JP2023045620A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境によらず、燃料電池スタック内のアノード側ガス流路の水素分圧を適正に保てる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１１０と、アノード側ガス流路の排出経路に設けられた排気排水弁１３１と、制御部１０１とを含み、制御部１０１は、燃料電池システムの運転終了時におけるアノード側ガス流路の窒素分圧を記憶し、燃料電池システムの運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間を計測し、窒素分圧と経過時間とに基づく指標に従って決定した時間に応じて排気排水弁を開く第１起動制御と、第１起動制御に代えてアノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って排気排水弁を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁を開く第２起動制御とを運転開始時に実行することができ、停止状態においてバッテリ電源の欠落を生じた場合、または経過時間が閾値以上の場合に第２起動制御を実行する。【選択図】図１

Description

この開示は、燃料電池スタックを搭載する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、アノード側ガス流路に水素を含む燃料ガスを、カソード側ガス流路に酸素を含む空気を供給された燃料電池スタックにおいて、水素と酸素とを結合させることにより発電を行うものである。

このような燃料電池において、運転停止中に、カソード側ガス流路に存在する窒素が電解質膜を通過してアノード側ガス流路へ移動（以下、クロスリーク）することが知られている。このようなクロスリークにより、アノード側ガス流路において、窒素の分圧が上昇する一方、水素の分圧が低下して、発電能力が低下する可能性がある。

このため、単位時間当たりにクロスリークする窒素量と、運転終了時からの運転開始時までの経過時間とに応じて、アノード側ガス流路にクロスリークする窒素の総量を求めることにより、運転開始時におけるアノード側ガス流路における窒素と水素の分圧を推定し、水素分圧が所定値以下の場合にアノード側ガス流路においてパージを実行することが、特許文献１に提案されている。

特開２００４－２９３８２４号公報

しかしながら、メンテナンス等によりバッテリを取り外したため経過時間を得ることができずクロスリークする窒素の量を求めることができない場合、特許文献１の手法によってアノード側ガス流路における窒素と水素の分圧を正確に推定できず、運転開始時におけるアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保つことができない恐れがある。また、燃料電池が運転停止状態で長期放置されている場合、クロスリークとは別に、外部から流入する微量な窒素が蓄積されるため、特許文献１の手法を採用してもアノード側ガス流路における窒素と水素の分圧を正確に推定できず、運転開始時におけるアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保つことができない恐れがある。

このように窒素と水素の分圧を正確に推定できない状況において、運転開始時にパージを毎回実行することで、燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保つことも考えられる。しかし、運転開始時にパージを毎回実行すると、運転開始時に必要な起動時間が毎回長くなると共に、パージが必要ない場合には燃料ガスを無駄に捨ててしまうことになる。

本開示は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、使用環境にかかわらず、燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保ち、運転開始時に必要な起動時間を従来よりも短縮することができる燃料電池システムを提供することにある。

本開示に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、アノードガス系に設けられた排気排水弁と、制御部とを備え、制御部は、燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路における運転終了時の窒素分圧を記憶し、運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間を計測し、窒素分圧と経過時間とに基づく指標に従って排気排水弁を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁を開く第１起動制御と、第１起動制御に代えてアノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って排気排水弁を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁を開く第２起動制御と、を運転開始時に実行することができ、停止状態においてバッテリ電源の欠落を生じた場合、または経過時間が閾値以上の場合に第２起動制御を実行する。

本開示に係る燃料電池システムは、大気圧を検知する圧力センサを更に備え、圧力センサで検知される大気圧から算出されるアノード側ガス流路における運転開始時の窒素分圧に基づいて、第２起動制御において排気排水弁を開く時間を決定してもよい。

本開示の燃料電池システムによれば、使用環境にかかわらず、燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保ち、運転開始時に必要な起動時間を従来よりも短縮することができる。

実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの起動制御の手順を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る燃料電池システムの燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路の短期の窒素分圧特性を示す特性図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路の長期の窒素分圧特性を示す特性図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの第２起動制御の様子を示すタイムチャートである。

以下、燃料電池システムの実施の形態につき、図面を用いて説明する。
実施の形態１．
はじめに、実施の形態１における燃料電池システム１００の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の概略構成を示すブロック図である。図１において、各部の間の実線はガスまたは冷却媒体の流れを示し、各部の間の破線は検知結果または制御信号を示している。

［燃料電池システムの構成］
図１に示される燃料電池システム１００は、主に、燃料電池スタック１１０と、制御系Ａと、アノードガス系Ｂと、カソードガス系Ｃと、排出系Ｄと、冷却系Ｅとを備えている。

制御系Ａには、制御部１０１と、バッテリ１０２と、圧力センサ１０３と、記憶部１０４とが設けられている。
制御部１０１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インタフェース回路などを備えたコンピュータによって構成され、バッテリ１０２から電力の供給を受ける。制御部１０１は、後述するように、運転開始時に排気排水弁１３１の開閉制御を行い、燃料電池システム１００における燃料電池スタック１１０の発電に関連する各種制御を行う。制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時のアノード側ガス流路の窒素分圧（以下、「終了時窒素分圧」と言う）を不揮発性の記憶部１０４に記憶し、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの停止状態の時間を経過時間として計測する。

制御部１０１は、運転開始時の起動制御として、以下の第１起動制御または第２起動制御のいずれかを実行する。
第１起動制御は、終了時窒素分圧と経過時間とに基づく指標に従って、排気排水弁１３１を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁１３１を開く。
第２起動制御は、第１起動制御に代えて、窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って、排気排水弁１３１を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁１３１を開く。
ここで、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの間においてバッテリ１０２の電源供給に欠落を生じず、経過時間が予め定めた閾値未満の場合、制御部１０１は、第１起動制御を実行する。そして、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの間においてバッテリ１０２の電源供給に欠落を生じた場合、または経過時間が閾値以上の場合、制御部１０１は、第２起動制御を実行する。バッテリ１０２の電源供給の欠落とは、メンテナンス等によるバッテリ１０２の取り外しに伴う、制御部１０１等の各部への一時的な電源供給の喪失を意味する。

バッテリ１０２は、燃料電池スタック１１０で発電された電力により充電され、制御部１０１、及び後述する各種ポンプまたはバルブ等に電力を供給する補機用のバッテリである。圧力センサ１０３は、大気圧を検知するための大気圧センサであり、検知された大気圧Ｐａを制御部１０１に通知する。

燃料電池スタック１１０は、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路に水素ガスを含む燃料ガスを供給され、燃料電池スタック１１０内部のカソード側ガス流路に酸化ガスとして酸素を含む空気を供給され、供給された水素と酸素とを結合させることにより発電を行う複数の燃料電池セルが積層されたスタック構造により構成されている。燃料電池セルのそれぞれは、図示はしないが、電解質膜の両面を２つのセパレータで挟んだ構造になっている。電解質膜の一方の面にはカソード電極が配置され、電解質膜の他方の面にはアノード電極が配置される。燃料電池スタック１１０により発電された電力は、図示されない外部の負荷に供給される。

アノードガス系Ｂには、水素ガス供給装置１２０と、第１温度センサ１２１と、アノードガス系供給経路１２２と、第１圧力センサ１２３と、インジェクタ１２４と、第２圧力センサ１２５と、第３圧力センサ１２６と、アノードガス系排出経路１２７と、気液分離器１２８と、アノードガス系循環経路１２９と、水素循環ポンプ１３０と、排気排水弁１３１とが設けられている。

水素ガス供給装置１２０は、水素ガスを貯蔵する水素タンクと、水素ガスを調圧するレギュレータと、水素ガスの供給を調整または阻止する主止弁などを備えて構成される。第１温度センサ１２１は水素タンク内の温度を検知し、検知結果Ｔ１を制御部１０１に通知する。水素ガス供給装置１２０からの水素ガスはアノードガス系供給経路１２２を通り、燃料電池スタック１１０の内部のアノード側ガス流路に供給される。第１圧力センサ１２３は、水素ガス供給装置１２０からアノードガス系供給経路１２２に供給される水素ガスの圧力を検知し、検知結果Ｐ１を制御部１０１に通知する。

インジェクタ１２４は、制御部１０１に制御され、アノードガス系供給経路１２２を通して所定の圧力及びタイミングで、一定量の水素ガスを燃料電池スタック１１０の内部のアノード側ガス流路に供給する。第２圧力センサ１２５は、アノードガス系供給経路１２２においてインジェクタ１２４直前の水素ガスの圧力を検知し、検知結果Ｐ２を制御部１０１に通知する。第３圧力センサ１２６は、アノードガス系供給経路１２２においてインジェクタ１２４から吐出される水素ガスの圧力を検知し、検知結果Ｐ３を制御部１０１に通知する。

アノードガス系排出経路１２７は、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路から排出されるアノードオフガスを気液分離器１２８に導く。気液分離器１２８は、アノードガス系排出経路１２７に排出されるアノードオフガスを供給され、水を分離したアノードオフガスをアノードガス系循環経路１２９に送ると共に、分離した水をアノードオフガスの一部とともに排気排水弁１３１に送る。

アノードガス系循環経路１２９は、気液分離器１２８で水が分離されたアノードオフガスを水素循環ポンプ１３０に導く。なお、水が分離されたアノードオフガスには、未消費の水素ガスと不純物としての窒素ガスとが含まれている。
水素循環ポンプ１３０は、気液分離器１２８により分離されてアノードガス系循環経路１２９を通って導かれたアノードオフガスを、水素ガス供給装置１２０からのアノードガス系供給経路１２２に合流させ、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路に供給する。

排気排水弁１３１は、制御部１０１により開閉制御がなされ、弁を開くことにより、燃料電池スタック１１０から排出される水とアノードオフガスとを希釈器１５２に送る。なお、アノードオフガスには、未消費の水素ガスと不純物としての窒素ガスと水とが含まれている。排気排水弁１３１は、制御部１０１からの開閉制御により、極微小な流量の排気である「通常排気」、開度を大きくしてアノード側ガス流路内のガスを即座に排気する「パージ」、閉状態としてアノード側ガス流路の下流側を閉塞する「閉塞」の３動作が可能である。
この実施の形態１において、運転開始時の第１起動制御と第２起動制御とにおいて排気排水弁１３１を開くことは、開度を大きくしてアノード側ガス流路内のガスを即座に排気するパージに該当する。

カソードガス系Ｃには、エアコンプレッサ１４０と、第１エアフローセンサ１４１と、第２温度センサ１４２と、カソードガス系供給経路１４３と、インタークーラー１４４と、エアシャットバルブ１４５と、カソードガス系排出経路１４６と、エア調圧バルブ１４７とが設けられている。

エアコンプレッサ１４０は、制御部１０１に制御され、カソードガス系供給経路１４３を通る酸化ガスとしての酸素を含む空気を、所定の圧力で燃料電池スタック１１０に到達するように圧縮する。

第１エアフローセンサ１４１は、エアコンプレッサ１４０に流入する空気の流量を検知し、検知結果Ｆ１を制御部１０１に通知する。第２温度センサ１４２はエアコンプレッサ１４０に流入する空気の温度を検知し、検知結果Ｔ２を制御部１０１に通知する。インタークーラー１４４は、カソードガス系供給経路１４３の途中に設けられ、エアコンプレッサ１４０における断熱圧縮によって上昇した空気の温度を冷却して低下させる。

エアシャットバルブ１４５は、カソードガス系供給経路１４３においてインタークーラー１４４の下流側に設けられ、制御部１０１により開閉制御され、カソードガス系供給経路１４３を通る空気を所定のタイミングで燃料電池スタック１１０に到達するように通過と遮断とを調節する。

カソードガス系排出経路１４６は、燃料電池スタック１１０で酸素が使用された残りの空気であるカソードオフガスと水の排出経路である。エア調圧バルブ１４７は、カソードガス系排出経路１４６の途中に設けられ、制御部１０１により開閉制御されて、カソードオフガスと水とを所定のタイミングで貯水タンク１５１に導く。

排出系Ｄには、貯水タンク１５１と、希釈器１５２とが設けられている。貯水タンク１５１は、カソードガス系排出経路１４６からの水を蓄えると共に、カソードオフガスを希釈器１５２に送る。希釈器１５２は、貯水タンク１５１からのカソードオフガスと、排気排水弁１３１からのアノードオフガスとを混合し、アノードオフガス中の水素濃度を低下させてから大気中に排出する。

冷却系Ｅには、ラジエータ１６０と、冷却ファン１６１と、ウォーターポンプ１６２と、第３温度センサ１６３とが設けられている。ラジエータ１６０は、燃料電池スタック１１０内の冷却媒体循環系を循環する冷却媒体により、燃料電池スタック１１０で発生する熱を回収する。ラジエータ１６０は、冷却ファン１６１の送風により、回収した熱を燃料電池スタック１１０の外部に放出する。ウォーターポンプ１６２は、燃料電池スタック１１０内の冷却媒体循環系とラジエータ１６０の間で冷却媒体を循環させる。第３温度センサ１６３は、ラジエータ１６０で冷却される前の冷却媒体の温度を検知し、検知結果Ｔ３を制御部１０１に通知する。

図１には示されていないが、燃料電池スタック１１０で発電された電力は、電発変換部により所定の電圧に変換されて外部に出力され、また、電発変換部により所定の電圧に変換されてバッテリ１０２に充電される。

［燃料電池システムの制御］
以下、実施の形態１における、燃料電池システム１００の制御について説明する。まず、実施の形態１における燃料電池システム１００の運転開始時の起動制御の前提となる制御を先に説明する。

制御部１０１は、図２のフローチャートの前提として、以下の処理を行う。制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時に、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の終了時窒素分圧を、不揮発性の記憶部１０４に記憶する。燃料電池システム１００の運転終了時における燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路中の窒素分圧については、各種の手法により推定あるいは測定する。例えば、燃料電池システム１００の運転中に燃料ガスとして供給された水素ガス量、発電量から算出される発電により消費された水素ガス量、供給された燃料ガス中の窒素濃度等を参照して、制御部１０１が終了時窒素分圧を推定し、記憶部１０４に記憶することができる。

制御部１０１は、運転終了後の停止状態において、燃料電池システム１００の運転終了時からの経過時間を計測しており、次の運転開始時に、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間を確定する。制御部１０１は、運転開始時に、運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間を、後述する予め定められた閾値と比較し、経過時間が閾値以上であれば長期放置に該当するとして、長期放置に該当するフラグを立てる。このフラグは、制御部１０１内のステータスレジスタあるいは記憶部１０４に格納される。

燃料電池システム１００の停止状態において、バッテリ１０２を取り外してメンテナンスを実行することがある。バッテリ１０２が取り外されると、燃料電池システム１００の運転終了時からの経過時間の計測が中断あるいはリセットされ、制御部１０１は正確な経過時間を計測することができない状態になる。このため、制御部１０１は、運転終了後の停止状態において、バッテリ１０２の接続状態を監視しており、バッテリ１０２の取り外しがあった場合、すなわち、バッテリ１０２からの電源供給の欠落を生じた場合、バッテリ取り外しのフラグを立てる。このフラグは、制御部１０１内のステータスレジスタあるいは記憶部１０４に格納される。

以下、実施の形態１における、燃料電池システム１００の運転開始時における第１起動制御と第２起動制御とについて、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の起動制御の手順を示すフローチャートである。

燃料電池システム１００の制御部１０１は、図示されない操作部においてキーオン操作が行われることにより、停止状態から運転状態に移行し、制御モードとして起動制御を開始する。

ステップＳ１０１において、制御部１０１は、燃料電池スタック１１０の各部を初期化すると共に、燃料電池スタック１１０各部の状態を確認する。ステップＳ１０１の状態確認において、制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時から今回の運転開始時までの経過時間を記憶部１０４から読み出すと共に、運転終了後の停止状態におけるバッテリ１０２の取り外しを示すフラグを制御部１０１内のステータスレジスタあるいは記憶部１０４から読み出す。この後、処理はステップＳ１０２へと進む。

ステップＳ１０２において、制御部１０１は、バッテリ１０２の取り外しを示すフラグ参照し、運転終了後の停止状態においてバッテリ１０２の取り外しが検出されたか否かを判定する。ステップＳ１０２において、バッテリ１０２の取り外しがなかったと制御部１０１により判定されれば、処理はステップＳ１０３へと進む。一方、ステップＳ１０２において、バッテリ１０２の取り外しがあったと制御部１０１により判定されれば、処理は第２起動制御のステップＳ１０８へと進む。

ステップＳ１０３において、制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時から今回の運転開始時までの経過時間が長期放置に該当するか否かを、制御部１０１内のステータスレジスタあるいは記憶部１０４に格納された長期放置のフラグにより判定する。

ここで、通常放置と長期放置との違いについて、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧に関連して、図３及び図４を参照して説明する。図３は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の短期の窒素分圧特性を示す特性図である。図４は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の長期の窒素分圧特性を示す特性図である。なお、短期とは外部から微量に流入する空気の蓄積の影響を無視できる期間、長期とは外部から微量に流入する空気の蓄積の影響を無視できない期間である。

燃料電池スタック１１０において、カソード側ガス流路において空気中の酸素が消費されて残った窒素が存在しており、運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間においてカソード側ガス流路の窒素が電解質膜を透過してアノード側ガス流路に達するクロスリークと呼ばれる現象が発生する。この結果、アノード側ガス流路では、運転終了時から運転開始時までの経過時間に応じて、クロスリークによって窒素の分圧が増加することが知られている。

図３は、燃料電池スタック１１０のクロスリークに関連して、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの経過時間（横軸）と、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧（縦軸）との関係を示している。
ここで、終了時窒素分圧０，１０，２０，３０，４０，５０，６０［ｋＰａ］の７種について、運転終了時から運転開始時までの経過時間０～１２００［ｓｅｃ］の短期における、アノード側ガス流路の窒素分圧の変化を実験により測定したものを、図３に示している。

図３に示される７種の特性のいずれにおいても運転終了時から運転開始時までの経過時間に応じて燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧が増加する傾向にある。従って、制御部１０１は、予め測定した特性に基づいて生成しておいた計算式を用い、終了時窒素分圧と運転終了時から運転開始時までの経過時間とから、燃料電池システム１００の運転開始時における燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧を推定することが可能である。なお、図３では１２００［ｓｅｃ］までしか示していないが、後述する閾値の時間までは窒素分圧を推定することが可能である。

図４は、外部から燃料電池スタック１１０への流入に関連して、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの経過時間（横軸）と、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧（縦軸）との関係を示している。
ここで、終了時窒素分圧０，１０，２０，３０，４０，５０，６０［ｋＰａ］の７種について、運転終了時から運転開始時までの経過時間として図３の場合よりも長期である０～１２［ｈｏｕｒ］における、アノード側ガス流路の窒素分圧の変化を実験により測定したものを、図４に示している。

図４に示される７種の特性のいずれにおいても、始めから一定時間までは図３と同様に、運転終了時から運転開始時までの経過時間に応じて燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧が増加する傾向にある。ところが、５［ｈｏｕｒ］を過ぎると、７種の特性全てが７０［ｋＰａ］を超えて徐々に８０［ｋＰａ］付近に収束し始める。この８０［ｋＰａ］は、大気圧１００［ｋＰａ］のうち約８０％を占める窒素の分圧に相当する。言い換えると、運転終了時から運転開始時までの経過時間として図３の場合よりも一定以上長い時間では、終了時窒素分圧（０，１０，２０，３０，４０，５０，６０［ｋＰａ］）にかかわらず、アノード側ガス流路の窒素分圧は大気圧での窒素分圧８０［ｋＰａ］に近づいてくる。

図４のような燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧の上昇特性は、燃料電池スタック１１０に対して、燃料電池スタック１１０及び排気排水弁１３１等に存在する微細な隙間を通して外部から微量に流入してくる空気の蓄積による影響と考えることができる。

そこで、図３のように運転終了時から運転開始時までの経過時間と終了時窒素分圧とから運転開始時の燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧を推定できるか、あるいは、図４の一定以上の経過時間のように運転終了時から運転開始時までの経過時間と終了時窒素分圧とにかかわらずアノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束しているかを識別するための時間の閾値を定める。

図３及び図４の場合、運転終了時から運転開始時までの経過時間について、例えば、５［ｈｏｕｒ］を閾値として定めることができ、定めた閾値を記憶部１０４に記憶する。そして、閾値未満の経過時間を通常放置に該当し、閾値以上の経過時間を長期放置に該当すると定める。なお、閾値は、燃料電池スタック１１０及び排気排水弁１３１等の各部の構造などにより変化するものであり、燃料電池システム１００の各機種ごとに定めることが望ましい。

ここで再び図２のフローチャートのステップＳ１０３の説明に戻る。
制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時から今回の運転開始時までの経過時間が長期放置に該当するか否かを、制御部１０１内のステータスレジスタあるいは記憶部１０４に格納された長期放置のフラグにより判定する。ステップＳ１０３において経過時間が閾値未満と制御部１０１により判定されれば、処理は第１起動制御のステップＳ１０４へと進む。一方、ステップＳ１０３において、経過時間が閾値以上と制御部１０１により判定されれば、処理は第２起動制御のステップＳ１０８へと進む。

［第１起動制御］
以下、第１起動制御としてのステップＳ１０４以降の処理について説明する。
ステップＳ１０４において、制御部１０１は、予め測定した図３のような特性に基づいて生成しておいた計算式を用い、運転終了時から運転開始時までの経過時間と終了時窒素分圧とから、燃料電池システム１００の運転開始時における燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧を推定する。この後、処理はステップＳ１０５へと進む。

ステップＳ１０５において、制御部１０１は、推定したアノード側ガス流路の窒素分圧に基づいて、パージ処理として排気排水弁１３１を開くか否か、及び、パージ処理として排気排水弁１３１を開く際の時間を決定する。なお、制御部１０１は、パージ処理として排気排水弁１３１を開くか否かの決定を省略し、パージ処理として排気排水弁１３１を開く時間（但し、開く時間は０を含む）を決定してもよい。

ステップＳ１０５の決定を行うため、パージ処理として排気排水弁１３１を開く基準となるアノード側ガス流路の基準窒素分圧Ｐｔｈを予め定めておく。ステップＳ１０５において、制御部１０１は、ステップＳ１０４において推定したアノード側ガス流路の窒素分圧推定値Ｐ０と、基準窒素分圧Ｐｔｈとを比較し、Ｐ０≧Ｐｔｈを満たせばパージ処理として排気排水弁１３１を開くと決定し、Ｐ０＜Ｐｔｈであれば排気排水弁１３１を開放しないか、または開時間＝０と決定する。

また、ステップＳ１０５において、制御部１０１は、ステップＳ１０４において推定したアノード側ガス流路の窒素分圧推定値Ｐ０を参照し、Ｐ０が大きくなるに従って排気排水弁１３１を開く時間を長くするように、排気排水弁１３１を開く際の時間を決定する。
このとき、排気排水弁１３１を開く時間は、大気圧Ｐ０と排気排水弁１３１の上流圧（以下、「排気排水弁上流圧」と言う）との差圧や温度に応じて、アノードガスの流量を推定して補正されてもよい。排気排水弁上流圧は、検出結果Ｐ３から、予め実験的に求められるアノード圧損から推定される。基準となる排気排水弁１３１を開く時間に対して、差圧が大きいほど開く時間を長くするよう補正し、温度が高いほど開く時間を短くするよう補正する。

ステップＳ１０５において、制御部１０１は、パージ処理として排気排水弁１３１を開くか否かの決定を省略する場合、ステップＳ１０４において推定したアノード側ガス流路の窒素分圧推定値Ｐ０が基準窒素分圧Ｐｔｈより小さい場合、排気排水弁１３１を開く時間を０と決定する。すなわち、制御部１０１は、運転終了時から運転開始時までの経過時間と終了時窒素分圧とに基づく指標に従って、排気排水弁１３１を開く時間を決定している。この後、処理はステップＳ１０６へと進む。

ステップＳ１０６において、制御部１０１により排気排水弁１３１を開くと決定している場合、あるいは排気排水弁１３１を開く時間が０でない場合、処理がステップＳ１０７へと進む。一方、ステップＳ１０６において、制御部１０１により排気排水弁１３１を開かないと決定している場合、あるいは排気排水弁１３１を開く時間＝０と決定している場合、処理を終了する。

ステップＳ１０７において、制御部１０１は、ステップＳ１０５で決定した時間に基づいて、排気排水弁１３１を開いてパージ処理を実行し、アノード側ガス流路内のアノードオフガスを排出する。制御部１０１は、排気排水弁１３１を開くと共に、アノードガス系Ｂからアノード側ガス流路に燃料ガスを供給する。これにより、アノード側ガス流路内の窒素濃度が低下する。

以上の第１起動制御において、排気排水弁１３１を開くか開放しないか、及び推定したアノード側ガス流路の窒素分圧推定値Ｐ０に応じた排気排水弁１３１を開く時間を、制御部１０１により適切に決定しているため、運転開始時に必要な第１起動制御の時間を従来よりも短縮することが可能になる。

この後、燃料電池システム１００において、制御部１０１は、第１起動制御の処理を終了し、発電を行う発電制御に移行する。また、制御部１０１は、排気排水弁１３１を開かない決定している場合も、第１起動制御の処理を終了し、発電を行う発電制御に移行する。すなわち、燃料電池システム１００において、制御部１０１の制御に基づいて燃料電池スタック１１０は発電を開始する。

［第２起動制御］
バッテリ取り外しのフラグにより運転終了後の停止状態でのバッテリ１０２の取り外しが検出された場合、及び、運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間が閾値以上の長期放置と判定された場合、制御部１０１は、第１起動制御に代えて、処理を第２起動制御のステップＳ１０８へと進める。

以下、第２起動制御としてのステップＳ１０８の処理について説明する。
ステップＳ１０８において、制御部１０１は、運転終了後の停止状態でのバッテリ１０２の取り外しが検出された場合、及び、運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間が閾値以上の長期放置と判定された場合、アノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って排気排水弁を開く時間を決定する。具体的には、アノード側ガス流路の窒素分圧が大気圧での窒素分圧８０［ｋＰａ］に近づいていると仮定して、パージ処理として排気排水弁１３１を開く際の時間を決定する。この後、処理はステップＳ１０９へと進む。

ステップＳ１０９において、制御部１０１は、アノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って決定した時間に基づいて排気排水弁１３１を開いてパージ処理を実行し、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路からアノードオフガスを積極的に排出する。制御部１０１は、排気排水弁１３１を開くと共に、アノードガス系Ｂから燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路に燃料ガスを供給する。これにより、アノード側ガス流路内の窒素濃度が低下する。

以下、第２起動制御において、排気排水弁１３１を開く時間について説明する。
燃料電池システム１００の停止状態においてメンテナンス等によりバッテリ１０２が取り外されると、燃料電池システム１００の運転終了時からの経過時間についての制御部１０１による計測が中断あるいはリセットされる。このため、制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時からの正確な経過時間を計測できておらず、燃料電池システム１００の運転開始時におけるアノード側ガス流路の窒素分圧を推定することができない。ここで、正確な経過時間を計測できていないが、図４に示したように、アノード側ガス流路の窒素分圧が大気圧での窒素分圧８０［ｋＰａ］に近づいている可能性がある。

燃料電池システム１００の運転終了時から今回の運転開始時までの経過時間が、予め定められた閾値以上の長期放置に該当する場合、微細な隙間を通して外部から燃料電池スタック１１０に微量に流入する空気の影響により、終了時窒素分圧にかかわらず、図４に示したようにアノード側ガス流路の窒素分圧が大気圧での窒素分圧８０［ｋＰａ］に徐々に近づいてくる。

以上のバッテリ１０２の取り外しと長期放置とのいずれかに該当する場合、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧を実際より低く予想し、燃料電池スタック１１０で発電を開始すると、水素欠乏状態により燃料電池スタック１１０を劣化させる恐れがある。

そこで、燃料電池システム１００の停止状態においてバッテリ１０２の取り外しがあった場合、及び、経過時間が閾値以上である場合、アノード側ガス流路の窒素分圧が大気圧での窒素分圧８０［ｋＰａ］に近づいていると仮定して、第２起動制御としてパージ処理に必要な排気排水弁１３１を開く時間を決定する。なお、第２起動制御としてパージ処理に必要な排気排水弁１３１を開く時間を、一定時間に予め定めておいてもよい。その場合、一定時間は、アノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合において燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保つのに十分な時間として決められる。

ここで、第２起動制御において排気排水弁１３１を開く様子を図５のタイムチャートを用いて説明する。図５は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００の第２起動制御の様子を示すタイムチャートである。ここで、図５の（ａ）は制御部１０１の制御モードを示し、図５の（ｂ）は排気排水弁１３１の開閉状態を示しており、図５の（ｃ）は燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路における窒素分圧推定値を示している。

時刻ｔ０において、図示されない操作部においてキーオン操作が行われることにより、図５の（ａ）に示すように、制御部１０１は起動制御を開始する。ここでは、起動制御が第２起動制御である場合について説明を続ける。

排気排水弁１３１は、時刻ｔ０において図５の（ｂ）に示すように閉鎖状態である。
燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路における窒素分圧推定値は、図５の（ｃ）に示すようにＰ０である。この窒素分圧推定値Ｐ０は、第２起動制御を行う場合は、大気圧１００［ｋＰａ］での窒素分圧８０［ｋＰａ］に近い値である。

制御部１０１は、第２起動制御における時刻ｔ１において排気排水弁１３１を開くよう制御し、時刻ｔ１から所定時間後の時刻ｔ２において排気排水弁１３１を閉鎖するよう制御する。ここで時刻ｔ１からｔ２まで排気排水弁１３１を開く時間を、排気時間ｔ＿ｏｐｅｎとする。制御部１０１は、排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを予め定めておいた一定時間としてもよいが、第２起動制御の開始時点における圧力センサ１０３で検知される大気圧Ｐａから算出されるアノード側ガス流路における運転開始時の窒素分圧に基づいて、第２起動制御の開始時に排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを決定または補正してもよい。
例えば、燃料電池システム１００の存在する標高、あるいは気象条件において大気圧Ｐａは変化する。このため、検知された大気圧Ｐａから算出されるアノード側ガス流路における運転開始時の窒素分圧に基づいて排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを決定または補正することで、排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを、環境に合致したより適正な時間にすることができる。

燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路から排気排水弁１３１を通して窒素だけでなく水素も含んだ状態のアノードオフガスが排気されることがあるため、希釈器１５２においてアノードオフガス中の水素を希釈可能な範囲に収まるよう、排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを定めることも望ましい。

制御部１０１は、希釈器１５２におけるアノードオフガス中の水素希釈を助けるため、第２起動制御における排気排水弁１３１を、連続した１回の開放ではなく複数回に分けて開くようにしてもよい。この場合、排気排水弁１３１の複数回の開放の合計時間が排気時間ｔ＿ｏｐｅｎになるように調整する。

制御部１０１は、時刻ｔ１からｔ＿ｏｐｅｎ経過後の時刻ｔ２において、排気排水弁１３１を閉鎖するよう制御する。この後、制御部１０１は、第２起動制御の処理を終了し、燃料電池システム１００の各部を発電制御のモードで制御する。これ以後、燃料電池システム１００において、制御部１０１の制御に基づいて燃料電池スタック１１０は発電を開始する。

以上のように、バッテリ１０２の取り外しと長期放置とのいずれかに該当する場合、第１起動制御に代えて、アノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って排気排水弁１３１を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁１３１を開く第２起動制御を制御部１０１が実行することで、クロスリークとは別に外部から流入する空気の影響により上昇したアノード側ガス流路内の窒素濃度を確実に低下させる。従って、アノード側ガス流路の窒素分圧を実際より低く予想して水素欠乏状態により燃料電池スタック１１０を劣化させる事態を予防できる。

［実施の形態により得られる効果］
本開示の燃料電池システム１００において、制御部１０１は、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間を計測し、燃料電池システム１００の運転終了時におけるアノード側ガス流路の終了時窒素分圧を記憶し、終了時窒素分圧と経過時間とに基づく指標に従って決定した時間に応じて排気排水弁１３１を開く第１起動制御と、第１起動制御に代えてアノード側ガス流路の窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って排気排水弁１３１を開く時間を決定し、決定した時間に応じて排気排水弁１３１を開く第２起動制御とを運転開始時に実行することができ、停止状態においてバッテリ電源の欠落を生じた場合、または経過時間が閾値以上の場合に第２起動制御を実行する。

これにより、第１起動制御と第２起動制御のいずれかにより、運転開始時に排気排水弁１３１を適切に開くことができ、使用環境にかかわらず、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保つことができる。また、燃料電池システム１００の状態に応じて排気排水弁１３１を開く時間を決定しているため、運転開始時に毎回パージ処理を実行する場合と比較して、運転開始時に必要な起動時間を従来よりも短縮することができる。

すなわち、燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの間においてバッテリ電源の欠落を生じず、経過時間が予め定めた閾値以上の場合には、第１起動制御を実行として、終了時窒素分圧と経過時間とに基づく指標に従って決定した時間に応じて運転開始時に排気排水弁１３１を開くことにより、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧を低下させ、水素分圧を適正な状態に保つことができる。また、排気排水弁１３１を開く時間を、適切に決定しているため、運転開始時に必要な第１起動制御の時間を従来よりも短縮することが可能になる。

燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時まで停止状態においてバッテリ１０２の取り外しがあった場合、運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間の計測ができていないため、アノード側ガス流路の窒素分圧の推定が困難であるが、第２起動制御を実行することにより、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の窒素分圧を低下させ、水素分圧を適正な状態に保つことができる。

燃料電池システム１００の運転終了時から運転開始時までの停止状態の時間が長期放置に該当する場合、クロスリークとは別に外部から流入する空気の影響により上昇したアノード側ガス流路内の窒素濃度を第２起動制御により低下させ、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保つことができる。

そして、本開示に係る燃料電池システムでは、第１起動制御と第２起動制御とを使い分けるため、起動制御において排気排水弁１３１を無駄なく適切に開くことができ、パージが必要ない場合に燃料ガスを無駄に捨ててしまうことを抑止し、運転開始時に必要な起動時間を従来よりも短縮することが可能になる。

本開示に係る燃料電池システムは、大気圧を検知する圧力センサ１０３を更に備え、制御部１０１は、圧力センサ１０３で検知される大気圧から窒素分圧を算出し、算出した運転開始時の窒素分圧に基づいて、第２起動制御において排気排水弁１３１を開く排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを決定することで、排気時間ｔ＿ｏｐｅｎを適正な時間にすることができる。

本開示は、燃料電池システム１００を搭載し、運転終了時から運転開始時まで長期放置される環境で使用される各種装置、あるいは、燃料電池システム１００を搭載し、運転終了時から運転開始時まで間にバッテリ１０２を取り外す必要のあるメンテナンスを実行する環境で使用される各種装置において、使用環境にかかわらず、燃料電池スタック１１０内部のアノード側ガス流路の水素分圧を適正な状態に保ち、燃料ガスを無駄に捨てることなく、水素欠乏状態による燃料電池スタック１１０の劣化を防ぎ、運転開始時に必要な起動時間を従来よりも短縮することが可能になる。

１００ 燃料電池システム、１０１ 制御部、１０２ バッテリ、１０３ 圧力センサ、１０４ 記憶部、１１０ 燃料電池スタック、１２０ 水素ガス供給装置、１２１ 第１温度センサ、１２２ アノードガス系供給経路、１２３ 第１圧力センサ、１２４ インジェクタ、１２５ 第２圧力センサ、１２６ 第３圧力センサ、１２７ アノードガス系排出経路、１２８ 気液分離器、１２９ アノードガス系循環経路、１３０ 水素循環ポンプ、１３１ 排気排水弁、１４０ エアコンプレッサ、１４１ 第１エアフローセンサ、１４２ 第２温度センサ、１４３ カソードガス系供給経路、１４４ インタークーラー、１４５ エアシャットバルブ、１４６ カソードガス系排出経路、１４７ エア調圧バルブ、１５１ 貯水タンク、１５２ 希釈器、１６０ ラジエータ、１６１ 冷却ファン、１６２ ウォーターポンプ、１６３ 第３温度センサ、Ａ 制御系、Ｂ アノードガス系、Ｃ カソードガス系、Ｄ 排出系、Ｅ 冷却系。

Claims (2)

1. 燃料電池スタックと、
   アノードガス系に設けられた排気排水弁と、
   制御部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池スタック内部のアノード側ガス流路における運転終了時の窒素分圧を記憶し、前記運転終了時から運転開始時までの停止状態の経過時間を計測し、前記窒素分圧と前記経過時間とに基づく指標に従って前記排気排水弁を開く時間を決定し、決定した前記時間に応じて前記排気排水弁を開く第１起動制御と、
   前記第１起動制御に代えて前記アノード側ガス流路の前記窒素分圧が一定値に収束している場合の指標に従って前記排気排水弁を開く時間を決定し、決定した前記時間に応じて前記排気排水弁を開く第２起動制御と、
   を前記運転開始時に実行することができ、
   前記停止状態においてバッテリ電源の欠落を生じた場合、または前記経過時間が閾値以上の場合に前記第２起動制御を実行する、
   燃料電池システム。
2. 大気圧を検知する圧力センサを更に備え、
   前記制御部は、前記圧力センサで検知される前記大気圧から算出される前記アノード側ガス流路における前記運転開始時の窒素分圧に基づいて、前記第２起動制御において前記排気排水弁を開く時間を決定する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。

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