JP2019114352A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、気液分離器３８と、循環流路４２と、接続流路５６と、分配流路６０とを有する。気液分離器３８は、燃料排ガス流路２２を介して流入した燃料排ガスを気体と液体とに分離する。循環流路４２は、気液分離器３８の気体排出口４０と燃料ガス供給流路１８とを連通する。接続流路５６は、気液分離器３８の液体排出口５４と酸化剤ガス供給流路２６とを排水弁５８を介して連通する。分配流路６０は、燃料ガス供給流路１８の循環流路４２との接続部４４よりも下流側又は循環流路４２と、接続流路５６の排水弁５８の下流側とを開閉弁６２を介して連通する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のアノード電極及びカソード電極に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システム及びその制御方法に関する。

例えば、固体高分子型の燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）を構成する。通常、所望の発電力を得るために必要な個数の発電セルを積層し、スタックとした状態で、例えば、燃料電池車両等に組み込まれる。

この種の燃料電池は、例えば、約７０〜１００℃が発電に最適な動作温度域とされているが、特に、車載等の用途では、氷点下等の寒冷環境で起動することも想定される。この場合、低温である分、燃料電池での発電反応の速度が小さくなるため、該発電反応による加熱のみでは、燃料電池が最適な動作温度域に達するまでに長時間を要してしまうことがある。そこで、氷点下等で起動する場合であっても燃料電池を上記の動作温度域まで迅速に暖機するべく、例えば、特許文献１の燃料電池システムの低温起動方法が提案されている。この方法では、カソード電極に酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス供給装置から燃料ガスを供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせている。

特開２００１−１８９１６４号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、燃料排ガスが流入する気液分離器の液体排出口から排水弁を介して排出される排出流体を有効に利用して燃料電池を迅速に暖機することができ、しかも、排水弁が凍結していた場合であっても、排水弁の凍結を効果的に解消しつつ、燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、前記アノード電極から排出された燃料排ガスを流通させる燃料排ガス流路と、前記燃料排ガス流路を介して前記燃料排ガスが流入し、該燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、前記気液分離器の気体排出口と前記燃料ガス供給流路とを連通する循環流路と、前記気液分離器の液体排出口を、排水弁を介して前記酸化剤ガス供給流路に連通する接続流路と、前記燃料ガス供給流路の前記循環流路との接続部よりも下流側又は前記循環流路と前記接続流路の前記排水弁の下流側とを連通する分配流路と、前記分配流路を開閉可能な開閉弁と、を備えることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、アノード電極に燃料ガスを供給し且つカソード電極に酸化剤ガスを供給することで電気化学反応（発電反応）が生じる。この発電反応の熱により、燃料電池のアノード電極から燃料排ガス流路に排出される燃料排ガスも加熱されている。

また、燃料排ガスは、上記の発電反応で消費されなかった燃料ガスの未消費分（以下、単に未消費分ともいう）と、余剰の水等を含む。このため、燃料排ガスを、燃料排ガス流路を介して気液分離器に流入させることで、液体の水が分離され且つ未消費分を含む排出ガスが気体排出口から循環流路に排出される。循環流路は、接続部を介して燃料ガス供給流路と接続されている。従って、循環流路及び燃料ガス供給流路を介してアノード電極に再び未消費分を供給して発電反応に利用することができる。ここで、排出ガスは、上記の通り加熱された燃料排ガスが気液分離器を経由して得られるものであるため、燃料排ガスと同様に加熱されている。

一方、気液分離器の液体排出口は、排水弁を介して接続流路に接続されているため、排水弁を開弁することで、該液体排出口から接続流路に、液体の水と未消費分を含む排出流体が排出される。このように、接続流路を介して、排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガス供給流路に流入させることで、該未消費分を酸化剤ガスとともにカソード電極に供給することができる。これによって、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。

従って、上記の発電反応の熱に加えて、カソード触媒での発熱反応の熱によっても燃料電池を加熱できるため、燃料電池を迅速に暖機することが可能になる。また、通常であれば、大気等に放出される排出流体に含まれる未消費分を有効に利用することができるため、燃料電池システムに供給された燃料ガスの利用効率を向上させることができる。この場合、排出流体に含まれる未消費分を、大気等に放出する前に希釈するための設備等を不要とすることも可能になる。

ところで、燃料電池を氷点下の寒冷環境で起動する場合、排水弁に付着した液体が凍結し、開弁指示を行っても排水弁が開弁しないことが考えられる。このように、排水弁が凍結していることで、排出流体に含まれる未消費分をカソード電極に供給できない場合であっても、排水弁の凍結を効果的に解消しつつ、燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能である。

すなわち、この燃料電池システムでは、開閉弁を開弁することにより分配流路を介して、燃料ガス供給流路の接続部よりも下流側又は循環流路と、接続流路の排水弁の下流側とを連通することができる。これによって、燃料ガス供給流路に供給された燃料ガスと排出ガスとの混合ガス又は排出ガスそのものを接続流路の排水弁の下流側に流通させることができる。

このため、排出流体に代えて、混合ガス又は排出ガスに含まれる燃料ガスを、酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。また、上記の通り加熱された排出ガスを含む混合ガス又は排出ガスそのものが、接続流路の排水弁近傍に供給されるため、該混合ガス又排出ガスの熱によって排水弁を加熱することができる。なお、気液分離器に流入した燃料排ガスの熱によっても排水弁を加熱することができる。

その結果、この燃料電池システムによれば、排水弁が凍結していた場合であっても、排水弁の凍結を効果的に解消しつつ、燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能である。

上記の燃料電池システムにおいて、前記接続部には、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガスと、前記気体排出口から前記循環流路に排出された排出ガスとを混合するエジェクタが設けられ、前記エジェクタには、電磁弁を介して前記燃料ガスが供給され、前記分配流路は、前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも下流側と、前記接続流路の前記排水弁の下流側とを連通することが好ましい。

この場合、開閉弁を開弁すると、分配流路を介してエジェクタの下流側の混合ガスが、接続流路の排水弁の下流側に流通するため、エジェクタの上流側に設けられた電磁弁は、該エジェクタに噴射する燃料ガスの流量を増大させることになる。これによって、エジェクタによる排出ガスの吸引力が増大するため、燃料ガス供給流路のエジェクタの下流側と、燃料排ガス流路と、循環流路とを循環するガスの循環効率を、ポンプ等を用いることなく向上させることができる。その結果、簡素な構成で発電反応を促進して、燃料電池の暖機を迅速に行うことが可能になる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの温度を検出可能な温度センサと、前記燃料電池の暖機開始時に、前記温度センサの検出結果が、予め設定した排水弁加熱優先温度以下である場合、前記開閉弁及び前記排水弁の両方に開弁指示を行う制御部と、をさらに備え、前記排水弁は、通電によって開閉することが好ましい。例えば、温度センサの検出結果が、０℃を大きく下回ることで排水弁の凍結度合いが大きいと判断される排水弁加熱優先温度以下である場合に、開閉弁及び排水弁の両方に開弁指示を行う。

この場合、排水弁に開弁指示を行っても、開弁しない可能性が高い。しかしながら、開閉弁を開弁し、接続流路の排水弁の下流側に混合ガスを流通させることで、混合ガスの熱によって排水弁を加熱しつつ、混合ガスに含まれる燃料ガスをカソード電極に供給して発熱反応を生じさせることができる。この際、排水弁にも開弁指示を行っているため、通電による発熱を生じさせて該排水弁を加熱することができる。従って、排水弁を優先的に加熱して、該排水弁の凍結を効果的に解消することが可能になる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記暖機開始時に、前記温度センサの検出結果が前記排水弁加熱優先温度より大きい場合、前記開閉弁のみに開弁指示を行ない、前記温度センサの検出結果が、予め設定した排水弁解氷温度以上になったことが検出されてから前記排水弁に開弁指示を行うことが好ましい。例えば、温度センサの検出結果が、排水弁加熱優先温度より大きく、排水弁の凍結度合いが小さいと判断される場合、先ず、開閉弁のみに開弁指示を行う。

これによって、液体排出口から排出される排出流体に比して、水の含有量が少なく燃料ガスの濃度が大きい混合ガスのみを、分配流路を介して酸化剤ガス供給流路に流通させることができる。このため、排水弁を併せて開弁した場合よりも、カソード触媒での発熱反応をより効率的に生じさせることが可能になる。また、排水弁が開弁している場合に比べて、燃料ガス供給流路の接続部よりも下流側と、燃料排ガス流路と、循環流路とを循環するガスの圧力を高めることができるため、アノード電極に効率的に燃料ガスを供給して発電反応を促進することができる。これらの結果、燃料電池を優先的に加熱することが可能になる。

そして、温度センサの検出結果が、例えば、排水弁が凍結していないと判断される排水弁解氷温度以上となった場合に、排水弁にも開弁指示を行う。これによって、液体排出口から排水弁を介して排出される排出流体を有効に利用して燃料電池を暖機することが可能になる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給流路の前記接続部よりも下流側と、前記燃料排ガス流路と、前記循環流路とを循環するガスの圧力を検出する圧力センサをさらに備え、前記制御部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記排水弁が開弁しているか否かを判定することが好ましい。このように、圧力センサの検出結果に基づくことで、排水弁が実際に開弁しているか否かを容易且つ高精度に判定することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記排水弁及び前記開閉弁のそれぞれに開弁指示を行った後、前記排水弁が開弁していると判定した場合に、前記開閉弁に閉弁指示を行うことが好ましい。このように、排水弁が開弁指示に応じて開弁していることが確認された場合に開閉弁を閉弁することで、液体排出口から排水弁を介して排出される排出流体を有効に利用して燃料電池の迅速な暖機を行うことができる。また、燃料ガスが、カソード電極での発熱反応に消費されることが停止され、発電反応で消費される割合が大きくなる分、発電反応を効率的に生じさせることが可能になる。

また、本発明は、燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、前記アノード電極から排出された燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器の液体排出口から前記液体を含む排出流体を排出するための排水弁が凍結しているか否かを判定する凍結判定工程を有し、前記凍結判定工程で、前記排水弁が凍結していないと判定した場合、前記排水弁を開弁状態に維持して、前記排出流体に含まれる前記燃料ガスの未消費分を前記酸化剤ガスとともに前記カソード電極に供給し、前記凍結判定工程で、前記排水弁が凍結していると判定した場合、前記液体排出口と前記酸化剤ガス供給流路とを前記排水弁を介して連通する接続流路の前記排水弁の下流側に、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガスと前記気液分離器の気体排出口から排出された排出ガスとの混合ガス、又は前記排出ガスを分配する分配流路の開閉弁を開弁状態で維持することを特徴とする。

この燃料電池システムの制御方法では、凍結判定工程において、排水弁が凍結していないと判定した場合、換言すれば、排水弁が開弁指示によって開弁していると判定した場合、気液分離器の液体排出口から排出される排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガスとともにカソード電極に供給する。これによって、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。その結果、発熱反応の熱によっても燃料電池を加熱することが可能になるため、燃料電池を迅速に暖機することができる。また、通常であれば、大気等に放出される排出流体に含まれる未消費分を有効に利用することができるため、燃料電池システムに供給された燃料ガスの利用効率を向上させることができる。

一方、凍結判定工程において、排水弁が凍結していると判定した場合、換言すれば、開弁指示を行った排水弁が開弁していないと判定した場合、排出ガス又は混合ガスに含まれる燃料ガスを、酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。また、上記の発電反応により加熱された排出ガス又は混合ガスが、接続流路の排水弁付近に供給されるため、該排出ガス又は混合ガスの熱によって排水弁を加熱することができる。従って、排水弁が凍結していた場合であっても、排水弁の凍結を効果的に解消しつつ、燃料電池の迅速な暖機を行うことが可能である。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記凍結判定工程の前に、前記燃料電池システムの温度の検出結果に基づき、前記排水弁の加熱と前記燃料電池の加熱との何れを優先するかを選択する選択工程をさらに有することが好ましい。この場合、燃料電池システムの温度、換言すれば、排水弁の凍結度合いに応じて、燃料電池及び排水弁を適切なタイミングで加熱することができるため、一層迅速且つ円滑に燃料電池システムを始動させることが可能になる。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記開閉弁は通電により開閉し、前記選択工程で、前記排水弁の加熱を優先することを選択した場合、前記開閉弁と前記排水弁の両方に開弁指示を行ない、前記燃料電池の加熱を優先することを選択した場合、前記開閉弁のみに開弁指示を行い、前記燃料電池システムの温度が前記排水弁の凍結が解消する温度に達してから前記排水弁に開弁指示を行うことが好ましい。

この場合、排水弁と開閉弁との両方に開弁指示を行うことで、排出ガス又は混合ガスに含まれる燃料ガスをカソード電極に供給して発熱反応を生じさせつつ、排出ガス又は混合ガスの熱によって排水弁を加熱すること、及び排水弁に通電による発熱を生じさせて該排水弁を加熱することが可能になる。これによって、特に、排水弁を優先的に加熱することが可能になる。

一方、開閉弁のみに開弁指示を行った場合、液体排出口から排出される排出流体に比して、液体の水の含有量が少なく燃料ガスの濃度が高い排出ガス又は混合ガスを、分配流路を介して酸化剤ガス供給流路に流通させることができるため、カソード触媒での発熱反応をより効率的に生じさせることが可能になる。また、排水弁が閉弁している分、燃料ガス供給流路と燃料排ガス流路と循環流路とを循環するガスの圧力を上昇させて、発電反応を促進することができる。これらの結果、特に、燃料電池を優先的に加熱することが可能になる。そして、燃料電池システムの温度が、排水弁の凍結が解消する温度に達してから排水弁にも開弁指示を行うことで、液体排出口から排水弁を介して排出される排出流体を有効に利用した燃料電池の暖機が可能になる。

上記の燃料電池システムの制御方法において、前記排水弁及び前記開閉弁のそれぞれに開弁指示を行った状態で前記凍結判定工程を行い、前記排水弁が凍結していないと判定した場合、前記開閉弁に閉弁指示を行うことが好ましい。この場合、燃料ガスが発電反応で消費される割合を大きくして、発電反応を効率的に生じさせることが可能になる。

本発明によれば、燃料排ガスが流入する気液分離器の液体排出口から排水弁を介して排出される排出流体を有効に利用して燃料電池を迅速に暖機することができ、しかも、排水弁が凍結していた場合であっても、排水弁の凍結を効果的に解消しつつ、燃料電池の迅速な暖機を行うことができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態では、図１に示す燃料電池システム１０が、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される場合を例に挙げて説明するが、特にこれには限定されない。例えば、燃料電池システム１０は、燃料電池車両を除く種々の移動体に適用することや、定置型として用いることも可能である。

燃料電池システム１０は、該燃料電池システム１０の制御を行う制御部１２と、不図示の発電セルを複数積層したスタックからなる燃料電池１４を備える。個々の発電セルは、例えば、固体高分子からなる電解質膜と、該電解質膜を挟んで対向するアノード電極及びカソード電極を有する電解質膜・電極構造体が一対のセパレータで挟持されることで構成される。アノード電極に、水素を含む燃料ガスが供給され、且つカソード電極に、酸素を含む酸化剤ガスが供給されることで発電が行われる。なお、発電セルの構成は周知であるため、その図示及び詳細な説明は省略する。

燃料電池１４では、アノード電極の燃料ガス供給口１６に、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路１８が接続され、アノード電極の燃料排ガス排出口２０に、燃料排ガスを排出するための燃料排ガス流路２２が接続されている。また、カソード電極の酸化剤ガス供給口２４に、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路２６が接続され、カソード電極の酸化剤排ガス排出口２８に、酸化剤排ガスを排出するための酸化剤排ガス流路３０が接続されている。

酸化剤ガス供給流路２６には、その上流側から順に、エアポンプ３２と、加湿器３４とが設けられる。エアポンプ３２を駆動することによって、大気から酸化剤ガス供給流路２６に酸化剤ガスとして空気が取り込まれる。この空気は、エアポンプ３２で圧縮されてから、加湿器３４へ供給される。加湿器３４は、酸化剤ガス供給流路２６内の酸化剤ガスと、酸化剤排ガス流路３０内の酸化剤排ガスとを水分交換させることで、カソード電極に供給される前の酸化剤ガスを加湿する。

燃料ガス供給流路１８には、水素タンク３６に貯留された水素が燃料ガスとして供給される。燃料排ガス流路２２の下流側には、燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器３８が接続されている。つまり、アノード電極で消費されなかった燃料ガスの未消費分（以下、単に未消費分ともいう）と、余剰の水等を含む燃料排ガスが、燃料排ガス流路２２を介して気液分離器３８に流入する。気液分離器３８の気体排出口４０には、循環流路４２が接続されている。このため、気体排出口４０から循環流路４２に、液体の水が分離され、主に未消費分を含む排出ガスが排出される。

循環流路４２の下流側は、燃料ガス供給流路１８と接続されている。循環流路４２と燃料ガス供給流路１８との接続部４４にはエジェクタ４６が設けられている。エジェクタ４６には、その上流側に設けられた電磁弁（インジェクタ）４８を介して燃料ガスが供給される。これによって、エジェクタ４６は、排出ガスと燃料ガスとを混合して混合ガスとし、該混合ガスを、燃料ガス供給流路１８の該エジェクタ４６の下流側（混合ガス流路５０）に排出する。

混合ガス流路５０には、圧力センサ５２が設けられる。圧力センサ５２は、混合ガス流路５０と、燃料排ガス流路２２と、循環流路４２とを循環する循環ガス（混合ガス、燃料排ガス、排出ガス）の圧力を測定する。

気液分離器３８の液体排出口５４は、接続流路５６に接続されている。接続流路５６は、液体排出口５４から排出流体を排出するための排水弁５８を介して、液体排出口５４と酸化剤ガス供給流路２６とを連通する。この排水弁５８は、通電により開閉する。

接続流路５６の排水弁５８の下流側と、酸化剤ガス供給流路２６との間には、不図示の気液分離器が設けられてもよい。この気液分離器によって、排出流体は、該排出流体中の液体が分離された状態で酸化剤ガス供給流路２６に流入する。

混合ガス流路５０と、接続流路５６の排水弁５８の下流側とは、分配流路６０により連通されている。分配流路６０には、該分配流路６０を開閉する開閉弁６２が設けられている。

燃料電池１４は、該燃料電池１４に設けられた冷却媒体流路（不図示）に、冷却媒体を供給・排出するための冷却媒体供給流路６３ａ及び冷却媒体排出流路６３ｂがさらに付設されている。本実施形態では、冷却媒体排出流路６３ｂに温度センサ６４が設けられ、該温度センサ６４は、燃料電池システム１０の温度として冷却媒体排出流路６３ｂの温度を測定する。

制御部１２は、不図示のＣＰＵ等を備えるマイクロコンピュータとして構成され、該ＣＰＵは、制御プログラムに従って所定の演算を実行し、燃料電池システム１０の通常運転制御や、暖機制御等の種々の処理や制御を行う。また、制御部１２は、例えば、圧力センサ５２や温度センサ６４等の各種センサから受けた検出信号に基づき、排水弁５８や開閉弁６２等の各構成要素に、開弁指示や閉弁指示等の制御信号を出力する。

次に、図２に示すフローチャートを参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法について説明する。

はじめに、ステップＳ１において、温度センサ６４により検出された燃料電池システム１０の温度が、暖機実行温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。暖機実行温度Ｔ１は、燃料電池１４の暖機が必要であると判断される温度であれば特に限定されるものではないが、例えば、０℃付近の氷点下とすることができる。

ステップＳ１で、燃料電池システム（ＦＣシステム）１０の温度が暖機実行温度Ｔ１より大きいと判定された場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、暖機を行わず、燃料電池システム１０の通常運転を開始する。

ステップＳ１で、燃料電池システム１０の温度が暖機実行温度Ｔ１以下であると判定された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、ステップＳ２において、燃料電池１４の暖機実行を確定し、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、温度センサ６４により検出された燃料電池システム１０の温度が、排水弁加熱優先温度Ｔ２以下であるか否かを判定する。排水弁加熱優先温度Ｔ２は、０℃を大きく下回ることで排水弁５８の凍結度合いが大きいと判断される温度であり、その一例として、暖機実行温度Ｔ１よりも低温の氷点下（例えば、−２０℃）とすることが挙げられる。つまり、この判定では、燃料電池システム１０の温度、すなわち、排水弁５８の凍結度合いに基づき、排水弁５８の加熱と、燃料電池１４の加熱との何れを優先するかを選択する（選択工程）。

ステップＳ３で、燃料電池システム１０の温度が排水弁加熱優先温度Ｔ２以下であると判定された場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、すなわち、排水弁５８の凍結度合いが大きいと判定された場合、排水弁５８の加熱を優先するべく、ステップＳ４に進み、燃料電池システム１０の作動を開始する。

燃料電池システム１０の作動を開始すると、水素タンク３６から燃料ガス供給流路１８に燃料ガスが供給されるとともに、エアポンプ３２の回転作用下に酸化剤ガス供給流路２６に酸化剤ガスが供給される。燃料ガス供給流路１８に供給された燃料ガスは、電磁弁４８及びエジェクタ４６を経由して、アノード電極に供給される。酸化剤ガス供給流路２６に供給された酸化剤ガスは加湿器３４を経由してカソード電極に供給される。

これによって、燃料ガス及び酸化剤ガスが、アノード電極のアノード触媒及びカソード電極のカソード触媒での電気化学反応（発電反応）に消費され、発電が行われる。なお、燃料電池１４の冷却媒体流路には、冷却媒体供給流路６３ａから冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路を流通した後、冷却媒体排出流路６３ｂに排出される。

カソード電極に供給されて一部の酸素が消費された酸化剤ガスは、酸化剤排ガスとして酸化剤排ガス流路３０に排出される。この酸化剤排ガスは、例えば、加湿器３４において、カソード電極に新たに供給される酸化剤ガスを加湿した後、燃料電池システム１０の外部に排出される。

アノード電極で消費されなかった燃料ガスの未消費分は、燃料排ガスとして燃料排ガス流路２２に排出された後、気液分離器３８に導入される。これによって、燃料排ガスは、気体成分である排出ガスと、液体成分である排出流体とに分離される。この際、排水弁５８が閉弁状態であるため、排出流体は排水弁５８の上流側に留まる。

上記のように電磁弁４８からエジェクタ４６の上流側に燃料ガスが噴射されることにより、循環流路４２には負圧が生じている。このため、排出ガスは、循環流路４２を介してエジェクタ４６に吸引され、燃料ガス供給流路１８に供給された燃料ガスと混合される。これによって、エジェクタ４６の下流側の混合ガス流路５０に混合ガスが排出される。

つまり、発電反応で消費されずに燃料排ガスとしてアノード電極から排出された未消費分は、液体の水が分離されて排出ガスとなった後、新たに燃料ガス供給流路１８に供給される燃料ガスと混合されることで混合ガスとして、再びアノード電極に供給される。

また、燃料排ガスは、発電反応の反応熱により加熱されるため、燃料ガス供給流路１８に新たに供給される燃料ガスよりも高温になっている。従って、燃料排ガスが気液分離器３８を経由することで得られる排出ガスと、該排出ガスを含む混合ガスも、燃料排ガスと同様に高温となっている。

次に、ステップＳ５において、開閉弁６２と排水弁５８の両方に開弁指示を行う。この場合、上記の通り、排水弁５８の凍結度合いが大きいと判定されているため、排水弁５８に開弁指示を行っても開弁しない可能性が高い。一方、開閉弁６２が開弁指示により開弁すると、分配流路６０を介して混合ガス流路５０と、接続流路５６の排水弁５８の下流側とが連通される。その結果、混合ガス流路５０内の混合ガスが、接続流路５６の排水弁５８の下流側に分配される。接続流路５６の排水弁５８の下流側は、酸化剤ガス供給流路２６に連通しているため、混合ガスに含まれる燃料ガスは、酸化剤ガスとともにカソード電極に供給される。これによって、カソード触媒で発熱反応が生じる。この発熱反応と上記の発電反応とにより、燃料電池１４が迅速に加熱される。

また、上記の通り加熱された混合ガスが、接続流路５６の排水弁５８の近傍に供給されるため、該混合ガスの熱によって排水弁５８が加熱される。さらに、排水弁５８には、開弁指示が行われているため、通電による発熱が生じる。従って、排水弁５８を優先的に加熱することができる。なお、排水弁５８は、気液分離器３８に流入した燃料排ガスの熱によっても加熱される。

上記のように排水弁５８を加熱することによって、凍結が解消して該排水弁５８が開弁した場合、若しくは、上記の開弁指示によって排水弁５８が開弁していた場合、接続流路５６の排水弁５８の下流側に排出流体が流通する。この排出流体にも、未消費分が含まれる。特に、燃料電池システム１０の作動を開始した直後は、燃料排ガスに含まれる液体が比較的少ないため、液体排出口５４から排出流体として未消費分が排出され易い。

従って、排水弁５８が開弁することによって、排出流体に含まれる未消費分が接続流路５６を介して酸化剤ガス供給流路２６に流入する。これによって、カソード電極には、上記の混合ガスに含まれる燃料ガスに加えて、排出流体に含まれる未消費分が供給されることになる。

一方、ステップＳ３で、燃料電池システム１０の温度が排水弁加熱優先温度Ｔ２より大きいと判定された場合（ステップＳ３：ＮＯ）、すなわち、排水弁５８の凍結度合いが小さいと判定された場合、燃料電池１４の加熱を優先することを選択するべく、ステップＳ６に進み、上記と同様にして、燃料電池システム１０の作動を開始する。

次に、ステップＳ７において、開閉弁６２にのみ開弁指示を行う。これによって、液体排出口５４から排出される排出流体に比して、水の含有量が少なく燃料ガスの濃度が大きい混合ガスのみを、分配流路６０、接続流路５６及び酸化剤ガス供給流路２６を介してカソード電極に供給することができる。このため、排水弁５８を併せて開弁した場合よりもカソード触媒での発熱反応を効率的に生じさせることが可能になる。また、排水弁５８が開弁している場合に比べて、循環ガスの圧力を高めて、アノード電極に効率的に燃料ガスを供給することができる分、発電反応を促進できる。これらの結果、燃料電池１４を優先的に加熱することができる。

次に、ステップＳ８において、温度センサ６４により検出された燃料電池システム１０の温度が、排水弁解氷温度Ｔ３以上であるか否かを判定する。排水弁解氷温度Ｔ３は、排水弁５８が凍結していないと判断される温度である。つまり、ステップＳ８では、排水弁５８が解氷する温度に至っているか否かを判定する。

ステップＳ８で、燃料電池システム１０の温度が排水弁解氷温度Ｔ３より小さいと判定された場合（ステップＳ８：ＮＯ）には、ステップＳ８の処理を繰り返し実行し、燃料電池システム１０の温度が排水弁解氷温度Ｔ３以上となるのを待つ。

ステップＳ８で、燃料電池システム１０の温度が排水弁解氷温度Ｔ３以上であると判定された場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）には、ステップＳ９に進み、排水弁５８にも開弁指示を行う。この開弁指示によって排水弁５８が開弁した場合、カソード電極には、混合ガスに加えて、排出流体に含まれる未消費分が供給されることになる。

ステップＳ５又はステップＳ９で排水弁５８に開弁指示を行った後、ステップＳ１０において、実際に排水弁５８が開弁しているか否かを判定する。この判定では、開弁指示を行ったにも関わらず、排水弁５８が閉弁している場合には、排水弁５８が凍結していると判定する。一方、開弁指示に応じて排水弁５８が開弁している場合には、排水弁５８が凍結していないと判定する。つまり、排水弁５８が凍結しているか否かを判定する（凍結判定工程）。

具体的には、圧力センサ５２により検出された循環ガスの圧力が、排水弁５８に開弁指示を行う前後で降下した大きさ（圧力降下量ΔＰ）を求め、該圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒ以上であるか否かを判定する。基準値Ｐｒは、例えば、排水弁５８が閉弁した状態の循環ガスの圧力と、排水弁５８が開弁した状態の循環ガスの圧力とを予め測定しておき、これらの圧力の差として設定することができる。

ステップＳ１０で、圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒより小さい、換言すると、排水弁５８が凍結していると判定された場合（ステップＳ１０：ＮＯ）には、ステップＳ１１において、排水弁５８の凍結を確定した後、ステップＳ１２において、排水弁５８及び開閉弁６２に対する開弁指示を継続する。これらのステップＳ１０〜ステップＳ１２の処理を繰り返し実行し、圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒ以上となるのを待つ。

ステップＳ１０で、圧力降下量ΔＰが基準値Ｐｒ以上である、換言すると、排水弁５８が凍結していないと判定された場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）には、ステップＳ１３において、排水弁５８の非凍結を確定した後、ステップＳ１４において、開閉弁６２に閉弁指示を行なう。一方、排水弁５８に対する開弁指示は継続する。

これによって、接続流路５６の排水弁５８の下流側への混合ガスの分配が停止されるため、排出流体のみが接続流路５６を介して酸化剤ガス供給流路２６に供給されることになる。この場合、燃料ガスの混合濃度の高い混合ガスがカソード電極側に分配されることなく、アノード電極に供給されるようになるため、燃料ガスが発電反応で消費される割合が大きくなり、発電効率を高く保持することができる。

次に、ステップＳ１５において、温度センサ６４により検出された燃料電池システム１０の温度が、暖機完了温度Ｔ４以上であるか否かを判定する。暖機完了温度Ｔ４は、燃料電池１４の暖機が完了したと判断される温度であり、例えば、６０℃とすることができる。

ステップＳ１５で、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度Ｔ４より小さいと判定された場合（ステップＳ１５：ＮＯ）には、ステップＳ１５の処理を繰り返し実行し、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度Ｔ４以上となるのを待つ。

ステップＳ１５で、燃料電池システム１０の温度が暖機完了温度Ｔ４以上であると判定された場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）には、ステップＳ１６に進み、暖機完了を確定した後、ステップＳ１７において、排水弁５８に閉弁指示を行う。この閉弁指示によって排水弁５８を閉弁させることで、カソード電極に対する排出流体の供給を停止する。

次に、ステップＳ１８において、燃料電池システム１０の通常運転を開始する。このステップＳ１８の処理の後、本実施形態に係るフローチャートは終了する。

以上から、本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法では、燃料電池１４の暖機開始時に、排水弁５８が凍結していない場合には、排水弁５８を開弁し、接続流路５６を介して排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガス供給流路２６に流入させる。これによって、排出流体に含まれる未消費分を酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。

従って、燃料電池１４の発電反応の熱に加えて、カソード触媒での発熱反応の熱によっても燃料電池１４を加熱できるため、燃料電池１４を迅速に暖機することが可能になる。また、通常であれば、大気等に放出される排出流体に含まれる未消費分を有効に利用することができるため、燃料電池システム１０に供給された燃料ガスの利用効率を向上させることができる。この場合、排出流体に含まれる未消費分を希釈するための設備等を不要とすることも可能になる。

一方、燃料電池１４の暖機開始時に、排水弁５８が凍結している場合には、開閉弁６２を開弁し、分配流路６０を介して混合ガスを接続流路５６の排水弁５８の下流側に流通させる。これによって、排出流体に代えて、混合ガスに含まれる燃料ガスを、酸化剤ガスとともにカソード電極に供給して、カソード触媒で発熱反応を生じさせることができる。また、上記の通り加熱された混合ガスが、接続流路５６の排水弁５８の近傍に供給されるため、該混合ガスの熱によって排水弁５８を加熱することができる。なお、気液分離器３８に流入した燃料排ガスの熱によっても排水弁５８を加熱することができる。

従って、排水弁５８が凍結していることで、排出流体に含まれる未消費分をカソード電極に供給できない場合であっても、排水弁５８の凍結を効果的に解消しつつ、燃料電池１４の迅速な暖機を行うことが可能である。

上記の通り、燃料ガス供給流路１８と循環流路４２との接続部４４には、エジェクタ４６が設けられ、該エジェクタ４６には、電磁弁４８を介して燃料ガスが供給されることとした。また、分配流路６０は、燃料ガス供給流路１８のエジェクタ４６よりも下流側である混合ガス流路５０と、接続流路５６の排水弁５８の下流側とを連通することとした。

この場合、開閉弁６２を開弁すると、分配流路６０を介してエジェクタ４６の下流側の混合ガスが、接続流路５６の排水弁５８の下流側に流通するため、エジェクタ４６の上流側に設けられた電磁弁４８は、該エジェクタ４６に噴射する燃料ガスの流量を増大させることになる。これによって、エジェクタ４６による排出ガスの吸引力も増大するため、循環ガスの循環効率を、ポンプ等を用いることなく向上させることができる。その結果、簡素な構成で発電反応を促進して、燃料電池１４の暖機を迅速に行うことが可能になる。

上記の通り、凍結判定工程の前に、燃料電池システム１０の温度の検出結果に基づき、排水弁５８の加熱と燃料電池１４の加熱との何れを優先するかを選択する選択工程を行うこととした。この場合、燃料電池システム１０の温度、換言すれば、排水弁５８の凍結度合いに応じて、燃料電池１４及び排水弁５８を適切なタイミングで加熱することができるため、一層迅速且つ円滑に燃料電池システム１０を始動させることが可能になる。

上記の通り、凍結判定工程では、排水弁５８に開弁指示を行う前後の圧力センサ５２の検出結果に基づいて、排水弁５８が開弁しているか否かを判定することとした。このように、圧力センサ５２の検出結果に基づくことで、排水弁５８が実際に開弁しているか否かを容易且つ高精度に判定することができる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、混合ガス流路５０と、接続流路５６の排水弁５８の下流側とを分配流路６０により連通し、開閉弁６２を開弁することによって、混合ガスを接続流路５６の排水弁５８の下流側に分配することとした。しかしながら、分配流路６０は、循環流路４２と、接続流路５６の排水弁５８の下流側とを連通してもよい。この場合、開閉弁６２を開弁することによって、排出ガスが接続流路５６の排水弁５８の下流側に分配される。このように、燃料ガスと混合されていない分、混合ガスよりも高温の排出ガスを排水弁５８の周辺に流入させることで、排水弁５８を一層良好に加熱することが可能になる。

上記の実施形態では、冷却媒体排出流路６３ｂに温度センサ６４が設けられ、該温度センサ６４は、燃料電池システム１０の温度として冷却媒体排出流路６３ｂの温度を測定することとした。しかしながら、燃料電池システム１０の温度を測定することが可能であれば、温度センサ６４を設ける箇所は特に限定されるものではない。同様に、圧力センサ５２の設置箇所も、混合ガス流路５０に限定されるものではなく、混合ガスの圧力を検出可能に設けられればよい。

上記の実施形態では、接続部４４にエジェクタ４６を設けることとしたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、エジェクタ４６を設けることに代えて、循環流路４２に不図示のポンプ等を設けて、循環ガスを循環させてもよい。

１０…燃料電池システム １２…制御部
１４…燃料電池 １６…燃料ガス供給口
１８…燃料ガス供給流路 ２０…燃料排ガス排出口
２２…燃料排ガス流路 ２４…酸化剤ガス供給口
２６…酸化剤ガス供給流路 ２８…酸化剤排ガス排出口
３０…酸化剤排ガス流路 ３２…エアポンプ
３４…加湿器 ３６…水素タンク
３８…気液分離器 ４０…気体排出口
４２…循環流路 ４４…接続部
４６…エジェクタ ４８…電磁弁
５０…混合ガス流路 ５２…圧力センサ
５４…液体排出口 ５６…接続流路
５８…排水弁 ６０…分配流路
６２…開閉弁 ６３ａ…冷却媒体供給流路
６３ｂ…冷却媒体排出流路 ６４…温度センサ

Claims (10)

1. 燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
   前記アノード電極から排出された燃料排ガスを流通させる燃料排ガス流路と、
   前記燃料排ガス流路を介して前記燃料排ガスが流入し、該燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の気体排出口と前記燃料ガス供給流路とを連通する循環流路と、
   前記気液分離器の液体排出口を、排水弁を介して前記酸化剤ガス供給流路に連通する接続流路と、
   前記燃料ガス供給流路の前記循環流路との接続部よりも下流側又は前記循環流路と前記接続流路の前記排水弁の下流側とを連通する分配流路と、
   前記分配流路を開閉可能な開閉弁と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記接続部には、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガスと、前記気体排出口から前記循環流路に排出された排出ガスとを混合するエジェクタが設けられ、
   前記エジェクタには、電磁弁を介して前記燃料ガスが供給され、
   前記分配流路は、前記燃料ガス供給流路の前記エジェクタよりも下流側と、前記接続流路の前記排水弁の下流側とを連通することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの温度を検出可能な温度センサと、
   前記燃料電池の暖機開始時に、前記温度センサの検出結果が、予め設定した排水弁加熱優先温度以下である場合、前記開閉弁及び前記排水弁の両方に開弁指示を行う制御部と、
   をさらに備え、
   前記排水弁は、通電によって開閉することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記暖機開始時に、前記温度センサの検出結果が前記排水弁加熱優先温度より大きい場合、前記開閉弁のみに開弁指示を行ない、前記温度センサの検出結果が、予め設定した排水弁解氷温度以上になったことが検出されてから前記排水弁に開弁指示を行うことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料ガス供給流路の前記接続部よりも下流側と、前記燃料排ガス流路と、前記循環流路とを循環するガスの圧力を検出する圧力センサをさらに備え、
   前記制御部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて、前記排水弁が開弁しているか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記排水弁及び前記開閉弁のそれぞれに開弁指示を行った後、前記排水弁が開弁していると判定した場合に、前記開閉弁に閉弁指示を行うことを特徴とする燃料電池システム。
7. 燃料電池のアノード電極に燃料ガス供給流路を介して燃料ガスを供給し、且つ前記燃料電池のカソード電極に酸化剤ガス供給流路を介して酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、
   前記アノード電極から排出された燃料排ガスを気体と液体とに分離する気液分離器の液体排出口から前記液体を含む排出流体を排出するための排水弁が凍結しているか否かを判定する凍結判定工程を有し、
   前記凍結判定工程で、前記排水弁が凍結していないと判定した場合、前記排水弁を開弁状態に維持して、前記排出流体に含まれる前記燃料ガスの未消費分を前記酸化剤ガスとともに前記カソード電極に供給し、
   前記凍結判定工程で、前記排水弁が凍結していると判定した場合、前記液体排出口と前記酸化剤ガス供給流路とを前記排水弁を介して連通する接続流路の前記排水弁の下流側に、前記燃料ガス供給流路に供給された前記燃料ガスと前記気液分離器の気体排出口から排出された排出ガスとの混合ガス、又は前記排出ガスを分配する分配流路の開閉弁を開弁状態で維持することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項７記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記凍結判定工程の前に、前記燃料電池システムの温度の検出結果に基づき、前記排水弁の加熱と前記燃料電池の加熱との何れを優先するかを選択する選択工程をさらに有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項８記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記開閉弁は通電により開閉し、
   前記選択工程で、前記排水弁の加熱を優先することを選択した場合、前記開閉弁と前記排水弁の両方に開弁指示を行ない、
   前記燃料電池の加熱を優先することを選択した場合、前記開閉弁のみに開弁指示を行い、前記燃料電池システムの温度が前記排水弁の凍結が解消する温度に達してから前記排水弁に開弁指示を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項９記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記排水弁及び前記開閉弁のそれぞれに開弁指示を行った状態で前記凍結判定工程を行い、前記排水弁が凍結していないと判定した場合、前記開閉弁に閉弁指示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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