JP2009277453A

JP2009277453A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

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Publication number: JP2009277453A
Application number: JP2008126575A
Authority: JP
Inventors: Shoji Ando; 章二安藤; Hirotsugu Matsumoto; 裕嗣松本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-14
Also published as: JP5161650B2

Abstract

【課題】水素等の燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供する。
【解決手段】燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池１０と、前記燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段２１と、前記燃料電池１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段３１と、前記燃料電池１０から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器４０と、大気圧を検出する大気圧センサ５０と、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、を備え、前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサ５０により検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くすることを特徴とする燃料電池システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

近年、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）等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。燃料電池は、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードにそれぞれ供給されることで発電する。そして、燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力でモータを回転させて走行する。

このような燃料電池では、その発電電力（出力）を高めるため、燃料電池において消費される量以上の水素がアノードに供給される。したがって、燃料電池のアノードからは、使用されず余った水素が排出される。そこで、水素の利用効率を高めるため、この排出された水素を水素供給側に戻し、水素を循環させる水素循環系が採用されている。

一方、このような燃料電池が発電すると、カソードで水が生成する。そして、この生成水の一部が固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）のアノード側に透過する。その他、電解質膜の湿潤状態を確保して、電解質膜のプロトン（水素イオン）の拡散性（導電性）を高めるため、例えば、燃料電池のアノードに供給される水素またはカソードに供給される酸素を含む空気を加湿する方法が採用されている。

したがって、水素循環系を採用する燃料電池システムの場合、その発電経過に伴って、循環する水素に同伴する水分量が高くなり、燃料電池の発電効率が低下する場合がある。そこで、循環する水素含有ガスを、定期的に排出することによって（これをパージという）、燃料電池の発電効率の回復が図られている。そして、このように排出されたガス（アノードオフガス）は、水素を含むため、これを希釈するための希釈用ガス（カソードオフガス）と共に、希釈器に導入され、希釈用ガスで希釈された後、外気中に排出されることが知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−６６７１７号公報

ところが、燃料電池自動車は、大気圧の低い高地を走行する場合がある。そして、大気圧の低い高地では、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量（質量流量）は同じ（一定量）であるにもかかわらず、気体が膨張することから、アノードオフガスは、希釈器に排出された後、一定量のカソードオフガスと混合され排出される前に、外気中に排出されてしまうおそれがある。なぜなら、希釈器に流れ込んだアノードオフガスは、大気圧が低い（希釈器内の気圧は大気圧と等しい）ことから、希釈器内で膨張し、希釈器内に滞留する時間が短く（希釈器内を通り抜ける速度が速く）なってしまうからである。換言すると、大気圧が低い場所では、希釈器の希釈能力に不足が生じる。

したがって、大気圧の変動に関らず、一定量の、アノードオフガスとカソードオフガスを希釈器に導入すると、希釈器でカソードオフガスと混合されるアノードオフガスの流量が異なってしまう。つまり、大気圧の低い高地では、希釈されるアノードオフガスの流量が少なくなってしまう。すなわち、低い大気圧下では、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスと十分に希釈されずに、外気中に排出されてしまうおそれがある。このように十分に希釈される前に希釈器から排出されると、この排出されたガス（排出ガス）中の水素濃度が高くなってしまうおそれがある。

そこで、本発明は、水素等の燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御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、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器と、大気圧を検出する大気圧センサと、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、を備え、前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くす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、酸化剤ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出される大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器に導入される酸化剤ガスの流量が多くなる。

このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器に導入される酸化剤ガスの流量が多くなることによって、希釈器に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器から排出されるガス中の燃料ガスの濃度を低減することができ、燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止することができる。

また、前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値より大きい場合、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量調整を行わない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、酸化剤ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出された大気圧が所定値より大きい場合、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量調整を行わない、つまり、酸化剤ガスの流量を多くしない。

このようにして、大気圧が所定値より大きい場合では、酸化剤ガスの流量を多くしない、つまり、大気圧が所定値以下である場合においてのみ、酸化剤ガスの流量を多くする。このように大気圧が所定値以下である場合だけ、酸化剤ガス流量調整手段を作動させることによって、仮に高地の場合を考慮して希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を常に多く導入するように設定されている場合と比べると、大気圧が所定値以下である場所以外を走行するときの作動エネルギ（後記する実施形態ではコンプレッサ３１の消費電力）を抑制することができ、それに伴い発電効率（燃費）を向上させることができる。

また、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、前記排出燃料ガスを前記希釈器に排出する排出手段と、前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を調整する排出燃料ガス流量調整手段と、をさらに備え、前記排出燃料ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を少なくす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、排出燃料ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、排出手段によって希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を少なくする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなる。

このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなることによって、希釈器に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器から排出されるガス中の燃料ガスの濃度を低減することができ、燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止することができる。

また、前記排出燃料ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって排出する排出間隔を長くす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、排出燃料ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、排出手段によって排出する排出間隔を長くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなる。

このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器に排出されるアノードオフガスの排出間隔を長くすることによって、希釈器に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器から排出されるガス中の燃料ガスの濃度を低減することができ、燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止することができる。

燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器と、大気圧を検出する大気圧センサと、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記大気圧センサにより、大気圧を検出するステップと、前記大気圧が所定値以下であるか否かを判定するステップと、前記大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くするステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。

このような燃料電池システムの制御方法によれば、酸化剤ガス流量調整手段は、大気圧センサにより検出される大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器に導入される酸化剤ガスの流量が多くなる。

本発明によれば、水素等の燃料ガス濃度の高いガスの排出を防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）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）に接続された走行用モータ（図示しない）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用モータを駆動し、大気圧の低い高地でも自在に走行するようになっている。

このような燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系２０と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系３０と、希釈器４０と、大気圧センサ５０と、これらを電子制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）６０と、を備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池（燃料電池スタック）１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層（スタック）されることで構成され、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。

ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードと、を備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池１０と走行モータ（図示しない）等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

そして、このように発電すると、カソードで生成した水（水蒸気）の一部は、電解質膜を透過し、アノードに移動する。よって、カソードから排出されるカソードオフガス、アノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。

＜アノード系＞
アノード系２０は、水素タンク（燃料ガス供給手段）２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁（排出手段）２４と、を備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを順に介して、アノード流路１１の入口に接続されている。配管２２ａには、水素を所定圧力に減圧する減圧弁（図示しない）が設けられており、この減圧弁には、カソード流路１２に向かう空気の圧力が信号圧（パイロット圧）として入力され、前記空気の圧力とアノード流路１１における水素の圧力とが大気圧に左右されずに等しくなるように制御する構成となっている。
そして、ＥＣＵ６０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１１に供給されるようになっている。

アノード流路１１の出口は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂが順に接続されている。また、配管２４ａの途中は、配管２４ｃ（循環手段）を介して、エゼクタ１０に接続されている。そして、配管２４ｃの途中には、逆流を防止する逆止弁（図示しない）が設けられている。
パージ弁２４は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このようにパージ弁２４が閉じている場合、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガス（排出燃料ガス）が、配管２４ｃを介して、エゼクタ１０に戻され、再び、燃料電池１０に供給、つまり、水素が循環するようになっている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合、つまり、循環する水素に同伴する不純物が増加した場合、ＥＣＵ６０によってパージ弁２４は開かれ、アノードオフガスが、配管２４ｂを介して、希釈器４０に排出されるようになっている。

＜カソード系＞
カソード系３０は、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）３１と、背圧弁３２と、を備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０の指令に従ってコンプレッサ３１が作動すると、酸素を含む空気が、カソード流路１２に供給されるようになっている。なお、配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池１０に送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
このようなコンプレッサ３１は、燃料電池１０及び／又は燃料電池１０の発電電力を充放電する高圧バッテリ（図示しない）を電源として作動する。

カソード流路１２の出口は、配管３２ａ、背圧弁３２、配管３２ｂを介して、希釈器４０に接続されている。そして、カソード流路１２（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管３２ａ等を介して、希釈器４０に排出されるようになっている。
背圧弁３２は、バタフライ弁等であり、アクセルペダル（図示しない）の踏み込み量等の発電要求量に応じて、ＥＣＵ６０により、その開度が制御されるようになっている。

＜希釈器＞
希釈器４０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（容器）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、カソード系３０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よって希釈され、車外に排気されるようになっている。

＜大気圧センサ＞
大気圧センサ５０は、大気圧を検出するセンサであって、燃料電池自動車の適所に設けられている。そして、大気圧センサ５０はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０は、燃料電池自動車が走行している場所（走行場所）の大気圧を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成されている。
そして、ＥＣＵ６０は、図示しないＩＧ（イグニッション）のＯＮ信号を検知すると、遮断弁２２を開き、コンプレッサ３１を作動させ、背圧弁３２の開度等を適宜に制御して燃料電池１０の発電を開始するように構成されている。

また、ＥＣＵ６０は、大気圧センサ５０により検出される大気圧に基づいて、空気の流量を調整する機能を備えている。具体的には、ＥＣＵ６０は、この大気圧が所定値以下である場合、コンプレッサ３１の回転を速めるように作動させ、背圧弁３２の開度を開くように制御して、空気の流量を多くするように設定されている。一方、この大気圧が所定値より大きい場合、空気の流量を調整しない、つまり、多くしない（大気圧が所定値より大きい場合の流量（一定量）である通常流量にする）ように設定されている。

また、ＥＣＵ６０は、大気圧センサ５０により検出される大気圧に基づいて、アノードオフガスの流量を調整する機能を備えている。具体的には、ＥＣＵ６０は、この大気圧が所定値以下である場合、パージ弁２４の開いている時間（開時間）を短くするように制御して、アノードオフガスの流量を少なくするように設定されている。一方、この大気圧が所定値より大きい場合、パージ弁２４の開時間を調整しない、つまり、短くしない（大気圧が所定値より大きい場合の開時間（一定時間）である通常開時間にする）ように設定されている。
さらに、ＥＣＵ６０は、この大気圧が所定値以下である場合、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔を長くするように制御して、アノードオフガスの流量を少なくするように設定されている。一方、この大気圧が所定値より大きい場合、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔を調整しない、つまり、長くしない（大気圧が所定値より大きい場合の排出間隔（一定間隔）である通常排出間隔にする）ように設定されている。

すなわち、本実施形態において、酸化剤ガス流量調整手段は、コンプレッサ３１と、背圧弁３２と、ＥＣＵ６０と、を備えて構成されている。また、排出燃料ガス流量調整手段は、パージ弁２４と、ＥＣＵ６０と、を備えて構成されている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図２を主に参照しながら説明する。

ステップＳ１１において、大気圧センサ５０により燃料電池自動車が走行している場所（走行場所）の大気圧を検出する。

ステップＳ１２において、ＥＣＵ６０は、この大気圧が所定値以下であるか否かを判定する。ここでいう所定値とは、例えば、希釈器４０から排出されるガス（排出ガス）中の水素が着火しない水素濃度の上限値に対応する大気圧の値であり、事前試験やシミュレーションにより求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている（図３参照）。換言すると、大気圧の低下による希釈器４０の能力不足が顕在化し始める圧力が所定値である。
走行場所の大気圧が、この所定値以下である場合（Ｓ１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１３に進む。一方、走行場所の大気圧が、この所定値より大きい場合（Ｓ１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１６に進む。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ６０は、その検出された大気圧に基づいて、コンプレッサ３１の回転を速めるように作動させ、背圧弁３２の開度を開くように制御して、空気の流量を多くする（図４（ａ）参照）。このように多くする空気の流量と大気圧の関係は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ６０は、パージ弁２４の開いている時間（開時間）を短くするように制御して、アノードオフガスの流量を少なくする（図４（ｂ）参照）。このように短くするパージ弁２４の開時間と大気圧の関係は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

ステップＳ１５において、ＥＣＵ６０は、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔を長くするように制御して、アノードオフガスの流量を少なくする（図４（ｃ）参照）。このように長くするパージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔と大気圧の関係は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
なお、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理は、順次すべてを行ってもよいが、それに限定されるものではなく、例えば、ステップＳ１３の処理だけを行い、ステップＳ１４及びＳ１５の処理を行わない構成としてもよい。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。

ステップＳ１６において、ＥＣＵ６０は、空気の流量を、大気圧が所定値より大きい場合の流量（一定量）である通常流量にする。現在の空気の流量が、通常流量である場合は、当該ステップの処理は行わない。

ステップＳ１７において、ＥＣＵ６０は、パージ弁２４の開時間を、大気圧が所定値より大きい場合の開時間（一定時間）である通常開時間にする。現在のパージ弁２４の開時間が、通常開時間である場合は、当該ステップの処理は行わない。

ステップＳ１８において、ＥＣＵ６０は、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔を、大気圧が所定値より大きい場合の排出間隔（一定間隔）である通常排出間隔にする。現在のパージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔が、通常排出間隔である場合は、当該ステップの処理は行わない。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１の構成としたので、次のような作用効果が得られる。
酸化剤ガス流量調整手段は、大気圧センサ５０により検出される大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる空気の流量を多くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器４０に導入される空気の流量が多くなる。

このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器４０に導入される空気の流量が多くなることによって、希釈器４０に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器４０から排出されるガス中の水素の濃度を低減することができる。

また、酸化剤ガス流量調整手段は、大気圧センサ５０により検出された大気圧が所定値より大きい場合、希釈に用いられる空気の流量調整を行わない、つまり、空気の流量を多くしない。

このようにして、大気圧が所定値より大きい場合では、空気の流量を多くしない、つまり、大気圧が所定値以下である場合においてのみ、空気の流量を多くする。このように大気圧が所定値以下である場合だけ、酸化剤ガス流量調整手段を作動させる（ＥＣＵ６０の機能を発揮させる）ことによって、仮に高地の場合を考慮して希釈に用いられる空気の流量を常に多く導入するように設定されている場合と比べると、大気圧が所定値以下である場所以外を走行するときのコンプレッサ３１の消費電力を抑制することができ、それに伴い発電効率（燃費）を向上させることができる。

また、排出燃料ガス流量調整手段は、大気圧センサ５０により検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、パージ弁２４によって希釈器４０に排出するアノードオフガスの流量を少なくする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器４０に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなる。

このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器４０に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなることによって、希釈器４０に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器４０から排出されるガス中の水素の濃度を低減することができる。

また、排出燃料ガス流量調整手段は、大気圧センサ５０により検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、パージ弁２４によって排出する排出間隔を長くする。つまり、大気圧が所定値以下である場合では、希釈器４０に排出されるアノードオフガスの流量が少なくなる。

このようにして、大気圧が所定値以下である場合において、希釈器４０に排出されるアノードオフガスの排出間隔を長くすることによって、希釈器４０に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、希釈器４０から排出されるガス中の水素の濃度を低減することができる。換言すると、希釈器４０の能力不足を補うことができる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
図５を参照して、燃料電池自動車が低地から高地へ走行していく場合を例に、燃料電池システム１の一動作例を説明する。
燃料電池自動車が低地から高地へ走行していくと、大気圧センサ５０が検出する大気圧は、高い大気圧（値）から低い大気圧（値）になる。
そして、希釈器４０に導入される、水素を含むアノードオフガスと空気を含むカソードオフガスの流量が一定量（空気の流量：通常流量、パージ弁２４の開時間：通常開時間、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔：通常排出間隔）であることから、このように大気圧が低くなることに伴って、希釈器４０から排出されるガス（排出ガス）中の水素濃度が高くなる傾向にある（比較例）。

そこで、大気圧センサ５０により検出された大気圧が所定値以下である場合（Ｓ１２・Ｙｅｓ）、酸化剤ガス流量調整手段は、この検出された大気圧が低いほど、空気の流量を多くする（Ｓ１３）。また、排出燃料ガス調整手段は、この検出された大気圧が低いほど、パージ弁２４の開時間を短くする（Ｓ１４）。さらに、排出燃料ガス調整手段は、この検出された大気圧が低いほど、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔を長くする（Ｓ１５）。

このように空気の流量を多くすることによって、例えば、アノードオフガスの流量が一定量の場合でも、希釈器４０に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、排出ガス中の水素濃度を低減することができる。
また、このように希釈器４０に排出されるアノードオフガスの流量を少なくする（パージ弁２４の開時間を短くする、パージ弁２４によるアノードオフガスの排出間隔を長くする）ことによって、希釈器４０に排出されるアノードオフガスがカソードオフガスと十分に混合希釈され、排出ガス中の水素濃度を低減することができる。
さらに、空気の流量を多くすることと共に、希釈器４０に排出されるアノードオフガスの流量を少なくすることによって、排出ガス中の水素濃度を適切に低減することができる（実施例）。

以上、本発明の一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ができ、また、次の構成を適宜組み合わせてもよい。

前記した実施形態では、希釈器４０に導入されるガスとして、アノードオフガスとカソードオフガスを用いた場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、配管３１ａの途中が、配管３３ａ、常閉型の開閉弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器４０に接続される構成とし、コンプレッサ３１からの非加湿の空気が希釈器４０に導入される構成としてもよい。
開閉弁３３は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じている。そして、このように開閉弁３３が閉じている場合、コンプレッサ３１からの空気は、配管３１ａを介して、カソード流路１２に供給されるようになっている。
一方、大気圧センサ５０により検出された大気圧が所定値以下である場合、ＥＣＵ６０によって、開閉弁３３が開かれると、コンプレッサ３１からの非加湿の空気が、配管３３ａ等を介して、希釈器４０に導入されるようになっている。なお、開閉弁３３が全開位置に制御された場合でも、カソード流路１２に空気の一部が流れるようにしてもよい。

このように、配管３３ａ等を備えることによって、コンプレッサ３１からの非加湿の空気が希釈器４０に導入され、その結果として、アノードオフガス中の水素がこの非加湿の空気及びカソードオフガスと混合希釈され、希釈器４０から排出されるガス（排出ガス）中の水素濃度を適切に低減することができる。

前記した実施形態では、高地での希釈器４０の能力不足に対して、空気の流量を多くした及び希釈器４０に排出されるアノードオフガスの流量を少なくしたが、さらに、例えば、希釈器４０の内部を蛇腹状の構造とすることで、希釈の処理を促進することができる。

前記した実施形態では、燃料ガスとして水素を用いた場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、メタン等、燃料ガスとして用いることができるものであればよい。

前記した実施形態では、未反応の水素を含むアノードオフガスが、そのまま、エゼクタ２３に循環させる燃料電池システム１に本発明を適用したが、これに限定されるものではない。
例えば、アノードオフガス中の水分等の不純物を取り除くために、未反応の水素を含むアノードオフガスを、気液分離器（図示しない）を介して、エゼクタ２３に戻して、アノード流路１１に再供給する燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。

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を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。

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である。大気圧と、排出ガス中の水素濃度との関係を示すマップである。大気圧と、（ａ）空気の流量、（ｂ）パージ弁の開時間、（ｃ）パージ弁によるアノードオフガスの排出間隔との関係を示すマップである。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。変形例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
２１水素タンク（燃料ガス供給手段）
３１コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、酸化剤ガス流量調整手段）
３２背圧弁（酸化剤ガス流量調整手段）
４０希釈器
５０大気圧センサ
６０ＥＣＵ（酸化剤ガス流量調整手段、排出燃料ガス流量調整手段）

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器と、
大気圧を検出する大気圧センサと、
希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、を備え、
前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くする
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記酸化剤ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値より大きい場合、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量調整を行わない
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池から排出された排出燃料ガスを、前記燃料電池の上流側に戻して循環させる循環手段と、
前記排出燃料ガスを前記希釈器に排出する排出手段と、
前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を調整する排出燃料ガス流量調整手段と、をさらに備え、
前記排出燃料ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって前記希釈器に排出する排出燃料ガスの流量を少なくする
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記排出燃料ガス流量調整手段は、前記大気圧センサにより検出された大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、前記排出手段によって排出する排出間隔を長くする
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された排出燃料ガス中の燃料ガスを酸化剤ガスによって希釈する希釈器と、大気圧を検出する大気圧センサと、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記大気圧センサにより、大気圧を検出するステップと、
前記大気圧が所定値以下であるか否かを判定するステップと、
前記大気圧が所定値以下である場合、その検出された大気圧が低いほど、希釈に用いられる酸化剤ガスの流量を多くするステップと、を含む
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。