JP6025282B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、詳しくは起動時の水素濃度を検知し、その検知結果に応じて水素濃度を薄める希釈処理を実行する燃料電池システムに関する。

水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池システムは、例えば特許文献１に開示されている。そして、燃料電池システムでは、水素濃度を検知するセンサを備え、当該センサによって水素漏洩を検知している。

特開２０１１−１４６３５１号公報

燃料電池は、起電反応によって発電を行うとオフガスを排出する。このオフガスには、燃料極及び空気極のそれぞれで利用したガスと起電反応時に生成される水が含まれる。そして、燃料電池の起動時には、水素濃度の高いガスが排出される場合もある。このため、燃料電池の起動時には希釈処理を実行させるが、その希釈処理を効果的に行うことが望まれている。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行し得る燃料電池システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、燃料電池と、燃料電池の起電反応によって生成された水を処理する排水処理装置と、水素濃度を検知する濃度検知器と、前記排水処理装置に前記水を導く導水管と、前記導水管に分岐形成されるとともに、前記燃料電池の起動時に排出された液状の水を含まないガスを前記濃度検知器に導くガス導管と、前記ガス導管を通じて前記濃度検知器へ導かれたガスの水素濃度が予め定めた閾値を越える場合に水素濃度を薄める希釈処理を実行する制御部と、前記燃料電池のソーク時間を計測する計測部とを備え、前記制御部は、前記ソーク時間が予め定めた時間に達している場合には、前記燃料電池の起動前後で前記濃度検知器によって検知される水素濃度が変化しないときにも前記希釈処理を実行させ、前記制御部は、前記ソーク時間が予め定めた時間に達していない場合には、前記燃料電池の起動前後で前記濃度検知器によって検知される水素濃度が変化しないときであっても前記希釈処理を実行させないことを要旨とする。

これによれば、制御部は、濃度検知器へ導かれたガスの水素濃度が閾値を越える場合に希釈処理を実行させる。すなわち、希釈処理は、起動時に一義的に実行されるのではなく、必要な時に実行される。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。また、濃度検知器で検知される水素濃度が起動前後で変化しないときにはガス導管を通じて濃度検知器にガスが排出されていない可能性がある。そして、この場合は、濃度検知器によって高い水素濃度は検知されないが、高い水素濃度のガスが排出されている可能性がある。このため、濃度検知器で検知される水素濃度が起動前後で変化しないときには希釈処理を実行させることで、濃度検知器が水素濃度を検知していない場合であっても、希釈処理によって水素濃度を薄めることができる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。また、ソーク時間が短い場合、すなわち燃料電池の発電停止後、短時間で燃料電池が再起動している場合は、濃度検知器で検知される水素濃度が起動前後で変化しないときがある。このため、ソーク時間を計測して当該時間が予め定めた時間に達していない場合には、濃度検知器で検知される水素濃度が起動前後で変化していなくても希釈処理を実行させない。つまり、希釈処理を必要としない時に希釈処理が実行されることを抑制する。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。
上記問題点を解決するために、請求項２に記載の発明は、燃料電池と、燃料電池の起電反応によって生成された水を処理する排水処理装置と、水素濃度を検知する濃度検知器と、前記排水処理装置に前記水を導く導水管と、前記導水管に分岐形成されるとともに、前記燃料電池の起動時に排出された液状の水を含まないガスを前記濃度検知器に導くガス導管と、前記ガス導管を通じて前記濃度検知器へ導かれたガスの水素濃度が予め定めた閾値を越える場合に水素濃度を薄める希釈処理を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水素濃度の閾値として起動時用の閾値と通常発電時用の閾値を有し、前記燃料電池の起動時には起動時用の閾値を越える場合に前記希釈処理を実行させ、前記濃度検知器が水素濃度を検知しなくなった場合には前記閾値を通常発電時用の閾値に戻すことを要旨とする。これによれば、起動時は、起動時用の閾値を使って水素濃度を検知するので、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。そして、起動時の処理の終了後は、閾値を通常発電時用の閾値に戻すことで、常に最適な水素濃度の検知を行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する冷却機構を備え、前記ガス導管のガス排出口を、前記冷却機構が有する送風機の気流上に配置したことを要旨とする。

これによれば、起動時にガスを濃度検知器へ導くガス導管のガス排出口を送風機の気流上に配置したことで、ガス排出口から排出されるガスも希釈することができる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス導管の流路径は、前記導水管の流路径よりも大きいことを要旨とする。これによれば、起動時のガスを濃度検知器側により確実に流通させることができる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。

本発明によれば、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行できる。

燃料電池システムの概略を示すブロック図。 （ａ）は発電中の両極のガス組成を説明する説明図、（ｂ）はソーク中の両極のガス組成を説明する説明図。 空気極におけるソーク時間と水素濃度の関係を示すグラフ。 排出機構及び冷却機構の概略を示す模式図。 起動時処理を示すフローチャート。 （ａ）は起動時の導水管及びガス導管を示す模式図、（ｂ）は起動後の導水管及びガス導管を示す模式図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池ＦＣで発電した電力を駆動部としての負荷Ｆに供給して当該負荷Ｆを駆動させる車両１０には、燃料電池システム１１が搭載されている。負荷Ｆは、例えば、車両１０の原動機となる電動機（モータ）からなる。

燃料電池システム１１は、燃料電池ＦＣを有する燃料電池ユニット１２を備えている。燃料電池ユニット１２は、燃料電池ＦＣと、水素を貯蔵するとともに燃料電池ＦＣに対して水素を供給する水素タンク１３と、燃料電池ＦＣに対して空気を供給するコンプレッサ１４を備えている。本実施形態の燃料電池ＦＣは、固体高分子型燃料電池であり、高分子電解質膜で区画された燃料極及び空気極からなる複数のセルを内蔵する。燃料電池ＦＣでは、燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中の酸素との電解質膜を介した起電反応により発電が行われる。また、水素タンク１３と燃料電池ＦＣは、配管接続されており、その配管には水素を導通可能な開状態と水素を導通不能な閉状態を取り得る電気式のバルブ１３ａが設けられている。

燃料電池ユニット１２は、燃料電池システム１１側の配線１５に電気的に接続されている。配線１５には蓄電装置としての電気二重層型のキャパシタ１６が燃料電池ＦＣに対して並列となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介して電気的に接続されている。キャパシタ１６は、燃料電池ユニット１２からＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介して電力供給を受けて充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、燃料電池ユニット１２で発電された所定の電圧（例えば１００ボルト）の電力を所定の電圧（例えば４８ボルト）に変換する。配線１５には電圧計１８がキャパシタ１６に対して並列となるように接続されている。電圧計１８は、キャパシタ１６の電圧を検出する。

燃料電池ユニット１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、及び電圧計１８は、燃料電池システム１１を制御する制御部としてのコントローラ１９に電気的に接続されている。コントローラ１９は、燃料電池ユニット１２による発電の開始及び停止や、その発電量を制御する。コントローラ１９は、燃料電池ユニット１２が発電する電力の電圧をキャパシタ１６の充電に適した所定の電圧に変換するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。

燃料電池ＦＣは、起電反応によって発電を行うとともに、オフガスを排出する。オフガスには、燃料極及び空気極のそれぞれで利用したガス（水素と酸素）と起電反応時に生成される水が含まれる。そして、燃料電池ＦＣには、オフガスから気体と液体を分離し、当該気体を外部に排出するとともに液体を霧化して外部に排出する排出機構２０が接続されている。また、燃料電池ＦＣには、冷却用の媒体を燃料電池ＦＣに循環供給する冷却機構２１が接続されている。

また、コントローラ１９には、車両キースイッチＳＷが電気的に接続されている。車両キースイッチＳＷは、車両１０の電源をＯＦＦする停止位置と、電源をＯＮする始動位置との間で操作可能に構成されている。そして、車両キースイッチＳＷは、停止位置（ＯＦＦ）から始動位置（ＯＮ）へ操作されると、車両キースイッチＳＷの操作位置が始動位置にあることを示す車両始動信号をコントローラ１９に出力する。そして、コントローラ１９は、車両キースイッチＳＷがＯＮに操作されると、燃料電池ユニット１２における発電の制御を開始する。

また、コントローラ１９には、水素濃度を検知する濃度検知器としての濃度検知センサＳＥが電気的に接続されている。コントローラ１９は、濃度検知センサＳＥの検知結果を判定し、水素濃度が予め定めた閾値を超える場合、水素が漏洩していると判断する。そして、コントローラ１９は、水素の漏洩を判断すると、水素タンク１３のバルブ１３ａを開状態から閉状態に制御する。なお、濃度検知センサＳＥは、車両１０において水素漏洩の虞がある空間の中で最も高い位置に配置される。例えば、自動車であれば床下に配置され、フォークリフトであれば運転シートの下部に配置される。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、燃料電池ＦＣを構成する各セル２２は、一対のリブ付きのセパレータ２３と、両セパレータ２３の間に挟まれる一対の電極２４，２５と、両電極２４，２５間に挟まれる電解質膜２６とを有する。一対の電極２４，２５は、多孔質支持層にアノード触媒層が形成されたアノード電極２４と、多孔質支持層にカソード触媒層が形成されたカソード電極２５とからなる。燃料（水素）はセパレータ２３のアノード電極側面上の溝を通って一方向へ流れ、空気はセパレータ２３のカソード電極側面上の溝を通って燃料の流れ経路と直交する方向へ流れる。アノード側が燃料極となり、カソード側が空気極となる。また、各電極２４，２５の触媒層には、白金又は白金を含む合金が用いられる。なお、図２（ａ），（ｂ）では、セル２２の各構成要素であるセパレータ２３、電極２４，２５、及び電解質膜２６のサイズを誇張して描いている。

そして、燃料電池ＦＣは、以下に説明する特性を有する。
図２（ａ）に示すように、発電中のアノード電極２４のガス組成は水素であり、カソード電極２５のガス組成は酸素と窒素である。このガス組成は、発電終了直後も維持されている。そして、発電終了後に燃料電池ＦＣがソーク状態になると、各電極２４，２５のガスは、図２（ｂ）に示すように、電解質膜２６を透過して他極側に移動する。すなわち、アノード電極２４側の水素はカソード電極２５側に移動する一方で、カソード電極２５側の酸素と窒素はアノード電極２４側に移動する。この移動量は、両極の分圧比によって定まる。また、ガス移動は、両極における水素と窒素の分圧が等しくなると安定する。なお、酸素は、水素と反応して水となる。

また、燃料電池ＦＣの起動時には、燃料電池ＦＣからオフガスが排出される。起動時に排出されるオフガスの組成は、主にカソード電極２５側のガス組成に影響される。そして、カソード電極２５側の水素濃度は、図３に示すように、ソーク時間の増加とともに高くなる。このため、起動時に排出されるオフガスは、ソーク時間が長くなると、それに応じて水素濃度も高くなる。なお、ソーク時間に対する水素濃度の増加量は、電解質膜２６のガス透過性によって変化する。

以下、排出機構２０及び冷却機構２１の構成を図４にしたがって詳しく説明する。
排出機構２０は、燃料電池ＦＣから排出されたオフガスを移送する移送管３０に接続されるとともに、オフガスを気体と液体に分離する気液分離器３１を備えている。気液分離器３１には、分離後のガスを移送する排気管３２を介して排水処理装置としての霧化器３３が接続されている。霧化器３３内には、排気管３２を移送されたガスの流速を増加させるためのベンチュリ部３４と、ベンチュリ部３４の下流側に接続されるとともに排気口３５に連通する膨張室３６が形成されている。ベンチュリ部３４は、排気管３２側から膨張室３６に向かって拡径するとともに、ベンチュリ部３４において最も流路径を小さくした小径部３４ａを上流側に有する。気液分離器３１には、オフガスから分離させた水を、ベンチュリ部３４の小径部３４ａに導く導水管３７が接続されている。導水管３７の先端には、小径部３４ａに水を導入する導水管ノズル３８が設けられている。

このように構成した排出機構２０では、ベンチュリ部３４が形成されていることにより、小径部３４ａの圧力が他の部位に比して低くなる。このため、排気管３２を介して導入される分離後のガスは、小径部３４ａを通過する際に流速が急激に増加する。そして、小径部３４ａの圧力は、気液分離器３１における分離後の水を貯留する貯水部３９の圧力よりも低い。これにより、貯水部３９内の水は、ベンチュリ効果によって導水管３７及び導水管ノズル３８を介して小径部３４ａに導入される。すると、小径部３４ａ内に導入された水は、流速が増加したガスによって霧化されることで、ガスとともに膨張室３６へ流入するとともに排気口３５から外部に排出される。つまり、小径部３４ａ内に導入された水は、霧化された後、その霧化状態で排気口３５から外部に排出される。

また、本実施形態の排出機構２０において導水管３７には、気液分離器３１を介して排出されるガスを流通させるガス導管４０が分岐形成されている。ガス導管４０は、気液分離器３１と導水管３７の導水管ノズル３８の間に分岐形成されている。また、ガス導管４０の流路径（内径）Ｄ２は、導水管３７の流路径（内径）Ｄ１よりも大きくなっている。つまり、ガス導管４０は、導水管３７に比して太くなっている。

燃料電池ユニット１２は、燃料電池ＦＣの発電終了時に掃気運転が行われる。この掃気運転により、発電中に気液分離器３１の貯水部３９に貯留されていた水は取り除かれる。このため、燃料電池ＦＣの起動時は、移送管３０によって移送されたオフガスが気液分離器３１で気液分離された後、分離後のガスの一部が導水管３７を介してガス導管４０に流通する。そして、ガス導管４０は、車両１０に配設した濃度検知センサＳＥにガスを導くように設けられている。つまり、燃料電池ＦＣの起動時にガス導管４０を流通したガスは、濃度検知センサＳＥに向かって排出される。

次に、冷却機構２１について説明する。
燃料電池ＦＣを冷却する冷却機構２１は、ラジエタ４１と送風機としてのファン４２を備えている。そして、冷却機構２１は、冷却液を燃料電池ＦＣに循環供給する。これにより、燃料電池ＦＣは、発電に伴う発熱が、冷却機構２１から供給される冷却液と熱交換することで、冷却される。コントローラ１９は、燃料電池ＦＣの温度を所定温度に保つように冷却機構２１の駆動を制御する。なお、燃料電池ＦＣは、６０度位に温度調整されることが好ましい。

本実施形態の燃料電池システム１１では、車両１０の起動時の水素濃度を検知し、その検知結果に応じて水素濃度を薄める希釈処理を行う。先に説明したように燃料電池ＦＣは、発電停止後のソーク時間に応じてアノード電極２４側の水素がカソード電極２５側へ移動することから、起動時に排出されるオフガスの水素濃度が高くなっている場合がある。このため、燃料電池システム１１では、起動時に車両１０の周辺雰囲気が濃度の高い水素ガスで満たされないようにするために希釈処理を行う。希釈処理は、冷却機構２１が備えるファン４２を駆動させることにより、水素を空気（外気）で希釈する。

本実施形態の燃料電池システム１１では、起動時、導水管３７に接続されたガス導管４０から濃度検知センサＳＥに向けて排出されたガスの水素濃度を検知する。そして、ガス導管４０から排出されたガスの水素濃度が高い場合は、ファン４２を駆動させて排出機構２０から排出されるガスを希釈する。ガス導管４０は、ガス排出口４０ａがファン４２の気流上に配置されている。つまり、ガス導管４０を流通したガスは、ファン４２の気流上に排出される。これにより、ガス導管４０から排出されるガスも希釈の対象となる。

以下、本実施形態の燃料電池システム１１で行う制御内容を詳しく説明する。
コントローラ１９は、図５に示す起動時処理を実行する。起動時処理においてコントローラ１９は、車両キースイッチＳＷからの車両始動信号の入力の有無に基づき、車両キースイッチＳＷがＯＮ操作されたか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、車両１０が起動したか否かを判定する。この判定結果が否定の場合、コントローラ１９は、車両１０が起動していないので起動時処理を終了する。

一方、コントローラ１９は、ステップＳ１０の判定結果が肯定の場合、車両１０が起動したので、水素濃度の検知レベルとして濃度Ｘ１をセットする（ステップＳ１１）。ステップＳ１１でセットした濃度Ｘ１は、起動時に水素濃度を薄める希釈処理を実行するか否かを判定するための閾値となる。この濃度Ｘ１は、図３に示すように、通常時において水素漏洩と判定する検知レベルとしてセットする濃度Ｘ２よりも高い数値となっている。つまり、通常時の検知レベルは起動時の検知レベルよりも厳しい数値がセットされる。なお、通常時は、コントローラ１９が燃料電池ユニット１２に発電を行わせている通常発電時である。閾値となる濃度Ｘ１は起動時用の閾値となり、閾値となる濃度Ｘ２は通常発電時用の閾値となる。

次に、コントローラ１９は、水素濃度として濃度Ｘ１を検知したか否かを判定する（ステップＳ１２）。燃料電池ユニット１２は、発電終了時に、気液分離器３１の貯水部３９に貯留されている水の除去、及び導水管３７内の結露の除去を目的として掃気運転が行われる。このため、掃気運転が正常に行われている場合は、図６（ａ）に示すように、貯水部３９内の水は除去されている。このため、起動後、燃料電池ＦＣの発電開始とともに排出されるオフガスは、気液分離器３１で気液分離された後、図６（ａ）に矢示するように、排気管３２側に加えて導水管３７側にも流れる。そして、導水管３７に流れたガスは、導水管３７よりも流路径が大きいガス導管４０側へ流通する。これにより、濃度検知センサＳＥは、車両１０の起動に伴って排出されるガスの水素濃度を検知し得る。

コントローラ１９は、ステップＳ１２の判定結果が肯定、すなわち水素濃度として濃度Ｘ１を検知した場合、希釈処理を実行する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３においてコントローラ１９は、冷却機構２１のファン４２を駆動させる。これにより、排出機構２０から車両１０の外部に排出されるガスは、希釈が行われる。排出機構２０から排出されるガスは、気液分離器３１での分離後、排気管３２と霧化器３３を流通して排気口３５から排出される。なお、排気管３２と霧化器３３（ベンチュリ部３４、膨張室３６）により、分離後のガスの排出路が形成される。

また、ガス導管４０を流通したガスは、ファン４２の気流上に排出される。これにより、ガス導管４０から排出されたガスも、ファン４２の駆動によって希釈される。そして、コントローラ１９は、予め定めた終了条件が成立するまで希釈処理を実行させる。本実施形態の終了条件は、濃度検知センサＳＥが水素濃度を検知しなくなることに設定されている。そして、コントローラ１９は、終了条件が成立すると、ファン４２の駆動を停止させて希釈処理を終了する。

一方、コントローラ１９は、ステップＳ１２の判定結果が否定の場合、車両１０の起動前後で、濃度検知センサＳＥによって検知される水素濃度に変化があるか否かを判定する（ステップＳ１４）。この判定結果が否定、すなわち水素濃度が変化していない場合、コントローラ１９は、ステップＳ１３に移行して希釈処理を実行する。ステップＳ１４を否定判定した場合は、ガス導管４０が機能していない可能性がある。つまり、ガス導管４０を通じてガスが排出されていない可能性がある。この要因は、前回の発電停止後に掃気運転を行ったが掃気不良で終了している場合、導水管３７やガス導管４０が結露で閉塞している場合などがある。このため、コントローラ１９は、ステップＳ１４を否定判定した場合、排出機構２０から水素濃度が高いガスが排出されている可能性を考慮して希釈処理を所定時間の間、実行する。これにより、排出機構２０から水素濃度が高いガスが排出されていても、当該ガスは希釈される。

一方、コントローラ１９は、ステップＳ１４の判定結果が肯定の場合、ガス導管４０を通じてガスが排出されているが、当該ガスの水素濃度として濃度Ｘ１を検知していないことになる。そして、コントローラ１９は、起動時処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１５）。本実施形態では、濃度検知センサＳＥが水素濃度を検知しなくなるまで起動時処理を実行する。ステップＳ１５の判定結果が否定の場合、ステップＳ１２からの処理を繰り返す。

ステップＳ１５の判定結果が肯定の場合、コントローラ１９は、起動時処理を終了させるので、水素濃度の検知レベルとして濃度Ｘ２をセットする（ステップＳ１６）。つまり、コントローラ１９は、起動時処理の終了後、通常発電時における水素漏洩を検知するために検知レベルを濃度Ｘ１から濃度Ｘ２に変更する。これにより、濃度検知センサＳＥによる水素濃度の検知レベルは、起動時よりも厳しくなる。そして、ステップＳ１５の終了後、コントローラ１９は、起動時処理を終了する。コントローラ１９は、ステップＳ１５を肯定判定した場合、希釈処理を実行させることなく、起動時処理を終了する。

なお、通常時発電中は、図６（ｂ）に示すように、気液分離器３１の貯水部３９に気液分離後の水が貯留される。そして、貯水部３９の水は、導水管３７を通じて霧化器３３の小径部３４ａに供給される。このとき、導水管３７の途中に分岐形成したガス導管４０は、導水管３７を流通する水によって閉塞（水封）される。気液分離器３１で分離されたガスは、ガス導管４０が水封されると当該ガス導管４０を流通しなくなる。これにより、濃度検知センサＳＥは、ガス導管４０から排出されるガスの水素濃度を検知しなくなる。そして、通常発電中に排出されるオフガスは、気液分離器３１で気液分離された後、図６（ｂ）に矢示するように、排気管３２側に流れる。したがって、図５の起動時処理の終了後、ガスは、ガス導管４０から濃度検知センサＳＥに向けて排出されない。その結果、濃度検知センサＳＥは、当該センサの設置箇所付近の水素漏洩を検知する。

以下、本実施形態の燃料電池システム１１の作用を説明する。
車両１０が起動すると、コントローラ１９は、燃料電池ＦＣを起動させて発電を開始させる。燃料電池ＦＣが起動すると、当該燃料電池ＦＣからはオフガスが排出される。このオフガスは、移送管３０を通じて気液分離器３１で気液分離される。気液分離後のガスは、排気管３２と導水管３７に流通する。導水管３７に流通したガスは、ガス導管４０を通じて濃度検知センサＳＥへ導かれるとともに、当該ガスの水素濃度が検知される。コントローラ１９は、濃度検知センサＳＥによって検知される水素濃度が濃度Ｘ１を越える場合、ファン４２を駆動させて希釈処理を実行する。これにより、車両１０の周辺雰囲気が濃度の高い水素ガスで満たされることが抑制される。一方、コントローラ１９は、濃度検知センサＳＥによって検知される水素濃度が濃度Ｘ１を越えない場合、希釈処理を実行させない。

したがって、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）コントローラ１９は、起動時に排出されるガスの水素濃度に応じて、希釈処理を実行させる場合と実行させない場合とがある。つまり、起動時の希釈処理は、必要な時に実行させる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。

（２）導水管３７にガス導管４０を分岐形成し、当該ガス導管４０を通じてガスを濃度検知センサＳＥへ流通させている。このため、起動時のガスを簡単な構成で濃度検知センサＳＥへ流通させることができる。また、濃度検知センサＳＥへ流通させるガスは、気液分離後のガス（液状の水を含まないガス）であるから、濃度検知センサＳＥの検知性能を損なわせることがない。

（３）また、起動に伴って燃料電池ＦＣの発電が開始すると、気液分離器３１の貯水部３９にはオフガスから分離させた水が貯留される。そして、この水は、導水管３７を通じて排水処理装置である霧化器３３へ供給される。このため、導水管３７に分岐形成したガス導管４０は、導水管３７を流通する水によって水封される。したがって、ガス導管４０にガスの流通を止めるためのバルブなどを別途、配設する必要がなく、構成を簡素化することができる。

（４）そして、ガス導管４０は、起動時にガスを濃度検知センサＳＥへ導くが、水封された場合はガスを流通させない。このため、濃度検知センサＳＥは、起動時においてガス導管４０から排出されるガスの水素濃度を検知し、その後は通常発電時における水素漏洩の有無を検知することができる。

（５）希釈処理を必要な時に実行させるので、燃料電池ＦＣの起動時における消費電力を低減させることができる。具体的に言えば、起動時、ファン４２を駆動させるための電力を常に必要としない。

（６）また、ファン４２を駆動させた場合はその駆動音が生じる。このため、起動時に一義的に希釈処理を実行させた場合は、起動の度にファン４２の駆動音が生じ得ることになる。しかし、本実施形態では、必要な時に希釈処理を実行させるので、起動の度にファン４２の駆動音が生じるわけではない。したがって、起動時の騒音低減に寄与できる。

（７）ファン４２を駆動させることは、結果的に燃料電池ＦＣを冷却することになる。低温起動時などは、燃料電池ＦＣの発電に伴う発熱によって燃料電池ＦＣを早く昇温させたいが、ファン４２を駆動させることで昇温性を低下させてしまう。しかし、本実施形態では、起動時、必要な時に希釈処理を実行させるので、燃料電池ＦＣの昇温性の低下を抑制できるとともに、燃料電池ＦＣを早く安定運転させることに寄与できる。

（８）排気管３２にガス導管４０を形成することによって濃度検知センサＳＥへガスを流通させることは可能である。しかし、この場合は、ガスが常に濃度検知センサＳＥへ流通することになるので、霧化器３３に対する排気流速が低下し、霧化性能を低下させる要因となる。そして、霧化性能を低下させないためには、必要な時にガスを濃度検知センサＳＥへ流通させれば良いが、この場合はバルブなどが別途必要となり、システムのコスト増を招く。本実施形態では、ガス導管４０を導水管３７に分岐形成することで、良好な霧化性能を維持できるとともに、バルブなどの部品を必要とせず、システムのコスト増を抑制できる。

（９）ガス導管４０のガス排出口４０ａをファン４２の気流上に配置したことで、ガス排出口４０ａから排出されるガスも希釈することができる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。

（１０）濃度検知センサＳＥで検知される水素濃度が起動前後で変化しないときにはガス導管４０を通じて濃度検知センサＳＥにガスが排出されていない可能性がある。そして、この場合は、濃度検知センサＳＥによって高い水素濃度は検知されないが、高い水素濃度のガスが排出されている可能性がある。このため、このような場合には希釈処理を実行させることで、濃度検知センサＳＥが水素濃度を検知していない場合であっても水素濃度を薄めることができる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。

（１１）コントローラ１９は、起動時において起動時用の閾値（濃度Ｘ１）を使って水素濃度を検知するので、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。そして、コントローラ１９は、起動時の処理の終了後、閾値を通常発電時用の閾値（濃度Ｘ２）に戻すことで、常に最適な水素濃度の検知を行うことができる。

（１２）ガス導管４０の流路径Ｄ２を、導水管３７の流路径Ｄ１よりも大きくしている。このため、起動時のガスを濃度検知センサＳＥ側により確実に流通させることができる。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。

（１３）通常発電時の水素漏洩を検知するために配設されている濃度検知センサＳＥを流用して起動時の水素濃度を検知する。このため、起動時の水素濃度を検知するための濃度検知センサＳＥを敢えて設けることなく、燃料電池ユニット１２の構成を簡素化することができる。また、システムのコスト増を抑制できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図５の起動時処理のステップＳ１４を否定判定した場合に、希釈処理の実行の有無を判定し、その判定結果に応じて希釈処理を実行させるようにしても良い。具体的に言えば、コントローラ１９は、燃料電池ＦＣの発電停止に伴ってソーク時間を計測する計測部（内部タイマなど）を有する。そして、コントローラ１９は、ステップＳ１４を否定判定した場合、ソーク時間の長短に応じて希釈処理を実行するか否かを判定する。ソーク時間が短い場合、すなわち燃料電池ＦＣの発電停止後、短時間で燃料電池ＦＣが再起動している場合は、濃度検知センサＳＥで検知される水素濃度が起動前後で変化しないときがある。このため、ソーク時間を計測して当該時間が予め定めた時間に達していない場合には、濃度検知センサＳＥで検知される水素濃度が起動前後で変化していなくても希釈処理を実行させない。つまり、希釈処理を必要としない時に希釈処理が実行されることを抑制する。したがって、起動時における水素濃度の希釈処理を効果的に実行することができる。なお、この場合は、水素濃度が濃度検知センサＳＥの検知限界以上となるソーク時間を理論水素透過量から求め、この時間以上にソークされている場合に希釈処理を実行させても良い。希釈処理を必要とするソーク時間は、実験などによって算出しても良い。この別例においてコントローラ１９は計測部として機能する。

○ また、ソーク時間の長短に応じて起動時処理を実行するか否かを判定しても良い。すなわち、コントローラ１９は、計測したソーク時間が予め定めた時間に達していない場合、起動時処理自体を実行せず、ソーク時間が予め定めた時間に達している場合、起動時処理を実行する。

○ 希釈処理の実行を時間管理しても良い。すなわち、コントローラ１９は、希釈処理を開始させた場合に時間計測を行い、その計測時間が予め定めた時間に達したら希釈処理を終了させる。

○ 起動時処理の実行を時間管理しても良い。すなわち、コントローラ１９は、車両１０が起動してからの時間を計測する。そして、コントローラ１９は、図５の起動時処理において、計測した時間が起動時処理の処理時間に達した場合にステップＳ１５を肯定判定し、達していない場合はステップＳ１５を否定判定してステップＳ１２からの処理を繰り返す。

○ 上記別例において、処理時間をソーク時間に応じて変動させても良い。ソーク時間が長い場合は、濃度検知センサＳＥが水素濃度を検知しなくなるまでの時間も長くなると考えられるので処理時間を長く設定する。一方、ソーク時間が短い場合は、濃度検知センサＳＥが水素濃度を検知しなくなるまでの時間も短くなると考えられるので処理時間を短く設定する。この場合、ソーク時間と処理時間を対応付けたマップを記憶しておく。

○ 起動時処理のステップＳ１４において、起動前後の濃度変化に許容差を設定しても良い。具体的に言えば、コントローラ１９は、起動前後の濃度変化が予め定めた許容差内であればステップＳ１４を否定判定し、許容差を超える場合はステップＳ１４を肯定判定する。つまり、起動前後の濃度差が小さい場合は、濃度変化なしとみなしてステップＳ１４を否定判定しても良い。

○ 閾値である濃度Ｘ１と濃度Ｘ２を同一濃度に設定しても良い。なお、起動時に希釈処理が頻発されることを考慮すると、起動時の検知レベルは実施形態のように緩い方が好ましい。

○ ガス導管４０側に必要十分なガスを流通させることができるのであれば、ガス導管４０の流路径Ｄ２と導水管３７の流路径Ｄ１を同一径に設定しても良い。
○ 霧化器３３に代えて導水管３７に貯水タンクを接続しても良い。貯水タンクの水は、定期的又は不定期に排出する。この場合、貯水タンクが排水処理装置として機能する。

○ 起動時の水素濃度を検知するために、濃度検知センサＳＥを追加して設けても良い。
○ 車両１０として、燃料電池システム１１を搭載した自動車、燃料電池システム１１を搭載した産業用車両に具体化しても良い。なお、燃料電池システム１１をフォークリフトなどの荷役手段を有する産業用車両に搭載する場合、負荷Ｆは、走行用及び荷役用の両モータとしても良い。

○ 実施形態は、車両１０などの移動体に限らず、電源を必要とする電気製品や、定置式の燃料電池システムに具体化しても良い。
○ 実施形態では蓄電装置をキャパシタ１６としたが、その他の二次電池でも良い。例えば、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、鉛バッテリでも良い。

１１…燃料電池システム、１２…燃料電池ユニット、１９…コントローラ、２１…冷却機構、３３…霧化器、３７…導水管、４０…ガス導管、４０ａ…ガス排出口、４２…ファン、ＦＣ…燃料電池、ＳＥ…濃度検知センサ、Ｄ１，Ｄ２…流路径、Ｘ１，Ｘ２…濃度。

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   燃料電池の起電反応によって生成された水を処理する排水処理装置と、
   水素濃度を検知する濃度検知器と、
   前記排水処理装置に前記水を導く導水管と、
   前記導水管に分岐形成されるとともに、前記燃料電池の起動時に排出された液状の水を含まないガスを前記濃度検知器に導くガス導管と、
   前記ガス導管を通じて前記濃度検知器へ導かれたガスの水素濃度が予め定めた閾値を越える場合に水素濃度を薄める希釈処理を実行する制御部と、前記燃料電池のソーク時間を計測する計測部とを備え、
   前記制御部は、前記ソーク時間が予め定めた時間に達している場合には、前記燃料電池の起動前後で前記濃度検知器によって検知される水素濃度が変化しないときにも前記希釈処理を実行させ、
   前記制御部は、前記ソーク時間が予め定めた時間に達していない場合には、前記燃料電池の起動前後で前記濃度検知器によって検知される水素濃度が変化しないときであっても前記希釈処理を実行させないことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   燃料電池の起電反応によって生成された水を処理する排水処理装置と、
   水素濃度を検知する濃度検知器と、
   前記排水処理装置に前記水を導く導水管と、
   前記導水管に分岐形成されるとともに、前記燃料電池の起動時に排出された液状の水を含まないガスを前記濃度検知器に導くガス導管と、
   前記ガス導管を通じて前記濃度検知器へ導かれたガスの水素濃度が予め定めた閾値を越える場合に水素濃度を薄める希釈処理を実行する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記水素濃度の閾値として起動時用の閾値と通常発電時用の閾値を有し、前記燃料電池の起動時には起動時用の閾値を越える場合に前記希釈処理を実行させ、前記濃度検知器が水素濃度を検知しなくなった場合には前記閾値を通常発電時用の閾値に戻すことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記燃料電池を冷却する冷却機構を備え、
   前記ガス導管のガス排出口を、前記冷却機構が有する送風機の気流上に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス導管の流路径は、前記導水管の流路径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載の燃料電池システム。