JP2020077543A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックが傾斜していてもポンピング水素の発生を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからカソードガスが排出されるカソードガス排出配管と、燃料電池スタックにおいてカソードガス排出配管側が重力方向で上向きになる傾斜角を測定する傾斜角測定部と、燃料電池スタックのスタック温度を取得する温度計測部と、スタック温度が氷点下で該燃料電池システムを始動する際に、傾斜角が予め定めた閾値角度よりも大きい場合に、燃料電池スタックの下限電圧を傾斜角が予め定めた閾値角度以下の場合よりも高くする下限電圧制御部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、氷点下に始動する場合に、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックに供給するカソードガス（例えば、空気）の供給量を少なくして低効率で発電を行い、燃料電池スタックを暖める低効率運転（「暖機運転」ともいう）を行うものが知られている。しかし、カソードガスの供給を少なくしすぎると、燃料電池スタックのカソードにおいて、アノードから伝導された水素イオンと電子とが再結合することによって生成される水素（以下、「ポンピング水素」ともいう）が発生するおそれがあるため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの温度に応じて、電流と電圧との関係を制御してポンピング水素の発生を抑制している。

特開２００９−１６１１７号公報

燃料電池スタックが傾斜している場合、燃料電池セル毎にカソードガスの分配のバラツキが大きくなるおそれがあり、ポンピング水素の発生が増加するおそれがある。そのため、燃料電池スタックが傾斜していてもポンピング水素の発生を抑制できる技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからカソードガスが排出されるカソードガス排出配管と、前記燃料電池スタックにおいて前記カソードガス排出配管側が重力方向で上向きになる傾斜角を測定する傾斜角測定部と、前記燃料電池スタックのスタック温度を取得する温度計測部と、前記スタック温度が氷点下で該燃料電池システムを始動する際に、前記傾斜角が予め定めた閾値角度よりも大きい場合に、前記燃料電池スタックの下限電圧を前記傾斜角が予め定めた閾値角度以下の場合よりも高くする下限電圧制御部と、を備える。この形態の燃料電池システムによれば、下限電圧制御部は、傾斜角が予め定めた閾値角度より大きい場合に、燃料電池スタックの下限電圧を傾斜角が予め定めた閾値角度以下の場合よりも高くするため、燃料電池スタックが傾斜していてもポンピング水素の発生を抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。 燃料電池セルの平面図である。 傾斜した燃料電池スタックの説明図である。 セル番号とカソードガス流量との関係を示した図である。 エアストイキ比と水素濃度との関係を示したグラフである。 ポンピング水素発生抑制処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 氷点下処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 発電状態とスタック温度と傾斜角度と下限電圧と排出水素濃度との関係の一例を示したタイミングチャートである。 電流と下限電圧との関係を示したグラフである。 第２実施形態におけるポンピング水素発生抑制処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 電流とカソードガス供給量との関係を示したグラフである。 第３実施形態におけるポンピング水素発生抑制処理の手順の一例を表わすフローチャートである。 電流と希釈カソードガス流量との関係を示したグラフである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、電圧検出部８３と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成されている。各燃料電池セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。

図２は、燃料電池セル１１の平面図である。燃料電池セル１１は、ガス入口マニホールド１２と、ガス出口マニホールド１３と、ガス流路１４と、膜電極接合体１５とを備える。マニホールド１２、１３は、燃料電池セル１１の周縁に形成されている。燃料電池セル１１は、ガス流路１４を通じて反応ガスをガス入口マニホールド１２から膜電極接合体１５に流通させ、ガス出口マニホールド１３から排出させる。

制御部２０（図１）は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２２の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、下限電圧制御部２１を備える。下限電圧制御部２１は、傾斜角測定部２３により検出された燃料電池スタック１０の傾斜角を取得し、燃料電池スタック１０の下限電圧を決定する。傾斜角については後述する。制御部２０は、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述する下限電圧決定処理や氷点下処理を実現する。なお、制御部２０は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。

ＥＣＵ２２は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２２が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２２は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。

図３は、傾斜した燃料電池スタック１０の説明図である。傾斜角測定部２３は、加速度センサであり、燃料電池スタック１０の長さ方向および幅方向のそれぞれにおける水平面に対する傾斜角度を検出可能である。本実施形態において、傾斜角測定部２３は、燃料電池スタック１０においてカソードガス排出配管４１側が重力方向で上向きになる傾斜角度を傾斜角θとして測定し、制御部２０に出力する。

カソードガス供給部３０（図１）は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、分流弁３６と、カソードガス排出配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。

エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ３３は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３４は、コンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。分流弁３６は、コンプレッサ３３とカソードガス排出配管４１との間に設けられており、燃料電池スタック１０とカソードガス排出配管４１への空気（以下「希釈カソードガス」ともいう）の流量を調節する。分流弁３６は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。

カソードガス排出配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスをカソードオフガスともいう。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノードガス排出配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。以下では、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードガス排出配管６１と、気液分離器６２と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、で構成される流路のことを、循環流路６６ともいう。循環流路６６は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。

アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。

第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの流量を制御する。

アノードガス排出配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器６２とを接続する配管である。アノードガス排出配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２へと誘導する。

気液分離器６２は、循環流路６６のアノードガス排出配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、循環流路６６内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６３は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３は、カソードガス排出配管４１に接続されており、排気排水弁６３によって排出された水および不要なガスは、カソードガス排出配管４１を通じて外部へ排出される。

循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、温度計測部７７と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。

冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の流量を調節する。温度計測部７７は、冷媒排出管７２に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を測定する。温度計測部７７で測定される温度は、燃料電池スタック１０のスタック温度とほぼ等しい。従って、温度計測部７７は、燃料電池スタック１０のスタック温度を取得する温度計測部に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。なお、燃料電池スタック１０とＤＣ／ＤＣコンバータ８０との間には、燃料電池スタック１０の電流を測定する電流計８４が設けられている。

電圧検出部８３は、燃料電池セル当りの電圧を監視する。より具体的には、電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の各燃料電池セル１１をｎ枚１組（ｎは１以上の整数）としたセルグループと接続されており、各燃料電池セルグループについての燃料電池セル１１の電圧の合計値を計測する。電圧検出部８３は、その計測結果から燃料電池セル当りの電圧を求めて制御部２０に送信する。なお、電圧検出部８３は、求めた燃料電池セル当りの電圧のうち、最も低い燃料電池セル当りの電圧のみを制御部２０に送信するものとしてもよい。

燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、上述したコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。

図４は、燃料電池スタック１０の傾斜角が予め定めた値よりも大きい場合における、セル番号と燃料電池セル１１に流れるカソードガス流量との関係を示した図である。上側は燃料電池スタック１０の断面図であり、下側はセル番号とカソードガス流量との関係を示したグラフである。破線は、燃料電池スタック１０の傾斜角が０度の場合のセル番号とカソードガス流量との関係を比較例として示している。下側のグラフは、縦軸がカソードガス流量であり、横軸がセル番号である。セル番号は燃料電池スタック１０のカソードガス排出配管側の端部「一端１０ａ」の反対側の端部「他端１０ｂ」と呼ぶ燃料電池セル１１から順に１枚ずつ付与されている。

図４の上側に示すように、燃料電池スタック１０の傾斜角が予め定められた値よりも大きく、カソードガスは燃料電池セル１１の積層方向における一端１０ａ側から他端１０ｂ側へ向けて供給されるため、重力方向において下側となる燃料電池スタック１０の他端１０ｂ側の燃料電池セル１１内のガス流路１４において生成水ＷＡが貯まりやすい。そのため、図４の下側のグラフに示すように、他端１０ｂ側の燃料電池セル１１におけるカソードガス流量が少なくなり、燃料電池スタック１０のカソードガスの分配量にバラツキが生じる。

図５は、エアストイキ比と水素濃度との関係を示したグラフである。図５は、縦軸が燃料電池セル１１のガス流路１４における水素濃度であり、横軸がエアストイキ比である。本実施形態において、「エアストイキ比」とは、燃料電池スタック１０を発電させるのに必要なカソードガス供給量の理論値に対する、実際のカソードガス供給量の比である。実線は燃料電池セル１１における測定値を示し、一点鎖線は理論値を示している。傾斜角が０度の場合、燃料電池セル１１におけるエアストイキ比のバラツキは、各燃料電池セル１１のエアストイキ比を加算して燃料電池セル１１の総数で除算して求めた平均エアストイキ比Ｒａｖｅを中心として範囲Ｒ０に収まる。傾斜角が予め定められた値より大きい場合、燃料電池セル１１におけるエアストイキ比のバラツキは、範囲Ｒ０よりも広い範囲Ｒｘとなり、水素濃度が０％以上となる場合がある。つまり、ポンピング水素が発生する。

図６は、本実施形態における、ポンピング水素発生抑制処理の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は、低効率運転においてポンピング水素の発生を抑制できる下限電圧を決定する処理であり、燃料電池システム１００を停止する場合に開始される。

まず、制御部２０は、ステップＳ１００で、燃料電池システム１００の発電停止処理を行う。発電停止処理は、例えば、燃料電池スタック１０に対するアノードガスおよびカソードガスの供給を停止して、燃料電池スタック１０と負荷８２との間の接続を遮断し、発電を停止させる処理である。次に、制御部２０は、ステップＳ１１０で、燃料電池スタック１０の傾斜角θを傾斜角測定部２３より取得する。続いて、制御部２０は、ステップＳ１２０で、ステップＳ１１０において取得した傾斜角θが予め定めた閾値角度θｔｈより大きいか否か判定する。閾値角度θｔｈは、燃料電池スタック１０の燃料電池セル１１毎のカソードガスの分配量にバラツキが生じるか否かを判定するための角度であり、予め実験的に定めることができる。閾値角度θｔｈは、２度以上１０度以下であることが好ましく、更に５度以下であることがより好ましい。傾斜角θが閾値角度θｔｈ以下の場合、制御部２０は、ポンピング水素発生抑制処理を終了する。一方、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合、下限電圧制御部２１は、ステップＳ１３０の処理に進み、低効率運転における下限電圧を設定する。より具体的には、傾斜角θが閾値角度θｔｈ以下の場合よりも低効率運転における下限電圧を高くして、低効率運転で用いるように不揮発性のメモリに記録する。下限電圧は、傾斜角θと下限電圧との関係が定義されたマップや関数に基づき、定めることができる。

図７は、本実施形態における、氷点下処理の手順の一例を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００を始動する場合に行われる。制御部２０は、この処理を開始すると、ステップＳ２００で、氷点下か否か判定する。より具体的には温度計測部７７から取得したスタック温度が０度以下か否か判定する。氷点下でない場合、つまりスタック温度が０度より大きい場合、制御部２０は、氷点下処理を終了する。一方、氷点下の場合、つまりスタック温度が０度以下の場合、制御部２０は、ステップＳ２１０に進み、低効率運転を開始する。制御部２０は、上述したポンピング水素発生抑制処理において下限電圧制御部２１が設定した下限電圧を読み込み、出力電圧がその下限電圧を下回らないように低効率運転を実行する。

図８は、燃料電池スタック１０が傾斜した場合における発電状態とスタック温度と傾斜角度と下限電圧と燃料電池スタック１０のガス出口マニホールド１３から排出されるカソードオフガスの水素濃度（以下「排出水素濃度」ともいう）との関係の一例を示したタイミングチャートである。図８は、上から３番目のグラフに示すように、燃料電池スタック１０は一定の傾斜角θで傾いた状態である。図８のそれぞれ実線は燃料電池スタック１０が傾斜した場合を示し、一点鎖線は燃料電池スタック１０が傾斜していない比較例を示す。

図８の一番上のグラフに示すように、タイミングｔ０からタイミングｔ１の期間は発電状態がｏｎである。タイミングｔ１からタイミングｔ２の期間は発電状態がｏｆｆであり、燃料電池システム１００は停止している。タイミングｔ２において、燃料電池システム１００は起動して、発電状態がｏｎとなる。上から二番目のグラフに示すように、スタック温度は燃料電池システム１００を停止して徐々に下降し、氷点下となる。そのため、タイミングｔ２において起動した燃料電池システム１００は、低効率運転を行うため、スタック温度はタイミングｔ２より徐々に上昇する。また、下から２番目のグラフに示すように、タイミングｔ２以降の低効率運転における下限電圧は、燃料電池スタック１０が傾斜していない場合の電圧Ｖ０よりも高い電圧Ｖｘに設定されている。そのため、上から二番目のグラフに示すように、スタック温度は、燃料電池スタック１０が傾斜していない場合よりも緩やかに上昇する。一番下のグラフにおける二点鎖線は、燃料電池スタック１０が傾斜角θで傾いた状態で下限電圧を電圧Ｖ０に設定した場合を比較例として示しており、下限電圧をＶｘに設定した場合の水素濃度Ｃｘよりも高い水素濃度Ｃ０である。つまり、燃料電池スタック１０の下限電圧を燃料電池スタック１０が傾斜していない場合よりも高くすることで、ポンピング水素の発生を抑制できる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、下限電圧制御部２１は、傾斜角θが予め定めた閾値角度θｔｈより大きい場合に、燃料電池スタック１０の下限電圧を傾斜角θが予め定めた閾値角度θｔｈ以下の場合よりも高くする。そのため、例えば、電圧が下がりにくい重力方向において下側となる燃料電池スタック１０の他端１０ｂ側の燃料電池セル１１の電圧を下げるためにカソードガス供給量を絞ることを抑制できるので、他端１０ｂ側の燃料電池セル１１において、ポンピング水素が発生する燃料電池セルの数を低減することができ、燃料電池スタック１０が傾斜していてもポンピング水素の発生を抑制できる。

図９は低効率運転における電流と下限電圧との関係を示したグラフである。縦軸は電圧であり、横軸は電流である。グラフＧ１ａ、Ｇ２ａ、Ｇ３ａの順で傾斜角が大きくなり、下限電圧も上昇している。グラフＧ２ａおよびグラフＧ３ａは閾値角度θｔｈより大きい傾斜角におけるグラフである。つまり、傾斜角が大きい場合は、傾斜角が小さい場合に比べて下限電圧が高い。下限電圧制御部２１は、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合に、傾斜角θに応じて、図９に示すような電流と下限電圧との関係を設定してもよい。

Ｂ．第２実施形態：
図１０は第２実施形態におけるポンピング水素発生抑制処理の手順の一例を表わすフローチャートである。このフローチャートは、ステップＳ１３０をステップＳ１３２に換えた点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。第２実施形態における燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。

第２実施形態では、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合、制御部２０は、ステップＳ１３２の処理に進み、低効率運転におけるカソードガスの供給量を設定する。より具体的には、傾斜角θが閾値角度θｔｈ以下の場合よりも低効率運転におけるカソードガスの供給量を多くして、低効率運転で用いるように不揮発性のメモリに記録する。氷点下処理において、制御部２０は、カソードガス供給量を読み込み、そのカソードガス供給量になるように低効率運転を実行する。

図１１は低効率運転における電流とカソードガス供給量との関係を示したグラフである。縦軸はカソードガス供給量であり、横軸は電流である。グラフＧ１ｂ、Ｇ２ｂ、Ｇ３ｂの順で傾斜角が大きくなり、カソードガス供給量も増加している。グラフＧ２ｂおよびグラフＧ３ｂは閾値角度θｔｈより大きい傾斜角におけるグラフである。つまり、傾斜角が大きい場合は、傾斜角が小さい場合に比べてカソードガス供給量が大きい。制御部２０は、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合に、傾斜角θに応じて、図１１に示すような電流とカソードガス供給量との関係を設定してもよい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合、傾斜角θが閾値角度θｔｈ以下の場合よりも低効率運転におけるカソードガスの供給量を多くする。そのため、エア欠乏が回避されると共に、低効率運転で発電される電流が多くなるので、燃料電池スタック１０が傾斜していてもポンピング水素の発生を抑制できる。

Ｃ．第３実施形態：
図１２は第３実施形態におけるポンピング水素発生抑制処理の手順の一例を表わすフローチャートである。このフローチャートは、ステップＳ１３０をステップＳ１３４に換えた点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。第３実施形態における燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。

第３実施形態では、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合、制御部２０は、ステップＳ１３４の処理に進み、分流弁３６を制御して低効率運転における希釈カソードガスの流量を設定する。より具体的には、傾斜角θが閾値角度θｔｈ以下の場合よりも低効率運転における希釈カソードガスの流量を多くして、低効率運転で用いるように不揮発性のメモリに記録する。氷点下処理において、制御部２０は、希釈カソードガス流量を読み込み、その希釈カソードガス流量になるように分流弁３６を制御して低効率運転を実行する。

図１３は低効率運転における電流と希釈カソードガス流量との関係を示したグラフである。縦軸は希釈カソードガス流量であり、横軸は電流である。グラフＧ１ｃ、Ｇ２ｃ、Ｇ３ｃの順で傾斜角が大きくなり、希釈カソードガス流量も増加している。グラフＧ２ｃおよびグラフＧ３ｃは閾値角度θｔｈより大きい傾斜角におけるグラフである。つまり、傾斜角が大きい場合は、傾斜角が小さい場合に比べて希釈カソードガス流量が大きい。制御部２０は、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合に、傾斜角θに応じて、図１３に示すような電流と希釈カソードガス流量との関係を設定してもよい。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、傾斜角θが閾値角度θｔｈより大きい場合、傾斜角θが閾値角度θｔｈ以下の場合よりも低効率運転における希釈カソードガスの流量を多くする。そのため、燃料電池スタック１０が傾斜していてもカソードガス排出配管４１から排出されるカソードオフガスの水素濃度を低くできる。

Ｄ．その他の実施形態：
上記実施形態において、ポンピング水素発生抑制処理は、燃料電池システム１００を停止する場合に行われている。この代わりに、燃料電池システム１００の始動時に行われてもよい。この場合、氷点下処理より前もしくは並行して行われ、ステップＳ１００（図６および図１０、図１２）は省略する。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック、１０ａ…一端、１０ｂ…他端、１１…燃料電池セル、１２…ガス入口マニホールド、１３…ガス出口マニホールド、１４…ガス流路、１５…膜電極接合体、２０…制御部、２１…下限電圧制御部、２２…ＥＣＵ、２３…傾斜角測定部、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…第１開閉弁、３６…分流弁、４１…カソードガス排出配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、６１…アノードガス排出配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６６…循環流路、７０…冷却媒体循環部、７１…冷媒供給管、７２…冷媒排出管、７３…ラジエータ、７４…冷媒ポンプ、７５…三方弁、７６…バイパス管、７７…温度計測部、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電圧検出部、８４…電流計、１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックからカソードガスが排出されるカソードガス排出配管と、
   前記燃料電池スタックにおいて前記カソードガス排出配管側が重力方向で上向きになる傾斜角を測定する傾斜角測定部と、
   前記燃料電池スタックのスタック温度を取得する温度計測部と、
   前記スタック温度が氷点下で該燃料電池システムを始動する際に、前記傾斜角が予め定めた閾値角度よりも大きい場合に、前記燃料電池スタックの下限電圧を前記傾斜角が予め定めた閾値角度以下の場合よりも高くする下限電圧制御部と、を備える、燃料電池システム。

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