(57)【要約】【課題】カソードガス排出通路の液体排出孔から水素濃度の高い排ガスが流出するのを抑制する。【解決手段】カソード電極に供給されたカソードガスとアノード電極に供給されたアノードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池２と、カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路４５と、カソードガス排出通路４５に設けられた液水排出用の第１液水排出部４５３ａと、第１液水排出部４５３ａよりも下流のカソードガス排出通路４５に設けられた液水排出用の第２液水排出部４５３ｂと、第１液水排出部４５３ａと第２液水排出部４５３ｂとの間に挿入されて、そのカソードガス排出通路４５内にアノード電極から排出されたアノードオフガスを排出するアノードガス排出通路３３と、アノードガス排出通路３３の終端部に設けられて、カソードガス排出通路３３の下流側に向かって開口するアノードオフガス排出口３３ａと、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極に供給されたカソードガスとアノード電極に供給されたアノードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、
前記カソードガス排出通路に設けられた第１液水排出部と、
前記第１貫通孔よりも下流の前記カソードガス排出通路に設けられた第２液水排出部と、
前記カソードガス排出通路の前記第１液水排出部と前記第２液水排出部との間に挿入されて、そのカソードガス排出通路内に前記アノード電極から排出されたアノードオフガスを排出するアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路の終端部に設けられて、前記カソードガス排出通路の下流側に向かって開口するアノードオフガス排出口と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１液水排出部及び第２液水排出部は、前記カソードガス排出通路に設けられた貫通孔である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１液水排出部は、前記カソードガス排出通路に設けられた貫通孔であり、
前記第２液水排出部は、前記カソードガス排出通路終端部のカソードガス排出口である
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記アノードガス排出通路は、前記第１液水排出部までの間隔が前記第２液水排出部までの間隔よりも短くなるように前記カソードガス排出通路に挿入される
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１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排出口は、前記カソードガス排出通路の通路中心に対して前記第１液水排出部の反対側に設けられる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１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排出口の近傍かつ上流の前記カソードガス排出通路に、そのカソードガス排出通路と平行な方向に延びる整流板を設ける
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１液水排出部から前記アノードガス排出通路を前記カソードガス排出通路に挿入する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システムの排気を制御する排気制御装置において、
前記カソード電極に供給するカソードガス流量を検出するカソードガス流量検出手段と、
前記燃料電池のカソードガス消費流量を算出するカソードガス消費流量算出手段と、
前記カソードガス流量と前記カソードガス消費流量とに基づいてカソードガス排出通路に排出されるカソードオフガス流量を算出するカソードオフガス流量算出手段と、
前記アノードガス排出通路に排出されるアノードオフガス流量を検出するアノードオフガス流量検出手段と、
前記アノードオフガス流量に基づいて、目標カソードオフガス流量を算出する目標カソードオフガス流量算出手段と、
前記カソードオフガス流量が前記目標カソードオフガス流量よりも少ないときは、前記カソードオフガス流量が前記目標カソードオフガス流量となるように、前記カソードオフガス流量を増加させるカソードオフガス流量増加手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの排気制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムの排気制御装置において、
前記カソード電極に供給するカソードガス流量を調節するコンプレッサを備え、
前記カソードオフガス流量増加手段は、前記コンプレッサを制御して前記カソード電極に供給するカソードガス流量を増加させて前記カソードオフガス流量を増加させる
ことを特徴とする燃料電池システムの排気制御装置。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の燃料電池システムの排気制御装置において、
前記カソードガス排出通路に設けられ、そのカソードガス排出通路を流れるカソードオフガス流量を調節する流量制御弁を備え、
前記カソードオフガス流量増加手段は、前記流量制御弁の開度を大きくして前記カソードオフガス流量を増加させる
ことを特徴とする燃料電池システムの排気制御装置。
【請求項１１】
請求項１から７までのいずれか１つに記載の燃料電池システムの排気を制御する排気制御装置において、
前記カソード電極に供給するカソードガス流量を検出するカソードガス流量検出手段と、
前記燃料電池のカソードガス消費流量を算出するカソードガス消費流量算出手段と、
前記カソードガス流量と前記カソードガス消費流量とに基づいてカソードガス排出通路に排出されるカソードオフガス流量を算出するカソードオフガス流量手段と、
前記カソードオフガス流量に基づいて、前記カソードガス排出通路に排出するアノードオフガス流量の上限値であるアノードオフガス上限流量を算出するアノードオフガス上限流量算出手段と、
前記アノードガス排出通路に排出されるアノードオフガス流量を検出するアノードオフガス流量検出手段と、
前記アノードオフガス流量が前記アノードオフガス上限流量よりも多くなったときは、前記カソードガス排出通路に排出するアノードオフガス流量を前記アノードオフガス上限流量まで減少させるアノードオフガス流量減少手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの排気制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムの排気制御装置において、
前記アノードガス排出通路に設けられ、前記カソードガス排出通路に排出するアノードオフガス流量を調節する流量制御弁を備え、
前記アノードオフガス流量減少手段は、前記流量制御弁の開度を小さくして前記カソードガス排出通路に排出するアノードオフガス流量を減少させる
ことを特徴とする燃料電池システムの排気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム及び燃料電池システムの排気制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、アノードオフガス又はカソードオフガスの少なくとも一方に乱流を発生させて混合するガス処理装置を備え、このガス処理装置に液体排出口を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１４２０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、カス処理装置にアノードオフガスを流入させる流入口の位置が液体排出口に近く、また流入口の位置がアノードオフガスの流れに沿って下流に位置すると、液体排出口から水度濃度の高い混合ガスが外気へ排出されてしまうという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させて外気へ排出する場合に、水度濃度の高い混合ガスが外気へ排出されるのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明は、カソード電極に供給されたカソードガスとアノード電極に供給されたアノードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、カソード電極から排出されたカソードオフガスが流れるカソードガス排出通路と、カソードガス排出通路に設けられた液水排出用の第１液水排出部と、液水排出部よりも下流のカソードガス排出通路に設けられた液水排出用の第２液水排出部と、第１液水排出部と第２液水排出部との間に挿入されて、そのカソードガス排出通路内にアノード電極から排出されたアノードオフガスを排出するアノードガス排出通路と、を備える。そして、アノードガス排出通路の終端部にアノードオフガス排出口を設け、そのアノードオフガス排出口をカソードガス排出通路の下流側に向かって開口させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１液水排出部と第２液水排出部との間に挿入されて、そのカソードガス排出通路内にアノード電極から排出されたアノードオフガスを排出するアノードガス排出通路の終端部にアノードオフガス排出口を設け、そのアノードオフガス排出口をカソードガス排出通路の下流側に向かって開口させる。これにより、カソードガス排出通路に排出されたアノードオフガスは、第１液水排出部から遠ざかる方向に流れる。したがって、アノードガス排出口から最も近い位置にある第１連通孔から水素濃度の高い混合ガスが排出されるのを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１実施形態によるアノードガス排出通路の挿入部近傍のカソードガス排出通路の拡大図である。
【図３】第２実施形態によるアノードガス排出通路の挿入部近傍のカソードガス排出通路の拡大図である。
【図４】第３実施形態によるアノードガス排出通路の挿入部近傍のカソードガス排出通路の拡大図である。
【図５】第４実施形態によるアノードガス排出通路の挿入部近傍のカソードガス排出通路の拡大図である。
【図６】第５実施形態によるカソードオフガス流量制御について説明するフローチャートである。
【図７】第６実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図８】第６実施形態によるアノードオフガス流量制御について説明するフローチャートである。
【図９】他の実施形態によるアノードガス排出通路の挿入部近傍のカソードガス排出通路の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。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極反応は以下の通りである。
【００１２】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１３】
このような燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略図である。
【００１５】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス吸排機構３と、カソードガス吸排機構４と、電気負荷５と、電圧計６と、電流計７と、コントローラ８と、を備える。
【００１６】
燃料電池スタック２は、積層された複数枚の燃料電池を含み、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック２は、電力を取り出す端子としてアノード電極側出力端子２１と、カソード電極側出力端子２２と、を備える。
【００１７】
アノードガス吸排機構３は、燃料タンク３０と、アノードガス供給通路３１と、燃料調圧弁３２と、アノードガス排出通路３３と、アノードオフガス流量計３４と、を備える。
【００１８】
燃料タンク３０は、燃料電池スタック２に供給するアノードガス（水素）を高圧状態で貯蔵する。
【００１９】
アノードガス供給通路３１は、一端部が燃料タンク３０に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２３ａに接続される。
【００２０】
燃料調圧弁３２は、燃料タンク３０の圧力を燃料電池スタック２に供給するのに適当な圧力に減圧する。
【００２１】
アノードガス排出通路３３は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２３ｂに接続され、他端部がカソードガス排出通路４５に挿入される。本実施形態では、このようにアノードガス排出通路３３をカソードガス排出通路４５に挿入させて、アノードオフガスをカソードオフガスと混合させた上で外気に排出している。
【００２２】
アノードオフガス流量計３４は、アノードガス排出通路３３に設けられる。アノードオフガス流量計３４は、アノードガス排出通路３３のアノードオフガス流量を検出する。
【００２３】
カソードガス吸排機構４は、カソードガス供給通路４０と、カソードガス流量計４１と、コンプレッサ４２と、熱交換器４３と、加湿器４４と、カソードガス排出通路４５と、空気調圧弁４６と、マフラ４７と、を備える。
【００２４】
カソードガス供給通路４０は、一端部が外気取り入れ口を形成し、他端部が燃料電池スタック２のカソードガス入口孔２４ａに接続される。
【００２５】
カソードガス流量計４１は、カソードガス供給通路４０に設けられる。カソードガス流量計４１は、カソードガス供給通路４０のカソードガス流量を検出する。
【００２６】
コンプレッサ４２は、カソードガス流量計４１よりも下流側のカソードガス供給通路４０に設けられる。コンプレッサ４２は、外気から取り込んだ空気（カソードガス）を加圧して燃料電池スタック２に供給する。
【００２７】
熱交換器４３は、コンプレッサ４２よりも下流側のカソードガス供給通路４０に設けられる。熱交換器４３は、コンプレッサ４２によって加圧された空気を冷却し、空気の温度を燃料電池の発電反応に適した温度に調節する。
【００２８】
加湿器４４は、加湿部４４１と除湿部４４２とを備える。
【００２９】
加湿部４４１は、熱交換器４３よりも下流側のカソードガス供給通路４０に設けられる。加湿部４４１は、コンプレッサ４２によって加圧された空気を加湿し、電解質膜の湿潤状態を発電に適した湿潤状態に維持する。
【００３０】
除湿部４４２は、カソードガス排出通路４５に設けられる。除湿部４４２は、燃料電池スタック２から排出されたカソードオフガスを除湿し、回収した水蒸気を加湿部４４１に供給する。
【００３１】
カソードガス排出通路４５は、一端部が燃料電池スタック２のカソードガス出口孔２４ｂに接続され、他端部が排気口を形成する。
【００３２】
空気調圧弁４６は、加湿器４４よりも下流側のカソードガス排出通路４５に設けられる。空気調圧弁４６は、カソードガス排出通路４５のカソードオフガス流量を調整する。
【００３３】
マフラ４７は、アノードガス排出通路３３の挿入部よりも下流側のカソードガス排出通路４５に設けられる。マフラ４７は、アノードガス排出通路挿入部の下流を流れるカソードオフガスとアノードオフガスとの混合ガス（以下「排ガス」という）の気流音を小さくする。
【００３４】
電気負荷５は、アノード電極側出力端子２１と、カソード電極側出力端子２２と、を電気的に導通する通電路５１に直列に設けられる。電気負荷５は、燃料電池スタック２で発電した電力を消費する。この電気負荷５には、リレースイッチ５２が直列に接続される。リレースイッチ５２は、コントローラ８によってオン・オフが制御され、リレースイッチ５２のオン時に燃料電池で発電した電力が電気負荷５で消費される。
【００３５】
電圧計６は、電気負荷５に対して並列に接続される。電圧計６は、アノード電極側出力端子２１と、カソード電極側出力端子２２と、の間の電圧を検出する。
【００３６】
電流計７は、電気負荷５に対して直列に接続される。電流計７は、通電路を５１流れる電流を検出する。
【００３７】
コントローラ８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８には、前述したアノードオフガス流量計３４、カソードガス流量計４１、電圧計６及び電流計７などの他に、燃料電池スタック２の運転状態を検出する種々のセンサ類からの信号が入力される。コントローラ８は、これらの入力信号に基づいてコンプレッサ４２や空気調圧弁４６、燃料調圧弁３２などを制御する。
【００３８】
図２は、アノードガス排出通路３３の挿入部近傍のカソードガス排出通路４５の拡大図である。図中のカソードガス排出通路４５の内部に記載された矢印は、カソードオフガスの主流の流れを示す。また、アノードガス排出通路３３の内部に記載された矢印は、カソードガス排出通路４５に排出されるアノードオフガスの流れを示す。
【００３９】
図２に示すように、カソードガス排出通路４５は、鉛直方向に延びる第１通路４５１と、第１通路４５１から９０度湾曲した後に水平方向に延びる第２通路４５２と、を備える。
【００４０】
第２通路４５２の下面には、カソードオフガス中の水分が凝縮することによって生じた液水を通路内から排出する２つの水抜き孔４５３が設けられる。この水抜き孔４５３によって、液水に起因する通気抵抗（圧力損失）の増大を抑制している。
【００４１】
上流側の水抜き孔４５３ａは、凝縮水が溜まりやすい第２通路４５２の湾曲部４５２ａの中央部近傍に設けられる。この領域に水抜き孔４５３ａを設けることによって、重力によって第１通路４５１の壁面を落下してきた液水を効果的に通路内から排出することができる。下流側の水抜き孔４５３ｂは、上流側の水抜き孔４５３ａから所定の間隔を空けて、第２通路４５２の水平部４２ｂに設けられる。
【００４２】
しかしながら、本実施形態のように、アノードオフガスをカソードオフガスに混合させて外気に排出する排気システムを採用する場合に、このような水抜き孔４５３を設けると以下のような問題点が生じる。
【００４３】
すなわち、アノードガス排出通路３３の挿入部から水抜き孔４５３までの間隔が短く、また挿入部が水抜き孔４５３の上流に位置すると、アノードガスとカソードガスとが十分に混合する前の、可燃限界以下まで水素濃度を下げられていない引火性の高い排ガス（以下「水素濃度の高い排ガス」という）が水抜き孔４５３から外気に流出するおそれがあるという問題点がある。
【００４４】
そこで本実施形態では、以下のようにアノードガス排出通路３３をカソードガス排出通路４５に接続する。
【００４５】
アノードガス排出通路３３は、２つの水抜き孔４５３の間であって、第２通路４５２の上面から垂直にカソードガス排出通路４５に挿入される。さらにアノードガス排出通路３３の先端には、アノードオフガスをカソードガス排出通路４５に排出する開口部３３ａが、カソードガス排出通路４５の下流側（図中右側）に設けられる。
【００４６】
これにより、アノードオフガスは、カソードオフガスの主流に沿うようにカソードガス排出通路４５に排出される。つまり、カソードガス排出通路４５に排出されたアノードオフガスは、上流側の水抜き孔４５３ａから遠ざかる方向へ流れる。そのため、アノードガス排出通路３３の挿入部から上流側の水抜き孔４５３ａまでの間隔を短くしても、上流側の水抜き孔４５３ａから水素濃度の高い排ガスが流出するのを抑制できる。
【００４７】
また、アノードガス排出通路３３は、下流側の水抜き孔４５３ｂよりも上流側の水抜き孔４５３ａに近い位置に配置される。アノードガス排出通路３３の挿入部から上流側の水抜き孔４５３ａまでの間隔を短くすることで、上流側の水抜き孔４５３ａから下流側の水抜き孔４５３ｂまでの間隔も短くすることができる。そのため、カソードガス排出通路４５の長さが長くなるのを抑制できるとともに、アノードガス排出通路３３の挿入部の配置場所の自由度が増す。これにより、排気システム全体の占有体積の増加を防ぐことができる。
【００４８】
なお、ここで「間隔」とは水抜き穴４５３ａの中心位置からアノードオフガス開口部３３ａまでの距離、もしくは水抜き穴４５３ａの中心位置から水抜き孔４５３ｂまでの距離を指すものである。
【００４９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、カソードガス排出通路４５の壁面近傍にアノードガス排出通路３３の開口部３３ａを設けた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００５０】
図３は、本発明の第２実施形態によるアノードガス排出通路３３の挿入部近傍のカソードガス排出通路４５の拡大図である。図中のカソードガス排出通路４５の内部に記載された矢印は、カソードオフガスの主流の流れを示す。また、アノードガス排出通路３３の内部に記載された矢印は、カソードガス排出通路４５に排出されるアノードオフガスの流れを示す。
【００５１】
図３に示すように、本実施形態では、アノードガス排出通路３３の開口部３３ａを、カソードガス排出通路４５の通路中心４５ａに対して上流側の水抜き孔４５３ａの反対側、かつ、カソードガス排出通路４５の壁面近傍に設ける。
【００５２】
カソードガス排出通路４５を流れるカソードオフガスの流速は、カソードガス排出通路４５の壁面の摩擦の影響で、壁面から通路中心４５ａに向かうにつれて増大する。
【００５３】
したがって、アノードオフガスが開口部３３ａから排出されて通路中心４５ａに拡散していく過程で、開口部３３ａから排出されたアノードオフガスを確実に上流側の水抜き孔４５３ａから遠ざかる方向へ流すことができる。そのため、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、より一層上流側の水抜き孔４５３ａから水素濃度の高い排ガスが流出するのを抑制できる。
【００５４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、水抜き孔４５３からアノードガス排出通路３３をカソードガス排出通路４５に挿入する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００５５】
図４は、本発明の第３実施形態によるアノードガス排出通路３３の挿入部近傍のカソードガス排出通路４５の拡大図である。図中のカソードガス排出通路４５の内部に記載された矢印は、カソードオフガスの主流の流れを示す。また、アノードガス排出通路３３の内部に記載された矢印は、カソードガス排出通路４５に排出されるアノードオフガスの流れを示す。
【００５６】
図４に示すように、本実施形態では、上流側の水抜き孔４５３ａの径をアノードガス排出通路３３の径よりも大きくして、アノードガス排出通路３３を上流側の水抜き孔４５３ａから垂直にカソードガス排出通路４５に挿入する。その際、アノードガス排出通路３３は上流側の水抜き孔４５３ａに対して、カソードオフガスの主流に対して下流側の隙間を埋めるように接する状態で挿入される。これによってカソードオフガスの主流に対して水抜き孔４５３ａとアノードガス排出通路３３の上流側の隙間が実質的に上流側の水抜き孔として作用する。
【００５７】
以上説明した本実施形態によれば、アノードガス排出通路３３の挿入部から上流側の水抜き孔４５３ａまでの間隔を略ゼロにしつつ、上流側の水抜き孔４５３ａから水素濃度の高い排ガスが流出するのを抑制できる。
【００５８】
したがって、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、アノードガス排出通路３３の挿入部から下流側の水抜き孔４５３ｂまでの間隔が第１実施形態と比べて拡がるので、下流側の水抜き孔４５３ｂに至るまでに排ガスの水素濃度を可燃限界以下まで低下させることができる。
【００５９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、第２通路４５２の湾曲部４５２ａに整流板４５４を設けた点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００６０】
図５は、本発明の第４実施形態によるアノードガス排出通路３３の挿入部近傍のカソードガス排出通路４５の拡大図である。図中のカソードガス排出通路４５の内部に記載された矢印は、カソードオフガスの主流の流れを示す。また、アノードガス排出通路３３の内部に記載された矢印は、カソードガス排出通路４５に排出されるアノードオフガスの流れを示す。
【００６１】
図５に示すように、本実施形態では、第２通路４５２の湾曲部４５２ａに、湾曲部４５２ａと平行に延びる２つの整流板４５４を設ける。
【００６２】
これにより、カソードオフガスの流れが乱れやすい湾曲部４５２ａにおいて、カソードオアフガスの主流が通路中心４５ａを流れやすくすることができるので、第１実施形態と同様の効果が得られるととともに、確実にカソードオフガスの主流に沿うようにアノードオフガスをカソードガス排出通路４５に排出することができる。
【００６３】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、排ガス中の水素濃度を確実に低くできるようにカソードガスの供給流量を制御する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００６４】
カソードガス排出通路４５に合流するアノードオフガス流量に対して、カソードオフガス流量が相対的に少ないと、排ガス中の水素濃度を可燃限界まで低くできず、下流側の水抜き孔４５３ｂから水素濃度の高い排ガスが排出される可能性がある。また、上流側の水抜き孔４５３ａの方向へとアノードオフガスが拡散してしまって、上流側の水抜き孔４５３ａから水素濃度の高い排ガスが排出される可能性がある。
【００６５】
そこで本実施形態では、確実に排ガス中の水素濃度を可燃限界以下まで下げられるように、カソードオフガス流量を制御する。以下、このカソードオフガス流量制御について説明する。
【００６６】
図６は、本実施形態によるカソードオフガス流量制御について説明するフローチャートである。コントローラ８は、本ルーチンを燃料電池システム１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００６７】
ステップＳ１において、コントローラ８は、カソードガス流量計４１によってカソードガス供給通路４０のカソードガス流量を検出する。
【００６８】
ステップＳ２において、コントローラ８は、電流計７によって検出した燃料電池スタック２の出力電流に基づいて、燃料電池スタック２の内部で消費されるカソードガス流量（以下「カソードガス消費流量」という）を算出する。
【００６９】
ステップＳ３において、コントローラ８は、カソードガス流量とカソードガス消費流量とに基づいて、カソードガス排出通路４５のカソードオフガス流量を算出する。
【００７０】
ステップＳ４において、コントローラ８は、アノードオフガス流量計３４によってアノードガス排出通路３３のアノードオフガス流量を検出する。
【００７１】
ステップＳ５において、コントローラ８は、アノードオフガス流量に基づいて、下流側の水抜き孔４５３ｂの近傍の排ガス中の水素濃度を可燃限界以下まで下げることのできるカソードオフガス流量（以下「目標カソードオフガス流量」という）を算出する。目標カソードオフガス流量は、アノードオフガス流量が多いときほど多くなる。
【００７２】
ステップＳ６において、コントローラ８は、カソードオフガス流量が目標カソードオフガス流量よりも多いか否かを判断する。コントローラ８は、カソードオフガス流量が目標カソードオフガス流量よりも多ければ今回の処理を終了する。一方で、カソードオフガス流量が目標カソードオフガス流量よりも少なければステップＳ７に処理を移行する。
【００７３】
ステップＳ７において、コントローラ８は、カソードオフガス流量が目標カソードオフガス流量となるように、コンプレッサ４２及び空気調圧弁４６の一方または双方を制御する。具体的には、コンプレッサ４２の吐出圧を上げて燃料電池スタック２へ供給するカソードガスの供給圧を上げる。また、空気調圧弁４６の開度を大きくしてカソードガス排出通路を流れるカソードオフガス流量を増やす。
【００７４】
以上説明した本実施形態によれば、アノードオフガス流量に基づいて下流側の水抜き孔４５３ｂの近傍において、排ガス中の水素濃度を可燃限界以下まで下げることのできる目標カソードオフガス流量を算出する。そして、カソードオフガス流量が目標カソードオフガス流量よりも少ないときは、カソードオフガス流量が目標カソードオフガス流量となるように、コンプレッサ４２及び空気調圧弁４６を制御する。つまり、カソードオフガス流量に対してアノードオフガス流量を相対的に少なくする。
【００７５】
これにより、カソードガス排出通路４５に排出されたアノードオフガスは、下流側の水抜き孔４５３ｂに至るまでの間にカソードオフガスと十分に混合する。そのため、水素濃度の高い排ガスが下流側の水抜き孔４５３ｂから流出するのを抑制することができる。
【００７６】
また、カソードオフガス流量を相対的に多くすることで、カソードオフガスの主流に沿ってアノードオフガスを拡散させることができ、上流側の水抜き孔４５３ａの方向へとアノードオフガスが拡散するのを抑制できる。よって、上流側の水抜き孔４５３ａから水素濃度の高い排ガスが流出するのを抑制することができる。
【００７７】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、排ガス中の水素濃度を確実に低くできるように、カソードガス排出通路４５に排出するアノードオフガス流量を制御する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点について説明する。
【００７８】
図７は、本発明の第６実施形態による燃料電池システム１の概略図である。
【００７９】
本実施形態による燃料電池システム１は、アノードオフガス流量計３４よりも上流側のアノードガス排出通路３３に流量調整弁３５を備える。
【００８０】
流量調整弁３５は、コントローラ８によって開度が制御され、カソードガス排出通路４５に排出するアノードオフガス流量を調整する。以下、このアノードオフガス流量制御について説明する。
【００８１】
図８は、本実施形態によるアノードオフガス流量制御について説明するフローチャートである。コントローラ８は、本ルーチンを燃料電池システム１の運転中に所定の演算周期（例えば１０ｍｓ）で実行する。
【００８２】
ステップＳ１からステップＳ４までは第５実施形態と同様なので説明を省略する。
【００８３】
ステップＳ１１において、コントローラ８は、カソードオフガス流量に基づいて、カソードガス排出通路４５に排出しても上流側の水抜き孔４５３ａ及び下流側の水抜き孔４５３ｂから水素濃度の高い排ガスが排出されるおそれのないアノードオアフガス流量（以下「アノードオフガス上限流量」という）を算出する。具体的には、予め実験等で定められたカソードオフガス流量とアノードオフガス上限流量と関係を示すテーブルから算出する。
【００８４】
ステップＳ１２において、コントローラ８は、アノードオフガス流量がアノードオフガス上限流量よりも多いか否かを判断する。コントローラ８は、アノードオフガス流量がアノードオフガス上限流量よりも多ければ、ステップＳ１３に処理を移行する。一方で、アノードオフガス流量がアノードオフガス上限流量よりも少なければ、ステップＳ１４に処理を移行する。
【００８５】
ステップＳ１３において、コントローラ８は、流量調整弁３５を絞ってアノードオフガス流量をアノードオフガス上限流量まで低下させる。
【００８６】
ステップＳ１４において、コントローラ８は、流量調整弁の開度を所定開度だけ大きくする。
【００８７】
以上説明した本実施形態によれば、カソードオフガス流量に基づいて、カソードガス排出通路４５に排出しても上流側の水抜き孔４５３ａ及び下流側の水抜き孔４５３ｂから水素濃度の高い排ガスが流出するおそれのないアノードオフガス上限流量を算出する。そして、アノードオフガス流量がアノードオフガス上限流量よりも多いときは、流量調整弁３５を絞ってアノードオフガス流量をアノードオフガス上限流量まで低下させる。つまり、カソードオフガス流量に対してアノードオフガス流量を相対的に少なくする。
【００８８】
これにより、カソードガス排出通路４５に排出されたアノードオフガスは、下流側の水抜き孔４５３ｂに至るまでの間にカソードオフガスと十分に混合する。そのため、水素濃度の高い排ガスが下流側の水抜き孔４５３ｂから流出するのを抑制することができる。
【００８９】
また、カソードオフガス流量を相対的に多くすることで、カソードオフガスの主流に沿ってアノードオフガスを拡散させることができ、上流側の水抜き孔４５３ａの方向へとアノードオフガスが拡散するのを抑制できる。よって、上流側の水抜き孔４５３ａから水素濃度の高い排ガスが流出するのを抑制することができる。
【００９０】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００９１】
例えば、第４実施形態では湾曲部４５２ａに整流板４５４を設けたが、アノードガス排出通路３３の挿入部の近傍かつ上流側の水平部４５２ｂに設けても良い。
【００９２】
また、上記各実施形態では、下流側の水抜き孔４５３ｂをカソードガス通路４５の水平部４５２ｂに設けたが、これより下流に湾曲した箇所があるときは、その湾曲箇所にも植設けるのが望ましい。
【００９３】
さらに、上記各実施形態では、カソードガス排出通路４５に２つの水抜き孔４５３を設けたが、図９に示すように、上流側にだけ水抜き孔４５３ａを設け、カソードガス排出通路４５の終端部の排出口４５ｂを下流側の水抜き孔４５３ｂの代わりにしても良い。
【符号の説明】
【００９４】
１    燃料電池システム
２    燃料電池スタック（燃料電池）
３３    アノードガス排出通路
３３ａ  開口部（アノードオフガス排出口）
３５    流量制御弁
４２    コンプレッサ
４５    カソードガス排出通路
４５ａ  通路中心
４５ｂ  排出口（第２液水排出部）
４６    空気調圧弁（流量制御弁）
４５３ａ  水抜き孔（第１液水排出部）
４５３ｂ  水抜き孔（第２液水排出部）
４５４    整流板
Ｓ１    カソードガス流量検出手段
Ｓ２    カソードガス消費流量算出手段
Ｓ３    カソードオフガス流量算出手段
Ｓ４    アノードオフガス流量検出手段
Ｓ５    目標アノードオフガス流量算出手段
Ｓ７    カソードオフガス流量増加手段
Ｓ１１  アノードオフガス上限流量算出手段
Ｓ１３  アノードオフガス流量減少手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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