３）。

ステップＳ７に戻って、燃料電池ＦＣの電圧値が所定値以下であった場合（Ｙｅｓ）、燃料電池ＦＣの動作が正常ではなく、すぐに水素パージを行って燃料電池ＦＣの内部の水分を吹き飛ばすなどの復旧動作を行うべきであると考えられるので、制御部５１は、ステップＳ１４およびステップＳ１５の非常時用の処理を行う。

ステップＳ１４において、制御部５１（パージ処理手段）は、流量センサＷから得られるカソードオフガス流量、ステップＳ６で算出した残存水素量、および、図４に示す可能水素パージ量マップを用いて、可能水素パージ量を算出する。
その後、制御部５１（パージ処理手段）は、水素パージ弁２４の前後の差圧（圧力センサＰ１から得た圧力値と圧力センサＰ２から得た圧力値の差）と、ステップＳ１４で算出した可能水素パージ量から、その可能水素パージ量での水素パージを行うための開弁時間を算出し、その算出した開弁時間での水素パージを水素パージ弁２４に指示する（ステップＳ１５）。なお、可能水素パージ量は、空間部４３の容積が大きいほど、大きな値とすることができる。

これにより、水素パージの緊急必要性が高いときには、可能な水素パージ量の限界での水素パージをすぐに行うことができ、燃料電池ＦＣの動作の復旧を速やかに図ることができる。
制御部５１は、ステップＳ１５の後、前記したステップＳ１１〜ステップＳ１３の処理を行い、ステップＳ１に戻る。

次に、図６を参照しながら、制御部が図５のフローチャートの処理を行った場合の、希釈器の空間部における水素量の経時的変化の様子について説明する（適宜図１〜図５参照）。図６は、空間部における水素量の経時的変化の様子を示したタイムチャートである。

図６に示したタイムチャートにおいて、横軸は時間（ｓ）を表わし、縦軸は希釈器４０の空間部４３の水素量（ｌ）を表わす。また、縦軸の水素量のうち、許容上限値Ｈ１は希釈器４０に収容できる水素量の上限値を表わし、所定値Ｈ２は図５のフローチャートにおけるステップＳ８（以下、「図５のフローチャートにおける」は省略し、単に「ステップＳ〜」と表記）の所定値と同義である。

時刻Ｔ１以前においては、空間部４３における水素量が所定値Ｈ２よりも多い（ステップＳ８でＮｏ）ので、制御部５１は、ステップＳ１〜ステップＳ９の処理を繰り返し、空間部４３における水素量は徐々に減少する。
時刻Ｔ１において、空間部４３における水素量が所定値Ｈ２以下となり、制御部５１はステップＳ８で「Yes」と判断する。そして、制御部５１はステップＳ１０で水素パージ弁２４に水素パージを指示し、水素パージ弁２４が水素パージを行うことで空間部４３における水素量が急上昇する。

その後、再び、制御部５１はステップＳ１〜ステップＳ９の処理を繰り返し、空間部４３における水素量は徐々に減少する。そして、時刻Ｔ２において、時刻Ｔ１のときと同様、水素パージが行われ、空間部４３における水素量が急上昇する。

時刻Ｔ２の後、制御部５１はステップＳ１〜ステップＳ９の処理を繰り返すが、時刻Ｔ３において、燃料電池ＦＣのセル電圧が所定値以下に低下したとする。そうすると、制御部５１は、ステップＳ７で「Yes」と判断し、ステップＳ１４に進み、その後、ステップＳ１５で水素パージ弁２４に水素パージの指示を与える。

制御部５１から水素パージの指示を受けた水素パージ弁２４は、開弁により水素パージを行い、これにより、空間部４３における水素量は許容上限値Ｈ１となる。
続いて、制御部５１はステップＳ１〜ステップＳ９の処理を繰り返し、時刻Ｔ４において、時刻Ｔ１のときと同様、水素パージが行われる。

このようにして、本実施形態の燃料電池システムＳによれば、希釈器４０の内部に水素濃度センサや流量センサなどを設けなくても、希釈器４０における現在の残存水素量を算出し、その値に応じた水素パージを行うことで、発電安定性を向上させることができる。
また、分岐するカソードオフガスの２つの気体流通経路に関する２つの圧損係数と、カソードオフガスの流量とから、希釈用ガスおよび希釈ガスの流量を精度よく算出することができる。

さらに、希釈器４０における残存水素量が所定値以下の場合に水素パージを行うものとすることで、無駄なく最短のインターバルでの水素パージを実現することができる。
また、燃料電池ＦＣのセル電圧が所定値以下の場合、水素パージの必要性が高いものとして、最大限可能な水素パージ量での水素パージをすぐに行うので、燃料電池ＦＣの動作の迅速な回復を図ることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。たとえば、燃料ガスは、水素でなくても、メタンなどの別の気体であってもよい。また、きざみ時間を1/100秒として説明したが、他の微小時間であってもよい。なお、きざみ時間が異なれば、図３の換気率マップも、そのきざみ時間に合わせたものを用いることとする。

また、図２に示した希釈器４０はカソードオフガスが通過する配管と２箇所で気体流通可能に接続されているが、その接続が１箇所でその接続箇所を介してカソードオフガスの流れに同伴して空間部４３内の水素が吸い出される構成の希釈器であってもよい。その他、具体的な構成について、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 希釈器の構造を示した図である。 換気率マップを示した図である。 可能水素パージ量マップを示す図である。 水素パージを行う場合の、制御部の処理を示すフローチャートである。 希釈器の空間部における水素量の経時的変化の様子を示したタイムチャートである。

符号の説明

ＦＣ 燃料電池
Ｖ 電圧センサ
Ｗ 流量センサ
２０ アノード系
２４ 水素パージ弁
３０ カソード系
４０ 希釈器
５０ ＥＣＵ
５１ 制御部
５２ 記憶部

Claims (6)

1. 間欠的にパージされる燃料ガスを導入する第１の導入部と、
   酸化剤オフガス配管から酸化剤オフガスを分岐して希釈用ガスとして導入する第２の導入部と、
   前記第１の導入部および前記第２の導入部からそれぞれ導入されるガスを混合して希釈ガスとする空間部と、
   前記混合した希釈ガスを前記酸化剤オフガス配管へと排出する排出部と、を有した希釈器を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記パージにより前記第１の導入部から導入される燃料ガスの導入量を把握する燃料ガス導入量把握手段と、
   前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量と前記空間部におけるガスの入換え率を表す換気率との対応関係、および前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量と前記排出される希釈ガスの量との対応関係を用いて、前記酸化剤オフガス流量に基づいて前記排出部から排出される燃料ガスの排出量を把握する燃料ガス排出量把握手段と、
   前記把握した燃料ガスの導入量および前記把握した燃料ガスの排出量に基づき前記空間部における残存燃料ガスの量を把握する残存燃料ガス量把握手段と、
   前記把握した残存燃料ガスの量に基づいてパージ弁を介して次回行うパージの量およびタイミングの少なくとも一つを調整するパージ処理手段と、を有した制御手段を備えたこと
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記残存燃料ガス量把握手段は、前回行われたパージから次回行われるパージまでの間の前記燃料ガスの排出量を積算した積算排出燃料ガスの量に基づいて前記残存燃料ガスの量を把握すること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記残存燃料ガス量把握手段は、前記燃料ガスの導入量と前回のパージの際に排出されないで残っていた前回残存燃料ガスの量との和から、前記積算排出燃料ガスの量を減じることにより前記残存燃料ガスの量を把握すること
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記パージ処理手段は、前記残存燃料ガスの量が所定値を超える場合は、前記パージを禁止すること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池のセル電圧を把握する電圧把握手段を備え、
   前記パージ処理手段は、前記セル電圧が所定値以下である場合、現在の残存燃料ガスの量に基づいて次回可能なパージ量を算出し、この次回可能なパージ量によるパージの指示を前記パージ弁に与えること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 間欠的にパージされる燃料ガスを導入する導入部、前記導入された燃料ガスを滞留させる空間部、および酸化剤オフガス配管に連通する連通部を少なくとも有し、前記空間部に滞留した燃料ガスを希釈して前記連通部を介して排出する希釈器と、
   パージ弁を介してパージの制御を行う制御手段と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、
   前記制御手段は、
   前記酸化剤オフガス配管を通流する酸化剤オフガスの流量から当該流量に対応する換気率および当該流量に対応する前記空間部から排出される排出ガスの量を決定し、
   この決定した前記換気率と前記排出ガスの量とに基づいて前記空間部から前記酸化剤オフガス配管へと排出される燃料ガスの排出量を把握し、
   この燃料ガスの排出量に基づいて前記空間部に滞留した燃料ガスの量である残存燃料ガスの量を把握し、
   このように把握した残存燃料ガスの量に基づいてパージの制御を行うこと
   を特徴とする燃料電池システムの制御方法。
   

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