JP2010062015A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動後のパージにおいて燃料が無駄に排出されるのを抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】発電停止時にアノード掃気が実施されていない場合には（Ｓ１００、Ｎｏ）、通常用のマップに基づいてパージ量を算出し（Ｓ５００）、アノード掃気が実施された場合には（Ｓ１００、Ｙｅｓ）、燃料電池の積算発電量、温度、発電時間などに基づいて燃料循環路内の水分量を検出し（Ｓ２００）、燃料循環路内の乾燥状態が解消したかどうかを判断する（Ｓ３００）。燃料循環路内の乾燥状態が解消していないと判断した場合には（Ｓ３００、Ｙｅｓ）、アノード掃気後用のマップに基づいてパージ量を算出する（Ｓ４００）。その後、燃料循環路内の乾燥状態が解消した場合には（Ｓ３００、Ｙｅｓ）、通常用マップにてパージ量を算出する（Ｓ５００）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料循環路内の不純物を排出するためのパージ手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、燃料を有効に利用するため、燃料である水素を燃料電池に与えたのち燃料電池から排出された未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させる水素循環路を備えたものが一般に採用されている。

ところで、このような水素循環路を備えた燃料電池システムでは、水素循環路内にカソードからの窒素や水分の透過によって水素濃度が低下して発電性能が低下する問題があるため、必要に応じて水素循環路に設けられたパージ弁を開弁して水素濃度が低下するのを抑える必要がある。例えば、水素循環路内のガス密度に基づいて水素循環路内の実水素循環量を演算して、パージ弁を開いて要求水素循環流量に制御する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−１３４８０６号公報（段落００２７、図１）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の燃料電池システムでは、パージ弁を開いて水素循環量を制御しているため、水素が無駄に排出される場合があるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の起動後のパージにおいて燃料が無駄に排出されるのを抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記アノードに供給される燃料ガスを循環させて前記燃料電池に与える燃料循環路と、前記燃料循環路のうち前記燃料電池の下流に設けられ前記燃料循環路の開閉を行うパージ手段と、前記燃料電池の発電停止時に前記燃料循環路内の燃料ガスが、前記燃料ガスとは異なる流体に置換されたかどうかを記録する記録手段と、前記燃料循環路の乾燥状態が解消したかどうかを判定する乾燥状態解消判定手段と、前記燃料電池の起動後に、前記記録手段により置換されたことが記録されたとき、前記乾燥状態解消判定手段による判定に基づいて前記燃料循環路からのガス排出量を制御するパージ制御手段と、を備えることを特徴とする。

ところで、置換を行った後の運転と、置換を行っていない後の運転とでは、燃料循環路に残留する水分量が異なる。つまり、置換を行ったときの方が置換を行っていないときよりも水分量が少なくなり、同量のパージを行った場合に置換を行ったときの方が、燃料ガス濃度が高くなる傾向がある。本発明によれば、燃料循環路の乾燥状態を記録手段に基づいて判定することによって、燃料循環路の水分量が少ない場合には、パージにより排出されるガスに含まれる水蒸気量も少なくなる。このため、パージ量を、置換を行っていないときの通常時のパージ量よりも減らすようにパージ手段を制御することにより燃料電池の起動後の定期パージにおいて排出される燃料ガス濃度の上昇を抑えることが可能になる。したがって、パージ手段によって燃料が無駄に排出されるのを防止できる。

また、前記パージ制御手段は、前記燃料循環路内から燃料ガスの排出を目的とした置換である場合、前記燃料循環路内から水分の排出を目的とした置換である場合よりも前記ガス排出量を増加させることを特徴とする。燃料ガス排出目的の置換の場合（燃料ガス希釈の場合）には、水分排出目的の置換よりも燃料循環路内に残留する水分が多いので、このような場合には水分排出目的の置換の場合よりもパージ量（排出されるガス量）を増やすことにより、水素排出目的の置換が行なわれた場合の燃料電池の起動後の定期パージにおいて、燃料循環路内がパージ不足によって燃料ガス濃度が低下するのを防止できる。

例えば、前記制御部は、前記パージ手段の開閉時間を制御するようにしてもよい。これによれば、置換を行った後の運転において、燃料電池の起動後の定期パージ量を、置換を行っていない場合よりも少なくすることにより、燃料循環路から排出される燃料ガス濃度が過度に上昇するのを抑制することができる。

また、前記制御部は、前記パージ手段の開閉と次回の開閉との間隔を制御するようにしてもよい。これによれば、置換を行った後の運転において、パージとパージとの間のインターバルを、置換を行っていない場合よりも長くすることで、燃料循環路から排出される燃料ガス濃度が過度に上昇するのを抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池の起動後のパージにおいて燃料が無駄に排出されるのを抑制できる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２はパージ制御を示すフローチャート、図３はパージ量を変更したときのタイムチャート、図４はパージインターバル（パージの時間間隔）を変更したときのタイムチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池自動車などの車両を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶や航空機、定置式のものなどあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、電力消費系４０、制御系５０などで構成されている。

燃料電池１０は、例えば、固体高分子形の燃料電池であり、固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（酸素極）とで挟み、さらに、一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層して、各単セルを電気的に直列に接続して構成したものである。また、アノードに対向するセパレータには、水素（燃料ガス）が流通するアノード流路１０ａが形成され、カソードに対向するセパレータには、空気（酸化剤ガス）が流通するカソード流路１０ｂが形成されている。なお、図示していないが、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒が流通する冷媒流路も形成されている。

アノード系２０は、水素タンク２１、エゼクタ２２、パージ弁（パージ手段）２３、アノードガス配管２４ａ〜２４ｄなどで構成されている。

水素タンク２１は、高純度の水素を非常に高い圧力で充填されたものであり、図示しない電磁作動式の遮断弁を備えている。

エゼクタ２２は、循環ポンプであり、その入口２２ａとアノードガス配管２４ａを介して水素タンク２１と接続され、出口２２ｂとアノードガス配管２４ｂを介して燃料電池１０のアノード側の入口１０ａ１と接続され、戻り口２２ｃと燃料電池１０のアノード側の出口１０ａ２と接続されたアノードガス配管２４ｃと接続されている。なお、エゼクタ２２は、図示しないノズルを備え、水素タンク２１から供給される水素をノズルから噴射することで負圧を発生させ、燃料電池１０の出口１０ａ２からのアノードオフガスを吸引し、水素タンク２１からの新鮮な水素とアノードオフガスとを混合して燃料電池１０の入口１０ａ１に供給する機能を有している。

パージ弁２３は、例えば電磁作動式のものであり、燃料電池１０の下流のアノードガス配管２４ｃに接続されたアノードガス配管２４ｄに設けられている。このパージ弁２３は、後記する制御部５１によって開閉制御される。ちなみに、後記する燃料循環路内は、発電時においてカソードからの空気中の窒素や生成水によって水素濃度が低下するため、パージ弁２３を定期的に開弁すること（定期パージ）により、水素濃度の低下による発電性能の低下を防止できるようになっている。

なお、図示していないが、水素タンク２１とエゼクタ２２との間のアノードガス配管２４ａには、水素タンク２１からの高圧の水素を所定の圧力に減圧するための減圧弁などが設けられている。また、本実施形態では、燃料電池１０内のアノード流路１０ａおよびアノードガス配管２４ｂ，２４ｃによって燃料循環路が構成されている。

カソード系３０は、エアポンプ３１、背圧弁３２、カソードガス配管３３ａ，３３ｂなどで構成されている。

エアポンプ３１は、例えばモータで駆動される過給器であり、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有する。このエアポンプ３１は、後記する制御部５１によって、そのモータの回転速度が制御される。

背圧弁３２は、開度調整が可能なバタフライ弁などで構成され、カソードガス配管３３ｂを介して燃料電池１０のカソードの出口１０ｂ２と接続されている。また、背圧弁３２は、燃料電池１０のカソードに供給される圧力を調節する機能を有し、後記する制御部５１によってその開度が調整される。

なお、図示していないが、エアポンプ３１と燃料電池１０のカソード側の入口１０ｂ１とを接続するカソードガス配管３３ａには、エアポンプ３１からの圧縮空気を加湿するための加湿器などが設けられている。また、加湿器は、カソードガス配管３３ｂと接続され、エアポンプ３１から供給された空気を、燃料電池１０のカソード側の出口１０ｂ２から排出されたカソードオフガスによって加湿するように構成されている。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１は、エア導入弁３５ａを備えたエア導入配管３５、希釈器３６などを備えている。

エア導入配管３５は、水素（燃料ガス）とは異なる流体としての空気を掃気ガスとして、燃料循環路（アノード流路１０ａ、アノードガス配管２４ｂ，２４ｃ）に導入する流路を構成し、カソード側の端部がエアポンプ３１と図示しない加湿器との間のカソードガス配管３３ａに接続され、アノード側の端部がエゼクタ２２と燃料電池１０の入口１０ａ１との間のアノードガス配管２４ｂに接続されている。エア導入弁３５ａは、例えば電磁作動式の開閉弁であり、後記する制御部５１によって開閉制御される。

希釈器３６は、パージ弁２３から排出されたアノードオフガスに含まれる水素を希釈して排出する機能を有し、排出配管３７ａを介して背圧弁３２と接続され、排出配管３７ｂを介して外部（車外）と連通している。

電力消費系４０は、電力消費デバイス４１が燃料電池１０と接続ケーブル４２を介して接続されている。なお、電力消費デバイス４１とは、走行モータ（図示せず）、高圧バッテリ（図示せず）、エアポンプ３１などである。また、燃料電池１０と電力消費デバイス４１とは、図示しないコンタクタを介して接続されている。

制御系５０は、制御部５１、電流計５２、温度計５３などで構成されている。

制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記録したＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力インターフェイス回路などで構成され、記録手段、乾燥状態解消判定手段、パージ制御手段を備えている。なお、記録手段は、イグニッションスイッチがオフにされた燃料電池１０の発電停止後からイグニッションスイッチがオンにされる燃料電池１０の起動までの間に、燃料循環路内が空気によって置換されたかどうかをＲＡＭに記録する手段である。乾燥状態解消判定手段は、燃料循環路内の乾燥状態が解消したか否かを判定する手段であり、燃料電池１０の積算発電量、発電時間、温度などに基づいて判断される。パージ制御手段は、燃料循環路内が乾燥しているかどうかで乾燥状態（アノード掃気後で水分量が少ない状態）に対応したパージを行うか、湿潤状態（アノード掃気後でなく水分量が多い状態）に対応したパージを行うかを選択してパージ弁２３を制御する。

電流計５２は、例えば、燃料電池１０から電力消費デバイス４１に取り出される電流値を検出し、積算発電電流を算出して燃料循環路内で生成される水分量を推定する機能を有する。なお、積算発電電流が増加することにより、燃料電池１０から生成される水分量が増加したと判断できる。なお、積算発電電流に限定されず、積算発電電力であってもよい。

また、水分量を判断するセンサとしては、温度計５３であってもよい。温度計５３は、燃料電池１０のアノード側の出口１０ａ２に接続されたアノードガス配管２４ｃに設けられ、温度計５３の温度が高くなるにつれて、燃料電池１０から生成される水分量が増加したと判断できる。また、水分量を判断するセンサとしては、燃料電池１０の積算発電電流、温度に限定されるものではなく、燃料電池１０の起動（発電開始）からの経過時間（発電時間）に基づいて判断してもよい。すなわち、経過時間は、制御部５１に設けられたタイマを用いて判断でき、経過時間が長くなるにつれて、水分量が増加したと判断できる。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作を図２および図３（適宜図１）を参照して説明する。なお、燃料電池システム１のイグニッションスイッチがＯＦＦにされると、
制御部５１によって、水素タンク２１に設けられた図示しない遮断弁が閉じられて、燃料電池１０のアノードへの水素の供給が停止し、エアポンプ３１の駆動が停止されて、燃料電池１０のカソードへの空気の供給が停止する。そして、燃料電池１０と電力消費デバイス４１とを接続するコンタクタ（図示せず）を遮断して、燃料電池１０の発電を停止する。

なお、燃料電池１０の発電停止直後または発電停止中に、制御部５１は、燃料電池１０内などの残留水が凍結すると判断した場合には、燃料電池１０の内部を含む流路に残留する生成水を排出する掃気処理が行われる。また、掃気処理は、温度計５３によるシステム温度が所定温度以下となったときに実行される。このシステム温度は、アノード系２０の温度に限定されず、カソード系３０の温度、燃料電池１０を冷却する冷却系の温度、外気温度などであってもよい。あるいは、温度に限定されるものではなく、ナビゲーションシステムの天気情報などに基づいて判断してもよい。

前記掃気処理では、例えば、図示しない高圧の蓄電装置（リチウムイオン二次電池、キャパシタなど）の電力を用いて、背圧弁３２を全開とし、パージ弁２３を適宜開弁し、エア導入弁３５ａを開弁した状態において、エアポンプ３１を駆動して燃料電池１０のカソードに大流量の空気を供給する。これにより、エアポンプ３１から供給された空気は、カソードガス配管３３ａ内の流路、燃料電池１０内のカソード流路１０ｂ、カソードガス配管３３ｂ内の流路に残留した水分を飛ばしながら流れ、排出配管３７ａを通って希釈器３６に排出される（カソード掃気）。また、エアポンプ３１からの空気の一部は、エア導入配管３５、燃料循環路、アノードガス配管２４ｄを通ってパージ弁２３から排出されることで、燃料循環路に残留する水素が希釈される。なお、パージ弁２３から排出された水素は希釈器３６に導入され、燃料電池１０のカソードから排出される空気によって希釈され、車外に排出される（水素排出目的のアノード掃気）。

そして、制御部５１の制御によって背圧弁３２を閉じ、パージ弁２３を開いた状態において、エアポンプ３１から大流量の空気が供給される。エアポンプ３１からの空気は、エア導入配管３５内の流路、燃料循環路、アノードガス配管２４ｄ内の流路に残留した水分を飛ばしながら流れ、パージ弁２３を通って希釈器３６に排出される（水分排出目的のアノード掃気）。

なお、アノード掃気が行われた場合には、例えば、記録手段（ＲＡＭ）にアノード掃気が行われたことを示すフラグ、アノード掃気が行われていないことを示すフラグのいずれかが記録される。

図２に示すように、制御部５１は、運転者によってイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されると、水素タンク２１に設けられた図示しない遮断弁を開弁して、燃料電池１０のアノードへの水素の供給を開始し、エアポンプ３１が駆動されて、燃料電池１０のカソードへの空気の供給を開始する。このとき、アノードの水素濃度が上昇するが、燃料電池１０の開放端電圧（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage）が所定電圧に至ったときに、図示しないコンタクタを接続して発電を開始する。

そして、ステップＳ１００において、制御部５１は、ＩＧ−ＯＦＦからＩＧ−ＯＮまでの間の燃料電池１０の発電停止時において、アノード掃気（水素排出目的のアノード掃気、水分排出目的のアノード掃気）が実施されたかどうかを判断する。ステップＳ１００において、記録手段に記録されたフラグに基づいてアノード掃気が実施されていないと判断した場合（Ｎｏ）、つまり記録手段に掃気ガス（空気）による置換が行なわれていない情報が記録されている場合には、ステップＳ５００に進み、通常用のマップ、すなわちアノード掃気が実施されていない湿潤状態と想定されたマップに基づいてパージ量（ガス排出量）を算出する（パージ制御手段）。そして、算出されたパージ量に基づいて、１回当たりのパージ弁２３の開弁時間（パージインターバルは一定）、またはパージ弁２３の開閉と次回の開閉との間のパージインターバル（パージ弁２３の開弁時間は一定）が設定され、燃料電池１０の起動後の定期パージが行われる。なお、開弁時間またはパージインターバルの時間は、予め実験等によって求められ、車外に過剰な濃度の水素が排出されないようにする時間が設定される。

一方、ステップＳ１００において、制御部５１は、アノード掃気が実施されたと判断した場合（Ｙｅｓ）、つまり記録手段に掃気ガス（空気）による置換が行なわれた情報が記録されている場合には、ステップＳ２００に進み、アノード系２０の燃料循環路内の水分量を検出する。なお、このときの水分量は、前記したように、燃料電池１０の積算発電量、温度、発電時間に基づいて判断することができる。ちなみに、燃料循環路内の水分は、燃料電池１０のカソードで生成された水が固体高分子電解質膜を介してアノードに透過したものである。

そして、ステップＳ３００において、制御部５１は、燃料循環路内の乾燥状態が解消したかどうかを判定する（乾燥状態解消判定手段）。なお、燃料循環路内の乾燥状態が解消しているかどうかは、積算発電量が所定量以上、温度が所定温度以上、発電時間が所定時間以上のいずれか一つを満足したとき、もしくは複数を満足したときに燃料循環路内が乾燥していると判断できる。ステップＳ３００において、制御部５１は、燃料循環路内の乾燥状態が解消していないと判断した場合（Ｎｏ）、例えば積算発電量が所定量以上ではない場合には、ステップＳ４００に進む。

ステップＳ４００において、制御部５１は、アノード掃気後用のマップ、すなわちアノード掃気が実施されて乾燥状態であると想定したマップに基づいてパージ量（ガス排出量）を算出する（パージ制御手段）。ちなみに、乾燥状態であるということは、残留する水分が少なく、燃料電池１０の起動後の定期パージ時に水素の排出が水分によって邪魔されず、燃料循環路から水素が排出され易い状態を意味している。なお、発電開始後の積算発電量増加、燃料電池の温度上昇、経過時間増加に応じて乾燥状態から湿潤状態に変化するので、ステップＳ４００では、燃料循環路内の乾燥状態（湿潤状態）に応じて定期パージ時のパージ量（パージ弁２３の開弁時間、またはパージ弁２３の開閉と次回の開閉とのインターバル）を補正するようにしてもよい。

また、ステップＳ４００において、アノード掃気後用マップにて定期パージ時のパージ量の初期値を設定する場合においては、前記したように水素排出目的のアノード掃気と水分排出目的のアノード掃気とでは、アノード掃気中に排出される水分量が異なるので、水素排出目的のアノード掃気用のマップと、水分排出目的のアノード掃気用のマップとを持ち替えて設定してもよい。すなわち、水素排出目的のアノード掃気により燃料循環路から排出される水分量は、水分排出目的のアノード掃気により燃料循環路から排出される水分量よりも少なくなるので、水素排出目的のアノード掃気のパージ量は、水分排出目的のアノード掃気のパージ量よりも多くなるように設定される。つまり、水素排出目的のアノード掃気の方が、パージ弁２３の開弁時間を制御する定期パージでは、開弁時間がより長くなるように設定され、パージインターバルを制御する定期パージでは、パージインターバルの時間がより短くなるように設定される。

なお、ステップＳ４００においてパージ量算出後、パージ弁２３を、算出されたパージ量に応じた時間開弁する。これにより、パージ弁２３から排出され、希釈器３６に導入された水素は、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスによって所定水素濃度以下に希釈され、車外に排出される。

そして、ステップＳ２００ないしＳ４００を繰り返し、制御部５１は、燃料循環路内の乾燥状態が解消したと判断した場合（Ｓ３００、Ｙｅｓ）、ステップＳ５００に進み、アノード掃気後用のマップを、通常（湿潤状態）用のマップに切り替えて定期パージを行う。

さらに、図３のタイムチャートを参照して説明すると、時刻ｔ０に至るまでの発電中は、燃料循環路内の水素濃度および水分量は、それぞれ高い状態にある（図３（ａ）および（ｂ）参照）。そして、時刻ｔ０において、イグニッションスイッチがオフにされると、例えば、アノード側の水素が固体高分子電解質膜を透過してカソードに移動した後、カソードガス配管３３ａ，３３ｂ、排出配管３７ａ，３７ｂを介して車外に排出されて拡散する。これにより、燃料循環路内の水素濃度が徐々に低下する。なお、このように水素濃度が低下するのは、アノード側の水素のカソード側へリークであることに限定されず、アノードに残留する水素とカソードに残留する空気中の酸素との反応による場合、燃料電池１０に接続されたディスチャージ抵抗による場合であってもよい。

そして、時刻ｔ１において、燃料循環路が空気によって置換されるアノード掃気が行なわれた場合には、図３（ａ）において破線で示すように、燃料循環路内の水素濃度が急激低下する。また、時刻ｔ１において、水分排出目的のアノード掃気が行われた場合には、図３（ｂ）において破線（二点鎖線）で示すように、燃料循環路内の水分量が大きく低下し、また水素排出目的のアノード掃気が行われた場合には、図３（ｂ）において破線（一点鎖線）で示すように、実線で示すアノード掃気なしの場合と破線（二点鎖線）で示す水分排出目的のアノード掃気の場合の中間の水分量に低下する。

そして、時刻ｔ２において、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されると、水素タンク２１から水素の供給が開始されるので、燃料循環路内の水素濃度が上昇する。また、時刻ｔ２では、水素濃度が高まり、水素とカソード側の空気中の酸素との反応により開放端電圧（ＯＣＶ）が所定値に達すると、図示しないコンタクタがオンされて燃料電池１０と電力消費デバイス（外部負荷）４１とが接続されて、発電が開始される。また、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されると、カソードにおいて水素と酸素との反応により生成された水がアノードに透過して、燃料循環路内の水分量が徐々に増加する。

また、発電が開始（ＩＧ−ＯＮ）されると燃料循環路内の水分量が徐々に増加するので、図３（ｃ）において破線（一点鎖線、二点鎖線）で示すように、１回あたりのパージ量が徐々に増加する。パージ量の制御は、パージ弁２３の開閉（開弁時間）により制御される。なお、パージ量は、開度を変更することができるようなパージ弁を用いて制御するようにしてもよい。

例えば、発電開始後の時刻ｔａにおいて定期パージが行われる場合には、水分排出目的のアノード掃気が行われていると、１回当たりのパージがパージ量Ｑ１で行われ、水素排出目的のアノード掃気が行われていると、それよりも多いパージ量Ｑ２で行われる。そして、時刻ｔ３以降において定期パージが行われる場合には、水素排出目的のアノード掃気では、アノード掃気なしのときに設定されるパージ量Ｑ３で定期パージが行われ、その後パージ量Ｑ３で定期パージが継続される。そして、時刻ｔ４以降において定期パージが行われる場合には、水分排出目的のアノード掃気では、アノード掃気なしのときに設定されるパージ量Ｑ３と同じパージ量で定期パージが行われ、その後パージ量Ｑ３で定期パージが継続される。

ところで、アノード掃気が行なわれなかった（置換が行なわれなかった）ときの燃料循環路内の湿潤な状態における水素と窒素と水蒸気の組成を、水素：窒素：水蒸気＝８：２：５とし、置換が行なわれたときの燃料循環路内の乾燥した状態における水素と窒素の組成を、水素：窒素＝８：２として、水素（燃料ガス、アノードガス）の２０％がカソード側から透過した窒素に置換（希釈）された状態でパージを行なうことを想定する。ここで、１回のパージで２Ｌ（リットル）の窒素を系外に排出しようとした場合の必要なパージ量は、湿潤状態の場合、１５Ｌ（水素８Ｌ：窒素２Ｌ：水蒸気５Ｌ）となり、乾燥状態の場合、１０Ｌ（水素８Ｌ：窒素２Ｌ）となる。よって、湿潤状態を想定したパージ量を実施したが、実際には乾燥状態であった場合には、パージ量１５Ｌ（水素１２Ｌ：窒素３Ｌ）となり、水素排出量過大で、排気水素濃度が過度に上昇する。逆に、乾燥状態を想定したパージ量を実施したが、実際には湿潤状態であった場合には、パージ量１０Ｌ（水素５．４Ｌ：窒素１．３Ｌ：水蒸気３．３Ｌ）となり、窒素排出量不足により、発電安定性の悪化に繋がる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムによれば、アノード掃気が行われた場合には、アノード掃気が行われなかった場合よりも定期パージにおけるパージ弁２３の開閉時間（開弁している時間）を短く設定して１回あたりのパージ量を少なく設定することにより、車外に排出される水素濃度が過度に上昇するのを抑えることが可能になる。したがって、パージによって水素が無駄に排出されるのを防止できる。

また、本実施形態によれば、アノード掃気の種類つまり水素排出目的のアノード掃気であるか、水分排出目的のアノード掃気であるかに応じて、パージ量（時刻ｔ２におけるパージ量の初期値）を補正することにより、さらに効率よくパージを行うことが可能になる。すなわち、水素排出目的のアノード掃気が行われた場合のパージ量を、水分排出目的のアノード掃気が行われた場合に設定されるパージ量よりも多くなるように設定することにより、燃料循環路内が窒素排出量不足になるのを防止できる。逆に、水分排出目的のアノード掃気が行われた場合のパージ量を、水素排出目的のアノード掃気が行われた場合に設定されるパージ量よりも少なくなるように設定することにより、燃料循環路内から過剰な水素濃度の水素が排出されるのを防止できる。

なお、前記した実施形態では、パージ弁２３の開弁時間を変更して制御する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、パージ弁２３の開閉と次回のパージ弁の開閉との間のパージインターバルを制御するようにしてもよい。なお、図４の（ａ）および（ｂ）は、図３と同様であるのでその説明を省略する。

この場合、時刻ｔ２において発電が開始（ＩＧ−ＯＮ）されると燃料循環路内の水分量が徐々に増加するので、図４（ｃ）において破線（一点鎖線、二点鎖線）で示すように、パージインターバルを徐々に短くする。なお、発電開始後の時刻ｔｂにおいて定期パージが行われる場合には、水分排出目的のアノード掃気が行われていると、パージインターバルＴ１に設定される。すなわち、パージインターバルが長く設定されることにより、希釈器３６内で水素が十分に希釈された後に次のパージが実行されるので、過剰な濃度の水素が排出されるのを防止できる。また、発電開始後の時刻ｔｂにおいて定期パージが行われる場合には、水素排出目的のアノード掃気が行われていると、前記パージインターバルＴ１よりも短いパージインターバルＴ２に設定される。そして、時刻ｔ５以降における水素排出目的のアノード掃気のパージインターバルは、アノード掃気なしのときに設定されるパージインターバルＴ３と同様な時間で継続される。そして、時刻ｔ６以降における水分排出目的のアノード掃気の場合には、前記パージインターバルＴ２よりもさらに短いパージインターバルＴ３に設定される。

このように、パージインターバルの制御による実施形態であっても、パージ弁２３の開閉時間の制御による実施形態と同様に、アノード掃気が行われた場合には、アノード掃気が行われなかった場合よりもパージインターバルの時間を長く設定することにより、車外に排出される水素濃度が過度に上昇するのを抑えることが可能になる。したがって、パージによって水素が無駄に排出されるのを防止できる。

また、パージインターバルの制御による実施形態によれば、アノード掃気の種類に応じてパージインターバルの初期値（時刻ｔ２におけるパージインターバル）を補正することにより、さらに効率よくパージを行うことが可能になる。すなわち、水分排出目的のアノード掃気が行われた場合には、水素排出目的のアノード掃気のときのパージインターバルよりも長く設定されて、希釈器３６で水素が十分に希釈された後に次のパージが開始され、排出水素濃度が過剰になるといった不具合を防止できる。逆に、水素排出目的のアノード掃気が行われた場合には、アノード掃気なしのときのパージインターバルよりも長く設定され、燃料循環路内が水素置換不足になるのを防止できる。

なお、図３に示すタイムチャートでは、アノード掃気が行われた場合のパージ量が線形に増加するように、また図４に示すタイムチャートでは、パージインターバルが線形に減少するようにした例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、それぞれステップ状に変化させて制御するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 パージ制御を示すフローチャートである。 パージ量を変更したときのタイムチャートである。 パージインターバルを変更したときの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
２２ エゼクタ
２３ パージ弁（パージ手段）
２４ｂ，２４ｃ アノードガス配管（燃料循環路）
３１ エアポンプ
５１ 制御部（記録手段、乾燥状態判定手段、パージ制御手段）
５２ 電流計
５３ 温度計

Claims (4)

1. アノードに燃料ガス、カソードに酸化剤ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、
   前記アノードに供給される燃料ガスを循環させて前記燃料電池に与える燃料循環路と、
   前記燃料循環路のうち前記燃料電池の下流に設けられ前記燃料循環路の開閉を行うパージ手段と、
   前記燃料電池の発電停止時に前記燃料循環路内の燃料ガスが、前記燃料ガスとは異なる流体に置換されたかどうかを記録する記録手段と、
   前記燃料循環路の乾燥状態が解消したかどうかを判定する乾燥状態解消判定手段と、
   前記燃料電池の起動後に、前記記録手段により置換されたことが記録されたとき、前記乾燥状態解消判定手段による判定に基づいて前記燃料循環路からのガス排出量を制御するパージ制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記パージ制御手段は、前記燃料循環路内から燃料ガスの排出を目的とした置換である場合、前記燃料循環路内から水分の排出を目的とした置換である場合よりも前記ガス排出量を増加させ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. 前記パージ制御手段は、前記パージ手段の開閉時間を制御する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. 前記パージ制御手段は、前記パージ手段の開閉と次回の開閉との間隔を制御する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。

Images