JP7354981B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池スタックを備えるものが知られている。特許文献１には、複数の燃料電池スタックから排出されたガスを統合して排出する技術が記載されている。

特開２０１９－２０７８０２号公報

燃料電池スタックから排出されるガスには未反応の水素ガスが含まれる場合がある。未反応の水素ガスを希釈するため、燃料電池スタックのカソードオフガスとアノードオフガスは混合されて排出される。燃料電池システムの発電時において、アノードオフガスは間欠的に排出され、カソードオフガスは常時排出される。そのため、複数の燃料電池スタックから排出されるガスを合流させることで、複数の燃料電池スタックからのカソードオフガスにより、各燃料電池スタックから特定のタイミングで排出されるアノードオフガス中の未反応水素ガスをより希釈できる。しかし、複数の燃料電池スタックからガスが排出されるタイミングが重なる場合、統合して排出されるガスの水素濃度が高くなるおそれがある。そのため、排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる技術が求められていた。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
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。燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからのアノードガスの排出をするアノードガス排出系と、前記燃料電池スタックへのカソードガスの供給および前記燃料電池スタックからのカソードガスの排出をするカソードガス給排系と、をそれぞれ有する複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットの前記アノードガス排出系および前記カソードガス給排系から排出されたガスを混合して排出する混合ガス排出系と、前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時において、前記各カソードガス給排系を制御して、一部の前記カソードガス給排系に他のカソードガス給排系と異なるタイミングで前記燃料電池スタックにカソードガスを供給させ、前記燃料電池スタック内から気体を排出させ、前記各燃料電池ユニットから排出されるガスが前記混合ガス排出系にて合流するタイミングをずらす。

（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、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからのアノードガスの排出をするアノードガス排出系と、前記燃料電池スタックへのカソードガスの供給および前記燃料電池スタックからのカソードガスの排出をするカソードガス給排系と、をそれぞれ有する複数の燃料電池ユニットと、前記複数の燃料電池ユニットの前記アノードガス排出系および前記カソードガス給排系から排出されたガスを混合して排出する混合ガス排出系と、前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記各燃料電池ユニットの前記アノードガス排出系と前記カソードガス給排系とのうち少なくとも一方を制御し、前記各燃料電池ユニットから排出されるガスが前記混合ガス排出系にて合流するタイミングをずらす。
このような態様とすれば、タイミングが重なることによって混合ガス排出系から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記複数の燃料電池ユニットの前記アノードガス排出系のそれぞれは、前記燃料電池スタックから排出されたガスの排気を行う排気排水弁と、前記排気排水弁と前記混合ガス排出系とを接続する排気管を有し、前記複数の燃料電池ユニットの前記排気管のうち一部の排気管が他の排気管の容積と異なる容積を有してもよい。
このような態様とすれば、混合ガス排出系から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。そのため、容易な制御で、タイミングが重なることによって混合ガス排出系から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記各アノードガス排出系が有する前記燃料電池スタックから排出されたガスの排気を行う排気排水弁を制御して、一部の前記排気排水弁を他の排気排水弁と異なるタイミングで開いて、前記アノードガス排出系から前記混合ガス排出系に気体を排出させてもよい。
このような態様とすれば、排気管の容積が同じであっても混合ガス排出系にてガスが合流するタイミングをずらすことができる。そのため、混合ガス排出系から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時において、前記各カソードガス給排系を制御して、一部の前記カソードガス給排系に他のカソードガス給排系と異なるタイミングで前記燃料電池スタックにカソードガスを供給させ、前記燃料電池スタック内から気体を排出させてもよい。
始動時にカソードガス給排系から排出されるガスには、燃料電池システム停止時に、燃料電池スタックにおいてアノードからカソードに移動した水素が含まれる。始動時にカソードガス給排系を制御して、各燃料電池スタックから気体を排出させるタイミングをずらすため、排気管の容積が同じであっても混合ガス排出系にてガスが合流するタイミングをずらすことができる。そのため、混合ガス排出系から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、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を実行する制御装置等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。 ガスを排出するタイミングと水素濃度との関係を示す参考図である。 ガスを排出するタイミングと水素濃度との関係を示す図である。 排出処理の手順の一例を表すフローチャートである。 第２実施形態におけるガスを排出するタイミングと水素濃度との関係を示す図である。 タイミングチャートの一例を示す説明図である。 他の実施形態における燃料電池システムの説明図である。 他の実施形態における排出処理の手順の一例を表すフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の一実施形態における燃料電池システム５００の概略構成を示す図である。燃料電池システム５００は、第１燃料電池ユニット１００Ａと第２燃料電池ユニット１００Ｂと混合ガス排出系１１０と制御部１２０とを備える。本実施形態において、燃料電池システム５００は、定置設置型であるが、これに限らず、燃料電池車両に搭載されてもよい。

第１燃料電池ユニット１００Ａの構成と第２燃料電池ユニット１００Ｂの構成とは同一である。従って、以下においては、第１燃料電池ユニット１００Ａの構成について主に説明し、第２燃料電池ユニット１００Ｂの構成については適宜説明を省略する。図１に示すように、第１燃料電池ユニット１００Ａの構成要素と第２燃料電池ユニット１００Ｂの構成要素には各構成要素の符号の「Ａ」を「Ｂ」に置き換えた符号を付している。なお、第１燃料電池ユニット１００Ａと第２燃料電池ユニット１００Ｂの各構成要素を区別する際には、例えば、「第１燃料電池スタック１０Ａ」、「第２燃料電池スタック１０Ｂ」のように、接頭語として「第１」、「第２」を付す場合もある。

第１燃料電池ユニット１００Ａは、燃料電池スタック１０Ａと、ユニット制御部２０Ａと、カソードガス給排系３０Ａと、アノードガス給排系５０Ａと、を備える。

燃料電池スタック１０Ａは、反応ガスとしてアノードガス、例えば、水素ガスとカソードガス、例えば、空気との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０Ａは、複数の単セル１１Ａが積層されて構成されている。各単セル１１Ａは、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。

ユニット制御部２０Ａは、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ユニット制御部２０Ａは、制御部１２０の指示に応じて、燃料電池スタック１０Ａ内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。ユニット制御部２０Ａは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム５００による発電の制御を行うと共に、カソードガス給排系３０Ａやアノードガス給排系５０Ａが備えるアノードガス排出系６０Ａから混合ガス排出系１１０にガスを排出させる制御を行う。なお、ユニット制御部２０Ａにおいては、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路として実現されてもよい。

カソードガス給排系３０Ａは、燃料電池スタック１０Ａへのカソードガスの供給および燃料電池スタック１０Ａからのカソードガスの排出を行う。カソードガス給排系３０Ａは、カソードガス配管３１Ａと、エアフローメータ３２Ａと、コンプレッサ３３Ａと、入口弁３４Ａと、バイパス配管３５Ａと、バイパス弁３６Ａと、カソードオフガス配管４１Ａと、カソードガスレギュレータ４２Ａと、を備える。カソードガス配管３１Ａは、燃料電池スタック１０Ａに接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０Ａに供給する。

エアフローメータ３２Ａは、カソードガス配管３１Ａに設けられており、取り込んだ空気の供給量を測定する。コンプレッサ３３Ａは、エアフローメータ３２Ａと入口弁３４Ａとの間に設けられている。コンプレッサ３３Ａは、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０Ａに供給する。コンプレッサ３３Ａは、電力を消費して駆動する。入口弁３４Ａは、コンプレッサ３３Ａと燃料電池スタック１０Ａとの間に設けられている。入口弁３４Ａは、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて開閉する電磁弁や電動弁によって構成される。入口弁３４Ａは、ユニット制御部２０Ａの制御により開度が調整されることで、燃料電池スタック１０Ａに供給されるカソードガスの流量を調整する。

バイパス配管３５Ａは、燃料電池スタック１０Ａを経由することなく、カソードガス配管３１Ａとカソードオフガス配管４１Ａとを接続する。バイパス配管３５Ａには、バイパス弁３６Ａが設けられている。バイパス弁３６Ａは、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて開閉する電磁弁や電動弁によって構成される。バイパス弁３６Ａが開かれている場合には、カソードガス配管３１Ａを流れる空気の一部は、バイパス配管３５Ａを通じて、カソードオフガス配管４１Ａへと流入する。

カソードオフガス配管４１Ａは、燃料電池スタック１０Ａから排出されたカソードオフガスおよびバイパス配管３５Ａから流出したカソードガスを混合ガス排出系１１０へと排出する。カソードオフガス配管４１Ａにはカソードガスレギュレータ４２Ａが設けられている。カソードガスレギュレータ４２Ａは、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０Ａのカソードガス出口の圧力を調整する。

アノードガス給排系５０Ａは、燃料電池スタック１０Ａへのアノードガスの供給および燃料電池スタック１０Ａからのアノードガスの排出を行う。アノードガス給排系５０Ａは、アノードガス配管５１Ａと、アノードガスタンク５２Ａと、主止弁５３Ａと、アノードガスレギュレータ５４Ａと、インジェクタ５５Ａと、アノードオフガス配管６１Ａと、気液分離器６２Ａと、排気排水弁６３Ａと、循環配管６４Ａと、アノードガスポンプ６５Ａと、を備える。本実施形態において、アノードオフガス配管６１Ａと気液分離器６２Ａと排気排水弁６３Ａとで構成される流路のことを、アノードガス排出系６０Ａともいう。アノードガス排出系６０Ａは、燃料電池スタック１０Ａからアノードガスの排出を行う。また、以下では、アノードガス配管５１Ａのインジェクタ５５Ａよりも下流側の部分と、燃料電池スタック１０Ａ内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１Ａと、気液分離器６２Ａと、循環配管６４Ａと、アノードガスポンプ６５Ａと、で構成される流路のことを、循環流路６６Ａともいう。循環流路６６Ａは、燃料電池スタック１０Ａのアノードオフガスを燃料電池スタック１０Ａに循環させるための流路である。

アノードガスタンク５２Ａは、アノードガス配管５１Ａを介して燃料電池スタック１０Ａのアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０Ａに供給する。主止弁５３Ａ、アノードガスレギュレータ５４Ａおよびインジェクタ５５Ａは、アノードガス配管５１Ａに、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２Ａに近い側から設けられている。

主止弁５３Ａは、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて開閉する電磁弁や電動弁によって構成される。燃料電池システム５００の停止時には主止弁５３Ａは閉じられる。アノードガスレギュレータ５４Ａは、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて、インジェクタ５５Ａの上流側におけるアノードガス圧力を調整する。インジェクタ５５Ａは、ユニット制御部２０Ａによって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。ユニット制御部２０Ａは、インジェクタ５５Ａの駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０Ａに供給されるアノードガスの供給量を制御する。

アノードオフガス配管６１Ａは、燃料電池スタック１０Ａのアノードガス出口と気液分離器６２Ａとを接続する配管である。アノードオフガス配管６１Ａは、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２Ａへと誘導する。

気液分離器６２Ａは、循環流路６６Ａのアノードオフガス配管６１Ａと循環配管６４Ａとの間に接続されている。気液分離器６２Ａは、燃料電池スタック１０Ａから排出されるガスから、ガスに含まれる液水のうちの少なくとも一部を分離する。より具体的には、気液分離器６２Ａは、循環流路６６Ａ内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

排気排水弁６３Ａは、気液分離器６２Ａの下部に設けられている。排気排水弁６３Ａは、燃料電池スタック１０Ａから排出されたガスの排気を行う。より具体的には、排気排水弁６３Ａは、気液分離器６２Ａに貯水された水の排水と、気液分離器６２Ａ内の不要なガス、主に窒素ガスの排気と、を行う。燃料電池システム５００の運転中は、通常、排気排水弁６３Ａは閉じられており、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３Ａは、カソードオフガス配管４１Ａに接続されており、排気排水弁６３Ａによって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１Ａを通じて混合ガス排出系１１０へ排出される。排気排水弁６３Ａの下流から混合ガス排出系１１０までの配管を排気管７０Ａともいう。本実施形態において、第１排気管７０Ａと第２排気管７０Ｂとは同じ容積を有する。

循環配管６４Ａは、アノードガス配管５１Ａのうちのインジェクタ５５Ａより下流の部分に接続されている。循環配管６４Ａには、ユニット制御部２０Ａからの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５Ａが設けられている。気液分離器６２Ａによって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５Ａによって、アノードガス配管５１Ａへと送り出される。この燃料電池システム５００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０Ａに供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。

混合ガス排出系１１０は、カソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂおよびアノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂから排出されたガスを混合して排出する。より具体的には、混合ガス排出系１１０は、燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂが収納されている筐体（図示しない）の外部に連通しており、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂからカソードオフガス配管４１Ａ、４１Ｂを介して排出されたガスをまとめて筐体の外部の大気に排出する。

制御部１２０は、ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂに指示を与えることで、第１燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂをそれぞれ制御する。より具体的には、制御部１２０は、ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂを介して、アノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂとカソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂとを制御し、燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂから排出されるガスが混合ガス排出系１１０にて合流するタイミングをずらす。制御部１２０は、燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂから排出されるガス流量や水素濃度、排気管７０Ａ、７０Ｂの容積を考慮して制御を行う。これにより、制御部１２０は、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が予め定めた値より大きくなることを抑制できる。

図２は、燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂがガスを排出するタイミングと水素濃度との関係を示す参考図である。上段のグラフＧ１ａは、第１燃料電池ユニット１００Ａから排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ１ａは、第１排気管７０Ａと混合ガス排出系１１０とが接続される箇所の直前の第１排気管７０Ａにおける位置Ｐ１（図１）におけるガスの水素濃度を示している。また、上段のグラフＧ２ａは、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ２ａは、第２排気管７０Ｂと混合ガス排出系１１０とが接続される箇所の直前の第２排気管７０Ｂにおける位置Ｐ２（図１）におけるガスの水素濃度を示している。なお、説明の便宜上、グラフＧ２ａを下方向にずらして記載しているが、実際は、グラフＧ１ａと重なっている。下段のグラフＧ３ａは、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ３ａは、外部に排出される直前の混合ガス排出系１１０における位置Ｐ３（図１）におけるガスの水素濃度を示している。

図２に示すように、第１燃料電池ユニット１００Ａが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミングと、第２燃料電池ユニット１００Ｂが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミングとは、同じタイミングである。そのため、各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂから排出されるガスの位置Ｐ１、Ｐ２における水素濃度が最も高くなるタイミングも同じタイミングｔ１となる。燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂが排出するガスの水素濃度のピークは第１濃度Ｄｈ１である。第１濃度Ｄｈ１は、例えば、８％である。そのため、混合ガス排出系１１０のガスの水素濃度は、第１濃度Ｄｈ１まで上昇する。

図３は、本実施形態における、燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂがガスを排出するタイミングと水素濃度との関係を示す図である。上段のグラフＧ１ｂは、第１燃料電池ユニット１００Ａから排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ１ｂは、第１排気管７０Ａと混合ガス排出系１１０とが接続される箇所の直前の第１排気管７０Ａにおける位置Ｐ１におけるガスの水素濃度を示している。また、上段のグラフＧ２ｂは、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ２ｂは、第２排気管７０Ｂと混合ガス排出系１１０とが接続される箇所の直前の第２排気管７０Ｂにおける位置Ｐ２におけるガスの水素濃度を示している。なお、説明の便宜上、グラフＧ２ｂを下方向にずらして記載しているが、実際は、グラフＧ１ｂと一部が重なっている。下段のグラフＧ３ｂは、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ３ｂは、外部に排出される直前の混合ガス排出系１１０における位置Ｐ３におけるガスの水素濃度を示している。

図３に示すように、第１燃料電池ユニット１００Ａから排出されるガスの位置Ｐ１における水素濃度が最も高くなるタイミングはタイミングｔ１である。第２燃料電池ユニット１００Ｂは、第１燃料電池ユニット１００Ａよりも遅いタイミングで混合ガス排出系１１０にガスを排出する。そのため、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出されるガスの位置Ｐ２における水素濃度が最も高くなるタイミングは、タイミングｔ１よりも遅いタイミングｔ２である。すなわち、タイミングｔ１において、第１燃料電池ユニット１００Ａから混合ガス排出系１１０に排出される第１濃度Ｄｈ１のガスは、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出される水素濃度が第１濃度Ｄｈ１未満のガスによって希釈される。また、タイミングｔ２において、第２燃料電池ユニット１００Ｂから混合ガス排出系１１０に排出される第１濃度Ｄｈ１のガスは、第１燃料電池ユニット１００Ａから排出される水素濃度が第１濃度Ｄｈ１未満のガスによって希釈される。従って、混合ガス排出系１１０におけるガスの水素濃度のピークは、第１濃度Ｄｈ１よりも低い第２濃度Ｄｈ２である。第２濃度Ｄｈ２は、例えば、４％である。

図４は、本実施形態における、排出処理の手順の一例を表すフローチャートである。排出処理は、各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂから混合ガス排出系１１０にガスを排出するために、カソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂおよびアノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂのうち少なくとも一方を制御する処理である。この処理は、燃料電池システム５００の動作中、制御部１２０から排出処理の開始の指示を受信した各ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂにより実行される処理である。排出処理の開始の指示は、例えば、燃料電池システム５００の始動直後に、燃料電池システム５００の停止中に燃料電池スタック１０Ａ内のアノード側からカソード側に透過した水素を排出するために行われる。以下では、第１ユニット制御部２０Ａを例として説明する。

ステップＳ１００において、ユニット制御部２０Ａは、排気処理を開始する。例えば、ユニット制御部２０Ａは、エアフローメータ３２Ａやコンプレッサ３３Ａ、入口弁３４Ａを制御して、燃料電池スタック１０Ａにカソードガスを送出する。これにより、燃料電池システム５００の停止中に燃料電池スタック１０Ａ内のアノード側からカソード側に透過した水素を燃料電池スタック１０Ａ外に排出することができる。また、ユニット制御部２０Ａは、主止弁５３Ａやアノードガスレギュレータ５４Ａ、インジェクタ５５Ａ、アノードガスポンプ６５Ａを制御して、燃料電池スタック１０Ａにアノードガスを送出する。

ステップＳ１１０において、ユニット制御部２０Ａは、制御部１２０に排気処理を開始したことを送信する。

ステップＳ１２０において、ユニット制御部２０Ａは、ステップＳ１１０の処理が完了してからの待機時間が予め定められた閾値時間よりも長いか否かを判定する。すなわち、閾値時間よりも長い時間待機したか否かを判定する。閾値時間は、燃料電池ユニットごとに予め定められた時間であり、本実施形態において、第１燃料電池ユニット１００Ａの閾値時間は、第２燃料電池ユニット１００Ｂの閾値時間よりも短い。第１燃料電池ユニット１００Ａの閾値時間と第２燃料電池ユニット１００Ｂの閾値時間との差は、例えば、一つの燃料電池ユニットからガスを排出した場合の水素濃度の時間変化から基準値以上の水素濃度になる時間を予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。待機時間は、制御部１２０によって、各ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂに指示される。以下、この指示を「バルブ制御指示」ともいう。本実施形態において、制御部１２０は、ステップＳ１１０においてユニット制御部２０Ａが送信した排気処理を開始の信号の受信を契機に、バルブ制御指示を行う。制御部１２０は、排出処理の開始の指示と共にバルブ制御指示を行ってもよい。待機時間が閾値時間よりも長い場合、ユニット制御部２０Ａは、ステップＳ１３０の処理に進む。一方、待機時間が閾値時間以下の場合、ユニット制御部２０Ａは、ステップＳ１２０の処理に戻る。つまり、閾値時間経過するまでステップＳ１２０を繰り返す。

ステップＳ１３０において、ユニット制御部２０Ａは、バルブ制御を行う。例えば、ユニット制御部２０Ａは、バイパス弁３６Ａやカソードガスレギュレータ４２Ａ、排気排水弁６３Ａを開く制御を行う。これにより、ガスがカソードオフガス配管４１Ａに排出される。すなわち、カソードガス給排系３０Ａやアノードガス排出系６０Ａから混合ガス排出系１１０にガスが排出される。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム５００によれば、制御部１２０によって、混合ガス排出系１１０にて燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂから排出されるガスが合流するタイミングをずらすことができる。そのため、タイミングが重なることによって混合ガス排出系から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

また、燃料電池システム５００は、混合ガス排出系１１０によって、燃料電池ユニット１００Ａ、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出されるガスを混合して排出している。そのため、第１燃料電池ユニット１００Ａと第２燃料電池ユニット１００Ｂとからそれぞれ個別にガスを排出する場合に比べて、配管を減らすことができる。また、例えば、第１アノードガス排出系６０Ａから排出されるガスの水素濃度が、カソードガス給排系３０Ａから排出されるガスだけでなく第２カソードガス給排系３０Ｂから排出されるガスによっても希釈されるため、第１カソードガス給排系３０Ａに供給するカソードガス流量を増やすことなく希釈できる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態における燃料電池システムの構成は、第１排気管７０Ａの容積と第２排気管７０Ｂの容積とは異なる点が第１実施形態における燃料電池システムの構成と異なり、他の構成は第１実施形態と同じであるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。

図５は、本実施形態における、燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂがガスを排出するタイミングと水素濃度との関係を示す図である。この図は、図３にグラフＧ１１ｂとグラフＧ２２ｂとを新たに示した図である。上段のグラフＧ１１ｂは、第１アノードガス排出系６０Ａから第１排気管７０Ａに排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ１１ｂは、第１アノードガス排出系６０Ａと第１排気管７０Ａとが接続される箇所の直後の第１排気管７０Ａにおける位置Ｐ１１（図１）におけるガスの水素濃度を示している。また、上段のグラフＧ２２ｂは、第２アノードガス排出系６０Ｂから第２排気管７０Ｂに排出されるガスの水素濃度を示している。より具体的には、グラフＧ２２ｂは、第２アノードガス排出系６０Ｂと第２排気管７０Ｂとが接続される箇所の直後の第２排気管７０Ｂにおける位置Ｐ２２（図１）におけるガスの水素濃度を示している。なお、説明の便宜上、グラフＧ２２ｂを下方向にずらして記載しているが、実際は、グラフＧ１１ｂと一部が重なっている。

第１排気管７０Ａの容積と第２排気管７０Ｂの容積とが等しい場合、第１アノードガス排出系６０Ａから第１排気管７０Ａにガスが排出されるタイミングと第２アノードガス排出系６０Ｂから第２排気管７０Ｂにガスが排出されるタイミングが同じであると、図２に示したように、第１燃料電池ユニット１００Ａが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミング、つまり、第１排気管７０Ａが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミングと、第２燃料電池ユニット１００Ｂが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミング、つまり、第２排気管７０Ｂが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミングとは、同じタイミングとなる。

本実施形態において、第２排気管７０Ｂの容積は、第１排気管７０Ａの容積よりも大きい。より具体的には、第１排気管７０Ａの直径と第２排気管７０Ｂの直径とは同じであり、第２排気管７０Ｂのガスの流通方向における距離は、第１排気管７０Ａのガスの流通方向における距離よりも長い。そのため、図５の上段に示すように、第１アノードガス排出系６０Ａから第１排気管７０Ａにガスが排出されるタイミングと第２アノードガス排出系６０Ｂから第２排気管７０Ｂにガスが排出されるタイミングが同じタイミングｔ０であっても、図５の中段に示すように、第１燃料電池ユニット１００Ａが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミングは、第２燃料電池ユニット１００Ｂが混合ガス排出系１１０にガスを排出するタイミングよりも遅くなる。従って、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出されるガスの位置Ｐ２における水素濃度が最も高くなるタイミングは、第１燃料電池ユニット１００Ａから排出されるガスの位置Ｐ１における水素濃度が最も高くなるタイミングはタイミングｔ１よりも遅いタイミングｔ２である。

以上で説明した第２実施形態の燃料電池システム５００によれば、排気管の容積差は、カソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂおよびアノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂからガスが排出されるタイミングが同時であっても、混合ガス排出系１１０でガスが合流するタイミングが同時にならないような容積差に設計されている。すなわち、排気管の容積差によって、カソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂおよびアノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂからガスが排出されるタイミングが同時であっても、混合ガス排出系１１０でガスが合流するタイミングをずらすことができる。そのため、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。従って、容易な制御で、タイミングが重なることによって混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態における排出処理は、燃料電池システム５００の発電中に行われる処理である。第３実施形態における燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。

第３実施形態において、制御部１２０は、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が予め定められた値より小さくなるように、第１排気排水弁６３Ａと第２排気排水弁６３Ｂとを異なるタイミングで開くように制御する。例えば、制御部１２０は、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂの発電量から求められるアノードガスとカソードガスとの反応比や、各アノードオフガス配管６１Ａ、６１Ｂに設けられた圧力計が計測した気圧の減少を用いて、各排気排水弁６３Ａ、６３Ｂから排出される水素量を求める。制御部１２０は、求めた水素量やカソードガス給排系３０Ａ、第２カソードガス給排系３０Ｂから排出されるカソードガス流量等を用いて、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度を予測でき、その予測に基づいて第１排気排水弁６３Ａと第２排気排水弁６３Ｂとを開くタイミングを制御する。

制御部１２０は、例えば、バルブ制御指示として、各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂから排出されるガスの水素濃度がピークから通常の濃度に下がるまでにかかる時間間隔の差を付けて、各ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂに待機時間（図４、ステップＳ１２０）を送信する。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム５００によれば、制御部１２０は、各排気排水弁６３Ａ、６３Ｂを制御して、異なるタイミングで開いて、アノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂから混合ガス排出系１１０に気体を排出させる。第１排気管７０Ａと第２排気管７０Ｂとの容積が同じであっても混合ガス排出系１１０にてガスが合流するタイミングをずらすことができる。そのため、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

Ｄ．第４実施形態：
第４実施形態における排出処理は、燃料電池システム５００の始動後に行われる処理である。第４実施形態における燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システムの構成と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。

第４実施形態において、混合ガス排出系１１０は、第１カソードガス給排系３０Ａと第２カソードガス給排系３０Ｂとが異なるタイミングで混合ガス排出系１１０に気体を排出するよう制御する。より具体的には、混合ガス排出系１１０は、第１入口弁３４Ａと第２入口弁３４Ｂとを異なるタイミングで開くように制御して、第１カソードガス給排系３０Ａと第２カソードガス給排系３０Ｂとが異なるタイミングで混合ガス排出系１１０に気体を排出するよう制御する。これにより、燃料電池システム５００の停止時に、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂにおいてアノードからカソードに移動した水素が含まれるカソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂから排出されるガスが混合ガス排出系１１０にて合流するタイミングをずらすことができる。

図６は、起動要求信号のＯＮ／ＯＦＦと、各入口弁３４Ａ、３４Ｂの開指令、各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂにおけるカソードガス供給流量を示すタイミングチャートの一例を示す説明図である。図６において、起動要求信号についての「ＯＮ」は、起動要求がされたことを意味し、「ＯＦＦ」は起動要求がされていないことを意味する。図６における水素濃度は、第１排気管７０Ａと混合ガス排出系１１０とが接続される箇所の直前の第１排気管７０Ａにおけるガスの水素濃度と、第２排気管７０Ｂと混合ガス排出系１１０とが接続される箇所の直前の第２排気管７０Ｂにおけるガスの水素濃度を示している。なお、排気排水弁６３Ａ、６３Ｂが閉じている場合を例として説明する。すなわち、アノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂからは混合ガス排出系１１０にガスが排出されない場合を例として説明する。

図６に示すように、第１燃料電池ユニット１００Ａは、起動要求信号がＯＮになった後、タイミングｔ４で入口弁３４Ａを開く指令を受け、第１入口弁３４Ａを開く。そのため、第１燃料電池ユニット１００Ａにおけるカソードガス供給流量はタイミングｔ４から上昇し、流量Ｑ１となる。第１燃料電池ユニット１００Ａにおける排出ガスの水素濃度はタイミングｔ４から上昇し、タイミングｔ４よりも遅いタイミングｔ５で最も高い濃度Ｄｈ３に到達し、下降する。第２燃料電池ユニット１００Ｂはタイミングｔ４よりも遅いタイミングｔ６で第２入口弁３４Ｂを開く指令を受け、第２入口弁３４Ｂを開く。タイミングｔ６は、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が予め定められた値より小さくなるように、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。そのため、第２燃料電池ユニット１００Ｂにおけるカソードガス供給流量はタイミングｔ６から上昇、流量Ｑ１となる。第２燃料電池ユニット１００Ｂにおける排出ガスの水素濃度はタイミングｔ６から上昇し、タイミングｔ６よりも遅いタイミングｔ７で最も高い濃度Ｄｈ３に到達し、下降する。そのため、混合ガス排出系１１０において、カソードガス給排系３０Ａから排出された濃度Ｄｈ３のガスと第２カソードガス給排系３０Ｂから排出された濃度Ｄｈ３のガスとが合流するタイミングをずらすことができる。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム５００によれば、制御部１２０は、燃料電池システム５００の始動時において、各カソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂを制御して、第１カソードガス給排系３０Ａに第２カソードガス給排系３０Ｂと異なるタイミングで燃料電池スタック１０Ａにカソードガスを供給させ、燃料電池スタック１０Ａ内から気体を排出させる。始動時にカソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂから排出されるガスには、燃料電池システム５００の停止時に、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂにおいてアノードからカソードに移動した水素が含まれる。始動時にカソードガス給排系３０Ａを制御して、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂから気体を排出させるタイミングをずらすため、第１排気管７０Ａと第２排気管７０Ｂとの容積が同じであっても混合ガス排出系１１０にてガスが合流するタイミングをずらすことができる。そのため、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度が高くなることを抑制できる。

Ｅ．他の実施形態：
（Ｅ１）図７は、他の実施形態における燃料電池システム５０１の説明図である。上述した実施形態において、燃料電池ユニット１００Ａは、カソードガス給排系３０Ａから排出されるガスと、アノードガス排出系６０Ａから排出されるガスとがカソードオフガス配管４１Ａで混合されて排出される。この代わりに、図７に示すように、カソードガス給排系３０Ａから排出されるガスとアノードガス排出系６０Ａから排出されるガスとが混合されずに、直接、混合ガス排出系１１１に排出されてもよい。

（Ｅ２）上述した実施形態において、燃料電池システム５００は、燃料電池ユニットを２つ備えている。これに限らず、燃料電池システム５００は、燃料電池ユニットを複数備えていればよく、３つ以上の燃料電池ユニットを備えていてもよい。この場合、制御部１２０は、一部の燃料電池ユニットから排出されるガスが、他の燃料電池ユニットから排出されるガスと異なるタイミングで混合ガス排出系１１０にて合流するように制御を行う。例えば、燃料電池システム５００が３つの燃料電池ユニットを備える場合、１つの燃料電池ユニットから排出されるガスが、他の２つの燃料電池ユニットから排出されるガスと異なるタイミングで混合ガス排出系１１０にて合流すればよく、他の２つの燃料電池ユニットから排出されるガスは、それぞれ同じタイミングで混合ガス排出系１１０にて合流してもよい。

（Ｅ３）上述した実施形態において、制御部１２０は、ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂを介して、アノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂとカソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂとを制御している。この代わりに、制御部１２０は、ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂを介して、アノードガス排出系６０Ａ、６０Ｂとカソードガス給排系３０Ａ、３０Ｂとのうちどちらか一方のみを制御少なくとも一方を制御し、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂから排出されるガスが混合ガス排出系１１０にて合流するタイミングをずらす。
のうち少なくとも一方を制御し、燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂから排出されるガスが混合ガス排出系１１０にて合流するタイミングをずらす。

（Ｅ４）上述した実施形態において、制御部１２０は、更に、混合ガス排出系１１０に接続され、水素を含むガスを排出するバルブを制御してもよい。例えば、制御部１２０は、各燃料電池ユニット１００Ａ、１００Ｂが備える、燃料電池スタック１０Ａの冷却システムにおいて、冷却システムが故障した場合にリザーブタンクから排出される水素を含むガスをカソードオフガス配管４１Ａに流出する配管に設けられた調節弁を制御できる。また、制御部１２０は、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂを収納する筐体から排出される水素を含むガスをカソードオフガス配管４１Ａに流出する配管に設けられた調節弁を制御できる。

（Ｅ５）上述した実施形態において、制御部１２０は、各ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂから送信された排気処理の開始の信号の受信を契機として、各ユニット制御部２０Ａ、２０Ｂにそれぞれの待機時間を指示するバルブ制御指示を行っている。この代わりに、制御部１２０は、第１ユニット制御部２０Ａがバルブ制御（図４、ステップＳ１３０）を行ったことを契機として、第２ユニット制御部２０Ｂにバルブ制御指示を行ってもよい。制御部１２０は、例えば、第１燃料電池ユニット１００Ａが排出したガスと第２燃料電池ユニット１００Ｂが排出したガスとが合流して、混合ガス排出系１１０が排出するガスの水素濃度が予め定められた値より小さくなるように、第２ユニット制御部２０Ｂの待機時間を定める。

（Ｅ６）図８は他の実施形態における排出処理の手順の一例を表すフローチャートである。上述した第１実施形態において、ユニット制御部２０Ａは、図４のステップＳ１２０において、待機時間が予め定められた閾値時間よりも長いか否かを判定している。図８に示すように、ユニット制御部２０Ａは、ステップＳ１２０の代わりにステップＳ１２５の処理を行ってもよい。ユニット制御部２０Ａは、ステップＳ１２５において、バルブ制御指示を受信したか否かを判定する。バルブ制御指示を受信した場合、ステップＳ１３０の処理に進み、バルブ制御を行う。一方、バルブ制御指示を受信していない場合ステップＳ１２５の処理に戻る。つまり、バルブ制御指示を受信するまでステップＳ１２５を繰り返す。

すなわち、上述した第１実施形態において、制御部１２０は、第１ユニット制御部２０Ａおよび第２ユニット制御部２０Ｂに一斉にバルブ制御指示を行い、各ユニット制御部２０Ａ、第２ユニット制御部２０Ｂがそれぞれタイミングをずらしてバルブ制御を実行する。この代わりに、制御部１２０は、第１ユニット制御部２０Ａと第２ユニット制御部２０Ｂとに、それぞれ異なるタイミングでバルブ制御指示を行うことで、異なるタイミングでバルブ制御を実行させてもよい。タイミングは、例えば、各燃料電池ユニット１００Ａにおける燃料電池スタック１０Ａのカソードの容積とその下流の配管の容積、燃料電池システム５００の始動時のエア流量から、核燃料電池ユニットの排出するガスの水素濃度が最も高くなるタイミングが排気管のどの位置にあるかを予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。これにより、第１燃料電池ユニット１００Ａから排出されるガスの水素濃度が最も高くなるタイミングと、第２燃料電池ユニット１００Ｂから排出されるガスの水素濃度が最も高くなるタイミングとをずらすことができる。

（Ｅ７）上述した第３実施形態において、制御部１２０は、各燃料電池スタック１０Ａ、１０Ｂの発電量等を用いて、混合ガス排出系１１０から排出されるガスの水素濃度を算出している。この代わりに、燃料電池システム５００は、水素濃度センサを各配管に備えてもよく、制御部１２０は、これらの水素濃度センサが計測した水素濃度を取得してもよい。

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、上述した課題を解決するために、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。

１０Ａ、１０Ｂ…燃料電池スタック、１１Ａ、１１Ｂ…単セル、２０Ａ、２０Ｂ…ユニット制御部、３０Ａ、３０Ｂ…カソードガス給排系、３１Ａ、３１Ｂ…カソードガス配管、３２Ａ、３２Ｂ…エアフローメータ、３３Ａ、３３Ｂ…コンプレッサ、３４Ａ、３４Ｂ…入口弁、３５Ａ、３５Ｂ…バイパス配管、３６Ａ、３６Ｂ…バイパス弁、４１Ａ、４１Ｂ…カソードオフガス配管、４２Ａ、４２Ｂ…カソードガスレギュレータ、５０Ａ、５０Ｂ…アノードガス給排系、５１Ａ、５１Ｂ…アノードガス配管、５２Ａ、５２Ｂ…アノードガスタンク、５３Ａ、５３Ｂ…主止弁、５４Ａ、５４Ｂ…アノードガスレギュレータ、５５Ａ、５５Ｂ…インジェクタ、６０Ａ、６０Ｂ…アノードガス排出系、６１Ａ、６１Ｂ…アノードオフガス配管、６２Ａ、６２Ｂ…気液分離器、６３Ａ、６３Ｂ…排気排水弁、６４Ａ、６４Ｂ…循環配管、６５Ａ、６５Ｂ…アノードガスポンプ、６６Ａ、６６Ｂ…循環流路、７０Ａ、７０Ｂ…排気管、１００Ａ、１００Ｂ…燃料電池ユニット、１１０、１１１…混合ガス排出系、１２０…制御部、５００、５０１…燃料電池システム

Claims (2)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからのアノードガスの排出をするアノードガス排出系と、前記燃料電池スタックへのカソードガスの供給および前記燃料電池スタックからのカソードガスの排出をするカソードガス給排系と、をそれぞれ有する複数の燃料電池ユニットと、
   前記複数の燃料電池ユニットの前記アノードガス排出系および前記カソードガス給排系から排出されたガスを混合して排出する混合ガス排出系と、
   前記複数の燃料電池ユニットを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの始動時において、前記各カソードガス給排系を制御して、一部の前記カソードガス給排系に他のカソードガス給排系と異なるタイミングで前記燃料電池スタックにカソードガスを供給させ、前記燃料電池スタック内から気体を排出させ、前記各燃料電池ユニットから排出されるガスが前記混合ガス排出系にて合流するタイミングをずらす、燃料電池システム。
2. 燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックからのアノードガスの排出をするアノードガス排出系と、前記燃料電池スタックへのカソードガスの供給および前記燃料電池スタックからのカソードガスの排出をするカソードガス給排系と、をそれぞれ有する複数の燃料電池ユニットと、
   前記複数の燃料電池ユニットの前記アノードガス排出系および前記カソードガス給排系から排出されたガスを混合して排出する混合ガス排出系と、を備え、
   前記燃料電池システムの始動時において、前記各カソードガス給排系を制御して、一部の前記カソードガス給排系に他のカソードガス給排系と異なるタイミングで前記燃料電池スタックにカソードガスを供給させ、前記燃料電池スタック内から気体を排出させ、前記各燃料電池ユニットから排出されるガスが前記混合ガス排出系にて合流するタイミングをずらす、制御方法。

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