JP4263547B2 - 燃料電池システムの水排出方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの水排出方法であって、特に、燃料電池内のアノード側ガス通路からの水排出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００３】
また、この種の燃料電池では、発電に供された後にアノードから排出されるガス、すなわちアノードオフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃料ガスの消費量節減を図るために、アノードオフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して燃料電池に再供給する燃料電池システム（以下、水素循環型燃料電池システムという）を組むことが多い。
【０００４】
ところで、前述したように、前記燃料電池での発電にはカソード側において水が生成されるが、カソード側の生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に移動する。この生成水によって燃料電池内のアノード側ガス通路の一部が閉塞されると、燃料電池への燃料ガスの供給量が低下するため、発電性能に悪影響を及ぼすことがある。
【０００５】
また、水素循環型燃料電池システムで、水素以外に微量の不純物（例えば、酸素、塩素、アンモニア、窒素など）を含む燃料ガスを使用した場合には、アノードオフガスの循環によって前記不純物の濃度が増加し、燃料電池の発電が不安定になるなど発電性能に悪影響を及ぼすことがある。
そこで、特許文献１に開示されているように、燃料ガス循環通路に排出通路を接続しておき、必要に応じて排出通路の排出弁を開放して前記生成水や不純物をアノードオフガスの一部とともに排出することで、生成水による燃料電池内のガス通路閉塞を防止し、燃料ガス中の不純物濃度を低減するようにした燃料電池システムが考案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２２７１４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ただ単に排出弁を開いてアノードオフガスを排出するだけでは、燃料電池のアノード側ガス通路から水分を十分に排出するのは難しく、水排出処理後にアノード側に残存する水分の影響により、発電性能を十分に回復することができない場合がある。
そこで、この発明は、燃料電池のアノード側ガス通路から十分に水分を排出することができ、発電性能を確実に向上させることができる燃料電池システムの水排出方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施の形態におけるアノード２ｂ）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施の形態におけるカソード２ｃ）に酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環通路（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス循環通路２０）と、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の上流に設けられて前記燃料ガス循環通路の開度を調整する開度調整弁（例えば、後述する実施の形態における開度調整弁Ｖ２）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述する実施の形態における燃料電池システム１）の水排出方法であって、前記開度調整弁の開度を絞り、その状態で前記燃料電池による発電を継続し、その後、前記開度調整弁の開度を広げることで前記燃料電池内のアノード側ガス通路（例えば、後述する実施の形態におけるアノード側ガス通路２ｄ）の水を排出することを特徴とする燃料電池システムの水排出方法である。
【０００９】
このように構成することにより、開度調整弁の開度を絞って燃料電池への燃料供給を減少させ、その状態で燃料電池の発電を継続して開度調整弁よりも下流の燃料を消費させることによって開度調整弁よりも下流のガス圧力を低下させることができ、これにより、開度調整弁の上流と下流との間に所定の圧力差を生じさせることができる。したがって、この後、開度調整弁を開くと、燃料電池への燃料ガスの供給流量を通常の発電状態における供給流量よりも増大させることができ、燃料電池内のアノード側ガス通路に溜まっている水分を確実に且つ十分に排出することができる。
また、開度調整弁の開度を絞り、開度調整弁よりも下流の燃料を発電で消費することにより開度調整弁の上流と下流の間に圧力差を生じさせているので、水の排出に際して燃料を有効に利用することができる。また、ガス流量を増大させるために燃料ガス供給圧力を増大させるなどの必要もない。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の上流と下流との圧力差に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、水排出時のガス流量増大を確実に実行することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の上流のガス圧力と前記燃料電池のカソード圧力との圧力差に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、開度調整弁の開度を広げたときに燃料電池のアノードとカソードの圧力差（いわゆる、極間差圧）が所定値以上になるのを防止することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記燃料電池のアノード圧力とカソード圧力との圧力差に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の発電状態が不安定になるのを防止することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記燃料電池の発電状態に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の要求出力を確保することができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の開度を絞ってからの経過時間に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の燃料供給不足状態が長時間続いて燃料電池が悪影響を受けるのを防止することができる。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池に出力増大要求があるときには、前記開度調整弁を絞るのを禁止することを特徴とする。
このように構成することにより、出力増大要求時に燃料電池が燃料供給不足になるのを防止することができる。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の下流に排出弁（例えば、後述する実施の形態における排出弁Ｖ３）を設け、前記開度調整弁の開度を広げた後に前記排出弁を開くことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード側ガス通路から排出した水分を速やかに系外に排出することが可能になり、水分が再びアノードに戻るのを防止することが可能になる。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の下流に、排水弁（例えば、後述する実施の形態における排水弁Ｖ５）を有する気液分離タンク（例えば、後述する実施の形態におけるキャッチタンク７）を設けたことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード側ガス通路から排出した水分を一旦、気液分離タンクで集水することができるので、燃料電池のアノード側ガス通路から水分を排出するたびにアノードオフガスを系外に排出させないで済む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の実施の形態を図１から図９の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の第１の実施の形態を図１から図７の図面を参照して説明する。
図１は水素循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動して、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜２ａを透過してアノード２ｂ側にも移動する。
燃料電池２は、各セルの電圧を検出するセル電圧検出手段６を備えている。
【００２０】
高圧水素タンク（燃料供給手段）３に収容された水素ガスは、水素供給通路２１を流通し、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄを通って各セルのアノード２ｂに供給される。水素供給通路２１には、高圧水素タンク３に近い側から順に、圧力調整弁Ｖ１、エゼクタ４、開度調整弁Ｖ２、が設けられている。
圧力調整弁Ｖ１は、高圧水素タンク３の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧するものであり、開度調整弁Ｖ２は、後述するガス流量増大処理を実行するときに制御される弁である。エゼクタ４は燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄから排出されるアノードオフガスを水素供給通路２１に戻すためのものである。
【００２１】
また、水素供給通路２１において、エゼクタ４と開度調整弁Ｖ２との間、および、開度調整弁Ｖ２よりも下流であって燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄへの入口に近い部位には、それぞれの部位における水素圧力を検出するための圧力センサ１１，１２が設置されている。なお、以下の説明において、圧力センサ１１で検出される水素圧力を開度調整弁入口圧Ｐ１、圧力センサ１２で検出される水素圧力をアノード入口圧Ｐ２と称す。
【００２２】
燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス通路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。すなわち、燃料電池２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス通路２２、およびエゼクタ４よりも下流の水素供給通路２１を通って、燃料電池２を循環する。なお、この実施の形態においては、エゼクタ４よりも下流の水素供給通路２１とアノードオフガス通路２２によって、燃料ガス循環通路２０が構成され、開度調整弁Ｖ２は、燃料ガス循環通路２０の開度を調整する開度調整弁である。
【００２３】
アノードオフガス通路２２から分岐された排出通路２３には排出弁Ｖ３が設けられている。この排出弁Ｖ３は通常は閉じており、燃料電池２のアノード２ｂに水分等が溜まって発電状態に影響を及ぼす時などに開いて、水分等を排出するためのものである。
【００２４】
一方、空気はエアコンプレッサ５により所定圧力に加圧され、空気通路３１を通り、燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅを通って各セルのカソード２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路３２に排出され、圧力制御弁Ｖ４を介して排出される。空気通路３１においてエアコンプレッサ５よりも下流であって燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅへの入口に近い部位には空気圧力を検出するための圧力センサ１３が設置されている。なお、以下の説明において、圧力センサ１３で検出される空気圧力をカソード入口圧Ｐ３と称す。
【００２５】
ここで、燃料電池２の通常発電時において、アノード入口圧Ｐ２は圧力調整弁Ｖ１によって調整されており、カソード入口圧Ｐ３はエアコンプレッサ５の回転数によって調整されている。アノード入口圧Ｐ２とカソード入口圧Ｐ３とを比較すると、アノード入口圧Ｐ２の方が所定圧力だけカソード入口圧Ｐ３よりも高くなっており、燃料電池２のアノード２ｂとカソード２ｃの圧力差（いわゆる、極間差圧）はアノード入口圧Ｐ２とカソード入口圧Ｐ３とを調整することによって所定の圧力範囲に維持され、固体高分子電解質膜２ａが保護されている。
【００２６】
また、燃料電池システム１は制御装置（ＥＣＵ）１０を備え、圧力センサ１１〜１３、およびセル電圧検出手段６からの出力信号等がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０はこれら出力信号等に基づいて、圧力調整弁Ｖ１、開度調整弁Ｖ２、排出弁Ｖ３、圧力制御弁Ｖ４を制御する。
【００２７】
次に、この燃料電池システム１の水排出処理について説明する。
この燃料電池システム１においては、燃料電池２のセル電圧が所定値まで低下したときには、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに水分が溜まったか、あるいは、水素ガス中の不純物濃度が上昇したものと判断して、排出弁Ｖ３を開いてアノードオフガス通路２２を流れるアノードオフガスを系外に排出し、アノードオフガスとともに水分および不純物を系外に排出する。そして、このアノード側からの水排出に際しては、ガス流量を通常の発電状態における流量よりも増大させることによって、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄおよびアノードオフガス通路２２内に溜まっている水分を確実且つ十分に排出する。
【００２８】
特に、この燃料電池システム１においては、アノード側からの水排出時の流量増大を以下の手順によって実現するようにした。すなわち、排出弁Ｖ３を開くのに先だって開度調整弁Ｖ２を閉じて燃料ガス循環通路２０を閉鎖し、その状態で燃料電池２の発電を継続して開度調整弁Ｖ２よりも下流の水素を消費させることによって開度調整弁Ｖ２よりも下流のガス圧力を低下させる。これにより、開度調整弁Ｖ２の上流と下流との間に所定の圧力差を生じさせ、この後、開度調整弁Ｖ２を開くことによって、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄへの水素ガスの供給流量を通常の発電状態における供給流量よりも増大させるようにした。以下、この開度調整弁Ｖ２を開閉してガス流量を増大させる処理をガス流量増大処理と称す。
【００２９】
ただし、車両が急加速する時など燃料電池２に出力増大要求があるときに開度調整弁Ｖ２を閉じてしまうと、アノード２ｂへの水素供給（燃料供給）が不足して要求出力を出せなくなってしまうので、この場合には、開度調整弁Ｖ２を閉じるのを禁止してガス流量増大処理を実行せず、通常発電時のガス流量で排出弁Ｖ３からアノードオフガスを排出する。これにより、アノードオフガス通路２２に溜まった水分や不純物を排出することができるとともに、出力増大要求に応えることができるようにする。
【００３０】
また、ガス流量増大処理の途中で次の（１）〜（４）の状態になった場合には、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差が所定値に達する前であっても、開度調整弁Ｖ２を開いて燃料電池２のアノード２ｂに水素ガスを供給する。
（１）Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１のとき
開度調整弁入口圧Ｐ１とカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が所定値Ｐｍａｘ１よりも大きくなると、開度調整弁Ｖ２を開いたときにアノード２ｂとカソード２ｃの圧力差（極間差圧）が大きくなって、固体高分子電解質膜２ａにダメージを与える虞があるので、固体高分子電解質膜２ａの保護のために、圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が所定値Ｐｍａｘ１に達したときには開度調整弁Ｖ２を開き、圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が所定値Ｐｍａｘ１を越えないようにする。
【００３１】
（２）Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎのとき
アノード入口圧Ｐ１とカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が所定値Ｐｍｉｎよりも小さくなると、燃料電池２の発電状態が不安定になり要求出力を出せなくなる虞があるのと、アノード２ｂとカソード２ｃの圧力差（極間差圧）が十分に保てないため固体高分子電解質膜２ａにダメージを与える虞があるので、圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が所定値Ｐｍｉｎに達したときには開度調整弁Ｖ２を開き、圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が所定値Ｐｍｉｎよりも小さくならないようにする。これにより、アノード側ガス通路２ｄからの水排出時にも安定した発電状態を保持することができる。
【００３２】
（３）スタック電圧≦Ｖｍｉｎのとき
燃料電池２の電圧（以下、スタック電圧と称す）が所定値Ｖｍｉｎよりも小さくなると、要求出力を出せなくなる虞があるので、これを防止するために、スタック電圧が所定値Ｖｍｉｎに達したときには開度調整弁Ｖ２を開き、アノード２ｂへの水素供給を再開することによりスタック電圧が所定値Ｖｍｉｎよりも小さくならないようにする。これにより、アノード側ガス通路２ｄからの水排出時にも要求出力を確保することができる。なお、スタック電圧は燃料電池２の発電状態を表すパラメータの一つである。
【００３３】
（４）Ｖ２閉時間≧Ｔ１のとき
アノード２ｂへの水素供給停止状態が余り長時間続くと、燃料電池２に悪影響を与える虞があるので、開度調整弁Ｖ２を閉じてからの経過時間が所定時間Ｔ１に達したときには開度調整弁Ｖ２を開く。
【００３４】
次に、第１の実施の形態における燃料電池システム１のアノード側ガス通路２ｄからの水排出制御について、図２のフローチャートに従って説明する。
図２のフローチャートに示される水排出制御ルーチンは、ＥＣＵ１０によって一定時間毎に実行される。
まず、ステップＳ１０１において、セル電圧検出手段６により検出された各セル電圧に基づき、予め設定した閾値よりも低下したセル電圧があるか否かを判定する。セル電圧が前記閾値よりも低下している場合には、燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄに水分が溜まったか、あるいは、水素ガス中の不純物濃度が上昇したものと判断する。
【００３５】
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（セル電圧が閾値よりも低下していない）である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（セル電圧が閾値よりも低下している）である場合は、ステップＳ１０２に進み、燃料電池２に対する出力増大要求があるか否かを判定する。
【００３６】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（出力増大要求なし）である場合は、ガス流量増大処理を実行するために、ステップＳ１０３に進んで開度調整弁Ｖ２を閉じる。
開度調整弁Ｖ２を閉じることによって燃料ガス循環通路２０が閉鎖されるが、燃料電池２の発電は継続しているので、開度調整弁Ｖ２よりも下流の水素供給通路２１および燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに残留している水素が消費され、これにより開度調整弁Ｖ２よりも下流のガス圧力が徐々に低下する。
【００３７】
次に、ステップ１０４に進み、圧力センサ１１で検出された開度調整弁入口圧Ｐ１と圧力センサ１３で検出されたカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が、所定値Ｐｍａｘ１以上か否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ１−Ｐ３＜Ｐｍａｘ１）である場合は、ステップＳ１０５に進み、圧力センサ１２で検出されたアノード入口圧Ｐ２と圧力センサ１３で検出されたカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が、所定値Ｐｍｉｎ以下か否かを判定する。
【００３８】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ２−Ｐ３＞Ｐｍｉｎ）である場合は、ステップＳ１０６に進み、スタック電圧が所定値Ｖｍｉｎ以下か否かを判定する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（スタック電圧＞Ｖｍｉｎ）である場合は、ステップＳ１０７に進み、開度調整弁Ｖ２を閉じてからの経過時間が所定時間Ｔ１以上か否かを判定する。
【００３９】
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｖ２閉時間＜Ｔ１）である場合は、ステップＳ１０８に進み、圧力センサ１１で検出された開度調整弁入口圧Ｐ１と圧力センサ１２で検出されたアノード入口圧Ｐ２の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が、所定値Ｐｍａｘ２以上か否かを判定する。
ステップＳ１０８における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ１−Ｐ２＜Ｐｍａｘ２）である場合は、ステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０４〜Ｓ１０８の処理を繰り返す。
【００４０】
ステップＳ１０８における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ１−Ｐ２≧Ｐｍａｘ２）である場合は、ステップＳ１０９に進んで、開度調整弁Ｖ２を開く。
一方、ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１）である場合、あるいは、ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎ）である場合、あるいは、ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（スタック電圧≦Ｖｍｉｎ）である場合、あるいは、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｖ２閉時間≧Ｔ１）である場合も、ステップＳ１０９に進み、開度調整弁Ｖ２を開く。ただし、これらの場合は、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差がＰｍａｘ２になる前に開度調整弁Ｖ２を開くこととなる。
【００４１】
図３は、Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図４は、Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図５は、スタック電圧≦Ｖｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図６は、Ｖ２閉時間≧Ｔ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図７は、Ｐ１−Ｐ２≧Ｐｍａｘ２の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【００４２】
このようにガス流量増大処理を実行すると、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の間に圧力差が生じるので、この圧力差の大きさに応じた流量の水素ガスが燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに供給されるようになり、通常の発電時よりも大きな流量でアノード側ガス通路２ｄおよびアノードオフガス通路２２に水素ガスが流れる。これにより、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに溜まっていた水分を確実且つ十分に燃料電池２内からアノードオフガス通路２２に排出することができる。
この場合、ステップＳ１０８で「ＹＥＳ」判定されて開度調整弁Ｖ２を開くときが、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差がＰｍａｘ２で最大となり、アノード側ガス通路２ｄへの水素供給再開時の水素ガス流量は最大となる。これに対して、ステップＳ１０４，１０５，１０６，１０７で「ＹＥＳ」判定されて開度調整弁Ｖ２を開くときは、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差がＰｍａｘ２よりも小さいため、アノード側ガス通路２ｄへの水素供給再開時の水素ガス流量は、ステップＳ１０８で「ＹＥＳ」判定されて開度調整弁Ｖ２を開くときよりは減少するものの、ガス流量増大処理をしないときと比較すると、ガス流量は増大するので、アノード側ガス通路２ｄから水分を排出することができる。
【００４３】
次に、ステップＳ１１０に進み、排出弁Ｖ３を開いて、アノードオフガス通路２２を流れるアノードオフガスを排出弁Ｖ３から系外に排出する。これにより、燃料電池２から排出した水分をアノードオフガスとともに系外に排出することができる。また、この水分がアノードオフガス通路２２を通ってエゼクタ４に吸引され水素供給通路２１に戻らないようにすることができる。なお、このときに水素ガス中の不純物もアノードオフガスとともに系外に排出される。
【００４４】
次に、ステップＳ１１１に進み、排出弁Ｖ３を開いてから所定時間が経過したか否かを判定し、判定結果が「ＮＯ」（所定時間経過していない）である場合は、排出弁Ｖ３の開状態を継続し、判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過した）である場合は、ステップＳ１１２に進み、排出弁Ｖ３を閉じてアノードオフガスの排出を停止して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
このようにガス流量増大処理を行ってアノードオフガスを排出した場合には、ガス流量を増大させたことにより、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに溜まっていた水分を確実且つ十分に燃料電池２内から排出することができるので、燃料電池２を極めて良好な発電状態に確実に回復することができる。
また、開度調整弁Ｖ２を閉ざし、既に燃料電池２に供給されている水素を発電により消費することにより開度調整弁Ｖ２の上流と下流の間に圧力差を生じさせているので、水素ガスを有効に利用することができる。また、ガス流量を増大させるために水素供給圧力を増大させるなどの必要もなく、昇圧に伴う余計なエネルギーを使わなくて済み、エネルギーマネージメント上、極めて有利である。
【００４５】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（出力増大要求あり）である場合は、燃料電池２への水素供給を遮断することはできないので、開度調整弁Ｖ２の閉弁を禁止し、ステップＳ１０３〜Ｓ１０９のガス流量増大処理を実行することなく、ステップＳ１１０に進み、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２の処理を実行して、排出弁Ｖ３からアノードオフガスを排出する。
【００４６】
なお、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差を迅速に増大させるために、ステップＳ１０３で開度調整弁Ｖ２を閉じた後、圧力調整弁Ｖ１の開度を通常よりも大きくしてもよい。このようにすると、開度調整弁入口圧力Ｐ１を通常よりも大きくすることができ、その結果、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差を迅速に増大させることができる。
なお、このように開度調整弁Ｖ２を閉じた後に圧力調整弁Ｖ１の開度を大きくした場合には、ステップＳ１０９で開度調整弁Ｖ２を開ける前に、圧力調整弁Ｖ１の開度を元の状態に戻しておく。
【００４７】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の第２の実施の形態を図８および図９の図面を参照して説明する。
第２の実施の形態の燃料電池システムでは、アノードオフガス通路２２における排出通路２３の分岐点よりも上流側に、アノードオフガス中の水分を分離し集水するためのキャッチタンク（気液分離タンク）７が設置されており、このキャッチタンク７に排水通路２４が接続され、排水通路２４に排水弁Ｖ５が設けられている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４８】
第２の実施の形態では、排出弁Ｖ３は主に水素ガス中の不純物排出のために使用され、排水弁Ｖ５は主に排水のために使用される。排出弁Ｖ３と排水弁Ｖ５はＥＣＵ１０によって次のように開閉制御される。
アノードオフガス通路２２を流れるアノードオフガス中の水分は、一旦キャッチタンク７に捕集され、集水される。そして、キャッチタンク７に所定量の液水が溜まると、ＥＣＵ１０は排水弁Ｖ５を所定時間だけ開き、キャッチタンク７に溜まっている水を排水する。
一方、燃料電池２の運転時間が所定時間に達したとき、あるいは、ガス流量増大処理を実行しても燃料電池２の発電状態の回復が得られないときなどに、ＥＣＵ１０は排水弁Ｖ５を所定時間だけ開き、アノードオフガスとともに不純物を排出し、水素ガス中の不純物濃度を低減する。
【００４９】
そして、第１の実施の形態ではガス流量増大処理終了後、すなわち開度調整弁Ｖ２の開弁後に必ず排出弁Ｖ３を開いていたが、第２の実施の形態では、開度調整弁Ｖ２の開弁後に排出弁Ｖ３を開けず、通常の発電状態と同様に、アノードオフガスをアノードオフガス通路２２およびエゼクタ４を介して水素供給通路２１に戻すように制御する。
このように制御した場合にも、ガス流量を増大させることにより、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに溜まっていた水分を確実且つ十分に燃料電池２内から排出することができ、燃料電池２を極めて良好な発電状態に確実に回復することができる。そして、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄから排出された水分は、キャッチタンク７に捕集されるので、水分を除去されたアノードオフガスがエゼクタ４を介して水素供給通路２１に戻されることになる。
つまり、第２の実施の形態では、ガス流量増大処理の実行と、排出弁Ｖ３の開閉と、排水弁Ｖ５の開閉は、それぞれ独立して制御される。
【００５０】
図９は、第２の実施の形態における燃料電池システム１のアノード側ガス通路２ｄからの水排出制御ルーチンを示すフローチャートであるが、第１の実施の形態の制御ルーチンとの相違点は、ステップＳ１０９の処理を終了すると、本ルーチンの実行を一旦終了することだけである。
その他の制御については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一ステップに同一ステップ番号を付して説明を省略する。
この第２の実施の形態の燃料電池システムの水排出方法では、前述した第１の実施の形態の作用に加えて、ガス流量増大時にアノードオフガスを排出しないので、水素の排出量を低減することができ、燃料である水素を無駄なく有効に使用することができる。特に、燃料電池車両に搭載された燃料電池システム１の場合には、燃費が向上し、走行距離の増大を図ることができる。
【００５１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、開度調整弁Ｖ２を全閉にしているが、通常の発電状態のときよりも開度調整弁Ｖ２の開度を絞って非全閉状態で発電を行い燃料を消費することにより圧力差を生じさせることができる場合には、開度調整弁Ｖ２を全閉にしなくても構わない。
【００５２】
また、前述した実施の形態では、アノードオフガスを循環させるためにエゼクタを用いたが、アノードオフガス通路に循環ポンプを設け、アノードから排出される未利用の水素を吸引し供給水素と同等の圧力にすることで循環させることも可能である。このように循環ポンプを設けた場合には、開度調整弁を絞る際に循環ポンプによってアノードオフガスを吸引することで、開度調整弁の下流の圧力を下げることができ、開度調整弁の上流と下流の圧力差を迅速に増大させることができる。これによって、十分な圧力差を持ってアノードの水分を排出することができる。
【００５３】
また、前述した実施の形態では、燃料電池の通常発電状態にあるときにアノードへ供給されるガス圧力の方がカソードへ供給されるガス圧力よりも高く設定されるシステムを用いて説明したが、この発明はカソードへ供給されるガス圧力の方がアノードへ供給されるガス圧力よりも高く設定されるシステムにも適用することができる。
また、この発明は車載用以外の燃料電池システムにも適用可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池内のアノード側ガス通路に溜まった水を排出する際に、燃料電池への燃料ガスの供給流量を通常の発電状態における供給流量よりも増大させることができるので、アノード側ガス通路に溜まっている水分を確実に且つ十分に排出することができ、発電性能を確実に回復することができる。
また、開度調整弁の開度を絞り、開度調整弁よりも下流の燃料を発電で消費することにより開度調整弁の上流と下流の間に圧力差を生じさせているので、水の排出に際して燃料を有効に利用することができる。また、ガス流量を増大させるために燃料ガス供給圧力を増大させるなどの必要もないので、昇圧に伴う余計なエネルギーを使わなくて済み、エネルギーマネージメント上、極めて有利である。
【００５５】
請求項２に係る発明によれば、水排出時のガス流量増大を確実に実行することができる。
請求項３に係る発明によれば、開度調整弁の開度を広げたときに燃料電池のアノードとカソードの圧力差（極間差圧）が所定値以上になるのを防止することができ、燃料電池を機械的損傷（例えば、固体高分子電解質膜の損傷等）から保護することができる。
請求項４に係る発明によれば、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の発電状態が不安定になるのを防止することができ、安定した発電状態を保持することができる。
【００５６】
請求項５に係る発明によれば、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の要求出力を確保することができる。
請求項６に係る発明によれば、燃料電池の燃料供給不足状態が長時間続いて燃料電池が悪影響を受けるのを防止することができる。
請求項７に係る発明によれば、出力増大要求時に燃料電池が燃料供給不足になるのを防止することができるので、要求された出力増大に応えることができる。
請求項８に係る発明によれば、燃料電池のアノード側ガス通路から排出した水分を速やかに系外に排出することが可能になり、水分が再びアノードに戻るのを防止することが可能になる。
請求項９に係る発明によれば、燃料電池のアノード側ガス通路から水分を排出するたびにアノードオフガスを系外に排出させないで済むので、燃料の系外排出量を減らすことができ、燃料を無駄なく有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る水排出方法の実施に好適な燃料電池システムの第１の実施の形態の構成図である。
【図２】 前記第１の実施における燃料電池システムのアノード側ガス通路からの水排出制御のフローチャートである。
【図３】 Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図４】 Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図５】 スタック電圧≦Ｖｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図６】 Ｖ２閉時間≧Ｔ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図７】 Ｐ１−Ｐ２≧Ｐｍａｘ２の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図８】 この発明に係る水排出方法の実施に好適な燃料電池システムの第２の実施の形態の構成図である。
【図９】 前記第２の実施における燃料電池システムのアノード側ガス通路からの水排出制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ｂ アノード
２ｃ カソード
２ｄ アノード側ガス通路
７ 気液分離タンク
２０ 燃料ガス循環通路
Ｖ２ 開度調整弁
Ｖ３ 排出弁
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムの水排出方法であって、特に、燃料電池内のアノード側ガス通路からの水排出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば酸素あるいは空気）を供給して、これらガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギを直接電気エネルギとして抽出するようにしたものがある。この燃料電池では、アノードで水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソードに移動し、酸素と反応して水を生成する一連の電気化学反応による電気エネルギを取り出すことができるようになっている。
【０００３】
また、この種の燃料電池では、発電に供された後にアノードから排出されるガス、すなわちアノードオフガスには未反応の燃料ガスが含まれているので、燃料ガスの消費量節減を図るために、アノードオフガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して燃料電池に再供給する燃料電池システム（以下、水素循環型燃料電池システムという）を組むことが多い。
【０００４】
ところで、前述したように、前記燃料電池での発電にはカソード側において水が生成されるが、カソード側の生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に移動する。この生成水によって燃料電池内のアノード側ガス通路の一部が閉塞されると、燃料電池への燃料ガスの供給量が低下するため、発電性能に悪影響を及ぼすことがある。
【０００５】
また、水素循環型燃料電池システムで、水素以外に微量の不純物（例えば、酸素、塩素、アンモニア、窒素など）を含む燃料ガスを使用した場合には、アノードオフガスの循環によって前記不純物の濃度が増加し、燃料電池の発電が不安定になるなど発電性能に悪影響を及ぼすことがある。
そこで、特許文献１に開示されているように、燃料ガス循環通路に排出通路を接続しておき、必要に応じて排出通路の排出弁を開放して前記生成水や不純物をアノードオフガスの一部とともに排出することで、生成水による燃料電池内のガス通路閉塞を防止し、燃料ガス中の不純物濃度を低減するようにした燃料電池システムが考案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２２７１４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ただ単に排出弁を開いてアノードオフガスを排出するだけでは、燃料電池のアノード側ガス通路から水分を十分に排出するのは難しく、水排出処理後にアノード側に残存する水分の影響により、発電性能を十分に回復することができない場合がある。
そこで、この発明は、燃料電池のアノード側ガス通路から十分に水分を排出することができ、発電性能を確実に向上させることができる燃料電池システムの水排出方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、アノード（例えば、後述する実施の形態におけるアノード２ｂ）に燃料ガスが供給されカソード（例えば、後述する実施の形態におけるカソード２ｃ）に酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環通路（例えば、後述する実施の形態における燃料ガス循環通路２０）と、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の上流に設けられて前記燃料ガス循環通路の開度を調整する開度調整弁（例えば、後述する実施の形態における開度調整弁Ｖ２）と、を備えた燃料電池システム（例えば、後述する実施の形態における燃料電池システム１）の水排出方法であって、前記開度調整弁の開度を絞り、その状態で前記燃料電池による発電を継続し、その後、前記開度調整弁の開度を広げることで前記燃料電池内のアノード側ガス通路（例えば、後述する実施の形態におけるアノード側ガス通路２ｄ）の水を排出することを特徴とする燃料電池システムの水排出方法である。
【０００９】
このように構成することにより、開度調整弁の開度を絞って燃料電池への燃料供給を減少させ、その状態で燃料電池の発電を継続して開度調整弁よりも下流の燃料を消費させることによって開度調整弁よりも下流のガス圧力を低下させることができ、これにより、開度調整弁の上流と下流との間に所定の圧力差を生じさせることができる。したがって、この後、開度調整弁を開くと、燃料電池への燃料ガスの供給流量を通常の発電状態における供給流量よりも増大させることができ、燃料電池内のアノード側ガス通路に溜まっている水分を確実に且つ十分に排出することができる。
また、開度調整弁の開度を絞り、開度調整弁よりも下流の燃料を発電で消費することにより開度調整弁の上流と下流の間に圧力差を生じさせているので、水の排出に際して燃料を有効に利用することができる。また、ガス流量を増大させるために燃料ガス供給圧力を増大させるなどの必要もない。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の上流と下流との圧力差に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、水排出時のガス流量増大を確実に実行することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の上流のガス圧力と前記燃料電池のカソード圧力との圧力差に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、開度調整弁の開度を広げたときに燃料電池のアノードとカソードの圧力差（いわゆる、極間差圧）が所定値以上になるのを防止することができる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記燃料電池のアノード圧力とカソード圧力との圧力差に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の発電状態が不安定になるのを防止することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記燃料電池の発電状態に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の要求出力を確保することができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の開度を絞ってからの経過時間に応じて決定することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の燃料供給不足状態が長時間続いて燃料電池が悪影響を受けるのを防止することができる。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料電池に出力増大要求があるときには、前記開度調整弁を絞るのを禁止することを特徴とする。
このように構成することにより、出力増大要求時に燃料電池が燃料供給不足になるのを防止することができる。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の下流に排出弁（例えば、後述する実施の形態における排出弁Ｖ３）を設け、前記開度調整弁の開度を広げた後に前記排出弁を開くことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード側ガス通路から排出した水分を速やかに系外に排出することが可能になり、水分が再びアノードに戻るのを防止することが可能になる。
【００１７】
請求項９に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の下流に、排水弁（例えば、後述する実施の形態における排水弁Ｖ５）を有する気液分離タンク（例えば、後述する実施の形態におけるキャッチタンク７）を設けたことを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池のアノード側ガス通路から排出した水分を一旦、気液分離タンクで集水することができるので、燃料電池のアノード側ガス通路から水分を排出するたびにアノードオフガスを系外に排出させないで済む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の実施の形態を図１から図９の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
【００１９】
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の第１の実施の形態を図１から図７の図面を参照して説明する。
図１は水素循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動して、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。生成された水の一部は、固体高分子電解質膜２ａを透過してアノード２ｂ側にも移動する。
燃料電池２は、各セルの電圧を検出するセル電圧検出手段６を備えている。
【００２０】
高圧水素タンク（燃料供給手段）３に収容された水素ガスは、水素供給通路２１を流通し、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄを通って各セルのアノード２ｂに供給される。水素供給通路２１には、高圧水素タンク３に近い側から順に、圧力調整弁Ｖ１、エゼクタ４、開度調整弁Ｖ２、が設けられている。
圧力調整弁Ｖ１は、高圧水素タンク３の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧するものであり、開度調整弁Ｖ２は、後述するガス流量増大処理を実行するときに制御される弁である。エゼクタ４は燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄから排出されるアノードオフガスを水素供給通路２１に戻すためのものである。
【００２１】
また、水素供給通路２１において、エゼクタ４と開度調整弁Ｖ２との間、および、開度調整弁Ｖ２よりも下流であって燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄへの入口に近い部位には、それぞれの部位における水素圧力を検出するための圧力センサ１１，１２が設置されている。なお、以下の説明において、圧力センサ１１で検出される水素圧力を開度調整弁入口圧Ｐ１、圧力センサ１２で検出される水素圧力をアノード入口圧Ｐ２と称す。
【００２２】
燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス通路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。すなわち、燃料電池２から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス通路２２、およびエゼクタ４よりも下流の水素供給通路２１を通って、燃料電池２を循環する。なお、この実施の形態においては、エゼクタ４よりも下流の水素供給通路２１とアノードオフガス通路２２によって、燃料ガス循環通路２０が構成され、開度調整弁Ｖ２は、燃料ガス循環通路２０の開度を調整する開度調整弁である。
【００２３】
アノードオフガス通路２２から分岐された排出通路２３には排出弁Ｖ３が設けられている。この排出弁Ｖ３は通常は閉じており、燃料電池２のアノード２ｂに水分等が溜まって発電状態に影響を及ぼす時などに開いて、水分等を排出するためのものである。
【００２４】
一方、空気はエアコンプレッサ５により所定圧力に加圧され、空気通路３１を通り、燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅを通って各セルのカソード２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路３２に排出され、圧力制御弁Ｖ４を介して排出される。空気通路３１においてエアコンプレッサ５よりも下流であって燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅへの入口に近い部位には空気圧力を検出するための圧力センサ１３が設置されている。なお、以下の説明において、圧力センサ１３で検出される空気圧力をカソード入口圧Ｐ３と称す。
【００２５】
ここで、燃料電池２の通常発電時において、アノード入口圧Ｐ２は圧力調整弁Ｖ１によって調整されており、カソード入口圧Ｐ３はエアコンプレッサ５の回転数によって調整されている。アノード入口圧Ｐ２とカソード入口圧Ｐ３とを比較すると、アノード入口圧Ｐ２の方が所定圧力だけカソード入口圧Ｐ３よりも高くなっており、燃料電池２のアノード２ｂとカソード２ｃの圧力差（いわゆる、極間差圧）はアノード入口圧Ｐ２とカソード入口圧Ｐ３とを調整することによって所定の圧力範囲に維持され、固体高分子電解質膜２ａが保護されている。
【００２６】
また、燃料電池システム１は制御装置（ＥＣＵ）１０を備え、圧力センサ１１〜１３、およびセル電圧検出手段６からの出力信号等がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０はこれら出力信号等に基づいて、圧力調整弁Ｖ１、開度調整弁Ｖ２、排出弁Ｖ３、圧力制御弁Ｖ４を制御する。
【００２７】
次に、この燃料電池システム１の水排出処理について説明する。
この燃料電池システム１においては、燃料電池２のセル電圧が所定値まで低下したときには、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに水分が溜まったか、あるいは、水素ガス中の不純物濃度が上昇したものと判断して、排出弁Ｖ３を開いてアノードオフガス通路２２を流れるアノードオフガスを系外に排出し、アノードオフガスとともに水分および不純物を系外に排出する。そして、このアノード側からの水排出に際しては、ガス流量を通常の発電状態における流量よりも増大させることによって、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄおよびアノードオフガス通路２２内に溜まっている水分を確実且つ十分に排出する。
【００２８】
特に、この燃料電池システム１においては、アノード側からの水排出時の流量増大を以下の手順によって実現するようにした。すなわち、排出弁Ｖ３を開くのに先だって開度調整弁Ｖ２を閉じて燃料ガス循環通路２０を閉鎖し、その状態で燃料電池２の発電を継続して開度調整弁Ｖ２よりも下流の水素を消費させることによって開度調整弁Ｖ２よりも下流のガス圧力を低下させる。これにより、開度調整弁Ｖ２の上流と下流との間に所定の圧力差を生じさせ、この後、開度調整弁Ｖ２を開くことによって、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄへの水素ガスの供給流量を通常の発電状態における供給流量よりも増大させるようにした。以下、この開度調整弁Ｖ２を開閉してガス流量を増大させる処理をガス流量増大処理と称す。
【００２９】
ただし、車両が急加速する時など燃料電池２に出力増大要求があるときに開度調整弁Ｖ２を閉じてしまうと、アノード２ｂへの水素供給（燃料供給）が不足して要求出力を出せなくなってしまうので、この場合には、開度調整弁Ｖ２を閉じるのを禁止してガス流量増大処理を実行せず、通常発電時のガス流量で排出弁Ｖ３からアノードオフガスを排出する。これにより、アノードオフガス通路２２に溜まった水分や不純物を排出することができるとともに、出力増大要求に応えることができるようにする。
【００３０】
また、ガス流量増大処理の途中で次の（１）〜（４）の状態になった場合には、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差が所定値に達する前であっても、開度調整弁Ｖ２を開いて燃料電池２のアノード２ｂに水素ガスを供給する。
（１）Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１のとき
開度調整弁入口圧Ｐ１とカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が所定値Ｐｍａｘ１よりも大きくなると、開度調整弁Ｖ２を開いたときにアノード２ｂとカソード２ｃの圧力差（極間差圧）が大きくなって、固体高分子電解質膜２ａにダメージを与える虞があるので、固体高分子電解質膜２ａの保護のために、圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が所定値Ｐｍａｘ１に達したときには開度調整弁Ｖ２を開き、圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が所定値Ｐｍａｘ１を越えないようにする。
【００３１】
（２）Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎのとき
アノード入口圧Ｐ１とカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が所定値Ｐｍｉｎよりも小さくなると、燃料電池２の発電状態が不安定になり要求出力を出せなくなる虞があるのと、アノード２ｂとカソード２ｃの圧力差（極間差圧）が十分に保てないため固体高分子電解質膜２ａにダメージを与える虞があるので、圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が所定値Ｐｍｉｎに達したときには開度調整弁Ｖ２を開き、圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が所定値Ｐｍｉｎよりも小さくならないようにする。これにより、アノード側ガス通路２ｄからの水排出時にも安定した発電状態を保持することができる。
【００３２】
（３）スタック電圧≦Ｖｍｉｎのとき
燃料電池２の電圧（以下、スタック電圧と称す）が所定値Ｖｍｉｎよりも小さくなると、要求出力を出せなくなる虞があるので、これを防止するために、スタック電圧が所定値Ｖｍｉｎに達したときには開度調整弁Ｖ２を開き、アノード２ｂへの水素供給を再開することによりスタック電圧が所定値Ｖｍｉｎよりも小さくならないようにする。これにより、アノード側ガス通路２ｄからの水排出時にも要求出力を確保することができる。なお、スタック電圧は燃料電池２の発電状態を表すパラメータの一つである。
【００３３】
（４）Ｖ２閉時間≧Ｔ１のとき
アノード２ｂへの水素供給停止状態が余り長時間続くと、燃料電池２に悪影響を与える虞があるので、開度調整弁Ｖ２を閉じてからの経過時間が所定時間Ｔ１に達したときには開度調整弁Ｖ２を開く。
【００３４】
次に、第１の実施の形態における燃料電池システム１のアノード側ガス通路２ｄからの水排出制御について、図２のフローチャートに従って説明する。
図２のフローチャートに示される水排出制御ルーチンは、ＥＣＵ１０によって一定時間毎に実行される。
まず、ステップＳ１０１において、セル電圧検出手段６により検出された各セル電圧に基づき、予め設定した閾値よりも低下したセル電圧があるか否かを判定する。セル電圧が前記閾値よりも低下している場合には、燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄに水分が溜まったか、あるいは、水素ガス中の不純物濃度が上昇したものと判断する。
【００３５】
ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」（セル電圧が閾値よりも低下していない）である場合は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（セル電圧が閾値よりも低下している）である場合は、ステップＳ１０２に進み、燃料電池２に対する出力増大要求があるか否かを判定する。
【００３６】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（出力増大要求なし）である場合は、ガス流量増大処理を実行するために、ステップＳ１０３に進んで開度調整弁Ｖ２を閉じる。
開度調整弁Ｖ２を閉じることによって燃料ガス循環通路２０が閉鎖されるが、燃料電池２の発電は継続しているので、開度調整弁Ｖ２よりも下流の水素供給通路２１および燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに残留している水素が消費され、これにより開度調整弁Ｖ２よりも下流のガス圧力が徐々に低下する。
【００３７】
次に、ステップ１０４に進み、圧力センサ１１で検出された開度調整弁入口圧Ｐ１と圧力センサ１３で検出されたカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ１−Ｐ３）が、所定値Ｐｍａｘ１以上か否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ１−Ｐ３＜Ｐｍａｘ１）である場合は、ステップＳ１０５に進み、圧力センサ１２で検出されたアノード入口圧Ｐ２と圧力センサ１３で検出されたカソード入口圧Ｐ３の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）が、所定値Ｐｍｉｎ以下か否かを判定する。
【００３８】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ２−Ｐ３＞Ｐｍｉｎ）である場合は、ステップＳ１０６に進み、スタック電圧が所定値Ｖｍｉｎ以下か否かを判定する。
ステップＳ１０６における判定結果が「ＮＯ」（スタック電圧＞Ｖｍｉｎ）である場合は、ステップＳ１０７に進み、開度調整弁Ｖ２を閉じてからの経過時間が所定時間Ｔ１以上か否かを判定する。
【００３９】
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｖ２閉時間＜Ｔ１）である場合は、ステップＳ１０８に進み、圧力センサ１１で検出された開度調整弁入口圧Ｐ１と圧力センサ１２で検出されたアノード入口圧Ｐ２の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）が、所定値Ｐｍａｘ２以上か否かを判定する。
ステップＳ１０８における判定結果が「ＮＯ」（Ｐ１−Ｐ２＜Ｐｍａｘ２）である場合は、ステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０４〜Ｓ１０８の処理を繰り返す。
【００４０】
ステップＳ１０８における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ１−Ｐ２≧Ｐｍａｘ２）である場合は、ステップＳ１０９に進んで、開度調整弁Ｖ２を開く。
一方、ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１）である場合、あるいは、ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎ）である場合、あるいは、ステップＳ１０６における判定結果が「ＹＥＳ」（スタック電圧≦Ｖｍｉｎ）である場合、あるいは、ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｖ２閉時間≧Ｔ１）である場合も、ステップＳ１０９に進み、開度調整弁Ｖ２を開く。ただし、これらの場合は、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差がＰｍａｘ２になる前に開度調整弁Ｖ２を開くこととなる。
【００４１】
図３は、Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図４は、Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図５は、スタック電圧≦Ｖｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図６は、Ｖ２閉時間≧Ｔ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
図７は、Ｐ１−Ｐ２≧Ｐｍａｘ２の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【００４２】
このようにガス流量増大処理を実行すると、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の間に圧力差が生じるので、この圧力差の大きさに応じた流量の水素ガスが燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに供給されるようになり、通常の発電時よりも大きな流量でアノード側ガス通路２ｄおよびアノードオフガス通路２２に水素ガスが流れる。これにより、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに溜まっていた水分を確実且つ十分に燃料電池２内からアノードオフガス通路２２に排出することができる。
この場合、ステップＳ１０８で「ＹＥＳ」判定されて開度調整弁Ｖ２を開くときが、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差がＰｍａｘ２で最大となり、アノード側ガス通路２ｄへの水素供給再開時の水素ガス流量は最大となる。これに対して、ステップＳ１０４，１０５，１０６，１０７で「ＹＥＳ」判定されて開度調整弁Ｖ２を開くときは、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差がＰｍａｘ２よりも小さいため、アノード側ガス通路２ｄへの水素供給再開時の水素ガス流量は、ステップＳ１０８で「ＹＥＳ」判定されて開度調整弁Ｖ２を開くときよりは減少するものの、ガス流量増大処理をしないときと比較すると、ガス流量は増大するので、アノード側ガス通路２ｄから水分を排出することができる。
【００４３】
次に、ステップＳ１１０に進み、排出弁Ｖ３を開いて、アノードオフガス通路２２を流れるアノードオフガスを排出弁Ｖ３から系外に排出する。これにより、燃料電池２から排出した水分をアノードオフガスとともに系外に排出することができる。また、この水分がアノードオフガス通路２２を通ってエゼクタ４に吸引され水素供給通路２１に戻らないようにすることができる。なお、このときに水素ガス中の不純物もアノードオフガスとともに系外に排出される。
【００４４】
次に、ステップＳ１１１に進み、排出弁Ｖ３を開いてから所定時間が経過したか否かを判定し、判定結果が「ＮＯ」（所定時間経過していない）である場合は、排出弁Ｖ３の開状態を継続し、判定結果が「ＹＥＳ」（所定時間経過した）である場合は、ステップＳ１１２に進み、排出弁Ｖ３を閉じてアノードオフガスの排出を停止して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
このようにガス流量増大処理を行ってアノードオフガスを排出した場合には、ガス流量を増大させたことにより、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに溜まっていた水分を確実且つ十分に燃料電池２内から排出することができるので、燃料電池２を極めて良好な発電状態に確実に回復することができる。
また、開度調整弁Ｖ２を閉ざし、既に燃料電池２に供給されている水素を発電により消費することにより開度調整弁Ｖ２の上流と下流の間に圧力差を生じさせているので、水素ガスを有効に利用することができる。また、ガス流量を増大させるために水素供給圧力を増大させるなどの必要もなく、昇圧に伴う余計なエネルギーを使わなくて済み、エネルギーマネージメント上、極めて有利である。
【００４５】
ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（出力増大要求あり）である場合は、燃料電池２への水素供給を遮断することはできないので、開度調整弁Ｖ２の閉弁を禁止し、ステップＳ１０３〜Ｓ１０９のガス流量増大処理を実行することなく、ステップＳ１１０に進み、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２の処理を実行して、排出弁Ｖ３からアノードオフガスを排出する。
【００４６】
なお、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差を迅速に増大させるために、ステップＳ１０３で開度調整弁Ｖ２を閉じた後、圧力調整弁Ｖ１の開度を通常よりも大きくしてもよい。このようにすると、開度調整弁入口圧力Ｐ１を通常よりも大きくすることができ、その結果、開度調整弁Ｖ２の上流と下流の圧力差を迅速に増大させることができる。
なお、このように開度調整弁Ｖ２を閉じた後に圧力調整弁Ｖ１の開度を大きくした場合には、ステップＳ１０９で開度調整弁Ｖ２を開ける前に、圧力調整弁Ｖ１の開度を元の状態に戻しておく。
【００４７】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る燃料電池システムの水排出方法の第２の実施の形態を図８および図９の図面を参照して説明する。
第２の実施の形態の燃料電池システムでは、アノードオフガス通路２２における排出通路２３の分岐点よりも上流側に、アノードオフガス中の水分を分離し集水するためのキャッチタンク（気液分離タンク）７が設置されており、このキャッチタンク７に排水通路２４が接続され、排水通路２４に排水弁Ｖ５が設けられている。
その他の構成については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００４８】
第２の実施の形態では、排出弁Ｖ３は主に水素ガス中の不純物排出のために使用され、排水弁Ｖ５は主に排水のために使用される。排出弁Ｖ３と排水弁Ｖ５はＥＣＵ１０によって次のように開閉制御される。
アノードオフガス通路２２を流れるアノードオフガス中の水分は、一旦キャッチタンク７に捕集され、集水される。そして、キャッチタンク７に所定量の液水が溜まると、ＥＣＵ１０は排水弁Ｖ５を所定時間だけ開き、キャッチタンク７に溜まっている水を排水する。
一方、燃料電池２の運転時間が所定時間に達したとき、あるいは、ガス流量増大処理を実行しても燃料電池２の発電状態の回復が得られないときなどに、ＥＣＵ１０は排水弁Ｖ５を所定時間だけ開き、アノードオフガスとともに不純物を排出し、水素ガス中の不純物濃度を低減する。
【００４９】
そして、第１の実施の形態ではガス流量増大処理終了後、すなわち開度調整弁Ｖ２の開弁後に必ず排出弁Ｖ３を開いていたが、第２の実施の形態では、開度調整弁Ｖ２の開弁後に排出弁Ｖ３を開けず、通常の発電状態と同様に、アノードオフガスをアノードオフガス通路２２およびエゼクタ４を介して水素供給通路２１に戻すように制御する。
このように制御した場合にも、ガス流量を増大させることにより、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに溜まっていた水分を確実且つ十分に燃料電池２内から排出することができ、燃料電池２を極めて良好な発電状態に確実に回復することができる。そして、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄから排出された水分は、キャッチタンク７に捕集されるので、水分を除去されたアノードオフガスがエゼクタ４を介して水素供給通路２１に戻されることになる。
つまり、第２の実施の形態では、ガス流量増大処理の実行と、排出弁Ｖ３の開閉と、排水弁Ｖ５の開閉は、それぞれ独立して制御される。
【００５０】
図９は、第２の実施の形態における燃料電池システム１のアノード側ガス通路２ｄからの水排出制御ルーチンを示すフローチャートであるが、第１の実施の形態の制御ルーチンとの相違点は、ステップＳ１０９の処理を終了すると、本ルーチンの実行を一旦終了することだけである。
その他の制御については第１の実施の形態のものと同じであるので、同一ステップに同一ステップ番号を付して説明を省略する。
この第２の実施の形態の燃料電池システムの水排出方法では、前述した第１の実施の形態の作用に加えて、ガス流量増大時にアノードオフガスを排出しないので、水素の排出量を低減することができ、燃料である水素を無駄なく有効に使用することができる。特に、燃料電池車両に搭載された燃料電池システム１の場合には、燃費が向上し、走行距離の増大を図ることができる。
【００５１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した実施の形態では、開度調整弁Ｖ２を全閉にしているが、通常の発電状態のときよりも開度調整弁Ｖ２の開度を絞って非全閉状態で発電を行い燃料を消費することにより圧力差を生じさせることができる場合には、開度調整弁Ｖ２を全閉にしなくても構わない。
【００５２】
また、前述した実施の形態では、アノードオフガスを循環させるためにエゼクタを用いたが、アノードオフガス通路に循環ポンプを設け、アノードから排出される未利用の水素を吸引し供給水素と同等の圧力にすることで循環させることも可能である。このように循環ポンプを設けた場合には、開度調整弁を絞る際に循環ポンプによってアノードオフガスを吸引することで、開度調整弁の下流の圧力を下げることができ、開度調整弁の上流と下流の圧力差を迅速に増大させることができる。これによって、十分な圧力差を持ってアノードの水分を排出することができる。
【００５３】
また、前述した実施の形態では、燃料電池の通常発電状態にあるときにアノードへ供給されるガス圧力の方がカソードへ供給されるガス圧力よりも高く設定されるシステムを用いて説明したが、この発明はカソードへ供給されるガス圧力の方がアノードへ供給されるガス圧力よりも高く設定されるシステムにも適用することができる。
また、この発明は車載用以外の燃料電池システムにも適用可能である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１に係る発明によれば、燃料電池内のアノード側ガス通路に溜まった水を排出する際に、燃料電池への燃料ガスの供給流量を通常の発電状態における供給流量よりも増大させることができるので、アノード側ガス通路に溜まっている水分を確実に且つ十分に排出することができ、発電性能を確実に回復することができる。
また、開度調整弁の開度を絞り、開度調整弁よりも下流の燃料を発電で消費することにより開度調整弁の上流と下流の間に圧力差を生じさせているので、水の排出に際して燃料を有効に利用することができる。また、ガス流量を増大させるために燃料ガス供給圧力を増大させるなどの必要もないので、昇圧に伴う余計なエネルギーを使わなくて済み、エネルギーマネージメント上、極めて有利である。
【００５５】
請求項２に係る発明によれば、水排出時のガス流量増大を確実に実行することができる。
請求項３に係る発明によれば、開度調整弁の開度を広げたときに燃料電池のアノードとカソードの圧力差（極間差圧）が所定値以上になるのを防止することができ、燃料電池を機械的損傷（例えば、固体高分子電解質膜の損傷等）から保護することができる。
請求項４に係る発明によれば、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の発電状態が不安定になるのを防止することができ、安定した発電状態を保持することができる。
【００５６】
請求項５に係る発明によれば、開度調整弁の開度を絞っている際にも、燃料電池の要求出力を確保することができる。
請求項６に係る発明によれば、燃料電池の燃料供給不足状態が長時間続いて燃料電池が悪影響を受けるのを防止することができる。
請求項７に係る発明によれば、出力増大要求時に燃料電池が燃料供給不足になるのを防止することができるので、要求された出力増大に応えることができる。
請求項８に係る発明によれば、燃料電池のアノード側ガス通路から排出した水分を速やかに系外に排出することが可能になり、水分が再びアノードに戻るのを防止することが可能になる。
請求項９に係る発明によれば、燃料電池のアノード側ガス通路から水分を排出するたびにアノードオフガスを系外に排出させないで済むので、燃料の系外排出量を減らすことができ、燃料を無駄なく有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る水排出方法の実施に好適な燃料電池システムの第１の実施の形態の構成図である。
【図２】 前記第１の実施における燃料電池システムのアノード側ガス通路からの水排出制御のフローチャートである。
【図３】 Ｐ１−Ｐ３≧Ｐｍａｘ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図４】 Ｐ２−Ｐ３≦Ｐｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図５】 スタック電圧≦Ｖｍｉｎの成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図６】 Ｖ２閉時間≧Ｔ１の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図７】 Ｐ１−Ｐ２≧Ｐｍａｘ２の成立により開度調整弁Ｖ２を開く場合のタイムチャートである。
【図８】 この発明に係る水排出方法の実施に好適な燃料電池システムの第２の実施の形態の構成図である。
【図９】 前記第２の実施における燃料電池システムのアノード側ガス通路からの水排出制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ｂ アノード
２ｃ カソード
２ｄ アノード側ガス通路
７ 気液分離タンク
２０ 燃料ガス循環通路
Ｖ２ 開度調整弁
Ｖ３ 排出弁
Claims (9)
- アノードに燃料ガスが供給されカソードに酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記アノードに供給するための燃料ガス循環通路と、前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の上流に設けられて前記燃料ガス循環通路の開度を調整する開度調整弁と、を備えた燃料電池システムの水排出方法であって、
前記開度調整弁の開度を絞り、その状態で前記燃料電池による発電を継続し、その後、前記開度調整弁の開度を広げることで前記燃料電池内のアノード側ガス通路の水を排出することを特徴とする燃料電池システムの水排出方法。 - 前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の上流と下流との圧力差に応じて決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の上流のガス圧力と前記燃料電池のカソード圧力との圧力差に応じて決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記燃料電池のアノード圧力とカソード圧力との圧力差に応じて決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記燃料電池の発電状態に応じて決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記開度調整弁の開度を広げるタイミングは、前記開度調整弁の開度を絞ってからの経過時間に応じて決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記燃料電池に出力増大要求があるときには、前記開度調整弁を絞るのを禁止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の下流に排出弁を設け、前記開度調整弁の開度を広げた後に前記排出弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
- 前記燃料ガス循環通路における前記燃料電池の下流に、排水弁を有する気液分離タンクを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの水排出方法。
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