JP2020136008A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の低効率運転時において、燃料電池から外部に排出されるオフガス中の水素濃度を低減する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、酸化剤ガス供給配管と、酸化オフガス排出配管と、酸化剤ガス供給配管と酸化オフガス排出配管とを接続するバイパス配管と、燃料電池温度を取得する電池温度取得部と、オフガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出部と、バイパス配管に供給される酸化剤ガスの流量を制御する制御部と、を備える。水素濃度検出部は、自身の表面を撥水膜により覆われ、酸化オフガス排出配管とバイパス配管との接続部と、燃料電池における酸化オフガスの排出口と、の間に設けられ、燃料電池温度よりも高い温度となるように暖められ、制御部は、燃料電池の低効率運転時、検出された水素濃度が予め定められた閾値以上である場合に、検出された水素濃度が予め定められた閾値より小さい場合に比べて、酸化剤ガスの流量を増加させる。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムの停止時に燃料電池内部の燃料ガス流路内には、水素含有ガスが滞留したままになっている。燃料ガス流路内に滞留する水素は、燃料電池システムを停止させた後に、燃料電池の電解質膜を介して酸化剤ガス流路側へと次第に透過する。このため、燃料電池システムの起動時に燃料電池への酸化剤ガスの供給を開始すると、酸化剤ガス流路側に透過した比較的水素濃度の高いガスが、酸化オフガスとして燃料電池から排出される。このため、従来、酸化オフガス中の水素濃度を低減する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池システムを停止してから起動するまでにおける酸化剤ガスの圧力の変化量（圧力変化量）を取得し、取得された圧力変化量が所定値を超えている場合には、酸化オフガス中の水素濃度が高濃度状態であるとして、バイパス空気流路に分流させる酸化剤ガスの流量を増加させて、酸化剤オフガス中の水素濃度を低減させている。

特開２０１５−１１５２２７号公報

しかしながら、燃料電池から排出されるオフガス中の水素濃度が上昇することは、他の条件下でも生じ得る。例えば、氷点下等の低温環境下では、燃料電池の始動時の安定性を向上させるために燃料電池への酸化剤ガスの供給量を制限して、通常運転時に比べて低効率で燃料電池を運転させることにより、燃料電池を短時間で昇温させている。このため、エアストイキ比が小さくなり、水素ポンピング現象が発生する。この結果、オフガス中の水素濃度が上昇する。このような場合にオフガス中の水素濃度を適切に低減できないおそれがあることを本開示の発明者らは見出した。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、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、燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流路を形成する酸化剤ガス供給配管と、前記燃料電池から排出される酸化オフガスの流路を形成する酸化オフガス排出配管と、前記酸化剤ガス供給配管と前記酸化オフガス排出配管とを接続するバイパス配管と、前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する電池温度取得部と、前記燃料電池から排出されるオフガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出部と、前記バイパス配管に供給される前記酸化剤ガスの流量を制御する制御部と、を備える。ここで、前記水素濃度検出部は、自身の表面を撥水膜により覆われ、前記酸化オフガス排出配管と前記バイパス配管との接続部と、前記燃料電池における前記酸化オフガスの排出口と、の間に設けられ、前記燃料電池温度よりも高い温度となるように暖められる。前記制御部は、前記燃料電池の低効率運転時、検出された前記水素濃度が予め定められた閾値以上である場合に、検出された前記水素濃度が予め定められた閾値より小さい場合に比べて、前記酸化剤ガスの前記流量を増加させる。

この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の低効率運転時、水素濃度検出部によって検出された水素濃度が予め定められた閾値以上である場合に、検出された水素濃度が予め定められた閾値より小さい場合に比べて、バイパス配管に供給される酸化剤ガスの流量を増加させるので、燃料電池の低効率運転時に燃料電池から外部に排出されるオフガス中の水素濃度を低減できる。また、水素濃度検出部の表面が撥水膜により覆われているので、燃料電池の発電により生じる生成水の水蒸気が水素濃度検出部に付着することを抑制し、水素濃度を精度よく検出できる。また、水素濃度検出部が燃料電池温度よりも高い温度に暖められているので、燃料電池の発電により生じる生成水の水蒸気が水素濃度検出部において結露することを抑制できる。

本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、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、燃料電池の始動方法、燃料電池から外部に排出されるオフガス中の水素濃度の希釈方法等の形態で実現できる。

本開示の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図。 水素濃度検出部の概略構成を示す説明図。 燃料電池始動時処理の処理手順を示すフローチャート。 燃料電池始動時処理が実行された場合の各種パラメータの変化の様子を模式的に示すタイミングチャート。 第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す概略図。 第２実施形態における燃料電池始動時処理の処理手順を示すフローチャート。 第３実施形態における燃料電池システムの構成を示す概略図。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤ガス供給排出部３０と、燃料ガス供給排出部５０と、冷却媒体循環部７０と、制御装置２０とを備える。燃料電池システム１００は、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、二次電池９２とを備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介して二次電池９２、負荷９３、および加熱装置９４に供給される。

酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて燃料電池１０に供給すると共に、酸化オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガス供給配管３１と、エアフローメータ３２と、エアコンプレッサ３３と、カソード開閉弁３４と、カソード圧力計３５と、分流弁３６と、カソードバイパス配管３７と、酸化オフガス排出配管４１と、カソード調圧弁４２と、水素濃度検出部４３とを備える。

酸化剤ガス供給配管３１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通し、空気の流路を形成する。エアフローメータ３２は、酸化剤ガス供給配管３１に設けられ、外気から取り込んだ空気の流量を測定する。エアコンプレッサ３３は、酸化剤ガス供給配管３１に設けられ、制御装置２０からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して燃料電池１０に供給する。カソード開閉弁３４は、エアコンプレッサ３３と燃料電池１０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３から燃料電池１０への空気の供給の実行および停止を行う。カソード圧力計３５は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。

分流弁３６は、酸化剤ガス供給配管３１とカソードバイパス配管３７との接続箇所に配置されている。分流弁３６は、エアコンプレッサ３３から供給される空気のうち、燃料電池１０へと供給される流量と、カソードバイパス配管３７へと供給される流量とを調整する。カソードバイパス配管３７は、酸化剤ガス供給配管３１と酸化オフガス排出配管４１とを接続し、分流弁３６の開度に応じてエアコンプレッサ３３から供給される圧縮空気の少なくとも一部を、酸化オフガス排出配管４１へと導く。本実施形態において、カソードバイパス配管３７は、課題を解決するための手段におけるバイパス配管の下位概念に相当する。

酸化オフガス排出配管４１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化オフガス排出マニホールドと連通する。酸化オフガス排出配管４１は、各セル１１から排出される酸化オフガスの流路を形成し、酸化オフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。酸化オフガスには、空気の他に、燃料電池１０の発電により生じた生成水が含まれる。カソード調圧弁４２は、制御装置２０からの制御信号に応じて、酸化オフガス排出配管４１における酸化オフガスの圧力を調整する。

水素濃度検出部４３は、酸化オフガス排出配管４１を流通する酸化オフガス中の水素の濃度を検出する。水素濃度検出部４３は、酸化オフガス排出配管４１において、カソードバイパス配管３７と酸化オフガス排出配管４１との接続部４６と、燃料電池１０における酸化オフガスの排出口４５と、の間に設けられている。水素濃度検出部４３としては、例えば、気体熱伝導式の水素濃度センサや、半導体式の水素濃度センサ等の任意の種類の水素濃度センサを採用できる。水素濃度検出部４３は、酸化オフガス排出配管４１内の水素濃度を感知して、感知した水素濃度に応じた電気信号を制御部２２に送信する。

本実施形態において、水素濃度検出部４３は、燃料電池１０の温度よりも高い温度となるように、加熱装置９４により暖められている。加熱装置９４は、例えば、電気ヒーターや、温風装置等の一般的な加熱装置である。水素濃度検出部４３を加熱装置９４により暖めるのは、燃料電池１０の発電により生じる生成水の水蒸気が水素濃度検出部４３において結露することを抑制するためである。加熱装置９４は、制御装置２０からの制御信号に応じてオンとオフとが切り替えられる。図１に示すように、加熱装置９４は、燃料電池１０のＤＣ／ＤＣコンバータ９０に接続され、燃料電池１０により発電された電力が供給される。加熱装置９４の加熱温度は、後述の電池温度取得部７７により取得される燃料電池１０の温度に応じて、制御装置２０によって制御される。なお、加熱装置９４には、燃料電池１０により発電された電力に代えて、または、加えて、二次電池９２に蓄電されている電力が供給されてもよい。

図２は、水素濃度検出部４３の概略構成を示す説明図である。図２では、燃料電池システム１００において水素濃度検出部４３が配置された位置の近傍の様子を模式的に示している。図２に示すように、水素濃度検出部４３の表面は、撥水膜４４により覆われている。撥水膜４４は、水素濃度検出部４３の内部と外部との間で気体の通過を許容しつつ、液水の通過を妨げる膜である。水素濃度検出部４３を撥水膜４４により覆うのは、燃料電池１０の発電により生じる生成水の水蒸気が水素濃度検出部４３に付着することを抑制し、水素濃度を精度よく検出するためである。

撥水膜４４は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の撥水性樹脂により形成され、膜厚方向に貫通する多数の微細な細孔が形成された膜である。すなわち、撥水膜４４は、水素濃度検出部４３の外部からの水の進入を抑える撥水性を有するとともに、水素濃度検出部４３の内部からのガスの排出を許容する多孔質構造を有している。撥水膜４４の材料としては、例えば、ポアフロン（住友電気工業株式会社製、ポアフロンは登録商標）を用いることができる。なお、撥水コーティングにより水素濃度検出部４３の表面が覆われる構成としてもよい。かかる構成では、水素濃度検出部４３表面のガスの排出を許容する孔をより小さくしてもよい。

図１に示すように、燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給すると共に、燃料オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガス供給配管５１と、水素ガスタンク５２と、アノード開閉弁５３と、アノード調圧弁５４と、インジェクタ５５と、アノード圧力計５６と、燃料オフガス排出配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、水素ポンプ６５と、接続配管６６と、排気排水管４８とを備える。

燃料ガス供給配管５１は、水素ガスタンク５２と燃料電池１０とを接続し、水素ガスタンク５２内の水素ガスおよび水素ポンプ６５から送られる余剰水素ガスを燃料電池１０に供給する。アノード開閉弁５３、アノード調圧弁５４、インジェクタ５５、およびアノード圧力計５６は、この順序で水素ガスタンク５２から燃料電池１０に向かって燃料ガス供給配管５１に配置されている。

アノード開閉弁５３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク５２からインジェクタ５５への水素ガスの流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時にはアノード開閉弁５３は閉じられる。アノード調圧弁５４は、制御装置２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ５５は、制御装置２０からの制御信号に応じて、制御装置２０が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池１０に供給すると共にその供給量を調整する。アノード圧力計５６は、燃料電池１０の水素ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。

燃料オフガス排出配管６１は、燃料電池１０の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと気液分離器６２とを接続する。燃料オフガス排出配管６１は、燃料電池１０から燃料オフガスを排出するための流路である。燃料オフガスには、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガス、燃料電池１０の発電により生じた生成水が含まれる。燃料オフガス排出配管６１は、燃料オフガスを気液分離器６２へと誘導する。

気液分離器６２は、燃料オフガス排出配管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、燃料オフガス排出配管６１内の燃料オフガスに含まれる水素ガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管６４へ流入させる。

循環配管６４は、インジェクタ５５よりも下流側において燃料ガス供給配管５１と接続している。循環配管６４には、制御装置２０からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ６５が配置されている。水素ポンプ６５は、気液分離器６２において分離されたガス（水素ガスを含むガス）を燃料ガス供給配管５１に送り出す。燃料電池システム１００では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。

排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁６３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、気液分離器６２により分離された水および燃料オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを接続配管６６へ排出する。

接続配管６６は、排気排水弁６３の下部と、酸化オフガス排出配管４１とを接続する。接続配管６６は、酸化オフガス排出配管４１と連通し、排気排水弁６３から排出された水および燃料オフガスを酸化オフガス排出配管４１へ排出する。接続配管６６を介して酸化オフガス排出配管４１に流入した燃料オフガスは、酸化オフガス排出配管４１内を流れる酸化オフガスの勢いによって、排気排水管４８を介して燃料電池システム１００の外部（大気）へ排出される。

排気排水管４８は、接続配管６６と酸化オフガス排出配管４１との接続部４７よりも下流側において、酸化オフガス排出配管４１に接続している。排気排水管４８は、外部（大気）と連通しており、酸化オフガス、燃料オフガス、および気液分離器６２から排出された水は、排気排水管４８を通って燃料電池システム１００の外部（大気）へ排出される。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池１０の温度（以下、「燃料電池温度」と呼ぶ）を調整する。本実施形態では、冷却媒体としてエチレングリコール等の不凍水が用いられる。なお、不凍水に限らず、空気を冷却媒体として用いてもよい。冷却媒体循環部７０は、冷却媒体供給配管７１と、冷却媒体排出配管７２と、ラジエータ７３と、循環ポンプ７４と、三方弁７５と、冷却媒体バイパス配管７６と、電池温度取得部７７とを備える。

冷却媒体供給配管７１は、燃料電池１０の内部に形成された冷却媒体供給マニホールドに接続されている。冷却媒体排出配管７２は、燃料電池１０の内部に形成された冷却媒体排出マニホールドに接続されている。ラジエータ７３は、冷却媒体排出配管７２と冷却媒体供給配管７１とに接続されており、冷却媒体排出配管７２から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給配管７１へと排出する。したがって、冷却媒体排出配管７２、ラジエータ７３、冷却媒体供給配管７１、および燃料電池１０内のマニホールドにより、冷却媒体の循環路が形成されている。

循環ポンプ７４は、冷却媒体供給配管７１に配置され、循環ポンプ７４の駆動力によって冷却媒体を燃料電池１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３と冷却媒体バイパス配管７６への冷却媒体の流量を調節する。電池温度取得部７７は、冷却媒体排出配管７２における燃料電池１０の近傍に配置されており、冷却媒体排出配管７２内の冷却媒体の温度を測定し、制御装置２０に送信する。本実施形態において、冷却媒体の温度は、燃料電池温度として用いられる。

以上説明した燃料電池１０は、上述の構成によって供給される水素ガスおよび空気を用いて発電する。発電した電力は、図示しないインバータを介して、加熱装置９４に供給される。燃料電池１０から加熱装置９４に電力を供給する電源ラインには、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０の高圧側が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御装置２０の制御に応じて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧する。燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ９０との間には、燃料電池１０の電流を測定する電流センサ９５が設けられている。電流センサ９５は、燃料電池１０の出力電流値を測定する。

二次電池９２は、燃料電池１０により発電された電力を蓄電し、燃料電池１０とともに燃料電池システム１００における電力の供給源として機能する。二次電池９２の電力は、エアコンプレッサ３３、水素ポンプ６５、各種弁、および加熱装置９４に供給される。本実施形態において、二次電池９２は、充放電可能なリチウムイオン電池によって構成されている。なお、二次電池９２は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の電池により構成されてもよい。

制御装置２０は、燃料電池システム１００を全体制御する。制御装置２０は、ＣＰＵ２１と、メモリ２５とを備えている。ＣＰＵ２１は、メモリ２５に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御部２２として機能する。

制御部２２は、エアコンプレッサ３３や水素ポンプ６５等の制御装置２０と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池１０の運転を制御する。本実施形態において、制御部２２は、後述の燃料電池始動時処理において、氷点下等の低温環境下では、燃料電池１０の通常運転に先立って、燃料電池１０の低効率運転を実行する。「低効率運転」とは、通常運転時に比べて低効率で燃料電池１０を運転させることを意味する。低効率運転では、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量が制限される。このとき、燃料電池１０のカソード側においてポンピング水素が発生することがある。このため、本実施形態において、制御部２２は、水素濃度検出部４３により取得される水素濃度に基づいて、オフガス中の水素濃度を希釈させる処理を実行する。以下、詳細に説明する。

Ａ２．燃料電池始動時処理：
図３は、燃料電池システム１００で実行される燃料電池始動時処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、車両全体を制御する上位のＥＣＵ（Electronic Control Unit）からイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わったことを示す信号が送信され、かかる信号が制御装置２０において受信されると、図３に示す燃料電池始動時処理が実行される。

制御部２２は、電池温度取得部７７から燃料電池温度を取得する（ステップＳ１０５）。制御部２２は、取得した燃料電池温度が閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。本実施形態において、閾値は、０℃に設定されている。なお、閾値は、０℃に代えて、氷点付近の温度、あるいは氷点以下の温度等を用いてもよい。

燃料電池温度が閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部２２は、低効率運転を実行する（ステップＳ１１５）。具体的には、制御部２２は、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量を、通常運転時の酸化剤ガスの供給量よりも減少させる。酸化剤ガスの供給量の減少量は、燃料電池１０の特性や、酸化剤ガス供給配管３１の径等に応じて予め実験により決定されており、マップとしてメモリ２５に格納されている。ステップＳ１１５において、制御部２２は、かかるマップに対して、燃料電池システム１００が要求された発電電流を照らし合わせることで、その発電電流に応じた酸化剤ガスの供給量を読み出して、その供給量となるように、エアコンプレッサ３３の回転数やカソード開閉弁３４の開閉状態を制御する。

次に、制御部２２は、加熱装置９４に電力を供給して、水素濃度検出部４３を暖める（ステップＳ１２０）。次に、制御部２２は、水素濃度検出部４３から水素濃度を取得する（ステップＳ１２５）。本実施形態において、酸化オフガス中の水素濃度の検出に水素濃度検出部４３を用いるのは、以下の理由による。本開示の発明者らは、研究の結果、ポンピング水素の発生の有無や、ポンピング水素量は、燃料電池１０の各セル１１における圧力損失のばらつきに起因して異なることを見出した。燃料電池１０のエアストイキ比が同じ場合であっても、各セル１１の含水量等が異なることによって各セル１１の圧力損失が異なると、各セル１１に対する酸化剤ガスの供給量が異なることがある。各セル１１の酸化剤ガスの供給量が異なる場合、ポンピング水素の発生有無や、ポンピング水素量が異なり得る。このため、本実施形態では、各セル１１の状態に応じた水素濃度を精度よく検出するために、水素濃度検出部４３を用いて、酸化オフガスの排出口４５付近における酸化オフガス中の水素濃度を検出することにしている。

次に、制御部２２は、取得した水素濃度が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。本実施形態において、閾値は、水素の爆発下限界値の約半分の濃度に予め設定されている。一般に、空気中での水素の爆発下限界値は、２０℃、１気圧で約４％である。したがって、閾値として、例えば、２％を採用してもよい。水素濃度が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部２２は、カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる（ステップＳ１３５）。具体的には、制御部２２は、水素濃度が閾値よりも小さい場合における酸化剤ガスの流量に比べて、酸化剤ガスの流量が多くなるように、エアコンプレッサ３３の回転数、カソード開閉弁３４の開閉および分流弁３６の開度を制御する。カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量を増加させるのは、オフガス中の上昇した水素濃度を希釈させるためであり、増加させる酸化剤ガスの流量は、水素濃度を低下させるのに十分な酸化剤ガスの流量に予め設定されている。

ステップＳ１３５の実行後、または、上述のステップＳ１３０において水素濃度が閾値以上でないと判定された場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御部２２は、上述のステップＳ１０５を実行する。

上述のステップＳ１１０において、燃料電池温度が閾値以下でないと判定された場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部２２は、通常運転を実行する（ステップＳ１４０）。本実施形態において、「通常運転」とは、要求電力を出力するための発電状態を意味する。ステップＳ１４０において、制御部２２は、要求電力に応じて燃料電池１０の出力電流値を算出し、その電流値に応じた出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ９０に設定する。また、制御部２２は、燃料電池１０が要求電力を出力可能なように、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給量をエアコンプレッサ３３の回転数およびインジェクタ５５の開閉状態等によって制御する。

ステップＳ１４０の実行後、燃料電池始動時処理は終了する。その後、燃料電池システム１００では、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替わるまで、通常運転が実行される。

図４は、本実施形態における燃料電池始動時処理が実行された場合の各種パラメータの変化の様子を模式的に示すタイミングチャートである。図４において、最上段は、燃料電池１０の発電状態を示す。上から２段目は、燃料電池１０の温度[℃]を示す。上から３段目は、水素濃度検出部４３により取得される水素濃度[％]を示す。最下段は、カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量[L/min]を示す。

時刻ｔ１までは、燃料電池１０は発電を停止している。時刻ｔ１において、上述のステップＳ１１５が実行されて、低効率運転が実行される。このため、燃料電池温度は次第に上昇する。また、燃料電池システム１００において低効率運転が実行されることによって、燃料電池１０のカソード側においてポンピング水素が発生する。このため、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけて、酸化オフガス中の水素濃度は次第に上昇し、時刻ｔ３において、閾値の水素濃度に達する。時刻ｔ３において、上述のステップＳ１３５が実行されて、カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量が増加する。その後、酸化オフガス排出配管４１内において、比較的水素濃度が高い酸化オフガスと、酸化剤ガスとが混合して撹拌されることによって、燃料電池１０の外部に排出されるガス中の水素濃度が希釈される。したがって、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて、水素濃度は次第に低下していく。その後、時刻ｔ５において、水素濃度は所定の濃度まで低下する。

以上の構成を有する第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０と、酸化剤ガス供給配管３１と、酸化オフガス排出配管４１と、カソードバイパス配管３７と、電池温度取得部７７と、水素濃度検出部４３と、制御部２２と、を備え、水素濃度検出部４３は、自身の表面を撥水膜４４により覆われ、酸化オフガス排出配管４１とカソードバイパス配管３７との接続部４６と、燃料電池１０における酸化オフガスの排出口４５と、の間に設けられ、燃料電池温度よりも高い温度となるように暖められ、制御部２２は、燃料電池１０の低効率運転時、水素濃度検出部４３により検出された水素濃度が閾値以上である場合に、検出された水素濃度が閾値より小さい場合に比べて、カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量を増加させる。

したがって、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０の低効率運転時、水素濃度検出部４３によって検出された水素濃度が閾値以上である場合、検出された水素濃度が閾値より小さい場合に比べて、カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量を増加させるので、燃料電池１０の低効率運転時に燃料電池１０から外部に排出されるオフガス中の水素濃度を低減できる。また、水素濃度検出部４３の表面が撥水膜４４により覆われているので、燃料電池１０の発電により生じる生成水の水蒸気が水素濃度検出部４３に付着することを抑制し、水素濃度を精度よく検出できる。また、水素濃度検出部４３が燃料電池温度よりも高い温度に暖められているので、燃料電池１０の発電により生じる生成水の水蒸気が水素濃度検出部４３において結露することを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池システム１００ａの構成を示す概略図である。図５および以降の説明では、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を用い、説明を省略する。第２実施形態における燃料電池システム１００ａが第１実施形態における燃料電池システム１００と異なる点は、酸化オフガス排出配管４１に加えて、排気排水管４８にも水素濃度検出部４３ａを備える点である。

水素濃度検出部４３ａは、酸化オフガス排出配管４１に設けられている水素濃度検出部４３と同様な構成を有する。すなわち、水素濃度検出部４３ａは、燃料電池１０の温度よりも高い温度となるように、加熱装置９４により暖められている。また、図示は省略するが、水素濃度検出部４３ａの表面は、撥水膜４４により覆われている。なお、以降の説明では、酸化オフガス排出配管４１に設けられている水素濃度検出部４３により検出される水素濃度を「第１水素濃度」と呼び、排気排水管４８に設けられている水素濃度検出部４３ａにより検出される水素濃度を「第２水素濃度」と呼ぶ。

図６は、第２実施形態における燃料電池始動時処理の処理手順を示すフローチャートである。第２実施形態における燃料電池始動時処理は、ステップＳ１２０に代えてステップＳ１２０ａを実行する点と、ステップＳ１２５に代えてステップＳ１２６およびステップＳ１２７を実行する点と、ステップＳ１３０に代えてステップＳ１３０ａを実行する点とにおいて、図３に示す第１実施形態の燃料電池始動時処理と異なる。第２実施形態の燃料電池始動時処理のその他の手順は、第１実施形態の燃料電池始動時処理と同じであるので、同一の手順には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、低効率運転が実行されると（ステップＳ１１５）、制御部２２は、加熱装置９４に電力を供給して、水素濃度検出部４３および４３ａを暖める（ステップＳ１２０ａ）。次に、制御部２２は、水素濃度検出部４３から第１水素濃度を取得し（ステップＳ１２６）、水素濃度検出部４３ａから第２水素濃度を取得する（ステップＳ１２７）。なお、ステップＳ１２６およびステップＳ１２７は、任意の順序で実行されてもよいし、同時に実行されてもよい。

制御部２２は、第１水素濃度が閾値以上であるか、または、第２水素濃度が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０ａ）。すなわち、酸化オフガス排出配管４１内または燃料オフガス排出配管６１内の水素濃度が閾値以上であるか否かを判定する。第１水素濃度が閾値以上である、または、第２水素濃度が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ１３０ａ：ＹＥＳ）、上述のステップＳ１３５が実行されて、カソードバイパス配管３７に供給される酸化剤ガスの流量が増加される。他方、第１水素濃度が閾値以上でない、かつ、第２水素濃度が閾値以上でないと判定された場合（ステップＳ１３０ａ：ＮＯ）、上述のステップＳ１０５が実行される。

以上の構成を有する燃料電池システム１００ａによれば、第１実施形態と同様な効果を奏する。加えて、排気排水管４８に水素濃度検出部４３ａを備えるので、排気排水管４８内を流通する燃料オフガスおよび酸化オフガス内の水素濃度も希釈できる。このため、燃料電池システム１００ａから外部に排出されるオフガス中の水素濃度をより低減できる。

Ｃ．第３実施形態：
図７は、第３実施形態における燃料電池システム１００ｂの構成を示す概略図である。第３実施形態における燃料電池システム１００ｂが第１実施形態における燃料電池システム１００と異なる点は、酸化オフガス排出配管４１に加えて、接続配管６６にも水素濃度検出部４３ｂを備える点である。

水素濃度検出部４３ｂは、酸化オフガス排出配管４１に設けられている水素濃度検出部４３と同様な構成を有する。すなわち、水素濃度検出部４３ｂは、燃料電池１０の温度よりも高い温度となるように、加熱装置９４により暖められている。また、図示は省略するが、水素濃度検出部４３ｂの表面は、撥水膜４４により覆われている。なお、接続配管６６に設けられている水素濃度検出部４３ｂにより検出される水素濃度は、第２実施形態における「第２水素濃度」に相当する。

第３実施形態における燃料電池始動時処理は、図６に示す第２実施形態の燃料電池始動時処理と同じであるので、その詳細な説明は省略する。

以上の構成を有する第３実施形態の燃料電池システム１００ｂによれば、第１実施形態と同様な効果を奏する。加えて、接続配管６６に水素濃度検出部４３ｂを備えるので、接続配管６６内を流通する燃料オフガス内の水素濃度も希釈できる。このため、燃料電池システム１００ｂから外部に排出されるオフガス中の水素濃度をより低減できる。

本開示は、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、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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、１１…セル、２０…制御装置、２１…ＣＰＵ、２２…制御部、２５…メモリ、３０…酸化剤ガス供給排出部、３１…酸化剤ガス供給配管、３２…エアフローメータ、３３…エアコンプレッサ、３４…カソード開閉弁、３５…カソード圧力計、３６…分流弁、３７…カソードバイパス配管、４１…酸化オフガス排出配管、４２…カソード調圧弁、４３,４３ａ,４３ｂ…水素濃度検出部、４４…撥水膜、４５…排出口、４６,４７…接続部、４８…排気排水管、５０…燃料ガス供給排出部、５１…燃料ガス供給配管、５２…水素ガスタンク、５３…アノード開閉弁、５４…アノード調圧弁、５５…インジェクタ、５６…アノード圧力計、６１…燃料オフガス排出配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…水素ポンプ、６６…接続配管、７０…冷却媒体循環部、７１…冷却媒体供給配管、７２…冷却媒体排出配管、７３…ラジエータ、７４…循環ポンプ、７５…三方弁、７６…冷却媒体バイパス配管、７７…電池温度取得部、９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、９２…二次電池、９３…負荷、９４…加熱装置、９５…電流センサ、１００,１００ａ,１００ｂ…燃料電池システム、ｔ１,ｔ２,ｔ３,ｔ４,ｔ５…時刻

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの流路を形成する酸化剤ガス供給配管と、
   前記燃料電池から排出される酸化オフガスの流路を形成する酸化オフガス排出配管と、
   前記酸化剤ガス供給配管と前記酸化オフガス排出配管とを接続するバイパス配管と、
   前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する電池温度取得部と、
   前記燃料電池から排出されるオフガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出部と、
   前記バイパス配管に供給される前記酸化剤ガスの流量を制御する制御部と、
   を備え、
   前記水素濃度検出部は、
   自身の表面を撥水膜により覆われ、
   前記酸化オフガス排出配管と前記バイパス配管との接続部と、前記燃料電池における前記酸化オフガスの排出口と、の間に設けられ、
   前記燃料電池温度よりも高い温度となるように暖められ、
   前記制御部は、
   前記燃料電池の低効率運転時、検出された前記水素濃度が予め定められた閾値以上である場合に、検出された前記水素濃度が予め定められた閾値より小さい場合に比べて、前記酸化剤ガスの前記流量を増加させる、
   燃料電池システム。

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