JP2010287509A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスのパージ量を増加させることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】パージ弁２４を開弁制御して起動パージ開始から起動パージ完了までの期間中に、希釈流量調整弁４２により希釈器４１に導入する希釈エア量をゼロに設定することで、希釈器４１内に水素オフガスを多量に溜めることができ、起動パージ完了後は、希釈流量調整弁４２の開度を制御して希釈器４１に導入する希釈エア量を所定値ずつ増加させる。これにより、希釈器４１内の水素が少しずつ配管ｃ４に合流して希釈された後に外部に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から排出された燃料オフガスを希釈器を介して外部に排出する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の下流側に、燃料オフガスを導入して希釈する希釈器を備えたものが種々提案されている。この種の燃料電池システムでは、燃料ガスの濃度を十分に低減させた状態で外部に排出することが必要であり、そのための技術として、例えば、複数の希釈器を直列に配置する技術（特許文献１参照）、水素パージ量の上限値をエア流量により設定する技術（特許文献２参照）が提案されている。

特開２００５−１５８５２３号公報（請求項１、図１） 特開２００７−６６７１７号公報（段落００４０、図２）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、複数の希釈器を設置する必要があるため燃料電池システムが大きくなり過ぎて、例えば大型な車両にしか搭載できないシステムになるという問題がある。また、特許文献２に記載の技術では、外部に排出される水素濃度を所定以下に抑えようとすると、エアオフガス流量と希釈エア流量に応じて水素パージの上限値が決まってしまい、例えば、起動時に多量の水素パージを行いたい状況において、発電安定性を確保できるパージ量が確保できない状況が発生することがあるという問題があった。また、多量のパージを行うためにはエア流量を増大させる必要があり、振動や騒音など商品性が損なわれるという問題もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料ガスのパージ量を増加させることが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、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを希釈器に導入するパージ制御手段と、前記希釈器に対して酸化剤ガス量を調整可能に導入して前記希釈器内の前記燃料オフガスを希釈する希釈流量制御手段と、前記希釈器に前記燃料電池からの酸化剤オフガスを導入し、外部に排出する酸化剤オフガス配管と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記パージ制御手段によるパージ開始からパージ完了までの期間中に、前記希釈流量制御手段により前記希釈器に導入する酸化剤ガス量を予め定められる所定量まで低減し、前記パージ制御手段によるパージ完了後は、前記希釈流量制御手段により前記希釈器に導入する酸化剤ガス量を徐々に増加させることを特徴とする。

本発明によれば、パージ制御手段によって燃料オフガスを燃料ガス循環路から希釈器に導入する際に、希釈流量制御手段を制御して希釈器に導入する酸化剤ガス量を所定量（最小またはゼロ）まで低減することにより、希釈器からの燃料オフガスの排出を抑える（またはゼロにする）ことができるので、パージ制御手段によって希釈器に導入する燃料オフガスの導入量を従来よりも増加させることが可能になる。さらに、希釈器に導入された燃料オフガスを、希釈流量制御手段を制御して酸化剤ガスを徐々に増加させながら希釈器に導入することで、希釈器に溜められた燃料オフガスが酸化剤オフガスによって押し出されて、酸化剤オフガスと少しずつ合流するので、燃料ガスを十分に希釈した後に、燃料電池システムの外部に排出することが可能になる。

すなわち、燃料ガス循環路からの燃料オフガスのパージ時に、希釈器に導入される希釈用の酸化剤ガスの導入量を所定量まで低減もしくは停止することで、希釈器内から酸化剤オフガス配管に押し出す燃料オフガスの押出量を低減またはゼロにできるので、希釈器内に従来よりも多くの燃料オフガスを溜め込む（例えば、満タンに近い状態にする）ことが可能になり、一度に多量の燃料オフガスをパージすることが可能になる。そして、希釈器に溜まった燃料オフガスを、希釈用の酸化剤ガスを少量ずつ増やしながら押し出して酸化剤オフガスと合流させることで、燃料ガスを酸化剤オフガスにより十分に希釈してから燃料電池システムの外部に排出することができる。

これにより、燃料電池システムの起動時などにおいて発電安定性を確保するために燃料ガスのパージを多量に行いたい場合であっても、十分な量のパージを行うことが可能になる。しかも、多量のパージを行うにあたって、酸化剤ガスの流量を増大させるといった制御が不要になり、振動や騒音などの商品性が損なわれるといった問題も生じない。

また、前記酸化剤ガス量を徐々に増加させる加算分として設定される所定値は、前記希釈器内の燃料ガスが外部に排出される際の燃料ガス濃度ピーク値が所定濃度以下となるように設定されることを特徴とする。

これによれば、燃料ガス濃度ピーク値を所定濃度以下となるように加算分（所定値）を設定することにより、目標とする酸化剤ガスの流量（目標エア流量）が多ければ多いほど目標とする希釈流量（酸化剤ガス量）を多くできる。

また、前記燃料電池システムの発電停止時間を測定する発電停止時間測定手段を備え、前記燃料電池の起動時におけるパージを前記パージ制御手段が行う場合には、前記発電停止時間測定手段により測定された発電停止時間に基づいて発電停止時間が長ければ長いほど、前記パージ開始からパージ完了までの燃料オフガス量が多くなるようにパージすることを特徴とする。

これによれば、発電停止時間が長くなることにより燃料電池内の不純物（例えば、窒素）が多くなり、その分、燃料ガス（例えば、水素）が少なくなるが、起動時のパージ量を増加させることで、不純物（窒素など）を早くに排出することができ、燃料電池のアノード系（燃料ガス循環路）内を新しい燃料ガスにより早く置換することができる。しかも、外部に排出される燃料ガスの濃度は、希釈器に導入する酸化剤ガス量を徐々に増加させることで、所定濃度以下に抑えることが可能になる。

本発明によれば、燃料ガスのパージ量を増加させることができる燃料電池システムを提供できる。

第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 （ａ）は、第１実施形態の燃料電池システムに用いられる希釈器の内部構造を示す断面図、（ｂ）は希釈器の変形例を示す断面図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおける起動時のパージ制御を示すフローチャートである。 発電停止時間と所定時間との関係を示すグラフである。 （ａ）は発電停止時間と起動パージ量の関係を示すグラフ、（ｂ）は発電停止時間と排出水素濃度の関係を示すグラフである。 水素濃度ピーク値と所定値との関係を示すグラフである。 （ａ）は本発明制御におけるタイムチャート、（ｂ）は従来制御におけるタイムチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第２実施形態の燃料電池システムにおけるセル電圧低下時のパージ制御を示すフローチャートである。

以下、本実施形態の燃料電池システム１Ａ，１Ｂについて図面を参照して説明する。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム１Ａ，１Ｂを燃料電池自動車などの車両に適用した場合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、または家庭用や業務用の定置式のものなど様々なものに適用できる。

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

燃料電池１０は、例えば固体高分子型の燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。

ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノードおよびカソード等で挟持した構造を有している。アノードに対向するセパレータには、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路１１、カソードに対向するセパレータには、空気（酸化剤ガス）が通流するカソード流路１２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を冷却する冷媒が通流する冷媒流路が形成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒の作用によって、燃料電池１０が発電可能な状態となる。

また、燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって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。なお、外部負荷とは、走行用のモータ（不図示）、バッテリやキャパシタなどの充放電可能な蓄電装置（不図示）、後記するエアコンプレッサ３１などである。

アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排する系であり、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、配管ａ１〜ａ６などで構成されている。

水素タンク２１は、高純度の水素を高圧で圧縮した容器であり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁２２と接続されている。遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ２を介して下流側のエゼクタ２３と接続されている。

エゼクタ２３は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を吸引してアノードに戻して再循環させるポンプの一種であり、配管ａ３を介してアノード流路１１の入口と接続されている。また、エゼクタ２３の戻りポートは、配管ａ４を介してアノード流路１１の出口と接続されている。なお、本実施形態では、配管ａ３，ａ４によって水素循環路（燃料ガス循環路）が構成されている。

パージ弁２４は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ５を介して配管ａ４と接続され、配管ａ６を介して後記する希釈器４１と接続されている。このパージ弁２４は、燃料電池システム１の起動時に開弁して、アノード流路１１を含む水素循環路内の不純物を水素に置換し、また、発電中において定期的または不定期（セル電圧の低下）に応じて開弁して、アノード流路１１を含む水素循環路内の水素濃度を高めるようになっている。

カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気を給排する系であり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、配管ｃ１〜ｃ４などで構成されている。

エアコンプレッサ３１は、例えばモータ（不図示）で駆動される機械式の過給器であり、配管ｃ１、加湿器３２、配管ｃ２を介してカソード流路１２の入口と接続されている。エアコンプレッサ３１から取り込まれた外気（空気）は、圧縮されてカソードに供給されるようになっている。

加湿器３２は、エアコンプレッサ３１からの低湿潤なエア（酸化剤ガス）を、カソード流路１２の出口から配管ｃ３を介して導入された高湿潤なエアオフガス（酸化剤オフガス）によって、燃料電池１０での発電に適した湿度に電解質膜を加湿するようになっている。また、加湿器３２のエアオフガスの出口は、配管ｃ４を介して後記する希釈器４１と接続されている。

なお、図示省略しているが、配管ｃ４には、燃料電池１０のカソードの圧力を制御する背圧弁（例えば、バタフライ弁）が設けられている。また、本実施形態では、配管ｃ３，ｃ４によって酸化剤オフガス配管が構成されている。また、本実施形態では、配管ａ５，ａ６、パージ弁２４および後記するＥＣＵ５１によってパージ制御手段が構成されている。

希釈系４０は、燃料電池１０のアノード流路１１を含む水素循環路から排出された水素を希釈して車外（外部）に排出する系であり、希釈器４１、希釈エア導入配管ｄ１，ｄ２、希釈流量調整弁４２などで構成されている。

希釈器４１は、水素循環路からパージ弁２４を介して排出された水素オフガス（燃料オフガス）を滞留させる滞留空間を有している。希釈器４１の詳細な内部構造については、後記する図２を参照して説明する。

希釈流量調整弁４２は、例えば開度調整が可能な弁で構成され、その上流側が配管ｄ１を介してカソード系３０の配管ｃ１と接続され、その下流側が配管ｄ２を介して希釈器４１と接続されている。なお、本実施形態では、希釈エア導入配管ｄ１，ｄ２、希釈流量調整弁４２および後記するＥＣＵ５１によって希釈流量制御手段が構成されている。

制御系５０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５１、タイマ５２、温度センサ５３、圧力センサ５４などで構成されている。

ＥＣＵ５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、遮断弁２２およびパージ弁２４を開閉し、希釈流量調整弁４２の開度を調整し、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を調整するようになっている。

タイマ５２は、燃料電池システム１Ａを搭載した車両のイグニッションスイッチがオフにされてからオンにされるまでの時間（発電停止時間）の計測、また後記する起動パージにおける所定時間Ｔ１の計測などに利用される。

温度センサ５３は、水素循環路の温度を検出して、検出された温度が、ＥＣＵ５１によって起動時のパージ実行量の算出に利用される。圧力センサ５４は、水素循環路の圧力を検出して、検出された圧力が、ＥＣＵ５１によって起動時のパージ実行量の算出に利用される。

図２（ａ）に示すように、希釈器４１は、水素オフガスが滞留する箱型の滞留空間Ｓを有するケース４１ａを備え、このケース４１ａ内の滞留空間Ｓに、複数の仕切板４１ｂによって上下方向に向かって流れる蛇行路が形成されるように構成されている。また、希釈器４１の下部には、カソード側の配管ｃ４がケース４１ａ内を水平方向に貫通するように配置されており、ケース４１ａ内に位置する配管ｃ４に、水素オフガスをエアオフガスと合流させるための合流孔Ｈが複数個形成されている。また、ケース４１ａの最上部には、水素オフガスが導入される配管ａ６と、希釈エアが導入される希釈エア導入配管ｄ２とが互いに近傍の位置となるように接続されている。

この希釈器４１における水素の希釈原理について説明すると、ＥＣＵ５１によってパージ弁２４が開弁され、水素循環路から配管ａ５，ａ６を介してパージされた水素オフガスは、希釈器４１の滞留空間Ｓの上流部分に排出され、滞留空間Ｓに滞留する。そして、希釈エア導入配管ｄ１，ｄ２を介して希釈エア（希釈用エア、押出し用エア）が希釈器４１の滞留空間Ｓの上流部分に導入されると、水素オフガスが希釈エアによって押されながら、配管ｃ４に形成された合流孔Ｈ（合流部）まで運ばれる。そして、希釈エアによって運ばれた水素オフガスが配管ｃ４内を通るエアオフガスと合流して混ざり、水素が希釈された後に車外（外部）へと排出される。

また、希釈器４１から車外に排出される水素濃度は、配管ｃ４を通るエアオフガス量と、合流孔Ｈから配管ｃ４内に押し出された水素の割合で決めることができる。なお、合流孔Ｈから配管ｃ４内に押し出される水素量は、希釈器４１内の滞留空間Ｓの水素濃度と配管ｄ２から導入される希釈エア量で決めることができ、エアオフガス量をＱとし、希釈エア量をｑとすると、次式によって表すことができる。
車外に排出される水素濃度＝ｑ×希釈器４１内の水素濃度（合流部付近）／（ｑ＋Ｑ）
この式より、希釈流量調整弁４２が閉弁されて希釈エアが希釈器４１に導入されない場合には、ｑ＝０となるので、水素濃度は０（ゼロ）となり、希釈器４１からは水素が出ていかないことになる。つまり、希釈器４１は、水素オフガスを導入してパージを実行したとしても、希釈エアの導入を一時的に止めて、希釈室４１内に一時的に水素オフガス（水素）を溜め込むことで、多量のパージを実施できるように構成されている。

なお、希釈器４１の構成としては、図２（ａ）に示すものに限定されず、図２（ｂ）に示す希釈器４１Ａであってもよい。この希釈器４１Ａは、希釈器４１のケース４１ｃの滞留空間Ｓと、配管ｃ４内のエアオフガスの流路とが合流配管（合流部）４１ｄを介して接続された構造を有している。したがって、この場合も、希釈エアの導入を一時的に止めることで、希釈室４１内（滞留空間Ｓ）に多量の水素を溜め込むことができるようになっている。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの起動時の動作について図３ないし図７を参照して説明する。燃料電池システム１Ａでは、発電停止時（ＩＧ−ＯＦＦ時）における、いわゆるクロスリークによって、カソード側のエア（空気）に含まれる窒素が電解質膜を介してアノードに透過し、またアノード側の水素が電解質膜を介してカソード側に透過することで、アノード側の水素濃度が低下する。このため、燃料電池システム１Ａの起動時にアノード側に残留する窒素などの不純物を水素に置換する処理（起動パージ）が必要になる。なお、燃料電池システム１Ａを起動する（ＩＧ−ＯＮ）前においては、遮断弁２２、パージ弁２４および希釈流量調整弁４２がすべて閉じられ、エアコンプレッサ３１が停止している。

この状態において、運転者によってイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）にされると、オン信号を検知したＥＣＵ５１は、ステップＳ１において、目標エア流量に基づいて目標希釈流量を算出する。目標エア流量は、燃料電池１０のカソードに供給される発電に必要なエア流量であり、目標エア流量が多くなるにつれて、目標希釈流量が多くなるように設定される。なお、起動パージ時における目標エア流量は、予め決められた目標エア流量が設定される。起動時の目標エア流量は、例えば、外気温度、燃料電池１０の温度などに基づいて設定し、外気温度が低い場合には、高い場合よりも多くなるように設定してもよい。

そして、ステップＳ２において、ＥＣＵ５１は、タイマ５２によって測定された発電停止時間から所定時間Ｔ１および起動パージ量を算出する。発電停止時間とは、イグニッションスイッチをオフにしてからオンにするまでの間の時間である。

所定時間Ｔ１は、パージ弁２４を開弁してパージを開始した時からの経過時間であり、図４に示すように、発電停止時間が長くなるにしたがって所定時間Ｔ１が長くなるように設定される。これは、発電停止時間が長くなるにつれて、アノード側に残留する水素が電解質膜を介してカソード側に透過するなどして、アノード流路１１を含む水素循環路内の水素濃度が低下するからである。したがって、パージ弁２４を開弁してパージを開始した際に、同時に希釈エアを希釈器４１に導入したとしても、水素循環路内の水素濃度が低い状態であれば、車外に高濃度の水素が排出されることがない。

起動パージ量は、図５（ｂ）に示すように、どのような発電停止時間であっても、排出水素濃度が略一定の濃度となるように設定される。排出水素濃度とは、配管ｃ４の合流孔Ｈより下流側の希釈器４１の出口における濃度である。なお、発電停止時間が長くなることによりアノード側の窒素濃度が増加するが、起動パージ量を増加させることで（図５（ａ）参照）、排出水素濃度が略一定の濃度となるように設定される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３に進み、遮断弁２２を開弁することにより、水素タンク２１からアノードへの水素の供給が開始され、エアコンプレッサ３１の駆動が開始されることにより、カソードへの空気（酸素）の供給が開始される。また、希釈流量調整弁４２の開度を、目標希釈流量となるように設定する。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ４に進み、起動パージ積算量が、起動パージ量以上であるか否かを判断する。ＥＣＵ５１は、起動パージ積算量が起動パージ量以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５に進み、パージ弁２４を開く。これにより、アノード側の窒素などの不純物がパージ弁２４を介して希釈器４１に排出される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ６に進み、圧力センサ５４によって検出された水素循環路内のアノード圧力と、温度センサ５３によって検出された水素循環路内の温度とに基づいて、実際にパージした起動パージ実行量を算出する。ちなみに、アノード圧力が高くなるにつれて、また温度が高くなるにつれて、起動パージ実行量が多くなるように判断される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ７に進み、今回の起動パージ実行量に、前回の起動パージ積算量を加算して、これを新たな起動パージ積算量として設定する。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ８に進み、起動パージ開始からの経過時間が所定時間Ｔ１以上であるか否かを判断する。ＥＣＵ５１は、ステップＳ８において、パージ開始からの経過時間が所定時間Ｔ１以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ９に進み、希釈流量をステップＳ１で算出した目標希釈流量に設定する。よって、希釈流量調整弁４２の開度を維持したまま、希釈器４１に目標希釈流量の希釈エアを供給する。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１１に進み、前回設定した希釈流量を、今回の希釈流量に置き換え、ステップＳ４に戻る。

また、ＥＣＵ５１は、ステップＳ８において、起動パージ開始からの経過時間が所定時間Ｔ１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に進み、希釈流量を最少に設定する。すなわち、希釈流量調整弁４２の開度を絞って希釈流量を最小（所定量）にする。なお、この最小の希釈流量とは、希釈器４１の出口の排出水素濃度が所定濃度（規定濃度）を超えない流量である。また、希釈流量を最小に設定することに限定されるものではなく、希釈流量調整弁４２を全閉にして、希釈流量をゼロ（所定量）に設定してもよい。

このように、起動パージ積算量が起動パージ量以上ではなく（Ｓ４、Ｎｏ）、起動パージ開始から所定時間Ｔ１が経過していない場合には（Ｓ８、Ｎｏ）、ステップＳ４〜Ｓ９，Ｓ１１の処理が繰り返され、目標希釈流量の希釈エアが希釈器４１に導入され続ける。その後、起動パージ開始から所定時間Ｔ１が経過した場合には（Ｓ８、Ｙｅｓ）、ステップＳ４〜Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１１の処理が繰り返され、起動パージ積算量が起動パージ量以上となるまで、希釈エアの希釈流量が最小に設定されたままとなる。

また、ＥＣＵ５１は、ステップＳ４において、起動パージ積算量が起動パージ量以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、起動パージが完了したと判断して、ステップＳ１２に進み、パージ弁２４を閉弁する。パージ弁２４が閉じられることにより、希釈器４１への水素オフガスの排出が停止される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１３に進み、現在設定されている希釈流量が、ステップＳ１で算出された目標希釈流量以上であるか否かを判断し、希釈流量が目標希釈流量以上でないと判断した場合には（Ｓ１３、Ｎｏ）、ステップＳ１４に進む。なお、パージ弁２４を閉じた直後は、ステップＳ１０において希釈流量が最小（ゼロ）に設定されているので、ステップＳ１３ではＮｏに進み、ステップＳ１４において、直前に設定されていた希釈流量（前回値、Ｌ／ｓｅｃ）に所定値（Ｌ／ｓｅｃ）を加算した希釈流量を新たな希釈流量（Ｌ／ｓｅｃ）として、希釈流量調整弁４２の開度を拡大する。なお、流量は、体積流量（Ｌ／ｓｅｃ）に限定されず、質量流量（ｇ／ｓｅｃ）であってもよい。

なお、ステップＳ１４での所定値は、図６に示すマップに基づいて予め設定されている。図６に示すマップは、水素濃度ピーク値と所定値（加算分）との関係を示すものであり、実線で示す水素濃度ピーク値特性に対して破線で示す水素濃度基準（所定濃度）以下となるように所定値が設定される。なお、図６では、水素濃度ピーク値特性（グラフ）が水素濃度基準と交わる位置を所定値ｅとした場合を示している。また、所定値は、希釈器４１への水素投入量とエアオフガス量に応じて可変にすることができる。ただし、起動パージでは、目標エア流量が一定で、かつ、発電停止時間に関わらず希釈器４１に投入される水素量も一定であるので、所定値は一定になる。

このように、希釈エアの希釈流量を所定値ずつ（少しずつ）増加させることにより、希釈器４１内に多量の水素が溜め込まれていたとしても、希釈器４１内の水素オフガスが少しずつ配管ｃ４に合流孔Ｈ（図２参照）を介して押し出されるので、水素オフガスの水素濃度はエアオフガス（酸化剤オフガス）により十分に希釈された後に車外に排出されることになる。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１５に進み、前回の希釈流量をステップＳ１４で設定した今回の希釈流量に置き換える。そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１３に戻り、再び、希釈流量が目標希釈流量以上であるか否かを判断する。このように、所定値ずつ加算した希釈流量が目標希釈流量以上となるまで、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理が繰り返される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１３において、希釈流量が目標希釈流量以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、図３に示す一連の処理を終了する。

さらに、図７のタイムチャートを参照しながら説明するが、図７（ａ）は本発明における制御の一例であり、（ｂ）は従来における制御（比較例）である。図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、ＩＧ−ＯＮされると、希釈流量調整弁４２を開弁し、目標希釈流量となるように、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を制御して、希釈器４１に目標希釈流量のエアを導入する（Ｓ３）。また、遮断弁２２が開弁され、水素タンク２１からアノードに水素の供給が開始される（Ｓ３）。

また、時刻ｔ１において、パージ弁２４が開弁され、起動パージが実行（開始）される。なお、ここでの起動直後は、起動パージ積算量が起動パージ量以上ではない場合であるので（Ｓ４，Ｎｏ）、パージ弁２４が開弁される（Ｓ５）。そして、起動パージ積算量が起動パージ量以上となるまで起動パージが実行される（Ｓ４〜Ｓ７）。起動パージが行われることによって、アノード系２０内の不純物（窒素など）がパージ弁２４を介して希釈器４１に排出され、アノード系２０内の不純物が水素に置換される。

そして、起動パージ開始（パージ弁２４の開弁時）から所定時間Ｔ１が経過するまでは（Ｓ８、Ｎｏ）、目標希釈流量の希釈エアを希釈器４１に導入し続け、時刻ｔ２において、所定時間Ｔ１が経過した場合には（Ｓ８、Ｙｅｓ）、希釈流量調整弁４２を全閉にして、配管ｄ１，ｄ２から希釈器４１に導入される希釈エアの導入量をゼロとする。ちなみに、発電停止時間が長く、アノード系２０内に残留している水素量が少ない場合には、図７（ａ）に示すように起動パージ開始時に希釈流量調整弁４２を開弁して、希釈器４１に希釈エアを導入したとしても、希釈器４１から車外に所定濃度を超えるような水素が排出されることはない。なお、図７（ａ）では、起動パージ開始時に、希釈流量調整弁４２を開弁させているが、起動パージ開始時に、希釈流量調整弁４２を開弁しないように制御してもよい。

そして、時刻ｔ４において、起動パージ積算量が起動パージ量以上となった場合には（Ｓ４、Ｙｅｓ）、起動パージが完了したとしてパージ弁２４が閉じられる（Ｓ１２）。パージ弁２４を閉じた後（時刻ｔ４）、希釈流量が目標希釈流量以上（時刻ｔ５）となるまで希釈流量に所定値ずつ加算しながら希釈流量を増加させる（Ｓ１３〜Ｓ１５）。すなわち、希釈流量調整弁４２の開度を拡大して、所定値ずつ（少量ずつ）希釈流量を増加していく。このように、所定値ずつ増加させながら希釈エアを希釈器４１に導入することにより、起動パージによって希釈器４１内に溜められた水素が、希釈器４１から少しずつ合流孔Ｈから配管ｃ４内に押し出されて十分に希釈されるので、所定濃度を超える水素が車外に排出されることはない。

これに対して、図７（ｂ）に示すように、起動パージ開始から希釈エアを常時希釈器４１に導入する従来制御（比較例）では、起動パージ時によって水素が希釈器４１に排出されているときにも希釈エアが導入されるので、希釈器４１に多量の水素を溜め込むことができず、時刻ｔ４よりも短い時刻ｔ３において、パージ弁２４を閉じる必要が出てくる。このように、本発明制御では、従来制御に比べて、起動パージを時間Ｔ２分延長することができ、希釈器４１内に溜め込むことのできる水素を増加することができる。なお、時間Ｔ２は、起動パージ時の水素の流速（勢い）によって希釈器４１から水素が出て行かない時間に設定してもよく、または、仮に水素が希釈器４１から出て行ったとしても所定濃度を超える水素が排出されない範囲において設定してもよい。

以上説明したように、第１実施形態の燃料電池システムでは、パージ弁２４を開弁して水素オフガス（燃料オフガス）を水素循環路（燃料ガス循環路）から希釈器４１に導入する際に、希釈流量調整弁４２を、希釈器４１に導入される希釈エア量（酸化剤ガス量）がゼロとなる（または所定量まで低減する）ように制御することにより、水素が希釈器４１から配管ｃ４の合流孔Ｈを介して排出されるのを防止する（または抑える）ことができるので、希釈器４１に導入される水素オフガスの導入量（起動パージ量）を従来よりも増加させることが可能になる。さらに、希釈器４１に導入された水素オフガスを、希釈流量制御弁４２を制御して希釈エア（酸化剤ガス）を徐々に（所定値ずつ）増加させながら希釈器４１に導入することで、水素オフガスが希釈エアによって少しずつ押し出され、配管ｃ４を通るエアオフガスに少しずつ合流するので、水素を十分に希釈した後に、燃料電池システム１Ａの外部（車外）に排出することが可能になる。

また、第１実施形態では、発電停止時間が長くなることにより燃料電池１０内の不純物（窒素など）が多くなるので（その分、水素が少なくなるが）、起動パージ（燃料電池１０の起動時におけるパージ）を行う場合、発電停止時間に基づいて発電停止時間が長ければ長いほど、起動パージ量（パージ開始からパージ完了まで）を増加させることで（図５（ａ）参照）、不純物を早くに排出することができ、燃料電池１０のアノード系２０内を新しい水素により早く置換することができる。ただし、起動パージ量を増やしたとしても、希釈器４１に導入する希釈エア量を徐々に増加させているので、車外（外部）に排出される水素濃度を所定濃度以下に抑えることができる。

このように、第１実施形態では、前記したように、希釈器４１内に一時的に従来よりも多量の水素を溜め込むことができるので、燃料電池システム１Ａの起動時において、発電安定性を確保できるパージが可能となり、起動時の安定性が向上し、また商品性も向上できる。しかも、起動パージ時に、エアを増量する必要がないので、エアオフガスを増やすために、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を上げる必要がなくなり、振動および騒音、燃費の向上を図ることが可能になる。さらに、希釈器４１内の容量を拡大することなく多量のパージが可能となるので、燃料電池システム１Ａをコンパクトに構成できる。

（第２実施形態）
図８は第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図であり、図９は第２実施形態の燃料電池システムにおけるセル電圧低下時のパージ制御を示すフローチャートである。なお、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、燃料電池システム１Ａに設けられていたタイマ５２、温度センサ５３および圧力センサ５４に替えて、セル電圧（セルＶ）センサ５５とした構成である。その他の構成は同一の符号を付して重複した説明を省略する。

燃料電池システム１Ｂに設けられたセル電圧センサ５５は、セル電圧が低下したか否か、つまりアノード流路１１を含む水素循環路内の水素濃度が低下するか否かを判断するセンサであり、燃料電池１０を構成するすべての単セルの起電力を測定するように構成されている。なお、セル電圧が低下したかどうかは、例えば、全セル電圧のうちので最も低い電圧値（最低セル電圧）が所定電圧以下に低下している場合にセル電圧が低下していると判断できる。なお、最低セル電圧によって判断するものに限定されず、燃料電池１０の総電圧が所定電圧以下に低下している場合、燃料電池１０の最低セル電圧と平均セル電圧との電圧差が所定電圧以上の場合、燃料電池１０の最低セル電圧と最高セル電圧との電圧差が所定電圧以上の場合のいずれか一つに該当する場合などで判断してもよい。平均セル電圧とは、各単セルの電圧値の和を全単セルの枚数で除した電圧値であり、最高セル電圧とは、燃料電池１０を構成する複数の単セルのうち最も高い電圧値である。また、各条件の所定電圧については、適宜実験などに基づいて決定される。

ところで、燃料電池１０において発電が行われると、燃料電池１０から電気が取り出されるとともにカソード側で水が生成され、このカソード側の水が電解質膜を介してアノードに透過する。アノード側は水素循環路を構成していることにより、燃料電池１０の発電が継続されると、生成水が増加して水素循環路内に蓄積し、いわゆるフラッディングによって、アノード（電極）への水素の供給が阻害され、発電性能が低下することがある。このため、セルＶセンサ５５の検出値に基づいて発電性能が低下したと判断した場合には、パージ弁２４を開弁して、生成水とともに水素オフガスを希釈器４１に排出して、水素タンク２１から新たな水素を燃料電池１０に供給する処理が実行される。

そこで、図９に示すように、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３１において、発電時における目標エア流量によって目標希釈流量を算出する。なお、ここでの目標エア流量は、燃料電池１０の発電量に応じて設定され、例えば、発電量が高いときには、目標エア流量を増加させることで目標希釈流量が増加し、目標エア流量を減少させることで目標希釈流量が減少する。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３２に進み、セルＶの低下が発生したかどうか（セルＶパージが必要かどうか）を判断する。ＥＣＵ５１は、セルＶの低下が発生していないと判断した場合には（Ｓ３２、Ｎｏ）、ステップＳ３３に進み、希釈流量がステップＳ３１で算出した目標希釈流量となるように配管ｃ４を介して希釈エアを希釈器４１に導入する。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３７に進み、前回設定された希釈流量を、今回設定された希釈流量に置き換えて、リターンする。

また、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３２において、セルＶの低下が発生したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３４に進み、パージ弁２４を開弁して、セルＶパージを開始する。これにより、水素循環路内の不純物（生成水など）が水素オフガスとともにパージ弁２４を介して希釈器４１に排出される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３５に進み、セルＶパージが完了したか否かを判断し、セルＶパージが完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３６に進み、希釈流量を最小（またはゼロ）に設定する。ステップＳ３６では、ステップＳ１０と同様にして、ＥＣＵ５１によって、希釈エアの希釈器４１への導入量が最小またはゼロに設定される。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３７に進み、前回の希釈流量を、ステップＳ３６で設定した希釈流量（今回値）に置き換えて、リターンする。

また、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３５において、セルＶパージが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３８に進み、パージ弁２４を閉弁する。セルＶパージが完了したかどうかは、セルＶセンサ５５に基づいて得られた電圧値（例えば、最低セル電圧が所定電圧を超えたとき）によって判断することができる。これにより、希釈器４１内は、水素（水素オフガス）が多量に溜められた状態であるが、希釈流量が最小（またはゼロ）となるように希釈流量調整弁４２が制御されているので、所定濃度を超える水素が車外に排出されることがない。

そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ３９に進み、希釈流量が直前に設定された目標希釈流量以上であるか否かを判断し、希釈流量が目標希釈流量以上でない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４０に進み、前回設定された希釈流量に所定値を加算したものを新たな希釈流量に設定して、新たな希釈流量の希釈エア（希釈用エア）を希釈器４１に導入する。そして、ＥＣＵ５１は、ステップＳ４１に進み、前回設定された希釈流量を今回設定された希釈流量に置き換える。このようにして、希釈流量が目標希釈流量以上となるまで（Ｓ３９、Ｙｅｓ）、ステップＳ３９〜Ｓ４１の処理が繰り返される。

以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂでは、セルＶパージ時に、希釈器４１に導入される希釈エア量（酸化剤ガス量）がゼロとなる（または所定量まで低減する）ように制御することにより、水素が希釈器４１から配管ｃ４の合流孔Ｈを介して排出されるのを防止する（または抑える）ことができ、希釈器４１に導入される水素オフガスの導入量（セルＶパージ量）を従来よりも増加させることが可能になる。さらに、希釈器４１に導入された水素オフガスを、希釈流量制御弁４２を制御して希釈エア（酸化剤ガス）を徐々に（所定値ずつ）増加させながら希釈器４１に導入することで、水素オフガスが希釈エアによって少しずつ押し出され、配管ｃ４を通るエアオフガスに少しずつ合流するので、水素を十分に希釈した後に、燃料電池システム１Ａの外部（車外）に排出することができる。

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２４ パージ弁（パージ制御手段）
４１ 希釈器
４２ 希釈流量調整弁（希釈流量制御手段）
５１ ＥＣＵ（パージ制御手段、希釈流量制御手段）
５２ タイマ（発電停止時間測定手段）
５５ セル電圧センサ
ａ５，ａ６ 水素オフガス配管（パージ制御手段）
ｃ３，ｃ４ エアオフガス配管（酸化剤オフガス配管）
ｄ１，ｄ２ 希釈エア導入配管（希釈流量制御手段）

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスを希釈器に導入するパージ制御手段と、
   前記希釈器に対して酸化剤ガス量を調整可能に導入して前記希釈器内の前記燃料オフガスを希釈する希釈流量制御手段と、
   前記希釈器に前記燃料電池からの酸化剤オフガスを導入し、外部に排出する酸化剤オフガス配管と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記パージ制御手段によるパージ開始からパージ完了までの期間中に、前記希釈流量制御手段により前記希釈器に導入する酸化剤ガス量を予め定められる所定量まで低減し、前記パージ制御手段によるパージ完了後は、前記希釈流量制御手段により前記希釈器に導入する酸化剤ガス量を徐々に増加させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤ガス量を徐々に増加させる加算分として設定される所定値は、前記希釈器内の燃料ガスが外部に排出される際の燃料ガス濃度ピーク値が所定濃度以下となるように設定され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. 前記燃料電池システムの発電停止時間を測定する発電停止時間測定手段を備え、
   前記燃料電池の起動時におけるパージを前記パージ制御手段が行う場合には、
   前記発電停止時間測定手段により測定された発電停止時間に基づいて発電停止時間が長ければ長いほど、前記パージ開始からパージ完了までの燃料オフガス量が多くなるようにパージ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。

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