WO2014087983A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

　アノードガスとカソードガスとが供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されたアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路と、アノードオフガス流路に設けられるパージ弁と、燃料電池が発電運転を停止する場合にパージ弁を所定回数開閉する停止パージ制御を実行するパージ制御部と、を備える。

Description

燃料電池システム

　本発明は、燃料電池システムに関する。

　ＪＰ２００８－４３２０Ａには、アノードオフガスをバッファタンクに溜めるとともに、パージ弁を所定タイミングで開いて水分をパージする燃料電池システムが開示されている。

　ところで、冬季等に車両が放置された場合には、パージ弁内において水分が凍結する可能性がある。このような状態で燃料電池システムが起動されると、パージ弁が正常に動作しないおそれがある。この場合には、システム起動時等に十分なパージ動作を実行することができず、起動時間が長くなってしまう。

　本発明の目的は、パージ弁に残留する水分量を低減可能な燃料電池システムを提供することである。

　本発明のある態様によれば、アノードガスとカソードガスとが供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、燃料電池から排出されたアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路と、アノードオフガス流路に設けられるパージ弁と、を備える。さらに、燃料電池システムは、燃料電池が発電運転を停止する場合に、パージ弁を所定回数開閉する停止パージ制御を実行するパージ制御部を備える。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、燃料電池システムに設けられるパージ弁の縦断面図である。 図３は、燃料電池システムのコントローラが実行するシステム停止制御を示すフローチャートである。 図４は、コントローラが実行するパージ弁水抜き操作制御を示すフローチャートである。 図５は、パージ弁水抜き操作制御実行時におけるパージ弁の動作の一例を示すタイミングチャートである。 図６は、パージ弁水抜き操作制御実行時におけるパージ弁の動作の一例を示すタイミングチャートである。

　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

　図１に示すように、本実施形態による燃料電池システム１は、アノードデッドエンドタイプの燃料電池システムである。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１００を備える。燃料電池スタック１００は、所定数（例えば数百枚）の単セルを積層した積層体として構成されている。単セル積層体の両端は、一対のエンドプレート１１０によって挟持されている。

　燃料電池スタック１００には、アノードガス流路２１０と、２系統のアノードオフガス流路２２０と、カソードガス流路３１０と、カソードオフガス流路３２０と、冷却水流路４００と、が接続される。

　アノードガス流路２１０は、アノードガス（水素ガス）を流す流路である。アノードガス流路２１０の上流端は水素タンク２１１に接続され、アノードガス流路２１０の下流端は燃料電池スタック１００のアノード入口部に接続される。アノードガス流路２１０には、水素タンク２１１、アノード調圧弁２１２、及び遮断弁２１３が設けられる。

　水素タンク２１１は、アノードガスを高圧状態で貯蔵する高圧容器である。水素タンク２１１は、アノードガス流路２１０の上流端に配置される。水素タンク２１１のアノードガス流路２１０の接続部分には、主止弁２１１Ａが設置されている。主止弁２１１Ａは開閉弁であって、主止弁２１１Ａの開閉状態は燃料電池システム１に設けられるコントローラ１０によって制御される。

　アノード調圧弁２１２は、水素タンク２１１の下流のアノードガス流路２１０に配置される。アノード調圧弁２１２は、水素タンク２１１から供給されるアノードガスの圧力を調整する。アノードガス圧力は、アノード調圧弁２１２の開度によって調整される。アノード調圧弁２１２の開度は、コントローラ１０によって制御される。燃料電池スタック１００の暖機後から発電停止指令が出力されるまでの通常運転時には、アノードガス圧力は燃料電池スタック１００の目標出力に基づいて設定される。

　遮断弁２１３は、水素タンク２１１とアノード調圧弁２１２の間におけるアノードガス流路２１０に配置される。遮断弁２１３は開閉弁であって、遮断弁２１３の開閉状態はコントローラ１０によって制御される。

　なお、主止弁２１１Ａの下流側の圧力及び遮断弁２１３の上流側の圧力は、圧力センサ１１によって検出される。また、アノード調圧弁２１２の上流側の圧力は圧力センサ１２によって検出され、アノード調圧弁２１２の下流側の圧力は圧力センサ１３によって検出される。

　燃料電池システム１では、アノードオフガス流路２２０は２系統設けられる。アノードオフガス流路２２０は、燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスを流す流路である。一方のアノードオフガス流路２２０の上流端は、一方のエンドプレート１１０のアノード排出部に接続される。他方のアノードオフガス流路２２０の上流端は、他方のエンドプレート１１０のアノード排出部に接続される。各アノードオフガス流路２２０には、それぞれパージ弁２３０が設けられている。

　パージ弁２３０は、基本的には閉じられており、通常運転中の所定パージタイミング（運転中パージ制御実行時）において開弁される。

　パージ弁２３０よりも上流の２つのアノードオフガス流路２２０は、連結流路によって連結されている。この連結流路には、バッファタンク２４０が設置されている。バッファタンク２４０は、燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスを蓄える容器である。

　カソードガス流路３１０は、カソードガス（空気）を流す流路である。カソードガス流路３１０の上流端はカソードコンプレッサ３１１に接続され、カソードガス流路３１０の下流端は燃料電池スタック１００のカソード入口部に接続される。カソードコンプレッサ３１１は、燃料電池スタック１００にカソードガスを供給する。

　カソードオフガス流路３２０は、燃料電池スタック１００から排出されたカソードオフガスを流す流路である。カソードオフガス流路３２０には、カソード調圧弁３２１が設置される。カソード調圧弁３２１は、燃料電池スタック１００に供給されるカソードガスの圧力を調整する。カソードガス圧力は、カソード調圧弁３２１の開度によって調整される。カソード調圧弁３２１の開度は、コントローラ１０によって制御される。カソードオフガス流路３２０の下流端は、パージ弁２３０よりも下流側のアノードオフガス流路２２０に接続している。カソード調圧弁３２１が開かれると、カソードオフガスによってアノードオフガスが希釈されて外部に放出される。

　コントローラ１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１０は、燃料電池スタック１００のの運転状態等に応じて各種弁２１１Ａ，２１２，２１３，２３０，３２１を制御する。コントローラ１０は、パージ弁２３０の開閉状態を制御するパージ制御部、及び燃料電池スタック１００に供給されるアノードガスの圧力を設定する圧力設定部として機能する。

　発明者らは、アノードガスの消費効率を高めるために、アノードデッドエンドタイプの燃料電池システム１を開発している。アノードデッドエンドタイプの燃料電池システム１では、パージ弁２３０は通常閉弁されている。この状態で、アノード調圧弁２１２が開閉され、アノードガスが燃料電池スタック１００に脈動供給される。燃料電池スタック１００は、アノード電極に供給されるアノードガス（燃料ガス）及びカソード電極に供給されるカソードガス（酸化剤ガス）を用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電気化学反応は、以下の通りである。

　アノード調圧弁２１２が閉弁されている状態で上記反応が進行すると、アノードガスが消費されて、アノードガス圧力が低下する。アノードガス圧力が所定値まで低下したタイミングでアノード調圧弁２１２が開弁され、アノードガスが燃料電池スタック１００に供給される。このようにアノード調圧弁２１２を開閉し、アノードガスの供給と供給停止とを繰り返すことによって、高い燃料消費効率で燃料電池システム１を運転することが可能となる。

　ところで、燃料電池スタック１００では、カソード電極で生成された水分（Ｈ２Ｏ）の一部が電解質膜を透過してアノード側にリークする。また、燃料電池スタック１００では、カソードガスに含まれる窒素の一部も、電解質膜を透過してアノード側にリークする。したがって、アノードオフガスは、未反応の水素ガスと、水分及び窒素等の不純物等とを含む混合ガスである。

　アノードオフガスに含まれる窒素は、バッファタンク２４０内に蓄えられる。バッファタンク２４０に蓄えられた窒素が燃料電池スタック１００に逆流してしまうと、燃料電池スタック１００内の水素の分圧が低下するため、発電反応が阻害される。そこで、燃料電池システム１では、アノードオフガスに含まれる窒素や水分等の不純物を除去するために、所定タイミングでパージ弁２３０が開かれる。例えば、燃料電池スタック１００内の不純物（窒素や水分等）の量を発電電力や温度に基づいて演算し、この不純物量に基づく燃料電池スタック内の不純物濃度が所定目標濃度まで低下するようにパージ弁２３０を開弁する。これにより、アノード系内に存在する窒素や水分等の不純物を外部に排出することができる。このように燃料電池システム１では、燃料電池スタック１００内の水素分圧を確保するため、燃料電池スタック１００の発電運転時にアノードオフガス中の不純物量に基づいてパージ弁２３０が所定時間だけ開弁される（運転中パージ制御）。

　ところで、パージ弁２３０内に水分が残存している場合には、低温環境下においてパージ弁２３０内の水分が凍結する。その結果、パージ弁２３０の開閉動作が正常に行われず、パージ制御が阻害されるおそれがある。そのため、本実施形態による燃料電池システム１のパージ弁２３０は、水分が残留しにくい構造となっている。

　図２は、パージ弁２３０の縦断面図である。

　図２に示すように、パージ弁２３０は、バルブ本体としてのハウジング２３と、弁体２３５と、を備える。

　ハウジング２３には、入口流路２３１と、出口流路２３２と、中間流路２３３と、が形成される。入口流路２３１は、ハウジング２３の下部に形成される。入口流路２３１には、上流側アノードオフガス流路２２１が接続される。

　出口流路２３２は、ハウジング２３の上部に形成される。出口流路２３２には、下流側アノードオフガス流路２２２が接続される。

　中間流路２３３は、入口流路２３１と出口流路２３２とを連結する。中間流路２３３は、上下方向（鉛直方向）に延在する直線状通路である。中間流路２３３の上端面が、弁体２３５に対する座面２３４となっている。つまり、座面２３４は中間流路２３３と出口流路２３２との境に配置されており、弁体２３５は座面２３４に対して当接又は離間するように構成されている。このように、弁体２３５は、入口流路２３１、中間流路２３３、出口流路２３２の連通状態を調整する部材として機能する。

　弁体２３５が上昇して座面２３４から離れると、３つの流路２３１，２３２，２３３が連通状態となる。この場合には、アノードオフガスが、上流側アノードオフガス流路２２１から入口流路２３１に流入し、中間流路２３３を通じて出口流路２３２に導かれる。そして、アノードオフガスは、出口流路２３２の出口端から下流側アノードオフガス流路２２２に排出される。

　パージ弁２３０では、座面２３４（弁体２３５と中間流路２３３の上端との当接部分）が重力方向において高い位置に設けられるため、座面２３４に水分が残留しにくい。そのため、低温環境下においてもパージ弁２３０の動作が阻害されにくい。

　なお、中間流路２３３の内径は、入口流路２３１や出口流路２３２の内径に比べて小径となっている。このようにすれば、中間流路２３３を流れるアノードオフガスの流速が十分に速くなり、中間流路２３３内の水分を重力に逆らって上昇させることが可能となる。

　しかしながら、中間流路２３３が細径であれば、流路面（内面）に水分が付着して残留する可能性がある。流路面に付着した水分が凍結した状態では、システム起動時等において十分な起動パージを実行できず、起動時間が長くなることがある。

　そこで、燃料電池システム１では、パージ弁２３０内に水分が残留しにくくなるように、燃料電池システム１の停止時にパージ弁水抜き操作制御（停止パージ制御）が実行される。

　図３は、燃料電池システム１を停止する際に実行されるシステム停止制御を示すフローチャートである。

　コントローラ１０は、イグニッションオフ（スタータスイッチオフ）の操作がなされた場合に、図３のシステム停止制御（パワープラント停止処理）を実行する。

　ステップ１（Ｓ１）では、コントローラ１０は、アノード調圧弁２１２を制御することでアノードガス圧力を弁診断用の所定圧力値まで低下させる。このようにして弁診断準備が完了した後、コントローラ１０は、Ｓ２においてアノード系に設けられる弁の診断を実行する必要があるか否かを判定する。

　主止弁２１１Ａ下流側の圧力センサ１１によって検出されるアノードガス圧力が所定の高圧値以上である場合には、コントローラ１０は、弁診断が可能であると判定すし、Ｓ３において遮断弁２１３の診断を実行する。一方、圧力センサ１１によって検出されるアノードガス圧力が所定の高圧値より小さい場合には、コントローラ１０は、弁診断を実行せずに、Ｓ７の処理を実行する。

　Ｓ３では、コントローラ１０は、遮断弁２１３の診断を実行する。遮断弁診断は、遮断弁２１３を所定時間閉じた時の、遮断弁２１３の前後差圧に基づいて行われる。遮断弁２１３の前後差圧は、圧力センサ１１，１２の検出値に基づいて算出される。

　Ｓ４において、コントローラ１０は、前後差圧が基準値よりも小さい場合に遮断弁２１３に異常があると判定する。この場合には、コントローラ１０は、運転者等への異常報知やシステム運転の強制停止等のフェイル処理を実行する。前後差圧が基準値以上である場合には、コントローラ１０は、遮断弁２１３は正常であると判定し、遮断弁２１３を開弁した後にＳ５の処理を実行する。

　Ｓ５では、コントローラ１０は、アノード調圧弁２１２を閉弁する。なお、アノード調圧弁２１２を閉じてから所定時間経過後に、アノード調圧弁診断を実行することができる。例えば、アノード調圧弁診断は、アノード調圧弁２１２の前後差圧に基づいて行われる。アノード調圧弁２１２の前後差圧は、圧力センサ１２，１３の検出値に基づいて算出される。

　Ｓ６では、コントローラ１０は、主止弁２１１Ａの診断を実行する。主止弁診断は、主止弁２１１Ａを閉じてから所定時間経過後の主止弁下流側圧力に基づいて判定される。主止弁下流側圧力は、圧力センサ１１によって検出される。主止弁２１１Ａに異常があると判定された場合には、コントローラ１０は運転者等への異常報知やシステム運転の強制停止等のフェイル処理を実行する。主止弁２１１Ａが正常であると判定された場合には、コントローラ１０はＳ７の処理を実行する。

　Ｓ７において、コントローラ１０は、パージ弁水抜き操作制御のため、アノード調圧弁２１２やカソード調圧弁３２１の開度、カソードコンプレッサ３１１の動作を制御する。そして、Ｓ８において、コントローラ１０は、カソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス圧力が水抜き操作制御条件を満たす値となるまで待機する。水抜き操作制御条件が成立した場合、コントローラ１０はＳ９においてパージ弁水抜き操作制御を実行する。パージ弁水抜き操作制御（停止パージ制御）の詳細については、図４を参照して後述する。

　パージ弁水抜き操作制御終了後、コントローラ１０は、Ｓ１０～Ｓ１４に示す停止ＶＬＣ（Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｌｉｍｉｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）を実行する。停止ＶＬＣは、カソードガスの供給を停止した後に、アノードガスのみを供給して発電を実施することで燃料電池スタック１００内のカソードガスを消費し、スタック出力電圧を制限電圧まで低下させる処理である。これにより、スタック出力電圧が高い状態のまま燃料電池システム１が停止されたことによって生じる燃料電池の触媒の劣化を防止することができる。

　Ｓ１０では、コントローラ１０は、停止ＶＬＣ制御のための準備（前処理）を実行する。コントローラ１０は、アノード調圧弁２１２を所定開度に設定し、カソード調圧弁３２１を閉弁する。

　Ｓ１１では、コントローラ１０は、燃料電池スタック１００から車両に搭載されたバッテリに電力を供給し、燃料電池スタック１００からバッテリへの電荷消費量を積算する。電荷消費量積算値とカソードガスの消費量との間には相関があるので、停止ＶＬＣ中の電荷消費量積算値に基づいて停止ＶＬＣの終了タイミングを判定することができる。

　Ｓ１２及びＳ１３では、コントローラ１０は、停止ＶＬＣ中の電荷消費量積算値に基づいて停止ＶＬＣ終了してもよいと判定された場合に、燃料電池スタック１００から電流の取り出しを停止する。なお、コントローラ１０は、スタック総電圧が所定電圧以下になった場合に燃料電池スタック１００から電流の取り出しを停止するように構成されてもよい。

　Ｓ１４では、コントローラ１０は、アノード系における各種弁２１１Ａ，２１２，２１３を閉弁して、停止ＶＬＣを終了する。

　停止ＶＬＣ処理後から所定時間経過し、カソードコンプレッサ３１１の回転数が停止し、スタック電流の取り出しが停止し、かつＰＭ（ＰｏｗｅｒＭａｎａｇｅｒ）動作モードの切替準備が完了した場合に、コントローラ１０はＳ１５の処理を実行する。Ｓ１５では、コントローラ１０は、カソード調圧弁３２１の全開／全閉位置の学習を開始し、ＰＭモード切替制御を実行する。

　Ｓ１５の処理後、ＰＭモードへの切り替えが完了し、かつＰＭスタック端電圧がスタック総電圧と所定値αとの加算値以上である場合に、コントローラ１０はＳ１６の処理を実行する。Ｓ１６では、コントローラ１０はスタックジャンクションボックス（スタックＪＢ）を遮断する。これにより、燃料電池スタック１００と電動モータとの接続が機械的に遮断される。

　Ｓ１６の処理後から所定時間経過し、かつ冷却ポンプの回転が停止している場合に、コントローラ１０はＳ１７においてポンプリレーを遮断する。そして、カソードバイパス弁初期化完了、かつカソード圧弁学習制御完了後に、コントローラ１０はＳ１７においてパワープラント停止処理を終了する。その後、コントローラ１０は、強電システム停止シーケンス処理を実行する。

　次に、図４を参照して、図３のＳ９で実行されるパージ弁水抜き操作制御（停止パージ制御）について説明する

　ステップ９０１（Ｓ９０１）では、コントローラ１０は、２つのパージ弁２３０を全閉状態に制御するとともに、閉弁時間タイマをスタートする。Ｓ９０２では、コントローラ１０は、閉弁時間が所定時間に到達すまで待機する。

　閉弁時間が所定時間以上になった場合、Ｓ９０３においてコントローラ１０は一方のパージ弁２３０を開弁し、開弁時間タイマをスタートする。Ｓ９０４では、コントローラ１０は、開弁時間が所定時間Ａに到達するまで待機する。この所定時間Ａは、運転中パージ制御でのパージ弁２３０の開弁時間よりも短い時間に設定されている。運転中パージ制御における開弁時間は数秒であるが、停止パージ制御の実行は数秒もかからない。したがって、停止パージ制御のＳ９０４の判定に用いられる所定時間Ａは、運転中パージ制御における開弁時間に比べて大幅に短い。

　一方のパージ弁２３０の開弁時間が所定時間Ａ以上になった場合には、コントローラ１０は、Ｓ９０５において一方のパージ弁２３０を全閉状態に制御し、閉弁時間タイマをスタートする。Ｓ９０６では、コントローラ１０は、閉弁時間が所定時間Ｂに到達するまで待機する。

　一方のパージ弁２３０の閉弁時間が所定時間Ｂ以上になった場合には、コントローラ１０は、Ｓ９０７において一方のパージ弁２３０の開閉回数をインクリメントする。開閉回数が所定回数よりも小さい場合には、コントローラ１０は、Ｓ９０３～Ｓ９０８の処理を繰り返し実行する。

　Ｓ９０８で開閉回数が所定回数以上になったと判定された場合には、コントローラ１０は、Ｓ９０９において他方のパージ弁２３０を開弁し、開弁時間タイマをスタートする。この時、一方のパージ弁２３０は全閉状態に制御されている。

　Ｓ９１０では、コントローラ１０は、他方のパージ弁２３０の開弁時間が所定時間Ａに到達するまで待機する。開弁時間が所定時間Ａ以上になった場合には、コントローラ１０は、Ｓ９１１において他方のパージ弁２３０を全閉状態に制御するとともに、閉弁時間タイマをスタートする。

　Ｓ９１２では、コントローラ１０は、他方のパージ弁２３０の閉弁時間が所定時間Ｂに到達するまで待機する。他方のパージ弁２３０の閉弁時間が所定時間Ｂ以上になった場合には、コントローラ１０は、Ｓ９１３において他方のパージ弁２３０の開閉回数をインクリメントする。開閉回数が所定回数よりも小さい場合には、コントローラ１０は、Ｓ９０９～Ｓ９１４の処理を繰り返し実行する。

　他方のパージ弁２３０の開閉回数が所定回数となった場合に、コントローラ１０はパージ弁水抜き操作制御（停止パージ制御）を終了する。本制御の終了時点では、２つのパージ弁２３０は全閉状態となっている。

　図５は、パージ弁水抜き操作制御が実行された時のパージ弁２３０の動作を示すタイミングチャートである。

　図５に示すように、パージ弁水抜き操作制御が実行される場合には、一方のパージ弁２３０には所定時間Ａの開弁指令と所定時間Ｂの閉弁指令とが交互に与えられ、パージ弁２３０の開閉が所定回数実行される。この時、他方のパージ弁２３０は全閉状態に制御されている。

　一方のパージ弁２３０が所定回数開閉された後、他方のパージ弁２３０には所定時間Ａの開弁指令と所定時間Ｂの閉弁指令とが交互に与えられ、パージ弁２３０の開閉が所定回数実行される。この時、一方のパージ弁２３０は全閉状態に制御されている。

　上記した開弁指令（パージ弁開指令）及び閉弁指令（パージ弁閉指令）は、コントローラ１０から各パージ弁２３０に出力される。図５に示したように、パージ弁水抜き操作制御においては、開弁指令と次回の開弁指令との間に所定期間の閉弁指令が出力されることで、次にパージ弁２３０が開弁される前にパージ弁２３０の状態を確実に閉弁状態としておくことが可能となっている。

　図６に示すように、本実施形態では、パージ弁水抜き操作制御時に各パージ弁２３０が開閉される回数は２回に設定されている。但し、パージ弁水抜き操作制御におけるパージ弁２３０の開閉回数は必要に応じて任意の値に設定することができる。

　パージ弁水抜き操作制御実行前には、燃料電池スタック１００のアノード入口部分におけるアノードガス圧力はアノード調圧弁２１２等の弁診断用の所定の低圧値に設定されている。この所定低圧値は、アイドリング時に設定される圧力値とほぼ等しく、燃料電池スタック１００で発電可能な最低圧力値となっている。

　パージ弁水抜き操作制御実行時には、アノードガス圧力が上述した所定の低圧値から水抜きパージ用圧力値まで高められ（図３のＳ８参照）、その後パージ弁水抜き操作制御が実行される。

　パージ弁水抜き操作制御では、一方のパージ弁２３０の開閉が２回実行され、その後に他方のパージ弁２３０の開閉が２回実行される。その後、アノードガス圧力が停止ＶＬＣ用圧力に設定されて、停止ＶＬＣ処理が実行される。

　燃料電池システム１の通常運転中は、燃料電池スタック１００は発熱しており、燃料電池スタック１００での発電反応に応じて水分が生成される。このような水分やカソード側からリークしてきた窒素等は不純物としてバッファータンクに溜まる。この不純物は、燃料電池システム１の通常運転中に適宜実行される運転中パージ制御によって、外部に排出される。

　しかしながら、冬季等においてパージ弁２３０内に水分が残存した状態で車両が放置された場合、パージ弁２３０内の水分が凍結する可能性がある。パージ弁２３０内の水分が凍結した状態において燃料電池システム１が起動されると、パージ弁２３０が正常に動作しないことがある。その結果、起動パージ動作が十分に実行できず、起動時間が長くなってしまう。

　本実施形態では、車両の停止指令があった場合、つまり燃料電池システム１を停止する場合に、パージ弁水抜き操作制御（停止パージ制御）が実行される。パージ弁水抜き操作制御では、アノードガス圧力を水抜きパージ用圧力値に設定した後、一方のパージ弁２３０を所定回数開閉し、その後他方のパージ弁を所定回数開閉する。なお、パージ弁水抜き操作制御におけるパージ弁２３０の開弁時間は、運転中パージ制御におけるパージ弁２３０の開弁時間よりも極めて短い時間となっている。

　パージ弁水抜き操作制御を実行すると、アノードオフガス中に含まれる未反応の水素も排出されるが、この時のパージ弁２３０の開弁時間は上述の通り短時間であるので、無用に水素を外部に排出することなく、パージ弁２３０内の水分を除去することができる。

　なお、発明者らによれば、パージ弁２３０の開弁直後にパージ弁２３０内の水分が移動しやすく、水分をパージ弁２３０から排出しやすいという知見が見出された。水分等の液体は、パージ弁２３０内を通過するアノードオフガスからの力を受けて一旦流線形に変形してしまうと、アノードオフガスから受ける空気抵抗が小さくなる。このように空気抵抗が小さくなると、パージ弁２３０内の水分にはアノードオフガスからの力が作用しにくくなる。したがって、水分を移動させやすいタイミングは、パージ弁２３０が開弁した直後から、液体の形状が流線形に変形する前までの短い期間である。そのため、短時間だけのパージであっても、パージ弁２３０から水分を確実に排出することができる。

　本実施形態による燃料電池システム１では、燃料電池スタック１００が発電運転を停止する時には、パージ弁２３０に溜まった水を除去するため、パージ弁２３０を所定回数開閉するパージ弁水抜き操作制御を実行する。これにより、パージ弁２３０に残留する水分量を低減できる。その結果、パージ弁２３０の凍結を抑制でき、起動パージ等でのパージ弁２３０の動作不良が防止される。

　パージ弁２３０は、入口流路２３１と、出口流路２３２と、入口流路２３１と出口流路２３２とを結ぶ中間流路２３３と、を備える。パージ弁２３０の弁体２３５は、中間流路２３３と出口流路２３２との境に位置する座面２３４に対して当接又は離間する。このパージ弁２３０においては、中間流路２３３が入口流路２３１及び出口流路２３２よりも細径に設定されているので、中間流路２３３通過時のアノードオフガスの流速を高くでき、水分の排出性をより向上させることができる。

　また、パージ弁２３０では、入口流路２３１がハウジング２３の下部に形成され、出口流路２３２がハウジング２３の上部に形成される。中間流路２３３は、入口流路２３１と出口流路２３２とを連結するように鉛直方向に延設されている。中間流路２３３の壁面に付着した水分は、重力により液滴として集められて球状となるため、中間流路２３３内を通過するアノードオフガスによって除去されやすい。したがって、パージ弁２３０に残留する水分量をより低減することが可能となる。

　さらに、パージ弁２３０では、中間流路２３３の上端面が座面２３４となっているので、座面２３４をパージ弁２３０内の高い位置に設定でき、座面２３４に水分が付着しにくくなっている。そのため、座面２３４と弁体２３５との間で水分が凍結することを抑制でき、パージ弁２３０の動作不良を抑えることが可能となる。

　パージ弁水抜き操作制御において、パージ弁２３０には今回の開弁指令と次回の開弁指令との間に所定期間の閉弁指令が出力され、パージ弁２３０は確実に閉弁した後に開弁するように開閉制御される。パージ弁水抜き操作制御でのパージ弁２３０の開閉制御においてパージ弁２３０が全閉状態となる期間を設定することで、パージ弁２３０内の水分が空気抵抗が小さくなる流線形に変形したままになってしまうことを防止する。つまり、パージ弁２３０を一旦全閉状態とすることによって、水分の形状を、流線形状から球状に変形させ、空気抵抗を受けやすい形状に戻す。その後、再度パージ弁２３０を開くことで、パージ弁２３０内の水分を容易に排出することが可能となる。

　なお、パージ弁２３０の閉弁時間（図５及び図６の所定時間Ｂ）が長すぎると、中間流路２３３内で上昇させた水分が垂れ落ちてしまう可能性がある。したがって、所定時間Ｂは、上昇させられた水分が閉弁時において垂れ落ちない長さに設定される。

　パージ弁水抜き操作制御では、一方のパージ弁２３０の開閉が所定回数実行された後に、他方のパージ弁２３０の開閉が所定回数実行される。このようにすることで、２つのパージ弁２３０の開状態がオーバーラップすることがなく、アノードオフガスのパージ流量を無用に増やしてしまうことが防止される。

　また、本実施形態では、パージ弁水抜き操作制御を実行する場合には、アノードガス圧力が、弁診断用の所定低圧値（アイドリング時に設定される圧力値）から水抜きパージ用圧力値まで高められ、パージ弁２３０内の水抜きに適した圧力に調整される（図６参照）。パージ弁水抜き操作制御前には、弁診断用の所定低圧値でアノード調圧弁２１２等の診断が実行される。このような弁診断用の圧力は、排水を目的としたパージには必ずしも向いてない。したがって、本実施形態では、パージ弁水抜き操作制御を実行する場合、アノードガスの圧力をパージ弁２３０内の水抜きに適した圧力に上げている。これにより、パージ弁２３０の開弁時間が短時間であっても、良好な排水性能を確保することができる。

　さらに、本実施形態では、燃料電池システム１が停止される場合にパージ弁水抜き操作制御が実行される。パージ弁水抜き操作制御におけるパージ弁２３０の開弁時間は、運転中パージ制御におけるパージ弁２３０の開弁時間よりも短い時間に設定される。このように短時間パージをシステム停止時にのみ実行するので、無用に多くのパージを実行することがない。したがって、パージ弁２３０の耐久性に悪影響を与えることがない。なお、凍結の可能性がある冬季や、外気温が所定温度以下となっている場合にのみ、パージ弁水抜き操作制御実行すれば、パージ弁２３０の耐久性を高めることができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　本願は２０１２年１２月３日に日本国特許庁に出願された特願２０１２－２６４３９６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (9)

1. 　アノードガスとカソードガスとが供給されて発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
   　前記燃料電池から排出されたアノードオフガスが流れるアノードオフガス流路と、
   　前記アノードオフガス流路に設けられるパージ弁と、
   　前記燃料電池が発電運転を停止する場合に、前記パージ弁を所定回数開閉する停止パージ制御を実行するパージ制御部と、
   　を備え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、
   　前記パージ制御部は、前記燃料電池の発電運転時にアノードオフガス中の不純物量に基づいて前記パージ弁を開弁する運転中パージ制御を実行し、
   　前記停止パージ制御時における前記パージ弁の開弁時間は、前記運転中パージ制御時における前記パージ弁の開弁時間よりも短く設定される、
   　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において、
   　前記パージ弁は、
   　ハウジングに形成される入口流路と、
   　ハウジングに形成される出口流路と、
   　前記入口流路及び前記出口流路よりも細径として構成され、前記入口流路と前記出口流路とを連結する中間流路と、
   　これら流路の連通状態を調整する弁体と、を備える、
   　燃料電池システム。
4. 　請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   　前記入口流路は、ハウジングの下部に形成され、
   　前記出口流路は、ハウジングの上部に形成され、
   　前記中間流路は、前記入口流路と前記出口流路とを連結するように鉛直方向に延設される、
   　燃料電池システム。
5. 　請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   　前記中間流路は、流路上端面が弁座として形成されており、
   　前記弁体は、前記弁座に対して当接又は離間するように構成される、
   　燃料電池システム。
6. 　請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   　前記パージ制御部は、前記停止パージ制御時には、今回のパージ弁開指令と次回のパージ弁開指令との間に所定期間のパージ弁閉指令を出力する、
   　燃料電池システム。
7. 　請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   　前記アノードオフガス流路は、前記燃料電池に対して２つ設けられる２系統流路であって、
   　前記パージ弁は、各系統のアノードオフガス流路にそれぞれ設けられ、
   　前記パージ制御部は、一方の前記パージ弁の停止パージ制御を実行した後に、他方の前記パージ弁の停止パージ制御を実行する、
   　燃料電池システム。
8. 　請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   　前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を設定する圧力設定部をさらに備え、
   　前記圧力設定部は、
   　通常運転時には、アノードガス圧力を前記燃料電池の目標出力に基づいて設定し、
   　前記停止パージ制御時には、アノードガス圧力を停止パージ制御に適した所定パージ圧力に設定する、
   　燃料電池システム。
9. 　請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
   　前記圧力設定部は、前記燃料電池の停止指令が出力された場合、アノードガス圧力を、アノードガス圧調整弁の弁診断用圧力に設定した後、弁診断用圧力よりも高い前記所定パージ圧力に設定し、
   　前記パージ制御部は、アノードガス圧力が前記所定パージ圧力である場合に停止パージ制御を実行する、
   　燃料電池システム。

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