JP2020077574A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を十分に掃気することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】第１及び第２燃料電池と、前記第１及び第２燃料電池に供給されるアノードガスを噴射する第１及び第２インジェクタと、前記第１及び第２インジェクタのそれぞれから噴射されたアノードガスが通過する第１及び第２エジェクタと、前記第１エジェクタを通過したアノードガスを、前記第１燃料電池と前記第１エジェクタとの間で循環させる第１循環通路と、前記第２エジェクタを通過したアノードガスを、前記第２燃料電池と前記第２エジェクタとの間で循環させる第２循環通路と、前記第１及び第２循環通路に連通した連通路と、前記連通路を開閉することにより前記第１及び第２循環通路が連通した連通状態又は遮断された遮断状態に切換える切換弁と、前記連通状態で前記第１燃料電池の発電停止中に、前記第１インジェクタによりアノードガスを噴射して前記第１燃料電池を掃気する、制御装置と、を備えた燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池内に液水が残留したまま発電が停止すると、次回始動時に反応ガスの流通が阻害される可能性があるため、燃料電池を掃気することにより燃料電池から液水を排出する技術が知られている。例えば特許文献１では、燃料電池の発電停止中に、インジェクタによりアノードガスを噴射することにより燃料電池を掃気する。
特開２００８−１９２６１４号
燃料電池を十分に掃気するためには、インジェクタから多くのアノードガスを噴射することが望ましい。ここで、燃料電池から排出されたアノードガスを、再度燃料電池に循環させる循環通路を備えた燃料電池システムがある。このようなシステムにおいて掃気を目的としてアノードガスを多く噴射すると、燃料電池が発電停止中であるためアノードガスは消費されずに、循環通路内の圧力が上昇して、これに伴って燃料電池内の圧力も高くなり過ぎて燃料電池に影響を与える可能性がある。従ってアノードガスを循環させる循環通路を備えた燃料電池システムでは、燃料電池内が高圧になり過ぎない範囲でしか掃気をすることができずに、燃料電池を十分に掃気することができない場合がある。
そこで、燃料電池を十分に掃気す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。
上記目的は、第１及び第２燃料電池と、前記第１及び第２燃料電池に供給されるアノードガスを噴射する第１及び第２インジェクタと、前記第１及び第２インジェクタのそれぞれから噴射されたアノードガスが通過する第１及び第２エジェクタと、前記第１エジェクタを通過したアノードガスを、前記第１燃料電池と前記第１エジェクタとの間で循環させる第１循環通路と、前記第２エジェクタを通過したアノードガスを、前記第２燃料電池と前記第２エジェクタとの間で循環させる第２循環通路と、前記第１及び第２循環通路に連通した連通路と、前記連通路を開閉することにより前記第１及び第２循環通路が連通した連通状態又は遮断された遮断状態に切換える切換弁と、前記連通状態で前記第１燃料電池の発電停止中に、前記第１インジェクタによりアノードガスを噴射して前記第１燃料電池を掃気する、制御装置と、を備えた燃料電池システムによって達成できる。
第１及び第２循環通路が連通することにより、第１インジェクタにより噴射されたアノードガスは、第１循環通路と第１燃料電池内のみならず、第２循環通路と第２燃料電池内にも流れる。これにより、第１インジェクタからのアノードガスの噴射による第１燃料電池内の圧力の上昇速度を抑制でき、第１燃料電池内へのアノードガスの供給量を確保して第１燃料電池を十分に掃気することができる。
前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電中に、前記第１燃料電池を掃気してもよい。
前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電中であり前記第２インジェクタの駆動を停止した状態で、前記第１燃料電池を掃気してもよい。
前記第１及び第２循環通路のそれぞれと外気とを連通する第１及び第２排出弁を備え、前記制御装置は、前記連通状態で前記第１及び第２排出弁の少なくとも一方を開いた状態で、前記第１燃料電池を掃気してもよい。
前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電中であり前記第２排出弁を開いた状態で、前記第１燃料電池を掃気してもよい。
前記第１燃料電池から排出されたアノードガスが前記第１エジェクタに到達するまでの間に通過する第１気液分離器を備え、前記連通路の第１端部は、前記第１循環通路の前記第１気液分離器と前記第１エジェクタとの間に接続されていてもよい。
前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電停止中に、前記第２インジェクタによりアノードガスを噴射して前記第２燃料電池を掃気してもよい。
前記第２燃料電池から排出されたアノードガスが前記第２エジェクタに到達するまでの間に通過する第２気液分離器を備え、前記連通路の第２端部は、前記第２循環通路の前記第２気液分離器と前記第２エジェクタとの間に接続されていてもよい。
燃料電池を十分に掃気することができる燃料電池システムを提供できる。
図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図２は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。 図３は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。 図４は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。 図５は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。 図６Ａ〜図６Ｃは、変形例のシステムの概略構成図である。
［燃料電池システムの構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム（以下、単にシステムと称する）１の構成図である。システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４ａ及び４ｂ、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８ａ及び８ｂ、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂ、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂ、電力制御系３０ａ及び３０ｂ、モータ５０等を含む。尚、システム１は、ＦＣ４ａ及び４ｂに冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。
ＦＣ４ａ及び４ｂは、カソードガスとアノードガスの供給を受けて発電する燃料電池である。本実施例では、カソードガスとして酸素を含む空気が用いられ、アノードガスとして水素ガスが用いられている。ＦＣ４ａ及び４ｂは、それぞれ、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。本実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂは同じものであり、定格出力も同じであるが、これに限定されない。ＦＣ４ａ及び４ｂは、第１及び第２燃料電池の一例である。
カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気をＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。具体的には、カソードガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、供給管１１ａ及び１１ｂ、排出管１２ａ及び１２ｂ、バイパス管１３ａ及び１３ｂ、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、インタークーラ１６ａ及び１６ｂ、及び背圧弁１７ａ及び１７ｂを含む。
供給管１１ａ及び１１ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２ａ及び１２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３ａは供給管１１ａ及び排出管１２ａを連通しており、同様にバイパス管１３ｂも供給管１１ｂ及び排出管１２ｂを連通している。バイパス弁１５ａは、供給管１１ａとバイパス管１３ａとの接続部分に設けられており、同様にバイパス弁１５ｂは、供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分に設けられている。バイパス弁１５ａは供給管１１ａとバイパス管１３ａとの連通状態を切り替え、同様にバイパス弁１５ｂは供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４ａ、バイパス弁１５ａ、及びインタークーラ１６ａは、供給管１１ａ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ａは、排出管１２ａ上であって、排出管１２ａとバイパス管１３ａとの接続部分よりも上流側に配置されている。同様に、エアコンプレッサ１４ｂ、バイパス弁１５ｂ、及びインタークーラ１６ｂは、供給管１１ｂ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ｂは、排出管１２ｂ上であって、排出管１２ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分よりも上流側に配置されている。
エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気を、供給管１１ａ及び１１ｂを介してＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されたカソードガスは、それぞれ、排出管１２ａ及び１２ｂを介して排出される。インタークーラ１６ａ及び１６ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されるカソードガスを冷却する。背圧弁１７ａ及び１７ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード側の背圧を調整する。
アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、アノードガスとして水素ガスをＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。具体的には、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂ、供給管２１ａ及び２１ｂ、排出管２２ａ及び２２ｂ、戻し管２３ａ及び２３ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、インジェクタ（以下、ＩＮＪと称する）２６ａ及び２６ｂ、気液分離器２７ａ及び２７ｂ、排出弁２８ａ及び２８ｂ、エジェクタ２９ａ及び２９ｂを含む。また、アノードガス供給系２０ａ及び２０ｂは、連通管２３ｃ及び切換弁２８ｃを共用している。
タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂ内には、それぞれアノードガスである水素ガスが高圧状態で蓄えられている。タンク２０ＴａとＦＣ４ａのアノード入口マニホールドは、供給管２１ａにより接続されている。同様に、タンク２０ＴｂとＦＣ４ｂのアノード入口マニホールドは、供給管２１ｂにより接続されている。タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂには、アノードガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２ａ及び２２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのアノード出口マニホールドに接続されている。戻し管２３ａ及び２３ｂは、それぞれ、気液分離器２７ａ及び２７ｂと供給管２１ａ及び２１ｂとを連通している。
タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、ＩＮＪ２６ａ、及びエジェクタ２９ａは、供給管２１ａの上流側から順に配置されている。タンク弁２４ａが開いた状態で、調圧弁２５ａの開度が調整され、ＩＮＪ２６ａがアノードガスを噴射する。これにより、アノードガスはエジェクタ２９ａを通過してＦＣ４ａに供給される。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａの駆動は、ＥＣＵ２により制御される。タンク弁２４ｂ、調圧弁２５ｂ、ＩＮＪ２６ｂ、及びエジェクタ２９ｂについても同様である。ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂは、ＦＣ４ａ及び４ｂに供給されるアノードガスを噴射する第１及び第２インジェクタの一例である。エジェクタ２９ａ及び２９ｂは、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂからそれぞれ噴射されたアノードガスが通過する第１及び第２エジェクタの一例である。尚、供給管２１ａのＦＣ４ａとエジェクタ２９ａとの間には、ＦＣ４ａ内に形成されたアノードガス流路内の圧力（以下、アノード圧力と称する）を検出する圧力センサ２１ａｐが設けられている。圧力センサ２１ｂｐも同様である。
排出管２２ａには、気液分離器２７ａ及び排出弁２８ａが、上流側から順に配置されている。気液分離器２７ａは、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７ａに貯留された水は、排出弁２８ａが開くことにより、排出管２２ａを介してシステム１の外部へと排出される。排出弁２８ａの駆動は、ＥＣＵ２により制御される。気液分離器２７ｂ及び排出弁２８ｂについても同様であるが、排出管２２ｂは排出管２２ａの途中に接続されている。即ち、排出弁２８ｂが開くことにより、気液分離器２７ｂに貯留された水は、排出管２２ｂ及び２２ａを介してシステム１の外部へと排出される。尚、排出管２２ａには、排出管２２ａを通過するガスの水素濃度を検出する水素濃度センサ２２ａ１が設けられている。
戻し管２３ａは、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスを再びＦＣ４ａへ還流させるための配管であり、上流側の端部は気液分離器２７ａに接続され、下流側の端部はエジェクタ２９ａに接続されている。エジェクタ２９ａは、ＩＮＪ２６ａから噴射されたアノードガスの流れを駆動流として、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスを戻し管２３ａから吸い込み、ＦＣ４ａから排出されたアノードガスを再度ＦＣ４ａに循環させる。従って供給管２１ａのエジェクタ２９ａよりも下流側の部位、排出管２２ａの気液分離器２７ａよりも上流側の部位、及び戻し管２３ａは、エジェクタ２９ａを通過したアノードガスを、ＦＣ４ａとエジェクタ２９ａとの間で循環させる循環通路の一例である。同様に、供給管２１ｂのエジェクタ２９ｂよりも下流側の部位、排出管２２ｂの気液分離器２７ｂよりも上流側の部位、及び戻し管２３ｂは、エジェクタ２９ｂを通過したアノードガスを、ＦＣ４ｂとエジェクタ２９ｂとの間で循環させる循環通路の一例である。
連通管２３ｃは、その一端２３ｃ１が戻し管２３ａに接続され他端２３ｃ２が戻し管２３ｂに接続されている。連通管２３ｃには、連通管２３ｃを開閉する切換弁２８ｃが設けられている。切換弁２８ｃが閉じることにより、戻し管２３ａ及び２３ｂは遮断状態となる。切換弁２８ｃが開くことにより、連通管２３ｃを介して戻し管２３ａ及び２３ｂは連通状態となり、即ち、上述した２つの循環通路が連通した状態となる。以下、本明細書では、単に「連通状態」と称する場合は、切換弁２８ｃが開くことにより上述した２つの循環通路が連通した状態を意味する。連通管２３ｃは、第１及び第２循環通路を連通した連通路の一例である。連通管２３ｃの一端２３ｃ１及び他端２３ｃ２は、第１及び第２端部の一例である。詳しくは後述する。
電力制御系３０ａ及び３０ｂは、それぞれ、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２ａ及び３２ｂ、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４ａ及び３４ｂ、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９ａ及び３９ｂを含む。また、電力制御系３０ａ及び３０ｂは、モータ５０に接続されたモータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８を共用している。ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂは、それぞれ、ＢＡＴ８ａ及び８ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＦＣ４ａ及び４ｂの発電電力は、それぞれＢＡＴ８ａ及び８ｂに蓄電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。
ＦＣ４ａ及びＢＡＴ８ａの電力は、ＡＩＮＶ３９ａを介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。同様に、ＦＣ４ｂ及びＢＡＴ８ｂの電力は、ＡＩＮＶ３９ｂを介して負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、及び排出弁２８ａ及び２８ｂを含む。車両用の補機は、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。
ＥＣＵ２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ６、イグニッションスイッチ７、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排出弁２８ａ及び２８ｂ、切換弁２８ｃ、ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂ、ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂ、圧力センサ２１ａｐ及び２１ｂｐ、及び水素濃度センサ２２ａ１が電気的に接続されている。ＥＣＵ２は、アクセル開度センサ６の検出値に基づいて、ＦＣ４ａ及び４ｂ全体への要求出力を算出する。また、ＥＣＵ２は、要求出力に応じて、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機等を制御して、ＦＣ４ａ及び４ｂの合計の発電電力を制御する。
［掃気制御］
ＥＣＵ２は、イグニッションＯＮ時及びイグニッションＯＦＦ時に、ＦＣ４ａ及び４ｂ内に残留していた液水を排出するために、ＦＣ４ａ及び４ｂ内に掃気ガスを供給して掃気する掃気制御を実行する。イグニッションＯＮ時に掃気制御を実行することにより、発電開始前にＦＣ４ａ及び４ｂ内に残留していた液水を排出でき、その後の発電開始時での出力性能を確保することができる。また、イグニッションＯＦＦ時に掃気制御を実行することにより、発電により生じた液水をＦＣ４ａ及び４ｂから排出でき、システム１の停止中にＦＣ４ａ及び４ｂ内で残留した液水が凍結することを防止できる。本実施例の掃気制御では、アノードガスを用いて、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノードガス流路を掃気する。
［イグニッションＯＮ時での掃気制御］
図２は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図２には、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの開閉状態、排出弁２８ａ及び２８ｂの開閉状態、切換弁２８ｃの開閉状態、ＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力を示している。図３は、イグニッションＯＮ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。イグニッションＯＮ時での掃気制御は、ＥＣＵ２により繰り返し実行される。尚、イグニッションＯＦＦの状態では、タンク弁２４ａ及び２４ｂや排出弁２８ａ及び２８ｂ、及び切換弁２８ｃは閉じられており、ＦＣ４ａ及び４ｂは発電停止状態にある。
ＥＣＵ２は、イグニッションスイッチ７からの出力信号に基づいてイグニッションＯＮを検知したか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１でＮｏの場合、本制御は終了する。イグニッションＯＮが検知されると（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＥＣＵ２は、ＩＮＪ２６ａを掃気モードで駆動させてＦＣ４ａの掃気を開始すると共に、排出弁２８ａ及び２８ｂと切換弁２８ｃとを開く（ステップＳ３、時刻ｔ１）。ＩＮＪ２６ａ、排出弁２８ａ、及び切換弁２８ｃは例えばＢＡＴ８ａの充電電力に基づいて駆動され、排出弁２８ｂは例えばＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいて駆動されるがこれに限定されない。
掃気モードでは、ＩＮＪ２６ａが開いた状態に維持されて、アノードガスが継続的に噴射される。また、上述したように切換弁２８ｃが開くことにより連通状態となるため、ＩＮＪ２６ａにより噴射されたアノードガスの少なくとも一部は、連通管２３ｃを介してアノードガス供給系２０ｂ側にも流れる。このため、連通状態でＦＣ４ａの掃気を目的としてＩＮＪ２６ａからアノードガスが継続的に噴射されていても、切換弁２８ｃが閉じている場合でのＦＣ４ａ内のアノード圧力の上昇速度と比較して、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度が抑制される。更に、連通状態で排出弁２８ａ及び２８ｂの双方が開くことにより、気液分離器２７ａ及び２７ｂ内に貯留していた水や、ＦＣ４ａ及び４ｂ内や戻し管２３ａ及び２３ｂ内等に残留していたガスの一部がシステム１の外部へと排出される。これによってもＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度が抑制される。このように、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度が抑制された状態でＦＣ４ａを掃気することにより、多くのアノードガスをＦＣ４ａに供給してＦＣ４ａを十分に掃気することができる。
次に、ＥＣＵ２は、水素濃度センサ２２ａ１に基づいて外気に排出される排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高くなるまで待機する（ステップＳ５）。閾値αは、水素が外気に排出されることに伴って燃費が悪化しない範囲での濃度値に設定されている。ステップＳ５でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２は排出弁２８ａ及び２８ｂを閉じる（ステップＳ７、時刻ｔ２）。これにより、水素濃度が高いガスがシステム１の外部に排出されることを抑制し、燃費の悪化を抑制できる。尚、排出弁２８ａ及び２８ｂが閉じられることにより、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度は増大する。
次にＥＣＵ２は、圧力センサ２１ａｐに基づいてＦＣ４ａ内のアノード圧力が閾値βよりも高くなるまで待機する（ステップＳ９）。閾値βは、アノード圧力が高くなりすぎることにより燃料電池に問題が発生する可能性がある圧力値よりも、所定のマージン分だけ低い圧力値に設定されている。閾値βは、例えば３００ｋＰａであるがこれに限定されない。
ＦＣ４ａ内のアノード圧力が閾値βよりも高いと判定されると（ステップＳ９でＹｅｓ）、ＥＣＵ２はＩＮＪ２６ａの駆動を停止してＦＣ４ａの掃気を完了すると共に、ＦＣ４ａの発電を開始する（ステップＳ１１、時刻ｔ３）。このようにＩＮＪ２６ａからアノードガスが噴射されずにＦＣ４ａの発電が開始されることにより、ＦＣ４ａ及び４ｂ内等に存在していたアノードガスが消費され、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力を低下させることができる。尚、ＦＣ４ａの発電の開始は、掃気によりＦＣ４ａ内には既にアノードガスが供給されているため、エアコンプレッサ１４ａを駆動してカソードガスをＦＣ４ａに供給すると共にＦＤＣ３２ａ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ａと負荷装置とが電気的に接続されることにより実現される。従って、掃気完了後速やかにＦＣ４ａの発電を開始できる。
次にＥＣＵ２は、圧力センサ２１ｂｐに基づいてＦＣ４ｂのアノード圧力が閾値γ未満となるまで待機する（ステップＳ１３）。閾値γは、ＦＣ４ｂの掃気を開始するのに適した、ＦＣ４ｂ内のアノード圧力が十分に低下したことを示す圧力値に設定されている。閾値γは、例えば１２０ｋＰａである。
ステップＳ１３でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２はＩＮＪ２６ｂを掃気モードで駆動してＦＣ４ｂの掃気を開始すると共に、排出弁２８ａを開く（ステップＳ１５、時刻ｔ４）。排出弁２８ａが開くことにより、ＦＣ４ａの発電により発生した窒素ガスを排気できると共に、ＦＣ４ｂの掃気を目的としたＩＮＪ２６ｂからのアノードガスの噴射に伴うＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度をも抑制できる。更に、上述したようにＩＮＪ２６ａの駆動は停止された状態でＦＣ４ａは発電中であるため、ＦＣ４ａの発電によりアノードガスが消費され、これによってもＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度を抑制できる。このように、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度が抑制された状態で、より多くのアノードガスをＦＣ４ｂに供給して十分に掃気することができる。尚、ＩＮＪ２６ｂは例えばＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいて駆動され、排出弁２８ａはＦＣ４ａの発電電力に基づいて駆動されるが、これに限定されない。
次にＥＣＵ２は、水素濃度センサ２２ａ１に基づいて排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高くなるまで待機する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２は排出弁２８ａを閉じる（ステップＳ１９、時刻ｔ５）。これにより、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度は増大する。
次に、ＥＣＵ２は、圧力センサ２１ｂｐに基づいてＦＣ４ｂ内のアノード圧力が閾値βよりも高くなるまで待機する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２は、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂを通常発電モードで駆動してＦＣ４ａと共にＦＣ４ｂについても発電を開始することによりＦＣ４ｂの掃気を完了し、排出弁２８ｂを開いて切換弁２８ｃを閉じる（ステップＳ２３）。
通常発電モードでは、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂがそれぞれ間欠的に開閉することにより、ＦＣ４ａ及び４ｂへの要求出力に応じた所望のアノードガスの供給量がＦＣ４ａ及び４ｂに供給される。また、切換弁２８ｃを閉じることにより、戻し管２３ａ及び２３ｂとの連通が遮断され、ＦＣ４ａ及び４ｂを通常発電状態に移行することができる。また、排出弁２８ｂが開くことにより、ＦＣ４ｂ内の圧力を速やかに低下させつつＦＣ４ｂの発電を開始することができる。ＦＣ４ｂの発電開始は、ＦＣ４ａの場合と同様に、掃気によりＦＣ４ｂ内には既にアノードガスが供給されているため、エアコンプレッサ１４ｂを駆動してカソードガスをＦＣ４ｂに供給すると共にＦＤＣ３２ｂ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ｂと負荷装置とが電気的に接続されることにより実現される。尚、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂが通常発電モードに移行した後では、ＦＣ４ａ及び４ｂのそれぞれの発電量に応じて排出弁２８ａ及び２８ｂが開閉制御され、気液分離器２７ａ及び２７ｂ内に貯留した水が排出される。
以上のように、連通状態でＩＮＪ２６ａ及び２６ｂからそれぞれアノードガスを噴射してＦＣ４ａ及び４ｂを掃気することにより、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の増大を抑制しつつ、ＦＣ４ａ及び４ｂへのアノードガスの供給流量を確保してＦＣ４ａ及び４ｂを十分に掃気することができる。
ステップＳ３、Ｓ７、Ｓ１１、Ｓ１５、及びＳ２３では、制御対象となる機器が複数あるが、各ステップにおいてこれらの複数の機器を必ずしも同時に駆動する必要はない。例えばステップＳ３では、排出弁２８ａ及び２８ｂと切換弁２８ｃとを開いた後にＩＮＪ２６ａを掃気モードで駆動してもよい。ステップＳ１１では、ＩＮＪ２６ａの駆動を継続しつつＦＣ４ａの発電を開始してもよい。
ステップＳ３では、排出弁２８ａ及び２８ｂの双方を開いたが、連通状態であれば排出弁２８ａ及び２８ｂの一方のみを開いてもよい。これによっても、ＦＣ４ａ及び４ｂ内の圧力の上昇速度を抑制できるからである。
ステップＳ１５では、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度を抑制する観点からは、排出弁２８ａのみではなく排出弁２８ａ及び２８ｂの双方を開いてもよいが、排出弁２８ａのみを開くことが望ましい。ステップＳ１５では、ＦＣ４ａは発電中であってＦＣ４ｂについて掃気が開始されるため、ＦＣ４ａの出口周辺には発電により発生した水素濃度の低い窒素ガスが充満しているのに対して、ＦＣ４ｂの出口周辺にはＦＣ４ｂの掃気により噴射された水素濃度の高いアノードガスが充満している。このため、ＦＣ４ｂ側の排出弁２８ｂを開くと、短期間で排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高くなり、ステップＳ１７でＹｅｓと判定されて排出弁２８ｂが短期間で閉じられる可能性がある。これに対してＦＣ４ａ側の排出弁２８ａを開くことにより、水素濃度の低い窒素ガスを排気でき、排出弁２８ａを長期間開くことができ、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度を抑制できる。
ステップＳ９では圧力センサ２１ａｐに基づいてＦＣ４ａのアノード圧力を検出したが、ＦＣ４ａのアノード圧力の代わりに圧力センサ２１ｂｐに基づいてＦＣ４ｂのアノード圧力を用いてもよい。連通状態では、ＦＣ４ａのアノード圧力とＦＣ４ｂのアノード圧力とは略同じとなるからである。ステップＳ１３及びＳ２１についても同様に、ＦＣ４ｂのアノード圧力の代わりにＦＣ４ａのアノード圧力を用いてもよい。ステップＳ１３及びＳ２１では、ＦＣ４ｂのアノード圧力の代わりに、ＦＣ４ａのセル電圧を用いてもよい。燃料電池のアノード圧力とセル電圧とは相関し、ステップＳ１３及びＳ２１では既にＦＣ４ａは発電しており、連通状態でＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力が低下するほど、ＦＣ４ａのセル電圧も低下するからである。また、ステップＳ９において、ＥＣＵ２は、掃気が開始されてから所定時間が経過するまで待機し、その後にステップＳ１１の処理を実行してもよい。この場合、所定時間とは、掃気が継続されて燃料電池内のアノード圧力が高くなりすぎることにより燃料電池に問題が発生する可能性がある時間よりも、所定のマージン分だけ短い時間である。ステップＳ２１についても同様である。
尚、図１に示したように連通管２３ｃの一端２３ｃ１は戻し管２３ａに接続されている。このため、例えば連通状態でＦＣ４ａの発電中であってＦＣ４ｂの掃気中に、ＦＣ４ａの発電により発生した生成水は気液分離器２７ａに貯留される。従ってＦＣ４ａでの生成水が、戻し管２３ｂ内に侵入してＦＣ４ｂの掃気に影響を与えることが抑制される。
［イグニッションＯＦＦ時での掃気制御］
図４は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したタイミングチャートである。図４には、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂの開閉状態、排出弁２８ａ及び２８ｂの開閉状態、切換弁２８ｃの開閉状態、ＦＣ４ａ及び４ｂの発電状態、ＦＣ４ａ及び４ｂのアノード圧力を示している。図５は、イグニッションＯＦＦ時での掃気制御の一例を示したフローチャートである。イグニッションＯＦＦ時での掃気制御は、所定の期間毎に繰り返し実行される。
ＥＣＵ２は、イグニッションスイッチ７からの出力信号に基づいてイグニッションＯＦＦを検知したか否かを判定する（ステップＳ１ａ）。ステップＳ１でＮｏの場合、本制御は終了する。イグニッションＯＦＦが検知されると（ステップＳ１ａでＹｅｓ）、ＥＣＵ２は、ＩＮＪ２６ａを掃気モードで駆動させてＦＣ４ａの掃気を開始すると共に、排出弁２８ａ及び２８ｂと切換弁２８ｃとを開き、ＦＣ４ａの発電を停止する（ステップＳ３ａ、時刻ｔ１ａ）。切換弁２８ｃが開くことにより連通状態となり、この連通状態でＦＣ４ａが掃気されるため、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の増大を抑制しつつＦＣ４ａを十分に掃気することができる。ＩＮＪ２６ａ、排出弁２８ａ、及び切換弁２８ｃは例えばＢＡＴ８ａの充電電力に基づいて駆動され、排出弁２８ｂはＦＣ４ｂの発電電力に基づいて駆動されるが、これに限定されない。尚、ＦＣ４ａの発電の停止は、ＦＤＣ３２ｂ内部に設けられたスイッチによりＦＣ４ｂと負荷装置との電気的な接続が遮断されることにより実現される。
次に、ＥＣＵ２は、水素濃度センサ２２ａ１に基づいて外気に排出されるガスの水素濃度が閾値αよりも高くなるまで待機する（ステップＳ５ａ）。ステップＳ５ａでＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２は排出弁２８ａ及び２８ｂを閉じる（ステップＳ７ａ、時刻ｔ２ａ）。次にＥＣＵ２は、圧力センサ２１ａｐに基づいてＦＣ４ａ内のアノード圧力が閾値βよりも高くなるまで待機する（ステップＳ９ａ）。ステップＳ９ａでＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２はＩＮＪ２６ａの駆動を停止してＦＣ４ａの掃気を完了する（ステップＳ１１ａ、時刻ｔ３ａ）。
次にＥＣＵ２は、ＦＣ４ｂのアノード圧力が閾値γ未満になるまで待機する（ステップＳ１３ａ）。ステップＳ１３ａでＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２はＩＮＪ２６ｂを掃気モードで駆動してＦＣ４ｂの掃気を開始すると共に、排出弁２８ｂを開き、ＦＣ４ｂの発電を停止する（ステップＳ１５ａ、時刻ｔ４ａ）。上述したように連通状態でＦＣ４ｂについて掃気されるため、ＦＣ４ｂを十分に掃気することができる。ＩＮＪ２６ｂ及び排出弁２８ｂの駆動は例えばＢＡＴ８ｂの充電電力に基づいて駆動されるが、これに限定されない。
次にＥＣＵ２は、水素濃度センサ２２ａ１に基づいて排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高くなるまで待機する（ステップＳ１７ａ）。ステップＳ１７ａでＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２は排出弁２８ｂを閉じる（ステップＳ１９ａ、時刻ｔ５ａ）。ＥＣＵ２は、圧力センサ２１ｂｐに基づいてＦＣ４ｂ内のアノード圧力が閾値βよりも高くなるまで待機する（ステップＳ２１ａ）。ステップＳ２１ａでＹｅｓの場合には、ＥＣＵ２は、ＩＮＪ２６ｂを停止してＦＣ４ｂの掃気を完了すると共に切換弁２８ｃを閉じる（ステップＳ２３ａ）。その後、所謂クロスリークによりＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力は徐々に低下する。
以上のように、イグニッションＯＦＦ時においても、連通状態でＩＮＪ２６ａ及び２６ｂからそれぞれアノードガスを噴射してＦＣ４ａ及び４ｂを掃気することにより、ＦＣ４ａ及び４ｂ内のアノード圧力の上昇速度を抑制しつつ、ＦＣ４ａ及び４ｂへのアノードガスの供給流量を確保してＦＣ４ａ及び４ｂを十分に掃気することができる。
尚、ステップＳ３ａ、Ｓ７ａ、Ｓ１５ａ、Ｓ２３ａでは、制御対象となる機器が複数あるが、各ステップにおいてこれらの複数の機器を必ずしも同時に駆動する必要はない。ステップＳ３ａでは、連通状態であれば排出弁２８ａ及び２８ｂの一方のみを開いてもよい。ステップＳ１５ａでは、排出弁２８ａ及び２８ｂの双方を開いてもよいが、上述したステップＳ１５と同様の理由により、直前まで発電中であったＦＣ４ｂ側の排出弁２８ｂを開くことが好ましい。ステップＳ９ａにおいて、ＦＣ４ａのアノード圧力の代わりに圧力センサ２１ｂｐに基づいてＦＣ４ｂのアノード圧力を用いてもよい。ステップＳ１３ａ及びＳ２１ａにおいて、ＦＣ４ｂのアノード圧力の代わりにＦＣ４ａのアノード圧力を用いてもよい。また、ステップＳ９ａ及びＳ１３ａでは、ＦＣ４ａのアノード圧力の代わりに、まだ発電中であるＦＣ４ｂのセル電圧を用いてもよい。ステップＳ９ａにおいて、ＥＣＵ２は、掃気が開始されてから所定時間が経過するまで待機し、その後にステップＳ１１ａの処理を実行してもよい。ステップＳ２１ａについても同様である。
尚、図１に示したように連通管２３ｃの他端は戻し管２３ｂに接続されている。このため、例えば連通状態でＦＣ４ｂの発電中であってＦＣ４ａの掃気中に、ＦＣ４ｂの発電により発生した生成水は気液分離器２７ｂに貯留される。従ってＦＣ４ｂでの生成水が、戻し管２３ａ内に侵入してＦＣ４ａの掃気に影響を与えることが抑制される。
イグニッションＯＮ時及びイグニッションＯＦＦ時では、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方について掃気したが、何れか一方のみを掃気してもよい。また、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方を掃気する場合には、その順序は問わない。
［燃料電池システムの変形例］
図６Ａ〜図６Ｃは、変形例のシステム１Ａ〜１Ｃの概略構成図である。尚、同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。図６Ａのシステム１Ａでは、連通管２３ｄの一端２３ｄ１は、上述した本実施例と同様に戻し管２３ａに接続されているが、他端２３ｄ２は供給管２１ｂのエジェクタ２９ｂとＦＣ４ｂとの間に接続されている。図６Ｂのシステム１Ｂでは、連通管２３ｅの一端２３ｅ１は、供給管２１ａのエジェクタ２９ａとＦＣ４ａとの間に接続され、他端２３ｅ２は供給管２１ｂのエジェクタ２９ｂとＦＣ４ｂとの間に接続されている。図６Ｃのシステム１Ｃでは、連通管２３ｆの一端２３ｆ１は排出管２２ａのＦＣ４ａと気液分離器２７ａとの間に接続され、他端２３ｆ２は排出管２２ｂのＦＣ４ｂと気液分離器２７ｂとの間に接続されている。その他、連通路の一端を戻し管２３ａに接続し、他端を排出管２２ｂのＦＣ４ｂと気液分離器２７ｂとの間に接続してもよい。連通路の一端を供給管２１ａのエジェクタ２９ａとＦＣ４ａとの間に接続し、他端を排出管２２ｂのＦＣ４ｂと気液分離器２７ｂとの間に接続してもよい。例えばシステムが搭載される車両の搭載スペース等を考慮して、上記の何れかの連通路を採用してもよい。
上記実施例及び変形例では、図１に示したように排出管２２ｂの下流端は排出管２２ａに接続されており、ＦＣ４ａ及び４ｂの何れからの排気ガスも排出管２２ａを介して外気へと排出されるがこれに限定されない。即ち、排出管２２ｂの下流端が排出管２２ａには接続されておらず、直接外気へと排気ガスを排出する構成であってもよい。この場合、排出管２２ｂを通過する排気ガスの水素濃度を検出する濃度センサを設け、ステップＳ５及びＳ７や、ステップＳ５ａ及びＳ７ａでは、排出管２２ａ及び２２ｂからそれぞれ排出される排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高いか否かを判定して、排出管２２ａから排出される排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高い場合には排出弁２８ａを閉じ、排出管２２ｂから排出される排気ガスの水素濃度が閾値αよりも高い場合には排出弁２８ｂを閉じるようにしてもよい。
上記実施例及び変形例では、２つのＦＣ４ａ及び４ｂを備えているが、３つ以上のＦＣを備えていてもよい。３つ以上のＦＣを備えたシステムにおいては、少なくとも２つのＦＣの循環通路が連通路により連通されていればよいが、掃気によるＦＣ内のアノード圧力の上昇速度を十分に抑制する観点からは、３つ以上のＦＣの循環通路を連通していることが望ましい。３つ以上のＦＣの循環通路を連通する場合には、例えば、２つのＦＣの循環通路を接続する主通路を設け、この主通路から分岐して残りのＦＣの循環通路にそれぞれ接続される分岐通路を設け、主通路と各分岐通路とに開閉可能な切換弁を設けてもよい。
上記実施例及び変形例では、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ対応したＢＡＴ８ａ及び８ｂが設けられているが、これに限定されず、ＦＣ４ａ及び４ｂに共通に接続された二次電池を備えていてもよい。上記実施例では、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ対応したタンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂを備えているが、これに限定されず、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂの代わりにＦＣ４ａ及び４ｂに共用されるタンクを備えていてもよいし、３つ以上のタンクを備えていてもよい。
燃料電池システムが搭載されている車両としては、自動車のみならず、二輪車、鉄道車両や、船舶、航空機等であってもよいし、駆動にモータと内燃機関とを併用可能なハイブリット車両であってもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 燃料電池システム
２ ＥＣＵ（制御装置）
４ａ、４ｂ 燃料電池
２０ａ、２０ｂ アノードガス供給系
２１ａ、２１ｂ 供給管
２２ａ、２２ｂ 排出管
２３ａ、２３ｂ 戻し管
２３ｃ 連通管
２６ａ、２６ｂ インジェクタ
２７ａ、２７ｂ 気液分離器
２８ａ、２８ｂ 排出弁
２８ｃ 切換弁
２９ａ、２９ｂ エジェクタ

Claims (8)

  1. 第１及び第２燃料電池と、
    前記第１及び第２燃料電池に供給されるアノードガスを噴射する第１及び第２インジェクタと、
    前記第１及び第２インジェクタのそれぞれから噴射されたアノードガスが通過する第１及び第２エジェクタと、
    前記第１エジェクタを通過したアノードガスを、前記第１燃料電池と前記第１エジェクタとの間で循環させる第１循環通路と、
    前記第２エジェクタを通過したアノードガスを、前記第２燃料電池と前記第２エジェクタとの間で循環させる第２循環通路と、
    前記第１及び第２循環通路に連通した連通路と、
    前記連通路を開閉することにより前記第１及び第２循環通路が連通した連通状態又は遮断された遮断状態に切換える切換弁と、
    前記連通状態で前記第１燃料電池の発電停止中に、前記第１インジェクタによりアノードガスを噴射して前記第１燃料電池を掃気する、制御装置と、を備えた燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電中に、前記第１燃料電池を掃気する、請求項１の燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電中であり前記第２インジェクタの駆動を停止した状態で、前記第１燃料電池を掃気する、請求項１又は２の燃料電池システム。
  4. 前記第１及び第２循環通路のそれぞれと外気とを連通する第１及び第２排出弁を備え、
    前記制御装置は、前記連通状態で前記第１及び第２排出弁の少なくとも一方を開いた状態で、前記第１燃料電池を掃気する、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
  5. 前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電中であり前記第２排出弁を開いた状態で、前記第１燃料電池を掃気する、請求項４の燃料電池システム。
  6. 前記第１燃料電池から排出されたアノードガスが前記第１エジェクタに到達するまでの間に通過する第１気液分離器を備え、
    前記連通路の第１端部は、前記第１循環通路の前記第１気液分離器と前記第１エジェクタとの間に接続されている、請求項１乃至５の何れかの燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記連通状態で前記第２燃料電池の発電停止中に、前記第２インジェクタによりアノードガスを噴射して前記第２燃料電池を掃気する、請求項１乃至６の何れかの燃料電池システム。
  8. 前記第２燃料電池から排出されたアノードガスが前記第２エジェクタに到達するまでの間に通過する第２気液分離器を備え、
    前記連通路の第２端部は、前記第２循環通路の前記第２気液分離器と前記第２エジェクタとの間に接続されている、請求項７の燃料電池システム。
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