JP7441870B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの弁制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの弁制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、アノード流路の水素濃度の低下を防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの弁制御方法に関する。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。
特許文献１には、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムが開示される。以下で、この燃料電池システムを、第１システムとも称する。第１システムにおいて、アノードガスは、アノード供給流路から燃料電池スタック内のアノード流路に供給される。アノードガスの主成分は水素である。第１システムにおいて、カソードガスは、カソード供給路から燃料電池スタック内のカソード流路に供給される。カソードガスはエア（酸素、窒素等）である。アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との反応によって、燃料電池スタックは発電する。アノード流路からは、アノードオフガス（水素、窒素、水分等）が排出される。アノードオフガスは、気液分離器に供給される。気液分離器は、アノードオフガスをガス（水素、窒素等）と液体（水）とに分離する。
気液分離器のアノードオフガスは、循環流路を介してアノード供給流路に供給され得る。又は、気液分離器のアノードオフガスは、パージ流路及び希釈器を介して燃料電池システムの外部に排出され得る。更に、気液分離器のアノードオフガスは、水と共に、ドレイン流路及び希釈器を介して燃料電池システムの外部に排出され得る。
現在、新たな燃料電池システムが開発されている。以下で、現在開発されている燃料電池システムを、第２システムとも称する。第２システムにおいては、第１システムのパージ流路の代わりに、接続流路が設けられる。接続流路は、循環流路から分岐してカソード供給流路に接続される。つまり、第２システムにおいて、気液分離器のアノードオフガスは、アノード供給流路だけでなく、カソード供給流路にも供給され得る。アノードオフガス中の水素は、燃料電池スタックのカソード電極の触媒上で酸素と反応して消費される。このため、第２システムにおいて、アノードシステムから外部に排出される水素は減り、それに伴い、希釈器において水素を希釈するために必要なエアも減る。従って、第２システムによれば、希釈器にエアを供給するエアポンプの回転数を下げることができ、第１システムよりも燃費が向上する。
特開２００７－３５４３６号公報
燃料電池スタックの負荷の増加に伴い、燃料電池スタックの発電量は増加する。燃料電池スタックの発電量が増加すると、アノードシステムの圧力及びカソードシステムの圧力が上昇すると共に、アノードシステムにおける窒素の増加速度は上昇する。
第１システムにおいて、気液分離器のアノードオフガスは、希釈器を介して外部（大気）に排出される。第１システムにおいて、窒素を含むアノードオフガスの排出流量は、アノードシステムの圧力と大気圧との差圧で決まる。燃料電池スタックの負荷が増加した場合、アノードシステムの圧力と大気圧との差圧は大きくなる。このため、第１システムにおいては、燃料電池スタックの負荷の増加に伴い、窒素の排出流量も増加する。
一方、第２システムにおいて、気液分離器のアノードオフガスは、接続流路を介してカソード供給流路に供給（排出）される。第２システムにおいて、窒素を含むアノードオフガスの排出流量は、アノードシステムの圧力とカソードシステムの圧力との差圧で決まる。燃料電池スタックの負荷が増加した場合、アノードシステムの圧力とカソードシステムの圧力との差圧は、アノードシステムの圧力と大気圧との差圧よりも小さい。このため、第２システムにおいては、燃料電池スタックの負荷が増加しても、窒素の排出流量はそれほど増加しない。
また、第２システムは、燃料電池スタックの耐久性を向上させるために、燃料電池スタック内を高湿度にしている。その結果、第２システムのアノードオフガスは多くの水分を含み、気液分離器は常時水を貯留する。このため、気液分離器からドレイン流路を介して外部に排出されるアノードオフガスの量はあまり多くない。
以上の理由から、第２システムは、第１システムと比較して、アノードシステムから窒素を排出しにくい。アノードシステムの窒素濃度が増加すると、アノードシステムの水素濃度は相対的に減少する。燃料電池スタックの発電を安定させるためには、アノードシステムの窒素を排出し、水素濃度の低下を抑制する必要がある。
本発明は上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の第１の態様は、アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記アノードガスを前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、前記アノード流路から排出される排出流体を前記アノード供給流路に供給する循環流路と、前記アノード流路から排出される前記排出流体を前記カソード供給流路に供給する接続流路と、前記アノード流路から外部に前記排出流体を排出する排出流路と、前記接続流路を開閉する第１弁と、前記排出流路を開閉する第２弁と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記アノード流路の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の第１閾値と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を判断するための発電量の第２閾値とを記憶する記憶部を更に備え、前記制御部は、前記アノード流路における前記窒素量を推定し、推定した前記窒素量と前記第１閾値とを比較する第１比較を行い、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回る場合に、前記燃料電池スタックの発電量の目標値である目標発電量と前記第２閾値とを比較する第２比較を行い、前記第１比較の結果と前記第２比較の結果とに基づいて前記第１弁の開閉と前記第２弁の開閉とを制御する。
本発明の第２態様は、アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記アノードガスを前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、前記アノード流路から排出される排出流体を前記アノード供給流路に供給する循環流路と、前記アノード流路から排出される前記排出流体を前記カソード供給流路に供給する接続流路と、前記アノード流路から外部に前記排出流体を排出する排出流路と、前記接続流路を開閉する第１弁と、前記排出流路を開閉する第２弁と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を制御するコンピュータと、を備える燃料電池システムの弁制御方法であって、前記コンピュータは、前記アノード流路の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の第１閾値と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を判断するための発電量の第２閾値とを記憶し、前記アノード流路における前記窒素量を推定し、推定した前記窒素量と前記第１閾値とを比較する第１比較を行い、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回る場合に、前記燃料電池スタックの発電量の目標値である目標発電量と前記第２閾値とを比較する第２比較を行い、前記第１比較の結果と前記第２比較の結果とに基づいて前記第１弁の開閉と前記第２弁の開閉とを制御する。
本発明は、第１比較と第２比較とを行うことによって、第１弁の開閉と第２弁の開閉とを適切なタイミングで行う。適切なタイミングで第１弁又は第２弁が開けられることにより、アノード流路から窒素を含むアノードオフガスが排出される。また、適切なタイミングで第１弁及び第２弁が閉じられることにより、アノード流路から必要以上にアノードオフガスが排出されることはない。従って、本発明によれば、燃費向上と水素濃度維持とを両立することができる。本発明は、延いてはエネルギーの効率化に寄与する。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、弁制御処理のフローチャートである。
［１ 燃料電池システム１０の構成］
図１は、本発明に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。燃料電池システム１０は、車両（燃料電池自動車）に搭載される。これとは別に、燃料電池システム１０は、例えば、船舶、航空機、ロボット等にも搭載可能である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、水素タンク１４と、アノードシステム１６と、カソードシステム１８と、冷却システム２０とを有する。また、燃料電池システム１０は、制御装置９４を有する。燃料電池スタック１２の出力（電力）は、モータ等の負荷（不図示）に供給される。
燃料電池スタック１２は、一方向に積層された複数の発電セル２２を有する。各々の発電セル２２は、電解質膜・電極構造体２４（単に電極構造体２４ともいう）と、一組のセパレータ２６、２８とを有する。一組のセパレータ２６、２８は、電極構造体２４を挟持する。
電極構造体２４は、固体高分子電解質膜３０（電解質膜３０ともいう）と、アノード電極３２と、カソード電極３４とを有する。電解質膜３０は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。アノード電極３２とカソード電極３４とは、電解質膜３０を挟持する。アノード電極３２とカソード電極３４とは、カーボンペーパ等からなるガス拡散層を有する。ガス拡散層の表面に多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層が形成される。多孔質カーボン粒子の表面には、白金合金が担持される。電極触媒層は、電解質膜３０の両面に形成される。
セパレータ２６の面のうち、電極構造体２４に向けられる面には、アノード流路３６が形成される。アノード流路３６は、アノード入口１７Ａを介してアノード供給流路４０に接続される。アノード流路３６は、第１アノード出口１７Ｂを介してアノード排出流路４２に接続される。また、アノード流路３６は、第２アノード出口１７Ｃを介して第２ドレイン流路４８に接続される。第２アノード出口１７Ｃは、第１アノード出口１７Ｂより低い位置にある。セパレータ２８の面のうち、電極構造体２４に向けられる面には、カソード流路３８が形成される。カソード流路３８は、カソード入口１９Ａを介してカソード供給流路６２に接続される。カソード流路３８は、カソード出口１９Ｂを介してカソード排出流路６４に接続される。
アノード電極３２にはアノードガス（水素）が供給される。アノード電極３２では、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンと電子とが発生する。水素イオンは、電解質膜３０を透過してカソード電極３４に移動する。電子は、燃料電池スタック１２の負極端子（不図示）、モータ等の負荷、燃料電池スタック１２の正極端子（不図示）、カソード電極３４の順に移動する。カソード電極３４では、触媒の作用によって水素イオン及び電子と、供給されたエアに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
アノードシステム１６は、アノード電極３２にアノードガスを供給するための各構成と、アノード電極３２からアノードオフガスを排出するための各構成とを有する。アノードシステム１６は、アノード供給流路４０と、アノード排出流路４２と、循環流路４４と、第１ドレイン流路４６と、第２ドレイン流路４８とを有する。また、アノードシステム１６は、インジェクタ５０と、エジェクタ５２と、気液分離器５４と、第１ドレイン弁５６と、第２ドレイン弁５８（第２弁）とを有する。
アノード供給流路４０は、水素タンク１４の排出口とアノード入口１７Ａとを連通する。アノード供給流路４０には、インジェクタ５０とエジェクタ５２とが設けられる。エジェクタ５２は、インジェクタ５０よりもアノード入口１７Ａの近くに配置される。
アノード排出流路４２は、第１アノード出口１７Ｂと気液分離器５４の吸気口とを連通する。循環流路４４は、気液分離器５４の排気口とエジェクタ５２とを連通する。第１ドレイン流路４６は、気液分離器５４の排水口と希釈器６０の入口とを連通する。第１ドレイン流路４６には、第１ドレイン弁５６が設けられる。第２ドレイン流路４８は、第２アノード出口１７Ｃと、第１ドレイン流路４６のうち第１ドレイン弁５６よりも下流の部分とを連通する。第２ドレイン流路４８には、第２ドレイン弁５８が設けられる。
カソードシステム１８は、カソード電極３４にカソードガスを供給するための各構成と、カソード電極３４からカソードオフガスを排出するための各構成とを有する。カソードシステム１８は、カソード供給流路６２と、カソード排出流路６４と、バイパス流路６６とを有する。また、カソードシステム１８は、コンプレッサ６８と、加湿器７０と、第１封止弁７４と、第２封止弁７６と、バイパス弁７８とを有する。
カソード供給流路６２は、エアの吸気口（不図示）とカソード入口１９Ａとを連通する。カソード供給流路６２には、コンプレッサ６８と第１封止弁７４と加湿器７０の流路７２Ａとが設けられる。カソード供給流路６２のうち、加湿器７０よりも上流部分をカソード供給流路６２Ａとする。カソード供給流路６２のうち、加湿器７０よりも下流部分をカソード供給流路６２Ｂとする。カソード供給流路６２Ａには、コンプレッサ６８と第１封止弁７４とが設けられる。第１封止弁７４は、コンプレッサ６８よりも加湿器７０の近くに配置される。
カソード排出流路６４は、カソード出口１９Ｂと希釈器６０の入口とを連通する。カソード排出流路６４には、加湿器７０の流路７２Ｂと第２封止弁７６とが設けられる。カソード排出流路６４のうち、加湿器７０よりも上流部分をカソード排出流路６４Ａとする。カソード供給流路６２のうち、加湿器７０よりも下流部分をカソード排出流路６４Ｂとする。カソード排出流路６４Ｂには、第２封止弁７６が設けられる。
バイパス流路６６は、カソード供給流路６２Ａとカソード排出流路６４Ｂとを連通する。例えば、バイパス流路６６は、カソード供給流路６２Ａのうちコンプレッサ６８と第１封止弁７４との間の部分と、カソード排出流路６４Ｂのうち第２封止弁７６よりも下流部分とを連通する。バイパス流路６６には、バイパス弁７８が設けられる。
アノードシステム１６とカソードシステム１８とは、接続流路８０で接続される。接続流路８０は、アノードシステム１６の循環流路４４とカソードシステム１８のカソード供給流路６２Ｂとを連通する。接続流路８０には、ブリード弁８２（第１弁）が設けられる。
冷却システム２０は、燃料電池スタック１２に冷媒を供給するための各構成と、燃料電池スタック１２から冷媒を排出するための各構成とを有する。冷却システム２０は、冷媒供給流路８４と、冷媒排出流路８６とを有する。また、冷却システム２０は、冷媒ポンプ８８と、ラジエータ９０と、温度センサ９２とを有する。
燃料電池スタック１２の内部には、燃料電池スタック１２を冷却するための冷媒流路（不図示）が形成される。冷媒供給流路８４は、ラジエータ９０の出口と冷媒流路の入口とを連通する。冷媒供給流路８４には、冷媒ポンプ８８が設けられる。冷媒排出流路８６は、冷媒流路の出口とラジエータ９０の入口とを連通する。冷媒排出流路８６には、温度センサ９２が設けられる。温度センサ９２は、燃料電池スタック１２から排出される冷媒の温度を検出する。
制御装置９４は、コンピュータ（例えば車両のＥＣＵ）である。制御装置９４は、制御部９６と記憶部９８とを有する。制御部９６は、処理回路を有する。処理回路は、ＣＰＵ等のプロセッサであってもよい。処理回路は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路であってもよい。プロセッサは、記憶部９８に記憶されるプログラムを実行することによって各種の処理を実行可能である。複数の処理のうちの少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実行されてもよい。
制御部９６は、燃料電池システム１０の運転制御を行う。例えば、制御部９６は、燃料電池システム１０に設けられる各種センサから検出信号を受信する。制御部９６は、各々の検出信号に基づいて、各弁、インジェクタ５０、コンプレッサ６８、冷媒ポンプ８８等のそれぞれを制御するための制御信号を出力する。各弁、インジェクタ５０、コンプレッサ６８、冷媒ポンプ８８等は、制御信号に応じて動作する。
記憶部９８は、揮発性メモリと不揮発性メモリとを有する。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ等が挙げられる。揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用される。揮発性メモリは、処理又は演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ等が挙げられる。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用される。不揮発性メモリは、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。記憶部９８の少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられてもよい。
不揮発性メモリは、第１閾値と第２閾値とを記憶する。第１閾値は、アノード流路３６の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の閾値である。具体的には、第１閾値は、アノード流路３６の窒素の許容量である。第２閾値は、ブリード弁８２と第２ドレイン弁５８の各々の開閉を判断するための発電量の閾値である。第１閾値と第２閾値の各々は、ユーザによって予め設定される。
［２ 流体の流れ］
［２－１ アノードシステム１６における流体の流れ］
インジェクタ５０は、水素タンク１４のアノードガス（水素）を、アノード供給流路４０の下流に向けて噴射する。インジェクタ５０から噴射されたアノードガスは、アノード供給流路４０を流れてアノード流路３６に供給される。アノードガスは、アノード流路３６を流れて、アノードオフガスとして第１アノード出口１７Ｂから排出される。アノードオフガスは、酸素と反応しなかった水素と、電解質膜３０を透過したカソードガス中の窒素と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
アノードオフガスは、アノード排出流路４２を流れて気液分離器５４に供給される。気液分離器５４は、アノードオフガスをガス成分（アノードオフガス）と液体成分（水）とに分離する。気液分離器５４から排出されるアノードオフガスは、循環流路４４を流れてエジェクタ５２に供給される。エジェクタ５２において、アノードオフガスとインジェクタ５０から噴射されるアノードガスとが合流する。
気液分離器５４で分離された水は、気液分離器５４の底部で一時的に貯留される。第１ドレイン弁５６が開いた状態で、気液分離器５４に貯留される水は、第１ドレイン流路４６を流れて希釈器６０に排出される。気液分離器５４の水がなくなった状態で第１ドレイン弁５６が開くと、気液分離器５４のアノードオフガスは、第１ドレイン流路４６を流れて希釈器６０に排出される。
燃料電池スタック１２の内部が高湿度である場合、アノード流路３６の底部には水が貯留される。第２ドレイン弁５８が開いた状態で、アノード流路３６に貯留される水は、第２ドレイン流路４８及び第１ドレイン流路４６を流れて希釈器６０に排出される。アノード流路３６の水がなくなった状態で第２ドレイン弁５８が開くと、アノード流路３６のアノードオフガスは、第２ドレイン流路４８及び第１ドレイン流路４６を流れて希釈器６０に排出される。
［２－２ カソードシステム１８における流体の流れ］
コンプレッサ６８は、車両の外部から吸入したカソードガス（エア）を、カソード供給流路６２の下流に向けて吐出する。第１封止弁７４が開いた状態で、コンプレッサ６８から吐出されたカソードガスは、カソード供給流路６２を流れてカソード流路３８に供給される。カソードガスは、カソード流路３８を流れて、カソードオフガスとしてカソード出口１９Ｂから排出される。カソードオフガスは、エアに含まれる各成分と、酸素と水素との反応によって生成された水分とを含む。
第２封止弁７６が開いた状態で、カソードオフガスは、カソード排出流路６４を流れて希釈器６０に排出される。カソードオフガスは、水分を含む。加湿器７０において、カソードオフガスの水分は、カソードガスを加湿するために使用される。
バイパス弁７８が開いた状態で、カソードガスは、バイパス流路６６及びカソード排出流路６４を流れて希釈器６０に排出される。バイパス流路６６は、燃料電池スタック１２へのカソードガスの供給量を減少させる場合に使用される。
［２－３ 接続流路８０における流体の流れ］
ブリード弁８２が開いた状態で、循環流路４４を流れるアノードオフガスの一部は、接続流路８０を流れてカソード供給流路６２Ｂに供給される。但し、ブリード弁８２が開けられるのは、アノード流路３６の圧力がカソード流路３８の圧力よりも高い場合に限られる。
［３ ブリード弁８２を開弁する理由］
制御部９６は、アノード流路３６の水素濃度の低下を抑制し、水素濃度を一定以上に保持する。アノード流路３６の水素濃度が低下する要因としては、下記（ａ）、（ｂ）が考えられる。
（ａ）燃料電池スタック１２の発電によってアノード流路３６の水素が消費される。
（ｂ）カソードガスに含まれる窒素が電解質膜３０を透過してアノード流路３６に浸入することによって、アノード流路３６の窒素濃度が相対的に増加する。
上記（ａ）の要因に対して、制御部９６は、インジェクタ５０を制御する。これにより、アノード流路３６の水素量が増加し、アノード流路３６の水素濃度は増加する。上記（ｂ）の要因に対して、制御部９６は、第２ドレイン弁５８又はブリード弁８２を開ける。これにより、窒素を含むアノードオフガスがアノード流路３６から排出される。アノード流路３６には、アノードガスとしての水素が適宜供給される。このため、アノード流路３６の水素濃度は相対的に増加する。
下記理由から、第２ドレイン弁５８が開けられるよりも、ブリード弁８２が開けられる方が好ましい。第２ドレイン弁５８が開かれると、アノード流路３６から排出されるアノードオフガスは、第２ドレイン流路４８を流れて希釈器６０に直接排出される。この場合、希釈器６０において、アノードオフガス中の水素を希釈するために多くのエアが必要とされる。このため、コンプレッサ６８の消費電力が大きくなる。一方、ブリード弁８２が開かれると、アノード流路３６から排出されるアノードオフガスは、アノード排出流路４２、気液分離器５４、循環流路４４、接続流路８０、カソード供給流路６２Ｂ、カソード流路３８、カソード排出流路６４の順に流れて、希釈器６０に排出される。この場合、アノードオフガス中の水素は燃料電池スタック１２の内部で触媒作用により消費される。従って、希釈器６０でアノードオフガス中の水素を希釈するために多くのエアは必要ない。このため、コンプレッサ６８の消費電力は抑制される。燃費向上という観点では、アノードオフガスは、接続流路８０を介してカソード供給流路６２Ｂに供給されることが好ましい。
但し、接続流路８０は、アノード流路３６からカソード供給流路６２Ｂに排出できる窒素の排出速度が、アノード流路３６における窒素の増加速度を上回るときにのみ使用可能である。アノード流路３６における窒素の増加速度は、カソード圧力、冷却システム２０の冷媒温度、電解質膜３０の湿度等に依存する。これらは、燃料電池スタック１２の発電電流に基づいて決定される。燃料電池スタック１２の発電電流は、制御部９６で使用する目標発電量によって決まる。つまり、アノード流路３６における窒素の増加速度と目標発電量とには相関がある。このため、制御部９６は、目標発電量に基づいて、第２ドレイン弁５８とブリード弁８２のいずれかを開けるかを決定する。
［４ 第２ドレイン弁５８とブリード弁８２の弁制御処理］
図２は、弁制御処理のフローチャートである。制御部９６は、燃料電池システム１０の動作中に、図２で示される弁制御処理を繰り返し行う。
ステップＳ１において、制御部９６は、アノード流路３６の窒素量を推定する。カソード流路３８からアノード流路３６に透過した窒素量（透過窒素量）は、アノード流路３６とカソード流路３８との窒素分圧差に窒素透過係数を乗算することによって算出可能である。燃料電池スタック１２の内部の温度と窒素透過係数とには相関がある。また、燃料電池スタック１２の内部の湿度と窒素透過係数とには相関がある。制御部９６は、例えば、燃料電池スタック１２の内部の湿度が１００％になるように、燃料電池システム１０の各構成を制御する。この場合、窒素透過係数は、燃料電池スタック１２の内部の温度に基づいて推定可能である。本実施形態では、制御部９６は、温度センサ９２によって検出された冷媒の温度に基づいて、燃料電池スタック１２の内部の温度を演算する。更に、制御部９６は、燃料電池スタック１２の内部の温度に基づいて、アノード流路３６の窒素量を推定する。各種の推定方法は、記憶部９８に記憶されている。なお、燃料電池スタック１２の内部の温度は、カソード排出流路６４を流れるカソードオフガスの温度、又は、アノード排出流路４２を流れるアノードオフガスの温度からも演算可能である。また、燃料電池スタック１２の内部の温度は、温度センサ等で直接検出することも可能である。ステップＳ１が終了すると、処理はステップＳ２に移行する。
ステップＳ２において、制御部９６は、推定した窒素量に基づいて、アノード流路３６から窒素を排出する必要があるか否かを判定する。具体的には、制御部９６は、推定された窒素量と記憶部９８に記憶される第１閾値とを比較する（第１比較）。窒素量が第１閾値を上回る場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、処理はステップＳ３に移行する。この場合、制御部９６は、アノード流路３６から窒素を排出する必要があると判定する。一方、窒素量が第１閾値以下である場合（ステップＳ２：ＮＯ）、処理はステップＳ７に移行する。この場合、制御部９６は、アノード流路３６から窒素を排出する必要がないと判定する。なお、窒素量が第１閾値と等しい場合に、処理がステップＳ３に移行してもよい。
ステップＳ２からステップＳ３に移行すると、制御部９６は、目標発電量を取得する。上述したように、目標発電量は、第２ドレイン弁５８とブリード弁８２のいずれを開けるかを決定する判定材料である。燃料電池システム１０の動作中に、制御部９６は、目標発電量を算出し、燃料電池スタック１２の発電量が目標発電量となるように各構成を制御する。制御部９６は、燃料電池スタック１２の発電量を制御するために算出した目標発電量を使用する。ステップＳ３が終了すると、処理はステップＳ４に移行する。
ステップＳ４において、制御部９６は、第２ドレイン弁５８とブリード弁８２のいずれかを開弁すべきかを判定する。具体的には、制御部９６は、ステップＳ３で取得した目標発電量と記憶部９８に記憶される第２閾値とを比較する（第２比較）。目標発電量が第２閾値を下回る場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、処理はステップＳ５に移行する。一方、目標発電量が第２閾値以上である場合（ステップＳ４：ＮＯ）、処理はステップＳ６に移行する。なお、目標発電量が第２閾値と等しい場合に、処理がステップＳ５に移行してもよい。
ステップＳ４からステップＳ５に移行すると、制御部９６は、ブリード弁８２を開弁状態とし、第２ドレイン弁５８を閉弁状態とする。ブリード弁８２が既に開いている場合、制御部９６は、ブリード弁８２の状態を維持する。一方、ブリード弁８２が閉じている場合、制御部９６は、ブリード弁８２を開ける。第２ドレイン弁５８が既に閉じている場合、制御部９６は、第２ドレイン弁５８の状態を維持する。一方、第２ドレイン弁５８が開いている場合、制御部９６は、第２ドレイン弁５８を閉じる。アノードオフガスの一部は、アノード排出流路４２、気液分離器５４、循環流路４４、接続流路８０、カソード供給流路６２Ｂ、カソード流路３８、カソード排出流路６４の順に流れて、希釈器６０に排出される。
ステップＳ４からステップＳ６に移行すると、制御部９６は、ブリード弁８２を閉弁状態とし、第２ドレイン弁５８を開弁状態とする。ブリード弁８２が既に閉じている場合、制御部９６は、ブリード弁８２の状態を維持する。一方、ブリード弁８２が開いている場合、制御部９６は、ブリード弁８２を閉じる。第２ドレイン弁５８が既に開いている場合、制御部９６は、第２ドレイン弁５８の状態を維持する。一方、第２ドレイン弁５８が閉じている場合、制御部９６は、第２ドレイン弁５８を開ける。アノードオフガスの一部は、第２ドレイン流路４８を流れて希釈器６０に直接排出される。
ステップＳ２からステップＳ７に移行すると、制御部９６は、ブリード弁８２と第２ドレイン弁５８とを共に閉弁状態とする。ブリード弁８２が既に閉じている場合、制御部９６は、ブリード弁８２の状態を維持する。一方、ブリード弁８２が開いている場合、制御部９６は、ブリード弁８２を閉じる。第２ドレイン弁５８が既に閉じている場合、制御部９６は、第２ドレイン弁５８の状態を維持する。一方、第２ドレイン弁５８が開いている場合、制御部９６は、第２ドレイン弁５８を閉じる。アノードオフガスは、アノード排出流路４２、気液分離器５４、循環流路４４、エジェクタ５２の順に流れ、アノード供給流路４０に戻される。
［５ 実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
本発明の第１態様は、アノード流路（３６）のアノードガスとカソード流路（３８）のカソードガスとにより発電する燃料電池スタック（１２）と、前記アノードガスを前記アノード流路に供給するアノード供給流路（４０）と、前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路（６２）と、前記アノード流路から排出される排出流体を前記アノード供給流路に供給する循環流路（４４）と、前記アノード流路から排出される前記排出流体を前記カソード供給流路に供給する接続流路（８０）と、前記アノード流路から外部に前記排出流体を排出する排出流路（４８）と、前記接続流路を開閉する第１弁（８２）と、前記排出流路を開閉する第２弁（５８）と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を制御する制御部（９６）と、を備える燃料電池システム（１０）である。燃料電池システムは、前記アノード流路の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の第１閾値と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を判断するための発電量の第２閾値とを記憶する記憶部（９８）を更に備える。前記制御部は、前記アノード流路における前記窒素量を推定し、推定した前記窒素量と前記第１閾値とを比較する第１比較を行い、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回る場合に、前記燃料電池スタックの発電量の目標値である目標発電量と前記第２閾値とを比較する第２比較を行い、前記第１比較の結果と前記第２比較の結果とに基づいて前記第１弁の開閉と前記第２弁の開閉とを制御する。
第１態様は、第１比較（ステップＳ２）と第２比較（ステップＳ４）とを行うことによって、第１弁（ブリード弁８２）の開閉と第２弁（第２ドレイン弁５８）の開閉とを適切なタイミングで行う。適切なタイミングで第１弁又は第２弁が開けられることにより、アノード流路３６から窒素を含むアノードオフガスが排出される。また、適切なタイミングで第１弁及び第２弁が閉じられることにより、アノード流路３６から必要以上にアノードオフガスが排出されることはない。そして、第１態様は、延いてはエネルギーの効率化に寄与する。
第１態様によれば、アノードオフガスは、適切にカソード供給流路６２Ｂに供給される。カソード供給流路６２Ｂからカソード流路３８に供給される水素の一部は、燃料電池スタック１２で触媒作用によって消費される。このため、水素の排出量は減り、コンプレッサ６８の動作も少なくなる。また、第１態様によれば、アノードオフガスは、適切に外部に排出される。このため、アノード流路３６の窒素量は低下する。以上から、第１態様によれば、燃料電池システム１０の燃費向上と、アノード流路３６の水素濃度維持とを両立することができる。
また、第１態様によれば、燃料電池スタック１２の発電が安定する。また、第１態様によれば、水素欠乏によるアノード電極３２の劣化を防止することができる。
上記態様において、前記制御部は、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を下回る場合に、前記第１弁及び前記第２弁を閉じ、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回り、且つ、前記第２比較において、前記目標発電量が前記第２閾値を下回る場合に、前記第１弁を開け且つ前記第２弁を閉じてもよい。
上記構成によれば、アノードオフガスは、適切にカソード供給流路６２Ｂに供給されるため、燃料電池システム１０の燃費が向上する。
上記態様において、前記制御部は、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を下回る場合に、前記第１弁及び前記第２弁を閉じ、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回り、且つ、前記第２比較において、前記目標発電量が前記第２閾値を上回る場合に、前記第２弁を開け且つ前記第１弁を閉じてもよい。
上記構成によれば、第１弁（ブリード弁８２）が開けられない状態であっても、第２弁（第２ドレイン弁５８）が開けられてアノードオフガスが外部に排出される。このため、上記構成によれば、アノード流路３６の水素濃度の低下が抑制される。
上記態様において、前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度を計測又は推定し、前記燃料電池スタックの温度に基づいて前記窒素量を推定してもよい。
本発明の第２態様は、アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記アノードガスを前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、前記アノード流路から排出される排出流体を前記アノード供給流路に供給する循環流路と、前記アノード流路から排出される前記排出流体を前記カソード供給流路に供給する接続流路と、前記アノード流路から外部に前記排出流体を排出する排出流路と、前記接続流路を開閉する第１弁と、前記排出流路を開閉する第２弁と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を制御するコンピュータ（９４）と、を備える燃料電池システムの弁制御方法である。前記コンピュータは、前記アノード流路の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の第１閾値と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を判断するための発電量の第２閾値とを記憶し、前記アノード流路における前記窒素量を推定し、推定した前記窒素量と前記第１閾値とを比較する第１比較を行い、前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回る場合に、前記燃料電池スタックの発電量の目標値である目標発電量と前記第２閾値とを比較する第２比較を行い、前記第１比較の結果と前記第２比較の結果とに基づいて前記第１弁の開閉と前記第２弁の開閉とを制御する。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
３６…アノード流路 ３８…カソード流路
４０…アノード供給流路 ４４…循環流路
４８…第２ドレイン流路（排出流路） ５８…第２ドレイン弁（第２弁）
６２…カソード供給流路 ８０…接続流路
８２…ブリード弁（第１弁） ９４…制御装置（コンピュータ）
９６…制御部 ９８…記憶部

Claims (5)

  1. アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、
    前記アノードガスを前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
    前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
    前記アノード流路から排出される排出流体を前記アノード供給流路に供給する循環流路と、
    前記アノード流路から排出される前記排出流体を前記カソード供給流路に供給する接続流路と、
    前記アノード流路から外部に前記排出流体を排出する排出流路と、
    前記接続流路を開閉する第１弁と、
    前記排出流路を開閉する第２弁と、
    前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を制御する制御部と、
    を備える燃料電池システムであって、
    前記アノード流路の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の第１閾値と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を判断するための発電量の第２閾値とを記憶する記憶部を更に備え、
    前記制御部は、
    前記アノード流路における前記窒素量を推定し、
    推定した前記窒素量と前記第１閾値とを比較する第１比較を行い、
    前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回る場合に、前記燃料電池スタックの発電量の目標値である目標発電量と前記第２閾値とを比較する第２比較を行い、
    前記第１比較の結果と前記第２比較の結果とに基づいて前記第１弁の開閉と前記第２弁の開閉とを制御する、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を下回る場合に、前記第１弁及び前記第２弁を閉じ、
    前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回り、且つ、前記第２比較において、前記目標発電量が前記第２閾値を下回る場合に、前記第１弁を開け且つ前記第２弁を閉じる、燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を下回る場合に、前記第１弁及び前記第２弁を閉じ、
    前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回り、且つ、前記第２比較において、前記目標発電量が前記第２閾値を上回る場合に、前記第２弁を開け且つ前記第１弁を閉じる、燃料電池システム。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の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の温度を計測又は推定し、前記燃料電池スタックの温度に基づいて前記窒素量を推定する、燃料電池システム。
  5. アノード流路のアノードガスとカソード流路のカソードガスとにより発電する燃料電池スタックと、
    前記アノードガスを前記アノード流路に供給するアノード供給流路と、
    前記カソードガスを前記カソード流路に供給するカソード供給流路と、
    前記アノード流路から排出される排出流体を前記アノード供給流路に供給する循環流路と、
    前記アノード流路から排出される前記排出流体を前記カソード供給流路に供給する接続流路と、
    前記アノード流路から外部に前記排出流体を排出する排出流路と、
    前記接続流路を開閉する第１弁と、
    前記排出流路を開閉する第２弁と、
    前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を制御するコンピュータと、
    を備える燃料電池システムの弁制御方法であって、
    前記コンピュータは、
    前記アノード流路の窒素を低減するための制御を行うか否かを判断するための窒素量の第１閾値と、前記第１弁と前記第２弁の各々の開閉を判断するための発電量の第２閾値とを記憶し、
    前記アノード流路における前記窒素量を推定し、
    推定した前記窒素量と前記第１閾値とを比較する第１比較を行い、
    前記第１比較において、前記窒素量が前記第１閾値を上回る場合に、前記燃料電池スタックの発電量の目標値である目標発電量と前記第２閾値とを比較する第２比較を行い、
    前記第１比較の結果と前記第２比較の結果とに基づいて前記第１弁の開閉と前記第２弁の開閉とを制御する、燃料電池システムの弁制御方法。
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